JP4680114B2 - 車両用の磁歪式トルクセンサ - Google Patents
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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。
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車両用の磁歪式トルクセンサであって、前記第1検出コイルの一端と前記第3検出コイルの一端が接続されることにより前記第1検出コイルと前記第3検出コイルとが直列に接続され、前記第2検出コイルの一端と前記第4検出コイルの一端が接続されることにより前記第2検出コイルと前記第4検出コイルとが直列に接続され、直列に接続された前記第1検出コイルおよび前記第3検出コイルは、直列に接続された前記第2検出コイルおよび前記第4検出コイルと並列に接続され、前記第1検出コイルの他端と前記第4検出コイルの他端が接続され、前記第2検出コイルの他端と前記第3検出コイルの他端が接続されており、前記第1検出コイル、前記第2検出コイル、前記第3検出コイル、前記第4検出コイルは矩形波電圧により励磁され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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
VS1=Vcc×{(Z3/(Z1+Z3)}=Vcc×〔1/{(Z1/Z3)+1}〕 ・・・ (4)式
VS2=Vcc×{(Z2/(Z2+Z4)}=Vcc×〔1/{(Z4/Z2)+1}〕 ・・・ (5)式
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。
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。
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)。
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。
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。
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)
- 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車両用の磁歪式トルクセンサであって、
前記第1検出コイルの一端と前記第3検出コイルの一端が接続されることにより前記第1検出コイルと前記第3検出コイルとが直列に接続され、
前記第2検出コイルの一端と前記第4検出コイルの一端が接続されることにより前記第2検出コイルと前記第4検出コイルとが直列に接続され、
直列に接続された前記第1検出コイルおよび前記第3検出コイルは、直列に接続された前記第2検出コイルおよび前記第4検出コイルと並列に接続され、
前記第1検出コイルの他端と前記第4検出コイルの他端が接続され、
前記第2検出コイルの他端と前記第3検出コイルの他端が接続されており、
前記第1検出コイル、前記第2検出コイル、前記第3検出コイル、前記第4検出コイルは矩形波電圧により励磁され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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