JP2007052017A - ヒステリシス補正を含む自動較正アルゴリズム - Google Patents

Abstract

【課題】トルク・センサー用磁力計の較正方法を提供する。
【解決手段】トルク・トランスジューサを、印加トルクに応答してトルク・トランスジューサの発生磁界を示す信号を受信する少なくとも２つのチャンネルを含む磁力計と協働させ、複数の所定較正点のそれぞれにおいてトルク・トランスジューサに所要の大きさのトルクを加え、少なくとも２つのチャンネルのそれぞれに伝送すべく所定較正点のそれぞれにおいて発生する磁界を示す出力信号を記録し、所定較正点のそれぞれについて記録される出力信号に基づいて少なくとも２つのチャンネルのそれぞれのための補正係数を求めるステップを含む。
【選択図】 図３

Description

関連出願相互参照

本願は２００５年８月１２日付き米国仮出願第６０／７０８，０６３号に基づく優先権を請求する。

本発明は広義においてはトルク・センサー用の磁力計を較正する方法に係わる。より具体的には、本発明はばらつきが少なくなるようにトルク・センサーのための磁力計を較正する方法に係わる。

一例として、磁気弾性材を含有し、周方向に、方向が反対となるように磁気分極する軸方向に隣接する２つの部分を有するトランスジューサ素子を含むトルク・センサーがあり、それぞれの軸方向部分が加わるトルクに応答して磁界を発生させる。この磁界は磁力グラジオメータとして構成された磁力計回路による検知に好適な発散性である。発生した磁界を検出する磁力計は加わったトルクを示す出力信号を発し、地球磁界のような非発散性外部磁界に極力影響されない。

このようなトルク・トランスジューサを応用する公知磁力計はトルク・トランスジューサの軸方向上下部分にそれぞれ対応する独立の磁力計部分を含む。これら両部分からの出力の電圧差がトルク・センサーの出力となる。しかし、個々の磁力計部分は確かに同じ仕様に従って製造されているものの、或る程度の相違は不可避であるから、磁気センサー素子の感度に非対称性が生ずる可能性があり、非発散磁界に対するセンサーの感度がゼロとなるとは限らない。さらにまた、磁気弾性素子内に存在するヒステリシスはトルク刺激が加わり、次いでこれが取り除かれた後に、トランスジューサが本来のゼロ点に戻るのを妨げる可能性がある。

従って、望ましくない外部磁界に対するセンサーの感度を限りなく弱めるような磁力計較正方法を設計し、開発することが望まれる。

トルク・センサーとしての磁力計を、磁気弾性センサー素子内に存在する可能性があるヒステリシスが補正されるように較正する方法を設計し、開発することもまた望ましい。

発明の概要

本発明による磁気弾性トルク・センサー較正方法の実施例はトルク・トランスジューサを磁力計と協働させ、複数の所定較正点のそれぞれにおいてトルク・トランスジューサにトルクを加え、少なくとも２つのチャンネルのそれぞれに伝送すべく、所定較正点のそれぞれにおいて発生する磁界を示す出力信号を記録し、所定較正点のそれぞれに関連して記録された出力信号に基づいて、少なくとも２つのチャンネルのそれぞれについて補正係数を求めるステップを含む。

本発明の方法ステップに従って較正されるトルク・センサー組立体の実施例は磁気弾性リングを含むトルク・トランジューサを含む。磁気弾性リングはトルクが加えられるとこれに応答して発散磁界を発生させる。磁力計組立体はトルク・トランスジューサの近傍に配置された少なくとも２つのセンサー素子を含む。

この方法はトルク・トランスジューサを磁力計と協働させるという初期ステップを含む。磁力計は少なくとも２つのチャンネルを含み、これらのチャンネルはトルクが加わるとこれに応答してトルク・トランスジューサが発生させる磁界を示す信号を受信する。一連の既知トルクをトルク・トランスジューサに作用させ、これらのトルクを較正点として記録する。較正点は磁気弾性リングが発生させる磁界を示す。次いで、各チャンネルのゲインを整合させることにより、これらのゲインを加算した結果として外部磁界に対する感度がゼロとなるようにする。次いで、２つのチャンネルにおけるゲインの比が、それぞれがほぼＮおよびＳ極性の非発散磁界に向くトルク・トランスジューサ組立体で得られる電圧間の比に等しくなるように較正係数を求める。

