JP2019219169A - Torque measurement device - Google Patents

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Abstract

To realize a torque measurement device capable of stably measuring torque in a wide range from a state where a rotating shaft is stopped to a state where the rotating shaft is rotating at high speed.SOLUTION: A rotating shaft 2 has a magnetostrictive effect portion whose magnetic permeability changes in accordance with torque to be transmitted, and a magnetostrictive sensor 5 is arranged close to the magnetostrictive effect portion. A pair of encoders 3a and 3b in which the characteristics of each detection surface alternately change in the circumferential direction is supported on the rotating shaft 2, and detection portions of a pair of magnetic sensors 4a and 4b are brought close to the detection surfaces of the pair of encoders 3a and 3b. A computing portion 6 obtains the torque transmitted by the rotating shaft 2 by a first function on the basis of an output signal of the magnetostrictive sensor 5, and calculates the torque transmitted by the rotating shaft 2 by a second function on the basis of the phase difference between output signals of the pair of magnetic sensors 4a and 4b.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

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。   The present invention relates to a torque measuring device that is incorporated in, for example, an automatic transmission for an automobile, transmits torque, and is used to measure the magnitude of the transmitted torque.

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。   In recent years, in order to improve the efficiency and fuel efficiency of automobiles, measure the magnitude of the engine output torque in order to perform optimal output control of the engine (including output control synchronized with the motor in hybrid vehicles). Is required. As a method of measuring the magnitude of the output torque of the engine, for example, it is conceivable to measure the magnitude of the torque transmitted by any of the rotating shafts located downstream of the engine.

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。   On the other hand, as a method of measuring the torque transmitted by the rotating shaft, a pulse phase difference measurement method and a magnetostriction measurement method are conventionally known.

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。   As described in, for example, JP-A-63-82330, a pair of encoders are fixed at two positions separated in the axial direction of a rotating shaft, and a method of measuring a pulse phase difference method is described in JP-A-63-82330. The detection unit of the magnetic sensor faces the surface to be detected. The characteristics of the detected surface of the encoder change alternately and at a constant pitch in the circumferential direction. Therefore, the output signals of the pair of magnetic sensors change periodically as the pair of encoders rotate with the rotation axis. Further, when a torque is applied to the rotating shaft and elastic torsional deformation occurs in the rotating shaft, the phase difference between the output signals of the pair of magnetic sensors changes. Since this phase difference takes a value corresponding to the torque (the amount of elastic torsional deformation of the rotating shaft), the torque transmitted by the rotating shaft can be obtained using this relationship.

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。   As described in, for example, JP-A-59-61730, a magnetostrictive measuring method includes providing a magnetostrictive material on the outer peripheral surface of a rotating shaft and detecting a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive material in the vicinity of the magnetostrictive material. A magnetostrictive sensor to perform the measurement. When torque is applied to the rotating shaft and elastic torsional deformation occurs in the magnetostrictive material, a change in magnetic permeability occurs in the magnetostrictive material based on the inverse magnetostrictive effect. Thus, the output signal of the magnetostrictive sensor changes in accordance with the change in the magnetic permeability of the magnetostrictive material, so that the torque transmitted by the rotating shaft can be obtained.

特開昭63−82330号公報JP-A-63-82330 特開昭59−61730号公報JP-A-59-61730

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。 When a pulse phase difference type measurement method is used to determine the torque transmitted by the rotating shaft, the condition that the rotating speed of the rotating shaft is 0 min -1 (rpm), in other words, the condition that the rotating shaft is stopped Below, since no pulse is generated in the output signal of the magnetic sensor, the torque applied to the rotating shaft cannot be measured. Further, since the torque measurement frequency is limited to the pulse generation frequency, it becomes difficult to measure the torque with high accuracy when the rotation speed of the rotating shaft is low.

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。   On the other hand, when a magnetostrictive measuring method is used to determine the torque transmitted by the rotating shaft, the output signal of the magnetostrictive sensor is output through a lock-in amplifier circuit. Inside, a low-pass filter is provided. For this reason, in the magnetostrictive measuring method, the response is likely to be reduced, and the output signal is likely to be delayed in time.

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。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has been developed to realize a structure of a torque measuring device capable of stably measuring torque in a wide range from a state where a rotating shaft is stopped to a state where a rotating shaft is rotating at high speed. It was done.

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。
The torque measuring device of the present invention includes a rotating shaft, a magnetostrictive sensor, a pair of encoders, a pair of magnetic sensors, and a calculator.
The rotating shaft transmits a torque during use, and has a magnetostrictive effect portion whose magnetic permeability changes according to the transmitted torque.
The magnetostrictive sensor is supported on a portion that does not rotate during use in a state where the magnetostrictive sensor is disposed close to the magnetostrictive effect portion, and passes through its own detecting portion and responds to a magnetic flux that changes according to the magnetic permeability of the magnetostrictive effect portion. To change the output signal.
The pair of encoders are supported directly or via another member on the rotation shaft, and alternately change the characteristics of each detected surface in the circumferential direction.
The pair of magnetic sensors is supported by a portion that does not rotate during use, and a detection unit is opposed to each detection surface of the encoder.
The computing unit has a first function of obtaining a torque transmitted by the rotating shaft based on an output signal of the magnetostrictive sensor, and a transmitting function of the rotating shaft based on a phase difference between output signals of the pair of magnetic sensors. It has a second function of determining the torque to be applied.

