特許 7067297 トルク測定装置

(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】

(24)【登録日】2022-05-06

(45)【発行日】2022-05-16

(54)【発明の名称】トルク測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/10 20060101AFI20220509BHJP

【ＦＩ】

G01L3/10 301Z

G01L3/10 305

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018114125

(22)【出願日】2018-06-15

(65)【公開番号】P2019219169

(43)【公開日】2019-12-26

【審査請求日】2021-05-19

(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】110000811

【氏名又は名称】特許業務法人貴和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福田 晃大

(72)【発明者】

【氏名】小野 潤司

(72)【発明者】

【氏名】豊田 俊郎

(72)【発明者】

【氏名】岡田 伸治

【審査官】大森 努

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－０５２９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３２１２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－０８１６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３１４６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１９１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２２５１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１３７０５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２３２３７７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ３／００－３／２６，５／００

Ｇ０１Ｄ ５／００－５／２５２，５／３９－５／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

使用時にトルクを伝達し、伝達するトルクに応じて透磁率が変化する磁歪効果部を有する回転軸と、
前記磁歪効果部に近接配置された状態で、使用時にも回転しない部分に支持され、自身の検出部を通過しかつ前記磁歪効果部の透磁率によって変化する磁束に応じて出力信号を変化させる磁歪センサと、
それぞれの被検出面の特性を円周方向に関して交互に変化させ、前記回転軸に対して直接又は他の部材を介して支持された１対のエンコーダと、
前記エンコーダのそれぞれの被検出面に検出部を対向させた状態で、使用時にも回転しない部分に支持された１対の磁気センサと、
前記磁歪センサの出力信号に基づいて前記回転軸が伝達するトルクを求める第一の機能と、前記１対の磁気センサの出力信号同士の間の位相差に基づいて前記回転軸が伝達するトルクを求める第二の機能を有する、演算器と、
を備えたトルク測定装置。

【請求項2】

前記演算器は、前記回転軸の回転速度に応じて、前記第一の機能により求めた値と前記第二の機能により求めた値との何れか一方を選択し、前記回転軸が伝達するトルクの値とする、請求項１に記載したトルク測定装置。

【請求項3】

前記演算器は、前記回転軸の回転速度が０から所定値Ｎ以下の間は、前記第一の機能により求めた値を前記回転軸が伝達するトルクの値とし、前記回転軸の回転速度が前記所定値Ｎよりも大きい場合に、前記第二の機能により求めた値を前記回転軸が伝達するトルクの値とする、請求項２に記載したトルク測定装置。

【請求項4】

前記演算器は、第三の機能として、前記回転軸の回転速度が所定の速度域にある場合に、前記第一の機能により求めた値と前記第二の機能により求めた値との両方を利用して、前記回転軸が伝達するトルクを求める機能を有する、請求項１に記載したトルク測定装置。

【請求項5】

前記演算器は、前記回転軸の回転速度が０から所定値Ｎ１までの速度域では、前記第一の機能により求めた値を前記回転軸が伝達するトルクの値とし、前記回転軸の回転速度が前記所定値Ｎ１から所定値Ｎ２までの速度域では、前記第三の機能により求めた値を前記回転軸が伝達するトルクの値とし、前記回転軸の回転速度が前記所定値Ｎ２よりも大きい速度域では、前記第二の機能により求めた値を前記回転軸が伝達するトルクの値とする、請求項４に記載したトルク測定装置。

【請求項6】

前記演算器が有する前記第三の機能は、前記第一の機能により求めた値と前記第二の機能により求めた値との算術平均の値を、前記回転軸が伝達するトルクの値とするものである、請求項４～５のうちのいずれか１項に記載したトルク測定装置。

【請求項7】

前記演算器が有する前記第三の機能は、前記第一の機能により求めた値と前記第二の機能により求めた値とを前記回転軸の回転速度に応じてそれぞれ重み付けした加重平均値を、前記回転軸が伝達するトルクの値とするものである、請求項４～５のうちのいずれか１項に記載したトルク測定装置。

【請求項8】

前記第一の機能により求めた値を前記回転軸の回転速度が小さいほど大きく重み付けし、前記第二の機能により求めた値を前記回転軸の回転速度が大きいほど大きく重み付けする、請求項７に記載したトルク測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば自動車用自動変速機に組み込んで、トルクを伝達するとともに、伝達するトルクの大きさを測定するために利用する、トルク測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、自動車の高効率化、低燃費化を進めるべく、エンジンの最適な出力制御（ハイブリッド自動車におけるモータと同調した出力制御を含む）を行うために、エンジンの出力トルクの大きさを測定することが求められている。エンジンの出力トルクの大きさを測定する方法としては、例えば、エンジンの下流側に存在する何れかの回転軸によって伝達されるトルクの大きさを測定することが考えられる。

