JPH0322571B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はトルク検出装置に関する。本発明によ
るトルク検出装置は例えば、負荷を駆動しながら
その軸出力を検出する場合などに用いられ、例え
ば、自動車機関の動力伝達系におけるトルク検出
装置に用いられる。

従来のこの種の検出装置として、機関の出力軸
に取り付け、機関トルクを車輪等負荷に伝達する
際、トルク伝達軸に発生する軸のねじれとして、
検出するものがある。又、ねじれを電気的に検出
するものとして、歪により電気抵抗値が変化する
歪ゲージ式、磁歪管の磁気特性が変化する位相差
式等がある。

しかし、これらはいずれも機関の性能試験とし
てのトルク検出がその主目的であつて、この種検
出装置は機関出力計測用として構成してあり、重
量が大きく、構造が複雑かつ高価である。特に車
両に搭載することは実用上困難であり、技術的に
搭載してもその価格上応用に制限が生ずる。

具体的には、検出装置の構成原理は、軸のねじ
れの検出である。この検出器軸は短かければ歪が
少なく検出精度が悪化する。検出精度を上げよう
とすれば長さが大きくなる。一般には30ないし40
cmである。

したがつて、この種のトルク検出装置は機関重
量の増加や改造、及び機関長の増加が許される試
験用として実用可能であるが、車載することは、
価格、重量、大きさ等の点から実用が困難である
という問題点がある。

本発明は前述に鑑みてなされたもので、構造が
小型、簡単で、かつ車載可能な、信頼性に優れた
内燃機関用として用いられるトルク検出装置を提
供することを発明の主な目的とする。

本発明の実施例においては、第１の回転体と第
２の回転体の間に弾性体を介在させ、この弾性体
のたわみによる第１の軸体と第２の軸体の周方向
の相対的な変位量を検出してトルクを求める構成
とする。

内燃機関においては機関の燃焼時にトルクが発
生し、それ以外ではトルクは発生しないことか
ら、発生トルクは脈動状特性となり検出位置によ
り検出値にばらつきが生ずる。

本発明の実施例においては、第１の回転体に少
くとも１個以上の切欠溝又は歯を設け、この切欠
溝又は歯が内燃機関の予め定められた位置（例え
ば１気筒目の上死点位置等）に合うように取り付
けられることで、脈動状出力の内燃機関のトルク
を常に一定の位置で検出することを可能にし、こ
の結果、常に燃焼時のトルク検出が可能となり、
トルクの検出精度を向上させることができる。

本発明の実施例においては、第１、第２の回転
体上に同数でかつ円周方向の対称位置に設けられ
た切欠溝又は歯よりトルクを検出しているが、こ
の切欠溝又は歯の数を少くとも内燃機関の１燃焼
行程に２個以上の整数個の信号が得られる数と
し、しかもそれぞれの値を気筒数ごとに加算又は
１サイクルごとに加算することで、トルクの平均
値を求めることができ、トルク測定の精度を高め
ることができる。

本発明においては、内燃機関により回転駆動さ
れる第１の軸体、負荷に接続され前記第１の軸体
と対向しておりかつ回転自在な第２の軸体、 前記第１と第２の軸体の間に設けられた弾性
体、 前記第１、第２の軸体にそれぞれ固定され、そ
れぞれの外周部に少くとも内燃機関の１燃焼行程
に２個以上の個数（ｎ）の信号が得られる数で、
しかも同数の切欠溝又は歯を円周方向の対称位置
に有する第１および第２の回転体、 前記第１および第２の回転体の切欠溝又は歯の
動きを検出してそれぞれ信号を発する第１および
第２の検出部、および 前記弾性体のたわみによる前記第１、第２の回
転体の周方向両側の相対的な瞬時のねじれ変位に
基づく前記第１及び第２の検出部が発したそれぞ
れの信号の位相差から正、負両方の瞬時のトルク
ｔを検出し、かつ前記１燃焼行程における平均ト
ルクＴを少なくとも _o 〓¹ ｔ の演算を行うことにより求める手段を備えるとと
もに、更に、前記第１、第２の回転体の切欠溝又
は歯が、燃焼時の前記瞬時のトルクｔを検出する
ために、前記内燃機関の予め定められた位置関係
に合うように前記第１、第２の回転体に取り付け
られているトルク検出装置である。

