JP2005091158A - 磁歪式トルクセンサの故障検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁歪環などのトルクセンサの素子に故障が生じた場合であっても、その故障を検出することができる磁歪式トルクセンサの故障判定方法を提供する。
【解決手段】 トルクセンサ１は、シャフト１０に取り付けられた磁歪環１１の磁界変化を磁気センサ１２検出して制御装置１３に出力し、シャフト１０に掛かるトルクを求める。このトルクセンサ１に接続されたエンジンのもつ複数の気筒における気筒の一部をエンジン回転数の整数倍とならない定期的な周期で失火させてトルク変動を与える。このトルク変動をトルクセンサ１で検出し、検出されたか否かにより、トルクセンサ１の故障を判定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、磁歪式トルクセンサの故障検出方法に係り、特に、車両のエンジントルクを検出するために車両のパワートレインに設けられる磁歪式トルクセンサの故障検出方法に関する。

軸に掛かるトルクを検出するため、磁界の変化を利用するいわゆる磁歪式トルクセンサがある。この磁歪式トルクセンサは、強磁性体からなる磁歪環と磁気センサとを有し、トルクの検出対象となる軸に磁歪環を圧入し、軸にトルクが掛かったときに生じる磁界の変化を磁気センサで検出して、軸に掛かるトルクを検出するものである。

この種の磁歪式トルクセンサの故障を検出するものとして、たとえば特開平５−５２６８０号公報に開示された磁歪式トルクセンサの検査装置がある。この検査装置は、磁歪式トルクセンサからの出力信号ラインを有し、この出力信号ラインに定電流回路から既知の値の直流電流を流し、そのときにおける信号処理回路の出力から、この信号処理回路の機能を検査する手段を設けたものである。
特開平５−５２６８０号公報

しかし、上記特許文献１に開示された磁歪式トルクセンサの検査装置では、検査を行うために定電流回路を形成しているものである。このため、出力信号ラインにおける回路の断線やショートなどは容易に検出することができるが、磁歪環の特性変化を検出することができないものである。

磁歪環は、トルク検出軸に対して非接触で設けられていることから、電気的・機械的な検出が困難であるという問題があった。また、磁歪環の状態が判らないので、トルクセンサを構成する素子の特性が変化した場合にも、その変化を検出することができないという問題があった。

そこで、本発明の課題は、磁歪環などのトルクセンサの素子に故障が生じた場合であっても、その故障を検出することができる磁歪式トルクセンサの故障判定方法を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る磁歪式トルクセンサの故障検出方法は、トルク検出軸に取り付けられた磁歪環によって発生する磁界を磁気センサで検出し、トルク検出軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサの故障検出方法であって、トルク検出軸に、所定のトルク変動を加え、所定のトルク変動を検出したか否かにより、磁歪式トルクセンサの故障を判定することを特徴とするものである。

本発明に係る磁歪式トルクセンサの故障検出方法では、トルク検出軸に対して所定のトルク変動を積極的に与え、この所定のトルク変動を磁歪式トルクセンサが検出したか否かにより、磁歪式トルクセンサの故障を判定している。このため、磁歪環などの素子に故障があると、所定のトルク変動を与えた際のそのトルク変動を磁歪式トルクセンサが検出することができなくなる。したがって、所定のトルク変動を検出したか否かにより、磁歪式トルクセンサの故障を検出することができる。

ここで、磁歪式トルクセンサが、車両におけるパワートレインに取り付けられ、トルク検出軸が、パワートレインにおけるエンジンの出力軸と接続されており、所定のトルク変動が、パワートレインに掛けられるトルク変動である態様とすることができる。

磁歪式トルクセンサをパワートレインに設け、トルク検出軸をエンジンの出力軸に接続して、磁歪式トルクセンサでエンジンのトルクを計測することができる。このとき、所定のトルク変動として、パワートレインに掛けられるトルク変動を用いることにより、磁歪式トルクセンサの故障を検出することができる。

また、パワートレインに掛けられるトルク変動を、エンジンの所定の一部を失火させて生じさせる態様とすることができる。

さらに、パワートレインに掛けられるトルク変動として、エンジンの出力変動を利用する態様とすることもできる。

また、パワートレインに掛けられるトルク変動が、パワートレインにおけるトランスミッションの変速である態様であるようにすることもできる。

このように、パワートレインに掛けられるトルク変動としては、エンジンの一部の失火、エンジン出力の変動、トランスミッションの変速などを利用することができる。

本発明によれば、磁歪環などのトルクセンサの素子に故障が生じた場合であっても、その故障を検出することができる磁歪式トルクセンサの故障判定方法を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の第一の実施形態に係る磁歪式トルクセンサが設けられる車両におけるトルクの伝達状態を説明するためのブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係る磁歪式トルクセンサ（以下「トルクセンサ」という）１は、車両のパワートレインＰに組み込まれている。パワートレインＰは、動力発生源２、第一動力伝達装置３、第二動力伝達装置４、および走行装置５を備えている。動力発生源２にはエンジンなどが含まれ、第一動力伝達装置３にはトランスミッションなどが含まれる。また、第二動力伝達装置４にはプロペラシャフトなどが含まれ、走行装置５には、ディファレンシャル装置、ドライブシャフト、車輪などが含まれる。トルクセンサ１は、第一動力伝達装置３と第二動力伝達装置４との間に設けられている。

