JPH0743521U - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁歪式トルクセンサにおいて、経時劣化によ
る変動を除去し、磁歪シャフトに加わるトルクを高精度
に検出することができる。 【構成】 磁歪シャフトに加わるトルクが零のときに、
出力電圧ＶA と前回のトルク零電圧ＶH によって加重平
均電圧ＶC を算出し、この加重平均電圧ＶC をトルク零
電圧ＶH として記憶エリアに記憶する。そして、トルク
検出時には、出力電圧ＶA からトルク零電圧ＶH を減算
した補正電圧Ｖ0 を得る。これにより、経時劣化等によ
って変動した場合でも、常時トルク零電圧ＶH を更新し
て補正電圧Ｖ0 を得るようにしているから、正確なトル
クを検出することができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、例えば自動車内のエンジンの出力軸トルク等を検出するのに用いて 好適な磁歪式トルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

自動変速器を備えたオートマチック車等では、例えば自動変速機構による変速 タイミングを適正化するために、プロペラシャフト等にトルクセンサを取付ける ようにすることが提案されている。

【０００３】 そこで、図５ないし図７に、この種の従来技術によるトルクセンサとして、２ コイル型の磁歪式トルクセンサを例に挙げて示す。

【０００４】 図中、１はトルクセンサ本体を構成するケーシングを示し、該ケーシング１は 非磁性材料により段付筒状に形成され、自動変速機のケース（図示せず）等に固 定されるようになっている。

【０００５】 ２はケーシング１内に軸受３，３を介して回転自在に配設された磁歪シャフト を示し、該磁歪シャフト２はクロムモリブデン鋼等の磁歪材料によって棒状に形 成され、その両側端部２Ａ，２Ｂはケーシング１外に突出してアウトプットシャ フトを構成している。また、該磁歪シャフト２の軸方向中間部はケーシング１内 に位置してスリット形成部２Ｃとなり、該スリット形成部２Ｃの外周面には斜め 下向きに４５°、斜め上向きに４５°の角度をもってそれぞれスリット溝４，４ ，…、スリット溝５，５，…が刻設されている。

【０００６】 ここで、該各スリット溝４，５は磁歪シャフト２の軸方向に所定間隔をもって 離間し、スリット形成部２Ｃの外周面に全周に亘り等間隔をもって形成されてい る。そして、磁歪シャフト２のスリット形成部２Ｃには各スリット溝４間に第１ の磁気異方性部６が形成されると共に、各スリット溝５間に第２の磁気異方性部 ７が形成され、これらの磁気異方性部６，７には表面磁界による磁路が形成され るようになっている。

【０００７】 ８はケーシング１の内周面に固着され、磁歪シャフト２のスリット形成部２Ｃ を径方向外側から取囲んだコア部材を示し、該コア部材８は鉄等の磁性材料によ り段付筒状に形成され、その内周側には後述の各検出コイル９，１０が軸方向に 離間して配設されている。

【０００８】 ９，１０は磁歪シャフト２の磁気異方性部６，７に対向して磁歪シャフト２の 外周面に設けられた検出コイルをそれぞれ示し、該検出コイル９，１０はコア部 材８の内周側にそれぞれコイルボビン（図示せず）を介して設けられ、後述の発 振器１３により交流電圧Ｖが印加されて励磁作用と検出作用とを行う。また、該 検出コイル９，１０は自己インダクタンスＬ1 ，Ｌ2 および鉄損ｒ1 ，ｒ2 とな っている。

【０００９】 図６中、１１はブリッジ回路を示し、該ブリッジ回路１１は検出コイル９，１ ０と、該検出コイル９，１０の鉄損ｒ1 ，ｒ2 と、前記検出コイル９，１０とそ れぞれ対向するように接続された調整抵抗Ｒ，Ｒにより構成され、検出コイル９ ，１０の接続点ａと調整抵抗Ｒ，Ｒの接続点ｂとの間には、後述する発振器１３ が接続され、検出コイル９と調整抵抗Ｒとの接続点ｃと検出コイル１０と調整抵 抗Ｒとの接続点ｄは、それぞれ検出コイル９，１０からの検出電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を 導出する出力端子となって、当該接続点ｃ，ｄは差動増幅器１４の入力端子にそ れぞれ接続されている。

【００１０】 １２は信号処理回路を示し、該信号処理回路１２は発振器１３，差動増幅器１ ４，位相調整回路１５，検波処理回路１６，整流回路としてのＬＰＦ１７および 増幅器１８とから大略構成されている。

