(57)【要約】【課題】１個のセンサのみで、シャフトに加わるトルクを検出することができる構造を実現する。【解決手段】被検出部材６は、軸方向から見て円弧形の形状を有し、かつ、円周方向片側のＮ極と円周方向他側のＳ極とからなる被検出面９を有し、シャフト１ａに支持固定される。センサ７は、被検出面９に対向する検出部１５と、該検出部１５が対向する部分の磁気特性に応じた値を出力する出力部とを有し、シャフト１ａのうち、被検出部材６が支持固定された部分から軸方向に外れた部分に支持固定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトと、
軸方向から見て円弧形の形状を有し、かつ、円周方向片側のＮ極と円周方向他側のＳ極とからなる被検出面を有し、前記シャフトに支持固定された被検出部材と、
前記被検出面に対向する検出部と、該検出部が対向する部分の磁気特性に応じた値を出力する出力部とを有し、前記シャフトのうち、前記被検出部材が支持固定された部分から軸方向に外れた部分に支持固定されたセンサと、
前記出力部が出力する値に基づいて、前記シャフトに加わるトルクを算出する演算器と、
を備える、トルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフトに加わるトルクを検出するためのトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、特開２０１２−９８２６８号公報に記載された、トルク検出装置を示している。トルク検出装置は、シャフト１と、１対のエンコーダ２ａ、２ｂと、１対のセンサ３ａ、３ｂとを備える。エンコーダ２ａ、２ｂのそれぞれは、外周面に、Ｎ極とＳ極とを円周方向に関して交互に、かつ、等間隔に配置してなる被検出面４ａ、４ｂを有し、シャフト１の軸方向に離隔した２箇所位置に外嵌固定されている。センサ３ａ、３ｂのそれぞれは、先端部に、被検出面４ａ、４ｂに対向する検出部５ａ、５ｂを有し、該検出部５ａ、５ｂを通過する磁束密度に応じて出力信号を変化させる。すなわち、センサ３ａ、３ｂの出力信号のそれぞれは、シャフト１とともにエンコーダ２ａ、２ｂが回転することに伴い、周期的に変化する。
【０００３】
図示のトルク検出装置では、シャフト１がトルクを伝達することに伴い、該シャフト１がねじれ方向に弾性変形し、１対のエンコーダ２ａ、２ｂが回転方向に相対変位すると、１対のセンサ３ａ、３ｂの出力信号同士の間の位相差比（＝位相差／周期）が変化する。１対のセンサ３ａ、３ｂの出力信号同士の間の位相差比は、シャフト１のねじれ方向の弾性変形量に相関を有し、かつ、シャフト１のねじれ方向の弾性変形量は、シャフト１が伝達するトルクの大きさと相関関係を有する。そこで、トルク検出装置は、１対のセンサ３ａ、３ｂの出力信号同士の間の位相差比に基づいて、シャフト１が伝達するトルクを求めるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−９８２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２０１２−９８２６８号公報に記載のトルク検出装置は、エンコーダ２ａ、２ｂとセンサ３ａ、３ｂとを１対ずつ備えるため、部品管理や組立作業が面倒になる可能性がある。また、特開２０１２−９８２６８号公報に記載のトルク検出装置は、シャフト１が回転していないと、該シャフト１に加わるトルクを検出することができない。
【０００６】
本発明は、上述のような事情に鑑み、センサの個数を削減することができ、かつ、シャフトが回転しない状態においても、該シャフトに加わるトルクを検出することができる、トルク検出装置の構造を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のトルク検出装置は、シャフトと、被検出部材と、センサと、演算器とを備える。
前記被検出部材は、軸方向から見て円弧形の形状を有し、かつ、円周方向片側のＮ極と円周方向他側のＳ極とからなる被検出面を有し、前記シャフトに支持固定される。
