JP2004333449A - 磁歪式トルクセンサの製造方法、および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 - Google Patents
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Abstract
【課題】自動車のエンジンルームのように高温度の雰囲気に長時間晒されても検出出力の特性が変わることなく、電動パワーステアリングの操舵フィーリングを良好に保つことが可能な磁歪式トルクセンサの製造方法およびこの製造方法で製造された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。
【解決手段】本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法では、捩りトルクＴｑを解放することによって磁歪膜２０ｕ，２０ｄに磁気異方性を設けた後、ステアリング軸１２ｂを再度加熱処理するため、使用時には高温度の雰囲気に晒されることによるクリープをすることなく、検出出力の変化がなくなり、安定して操舵トルクを検出する。上記磁歪式トルクセンサを、電動パワーステアリング装置１０に搭載したので、エンジンルーム内の高温度の雰囲気に長時間晒されても、操舵トルクセンサの感度が変わらず、操舵フィーリングを良好に保つことが可能である。
【選択図】 図５
【解決手段】本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法では、捩りトルクＴｑを解放することによって磁歪膜２０ｕ，２０ｄに磁気異方性を設けた後、ステアリング軸１２ｂを再度加熱処理するため、使用時には高温度の雰囲気に晒されることによるクリープをすることなく、検出出力の変化がなくなり、安定して操舵トルクを検出する。上記磁歪式トルクセンサを、電動パワーステアリング装置１０に搭載したので、エンジンルーム内の高温度の雰囲気に長時間晒されても、操舵トルクセンサの感度が変わらず、操舵フィーリングを良好に保つことが可能である。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の電動パワーステアリングの操舵トルクを検出するのに最適な磁歪式トルクセンサの製造方法および、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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動パワーステアリング装置は、自動車を運転中、運転者がステアリングホイール（操舵ハンドル）を操作するとき、モータを連動させて操舵力を補助する支援装置である。電動パワーステアリング装置では、運転者のハンドル操舵によりステアリング軸に生じる操舵トルクを検出する操舵トルク検出部からの操舵トルク信号、および車速を検出する車速検出部からの車速信号を利用し、モータ制御部（駆動制御回路）の制御動作に基づいて、補助操舵力を出力する支援用のモータをＰＷＭ駆動し、運転者の操舵力を軽減している。
【０００３】
例えば、操舵トルクをＴＨ、アシスト量ＡＨの係数を一定のｋＡとすると、ＡＨ＝ｋＡ×ＴＨであるから、負荷であるピニオントルクをＴＰとすると、ＴＰ＝ＴＨ＋ＡＨからＴＨ＝ＴＰ／（１＋ｋＡ）となる。したがって操舵トルクＴＨは、ピニオントルクＴＰの１／（１＋ｋＡ）、（ｋＡ≧０）となり軽減される。このような電動パワーステアリング装置における操舵トルク検出部として、ピニオンの入出力軸間に設けたトーションバーの捻れを利用するトーションバー式の他、磁歪式トルクセンサが知られている。
【０００４】
磁歪式トルクセンサの一例としては、例えば、ステアリングホイールに連結されたステアリング軸の表面に、Ｎｉ−Ｆｅメッキの磁歪膜を上下２箇所でそれぞれ逆方向の磁気異方性となるように軸方向所定幅で設け、磁歪膜に操舵トルクが作用したとき、磁気異方性に基づいて発生する逆磁歪特性を、磁歪膜の周囲に配設されたコイルの交流抵抗等を利用して、ステアリング軸にかかるトルクを検出するものがある。
【０００５】
図１１は、磁歪式トルクセンサ１００の模式図である。磁歪式トルクセンサ１００はステアリング軸１０１の周囲に形成された磁歪膜１０２とその磁歪膜１０２の下方に間隔を設けて形成された磁歪膜１０３と、磁歪膜１０２，１０３の近傍に微小の空隙を介して配置された励磁コイル１０４と、磁歪膜１０２に対応して設けられる検出コイル１０６と、磁歪膜１０３に対応して設けられる検出コイル１０７とから構成される。励磁コイル１０４には、励磁電圧供給源１０５が接続される。
