JP2020139785A

JP2020139785A - 相対回転角度計測方法

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Publication number: JP2020139785A
Application number: JP2019034255A
Authority: JP
Inventors: 二郎林; Jiro Hayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: JP7070469B2

Abstract

【課題】狭小空間内でも相対回転角度を高精度に計測できること。【解決手段】相対回転角度計測方法は、第１回転体に設けられた第１変位センサ２により、第１回転体の回転数に比例する周波数の第１正弦波を検出するステップと、第２回転体に設けられた第２変位センサ３により、第２回転体の回転数に比例する周波数の第２正弦波を検出するステップと、検出された第１正弦波に対しヒルベルト変換を行い、第１回転体の第１回転角度を算出するステップと、検出された第２正弦波に対しヒルベルト変換を行い、第２回転体の第２回転角度を算出するステップと、算出された第１回転角度と第２回転角度の差分を算出することで、相対回転角度を算出するステップと、を含む。第１及び第２変位センサにおける第１及び第２回転体の周方向の検出範囲は、第１及び第２回転体の円ピッチの１／２よりも大きく、かつ該円ピッチよりも小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、第１及び第２回転体間の相対回転角度を計測する相対回転角度計測方法に関する。

２つのセンサより検知した検知信号を演算して回転軸系の振動数を取り込む計測方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−０２２６１６号公報

上記計測方法においては、第１及び第２回転体間の相対回転角度を計測する場合、第１及び第２回転体に対し、センサを２つずつ設置している。しかしながら、例えば、トランスアクスルのような狭小な空間内には、そのような設置スペースが無いこともある。また、狭小空間内でのセンサ同士の相対位置の調整作業に多くの時間を要することもある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、狭小空間内でも相対回転角度を高精度に計測できる相対回転角度計測方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
第１及び第２回転体間の相対回転角度を計測する相対回転角度計測方法であって、
前記第１回転体に設けられた第１変位センサにより、該第１回転体の回転数に比例する周波数の第１正弦波を検出するステップと、
前記第２回転体に設けられた第２変位センサにより、該第２回転体の回転数に比例する周波数の第２正弦波を検出するステップと、
前記検出された第１正弦波に対しヒルベルト変換を行い、前記第１回転体の第１回転角度を算出するステップと、
前記検出された第２正弦波に対しヒルベルト変換を行い、前記第２回転体の第２回転角度を算出するステップと、
前記算出された第１回転角度と第２回転角度の差分を算出することで、前記相対回転角度を算出するステップと、
を含み、
前記第１及び第２変位センサにおける前記第１及び第２回転体の周方向の検出範囲は、該第１及び第２回転体の円ピッチの１／２よりも大きく、かつ該円ピッチよりも小さい、
ことを特徴とする相対回転角度計測方法
である。

本発明によれば、狭小空間内でも相対回転角度を高精度に計測できる相対回転角度計測方法を提供することができる。

本発明の実施形態１にかかる相互に噛合う第１及び第２歯車を示す図である。本発明の実施形態１に係る相対回転角度計測装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。周方向検出範囲を示す図である。第１及び第２歯車と第１及び第２変位センサとの間のセンサ間距離を示す図である。第１及び第２変位センサの周方向検出範囲が、第１及び第２歯車の円ピッチの１／２よりも小さい場合の一例を示す図である。第１及び第２変位センサの周方向検出範囲を、第１及び第２歯車の円ピッチの１／２よりも大きい場合の一例を示す図である。図である。本発明の実施形態１に係る相対回転角度計測方法のフローを示すフローチャートである。第１歯車の第１正弦波および第２歯車の第２正弦波を示す図であり、第１及び第２変位センサの検出波形を示す図である。第１歯車の第１回転角度および第２歯車の第２回転角度を示す図であり、第１及び第２回転角度算出部により算出される出力角度積算値を示す図である。第１及び第２歯車間の相対回転角度の変動を示す図である。本発明の実施形態２に係る第１回転体及び第１変位センサの概略的な構成を示す図である。第１回転体の磁気マーカを示す図である。

実施形態１
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態１に係る相対回転角度計測装置は、第１及び第２回転体間の相対回転角度を計測するものである。

本実施形態１に係る相対回転角度計測装置は、例えば、図１に示す如く、相互に噛合う第１及び第２歯車１０、２０間の相対回転角度を計測するものである。第１歯車１０が駆動歯車であり、第２歯車２０が従動歯車である。

図２は、本実施形態１に係る相対回転角度計測装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態１に係る相対回転角度計測装置１は、第１歯車１０近傍に設けられた第１変位センサ２と、第２歯車２０近傍に設けられた第２変位センサ３と、第１歯車１０の第１回転角度を算出する第１回転角度算出部４と、第２歯車２０の第２回転角度を算出する第２回転角度算出部５と、第１及び第２歯車１０、２０間の相対回転角度を算出する相対回転角度算出部６と、を備えている。

