JPH0462328B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はトルク測定装置、特に回転磁性体を介
して伝達されるトルクを磁気歪みをもつて非接触
で測定する改良されたトルク測定装置するもので
ある。

［従来技術］ 発明の要請 各種の回転駆動装置において、伝達トルクを正
確にかつ簡易に測定することが必要であり、種々
の産業分野における駆動装置の分析あるいは運転
状態の把握に極めて好適である。

通常、この種の回転駆動装置としては、各種の
原動機が知られており、特に車両のエンジン、電
気自動車の電動モータあるいは産業用モータとし
てほとんどあらゆる産業分野に利用されており、
このような回転駆動装置の運転状態を分析するた
めには、その回転数と並んで、トルク測定が正確
に行われる必要がある。

ところで、このような回転駆動装置は、例えば
レシプロエンジンの場合には気筒数、電動モータ
の場合には磁極数といつたように回転系特有の極
数を有しており、従つて、このような回転駆動装
置から出力されるトルクには、前記各極に対応し
てその大きさが急激に変化するトルク変極点が存
在する。

例えば、四気筒ガソリンレシプロエンジンを例
にとると、このエンジンのトルク出力は、吸気、
圧縮、爆発、排気という４サイクルにおける出力
変化が四気筒分合成されたものであり、ここにお
いて、１つの気筒に着目すると、この気筒は爆発
工程において大きな正のトルクを出力し、他の工
程では、トルクを消費しその出力は負の値とな
る。

そして、このレシプロエンジンに含まれる４つ
の気筒は、気筒番号で１、３、４、２の順に爆発
工程を順に行つており、第１気筒の上死点での回
転角度位置を基準としてこれを０度に設定する
と、第１気筒は０〜180度、第３気筒は180〜360
度、第４気筒は360度〜540度、第２気筒は540度
〜720度の各変極点区間で爆発工程を行い、正の
トルクを出力することになる。

従つて、この回転駆動装置では、エンジン自体
あるいはこの駆動力伝達機構であるトランスミツ
シヨン、プロペラシヤフト、差動ギヤー等各種の
駆動系のトルクを、各変極点区間毎の平均値とし
て測定することができれば、エンジンの各気筒毎
に点火時期制御、燃料噴射量制御を独立に行い、
燃費の改善、運転特性の向上を図ることができ
る。

また、電動モータ及びその他の産業用モータ等
においても、トルクの測定を各変極点区間毎の平
均値として測定することにより、回転駆動系の最
適制御及び診断作用を行うことが可能となる。

従来技術 ところで、回転駆動系を介してトルクを伝達す
る場合に、回転駆動系内においてトルクを伝達す
る回転体、例えば回転軸、フライホイール、クラ
ツチ板等には伝達トルクに比例した歪みが発生
し、従つて、この歪み量を検出することにより、
伝達トルクの測定を行うことができる。

このため、従来より回転体内に発生した歪み量
を磁歪効果を用いて検出するトルク測定装置が周
知であり、この装置によれば、トルクを伝達する
回転体の一部を強磁性体を用いて形成し、この回
転磁性体の磁歪量を磁気センサを用いて検出し、
前記伝達トルクを非接触で測定していた。

ここにおいて、前記磁気センサの検出信号は、
伝達トルクに依存する成分とトルクに依存しない
オフセツト成分の和として出力されているため、
正確なトルク測定を行うためには、磁気センサの
出力から前記オフセツト成分を減算することが必
要となる。

しかし、従来の測定装置では、前記オフセツト
成分の大きさが回転磁性体の回転に伴い不規則に
変化するにもかかわらず、これを常に一定の値と
みなし、磁気センサの出力から予め定められた一
定の値をオフセツト成分として減算していた。

このため、従来の測定装置は、伝達トルクの測
定を正確に行うことができず、特にオフセツト成
分が大幅に変動する場合には、その測定値が極め
て不正確なものになるという問題があつた。

第８図及び第９図には、車両用エンジンのトル
ク伝達機構に設けられたトルク測定装置が概略的
に示されており、第８図には、トルク測定装置の
側面の概略が示され、第９図には第８図の−
断面図が概略的に示されている。

周知のように、エンジンで発生したトルクは、
回転軸１０を介して図示しない回転フライホイー
ルに伝わり、このフライホイールと摩擦接合する
クラツチ板を介してトランスミツシヨン側へ伝達
される。

このようにして、トルクの伝達が行われると、
トルクを伝達する回転軸１０や、図示しないクラ
ツチ板、フライホイール等の回転板には、伝達ト
ルクの大きさに比例した大きさの歪みεの異方性
が生じる。従つて、トルク伝達機構が強磁性体を
もつて形成されている場合には、発生する歪みの
異方性の大きさを磁歪効果を用いて磁気的に非接
触で検出し、伝達されるエンジントルクの測定を
行うことができる。

このため、トルク測定装置においては、トルク
が伝達される回転体を回転磁性体とするために、
回転軸１０あるいはクラツチ板そのものを強磁性
体を用いて形成したり、あるいはこれら回転軸１
０又はクラツチ板の表面に強磁性体を付着させ、
このように形成された回転磁性体に向け、磁気セ
ンサ１２を所定間隔で離隔的に対向配置してい
る。

ここにおいて、使用される磁気センサ１２は、
回転軸１０と平行に配置されたコ字の励磁コア１
４と、この励磁コア１４の内側に直交配置された
コ字状の検出コア１８と、を含み、前記励磁コア
１４に励磁コイル１６を巻回し、前記検出コア１
８に検出コイル２０を巻回することにより形成さ
れている。