【0003】

一方、回転軸が伝達しているトルクを測定する方法としては、従来からパルス位相差式の測定方法と磁歪式の測定方法が知られている。

【0004】

パルス位相差式の測定方法は、例えば特開昭６３－８２３３０号公報に記載されているように、回転軸の軸方向に離隔した２個所位置に１対のエンコーダを固定し、エンコーダのそれぞれの被検出面に磁気センサの検出部を対向させる。エンコーダの被検出面の特性は、円周方向に関して交互にかつ等ピッチで変化している。このため、１対の磁気センサの出力信号は、回転軸とともに１対のエンコーダが回転することに伴いそれぞれ周期的に変化する。また、回転軸にトルクが加わることで、回転軸に弾性的な捩れ変形が生じると、１対の磁気センサの出力信号同士の位相差が変化する。この位相差は、トルク（回転軸の弾性的な捩れ変形量）に見合った値をとるため、この関係を利用して、回転軸が伝達しているトルクを求めることができる。

【0005】

磁歪式の測定方法は、例えば特開昭５９－６１７３０号公報に記載されているように、回転軸の外周面に磁歪材を設けるとともに、磁歪材の近傍に磁歪材の透磁率の変化を検出するための磁歪センサを配置する。回転軸にトルクが加わり、磁歪材に弾性的な捩れ変形が生じると、逆磁歪効果に基づいて磁歪材に透磁率の変化が生じる。これにより、磁歪センサの出力信号が、磁歪材の透磁率の変化に応じて変化するため、回転軸が伝達しているトルクを求めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開昭６３－８２３３０号公報

【文献】特開昭５９－６１７３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

回転軸が伝達するトルクを求めるために、パルス位相差式の測定方法を利用する場合、回転軸の回転速度が０min^-1（ｒｐｍ）である、換言すれば、回転軸が停止している条件下では、磁気センサの出力信号にパルスが発生しないため、回転軸に加わるトルクを測定することができなくなる。また、トルクの測定周波数は、パルスの発生周波数に制限されるため、回転軸の回転速度が低速である場合には、トルクを精度良く測定することが難しくなる。

【0008】

これに対し、回転軸が伝達するトルクを求めるために、磁歪式の測定方法を利用する場合、磁歪センサの出力信号は、ロックインアンプ回路を通過して出力されるが、このロックインアンプ回路内には、ローパスフィルタが設けられている。このため、磁歪式の測定方法は、応答性が低下しやすく、出力信号に時間的な遅れが生じやすくなる。

【0009】

本発明は、上述のような事情に鑑み、回転軸が停止している状態から高速回転している状態までの広い範囲で安定してトルクを測定できる、トルク測定装置の構造を実現すべく発明したものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明のトルク測定装置は、回転軸と、磁歪センサと、１対のエンコーダと、１対の磁気センサと、演算器を備えている。
前記回転軸は、使用時にトルクを伝達するものであり、伝達するトルクに応じて透磁率が変化する磁歪効果部を有している。
前記磁歪センサは、前記磁歪効果部に近接配置された状態で、使用時にも回転しない部分に支持されており、自身の検出部を通過しかつ前記磁歪効果部の透磁率によって変化する磁束に応じて出力信号を変化させるものである。
前記１対のエンコーダは、前記回転軸に対して直接又は他の部材を介して支持されており、それぞれの被検出面の特性を円周方向に関して交互に変化させている。
前記１対の磁気センサは、使用時にも回転しない部分に支持されており、前記エンコーダのそれぞれの被検出面に検出部を対向させている。
前記演算器は、前記磁歪センサの出力信号に基づいて前記回転軸が伝達するトルクを求める第一の機能と、前記１対の磁気センサの出力信号同士の位相差に基づいて前記回転軸が伝達するトルクを求める第二の機能を有している。

【0011】

本発明では、前記演算器を、前記回転軸の回転速度に応じて、前記第一の機能により求めた値と前記第二の機能により求めた値との何れか一方を選択し、前記回転軸が伝達するトルクの値とするものとすることができる。

【0012】

本発明では、前記演算器を、前記回転軸の回転速度が０min^-1から所定値Ｎ以下の間は、前記第一の機能により求めた値を前記回転軸が伝達するトルクの値とし、前記回転軸の回転速度が前記所定値Ｎよりも大きい場合には、前記第二の機能により求めた値を前記回転軸が伝達するトルクの値とするものとすることができる。

【0013】

本発明では、前記演算器を、第三の機能として、前記回転軸の回転速度が所定の速度域にある場合に、前記第一の機能により求めた値と前記第二の機能により求めた値との両方を利用して、前記回転軸が伝達するトルクを求める機能を有するものとすることができる。
この場合には、前記演算器を、前記トルク伝達軸の回転速度が０min^-1から所定値Ｎ１までの速度域（低速域、極低速域）では、前記第一の機能により求めた値を、前記回転軸が伝達するトルクの値とし、前記回転軸の回転速度が前記所定値Ｎ１から所定値Ｎ２までの速度域（中速域）では、前記第三の機能により求めた値を、前記回転軸が伝達するトルクの値とし、前記回転軸の回転速度が前記所定値Ｎ２よりも大きい速度域（高速域）では、前記第二の機能により求めた値を、前記回転軸が伝達するトルクの値とするものとすることができる。

