JPS595930A - 回転シヤフトのトルク測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転シャフトのトルク測定装置に関する。

材料中の磁気特性の変化を検知することによって、材料
中の応力、そして特に、シャフト中のトルクを測定でき
ることはよく知られている。たとえば、自動車エンジン
のクランクシャフトに対するトルクトランスデユーサは
米国特許第４．１５５゜３９１号に開示されている。そ
のトルクトランスデユーサは、シャフトの表面中に磁界
を発生させるため、コイルを有する極よシなる磁気コア
構造体と、さらに、トルクに由来する磁界中の変化を感
知するための検知コイルよ〃なる極とを備えている。し
かしながら、このトルクトランスデユーサは比較的大き
く、したがって、シャフト部品およびシャフト部品が運
転されるハウジング、または、他の包囲体内に設計変更
を行なうことなしに、自動車シャフト部品中のトルクを
測定しようとして設置することは困難である。トルク測
定方法に対する他の多くの提案があ）、そしてこれらの
多くは、大型であ如、不正確であり、あるいはその両者
であるという欠点があった。本発明の目的は、これらの
欠点を除去することである。

本発明は、シャフトの表面領穢中に磁界を誘導する装置
と、トルクを測定するため、該トルクに由来する該磁界
の変化に応答する装置とよりなる回転シャフトのトルク
測定装置において、４つの極を有する鉄系磁気コア構造
体がシャフトの表面に隣接して位置され、第１の１対の
極は、シャフトの軸線方向に、かつ、円周的に離隔され
、第２の１対の極は、シャフトの軸線方向に、がっ、円
周的に該第１の対と異なった方位性を有して離隔され、
各核種に関連されたセンサーが設けられ、その中の磁界
を測定し、かつ、骸磁界を示す電気出力信号をつくり、
また、該第１の１対の極の該センサーからの出力信号を
加算する装置と、該第２０１対の極の該センサーからの
出方信号を加算する装置とを備え、そして、シャフト中
のトルクを示す出力信号をつくるため、互にかく誘導さ
れた加算された信号に対し、減算を行なう装置を備えて
いることを特徴とする回転シャフトのトルク測定装置を
提供する。

本発明はライ−デルマン効果を利用する。磁界に付され
た鉄系磁気材料に応力が課された場合、材料中の磁界は
、応力の大きさと方向にしたがって歪められる。円筒状
のシャフトが捩れ負荷を受けている場合、主応力線はシ
ャフトの軸心のまわりの４５°らせんであ多、一方は引
張シで、他方は圧縮で、ある。シャフト材料の磁気透過
性もまた、これらの方向中で、反対に変化される。した
がって、異なった方位性において、シャフトの軸心方向
および周囲方向に間隔をもって設けられた極と関連する
センサーによって測定された磁界は、トルクの測定を提
供する。

センサーは核種の各々によって担持されたフィルとする
ことができる。

代如として、センサーは核種と関連されたホール効果セ
ンサーとしてもよい。ホール効果センサーは電流がその
中を流れる半導体を使用し、磁界の効果は材料中の電界
を歪め、それは出力電圧として求めることができる。そ
のようなセンサーは容易に入手することができ、核種の
端部とシャフト間に挿入することができる。

好ましくは極は四角形の隅部に配置され、その側部はシ
ャフトの回転軸心に平行および直角であり、各対の極は
対角隅部にある。これはシャフト中のトルク変化に対し
て、装置の最大感度を提供する。

コア構造体は、シャフトに磁界を誘導するコイルを有す
る第５の極を備えてもよい。代漫に、別な装置により、
シャフト中に磁界を誘導することができる。

シャフト中に磁界を誘導するためのコイルは、好ましく
は交流によって励磁され、そしてセンサーからの信号は
、それらの正および負のピーク値が検知され、それらの
ピーク値から、互に減算名れる信号が得られ、トルクを
指示する。このようにしてピーク値をとることによル、
ヒステリシス効果による不正確さが減少される。

装置からの出力信号は、たとえば、自動車のトランスミ
ッション、たとえば、自動キヤホックスあるいはオーバ
ードライブユニットの制御に対して有益である。そして
そこでは、車の駆動ラインの選択された工Ｖメントにお
ける、評価されることを必歎とするトランスミッション
の作動のパラメータの１つがトルクである。装置は所要
エレメント中のトルクを測定するため、直接使用するこ
とができる。

