JP2004271450A - 接線力センサ及びステアリングホイール - Google Patents

Abstract

【課題】接線力を高精度に検出できる接線力センサを得る。
【解決手段】接線力センサ２４では、上リム部及び下リム部に固定された一対の支持部２６によって把持部２８がステアリングホイールに支持されており、把持部２８が把持されて回転操作されることで、各支持部２６、上リム部及び下リム部が回転されて、車両が操舵される。ここで、把持部２８と各支持部２６との間に作用する荷重を薄型荷重検出素子３２が検出するため、ステアリングホイールに作用する接線方向への接線力を薄型荷重検出素子３２によって直接高精度に検出できる。さらに、支持部２６に対する把持部２８の軸周りの回転を回転防止ピン３０によって阻止したため、把持部２８、各支持部２６、上リム部または下リム部に捩れ力が作用しても、接線力の検出において捩れ力の影響を受けることを防止できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接線力を検出する接線力センサ及びこの接線力センサを備えたステアリングホイールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
操舵装置としては、所謂操舵角力計が設けられたステアリングホイールがある。このステアリングホイールでは、操舵角力計の変位計や歪ゲージがステアリングシャフト（ステアリングホイールの回転中心軸）に直に取り付けられており、これにより、ステアリングホイールの操舵角と操舵トルク（接線力（ステアリングホイールの外周部に作用する接線方向への荷重）のトルク）とが計測される（図１１参照）。
【０００３】
ところで、一般にステアリングホイールでは、操舵感評価におけるすっきり感評価が、所謂立ち上がりトルク（操舵角が０度の位置からの操舵初期における操舵トルク）を最重要視して、判断される。具体的には、立ち上がりトルクが線形である場合には、すっきり感評価が良くなる。
【０００４】
しかしながら、上述の如く操舵角力計はステアリングシャフトに取り付けられている。このため、操舵角力計は、ステアリングホイールの外周部に作用する接線力を直接計測するものではなく、操舵角力計は操舵トルク（接線力）を高精度に計測できない。これにより、操舵角力計で操舵トルクを計測しても、立ち上がりトルクを種類の異なるステアリングホイール間（例えば図１１のＡ車のステアリングホイールとＢ車のステアリングホイールとの間）で比較することが困難であるという問題がある（図１１の枠Ｃ内参照）。
【０００５】
また、せん断力（ずれ）を計測するセンサとしては、歪ゲージが内設されたせん断計測センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このせん断計測センサは、計測対象の表面に設置されており、せん断計測センサの表面は計測対象の表面に作用するせん断力を受ける。これにより、せん断計測センサ（歪ゲージ）が計測対象の表面に作用するせん断力を計測する構成である。
【０００６】
しかしながら、このようなせん断計測センサでは、計測対象が操作等されて計測対象に捩れ力が作用した場合には、せん断力の計測が捩れ力の影響を受けてしまうという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１３６９７０公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事実を考慮し、接線力を高精度に検出できる接線力センサ及びステアリングホイールを得ることが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の接線力センサは、把持部と、前記把持部の端面と対向する対向面を備え、前記把持部の端面と前記対向面との間に間隙が形成され、該間隙の間で前記把持部が操舵時のステアリングホイールの回転運動における略接線方向に移動可能とされるように、前記把持部の両端部を前記ステアリングホイールに支持する一対の支持部と、前記把持部の端面の各々と前記支持部の対向面の各々との間に作用する荷重を検出する荷重検出部と、を備えている。
【００１０】