【0014】

本発明では、前記第三の機能を、前記第一の機能により求めた値と前記第二の機能により求めた値との算術平均（相加平均）の値を、前記回転軸が伝達するトルクの値とするものとすることができる。
あるいは、前記第三の機能を、前記第一の機能により求めた値と前記第二の機能により求めた値とを前記回転軸の回転速度に応じてそれぞれ重み付けした加重平均値を、前記回転軸が伝達するトルクの値とするものとすることができる。
この場合には、前記第一の機能により求めた値を前記回転軸の回転速度が小さいほど大きく重み付けし、前記第二の機能により求めた値を前記回転軸の回転速度が大きいほど大きく重み付けすることができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明のトルク測定装置によれば、回転軸が停止している状態から高速回転している状態までの広い範囲で、安定してトルクを測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、実施の形態の第１例にかかるトルク測定装置を示す断面図である。

【図2】図２は、実施の形態の第１例に関して、回転速度と演算器が採用するトルクの算出方法との関係を示す図である。

【図3】図３は、実施の形態の第２例に関する、図２と同様の図である。

【図4】図４は、実施の形態の第３例に関する、図２と同様の図である。

【図5】図５は、実施の形態の第４例を示す、演算器が算出する相乗平均値及び算術平均値（加重平均値）とトルクの実測値との関係を示す、模式図である。

【図6】図６は、実施の形態の第５例にかかるトルク測定装置の一部を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

［実施の形態の第１例］
実施の形態の第１例について、図１及び図２を用いて説明する。本例のトルク測定装置１は、回転軸２と、１対のエンコーダ３ａ、３ｂと、１対の磁気センサ（ホールセンサ、ＭＲセンサ）４ａ、４ｂと、１個の磁歪センサ５と、演算器６を備えている。

【0018】

回転軸２は、全体が中空筒状に構成されており、内径が軸方向にわたり一定である。また、回転軸２は、軸方向中間部に、軸方向両側に隣接する部分よりも外径が小さく剛性の低い小径軸部７を有している。回転軸２のうちで、小径軸部７を挟んだ軸方向両側部には、１対の歯車８ａ、８ｂが、スプライン係合などにより、回転軸２と同期した回転を可能に支持されている。

【0019】

本例では、回転軸２を構成する小径軸部７を磁歪効果部として機能させる。このため、回転軸２を磁性金属製としている。磁性金属としては、例えば、ＪＩＳに規定されている、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０などの浸炭鋼、Ｓ４５Ｃなどの炭素鋼といった各種磁性鋼を使用することができる。回転軸２にトルクが加わり、小径軸部７に捩れ変形が生じると、小径軸部７にトルクに応じた応力（軸方向に対して４５゜方向の引っ張り応力、及び、これと直交する方向の圧縮応力）が作用することに伴って、逆磁歪効果により、小径軸部７の各方向の透磁率がそれぞれ変化する。
なお、小径軸部７それ自体を磁歪効果部として機能させずに、小径軸部７の外周面に、磁歪効果部として機能する、回転軸２とは別体の磁歪材を固定することもできる。この場合には、円環状に構成した磁歪材を小径軸部７に外嵌固定することもできるし、めっきなどの被膜やフィルム状の磁歪材を小径軸部７の外周面に固定することもできる。

【0020】

回転軸２の軸方向両端部は、使用時にも回転しない部分であるケーシング（ハウジング）９に対して、１対の転がり軸受１０ａ、１０ｂを介して回転自在に支持されている。１対の転がり軸受１０ａ、１０ｂのうち、一方（図１の左方）の第１の転がり軸受１０ａは、内輪１１ａを回転軸２の軸方向片端部（図１の左端部）に外嵌固定し、外輪１２ａをケーシング９に内嵌固定している。これに対し、１対の転がり軸受１０ａ、１０ｂのうち、他方（図１の右方）の第２の転がり軸受１０ｂは、内輪１１ｂを回転軸２の軸方向他端部（図１の右端部）に外嵌固定し、外輪１２ｂをケーシング９に内嵌固定している。

【0021】

図示の例では、転がり軸受１０ａ、１０ｂとして、転動体が玉である玉軸受を使用しているが、転動体としてころや円すいころを使用した円筒ころ軸受や円すいころ軸受などの転がり軸受を使用することもできる。

【0022】

１対のエンコーダ３ａ、３ｂはそれぞれ、磁性ゴム又は磁性樹脂により構成されている。１対のエンコーダ３ａ、３ｂのうち、一方の第１のエンコーダ３ａは、被検出面である外周面に、Ｎ極とＳ極とが円周方向に関して交互にかつ等間隔に配置されている。また、１対のエンコーダ３ａ、３ｂのうち、他方の第２のエンコーダ３ｂは、被検出面である外周面に、Ｎ極とＳ極とが円周方向に関して交互にかつ等間隔に配置されている。なお、第１のエンコーダ３ａの１回転当たりの被検出面の磁気特性変化の回数（極数（Ｎ極及びＳ極の総数））は、第２のエンコーダ３ｂの１回転当たりの被検出面の磁気特性変化の回数と同じでも良いし、互いに異なっていても良い。

