(57)【要約】【課題】  コンパクトに構成できて操作部材の操作量を高精度に検出でき、組立性が良く環境変化にも強い制御量入力装置を提供する。【解決手段】  可動状態に設置された操作部材２と、この操作部材２の操作量に応じて所定の軸心Ｏ回りに回転する回転部３と、この回転部３の回転角度を検出する回転角度検出装置４と、この回転角度検出装置４の出力を制御対象の動作量の制御装置２０に伝える手段５とを備える。回転角度検出装置４は、前記回転部３に設けられて回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段１１と、この磁気発生手段１１の回転中心の軸方向に対向して非回転部２７に設けられた磁気アレイセンサ１２と、この磁気アレイセンサ１２の出力から磁気発生手段１１の回転角度を算出する角度算出手段１３とを備える。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動状態に設置された操作部材と、この操作部材の操作量に応じて所定の軸心回りに回転する回転部と、この回転部の回転角度を検出する回転角度検出装置と、この回転角度検出装置の出力を制御対象の動作量の制御装置に伝える手段とを備えた制御量入力装置において、
前記回転角度検出装置が、前記回転部に設けられて回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段と、この磁気発生手段の回転中心の軸方向に対向して非回転部に設けられた磁気アレイセンサと、この磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えたものであることを特徴とする制御量入力装置。
【請求項２】
請求項１において、前記操作部材の操作量に応じた反力を前記操作部材に与える駆動源を設けた制御量入力装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記回転部を回転自在に支持する軸受を設け、この軸受を、前記回転角度検出装置が設けられた回転角度検出装置付き軸受とした制御量入力装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記制御対象および制御装置は、機械装置の動作をシュミレートするシュミレータである制御量入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アクセルペダル等の操作部材の操作量に応じた軸心回りの回転角度を検出して、その検出回転角度をエンジン等の制御対象の動作量を制御する制御装置に入力する制御量入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車におけるエンジンの制御では、アクセルペダルの踏み込み量を検出装置で検出し、その検出値に基づきエンジン制御装置がスロットルバルブの開度等を制御することでエンジンの作動状態が制御される。この場合のアクセルペダルの踏み込み量を検出する装置の一例として、アクセルペダルの回転軸の回転角度をペダル踏み込み量として検出する回転角度検出装置が提案されている（例えば特許文献１）。この回転角度検出装置では、固定部材側に設けられたヨークおよび永久磁石と、回転軸側に設けられたコアとでギャップを有する閉ループの磁気回路を構成し、回転軸の回転に伴い変化する磁気回路の磁束密度をホールセンサやＭＲ素子等の磁気検出センサで検出することにより、回転軸の回転角度を検出するようにしている。
【０００３】
なお、小型の機器に組み込みが可能で、かつ高精度な角度検出が可能な回転角度検出装置としては、磁気発生手段と磁気ラインセンサとを組み合わせたものが提案されている（特許文献２）。これには、小型モータの回転制御のための回転検出や、事務機器の位置検出のための回転検出に用いられることが開示されている。また、軸受と回転検出手段とを一体化した回転角度検出装置付き軸受とすることが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１８５４７１号公報
【特許文献２】特開２００４−３７１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記した磁束密度に応じて角度を検出する構成の回転角度検出装置では、以下に挙げる問題がある。
・検出精度を上げるために、センサ出力の非線形特性の補正が必要である。
・磁石の形状・着磁・配置が検出精度に大きく影響する。
・磁石の磁力が温度によって変化するため、この特性を補正する必要がある。
・ギャップを厳しく管理する必要があり、組立調整作業が複雑化する。
【０００５】
特許文献２に示される磁気ラインセンサ式の回転角度検出装置は、種々の優れた機能を有するが、適用例として、小型モータの回転制御のための回転検出や、事務機器の位置検出のための回転検出が開示されているのみである。
【０００６】
この発明の目的は、コンパクトに構成できて操作部材の操作量を高精度に検出でき、組立性が良く環境変化にも強い制御量入力装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の制御量入力装置は、可動状態に設置された操作部材と、この操作部材の操作量に応じて所定の軸心回りに回転する回転部と、この回転部の回転角度を検出する回転角度検出装置と、この回転角度検出装置の出力を制御対象の動作量の制御装置に伝える手段とを備えた制御量入力装置において、前記回転角度検出装置が、前記回転部に設けられて回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段と、この磁気発生手段の回転中心の軸方向に対向して非回転部に設けられた磁気アレイセンサと、この磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えたものであることを特徴とする。
