JP2021060360A

JP2021060360A - 回転操作装置

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Publication number: JP2021060360A
Application number: JP2019186180A
Authority: JP
Inventors: 吉田　和正; Kazumasa Yoshida; 和正吉田
Original assignee: Hirose Electric Co Ltd
Current assignee: Hirose Electric Co Ltd
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2021-04-15
Anticipated expiration: 2039-10-09
Also published as: JP7358181B2

Abstract

【課題】低速かつ間欠的な軸部の回転を高精度に検出することができ、かつこのような回転検出を無電源で行うことができるようにする。【解決手段】基端側が商品販売機の筐体の前壁部３Ａに回転可能に支持される軸部１２と、軸部１２の先端側に設けられ、軸部１２を回転させるハンドル１３と、軸部１２の基端側に配置された回転検出部１４とを備え、回転検出部１４は、大バルクハウゼン効果を生ずる磁性素子を有する磁気センサ１７と、磁気センサ１７の周囲に磁場を形成する磁石１５、１６とを備え、磁石１５、１６は、軸部１２の基端部に取り付けられ、軸部１２と共に回転し、磁気センサ１７は商品販売機の筐体に取り付けられ、磁気センサ１７と磁石１５とは間隙を介して互いに対向するように配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ハンドルまたはレバー等が設けられた軸部の回転を検出する機能を有する回転操作装置に関する。

人が回転操作を行う回転操作装置は様々な機器、道具、設備等に設けられている。例えば、車両には、運転者が操縦を行うためのハンドルを備えた回転操作装置が設けられている。また、オーディオ機器等の電気機器の多くには回転式の操作つまみやレバーを備えた回転操作装置が設けられている。また、建物のドアには、ノブやレバーを回してラッチを操作する回転操作装置（ラッチ装置）が設けられている。また、商品販売機の中には、例えば下記の特許文献１に記載されているように、商品販売機に収容された商品を取り出すためのハンドルを備えた回転操作装置が設けられているものがある。

一方、物体の回転を検出する回転センサとして、電磁ピックアップ、ホール素子を用いたホールセンサ、磁気抵抗素子を用いた磁気抵抗センサ、発光素子および受光素子を用いた光学式センサ等が広く知られている。例えば、下記の特許文献２には回転を検出する手段としてホールＩＣが記載されている。

特開２００６−３０９４１４号公報特開２０１３−１４８４５７号公報

例えば、下記の特許文献１に記載された商品販売機に設けられている、商品取出用のハンドルを備えた回転操作装置に、ハンドルの軸部の回転を検出する機能を持たせることとした場合、次のような要請がある。

まず、商品の購入者が商品販売機から商品を取り出すためのハンドルの回転操作は非常に低速であり、または間欠的である。したがって、低速かつ間欠的な軸部の回転を高精度に検出できるようにする必要がある。

次に、上記商品販売機の多くは、自動車やオーディオ機器と異なり、電源を用いずに動作する。したがって、無電源で軸部の回転を検出できるようにすることが望まれる。

ここで、上述した回転センサのうちのいずれかを用いて、上記商品販売機の回転操作装置における回転検出機能を実現することができるか否かを検討する。まず、電磁ピックアップでは、低速かつ間欠的な回転を高精度に検出することが困難であるため、電磁ピックアップを用いて上記回転検出機能を実現することは難しい。次に、ホールセンサ、磁気抵抗センサおよび光学式センサはいずれも、動作させるためには電源が必要であるため、これらのセンサのいずれを用いても、上記回転検出機能を実現することはできない。

本発明は例えば上述したような問題に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、低速かつ間欠的な軸部の回転を高精度に検出することができ、かつこのような回転検出を無電源で行うことができる回転操作装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の回転操作装置は、一側が支持体に回転可能に支持される軸部と、前記軸部の他側に設けられ、前記軸部を回転させるハンドル型またはレバー型の操作部と、前記軸部の一側に配置された回転検出部とを備え、前記回転検出部は、大バルクハウゼン効果を生ずる磁性素子を有する磁気センサと、前記磁気センサの周囲に磁場を形成する磁石とを備え、前記磁気センサおよび前記磁石のうちの一方は、前記軸部の一側に取り付けられ、前記軸部と共に回転し、前記磁気センサおよび前記磁石のうちの他方は前記支持体に取り付けられ、前記磁気センサと前記磁石とは間隙を介して互いに対向するように配置されていることを特徴とする。

