JP4945155B2 - 磁歪式トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は磁歪式トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置に関し、特に、磁気異方性を付加する工程での回転軸の加熱に起因するセンサ感度特性のバラツキを少なくするのに好適な構造を有する磁歪式トルクセンサ、およびこの磁歪式トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。

例えば自動車の操舵系として装備される電動パワーステアリング装置では、一般的に、運転者の操舵操作によってステアリングホイールからステアリング軸に加えられる操舵トルクを操舵トルク検出部によって検出する。操舵トルク検出部は、通常、トーションバー式トルクセンサで構成され、最近では磁歪式トルクセンサも提案されている。上記のステアリング軸は、操舵操作による回転力を受けて回転する回転軸として機能し、操舵トルク検出部でその回転軸となっている。電動パワーステアリング装置は、当該操舵トルク検出部から検出されたトルク信号に応じて、操舵力補助用のモータを駆動制御し、運転者の操舵力を軽減して快適な操舵フィーリングを与える。

上記電動パワーステアリング装置に用いられる操舵トルク検出部として、上記のごとく磁歪式トルクセンサが知られている。この磁歪式トルクセンサは、ステアリング軸の表面の所定の２箇所に、互いに逆向きの磁気異方性を持つ磁歪膜を備えている。磁歪式トルクセンサは、ステアリング軸にステアリングホイールからトルクが作用したときに、ステアリング軸に生じる捩れに応じた磁歪膜の磁歪特性の変化を非接触で検出するセンサ構成を有している。

上記のごとき磁歪式トルクセンサを製造するプロセスでは、上記ステアリング軸の一部の所定表面、すなわち回転軸における所定の軸方向幅の円周表面に磁歪膜を形成し、この磁歪膜に磁気異方性を付加する工程が必要である。磁歪式トルクセンサの製造において磁歪膜に磁気異方性を付加する従来の方法は、例えば電解めっき処理により磁歪材めっき部（磁歪膜）を形成した回転軸に対して捩りトルクを作用させ、回転軸の円周表面に応力を付与し、この応力付与状態にて高周波加熱によって当該回転軸を加熱処理するという方法であった（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３４０７４４号公報

磁歪式トルクセンサを構成する磁歪膜が形成されたステアリング軸すなわち回転軸は、電動パワーステアリング装置に組み付ける際、軸受けを通してハウジングに組み付けられる。そのとき、回転軸に形成された磁歪膜が軸受けに接触して損傷してしまうことを避ける必要がある。そのため、回転軸の軸方向の所定の幅の領域の直径を、その領域の両端部の近傍の直径よりも小さくし、その軸方向の所定の幅の領域内に、２つの磁歪膜を形成することが考えられている。

しかしながら、回転軸の軸方向の所定幅の領域の直径を、その領域の両端部の近傍の直径よりも小さくし、その所定幅の領域内に２つの磁歪膜を形成するというものでは、１つの磁歪膜の両端部の近傍の回転軸の直径が同じ大きさではなくなる。そのため、一巻コイル部からなる誘導加熱コイルを用いて高周波加熱を行って１つの磁歪膜を加熱処理する際、１つの磁歪膜の一端部の近傍の回転軸の外周と誘導加熱コイルとの距離と、当該磁歪膜の他端部の近傍の回転軸の外周と誘導加熱コイルとの距離とが異なる。このため、その１つの磁歪膜の一端部の近傍の回転軸の加熱状態と他端部の近傍の回転軸の加熱状態が異なってしまう。それにより、磁歪膜内の温度分布が不均一となり、均質な磁気異方性を有する磁歪膜を作製することが困難であり、検出感度にバラツキが生じてしまうという問題点がある。

上記の内容を図１２〜図１４を参照して説明する。図１２は、上述の回転軸に堆積した磁歪膜を、一巻コイル部からなる誘導加熱コイルで加熱する時の配置関係を示す要部縦断面図である。回転軸１００は、その軸方向の所定の幅の領域１０１の直径ｄ_１００を、その領域１０１の両端部の近傍部分１０２，１０３の直径ｄ_１０１よりも小さくして形成している。回転軸１００において、その上下両端部で、領域１０１との間に段差部が形成される。２つの磁歪膜１０４，１０５は、軸方向の所定の幅の領域１０１上に形成されている。符号１０６は、一巻コイル部からなる誘導加熱コイルを示す。図１２で示されるように、例えば１つの磁歪膜１０４の端部１０４Ａの近傍部分１０２の回転軸の直径ｄ_１０１と、端部１０４Ｂに対する近傍部分１０１Ａの回転軸の直径ｄ_１００とは、同じ大きさではない。そのため、近傍部分１０２と誘導加熱コイル１０６の間の距離Ｄ_２００と、近傍部分１０１Ａと誘導加熱コイルとの間の距離Ｄ_２０１とが異なる。そのため、一巻コイル部からなる誘導加熱コイル１０６を用いて高周波加熱を行って磁歪膜１０４を加熱処理する際に、磁歪膜１０４の一端部１０４Ａの近傍部分１０２の回転軸の加熱状態と、他端部１０４Ｂの近傍部分１０１Ａの回転軸の加熱状態とが異なってしまう。以上のことは、他の磁歪膜１０５を誘導加熱コイルで加熱して磁気異方性を付加するときにも同様にして起きる。

