JPH05196519A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 トルク検出装置において、これを小型で簡単
な構成で実現し、かつ、取付作業や経年変化によるトル
ク検出誤差が生じるおそれをなくす。 【構成】 回転軸部材の外周面を利用して位置信号（パ
ルス信号）を記録再生することによりトルク検出を行う
ようにし、これにより、小型で簡単な構成のトルク検出
装置を実現するとともに取付作業によるトルク検出誤差
をなくす。また、上記パルス信号を記録する際、該パル
ス信号の周波数を逓倍することにより、位置信号を等間
隔で記録できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等の動力伝達軸
のような回転軸部材に作用するトルクを検出するための
トルク検出装置に関し、特に、回転軸部材のねじれ量か
らトルクを算出するトルク検出装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等におけるトルク検出の必
要性は増大しつつある。特に、四輪駆動における前後輪
のトルク配分においては、走行状態に対する特性曲線を
設定し、推定による間接的な制御手段を用いており、車
両による特性のばらつき等に伴いその精度は必ずしも十
分なものとはいえない。同様な問題は、自動変速機をは
じめとする出力軸を有する車両の各機構部においても生
じている。

【０００３】これに対し、回転軸部材に作用するトルク
を直接検出するようにしたトルク検出装置として、例え
ば特開昭62-239031 号公報に開示されているように、ト
ルクの負荷による回転軸部材のねじれ角を測定し、その
ねじれ角からトルクを求める装置が、従来より広く知ら
れている。より具体的には、測定対象である回転軸部材
に少なくとも２つのロータリーエンコーダを配設したも
のが知られている。すなわち、個々のエンコーダからの
検出信号の位相差Δｔからねじれ角を求め、トルクに換
算するというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記エンコーダの種類
としては、光学的手段を用いたもの、磁気的手段を用い
たものがあるが、これらを自動車用等のトルク検出装置
に適用するには、いずれの手段も、ねじれを検出するた
めに回転軸部材にスリット、歯車等を設ける必要があ
り、装置が大きく重くなると共に、構造上組付けの精度
を要し、また回転軸部材にねじれ歪が残留して蓄積され
ることによって２つのエンコーダの相対位置が徐々にず
れてしまい、トルク検出精度が経時劣化するという問題
がある。

【０００５】上記以外にも、回転軸部材のねじれに基づ
いてトルクを検出する方法としては、歪により電気抵抗
が変化する歪ゲージを用いる歪ゲージ式、応力の作用に
より磁化が変化する磁歪効果を用いる磁歪式等がある
が、歪ゲージ式においては歪ゲージの接着方法や信号取
り出し方法に問題があり、磁歪式においては回転軸に磁
歪材料を接着したり、軸そのものに加工を施さなければ
ならないという問題がある。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、小型で簡単な構成とすることができ、か
つ、取付作業や経年変化によりトルク検出誤差が生じる
のを防止することのできるトルク検出装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るトルク検出
装置は、回転軸部材の周面を利用してパルス信号からな
る位置信号を記録再生することによりトルク検出を行う
ようにし、これにより、小型で簡単な構成のトルク検出
装置を実現するとともに、取付作業によるトルク検出誤
差をなくし、かつ、経年変化によるトルク検出誤差を修
正できるようにしたものである。

【０００８】すなわち、請求項１に記載したように、回
転軸部材に作用するトルクを検出するトルク検出装置で
あって、◆前記回転軸部材の周面上に形成された磁気記
録層と、◆この磁気記録層と対向するように前記回転軸
部材の周面に近接して該回転軸部材の軸線方向に所定間
隔をおいて配置された１組の磁気ヘッドと、◆これら各
磁気ヘッドにパルス信号を出力することにより、該各磁
気ヘッドを介して前記磁気記録層に位置信号を記録する
記録手段と、◆前記各磁気ヘッドを介して再生された位
置信号相互間の位相差を検出する位相差検出手段と、◆
この位相差検出手段により検出された位相差に基づい
て、前記回転軸部材に作用するトルクを算出するトルク
算出手段と、を備えてなることを特徴とするものであ
る。

