JP5242120B2 - ドライブシャフトの軸トルク測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、自動車のエンジンの動力を車輪に伝達する役目を持っている駆動輪車軸、すなわちドライブシャフトにおいて、その軸トルクを測定する装置、その軸トルク測定装置を搭載した車輪駆動用ユニット、および軸トルク測定方法に関する。このようなドライブシャフトとしては、前輪駆動車の前輪軸、後輪駆動車の後車軸、全輪駆動車の全車軸が該当する。

独立懸架方式のサスペンションを採用する自動車のドライブシャフトでは、サスペンションの動きに追随しながら駆動力を伝達する必要がある。このため、ドライブシャフトの一端は等速ジョイントを介してディファレンシャルと連結され、他端は等速ジョイントを介して車軸（アクスル）と連結される。このようにしてドライブシャフトはエンジンの動力を車輪まで伝える駆動系統に組み込まれ、エンジンの動力は最終的にドライブシャフトによって車輪に伝えられる。
また、最近の自動車はあらゆる部分に電子制御技術が導入されており、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、トラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、ノンスリップデフ（ＬＳＤ）、などの走行制御では車輪速信号が利用されている。このため、通常、ドライブシャフトのアウトボード側（アクスル側）にＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）制御用のパルサーリングが設けられ、車輪の回転に伴い歯車状のパルサーリングが回転すると、それに近接して車体側に設置された電磁ピックアップに車輪回転数に比例した周波数のパルスが発生するようになっている。

特許文献１において、両端に等速ジョイントを具備した自動車のドライブシャフトであって、各等速ジョイントすなわちインボード側、アウトボード側のそれぞれの等速ジョイントの外輪にパルサーリングを取付け、両パルサーリングによって発生する回転信号を検出し、ドライブシャフトに生じたねじれに対応する回転信号の位相差を演算処理して軸トルクを求めるドライブシャフトの軸トルク測定方法が示されている。
また、求めた軸トルク信号に基づいてエンジンの出力を制御することにより、過大トルクの発生を防止し、この過大トルクの発生防止によってドライブシャフトの軸径および等速ジョイントのサイズダウンによる軽量化を図ることが開示されている。

また、特許文献２においては、両端が等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材であるハブとにエンコーダをそれぞれ取付けると共に、これら各エンコーダに対向して、各エンコーダの回転を検出するセンサを設け、これらセンサが出力する回転信号の位相差からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求めるものが開示されている。
特開平７−６３６２８号公報 特開２００４−０６９３３２号公報

特許文献１に開示されている技術では、回転パルスを出力するセンサを使用し、ドライブシャフト両端での回転パルス出力における位相ずれを演算することによってねじれ量を検出している。しかし、これでは、停止状態から駆動を始める場合のように、一方の軸端が停止状態あるいは回転速度が極端に低い場合には、正確に軸トルクを検出できないという問題がある。
また、特許文献２に開示の技術の場合にも、通常の駆動トルクにおけるドライブシャフトのねじれ角が小さいため、軸トルク検出に必要なわずかな位相差を自動車の使用環境で安定して得るのは難しい。

この発明の目的は、ドライブシャフトの一端側が停止状態あるいは極端に回転速度が低い場合でも、正確に軸トルクを検出できるドライブシャフトの軸トルク測定装置、軸トルク測定装置付き車輪駆動用ユニット、およびドライブシャフトの軸トルク測定方法を提供することである。

この発明のドライブシャフトの軸トルク測定装置は、両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材とにセンサターゲットを設けると共に、これら各センサターゲットに対向して、各センサターゲットの回転を検出するセンサを設け、これらのセンサの出力比較によりドライブシャフトの軸トルクを求めるドライブシャフトの軸トルク測定装置であって、前記各センサは、対向する前記各センサターゲットの回転を直接検出する磁気センサと、この磁気センサが出力する回転信号を逓倍して高分解能な回転パルスを生成する逓倍回路とを有するものとし、前記各センサの逓倍回路が生成する回転パルスを計数して、これらの計数値の差分を求める回転パルス差分算出手段と、前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求める軸トルク演算手段とを設け、前記回転パルス差分算出手段は、前記各逓倍回路が生成する回転パルスを計数する複数のカウンタを有し、これらのカウンタによる計数値を前記各センサターゲットの１回転に１回リセットする機能を有することを特徴とする。
この構成によると、ドライブシャフトの微小なねじれ角を高分解能に検出できるため、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になる。また、回転パルスを計数することで軸トルクを演算するので、２つのセンサターゲットのうち一方が止まっていても、つまり例えばドライブシャフトの一端側が停止状態あるいは極端に回転速度が低い場合でも、正確に軸トルクを検出できる。

この発明において、前記等速ジョイントおよび車輪用軸受の回転側部材に設けられた各センサターゲットが前記等速ジョイントの外輪および車輪用軸受の回転側部材と同心のリング状に設けられた磁気エンコーダであり、前記磁気センサが、前記磁気エンコーダの磁極ピッチ内で互いにずれた位置に配置された複数のセンサ素子を有し、sin および cosの２相の信号出力を得られるものであって、前記逓倍回路が生成する回転パルスは、前記磁極内における位置を逓倍して検出するものであっても良い。この構成の場合、磁気エンコーダの磁極内の位置をより細かく検出でき、より高分解能な回転パルスを生成できる。