【０００６】
図１１で示した磁歪式トルクセンサ１００において、ステアリング軸１０１にトルクが作用したとき、磁歪膜１０２，１０３にもトルクが作用する。このトルクに応じて磁歪膜１０２，１０３に磁歪効果が生じる。そこで、励磁電圧供給源１０５から励磁コイル１０４に高周波の交流電圧（励磁電圧）を供給し、トルクに応じた磁歪膜１０２，１０３の磁歪効果による磁界の変化を検出コイル１０６，１０７によりインピーダンスまたは誘導電圧の変化として検出する。このインピーダンスまたは誘導電圧の変化に基づいてステアリング軸１０１に加えられたトルクを検出することができる。
【０００７】
図１２は磁歪特性を示す図である。横軸はステアリング軸１０１に加えられた操舵トルク、縦軸は励磁コイル１０４に交流電圧を印加したときに検出コイル１０６，１０７によって検出されるインピーダンスまたは誘導電圧を示している。曲線Ｃ１１０は、検出コイル１０６によって検出されるインピーダンスまたは誘導電圧の変化を示し、曲線Ｃ１１１は、検出コイル１０７によって検出されるインピーダンスまたは誘導電圧の変化を示している。
【０００８】
検出コイル１０６による検出値は、操舵トルクが負から正になるにつれてインピーダンスまたは誘導電圧が増加し、操舵トルクが正の値Ｔ１となったときにインピーダンスまたは誘導電圧がピーク値となり、操舵トルクがＴ１以上では減少する。また、検出コイル１０７による検出値は、操舵トルクが負の値−Ｔ１のときにインピーダンスまたは誘導電圧がピーク値をとり、操舵トルクの絶対値が増加すると減少する。
【０００９】
図１２に示すように、検出コイル１０６で得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性と検出コイル１０７で得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性はほぼ凸形状を示す。また、検出コイル１０６で得られる操舵トルク−インピーダンス特性（曲線Ｃ１１０）と検出コイル１０７で得られる操舵トルク−インピーダンス特性（曲線Ｃ１１１）は、磁歪膜の上下２箇所でそれぞれ逆方向となる磁気異方性であることを反映して、それぞれの特性曲線が交わる点を通る縦軸に対してほぼ対称的になる。
【００１０】
直線Ｌ１０は、検出コイル１０６により検出された特性曲線Ｃ１１０から検出コイル１０７により検出された特性曲線Ｃ１１１を引いた値を示すものであり、操舵トルクがゼロのときにその値はゼロとなる。磁歪式トルクセンサ１００はトルク中立点付近のほぼ一定勾配とみなされる領域を使用することで、入力トルクの方向と大きさに対応した検出信号を出力する。また、直線Ｌ１０の特性を利用することで、検出コイル１０６，１０７の値から操舵トルクを検出することができる。
【００１１】
従来の磁歪式トルクセンサでは、図１３に示すように、その磁歪膜１０２，１０３の異方性を与える方法として、ステアリング軸１０１に磁歪膜１０２をメッキ処理し（図１３（ａ）参照）、メッキ処理後に、捩りトルクＴｑ（ステアリング軸１０１の上部を反時計方向へ、下部を時計方向へ加える）を作用させてステアリング軸の円周表面に応力を付与し（図１３（ｂ）参照）、捩りトルクＴｑを作用させたまま恒温槽で加熱処理し（図１３（ｃ）参照）、冷却後に（図１３（ｄ）参照）捩りトルクＴｑを取り除き（図１３（ｅ）参照）、センサ出力の設定を行い、製造していた（特許文献１を参照）。
【００１２】
図１３中、ステアリング軸１０１の図の横に描かれた円形や楕円形は磁歪膜１０２での異方性歪モデルを示し、矢印はそれぞれ応力を示す。図１３（ｂ）では捩りトルクＴｑにより、楕円形の異方性歪モデルとなっている。図１３（ｃ）では、加熱によってクリープが生じ、異方性歪モデルが円に近い楕円形となっている。図１３（ｄ）では、冷却後もクリープが生じた後の異方性歪モデルの形を保っていることを示している。図１３（ｅ）では、捩りトルクＴｑを取り除くことで、磁歪膜１０２に対して捩りトルクＴｑと逆方向に捩りトルクが加わった状態を示している。
【００１３】
