JP2711472B2

JP2711472B2 - トルク検出装置

Info

Publication number: JP2711472B2
Application number: JP25456189A
Authority: JP
Inventors: 誠二岡田; 浩之中村; 俊実岡崎; 一志福庭
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JPH03115940A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は回転駆動される回転軸のトルクを検出するト
ルク検出装置に関し、特に、自動車の自動変速機等の回
転軸のトルクを該回転軸のねじれ量から算出する車載用
のトルク検出装置に関するものである。

（従来の技術）近年、自動車におけるトルク検出の必要性は増大しつ
つある。特に、トルクコンバータを用いた自動変速機で
は、出力軸のトルクを検出することでその特性の大幅な
向上が期待されている。現在用いられている自動変速機
では、ギヤの変換タイミングをエンジンの回転数もしく
はスロットル開度からエンジンの特性曲線を用いて推定
しているが、制御系の繁雑さやエンジンの特性のバラツ
キ等に伴ないその精度は必ずしも十分なものとはいえな
い。この他、四輪駆動車における前輪と後輪へのトルク
配分においても、同様の間接的制御による手段を用いて
いるため同様の問題が生じている。このような状況の
下、自動車におけるトルクの直接的検出が可能となれ
ば、変速機，四輪駆動におけるトルク配分のみならず、
アクティブサスペンションやトラクションコントロール
を完成度の高いものとすることが可能である。一方、ト
ルク検出の必要性は自動車に限らず、各方面で問題とな
っており、例えば、NC工作機ではトルクの適性化は工作
精度を確保する上で不可欠である。そこで、トルク検出
には各種の技術が開発されているが、とりわけ、自動車
に適用するに当たっては、検出トルクの範囲が広いこと
（０〜500kg・ｍ）、さらに、トルク変動を精度良く検
出することが必要となる。

ところで、トルク検出の直接的手段としては、トルク
の負荷による回転軸のねじれ角を測定することが有効で
ある。ねじれ角の測定により、トルクを検出する従来技
術としては、測定対象である回転軸に少なくとも二つの
ロータリエンコーダを配設したものが知られている。す
なわち、個々のエンコーダからの検出信号の位相差Δｔ
からねじれ角を求め、トルクに換算する方法である。エ
ンコーダの種類としては、光学的手段を用いたもの、磁
気的手段を用いたもの、磁気記録的手段を用いたものが
あるが、自動車用に適用するには、精度および有用性の
観点から磁気記録的手段によるものが最適である。磁気
記録ロータリエンコーダを用いた従来技術としては予め
磁気信号を記録したと磁性層を有する各々の回転円盤に
対向する所定の位置に磁気センサを配設したものが知ら
れている（特開昭62−150644号公報）。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上述した磁気記録ロータリエンコーダ
を用いた従来技術では、記録信号によって形成された磁
気点列のピッチが固定されているため、自動車の自動変
速機の出力軸におけるトルク検出の様に検出レンジが広
範囲に亘り、しかも高い検出精度が要求される場合には
全ての状況下で最適なトルク検出を行なうのは困難であ
る。

また、自動車に用いられている各種のトルク伝達用の
回転軸においては、この回転軸にねじれ歪みが残留して
蓄積し、回転円盤上に記録された信号と検出センサとの
相対位置が徐々にずれてしまい検出精度が経年的に劣化
するという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたも
のであり、トルク検出の検出レンジが広範囲に亘る場合
にも全ての検出レンジで高精度の検出ができるととも
に、検出精度の経年変化を防止し得るトルク検出装置を
提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段）本発明のトルク検出装置は、回転駆動される回転軸の
所定間隔をおいた２位置に２枚の磁気ディスクを固設す
るとともにこれら２枚の磁気ディスクと対向する位置に
各々磁気ヘッドを配設し、上記回転軸が無負荷状態のと
きこれらの磁気ヘッドにより上記２枚の磁気ディスクに
所定の位置信号を記録し、上記回転軸に負荷が加わった
状態で回転しているとき上記磁気ヘッドにより上記２つ
の磁気ディスクに記録されている位置信号を読み取り、
トルク算出手段において、この読み取った両位置信号の
位相を比較し、その比較結果に基づいて上記回転軸の上
記２位置間のねじれ角を測定し、この測定値に基づいて
回転軸に加わるトルクを算出し、一方周波数制御手段に
おいて、上記回転軸に加わる回転トルクの大きさの程度
に応じ、上記２つの磁気ヘッドにより読み取られる位置
信号の位相差が１周期以下となるように上記磁気ディス
クに記録する位置信号の周波数を制御することを特徴と
するものである。