また、上記本発明の回転操作装置において、前記回転検出部は、前記磁気センサから出力される検出信号に基づいて前記軸部の回転数または回転量を測定する測定回路と、前記測定回路により測定された前記軸部の回転数または回転量を記憶する記憶回路と、前記磁気センサから出力された検出信号を用いて電力を生成し、当該生成した電力を前記測定回路および前記記憶回路に供給する電力生成回路とを備えていることとしてもよい。

本発明の回転操作装置によれば、低速かつ間欠的な軸部の回転を高精度に検出することができ、かつこのような回転検出を無電源で行うことができる。

本発明の実施形態の回転操作装置が設けられた商品販売機を示す斜視図である。本発明の実施形態の回転操作装置を示す斜視図である。本発明の実施形態の回転操作装置を横方向から見た図である。本発明の実施形態の回転操作装置における磁気センサを示す斜視図である。本発明の実施形態の回転操作装置の電気的構成を示すブロック図である。本発明の実施形態の回転操作装置の動作を示す説明図である。本発明の実施形態の回転操作装置において、磁気センサから出力される検出信号の波形を示す波形図である。本発明の実施形態の回転操作装置の変形例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態の回転操作装置１１が設けられた商品販売機１を示している。図１に示すように、商品販売機１は、硬貨投入口５に硬貨を入れてハンドル１３を回すことにより、樹脂製のカプセルに入った玩具等の商品２が、商品収容部６から商品取出口７に排出されるといった構成を有する装置である。回転操作装置１１は商品販売機１の筐体３の前壁部３Ａに取り付けられている。なお、前壁部３Ａは特許請求の範囲の記載における「支持体」の具体例である。

図２は商品販売機１から取り外した状態の回転操作装置１１を示している。図３は商品販売機１の筐体３の前壁部３Ａに取り付けた状態の回転操作装置１１を示している。図２に示すように、回転操作装置１１は、軸部１２と、操作部としてのハンドル１３と、回転検出部１４とを備えている。

軸部１２は例えば樹脂または金属等により概ね円柱状に形成されている。軸部１２の基端側は、図３に示すように、商品販売機１の筐体３の前壁部３Ａに回転可能に支持されている。軸部１２の基端側は、前壁部３Ａに形成された支持穴４に挿入され、筐体３の内部に位置している。

ハンドル１３は、軸部１２の先端部に取り付けられ、固定されており、ハンドル１３と軸部１２とは一体的に回転する。

回転検出部１４は軸部１２の基端側に配置されている。回転検出部１４は、２つの磁石１５、１６、磁気センサ１７および回路ユニット２３を備えている。

２つの磁石１５、１６はそれぞれ、商品販売機１の筐体３内に位置し、軸部１２の基端部に取り付けられ、固定されている。各磁石１５、１６は棒状に形成され、その伸長方向の一端側がＮ極であり、伸長方向の他端側がＳ極である。また、各磁石１５、１６は、その伸長方向が軸部１２の軸方向となるように配置されている。また、２つの磁石１５、１６は軸部１２の回転中心軸Ｘの周囲に１８０度の間隔を置いて配置されている。また、２つの磁石１５、１６は軸部１２の回転中心軸Ｘから等距離の位置に配置されている。また、２つの磁石１５、１６はＮ極およびＳ極の位置が逆になるように配置されている。

磁気センサ１７は、商品販売機１の筐体３内に位置し、回路ユニット２３と共に基板２８上に取り付けられている。また、基板２８はブラケット２９を介して筐体３の前壁部３Ａの裏面側に固定されている。図４は磁気センサ１７を示している。図４に示すように、磁気センサ１７は、磁性素子１８、コイル１９、ボビン２０および一対の端子２１を有している。

磁性素子１８は、直線状に伸長し、外部から作用する磁場の方向に応じて磁化方向が変化する素子である。磁性素子１８は、大バルクハウゼン効果を生ずる磁性素子である。磁性素子１８は、例えば、鉄およびコバルトを含む半硬質磁性材料により形成され、直径が例えばおよそ０．１ｍｍ〜１ｍｍで、長さが例えばおよそ１０ｍｍ〜３０ｍｍの線材である。磁性素子１８は、例えば、上記半硬質磁性材料を線引きし、方向を変えながら複数回捻ることにより形成されている。磁性素子１８は、磁化が容易な方向が当該磁性素子１８の軸線方向である一軸異方性を有している。また、磁性素子１８において、その外周側部分よりも中心側部分の方が保磁力が大きい。磁性素子１８は外部磁場の方向の変化に応じて磁性素子１８（その外周側部分）の磁化方向が急反転する性質を有している。

