特許第6427034号(P6427034)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6427034
(24)【登録日】2018年11月2日
(45)【発行日】2018年11月21日
(54)【発明の名称】トルク検出装置、及びトルク検出方法
(51)【国際特許分類】
   G01L 3/14 20060101AFI20181112BHJP
   G01L 5/00 20060101ALI20181112BHJP
【FI】
   G01L3/14 Z
   G01L5/00 K
【請求項の数】6
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2015-37723(P2015-37723)
(22)【出願日】2015年2月27日
(65)【公開番号】特開2016-161306(P2016-161306A)
(43)【公開日】2016年9月5日
【審査請求日】2017年8月10日
(73)【特許権者】
【識別番号】000005083
【氏名又は名称】日立金属株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000004204
【氏名又は名称】日本精工株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002583
【氏名又は名称】特許業務法人平田国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100071526
【弁理士】
【氏名又は名称】平田 忠雄
(74)【代理人】
【識別番号】100099597
【弁理士】
【氏名又は名称】角田 賢二
(74)【代理人】
【識別番号】100124235
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 恵子
(74)【代理人】
【識別番号】100124246
【弁理士】
【氏名又は名称】遠藤 和光
(74)【代理人】
【識別番号】100128211
【弁理士】
【氏名又は名称】野見山 孝
(74)【代理人】
【識別番号】100145171
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 浩行
(72)【発明者】
【氏名】中村 晃之
(72)【発明者】
【氏名】佐野 博久
(72)【発明者】
【氏名】池田 幸雄
(72)【発明者】
【氏名】小野 潤司
(72)【発明者】
【氏名】植田 徹
【審査官】 岡田 卓弥
(56)【参考文献】
【文献】 特開2010−2204(JP,A)
【文献】 特開2006−52994(JP,A)
【文献】 特開2001−289719(JP,A)
【文献】 特開平6−3206(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2010/0282001(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01L 3/00− 5/28
G01D 5/00− 5/252
G01D 5/39− 5/62
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転するシャフトと、前記シャフトを保持する軸受と、を有し、前記軸受に掛かる荷重が、前記シャフトのトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出装置であって、
荷重に応じて透磁率が変化するコア部と、前記コア部に巻かれたコイルと、を有し、前記軸受の周囲に設けられて、前記コア部のみにより前記軸受を支持する複数の軸受支持部と、
前記複数の軸受支持部のコイルに高周波信号を印加する発信器と、
前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出する測定器と、
前記測定器により検出したインダクタンスの変化から、前記軸受に掛かる荷重を算出して、前記シャフトのトルクを検出する処理装置と、を備えた、
トルク検出装置。
【請求項2】
前記軸受支持部を4つ以上備え、
前記複数の軸受支持部のコイルは、ブリッジ回路を構成し、
前記測定器は、前記ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出する、
請求項1に記載のトルク検出装置。
【請求項3】
前記複数の軸受支持部は、前記軸受に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とで対称に配置され、
前記ブリッジ回路は、負荷側の前記複数の軸受支持部のコイル同士が対角線上に配置され、無負荷側の前記複数の軸受支持部のコイル同士が対角線上に配置された、
請求項2に記載のトルク検出装置。
【請求項4】
回転するシャフトと、前記シャフトを保持する軸受と、を有し、前記軸受に掛かる荷重が、前記シャフトのトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出方法であって、
荷重に応じて透磁率が変化するコア部と、前記コア部に巻かれたコイルと、を有する複数の軸受支持部を、前記軸受の周囲に設け、
前記複数の軸受支持部のコイルに高周波信号を印加し、
前記複数の軸受支持部の前記コア部のみにより前記軸受を支持しながら、
前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出し、
