JP6373962B2

JP6373962B2 - トルクセンサ

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Publication number: JP6373962B2
Application number: JP2016502040A
Authority: JP
Inventors: オースティンスムツァー、チャド; トーマスファウラー、ジェイ; コトワル、トーマス; ルトベルク、マイケル; ロバートフリッケ、ジェイ
Original assignee: Tiax LLC
Current assignee: Tiax LLC
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: US20140298922A1; CN105209850B; EP2981784B1; EP2981784A1; JP2016512333A; KR20150123327A; US9157816B2; ES2924247T3; WO2014160207A1; CA2905045A1; PL2981784T3; EP2981784A4; CN105209850A; CA2905045C; KR102205769B1

Description

本発明は、主に、自動車用途に関連するものであり、より詳細には、高精度でかつ非接触式のトルク検知を必要とする用途に関連するものである。

既存のエンジン検知技術は、エンジンの出力トルクの測定について、確実ではなく、費用効果が高いものでなく、あるいは直接的なものではない。自動車の運転手は、スロットルペダルを介してトルク要求を入力し、これに基づいて、燃料量及び噴射タイミングがテーブルにおいて参照される。当該テーブルは、安全マージンを考慮して事前に校正されている。酸素センサは、エンジンコントローラに、排気パイプに接続された複数のシリンダに基づいた平均的なフィードバックを提供する。燃料噴射率、噴射タイミング、及び、空燃比に基づいて、予測されるエンジン出力トルクが計算される。しかしながら、実際のトルクは、混合気調整の誤差や、シリンダ間のアンバランスや、あるいは不完全燃焼によって異なっている場合があった。

高精度なトルク検知は、各シリンダの出力トルクのフィードバックを可能にし、これにより、次の燃焼サイクルを臨機応変に最適化することが可能となり、ひいては、エンジンの最大出力トルクを得ることが可能となる。また、ダイレクトフィードバックにより、臨機応変に点火タイミングや燃料噴射タイミングを変化させることで燃料効率を向上することができるとともに、エンジンコントローラが、代替的かつ高オクタン価の燃料の燃焼特性を有効利用できるようになる。失火の検出、シリンダ間のバランス取り、運転性の向上、及び個別のシリンダの調整が、ダイレクトフィードバック式トルクセンサによって可能となり、これにより、エンジンのライフサイクルを通じてその効率が改善される。

ある実施の形態において、トルク検知装置は、回転軸を中心に回転する回転体と、前記回転体に隣接して配置され、第１の位置での前記回転体の瞬時角度位置を検知する第１のセンサと、前記回転体に隣接して配置されるとともに前記第１のセンサに対して径方向において内側に配置され、第２の位置での前記回転体の瞬時角度位置を検知する第２のセンサと、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサに動作可能に接続されたコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記第１のセンサからの第１の信号と、前記第２のセンサからの第２の信号との間の相対的な位相シフトを判別し、前記回転体に加わるトルクに比例した出力を計算する。

当該実施形態または他の実施形態において、前記回転体は、トルク伝達経路内に位置していてもよく、トルクが加えられたことによる角偏向を示すものであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記第１のセンサは、前記回転体の外周に配置されていてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記回転体は、前記第１の位置に配置された複数の歯を備えていてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記第１のセンサは、前記回転体の前記複数の歯の通過を検知するものであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記第２のセンサは、前記回転体に対する基準ホイールに配置されていてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記基準ホイールは、複数の基準用の歯を備えていてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記第２のセンサは、前記回転体の前記複数の基準用の歯の通過を検知するものであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記コントローラは、前記回転体の各回転において、前記複数の歯の少なくとも１つ、及び／または前記複数の基準用の歯の少なくとも１つを一意に特定するものであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記コントローラは、前記複数の歯のそれぞれの、前記複数の基準用の歯に対する位相シフトのそれぞれを計算するものであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記コントローラは、歯固有の位相シフトを利用して歯固有の補償値を判別し、システム上の変動値を補正するものであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの少なくともいずれかは、フラックスゲートセンサであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの少なくともいずれかは、誘導ブリッジセンサ、光学式エンコーダ等の光学センサ、レーザ式センサ、可変リラクタンス磁気センサ、磁気抵抗センサ、あるいは、ホール効果センサであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記コントローラは、フィールドプログラマブルゲートアレイを備えていてもよく、当該フィールドプログラマブルゲートアレイは、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて計算したトルクを出力するものであってもよい。