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。   In the present invention, the arithmetic unit selects one of the value obtained by the first function and the value obtained by the second function according to the rotation speed of the rotation shaft, and selects the rotation shaft. May be the value of the torque transmitted.

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。 In the present invention, while the rotation speed of the rotating shaft is between 0 min -1 and a predetermined value N or less, the computing unit sets a value obtained by the first function as a value of torque transmitted by the rotating shaft, When the rotation speed of the rotating shaft is higher than the predetermined value N, the value obtained by the second function may be used as the value of the torque transmitted by the rotating shaft.

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。
In the present invention, when the rotation speed of the rotating shaft is within a predetermined speed range, the value obtained by the first function and the value obtained by the second function are used as the third function. By using both of them, a function of obtaining the torque transmitted by the rotating shaft can be provided.
In this case, in the speed range (low speed range, extremely low speed range) in which the rotation speed of the torque transmission shaft is from 0 min -1 to the predetermined value N1, the arithmetic unit calculates the value obtained by the first function, In a speed range (medium speed range) in which the rotation speed of the rotation shaft is from the predetermined value N1 to the predetermined value N2, the value obtained by the third function is the value of the torque transmitted by the rotation shaft. In a speed range (high-speed range) in which the rotation speed of the rotating shaft is greater than the predetermined value N2, the value obtained by the second function is used as a value of the torque transmitted by the rotating shaft. It can be a value.

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。
In the present invention, the torque transmitted by the rotating shaft is obtained by calculating the third function as an arithmetic average (arithmetic average) of a value obtained by the first function and a value obtained by the second function. The value of
Alternatively, the third function is a weighted average value obtained by weighting the value obtained by the first function and the value obtained by the second function in accordance with the rotation speed of the rotation axis, respectively. May be the value of the torque transmitted.
In this case, the value obtained by the first function is weighted more heavily as the rotation speed of the rotary shaft is smaller, and the value obtained by the second function is weighted heavier as the rotation speed of the rotary shaft is larger. be able to.

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。   According to the torque measuring device of the present invention, torque can be stably measured in a wide range from a state where the rotating shaft is stopped to a state where the rotating shaft is rotating at high speed.

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。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a torque measuring device according to a first example of the embodiment. 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。FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between a rotation speed and a method of calculating a torque adopted by a calculator in the first example of the embodiment. 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。FIG. 3 is a view similar to FIG. 2 and relates to a second example of the embodiment. 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。FIG. 4 is a view similar to FIG. 2 and relates to a third example of the embodiment. 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。FIG. 5 is a schematic diagram showing a fourth example of the embodiment and showing a relationship between a geometric mean value and an arithmetic mean value (weighted mean value) calculated by a computing unit and an actual measured value of torque. 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。FIG. 6 is a sectional view showing a part of a torque measuring device according to a fifth example of the embodiment.

[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。
[First Example of Embodiment]
A first example of the embodiment will be described with reference to FIGS. The torque measuring device 1 of this example includes a rotating shaft 2, a pair of encoders 3a and 3b, a pair of magnetic sensors (Hall sensors, MR sensors) 4a and 4b, one magnetostrictive sensor 5, and an arithmetic unit. 6 is provided.

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。   The rotating shaft 2 has a hollow cylindrical shape as a whole, and has a constant inner diameter in the axial direction. In addition, the rotating shaft 2 has a small-diameter shaft portion 7 having a smaller outer diameter and lower rigidity than a portion adjacent on both sides in the axial direction, at a middle portion in the axial direction. A pair of gears 8a and 8b are supported on both sides in the axial direction of the rotary shaft 2 with the small-diameter shaft portion 7 interposed therebetween so as to be able to rotate synchronously with the rotary shaft 2 by spline engagement or the like. .

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。
In this example, the small-diameter shaft portion 7 constituting the rotating shaft 2 functions as a magnetostrictive effect portion. For this reason, the rotating shaft 2 is made of a magnetic metal. As the magnetic metal, for example, various magnetic steels such as carburized steels such as SCr420 and SCM420 and carbon steels such as S45C specified in JIS can be used. When torque is applied to the rotating shaft 2 and torsional deformation occurs in the small-diameter shaft portion 7, a stress corresponding to the torque (a tensile stress in a direction of 45 ° with respect to the axial direction, and As the compressive stress acts, the magnetic permeability of the small-diameter shaft portion 7 in each direction changes due to the inverse magnetostriction effect.
Note that a magnetostrictive material that functions as a magnetostrictive portion and is separate from the rotating shaft 2 may be fixed to the outer peripheral surface of the small-diameter shaft portion 7 without using the small-diameter shaft portion 7 itself as a magnetostrictive effect portion. . In this case, the annular magnetostrictive material can be externally fitted and fixed to the small-diameter shaft portion 7, or a coating such as plating or a film-shaped magnetostrictive material can be fixed to the outer peripheral surface of the small-diameter shaft portion 7. it can.

