JP2009103478A - ドライブシャフトの軸トルク測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 静止状態や、ドライブシャフトの一端側が停止状態あるいは極端に回転速度が低い場合でも、正確に軸トルクを検出できるドライブシャフトの軸トルク測定装置および測定方法を提供する。
【解決手段】 ドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪に取り付けられたセンサターゲット４と、このセンサターゲット４の絶対回転角度を検出するセンサ６とを有する第１の回転検出装置８を設ける。前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材に取り付けられたセンサターゲット５と、このセンサターゲット５の絶対回転角度を検出するセンサ７とを有する第２の回転検出装置９を設ける。これら２つの回転検出装置８，９の検出した絶対回転角度の差分を求める差分算出手段１６を設ける。前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求める軸トルク演算手段１７を設ける。
【選択図】 図４

Description

この発明は、自動車のエンジンの動力を車輪に伝達する役目を持っている駆動輪車軸、すなわちドライブシャフトにおいて、その軸トルクを測定する装置、その軸トルク測定装置を搭載した車輪駆動用ユニット、および軸トルク測定方法に関する。このようなドライブシャフトとしては、前輪駆動車の前輪軸、後輪駆動車の後車軸、全輪駆動車の全車軸が該当する。

独立懸架方式のサスペンションを採用する自動車のドライブシャフトでは、サスペンションの動きに追随しながら駆動力を伝達する必要がある。このため、ドライブシャフトの一端は等速ジョイントを介してディファレンシャルと連結され、他端は等速ジョイントを介して車軸（アクスル）と連結される。このようにしてドライブシャフトはエンジンの動力を車輪まで伝える駆動系統に組み込まれ、エンジンの動力は最終的にドライブシャフトによって車輪に伝えられる。
また、最近の自動車はあらゆる部分に電子制御技術が導入されており、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、トラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）、ノンスリップデフ（ＬＳＤ）、などの走行制御では車輪速信号が利用されている。このため、通常、ドライブシャフトのアウトボード側（アクスル側）にＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）制御用のパルサーリングが設けられ、車輪の回転に伴い歯車状のパルサーリングが回転すると、それに近接して車体側に設置された電磁ピックアップに車輪回転数に比例した周波数のパルスが発生するようになっている。

特許文献１において、両端に等速ジョイントを具備した自動車のドライブシャフトであって、各等速ジョイントすなわちインボード側、アウトボード側のそれぞれの等速ジョイントの外輪にパルサーリングを取付け、両パルサーリングによって発生する回転信号を検出し、ドライブシャフトに生じたねじれに対応する回転信号の位相差を演算処理して軸トルクを求めるドライブシャフトの軸トルク測定方法が示されている。
また、求めた軸トルク信号に基づいてエンジンの出力を制御することにより、過大トルクの発生を防止し、この過大トルクの発生防止によってドライブシャフトの軸径および等速ジョイントのサイズダウンによる軽量化を図ることが開示されている。

また、特許文献２においては、両端が等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材であるハブとにエンコーダをそれぞれ取付けると共に、これら各エンコーダに対向して、各エンコーダの回転を検出するセンサを設け、これらセンサが出力する回転信号の位相差からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求めるものが開示されている。
特開平７−６３６２８号公報 特開２００４−０６９３３２号公報

特許文献１に開示されている技術では、回転パルスを出力するセンサを使用し、ドライブシャフト両端での回転パルス出力における位相ずれを演算することによってねじれ量を検出している。しかし、これでは、停止状態から駆動を始める場合のように、一方の軸端が停止状態あるいは回転速度が極端に低い場合には、正確に軸トルクを検出できないという問題がある。
また、特許文献２に開示の技術の場合にも、通常の駆動トルクにおけるドライブシャフトのねじれ角が小さいため、軸トルク検出に必要なわずかな位相差を自動車の使用環境で安定して得るのは難しい。

この発明の目的は、静止状態や、ドライブシャフトの一端側が停止状態あるいは極端に回転速度が低い場合でも、正確に軸トルクを検出できるドライブシャフトの軸トルク測定装置、軸トルク測定装置付き車輪駆動用ユニット、およびドライブシャフトの軸トルク測定方法を提供することである。

この発明のドライブシャフトの軸トルク測定装置は、両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第１の回転検出装置と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第２の回転検出装置と、これらの回転検出装置の検出した絶対回転角度の差分を求める差分算出手段と、前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求める軸トルク演算手段とを設けたことを特徴とする。
パルス信号による位相差測定の方式では時間差によって位相差を検出するので、検出のための時間が必要である。これに対して、この構成の軸トルク測定装置では、２つの回転検出装置が出力する絶対回転角度から角度差を演算してドライブシャフトのねじれ量を測定するので、即座に軸トルクを求めることができる。電源をオンしたときに既に軸トルクが印加されている状態にあっても、そのときの軸トルクを求めることができる。これにより、静止状態や、ドライブシャフトの一端側が停止状態あるいは極端に回転速度が低い場合でも、正確に軸トルクを検出できる。

