(57)【要約】【課題】トルクの大きさに対応した細かなトルク制御が可能なトルク発生装置を提供する。【解決手段】印加された磁界に応じて粘度が変化する磁気粘性流体と、通電により、磁気粘性流体に作用する磁界を発生するコイル部と、磁気粘性流体の粘度によってトルクが変化する操作部と、コイル部への通電を制御する制御部と、コイル部による磁界が発生できる上限値を切り替えられる切り替え手段とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された磁界に応じて粘度が変化する磁気粘性流体と、
通電により、前記磁気粘性流体に印加する磁界を発生するコイル部と、
前記磁気粘性流体の粘度によってトルクが変化する操作部と、
前記コイル部への通電を制御する制御部と、
前記コイル部による磁界が発生できる上限値を切り替えられる切り替え手段とを備えることを特徴とするトルク発生装置。
【請求項２】
前記切り替え手段は、前記コイル部へ通電する電流範囲を切り替えることによって、前記コイル部による磁界が発生できる上限値を切り替える切り替え回路を備え、
前記切り替え回路は、前記制御部からの切り替え信号によって制御される請求項１に記載のトルク発生装置。
【請求項３】
前記切り替え手段は、前記コイル部に直列に接続された電流制限素子を備え、
前記切り替え回路は、前記制御部からの切り替え信号によって、前記電流制限素子を通る経路、又は、前記電流制限素子を通らない回路のいずれか一方を選択するように制御される請求項２に記載のトルク発生装置。
【請求項４】
前記コイル部は複数のコイルからなり、
前記切り替え手段は、前記制御部からの切り替え信号によって、前記複数のコイルのうちの一部に通電する経路、又は、前記複数のコイルのうちの他部若しくは前記複数のコイルのすべてに通電する経路のいずれか一方を選択するように制御される請求項１に記載のトルク発生装置。
【請求項５】
前記切り替え手段は、前記コイル部に接続された駆動回路と、複数の異なる電源電圧回路とを備え、前記制御部からの切り替え信号によって、前記駆動回路に電源を供給する電源供給部として、前記複数の電源電圧回路から１つの電源電圧回路を選択するように制御される請求項１に記載のトルク発生装置。
【請求項６】
前記コイル部を固定配置するハウジングと、
前記ハウジングに回転操作可能に軸支された、前記操作部としての軸部と、
前記軸部に固定されて一体に回転可能に設けられた可動部材と、
前記軸部の回転を検出する回転角度検出手段とを備え、
前記制御部は、
前記軸部の回転角度に応じて、前記軸部に与えるトルクを変化させる設定データを記憶する記憶部と、
前記回転角度検出手段による検出結果、及び、前記設定データに基づいて、前記軸部に与えるトルクを算出するトルク算出部と、を有し、
前記トルク算出部で算出された前記軸部に与えるトルクの大きさに応じて、前記切り替え手段を制御するとともに前記コイル部に通電する電流値を制御する請求項１から請求項５のいずれかに記載のトルク発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気粘性流体を用いてトルクを変化させることができるトルク発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載のブレーキは、ロータと、ロータが接続され回転可能なシャフトと、シャフトを支持し、磁界発生器が配置されたハウジングと、磁界制御可能材料（磁気粘性流体）と、電子装置とを備えている。このブレーキにおいては、ロータの周りの磁気粘性流体に磁界発生器の磁界が作用して、シャフトの回転を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４２５２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のブレーキのように、磁気粘性流体に磁界を作用させることによって、シャフトなどの操作部におけるトルクを変化させるトルク発生装置では、物理的に壁で停まるのと同様の操作感触を付与するエンドストップ制御と、ほとんど抵抗の無い操作感触に対応した適度な摩擦力を付与する微小トルク制御との双方、さらには、これらの間の範囲でのトルク制御が求められつつある。しかしながら、特許文献１には、磁気粘性流体に生じるトルクを制御するために磁界発生器に印加する電流の制御について詳細な記述がなく、操作感触の大小に関わらずに共通の制御を行っていると考えられる。このような共通制御においては、例えば、エンドストップ制御に適した制御を微小トルク制御にも適用するとトルクの変化量が大きすぎるため、微小トルク制御を実質的に行うことができない。
【０００５】
そこで本発明は、トルクの大きさに対応した細かなトルク制御が可能なトルク発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のトルク発生装置は、印加された磁界に応じて粘度が変化する磁気粘性流体と、通電により、磁気粘性流体に印加する磁界を発生するコイル部と、磁気粘性流体の粘度によってトルクが変化する操作部と、コイル部への通電を制御する制御部と、コイル部による磁界が発生できる上限値を切り替えられる切り替え手段とを備えることを特徴としている。
この構成においては、切り替え手段によって、コイル部による磁界が発生できる上限値を切り替えることができるため、トルクの大きさに対応してトルク制御の範囲を変更できることから、細かなトルク制御が可能なトルク発生装置を提供することが可能となる。
【０００７】
本発明のトルク発生装置において、切り替え手段は、コイル部へ通電する電流範囲を切り替えることによって、コイル部による磁界が発生できる上限値を切り替える切り替え回路を備え、切り替え回路は、制御部からの切り替え信号によって制御されることが好ましい。