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。   Both ends in the axial direction of the rotating shaft 2 are rotatably supported via a pair of rolling bearings 10a and 10b with respect to a casing (housing) 9 which does not rotate during use. Of the pair of rolling bearings 10a and 10b, one (left side in FIG. 1) first rolling bearing 10a externally fixes the inner ring 11a to one axial end of the rotating shaft 2 (left end in FIG. 1). Then, the outer ring 12a is fixedly fitted inside the casing 9. On the other hand, of the pair of rolling bearings 10a and 10b, the other (rightward in FIG. 1) second rolling bearing 10b connects the inner ring 11b to the other axial end of the rotary shaft 2 (right end in FIG. 1). ), And the outer ring 12 b is internally fixed to the casing 9.

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。   In the illustrated example, ball bearings whose rolling elements are balls are used as the rolling bearings 10a and 10b, but rolling bearings such as cylindrical roller bearings and tapered roller bearings using rollers and tapered rollers are used as rolling elements. You can also.

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。   Each of the pair of encoders 3a and 3b is made of magnetic rubber or magnetic resin. In one of the pair of encoders 3a and 3b, one of the first encoders 3a has N poles and S poles alternately and equidistantly arranged in a circumferential direction on an outer peripheral surface which is a detection surface. In the second encoder 3b of the pair of encoders 3a and 3b, the north pole and the south pole are alternately arranged at equal intervals in the circumferential direction on the outer peripheral surface that is the detected surface. I have. The number of changes in the magnetic characteristics (the number of poles (the total number of N poles and S poles)) of the surface to be detected per rotation of the first encoder 3a depends on the number of changes in the surface to be detected per rotation of the second encoder 3b. It may be the same as the number of magnetic property changes, or may be different from each other.

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。   The first encoder 3a is supported and fixed to an inner ring 11a of a first rolling bearing 10a, which is a member that rotates in synchronization with the rotating shaft 2 during use. On the other hand, the second encoder 3b is supported and fixed to the inner ring 11b of the second rolling bearing 10b, which is a member that rotates in synchronization with the rotating shaft 2 during use.

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。   The detection surfaces of the encoders 3a and 3b are not limited to the structure in which the S poles and the N poles are alternately arranged at equal intervals in the circumferential direction. ) May be alternately arranged at equal intervals in the circumferential direction.

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。   Of the pair of magnetic sensors 4a and 4b, the first magnetic sensor 4a is supported by the outer ring 12a of the first rolling bearing 10a via the sensor holder 13a, and has a detection unit provided at the tip. , The first encoder 3a is opposed to the detection surface. The second magnetic sensor 4b of the pair of magnetic sensors 4a, 4b is supported by the outer ring 12b of the second rolling bearing 10b via the sensor holder 13b, and is provided at the tip end. The unit is opposed to the detection surface of the second encoder 3b.

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。   Magnetic detection elements such as a Hall element, a Hall IC, and an MR element (including a GMR element, a TMR element, and an AMR element) are incorporated in the detection units of the pair of magnetic sensors 4a and 4b. For this reason, each of the pair of magnetic sensors 4a and 4b changes the output signal according to the magnetic flux density passing through its own detection unit. Specifically, the first magnetic sensor 4a outputs a pulse-like (rectangular wave) output signal corresponding to a change in the magnetic characteristic of the detected surface of the first encoder 3a that changes with the rotation of the rotating shaft 2. The second magnetic sensor 4b outputs a pulse-like output signal corresponding to a change in magnetic characteristics of the detected surface of the second encoder 3b that changes with the rotation of the rotating shaft 2. In this example, output signals of the first magnetic sensor 4a and the second magnetic sensor 4b are input to the arithmetic unit 6 by wire or wirelessly.

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。   The magnetostrictive sensor 5 is entirely formed in an annular shape, and is supported by the casing 9 via a sensor holder (not shown). The magnetostrictive sensor 5 is arranged coaxially with the small-diameter shaft 7 and is arranged close to the outer peripheral surface of the small-diameter shaft 7. The magnetostrictive sensor 5 has a coil as a detection unit on the radially inner side, and has a back yoke on the radially outer side as a magnetic path of a magnetic flux generated by the coil. In use, an AC magnetic field is generated around the coil by applying an AC voltage to a coil constituting the magnetostrictive sensor 5. The back yoke is formed in an annular shape by powder metallurgy of a metal such as mild steel or magnetic stainless steel or a magnetic metal, or a synthetic resin mixed with a magnetic material.

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。   When torque is applied to the rotating shaft 2, torsional deformation occurs in the small-diameter shaft portion 7, and when the magnetic permeability in each direction of the small-diameter shaft portion 7 changes, the magnetic flux passing inside the coil constituting the magnetostrictive sensor 5 changes. That is, the inductance (impedance) of the coil changes. For this reason, the magnetostrictive sensor 5 changes the output signal according to the change in the magnetic flux passing inside the coil. In this example, such an output signal of the magnetostrictive sensor 5 is also input to the arithmetic unit 6 by wire or wirelessly.