以下本発明を図に示す実施例について説明す
る。第１図は本発明に係るトルク検出装置の縦断
面図、第２図は第１図の−断面である。第１
図において、１は図示しない機関のクランク軸、
２はクランク軸１にボルト３によつて連結されそ
れによつて回転駆動される第１の回転体、４は右
端において図示しない被駆動側の手動歯車変速機
のクラツチあるいは自動変速機のトルクコンバー
タに結合される第２の回転体である。そして第１
の回転体２と第２の回転体４には弾性体受座５
１，５２を両端に取り付けた弾性体６が挿入され
るよう弾性体受部７，８が設けられており弾性体
６をサブプレート９によりはさみ込み、リベツト
１０により固定している。故に第１の回転体２と
サブプレート９は一体となつて回転し、また第２
の回転体４はスプリング６を介し回転体２と一緒
に回転する。弾性体６は本実施例では、スプリン
グを用いている。さらに第１、第２の回転体２，
４の外周部には、切欠溝もしくは歯２１，４１を
形成している。第３図ａ，ｂに歯または切欠溝の
一例を示す。このように歯、切欠溝は円周方向に
対称に設けられている。またこの歯、切欠溝の一
つが内燃機関の予め定められた位置（例えば上記
上死点位置等）となるように取り付けてある。ま
た歯又は切欠溝は内燃機関の１燃焼行程に２個以
上の出力が得られるように設けられている。そし
て第１の電磁検出部１１、第２の検出部１２が、
その切欠溝もしくは歯に対向するようにハウジン
グ１３に取り付けられている。

この検出部１１，１２はたとえば永久磁石とコ
イルを組み合わせた電磁ピツクアツプのものでも
よい。第１、第２の回転体の回転に同期して、ギ
ヤ２１，４１の凹凸が検出部１１，１２の先端と
の間におけるエアギヤツプをくり返し増減させ
る。それに応じて磁気抵抗が変わり、磁気−電気
変換素子として作用する検出部１１，１２の出力
線には第１、第２の回転体の回転に同期したタイ
ミング信号としての脈動信号Ｓ１，Ｓ２が現われ
る。即ち、本発明に於いては、前記第１と第２の
回転体の周方向両側の相対的な瞬時のねじれ変位
に基づいて、前記第１及び第２の検出部が発した
それぞれの信号の位相差から正、負両方の瞬時の
トルクｔを検出する様にしたものである。

第４図はデイジタル計算装置１９のシステムブ
ロツク図である。前記の電磁ピツクアツプ１１，
１２からの出力はそれぞれ整形回路１００，２０
０に入力された後、回転数計数回路３００と位相
差計測回路４００に入力される。回転数計数回路
３００では回転数（回転速度）の２進データが得
られ計算回路５００にそれを入力し、位相差計測
回路４００では電磁ピツクアツプ１１と電磁ピツ
クアツプ１２の信号の位相差即ちクラツチデイス
クのねじれが２進データで得られ計算回路５００
に入力される。計算回路５００は前記の回転数と
位相差のデータから所定の演算によりトルクを演
算して表示回路６００に出力する。

前記整形回路１００は、第５図に示す通り抵抗
１０１、コンデンサ１０２及び電圧クランプ用ツ
エナーダイオード１０３からなるローパスフイル
タと、抵抗１０４，１０５，１０６，１０７，１
０８及び比較器１０９からなる比較回路とから構
成されている。ここで、比較器１０９の反転入力
端子（−）には抵抗１０５を介してバイアス直流
電圧V_Bが印加され、他方非反転入力端子（＋）
には抵抗１０６，１０７で分圧された反転入力端
子側とほぼ等しい値のバイアス電圧が印加されて
いる。また、比較器１０９は、正帰還抵抗１０８
により、出力パルス信号の立上り、立下りがシヤ
ープになるよう構成されている。そして、電磁ピ
ツクアツプ１１から第６図１で示すように脈動信
号が出力されると、比較器１０９から第６図２で
示すような波形のタイミングパルス信号が出力さ
れる。

