JP3316257B2 - ねじりモーメント測定装置 - Google Patents

ねじりモーメント測定装置

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    • G01L3/104Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving permanent magnets

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ねじりモーメント測定
装置に関し、特に、測定対象のシャフトに垂直な2つの
面にそれぞれ磁界発生器及び磁界検出器を設置し、ねじ
り変位にる磁界発生器と磁界検出器との相対位置の変化
によってもたらされる磁界検出器の出力変化を測定する
ことによってねじりモーメントを測定する装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】フランス公開公報第2626368号に
は、シャフトの2つの垂直断面にそれぞれ設けられてい
る2つの磁界発生器の角度方向のずれが、オール オア
ナッシング(ALL OR NOTHING)信号出
力を持った2つの検知器によって検出され、ねじりモー
メントがそれらの検知器によって検出された誘導磁界の
磁気的な位相のずれに比例する装置が記載されている。
【0003】フランス公開公報第2661246号に
は、2つの磁界検出器の角度方向のずれが、回転シャフ
トのねじりモーメントに比例する信号出力を持った検知
器によって検出される装置が記載されている。
【0004】それらの磁界発生器が多極磁石によって構
成されているときは、ねじりモーメント測定感度はそれ
らの磁石の最小長さによって限定される。
【0005】従って、ねじりモーメントが小さい場合に
は、その測定が難しい場合がある。
【0006】一方、このような装置を自動車のステアリ
ングシャフトのねじりモーメントの測定に応用する場合
には、下記の条件を満たす必要がある。 測定範囲 ±10N・m、 測定感度 ±0.1N・m、 伝達を要する最大ねじりモーメント:200N・m、 測定装置の入力と出力の間で許容される最大の角度方向
のずれ:4°、 測定範囲内にあるすべてのモーメントの価について、モ
ーメントゼロの信号の囲りの出力電気信号の範囲:±2
V。
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術は、充分大きなねじりモーメントを伝達し、か
つ微小なねじりモーメントを測定するという点において
必ずしも充分ではないという問題点があった。
【0007】本発明の目的は、大きなねじりモーメント
に耐えることができ、かつ、高い剛性のシャフトの2つ
の断面の間の微少なねじり変位を測定することによっ
て、微少なねじりモーメントの測定を可能とする装置を
提供することである。
【0008】本発明の他の一つの目的は、被測定シャフ
トを分割することなく装着することも可能であり、また
シャフトを分割してその中間に装着することも可能な、
シャフトのねじりモーメント測定装置を提供することで
ある。
【0009】本発明のさらに他の一つの目的は、自動車
のステアリングシャフトの任意の位置に取付け可能な、
簡単で経済的なねじりモーメント測定装置を提供するこ
とである。
【0010】本発明のさらに他の一つの目的は、測定装
置のねじり剛性が、自動車の人力操作ステアリングシャ
フトの最小断面のねじり剛性に少なくとも等しいねじり
モーメント測定装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的は、シャフトに
固定されたハブの外周に設けられた第1のディスクの直
径の両端上に支持され、互いに逆平行の磁化方向に磁化
された構造を持つ磁界発生器と、上記ハブからシャフト
の軸方向に離れた位置に固定された他のハブの外周に設
けられた第2のディスクの直径の両端上に、磁界発生器
と向かい合うように支持された磁界検出器とを持ったね
じりモーメント測定装置によって達成される。
【0012】
【作用】上記構成のねじりモーメント測定装置は、シャ
フトに直接取り付けられることができ、感度を増加させ
るために上記シャフトの剛性を局部的に低下させる必要
はないので、大きなねじりモーメントに耐えることがで
