JP2021128032A - トルク測定装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドリフト誤差が含まれないトルクを出力し、トルクの測定精度の向上を図れる、トルク測定装置を実現する。【解決手段】磁気特性が円周方向に関して交互に変化した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、ドリフト誤差が含まれないトルクを算出する。Ｍ＝Ｍ０＋ｋ１ｒ＋ｋ２Ｎ式中、Ｍは、前記演算器が算出するトルクの値であり、Ｍ０、ｋ１及びｋ２は、前記トルク測定装置に固有の係数であり、ｒは、前記１対のセンサの出力信号同士の間の位相差比であり、Ｎは、前記トルク伝達軸の回転数である。【選択図】なし

Description

本発明は、トルク伝達軸に加わるトルクを測定するためのトルク測定装置及びその製造方法に関する。

図５は、特開２０１２−９８２６８号公報に記載された、トルク測定装置を示している。トルク測定装置は、トルク伝達軸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、トルク伝達軸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の出力信号は、トルク伝達軸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。

図示のトルク測定装置は、トルク伝達軸１がトルクの伝達に伴って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は、トルク伝達軸１のねじれ方向の弾性変形量に相関を有している。また、トルク伝達軸１のねじれ方向の弾性変形量は、トルク伝達軸１が伝達するトルクの大きさと相関関係を有している。そこで、トルク測定装置は、１対のセンサ３ａ、３ｂの出力信号同士の間の位相差に基づいて、トルク伝達軸１が伝達するトルクを求めるように構成されている。

特開２０１２−９８２６８号公報

特開２０１２−９８２６８号公報に記載されたトルク測定装置は、１対のセンサの出力信号同士の間の位相差を利用してトルク伝達軸が伝達するトルクを求めるため、１対のセンサのクロック周波数差が大きくなると、トルクを精度良く求めることが難しくなる。この理由について、以下、図６及び図７を参照して説明する。

図６に示すように、トルク測定装置に用いられるセンサ３ａ（３ｂ）は、一般的に、ホール素子などの磁気検出素子６と、磁気検出素子６の出力信号をディジタル信号に変換するためのコントローラ７及び発振器（発振回路）８などを備えている。

磁気検出素子６は、センサ３ａ（３ｂ）の検出部として機能し、自身を通過する磁束密度に応じて、図７の（Ａ）に示すような、正弦波（ｓｉｎ波）状のアナログ信号を出力する。磁気検出素子６のアナログ信号は、コントローラ７によって、図７の（Ｄ）に示すように、Ｈｉ及びＬｏｗの２値で表されたパルス信号（矩形波信号）に変換されるが、この際、コントローラ７は、発振器８が定める時間間隔で、磁気検出素子６のアナログ信号と閾値との大小関係を判定する。

具体的には、発振器８は、図７の（Ｂ）に示すような、矩形波状のクロック信号を出力する。クロック信号の周波数は、クロック周波数と呼ばれ、各センサのクロック信号の周波数は一定である。コントローラ７は、このようなクロック信号の立ち上がりや立下りのタイミングを利用して、磁気検出素子６のアナログ信号と閾値との大小関係を判定する。このため、図７の（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、実際に磁気検出素子６のアナログ信号が閾値を超えたタイミングと、コントローラ７が閾値を超えたと判定するＨｉ信号を出力するタイミングとの間に、クロック周波数に応じて変化する時間的なずれ、すなわち、遅延時間が生じることになる。

一方、クロック周波数には、発振器の製造上の歪みや製造誤差などに起因して、同じ品番のセンサであっても、ばらつきが存在することが知られている。このため、１対のセンサの出力信号同士の間では、クロック周波数差に起因する遅延時間の差が生じている。したがって、トルクを求めるのに利用する１対のセンサの出力信号同士の間の位相差には、両センサの遅延時間の差に起因した成分（誤差）が含まれることになる。出力信号同士の位相差に大きな誤差（遅延時間の差に起因した成分）が含まれると、トルクの測定精度を低下させる原因になる。