前記センサは、前記被検出面に対向する検出部と、該検出部が対向する部分の磁気特性に応じた値を出力する出力部とを有し、前記シャフトのうち、前記被検出部材が支持固定された部分から軸方向に外れた部分に支持固定される。
前記演算器は、前記出力部が出力する値に基づいて、前記シャフトに加わるトルクを算出する。
【発明の効果】
【０００８】
上述のような本発明のトルク検出装置では、１個のセンサのみで、シャフトに加わるトルクを検出することができる。すなわち、本発明のトルク検出装置によれば、シャフトが伝達するトルクを検出するために１対のセンサを使用する特開２０１２−９８２６８号公報に記載のトルク検出装置と比較して、センサの個数を削減することができる。また、本発明のトルク検出装置によれば、シャフトが回転していない状態においても、該シャフトに加わるトルクを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態の第１例のトルク検出装置を示す断面図である。
【図２】図２（Ａ）は、シャフトにトルクが加わっていない状態における、被検出部材とセンサとの位置関係を示す模式図であり、図２（Ｂ）は、シャフトに所定方向のトルクが加わっている状態における、被検出部材とセンサとの位置関係を示す模式図であり、図２（Ｃ）は、シャフトに所定方向と逆方向のトルクが加わっている状態における、被検出部材とセンサとの位置関係を示す模式図である。
【図３】図３（Ａ）は、被検出部材に対するセンサの回転方向の相対変位量と、磁束密度との関係を示すグラフであり、図３（Ｂ）は、被検出部材に対するセンサの回転方向の相対変位量と、該センサの出力信号との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施の形態の第１例に関する変形例の１例を示す、図２と同様の図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態の第１例に関する変形例の１例を示す、図３（Ａ）と同様の図である。
【図６】図６は、トルク検出装置の従来構造の１例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［実施の形態の第１例］
本発明の実施の形態の第１例について、図１〜図３を参照しつつ説明する。本例のトルク検出装置は、シャフト１ａと、被検出部材６と、センサ７と、図示しない演算器とを備える。なお、以下の説明において、軸方向、径方向および円周方向とは、特に断らない限り、シャフト１ａの軸方向、径方向および円周方向をいう。
【００１１】
シャフト１ａは、図示しないハウジングに、転がり軸受や滑り軸受などにより回転自在に支持されている。本例では、シャフト１ａは、軸方向中間部に、軸方向両側に隣接する部分の外径よりも小さい外径を有する小径部８を有する。ただし、シャフト１ａにトルクが加わった際に、該シャフト１ａのうち、被検出部材６が支持固定された部分とセンサ７が支持固定された部分との回転方向の相対変位量を十分に確保することができれば、小径部８を省略することもできる。
【００１２】
被検出部材６は、軸方向から見て円弧形の形状を有し、かつ、円周方向片側（図２（Ａ）〜図２（Ｃ）の左側）のＮ極と円周方向他側（図２（Ａ）〜図２（Ｃ）の右側）のＳ極とからなる被検出面９を有する。具体的には、本例では、被検出部材６は、半円輪形または扇形の軸方向端面形状を有し、かつ、軸方向片側（図１の右側）の端面に被検出面９を有する。
【００１３】
被検出部材６は、第１の支持具１０により、シャフト１ａのうち、小径部８の軸方向他側（図１の左側）に隣接する部分に対し支持固定されている。第１の支持具１０は、嵌合筒部１１と、該嵌合筒部１１の軸方向片側の端部から径方向外方に折れ曲がった内径側円輪部１２と、該内径側円輪部１２の径方向外側の端部から軸方向片側に向けて折れ曲がった円筒部１３と、該円筒部１３の軸方向片側の端部から径方向外方に折れ曲がった外径側円輪部１４とを備える。本例では、嵌合筒部１１を、シャフト１ａのうちで小径部８の軸方向他側に隣接する部分に外嵌固定し、かつ、外径側円輪部１４の軸方向片側の端面に、被検出部材６を支持固定することにより、被検出部材６をシャフト１ａに対し支持固定している。