磁性素子１８は例えば樹脂製のボビン２０の内部に収容されている。コイル１９は、ボビン２０の外周側に巻線を巻回することにより形成されている。これにより、コイル１９の中心に磁性素子１８が貫通した構造が形成されている。また、一対の端子２１はボビン２０の両端側にそれぞれ設けられている。各端子２１は導電材料により形成され、各端子２１の一端部には巻線の端部が接続されている。

図３を見るとわかる通り、磁気センサ１７は磁性素子１８の伸長方向が軸部１２の軸方向となるように配置されている。また、磁気センサ１７は軸部１２の基端部の外周側に位置し、磁石１５、１６の回転軌道に対向するように配置されている。軸部１２が図３に示す位置であるときには、磁気センサ１７は磁石１５と間隙を介して対向する。軸部１２が図３に示す位置から１８０度回転したときには、磁気センサ１７は磁石１６と間隙を介して対向する。

回路ユニット２３は、商品販売機１の筐体３内に位置し、基板２８上に取り付けられている。図５は回転操作装置１１の電気的構成を示している。図５に示すように、回路ユニット２３は、測定回路２４、記憶回路２５および電力生成回路２６を有している。また、測定回路２４および電力生成回路２６には磁気センサ１７（例えば端子２１）が電気的に接続されている。測定回路２４は、磁気センサ１７から出力される検出信号に基づいて軸部１２の回転数を測定する回路である。具体的には、測定回路２４は磁気センサ１７から出力される検出信号におけるパルスをカウントする回路である。記憶回路２５は、測定回路２４により測定された軸部１２の回転数（具体的には上記パルスのカウント値）を記憶する回路である。例えば、記憶回路２５は不揮発性の半導体記憶素子により形成されている。電力生成回路２６は、磁気センサ１７から出力された検出信号を用いて電力を生成し、当該生成した電力を測定回路２４および記憶回路２５に供給する回路である。測定回路２４および記憶回路２５は、電力生成回路２６から供給された電力により動作する。

このような構成を有する回転操作装置１１の動作につき、図６および図７を用いて説明する。購入者が商品販売機１から商品２を入手するには、硬貨を硬貨投入口５に投入した後、ハンドル１３を一定の方向（例えば時計回り方向）に３６０度回す。購入者がハンドル１３を回すと、ハンドル１３と共に軸部１２が回転し、軸部１２の基端部に固定された２つの磁石１５、１６が回転する。

例えば、購入者がハンドル１３を回す直前、すなわち、ハンドル１３および軸部１２の回転量が０度であるときには、図６（Ａ）に示すように、磁石１５が磁気センサ１７に最も接近している。このときには、磁気センサ１７の周囲には磁石１５により磁場が形成されており、その磁場によって磁性素子１８が一方向に磁化されている。

その状態で、購入者がハンドル１３を時計方向に回し始め、ハンドル１３および軸部１２の回転量が１８０度に近づくと、図６（Ｂ）に示すように、磁石１６が磁気センサ１７に接近する。その結果、磁気センサ１７の周囲には磁石１６により磁場が形成される。磁石１６と磁石１５とは磁極が逆になるように配置されているので、磁気センサ１７に接近する磁石が磁石１５から磁石１６に変わることで、磁気センサ１７の周囲に形成される磁場の方向が逆になる。上述したように、磁性素子１８は外部磁場の方向の変化に応じてその磁化方向が急反転する性質を有している。磁気センサ１７に接近する磁石が磁石１５から磁石１６に変わることによって磁気センサ１７の周囲に形成される磁場の方向が逆転したとき、磁性素子１８の磁化方向が一方向から他方向に急反転する。

その後、購入者がハンドル１３を時計方向に回し続け、ハンドル１３および軸部１２の回転量が３６０度に近づくと、図６（Ｃ）に示すように、磁石１５が磁気センサ１７に再び接近し、磁気センサ１７の周囲に形成される磁場の方向が再び逆転する。その結果、磁性素子１８の磁化方向が他方向から一方向に急反転する。

