JPH04211B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明はトルクセンサ、特に駆動トルク変動を
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。

［従来技術］ 各種の回転駆動装置において軸トルクを正確に
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原動
機が知られており、特に車両用エンジンあるいは
産業用モータ等としてほとんどあらゆる産業分野
にて利用されており、このような原動機の運転状
態を分析するためにはその回転数と並んでトルク
検出が正確に行われる必要がある。特に、車両用
エンジンにおいては、エンジン自体あるいはその
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、差動ギヤ等各種の駆動系のトルク
を計測することにより、点火時期制御、燃料噴射
量制御、変速時期あるいは変速比制御等に利用さ
れ、これらの分析結果に基づいて車両の燃費を改
善し、あるいは運転特性を向上させる等各種の利
用に供することができる。

また、産業用モータにおいても正確なトルク測
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、前記駆動軸のトルク測定を行うた
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、また小型軽量であり安価に
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。

歪みゲージセ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ツジ
を形成してトルク測定を行うが、この方式では、
各ゲージの取付けが面倒であり、また電気的信号
の受信のためテレメータあるいはスリツプリング
等を必要とし、駆動装置に常時装着しておくこと
等がほとんど困難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と同様に装置が
大型となり、駆動系内蔵型のセンサを形成するこ
とは困難であつた。

前記各従来装置に比較して磁歪方式のセンサは
回転軸の近傍に設けた励磁コイル及び検出コイル
の組合わせにより、トルク変動を磁歪変化として
検出することから、非接触でかつ小型の装置とし
て駆動装置内部に内蔵可能となる利点を有し、ト
ルクセンサと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、この磁歪方式のトルクセンサに
おいても、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、実際上全体の構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つた。また、従
来装置において、前記励磁コイル及び検出コイル
を小型化して軸受周囲に設けることも提案された
が、この方式では回転軸を貫通する磁束が少なく
なり、充分な検出精度を得ることができないとい
う問題があつた。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、磁歪方式を用いて駆動装置
に着脱自在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ために、本発明は、駆動軸
を軸支する軸受にその摺動面を切欠いた１つの開
口を設け、該開口内に励磁コイルが巻回された励
磁コアおよび検出コイルが巻回された検出コアを
配設し、前記励磁コアはその極対が駆動軸の円周
方向に沿つて駆動軸外周と所定のクリアランスで
配置され、前記検出コアは前記励磁コアとは別体
として形成されるとともに、その極対が前記励磁
コアの極対に直交する方向に駆動軸外周と所定の
クリアランスをもつて配置され、駆動トルク変動
を磁気歪として検出することを特徴とする。

［実施例］ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第１図には本発明に係るトルクセンサが適用さ
れ車両用エンジンのクランクシヤフト軸受部の構
造が概略的に示されており、車両用クランクシヤ
フトは周知のように、エンジンブロツク１２と軸
受キヤツプ１４との間で軸受支持されている。

クランクシヤフト１０は周知のごとく各シリン
ダで発生したトルクをフライホイール側からトラ
ンスミツシヨンに伝達するので、複数シリンダに
おけるエンジン出力トルクも最終シリンダ側の軸
受部からトルク検出を行えば、容易に全体的なト
ルク測定が可能であることが明らかである。

第１図においては、多気筒シリンダエンジンに
おける最終軸受部を示し、本発明においては、こ
の駆動軸であるクランクシヤフト１０を軸支して
いる半割軸受の軸受キヤツプ１４にトルクセンサ
が組込まれる。図において、軸受キヤツプ１４は
固定ボルト１６，１８により着脱自在にエンジン
ブロツク１２に固定されており、この結果、図示
した軸受キヤツプ１４に本発明に係るトルクセン
サ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、前記軸受キヤツプ１４に本発明の
トルクセンサ装着部を設けた実施例が、また第３
図には本発明のトルクセ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ヤツプ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センサにおいてはその
検出感度を向上するために、前記軸受キヤツプ１
４及び軸受メタル２０はともに非磁性体から形成
することが好適であり、実施例において、軸受キ
ヤツプ１４は非磁性材のSUS３０４から形成し
たが、軸受メタル２０は強磁性体のSPCCにAL
合金を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が設けられ、同様に軸受キヤツプ
１４には前記開口２０ａと連設した開口１４ａが
設けられていることであり、これら両開口２０
ａ，１４ａにてトルクセンサを形成する後述の励
磁コイル及び検出コイルが挿入される空室を形成
している。

