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 torque transmission shaft 1, a pair of encoders 2a, 2b, and a pair of sensors 3a, 3b. Each of the encoders 2a and 2b has detection surfaces 4a and 4b on the outer peripheral surface in which N poles and S poles are arranged alternately and at equal intervals in the circumferential direction. It is externally fitted and fixed at two positions spaced apart in the axial direction. Each of the sensors 3a, 3b has a detecting section 5a, 5b at its tip end facing the detected surface 4a, 4b, and changes the output signal according to the magnetic flux density passing through the detecting section 5a, 5b. That is, the output signals of the sensors 3a, 3b change periodically as the encoders 2a, 2b rotate together with the torque transmission shaft 1.

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 torque transmission shaft 1 is elastically deformed in a torsional direction as torque is transmitted and a pair of encoders 2a and 2b are relatively displaced in a rotational direction, output signals from a pair of sensors 3a and 3b are generated. The phase difference between them changes. The phase difference between the output signals of the pair of sensors 3a and 3b has a correlation with the amount of elastic deformation of the torque transmission shaft 1 in the torsional direction. Further, the amount of elastic deformation of the torque transmission shaft 1 in the torsional direction has a correlation with the magnitude of the torque transmitted by the torque transmission shaft 1. Therefore, the torque measuring device is configured to determine the torque transmitted by the torque transmission shaft 1 based on the phase difference between the output signals of the pair of sensors 3a and 3b.

特開2012-98268号公報JP2012-98268A

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 sensor 3a (3b) used in the torque measuring device generally includes a magnetic detection element 6 such as a Hall element, and a controller for converting the output signal of the magnetic detection element 6 into a digital signal. 7 and an oscillator (oscillation circuit) 8.

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 magnetic detection element 6 functions as a detection part of the sensor 3a (3b), and generates a sinusoidal analog signal as shown in FIG. 9(A) according to the magnetic flux density passing through it. Output. The analog signal of the magnetic detection element 6 is converted by the controller 7 into a pulse signal (rectangular wave signal) expressed in binary values of Hi and Low, as shown in FIG. 9(D). The controller 7 determines the magnitude relationship between the analog signal of the magnetic detection element 6 and the threshold value at time intervals determined by the oscillator 8.

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 oscillator 8 outputs a rectangular waveform clock signal as shown in FIG. 9(B). The frequency of the clock signal is called a clock frequency, and the frequency of the clock signal of each sensor is constant. The controller 7 uses the rising and falling timings of the clock signal to determine the magnitude relationship between the analog signal of the magnetic detection element 6 and the threshold value. Therefore, as shown in (C) and (D) of FIG. 9, the timing at which the analog signal of the magnetic detection element 6 actually exceeds the threshold value and the timing at which the controller 7 outputs a Hi signal to determine that the threshold value has been exceeded. There will be a time lag, that is, a delay time, that changes depending on the clock frequency.

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、f、f+△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N[rpm]である場合の分解能をm[Nm]とし、前記トルク伝達軸の回転数がN[rpm]である場合の速度依存誤差をm[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。

Figure 0007380288000001
In the torque measuring device of the present invention, the clock frequency of each of the pair of sensors is f 0 , f 0 +Δf clock [Hz], and the number of response clocks of each of the pair of sensors is c, The resolution when the rotation speed of the torque transmission shaft is N 0 [rpm] is m 0 [Nm], and the speed-dependent error when the rotation speed of the torque transmission shaft is N 1 [rpm] is m 1 [ Nm], the absolute value of the clock frequency difference Δf clock can be set to a value that satisfies the following relational expression or less.
Figure 0007380288000001

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.

