JP2014055911A - 無接触型ポテンショメータ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、小型化が可能で、回転角度の検出要素のみならず検出要素からの検出信号の処理回路も内蔵でき、しかも機能的な要求が生じた場合にも、大幅な変更を要することなく対応することが可能な無接触型ポテンショメータを提供する。
【解決手段】 先端部にマグネット１９を保持したシャフト１５を支持するハウジング１０と、このハウジングに対しシャフトの先端側から取り付けられハウジングとの間でシャフトの先端部が臨む密閉のセンサ室２１を形成するカバー部材２０と、このカバー部材のセンサ室側にシャフトに直交するかたちで装着されセンサ室側の面においてマグネットに対向して磁気式角度検出用のセンサＩＣ２４が実装される回路基板２３と、カバー部材における回路基板との対向位置の一部に凹設され回路基板とで部品実装予備スペース２６を形成する凹部２５と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気機器や産業機器等に組み込まれて回転位置検出に利用される磁気式の無接触型ポテンショメータに関する。

従来より、角度センサの一つである無接触型ポテンショメータとして、例えば特許文献１に示されるように、シャフトに固定される円板状マグネットの形状を外周部が周方向で厚みが変化する略円柱形状とし、マグネットの側方に配置したホール素子と向き合うマグネットの厚みの変化に応じてホール素子の出力電圧を変化させてシャフトの回転位置を検出するようにしたものがある。

また、他のポテンショメータとしては、例えば特許文献２に見られるように、シャフトの先端に直接又は熱伸縮部を介して磁石を取り付けると共に、これに軸方向に対向するように一対の磁気抵抗素子を設け、シャフトの回転に伴うマグネットの回転位置に応じて一対の磁気抵抗素子に対する磁界の強さが変化することにより、磁気抵抗素子の抵抗値を可変させ、シャフトの回転動作に応じた出力電圧の変動からシャフトの回転角を得るようにしたものがある。

特開２００６−２４２９１５号公報 特開平８−１９３８０２号公報

しかしながら、上述した従来のポテンショメータにあっては、特許文献１に示すものの場合、シャフトと一体回転するマグネットをその外周部が周方向に厚みが変化するような形状にする必要があり、マグネットの形状が特殊となり、その製造に手間を要する上、高価になる難点があり、しかも、マグネットに対してホール素子をマグネットの外周に配置するため、装置全体として大型化する問題がある。

また、引用文献２に示すものの場合、シャフトの先端に取り付けた永久磁石と、これに対向するよう配置した２つの磁気抵抗素子とを、シャフトの軸線方向に配置することができるため、引用文献１の場合とは異なり、装置全体が大径化することがなく、特殊な形状の永久磁石を用いる必要もなく、小型・安価なポテンショメータとすることができる。反面、特許文献２のものでは、ハウジング内の底面に設けた磁極ヨーク上に一対の磁気抵抗素子を配置し、そのリード端子をそれぞれハウジングから導出させるだけの構成であるため、ポテンショメータからは両磁気抵抗素子の出力信号しか得られず、シャフトの回転角に応じた信号（電圧信号）は外部の処理回路で形成する必要があり、外部装置が複雑化する問題がある。

ここで、ポテンショメータのハウジング内に、一対の磁気抵抗素子の各端子を接続して信号処理回路を構成するための回路基板を収容することも考えられるが、特に引用文献２の場合、永久磁石と磁極ヨークとを対峙させてこの両者間に一対の磁気抵抗素子を配置する構成であるため、回路基板のための収容スペースを確保するのが容易でない難点がある。加えて、ポテンショメータの出力信号に対して電磁波等のノイズ対策が要求される場合のように、機能的な要求が追加された際には、回路構成の変更に伴い新規な回路基板とする必要があり、仕様が異なる毎に複数種類のポテンショメータを用意する等、生産効率も低下する難点がある。

