KR20120109367A - 회전 상태 검출 장치 - Google Patents

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다까노리 하기하라
데쯔시 가쯔마따
겐이찌 다다
아끼또요 다나까
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Abstract

부품 개수의 증대를 초래하는 일 없이 토크와 회전수의 양쪽을 검출 가능한 회전 상태 검출 장치를 제공하는 것이다. 회전체에 작용하는 토크에 의해 변형되는 부재의 변형량에 따른 전기 신호를 검출하는 전기 신호 검출 수단과, 전기 신호 검출 수단에 의해 검출된 전기 신호의 진폭으로부터 상기 회전체에 작용하는 토크를 산출하는 동시에, 상기 전기 신호의 변동 주기에 기초하여 상기 회전체의 회전수를 산출하는 회전 상태 검출 수단을 구비하였다.

Description

회전 상태 검출 장치{ROTATION STATE DETECTING APPARATUS}
본 발명은, 회전체의 운동 상태를 검출하는 회전 상태 검출 장치에 관한 것이다.
종래, 특허 문헌 1에는, 회전체의 토크를 검출하는 장치로서, 자왜식(磁歪式)의 토크 센서를 구비한 구성이 개시되어 있다. 또한, 일반적으로, 회전체에 요철 부재 등을 설치하고, 이 요철 변화에 의한 자계의 변화를 검출함으로써, 회전체의 회전 속도를 검출하는 회전 센서 등이 알려져 있다. 이에 의해, 회전체의 토크와 회전수를 검출함으로써 회전 상태를 검출하고 있다.
일본 특허 출원 공개 제2003-172430호 공보
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 토크를 검출하고 있을 뿐이며, 회전수는 별도의 회전수 센서를 구비해야만 되어, 부품 개수의 증가를 초래한다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기 과제에 착안해서 이루어진 것으로, 부품 개수의 증대를 초래하는 일 없이 토크와 회전수의 양쪽을 검출 가능한 회전 상태 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는, 회전체에 작용하는 토크에 의해 변형되는 부재의 변형량에 따른 전기 신호를 검출하는 전기 신호 검출 수단과, 전기 신호 검출 수단에 의해 검출된 전기 신호의 진폭으로부터 상기 회전체에 작용하는 토크를 산출하는 동시에, 상기 전기 신호의 변동 주기에 기초하여 상기 회전체의 회전수를 산출하는 회전 상태 검출 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
따라서, 1개의 전기 신호로부터 토크와 회전수의 양쪽 정보를 검출하는 것이 가능해져, 토크 센서와 회전수 센서를 개별로 설치할 필요가 없으므로, 부품 개수를 억제할 수 있다.
도 1은 제1 실시예의 회전 상태 검출 장치가 적용된 파이널 드라이브 기구의 확대 단면도.
도 2는 제1 실시예의 회전 상태 검출 장치가 장착된 자동 변속기의 개략 구성을 표시하는 도면.
도 3은 제1 실시예의 베어링 확대 부분 단면도.
도 4는 제1 실시예의 베어링 확대 부분 단면도.
도 5는 제1 실시예의 전기 신호의 시간 변화를 나타내는 도면.
[제1 실시예]
도 1은 제1 실시예의 회전 상태 검출 장치가 적용된 파이널 드라이브 기구의 확대 단면도이다. 이 파이널 드라이브 기구(16)는, 자동 변속 장치의 출력 부재로 이루어지는 리덕션 기어(34)에 맞물려진 파이널 기어(36)와, 볼트(45)에 의해 커버(46)와 함께 파이널 기어(36)에 고정된 차동 캐리어(41)를 구비하고 있다. 커버(46)는 플랜지 형상으로 형성되어 있으며, 소경의 원통부(46a)의 외주면과 케이스[(47)(지지 부재)] 사이에 장착된 베어링[(48)(롤러 베어링)]에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 베어링(48)은, 도 4에 도시하는 바와 같이 원통부(46a)에 대하여 압입 고정된 이너 레이스(48a)와, 테이퍼 롤러(48b)와, 케이스(47)에 대하여 고정된 아우터 레이스(48c)와, 테이퍼 롤러(48b)의 원주 방향 위치를 규정하는 보유 지지기(48d)를 갖는다. 아우터 레이스(48c)에는, 절결(481c)이 형성되고, 내부에 스트레인 게이지(60)가 장착되어 있다.