その後、購入者がハンドル１３を時計方向に回し切ると、ハンドル１３および軸部１２の回転量が３６０度となり、図６（Ａ）に示すように、磁石１５が磁気センサ１７に最も接近した状態に戻る。

磁性素子１８の磁化方向が一方向から他方向に急反転したとき、磁気センサ１７のコイル１９に例えば負のパルス状の誘導電流が流れる。また、磁性素子１８の磁化方向が他方向から一方向に急反転したとき、磁気センサ１７のコイル１９に例えば正のパルス状の誘導電流が流れる。その結果、購入者がハンドル１３を３６０度回す間に、磁気センサ１７の端子２１から図７に示すような検出信号が出力される。

磁気センサ１７から出力された検出信号は、測定回路２４および電力生成回路２６にそれぞれ入力される。電力生成回路２６は磁気センサ１７からの検出信号を整流して直流電圧を作り出し、その直流電圧を測定回路２４および記憶回路２５に印加する。これにより、測定回路２４および記憶回路２５が稼働する。測定回路２４は、磁気センサ１７からの検出信号における正のパルスおよび負のパルスをカウントし、不揮発性の記憶回路２５に記憶されているカウント値を更新する。

商品２の販売者は、記憶回路２５に記憶されたカウント値に基づき、商品販売機１のハンドル１３の回転数を把握することができる。本実施形態においては、カウント値が２増加するごとにハンドル１３の回転数が１増加する。商品販売機１は、ハンドル１３を１回転させると、商品収容部６から商品取出口７へ１つの商品２が排出されるように構成されている。したがって、ハンドル１３の回転数は、商品販売機１から排出された商品２の個数、すなわち商品販売機１を用いて売れた商品２の個数と一致する。よって、商品２の販売者はカウント値に基づいて商品２の在庫管理や売上管理を行うことができる。例えば、記憶回路２５に記憶されたカウント値を、ケーブルを介して、または無線通信により、スマートフォンまたはパーソナルコンピュータに送る構成を回転操作装置１１または商品販売機１に追加すれば、商品２の販売者は、スマートフォンまたはパーソナルコンピュータを用いて、商品販売機１から送られたカウント値に基づいて商品２の在庫管理や売上管理を行うことができる。

以上説明した通り、本発明の実施形態の回転操作装置１１は、大バルクハウゼン効果を生じる磁性素子１８を有する磁気センサ１７を備え、この磁気センサ１７により軸部１２の回転を検出する。大バルクハウゼン効果を生じる磁性素子１８は、磁性素子１８に作用する外部磁場の強度の変化が非常に遅い場合でも、外部磁場の強度が閾値を超えたときに、磁化方向が急反転する性質を有している。したがって、購入者がハンドル１３を回す速度が非常にゆっくりであり、または間欠的であるために、磁石１５または磁石１６が磁気センサ１７に非常に低速にまたは間欠的に接近し、それゆえ、磁石１５または磁石１６により形成されて磁性素子１８に作用する磁場の強度の変化が非常に低速または間欠的である場合でも、磁性素子１８に作用する当該磁場の強度が閾値を超えた瞬間に磁性素子１８の磁化方向が急反転する。そして、磁性素子１８の磁化方向の急反転に応じたパルスが磁気センサ１７から出力される。よって、購入者がハンドル１３を回す速度が非常にゆっくりであり、または間欠的である場合でも、軸部１２の回転を高精度に検出することができる。

また、本実施形態の回転操作装置１１では、磁性素子１８の磁化方向の急反転による誘導電流を利用して、測定回路２４および記憶回路２５を稼働させる電力を作り出す。したがって、回転操作装置１１によれば、外部電源を用いることなく、軸部１２の回転検出および回転数測定を行うことができる。図１に示す商品販売機１は手動で動作する装置であり、電源に接続されていない。仮に、このような無電源の商品販売機１に、外部電源を必要とする回転操作装置を設けることとした場合には、商品販売機１を外部電源に接続しなければならなくなる。また、外部電源として電池を利用することとした場合には、電池の寿命を管理しなければならなくなる。これに対し、本実施形態の回転操作装置１１は無電源で動作するので、このような不都合は生じない。

