(57)【要約】      （修正有）【課題】トルク伝達軸の停止状態においても、トルク伝達軸が伝達するトルクを求められる構造を実現する。【解決手段】Ｓ極とＮ極とが円周方向に関して交互に配置された１対のエンコーダの被検出面に、それぞれの検出部を対向させた１対のセンサの出力信号から、演算器は、下記式を利用して、トルク伝達軸の捩れ角に相当する位相差を算出する。2019020287.tif 000009式中、Φa、Φbは、１対のセンサの出力信号を表し、θa、θbは、１対のエンコーダの位相を表し、ｐは、トルク伝達軸１ａの回転角度を表し、Ｐは、１対のエンコーダに関して１極対分の角度を表している。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用時にトルクを伝達するトルク伝達軸と、
それぞれの被検出面にＳ極とＮ極とが円周方向に関して交互に配置された永久磁石製で、前記トルク伝達軸に直接又は使用時にこのトルク伝達軸と同期して回転する部材に支持された１対のエンコーダと、
前記１対のエンコーダの被検出面に磁気検出素子を備えたそれぞれの検出部を対向させ、こ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、使用時にも回転しない部分に支持された１対のセンサと、
前記１対のセンサの出力信号同士の間の位相差に基づいて、前記トルク伝達軸が伝達するトルクを求める機能を有する演算器と、を備え、
前記１対のセンサのそれぞれの出力信号をΦa  、Φb  とし、
前記１対のエンコーダのそれぞれの位相をθa  、θb  とし、
前記トルク伝達軸の回転角度をｐとし、
前記１対のエンコーダに関して１極対分の角度をＰとした場合に、
前記演算器が、下記の（５）式を利用して、前記位相差を求める機能を有する、
トルク測定装置付回転伝達装置。
【数１】
2019020287.tif 000008
【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、トルク測定装置付回転伝達装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用自動変速機を構成する軸の回転速度と、この軸により伝達しているトルクの大きさとを測定し、その測定結果を当該変速機の変速制御又はエンジンの出力制御を行うための情報として利用することが、従来から行われている。また、特開昭５７−１６９６４１号公報には、軸の弾性的な捩れ変形量を１対のセンサの出力信号の位相差に変換し、この位相差に基づいてトルクの大きさを測定する装置が記載されている。このような従来構造について、図３及び図４を参照して説明する。
【０００３】
従来構造では、運転時にトルクを伝達するトルク伝達軸１の軸方向２箇所位置に、１対のエンコーダ２を外嵌固定している。１対のエンコーダ２の外周面である被検出面の磁気特性は、円周方向に関して交互に、かつ、等ピッチで変化している。また、被検出面の磁気特性が円周方向に関して変化するピッチは、１対の被検出面同士で互いに等しい。また、それぞれの被検出面に、１対のセンサ３の検出部を対向させた状態で、これら両センサ３を、図示しないハウジングに支持している。これら両センサ３は、それぞれがポールピースの周囲にコイルを巻き回して成り、磁束密度の切り替わり（Ｎ／Ｓ）に合わせて矩形波信号を出力するいわゆるパッシブセンサである。
【０００４】
上述のような両センサ３の出力信号（図４のＡ相及びＢ相のパルス信号）は、トルク伝達軸１とともに１対のエンコーダ２が回転することに伴い、それぞれ周期的に変化する。この変化の周波数（及び周期）は、トルク伝達軸１の回転速度に見合った値をとる。このため、この周波数（又は周期）に基づいて、トルク伝達軸１の回転速度を求められる。また、トルク伝達軸１によりトルクを伝達することに伴って、トルク伝達軸１が弾性的に捩れ変形すると、１対のエンコーダ２が回転方向に相対変位する。この結果、１対のセンサ３の出力信号同士の間の位相差δが変化する。位相差δは、トルク（トルク伝達軸１の弾性的な捩れ変形量）に見合った値をとる。