(57)【要約】【課題】回転軸と離れて磁石と磁気センサを配置した際に回転操作部の回転と磁場の方向の回転のリニアリティを向上させることができる回転操作装置を提供する。【解決手段】回転操作装置１は、回転軸９の周りに回転操作されるダイヤル２と、ダイヤル２と一体に回転し、回転軸９方向から見た形状が楕円であり、長径ａがダイヤル２の回転方向であり、また短径ｂが回転方向と交差する径方向であると共に短径ｂに沿って着磁され、下方に実質的に平行な磁場４０を生成する磁石４と、ダイヤル２が基準位置に位置した場合の磁石４の下方に配置され、ダイヤル２の回転に伴う磁場４０の方向の変化を検出する磁気センサ６と、を備えて概略構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周りに回転操作される回転操作部と、
前記回転操作部と一体に回転し、前記回転軸方向から見た形状が楕円であり、長径が前記回転操作部の回転方向であり、また短径が前記回転方向と交差する径方向であると共に前記短径に沿って着磁され、下方に実質的に平行な磁場を生成する磁場生成部と、
前記回転操作部が基準位置に位置した場合の前記磁場生成部の下方に配置され、前記回転操作部の回転に伴う前記磁場の方向の変化を検出する磁気センサと、
を備えた回転操作装置。
【請求項２】
前記磁気センサが検出した前記磁場の方向の変化に基づいて前記回転操作部の回転量を算出する算出部を有する、
請求項１に記載の回転操作装置。
【請求項３】
前記磁気センサは、前記回転操作部の回転範囲において前記平行な磁場内に留まる位置に配置される、
請求項１又は２に記載の回転操作装置。
【請求項４】
前記磁場生成部は、前記回転操作部の回転に伴う前記回転軸が外側に位置する、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転操作装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転操作装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、シャフトの端面に配置された磁石と、磁石に対抗して配置されたセンサデバイスと、を備えた回転センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−４０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の回転センサは、シャフトの端面に磁石が配置されると共に対向するようにセンサデバイスが配置されるので、薄型化が困難である。また磁石と磁気センサとを回転軸と異なる場所に配置する場合は、例えば、回転操作部のシャフトの端面に磁石を配置する場合と比べて、磁石が生成する磁場の方向の回転と回転操作部の回転のリニアリティが高くない問題が有る。
【０００５】
従って本発明の目的は、回転軸と離れて磁石と磁気センサを配置した際に回転操作部の回転と磁場の方向の回転のリニアリティを向上させることができる回転操作装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、回転軸の周りに回転操作される回転操作部と、回転操作部と一体に回転し、回転軸方向から見た形状が楕円であり、長径が回転操作部の回転方向であり、また短径が回転方向と交差する径方向であると共に短径に沿って着磁され、下方に実質的に平行な磁場を生成する磁場生成部と、回転操作部が基準位置に位置した場合の磁場生成部の下方に配置され、回転操作部の回転に伴う磁場の方向の変化を検出する磁気センサと、を備えた回転操作装置を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、回転軸と離れて磁石と磁気センサを配置した際に回転操作部の回転と磁場の方向の回転のリニアリティを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は、実施の形態に係る回転操作装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、磁石が生成する磁場の一例を示す概略図であり、図１（ｃ）は、回転操作装置のブロック図の一例である。
【図２】図２（ａ）は、実施の形態に係る回転操作装置の磁石と磁気センサの配置の一例を示す上面図であり、図２（ｂ）は、側面図の一例である。
【図３】図３（ａ）は、磁石の厚みが５ｍｍの場合の短径とリニアリティの関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は、磁石の厚みが５ｍｍの場合の短径と磁束密度の関係を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は、磁石の厚みが７ｍｍの場合の短径とリニアリティの関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は、磁石の厚みが７ｍｍの場合の短径と磁束密度の関係を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は、磁石の厚みが９ｍｍの場合の短径とリニアリティの関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、磁石の厚みが９ｍｍの場合の短径と磁束密度の関係を示すグラフである。
