JP6427034B2

JP6427034B2 - トルク検出装置、及びトルク検出方法

Info

Publication number: JP6427034B2
Application number: JP2015037723A
Authority: JP
Inventors: 晃之中村; 博久佐野; 池田　幸雄; 幸雄池田; 潤司小野; 植田　徹; 徹植田
Original assignee: NSK Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: NSK Ltd; Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: JP2016161306A

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、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、荷重に応じて透磁率が変化するコア部と、前記コア部に巻かれたコイルと、を有し、前記軸受の周囲に設けられて、前記コア部のみにより前記軸受を支持する複数の軸受支持部と、前記複数の軸受支持部のコイルに高周波信号を印加する発信器と、前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出する測定器と、前記測定器により検出したインダクタンスの変化から、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、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、荷重に応じて透磁率が変化するコア部と、前記コア部に巻かれたコイルと、を有する複数の軸受支持部を、前記軸受の周囲に設け、前記複数の軸受支持部のコイルに高周波信号を印加し、前記複数の軸受支持部の前記コア部のみにより前記軸受を支持しながら、前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出し、検出したインダクタンスの変化から、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。本発明の一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。軸受支持部の斜視図である。軸受支持部の配置を示す図である。本発明の一実施の形態に係るトルク検出装置の概略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。

［実施の形態］
図３は、本発明の一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、軸受支持部１２の台座となるリング１１が設けられている。リング１１は、円環状で、金属等の強度の高い材料で構成されている。リング１１の内壁には、図示しない転がり軸受を支持する、複数の軸受支持部１２が取り付けられている。各軸受支持部１２は、圧入等の手段により、リング１１に固定されている。

図４は、軸受支持部１２の斜視図である。軸受支持部１２は、コア部２１にコイル２２を巻いて構成されている。コア部２１は、荷重が掛かると透磁率が変化する金属等の導電性材料、例えば、ＳＳ４００等の一般構造用圧延鋼材、ＳＮＣＭ６１６等のニッケルクロムモリブデン鋼鋼材等からなる。コイル２２に高周波信号を印加した状態で、コア部２１に転がり軸受２から荷重が加わると、コア部２１の透磁率が変化して、コイル２２のインダクタンスが変化する。

図５は、軸受支持部１２の配置を示す図である。本実施の形態では、Ｌ１〜Ｌ１０の１０個の軸受支持部１２が設けられている。Ｌ１〜Ｌ５の５つの軸受支持部１２は、図２に示した荷重が掛かった負荷側に配置されている。その内の１つの軸受支持部１２（Ｌ１）は、シャフト１の真下の荷重が一番大きな位置に配置されている。そして、５つの軸受支持部１２（Ｌ１〜Ｌ５）は、同一円周上に、互いに同じ角度で等間隔に配置されている。

Ｌ６〜Ｌ１０の５個の軸受支持部１２は、図２に示した荷重が掛からない無負荷側に配置されている。負荷側の軸受支持部１２（Ｌ１〜Ｌ５）と、無負荷側の軸受支持部１２（Ｌ６〜Ｌ１０）とは、シャフト１の中心を挟んで、上下対称に配置されている。

図６は、本発明の一実施の形態に係るトルク検出装置の概略構成を示す図である。本実施の形態では、Ｌ１〜Ｌ１０の１０個の軸受支持部１２のコイル２２により、ブリッジ回路が構成されている。負荷側の軸受支持部１２（Ｌ１）のコイル２２と、無負荷側の軸受支持部１２（Ｌ７〜Ｌ１０）のコイル２２群とが直列に接続されている。また、無負荷側の軸受支持部１２（Ｌ６）のコイル２２と、負荷側の軸受支持部１２（Ｌ２〜Ｌ５）のコイル２２群とが直列に接続されている。そして、前者の直列接続されたコイル２２群と、後者の直列接続されたコイル２２群とが、並列に接続されている。

発信器３０は、ブリッジ回路の両端に、高周波信号を印加する。電圧測定器４０は、負荷側の軸受支持部１２（Ｌ１）のコイル２２と、無負荷側の軸受支持部１２（Ｌ７〜Ｌ１０）のコイル２２群との中間点、及び、無負荷側の軸受支持部１２（Ｌ６）のコイル２２と、負荷側の軸受支持部１２（Ｌ２〜Ｌ５）のコイル２２群との中間点の電位差を測定することにより、負荷側の軸受支持部１２（Ｌ１〜Ｌ５）のインダクタンスの変化を検出する。

このブリッジ回路では、中間点に対し、負荷側の軸受支持部１２（Ｌ１）のコイル２２と、負荷側の軸受支持部１２（Ｌ２〜Ｌ５）のコイル２２群とが対角線上に配置され、無負荷側の軸受支持部（Ｌ６）のコイル２２と、無負荷側の軸受支持部（Ｌ７〜Ｌ１０）のコイル２２群とが対角線上に配置されている。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、各軸受支持部１２（Ｌ１〜Ｌ１０）のコイル２２のインダクタンスは全て等しい。従って、ブリッジ回路の中間点に電位差は発生しない。

シャフト１が回転して、転がり軸受２に荷重が掛かっても、転がり軸受２から荷重が加わらない無負荷側の各軸受支持部１２（Ｌ６〜Ｌ１０）のコイル２２のインダクタンスは変化しない。従って、軸受支持部１２（Ｌ６）のコイル２２のインダクタンスと、対角線上に配置した軸受支持部１２（Ｌ７〜Ｌ１０）のコイル２２群の合計インダクタンスとの積の値も、変化しない。