【0023】

第１のエンコーダ３ａは、使用時に回転軸２と同期して回転する部材である、第１の転がり軸受１０ａの内輪１１ａに支持固定されている。これに対し、第２のエンコーダ３ｂは、使用時に回転軸２と同期して回転する部材である、第２の転がり軸受１０ｂの内輪１１ｂに支持固定されている。

【0024】

なお、エンコーダ３ａ、３ｂの被検出面は、Ｓ極とＮ極とを円周方向に関して交互にかつ等間隔に配置する構造に限らず、例えば、透孔（又は凹部）と柱部（又は凸部）とを円周方向に関して交互にかつ等間隔に配置する構造を採用することもできる。

【0025】

１対の磁気センサ４ａ、４ｂのうち、第１の磁気センサ４ａは、センサホルダ１３ａを介して、第１の転がり軸受１０ａの外輪１２ａに支持されており、先端部に設けられた検出部を、第１のエンコーダ３ａの被検出面に対向させている。また、１対の磁気センサ４ａ、４ｂのうち、第２の磁気センサ４ｂは、センサホルダ１３ｂを介して、第２の転がり軸受１０ｂの外輪１２ｂに支持されており、先端部に設けられた検出部を、第２のエンコーダ３ｂの被検出面に対向させている。

【0026】

１対の磁気センサ４ａ、４ｂのそれぞれの検出部には、ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲ素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子、ＡＭＲ素子を含む）などの磁気検出素子が組み込まれている。このため、１対の磁気センサ４ａ、４ｂはそれぞれ、自身の検出部を通過する磁束密度に応じて出力信号を変化させる。具体的には、第１の磁気センサ４ａは、回転軸２の回転に伴って変化する第１のエンコーダ３ａの被検出面の磁気特性変化に対応する、パルス状（矩形波状）の出力信号を出力し、第２の磁気センサ４ｂは、回転軸２の回転に伴って変化する第２のエンコーダ３ｂの被検出面の磁気特性変化に対応する、パルス状の出力信号を出力する。本例では、第１の磁気センサ４ａ及び第２の磁気センサ４ｂのそれぞれの出力信号を、演算器６に有線又は無線により入力している。

【0027】

磁歪センサ５は、全体が円環状に構成されており、ケーシング９に対して、図示しないセンサホルダを介して支持されている。磁歪センサ５は、小径軸部７と同軸上に配置され、小径軸部７の外周面に近接配置されている。磁歪センサ５は、径方向内側部に検出部としてのコイルを有しており、径方向外側部にコイルにより発生する磁束の磁路となるバックヨークを有している。使用時には、磁歪センサ５を構成するコイルに交流電圧を印加することで、該コイルの周囲に交流磁場を発生させる。バックヨークは、軟鋼、磁性ステンレス鋼などの金属又は磁性金属の粉末冶金、又は磁性材を混入させた合成樹脂により、円環状に造られている。

【0028】

回転軸２にトルクが加わることで小径軸部７に捩れ変形が生じ、小径軸部７の各方向の透磁率がそれぞれ変化すると、磁歪センサ５を構成するコイルの内側を通過する磁束が変化することになり、コイルのインダクタンス（インピーダンス）が変化する。このため、磁歪センサ５は、コイルの内側を通過する磁束の変化に応じて出力信号を変化させる。本例では、このような磁歪センサ５の出力信号についても、演算器６に有線又は無線により入力している。

【0029】

演算器６は、回転軸２が伝達しているトルクを求めるものであり、磁歪センサ５の出力信号を利用して回転軸２が伝達しているトルクを求める第一の機能と、１対の磁気センサ４ａ、４ｂの出力信号を利用して回転軸２が伝達しているトルクを求める第二の機能を有している。

【0030】

先ず、演算器６が備える第一の機能について説明する。
トルク測定装置１の使用時には、回転軸２に対して軸方向に離隔して支持された１対の歯車８ａ、８ｂのうち、一方の歯車８ａを介して回転軸２にトルクを入力し、このトルクを他方の歯車８ｂから取り出す。この際、回転軸２のうち、１対の歯車８ａ、８ｂ同士の間に存在する小径軸部７が捩れ方向に弾性変形する。すると、小径軸部７の各方向の透磁率がそれぞれ変化するため、小径軸部７の周囲に近接配置された磁歪センサ５を構成するコイルの内側を通過する磁束が変化する。このため、磁歪センサ５の出力信号は、コイルの内側を通過する磁束の変化に応じて変化する。したがって、磁歪センサ５の出力信号と回転軸２に加わるトルクとの関係を予め調べおき、この関係を演算器６に記憶しておけば、演算器６は、磁歪センサ５の出力信号から回転軸２が伝達しているトルクを算出できる。演算器６は、このような第一の機能により、回転軸２が伝達しているトルクを算出する。