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。   The computing unit 6 is for calculating the torque transmitted by the rotating shaft 2, and has a first function of determining the torque transmitted by the rotating shaft 2 using an output signal of the magnetostrictive sensor 5, and a pair of functions. It has a second function of obtaining the torque transmitted by the rotating shaft 2 using the output signals of the magnetic sensors 4a and 4b.

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。
First, the first function of the arithmetic unit 6 will be described.
When the torque measuring device 1 is used, torque is input to the rotating shaft 2 through one of the gears 8a among a pair of gears 8a and 8b supported in the axial direction with respect to the rotating shaft 2. The torque is taken out from the other gear 8b. At this time, the small-diameter shaft portion 7 of the rotary shaft 2 existing between the pair of gears 8a and 8b is elastically deformed in the torsional direction. Then, since the magnetic permeability in each direction of the small diameter shaft portion 7 changes, the magnetic flux passing through the inside of the coil constituting the magnetostrictive sensor 5 arranged close to the small diameter shaft portion 7 changes. For this reason, the output signal of the magnetostrictive sensor 5 changes according to the change of the magnetic flux passing inside the coil. Therefore, the relationship between the output signal of the magnetostrictive sensor 5 and the torque applied to the rotary shaft 2 is checked in advance, and this relationship is stored in the arithmetic unit 6. 2 can calculate the torque transmitted. The computing unit 6 calculates the torque transmitted by the rotating shaft 2 by such a first function.

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。
Next, the second function of the arithmetic unit 6 will be described.
When the torque measuring device 1 is used, the small-diameter shaft portion 7 is elastically deformed in the torsional direction. The amount of deformation of the small-diameter shaft portion 7 is in accordance with the magnitude of the torque transmitted by the rotating shaft 2. When the small-diameter shaft portion 7 is elastically deformed, the pair of encoders 3a and 3b supported at both axial ends of the rotary shaft 2 are relatively displaced in the rotation direction. When the pair of encoders 3a and 3b are relatively displaced in the rotation direction, the phase difference between the output signals of the pair of magnetic sensors 4a and 4b is changed according to the relative displacement of the pair of encoders 3a and 3b. Change. Therefore, the arithmetic unit 6 calculates the phase difference between the output signal of the first magnetic sensor 4a and the output signal of the second magnetic sensor 4b in order to obtain the torque transmitted by the rotating shaft 2. This phase difference is obtained by measuring the input time of a reference pulse edge, which is the rising edge (or falling pulse edge) of the output signal of the first magnetic sensor 4a, and measuring the next reference pulse edge after measuring the reference pulse edge. The difference can be obtained by calculating the difference between the input time of the rising pulse edge (or the falling pulse edge) of the output signal of the second magnetic sensor 4b which is measured until the input signal has elapsed.

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。   Here, the absolute value of the magnitude of the phase difference changes according to the rotation speed of the rotating shaft 2, that is, the rotation speed of the pair of encoders 3a and 3b. Therefore, from the phase difference, the torque transmitted by the rotating shaft 2 cannot be determined unless the rotating speed of the rotating shaft 2 is a known constant value. Therefore, in order to remove the influence of the rotation speed of the rotating shaft 2, the phase difference between the output signal of the first magnetic sensor 4 a and the output signal of the second magnetic sensor 4 b is calculated by using the output signal of the first magnetic sensor 4. The phase difference ratio is obtained by dividing by the period. Then, the torque transmitted by the rotating shaft 2 is calculated using the phase difference ratio obtained in this manner or a correction value obtained by removing a component that periodically varies from the phase difference ratio. The calculator 6 also calculates the torque transmitted by the rotating shaft 2 by such a second function.

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。   The computing unit 6 also has a speed calculation function for obtaining the rotation speed of the rotating shaft 2 by using the output signal of one of the magnetic sensors 4a and 4b out of the pair of magnetic sensors 4a and 4b. That is, when the encoders 3a and 3b rotate with the rotation of the rotating shaft 2, the output signals of the magnetic sensors 4a and 4b change periodically. The frequency and cycle of the change of the output signal of the magnetic sensors 4a and 4b are values corresponding to the rotation speed of the encoders 3a and 3b, that is, the rotation speed of the rotating shaft 2. Therefore, by previously obtaining the relationship between the frequency or cycle of the change of any one of the output signals of the magnetic sensors 4a and 4b and the rotation speed of the encoders 3a and 3b, any one of the magnetic sensors 4a and 4b can be obtained. The rotation speed of the rotating shaft 2 can be obtained based on the frequency or cycle of the change of the output signal.