回転数計数回路３００は第７図に示す構成であ
り、デバイダ付カウンタ３０１は、基本的にはク
ロツク端子CLに入力されるクロツクパルス信号
C₁を計数するもので、出力端子Q₂〜Q₃のうち１
つの出力端子の出力信号が「１」レベルとなり、
かつ計数動作停止端子ENに「１」レベル信号が
入力されると、計数動作を停止する。

しかして、この実施例では出力端子Q₃と停止
端子ENが接続されており、出力端子Q₃の出力が
「１」レベルになると停止端子ENに「１」レベ
ル信号が入力され、計数動作を停止する。この状
態で整形回路１００から第６図２に示すタイミン
グパルス信号がリセツト端子Ｒに入力されると、
カウンタ３０１はリセツトされ、出力端子Q₃の
出力は第６図６に示すように「０」レベルとな
る。そして、時間T₂だけ経過し、リセツト端子
Ｒに入力される信号が「０」レベルとなると、カ
ウンタ３０１は計数動作を開始し、出力端子Q₁，
Q₂からはそれぞれ第６図４，５に示すように順
次パルス信号が出力される。その後、出力端子
Q₃の出力が「１」レベルになるとカウンタ３０
１は、再び計数動作を停止する。

カウンタ３０１及び整形回路１００の出力信号
は、それぞれNORゲート３０２，３０３を介し
て12ビツトのカウンタ３０４のクロツク端子CL
に入力され、またカウンタ３０１のQ₂出力はカ
ウンタ３０４のリセツト端子Ｒに入力されてい
る。

つまり、第６図２に示す整形回路１００の出力
信号と第６図６に示すカウンタのQ₃出力のNOR
論理をとることによりNORゲート３０２からは
第６図７に示すようなパルス信号が出力され、さ
らにこのNORゲート３０２の出力信号と第６図
３に示すクロツクパルス信号C₁とのNOR論理を
とることにより、NORゲート３０３から第６図
８に示すようなパルス信号が出力され、このパル
ス信号がカウンタ３０４に入力される。

ここで、第６図２に示すタイミングパルス信号
が「０」レベルに立下がつて第６図７に示す
NORゲート３０２の出力が「１」レベルになる
時刻t1において、カウンタ３０４は計数動作を停
止する。その後、カウンタ３０４の出力端子Q₁
〜Q₁₂の出力は、時刻t2におけるカウンタ３０１
のQ₂出力の立上りによりシフトレジスタ３０５
〜３０７（例えばRCA社製CD4035）に一時的に
保持記憶される。

次に、時刻t3においてカウンタ３０１のQ₂出
力が「１」レベルになると、カウンタ３０４がリ
セツトされ、時刻t4においてカウンタ３０１の
Q₃出力が「１」レベルになるとカウンタ３０４
は再び計数動作を開始する。

このカウンタ３０４の動作は、電磁ピツクアツ
プ１１が回転体２の切欠溝もしくは歯を検出する
ことにより出力されるタイミングパルス信号と同
期して繰返し行われるため、シフトレジスタ３０
５〜３０７の各出力端子Q₁〜Q₄からは駆動側の
回転速度Ｎの逆数１／Ｎに比例した２進信号が出
力される。３ステートバツフア３０８は、制御端
子３０８ａに「１」レベル信号が加えられている
間は出力が高インピーダンスとなるもので、出力
端子群３０８ｂはパスラインを介して計算回路５
００に接続されている。

制御端子３０８ａにはNANDゲート３０９の
出力信号が入力され、NANDゲート３０９には
計算回路５００に内蔵されているデバイス制御ユ
ニツト（DCU）からの入出力制御信号（以下
Ｉ／Ｏ信号という）及びデバイスセレクト信号
SELIが入力されている。そして、NANDゲート
３０９の出力信号が「０」レベルになると、シフ
トレジスタ３０５〜３０７のＩ／Ｎに比例した２
進信号が計算回路５００に入力される。