本発明は、上述のような事情に鑑み、トルクの測定精度の向上を図れる、トルク測定装置及びその製造方法を実現することを目的としている。

本発明のトルク測定装置は、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。
前記１対のエンコーダは、前記トルク伝達軸に直接又は使用時に前記トルク伝達軸と同期して回転する部材に支持されており、特性を円周方向に関して交互に変化させた被検出面を有している。
前記１対のセンサは、使用時にも回転しない部分に支持されており、前記１対のエンコーダのそれぞれの被検出面に検出部を対向させ、前記被検出面の特性変化に対応して出力信号を変化させる。
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比に基づいて、前記トルク伝達軸が伝達するトルクを求める機能を有している。

前記センサの出力信号を変化させる前記被検出面の特性変化の１例としては、例えば、被検出面にＮ極とＳ極とを円周方向に関して交互に配置した場合のように、前記センサが対向する被検出面の円周方向位置に応じて該センサを通過する磁束密度が変化する、磁気特性の変化を挙げることができる。

本発明のトルク伝達装置では、前記演算器は、下記式を用いて、前記１対のセンサのクロック周波数差に基づいて生じるドリフト誤差が含まれないトルクを算出する機能を有している。
Ｍ＝Ｍ_０＋ｋ_１ｒ＋ｋ_２Ｎ
ここで、Ｍは、前記演算器が算出するトルクの値であり、Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２は、前記トルク測定装置に固有の係数であり、ｒは、前記１対のセンサの出力信号同士の間の位相差比であり、Ｎは、前記トルク伝達軸の回転数である。

本発明では、前記トルク伝達軸の回転数を、前記センサの出力信号を利用して、前記演算器により求めることができる。
あるいは、前記トルク伝達軸の回転数を、別途備えた回転計により求めることもできる。

本発明のトルク測定装置の製造方法では、本発明のトルク測定装置を製造する過程で、次の係数算出工程を備える。
前記トルク測定装置を組み立てた状態で、前記トルク伝達軸の回転数を測定しながら前記トルク伝達軸を回転駆動するとともに、前記トルク伝達軸に負荷されるトルクの大きさをトルク計を用いて測定しながら前記トルク伝達軸にトルクを負荷する。
そして、前記トルク伝達軸の回転数、又は／及び、前記トルク伝達軸に負荷するトルクの大きさを変えて、少なくとも３条件で、前記トルク伝達軸の回転数、前記トルク伝達軸に負荷されたトルクの大きさ、前記１対のセンサの出力信号同士の間の位相差比を取得する。
そして、３条件での取得値を前記式に代入することで得られる３元連立方程式を解くことにより、前記式中の係数Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２を求める。

上述のような本発明によれば、演算器によってドリフト誤差が含まれないトルクを算出することができる。このため、トルクの測定精度の向上を図ることができる。

図１は、実施の形態の第１例にかかるトルク伝達装置を示す断面図である。 図２は、実施の形態の第１例にかかるトルク伝達装置に使用する１対のセンサ及び演算器の概念図である。 図３は、１対のセンサの出力信号を示す図であり、（Ａ）はトルク入力前の出力信号を示しており、（Ｂ）はトルク入力後の出力信号を示している。 図４は、係数算出工程の実施状態を説明するために示す概念図である。 図５は、トルク測定装置の従来構造の１例を示す側面図である。 図６は、トルク測定装置に用いるセンサの概念図である。 図７の（Ａ）は、磁気検出素子が出力するアナログ信号を示す図であり、図７の（Ｂ）は、発振器が出力するクロック信号を示す図であり、図７の（Ｃ）は、クロック周波数に基づき遅延時間が生じる理由を説明するために示す図であり、図７の（Ｄ）は、コントローラが出力するパルス信号を示す図である。

［実施の形態の第１例］
実施の形態の第１例について、図１〜図４を用いて説明する。
以下、本例のトルク測定装置の構造を説明した後、トルク測定装置の製造工程の１工程である係数算出工程について説明する。