なお、相対回転角度計測装置１は、例えば、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ、メモリ、及びインターフェイス部は、データバスなどを介して相互に接続されている。

第１変位センサ２は、第１歯車１０の回転数に比例する周波数の第１正弦波を検出する。第１変位センサ２は、例えば、渦電流式の変位センサである。第１変位センサ２の先端部と第１歯車１０の歯車との距離が所定距離となるように、第１変位センサ２が設置されている。第１変位センサ２は、検出した第１正弦波を第１回転角度算出部４に出力する。

第２変位センサ３は、第２歯車２０の回転数に比例する周波数の第２正弦波を検出する。第２変位センサ３は、例えば、渦電流式の変位センサである。第２変位センサ３の先端部と第２歯車２０の歯車との距離が所定距離となるように、第２変位センサ３が設置されている。第２変位センサ３は、検出した第２正弦波を第２回転角度算出部５に出力する。

第１回転角度算出部４は、第１変位センサ２により検出された第１正弦波に対しヒルベルト変換を行い、第１歯車１０の第１回転角度を算出する。第１回転角度算出部４は、算出した第１歯車１０の第１回転角度を相対回転角度算出部６に出力する。

第２回転角度算出部５は、第２変位センサ３により検出された第２正弦波に対しヒルベルト変換を行い、第２歯車２０の第２回転角度を算出する。第２回転角度算出部５は、算出した第２歯車２０の第２回転角度を相対回転角度算出部６に出力する。

相対回転角度算出部６は、第１回転角度算出部４により算出された第１回転角度と、第２回転角度算出部５により算出された第２回転角度との差分を算出することで、第１及び第２歯車１０、２０間の相対回転角度を算出する。

ところで、上述のヒルベルト変換において、第１回転角度算出部４は、第１歯車１０の回転変動により生じる正弦波形の位相変化に基づいて、第１歯車１０の第１回転角度を算出する。同様に、第２回転角度算出部５は、第２歯車２０の回転変動により生じる正弦波形の位相変化に基づいて、第２歯車２０の第２回転角度を算出する。

このため、第１及び第２変位センサ２、３による検出波形に、第１及び第２歯車１０、２０の各歯が第１及び第２変位センサ２、３直下を通過する際の基本周波数以外の周波数成分が含まれると、それがノイズの要因となる。そして、検出波形に基本周波数以外の周波数成分が含まれる主な要因は、検出波形に対し第１及び２歯車の形状が再現されることと考えられる。

これに対し、本実施形態１に係る相対回転角度計測装置１において、図３に示す如く、第１及び第２変位センサ２、３における第１及び第２歯車１０、２０の周方向の検出範囲（以下、周方向検出範囲）Ｓは、第１及び第２歯車１０、２０の円ピッチＰの１／２よりも大きく、かつ該円ピッチＰよりも小さい。
円ピッチＰ／２＜周方向検出範囲Ｓ＜円ピッチＰ

第１及び第２変位センサ２、３の周方向検出範囲Ｓを、第１及び第２歯車１０、２０の円ピッチＰの１／２よりも大きくすることで、第１及び第２変位センサ２、３の検出波形に現れる歯車形状をなまし、基本周波数の高調波成分を低減できる。

すなわち、図４に示す如く、渦電流式の第１及び第２変位センサ２、３は、周方向検出範囲Ｓにおける第１及び第２歯車１０、２０の各歯と第１及び第２変位センサ２、３との間のセンサ間距離ｄの平均値を出力する。

したがって、図５に示す如く、従来のように、第１及び第２変位センサの周方向検出範囲Ｓが、第１及び第２歯車の円ピッチＰの１／２よりも小さい場合、第１及び第２変位センサ直下を第１及び第２歯車の各歯のエッジ部が通過する時、山部分を検出している範囲と、谷部分を検出している範囲の割合が急峻に変化する。このため、第１及び第２歯車の各歯のエッジ部の形状が、検出波形に再現され易い。

これに対し、本実施形態１に係る相対回転角度計測装置１において、上述の如く、第１及び第２変位センサ２、３の周方向検出範囲Ｓを、第１及び第２歯車１０、２０の円ピッチＰの１／２よりも大きくしている。
円ピッチＰ／２＜周方向検出範囲Ｓ