このため、この関係を利用して、位相差δからトルクを求めることができる。図示の構造では、１対のセンサ３の出力信号は、それぞれハーネス４を通じて、図示しない演算器に送信され、該演算器により、トルク伝達軸１の回転速度及び伝達するトルクが算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−１６９６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上述したような従来構造では、演算器は、１対のセンサの出力信号にそれぞれ含まれる立ち下がりエッジ（又は立ち上がりエッジ）の入力時刻の差に基づいて、１対のセンサの出力信号同士の間の位相差を求めるため、トルク伝達軸が回転していない状態では、位相差を求めることができない。すなわち、トルク伝達軸の停止状態では、該トルク伝達軸が伝達するトルクを求めることができない。
【０００７】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、トルク伝達軸の停止状態においても、該トルク伝達軸が伝達するトルクを求められる構造を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のトルク測定装置付回転伝達装置は、トルク伝達軸と、１対のエンコーダと、１対のセンサと、演算器とを備える。
前記トルク伝達軸は、使用時にトルクを伝達するものである。
前記１対のエンコーダは、それぞれの被検出面にＳ極とＮ極とが円周方向に関して交互に配置された永久磁石製で、前記トルク伝達軸に直接又は使用時にこのトルク伝達軸と同期して回転する部材に支持されている。
前記１対のセンサは、前記１対のエンコーダの被検出面に磁気検出素子を備えたそれぞれの検出部を対向させ、こ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もので、使用時にも回転しない部分に支持されている。
前記演算器は、前記１対のセンサの出力信号同士の間の位相差に基づいて、前記トルク伝達軸が伝達するトルクを求める機能を有する。
特に本発明のトルク測定装置付回転伝達装置では、前記演算器は、下記の（５）式を利用して前記位相差を求める機能を有する。
【数１】
2019020287.tif 000002
式（５）中、Φa  、Φb  は、前記１対のセンサの出力信号を表し、θa  、θb  は、前記１対のエンコーダの位相を表し、アルファベットの小文字ｐは、前記トルク伝達軸の回転角度を表し、アルファベットの大文字Ｐは、前記１対のエンコーダに関して１極対分の角度を表している。
そして、前記演算器は、求められた位相差から前記トルク伝達軸が伝達するトルクを、予め前記演算器のメモリ中に、例えばマップや計算式として記憶しておいた位相差とトルクとの関係を利用して求めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
上述のような本発明のトルク測定装置付回転伝達装置によれば、トルク伝達軸の停止状態においても、該トルク伝達軸が伝達するトルクを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態の第１例に係るトルク測定装置付回転伝達装置の断面図である。
【図２】図２は、第一、第二両センサの出力信号を示す線図である。
【図３】図３は、従来構造のトルク測定装置付回転伝達装置の１例を示す略側面図である。
【図４】図４は、従来構造のトルク測定装置付回転伝達装置に関して、１対のセンサの出力信号を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［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を参照して説明する。
本例のトルク測定装置付回転伝達装置は、自動車用の自動変速機に組み込んで使用するもので、ハウジング（ミッションケース）５と、カウンタ軸として機能するトルク伝達軸１ａと、それぞれがカウンタギヤとして機能する入力歯車６及び出力歯車７と、１対の転がり軸受８ａ、８ｂと、第一エンコーダ９及び第二エンコーダ１０と、１対のセンサユニット１１ａ、１１ｂと、図示しない演算器とを備える。