一方、シャフト１が回転して、転がり軸受２に荷重が掛かると、転がり軸受２から負荷側の各軸受支持部１２（Ｌ１〜Ｌ５）に荷重が加わり、負荷側の各軸受支持部１２（Ｌ１〜Ｌ５）のコイル２２のインダクタンスが変化する。そして、各軸受支持部１２（Ｌ１〜Ｌ５）のコイル２２のインダクタンスの変化が微小であっても、軸受支持部１２（Ｌ１）のコイル２２のインダクタンスと、対角線上に配置した軸受支持部１２（Ｌ２〜Ｌ５）のコイル２２群の合計インダクタンスとの積の値は、大きく変化する。従って、負荷側の各軸受支持部１２（Ｌ１〜Ｌ５）のコイル２２のインダクタンスの変化が微小であっても、ブリッジ回路の中間点には、大きな電位差が発生する。処理装置５０は、電圧測定器４０が検出した負荷側の軸受支持部１２（Ｌ１〜Ｌ５）のインダクタンスの変化から、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。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明した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）荷重に応じて透磁率が変化するコア部２１と、コア部２１に巻かれたコイル２２と、を有する複数の軸受支持部１２を、転がり軸受２の周囲に設け、複数の軸受支持部１２のコイル２２に高周波信号を印加し、複数の軸受支持部１２のコア部２１により転がり軸受２を支持しながら、複数の軸受支持部１２のコイル２２のインダクタンスの変化を検出し、検出したインダクタンスの変化から、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）軸受支持部１２を４つ以上設け、複数の軸受支持部１２のコイル２２により、ブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定することにより、軸受支持部１２のコイル２２のインダクタンスの変化を、容易に検出することができる。

（３）複数の軸受支持部１２を、転がり軸受１２に掛かる荷重の方向に応じて、負荷側と無負荷側とで対称に配置し、ブリッジ回路において、負荷側の複数の軸受支持部１２のコイル２２同士を対角線上に配置し、無負荷側の複数の軸受支持部１２のコイル２２同士を対角線上に配置することにより、負荷側の軸受支持部１２のコイル２２のインダクタンスの微小な変化を、高精度に測定することができる。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。

（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、荷重に応じて透磁率が変化するコア部（２１）と、コア部（２１）に巻かれたコイル（２２）と、を有し、軸受（２）の周囲に設けられて、コア部（２１）により軸受（２）を支持する複数の軸受支持部（１２）と、複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）に高周波信号を印加する発信器（３０）と、複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）のインダクタンスの変化を検出する測定器（４０）と、測定器（４０）により検出したインダクタンスの変化から、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］軸受支持部（１２）を４つ以上備え、複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）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、複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）のインダクタンスの変化を検出する、トルク検出装置。

［３］複数の軸受支持部（１２）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で対称に配置され、ブリッジ回路は、負荷側の複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）同士が対角線上に配置され、無負荷側の複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）同士が対角線上に配置された、トルク検出装置。

［４］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、荷重に応じて透磁率が変化するコア部（２１）と、コア部（２１）に巻かれたコイルと、を有する複数の軸受支持部（１２）を、軸受（２）の周囲に設け、複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）に高周波信号を印加し、複数の軸受支持部（１２）のコア部（２１）により軸受（２）を支持しながら、複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）のインダクタンスの変化を検出し、検出したインダクタンスの変化から、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。

［５］軸受支持部（１２）を４つ以上設け、複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）により、ブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）のインダクタンスの変化を検出する、トルク検出方法。

［６］複数の軸受支持部（１２）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で対称に配置し、ブリッジ回路において、負荷側の複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）同士を対角線上に配置し、無負荷側の複数の軸受支持部（１２）のコイル（２２）同士を対角線上に配置した、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、軸受支持部１２の数及び配置は、上記に限らず、適宜変更することができる。また、複数の軸受支持部１２のコイル２２の接続や配列は、上記に限るものではない。

１…シャフト
２…転がり軸受
１０…荷重検出部
１１…リング
１２…軸受支持部
１３…筐体
２１…コア部
２２…コイル
３０…発信器
４０…電圧測定器
５０…処理装置

Claims

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、
荷重に応じて透磁率が変化するコア部と、前記コア部に巻かれたコイルと、を有し、前記軸受の周囲に設けられて、前記コア部のみにより前記軸受を支持する複数の軸受支持部と、
前記複数の軸受支持部のコイルに高周波信号を印加する発信器と、
前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出する測定器と、
前記測定器により検出したインダクタンスの変化から、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。
前記軸受支持部を４つ以上備え、
前記複数の軸受支持部のコイルは、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、前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出する、
請求項１に記載のトルク検出装置。
前記複数の軸受支持部は、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で対称に配置され、
前記ブリッジ回路は、負荷側の前記複数の軸受支持部のコイル同士が対角線上に配置され、無負荷側の前記複数の軸受支持部のコイル同士が対角線上に配置された、
請求項２に記載のトルク検出装置。
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、
荷重に応じて透磁率が変化するコア部と、前記コア部に巻かれたコイルと、を有する複数の軸受支持部を、前記軸受の周囲に設け、
前記複数の軸受支持部のコイルに高周波信号を印加し、
前記複数の軸受支持部の前記コア部のみにより前記軸受を支持しながら、
前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出し、
検出したインダクタンスの変化から、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。
前記軸受支持部を４つ以上設け、
前記複数の軸受支持部のコイルにより、ブリッジ回路を構成し、
前記ブリッジ回路の中間点の電位差を測定して、前記複数の軸受支持部のコイルのインダクタンスの変化を検出する、
請求項４に記載のトルク検出方法。
前記複数の軸受支持部を、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で対称に配置し、
前記ブリッジ回路において、負荷側の前記複数の軸受支持部のコイル同士を対角線上に配置し、無負荷側の前記複数の軸受支持部のコイル同士を対角線上に配置した、
請求項５に記載のトルク検出方法。