図１３は磁歪膜１０４の加熱時の温度分布のグラフを示す。図１３のグラフにおいて、その横軸は図１２での磁歪膜１０４の上側の端部１０４Ａからの距離（ｍｍ）を示し、縦軸は、磁歪膜１０４の各位置について、温度中心部１０４Ｃの温度との差を、当該温度中心部１０４Ｃの温度に対する百分率（差分：％）で示している。特性グラフＣ１００は温度分布の特性を示している。図１３で明らかなように、磁歪膜１０４内の温度分布は不均一となっていることが分かる。

また図１４は、上記の磁歪膜１０４，１０５を備えて作製された磁歪式トルクセンサについて、加熱温度に対する当該トルクセンサの感度特性のグラフを示す。図１４のグラフで、横軸は加熱温度を示し、縦軸は感度特性を示す。特性グラフＣ１０１が加熱温度と感度特性の関係を示す。図１４から明らかなように、感度特性は加熱温度に依存して変化することが分かる。それ故、図１３で示したように磁歪膜の加熱温度が不均一になると、感度にバラツキが生じてしまうことが分かる。

本発明の目的は、上記の課題を鑑み、磁気異方性付加工程で磁歪膜（磁歪材めっき部）を加熱処理する際に磁歪膜内の温度分布をほぼ均一にでき、均一な磁気異方性を有する磁歪膜を設けることができ、検出感度にバラツキの少ない磁歪式トルクセンサ、およびこの磁歪式トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明に係る磁歪式トルクセンサと電動パワーステアリング装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

第１の磁歪式トルクセンサ（請求項１に対応）は、少なくとも１つの磁歪膜が形成された回転軸を有する磁歪式トルクセンサであって、回転軸は小径部とこの小径部の両端部側に位置する大径部とを有し、小径部の軸方向の長さは、回転軸に既に形成された少なくとも１つの磁歪膜に磁気異方性を付与する高周波加熱工程で用いられる誘導加熱コイルの内周面に凹部を形成する部分の幅と同程度に決定され、小径部に上記１つの磁歪膜が形成されることで特徴づけられる。

上記の磁歪式トルクセンサによれば、一巻コイル部からなる誘導加熱コイルを用いて高周波加熱を行い、１つの磁歪膜を加熱処理する際に、磁歪膜の両端部側に位置する大径部のそれぞれと誘導加熱コイルとの距離が等しくなるように設定されるので、磁歪膜の両端部側の近傍に位置する回転軸の大径部の加熱状態が等しくなる。これにより、磁歪膜内の温度分布が均一になり、均一な磁気異方性を有する磁歪膜を作ることが可能になり、検出感度にバラツキの少ない磁歪式トルクセンサを得ることが可能になる。

第１の磁歪式トルクセンサ（請求項１に対応）は、上記の構成において、更に、小径部の両端部側に位置する２つの大径部の径は等しいことで特徴づけられる。

第１の磁歪式トルクセンサ（請求項１に対応）は、上記の構成において、更に、２つの大径部のそれぞれと誘導加熱コイルの対応部分との距離が等しいことで特徴づけられる。

電動パワーステアリング装置（請求項２に対応）は、ステアリング系に補助トルクを付加するモータと、ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、少なくとも操舵トルクセンサからの操舵トルク信号に基づいてモータを駆動制御する制御手段と、を備えた電動パワーステアリング装置において、操舵トルクセンサを、上記の第１の構成を有する磁歪式トルクセンサとしたことで特徴づけられる。

本発明によれば次の効果を奏する。
本発明による磁歪式トルクセンサによれば、回転軸は小径部とその両端部側に位置する大径部を有し、さらに小径部は所定の軸方向長さを有し、かつ当該小径部に１つの磁歪膜を設けるようにしたため、一巻コイル部からなる誘導加熱コイルを用いて高周波加熱を行って１つの磁歪膜を加熱処理する際に、磁歪膜の両端部側に位置する大径部のそれぞれと誘導加熱コイルとの距離が等しくなるように設定され、磁歪膜の両端部側の近傍に位置する回転軸の大径部の加熱状態が等しくなる。これにより、磁歪膜内の温度分布が均一になり、均一な磁気異方性を有する磁歪膜を作ることができ、検出感度にバラツキの少ない磁歪式トルクセンサを得ることができる。
本発明による電動パワーステアリング装置によれば、上記のごとき磁歪式トルクセンサを操舵トルクセンサとして用いることによって、安定に動作することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