別の実施形態において、第１の回転体に加わるトルクを判別する方法は、回転体の第１の部分での第１の瞬時角度位置を、前記回転体に配置された第１のセンサで検知し、前記回転体の第２の部分での第２の瞬時角度位置を、前記回転体に配置された第２のセンサで検知し、前記第１の瞬時角度位置の、前記第２の瞬時角度位置に対する位相シフトを計算し、前記位相シフトに基づいて、前記回転体に加わるトルクを計算する、
ことを特徴とする。

当該実施形態または他の実施形態において、前記回転体は、複数の歯を備えていてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記第２のセンサは、前記回転体に対する基準ホイールに配置されていてもよく、当該基準ホイールは、複数の基準用の歯を備えていてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、さらに、前記回転体の各回転において、前記複数の歯の少なくとも１つ、及び／または前記複数の基準用の歯の少なくとも１つを一意に特定してもよい。

これらの及び他の利点並びに特徴は、添付の図面とともに以下の開示内容によってより明らかとなる。

本発明によれば、高精度なトルク検知が可能となる。

本発明の例示的な実施形態に係る、トルク検知装置の正面図である。本発明の例示的な実施形態に係る、トルク検知装置の回路図である。本発明の例示的な実施形態に係る、トルク検知装置の第１のセンサからの第１の信号及び第２のセンサからの第２の信号を示す概略図である。本発明の一の実施形態に係る、トルク検知装置のベンチテスト設定を示す斜視図である。本発明の一の実施形態に係る、トルク検知装置を用いて検出したトルクを示す概略図である。本発明の一の実施形態に係る、トルク検知装置の概略図である。本発明の一の実施形態に係る、トルク検知アセンブリの概略図である。

図１に、本発明の一の実施形態に係るトルク検知装置２０を示す。図示する非限定的な実施形態において、トルク検知装置２０は、例えば、複数のボルト３２を用いてシャフト３０に取り付けたフレックスプレート２５を備え、当該フレックスプレート２５は、シャフト３０の回転軸を中心に回転する。ある実施形態においては、フレックスプレート２５は、エンジンの、１３５の歯を有するフレックスプレートであり、このフレックスプレート２５に連結されたシャフト３０は、クランクシャフトである。フレックスプレート２５の外周２８に、第１のセンサ３５が配置される。ある実施形態においては、１以上の磁石４０が、例えば、第１のセンサ３５と反対側に、同様にしてフレックスプレート２５の外周２８の近傍に配置されてもよく、あるいは、フレックスプレート２５の歯２７の近傍に配置されてもよい。１以上の第１のマグネット４０は、また、フレックスプレート２５の複数の歯２７を動的に磁化するものであってもよく、これにより、第１のセンサ３５が歯２７の方向を検出することができるようになる。第１のセンサ３５は、例えば、エンジンコントロールユニット等のコントローラ５０に、動作可能に接続されている。

ある実施形態において、コントローラ５０に動作可能に接続された第２のセンサ５５は、校正済み基準信号を供給し、フレックスプレート２５の中央または内ハブの近傍に配置される。あるいは、自己の外周６２に第２のセンサ５５を有する基準ホイール６０であって、当該第２のセンサ５５がコントローラ５０と通信する基準ホイール６０が、フレックスプレート２５と同軸でシャフト３０に同様に連結されていてもよい。基準ホイール６０は、一般に、フレックスプレート２５と同数あるいは少数の歯６５を有し、６０−２の歯の基準ホイール６０である。基準ホイール６０は、また、１以上の第２の磁石７０であって、基準ホイール６０の外周６２の近傍あるいは基準ホイール６０の歯６５の近傍において例えば第２のセンサ５５と反対の側に配置された１以上の第２の磁石７０を備えていてもよい。基準ホイール６０は、その直径、材料の強度、あるいは、取付位置を介してゼロのねじれを示す。図示する実施形態における、フレックスプレート２５及び基準ホイール６０の歯２７、６５の磁気的な検出、及び、光学的または誘導的に歯２７、６５を検出するセンサ３５、５５は、本明細書による開示の主題の１つである。例示的な第１及び第２のセンサ３５、５５は、これらに限定されるものではないが、フラックスゲートグラジオメータ、誘導ピックアップ、誘導ブリッジ、光学的エンコーダ等の光学センサ、レーザ式センサ、可変リラクタンス磁気センサ、磁気抵抗センサ、ホール効果センサ、あるいは歯２７、６５を検知するのに好適な他のセンサを備える。歯２７、６５の検知により、フレックスプレート２５及び基準ホイール６０の回転及び瞬時角度位置を検出することができる。

