JP5952243B2 - 力覚付与型操作装置 - Google Patents

Description

本発明は、レバー等の操作部材を操作する操作者等に操作部材を通じた力覚提示を行う力覚付与型操作装置に関する。

従来から、特許文献１に記載された力覚付与型操作装置（以下、単に「操作装置」とも称する。）が知られている。

図９及び図１０に示されるように、この操作装置５００は、中心点ｃ周りに回転可能に支持された回転部５０１と、回転部５０１を回転操作する操作レバー５０３と、回転部５０１が回転可能な状態で当該回転部５０１の周囲を囲む固定部５０４と、を備える。

回転部５０１は中心点ｃから固定部５０４に向かって延びる磁極部５０２を有し、この磁極部５０２は永久磁石によって形成されている。固定部５０４は、中心点ｃに向かって延び且つ回転部５０１の回転方向に間隔を空けて並ぶ複数のステータ５０５、５０５、…と、これら複数のステータ５０５、５０５、…に導線が分布巻されることによって形成された励磁コイル５０６と、を有する。

この操作装置５００では、励磁コイル５０６に供給される励磁電流を制御することによって各ステータ５０５が固定部５０４側の磁極を構成し、これによって回転部５０１の磁極（永久磁石）５０２に磁気吸引力が働く。そして、この磁気吸引力によって回転部５０１に生じた中心点ｃ周りのトルクを、操作レバー５０３を操作するときに操作者等が知覚する力覚として利用している。

ＵＳ６，６６４，６６６Ｂ２号公報

しかしながら、上記の操作装置５００では、大きな力覚（トルク）を得るために、永久磁石５０２としてネオジム磁石等の高価な磁石が用いられるため、コストが非常に高くなる。また、上記の操作装置５００では、短時間定格等において励磁コイル５０６に過電流を流して強い磁場を形成したときに永久磁石５０２が減磁する場合がある。また、励磁コイル５０６に過電流が流れて発熱したり、操作装置５００が高温雰囲気下で使用されたりすることによって永久磁石５０２が高温に曝され、これにより、永久磁石５０２が減磁又は消磁する場合がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、永久磁石を用いることなく操作部材へ力覚を付与することが可能な力覚付与型操作装置を提供することを目的とする。

上記課題を解消すべく、本発明は、磁力によって生じるトルクを利用して力覚を生じさせる力覚付与型操作装置であって、励磁コイル、及び、前記励磁コイルが取りつけられ且つ複数の第１磁極面を有する固定部本体を備える固定部と、各第１磁極面と間隔を空けて対向可能な複数の第２磁極面を有し、且つ前記固定部の周囲に配置される回転部と、前記回転部を前記固定部に対して回転可能に支持する支持部と、前記回転部を回転操作するための操作部材と、を備える。そして、前記固定部は、前記複数の第１磁極面が当該固定部の周囲を囲む共通の第１仮想球面に沿ってそれぞれ配置され、前記励磁コイルの励磁によって各第１磁極面に磁束線が集中する形状を有し、前記支持部は、前記回転部を前記第１仮想球面に沿って複数の方向に回転可能に支持し、前記回転部は、前記励磁コイルが励磁した状態で各第２磁極面が前記第１磁極面と所定の間隔を空けてそれぞれ対向したときに、励磁電流の流れる方向と直交する前記励磁コイルの断面の周囲を囲むような磁気回路を前記固定部と共同して形成すると共に、当該回転部の回転に伴って、前記第２磁極面が、前記第１仮想球面と中心が一致し且つ前記第１仮想球面よりも径の大きな第２仮想球面に沿って動くような形状を有する。

かかる構成によれば、励磁コイルに励磁電流を供給して励磁させることで固定部と回転部とによって励磁コイルの周囲（詳しくは、励磁電流の流れる方向と直交する励磁コイルの断面の周囲）を囲むような磁気回路が形成され、この状態で回転部を操作部材によって回転操作することで第２磁極面が第２仮想球面に沿って動く。これにより、第１及び第２仮想球面の径方向視において、第１磁極面と第２磁極面との重なっている部位の面積が変化するため、永久磁石を用いなくても、操作部材によって回転部を第２仮想球面に沿った方向に回転操作したときに第１磁極面と第２磁極面との間の磁気吸引力を利用して操作部材に操作方向と逆向きのトルクを力覚として付与することができる。詳しくは、以下の通りである。