これにより、図６に示す如く、第１及び第２変位センサ２、３直下を第１及び第２歯車１０、２０の各歯のエッジ部が通過する時、山部分を検出している範囲と、谷部分を検出している範囲の割合が徐々に変化する。よって、第１及び第２歯車１０、２０の各歯のエッジ部の形状が、なまされた状態で検出波形として現れる。すなわち、検出波形に、第１及び第２歯車１０、２０の各歯が第１及び第２変位センサ２、３直下を通過する際の基本周波数以外の周波数成分が含まれず、そのノイズを抑制できる。その検出波形である第１及び第２正弦波をヒルベルト変換することで、高精度に、第１及び第２回転角度を算出でき、相対回転角度を算出できる。

ただし、第１及び第２変位センサ２、３の周方向検出範囲Ｓを、第１及び第２歯車１０、２０の円ピッチＰのよりも大きくした場合、第１及び第２変位センサ２、３直下を第１及び第２歯車１０、２０の各歯のエッジ部が通過する時、山部分を検出している範囲と、谷部分を検出している範囲の割合の変化が小さくなる。これにより、出力変化も小さくなるため、第１及び第２変位センサ２、３の周方向検出範囲Ｓは、第１及び第２歯車１０、２０の円ピッチＰよりも小さくする必要がある。
周方向検出範囲Ｓ＜円ピッチＰ

次に、本実施形態１に係る相対回転角度計測方法のフローについて、詳細に説明する。図７は、本実施形態１に係る相対回転角度計測方法のフローを示すフローチャートである。なお、図７に示す処理は、所定時間毎に繰返し実行される。

第１変位センサ２は、第１歯車１０の回転数に比例する周波数の第１正弦波を検出し、検出した第１正弦波を第１回転角度算出部４に出力する（ステップＳ１０１）。

第２変位センサ３は、第２歯車２０の回転数に比例する周波数の第２正弦波を検出し、検出した第２正弦波を第２回転角度算出部５に出力する（ステップＳ１０２）。

第１回転角度算出部４は、第１変位センサ２により検出された第１正弦波に対しヒルベルト変換を行い、第１歯車１０の第１回転角度を算出し、算出した第１歯車１０の第１回転角度を相対回転角度算出部６に出力する（ステップＳ１０３）。

第２回転角度算出部５は、第２変位センサ３により検出された第２正弦波に対しヒルベルト変換を行い、第２歯車２０の第２回転角度を算出し、算出した第２歯車２０の第２回転角度を相対回転角度算出部６に出力する（ステップＳ１０４）。

相対回転角度算出部６は、第１回転角度算出部４により算出された第１回転角度と、第２回転角度算出部５により算出された第２回転角度との差分を算出することで、第１及び第２歯車１０、２０間の相対回転角度を算出する（ステップＳ１０５）。

次に、本実施形態１に係る相対回転角度計測方法によって計測された第１及び第２歯車１０、２０間の相対回転角度について説明する。

図８は、第１歯車の第１正弦波および第２歯車の第２正弦波を示す図であり、第１及び第２変位センサの検出波形を示す図である。本実施形態１に係る相対回転角度計測方法において、上述の如く、第１及び第２変位センサ２、３の周方向検出範囲Ｓを、第１及び第２歯車１０、２０の円ピッチＰの１／２よりも大きくすることで、第１及び第２変位センサ２、３の検出波形に現れる歯車形状がなまされている、ことが分かる。

図９は、第１歯車の第１回転角度および第２歯車の第２回転角度を示す図であり、第１及び第２回転角度算出部により算出される出力角度積算値を示す図である。図９に示す如く、第１歯車１０の第１回転角度および第２歯車２０の第２回転角度が略一致している。これは、上述の如く、検出波形に歯車の形状が再現されず、基本周波数以外の周波数成分が含まれず、ノイズが抑制されたためである。

図１０は、第１及び第２歯車間の相対回転角度の変動を示す図である。図１０に示す如く、第１及び第２歯車１０、２０間の相対回転角度の変動を高精度に算出できることが分かる。

以上、本実施形態１に係る相対回転角度計測方法において、第１歯車１０に単一の第１変位センサ２を設け、第２歯車２０に単一の第２変位センサ３を設けるだけの構成でよい。このため、例えば、トランスアクスルのような狭小な空間内でも容易に第１及び第２変位センサ２、３をそれぞれ設けることができる。また、狭小空間内でのセンサ同士の相対位置の調整作業も必要なく、第１及び第２変位センサ２、３を第１及び第２歯車１０、２０に簡易に設けるだけでよい。