本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に留意してなされたものであり、その目的とするところは、小型化が可能である上、回転角度の検出要素のみならず検出要素からの検出信号の処理回路も内蔵でき、しかも機能的な要求が生じた場合にも、大幅な変更を要することなく対応することが可能な無接触型ポテンショメータを提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明の無接触型ポテンショメータにあっては、先端部にマグネットを保持したシャフトを軸受を介して回転自在に支持するハウジングと、このハウジングに対しシャフトの先端側から取り付けられハウジングとの間でシャフトの先端部が臨む密閉のセンサ室を形成するカバー部材と、このカバー部材のセンサ室側にシャフトに直交するかたちで装着されセンサ室側の面においてマグネットに対向して磁気式角度検出用のセンサＩＣが実装される回路基板と、カバー部材における回路基板との対向位置の一部に凹設され回路基板とにより部品実装予備スペースを形成する凹部と、を備えることを特徴とする。

上記構成の無接触型ポテンショメータにおいて、カバー部材に外部からのリード線を回路基板に案内するための開口を形成し、リード線の回路基板への接続後に、開口にシール部材を充填するのが望ましい。また、シャフトの先端部に、先端に開口する円形凹部を同心に設け、マグネットをこの円形凹部内に埋め込むようにするのがよい。特に、マグネットは、２つの異なる磁極をそれぞれ半円状に形成してなるものとすることができ、回路基板上のセンサＩＣは回転軸の軸心の延長線上に配置することができる。

また、上記無接触型ポテンショメータにおいて、回路基板におけるセンサ室側の面に、センサＩＣと共に、このセンサＩＣで得られた信号を角度信号として出力するための出力処理回路を構成する各種電子部品の一部又は全部を実装することができる。さらに、回路基板を両面印刷基板から構成し、この回路基板における部品実装予備スペースの位置にも部品を実装する構成とすることができる。加えて、シャフトにおける軸受より基部側の周面とハウジングとの間にはシール手段を介在するのがなお良い。

本発明の無接触型ポテンショメータによれば、ハウジングに支持されたシャフトの先端部にマグネットが保持されてこれがセンサ室に配置され、カバー部材のセンサ室側に装着された回路基板にマグネットに対向してセンサＩＣが実装される構成になっているため、マグネットとセンサＩＣをシャフトの軸線方向に配置でき、上記した特許文献１のように装置全体がシャフトの径方向に大型化する心配が無く、また、カバー部材に回路基板を装着し、回路基板に実装したセンサＩＣの周辺回路等も回路基板に実装することが可能であるため、シャフトの回転角度に応じた出力信号を出力することが可能となる。特に、カバー部材における回路基板との対向位置には凹部が設けられ、これが回路基板に面しているため、凹部に面した回路基板にも部品実装することが可能となり、回路基板やハウジング・カバー部材等の構造を変更することなく、センサＩＣに関連する回路構成を適宜変更することが可能となり、仕様変更等に都度対応することができるものである。

本発明の実施例１による無接触型ポテンショメータを示す切断側面図である。 図１の無接触型ポテンショメータの正面図である。 図１の無接触型ポテンショメータの回路基板における結線図である。 本発明の実施例２による無接触型ポテンショメータを示す切断側面図である。 図４の無接触型ポテンショメータの正面図である。 本発明の実施例３による無接触型ポテンショメータを示す切断側面図である。

本発明に係る無接触型ポテンショメータの実施例につき、以下図面に基づき説明する。

本発明の実施例１を図１〜図３を用いて説明する。図１はポテンショメータをシャフトの軸線に沿って切断したものを示し、図２はポテンショメータの正面図である。ポテンショメータの外筐をなすハウジング１０は円筒状の本体部１１及びこの本体部１１の基部外周に一体に設けられたフランジ部１２からなり、非磁性の金属材料或いは樹脂材料により構成されている。本体部１１は、中腹の軸受保持部１１ａと、軸受保持部１１ａより内径が多少大きく形成された基部寄りのシール部１１ｂと、このシール部１１ｂよりも内径がさらに大きく形成された先端寄りのセンサ部１１ｃとを有し、軸受保持部１１ａの内側においてボールベアリングよりなる一対の軸受１３・１４を用いてシャフト１５が回転自在に支持されている。軸受保持部１１ａの内側には内径側に突出して両軸受１３・１４の外輪間に介在する環状段部１１ｄが設けられている。