【００１１】 １３は発振器で、該発振器１３は周波数ｆ（例えば３０ＫＨz ）の交流電圧Ｖ を発生し、その出力側はブリッジ回路１１の接続点ａに接続されると共に、位相 調整回路１５に接続されている。

【００１２】 １４は差動増幅器を示し、該差動増幅器１４はオペアンプ等により構成され、 入力端子には前記ブリッジ回路１１の接続点ｃ，ｄがそれぞれ接続され、検出電 圧Ｖ1 ，Ｖ2 が入力され、出力端子は検波処理回路１６に接続され、電圧Ｅ0 を 出力する。

【００１３】 １５は発振器１３の出力側に接続された位相調整回路を示し、該位相調整回路 １５はブリッジ回路１１による位相差を調整して、検波処理回路１６に位相調整 電圧ＶP を出力する。

【００１４】 １６は検波処理回路を示し、該検波処理回路１６の入力側にはブリッジ回路１ １の出力端子および位相調整回路１５の出力側が接続され、電圧Ｅ0 および位相 調整電圧ＶP が入力される。そして、該検波処理回路１６では位相調整電圧ＶP により同期した電圧Ｅ0 の正の部分または負の部分だけをローパスフィルタ（以 下、「ＬＰＦ１７」という）に出力する。そして、該ＬＰＦ１７では、この電圧 を整流して直流の電圧として後段の増幅器１８で初期電圧値ＶS （例えば２．５ 〔Ｖ〕）によりバイアスされた出力電圧ＶA として図示しないコントロールユニ ットに出力する。また、該コントロールユニットでは、入力された電圧Ｅに基づ いて自動変速機構の変速タイミング制御を行なう。

【００１５】 このように構成される２コイル型の磁歪式トルクセンサにおいては、検出コイ ル９，１０に発振器１３の交流電圧Ｖを印加すると、磁歪シャフト２の表面に磁 路が形成されるが、スリット形成部２Ｃの表面にスリット溝４，５が設けられて いるため、表面磁界による磁路はスリット溝４，５に沿って形成されるようにな る。

【００１６】 一方、磁歪シャフト２の端部２Ａに図５に示すような矢示方向のトルクＴを加 えたとすると、スリット溝４には引張り応力＋σが発生し、スリット溝５には圧 縮応力−σが発生する。そして、磁歪シャフト２に正の磁歪材を用いている場合 、引張り応力＋σにより透磁率μが増加し、圧縮応力−σにより透磁率μが減少 することが知られている。

【００１７】 然るに、検出コイル９，１０においては、それぞれの自己インダクタンスＬ1 ，Ｌ2 を、

【００１８】

【数１】 のように算出する。

【００１９】 また、ブリッジ回路１１において、検出コイル９のＬ1 ，ｒ1 は調整抵抗Ｒに 、検出コイル１０のＬ2 ，ｒ2 は調整抵抗Ｒにそれぞれ直列接続されているから 、検出コイル９，１０を流れる電流ｉ1 ，ｉ2 は、

【００２０】

【数２】 により算出され、接続点ｃ，ｄの検出電圧Ｖ1 ，Ｖ2 は、

【００２１】

【数３】 ただし、α1 ，α2 ：位相角 により算出される。

【００２２】 さらに、差動増幅器１４の出力端子から出力される電圧Ｅ0 は、

【００２３】

【数４】 Ｅ0 ＝Ａ×（Ｖ1 −Ｖ2 ） ただし、Ａ：増幅率 のようになる。

【００２４】 かくして、磁歪シャフト２に矢示方向（反時計方向）の負のトルクＴを加えた 場合、スリット溝４側では引張り応力＋σにより透磁率μが増加するから、該ス リット溝４に対向する検出コイル９の自己インダクタンスＬ1 が増加して、該検 出コイル９に流れる電流ｉ1 が減少し、検出電圧Ｖ1 が減少する。一方、スリッ ト溝５側では圧縮応力−σにより透磁率μが減少するから、該スリット溝５に対 向する検出コイル１０の自己インダクタンスＬ2 が減少して、該検出コイル１０ を流れる電流ｉ2 は増加し、検出電圧Ｖ2 が増加する。そして、検出電圧Ｖ1 ， Ｖ2 は前記数式１、数式３による透磁率μの変化に基づいて位相角α1 ，α2 を 生じさせると共に、数式３に示すように振幅（電圧値）を変化させ、矢示方向の トルクＴに比例した検出信号を電圧Ｅ0 として検波処理回路１６に出力し、該検 波処理回路１６では、位相調整回路１５からの位相調整電圧ＶP により正の部分 または負の部分の電圧Ｅ0 をＬＰＦ１７に出力する。そして、該ＬＰＦ１７では 、この電圧を整流し、トルクＴに対応した電圧Ｅとしてコントロールユニットに 出力する。