最初に図１〜図４を参照して磁歪式トルクセンサについて説明する。図１〜図４は本発明に係る磁歪式トルクセンサの一構造例を示している。図１は磁歪式トルクセンサの基本的構造を示す一部断面側面図を示し、図２は磁歪式トルクセンサの基本的構成を概念的に示す側面図を示し、図３は磁歪式トルクセンサを構成する回転軸のみの一部の側面図を示し、図４は上記磁歪式トルクセンサを操舵トルク検出部として電動パワーステアリング装置のステアリング軸に組み込んだ具体的構造の縦断面図を示している。

図１と図２に示すように磁歪式トルクセンサ１０は、回転軸１１と、この回転軸１１の周囲に配置される１つの励磁コイル１２と２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂとから構成されている。回転軸１１は、図１〜図３では、説明の便宜上、上部および下部を切断し省略して示している。

回転軸１１は、図４に示した利用例を参照すると、例えばステアリング軸２１の一部として構成される。

図１において、回転軸１１は、その軸心１１ａの周りに矢印Ａのごとく右回転（時計回り）または左回転（反時計回り）の回転力（トルク）を受ける。回転軸１１は例えばクロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ材）等の金属棒で形成されている。

ここで図３を参照して、回転軸１１それ自体の形状を説明する。回転軸１１は、大きな径を有する箇所である３つの大径部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、小さな径を有する箇所である２つの小径部１１ｅ，１１ｆとを備えるように加工されている。大径部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの直径はすべて等しく、これをｄ_１とする。小径部１１ｅ，１１ｆの直径も等しく、これをｄ_２とする。小径部１１ｅは大径部１１ｂと大径部１１ｃの間に形成され、小径部１１ｆは大径部１１ｂと大径部１１ｄとの間に形成されている。従って小径部１１ｅの両端部側にはそれぞれ大径部１１ｂと大径部１１ｃが形成され、小径部１１ｆの両端部側にはそれぞれ大径部１１ｂと大径部１１ｄが形成されている。３つの大径部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの各々と２つの小径部１１ｅ，１１ｆの各々との間には段差部が形成される。上記において直径ｄ_１と直径ｄ_２との差異は例えば０．３ｍｍ程度である。従って大径部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと小径部１１ｅ，１１ｆと段差は例えば０．１５ｍｍ程度である。上記の２箇所の小径部１１ｅ，１１ｆのそれぞれの周囲面に成膜技術により磁歪膜が形成されることになる。

なお磁歪膜を形成する小径部１１ｅ，１１ｆの軸方向の長さ（幅）は、後述する一巻コイル部を有する誘導加熱コイル（ＲＣ）における当該一巻コイル部の軸方向の長さ（幅）に関連させて、ほぼ同程度に決定されている。

再び図１に戻る。回転軸１１には、軸方向にて上下２箇所の小径部１１ｅ，１１ｆのそれぞれには１つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが設けられている。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々は、回転軸１１の小径部１１ｅ，１１ｆにおいて、回転軸１１の軸方向にて一定の幅を有しかつ回転軸１１の円周方向の全周に渡って形成されている。各磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの軸方向の幅寸法等は条件に応じて任意に設定される。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、実際には、電解めっき加工処理等により回転軸１１の表面に磁歪材めっき部として形成される。この磁歪材めっき部に磁気異方性加工を施すことにより、磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成される。

以下の説明では、説明の便宜上、「磁歪膜１４Ａ，１４Ｂ」と「磁歪材めっき部（１４Ａ，１４Ｂ）」は同一物を指すが、製造の段階・状況に応じて使い分けている。原則的に、磁気異方性を付加されて完成した段階を「磁歪膜１４Ａ，１４Ｂ」といい、その前の段階では「磁歪材めっき部（１４Ａ，１４Ｂ）」という。

図１に示すごとく、上記の励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂは、回転軸１１の表面に形成された２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して設けられる。すなわち、図１に示されるように、磁歪膜１４Ａの周囲には隙間を介在させて検出コイル１３Ａが配置される。リング状の検出コイル１３Ａは、磁歪膜１４Ａの全周囲を囲み、かつ検出コイル１３Ａの軸方向の幅寸法は磁歪膜１４Ａの軸方向の幅寸法と略等しい。また磁歪膜１４Ｂの周囲には隙間を介在させて検出コイル１３Ｂが配置される。同様に、リング状の検出コイル１３Ｂは、磁歪膜１４Ｂの全周囲を囲み、かつ検出コイル１３Ｂの軸方向の幅寸法は磁歪膜１４Ｂの軸方向の幅寸法と略等しい。さらに、２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂのそれぞれの周囲にはリング状の励磁コイル１２が配置される。図１では、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して個別に励磁コイル１２が設けられるように図示されているが、実際には１つの励磁コイル１２の２つの部分を分けて示したものである。検出コイル１３Ａ，１３Ｂと励磁コイル１２は、回転軸１１の周囲に回転軸１１を囲むように設けられたリング状の支持枠体部１５Ａ，１５Ｂを利用して磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの周囲スペースに巻設されている。

図２では、回転軸１１の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対して配置される励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂを電気的関係として概念的に示している。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対して共通に配置される励磁コイル１２には、励磁用交流電流を常時に供給する交流電源１６が接続されている。また、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して配置される検出コイル１３Ａ，１３Ｂの各出力端子からは、検出対象であるトルクに対応する誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂが出力される。