シャフト１５は非磁性金属材料により構成され、その軸方向のほぼ中間位置を境に基部側の太径部１５Ａと、先端側の中径部１５Ｂとを備えており、中径部１５Ｂの先端部外周面には雄ねじが形成されている。このシャフト１５は、その中径部１５Ｂを先端側から一対の軸受１３・１４の内輪の内側に挿通し、軸受１４から導出した中径部１５Ｂの先端部に、環状板ばね１６及び環状スペーサ１７を介挿した後、この先端部の雄ねじにナット１８を螺合することにより、本体部１１に支持される。このとき、シャフト１５の太径部１５Ａにおける中径部１５Ｂ側の段付部が軸受１３の内輪の基部側端面に当接すると共に、一対の軸受１３・１４のそれぞれの外輪における互いに向かい合う端面が環状段部１１ｄに当接しているため、板ばね１６が軸受１４の内輪端面に接した状態でスペーサ１７を介してナット１８を適度の締付力で螺合することにより、一対の軸受１３・１４に板ばね１６による適度な定圧予圧が与えられることになり、シャフト１５ががたつきを生じることなく本体部１１に支持されることになる。なお、板ばね１６・スペーサ１７・ナット１８はそれぞれ磁性金属材料により構成されている。

上記より明らかなように、シャフト１５の中径部１５Ｂにおいて軸受１４から導出した先端部は、本体部１１におけるセンサ部１１ｃ内に配置される。この中径部１５Ｂの先端部には先端側に開口する円形凹部がシャフト１５と同心に形成されており、これに円盤状のマグネット１９が同心状に埋め込まれ、例えば接着剤を用いて固着されている。このマグネット１９は半円状に着磁された２極の磁極を周方向に配置して構成され、例えばネオジム焼結マグネットが使用されている。

本体部１１におけるセンサ部１１ｃの先端側開口は、円形のカバー部材２０により施蓋され、センサ部１１ｃの内側にシャフト１５の先端部が臨む密閉されたセンサ室２１が形成されている。センサ部１１ｃの開口端内面とカバー部材２０の外周との間には周方向全周に接着剤２２が充填され、センサ室２１の気密性を高めている。カバー部材２０のセンサ室２１側、つまりシャフト先端部に対向する面には、そのほぼ全面に渡ってシャフト１５に直交するかたちで両面印刷された円形の回路基板２３が取り付けられており、回路基板２３のセンサ室２１側の面におけるシャフト先端部に対向する位置、つまり回路基板２３の中央部に、マグネット１９に対向する磁気式角度検出用のセンサＩＣ２４が実装されている。このセンサＩＣ２４としては、例えばＭｅｌｅｘｉｓ社製の型番ＭＬＸ９０３１６が用いられる。

図３は、上記センサＩＣ２４の出力信号からマグネット１９の回転角度に応じた信号を得るための処理回路を示したものであり、図中、ＺＤ１・ＺＤ２はツェナーダイオード、Ｃ１・Ｃ２・Ｃ３・Ｃ４はコンデンサ、Ｒ１・Ｒ２は抵抗を示し、また、ＶＣＣは電源端子、ＧＮＤはグランド端子、ＯＵＴは出力端子をそれぞれ示す。そして、センサＩＣ２４を含むこれら処理回路を構成する各種電子部品は、上記回路基板２３におけるセンサ室２１側の面に実装されている。

上記カバー部材２０には、回路基板２３との対向位置においてカバー部材２０の中央部を含む比較的広い範囲に渡って凹部２５が設けられ、この凹部２５と回路基板２３とにより閉塞された部品実装予備スペース２６が形成されている。この予備スペース２６は、図３に示す回路以外に、例えば出力端子ＯＵＴからの出力信号に対する電磁波対策のための保護回路を追加する場合のように、特殊なオプション回路が要求される場合に、この予備スペース２６を利用し、回路基板２３上に部品を実装してオプション回路を構成するためのものである。