第１０図には、前記磁気センサ１２を用いて形
成された電気回路が示されており、励磁コイル１
６には、交流電源２２から正弦波電圧が印加さ
れ、磁気センサ１２と対向する回転軸１０を交番
磁化する。

この際、回転軸１０を介してトルクが伝達され
ている場合には、この回転軸１０内に応力が発生
し磁歪効果により前記励磁方向と直交した方向に
磁束成分が生じる。この磁束成分が検出コイル２
０により誘起電圧として検出され、交流増幅器２
４にて増幅された後、検波器２６にて整流検波さ
れる。

そして、この整流検波信号に含まれるオフセツ
ト成分は、一定値として取扱われ、その値はオフ
セツト減算値２８にて減算処理されたのち、トル
クに比例した信号として出力される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、磁気センサ１２の検出信号中に含まれ
るオフセツト成分は不規則に変化する。

これにもかかわらず、従来の測定装置では、オ
フセツト成分の大きさを常に一定の値とみなして
いるため、減算器２８が検波器２６の検出信号か
ら減算するオフセツト信号の値が、実際のオフセ
ツト成分の値と異なつたものとなり、正確なトル
ク測定を行うことができないという問題があつ
た。

特に、前記オフセツト成分の大きさが大幅に変
動するような場合には、特定されたオフセツト信
号の値と、実際のオフセツト成分との誤差が大幅
に異なつたものとなり、測定値は極めて不正確な
ものとなるという問題があつた。

第１１図は、四気筒ガソリンレシプロエンジン
の回転駆動系に一定トルクを印加し伝達されるト
ルクを測定した場合に、前記整流器２６から出力
される電圧Aoの信号波形が示されており、図中
Siは100Nｍのトルクを伝達した場合に出力され
る電圧波形を表し、Soiは伝達トルクを０に設定
した場合に検波器２６から出力される電圧波形、
すなわちオフセツト電圧波形を表している。

同図からも明らかなように、検波器２６から出
力される信号にはその大きさが不規則に変化する
オフセツト成分が含まれており、しかもこのオフ
セツト成分の大きさは、第１〜第４の各気筒に対
応する０〜180度、180〜360度、360度〜540度、
540〜720度の各変極点区間毎にその値が大きく異
なつていることが理解される。

本発明者は、このようなオフセツト成分を除去
するため、その発生原因を分析したところ、次の
ような項目がその原因となることを解明した。

(a) 磁気センサの対向する回転磁性体（第８図、
第９図においては回転軸１０）の残留歪み。

(b) 回転磁性体の磁気的な不均一。

(c) 磁気センサと回転磁性体との相対位置関係の
変動。

(d) 磁気センサにて発生する高周波信号のクロス
トーク。

(e) 電気回路の処理により発生するオフセツト。

ここにおいて、(d)、(e)の原因によつて引き起こ
されるオフセツト成分はその値が一定であり、、
また、(c)の項目によつて引き起されるオフセツト
成分も、磁気センサ１２の回転磁性体に対する配
置を適切に設定することにより、ほぼ一定となし
得る。

これに対し、(a)、(b)の項目により引き起される
オフセツト成分の大きさを一定とするためには、
回転磁性体の機械的な残留歪みと、容易磁化方向
透磁率、飽和磁束密度等の磁気的性能を均一とす
ることが必要とされる。

しかし、円周方向全域に渡つて均一な機械的特
性と磁気特性を有するよう回転磁性体を形成する
ことは実際上不可能であり、従つて、前記(a)、(b)
の項目によつて引き起こされるオフセツト成分を
一定とすることができない。

この結果、第１１図の波形Siで示す如く、検波
器２６から出力される信号Aoは、伝達されるト
ルクが一定の場合であつても、オフセツト成分に
より不規則に変動することとなる。従つて、検波
器２６の出力Aoから単に一定の値をオフセツト
信号成分として減算しても、減算器２８の出力
Eoは、第１２図に示す如く、脈動し、正確なト
ルク測定を行うことができないことが理解され
る。

このため、このような測定装置では、回転磁性
体が例えば10〜100回転のような所定数回転する
間に出力されるオフセツト成分の平均値を求めて
おき、この値をオフセツトデータとして予め減算
器２８に設定する。そして、検波器２４の出力信
号Aoからオフセツト平均値を漸次減算し、回転
磁性体が所定数回転するごとにこの減算値Ｅの平
均値を求め、この平均値Ｅに基づき伝達トルクの
測定を行うことも考えられる。

しかし、このような対策を施しても、回転磁性
体を介して伝達されるトルクの大きさは、回転磁
性体を所定数回転させた場合の平均値として求め
られるのみであり、伝達トルクの大きさを各変極
点区間毎に高い検出分解能でリアルタイム測定す
ることができないという問題があつた。

発明の目的 本発明は、このような従来の課題に鑑みなされ
たものであり、その目的は、磁気センサの検出信
号からオフセツト成分を正確に除去し、かつ変極
点区間における伝達トルクの測定を応答性良く正
確に行うことの可能なトルク測定装置を提供する
ことにある。