【０００９】

【発明の作用および効果】上記構成に示すように、回転
軸部材の周面上に形成された磁気記録層に、該回転軸部
材の軸線方向に所定間隔をおいて配置された１組の磁気
ヘッドを介して位置信号を記録し、そして、各磁気ヘッ
ドにより再生された位置信号相互間の位相差を検出し、
この検出された位相差に基づいて、回転軸部材に作用す
るトルクを算出するようになっているので、つまり、回
転軸部材の周面を利用して位置信号を記録再生すること
によりトルク検出を行うようになっているので、従来の
ように、トルク検出のために回転軸部材に機械加工や表
面処理を施したりスリップリング等の余分な機構部品を
付加する必要がない。また、回転軸部材に生じるねじれ
残留歪により両磁気ヘッド間で初期位相にずれが生じて
も、このずれを容易に修正することができる。

【００１０】したがって、本発明によれば、小型で簡単
な構成のトルク検出装置を実現するとともに、取付作業
によるトルク検出誤差をなくし、かつ、経年変化による
トルク検出誤差を修正することができる。

【００１１】しかも、本発明によれば、各磁気ヘッドに
パルス信号を出力することにより、該各磁気ヘッドを介
して磁気記録層に位置信号を記録するようになっている
ので、連続信号による磁気記録の場合のように回転軸部
材を一定回転数に制御して記録を行うことは必ずしも必
要でなく、このため磁気記録を容易に行うことができ
る。また、このようにパルス信号により磁気記録を行う
ようにした場合には、磁気ヘッドを介して再生される位
置信号もパルス信号として得ることができる。

【００１２】したがつて、請求項２に記載したように、
この再生されたパルス信号の周波数を逓倍し、この逓倍
されたパルス信号を再度位置信号として磁気記録層に記
録するようにすれば、等間隔で位置信号を記録すること
ができる。

【００１３】また、請求項３に記載したように、磁気ヘ
ッドと所定の角度間隔をおいてタイミング用磁気ヘッド
を設け、磁気ヘッドを介して前記磁気記録層に記録され
た位置信号をタイミング用磁気ヘッドを介して検出し、
この検出がなされたとき各磁気ヘッドを介して磁気記録
層に新たな位置信号を記録するようにしても、等間隔で
位置信号を記録することができる。この場合、請求項４
に記載したように、磁気ヘッドおよびタイミング用磁気
ヘッドを、回転軸部材を回転可能に支持する軸受部材に
設けるようにすれば、回転軸部材の回転ぶれによるトル
ク検出誤差をなくすことができる。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面を参照しながら、本発明の実
施例について説明する。

【００１５】図１は、本発明に係るトルク検出装置の第
１実施例を示す概要構成図である。

【００１６】このトルク検出装置は、回転軸部材１０に
作用するトルクを検出するトルク検出装置であって、回
転軸部材１０の外周面上の２箇所にリング状に形成され
た磁気記録層１２ａ，１２ｂと、これら各磁気記録層１
２ａ，１２ｂと対向するように回転軸部材１０の外周面
に近接して該回転軸部材１０の軸線方向に所定間隔Ｌを
おいて配置された１組の誘導型の磁気ヘッド１４ａ，１
４ｂと、これら各磁気ヘッド１４ａ，１４ｂにパルス信
号を出力することにより、各磁気ヘッド１４ａ，１４ｂ
を介して磁気記録層１２ａ，１２ｂに位置信号を記録す
る信号記録回路１６（記録手段）と、各磁気ヘッド１４
ａ，１４ｂおよび波形整形回路１８を介して再生された
位置信号相互間の位相差Δｔを検出する位相差検出回路
２０（位相差検出手段）と、この位相差検出回路２０に
より検出された位相差Δｔに基づいて、回転軸部材１０
に作用するトルクＴを算出するトルク算出回路２２（ト
ルク算出手段）とを備えてなっている。

【００１７】上記磁気記録層１２ａ，１２ｂは、エポキ
シ系の樹脂バインダ中にフェライト等の磁気粉末を分散
させたものを回転軸部材１０の外周面に塗布することに
より形成することができるが、これ以外にも、例えば回
転軸部材１０の外周面にフェライト、磁性金属を無電解
メッキすることにより形成することができる。