きる。また、高い剛性のシャフトの2つの断面の間の微
少なねじり変位を、変位によってもたらされる磁界の変
化に比例する電気的な出力によって測定することによっ
て、微少なねじりモーメントを測定することが可能であ
る。
【0013】また、上記構成のねじりモーメント測定装
置は、シャフトの外周を取り巻くハブによってシャフト
に取り付けられるので、シャフトを分割することなく装
着することが可能であり、さらに、上記構成のねじりモ
ーメント測定装置を持った短いシャフトをもってシャフ
トの1部を置き換えることができるので、分割したシャ
フトの中間に装着することも可能である。
【0014】また、上記構成のねじりモーメント測定装
置は、シャフトの任意の場所に取り付けることができる
ので、特に、自動車のステアリングシャフトの任意の位
置に取付けて、そのねじりモーメントを経済的に測定す
ることが可能である。
【0015】また、上記構成のねじりモーメント測定装
置は、シャフトに特別な加工を施すことなく取り付ける
ことが可能であり、あるいは、シャフトの最小断面のね
じり剛性と少なくとも同一のねじり剛性を有する短いシ
ャフトをもってシャフトの1部を置き換えることができ
るので、その剛性を、シャフトの最小断面のねじり剛性
に少なくとも等しくすることが可能である。
【0016】本発明のその他の特徴および利点は図面を
参照してなされる装置のいくつかの実施例の記載を読め
ば明らかとなるであろう。
【0017】
【実施例】本発明の実施例を、添付図面を参照して以下
に説明する。
【0018】図1は、自動車のステアリングシャフトに
本装置を装着した第1の実施例の縦断面図である。
【0019】図に示すように、パイプ状のステアリング
シャフト1(以下単にシャフト1と記す)は、内径dお
よび外径Dを持っており、シャフト1のハンドル3側の
端2においてハンドル3に、シャフト1のピニオン5側
端4においてラック6を駆動するピニオン5に接続さ
れている。
【0020】シャフト1の1部には、パイプ状のハブ1
0が装着されており、ハブ10の外周の1端は、第1の
ディスク12(以下コーダ・ディスク12と呼ぶ)を支
持している。
【0021】ハブ10およびコーダ・ディスク12は軟
強磁性材料または軟鋼で作られ、それらには輪金15及
びパッキング14を収納するための座ぐり13が設けら
れている。座ぐり13にパッキング14を挿入した後、
輪金15を圧入することにより、圧縮応力によって、パ
ッキング14は変形して座ぐり13の肩16に接して軸
方向に固定されるとともに、シャフト1、コーダ・ディ
スク12およびハブ10は一体化される。
【0022】また、ハブ10は、コーダ・ディスク12
に対してシャフト1の軸方向にずらして設置される第2
のディスク21(以下ピックアップ・ディスク21と呼
ぶ)を支持するハブ20取付けるための軸受18を支
持している。
【0023】望ましくは軟磁性材料または軟鋼で作られ
たハブ20およびピックアップ・ディスク21は、コー
ダ・ディスク12とハブ10とについて上に説明したの
と同様にして、輪金25によって肩24に接して固定さ
れるパッキング23によって、シャフト1と一体化され
る。
【0024】ハブ10は、遊び19を持ってシャフト1
の上に取り付けられている。
【0025】コーダ・ディスク12は、シャフト1に対
し垂直な面P1内に対称に、1本の直径の両端に向き合
って2つの磁界発生器26a,26bを持っている。
【0026】同様に、ピックアップ・ディスク21は、
シャフト1に対し垂直なもう一つの面P2内に対称に、
1本の直径の両端に向き合って、ホール効果検知器によ
って構成される磁界検出器27a,27bを持ってい
る。
【0027】また、ピックアップ・ディスク21は、室
29の中に設けられている信号の変換手段(図示せず)
への電気的な接続ケーブルを通すための孔28を持って
いる。
【0028】室29はハブ20、ピックアップ・ディス
ク21およびケーシング30によって限られている。
【0029】ケーシング30は、装置の外部接続のため
のコネクタCを持っている。
【0030】ケーシング30は、輪金25によって支持
されている環34によって軸方向には固定されるが、そ
れぞれコーダ・ディスク12、ピックアップ・ディスク
21および輪金25の周囲にある軸受け面31,32,
33の上に自由に回転するように取り付けられている。