【0031】

次に、演算器６が備える第二の機能について説明する。
トルク測定装置１の使用時には、小径軸部７に捩れ方向の弾性変形が生じるが、この小径軸部７の変形量は、回転軸２が伝達するトルクの大きさに応じた大きさになる。また、小径軸部７に弾性変形が生じると、回転軸２の軸方向両端部に支持された１対のエンコーダ３ａ、３ｂが回転方向に相対変位する。そして、１対のエンコーダ３ａ、３ｂが回転方向に相対変位すると、１対のエンコーダ３ａ、３ｂの相対変位量に応じて、１対の磁気センサ４ａ、４ｂの出力信号同士の間の位相差が変化する。そこで、演算器６は、回転軸２が伝達しているトルクを求めるために、第１の磁気センサ４ａの出力信号と第２の磁気センサ４ｂの出力信号との位相差を求める。この位相差は、第１の磁気センサ４ａの出力信号の立ち上がりエッジ（又は立ち下がりパルスエッジ）である基準パルスエッジの入力時刻と、基準パルスエッジが計測されてから次の基準パルスエッジが計測されるまでの間に計測される、第２の磁気センサ４ｂの出力信号の立ち上がりパルスエッジ（又は立ち下がりパルスエッジ）の入力時刻との差を算出することにより求めることができる。

【0032】

ここで、位相差の大きさの絶対値は、回転軸２の回転速度、すなわち、１対のエンコーダ３ａ、３ｂの回転速度に応じて変化する。したがって、位相差からでは、回転軸２の回転速度が既知の一定値の場合でなければ、この回転軸２が伝達するトルクを求めることができない。そこで、回転軸２の回転速度の影響を取り除くために、第１の磁気センサ４ａの出力信号と第２の磁気センサ４ｂの出力信号との位相差を、第１の磁気センサ４の出力信号の周期で除することにより位相差比を求める。そして、このようにして求めた位相差比、又は、位相差比から周期的に変動する成分を除去した修正値を利用して、回転軸２が伝達しているトルクを算出する。演算器６は、このような第二の機能によっても、回転軸２が伝達しているトルクを算出する。

【0033】

演算器６は、１対の磁気センサ４ａ、４ｂのうち、いずれかの磁気センサ４ａ（４ｂ）の出力信号を利用して、回転軸２の回転速度を求める速度算出機能も有している。すなわち、回転軸２の回転に伴い、エンコーダ３ａ、３ｂが回転すると、磁気センサ４ａ、４ｂの出力信号がそれぞれ周期的に変化する。磁気センサ４ａ、４ｂの出力信号の変化の周波数及び周期は、エンコーダ３ａ、３ｂの回転速度、すなわち、回転軸２の回転速度に応じた値となる。したがって、磁気センサ４ａ、４ｂのうちのいずれかの出力信号の変化の周波数又は周期と、エンコーダ３ａ、３ｂの回転速度との関係を予め求めておくことにより、磁気センサ４ａ、４ｂのうちのいずれかの出力信号の変化の周波数又は周期に基づいて、回転軸２の回転速度を求めることができる。

【0034】

特に本例に用いる演算器６は、上述のようにして求めた回転軸２の回転速度の値に応じて、磁歪式の測定方法である第一の機能により算出した値と、パルス位相差式の測定方法である第二の機能により算出した値との、何れか一方の値を、回転軸２が伝達するトルクの値として選択する機能を有している。具体的には、演算器６は、図２に示すように、回転軸２の回転速度が０から所定値Ｎ以下の低速域（極低速域）の間は、第一の機能により求めた値Ｔ_Ｍを、回転軸２が伝達するトルクの値とし、回転軸２の回転速度が所定値Ｎよりも大きい高速域では、第二の機能により求めた値Ｔ_Ｐを、回転軸２が伝達するトルクの値とする。つまり、演算器６は、低速域では、磁歪式の測定方法により求めた値を選択し、高速域では、パルス位相差式の測定方法により求めた値を選択する機能を有している。

【0035】

以上のような本例のトルク測定装置１によれば、回転軸２が停止している状態から高速回転している状態までの広い範囲で安定してトルクを測定できる。
すなわち、本例のトルク測定装置１は、磁歪式の測定方法とパルス位相差式の測定方法との２つの測定方法を単に備えているだけでなく、それぞれの方法の優れた点を利用できる（相互補完できる）ように演算器６の機能を工夫している。
具体的には、磁歪センサ５の出力信号は、回転軸２が回転しているかどうかに関係なく、小径軸部７の弾性変形によって変化する。このため、本例では、回転軸２の回転速度が０から所定値Ｎ以下の低速域の間は、磁歪センサ５の出力信号を利用する第一の機能により求めた値Ｔ_Ｍを、回転軸２が伝達しているトルクの値として採用する。したがって、回転軸２が停止している条件下においても、回転軸２が伝達するトルクを求めることが可能になる。

