JP4572227B2 - 磁歪式トルクセンサ及び電動ステアリング装置 - Google Patents

磁歪式トルクセンサ及び電動ステアリング装置 Download PDF

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Description

この発明は、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいてトルクを検出する磁歪式トルクセンサと、これを備えた電動ステアリング装置に関するものである。
従来から、磁気異方性を備えた磁歪膜を回転軸に設けて、検出コイルで回転軸へのトルク入力に応じた磁歪膜の透磁率の変化を検出する磁歪式のトルクセンサが知られている(例えば、特許文献1参照)。
例えば、この磁歪式のトルクセンサには、図6に示すようなものがある。この図6に示す磁歪式のトルクセンサ130は、自動車等のステアリング装置の回転軸に作用するトルクを検出ものであり、磁気異方性を備え磁化容易な方向を異にする2つの磁歪膜131,132を回転軸105の周面に備えている。さらに、これら磁歪膜131,132から所定の隙間をもって対向する位置に、それぞれ検出コイル133,134を備え、これら検出コイル133,134のインダクタンス変化が、互いに逆相となる電圧信号VT1,VT2として信号変換部138,139よりそれぞれ出力され、さらに、電圧信号VT1,VT2を差動増幅した電圧信号がトルク検出信号VT3として差動増幅部140より出力される。
ところで、上述の磁歪式トルクセンサにあっては、シャフトへの外部磁界の影響で、検出信号である電圧信号VT1,VT2が変動してしまい、その結果、トルク検出信号VT3が変動してしまう場合がある。そのため、近年、検出コイルに励磁電流を流して回転軸を磁化させることで外部磁気タフネスを向上させるものが提案されている。
この磁歪式トルクセンサの外部磁気タフネスを向上するための構成の一例を図7に示す。なお、検出コイル133と検出コイル134とは、同様の回路が並列接続されるだけであるため、図7では、これらの並列部分を一つの回路構成として模式的に示している。
図7に示す回路構成は、上述した検出コイル133,134にコンデンサCを介してトルク検出用の交流電流を通電する交流回路111と、この交流回路111と並列に接続されシャフト磁化用の直流分を通電する直流回路112と、さらに、検出コイル133,134とアースEとの間に介装された電流制限抵抗113とを備え、交流回路111及び直流回路112によって検出コイル133,134に同時に通電を行い、検出コイル133,134と電流制限抵抗113との間の電圧信号を信号変換部138,139に入力するように構成されている。
特開2006−64445号公報
しかしながら、上述の図7に示す磁歪式トルクセンサにあっては、シャフトを磁化させるために、比較的大きな電流を検出コイルに通電し続ける構成になっているため、消費電流が増加してしまう。
また、直流回路による通電によりトルク検出や磁歪式トルクセンサの故障検出に影響を及ぼす虞がある。
そこで、この発明は、信頼性を向上しつつ消費電流を低減することができる磁歪式トルクセンサ及び電動ステアリング装置を提供するものである。
上記の課題を解決するために、請求項1に記載した磁歪式トルクセンサは、強磁性のシャフト(例えば、実施の形態におけるピニオン軸5)に設けられた磁歪膜(例えば、実施の形態における第1磁歪膜31,第2磁歪膜32)と、該磁歪膜の磁気特性の変化を検出し、該検出結果に基づいて前記シャフトに入力されるトルクを検出するトルク検出手段と、前記シャフトにバイアス磁界を印加して磁化させるバイアス磁化手段(例えば、実施の形態における励磁信号発生部41、スイッチ手段42、第1検出コイル33および第2検出コイル34で構成される)とを備え、該バイアス磁化手段が所定のタイミングで一時的にシャフトを十分に磁化させるために予め設定された所定時間だけバイアス磁界を発生させる磁歪式トルクセンサであって、前記バイアス磁化手段は、前記シャフトに対向して設けられたコイルに電流を流すことによりバイアス磁界を発生させことを特徴とする。
請求項2に記載した磁歪式トルクセンサは、請求項1に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、前記バイアス磁化手段が、起動時に一時的にバイアス磁界を発生させることを特徴とする。
