JP2007271417A - 車両用の磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁歪式トルクセンサの検出精度を向上する。
【解決手段】上方がハンドル２に連結され下方がステアリングギヤボックス２０内のギヤ機構に連結されるステアリングシャフト１に第１磁歪膜３１と第２磁歪膜３２を設け、これら磁歪膜３１，３２の磁気特性の変化に基づいてステアリングシャフト１に入力されるトルクを検出する車両用の磁歪式トルクセンサ３０であって、第１磁歪膜３１に対向する第１検出コイル３３および第２検出コイル３４と、第２磁歪膜３２に対向する第３検出コイル３５および第４検出コイル３６と、を備え、ハンドル２から近い順に第１検出コイル３３、第２検出コイル３４、第３検出コイル３５、第４検出コイル３６が配置され、第１検出コイル３３と第３検出コイル３５の中間出力と、第２検出コイル３４と第４検出コイル３６の中間出力との加算値に基づいてセンサ異常を検出する。
【選択図】図１

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ステアリングシャフトに入力されるトルクを検出する磁歪式トルクセンサに関するものである。

磁歪式トルクセンサには、図３に示すように、磁気異方性を異にする２つの磁歪膜９１，９２を回転シャフト９９に設けるとともに、各磁歪膜９１，９２に対向してそれぞれ検出コイル９３，９４を配置して構成されたものがある（特許文献１参照）。この磁歪式トルクセンサ９０の原理は、回転シャフト９９にトルクが加えられると磁歪膜９１，９２の透磁率が変化し、これに応じて検出コイル９３，９４のインダクタンスが変化するので、この変化に基づいてトルクを検出する。

さらに、この磁歪式トルクセンサにおいて検出精度の向上を図った改良型として、図４に示すように、一方の磁歪膜９１に対向して１対の検出コイル９３ａ，９３ｂを互いに軸線方向にずらして配置し、他方の磁歪膜９２に対向して１対の検出コイル９４ａ，９４ｂを互いに軸線方向にずらして配置し、両外側（最上位と最下位）に配置された２つの検出コイル９３ａ，９４ｂの中間電圧ＶＴ１’を検出し、中間に配置された２つの検出コイル９３ｂ，９４ａの中間電圧ＶＴ２’を検出し、これら中間電圧ＶＴ１’またはＶＴ２’に基づいてトルクを検出するとともに、中間電圧ＶＴ１’とＶＴ２’の和により故障検出出力ＶＴＦ’を算出し、このＶＴＦ’に基づいて磁歪式トルクセンサの故障（センサ異常）を検出することが考えられている（特許文献２参照）。
特開昭５９−１６４９３２号公報 特開２００６−６４４４５号公報

ところで、この磁歪式トルクセンサを車両の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサとして用いる場合、操舵トルクセンサはステアリングシャフトに設置され、ステアリングホイールとステアリングギアボックスとの間に配置される。この車両を高速走行後に停止したようなときには、エンジンの熱によりステアリングギアボックスが加熱され、ステアリングシャフトが加熱されるが、ステアリングシャフトの温度分布は一様ではなく、エンジンに近い下側の方がエンジンから遠い上側よりも温度が高くなる。そのため、最下位の検出コイル９４ｂが配置されている部分の温度は高くなり、最上位の検出コイル９３ａが配置されている部分の温度はそれよりも低くなり、検出コイル９３ｂ，９４ａが配置されている部分の温度はいずれも中間の温度（以下、中温と称す）で略同一になる。

磁歪膜の透磁率μは温度が高くなるほど大きくなる温度特性を有しているため、このようにステアリングシャフトに温度差（温度勾配）が生じていると、中間電圧ＶＴ１’は低温部分の検出コイル９３ａと高温部分の検出コイル９４ｂの中間電圧であり、一方、中間電圧ＶＴ２’は中温部分の検出コイル９３ｂ，９４ａ同士の中間電圧であるので、無負荷状態においては本来同等であるはずの中間電圧ＶＴ１’とＶＴ２’の絶対値が異なってしまう。これにより故障検出出力ＶＴＦ’がドリフトしてしまい、故障でないにも関わらず、故障と判定される虞があった。このため、故障検出範囲のマージンを大きく取る必要が生じ、故障検出精度の低下を招いていた。
そこで、この発明は、ステアリングシャフトに温度勾配が生じていても故障検出精度が高い磁歪式トルクセンサを提供するものである。