これにより、コイル部による磁界が発生できる上限値を、簡単な構成で切り替えることが可能となる。
【０００８】
本発明のトルク発生装置において、切り替え手段は、コイル部に直列に接続された電流制限素子を備え、切り替え回路は、制御部からの切り替え信号によって、電流制限素子を通る経路、又は、電流制限素子を通らない回路のいずれか一方を選択するように制御されることが好ましい。
この構成においては、電流制限素子を介してコイル部に通電することで、コイル部への印加電流の範囲の上限値が小さい範囲においても、印加電流を精密に制御することができる。
【０００９】
本発明のトルク発生装置において、上記コイル部を複数のコイルで構成し、切り替え手段は、制御部からの切り替え信号によって、複数のコイルのうちの一部に通電する経路、又は、複数のコイルのうちの他部若しくは複数のコイルのすべてに通電する経路のいずれか一方を選択するように制御されるように構成することもできる。
これにより、コイル部に通電する電流値が同じであっても、複数のコイルのうちの一部に通電する場合は、発生する磁束密度が小さくなるため、微小トルク制御をより精密に行うことができる。また、電流が印加されるコイルの抵抗が他のコイルと異なるようにして、コイル部に通電する電流値の上限を異ならせることができる。
【００１０】
本発明のトルク発生装置において、切り替え手段は、コイル部に接続された駆動回路と、複数の異なる電源電圧回路とを備え、制御部からの切り替え信号によって、駆動回路に電源を供給する電源供給部として、複数の電源電圧回路から１つの電源電圧回路を選択するように制御されることが好ましい。
これにより、コイル部が発生する磁界の上限値を、簡単な構成で切り替えることが可能となる。
【００１１】
本発明のトルク発生装置において、コイル部を固定配置するハウジングと、ハウジングに回転操作可能に軸支された、操作部としての軸部と、軸部に固定されて一体に回転可能に設けられた可動部材と、軸部の回転を検出する回転角度検出手段とを備え、制御部は、軸部の回転角度に応じて、軸部に与えるトルクを変化させる設定データを記憶する記憶部と、回転角度検出手段による検出結果、及び、設定データに基づいて、軸部に与えるトルクを算出するトルク算出部と、を有し、算出された軸部に与えるトルクの大きさに応じて、切り替え手段を制御するとともにコイル部に通電する電流値を制御することが好ましい。
これにより、操作部としての軸部や可動部材を備えた構成においても、切り替え手段によって、コイル部が発生する磁界の上限値を切り替えることができるため、トルクの大きさに対応してトルク制御の範囲を変更できることから、細かなトルク制御が可能となり操作部の操作感触が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、トルクの大きさに対応した細かなトルク制御が可能なトルク発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るトルク発生装置の第１の構造例を示す縦断面図である。
【図２】図１に示すトルク発生装置の分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態における制御回路及び回転角度検出手段を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係るトルク発生装置の第２の構造例の分解斜視図である。
【図５】第１実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。
【図６】第２実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。
【図７】第３実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。
【図８】第４実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。
【図９】第５実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係るトルク発生装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
＜トルク発生装置の構造＞
まず、トルク発生装置の構造について、図面を参照しつつ説明する。以下の説明においては、操作部１００における軸部１１１を、その中心軸１１の周りに回転させるときに、軸部１１１の先端部１１３に固定した磁性ディスク１２０を介して、磁気粘性流体１６０による抵抗力を受けるような構造の例を挙げるが、本発明のトルク発生装置の構造はこれに限定されない。
【００１５】
＜第１の構造例＞
図１は、本発明の実施形態に係るトルク発生装置の第１の構造例を示す縦断面図である。図２は、図１に示すトルク発生装置の分解斜視図である。図１は、中心軸１１を通る平面で切断した断面を示す。
【００１６】
トルク発生装置１０は、保持部２０（ハウジング）と操作部１００（可動部材）とを備える。操作部１００は、シャフト部１１０と磁性ディスク１２０とを含み、一体となって中心軸１１（回転軸）を中心として回転するように連結される。操作部１００は、支持部材１４０、ラジアル軸受１５１、及び、プッシャ１５２を介して、回転操作可能な状態で保持部２０に軸支されている。さらに、トルク発生装置１０内に設けた隙間８０には、磁気粘性流体１６０が満たされている。
【００１７】
保持部２０は、第１ヨークとしての３つのヨーク３１、３２、３３と、第２ヨーク４０と、コイル部（磁界発生部）としてのコイル５０と、封止部材６０と、第１の環状部材６５と、第２の環状部材７０と、上部ケースとしての第３ヨーク９０を含む。図１に示すように、中心軸１１に沿った第１の方向Ｄ１において、磁性ディスク１２０を挟む一方に第１ヨークとしての３つのヨーク３１、３２、３３がそれぞれ位置し、磁性ディスク１２０を挟む他方に第２ヨーク４０が位置するように組み合わされている。第１ヨークとしての３つのヨーク３１、３２、３３と、第２ヨーク４０と、第３ヨーク９０とは、それぞれ別々に加工されて形成されている。ただし、これらのヨークのいずれかが組み合わされて一体に形成されていてもよい。