なお、本例に関する以下の説明中、軸方向に関して「片側」とは、図１の右側をいい、軸方向に関して「他側」とは、図１の左側をいう。
【００１２】
トルク伝達軸１ａは、炭素鋼の如き合金鋼により中空円筒状に造られたもので、焼き入れ、焼き戻し処理などの熱処理を行い、トルク伝達軸１ａの表面硬さをＨＶ４００以上とするとともに、表面炭素濃度を０．２％以上としている。また、本例では、トルク伝達軸１ａにトルクを入力するための入力歯車６を、トルク伝達軸１ａの軸方向片端寄り部分（図１の左端寄り部分）に、トルク伝達軸１ａとは別体に設けており、トルクを出力するための出力歯車７を、トルク伝達軸１ａの軸方向他端寄り部分（図１の左端寄り部分）に、トルク伝達軸１ａとは別体に設けている。また、トルク伝達軸１ａのうち、入力歯車６及び出力歯車７が設置された部分を挟んだ両側部分（軸方向他端部分及び軸方向片端部）を、１対の転がり軸受８ａ、８ｂにより、ハウジング５に対し回転自在に支持している。
【００１３】
入力歯車６及び出力歯車７は、炭素鋼の如き合金鋼製のはすば歯車又は平歯車であり、トルク伝達軸１ａとは別体に設けられている。このために、入力歯車６及び出力歯車７の嵌合部に関して、同心性（同軸度）を確保するための円筒面嵌合部と、相対回転を防止するためのインボリュートスプライン係合部とを、軸方向に隣接配置した構成を採用している。
【００１４】
１対の転がり軸受８ａ、８ｂは、例えば深溝型、アンギュラ型などの玉軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、ラジアルニードル軸受、自動調心ころ軸受など（図示の例は玉軸受）であり、それぞれが円環状の外輪１２ａ、１２ｂ及び内輪１３ａ、１３ｂと、複数個の転動体１４とから構成されている。外輪１２ａ、１２ｂは、使用時にも回転しない静止輪であり、ハウジング５に内嵌固定されている。内輪１３ａ、１３ｂは、使用時に回転する回転輪であり、トルク伝達軸１ａに外嵌固定されている。転動体１４は、外輪１２ａ、１２ｂの軸方向中間部内周面に形成された外輪軌道と、内輪１３ａ、１３ｂの軸方向中間部外周面に形成された内輪軌道との間に、保持器により保持された状態で、転動自在に設けられている。また、本例では、転がり軸受８ａ、８ｂ同士で、互いの接触角を逆向きとしている。
【００１５】
第一エンコーダ９は、トルク伝達軸１ａの軸方向他端部に支持固定されている。このため、第一エンコーダ９は、トルク伝達軸１ａの軸方向他端部とともに（同期して）回転可能である。これに対し、第二エンコーダ１０は、トルク伝達軸１ａの軸方向片端部に外嵌固定されている。このため、第二エンコーダ１０は、トルク伝達軸１ａの軸方向片端部とともに（同期して）回転可能である。
【００１６】
第一、第二両エンコーダ９、１０のうち、第一エンコーダ９は、トルク伝達軸１ａの軸方向他端部に螺合固定されるナットの如き円環状のねじ環１５と、ねじ環１５の外周面に固定された、ゴム、合成樹脂などの高分子材料中に磁性粉を分散させて全体を円筒状とした、ゴム磁石、プラスチック磁石等の永久磁石製のエンコーダ本体１６とから構成されている。これに対し、第二エンコーダ１０は、トルク伝達軸１ａの軸方向片端部に螺合固定されるナットの如きねじ環１７と、ねじ環１７の外周面に固定された永久磁石製のエンコーダ本体１８とから構成されている。
【００１７】
エンコーダ本体１６、１８中に含有する磁性粉としては、例えば、ストロンチウムフェライト、バリウムフェライトなどのフェライト系の磁性粉や、サマリウム−鉄、サマリウム−コバルト、ネオジウム−鉄−ボロンなどの希土類元素の磁性粉を採用できる。それぞれが被検出面である、エンコーダ本体１６、１８の外周面は、互いの直径が等しく、互いに同軸に配置されている。また、エンコーダ本体１６、１８の外周面には、それぞれＳ極とＮ極とが、円周方向に関して交互にかつ等ピッチで配置されており、磁気特性を円周方向に関して交互にかつ等ピッチで変化させている。エンコーダ本体１６、１８の外周面の磁極（Ｓ極、Ｎ極）の総数は、互いに一致している。
