JPH0471451B2

JPH0471451B2 -

Info

Publication number: JPH0471451B2
Application number: JP59258524A
Authority: JP
Inventors: Tooru Kita
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-12-07
Filing date: 1984-12-07
Publication date: 1992-11-13
Also published as: JPS61137036A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、磁歪効果を利用した操舵力検出器
に関する。

〔従来の技術〕

従来の操舵力検出器に適用し得るトルク検出器
としては、例えば特公昭31−942号公報及び特公
昭35−12447号公報に記載されているものがある。

これらのものは、原理的に、第７図に示すよう
に構成され、被測定軸MSの外周面に２つの励磁
用コイルＣ１と２つのピツクアツプコイルＣ２と
を夫々配設し、被測定軸MSにトルクを伝達した
ときに生じる応力によつて発生する磁歪磁気異方
性により変化する透磁率により、励磁用コイルＣ
１によつて被測定軸MSに与えた磁束の変化をピ
ツクアツプコイルＣ２で電磁的に検出することに
より、被測定軸MSに伝達されたトルクの大きさ
を検出するようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来のトルク検出器にあつ
ては、被測定軸が鉄、ニツケル等の磁性材料から
なる丸棒で構成されており、トルクの検出範囲に
応じて、その径を選定することによつて機械的強
度と磁歪感度の双方を満足させる構成となつてい
たため、自動車の操舵力を検出する場合等のよう
に、トルク伝達軸としての機械的強度としては、
30Kgｍ程度を保証し、且つトルク検出値としては
最大でも１Kgｍ程度という双方の要求を満足させ
ることが困難であるという問題点があつた。すな
わち、、微小ルクを検出するためには、磁性材料
の被測定軸表面の剪断応力を増加させるように軸
径を細くする必要があるが、これは逆に機械的強
度を損なうこととなり、加えて一旦大きなトルク
が印加されると、被測定軸の表面に残留ひずみが
生じ、誘導磁気異方性により磁気的特性変化が履
歴として残つてしまい、出力の零点がずれてしま
うという問題点があつた。

また、上記従来例に示したような、被測定軸の
外周の内、局部的な磁気特性の変化を検出する方
式においては、通常自動車のステアリングシヤフ
ト自体が曲がりを有するものであり、また、磁気
的検出手段が配置されるステアリングコラムチユ
ーブとシヤフトとの間のガタ等も大きく、したが
つて、被測定軸と磁気検出器との間隙を精度良く
保つことが困難であつたという問題点があつた。

そこで、この発明は、トルク伝達軸（ステアリ
ングシヤフトの一部）を所定の捩れ角を越えると
作用するストツパ機構を介して入力軸と出力軸と
に２分割し、その入・出力軸の各々に両端を固定
して同心的に配置した磁歪円筒体自体に構造的に
磁気異方性を持たせると共に、磁気的変化の検出
はその全周に渡つて、平均的に行うことにより、
上記従来例の問題点を解決することを目的として
いる。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、この発明は、所
定の捩れ角を越えると作用するストツパ機構を介
して入力軸及び出力軸に分割されたステアリング
シヤフトと、該ステアリングシヤフトの外側に同
心的に配置され且つ外周に沿つて軸線と所定角度
をもつて傾斜する複数のスリツト又は溝等からな
る磁気的異方性構造部位を有する磁歪円筒体と、
該磁歪円筒体の一端及び他端を夫々前記入力軸及
び出力軸に連結する第１及び第２の連結体と、前
記磁歪円筒体の磁気的異方性部位に対向して配設
され且つ前記入力側及び出力側間の伝達トルクに
応じた磁気的異方性部位の磁気的特性の変化を検
出する磁気的検出手段とを備え、前記第１及び第
２の連結体の何れか一方は、磁歪円筒体及びこれ
と連結するステアリングシヤフトに夫々半径方向
で互いに重合するように形成した第１及び第２の
突出部と、該第１及び第２の突出部を円周方向か
ら挟着するＣ字状弾性体とで構成されていること
を特徴とする。

〔作用〕

この発明は、ステアリングシヤフトを所定の捩
れ角を越えると作用するストツパ機構を介して入
力軸及び出力軸に分割し、それら間にＣ字状弾性
体を介して磁歪円筒体を連結することにより、Ｃ
字状弾性体の交換が容易となるので、感度調整作
業や長期の使用によりＣ字状弾性体に劣化が生じ
たときの交換作業を容易に行うことができると共
に、磁歪円筒体に対して伝達されるトルクを所定
値以下として磁歪円筒体での残留ひずみの発生を
防止し、しかも、磁歪円筒体にその軸線と所定角
度をもつて傾斜するスリツト又は溝等からなる磁
気的異方性部位を設けることにより、これと対向
する磁気的検出手段との協働によつて磁歪円筒体
の全周に渡る磁気的特性変化を平均的に検出し、
操舵力感度を向上させる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第
２図及び第３図はそのＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線上の
断面図、第４図ａ，ｂ及びｃは夫々磁歪円筒体の
正面図、縦断面図及び展開図である。