【００１８】
磁界発生部としてのコイル５０は、図２に示すように、円環状をなしている。コイル５０は、中心軸１１の周りを回るように巻き付けられた導線を含むコイルである。コイル５０は、３つのヨーク３１、３２、３３によって保持部２０（ハウジング）に固定配置されている。コイル５０には、図示しない接続部材を介して、制御回路２００（制御部）（図３）からの制御信号に基づいて生成された波形で電流が供給される。コイル５０に電流が供給されると磁界が発生する。
【００１９】
図３は、本発明の実施形態における制御回路２００及び回転角度検出手段２１０を示す機能ブロック図である。コイル５０への通電は制御回路２００によって制御される。制御回路２００は、少なくとも、記憶部２０１とトルク算出部２０２とを備える。記憶部２０１は、軸部１１１の回転角度に応じて、軸部１１１に与えるトルクを変化させる設定データを記憶している。トルク算出部２０２は、回転角度検出手段２１０による検出結果、及び、記憶部２０１に記憶された設定データに基づいて、軸部１１１に与えるトルクを算出する。制御回路２００は、トルク算出部２０２で算出されたトルクの大きさに応じて、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を駆動回路へ出力し、また、切り替え信号としてのエンドストップ信号を切り替え手段（図５〜図９参照）へ出力する。これにより、制御回路２００は、切り替え手段を制御するとともにコイル５０に通電する電流値を制御する。なお、ＤＩＲ信号は、コイル５０に通電する電流の向きを変える制御信号である。
【００２０】
回転角度検出手段２１０は磁性ディスク１２０が中心軸１１を中心として回転するときの回転角度を検出するものであって、例えば、磁性ディスク１２０に向けて検査光を出射する光源と、磁性ディスク１２０からの反射光を受光する受光素子とによって構成する。
【００２１】
図１に示すように、第１ヨークは、コイル５０の内側（中心軸１１に近い側）及び上側に配置された上側ヨーク３１と、コイル５０の外側（中心軸１１から遠い側）に配置された外側ヨーク３２と、コイル５０の下側に配置された下側ヨーク３３とを備える。これらの３つのヨーク３１、３２、３３は、中心軸１１を中心として同心状に配置され、コイル５０を囲むように互いに結合されて配置される。
【００２２】
上側ヨーク３１の上側には第３ヨーク９０が固定され、そして、第１ヨークとしての３つのヨーク３１、３２、３３、及び、第３ヨーク９０によってコイル５０を囲む磁路が形成される。
【００２３】
コイル５０の下側において、径方向（第２の方向Ｄ２）で互いに対向する２つのヨーク３２、３３の間には環状の空間が形成されており、この空間に封止部材６０が配置されることによって磁気ギャップが形成される。封止部材６０は、円環状をなしており、合成樹脂などの非磁性材料で構成される。封止部材６０は、例えば、流動状態の材料を空間内に充填し、これを固化させることにより配置される。または、あらかじめ円環状に形成され、弾性を有する材料を空間内に圧入することによって封止部材６０を配置してもよい。さらにまたは、非弾性材料を円環状に加工して接着材で固定することによって封止部材６０を構成してもよい。
【００２４】
図２に示すように、第２ヨーク４０は、円板状をなしており、第１ヨークのうちの下側の２つのヨーク３２、３３の下方に配設される。第２ヨーク４０は、中心軸１１に沿った上下方向に直交する上面４１を有する。第２ヨーク４０には、中心軸１１を囲む位置で上下に貫通する環状の孔部４２が設けられている。図１に示すように、孔部４２内には上下方向に延びる支持部材（ピボット支持部材）１４０が挿入されており、この支持部材１４０は第２ヨーク４０の下面４３に固定された保持具１４１によって第２ヨーク４０に固定されている。シャフト部１１０の先端部１１３は、支持部材１４０によって回転自在に支持される。
【００２５】
第１ヨークのうちの下側の２つのヨーク３２、３３の底面と、封止部材６０の底面とは、中心軸１１に直交する方向において、連続する面を形成しており、この面と第２ヨーク４０の上面４１との間に隙間８０が形成されている。この隙間８０の中には、中心軸１１に直交する径方向に沿って延びるように磁性ディスク１２０が配置されるとともに、磁気粘性流体１６０が満たされている。磁性ディスク１２０は、中心軸１１に沿った第１の方向Ｄ１において、コイル５０と互いに重複するように位置する。
【００２６】
ここで、磁気粘性流体１６０は、磁界が印加されると粘度が変化する物質であり、例えば、非磁性の液体（溶媒）中に磁性材料からなる粒子（磁性粒子）が分散された流体である。磁気粘性流体１６０に含まれる磁性粒子としては、例えば、カーボンを含有した鉄系の粒子やフェライト粒子が好ましい。カーボンを含有した鉄系の粒子としては、例えば、カーボン含有量が０．１５％以上であることが好ましい。磁性粒子の直径は、例えば０．５μｍ以上が好ましく、さらには１μｍ以上が好ましい。磁気粘性流体１６０は、磁性粒子が重力で沈殿しにくくなるように、溶媒と磁性粒子を選定することが望ましい。さらに、磁気粘性流体１６０は、磁性粒子の沈殿を防ぐカップリング材を含むことが望ましい。
【００２７】