この発明において、前記等速ジョイントおよび車輪用軸受の回転側部材に設けられた各センサターゲットが前記等速ジョイントの外輪および車輪用軸受の回転側部材と同心のリング状に設けられた磁気エンコーダであり、前記磁気センサが、前記磁気エンコーダの磁極の並び方向に沿ってセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin, cosの２相の信号出力を演算によって生成するものであって、前記逓倍回路が生成する回転パルスは、前記磁極内における位置を逓倍して検出するものであっても良い。この構成の場合、磁界パターンの歪みやノイズの影響が低減されて、より高い精度で磁気エンコーダの位相を検出することが可能である。これにより、十分大きい磁極ピッチの磁気エンコーダを使用しても、数倍〜数十倍の分解能で磁気エンコーダの位相を検出することが可能であるため、小さなトルクによるわずかなドライブシャフトのねじれ角をも検出することができる。

この発明において、前記各センサの逓倍回路の生成する回転パルスが、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号であっても良い。この構成の場合、これら２相の信号によって回転方向を判別することができるため、正負のどちらの方向の軸トルクをも検出することが可能となる。また、坂道での運転における微小な前進や後戻りなども、回転方向と共に軸トルクを検出することができるので、条件に応じた最適なブレーキ制御やトルク制御により、車両の運転しやすさを向上させることが可能となる。

この発明において、前記回転パルス差分算出手段により求められた回転パルスの差分と、運転状態を示す所定のデータとから、前記軸トルク演算手段により求められる軸トルクに含まれる定常オフセット量を推定して、前記軸トルクからオフセット分をキャンセルするオフセットキャンセル手段を設けても良い。
各回転パルスをカウンタで計数し、ドライブシャフトの現在回転角度を計数値として保持する場合には、機械的なガタによって計数値に定常オフセットが発生したり、ノイズによる誤カウントによって両カウンタの計数値がずれたりして、軸トルク演算に誤差が生じることがある。上記オフセットキャンセル手段で、前記軸トルク演算手段のトルク出力値すなわち角度差をモニタしながら、運転状態に関するデータ（加減速状態、エンジン回転数など）に応じたフィルタ処理を行なって定常オフセット分を抽出して、軸トルク演算手段での演算処理においてオフセット分をキャンセルすると、機械的ガタなどによって発生するオフセットの影響を低減して、正確な軸トルクを検出することができる。

この発明において、前記回転パルス差分算出手段が計数する計数値を、軸トルクの印加されていない運転状態においてリセットする計数値リセット手段を設けても良い。この構成の場合、前記計数値に積算されたノイズの影響などを除去して、正確な軸トルクを検出することができる。

この発明の軸トルク測定装置付き車輪駆動用ユニットは、この発明の上記いずれかの構成の軸トルク測定装置を、車輪用軸受およびドライブシャフトを備える車輪駆動用ユニットに搭載したものである。
この構成によると、ドライブシャフトの微小なねじれ角を高分解能に検出できるため、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になる。これにより、車輪駆動用ユニットの軽量化が可能になる。

この発明のドライブシャフトの軸トルク測定方法は、両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材とにセンサターゲットを設け、これら各センサターゲットに対向して設けたセンサで各センサターゲットの回転を検出し、これらのセンサの出力比較によりドライブシャフトの軸トルクを求めるドライブシャフトの軸トルク測定方法であって、前記各センサによる各センサターゲットの回転検出は、対向する前記各センサターゲットの回転を磁気センサで直接検出し、この磁気センサが出力する回転信号を逓倍回路で逓倍して高分解能な回転パルスを生成するものとし、前記各センサの逓倍回路が生成する回転パルスを計数して、これらの計数値の差分を求め、前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求め、前記各逓倍回路で生成した回転パルスの計数値を、前記各センサターゲットの１回転に１回リセットすることを特徴とする。
この軸トルク測定方法によると、ドライブシャフトの微小なねじれ角を高分解能に検出できて、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になる。また、回転パルスを計数する検出方式のため、２つのセンサターゲットのうち一方が止まっていても、つまり例えばドライブシャフトの一端側が停止状態あるいは極端に回転速度が低い場合でも、正確に軸トルクを検出できる。

この発明のドライブシャフトの軸トルク測定装置は、両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材とにセンサターゲットを設けると共に、これら各センサターゲットに対向して、各センサターゲットの回転を検出するセンサを設け、これらのセンサの出力比較によりドライブシャフトの軸トルクを求めるドライブシャフトの軸トルク測定装置であって、前記各センサは、対向する前記各センサターゲットの回転を直接検出する磁気センサと、この磁気センサが出力する回転信号を逓倍して高分解能な回転パルスを生成する逓倍回路とを有するものとし、前記各センサの逓倍回路が生成する回転パルスを計数して、これらの計数値の差分を求める回転パルス差分算出手段と、前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求める軸トルク演算手段とを設け、前記回転パルス差分算出手段は、前記各逓倍回路が生成する回転パルスを計数する複数のカウンタを有し、これらのカウンタによる計数値を前記各センサターゲットの１回転に１回リセットする機能を有するため、ドライブシャフトの一端側が停止状態あるいは極端に回転速度が低い場合でも、正確に軸トルクを検出できる。
この発明の軸トルク測定装置付き車輪駆動用ユニットは、この発明の軸トルク測定装置を、車輪用軸受およびドライブシャフトを備える車輪駆動用ユニットに搭載したものであるため、ドライブシャフトの微小なねじれ角を高分解能に検出でき、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になり、これにより、車輪駆動用ユニットの軽量化が可能になる。
この発明のドライブシャフトの軸トルク測定方法は、両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材とにセンサターゲットを設け、これら各センサターゲットに対向して設けたセンサで各センサターゲットの回転を検出し、これらのセンサの出力比較によりドライブシャフトの軸トルクを求めるドライブシャフトの軸トルク測定方法であって、前記各センサによる各センサターゲットの回転検出は、対向する前記各センサターゲットの回転を磁気センサで直接検出し、この磁気センサが出力する回転信号を逓倍回路で逓倍して高分解能な回転パルスを生成するものとし、前記各センサの逓倍回路が生成する回転パルスを計数して、これらの計数値の差分を求め、前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求め、前記各逓倍回路で生成した回転パルスの計数値を、前記各センサターゲットの１回転に１回リセットするものであるため、ドライブシャフトの微小なねじれ角を高分解能に検出できて、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になる。また、信号位相差を検出するのではなく回転パルスを計数する検出方式のため、２つのセンサターゲットのうち一方が止まっていても、正確に軸トルクを検出できる。