本例のトルク測定装置は、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）９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１０及び出力歯車１１と、１対の転がり軸受１２ａ、１２ｂと、第一エンコーダ１３及び第二エンコーダ１４と、１対のセンサユニット１５ａ、１５ｂと、演算器１６とを備えている。
なお、以下の説明中、軸方向に関して一方側とは、図１の右側をいい、軸方向に関して他方側とは、図１の左側をいう。

トルク伝達軸１ａは、炭素鋼のごと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が施されている。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１０が、トルク伝達軸１ａの軸方向他方側部分（図１の左寄り部分）に外嵌固定されており、トルクを出力するための出力歯車１１が、トルク伝達軸１ａの軸方向一方側部分（図１の右寄り部分）に外嵌固定されている。また、トルク伝達軸１ａのうち、入力歯車１０及び出力歯車１１が外嵌された部分を挟んだ両側部分（一方側端部及び他方側端部）を、１対の転がり軸受１２ａ、１２ｂにより、ハウジング９に対し回転自在に支持している。

入力歯車１０及び出力歯車１１は、炭素鋼のごと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とは別体に構成されている。入力歯車１０及び出力歯車１１とトルク伝達軸１ａとの嵌合部には、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が採用されている。

１対の転がり軸受１２ａ、１２ｂ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１７ａ、１７ｂ及び内輪１８ａ、１８ｂと、複数個の転動体１９とから構成されている。外輪１７ａ、１７ｂは、使用時にも回転しない静止輪であり、ハウジング９に内嵌固定されている。内輪１８ａ、１８ｂ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１９は、外輪１７ａ、１７ｂの内周面に形成された外輪軌道と、内輪１８ａ、１８ｂの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、転動自在に配置されている。また、転がり軸受１２ａ、１２ｂとして、アンギュラ玉軸受や円すいころ軸受を使用する場合には、互いの接触角を逆向きとすることができる。

第一エンコーダ１３は、トルク伝達軸１ａの軸方向一方側の端部に支持固定されている。このため、第一エンコーダ１３は、トルク伝達軸１ａの軸方向一方側の端部とともに（同期して）回転可能である。これに対し、第二エンコーダ１４は、トルク伝達軸１ａの軸方向他方側の端部に外嵌固定されている。このため、第二エンコーダ１４は、トルク伝達軸１ａの軸方向他方側の端部とともに（同期して）回転可能である。

第一エンコーダ１３は、トルク伝達軸１ａの軸方向一方側の端部に螺合固定されるナットのごとき円環状のねじ環２０と、ねじ環２０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、プラスチック磁石などの永久磁石製のエンコーダ本体２１とから構成されている。これに対し、第二エンコーダ１４は、トルク伝達軸１ａの軸方向他方側の端部に螺合固定されるナットのごときねじ環２２と、ねじ環２２の外周面に固定された永久磁石製のエンコーダ本体２３とから構成されている。

エンコーダ本体２１、２３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２１、２３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２１、２３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２１、２３の外周面の磁極（Ｓ極、Ｎ極）の総数は、互いに一致している。

センサユニット１５ａは、転がり軸受１２ａを構成する外輪１７ａに支持固定されており、第一センサ２４と、該第一センサ２４を支持した合成樹脂製のセンサブロック２５と、該センサブロック２５を内側に保持した金属製のセンサキャップ２６とを備えている。これに対し、センサユニット１５ｂは、転がり軸受１２ｂを構成する外輪１７ｂに支持固定されており、第二センサ２７と、該第二センサ２７を支持した合成樹脂製のセンサブロック２８と、該センサブロック２８を内側に保持した金属製のセンサキャップ２９とを備えている。

第一センサ２４は、図２に示すように、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３０ａと、磁気検出素子３０ａの出力信号をディジタル信号に変換するためのコントローラ３１ａ及び発振器（発振回路）３２ａなどを備えている。磁気検出素子３０ａは、第一センサ２４の検出部に配置され、自身を通過する磁束密度に応じて、正弦波状のアナログ信号を出力する。磁気検出素子３０ａのアナログ信号は、コントローラ３１ａによって、Ｈｉ及びＬｏｗの２値で表されたパルス信号に変換される。コントローラ３１ａは、発振器３２ａが出力するクロック信号のクロック周波数の時間間隔で、磁気検出素子３０ａのアナログ信号と閾値との大小関係を判定する。発振器３２ａのクロック周波数ｆ_１は、個体差があり、分解能、トルク伝達軸１ａの軸剛性、回転数などに応じて決定することができる。

