(57)【要約】【課題】  ばね部材による軸受予圧により、荷重負荷状態での精度の良い回転角検出を可能としながら、ハウジングの温度変化による寸法変化の影響を受け難く、高精度の回転角検出が行える回転角検出センサを提供する。【解決手段】  ハウジング１の内径面に２個の玉軸受４，５を軸方向に並べて嵌合させ、これら２個の玉軸受４，５により回転軸２を回転自在に支持する。前記ハウジング１の底部１ａとこの底部側の前記回転軸２の端面とに、互いに接して回転角検出手段３を構成する第１の回転角検出部３Ａおよび第２の回転角検出部３Ｂをそれぞれ設ける。玉軸受４，５を予圧するばね部材７を設け、玉軸受４，５のうちのハウジング底部１ａ側の玉軸受４を、ハウジング１の軸方向面１ｄに接する受け側の軸受とし、ハウジング開口１ｂ側の玉軸受５を前記ばね部材７で押し付けられる押付け側の軸受としたことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングの内径面に２個の玉軸受を軸方向に並べて嵌合させ、これら２個の玉軸受により回転軸を回転自在に支持し、前記ハウジングの底部とこの底部側の前記回転軸の端面とに、互いに接して回転角検出手段を構成する第１の回転角検出部および第２の回転角検出部をそれぞれ設け、前記玉軸受を予圧するばね部材を設け、前記２個の玉軸受のうちのハウジング底部側の玉軸受を、ハウジングの軸方向面に接する受け側の軸受とし、ハウジング開口側の玉軸受を前記ばね部材で押し付けられる押付け側の軸受としたことを特徴とする回転角検出センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の回転角検出部が電気抵抗体であり、第２の回転角検出部が前記第１の回転角検出部に摺接する導電性のブラシである回転角検出センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記ハウジングをカップ状とし、前記回転軸の一端をハウジングの開口部からハウジング外に突出させ、前記２個の玉軸受の間に介在する鍔部を前記回転軸に設け、前記ハウジングの内径面における前記２個の玉軸受よりも開口側に止め環を設け、この止め環と前記ハウジング開口側の玉軸受の外輪の幅面との間に前記ばね部材を介在させた回転角検出センサ。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、前記ハウジングを、アルミ合金、亜鉛合金などのダイキャストが可能な金属材料、または射出成形が可能な樹脂材料で構成した回転角検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、部材間の相対回転角度を検出する回転角検出センサに関し、特に建設機械や産業機械等に使用されて、回転軸に荷重が負荷された状態で回転角度を検出可能な回転角検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の回転軸や揺動軸の回転角度を測定する装置として、角度ポテンショメータが使用されている。角度ポテンショメータは、回転軸によって移動するブラシと、それに接する電気抵抗体とで構成され、ブラシの回転位置によって変わる抵抗値を電圧値として取り出すことにより角度検出が行われる。従来の一般的な角度ポテンショメータは、いずれも回転軸のハウジングに対する支持に、含油メタル、あるいは小さな転がり軸受が使用されており、回転軸に荷重を負荷することができない。回転軸に軸方向やラジアル方向の大きな荷重が負荷されると、検出値に大きな誤差が生じる。
【０００３】
回転角検出センサの回転軸の剛性をあげるために、定位置で予圧された２個の軸受で回転軸を支持するようにしたものが特許文献１および特許文献２で提案されている。また、軸受のハウジングと底部の蓋とを一体とし、軸受の予圧を定圧予圧にしたものが特許文献３で提案されている。
【特許文献１】特開平７−２０５０４号公報
【特許文献２】特開平６−７６８０５号公報