【００１８】
センサユニット１１ａは、第一センサ１９と、該第一センサ１９を支持した合成樹脂製のセンサブロック２０と、該センサブロック２０を内側に保持した金属製のセンサキャップ２１とを備えており、このうちのセンサキャップ２１の一部を、転がり軸受８ａを構成する外輪１２ａの内周面に内嵌固定することで、この外輪１２ａに支持固定されている。これに対し、センサユニット１１ｂは、第二センサ２２と、該第二センサ２２を支持した合成樹脂製のセンサブロック２３と、該センサブロック２３を内側に保持した金属製のセンサキャップ２４とを備えており、このうちのセンサキャップ２４の一部を、転がり軸受８ｂを構成する外輪１２ｂの内周面に内嵌固定することで、この外輪１２ｂに支持固定されている。
【００１９】
第一センサ１９及び第二センサ２２のそれぞれの検出部には、磁束の密度に応じて特性を変化させる、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。そして、センサユニット１１ａ、１１ｂを上述のように支持した状態で、第一センサ１９の検出部を、第一エンコーダ９の被検出面（エンコーダ本体１６の外周面）に近接対向させるとともに、第二センサ２２の検出部を、第二エンコーダ１０の被検出面（エンコーダ本体１８の外周面）に近接対向させている。このため、第一センサ１９は、自身の検出部を通過する磁束密度（検出面を通過する磁束／検出面の面積）に応じて出力信号を変化させ、また、第二センサ２２は、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。つまり、第一センサ１９及び第二センサ２２は、磁束密度に比例した信号を出力する、いわゆるアクティブセンサである。本例では、第一センサ１９及び第二センサ２２の出力信号を、それぞれハーネス２５ａ、２５ｂを通じて、図示しない演算器に送信可能としている。
【００２０】
上述のような本例のトルク測定装置付回転伝達装置では、第一センサ１９の出力信号（図２にΦa  で表されたサイン波）及び第二センサ２２の出力信号（図２にΦb  で表されたサイン波）は、トルク伝達軸１ａとともに第一、第二両エンコーダ９、１０が回転することに伴い、それぞれ周期的に変化する。ここで、この変化の周波数（及び周期）は、トルク伝達軸１ａの回転速度に見合った値をとる。したがって、これら周波数（又は周期）と回転速度との関係を予め調べておけば、この周波数（又は周期）に基づいて回転速度を求められる。
【００２１】
また、トルク伝達軸１ａによりトルクを伝達する際には、トルク伝達軸１ａのうち、入力歯車６と出力歯車７との間部分が弾性的に捩れ変形することに伴い、トルク伝達軸１ａの軸方向両端部同士（第一、第二両エンコーダ９、１０同士）が回転方向（周方向）に相対変位する。そして、このように第一、第二両エンコーダ９、１０同士が回転方向に相対変位する結果、トルク伝達軸１ａの捩れ角に相当する、第一、第二両センサ１９、２２の出力信号同士の間の位相差が変化する。また、位相差は、トルク（トルク伝達軸１ａの弾性的な捩れ変形量）に見合った値をとる。したがって、トルク伝達軸１ａの捩れ剛性を考慮して、トルクと位相差との関係（表やマップなど）を表すデータを予め実験などにより作成し、作成したデータを演算器に記憶しておけば、該演算器により、当該データを利用して、位相差からトルクを求めることができる。
【００２２】
特に本例では、演算器が、第一センサ１９の出力信号及び第二センサ２２の出力信号を利用して、次のようにして位相差を算出する。
【００２３】
先ず、第一センサ１９の出力信号及び第二センサ２２の出力信号を、それぞれ数式で表すことを考える。第一、第二両センサ１９、２２の検出部が対向する第一、第二両エンコーダ９、１０の磁束密度が、回転方向（周方向）に対して正弦波状に変化する特性を有していることから、第一、第二両センサ１９、２２からは、次の（１）式及び（２）式で表される、磁束密度に比例した出力信号Φa  、Φb  がそれぞれ得られる。また、このようにして得られる出力信号Φa  、Φb  は、図２に示すような線図で表される。
