JP6093562B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

実施形態は、車両などの一つの機械装置を構成する２つの部品の間の相対変位を検出する変位検出装置に関する。

例えば、車両などの一つの機械装置を構成する２つの部品の間の相対変位を検出し、検出値に基づいて車両の機能を制御することがある。例えば、車両のヘッドランプのオートレベリング機能を実現するために、変位検出装置が車体に取り付けられる。具体的には、ヘッドライトが取り付けられた車体の一部に対する後輪車軸の変位を検出し、変位検出値に基づいてヘッドランプのオートレベリングを行なう。オートレベリングとは、後輪車軸が車体に対して沈み込んだ際に、ヘッドランプの光軸が規定の範囲を超えて上向きにならないように、ヘッドランプの光軸方向を調整する機能である。

自動車などの車両に搭載される機能には、上述のオートレベリング機能の他にも、変位検出装置により対象物の変位を検出して制御に用いるような機能がある。他の一例として、ブレーキペダルのストローク（変位）を検出し、ブレーキ制御に利用するといった用途もある。

変位検出装置は、例えば、変位を検出する対象物に固定される被検出部と機械装置の一部に固定される固定部とを有するリンク機構と、リンク機構の変位を角度変位として検出する角度検出器とを有する。リンク機構の被検出部が固定部に対して変位すると、変位に応じてリンク機構の一端の固定部が回転する。この回転角を角度検出器で検出することで、変位検出対象に固定された被検出部の変位を検出することができる。

特開２００６−３０６１７７号公報

上述の変位検出装置において、リンク機構のレバーとレバーの間の関節部にボールジョイントが用いられることが多い。３軸方向に回転可能なボールジョイントを用いることで、レバーの回転方向を含む面に対し平行な方向以外の方向の変位を吸収することができる。

ただし、ボールジョイントは比較的高価な部品であり、ボールジョイントを用いることで、変位検出装置の製造コストが上昇してしまう。また、ボルト・ナットなどによる固定機構を用いてリンク機構のレバーにボールジョイントを取り付ける必要がある。このため、変位検出装置の組み立て工数が多くなり、その分、変位検出装置の製造コストが上昇してしまう。

そこで、簡単な構造の関節部を用いてリンク機構を形成することで製造コストを抑えた変位検出装置の開発が望まれている。

一実施態様によれば、２つの部品の相対位置の変化量を角度変位量として検出する変位検出装置であって、少なくとも一つの関節部を有し、前記２つの部品を連結するリンク機構と、該リンク機構の一端に接続された回転角度検出器とを有し、前記リンク機構の前記関節部としてバネを用いたものであって、前記リンク機構は２つのねじりコイルバネを含み、前記リンク機構は、前記２つのねじりコイルバネ同士を接続する中間接続部と、前記２つのねじりコイルバネの一方から延在する検出器接続部と、前記２つのねじりコイルバネの他方から延在する検出対象接続部とを含み、前記２つのねじりコイルバネは一本の金属ワイヤを加工して形成された変位検出装置が提供される。

リンク機構の関節部としてバネを用いることで、リンク機構の構造が簡素化され、安価な変位検出装置を提供することができる。

第１実施形態による変位検出装置の斜視図である。 第１実施形態による変位検出装置を図１とは反対側から見た斜視図である。 回転角度検出器を取り外した状態の変位検出装置の斜視図である。 第２実施形態による変位検出装置の斜視図である。 回転角度検出器を取り外した状態の変位検出装置の斜視図である。 第３実施形態による変位検出装置の斜視図である。 回転角度検出器とバネガイドを取り外した状態の変位検出装置の斜視図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は第１実施形態による変位検出装置の斜視図である。図２は第１実施形態による変位検出装置を図１とは反対側から見た斜視図である。

