JP6374805B2 - トルク検出装置、及びトルク検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転するシャフトと、シャフトを保持する軸受とを有する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出装置、及びトルク検出方法に関する。

転がり軸受等の各種軸受は、種々の機械装置に利用されている。機械装置の設計の際には、機械装置の運転時に軸受に加えられる荷重を考慮して、軸受の耐久性を判断する必要がある。従来、例えば、軸受の軌道輪に軌道面と平行に凹溝を形成して、凹溝の底面に歪みゲージを添着し、歪みゲージの検出信号に基づいて軸受に加わる荷重を算出することが行われていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−６１２６８号公報

例えば、自動車のトランスミッション等のシャフトでは、シャフトに連結されたギヤの反力により、シャフトのトルクに比例した荷重が、シャフトを保持する軸受に負荷される。トランスミッションの変速制御を効率良く行って、燃費を向上させるためには、トランスミッションのシャフトのトルクを精度良く検出することが望まれるが、従来はそのようなシャフトのトルクを高精度に検出する手段がなかった。

本発明は、回転するシャフトのトルクを精度良く検出することができるトルク検出装置、及びトルク検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、回転するシャフトと、シャフトを保持する軸受と、を有し、軸受に掛かる荷重が、シャフトのトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出装置であって、樹脂に導電性の粒子を入れた導電性樹脂からなり、軸受の周囲に設けられて、軸受を保持する軸受保持部と、軸受保持部の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する測定器と、測定器により検出した抵抗率又は抵抗値の変化から、軸受に掛かる荷重を算出して、シャフトのトルクを検出する処理装置と、を備えた、トルク検出装置を提供する。

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、回転するシャフトと、シャフトを保持する軸受と、を有し、軸受に掛かる荷重が、シャフトのトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出方法であって、樹脂に導電性の粒子を入れた導電性樹脂からなり、軸受を保持する軸受保持部を、軸受の周囲に設け、軸受保持部の抵抗率又は抵抗値の変化を検出し、検出した抵抗率又は抵抗値の変化から、軸受に掛かる荷重を算出して、シャフトのトルクを検出する、トルク検出方法を提供する。

本発明によれば、回転するシャフトのトルクを精度良く検出することができるトルク検出装置、及びトルク検出方法を提供することが可能となる。

シャフトと転がり軸受とを有する回転伝達装置の斜視図である。 転がり軸受に掛かる荷重を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に係るトルク検出装置の荷重検出部の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係るトルク検出装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るトルク検出装置の荷重検出部の斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係るトルク検出装置の構成を示す図である。

（回転伝達装置）
図１は、シャフトと転がり軸受とを有する回転伝達装置の斜視図である。シャフト１は、例えば、自動車のトランスミッションに使用され、図示しない変速ギヤがシャフト１に連結されている。後述する荷重検出部１０，１０’の内部には、転がり軸受２が収納されており、転がり軸受２により、シャフト１が保持されている。シャフト１が回転すると、シャフト１に連結された変速ギヤの反力により、シャフト１のトルクに比例した荷重が、シャフト１を保持する転がり軸受２に負荷される。荷重の方向は、シャフト１に連結された変速ギヤが他のギヤと噛み合う方向に応じて変化する。図１では、転がり軸受２に対して、矢印で示す下方向へ荷重が負荷されている。

図２は、転がり軸受に掛かる荷重を説明する図である。図１に示すように、転がり軸受２に下方向へ荷重が負荷された場合、転がり軸受２の上側半分では、荷重が掛からない無負荷状態となり、転がり軸受２の下側半分では、荷重が掛かった負荷状態となる。そして、転がり軸受２の負荷側では、荷重が矢印で示すように半径方向へ分散され、シャフト１の真下に掛かる荷重が一番大きくなる。