［問題点を解決するための手段］ 構成 前記目的を達成するため本発明の装置は、回転
磁性体を介して伝達され複数の回転角度位置を変
極点とトルクを、前記各変極点区間毎に測定する
トルク測定装置であつて、前記回転磁性体の磁歪
量を非接触で検出する磁気センサと、前記回転磁
性体の回転角及び変極点を表すタイミング信号を
出力するタイミング信号発生器と、前記回転磁性
体の回転角に依存して磁気センサから出力される
オフセツト信号が前記各変極点区間毎にあらかじ
め設定され、前記タイミング信号に基づき変極点
区間に対応したオフセツト信号を順次出力するオ
フセツト信号発生器と、前記タイミング信号に基
づき、磁気センサから出力される検出信号からオ
フセツト信号を減算し、各変極点区間毎のトルク
平均値を減算する区間トルク演算器と、を含み、
回転磁性体を介して伝達されるトルクの平均値を
各変極点区間にオフセツト成分に影響されること
なく測定することを特徴とする。

ここにおいて、前記回転磁性体としてはトルク
が伝達される回転体部分であれば、回転軸部分あ
るいは回転円板部分のいずれを用いることも可能
である。

また、前記回転磁性体は、強磁性材料を用いて
形成することが好ましく、例えば、トルクを伝達
する回転体の周囲にその円周方向に沿つて強磁性
体を貼着して形成しても良く、あるいは前記回転
体そのものを強磁性体を用いて形成しても良い。

また、磁気センサから出力される信号をデジタ
ル的に処理する場合には、前記オフセツト信号発
生器は、予め回転磁性体の各変極点区間における
オフセツト信号をデータとして記憶したメモリを
用いて形成し、タイミング信号発生器から出力さ
れるタイミング信号に基づき変極点区間に対応す
るオフセツト信号を順次出力するよう形成するこ
とが好ましい。

また、これとは逆に磁気センサから出力される
信号をアナログ的に処理する場合には、前記オフ
セツト信号発生器としてオフセツト電圧発生器を
用い、タイミング信号発生器から出力されるタイ
ミング信号に基づき、変極点区間の回転角に対応
したオフセツト信号をアナログ電圧として出力す
るよう形成することが好ましい。

また、前記区間トルク演算器は、磁気センサの
検出信号を各変極点区間毎に積算する積算器と、
オフセツト信号発生器から出力されるオフセツト
信号を前記積算器の出力から減算する減算器と、
を含み、各変極点区間の伝達トルクの平均値を演
算するよう形成することができる。

また、必要に応じて、前記区間トルク演算器
は、磁気センサの検出信号を各変極点区間毎に積
分出力する積算器と、前記積算器の区間積分時間
を演算出力する積分時間演算器と、前記積算器の
出力を積分時間演算器の出力で除算し、各変極点
区間における磁気センサ出力の平均値を演算出力
する除算器と、この除算器の出力から変極点区間
に対応したオフセツト信号を減算する減算器と、
を含み、各変極点区間の伝達トルクの平均値を演
算するよう形成することができる。

また、本発明においては、減算器から出力され
る可変極点区間のトルク平均値を各区間毎にサン
プルホールドするサンプルホールド回路を設ける
ことが好ましい。

発明の原理 次に、本発明のトルク測定装置の原理について
説明する。

本発明を行うにあたり、発明者は、磁気センサ
の出力中に含まれるオフセツト成分の検討、解析
を行つた。

この結果、第１１図の信号Soi示すごとく、こ
のオフセツト成分は、回転磁性体が１回転するご
とに同一波形となつて表れる特性を有することが
確認された。

すなわち、このオフセツト成分は、回転磁性体
の回転角に依存して周期的に変化し、回転磁性体
が１回転するごとに同一波形となつて現われ、回
転磁性体が同一の回転角度位置を通過する際、磁
気センサから出力される信号中に含まれるオフセ
ツト成分は、常にその大きさが等しい値となる。

従つて、複数の回転角度位置を変極点とするト
ルクを測定する場合には、磁気センサの検出出力
中に含まれるオフセツト成分は、同一の変極点区
間内においては、常にその大きさが等しい値とな
ることが理解される。

本発明は、このようなオフセツト成分の特性に
着目して為されたものであり、その特徴的事項
は、回転磁性体の回転角に依存したオフセツト信
号を各変極点区間毎にオフセツトデータとして予
め設定しておき、各変極点区間毎に、磁気センサ
の出力信号から前記オフセツト信号を減算するこ
とにある。

このようにすることにより、本発明によれば、
磁気センサの検出出力からオフセツト成分を確実
に除去し、オフセツト成分による影響を受けるこ
となく、伝達トルクの大きさを各変極点区間毎の
平均値として正確に求めることができる。

［作用］ 本発明は以上の構成からなり、次にその作用を
複数の変極点を有する伝達トルクの測定を行う場
合を例にとり説明する。

複数の変極点を有するトルク出力する回転駆動
系としては、例えばレシプロエンジン、電気モー
タ等があり、レシプロエンジンの場合には、気筒
数、電気モータには磁極数に応じた変極点が存在
する。

従つて、このような伝達トルクを、変極点に対
応した回転角度位置毎に分割して測定すれば、各
変極点区間の伝達トルクの測定を行うことができ
る。

第１３図には、四気筒ガソリンレシプロエンジ
ンから出力される伝達トルクを測定した場合に磁
気センサから出力される信号Siが示されており、
図中Ａは回転磁性体を介して負荷を接続した場合
の検出信号を表し、Ｂは無負荷状態でエンジンを
運転しているときの検出信号、すなわちオフセツ
ト信号を表している。

周知のように、四気筒レシプロエンジンでは、
２回転する間に４個の気筒が交互に爆発し、第１
気筒の上死点での回転各位置を基準としこれを０
度とすれば、０、180度、360度、540度、720度の
各回転角度位置が、各気筒に対応してトルクの変
動する変極点となり、従つて、各気筒のトルクは
第１気筒には０〜180度、第３気筒では180度〜
360度、第４気筒では360〜540度、第２気筒では
540〜720度の変極点区間で出力される。