この発明において、前記ドライブシャフトに軸トルクが印加されていない状態で前記各回転検出装置の検出する絶対回転角度の初期角度差を保持する初期角度差保持手段を設け、前記差分算出手段は、求めた絶対回転角度の差分を前記初期角度差保持手段の保持する初期角度差だけ差し引く補正を行うものとしても良い。この構成の場合、ドライブシャフトの回転・静止に関わらず、ドライブシャフトのねじれを正確に検出することが可能となる。

この発明において、前記各センサターゲットは前記等速ジョイントの外輪および車輪用軸受の回転側部材と同心のリング状に設けられ互いに磁極数が異なる複数の磁気エンコーダからなり、前記各センサは前記複数の磁気エンコーダの磁界をそれぞれ検出する複数の磁気センサを有し、これらの各磁気センサは磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものであり、前記各回転検出装置は、前記各磁気センサの検出した磁界信号の位相差を求める位相差検出手段と、この検出した位相差に基づいて前記センサターゲットの絶対回転角度を算出する角度算出手段とを有するものとしても良い。
この構成の場合、回転検出装置をバーニヤ式絶対角度検出装置としているので、磁気エンコーダの磁極ピッチを通常のＡＢＳセンサなどと同等（１〜３ｍｍ程度の極幅）に保ちながら、磁極数の数倍〜数十倍の高分解能で回転検出が可能になり、センサギャップなど取付け公差を従来と同等（例えば０．５〜２ｍｍ程度のセンサギャップ）に保ちながら、自動車のような過酷な使用環境でも高分解能を得ることができる。したがって、わずかな回転ずれをも検出することが可能となり、両回転検出装置の検出する絶対回転角度の差から微小な軸トルクをも検出することが可能となる。

この発明において、前記磁気センサが、前記磁気エンコーダの磁極ピッチ内で互いにずれた位置に配置された複数のセンサ素子を有し、sin および cosの２相の信号出力を得られるものであって、磁極内における位置を逓倍して検出するものであっても良い。
この構成の場合、磁気エンコーダの磁極内の位置をより細かく検出でき、より高分解能な絶対回転角度を検出できる。

この発明において、前記磁気センサが、前記磁気エンコーダの磁極の並び方向に沿ってセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin および cosの２相の信号出力を演算によって生成して、磁極内における位置を逓倍して検出するものであっても良い。
この構成の場合、磁界パターンの歪みやノイズの影響が低減されて、より高い精度で磁気エンコーダの位相を検出することが可能である。これにより、十分大きい磁極ピッチの磁気エンコーダを使用しても、数倍〜数十倍の分解能で磁気エンコーダの位相を検出することが可能であるため、小さなトルクによるわずかなドライブシャフトのねじれ角をも検出することができる。

この発明において、各回転検出装置の前記磁気センサ、位相差検出手段、および角度算出手段を互いに一体化されたセンサモジュールとしても良い。この構成の場合、部品点数の低減、磁気センサ位置精度の向上、製造コストの低減、組立コストの低減、信号ノイズ低減による検出精度の向上などのメリットが得られ、小型で低コストの回転検出装置とすることができる。

この発明において、前記センサモジュールが半導体チップに集積されたものであっても良い。この構成の場合、センサモジュールの実装スペースが小さくて済む。その結果、例えば車輪用軸受に設ける回転検出装置の場合、車輪用軸受へのコンパクトな実装が可能となる。

この発明の軸トルク測定装置付き車輪駆動用ユニットは、この発明の上記いずれかの構成の軸トルク測定装置を、車輪用軸受およびドライブシャフトを備える車輪駆動用ユニットに搭載したものである。
この構成によると、ドライブシャフトの微小なねじれ角を高分解能に検出できるため、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になる。これにより、車輪駆動用ユニットの軽量化が可能になる。

この発明のドライブシャフトの軸トルク測定方法は、両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第１の回転検出装置と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第２の回転検出装置とを用い、これら第１の回転検出装置が検出した絶対回転角度と第２の回転検出装置が検出した絶対回転角度との差分を求め、その差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求めることを特徴とする。
この軸トルク測定方法によると、ドライブシャフトの微小なねじれ角を高分解能に検出できて、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になる。また、静止状態や、ドライブシャフトの一端側が停止状態あるいは極端に回転速度が低い場合でも、正確に軸トルクを検出できる。

この発明のドライブシャフトの軸トルク測定装置は、両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第１の回転検出装置と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第２の回転検出装置と、これらの回転検出装置の検出した絶対回転角度の差分を求める差分算出手段と、前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求める軸トルク演算手段とを設けたため、静止状態や、ドライブシャフトの一端側が停止状態あるいは極端に回転速度が低い場合でも、正確に軸トルクを検出できる。
この発明の軸トルク測定装置付き車輪駆動用ユニットは、この発明の軸トルク測定装置を、車輪用軸受およびドライブシャフトを備える車輪駆動用ユニットに搭載したものであるため、ドライブシャフトの微小なねじれ角を高分解能に検出でき、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になり、これにより、車輪駆動用ユニットの軽量化が可能になる。
この発明のドライブシャフトの軸トルク測定方法は、両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第１の回転検出装置と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第２の回転検出装置とを用い、これら第１の回転検出装置が検出した絶対回転角度と第２の回転検出装置が検出した絶対回転角度との差分を求め、その差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求めるものであるため、ドライブシャフトの微小なねじれ角を高分解能に検出できて、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になる。

