WO2018092652A1 - 角度検出装置 - Google Patents

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WO2018092652A1
WO2018092652A1 PCT/JP2017/040230 JP2017040230W WO2018092652A1 WO 2018092652 A1 WO2018092652 A1 WO 2018092652A1 JP 2017040230 W JP2017040230 W JP 2017040230W WO 2018092652 A1 WO2018092652 A1 WO 2018092652A1
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WO
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bearing
shaft
structural element
rotating member
axial direction
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/040230
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English (en)
French (fr)
Inventor
伊藤　浩義
数野　恵介
Original Assignee
Ntn株式会社
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train

Definitions

  • the present invention relates to an angle detection device used for the purpose of detecting a relative swing angle around an axis between two members connected by a shaft in construction machines, other industrial machines, and the like.
  • the center frame of the swivel body and the boom are connected via a shaft, and the boom swings around the axis with respect to the center frame.
  • an angle detection device for detecting the swing angle there is one in which a rotation angle detection unit is attached to a boom and a lever mechanism is provided between a rotation member of the unit and a shaft.
  • the lever mechanism moves in a link function that rotates the rotating member, and the rotation angle of the rotating member is detected by the sensor unit of the unit.
  • the swing angle of the boom relative to the center frame can be detected by the sensor unit output (Patent Document 1 below).
  • a rotation angle detection unit used in an angle detection device such as Patent Document 1
  • a sensor housing two rows of rolling bearings that rotatably support the rotation member with respect to the sensor housing, and a rotation member at one end of the rotation member
  • a magnetic sensor that detects a change in the magnetic field of the permanent magnet accompanying rotation of the rotating member and outputs an electrical signal corresponding to the rotation angle of the rotating member (the following patent document) 2).
  • this rotation angle detection unit supports the rotation member in the radial direction by two rows of rolling bearings.
  • the problem to be solved by the present invention is to simplify the structure of an angle detection device that detects an oscillation angle around an axis between two members connected via an axis.
  • the present invention provides an angle detection device for detecting a swing angle of a second structural element connected to a first structural element via a shaft relative to the first structural element around an axis.
  • a sensor housing fixed to the first structural element, a sensor unit fixed to the inside of the sensor housing, and a rotating member attached coaxially to the shaft, wherein the sensor unit is the rotating member
  • An electrical signal corresponding to the rotation angle is output, and the shaft is configured to be rotatable integrally with the second structural element.
  • the axis that is the center of relative oscillation of the second structural element with respect to the first structural element rotates integrally with the second structural element with respect to the first structural element. Therefore, the rotation angle of the shaft corresponds to the swing angle, and the rotation angle of the rotary member attached coaxially to the shaft also corresponds to the swing angle. For this reason, the rotation angle of the rotating member corresponding to the swing angle can be detected by the sensor unit fixed to the first structural element side. As described above, since the rotation angle of the rotary member attached coaxially to the axis serving as the oscillation center is detected by the sensor unit, the lever mechanism as in Patent Document 1 is not required, and the structure of the angle detection device is simplified.
  • the first structural element further includes a first bearing and a second bearing that support the shaft in a radial direction with respect to the first structural element, and the first structural element has a pair of side wall portions facing in the axial direction,
  • the first bearing is attached to the side wall on one side in the axial direction
  • the second bearing is attached to the side wall on the other side opposite to the one side in the axial direction
  • the second structural element is A shaft hole portion disposed between the pair of side wall portions, wherein the shaft has an intermediate portion that fits into the shaft hole portion, and a first end portion that protrudes from the first bearing toward the one axial side.
  • the shaft hole portion and the intermediate portion are integrally connected to be rotatable, and the rotating member is preferably attached to the first end portion.
  • the shaft and the second structural element are rotatably connected integrally between the shaft hole portion of the second structural element disposed between the pair of side wall portions of the first structural element and the intermediate portion of the shaft.
  • the shaft has a head fitted to the first bearing, and a second end projecting from the second bearing to the other side in the axial direction, and the outer diameter of the head Is larger in diameter than the intermediate portion and the second end portion, and the head portion is supported in the axial direction with respect to the second structural element via a third bearing, and the second portion
  • the retaining portion attached to the end portion may be supported in the axial direction with respect to the side wall portion on the other side in the axial direction via a fourth bearing.
  • the shaft is prevented from coming off toward the other side in the axial direction by axial contact between the head, the third bearing, and the second structural element, while the retaining portion attached to the second end of the shaft and the second Axial contact between the four bearings and the side wall on the other side in the axial direction prevents the shaft from coming off toward the one side in the axial direction, and allows the rotating member attached to the first end of the shaft to rotate smoothly.
  • the axial displacement relative to the sensor housing can be limited.
  • an outer ring fitted inside the sensor housing, an inner ring arranged inside the outer ring, and a row of rolling elements arranged between the outer ring and the inner ring A single-row radial bearing including: a thrust bearing that axially supports the inner ring with respect to the sensor housing; and an outer ring that is mounted on the sensor housing so as to receive the outer ring in an axial direction on the opposite side of the thrust bearing.
  • a permanent magnet held by a part the sensor part has a magnetic sensor facing the permanent magnet, and the rotating member is radially with respect to the sensor housing only by the single row radial bearing. Supported Rukoto is preferable.
  • the magnetic rotation angle can be detected by the sensor portion and the rotating member, the single row radial bearing is fixed to the sensor housing by the thrust bearing and the pressing portion, and the rotating member is attached to the inner ring.
  • the sensor housing, the sensor portion, the rotating member, the single row radial bearing, the thrust bearing, and the pressing portion can be unitized. By fitting the inner peripheral portion of the rotating member of the unit to the shaft, the rotating member and the shaft can be connected coaxially.
  • the sensor unit further includes a substrate fixed inside the sensor housing, the sensor unit is surface-mounted on the substrate, and the permanent magnet is disposed on an extension of the rotation axis of the shaft.
  • the sensor unit and the permanent magnet may be opposed to each other with a predetermined gap in the axial direction. In this way, the area of the substrate can be increased by utilizing the area of the sensor housing portion located on the extension of the shaft, so that stable placement of the substrate and mounting of highly functional electronic components is facilitated. .
  • the sensor unit can be programmed to correct the output value. If it does in this way, before attaching the rotation member of a unit to a shaft, the rotation member can be rotated and amendment of a sensor part output can be performed about arbitrary division positions of a rotation angle.
  • the sensor unit can output in two systems.
  • the sensor unit can output in two systems.
  • the present invention simplifies the structure of the angle detection device by eliminating the lever mechanism from the angle detection device that detects the swing angle around the shaft between the two members connected via the shaft by adopting the above configuration. Can do.
  • Sectional drawing which shows the angle detection apparatus which concerns on embodiment of this invention
  • the enlarged side view which shows a part of external appearance of the sensor housing of FIG.
  • the angle detection device shown in FIG. 1 includes a first structural element 10 and a second structural element 30 connected via a shaft 20, and the relative axis 20 of the second structural element 30 with respect to the first structural element 10.
  • the rotation angle of the rotation is detected.
  • the “axial direction” means a direction along the central axis of the above-described oscillation, and coincides with the direction of the central axis of the shaft 20.