回転軸１１の２箇所の小径部１１ｅ，１１ｆの表面に形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、例えばＮｉ−Ｆｅめっきによる電解めっき加工処理で作られた磁気異方性を有する磁歪膜である。２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々は、互いに逆方向の磁気異方性を有するように作られている。回転軸１１に対して回転力によるトルクが作用したとき、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々に生じる逆の磁歪特性を、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの周囲に配設した検出コイル１３Ａ，１３Ｂを利用して検出する。

上記磁歪式トルクセンサ１０は、例えば図４に示すごとく電動パワーステアリング装置のステアリング軸に操舵トルク検出部として組み込まれる。また、磁歪式トルクセンサを構成する磁歪膜が形成されたステアリング軸（回転軸）は、電動パワーステアリング装置に組み付ける際、軸受けを通してハウジングに組み付けられる。

上述のように、回転軸１１の２箇所の小径部１１ｅ，１１ｆの直径ｄ_２を３箇所の大径部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの直径ｄ_１よりも小さくし、２箇所の小径部１１ｅ，１１ｆの周囲面にそれぞれ磁歪膜１４Ａ，１４Ｂを形成しているため、回転軸１１に形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが軸受けに接触して損傷してしまうことを避けることができる。図４において、図１〜図３で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。図４では、操舵トルク検出部２０、ステアリング軸２１（回転軸１１に対応）の支持構造、ラック・ピニオン機構３４、動力伝達機構３５、操舵力補助用モータ４２の構成が示されている。

図４において、ステアリング軸２１の上部は車両のステアリングホイール（図示せず）に結合される。ステアリング軸２１の下部は、ラック・ピニオン機構３４を介して、ラック軸を備えた車軸に操舵力を伝達するように構成される。ステアリング軸２１の上部に付設された操舵トルク検出部２０は、上記の磁歪式トルクセンサ１０を利用して構成されている。操舵トルク検出部２０は磁歪式トルクセンサ１０に対応し、また磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成されたステアリング軸２１の部分が上記回転軸１１に対応している。

ギヤボックス３１を形成するハウジング３１ａ内で、ステアリング軸２１は、２つの軸受け部３２，３３によって回転自在になるよう支持されている。ハウジング３１ａの内部にはラック・ピニオン機構３４と動力伝達機構３５が収納される。

ステアリング軸２１に対して操舵トルク検出部２０（磁歪式トルクセンサ１０）が付設されている。ステアリング軸２１には前述した磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成され、これらの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対応して励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂが支持枠体部１５Ａ，１５Ｂおよびヨーク部３６Ａ，３６Ｂに支持され、設けられている。

ハウジング３１ａの上部開口はリッド３７で塞がれている。ステアリング軸２１の下端部に設けられたピニオン３８は軸受け部３２，３３の間に位置している。ラック軸３９は、ラックガイド４０で案内され、かつ圧縮されたスプリング４１で付勢され、ピニオン３８側へ押し付けられている。動力伝達機構３５は、操舵力補助用モータ４２の出力軸に結合された伝動軸４３に固定されるウォームギヤ４４と、ステアリング軸２１に固定されたウォームホイール４５とによって形成される。上記操舵トルク検出部２０はリッド３７の円筒部３７ａの内部に取り付けられている。

操舵トルク検出部２０は、ステアリング軸２１に作用する操舵トルクを検出する。その検出値は、制御装置（図示しない）に入力され、モータ４２に適切な補助操舵トルクを発生させるための基準信号として使用される。操舵トルク検出部２０は、ステアリング軸２１に対してステアリングホイールからの操舵トルクが作用したとき、ステアリング軸２１に生じる捩れに応じた磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁気特性の変化を、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの各出力端子から誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの変化として電気的に検出する。

ステアリング軸２１に操舵トルクが作用したときステアリング軸２１に捩れが生じ、その結果、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに磁歪効果が生じる。操舵トルク検出部２０では、交流電源１６から励磁コイル１２に励磁用電流が常に供給されているので、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂでの磁歪効果に起因する磁界変化を検出コイル１３Ａ，１３Ｂによって誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの変化として検出する。操舵トルク検出部２０によれば、誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの変化に基づき、２つの誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの差を検出電圧値として出力する。従って操舵トルク検出部２０の出力電圧値（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）に基づいてステアリング軸２１に加えられた操舵トルクの方向と大きさを検出することができる。

図４についてさらに詳述する。図５は、前述のごとく、２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂを示す図である。図５において、横軸は、ステアリング軸２１に加えられた操舵トルクを意味し、正側（＋）が右回転に対応し、負側（−）が左回転に対応している。また図５の縦軸は電圧軸を意味する。