図1は、実施の形態の第1例にかかるトルク伝達装置を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a torque transmission device according to a first example of the embodiment. 図2は、実施の形態の第1例にかかるトルク伝達装置に使用する1対のセンサ及び演算器の概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram of a pair of sensors and a computing unit used in the torque transmission device according to the first example of the embodiment. 図3は、1対のセンサの出力信号を示す図であり、(A)はトルク入力前の出力信号を示しており、(B)はトルク入力後の出力信号を示している。FIG. 3 is a diagram showing output signals of a pair of sensors, in which (A) shows the output signal before torque input, and (B) shows the output signal after torque input. 図4は、トルク伝達軸の回転数と演算器が算出するトルクの出力値との関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the rotational speed of the torque transmission shaft and the torque output value calculated by the calculator. 図5は、クロック周波数差と速度特性との関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between clock frequency difference and speed characteristics. 図6は、9つのセンサ組のそれぞれのクロック周波数差及び速度特性を座標上にプロットし、直線近似により求めたグラフである。FIG. 6 is a graph in which clock frequency differences and speed characteristics of nine sensor groups are plotted on coordinates and obtained by linear approximation. 図7は、トルク測定装置の従来構造の1例を示す側面図である。FIG. 7 is a side view showing an example of a conventional structure of a torque measuring device. 図8は、トルク測定装置に用いるセンサの概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram of a sensor used in the torque measuring device. 図9の(A)は、磁気検出素子が出力するアナログ信号を示す図であり、図9の(B)は、発振器が出力するクロック信号を示す図であり、図9の(C)は、クロック周波数に基づき遅延時間が生じる理由を説明するために示す図であり、図9の(D)は、コントローラが出力するパルス信号を示す図である。(A) of FIG. 9 is a diagram showing an analog signal outputted by the magnetic detection element, (B) of FIG. 9 is a diagram showing a clock signal outputted by the oscillator, and (C) of FIG. FIG. 9D is a diagram illustrating the reason why a delay time occurs based on the clock frequency, and FIG. 9D is a diagram illustrating a pulse signal output by the controller.

[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 torque transmission shaft 1a functioning as a counter shaft, and an input gear each functioning as a counter gear. 10 and an output gear 11, a pair of rolling bearings 12a and 12b, a first encoder 13 and a second encoder 14, a pair of sensor units 15a and 15b, and a computing unit 16.
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 torque transmission shaft 1a is made of alloy steel such as carbon steel and has a hollow cylindrical shape, and is subjected to heat treatment such as hardening and tempering. In addition, in this example, the input gear 10 for inputting torque to the torque transmission shaft 1a is externally fitted and fixed to the other axially side portion of the torque transmission shaft 1a (left side portion in FIG. 1), and outputs torque. An output gear 11 is externally fitted and fixed to one axially side portion (the right side portion in FIG. 1) of the torque transmission shaft 1a. In addition, a pair of rolling bearings 12a and 12b connect both sides (one end and the other end) of the torque transmission shaft 1a between which the input gear 10 and the output gear 11 are fitted. It is rotatably supported with respect to the housing 9.

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 input gear 10 and the output gear 11 are helical gears or spur gears made of alloy steel such as carbon steel, and are configured separately from the torque transmission shaft 1a. The fitting portions between the input gear 10 and the output gear 11 and the torque transmission shaft 1a include a cylindrical surface fitting portion to ensure concentricity (coaxiality) and an involute spline engagement portion to prevent relative rotation. A configuration is adopted in which the two are arranged adjacent to each other in the axial direction.

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 bearings 12a and 12b are, for example, deep groove type, angular type ball bearings, tapered roller bearings, cylindrical roller bearings, radial needle bearings, self-aligning roller bearings, etc. (the illustrated example is a ball bearing), Each of them includes an annular outer ring 17a, 17b, an annular inner ring 18a, 18b, and a plurality of rolling elements 19. The outer rings 17a and 17b are stationary rings that do not rotate even during use, and are fixedly fitted into the housing 9. The inner rings 18a and 18b are rotary rings that rotate during use, and are externally fitted and fixed to the torque transmission shaft 1a. The rolling elements 19 are held by a retainer between an outer ring raceway formed on the inner peripheral surface of the outer rings 17a, 17b and an inner ring raceway formed on the outer peripheral surface of the inner rings 18a, 18b. They are freely placed. Moreover, when using angular contact ball bearings or tapered roller bearings as the rolling bearings 12a and 12b, the contact angles can be made opposite to each other.