  • a direction perpendicular to the central axis is referred to as “radial direction”
  • a circumferential direction around the central axis is referred to as “circumferential direction”.
  • rotation of an arbitrary member in the circumferential direction around the central axis is called “rotation”.
  • the first structural element 10 and the second structural element 30 are each composed of a structural part constituting a part of the mechanical device. At least one of the first structural element 10 and the second structural element 30 is rotated by the transmitted driving force.
  • the first structural element 10 has a pair of side wall portions 11 and 12 facing each other in the axial direction.
  • the illustrated angle detection device includes a first bearing 40 and a second bearing 50 that support the shaft 20 in the radial direction with respect to the first structural element 10.
  • the first bearing 40 is attached to the side wall 11 on one axial side (left side in the figure).
  • the second bearing 50 is attached to the side wall 12 on the other axial side (the right side in the figure).
  • the radial load of the second structural element 30 is received by the first structural element 10 via the first bearing 40 and the second bearing 50.
  • the first bearing 40 and the second bearing 50 are each made of a slide bearing.
  • the 1st bearing 40 and the 2nd bearing 50 are fitted by the bearing seat part formed in the corresponding side wall parts 11 and 12, respectively.
  • the second structural element 30 has a shaft hole portion 31 disposed between the pair of side wall portions 11 and 12.
  • the shaft 20 includes an intermediate portion 21 that fits in the shaft hole portion 31 of the second structural element 30, a first end portion 22 that protrudes from the first bearing 40 to the left in the drawing, and a head portion that is fitted to the first bearing 40. 23 and a second end 24 protruding from the second bearing 50 to the right side in the drawing.
  • the shaft hole portion 31 of the second structural element 30 and the intermediate portion 21 of the shaft 20 are connected so as to be integrally rotatable.
  • This connecting means is composed of a key 60 attached to the intermediate portion 21 and a key groove 32 formed in the shaft hole portion 31. Thereby, relative rotation of the shaft 20 and the second structural element 30 is prevented, and the shaft 20 can rotate integrally with the second structural element 30 with respect to the first structural element 10.
  • the connecting means between the shaft 20 and the second structural element 30 may employ a spline or serration fitting and rotation prevention instead of the key, or may employ a press-fit interference fit.
  • the outer diameter of the head part 23 of the shaft 20 is larger than that of the intermediate part 21 and the second end part 24.
  • the head 23 is supported in the axial direction with respect to the second structural element 30 via the third bearing 70.
  • the third bearing 70 is a slide bearing.
  • the third bearing 70 is also interposed between the left side wall portion 11 and the second structural element 30 in the drawing.
  • a retaining portion 80 is attached to the second end portion 24 of the shaft 20.
  • the retaining portion 80 is supported in the axial direction with respect to the right side wall portion 12 in the figure via a fourth bearing 90.
  • the fourth bearing 90 is a slide bearing.
  • the fourth bearing 90 has a bearing outer diameter that also contacts the right side wall 12 in the drawing.
  • the second structural element 30 is supported in the axial direction with respect to the right side wall portion 12 in the drawing via the fifth bearing 100.
  • the leftward axial load of the second structural element 30 is received by the first structural element 10 via the third bearing 70.
  • the rightward axial load of the second structural element 30 in the drawing is received by the first structural element 10 via the fifth bearing 100.
  • Examples of the sliding bearing employed in the first bearing 40, the second bearing 50, the third bearing 70, the fourth bearing 90, and the fifth bearing 100 include an oil-impregnated bearing obtained by impregnating a sintered metal with a lubricating oil, and a back metal. Further, there is a plain bearing in which a fluororesin is mixed with porous sintering obtained by sintering powder such as bronze.
  • the shaft 20 has a first bearing 40, a third bearing 70, a shaft hole portion 31, a fifth bearing 100, and a second bearing 50 from the second end 24 toward the right side in the drawing from the left side to the right side in the figure.
  • the fourth bearing 90 is inserted in this order.
  • a retaining portion 80 is attached to the second end portion 24 of the inserted shaft 20.
  • the second end portion 24 of the shaft 20 is a male screw portion.
  • the retaining portion 80 includes a nut 81 that is screwed into the second end portion 24, and a washer 82 that is sandwiched between the nut 81 and the fourth bearing 90 in the axial direction.
  • the right side of the third bearing 70 in the drawing is supported in the axial direction by the second structural element 30, the fifth bearing 100, and the right side wall portion 12 in the drawing. Further, the left side of the fourth bearing 90 in the drawing is supported in the axial direction by the right side wall portion 12 in the drawing. Even if the shaft 20 is about to be displaced in the right direction in the drawing, the head portion 23 is locked to the third bearing 70. Further, even if the shaft 20 is about to be displaced in the left direction in the drawing, the retaining portion 80 attached to the second end portion 24 is locked to the fourth bearing 90. For this reason, the shaft 20 is not substantially displaced on both sides in the axial direction with respect to the first structural element 10 and the second structural element 30.
  • the illustrated angle detection apparatus includes a sensor housing 200 fixed to the first structural element 10, a sensor unit 210 fixed to the inside of the sensor housing 200, a rotating member 220 attached coaxially to the shaft 20, and rotation A single row radial bearing 230 interposed between the member 220 and the sensor housing 200, a thrust bearing 240 interposed between the single row radial bearing 230 and the sensor housing 200, and a pressing portion 250 attached to the sensor housing 200, And a substrate 260 fixed inside the sensor housing 200 and a wire harness 270 connected to the substrate 260.
  • the sensor housing 200 to the wire harness 270 are assembled into a unit that can be handled integrally.
  • the sensor housing 200 includes a flange portion 201 fixed to the first structural element 10 and a cup portion 202 that forms an accommodation space that is recessed in the axial direction from one end surface of the flange portion 201.
  • the one end surface of the flange portion 201 of the sensor housing 200 is located at the right end of the sensor housing 200 in the drawing, and is a flat surface along the radial direction.
  • One end surface of the flange portion 201 is abutted against the surface portion along the radial direction of the first structural element 10.
  • the illustrated flange portion 201 is fixed to the left end surface of the left side wall portion 11 in the drawing by a screw (not shown).
  • the cup portion 202 of the sensor housing 200 has an inner peripheral surface and an inner bottom surface along the radial direction, and is open toward the right side in the drawing.
  • the inner peripheral surface of the cup portion 202 surrounds the sensor portion 210, the substrate 260, the single row radial bearing 230, the thrust bearing 240, and the pressing portion 250 over the entire circumference.
  • the inner bottom surface of the cup portion 202 is a portion located on the extension of the first end portion 22 of the shaft 20.
  • the cup portion 202 is formed with a harness port for taking out the wire harness 270 connected to the substrate 260 to the outside.
  • the harness opening of the cup portion 202 is closed with a sealing material 203.
  • the single-row radial bearing 230 includes an outer ring 231 fitted inside the sensor housing 200, an inner ring 232 arranged inside the outer ring 231, and a row of rolling elements 233 arranged between the outer ring 231 and the inner ring 232. And have.
  • the rolling elements 233 are made of balls.
  • One row of rolling elements 233 is equally arranged in the circumferential direction by a cage.