磁歪膜１４Ａ，１４Ｂについての上記磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂは同時に検出コイル１３Ａ，１３Ｂの検出出力特性を表している。すなわち、磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂを有する磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対して共通の励磁コイル１２により励磁用交流電流を供給し、この励磁用交流電流に感応して検出コイル１３Ａ，１３Ｂは誘導電圧を出力していることから、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの誘導電圧の変化特性は、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂに対応している。換言すれば、磁歪特性曲線５１Ａは検出コイル１３Ａから出力される誘導電圧Ｖ_Ａの変化特性を示し、他方、磁歪特性曲線５１Ｂは検出コイル１３Ｂから出力される誘導電圧Ｖ_Ｂの変化特性を示している。

磁歪特性曲線５１Ａによれば、検出コイル１３Ａから出力される誘導電圧Ｖ_Ａの値は、操舵トルクの値が負領域から正領域に変化しさらに操舵トルクの正の値Ｔ１に到るにつれて略線形特性にて増加し、操舵トルクが正の値Ｔ１となったときにピーク値となり、操舵トルクがＴ１よりさらに増加すると徐々に減少するという特性を有する。他方、磁歪特性曲線５１Ｂによれば、検出コイル１３Ｂから出力される誘導電圧Ｖ_Ｂの値は、操舵トルクの値が負の値−Ｔ１に到るまでは徐々に増加し、操舵トルクが負の値−Ｔ１のときにピーク値をとり、操舵トルクがさらに−Ｔ１よりも増加して負領域から正領域に変化すると略線形特性にて減少するという特性を有する。

図５に示すように、検出コイル１３Ａに関連する磁歪特性曲線５１Ａと検出コイル１３Ｂに関連する磁歪特性曲線５１Ｂは、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれで互いに逆方向となる磁気異方性を有することが反映して、両磁歪特性曲線が交わる点を含む縦軸に関して略線対称との関係になっている。

図５において示された線５２は、磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂの共通領域であって略線形特性を有する領域において、検出コイル１３Ａの出力電圧として得られる磁歪特性曲線５１Ａの各値から、検出コイル１３Ｂの出力電圧として得られる磁歪特性曲線５１Ｂの対応する各値を差し引いた値に基づいて作成されるグラフを示す。操舵トルクがゼロのときに、各検出コイル１３Ａ，１３Ｂから出力される誘導電圧は等しいので、その差の値はゼロとなる。操舵トルク検出部２０では、上記の磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂにおける操舵トルクの中立点（ゼロ点）付近の略一定勾配とみなされる領域を使用することで、上記線５２を略直線特性を有するものとして形成している。なお線５２の特性グラフに関しては、図４の縦軸は差電圧の値を示す軸を意味している。特性グラフである直線５２は、原点（０，０）を通る直線であって、縦軸および横軸の正側・負側に存在する。操舵トルク検出部２０の検出出力値は前述のごとく検出コイル１３Ａ，１３Ｂから出力される誘導電圧の差（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）として得られることから、上記直線５２を利用することに基づいて、ステアリング軸２１に加えられた操舵トルクの方向と大きさを検出することができる。

上記のごとく、操舵トルク検出部２０の出力値に基づき、ステアリング軸２１（回転軸１１）に入力された操舵トルクに関してその回転方向と大きさに対応した検出信号を取り出すことが可能となる。すなわち、操舵トルク検出部２０から出力される検出値によって、ステアリング軸２１に作用した操舵トルクの回転方向と大きさを知ることができる。

換言すれば、操舵トルク検出部２０の検出値は、操舵トルクに応じて直線５２上のいずれかの点として出力される。当該検出値が、横軸で正側に位置するときには操舵トルクは右回転と判断され、横軸で負側に位置するときには操舵トルクは左回転と判断される。また上記検出値の縦軸上での絶対値が操舵トルクの大きさとなる。このようにして、操舵トルク検出部２０によって、直線５２の特性を利用することにより、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの出力電圧値を基礎に操舵トルクを検出することが可能となる。また、上述の磁歪式トルクセンサを用いることによって、安定な電動パワーステアリング装置を作製することができる。

次に、図６〜図１１を参照して、前述した磁歪式トルクセンサ１０の製造方法を説明する。図６に示した磁歪式トルクセンサ１０の製造方法の主要部は、磁歪式トルクセンサ１０の回転軸１１の製造工程である。

図６において、回転軸１１の製造プロセスは、大きく分けると、磁歪膜形成工程Ｐ１と磁気異方性付加工程Ｐ２と特性安定化工程Ｐ３と検査工程Ｐ４から構成されている。特性安定化工程Ｐ３はアニール工程Ｐ３１から成る。また検査工程Ｐ４は、製造された回転軸の品質を検査する工程である。なお磁歪式トルクセンサ１０として完成するためには、検査工程Ｐ４の後に、回転軸１１に対して励磁コイル１２や検出コイル１３Ａ，１３Ｂ等の検出器を付設する検出器付設工程が設けられている。

最初に、磁歪膜形成工程Ｐ１が実行される。この磁歪膜形成工程Ｐ１では、電解めっき処理により回転軸１１の小径部１１ｅ，１１ｆの周囲面に磁歪材めっき部が磁歪膜の基礎となる部分として形成される。