ここで、従来の磁歪式トルクセンサでは、磁歪膜１０２を４０μｍの厚さでメッキ処理し、ステアリング軸１０１に対して捩りトルクＴｑを７０Ｎ・ｍ作用させ、捩りトルクＴｑを付与したまま１５０〜５５０℃にて１０分から２０時間加熱処理していた。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−８２０００公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような製造方法によって製造された磁歪式トルクセンサは、例えば、８０〜１００℃程度の高温になる自動車のエンジンルームに長時間晒されると、磁歪式トルクセンサのトルクゼロ点と感度が変化するという課題があった。図１４は、従来の磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造された磁歪式トルクセンサの高温耐久特性を示す図である。特性曲線Ｃ１２０は使用初期時に検出コイル１０６により検出された値であり、特性曲線Ｃ１２１は使用初期時に検出コイル１０７により検出された値である。特性曲線Ｃ１３０は高温放置後に検出コイル１０６により検出された値であり、特性曲線Ｃ１３１は高温放置後に検出コイル１０７により検出された値である。
【００１６】
高温放置後（例えば、１万回使用した後）の特性曲線Ｃ１３０，Ｃ１３１は、使用初期時の特性曲線Ｃ１２０，Ｃ１２１と比べインピーダンスのピーク値が上方へ、入力トルクのピーク値がトルク中立点方向へ変化している。例えば、使用初期時の特性曲線Ｃ１２０と高温放置後の特性曲線Ｃ１３０を比べると、インピーダンスのピーク値が２６．６Ωから２６．９Ωへ、入力トルクのピーク値が４５．１Ｎ・ｍから４２．８Ｎ・ｍへ変化している。これは、メッキがクリープ（歪みが抜ける）することによって起こる現象であり、温度が下がってもクリープ後の特性を保つため、使用初期時（設定時）の特性には戻らない。
【００１７】
上記変化により、ゼロ点Ｚ２００がゼロ点Ｚ２１０に変化してしまう。ゼロ点が変化してしまうと、例えば、検出コイル１０６，１０７の検出値の加算値が所定範囲内にあるか否かによって、センサの故障判定を行うときに、所定範囲を超えてしまい、故障判定を行うことができなくなる。
【００１８】
また、トルク値は検出コイル１０６により検出される特性曲線と検出コイル１０７により検出される特性曲線との差に基づいて決定されるのであるが、この差の傾きが上記変化に伴い変化するため、トルクセンサの感度も変化してしまう。ここで、トルクセンサの感度は、トルクセンサ製造時にトルクに対する制御量が最適になるように設定するので、設定した感度から変化することによって、操舵に違和感が生じることがある。また、トルクセンサの製作時に中点ズレが生じた場合には、さらにゼロ点および感度の変化が大きくなってしまう。
【００１９】
本発明の目的は、上記の問題を解決することにあり、自動車のエンジンルームのように高温度の雰囲気に長時間晒されても検出出力の特性が変わることなく、電動パワーステアリングの操舵フィーリングを良好に保つことが可能な磁歪式トルクセンサの製造方法およびこの製造方法で製造された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。
【００２０】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法、および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は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００２１】
第１の磁歪式トルクセンサの製造方法（請求項１に対応）は、回転軸に磁歪膜を付与する工程と、回転軸に所定の捩りトルクを加えた状態で熱処理を行う工程と、捩りトルクを解放することによって磁歪膜に磁気異方性を設ける工程と、回転軸を再度加熱処理する工程と、磁歪膜周囲に磁歪特性の変化を検出する多重巻きコイルを配置する工程とから成ることを特徴とする。捩りトルク解放後に再度加熱処理をするので、使用時には高温度の雰囲気に晒されることによるクリープをすることなく、検出出力の変化がなくなり、安定してトルクを検出する。また、検出出力の変化がないので、検出出力の加算値が所定範囲内にあるか否かによって、センサの故障判定を行う場合、確実な故障判定を行うことが可能となる。
【００２２】