【００１８】次に、上記トルク検出装置によるトルク検
出方法について説明する。回転軸部材１０が負荷から解
放された状態で回転している際に、記録回路１４は記録
用信号としてパルス信号を両磁気ヘッド１４ａ，１４ｂ
に同時に送り、それぞれの磁気ヘッド１４ａ，１４ｂを
介して各磁気記録層１２ａ，１２ｂに同位相の位置信号
を記録する（これについては後で詳述する）。この後、
回転軸部材１０にトルクが加わった状態において、各磁
気ヘッド１４ａ，１４ｂを介して上記位置信号を再生
し、これらの再生信号Ｓa1およびＳb1（図２）がそれぞ
れ波形整形回路１８に入力され、この波形整形回路１８
によって方形波信号Ｓa2およびＳb2（図２）に波形整形
されて位相差検出回路２０に送出される。位相差検出回
路２０においては、Ｓa2およびＳb2両信号の周波数ｆと
それぞれの信号の位相差Δｔを検出し、そして、トルク
算出回路２２においては、位相差Δｔに基づいて、式
(1) に従い回転軸部材１０に加わったトルク値Ｔを算出
する。

【００１９】 Ｔ＝π² Ｇｄ⁴ ・Δｔ・Ｎ／１６Ｌ (1) ◆ ここで、Ｇは回転軸部材１０の横弾性係数、ｄは回転軸
部材１０の直径、Ｎは回転軸部材10の回転数である。

【００２０】ところで、このようなトルク検出装置にお
いて、トルク検出精度を高めるためには、上記各磁気記
録層１２ａ，１２ｂに対する位置信号の記録を、回転軸
部材１０の周方向に等間隔で行うことが肝要である。こ
れを実現するための方法として、回転軸部材１０が一定
回転している状態で、所定の一定周波数で記録する方法
や、回転軸部材１０に別に設けた一定間隔のエンコーダ
の信号に同期させた信号を用いて記録する方法が考えら
れる。しかしながら、前者の方法にあっては、実際の回
転軸部材上で随時位置信号間隔の書き替えを行う必要が
ある回転数が低回転から高回転まで変化するような状況
下では、正確な回転数検出手段を設け、かつ所定のピッ
チ数にするために、回転数にあった記録周波数を瞬時に
演算して発振しなければならず、実用的ではない。ま
た、後者の方法にあっては、エンコーダの新設に伴いレ
イアウト上の制約を受けたり、トルク検出装置が複雑に
なるという問題がある。

【００２１】このため、本実施例においては、前述した
問題に鑑み、回転軸部材１０に回転変動のある場合であ
っても、トルク検出のための位置信号を、精度良く、簡
易に形成するため、信号記録回路１６に工夫が施されて
いる。

【００２２】すなわち、図３に示すように、信号記録回
路１６は、矩形化回路３０と周波数逓倍分周回路３２
（逓信手段）と単一波発振器３４とを備えてなり、磁気
ヘッド１４ａおよび１４ｂから出力される信号の各々
は、記録・再生の切り替え回路３６および波形整形回路
１８を介して矩形化回路３０に入力され、この矩形化回
路３０において、矩形波に変換された後、ｎ倍、１／ｎ
の周波数逓倍分周回路３２によって周波数変換されるよ
うになっており、そして、この信号を、単一波発生回路
３４のトリガにして単一パルス波を発生させ、切り替え
回路３６を通して磁気ヘッド１４ａ，１４ｂで記録する
ようになっている。

【００２３】上記周波数逓倍分周回路３２は、図５に示
すＰＬＬ（Phase Locked Loop)回路によって構成されて
いて、入力信号の２倍の信号と位相の同期した信号を発
振するように設定されている。さらに詳述すれば、この
周波数逓倍分周回路（ＰＬＬ回路）３２は、位相比較回
路４０、ループフィルタ４２、ＶＣＯ回路（電圧同調発
振器）４４からなり、調整により入力周波数に同期した
ｎ倍、１／ｎの周波数の信号を発振できるようになって
いる。

