JP4897657B2 - 磁歪式トルクセンサ装置および電動ステアリング用磁歪式トルクセンサ装置および磁歪式トルクセンサ装置の初期化方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁歪式トルクセンサ装置および電動ステアリング用磁歪式トルクセンサ装置および磁歪式トルクセンサ装置の初期化方法に関し、特にステアリングシャフト等に作用している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初期化に関する。

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）。

上述の磁歪式トルクセンサ装置では、使用過程で、磁歪膜に磁気（磁化）が残る残留磁化が生じ、残留磁化が磁歪膜に不規則に蓄積される。磁歪膜の残留磁化はトルク計測に影響を与えるため、トルクの計測精度が経時的に低下する現象が見られる。このことに対して、コイルに、消磁電流として漸減する交流電流を通電し、磁歪膜の消磁を行う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２００２−３４０７０３号公報

上述の磁歪式トルクセンサ装置では、磁歪膜は、上述の残留磁化以外に、使用過程で、環境磁場の影響を受け、これもトルク計測に悪影響を与えることになる。特に、自動車の電動ステアリング装置に組み込まれるような車載の磁歪式トルクセンサ装置では、自動車が環境磁場が強いところなど、さまざまな場所を走行するため、ステアリングシャフトなどに設けられた磁歪膜は、磁化状態（残留磁化量）が変動し、磁歪膜の残留磁化状態が不安定になりがちである。

このため、磁歪式トルクセンサ装置、特に、車載の磁歪式トルクセンサ装置では、センサ特性（感度、中点、ヒステリシス）が使用過程で変動し、トルク計測の信頼性が経時的に低下する現象が生じる。

また、ステアリングシャフトなどに設けられた磁歪膜は、自動車の他の装置、部品、例えば、エンジン始動の際のクランキングにおいて磁場中に曝される。このため、磁歪膜が磁化される現象が生じ、このことによっても、磁歪膜の残留磁化量が変動する。

このため、シャフトにトルクが作用していない中点（零点）でのトルクの計測値（出力電圧）が変動し、磁歪式トルクセンサ装置によるトルク計測の信頼性が低下する。

本発明が解決しようとする課題は、磁歪部の残留磁化量のばらつきによるトルク計測精度の低下を回避し、信頼性の高いトルク計測を行えるようにすることである。

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、前記磁歪部に対してコイルが対向配置され、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、センサ起動時に、歪部を消磁させる消磁電流を前記コイルに供給する消磁電流供給手段と、前記消磁電流供給手段による消磁完了後に、前記磁歪部を初期磁化させる電流を前記コイルに所定時間に亘って供給する初期磁化電流供給手段とを有する。

本発明による電動ステアリング用磁歪式トルクセンサ装置は、車両のステアリングシャフトに磁歪部が設けられ、前記磁歪部に対してコイルが対向配置され、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ステアリングシャフトに作用している正逆トルクを計測する電動ステアリング用磁歪式トルクセンサ装置であって、車両のイグニッションスイッチがオンされるたびに、前記磁歪部を消磁させる消磁電流を前記コイルに供給する消磁電流供給手段と、前記消磁電流供給手段による消磁完了後に、前記磁歪部を初期磁化させる電流を前記コイルに所定時間に亘って供給する初期磁化電流供給手段とを有する。

本発明による磁歪式トルクセンサ装置の初期化方法は、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コイルが対向配置され、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トルクを計測する磁歪式トルクセンサ装置の初期化方法であって、センサ起動時に、前記コイルに消磁電流を供給して前記磁歪部の消磁を行い、その後、前記コイルに電流を所定時間に亘って供給して前記磁歪部を初期磁化させる。

本発明による磁歪式トルクセンサ装置およびその初期化方法によれば、センサ起動時に、まず、コイルに消磁電流を供給して磁歪部の消磁を行って磁歪部の残留磁化量を零にし、その後、コイルに電流を所定時間に亘って供給して磁歪部を初期磁化させるので、初期磁化電流の電流値により決まる初期磁化の程度（初期磁化量）によって磁歪部の残留磁化量（バイアス残留磁化量）を定量的に計量設定することができる。