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 first encoder 13 is supported and fixed to one end of the torque transmission shaft 1a in the axial direction. Therefore, the first encoder 13 is rotatable (in synchronization) with the one axial end of the torque transmission shaft 1a. On the other hand, the second encoder 14 is externally fitted and fixed to the other end of the torque transmission shaft 1a in the axial direction. Therefore, the second encoder 14 is rotatable (in synchronization) with the other end of the torque transmission shaft 1a in the axial direction.

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 first encoder 13 includes an annular threaded ring 20 such as a nut that is screwed and fixed to one end of the torque transmission shaft 1a in the axial direction, and a rubber or synthetic resin fixed to the outer peripheral surface of the threaded ring 20. The encoder body 21 is made of a permanent magnet such as a rubber magnet or a plastic magnet, and the encoder body 21 is made entirely of a cylindrical shape by dispersing magnetic powder in a polymeric material such as a rubber magnet or a plastic magnet. On the other hand, the second encoder 14 includes a threaded ring 22 such as a nut screwed onto the other end of the torque transmission shaft 1a in the axial direction, and a permanent magnet fixed to the outer peripheral surface of the threaded ring 22. It is composed of an encoder main body 23.

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 encoder bodies 21 and 23 include ferrite magnetic powder such as strontium ferrite and barium ferrite, and rare earth element magnetic powder such as samarium-iron, samarium-cobalt, and neodymium-iron-boron. can be adopted. The outer peripheral surfaces of the encoder bodies 21 and 23, each of which is a surface to be detected, have the same diameter and are arranged coaxially with each other. Further, on the outer circumferential surfaces of the encoder bodies 21 and 23, S poles and N poles are arranged alternately and at equal pitches in the circumferential direction, and the magnetic properties are arranged alternately and at equal pitches in the circumferential direction. It's changing. The total number of magnetic poles (S poles, N poles) on the outer peripheral surfaces of the encoder bodies 21 and 23 are the same.

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 sensor unit 15a is supported and fixed to an outer ring 17a that constitutes a rolling bearing 12a, and includes a first sensor 24, a sensor block 25 made of synthetic resin that supports the first sensor 24, and a sensor block 25 with the sensor block 25 inside. A metal sensor cap 26 is also provided. On the other hand, the sensor unit 15b is supported and fixed to an outer ring 17b constituting the rolling bearing 12b, and includes a second sensor 27, a sensor block 28 made of synthetic resin that supports the second sensor 27, and the sensor block The sensor cap 29 is made of metal and has a sensor cap 28 held inside.

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f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 first sensor 24 includes a magnetic detection element 30a such as a Hall element, a Hall IC, an MR element (including a GMR element, a TMR element, and an AMR element), and converts the output signal of the magnetic detection element 30a into a digital signal. It includes a controller 31a and an oscillator (oscillation circuit) 32a for converting into signals. The magnetic detection element 30a is arranged at the detection part of the first sensor 24, and outputs a sinusoidal analog signal according to the magnetic flux density passing through itself. The analog signal of the magnetic detection element 30a is converted by the controller 31a into a pulse signal expressed in binary values of Hi and Low. The controller 31a determines the magnitude relationship between the analog signal of the magnetic detection element 30a and the threshold value at the time interval of the clock frequency of the clock signal output by the oscillator 32a. Although there are individual differences in the clock frequency f1 of the oscillator 32a, it is determined depending on the resolution, shaft rigidity of the torque transmission shaft 1a, rotation speed, etc., as described later.

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f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 second sensor 27 includes a magnetic detection element 30b of the same type as the first sensor 24, a controller 31b for converting the output signal of the magnetic detection element 30b into a digital signal, and an oscillator (oscillation circuit) 32b. It is equipped with such things as The magnetic detection element 30b is arranged in the detection section of the second sensor 27, and outputs a sinusoidal analog signal according to the magnetic flux density passing through itself. The analog signal of the magnetic detection element 30b is converted by the controller 31b into a pulse signal expressed in binary values of Hi and Low. The controller 31b determines the magnitude relationship between the analog signal of the magnetic detection element 30b and the threshold value at the time interval of the clock frequency of the clock signal output by the oscillator 32b. Note that although there are individual differences in the clock frequency f2 of the oscillator 32b, it is determined depending on the resolution, shaft rigidity of the torque transmission shaft 1a, rotation speed, etc., as described later.