【００２４】上記信号記録回路１６の動作のようすを、
図３の各部の出力波形（図４）に基づいて説明する。ま
ず、回転軸部材１０一回転あたり１つの信号を磁気記録
層１２ａ，１２ｂ上に記録する。回転軸部材１０が回転
数ｆｌ（ｒｐｓ）で回転していると磁気ヘッド１４ａ，
１４ｂからはパルス状の再生信号が周波数ｆｌのタイミ
ングで出力される。波形整形回路１８で単パルスに変換
され、そのあと矩形化回路（Ｔ−フリップフロップ）３
０で連続した矩形波に変換する。矩形波信号は周波数逓
倍分周回路３２により、入力信号に同期した２倍の周波
数の信号に変換される。そして、単一波発生回路３４に
おいて、上記周波数変換された信号の立ち上がりと立ち
下がりのタイミングで単一パルス波を発生させて、所定
の記録タイミングで切り替え回路３６を通して記録す
る。以上のような過程をｍ回繰り返すことにより、２^m
個の信号を等間隔に記録できる。

【００２５】したがって、上記の周波数逓倍分周回路３
２を調整し、記録を繰り返すことにより、所定のピッチ
数の位置信号（磁気スケール）を形成することができ
る。なお、周波数逓倍分周回路３２によりピッチ数を減
らすような過程を行う場合には、元の記録信号を消去す
る手段を設けて、書き替える必要がある。消去の方法
は、マグネットを記録媒体に接触させる方法や、磁気ヘ
ッドに高周波数の電流を流す方法を用いればよい。

【００２６】次に、本発明に係るトルク検出装置の第２
実施例について説明する。

【００２７】本実施例は、第１実施例に対し、磁気記録
層１２ａ，１２ｂに記録された位置信号を再生してトル
ク値Ｔを算出する構成については全く同じであるが、磁
気記録層１２ａ，１２ｂへの位置信号記録の方法が異な
る。ただし、位置信号記録の際、各磁気ヘッド１４ａ，
１４ｂにパルス信号を出力するようになっている点は同
じである。

【００２８】図６および図７は、本実施例に係るトルク
検出装置を示す概要構成図および概要斜視図である。

【００２９】このトルク検出装置における記録手段５０
は、図６に示すように、１組の磁気ヘッド１４ａ，１４
ｂのいずれか一方の磁気ヘッド（本実施例においては磁
気ヘッド１４ａ）と回転軸部材１０の同一回転面上にお
いて、かつ、該一方の磁気ヘッド１４ａと所定の角度θ
（本実施例では３０°）間隔をおいて、磁気記録層１２
ａと対向するように回転軸部材１０の外周面に近接して
配置されたタイミング用磁気ヘッド５２と、一方の磁気
ヘッド１４ａを介して磁気記録層１２ａに記録された位
置信号を、タイミング用磁気ヘッド５２を介して検出
し、この検出がなされたとき各磁気ヘッド１４ａ，１４
ｂを介して磁気記録層１２ａ，１２ｂに新たな位置信号
を記録する検出記録回路５４（検出部、記録部）とを備
えてなっている。

【００３０】上記１組の磁気ヘッド１４ａ，１４ｂのう
ち、磁気ヘッド１４ｂは図示しないハウジングに固定配
置されているが、磁気ヘッド１４ａは、図８に示すよう
に、タイミング用磁気ヘッド５２と共に、回転軸部材１
０の軸受部材６０に固定配置されている。この軸受部材
６０は、基台６２に固定用ブロック６４が２本のボルト
６６によって固定されてなり、磁気ヘッド１４ａおよび
タイミング用磁気ヘッド５２は、固定用ブロック６４に
形成された取付孔６４ａおよび６４ｂに挿着されてい
る。