【0036】

一方、１対の磁気センサ４ａ、４ｂの出力信号のパルスの発生周波数は、回転軸２の回転速度が高くなるほど高くなる。そこで本例では、回転軸２の回転速度が所定値Ｎよりも大きくなる高速域で、１対の磁気センサ４ａ、４ｂの出力信号を利用する第二の機能により求めた値Ｔ_Ｐを、回転軸２が伝達しているトルクの値として採用する。したがって、トルクの測定周波数を高くすることができ、優れた応答性を確保できるとともに、トルクの測定精度を高めることが可能になる。
この結果、本例のトルク測定装置１によれば、回転軸２が停止している状態から高速回転している状態までの広い範囲で安定してトルクを測定することができる。

【0037】

さらに本例では、磁歪センサ５を用いた磁歪式の測定方法と１対の磁気センサ４ａ、４ｂを用いたパルス位相差式の測定方法との２種類の方法により、トルクを同時に求めることができる。このため、いずれかのセンサに故障（失調）が生じた場合にも、トルクを一切求められなくなるといった不都合が生じることを防止できる。つまり、トルク測定に関して冗長性（バックアップ機能）を持たせることができる。なお、このような冗長性を持たせる面からは、演算器６は、回転軸２の回転速度に関係なく、第一の機能及び第二の機能の両方の機能に基づいてそれぞれトルクを同時に算出し、回転速度の値に応じて、そのうちの一方の値を回転軸２が伝達するトルクの値として選択する。ただし、演算器６による演算回数を減らす面からは、第一の機能と第二の機能を同時に実行するのではなく、回転速度に応じて、第一の機能と第二の機能との何れか一方の機能に基づいてトルクを算出することもできる。

【0038】

［実施の形態の第２例］
実施の形態の第２例について、図３を用いて説明する。 本例で用いる演算器６（図１参照）は、実施の形態の第１例で説明した、磁歪式の測定方法によりトルクを求める第一の機能及びパルス位相差式の測定方法によりトルクを求める第二の機能に加えて、第三の機能として、回転軸２（図１参照）の回転速度が所定の速度域にある場合に、第一の機能により求めた値と第二の機能により求めた値との両方を利用して、回転軸２が伝達するトルクを求める機能を有している。

【0039】

具体的には、第三の機能は、図３に示すように、回転軸２の回転速度が所定値Ｎ１から所定値Ｎ２までの中速域にある場合に、第一の機能により求めた値Ｔ_Ｍと第二の機能により求めた値Ｔ_Ｐとの算術平均（相加平均）の値を、回転軸２が伝達するトルクの値として採用する。つまり、演算器６は、回転軸２の回転速度Ｎｘが、Ｎ１＜Ｎｘ＜Ｎ２の範囲にある場合には、磁歪式の測定方法により求めた値Ｔ_Ｍと、パルス位相差式の測定方法により求めた値Ｔ_Ｐとの和の１／２の値｛（Ｔ_Ｍ＋Ｔ_Ｐ）／２｝を、回転軸２が伝達するトルクの値（Ｔ）として出力する。また、本例では、回転軸２の回転速度が０から所定値Ｎ１までの低速域では、第一の機能により求めた値Ｔ_Ｍを、回転軸２が伝達するトルクの値とし、回転軸２の回転速度が所定値Ｎ２よりも大きい高速域では、第二の機能により求めた値Ｔ_Ｐを、回転軸２が伝達するトルクの値として採用する。

【0040】

以上のような本例のトルク測定装置によれば、実施の形態の第１例の場合に比べて、回転軸２の回転速度が、所定値Ｎの前後である所定値Ｎ１から所定値Ｎ２までの中速域で、演算器６の算出値が大小ばらつくことを抑制できる。
その他の構成及び作用効果については、実施の形態の第１例と同じである。

【0041】

［実施の形態の第３例］
実施の形態の第３例について、図４を用いて説明する。 本例で用いる演算器６（図１参照）は、実施の形態の第２例と同様に、第三の機能として、回転軸２（図１参照）の回転速度が所定の速度域にある場合に、第一の機能により求めた値と第二の機能により求めた値との両方を利用して、回転軸２が伝達するトルクを求める機能を有している。

【0042】

具体的には、第三の機能は、図４に示すように、回転軸２の回転速度が所定値Ｎ１から所定値Ｎ２までの中速域にある場合に、第一の機能により求めた値Ｔ_Ｍと第二の機能により求めた値Ｔ_Ｐとを回転軸２の回転速度に応じてそれぞれ重み付けした加重平均の値を、回転軸２が伝達するトルクの値とする。より具体的には、磁歪式の測定方法は、回転軸２の回転速度が低速である場合に有利であり、パルス位相差式の測定方法は、回転軸２の回転速度が高速である場合に有利であることから、第一の機能により求めた値Ｔ_Ｍを回転軸２の回転速度が小さいほど大きく重み付けし、第二の機能により求めた値Ｔ_Ｐを回転軸２の回転速度が大きいほど大きく重み付けする。このために、回転軸２の回転速度Ｎｘが、Ｎ１＜Ｎｘ＜Ｎ２の範囲にある場合に、第一の機能により求めた値Ｔ_Ｍの重要度（重み）をＮ２－Ｎｘとし、第二の機能により求めた値Ｔ_Ｐの重要度（重み）をＮｘ－Ｎ１としている。そして本例では、これらの重要度を考慮した加重平均値｛Ｔ_Ｍ（Ｎ２－Ｎｘ）／（Ｎ２－Ｎ１）＋Ｔ_Ｐ（Ｎｘ－Ｎ１）／（Ｎ２－Ｎ１）｝を、回転軸２が伝達するトルクの値（Ｔ）とする。また、本例でも、回転軸２の回転速度が０から所定値Ｎ１までの低速域では、第一の機能により求めた値Ｔ_Ｍを、回転軸２が伝達するトルクの値とし、回転軸２の回転速度が所定値Ｎ２よりも大きい高速域では、第二の機能により求めた値Ｔ_Ｐを、回転軸２が伝達するトルクの値として採用する。

