JP7380288B2 - Torque measuring device and its assembly method - Google Patents
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Description
本発明は、トルク伝達軸に加わるトルクを測定するためのトルク測定装置及びその組立方法に関する。 The present invention relates to a torque measuring device for measuring torque applied to a torque transmission shaft and a method for assembling the same.
図7は、特開2012-98268号公報に記載された、トルク測定装置を示している。トルク測定装置は、トルク伝達軸1と、1対のエンコーダ2a、2bと、1対のセンサ3a、3bとを備える。エンコーダ2a、2bのそれぞれは、外周面に、N極とS極とを円周方向に関して交互に、かつ、等間隔に配置してなる被検出面4a、4bを有し、トルク伝達軸1の軸方向に離隔した2箇所位置に外嵌固定されている。センサ3a、3bのそれぞれは、先端部に、被検出面4a、4bに対向する検出部5a、5bを有し、該検出部5a、5bを通過する磁束密度に応じて出力信号を変化させる。すなわち、センサ3a、3bの出力信号は、トルク伝達軸1とともにエンコーダ2a、2bが回転することに伴い、周期的に変化する。
FIG. 7 shows a torque measuring device described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-98268. The torque measuring device includes a
図示のトルク測定装置は、トルク伝達軸1がトルクの伝達に伴ってねじれ方向に弾性変形し、1対のエンコーダ2a、2bが回転方向に相対変位すると、1対のセンサ3a、3bの出力信号同士の間の位相差が変化する。1対のセンサ3a、3bの出力信号同士の間の位相差は、トルク伝達軸1のねじれ方向の弾性変形量に相関を有している。また、トルク伝達軸1のねじれ方向の弾性変形量は、トルク伝達軸1が伝達するトルクの大きさと相関関係を有している。そこで、トルク測定装置は、1対のセンサ3a、3bの出力信号同士の間の位相差に基づいて、トルク伝達軸1が伝達するトルクを求めるように構成されている。
In the illustrated torque measuring device, when a
特開2012-98268号公報に記載されたトルク測定装置は、1対のセンサの出力信号同士の間の位相差を利用してトルク伝達軸が伝達するトルクを求めるため、1対のセンサのクロック周波数差が大きくなると、トルクを精度良く求めることが難しくなる。この理由について、以下、図8及び図9を参照して説明する。 The torque measuring device described in Japanese Patent Application Laid-open No. 2012-98268 utilizes the phase difference between the output signals of a pair of sensors to determine the torque transmitted by the torque transmission shaft. As the frequency difference increases, it becomes difficult to accurately determine torque. The reason for this will be explained below with reference to FIGS. 8 and 9.
図8に示すように、トルク測定装置に用いられるセンサ3a(3b)は、一般的に、ホール素子などの磁気検出素子6と、磁気検出素子6の出力信号をディジタル信号に変換するためのコントローラ7及び発振器(発振回路)8などを備えている。
As shown in FIG. 8, the
磁気検出素子6は、センサ3a(3b)の検出部として機能し、自身を通過する磁束密度に応じて、図9の(A)に示すような、正弦波(sin波)状のアナログ信号を出力する。磁気検出素子6のアナログ信号は、コントローラ7によって、図9の(D)に示すように、Hi及びLowの2値で表されたパルス信号(矩形波信号)に変換されるが、この際、コントローラ7は、発振器8が定める時間間隔で、磁気検出素子6のアナログ信号と閾値との大小関係を判定する。
The
具体的には、発振器8は、図9の(B)に示すような、矩形波状のクロック信号を出力する。クロック信号の周波数は、クロック周波数と呼ばれ、各センサのクロック信号の周波数は一定である。コントローラ7は、このようなクロック信号の立ち上がりや立下りのタイミングを利用して、磁気検出素子6のアナログ信号と閾値との大小関係を判定する。このため、図9の(C)及び(D)に示すように、実際に磁気検出素子6のアナログ信号が閾値を超えたタイミングと、コントローラ7が閾値を超えたと判定するHi信号を出力するタイミングとの間に、クロック周波数に応じて変化する時間的なずれ、すなわち、遅延時間が生じることになる。
Specifically, the
一方、クロック周波数には、発振器の製造上の歪みや製造誤差などに起因して、同じ品番のセンサであっても、ばらつきが存在することが知られている。このため、1対のセンサの出力信号同士の間では、クロック周波数差に起因する遅延時間の差が生じている。したがって、トルクを求めるのに利用する1対のセンサの出力信号同士の間の位相差には、両センサの遅延時間の差に起因した成分(誤差)が含まれることになる。出力信号同士の位相差に大きな誤差(遅延時間の差に起因した成分)が含まれると、トルクの測定精度を低下させる原因になる。 On the other hand, it is known that variations in clock frequency exist even among sensors of the same product number due to manufacturing distortions and manufacturing errors of the oscillator. Therefore, there is a difference in delay time between the output signals of the pair of sensors due to the difference in clock frequency. Therefore, the phase difference between the output signals of the pair of sensors used to determine the torque includes a component (error) caused by the difference in delay time between the two sensors. If the phase difference between the output signals includes a large error (component caused by the difference in delay time), it will cause a decrease in torque measurement accuracy.
本発明は、上述のような事情に鑑み、トルクの測定精度の向上を図れる、トルク測定装置及びその組立方法を実現することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned circumstances, an object of the present invention is to realize a torque measuring device and a method for assembling the same, which can improve torque measurement accuracy.