【図６】図６は、長径６５ｍｍ、短径２５ｍｍ、厚み７ｍｍの場合のリニアリティと磁気ベクトルのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施の形態の要約）
実施の形態に係る回転操作装置は、回転軸の周りに回転操作される回転操作部と、回転操作部と一体に回転し、回転軸方向から見た形状が楕円であり、長径が回転操作部の回転方向であり、また短径が回転方向と交差する径方向であると共に短径に沿って着磁され、下方に実質的に平行な磁場を生成する磁場生成部と、回転操作部が基準位置に位置した場合の磁場生成部の下方に配置され、回転操作部の回転に伴う磁場の方向の変化を検出する磁気センサと、を備えて概略構成されている。
【００１０】
この回転操作装置は、回転軸と離れて磁場生成部と磁気センサを配置し、また実質的に平行な磁場が作用する範囲に磁気センサが配置されるので、この構成を採用しない場合と比べて、回転操作部の回転と磁場の方向の回転のリニアリティを向上させることができる。
【００１１】
[実施の形態]
（回転操作装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る回転操作装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、磁石が生成する磁場の一例を示す概略図であり、図１（ｃ）は、回転操作装置のブロック図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る回転操作装置の磁石と磁気センサの配置の一例を示す上面図であり、図２（ｂ）は、側面図の一例である。図２（ａ）に示す磁石の長径ａは、楕円の長径の二倍として示し、短径ｂは、短径の二倍として示している。図２（ａ）では、長径方向をＸ方向、短径方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向が直交している。また図２（ｂ）では、Ｘ方向とＹ方向に直交し、かつ磁石４から磁気センサ６に向かう方向をＺ方向としている。なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図１（ｃ）では、主な信号及び情報の流れを矢印で示している。
【００１２】
この回転操作装置１は、一例として、車両に搭載された空調装置やナビゲーション装置などの電子機器の操作装置として機能する。
【００１３】
回転操作装置１は、図１（ａ）〜図１（ｃ）、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、回転軸９の周りに回転操作される回転操作部としてのダイヤル２と、ダイヤル２と一体に回転し、回転軸９方向から見た形状が楕円であり、長径ａがダイヤル２の回転方向であり、また短径ｂが回転方向と交差する径方向であると共に短径ｂに沿って着磁され、下方に実質的に平行な磁場４０を生成する磁場生成部と、ダイヤル２が基準位置に位置した場合の磁場生成部の下方に配置され、ダイヤル２の回転に伴う磁場４０の方向の変化を検出する磁気センサ６と、を備えて概略構成されている。
【００１４】
磁場生成部は、磁石又は電磁磁石である。本実施の形態の磁場生成部は、磁石４である。なおこの磁石４は、長径がａ、短径がｂで表される楕円形状を有するがこれに限定されず、近似的に楕円と見なされる形状で、かつ実質的に平行な磁場４０を生成する形状であれば良い。
【００１５】
また回転操作装置１は、磁気センサ６が検出した磁場４０の方向の変化に基づいてダイヤル２の回転量を算出する算出部としての制御部８を有する。本実施の形態の制御部８は、回転量としてダイヤル２の回転角θを算出する。
【００１６】
（ダイヤル２の構成）
ダイヤル２は、一例として、円柱形状を有している。このダイヤル２は、図１（ａ）に示す回転軸９の周りを矢印Ａ方向（時計回り）及び矢印Ｂ方向（反時計回り）に回転するように構成されている。ダイヤル２は、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）樹脂などの合成樹脂を用いて形成されている。
【００１７】
このダイヤル２は、一例として、図１（ａ）に示すように、回転支持部３によって回転可能に支持されている。この回転支持部３は、シャフト３０を有している。このシャフト３０は、ダイヤル２に取り付けられている。回転支持部３は、一例として、基板５に取り付けられている。
【００１８】
（磁石４の構成）
磁石４は、図１（ｂ）、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、柱体形状を有し、対抗する２つの底面が楕円形状となっている。この磁石４は、例えば、フェライト系、ネオジム系、サマコバ系などの永久磁石の粒子を合成樹脂に混ぜて形成されるプラスチックマグネットである。
【００１９】
この磁石４は、図１（ａ）に示すように、ダイヤル２に取り付けられている。また磁石４は、ダイヤル２の外周近くに配置されている。従って磁石４は、ダイヤル２の回転に伴う回転軸９が外側に位置する。つまり磁石４の回転軸は、ダイヤル２の回転軸９であり、ダイヤル２の回転に伴って円弧運動を行う。