これにより、磁歪部の磁化量をセンサ起動毎に常に安定化でき、このことによって磁歪式トルクセンサ装置の特性（感度、中点、ヒステリシス）を起動時に所定の同一値に設定でき、磁歪式トルクセンサ装置の信頼性が向上する。

この初期磁化による磁歪部の残留磁化量は、初期磁化時の初期磁化電流値の設定によって、想定される最大の外乱磁場による磁歪部の残留磁化量を上回る値に設定することができるから、当該設定によって、磁歪部が外乱磁場中に曝されても、磁歪部の残留磁化量が変動したり、ばら付いたりすることを回避することもできる。

以下に、本発明による磁歪式トルクセンサ装置および電動ステアリング用磁歪式トルクセンサ装置の実施形態を、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。

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コイル電流Ｉが通電される。

トルク計測時には、コイル電流Ｉとして、後述する励磁電流設定部２７によってコイル３３〜３６に所定周波数の交流励磁電流Ｉｍａｇが流れ、これらコイル３３〜３６に励磁電圧が印加される。これにより、トルク計測時には、コイル３３〜３６が交流励磁し、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。

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と、直流成分設定部２８を有する。

励磁電流設定部２７は、励磁電流供給手段であり、トルク計測時に、コイル電流Ｉとして、コイル３３〜３６に励磁電流Ｉｍａｇを通電する。励磁電流Ｉｍａｇは、図６に示されているように、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に直流磁界を発生する。当該直流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。

直流成分設定部２８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であって、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に対する直流成分の付与を、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、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、直流成分設定部２３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、直流成分設定部２８による直流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。

直流成分設定部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、励磁電流Ｉｍａｇのデュティ比増分の設定具合によって、正逆トルクの計測値（中点電圧）を正規値である２．５Ｖに補償することができる。

磁歪式トルクセンサ装置３０は、初期化を行うための手段として、ＥＣＵ２０に、消磁電流供給部５３と、初期磁化電流供給部５４とを有する。

消磁電流供給部５３は、車両のイグニッションスイッチ２９のオン・オフを示すイグニッションスイッチ信号を入力し、イグニッションスイッチ２９がオンされるたびに、換言すると、磁歪式トルクセンサ装置３０の起動時（時点Ｔ１）に、コイル電流Ｉとして、磁歪部３１，３２を消磁させる消磁電流Ｉｄｅｍａｇをコイル３３〜３６に供給することを開始する。

消磁電流供給部５３がコイル３３〜３６に通電する消磁電流Ｉｄｅｍａｇは、図６に示されているように、所定の時定数をもって漸減する交流パルス電流である。この消磁電流Ｉｄｅｍａｇは、漸減により時点Ｔ２で零になる。この時点Ｔ１〜時点Ｔ２の間のコイル３３〜３６に対する消磁電流Ｉｄｅｍａｇの通電により、磁歪膜３０、３１の残留磁化が消滅する。時点Ｔ２を消磁完了時点と云う。

初期磁化電流供給部５４は、消磁電流供給部５３による磁歪膜３０、３１の消磁完了後に、つまり、時点Ｔ２以降の時点Ｔ３に、コイル電流Ｉとして、磁歪部３０、３１を初期磁化させる直流成分の初期磁化電流Ｉｉｎｍａｇをコイル３３〜３６に通電することを開始する。この初期磁化電流Ｉｉｎｍａｇの通電は、時点Ｔ３より時点Ｔ４までの所定時間に亘って行われる。

初期磁化電流Ｉｉｎｍａｇの電流値により初期磁化の強度（初期磁化量）が決まり、これに応じて磁歪部３１、３２の残留磁化量（バイアス残留磁化量）が定量的に決まる。従って、初期磁化電流Ｉｉｎｍａｇの電流値設定によってバイアス残留磁化量を計量設定することができる。

この初期磁化電流Ｉｉｎｍａｇの電流値は、予めパラメータ設定された所定値、換言すると、毎回、同じ電流値である。

これにより、磁歪部３１、３２の磁化量をセンサ起動毎に常に安定化できる。このことによって磁歪式トルクセンサ装置３０の特性（感度、中点、ヒステリシス）を起動時に所定の同一値に設定でき、磁歪式トルクセンサ装置の信頼性が向上する。

