JP2019016139A - 力覚付与型操作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費量を削減しつつ、回転軸の延びる方向における寸法を縮小することが可能な力覚付与型操作装置を提供する。【解決手段】力覚付与型操作装置１は、固定子６と、操作レバー２に接続された回転子７と、複数の固定子磁極部２４にそれぞれ巻回されて周方向に並ぶ複数の励磁コイル１０と、を備え、各励磁コイル１０は、励磁電流が供給されることにより、周方向に隣り合う固定子磁極部２４とそれらの固定子磁極部２４に対して径方向において対向する回転子磁極部３８とを通る閉ループの磁気回路Ａを形成するとともに、対向領域の面積が減少するように各回転子磁極部３８が各固定子磁極部２４に対して周方向に変位したときに当該各回転子磁極部３８を各固定子磁極部２４に正対する位置へ戻す向きに働いて力覚を生じさせる磁気吸引力を各回転子磁極部３８と対応する固定子磁極部２４との間に発生させるように各固定子磁極部２４に巻回されている。【選択図】図２

Description

本発明は、力覚付与型操作装置に関する。

従来、クレーン等の作業機械を操作するために用いられてその操作時に操作者に力覚を付与する力覚付与型操作装置が知られている。例えば、下記特許文献１には、このような力覚付与型操作装置の一例が示されている。

特許文献１に開示された力覚付与型操作装置は、ステータ部と、そのステータ部の周りを囲むように配置されて回転軸回りに回転可能なロータ部と、そのロータ部に接続されて当該ロータ部を回転操作するための操作レバーと、を備えている。

ステータ部は、励磁コイルと、ステータ本体とを有する。ステータ本体は、ロータ部の回転軸と同心となるように配置された軸部と、その軸部の長手方向の両端にそれぞれ設けられて軸部の径方向外側に広がる一対の大径部とを有する。励磁コイルは、ステータ本体の一対の大径部間で当該ステータ本体の軸部の周りに巻回されている。

ステータ本体の各大径部は、その外側のロータ部へ向かって突出する複数のロータ側磁極部を有する。この複数のロータ側磁極部は、前記回転軸を中心とした周方向に等間隔に配置されている。また、一方の大径部の各ロータ側磁極部と他方の大径部の各ロータ側磁極部とは、前記回転軸を中心とした周方向において同じ位置に配置されている。

ロータ部は、円筒状のロータ本体と、そのロータ本体から内側のステータ部へ向けて突出する複数のロータ側磁極部とを有する。この複数のロータ側磁極部は、前記回転軸を中心とした周方向に等間隔に配置されている。各ロータ側磁極部の先端面である各ロータ側磁極面と対応する各ステータ側磁極部の先端面である各ステータ側磁極面とは、前記回転軸を中心とした円の径方向において隙間をあけて対向し得るようになっている。ロータ側磁極面とステータ側磁極面とがこのように対向したときに、前記一方の大径部のロータ側磁極部と前記他方の大径部のロータ側磁極部とステータ側磁極部とが共同して励磁コイルの周りを囲むようになっている。これにより、励磁コイルに励磁電流が供給されて当該励磁コイルによって励磁されたときに、前記回転軸、ステータ側磁極部及びロータ側磁極部を通る平面上において励磁コイルを囲むような磁気回路が形成されるようになっている。

そして、操作者が操作レバーを中立位置から傾回動操作してロータ部が前記回転軸を中心として回転し、各ロータ側磁極面が対応するステータ側磁極面に対して周方向にずれるように変位するときに各ロータ側磁極面が対応するステータ側磁極面から磁気吸引力を受け、その磁気吸引力が力覚として操作レバーを通じて操作者に提示されるようになっている。

特開２０１５−７２６６９号公報

しかしながら、前記の従来の力覚付与型操作装置では、電力消費量を削減しつつ、前記回転軸の延びる方向における当該操作装置の寸法を縮小することが困難であるという問題点がある。

具体的に、前記磁気吸引力は、励磁コイルに供給される励磁電流の大きさに励磁コイルの巻数を乗じて得た値に比例するので、力覚を提示するために必要な大きさの磁気吸引力を確保するには、励磁コイルにある程度大きな励磁電流を供給するか、もしくは、励磁コイルの巻数としてある程度大きな巻数を確保する必要がある。励磁コイルにある程度大きな励磁電流を供給する場合には、電力消費量を削減することは難しくなる。また、励磁コイルの巻数を確保する場合には、前記回転軸の延びる方向における当該励磁コイルの占有スペースを削減することは難しくなり、その結果、前記回転軸の延びる方向における操作装置の寸法を縮小することは難しくなる。