本発明の組立対象となるトルク測定装置は、トルク伝達軸と、1対のエンコーダと、1対のセンサと、演算器とを備える。
前記トルク伝達軸は、使用時にトルクを伝達する。
前記1対のエンコーダは、前記トルク伝達軸に直接又は使用時に前記トルク伝達軸と同期して回転する部材に支持されており、特性が円周方向に関して交互に変化した被検出面を有している。
前記1対のセンサは、使用時にも回転しない部分に支持されており、前記1対のエンコーダのそれぞれの被検出面に検出部を対向させ、前記被検出面の特性変化に対応して出力信号を変化させる。
前記演算器は、前記1対のセンサの出力信号同士の間の位相差に基づいて、前記トルク伝達軸が伝達するトルクを求める機能を有している。
A torque measuring device to be assembled according to the present invention includes a torque transmission shaft, a pair of encoders, a pair of sensors, and a computing unit.
The torque transmission shaft transmits torque during use.
The pair of encoders are supported by a member that rotates directly on the torque transmission shaft or in synchronization with the torque transmission shaft during use, and have detection surfaces whose characteristics alternately change in the circumferential direction. There is.
The pair of sensors are supported by parts that do not rotate even when in use, and have a detection section facing each detected surface of the pair of encoders, and output signals in response to changes in the characteristics of the detected surfaces. change.
The computing unit has a function of determining the torque transmitted by the torque transmission shaft based on a phase difference between the output signals of the pair of sensors.
前記センサの出力信号を変化させる前記被検出面の特性変化の1例としては、例えば、被検出面にN極とS極とを円周方向に関して交互に配置した場合のように、前記センサが対向する被検出面の円周方向位置に応じて該センサを通過する磁束密度が変化する、磁気特性の変化を挙げることができる。 An example of a characteristic change of the detection surface that changes the output signal of the sensor is, for example, when the sensor has N poles and S poles arranged alternately in the circumferential direction on the detection surface. An example of this is a change in magnetic properties, such as a change in the magnetic flux density passing through the sensor depending on the circumferential position of the opposing detection surfaces.
本発明のトルク測定装置の組立方法では、上述のような構成を備えたトルク測定装置を組み立てる際に、前記1対のセンサの使用候補である複数のセンサの中から、クロック周波数差の絶対値が所定の閾値以下となる、2個のセンサを選択する工程を有している。 In the method for assembling a torque measuring device of the present invention, when assembling the torque measuring device having the above-described configuration, the absolute value of the clock frequency difference is selected from among a plurality of sensors that are candidates for use of the pair of sensors. is less than a predetermined threshold.
本発明では、前記閾値を、次のようにして決定することができる。
すなわち、前記複数のセンサの中から任意に組み合わせた2個のセンサからなるセンサ組を複数用いて、クロック周波数差と速度特性との関係を表す第1の関係式を予め求めておく。そして、前記第1の関係式に基づいて、前記速度特性を許容限界値とした場合の前記クロック周波数差を求め、該クロック周波数差を前記閾値とする。
この場合には、前記センサ組ごとにクロック周波数差及び速度特性を求め、これらクロック周波数差と速度特性との関係を直線近似することで、前記第1の関係式を得ることができる。
さらに、それぞれの前記センサ組を用いて前記トルク測定装置を仮組立した状態で、前記トルク伝達軸に一定のトルクを加えながら前記トルク伝達軸の回転速度を変化させることで、前記トルク伝達軸の回転速度と前記演算器が算出するトルクの大きさとの関係を表す第2の関係式を求め、該第2の関係式の傾きを前記速度特性とすることができる。
本発明では、前記被検出面の特性変化を、磁気特性の変化とすることができる。
In the present invention, the threshold value can be determined as follows.
That is, a first relational expression representing the relationship between the clock frequency difference and the speed characteristic is determined in advance by using a plurality of sensor sets consisting of two sensors arbitrarily combined from among the plurality of sensors. Then, based on the first relational expression, the clock frequency difference is determined when the speed characteristic is set to an allowable limit value, and the clock frequency difference is set as the threshold value.
In this case, the first relational expression can be obtained by determining the clock frequency difference and the speed characteristic for each sensor group and linearly approximating the relationship between the clock frequency difference and the speed characteristic.
Further, in a state in which the torque measuring device is temporarily assembled using each of the sensor sets, the rotational speed of the torque transmission shaft is changed while applying a constant torque to the torque transmission shaft. A second relational expression representing the relationship between the rotational speed and the magnitude of the torque calculated by the arithmetic unit may be obtained, and the slope of the second relational expression may be taken as the speed characteristic.
In the present invention, the change in the characteristics of the detected surface can be a change in magnetic characteristics.
本発明のトルク測定装置では、前記1対のセンサのそれぞれのクロック周波数を、f0、f0+△fclock[Hz]とし、前記1対のセンサのそれぞれの応答クロック数を、cとし、前記トルク伝達軸の回転数がN0[rpm]である場合の分解能をm0[Nm]とし、前記トルク伝達軸の回転数がN1[rpm]である場合の速度依存誤差をm1[Nm]とした場合に、クロック周波数差△fclockの絶対値を、以下の関係式を満たす値以下に設定することができる。
上述のような本発明によれば、1対のセンサのクロック周波数差を、所定の閾値以下にすることができる。このため、1対のセンサの出力信号同士の間の遅延時間の差を、無作為に選択した1対のセンサを使用する場合に比べて、小さく抑えることができる。この結果、トルクの測定精度の向上を図ることができる。 According to the present invention as described above, the clock frequency difference between a pair of sensors can be made equal to or less than a predetermined threshold value. Therefore, the difference in delay time between the output signals of a pair of sensors can be suppressed to a smaller value than when a pair of randomly selected sensors is used. As a result, it is possible to improve torque measurement accuracy.