この発明の一実施形態を、図１ないし図１２と共に説明する。図１は、ドライブシャフト１および車輪用軸受５０を備える自動車の車輪駆動用ユニットであって、ドライブシャフト１は両端にて等速ジョイント２，３を介して駆動系統に接続される。この明細書において、車輪駆動用ユニットを車両に取り付けた状態で車両幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両幅方向の中央側となる側をインボード側と呼ぶ。図示する実施形態の場合、ドライブシャフト１のインボード側はトリポート型スライド式等速ジョイント２によりディファレンシャル（図示せず）と連結され、アウトボード側はバーフィールド型固定式等速ジョイント３により車輪用軸受５０の内方部材５２と連結される。

なお、ドライブシャフト１の両端の等速ジョイントは、図示例のような組合せに限られない。例えば、前輪駆動車の前輪軸すなわち駆動輪前車軸の場合、前輪が操舵されるため、車輪側となるアウトボード側の等速ジョイント３は大きな作動角と共に等速性が要求される。この要求を満たすため、アウトボード側の等速ジョイント３にはバーフィールド型固定式継手（ゼッパ型固定式継手）、トリポード型固定式等速ジョイントなどが用いられる。車体側となるインボード側の等速ジョイント２にはサスペンションの動きを許容する作動角が要求される。この作動角は車輪側等速ジョイント３ほど大きくないが、サスペンションの動きに伴う車体の長さ変化を可能にする必要がある。このためインボード側等速ジョイント２にはバーフィールド型スライド式継手、トリポート型スライド式継手、クロスグローブ型継手などが用いられる。独立懸架方式の駆動輪後車軸は舵取り機能が不要で大きな作動角を必要としないためカルダン継手が使用される場合もある。

図２は、図１における車輪用軸受５０側の部分を拡大して示す縦断面図である。この車輪用軸受５０は、外方部材５１と内方部材５２の間に複列の転動体５３を介在させ、車体に対して車輪を回転自在に支持するものである。

外方部材５１は固定側の部材であり、内方部材５２は回転側の部材である。各列の転動体５３は、各列毎に保持器５４に保持されており、外方部材５１の内周に形成された複列の転走面５５と、内方部材５２の外周に形成された複列の転走面５６との間に介在する。この車輪用軸受５０は、複列のアンギュラ玉軸受型とされ、両列の転走面５５，５５，５６，５６は、互いに接触角が背面合わせとなるように形成されている。

図２の例は、いわゆる第４世代型とした例であり、内方部材５２が、ハブ輪５７と等速ジョイント３の外輪３ａとで構成される。
等速ジョイント３は、その外輪３ａの球形内面と内輪３ｂの球形外面とに、軸方向に沿う軌道溝をそれぞれ複数形成し、対向する軌道溝間にトルク伝達ボール８３を介在させたものである。トルク伝達ボール８３は保持器８４に保持される。内輪３ｂはドライブシャフト１に嵌合させる。等速ジョイント３の外輪３ａは、カップ部３ａａの外底面から中空軸状のステム部３ａｂが突出する。このステム部３ａｂを車輪用軸受５０のハブ輪５７内に挿入し、拡径加締によりハブ輪５７と一体結合している。ハブ輪５７および等速ジョイント３の外輪３ａに、内方部材５２の各列の転走面５６が形成される。等速ジョイント３の外輪３ａのカップ部３ａａの開口とドライブシャフト１の外周との間には、蛇腹状のブーツ８７が被せてある。
ハブ輪５７は、アウトボード側の端部近傍の外周に車輪取付フランジ５７ｂを有し、車輪取付フランジ５７ｂにホイールおよびブレーキロータ（いずれも図示せず）が重ね状態で、ハブボルト５９によって取り付けられる。ハブボルト５９は、車輪取付フランジ５７ｂに設けられたボルト取付孔に圧入されている。外方部材５１は、全体が一体の部材からなり、外周に車体取付フランジ５１ｂを有している。外方部材５１は、車体取付フランジ５１ｂのボルト孔６０に挿通されたナックルボルトにより、懸架装置のナックル（図示せず）に取り付けられる。
外方部材５１と内方部材５２間の軸受空間の両端は、接触シールなどからなる密封装置６１，６２によって密封されている。