本発明の目的は、電力消費量を削減しつつ、回転軸の延びる方向における寸法を縮小することが可能な力覚付与型操作装置を提供することである。

本発明により提供されるのは、作業機械を操作するために用いられてその操作時に操作者に力覚を付与する力覚付与型操作装置であって、前記作業機械を操作するための操作レバーであって中立位置から所定の回転軸を中心として回動操作可能なものと、固定子であって前記回転軸を中心とした円の周方向に間隔をあけて並ぶ複数の固定子磁極部を有するものと、前記固定子に対して前記回転軸を中心として回転可能であり、前記操作レバーの回動操作に伴って回転するように前記操作レバーに接続された回転子であって、前記周方向に間隔をあけて並ぶ複数の回転子磁極部を有するものと、前記複数の固定子磁極部にそれぞれ巻回されて前記周方向に並ぶように配置された複数の励磁コイルと、前記複数の励磁コイルに励磁電流を供給する電流供給装置と、を備え、前記回転子と前記固定子のうち一方の部材は、前記回転軸を中心とした中央部を有し、前記回転子磁極部と前記固定子磁極部のうち当該一方の部材に設けられた磁極部は、前記中央部から前記円の径方向において外側へ突出し、前記回転子と前記固定子のうち他方の部材は、前記一方の部材の周りを囲むように配置された外周部を有し、前記回転子磁極部と前記固定子磁極部のうち当該他方の部材に設けられた磁極部は、前記外周部から前記径方向において内側へ突出し、前記各回転子磁極部は、前記操作レバーが前記中立位置にあるときに前記径方向において前記各固定子磁極部に対して隙間をあけた状態で正対し、前記操作レバーの前記中立位置からの回動操作量が増加するにつれて対応する前記固定子磁極部に対して前記周方向に変位して当該回転子磁極部のうち前記固定子磁極部と対向する対向領域の面積が減少するように前記各固定子磁極部に対して配置され、前記各励磁コイルは、前記励磁電流が供給されることにより、前記周方向に隣り合う前記固定子磁極部とそれらの固定子磁極部に対して前記径方向において対向し且つ前記周方向に隣り合う前記回転子磁極部とを通る閉ループの磁気回路を形成するとともに、前記対向領域の面積が減少するように前記各回転子磁極部が前記各固定子磁極部に対して前記周方向に変位したときに当該各回転子磁極部を前記各固定子磁極部に正対する位置へ戻す向きに働いて前記操作レバーに前記力覚を生じさせる磁気吸引力を前記各回転子磁極部と対応する前記固定子磁極部との間に発生させるように前記各固定子磁極部に巻回されているものである。

この力覚付与型操作装置では、各励磁コイルが、励磁電流の供給を受けることにより、前記のような閉ループの磁気回路を形成するとともに、操作レバーが中立位置から回動操作されたときに各回転子磁極部と対応する固定子磁極部との間に磁気吸引力を発生させ、それによって操作レバーに力覚を生じさせることができる。そして、この力覚付与型操作装置では、そのような励磁コイルが前記回転軸を中心とした円の周方向に並ぶ複数の固定子磁極部にそれぞれ巻回されているため、複数の励磁コイルの合計の巻数として従来の力覚付与型操作装置のステータ本体の軸部の周りに巻回された単一の励磁コイルの巻数と同等以上の大きな巻数を確保できるとともに、周方向に並ぶ複数の励磁コイルに巻数を分散できることで回転軸の延びる方向において励磁コイルが占めるスペースを削減できる。このため、励磁コイルに供給する励磁電流を削減して電力消費量を削減したとしても、複数の励磁コイルの大きな合計巻数により力覚を提示するために必要な大きさの磁気吸引力を確保できるとともに、回転軸の延びる方向における励磁コイルの占有スペースの削減効果により前記回転軸の延びる方向における力覚付与型操作装置の寸法を縮小することができる。

前記力覚付与型操作装置において、前記各励磁コイルは、前記径方向に延びる前記固定子磁極部の軸心を中心としてその固定子磁極部の周りに巻回されているとともに、前記電流供給部から供給される前記励磁電流が前記周方向に隣り合う前記励磁コイルに互いに逆向きに流れるように前記固定子磁極部に巻回されていることが好ましい。

この構成によれば、各励磁コイルに励磁電流が供給されたときに周方向に隣り合う磁極部に互いに逆向きの磁束が発生し、前記閉ループの磁気回路を形成することができる。

前記力覚付与型操作装置において、前記各回転子磁極部は、前記操作レバーが前記中立位置から最大に回動操作された状態で、対応する前記固定子磁極部に対して前記径方向において対向する対向領域を有することが好ましい。

この構成によれば、操作レバーが中立位置で各回転子磁極部が対応する固定子磁極部に対して正対した状態から操作レバーが最大に回動操作されるまでの過程で、各回転子磁極部が対応する固定子磁極部に対して前記周方向においてずれを持ちつつその周方向において重なる範囲を常に有するため、各回転子磁極部が対応する固定子磁極部に対して前記周方向において完全に離間して前記磁気吸引力が働かなくなるのを防ぐことができる。

前記力覚付与型操作装置において、前記固定子は、磁性体からなる複数の板材の積層体であってその複数の板材の積層方向が前記回転軸の延びる方向に一致するように配置されたものからなることが好ましい。