次いで、トルク刺激が加わる前後におけるシステムのゼロ-トルク出力からのずれとして測定されるシステムのヒステリシス値に基づいてシステムのヒステリシスを補正するための係数を計算する。

連携する温度センサーの測定値に従ってこれらの係数が変化するように、センサー・システムの温度補正をも可能にする。

このようにして、本発明の方法はトルク・センサー・システムおよび磁力計の精度を高めることができる。

本発明の上記およびその他の特徴を添付の図面を参照しながら以下に説明する。

図１に略示するトルク・センサー組立体１０は軸１８を中心に配置されたトルク・トランスジューサ１２を含む。トルク・トランスジューサ１２は磁気弾性リング１６を含むシャフト１４を有する。シャフト１４にトルクが加わると、これに応答して磁気弾性リング１６が磁界１５を発生させる。磁力計１１はトルク・トランスジューサ１２の近傍に配置されたインダクタ２１を含み、インダクタ２１はコイル組立体によって磁気飽和させられる。コイル組立体は上方の内側および外側コイル２５、２７と、下方の内側および外側コイル２４、２６とを含む。内側コイル２５、２４は外側コイル２６、２７が発生させる磁界と等しい、但し方向が反対の磁界を発生させるように構成されている。

コントローラ３６はコイル２４、２５、２６、２７に交流を給電することによって交番磁界を発生させる。交番磁界はインダクタ２１を飽和させる結果となる。トルク・トランスジューサ１２にトルクが加わると、発生した磁界１５がインダクタ２１に重ねられる。磁界１５が重なることで、上方コイル２５、２７と下方コイル２４、１６との間に磁界の非対称性が現れる。非対称性はノード２８、３０における電圧信号として検知される。これらの電圧信号３２、３４は加わったトルクの大きさを測定するのに利用される。

トルク・トランスジューサ組立体１０が正確に動作するかどうかはコイル組立体に対するトルク・トランスジューサ１２の整合および較正次第である。本発明の方法はコイル組立体およびコントローラ３６に対するトルク・トランスジューサの正確な較正を可能にする。そのため、トルク・トランスジューサ１２をコントローラ３６と協働させ、次いで、一連の較正係数を求める。

図２のグラフから明らかなように、トルク・トランスジューサ１２を較正することによって、センサー組立体中のヒステリシスを調整することができる。図２は加わるトルク５８と電圧出力５６との関係を表すグラフである。第１方向にトルクが加わると、線５０で示すようなトルクと出力の関係が得られる。最高点からトルクが除かれると、線５２によって示すような関係となる。トルクが加わっている時の関係５０とトルクが除かれた時の関係５２との間のギャップ５４は望ましくない不正確性の原因となる。但し、本発明の方法によってこのギャップ５４を較正し、調整することができる。

図３に示すように、本発明の方法はステップ６０として示すように、トルク・トランスジューサ１２を磁力計１１と協働させる第１ステップを含む。磁力計１１は少なくとも２つのチャンネル３３、３５を含み、これらのチャンネルは、トルクが加わるのに応答してトルク・トランスジューサ１２が発生させる磁界１５を示す信号３２、３４をそれぞれ受信する。ステップ６２として示すように、第１方向に第１の既知トルク２０がトルク・トランスジューサ１２に加わる。これにより較正点が得られる。この実施例の場合、第１のトルクはトルク・トランスジューサ１２に加わる全目盛正トルクである。次いで、ステップ６４として示すように、第１トルク２０が除かれ、トルク・トランスジューサ１２はゼロ位置に戻る。このゼロ・トルク点における電圧出力はもう１つの較正点として記録される。ステップ６６および６８として示すように、第１方向とは反対の第２方向の第２トルク２２がトルク・トランスジューサ１２に加わり、他の較正点が記録される。この実施例の場合、第２トルク２２は全目盛負トルクである。較正点は磁気弾性リング１６が発生させる磁界を示す電圧値である。較正点はまた実際に加わったトルク値とトルク・トランスジューサから得られる実際の測定値との間に存在する可能性がある差を明らかにする。