前記軸受メタル２０の開口２０ａは駆動軸すな
わちクランクシヤフト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て特徴的なこと
は、前記開口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て溝２０ｂが形成され
ていることである。従つて、この溝２０ｂによ
り、軸受メタル２０の開口２０ｂによる切欠はそ
のメタル全内周に渡つて連続的となり、摺動面に
設けられた切欠を形成する開口２０ａによつて潤
滑油の油膜切れ等が生じることを確実に防止して
いる。もちろん、この溝２０ｂによつて軸受メタ
ル２０の軸受摺動面積が減少するが、実用上クラ
ンクシヤフト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溝２０
ｂによる軸受面積の減少は軸受メタル２０の幅を
増大することにより容易に解決可能である。

前記軸受キヤツプ１４の開口１４ａも前記軸受
メタル２０側開口２０ａと対応してクランクシヤ
フトの円周方向に沿つ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によつて後述するトルクセンサの
収納状態での位置決めを行うことができる。そし
て、前記開口１４ａを設けることによつて、軸受
キヤツプ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ヤ
ツプ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、前記開口１４
ａ，２０ａ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、また実施例において、
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と直交
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ヤフトの外周面に
向つて伸張し、前記励磁コイル２２に供給される
交流電流に基づいてクランクシヤフト内に所定の
交番磁束を供給する。もちろん、クランクシヤフ
ト外周面と励磁コア２４との接触を防ぐため、励
磁コア２４の極対とクランクシヤフト外周との間
には所定の間隔が形成されている。前記励磁コア
２２は0.3mm径のポリエステル被覆銅線を100巻し
た構成からなる。

一方、検出コア２８は0.2mm厚のシユーパロイ
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ヤフト
外周面と所定のクリアランスを保つて固定配置さ
れている。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巻きした構造からなる。

第４図には、前記励磁コア２４により形成され
る駆動軸であるクランクシヤフト内の磁束分布
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２４ａ，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，２８ｂ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２４
ａ，２４ｂ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、実施例において
は、励磁コア幅Ｙとほぼ等しい検出コア極間隔Ｘ
なる配置となつている。実験によれば、検出コア
極間隔Ｘは励磁コア幅Ｙより小さくすることによ
つて極めて均一でかつ密な磁界内で信号検出を行
いその効率を改良することが可能であることが確
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
電流によつて駆動軸内には第４図の分布で示され
る磁束が交番して貫通し、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つて変
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によつて電気
的に検出され、非接触で極めて高精度のトルク検
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
サの装着によつて軸受作用に悪影響ができること
を防ぐたた、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
らなず、この開口配置は潤滑油に油膜切れによつ
て軸に焼き付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ヤフトにもつて
回転運動を変換されることから、軸受は、この各
面において異なる軸受荷重を有し、この軸受荷重
はエンジンの爆発圧分布により定まり、更に軸受
面での油膜厚分布をも勘案すれば、このような不
均一荷重軸受において、本発明に必要な開口部の
正しい位置設定によつて何ら軸受作用に悪影響を
及ぼすことなく、前記開口を設けることが可能と
なる。

第５図は、ウンジンのシリンダ、ピストン及び
クランクシヤ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４０及びクランクシヤフ
ト１０の位置に示し、ピストン４０に加わつた力
はコネクテイングロツド４２を通してクランクシ
ヤフト４４に矢印Ａで示されるごとく伝達され、
その力は前記ピン４４からアムー４６を介してシ
ヤフト１０に伝達される。そして、シヤフト１０
への力が前記ピン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ヤツプ１４で
軸受される。