  • the single row radial bearing 230 is a sealed bearing further having a contact type seal 234.
  • the fit between the outer diameter surface of the outer ring 231 and the inner diameter surface of the cup portion 202 of the sensor housing 200 is set to be a clearance fit.
  • the thrust bearing 240 supports the inner ring 232 in the axial direction with respect to the cup portion 202 of the sensor housing 200.
  • the thrust bearing 240 is a slide bearing.
  • the thrust bearing 240 is interposed between the left end of the inner ring 232 in the figure and the annular flat surface along the radial direction of the cup portion 202.
  • the holding part 250 receives the outer ring 231 in the axial direction on the side opposite to the thrust bearing 240 (right side in the figure).
  • the single row radial bearing 230 is restrained in the axial direction by the pressing portion 250 and the thrust bearing 240, and is not substantially displaced in the axial direction with respect to the sensor housing 200.
  • the illustrated holding portion 250 includes a stop member 251 fixed to the sensor housing 200 and a wave washer 252 interposed between the stop member 251 and the outer ring 231.
  • the pressing portion 250 is fixed to the sensor housing 200 with a screw (not shown).
  • the wave washer 252 is bent by fixing the stopper member 251. Due to the elastic repulsive force of the wave washer 252, the right end of the outer ring 231 in the figure is pushed in the left direction in the figure. As a result, the left end of the inner ring 232 in the figure is pressed against the thrust bearing 240, and the thrust bearing 240 receives the thrust load.
  • the rotating member 220 is held by the inner peripheral part 221 fitted to the shaft 20, the outer peripheral part 222 fitted by the inner ring 232, the central part 223 facing the shaft 20 in the axial direction, and the central part 223. And a permanent magnet 224.
  • the rotating member 220 can be attached to the first end portion 22 of the shaft 20 at the inner peripheral portion 221 thereof.
  • the fitting between the outer diameter surface of the outer peripheral portion 222 of the rotating member 220 and the inner diameter surface of the inner ring 232 is set to an interference fit.
  • the rotating member 220 is supported in the radial direction with respect to the sensor housing 200 by only the single-row radial bearing 230.
  • the inner peripheral portion 221 of the rotating member 220 is positioned inside the outer diameter surface of the outer peripheral portion 222 and is set coaxially with the outer diameter surface and the first end portion 22 of the shaft 20.
  • the inner peripheral portion 221 is fitted to the outer diameter surface of the first end portion 22 of the shaft 20.
  • the rotating member 220 is coaxially attached to the shaft 20.
  • the inner peripheral portion 221 is connected to the first end portion 22 of the shaft 20 so as to be integrally rotatable.
  • the connecting means is composed of a key 110 attached to the first end 22 and a key groove 225 formed in the inner peripheral portion 221. Thereby, the relative rotation of the rotating member 220 and the shaft 20 is prevented, and the rotating member 220 can rotate integrally with the shaft 20.
  • the PV value (load pressure: P ⁇ sliding speed: V) of the thrust bearing 240 may be appropriately determined in consideration of the elastic repulsion force of the wave washer 252 and the rotational speed of the shaft 20.
  • the permanent magnet 224 of the rotating member 220 is formed in a cylindrical shape.
  • the permanent magnet 224 for example, a ferrite magnet or a rare earth magnet can be employed.
  • the permanent magnet 224 is magnetized in the radial direction and has one pole pair of N pole and S pole.
  • the permanent magnet 224 is disposed on the left end surface of the central portion 223 of the rotating member 220 in the drawing.
  • the central portion 223 holds the permanent magnet 224 at a position where the central axis of the permanent magnet 224 and the central axis of the shaft 20 are coaxial.
  • the rotating member 220 closes the inner side of the inner ring 232.
  • a sealed space is formed by the rotating member 220, the cup portion 202 of the sensor housing 200, the sealing material 203, and the seal 234 on the right side of the single row radial bearing 230 in the drawing. Electrical components such as the sensor unit 210 and the substrate 260 are disposed in the sealed space.
  • the sensor unit 210 outputs an electrical signal corresponding to the rotation angle of the rotating member 220.
  • the illustrated sensor unit 210 includes an integrated circuit including a magnetic sensor array facing the permanent magnet 224, a signal processing circuit, an arithmetic circuit, an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) and the like (all not shown).
  • the sensor unit 210 is surface-mounted on the substrate 260.
  • the magnetic sensor of the sensor unit 210 and the permanent magnet 224 face each other with a predetermined gap in the axial direction.
  • the sensor unit 210 is disposed so that the magnetic sensor and the permanent magnet 224 face each other in the axial direction on the rotation axis of the rotating member 220. Note that other electronic components are also mounted on the substrate 260.
  • the sensor unit 210 detects a change in the magnetic field of the permanent magnet 224 due to the rotation of the rotating member 220 by the magnetic sensor array described above, and converts it into an electrical signal corresponding to the rotation angle of the rotating member 220.
  • the output of the sensor unit 210 may be an analog output whose voltage changes in proportion to the rotation angle of the rotation member 220 or a PWM output whose pulse width changes in proportion to the rotation angle of the rotation member 220. . Further, the output of the sensor unit 210 may be one system or two systems.
  • the illustrated sensor unit 210 can output in two systems. One system is used as a backup. In addition, since the sensor part itself with such a function is a general thing, the detailed description is abbreviate
  • the sensor unit 210 can be programmed to correct the output value. This is to improve the linearity of each output of the sensor unit 210 corresponding to the rotation angle of the rotating member 220.
  • the sensor unit 210 is a device that corrects the output value of each magnetic sensor while rotating the rotating member 220 in advance and can write to the EEPROM of the sensor unit 210. For this reason, before attaching the rotation member 220 to the axis
  • the sensor part itself with such a function is a general thing, the detailed description is abbreviate
  • the wire harness 270 has electric wires 271 and 272 for supplying electric power to the sensor unit 210 and electric wires 273 and 274 for taking out two outputs of the sensor unit 210, as shown in FIGS.
  • These electric wires 271 to 274 are led out from the above-described harness port of the sensor housing 200 from the left plate surface of the substrate 260 in the drawing, and are fixed to the sensor housing 200 by screws 275 and pressing metal fittings 276 as appropriate.
  • the lead-out portions of the electric wires 271 to 274 and the surface of the substrate 260 are sealed with the sealing material 203 described above.
  • the material used as the sealing material 203 include thermosetting resin, epoxy, urethane, and the like.
  • the angle detection device shown in FIG. 1 is as described above, and in the state where the sensor housing 200 to the wire harness 270 are integrated together, the rotating member 220 is rotated to calibrate the output of the sensor unit 210. Then, the inner peripheral portion 221 of the rotating member 220 is fitted to the first end portion 22 of the shaft 20, and the rotating member 220 can be coaxially attached to the shaft 20.
  • a driving force is applied to at least one of the first structural element 10 and the second structural element 30, the second structural element 30 relative to the first structural element 10 swings relative to the axis 20.
  • the shaft 20 which is the center of the swing is connected to the second structural element 30 by the key 60, and therefore rotates relative to the first structural element 10 integrally with the second structural element 30. .