この発明に係る車両用の磁歪式トルクセンサでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、上方が操作子（例えば、後述する実施例におけるハンドル２）に連結され下方がエンジンルーム内のステアリングギヤボックス（例えば、後述する実施例におけるステアリングギヤボックス２０）に納められたギヤ機構（例えば、後述する実施例におけるピニオン７，ラック歯８ａ）に連結されるステアリングシャフト（例えば、後述する実施例におけるステアリングシャフト１）に第１磁歪膜（例えば、後述する実施例における第１磁歪膜３１）と第２磁歪膜（例えば、後述する実施例における第２磁歪膜３２）を設け、これら磁歪膜の磁気特性の変化に基づいて前記ステアリングシャフトに入力されるトルクを検出する車両用の磁歪式トルクセンサ（例えば、後述する実施例における磁歪式トルクセンサ３０）であって、前記第１磁歪膜に対向配置された第１検出コイル（例えば、後述する実施例における第１検出コイル３３）および第２検出コイル（例えば、後述する実施例における第２検出コイル３４）と、前記第２磁歪膜に対向配置された第３検出コイル（例えば、後述する実施例における第３検出コイル３５）および第４検出コイル（例えば、後述する実施例における第４検出コイル３６）と、を備え、前記操作子から近い順に前記第１検出コイル、第２検出コイル、第３検出コイル、第４検出コイルが配置され、前記第１検出コイルと前記第３検出コイルの中間出力（例えば、後述する実施例における中間電圧ＶＴ１）と、前記第２検出コイルと前記第４検出コイルの中間出力（例えば、後述する実施例における中間電圧ＶＴ２）との加算値（例えば、後述する実施例における故障検出出力ＶＴＦ）に基づいてセンサ異常を検出することを特徴とする車両用の磁歪式トルクセンサである。

ステアリングシャフトに温度勾配が生じ、第１磁歪膜および第２磁歪膜においても下方に行くにしたがって温度が高くなる温度勾配が生じたとき、第１検出コイルが配置された部位の温度は低温、第２，第３検出コイルが配置された部位の温度は中温、第４検出コイルが配置された部位の温度は高温になる。この磁歪式トルクセンサでは、低温の第１検出コイルと中温の第３検出コイルの中間出力と、中温の第２検出コイルと高温の第４検出コイルの中間出力との加算値に基づいて磁歪式トルクセンサの異常（故障）を検出するが、この場合、第１検出コイルと第３検出コイルの中間出力と、第２検出コイルと第４検出コイルの中間出力との加算値の出力を規定値（例えば５Ｖ）と略等しくすることができ、故障検出信号のドリフトを防止することができる。

請求項１に係る発明によれば、第１検出コイルと第３検出コイルの中間出力と、第２検出コイルと第４検出コイルの中間出力との加算値を略等しくすることができるので、ステアリングシャフトに温度勾配が生じているときであっても、それぞれの中間出力の加算値である故障検出信号のドリフトを防止することができる。その結果、故障検出範囲を従来より狭く設定することができ、従来よりも故障検出の誤検出を低減して故障検出精度を高めることができる。

以下、この発明に係る車両用の磁歪式トルクセンサの実施例を図１および図２の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１００はハンドル（操作子）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。

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９，９は転舵機構を構成し、ピニオン７とラック歯８ａはギヤ機構を構成する。

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。
ピニオン軸５、ラック８、ウォームギヤ１２、ウォームホイールギヤ１３、磁歪式トルクセンサ３０は、エンジンルーム内のステアリングギヤボックス２０に収容されている。

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および第２磁歪膜３２と、第１磁歪膜３１に対向配置された第１検出コイル３３および第２検出コイル３４と、第２磁歪膜３２に対向配置された第３検出コイル３５および第４検出コイル３６と、第１、第２、第３、第４検出コイル３３，３４，３５，３６にそれぞれ接続された検出回路３７，３８，３９，４０を主要構成としている。
第１、第２磁歪膜３１，３２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、例えば、ピニオン軸５の外周にメッキ法で形成したＮｉ−Ｆｅ系の合金膜からなる。第１磁歪膜３１は第２磁歪膜３２よりもハンドル２に近い側（すなわち、図１において上側）に配置されている。

第１磁歪膜３１は、ピニオン軸５の軸線に対して約４５度傾斜した方向に磁気異方性を備えるように構成されており、第２磁歪膜３２は、第１磁歪膜３１の磁気異方性の方向に対して約９０度傾斜した方向に磁気異方性を備えるように構成されている。すなわち、２つの磁歪膜３１，３２の磁気異方性は互いに約９０度位相を異にしている。
第１検出コイル３３および第２検出コイル３４は、第１磁歪膜３１の周囲にこれと所定の隙間を有した状態で同軸状に配置されており、第１検出コイル３３は第２検出コイル３４よりもハンドル２に近い側（すなわち、図１において上側）に配置されている。
第３検出コイル３５および第４検出コイル３６は、第２磁歪膜３２の周囲にこれと所定の隙間を有した状態で同軸状に配置されており、第３検出コイル３５は第４検出コイル３６よりもハンドル２に近い側（すなわち、図１において上側）に配置されている。
したがって、ハンドル２に近い方から順に、第１検出コイル３３、第２検出コイル３４、第３検出コイル３５、第４検出コイル３６が配置されている。