トルクセンサ１は、図２に示すように、磁歪環１１および磁気センサ１２を備えている。磁歪環１１は、電磁石などによって着磁された磁性体からなるリング状の部材である。この磁歪環１１は、本発明のトルク検出軸となるシャフト１０に圧入されており、シャフト１０とともに回転する。このシャフト１０に一端部は、第一動力伝達装置３におけるトランスミッションに接続され、トランスミッションを介してエンジンの出力時に接続されている。また、シャフト１０の他端部は、第二動力伝達装置４におけるプロペラシャフトに接続されており、トランスミッションの回転をプロペラシャフトに伝達して、これらとともに回転する。このシャフト１０の回転数は、プロペラシャフトの回転数と同じとなっている。

また、磁歪環１１の近傍に磁気センサ１２が配設されている。磁気センサ１２は、シャフト１０とともに回転する磁歪環１１の回転によって生じる磁界を計測しており、計測した磁界を電気信号に変換して制御装置１３に出力している。制御装置１３では、磁気センサ１２から出力された電気信号の経時変化に基づいて、磁歪環１１に生じる磁界変化を検出している。

さらに、動力発生源２におけるエンジンには、図示しない回転数センサが取り付けられている。回転数センサは、エンジン回転数を計測し、計測したエンジン回転数を制御装置１３に出力している。また、シャフト１０には、図示しない回転角度センサが設けられている。回転角度センサでは、シャフト１０の回転角度を計測しており、計測した回転角度を信号化して制御装置１３に出力している。

制御装置１３では、磁気センサ１２から出力される磁界に関する電気信号（磁界信号）、回転角度センサから出力されるシャフト１０の回転角度、および回転数センサから出力される回転数に関する電気信号（回転数信号）に基づいて、磁歪環１１による磁界変化を求めている。

また、エンジンのトルクは、磁歪管１１による磁界変化のうち、エンジンのクランク軸の１回転に相当する周期をエンジンの気筒の数で除した周期で現れる。さらに、クランク軸の回転角度は、シャフトの回転角度と、シャフト１０と接続されるトランスミッションのギア比から算出することができる。トルクセンサ１では、磁歪管１１の磁界変化と回転角度センサから出力される回転角度に基づいて、シャフト１０に掛かるトルクをシャフトの回転周期に対応させて計測する。このシャフト１０に掛かるトルクとトランスミッションのギア比からエンジンのクランク軸の回転角度に相当するトルクを算出することによって、エンジンのトルクとして検出している。

トルクセンサ１で検出されるトルクには、図３に示すように、周期的に生じるエンジンの出力成分Ｃ１のほか、様々な外乱が生じる。たとえば、周期的に生じるエンジンの出力成分Ｃ１のほか、エンジンの爆発やポンピングロスなどによる出力変動成分Ｃ２、ロードロードなどの外部からの負荷成分Ｃ３、補機の摩擦などによるロス分からなる負荷成分Ｃ４などがある。さらには、トルクセンサ１を製造するにあたり、磁歪環１１を着磁する際に生じるムラや磁歪環１１をシャフト１０に圧入する際に生じる残存応力によって生じる一定の規則的ムラ成分Ｃ５がある。

これらのトルク成分がトルクセンサ１によって、検出成分として入力される。トルクセンサ１では、磁気センサ１２でこれらの検出成分を検出し、電気信号に変換して制御装置１３に出力する。このとき、トルクセンサ１では、磁歪環１１に着磁ムラや磁歪環１１をシャフト１０に圧入する際に生じる残存応力の不均一性による規則的なムラ（規則的ムラ）が生じている。この規則的ムラに起因する規則的ムラ成分Ｃ５が磁気センサ１２で検出され、制御装置１３に出力される。規則的ムラ成分Ｃ５は、トルクセンサ１の回転を整数倍した周期で周期的に発生している。

こうして、トルクセンサ１で検出された各成分が制御装置１３に出力される。これらの各成分は、試験的にＦＦＴ分析すると、図３に示すように現れる。これらのエンジントルク以外の外乱を取り除いた後に、エンジンのトルクを検出する。

次に、本実施形態に係る故障判定の手順について説明する。

故障判定を行うにあたり、エンジンを等速で回転させ、このときにトルクセンサ１で検出されるトルクを制御装置１３に出力する。制御装置１３では、出力された検出トルクから、エンジンの出力変動成分、トルクセンサ１に生じる規則的ムラなどの外乱を取り除く。検出トルクから外乱を取り除くと、エンジン本来がもつ脈動に相当する成分が残る。このエンジン本来がもつ脈動の成分から、エンジンのトルクが検出される。