各第１磁極面とこれに対応する第２磁極面とがそれぞれ対向した状態で励磁コイルに励磁電流が供給されると、固定部と回転部とによって前記励磁コイルの断面を囲うような磁気回路が形成される（例えば、図３参照）。この磁気回路が形成された状態では、第２磁極面が第１磁極面の正面位置（例えば、図３の例では、第１及び第２仮想球面の径方向視における第１磁極面と第２磁極面との重なっている部位の面積が最も大きくなる位置）のときに第１磁極面と第２磁極面との間の磁気抵抗が最小となる一方、回転部が回転して第２磁極面が第２仮想面に沿って動くのに伴ってこれら第１磁極面と第２磁極面との間の磁気抵抗が大きくなる。このため、操作部材によって回転部を回転操作した（回転させた）ときに励磁コイルが励磁していると、対応する第１磁極面と第２磁極面との間の磁気吸引力が磁気抵抗の小さくなる方向に働くため、回転部には各第２磁極面が対応する第１磁極面の正面位置に向かう方向に磁気吸引力が作用し、回転部に回転方向と逆方向のトルクが生じて操作部材に力覚が付与される。

このように、上記構成の力覚付与型操作装置によれば、永久磁石を用いることなく磁気吸引力を生じさせて回転部にトルクを発生させ、これにより、操作部材を通じた力覚提示が可能となる。

しかも、予定された電流より大きな励磁電流が励磁コイルに供給される電流暴走時においても、回転部には、第２磁極面が前記正面位置に戻る方向のトルクしか生じないため、第２磁極面が前記正面位置に戻ったときの位置に操作部材を停止させることができる。即ち、電流暴走時においても、意図しない方向に操作部材が動くのを防ぐことができる。

前記力覚付与型操作装置では、前記各第１磁極面が前記第１仮想面の一部に相当する形状を有し、前記各第２磁極面が前記第２仮想球面の一部に相当する形状を有することが好ましい。

このように、第１磁極面が第１仮想球面の一部に相当する形状を有し、第２磁極面が、第１仮想球面と中心が一致し且つ第１仮想球面より径の大きな第２仮想球面の一部に相当する形状を有して当該第２仮想球面に沿って移動するため、第互いの干渉を避けつつ、第１及び第２仮想球面の径方向における第１磁極面と第２磁極面との間隔を小さくすることができる。これにより、励磁コイルに供給される励磁電流の大きさに対する回転部に生じるトルクの大きさをより大きくすることができる。即ち、回転部に、より効率よくトルクを生じさせることができる。

また、前記力覚付与型操作装置では、前記軸部材は、その周面に導線が巻回されて前記励磁コイルが形成される軸部と、この軸部の両側に位置して前記第１磁極面を構成する外側面を有する磁極形成部とを含むことが好ましい。

かかる構成によれば、磁気回路の一部が形成される軸部材内部での磁束密度の偏りを抑えることができる。

この場合、前記第１磁極面が前記軸部材の軸心方向の先端面によって構成されてもよく、前記第１磁極面が、前記軸部材における前記励磁コイルが取り付けられた位置よりも端部側の部位における当該軸部材の径方向に広がる大径部の先端面によって構成されてもよい。

また、前記力覚付与型操作装置では、前記固定部は、磁性材料で形成され且つ磁気的に絶縁された状態で互いに交差する複数の軸部材を有し、前記各軸部材では、両端面が前記第１磁極面をそれぞれ構成し、前記回転部は、磁性材料で形成され、且つ前記軸部材毎に当該軸部材と共同して前記磁気回路を形成する複数の磁路部材を有し、前記各磁路部材は、前記軸部材両端の各第１磁極面と対向可能な前記第２磁極面をそれぞれ有する一対の磁極部と、これら一対の磁極部同士を接続する部位と、を有し、互いに離間した状態でそれぞれ配置され、前記励磁コイルは、各軸部材に当該軸部材の周面を囲むようにそれぞれ取り付けられてもよい。

かかる構成によれば、軸部材毎に励磁コイルに供給する励磁電流の大きさを変えて磁気回路毎の磁束密度を変えることで、操作部材を操作する方向によって力覚量を異ならせることができる。

また、前記力覚付与型操作装置は、各第２磁極面が対応する第１磁極面とそれぞれ対向した状態からの前記回転部の回転角を検出可能な回転角検出部と、前記回転角検出部での検出結果に基づいて前記励磁コイルに供給する励磁電流を調整する制御部と、を備えてもよい。

かかる構成によれば、操作部材による回転部の回転操作（回転量）に応じて、回転部に生じさせるトルクの大きさを調整することにより、操作部材に付与される力覚量を回転操作した量に応じて調整することができる。

また、前記力覚付与型操作装置は、当該力覚付与型操作装置によって操作される作業機械の被操作部の負荷を検出する負荷検出部をさらに備え、前記制御部が、負荷検出部での検出結果に基づいて前記励磁コイルに供給する励磁電流を調整してもよい。

