JPH1123392A

JPH1123392A - ステアリングホイール用３軸荷重計測装置

Info

Publication number: JPH1123392A
Application number: JP9190669A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sakuma; 茂佐久間; Atsushi Tsukada; 厚志塚田; Kazuo Miki; 一生三木
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ステアリングホイールへの３軸方向の入力荷
重を実車状態にて計測できるようにする。【解決手段】ステアリングシャフト２のテーパ部２１
のところにプレート状の形態からなるセンサ１を設け
る。センサ１の周縁部のところに形成された起歪部１３
の両端部のところに連結部１４を設け、ここにボルト等
からなる締結手段４を装着してステアリングホイール３
のボス部３１と連結する。センサ１の中央部のところに
設けられるものであって、ステアリングシャフト２のテ
ーパ部２１のところに嵌合される円筒状の取付部１１の
ところに、ステアリングシャフト２の雄ネジ部２３とネ
ジ結合する固定ナット５を装着する。センサ１の起歪部
１３のところに歪ゲージ６を装着する。この歪ゲージ６
からのデータを入力するアンプ装置７、Ａ／Ｄ変換装置
８、コンピュータ装置９を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衝突試験等におい
て、ステアリングホイールに衝撃力が加わったときに、
その衝撃力（荷重）を、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３軸方向にて
計測することのできるようにした３軸荷重計測装置に関
するものであり、特に、これら３軸方向の荷重を計測す
る基礎となるセンサの、その構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の、この種のものとしては、ステア
リングシャフトとステアリングホイールとの結合部のと
ころに、所定の荷重センサを設けるとともに、このよう
な荷重センサを間に挟んで、その上下にアダプタを設
け、これら上下両アダプタを介して上記ステアリングホ
イールをステアリングシャフトに取付けるようにしたも
のが案出され、例えば特開昭５０−５４３７４号公報等
により、すでに公知となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このもの
は、図８に示す如く、歪ゲージの取り付けられる起歪部
材からなるセンサ１０を中心にして、その上下にアダプ
タ２０、３０を設け、このようなアダプタのうちの下方
部に設けられるもの（２０）をステアリングシャフトの
先端部に装着し、更に、上方部に設けられるもの（３
０）の、その中央部のところに突出するように形成され
た軸部のところに、上記ステアリングホイール５０のボ
ス部を結合させるようにしているものである。従って、
このような各アダプタ２０、３０を介してセンサ１０を
取付けるようにしたものにおいては、ステアリングホイ
ール５０の位置が、上記アダプタ等の影響により、運転
者（ドライバ）あるいはドライバ代用ダミーの胸部側に
Ｄの値だけせり出すこととなり、実車の状態とは異なっ
た諸元を形成することとなる。その結果、実車の状態と
同じような状態での衝突試験が行なえないという問題点
がある。このような問題点を解決するために、上記ステ
アリングホイール面がドライバ代用のダミー側等へせり
出すことの無いようにした３軸荷重計測装置を提供しよ
うとするのが、本発明の目的（課題）である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては次のような手段を講ずることとし
た。すなわち、ステアリングホイールに力（荷重）が加
わったときに、当該ステアリングホイールへの入力荷重
を、その３軸方向にて計測するようにしたステアリング
ホイール用３軸荷重計測装置に関して、上記ステアリン
グホイールとステアリングシャフトとの結合部のところ
に設けられるセンサを、上記ステアリングシャフトの先
端部のところに取付けられる円筒状の取付部と、当該円
筒状の取付部を基礎に、当該円筒状取付部の中心軸に対
して放射状に、かつ、対称形に設けられるとともに、そ
の断面形状が、上記円筒状取付部の付け根のところから
先端部に行くに従って徐々に小さくなるように形成され
た支持部と、当該支持部の先端部のところに、当該支持
部と直交するように、かつ、当該支持部と同一平面内に
設けられるものであって、弾性変形可能なビームからな
る起歪部と、当該ビーム状起歪部の、その両端部のとこ
ろに設けられるものであって、ステアリングホイールへ
の連結に供せられる連結部と、からなるようにするとと
もに、これら各部が一体的に形成されるようにした構成
を採ることとした。

