JP2013019916A - 磁歪式トルクセンサおよびその計測値中点ずれ補償方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ボリューム抵抗や中点出力電圧調整用の追加の回路、面倒な調整工数の増加、作業者の熟練度を要することなく、精度よく簡便に正逆トルクの計測値中点ずれを補償すること。
【解決手段】センサ部30Aのコイル33〜36に給電してバイアス磁界を発生させるバイアス成分を可変設定するバイアス成分設定部28を有し、バイアス成分設定部28による直流成分の設定により正逆トルクの計測値中点ずれを補償する。
【選択図】図5
【解決手段】センサ部30Aのコイル33〜36に給電してバイアス磁界を発生させるバイアス成分を可変設定するバイアス成分設定部28を有し、バイアス成分設定部28による直流成分の設定により正逆トルクの計測値中点ずれを補償する。
【選択図】図5
Description
本発明は、磁歪式トルクセンサおよびその計測値中点ずれ補償方法に関し、特に、自動車の電動ステアリング装置等に用いられ、ステアリングシャフト等に作用している正逆トルクを磁歪効果によって計測する磁歪式トルクセンサ装置の計測値中点ずれを補償する技術に関する。
自動車の電動ステアリング装置等に用いられる磁歪式トルクセンサ装置として、トルク計測対象のシャフトの表面の軸線方向二箇所に、磁気異方性が互いに逆方向の磁歪膜(磁歪部)を有し、磁歪膜に近接して対向配置された少なくとも二つのコイルに、所定周波数の交流励磁電流を流して磁歪膜を交流励磁させ、シャフトに作用するトルクにより生じるシャフトの捩れによる磁歪膜の透磁率変化をコイルのインピーダンス特性の変化によって捉え、当該コイルのインピーダンス変化に基づいてシャフトに作用している正逆トルクを定量的に計測するものが知られている(例えば、特許文献1、2)。
上述のような磁歪式トルクセンサ装置では、製品毎にコイルのインピーダンスに個体差があり、シャフトにトルクが作用していない中点(零点)での正逆トルクの計測値(出力電圧)に、製品毎のばらつきが生じる。このため、磁歪式トルクセンサは、中点での正逆トルクの計測値を正規値に補正するために、正逆トルクの計測値中点ずれ、つまり、中点での正逆トルクの計測値の正規値からの偏差を製品毎に補償する必要がある。
このことに対して、アンプ出力のオフセット電圧をボリューム抵抗により調節したり、マイクロコンピュータから出力された励磁用のパルス幅変調出力に対して一定のセンサ特性により出力電圧を発生するセンサ部を備えたトルクセンサ装置において、所定のパルス幅変調出力に対してセンサ部が所定の中点出力電圧を出力するまで、センサ特性を逐次繰り返し変更することが提案されている(例えば、特許文献3)。
しかし、ボリューム抵抗によるものは、コイルに接続するボリューム抵抗を別途設けなくてはならず、しかも、面倒な調整工数の増加、作業者の熟練度に依存した不安定な調整精度などの不具合を含んでいる。
パルス幅変調によるものは、センサ部の出力電圧に対して補正電圧を加えることによって中点出力電圧を調整しているので、中点出力電圧調整用の回路を追加する必要があり、回路基板が大きくなる。
本発明が解決しようとする課題は、ボリューム抵抗や中点出力電圧調整用の追加の回路、面倒な調整工数の増加、作業者の熟練度を要することなく、精度よく簡便に正逆トルクの計測値中点ずれを補償することである。
本発明による磁歪式トルクセンサ装置は、トルク計測対象のシャフトに磁歪部が設けられ、前記磁歪部の磁気特性変化を当該磁歪部に対して対向配置された少なくとも二つのコイルの電気値変化に変換して検出し、当該電気値変化より前記シャフトに作用している正逆トルクを計測する磁歪式トルクセンサの計測値中点ずれ補償装置であって、前記コイルに給電してバイアス磁界を発生させるバイアス成分を可変設定するバイアス成分設定手段を有し、前記バイアス成分設定手段によるバイアス成分の設定により前記正逆トルクの計測値中点ずれを補償する。