ところで、磁気センサから出力される検出信号
Siには、第１３図に示すごとく回転磁性体の到達
トルクを表す信号成分Stiがオフセツト成分Soi(B)
を含んだ状態で出力される。

従つて、前記回転磁性体の回転角に依存したオ
フセツトデータを予め設定しておき、磁気センサ
から出力される検出信号から前記オフセツト信号
を減算すれば、第１４図に示すように、磁気セン
サの出力Siからオフセツト成分Soiを完全に除去
した信号をStiリアルタイムで出力することがで
きる。

しかし、エンジン各気筒の制御、診断を行う上
では、これら各気筒から出力されるトルクを第１
４図に示すような瞬時値として測定するよりも、
これを平均値として測定することが好ましい。

このため、本発明においては、回転磁性体の回
転角に依存したオフセツト信号を予め各変極点区
間毎にオフセツト信号発生器内に設定しておき、
タイミング信号に基づき各変極点区間に対応した
オフセツト信号Soiを順次出力している。

そして、区間トルク演算器により、磁気センサ
の検出出力Si及び前記オフセツト信号Soiに基づ
き、エンジン各気筒の伝達トルク平均値Ejを次式
に基づき演算している。

Ej＝１／π∫^(j+1)〓_j〓（Si−Soi）dθ ……(1) 又は Ej＝１／πΣ^(j+1)〓_j〓（Si−Soi） ……(1) ここにおいて、ｊは各気筒を表し、ｍを正の整
数とすると、各気筒はｊにより次のように表され
る。

第１気筒 ｊ＝4m 第３気筒 ｊ＝4m＋１ 第４気筒 ｊ＝4m＋２ 第２気筒 ｊ＝4m＋３ 第１５図には、このようにして求めた各変極点
区間（ここにおいては各気筒）の区間トルク平均
値が示されており、同図からも明らかなように、
本発明には、回転角に依存して複雑に変化するト
ルクを、各変極点区間毎にオフセツト成分に影響
されることなく、その平均値として求めることが
でき、これにより、エンジン各気筒の特性を正確
に把握し、エンジン各気筒の計測、制御、診断を
良好に行うことが可能となる。

ところで、第(1)式又は（1′）式は次のように変
換される。

Ｅ＝１／π∫^(j+1)〓_j〓（Si−Soi）dθ ＝１／π｛∫^(j+1)〓_j〓Si dθ−∫^(j+1) _j〓Si dθ｝ ＝１／π｛∫^(j+1)〓_j〓Si dθ−Gj｝ ……(2) ここにおいて、Gjは、各変極点区間（各気筒）
毎のオフセツト値の平均値を表す。従つて、本発
明によれば、各変極点区間毎のオフセツト成分を
単にその区間平均値として予め設定しておくのみ
でも良く、このようにすることにより、本発明に
よれば、簡単な回路構成で各変極点区間毎の平均
値を得ることが可能となる。

また、本発明によれば、磁気センサの検出出力
からオフセツト成分をリアルタタイムで除去する
ことができるため、従来の測定装置では不可能で
あつた回転磁性体の１回転以下の分解能を発揮
し、各変極点区間毎の平均値をリアルタイムで正
確にかつ精度良く測定することが可能となる。

また、本発明の装置によれば、例えば駆動系と
して複数の磁極を有する電気モータが用いられて
いる場合や、また負荷として複数枚の羽根を有す
るプロペラ、スクリユー等が接続された場合に発
生するトルクの変動をも、その変極点区間枚の平
均値として正確に測定することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、回転磁
性体を介して伝達されるトルクの測定を、各変極
点区間毎の平均値として、オフセツト成分に影響
されることなく、迅速かつ正確に行うことが可能
となる。

［実施例］ 次に、本発明の好適な実施例を図面に基づき説
明する。なお、前記実施例と対応する部材には同
一符号を付しその説明は省略する。

第１実施例 まず、本発明の好適な第１実施例を四気筒ガソ
リレシプロエンジンの伝達トルクを測定する場合
を例にとり説明する。

前述したように、四気筒ガソリンレシプロエン
ジンのガソリン噴射量、吸入空気量、点火タイミ
ング等の制御は、エンジン各気筒の平均出力トル
クに基づき行うことが最適である。

周知のごとく、四気筒ガソリンレシプロエンジ
ンのトルク出力は、吸気、圧縮、爆発、排気とい
う四サイクルの各工程における出力変化が四気筒
分合成されたものであり、これら四気筒の各工程
はエンジンが２回転することにより１回終了す
る。

ここにおいて、１つの気筒に着目すると、この
気筒は、爆発工程において大きな正のトルクを出
力し、他の工程ではトルクを消費その出力は負の
値となる。

そして、このレシプロエンジンの含まれる４つ
の気筒は、気筒番号で、１、３、４、２の順に爆
発工程を順次行つており、各気筒の爆発工程及び
他の１連の工程は気筒番号で１、３、４、２の順
に180度づつ（1/2回転）づつ位相がずれた状態で
行われる。

従つて、180度、360度、540度、720度の各回転
角度位置を変極点として、これら各変極点区間毎
のトルク平均値を求めれば、第１５図に示すごと
く、従来技術では不可能だつた各気筒毎の平均出
力トルクをリアルタイムで求めることができる。

本実施例においては、このようにして四気筒ガ
ソリンレシプロエンジンから出力される各気筒の
トルク平均値を、該トルクが伝達される駆動系シ
ヤフトの駆動ねじり応力に基づき測定する場合を
例にとり説明する。