【0031】上記構成の装置の機能は以下のとおりであ
る。
【0032】シャフト1は、ハンドル3の回転運動をピ
ニオン5へ伝達する。
【0033】ピニオン5における、ハンドル3の回転に
対抗する抗力によって、シャフト1はねじり変形を受け
る。
【0034】ねじりモーメントを受けると、パッキング
14、輪金15、肩16およびパッキング23、輪金
、肩24をそれぞれ支持しているシャフト1の部分は
相対的に変位し、それがコーダ・ディスク12、ピック
アップ・ディスク21の角度方向の相対的な変位をもた
らす。
【0035】コーダ・ディスク12、ピックアップ・デ
ィスク21の相対的な角度方向の変位量は、特に肩1
6,24の間にあるシャフト1の円筒形の部分の長さL
に依存する。
【0036】ケーシング30の角度方向の運動を拘束し
ても、ケーシング30以外の部分は、軸受け面31,3
2,33の部分でケーシング30に対し相対的に滑動
し、ケーシング30の中で角度方向に移動することがで
きる。
【0037】図2に示すように、コーダ・ディスク12
の面12aは、互いに平行で回転軸OZから等距離にあ
る2つの直線的な肩12および12を持っている。
肩12と12は、それぞれ磁界発生器26aおよび
26bを支持している。
【0038】2つの磁界発生器26aおよび26bは、
肩12および12の上のそれぞれの支えによって軸
OYの方向に沿って位置決めされている。
【0039】磁界発生器26aおよび26bは、肩12
および12に沿って移動可能であり、完全に固定す
る前に、直交軸システムOX,OYおよびOZのうち、
OX方向の位置調節が可能である。
【0040】磁界発生器26aは、突き合わせて置かれ
た2つの平行六面体の磁石126aおよび127aによ
って構成されている。
【0041】各磁石126aおよび127aの磁化の方
向は矢印で示すように、コーダ・ディスク12の面に垂
直である。
【0042】磁石127aによって作り出される磁気誘
導ベクトルB1は正のZ方向に向けられ、他方磁石12
6aによって作り出される磁気誘導ベクトルB2は負の
Z方向に向けられる。
【0043】この措置は磁石126aと127aの突合
せの近傍においてOX方向の移動に対して強い磁界勾配
を得ることを可能にする。
【0044】同様に、磁界発生器26bは突き合わせて
置かれた2つの平行六面体の磁石126bおよび127
bによって構成されている。磁石127bによって作り
出される磁気誘導ベクトルB1は正のZ方向に向けられ
ている。磁石126bによって作り出される磁気誘導ベ
クトルB2は負のZ方向に向けられている。
【0045】本実施例のコーダ・ディスク12において
は、磁石126aと127aおよび磁石126bと12
7bの突合せは面YOZ内にあり、磁界発生器26aに
よって供給される磁気誘導ベクトルB1とB2は、面X
OZに関して、磁界発生器26bによって供給される磁
気誘導ベクトルB1とB2に対称である。
【0046】磁界発生器26aと26bの中心は、面X
OZからそれぞれ距離Rの所にある。Rは通常「読取り
半径」と呼ばれている。
【0047】図3に、ピックアップ・ディスク21に装
着された磁界検出器27aおよび27bを示す。磁界検
出器27aおよび27bは、それぞれの中心が軸OY’
とOZ’によって定義される直径を含む面内に対称に、
中心Oからそれぞれ距離Rの所に位置するように、ピッ
クアップ・ディスク21の面21aに固定されている。
【0048】図3によれば、ピックアップ・ディスク2
1の面21aは、中心が例えば軸OY’とOZ’によっ
て定義される直径を含む面内に対称に、中心Oから距離
Rの所に位置するように固定された磁界検出器27aお
よび27bを支持している。Rはここでも通常「読取り
半径」と呼ばれている。
【0049】図1〜3に示すモーメント測定装置は、予
パッキング14、輪金15を肩16に向けて、また、
パッキング23、輪金25を肩24に向けて締めつけ、
面(OY,OZ)と面(OY’,OZ’)を対応させ、
ねじりゼロの状態に調節される。
【0050】図4は、コーダ・ディスク12及びピック
アップ・ディスク21に、それぞれ磁石126aと12
7a並びに磁界検出器27aが取り付けられた状態を示
す部分図である。“e”は、磁石126a,127a
と、磁界検出器27aを支持するピックアップ・ディス
ク21との間の間隙を示す。
【0051】図5は、図4に示すピックアップ・ディス