かかる構成によれば、前記負荷に応じて回転部に生じさせるトルクの大きさを調整することにより、操作部材に付与される力覚量を調整することができる。

以上より、本発明によれば、永久磁石を用いることなく操作部材へ力覚を付与することが可能な力覚付与型操作装置を提供することができる。

第１実施形態に係る力覚付与型操作装置の斜視図である。 前記力覚付与型操作装置の中立位置における部分断面図である。 前記力覚付与型走査装置のステータを説明するための縦端面図である。 前記力覚付与型操作装置における操作レバーを倒した状態の部分断面図である。 第２実施形態に係る力覚付与型操作装置の斜視図である。 前記力覚付与型操作装置のステータ部の斜視図である。 ステータと軸部材とを説明するための分解斜視図である。 前記力覚付与型操作装置において形成される磁気回路を説明するための斜視図である。 従来の力覚付与型操作装置の縦断面図である。 前記力覚付与型操作装置の固定部に分布巻された励磁コイルを説明するための部分拡大斜視図である。

以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を参照しつつ説明する。

力覚付与型操作装置（以下、単に「操作装置」とも称する。）は、ショベルやクレーンをはじめとする作業機械等の操作を行うための装置であり、操作レバー等の操作部材の操作時に、操作者等に操作部材を通じて力覚提示を行う、即ち、操作者等に力覚情報を知覚させることができる。

この操作装置は、スイッチトリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ）の駆動原理を利用して発生させたトルクを利用して力覚提示を行う。図１〜図３に示されるように、操作装置１０は、ステータ部（固定部）２０と、ロータ部（回転部）３０と、ロータ支持部（支持部）３３と、操作レバー（操作部材）１２と、回転角検出部１４と、負荷検出部１６と、制御部１８と、を備える。尚、以下の説明では、図１のように操作レバー１２が垂直上方を向いたときの各構成部材の位置を中立位置とする。

ステータ部２０は、励磁コイル２１と、ステータ本体（固定部本体）２２と、ステータ支持部２３と、を有する。

励磁コイル２１は、銅線等の導線を単純巻きして形成されたコイルであり、励磁電流が流れる（供給される）ことによってステータ本体２２を磁化する。具体的に、励磁コイル２１は、ステータ本体２２の軸部２２０の周囲に導線が単純巻きされることによって形成されている。即ち、励磁コイル２１は、そのコイル軸がステータ本体２２における軸部２２０の中心軸Ｃと一致するように、軸部２２０の周囲を囲むように当該軸部２２０に取り付けられている。尚、励磁コイル２１は、帯状の導線をフラットワイズに巻回した所謂パンケーキコイル等でもよい。

ステータ本体２２は、軸部材によって構成され、この軸部材が軸部２２０と一対の大径部２２１、２２１とによって構成される。これら軸部２２０と一対の大径部２２１、２２１とは一体に構成され、例えば、軟鉄等の透磁率の高い素材（軟磁性材料）によって形成されている。

軸部２２０は、垂直方向に延びる中心軸Ｃを有する円柱状の部位である。この軸部２２０の外径は、励磁コイル２１の内径と同じである。

大径部２２１は、中心軸Ｃ方向における軸部２２０の両端部から径方向外側に広がる部位である。本実施形態の大径部２２１は、上下方向の寸法（厚さ寸法）が一定のフランジ状の部位である。このように大径部２２１は、他の部位（本実施形態では軸部２２０）から突出するような形状を有することで、ステータ本体２２が励磁されたときに磁束線が集中して磁極を構成する。大径部２２１は、前記径方向の先端に、ステータ本体２２が励磁されたときに磁極面となる先端面を有する。本実施形態では、この先端面を第１磁極面２２２と称する。

各大径部２２１の第１磁極面２２２は、図３に示されるようなステータ本体２２の周囲を囲む共通の第１仮想球面２２５上にそれぞれ位置する。即ち、第１磁極面２２２は、軸部２２０における励磁コイル２１が取り付けられた位置よりも端部側の部位における当該軸部２２０の径方向に広がる大径部２２１の先端面によって構成されている。具体的には、各第１磁極面２２２は、中心軸Ｃ上における軸部２２０の上下方向の中央位置Ｃ_０を中心とする球面である第１仮想球面２２５の一部によって構成されている。

このように構成されるステータ本体２２では、一対の大径部２２１、２２１間において軸部２２０を囲むように励磁コイル２１が配置され、この状態で励磁コイル２１に励磁電流が供給されると、軟磁性材料によって形成されたステータ本体２２が磁化される。

ステータ支持部２３は、水平方向に広がる板状の基部２３０と、基部２３０から上方に延びてステータ（ステータ本体２２及びこれに取り付けられた励磁コイル２１）の下端（ステータ本体２２の下側の大径部２２１の下面）に接続され、ステータを基部２３０上の所定の高さ位置に支持する支持部２３１と、を有する。

ロータ部３０は、ロータ３１と、外殻部３２と、を有し、ステータの周囲に配置されて当該ステータに対して回転可能に構成される。

ロータ３１は、筒状部３１０と、一対の延出部３１１、３１１と、を有する。これら筒状部３１０と一対の延出部３１１、３１１とは一体に構成され、例えば、軟鉄等の透磁率の高い素材（軟磁性材料）によって形成されている。