【０００５】上記構成を採ることにより、本発明のもの
においては、次のような作用を呈することとなる。すな
わち、本発明のセンサは、ステアリングシャフトの先端
部と嵌合する円筒状のものであって剛性の高い取付部を
基礎に、当該取付部と同一平面内に設けられる支持部及
び起歪部等からなるものである。そして、このような起
歪部の両端部のところにステアリングホイールのボス部
に連結される連結部が設けられるようになっているの
で、ステアリングホイールに加わった荷重（力）は、上
記起歪部の両端部に設けられた連結部のところから、起
歪部、支持部、取付部へと順次伝達され、最後に剛性の
高い取付部からステアリングシャフトへと伝達されるよ
うになる。また、剛性の高い円筒状取付部と弾性変形を
するビーム状の起歪部との間をつなぐ支持部は、取付部
のところは断面形状の大きい、すなわち、剛性の高い状
態となっているとともに、起歪部との接続部においては
断面形状の小さい、すなわち、起歪部の弾性変形に追従
できる程度の低い剛性を有するようになっているもので
ある。従って、上記起歪部のところに所定の歪ゲージを
装着することによって、上記ステアリングホイールから
の入力荷重に対して、上記弾性ビームからなる起歪部の
ところの弾性変形を基に、その入力荷重を測定（計測）
することができる。また一方、上記ステアリングシャフ
トとの結合部である取付部周りの弾性変形及び取付けガ
タ等の影響が、上記起歪部における弾性変形（歪み）に
は及ばないようすることができる。

【０００６】このような構成からなる起歪部が、本発明
のものにおいては、上記取付部を中心にして、同一平面
内において、放射状に４箇所に設けられるようになって
いるので、これら各起歪部の外側及び上下両面側に歪ゲ
ージを適宜装着することによって、上記ステアリングホ
イールへの３次元方向の入力荷重、すなわち、Ｘ、Ｙ、
Ｚ方向の３軸方向の荷重を同時に測定（計測）すること
ができる。

【０００７】そして、この３軸方向の荷重の測定に当っ
ては、本センサは、取付部を初めとした各部が同一平面
内にまとめられていることより、その厚み方向の値を小
さく採ることができるようになり、このようなセンサが
上記ステアリングシャフトとステアリングホイールとの
結合部のところに取付けられた場合、上記ステアリング
ホイールのホイール面のドライバ側あるいはダミー側へ
の突出量は、非常に小さな値に抑えられることとなる。
すなわち、従来のものにおいて問題とされていたドライ
バの胸部側へのせり出し量（図８のＤの値）を、限りな
くゼロに近い値にすることができるようになる。従っ
て、このようなセンサを用いることにより、実車と同じ
状態でシミュレーション試験を行なうことができるよう
になる。すなわち、実車での衝突試験等を行なうことが
できるようになる。

【０００８】また、本発明のものにおいては、上記基点
となる取付部は円筒状の形態からなるものであるので、
ステアリングシャフトへの取付剛性を高めることができ
るようになっている。そして、この取付部に連続して設
けられる支持部は、その取付部へのつなぎの部分が断面
形状の大きな、すなわち、剛性の高い状態に形成されて
いる。一方、起歪部につながる先端部のところは、当該
起歪部の弾性変形に追従できる程度の低い剛性からなる
ようにし、これら取付部と起歪部との間を、先端部に行
くに従って、その断面形状が除々に小さくなるようにし
たので、高い剛性の要求される取付部と、ある程度の弾
性変形の要求される起歪部との間を、少ないスペース内
に収めることができるようになる。その結果、本センサ
を小形化することができるようになり、このようなセン
サを上記ステアリングシャフトとステアリングホイール
との間に取付けることによって、実車と同じような状態
にて、シミュレーション試験を行なうことができるよう
になる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図
１ないし図７を基に説明する。本発明の実施の形態にか
かるものの、その構成は、図１に示す如く、ステアリン
グシャフト２の、そのテーパ部２１のところに設けられ
るものであって、プレート状の形態からなるセンサ１
と、当該センサ１の周縁部のところに形成される起歪部
１３の、その両端部に設けられる連結部１４のところ
に、所定のボルト等からなる締結手段４にて結合される
ステアリングホイール３と、上記センサ１の中央部のと
ころに設けられるものであって、上記ステアリングシャ
フト２のテーパ部２１に嵌合される円筒状の取付部１１
のところを、上記ステアリングシャフト２側へ固定する
固定ナット５と、からなることを基本とするものであ
る。このような基本構成において、上記センサ１の周縁
部に形成される起歪部１３（図２参照）のところには、
所定の歪ゲージ６が装着されるようになっており、この
歪ゲージ６からのデータが、図７に示す如く、アンプ装
置７にて増幅されるとともに、Ａ／Ｄ変換装置８にて所
定の処理が行なわれ、このような処理の成されたデータ
が所定のコンピュータ装置９に入力され、所定の演算処
理が行なわれ、最終的に所定のディスプレイ装置９９に
計測データとして表示されるようになっているものであ
る。