【０００８】
上記磁気アレイセンサと磁気発生手段の組み合わせによると、磁界の分布測定により回転角度を検出できるため、磁界の強さで検出するものよりも単純な構成で、小型・高分解能化と、絶対角度検出が可能な回転角度検出装置となる。この回転角度検出装置をアクセルペダル等の制御量入力装置に適用するため、次の各利点が得られる。
省スペースで高分解能な操作量の検出が可能。
磁界分布測定に基づく原理のため、磁石等からなる磁気発生手段の温度特性の影響を受けず、環境変化に強い。
上記磁界分布測定に基づく原理のため、取付調整の精度が不要となり、組付け作業を簡便化できる。
角度情報がデジタルデータとして出力されるため、ノイズの影響を受けずに正確な操作量を検出でき、信頼性を向上させることができる。
【０００９】
この発明において、前記操作部材の操作量に応じた反力を前記操作部材に与える駆動源を設けても良い。この構成の場合、操作部材の操作量に応じた反力が駆動源から操作部材に与えられるので、操作部材を操作する操作者の足等に操作量を反力として感じさせることができる。
【００１０】
この発明において、前記回転部を回転自在に支持する軸受を設け、この軸受を、前記回転角度検出装置が設けられた回転角度検出装置付き軸受としても良い。この構成の場合、取付調整を不要とできる。その結果、コンパクトで、組立性・組込性を向上させることができる。特に、ペダル等からなる操作部材の組立時に、位置調整やギャップ調整の必要がなく、組立作業が簡略化でき、製品の信頼性が向上する。
【００１１】
この発明において、前記制御対象および制御装置は、機械装置の動作をシュミレートするシュミレータであっても良い。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の制御量入力装置は、可動状態に設置された操作部材と、この操作部材の操作量に応じて所定の軸心回りに回転する回転部と、この回転部の回転角度を検出する回転角度検出装置と、この回転角度検出装置の出力を制御対象の動作量の制御装置に伝える手段とを備えた制御量入力装置において、前記回転角度検出装置が、前記回転部に設けられて回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段と、この磁気発生手段の回転中心の軸方向に対向して非回転部に設けられた磁気アレイセンサと、この磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えたものであるため、コンパクトに構成できて操作部材の操作量を高精度に検出でき、組立性が良く環境変化にも強い制御量入力装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この制御量入力装置の概略構成を示す模式図である。この制御量入力装置１は、可動状態に設置された操作部材２と、この操作部材２の操作量に応じて所定の軸心Ｏ回りに回転する回転部３と、この回転部３の回転角度を検出する回転角度検出装置４と、この回転角度検出装置４の出力を制御対象の動作量の制御装置２０に伝える手段５とを備える。
【００１４】
操作部材２は、例えば自動車のアクセルペダルからなる。制御装置２０は、回転角度検出装置４の出力に応じて制御対象である図示しないエンジンの動作量を制御するエンジン制御装置である。制御装置２０は、アクセルペダルからなる操作部材２の操作量を回転角度検出装置４により角度値として検出し、その情報を元に、スロットルバルブの動作量を制御することで、エンジンの出力を制御する。操作部材２はブレーキペダルであっても良く、その場合、制御装置２０はブレーキの作動量を制御するものとされる。
同図では図示を省略するが、この制御量入力装置１には、操作部材２を初期位置に戻すばね部材や、操作部材２の操作量に応じた反力を操作部材２に与える駆動源、操作部材２の操作範囲を制限する機構等が設けられる。
【００１５】
回転角度検出装置４として、後述のように磁気アレイセンサ式のものを使用することにより、入力された角度を正確に測定できるため、きめ細やかな制御が可能になると共に、制御装置２０を構成する制御マイコンのプログラムによって、制御対象機種毎に異なる操作感度、フィーリングを備えることも可能になる。
【００１６】
図２に拡大断面図で示すように、回転部３は、操作部材２のアーム部２ａの基端に設けられた回転軸からなり、軸受６を介して固定側部材である軸受ハウジング７に回動自在に支持されている。軸受６は、内輪２１と外輪２２の転走面間に転動体２３を介在させた転がり軸受である。転動体２３はボールからなり、この転がり軸受は深溝玉軸受とされている。操作部材２の回転部３が嵌合する内輪２１は、転動体２３を介して外輪２２に支持されている。外輪２２は軸受ハウジング７に設置されている。
【００１７】