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。 In particular, the computing unit 6 used in the present example is configured to calculate the value calculated by the first function, which is the measuring method of the magnetostriction, according to the value of the rotation speed of the rotating shaft 2 obtained as described above, and the pulse phase difference Has a function of selecting any one of the values calculated by the second function, which is the measurement method, as the value of the torque transmitted by the rotating shaft 2. Specifically, as shown in FIG. 2, the arithmetic unit 6 calculates the value obtained by the first function during the low speed range (extremely low speed range) where the rotation speed of the rotating shaft 2 is 0 to a predetermined value N or less. the T M, the value of the torque rotating shaft 2 is transmitted, the rotational speed of the rotary shaft 2 is large high-speed range than the predetermined value N, the value T P determined by the second function, the rotary shaft 2 is transmitted The value is the torque. That is, the computing unit 6 has a function of selecting a value obtained by the magnetostrictive measurement method in a low speed range, and selecting a value obtained by a pulse phase difference measurement method in a high speed range.

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。
According to the torque measuring device 1 of the present embodiment as described above, torque can be stably measured in a wide range from a state where the rotating shaft 2 is stopped to a state where the rotating shaft 2 is rotating at high speed.
That is, the torque measuring device 1 of the present embodiment not only includes the two measuring methods, ie, the magnetostrictive measuring method and the pulse phase difference measuring method, but can also use the advantages of each method ( The functions of the arithmetic unit 6 are devised so that they can complement each other.
Specifically, the output signal of the magnetostrictive sensor 5 changes due to the elastic deformation of the small-diameter shaft portion 7 regardless of whether the rotating shaft 2 is rotating. Therefore, in this example, between the rotational speed of the rotary shaft 2 are 0 predetermined value N or less of the low speed range, the value T M obtained by the first function of using the output signal of the magnetostrictive sensor 5, the rotational axis 2 is adopted as the value of the transmitted torque. Therefore, the torque transmitted by the rotating shaft 2 can be obtained even under the condition that the rotating shaft 2 is stopped.

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。
On the other hand, the generation frequency of the pulse of the output signal of the pair of magnetic sensors 4a and 4b increases as the rotation speed of the rotating shaft 2 increases. Therefore, in this example, a high-speed range where the rotation speed of the rotation shaft 2 is greater than the predetermined value N, 1 pair of magnetic sensors 4a, the value T P determined by a second function of using the output signal of the 4b, rotation It is adopted as the value of the torque transmitted by the shaft 2. Therefore, the torque measurement frequency can be increased, excellent responsiveness can be ensured, and the torque measurement accuracy can be increased.
As a result, according to the torque measuring device 1 of the present example, the torque can be stably measured in a wide range from the state where the rotating shaft 2 is stopped to the state where the rotating shaft 2 is rotating at high speed.

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。   Further, in this example, the torque can be obtained simultaneously by two types of methods: a magnetostrictive measuring method using the magnetostrictive sensor 5 and a pulse phase difference measuring method using the pair of magnetic sensors 4a and 4b. . For this reason, even if a failure (step-out) occurs in any of the sensors, it is possible to prevent a problem that torque cannot be obtained at all. That is, redundancy (backup function) can be provided for the torque measurement. In addition, from the aspect of providing such redundancy, the arithmetic unit 6 simultaneously calculates the torque based on both the first function and the second function regardless of the rotation speed of the rotating shaft 2. Then, one of the values is selected as the value of the torque transmitted by the rotating shaft 2 according to the value of the rotation speed. However, from the viewpoint of reducing the number of operations performed by the arithmetic unit 6, the first function and the second function are not executed simultaneously, but one of the first function and the second function is performed in accordance with the rotation speed. The torque can be calculated based on one of the functions.

[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。
[Second Example of Embodiment]
A second example of the embodiment will be described with reference to FIG. The arithmetic unit 6 (see FIG. 1) used in the present example obtains the torque by the first function of obtaining the torque by the magnetostrictive measurement method and the torque by the pulse phase difference measurement method described in the first example of the embodiment. In addition to the second function, as a third function, when the rotation speed of the rotating shaft 2 (see FIG. 1) is within a predetermined speed range, the value obtained by the first function and the value obtained by the second function are obtained. It has a function of obtaining the torque transmitted by the rotating shaft 2 by using both of the values.

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と第二の機能により求めた値T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と、パルス位相差式の測定方法により求めた値Tとの和の1/2の値{(T+T)/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を、回転軸2が伝達するトルクの値として採用する。 Specifically, as shown in FIG. 3, the third function is a value obtained by the first function when the rotation speed of the rotary shaft 2 is in a middle speed range from a predetermined value N1 to a predetermined value N2. The value of the arithmetic average (arithmetic average) of T M and the value T P obtained by the second function is adopted as the value of the torque transmitted by the rotating shaft 2. That is, when the rotation speed Nx of the rotating shaft 2 is in the range of N1 <Nx <N2, the computing unit 6 calculates the value T M obtained by the magnetostrictive measurement method and the pulse phase difference measurement method. A value {( TM + TP ) / 2}, which is a half of the sum of the obtained value TP and the calculated value TP, is output as a torque value (T) transmitted by the rotating shaft 2. Further, in this embodiment, in the low speed range of the rotational speed of the rotary shaft 2 is 0 to a predetermined value N1, the value T M obtained by the first function, the value of the torque rotating shaft 2 is transmitted, the rotation shaft 2 the rotational speed of a large high-speed range than the predetermined value N2, the value T P determined by the second function, the rotary shaft 2 is adopted as the value of the torque transmitted.