ク21が同図のθ方向に移動するとき、磁界検出器27
aによって検出される磁気誘導Bの変化を示す。磁石1
26aおよび127aは、その残留磁気誘導の場が1と
1.25 Tesla の間にあるネオジウム−鉄−硼素または
サマリウム−コバルト型であることが望ましい。コーダ
・ディスク12及びピックアップ・ディスク21の厚さ
は、それらの構成材料が磁気飽和の価に達しないように
選ばれる。これらの条件の下で、図5の、間隙eを横切
る磁気誘導Bは、磁石126a,127aまたは126
b,127bの突合せの近傍の領域において、コーダ・
ディスク12とピックアップ・ディスク21の面12a
及び21aに平行な方向θに沿って、距離2I=0.8
mmに亘って、1マイクロメータ当り約0.4mTの、
勾配Pの直線的な変化を表わす。
【0052】磁界検出器27aの軸OY’が磁石126
a,127aの突合せ面内にある場合にねじりモーメン
トがゼロであるとすれば、装置にねじりモーメントが加
えられると、磁石126a,127aの突合せ面に対し
て磁界検出器27aはθ方向に移動する。その移動量
は、上記磁界検出器27aによって、間隔2I間におけ
る移動量と直線的な関係にある磁界変化に比例する電圧
に変換される。
【0053】磁界検出器27aおよび27bの出力信号
をそれぞれVsaおよびVsbとする。ねじりモーメントゼ
ロにおいては、それらは互いに等しい値をとり、その値
をVoとする。
【0054】ねじりモーメントは、コーダ・ディスク1
2に対するピックアップ・ディスク21の角度方向の回
転、従って、磁界発生器26aおよび26bに対する
検出器27aおよび27bの相対的な移動をもたら
し、例えば、出力信号Vsaの正の変化および出力信号V
sbの負の変化を惹き起こす。
【0055】図6に示すように、2つの出力信号の差△
V=Vsa−Vsbの絶対値はシャフト1に加えられるねじ
りモーメントの価を表わし、その符号はモーメントが加
わる方向を示す。磁界発生器26aおよび26bのこの
ような配置は、軸OZを含む任意の面内においてシャフ
ト1に加えられる曲げ成分に起因する測定誤差に不感で
ある。
【0056】図7は、本発明の他の実施例であるねじり
モーメント測定装置を示したものである。本実施例にお
いては、シャフト1の1部は、その駆動側と遊びなしの
結合を可能にする溝付きの空胴102を一端に持つ円筒
形のシャフト100によって置き換えられている。
【0057】上記空胴102の底は、コーダ・ディスク
115の駆動側表面と同一の面内にあり、上記コーダ・
ディスク115のハブが上記シャフト100を構成して
いる。
【0058】シャフト100の直径Dの円筒形の支え面
は、コーダ・ディスク115と溝付きの端部103の間
で軸方向に伸びており、軸受け130を持っている。
【0059】シャフト100の外側に同芯に取り付けら
れたリング状のハブ120は、軸受け130に軸方向に
突き当たるように装着されている。
【0060】ハブ120は、その1端の外側にピックア
ップ・ディスク121を支持している。コーダ・ディス
ク115は、図1のコーダ・ディスク12と同様に作ら
れている。同様に、ピックアップ・ディスク121は、
図1のピックアップ・ディスク21と同様に作られてい
る。
【0061】ハブ120の他方の端は、図1の相当部分
と同様に、ねじを切られた輪金によって肩に押し付けら
れている、変形することができる物体によって形成され
た局部的な固定手段を支持している。上記局部的な固定
手段は、コーダ・ディスク115から軸方向に長さLだ
け離れ、溝付きの支え面103の近傍でその支え面1
17に作用を及ぼす。他方、シャフト100は、溝付き
の空胴102の底から軸方向に実質上ハブ120の固定
個所まで伸びる、直径dの盲穴104を持っている。
【0062】図8は、本発明のもう一つの実施例を示し
たものである。本実施例においては、軸OZから等距離
に、コーダ・ディスク215の外周面に作られた2つの
平行な平らな表面251および252に、それぞれ磁界
発生器26aおよび26bが固定されている。磁界検出
器27aおよび27bは、ピックアップ・ディスク22
1の軸方向の延長部222に固定されている。
【0063】コーダ・ディスク215およびピックアッ
プ・ディスク221は、軟鋼または軟強磁性材料で作ら
れることが望ましい。