【００１４】
センサ７は、被検出部材６の被検出面９に対向する検出部１５と、該検出部１５が対向する部分の磁気特性に応じた値（電圧）を出力する、図示しない出力部とを備える。本例では、検出部１５は、シャフト１ａにトルクが加わっていない初期状態において、被検出部材６の被検出面９のうちのＮ極とＳ極との境界位置Ｐ０に対向している。前記出力部は、検出部１５が対向している部分の極性（Ｎ極であるかＳ極であるか）、および、検出部１５が対向する部分の境界位置Ｐ０からの周方向変位量ΔＳに応じた値を出力する。
【００１５】
具体的には、センサ７は、検出部１５として、磁束密度を検出するホール素子、ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子などを使用した、磁気センサなどである。本例では、図２（Ａ）に示すように、検出部１５が境界位置Ｐ０に対向している状態を基準として、図２（Ｂ）に示すように、検出部１５の被検出面９に対する円周方向片側（Ｎ極側）への相対変位量が大きくなるほど、図３（Ａ）に示すように、磁束密度が正の方向に大きくなるため、センサ７の出力部は、図３（Ｂ）に示すように、正の方向に大きな値を出力する。これに対し、図２（Ｃ）に示すように、検出部１５の被検出面９に対する円周方向他側（Ｓ極側）への相対変位量が大きくなるほど、図３（Ａ）に示すように、磁束密度が負の方向に大きくなるため、センサ７の出力部は、図３（Ｂ）に示すように、負の方向に大きな値を出力する。
【００１６】
センサ７は、第２の支持具１６により、シャフト１ａのうち、小径部８の軸方向片側に隣接する部分に対し支持固定されている。第２の支持具１６は、嵌合筒部１７と、該嵌合筒部１７の軸方向他側の端部から径方向外方に折れ曲がった第１の円輪部１８と、該第１の円輪部１８の径方向外側の端部から軸方向他側に向けて折れ曲がった円筒部１９と、該円筒部１９の軸方向他側の端部から径方向内方に折れ曲がった第２の円輪部２０とを備える。本例では、嵌合筒部１７を、シャフト１ａのうちで小径部８の軸方向片側に隣接する部分に外嵌固定し、かつ、第２の円輪部２０の軸方向他側の端面に、センサ７を支持固定している。これにより、センサ７をシャフト１ａに対し支持固定し、かつ、センサ７の検出部１５を被検出部材６の被検出面９に軸方向の隙間を介して対向させている。
【００１７】
本例のトルク検出装置は、被検出部材６およびセンサ７の周囲を覆うカバー２１と、第２の支持具１６との間に、センサ７の出力部が出力する値を演算器に送信するための送信手段３０、並びに、センサ７および送信手段３０の送信部３１に電力を供給するための給電手段２２を備える。
【００１８】
カバー２１は、軸方向中間部に配置された大径筒部２３と、該大径筒部２３の軸方向両側の端部から径方向内方に折れ曲がった１対の円輪部２４と、該円輪部２４のそれぞれの径方向内側の端部から軸方向に関して互いに離れる方向に折れ曲がった１対の小径筒部２５とを備える。カバー２１は、前記ハウジングに対する回転を阻止されている。また、カバー２１は、大径筒部２３を、被検出部材６およびセンサ７の径方向外方に配置し、かつ、１対の小径筒部２５のそれぞれを、滑り軸受２６を介して、第１の支持具１０の嵌合筒部１１と第２の支持具１６の嵌合筒部１７とに外嵌することにより、被検出部材６およびセンサ７の周囲を覆っている。なお、本例では、１対の小径筒部２５と嵌合筒部１１、１７との間に、転動体を使用しない滑り軸受２６を配置するようにしている。この理由は、滑り軸受２６を設置する部分の径方向に関するスペースが限られているため、滑り軸受２６の代わりに転がり軸受を使用した場合、許容回転速度を大きくすることができず、シャフト１ａの回転速度が制限されてしまう可能性がある。これに対し、本例では、滑り軸受２６を使用しているため、シャフト１ａが停止している状態から高速回転している状態まで、速度変動の影響を小さく抑えて、安定したトルク検出を行うことができる。
【００１９】