次いで、チャンネル３３、３５のそれぞれのゲインを整合させることにより、両者を加算すれば外部磁界に対する感度がゼロとなるようにする。ステップ７０および７２として示すように、Ｎ極４０およびＳ極４２と対向するトルク・トランスジューサ組立体１０（図１）で出力値を得る。従って、トルク・トランスジューサ組立体１０をＮ極４０に向け、較正点を求める。次いで、トルク・トランスジューサ組立体１２をＳ極４２に向け、別の較正点を求める。較正点はそれぞれのノード２８、３０からの出力３２、３４の値として較正点を求められる。

次いで、ステップ７４として示すように、チャンネル３３および３５におけるゲインの比がＮ極４０およびＳ極４２に向くトルク・トランスジューサ組立体１２で得られる電圧の比に等しくなるように補正係数またはバイアスを求める。即ち、２つのチャンネル２８、３０のそれぞれのゲインを、第１チャンネル２８と第２チャンネル３０の比がＮ極４０に向くトルク・トランスジューサ組立体１０で得られる出力値とＳ極４２に向くトルク・トランスジューサ組立体１０で得られる出力値の比に等しくなるように設定する。

本発明の方法はステップ７６として示すように、第１および第２トルク２０、２２から得られる較正値に基づくヒステリシス値を求めるステップをも含む。そのため、２つのチャンネル３３、３５のそれぞれによって受信される各較正点に対応する出力値３２、３４間のスパンを測定する。このスパンを利用して、補正係数または補正値をスパンの％として求める。ヒステリシス補正値の測定には、スパンを、ヒステリシス含有信号と所要の出力値との間の差を示すバックラッシュ値と組み合わせるステップを含む。

ヒステリシス補正値は公知の数学的補正技術、例えば、Prandt-Ishlinskyi演算器を使用することによって求められる。尚、ヒステリシス補正係数を求めるための具体的な数学的技術は用途に応じて異なり、トルク・トランスジューサ組立体１０の形態に応じて異なる。

本発明の方法はセンサー・システムの温度係数を求めるステップをも含む。温度係数を求めることによって、変化する温度における動作を調整するための補正係数が得られ、温度変化が出力電圧の変化としてチャンネル３３、３５に入力される。温度補正値は電圧値と共に所定の間隔で温度値を測定することによって得られる。次いで、温度、抵抗および電圧の間の既知の関係を利用して温度補正係数を求め、出力３２、３４に入力する。

本発明の好ましい実施例を以上に説明したが、当業者には明らかなように、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更を加えることができる。従って、本発明の厳密な範囲と内容を定義するのはあくまでも後記する特許請求項である。

本発明のトルク・トランスジューサの実施例を示す概略図である。 トルク・トランスジューサ実施例における、加わるトルクと出力との関係を例示するグラフである。 本発明のトルク・トランスジューサ較正方法のステップを例示するフローチャートである。

Claims (15)