また、カバー部材２０には、その中央から離れた部位に、ほぼ方形のリード用案内孔２７が形成され、この案内孔２７を通して回路基板２３の一部に外部から直接リード線を接続できるようになっている。回路基板２３における案内孔２７に対応する位置には、図３に示した各端子ＶＣＣ・ＯＵＴ・ＧＮＤが配置され、それぞれスルーホールを構成しており、外部からの３本のリード線２８が案内孔２７を通して回路基板２３の各端子にスルーホールを利用して挿入され、回路基板２３においてセンサＩＣ２４が実装された面で各リード線２８がそれぞれ半田付けにて接続される。このリード線２８の接続後、案内孔２７にはシール部材２９が充填され、リード線２８の保持とセンサ室２１の気密維持を図っている。

３本のリード線２８は保護チューブ内に通されて１本のフラットケーブル３０に纏められ、これがカバー部材２０の外面に突設された一対の突片３１間を通して上方に案内されると共に、本体部１１の上側に軸方向に形成した溝３２に通してフランジ部１２に案内され、さらにフランジ部１２においてねじ止めされる押さえ板３３により拘束され、ハウジング１０と一体化されている。

ハウジング１０の本体部１１におけるシール部１１ｂの内周面と、シャフト１５における太径部１５Ａの外周面との間には、この両者間をシールする２個のオイルシール３４・３５が軸方向に並べて配置されており、これにより、外部からの塵埃等が軸受保持部１１ａ内に侵入することを防止すると同時に、カバー部材２０と協働してセンサ室２１の密閉度を高めており、防塵・防水性に優れたものとしている。

以上のように構成されたポテンショメータにあっては、シャフト１５の太径部１５Ａにおける基部が回転角度を検出する被測定部位に連結される。そして、被測定部位の回転と共にシャフト１５が回転することにより、シャフト１５の先端のマグネット１９も回転して磁界の変化を生じ、マグネット１９に正対するセンサＩＣ２４がこの磁界の変化を検出し、シャフト１５の回転角度に応じた出力信号が得られる。

上記実施例１によるポテンショメータでは、シャフト１５の先端部に設けたマグネット１９に対して軸方向に対向するようセンサＩＣ２４を配置する構成であるため、マグネットの回りにセンサを配置する従来のものに比べ装置が大径化することがなく、しかも、マグネット１９をシャフト１５の先端部に埋め込むため、装置全体の小型化が容易に実現できる効果がある。また、ハウジング１０と共にセンサ室２１を構成するカバー部材２０のほぼ全面に回路基板２３を取り付け、この一面にセンサＩＣ２４や各種回路構成部品を実装するため、回路基板２３のための特別なスペースを準備する必要が無く、装置を大型化する心配がない。

特に、カバー部材２０に取り付けた回路基板２３を両面印刷基板で構成すると共に、カバー部材２０に凹部２５を形成して回路基板２３に面する予備スペース２６を確保する構造としているため、センサからの出力信号に対する電磁波対策等の機能向上を図る場合にこの予備スペース２６を利用して回路基板２３にオプション回路を追加実装することができ、構造変更を伴わずにオプション対応でき、汎用性が高まるものである。加えて、回路基板２３を両面印刷基板とすることにより、リード線２８との接続箇所をスルーホールとし、その接続信頼性を高めることができる利点がある。

図４及び図５は、本発明の実施例２による無接触型ポテンショメータを示し、図４はポテンショメータをシャフトの軸線に沿って切断したものを示し、図５はポテンショメータの正面図である。これらの図面において、前記した図１及び図２と同一符号のものは同一若しくは相当するものを示すものとする。