磁歪膜形成工程Ｐ１では、まず、前述した大径部１１ｂ〜１１ｄと小径部１１ｅ，１１ｆの形状を有するように形成された回転軸１１を洗浄する等の前処理が行われる（ステップＳ１１）。その後に電解めっきが行われる（ステップＳ１２）。この電解めっき工程では、回転軸１１の上下箇所の小径部１１ｅ，１１ｆで磁歪材が所定の膜厚になるように施される。上下の磁歪材めっき部は、後述する後処理によって磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａ，１４Ｂになる部分である。その後、乾燥が行われる（ステップＳ１３）。

上記の磁歪膜形成工程Ｐ１では、回転軸１１の所定箇所の表面に前述した磁歪膜１４Ａ，１４Ｂを形成するために電解めっき処理法を用いた。しかしながら、回転軸１１における磁歪膜１４Ａ，１４Ｂを形成する基礎部分は、電解めっき法以外の方法、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法、プラズマ溶射法などの方法によって形成することもできる。

次に、磁気異方性付加工程Ｐ２が実行される。この磁気異方性付加工程Ｐ２は、回転軸１１に形成された上下２箇所の小径部１１ｅ，１１ｆの磁歪材めっき部に対して磁気異方性を付加し前述の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂを形成する工程である。磁気異方性付加工程Ｐ２は、上側の磁歪材めっき部に対して高周波加熱を行うステップＳ２１と、下側の磁歪材めっき部に対して高周波加熱を行うステップＳ２２とを有している。

図７は、磁気異方性付加工程Ｐ２の各ステップＳ２１，Ｓ２２で実施される処理工程のフローチャートを示す。

磁気異方性付加工程Ｐ２の上側磁歪材めっき部を高周波加熱するステップＳ２１は、図７に示すごとく、最初に実行される、トルク印加装置により回転軸１１に所定の捩りトルクを印加するステップＳ２０１、次に所定の捩りトルクを印加した状態の回転軸１１の上側磁歪材めっき部に対して所定時間だけ高周波を供給し電磁誘導により加熱処理を行う熱処理ステップＳ２０２、次に加熱した回転軸１１を自然に冷却するステップＳ２０３、最後に捩りトルクを解放することによって上側磁歪材めっき部に磁気異方性を付加して上記磁歪膜１４Ａを形成するトルク解放ステップＳ２０４から構成されている。

上記の熱処理ステップＳ２０２では、回転軸１１の上側磁歪材めっき部に一巻きコイル部からなる誘導加熱コイルを配置し、この誘導加熱コイルに高周波電源から所定の高周波を供給して上側磁歪材めっき部のみを高周波加熱する。

このときの、回転軸１１と誘導加熱コイルとの位置関係を図８の断面図で示す。図８で符号ＲＣは一巻コイル部を有する誘導加熱コイルを示す。回転軸１１は、２箇所の小径部１１ｅ，１１ｆと、小径部１１ｅ，１１ｆの各々の軸方向両側に位置する大径部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとを有する。２箇所の小径部１１ｅ，１１ｆの表面のそれぞれに磁歪材めっき部、すなわち磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成されている。ここでは、磁歪材めっき部を磁歪膜１４Ａ，１４Ｂとして説明する。

誘導加熱コイルＲＣによって磁歪膜１４Ａを加熱する時、磁歪膜１４Ａの上側の大径部１１ｂと誘導加熱コイルＲＣの対応部分との距離と、その下側の大径部１１ｃと誘導加熱コイルＲＣの対応部分との距離は、共にＤ１０で等しくなるように設定されている。それ故に、誘導加熱コイルＲＣの高周波加熱により磁歪膜１４Ａを加熱処理する際、磁歪膜１４Ａの上側端部の近傍の大径部１１ｂの部分の加熱状態と、下側端部の近傍の大径部１１ｃの部分の加熱状態が等しくなる。それにより、磁歪膜１４Ａでの軸方向における温度分布が均一になり、均一な磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａを作ることができ、検出感度にバラツキの極めて小さい磁歪式トルクセンサを得ることができる。

また磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成される小径部１１ｅ，１１ｆの軸方向の長さ（幅）は、誘導加熱コイルＲＣの内周面に凹部を形成する部分ＲＣ１の幅と同程度である。このため、誘導加熱コイルＲＣを用いて高周波加熱を行って１つの磁歪膜を加熱処理する際、磁歪膜をほぼ均一の温度分布で加熱することができ、均一な磁気異方性を有する磁歪膜を作ることができ、検出感度にバラツキの少ない磁歪式トルクセンサを得ることができる。

上記のステップＳ２０１〜Ｓ２０４により、回転軸１１の上側磁歪材めっき部は磁気異方性が付加され、これにより磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａが形成される。