第１、第２磁歪膜３１，３２の磁気異方性を前述のように設定したことにより、ピニオン軸５にトルクが作用した状態では、磁歪膜３１，３２の一方に圧縮力が作用し、他方に引っ張り力が作用するようになり、その結果、一方の磁歪膜の透磁率が増加し、他方の磁歪膜の透磁率が減少する。そして、これに応じて一方の磁歪膜の周囲に配置された２つの検出コイルのインダクタンスが増加し、他方の磁歪膜の周囲に配置された２つの検出コイルのインダクタンスが減少する。
第１、第２、第３、第４検出コイル３３，３４，３５，３６は、それぞれ変換回路を備えた検出回路３７，３８，３９，４０に接続されており、これら検出回路３７〜４０において各検出コイル３３〜３６のインダクタンス変化は電圧変化に変換されて電子制御装置（ＥＣＵ）５０に出力される。

ＥＣＵ５０は、検出回路３７〜４０からの出力電圧に基づいてトルク検出電圧を算出し、該トルク検出電圧に基づいてピニオン軸５に作用する操舵トルクを検出する。そして、ＥＣＵ５０は、トルク検出電圧に応じて電動機１１の目標電流を設定し、該目標電流によって電動機１１を駆動して補助操舵力を発生させ、車両を転舵させる。トルク検出電圧の算出方法については従来と同様であり、またこの発明の要旨ではないので説明を省略する。

次に、この発明の特徴部であるセンサ異常の検出（故障検出）について説明する。
いま、検出回路３７の出力電圧をＶＴ１１、検出回路３８の出力電圧をＶＴ１２、検出回路３９の出力電圧をＶＴ２１、検出回路４０の出力電圧をＶＴ２２とする。
まず、次の（１）式および（２）式により中間電圧ＶＴ１，ＶＴ２を算出する。ここで、ｋ１１、ｋ１２、ｋ２１、ｋ２２は比例定数、Ｖ０は一定数、Ｔは操舵トルクである。
ＶＴ１＝ＶＴ１１−ＶＴ２１＋Ｖ０＝ｋ１１・Ｔ−（−ｋ２１・Ｔ）＝（ｋ１１＋ｋ２１）Ｔ ・・・ （１）式
ＶＴ２＝ＶＴ１２−ＶＴ２２＋Ｖ０＝ｋ１２・Ｔ−（−ｋ２２・Ｔ）＝（ｋ１２＋ｋ２２）Ｔ ・・・ （２）式
つまり、中間電圧ＶＴ１は、第１磁歪膜３１に対向配置され最上位に位置する第１検出コイル３３と、第２磁歪膜３２に対向配置され上から３番目に位置する第３検出コイル３５の中間電圧（中間出力）である。また、中間電圧ＶＴ２は、第１磁歪膜３１に対向配置され上から２番目に位置する第２検出コイル３４と、第２磁歪膜３２に対向配置され最下位に位置する第４検出コイル３６の中間電圧（中間出力）である。

次に、中間電圧ＶＴ１と中間電圧ＶＴ２の加算値を求め、これを故障検出電圧ＶＴＦとする（（３）式参照）。
ＶＴＦ＝ＶＴ１＋ＶＴ２ ・・・ （３）式
このように中間電圧ＶＴ１，ＶＴ２の加算値を故障検出電圧ＶＴＦとすることで、ステアリングシャフト１全体が一様に温度変化した場合でも正確な故障検出を行うことができる。

ところで、ステアリングギヤボックス２０がエンジンルーム内に配置されていることから、車両の運転状態によってはステアリングギヤボックス２０がエンジンからの熱を受けて温度上昇する場合がある。例えば、車両を高速走行後に停止したようなときには、エンジンの熱によりステアリングギアボックス２０が加熱され、ステアリングシャフト１が加熱されるが、ステアリングシャフト１の温度分布は一様ではなく、エンジンに近い下側の方がエンジンから遠い上側よりも温度が高くなる。そのため、磁歪式トルクセンサ３０が設置されている部位についても、最下位の第４検出コイル３６が配置されている部分の温度は高くなり、最上位の第１検出コイル３３が配置されている部分の温度はそれよりも低くなり、第２，第３検出コイル３４，３５が配置されている部分の温度はいずれも中間の温度（すなわち、中温）で略同一になる。