  • the rotating member 220 is connected to the shaft 20 by the key 110, the rotating member 220 is integrated with the shaft 20 and the second structural element 30 and rotates relative to the first structural element 10.
  • the first structural element 10 and the sensor unit 210 fixed to the first structural element 10 via the sensor housing 200 behave integrally. Therefore, the rotation angle of the shaft 20 corresponds to the relative swing angle between the first structural element 10 and the second structural element 30, and the rotation angle of the rotating member 220 attached coaxially to the shaft 20 is also the same. , Corresponding to the swing angle.
  • the rotation angle of the rotation member 220 corresponding to the swing angle can be detected by the sensor unit 210 fixed to the first structural element 10 side.
  • a lever mechanism becomes unnecessary. Therefore, this angle detection device can simplify the structure.
  • the angle detection device includes the shaft 20 and the second structure between the shaft hole portion 31 of the second structural element 30 and the intermediate portion 21 of the shaft 20 disposed between the pair of side wall portions 11 and 12 of the first structural element 10. Since the elements 30 are connected together so as to be rotatable, the span of the portion receiving the radial load of the second structural element 30 is lengthened by utilizing the distance between the pair of side wall portions 11 and 12, and the moment applied to the second structural element 30 is increased. The load capacity of the load can be increased.
  • the angle detection device prevents the shaft 20 from coming off toward the right side in the figure by the axial contact of the head portion 23 of the shaft 20, the third bearing 70, and the second structural element 30.
  • the shaft 20 is prevented from slipping toward the left side in the drawing by the axial contact between the retaining portion 80 attached to the end 24, the fourth bearing 90, and the right side wall portion 12 in the drawing, and the shaft 20 is smoothly rotated.
  • the axial displacement of the rotating member 220 attached to the first end portion 22 of the shaft 20 with respect to the sensor housing 200 can be limited. For this reason, the opposing gap between the permanent magnet 224 of the rotating member 220 and the sensor unit 210 is maintained in an appropriate range that does not hinder the rotation angle detection.
  • the angle detection device can detect a magnetic rotation angle with the sensor unit 210 and the rotation member 220, and the single-row radial bearing 230 is fixed to the sensor housing 200 with the thrust bearing 240 and the holding unit 250.
  • the rotation member 220 can be attached to the inner ring 232, and the sensor housing 200, the sensor unit 210, the rotation member 220, the single row radial bearing 230, the thrust bearing 240, and the pressing unit 250 can be unitized.
  • the rotating member 220 and the shaft 20 are attached coaxially, so that a large moment load is not applied from the shaft 20 to the rotating member 220. Therefore, the size of the sensor housing 200 can be reduced by supporting the rotating member 220 in the radial direction only by the single-row radial bearing 230, and the application range of the unit is widened.
  • the angle detection device can increase the area of the substrate 260 by utilizing the area of the cup portion 202 of the sensor housing 200 positioned on the extension of the shaft 20, the stable arrangement of the substrate 260 and the sensor Mounting of highly functional electronic components such as ICs becomes easy.