本発明による磁歪式トルクセンサ装置は、トルク計測対象のシャフトに磁歪部が設けられ、前記磁歪部に対して少なくとも二つのコイルが対向配置され、前記コイルに励磁電流を与え、前記磁歪部の磁気特性変化を前記コイルの電気値変化に変換して検出し、当該電気値変化より前記シャフトに作用している正逆トルクを計測する磁歪式トルクセンサの計測値中点ずれ補償装置であって、前記励磁電流に付与するバイアス成分を可変設定するバイアス成分設定手段を有し、前記バイアス成分設定手段によるバイアス成分の設定により前記正逆トルクの計測値中点ずれを補償する。
本発明による磁歪式トルクセンサ装置は、好ましくは、前記励磁電流は所定周波数のパルス波によるものであり、前記バイアス成分設定手段は、前記励磁電流のデュティ比を可変設定するものである。
本発明による磁歪式トルクセンサ装置は、好ましくは、前記少なくとも二つのコイルは、コイル自体あるいは他からの磁気影響によって相互に磁気的アンバランスを有している。
本発明による磁歪式トルクセンサ装置の計測値中点ずれ補償方法は、トルク計測対象のシャフトに磁歪部が設けられ、前記磁歪部に対して少なくとも二つのコイルが対向配置され、前記コイルに励磁電流を与え、前記磁歪部の磁気特性変化を前記コイルの電気値変化に変換して検出し、当該電気値変化より前記シャフトに作用している正逆トルクを計測する磁歪式トルクセンサの計測値中点ずれ補償方法であって、前記励磁電流に付与するバイアス成分を前記正逆トルクの計測値中点ずれに応じて設定し、当該バイアス成分の設定により前記正逆トルクの計測値中点ずれを補償する。
本発明による磁歪式トルクセンサ装置および計測値中点ずれ補償方法によれば、コイルにバイアス磁界を発生させるバイアス成分の設定によって正逆トルクの計測値中点ずれを補償するから、コイルに与える励磁電流の調整、例えば、励磁電流のデュティ比制御だけで計測値中点ずれを補償することができる。
これにより、本発明によれば、ボリューム抵抗や中点出力電圧調整用の追加の回路、面倒な調整工数の増加、作業者の熟練度を要することなく、精度よく簡便に正逆トルクの計測値中点ずれを補償することができる。
以下に、本発明による磁歪式トルクセンサ装置およびその計測値中点ずれ補償方法の実施形態を、図1〜図5を参照して説明する。
まず、本発明による磁歪式トルクセンサ装置の一つの実施形態として、計測値中点ずれ補償付き磁歪式トルクセンサ装置を組み込まれた自動車の電子制御式の電動ステアリング装置について、図1を参照して説明する。
ステアリングホイール1はホイールシャフト2を有し、ホイールシャフト2は自在継手3によってステアリングシャフト4の上端部に駆動連結されている。ステアリングシャフト4の下端部にはピニオン5が形成されている。
左右の車輪6、7は、タイロッド8、9等によってラックシャフト10の左右両端に連結されている。ラックシャフト10はラック歯部11を有し、ラック歯部11にはピニオン5が噛合している。これにより、ステアリングホイール1の回動がラックシャフト10に伝えられ、左右の車輪6、7の向きが変わる転舵が行われる。
ステアリングシャフト4の下端近傍部にはウォームホイール12が取り付けられている。ウォームホイール12は操舵アシスト力を発生する電動モータ13の出力シャフト14に取り付けられたウォーム15に噛合している。これにより、電動モータ13が発生する操舵アシスト力がステアリングシャフト4に与えられる。
電動モータ13は、マイクロコンピュータを含む電子制御装置(ECU)20により制御される。ECU20は、ステアリングシャフト4の上端近傍部にセンサ部30Aを具備した磁歪式トルクセンサ装置30よりステアリングシャフト4に発生するトルクに関する情報を、図示されていない車速センサより車速に関する情報(車速センサ信号)を入力し、これら情報に応じて適正な操舵アシスト力を演算し、電動モータ13の出力を制御する。