この構成によれば、磁性体からなる複数の板材を積層することで固定子を作製できるため、削り出し等のコスト及び手間がかかる方法で固定子が作製される場合に比べて、固定子を作製するためのコスト及び手間を削減できる。また、この構成では、固定子の積層された板材同士の界面が前記回転軸の延びる方向に対して垂直に配置され、その界面は、励磁コイルにより固定子が励磁されたときにその固定子に発生する磁束の経路と略平行になる。このため、前記界面が前記磁束の経路と交差して磁気抵抗になるのを回避でき、固定子の磁気抵抗が増大するのを抑制できる。

前記力覚付与型操作装置において、前記回転子は、磁性体からなる複数の板材の積層体であってその複数の板材の積層方向が前記回転軸の延びる方向に一致するように配置されたものからなることが好ましい。

この構成によれば、磁性体からなる複数の板材を積層することで回転子を作製できるため、削り出し等のコスト及び手間がかかる方法で回転子が作製される場合に比べて、回転子を作製するためのコスト及び手間を削減できる。また、この構成では、回転子の積層された板材同士の界面が前記回転軸の延びる方向に対して垂直に配置され、その界面は、回転子が励磁されたときにその回転子に発生する磁束の経路と略平行になる。このため、その界面が回転子に発生する磁束の経路と交差して磁気抵抗になるのを回避でき、回転子の磁気抵抗が増大するのを抑制できる。

前記力覚付与型操作装置において、前記各固定子磁極部は、前記径方向において当該固定子磁極部の一端から前記励磁コイルを当該固定子磁極部に外嵌可能に構成されていることが好ましい。

この構成によれば、固定子とは別に形成しておいた励磁コイルをその固定子の固定子磁極部に外嵌することでその固定子磁極部に励磁コイルを巻回できる。このため、固定子と励磁コイルの作製をそれぞれ得意な別々の業者に任せることができ、固定子と励磁コイルの品質を高めることができる。

以上より、本発明の力覚付与型操作装置によれば、電力消費量を削減しつつ、回転軸の延びる方向における当該力覚付与型操作装置の寸法を縮小することが可能である。

本発明の一実施形態による力覚付与型操作装置の正面図である。 本発明の一実施形態による力覚付与型操作装置の回転軸に直交する方向の断面図であって操作レバーが中立位置にある状態を示すものである。 図２に対応する断面図であって操作レバーが中立位置から一方の回動操作方向に最大まで操作された状態を示すものである。 本発明の一実施形態による力覚付与型操作装置の分解斜視図である。 本発明の一実施形態の力覚付与型操作装置における励磁コイルの接続状態を示す回路図である。 本発明の変形例による力覚付与型操作装置の固定子、回転子、励磁コイル及び操作レバーの構成を部分的に示す斜視図であって操作レバーが中立位置にある状態を示すものである。 図６に示した変形例において操作レバーが中立位置から一方の回動操作方向に最大まで操作された状態を示す斜視図である。 本発明の別の変形例による力覚付与型操作装置の断面図である。 本発明のさらに別の変形例による力覚付与型操作装置における励磁コイルの接続状態を示す回路図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

本実施形態による力覚付与型操作装置１（以下、単に「操作装置１」と称する）は、クレーン等の作業機械を操作するため、具体的にはその作業機械の吊荷の巻き上げ装置やブーム等の起伏部材を起伏させるための起伏装置などを操作するために用いられてその操作時に操作者に力覚を付与するように構成されたものである。

この操作装置１は、操作レバー２（図１参照）と、ホルダー４と、固定子６（図２参照）と、回転子７と、複数の絶縁子８（図４参照）と、複数の励磁コイル１０と、一対の中立位置戻し装置１２と、操作角度検出器１４と、電流供給装置１８（図１参照）と、制御部１９とを備える。

操作レバー２は、作業機械を操作するために操作者によって操作されるものである。この操作レバー２は、図１に示す中立位置から回転軸Ｃを中心として一方側とその反対の他方側とに回動操作可能となっている。本実施形態では、操作レバー２は、例えば、回転軸Ｃを中心とした回動角度で中立位置から一方側と他方側とにそれぞれ最大で１１度ずつ回動可能となっている。なお、以下の説明において、回転軸Ｃの延びる方向のことを回転軸Ｃ方向と称し、回転軸Ｃを中心とした円の径方向のことを単に径方向と称し、回転軸Ｃを中心とした円の周方向のことを単に周方向と称する。

ホルダー４は、中空の箱形に構成されている。このホルダー４は、図２に示すように、その内部に、固定子６、回転子７、絶縁子８及び励磁コイル１０等の力覚付与型操作装置１の大半の構成部材を収容している。

固定子６は、回転子７の径方向内側に配置されてホルダー４に固定されている。この固定子６は、中央部２２と、複数の固定子磁極部２４とを有する。中央部２２は、前記回転軸Ｃに直交する断面としてその回転軸Ｃ上に中心を有する多角形状の外形の断面を有するとともに、回転軸Ｃ方向において所定の厚みを有する。また、中央部２２は、径方向において外側を向く外面を有する。