ハウジング１０は、本体部１１とフランジ部１２とから構成されているが、実施例１の場合と異なり、フランジ部１２が本体部１１の基部側ではなく、中腹の軸受保持部１１ａの外周に一体に設けられており、本体部１１は実施例１のものよりも大径化されている。シャフト１５は基部側の大径部１５Ａと先端部側の中径部１５Ｂとからなり、中径部１５Ｂが本体部１１の軸受保持部１１ａに配置された一対の軸受１３・１４に支持されている。本体部１１のセンサ部１１ｃ内に導出された中径部１５Ｂの先端部に板ばね１６及びスペーサ１７を介してナット１８を螺合することにより、シャフト１５が本体部１１に対し定圧予圧を付与した状態で回転自在に支持される。シャフト１５の中径部１５Ｂの先端部には円形凹部が同心状に形成され、これに円盤状のマグネット１９が埋め込まれている。

ハウジング１０の本体部１１におけるセンサ部１１ｃには、その先端開口を閉塞するようカバー部材２０が装着され、センサ部１１ｃ内に密閉されたセンサ室２１が形成されている。カバー部材２０のセンサ室２１側には、シャフト１５に直交するかたちでカバー部材２０のほぼ全域に渡って円形の回路基板２３が装着されており、この回路基板２３において、マグネット１９に対向する位置である中央部にセンサＩＣ２４が実装されると共に、その周囲にセンサＩＣ２４からの信号に対する処理回路を構成する各種電子部品が実装されている。さらに、カバー部材２６における回路基板２３との対向位置の一部（中央部）には凹部２５が設けられ、回路基板２３との間で部品実装予備スペース２６が形成されている。

ここで、実施例２の回路基板２３にあっては、センサＩＣ２４に対する処理回路が２系統存在し、シャフト１５の回転角度に応じた角度信号が２系統出力できるようになっている。そして、図５に見られるように、カバー部材２０の上部には回路基板２３に通じる案内孔が２箇所設けられ、それぞれの案内孔に３本ずつのリード線２８を通して回路基板２３に接続することにより、２系統の出力信号を外部に取り出せるようにしている。２箇所の案内孔は何れもシール材で充填される。カバー部材２０より導出された２系統の計６本のリード線２８は、本体部１１及びフランジ部１２に形設した溝に沿って引き出され、途中、ねじ止めされた押さえ板３３で結束されて、外部に案内されている。

さらに、ハウジング１０の本体部１１におけるシール部１１ｂの内周面と、シャフト１５における太径部１５Ａの外周面との間には、この両者間をシールするオイルシール３４が配置されており、外部からの塵埃等が軸受保持部１１ａ内に侵入することを防止すると同時に、カバー部材２０と協働してセンサ室２１の密閉度を高め、防塵・防水性に優れたものとしている。

この実施例２においても、上記実施例１の場合と同様、シャフト１５の先端部に設けたマグネット１９に対して軸方向に対向するようセンサＩＣ２４を配置するため、マグネットの回りにセンサを配置する従来のものに比べ装置が大径化することがなく、また、ハウジング１０と共にセンサ室２１を構成するカバー部材２０のほぼ全面に回路基板２３を取り付け、この一面にセンサＩＣ２４や各種回路構成部品を実装するため、回路基板２３のための特別なスペースを準備する必要が無く、装置を大型化する心配がない。特に、カバー部材２０に取り付けた回路基板２３を両面印刷基板で構成すると共に、カバー部材２０に形成した凹部２５を利用して回路基板２３に面する予備スペース２６を確保するため、センサからの２系統のうちの一方又は両方の出力信号に対する電磁波対策等の機能向上を図る場合にこの予備スペース２６を利用することができ、構造変更を伴わずにオプション対応でき、汎用性が高まる。

図６に示すものは、本発明の実施例３による無接触型ポテンショメータをシャフトの軸線に沿って切断したものであり、前記と同一符号のものは同一若しくは相当するものを示すものとする。