【００２０】
磁石４は、短径方向に着磁されている。具体的には、磁石４は、例えば、図２（ａ）に示すように、ダイヤル２の回転中心８０側からＮ極、Ｓ極に着磁されている。磁石４は、このような着磁になっているので、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、磁石４を基板５に投影した投影範囲４５において磁気ベクトル４１が互いに実質的に平行となる。よって磁気センサ６の感磁面６１では、実質的に平行な磁気ベクトル４１が作用する。
【００２１】
ここで磁石が円形である場合、回転軸から外れて配置されると、形状が大きくないと磁気センサ６から離れてしまい磁気ベクトル４１の検出精度が低下する。つまりダイヤル２の回転の検出範囲が狭くなる。
【００２２】
さらに径方向に着磁されたリング状の磁石がダイヤルに配置され、磁石の下方に磁気センサが配置される場合、磁気ベクトルが磁石の形状に応じて曲がっているので、結果的にダイヤルの回転によって磁気センサに作用する磁気ベクトルの方向が変化せず、ダイヤルの回転の検出に適さない。
【００２３】
一方磁石４は、全体が滑らかな曲線形状を有しており、磁束密度の疎密が直線的に形成されている四角柱形状に比べて抑制されている。後述する磁気センサ６は、感磁面６１における磁気ベクトル４１の方向の変化を検出する。
【００２４】
従って回転操作装置１は、磁石４の回転に応じて磁気センサ６に作用する磁気ベクトル４１の方向がほぼ線形に変化し、磁気センサ６の磁気ベクトル４１の検出精度が高くなる。具体的には、磁石４は、ダイヤル２が角度θ回転すると、同様に角度θ回転する。そして磁気センサ６に作用する磁気ベクトル４１は、回転に伴う磁束密度の差が小さく、かつ上記のように角度がθ回転するので、磁気センサ６によるダイヤル２の回転角θの精度の高い検出が可能となる。
【００２５】
（磁気センサ６の構成）
磁気センサ６は、感磁面６１における磁気ベクトル４１の方向の変化を検出する磁気抵抗素子（ＭＲ素子６０）を備えている。磁気センサ６は、４つのＭＲ素子６０によってブリッジ回路が形成されている。
【００２６】
このＭＲ素子６０は、例えば、図１（ｂ）に示すように、交互に折り返された部分が、基準位置に位置する磁石４の磁気ベクトル４１に対して４５°の角度となるように配置されている。磁気センサ６は、磁気ベクトル４１の方向に応じた検出信号Ｓ１を制御部８に出力する。
【００２７】
磁気センサ６は、図２（ａ）に示すように、磁石４の中央の下方の基板５に配置されている。この基板５は、例えば、プリント配線基板である。
【００２８】
この磁気センサ６は、ダイヤル２の回転範囲において平行な磁場４０内に留まる位置に配置される。言い換えるなら磁気センサ６は、例えば、ダイヤル２の回転に伴う磁石４の円弧運動の範囲において、磁石４の投影範囲４５内に位置する。図２（ｂ）に示す二点鎖線は、円弧運動した後の磁石４を基板５に投影した線であり、この二点鎖線で囲まれた範囲が、各回転位置における投影範囲４５となる。
【００２９】
（制御部８の構成）
制御部８は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部８が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。
【００３０】
制御部８は、磁気センサ６から出力される検出信号Ｓ１に基づいてダイヤル２の回転角θを算出し、算出した回転角θの情報を含む操作情報Ｓ２を生成して接続されている電子機器に出力する。この制御部８は、例えば、基板５に配置されている。
【００３１】
以下に、回転操作装置１の磁石４の長径ａと短径ｂを変えたシミュレーションの結果について説明する。
【００３２】
（磁石４の長径と短径について）
図３（ａ）は、磁石の厚みが５ｍｍの場合の短径とリニアリティの関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は、磁石の厚みが５ｍｍの場合の短径と磁束密度の関係を示すグラフである。図４（ａ）は、磁石の厚みが７ｍｍの場合の短径とリニアリティの関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は、磁石の厚みが７ｍｍの場合の短径と磁束密度の関係を示すグラフである。図５（ａ）は、磁石の厚みが９ｍｍの場合の短径とリニアリティの関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、磁石の厚みが９ｍｍの場合の短径と磁束密度の関係を示すグラフである。図６は、長径６５ｍｍ、短径２５ｍｍ、厚み７ｍｍの場合のリニアリティと磁気ベクトルのグラフである。
【００３３】
図３（ａ）、図４（ａ）及び図５（ａ）は、縦軸がリニアリティ[％ＦＳ]、横軸が短径[ｍｍ]である。図３（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、縦軸が磁石４の回転による最低磁束密度[ｍＴ]、横軸が短径[ｍｍ]である。図６は、右の縦軸が、磁気センサ６が検出した角度[ｄｅｇ]、左の縦軸がリニアリティ[％ＦＳ]、横軸がダイヤル２の回転角θ[ｄｅｇ]である。また図６の磁気ベクトル[ｄｅｇ]は、磁気センサ６に作用する磁場４０の磁気ベクトル４１の向きを示している。リニアリティとは、理想とする直線と検出結果に基づく直線との誤差を示すものであり、測定範囲（フルスケース：ＦＳ）に対する比率として表される。従ってリニアリティは、数値が小さいほど良い直線性が得られる、言い換えるなら線型性が高い。