最初に第１図を参照すると、回転可能で、トルクｔａさ
れるシャフト１１０が示されている。シャフトに隣接し
て、ベース１１２と四角形を示してシャツ）Ｋ向けて延
在している４つの極とを有する磁気コア構造１１１が位
置している。極は３つのみがｉｌＭ、１１４および１１
５で見える。

またベースの中央におりて第５の極１１６がベースから
シャフトに向けて延在している。極構造体は、複数個の
鉄のラミネーション１１７から組立てられるか、鉄系拐
料とすることができる。第５の極１１６はコイル１１８
を担持し、シャフト１１０中に磁界を誘導するように、
適切な電源から電気的に励磁することができる。他の４
つの極は、極中の磁界を検知するためセンサーを備え、
そしてこれらのセンサーは極によって担持式れるコイル
（図示せず）である。コア組立体と、コイル１１Ｂと、
そしてセンサーは、頑丈なユニットを形成するため、適
切な樹脂中に封入され、それはシャフトに対して容易に
堆付けることができる。

コア構造体の極と関連されたセンサーは、極によ如担持
されたコイルとすることができる。代〕に、ホール効果
センサーを極の端部とシャフト間に挿入することができ
る。ホール効果センサーは半導体材料を使用し、その中
を電流が流れ、それへの磁気の影響は、牛導体材料内の
電界を歪めることであり、それは出力電圧で検知できる
。ホール効果センサーは比較的小石な部品として入手す
ることができ、第１図に示す如く、構造体の極の端部上
に容易に取付けることがで龜る。

シャフトにトルクが課されると、磁気透過性が、シャフ
トの一方にらせん的に増大され、反対のらせん方向に減
少するというように変更される。かくしてシャフトに対
する該当方向に適用されたトルク（対して、極１１４と
１１５中の磁界は増大され、他方の二極における磁界は
減少される。すると、極に関連するセンサーによって検
知された磁界の肇化け、シャフト中のトルクの測定を提
供するために使用することができる。この目的のための
適切表回路は第２図に示しである。

第２図において、極１１６上のコイル１１８はシャフト
１１０Ｖｃｌ１４接して示され、発信器１２０と駆動囲
路１２１とから誘導された適切な波形によって励磁され
る。たとえば、コイル１１８は、シャフト材料を、一方
向に磁気的に飽和させ、ついで、反対方向に飽和させる
周波数と大きさの交流によって励磁することができる。

極１１４．１１５に関連するセンサーは、コイル１２２
．１２３として示され、他方の極に関連する極は１２４
．１２５として示されている。コイル１２２．１２５は
直列に接続式れ、それらの出力は並列で、正のピーク検
知器１２６と負のピーク検知器１２７へ適用され、そこ
から差動増幅器１２Ｂに接続している。差動増幅器１２
８からの出力信号はその入力信号の合計である。すなわ
ち、コイル１２２．１２３からの信号の正と負のピーク
の組合わせの大きさである。コイル１２４．１２５から
の信号は同様に、正および負のピーク検知回路１２６見
、１２７ａおよび差動増幅器１２８ａによって取扱われ
ている。

零設定装置を有する差動増幅器１２９は、コイル１２４
．１２５から誘導された信号を、コイル１２２．１２３
から誘導された信号から差引く。

すると、との差動増幅器からの出力信号は、シャフト中
のトルクの大きさを示し、そして１３０．１３１で増幅
され、フィルタ逼れて、使用できる出力信号を提供する
。

さて第３図を参照すると、これはコイルの代）に、ホー
ル効果センサーを使用するための回路を示してりる。極
２１６上の駆動コイル２１８はシャフト２１０に隣接し
て示され、発信器２２０と駆動回路２２１から誘導され
る適切な波形で電気的に励磁される。極２１４．２１５
に関連するホール効果センサーは２２２．２２５で示さ
れ、他方の極に関連するホール効果センサー紘２２４．
２２５で示されている。すべてのホール効果センサーは
電源２２６から一定電流を供給される。ホール効果セン
サー２２２．２２３からの出力は、互に並列である正の
ピーク検知器２２７と角のピーク検知器２２８へ、直列
に接続されている。差動増幅器２２９は、ホール効果セ
ンサー２２２．２２３からの信号の正および負のピーク
の組合わせ大きさを示す。同様に、ホール効果センサー
２２４．２２５からの出力は、ピーク検知器２′５０，
２６１と差動増幅器２３２ｒ接続されている。