第二センサ２７は、図２に示すように、第一センサ２４と同種の磁気検出素子３０ｂと、磁気検出素子３０ｂの出力信号をディジタル信号に変換するためのコントローラ３１ｂ及び発振器（発振回路）３２ｂなどを備えている。磁気検出素子３０ｂは、第二センサ２７の検出部に配置され、自身を通過する磁束密度に応じて、正弦波状のアナログ信号を出力する。磁気検出素子３０ｂのアナログ信号は、コントローラ３１ｂによって、Ｈｉ及びＬｏｗの２値で表されたパルス信号に変換される。コントローラ３１ｂは、発振器３２ｂが出力するクロック信号のクロック周波数の時間間隔で、磁気検出素子３０ｂのアナログ信号と閾値との大小関係を判定する。なお、発振器３２ｂのクロック周波数ｆ_２は、個体差があり、分解能、トルク伝達軸１ａの軸剛性、回転数などに応じて決定することができる。

センサユニット１５ａ、１５ｂを、それぞれ外輪１７ａ、１７ｂに支持した状態で、第一センサ２４の検出部（磁気検出素子３０ａ）を、第一エンコーダ１３の被検出面（エンコーダ本体２１の外周面）に近接対向させるとともに、第二センサ２７の検出部（磁気検出素子３０ｂ）を、第二エンコーダ１４の被検出面（エンコーダ本体２３の外周面）に近接対向させている。これにより、第一センサ２４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２７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。本例では、第一センサ２４及び第二センサ２７の出力信号を、それぞれハーネス３３ａ、３３ｂを通じて、演算器１６に送信可能としている。

演算器１６は、第一センサ２４及び第二センサ２７の出力信号を利用して、トルク伝達軸１ａの回転速度を求めるとともに、トルク伝達軸１ａが伝達するトルクを求める機能を有している。

第一センサ２４の出力信号及び第二センサ２７の出力信号は、トルク伝達軸１ａとともに第一エンコーダ１３及び第二エンコーダ１４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、変化の周波数（及び周期）は、トルク伝達軸１ａの回転速度とエンコーダの極数との積であるため、予め第一エンコーダ１３及び第二エンコーダ１４の極数を確認しておけば、周波数（又は周期）に基づいて、トルク伝達軸１ａの回転速度を求められる。

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１０と出力歯車１１との間部分が弾性的にねじれ変形する。これにより、トルク伝達軸１ａの軸方向両側の端部同士が回転方向に相対変位する。この結果、第一エンコーダ１３と第二エンコーダ１４とが回転方向に相対変位するため、トルク伝達軸１ａのねじれ角に相当する、第一センサ２４と第二センサ２７の出力信号同士の間の位相差（及び位相差比）が変化する。位相差は、トルク伝達軸１ａのねじれ方向の弾性変形量に相関を有している。このため、トルク伝達軸１ａのねじれ剛性をもとに予め求めておいた、トルクと位相差との関係を表す表やマップなどデータを利用すれば、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。

ただし、前述したように、センサのクロック周波数は、発振器の製造上の歪みや製造誤差などに起因して、同じ品番のセンサであっても、ばらつきが存在する。このため、第一センサ２４と第二センサ２７の組み合わせによっては、第一センサ２４のクロック周波数ｆ_１と第二センサ２７のクロック周波数ｆ_２との差である、クロック周波数差（ｆ_１−ｆ_２）が過大になり、第一センサ２４と第二センサ２７の出力信号同士の間に大きな遅延時間の差を生じる可能性がある。その結果、得られるトルクの値に大きなドリフト誤差（詳細は後述する）が含まれることになり、トルクの測定精度が低下する可能性がある。

