JPS60140133A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明はトルクセンサ、特に駆動１〜ルク変動を磁気歪
みとして非接触で検出可能な改良されたトルクセンサに
関するものである。

１従米技術］ 各１重の回転駆動装置において軸１ヘルクを正確にかつ
簡易に測定することが必要であり、種々の産業分野にｄ
３＋ノる駆動装置の分析あるいは運転状態の把握に極め
Ｃ好適である。

通常、この種の回転駆動装置とし−Ｃは各種原動機が知
られ’ＣＪ５す、特に車両用エンジンあるいは産業用を
−９等どしてほとんどあらゆる産業分野に−Ｃ利用され
てＪ３す、このような原動機の運転状態を分析づるため
にはその回転数と並／ｖで１〜ルク検出が正１ｉＴｆに
行われる必要がある。１７ｇに、車両用エンジンにＪ３
いては、エンジン自体あるいはその駆動力伝達機４７４
　ｔＦあるトランスミッション、プロペラシトフト、差
動ギＡ７等各種の駆動系の１〜ルクを４測づることによ
り、点火時Ｊ’ｌＪ制御、燃料噴則帝制御、変速時期あ
るいは変速比制御ｌｌＩ等に利用され、これらの分析結
果に基づいて車両の燃費を改善し、あるい（よ運転特性
を向上さＵる等各種の利用に供づることかできる。

また、産業用上−夕においても正確な１〜ルク測定に基
づいて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。

通常の場合、前記駆動軸の１−ルク測定を行うためには
回転軸に悪影響を与えることのない非接触センサが好適
であり、また小型Ｉ！吊であり安価にかつ着脱保守が容
易なセンサが要求される。

従来、この種のトルクセンサとしては各種の方式が提案
されており、以下に各種の従来方式を説明する。

歪みグージレンサは回転軸に歪みゲージを複数個固定し
、これらの歪みゲージで電気的ブリッジを形成してトル
ク測定を行うが、この方式では、各ゲージの取イ」けが
面倒であり、また電気的信号の受信のためテレメータあ
るいはスリップリング等を必要とし、駆動装置に常時装
着しておくこと等がほとんど困ｆ１１であるという欠点
があり、特殊な測定用としてしか通常用いられることが
ない。

位相差方式は回転軸に少なくとも２か所で装着した磁気
素子あるいは光反射素子等を用い、異なる軸位置におけ
る回転位相差を検出するものであるが、この方式も前記
歪みゲージどｌ１１１１様に装置が大型となり、駆動系
内蔵型のセンサを形成することは困辣であった。

前記各従来装置に比較して磁歪方式のセンサは回転１叡
の近傍に設けた励磁コイル及び検出コイルの組合わＩに
より、１〜ルク変動を磁歪変化として検出りることから
、）１接触でかつ小型の装置として駆動装置内部に内蔵
角０ヒとなる利点を有し、１〜ルクレン゛りどしての各
種の要望に合致するものとして期待されている。

しかしながら、このＩＪ磁歪方式ドルクレンザにおいＣ
ち、通常の場合、励磁コイル及び検出コイルは回転軸周
囲に直接あるいは間接的に巻回され、実際上全体の４１
？４造が大型化してしまい、装着箇所に制約が多いとい
う問題があった。また、従来装置にＪ５いて、前記励磁
コイル及び検出コイルを小型化」ノて軸受周囲に段ける
ことも提案されたが、この方式では回転軸を目通りる磁
束が少なくなり、充分な検出精ＩＭを社することかでき
ないという問題があった。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の課題に鑑み成されたものであり、そ
の目的は、磁歪方式を用いて駆動装置に着脱可能でかつ
小型軽量な検出精度の高いトルクセンサを提供すること
にある。

［発明の構成］ 上記目的を達成するｌ〔めに、本発明は、駆動軸を軸支
する軸受にその摺動面の一部を切欠いた開口を設ｃ）、
該開口内に励磁コイル及び検出コイルを挿入し、各コイ
ルがそれぞれ巻回された励磁コア及び検出コアの各極対
が互いに交叉した状態で駆動軸と所定クリアランスを以
て配置され、励磁コイル側の極対が回転軸の円周方向に
沿って設（）られ、一方、検出コイル極対は前記励磁コ
イル（倶対ど直交１−る方向に配置され、これによって
、小型簡易構造であつＣも駆動軸と極めて近接した極配
置により高精痕Ｃ駆動トルクを検出可能な１〜ルクセン
サを提供できることを特徴とする特［実施例Ｊ 以下図面に基づいて本発明のりｆ適な実施例を説明覆る
。