この実施例３に示すものは、実施例１や実施例２のものに比べ、より大型化したポテンショメータを示し、ハウジング１０の本体部１１におけるセンサ部１１ｃの外周側にフランジ部１２を一体に設ける構成になっている。さらに、このセンサ部１１ｃの内周側にカバー部材２６全体を内包できるようにすると共に、軸受保持部１１ａの側面にカバー部材２６の端面を当接させてこの両者間にセンサ室２１を形成するようになっている。実施例１及び実施例２の場合、カバー部材２０はハウジング１０の本体部１１に軽圧入と接着により固定していたが、この実施例３のものでは、カバー部材２６を本体部１１にボルト止めにて固定している。この場合、軸受保持部１１ａの側面におけるカバー部材２６との接合位置には、凹溝３６が軸心を中心とした同一円周上に環状に形成され、これにＯリングを嵌め込んだ上でカバー部材２６を取り付けることにより、両者の接合箇所がシールされ、センサ室２１の密閉度を高める構造となっている。

この実施例３のものにおいても、実施例１や実施例２のものと同様、センサ室２１に臨んだシャフト１５の先端部にマグネット１９を埋め込んでおり、また、カバー部材２６に取り付けた両面印刷基板の回路基板２３におけるセンサ室２１側の面に、マグネット１９との対向位置にセンサＩＣ２４を配置し、その回りに処理回路を構成する各種部品を実装している。加えて、カバー部材２６における回路基板２３側に凹部２５を形成して回路基板２３と共に部品実装予備スペース２６を設けている。

以上、本発明の実施例につき説明したが、本発明はこれら実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明による無接触型ポテンショメータは、電気機器や産業機器等に組み込まれて回転位置検出に利用され、特に、センサ室の密閉性を確保し得ることから、防塵・防水が要求される作業環境の不利な屋外等における利用にも適用できるものである。

１０ ハウジング
１３・１４ 軸受
１５ シャフト
１９ マグネット
２０ カバー部材
２１ センサ室
２３ 回路基板
２４ センサＩＣ
２５ 凹部
２６ 部品実装予備スペース
２８ リード線
２９ シール部材
３４・３５ オイルシール

Claims (8)

1. シャフトと一体に回転するマグネットを有し、該マグネットの回転に伴う磁界の変化から前記シャフトの回転角度を検出する無接触型ポテンショメータであって、
   先端部に前記マグネットを保持した前記シャフトを軸受を介して回転自在に支持するハウジングと、
   該ハウジングに対し前記シャフトの先端側から取り付けられ前記ハウジングとの間で前記シャフトの先端部が臨む密閉のセンサ室を形成するカバー部材と、
   該カバー部材の前記センサ室側に前記シャフトに直交するかたちで装着され該センサ室側の面において前記マグネットに対向して磁気式角度検出用のセンサＩＣが実装される回路基板と、
   前記カバー部材における前記回路基板との対向位置の一部に凹設され該回路基板とにより部品実装予備スペースを形成する凹部と、を備えることを特徴とする無接触型ポテンショメータ。
2. 前記カバー部材には外部からのリード線を前記回路基板に案内するための開口が形成され、該開口には、前記リード線の前記回路基板への接続後に、シール部材が充填されることを特徴とする請求項１に記載の無接触型ポテンショメータ。
3. 前記シャフトの先端部には、先端に開口する円形凹部が同心に設けられ、前記マグネットは前記円形凹部の内径にほぼ等しい外径を有する円盤状に形成され、該マグネットが前記円形凹部に埋め込まれている請求項１に記載の無接触型ポテンショメータ。
4. 前記マグネットは、２つの異なる磁極をそれぞれ半円状に形成してなる請求項３に記載の無接触型ポテンショメータ。
5. 前記回路基板上のセンサＩＣは前記回転軸の軸心の延長線上に配置されている請求項３又は４に記載の無接触型ポテンショメータ。
6. 前記回路基板における前記センサ室側の面には、前記センサＩＣと共に、該センサＩＣで得られた信号を角度信号として出力するための出力処理回路を構成する各種電子部品の一部又は全部が実装されている請求項１に記載の無接触型ポテンショメータ。
7. 前記回路基板は両面印刷基板からなり、該回路基板における前記部品実装予備スペースの位置にも部品が実装される請求項１に記載の無接触型ポテンショメータ。
8. 前記シャフトにおける前記軸受より基部側の周面と前記ハウジングとの間には、シール手段が介在されていることを特徴とする請求項１に記載の無接触型ポテンショメータ。

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