構 成 第２図及び第３図には、本発明にかかるトルク
測定装置の磁気センサ部分の概略が示されてお
り、第２図にはその側面の概略、第３図にはその
正面側の概略が示されている。

本実施例において、磁気センサ１２は、回転軸
１０と平行に配置された励磁コア１４と、この励
磁コア１４の内側に直交配置された検出コア１８
と、を含み、これら各コア１４，１８にそれぞれ
励磁コイル１６及び検出コイル２０を巻回するこ
とにより形成されている。

第１図には、本実施例の装置の電気回路が示さ
れており、磁気センサ１２の励磁コイル１６に
は、発振器３０から交流増幅器３２を介して正弦
波又は３角波等の対称交流波形電圧が印加され、
回転軸１２を交番磁化する。

このようにして、トルクを伝達することにより
回転軸１０内に発生する歪みを、検出コイル２０
により起電力として検出し、この検出信号を増幅
器３４、検波器３６及びＡ／Ｄ変換器３８を介し
て区間トルク演算器４０に入力している。

また、前記回転軸１０の回転角はタイミング信
号発生器４２により検出され、タイミング信号発
生器４２は、この検出回転角及び各変換点を表す
タイミング信号をＡ／Ｄ変換器３８、区間トルク
演算器４０及びメモリ４４に入力している。

実施例において、前記タイミング信号発生器４
２は、回転軸１０の基準位置信号θoと回転角度
信号θとを検出し、回転軸１０が１度回転する毎
にその回転角を表す第１のタイミング信号を出力
するとともに、回転軸１０が180度回転する毎に
各気筒を識別する第２のタイミング信号を出力し
ている。

そして、前記Ａ／Ｄ変換器３８は、このように
してタイミング信号発生器４２から第１のタイミ
ング信号が入力されるたびに、検波器３６から出
力される整流検波器信号Siをアナログ信号からデ
ジタル信号に変換し、区間トルク演算器４０に向
け出力している。

また、本発明において、前記メモリ４４はオフ
セツト信号発生器として用いられており、回転軸
１０の回転角に依存したオフセツトデータGjが
前記各変極点区間ごとに書込み記憶されている。

実施例において、このメモリ４４内には、各変
極点区間におけるオフセツト成分Soiの積算値が
オフセツトデータGjとして書込み記憶されてい
る。

そして、タイミング信号発生器４２から出力さ
れる第２のタイミング信号に基づき各変極点区間
に対応したオフセツト信号Gjを区間トルク演算
器４０に向け出力している。

本発明において、この区間トルク演算器４０
は、前記タイミング信号発生器４２から出力され
る第１及び第２のタイミング信号に基づき磁気セ
ンサ１２の検出信号Siからオフセツト信号を減算
した各変極点区間毎の平均値を演算する。

実施例において、この区間トルク演算器４０
は、総和器４６、減算器４８、サンプルホールド
回路５０からなる。

そして、前記総和器４６は、Ａ／Ｄ変換器３８
から出力される磁気センサ１２の検出信号を各変
極点区間毎に積算する積算値として用いる。すな
わち、この総和器４６は、タイミング信号発生器
４２から出力される第１のタイミング信号に同期
して、Ａ／Ｄ変換器３８が入力される磁気センサ
１２の検出信号の積算を開始し、第２のタイミン
グ信号よりその積算値がリセツトされる。

従つて、本実施例のように、四気筒ガソリンレ
シプロエンジンの伝達トルクを測定する場合に
は、０〜180度、180度〜360度、360度〜540度、
540度〜720度の各変極点区間における磁気センサ
出力の積算値Fjが出力されることになる。

減算器４８は、タイミング信号発生器４２から
出力される第１及び第２のタイミング信号に基づ
き、各変極点区間毎に、総和器４６の出力信号Fj
からメモリ４４の出力信号Gjを減算し、この減
算値Ejをサンプルホールド回路５０に向けて出力
する。

ここにおいて、総和器４６から出力される信号
Fjは、各変極点区間毎に磁気センサ１２が出力す
る信号Siの総和であり、また、メモリ４４から出
力される信号Gjは各変極点区間毎のオフセツト
データSoiの総和であることから、減算器４８か
ら出力される信号Fjは、磁気センサ１２の検出信
号からオフセツト成分を除去した信号の各極点区
間毎の総和を表すものとなる。

そして、サンプルホールド回路５０は、このよ
うにして出力される各変極点区間毎の総和値Ejを
対応するチヤンネルにサンプルホールドし、この
サンプルホールド値を各チヤンネル毎に出力す
る。ここにおいて、各チヤンネルのサンプルホー
ルド値は減算器４８から新たの信号が入力される
ことにより、順次新たなデータに更新される。

作 用 本実施例は以上の構成からなり、次にその作用
を説明する。

第４図〜第６図には、４気筒ガソリンレシプロ
エンジンの駆動系シヤフトを伝達するトルクを測
定した際の検波器３６の出力信号Si、総和器４６
の出力信号Fj及び減算器４８の出力信号Ejが示さ
れている。

本実施例のトルク測定装置を用いて、四気筒ガ
ソリンレシプロエンジンの駆動系シヤフトを伝達
するトルクを測定する場合には、まず励磁コイル
１６に、発振器３０から周波数及び振幅一定の交
流電圧を印加し、強磁性体を用いて形成された回
転軸１０を交番磁化する。