従つて、軸受キヤツプ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され、この
結果は、前記センサ挿入開口部はこの矢印Ｂを避
ける位置に設けることが好適であり、これによつ
て、軸受強度を充分に保つとともにセンサ自体の
強度に対する考慮も合わせて行うことが可能とな
る。

一方、油膜厚分布を考えると、前述した第１図
において、潤滑性は軸受半割部分１００から軸受
メタルとクランクシヤフトとの間隙に導かれ両者
間に所望の油膜を形成する。そして、この油膜厚
は前記潤滑油が供給される半割部分１００の直後
１０１で最大値となり、順次１０２，１０３，１
０４，１０５のごとくその膜厚が小さくなる。従
つて、潤滑最終領域である１０４，１０５にセン
サ用開口を設ける場合には、油膜自体が極めて薄
いために容易に油膜切れを誘発し軸受の焼き付き
原因と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はともに固
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、センサ開
口用のスペースとしては領域１０２，１０３，１
０４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、ボルト配置の各条件を考慮した場合、車
両用エンジンのクランクシヤフトに関しては、ク
ランクシヤフトの真下部である領域１０３に対応
する軸受キヤツプ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
るクランクシヤフトの直下に開口１４ａ，２０ａ
を設けることにより、軸受の特性すなわち充分な
爆発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、本発明におけるトルクセンサを軸
受部に収納配置することが可能となる。すなわ
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ヤフト軸受部
がその軸受摺動面において異なる爆発荷重を受け
ることから、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
ることによつて、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２
０ｂ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
圧変化によるキヤビテーシヨン、エロージヨン等
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つて開口１４ａ及び２０ａ
内に保持され、このような保持ケースとしてはセ
ラミツクが好適であり、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開口１４ａ
内に設けた肩部１４ｂとの間に所定厚のスペーサ
を挿入することによつて、各コア２４，２８とク
ランクシヤフトとのクリアランスを微調整するこ
とが可能となる。

実際上、前記保持ケースと各コア２４，２８及
び開口１４ａとは最終的に接着固定することが好
適であり、これによつてトルクセンサを軸受キヤ
ツプ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ヤツプ１４から着脱可能と
するためには、保持ケースを開口１４ａにボルト
締めすることによつて固定保持することも可能で
あり、この場合には、軸受キヤツプ１４自体がエ
ンジンブロツク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と
なる利点がある。

上記実施例において、励磁コイルは駆動軸の円
周方向に沿つて配置され、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することも可能で
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、実際上静止トルクの測定
を行なうことができ、極めて広い汎用性を有す
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。

更に、励磁コアと検出コアの各磁極が１つの開
口内に配設されているため、軸受メタルに不要な
誘導電流が生じない。また、励磁コアと検出コア
を別体とし直交配置したため、励磁磁束を強くし
ても検出に悪影響がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るトルクセンサが適用され
る車両用エンジンのクランクシヤフト軸受部を示
す説明図、第２図は第１図のクランクシヤフト軸
受に本発明に係るトルクセンサを収納するための
開口を設けた状態を示す一部切欠き斜視図、第３
図は第２図の軸受に本発明に係るトルクセンサを
装着した状態を示す一部切欠き斜視図、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け
る磁束分布を示す説明図、第５図は本発明を車両
用エンジンのクランクシヤフトの軸受部に適用し
た場合の軸受部の爆発荷重を示す説明図である。 １０……クランクシヤフト、１４……軸受キヤ
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。

Claims (1)

【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１つの開口を設け、該開口内に励磁コイルが巻
   回された励磁コアおよび検出コイルが巻回された
   検出コアを配設し、前記励磁コアはその極対が駆
   動軸の円周方向に沿つて駆動軸外周と所定のクリ
   アランスで配置され、前記検出コアは前記励磁コ
   アとは別体として形成されるとともに、その極対
   が前記励磁コアの極対に直交する方向に駆動軸外
   周と所定のクリアランスをもつて配置され、駆動
   トルク変動を磁気歪として検出することを特徴と
   するトルクセンサ。