さらに、本実施形態１に係る相対回転角度計測方法において、第１及び第２変位センサ２、３における第１及び第２歯車１０、２０の周方向検出範囲Ｓは、第１及び第２歯車１０、２０の円ピッチＰの１／２よりも大きく、かつ該円ピッチＰよりも小さい。これにより、第１及び第２変位センサ２、３の検出波形において、第１及び第２歯車１０、２０の各歯のエッジ部の形状がなまされた状態となる。したがって、検出波形に、第１及び第２歯車１０、２０の各歯が第１及び第２変位センサ２、３直下を通過する際の基本周波数以外の周波数成分が含まれず、そのノイズを抑制できる。その検出波形である第１及び第２正弦波をヒルベルト変換することで、高精度に、第１及び第２回転角度を算出でき、相対回転角度を算出できる。

すなわち、本実施形態１に係る相対回転角度計測方法によれば、狭小空間内でも相対回転角度を高精度に計測できる。

実施形態２
図１１は、本発明の実施形態２に係る第１回転体及び第１変位センサの概略的な構成を示す図である。本実施形態２において、第１回転体３０の周方向に等間隔で複数の磁気マーカ３１が形成されている。第１回転体３０の外周面上には、第１変位センサ３２が設けられている。

上記実施形態１においては、円ピッチＰの大きな第１及び第２歯車１０、２０に対して、第１及び第２変位センサ２、３の直径を大きくするには限界がある。これに対し、第１及び第２歯車１０、２０の各歯とは別に回転検出用に円ピッチＰの小さな追加の歯を形成して正弦波形を検出することが考えられる。しかし、この場合、計測対象である製品のスペース制約上、追加の歯を形成するのが困難となる可能性がある。本実施形態２によれば、上記構成を有することで、特に狭小な空間内でも回転体の正弦波形を検出することができる。

図１２に示す如く、各磁気マーカ３１は、第１回転体３０の回転軸Ｌに沿って延在している。第１回転体３０は、例えば、トランスアクスル内部シャフトなどである。磁気マーカ３１は、例えば、粉末状の強磁性材に接着剤などを混合し、第１回転体３０の外周面に塗布することで、形成されている。

第１変位センサ３２は、例えば、電磁ピックアップセンサなどの磁界計測センサである。第１変位センサ３２の先端部と第１歯車１０の歯車との距離が所定距離となるように、第１変位センサ３２が設置されている。

第１回転体３０の外周面上には、第１回転体３０の各磁気マーカ３１を着磁するための着磁用永久磁石３３が設けられている。着磁用永久磁石３３により各磁気マーカ３１を着磁し続けることで、各磁気マーカ３１の磁界強度を確保し、その検出精度を向上させることができる。

本実施形態２において、上記実施形態１と同様に、第１変位センサ３２における第１回転体３０の周方向検出範囲Ｓは、第１回転体３０の磁気マーカ３１の円ピッチＰの１／２よりも大きく、かつ該円ピッチＰよりも小さい。これにより、本実施形態２においても、上記実施形態１と同様に、第１変位センサ３２の検出波形において、第１回転体３０の磁気マーカ３１のエッジ部の形状がなまされた状態となる。したがって、検出波形に、第１回転体３０の磁気マーカ３１が第１変位センサ３２直下を通過する際の基本周波数以外の周波数成分が含まれず、そのノイズを抑制できる。その検出波形である第１正弦波をヒルベルト変換することで、高精度に、第１回転角度を算出でき、第１回転角度と第２回転角度との差分である相対回転角度を算出できる。

なお、第２回転体は、上記第１回転体３０と同様の磁気マーカ３１を有する構成、あるいは、上記実施形態１の第２歯車２０と同様の構成を有しているため、その詳細な説明は省略する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本発明は、例えば、図７に示す処理を、ＣＰＵにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

１相対回転角度計測装置、２第１変位センサ、３第２変位センサ、４第１回転角度算出部、５第２回転角度算出部、６相対回転角度算出部、１０第１歯車、２０第２歯車、３０第１回転体、３１磁気マーカ、３２第１変位センサ、３３着磁用永久磁石

Claims

第１及び第２回転体間の相対回転角度を計測する相対回転角度計測方法であって、
前記第１回転体に設けられた第１変位センサにより、該第１回転体の回転数に比例する周波数の第１正弦波を検出するステップと、
前記第２回転体に設けられた第２変位センサにより、該第２回転体の回転数に比例する周波数の第２正弦波を検出するステップと、
前記検出された第１正弦波に対しヒルベルト変換を行い、前記第１回転体の第１回転角度を算出するステップと、
前記検出された第２正弦波に対しヒルベルト変換を行い、前記第２回転体の第２回転角度を算出するステップと、
前記算出された第１回転角度と第２回転角度の差分を算出することで、前記相対回転角度を算出するステップと、
を含み、
前記第１及び第２変位センサにおける前記第１及び第２回転体の周方向の検出範囲は、該第１及び第２回転体の円ピッチの１／２よりも大きく、かつ該円ピッチよりも小さい、
ことを特徴とする相対回転角度計測方法。