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

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

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）。

特許第３９９０６８３号公報 特開２００７−２８５８６２号公報 特開２００３−８３８３２号公報

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。

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を示す図である。 本発明による磁歪式トルクセンサ装置のセンサ部の一つの実施形態を示す断面図である。 本発明による磁歪式トルクセンサ装置のセンサ部の他の実施形態を示す断面図である。 本実施形態による磁歪式トルクセンサ装置のセンサ部のコイル結線図である。 本発明による計測値中点ずれ補償付き磁歪式トルクセンサ装置の一つの実施形態を示すブロック図である。 磁歪式トルクセンサ装置のセンサ部のコイルのインピーダンスとバイアス電圧との関係を示すグラフである。 磁歪式トルクセンサ装置の中点電圧とバイアス電圧との関係を示すグラフである。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
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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