初期磁化電流Ｉｉｎｍａｇの電流値は、バイアス残留磁化量が、想定される最大の外乱磁場による磁歪部３１、３２の残留磁化量を上回る値に設定することができる。

この場合には、磁歪部３１、３２が外乱磁場中に曝されても、磁歪部３１、３２の残留磁化量はバイアス残留磁化量を保ち、磁歪部３１、３２が外乱磁場中に曝されても、当該磁歪部３１，３２の残留磁化量が変動したり、ばら付いたりすることがない。

この結果、磁歪式トルクセンサ装置３０の外乱磁場に対するタフネス性が向上し、使用過程での磁歪式トルクセンサ装置３０のトルク計測精度の低下、トルク計測の信頼性低下が回避され、長期間に亘って高精度で信頼性の高いトルク計測が行われるようになる。

励磁電流設定部２７によるコイル３３〜３６に対する励磁電流Ｉｍａｇの通電は、初期磁化電流供給部５４による初期磁化電流Ｉｉｎｍａｇの供給終了後、つまり、時点Ｔ４より以降の時点で、エンジン作動および電動ステアリング装置の作動開始の時点Ｔ５あるいはそれより以前（時点Ｔ４〜時点Ｔ５）で開始される。この励磁電流Ｉｍａｇの通電により、磁歪式トルクセンサ装置３０がトルク計測を開始する。

本発明による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。 本実施形態による磁歪式トルクセンサ装置のセンサ部の断面図である。 他の実施形態による磁歪式トルクセンサ装置のセンサ部の断面図である。 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。 本発明による磁歪式トルクセンサ装置のコイル電流通電のタイムチャートである。

符号の説明

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 直流成分設定部
２９ イグニッションスイッチ
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
５３ 消磁電流供給部
５４ 初期磁化電流供給部

Claims (3)

1. トルク計測対象のシャフトに２つの磁歪部が設けられ、前記２つの磁歪部に対してコイルが対向配置され、前記２つの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トルクを計測する磁歪式トルクセンサ装置であって、
   センサ起動時に、前記２つの磁歪部を共に消磁させる消磁電流を前記コイルに供給する消磁電流供給手段と、
   前記消磁電流供給手段による消磁完了後に、前記磁歪部の初期磁化量が想定される最大の外乱磁場による前記２つの磁歪部それぞれの残留磁化量を上回るように、前記２つの磁歪部を初期磁化させる電流を前記コイルに所定時間に亘って供給する初期磁化電流供給手段と、
   を有する磁歪式トルクセンサ装置。
2. 車両のステアリングシャフトに２つの磁歪部が設けられ、前記２つの磁歪部に対してコイルが対向配置され、前記２つの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ステアリングシャフトに作用しているトルクを計測する電動ステアリング用磁歪式トルクセンサ装置であって、
   車両のイグニッションスイッチがオンされるたびに、前記２つの磁歪部を共に消磁させる消磁電流を前記コイルに供給する消磁電流供給手段と、
   前記消磁電流供給手段による消磁完了後に、前記磁歪部の初期磁化量が想定される最大の外乱磁場による前記２つの磁歪部それぞれの残留磁化量を上回るように、前記２つの磁歪部を初期磁化させる電流を前記コイルに所定時間に亘って供給する初期磁化電流供給手段と、
   を有する電動ステアリング用磁歪式トルクセンサ装置。
3. トルク計測対象のシャフトに２つの磁歪部が設けられ、前記２つの磁歪部に対してコイルが対向配置され、前記２つの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トルクを計測する磁歪式トルクセンサ装置の初期化方法であって、
   センサ起動時に、前記コイルに消磁電流を供給して前記２つの磁歪部の消磁を行い、その後、前記磁歪部の初期磁化量が想定される最大の外乱磁場による前記２つの磁歪部それぞれの残留磁化量を上回るように、前記コイルに電流を所定時間に亘って供給して前記磁歪部を初期磁化させる磁歪式トルクセンサ装置の初期化方法。

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