この発明の一実施形態を、図１ないし図１０と共に説明する。図１は、ドライブシャフト１および車輪用軸受５０を備える自動車の車輪駆動用ユニットであって、ドライブシャフト１は両端にて等速ジョイント２，３を介して駆動系統に接続される。この明細書において、車輪駆動用ユニットを車両に取り付けた状態で車両幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両幅方向の中央側となる側をインボード側と呼ぶ。図示する実施形態の場合、ドライブシャフト１のインボード側はトリポート型スライド式等速ジョイント２によりディファレンシャル（図示せず）と連結され、アウトボード側はバーフィールド型固定式等速ジョイント３により車輪用軸受５０の内方部材５２と連結される。

なお、ドライブシャフト１の両端の等速ジョイントは、図示例のような組合せに限られない。例えば、前輪駆動車の前輪軸すなわち駆動輪前車軸の場合、前輪が操舵されるため、車輪側となるアウトボード側の等速ジョイント３は大きな作動角と共に等速性が要求される。この要求を満たすため、アウトボード側の等速ジョイント３にはバーフィールド型固定式継手（ゼッパ型固定式継手）、トリポード型固定式等速ジョイントなどが用いられる。車体側となるインボード側の等速ジョイント２にはサスペンションの動きを許容する作動角が要求される。この作動角は車輪側等速ジョイント３ほど大きくないが、サスペンションの動きに伴う車体の長さ変化を可能にする必要がある。このためインボード側等速ジョイント２にはバーフィールド型スライド式継手、トリポート型スライド式継手、クロスグローブ型継手などが用いられる。独立懸架方式の駆動輪後車軸は舵取り機能が不要で大きな作動角を必要としないためカルダン継手が使用される場合もある。

図２は、図１における車輪用軸受５０側の部分を拡大して示す縦断面図である。この車輪用軸受５０は、外方部材５１と内方部材５２の間に複列の転動体５３を介在させ、車体に対して車輪を回転自在に支持するものである。

外方部材５１は固定側の部材であり、内方部材５２は回転側の部材である。各列の転動体５３は、各列毎に保持器５４に保持されており、外方部材５１の内周に形成された複列の転走面５５と、内方部材５２の外周に形成された複列の転走面５６との間に介在する。この車輪用軸受５０は、複列のアンギュラ玉軸受型とされ、両列の転走面５５，５５，５６，５６は、互いに接触角が背面合わせとなるように形成されている。

図２の例は、いわゆる第４世代型とした例であり、内方部材５２が、ハブ輪５７と等速ジョイント３の外輪３ａとで構成される。
等速ジョイント３は、その外輪３ａの球形内面と内輪３ｂの球形外面とに、軸方向に沿う軌道溝をそれぞれ複数形成し、対向する軌道溝間にトルク伝達ボール８３を介在させたものである。トルク伝達ボール８３は保持器８４に保持される。内輪３ｂはドライブシャフト１に嵌合させる。等速ジョイント３の外輪３ａは、カップ部３ａａの外底面から中空軸状のステム部３ａｂが突出する。このステム部３ａｂを車輪用軸受５０のハブ輪５７内に挿入し、拡径加締によりハブ輪５７と一体結合している。ハブ輪５７および等速ジョイント３の外輪３ａに、内方部材５２の各列の転走面５６が形成される。等速ジョイント３の外輪３ａのカップ部３ａａの開口とドライブシャフト１の外周との間には、蛇腹状のブーツ８７が被せてある。
ハブ輪５７は、アウトボード側の端部近傍の外周に車輪取付フランジ５７ｂを有し、車輪取付フランジ５７ｂにホイールおよびブレーキロータ（いずれも図示せず）が重ね状態で、ハブボルト５９によって取付けられる。ハブボルト５９は、車輪取付フランジ５７ｂに設けられたボルト取付孔に圧入されている。外方部材５１は、全体が一体の部材からなり、外周に車体取付フランジ５１ｂを有している。外方部材５１は、車体取付フランジ５１ｂのボルト孔６０に挿通されたナックルボルトにより、懸架装置のナックル（図示せず）に取り付けられる。
外方部材５１と内方部材５２間の軸受空間の両端は、接触シールなどからなる密封装置６１，６２によって密封されている。