車輪用軸受５０の回転側の部材である内方部材５２の外周面には、ＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）制御用としても利用されるセンサターゲット５が取り付けられている。また、図１のように、ドライブシャフト１のインボード側の等速ジョイント２の外輪２ａにも同種のセンサターゲット４が取り付けられている。このセンサターゲット４に近接した車体４０側の所定位置には、複数（ここでは２つ）の磁気センサ１１Ａ，１１Ｂ（図５）からなるセンサユニット６が設置される。このセンサユニット６と前記センサターゲット４とで第１の回転検出装置８が構成され、センサターゲット４の回転位置に対応する絶対回転角度を出力する。車輪用軸受５０の内方部材５２の外周面に取り付けられた前記センサターゲット５に近接した位置、つまり車輪用軸受５０の外方部材５１には、同じく複数の磁気センサ１１Ａ，１１Ｂからなるセンサユニット７が設置される。このセンサユニット７と前記センサターゲット５とで第２の回転検出装置９が構成され、センサターゲット５の回転位置に対応する絶対回転角度を出力する。このように、等速ジョイント２の外輪２ａおよび車輪用軸受５０の内方部材５２に取り付けられるセンサターゲット４，５に対して非接触の状態で、対応するセンサユニット６，７を前記外輪２ａおよび内方部材５２の外周側に配置することにより、車輪駆動用ユニットに対して前記各回転検出装置８，９をコンパクトに搭載することができる。
なお、センサターゲット４が等速ジョイント２の外輪２ａに取り付けられるインボード側の回転検出装置８については、取付位置をデフケース内の軸受部など、等速ジョイント２が結合されている駆動部品の回転を検出できる位置に設けても良い。例えば、軸受に回転センサを内蔵したものであっても良い。

図５に概略構成を示すように、センサターゲット４は、前記等速ジョイント２の外輪２ａに、その軸心Ｏに対して同心のリング状に設けられた複数（ここでは２つ）の磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂからなる。このセンサターゲット４に対応する前記センサユニット６の２つの磁気センサ１１Ａ，１１Ｂは、図５の例では前記各磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂに対して微小のギャップを介してそれぞれ径方向（ラジアル方向）に対向するように、車体４０側に設けられる。
同様に、センサターゲット５も、前記等速ジョイント３の外輪３ａに、その軸心Ｏに対して同心のリング状に設けられた複数（ここでは２つ）の磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂからなる。このセンサターゲット５に対応する前記センサユニット７の２つの磁気センサ１１Ａ，１１Ｂも、各磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂに対して微小のギャップを介してそれぞれラジアル方向に対向するように、車輪用軸受５０の外方部材５１に設けられる。ここでは、磁気センサ１１Ａが磁気エンコーダ４Ａ（５Ａ）に対向し、磁気センサ１１Ｂが磁気エンコーダ４Ｂ（５Ｂ）に対向する。

磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）は、複数の磁極対（磁極Ｓと磁極Ｎの１組）を周方向に等ピッチで着磁させたリング状の磁性部材であり、ラジアルタイプである図５の例では、その外周面に磁極対が着磁されている。これら２つの磁気エンーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の磁極対の数は互いに異ならせてある。

磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の他の例として、図６に示すように、リング状の磁性部材の軸方向端面に複数の磁極対を周方向に等ピッチで並ぶように着磁させたアキシアルタイプのものを用いても良い。この例では、２つの磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）を、内外周に隣接するように配置している。アキシアルタイプの磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の場合、その着磁面に対向する軸方向に向けて各磁気センサ１１Ａ，１１Ｂが配置される。

磁気センサ１１Ａ，１１Ｂは、対応する磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の磁極対の数よりも高い分解能で磁極検出できる機能、つまり磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の磁極の範囲内における位置の情報を検出する機能を有するものとされる。この機能を満たすために、例えば磁気センサ１１Ａとして、対応する磁気エンコーダ４Ａ（５Ａ）の１磁極対のピッチλを１周期とするとき、図７のように構成しても良い。すなわち、９０度位相差（λ／４）となるように磁極の並び方向に離して配置したホール素子などの２つの磁気センサ素子１１Ａ１，１１Ａ２を用い、これら２つの磁気センサ素子１１Ａ１，１１Ａ２により得られる２相の信号(sinφ,cosφ) から磁極内位相 (φ=tan^-1(sinφ／cos φ))を逓倍して算出するものとしても良い。他方の磁気センサ１１Ｂについても同様である。なお、図７の波形図は、磁気エンコーダ４Ａ（５Ａ）の磁極の配列を磁界強度に換算して示したものである。

磁気センサ１１Ａ，１１Ｂをこのような構成とすると、磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の磁界分布をオン・オフ信号としてではなく、アナログ電圧による正弦波状の信号として磁極内の位置をより細かく検出でき、より高い精度で磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の位相を検出することが可能である。この場合、磁気ノイズの影響を低減するため、前記２つの磁気センサ素子１１Ａ１，１１Ａ２を差動構成として、より安定した信号を得るように構成しても良い。

磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の磁極内における位置の情報を検出する機能を有する磁気センサ１１Ａ，１１Ｂの他の例として、図８（Ｂ）に示すようなラインセンサを用いても良い。すなわち、例えば磁気センサ１１Ａとして、対応する磁気エンコーダ４Ａ，（５Ａ）の磁極の並び方向に沿って磁気センサ素子１１ａが並ぶラインセンサ１１ＡＡ，１１ＡＢを用いる。なお、図８（Ａ）は、磁気エンコーダ４Ａ（５Ａ）における１磁極の区間を磁界強度に換算して波形図で示したものである。この場合、磁気センサ１１Ａの第１のラインセンサ１１ＡＡは、図８（Ａ）における１８０度の位相区間のうち９０度の位相区間に対応付けて配置し、第２のラインセンサ１１ＡＢは残りの９０度の位相区間に対応付けて配置する。このような配置構成により、第１のラインセンサ１１ＡＡの検出信号を加算回路３１で加算した信号Ｓ１と、第２のラインセンサ１１ＡＢの検出信号を加算回路３２で加算した信号Ｓ２を別の加算回路３３で加算することで、図８（Ｃ）に示すような磁界信号に応じたsin 信号を得る。また、信号Ｓ１と、インバータ３５を介した信号Ｓ２をさらに別の加算回路３４で加算することで、図８（Ｃ）に示すような磁界信号に応じた cos信号を得る。このようにして得られた２相の出力信号から、磁極内における位置を検出する。

磁気センサ１１Ａ，１１Ｂをこのようにラインセンサで構成した場合、磁界パターンの歪みやノイズの影響が低減されて、より高い精度で磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の位相を検出することが可能である。この場合、十分大きい磁極ピッチの磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）を使用しても、数倍〜数十倍の分解能で磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の位相を検出することが可能であるため、小さなトルクによるわずかなドライブシャフト１のねじれ角をも検出することができる。

車輪用軸受５０に設けられる回転検出装置９のセンサユニット７は、図２のように、外方部材５１に、両転動体列５３，５３間で径方向に貫通させたセンサ取付孔６３に挿通して取り付けられる。センサターゲット５を構成する２つの磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂが図５に示すラジアルタイプである場合、センサユニット７の先端に配置される磁気センサ１１Ａ，１１Ｂが、前記磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂに対して径方向にギャップを介して対向させられる。磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂが図６に示すアキシアルタイプである場合、図３のように、センサユニット７の先端に配置される磁気センサ１１Ａ，１１Ｂが、前記磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂに対して軸方向にギャップを介して対向させられる。この場合、センサターゲット５を構成する２つの磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂは、断面をＬ字形としたリング状のバックメタル１０の円筒部１０ａの一端から外径側に延びるフランジ部１０ｂの側面の円周方向に、複数の磁極対を等配位置に並べて着磁させたものとされ、前記内方部材５２に前記バックメタル１０の円筒部１０ａを嵌合させることで、内方部材５２に対して同心となるように取り付けられる。前記センサ取付孔６３は、例えば断面形状が円形の貫通孔である。センサ取付孔６３の内面とセンサユニット７との間は、Ｏリング等の接触シールや、接着剤等で密封する。

例えば、図５の構成例の回転検出装置８（９）において、センサユニット６（７）を構成する磁気センサ１１Ａ，１１Ｂは位相差検出手段１２に接続される。位相差検出手段１２は、各磁気センサ１１Ａ，１１Ｂの検出した磁界信号の位相差を求める手段であり、その後段に角度算出手段１３が接続される。角度算出手段１３は、位相差検出手段１２の検出した位相差に基づいて磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の絶対角度を算出する手段である。

また、前記各回転検出装置８，９において、前記磁気センサ１１Ａ，１１Ｂ、位相差検出手段１２、および角度算出手段１３を、例えば図６の例で示すように、センサモジュール２２として一体化しても良い。このように構成した場合、部品点数の低減、磁気センサ１１Ａ，１１Ｂの互いの位置精度の向上、製造コストの低減、組立コストの低減、信号ノイズ低減による検出精度の向上などのメリットが得られ、小型で低コストの回転検出装置８，９とすることができる。センサモジュール２２は１つの半導体チップに集積しても良い。このように構成すると、センサモジュール２２の実装スペースが小さくて済む。その結果、例えば車輪用軸受５０に設ける回転検出装置９の場合、車輪用軸受５０へのコンパクトな実装が可能となる。

図４はこのドライブシャフトの軸トルク測定装置の概略構成を示す。同図における角度算出部１４，１５は、図５における位相差検出手段１２と角度算出手段１３とを含む機能部である。

各回転検出装置８，９による絶対角度検出の概略動作を、図９および図１０を参照して以下に説明する。図５において、２つの磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の磁極対の数をＰとＰ＋ｎとすると、両磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の間では１回転あたり磁極対にしてｎ個分の位相差があるので、これら磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）に対応する磁気センサ１１Ａ，１１Ｂの検出信号の位相は、３６０／ｎ度回転するごとに一致する。