【特許文献３】特開２００１−３１１６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の回転角検出センサにおけるハウジングや蓋は、衝撃等の外力に耐えるよう、鋼による構成を想定しており、形状的特性から鋳物に機械加工を加えて構成することが多い。しかしながら、外力に対する保護のために専用の保護カバーを別途設ける場合が多く、ハウジングや蓋を鋼のような堅固なもので構成する必要がない場合がある。加えて、ハウジングや蓋を鋳造で製作する場合、鋳肌の状態では寸法精度が出ないので、軸受挿入部、はめ合い部など、殆どの部分に切削加工を施す必要があり、加工に多くの手間を要するものであった。
【０００５】
そこで、ハウジングや蓋を、ダイキャストによるアルミ合金、亜鉛合金または射出成型による樹脂で形成すると、各部の寸法は金型の精度により決まるため、鋳物による場合に比べて切削加工部分が少なくなり安価に製作することができる。
しかし、軸受に定圧予圧で予圧を与える場合、アルミ合金、亜鉛合金、樹脂は鋼に比べて熱膨張係数が大きいため、温度変化に対する寸法変化の影響を受け易く、上記のような角度ポテンショメータの場合、ポテンショメータ抵抗体に対するブラシ圧が変動し、回転角検出精度に影響を及ぼすことが考えられる。
【０００６】
この発明の目的は、ばね部材による軸受予圧により、荷重負荷状態での精度の良い回転角検出を可能としながら、ハウジングの温度変化による寸法変化の影響を受け難く、高精度の回転角検出が行える回転角検出センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の回転角検出センサは、ハウジングの内径面に２個の玉軸受を軸方向に並べて嵌合させ、これら２個の玉軸受により回転軸を回転自在に支持し、前記ハウジングの底部とこの底部側の前記回転軸の端面とに、互いに接して回転角検出手段を構成する第１の回転角検出部および第２の回転角検出部をそれぞれ設け、前記玉軸受を予圧するばね部材を設け、前記２個の玉軸受のうちのハウジング底部側の玉軸受を、ハウジングの軸方向面に接する受け側の軸受とし、ハウジング開口側の玉軸受を前記ばね部材で押し付けられる押付け側の軸受としたことを特徴とする。上記ハウジングの軸方向面は、ハウジングの底面であっても、段差面であっても良い。
【０００８】
この構成によると、回転軸のハウジングに対する回転角度が、これらハウジングおよび回転軸にそれぞれ設けられた第１，第２の回転角検出部間の回転角度として検出される。回転軸は、ばね部材によって予圧の与えられた軸受で支持されるため、支持剛性が高められ、回転軸に大きな荷重が作用しても、精度の良い回転角検出が行える。この場合に、２個の玉軸受のうち、ハウジング開口側の玉軸受をばね部材による押付け側の軸受とし、ハウジング底部側の玉軸受を、ハウジングの底面等の軸方向面に接する受け側の軸受としたため、ハウジング底部側の玉軸受は、ばね部材を介さずにハウジングの軸方向面で直接受けることになる。そのため、回転軸の端面に設けた第２の回転角検出部と、ハウジングの底部に設けた第１の回転角検出部との寸法は、ハウジングの温度変化による寸法変化の影響を受け難い。すなわち、ハウジング底部側の玉軸受とハウジング底部との間にばね部材を介在させた場合に比べて、ハウジングの温度変化による寸法変化の影響を受け難い。したがって、ハウジングに対する回転角検出出力の基準位置のばらつきを比較的小さく抑えることができ、精度の良い回転角検出が行える。このため、ハウジングが熱膨張係数の比較的大きな材質であっても良くて、ハウジングの材質の選定自由度が広がる。
【０００９】
この発明において、前記第１の回転角検出部が電気抵抗体であり、第２の回転角検出部が前記第１の回転角検出部に摺接する導電性のブラシであっても良い。
電気抵抗体とブラシとを用いたポテンショメータ形式の回転角検出センサの場合、接触圧による影響を受けやすい。しかし、この発明の回転角検出センサは、上記のようにハウジングの温度変化による寸法変化の影響を受け難いため、ブラシ圧の変化を小さく保ち、適切なブラシ圧で回転検出が行える。これにより、次の各利点が得られる。
・抵抗体の寿命が長くなる。
・ブラシと抵抗体の接触圧不足による信号欠落が避けられる。