複数の固定子磁極部２４は、固定子６が励磁されたときに磁束が集中する部分である。本実施形態では、固定子６が有する固定子磁極部２４の数は８つである。複数の固定子磁極部２４は、中央部２２の外面から径方向外側へ突出するとともに、周方向に間隔をあけて並んでいる。具体的には、複数の固定子磁極部２４は、周方向に等間隔に並び、全周に亘って均等に配置されている。換言すれば、複数の固定子磁極部２４は、中央部２２から放射状に径方向外側へ向かって延びている。各固定子磁極部２４の径方向外側を向く先端面は、回転軸Ｃ方向から見てその回転軸Ｃを中心とする共通の円上に位置するとともにその円に沿った円弧状をなす曲面である。この各固定子磁極部２４の先端面がその固定子磁極部２４の磁極面である固定子磁極面２４ａとなっている。

固定子６は、磁性体からなる複数の板材６ａ（図４参照）の積層体であってその複数の板材６ａの積層方向が回転軸Ｃ方向に一致するように配置されたものからなる。板材６ａは、具体的には、高い透磁率を有する薄い鋼板である。各板材６ａは、固定子６の軸方向に直交する断面に対応する形状を有するように例えば鋼板からの打ち抜きによって形成される。そして、そのように形成された複数の板材６ａが積層されて互いに接合されることによって一体化され、それによって固定子６が作製される。

回転子７は、固定子６の径方向外側でその固定子６の周りを囲むように配置されている。この回転子７は、固定子６に対して回転軸Ｃを中心として回転可能となるようにホルダー４に保持されている。また、回転子７は、操作レバー２の回動操作に伴って固定子６に対して回転するように操作レバー２に接続されている。回転子７は、回転子本体３２と、一対の側面プレート３４と、戻し用当接部３５とを有する。

回転子本体３２は、外周部３６と、複数の回転子磁極部３８とを有する。

外周部３６は、前記回転軸Ｃに軸心が一致するように配置された円筒状をなしている。外周部３６は、径方向において固定子６との間に間隔をあけた状態で固定子６の周りを囲んでいる。当該外周部３３の回転軸Ｃ方向の寸法は、固定子６の同方向の寸法と略同じである。また、外周部３６は、径方向において外側を向く外周面と、径方向において内側を向く内面とを有する。この外周部３６の外周面に操作レバー２が取り付けられており、その操作レバー２は、当該外周部３６の外周面から径方向外側、具体的には上方へ延びている。

複数の回転子磁極部３８は、回転子本体３２が励磁されたときに磁束が集中する部分である。回転子本体３２が有する回転子磁極部３８の数は、固定子６が有する固定子磁極部２４の数と同じであり、本実施形態では８つである。複数の回転子磁極部３８は、外周部３６の内面から径方向内側へ突出するとともに、周方向に間隔をあけて並んでいる。具体的には、複数の回転子磁極部３８は、周方向に等間隔に並び、外周部３６の全周に亘って均等に配置されている。各回転子磁極部３８の径方向内側を向く先端面は、回転軸Ｃ方向から見てその回転軸Ｃを中心とする共通の円上に位置するとともにその円に沿った円弧状をなす曲面である。この各回転子磁極部３８の先端面がその回転子磁極部３８の磁極面である回転子磁極面３８ａとなっている。回転子磁極面３８ａの曲率は、固定子磁極面２４ａの曲率と等しい。

各回転子磁極部３８は、操作レバー２が中立位置にあるときに径方向において各固定子磁極部２４に対して微小な隙間をあけた状態で正対し（図２参照）、操作レバー２が中立位置から回動操作されて回転子７が固定子６に対して回転することにより各固定子磁極部２４に対して周方向にずれるように配置されている。各回転子磁極部３８の回転子磁極面３８ａと対応する固定子磁極部２４の固定子磁極面２４ａとの間には、径方向において例えば約０．５ｍｍの隙間が設けられている。

また、各回転子磁極部３８は、操作レバー２が中立位置から最大に回動された状態（例えば図３の状態）で、対応する固定子磁極部２４と周方向において重なる範囲を有する。

また、回転子本体３２は、磁性体からなる複数の板材３２ａ（図４参照）の積層体であってその複数の板材３２ａの積層方向が回転軸Ｃ方向に一致するように配置されたものからなる。板材３２ａは、具体的には、高い透磁率を有する薄い鋼板である。各板材３２ａは、回転子本体３２の軸方向に直交する断面に対応する形状を有するように例えば鋼板からの打ち抜きによって形成される。そして、そのように形成された複数の板材３２ａが積層されて互いに接合されることによって一体化され、それによって回転子本体３２が作製される。

一対の側面プレート３４は、回転子本体３２が回転軸Ｃを中心として回転可能となるように当該回転子本体３２をホルダー４に取り付けるための部材である。この一対の側面プレート３４は、回転子本体３２を軸方向において両側から挟み込むように配置されてその回転子本体３２に固定されている。各側面プレート３４は、回転子本体３２の外周部３６の外径と等しい外径を持つ略円形状の外形を有する。各側面プレート３２には、回転軸Ｃ上に位置する当該側面プレート３２の中心を挟んで対向する位置に一対の円弧状のガイド穴３７が形成されているとともに、中心部に円形の穴３９が形成されている。