このとき、検出コイル２０には、前記交番磁界
に直交した方向に誘起されたトルクに依存した信
号成分Stiと、トルクに依存しないオフセツト成
分Soiとが、加算さされた交流電圧が検出信号Si
として誘起され、この検出信号Siが増幅器３４、
検波器３６、Ａ／Ｄ変換器３８を介して総和器４
６に入力される。

そして、総和器４６は、このようにして入力さ
れる検出信号Siを次式に基づき第１、第３、第
４、第２の各気筒の爆発工程を表す各変極点区間
毎に積算し、その積算値Fjを減算値４８に向け出
力する。

Fj＝Σ^(j+1)〓_j〓Si ……(3) 従つて、第１、第３、第４、第２の各気筒の伝
達トルクは、それぞれ０〜180度、180〜360度、
360度〜540度、540〜720度の範囲内の積算値とし
て出力されることになる。

ところで、前記検波器３６から整流検波して出
力される磁気センサ１２の検出信号Siは、Si＝
Sti＋Soiで表される。

第４図は、このようにして検波器３６から検出
出力される磁気センサ１２の検出信号Siを表して
おり、図中Ａは回転軸１０を介して負荷を接続
し、エンジンから平均で、100Nｍのトルクを出
力している際の検出信号を表し、Ｂは無負荷状態
でエンジンを運転しているときの検出信号を表し
ている。

ここにおいて、無負荷時には、検出センサ１２
の検出するトルクに依存する信号StiはＯである
ため、Si＝Soiとなり、従つて、第４図に示す検
出信号Ｂはオフセツト成分Soiそのものを表すこ
とになる。

また、第５図には、前記総和器４６から出力さ
れる各変極点区間毎の総和値Fjが示されており、
図中Ａは第４図に示す検出信号Ａの総和値を表
し、図中Ｂは前記第４図の検出信号Ｂの総和値を
表している。

前記第４図の検出信号Ｂからも明らかなよう
に、オフセツト成分Soiは回転角度に依存し、360
度周期で同一波形となり、このことからも、第５
図で示す総和値Ｂ、すなわちオフセツト成分の総
和は各変極点区間毎にそれぞれ同一の値となるこ
とが理解される。

このため、本実施例の装置では、予め０〜180
度、180度〜360度、360度〜540度、540度〜720度
の各範囲内におけるオフセツト成分Soiを測定し
ておき、これを次式に基づき加算し、 Gj＝Σ^(j+1)〓_j〓Soi ……(4) 各変極点区間毎のオフセツト成分の総和値Gj
を求める。

そして、各変極点区間における総和値Gj（ｊ＝
4m、4m＋１、4m＋２、4m＋３）を各変極点区
間に対応したオフセツトデータとしてメモリ４４
内に予め格納しておく。

そして、総和器４６から出力される信号Fjから
メモリ４４内に格納されたオフセツト信号Gjを
減算することにより、各気筒の出力トルク平均値
を表す検出信号Ejを出力する。

すなわち、実施例の装置においては、タイミン
グ信号発生器４２から、回転軸１０が１度回転す
る毎に、その回転角を表す第１のタイミング信号
が出力され、また、回転角０度、180度、360度、
540度の各点においては、第１、第３、第４、第
２の各気筒の爆発工程開始を表す信号、すなわち
変極点を表す第２のタイミング信号が出力され
る。

そして、総和器４６は、前記第２のタイミング
信号によりその内容がクリアされ、第１のタイミ
ング信号に基づきＡ／Ｄ変換器３８の検出信号を
順次積算し、前記第３式で表す各変極点区間毎の
積算値Fjを減算器４８に向け出力する。

また、メモリ４４は、前記第２のタイミング信
号に基づきこのタイミング信号によつて指示され
る変極点区間のオフセツト信号Gjを減算器４６
へ向け出力する。

そして、減算器４６は、総和値Fjとオフセツト
信号Gjとを次式に基づき演算し、その演算値を
サンプルホールド５０に向け出力する。

Ej＝Ej−Gj ……(5) ここにおいて、総和器４６から出力される総和
値Fjに含まれるオフセツト成分 Σ^(j+1)〓_j〓Soi は、前述したように、メモリ４４から出力される
オフセツト信号Gjと等しく、従つて、前記第５
式は、次式のように表され、減算器４６からは、
伝達トルクに比例した成分Stiのみに比例した信
号の総和値Ejがリアルタイムで出力されることに
なる。

Ej＝Fj−Gj ＝Σ^(j+1)〓_j〓（Sti＋Soi）−Σ^(j+1)〓_j〓Soi＝Σ^(
j+1)〓_j〓Sti……(6) 第６図には、このようにして減算器４６から出
力される検出信号Ejが表示されており、同図から
も明らかなように、本実施例のトルク測定装置で
は、第１、第３、第４、第２の各気筒の出力トル
ク平均値Ejを正確に測定可能であることが理解さ
れる。

そして、このようにして求められた各気筒の出
力トルク平均値は、サンプルホールド回路５８内
の各チヤンネルに入力され、各気筒の出力トルク
平均値を表す信号Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４として
出力する。

特に、本実施例においては、回転軸１０の回転
角に基づきサンプリング数を決定し、各変極点区
間毎のサンプリング数は常に180個と一定である。
従つて、総和器４６から出力される積算値Fjは、
常に平均値の180倍となり、特に割算等を行うこ
となくこの積算値そのものを平均値として用いる
ことができる。

しかし、本発明の装置は、回転角以外にも時間
に基づきサンプリングタイミングを決定すること
も可能であり、この場合には各変極点区間のサン
プリングは回転速度に依存し、常に一定とは限ら
ない。従つて、このような場合には、総和器４６
から出力される信号を、サンプリング数で除算
し、その平均値を求める必要がある。

