JPH095178A - トルク検出システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 信頼性及び機能性の高いトルクセンサを提供
する。 【構成】 回転体２上に設けたセンサ部１に非接触で電
力を送り込み、測定結果を非接触で読み取る。このため
回転体２の脇の計測部３からマイクロ波を照射し、セン
サ部１ではそのエネルギーで電力を賄なって、計測信号
を電波として計測部３に送り返す。回転体２上のセンサ
部１は半導体チップと周辺部品のみで構成され、外部か
ら独立しているので完全にモールドされる。 【効果】 接触不良等による誤動作がなく信頼性の高い
センサが得られる。センサ部は小形軽量に作れるので従
来取りつけられなかった狭い部分にも取付け可能であ
り、トルクとともに回転数などの情報も検出できるので
機能的な複合センサが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回転体のトルクを検出す
るトルク検出システムに関し、特に自動車のドライブシ
ャフトから駆動力制御のためのトルク信号を取り出すの
に好適なトルク検出システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の駆動力制御は、あらかじめ決め
られた手順のいわゆるプログラム制御による、フィード
フォワード制御を用いるのが一般的である。本来エンジ
ンや変速機部分のトルクを検出してフィードバック制御
するのが良いのであるが、小型・安価で使いやすいトル
クセンサが見当たらないために、プログラム制御を用い
ているのが実情である。したがって、きめの細かいトル
ク制御ができず、運転性要求の高度化に応えられなくな
ってきている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このためエンジン特性
やトルクコンバータ特性を記憶させて、計算によりトル
クを推定して制御する方法も行われているが、計算遅れ
があったり記憶させた特性が実機と合わず、正確なトル
ク制御ができないといった問題があった。本発明の目的
は、かかる不都合をなくし、正確な駆動トルク制御を行
う自動車制御システムを実現できるトルク検出システム
を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、自動車のド
ライブシャフト等の回転体に対して電気的接続をするこ
となく、そのトルクを検出するトルク検出システムを開
発することによって前記目的を達成した。本発明のトル
ク検出システムは、トルクを検出すべき回転体上に一体
的に装着されるセンサ部と、回転体に近接して配置され
る計測部とで構成される。センサ部は、トルク検出手
段、トルク検出手段の出力信号を増幅及び信号変換して
電波送信する回路手段、及び計測部から空間伝送される
エネルギーを受領して回路手段に電力を供給するエネル
ギー受領手段を備え、計測部は、センサ部に対してエネ
ルギーを空間伝送するエネルギー供給手段、及びセンサ
部から送信された電波を受信し復調する受信手段を備え
る。

【０００５】センサ部は、例えば自動車の車輪を駆動す
るドライブシャフト、あるいはタイヤホイールのリム又
はディスクに設けることができる。センサ部をタイヤホ
イールに装着する場合には、タイヤの空気圧を検出する
空気圧センサを同時に備え、その空気圧センサの出力信
号も取り込んで電波送信するのが好ましい。計測部は、
ドライブシャフトやタイヤホイールに設けられたセンサ
部に近接するように、車体側の適当な場所に固設され
る。

【０００６】トルク検出手段は、回転体に貼り付けたス
トレインゲージで構成することもできるし、あるいは一
端が回転体に固定され回転体の軸方向に離間した他端が
自由端になっている剛体部材と、回転体に固定されて剛
体部材の自由端の変位を検出する半導体微小変位検出素
子とから構成することもできる。エネルギー供給手段
は、マイクロ波、光、あるいは超音波の形でエネルギー
を空間伝送することができる。エネルギー受領手段は、
それに対応してマイクロ波受信アンテナ、太陽電池、超
音波受波セルとすることができる。

【０００７】一例として、マイクロ波によってエネルギ
ーを空間伝送する場合、エネルギー受領手段であるマイ
クロ波受信アンテナは回転体の円周方向に細分化して配
置した複数の要素アンテナから構成することができる。
各要素アンテナを互いに逆極性に接続すると、そのカス
ケード出力の変動周期から回転体の回転速度に関する情
報を取り出すことができ、また、各要素アンテナの出力
を整流して利用することによりセンサ部で必要な電力を
まかなうことができる。