한편, 차동 캐리어(41)는 회전축 방향의 선단측에 소경의 원통부(41a)를 갖고, 이 원통부(41a)의 외주면과 케이스(47) 사이에 장착된 베어링(49)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 차동 캐리어(41)에는, 이것을 회전축에 대하여 수직 방향의 내측을 향해서 관통하는 축 부재(50)가 고정되어 있으며, 이들 축 부재(50)에는, 피니언 기어(42)가 회전 가능하게 지지되어 있다. 그리고, 파이널 기어(36), 커버(46), 차동 캐리어(41)는 드라이브 샤프트(44L, 44R)의 축을 중심으로 하여 일체가 되어 회전하도록 구성되어 있다.
상기한 피니언 기어(42)에는, 중공의 원통 형상으로 형성된 좌우측 사이드 기어(43L, 43R)의 기단부 측에 형성된 기어부(43a)가 맞물려져 있다. 좌우측 사이드 기어(43L, 43R) 중간부(43b)의 외주면은, 각각 커버(46)의 원통부(46a), 차동 캐리어(41)의 원통부(41a)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있으며, 선단측의 연장 설치부(43c)는, 각각 커버(46)의 회전축 방향의 외측을 향해서 연장 설치되어 있다. 좌우측 사이드 기어(43L, 43R)의 내주측의 중공부(43d)에는, 좌우측 드라이브 샤프트[(44L, 44R)(회전체)]가 삽입 장착되는 끼워 맞춤부(43e) 및 좌우측 드라이브 샤프트(44L, 44R)의 빠짐 방지인 C링 용의 홈(43h)이 형성되어 있다. 또한, 좌우측 사이드 기어(43L, 43R)의 연장 설치부(43c)의 내주면에는, O링 홈(43f)이 환 형상으로 형성되어 있으며, 여기에, O링(51)이 장착되어 있다. 또한, 좌우측 사이드 기어(43L, 43R)의 중공부(43d)의 기단부 측에는, 캡 부재(52)가 끼워 맞추어지는 빠짐 방지부(43g)가 형성되어 있다. 좌우측 사이드 기어(43L, 43R)의 연장 설치부(43c) 외주에는, 연장 설치부(43c)와 케이스(47) 사이의 액밀성을 유지하는 오일시일(53)과, 이 오일시일(53)을 쓰레기나 먼지로부터 보호하는 더스트 커버(54)가 설치되어 있다.
도 2는 제1 실시예의 회전 상태 검출 장치가 장착된 자동 변속기의 개략 구성을 표시하는 도면이다. 자동 변속기 유닛(1)은, 엔진 등의 동력원에 접속된 프라이머리 풀리와, 세컨더리 풀리와, 프라이머리 풀리의 구동력을 세컨더리 풀리에 전달하는 벨트와, 세컨더리 풀리의 구동력을 파이널 드라이브 기구(16)에 전달하는 리덕션 기어를 갖는다. 자동 변속기 유닛(1) 내에는, 프라이머리 풀리가 위치하는 제1 회전축(O1)과, 세컨더리 풀리가 위치하는 제2 회전축(O2)과, 리덕션 기어가 위치하는 제3 회전축(O3)과, 파이널 드라이브 기구(16)가 위치하는 제4 회전축(O4)이 설치되어 있다. 바꾸어 말하면, 파이널 드라이브 기구(16)는, 제4 회전축(O4)과 다른 직경 방향 위치에 있는 제3 회전축(O3) 측으로부터 토크가 입력되고, 이에 의해 회전하는 부재이며, 베어링(48)을 통해서 케이스(47)에 회전 가능하게 지지되어 있다.