このようにステアリングシャフト１に温度差（温度勾配）が生じていると、従来は前述したように、温度差（温度勾配）に起因して故障検出信号がドリフトするため、故障検出範囲が狭い場合には誤検出する虞があった。
これに対して、この実施例の磁歪式トルクセンサ３０においては、ステアリングシャフト１に温度差（温度勾配）が生じているときであっても、故障検出信号のドリフトを防止することができ、故障検出精度を高めることができる。以下、これについて図２の検出原理図を参照して説明する。

磁歪膜は温度が高くなるほど透磁率μが大きくなる温度特性を有している。したがって、前述したように最上位の第１検出コイル３３が配置されている部分が低温で、中間の第２，第３検出コイル３４，３５が配置されている部分が中温で、最下位の第４検出コイル３６が配置されている部分が高温になっている場合には、第１磁歪膜３１において第１検出コイル３３に対向する部分の透磁率μ１は小さく、第２磁歪膜３２において第４検出コイル３６に対向する部分の透磁率μ４は大きく、第１磁歪膜３１において第２検出コイル３４に対向する部分の透磁率μ２と第２磁歪膜３２において第３検出コイル３５に対向する部分の透磁率μ３はμ１より大きく且つμ４より小さい中ぐらいとなる（μ１＜μ２（μ３）＜μ４）。

また、磁歪膜の透磁率μと検出コイルのインピーダンスＺは略比例関係（μ∝Ｚ）にあることが知られている。したがって、前述した温度勾配があるときには、第１検出コイル３３のインピーダンスＺ１は小さく、第４検出コイル３６のインピーダンスＺ４は大きく、第２検出コイル３４と第３検出コイル３５のインピーダンスＺ２，Ｚ３はその間の中位になる（Ｚ１＜Ｚ２（Ｚ３）＜Ｚ４）。

検出コイル３３〜３６に印加する励磁電圧をＶｃｃとすると、第１検出コイル３３と第３検出コイル３５の中点の電圧ＶＳ１、および、第２検出コイル３４と第４検出コイル３６の中点の電圧ＶＳ２は、それぞれコイル同士の分圧値となるから、次の（４）式、（５）式で示される。
ＶＳ１＝Ｖｃｃ×｛（Ｚ３／（Ｚ１＋Ｚ３）｝＝Ｖｃｃ×〔１／｛（Ｚ１／Ｚ３）＋１｝〕 ・・・ （４）式
ＶＳ２＝Ｖｃｃ×｛（Ｚ２／（Ｚ２＋Ｚ４）｝＝Ｖｃｃ×〔１／｛（Ｚ４／Ｚ２）＋１｝〕 ・・・ （５）式

これによって、第１検出コイル３３と第３検出コイル３５の中点電圧ＶＳ１と、第２検出コイル３４と第４検出コイル３６の中点電圧ＶＳ２との加算値をほぼ一定（例えば５Ｖ）とすることができるので、前述したように温度勾配による故障検出信号のドリフトをなくすことができる。
その結果、ステアリングシャフト１に温度勾配が生じているときであっても、一定の故障検出信号を得ることができるため、故障検出範囲を従来よりも狭く設定することができ、故障検出精度を向上させることができる。

次に、具体的な数値を挙げて従来技術との差を検証する。
今、検出コイル３３〜３６を３０ｋＨｚの矩形波電圧で励磁しているときにステアリングシャフト１に温度勾配が生じ、各検出コイル３３〜３６のインピーダンスＺ１〜Ｚ４が、Ｚ１＝９００Ω、Ｚ２＝９５０Ω、Ｚ３＝１０００Ω、Ｚ４＝１０５０Ωになったと想定する。
前述した従来の磁歪式トルクセンサでは、第１検出コイル３３と第４検出コイル３６の中間電圧ＶＴ１’と、第２検出コイル３４と第３検出コイル３５の中間電圧ＶＴ２’との加算値を故障検出信号ＶＴＦ’とし（ＶＴＦ’＝ＶＴ１’＋ＶＴ２’）、この故障検出信号ＶＴＦ’に基づいて故障検出を行うので、第１検出コイル３３と第４検出コイル３６の中点電圧ＶＳ１’、第２検出コイル３４と第３検出コイル３５の中点電圧ＶＳ２’が故障検出信号ＶＴＦ’に影響を与える。