回転角度検出装置４の原理構成を、図３に斜視図で示す。同図のように、回転角度検出装置４は、回転側部材に配置された磁気発生手段１１と、非回転側部材に配置された磁気アレイセンサ１２と、この磁気アレイセンサ１２の出力から磁気発生手段１１の回転角度を算出する角度算出手段１３とを備える。磁気アレイセンサ１２は、磁気発生手段１１に対して僅かな隙間を隔てて配置される。
【００１８】
磁気発生手段１１は、発生する磁気が回転側部材の回転中心Ｏの回りの円周方向異方性を有するものであり、永久磁石の単体、あるいは永久磁石と磁性材の複合体からなる。ここでは、磁気発生手段１１は永久磁石からなる。この永久磁石は２分割着磁されており、各半分の磁石部１５，１５が、Ｎ磁極とＳ磁極とを構成する。
図２においては、操作部材２の回転部３の軸端に上記磁気発生手段１１が取付けられている。これにより、回転部３の回転に応じて磁気発生手段１１が回転し、その回転中心Ｏ回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。
【００１９】
磁気アレイセンサ１２は磁気発生手段１１の磁気を検出するセンサであって、回転側部材（ここでは回転部３）の回転中心Ｏの軸方向に向けて磁気発生手段１１と対向するように、非回転側部材に配置される。ここでは磁気アレイセンサ１２は、図４のように仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置された磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄからなる。各辺の磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄは、磁気センサ素子１２ａを１列または複数列に配列したものである。この場合、前記の矩形の中心は、回転部３の回転中心Ｏに一致させてある。各磁気センサ素子１２ａは、例えば磁気トランジスタ素子またはホール素子等からなる。
【００２０】
図２においては、軸受６の外輪２２に非回転部となるセンサ取付部材２７が取付けられ、このセンサ取付部材２７に、磁気アレイセンサ１２および角度算出手段１３の集積された半導体チップからなる角度検出部１４が、回路基板２５を介して取付けられている。各磁気センサ素子１２ａの出力から、角度算出手段１３が回転角度を算出することにより、角度信号を出力することができる。また、このセンサ取付部材２７には、角度検出部１４の信号を外部の前記制御装置２０に伝える手段であるケーブル５も取付けられている。
【００２１】
図５および図６は、角度算出手段１３での計算処理の一例を示す原理説明図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、磁気発生手段１１が回転している時の磁気アレイセンサ１２の各磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄによる出力波形を示し、それらの横軸は各磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄにおける磁気センサ素子１２ａの並び位置を、縦軸は検出磁界の強度（上側がＮ極、下側がＳ極）をそれぞれ示す。
いま、図６に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気アレイセンサ１２の検出磁界のＮ磁極とＳ磁極の境界であるゼロクロス位置があるとする。この状態で、磁気アレイセンサ１２の各磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄの出力が、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２は、磁気ラインセンサ１２Ａ，１２Ｃの出力から直線近似することで算出できる。
角度計算は、次式で行うことができる。
θ＝ｔａｎ-1（２Ｌ／ｂ）
ここで、θは、磁気発生手段１１の回転角度を絶対角度（アブソリュート値）で示した値である。２Ｌは、矩形に並べられる各磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄの１辺の長さである。ｂはゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２間の横方向長さである。
ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２が磁気ラインセンサ１２Ｂ，１２Ｄにある場合には、それらの出力から得られるゼロクロス位置データにより、上記と同様にして回転角度θが算出される。
【００２２】
上記構成の制御量入力装置１において、アクセルペダルからなる操作部材２が踏み込まれると、その踏み込み量（操作量）に応じてアクセルペダル回転軸である回転部３がその軸心Ｏ回りに回転する。このとき、回転角度検出装置４では、非回転部であるセンサ取付部材２７に取付けられた磁気アレイセンサ１２が、回転部３に取付けられた磁気発生手段１１の回転を検出し、その検出値から角度算出手段１３が回転部３の回転角度を算出する。算出された回転部３の回転角度は、ケーブル５を経てエンジン制御装置２０に入力される。これにより、エンジン制御装置２０は、制御対象であるエンジンの動作量を前記回転角度に基づき制御することができる。
【００２３】
