研究開発された技術紹介

自動車業界では今後自動運転化が進む中、ステアリングシステムは電動パワーステアリング(EPS)システムからステアバイワイヤ(SBW)システムへ移行する流れがある。一般的にトーションバー式トルクセンサを用いるEPSシステムでは、自動運転化に伴う操舵に対する車両の応答性や路面からの反力伝達等の追従性に課題がある。高応答に追従できる磁歪式トルクセンサを開発し、SBWシステムに用いる事で、システムの操作性、安全性の向上に寄与する。

1. 専用溶射装置の開発
・磁歪材料 (アモルファス金属ガラス)の成膜手法として専用の溶射装置を開発した。
溶射時の軸温度の安定化(設定温度セ氏±10度以下)、溶射サイクルの短縮(25s以下)、またセンサ特性としてリニアリティ±0.5％F.S.以下、ヒステリシス±0.1%F.S.以下を達成した。

2. 高速変換及び高速通信対応信号処理部の開発
・高速変換及び高速通信対応として、専用ICの設計開発を実施した。
目標応答性10kHz以上、通信速度5Mbps以上となるIC仕様の設計を実施。IC完成品での特性評価の結果、応答周波数10kHz以上、通信速度5Mbps以上を達した。

1. 磁歪式トルクセンサに適した磁歪材成膜設備の開発
磁歪式トルクセンサに適した磁歪材成膜設備として、専用溶射装置化の検討を行い、装置の開発および導入を行った。導入装置を評価した結果、以下の装置目標を達成できた。
・温度安定化:設定温度セ氏±10度
・安定化時間:10s以下
・溶射サイクル:サイクル時間25s以下
また、専用溶射装置を用いて、溶射条件を様々に振って磁歪膜の特性を評価した結果、最適条件を見出せた。その結果、センサリニアリティ(直線性精度):±0.5%FS以下、センサヒステリシス:±0.1%FS以下を確認し、開発目標の達成を果たした。
これにより、アモルファス金属ガラスを溶射した磁歪膜を有する軸と検出コイルを組み合わた小型検出部が完成した。

2. 高速変換及び高速通信対応信号処理部の開発
専用ICの設計及び製作を行い、高速変換及び高速通信対応信号処理部を完成させた。これにより、1.で進めた小型検出部と組み合わせる事で機電一体となる磁歪式トルクセンサが完成した。また、完成した磁歪式トルクセンサを用い、トルクセンサ信号をモータ制御にフィードバックさせるトルク制御用のデモ機を作製し効果を確認した。

学会発表：2021.10.8　電気学会東海支部主催若手セミナー「電動モビリティー用磁歪式トルクセンサに適した磁歪膜材料評価」

・SBWシステム等の次世代の自動運転制御システムにおいて、本研究開発品を用いることにより、小型で高剛性（高応答）なトルク検出ユニットを適用する事が出来、車両の応答性の向上、また、路面状況に対して高応答に反応する事が出来るステアリングシステムの構築が可能となる。従って、SBWのうれしさである、理想の操舵特性の実現（車両応答性、トレース性、安定性や、車両取り回し性、また高速域での走行安定性向上）に大きく貢献し得る。
・また、タイヤ軸にも本トルクセンサを用いる事で、スリップ制御が可能となり、雨天や雪道等の低μ路面においても高い走行安定性を確保出来るようになり、また或いはEVモータやインホイルモータとの組み合わせにおいても、上述に加えて各モータ制御の高次元化に期待が出来る。

車載向け、工作機械向け、ロボット用向けに試作開発を行っている。

SBWシステム等の次世代の自動運転制御システムにおいて、本研究開発品を用いることで、小型かつ高剛性(高応答)なトルク検出ユニットの適用が可能。
車両の応答性の向上と、路面状況に対して高応答に反応可能なステアリングシステムの構築が実現できる。したがって、SBWの長所である、理想の操舵特性の実現(車両応答性、トレース性、安定性、車両取り回し性、高速域での走行安定性向上)に大きく貢献し得る。
また、小型化に伴いSBWユニットの設置場所の自由度が増す。その結果、車両本体の居住空間拡大にも貢献でき、SBWシステムのメリットを最大限に活かすシステムの構築が可能となる。さらに、タイヤ軸に本トルクセンサを用いることで、スリップ制御が可能となる。それにより、雨天や雪道等の低μ路面でも高い走行安定性の維持が可能。また、EVモータやインホイルモータの組み合わせにおいても、上述に加えて各モータ制御の高次元化が期待が出来る。

本研究成果のトルクセンサ用いたサーボモータ実験機を作製し、トルクセンサ信号をフィードバックしたモータ制御の有効性PRを実施している。

更なる小型化、低価格化に加え、トルクと角度の複合検出のニーズは高く、機能・性能向上に向けた研究を開始している。

新たに進めているトルクと角度の複合センサの開発研究への川下製造業者の参画を計画している。