フレックスプレート２５と基準ホイール６０との相対的なたわみは、フラックスプレート２５と基準ホイール６０と、または、外周２８とフレックスプレート２５の中心と、の瞬時角度位置の差を示すが、これは、トルクに比例する。コントローラ５０は、回路１００を備え（図２参照）、当該コントローラ５０は、第１のセンサ３５及び第２のセンサ５５によってそれぞれ生成された第１及び第２の信号を利用して第１の信号と第２の信号との間の位相シフトを検出し、加えられたトルクに比例する高精度な出力を得る。ある実施形態においては、フレックスプレート２５及び／または基準ホイール６０は、略平坦で、歯を備えていないディスクから形成される。例えば、電磁石等の磁石（図示せず）を用いて仮想の歯をフレックスプレート２５及び基準ホイール６０に形成する。磁石に電気または機械パルスを与えることで、ディスクが急速に磁化あるいは消磁され、その後に第１及び第２のセンサ３５、５５が、歯の存在を検出できるようになる。これら仮想の歯は、上述した磁気的検知方法のいずれかで検知することができる。別の実施形態においては、歯２７、６５は、略平坦で歯を有しないディスクに組み合わされるが、これは、ディスクの外周に金属のストライプを並べることで達成される。フレックスプレート２５及び基準ホイール６０は取付手段を介して互いに結合される別部材であるが、いくつかの実施形態においては、フレックスプレート２５及び基準ホイール６０は、同一の回転体の一体的な一部である。例えば、フレックスプレート２５は、外側のたわむ部分であり、基準ホイール６０は、回転体の内側の部分であって、たわまない、あるいは、たわみが比較的少なく、基準ホイール２５のたわみを測定するための基準となる部分である。

図２に示す回路１００は、トルク検知装置２０の検知及び測定システムである。ある実施形態において、回路１００は、第１及び第２のセンサ３５、５５からのそれぞれの信号を検出してその内容を判別するために用いられる。特定の回路構成を非限定的な実施形態において図示しているが、同一の機能を果たし第１の信号と第２の信号との相対的な位相のインジケータを提供する他の回路構成についても、本明細書による開示の主題の範囲内のものである。

フレックスプレート２５と、それとは別体の基準ホイール６０とを用いる実施形態においては、例えば、アルゴリズムを用いて、基準ホイール６０の歯６５の数をフレックスプレート２５の歯２７の数と同じ数に変換することでトルクを正確に検知することができる。基準ホイール６０の歯６５の数を変換するアルゴリズムは、歯を有する基準ホイール６０を計測すること、望ましい歯の数を得るために倍率を計算すること、歯の数を示すパルス列を生成すること、及び、正確な歯の変換のために入力信号に対して生成したパルス列を基準として維持すること、を含む。このアルゴリズムは、有用な基準信号を生成し、当該基準信号は、第１のセンサ３５からの第１の信号と、第２のセンサ５５からの第２の信号との間の相対的な位相の比較、ひいては、トルク計測を可能とする。ある実施形態においては、信号はデューティサイクルにおいて物理的にオフセットされており、それにより、図３に示すように、位相が容易に計測され得る。

ある実施形態においては、アルゴリズムは、フレックスプレート２５の温度に依拠する追加的なたわみを補償する。温度が未知の場合、アルゴリズムは、信号処理によって補償を行うことができる。これは、たわみが温度の関数であり、周方向で周期的なものだからである。また、これは、一般的なモードにおける信号であって、トルク測定の時間スケールに対して不変であり、時間依存のトルク信号の一定のバックグラウンド信号として推定できる信号だからである。たわみが判別されたのち、当該たわみが、フレックスプレート２５の温度を示す温度計として効率的に作用するように、温度が推定される。この場合は、初期校正が必要だが、追加で提供される情報となり得る。

第１及び第２のセンサ３５、５５から供給された信号は、さらに、シャフト３０の停止位置、ひいては、シャフト３０に関連したエンジンの停止位置を判別できる絶対位置エンコーダとしても機能し得る。第１のセンサ３５及び第２のセンサ５５によって生成された信号は、エンジンが停止した際のフレックスプレート２５及び基準ホイール６０の歯２７、６５の位置を追跡することにも利用できる。例えば、カムセンサ信号等の他の入力信号が、エンジンサイクル内のフレックスプレート２５の位置を判別するのに用いられる。既存のエンジンは、エンジンサイクル毎に、２つのフレックスプレート回転を有する。校正されたのち、それぞれの歯２７、６５は、数字が付与されてエンジンが停止した際に追跡され、かかる情報がコントローラ５０に提供され、これにより、クランクシャフト３０の絶対位置を知ることができるようになる。この技術は例えば、スタートストップ方式に有用な情報をもたらす。