[実施の形態の第1例]
実施の形態の第1例について、図1~図6を用いて説明する。
以下、本例のトルク測定装置の構造を説明した後、トルク測定装置を組み立てる際のセンサの選定方法を説明する。
[First example of embodiment]
A first example of the embodiment will be described using FIGS. 1 to 6.
Hereinafter, the structure of the torque measuring device of this example will be explained, and then a method of selecting a sensor when assembling the torque measuring device will be explained.
本例のトルク測定装置は、自動車用の自動変速機に組み込んで使用するもので、ハウジング(ミッションケース)9と、カウンタ軸として機能するトルク伝達軸1aと、それぞれがカウンタギヤとして機能する入力歯車10及び出力歯車11と、1対の転がり軸受12a、12bと、第一エンコーダ13及び第二エンコーダ14と、1対のセンサユニット15a、15bと、演算器16とを備えている。
なお、以下の説明中、軸方向に関して一方側とは、図1の右側をいい、軸方向に関して他方側とは、図1の左側をいう。
The torque measuring device of this example is used by being incorporated into an automatic transmission for an automobile, and includes a housing (transmission case) 9, a
In the following description, one side in the axial direction refers to the right side in FIG. 1, and the other side in the axial direction refers to the left side in FIG. 1.
トルク伝達軸1aは、炭素鋼のごとき合金鋼により中空円筒状に造られたもので、焼き入れ、焼き戻し処理などの熱処理が施されている。また、本例では、トルク伝達軸1aにトルクを入力するための入力歯車10が、トルク伝達軸1aの軸方向他方側部分(図1の左寄り部分)に外嵌固定されており、トルクを出力するための出力歯車11が、トルク伝達軸1aの軸方向一方側部分(図1の右寄り部分)に外嵌固定されている。また、トルク伝達軸1aのうち、入力歯車10及び出力歯車11が外嵌された部分を挟んだ両側部分(一方側端部及び他方側端部)を、1対の転がり軸受12a、12bにより、ハウジング9に対し回転自在に支持している。
The
入力歯車10及び出力歯車11は、炭素鋼のごとき合金鋼製のはすば歯車又は平歯車であり、トルク伝達軸1aとは別体に構成されている。入力歯車10及び出力歯車11とトルク伝達軸1aとの嵌合部には、同心性(同軸度)を確保するための円筒面嵌合部と、相対回転を防止するためのインボリュートスプライン係合部とを、軸方向に隣接配置した構成が採用されている。
The
1対の転がり軸受12a、12bは、例えば深溝型、アンギュラ型などの玉軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、ラジアルニードル軸受、自動調心ころ軸受など(図示の例は玉軸受)であり、それぞれが円環状の外輪17a、17b及び内輪18a、18bと、複数個の転動体19とから構成されている。外輪17a、17bは、使用時にも回転しない静止輪であり、ハウジング9に内嵌固定されている。内輪18a、18bは、使用時に回転する回転輪であり、トルク伝達軸1aに外嵌固定されている。転動体19は、外輪17a、17bの内周面に形成された外輪軌道と、内輪18a、18bの外周面に形成された内輪軌道との間に、保持器により保持された状態で、転動自在に配置されている。また、転がり軸受12a、12bとして、アンギュラ玉軸受や円すいころ軸受を使用する場合には、互いの接触角を逆向きとすることができる。
The pair of rolling
第一エンコーダ13は、トルク伝達軸1aの軸方向一方側の端部に支持固定されている。このため、第一エンコーダ13は、トルク伝達軸1aの軸方向一方側の端部とともに(同期して)回転可能である。これに対し、第二エンコーダ14は、トルク伝達軸1aの軸方向他方側の端部に外嵌固定されている。このため、第二エンコーダ14は、トルク伝達軸1aの軸方向他方側の端部とともに(同期して)回転可能である。
The
第一エンコーダ13は、トルク伝達軸1aの軸方向一方側の端部に螺合固定されるナットのごとき円環状のねじ環20と、ねじ環20の外周面に固定された、ゴム、合成樹脂などの高分子材料中に磁性粉を分散させて全体を円筒状とした、ゴム磁石、プラスチック磁石などの永久磁石製のエンコーダ本体21とから構成されている。これに対し、第二エンコーダ14は、トルク伝達軸1aの軸方向他方側の端部に螺合固定されるナットのごときねじ環22と、ねじ環22の外周面に固定された永久磁石製のエンコーダ本体23とから構成されている。
The
エンコーダ本体21、23中に含有する磁性粉としては、例えば、ストロンチウムフェライト、バリウムフェライトなどのフェライト系の磁性粉や、サマリウム-鉄、サマリウム-コバルト、ネオジウム-鉄-ボロンなどの希土類元素の磁性粉を採用できる。それぞれが被検出面である、エンコーダ本体21、23の外周面は、互いの直径が等しく、互いに同軸に配置されている。また、エンコーダ本体21、23の外周面には、それぞれS極とN極とが、円周方向に関して交互にかつ等ピッチで配置されており、磁気特性を円周方向に関して交互にかつ等ピッチで変化させている。エンコーダ本体21、23の外周面の磁極(S極、N極)の総数は、互いに一致している。
Examples of the magnetic powder contained in the
センサユニット15aは、転がり軸受12aを構成する外輪17aに支持固定されており、第一センサ24と、該第一センサ24を支持した合成樹脂製のセンサブロック25と、該センサブロック25を内側に保持した金属製のセンサキャップ26とを備えている。これに対し、センサユニット15bは、転がり軸受12bを構成する外輪17bに支持固定されており、第二センサ27と、該第二センサ27を支持した合成樹脂製のセンサブロック28と、該センサブロック28を内側に保持した金属製のセンサキャップ29とを備えている。
The