図９（Ａ），（Ｂ）には両磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の磁極のパターン例を示し、図９（Ｃ），（Ｄ）にはこれら磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）に対応する磁気センサ１１Ａ，１１Ｂの検出信号の波形図を示す。この場合、磁気エンコーダ４Ａ（５Ａ）の３磁極対に対して、磁気エンコーダ４Ｂ（５Ｂ）の２磁極対が対応しており、この区間内での絶対位置を検出することができる。図９（Ｅ）は、図９（Ｃ），（Ｄ）の検出信号に基づき、図５の位相差検出手段１２より求められる位相差の出力信号の波形図を示す。
なお、図１０は、各磁気センサ１１Ａ，１１Ｂによる検出位相と位相差の波形図を示す。すなわち、図１０（Ａ），（Ｂ）には両磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の磁極のパターン例を示し、図１０（Ｃ），（Ｄ）には対応する磁気センサ１１Ａ，１１Ｂの検出位相の波形図を示し、図１０（Ｅ）には位相差検出手段１２より出力される位相差信号の波形図を示す。

図１１は、前記各回転検出装置８，９における絶対角度検出回路の構成例を示す。図９（Ｃ），（Ｄ）に示したような各磁気センサ１１Ａ，１１Ｂの検出信号に基づき、それぞれ対応する位相検出回路２１Ａ，２１Ｂは、図１０（Ｃ），（Ｄ）に示したような検出位相信号を出力する。位相差検出手段１２は、これらの検出位相信号に基づき、図１０（Ｅ）に示したような位相差信号を出力する。その次段に設けられた角度算出手段１３は、位相差検出手段１２で求められた位相差を、予め設定された計算パラメータにしたがって絶対角度へ換算する処理を行う。

図４の構成において、差分算出手段１６は、前記各回転検出装置８，９の検出した絶対回転角度の差分を求める手段である。軸トルク演算手段１７は、前記差分算出手段１６によって求められた差分からドライブシャフト１のねじれ量を測定し、そのねじれ量から軸トルクを演算する手段である。出力回路１８は、前記軸トルク演算手段１７で求められた軸トルクを外部に出力する手段である。初期角度差保持手段１９は、ドライブシャフト１に軸トルクが印加されていない状態で前記各回転検出装置８，９の検出する絶対回転角度の初期角度差を保持する手段である。前記差分算出手段１６は、求めた絶対回転角度の差分を前記初期角度差保持手段１９の保持する初期角度差だけ差し引く補正を行う。コントローラ２０は、これらの処理の制御を行う。

上記構成の軸トルク測定装置を用いた軸トルク測定方法を説明する。
自動車の急発進、急加速時においては、駆動系統に発生する軸トルクは大きく、四輪および二輪車の駆動系統の中でクラッチ部を除く最も剛性の低いところはドライブシャフト１である。そのため、ドライブシャフト１はねじられる。このねじり角度を、前記各回転検出装置８，９が検出する絶対回転角度の差分から測定し、軸トルクを求める。

２つの回転検出装置８，９は、それらの設置位置での絶対回転角度を検出できるため、各回転検出装置８，９からは直接角度データが得られる。各回転検出装置８，９におけるセンサユニット６，７からの出力は、図４に示すＡＢＺ信号のようなパルス信号であっても良く、電源オン直後の角度はデータで取得し、その回転を開始してからはパルス信号をカウントする方式としても良い。

とくに、各回転検出装置８，９が絶対角度で回転を検出できる構成であるため、電源をオンしたときに既に軸トルクが印加されている状態にあっても、そのときの軸トルクを検出することができる。したがって、例えば自動車のスタート時にエンジントルクがタイヤを通じて路面に伝わる状態の検出も可能になり、高度なエンジン制御、クラッチ制御などにより、運転しやすさ、安全性の向上が可能となる。

また、回転検出装置８，９がパルス信号を出力し、そのパルス信号をカウントすることで角度を算出する方式のものであれば、一度でも誤カウントすると角度差が積算されて残ってしまうため、トルクオフセット値になってしまうが、絶対角度を検出するこの軸トルク測定装置では常に角度差が更新されて得られるので、上記した問題は生じない。
また、パルス信号による位相差測定の方式では時間差によって位相差を検出するので、検出のための時間が必要であるが、絶対回転角度から角度差を演算するこの軸トルク測定装置の場合、即座に軸トルクを求めることができ、車両制御に悪影響を及ぼす検出時間遅れがない。

また、図４の構成では、ドライブシャフト１に軸トルクが印加されていない状態で前記各回転検出装置８，９の検出する絶対回転角度の初期角度差を保持する初期角度差保持手段１９を設け、前記差分算出手段１６で求められる絶対回転角度の差分を前記初期角度差保持手段１９の保持する初期角度差だけ差し引く補正を行うようにしているので、ドライブシャフト１の回転・静止に関わらず、ドライブシャフト１のねじれを正確に検出することが可能になる。