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。
According to the torque measuring device of the present embodiment as described above, the rotation speed of the rotating shaft 2 is increased from the predetermined value N1 which is around the predetermined value N to the predetermined value N2, as compared with the case of the first example of the embodiment. In the medium speed range, it is possible to suppress the calculated value of the arithmetic unit 6 from varying in magnitude.
Other configurations and operational effects are the same as those of the first example of the embodiment.

[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。
[Third Example of Embodiment]
A third example of the embodiment will be described with reference to FIG. The arithmetic unit 6 (see FIG. 1) used in this example has a third function, as in the second example of the embodiment, when the rotation speed of the rotating shaft 2 (see FIG. 1) is within a predetermined speed range. In addition, it has a function of calculating the torque transmitted by the rotating shaft 2 using both the value obtained by the first function and the value obtained by the second function.

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と第二の機能により求めた値T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の重要度(重み)をN2−Nxとし、第二の機能により求めた値T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(N2−Nx)/(N2−N1)+T(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を、回転軸2が伝達するトルクの値として採用する。 Specifically, as shown in FIG. 4, the third function is a value obtained by the first function when the rotation speed of the rotary shaft 2 is in a middle speed range from a predetermined value N1 to a predetermined value N2. A weighted average value obtained by weighting the value T M and the value T P obtained by the second function according to the rotation speed of the rotation shaft 2 is defined as a value of the torque transmitted by the rotation shaft 2. More specifically, the magnetostrictive measurement method is advantageous when the rotation speed of the rotation shaft 2 is low, and the pulse phase difference measurement method is advantageous when the rotation speed of the rotation shaft 2 is high. Therefore, the value T M obtained by the first function is weighted more as the rotation speed of the rotary shaft 2 is smaller, and the value T P obtained by the second function is weighted as the rotation speed of the rotary shaft 2 is higher. Weight heavily. For this, the rotational speed Nx of the rotary shaft 2, N1 <Nx <when in the range of N2, the importance of the value T M obtained by the first function (weight) and N2-Nx, second severity value T P determined by function (weight) is set to Nx-N1. And in this embodiment, these weighted average in consideration of the importance of {T M (N2-Nx) / (N2-N1) + T P (Nx-N1) / (N2-N1)}, the rotation shaft 2 transmits To be applied (T). Also in this embodiment, in the low speed range of the rotational speed of the rotary shaft 2 is 0 to a predetermined value N1, the value T M obtained by the first function, the value of the torque rotating shaft 2 is transmitted, the rotation shaft 2 the rotational speed of a large high-speed range than the predetermined value N2, the value T P determined by the second function, the rotary shaft 2 is adopted as the value of the torque transmitted.

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。
According to the torque measuring device of the present embodiment as described above, the rotation speed of the rotating shaft 2 is increased from the predetermined value N1, which is around the predetermined value N, as compared with the first and second examples of the embodiment. Variations in the calculated value of the computing unit 6 in the medium speed range up to the predetermined value N2 can be more effectively suppressed.
Other configurations and operational effects are the same as those of the first example of the embodiment.

[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。
[Fourth Example of Embodiment]
A fourth example of the embodiment will be described with reference to FIG. The arithmetic unit 6 (see FIG. 1) used in this example has a third function, as in the second and third examples of the embodiment, in which the rotation speed of the rotating shaft 2 (see FIG. 1) is a predetermined speed. When the value is in the range, a function is provided for determining the torque transmitted by the rotating shaft 2 using both the value determined by the first function and the value determined by the second function.

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と第二の機能により求めた値T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と、パルス位相差式の測定方法により求めた値Tとの相乗平均の値{(T×T1/2}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に回転軸2の回転速度に応じた重み付けをした値{T(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に回転軸2の回転速度に応じた重み付けをした値{T(Nx−N1)/(N2−N1)}との、相乗平均した値{{T(N2−Nx)/(N2−N1)×T(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とパルス位相差式の測定方法により求めた値T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。
Specifically, the third feature, when the rotational speed of the rotary shaft 2 is in the speed range within the predetermined value N1 to the predetermined value N2, the value T M and the second function determined by the first function the value of the geometric mean (geometric mean) between the value T P determined by the rotating shaft 2 is adopted as the value of the torque transmitted. That is, when the rotation speed Nx of the rotating shaft 2 is in the range of N1 <Nx <N2, the computing unit 6 calculates the value T M obtained by the magnetostrictive measurement method and the pulse phase difference measurement method. the value of the geometric mean of the values T P obtained {(T M × T P) 1/2}, and outputs as the value of the torque rotating shaft 2 is transmitted (T). Alternatively, the calculator 6, the value {T M (N2-Nx) / (N2-N1)} was weighted according to the rotational speed of the rotary shaft 2 to the value T M obtained by the measurement method of the magnetostrictive, pulse of a value obtained by weighting in accordance with the rotational speed of the rotary shaft 2 to the value T P determined by the measurement method of the phase-difference formula {T P (Nx-N1) / (N2-N1)}, geometric mean value {{ the T M (N2-Nx) / (N2-N1) × T P (Nx-N1) / (N2-N1)} 1/2}, the rotary shaft 2 is outputted as the value of the torque transmitted (T) You can also. In any case, if the two measured values, that is, the value T M obtained by the measurement method of the magnetostriction method and the value T P obtained by the measurement method of the pulse phase difference method are mutually different values, a synergistic effect is obtained. The average value is smaller than the arithmetic average value and the weighted average value (the geometric average value <the arithmetic average value, the weighted average value). It has a relationship as shown in FIG. Therefore, the torque value can be managed by using the relationship between the actually measured value and each average value.
Other configurations and operational effects are the same as those of the first to third examples of the embodiment.