【0064】2つの磁界発生器26aおよび26bは、
軸OYの方向に沿って位置決めされている。
【0065】図9は、軸OX,OY,OZに対する磁界
発生器26aおよび26bの位置を斜視図で表わす。磁
界発生器26aは、突き合わせて置かれた2つの平行六
面体の磁石126aと127aによって構成される。そ
れらの磁化の方向は、コーダ・ディスク215上の支持
面に垂直である。
【0066】磁石126aによって発生させられる磁気
誘導ベクトルB1は、軸OYの正方向に向けられてお
り、他方磁石127aによって発生させられた磁気誘導
ベクトルB2は、軸OYの負方向に向けられている。
【0067】同様に、磁界発生器26bは、突き合わせ
て置かれた2つの平行六面体の磁石126bと127b
によって構成される。磁石126bによって発生させら
れる磁気誘導ベクトルB1は、軸OYの負方向に向けら
れており、他方磁石127bによって発生させられた磁
気誘導ベクトルB2は、軸OYの正方向に向けられてい
る。
【0068】本実施例におけるコーダ・ディスク215
の構造の特徴は、軸OYとOZによって定義される面内
の磁石126aおよび127aと磁石126bおよび1
27bの突合せの場所を有利に利用しており、他方、磁
界発生器26aによって発生される磁気誘導ベクトルB
1およびB2と、磁界発生器26bによって供給される
磁気誘導ベクトルB1およびB2とは、軸OZとOXに
よって定義される面に関して対称である。磁界発生器2
6aおよび26bの自由表面は、面XOZからそれぞれ
距離Rの所にあり、Rは通常読取り半径と呼ばれる。
【0069】図8に示すように、ピックアップ・ディス
ク221の軸方向の延長部222に固定されている磁界
検出器27aおよび27bの中心は、それぞれ磁石12
6a,127aおよび磁石126b,127bの突合せ
面YOZ内にあり、前に定義されたように、磁界発生器
26aおよび26bから間隙eだけ分離されている。
【0070】以上の実施例においては、主として自動車
のステアリングシャフトのねじりモーメントを測定する
場合について述べたが、本発明のねじりモーメント測定
装置は、自動車のステアリングシャフト以外の任意のシ
ャフトのねじりモーメントの測定に使用できることはい
うまでもない。
【0071】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、シ
ャフトに直接取り付けることができ、感度を増加させる
ためのシャフトの剛性の局部的ないかなる低下も必要と
せず、モーメントに制限を加えることなしに大きなねじ
りモーメントに耐えることができ、かつ、高い剛性のシ
ャフトの2つの断面の間の微少なねじり変位の測定が可
能なねじりモーメント測定装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】自動車のステアリングシャフトに本装置を装着
した第1の実施例の縦断面図である。
【図2】磁界発生器の図式的な斜視図である。
【図3】磁界検出器の図式的な斜視図である。
【図4】ねじりモーメント測定装置の部分図である。
【図5】磁界発生器と磁界検出器との間の磁界変化の特
性曲線を表わす図である。
【図6】出力電気信号を表わすグラフである。
【図7】自動車のステアリングシャフトに本装置を装着
した第2の実施例の縦断面図である。
【図8】自動車のステアリングシャフトに本装置を装着
した第2の実施例を部分的に変更した実施例の部分縦断
面図である。
【図9】図8の実施例における磁界発生器の図式的な表
示である。
【符号の説明】
1,100…シャフト(またはステアリングシャフ
ト)、2…シャフトのハンドル側の端、 3…ハンド
ル、4…シャフトのピニオン側の端、 5…ピニオン、
6…ラック、10,20,120…ハブ、12,11
5,215…第1のディスク(またはコーダ・ディス
ク)13…座ぐり、 14,23…パッキング、 1
6,24…、15,25…輪金、 18,130…軸
受け、 19…遊び、21,121,221…第2のデ
ィスク(またはピックアップ・ディスク)、26a,2
6b…磁界発生器、 27a,27b…磁界検出器、1
26a,126b,127a,127b…磁石、 29
…室、30…ケーシング、 31,32,33…軸受け