第１実施形態による変位検出装置１００は、リンク機構１１０と、リンク機構１１０の一端に取り付けられた回転角度検出器１５０とを有する。

本実施形態によるリンク機構１１０は、２個の関節部を有する２関節式のリンク機構であり、関節部の各々が一つのバネのみで形成されている。より具体的には、２個の関節部は、ねじりコイルバネ１１２，１１４によりそれぞれ形成されている。２個のねじりコイルバネ１１２，１１４は一本のバネ材により形成されており、バネ材により繋がって一体となっている。バネ材としては、例えば、炭素鋼バネ材やステンレス鋼バネ材（ＳＵＳ３０４ＷＰＢ）などの金属ワイヤを用いることができる。金属ワイヤの断面形状は、円形断面であってもよく、四角形や六角形のような多角形断面であってもよい。

ねじりコイルバネ１１２の一端部は、バネ材が直線的に延在した直線部１１６として形成されている。ねじりコイルバネ１１２の他端部は、バネ材が直線的に延在した中間直線部１１８として形成されている。中間直線部１１８は、コイルバネ１１４に繋がっており、コイルバネ１１２と１１４の間の部分が中間直線部１１８となっている。したがって、中間直線部１１８はコイルバネ１１４の一端部であるともいえる。ねじりコイルバネ１１４の他端部は、バネ材が直線的に延在した直線部１２０として形成されている。

以上のように、直線部１１６、ねじりコイルバネ１１２、中間直線部１１８、ねじりコイルバネ１１４、及び、直線部１２０は、一本のバネ材を加工することで一体に形成されている。直線部１１６、中間直線部１１８、及び、直線部１２０は、それぞれリンク機構１１０のアーム又はレバーに相当する部分であり、後述のように補強部材で補強されて剛性が付与されている。ねじりコイルバネ１１２，１１４は上述のようにそれぞれリンク機構１１０の関節部に相当し、ねじりコイルバネ１１２，１１４を中心にして、直線部１１６、中間直線部１１８、及び、直線部１２０は回転変位可能となる。

ねじりコイルバネ１１２の一端部となる直線部１１６は、検出対象接続部としてのレバー部材１２２に固定されている。レバー部材１２２は、例えば、樹脂板材や金属板材などの剛性を有する材料で形成され、直線部１１６が変形しないように補強する役割を果たす。

直線部１１６をレバー部材１２２に固定する方法は様々な方法が考えられるが、本実施形態では、バネ材が貫通できる孔を有するピン１４０を用いている。ピン１４０の一端側にはネジ部が形成されており、先端側にバネ材が貫通できる孔がピン１４０の軸に垂直な方向に形成されている。ピン１４０の先端側をレバー部材１２２の裏面側から孔に差し込んで表側に出し、表側に出たピン１４０の孔に直線部１１６を挿入した状態で、ピン１４０のネジ部にナット１４１を係合させて締め付ける。これにより、ピン１４０が裏面側へ引っ張られ、直線部１１６がレバー部材１２２の表面に押し付けられて固定される。本実施形態では、ピン１４０は２個所に設けられているが、直線部１１６に沿って３個所以上に設けられてもよい。

また、レバー部材１２２には貫通孔１２２ａが形成されており、貫通孔１２２ａを利用してレバー部材１２２を変位検出対象に対してネジ止めすることができる。したがって、レバー部材１２２は、変位検出対象に対してリンク機構１１０の一端を固定するための接続部としての役割も果たす。したがって、直線部１１６が固定されたレバー部材１２２は、リンク機構１１０を変位検出対象に接続する部分である検出対象接続部に相当する。

一方、ねじりコイルバネ１１２とねじりコイルバネ１１４の間に延在する中間直線部１１８は、補強部としてのレバー部材１２４に固定される。レバー部材１２４は、例えば、樹脂板材や金属板材などの剛性を有する材料で形成され、中間直線部１１８が変形しないように補強する役割を果たす。