第２の磁歪式トルクセンサの製造方法（請求項２に対応）は、再度加熱処理工程の温度を磁歪式トルクセンサが実際に使用される状況での使用温度以上としたことを特徴とする。実際に使用される状況であるエンジンルーム内の使用温度（環境温度）以上で、予めクリープさせた後に、センサ出力の設定を行うため、エンジンルーム内のような高温度の雰囲気に長時間晒されても、検出出力の特性が変わらない磁歪式トルクセンサを製造することが可能である。
【００２３】
第１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（請求項３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回転軸に磁歪膜を付与し、回転軸に捩りトルクを加えた状態で熱処理を行い、捩りトルクを解放することによって磁歪膜に磁気異方性を設け、その後磁歪式トルクセンサが実際に使用される状況での使用温度以上で再度加熱処理した磁歪式トルクセンサとしたことを特徴とする。高温度の雰囲気に晒されても検出出力の特性がかわらない磁歪式トルクセンサを搭載したので、エンジンルーム内の高温度の雰囲気に長時間晒されても、操舵トルクセンサの感度が変わらず、操舵フィーリングを良好に保つことが可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図である。電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングホイール１１に連結されるステアリング軸１２ａに対して補助用の操舵力（操舵トルク）を与えるように構成されている。ステアリング軸１２ａはステアリング軸１２ｂと自在軸継手１２ｃを介して連結されており、ステアリング軸１２ａの上端はステアリングホイール１１に連結され、ステアリング軸１２ｂの下端にはピニオンギヤ１３が取り付けられている。ピニオンギヤ１３に対して、これに噛み合うラックギヤ１４ａを設けたラック軸１４が配置されている。ピニオンギヤ１３とラックギヤ１４ａによってラック・ピニオン機構１５が形成される。ラック軸１４の両端にはタイロッド１６が設けられ、各タイロッド１６の外側端には前輪１７が取り付けられる。
【００２６】
ステアリング軸１２ｂに対し動力伝達機構１８を介してモータ１９が設けられている。動力伝達機構１８は、ウォームギヤ１８ａとウォームホイール１８ｂによって形成されている。モータ１９は、操舵トルクを補助する回転力（トルク）を出力し、この回転力を、動力伝達機構１８を経由して、ステアリング軸１２ｂ，１２ａに与える。
【００２７】
ステアリング軸１２ｂには操舵トルク検出部（操舵トルクセンサ）２０が設けられている。操舵トルク検出部２０は、運転者がステアリングホイール１１を操作することによって生じる操舵トルクをステアリング軸１２ａ，１２ｂに加えたとき、ステアリング軸１２ａ，ｂに加わった当該操舵トルクを検出する。２１は車両の車速を検出する車速検出部であり、２２はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置２２は、操舵トルク検出部２０から出力される操舵トルク信号Ｔと車速検出部２１から出力される車速信号Ｖを取り入れ、操舵トルクに係る情報を車速に係る情報に基づいて、モータ１９の回転動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。上記のラック・ピニオン機構１５等は図１中で図示しないギヤボックス２４（図２、図３参照）に収納されている。
【００２８】
電動パワーステアリング装置１０は、通常のステアリング系の装置構成に対し、操舵トルク検出部２０、車速検出部２１、制御装置２２、モータ１９、動力伝達機構１８を付加することによって構成されている。
【００２９】
運転者がステアリングホイール１１を操作して自動車の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリング軸１２ａ，１２ｂに加えられた操舵トルクに基づく回転力はラック・ピニオン機構１５を介してラック軸１４の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド１６を介して前輪１７の走行方向を変化させようとする。このときにおいて、同時に、ステアリング軸１２ｂに付設された操舵トルク検出部２０は、ステアリングホイール１１での運転者による操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置２２へ出力する。また、車速検出部２１は、車両の車速を検出して車速信号Ｖに変換し、この車速信号Ｖを制御装置２２へ出力する。