【００１０】このような構成からなるものにおいて、上
記ステアリングシャフト２の、そのテーパ部２１のとこ
ろに装着されるセンサ１は、図２に示す如く、全体的に
円盤状の形態からなるものである。そして、その中央部
のところには、円筒状の形態からなるものであって、上
記ステアリングシャフト２のテーパ部２１に嵌合される
取付部１１が設けられるようになっているものである。
従って、この取付部１１の内径部は、上記ステアリング
シャフト２のテーパ部２１と係合するように同じ形態か
らなるテーパ穴にて形成されるようになっているもので
ある。そして、この取付部１１の円筒部端面１１１のと
ころには、図１に示す如く、最終的に、これらセンサ１
等を上記ステアリングシャフト２のところに固定するた
めの固定ナット５が、上記ステアリングシャフト２の雄
ネジ部２３を介して装着（締結）されるようになってい
るものである。従って、これら円筒状の形態からなる本
取付部１１は、それ自体剛性が高いものであることが必
要とされるとともに、上記ステアリングシャフト２のテ
ーパ部２１に装着された状態において、その取付剛性も
十分に確保されるようになっているものである。すなわ
ち、固定ナット５の締め付け力に十分耐え得るようにな
っているものである。

【００１１】また、このような円筒状取付部１１を基礎
に、当該円筒状取付部１１の、その中心点を基点にし
て、本円筒状取付部１１の中心軸に対して直角方向の平
面内に、放射状に、かつ、対称形状に４本の支持部１２
が設けられるようになっているものである。この支持部
１２は、図２に示す如く、上記円筒状取付部１１のとこ
ろにつながる付け根の部分は、その断面形状が大きな、
すなわち、剛性の高い状態に形成されるようになってい
る。その一方、その先端部に行くに従って、断面形状が
小さくなり、最終的には弾性ビームからなる起歪部１３
につながるようになっているものである。すなわち、付
け根（根元）の部分は上記取付部１１と同様、剛性の高
い状態になっているものである。従って、これら支持部
１２の付け根の部分及び当該付け根の部分がつながる上
記円筒状の取付部１１の部分は、上記固定ナット５の強
い締付力に耐え得るだけの十分な剛性が確保されるよう
になっているものである。

【００１２】次に、上記構成からなる支持部１２の、そ
の先端部のところに設けられる起歪部１３は、上記支持
部１２と直交するように、かつ、当該支持部１２と同一
平面内に、４個設けられるようになっているものであ
る。そして、この起歪部１３は、本質的に、ある程度の
弾性変形をするようになっているものであり、本実施の
形態においては、四角形の断面形状を有する弾性ビーム
からなるものが採用されるようになっている。このよう
な起歪部１３の、その中央部のところが、上記支持部１
２と一体的に結合されるようになっているものである。
そして、このような弾性ビームからなる起歪部１３の、
その両端部のところには、ステアリングホイール３との
連結に供される連結部１４が設けられるようになってい
るものである。具体的には、図２に示す如く、所定のボ
ルト取付用の穴が設けられるようになっているものであ
り、このボルト取付穴からなる連結部１４のところに所
定のボルトからなる締結手段４が装着されるとともに、
当該締結手段４が、上記ステアリングホイール３のボス
部３１に形成された雌ネジ部３３のところに締結される
ことによって、本センサ１とステアリングホイール３と
の結合（連結）が成されるようになっているものであ
る。