・適正ブラシ圧に設定するための各部品寸法の公差を広く取ることができる。
【００１０】
この発明において、前記ハウジングをカップ状とし、前記回転軸の一端をハウジングの開口部からハウジング外に突出させ、前記２個の玉軸受の間に介在する鍔部を前記回転軸に設け、前記ハウジングの内径面における前記２個の玉軸受よりも開口側に止め環を設け、この止め環と前記ハウジング開口側の玉軸受の外輪の幅面との間に前記ばね部材を介在させても良い。
このように、ハウジングをカップ状とすることにより、ハウジングに蓋を設けてその蓋に回転角検出部を設けるものと異なり、取付誤差による回転検出出力のばらつきがない。また、ハウジングを一体物としたため、蓋が必要でなくなるのに加えて、従来ハウジングと蓋を取付けるのに必要であったボルトやその接触面のシール部材等が不要となり、構成部品数が削減できる。さらに、２個の玉軸受の間に介在する鍔部を前記回転軸に設け、２個の玉軸受よりも開口側に設けられた止め環とハウジング開口側の玉軸受の外輪の幅面との間にばね部材を介在させることで、定圧予圧が簡単に行える。
【００１１】
この発明において、前記ハウジングを、アルミ合金、亜鉛合金などのダイキャストが可能な金属材料、または射出成形が可能な樹脂材料で構成しても良い。
これらアルミ合金、亜鉛合金、樹脂材料とすると、ハウジングをダイキャストや射出成形で製作することが可能で、各部の寸法は金型の精度により決まる。そのため、鋳物や鋼材によって製作する場合に比べて、切削加工部分が少なく、あるいは切削加工を不要とできて、ハウジングを簡単に低コストで精度良く製作することができる。これらアルミ合金、亜鉛合金、樹脂材料等は、熱膨張係数が鋼材に比べて大きいが、上記のようにこの発明の構成によると、ハウジングのハウジングの温度変化による寸法変化の影響を受け難いので、これらの材料を用いても、回転角検出の低下の問題が生じない。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の回転角検出センサは、ハウジングの内径面に２個の玉軸受を軸方向に並べて嵌合させ、これら２個の軸受により回転軸を回転自在に支持し、前記ハウジングの底部とこの底部側の前記回転軸の端面とに、互いに接して回転角検出手段を構成する第１の回転角検出部および第２の回転角検出部をそれぞれ設け、前記玉軸受を予圧するばね部材を設け、前記２個の玉軸受のうちのハウジング底部側の玉軸受を、ハウジングの軸方向面に接する受け側の軸受とし、ハウジング開口側の玉軸受を前記ばね部材で押し付けられる押付け側の軸受としたため、ばね部材による軸受予圧により、荷重負荷状態での精度の良い回転角検出を可能としながら、ハウジングの温度変化による寸法変化の影響を受け難く、高精度の回転角検出が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この回転角検出センサは、ハウジング１をカップ状とし、回転角検出手段３を構成する第１の回転角検出部３Ａをハウジング１内の底部１ａに設け、第２の回転角検出部３Ｂを回転軸２の一端に設けたものである。回転軸２は、ハウジング１の内径面に軸方向に並べて嵌合された２個の玉軸受４，５で支持し、回転軸２の一端２ｂをハウジング１の開口部１ｂからハウジング１外に突出させている。ハウジング１は、底付き円筒状のカップ状に形成され、底部外周の複数箇所に、取付片１ｃが突出している。取付片１ｃには取付孔６が設けられている。
【００１４】
回転軸２は段付き軸とされ、玉軸受４，５で支持される部分がハウジング１外に突出した一端２ｂよりも大径の大径部２ａとなっている。玉軸受４，５は、回転軸２の軸方向に並べて設けられる。玉軸受４，５は、深溝玉軸受等の転がり軸受であり、シール付きのもの等が用いられる。各玉軸受４，５の内輪４ａ，５ａは回転軸２の外径面に嵌合し、外輪４ｂ，５ｂの外径面はハウジング１の円筒状の内周面に嵌合する。ハウジング１の底部１ａ側の軸受４を、ハウジング１の底部１ａの上面、すなわち、ハウジング１の軸方向面である底面１ｄに、外輪４ｂの幅面が接する受け側の軸受としている。回転軸２には、両軸受４，５の内輪４ａ，５ａの幅面間に介在する鍔部２ｃが、大径部２ａの外周に設けられている。