  • this angle detection device utilizes the programming function of the sensor unit 210, and rotates the rotating member 220 before attaching the rotating member 220 of the unit to the shaft 20, so that the sensor unit is related to an arbitrary division position of the rotation angle.
  • the output 210 can be corrected (so-called calibration operation).
  • this angle detection device can compensate for the output in the other system even if one system cannot output due to an unexpected failure. The reliability of 210 is improved.

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Abstract

軸を介して連結された二部材間の軸回りの揺動角度を検出する角度検出装置の構造を単純化する。センサハウジング（２００）の内側にセンサ部（２１０）を固定し、これを第一構造要素（１０）に固定する。軸（２０）と第二構造要素（３０）を一体に回転可能に連結する。軸（２０）に回転部材（２２０）を同軸に取り付ける。センサ部（２１０）は、軸（２０）と同軸で一体回転する回転部材（２２０）の永久磁石（２２４）の磁界変化を検出し、回転部材（２２０）の回転角度に対応の電気信号を出力する。

Description

角度検出装置
　この発明は、建設機械、その他の産業機械等において、軸で連結された二部材間の軸回りの相対的な揺動角度を検出する目的で使用される角度検出装置に関する。
　例えば、油圧ショベルの場合、旋回体のセンタフレームとブームとが軸を介して連結されており、ブームがセンタフレームに対して軸回りに揺動するようになっている。その揺動角度を検出する角度検出装置として、ブームに回転角度検出ユニットを取り付け、そのユニットの回転部材と、軸との間にレバー機構を設けたものがある。ブームがセンタフレームに対して軸回りに揺動すると、レバー機構が回転部材を回転させるリンク機能の動きをし、その回転部材の回転角度をユニットのセンサ部が検出する。そのセンサ部出力により、センタフレームに対するブームの揺動角度を検出することが可能となっている（下記特許文献１）。
　特許文献１のような角度検出装置に利用される回転角度検出ユニットとして、センサハウジングと、センサハウジングに対して回転部材を回転自在に支持する二列の転がり軸受と、回転部材の一端に回転部材と同軸に取り付けられた永久磁石と、回転部材の回転に伴う永久磁石の磁界変化を検出して回転部材の回転角度に対応の電気信号を出力する磁気センサとを備えるものがある（下記特許文献２）。この回転角度検出ユニットは、回転部材にレバー機構から大きなモーメント荷重が負荷される場合を考慮し、回転部材を二列の転がり軸受で径方向に支持している。そのセンサハウジングをブームに固定し、その回転部材のセンサハウジングからの突出部分にレバー機構を接続することにより、特許文献１のような角度検出装置を構成することができる。
実開平５－１４２４４号公報 特許第５１１２９９７号公報
　しかしながら、特許文献１に開示された角度検出装置は、レバー機構を採用しているので、センタフレームに固定するセンサ部ブラケットの取り付け精度によって、ブームの揺動角度に誤差が発生する点、部品点数が多くなる点、レバー機構の取り付け高さの精度によって回転角度検出ユニットの回転部材に大きなモーメント荷重が加わる点で好ましくない。
　上述の背景に鑑み、この発明が解決しようとする課題は、軸を介して連結された二部材間の軸回りの揺動角度を検出する角度検出装置の構造を単純化することである。
　上記の課題を達成するため、この発明は、第一構造要素に軸を介して連結された第二構造要素の当該第一構造要素に対する相対的な軸回りの揺動角度を検出する角度検出装置において、前記第一構造要素に固定されるセンサハウジングと、前記センサハウジングの内側に固定されたセンサ部と、前記軸に同軸に取り付けられる回転部材と、を備え、前記センサ部が、前記回転部材の回転角度に対応の電気信号を出力するようになっており、前記軸が、前記第二構造要素と一体に回転可能になっている構成を採用したものである。
　上記構成によれば、第一構造要素に対する第二構造要素の相対的な揺動の中心となる軸は、第一構造要素に対して、第二構造要素と一体に回転する。このため、その軸の回転角度は、その揺動角度に対応し、その軸に同軸に取り付けられた回転部材の回転角度も、その揺動角度に対応する。このため、第一構造要素側に固定されたセンサ部により、揺動角度に対応した回転部材の回転角度を検出することができる。このように揺動中心となる軸に同軸に取り付けられた回転部材の回転角度をセンサ部で検出するため、特許文献１のようなレバー機構が不要になり、角度検出装置の構造が単純化される。
　例えば、前記軸を前記第一構造要素に対して径方向に支持する第一軸受及び第二軸受をさらに備え、前記第一構造要素が、軸方向に対向する対の側壁部を有し、前記第一軸受が、軸方向一方側の前記側壁部に取り付けられており、前記第二軸受が、軸方向一方側と反対の他方側の前記側壁部に取り付けられており、前記第二構造要素が、前記対の側壁部間に配置された軸孔部を有し、前記軸が、前記軸孔部に嵌る中間部と、前記第一軸受から軸方向一方側へ突き出た第一端部とを有し、前記軸孔部と前記中間部が一体に回転可能に連結されており、前記回転部材が、前記第一端部に取り付けられているとよい。
　このようにすると、第一構造要素の対の側壁部間に配置した第二構造要素の軸孔部と軸の中間部間で軸と第二構造要素を一体に回転可能に連結するので、対の側壁部間の距離を活かして第二構造要素のラジアル荷重を受ける部分のスパンを長くし、第二構造要素にかかるモーメント荷重の負荷容量を大きくすることができる。
　より具体的には、前記軸が、前記第一軸受に嵌合された頭部と、前記第二軸受から軸方向他方側へ突き出た第二端部とを有し、前記頭部の外径が、前記中間部及び前記第二端部よりも大径になっており、前記頭部が、第三軸受を介して前記第二構造要素に対して軸方向に支持されており、前記第二端部に取り付けられた抜け止め部が、第四軸受を介して前記軸方向他方側の側壁部に対して軸方向に支持されているとよい。
　このようにすると、頭部と第三軸受と第二構造要素との軸方向接触によって軸を軸方向他方側に向かって抜け止めする一方、軸の第二端部に付いた抜け止め部と第四軸受と軸方向他方側の側壁部との軸方向接触によって軸を軸方向一方側に向かって抜け止めし、軸の円滑な回転を図りつつ、軸の第一端部に付いた回転部材のセンサハウジングに対する軸方向変位を制限することができる。
　回転角度検出を磁気式で行う場合、前記センサハウジングの内側に嵌合された外輪と、前記外輪の内側に配置された内輪と、前記外輪と前記内輪との間に配置された一列の転動体とを有する単列ラジアル軸受と、前記内輪を前記センサハウジングに対して軸方向に支持するスラスト軸受と、前記外輪を前記スラスト軸受と反対側で軸方向に受けるように前記センサハウジングに装着された押さえ部と、をさらに備え、前記回転部材が、前記軸に嵌合された内周部と、前記内輪に嵌合された外周部と、前記軸に軸方向に対面する中央部と、前記中央部に保持された永久磁石とを有し、前記センサ部が、前記永久磁石に対向する磁気センサを有し、前記回転部材が、前記単列ラジアル軸受のみで前記センサハウジングに対して径方向に支持されていることが好ましい。
　このようにすると、センサ部と回転部材で磁気式の回転角度検出を行うことができ、スラスト軸受と押さえ部で単列ラジアル軸受をセンサハウジングに対して固定すると共に、回転部材を内輪に取り付け、センサハウジングとセンサ部と回転部材と単列ラジアル軸受とスラスト軸受と押さえ部とをユニット化することができる。そのユニットの回転部材の内周部を軸に嵌合することにより、回転部材と軸を同軸に接続することが可能である。