第１図には本発明に係るトルクヒンリ−が適用される車
両用エンジンのクランクシ１シフト軸受部の構造がｔｉ
ｌｔ　１１ｉ的に示されＣおり、車両用クランクシャフ
トは周知のように、エンジンブロック１２と軸受４ニヤ
ツブ１４との間Ｃｌｌ１ｌｌ受支ｆ７　、＞れ（いる。

クランクシャフト１０は周知のごとく各シリンダで光９
−シた１〜ルクをフライホイール側から１〜ランスミツ
シヨンに伝達するので、複数シリンダにお（〕るエンジ
ン出力トルクも最終シリンタ側の軸受部から１〜ルク検
出を行えば、容易に全体的な１〜ルク測定か可能である
ことが明らかＣある。

第１図におい（は、多気間シリンダエンジンに１Ｉｌｌ
）る最終軸受部を示し、本発明にＪ３いては、この駆動
軸Ｃあるクランクシャフト１０を１１１＋支している１
（割軸受の軸受手Ｉ７ツプ１４に１〜ルクＬンサが組込
まれる。図にＪ３いＣ１輔受キヤツプ１４は固定ボルト
１６．１８により着脱自在にエンジンブロック１２に固
定されてＪ３す、この結果、図示した軸受キャップ１４
に本発明に係る１−ルクレンザを組込むことによりその
着脱を極めて容易に行うことが可能となる。

第２図には、前記軸受キせツブ１４に本発明のトルクセ
ンザ装着部を設（プた実施例が、また第３図には本発明
の１−ルクレンサ装着状態が示されており、図から明ら
かなごとく軸受キャップ１４には半割軸受メタル２０が
設けられており、本発明のごとき磁歪方式のトルクピン
１〕においてはその検出感度を向上り−る１＝めに、前
記り１１１受キトツブ１４及び軸受メタル２０はともに
非磁性体から形成づることが好適であり、実施例におい
て、軸受キャップ１７１は非（６性拐の５ＵＳ３０４か
ら形成したが、軸受メタル２０は強磁性体のＳ　ｌ）　
ＣＣに△Ｌ金合金圧接したものを用いている。

本発明において特徴的なことは、図から明らかなごとく
、軸受メタル２０には軸受摺動面を切欠いた開口２０ａ
が設（）られ、同様に軸受キャップ１４には前記開口２
０ａと連設した開口１４ａが設（プられていることであ
り、これら両開Ｄ２０ａ。

１４ａにて１へルクレンサを形成（る後述の励磁コイル
及び検出コイルが挿入される空室を形成し−Ｃいる。

前記り１１受メタル２０の開口２０ａは駆動軸すなわち
クランクシャフト１０の回転方向に長い矩形溝からなり
、また本実施例におい一’ＣＲ徴的なことは、前記間口
２０ａと同一の幅で半割軸受メタル２０にはその全内周
に渡つｒ　ｊｌ？ｉ２０　ｂが形成されていることであ
る。従って、このｆＭ　２　Ｑ　ｂにより、軸受メタル
２０の開［４２０ａによる切欠はそのメタル全内周に渡
って連続的となり、摺動面に設【プられた切欠を形成す
る間口２０ａににつ（潤滑油の油膜切れ等が生じること
を確実に防止しＣいる。

もらろｌυ、このｉＭ　２０　ｂによって軸受メタル２
０の軸受摺動面積が減少づるが、実用上クランクシャツ
１〜１０の軸受としては何ら支障がなく、また一般的な
軸受の場合にこのようなｆｉ　２０　ｂによる輔受面槓
の減少は軸受メタル２０の幅を増大づることにより容易
に解決可能である。

前記軸受ギャップ１４の開口１４ａも前記軸受メタル２
０側開口２０ａと対応してクランクシャツｉ〜の円周方
向に治った矩形状空室からなり、またその内側面には肩
部１４ｂが設けられており、この肩部１４ｂによって後
述する］〜ルクセンサの収納状態での位置決めを行うこ
とができる。そして、前記間口１４ａを設番プることに
よって、軸受キャップ１４はその軸受強度にある程度の
低下が生じるが、このような軸受強度の低下は軸受キャ
ップ１４の高さを増加することにより容易に補強可能で
ある。