以下、第一センサ２４と第二センサ２７の出力信号同士の間の位相差から、トルク伝達軸１ａが伝達するトルクを求める過程を説明しつつ、第一センサ２４と第二センサ２７との間のクロック周波数差（ｆ_１−ｆ_２）とドリフト誤差との関係について説明する。なお、第一センサ２４と第二センサ２７との間のクロック周波数差（ｆ_１−ｆ_２）は、センサの組み合わせを変更しない限り一定である。

トルク伝達軸１ａにトルクが加わり、トルク伝達軸１ａに弾性的なねじれ変形が生じることで、第一センサ２４の出力信号Ａと第二センサ２７の出力信号Ｂとが、トルクの入力前の状態を表した図３の（Ａ）から、トルクの入力後の状態を表した図３の（Ｂ）に示すように変化した場合を考える。ここで、第一センサ２４の出力信号Ａと第二センサ２７の出力信号Ｂとの間のトルク入力後の位相差（測定値）をｔ［ｓ］とし、第一センサ２４と第二センサ２７の出力信号Ａ、Ｂの周期（測定値）をＴ［ｓ］とする。また、第一センサ２４の出力信号Ａと第二センサ２７の出力信号Ｂとの間のトルク入力前の位相差（初期位相差）は、ｔｘ［ｓ］とする。

位相差ｔは、トルク伝達軸１ａの回転数（回転速度）に応じて変化するため、トルク伝達軸１ａの回転数が既知の一定値の場合でなければ、位相差ｔのみからトルクを求めることができない。そこで、トルク伝達軸１ａの回転数の影響を取り除くために、位相差ｔを周期Ｔで除することにより、位相差比ｒを求める。位相差比ｒは、次の（１）式で表すことができる。

前述したように、第一センサ２４の出力信号Ａは、第一センサ２４のクロック周波数ｆ_１に応じた遅延時間を生じるのに対し、第二センサ２７の出力信号Ｂは、第二センサ２７のクロック周波数ｆ_２に応じた遅延時間を生じる。このため、第一センサ２４のクロック周波数ｆ_１と第二センサ２７のクロック周波数ｆ_２とが異なる場合、第一センサ２４の出力信号Ａと第二センサ２７の出力信号Ｂとの間には遅延時間の差を生じる。したがって、上記（１）式中の位相差ｔは、トルク伝達軸１ａのねじれ角を反映した本来の（正しい）位相差ｔ_０［ｓ］と、第一センサ２４の出力信号Ａと第二センサ２７の出力信号Ｂとの間の遅延時間の差△ｔ［ｓ］とに分けることができる。このため、上記（１）式は、次の（２）式で表すことができる。遅延時間の差△ｔ［ｓ］を含む項が、トルク算出における誤差成分となる。なお、位相差ｔ_０には、初期位相差ｔｘが含まれる。

ここで、ホールＩＣなどの磁気検出素子３０ａ、３０ｂが応答に要する時間である、遅延時間（τ）は、応答クロック数（ｃ）と駆動周期（τ_０）とを用いて、次の（３）式で表すことができる。

また、ホールＩＣなどの磁気検出素子３０ａ、３０ｂは、固有の駆動周期及びクロック周波数を有するため、遅延時間（τ）は固有の値になる。なお、応答クロック数（ｃ）は、第一センサ２４と第二センサ２７とでプログラムが共通であるため一定になる。このため、磁気検出素子３０ａ、３０ｂの駆動周期差を△τとし、駆動周期をそれぞれτ_０、τ_０＋△τと置くと、応答には、次の式（４）で表される遅延時間の差（△ｔ）を生じる。

一方、上記（２）式の右辺は、ｔ_０／Ｔで表される第１項と、△ｔ／Ｔで表される第２項とに分けることができる。さらに、第１項に含まれる位相差ｔ_０は、トルク伝達軸１ａが伝達するトルクに比例する成分と、それ以外の成分（無負荷・無回転時における成分である初期位相差ｔｘ）とに分けることができる。