［第１の実施の形態］
図３は、本発明の第１の実施の形態に係るトルク検出装置の荷重検出部１０の斜視図である。荷重検出部１０の筐体１３の内部には、図示しない転がり軸受が収納されている。図示しない転がり軸受の外側には、軸受保持部１１が設けられている。軸受保持部１１は、樹脂に導電性の粒子を入れた導電性樹脂からなり、円環状に形成されている。樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂や、熱可塑性樹脂等を用いることができる。導電性の粒子としては、例えば、カーボンブラックや、金属からなる粒子等を用いることができる。また、絶縁性材料からなる粒子の表面に金属メッキ（コート）を施して、導電性を持たせたものであってもよい。導電性樹脂は、荷重を受けると、導電性の粒子間の間隔が狭くなって、抵抗率が減少する。

図示しない転がり軸受と軸受保持部１１との間には、絶縁体１２が設けられている。転がり軸受の外輪は一般に金属で構成されており、絶縁体１２は、転がり軸受と軸受保持部１１とを絶縁する。また、軸受保持部１１と筐体１３との間にも、絶縁体１２が設けられている。筐体１３は、金属等の強度の高い材料で構成されるが、筐体１３が絶縁性材料で構成される場合は、軸受保持部１１と筐体１３との間に絶縁体１２は必要ない。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係るトルク検出装置の構成を示す図である。軸受保持部１１には、第１の抵抗２０が直列に接続されている。軸受保持部１１の抵抗値をＲとし、第１の抵抗２０の抵抗値をＲ１とする。軸受保持部１１及び第１の抵抗２０には、電圧源３０から電圧が印加される。

シャフト１が回転して転がり軸受２に荷重が掛かると、軸受保持部１１は、転がり軸受２に掛かる荷重を受けて、抵抗率が減少し、抵抗値Ｒが減少する。そのため、軸受保持部１１に直列に接続された、抵抗値Ｒ１の第１の抵抗２０の両端の電圧が増加する。電圧測定器４０は、第１の抵抗２０の両端の電圧を測定することにより、軸受保持部１１の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する。処理装置５０は、電圧測定器４０が検出した抵抗率又は抵抗値の変化から、転がり軸受２に掛かる荷重を算出して、シャフト１のトルクを検出する。

（第１の実施の形態の作用及び効果）
以上説明した第１の実施の形態によれば、以下のような作用及び効果が得られる。

（１）樹脂に導電性の粒子を入れた導電性樹脂からなり、転がり軸受２に掛かる荷重を受けて抵抗率が変化する軸受保持部１１を、転がり軸受２の周囲に設け、軸受保持部１１の抵抗率又は抵抗値の変化を検出し、検出した抵抗率又は抵抗値の変化から、転がり軸受２に掛かる荷重を算出して、シャフト１のトルクを検出することにより、回転するシャフト１のトルクを精度良く検出することができる。

（２）転がり軸受２と軸受保持部１１との間に絶縁体１２を設けることにより、転がり軸受２と軸受保持部１１とを絶縁して、軸受保持部１１の抵抗率又は抵抗値の変化の誤検出を防止することができる。

（３）転がり軸受２、軸受保持部１１、及び絶縁体１２を筐体１３に収納することにより、これらを保護して劣化を抑制することができる。

（４）第１の抵抗２０を、軸受保持部１１に直列に接続し、軸受保持部１１及び第１の抵抗２０に電圧を印加し、第１の抵抗２０の両端の電圧を測定して、軸受保持部１１の抵抗率又は抵抗値の変化を検出することにより、軸受保持部１１の抵抗率又は抵抗値の変化を容易に検出することができる。

［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るトルク検出装置の荷重検出部１０’の斜視図である。本実施の形態では、軸受保持部が、図２に示した負荷側と無負荷側とに、均等に分割されている。負荷側には、軸受保持部１１ａが設けられており、無負荷側には、軸受保持部１１ｂが設けられている。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係るトルク検出装置の構成を示す図である。負荷側の軸受保持部１１ａには、第２の抵抗２０ａが直列に接続されている。無負荷側の軸受保持部１１ｂには、第２の抵抗２０ａと同じ大きさの、第３の抵抗２０ｂが直列に接続されている。負荷側の軸受保持部１１ａの抵抗値をＲｄ、無負荷側の軸受保持部１１ｂの抵抗値をＲｕ、第２の抵抗２０ａ及び第３の抵抗２０ｂの抵抗値をＲ２とする。