【０００８】

【作用】本発明によると、センサ部に電力供給線や信号
線を接続する必要がないので、接触不良等による誤動作
がなく信頼性の高いトルク検出システムが得られる。セ
ンサ部は半導体チップと周辺部品のみで小形軽量に作れ
るので、従来取りつけられなかった狭い部分にも取付け
可能である。

【０００９】また、センサ部はトルクとともに回転数な
どの情報も検出できるので機能的な複合センサが得られ
る。

【００１０】

【実施例】本発明の第１の実施例を図１〜４を用いて説
明する。図１は全体のシステムを示すもので、センサ部
１はドライブシャフト２の中間に設けられ、耐水性を高
めるためモールドされている。ドライブシャフト２に対
向して計測ユニット３が車体側に取り付けられる。ドラ
イブシャフト２はデファレンシャルギヤ４とタイヤ５の
間をフレキシブルに接続するため、タイヤ５の上下動に
より変位するが、計測ユニット３はこれらの変位を許容
するように距離を置いて設置されている。計測ユニット
３は、センサ部１にエネルギーを送り込むためマイクロ
波を照射するとともに、センサ部１から送信されたパル
スコード電波を受信する。

【００１１】センサ部１の構造及び動作を、図２により
説明する。センサ部１はフィルム状の基板６の上に構成
される。基板６上に形成されたブリッジ回路構成のスト
レインゲージ７はドライブシャフト２に接着され、トル
クによる軸の歪に応じた電圧を発生する。この検出電圧
は半導体チップ８に形成された直流アンプ９により増幅
され、Ａ／Ｄ変換部１０に送られてデジタル信号に変換
される。次いでシリアル変換部１１においてパルスコー
ドに変換され、送信部１２において電波となり、アンテ
ナ１３から計測ユニット３に向けて送信される。なお、
Ａ／Ｄ変換とシリアル変換をする代りにＰＷＭ変調ある
いはＦＭ変調して電波で送信する方法でもよいことは言
うまでもない。

【００１２】電源変換部１４は半導体チップ８で使う電
力を作り出すもので、アンテナ１５にて受信したマイク
ロ波エネルギーを入力して整流し、電圧調整して各部に
送るとともにコンデンサ１６に蓄える。センサ部１の実
際の構造を図３に示す。フィルム状の基板６にはストレ
インゲージブリッジ７とアンテナ１３，１５が印刷回路
にて形成され、これらに接続して半導体チップ８及びコ
ンデンサ１６がハンダ付けされる。ストレインゲージ７
はホイートストーンブリッジを構成し、トルクによりド
ライブシャフト２がねじれ方向に歪むとき、その歪みを
効率良く検出するために軸方向に対して４５度の角度に
なるように形成される。このようなフィルム状の基板６
をドライブシャフト２に接着するのであるが、特にスト
レインゲージ７の部分は念入りに接着される。センサ部
１は小石等が当たったときの衝撃や、水に濡れることに
対する防御のためマイクロ波非遮蔽性の樹脂等でモール
ドされる。

【００１３】次に、車体側に取り付ける計測ユニット３
の構成及び動作を図４により説明する。計測ユニット３
は、マイクロ波発生部１７と送信アンテナ１８からなる
マイクロ波照射部と、それ以外の計測部よりなる。セン
サ部１からの電波は受信アンテナ１９で受け、受信部２
０に送られて復調し、さらにコード変換部２１に送られ
てデジタル信号に戻される。これをシリアル通信部２２
に送ると、どのドライブシャフトのトルクか識別できる
ように、各計測ユニットに固有のアドレス情報を加えて
エンジン制御装置や変速機制御装置等に伝送される。