なお、中間直線部１１８は、上述の直線部１１６と同様な固定法で、ピン１４２とナット１４３を用いてレバー部材１２４に固定される。中間直線部１１８が固定されたレバー部材は、ねじりコイルバネ１１２とねじりコイルバネ１１４とを繋ぐ部分である中間接続部に相当する。

また、ねじりコイルバネ１１４の一端部となる直線部１２０は、検出器接続部としてのレバー部材１２６に固定されている。レバー部材１２６は、例えば、樹脂板材や金属板材などの剛性を有する材料で形成され、直線部１２０が変形しないように補強する役割を果たす。

なお、直線部１２０も、上述の直線部１１６と同様な固定法で、ピン１４４とナット１４５を用いてレバー部材１２６に固定される。直線部１２０が固定されたレバー部材１２６は、リンク機構１１０の一端を回転角度検出器１５０に接続する部分である検出器接続部に相当する。

図３は、レバー部材１２６が回転角度検出器１５０から外された状態の変位検出装置１００の斜視図である。レバー部材１２６の一端に、内面に複数の溝が設けられた貫通孔１２６ａが形成されている。回転角度検出器１５０の回転角度検出軸１５２が、レバー部材１２６の貫通孔１２６ａに挿入され、固定される。回転角度検出軸１５２の外周面には、貫通孔１２６の内面の溝に対応した形状の複数の帯状の突起が形成されている。回転角度検出軸１５２の突起が貫通孔１２６ａの溝に嵌合することで（いわゆるスプライン接続）、レバー部材１２６の貫通孔１２６は滑ることなく回転角度検出軸１５２に係合する。これによりレバー部材１２６の回転変位を確実に回転角度検出軸１５２に伝達することができる。

回転角度検出器１５０は、例えば小型のロータリエンコーダであり、磁気式エンコーダや光学式エンコーダなど、どのような方式のエンコーダでもよい。回転角度検出器１５０の回転角度検出軸１５２が回転すると、その回転角に応じた電気信号がコネクタ部１５４から出力される。回転角度検出器１５０の解像度や特性は、変位検出装置の用途に合うように決定すればよい。

回転角度検出器１５０の本体１５６は、固定用孔１５６ａを有している。回転角度検出器１５０は、固定用孔１５６ａを利用して固定部（変位を検出する検出対象に対して変位しない固定された部分）にネジ止め等にて固定される。

上述のように、リンク機構１１０の構成は、ねじりコイルバネ１１２，１１４が形成されたバネ材の直線部にレバー部材１２２，１２４，１２６を固定して補強しただけの簡単な構造であり、安価に製造することができる。関節部として機能するねじりコイルバネ１１２，１１４の各々は、コイルの巻方向に変形することができるので、コイルを中心としてコイルの両端を回転変位可能とする関節部の機能を提供する。加えて、コイルの両端は他の方向に変位可能であり、コイルの巻方向以外の方向に変位した場合でも、その変位を吸収することができる。これにより、ねじりコイルバネ１１２，１１４の各々は、例えばボールジョイントを用いた関節部と同様の関節機能を提供することができる。

ここで、一例として、関節部として機能するねじりコイルバネ１１２とその一端から延出する直線部１１６（レバー部材１２２）の変位について説明する。直線部１１６は、ねじりコイルバネ１１２巻方向に回転可能である。ねじりコイルバネ１１２の巻方向は、回転角度検出器１５０の回転角度検出軸１５２の回転方向に一致している。したがって、直線部１１６（レバー部材１２２）がねじりコイルバネ１１２の巻方向（図１におけるＡ方向）に回転すると、その回転はリンク機構１１０を介して回転角度検出器１５０の回転角度検出軸１５２に伝達される。ただし、直線部１１６（レバー部材１２２）がねじりコイルバネ１１２の巻方向に回転すると、ねじりコイルバネ１１２は僅かに巻方向にたわむので、その分だけ回転量が小さくなって、回転角度検出軸１５２に伝達される。したがって、コイルバネ１１２の巻方向へのたわみ分を予め考慮したうえで、直線部１１６（レバー部材１２２）の変位量（回転角度）を検出すればよい。