径方向において、磁性ディスク１２０の外側には第１の環状部材６５が配置され、さらに、第１の環状部材６５の外側には第２の環状部材７０が配置されている。これらの環状部材６５、７０は、それぞれ、中心軸１１を軸とする円環状をなしており、同心円状に配置され、合成樹脂などの非磁性材料で構成されている。第２の環状部材７０の内周面は、第２ヨーク４０に沿った形状とされており、第２ヨーク４０の外周面及び外側ヨーク３２の底面にそれぞれ固定されている。これにより、外側ヨーク３２と第２ヨーク４０は、第１の方向Ｄ１に沿って延びる第２の環状部材７０によって、第１の方向Ｄ１において互いに接続される。このようにして、第２の環状部材７０によって、第１ヨークとしての３つのヨーク３１、３２、３３と、第２ヨーク４０とが互いに接続され、保持部２０が一体に固定されている。
なお、第２の環状部材７０は、全体が非磁性体材料で形成されていなくてもよく、外側ヨーク３２と第２ヨーク４０とを磁気的に短絡させない非磁性体部を有する複合材料であってもよい。
【００２８】
また、第１の環状部材６５は第２の環状部材７０の内周面に固定されており、これにより、径方向において隙間８０が第１の環状部材６５によって閉じられる。第１の環状部材６５は、磁性ディスク１２０の外周面との間に間隙を有して囲むように全周に亘って配置されている。
【００２９】
上述のように、第１ヨークの３つのヨーク３１、３２、３３と、第３ヨーク９０とが接続され、さらに、磁性ディスク１２０を挟んで第２ヨーク４０が接続されることによって、コイル５０が発生する磁界を閉ループにする磁路（磁気回路）が形成される。この構成において、コイル５０に電流を印加すると、磁束がコイル５０の周りを通るような磁界が形成され、コイル５０に対して逆向きに電流を印加すると、逆向きの流れの磁界が形成される。例えば、中心軸１１の方向に沿って上側ヨーク３１と下側ヨーク３３から第２ヨーク４０側へ向かう磁束が、隙間８０内の磁性ディスク１２０を通り、この磁束は主に第２ヨーク４０では主に中心軸１１から遠ざかる方向へ進む。さらに、第２ヨーク４０の径方向外側においては、中心軸１１の方向に沿って下から上へ、すなわち第２ヨーク４０から外側ヨーク３２側へ主に進む。この磁束は、コイル５０よりも上側においては、主に、外側ヨーク３２側から上側ヨーク３１を通って、中心軸１１へ近づく方向ヘ進み、コイル５０の内側に対応する領域で、上から下へ、第１ヨークの上側ヨーク３１と下側ヨーク３３内を進み、再び磁性ディスク１２０を通って第２ヨーク４０に至る。
【００３０】
このような磁路において、外側ヨーク３２と下側ヨーク３３との間には、磁気ギャップが設けられ、封止部材６０が配置されている。この磁気ギャップの近傍では、コイル５０が発生する磁界の磁束が、下側ヨーク３３から外側ヨーク３２に向かって中心軸１１に直交する径方向に沿って進行することが規制される。これによって、上側ヨーク３１の下側又は下側ヨーク３３を通る磁束は、確実に下向きに第２ヨーク４０側へ進行し、また、外側ヨーク３２内を通る磁束は、確実に上向きに、第２ヨーク４０側から上側ヨーク３１を通って第３ヨーク９０側へ進行する。
【００３１】
次に、操作部１００の構造について説明する。
図１に示すように、操作軸としてのシャフト部１１０は、中心軸１１に平行な第１の方向Ｄ１に沿って延びる棒状材であり、第１の方向Ｄ１において上側（図１の上側）の軸部１１１と、軸部１１１の下部に設けられたフランジ部１１２とを有する。フランジ部１１２は、軸部１１１の外周面より外側に拡がる鍔状の形状を備える。フランジ部１１２の下面中央に設けた先端部１１３は下に行くほど先細となる形状を有する。
【００３２】
図２に示すように、磁性ディスク１２０は、第１の方向Ｄ１に直交するように配置される円形平面を有する円板状をなし、磁性材料で構成される。磁性ディスク１２０はシャフト部１１０に対して固定される。
【００３３】
図１に示すように、シャフト部１１０は、軸部１１１がラジアル軸受１５１によって回転自在に支持され、フランジ部１１２の下端の先端部１１３が磁性ディスク１２０の中央孔部１２１（図２参照）を通じて支持部材（ピボット支持部材）１４０でピボット支持される。ラジアル軸受１５１は、プッシャ１５２によって上方向に付勢されるように支持され、プッシャ１５２は、軸部１１１の外周面と上側ヨーク３１の内周面との間において上下位置が維持されるように配置されたオーリング１５３によって支持されている。これによってラジアル軸受１５１は、上側ヨーク３１に対して、密着性を維持しつつ、第１の方向Ｄ１の所定位置で支持される。軸部１１１の上部は第３ヨーク９０の上方に露出されており、入力操作に必要な部材が結合される。
【００３４】
コイル５０に対して制御回路２００から電流が印加されると、上述したような磁界が発生し、磁性ディスク１２０においては上下方向に沿った方向の磁束が通って、磁性ディスク１２０の内部では、径方向に沿った磁束は生じないか生じてもその磁束密度はわずかである。第２ヨーク４０においては径方向に沿った磁力線が生じ、コイル５０の外側においては、上下方向に沿った方向の磁力線が生じる。上側ヨーク３１の上部や第３ヨーク９０においては、第２ヨーク４０における磁力線とは逆方向であって径方向に沿った方向の磁力線が生じる。
【００３５】
磁気粘性流体１６０においては、印加磁界が生じていないときには、磁性粒子は溶媒内で分散している。したがって、シャフト部１１０に連結された操作部材（図示しない）を操作すると、操作部１００は、大きな抵抗力を受けずに、保持部２０に対して相対的に回転する。
【００３６】
磁界を発生させると、磁気粘性流体１６０には上下方向に沿った磁界が与えられる。この磁界により、磁気粘性流体１６０中で分散していた磁性粒子は磁力線に沿って集まり、上下方向に沿って並んだ磁性粒子が磁気的に互いに連結される。この状態において、中心軸１１を中心とする方向にシャフト部１１０に連結された操作部材（図示しない）を回転させようとする力を与えると、連結された磁性粒子による抵抗力（トルク）がはたらくため、磁界を発生させていない状態と比べて操作者に抵抗力を感じさせることができる。
【００３７】
＜第２の構造例＞