【００３１】次に、磁気記録層１２ａ，１２ｂへの位置
信号の記録方法について、図６に基づいて説明する。

【００３２】回転軸部材１０が負荷から解放されて回転
している際に、検出記録回路５４は同期パルス信号を磁
気ヘッド１４ａ，１４ｂに送り、磁気記録層１２ａ，１
２ｂ上に同位相の初期位置信号（Ｐ１）を記録する（同
図(a) ）。回転軸部材１０が矢印の方向に３０°回転し
た時点でタイミング用磁気ヘッド５２が、初期位置信号
（Ｐ１）を検出し、この信号を検出記録回路５４に出力
する（同図(b) ）。検出記録回路５４はこの時点でこの
入力信号をトリガとして同期パルス信号を再び磁気ヘッ
ド１４ａ，１４ｂに送り、磁気記録層１２ａ，１２ｂに
同位相の第２位置信号（Ｐ２）を記録する（同図(c)
）。回転軸部材１０の回転に従い、以上のステップ
（(b),(c) ）を繰り返すことにより、磁気記録層１２
ａ，１２ｂに、３０°の等間隔で、位相差の無い１２点
の位置信号（Ｐ１〜Ｐ１２）が記録される（同図(d)
）。

【００３３】このように、本実施例によれば、２つの磁
気記録層１２ａ，１２ｂに対し同期した信号で記録する
ことにより、無負荷時において互いに位相差の無い位置
信号を形成することが可能であると共に、磁気ヘッド１
４ａと、タイミング用磁気ヘッド５２との相対位置に基
づいて記録を行うようにしているので、記録の際におけ
る回転軸部材１０の回転数、回転変動にかかわらず、磁
気記録層１２ａ，１２ｂ上に等間隔で位置信号を記録す
ることが可能である。

【００３４】また、本実施例においては、磁気ヘッド１
４ａおよびタイミング用磁気ヘッド５２のそれぞれを、
回転軸部材１０を軸支する軸受部材６０内に配置するこ
とにより、回転軸部材１０の断面中心と磁気ヘッド１４
ａおよびタイミング用磁気ヘッド５２の配置角度θの中
心がつねに一致するようにし、回転軸部材１０の偏心に
よって記録信号の間隔が不均一になることの無いように
している。これが仮りに、軸受部材６０内に配置されて
いないとすれば、本実施例のように磁気ヘッド１４ａお
よびタイミング用磁気ヘッド５２を３０°の角度で配置
したとき、回転軸部材１０の偏心によって回転軸部材１
０の断面中心と磁気ヘッド１４ａ，５２の配置角度の中
心が回転軸の直径の１％のずれを生じた場合には、記録
信号の間隔は回転軸部材１０の断面中心を基準とする角
度にして１％程度の誤差を生ずることになる。

【００３５】なお、本実施例においては、１つのタイミ
ング用磁気ヘッド５２と１つの磁気ヘッド１４ａを用い
て磁気記録層１２ａに等間隔で位置信号を記録するよう
にしているが、これに限られるものではなく、２つ以上
のタイミング用磁気ヘッドを磁気ヘッド１４ａに対して
それぞれ所定の角度をなすように配置し、必要に応じて
それぞれのタイミング用磁気ヘッドを使い分け、必要な
間隔の位置信号を記録するようにすることもできる。ま
た、反対に複数の磁気ヘッドを配置したり、さらには複
数の磁気ヘッドと複数のタイミング用磁気ヘッドを配置
することもできる。

【００３６】図９は、上記第２実施例の変形例を示す概
要構成図である。

【００３７】本変形例においては、記録手段７０が、タ
イミング用磁気ヘッド７２ａ，７２ｂと信号処理回路７
４（検出部）と記録回路７６（記録部）とを備えてなっ
ており、各磁気記録層１２ａ，１２ｂに近接対向する１
組の磁気ヘッド１４ａ，１４ｂの各々に、タイミング用
磁気ヘッド７２ａ，７２ｂが回転軸部材１０の断面中心
を中心とした所定の角度θを保って配置されている。磁
気ヘッド１４ａ，１４ｂは記録回路７６に、タイミング
用磁気ヘッド７２ａ，７２ｂは信号処理回路７４および
記録回路７６に接続されている。また、本変形例におい
ては角度θは179 °となるよう構成されている。