ここでクロツクパルス信号C₁は公知の水晶発
振器より出力される約524KHzのクロツクを使用
しており、その詳細については省略する。

次に整形回路２００について説明する。整形回
路２００は前記整形回路１００と全く同一の構
成、作動をしており、電磁ピツクアツプ１２の出
力信号を整形する。

位相差計測回路４００は第８図に示されてお
り、デバイダ付カウンタ３０１と同じであり、リ
セツト端子Ｒに第９図１，２に示す整形回路１０
０，２００よりの信号が入力されると出力端子
Q₁からはそれぞれ第９図３，４に示すパルス信
号が出力される。前記パルス信号はＲ−Ｓフリツ
プフロツプ４０３のＳ端子、Ｒ端子にそれぞれ入
力され、出力端子Ｑからは第９図５に示すよう
に、電磁ピツクアツプ１１，１２からの出力信号
の位相差に相当する時間T₁をもつたパルス信号
が得られる。前記、時間T₁のパルス信号は
NANDゲート４０５により、クロツクパルス信
号C₁と論理をとり、第９図６に示す信号が、カ
ウンタ４０６に入力される。以下は回転数計数回
路３００で説明したのと同じ作動により、デバイ
ダ付カウンタ４０４、シフトレジスタ４０７〜４
０９、３ステートバツフア４１０、NANDゲー
ト４１１により前記の電磁ピツクアツプ１１，１
２からの出力信号の位相差に相当する時間T₁を
計測して、これに比例した２進信号が計算回路５
００に入力される。

さらにデバイダ付カウンタ４０４の出力Q₄は
前記位相差の時間T₁の計算回路５００への読み
込み要求の割込み信号INTとして使われる。

計算回路５００としてはマイクロコンピユータ
形式のものを用いることができる。マイクロコン
ピユータを用いる場合には例えば東芝製12ピツト
マイクロコンピユータTLCS−12Aを使用するこ
とができ、前記のINT信号が発生する毎に、回
転数計数回路３００と位相差計測回路４００とよ
り、各々２進データを入力した内部メモリ
（RAM）に記憶する。この記憶データに基づき、
定められた計算処理を行なう。

表示回路６００は任意のものでよく、たとえば
７セグメントLEDによるデイジタル表示とＤ−
Ａ変換器によるアナログ電圧出力を行うことがで
きるがその詳細については公知であるので説明を
省略する。

第９図は本装置の作動を端的に示している。

１は電磁ピツクアツプ１１から出力される電気
信号の整形パルス、２は電磁ピツクアツプ１２か
ら出力される電気信号の整形パルスである。

上記構成においてクランク軸１が第１図矢印の
方向に回転するとボルト３によつて連結された第
１の回転体２とサブプレート９はクランク軸１と
ともに回転する。この時回転体１とは直結されず
弾性体６を介し結ばれている第２の回転体４は弾
性体６を介し第１の回転体２により同様矢印の同
方向に回転させられる。この際第２の回転体４の
負荷が小さいときは弾性体６のたわみ量は少ない
が負荷が大きくなるにしたがつてこれに比例して
弾性体６のたわみ量は多くなつている。これ故第
１、第２の回転体２，４は同速度で同方向に回転
するが、第２の回転体４の負荷が大きくなると弾
性体６がたわみ、それぞれ第１、第２の回転体
２，４の外周部に設けられている切欠溝もしくは
歯２１，４１の周方向の相対位置が変化する。こ
の相対変化量は弾性体のたわみ量、すなわち負荷
のトルクに３例する。負荷が加わつた場合の出力
演算について具体的に説明すると負荷トルクに応
じて第９図の２の信号は、１の信号に対して位相
が遅れてくる。従つて回転数が一定であれば１，
２の位相差をとつた第９図５信号のパルス幅T₁
は負荷トルクに比例する。回転数が変つた場合
も、計算回路５００は第８図のデバイダ付カウン
タ４０４より出力される割込み信号INT毎（位
相差データT₁がカウントされる毎に）に回転数
計数回路３００から得られる回転数Ｎの逆数１／
Ｎと位相差計測回路４００から得られる時間T₁
とから ｔ＝Ｋ・T₁・Ｎ の演算により回転数によらず軸トルクｔを求める
ことができる。本発明では内燃機関のある定めら
れた位置（例えば上死点等）と一致するよう歯ま
たは切欠溝を装置しているので内燃機関のトルク
が常に一定の位置で検出でき、必要とするトルク
の検出が可能となる。なおＫは比例定数である。
次いで計算回路は以上求めた瞬時トルクｔを内燃
機関の１燃焼行程毎に平均値を演算することによ
り安定したトルク値を検出することができる。す
なわち、たとえば、第１、第２の回転体２，４の
切欠溝は同周方向に対称で、しかも１燃焼行程に
２個以上となるよう（ここではｎ個とする）設け
られているため内燃機関の１燃焼行程における平
均トルクを検出するには計算回路は Ｔ＝１／ｎ_o 〓¹ ｔ の演算を行うだけで内燃機関の１燃焼行程毎に安
定したトルク値を得ることができる。