図４は、本発明の実施形態に係るトルク発生装置の第２の構造例を示す分解斜視図である。図１と図２に示す第１の構造例では、コイル部としての１つのコイル５０によって、磁気粘性流体１６０に対して磁界を与えていたが、コイル部を構成するコイルの数や形状はこれに限定されない。例えば、図４に示すように、コイル部として、２つのコイル５１、５２を中心軸１１に沿って積層して設けても良い。これにより、コイルごとに異なる制御を行うことができ、コイルが１つの場合では難しかった制御に基づいて磁気粘性流体１６０に与える磁界を制御することができる。
【００３８】
＜トルク制御＞
図５〜図９を参照して、各実施形態に係るトルク発生装置におけるトルク制御について説明する。各実施形態においては、切り替え手段によって、コイル部による磁界が発生できる上限値を切り替えることができる。図５〜図９に示す、電気抵抗等の各素子の物性値や設定は例示であり、本発明はこれに限定されない。
【００３９】
＜第１実施形態＞
図５は第１実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。第１実施形態のトルク発生装置は、例えば図１と図２に示す第１の構造を有するとともに、図５に示す回路等を備える。
【００４０】
図５に示すように、コイル５０（抵抗値：１０オーム、Ｎターン）には、駆動回路Ｄ１０（例えば、マキシム・インテグレーテッド社のフルブリッジＤＣモータードライバー、ＭＡＸ１４８７０）の２つの出力Ｍ１、Ｍ２がそれぞれ接続されている。これらのうちの一方の出力Ｍ１は、電流制限素子としての電気抵抗Ｒ１１（抵抗値：５０オーム）を介してコイル５０に接続されている。この電気抵抗Ｒ１１の両端は、切り替え手段（切り替え回路）としてのリレー回路Ｓ１（例えば、オムロン社のＭＯＳ  ＦＥＴリレー、Ｇ３ＶＭ−４１ＧＲ８）の２つの出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２にそれぞれ接続されている。リレー回路Ｓ１は、例えば半導体リレー（ソリッドステートリレー）を用いると切り替えが高速に行えるため、操作者に切り替えを意識させることなく、コイル５０による磁界が発生できる上限値の切り替えをスムーズに行うことができる。
【００４１】
リレー回路Ｓ１の入力端子（ＡＮＯＤＥ端子）には、回転角度検出手段２１０（図３）による検出結果により、制御回路２００がエンドストップ状態であることを検出したときに出力されるエンドストップ信号（図３参照）として、出力信号Ａ１（切り替え信号）が入力されており、ＣＡＴＨＯＤＥ端子は電気抵抗Ｒ１２（抵抗値３３０オーム）を介して接地されている。制御回路２００（図３）から上記出力信号Ａ１がＡＮＯＤＥ端子に入力されると、リレー回路Ｓ１はオフ状態からオン状態へ切り替わる。これにより、電流制限素子を通る経路から電流制限素子を通らないバイパス回路に切り替わる。出力信号Ａ１は、操作部１００の操作者に対して仮想的な壁に当たって停まったような操作感触を与えるために、検出した回転角度が、予め設定した所定角度に至ったことを検出したときに出力される。
【００４２】
駆動回路Ｄ１０には、制御回路２００からの信号として、パルス幅変調信号（以下ＰＷＭ信号）Ｃ１１がＰＷＭ端子に入力され、ＤＩＲ信号Ｃ１２がＤＩＲ端子に入力される。また、駆動回路Ｄ１０には電源Ｖ１（電圧１２Ｖ）が与えられている。ＰＷＭ信号Ｃ１１は、回転角度検出手段２１０による検出結果と、制御回路２００の記憶部２０１に記憶された設定データとに基づいて算出されたトルクに対応するデューティー比を有する信号である。ＰＷＭ信号Ｃ１１においてパルス波のデューティー比が変化すると、駆動回路Ｄ１０からの出力電流、すなわちコイル５０への印加電流が増減する。このように制御回路２００がＰＷＭ信号Ｃ１１を制御することによって、コイル５０への印加電流が制御され、そして、コイル５０が発生する磁界が変化する。これにより、磁気粘性流体１６０中の磁性粒子の分散状態が変化するため、操作者がシャフト部１１０を回転させるときにはたらく抵抗力（トルク）を制御することができる。なお、制御回路２００から出力され、駆動回路Ｄ１０に入力されるＤＩＲ信号Ｃ１２は、本実施形態においてはコイル５０へ印加される電流の向きを変える制御信号である。本明細書では発生する磁界の向きを変更しないものとして、ＤＩＲ信号について以下の説明では省略する。
【００４３】
さらに、駆動回路Ｄ１０からの出力は、リレー回路Ｓ１がオフ状態のときには、電流制限素子としての電気抵抗Ｒ１１を経由してコイル５０へ向かうのに対して、リレー回路Ｓ１に対してエンドストップ信号（出力信号Ａ１）が入ってオン状態になったときには、電気抵抗Ｒ１１を経ずにコイル５０へ向かうように切り替わる。よって、リレー回路Ｓ１がオン状態かオフ状態かによって、駆動回路Ｄ１０からコイル５０への配線における電気抵抗値が異なり、流れる電流値が異なる。このため、操作部１００がエンドストップ状態か否かによって、コイル５０による磁界が発生できる上限値を切り替えることが可能となる。なお、第１実施形態においては、電流制限素子として電気抵抗Ｒ１１を用いたが、駆動回路Ｄ１０からコイル５０へ流れる電流値を切り替えることができれば、電気抵抗以外の素子を用いても良い。
【００４４】
より具体的には、まず、エンドストップ信号が入ったオン状態においては、コイル５０に対して大きな電流を与えることによって、シャフト部１１０の回転に対して大きな抵抗力を与えることができる。これによって、シャフト部１１０の回転角度が所定角度に至ったときに、操作部１００の操作者に対して仮想的な壁に当たって停まったような操作感触を与えることができる。
【００４５】
これに対して、エンドストップ状態ではないオフ状態では、コイル５０に対して、オン状態のときよりも小さな電流範囲で印加電流が増減する。これによって、コイル５０による磁界が発生できる上限値が小さい範囲で、ＰＷＭ信号の変化に応じて磁気粘性流体１６０において磁性粒子の分散状態を変化させることが可能となるため、シャフト部１１０の回転に対する抵抗力を細かく制御できるようになる。