【００３８】本変形例における磁気記録層１２ａ，１２
ｂへの信号の記録方法は、上記実施例と同様に、記録回
路７６によって各磁気ヘッド１４ａ，１４ｂに同期信号
を送信し、各磁気記録層１２ａ，１２ｂに位相差の無い
初期位置信号を記録し、この位置信号をタイミング用磁
気ヘッド７２ａ，７２ｂで検出し、このタイミングを基
準として次の位置信号を再度タイミング用磁気ヘッド７
２ａ，７２ｂにより記録することによって行う。上記実
施例と同様にこれらのステップを繰り返すことにより、
最終的に磁気記録層１２ａ，１２ｂに１°間隔で位置信
号を記録することが可能である。

【００３９】なお、本変形例においては、磁気ヘッド１
４ａ，１４ｂとタイミング用磁気ヘッド７２ａ，７２ｂ
が回転軸部材１０の断面中心を中心として周方向に179
°の角度をなすよう構成されているが、上記角度はこれ
に限られるものではなく、必要な間隔の位置信号を記録
するよう任意の角度で配置することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトルク検出装置の第１実施例を示
す概要構成図

【図２】上記実施例の作用を示す、位置信号再生時の波
形図

【図３】上記実施例の信号記録回路を詳細に示すブロッ
ク図

【図４】上記実施例の作用を示す、位置信号記録時の波
形図

【図５】上記実施例の周波数逓倍分周回路を詳細に示す
ブロック図

【図６】本発明に係るトルク検出装置の第２実施例を示
す概要構成図

【図７】上記実施例の概要斜視図

【図８】上記実施例の要部詳細図

【図９】上記実施例の変形例を示す概要構成図

【符号の説明】

１０ 回転軸部材 １２ａ，１２ｂ 磁気記録層 １４ａ，１４ｂ 磁気ヘッド １６ 信号記録回路（記録手段） ２０ 位相差検出回路（位相差検出手段） ２２ トルク算出回路（トルク算出手段） ３２ 周波数逓倍分周回路（逓倍手段） ５０ 記録手段 ５２ タイミング用磁気ヘッド ５４ 検出記録回路（検出部、記録部） ６０ 軸受部材 ７０ 記録手段 ７２ａ，７２ｂ タイミング用磁気ヘッド ７４ 信号処理回路（検出部） ７６ 記録回路（記録部）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸部材に作用するトルクを検出する
   トルク検出装置であって、 前記回転軸部材の周面上に形成された磁気記録層と、 この磁気記録層と対向するように前記回転軸部材の周面
   に近接して該回転軸部材の軸線方向に所定間隔をおいて
   配置された１組の磁気ヘッドと、 これら各磁気ヘッドにパルス信号を出力することによ
   り、該各磁気ヘッドを介して前記磁気記録層に位置信号
   を記録する記録手段と、 前記各磁気ヘッドを介して再生された位置信号相互間の
   位相差を検出する位相差検出手段と、 この位相差検出手段により検出された位相差に基づい
   て、前記回転軸部材に作用するトルクを算出するトルク
   算出手段と、を備えてなることを特徴とするトルク検出
   装置。
2. 【請求項２】 前記記録手段が、前記１組の磁気ヘッド
   のうち少なくともいずれか一方の磁気ヘッドを介して再
   生された位置信号の周波数を逓倍する逓倍手段を備えて
   いる、ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出装
   置。
3. 【請求項３】 前記記録手段が、 前記１組の磁気ヘッドのいずれか一方の磁気ヘッドと前
   記回転軸部材の同一回転面上において、かつ、該一方の
   磁気ヘッドと所定の角度間隔をおいて、前記磁気記録層
   と対向するように前記回転軸部材の周面に近接して配置
   されたタイミング用磁気ヘッドと、 前記一方の磁気ヘッドを介して前記磁気記録層に記録さ
   れた位置信号を、前記タイミング用磁気ヘッドを介して
   検出する検出部と、 この検出部により前記位置信号が検出されたとき前記各
   磁気ヘッドを介して前記磁気記録層に新たな位置信号を
   記録する記録部と、を備えていることを特徴とする請求
   項１記載のトルク検出装置。
4. 【請求項４】 前記一方の磁気ヘッドおよび前記タイミ
   ング用磁気ヘッドが、前記回転軸部材を回転可能に支持
   する軸受部材に設けられている、ことを特徴とする請求
   項３記載のトルク検出装置。