[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。
[Fifth Example of Embodiment]
A fifth example of the embodiment will be described with reference to FIG. In the torque measuring device 1a of the present embodiment, a pair of magnetic sensors 4a, 4b and a magnetostrictive sensor 5 are provided around a rotating shaft 2a by using a common sensor holder 13c, and a casing 9a which does not rotate during use. The structure to support against is adopted.

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。   For this purpose, the rotating shaft 2a is disposed so as to pass through the inside of the mounting hole 14 formed in the casing 9a. Further, a pair of encoders 3a and 3b are externally fitted and fixed to a portion existing on the radially inner side of the mounting hole 14 and the vicinity thereof on the outer peripheral surface of the rotating shaft 2a while being spaced apart in the axial direction. Of the pair of encoders 3a and 3b, one (left side in FIG. 6) first encoder 3a includes a ring-shaped support ring 15a and a permanent magnet 16a fixed to the outer peripheral surface of the support ring 15a. ing. On the other hand, the other (rightward in FIG. 6) second encoder 3b includes a support ring 15b having a crank-shaped cross section and a permanent magnet 16b fixed to the outer peripheral surface of the support ring 15b. Further, on one side (left side in FIG. 6) in the axial direction of a portion of the outer peripheral surface of the rotary shaft 2a where the first encoder 3a is externally fixed, a magnetostrictive effect is more excellent than the rotary shaft 2a. A magnetostrictive material 17 made of magnetic metal is externally fitted and fixed. When the magnetostriction characteristic of the rotating shaft 2a itself can be used, the magnetostrictive material 17 can be omitted.

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。   Further, an annular sensor holder 13c is fixedly fitted in a mounting hole 14 formed in the casing 9a. The sensor holder 13c has a substantially L-shaped cross section, and the inside diameter of one half in the axial direction is smaller than the inside diameter of the other half in the axial direction. In the sensor holder 13c having such a shape, the magnetostrictive sensor 5 is supported and fixed on the inner peripheral surface of one half in the axial direction. In the present embodiment, the magnetostrictive sensor 5 has a coil 18 on the radial inside and a back yoke 19 on the radial outside, and the back yoke 19 is one of the axial half of the sensor holder 13c. It is supported and fixed on the peripheral surface. A pair of magnetic sensors 4a and 4b are supported and fixed to the inner peripheral surface of the other half in the axial direction of the sensor holder 13c. Thus, the magnetostrictive sensor 5 is arranged coaxially with the magnetostrictive material 17 and is arranged close to the outer peripheral surface of the magnetostrictive material 17. In addition, the detection units of the pair of magnetic sensors 4a and 4b are respectively opposed to the detection surfaces of the pair of encoders 3a and 3b.

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。   In the torque measuring device 1a of the present example, for example, torque is input to the rotating shaft 2a from a gear (not shown) fixed to one end in the axial direction of the rotating shaft 2a, and the torque is input to the other end of the rotating shaft 2a in the axial direction (not shown). When the torque is extracted from the gears, elastic deformation occurs in a portion of the rotating shaft 2a between the pair of gears around which the various sensors 4a, 4a, and 5 are disposed. Therefore, also in the case of the present example, the computing unit 6 (see FIG. 1) uses the output signal of the magnetostrictive sensor 5 to determine the torque transmitted by the rotating shaft 2a based on the first function. Based on the second function, the torque transmitted by the rotating shaft 2a is obtained using the phase difference between the output signals of the pair of magnetic sensors 4a, 4b.

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。
In this example having the above-described configuration, the pair of magnetic sensors 4a and 4b and the magnetostrictive sensor 5 can be supported using the common sensor holder 13c, so that the number of parts can be reduced. In addition, the size and weight of the entire device can be reduced.
Other configurations and operational effects are the same as those of the first example of the embodiment.

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。   When the torque measuring device of the present invention is used by being incorporated in a power train of an automobile, the target device is not particularly limited. For example, an automatic transmission (AT), a belt-type continuously variable transmission, a toroidal-type continuously variable transmission, an automatic manual transmission (AMT), a dual-clutch transmission (DCT), and other transmissions that perform gear shifting by vehicle-side control, or a transfer; Manual transmission (MT) can be targeted. Further, the driving method (FF, FR, MR, RR, 4WD, etc.) of the target vehicle is not particularly limited.