本実施の形態では、負荷側の軸受保持部１１ａ及び第２の抵抗２０ａ、並びに、無負荷側の軸受保持部１１ｂ及び第３の抵抗２０ｂにより、ブリッジ回路が構成されている。ブリッジ回路の両端には、電圧源３０から電圧が印加される。電圧測定器４０は、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定する。

シャフト１が回転を停止して、転がり軸受２に荷重が掛からない状態では、負荷側の軸受保持部１１ａの抵抗値Ｒｄと、無負荷側の軸受保持部１１ｂの抵抗値Ｒｕとは等しい。従って、ブリッジ回路の中間点に電位差は発生しない。

もし、シャフト１が回転を停止した状態で、電圧測定器４０により電位差が測定された場合、発生した電位差は、負荷側の軸受保持部１１ａの劣化による抵抗値Ｒｄの変化が原因である可能性が高い。そこで、処理装置５０は、シャフト１が回転を停止した時の、電圧測定器４０により測定した電位差から、負荷側の軸受保持部１１ａの劣化を検出する、

シャフト１が回転して転がり軸受２に荷重が掛かると、負荷側の軸受保持部１１ａは、転がり軸受２に掛かる荷重を受けて、抵抗率が減少し、抵抗値Ｒｄが減少する。一方、無負荷側の軸受保持部１１ｂには、荷重による抵抗率の変化が無い。従って、ブリッジ回路の中間点に、負荷側の軸受保持部１１ａの抵抗値Ｒｄの変化による電位差が発生する。電圧測定器４０は、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定することにより、負荷側の軸受保持部１１ａの抵抗率又は抵抗値の変化を検出する。

このとき、シャフト１及び転がり軸受２の回転時の熱で、筐体１３内の温度が変化すると、負荷側の軸受保持部１１ａ、及び無負荷側の荷重家１１ｂは、温度の変化により抵抗率が変化する。しかしながら、両者が受ける温度の変化による影響は、ほぼ等しく、温度の変化による抵抗率の変化が、ブリッジ回路において相殺される。処理装置５０は、電圧測定器４０が検出した負荷側の軸受保持部１１ａの抵抗率又は抵抗値の変化から、転がり軸受２に掛かる荷重を算出して、シャフト１のトルクを検出する。

（第２の実施の形態の作用及び効果）
以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態について説明した（１）〜（４）の作用及び効果と同様の作用及び効果が得られる。

さらに、軸受保持部を、転がり軸受２に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とに均等に分割し、第２の抵抗２０ａを、負荷側の軸受保持部１１ａに直列に接続し、第２の抵抗２０ａと同じ大きさの第３の抵抗２０ｂを、無負荷側の軸受保持部１１ｂに直列に接続し、負荷側の軸受保持部１１ａ及び第２の抵抗２０ａ、並びに、無負荷側の軸受保持部１１ｂ及び第３の抵抗２０ｂにより、ブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の両端に電圧を印加し、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、負荷側の軸受保持部１１ａの抵抗率又は抵抗値の変化を検出することにより、温度の変化による抵抗率の変化を相殺して、荷重による負荷側の軸受保持部１１ａの抵抗率又は抵抗値の変化を精度良く検出することができる。従って、回転するシャフト１のトルクをさらに精度良く検出することができる。

さらに、シャフト１が回転を停止した時の、ブリッジ回路の中間点の電位差から、負荷側の軸受保持部１１ａの劣化を検出することができる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］回転するシャフト（１）と、シャフト（１）を保持する軸受（２）と、を有し、軸受（２）に掛かる荷重が、シャフト（１）のトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出装置であって、樹脂に導電性の粒子を入れた導電性樹脂からなり、軸受（２）の周囲に設けられて、軸受（２）を保持する軸受保持部（１１／１１ａ，１１ｂ）と、軸受保持部（１１／１１ａ，１１ｂ）の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する測定器（４０）と、測定器（４０）により検出した抵抗率又は抵抗値の変化から、軸受（２）に掛かる荷重を算出して、シャフト（１）のトルクを検出する処理装置（５０）と、を備えた、トルク検出装置。