故障判定を行う際には、エンジンのもつ複数の気筒における所定の一部を定期的な周期で失火させ、所定のトルク変動を与える。具体的に、４気筒エンジンの場合を例として説明すると、４気筒エンジンにおいて、図４に示すように、第一気筒、第三気筒、第二気筒、第四気筒の順で点火しているとする。このとき、×印を付して示すように、第一気筒、第二気筒、第四気筒、第三気筒の順で、３回のエンジンの回転周期の中で４回エンジンを失火させる。

このように、エンジンの一部の気筒を失火させると、気筒を失火させた状態のときにトルクに変動が生じる。また、この順でエンジンの各気筒を失火させると、エンジン回転数とは異なり、エンジン回転数の整数倍とならない周期、ここでは、エンジン回転数の周波数の３分の４に相当する周期でエンジンの失火によるトルク変動が生じることになる。

ここで、エンジンを失火させる周期をエンジン回転数の周波数の整数倍とすると、エンジンの脈動に吸収されてしまい、エンジンの失火によるトルク変動を検出することができなくなってしまう。この点、エンジンを失火させる周期をエンジン回転数の整数倍とならない周期としているので、エンジンの脈動に吸収させることなく、失火によるトルク変動を取り出すことができる。

制御装置１３では、エンジンの失火によるトルク変動に相当する成分を取り出す。このトルク成分を取り出すため、制御装置１３には、共振回路が設けられている。この共振回路には、トルクセンサ１からの検出トルクと、回転数センサからの回転数が出力される。共振回路における共振周波数は、エンジン回転数の３分の４倍に設定し、この共振周波数でトルクセンサの検出トルクを取り出すことにより、エンジンの失火によるトルク変動を取り出すことができる。

こうして検出したトルク変動が、エンジンの失火に相当するものであるか否かを判断する。その結果、エンジンの失火に相当するトルクの変動を検出したならば、トルクセンサ１が正常であると判断する。一方、エンジンに失火に相当するトルクの変動を検出することができかった場合には、トルクセンサ１に異常が生じていると判断することができる。

このように、本実施形態に係るトルクセンサの故障判定方法では、トルクセンサ１で検出するトルクに、積極的に変動成分を与え、その変動成分を検出したか否かにより、トルクセンサ１に故障が生じているか否かを判断することができる。したがって、磁歪環１１などのトルクセンサ１の素子に故障が生じた場合であっても、その故障を検出することができる。

また、上記の実施形態では、所定のトルク変動をエンジンの失火により与えているが、たとえば上記のエンジンの失火に代えて、逆にスパイクリッチとして出力をアップさせることにより所定のトルク変動を与えることもできる。この場合にも、スパイクリッチとする周期は、エンジン回転数の整数倍以外の周期とすることが必要となる。

さらに、所定のトルク変動に代えて、第一動力伝達装置３におけるトランスミッションで変速ショックを与える態様とすることができる。具体的には、エンジン回転数の整数倍となる回転数以外の回転数で周期的にトランスミッションを変速し、その変速による大きなトルク変動をトルクセンサ１で検出する。その結果、トランスミッションの変速に伴うトルク変動をトルクセンサ１が検出したか否かにより、トルクセンサ１の故障を判定することができる。

本発明に係る磁歪式トルクセンサが設けられる車両におけるトルクの伝達状態を説明するためのブロック図である。 トルクセンサの要部斜視図である。 トルクセンサ出力の流れを示すブロック図である。 エンジンの点火気筒と失火のタイミングとの関係を示す表である。

符号の説明

１…磁歪式トルクセンサ、２…動力発生源、３…第一動力伝達装置、４…第二動力伝達装置、５…走行装置、１０…シャフト、１１…磁歪環、１２…磁気センサ、１３…制御装置、Ｐ…パワートレイン。

Claims (5)

1. トルク検出軸に取り付けられた磁歪環によって発生する磁界を磁気センサで検出し、前記トルク検出軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサの故障検出方法であって、
   前記トルク検出軸に、所定のトルク変動を加え、
   前記所定のトルク変動を検出したか否かにより、前記磁歪式トルクセンサの故障を判定することを特徴とする磁歪式トルクセンサの故障検出方法。
2. 前記磁歪式トルクセンサが、車両におけるパワートレインに取り付けられ、前記トルク検出軸が、前記パワートレインにおけるエンジンの出力軸と接続されており、
   前記所定のトルク変動が、前記パワートレインに掛けられるトルク変動である請求項１に記載の磁歪式トルクセンサの故障検出方法。
3. 前記パワートレインに掛けられるトルク変動を、前記エンジンの所定の一部を失火させて生じさせる請求項２に記載の磁歪式トルクセンサの故障検出方法。
4. 前記パワートレインに掛けられるトルク変動として、前記エンジンの出力変動を利用する請求項２に記載の磁歪式トルクセンサの故障検出方法。
5. 前記パワートレインに掛けられるトルク変動が、前記パワートレインにおけるトランスミッションの変速である請求項２に記載の磁歪式トルクセンサの故障検出方法。

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