ここで、直線部１１６（レバー部材１２２）の変位方向は、Ａ方向のみとは限らず、検出対象の変位によっては、Ａ方向を含む面に対して平行ではない方向（例えば、Ａ方向を含む面に対して垂直なＢ方向）や、直線部１１６の延在方向（Ｃ方向）に僅かに変位する場合があり得る。しかし、このような場合でも、ねじりコイルバネ１１２のコイル部が変形することで、Ｂ方向やＣ方向の変位を吸収することができ、変位方向に対して柔軟性を有するリンク機構１１０を実現することができる。

なお、ねじりコイルバネ１１２のコイル部の各巻部は直線部１１６の変位に伴い常に変形する場合があるので、コイル部は密着巻とせずに、各巻部が僅かに離間した状態としておき、摩擦が生じないようにしておくことが好ましい。

上述の変位検出装置１００は、例えば、車両のヘッドランプのオートレベリング機能を実現するために、車両の一部に取り付けられる。この場合、変位を検出すべき検出対象は車両の後輪軸などであり、検出対象接続部であるレバー１２２が後輪軸と共に移動する部品、例えば後輪軸の軸受けを搭載した部品等に接続され固定される。一方、固定側となる回転角度検出器１５０は、後輪軸に近い位置で車体の一部に接続され固定される。これにより、例えば車両の後部に重量物が搭載されて後輪軸が車体に入り込んだ場合の車体の変位（傾斜角度）を変位検出装置１００で検出することができる。

車両における他の用途として、例えば、ブレーキペダルの操作量に基づいて制御を行なうといった用途もある。この場合、変位を検出すべき検出対象は例えばブレーキシリンダのロッドであり、検出対象接続部であるレバー１２２がブレーキシリンダのロッドに接続され固定される。一方、固定側となる回転角度検出器１５０は、ブレーキシリンダに近い位置で車体の一部に接続され固定される。これにより、ブレーキペダルの変位に対応するブレーキシリンダのロッドの変位を、変位検出装置１００で検出することができる。

次に、第２実施形態による変位検出装置について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は第２実施形態による変位検出装置２００の斜視図である。図５は、回転角度検出器１５０を取り外した状態の変位検出装置２００の斜視図である。図４及び図５において、図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。

第２実施形態では、第１実施形態のようにレバー部材１２２，１２４，１２６を取り付けてバネ材の直線部１１６，１１８，１２０を補強する代わりに、直線部１１６，１１８，１２０に樹脂モールド部２２２，２２４，２２６をそれぞれ形成する。樹脂モールド部２２２，２２４，２２６の成形は、ねじりコイルバネ１１２，１１４が形成されたバネ材をインサートモールドすることで、同時に行なうことができる。

具体的には、直線部１１６に沿って樹脂モールド部２２２がインサート成形される。樹脂モールド部２２２には、検出対象に接続・固定するためのねじ貫通孔として用いられる貫通孔２２２ａが形成される。また、中間直線部１１８に沿って、樹脂モールド部２２４がインサート成形される。樹脂モールド部２２４は何処にも固定されないので、固定用の貫通孔を形成する必要は無い。さらに、直線部１２０に沿って樹脂モールド部２２４がインサート成形される。樹脂モールド部２２４には、回転角度検出器１５０の回転角度検出軸１５２に係合する貫通孔２２６ａが形成される。

なお、各樹脂モールド部２２２，２２４，２２６には、樹脂モールド部の重量を低減し、且つモールド特性を改善する（樹脂の引け防止等）ための凹部や貫通部が形成されるが、このような凹部や貫通部は変位検出装置２００の機能には関係しない。