まず、構成について説明する。第１図におい
て、１はステアリングシヤフトであつて、入力軸
２と出力軸３とに２分割されており、これらがス
トツパ機構４によつて連結されている。このスト
ツパ機構４は、第２図に示すように、入力軸２の
端部に形成された偏平突起２ａ内に出力軸３の端
部に形成された凹部３ａ係合された構成を有し、
入力軸２が偏平突起２ａの側面と凹部３ａの内壁
との間の間隙以上回動したとき即ち入力軸２と出
力軸３との相対的捩れ角が所定値以上となつたと
き初めて入力軸２側のトルクが出力軸３側に伝達
される。

入力軸２の周囲には、トルク検出部となる磁歪
材料で形成された磁歪円筒体５が配設されてい
る。この磁歪円筒体５は、捩り応力に対応した磁
気的異方性を持たせるために、その外周面に第４
図ｃの展開図に示すように、軸線方向に対して所
定角度例えば＋45゜及び−45゜に傾斜した対称的な
磁気的異方性部位５ａ及び５ｂが形成されてい
る。これら磁気的異方性部位５ａ及び５ｂは、
夫々第４図ｂに示す等角間隔で形成された複数の
スリツトＳ又は第４図ｄに示す溝Ｇで構成されて
いる。したがつて、これら磁気的異方性部位５ａ
及び５ｂを構成するスリツトＳ又は溝Ｇは、互い
の延長方向が90゜ずれて形成され、夫々右回転ト
ルク及び左回転トルクに対し、夫々の部位での磁
気的特性（透磁率）の変化が逆方向に作用するよ
うに配置されている。ここで、磁歪円筒体５は、
予め円筒状に形成した磁歪材料にプレス加工や切
削加工によつてスリツト若しくは溝を形成するか
又は平板状の磁歪材料にスリツト若しくは溝を形
成した後円筒状に成形する。

そして、磁歪円筒体５の入力軸２に対向する一
端に溶接等によりリング部材６が固着され且つ他
端に同様のリング部材７が溶接等により固着され
ている。リング部材６は、圧入、ピン止め等によ
り入力軸２に固定されている。他方、リング部材
７は、入力軸２に遊嵌する軸受部７ａと、その一
部から外方に突出する突起７ｂとを有し、この突
起７ｂが一部が開放されたＣ字状の弾性部材８を
介して出力軸３の右端に形成された突起３ｂに連
結されている。したがつて、入力軸２と出力軸３
との間の相対的な捩れ角に応じたトルクが弾性体
８を介して磁歪円筒体５に伝達される。

また、磁歪円筒体５の磁気的異方性部位５ａ，
５ｂに対向する外周部には、夫々磁気的検出部９
ａ，９ｂが配設されている。これら磁気的検出部
９ａ，９ｂは、断面Ｅ字状の円筒状磁気コア１０
とその内部に夫々巻装されたトランス１１ａ，１
１ｂとから構成されている。磁気コア１０は、入
力軸２及び出力軸３をベアリング１２，１３を介
して回動可能に枢着したステアリングコラムチユ
ーブ１４に固着され、且つトランス１１ａ及び１
１ｂは夫々積層された励磁コイルl_a，l_b1及び検出
コイルl_a2，l_b2で構成されている。そして、励磁
コイルl_a1，l_b1は第５図に示すように、所定の交
流電源となる正弦波発振器１５に電流増幅器１６
を介して並列に接続されて各コイルl_a1及びl_b1か
ら生じる磁束が前記磁歪円筒体５上で逆方向とな
るように供給される。

一方、検出コイルl_a2，l_b2は、第５図に示すよ
うに、操舵力が零の時に、互いの出力が打消され
るように、直列接続されて交流増幅器１７の入力
側に接続され、この交流増幅器１７の出力側が前
記電流増幅器１６の出力電圧が同期信号として供
給された同期検波回路１８に接続され、その出力
側が直流増幅器１９に接続され、この直流増幅器
１９からトルク値（操舵力）に応じた検出信号が
出力される。ここで、同期検波回路１８は、交流
増幅器１７から出力される交流電圧を電流増幅器
１６からの電圧を基準信号として位相検波し、そ
の検波出力を平滑化してアナログ直流電圧値に変
換するように構成されている。