請求項１に記載の接線力センサでは、一対の支持部によって把持部の両端部がステアリングホイールに支持されており、把持部の端面の各々と支持部の対向面の各々とが対向している。また、把持部の端面と支持部の対向面との間に間隙が形成されて、この間隙の間で把持部が操舵時のステアリングホイールの回転運動における略接線方向に移動可能とされている。
【００１１】
ここで、把持部の端面の各々と支持部の対向面の各々との間に作用する荷重が、荷重検出部により検出される。このため、ステアリングホイールを操舵した際にステアリングホイールに作用する接線方向への荷重すなわち接線力を荷重検出部によって直接高精度に検出することができる。
【００１２】
請求項２に記載の接線力センサは、請求項１に記載の接線力センサにおいて、前記荷重検出部を前記把持部の端面及び前記支持部の対向面のいずれか一方に貼着したことを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載の接線力センサでは、荷重検出部を把持部の端面及び支持部の対向面のいずれか一方に貼着したため、荷重検出部を把持部の端面と支持部の対向面との間に確実に保持することができる。
【００１４】
請求項３に記載の接線力センサは、請求項１または請求項２に記載の接線力センサにおいて、前記把持部の軸回りの回転を阻止する阻止手段を設けたことを特徴としている。
【００１５】
請求項３に記載の接線力センサでは、阻止手段が把持部の軸回りの回転を阻止するため、把持部や支持部に捩れ力が作用しても、捩れ力の影響を荷重検出部が受けることが防止される。これにより、接線力の検出において捩れ力の影響を受けることを防止できる。
【００１６】
請求項４に記載の接線力センサは、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の接線力センサにおいて、前記把持部に対する把持力を検出する検出部を前記把持部の側面に設けたことを特徴としている。
【００１７】
請求項４に記載の接線力センサでは、把持部の側面に設けられた検出部が把持部に対する把持力を検出するため、接線力と併せて把持力をも検出することができる。
【００１８】
請求項５に記載のステアリングホイールは、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の接線力センサを備えている。
【００１９】
請求項５に記載のステアリングホイールでも、上記と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図２には、本発明の接線力センサを備えて構成された実施の形態に係るステアリングホイール１０が正面図にて示されている。
【００２１】
本実施の形態に係るステアリングホイール１０は、車両に設けられたものであり、かつ、操舵感計測用のものである。
【００２２】
ステアリングホイール１０は、中央において円柱状のボス部１４を備えており、ボス部１４は車両の図示しないステアリングシャフト（ステアリングホイール１０の回転中心軸）に固定されている。ボス部１４には複数の操舵角力計１６が設けられており、操舵角力計１６によりステアリングホイール１０の操舵角（回転角）が検出（計測）される。
【００２３】
ボス部１４には、長板状のスポーク部１８が所定数（本実施の形態では３つ）接続されており、所定数のスポーク部１８はそれぞれボス部１４から右斜め上方、左斜め上方及び下方へ延伸している。
【００２４】
ボス部１４からそれぞれ右斜め上方及び左斜め上方へ延伸する各スポーク部１８の延伸先端には、上リム部２０が接続されており、上リム部２０は、円柱部材を円弧状に湾曲させて構成されて、ステアリングホイール１０外周の上部を構成している。ボス部１４から下方へ延伸するスポーク部１８の延伸先端には、下リム部２２が接続されており、下リム部２２は、円柱部材を円弧状に湾曲させて構成されて、ステアリングホイール１０外周の下部を構成している。ここで、上リム部２０及び下リム部２２が回転されることで、所定数のスポーク部１８、ボス部１４及びステアリングシャフトが回転されて、車両が操舵される。
【００２５】
上リム部２０の右端と下リム部２２の右端との間及び上リム部２０の左端と下リム部２２の左端との間には、それぞれ略円柱状の接線力センサ２４が設けられている。