上記トルク検出装置が自動車における回転トルクを検
出するものである場合、前記位置信号の周波数は、自動
車の走行形態（例えば、市街路走行、高速道路走行、山
岳路走行等）に応じて予め設定しておくことができる。

（作用）上述した構成によれば、回転軸に加わると予想される
トルクの大きさに応じ、しかも２つの磁気ヘッドにより
読み取られる位置信号の位相差が１周期以下となるよう
に位置信号の周波数を変化させ、この信号を逐次磁気ヘ
ッドにより磁気ディスクに記録するようにしている。し
たがって、回転軸に大きなトルクが加わって２つの磁気
ディスクを取り付けた回転軸の２位置間のねじれ角が大
きくなるような場合であっても、２つの磁気ヘッドによ
り読み取られる位置信号の位相差が必ず１周期（０〜２
π）の範囲で検出できることになり、検出レンジのオー
バフローの虞れなく位相差検出を行なうことができる。
一方、回転軸に加わると予想されるトルクが小さい場合
には位置信号の周波数が高い値に変更され、これにより
信号処理上の誤差が小さくなって測定精度を高く維持す
ることが可能となる。

また、上記位置信号の磁気ディスクへの記録更新を逐
次行なうことが可能であるから、磁気ディスクと磁気ヘ
ッドとの相対的な位置ずれに伴なう検出精度の経年的な
劣化を防止することが可能である。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を用いて説明す
る。

第１図は本発明の一実施例に係るトルク検出装置を示
す概略図である。この装置は、検出対象となる回転軸１
の軸方向に所定距離ｌをおいた２位置に、その中心軸が
回転軸１と一致するように各々配置された２枚の磁気デ
ィスク2a,bと、各々の磁気ディスク2a,bに位置信号を記
録再生し得る位置に配設された記載再生両用の磁気ヘッ
ド3a,bと、これら２つの磁気ヘッド3a,bにより読み取ら
れた位置信号の位相を比較し、その比較結果に基づいて
回転軸１の上記２位置間のねじれ角を測定し、この測定
値に基づいて回転軸１に加わるトルクを算出し、その算
出したトルク値を出力するトルク算出手段４と、回転軸
１に加わると予想される回転トルクの大きさに応じて、
磁気ディスク2a,bに記録する位置信号の周波数を制御す
る周波数制御手段５とを備えている。

上記磁気ディスク2a,bはアルミニウム製の円盤の磁気
ヘッド3a,b配設側の面もしくは両面に磁性金属もしくは
酸性酸化物からなる酸性層を塗布してなるものである。
また、上記算出手段４は両磁気ヘッド3a,bにより読み取
られた位置信号を比較する比較部とこのコンパレータか
ら出力された比較値に基づいて回転軸１に加わるトルク
値を算出するCPUを有しており、この算出されたトルク
値を表わす信号は表示回路であるいはトルク制御回路等
に送出される。また、上記周波数制御手段５には回転軸
１に加わると予想されるトルクに関する情報が入力され
る。例えば回転軸１が自動変速機の出力軸である場合に
は、例えばスロットル開度に関する情報が入力される。
この情報に基づき、加わるトルクが大きいと予想される
場合は、位置信号の周波数を小さい値に変換し、一方、
加わるトルクが小さいと考えられる場合は、位置信号の
周波数を大きい値に変換する。ただし、この場合の周波
数は、２つの磁気ディスク2a,bから読み取られる位置信
号の位相差が１周期以下となるような値に設定する必要
がある。なお、この周波数制御手段５を構成するCPUお
よびその周辺回路は上記トルク算出手段４のものと共用
することも可能である。

以下、磁気ディスク2a,bへの位置信号の記録動作およ
び再生動作について説明する。

第2A図は回転している回転軸１にトルクが加わってい
ない時の状態を示すものであり、第2B図は回転している
回転軸１にトルクが加わっている時の状態を示すもので
ある。また、第3A図は回転軸１が第2A図に示す状態にお
いて両磁気ディスク2a,bに記録される位置信号を、第3B
図は回転軸１が第2B図に示す状態において両磁気ディス
ク2a,bから読み取られる位置信号をそれぞれ時系列的に
示すグラフである。なお、第3A図,3B図共に上側に描か
れているのが磁気ディスク2aに係る信号であり、下側に
描かれているのが磁気ディスク2bに係る信号である。