なお、ステアリングコラムチユーブ１４は、前
記ベアリング１２，１３と図示しないステアリン
グシヤフト１の両端部に通常配設されている軸受
とによつて検出部における入力軸２及び出力軸３
との並行度が確保されている。

次に作用について説明する。今、ステアリング
シヤフト１に連結されたステアリングホイール
（図示せず）を回動させて操舵を行い入力軸２及
び出力軸３間に比較的小さな（例えば１Kgｍ以
下）トルクを作用させたものとすると、この状態
では、入力軸２及び出力軸３間に介装されたスト
ツパ機構４が作動せず、入力軸２に伝達されたト
ルクは、リング部材６−磁歪円筒体５−リング部
材７の突起７ｂ−弾性体８−出力軸３の突起３ａ
を経て出力軸３に伝達される。このとき、入力軸
２及び出力軸３間に生じる相対的捩れ角は、上記
トルク伝達経路内の弾性体８の弾性係数により定
まり、弾性体８の材質又は構造を選択することに
より、所定の操舵力−相対的捩れ角変位特性を得
ることができる。したがつて、弾性体８の弾性係
数によつて感度を調整することができる。この感
度調整を行うには、半径方向に互いに重合された
出力軸３の突起３ａとリング体７の突起７ｂとを
挟着するようにＣ字状弾性体８が配設され、この
Ｃ字状弾性体８自体は入力軸２及び出力軸３に接
着等によつて固着されておらず、Ｃ字状弾性体８
自体の交換を容易に行うことができるので、感度
調整を容易に行うことができると共に、入力軸２
及び出力軸３間の相対変位が弾性体８には円周方
向の圧縮力として作用することになるので、長寿
命化を図ることができる。

因みに、円環状の弾性体を使用する場合には、
例えば内周面をリング体７に、外周面を出力軸３
に夫々接着材で接着する必要があり、その交換が
困難となると共に、入力軸及び出力軸の相対変位
が円周方向の繰り返し剪断応力として作用するの
で、耐久性が低下するという問題点がある。

また、入力軸２及び出力軸３間に所定値以上の
トルクが作用すると、ストツパ機構４が作動状態
となり、入力軸２に伝達されるトルクは、ストツ
パ機構４の偏平突起２ａ及び凹部３ａを経て出力
軸３に伝達されることになる。したがつて、磁歪
円筒体５には、最大で１Kgｍのトルクが作用する
ことになり、過大なトルクが印加されて磁歪円筒
体５に残留ひずみが生じることを防止することが
できる。

そして、ステアリングホイールの操舵による入
力軸２及び出力軸３間に相対変位により、磁歪円
筒体５に捩れ力が作用すると、この磁歪円筒体５
には、軸線に対して＋45゜傾斜するスリツト又は
溝でなる磁気的異方性部位５ａと、−45゜傾斜する
スリツト又は溝でなる磁気的異方性部品５ｂとが
形成され、これらの長手方向に対して磁気的感度
を持たせているので、トルク印加方向の判別及び
印加トルクの大きさの検出を行うことができる。

すなわち、磁歪円筒体５にトルクが作用した場
合には、その外表面上で、軸線方向に対して例え
ば＋45゜の方向に引張応力が作用すると共に、−
45゜の方向に圧縮応力が作用することになる。こ
のため、引張応力が作用した側が逆磁歪効果によ
る透磁率の増加があるものとすれば、逆に圧縮側
においては透磁率の減少が生じる。

したがつて、磁気的異方性部位５ａ及び５ｂ
が、夫々磁気的検出手段９に対向する位置で＋
45゜及び−45゜の２方向に異方性を有するように配
置されているため、磁気的検出手段９を構成する
例えば一方の検出コイルl_a2側の誘導起電力が増
加する場合には、他方の検出コイルl_b2側の誘導
起電力が減少するという差動的動作を行うことに
なる。そして、検出コイルl_a2及びl_b2が直列に接
続されているので、各々の誘導起電力の大小によ
り、印加される操舵力の方向及び大きさを判別す
ることができる。

このように、磁歪円筒体５の捩り方向に応じて
各検出コイルl_a2及びl_b2の誘導起電力に差が生じ
るのでその差分の交流電力を交流増幅器１７で増
幅し、その増幅出力を同期検波回路１８で電流増
幅器１６の出力電圧を基準信号として検波し、そ
の検波出力を平滑化して直流信号に変換し、その
直流信号を直流増幅器１９で増幅することによ
り、この直流増幅器１９から第６図に示すような
所定電圧V₀を零点とし、磁歪円筒体５に伝達さ
れるトルクに対応した直流電圧を得ることがで
き、これが操舵力検出値として出力される。