【００１５】
また、ハウジング１の開口部１ｂ側の玉軸受５の外輪５ｂの幅面上に、ウェーブワッシャ等のばね部材７を配置し、このばね部材７を押圧した状態となるよう止め環８をハウジング１の内径面に設けられた止め環溝に嵌合している。したがって、開口部１ｂ側の玉軸受５は、ばね部材７で押し付けられる押付け側の軸受とされる。これらにより、２個の玉軸受４，５をハウジング１に止め付けている。このように、ばね部材７およびこれを押し止める止め環８を設け、両玉軸受４，５間に介在する鍔部２ｃを回転軸２に設けることにより、玉軸受４，５を予圧状態として回転軸２を支持している。ハウジング１の開口部１ｂの内径面と回転軸２の間の隙間は、シール９で塞がれている。シール９は、オイルシール等からなり、ハウジング１の内径面に嵌着されてそのリップ部が回転軸２の外径面に接触する。これにより、回転軸２の玉軸受４，５による支持部分への外部からの塵埃等の侵入を阻止している。
【００１６】
回転角検出手段３は、ポテンショメータ形式のものである。第１の回転角検出部３Ａは、基板に電気抵抗体を設けたものであり、ハウジング１の底面１ｄに取付けられている。ハウジング１の底面１ｄは、中央側が深く外周が浅い２段の段付き面とされ、第１の回転角検出部３Ａは、その深くなった底面部に取付けられている。第１の回転角検出部３Ａの基板はハウジング１の底面から突出させた位置決めピン１０でハウジング１に対して位置決めされている。ハウジング１の底壁には、導線引出し孔１１が中央に設けられ、第１の回転角検出部３Ａに設けられた電気抵抗体等に接続された複数本の導線１２が導線引出し孔１１から引き出されている。導線１２は、ハウジング１の外底面に設けられた浅い凹部１ｅ内に配置して側方に引出し、凹部１ｅ内で複数本まとめて導線止め具１３によりハウジング１に止め付けてある。第２の回転角検出部３Ｂは、第１の回転角検出部３Ａに摺接するブラシを基板に設けたものであり、回転軸２の端面に基板部分で止めねじ等により固定されている。
【００１７】
図３は、回転角検出手段３をポテンショメータ形式とした場合の構成例、およびその配線例を示す。第１の回転角検出部３Ａは、円周方向の一部が欠けたリング状の電気抵抗体１４と、リング状の電気接片１５とを同心に設けたものとされている。電気抵抗体１４は、例えば導電性樹脂からなる。第２の回転角検出部３Ｂのブラシ１６は、電気抵抗体１４と電気接片１５とに摺接して両者１４，１５を導通させるものである。
【００１８】
電気抵抗体１４には、両端の端子１４ａ，１４ｂ間に直流電源１７で一定の電圧を印加し、片方の端子１４ａと電気接片１５の端子１５ａとの間に電圧計１８を接続する。このように配線を行うことにより、電気抵抗体１４の端子１４ａ，１４ｂ間の印加電圧に対して、ブラシ１６で分圧された電圧が、電圧計１８で検出される。したがって、この電圧値からブラシ１６の回転位置、すなわち回転軸２の基準点Ｏからの回転角Ｂが検出される。なお検出可能な回転角範囲Ａは１８０°としてあるが、これに限られず、３６０°より小さければ（例えば、２７０°）、任意に設定することができる。
【００１９】
この回転角検出センサによると、ハウジング１をカップ状とし、その底部１ａに第１の回転角検出部３Ａを直接に設けたので、ハウジング１に蓋を設けてその蓋に回転角検出部を設けるものと異なり、取付誤差による回転検出出力のばらつきがない。回転角検出手段３として電気抵抗体１４とブラシ１６とによるポテンショメータ形式のものを使用した場合、回転検出出力の基準位置は電気的中立点位置と考えられる。ハウジング１に対する電気的中立点位置に関しては、この実施形態のような一体物のハウジング１に回転角検出部３Ａを設けたものは、ハウジング１と別体の蓋等に回転角検出部を設けたものに比べて、各部材間でのばらつきが小さい。
【００２０】