　ここで、特許文献２のように二列の転がり軸受で回転部材を径方向に支持すると、センサハウジングの寸法が軸方向に大きくなる。一方、この発明に係る上記構成では、軸と回転部材が同軸に取り付けられるので、軸から回転部材に大きなモーメント荷重が負荷されない。このため、回転部材を径方向に支持する軸受の寿命が長くなる。また、転がり軸受の負荷容量を小さくして軸受サイズを小型化することも可能である。この利点を活かし、単列ラジアル軸受のみで回転部材を径方向に支持すれば、センサハウジングの寸法を小さくすることができ、ひいてはユニットの適用範囲が広くなる。
　より好ましくは、前記センサハウジングの内側に固定された基板をさらに備え、前記センサ部が、前記基板に表面実装されており、前記永久磁石が、前記軸の回転軸線の延長上に配置されており、前記センサ部と前記永久磁石とが、軸方向に所定の隙間をもって対向しているとよい。
　このようにすると、軸の延長上に位置するセンサハウジング部分の面積を活用して基板の面積を広くすることが可能なため、基板の安定配置や、高機能な電子部品の実装が容易になる。
　例えば、前記センサ部が、出力値の補正をプログラミング可能なものとなっていることが好ましい。
　このようにすると、ユニットの回転部材を軸に取り付ける前に、その回転部材を回転させて、回転角度の任意の分割位置に関してセンサ部出力の補正を行うことができる。
　また、前記センサ部が、二系統で出力可能なものとなっていることも好ましい。
　二系統の出力を行える高機能なセンサ部を採用しておけば、一系統が予想外の不具合で出力できなくても、他の一系統で出力を補うことが可能なため、センサ部の信頼性が向上する。
　この発明は、上記構成の採用により、軸を介して連結された二部材間の軸回りの揺動角度を検出する角度検出装置からレバー機構を廃止したため、角度検出装置の構造を単純化することができる。
この発明の実施形態に係る角度検出装置を示す断面図 図１のセンサハウジングの外観の一部を示す拡大側面図
　以下、この発明に係る角度検出装置の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１に示す角度検出装置は、第一構造要素１０と、軸２０を介して連結された第二構造要素３０とを備え、第二構造要素３０の第一構造要素１０に対する相対的な軸２０回りの揺動角度を検出するようになっている。図示の角度検出装置では、建設機械の本体（いわゆるベースマシン）の機枠（いわゆるセンターフレーム）に対する作業装置のブームの揺動角度、又は作業装置のブームに対するアームの揺動角度を検出する用途が想定されている。
　ここで、「軸方向」は、前述の揺動の中心軸線に沿った方向のことをいい、軸２０の中心軸線の方向に一致している。以下、その中心軸線に対して直角な方向のことを「径方向」といい、その中心軸線回りの円周方向のことを「周方向」という。また、その中心軸線を中心として任意の部材が周方向へ回転することを「回転」という。
　第一構造要素１０、第二構造要素３０は、それぞれ機械装置の一部を構成する構造部分からなる。第一構造要素１０と第二構造要素３０の少なくとも一方は、伝達された駆動力によって回転させられる。
　第一構造要素１０は、軸方向に対向する対の側壁部１１、１２を有する。
　また、図示の角度検出装置は、軸２０を第一構造要素１０に対して径方向に支持する第一軸受４０及び第二軸受５０を備える。
　第一軸受４０は、軸方向一方側（図中左側）の側壁部１１に取り付けられている。第二軸受５０は、軸方向他方側（図中右側）の側壁部１２に取り付けられている。第二構造要素３０のラジアル荷重は、第一軸受４０、第二軸受５０を介して第一構造要素１０に受けられる。
　第一軸受４０、第二軸受５０は、それぞれすべり軸受からなる。第一軸受４０、第二軸受５０は、それぞれ対応の側壁部１１、１２に形成された軸受座部に嵌合されている。
　第二構造要素３０は、対の側壁部１１、１２間に配置された軸孔部３１を有する。
　軸２０は、第二構造要素３０の軸孔部３１に嵌る中間部２１と、第一軸受４０から図中左側へ突き出た第一端部２２と、第一軸受４０に嵌合された頭部２３と、第二軸受５０から図中右側へ突き出た第二端部２４とを有する。
　第二構造要素３０の軸孔部３１と軸２０の中間部２１が、一体に回転可能に連結されている。この連結手段は、その中間部２１に取り付けられたキー６０と、その軸孔部３１に形成されたキー溝３２とで構成されている。これにより、軸２０と第二構造要素３０の相対回転が防止され、軸２０が、第一構造要素１０に対して第二構造要素３０と一体に回転可能になっている。軸２０と第二構造要素３０の連結手段は、キーに代えて、スプライン又はセレーションによる嵌め合い及び回転防止を採用してもよく、また、圧入による締まり嵌めを採用してもよい。
　軸２０の頭部２３の外径は、中間部２１及び第二端部２４よりも大径になっている。その頭部２３は、第三軸受７０を介して第二構造要素３０に対して軸方向に支持されている。
　第三軸受７０は、すべり軸受からなる。第三軸受７０は、図中左側の側壁部１１と第二構造要素３０との間にも介在している。
　軸２０の第二端部２４には、抜け止め部８０が取り付けられている。その抜け止め部８０は、第四軸受９０を介して図中右側の側壁部１２に対して軸方向に支持されている。
　第四軸受９０は、すべり軸受からなる。第四軸受９０は、図中右側の側壁部１２にも接触する軸受外径をもっている。
　さらに、第二構造要素３０は、第五軸受１００を介して図中右側の側壁部１２に対して軸方向に支持されている。
　第二構造要素３０の図中左向きのアキシアル荷重は、第三軸受７０を介して第一構造要素１０に受けられる。第二構造要素３０の図中右向きのアキシアル荷重は、第五軸受１００を介して第一構造要素１０に受けられる。
　第一軸受４０、第二軸受５０、第三軸受７０、第四軸受９０、第五軸受１００に採用するすべり軸受としては、例えば、焼結金属に潤滑油を含浸させた含油軸受や、バックメタルに青銅などの粉末を焼結した多孔質焼結に、フッ素樹脂を混合させたすべり軸受が挙げられる。
　軸２０は、第一構造要素１０に対して図中左側から右側に向かって第二端部２４から第一軸受４０、第三軸受７０、軸孔部３１、第五軸受１００、第二軸受５０、第四軸受９０の順に挿入される。挿入された軸２０の第二端部２４に抜け止め部８０が取り付けられる。
　軸２０の第二端部２４は、雄ねじ部になっている。抜け止め部８０は、その第二端部２４に螺合するナット８１と、ナット８１と第四軸受９０によって軸方向に挟まれたワッシャ８２とで構成されている。
　抜け止め部８０が軸２０に取り付けられた状態では、第三軸受７０の図中右側が、第二構造要素３０、第五軸受１００及び図中右側の側壁部１２によって軸方向に支えられる。また、第四軸受９０の図中左側が、図中右側の側壁部１２によって軸方向に支えられる。軸２０が図中右方向へ変位しようとしても、その頭部２３が第三軸受７０に係止される。また、軸２０が図中左方向へ変位しようとしても、その第二端部２４に取り付けられた抜け止め部８０が第四軸受９０に係止される。このため、軸２０は、第一構造要素１０及び第二構造要素３０に対して軸方向両側に実質的に変位することがない。
　また、図示の角度検出装置は、第一構造要素１０に固定されるセンサハウジング２００と、センサハウジング２００の内側に固定されたセンサ部２１０と、軸２０に同軸に取り付けられる回転部材２２０と、回転部材２２０とセンサハウジング２００との間に介在する単列ラジアル軸受２３０と、単列ラジアル軸受２３０とセンサハウジング２００との間に介在するスラスト軸受２４０と、センサハウジング２００に装着された押さえ部２５０と、センサハウジング２００の内側に固定された基板２６０と、基板２６０に接続されたワイヤーハーネス２７０と、を備える。これらセンサハウジング２００～ワイヤーハーネス２７０は、一体に取り扱えるユニットに組み立てられている。
　センサハウジング２００は、第一構造要素１０に固定されるフランジ部２０１と、フランジ部２０１の一端面から軸方向に凹んだ収容空間を形成するカップ部２０２とを有する。
　センサハウジング２００のフランジ部２０１の一端面は、センサハウジング２００の図中右端に位置し、径方向に沿った平坦面になっている。フランジ部２０１の一端面は、第一構造要素１０の径方向に沿った表面部に突き当てられる。図示のフランジ部２０１は、図中左側の側壁部１１の左端面に対し、図示省略のねじによって固定されている。