一対の円弧状ガイド穴３７に、ホルダー４の対応する位置に設けられた係合部４５がそれぞれ挿通されて係合されることによって、ロータ部３０がホルダー４に対して回転軸Ｃを中心として回転可能となっている。

戻し用当接部３５（図２参照）は、固定子本体３２の外周部３６の外周面のうち操作レバー２が設けられた位置と正反対の位置から突出している。この戻し用当接部３５は、後述の中立位置戻し装置１２の押圧部４２と当接する部分である。

複数の絶縁子８（図４参照）は、絶縁体からなる筒状のものである。この絶縁子８の数は、固定子６が有する固定子磁極部２４の数と同じであり、本実施形態では８個である。各絶縁子８は、対応する固定子磁極部２４に径方向外側から外嵌されている。

複数の励磁コイル１０は、複数の固定子磁極部２４の周りに絶縁子８を介してそれぞれ巻回されており、周方向に並ぶように配置されている。この励磁コイル１０の数は、固定子６が有する固定子磁極部２４の数と同じであり、本実施形態では８個である。励磁コイル１０は、銅等を素材とした導線を単純巻きして形成されたコイルである。励磁コイル１０を形成する導線は、固定子磁極部２４の先端面（固定子磁極面２４ａ）を除く４つの側面に沿うように巻回されている。本実施形態では、励磁コイル１０は、固定子磁極部２４に外嵌された絶縁子８の周りに導線が直接巻き付けられることによって形成されたものではなく、固定子６及び絶縁子８とは別に導線が巻回されることによって形成されたものである。そのようにして形成された各励磁コイル１０が、各固定子磁極部２４に外嵌された各絶縁子８に対して径方向外側から外嵌されている。なお、各図において、簡略化のため、励磁コイル１０を構成する導線の図示は省略している。

本実施形態では、図６の回路図に示すように、全ての励磁コイル１０は直接接続されている。ただし、周方向に隣り合う励磁コイル１０同士でその導線に流れる電流の向きが逆になるように接続されている。すなわち、８個の励磁コイル１０を周方向に並ぶ順番で第１〜第８励磁コイル１０ａ〜１０ｈとすると、第１、第３、第５及び第７励磁コイル１０ａ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｇには同じ向きに電流が流れ、第２、第４、第６及び第８励磁コイル１０ｂ，１０ｄ，１０ｆ，１０ｈには第１、第３、第５及び第７励磁コイル１０ａ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｇとは逆向きの電流が流れるように、それらの励磁コイルが接続されている。

各励磁コイル１０は、励磁電流が供給されることにより固定子６と回転子本体３２とを励磁する。このとき、各励磁コイル１０が前記のように接続されていることにより、周方向に並ぶ磁極部２４，３８に交互に逆向きの磁束が発生する。また、周方向において隣り合う固定子磁極部２４と、固定子６の中央部２２のうち前記隣り合う固定子磁極部２４間の部分と、前記隣り合う固定子磁極部２４に径方向において対向するとともに周方向において隣り合う回転子磁極部３８と、回転子本体３２の外周部３６のうち前記隣り合う回転子磁極部３８間の部分とを通る閉ループの時期回路Ａ（図２参照）が形成される。また、励磁コイル１０が固定子６と回転子本体３２とを励磁することにより、図３に示すように、操作レバー２が回動操作されて各回転子磁極部３８が各固定子磁極部２４に対して正対した状態から周方向にずれたときに、そのずれを戻す向きに作用して操作レバー２に力覚を生じさせる磁気吸引力が各回転子磁極部３８と対応する固定子磁極部２４との間、より具体的には各回転子磁極面３８ａとそれに対向する固定子磁極面２４ａとの間で発生するようになっている。

一対の中立位置戻し装置１２は、操作レバー２が中立位置から回動操作されて回転子７が回転軸Ｃを中心として回転したときにその回転子７を中立位置へ戻すように付勢するものである。

具体的に、一対の中立位置戻し装置１２は、ホルダー４内においてそのホルダー４の底部付近に設けられており、回転軸Ｃに沿う方向から見て左右に分かれて配置されている。この一対の中立位置戻し装置１２の間に回転子７の戻し用当接部３５が配置される。各中立位置戻し装置１２は、棒状の押圧部４２と、バネ部材４４とを有する。押圧部４２は、戻し用当接部３５に対してその押圧部４２が配置された側から当接可能となっている。バネ部材４４は、押圧部４２が回転子７の回転に伴って戻し用当接部３５によって押し込まれたときにその押圧部４２を押し戻す弾発力を当該押圧部４２に付与する。このバネ部材４４から押圧部４２に付与される弾発力がその押圧部４２から戻し用当接部３５に加えられることにより、回転子７が中立位置側へ付勢されるようになっている。