스트레인 게이지(60)는, 아우터 레이스(48c)의 변형량에 따른 전기 신호를 출력한다. 회전 상태 검출부(100)는, 스트레인 게이지(60)에 의해 검출된 전기 신호로부터 파이널 드라이브 기구(16)의 회전수를 검출하는 회전수 검출부(101)와, 파이널 드라이브 기구(16)에 작용하는 토크를 검출하는 토크 검출부(102)를 갖는다. 또한, 상세에 대해서는 후술한다.
여기서, 리덕션 기어가 위치하는 제3 회전축(O3)과 파이널 드라이브 기구(16)가 위치하는 제4 회전축(O4)을 연결하는 선을 L1이라고 정의한다. 스트레인 게이지(60)는, 아우터 레이스(48c)의 원주 방향과 선(L1)의 교점상이며, 제4 회전축(O4)을 통하여 제3 회전축(O3)과 반대측에 설치되어 있다. 리덕션 기어(34)로부터 파이널 기어(36)에 토크가 전달되면, 파이널 기어(36)의 접선 방향으로 작용하는 힘과 함께, 제3 회전축(O3)과 제4 회전축(O4) 사이를 이격시키는 방향의 힘이 발생한다. 이 힘은 베어링(48)을 통하여 케이스(47)에 의해 받아내어진다. 따라서, 도 3에 도시하는 아우터 레이스(48c)의 절결(481c)에는 가장 큰 힘이 작용하고, 그 힘에 따라 변형이 발생한다. 따라서, 스트레인 게이지(60)를 이 절결(481c)의 위치에 배치함으로써, 효과적으로 변형량을 검출할 수 있다.
도 3, 4는 제1 실시예의 베어링의 확대 부분 단면도이다. 도 3은 베어링(48)을 회전축 방향에서 보았을 때의 B-B 부분 단면도이고, 도 4는 베어링을 직경 방향에서 보았을 때의 A-A 부분 단면도이다. 리덕션 기어(34)로부터 파이널 기어(36)에 토크가 입력되면, 파이널 드라이브 기구(16)가 회전하기 시작한다. 그 회전에 따라 이너 레이스(48a)도 동시에 회전하고, 테이퍼 롤러(48b)도 케이스 부재(47)에 고정된 아우터 레이스(48c)의 내주를 회전한다. 이때, 테이퍼 롤러(48b)가 절결(481c)을 통과할 때마다 아우터 레이스(48c)가 변형되어, 변형이 검출된다.
도 5는 제1 실시예의 전기 신호의 시간 변화를 나타내는 도면이다. 상기한 바와 같이, 테이퍼 롤러(48b)가 회전되면, 테이퍼 롤러(48b)가 스트레인 게이지(60)를 통과할 때마다 변형량이 커지기 때문에, 도 5에 도시하는 바와 같은 정현파가 출력된다. 이 정현파의 진폭이 변형량에 상당하고, 변형량은 파이널 드라이브 기구(16)에 작용하는 토크와 비례 관계에 있다. 따라서, 토크 검출부(102)에서는, 검출된 정현파의 진폭에 소정의 계수를 곱함으로써 토크를 검출한다.