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 sensor units 15a and 15b supported by the outer rings 17a and 17b, respectively, the detection part (magnetic detection element 30a) of the first sensor 24 is placed on the detection surface of the first encoder 13 (the outer peripheral surface of the encoder body 21). In addition, the detection portion (magnetic detection element 30b) of the second sensor 27 is made to closely oppose the detection surface of the second encoder 14 (the outer peripheral surface of the encoder main body 23). As a result, the first sensor 24 changes its output signal according to the magnetic flux density passing through its detection section (magnetic flux passing through its detection surface/area of its detection surface), and the second sensor 27 The output signal is changed according to the magnetic flux density passing through the detection section. In this example, the output signals of the first sensor 24 and the second sensor 27 can be transmitted to the computing unit 16 through harnesses 33a and 33b, respectively.

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 computing unit 16 has the function of determining the rotational speed of the torque transmission shaft 1a using the output signals of the first sensor 24 and the second sensor 27, and also determining the torque transmitted by the torque transmission shaft 1a.

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 first sensor 24 and the output signal of the second sensor 27 change periodically as the first encoder 13 and the second encoder 14 rotate together with the torque transmission shaft 1a. Here, since the frequency (and period) of change is the product of the rotational speed of the torque transmission shaft 1a and the number of poles of the encoder, it is necessary to check the number of poles of the first encoder 13 and the second encoder 14 in advance. , the rotational speed of the torque transmission shaft 1a is determined based on the frequency (or period).

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 torque transmission shaft 1a, a portion of the torque transmission shaft 1a between the input gear 10 and the output gear 11 is elastically torsionally deformed. As a result, the ends of the torque transmission shaft 1a on both sides in the axial direction are displaced relative to each other in the rotational direction. As a result, the first encoder 13 and the second encoder 14 are displaced relative to each other in the rotational direction, so that the position between the output signals of the first sensor 24 and the second sensor 27, which corresponds to the torsion angle of the torque transmission shaft 1a, is The phase difference (and phase difference ratio) changes. The phase difference has a correlation with the amount of elastic deformation of the torque transmission shaft 1a in the torsional direction. Therefore, the computing unit 16 uses data such as a table or map showing the relationship between torque and phase difference determined in advance based on the torsional rigidity of the torque transmission shaft 1a, and calculates the torque transmitted by the torque transmission shaft 1a. Torque can be determined.

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 first sensor 24 and the second sensor 27 are randomly selected from a plurality of sensors that are candidates for use as the first sensor 24 and the second sensor 27, the clock frequency of the first sensor 24 The clock frequency difference (absolute value), which is the difference between the clock frequency of There is sex. As a result, the torque output value calculated by the computing unit 16 will include a large drift error (details will be described later), and the torque measurement accuracy may deteriorate.

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=f-f)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=f-f)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 torque transmission shaft 1a from the phase difference between the output signals of the first sensor 24 and the second sensor 27, The relationship between the clock frequency difference (Δf clock = f 1 - f 2 ) and the drift error will be explained. Note that the clock frequency difference (Δf clock = f 1 − f 2 ) between the first sensor 24 and the second sensor 27 is constant unless the combination of sensors is changed.

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 torque transmission shaft 1a, and elastic torsional deformation occurs in the torque transmission shaft 1a, so that the output signal A of the first sensor 24 and the output signal B of the second sensor 27 change to the state before torque input. Consider a case in which the state changes from (A) in FIG. 3, which shows the state, to (B) in FIG. 3, which shows the state after torque input. Here, the phase difference (measured value) between the output signal A of the first sensor 24 and the output signal B of the second sensor 27 after torque input is t [s], and the first sensor 24 and the second sensor 27 Let T[s] be the period (measured value) of the output signals A and B. Further, the phase difference (initial phase difference) between the output signal A of the first sensor 24 and the output signal B of the second sensor 27 before torque input is tx[s].