面、 34…環。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−109339(JP,A) 特開 平4−340430(JP,A) 実開 平2−52136(JP,U) 実開 昭60−27337(JP,U) 米国特許3824848(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 3/10

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シャフト(1、100)に垂直な1つの面
    (P1)内にあって、上記シャフト(1、100)の軸
    に関して対称な位置に取り付けられた2つの磁界発生器
    (26a、26b)、および、上記シャフトに垂直な第
    2の面(P2)内に取り付けられた2つの磁界検出器
    (27a、27b)を有し、上記磁界検出器(27a、
    27b)が、ねじりモーメントの作用による上記磁界検
    出器に対する上記磁界発生器の相対的な変位がもたら
    す、ねじりモーメントに比例する信号を供給するねじり
    モーメント測定装置において、 上記各磁界発生器(26a、26b)はそれぞれ互いに
    逆平行の磁化方向に磁化された構造を持ち、上記シャフ
    ト(1、100)に固定されているところの、上記シャ
    フト(1、100)を取り囲み、第2のハブ(20、1
    20)の取付け軸受け(18、130)を支持する第1
    のハブ(10、100)の端に設けられた、第1のディ
    スク(12、115)によって支持され、上記第2のハ
    ブ(20、120)は、パッキン(23)と輪金(2
    5)によって上記シャフト(1、100)に固定され、
    上記磁界検出器(27a、27b)が固定されていると
    ころの、上記第1のディスク(12、115)から軸方
    向にずらされた位置にある、第2のディスク(21、1
    21)支持していることを特徴とするねじりモーメン
    ト測定装置。
  2. 【請求項2】上記各磁界発生器(26a、26b)は、
    横の面の1つに沿って合わされたそれぞれ2つの平行6
    面体の磁石(126a、127a−126b、127
    b)によって構成され、上記各磁石は第1のディスク
    (12、115)の面上にそれぞれ一つの支持面、及
    び、上記支持面に対して垂直な、互いに反対方向のそれ
    ぞれの磁気誘導ベクトル(B1、B2)を有し、上記各
    磁石(126a、127a−126b、127b)の接
    合面は、上記第1のディスクの直径と上記シャフトの軸
    とを含む第1の面内にあり、上記磁界発生器のそれぞれ
    の上記磁気誘導ベクトルは、上記第1の面に垂直な、上
    記第1のディスクの直径と上記シャフトの軸とを含む第
    2の面に関して対称に設けられていることを特徴とす
    る、請求項1記載のねじりモーメント測定装置。
  3. 【請求項3】上記磁界発生器を構成する上記各磁石(1
    26a、127a−126b、127b)の支持面は、
    上記第1のディスク(12)の面と一致する、シャフト
    (1)に垂直な面内にあることを特徴とする、請求項2
    記載のねじりモーメント測定装置。
  4. 【請求項4】上記磁界発生器を構成する上記各磁石(1
    26a、127a−126b、127b)の支持面は、
    第1のディスク(215)の外周面にあることを特徴と
    する、請求項2記載のねじりモーメント測定装置。
  5. 【請求項5】シャフトの1部分を、その1端は駆動側と
    結合され、その他端は駆動を受ける側と結合され、その
    側方にねじりモーメント測定手段を有するシャフト(1
    00)で置き換えることを特徴とする請求項1から4ま
    でのいずれか一つに記載のねじりモーメント測定装置。
  6. 【請求項6】上記第2のハブ(20、120)は、上記
    輪金(25)によって上記第2のハブ(20、120)
    に形成された肩(24)に接して圧縮される上記パッキ
    ン(23)によって、上記シャフト(1、100)に固
    定されることを特徴とする請求項1から5までのいずれ
    か一つに記載のねじりモーメント測定装置。
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