したがって、上記（２）式の右辺は、取付誤差などの、無負荷・無回転時における第一エンコーダ１３と第二エンコーダ１４との幾何学的な位置関係により定まる位相差比（初期位相差比）ｒ_０（第１項）と、トルク伝達軸１ａが伝達するトルクに比例して増加する位相差比ｒ_１（第２項）と、トルク伝達軸１ａの回転数に依存する遅延時間の差に起因した位相差比△ｔ／Ｔ（第３項）との３つの項に分けられ、次の（５）式が得られる。このため、このうちの第３項（△ｔ／Ｔ）が、位相差比ｒのドリフト誤差の成分になる。

ここで、トルクと位相差比とが比例関係を有していること、及び、周期と回転数とが反比例関係を有していることを考慮すると、トルクの出力値に含まれるドリフト誤差は、遅延時間の差△ｔと、トルク伝達軸１ａの回転数に比例する（周期Ｔに反比例する）ことが分かる。このため、トルクの出力値に含まれるドリフト誤差は、遅延時間の差△ｔが大きくなるほど大きくなり、トルク伝達軸１ａの回転数が速くなるほど大きくなる。

また、上記（５）式を、トルクに比例して増加する位相差比ｒ_１についての式に変形すると、次の（６）式が得られる。

上記（６）式を、トルクと位相差比との比例関係、及び、周期と回転数との反比例関係を用いると、次の（７）式で示すような、関係式（トルク計算式）に変形することができる。なお、（７）式中、Ｍ［Ｎｍ］は、ドリフト誤差の成分を含まない真のトルクの大きさを表しており、Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２は、第一センサ２４と第二センサ２７とのクロック周波数差やトルク伝達軸１ａのねじれ剛性などによって変化する、トルク測定装置に固有の係数を表しており、Ｎ［ｒｐｍ］はトルク伝達軸１ａの回転数を表している。なお、周期Ｔは、第一エンコーダ１３及び第二エンコーダ１４の極対数をＰとした場合に、Ｔ＝６０／ＰＮで表される。

そこで本例では、上記（７）式を利用することで、演算器１６によって、ドリフト誤差が含まれないトルクＭを算出するようにしている。具体的には、演算器１６中のメモリなどに上記（７）式を記憶しておき、第一センサ２４と第二センサ２７の出力信号同士の間の位相差比ｒ、及び、トルク伝達軸１ａの回転数Ｎを、上記（７）式に入力することで、ドリフト誤差が含まれないトルクＭを算出する。つまり、上記（７）式に、ドリフト誤差が含まれる位相差比ｒと、トルク伝達軸１ａの回転数Ｎを代入するだけで、第一センサ２４と第二センサ２７とのクロック周波数差に基づいて生じるドリフト誤差が取り除かれ、真のトルクＭが算出されることになる。

ただし、係数Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２は、トルク測定装置に固有の係数であるため、使用する第一センサ２４及び第二センサ２７の組み合わせが決まり、トルク測定装置の組み立てが完了した後に、これらの係数Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２を求め、演算器１６に記憶する必要がある。以下、係数Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２を求めるための係数算出工程について説明する。なお、本例の係数算出工程は、トルク測定装置を機械的に組み立てた後、トルク測定装置の出荷前までの間に行う。

上記（７）式中に含まれる係数Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２の数は３つであることから、上記（７）式を満たす、トルク伝達軸１ａの回転数Ｎ、トルク伝達軸１ａが伝達するトルクＭ及び位相差比ｒを、少なくとも３組以上求められれば、３元連立方程式を解くことで、係数Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２の値を求められることになる。

そこで本例では、図４に示すように、組立状態のトルク伝達装置に、回転駆動源である駆動モータ３４と、トルク負荷装置である負荷モータ３５と、トルク計３６と、回転計３７とを組み合わせて、係数算出システムを構成する。