筒状部３１０は、中心軸Ｃを中心にその周囲を囲う円筒形状を有する。筒状部３１０の内径は、励磁コイル２１の外径より大きい。即ち、中立位置のときに、筒状部３１０の内周面と励磁コイル２１の外周面との間に所定の間隔が形成されている（図３参照）。

延出部３１１は、中心軸Ｃ方向における筒状部３１０の両端部から径方向内側に延びる部位である。本実施形態の延出部３１１は、上下方向の寸法（厚さ寸法）が一定の板状の部位である。延出部３１１は、前記径方向の先端に、ロータ３１が励磁されたときに磁極面となる先端面を有する。本実施形態では、この先端面を第２磁極面３１２と称する。

各延出部３１１の第２磁極面３１２は、中立位置のときに、第１磁極面２２２との間にギャップが設けられた状態で第１磁極面２２２の外側に位置し且つこれと対向する面である。具体的に、第２磁極面３１２は、第１仮想球面２２５と中心Ｃ_０が一致し且つ第１仮想球面２２５よりも径の大きな第２仮想球面２２６の一部によって構成されている。以下では、図３に示されるような位置、即ち、第１仮想球面２２５及び第２仮想球面２２６の径方向視において、第１磁極面２２２と第２磁極面３１２との重なっている面積が最も大きくなる第２磁極面３１２の第１磁極面２２２に対する位置を正面位置と称する。

このように構成されるロータ３１は、励磁コイル２１が励磁されることでステータ本体２２と共に磁化され、励磁電流の流れる方向と直交する励磁コイル２１の断面（図３に示される励磁コイル２１の断面）の周囲を囲むような磁気回路３５をステータ本体２２と共同して形成する。

外殻部３２は、ロータ３１の外側を囲う部材であり、ロータ３１の下部を囲む下側部位３２０と、ロータ３１の上部を囲う上側部位３２１と、を有する。この外殻部３２は、非磁性材料によって形成されている。また、外殻部３２は、ロータ３１と連結され、ロータ３１と一体的に動く。

下側部位３２０は、支持部２３１及びその周囲を残してロータ３１の下部を囲う。この下側部位３２０の外周面３２０ａは、軸部２２０の中央位置Ｃ_０を中心とする所定の球面の一部によって構成されている。尚、この所定の球面は、内部にロータ３１が配置可能な直径の球面であり、各第１磁極面２２２が位置する第１仮想球面２２５よりも直径の大きな球面である。

上側部位３２１は、中心軸Ｃと操作レバー１２の軸心とが一致するように、操作レバー１２がその頂部（上端部）に取り付けられている。

ロータ支持部３３は、軸部２２０の上下方向の中央位置Ｃ_０を回転中心として第１仮想球面２２５に沿って複数の方向に回転可能に外殻部３２を支持する。即ち、ロータ支持部３３は、ステータに対してロータ部３０（ロータ３１及び外殻部３２）を複数の方向に回転可能に支持する。本実施形態のロータ支持部３３は、３つのボールベアー（ボールトランスファー）３３０を有する。各ボールベアー３３０は、ボールとこれを任意の方向に回転可能に支持するホルダとを有し、各ボールが平面視において正三角形の頂角に当たる位置にそれぞれ配置され、これにより、ロータ部３０がステータに対して複数の方向に回転可能となるように、下方側から外殻部３２（ロータ部３０）を支持する。

尚、ボールベアー３３０の数は、３つに限定されない。例えば、外殻部３２の外周面３２０ａが前記所定の球面の一部によって構成されている場合、ボールベアー３３０は、４つ以上でもよい。

また、ロータ支持部３３の具体的構成は限定されない。本実施形態では、例えば、ボールベアーによってロータ部を支持する構成であるが、ロータ部３０を、中央位置Ｃ_０を回転中心として第１仮想球面２２５に沿って複数の方向に回転可能に支持できる構成であれば、他の構成であってもよい。

操作レバー１２は、外殻部３２の上側部位３２１の頂部から上方に向かって延び、ロータ部３０（詳しくは、外殻部３２）と一体的に動く。このため、図４に示されるように、中央位置Ｃ_０を回転中心にして操作レバー１２を回転操作する（倒す）ことで、ロータ３１をステータ（励磁コイル２１が配置された状態のステータ本体２２）に対して回転させることができる。本実施形態では、外殻部３２が３つのボールベアー３３０によって支持されているため、平面視において、３６０°いずれの方向にも操作レバー１２を倒すことができる。