なお、この場合には、メモリ４４内に各変極点
区間のオフセツト成分の平均値をオフセツトデー
タとして設定しておく必要がある。

以上説明したように、本実施例によれば、従来
装置では測定が不可能であつた各変極点区間ごと
のトルクの測定を容易に行うことができ、前記実
施例のようにレシプロエンジンの伝達トルクの測
定を行つた場合には、エンジンの各気筒の爆発に
より発生したトルクをそれぞれ平均値としてリア
ルタイムで測定することが可能となり、エンジン
の測定、制御、診断を良好に行うことが可能とな
る。

また、本実施例の装置は、前記４気筒レシプロ
エンジンばかりでなく、六気筒、算気筒あるいは
二気筒のエンジンでも同様に各気筒の出力トルク
平均値を測定することが可能となる。

また一気筒の場合はレシプロサイクリに同期の
とれた出力トルク平均値を測定することが可能と
なる。

また、本実施例の測定装置を、電動モータの駆
動系における伝達トルクの測定に用いた場合に
も、モータの磁極数に対応して発生するトルクの
変動を各変極点区間の平均値として正確に検出す
ることが可能となり、同様にモータの測定、制
御、診断を良好に行うことができ、またこれ以外
にも、その他の用途、例えば負荷として複数枚の
羽根を有するプロペラ、スクリユー等を接続した
場合に発生する伝達トルクの変動も、同様にして
正確に測定することが可能となる。

なお、前記第１実施例は、測定信号をデジタル
的に処理する回路を用いて形成されているが、本
発明の装置は、これに限らず、測定信号をアナロ
グ的に処理することも可能である。

第２実施例 第７図には、本発明の好適な第２実施例が示さ
れており、本実施例の特徴的事項は、第１実施例
において行つたデジタル演算処理をアナログ演算
処理に置換えて行うことにある。

このため、本実施例の測定装置は、前記第１図
に示す装置の総和器４６のかわりに、積分器６
０、積分時間演算器６２、除算器６４を用い、ま
たオフセツト信号発生器致して前記メモリ４４の
かわりにオフセツト電圧発生器６６を用いて形成
したことを特徴とする。またタイミング信号発生
器は実施例１における第２のタイミング信号すな
わち各気筒を識別する信号のみで充分である。

本実施例において、前記積分器６０は、タイミ
ング信号発生器４２から第２のタイミング信号が
入力されることによりクリアされ、次の第２のタ
イミング信号が出力されるまでの間、検波器３６
を介して出力される磁気センサ１２の検出信号Si
を積分し、その積分値Hjを除算器６４に向け出
力する。

すなわち、積分器６０は、０度、180度、360
度、540度、720度の各回転角度位置において、そ
の内容が初期化され、磁気センサ１２の検出信号
Siを、０度〜180度、180度〜360度、360度〜540
度、540度〜720度の各変極点区間において積分
し、その積分値Hiを除算器６４へ向け出力する。

また、前記積分時間演算器６２は、第２のタイ
ミング信号の出力時間間隔に基づいて、回転軸１
０が０度〜180度、180度〜360度、360度〜540度、
540度〜720度の各領域を回転するのに要する時間
を積分し、その積分値Tjを除算器６４へ向け出
力する。

実施例において、これら積分器６０及び積分時
間演算器６２の積分値Hj及びTjは、回転軸１０
が180度、360度、540度、720度の角度を通過する
タイミングで出力する。

そして、除算器６４は、このようにして積分器
６０から出力される積分値Hjを積分時間演算器
６２から出力される積分時間Tjで除算し、この
値を各変極点区間内において磁気センサ１２から
出力される検出信号Siの平均値Fjとして減算器４
８へ向け出力する。

また、前記オフセツト電圧発生器６６は、各変
極点区間内において磁気センサ１２から出力され
るオフセツト成分の平均値がそれぞれ設定されて
おり、タイミング信号発生器４２から第２のタイ
ミング信号が出力されると同時に対応する変極点
区間のオフセツト信号平均値を表す電圧Gjを減
算器４８を向け出力する。

そして、減算器４８は、このようにして除算器
６４から入力される信号Fjからオフセツト信号平
均値Gjを減算し、その減算値を各気筒の平均出
力トルクを表す信号Ejとしてサンプルホールド回
路５０へ向け出力する。

このようにして、実施例の装置によれば磁気セ
ンサ１２の検出信号からオフセツト信号をアナロ
グ的に減算処理することにより、オフセツト成分
に影響されることなく、伝達トルクの各変極点区
間における平均値をリアルタイムでかつ再現性良
く行うことが可能であり、その結果、伝達トルク
の変極点区間が極めて短いような場合でも、また
回転角１０が極めて高速回転している場合であつ
ても、そのトルク測定を正確に行うことが可能と
なる。

また、本実施例においては、四気筒レシプロガ
ソリンエンジンの各気筒のトルク平均値を測定す
る場合を例にとり説明したが、本実施例はこれに
限らず、他の複数気筒型エンジンの出力トルクを
測定する場合においても、その気筒数に対応して
分割数を変更することにより同様の原理で各気筒
の出力トルク平均値を正確に測定することが可能
となる。

また単気筒の場合でも、レシプロサイクルに同
期のとれた出力トルク平均値を測定することが可
能となる。

特に、本実施例の装置は、測定データをアナロ
グ信号処理するため、前記デジタル方式に比し、
極めて高速な演算を行い、そのトルク測定をより
高速回転域で行うことが可能となり、また測定信
号をアナログ信号という連続量として取扱うた
め、実施例１におけるＡ／Ｄ変換器３８などのデ
ジタル信号処理を行う場合に見られる量子雑音の
発生を有効に防止することが可能となる。