すなわち必要最小限の切欠溝でこの検出値Ｔは
表示回路６００に出力され表示される。なお前出
の演算はされ表示される。なお前出の演算はＴ＝
_o 〓¹ ｔにより行い、得られた結果を出力するように
することもできる。

前述の実施例においては、駆動側の第１の軸体
と第２の軸体を直結せずスプリング、ゴム等弾性
体を介し結ぶ構成としており、この弾性体のたわ
みによる第１、第２の軸体の周方向の相対的な変
位量からトルクを求める構成としている。これ故
スプリング、ゴム等を弾性体として用いることが
できるため上記変位量を大きくすることができ、
この結果トルク精度が大巾に向上できる。

またスプリング、ゴム等の弾性体を用いている
ので負荷と変位量の関係が簡単な計算でしかも任
意の値に決めることが可能であるので製作が容易
である。

また前述の実施例においては、第１の回転体の
切欠溝もしくは歯を内燃機関のあらかじめ決めら
れた位置（例えば１気筒の上死点位置等）に合わ
せるよう取り付けているので内燃機関のトルクを
常に一定の位置で検出することが可能となる。こ
の結果燃焼時のトルク検出が可能となるというよ
うに制御上必要な位置でのトルク検出が容易にで
きる。

また前述の実施例においては、第１、第２の回
転体上に設けた歯もしくは切欠溝を同数とし、か
つ円周方向の対称位置とし、しかも同位置もしく
は、ある決められた位置としているので第１、第
２の回転体の取り付け状態によるばらつきが防止
できるためトルク検出器単体間のばらつき低減が
可能となる。

また前述の実施例（このような周方向の相対的
な変位からトルクを求める方式）においては、周
方向の相対的な変位からトルクを検出している。
これ故トルク零の時になにがしかの変位状態とな
る時にはトルク零の位置を検出し、補正すること
が必要となるが、構造上不可能である。

本発明の実施例においては、第１、第２の回転
体の切欠溝もしくは歯が同位置もしくはあらかじ
め決められた位置となるように製作することで前
記トルク零の位置が容易に設定可能となる。また
前述の実施例においては、第１、第２の回転体上
に同数でかつ円周方向の対称位置にしかも内燃機
関の１燃焼行程に２ケ以上の整数個の切欠溝もし
くは歯を設けている。そしてこの構成でそれぞれ
の値を気筒数ごとに加算、又は、1/2又は１サイ
クルごとというように加算すれば平均トルクを複
雑な演算を行なうことなく容易に求めることが可
能となる。それにより平均トルク測定精度向上が
可能となる。

本発明の実施にあたつては前述の実施例のほ
か、種々の変形形態をとることが可能である。例
えば、回転角を検出する手段は、特に限定される
ものではなく、電磁式、光電式、発振式、半導体
形などを使用することができる。