【００４６】
＜第２実施形態＞
図６は第２実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。第２実施形態のトルク発生装置は、例えば図４に示す第２の構造を有するとともに、図６に示す回路等を備える。
【００４７】
図６に示すように、コイル５１（抵抗値：６０オーム、Ｎーン）とコイル５２（抵抗値１２オーム、Ｎターン）は互いに並列な関係で、駆動回路Ｄ２０の出力Ｍ１に接続されている。駆動回路Ｄ２０のもう１つの出力Ｍ２は、コイル５１に接続されるとともに、リレー回路Ｓ２の出力端子ＯＵＴ２に接続されている。リレー回路Ｓ２のもう１つの出力端子ＯＵＴ１には、コイル５２が接続されている。
【００４８】
リレー回路Ｓ２の入力端子（ＡＮＯＤＥ端子）には、図５に示す第１実施形態と同様に、エンドストップ信号（図３参照）として、出力信号Ａ２（切り替え信号）が入力されており、ＣＡＴＨＯＤＥ端子は電気抵抗Ｒ２（抵抗値３３０オーム）を介して接地されている。制御回路２００（図３）から上記出力信号Ａ２がＡＮＯＤＥ端子に入力されると、リレー回路Ｓ２はオフ状態からオン状態へ切り替わる。
【００４９】
駆動回路Ｄ２０には、図５に示す第１実施形態と同様に、制御回路２００からの信号として、パルス幅変調信号（以下ＰＷＭ信号）Ｃ２１がＰＷＭ端子に入力される。また、駆動回路Ｄ２０には電源Ｖ２（電圧１２Ｖ）が与えられている。ＰＷＭ信号Ｃ２１は、第１実施形態のＰＷＭ信号Ｃ１１と同様のデューティー比を有する信号である。ＰＷＭ信号Ｃ２１においてパルス波のデューティー比が変化すると、駆動回路Ｄ２０からの出力電流、すなわちコイル５１、５２側へ流れる電流が増減する。このように制御回路２００がＰＷＭ信号Ｃ２１を制御することによって、コイル５１、５２側へ流す電流が制御され、そして、コイル５１、５２のそれぞれで発生する磁界が変化する。これにより、磁気粘性流体１６０中の磁性粒子の分散状態が変化するため、操作者がシャフト部１１０を回転させるときにはたらく抵抗力（トルク）を制御することができる。
【００５０】
さらに、駆動回路Ｄ２０からの出力は、リレー回路Ｓ２がオフ状態のときにはコイル５１のみに与えられ、かつ、コイル５２には与えられないのに対して、リレー回路Ｓ２に対してエンドストップ信号（出力信号Ａ２）が入ってオン状態になったときには、２つのコイル５１、５２の両方に与えられるように切り替わる。言い換えれば、コイル５１、５２のうちの一部（コイル５１）に通電する経路、又は、複数のコイル５１、５２のすべてに通電する経路を選択することができる。したがって、リレー回路Ｓ２がオン状態かオフ状態かによって、電流が印加されるコイルの数が異なる。このため、操作部１００がエンドストップ状態か否かによって、磁気粘性流体１６０に印加される磁界の上限値を切り替えることが可能となる。
【００５１】
より具体的には、まず、エンドストップ信号が入ったオン状態においては、２つのコイル５１、５２の両方に電流を印加することによって、コイル５１、５２による磁界が同時に発生し、シャフト部１１０の回転に対して大きな抵抗力を与えることができる。これによって、シャフト部１１０の回転角度が所定角度に至ったときに、操作部１００の操作者に対して仮想的な壁に当たって停まったような操作感触を与えることができる。
【００５２】
これに対して、エンドストップ状態ではないオフ状態では、コイル５１のみに電流を印加し、オン状態のときよりも小さな磁界が発生する。これによって、コイル５０による磁界が発生できる上限値が小さい範囲で、ＰＷＭ信号の変化に応じて磁気粘性流体１６０において磁性粒子の分散状態を変化させることが可能となるため、シャフト部１１０の回転に対する抵抗力を細かく制御できるようになる。
なお、その他の構成、作用、効果は第１実施形態と同様である。
【００５３】
＜第３実施形態＞
図７は第３実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。第３実施形態のトルク発生装置は、例えば図４に示す第２の構造を有するとともに、図７に示す回路等を備える。
【００５４】
図７に示すように、駆動回路Ｄ３０の出力Ｍ１には、コイル５１（抵抗値：１０オーム、Ｎターン）とコイル５２（抵抗値：１１０オーム、Ｎターン）が直列になるように、順に接続されている。駆動回路Ｄ３０のもう１つの出力Ｍ２は、コイル５２に接続されるとともに、リレー回路Ｓ３の出力端子ＯＵＴ１に接続されている。リレー回路Ｓ３のもう１つの出力端子ＯＵＴ２は、コイル５１とコイル５２の接続点に接続されている。
【００５５】
リレー回路Ｓ３の入力端子（ＡＮＯＤＥ端子）には、図５に示す第１実施形態と同様に、エンドストップ信号（図３参照）として、出力信号Ａ３（切り替え信号）が入力されており、ＣＡＴＨＯＤＥ端子は電気抵抗Ｒ３（３３０オーム）を介して接地されている。制御回路２００（図３）から上記出力信号Ａ３がＡＮＯＤＥ端子に入力されると、リレー回路Ｓ３はオフ状態からオン状態へ切り替わる。
【００５６】
駆動回路Ｄ３０には、図５に示す第１実施形態と同様に、制御回路２００からの信号として、パルス幅変調信号（以下ＰＷＭ信号）Ｃ３１がＰＷＭ端子に入力される。また、駆動回路Ｄ３０には電源Ｖ３（電圧１２Ｖ）が与えられている。ＰＷＭ信号Ｃ３１は、第１実施形態のＰＷＭ信号Ｃ１１と同様のデューティー比を有する信号である。ＰＷＭ信号Ｃ３１においてパルス波のデューティー比が変化すると、駆動回路Ｄ３０からの出力電流、すなわちコイル５１、５２側へ流れる電流が増減する。このように制御回路２００がＰＷＭ信号Ｃ３１を制御することによって、コイル５１、５２側へ流す電流が制御され、そして、コイル５１、５２のそれぞれで発生する磁界が変化する。これにより、磁気粘性流体１６０中の磁性粒子の分散状態が変化するため、操作者がシャフト部１１０を回転させるときにはたらく抵抗力（トルク）を制御することができる。