回転角検出部１４は、中立位置からのロータ部３０（ロータ３１）の傾斜方向（平面視において操作レバー１２をどの方向に倒したか）及び回転角を検出し、検出結果に応じた回転信号を制御部１８に出力する。本実施形態の回転角検出部１４は、例えば、トラックボール機構、具体的には、外殻部３２の外周面３２０ａと接し且つ外周面３２０ａの移動に伴って回転可能なボール部材を有し、外殻部３２の回転に応じて前記ボール部材が回転することで、このボール部材の回転方向と回転量を検出し、これらに基づいて中立位置からのロータ部３０の傾斜方向と回転量（回転角）とを検出する。

負荷検出部１６は、操作レバー１２を操作して作業機械で作業するときに、当該作業機械に加わる負荷等を検出し、この負荷に応じた負荷信号を制御部１８に出力する。

制御部１８は、回転角検出部１４からの回転信号が入力されると、この回転信号に基づいて作業機械に当該作業機械を動作させるための信号を出力する。また、制御部１８は、回転角検出部１４からの回転信号及び負荷検出部１６からの負荷信号が入力されると、これらの信号に基づいて、励磁コイル２１に供給する励磁電流を調整する。本実施形態の制御部１８は、例えば、回転角検出部１４によって検出された回転角が大きくなるのに応じて、励磁コイル２１に供給される励磁電流を所定の割合で大きくする。また、この制御部１８は、負荷検出部１６によって検出された負荷が大きくなるのに応じて、励磁コイル２１に供給される励磁電流を所定の割合で大きくする。

以上のような操作装置１０では、以下のようにして、操作レバー１２を操作する操作者等に対し、力覚提示が行われる。

操作者等が、作業機械を操作する（作業機械に所定の動作を行わせる）ために、例えば、図４に示されるように、操作レバー１２を倒す（回転操作する）。尚、図４における操作レバー１２を倒す方向は一例であり、本実施形態の操作装置１０では、操作レバー１２を中立位置からいずれの方向にも倒すことができる。

このとき、回転角検出部１４がロータ部３０（ロータ３１）の中立位置からの回転角を検出し、検出結果に応じた回転信号を制御部１８に出力すると、回転信号が入力された制御部１８は、検出されたロータ３１の回転角に応じた大きさの励磁電流を励磁コイル２１に供給する。これにより、ロータ部３０に中立位置方向のトルクが生じ、操作者等は、操作レバー１２を通じて前記トルクを力覚として知覚する。詳しくは、以下の通りである。

励磁コイル２１が励磁した状態でロータ３１がステータ本体２２に対して中立位置から第１仮想球面２２５（又は第２仮想球面２２６）に沿って回転すると、第１磁極面２２２の一部に対して第２磁極面３１２の所定部位（前記第１磁極面２２２の一部と正面位置において対向する部位）が第１仮想球面２２５（第２仮想球面２２６）に沿って移動するため当該部位間の磁気抵抗が増加し、この磁気抵抗の増加によってロータ３１に当該ロータ３１の回転方向と逆向きの磁気吸引力が作用する。このため、当該操作装置１０では、永久磁石を用いなくてもロータ部３０に中立位置からの回転方向と逆向きのトルクを生じさせ、これにより、当該ロータ部３０を回転操作する操作レバー１２に力覚を付与することができる。より詳しくは、以下の通りである。

励磁コイル２１に励磁電流が供給されると、励磁コイル２１の励磁によって生じた磁束線は、励磁コイル２１の断面を囲うような磁気回路（閉じた磁気回路）３５が形成される（図３参照）。この磁気回路３５が形成された状態では、第２磁極面３１２の前記所定部位が第１磁極面２２２の正面位置（本実施形態の第１磁極面２２２の一部と第２磁極面３１２の前記所定部位とにおいては、第１及び第２仮想球面２２５、２２６の径方向視において第１磁極面２２２の一部と第２磁極面３１２の前記所定部位との重なっている部位の面積が最大となる位置）のときに第２磁極面３１２と第１磁極面２２２との間の磁気抵抗が最小となり、ロータ３１が回転して第２磁極面３１２の前記所定部位が第１磁極面２２２の一部と第１及び第２仮想球面２２５、２２６の径方向における間隔を保ちながら第２仮想球面２２６に沿って移動する（前記径方向視において第１磁極面２２２の一部と第２磁極面３１２の前記所定部位との重なっている部位の面積が小さくなる）のに伴ってこれら部位間の磁気抵抗が大きくなる。前記磁気回路が形成された状態では、磁気抵抗が小さくなる方向に磁気吸引力が働くため、中立位置から回転させたロータ部３０には、中立位置に戻る方向（即ち、第２磁極面３１２の前記所定部位が正面位置に向かう方向）の磁気吸引力が作用する（即ち、トルクが生じる）。これにより、操作者等によって回転操作された操作レバー１２に回転操作方向と逆向きの力（前記トルク）が加わり、これが操作者等に力覚として知覚される。