【００１３】また、このような構成からなる本起歪部１
３のところには、図２に示す如く、その外周面並びに上
下の各面のところに所定の歪ゲージ６が装着されるよう
になっている。そして、このような歪ゲージ６の装着さ
れたセンサ１が、図１に示す如く、ステアリングシャフ
ト２のテーパ部２１のところに取付けられるとともに、
本センサ１の円筒状取付部１１の円筒部端面１１１のと
ころに固定ナット５が装着されることによって、ステア
リングシャフト２とステアリングホイール３との間に、
所定のセンサ１を有する本３軸荷重計測装置が形成され
るようになっているものである。そして更に、このよう
に、ステアリングシャフト２とステアリングホイール３
との間にセンサ１が装着された状態において、ステアリ
ングホイール３側から力（荷重）が加わると、上記セン
サ１を形成する起歪部１３のところが、図３ないし図５
に示す如く、３次元方向に弾性変形をし、所定の歪ゲー
ジ６のところに、歪み量に比例した信号を生じさせるこ
ととなる。

【００１４】このような歪ゲージ６のところで得られた
信号は、図７に示す如く、所定のアンプ装置７及びＡ／
Ｄ変換装置８等を介して所定のコンピュータ装置９に入
力されて所定の演算処理が成され、最終的に３軸方向の
入力荷重としてディスプレイ装置９９に表示されるよう
になっているものである。

【００１５】なお、このような構成からなる本センサ１
の上記ステアリングシャフト２上への取付部構造につい
ての、その変形例を、図６を基に説明する。このもの
も、その基本的な点は、上記図１に示すものと同じであ
る。その特徴とするところは、センサ１の取付部１１を
形成する円筒部のところの長さを長く採るとともに、当
該長く伸ばした円筒部のところに、ステアリングシャフ
ト２の先端部に形成されたスプライン部２２と係合する
内径スプライン部１１２を設けるようにしたことであ
る。これによって、本センサ１とステアリングシャフト
２とは、上記テーパ部における係合の外に、このスプラ
イン部２２、１１２を介してのスプライン結合も行なわ
れることとなるので、本センサ１を介しての、上記ステ
アリングシャフト２とステアリングホイール３との結合
が、より強固になり、実車走行テストにも、本荷重計測
装置を使用することができるようになる。

【００１６】次に、このような３軸荷重計測装置を用い
ての計測時における上記センサ１の各部の作用等につい
て説明する。すなわち、本実施の形態にかかるセンサ１
は、基本的に、円筒状の形態からなるものであって剛性
の高い取付部１１を基礎に、当該取付部１１と同一平面
内に設けられた支持部１２及び起歪部１３等からなるも
のである。そして、このような起歪部１３の両端部のと
ころにステアリングホイール３のボス部３１に連結され
る連結部１４が設けられるようになっているので、ステ
アリングホイール３に加わった荷重（力）は、上記起歪
部１３の両端部に設けられた連結部１４のところから、
起歪部１３、支持部１２、取付部１１へと順次伝達さ
れ、最後に剛性の高い取付部１１からステアリングシャ
フト２へと伝達されることとなる。また、剛性の高い円
筒状取付部１１と弾性変形をするビーム状の起歪部１３
との間をつなぐ支持部１２は、取付部１１のところは断
面形状の大きい、すなわち、剛性の高い状態となってい
るとともに、起歪部１３との接続部においては断面形状
の小さい、すなわち、起歪部１３の弾性変形に追従でき
る程度の剛性を有するようになっているものである。従
って、上記起歪部１３のところに所定の歪ゲージを装着
することによって、上記ステアリングホイール３からの
力（荷重）が入力した場合、上記弾性ビームからなる起
歪部１３のところが弾性変形をし、これによって、その
入力荷重が測定（計測）されることとなる。