【００３０】
制御装置２２は、操舵トルク信号Ｔ、車速信号Ｖに基づいてモータ１９を駆動するためのモータ電流を発生する。モータ電流によって駆動されるモータ１９は、動力伝達機構１８を介して補助操舵力をステアリング軸１２ｂ，１２ａに作用させる。以上のごとくモータ１９を駆動することにより、ステアリングホイール１１に加えられる運転者による操舵力が軽減される。
【００３１】
図２は、電動パワーステアリング装置１０の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す。ラック軸１４の左端部および右端部の一部は断面で示されている。ラック軸１４は、車幅方向（図２中左右方向）に配置される筒状ハウジング３１の内部に軸方向へスライド可能に収容されている。ハウジング３１から突出したラック軸１４の両端にはボールジョイント３２がネジ結合され、これらのボールジョイント３２に左右のタイロッド１６が連結されている。ハウジング３１は、図示しない車体に取り付けるためのブラケット３３を備えると共に、両端部にストッパ３４を備えている。
【００３２】
３５はイグニションスイッチ、３６は車載バッテリ、３７は車両エンジンに付設された交流発電機（ＡＣＧ）である。交流発電機３７は車両エンジンの動作で発電を開始する。制御装置２２に対してバッテリ３６または交流発電機３７から必要な電力が供給される。制御装置２２はモータ１９に付設されている。また３８はラック軸の移動時にストッパ３４に当たるラックエンドであり、３９はギヤボックスの内部を水、泥、埃等から保護するためのダストシール用ブーツである。
【００３３】
図３は図２中のＡ−Ａ線断面図である。図３では、ステアリング軸１２ｂの支持構造、操舵トルク検出部２０、動力伝達機構１８、ラック・ピニオン機構１５の具体的構成が明示される。
【００３４】
ギヤボックス２４を形成するハウジング２４ａにおいてステアリング軸１２ｂは２つの軸受け部４１，４２によって回転自在に支持されている。ハウジング２４ａの内部にはラック・ピニオン機構１５と動力伝達機構１８が収納され、さらに上部には操舵トルク検出部２０が付設されている。ステアリング軸１２ｂには磁歪膜２０ｕ，２０ｄが形成され、これらに対応してコイル２０ｒ，２０ｓ，２０ｒ’，２０ｓ’がヨーク部２０ｙに囲まれて設けられている。
【００３５】
ハウジング２４ａの上部開口はリッド４３で塞がれ、リッド４３はボルトで固定されている。ステアリング軸１２ｂの下端部に設けられたピニオン１３は軸受け部４１，４２の間に位置している。ラック軸１４は、ラックガイド４５で案内され、かつ圧縮されたスプリング４６で付勢されピニオン１３側へ押さえ付けられている。動力伝達機構１８は、モータ１９の出力軸に結合される伝動軸４８に固定されたウォームギヤ１８ａとステアリング軸１２ｂに固定されたウォームホイール１８ｂとによって形成される。操舵トルク検出部２０はリッド４３に取り付けられている。
【００３６】
操舵トルク検出部２０は、図３に示されるように鉄材等の強磁性材からなるステアリング軸（シャフト）１２ｂの周囲２箇所に設けられた磁歪膜２０ｕ，２０ｄと、磁歪膜２０ｕ，２０ｄを励磁する励磁コイル２０ｒ，２０ｒ’と、磁歪膜２０ｕ，２０ｄの磁歪特性の変化を検出する検出コイル２０ｓ，２０ｓ’とから構成されている。
【００３７】
また、励磁コイル２０ｒ，２０ｒ’および検出コイル２０ｓ，２０ｓ’の外周にはヨーク部２０ｙが設けられている。操舵トルク検出部２０は、ステアリング・ギヤボックス２４内に設けられており、ステアリング軸１２ｂに作用する操舵トルクを検出し、その検出値は制御装置２２へ入力されて、モータ１９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供給される。
【００３８】
ここで用いられる操舵トルク検出部２０は、磁歪式トルクセンサであり、図３に示すように、ステアリング軸１２ｂの表面に例えばＮｉ−Ｆｅメッキで磁気異方性を有する磁歪膜を、上下２箇所（２０ｕおよび２０ｄ）にそれぞれ逆方向の異方性となるように軸方向所定幅で設け、磁歪膜２０ｕ，２０ｄに操舵トルクが作用したときに発生する逆磁歪特性を、磁歪膜２０ｕ，２０ｄの周囲に配設したコイル２０ｓ，２０ｓ’の交流抵抗等を利用して検知するものである。操舵トルク検出部２０は操舵トルクを検出するため、ステアリング軸１２ｂの上記位置に設けられるものであり、この位置はエンジンルーム内であるので、エンジン作動中には高温度の雰囲気となっている。