【００１４】第２の実施例について、図５及び図６を用
いて説明する。図５はドライブシャフトの一部分を示す
もので、中間部に長さＬ１のパイプ２３（断面を図示）
をかぶせてある。このパイプ２３の一端はドライブシャ
フト２に溶接されており、他端は開放されて自由端とな
っている。開放されたパイプ端部とドライブシャフトの
隙間には、半導体微小変位センサ２４がドライブシャフ
ト２側に接着され、その検出レバー２５はパイプ２３の
開放端付近に設けられた爪２６とかみ合っている。すな
わち、トルクが加わりドライブシャフト２が捻れると、
パイプ２３は捻れないのでパイプの開放端ではトルクに
比例した変位が生じる。このため半導体微小変位センサ
２４の検出レバー２５は、パイプ２３の爪２６により円
周方向に押される。

【００１５】半導体微小変位センサ２４の構造を図６に
示す。検出レバー２５の中間部には抵抗部２７，２８が
作り込まれており、これらに対向した静止部には抵抗部
２９，３０が作り込まれている。これらの抵抗部２７〜
３０は同一寸法で、同じプロセスにより同時に作られる
ので同じ抵抗値になっており、回路的にはブリッジを構
成している。例えば、パイプ２３の爪２６が検出レバー
２５を図６の上方に押すと、検出レバー２５が変形し
て、抵抗部２６は圧縮され、抵抗部２８は反対に伸張さ
れるため、その抵抗値が変化する。抵抗部２９，３０
は、検出レバー２５の変形の影響を受けないので、抵抗
値は変化しない。従って、抵抗部２７〜３０で構成され
るブリッジ回路から爪２６の変位に応じた信号が得られ
る。

【００１６】微小変位センサ２４の上には信号処理回路
３１が形成され、抵抗部２７〜３０のブリッジ出力を増
幅するとともに、図２と同様にしてシリアル変換した出
力を電波で送信する。なお微小変位センサ２４はフィル
ム６に接続されており、フィルム６にはアンテナ１３及
び１５が設けられている。すなわち図２の場合と同様
に、計測ユニット３から照射されたマイクロ波をアンテ
ナ１５で受けて電力を作り、測定結果をアンテナ１３か
ら送り返す。本実施例の方法によればトルクを微小変位
として検出するので、ストレインゲージをドライブシャ
フトに貼り付ける際の接着ムラ等による製造ばらつきが
少なく、安定した性能を得ることができる。

【００１７】なお、本実施例ではトルク検出に半導体微
小変位計を用いたが、これの代わりに爪２６とドライブ
シャフト２の間に、パイプ２３の動きによって生じる押
し付け力を測るロードセルを設けてもよい。図７は本発
明の第３の実施例を示すものである。図２の場合と異な
るのはアンテナ１５の形状である。均一間隔の小さなア
ンテナが多数配置され、各アンテナ出力は整流されて並
列に電源変換回路１４に接続される。一方、両端Ｔ１，
Ｔ２からは各アンテナを直列に接続したカスケード出力
が取り出されており、整流されずに位相比較器３３に入
力される。なお、アンテナ１５の横にはアンテナ３２が
設けられ、比較信号を位相比較器３３に供給する。

【００１８】本実施例によるアンテナ１５の一例を図８
に示す。例えば図の下のほうからマイクロ波の照射部に
さしかかるとすると、一番下方のコイルに起電力が生じ
整流されて端子Ｃ１からＣ４に向けて電流が流れる。照
射部が図の上方に移動するに連れ、次のコイルに起電力
が生じ端子Ｃ２からＣ４に向けて電流が流れる。次はＣ
２からＣ６、その次はＣ３からＣ６と次第に照射位置と
ともに中心となるコイルが移動しながらも常にいずれか
の整流器を介して直流電流を流し続けるので、これをコ
ンデンサ１６に蓄えることで半導体素子８に供給する電
力を得ることができる。