図６を参照し、ある実施形態においては、フレックスプレート２５と基準ホイール６０との間の位相が、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）にプログラミングされたデジタル機能のセットを利用して判別される。第１及び第２のセンサ３５、５５からのデジタル化された信号が、一の信号を他の信号と同じ数の歯に変換する処理を行うことなく、直接ＦＰＧＡに入力される。ＦＰＧＡは、第１及び第２の信号の周期と、第１及び第２の信号のエッジ間の遅延とを、略２００ＭＨｚあるいはそれ以上の周波数を有する高周波クロックを用いて正確に計算し、５ｎｓｅｃよりも優れた測定精度を得ることができる。第１及び第２のセンサ３５、５５からの信号は、フレックスプレート２５及び基準ホイール６０の歯２７、６５の数の情報とともに、ＦＰＧＡにプログラミングされたアルゴリズムに、高い時間分解能でフレックスプレート２５及び基準ホイール６０の位相を計算することを可能にする。ＦＰＧＡは、また、フレックスプレート２５及び基準ホイール６０の各回転におけるそれぞれの歯２７、６５を特定することができ、これにより、トルク検知装置２０の歯毎の校正が可能となる。この校正は、例えば、歯２７、６５毎の製造誤差や摩耗の影響をなくす、あるいは低減することに利用し得る。また、この校正は、例えば、サイクル毎に２回転を要する４ストロークエンジンの複数回転を把握することにも利用され得る。

いくつかの実施形態においては、図７に示すように、センサ３５、５５は、ＦＰＧＡと一体にパッケージングされる。ＦＰＧＡとセンサとを組み合わせたパッケージは、例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）にトルク値を出力する。

図４に戻り、トルク検知装置２０の有効性に関し、ベンチテストスタンド上での回転環境において試験を行った。小径のシャフト３０を選択してエンジン上のフレックスプレート２５と同等のたわみを有するようにし、フレックスプレート２５を、アダプターハブを介してシャフト３０にボルトで連結した。別の実施形態においては、例えば、エンジン内で、小径のシャフトが存在せず、フレックスプレートが、基準ホイールに隣接、例えば、基準ホイール上に配置される場合もある。小型の油圧モータ１４０がけん引き力を出力し、これによってシャフト３０のねじれを生じさせた。トルクセンサ３５が取り付けられ、トルクを測定した。この装置を、低速ギアモータ１５０を用いて回転させた。当該モータ１５０は、３０回転／分（ＲＰＭ）の速度で回転させた。この実験により得られた結果を図５に示す。図５は、トルク検知装置２０が、フレックスプレート２５が回転している間の一時的なトルク事象を計測することが可能であることを示している。従って、トルク検知装置２０は、トルクの変動に応答して、負のトルク事象、例えば、４ストロークエンジンサイクルの圧縮行程を検出できるように構成されている。フレックスプレート２５及び／または基準ホイール６０の磁化は、磁石４０、７０の、歯２７、６５に対するギャップや位置を調整することで最適化でき、また、磁石４０、７０の磁力強度を変更することでも達成できる。ある実施形態において、回路１００は、自動ゲイン回路を備え、当該自動ゲイン回路は、回路飽和を生じずに磁化を最大にすることを可能にする。

トルク検知装置２０は、主に、自動車産業、特に、フレックスプレートとトルクコンバータとを含むオートマチックトランスミッションを備えた自動車に用いられる。しかしながら、この検知装置２０は、自動車産業のみならず、高精度のトルク検知を必要とする用途、例えば、これらに限定されるものではないが、工業的処理、製造、及び自動化に適用することも可能である。エンジンにトルク検知装置２０を組み合わせることで、運転状況、及び、用いる燃料にもよるが、燃費を向上させることができる。また、トルク検知装置２０は、代替燃料の特性（例えば、オクタン価）に対してエンジンパラメータを最適化することを可能にする。これにより、エンジンの効率を向上させることができる。

限られた数の実施形態とともに本発明を詳細に説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。むしろ、本明細書に開示していない数々の変更、応用、代替あるいは均等物の適用と組み合わせるように変更してもよく、そのような態様も本発明の技術的範囲に含まれるものである。また、本発明の様々な実施形態について説明をしたが、本発明の態様は、上述した実施形態の一部のみを含むものであってもよい。従って、本発明は上述した実施形態に限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

２０トルク検知装置
２５フレックスプレート
２７フレックスプレートの歯
３０シャフト
３５第１のセンサ
４０磁石
５０コントローラ
５５第２のセンサ
６０基準ホイール
６５基準ホイールの歯。