【００１７】この荷重入力時における３軸方向の計測態
様について、図２ないし図５を基に説明する。まず、ス
テアリングホイール３の円周面内における放射軸方向の
一つであるＸ方向の荷重（Ｆｘ）に関しては、図３に示
す如く、お互いに向かい合う二つの起歪部１３ｘ、１３
ｘ’が、実線図示のように撓むこととなる。そして、こ
のとき、上記各起歪部１３ｘ、１３ｘ’の中央部のとこ
ろには、図２及び図３に示す如く、所定の歪ゲージ６、
６’が装着されているので、上記起歪部１３ｘ、１３
ｘ’の撓み変形によって、上記各歪ゲージ６、６’のと
ころには所定量の歪み量が検出されることとなる。そし
て、これら引張側と圧縮側とに設けられた両歪ゲージ
６、６’のところにて検出されたデータを基に、図７に
示すアンプ装置７、Ａ／Ｄ変換装置８を介することによ
って、最終的にコンピュータ装置９にて演算処理が成さ
れ、入力荷重（Ｆｘ）が算出されることとなる。

【００１８】次に、このＸ方向に対して直角方向である
Ｙ方向の荷重（Ｆｙ）の入力に関しては、上記Ｆｘの場
合と同様、相対向するように設けられた各起歪部１３
ｙ、１３ｙ’が撓み変形をする。このとき、各起歪部１
３ｙ、１３ｙ’のところには、図２及び図４に示す如
く、歪ゲージ６、６’が設けられているので、上記起歪
部１３ｙ、１３ｙ’の撓み変形に応じて、上記各歪ゲー
ジ６、６’のところには歪信号（データ）が生ずること
となる。これら各データを基に、アンプ装置７による増
幅等がなされ、最終的にコンピュータ装置９における演
算処理が成されて、入力荷重（Ｆｙ）の値が算出される
こととなる。

【００１９】次に、上記ステアリングシャフト２の、そ
の軸方向であるＺ方向の荷重（Ｆｚ）の入力に関して
は、当該入力荷重（Ｆｚ）に対して、各起歪部１３は、
図５の実線図示のように撓むこととなる。そして、この
場合、各起歪部１３の上下の面のところには、図２及び
図５に示す如く、所定の歪ゲージ６、６’が設けられて
いるので、上記各起歪部１３の撓み変形に応じて、上記
各歪ゲージ６、６’のところには、所定の歪データ（信
号）が発生することとなる。この歪データを基に、図７
に示すようなアンプ装置７、Ａ／Ｄ変換装置８を介し
て、最終的にコンピュータ装置９にて所定の演算処理が
成されて、Ｆｚの値が算出されることとなる。なお、こ
のＦｚの値の算出に当っては、上記一組の歪ゲージ６、
６’は、４箇所に形成された各起歪部１３のところに装
着されるようになっているので、この４組の歪ゲージ
６、６’からのデータを基に演算処理が成されて、正確
なＺ方向の荷重（Ｆｚ）が算出されることとなる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、ステアリングホイール
への入力荷重を、その３軸方向にて計測するステアリン
グホイール用３軸荷重計測装置に関して、上記ステアリ
ングホイールとステアリングシャフトとの結合部のとこ
ろに設けられるセンサを、上記ステアリングシャフトの
先端部のところに取付けられる円筒状の取付部と、当該
円筒状の取付部を基礎に、当該円筒状取付部の中心軸に
対して放射状に、かつ、対称形に設けられるとともに、
その断面形状が、上記円筒状取付部の付け根のところか
ら先端部に行くに従って徐々に小さくなるように形成さ
れた支持部と、当該支持部の先端部のところに、当該支
持部と直交するように、かつ、当該支持部と同一平面内
に設けられるものであって、弾性ビームからなるととも
に、その両端部のところにステアリングホイールへの連
結に供せられる連結部を有する起歪部と、からなるよう
にしたので、その取付部を初めとした各部が同一平面内
にまとめられるようになり、全体の厚みを薄くすること
ができるようになった。従って、このようなセンサを上
記ステアリングシャフトとステアリングホイールとの結
合部のところに設けることにより、上記ステアリングホ
イールのホイール面のドライバ側あるいはダミー側への
突出量を、非常に小さな値に制御することができるよう
になった。その結果、このようなセンサを用いることに
より、実車と同じ状態でシミュレーション試験を行なう
ことができるようになり、実車での衝突試験等を行なう
ことができるようになった。