駆動モータ３４は、入力歯車１０を介してトルク伝達軸１ａを回転駆動する。また、負荷モータ３５は、出力歯車１１を介してトルク伝達軸１ａにトルクを負荷する。トルク計３６は、トルク伝達軸１ａに負荷されたトルクを測定するためのもので、ひずみゲージなどを利用することができる。トルク計３６は、トルクを精度良く測定できるものであればその種類は問わないが、クロック周波数差に起因したドリフト誤差が含まれることを防止するために、１対のセンサの出力信号同士の間の位相差を利用してトルクを求めるパルス位相差式のもの以外であることが好ましい。ただし、１対のセンサのクロック周波数が高精度で一致していれば、パルス位相差式のものを使用することもできる。回転計３７は、トルク伝達軸１ａの回転数（回転速度）を測定するためのもので、その種類は問わない。なお、トルク伝達軸１ａの回転数を、第一センサ２４又は第二センサ２７の出力信号を利用し、演算器１６により求める場合には、回転計３７は省略することができる。

上記（７）式を満たす、トルク伝達軸１ａの回転数Ｎ、トルクＭ、及び、位相差比ｒを求めるために、駆動モータ３４によりトルク伝達軸１ａを回転駆動するとともに、負荷モータ３５によりトルク伝達軸１ａにトルクを負荷する。この際、回転計３７によりトルク伝達軸１ａの回転数を測定するとともに、トルク計３６によりトルク伝達軸１ａに負荷されたトルクの大きさを測定し、演算器１６により位相差比ｒを測定する。本例では、回転計３７の測定値が、トルク伝達軸１ａの回転数Ｎになり、トルク計３６の測定値が、トルク伝達軸１ａが伝達するトルクＭになり、演算器１６の測定値が位相差比ｒになる。

そして、駆動モータ３４及び負荷モータ３５の運転状態を適宜変更することで、トルク伝達軸１ａの回転数、又は／及び、トルク伝達軸１ａに負荷するトルクの大きさを変えて、少なくとも３条件で、回転計３７により測定される回転数Ｎ、トルク計３６により測定されるトルクＭ、及び、演算器１６により算出される位相差比ｒを取得する。具体的には、例えば、回転数がＮ_ｘの状態でトルクＭ_ｘ及び位相差比ｒ_ｘを求め、次に、回転数がＮ_ｙの状態でトルクＭ_ｙ及び位相差比ｒ_ｙを求め、最後に、回転数がＮ_ｚの状態でトルクＭ_ｚ及び位相差比ｒ_ｚを求める。

そして、３条件での取得値｛（Ｎ_ｘ、Ｍ_ｘ、ｒ_ｘ）、（Ｎ_ｙ、Ｍ_ｙ、ｒ_ｙ）、（Ｎ_ｚ、Ｍ_ｚ、ｒ_ｚ）｝を、上記（７）式にそれぞれ代入して、係数Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２のみが変数になった３元連立方程式を得る。具体的には、次のような３元連立方程式が得られる。
Ｍ_ｘ＝Ｍ_０＋ｋ_１ｒ_ｘ＋ｋ_２Ｎ_ｘ
Ｍ_ｙ＝Ｍ_０＋ｋ_１ｒ_ｙ＋ｋ_２Ｎ_ｙ
Ｍ_ｚ＝Ｍ_０＋ｋ_１ｒ_ｚ＋ｋ_２Ｎ_ｚ
そこで、３元連立方程式を解くことにより、Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２の値を求める。得られたＭ_０、ｋ_１及びｋ_２の値は、上記（７）式に代入して、演算器１６中のメモリなどに記憶しておく。

以上のような本例のトルク伝達装置によれば、第一センサ２４と第二センサ２７の出力信号同士の間の位相差比ｒ、及び、トルク伝達軸１ａの回転数Ｎを、上記（７）式に入力することで、演算器１６によって、第一センサ２４と第二センサ２７のクロック周波数差に基づいて生じるドリフト誤差が含まれない、真のトルクＭを算出することができる。この結果、トルクの測定精度の向上を図ることができる。また、位相差比ｒ及び回転数Ｎは、第一センサ２４及び第二センサ２７の出力信号を利用して演算器１６によって算出することができるため、上記（７）式に入力する位相差比ｒと回転数Ｎに時間的なずれが生じることを有効に防止できる。

本発明のトルク測定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・モータの回転軸等、各種機械装置の回転軸を対象にすることができる。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を組み込んで変速機を構成する場合、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、四輪駆動車等が対象となる。