周波数制御手段５に入力された情報に応じて位置信号
の周波数f₀が決定され、この決定された周波数f₀を有す
る同一の方形波パルス信号（第3A図）が、回転軸１が無
負荷となっている状態（第2A図）において磁気ヘッド3
a,bに印加され、これにより該信号が両磁気ディスク2a,
bに記録される。この後、上記回転軸１にトルクが加わ
った状態（第2B図）において、同一のタイミングで両磁
気ヘッド3a,bから周波数ｆの位置信号が再生信号（第3B
図）として読み取られ両再生信号はトルク算出手段４に
入力される。トルク算出手段４においては、両再生信号
の位相が比較され、位相差Δｔが検出されこの位相差Δ
ｔに基づいて回転軸１のねじれ角θが測定され、この測
定結果から回転軸１に加わったトルク値が検出される。
なお、回転軸１の無負荷状態および負荷状態における回
転数は各々N₀およびＮとされている。

以下、上記周波数制御手段５において位置信号の周波
数を決定する際に考慮すべき事項についてさらに説明す
る。

今、回転軸の回転数をN₀とすると、磁気ディスク2a,b
上に形成される磁気点列の数Ｚは（１）式で表現され
る。

f₀＝N₀Z （１）次に、回転軸１にトルクが加えられ、回転軸１にねじ
れが発生すると、それぞれの磁気ヘッド3a,bから検出さ
れる信号間には位相差Δｔが生じる。回転軸１の回転数
をＮ、磁気ヘッド3a,bで検出される位置信号の周波数を
ｆとし、２枚の磁気ディスク2a,bの配設位置における回
転軸１のねじれ角をθとすると（２）式が成立する。

θ＝２πΔtN ＝２πΔtf/Z ＝２πΔｔ（f/f₀）N₀ （２）次に、トルクＴとねじれ角θの関係は（３）式で示さ
れる。

θ＝32TL/πGd⁴ （３）ここで、Ｌは２枚の磁気ディスク2a,b間の距離、Ｇは回
転軸１の横弾性係数、ｄは回転軸１の直径である。
（２），（３）式からθを消去すると、ＴとΔｔの関係
を示す（４）式を得ることができる。

Ｔ＝π²Gd⁴ΔtN₀（f/f₀）/16L （４）ここでΔｔが再生信号の一周期を超えると見掛けの位相
差と真の位相差との区別が困難となる。そこで、Δｔが
一周期（1/f）を超えないようにすると、検出できる最
大トルクはΔｔ＝1/fとなる時である。したがって最大
トルクTmaxは、（５）式から求められる。

Tmax＝π²Gd⁴N₀/16Lf₀ （５）また、（４）式において、検出周波数の誤差をδｆ、
検出位相差の誤差をδ（Δｔ）とすると、検出トルクの
測定誤差は（６）式で示される。

｜δT/T|＝｜δf/f＋δ（Δｔ）／Δt| ＜｜δf/f|＋｜δ（Δｔ）／Δt| （６）すなわち、（６）式で定義されるトルク変動を超える場
合にはスリップとして検出することができる。

第４図は上記装置を乗用車の自動変速機６の出力軸７
に適用した例を示すものである。ここで、出力軸７の横
弾性計数Ｇ＝80GPa、出力軸の径ｄ＝0.03m、磁気ディス
ク間距離Ｌ＝0.1mとすると、上述した（４），（５）式
から、（７），（８）式を得る。

Ｔ＝4.0Δtf（N₀/f₀）×10⁵（Ｎ・ｍ）＝4.1Δtf（N₀/f₀）×10⁴（kg・ｍ）（７） Tmax＝4.1（N₀/f₀）×10⁴ ＝4.1×10⁴/Z （８）今、自動車が山岳路等で最大トルクTmaxを必要とする
場合、Tmax＝20kg・ｍとすると（８）式からＺ＝2050と
なる。次に、自動変速機６の最適レンジに切り変わる際
（この時出力軸７はトルクの負荷から開放されている）
の回転数N₀＝30rpsとするとf₀＝61.5kHzの信号を用いれ
ばよい。以上のように、走行形態（例えば、市街路、高
速道路、山岳路等）に応じてTmaxの値を適宜設定してお
けば（スロットル開度等に対して）、随時信号の書換え
を行うことによって適性トルクの検出が行える。これは
自動変速機６に限らず手動変速機にも適用できる。

次に、Δｔおよびｆの検出において、その精度は検出
回路の信号処理の方法によって決まる。そこで、これら
の誤差を最大0.5％と見積もると、（６）式からＴの検
出誤差は１％以内となる。