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。

Figure 0007380288000002
Since the phase difference t changes according to the rotational speed (rotational speed) of the torque transmission shaft 1a, unless the rotational speed of the torque transmission shaft 1a is a known constant value, the torque cannot be calculated only from the phase difference t. I can't. Therefore, in order to remove the influence of the rotational speed of the torque transmission shaft 1a, the phase difference ratio r is obtained by dividing the phase difference t by the period T. The phase difference ratio r can be expressed by the following equation (1).
Figure 0007380288000002

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f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f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fと第二センサ27のクロック周波数f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t[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tには、初期位相差txが含まれる。

Figure 0007380288000003
As described above, the output signal A of the first sensor 24 has a delay time corresponding to the clock frequency f1 of the first sensor 24, whereas the output signal B of the second sensor 27 has a delay time corresponding to the clock frequency f1 of the first sensor 24. A delay time is generated depending on the clock frequency f2 . Therefore, if the clock frequency f1 of the first sensor 24 and the clock frequency f2 of the second sensor 27 are different, there is a delay between the output signal A of the first sensor 24 and the output signal B of the second sensor 27. This causes a time difference. Therefore, the phase difference t in the above formula (1) is the original (correct) phase difference t 0 [s] reflecting the torsion angle of the torque transmission shaft 1a, the output signal A of the first sensor 24, and the second sensor The difference in delay time between the output signal B and the output signal B of 27 can be divided into Δt[s]. Therefore, the above equation (1) can be expressed as the following equation (2). A term including the delay time difference Δt[s] becomes an error component in torque calculation. Note that the phase difference t 0 includes the initial phase difference tx.
Figure 0007380288000003

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(τ)とを用いて、次の(3)式で表すことができる。

Figure 0007380288000004
また、ホールICなどの磁気検出素子30a、30bは、固有の駆動周期及びクロック周波数を有するため、遅延時間(τ)は固有の値になる。なお、応答クロック数(c)は、第一センサ24と第二センサ27とでプログラムが共通であるため一定になる。このため、磁気検出素子30a、30bの駆動周期差を△τとし、駆動周期をそれぞれτ、τ+△τと置くと、応答には、次の式(4)で表される遅延時間の差(△t)を生じる。
Figure 0007380288000005
Here, the delay time (τ), which is the time required for the magnetic detection elements 30a and 30b such as Hall ICs to respond, is determined by the following (3) using the response clock number (c) and the drive period (τ 0 ). ) can be expressed by the formula.
Figure 0007380288000004
Furthermore, since the magnetic sensing elements 30a and 30b such as Hall ICs have a unique drive cycle and clock frequency, the delay time (τ) has a unique value. Note that the number of response clocks (c) is constant because the first sensor 24 and the second sensor 27 have a common program. Therefore, if the drive period difference between the magnetic sensing elements 30a and 30b is △τ, and the drive periods are set as τ 0 and τ 0 +△τ, respectively, the response will have a delay time expressed by the following equation (4). A difference (Δt) is generated.
Figure 0007380288000005

一方、上記(2)式の右辺は、t/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(t/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rに置き換えると、次の(5)式が得られる。

Figure 0007380288000006
On the other hand, the right side of the above equation (2) can be divided into the first term expressed by t 0 /T and the second term expressed by Δt/T, of which the first term ( t 0 /T) is a true phase difference ratio that does not depend on the rotational speed (rotational speed) of the torque transmission shaft 1a and does not include an error caused by the difference in delay time of the magnetic detection elements, and is expressed as By substituting r0 , the following equation (5) is obtained.
Figure 0007380288000006

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r(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 torque transmission shaft 1a and does not include an error component, and the torque transmission shaft 1a The phase difference ratio Δt/T (second term) is caused by the difference in delay time depending on the rotation speed. Therefore, this second term becomes a component of the drift error of the phase difference ratio r.