操作角度検出部１４（図４参照）は、操作レバー２が中立位置から回動操作された回転軸Ｃ回りの角度である当該操作レバー２の操作角度を検出するものである。具体的には、操作角度検出部１４は、操作レバー２が中立位置にある状態からの回転子７の回転角度を検出する。この操作角度検出部１４は、回転子７の一方の側面プレート３４の中心部に取り付けられている。この操作角度検出部１４は、例えば、ロータリエンコーダである。この操作角度検出部１４は、その検出結果を示す操作角度信号を制御部１８へ出力する。

電流供給装置１８は、各励磁コイル１０に励磁電流を供給するものである。

制御部１９は、操作角度検出部１４から出力された操作角度信号及び負荷検出部１６から出力された負荷信号を受け、それらの信号に基づいて、電流供給装置１８に励磁コイル１０へ供給する励磁電流を調整させるものである。例えば、操作角度と操作レバー２に生じさせるべき力覚としての回転軸Ｃ回りのトルクとの相関関係及び前記トルクと各励磁コイル１０に流す必要がある励磁電流との相関関係が予め求められて制御部１９に組み込まれている。制御部１９は、これらの相関関係に基づき、操作角度信号によって示される操作角度に対応する励磁電流の値を求め、その求めた値の励磁電流が各励磁コイル１０に流れるように電流供給装置１８に各励磁コイル１０へ供給する励磁電流を調整させる。

以上のような操作装置１では、以下のようにして、操作レバー２を操作する操作者に対して力覚提示が行われる。

電流供給装置１８から各励磁コイル１０へ励磁電流が供給され、各励磁コイル１０は、固定子６及び回転子７を励磁する。これにより、磁束線が各固定子磁極部２４及び各回転子磁極部３８に集中する。このとき、本実施形態では、周方向に並ぶ固定子磁極部２４に交互に逆向きの磁束が発生する。具体的には、ある固定子磁極部２４ではその固定子磁極部２４からそれに対向する回転子磁極部３８へ向かう方向の磁束が発生し、その固定子磁極部２４の隣の固定子磁極部２４では対向する回転子磁極部３８からその固定子磁極部２４へ向かう方向の磁束が発生する。これにより、図２に示すような閉ループの磁気回路Ａが発生する。図１及び図２のように操作レバー２が中立位置にあり、各回転子磁極部３８が対応する固定子磁極部２４に対して正対している状態では、各回転子磁極部３８と対応する固定子磁極部２４との間の磁気抵抗が最小となり、各回転子磁極部３８と対応する固定子磁極部２４との間で周方向への磁気吸引力は発生しない。

そして、操作者が、作業機械の作動部を操作するために、操作レバー２を図１に示す中立位置から例えばＤ方向に回動操作し、周方向において各回転子磁極部３８が対応する固定子磁極部２４に対して周方向にずれを生じるとともに、そのずれが大きくなるにつれて各回転子磁極部３８と対応する固定子磁極部２４との間の磁気抵抗が大きくなる。このとき、磁気抵抗が小さくなる方向に磁気吸引力が働く。すなわち、固定子磁極部２４に対する回転子磁極部３８の周方向へのずれを戻す方向の磁気吸引力が各回転子磁極部３８に作用する。この磁気吸引力が回転子７及び操作レバー２を中立位置へ戻す方向のトルクになり、操作者は、操作レバー２を通じてこのトルクを力覚として知覚する。

以上のようにして、操作者に対する力覚提示が行われる。

本実施形態による操作装置１は、操作レバー２に力覚を生じさせるための磁気吸引力を発生させる複数の励磁コイル１０を備えていて、その複数の励磁コイル１０が回転軸Ｃを中心とした周方向に並ぶ複数の固定子磁極部２４にそれぞれ巻回されている。このため、複数の励磁コイル１０の合計の巻数として従来の力覚付与型操作装置のステータ本体の軸部の周りに巻回された単一の励磁コイルの巻数と同等以上の大きな巻数を確保できるとともに、周方向に並ぶ複数の励磁コイル１０に巻数を分散できることで軸方向において励磁コイル１０が占めるスペースを削減できる。このため、各励磁コイル１０に供給する励磁電流を削減して電力消費量を削減したとしても、複数の励磁コイル１０の大きな合計巻数により力覚を提示するために必要な大きさの磁気吸引力を確保できるとともに、軸方向における励磁コイル１０の占有スペースの削減効果により軸方向における操作装置１の寸法を縮小することができる。