また、この回転角検出センサは、ハウジング１を一体物としたため、蓋が必要でなくなるのに加えて、従来ハウジングに蓋を取付けるのに必要であったボルトやその接触面のシール部材等が不要となり、構成部品数が削減できる。さらに、この回転角検出センサは、回転軸２に大径部２ａを設けたため、大径の玉軸受４，５が使用でき、回転軸２に大きな荷重が負荷されても、玉軸受４，５でこの荷重を支持することができる。玉軸受４，５は予圧されているため、回転軸２のがたつきがなく、荷重の負荷状態でも、精度良く回転角を検出することができる。玉軸受４，５の予圧は、ばね部材７を設けて定圧予圧としたため、定位置予圧の場合のような厳しい寸法精度を必要とせずに、適正な予圧を与えることができる。そのため、ハウジング１、回転軸２の鍔部２ｃあるいは間座等を高精度に加工する必要がなく、加工が簡単で安価に製作できる。
【００２１】
ポテンショメータ形式の回転角検出手段３は、構成が簡単であるが、電気抵抗体１４とブラシ１６間の押し付け力が変動すると、回転角の検出値に誤差が生じる。しかし、この実施形態では軸受４，５に予圧を与えるため、回転軸２に荷重が負荷されても、ブラシ１６の押し付け力が安定し、精度の良い回転角検出が行える。この予圧は、ハウジング１の底面１ｄに対して受け側の軸受としての玉軸受４の外輪４ｂの幅面が接する位置を基準位置Ｄとしてなされるから、電気抵抗体１４とブラシ１６との摺接位置がこの基準位置Ｄに近く、従来の回転角検出センサのように、ばね部材をハウジング底面と軸受外輪との間に設けたもの（基準位置と上記摺接位置とが遠くなる）に比べて、ハウジング１の温度変化による寸法変化の影響を受け難くなる。
【００２２】
したがって、第１および第２の回転検出部３Ａ，３Ｂの寸法変化が小さく、ブラシ１６の接圧変化を小さく保つことができる。このように、ブラシ１６の接圧変化を小さく保つことにより、電気抵抗体１４の寿命が長くなる、ブラシ１６と電気抵抗体１４との接圧不足による信号欠落が避けられる、ブラシ１６の接圧を適正に設定するための各部品寸法の交差を広くとることができる、等の効果が得られる。また、ハウジング１の温度変化による寸法変化の影響を受け難くいことから、ハウジング１を鋼材よりも熱膨張係数が大きい材料、例えば、アルミ合金、亜鉛合金によるダイキャスト品、または射出成型による樹脂材料で形成しても、熱膨張係数が大きいことによる寸法変化の影響が相殺され、鋳物や鋼材による場合に比べて切削加工部分が少なくなり安価に製作することができる利点が得られる。
【００２３】
なお、上記実施形態では、回転角検出手段３がポテンショメータ形式のものである例について述べたが、これに限らず、その他の形式の回転角検出手段も使用することができる。また、ハウジング１としては、例示のカップ状のものが部品点数が少ないことから好ましく採用されるが、底部に蓋を設けたものであっても、ハウジングの温度変化による寸法変化の影響を受け難くい特性により、回転角度測定精度の向上が期待される。
また、この明細書で開示された実施の形態は全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。この発明の範囲は、上記の説明だけでなく、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範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の一実施形態にかかる回転角検出センサの破断正面図である。
【図２】同回転角検出センサの下面図である。
【図３】同回転角検出センサの回転角検出手段とその配線構造の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１…ハウジング
１ａ…ハウジングの底部
１ｂ…ハウジングの開口部
１ｄ…ハウジングの底面、段面（軸方向面）
２…回転軸
２ｂ…回転軸の一端
２ｃ…鍔部
３…回転角検出手段
３Ａ…第１の回転角検出部
３Ｂ…第２の回転角検出部
４…玉軸受（受け側の軸受）
５…玉軸受（押付け側の軸受）
７…ばね部材
８…止め環
【図１】
2007155422.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007155422.tif 000005