第３図に詳細に示されるごとく、前記間口１４ａ、２０
ａには励磁コイル２２が巻回された励磁コア２４が挿入
固定され、また実施例にＪ３いて、前記励磁コア２４の
内周には検出コイル２６が巻回された検出コア２８が前
記励磁コア２４ど直交する方向に挿入配置されている。

実施例における励磁コア２４は０．３５ｍｍ厚の珪素鋼
板を１４枚積層して配置したＵ字型形状からなり、その
極対が軸受メタル２０の開口２０ａを貫通して駆動軸で
あるクランクシャツ１〜の外周面に向って伸張し、前記
励磁コイル２２に供給される交流７ａ流に基づいてクラ
ンクシレフト内に所定の交番磁束を供給する。もちろん
、クランクシレフト外周面ど励磁コア２４との接触を防
ぐため、励磁コア２４の極対とクランクシャフト外周と
の間には所定の開隔が形成されている。前記励磁コイル
２２は０．３１１１１１径のポリ１スプル被覆銅線を１
００巻きした４１４成からなる。

一方、検出コノ７２８は０．２ｍ１ｌｌ厚のシューパロ
イを１３枚積層したＵ字型形状からなり、前記励磁コア
２４の内側に直交配置して固定され、前記励磁コア２４
と同様に、その極対はクランクシャフト外周面と所定の
クリアランスを保って固定配置されＣいる。そして、検
出コイル２６は０．０６ｍｍ径のポリイミド被覆銅線を
３００巻きした横道からなる。

第４図には、前記励磁コア２４にＪこり形成される駆動
軸であるクランクシ１フト−内の磁束分布と、検出コア
２８の配置が示され、図から明らかなごとく、励磁コア
２４の両極２４’ａ、２４ｂは矩形断面を有し、この結
果、この極対間磁束分布は図示のごとくほとんど平行磁
力線分布となり極めて均一の磁界を得ることが可能とな
る。そして、他方の検出コア２８の両極２８ａ　、２８
ｂも同様に矩形断面を有し、本実施例では、この検出コ
ア極対２８ａ、２８ｂは前記励磁コア極対２４ａ、２４
ｂにて形成される均一な平行磁力線内に配置されること
が好適であり、実施例においでは、励磁コア幅Ｙとほぼ
等しい検出コア極間隔Ｘなる配置となっている。実験に
よれば、検出コア極間１１１ｉＪＸは励磁コア幅Ｙより
小さくすることによって極め′Ｃ均一でかつ密な磁界内
で信号検出を行いその効率を改良りることが司ｉである
ことが確認されている。

すなわち、周知のごとく、本発明のごとき磁歪方式によ
れば、励磁コイル２２に供給される交流電流によって駆
動軸内には第４図の分布で示される磁束が交番し−Ｃ貫
通し、この交番磁束の分布状況が駆動軸のトルクに基づ
く内部応力によって変化するため、この磁束分布の変化
内にある検出コア２８からの信号が検出コイル２６にＪ
：って電気的に検出され、非接触で極めて高精瓜の１−
ルク検出を行うことが可能となる。

実施例における車両用エンジンの軸受部に本発明に係る
トルクセンサを組込む場合、トルクセンサの装着によっ
て軸受作用に悪影響がでることを防ぐため、前記センサ
の配置すなわち軸受に設ける開口の設置位置は正しく定
められなければならず、この開口配置は潤滑油の油膜切
れによって軸に焼き（＝Ｉけが生じることを防止可能な
最適位置に設定することが好適である。前記軸受作用に
対して車両用エンジンでは、シリンダ内を往復直線運動
するピストンがクランクシャフトによって回転運動に変
換されることから、軸受は、その各面において異なる軸
受細手を有し、この軸受荷重はエンジンの爆発圧分布に
より定まり、史に軸受部での油膜厚分布をも勘案すれば
、このＪ、うな不拘−Ｍ重軸受において、本発明に必要
なＵｔ１口部の正しい位置設定によって何ら軸受作用に
悪影響を及はすことなく、前記間口を設けることが可能
となる。