【数２】
2019020287.tif 000003
【数３】
2019020287.tif 000004
ここで、Φa  は、第一センサ１９の出力信号を表しており、Φb  は、第二センサ２２の出力信号を表している。また、これらΦa  、Φb  の単位は例えば電圧Ｖである。θa  は、第一エンコーダ９の位相（角度）を表しており、θb  は、第二エンコーダ１０の位相（角度）を表している。また、θa  、θb  の単位はｒａｄ（電気角）である。ｐは、トルク伝達軸１ａの回転角度を表しており、単位はｒａｄ（電気角換算）である。さらに、Ａ及びＢは、それぞれ比例定数を表している。
【００２４】
また、上記（１）式及び上記（２）式からθa  −θb  （位相差、差の周波数）を取り出すべく、上記（１）式で表される第一センサ１９の出力信号Φa  と上記（２）式で表される第二センサ２２の出力信号Φb  とを乗算すると、次の（３）式が得られる。
【数４】
2019020287.tif 000005
【００２５】
さらに、上記（３）式からθa  −θb  が含まれる直流成分のみを取り出すべく、上記（３）式を、第一、第二両エンコーダ９、１０のＮ極及びＳ極の１極対の半分の区間で積分すると、次の（４）式が得られる。このように上記（３）式から（４）式を求める過程で、第一、第二両エンコーダ９、１０に関して１極対分の間に発生する磁束密度の変動分が消去される。
【数５】
2019020287.tif 000006
ここで、Ｐは、第一エンコーダ９及び第二エンコーダ１０に関して１極対分の角度（２π）を表しており、単位はｒａｄ（電気角換算）である。
【００２６】
最後に、上記（４）式に関して、位相差を表すθa  −θb  について解きなおすと、次の（５）式が得られる。
【数６】
2019020287.tif 000007
【００２７】
本例では、上述のようにして算出された上記（５）式を用いて、前記演算器が、第一センサ１９の出力信号と第二センサ２２の出力信号との位相差θa  −θb  を算出する。具体的には、前記演算器は、ハーネス２５ａ、２５ｂを通じて送信される第一センサ１９の出力信号Φa  及び第二センサ２２の出力信号Φb  を、パルス波に変換することなく、上記（５）式に入力し、一定時間の周期で位相差θa  −θb  を算出する。
【００２８】
本例では、前記演算器が、上記（５）式を用いて、第一センサ１９の出力信号Φa  と第二センサ２２の出力信号Φb  との位相差θa  −θb  を算出することができるため、トルク伝達軸１ａの停止状態においても、該トルク伝達軸１ａが伝達するトルクを求めることができる。すなわち、本例では、前述した従来構造のように、１対のセンサの出力信号にそれぞれ含まれる立ち下がりエッジ（又は立ち上がりエッジ）の入力時刻の差に基づいて位相差を算出する必要がなく、時間を変数に持たない上記（５）式を用いて、位相差θa  −θb  を算出できる。したがって、トルク伝達軸１ａの回転していない停止状態においても、該トルク伝達軸１ａが伝達するトルクを求めることができる。
【００２９】
また、本例によれば、サンプリング周波数を、第一、第二両エンコーダ９、１０の磁極の数に制限されず、任意に設定することが可能になる。すなわち、前述した従来構造では、演算器による計算のタイミングは、センサの出力信号に含まれる立ち下がりエッジ（又は立ち上がりエッジ）に制限されてしまうため、例えば、トルク伝達軸が低速で回転している場合などでは、立ち下がりエッジ（又は立ち上がりエッジ）の検出数が少なくなり、演算器は位相差（トルク）算出のための計算を行えない場合が生じる。これに対し、本例では、前記演算器は、それぞれが連続的に変化する第一センサ１９の出力信号及び第二センサ２２の出力信号を用いて位相差（トルク）の算出を行えるため、前記演算器はどのタイミングでも計算を行うことができる。したがって、前記演算器は、任意のタイミングで、第一センサ１９の出力信号及び第二センサ２２の出力信号をサンプリングすることが可能になる。さらに、トルク測定装置付回転伝達装置全体として、２つのセンサのみを使用するため、コストの上昇を抑えられるとともに、設計の自由度の向上を図れる。