回転軸１１の下側磁歪材めっき部に対する高周波加熱ステップＳ２２においても同様に上記のステップＳ２０１〜Ｓ２０４が実行され、下側磁歪材めっき部に対して上記と同様な磁気異方性が付加され、これにより磁気異方性を有する磁歪膜１４Ｂが形成される。この場合には、下側磁歪材めっき部に磁気異方性を付加するときに、磁歪膜１４Ｂの磁気異方性とは逆向きになるように、回転軸１１に与えるトルクの印加方向を逆向きにする。

さらに図９と図１０を参照して、磁記異方性付加工程Ｐ２で磁歪材めっき部に磁気異方性を付加し磁歪膜１４Ａを形成するメカニズムについて原理的な観点で詳述する。

図９では、縦方向に示された回転軸１１の径方向の温度分布（１）と歪み分布（２）について、横方向に（ａ）トルク印加状態、（ｂ）誘導加熱状態、（ｃ）めっき部歪み解放状態、（ｄ）トルク解放状態の４つの状態が示されている。トルク印加状態（ａ）は図６に示したステップＳ２０１に対応し、誘導加熱状態（ｂ）は同図のステップＳ２０２に対応し、めっき部歪み解放状態（ｃ）は同図のステップＳ２０３に対応し、トルク解放状態（ｄ）は同図のステップＳ２０４に対応している。図９の（１）で軸６１は温度を表す軸を示し、（２）で軸６２は歪みを表す軸を示す。

図９の（ａ）では、捩りトルクＴｑを回転軸１１に作用させ、回転軸１１の円周表面に応力を与える。これにより捩りトルクＴｑが作用する。この場合、回転軸１１の径方向の歪み分布は、回転軸１１の中心に位置する軸心１１ａから周縁方向に向かって増加した分布ＳＴ１となる。ただし、分布ＳＴ１では、歪みの分布方向も含めて考えると、軸心１１ａの右側と左側では反対になるので、右側の歪み分布は正側（＋）に示され、左側の歪み分布は負側（−）に示されている。さらに、図９（ａ）で回転軸１１の径方向の温度分布は、破線で示すごとくなり、回転軸１１の軸心１１ａから周縁方向まで室温であって一定の分布Ｔ１となる。この室温は回転軸１１の温度の基準温度になる。

図９の（ｂ）では、回転軸１１に捩りトルクＴｑを作用させたまま、磁歪材めっき部の周囲を誘導加熱コイルで囲み、この誘導加熱コイルに対して高周波電流を流し、磁歪材めっき部を加熱処理する。図９の（ｂ）で、回転軸１１の径方向の歪み分布は、図９（ａ）の場合と同じである。また回転軸１１の径方向の温度分布は、回転軸１１の外周縁部に近いところから当該外周縁に向かって急激に増加する分布Ｔ２となる。

図９の（ｃ）では、冷却が行われ、その結果、磁歪材めっき部にクリープが生じ、磁歪材めっき部での歪みがゼロとなる。このときの回転軸１１の径方向の歪み分布は符号ＳＴ２で示される。図９（ｃ）の状態を示すステップは、加熱処理後、自然に冷却させるステップＳ２０３である。回転軸１１の径方向の温度分布Ｔ２の形状については実質的には変化がなく、冷却過程の推移と共に全体に温度は低下する。

図９の（ｄ）では、冷却後、回転軸１１に印加されていた捩りトルクＴｑを解除し、トルク解放を行う。これにより、歪み分布ＳＴ３に示されるごとく、回転軸１１内での径方向での歪み分布はゼロとなる。他方、反対に、歪み分布ＳＴ３に示されるごとく、磁歪材めっき部においてのみ歪み分布が生じる。この結果、当該歪み分布ＳＴ３によって磁歪材めっき部に磁気異方性を付加することができ、これにより磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａを形成することができる。なお、図９（ｄ）で温度分布は、Ｔ３に示すごとく全体になだらかに分布するように低減する。

なお磁歪膜１４Ｂを作る場合には、磁歪膜１４Ａに比較して逆向きの磁気異方性を付加するため、上記の捩りトルクＴｑとは逆方向の時計回りの捩りトルクを与えて前述のプロセスを実行する。

図１０では、回転軸１１の上下２箇所に設けられる磁歪材めっき部のインピーダンス特性Ｚ_０と、磁歪材めっき部に磁気異方性を付加して形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのインピーダンス特性Ｚ_Ａ，Ｚ_Ｂを示す。図１０において、横軸はトルク（Ｎｍ）を意味し、縦軸はインピーダンス（Ω）を意味している。磁気異方性が付加される前の段階の磁歪材めっき部のインピーダンス特性Ｚ_０は、磁気異方性が付加されることにより、磁歪膜１４Ａの場合にはインピーダンス特性Ｚ_Ａに、または磁歪膜１４Ｂの場合にはインピーダンス特性Ｚ_Ｂに変化する。磁歪膜１４Ａはインピーダンス特性Ｚ_Ａを有するため、磁歪膜１４Ａに対応する検出コイル１３Ａは前述した磁歪特性曲線５１Ａを有することになる。また磁歪膜１４ＢはインピーダンスＺ_Ｂを有するため、磁歪膜１４Ｂに対応する検出コイル１３Ｂは前述した磁歪特性曲線５１Ｂを有することになる。