ここで、検出コイル３３〜３６に印加する励磁電圧をＶｃｃとすると、ＶＳ１’，ＶＳ２’は次の（６）式、（７）式になる。
ＶＳ１’＝Ｖｃｃ×｛（Ｚ４／（Ｚ１＋Ｚ４）｝＝Ｖｃｃ×〔１／｛（Ｚ１／Ｚ４）＋１｝〕 ・・・ （６）式
ＶＳ２’＝Ｖｃｃ×｛（Ｚ３／（Ｚ２＋Ｚ３）｝＝Ｖｃｃ×〔１／｛（Ｚ２／Ｚ３）＋１｝〕 ・・・ （７）式
励磁電圧Ｖｃｃを５Ｖとし、各検出コイル３３〜３６のインピーダンスＺ１〜Ｚ４を代入してＶＳ１’，ＶＳ２’を算出し、故障検出信号ＶＴＦ’を算出すると次のようになる。
ＶＳ１’＝２．６９２３０８（Ｖ）、
ＶＳ２’＝２．５６４１０２（Ｖ）、
ＶＴＦ’＝ＶＳ１’＋ＶＳ２’＝５．２５６４１（Ｖ）。

これに対して、この実施例における磁歪式トルクセンサ３０では、第１検出コイル３３と第３検出コイル３５の中間電圧ＶＴ１と、第２検出コイル３４と第４検出コイル３６の中間電圧ＶＴ２との加算値を故障検出信号ＶＴＦとし（ＶＴＦ＝ＶＴ１＋ＶＴ２）、この故障検出信号ＶＴＦに基づいて故障検出を行うので、第１検出コイル３３と第３検出コイル３５の中点電圧ＶＳ１、第２検出コイル３４と第４検出コイル３６の中点電圧ＶＳ２が故障検出信号ＶＴＦに影響を与える。

前記同じ条件下で（４）式、（５）式から中点電圧ＶＳ１，ＶＳ２を算出し、故障検出信号ＶＴＦを算出すると次のようになる。
ＶＳ１＝２．６３１５７９（Ｖ）、
ＶＳ２＝２．３７５０００（Ｖ）、
ＶＴＦ＝ＶＳ１＋ＶＳ２＝５．００６５７９（Ｖ）。
したがって、故障検出信号の正常検出域を５Ｖ±αとすると、実施例の磁歪式トルクセンサ３０の故障検出信号ＶＴＦの方が、従来の磁歪式トルクセンサの故障検出信号ＶＴＦ’よりも大幅にαの値を小さくすることができる。これにより故障検出範囲のマージンを小さくしても誤検出の虞がなく、故障検出精度を向上させることができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、第１磁歪膜３１をピニオン軸５の軸線方向に２分割して、その一方を第１検出コイル３３に専用の磁歪膜、他方を第２検出コイル３４に専用の磁歪膜とし、第２磁歪膜３２をピニオン軸５の軸線方向に２分割して、その一方を第３検出コイル３５に専用の磁歪膜、他方を第２検出コイル３６に専用の磁歪膜として、４つの磁歪膜で構成することも可能である。

この発明に係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。 前記磁歪式トルクセンサの検出回路の概略図である。 従来の磁歪式トルクセンサの検出原理を説明する図である。 従来の磁歪式トルクセンサの検出回路の概略図である。

符号の説明

１ ステアリングシャフト
２ ハンドル（操作子）
７ ピニオン（ギヤ機構）
８ａ ラック歯（ギヤ機構）
２０ ステアリングギヤボックス
３０ 磁歪式トルクセンサ
３１ 第１磁歪膜
３２ 第２磁歪膜
３３ 第１検出コイル
３４ 第２検出コイル
３５ 第３検出コイル
３６ 第４検出コイル

Claims (1)

1. 上方が操作子に連結され下方がエンジンルーム内のステアリングギヤボックスに納められたギヤ機構に連結されるステアリングシャフトに第１磁歪膜と第２磁歪膜を設け、これら磁歪膜の磁気特性の変化に基づいて前記ステアリングシャフトに入力されるトルクを検出する車両用の磁歪式トルクセンサであって、
   前記第１磁歪膜に対向配置された第１検出コイルおよび第２検出コイルと、前記第２磁歪膜に対向配置された第３検出コイルおよび第４検出コイルと、を備え、
   前記操作子から近い順に前記第１検出コイル、第２検出コイル、第３検出コイル、第４検出コイルが配置され、
   前記第１検出コイルと前記第３検出コイルの中間出力と、前記第２検出コイルと前記第４検出コイルの中間出力との加算値に基づいてセンサ異常を検出することを特徴とする車両用の磁歪式トルクセンサ

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