つぎに、本実施形態による磁歪式トルクセンサ装置30のセンサ部30Aの詳細を、図2を参照して説明する。センサ部30Aは、トルク計測対象のシャフトであるステアリングシャフト4の表面の軸線方向二箇所に磁歪部として形成された磁歪膜31、32と、一方の磁歪膜31に近接して対向配置されたコイル33、34と、他方の磁歪膜32に近接して対向配置されたコイル35、36とを有する。
磁歪膜31、32は、メッキ法等によって形成されたNi−Fe系の合金膜であり、図に矢印A、Bにより示されているように、互いに異なる90度傾斜の方向に磁気異方性を有する。これにより、磁歪膜31の磁気異方性と磁歪膜32の磁気異方性は、互いに90度方向に位相を異にしている。
コイル33、34はボビン37に、コイル35、36はもう一つのボビン38に各々巻装され、外周配置の磁性材製の筒状ヨーク39、端部配置の磁性材製の環板状のヨーク40、スペーサ41、エンドキャップ42等と共に車体側固定配置のハウジング43内に組み込まれている。
環板状のヨーク40がボビン37の上端部にのみ設置されていることにより、ヨーク40に近接したコイル33が、ヨーク40に近接していない他のコイル34、35、36とは異なった磁気特性を示す。これは、コイル33とコイル34、35、36とで、相互に磁気的アンバランスを有することを意味する。
磁気的アンバランスの付与は、磁性材、非磁性材の何れによるものでもよく、ハウジング43がアルミニウム等の非磁性材製である場合には、図3に示されているような構成で、ハウジング43の渦電流による磁気損失により、コイル33とコイル34、35、36とで、相互に磁気的アンバランスを有することになる。
図4に示されているように、コイル33と35、コイル34と36とが各々個々に直列結線されている。これら二つの直列回路が互いに並列に結線され、コイル33と35との直列回路と、コイル34と36との直列回路の各々に所定周波数による励磁電流(交流)Imagが通電される。コイル33〜36に所定周波数の励磁電流Imagが流れ、これらコイル33〜36に励磁電圧が印加され、これらコイル33〜36が交流励磁する。そして、これらコイル33〜36の交流磁界によって磁歪膜31、32が交流磁化する。
ステアリングシャフト4にトルクが発生すると、磁歪膜31、32の磁気異方性に対して、磁歪膜31、32の何れか一方に圧縮力が作用し、他方に引張力が作用する。この結果、交流磁界中の磁歪膜31、32の何れか一方の透磁率が増加し、他方の透磁率が減少する。この透磁率変化により、コイル33、34のインピーダンスが増加し、コイル35、36のインピーダンスが減少と云う電気値変化が生じる。つまり、磁歪膜31、32の磁気特性変化が、コイル33〜36のインピーダンス変化と云う電気値変化に変換して検出される。
コイル33と35のインピーダンス変化は、両コイルの中点51の電圧(第1出力電圧)VS1の変化として、コイル34と36のインピーダンス変化は、両コイルの中点52の電圧(第2出力電圧)VS2の変化として各々出力される。
図5に示されているように、第1出力電圧(交流)VS1は、整流・増幅器21の整流回路22によって整流され、増幅回路23によって増幅されて直流の第1出力電圧VT1となってECU20に入力される。第2出力電圧(交流)VS2は、整流・増幅器21の整流回路24によって整流され、増幅回路25によって増幅されて直流の第2出力電圧VT2となってECU20に入力される。
ECU20は、磁歪式トルクセンサ装置30に属するセンサ信号処理部として、差分演算部26を有する。差分演算部26は、第1出力電圧VT1と第2出力電圧VT2とを入力し、下式(1)に従って、ステアリングシャフト4に作用している正逆トルクを示す差動電圧VT3を算出する。