また、本実施形態の回転操作装置１１は、測定回路２４および記憶回路２５を有し、磁気センサ１７からの検出信号に基づいてハンドル１３の回転数を測定することができる。したがって、商品２の販売者は、ハンドル１３の回転数に基づいて商品２の在庫管理や売上管理を容易に行うことができる。

なお、上記実施形態では、軸部１２の基端部に２つの磁石１５、１６をそれぞれの伸長方向が軸部１２の軸方向となるように配置し、磁気センサ１７を磁性素子１８の伸長方向が軸部１２に軸方向となるように配置する場合を例にあげたが、本発明はこれに限らない。例えば、図８に示す回転操作装置３１のように、１つの磁石３２を軸部１２の基端側端面に当該磁石３２の伸長方向が軸部１２の径方向となるように配置し、磁気センサ１７を磁性素子１８の伸長方向が軸部１２の径方向となるように配置してもよい。この場合、磁石３２は、その伸長方向の中央を軸部１２の回転中心軸Ｘが貫くように配置し、磁気センサ１７は磁性素子１８の伸長方向の中央を軸部１２の回転中心軸Ｘが貫くように配置し、また、磁石３２および磁気センサ１７を両者が軸部１２の軸方向において間隙を介して互いに対向するように配置する。

また、上記実施形態では、２つの磁石１５、１６を軸部１２の基端部に１８０度の間隔をおいて配置したが、２つの磁石１５、１６の間隔はこれに限定されない。また、軸部１２に３つ以上の磁石を設けてもよく、軸部１２の周囲に２つ以上の磁気センサを設けてもよい。また、軸部１２の基端部に磁気センサを配置し、軸部１２の周囲に磁石を配置してもよい。この場合、回路ユニットを軸部１２に取り付けるようにする。

また、上記実施形態は、磁性素子１８として、磁性素子の外周側部分よりも中心側部分の方が保磁力の大きい磁性素子を用いたが、磁性素子の外周側部分よりも中心側部分の方が保磁力の小さい磁性素子を用いてもよい。

また、上記実施形態では、磁気センサ１７から出力される検出信号に基づいて軸部１２の回転数を把握する場合を例にあげたが、本発明はこれに限らない。例えば、磁気センサ１７から出力される検出信号に基づいて軸部１２の１回転未満の回転量を把握するようにしてもよい。上記実施形態では、軸部１２の回転量が１８０度増加する毎に磁気センサ１７からパルスが出力されるので、このパルスに基づいて軸部１２の回転量を１８０度毎に把握することができる。

また、本発明の回転操作装置の操作部はハンドルでもレバーでもよく、ハンドルの形状もレバーの形状も限定されない。また、本発明の回転操作装置が適用される装置は、玩具用の手動式の商品販売機に限定されない。本発明の回転操作装置は、ハンドルやレバーにより操作を行う種々の装置に適用することができる。また、本発明の回転操作装置は、電力を用いて動作する装置にも適用することができる。

また、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う回転操作装置もまた本発明の技術思想に含まれる。

１商品販売機
３筐体
３Ａ前壁部（支持体）
１１回転操作装置
１２軸部
１３ハンドル
１４回転検出部
１５、１６磁石
１７磁気センサ
１８磁性素子
２３回路ユニット
２４測定回路
２５記憶回路
２６電力生成回路

Claims

一側が支持体に回転可能に支持される軸部と、
前記軸部の他側に設けられ、前記軸部を回転させるハンドル型またはレバー型の操作部と、
前記軸部の一側に配置された回転検出部とを備え、
前記回転検出部は、
大バルクハウゼン効果を生ずる磁性素子を有する磁気センサと、
前記磁気センサの周囲に磁場を形成する磁石とを備え、
前記磁気センサおよび前記磁石のうちの一方は、前記軸部の一側に取り付けられ、前記軸部と共に回転し、
前記磁気センサおよび前記磁石のうちの他方は前記支持体に取り付けられ、
前記磁気センサと前記磁石とは間隙を介して互いに対向するように配置されていることを特徴とする回転操作装置。
前記回転検出部は、
前記磁気センサから出力される検出信号に基づいて前記軸部の回転数または回転量を測定する測定回路と、
前記測定回路により測定された前記軸部の回転数または回転量を記憶する記憶回路と、
前記磁気センサから出力された検出信号を用いて電力を生成し、当該生成した電力を前記測定回路および前記記憶回路に供給する電力生成回路とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の回転操作装置。