請求項3に記載した磁歪式トルクセンサは、請求項1又は2に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、前記検出手段の検出結果に基づいて故障検出を行う故障検出手段(例えば、実施の形態における故障検出部54)を備え、前記バイアス磁化手段が所定のタイミングで一時的にバイアス磁界を発生させている間は、トルクの検出及び故障検出を禁止することを特徴とする。
請求項4に記載した磁歪式トルクセンサは、請求項1に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、前記トルク検出手段は、前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出するために前記シャフトに対向して設けられた検出コイルに電流を流すことによりトルクを検出し、前記バイアス磁化手段は、前記トルク検出手段がトルク検出時に前記検出コイルに電流を通電する時間よりも長い時間前記検出コイルに電流を流すことによりバイアス磁界を発生させることを特徴とする。
請求項5に記載した磁歪式トルクセンサは、請求項1に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、前記トルク検出手段は、前記バイアス磁化手段によって一時的にバイアス磁界を発生させている間は、トルクの検出を禁止することを特徴とする。
請求項6に記載した磁歪式トルクセンサは、請求項1に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、前記トルク検出手段は、前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出するために前記シャフトに対向して設けられた検出コイルに電流をPWM制御にて通電することによりトルクを検出し、前記バイアス磁化手段が、前記シャフトにバイアス磁界を印加するために前記検出コイルに流す電流をPWM制御にて行い、前記バイアス磁化手段のPWM制御のON時間が前記トルク検出手段のPWM制御のON時間よりも長いことを特徴とする。
請求項7に記載した電動ステアリング装置は、操舵トルクを磁歪式トルクセンサによって検出し、検出した操舵トルクに応じて電動機を駆動して車両を転舵させる電動ステアリング装置において、前記磁歪式トルクセンサが、請求項1乃至6の何れか一項に記載の磁歪式トルクセンサであることを特徴とする。
請求項1に記載した発明によれば、バイアス磁化手段によって所定のタイミングで一時的にシャフトにバイアス磁界をかけてバイアス磁化させることで、バイアス磁界をかけ終えた後も、強磁性のシャフトに磁化が残留してバイアス磁化として作用させることができるため、外部磁気タフネスの向上を図りつつ、従来のように常時電流を通電している場合と比較して、通電を一時的に行う分だけ消費電流を低減することができるとともに、例えばトルク検出や故障検出などへの影響も低減して信頼性を向上することができる効果がある。
また、消費電流が低減されることで回路の発熱を抑制できるため、耐熱性の比較的低い部品を使用することが可能になり、したがって、部品のコスト低減を図ることができる。
請求項2に記載した発明によれば、請求項1の効果に加え、磁歪式トルクセンサを起動する時にバイアス磁界を一時的に発生させることで、バイアス磁界によるトルク検出への影響を抑制することができるため、外部磁界タフネスを向上しつつトルク検出の信頼性を向上できる効果がある。
請求項3に記載した発明によれば、請求項1又は2の効果に加え、故障検出手段によって故障検出を行っているときにはバイアス磁界が発生していないため、バイアス磁界が故障検出へ影響を及ぼすのを防止することができ、したがって、外部磁界タフネスを向上しつつ故障検出手段による故障検出の信頼性を向上できる効果がある。
請求項4に記載した発明によれば、請求項1乃至3の何れか一項の効果に加え、電動ステアリング装置の操舵トルクを検出するための磁歪式トルクセンサの外部磁界タフネスを向上しつつ消費電流を低減することができるため、電動ステアリング装置の消費電流低減及び信頼性の向上に寄与することができる効果がある。