VT3=k(VT1−VT2)+2.5 ...(1)
但し、kはゲインである。
なお、正逆トルクとは、ステアリングシャフト4の時計廻り方向のトルクを正トルク、その反対の反時計廻り方向のトルクを負トルクとした場合の称呼である。
コイル33〜36の初期インピーダンスが全て同一であれば、ステアリングシャフト4に正逆トルクが全く作用していない状態では、(VT1−VT2)=0となり、差動電圧VT3、つまり正逆トルクの計測値は、2.5Vになる。2.5Vは、ECU20の定格電圧5Vの1/2に相当し、これを正規の中点電圧と云う。正逆トルクの計測値は、正トルクの増加に比例して中点電圧2.5Vより5Vまで増大し、逆トルクの増加に比例して中点電圧2.5Vより0Vまで減少する。
これに対し、コイル33〜36の初期インピーダンスが揃っていないと、ステアリングシャフト4に正逆トルクが全く作用していない状態で、(VT1−VT2)=0とならず、正逆トルクの計測値(中点電圧)が、2.6Vのように、正規中点電圧2.5Vよりずれたものになる。これが正逆トルクの計測値中点ずれである。
ECU20は、磁歪式トルクセンサ装置30のセンサ部30Aを動作させる電気回路として、励磁電流設定部27を有する。励磁電流設定部27は、コイル33〜36の励磁電流Imag、換言すると、コイル33〜36に印加する励磁電圧を設定する。励磁電流Imagは、所定周波数のパルス波によるものであり、デュティ比0.5では、交流成分のみの電圧印加になり、デュティ比0.5より増分がある場合には、その増分に相当する直流成分の電圧印加を付加することになる。この直流成分電圧はバイアス電圧に相当し、バイアス電圧はコイル33〜36にバイアス磁界を発生する。当該バイアス磁界は直流成分電圧に応じたバイアス磁化量によるものになる。
ECU20は、磁歪式トルクセンサ装置30の計測値中点ずれ補償手段として、バイアス成分設定部28を有する。バイアス成分設定部28は、励磁電流Imagのデュティ比を可変設定するものであり、デュティ比増分による励磁電流Imagに対するバイアス成分の付与を、励磁電流設定部27に指令する。
コイル33〜36のインピーダンスは、図6に示されているように、バイアス電圧の増加に比例にして低減する。このことにより、バイアス電圧の調整、つまり、バイアス成分設定部28によるデュティ比増分の設定により、コイル33〜36のインピーダンス特性を変更することができ、バイアス成分設定部28によるバイアス成分の設定により前述した正逆トルクの計測値中点ずれを補償することができる。
バイアス成分設定部28は、第1出力電圧VS1と第2出力電圧VS2、あるいは差動電圧VT3を入力し、差動電圧VT3が2.5Vになるように、つまり、正逆トルクの計測値中点ずれが零になるように、励磁電流Imagのデュティ比を増分設定する指令を励磁電流設定部27に出力する。
コイル33とコイル34、35、36とで、相互に磁気的アンバランスがあるから、コイル33〜36に、同じ増分を含むデュティ比の電流、換言すると、同じバイアス電圧を与えても、コイル33が他のコイル34、35、36とは異なるインピーダンス変化を生じる。
これにより、第1出力電圧VS1と第2出力電圧VS2とが相互に変化し、例えば、図7に示されているように、励磁電流のデュティ比制御によってバイアス電圧をディフォルト値である2Vより1Vに下げるだけで、正逆トルクの計測値(中点電圧)が2.6Vより2.5Vに補償される。この計測値中点ずれ補償は、製品出荷時等に、製品毎に行われればよい。
上述したように、コイル33〜36にバイアス磁界を発生させるバイアス成分の設定により正逆トルクの計測値中点ずれを補償するから、コイル33〜36に与える励磁電流の調整、例えば、励磁電流のデュティ比制御だけで計測値中点ずれを補償でき、ボリューム抵抗や中点出力電圧調整用の追加の回路、面倒な調整工数の増加、作業者の熟練度を要することなく、また、回路追加による回路基板の大型化、車載性低下を招くことなく、精度よく簡便に、正逆トルクの計測値中点ずれを補償することができる。