【００５７】
さらに、駆動回路Ｄ３０からの出力は、エンドストップ信号が入ってリレー回路Ｓ３がオン状態のときにはコイル５１のみに与えられてコイル５２には与えられないのに対して、リレー回路Ｓ２がオフ状態になったときには、２つのコイル５１、５２の両方に与えられるように切り替わる。言い換えれば、コイル５１、５２のうちの一部（コイル５１）に通電する経路、又は、複数のコイル５１、５２のすべてに通電する経路を選択することができる。したがって、リレー回路Ｓ２がオン状態かオフ状態かによって、電流が印加されるコイルの抵抗が異なり、電流値の上限が異なる。本実施形態においては、リレー回路Ｓ２がオン状態になったときに電流値の上限が大きくなり、磁気粘性流体１６０に印加される磁界の上限値が大きくなる。このため、操作部１００がエンドストップ状態か否かによって、磁気粘性流体１６０に印加される磁界の上限値を切り替えることが可能となる。
なお、その他の構成、作用、効果は第２実施形態と同様である。
【００５８】
＜第４実施形態＞
図８は第４実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。第４実施形態のトルク発生装置は、例えば図１と図２に示す第１の構造を有するとともに、図８に示す回路等を備える。
【００５９】
図８に示すように、コイル５０は駆動回路Ｄ４０の２つの出力Ｍ１、Ｍ２に接続されている。駆動回路Ｄ４０の電源入力端子ＶＩＮには、リレー回路Ｓ４からの出力が接続されている。リレー回路Ｓ４には、スイッチング素子Ｔ４と、２つの電源Ｖ４２（電圧２Ｖ）、Ｖ４３（電圧１２Ｖ）とが接続されている。
【００６０】
スイッチング素子Ｔ４は例えばＮＰＮ型のトランジスタであって、ベース端子には、電気抵抗Ｒ４を介して、制御回路２００から出力されるエンドストップ信号としての出力信号Ａ４１（切り替え信号）が入力される。出力信号Ａ４１は、操作部１００の操作者に対して仮想的な壁に当たって停まったような操作感触を与えるために、検出した回転角度が、予め設定した所定角度に至ったことを検出したときに出力される。
【００６１】
スイッチング素子Ｔ４のコレクタ端子には電源Ｖ４１（電圧１２Ｖ）が接続され、エミッタ端子はリレー回路Ｓ４に接続されている。この構成により、上記出力信号Ａ４１がスイッチング素子Ｔ４に入力されると、リレー回路Ｓ４に対してスイッチング信号Ａ４２（切り替え信号）が出力される。
【００６２】
リレー回路Ｓ４においては、上記スイッチング信号Ａ４２が入力されることによってオフ状態からオン状態へ切り替わる。オフ状態においては、低電圧の電源Ｖ４２（電源供給部）が駆動回路Ｄ４０に接続され、オン状態においては、高電圧の電源Ｖ４３（電源供給部）が駆動回路Ｄ４０に接続されるように切り替えが行われる。すなわち、スイッチング信号Ａ４２（切り替え信号）によって、２つの電源Ｖ４２、Ｖ４３をそれぞれ備える２つの電源電圧回路から１つの電源電圧回路が選択される。
【００６３】
駆動回路Ｄ４０には、図５に示す第１実施形態と同様に、制御回路２００からの信号として、パルス幅変調信号（以下ＰＷＭ信号）Ｃ４１がＰＷＭ端子に入力される。ＰＷＭ信号Ｃ４１は、第１実施形態のＰＷＭ信号Ｃ１１と同様のデューティー比を有する信号であり、ＰＷＭ信号Ｃ４１においてパルス波のデューティー比が変化すると、駆動回路Ｄ４０からの出力電流、すなわちコイル５０に印加される電流が増減する。このように制御回路２００がＰＷＭ信号Ｃ４１を制御することによって、コイル５０へ印加する電流が制御され、そして、コイル５０で発生する磁界が変化する。これにより、磁気粘性流体１６０中の磁性粒子の分散状態が変化するため、操作者がシャフト部１１０を回転させるときにはたらく抵抗力（トルク）を制御することができる。
【００６４】
さらに、駆動回路Ｄ４０からの出力は、電源入力端子ＶＩＮに接続される電源に対応して振幅が変化する。すなわち、リレー回路Ｓ４がオフ状態となって電源Ｖ４２が接続されているときは振幅の小さな電流がコイル５０へ出力され、リレー回路Ｓ４がオン状態となって電源Ｖ４３に接続されているときは、オフ状態のときよりも振幅の大きな電流がコイル５０へ出力される。したがって、リレー回路Ｓ４がオン状態かオフ状態かによって、コイル５０に印加される電流が増減する。このため、操作部１００がエンドストップ状態か否かによって、磁気粘性流体１６０に印加される磁界の上限値を切り替えることが可能となる。
【００６５】
より具体的には、まず、エンドストップ信号が入ったオン状態においては、振幅の大きな大電流を印加することによって、シャフト部１１０の回転に対して大きな抵抗力を与えることができる。これによって、シャフト部１１０の回転角度が所定角度に至ったときに、操作部１００の操作者に対して仮想的な壁に当たって停まったような操作感触を与えることができる。
【００６６】
これに対して、エンドストップ状態ではないオフ状態では、オン状態のときよりも振幅の小さな小電流を印加し、オン状態のときよりも小さな磁界が発生する。これによって、コイル５０による磁界が発生できる上限値が小さい範囲で、ＰＷＭ信号の変化に応じて磁気粘性流体１６０において磁性粒子の分散状態を変化させることが可能となるため、シャフト部１１０の回転に対する抵抗力を細かく制御できるようになる。
なお、その他の構成、作用、効果は第１実施形態と同様である。
【００６７】
＜第５実施形態＞
図９は第５実施形態のトルク発生装置における機能ブロック図である。第５実施形態のトルク発生装置は、例えば図４に示す第２の構造を有するとともに、図９に示す回路等を備える。このトルク発生装置における２つのコイル５１、５２は互いに抵抗値が異なっており、図９に示すように、コイル５１の抵抗値（６０オーム）はコイル５２の抵抗値（１０オーム）よりも大きくなっている。