本発明によれば正トルクと負トルクの両方を検
出しているので内燃機関のエンジンブレーキ作動
時の負トルクも検出でき、正しい内燃機関として
の平均トルクを算出できる。また、１燃焼工程
（１爆発工程で発生する１つのトルクカーブを少
なくとも２つのポイントでサンプリングすれば、
その１つのトルクカーブの平均値が推定されるの
で、本発明では内燃機関の１燃焼工程に２個（ｎ
＝２）以上の信号が発生するようにしている。従
つて、４サイクル４気筒の場合は１サイクルが完
了する２回転に４回の燃焼（爆発）があるため、
２回転で８個以上の信号をピツクアツプするよう
にしている。言い換えれば内燃機関１回転あたり
４個以上の信号を用いて測定することにしてい
る。

また、この４個以上の信号は４サイクル４気筒
では２つの燃焼工程に於いて発生する為、１つの
燃焼工程の平均をとる為には、このうち２個以上
の信号を用いて平均化を行う。その為に、少なく
とも_o 〓¹ ｔの演算を行つているので１燃焼工程当た
りの平均値を正確に算出できる。なお、ｎの数は
多ければ多い程、平均値の精度は向上するが、切
欠溝や歯の数が増加し好ましくない。そこで、本
発明では極力少ない切欠溝や歯の数で平均値の精
度が向上するようにサンプリングすべきタイミン
グを内燃機関の回転角との関係で特定するように
している。

すなわち、内燃機関の爆発を良好なタイミング
で把握できる位置に切欠溝又は歯が設けられてい
ることが必要である。即ち爆発が終了し、トルク
が消えたタイミングでトルクをピツクアツプして
も、その信号は平均値算出に役に立たない。

以上の如く、本発明によれば、極力少ない切欠
溝又は歯で、内燃機関１回転当たりのトルクの平
均値を正確に検出できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例としてのトルク検
出器を示す縦断面図、第２図は、第１図の−
断面図、第３図ａ，ｂは、第１図における第１の
回転体の外周部に設けられた切欠溝、および第１
の回転体の外周部に設けられた歯をそれぞれ示す
図、第４図は、デイジタル計算装置を示すブロツ
ク図、第５図は、整形回路を示す回路図、第６図
は、整形回路と回転数計数回路の作動タイミング
を示す波形図、第７図は、回転数計数回路を示す
回路図、第８図は、位相差計測回路を示す回路
図、第９図は、位相差計測回路の作動タイミング
を示す波形図である。 （符号の説明）、 １……クランク軸、２……
第１の回転体、２１……切欠溝又は歯、３……ボ
ルト、４……第２の回転体、４１……切欠溝又は
歯、５１，５２……弾性体受座、６……弾性体、
７，８……弾性体受部、９……サブプレート、１
０……リベツト、１１，１２……電磁検出部、１
３……ハウジング、１９……デイジタル計算装
置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関により回転駆動される第１の軸体、
   負荷に接続され前記第１の軸体と対向しておりか
   つ回転自在な第２の軸体、 前記第１と第２の軸体の間に設けられた弾性
   体、 前記第１、第２の軸体にそれぞれ固定され、そ
   れぞれの外周部に少くとも内燃機関の１燃焼行程
   に２個以上の個数（ｎ）の信号が得られる数で、
   しかも同数の切欠溝又は歯を円周方向の対称位置
   に有する第１および第２の回転体、 前記第１および第２の回転体の切欠溝又は歯の
   動きを検出してそれぞれ信号を発する第１および
   第２の検出部、および 前記弾性体のたわみによる前記第１、第２の回
   転体の周方向両側の相対的な瞬時のねじれ変位に
   基づく前記第１及び第２の検出部が発したそれぞ
   れの信号の位相差から正、負両方の瞬時のトルク
   ｔを検出し、かつ前記１燃焼行程における平均ト
   ルクＴを少なくとも _o 〓¹ ｔ の演算を行うことにより求める手段を備えるとと
   もに、更に、前記第１、第２の回転体の切欠溝又
   は歯が、燃焼時の前記瞬時のトルクｔを検出する
   ために、前記内燃機関の予め定められた位置関係
   に合うように前記第１、第２の回転体に取り付け
   られていることを特徴とするトルク検出装置。