車輪用軸受５０の回転側の部材である内方部材５２の外周面には、ＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）制御用としても利用されるセンサターゲット５が取り付けられている。また、図１のように、ドライブシャフト１のインボード側の等速ジョイント２の外輪２ａにも同種のセンサターゲット４が取り付けられている。このセンサターゲット４に近接した車体側には、磁気センサ１１（図５）等からなるセンサ側ユニット６が設置され、センサターゲット４が回転するとセンサ側ユニット６の磁気センサ１１が回転数に比例した周波数の回転信号を出力する。車輪用軸受５０の内方部材５２の外周面に取り付けられた前記センサターゲット５に近接した位置、つまり車輪用軸受５０の外方部材５１には、同じく磁気センサ１１等からなるセンサ側ユニット７が設置され、センサターゲット５が回転するとセンサ側ユニット７の磁気センサ１１が回転数に比例した周波数の回転信号を出力する。対応する各センサターゲット４，５とセンサ側ユニット６，７とで、回転速度や回転角度を検出する回転検出器８，９をそれぞれ構成する。
なお、センサターゲット４が等速ジョイント２の外輪２ａに取り付けられるインボード側の回転検出器８については、取付位置をデフケース内の軸受部など、等速ジョイント２が結合されている駆動部品の回転を検出できる位置に設けても良い。例えば、軸受に回転センサを内蔵したものであっても良い。

センサターゲット４，５は、例えば図６（Ａ），（Ｂ）に半部断面図および斜視図で示すように、周面の円周方向に複数の磁極対４ａ（５ａ）を等配位置に並べて着磁させたリング状の磁気エンコーダからなる。前記等速ジョイント２の外輪２ａに取り付けられるセンサターゲット４である磁気エンコーダは、外輪２ａに対して同心となるように取り付けられる。車輪用軸受５０の内方部材５２の外周面に取り付けられるセンサターゲット５である磁気エンコーダも、内方部材５２に対して同心となるように取り付けられる。この場合、前記磁気センサ１１は、センサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の磁極Ｎ，Ｓを直接検出できるように、センサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の周面に対して微小のギャップを介して径方向（ラジアル方向）に対向するように外径側に配置される。

図６のセンサターゲット４，５である磁気エンコーダの構成例は、周面に磁極対４ａ（５ａ）を着磁させたラジアルタイプであるが、センサターゲット（磁気エンコーダ）４，５は図７（Ａ），（Ｂ）に半部断面図および斜視図で示すアキシアルタイプのものであっても良い。図７の構成例では、例えば断面をＬ字形としたリング状のバックメタル１０の円筒部１０ａの一端から外径側に延びるフランジ部１０ｂの側面の円周方向に、複数の磁極対４ａ（５ａ）を等配位置に並べて着磁させていて、前記等速ジョイント２の外輪２ａおよび車輪用軸受５０の内方部材５２に前記バックメタル１０の円筒部１０ａを嵌合させることで、等速ジョイント外輪２ａおよび車輪用軸受５０の内方部材５２に対して同心となるように取り付けられる。この場合、磁気センサ１１は、センサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の着磁面に対向するように軸方向に向けて配置される。
なお、センサターゲット４，５としては、前記した磁気エンコーダのほか、歯車状の磁性体からなるパルサーリングを用いても良い。

車輪用軸受５０に設けられる回転検出器９のセンサ側ユニット７は、図２のように、外方部材５１に、両転動体列５３，５３間で径方向に貫通させたセンサ取付孔６３に挿通して取り付けられる。センサターゲット５である磁気エンコーダが図６に示すラジアルタイプである場合、センサ側ユニット７の先端に配置される磁気センサ１１が、前記センサターゲット５に対して径方向にギャップを介して対向させられる。センサターゲット５である磁気エンコーダが図７に示すアキシアルタイプである場合、図３のように、センサ側ユニット７の先端に配置される磁気センサ１１が、前記センサターゲット（磁気エンコーダ）５に対して軸方向にギャップを介して対向させられる。センサ取付孔６３は、例えば断面形状が円形の貫通孔である。センサ取付孔６３の内面とセンサ側ユニット７との間は、Ｏリング等の接触シールや、接着剤等で密封する。

図４はこのドライブシャフトの軸トルク測定装置の概略構成を示し、図５は上記した回転検出器８，９の概略構成を示す。回転検出器８，９は、上記したように前記センサターゲット４，５と、これらセンサターゲット４，５に対向して配置されるセンサ側ユニット６，７とでなる。センサ側ユニット６，７は、対向する各センサターゲット４，５の回転を直接検出する磁気センサ１１と、この磁気センサ１１が出力する回転信号を逓倍して高分解能な回転パルスを生成する逓倍回路１２とを有する。

磁気センサ１１は、対応するセンサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の磁極対４ａ，５ａよりも高い分解能で磁極検出できる機能、つまりセンサターゲット４，５の磁極の範囲内における位置の情報を検出する機能を有するものとされる。この機能を満たすために、例えば磁気センサ１１として、対応するセンサターゲット４，５の１磁極対４ａ（５ａ）のピッチλを１周期とするとき、図８のように構成しても良い。すなわち、９０度位相差（λ／４）となるように磁極の並び方向に離して配置したホール素子などの２つの磁気センサ素子１１Ａ，１１Ｂを用い、これら２つの磁気センサ素子１１Ａ，１１Ｂにより得られる２相の信号(sinφ,cosφ) から磁極内位相 (φ=tan^-1(sinφ／ cosφ) ）を逓倍して算出するものとしても良い。なお、図８の波形図は、センサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の磁極の配列を磁界強度に換算して示したものである。この場合、図５における逓倍回路１２は、前記磁極内における逓倍位置情報として回転パルスを出力する。