また、本実施形態での操作装置１０では、ロータ部３０に生じるトルクの大きさは操作レバー１２を倒す（回転操作する）角度が大きい程大きくなる。また、作業機械の作業時における当該作業機械に加わる負荷が大きい程、励磁コイル２１に供給される励磁電流が大きくなる。このため、操作レバー１２を倒す程、また、作業機械に加わる負荷が大きい程、ロータ部３０に、より大きなトルクが生じる。これにより、操作レバー１２を一度に大きく倒し難くなるため、作業機械の急激な動作を防ぐことができる。また、負荷が大きい程、操作レバー１２を倒し難くなるため、負荷の大きな状態での作業機械の急激な動作を防いで、作業機械に大きな負荷が急激に加わるのを防ぎ、その結果、この急激な負荷に起因する作業機械の損傷等を防ぐことができる。

以上のように、本実施形態の操作装置１０によれば、永久磁石を用いなくても、操作レバー１２によってロータ部３０を第１仮想球面２２５に沿った方向に回転操作したときに第１磁極面２２２と第２磁極面３１２との間の磁気吸引力を利用して操作レバー１２に操作方向と逆向きのトルクを力覚として付与することができる。

しかも、この操作装置１０では、予定された電流より大きな励磁電流が励磁コイル２１に供給される電流暴走時においても、ロータ部３０には、第２磁極面３１２が前記正面位置に戻る方向のトルクしか生じないため、第２磁極面３１２が前記正面位置に戻ったときの位置に操作レバー１２を停止させることができる。即ち、電流暴走時においても、意図しない方向に操作レバー１２が動くのを防ぐことができる。

次に、本発明の第２実施形態について図５〜図８を参照しつつ説明するが、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。

操作装置１１０は、図５に示されるように、ステータ部（固定部）１２０と、ロータ部（回転部）１３０と、ロータ支持部３３と、操作レバー（操作部材）１２と、回転角検出部１４と、負荷検出部１６と、制御部１１８と、を備える。

ステータ部１２０は、図６及び図７にも示されるように、複数の励磁コイル２１、…と、ステータ本体（固定部本体）１２２と、ステータ支持部２３と、を有する。

ステータ本体１２２は、複数（本実施形態の例では２つ）の軸部材１２２０、…と、固定部材１２２２と、を有する。

各軸部材１２２０は、互いに交差する方向に延び、例えば、軟鉄等の透磁率の高い素材（軟磁性材料）によってそれぞれ形成されている。本実施形態の２つの軸部材１２２０、１２２０は、水平面において互いに直交する方向に延びる略円柱状の部材であり、軸心方向の中央部分で交差している。各軸部材１２２０の前記中央部分には、図７に示されるように、前記交差した状態で互いに接触しないような凹部１２２１がそれぞれ形成されている。これにより、軸部材１２２０、１２２０同士は、交差した状態で互いに磁気的に絶縁される。尚、本実施形態の２つの軸部材１２２０、１２２０は、凹部１２２１を設けて互いに接触しない（所定の間隔を設ける）ようにすることで、磁気的に絶縁しているが、この構成に限定されない。例えば、軸部材１２２０間に非磁性体を挟み込むことで磁気的に絶縁してもよい。

各軸部材１２２０の軸心方向の両端部には、当該軸部材１２２０が励磁されたときに磁極面となる先端面をそれぞれ有する。本実施形態では、この先端面を第１磁極面２２２と称する。

各第１磁極面２２２は、軸部材１２２０の軸心方向視において円形であり、図６に示されるようなステータ本体１２２の周囲を囲む共通の第１仮想球面２２５上にそれぞれ位置する。即ち、各第１磁極面２２２は、中央位置Ｃ_１を中心とする球面である第１仮想球面２２５の一部によって構成されている。

また、各軸部材１２２０の両端部には、当該軸部材１２２０の軸心とコイル軸とが一致するように当該軸部材１２２０の外周面に励磁コイル２１がそれぞれ取り付けられている。この状態で、各励磁コイル２１に励磁電流がそれぞれ供給されると、軟磁性材料によって形成された各軸部材１２２０が磁化される。

固定部材１２２２は、２つの軸部材１２２０、１２２０が水平面において互いに交差（本実施形態の例では直交）した状態（互いの相対位置）を固定する部材であり、非磁性材料によって形成されている。本実施形態の固定部材１２２２は、例えば、立方体形状を有し、２つの軸部材１２２０、１２２０を直交するように挿通させた状態でこれら２つの軸部材１２２０、１２２０を保持する。