また、本実施形態では、各固定子磁極部２４は、径方向における当該固定子磁極部２４の一端（先端）から励磁コイル１０を径方向（固定子磁極部２４の軸心方向）に沿って当該固定子磁極部２４に外嵌可能に構成されている。このため、固定子６とは別個に巻回して形成した励磁コイル１０を各固定子磁極部２４の径方向外側から外嵌することができる。従来の操作装置のようにステータ部の一対の大径部とそれらの間の軸部とが一体的に形成されていて分離できないものにおいてその軸部の周りに励磁コイルが巻回された構成では、励磁コイルをステータ部とは別個に形成した後でステータ部の軸部に外嵌することはできないが、本実施形態では前記のように固定子６とは別個に形成した励磁コイル１０を後から各固定子磁極部２４に装着できるので、固定子６と励磁コイル１０をそれぞれ別の業者により個別に作製して後でそれらを組み合わせることができる。このため、固定子６と励磁コイル１０の作製をそれぞれ得意な個別の業者に任せることができ、固定子６と励磁コイル１０の品質を高めることができる。

また、本実施形態による操作装置１では、操作レバー２が中立位置から最大に回動操作された状態で、各回転子磁極部３８は対応する固定子磁極部２４と周方向において重なる範囲を有する。このため、操作レバー２が中立位置で各回転子磁極部３８が対応する固定子磁極部２４に対して正対した状態から操作レバー２が最大に回動操作されるまでの過程において、各回転子磁極部３８は、対応する固定子磁極部２４に対して周方向においてずれを持ちつつその周方向において重なる範囲を常に有する。このため、各回転子磁極部３８が対応する固定子磁極部２４に対して周方向において完全に離間してそれらの間で磁気吸引力が働かなくなるのを防ぐことができる。

また、本実施形態では、固定子６は、磁性体からなる複数の板材６ａの積層体であってその複数の板材６ａの積層方向が軸方向に一致するように配置されたものからなる。このため、固定子６を複数の板材６ａを積層することで作製でき、削り出し等のコスト及び手間がかかる方法で固定子が作製される場合に比べて、固定子６を作製するためのコスト及び手間を削減できる。また、固定子６の積層された板材６ａ同士の界面が軸方向に対して垂直に配置され、その界面は、固定子６が励磁されたときにその固定子６に発生する磁束の経路と略平行になる。このため、前記界面が前記磁束の経路と交差して磁気抵抗になるのを回避でき、固定子６の磁気抵抗が増大するのを抑制できる。

また、本実施形態では、回転子本体３２は、磁性体からなる複数の板材７ａの積層体であってその複数の板材７ａの積層方向が軸方向に一致するように配置されたものからなる。このため、固定子６の場合と同様、回転子本体３２を作製するためのコスト及び手間を削減できる。また、積層された板材７ａ間の界面が回転子本体３２に発生する磁束の経路と交差して磁気抵抗になるのを回避でき、回転子本体３２の磁気抵抗が増大するのを抑制できる。

なお、本発明の力覚付与型操作装置は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態の操作装置１０では、固定子６が径方向内側に配置され、その固定子６の径方向外側で当該固定子６の周りを囲むように回転子本体３２が配置されているが、固定子と回転子本体との配置は逆であってもよい。すなわち、回転子本体が径方向内側に配置され、その回転子本体の径方向外側でその回転子本体の周りを囲むように固定子が配置されていてもよい。図６には、このような配置の変形例が示されている。

この変形例では、径方向内側の回転子本体５２の軸方向の一端面に操作レバー２が取り付けられ、その操作レバー２の回動操作に伴って回転子本体５２が固定子５４に対して回転するようになっている。そして、固定子５４は、外周部５５と、その外周部５５の径方向内側を向く内面から径方向内側へ突出するとともに周方向に等間隔に並ぶ複数の固定子磁極部５６とを有している。この各固定子磁極部５６に絶縁子８を介して励磁コイル１０が巻回されている。

また、回転子本体５２は、操作レバー２が取り付けられた中央部５８と、その中央部５８の径方向外側を向く外面から径方向外側へ突出するとともに周方向に等間隔に並ぶ複数の回転子磁極部６０とを有している。操作レバー２が、各回転子磁極部６０が対応する固定子磁極部５６と正対する図６の中立位置から回動操作されることにより、図７に示すように各回転子磁極部６０が対応する固定子磁極部５６に対して周方向にずれを生じ、それによってそのずれを戻す方向の磁気吸引力が各回転子磁極部６０と対応する固定子磁極部５６との間に働くようになっている。

また、前記実施形態では、周方向に並ぶ磁極部に互いに逆向きの磁束が生じるようにしたが、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、周方向に並ぶ磁極部に１つ置きに逆向きの磁束が生じるようにしてもよい。この場合、図８に示すように閉ループの磁気回路Ａが発生するが、この場合でも、操作レバー２が中立位置から回動操作されたときにその操作レバー２に力覚を付与するための磁気吸引力が各回転子磁極部３８と対応する固定子磁極部２４との間に作用する。

また、固定子と回転子は、必ずしも、前記のように板材の積層体からなるものでなくてもよい。すなわち、固定子と回転子は、例えば切削加工などにより透磁率の高い磁性材料（例えば鉄鋼）のブロックから削り出されたものであってもよい。

また、前記実施形態では、操作装置が有する全ての励磁コイルが直列接続されているが、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、操作装置が有する全ての励磁コイルを二組に分けて、その各組内の励磁コイルは直接接続する一方、その二組の励磁コイル同士は並列に接続してもよい。図９は、この変形例による励磁コイルの接続状態を示す回路図である。