次に、この発明に係る磁歪式トルクセンサおよびこれを備えた車両用の電動パワーステアリング装置の第1の実施形態を、図面を参照して説明する。
図1に示すように、車両用電動パワーステアリング装置(電動ステアリング装置)100はハンドル(操舵手段)2に連結されたステアリングシャフト1を備えている。ステアリングシャフト1は、ハンドル2に一体結合されたメインステアリングシャフト3と、ラック&ピニオン機構のピニオン7が設けられたピニオン軸5とが、ユニバーサルジョイント4によって連結されて構成されている。なお、ピニオン軸5は、強磁性体である例えば鉄などで形成されている。
ピニオン軸5はその下部、中間部、上部を軸受6a,6b,6cによって支持されており、ピニオン7はピニオン軸5の下端部に設けられている。ピニオン7は、車幅方向に往復動し得るラック軸8のラック歯8aに噛合し、ラック軸8の両端には、タイロッド9,9を介して転舵輪としての左右の前輪10,10が連結されている。この構成により、ハンドル2の操舵時に通常のラック&ピニオン式の転舵操作が可能であり、前輪10,10を転舵させて車両の向きを変えることができる。ここで、ラック軸8、ラック8a、タイロッド9は転舵機構を構成する。
また、電動パワーステアリング装置100は、ハンドル2による操舵力を軽減するための補助操舵力を供給する電動機11を備えており、この電動機11の出力軸に設けられたウォームギヤ12が、ピニオン軸5において中間部の軸受6bの下側に設けられたウォームホイールギヤ13に噛合している。また、ピニオン軸5において中間部の軸受6bと上部の軸受6cとの間には、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいてトルクを検出する磁歪式トルクセンサ30が配置されている。
図2に示すように、磁歪式トルクセンサ30は、ピニオン軸5の外周面に周方向全周に亘って環状に設けられた第1磁歪膜31と第2磁歪膜32とを備え、これら第1磁歪膜31と第2磁歪膜32とがピニオン軸5の軸線方向に沿って並んで配置されている。第1磁歪膜31および第2磁歪膜32は、歪みに対して透磁率の変化が大きい素材からなる金属膜であり、ピニオン軸5の外周に、例えば、メッキ法等で形成したNi−Fe系の合金膜からなる。
第1磁歪膜31は、磁気異方性を備えておりピニオン軸5の軸線に対して約45度傾斜した方向にその磁化容易な方向(図2中、矢印で示す方向)が設定されている。第2磁歪膜32も、第1磁歪膜31と同様に磁気異方性を備えており、その磁化容易な方向(図2中、矢印で示す)が第1磁歪膜31の磁化容易な方向に対して90度の方向に設定されている。
第1磁歪膜31および第2磁歪膜32は、それぞれの磁化容易な方向に沿って圧縮力および引っ張り力が作用すると、この圧縮力および引っ張り力に応じて透磁率が大きく増減するようになっており、ピニオン軸5に右又は左回転のトルクが作用すると、第1磁歪膜31と第2磁歪膜32とのいずれか一方に磁化容易な方向に沿う圧縮力が作用し、第1磁歪膜31と第2磁歪膜32とのいずれか他方に磁化容易な方向に沿う引っ張り力が作用することとなる。これにより、第1磁歪膜31と第2磁歪膜32とのいずれか一方の透磁率が増加し、第1磁歪膜31と第2磁歪膜32とのいずれか他方の透磁率が減少する。
第1磁歪膜31には、所定の隙間を有した状態で第1検出コイル33が対向配置され、同様に、第2磁歪膜32には、所定の隙間を有した状態で第2検出コイル34が対向配置されている。
第1、第2検出コイル33,34は、上述した第1磁歪膜31及び第2磁歪膜32の透磁率の変化を検出するものであり、第1磁歪膜31の透磁率が変化すると、第1検出コイル33のインダクタンスが増加又は減少し、第2磁歪膜32の透磁率が変化すると、第2検出コイル34のインダクタンスが増加又は減少することとなる。
第1検出コイル33および第2検出コイル34は、それぞれ検出回路35に接続されている。この検出回路35は、図示しない車載バッテリーから電源供給がなされており、第1検出コイル33および第2検出コイル34のインダクタンス変化をトルク入力に対して互いに逆相の、電源の正側の電圧(例えば、5V)を上限値とするとともに電源の負側の電圧(例えば、アース電位である0V)を下限値とする電圧信号VT1,VT2に変換する変換回路38,39を備え、この変換された電圧信号VT1,VT2をそれぞれ電子制御装置50に向けて出力する。