【００１９】ところで端子Ｔ１とＴ２の間で見ると、各
コイルが全てカスケードに接続されている。隣り合った
各コイルは向きが反対に巻かれているので、照射部の移
動にともなって端子Ｔ１，Ｔ２間に現われるマイクロ波
電圧は位相が反転し、図９（ａ）のような波形が得られ
る。一方、図７においてアンテナ１５と並んで設けられ
たアンテナ３２からは図９（ｂ）のような常に同一極性
の出力が得られるから、両者を位相比較器３３で比較す
ると、図９（ｃ）のような出力が得られる。すなわち各
コイルの巻きピッチに応じた方形波が得られることにな
る。カウンタ３４でこの方形波の波長を測ることによ
り、ドライブシャフトの回転速度がわかる。こうして得
られた速度情報はトルク情報と同様にしてシリアル変換
され、電波によって計測ユニット３に送られる。本実施
例の方法によれば、トルクのみならず回転速度までも計
測できる複合センサとして機能するので、たとえばＡＢ
Ｓ制御のために特別に車輪速センサを設ける必要がな
く、システム全体を安価に構成できるという経済的効果
がある。

【００２０】図１０〜１２は、本発明の第４の実施例を
示し、センサをタイヤホイール部に装着した例である。
本実施例では、ホイールのリム又はディスク周辺にフィ
ルム６を貼り、その一部に半導体チップを設ける。計測
ユニット３からは横向きにマイクロ波が照射される。ト
ルク検出のためのストレインゲージ等はホイールの一部
に接着される。マイクロ波受信のためのアンテナ１５が
また速度検出機能を兼ねることも、図７の場合と同じで
ある。

【００２１】本実施例においては、さらにタイヤの空気
圧も測定してデータを送信するようになっている。ホイ
ールを貫通してタイヤの内部の空気圧を測定する半導体
圧力センサ等の空気圧センサ３５が設けられ、図１２に
示すように直流アンプ３６を介してＡＤ変換器１０に接
続されている。したがって、本実施例においては常にタ
イヤの空気圧を測定することができ、警報を発したり、
空気圧に見合った制御を行なったりすることができる。

【００２２】さて、これまでは半導体素子に電力を供給
する方法としてマイクロ波を照射する方法について説明
してきた。しかし、マイクロ波に限らず例えば赤外線等
の光を用いてもエネルギーの供給を行うことができる。
その場合にはアンテナ１５の代りに太陽電池等の感光半
導体を利用することになり、太陽電池を分割して設置す
れば回転速度を検出することもできる。

【００２３】図１３は、光によってエネルギーの送受信
を行う本発明の第５の実施例を示し、図８に示したアン
テナ拡大図に相当する太陽電池部の拡大図である。細か
く分割された太陽電池３７がダイオード３８により並列
接続されてＢ端子より電源変換部１４に電力を供給す
る。一方、各素子の出力はコンパレータ３９により基準
電圧Ｒ以下の部分のみが取り出される。このような太陽
電池アレイを図７に示したアンテナ１５の代わりに基板
フィルム６の上に形成しておけば、ドライブシャフト２
の回転により太陽電池アレイ内で光の当たる位置が順次
移動することになる。エネルギー分布がＬの光が矢印で
示すように図の下方に向かって移動すると、各コンパレ
ータ３９の出力波形は図１４に示すように変化する。各
コンパレータ３９の出力時間差ｔは太陽電池アレイがピ
ッチｐだけ移動した時間であるので、こドライブシャフ
ト２の回転速度は半径をｒとして下式のように表され、
これから車速を計算することができる。

【００２４】ｐ／２πｒｔ［ｓ^-1］ また、太陽電池の代りに超音波受波セルを用いれば、超
音波によるエネルギー伝送及び速度検出ができることは
いうまでもない。さらに、測定した信号の返信は電波で
なくても赤外線、超音波等でもよいことは明らかであ
る。なお、以上の実施例は自動車への適用に関するもの
であるが、本発明は自動車以外にも電車等の車両あるい
はプラント設備等の地上設置設備において回転部のトル
クを検出する場合に用いて有用であることは言うまでも
ない。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、回転部等の電力を直接
供給しにくいところにも、小さな半導体素子を張り付け
るだけでトルクや回転数などを計測できるので、従来実
現しにくかった検出トルクに依るきめの細かいトルク制
御ができるという効果が得られる。なお、電力の供給と
計測信号の伝送を非接触に行うので、信頼性の高い制御
システムを構築することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す全体構成図。