磁気センサ１１をこのような構成とすると、磁極内の位置をより細かく検出でき、より高い精度でセンサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の位相を検出することが可能である。この場合、磁気ノイズの影響を低減するため、前記２つの磁気センサ素子１１Ａ，１１Ｂを差動構成として、より安定した信号を得るように構成しても良い。

センサターゲット４，５である磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有する磁気センサ１１の他の例として、図９（Ｂ）に示すようなラインセンサを用いても良い。すなわち、磁気センサ１１として、対応するセンサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の磁極の並び方向に沿って磁気センサ素子１１ａが並ぶラインセンサ１１ＡＡ，１１ＡＢを用いる。なお、図９（Ａ）は、センサターゲット（磁気エンコーダ）４，５における１磁極の区間を磁界強度に換算して波形図で示したものである。この場合、磁気センサ１１の第１のラインセンサ１１ＡＡは、図９（Ａ）における１８０度の位相区間のうち９０度の位相区間に対応付けて配置し、第２のラインセンサ１１ＡＢは残りの９０度の位相区間に対応付けて配置する。このような配置構成により、第１のラインセンサ１１ＡＡの検出信号を加算回路３１で加算した信号Ｓ１と、第２のラインセンサ１１ＡＢの検出信号を加算回路３２で加算した信号Ｓ２を別の加算回路３３で加算することで、図９（Ｃ）に示すような磁界信号に応じたsin 信号を得る。また、信号Ｓ１と、インバータ３５を介した信号Ｓ２をさらに別の加算回路３４で加算することで、図９（Ｃ）に示すような磁界信号に応じた cos信号を得る。このようにして得られた２相の出力信号sin ， cosを、例えば図１０に示す構成の逓倍回路１２で処理することにより、磁極内におけ逓倍位置情報として回転パルスを得る。

磁気センサ１１をこのようにラインセンサで構成した場合、磁界パターンの歪みやノイズの影響が低減されて、より高い精度でセンサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の位相を検出することが可能である。この場合、十分大きい磁極ピッチのセンサターゲット（磁気エンコーダ）４，５を使用しても、数倍〜数十倍の分解能でセンサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の位相を検出することが可能であるため、小さなトルクによるわずかなドライブシャフト１のねじれ角をも検出することができる。

この場合の図１０の逓倍回路１２は、信号発生手段４１と、扇形検出手段４２と、マルチプレクサ手段４３と、微細内挿手段４４とを備える。
信号発生手段４１は、前記磁気センサ１１の出力である２相の信号sin,cos から、同一の振幅Ａ0 と同一の平均値Ｃ0 とを有し、ｍをｎ以下の正の整数、ｉを１〜２^m-1の正の整数として、相継いで互いに２π／２^m-1 ずつ位相がずれた、２^m-1個の信号ｓi を生成する手段である。
扇形発生手段４２は、２^m 個の等しい扇形Ｐi を定義するようにコード化された、ｍ個のディジタル信号ｂn-m+1 ，ｂn-m+2 ，……，ｂn-1 ，ｂn を発生する、２^m-1個の信号ｓi によって区切られた２^m 個の扇形Ｐi を検出する手段である。
マルチプレクサ手段４３は、上記扇形発生手段４２から発生するｍ個の上記ディジタル信号ｂn-m+1 ，ｂn-m+2 ，……，ｂn-1 ，ｂn によって制御され、上記信号発生手段４１から生成される２^m-1 個の上記信号ｓi を処理して、振幅が一連の２^m-1個の上記信号ｓi の上記平均値Ｃ0 と第１のしきい値Ｌ1 との間にある部分によって構成される一方の信号Ａと、振幅が一連の２^m-1 個の上記信号ｓi の上記第１のしきい値Ｌ1 とこのしきい値よりも高い第２のしきい値Ｌ2 との間にある部分によって構成される他方の信号Ｂとを生成するアナログの手段である。
微細内挿手段４４は、所望の分解能を得るために、角度２π／２^m の２^m 個の上記扇形Ｐi の各々を角度２π／２ⁿ の２^n-m 個の同じサブ扇形に細分するようにコード化された、（ｎ−ｍ）個のディジタル信号ｂ1 ，ｂ2 ，……，ｂ n-m-1，ｂn-m を生成するために、２^m 個の扇形Ｐi の各々において、上記マルチプレクサ手段４３から生成される上記一方の信号Ａと上記他方の信号Ｂとを微細内挿する手段である。
この逓倍回路１２によって、磁気センサ１１で得られた２相の信号sin,cos が、逓倍信号である（ｎ−ｍ）個のディジタル信号ｂ1 ，ｂ2 ，……，ｂ n-m-1，ｂn-m （ここではｂ1 ，ｂ2 ，……，ｂ8 ，ｂ9 ）の回転パルスに逓倍される。