ロータ部１３０は、軸部材１２２０と同数（本実施形態の例では２つ）の磁路部材１３１、…と、外殻部３２と、を有する。

複数の磁路部材１３１は、外殻部３２にそれぞれ固定され、外殻部３２と一体的に動く。具体的には、各磁路部材１３１は、図８にも示されるように、一対の磁極部１３１０、１３１０と、接続部１３１１とをそれぞれ有し、例えば、軟鉄等の透磁率の高い素材（軟磁性材料）によって形成されている。各磁極部１３１０は、中立位置のときに、第１磁極面２２２との間にギャップが設けられた状態で第１磁極面２２２に対して平行な第２磁極面３１２をそれぞれ有する。本実施形態の磁極部１３１０は、第２磁極面３１２が一方の面を構成する略円板状の部材である。接続部１３１１は、中立位置のときに、軸部材１２２０両端の各第１磁極面２２２と対向する（換言すると、軸部材１２２０を軸心方向から挟むように配置された）一対の磁極部１３１０、１３１０同士を接続する。本実施形態の各接続部１３１１は、他の接続部１３１１と接触しないように円弧形状に延びている。このため、磁路部材１３１、１３１同士は、磁気的に絶縁されている。

このように構成される磁路部材１３１は、中立位置のときに磁極部１３１０、１３１０間に位置する軸部材１２２０に取り付けられた２つの励磁コイル２１、２１が励磁することによって前記軸部材１２２０と共に磁化される。これにより、励磁電流の流れる方向と直交する励磁コイル２１、２１の断面の周囲を囲むような磁気回路（閉じた磁気回路）３５を前記軸部材１２２０と共同して形成する（図８参照）。本実施形態では、軸部材１２２０の両端部に取り付けられた２つの励磁コイル２１、２１を一緒に囲むように閉じた磁気回路３５であり、軸部材１２２０毎に前記磁気回路３５が形成される。即ち、本実施形態では、２つの磁気回路３５、３５が形成される。尚、図８では、磁気回路３５の説明の便宜上、一方の軸部材１２２０と、固定部材１２２２とを省略している。

制御部１１８は、励磁コイル２１に供給する励磁電流を軸部材１２２０毎に調整可能な点以外は、第１実施形態の制御部１８と同様に構成される。軸部材１２２０毎に励磁コイル２１に供給する励磁電流の大きさを変えることで、例えば、一方の軸部材１２２０の軸心方向に操作レバー１２を倒したときの力覚量と、他方の軸部材１２２０の軸心方向に操作レバー１２を倒したときの力覚量とを、異ならせることができる。

以上の操作装置１１０によれば、第１実施形態の操作装置１０と同様に、永久磁石を用いなくても、操作レバー１２によってロータ部１３０を第１仮想球面２２５に沿った方向に回転操作したときに各第１磁極面２２２と、これに対応する第２磁極面３１２と、の間にそれぞれ働く磁気吸引力を利用して、操作レバー１２に対して操作方向と逆向きのトルクを力覚として付与することができる。

また、操作装置１１０では、予定された電流より大きな励磁電流が励磁コイル２１に供給される電流暴走時においても、ロータ部１３０には、各第２磁極面３１２が正面位置に戻る方向のトルクしか生じないため、各第２磁極面３１２が正面位置にそれぞれ戻ったときの位置（中立位置）に操作レバー１２を停止させることができる。即ち、電流暴走時においても、意図しない方向に操作レバー１２が動くのを防ぐことができる。

しかも、本実施形態の操作装置１１０によれば、軸部材１２２０毎に閉じた磁気回路３５が形成されるため、軸部材１２２０毎に励磁コイル２１に供給する励磁電流の大きさを変えて磁気回路毎の磁束密度を変えることで、操作レバー１２を倒す方向によって力覚量を異ならせることができる。

尚、本発明の力覚付与型操作装置は、第１及び第２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得ることは勿論である。

第１及び第２実施形態では、各第１磁極面２２２が第１仮想球面２２５の一部によってそれぞれ構成され、各第２磁極面３１２が第２仮想球面２２６の一部によってそれぞれ構成されているが、この構成に限定されない。複数の第１磁極面が第１仮想球面２２５に沿って配置されると共に、複数の第２磁極面が第２仮想球面２２６に沿って配置されていてもよい。この場合、各第１磁極面とこれに対応する第２磁極面との間隔が、ステータ本体２２、１２２に対し、ロータ部３０、１３０が第１及び第２仮想球面２２５、２２６に沿って複数の方向に回転できるような大きさに設定される。

第１実施形態の操作装置１０では、ステータ本体２２に取り付けられる励磁コイル２１は１つであるが、複数であってもよい。

第２実施形態の各軸部材１２２０には、励磁コイル２１がそれぞれ２つずつ取り付けられているが、１つずつでもよく、３つ以上ずつでもよい。また、軸部材１２２０毎に取り付けられる励磁コイル２１の数が異なっていてもよい。

また、第２実施形態の操作装置１１０では、軸部材１２２０が２つであるが、３つ以上であってもよい。この場合、軸部材１２２０と同じ数の磁路部材１３１が配置される。

また、第２実施形態の操作装置１１０では、各軸部材１２２０に取り付けられる励磁コイル２１は、それぞれ同じ巻き数のコイルであるが、異なっていてもよい。この場合、各励磁コイルに供給する励磁電流の大きさを同じにしても、操作レバー１２を倒す方向によって力覚量を変えることができる。