また、本例では、カバー２１の軸方向片側の円輪部２４と第２の支持具１６の第１の円輪部１８との間部分、および、カバー２１の軸方向他側の円輪部２４と第１の支持具１０の内径側円輪部１２との間部分にそれぞれ、スラスト軸受２７を配置している。本例では、スラスト軸受２７として、ある程度の軸方向厚さを有する転がり軸受を使用している。具体的には、円輪部２４と第１の円輪部１８との間部分に、後述する送信部３１の送信アンテナおよび受信部３２の受信アンテナを設置するための軸方向に関するスペースを確保できる程度の軸方向厚さを有する転がり軸受を、スラスト軸受２７として使用する。なお、本例では、スラスト軸受２７として、ある程度の軸方向厚さを有する転がり軸受を使用しているため、スラスト軸受２７の許容回転速度を十分確保することができる。したがって、シャフト１ａの回転速度が制限されるようなことはない。
【００２０】
送信手段３０は、カバー２１の軸方向片側の円輪部２４に支持された送信部３１と、第２の支持具１６の第１の円輪部１８に支持された受信部３２とを備える。センサ７の出力部が出力するデータは、図示しないケーブルを介して、送信手段３０の送信部３１に送られ、該送信部３１から受信部３２に送信される。受信部３２に送られたデータは、図示しないケーブルを介して、演算器に送られ処理される。
【００２１】
送信手段３０は、送信部３１から受信部３２にデータを送信できる限り、特に限定されず、電波によるワイヤレス送信装置や、ブラシと整流子による接触式の送信装置などを使用することができる。
【００２２】
給電手段２２は、カバー２１の軸方向片側の円輪部２４に支持された送電部２８と、第２の支持具１６の第１の円輪部１８に支持された受電部２９とを備える。給電手段２２は、図示しない電源からの電力を、送電部２８および受電部２９を介して、センサ７および送信手段３０の送信部３１に供給するように構成されている。
【００２３】
給電手段２２は、センサ７および送信部３１に、該センサ７および送信部３１を起動できるだけの電力を供給できる限り、特に限定されない。具体的には、たとえば、給電手段２２として、電磁誘導式、磁界共鳴式、または電波受信式のワイヤレス給電装置を使用することもできるし、ブラシと整流子とを有する接触式の給電装置を使用することもできる。ただし、シャフト１ａが回転していない状態においても、該シャフト１ａに加わるトルクを検出する面からは、給電手段２２を、送電部２８と受電部２９とが相対回転していなくても、送電部２８から受電部２９に電力を送電できるように構成することが好ましい。あるいは、給電手段２２を省略して、シャフト１ａとともに回転するように支持されたバッテリーからセンサ７および送信部３１に電力を供給するように構成することもできる。
【００２４】
本例のトルク検出装置において、シャフト１ａにトルクが加わり、該シャフト１ａの小径部８がねじれるように弾性変形すると、センサ７が被検出部材６に対して回転方向に相対変位する。これにより、検出部１５の対向位置が被検出面９の境界位置Ｐ０から円周方向にずれて（検出部１５が対向する部分の境界位置Ｐ０からの周方向変位量ΔＳが変化して）、センサ７の出力部の出力値が変化する。センサ７の出力部の出力値と、シャフト１ａの小径部８のねじれ変形量、すなわち前記周方向変位量ΔＳとの間には、図３に示すような相関関係が存在する。
【００２５】
ここで、シャフト１ａの中心軸Ｏと検出部１５との間の径方向寸法をｒとすると、検出部１５の境界位置Ｐ０からの相対変位角度θは、次の式（１）により表される。
θ＝ΔＳ／ｒ  ・・・（１）
【００２６】
さらに、シャフト１ａの剛性率（横弾性係数）をＧとし、シャフト１ａの断面二次極モーメントをＩｐとし、シャフト１ａの軸方向寸法（歯車などにより構成される、トルク入力部とトルク出力部との間の軸方向寸法）をＬとすると、シャフト１ａに加わるトルクＴは、次の（２）式により表される。
Ｔ＝Ｇ・θ・Ｉｐ／Ｌ  ・・・（２）
したがって、検出部１５が対向する部分の境界位置Ｐ０からの周方向変位量ΔＳに基づいて、シャフト１ａに加わるトルクを算出することができる。
【００２７】