すなわち、｜δT/T| ＜｜δf/f|＋｜δ（Δｔ）／Δt| ＜0.005＋0.005＝0.01 （９）｜δT|＜0.01|T|＜0.01|Tmax| （10） Tmaxを20kg・ｍとすると、δＴは0.2kg・ｍとなる。し
たがって、0.2kg・ｍ以上のトルク変動についてはタイ
ヤのスリップと判断でき、Tmaxを低くするように制御因
子を設定すればよく、トルクリミッタとしての機能を実
現できる。

なお、上記実施例は主として、自動車の動力伝達系を
例に説明しているが、本発明の適用対象としては自動車
に限らず、船舶、工事用車両、兵器等についてもその使
用範囲においてトルク限界を設定しつつ適用することが
可能である。

また、位置信号としては第3A,B図に示す形状のものに
限られるものではなく、位相差Δｔを精度よく検出でき
る信号であればその波形形状の如何を問わない。また、
デジタル信号、アナログ信号の別を問わない。

なお、上述した実施例においては回転軸１に対し磁気
ディスク2a,bを２枚配設しているが、これに限られるも
のではなく３枚以上の磁気ディスクを配設することもで
きる。また、本発明に係る装置に使用される磁気ディス
クの形状としては必ずしも円形のものに限られるもので
はなく、例えば第５図に示すように扇形状のもの8a,bで
あってもよく、さらには、少なくとも位置信号の１周期
を記録し得るだけのスペースを有する磁気片であれば本
発明の装置として使用し得る。

なお、２つの磁気ヘッドは、第１図、，第2A,B図ある
いは第５図に示すように両磁気ヘッドを互いに対向する
位置に必ずしも配設せしめる必要はなく、一方の磁気ヘ
ッドに対して、他方の磁気ヘッドを磁気ディスクの円周
方向にずれた位置に配設することも可能である。

（発明の効果）以上説明したように本発明のトルク検出装置によれ
ば、磁気ディスクに記録する位置信号を、トルク値の大
小に応じて書き替えることができるので、自動車の自動
変速機の出力軸におけるトルクの検出を行なう場合のよ
うに検出レンジが広範囲に亘る場合にも全ての検出レン
ジで高精度の検出ができ、さらには検出精度の経年変化
を防止することが可能となる。

また、例えば大トルク検出が必要となるトラック等と
通常の自家用車とに同一のトルク検出装置を取り付ける
ことも可能である。

さらに上記装置は磁気的に位置信号を記録再生するよ
うにしているので光学的に行なう場合と異なり、装置が
オイル等の液体中に浸されるような状態とされても測定
精度が低下するおそれがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のトルク検出装置を示す概略
図、第2A図および第2B図は回転軸にトルクが加わってい
ない状態とトルクが加わっている状態とを示す概略図、
第3A図および第3B図は磁気ディスクに記録される際の位
置信号および磁気ディスクから読み取られた際の位置信
号を示すグラフ、第４図は本発明のトルク検出装置を自
動車の自動変速機の出力軸に使用した状態を示す概略
図、第５図は第１図に示す実施例装置の一部を変更した
例を示す概略図である。１……回転軸、2a,b……磁気ディスク 3a,b……磁気ヘッド、４……トルク算出手段５……周波数制御手段、６……自動変速機７……出力軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福庭一志広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (56)参考文献特開昭62−239031（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−79220（ＪＰ，Ａ) 実開昭50−4784（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転駆動される回転軸の、軸方向に所定距
離だけ離れた２位置に、中心軸が該回転軸と一致するよ
うに固設された２枚の磁気ディスクと、これら２枚の磁気ディスクに所定の位置信号を記録再生
するため該２枚の磁気ディスク各々に対向する位置に配
設された磁気ヘッドと、２つの該磁気ヘッドにより読み取られた前記位置信号の
位相を比較し、その比較結果に基づいて前記回転軸の前
記２位置間のねじれ角を測定し、これに基づいて前記回
転軸に加わるトルクを算出するトルク算出手段と、前記回転軸に加わる回転トルクの大きさの程度に応じ、
前記２つの磁気ヘッドにより読み取られる位置信号の位
相差が１周期以下となるように前記磁気ディスクに記録
する位置信号の周波数を制御する周波数制御手段とを備
えたことを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】前記トルク検出装置が自動車における回転
トルクを検出するものであり、前記位置信号の周波数
が、前記自動車の走行形態に応じて予め設定されている
ことを特徴とする請求項１記載のトルク検出装置。