第５図は、エンジンのシリンダ、ピストン及びクランク
シャフトの関係をエンジン前方側から見た模式図であり
、周知のごとく、シリンダ内圧力の最大点は上死点後の
０〜１０度地点であり、第５図はこのときのピストン４
０及びクランクシャフト１０の位置を示し、ピストン４
０に加わった力はコネクティングロッド４２を通してク
ランクシ１シフトのビン４４に矢印Ａで示されるごとく
伝達され、この力は前記ビン４４からアーム４６を介し
てシャフト１０に伝達される。そして、シャフト１０へ
の力は前記ビン４４における荷重方向Ａと平行の矢印Ｂ
で示される向きにて軸受キャップ１４で軸受される。

従って、軸受キャンプ１４においては矢印Ｂの方向に最
大荷重がかかることが理解され、この結果、前記セン−
リー挿入用開１」はこの矢印Ｂを避ける位置に設けるこ
とが好適であり、これによって、軸受強度を充分に保つ
とともにレンーリー自体の強度に対づる考慮も合わせて
行うことが可能となる。

一方、油膜１９分布を考えると、前述した第１図におい
Ｃ１潤滑油は軸受半割部分１００から軸受メタルとクラ
ンクシャフトとの間隙に導かれ両者間に所望の油膜を形
成する。そし−Ｃ１この油膜厚は前記潤滑油が供給され
る半割部分１００のｌｌ′ｉ後１０１で最大値となり、
順次１０２．１０３．１０４．１０５のごと（その膜厚
が小さくなる。

従って、潤滑Ｉυ終領領域ある１０４．１０５にＣンザ
用開口を設ける場合には、油膜自体が極めてｄｌｉいた
めに容易に油膜切れを誘発し１ｖｌ＋受の焼きｆりき原
因どなることが明らかである。また、第１図から明らか
なごとく領域１０１．１０５はと−しに固定ボルト１６
．１８の配置領域であり、これら油膜厚及びボルト配置
から考慮した場合、センサ聞日用のスペースとしては領
［１０２，１０３，１０４からなるＰで示される部分に
限定される。

そして、前述した第５図の爆発荷重と第１図の油膜厚、
ボルト配百の各条件を考慮した場合、車両用エンジンの
クランクシャ７１〜に関しては、クランクシャフトの真
下部である領域１０３に対応する軸受キャップ１４の位
置が最適であることが理解される。以上のように、第２
．３図で示されるクランクシャフトの直下に間口１４ａ
、２０ａを設けることにより、軸受の特性すなわち充分
なｍＵ荷重耐力及び油膜切れのない良好な軸受作用を維
持しながらその摺動面に切欠かれた開口を設けることが
可能となり、実質的な従来の軸受と同様の構成にて、本
発明にお（プるトルクセン１〕−を軸受部に収納配置す
ることが可能となる。りなわち、図示した車両用エンジ
ンのトルクセンサとしては、車両用エンジンのクランク
シャフト軸受部がその軸受摺動面において異なる爆発荷
重を受ｔプることがら、このような不均一荷重を利用し
て比較的爆発荷重の少ない領域にセンサ用開口を設ける
ことによって、軸受作用とセンサ駆動軸間のクリアラン
スの減少との両者を調和可能としている。

更に、本実施例においては、前述したように、軸受メタ
ル２０に前記開口２０ａと整列した溝２０ｂを設けるこ
とにより、一般的な軸受摺動面に切欠がある場合に生じ
る切欠境界面での急激な油圧変化による主１アビチージ
ョン、エロージョン等を確実に防止し、軸受焼き付きの
ない良好な軸受作用を保持可能である。

本実施例において、前記両コア２４．２８はそれぞれ保
持ケースによって開口１４ａ及び２Ｏａ内に保持され、
このような保持ケースとしてはヒラミクスが好適であり
、快削性ガラスを用いている。またこのような保持ケー
スと前記間口１４ａ内に設けた肩部１４ｂとの間に所定
厚のスペーサを挿入づることによって、各コア２４．２
８とクランクシャフトとのクリアランスを微調整するこ
とが？ｉＩ能となる。