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。   The torque measuring device of the present invention is not limited to a rotating shaft constituting a power train of an automobile. For example, a rotating shaft of a windmill (main shaft, rotating shaft of a speed increasing device), a roll neck of a rolling mill, a rotating shaft of a railway vehicle ( Rotating shafts for various mechanical devices such as axles, rotating shafts for reduction gears, rotating shafts for machine tools (main shafts, rotating shafts for feed systems), rotating shafts for construction machines, agricultural machines, household electric appliances, motors, etc. It can also be used by incorporating it into a computer.

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。   The magnetostrictive sensor used in the torque measuring device of the present invention may be any sensor that passes (penetrates) its own detecting unit and changes an output signal according to a magnetic flux that changes according to the magnetic permeability of the magnetostrictive effect unit. The specific configuration is not particularly limited. For example, in addition to excitation by a coil, a configuration in which a magnetic detection element such as a Hall element is incorporated in the detection unit may be adopted. Further, the material constituting the magnetostrictive effect portion may be any material that exhibits the reverse magnetostrictive effect at least to the extent that it does not hinder the detection of torque, and is not limited to those specifically exemplified in this specification. Absent.

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。   The present invention can be implemented by appropriately combining the structures of the examples in the embodiments as long as no contradiction occurs.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a Torque measuring device 2, 2a Rotary shaft 3a, 3b Encoder 4a, 4b Magnetic sensor 5 Magnetostrictive sensor 6 Calculator 7 Small diameter shaft portion 8a, 8b Gear 9, 9a Casing 10a, 10b Rolling bearing 11a, 11b Inner ring 12a, 12b Outer ring 13a, 13b, 13c Sensor holder 14 Mounting hole 15a, 15b Support ring 16a, 16b Permanent magnet 17 Magnetostrictive material 18 Coil 19 Back yoke

Claims (8)

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。
A rotating shaft having a magnetostrictive effect portion that transmits torque during use, and whose magnetic permeability changes according to the transmitted torque,
Magnetostriction that is supported by a portion that does not rotate during use in a state of being disposed close to the magnetostrictive effect portion, passes through its own detection portion, and changes an output signal according to a magnetic flux that changes according to the magnetic permeability of the magnetostrictive effect portion. Sensors and
A pair of encoders that alternately change the characteristics of each detected surface in the circumferential direction and are supported directly or via another member with respect to the rotation axis,
A pair of magnetic sensors supported on a portion that does not rotate during use, with the detection unit facing each of the detection surfaces of the encoder;
A first function of obtaining a torque transmitted by the rotating shaft based on an output signal of the magnetostrictive sensor, and a torque transmitted by the rotating shaft based on a phase difference between output signals of the pair of magnetic sensors. An arithmetic unit having a second function required;
A torque measuring device equipped with:
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。   The computing unit selects one of a value obtained by the first function and a value obtained by the second function according to a rotation speed of the rotation shaft, and selects a torque transmitted by the rotation shaft. The torque measuring device according to claim 1, wherein 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。   When the rotation speed of the rotating shaft is between 0 and a predetermined value N or less, the computing unit sets the value obtained by the first function as a value of the torque transmitted by the rotating shaft, and the rotation speed of the rotating shaft is 3. The torque measuring device according to claim 2, wherein when the value is larger than the predetermined value N, a value obtained by the second function is set as a value of a torque transmitted by the rotating shaft. 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。   The arithmetic unit, as a third function, when the rotation speed of the rotating shaft is in a predetermined speed range, both the value obtained by the first function and the value obtained by the second function The torque measuring device according to claim 1, wherein the torque measuring device has a function of determining a torque transmitted by the rotation shaft by utilizing the function. 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。   In a speed range where the rotation speed of the rotating shaft is from 0 to a predetermined value N1, the computing unit determines a value obtained by the first function as a value of a torque transmitted by the rotating shaft, and calculates a rotation speed of the rotating shaft. In the speed range from the predetermined value N1 to the predetermined value N2, the value obtained by the third function is used as the value of the torque transmitted by the rotating shaft, and the rotating speed of the rotating shaft is larger than the predetermined value N2. The torque measuring device according to claim 4, wherein in a speed range, a value obtained by the second function is a value of a torque transmitted by the rotating shaft. 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。   The third function of the arithmetic unit is a value of an arithmetic average of a value obtained by the first function and a value obtained by the second function, which is a value of a torque transmitted by the rotating shaft. The torque measuring device according to any one of claims 4 to 5, wherein the torque measuring device is a device for measuring torque. 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。   The third function of the arithmetic unit is a weighted average value obtained by weighting the value obtained by the first function and the value obtained by the second function according to the rotation speed of the rotating shaft. The torque measuring device according to any one of claims 4 to 5, wherein the torque is a value of a torque transmitted by the rotating shaft. 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。   The method according to claim 7, wherein the value obtained by the first function is heavily weighted as the rotation speed of the rotary shaft is small, and the value obtained by the second function is weighted heavily as the rotation speed of the rotary shaft is large. The torque measuring device described.
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