［２］軸受（２）と軸受保持部（１１／１１ａ，１１ｂ）との間に設けられた絶縁体（１２）を備えた、トルク検出装置。

［３］軸受（２）、軸受保持部（１１／１１ａ，１１ｂ）、及び絶縁体（１２）を収納する筐体（１３）を備えた、トルク検出装置。

［４］軸受保持部（１１）に直列に接続された第１の抵抗（２０）と、軸受保持部（１１）及び第１の抵抗（２０）に電圧を印加する電圧源（３０）と、を備え、測定器（４０）は、第１の抵抗（２０）の両端の電圧を測定して、軸受保持部（１１）の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する、トルク検出装置。

［５］軸受保持部は、軸受（２）に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とに均等に分割され、負荷側の軸受保持部（１１ａ）に直列に接続された第２の抵抗（２０ａ）と、無負荷側の軸受保持部（１１ｂ）に直列に接続された、第２の抵抗（２０ａ）と同じ大きさの第３の抵抗（２０ｂ）と、負荷側の軸受保持部（１１ａ）及び第２の抵抗（２０ａ）、並びに、無負荷側の軸受保持部（１１ｂ）及び第３の抵抗（２０ｂ）に電圧を印加する電圧源（３０）と、を備え、負荷側の軸受保持部（１１ａ）及び第２の抵抗（２０ａ）、並びに、無負荷側の軸受保持部（１１ｂ）及び第３の抵抗（２０ｂ）は、ブリッジ回路を構成し、測定器（４０）は、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、負荷側の軸受保持部（１１ａ）の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する、トルク検出方法。

［６］処理装置（５０）は、シャフト（１）が回転を停止した時の、測定器（４０）により測定した電位差から、負荷側の軸受保持部（１１ａ）の劣化を検出する、トルク検出方法。

［７］回転するシャフト（１）と、シャフト（１）を保持する軸受（２）と、を有し、軸受（２）に掛かる荷重が、シャフト（１）のトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出方法であって、樹脂に導電性の粒子を入れた導電性樹脂からなり、軸受（２）を保持する軸受保持部（１１／１１ａ，１１ｂ）を、軸受（２）の周囲に設け、軸受保持部（１１／１１ａ，１１ｂ）の抵抗率又は抵抗値の変化を検出し、検出した抵抗率又は抵抗値の変化から、軸受（２）に掛かる荷重を算出して、シャフト（１）のトルクを検出する、トルク検出方法。

［８］第１の抵抗（２０）を、軸受保持部（１１）に直列に接続し、軸受保持部（１１）及び第１の抵抗（２０）に電圧を印加し、第１の抵抗（２０）の両端の電圧を測定して、軸受保持部（１１）の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する、トルク検出方法。

［９］軸受保持部を、軸受（２）に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とに均等に分割し、第２の抵抗（２０ａ）を、負荷側の軸受保持部（１１ａ）に直列に接続し、第２の抵抗（２０ａ）と同じ大きさの第３の抵抗（２０ｂ）を、無負荷側の軸受保持部（１１ｂ）に直列に接続し、負荷側の軸受保持部（１１ａ）及び第２の抵抗（２０ａ）、並びに、無負荷側の軸受保持部（１１ｂ）及び第３の抵抗（２０ｂ）により、ブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の両端に電圧を印加し、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、負荷側の軸受保持部（１１ａ）の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する、トルク検出方法。

［１０］シャフト（１）が回転を停止した時の、ブリッジ回路の中間点の電位差から、負荷側の軸受保持部（１１ａ）の劣化を検出する、トルク検出方法。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、軸受保持部１１又は軸受保持部１１ａ，１１ｂを、転がり軸受２の外輪のほぼ全周に渡って配置しているが、軸受保持部を、転がり軸受２の周囲の一部に配置してもよい。また、軸受保持部の抵抗率又は抵抗値の変化を検出するための構成は、上記に限るものではない。