【００２５】 一方、電磁シャフト２に矢示方向と逆方向（時計方向）の正のトルクＴを加え た場合には、検出コイル９に流れる電流ｉ1 が増加し、検出コイル１０に流れる 電流ｉ2 が減少するから、前記数式４により電圧Ｅ0 として検波処理回路１６に 出力し、ＬＰＦ１７を介して、コントロールユニットにトルクＴに対応した出力 電圧ＶA を出力する。

【００２６】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、上述した先行技術による磁歪式トルクセンサにおいても、検出コイ ル９，１０等のセンサ部および信号処理回路１２を構成する各電子部品の経年劣 化等により、図７のように、初期時の特性線１９が経時劣化後の特性線１９′， １９″のように上，下に経時的に変動し、トルク零時の零点、即ち初期電圧値Ｖ S も上，下に変動してしまい正確なトルク検出を行うことができないという問題 がある。

【００２７】 また、従来技術においても検出コイル９，１０および調整抵抗によってフルブ リッジ回路を構成し、かつ温度補償用回路または温度補償抵抗等を用いて零点に おける電圧変動を防止した場合でも、経年劣化により必ず初期電圧値ＶS が変動 してしまうという問題がある。

【００２８】 本考案は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本考案は経年劣化に よる零点の出力変動を防止し、正確なトルク検出を行うことができる磁歪式トル クセンサを提供することを目的としている。

【００２９】

【課題を解決するための手段】

上述した課題を解決するために本考案が採用する構成の特徴は、信号処理回路 の後段には、磁歪シャフトにトルクが加わっていないときにトルク零信号を算出 するトルク零信号算出手段と、該トルク零信号算出手段により算出されたトルク 零信号により前回記憶されたトルク零信号を順次記憶更新するトルク零信号記憶 更新手段と、トルク検出時には前記信号処理回路から出力される出力信号から該 トルク零信号記憶更新手段によって記憶されたトルク零信号を減算して出力信号 を補正する補正演算手段とを備えた補正回路を設けたことにある。

【００３０】 また、前記トルク零信号算出手段は、新しくトルク零信号算出手段によって算 出されたトルク零信号に対して前回記憶されたトルク零信号を加重平均して算出 することが望ましい。

【００３１】

【作用】

補正回路内に備えたトルク零信号算出手段により算出されたトルク零信号を、 トルク零信号算出手段によって、このトルク零時のトルク零信号を算出し、この トルク零信号をトルク零信号記憶更新手段に記憶更新する。そして、トルク検出 時には、補正演算手段により信号処理回路から出力される出力信号からトルク零 信号記憶更新手段に記憶されたトルク零信号を減算することにより、この差がト ルク零信号を基準とした正確なトルクを算出できる。

【００３２】 また、トルク零信号算出手段は、前回記憶されたトルク零信号と新しくトルク 零信号算出手段によって算出されたトルク零信号によって加重平均して算出する ことにより、より正確な信号差を演算することができる。

【００３３】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図１ないし図４に基づき説明する。なお、実施例では 前述した従来技術と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するも のとする。

【００３４】 図中、２１は本実施例による補正回路を示し、該補正回路２１は従来技術で述 べた信号処理回路１２の後段に接続され、該補正回路２１は入出力制御回路２２ 、処理回路２３および記憶回路２４等を含むマイクロコンピュータにより構成さ れ、図２に示すように、前記入出力制御回路２２の入力側には信号処理回路１２ およびミッションスイッチ２５等が接続され、出力側には変速タイミング等を制 御するコントロールユニット２６および警報ランプ等からなる報知装置２７が接 続されている。そして、該補正回路２１はＲＡＭ，ＲＯＭ等の記憶回路２４内に 図３および図４に示すプログラム等を格納し、その記憶エリア２４Ａ内にはトル ク零時の所定電圧値Ｖ00および順次記憶されたトルク零電圧ＶH が記憶されてい る。