【００２６】
図１に示す如く、各接線力センサ２４の上部及び下部にはそれぞれ有底円筒状の支持部２６が設けられており、各支持部２６の底壁は、支持部２６の周壁から外側へ突出して、この突出部分（フランジ部）が固定部２６Ａとされている。各接線力センサ２４の上側における支持部２６の固定部２６Ａは、それぞれ上リム部２０の右端及び左端に、ボルト２７によって固定されている。各接線力センサ２４の下側における支持部２６の固定部２６Ａは、それぞれ下リム部２２の右端及び左端に、ボルト２７によって固定されている。これにより、各接線力センサ２４では、上側の支持部２６と下側の支持部２６とが互いに対向する方向へ開口している。また、各支持部２６の内部側における底面は、後述する把持部２８の端面に対向する対向面２６Ｂとされている。
【００２７】
接線力センサ２４には、把持部２８が設けられており、把持部２８は、略円柱状（棒状）に形成されて、その両端部がそれぞれ上側の支持部２６内及び下側の支持部２６内に嵌合されている。これにより、把持部２８の各端面が各支持部２６の対向面２６Ｂと対向した状態で、把持部２８の両端部が上側の支持部２６及び下側の支持部２６によってステアリングホイール１０（上リム部２０及び下リム部２２）に支持されている。なお、把持部２８は両端縁部２８Ａ以外が一様な円柱状とされており、これにより、把持部２８は操作者の手指や掌に馴染むようにされている。
【００２８】
各支持部２６の周壁には、阻止手段としての棒状の回転防止ピン３０が、支持部２６の周壁を貫通し、先端が把持部２８の周面（側面）に当接するように、固定されており、各回転防止ピン３０が把持部２８の周面を押圧することで、把持部２８の軸周りの回転が阻止されている。
【００２９】
把持部２８の端面と支持部２６の対向面２６Ｂとの間には間隙が形成されており、これにより、把持部２８は、この間隙の間（上側の支持部２６（対向面２６Ｂ）と下側の支持部２６（対向面２６Ｂ）との間）で、把持部２８の軸方向（操舵時のステアリングホイール１０の回転運動における略接線方向）へ移動可能とされている。
【００３０】
把持部２８の両端縁部２８Ａは、それぞれ径が他の部位に比較して小さくされた円柱状の小径部とされており、把持部２８における上側の小径部の上端面全体及び下側の小径部の下端面全体には、それぞれ荷重検出部としての薄型荷重検出素子３２が配置されている。薄型荷重検出素子３２は、把持部２８の端面または支持部２６の対向面２６Ｂに接着（貼着）されて、把持部２８の端面と支持部２６の対向面２６Ｂとの間に圧縮されない状態で隙間なく（ガタなく）介在されている（挟まれている）。なお、薄型荷重検出素子３２が把持部２８の端面と支持部２６の対向面２６Ｂとの間に保持された状態を維持できるならば、薄型荷重検出素子３２を把持部２８の端面及び支持部２６の対向面２６Ｂに接着しない構成としてもよい。
【００３１】
薄型荷重検出素子３２は、高分子薄膜に形成された導電性抵抗体を主原料とする電気抵抗変化型の荷重検出素子（半導体ロードセルや圧電型荷重素子）で構成されて、所謂直線性等の精度が良好な特性を有している（図５参照）。ここで、薄型荷重検出素子３２は、ステアリングホイール１０が回転操作されて把持部２８が接線方向に移動する際に把持部２８の端面と支持部２６の対向面２６Ｂとの間に作用する接線力（ステアリングホイール１０（把持部２８）に作用する接線方向（回転操作方向）における荷重であり、操作者の手指、掌及び手腕（特に上腕）が感じる抵抗力に相当する）を検出（計測）する。
【００３２】
図３に示す如く、薄型荷重検出素子３２は、ダミー抵抗３４、３６、３８と共にブリッジ回路４０を構成するように接続されている。ダミー抵抗３４とダミー抵抗３６との間は接地されると共に、薄型荷重検出素子３２とダミー抵抗３８との間には所定の電圧が印加されており、薄型荷重検出素子３２とダミー抵抗３４との間及びダミー抵抗３６とダミー抵抗３８との間からブリッジ回路４０の出力電圧が出力される。図４に示す如く、ブリッジ回路４０の出力電圧は、検出回路を構成する増幅器４２（増幅回路）及びＡ／Ｄ変換器４４（波形処理回路）更にはインターフェース４６を経て、パーソナルコンピュータ４８に記憶される。
【００３３】