１…シャフト
２…転がり軸受
１０，１０’…荷重検出部
１１，１１ａ，１１ｂ…軸受保持部
１２…絶縁体
１３…筐体
２０，２０ａ，２０ｂ…抵抗
３０…電圧源
４０…電圧測定器
５０…処理装置

Claims (10)

1. 回転するシャフトと、前記シャフトを保持する軸受と、を有し、前記軸受に掛かる荷重が、前記シャフトのトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出装置であって、
   樹脂に導電性の粒子を入れた導電性樹脂からなり、前記軸受の周囲に設けられて、前記軸受を保持する軸受保持部と、
   前記軸受保持部の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する測定器と、
   前記測定器により検出した抵抗率又は抵抗値の変化から、前記軸受に掛かる荷重を算出して、前記シャフトのトルクを検出する処理装置と、を備えた、
   トルク検出装置。
2. 前記軸受と前記軸受保持部との間に設けられた絶縁体を備えた、
   請求項１に記載のトルク検出装置。
3. 前記軸受、前記軸受保持部、及び前記絶縁体を収納する筐体を備えた、
   請求項２に記載のトルク検出装置。
4. 前記軸受保持部に直列に接続された第１の抵抗と、
   前記軸受保持部及び前記第１の抵抗に電圧を印加する電圧源と、を備え、
   前記測定器は、前記第１の抵抗の両端の電圧を測定して、前記軸受保持部の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルク検出装置。
5. 前記軸受保持部は、前記軸受に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とに均等に分割され、
   負荷側の前記軸受保持部に直列に接続された第２の抵抗と、
   無負荷側の前記軸受保持部に直列に接続された、前記第２の抵抗と同じ大きさの第３の抵抗と、
   負荷側の前記軸受保持部及び前記第２の抵抗、並びに、無負荷側の前記軸受保持部及び前記第３の抵抗に電圧を印加する電圧源と、を備え、
   負荷側の前記軸受保持部及び前記第２の抵抗、並びに、無負荷側の前記軸受保持部及び前記第３の抵抗は、ブリッジ回路を構成し、
   前記測定器は、前記ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、負荷側の前記軸受保持部の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルク検出装置。
6. 前記処理装置は、前記シャフトが回転を停止した時の、前記測定器により測定した電位差から、負荷側の前記軸受保持部の劣化を検出する、
   請求項５に記載のトルク検出装置。
7. 回転するシャフトと、前記シャフトを保持する軸受と、を有し、前記軸受に掛かる荷重が、前記シャフトのトルクに応じて変化する回転伝達装置のトルクを検出するトルク検出方法であって、
   樹脂に導電性の粒子を入れた導電性樹脂からなり、前記軸受を保持する軸受保持部を、前記軸受の周囲に設け、
   前記軸受保持部の抵抗率又は抵抗値の変化を検出し、
   検出した抵抗率又は抵抗値の変化から、前記軸受に掛かる荷重を算出して、前記シャフトのトルクを検出する、
   トルク検出方法。
8. 第１の抵抗を、前記軸受保持部に直列に接続し、
   前記軸受保持部及び前記第１の抵抗に電圧を印加し、
   前記第１の抵抗の両端の電圧を測定して、前記軸受保持部の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する、
   請求項７に記載のトルク検出方法。
9. 前記軸受保持部を、前記軸受に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とに均等に分割し、
   第２の抵抗を、負荷側の前記軸受保持部に直列に接続し、
   前記第２の抵抗と同じ大きさの第３の抵抗を、無負荷側の前記軸受保持部に直列に接続し、
   負荷側の前記軸受保持部及び前記第２の抵抗、並びに、無負荷側の前記軸受保持部及び前記第３の抵抗により、ブリッジ回路を構成し、
   前記ブリッジ回路の両端に電圧を印加し、
   前記ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、負荷側の前記軸受保持部の抵抗率又は抵抗値の変化を検出する、
   請求項７に記載のトルク検出方法。
10. 前記シャフトが回転を停止した時の、前記ブリッジ回路の中間点の電位差から、負荷側の前記軸受保持部の劣化を検出する、
    請求項９に記載のトルク検出方法。

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