【００３４】
このシミュレーションでは、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、磁石４の回転半径Ｒを２２．５ｍｍ、磁石４の回転角θを±３５°、回転中心８０を基準とした磁気センサ６の位置Ｌを２１．５ｍｍ、磁石４と磁気センサ６のギャップｇを３ｍｍとしている。なお図６では、磁石４の回転角θを±４５°としている。
【００３５】
磁石４の回転半径Ｒは、ダイヤル２の回転中心８０から磁石４の中心４２までの長さである。また磁気センサ６の位置Ｌは、ダイヤル２の回転中心８０から磁気センサ６の中心６２までの長さである。磁気センサ６の中心６２は、ブリッジ回路を形成する４つのＭＲ素子６０の素子中心となっている。このシミュレーションでは、組み付け時の位置ずれを考慮して磁石４の中心４２と磁気センサ６の中心６２を１ｍｍずらしている。
【００３６】
リニアリティは、図３（ａ）、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、短径が大き方ほど良くなり、２５ｍｍ以上で磁石４の長径ａ及び厚みＨに依らず、１％ＦＳ以下となる。
【００３７】
また磁束密度は、図３（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、厚みＨが大きくなるほど大きくなる。一例として、２０ｍＴ以上の最低磁束密度が必要な場合、厚みＨが７ｍｍ及び９ｍｍであれば長径ａと短径ｂを選ぶことで達成することができる。
【００３８】
この中でリニアリティが最も良い組み合わせは、長径６５ｍｍ、短径２５ｍｍ及び厚み７ｍｍであり、リニアリティが０．２７％ＦＳ、磁束密度が２１．５ｍＴであった。この組み合わせの磁石４を用いた場合、図６に示すように、回転角θと磁気ベクトル４１の角度との線型性が高くなる。この組み合わせのリニアリティは、図６に示すように、−０．５から＋０．５の間に収まって良い線型性を示している。
【００３９】
以下に本実施の形態の回転操作装置１の動作について説明する。
【００４０】
（動作）
回転操作装置１の制御部８は、磁気センサ６から検出信号Ｓ１を取得すると、操作がなされているか否かを判定する。
【００４１】
制御部８は、検出信号Ｓ１に基づいて磁気ベクトル４１の回転が検出されると、検出された磁気ベクトル４１の回転角をダイヤル２の回転角θとして操作情報Ｓ２を生成し、接続された電子機器に出力する。
【００４２】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る回転操作装置１は、回転軸９と離れて磁石４と磁気センサ６を配置した際にダイヤル２の回転と磁場６０の方向の回転のリニアリティを向上させることができる。具体的には、回転操作装置１は、磁石４が楕円形状を有していることから投影範囲４５における磁気ベクトル４１が実質的に平行となり、ダイヤル２の回転角θの変化と感磁面６１に作用する磁気ベクトル４１の回転角の変化が、回転軸に磁石と磁気センサを配置した場合のように高いリニアリティを有する。従って回転操作装置１は、この構成を採用しない場合と比べて、ダイヤル２の回転と磁場６０の方向の回転のリニアリティを向上させることができる。そして回転操作装置１は、リニアリティが高いので高い精度でダイヤル２の回転角θを検出することができる。
【００４３】
回転操作装置１は、回転軸９と離れた位置に磁石４と磁気センサ６を配置するので、回転軸と交差するように磁石と磁気センサを配置する場合と比べて、薄型化することができる。
【００４４】
回転操作装置１は、ダイヤル２の回転に伴って高いリニアリティで磁気ベクトル４１が回転するので、高度な補正を行う必要がなく、安価なマイクロコンピュータを用いて製造コストを抑制することができる。
【００４５】
回転操作装置１は、回転軸９から離れた場所に磁石４と磁気センサ６を配置するので、回転軸上に磁石と磁気センサが配置される場合と比べて、ダイヤル２の回転を支持する機構が簡単になって製造コストが抑制される。
【００４６】
なお変形例として回転操作装置１は、ダイヤル２の回転範囲をカバーするように複数の磁石４及び磁気センサ６が配置されても良い。
【００４７】
以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
１…回転操作装置、２…ダイヤル、３…回転支持部、４…磁石、５…基板、６…磁気センサ、８…制御部、９…回転軸、３０…シャフト、４０…磁場、４１…磁気ベクトル、４２…中心、４５…投影範囲、６０…ＭＲ素子、６１…感磁面、６２…中心、８０…回転中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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