なお、上記実施例においては、磁歪円筒体５に
伝達されるトルクの方向を、検出コイルl_a2及び
l_b2を直列に接続して、両者の誘導起電力を合成
した交流信号を位相検波することにより検出する
場合について説明したが、これに限定されるもの
ではなく、各検出コイルl_a2及びl_b2の出力を夫々
整流した後、差動増幅することによつても、上記
実施例と同様の作用を得ることができる。

また、上記実施例においては、磁歪筒体５の一
端を入力軸２側に固定し、他端を出力軸３に弾性
体８を介して出力軸３に連結した場合について説
明したが、これに限定されるものではなく、磁歪
筒体の一端を出力軸３側に固定し、他端を入力軸
２に弾性体を介して連結するか或いは入力軸２及
び出力軸３の双方に弾性体を介して連結するよう
にしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、ステ
アリングシヤフトを入力軸及び出力軸に２分割
し、それら間にストツパ機構を介装すると共に、
入力軸及び出力軸間にＣ字状弾性体を介して磁歪
円筒体を配設し、この磁歪円筒体の外周面にその
軸線と所定角度傾斜するスリツト又は溝等でなる
磁気的異方性構造部位を設け、さらに、磁気的異
方性部位と対向する位置にその磁気的特性の変化
を検出する検出手段を配設した構成としたため、
Ｃ字状弾性体の交換が容易であるので、その弾性
係数を調整して感度を調整することを容易に行う
ことができると共に、Ｃ字状弾性体には円周方向
の圧縮力が作用するだけで剪断力は作用しないの
で長寿命化を図ることができ、しかもＣ字状弾性
体によつて、磁歪筒体に不必要な過大トルクが作
用することを防止して誘導磁気異方性（残留ひず
み）による零点のずれ等を防止し且つ磁歪感度と
機械的強度との相反する要求を満足させることが
でき、これを同時に磁歪円筒体を使用するので、
感度を向上できると共に、これに形状異方性を持
たせているので、電磁的検出手段を磁歪円筒体の
外周に配した検出コイルとすることができ、磁歪
円筒体に偏心、撓み等が生じた場合においても、
これを磁歪円筒体の外周に沿つて平均化する形で
磁気特性を検出することができるので、その影響
を少なくすることができ、信頼性が高く且つ高精
度の操舵力検出器を提供することができるという
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第
２図及び第３図は夫々第１図のＡ−Ａ線上及びＢ
−Ｂ線上の断面図、第４図ａ，ｂ，ｃ及びｄは
夫々この発明に適用し得る磁歪円筒体の正面図、
縦断面図、展開図及び磁気的異方性部位の他の例
を示す縦断面図、第５図はこの発明に適用し得る
操舵力検出回路の一例を示す回路図、第６図は操
舵力検出回路の出力電圧とトルクとの関係を示す
特性曲線図、第７図は従来例を示す斜視図であ
る。１……ステアリングシヤフト、２……入力軸、
３……出力軸、４……ストツパ機構、５……磁歪
円筒体、８……Ｃ字状弾性体、９ａ，９ｂ……磁
気的検出手段、l_a1，l_b1……励磁コイル、l_a2，l_b2
……検出コイル、１５……正弦波発振器、１６…
…電流増幅器、１７……交流増幅器、１８……同
期検波回路、１９……直流増幅回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１所定の捩れ角を越えると作用するストツパ機
構を介して入力軸及び出力軸に分割されたステア
リングシヤフトと、該ステアリングシヤフトの外
側に同心的に配置され且つ外周に沿つて軸線と所
定角度をもつて傾斜する複数のスリツト又は溝等
からなる磁気的異方性構造部位を有する磁歪円筒
体と、該磁歪円筒体の一端及び他端を夫々前記入
力軸及び出力軸に連結する第１及び第２の連結体
と、前記磁歪円筒体の磁気的異方性部位に対向し
て配設され且つ前記入力側及び出力側間の伝達ト
ルクに応じた磁気的異方性部位の磁気的特性の変
化を検出する磁気的検出手段とを備え、前記第１
及び第２の連結体の何れか一方は、磁歪円筒体及
びこれと連結するステアリングシヤフトに夫々半
径方向で互いに重合するように形成した第１及び
第２の突出部と、該第１及び第２の突出部を円周
方向から挟着するＣ字状弾性体とで構成されてい
ることを特徴とする操舵力検出器。