実際上、前記保持ケースと各コア２４．２８及び間口１
４ａとは最終的に接着固定づることが好適であり、これ
によってトルクセンサを軸受キャップ１４に強固に固定
することが可能であるが、トルクセンサを軸受キャップ
１４から着脱可能とするために、保持ケースを開口Ｌ４
ａにボルト締め覆ることによって固定保持することも可
能であり、この場合には、軸受キャップ１４自体がエン
ジンブロック１２からは容易に着脱できるので、トルク
センサ自体の分解組立も極めて容易どなる利点がある。

上記実施例にＪ３いて、励磁コイルは駆動軸の円周方向
に沿って配置され、検出コイルはこの励磁コイルと直交
しているが、逆に、励磁コイルを駆動軸の軸方向にして
配置し、検出コイルをこの励磁コイルと交叉するように
配置づることも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、磁歪方式のトル
クセンサを駆動軸を軸支する軸受内に収納固定し、かつ
軸受摺動面を切欠いた開口からセンサの励磁コア及び検
出コア極を駆動軸外周に極めて近接可能であることから
、小型のセンサでも高い検出分解能を可能とし、高精度
のトルク分析に極めて好適である。更に、本発明のトル
クセンサは磁歪効果を利用するので、駆動軸の回転方向
及び回転数に係わらず、実際上静止１−ルクの測定も行
うことがひき、極めて広い汎用性を右する。

また、トルクセンサは軸受部内に収納されるので、外部
からの塵埃あるいは腐蝕物等の侵入がなく、耐久性に優
れたセンサを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るトルクセンサーか適用される車両
用エンジンのクランクシャフト軸受部を示す説明図、 第２図は第１図のクランクシャフト軸受に本発明に係る
１−ルクセンサを収納するための間口を設（）た状態を
承り一部切欠き斜視図、 第３図は第２図の軸受に本発明に係る１−ルクセンリを
装着した状態を承り一部切欠きｆＡ？３２図、第４図は
本発明に係るトルクセンサの好適な実施例にお（）る磁
束分布を示１説明図、第５図は本発明を車両用エンジン
のクランクシャフトの軸受部に適用した場合の軸受部の
爆発荷親をホブ説明図である。 １０　・・・　クランクシャフト １４　・・・　軸受キ１７ツプ １４ａ・・・　開口 １４ｂ　・・・　肩部 ２０　・・・　軸受メタル ２０ａ　・・・　開口 ２０ｂ　・・・　溝 ２２　・・・　励磁コイル ２４　・・・　励磁コア ２６　・・・　検出コイル ２８　・・・　検出コア。 代理人　弁理士　吉田研二 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動軸を軸支する軸受にその摺動面を切欠いた開
   口を設り、該開口に励磁コ・イルと検出コイルを装着し
   、前記励磁コイルが巻回された励磁コアはその極対が駆
   動軸の円周方向に沿って駆動軸外周と所定のクリアラン
   スで配置され、前記検出コイルが巻回された検出コアは
   その極対が前記励磁コア極対に交叉する方向に駆動軸外
   周と所定のクリアランスを以て配置され、駆動１−ルク
   変動を磁気歪として検出することを特徴とりるトルクセ
   ンサ。
2. （２）特ｉｉ’ｌ　請求の範囲（１）記載のトルクセン
   サにＪ３いて、検出コアは励磁コアの内側に配置され、
   検出′−１ア極対間隔は励磁コア極により形成される平
   行磁束内に設けられることを特徴と覆る１〜ルクセンザ
   。
3. （３）特許請求の範囲（１）、（２）のいずれかに記載
   のセンサにおいて、軸受摺動向には前記開口と整列して
   軸受内周面に沿った溝が形成されていることを特徴とす
   る１−ルクセンサ。
4. （４）特許請求の範囲（１）、（２）、（３）、のいず
   れかに記載のセンサにおいて、各励磁コア及び検出コア
   保持ケースによって軸受開口に位置決め保持されること
   を特徴とする１へルクレンサ。
5. （５）特許請求の範囲（１）記載のセンサにおいて、励
   磁コイル及び検出コイルは車両用エンジンのクランクシ
   ャフト軸受部に装着されることを特徴とするトルクセン
   サ。
6. （６）特許請求の範囲（５）記載のセンサにおいて、ク
   ランクシャフト軸受キャップに設【プられる開口はクラ
   ンクシ１？７１への真下部に配置されることを特徴とす
   るトルクセンサ。