第一センサ24は、図2に示すように、ホール素子、ホールIC、MR素子(GMR素子、TMR素子、AMR素子を含む)などの磁気検出素子30aと、磁気検出素子30aの出力信号をディジタル信号に変換するためのコントローラ31a及び発振器(発振回路)32aなどを備えている。磁気検出素子30aは、第一センサ24の検出部に配置され、自身を通過する磁束密度に応じて、正弦波状のアナログ信号を出力する。磁気検出素子30aのアナログ信号は、コントローラ31aによって、Hi及びLowの2値で表されたパルス信号に変換される。コントローラ31aは、発振器32aが出力するクロック信号のクロック周波数の時間間隔で、磁気検出素子30aのアナログ信号と閾値との大小関係を判定する。発振器32aのクロック周波数f1には、個体差があるが、後述するように、分解能、トルク伝達軸1aの軸剛性、回転数などに応じて決定する。
As shown in FIG. 2, the
第二センサ27は、図2に示すように、第一センサ24と同種の磁気検出素子30bと、磁気検出素子30bの出力信号をディジタル信号に変換するためのコントローラ31b及び発振器(発振回路)32bなどを備えている。磁気検出素子30bは、第二センサ27の検出部に配置され、自身を通過する磁束密度に応じて、正弦波状のアナログ信号を出力する。磁気検出素子30bのアナログ信号は、コントローラ31bによって、Hi及びLowの2値で表されたパルス信号に変換される。コントローラ31bは、発振器32bが出力するクロック信号のクロック周波数の時間間隔で、磁気検出素子30bのアナログ信号と閾値との大小関係を判定する。なお、発振器32bのクロック周波数f2には、個体差があるが、後述するように、分解能、トルク伝達軸1aの軸剛性、回転数などに応じて決定する。
As shown in FIG. 2, the
センサユニット15a、15bを、それぞれ外輪17a、17bに支持した状態で、第一センサ24の検出部(磁気検出素子30a)を、第一エンコーダ13の被検出面(エンコーダ本体21の外周面)に近接対向させるとともに、第二センサ27の検出部(磁気検出素子30b)を、第二エンコーダ14の被検出面(エンコーダ本体23の外周面)に近接対向させている。これにより、第一センサ24は、自身の検出部を通過する磁束密度(検出面を通過する磁束/検出面の面積)に応じて出力信号を変化させ、また、第二センサ27は、自身の検出部を通過する磁束密度に応じて出力信号を変化させる。本例では、第一センサ24及び第二センサ27の出力信号を、それぞれハーネス33a、33bを通じて、演算器16に送信可能としている。
With the
演算器16は、第一センサ24及び第二センサ27の出力信号を利用して、トルク伝達軸1aの回転速度を求めるとともに、トルク伝達軸1aが伝達するトルクを求める機能を有している。
The
第一センサ24の出力信号及び第二センサ27の出力信号は、トルク伝達軸1aとともに第一エンコーダ13及び第二エンコーダ14が回転することに伴い、それぞれ周期的に変化する。ここで、変化の周波数(及び周期)は、トルク伝達軸1aの回転速度とエンコーダの極数との積であるため、予め第一エンコーダ13及び第二エンコーダ14の極数を確認しておけば、周波数(又は周期)に基づいて、トルク伝達軸1aの回転速度を求められる。
The output signal of the
また、トルク伝達軸1aによりトルクを伝達する際には、トルク伝達軸1aのうち、入力歯車10と出力歯車11との間部分が弾性的にねじれ変形する。これにより、トルク伝達軸1aの軸方向両側の端部同士が回転方向に相対変位する。この結果、第一エンコーダ13と第二エンコーダ14とが回転方向に相対変位するため、トルク伝達軸1aのねじれ角に相当する、第一センサ24と第二センサ27の出力信号同士の間の位相差(及び位相差比)が変化する。位相差は、トルク伝達軸1aのねじれ方向の弾性変形量に相関を有している。そこで、演算器16は、トルク伝達軸1aのねじれ剛性をもとに、予め求めておいたトルクと位相差との関係を表す表やマップなどデータを利用して、トルク伝達軸1aが伝達するトルクを求めることができる。
Further, when transmitting torque by the
ただし、第一センサ24及び第二センサ27を、第一センサ24及び第二センサ27の使用候補となる複数のセンサの中から無作為に選択して使用した場合、第一センサ24のクロック周波数と第二センサ27のクロック周波数との差である、クロック周波数差(絶対値)が過大になり、第一センサ24と第二センサ27の出力信号同士の間に大きな遅延時間の差を生じる可能性がある。その結果、演算器16が算出するトルクの出力値に大きなドリフト誤差(詳細は後述する)が含まれることになり、トルクの測定精度が低下する可能性がある。
However, if the
以下、第一センサ24と第二センサ27の出力信号同士の間の位相差から、トルク伝達軸1aが伝達するトルクを求める過程を説明しつつ、第一センサ24と第二センサ27との間のクロック周波数差(△fclock=f1-f2)とドリフト誤差との関係について説明する。なお、第一センサ24と第二センサ27との間のクロック周波数差(△fclock=f1-f2)は、センサの組み合わせを変更しない限り一定である。
Hereinafter, while explaining the process of determining the torque transmitted by the
トルク伝達軸1aにトルクが加わり、トルク伝達軸1aに弾性的なねじれ変形が生じることで、第一センサ24の出力信号Aと第二センサ27の出力信号Bとが、トルクの入力前の状態を表した図3の(A)から、トルクの入力後の状態を表した図3の(B)に示すように変化した場合を考える。ここで、第一センサ24の出力信号Aと第二センサ27の出力信号Bとの間のトルク入力後の位相差(測定値)をt[s]とし、第一センサ24と第二センサ27の出力信号A、Bの周期(測定値)をT[s]とする。また、第一センサ24の出力信号Aと第二センサ27の出力信号Bとの間のトルク入力前の位相差(初期位相差)は、tx[s]とする。
Torque is applied to the
位相差tは、トルク伝達軸1aの回転数(回転速度)に応じて変化するため、トルク伝達軸1aの回転数が既知の一定値の場合でなければ、位相差tのみからトルクを求めることができない。そこで、トルク伝達軸1aの回転数の影響を取り除くために、位相差tを周期Tで除することにより、位相差比rを求める。位相差比rは、次の(1)式で表すことができる。
前述したように、第一センサ24の出力信号Aは、第一センサ24のクロック周波数f1に応じた遅延時間を生じるのに対し、第二センサ27の出力信号Bは、第二センサ27のクロック周波数f2に応じた遅延時間を生じる。このため、第一センサ24のクロック周波数f1と第二センサ27のクロック周波数f2とが異なる場合、第一センサ24の出力信号Aと第二センサ27の出力信号Bとの間には遅延時間の差を生じる。したがって、上記(1)式中の位相差tは、トルク伝達軸1aのねじれ角を反映した本来の(正しい)位相差t0[s]と、第一センサ24の出力信号Aと第二センサ27の出力信号Bとの間の遅延時間の差△t[s]とに分けることができる。このため、上記(1)式は、次の(2)式で表すことができる。遅延時間の差△t[s]を含む項が、トルク算出における誤差成分となる。なお、位相差t0には、初期位相差txが含まれる。