検出したインダクタンスの変化から、前記軸受に掛かる荷重を算出して、前記シャフトのトルクを検出する、
トルク検出方法。
【請求項5】
前記軸受支持部を4つ以上設け、
前記複数の軸受支持部のコイルにより、ブリッジ回路を構成し、
前記ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出する、
請求項4に記載のトルク検出方法。
【請求項6】
前記複数の軸受支持部を、前記軸受に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とで対称に配置し、
前記ブリッジ回路において、負荷側の前記複数の軸受支持部のコイル同士を対角線上に配置し、無負荷側の前記複数の軸受支持部のコイル同士を対角線上に配置した、
請求項5に記載のトルク検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転するシャフトと、シャフトを保持する軸受とを有する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出装置、及びトルク検出方法に関する。
【背景技術】
【0002】
転がり軸受等の各種軸受は、種々の機械装置に利用されている。機械装置の設計の際には、機械装置の運転時に軸受に加えられる荷重を考慮して、軸受の耐久性を判断する必要がある。従来、例えば、軸受の軌道輪に軌道面と平行に凹溝を形成して、凹溝の底面に歪みゲージを添着し、歪みゲージの検出信号に基づいて軸受に加わる荷重を算出することが行われていた(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平9−61268号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
例えば、自動車のトランスミッション等のシャフトでは、シャフトに連結されたギヤの反力により、シャフトのトルクに比例した荷重が、シャフトを保持する軸受に負荷される。トランスミッションの変速制御を効率良く行って、燃費を向上させるためには、トランスミッションのシャフトのトルクを精度良く検出することが望まれるが、従来はそのようなシャフトのトルクを高精度に検出する手段がなかった。
【0005】
本発明は、回転するシャフトのトルクを精度良く検出することができるトルク検出装置、及びトルク検出方法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】
本発明は、上記課題を解決することを目的として、回転するシャフトと、前記シャフトを保持する軸受と、を有し、前記軸受に掛かる荷重が、前記シャフトのトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出装置であって、荷重に応じて透磁率が変化するコア部と、前記コア部に巻かれたコイルと、を有し、前記軸受の周囲に設けられて、前記コア部のみにより前記軸受を支持する複数の軸受支持部と、前記複数の軸受支持部のコイルに高周波信号を印加する発信器と、前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出する測定器と、前記測定器により検出したインダクタンスの変化から、前記軸受に掛かる荷重を算出して、前記シャフトのトルクを検出する処理装置と、を備えた、トルク検出装置を提供する。
【0007】
また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、回転するシャフトと、前記シャフトを保持する軸受と、を有し、前記軸受に掛かる荷重が、前記シャフトのトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出方法であって、荷重に応じて透磁率が変化するコア部と、前記コア部に巻かれたコイルと、を有する複数の軸受支持部を、前記軸受の周囲に設け、前記複数の軸受支持部のコイルに高周波信号を印加し、前記複数の軸受支持部の前記コア部のみにより前記軸受を支持しながら、前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出し、検出したインダクタンスの変化から、前記軸受に掛かる荷重を算出して、前記シャフトのトルクを検出する、トルク検出方法を提供する。

【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、回転するシャフトのトルクを精度良く検出することができるトルク検出装置、及びトルク検出方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】シャフトと転がり軸受とを有する回転伝達装置の斜視図である。
図2】転がり軸受に掛かる荷重を説明する図である。
図3】本発明の一実施の形態に係るトルク検出装置の荷重検出部の斜視図である。
図4】軸受支持部の斜視図である。
図5】軸受支持部の配置を示す図である。
図6】本発明の一実施の形態に係るトルク検出装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
(回転伝達装置)
図1は、シャフトと転がり軸受とを有する回転伝達装置の斜視図である。シャフト1は、例えば、自動車のトランスミッションに使用され、図示しない変速ギヤがシャフト1に連結されている。後述する荷重検出部10の内部には、転がり軸受2が収納されており、転がり軸受2により、シャフト1が保持されている。シャフト1が回転すると、シャフト1に連結された変速ギヤの反力により、シャフト1のトルクに比例した荷重が、シャフト1を保持する転がり軸受2に負荷される。荷重の方向は、シャフト1に連結された変速ギヤが他のギヤと噛み合う方向に応じて変化する。図1では、転がり軸受2に対して、矢印で示す下方向へ荷重が負荷されている。