【図２】本発明の第１の実施例におけるセンサ部のブロ
ック図。

【図３】本発明の第１の実施例のセンサ部の構造図。

【図４】本発明における計測部の構成を示すブロック
図。

【図５】本発明の第２の実施例におけるセンサ部の構造
図。

【図６】本発明の第２の実施例における微小変位センサ
及びアンテナを示す構造図。

【図７】本発明の第３の実施例におけるセンサ部のブロ
ック図。

【図８】本発明の第３の実施例におけるアンテナの構成
例を示す回路図。

【図９】本発明の第３の実施例におけるアンテナ出力信
号波形と位相比較出力波形を示す図。

【図１０】本発明の第４の実施例を示す全体構成図。

【図１１】本発明の第４の実施例におけるセンサ部の構
造図。

【図１２】本発明の第４の実施例におけるセンサ部のブ
ロック図。

【図１３】本発明の第５の実施例における感光半導体素
子の構成例を示す回路図。

【図１４】本発明の第５の実施例における各コンパレー
タの出力波形を示す説明図。

【符号の説明】

１：センサ部 ２：ドライブシャフト ３：計測部
６：基板フィルム ７：ストレインゲージ ８：半導体
素子 １３：送信アンテナ １５：エネルギー受信アン
テナ １９：測定結果信号電波受信アンテナ ２０：受
信復調回路 ２３：パイプ ２４：半導体微小変位検出
素子 ２５：検出レバー ２６：爪 ３５：タイヤ空気
圧センサ、３７：太陽電池、３９：コンパレータ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トルク検出手段、前記トルク検出手段の
   出力信号を増幅及び信号変換して電波送信する回路手
   段、及び前記回路手段に電力を供給するためのエネルギ
   ー受領手段を備えるセンサ部と、前記センサ部に対して
   エネルギーを空間伝送するエネルギー供給手段、及び前
   記センサ部から送信された電波を受信し復調する受信手
   段を備える計測部とからなり、前記センサ部はトルクを
   検出すべき回転体上に一体的に装着され、前記計測部は
   前記回転体に近接して配置されていることを特徴とする
   トルク検出システム。
2. 【請求項２】 前記センサ部のエネルギー受領手段は前
   記回転体の円周方向に細分化して配置され、前記エネル
   ギー受領手段のカスケード出力の変動周期から前記回転
   体の回転速度を検出することを特徴とする請求項１記載
   のトルク検出システム。
3. 【請求項３】 前記センサ部はタイヤホイール上に装着
   され、さらにタイヤの空気圧を検出する空気圧センサを
   備え、前記センサ部の回路手段は前記空気圧センサの出
   力信号も信号変換して電波送信することを特徴とする請
   求項２記載のトルク検出システム。
4. 【請求項４】 前記トルク検出手段は前記回転体に貼り
   付けられたストレインゲージであることを特徴とする請
   求項１〜３のいずれか１項記載のトルク検出システム。
5. 【請求項５】 前記トルク検出手段は、一端が前記回転
   体に固定され回転体の軸方向に離間した他端が自由端に
   なっている剛体部材と、前記回転体に固定されて回転体
   に対する前記剛体部材の自由端の相対変位を検出する半
   導体微小変位検出素子とからなることを特徴とする請求
   項１又は２記載のトルク検出システム。
6. 【請求項６】 前記エネルギー供給手段はマイクロ波を
   照射するものであることを特徴とする請求項１〜５のい
   ずれか１項記載のトルク検出システム。
7. 【請求項７】 前記エネルギー供給手段は光を照射する
   ものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１
   項記載のトルク検出システム。
8. 【請求項８】 前記エネルギー供給手段は超音波を照射
   するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれ
   か１項記載のトルク検出システム。
9. 【請求項９】 前記エネルギー供給手段はマイクロ波を
   照射するものであり、前記エネルギー受領手段は前記回
   転体の円周方向に配列された複数の要素アンテナからな
   るマイクロ波受信アンテナであり、前記要素アンテナは
   隣接するもの同士が互いに逆極性に接続されていること
   を特徴とする請求項２記載のトルク検出システム。