この場合、回転角度検出装置４は、回転中心Ｏ回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段１１の磁気変化を磁気アレイセンサ１２で検出し、その出力から磁気発生手段１１の回転角度を回転部３の回転角度として角度算出手段１３により算出するようにしている。磁界の分布測定により回転角度を検出できるため、磁界の強さで検出するものよりも単純な構成で、小型・高分解能化と、絶対角度検出が可能となる。また、閉ループの磁気回路を構成するヨークが要らず、これによってもコンパクトな構成となる。
【００２４】
また、この回転角度検出装置４は、磁界分布測定に基づく原理を利用したものであるため、磁界強度の絶対値（強さ）に鈍感で、磁気発生手段１１の構成部材である永久磁石１５の回転中心のずれにも強く、永久磁石１５の温度特性やギャップ設定の影響も受けず、環境変化に強いという特性が得られ、安定した検出が可能である。これにより、組付作業を簡便化できる。さらに、回転角度検出装置４は、回転角度を絶対値として検出してデジタル値で出力するため、アナログ信号のようなノイズの影響を受けることが少なく安定した信号伝送が行われ、信頼性を高めることができると共に、組立後に角度ゼロの位置を簡単に記憶・設定可能である。したがって、組付時に操作部材２の回転位置を調整する必要もない。非接触式であるため、摩耗の問題も生じない。また、回転角度検出装置４の信号を増幅して補正し、回転角度に換算するといった処理を、外部にＡＤ変換回路や演算処理回路を設けて行う必要がないので、回路構成も簡単になる。その結果、コンパクトに構成できて操作部材２の軸心回りの回転角度を高精度に検出でき、組立性が良く環境変化にも強い制御量入力装置１とすることができる。
【００２５】
図７は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、図１〜図６に示す第１の実施形態において、軸受６の内輪２１に磁気発生手段取付部材２６を取付け、この磁気発生手段取付部材２６に磁気発生手段１１を取付けている。すなわち、この実施形態では、操作部材２の回転部３を回転自在に支持する軸受６に回転角度検出装置４を一体化して、回転角度検出装置付き軸受としている。その他の構成は図２の場合と同様である。
【００２６】
この実施形態の場合、操作部材２の回転部３を回転自在に支持する軸受６に回転角度検出装置４を一体化しているので、取付調整を不要とできる。その結果、コンパクトで、組立性・組込性を向上させることができる。特に、ペダル等からなる操作部材２の組立時に位置調整やギャップ調整の必要がなくて、組立作業が簡略化でき、製品の信頼性も向上する。
【００２７】
図８は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図１〜図６に示す第１の実施形態において、センサ取付部材２７を省略し、軸受ハウジング７における側壁部７ａの磁気発生手段１１と軸方向に対向する内側面に、磁気センサアレイ１２および角度算出手段１３（図３）の集積された半導体チップからなる角度検出部１４を、回路基板２５を介して取付けている。すなわち、この実施形態では、回転角度検出装置４を軸受６から完全に分離している。その他の構成は図２の場合と同様である。
【００２８】
図９は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図６に示す第１の実施形態において、操作部材２の基端の回転部３を、例えば床面に設けられた固定部材８のブラケット８ａに回転角度検出付き軸受６を介して回転自在に支持させ、操作部材２の基端部と固定部材８の間に介在させたばね部材９で、操作部材２を初期位置に復帰させるようにしている。回転角度検出付き軸受６に設けられる回転角度検出装置の構成は図７の実施形態の場合と同じである。
【００２９】
図１０は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、操作に対する不感帯を付与する不感帯付与手段１７を設けたものである。不感帯付与手段１７は、操作部材２から回転伝達されるリンク３０を設け、このリンク３０に対して回転角度検出装置４を設け、操作部材２とリンク３０との間に機械的隙間を設けることで、不感帯を付与するものである。
【００３０】
操作部材２は、回転軸１８を介して固定部材１９に回転自在に支持され、その基端側を固定部材１９に連結するばね部材２８により、操作部材２を初期位置に戻すようにされている。固定部材１９には、初期位置にある操作部材２の基端部に当接して、操作部材２が初期位置以上に戻るのを制限するストッパ２９が設けられている。
【００３１】
リンク３０は、操作部材２の基端部の近傍において、回転部３の回りに回動自在となるように固定部材１９に支持される。また、操作部材２に反力が作用するように、リンク３０を所定の回転方向に付勢するばね部材３１が設けられている。リンク３０の操作部材２への作用端部３０ａは、操作に伴い操作部材２の基端部が回動する側に配置される。リンク３０における作用端部３０ａとは反対側の端部の近傍には、リンク３０の回動範囲を制限するストッパ３２ａ，３２ｂが設けられている。片方のストッパ３２ａはリンク３０を初期位置に規制するものであり、もう片方のストッパ３２ｂは操作部材２へ作用するときの回動範囲を規制するものである。回転部３には、その回転角度を検出する回転角度検出装置４が設けられる。
【００３２】