【0011】
図2は、転がり軸受に掛かる荷重を説明する図である。図1に示すように、転がり軸受2に下方向へ荷重が負荷された場合、転がり軸受2の上側半分では、荷重が掛からない無負荷状態となり、転がり軸受2の下側半分では、荷重が掛かった負荷状態となる。そして、転がり軸受2の負荷側では、荷重が矢印で示すように半径方向へ分散され、シャフト1の真下に掛かる荷重が一番大きくなる。
【0012】
[実施の形態]
図3は、本発明の一実施の形態に係るトルク検出装置の荷重検出部10の斜視図である。荷重検出部10の筐体13の内部には、図示しない転がり軸受が収納されている。図示しない転がり軸受の外側には、軸受支持部12の台座となるリング11が設けられている。リング11は、円環状で、金属等の強度の高い材料で構成されている。リング11の内壁には、図示しない転がり軸受を支持する、複数の軸受支持部12が取り付けられている。各軸受支持部12は、圧入等の手段により、リング11に固定されている。
【0013】
図4は、軸受支持部12の斜視図である。軸受支持部12は、コア部21にコイル22を巻いて構成されている。コア部21は、荷重が掛かると透磁率が変化する金属等の導電性材料、例えば、SS400等の一般構造用圧延鋼材、SNCM616等のニッケルクロムモリブデン鋼鋼材等からなる。コイル22に高周波信号を印加した状態で、コア部21に転がり軸受2から荷重が加わると、コア部21の透磁率が変化して、コイル22のインダクタンスが変化する。
【0014】
図5は、軸受支持部12の配置を示す図である。本実施の形態では、L1〜L10の10個の軸受支持部12が設けられている。L1〜L5の5つの軸受支持部12は、図2に示した荷重が掛かった負荷側に配置されている。その内の1つの軸受支持部12(L1)は、シャフト1の真下の荷重が一番大きな位置に配置されている。そして、5つの軸受支持部12(L1〜L5)は、同一円周上に、互いに同じ角度で等間隔に配置されている。
【0015】
L6〜L10の5個の軸受支持部12は、図2に示した荷重が掛からない無負荷側に配置されている。負荷側の軸受支持部12(L1〜L5)と、無負荷側の軸受支持部12(L6〜L10)とは、シャフト1の中心を挟んで、上下対称に配置されている。
【0016】
図6は、本発明の一実施の形態に係るトルク検出装置の概略構成を示す図である。本実施の形態では、L1〜L10の10個の軸受支持部12のコイル22により、ブリッジ回路が構成されている。負荷側の軸受支持部12(L1)のコイル22と、無負荷側の軸受支持部12(L7〜L10)のコイル22群とが直列に接続されている。また、無負荷側の軸受支持部12(L6)のコイル22と、負荷側の軸受支持部12(L2〜L5)のコイル22群とが直列に接続されている。そして、前者の直列接続されたコイル22群と、後者の直列接続されたコイル22群とが、並列に接続されている。
【0017】
発信器30は、ブリッジ回路の両端に、高周波信号を印加する。電圧測定器40は、負荷側の軸受支持部12(L1)のコイル22と、無負荷側の軸受支持部12(L7〜L10)のコイル22群との中間点、及び、無負荷側の軸受支持部12(L6)のコイル22と、負荷側の軸受支持部12(L2〜L5)のコイル22群との中間点の電位差を測定することにより、負荷側の軸受支持部12(L1〜L5)のインダクタンスの変化を検出する。
【0018】
このブリッジ回路では、中間点に対し、負荷側の軸受支持部12(L1)のコイル22と、負荷側の軸受支持部12(L2〜L5)のコイル22群とが対角線上に配置され、無負荷側の軸受支持部(L6)のコイル22と、無負荷側の軸受支持部(L7〜L10)のコイル22群とが対角線上に配置されている。シャフト1が回転を停止して、転がり軸受2に荷重が掛からない状態では、各軸受支持部12(L1〜L10)のコイル22のインダクタンスは全て等しい。従って、ブリッジ回路の中間点に電位差は発生しない。
【0019】
シャフト1が回転して、転がり軸受2に荷重が掛かっても、転がり軸受2から荷重が加わらない無負荷側の各軸受支持部12(L6〜L10)のコイル22のインダクタンスは変化しない。従って、軸受支持部12(L6)のコイル22のインダクタンスと、対角線上に配置した軸受支持部12(L7〜L10)のコイル22群の合計インダクタンスとの積の値も、変化しない。
【0020】
一方、シャフト1が回転して、転がり軸受2に荷重が掛かると、転がり軸受2から負荷側の各軸受支持部12(L1〜L5)に荷重が加わり、負荷側の各軸受支持部12(L1〜L5)のコイル22のインダクタンスが変化する。そして、各軸受支持部12(L1〜L5)のコイル22のインダクタンスの変化が微小であっても、軸受支持部12(L1)のコイル22のインダクタンスと、対角線上に配置した軸受支持部12(L2〜L5)のコイル22群の合計インダクタンスとの積の値は、大きく変化する。従って、負荷側の各軸受支持部12(L1〜L5)のコイル22のインダクタンスの変化が微小であっても、ブリッジ回路の中間点には、大きな電位差が発生する。処理装置50は、電圧測定器40が検出した負荷側の軸受支持部12(L1〜L5)のインダクタンスの変化から、転がり軸受2に掛かる荷重を算出して、シャフト1のトルクを検出する。
【0021】
(実施の形態の作用及び効果)
以上説明した実施の形態によれば、以下のような作用及び効果が得られる。
【0022】