【0043】

以上のような本例のトルク測定装置によれば、実施の形態の第１例及び第２例の場合に比べて、回転軸２の回転速度が、所定値Ｎの前後である所定値Ｎ１から所定値Ｎ２までの中速域で、演算器６の算出値がばらつくことをより有効に抑制できる。
その他の構成及び作用効果については、実施の形態の第１例と同じである。

【0044】

［実施の形態の第４例］
実施の形態の第４例について、図５を用いて説明する。本例で用いる演算器６（図１参照）は、実施の形態の第２例及び第３例と同様に、第三の機能として、回転軸２（図１参照）の回転速度が所定の速度域にある場合に、第一の機能により求めた値と第二の機能により求めた値との両方を利用して、回転軸２が伝達するトルクを求める機能を有している。

【0045】

具体的には、第三の機能は、回転軸２の回転速度が所定値Ｎ１から所定値Ｎ２までの中速域にある場合に、第一の機能により求めた値Ｔ_Ｍと第二の機能により求めた値Ｔ_Ｐとの相乗平均（幾何平均）の値を、回転軸２が伝達するトルクの値として採用する。つまり、演算器６は、回転軸２の回転速度Ｎｘが、Ｎ１＜Ｎｘ＜Ｎ２の範囲にある場合には、磁歪式の測定方法により求めた値Ｔ_Ｍと、パルス位相差式の測定方法により求めた値Ｔ_Ｐとの相乗平均の値｛（Ｔ_Ｍ×Ｔ_Ｐ）^１／２｝を、回転軸２が伝達するトルクの値（Ｔ）として出力する。あるいは、演算器６は、磁歪式の測定方法により求めた値Ｔ_Ｍに回転軸２の回転速度に応じた重み付けをした値｛Ｔ_Ｍ（Ｎ２－Ｎｘ）／（Ｎ２－Ｎ１）｝と、パルス位相差式の測定方法により求めた値Ｔ_Ｐに回転軸２の回転速度に応じた重み付けをした値｛Ｔ_Ｐ（Ｎｘ－Ｎ１）／（Ｎ２－Ｎ１）｝との、相乗平均した値｛｛Ｔ_Ｍ（Ｎ２－Ｎｘ）／（Ｎ２－Ｎ１）×Ｔ_Ｐ（Ｎｘ－Ｎ１）／（Ｎ２－Ｎ１）｝^１／２｝を、回転軸２が伝達するトルクの値（Ｔ）として出力することもできる。いずれの場合にも、２つの実測値である、磁歪式の測定方法により求めた値Ｔ_Ｍとパルス位相差式の測定方法により求めた値Ｔ_Ｐとが、互いに大小異なる値であれば、相乗平均値は、算術平均値及び加重平均値よりも小さくなり（相乗平均値＜算術平均値、加重平均値）、相乗平均値と算術平均値（加重平均値）と実測値（大小）とは、図５に示すような関係性を有する。したがって、実測値と各平均値との関係を利用することで、トルクの値の管理を行うことができる。
その他の構成及び作用効果については、実施の形態の第１例～第３例と同じである。

【0046】

［実施の形態の第５例］
実施の形態の第５例について、図６を用いて説明する。本例のトルク測定装置１ａでは、回転軸２ａの周囲に、１対の磁気センサ４ａ、４ｂ及び磁歪センサ５を、共通のセンサホルダ１３ｃを利用して、使用時にも回転しない部分であるケーシング９ａに対して支持する構造を採用している。

【0047】

このために、ケーシング９ａに形成した取付孔１４の内側を挿通するように回転軸２ａを配置する。また、回転軸２ａの外周面のうち、取付孔１４の径方向内側に存在する部分及びその近傍に、軸方向に離隔して１対のエンコーダ３ａ、３ｂを外嵌固定する。１対のエンコーダ３ａ、３ｂのうち、一方（図６の左方）の第１のエンコーダ３ａは、円輪状の支持環１５ａと、該支持環１５ａの外周面に固定された永久磁石１６ａを備えている。これに対し、他方（図６の右方）の第２のエンコーダ３ｂは、断面クランク形の支持環１５ｂと、該支持環１５ｂの外周面に固定された永久磁石１６ｂを備えている。また、回転軸２ａの外周面のうち、第１のエンコーダ３ａが外嵌固定された部分の軸方向片側（図６の左側）には、磁歪効果部として、回転軸２ａよりも磁歪特性に優れた磁性金属製の磁歪材１７を外嵌固定している。なお、回転軸２ａ自身の磁歪特性を利用できる場合には、磁歪材１７は省略することができる。