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、M[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、k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。

Figure 0007380288000007
In addition, the above equation (5) can be expressed as a relational equation (torque calculation formula ) can be transformed into Note that in formula (6), M [Nm] represents the torque output value calculated by the calculator 16, and M 0 [Nm] represents the magnitude of the true torque transmitted by the torque transmission shaft 1a. where k1 represents a coefficient, and N [rpm] represents the rotational speed of the torque transmission shaft 1a.
Figure 0007380288000007

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(k△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 first sensor 24 and the second sensor 27, the torque output value M calculated by the calculator 16 will include the second term ( It can be seen that a drift error (ΔM) represented by k 1 ΔtN) is included.

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、k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、k=2πG/Pで表される。

Figure 0007380288000008
Further, it can be seen that the drift error (ΔM) included in the torque output value M is proportional to the difference in delay time Δt and the rotational speed N of the torque transmission shaft 1a. Therefore, the drift error (ΔM) included in the torque output value M increases as the delay time difference Δt increases, and increases as the rotational speed N of the torque transmission shaft 1a increases. It should be noted that the torque output value M calculated by the calculator 16 is proportional to the phase difference ratio r (M∝r), and the period T is given by the number of pole pairs of the first encoder 13 and the second encoder 14 as P. , T=60/PN. Therefore, the drift error (ΔM) can also be expressed by the following equation (7). Note that in formula (7), k 2 represents a coefficient, and when the torsional rigidity of the torque transmission shaft 1a is G [Nm/rad], k 2 =2πG/P.
Figure 0007380288000008

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fと第二センサ27のクロック周波数f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 first sensor 24 and the second sensor 27, but also the clock frequency f1 of the first sensor 24 and the clock frequency f1 of the second sensor 27 are changed when assembling the torque transmission device. The first sensor 24 and the second sensor 27 are selected so that the absolute value of the difference (|Δf clock |) from the frequency f 2 is small. Specifically, the clock frequencies of a plurality of sensors that are candidates for use as the first sensor 24 and the second sensor 27 are measured in advance, and the absolute value of the clock frequency difference among the plurality of sensors is less than or equal to a predetermined threshold. Two sensors are selected and used as the first sensor 24 and second sensor 27.

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 first sensor 24 and the second sensor 27 is (preferably zero), the more it will be included in the torque calculated by the calculator 16. This is preferable because drift errors can be suppressed. However, it may be practically difficult to make the clock frequency difference between the first sensor 24 and the second sensor 27 zero, and it may not meet the torque measurement accuracy required of the torque measurement device. There is also the possibility of over-quality in the relationship. Therefore, it is important to keep the clock frequency difference within a range that satisfies the torque measurement accuracy required of the torque measurement device. Hereinafter, a method of setting a threshold value (upper limit value) of the clock frequency difference necessary to satisfy the torque measurement accuracy required of the torque measuring device will be described.

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k△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。

Figure 0007380288000009
Equation (6) obtained as described above is expressed in the graph shown in FIG. 4, when the horizontal axis represents the rotational speed of the torque transmission shaft 1a and the vertical axis represents the torque output value calculated by the calculator 16. The slope is k 1 Δt [Nm/rpm]. In this example, this slope is called a speed characteristic and is represented by the symbol S. Since the speed characteristic S is correlated with the difference in delay time Δt, if the clock frequency difference between the first sensor 24 and the second sensor 27 changes, as shown in FIG. Its value changes proportionally. Therefore, using the clock frequency difference Δf clock , the speed characteristic S can be expressed by the following equation (8).
Figure 0007380288000009

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。

Figure 0007380288000010
In the above formula (8), h corresponds to the slope of the graph in FIG. 5, and is a coefficient that changes depending on the magnitude of the torsional rigidity of the torque transmission shaft 1a. Therefore, it can be seen that the speed characteristic S has a proportional relationship with the coefficient h determined by the torsional rigidity of the torque transmission shaft 1a used. Furthermore, it can be seen that by setting the clock frequency difference Δf clock small, it is possible to suppress the difference in delay time, and it is possible to suppress the drift error of the speed characteristic S and, by extension, the torque. Furthermore, by transforming the above equation (8), the following equation (9) can be obtained.
Figure 0007380288000010

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 first sensor 24 and the second sensor 27. Then, from among the plurality of sensors, a plurality of sensor sets consisting of two sensors arbitrarily combined are prepared. Then, a torque transmission device is temporarily assembled using a pair of sensors constituting each sensor group.