Claims

可撓性ディスクを含み、回転軸を中心に回転する回転体と、
前記可撓性ディスクに隣接して配置され、径方向において第１の位置での前記可撓性ディスクの瞬時角度位置を検知する第１のセンサと、
前記可撓性ディスクと同軸で前記可撓性ディスクに連結された基準ホイールと、
前記基準ホイールに隣接して配置されるとともに前記第１のセンサに対して径方向において内側に配置され、径方向において第２の位置での前記基準ホイールの瞬時角度位置を検知する第２のセンサと、
前記第１のセンサ及び前記第２のセンサに動作可能に接続されたコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記第１のセンサからの第１の信号と、前記第２のセンサからの第２の信号との間の相対的な位相シフトを判別し、前記回転体に加わるトルクに比例した出力を計算する、
ことを特徴とするトルク検知装置。
前記回転体は、トルク伝達経路内に位置し、トルクが加えられたことによる角偏向を示す、ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検知装置。
前記第１のセンサは、前記回転体の外周に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検知装置。
前記回転体は、前記第１の位置に配置された複数の歯を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検知装置。
前記第１のセンサは、前記回転体の前記複数の歯の通過を検知するものである、ことを特徴とする請求項４に記載のトルク検知装置。
前記第２のセンサは、前記回転体に対する前記基準ホイールに配置されている、ことを特徴とする請求項４に記載のトルク検知装置。
前記基準ホイールは、複数の基準用の歯を備える、ことを特徴とする請求項６に記載のトルク検知装置。
前記第２のセンサは、前記回転体の前記複数の基準用の歯の通過を検知するものである、ことを特徴とする請求項７に記載のトルク検知装置。
前記コントローラは、前記回転体の各回転において、前記複数の歯の少なくとも１つ、及び／または前記複数の基準用の歯の少なくとも１つを一意に特定する、ことを特徴とする請求項７に記載のトルク検知装置。
前記コントローラは、前記複数の歯のそれぞれの、前記複数の基準用の歯に対する位相シフトのそれぞれを計算する、ことを特徴とする請求項７に記載のトルク検知装置。
前記コントローラは、歯固有の位相シフトを利用して歯固有の補償値を判別し、システム上の変動値を補正する、ことを特徴とする請求項１０に記載のトルク検知装置。
前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの少なくともいずれかは、フラックスゲートセンサである、ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検知装置。
前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの少なくともいずれかは、誘導ブリッジセンサ、光学式エンコーダ等の光学センサ、レーザ式センサ、可変リラクタンス磁気センサ、磁気抵抗センサ、あるいは、ホール効果センサである、ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検知装置。
前記コントローラは、フィールドプログラマブルゲートアレイを備え、当該フィールドプログラマブルゲートアレイは、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて計算したトルクを出力する、ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検知装置。
可撓性ディスクと、前記可撓性ディスクと同軸で前記可撓性ディスクに連結された基準ホイールと、を含む回転体に加わるトルクを判別する方法であって、
前記可撓性ディスクでの第１の瞬時角度位置を、前記可撓性ディスクに隣接して配置された第１のセンサで検知し、
前記基準ホイールでの第２の瞬時角度位置を、前記基準ホイールに隣接して配置された第２のセンサで検知し、
前記第１の瞬時角度位置の、前記第２の瞬時角度位置に対する位相シフトを、コントローラで計算し、
前記位相シフトに基づいて、前記回転体に加わるトルクを、前記コントローラで計算する、
ことを特徴とする方法。
前記回転体は、トルク伝達経路内に位置し、トルクが加えられたことによる角偏向を示す、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの少なくともいずれかは、フラックスゲートセンサである、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの少なくともいずれかは、誘導ブリッジセンサ、光学式エンコーダ等の光学センサ、レーザ式センサ、可変リラクタンス磁気センサ、磁気抵抗センサ、あるいは、ホール効果センサである、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記回転体は、複数の歯を備える、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記第２のセンサは、前記回転体に対する前記基準ホイールに配置され、当該基準ホイールは、複数の基準用の歯を備える、ことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
前記第２のセンサは、前記回転体の前記複数の基準用の歯の通過を検知する、ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
さらに、前記回転体の各回転において、前記複数の歯の少なくとも１つ、及び／または前記複数の基準用の歯の少なくとも１つを一意に特定する、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
前記コントローラは、前記複数の歯のそれぞれの、前記複数の基準用の歯に対する位相シフトのそれぞれを計算する、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
前記コントローラは、歯固有の位相シフトを利用して歯固有の補償値を判別し、システム上の変動値を補正する、ことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
前記可撓性ディスクは、車両エンジンのフレックスプレートである、ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検知装置。