１０、１１０ 力覚付与型操作装置
１２ 操作レバー（操作部材）
１４ 回転角検出部
１６ 負荷検出部
１８ 制御部
２０、１２０ ステータ部（固定部）
２１ 励磁コイル
２２、１２２ ステータ本体（固定部本体）
２２２ 第１磁極面
２２５ 第１仮想球面
２２６ 第２仮想球面
３０、１３０ ロータ部（回転部）
３１２ 第２磁極面
３３ ロータ支持部（支持部）
３５ 磁気回路
１３１ 磁路部材
１３１０ 磁極部
１３１１ 接続部（一対の磁極部を接続する部位）
１２２０ 軸部材
Ｃ 中心軸

Claims (8)

1. 磁力によって生じるトルクを利用して力覚を生じさせる力覚付与型操作装置であって、
   励磁コイル、及び、前記励磁コイルが取り付けられ且つ複数の第１磁極面を有する固定部本体を備える固定部と、
   各第１磁極面と間隔を空けて対向可能な複数の第２磁極面を有し、且つ前記固定部の周囲に配置される回転部と、
   前記回転部を前記固定部に対して回転可能に支持する支持部と、
   前記回転部を回転操作するための操作部材と、を備え、
   前記固定部は、前記複数の第１磁極面が当該固定部の周囲を囲む共通の第１仮想球面に沿ってそれぞれ配置され、前記励磁コイルの励磁によって各第１磁極面に磁束線が集中する形状を有し、
   前記支持部は、前記回転部を前記第１仮想球面に沿って複数の方向に回転可能に支持し、
   前記回転部は、前記励磁コイルが励磁した状態で各第２磁極面が前記第１磁極面と所定の間隔を空けてそれぞれ対向したときに、励磁電流の流れる方向と直交する前記励磁コイルの断面の周囲を囲むような磁気回路を前記固定部と共同して形成すると共に、当該回転部の回転に伴って、前記第２磁極面が、前記第１仮想球面と中心が一致し且つ前記第１仮想球面よりも径の大きな第２仮想球面に沿って動くような形状を有する、力覚付与型操作装置。
2. 請求項１に記載の力覚付与型操作装置において、
   前記各第１磁極面は、前記第１仮想面の一部に相当する形状を有し、
   前記各第２磁極面は、前記第２仮想球面の一部に相当する形状を有する、力覚付与型操作装置。
3. 請求項１又は２に記載の力覚付与型操作装置において、
   前記固定部は、軸部材を有し、
   前記軸部材は、その周面に導線が巻回されて前記励磁コイルが形成される軸部と、この軸部の両側に位置して前記第１磁極面を構成する外側面を有する磁極形成部とを含む、力覚付与型操作装置。
4. 請求項３に記載の力覚付与型操作装置において、
   前記第１磁極面は、前記軸部材の軸心方向の先端面によって構成される、力覚付与型操作装置。
5. 請求項３又は４に記載の力覚付与型操作装置において、
   前記第１磁極面は、前記軸部材における前記励磁コイルが取り付けられた位置よりも端部側の部位における当該軸部材の径方向に広がる大径部の先端面によって構成される、力覚付与型操作装置。
6. 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において、
   前記固定部は、磁性材料で形成され且つ磁気的に絶縁された状態で互いに交差する複数の軸部材を有し、
   前記各軸部材では、両端面が前記第１磁極面をそれぞれ構成し、
   前記回転部は、磁性材料で形成され、且つ前記軸部材毎に当該軸部材と共同して前記磁気回路を形成する複数の磁路部材を有し、
   前記各磁路部材は、前記軸部材両端の各第１磁極面と対向可能な前記第２磁極面をそれぞれ有する一対の磁極部と、これら一対の磁極部同士を接続する部位と、を有し、互いに離間した状態でそれぞれ配置され、
   前記励磁コイルは、各軸部材に当該軸部材の周面を囲むようにそれぞれ取り付けられる、力覚付与型操作装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の力覚付与型操作装置において、
   各第２磁極面が対応する第１磁極面とそれぞれ対向した状態からの前記回転部の回転角を検出可能な回転角検出部と、
   前記回転角検出部での検出結果に基づいて前記励磁コイルに供給する励磁電流を調整する制御部と、を備える、力覚付与型操作装置。
8. 請求項７に記載の力覚付与型操作装置において、
   当該力覚付与型操作装置によって操作される作業機械の被操作部の負荷を検出する負荷検出部をさらに備え、
   前記制御部は、負荷検出部での検出結果に基づいて前記励磁コイルに供給する励磁電流を調整する、力覚付与型操作装置。
   

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