図４の構成において、回転パルス差分算出手段１３は、前記各センサ側ユニット６，７の逓倍回路１２が生成する回転パルスを計数して、これらの計数値の差分を求める手段である。この回転パルス差分算出手段１３は、一方の回転検出器８側の逓倍回路１２が生成する回転パルスを計数する第１のカウンタ１４と、他方の回転検出器９側の逓倍回路１２が生成する回転パルスを計数する第２のカウンタ１５と、これら両カウンタ１４，１５の計数値の差分を算出する角度差算出手段１６とを備える。

軸トルク演算手段１７は、前記回転パルス差分算出手段１６によって求められた差分からドライブシャフト１のねじれ量を測定し、そのねじれ量から軸トルクを演算する手段である。

出力回路１８は、前記軸トルク演算手段１７で求められた軸トルクを外部に出力する手段である。
コントローラ１９は、オフセットキャンセル手段２０と、計数値リセット手段２１とを有する。オフセットキャンセル手段２０は、前記回転パルス差分算出手段１３により求められた回転パルスの差分と、自動車の制御部から送られてくる運転状態を示す所定のデータとから、前記軸トルク演算手段１７により求められる軸トルクに含まれる定常オフセット分をキャンセルする手段である。計数値リセット手段２１は、前記回転パルス差分算出手段１３におけるカウンタ１４，１５が計数する計数値を、軸トルクの印加されていない運転状態においてリセットする手段である。

上記構成の軸トルク測定装置を用いた軸トルク測定方法を説明する。
自動車の急発進、急加速時においては、駆動系統に発生する軸トルクは大きく、四輪および二輪車の駆動系統の中でクラッチ部を除く最も剛性の低いところはドライブシャフトである。そのため、ドライブシャフト１はねじられる。このねじり角度を磁気センサ１１などからなるセンサ側ユニット６，７からの回転パルスに基づいて演算し、軸トルクを求める。

具体的には、図４の各回転検出器８，９では、図５のように、各センサターゲット４，５の回転位置を磁気センサ１１で検出し、この磁気センサ１１が出力する回転信号を逓倍回路１２で逓倍して高分解能な回転パルスを生成する。すなわち、センサターゲット４，５を磁気エンコーダとしたこの実施形態の場合、磁気センサ１１と逓倍回路１２とでなるセンサ側ユニット６，７（図５）は、センサターゲット４，５である磁気エンコーダの磁極数の数倍〜数十倍の回転パルスを生成する逓倍機能を備えている。これにより、ドライブシャフト１の回転を高分解能に検出することができる。この場合、センサターゲット（磁気エンコーダ）４，５の磁極ピッチを通常のＡＢＳセンサなどと同等（１〜３ｍｍ程度の極幅）に保ちながら、磁極数の数倍〜数十倍の高分解能で回転検出が可能になるため、センサギャップなど取付け公差を従来と同等（例えば０．５〜２ｍｍ程度のセンサギャップ）に保ちながら、自動車のような過酷な使用環境でも高分解能を得ることができる。したがって、わずかな回転ずれをも検出することが可能となり、両センサ側ユニット６，７の検出する回転角度の差から微小な軸トルクをも検出することが可能となる。

車輪用軸受５０側に設けた回転検出器９は、車輪の回転センサとしても機能するため、軸トルク検出用と、従来のＡＢＳ制御用、またはより高度な車輪の回転検出用とに兼用でき、コスト、重量、スペースの削減が可能となる。
また，各センサ側ユニット６，７の逓倍回路１２のうち、いずれか１つの逓倍回路１２の生成する回転パルスは、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号であっても良い。この場合、これら２相の信号によって回転方向を判別することができるため、正負のどちらの方向の軸トルクをも検出することが可能となる。また、坂道での運転における微小な前進や後戻りなども、回転方向と共に軸トルクを検出することができるので、条件に応じた最適なブレーキ制御やトルク制御により、車両の運転しやすさを向上させることが可能となる。

前記回転検出器８，９からの出力である回転パルスは、それぞれカウンタ１４，１５で計数されて、それぞれの角度計数値に保持される。この場合、回転パルスが上記したＡＢ相信号のような位相差信号であれば、正負の回転方向のどちらにも対応できるため、より都合が良い。角度差算出手段１６は、各カウンタ１４，１５に保持されている計数値の差を算出する。軸トルク演算手段１７は、算出された回転パルスの差分値からドライブシャフト１のねじれ量を測定し、予め設定されたパラメータにしたがって前記ねじれ量に対応する軸トルクを演算する。得られた軸トルク値は、出力回路１８によって、電圧値、電流値、ＰＷＭ信号、あるいはＣＡＮバスなどの通信インタフェースを通じたデータ形式として外部に出力される。

このように、各回転検出器８，９から出力される回転パルスから演算して軸トルクを求めるので、先に従来例として挙げた信号位相差を検出する方法では不可能であった、ホイールの片方が停止している状態での軸トルク検出も可能である。

前記２つの回転検出器８，９の各センサ側ユニット６，７は互いに異なる分解能であっても良い。この場合、図４の２つのカウンタ１４，１５は異なる速度で変化することになるので、各計数値の差分を求める前に、両者の公倍数になるように各計数値に定数を掛け算し、変化速度を同じになるようにしてやれば良い。