ここで、ホールICなどの磁気検出素子30a、30bが応答に要する時間である、遅延時間(τ)は、応答クロック数(c)と駆動周期(τ0)とを用いて、次の(3)式で表すことができる。
一方、上記(2)式の右辺は、t0/Tで表される第1項と、△t/Tで表される第2項とに分けることができるが、このうちの第1項(t0/T)は、トルク伝達軸1aの回転数(回転速度)に依存せず、かつ、磁気検出素子の遅延時間の差に起因する誤差を含まない真の位相差比であり、これをr0に置き換えると、次の(5)式が得られる。
上記(5)式の右辺は、上述したようにトルク伝達軸1aの回転数に依存せず、かつ、誤差成分を含まない真の位相差比r0(第1項)と、トルク伝達軸1aの回転数に依存する遅延時間の差に起因した位相差比△t/T(第2項)とになる。このため、この第2項が、位相差比rのドリフト誤差の成分になる。
As mentioned above, the right side of the above equation (5) is the true phase difference ratio r 0 (first term) that does not depend on the rotation speed of the
また、上記(5)式は、トルクと位相差比との比例関係、及び、周期と回転数との反比例関係を用いると、次の(6)式で示すような、関係式(トルク計算式)に変形することができる。なお、(6)式中、M[Nm]は、演算器16が算出するトルクの出力値を表しており、M0[Nm]は、トルク伝達軸1aが伝達する真のトルクの大きさを表しており、k1は係数を表しており、N[rpm]はトルク伝達軸1aの回転数を表している。
したがって、第一センサ24と第二センサ27との間にクロック周波数差が存在する場合には、演算器16が算出するトルクの出力値Mに、上記(6)式の右辺の第2項(k1△tN)で表されるドリフト誤差(△M)が含まれることが分かる。
Therefore, if there is a clock frequency difference between the
また、トルクの出力値Mに含まれるドリフト誤差(△M)は、遅延時間の差△tと、トルク伝達軸1aの回転数Nに比例することが分かる。このため、トルクの出力値Mに含まれるドリフト誤差(△M)は、遅延時間の差△tが大きくなるほど大きくなり、トルク伝達軸1aの回転数Nが速くなるほど大きくなる。なお、演算器16が算出するトルクの出力値Mは、位相差比rに比例し(M∝r)、周期Tは、第一エンコーダ13及び第二エンコーダ14の極対数をPとした場合に、T=60/PNで表される。このため、ドリフト誤差(△M)は、次の(7)式で表すこともできる。なお、(7)式中、k2は係数を表しており、トルク伝達軸1aのねじり剛性をG[Nm/rad]とした場合に、k2=2πG/Pで表される。
そこで本例では、第一センサ24及び第二センサ27として、同じ品番のセンサを使用するだけでなく、トルク伝達装置の組立時に、第一センサ24のクロック周波数f1と第二センサ27のクロック周波数f2との差の絶対値(|△fclock|)が小さくなるように、第一センサ24及び第二センサ27を選択している。具体的には、第一センサ24及び第二センサ27の使用候補である複数のセンサのクロック周波数を予め測定しておき、該複数のセンサの中からクロック周波数差の絶対値が所定の閾値以下となる2個のセンサを選択し、第一センサ24及び第二センサ27として用いるようにしている。
Therefore, in this example, not only sensors with the same product number are used as the
第一センサ24と第二センサ27との間のクロック周波数差(絶対値)は、理論的には、小さければ小さいほど(好ましくはゼロであれば)、演算器16が算出するトルクに含まれるドリフト誤差を抑制できるため好ましい。ただし、第一センサ24と第二センサ27との間のクロック周波数差をゼロにすることは、現実的には困難である場合もあるし、トルク測定装置に要求されるトルクの測定精度との関係で過剰品質になる可能性もある。このため、クロック周波数差は、トルク測定装置に要求されるトルクの測定精度を満足できる範囲内に収めることが重要になる。以下、トルク測定装置に要求されるトルクの測定精度を満足するのに必要な、クロック周波数差の閾値(上限値)の設定方法について説明する。
Theoretically, the smaller the clock frequency difference (absolute value) between the
上述のようにして得られた(6)式は、横軸にトルク伝達軸1aの回転数をとり、縦軸に演算器16が算出するトルクの出力値をとると、図4に示したグラフで表され、その傾きはk1△t[Nm/rpm]となる。本例では、この傾きのことを速度特性と呼び、記号Sで表す。速度特性Sは、遅延時間の差△tに相関があるため、第一センサ24と第二センサ27とのクロック周波数差が変化するとすれば、図5に示すように、クロック周波数差に応じてその値が比例的に変化する。そこで、クロック周波数差△fclockを用いて、速度特性Sは、次の(8)式で表すことができる。
上記(8)式中、hは、図5のグラフの傾きに相当し、トルク伝達軸1aのねじり剛性の大きさによって変化する係数である。このため、速度特性Sは、使用するトルク伝達軸1aのねじり剛性によって定まる係数hと比例関係があることが分かる。また、クロック周波数差△fclockを小さく設定すれば、遅延時間の差を抑制することができ、速度特性S、ひいてはトルクのドリフト誤差を抑制できることが分かる。また、上記(8)式を変形すると、次の(9)式を得ることができる。