【００３５】 ここで、前記ミッションスイッチ２５はミッションに組込まれ、ニュートラル 位置，パーキング位置および各ギアポジションを検出するもので、ミッションが ニュートラル位置またはパーキング位置にある時には、エンジンの回転は出力軸 に伝達されていないから、トルクセンサの磁歪シャフト２にはトルクが加わって いない状態であるから、前記補正回路２１にトルク零信号を出力するようになっ ている。

【００３６】 本実施例による磁歪式トルクセンサは上述の如く構成されるが、その基本的動 作については従来技術によるものと格別差異はない。

【００３７】 次に、図３および図４に示す処理プログラムにより本実施例を説明する。

【００３８】 まず、ステップ１では、後述するトルク零電圧ＶH 演算処理を実行した後に、 ステップ２に移り、ステップ２では、信号処理回路１２からの出力電圧ＶA を読 込み、ステップ３で記憶エリア２４Ａ内に記憶されたトルク零電圧ＶH を読出す 。

【００３９】 そして、ステップ４では、補正電圧Ｖ0 を下記の数５によって演算する。

【００４０】

【数５】 Ｖ0 ＝ＶA −ＶH

【００４１】 さらに、ステップ５ではステップ４で演算された補正電圧Ｖ0 をコントロール ユニット２６に出力する。

【００４２】 ここで、図３に示すトルク零電圧ＶH 演算処理について説明する。

【００４３】 ステップ１１では、ミッションスイッチ２５からの信号に基づいてトルク０で あるか否かを判定し、「ＮＯ」と判定した場合にはステップ１９に移ってリター ンし、図３中のステップ２以降の処理を実行する。

【００４４】 一方、ステップ１１で「ＹＥＳ」と判定した場合にはステップ１２に移り、ス テップ１２では信号処理回路１２から出力電圧ＶA を読込み、ステップ１３では 前回のトルク零電圧ＶH を記憶エリア２４Ａから読出し、ステップ１４では加重 平均電圧ＶC を数６のように演算する。

【００４５】

【数６】 ただし、Ｎは加重平均率（例えば、１００）

【００４６】 そして、ステップ１５ではこの加重平均電圧ＶC の絶対値が予め記憶エリア２ ４Ａ内に記憶された所定電圧値Ｖ00よりも大きいか否かにより、経時劣化が大き くなってトルクセンサが使用限界となっているか否かを判定し、ステップ１５で 「ＹＥＳ」と判定した場合には、ステップ１６に移り報知装置２７を作動させ、 トルクセンサの異常または交換を運転者に報知し、ステップ１７に移る。

【００４７】 一方、ステップ１５で「ＮＯ」と判定した場合には、ステップ１７に移り、ス テップ１７では加重平均電圧ＶC をトルク零電圧ＶH に置換する。そして、ステ ップ１８でこのトルク零電圧ＶH を記憶エリア２４Ａ内に記憶する。そして、ス テップ２４で図３のプログラムのステップ２にリターンする。

【００４８】 このように、本実施例による磁歪式トルクセンサにおいては、ミッションスイ ッチ２５からの信号によって磁歪シャフト２に加わるトルクが零の状態における 出力電圧ＶA と前回のトルク零電圧ＶH から加重平均電圧ＶC を求め、この加重 平均電圧ＶC をトルク零電圧ＶH として記憶エリア２４Ａ内に記憶する。そして 、トルク検出時においては、信号処理回路１２からの出力電圧ＶA からトルク零 電圧ＶH を減算することにより、トルク零電圧ＶH を基準とした補正電圧Ｖ0 を コントロールユニット２６に出力するようになっている。

【００４９】 この結果、経時劣化によりトルクに対応した出力電圧ＶA が図７に示すように 経時劣化後の特性線１９′，１９″のように上，下に変動した場合でも、初期時 の特性線１９に近づけることができ、正確なトルク検出を行うことができる。な お、本実施例においては、初期電圧値ＶS が０〔Ｖ〕となり、従来技術と同様の 出力値が必要な場合には、補正回路２１とコントロールユニット２６との間に初 期電圧値ＶS の直流バイアスを加えるようにすればよい。

【００５０】 また、トルク零電圧ＶH の演算処理は磁歪シャフトに加わるトルクが零になっ たときにトルク零電圧ＶH を更新記憶するようにしているから、経時劣化による ずれに対して順次補正演算することによって、正確なトルク検出を行うことがで きる。

【００５１】 さらに、トルク零電圧ＶH は加重平均によって算出することにより、トルク零 電圧ＶH のバラツキを最小限に抑えることができる。

【００５２】 従って、本実施例による磁歪式トルクセンサをオートマチック車等の変速タイ ミング制御に用いた場合には、正確なトルク検出により最良なシフトチェンジを 行うことができ、運転性を向上させることができる。