また、検出回路35は、電圧信号VT1,VT2を差動増幅する差動増幅回路40を有し、この差動増幅回路40から出力される差動増幅信号であるトルク検出信号VT3を電子制御装置50に出力する(図1参照)。なお、トルク検出信号VT3も上述した電圧信号VT1,VT2と同様に差動増幅回路40の電源電圧内で変動する電圧信号となる。
検出回路35には、さらに第1検出コイル33及び第2検出コイルに励磁電流を流すための電源(図中、Vccで示す)が制限抵抗36,37を介してそれぞれ第1検出コイル33と変換回路38との間、および、第2検出コイル34と変換回路39との間に合流接続されている。さらに、第1検出コイル33及び第2検出コイルとアースとの間にはバイポーラトランジスタなどのスイッチ手段42が設けられ、このスイッチ手段42は、励磁信号発生部41が接続されており、この励磁信号発生部41から出力される励磁信号に基づいてスイッチング動作を行う。
励磁信号発生部41は、電子制御装置50に接続されており、所定のタイミングである車両のイグニッションがON操作された直後の磁歪式トルクセンサ30の起動時に、一時的にピニオン軸5を磁化させるためのPWM制御(以下、単に軸磁化PWM制御と称す)が行われるように設定されている。励磁信号発生部41は、さらにピニオン軸5を磁化させるための軸磁化PWM制御を行っていないとき、つまり磁歪式トルクセンサ30の通常動作時に、第1磁歪膜31及び第2磁歪膜32による透磁率変化を検出するためのPWM制御(以下、単にトルク検出PWM制御と称す)を行うように設定されている。ここで、上述した「一時的」とは、ピニオン軸5を十分に磁化させるために予め設定された所定時間だけ軸磁化PWM制御を行い、その後、この軸磁化PWM制御を停止することを意味している。なお、軸磁化PWM制御を行う所定時間は、ピニオン軸5の磁気特性に応じて適宜設定すればよい。
図4は、横軸を時間、縦軸を励磁信号及び励磁電流とした、トルク検出PWM制御を行っているときの励磁信号及び励磁電流の変化を示すグラフである。このグラフに示すように、トルク検出PWM制御を行っている場合は、スイッチ手段42のON時間が短く(例えば、DUTY4%程度)設定され、このとき第1検出コイル33及び第2検出コイル34に通電される励磁電流は比較的小さな励磁電流となる。
一方、図5は、軸磁化PWM制御を行っている場合の励磁信号及び励磁電流の変化を示すグラフであり、図4と同様に横軸を時間、縦軸を励磁信号及び励磁電流としている。このグラフに示すように、スイッチ手段のON時間が長く(例えば、DUTY60%程度)設定され、これによりピニオン軸5を磁化させるのに十分な比較的大きな励磁電流が第1検出コイル33および第2検出コイル34に流れることとなる。ここで、図4,5のグラフに示すように、第1検出コイル33及び第2検出コイル34に流れる励磁電流は、励磁信号がON(例えば、5V)の時に徐々に増加しOFF(例えば、0V)の時に徐々に減少する。なお、励磁電流をPWM方式で制御する場合について説明したが、電流の通電量の制御が可能であればこの方式に限られるものではない。
図3に示すように、電子制御装置50は、検出回路35から出力されたトルク検出信号VT3を読み込むトルク信号読込部51と、このトルク信号読込部51で読み込まれたトルク検出信号に基づいて補助操舵トルクを求める補助操舵力決定部53とを備え、この補助操舵力決定部53によって求められた補助操舵トルクに基づいて電動機11を駆動制御する。さらに、電子制御装置50は、検出回路35から出力された電圧信号VT1,VT2に基づいて故障検出信号VTFを求める故障検出信号算出部52と、この故障検出信号VTFが予め設定された所定の範囲を外れた場合に磁歪式トルクセンサの故障検出を行う故障検出部54とを備えている。ここで、故障検出信号VTFは(1)式により求めることができる。なお、(1)式においてCは定数である。
VTF=VT1+VT2+C ・・・(1)
電子制御装置50は、故障検出部54によって、故障検出信号VTFが所定の範囲から外れたと判定された場合、補助操舵力決定部53の出力を遮断する遮断手段55を作動させて、実質的にピニオン軸5に作用するトルクの検出を行わないように制御を行うとともに、故障が検出された旨を故障検出表示等によって報知する。