【0048】

また、ケーシング９ａに形成した取付孔１４に、円環状のセンサホルダ１３ｃを内嵌固定している。センサホルダ１３ｃは、断面略Ｌ字形に構成されており、軸方向片半部の内径が、軸方向他半部の内径よりも小さくなっている。そして、このような形状を有するセンサホルダ１３ｃのうち、軸方向片半部の内周面に磁歪センサ５を支持固定している。本例では、磁歪センサ５を、径方向内側にコイル１８を有し、径方向外側にバックヨーク１９を有するものとし、このうちのバックヨーク１９を、センサホルダ１３ｃの軸方向片半部の内周面に支持固定している。また、センサホルダ１３ｃの軸方向他半部の内周面に、１対の磁気センサ４ａ、４ｂを支持固定している。これにより、磁歪センサ５を、磁歪材１７と同軸上に配置するとともに、磁歪材１７の外周面に近接配置している。また、１対の磁気センサ４ａ、４ｂの検出部を、１対のエンコーダ３ａ、３ｂの被検出面にそれぞれ近接対向させている。

【0049】

本例のトルク測定装置１ａでは、例えば回転軸２ａの軸方向片端部に固定された図示しない歯車から回転軸２ａにトルクが入力され、回転軸２ａの軸方向他端部に固定された図示しない歯車からトルクを取り出すと、回転軸２ａのうち、周囲に各種センサ４ａ、４ａ、５が配置された１対の歯車同士の間部分に弾性変形が生じる。このため、本例の場合にも、演算器６（図１参照）は、第一の機能に基づき、磁歪センサ５の出力信号を利用して回転軸２ａが伝達しているトルクを求めるとともに、第二の機能に基づき、１対の磁気センサ４ａ、４ｂの出力信号同士の間の位相差を利用して回転軸２ａが伝達しているトルクを求める。

【0050】

以上のような構成を有する本例では、１対の磁気センサ４ａ、４ｂ及び磁歪センサ５を共通のセンサホルダ１３ｃを使用して支持することができるため、部品点数の低減を図ることができるとともに、装置全体の小型化及び軽量化を図ることができる。
その他の構成及び作用効果については、実施の形態の第１例と同じである。

【0051】

本発明のトルク測定装置を、自動車のパワートレインに組み込んで使用する場合、対象となる装置は、特に問わない。例えば、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）、ベルト式無段変速機、トロイダル型無段変速機、オートマチックマニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）、デュアルクラッチトランスミッション（ＤＣＴ）等の車側の制御で変速を行うトランスミッション、またはトランスファー、マニュアルトランスミッション（ＭＴ）を対象とする事ができる。また、対象となる車両の駆動方式（ＦＦ、ＦＲ、ＭＲ、ＲＲ、４ＷＤ等）も、特に問わない。

【0052】

本発明のトルク測定装置は、自動車のパワートレインを構成する回転軸に限らず、例えば、風車の回転軸（主軸、増速器の回転軸）、圧延機のロールネック、鉄道車両の回転軸（車軸、減速機の回転軸）、工作機械の回転軸（主軸、送り系の回転軸）、建設機械・農業機械・家庭用電気器具・モータの回転軸等、各種機械装置の回転軸の設置部に組み込んで使用することもできる。

【0053】

本発明のトルク測定装置に用いる磁歪センサは、自身の検出部を通過（貫通）し、かつ、磁歪効果部の透磁率によって変化する磁束に応じて出力信号を変化させるものであれば良く、具体的な構成は特に限定されない。例えば、コイルによる励磁のほか、検出部にホール素子などの磁気検出素子を組み込んだ構成とすることもできる。また、磁歪効果部を構成する材料は、少なくともトルクの検出に支障のない程度に逆磁歪効果を発揮するものであれば良く、本明細書中に具体的に例示したものに限定されるものではない。

【0054】

本発明は、矛盾が生じない限り、実施の形態の各例の構造を適宜組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0055】

１、１ａ トルク測定装置
２、２ａ 回転軸
３ａ、３ｂ エンコーダ
４ａ、４ｂ 磁気センサ
５ 磁歪センサ
６ 演算器
７ 小径軸部
８ａ、８ｂ 歯車
９、９ａ ケーシング
１０ａ、１０ｂ 転がり軸受
１１ａ、１１ｂ 内輪
１２ａ、１２ｂ 外輪
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ センサホルダ
１４ 取付孔
１５ａ、１５ｂ 支持環
１６ａ、１６ｂ 永久磁石
１７ 磁歪材
１８ コイル
１９ バックヨーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】