把持部２８の軸方向中央における周面（側面）には、表側（運転席側）の周方向中央及び裏側（反運転席側）の周方向中央において、それぞれ検出部としての薄型荷重検出素子５０が接着されている。薄型荷重検出素子５０は、薄型荷重検出素子３２と同様に構成されており、薄型荷重検出素子５０は、把持部２８が回転操作される際に把持部２８に対する操作者の把持力（押圧力であり、操作者がステアリングホイール１０を把持して操舵している際に手指や掌が感じる手応えに相当する）を検出（計測）する。
【００３４】
薄型荷重検出素子５０は、薄型荷重検出素子３２と同様に、ダミー抵抗３４、３６、３８と共にブリッジ回路５２（図４参照）を構成するように接続されている（図３参照）。ダミー抵抗３４とダミー抵抗３６との間は接地されると共に、薄型荷重検出素子５０とダミー抵抗３８との間には所定の電圧が印加されており、薄型荷重検出素子５０とダミー抵抗３４との間及びダミー抵抗３６とダミー抵抗３８との間からブリッジ回路５２の出力電圧が出力される。図４に示す如く、ブリッジ回路５２の出力電圧は、ブリッジ回路４０の出力電圧と同様に、検出回路を構成する増幅器４２（増幅回路）及びＡ／Ｄ変換器４４（波形処理回路）更にはインターフェース４６を経て、パーソナルコンピュータ４８に記憶される構成である。
【００３５】
以上の構成のステアリングホイール１０では、上リム部２０及び下リム部２２の左右両端に支持部２６が固定されており、右側の一対の支持部２６及び左側の一対の支持部２６によって、それぞれ把持部２８の両端部がステアリングホイール１０に支持されている。これにより、各把持部２８の各端面と各支持部２６の対向面２６Ｂとが対向しており、把持部２８が把持された状態で回転操作されることで、各支持部２６、上リム部２０及び下リム部２２が回転される。このため、所定数のスポーク部１８、ボス部１４及びステアリングシャフトが回転されて、車両が操舵される。そして、操舵に応じて接線力検出信号、把持力検出信号、及び操舵角検出信号が得られる。
【００３６】
このため、図６に示す如く、ステアリングホイール１０では、操舵角（操舵角力計１６の検出値）が０度の位置からの操舵初期における接線力を、種類の異なるステアリングホイール１０間（例えば図６のＡ車のステアリングホイール１０とＢ車のステアリングホイール１０との間）で良好に比較することができる（図６の枠Ｃ内参照）。これにより、立ち上がりトルク（前記操舵初期における操舵トルク（接線力のトルク））を種類の異なるステアリングホイール１０間で良好に比較することができ、操舵感評価におけるすっきり感評価を良好に行うことができる。
【００３７】
しかも、薄型荷重検出素子３２は直線性等の精度が良好な特性を有しているので、接線力を一層高精度に検出することができる。
【００３８】
さらに、薄型荷重検出素子３２は、把持部２８における径が他の部位に比較して小さくされた小径部である端縁部２８Ａに配置されるため、薄型荷重検出素子３２の面積が小さくなる。このため、薄型荷重検出素子３２に作用する単位面積当たりの接線力が大きくなる。しかも、把持部２８の端面全体が薄型荷重検出素子３２で覆われているため、薄型荷重検出素子３２に接線力が作用して圧縮された際でも、把持部２８の端面が支持部２６の対向面２６Ｂに接触することが阻止される。これにより、接線力を更に一層高精度に検出することができる。
【００３９】
また、把持部２８の周面が各支持部２６に固定された回転防止ピン３０に押圧されることで、各支持部２６に対する把持部２８の軸周りの回転が阻止されている。このため、各把持部２８、各支持部２６、上リム部２０及び下リム部２２の少なくとも１つに捩れ力が作用しても、この捩れ力の影響を薄型荷重検出素子３２が受けることが防止される。これにより、接線力の検出において捩れ力の影響を受けることを防止できる。
【００４０】
さらに、薄型荷重検出素子３２毎に接線力が検出される。これにより、図７に示す如く、右上の薄型荷重検出素子３２が検出した接線力（図７では「接線右上」と表示）、右下の薄型荷重検出素子３２が検出した接線力（図７では「接線右下」と表示）、左上の薄型荷重検出素子３２が検出した接線力（図７では「接線左上」と表示）、及び、左下の薄型荷重検出素子３２が検出した接線力（図７では「接線左下」と表示）を、別々に検出することができる。