1. 磁気弾性トルク・センサーを較正する方法において、
   ａ）トルク・トランスジューサを、トルクが加わるとこれに応答してトルク・トランスジューサが発生させる磁界を示す信号を受信する少なくとも２つのチャンネルを含む磁力計と協働させ；
   ｂ）複数の所定較正点のそれぞれにおいて、トルク・トランスジューサに所要の大きさのトルクを加え；
   ｃ）少なくとも２つのチャンネルのそれぞれに伝送すべく、所定較正点のそれぞれにおいて発生する磁界を示す出力信号を記録し；
   ｄ）所定較正点のそれぞれについて記録される出力信号に基づいて、少なくとも２つのチャンネルのそれぞれのための補正係数を求めるステップから成る磁気弾性トルク・センサーの較正方法。
2. 磁力計がマイクロコントローラを含み、少なくとも２つのチャンネルが、トルク・トランスジューサによって発生させられる磁界を検知するように配置された第１コイルおよび第２コイルからの信号を受信する請求項１に記載の方法。
3. 磁気弾性トルク・センサーをＮ極に向け、少なくとも２つのチャンネルのそれぞれに関するＮ極出力値を記憶し、次いで、磁気弾性トルク・センサーをＳ極に向け、２つのチャンネルのそれぞれに関するＳ極出力値を記憶するステップを含む請求項１に記載の方法。
4. Ｎ極出力値とＳ極出力値との比に対する補正係数を求める請求項３に記載の方法。
5. 第１チャンネルと第２チャンネルとの比がＮ極出力値とＳ極出力値との比に等しくなるように２つのチャンネルのそれぞれに関するゲインを求めるステップを含む請求項３に記載の方法。
6. 所定の較正点が第１方向に加わる最大トルク、第１方向最大トルクが除かれた後に記録される第１ゼロ点、第１方向とは反対の第２方向に加わる最大トルク、および第２方向の最大トルクが除かれた後に記録される第２ゼロ点を含む請求項３に記載の方法。
7. ヒステリシス値、２つのチャンネルのそれぞれによって受信される、それぞれの較正点における出力間のスパン、および出力スパンとヒステリシス値との関係に基づくヒステリシス補正値を求めるステップを含む請求項４に記載の方法。
8. ヒステリシス補正係数を求めるステップがスパンを、ヒステリシス含有信号と所要出力値との差を示すバックラッシュ値と組み合わせるステップを含む請求項７に記載の方法。
9. トルク・トランスジューサ組立体を較正する方法において、
   ａ）トルクが加わるとこれに応答して磁界を発生させる磁気弾性材を含むトルク・トランスジューサを、加わるトルクを示す出力信号を受信する少なくとも２つのチャンネルを含むマイクロコントローラを有する磁力計と協働させ；
   ｂ）トルク・トランスジューサの正の全目盛トルク値にほぼ等しい正トルクを加え；
   ｃ）トルク・トランスジューサの負の全目盛トルクにほぼ等しい負トルクを加え；
   ｄ）正の全目盛トルクおよび負の全目盛トルクに対応する出力値を記録し；
   ｅ）マイクロコントローラの少なくとも２つのチャンネルのそれぞれを加算するとセンサー・システムの所要のスパン感度が得られるように、これら少なくとも２つのチャンネルのそれぞれのための個々のゲインを求めるステップから成るトルク・トランスジューサ組立体の較正方法。
10. 正の全目盛トルク値および負の全目盛トルク値のそれぞれからのトルク解除を示す、少なくとも２つのチャンネルのそれぞれへの出力値を記録するステップを含む請求項９に記載の方法。
11. トルク・トランスジューサをＮ極に向けた場合とトルク・トランスジューサをＳ極に向けた場合の、少なくとも２つのチャンネルのそれぞれへの出力値を記録するステップを含む請求項１０に記載の方法。
12. トルク・トランスジューサをＮ極に向けた場合とトルク・トランスジューサをＳ極に向けた場合の出力値間の比に等しくなるように、少なくとも２つのチャンネルの個別ゲインの比を設定するステップを含む請求項１１に記載の方法。
13. 正および負のトルクが加わり、且つトルクが除かれるのに応答して少なくとも２つのチャンネルのそれぞれに伝送される出力を利用してヒステリシスと示す値を求めるステップを含む請求項１２に記載の方法。
14. 測定されたヒステリシス値に基づいてヒステリシス補正係数を求めるステップを含む請求項１３に記載の方法。
15. ヒステリシス補正係数と少なくとも２つのチャンネルのそれぞれに伝送される出力間の差との関係を利用することによって、トルク・トランスジューサ組立体のためのスパン感度係数を求めるステップを含む請求項１４に記載の方法。

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