上記(9)式を用いれば、速度特性Sの値を、トルクの測定精度を満足できる許容限界値に設定することで、それに必要なクロック周波数差△fclockを求めることができる。別な言い方をすれば、ドリフト誤差をどの程度抑える必要があるかを設定することで、それに必要なクロック周波数差△fclockを求めることができる。次に、上記(8)式及び上記(9)式の具体的な算出方法について説明する。 Using the above equation (9), by setting the value of the speed characteristic S to an allowable limit value that satisfies the torque measurement accuracy, it is possible to obtain the clock frequency difference Δf clock required therefor. In other words, by setting the degree to which the drift error needs to be suppressed, the necessary clock frequency difference Δf clock can be found. Next, a specific method of calculating the above equations (8) and (9) will be explained.
先ず、第一センサ24及び第二センサ27の使用候補となる、同じ品番のセンサを複数(少なくとも3個以上)用意する。そして、この複数のセンサの中から、任意に組み合わせた2個のセンサからなるセンサ組を複数用意する。そして、それぞれのセンサ組を構成する1対のセンサを用いて、トルク伝達装置を仮組立する。
First, a plurality of sensors (at least three or more) having the same product number are prepared as candidates for use as the
その後、トルク伝達軸1aに既知の一定のトルクを加えながら、トルク伝達軸1aの回転数を変化させる。これにより、それぞれのセンサ組ごとに、トルク伝達軸1aの回転数と演算器16が算出するトルクの大きさとの関係を表す関係式である、前記(6)式(第2の関係式)を求める。そして、この関係式の傾き(k1△t)に相当する、速度特性Sを求める。
Thereafter, the rotation speed of the
そして、複数のセンサ組それぞれのクロック周波数差及び速度特性を用いて、クロック周波数差と速度特性との関係を表す関係式である、前記(8)式(第1の関係式)を求める。つまり、トルク伝達軸1aのねじり剛性によって定まる係数hの値を特定する。
Then, using the clock frequency difference and speed characteristic of each of the plurality of sensor sets, the above equation (8) (first relational expression), which is a relational expression expressing the relationship between the clock frequency difference and the speed characteristic, is determined. That is, the value of the coefficient h determined by the torsional rigidity of the
具体的には、例えば9つのセンサ組それぞれについて、クロック周波数差(△f1、△f2・・・△f9)及び速度特性(S1、S2・・・S9)を求めた場合、これらクロック周波数差及び速度特性を座標上にプロットすると、図6に示したようになる。そこで、クロック周波数差と速度特性との関係を直線近似すると、例えば、(8)式に相当するS=0.0085△fclockなる関係式、及び、(9)式に相当する△fclock=S/0.0085なる関係式を得ることができる。このため、これらの関係式を予め求めておけば、トルクの測定精度を満足できる速度特性Sの許容限界値を、例えば2.0×10-3[Nm/rpm]と設定した場合に、これを満足できるクロック周波数差が235kHzであると算出することができる。このように、本例では、トルク伝達装置に要求されるトルクの測定精度に応じて、速度特性Sを任意の許容限界値に設定し、クロック周波数差の上限値である閾値を求めることができる。 Specifically, for example, when the clock frequency difference (△f 1 , △f 2 ... △f 9 ) and speed characteristic (S 1 , S 2 ... S 9 ) are calculated for each of nine sensor sets. , when these clock frequency differences and speed characteristics are plotted on coordinates, it becomes as shown in FIG. Therefore, by linearly approximating the relationship between the clock frequency difference and the speed characteristic, for example, the relational expression S=0.0085△f clock corresponding to equation (8) and △ f clock = corresponding to equation (9) are obtained. A relational expression of S/0.0085 can be obtained. Therefore, if these relational expressions are determined in advance, if the allowable limit value of the speed characteristic S that satisfies torque measurement accuracy is set to, for example, 2.0×10 -3 [Nm/rpm], this It can be calculated that the clock frequency difference that satisfies the following is 235 kHz. In this way, in this example, the speed characteristic S can be set to an arbitrary allowable limit value according to the torque measurement accuracy required of the torque transmission device, and the threshold value that is the upper limit value of the clock frequency difference can be determined. .