また、樹脂モールド部２２２，２２４，２２６の中に埋め込まれる直線部１１６，１１８，１２０は、必ずしも直線である必要は無い。インサート成形で形成する観点からすれば、各直線部１１６，１１８，１２０は、樹脂モールド部２２２，２２４，２２６に埋め込まれた部分で屈曲したり蛇行したりしていることが好ましい。

第２実施形態による変位検出装置２００も、第１実施形態による変位検出装置１００と同様の効果を提供することができ、第１実施形態による変位検出装置１００と同様な用途に用いることができる。また、第２実施形態による変位検出装置２００では、バネ材をインサート成形することで、リンク機構１１０全体を一つの部品として形成することができる。これにより、変位検出装置２００の組立て工数が低減され、製造コストが低減される。

次に、第３実施形態による変位検出装置について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は第３実施形態による変位検出装置３００の斜視図である。図７は、回転角度検出器１５０と後述するバネガイドとを取り外した状態の変位検出装置３００の斜視図である。図６及び図７において、図１及び図５に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。

第３実施形態では、中間直線部１１８が埋め込まれる樹脂モールド部３２４に対してバネガイド３４０が取り付けられる。バネガイド３４０には、長手方向の両端からガイド３４２が垂直に突出した状態で形成されている。バネガイド３４０が樹脂モールド部３２４に取り付けられると、ガイド３４２はねじりコイルバネ１１２，１１４のコイル部の内側に挿入される。ガイド３４２の外径は、ねじりコイルバネ１１２，１１４のコイル部の内径より僅かに小さい。

バネガイド３４０の樹脂モールド部３２４への取り付けは、樹脂モールド部３２４のカシメ突起３２４ａを、バネガイド３４０の貫通孔３４４に挿入し、カシメ突起３２４ａの先端を熱カシメすることで行なわれる。カシメ突起３２４ａは樹脂モールド部３２４に一体に成形できるので、部品点数が増えることなく、安価にバネガイド３４０を樹脂モールド部３２４に取り付けることができる。

以上のように、ガイド３４２をねじりコイルバネ３２４の内側に嵌め込むことにより、ねじりコイルバネ１１２，１１４の間の距離は、２つのガイド３４２の間の距離に固定され、ねじりコイルバネ１１２，１１４の相対位置関係が一定に維持される。また、ねじりコイルバネ１１２，１１４が変形する際に、ガイド３４２により変形方向が限定され、ねじりコイルバネ１１２，１１４のコイル部の中心軸が倒れたり湾曲することが防止される。これにより、関節部としてのねじりコイルバネ１１２，１１４の回転軸の位置関係を一定に維持することができるとともに、関節部に回転方向以外の方向に力が作用しても、関節部の回転軸が狂うことなく、リンク機構３１０の変位を確実なものとすることができる。