また、電子制御装置50は、上述した励磁信号発生部41によって軸磁化PWM制御が行われている場合、補助操舵力決定部53の出力を遮断するとともに、故障検出部54による故障検出を停止させる。つまり、電子制御装置50は、実質的に、故障検出部54による故障検出を禁止するとともに、電圧信号VT1,VT2に基づいたトルク検出信号VT3に基づいたトルク検出を禁止して、補助操舵力を発生させるための電動機11の制御を行わないようにする。
すなわち、電子制御装置50は、例えば、車両のイグニッションが乗員によりON操作され磁歪式トルクセンサ30が起動すると、励磁信号発生部41によって、一時的、具体的にはピニオン軸5が十分に磁化される所定の時間だけ軸磁化PWM制御を行うべくスイッチ手段42のON/OFF制御を行う。すると、第1検出コイル33及び第2検出コイル34の両者にはそれぞれ同等の励磁電流が流れてバイアス磁界が発生しピニオン軸5が磁化されることとなる。そして、電子制御装置50は、この軸磁化PWM制御を行っている時に、故障検出部54による故障検出の制御と、電圧信号VT3に基づいたトルク検出の制御とを禁止状態に切換える。
そして、軸磁化PWM制御を開始してから上述の所定の時間が経過した後、軸磁化PWM制御を停止して、次いでトルク検出PWM制御を開始するとともに電子制御装置50により禁止していた故障検出部54による故障検出および電圧信号VT3に基づいたトルク検出を許可状態に切換えて、それぞれ故障検出の制御及びトルク検出の制御を開始する。
したがって、上述した実施の形態によれば、所定のタイミングで励磁信号発生部41、スイッチ手段42よって軸磁化PWM制御を行って一時的に第1検出コイル33及び第2検出コイル34でバイアス磁界を発生させてピニオン軸5をバイアス磁化させることで、バイアス磁界を停止した後も、強磁性のピニオン軸5に磁化が残留してバイアス磁化として作用させることができるため、外部磁気タフネスの向上を図りつつ、従来のように常時電流を検出コイルに通電している場合と比較して、通電を一時的に行う分だけ消費電流を低減することができるとともに、例えばトルク検出や故障検出などへの影響も低減して信頼性を向上することができる。
また、消費電流が低減されることで回路の発熱を抑制できるため、耐熱性の比較的低い部品を使用することが可能になり、したがって、部品のコスト低減を図ることができる。
さらに、磁歪式トルクセンサを起動する時にバイアス磁界を一時的に発生させることで、ピニオン軸5を磁化させるためのバイアス磁界によるトルク検出への影響を抑制することができるため、外部磁界タフネスを向上しつつ更なるトルク検出の信頼性を向上できる。
そして、故障検出部54によって故障検出を行っているときにはピニオン軸5を磁化させるためのバイアス磁界が発生していないため、このバイアス磁界が故障検出へ影響を及ぼすのを防止することができ、その結果、外部磁界タフネスを向上しつつ故障検出部54による故障検出の信頼性も向上できる。
さらに、操舵トルクを検出するための磁歪式トルクセンサ30の外部磁界タフネスを向上しつつ消費電流を低減することができるため、この磁歪式トルクセンサ30を備える車両用の電動パワーステアリング装置の消費電流低減及び信頼性の向上に寄与することができる。
なお、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、例えば、電動パワーステアリング装置のピニオン軸5に作用するトルク以外に、強磁性を示す回転軸やシャフト等に作用するトルクを検出する磁歪式トルクセンサに適用することができる。
また、上記実施の形態では所定のタイミングとしてイグニッションがON操作された磁歪式トルクセンサ30の起動時に、一時的に、具体的にはピニオン軸5が十分に磁化される所定の時間だけ軸磁化PWM制御を行う場合について説明したが、これに限られるものではなく、例えば、車両が停車している時など、乗員によるステアリング操作がなされる虞のないタイミングであればよい。
〔他の実施形態〕
この発明は、前述した実施形態の電動パワーステアリング装置への適用に限るものではなく、ステアリング・バイ・ワイヤ・システムの車両用ステアリング装置にも適用可能である。ステアリング・バイ・ワイヤ・システムとは、操舵手段と転舵機構とが機械的に分離されていて、操舵手段に作用する操舵トルクに応じて、転舵機構に設けられたステアリングモータを駆動して車両の転舵輪を転舵させる操舵システムであり、この操舵手段に作用する操舵トルクの検出にこの発明に係る磁歪式トルクセンサを用いることができる。