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(k△t)に相当する、速度特性Sを求める。 Thereafter, the rotation speed of the torque transmission shaft 1a is changed while applying a known constant torque to the torque transmission shaft 1a. As a result, the above-mentioned equation (6) (second relational equation), which is a relational equation representing the relationship between the rotational speed of the torque transmission shaft 1a and the magnitude of the torque calculated by the calculator 16, is calculated for each sensor group. demand. Then, a speed characteristic S corresponding to the slope (k 1 Δt) of this relational expression is determined.

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 torque transmission shaft 1a is specified.

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(△f、△f・・・△f)及び速度特性(S、S・・・S)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clock=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N[rpm](周期がT[s])のときに、分解能をm[Nm]としたい場合、分解能mは、m=k×τ/Tで表されるから、センサのクロック周波数f(1/τ)[Hz]は、以下の式(10)で表すことができる。

Figure 0007380288000011
ここで、kを2πG/Pに置き換えるとともに、Tを60/NPに置き換えると、次の式(11)が得られる。
Figure 0007380288000012
この式(11)からは、たとえば、トルク伝達軸の軸剛性Gが1.0×10Nm/radであり、回転数Nが6000rpmである場合に、分解能mを1Nmとしたい場合には、センサのクロック周波数fを6.3MHzとすればよいことが求められる。 Next, a method for determining the clock frequency and clock frequency difference of the sensors (first sensor 24 and second sensor 27) will be explained.
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).
Figure 0007380288000011
Here, by replacing k 2 with 2πG/P and replacing T 0 with 60/N 0 P, the following equation (11) is obtained.
Figure 0007380288000012
From this equation (11), for example, when the axial rigidity G of the torque transmission shaft is 1.0×10 4 Nm/rad and the rotational speed N 0 is 6000 rpm, if you want the resolution m 0 to be 1 Nm, It is required that the clock frequency f 0 of the sensor should be 6.3 MHz.

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τ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。

Figure 0007380288000013
Note that the time resolution of the output of the sensor is the delay time τ [s] required for the response of the magnetic detection element. Also, the delay time τ is the product of the number of response clocks c and the driving period τ 0 , so if the response frequency is f (=1/τ) [Hz], the following ( 12) Equation is obtained.
Figure 0007380288000013

また、2つのセンサのそれぞれのクロック周波数を、f、f+△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。

Figure 0007380288000014
Furthermore, if the respective clock frequencies of the two sensors are set as f 0 , f 0 +△f clock [Hz], the drive cycle difference (△τ) between the two magnetic detection elements is expressed by the following equation (13). can be expressed.
Figure 0007380288000014

また、トルク伝達軸の回転数がN[rpm]である場合に、速度依存誤差(測定誤差)をm[Nm]としたい場合には、トルク伝達軸の回転数がN[rpm]である場合のパルス周期をT[s]とすると、測定誤差m[Nm]は、次の式(14)で表すことができる。

Figure 0007380288000015
また、式(14)は、次の式(15)に変形することができる。
Figure 0007380288000016
さらに、式(15)より、クロック周波数差△fclock[Hz]とクロック周波数fとの比は、次の式(16)で表すことができる。
Figure 0007380288000017
この式(16)からは、たとえば、応答クロック数(c)が100の磁気検出素子を使用し、最高回転数で速度依存誤差を分解能と同程度にしたい場合には、クロック周波数差△fclockを、クロック周波数fの1%以内に抑えれば良いことが求められる。つまり、クロック周波数差△fclockの絶対値を、上記式(16)から求められる値以下になるように設定すれば良い。 Furthermore, if the rotation speed of the torque transmission shaft is N 1 [rpm] and you want the speed-dependent error (measurement error) to be m 1 [Nm], then the rotation speed of the torque transmission shaft is N 1 [rpm]. If the pulse period in this case is T 1 [s], the measurement error m 1 [Nm] can be expressed by the following equation (14).
Figure 0007380288000015
Further, equation (14) can be transformed into the following equation (15).
Figure 0007380288000016
Furthermore, from equation (15), the ratio between the clock frequency difference Δf clock [Hz] and the clock frequency f 0 can be expressed by the following equation (16).
Figure 0007380288000017
From this equation (16), for example, if you use a magnetic detection element with a response clock number (c) of 100 and want to make the speed-dependent error at the maximum rotation speed the same as the resolution, the clock frequency difference △f clock It is required that the clock frequency f0 be suppressed to within 1% of the clock frequency f0 . In other words, the absolute value of the clock frequency difference Δf clock may be set to be equal to or less than the value obtained from the above equation (16).