本明細書は以下の事項を開示する。
（付記１）
２つの部品の相対位置の変化量を角度変位量として検出する変位検出装置であって、
少なくとも一つの関節部を有し、前記２つの部品を連結するリンク機構と、
該リンク機構の一端に接続された回転角度検出器と
を有し、
前記リンク機構の前記関節部としてバネを用いた変位検出装置。
（付記２）
付記１記載の変位検出装置であって、
前記バネは、ねじりコイルバネである変位検出装置。
（付記３）
付記１又は２記載の変位検出装置であって、
前記リンク機構は２つの前記ねじりコイルバネを含む変位検出装置。
（付記４）
付記３記載の変位検出装置であって、
前記ねじりコイルバネは、各巻線部が離間している変位検出装置。
（付記５）
付記３又は４記載の変位検出装置であって、
前記リンク機構は、前記２つのねじりコイルバネ同士を接続する中間接続部と、前記２つのねじりコイルバネの一方から延在する検出器接続部と、前記２つのねじりコイルバネの他方から延在する検出対象接続部とを含む変位検出装置。
（付記６）
付記３乃至５のうちいずれか一項記載の変位検出装置であって、
前記２つのねじりコイルバネは一本の金属ワイヤを加工して形成された変位検出装置。
（付記７）
付記３乃至６のうちいずれか一項記載の変位検出装置であって、
前記リンク機構に含まれる前記中間接続部、前記検出器接続部、及び前記検出対象接続部は、前記金属ワイヤのねじりコイルバネが形成された部分以外の部分を樹脂材料で被覆して形成された変位検出装置。
（付記８）
付記７記載の変位検出装置であって、
前記リンク機構は、前記ねじりコイルバネが形成された金属ワイヤをインサート成形することで形成された変位検出装置。
（付記９）
付記４乃至８のうちいずれか一項記載の変位検出装置であって、
前記中間接続部に沿って延在するバネ支持部材をさらに有し、
前記バネ支持部材は、前記２つのねじりコイルバネの各々のコイル部に嵌合するガイド部材を有する変位検出装置。
（付記１０）
付記９記載の変位検出装置であって、
前記バネ支持部材は前記中間接続部に固定され、前記バネ支持部材の一端部から前記ガイド部材の一方が前記中間接続部の延在方向に垂直な方向に突出し、前記バネ支持部材の他端部から前記ガイド部材の他方が、前記ガイド部材の一方が突出する方向と同じ方向に突出する変位検出装置。

１００，２００，３００ 変位検出装置
１１０，２１０，３１０ リンク機構
１１２，１１４ ねじりコイルバネ
１１６，１２０ 直線部
１１８ 中間直線部
１２２，１２４，１２６ レバー部材
１２２ａ，１２６ａ 貫通孔
１４０，１４２，１４４ ピン
１４１，１４３，１４５ ナット
１５０ 回転角度検出器
１５２ 回転角度検出軸
１５４ コネクタ部
１５６ 本体
１５６ａ 固定用孔
２２２，２２４，２２６ 樹脂モールド部
２２２ａ，２２６ａ 貫通孔
３２４ モールド樹脂
３２４ａ カシメ突起
３４０ バネガイド
３４２ ガイド
３４４ 貫通孔

Claims (5)

1. ２つの部品の相対位置の変化量を角度変位量として検出する変位検出装置であって、
   少なくとも一つの関節部を有し、前記２つの部品を連結するリンク機構と、
   該リンク機構の一端に接続された回転角度検出器と
   を有し、
   前記リンク機構の前記関節部としてバネを用いたものであって、
   前記リンク機構は２つのねじりコイルバネを含み、
   前記リンク機構は、前記２つのねじりコイルバネ同士を接続する中間接続部と、前記２つのねじりコイルバネの一方から延在する検出器接続部と、前記２つのねじりコイルバネの他方から延在する検出対象接続部とを含み、
   前記２つのねじりコイルバネは一本の金属ワイヤを加工して形成された変位検出装置。
2. 請求項１記載の変位検出装置であって、
   前記リンク機構に含まれる前記中間接続部、前記検出器接続部、及び前記検出対象接続部は、前記金属ワイヤのねじりコイルバネが形成された部分以外の部分を樹脂材料で被覆して形成された変位検出装置。
3. 請求項２記載の変位検出装置であって、
   前記リンク機構は、前記ねじりコイルバネが形成された金属ワイヤをインサート成形することで形成された変位検出装置。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の変位検出装置であって、
   前記中間接続部に沿って延在するバネ支持部材をさらに有し、
   前記バネ支持部材は、前記２つのねじりコイルバネの各々のコイル部に嵌合するガイド部材を有する変位検出装置。
5. 請求項４記載の変位検出装置であって、
   前記バネ支持部材は前記中間接続部に固定され、前記バネ支持部材の一端部から前記ガイド部材の一方が前記中間接続部の延在方向に垂直な方向に突出し、前記バネ支持部材の他端部から前記ガイド部材の他方が、前記ガイド部材の一方が突出する方向と同じ方向に突出する変位検出装置。
   

Images