この変形例では、操作装置が有する全ての励磁コイルが、第１、第３、第５及び第７励磁コイル１０ａ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｇからなる組と、第２、第４、第６及び第８励磁コイル１０ｂ，１０ｄ，１０ｆ，１０ｈからなる組とに分けられている。そして、その各組内において、第１、第３、第５及び第７励磁コイル１０ａ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｇは直接接続され、第２、第４、第６及び第８励磁コイル１０ｂ，１０ｄ，１０ｆ，１０ｈは直列接続されている。そして、電流供給装置１８に対して、第１、第３、第５及び第７励磁コイル１０ａ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｇからなる組と、第２、第４、第６及び第８励磁コイル１０ｂ，１０ｄ，１０ｆ，１０ｈからなる組とは並列に接続されている。

この変形例の接続方式であっても、周方向に並ぶ第１〜第８励磁コイル１０ａ〜１０ｈに交互に逆向きの電流を流すことができる。

１ 力覚付与型操作装置
２ 操作レバー
６ 固定子
６ａ 板材
７ 回転子
１０ 励磁コイル
２４ 固定子磁極部
３２ａ 板材
３８ 回転子磁極部

Claims (6)

1. 作業機械を操作するために用いられてその操作時に操作者に力覚を付与する力覚付与型操作装置であって、
   前記作業機械を操作するための操作レバーであって中立位置から所定の回転軸を中心として回動操作可能なものと、
   固定子であって前記回転軸を中心とした円の周方向に間隔をあけて並ぶ複数の固定子磁極部を有するものと、
   前記固定子に対して前記回転軸を中心として回転可能であり、前記操作レバーの回動操作に伴って回転するように前記操作レバーに接続された回転子であって、前記周方向に間隔をあけて並ぶ複数の回転子磁極部を有するものと、
   前記複数の固定子磁極部にそれぞれ巻回されて前記周方向に並ぶように配置された複数の励磁コイルと、
   前記複数の励磁コイルに励磁電流を供給する電流供給装置と、を備え、
   前記回転子と前記固定子のうち一方の部材は、前記回転軸を中心とした中央部を有し、前記回転子磁極部と前記固定子磁極部のうち当該一方の部材に設けられた磁極部は、前記中央部から前記円の径方向において外側へ突出し、
   前記回転子と前記固定子のうち他方の部材は、前記一方の部材の周りを囲むように配置された外周部を有し、前記回転子磁極部と前記固定子磁極部のうち当該他方の部材に設けられた磁極部は、前記外周部から前記径方向において内側へ突出し、
   前記各回転子磁極部は、前記操作レバーが前記中立位置にあるときに前記径方向において前記各固定子磁極部に対して隙間をあけた状態で正対し、前記操作レバーの前記中立位置からの回動操作量が増加するにつれて対応する前記固定子磁極部に対して前記周方向に変位して当該回転子磁極部のうち前記固定子磁極部と対向する対向領域の面積が減少するように前記各固定子磁極部に対して配置され、
   前記各励磁コイルは、前記励磁電流が供給されることにより、前記周方向に隣り合う前記固定子磁極部とそれらの固定子磁極部に対して前記径方向において対向し且つ前記周方向に隣り合う前記回転子磁極部とを通る閉ループの磁気回路を形成するとともに、前記対向領域の面積が減少するように前記各回転子磁極部が前記各固定子磁極部に対して前記周方向に変位したときに当該各回転子磁極部を前記各固定子磁極部に正対する位置へ戻す向きに働いて前記操作レバーに前記力覚を生じさせる磁気吸引力を前記各回転子磁極部と対応する前記固定子磁極部との間に発生させるように前記各固定子磁極部に巻回されている、力覚付与型操作装置。
2. 前記各励磁コイルは、前記径方向に延びる前記固定子磁極部の軸心を中心としてその固定子磁極部の周りに巻回されているとともに、前記電流供給部から供給される前記励磁電流が前記周方向に隣り合う前記励磁コイルに互いに逆向きに流れるように前記固定子磁極部に巻回されている、請求項１に記載の力覚付与型操作装置。
3. 前記各回転子磁極部は、前記操作レバーが前記中立位置から最大に回動操作された状態で、対応する前記固定子磁極部に対して前記径方向において対向する対向領域を有する、請求項１又は２に記載の力覚付与型操作装置。
4. 前記固定子は、磁性体からなる複数の板材の積層体であってその複数の板材の積層方向が前記回転軸の延びる方向に一致するように配置されたものからなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚付与型操作装置。
5. 前記回転子は、磁性体からなる複数の板材の積層体であってその複数の板材の積層方向が前記回転軸の延びる方向に一致するように配置されたものからなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の力覚付与型操作装置。
6. 前記各固定子磁極部は、前記径方向において当該固定子磁極部の一端から前記励磁コイルを当該固定子磁極部に外嵌可能に構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の力覚付与型操作装置。

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