また、回転検出装置８，９は、バーニヤ式絶対角度検出装置であるため、磁気エンコーダ４Ａ，４Ｂ（５Ａ，５Ｂ）の磁極ピッチを通常のＡＢＳセンサなどと同等（１〜３ｍｍ程度の極幅）に保ちながら、磁極数の数倍〜数十倍の高分解能で回転検出が可能になるため、センサギャップなど取付け公差を従来と同等（例えば０．５〜２ｍｍ程度のセンサギャップ）に保ちながら、自動車のような過酷な使用環境でも高分解能を得ることができる。したがって、わずかな回転ずれをも検出することが可能となり、両回転検出装置８，９の検出する絶対回転角度の差から微小な軸トルクをも検出することが可能となる。

車輪用軸受５０側に設けた回転検出装置９は、通常のＡＢＳセンサと同様の固定方法により取り付けられるものであり、特殊な形状や取付構造が不要であるため、取付スペースやコスト、重量の削減が可能となる。また、この回転検出装置９は車輪の回転センサとしても機能するため、軸トルク検出用と、従来のＡＢＳ制御用、またはより高度な車輪の回転検出用とに兼用でき、別途回転センサを設置する必要がない。

また、回転検出装置８，９の内部には、逓倍前の２相の信号が存在するので、この信号によって回転方向を判別することができ、正負のどちらの方向の軸トルクをも検出することが可能となる。また、坂道での運転における微小な前進や後戻りなども、回転方向と共に軸トルクを検出することができるので、条件に応じた最適なブレーキ制御やトルク制御により、車両の運転しやすさを向上させることが可能となる。

このように、このドライブシャフトの軸トルク測定方法によると、ドライブシャフト１の微小なねじれ角を高分解能に検出できるため、軸トルクを正確に検出でき、最適な印加トルクをタイヤに供給するような車両走行制御も可能になる。これにより、ドライブシャフト１の軽量化にも貢献できる。

図１２および図１３は、図１，図２における車輪用軸受５０の他の例を示したものである。この例の車輪用軸受５０は、いわゆる第３世代型のものである。内方部材５２は、ハブ輪５７と、このハブ輪５７の軸部５７ａのインボード側部の外周に嵌合させた内輪５８との２つの部材からなり、ハブ輪５７の軸部５７ａおよび内輪５８の外周に各列の転走面５６がそれぞれ形成されている。ハブ輪５７の軸部５７ａは、内部に等速ジョイント外輪３ａ（図１，図２参照）のステム部３ａｂを挿通させる中心孔５７ｃを有している。内輪５８は、ハブ輪５７の軸部５７ａに形成された段差部内に嵌合し、軸部５７ａのインボード側端に設けられた加締部５７ａａによりハブ輪５７に対して固定されている。その他の構成は、図１および図２の例と同様であり、センサターゲットとなる磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂもラジアルタイプとされている。
センサユニット７は、センサ取付孔６３にほぼ嵌合する外の軸状の挿入部７ａと、非挿入部である頭部７ｂとを有し、頭部７ｂは外方部材５１の外周面に接して配置される。頭部７ｂからケーブル２３が引き出されいる。上記挿入部７ａおよび頭部７ｂは、例えば弾性部材等で構成される。

図１４および図１５は、図１２および図１３に示した車輪用軸受５０において、回転検出器９として、その磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂと磁気センサ１１Ａ，１１Ｂの対向方向をアキシアル方向とした図６の例のものを搭載したものである。その他の構成は、図１２および図１３の例と同様である。

図１６および図１７も、図１２および図１３に示した車輪用軸受５０において、回転検出装置９として、その磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂと磁気センサ１１Ａ，１１Ｂの対向方向をアキシアル方向とした図６の例のものを搭載したものである。回転検出装置９のセンサユニット７は、外方部材５１のインボード側端にセンサ取付部材７２を介して取り付けている。センサ取付部材７２は、外方部材５１の外周面に嵌合して端面に当接するリング状の金属板であり、周方向の一部に、センサユニット７を取付けるセンサ取付片７２ａを有している。磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂは内輪５８の外周に嵌合させて、インボード側の密封装置６１の一部を兼ねるものとされる。
この構成の場合、外方部材５１に、前記各例の場合のようなセンサ取付孔６３が設けられないため、センサ取付孔からの水の浸入の問題がない。その他の構成は、図１２および図１３の例と同様である。

図１８および図１９は、図１６および図１７に示した例において、インボード側の軸受空間の密封装置６１を、磁気エンコーダ５よりも外部に配置したものである。すなわち、外方部材５１に取り付けられた環状のセンサ取付部材７２と内輪５８との間に、接触シール等からなる密封装置６１を設けている。
この構成の場合、磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂが密封装置６１により、外部空間に対して密封され、磁気エンコーダ５Ａ，５Ｂとセンサユニット７との間に異物を噛み込むこと等が防止される。その他の構成は、図１２および図１３の例と同様である。