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 first sensor 24 and the second sensor 27 as described above, the clock frequency difference between the first sensor 24 and the second sensor 27 is determined by torque measurement. The torque measurement accuracy required for the device can be kept within a satisfactory range. Therefore, the difference in delay time between the output signal A of the first sensor 24 and the output signal B of the second sensor 27 is made sufficiently smaller than when using a pair of randomly selected sensors. Therefore, it is possible to suppress a drift error occurring in the torque output value calculated by the calculator 16. As a result, it is possible to improve torque measurement accuracy.

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 Torque transmission shaft 2a, 2b Encoder 3a, 3b Sensor 4a, 4b Sensing surface 5a, 5b Detection section 6 Magnetic detection element 7 Controller 8 Oscillator 9 Housing 10 Input gear 11 Output gear 12a, 12b Rolling bearing 13 First encoder 14 Second encoder 15a, 15b Sensor unit 16 Arithmetic unit 17a, 17b Outer ring 18a, 18b Inner ring 19 Rolling element 20 Threaded ring 21 Encoder main body 22 Threaded ring 23 Encoder main body 24 First sensor 25 Sensor block 26 Sensor cap 27 Second sensor 28 Sensor block 29 Sensor cap 30a, 30b Magnetic detection element 31a, 31b Controller 32a, 32b Oscillator 33a, 33b Harness

Claims (4)

使用時にトルクを伝達するトルク伝達軸と、
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.
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、前記トルク測定装置を仮組立し、前記トルク伝達軸に既知の一定のトルクを加えながら、前記トルク伝達軸の回転数を変化させた際に、前記トルク伝達軸の回転数を横軸にとり、前記演算器が算出するトルクの出力値を縦軸にとったときに得られるグラフの傾きに相当する速度特性を、それぞれのセンサ組ごとに求め、クロック周波数差と前記速度特性との関係を表す第1の関係式を予め求めておき、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、請求項1に記載したトルク測定装置の組立方法。 The torque measuring device is temporarily assembled using a plurality of sensor sets consisting of two sensors arbitrarily combined from among the plurality of sensors, and the torque is transmitted while applying a known constant torque to the torque transmission shaft. When changing the rotation speed of the shaft, the speed corresponds to the slope of the graph obtained when the horizontal axis is the rotation speed of the torque transmission shaft and the vertical axis is the torque output value calculated by the arithmetic unit. The characteristics are determined for each sensor group, a first relational expression representing the relationship between the clock frequency difference and the speed characteristic is determined in advance, and the speed characteristic is set to an allowable limit based on the first relational expression. 2. The method of assembling a torque measuring device according to claim 1, wherein the clock frequency difference is determined when the clock frequency difference is set as a value, and the clock frequency difference is used as the threshold value. 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、請求項2に記載したトルク測定装置の組立方法。 The torque measuring device according to claim 2, wherein the first relational expression is obtained by determining a clock frequency difference and a speed characteristic for each sensor group and linearly approximating the relationship between the clock frequency difference and the speed characteristic. Assembly method. 使用時にトルクを伝達するトルク伝達軸と、
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、f、f+△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N[rpm]である場合の分解能をm[Nm]とし、
前記トルク伝達軸の回転数がN[rpm]である場合の速度依存誤差をm[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。
Figure 0007380288000018


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.
Figure 0007380288000018


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