なお、前記第１及び第２の実施例においては、
磁気センサ１２として、励磁コア及び検出コアを
十字に交差したものを用いた場合を例にとり説明
したが、本発明はこれに限らず、例えば回転磁性
体を取巻くリング状のコアを２個設け、その一方
の励磁コア、他方を検出コアとして用いることも
可能である。

また、本発明においては、磁気センサ１２と
し、複数のコアを組合せて形成された励磁コア
群、検出コア群を用いることも可能であり、更に
複数のポールを持つ各種形状のコアを用いること
も可能である。

ところで以上の説明は、「発明が解決しようと
する問題点」において分析したオフセツト成分の
発生原因の中で、項目(a)、(b)によりオフセツト成
分が回転磁性体の回転に伴い同期変動し(c)、(d)、
(e)の項目では一定であるとして行つたが、項目(c)
すなわち磁気センサと回転磁性体との相対位置関
係の変動があり、かつその変動が回転に伴い周期
的に再現される場合でも、オフセツト成分が、こ
の原因により回転磁性体の回転各に依存して周期
的に変化するので、本発明の装置によりこれを除
去し伝達トルクの大きさを各変極点区間枚の平均
値として正確に求めることができることは明らか
である。

これは例えば、センサの回転磁性体に対するセ
ツテイングが不正確で芯ずれしている場合、回転
に伴い周期的に相対位置が変化し、オフセツト値
が同期変動するので、本発明の測定装置を用い
て、この変動分を変極点数に応じて補正し、正確
な値を高速応答で検出することは勿論である。

特に、磁気センサ１２として、リング状のコア
と、回転磁性体の周囲に巻回されたコイルとを有
するものを用いた場合には、磁気センサの取付け
誤差により発生する回転周期変動を効果的に除去
し、検出精度と応答性を更に向上させることが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるトルク測定装置の好適
な第１実施例を示すブロツク図、第２図及び第３
図は第１実施例において用いられる磁気センサの
概略説明図、第４図〜第６図は第１実施例の装置
を用いて四気筒レシプロガソリンエンジンから出
力されるトルクの測定を行つた場合の検波器、総
和器、減算器の出力波形図、第７図は本発明の好
適な第２実施例を示すブロツク図、第８図及び第
９図は従来のトルク測定装置に用いられる磁気セ
ンサの概略説明図、第１０図は従来のトルク測定
装置のブロツク図、第１１図及び第１２図は第１
０図に示すトルク測定装置の検波器及び減算器の
出力信号波形図、第１３図〜第１５図は、本発明
の装置を用いて四気筒レシプロガソリンエンジン
から出力されるトルクの測定を行つた場合に得ら
れる検出信号の波形説明図である。 １０……回転磁性体としての回転軸、１２……
磁気センサ、４０……区間トルク演算器、４２…
…タイミング信号発生器、４４……オフセツト信
号発生器としてのメモリ、４６……積算器として
の総和器、４８……減算器、５０……サンプルホ
ールド回路、６０……積算器としての積分器、６
４……除算器、６６……オフセツト信号発生器と
してのオフセツト電圧発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転磁性体を介して伝達され複数の回転角度
   位置を変極点とするトルクを、前記各変極点区間
   毎に測定するトルク測定装置であつて、 前記回転磁性体の磁歪量を非接触で検出する磁
   気センサと、 前記回転磁性体の回転角及び変極点を表すタイ
   ミング信号を出力するタイミング信号発生器と、 前記回転磁性体の回転角に依存して磁気センサ
   から出力されるオフセツト信号が前記各変極点区
   間毎にあらかじめ設定され、前記タイミング信号
   に基づき変極点区間に対応したオフセツト信号を
   順次出力するオフセツト信号発生器と、 前記タイミング信号に基づき、磁気センサから
   出力される検出信号からオフセツト信号を減算
   し、各変極点区間毎のトルク平均値を演算する区
   間トルク演算器と、 を含み、回転磁性体を介して伝達されるトルクの
   平均値を各変極点区間毎にオフセツト成分に影響
   されることなく測定することを特徴とするトルク
   測定装置。 ２ 特許請求の範囲１記載の装置において、 区間トルク演算器は、 磁気センサの検出信号を各変極点区間毎に積算
   する積算器と、 この積算器の出力から変極点区間に対応したオ
   フセツト信号を減算する減算器と、 を含み、各変極点区間の伝達トルクの平均値を演
   算することを特徴とするトルク測定装置。 ３ 特許請求の範囲２記載の装置において、前記
   区間トルク演算器は、 磁気センサの検出信号を各変極点区間毎に積分
   出力する積算器と、 前記積算器の区間積分時間を演算出力する積分
   時間演算器と、 前記積算器の出力を積分時間演算器の出力で除
   算し、各変極点区間における磁気センサ出力の平
   均値を演算出力する除算器と、 この除算器の出力から変極点区間に対応したオ
   フセツト信号を減算する減算器と、 を含み、各変極点区間の伝達トルクの平均値を演
   算することを特徴とするトルク測定装置。 ４ 特許請求の範囲１〜３のいずれかに記載の装
   置において、 区間トルク演算器は、減算器の出力する各変極
   点区間のトルク平均値を各区間毎にサンプルホー
   ルドするサンプルホールド回路を含むことを特徴
   とするトルク測定装置。