次に、センサ(第一センサ24及び第二センサ27)のクロック周波数及びクロック周波数差の決定方法について説明する。
本例のようなパルス位相差式のトルク測定装置においては、使用している磁気検出素子の駆動周期以下の時間変化を生じるようなトルクを検出することは不可能である。このため、トルク伝達軸の回転数がN0[rpm](周期がT0[s])のときに、分解能をm0[Nm]としたい場合、分解能m0は、m0=k2×τ0/T0で表されるから、センサのクロック周波数f0(1/τ0)[Hz]は、以下の式(10)で表すことができる。
In a pulse phase difference type torque measuring device such as the present example, it is impossible to detect torque that causes a time change that is shorter than the drive cycle of the magnetic detection element used. Therefore, if you want the resolution to be m 0 [Nm] when the rotational speed of the torque transmission shaft is N 0 [rpm] (the period is T 0 [s]), the resolution m 0 is m 0 = k 2 × Since it is expressed by τ 0 /T 0 , the sensor clock frequency f 0 (1/τ 0 ) [Hz] can be expressed by the following equation (10).
なお、センサの出力の時間分解能は、磁気検出素子の応答に要する遅延時間τ[s]となる。また、遅延時間τは、応答クロック数cと駆動周期τ0との積になるので、応答周波数をf(=1/τ)[Hz]とすると、応答クロック数(c)に関して、次の(12)式が得られる。
また、2つのセンサのそれぞれのクロック周波数を、f0、f0+△fclock[Hz]と置くと、2つの磁気検出素子の駆動周期差(△τ)は、次の式(13)で表すことができる。
また、トルク伝達軸の回転数がN1[rpm]である場合に、速度依存誤差(測定誤差)をm1[Nm]としたい場合には、トルク伝達軸の回転数がN1[rpm]である場合のパルス周期をT1[s]とすると、測定誤差m1[Nm]は、次の式(14)で表すことができる。
以上のような第一センサ24及び第二センサ27の選定方法を実施することにより組み立てられる本例のトルク伝達装置によれば、第一センサ24と第二センサ27のクロック周波数差を、トルク測定装置に要求されるトルクの測定精度を満足できる範囲内に収めることができる。このため、第一センサ24の出力信号Aと第二センサ27の出力信号Bとの間の遅延時間の差を、無作為に選択した1対のセンサを使用する場合に比べて、十分に小さく抑えることができ、演算器16により算出されるトルクの出力値に生じるドリフト誤差を抑制することができる。この結果、トルクの測定精度の向上を図ることができる。
According to the torque transmission device of this example assembled by carrying out the method for selecting the
本発明のトルク測定装置を構成するトルク伝達軸は、自動車のパワートレインを構成する回転軸に限らず、例えば、風車の回転軸(主軸、増速器の回転軸)、圧延機のロールネック、鉄道車両の回転軸(車軸、減速機の回転軸)、工作機械の回転軸(主軸、送り系の回転軸)、建設機械・農業機械・家庭用電気器具・モータの回転軸等、各種機械装置の回転軸を対象にすることができる。また、自動車のパワートレインを構成する場合には、例えば、トルクコンバータからトルクが入力されるインプットシャフト(タービンシャフト)や、カウンタシャフトを対象とすることができる。 The torque transmission shaft constituting the torque measuring device of the present invention is not limited to the rotary shaft constituting the power train of an automobile, but includes, for example, the rotary shaft of a wind turbine (the main shaft, the rotary shaft of a speed increaser), the roll neck of a rolling mill, Various mechanical devices, such as rolling shafts of railway vehicles (axles, reducer shafts), machine tool shafts (main shafts, feeding system shafts), construction machinery, agricultural machinery, household appliances, motor shafts, etc. The axis of rotation can be targeted. Further, when configuring a power train of an automobile, for example, an input shaft (turbine shaft) into which torque is input from a torque converter or a countershaft can be targeted.
また、本発明のトルク測定装置を組み込んで変速機を構成する場合、変速機の形式は、特に限定されず、オートマチックトランスミッション(AT)、ベルト式やトロイダル式等の各種無段変速機(CVT)、オートメーテッドマニュアルトランスミッション(AMT)、デュアルクラッチトランスミッション(DCT)、トランスファーなど、車側の制御により変速を行う変速機を採用できる。また、変速機の設置位置と駆動輪との関係は特に限定されず、前置エンジン前輪駆動車(FF車)、前置エンジン後輪駆動車(FR車)、及び、四輪駆動車等が対象となる。 Furthermore, when the torque measuring device of the present invention is incorporated to configure a transmission, the type of the transmission is not particularly limited, and may be an automatic transmission (AT), various continuously variable transmissions (CVT) such as a belt type or a toroidal type. , automated manual transmission (AMT), dual clutch transmission (DCT), transfer, and other transmissions that change gears under vehicle control can be used. Furthermore, the relationship between the installation position of the transmission and the drive wheels is not particularly limited; front-engine front-wheel drive vehicles (FF vehicles), front-engine rear-wheel drive vehicles (FR vehicles), four-wheel drive vehicles, etc. Targeted.
また、測定した回転速度及びトルクは、変速制御やエンジンの出力制御以外の車両制御を行うために利用しても良い。また、変速機の上流側に置かれる動力源は、必ずしもガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関である必要はなく、例えばハイブリッド車や電気自動車に用いられる電動モータであっても良い。 Further, the measured rotational speed and torque may be used to perform vehicle control other than gear change control and engine output control. Further, the power source placed upstream of the transmission does not necessarily have to be an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine, but may be an electric motor used in a hybrid vehicle or an electric vehicle, for example.