なお図１０において、範囲７３は、インピーダンス特性Ｚ_Ａ，Ｚ_Ｂの重複部分として略線形の変化特性が得られる範囲である。この範囲７３が磁歪式トルクセンサ１０のセンサ使用範囲として利用される。

図１１は、前述した回転軸１００での磁歪材めっき部に磁気異方性を付加して形成された磁歪膜１０４のインピーダンス特性Ｚ_１０４と、本実施形態に係る回転軸１１で作られた磁歪膜１４Ａのインピーダンス特性Ｚ_Ａとを示す。図１１によって、明らかに、本実施形態に係る回転軸１１での磁歪膜１４Ａの磁歪特性が向上していることが分かる。

再び図６に戻る。前述した磁気異方性付加工程Ｐ２の後に特性安定化工程Ｐ３が行われる。特性安定化工程Ｐ３では、アニール工程Ｐ３１が行われる。アニール工程Ｐ３１では、例えば操舵トルク検出部２０が使用される状況での使用温度以上の温度で所定時間加熱処理を行う。

アニール工程Ｐ３２の後には、抜取り検査の形式で実行される検査工程Ｐ４が行われる。

その後に、励磁コイル等の検出器を配置する検出器付設工程（図示せず）を設け、回転軸１１の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの周囲に磁歪特性の変化を検出する検出手段を配置する。以上の工程により、磁歪式トルクセンサ１０が完成する。

以上のように本発明によれば、磁歪膜を加熱する工程において、磁歪膜内の温度分布が均一になり、均一な磁気異方性を有する磁歪膜を作製することができ、検出感度にバラツキの少ない磁歪式トルクセンサを得ることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、電動パワーステアリング装置などで操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサとして利用される。

本発明に係る磁歪式トルクセンサの実施形態を示す一部断面側面図である。 本実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本的構成を概念的に示す側面図である。 本実施形態に係る磁歪式トルクセンサの回転軸の特徴的形状を示す部分側面図である。 本実施形態に係る磁歪式トルクセンサを操舵トルク検出部として電動パワーステアリング装置のステアリング軸に組み込んだ具体的構造の要部縦断面図である。 本実施形態に係る磁歪式トルクセンサにおける各検出コイルに関する磁歪特性曲線とセンサ検出特性を示すグラフである。 本発明に係る磁歪式トルクセンサを製造する方法であり、回転軸の製造プロセスを示す工程図である。 磁気異方性付加工程のフローチャートである。 磁気異方性付加工程での回転軸と誘導加熱コイルとのそれぞれの形状に基づく位置関係を示す縦断面図である。 磁気異方性付加工程の各ステップ（ａ）〜（ｄ）での回転軸における径方向の温度分布（１）と歪み分布（２）を示す図である。 本実施形態に係る磁歪式トルクセンサでの磁歪材めっき部形成直後の磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性と磁気異方性付加後の磁歪膜を用いた磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性を示す図である。 本実施形態に係る磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性について従来のものとの比較を示すグラフである。 磁気異方性付加工程での回転軸と誘導加熱コイルとの関係に関して問題点を説明する縦断面図である。 上記問題点を説明するための磁歪膜の加熱時の温度分布を示すグラフである。 上記問題点を説明するための磁歪膜の加熱温度に対する磁歪式トルクセンサの感度特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 磁歪式トルクセンサ
１１ 回転軸
１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 大径部
１１ｅ，１１ｆ 小径部
１２ 励磁コイル
１３Ａ，１３Ｂ 検出コイル
１４Ａ，１４Ｂ 磁歪膜
２０ 操舵トルク検出部
２１ ステアリング軸
３１ ギヤボックス
３４ ラック・ピニオン機構
３５ 動力伝達機構
４２ モータ
５１Ａ，５１Ｂ 磁歪特性曲線（インピーダンス特性曲線）
Ｐ１ 磁性膜形成工程
Ｐ２ 磁気異方性付加工程
Ｐ３ 特性安定化工程

Claims (2)

1. 少なくとも１つの磁歪膜が形成された回転軸を有する磁歪式トルクセンサであって、
   前記回転軸は小径部とこの小径部の両端部側に位置する大径部とを有し、
   前記小径部の軸方向の長さは、前記回転軸に既に形成された前記少なくとも１つの磁歪膜に磁気異方性を付与する高周波加熱工程で用いられる誘導加熱コイルの内周面に凹部を形成する部分の幅と同程度に決定され、
   前記小径部に前記１つの磁歪膜が形成され、
   前記小径部の両端部側に位置する前記２つの大径部の径は等しく、
   前記２つの大径部のそれぞれと前記誘導加熱コイルの対応部との距離が等しいことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. ステアリング系に補助トルクを付加するモータと、前記ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、少なくとも前記操舵トルクセンサからの操舵トルク信号に基づいて前記モータを駆動制御する制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵トルクセンサを請求項１に記載の磁歪式トルクセンサとしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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