다음에, 회전수 검출부(101)에서는, 정현파 위에 볼록한 정점간의 시간 (t1)을 계측한다. 바꾸어 말하면, 전기 신호의 변동 주기를 검출한다. 테이퍼 롤러(48b)간의 거리(a)는, 보유 지지기(48d)에 의해 규제되어 있기 때문에 회전수에 따르지 않고 일정하다. 따라서, 거리(a)를 계측된 시간(t1)으로 나눔으로써 회전수(V)를 산출한다. 구체적으로는, 전기 신호에 소정의 필터링 처리를 실시한 후, 전회의 검출값과 금회의 검출값을 비교하여, 금회값이 전회값보다도 큰 상태로부터 작은 상태로 전환되었을 때는, 전회값이 정현파의 진폭에 상당하는 값, 즉 토크값으로서 기억한다. 동시에, 타이머의 카운트 업을 개시하고, 다음에 금회값이 전회값보다도 큰 상태로부터 작은 상태로 전환되었을 때는, 타이머의 카운트값을 사용해서 회전수(V)를 검출하는 동시에, 타이머를 클리어해서 다시 카운트 업을 개시한다. 또한, 소정 기간, 전기 신호를 시계열 데이터로서 보존하고, 보존된 데이터로부터 토크나 회전수를 검출해도 좋다. 이 경우, 데이터 해석에 연산 부하가 걸리고, 또 메모리의 용량도 필요해진다.
이상 설명한 바와 같이, 제1 실시예에 있어서는 하기에 열거하는 작용 효과를 얻을 수 있다.
(1) 파이널 드라이브 기구[(16)(회전체)]에 작용하는 토크에 따라 변형되는 아우터 레이스[(48c)(부재)]의 변형량에 따른 전기 신호를 출력하는 스트레인 게이지[(60)(전기 신호 검출 수단)]와, 토크 검출부(102)에 있어서, 스트레인 게이지(60)에 의해 검출된 전기 신호의 진폭으로부터 파이널 드라이브 기구(16)에 작용하는 토크를 산출하는 동시에, 회전수 검출부(101)에 있어서, 전기 신호의 변동 주기에 기초하여 파이널 드라이브 기구(16)의 회전수를 산출하는 회전 상태 검출부[(100)(회전 상태 검출 수단)]를 구비하였다.
따라서, 1개의 전기 신호로부터 토크와 회전수의 양쪽 정보를 검출하는 것이 가능해져, 토크 센서와 회전수 센서를 개별로 설치할 필요가 없으며, 부품 개수를 억제할 수 있다.
(2) 파이널 드라이브 기구(16)는 제3 회전축(03)과 다른 직경 방향 위치로부터 입력된 토크에 의해 회전하는 부재이며, 베어링[(48)(롤러 베어링)]을 통해서 케이스 부재[(47)(지지 부재)]에 회전 가능하게 지지된 회전체이고, 스트레인 게이지(60)는, 베어링(48)의 아우터 레이스(48c)에 발생하는 변형을 검출한다.
따라서, 1개의 스트레인 게이지(60)에 의해 테이퍼 롤러(48b)가 통과할 때의 주기를 계측하는 것이 가능해져, 부품 개수를 억제할 수 있다.
(3) 스트레인 게이지(60)는, 파이널 드라이브 기구(16)에 토크가 입력되는 위치와, 제3 회전축(O3)을 통해서 반대측에 배치되어 있다. 따라서, 효율적으로 변형량의 변화를 검출할 수 있다.
[다른 실시예]
이상, 본 발명의 회전 상태 검출 장치를 실시예에 기초하여 설명해 왔지만, 구체적인 구성에 대해서는, 이 실시예에 한정되는 것이 아니라, 특허청구의 범위의 각 청구항에 기재된 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 한, 설계의 변경이나 추가 등은 허용된다. 본 실시예에서는, 베어링의 아우터 레이스에 스트레인 게이지를 1개만 배치하고, 테이퍼 롤러의 이동에 수반하는 변형량 및 변형량 변동 주기에 기초하여 회전 상태를 검출하였다. 이에 대해, 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2003-172430호 공보에 기재된 바와 같은 비접촉 자왜형 토크 센서에 있어서, 원주 방향으로 복수의 자성체가 설치되어 있는 경우에는, 1개 1개의 자성체에 의해 변화하는 전기 신호의 변동 주기를 검출하고, 이것에 기초하여 회전 상태를 검출하도록 구성해도 좋다.