【００５３】 一方、従来技術のように、ハード回路を簡略化することができる。

【００５４】 さらに、トルク零電圧ＶH が所定電圧値Ｖ00よりも大きくなった場合には報知 装置２７を報知させることにより、運転者にトルクセンサの異常および交換を促 すことができる。

【００５５】 なお、前記実施例では、図４中のステップ１１〜１４までがトルク零信号算出 手段の具体例であり、ステップ１７，１８がトルク零信号記憶更新手段の具体例 である。さらに、図３中のステップ２〜５が補正演算手段の具体例である。

【００５６】 また、前記実施例では、図４中のトルク零電圧ＶH 演算処理において、出力電 圧ＶA を１回算出し、前回のトルク零電圧ＶH とによって加重平均電圧ＶC を算 出するようにしたが、本考案はこれに限らず、出力電圧ＶA を複数回の検出して 加算平均して、この値に対して加重平均を行うようにしてもよい。

【００５７】 さらに、前記各実施例では、ブリッジ回路にフルブリッジ回路１１を用いるよ うにしたが、本考案はこれに限らず、ハーフブリッジ回路に用いても良いことは 勿論である。

【００５８】

【考案の効果】

以上詳述した如く、本考案によれば、信号処理回路の後段に補正回路を設け、 該補正回路は磁歪シャフトにトルクが加わっていないときにトルク零信号算出手 段によってトルク零信号を算出し、このトルク零信号をトルク零信号記憶更新手 段に記憶更新する。そして、トルク検出時には、補正演算手段により信号処理回 路から出力される出力信号からトルク零信号記憶更新手段に記憶されたトルク零 信号を減算することにより、この差がトルク零信号を基準とした正確なトルクを 算出できる。この結果、経時劣化によりトルクに対する出力信号の特性が上，下 に変動するのを補正回路によって補正することができ、トルクに対応した出力信 号を正確に得ることができる。

【００５９】 また、トルク零時に常に信号差を順次更新することができ、より正確なトルク 検出を行うことができる。

【００６０】 さらに、トルク零信号算出手段は、新しくトルク零信号算出手段によって算出 されたトルク零信号に対して前回記憶されたトルク零信号を加重平均して算出す ることにより、トルク零信号の変動を少なくでき、正確なトルク検出を行うこと ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例による磁歪式トルクセンサの回
路構成を示すを示すブロック図である。

【図２】補正回路の制御ブロック図である。

【図３】補正回路内に格納された出力電圧の補正処理を
示す流れ図である。

【図４】トルク零電圧ＶH 演算処理を示す流れ図であ
る。

【図５】従来技術による磁歪式トルクセンサの縦断面図
である。

【図６】従来技術による磁歪式トルクセンサの回路構成
を示すを示すブロック図である。

【図７】経時劣化によるトルクに対する出力電圧ＶA の
変動を示す特性図である。

【符号の説明】

２ 磁歪シャフト ９，１０ 検出コイル １１ ブリッジ回路 １２ 信号処理回路 ２１ 補正回路 ２５ ミッションスイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 片平 洋一 神奈川県厚木市恩名1370番地 株式会社ユ ニシアジェックス内

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸方向に離間して外周側に一対の磁気異
   方性部を有する磁歪シャフトと、前記各磁気異方性部に
   対向して該磁歪シャフトの外周側にそれぞれ設けられ、
   ブリッジ回路を形成する一対の検出コイルと、該各検出
   コイルによって検出されるトルクを出力信号に変換する
   信号処理回路とからなる磁歪式トルクセンサにおいて、
   前記信号処理回路の後段には、磁歪シャフトにトルクが
   加わっていないときにトルク零信号を算出するトルク零
   信号算出手段と、該トルク零信号算出手段により算出さ
   れたトルク零信号により前回記憶されたトルク零信号を
   順次記憶更新するトルク零信号記憶更新手段と、トルク
   検出時には前記信号処理回路から出力される出力信号か
   ら該トルク零信号記憶更新手段によって記憶されたトル
   ク零信号を減算して出力信号を補正する補正演算手段と
   を備えた補正回路を設けたことを特徴とする磁歪式トル
   クセンサ。
2. 【請求項２】 前記トルク零信号算出手段は、新しくト
   ルク零信号算出手段によって算出されたトルク零信号に
   対して前回記憶されたトルク零信号を加重平均して算出
   してなる請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。