なお、バイアス磁界は、直流磁界に限られることはなく、交流磁界によるものであってもよい。また、コイル33、コイル34、35、36の相互磁気的アンバランスは、上述した他からの磁気的影響によるもの以外に、コイル自体の磁気特性の偏差によって相互に磁気的アンバランスを有していてもよい。
1 ステアリングホイール
4 ステアリングシャフト
5 ピニオン
6、7 車輪
10 ラックシャフト
20 電子制御装置(ECU)
26 差分演算部
27 励磁電流設定部
28 バイアス成分設定部
30 磁歪式トルクセンサ装置
30A センサ部
31、30 磁歪膜
33、34、35、36 コイル
4 ステアリングシャフト
5 ピニオン
6、7 車輪
10 ラックシャフト
20 電子制御装置(ECU)
26 差分演算部
27 励磁電流設定部
28 バイアス成分設定部
30 磁歪式トルクセンサ装置
30A センサ部
31、30 磁歪膜
33、34、35、36 コイル
Claims (5)
- トルク計測対象のシャフトに磁歪部が設けられ、前記磁歪部の磁気特性変化を当該磁歪部に対して対向配置された少なくとも二つのコイルの電気値変化に変換して検出し、当該電気値変化より前記シャフトに作用している正逆トルクを計測する磁歪式トルクセンサ装置であって、
前記コイルに直流成分電圧を給電して前記磁歪部にバイアス磁界を発生させるバイアス成分を可変設定するバイアス成分設定手段を有し、
前記バイアス成分設定手段によるバイアス成分の設定により前記正逆トルクの計測値中点ずれを補償する磁歪式トルクセンサ装置。 - トルク計測対象のシャフトに磁歪部が設けられ、前記磁歪部に対して少なくとも二つのコイルが対向配置され、前記コイルに励磁電流を与え、前記磁歪部の磁気特性変化を前記コイルの電気値変化に変換して検出し、当該電気値変化より前記シャフトに作用している正逆トルクを計測する磁歪式トルクセンサ装置であって、
前記励磁電流に付与して前記磁歪部に直流成分電圧によってバイアス磁界を発生させるバイアス成分を可変設定するバイアス成分設定手段を有し、
前記バイアス成分設定手段によるバイアス成分の設定により前記正逆トルクの計測値中点ずれを補償する磁歪式トルクセンサ装置。 - 前記励磁電流は所定周波数のパルス波によるものであり、前記バイアス成分設定手段は、前記励磁電流のデュティ比を0.5以外に可変設定するものである請求項2に記載の磁歪式トルクセンサ装置。
- 前記少なくとも二つのコイルは、コイル自体あるいは他からの磁気影響によって相互に磁気的アンバランスを有している請求項1から3何れか一項に記載の磁歪式トルクセンサ装置。
- トルク計測対象のシャフトに磁歪部が設けられ、前記磁歪部に対して少なくとも二つのコイルが対向配置され、前記コイルに励磁電流を与え、前記磁歪部の磁気特性変化を前記コイルの電気値変化に変換して検出し、当該電気値変化より前記シャフトに作用している正逆トルクを計測する磁歪式トルクセンサ装置の計測値中点ずれ補償方法であって、
前記励磁電流に付与して前記磁歪部に直流成分電圧をバイアス磁界を発生させるバイアス成分を前記正逆トルクの計測値中点ずれに応じて設定し、当該バイアス成分の設定により前記正逆トルクの計測値中点ずれを補償する磁歪式トルクセンサ装置の計測値中点ずれ補償方法。
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Legal Events
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A02 | Decision of refusal |
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