このように回転パルスを計数し、ドライブシャフト１の現在回転角度を計数値として保持する方法においては、車輪用軸受５０側における等速ジョイント３と内方部材５２との結合部分（例えばスプライン結合される場合にはスプライン結合部分）や、等速ジョイント２，３の内部に存在する機械的なガタによって計数値に定常オフセットが発生したり、ノイズによる誤カウントによって両カウンタ１４，１５の計数値がずれたりして、軸トルク演算に誤差が生じることがある。そこで、この実施形態では、コントローラ１９におけるオフセットキャンセル手段２０が、軸トルク演算手段１７のトルク出力値すなわち角度差をモニタしながら、例えば車両走行制御装置から別途与えられる運転状態に関するデータ（加減速状態、エンジン回転数など）に応じたフィルタ処理を行なって定常オフセット分を抽出して、軸トルク演算手段１７での演算処理においてオフセットを除去する。これにより、機械的ガタなどによって発生するオフセットの影響を低減して、正確な軸トルクを検出することができる。

また、この実施形態では、コントローラ１９における計数値リセット手段２１が、軸トルクの印加されていない運転状態のタイミングで、定期的にカウンタ１４，１５をリセットする処理を行う。このほか、カウンタ１４，１５に積算された誤カウント値をリセットするようにしても良い。これにより、カウンタ１４，１５に積算されたノイズの影響などを除去して、正確な軸トルクを検出することができる。なお、回転検出器８，９から出力される回転パルスが、ＡＢＺ信号のようにインデックス信号Ｚを備えている場合には、ノイズなどによる誤カウントは１回転に１回リセットされるため、前記計数値リセット手段２１からリセット指令を出さなくても良い。

このように、このドライブシャフトの軸トルク測定方法によると、ドライブシャフト１の微小なねじれ角を高分解能に検出できるため、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になる。これにより、ドライブシャフト１の軽量化にも貢献できる。また、回転パルスを計数する検出方式のため、２つのセンサターゲット５，６のうち一方が止まっていても検出することができる。したがって、例えば自動車のスタート時にエンジントルクがタイヤを通じて路面に伝わる状態の検出も可能になり、高度なエンジン制御、クラッチ制御などにより、運転しやすさ、安全性の向上が可能となる。

図１１および図１２は、図１，図２における車輪用軸受５０の他の例を示したものである。この例の車輪用軸受５０は、いわゆる第３世代型のものである。内方部材５２は、ハブ輪５７と、このハブ輪５７の軸部５７ａのインボード側部の外周に嵌合させた内輪５８との２つの部材からなり、ハブ輪５７の軸部５７ａおよび内輪５８の外周に各列の転走面５６がそれぞれ形成されている。ハブ輪５７の軸部５７ａは、内部に等速ジョイント外輪３ａ（図１，図２参照）のステム部３ａｂを挿通させる中心孔５７ｃを有している。内輪５８は、ハブ輪５７の軸部５７ａに形成された段差部内に嵌合し、軸部５７ａのインボード側端に設けられた加締部５７ａａによりハブ輪５７に対して固定されている。その他の構成は、図１および図２の例と同様であり、センサターゲットとなる磁気エンコーダ５もラジアルタイプとされている。
センサ側ユニット７は、センサ取付孔６３にほぼ嵌合する外の軸状の挿入部７ａと、非挿入部である頭部７ｂとを有し、頭部７ｂは外方部材５１の外周面に接して配置される。頭部７ｂからケーブル２２が引き出されいる。上記挿入部７ａおよび頭部７ｂは、例えば弾性部材等で構成される。

図１３および図１４は、図１１および図１２に示した車輪用軸受５０において、回転検出器９として、そのセンサターゲット（磁気エンコーダ）５と磁気センサ１１の対向方向をアキシアル方向とした図７の例のものを搭載したものである。その他の構成は、図１１および図１２の例と同様である。

図１５および図１６も、図１１および図１２に示した車輪用軸受５０において、回転検出器９として、そのセンサターゲット５である磁気エンコーダと磁気センサ１１の対向方向をアキシアル方向とした図７の例のものを搭載したものである。回転検出器９のセンサ側ユニット７は、外方部材５１のインボード側端にセンサ取付部材７２を介して取り付けている。センサ取付部材７２は、外方部材５１の外周面に嵌合して端面に当接するリング状の金属板であり、周方向の一部に、センサ側ユニット７を取付けるセンサ取付片７２ａを有している。センサターゲット（磁気エンコーダ）５は内輪５８の外周に嵌合させて、インボード側の密封装置６１の一部を兼ねるものとされる。
この構成の場合、外方部材５１に、前記各例の場合のようなセンサ取付孔６３が設けられないため、センサ取付孔からの水の浸入の問題がない。その他の構成は、図１１および図１２の例と同様である。

図１７および図１８は、図１５および図１６に示した例において、インボード側の軸受空間の密封装置６１を、センサターゲット（磁気エンコーダ）５よりも外部に配置したものである。すなわち、外方部材５１に取り付けられた環状のセンサ取付部材７２と内輪５８との間に、接触シール等からなる密封装置６１を設けている。
この構成の場合、センサターゲット（磁気エンコーダ）５が密封装置６１により、外部空間に対して密封され、センサターゲット５とセンサ側ユニット７との間に異物を噛み込むこと等が防止される。その他の構成は、図１１および図１２の例と同様である。