シャフト２１０中で一方向にトルクがあると、センサー
２２２，２２５からの出力は増大し、センサー２２４．
２２５からの出力は減少する。零設定装置を有する差動
増幅器２３３は、差動増幅器２２９．２６２からの出力
を受け、それらを減算し、そして増幅器２３３からの出
力は、シャフト中のトルクの直接の測定である。この出
力は、使用できる出力信号を提供するため、ゲインが変
化され得る増幅器２３４により増幅され、フィルタ２３
５によってフィルタすることができる。

第２図および第３図の両回路において、シャフト回転中
のシャフトの角度位置は、たとえば、シャフト表面の突
起あるいは四部の如き顕著な形成部の通過を検知す本検
知コイルによって検知することができよう。す不と、偏
心、あるいは、シャフト材料の均一性の欠除ｙｃ由来し
て存在するかもしれない、シャフト中の回転誤差を排除
するため、シャフトが特定の角度位置にある場合にのみ
、トルクを測定すようにする回路を提供することができ
よう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるトルク測定装置の機機的構造を図
式的に示し； 第２図は本装置の電気回路のブロック図で；第６図は別
な回路を示すブロック図である。 １１０・・・シャフト、１１１・・・磁気コア構造体、
１１２・・・ペース、１１３，１１４，１１５，１１６
・・・極、１１８・−・コイル、１２０・・・発信器、
１２１・・・駆動回路、１２２．　１２５．　１２４．
　１２５・・・極、・１２６・・・正のピーク検知器、
１２７・・・負のピーク検知器、１２８，１２９・・・
差動増幅器、２１０・・・シャフト、２１８・・・駆動
コイル、２２０・・・発信器、２２１・・・駆動回路、
２２２．　２２３．　２２４゜２２５・・・ホール効果
センサー、２２６・・・電源、２２７・・・正のピーク
検知器、２２８・・・負のピーク検知器、２２９・・・
差動増幅器、２５０，２５１・・・ピーク検知器、２３
２，２５５・・・差動増幅器。 ２６４・・・増幅器、２３５・・・フィルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）シャフトの表面領域中に磁界全誘導する装置と、ト
   ルクを測定するため、該トルクに由来する該磁界の変化
   に応答する装置とよ如なる回転シャフトのトルク測定装
   置において、４つの極を有する鉄系磁気コア構造体がシ
   ャフトの表面に隣接して位置され、第１の１対の極は、
   シャフトの軸線方向に、かつ、円周的に離隔され、第２
   の１対の極は、シャフトの軸線方向Ｋ、かつ５円周的に
   、該第１の対と異なった方位性を有して離隔され、各該
   極に関連されたセンサーが設けられ、その中の磁界を測
   定し、かつ、該磁界を示す電気出力信号をつくり、また
   、該第１の１対の極の該センサーからの出力信号を加算
   する装置と、該第２の１対の極の該センサーからの出力
   信号を加算する装置とを備え、そして、シャフト中のト
   ルクを示す出力信号をつくるため、互（か〈誘導された
   加算された信号に対し、減算を行なう装置を備えている
   ことよシなることを特徴とする回転シャフトのトルク測
   定装置。 ２）該センサーは該極の各々によって担持されたコイル
   よりなることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の装置。 ３）該センサーはホール効果センサーよりなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ４）該極は四角形の隔部に配置され、その側部はシャフ
   トの回転軸線に対して平行および直角であ如、各対の極
   は、該四角形の対角隅部にあることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の装置。 ５）該コア構造体はさらにもう１つの極を備え、該極は
   シャフト中に該磁界を誘導するためのコイルを有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第′１項に記載の装置。 ６）該コイルは交流によ如励磁されることを特徴とする
   特許請求の範囲第５項に記載の装置。 ７）該極の谷対のセンサーからの出力信号中における反
   対方向のピーク値を検知するための装置をさらに備え、
   該ピーク値は加算され、互に減算される該信号を与える
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の装置。