本発明の実施の形態における磁歪式トルクセンサを備えた車両用電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態における磁歪式トルクセンサの概略構成図である。 本発明の実施の形態における電子制御装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における通常動作時の励磁信号と励磁電流との変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態におけるバイアス磁化時の励磁信号と励磁電流と変化を示すグラフである。 従来の磁歪式トルクセンサの概略構成図である。 従来の磁歪式トルクセンサにおける外部磁気タフネスを向上する回路の一例を示す概略構成図である。
符号の説明
5 ピニオン軸(シャフト)
31 第1磁歪膜(磁歪膜)
32 第2磁歪膜(磁歪膜)
41 励磁信号発生部(バイアス磁化手段)
42 スイッチ手段(バイアス磁化手段)
33 第1検出コイル(検出手段、バイアス磁化手段)
34 第2検出コイル(検出手段、バイアス磁化手段)
54 故障検出部(故障検出手段)

Claims (7)

  1. 強磁性のシャフトに設けられた磁歪膜と、
    該磁歪膜の磁気特性の変化を検出し、該検出結果に基づいて前記シャフトに入力されるトルクを検出するトルク検出手段と、
    前記シャフトにバイアス磁界を印加して磁化させるバイアス磁化手段とを備え、
    該バイアス磁化手段所定のタイミングで一時的にシャフトを十分に磁化させるために予め設定された所定時間だけバイアス磁界を発生させる磁歪式トルクセンサであって、
    前記バイアス磁化手段は、前記シャフトに対向して設けられたコイルに電流を流すことによりバイアス磁界を発生させることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
  2. 前記バイアス磁化手段は、起動時に一時的にバイアス磁界を発生させることを特徴とする請求項1に記載の磁歪式トルクセンサ。
  3. 前記検出手段の検出結果に基づいて故障検出を行う故障検出手段を備え、前記バイアス磁化手段が所定のタイミングで一時的にバイアス磁界を発生させている間は、トルクの検出及び故障検出を禁止することを特徴とする請求項1又は2に記載の磁歪式トルクセンサ。
  4. 前記トルク検出手段は、前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出するために前記シャフトに対向して設けられた検出コイルに電流を流すことによりトルクを検出し、
    前記バイアス磁化手段は、前記トルク検出手段がトルク検出時に前記検出コイルに電流を通電する時間よりも長い時間前記検出コイルに電流を流すことによりバイアス磁界を発生させることを特徴とする請求項1に記載の磁歪式トルクセンサ。
  5. 前記トルク検出手段は、前記バイアス磁化手段によって一時的にバイアス磁界を発生させている間は、トルクの検出を禁止することを特徴とする請求項1に記載の磁歪式トルクセンサ。
  6. 前記トルク検出手段は、前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出するために前記シャフトに対向して設けられた検出コイルに電流をPWM制御にて通電することによりトルクを検出し、
    前記バイアス磁化手段は、前記シャフトにバイアス磁界を印加するために前記検出コイルに流す電流をPWM制御にて行い、前記バイアス磁化手段のPWM制御のON時間が前記トルク検出手段のPWM制御のON時間よりも長いことを特徴とする請求項1に記載の磁歪式トルクセンサ。
  7. 操舵トルクを磁歪式トルクセンサによって検出し、検出した操舵トルクに応じて電動機を駆動して車両を転舵させる電動ステアリング装置において、前記磁歪式トルクセンサは、請求項1乃至6の何れか一項に記載の磁歪式トルクセンサであることを特徴とする電動ステアリング装置。
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