この発明の一実施形態にかかるドライブシャフトの軸トルク測定装置を適用する車輪駆動用ユニットの縦断面図である。 同車輪用軸受ユニットにおける車輪用軸受側部分の拡大断面図である。 同車輪用軸受側部分の他の構成例を示す拡大断面図である。 軸トルク測定装置の概略構成を示すブロック図である。 同軸トルク測定装置における回転検出器の概略構成を示すブロック図である。 （Ａ）は同軸トルク測定装置におけるセンサターゲットの一構成例を示す半部断面図、（Ｂ）は同センサターゲットの斜視図である。 （Ａ）は同軸トルク測定装置におけるセンサターゲットの他の構成例を示す半部断面図、（Ｂ）は同センサターゲットの斜視図である。 同軸トルク測定装置における磁気センサの一構成例の説明図である。 同軸トルク測定装置における磁気センサの他の構成例の説明図である。 同軸トルク測定装置における逓倍回路の一構成例を示すブロック図である。 車輪駆動用ユニットにおける車輪用軸受の他の例を示す縦断面図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た側面図である。 車輪駆動用ユニットにおける車輪用軸受のさらに他の例を示す縦断面図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た側面図である。 車輪駆動用ユニットにおける車輪用軸受のさらに他の例を示す縦断面図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た側面図である。 車輪駆動用ユニットにおける車輪用軸受のさらに他の例を示す縦断面図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た側面図である。

符号の説明

１…ドライブシャフト
２，３…等速ジョイント
２ａ…等速ジョイントの外輪
４，５…センサターゲット
６，７…センサ側ユニット
８，９…回転検出器
１１…磁気センサ
１１Ａ，１１Ｂ…磁気センサ素子
１１ａ…センサ素子
１１ＡＡ，１１ＡＢ…ラインセンサ
１２…逓倍回路
１３…回転パルス差分算出手段
１７…軸トルク演算手段
２０…オフセットキャンセル手段
２１…計数値リセット手段
５０…車輪用軸受
５２…内方部材（回転側部材）

Claims (8)

1. 両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材とにセンサターゲットを設けると共に、これら各センサターゲットに対向して、各センサターゲットの回転を検出するセンサを設け、これらのセンサの出力比較によりドライブシャフトの軸トルクを求めるドライブシャフトの軸トルク測定装置であって、
   前記各センサは、対向する前記各センサターゲットの回転を直接検出する磁気センサと、この磁気センサが出力する回転信号を逓倍して高分解能な回転パルスを生成する逓倍回路とを有するものとし、前記各センサの逓倍回路が生成する回転パルスを計数して、これらの計数値の差分を求める回転パルス差分算出手段と、前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求める軸トルク演算手段とを設け、前記回転パルス差分算出手段は、前記各逓倍回路が生成する回転パルスを計数する複数のカウンタを有し、これらのカウンタによる計数値を前記各センサターゲットの１回転に１回リセットする機能を有することを特徴とするドライブシャフトの軸トルク測定装置。
2. 請求項１において、前記等速ジョイントおよび車輪用軸受の回転側部材に設けられた各センサターゲットが前記等速ジョイントの外輪および車輪用軸受の回転側部材と同心のリング状に設けられた磁気エンコーダであり、前記磁気センサが、前記磁気エンコーダの磁極ピッチ内で互いにずれた位置に配置された複数のセンサ素子を有し、sin および cosの２相の信号出力を得られるものであって、前記逓倍回路が生成する回転パルスは、前記磁極内における位置を逓倍して検出するものであるドライブシャフトの軸トルク測定装置。
3. 請求項１において、前記等速ジョイントおよび車輪用軸受の回転側部材に設けられた各センサターゲットが前記等速ジョイントの外輪および車輪用軸受の回転側部材と同心のリング状に設けられた磁気エンコーダであり、前記磁気センサが、前記磁気エンコーダの磁極の並び方向に沿ってセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin, cosの２相の信号出力を演算によって生成するものであって、前記逓倍回路が生成する回転パルスは、前記磁極内における位置を逓倍して検出するものであるドライブシャフトの軸トルク測定装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記各センサの逓倍回路の生成する回転パルスが、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号であるドライブシャフトの軸トルク測定装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記回転パルス差分算出手段により求められた回転パルスの差分と、運転状態を示す所定のデータとから、前記軸トルク演算手段により求められる軸トルクに含まれる定常オフセット量を推定して、前記軸トルクからオフセット分をキャンセルするオフセットキャンセル手段を設けたドライブシャフトの軸トルク測定装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記回転パルス差分算出手段が計数する計数値を、軸トルクの印加されていない運転状態においてリセットする計数値リセット手段を設けたドライブシャフトの軸トルク測定装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の軸トルク測定装置を、車輪用軸受およびドライブシャフトを備える車輪駆動用ユニットに搭載した軸トルク測定装置付き車輪駆動用ユニット。
8. 両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材とにセンサターゲットを設け、これら各センサターゲットに対向して設けたセンサで各センサターゲットの回転を検出し、これらのセンサの出力比較によりドライブシャフトの軸トルクを求めるドライブシャフトの軸トルク測定方法であって、
   前記各センサによる各センサターゲットの回転検出は、対向する前記各センサターゲットの回転を磁気センサで直接検出し、この磁気センサが出力する回転信号を逓倍回路で逓倍して高分解能な回転パルスを生成するものとし、前記各センサの逓倍回路が生成する回転パルスを計数して、これらの計数値の差分を求め、前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求め、前記各逓倍回路で生成した回転パルスの計数値を、前記各センサターゲットの１回転に１回リセットすることを特徴とするドライブシャフトの軸トルク測定方法。

Images