本例のトルク検出装置では、センサ７の出力部の出力値と、シャフト１ａに加わるトルクとの関係を、演算器のメモリ中に、マップや計算式として記憶しておく。本例のトルク検出装置の演算器では、このようなマップや計算式を用いることにより、シャフト１ａに加わるトルクを、センサ７の出力部の出力値からリアルタイムに求めることができる。
【００２８】
本例のトルク検出装置では、１個のセンサ７のみで、シャフト１ａに加わるトルクを検出することができる。すなわち、本例のトルク検出装置によれば、図６に記載のトルク検出装置のように、シャフト１が伝達するトルクを検出するために１対のセンサ３ａ、３ｂを使用する構造と比較して、センサ７の個数を削減することができる。このため、部品管理や組立作業の容易化を図ることができる。
【００２９】
また、図６に記載のトルク検出装置では、シャフト１の回転に伴い、１対のエンコーダ２ａ、２ｂが回転することに伴って、周期的に変化する１対のセンサ３ａ、３ｂの位相差に基づいて、シャフト１が伝達するトルクを検出するようにしている。したがって、図６に記載のトルク検出装置では、シャフト１が回転していない状態では、該シャフト１に加わるトルクを検出することができない。
【００３０】
これに対し、本例のトルク検出装置では、シャフト１ａの小径部８を挟むように、被検出部材６とセンサ７とを配置し、かつ、シャフト１ａがねじれ方向に弾性変形することに伴い、センサ７が被検出部材６に対して回転方向に相対変位する量に基づいて、シャフト１ａに加わるトルクを検出するようにしている。このため、本例のトルク検出装置によれば、シャフト１ａが回転していない状態においても、該シャフト１ａに加わるトルクを検出することができる。
【００３１】
なお、本例のトルク検出装置を実施する場合、シャフト１ａにトルクが加わっている状態での、該シャフト１ａのねじれ変形量（周方向変位量ΔＳ）を求めることができる限り、必ずしも、シャフト１ａにトルクが加わっていない初期状態において、検出部１５を、被検出面９のうち、Ｎ極とＳ極との境界位置Ｐ０に対向させる必要はない。
【００３２】
本例のトルク検出装置では、被検出部材６の被検出面９と、センサ７の検出部１５とを軸方向に対向させている。ただし、本発明のトルク検出装置を実施する場合、被検出部材を、部分円筒形状を有し、かつ、外周面または内周面に被検出面を有するものとし、センサを、前記被検出面に径方向に対向する検出部を有するものとすることもできる。
【００３３】
また、本発明のトルク検出装置は、たとえば、変速機の出力軸に組み込んで使用することができる。この場合、変速機の出力トルクだけでなく、車輪から変速機へと逆入力されるリバーストルクも検出することができる。
【００３４】
また、本例では、被検出部材６として、半円輪形または扇形の軸方向端面形状を有するものを使用しているが、図４に示すように、円輪形の軸方向端面形状を有する被検出部材６を使用することもできる。換言すれば、被検出面９を全周にわたって備える被検出部材６を使用することもできる。なお、この場合、図５に示すように、センサ７の検出部１５が、境界位置Ｐ０から９０度位相がずれた状態で、磁束密度の絶対値が最も大きくなって、出力部からの出力値の絶対値が最も大きくなる。
【符号の説明】
【００３５】
１、１ａ  シャフト
２ａ、２ｂ  エンコーダ
３ａ、３ｂ  センサ
４ａ、４ｂ  被検出面
５ａ、５ｂ  検出部
６  被検出部材
７  センサ
８  小径部
９  被検出面
１０  第１の支持具
１１  嵌合筒部
１２  内径側円輪部
１３  円筒部
１４  外径側円輪部
１５  検出部
１６  第２の支持具
１７  嵌合筒部
１８  第１の円輪部
１９  円筒部
２０  第２の円輪部
２１  カバー
２２  給電手段
２３  大径筒部
２４  円輪部
２５  小径筒部
２６  滑り軸受
２７  スラスト軸受
２８  送電部
２９  受電部
３０  送信手段
３１  送信部
３２  受信部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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