この発明の一実施形態にかかるドライブシャフトの軸トルク測定装置を適用する車輪駆動用ユニットの縦断面図である。 同車輪用軸受ユニットにおける車輪用軸受側部分の拡大断面図である。 同車輪用軸受側部分の他の構成例を示す拡大断面図である。 軸トルク測定装置の概略構成を示すブロック図である。 同軸トルク測定装置における回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。 同軸トルク測定装置におけるセンサターゲットの他の構成例を半部正面図である。 同軸トルク測定装置における磁気センサの一構成例の説明図である。 同軸トルク測定装置における磁気センサの他の構成例の説明図である。 磁気センサの形信号および位相差検出手段の検出信号の波形図である。 各磁気センサの検出信号の位相と両検出信号の位相差を示す波形図である 回転検出装置の絶対角度検出回路の一構成例を示すブロック図である。 車輪駆動用ユニットにおける車輪用軸受の他の例を示す縦断面図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た側面図である。 車輪駆動用ユニットにおける車輪用軸受のさらに他の例を示す縦断面図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た側面図である。 車輪駆動用ユニットにおける車輪用軸受のさらに他の例を示す縦断面図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た側面図である。 車輪駆動用ユニットにおける車輪用軸受のさらに他の例を示す縦断面図である。 同車輪用軸受をインボード側から見た側面図である。

符号の説明

１…ドライブシャフト
２，３…等速ジョイント
２ａ…等速ジョイントの外輪
４，５…センサターゲット
４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ…磁気エンコーダ
６，７…センサユニット
８，９…回転検出装置
１１Ａ，１１Ｂ…磁気センサ
１１Ａ１，１１Ａ２…磁気センサ素子
１１ａ…センサ素子
１１ＡＡ，１１ＡＢ…ラインセンサ
１２…位相差検出手段
１３…角度算出手段
１６…差分算出手段
１７…軸トルク演算手段
１９…初期角度差保持手段
２２…センサモジュール
５０…車輪用軸受
５２…内方部材（回転側部材）

Claims (9)

1. 両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第１の回転検出装置と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第２の回転検出装置と、これらの回転検出装置の検出した絶対回転角度の差分を求める差分算出手段と、前記差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求める軸トルク演算手段とを設けたことを特徴とするドライブシャフトの軸トルク測定装置。
2. 請求項１において、前記ドライブシャフトに軸トルクが印加されていない状態で前記各回転検出装置の検出する絶対回転角度の初期角度差を保持する初期角度差保持手段を設け、前記差分算出手段は、求めた絶対回転角度の差分を前記初期角度差保持手段の保持する初期角度差だけ差し引く補正を行うものとしたドライブシャフトの軸トルク測定装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記各センサターゲットは前記等速ジョイントの外輪および車輪用軸受の回転側部材と同心のリング状に設けられ互いに磁極数が異なる複数の磁気エンコーダからなり、前記各センサは前記複数の磁気エンコーダの磁界をそれぞれ検出する複数の磁気センサを有し、これらの各磁気センサは磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものであり、前記各回転検出装置は、前記各磁気センサの検出した磁界信号の位相差を求める位相差検出手段と、この検出した位相差に基づいて前記センサターゲットの絶対回転角度を算出する角度算出手段とを有するドライブシャフトの軸トルク測定装置。
4. 請求項３において、前記磁気センサが、前記磁気エンコーダの磁極ピッチ内で互いにずれた位置に配置された複数のセンサ素子を有し、sin および cosの２相の信号出力を得られるものであって、磁極内における位置を逓倍して検出するものであるドライブシャフトの軸トルク測定装置。
5. 請求項３において、前記磁気センサが、前記磁気エンコーダの磁極の並び方向に沿ってセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin および cosの２相の信号出力を演算によって生成して、磁極内における位置を逓倍して検出するものであるドライブシャフトの軸トルク測定装置。
6. 請求項３ないし請求項５のいずれか１項において、各回転検出装置の前記磁気センサ、位相差検出手段、および角度算出手段を互いに一体化されたセンサモジュールとしたドライブシャフトの軸トルク測定装置。
7. 請求項６において，前記センサモジュールが半導体チップに集積されたものであるドライブシャフトの軸トルク測定装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の軸トルク測定装置を、車輪用軸受およびドライブシャフトを備える車輪駆動用ユニットに搭載した軸トルク測定装置付き車輪駆動用ユニット。
9. 両端にて等速ジョイントを介して自動車の駆動系統に接続されるドライブシャフトにおけるディファレンシャル側の等速ジョイントの外輪に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第１の回転検出装置と、前記ドライブシャフトが等速ジョイントを介して連結される車輪用軸受の回転側部材に取り付けられたセンサターゲット、およびこのセンサターゲットの絶対回転角度を検出するセンサを有する第２の回転検出装置とを用い、これら第１の回転検出装置が検出した絶対回転角度と第２の回転検出装置が検出した絶対回転角度との差分を求め、その差分からドライブシャフトのねじれ量を測定して軸トルクを求めることを特徴とするドライブシャフトの軸トルク測定方法。

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