　センサハウジング２００のカップ部２０２は、内周面と、径方向に沿った内底面とを有し、図中右側に向かって開放されている。そのカップ部２０２の内周面は、センサ部２１０と、基板２６０と、単列ラジアル軸受２３０と、スラスト軸受２４０と、押さえ部２５０とを周方向全周に亘って取り囲んでいる。そのカップ部２０２の内底面は、軸２０の第一端部２２の延長上に位置する部分となっている。カップ部２０２には、基板２６０に接続されたワイヤーハーネス２７０を外部に取り出すためのハーネス口が形成されている。カップ部２０２のハーネス口は、封止材２０３によって塞がれている。
　単列ラジアル軸受２３０は、センサハウジング２００の内側に嵌合された外輪２３１と、外輪２３１の内側に配置された内輪２３２と、外輪２３１と内輪２３２との間に配置された一列の転動体２３３とを有する。転動体２３３は、玉からなる。一列の転動体２３３は、保持器によって周方向に等配されている。
　また、単列ラジアル軸受２３０は、接触式のシール２３４をさらに有する密封形軸受になっている。外輪２３１の外径面と、センサハウジング２００のカップ部２０２の内径面との嵌め合いは、隙間嵌めに設定されている。
　スラスト軸受２４０は、内輪２３２をセンサハウジング２００のカップ部２０２に対して軸方向に支持する。スラスト軸受２４０は、すべり軸受からなる。スラスト軸受２４０は、内輪２３２の図中左端と、カップ部２０２の径方向に沿った円環状平坦面との間に介在している。
　押さえ部２５０は、外輪２３１をスラスト軸受２４０と反対側（図中右側）で軸方向に受ける。単列ラジアル軸受２３０は、押さえ部２５０とスラスト軸受２４０とによって軸方向に拘束されており、センサハウジング２００に対して軸方向に実質的に変位しない。
　図示の押さえ部２５０は、センサハウジング２００に固定された止め部材２５１と、止め部材２５１と外輪２３１との間に介在するウェーブワッシャ２５２とを有する。押さえ部２５０は、図示省略のねじによって、センサハウジング２００に固定されている。その止め部材２５１の固定によってウェーブワッシャ２５２が撓まされている。そのウェーブワッシャ２５２の弾性反発力により、外輪２３１の図中右端が図中左方向に押されている。その結果、内輪２３２の図中左端がスラスト軸受２４０に押し付けられ、そのスラスト荷重をスラスト軸受２４０が受ける。
　回転部材２２０は、軸２０に嵌合された内周部２２１と、内輪２３２に嵌合された外周部２２２と、軸２０に軸方向に対面する中央部２２３と、中央部２２３に保持された永久磁石２２４とを有する。回転部材２２０は、その内周部２２１において軸２０の第一端部２２に取り付け可能になっている。
　回転部材２２０の外周部２２２の外径面と、内輪２３２の内径面との嵌め合いは、締り嵌めに設定されている。これにより、回転部材２２０は、単列ラジアル軸受２３０のみでセンサハウジング２００に対して径方向に支持されている。
　回転部材２２０の内周部２２１は、外周部２２２の外径面の内側に位置し、当該外径面及び軸２０の第一端部２２と同軸に設定されている。その内周部２２１は、軸２０の第一端部２２の外径面に嵌合されている。これにより、回転部材２２０が軸２０に同軸に取り付けられる。また、その内周部２２１は、軸２０の第一端部２２と一体に回転可能に連結されている。この連結手段は、その第一端部２２に取り付けられたキー１１０と、その内周部２２１に形成されたキー溝２２５とで構成されている。これにより、回転部材２２０と軸２０の相対回転が防止され、回転部材２２０が、軸２０と一体に回転可能になっている。
　軸２０が回転することにより、回転部材２２０が回転し、回転部材２２０に取り付けられた内輪２３２が回転する。その内輪２３２の図中左端は、前述のスラスト軸受２４０との間で滑りながら回転する。このスラスト軸受２４０のＰＶ値（荷重圧力：Ｐ×すべり速度：Ｖ）は、ウェーブワッシャ２５２の弾性反発力と軸２０の回転速度を考慮して適宜に決定すればよい。
　回転部材２２０の永久磁石２２４は、円柱状に形成されている。永久磁石２２４としては、例えば、フェライト磁石や、希土類磁石を採用することができる。永久磁石２２４は、径方向に着磁されており、Ｎ極とＳ極の１極対をもっている。永久磁石２２４は、回転部材２２０の中央部２２３の図中左側の端面上に配置されている。その中央部２２３は、その永久磁石２２４の中心軸線と軸２０の中心軸線とが同軸になる位置に永久磁石２２４を保持している。
　回転部材２２０は、内輪２３２の内側を閉塞している。回転部材２２０と、センサハウジング２００のカップ部２０２、封止材２０３と、単列ラジアル軸受２３０の図中右側のシール２３４とによって密封された空間が形成されている。その密封空間に、センサ部２１０、基板２６０等の電気部品が配置されている。
　センサ部２１０は、回転部材２２０の回転角度に対応の電気信号を出力するようになっている。図示のセンサ部２１０は、永久磁石２２４に対向する磁気センサアレイ、信号処理回路、演算回路、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等（いずれも図示省略）を含む集積回路からなる。
　センサ部２１０は、基板２６０に表面実装されている。センサ部２１０の磁気センサと、永久磁石２２４とは、軸方向に所定の隙間をもって対向している。センサ部２１０は、その磁気センサと永久磁石２２４とを回転部材２２０の回転軸線上において軸方向に対向させるように配置されている。なお、基板２６０には、その他の電子部品も実装されている。
　センサ部２１０は、前述の磁気センサアレイにより、回転部材２２０の回転による永久磁石２２４の磁界の変化を検出し、回転部材２２０の回転角度に対応の電気信号に変換する。
　センサ部２１０の出力は、回転部材２２０の回転角度に比例して電圧が変化するアナログ出力であっても、回転部材２２０の回転角度に比例してパルス幅が変化するＰＷＭ出力であってもよい。また、センサ部２１０の出力は、一系統であっても、二系統であってもよい。
　図示のセンサ部２１０は、二系統で出力可能なものとなっている。一系統は、バックアップとして使用される。なお、このような機能をもったセンサ部自体は、一般的なものなので、その詳細説明を省略する。
　また、センサ部２１０は、出力値の補正をプログラミング可能なものとなっている。これは、回転部材２２０の回転角度に対応した、センサ部２１０の各出力のリニアリティを良くするためである。センサ部２１０は、予め回転部材２２０を回転させながら、各磁気センサの出力値の補正を行い、センサ部２１０のＥＥＰＲＯＭに書き込み可能なデバイスになっている。このため、回転部材２２０を軸２０に取り付ける前に、回転部材２２０を回転させて、回転角度の任意の分割位置に関してセンサ部２１０の出力の補正を行うことができる。なお、このような機能をもったセンサ部自体は、一般的なものなので、その詳細説明を省略する。
　ワイヤーハーネス２７０は、図１、図２に示すように、センサ部２１０に電力を供給するための電線２７１、２７２や、センサ部２１０の二系統の出力を取り出すための電線２７３、２７４をもっている。これら電線２７１～２７４は、基板２６０の図中左側の板面からセンサハウジング２００の前述のハーネス口より外部へ導出され、適宜、ねじ２７５、押さえ金具２７６により、センサハウジング２００に固定される。
　電線２７１～２７４の導出部や基板２６０の表面は、前述の封止材２０３により封止される。封止材２０３として使用する材料としては、例えば、熱硬化性樹脂、エポキシ、ウレタン等が挙げられる。