또한, 실시예에서는 베어링의 아우터 레이스 변형량에 착안했지만, 케이스측의 변형량에 착안해도 좋다. 또한, 아우터 레이스와 케이스 부재 사이에 압력 검출 소자 등을 설치하고, 압력 변동을 검출함으로써 변형량을 검출하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 스트레인 게이지(60)를 수납 장착하는 절결을 원주 방향의 긴 구멍 형상으로 하여, 1개의 스트레인 게이지를 사용한 구성으로 했지만, 직경 방향으로부터 보아 정사각형이나 원형의 절결을 형성하고, 그 속에 스트레인 게이지를 배치해도 좋다. 또한, 절결에 한하지 않고, 아우터 레이스에 볼록부를 형성하고, 케이스 부재측에 오목부를 형성하여, 양쪽 요철을 끼워 맞춰, 그 내부에 스트레인 게이지를 수납 장착해도 좋다.
또한, 스트레인 게이지(60)를 원주 방향으로 배치함으로써 변형량을 검출했지만, 헬리컬 기어를 채용하고 있는 경우, 베어링에는 직경 방향뿐만 아니라, 축 방향에도 토크에 따른 힘이 발생한다. 따라서, 스트레인 게이지(60)를 축 방향의 힘에 의해 변형되는 부분에 배치해도 좋다. 특히, 테이퍼 롤러를 채용하고 있는 경우, 현저하게 축 방향의 힘에 따른 변형량을 얻을 수 있다.
또한, 롤러 베어링으로서, 테이퍼 롤러에 한정되지 않고, 볼 베어링이나, 니들 베어링을 채용해도 좋다.
또한, 스트레인 게이지의 설치 위치는, 선(L1) 상에 한정되지 않고, 효과적으로 변형량을 검출할 수 있는 위치라면, 다른 원주 방향 위치에 배치해도 좋다. 또한, 1개에 한정되지 않고, 복수의 스트레인 게이지나 압력 검지 소자 등을 배치해도 좋다.
실시예에서는 파이널 드라이브 기구(16)에 작용하는 토크 및 회전수를 검출하는 구성으로 했지만, 변속기 입력축을 지지하는 베어링에 적용해도 좋다. 이 경우, 변속기 입력 회전수와 입력 토크를 간이한 구성으로 검출할 수 있다. 또한, 변속기에 한정되지 않고, 동력원의 회전체에 적용해도 좋다.
16 : 파이널 드라이브 기구
34 : 리덕션 기어
36 : 파이널 기어
41 : 차동 캐리어
44L, 44R : 좌우측 드라이브 샤프트
47 : 케이스 부재(지지 부재)
48 : 베어링(롤러 베어링)
48a : 이너 레이스
48b : 테이퍼 롤러
48c : 아우터 레이스
48d : 보유 지지기
60 : 스트레인 게이지
100 : 회전 상태 검출부
101 : 회전수 검출부
102 : 토크 검출부

Claims (3)

  1. 회전체에 작용하는 토크에 따라 변형되는 부재의 변형량에 따른 전기 신호를 출력하는 전기 신호 검출 수단과,
    상기 전기 신호 검출 수단에 의해 검출된 전기 신호의 진폭으로부터 상기 회전체에 작용하는 토크를 산출하는 동시에, 상기 전기 신호의 변동 주기에 기초하여 상기 회전체의 회전수를 산출하는 회전 상태 검출 수단을 구비한 것을 특징으로 하는, 회전 상태 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전체는 상기 회전축과 다른 직경 방향 위치로부터 입력된 토크에 의해 회전하는 부재이며, 롤러 베어링을 통하여 지지 부재에 회전 가능하게 지지된 회전체이고,
    상기 전기 신호 검출 수단은, 상기 롤러 베어링의 아우터 레이스에 발생하는 변형을 검출하는 스트레인 게이지인 것을 특징으로 하는, 회전 상태 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스트레인 게이지는, 상기 회전체에 토크가 입력되는 위치와, 상기 회전축을 통하여 대칭 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 회전 상태 검출 장치.
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