(1)荷重に応じて透磁率が変化するコア部21と、コア部21に巻かれたコイル22と、を有する複数の軸受支持部12を、転がり軸受2の周囲に設け、複数の軸受支持部12のコイル22に高周波信号を印加し、複数の軸受支持部12のコア部21により転がり軸受2を支持しながら、複数の軸受支持部12のコイル22のインダクタンスの変化を検出し、検出したインダクタンスの変化から、転がり軸受2に掛かる荷重を算出して、シャフト1のトルクを検出することにより、回転するシャフト1のトルクを精度良く検出することができる。
【0023】
(2)軸受支持部12を4つ以上設け、複数の軸受支持部12のコイル22により、ブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定することにより、軸受支持部12のコイル22のインダクタンスの変化を、容易に検出することができる。
【0024】
(3)複数の軸受支持部12を、転がり軸受12に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とで対称に配置し、ブリッジ回路において、負荷側の複数の軸受支持部12のコイル22同士を対角線上に配置し、無負荷側の複数の軸受支持部12のコイル22同士を対角線上に配置することにより、負荷側の軸受支持部12のコイル22のインダクタンスの微小な変化を、高精度に測定することができる。従って、回転するシャフト1のトルクを、さらに精度良く検出することができる。
【0025】
(実施の形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
【0026】
[1]回転するシャフト(1)と、シャフト(1)を保持する軸受(2)と、を有し、軸受(2)に掛かる荷重が、シャフト(1)のトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出装置であって、荷重に応じて透磁率が変化するコア部(21)と、コア部(21)に巻かれたコイル(22)と、を有し、軸受(2)の周囲に設けられて、コア部(21)により軸受(2)を支持する複数の軸受支持部(12)と、複数の軸受支持部(12)のコイル(22)に高周波信号を印加する発信器(30)と、複数の軸受支持部(12)のコイル(22)のインダクタンスの変化を検出する測定器(40)と、測定器(40)により検出したインダクタンスの変化から、軸受(2)に掛かる荷重を算出して、シャフト(1)のトルクを検出する処理装置(50)と、を備えた、トルク検出装置。
【0027】
[2]軸受支持部(12)を4つ以上備え、複数の軸受支持部(12)のコイル(22)は、ブリッジ回路を構成し、測定器(40)は、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、複数の軸受支持部(12)のコイル(22)のインダクタンスの変化を検出する、トルク検出装置。
【0028】
[3]複数の軸受支持部(12)は、軸受(2)に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とで対称に配置され、ブリッジ回路は、負荷側の複数の軸受支持部(12)のコイル(22)同士が対角線上に配置され、無負荷側の複数の軸受支持部(12)のコイル(22)同士が対角線上に配置された、トルク検出装置。
【0029】
[4]回転するシャフト(1)と、シャフト(1)を保持する軸受(2)と、を有し、軸受(2)に掛かる荷重が、シャフト(1)のトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出方法であって、荷重に応じて透磁率が変化するコア部(21)と、コア部(21)に巻かれたコイルと、を有する複数の軸受支持部(12)を、軸受(2)の周囲に設け、複数の軸受支持部(12)のコイル(22)に高周波信号を印加し、複数の軸受支持部(12)のコア部(21)により軸受(2)を支持しながら、複数の軸受支持部(12)のコイル(22)のインダクタンスの変化を検出し、検出したインダクタンスの変化から、軸受(2)に掛かる荷重を算出して、シャフト(1)のトルクを検出する、トルク検出方法。
【0030】
[5]軸受支持部(12)を4つ以上設け、複数の軸受支持部(12)のコイル(22)により、ブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、複数の軸受支持部(12)のコイル(22)のインダクタンスの変化を検出する、トルク検出方法。
【0031】
[6]複数の軸受支持部(12)を、軸受(2)に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とで対称に配置し、ブリッジ回路において、負荷側の複数の軸受支持部(12)のコイル(22)同士を対角線上に配置し、無負荷側の複数の軸受支持部(12)のコイル(22)同士を対角線上に配置した、トルク検出方法。
【0032】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【0033】
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、軸受支持部12の数及び配置は、上記に限らず、適宜変更することができる。また、複数の軸受支持部12のコイル22の接続や配列は、上記に限るものではない。
【符号の説明】
【0034】
1…シャフト
2…転がり軸受
10…荷重検出部
11…リング
12…軸受支持部
13…筐体
21…コア部
22…コイル
30…発信器
40…電圧測定器
50…処理装置
図1
図2
図3
図4
図5
図6