【００４１】
また、薄型荷重検出素子３２を把持部２８の端面または支持部２６のこの端面と対向する対向面２６Ｂに接着したため、薄型荷重検出素子３２を把持部２８の端面と支持部２６の対向面２６Ｂとの間に確実に保持することができる。
【００４２】
さらにまた、把持部２８の周面に設けられた薄型荷重検出素子５０が、把持部２８が回転操作される際における把持部２８に対する把持力を検出する。このため、接線力と併せて把持力をも検出することができる。
【００４３】
しかも、薄型荷重検出素子５０も同様に直線性等の精度が良好な特性を有しているので、把持力を高精度に検出することができる。
【００４４】
さらに、薄型荷重検出素子５０毎に把持力が検出される。これにより、図８に示す如く、操作者の右手による右側の把持部２８の押し力または引き力（図８では「右手」と表示）、及び、操作者の左手による左側の把持部２８の押し力または引き力（図８では「左手」と表示）を、別々に検出することができる。なお、把持部２８の押し力または引き力は、把持部２８の表側の薄型荷重検出素子５０の検出値から把持部２８の裏側の薄型荷重検出素子５０の検出値を引いた差引値（図８では「差引荷重」と表示）から求められ、差引値がプラスであれば差引値の大きさの押し力が把持部２８に作用していることになり、差引値がマイナスであれば差引値の絶対値の大きさの引き力が把持部２８に作用していることになる。
【００４５】
なお、本実施の形態では、把持部２８の周面を回転防止ピン３０が押圧することで支持部２６に対する把持部２８の軸周りの回転を阻止した構成としたが、例えば支持部（操舵部材）を非円形（楕円形や多角形）の有底の筒状とすると共にこれに対応して把持部（移動部材）の少なくとも支持部嵌合部分を非円形（楕円形や多角形）の柱状とすることで、把持部を支持部と軸周りの回転が阻止される状態に嵌合した構成としてもよい。
【００４６】
さらに、本実施の形態では、接線力センサ２４（把持部２８を含む）が湾曲されない構成としたが、図９に示す第１変形例に係るステアリングホイール６０（操舵装置）の如く、接線力センサ６２（把持部及び一対の支持部を含む）が上リム部２０及び下リム部２２と同様に円弧状に湾曲された構成としてもよい。
【００４７】
また、本実施の形態では、ステアリングホイール１０が円弧状に湾曲された上リム部２０及び下リム部２２を有する構成としたが、ステアリングホイール（操舵装置）を他のタイプのもの（例えば図１０に示す第２変形例に係るステアリングホイール７０）にしてもよい。
【００４８】
ここで、図１０に示すステアリングホイール７０では、ボス部１４に長板状のスポーク部７２が４つ接続されており、４つのスポーク部７２はそれぞれボス部１４から右斜め上方、右斜め下方、左斜め上方及び左斜め下方へ延伸している。
【００４９】
ボス部１４から右斜め上方及び右斜め下方へ延伸する各スポーク部７２の延伸先端には、それぞれ右リム部７４が接続されると共に、ボス部１４から左斜め上方及び左斜め下方へ延伸する各スポーク部７２の延伸先端には、それぞれ左リム部７６が接続されており、各右リム部７４及び各左リム部７６は、それぞれ円柱状とされて上下方向に平行に配置されている。さらに、一対の右リム部７４間及び一対の左リム部７６間には、それぞれ接線力センサ２４が設けられている。
【００５０】
さらに、本実施の形態（第１変形例及び第２変形例を含む）では、本発明を車両のステアリングホイールに適用した例について説明したが、本発明を車両以外の操舵装置（例えば、船、航空機、遊技機等の操舵装置）に適用してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１に記載の接線力センサでは、把持部の端面と支持部の対向面との間に作用する荷重が荷重検出部によって検出されるため、接線力を直接高精度に検出することができる。
【００５２】
請求項２に記載の接線力センサでは、荷重検出部を把持部の端面及び支持部の対向面のいずれか一方に貼着したため、荷重検出部を把持部の端面と支持部の対向面との間に確実に保持することができる。
【００５３】
請求項３に記載の接線力センサでは、阻止手段が把持部の軸回りの回転を阻止するため、把持部や支持部に捩れ力が作用しても、接線力の検出において捩れ力の影響を受けることを防止できる。