【００３０】
なお、本発明を実施する場合には、上記（５）式から位相差を求めた後、この位相差と相関関係のある位相差比（位相差を第一、第二両センサ１９、２２の出力信号の１周期で割ったもの）を求め、その後トルクを算出しても良い。
【００３１】
本発明のトルク測定装置付回転伝達装置を構成するトルク伝達軸は、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・モータの回転軸など、各種機械装置の回転軸を対象にすることができる。
【００３２】
また、自動車のパワートレインを構成する場合には、例えば、トルクコンバータからトルクが入力されるインプットシャフト（タービンシャフト）や、カウンタシャフトを対象とすることができる。
また、本発明のトルク測定装置付回転伝達装置を組み込んで変速機を構成する場合の変速機の形式は、特に限定されず、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）、ベルト式やトロイダル式等の各種無段変速機（ＣＶＴ）、オートメーテッド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）、トランスファーなど、車側の制御により変速を行う変速機を採用できる。
また、変速機の設置位置と駆動輪との関係は特に限定されず、前置エンジン前輪駆動車（ＦＦ車）、前置エンジン後輪駆動車（ＦＲ車）、及び、四輪駆動車などが対象となる。
また、変速機の上流側に置かれる動力源は、必ずしもガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関である必要はなく、例えばハイブリッド車や電気自動車に用いられる電動モータであっても良い。
【００３３】
また、上述した実施の形態では、エンコーダの被検出面を円筒状とし、この被検出面にセンサの検出部を径方向に対向させた構造を例に説明したが、本発明を実施する場合には、エンコーダの被検出面を円輪状とし、この被検出面にセンサの検出部を軸方向に対向させる構造を採用することもできる。また、１対のエンコーダは、トルク伝達軸に対して直接支持されていても良いし、スリーブ、歯車、軸受用内輪等の他の部材を介して支持されていても良い。さらに、１対のエンコーダと１対のセンサとは、トルク伝達軸の軸方向両側に互いに離隔して配置する構造に限らず、トルク伝達軸の内径側に配置する内軸を利用して、１対のエンコーダ及び１対のセンサを互いに近接配置することもできる。
【００３４】
また、トルク伝達軸を回転自在に支持するための転がり軸受は、玉軸受に限らず、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、ニードル軸受等、従来から知られた各種構造の転がり軸受を使用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１、１ａ  トルク伝達軸
２    エンコーダ
３    センサ
４    ハーネス
５    ハウジング
６    入力歯車
７    出力歯車
８ａ、８ｂ  転がり軸受
９    第一エンコーダ
１０    第二エンコーダ
１１ａ、１１ｂ  センサユニット
１２ａ、１２ｂ  外輪
１３ａ、１３ｂ  内輪
１４    転動体
１５    ねじ環
１６    エンコーダ本体
１７    ねじ環
１８    エンコーダ本体
１９    第一センサ
２０    センサブロック
２１    センサキャップ
２２    第二センサ
２３    センサブロック
２４    センサキャップ
２５ａ、２５ｂ  ハーネス
【図１】
2019020287.tif 000010
【図２】
2019020287.tif 000011
【図３】
2019020287.tif 000012
【図４】
2019020287.tif 000013