【００６８】
図９に示すように、一方のコイル５１は、第１の駆動回路Ｄ５１の２つの出力Ｍ１、Ｍ２に接続されている。この第１の駆動回路Ｄ５１の電源入力端子ＶＩＮには電源Ｖ５１（電圧１２Ｖ）が接続されている。
【００６９】
他方のコイル５２は、第２の駆動回路Ｄ５２の２つの出力Ｍ１、Ｍ２に接続されている。この第２の駆動回路Ｄ５２の電源入力端子ＶＩＮには、上記電源Ｖ５１と同じ電圧を供給する電源Ｖ５２（電圧１２Ｖ）が接続されている。
【００７０】
第１の駆動回路Ｄ５１には、図５に示す第１実施形態と同様に、制御回路２００からの信号として、ＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）Ｃ５１がＰＷＭ端子に入力される。ＰＷＭ信号Ｃ５１は、第１実施形態のＰＷＭ信号Ｃ１１と同様のデューティー比を有する信号であり、ＰＷＭ信号Ｃ５１においてパルス波のデューティー比が変化すると、第１の駆動回路Ｄ５１からの出力電流、すなわちコイル５１に印加する電流が増減する。このように制御回路２００がＰＷＭ信号Ｃ５１を制御することによって、コイル５１へ印加する電流が制御され、そして、コイル５１で発生する磁界が変化する。
【００７１】
第２の駆動回路Ｄ５２にも、第１の駆動回路Ｄ５１と同様に、制御回路２００からの信号として、ＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）Ｃ６１がＰＷＭ端子に入力される。これにより、制御回路２００がＰＷＭ信号Ｃ６１を制御することによって、コイル５２へ印加する電流が制御され、そして、コイル５２で発生する磁界が変化する。コイル５２はコイル５１よりも小さな抵抗値を有するため、より大きな電流が流れる。
【００７２】
制御回路２００は、回転角度検出手段２１０による検出結果によりエンドストップ状態であるか否かを検出し、その検出結果に基づいて、切り替え手段として、２つの駆動回路Ｄ５１、Ｄ５２の一方に、パルス幅変調信号を与えるように切り替える。すなわち、エンドストップ状態でないときは、第１の駆動回路Ｄ５１にＰＷＭ信号Ｃ５１を与え、エンドストップ状態であるときは、第２の駆動回路Ｄ５２にＰＷＭ信号Ｃ６１を与える。コイル５１、５２は抵抗値が互いに異なるため、エンドストップ状態に基づいた切り替えによって、コイルによる磁界が発生できる上限値を切り替えることが可能となる。
【００７３】
より具体的には、まず、エンドストップ信号が入ったオン状態においては、コイル５２に対して電流を与えることによって、シャフト部１１０の回転に対して大きな抵抗力を与えることができる。これによって、シャフト部１１０の回転角度が所定角度に至ったときに、操作部１００の操作者に対して仮想的な壁に当たって停まったような操作感触を与えることができる。
【００７４】
これに対して、エンドストップ状態ではないオフ状態では、コイル５１に対して、オン状態のときよりも小さな電流が与えられる。これによって、コイル５０による磁界が発生できる上限値が小さい範囲で、ＰＷＭ信号の変化に応じて磁気粘性流体１６０において磁性粒子の分散状態を変化させることが可能となるため、シャフト部１１０の回転に対する抵抗力を細かく制御できるようになる。
なお、その他の構成、作用、効果は第１実施形態と同様である。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上のように、本発明に係るトルク発生装置は、トルクの大きさに対応した細かなトルク制御が可能な点で有用である。
【符号の説明】
【００７６】
１０    トルク発生装置
１１    中心軸
２０    保持部
３１    上側ヨーク
３２    外側ヨーク
３３    下側ヨーク
４０    第２ヨーク
４１    上面
４２    孔部
４３    下面
５０、５１、５２  コイル（磁界発生部）
６０    封止部材
６５    第１の環状部材
７０    第２の環状部材
８０    隙間
９０    第３ヨーク
１００  操作部
１１０  シャフト部（操作軸）
１１１  軸部（操作軸）
１１２  フランジ部
１１３  先端部
１２０  磁性ディスク
１２１  中央孔部
１４０    支持部材
１４１    保持具
１５１  ラジアル軸受
１５２  プッシャ
１５３  オーリング
１６０  磁気粘性流体
２００  制御回路
２０１  記憶部
２０２  トルク算出部
２１０  回転角度検出手段
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４１  出力信号（切り替え信号）
Ａ４２  スイッチング信号（切り替え信号）
Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１、Ｃ５１、Ｃ６１  パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）
Ｄ１    第１の方向
Ｄ２    第２の方向
Ｄ１０、Ｄ２０、Ｄ３０、Ｄ４０、Ｄ５１、Ｄ５２  駆動回路
Ｒ１１  電気抵抗（電流制限素子）
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４  リレー回路
【図１】
2019120297.tif 000003
【図２】
2019120297.tif 000004
【図３】
2019120297.tif 000005
【図４】
2019120297.tif 000006
【図５】
2019120297.tif 000007
【図６】
2019120297.tif 000008
【図７】
2019120297.tif 000009
【図８】
2019120297.tif 000010
【図９】
2019120297.tif 000011