【００５４】
請求項４に記載の接線力センサでは、検出部が把持部に対する把持力を検出するため、接線力と併せて把持力をも検出することができる。
【００５５】
請求項５に記載のステアリングホイールでも、上記と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るステアリングホイールにおける接線力センサを示す正面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るステアリングホイールを示す概略的な正面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るステアリングホイールにおける薄型荷重検出素子が構成するブリッチ回路を詳細に示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るステアリングホイールにおける接線力検出構造及び把持力検出構造を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るステアリングホイールにおける薄型荷重検出素子の特性（作用荷重と出力電圧との関係）を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態に係るステアリングホイールにおいて車両走行中に操舵角力計により検出されたステアリングホイールの操舵角と接線力センサにより検出された接線力との関係をＡ車とＢ車とのステアリングホイールについて示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態に係るステアリングホイールにおいてステアリングホイールの操舵時間と各接線力センサにより検出された接線力との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態に係るステアリングホイールにおいてステアリングホイールの操舵時間とステアリングホイールの表側及び裏側の把持力センサにより検出された差引荷重との関係を右側の把持部と左側の把持部とについて示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態の第１変形例に係るステアリングホイールを示す正面図である。
【図１０】本発明の実施の形態の第２変形例に係るステアリングホイールを示す正面図である。
【図１１】従来のステアリングホイールにおいて車両走行中に操舵角力計により検出されたステアリングホイールの操舵角と操舵トルクとの関係をＡ車とＢ車とのステアリングホイールについて示すグラフである。
【符号の説明】
１０ ステアリングホイール
２４ 接線力センサ
２６ 支持部
２６Ａ 対向面
２８ 把持部
３０ 回転防止ピン（阻止手段）
３２ 薄型荷重検出素子（荷重検出部）
５０ 薄型荷重検出素子（検出部）
６０ ステアリングホイール
６２ 接線力センサ
７０ ステアリングホイール

Claims (5)

1. 把持部と、
   前記把持部の端面と対向する対向面を備え、前記把持部の端面と前記対向面との間に間隙が形成され、該間隙の間で前記把持部が操舵時のステアリングホイールの回転運動における略接線方向に移動可能とされるように、前記把持部の両端部を前記ステアリングホイールに支持する一対の支持部と、
   前記把持部の端面の各々と前記支持部の対向面の各々との間に作用する荷重を検出する荷重検出部と、
   を備えた接線力センサ。
2. 前記荷重検出部を前記把持部の端面及び前記支持部の対向面のいずれか一方に貼着した請求項１記載の接線力センサ。
3. 前記把持部の軸回りの回転を阻止する阻止手段を設けた請求項１または請求項２記載の接線力センサ。
4. 前記把持部に対する把持力を検出する検出部を前記把持部の側面に設けた請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の接線力センサ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の接線力センサを備えたステアリングホイール。

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