また、測定した回転速度及びトルクは、変速制御やエンジンの出力制御以外の車両制御を行うために利用しても良い。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。

さらに、実施の形態では、第一エンコーダ及び第二エンコーダを、それぞれ永久磁石製とし、これら第一、第二両エンコーダの被検出面に、Ｎ極とＳ極とを円周方向に関して交互に配置する構成を採用した例を説明した。ただし、本発明を実施する場合には、第一、第二両エンコーダを単なる磁性材製とし、これら第一、第二両エンコーダの被検出面に、凸部、舌片又は柱部などの充実部と、凹部、切り欠き又は透孔などの除肉部とを、円周方向に関して交互に配置する構成を採用することができる。このような構成を採用する場合には、第一、第二両センサ側に永久磁石を組み込む。

１、１ａ トルク伝達軸
２ａ、２ｂ エンコーダ
３ａ、３ｂ センサ
４ａ、４ｂ 被検出面
５ａ、５ｂ 検出部
６ 磁気検出素子
７ コントローラ
８ 発振器
９ ハウジング
１０ 入力歯車
１１ 出力歯車
１２ａ、１２ｂ 転がり軸受
１３ 第一エンコーダ
１４ 第二エンコーダ
１５ａ、１５ｂ センサユニット
１６ 演算器
１７ａ、１７ｂ 外輪
１８ａ、１８ｂ 内輪
１９ 転動体
２０ ねじ環
２１ エンコーダ本体
２２ ねじ環
２３ エンコーダ本体
２４ 第一センサ
２５ センサブロック
２６ センサキャップ
２７ 第二センサ
２８ センサブロック
２９ センサキャップ
３０ａ、３０ｂ 磁気検出素子
３１ａ、３１ｂ コントローラ
３２ａ、３２ｂ 発振器
３３ａ、３３ｂ ハーネス
３４ 駆動モータ
３５ 負荷モータ
３６ トルク計
３７ 回転計

Claims (4)

1. 使用時にトルクを伝達するトルク伝達軸と、
   特性を円周方向に関して交互に変化させた被検出面を有し、前記トルク伝達軸に直接又は使用時に前記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対のエンコーダのそれぞれの被検出面に検出部を対向させ、前記被検出面の特性変化に対応し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比に基づいて、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、
   前記演算器は、下記式を用いて、前記１対のセンサのクロック周波数差に基づいて生じるドリフト誤差が含まれないトルクを算出する機能を有する、トルク測定装置。
   Ｍ＝Ｍ_０＋ｋ_１ｒ＋ｋ_２Ｎ
   ここで、Ｍは、前記演算器が算出するトルクの値であり、Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２は、前記トルク測定装置に固有の係数であり、ｒは、前記１対のセンサの出力信号同士の間の位相差比であり、Ｎは、前記トルク伝達軸の回転数である。
2. 前記トルク伝達軸の回転数は、前記センサの出力信号を利用して、前記演算器が求める、請求項１に記載したトルク測定装置。
3. 前記被検出面の特性変化は、磁気特性の変化である、請求項１〜２のうちのいずれか１項に記載したトルク測定装置。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載したトルク測定装置の製造方法であって、
   前記トルク測定装置を組み立てた状態で、前記トルク伝達軸の回転数を測定しながら前記トルク伝達軸を回転駆動するとともに、前記トルク伝達軸に負荷されるトルクの大きさをトルク計を用いて測定しながら前記トルク伝達軸にトルクを負荷し、
   前記トルク伝達軸の回転数、又は／及び、前記トルク伝達軸に負荷するトルクの大きさを変えて、少なくとも３条件で、前記トルク伝達軸の回転数、前記トルク伝達軸に負荷されたトルクの大きさ、及び、前記１対のセンサの出力信号同士の間の位相差比を取得し、３条件での取得値を前記式に代入することで得られる３元連立方程式を解くことにより、前記式中の係数Ｍ_０、ｋ_１及びｋ_２を求める、係数算出工程を備える、
   トルク測定装置の製造方法。

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