さらに、実施の形態では、第一エンコーダ及び第二エンコーダを、それぞれ永久磁石製とし、これら第一、第二両エンコーダの被検出面に、N極とS極とを円周方向に関して交互に配置する構成を採用した例を説明した。ただし、本発明を実施する場合には、第一、第二両エンコーダを単なる磁性材製とし、これら第一、第二両エンコーダの被検出面に、凸部、舌片又は柱部などの充実部と、凹部、切り欠き又は透孔などの除肉部とを、円周方向に関して交互に配置する構成を採用することができる。このような構成を採用する場合には、第一、第二両センサ側に永久磁石を組み込む。 Furthermore, in the embodiment, the first encoder and the second encoder are each made of a permanent magnet, and N poles and S poles are arranged alternately in the circumferential direction on the detection surfaces of both the first and second encoders. An example in which a configuration is adopted has been explained. However, when implementing the present invention, both the first and second encoders are simply made of magnetic material, and the detection surfaces of the first and second encoders are provided with a convex portion, a tongue piece, a pillar portion, etc. It is possible to adopt a configuration in which portions and thinned portions such as recesses, cutouts, or through holes are arranged alternately in the circumferential direction. When adopting such a configuration, permanent magnets are incorporated on both the first and second sensor sides.
1、1a トルク伝達軸
2a、2b エンコーダ
3a、3b センサ
4a、4b 被検出面
5a、5b 検出部
6 磁気検出素子
7 コントローラ
8 発振器
9 ハウジング
10 入力歯車
11 出力歯車
12a、12b 転がり軸受
13 第一エンコーダ
14 第二エンコーダ
15a、15b センサユニット
16 演算器
17a、17b 外輪
18a、18b 内輪
19 転動体
20 ねじ環
21 エンコーダ本体
22 ねじ環
23 エンコーダ本体
24 第一センサ
25 センサブロック
26 センサキャップ
27 第二センサ
28 センサブロック
29 センサキャップ
30a、30b 磁気検出素子
31a、31b コントローラ
32a、32b 発振器
33a、33b ハーネス
1, 1a
Claims (4)
磁気特性を円周方向に関して交互に変化させた被検出面を有し、前記トルク伝達軸に直接又は使用時に前記トルク伝達軸と同期して回転する部材に支持された1対のエンコーダと、
前記1対のエンコーダのそれぞれの被検出面に検出部を対向させ、前記被検出面の磁気特性の変化に対応して出力信号を変化させる、使用時にも回転しない部分に支持された1対のセンサと、
前記1対のセンサの出力信号同士の間の位相差に基づいて、前記トルク伝達軸が伝達するトルクを求める機能を有する演算器と、
を備えたトルク測定装置の組立方法であって、
前記1対のセンサの使用候補である複数のセンサの中から、クロック周波数差の絶対値が所定の閾値以下となる、2個のセンサを選択する工程を有する、トルク測定装置の組立方法。 A torque transmission shaft that transmits torque during use,
a pair of encoders having detection surfaces whose magnetic properties are alternately changed in the circumferential direction and supported by a member that rotates directly on the torque transmission shaft or in synchronization with the torque transmission shaft during use;
A pair of encoders supported by a portion that does not rotate during use, the detection unit being opposed to each detection surface of the pair of encoders, and changing the output signal in response to changes in the magnetic characteristics of the detection surface. sensor and
a computing unit having a function of determining the torque transmitted by the torque transmission shaft based on the phase difference between the output signals of the pair of sensors;
A method for assembling a torque measuring device comprising:
A method for assembling a torque measuring device, comprising the step of selecting two sensors whose absolute value of clock frequency difference is less than or equal to a predetermined threshold value from among a plurality of sensors that are candidates for use of the pair of sensors.
磁気特性を円周方向に関して交互に変化させた被検出面を有し、前記トルク伝達軸に直接又は使用時に前記トルク伝達軸と同期して回転する部材に支持された1対のエンコーダと、
前記1対のエンコーダのそれぞれの被検出面に検出部を対向させ、前記被検出面の特性変化に対応して出力信号を変化させる、使用時にも回転しない部分に支持された1対のセンサと、
前記1対のセンサの出力信号同士の間の位相差に基づいて、前記トルク伝達軸が伝達するトルクを求める機能を有する演算器と、を備え、
前記1対のセンサのそれぞれのクロック周波数を、f0、f0+△fclock[Hz]とし、
前記1対のセンサのそれぞれの応答クロック数を、cとし、
前記トルク伝達軸の回転数がN0[rpm]である場合の分解能をm0[Nm]とし、
前記トルク伝達軸の回転数がN1[rpm]である場合の速度依存誤差をm1[Nm]とした場合に、
クロック周波数差△fclockの絶対値を、以下の関係式を満たす値以下に設定した、トルク測定装置。
A torque transmission shaft that transmits torque during use,
a pair of encoders having detection surfaces whose magnetic properties are alternately changed in the circumferential direction and supported by a member that rotates directly on the torque transmission shaft or in synchronization with the torque transmission shaft during use;
a pair of sensors supported by a portion that does not rotate even during use, with a detection unit facing each detection surface of the pair of encoders, and changing an output signal in response to a change in the characteristics of the detection surface; ,
a computing unit having a function of determining the torque transmitted by the torque transmission shaft based on the phase difference between the output signals of the pair of sensors;
Let the clock frequencies of each of the pair of sensors be f 0 , f 0 +△f clock [Hz],
The number of response clocks of each of the pair of sensors is c,
When the rotation speed of the torque transmission shaft is N 0 [rpm], the resolution is m 0 [Nm],
When the speed dependent error is m 1 [Nm] when the rotational speed of the torque transmission shaft is N 1 [rpm],
A torque measuring device in which the absolute value of the clock frequency difference Δf clock is set to be less than or equal to a value that satisfies the following relational expression.
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