　図１に示す角度検出装置は、上述のようなものであり、センサハウジング２００～ワイヤーハーネス２７０が一体にまとめられたユニットの状態で、回転部材２２０を回転させ、センサ部２１０の出力の較正作業を行ってから、回転部材２２０の内周部２２１を軸２０の第一端部２２に嵌合し、回転部材２２０を軸２０に同軸に取り付けることができる。そして、第一構造要素１０と第二構造要素３０の少なくとも一方に駆動力が与えられると、第一構造要素１０に対する第二構造要素３０が軸２０回りに相対的に揺動する。このとき、その揺動の中心となる軸２０は、第二構造要素３０とキー６０で連結されているので、第二構造要素３０と一体で第一構造要素１０に対して相対的に回転する。また、回転部材２２０は、その軸２０とキー１１０で連結されているので、軸２０及び第二構造要素３０と一体で、第一構造要素１０に対して相対回転する。このとき、第一構造要素１０と、第一構造要素１０にセンサハウジング２００を介して固定されたセンサ部２１０とが一体に振る舞う。このため、その軸２０の回転角度は、第一構造要素１０と第二構造要素３０間の相対的な揺動角度に対応し、その軸２０に同軸に取り付けられた回転部材２２０の回転角度も、その揺動角度に対応する。このため、第一構造要素１０側に固定されたセンサ部２１０により、その揺動角度に対応した回転部材２２０の回転角度を検出することができる。このように揺動中心となる軸２０に同軸に取り付けられた回転部材２２０の回転角度をセンサ部２１０で検出するため、レバー機構が不要になる。したがって、この角度検出装置は、構造を単純化することができる。
　また、この角度検出装置は、第一構造要素１０の対の側壁部１１、１２間に配置した第二構造要素３０の軸孔部３１と軸２０の中間部２１間で軸２０と第二構造要素３０を一体に回転可能に連結するので、対の側壁部１１、１２間の距離を活かして第二構造要素３０のラジアル荷重を受ける部分のスパンを長くし、第二構造要素３０にかかるモーメント荷重の負荷容量を大きくすることができる。
　また、この角度検出装置は、軸２０の頭部２３と第三軸受７０と第二構造要素３０との軸方向接触によって軸２０を図中右側に向かって抜け止めする一方、軸２０の第二端部２４に付いた抜け止め部８０と第四軸受９０と図中右側の側壁部１２との軸方向接触によって軸２０を図中左側に向かって抜け止めし、軸２０の円滑な回転を図りつつ、軸２０の第一端部２２に付いた回転部材２２０のセンサハウジング２００に対する軸方向変位を制限することができる。このため、回転部材２２０の永久磁石２２４とセンサ部２１０間の対向隙間は、回転角度検出に支障のない適切な範囲に維持される。
　また、この角度検出装置は、センサ部２１０と回転部材２２０で磁気式の回転角度検出を行うことができ、スラスト軸受２４０と押さえ部２５０で単列ラジアル軸受２３０をセンサハウジング２００に対して固定すると共に、回転部材２２０を内輪２３２に取り付け、センサハウジング２００とセンサ部２１０と回転部材２２０と単列ラジアル軸受２３０とスラスト軸受２４０と押さえ部２５０とをユニット化することができる。そのユニットの回転部材２２０の内周部２２１を軸２０に嵌合することにより、回転部材２２０と軸２０が同軸に取り付けられるので、軸２０から回転部材２２０に大きなモーメント荷重が負荷されない。それ故、単列ラジアル軸受２３０のみで回転部材２２０を径方向に支持することによってセンサハウジング２００の寸法を小さくすることができ、ひいてはユニットの適用範囲が広くなる。
　また、この角度検出装置は、軸２０の延長上に位置するセンサハウジング２００のカップ部２０２の面積を活用して基板２６０の面積を広くすることが可能なため、基板２６０の安定配置や、センサＩＣのような高機能な電子部品の実装が容易になる。
　また、この角度検出装置は、センサ部２１０のプログラミング機能を活用し、ユニットの回転部材２２０を軸２０に取り付ける前に、その回転部材２２０を回転させて、回転角度の任意の分割位置に関してセンサ部２１０の出力の補正（いわゆる較正作業）を行うことができる。
　また、この角度検出装置は、センサ部２１０が二系統で出力可能なため、一系統が予想外の不具合で出力できなくても、他の一系統で出力を補うことが可能なため、センサ部２１０の信頼性が向上する。
　この実施形態では、建設機械の中でも特に油圧ショベルの建設機械（油圧ショベル）のブームを第一構造要素又は第二構造要素とする場合に好適な例を示したが、この発明に係る角度検出装置は、クレーン、ロボット関節等、その他の産業機械において揺動（回転）する機構に適用することができる。今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０　第一構造要素
１１、１２　側壁部
２０　軸
２１　中間部
２２　第一端部
２３　頭部
２４　第二端部
３０　第二構造要素
３１　軸孔部
４０　第一軸受
５０　第二軸受
７０　第三軸受
８０　抜け止め部
９０　第四軸受
２００　センサハウジング
２１０　センサ部
２２０　回転部材
２２１　内周部
２２２　外周部
２２３　中央部
２２４　永久磁石
２３０　単列ラジアル軸受
２４０　スラスト軸受
２５０　押さえ部
２６０　基板

Claims (7)

  1. 　第一構造要素に軸を介して連結された第二構造要素の当該第一構造要素に対する相対的な軸回りの揺動角度を検出する角度検出装置において、
    　前記第一構造要素に固定されるセンサハウジングと、
    　前記センサハウジングの内側に固定されたセンサ部と、
    　前記軸に同軸に取り付けられる回転部材と、
    を備え、
    　前記センサ部が、前記回転部材の回転角度に対応の電気信号を出力するようになっており、
    　前記軸が、前記第二構造要素と一体に回転可能になっていることを特徴とする角度検出装置。
  2. 　前記軸を前記第一構造要素に対して径方向に支持する第一軸受及び第二軸受をさらに備え、
    　前記第一構造要素が、軸方向に対向する対の側壁部を有し、
    　前記第一軸受が、軸方向一方側の前記側壁部に取り付けられており、
    　前記第二軸受が、軸方向一方側と反対の他方側の前記側壁部に取り付けられており、
    　前記第二構造要素が、前記対の側壁部間に配置された軸孔部を有し、
    　前記軸が、前記軸孔部に嵌る中間部と、前記第一軸受から軸方向一方側へ突き出た第一端部とを有し、　
    　前記軸孔部と前記中間部が一体に回転可能に連結されており、
    　前記回転部材が、前記第一端部に取り付けられている請求項１に記載の角度検出装置。
  3. 　前記軸が、前記第一軸受に嵌合された頭部と、前記第二軸受から軸方向他方側へ突き出た第二端部とを有し、
    　前記頭部の外径が、前記中間部及び前記第二端部よりも大径になっており、
    　前記頭部が、第三軸受を介して前記第二構造要素に対して軸方向に支持されており、
    　前記第二端部に取り付けられた抜け止め部が、第四軸受を介して前記軸方向他方側の側壁部に対して軸方向に支持されている請求項２に記載の角度検出装置。
  4. 　前記センサハウジングの内側に嵌合された外輪と、前記外輪の内側に配置された内輪と、前記外輪と前記内輪との間に配置された一列の転動体とを有する単列ラジアル軸受と、
    　前記内輪を前記センサハウジングに対して軸方向に支持するスラスト軸受と、
    　前記外輪を前記スラスト軸受と反対側で軸方向に受けるように前記センサハウジングに装着された押さえ部と、
    をさらに備え、
    　前記回転部材が、前記軸に嵌合された内周部と、前記内輪に嵌合された外周部と、前記軸に軸方向に対面する中央部と、前記中央部に保持された永久磁石とを有し、
    　前記センサ部が、前記永久磁石に対向する磁気センサを有し、　
    　前記回転部材が、前記単列ラジアル軸受のみで前記センサハウジングに対して径方向に支持されている請求項１から３のいずれか１項に記載の角度検出装置。
  5. 　前記センサハウジングの内側に固定された基板をさらに備え、
    　前記センサ部が、前記基板に表面実装されており、
    　前記永久磁石が、前記軸の回転軸線の延長上に配置されており、
    　前記センサ部と前記永久磁石とが、軸方向に所定の隙間をもって対向している請求項４に記載の角度検出装置。
  6. 　前記センサ部が、出力値の補正をプログラミング可能なものとなっている請求項５に記載の角度検出装置。
  7. 　前記センサ部が、二系統で出力可能なものとなっている請求項５又は６に記載の角度検出装置。
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JP2007071612A (ja) * 2005-09-06 2007-03-22 Ntn Corp 回転角度検出装置
JP2008007006A (ja) * 2006-06-30 2008-01-17 Komatsu Ltd 電気式アクセルペダル装置及び回動角センサ

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