この回転角度検出装置４は、操作部材２の操作量（踏み込み量）に応じて、その基端部がリンク３０の作用端部３０ａに作用することによりリンク３０が回動するとき、リンク３０の回転角度を操作部材２の操作量として検出するものである。この場合、操作部材２が図１０（Ａ）のように初期位置にあるとき、操作部材２の基端部とリンク３０の作用端部３０ａとの間には、所定の隙間つまり機械的な不感帯が設けられている。回転角度検出装置４の構成、および回転角度検出装置４の出力を制御対象であるエンジンの動作量を制御するエンジン制御装置２０（図１）に伝達することは、第１の実施形態の場合と同じである。
【００３３】
この制御量入力装置１では、アクセルペダルである操作部材２が初期位置にある図１０（Ａ）の状態から図１０（Ｂ）のように操作部材２が踏み込まれると、その操作量に応じてリンク３０がばね部材３１の付勢力に抗して回動し、これに伴う回転部３の回転角度を回転角度検出装置４が検出すると共に、ばね部材３１の操作部材２に対する付勢力は操作部材２の操作に対する反力として作用する。ただし、操作部材２の基端部とリンク３０の作用端部３０ａとの間には不感帯として所定の隙間が設定されているので、この不感帯の領域では操作部材２に反力が働かない。すなわち、不感帯を越えて操作部材２の操作がリンク３０に伝達されると、不感帯を越えて踏み込んでいることが足への反力として感じられる。
【００３４】
図１１は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この制御量入力装置１は、図１０の実施形態において、操作対応反力付与手段３７を設けたものである。操作対応反力付与手段３７は、回転角度検出装置４の回転角度検出信号に応じた回転出力を発生するモータ等の駆動源３４と、この駆動源３４で駆動されて操作部材２に前記回転角度検出信号に応じた反力を付与する反力付与機構３５とで構成される。
このように操作対応反力付与手段３７を構成すると、例えば操作部材２がブレーキペダルである場合に、実際のブレーキパッドに制御力が印加された状態になったとき、踏み込んだ足にその衝撃が感じられるように反力制御することも可能になる。上記したように機械的結合が疎となった制御量入力装置の入出力においては、人間が最終的に出力機構の動作状態を感じられるような構成が必要なので、入力量を正確に測定できる機能が望まれており、この実施形態はこのような要求に応えることができる。このような構成は、実施形態の場合のように操作部材２とリンク３０とに分割したリンク機構を用いずとも実現できるが、ブレーキペダルのように強い踏力が印加される場合には、反力を発生する駆動源の能力を考慮して、駆動源に逆入力される力を制限する機構を設ける必要がある。
【００３５】
なお、上記各実施形態では、制御量入力装置１としてペダル装置に適用した場合を例示したが、これに限らず、例えばジョイスティックや操作レバーなどにも適用することができる。
また、図１１の実施形態では、正確な回転角度検出装置４と、制御状態を反映するための操作対応反力付与手段３７を装備しているので、人間が装置の状態を感じられる操作しやすいマニピュレータを構成することができる。
また、実際に機械装置に接続せずに、計算装置によるシュミレータを構成して、より現実に近い状態を作り上げることもできる。このような装置の回転角度検出装置として、上記した各実施形態の場合のように磁気アレイセンサ方式のものを使用すると、省スペースで回転角度を絶対角度で正確に検出できるので、入力装置の小型化、信頼性向上、組立性向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る制御量入力装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】同制御量入力装置の要部拡大断面図である。
【図３】同制御量入力装置での回転角度検出装置の概念構成を示す斜視図である。
【図４】同回転角度検出装置における半導体チップ上での磁気アレイセンサおよび角度算出手段の配置例を示す平面図である。
【図５】磁気アレイセンサにおける各磁気ラインセンサの出力波形図である。
【図６】角度算出手段による計算例の説明図である。
【図７】この発明の他の実施形態に係る制御量入力装置の要部拡大断面図である。
【図８】この発明のさらに他の実施形態に係る制御量入力装置の要部拡大断面図である。
【図９】この発明のさらに他の実施形態に係る制御量入力装置の概略構成図である。
【図１０】（Ａ）はこの発明のさらに他の実施形態に係る制御量入力装置の概略構成図、（Ｂ）はその動作状態を示す説明図である。
【図１１】この発明のさらに他の実施形態に係る制御量入力装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…制御量入力装置
２…操作部材
３…回転部
４…回転角度検出装置
５…ケーブル
６…軸受
１１…磁気発生手段
１２…磁気アレイセンサ
１３…角度算出手段
１７…不感帯付与手段
２０…制御装置
２７…センサ取付部材（非回転部）
３４…駆動源
３７…操作対応反力付与手段
【図１】
2007085888.tif 000003
【図２】
2007085888.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007085888.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007085888.tif 000011
【図１０】
2007085888.tif 000012
【図１１】
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