【００２１】また、本発明のものにおいては、上記基点
となる取付部は円筒状の形態からなるものであるので、
ステアリングシャフトへの取付剛性を高めることができ
るとともに、この取付部に連続して設けられる支持部
は、その取付部へのつなぎの部分を断面形状の大きな、
すなわち、剛性の高い状態に形成し、一方、起歪部につ
ながる先端部のところは、当該起歪部の弾性変形に追従
できる程度の低い剛性からなるようにし、これら取付部
と起歪部との間を、先端部に行くに従って、その断面形
状が除々に小さくなるように変化させるようにしたの
で、高い剛性の要求される取付部と、ある程度の弾性変
形の要求される起歪部との間を、少ないスペース内に収
めることができるようになった。その結果、本センサを
小形化することができるようになり、このようなセンサ
を上記ステアリングシャフトとステアリングホイールと
の間に取付けることによって、実車と同じような状態に
てシミュレーション試験を行なうことができるようにな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるセンサの装着状態を示す縦断面
図である。

【図２】本発明の主要部を成すセンサの全体構成を示す
斜視図である。

【図３】本発明にかかるセンサの作動状態、特にＸ方向
の荷重入力時における変形状態を示す図である。

【図４】本発明にかかるセンサの作動状態、特にＹ方向
の荷重入力時における変形状態を示す図である。

【図５】本発明にかかるセンサの作動状態、特にＺ方向
の荷重入力時のにおける変形状態を示す図である。

【図６】本発明にかかるセンサの装着状態に関する、そ
の変形例を示す縦断面図である。

【図７】本発明の全体構成を示す概念図である。

【図８】従来例の全体構成を示す図である。

【符号の説明】

１センサ１１取付部（円筒状取付部）１１１円筒部端面１１２内径スプライン部１２支持部１３起歪部１３ｘ起歪部１３ｙ起歪部１３’ 起歪部１３ｘ’ 起歪部１３ｙ’ 起歪部１４連結部２ステアリングシャフト２１テーパ部２２スプライン部２３雄ネジ部３ステアリングホイール３１ボス部３３雌ネジ部４締結手段５固定ナット６歪ゲージ６’ 歪ゲージ７アンプ装置８Ａ／Ｄ変換装置９コンピュータ装置９９ディスプレイ装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０１Ｌ 5/00 Ｇ０１Ｌ 5/00 ＦＧ０１Ｍ 7/08 Ｇ０１Ｍ 7/00 Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステアリングホイールに力（荷重）が加
わったときに、当該ステアリングホイールへの入力荷重
を、その３軸方向にて計測するステアリングホイール用
３軸荷重計測装置において、上記ステアリングホイール
とステアリングシャフトとの結合部のところに設けられ
るセンサを、上記ステアリングシャフトの先端部のとこ
ろに取付けられる円筒状の取付部と、当該円筒状の取付
部を基礎に、当該円筒状取付部の中心軸に対して放射状
に、かつ、対称形に設けられるとともに、その断面形状
が、上記円筒状取付部の付け根のところから先端部に行
くに従って徐々に小さくなるように形成された支持部
と、当該支持部の先端部のところに、当該支持部と直交
するように、かつ、当該支持部と同一平面内に設けられ
るものであって、弾性変形可能なビームからなる起歪部
と、当該起歪部の、その両端部のところに設けられるも
のであってステアリングホイールへの連結に供せられる
連結部と、からなるようにするとともに、これら各部が
一体的に形成されるようにしたことを特徴とするステア
リングホイール用３軸荷重計測装置。