【００３９】
電動パワーステアリング装置１０の制御装置２２は、操舵トルク検出部２０からの操舵トルク信号Ｔ、および車速検出部２１からの車速信号Ｖを利用し、補助操舵力を出力する支援用のモータ１９をＰＷＭ駆動し、運転者の操舵力を軽減している。操舵トルク検出部２０からの操舵トルク信号Ｔが変動すると、操舵トルク信号Ｔに基づいて駆動されるモータ１９も変動し、操舵フィーリングに悪い影響を与える。
【００４０】
従来の磁歪式トルクセンサである操舵トルク検出部２０では、エンジンルーム内のように高温度の雰囲気の中で、ステアリング軸１２ｂにメッキした磁歪膜がクリープを起こし、操舵トルク信号Ｔが変動していた。本発明に係る電動パワーステアリング装置１０では、操舵フィーリングに影響を与える操舵トルク信号Ｔの変動をなくすため、磁歪式トルクセンサである操舵トルク検出部２０を、以下の方法によって製造した。
【００４１】
図４、図５を参照して、本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法を説明する。図４は、磁歪式トルクセンサの製造方法を示すフロー図である。図５は、磁歪式トルクセンサである操舵トルク検出部２０の製造過程を示す図である。ここでは、磁歪膜２０ｕ，２０ｄのうち磁歪膜２０ｕを例に製造方法を説明する。以下、磁歪式トルクセンサの製造方法を図４のフロー図および図５の製造過程に従って説明する。
【００４２】
ステアリング軸１２ｂに磁歪膜２０ｕをメッキ処理する（図４のステップＳ１０１、図５（ａ）参照）。メッキ処理は、磁歪材が所定の膜厚（例えば、３０μｍ）で施される。メッキ処理後に、捩りトルクＴｑ（ステアリング軸１２ｂの上部を反時計方向へ、下部を時計方向へ加える）を作用させてステアリング軸の円周表面に応力を付与する（図４のステップＳ１０２、図５（ｂ）参照）。ここで、捩りトルクＴｑは従来の製造時に作用させる捩りトルクＴｑよりも大きな捩りトルクＴｑを作用させる。例えば、従来の捩りトルクＴｑ７０Ｎ・ｍに対して捩りトルクＴｑ７５Ｎ・ｍを作用させる。この捩りトルクＴｑを作用させたまま、磁歪膜２０ｕの周囲をコイルで囲み、このコイルに対して高周波の電流を流し、磁歪膜２０ｕを加熱処理する（図４のステップＳ１０３、図５（ｃ）参照）。加熱処理後は自然に冷却させる（図５（ｄ）参照）。冷却後（図４のステップＳ１０４）、捩りトルクＴｑを取り除く（図４のステップＳ１０５、図５（ｅ）参照）。ここで、プリロードトルク（ステアリング軸１２ｂに残っている捩りトルク）は−６０Ｎ・ｍ程度になっている。捩りトルクＴｑ除去後、再び加熱処理を行う（図４のステップＳ１０６、図５（ｆ）参照）。この再加熱処理では、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、例えば１８０℃で１時間から３時間加熱処理を行う。ここで、プリロードトルクは−５５Ｎ・ｍ程度になっている。再加熱処理後、磁歪膜２０ｕに対応する位置にコイルを配置する（図４のステップＳ１０７）。
【００４３】
図５中、ステアリング軸１２ｂの図の横に描かれた円形や楕円形は磁歪膜２０ｕでの異方性歪モデルを示し、矢印はそれぞれ応力を示す。図５（ｂ）では捩りトルクＴｑにより、楕円形の異方性歪モデルとなっている。図５（ｃ）では、加熱によってクリープが生じ、異方性歪モデルが円に近い楕円形となっている。図５（ｄ）では、冷却後もクリープが生じた後の異方性歪モデルの形を保っていることを示している。図５（ｅ）では、捩りトルクＴｑを取り除くことで、磁歪膜２０ｕに対して捩りトルクＴｑと逆方向に捩りトルクが加わった状態を示している。図５（ｆ）では、再加熱処理によってクリープが起こったことを示している。なお、加熱処理時にコイルに高周波の電流を流すことで、磁歪膜を加熱したが、従来と同様に恒温槽で加熱処理してもよい。磁歪膜２０ｄの場合には、上記捩りトルクと逆方向に捩りトルクを付与して行う。
【００４４】
図６は捩りトルク付与工程から捩りトルク除去工程までの間での捩りトルクＴｑの印加と温度変化を示した図である。矩形の線はトルクを示し、破線は温度を示す。図７は加熱処理工程でのステアリング軸１２ｂを示す図である。ステアリング軸１２ｂに対して捩りトルクＴｑ７５Ｎ・ｍを付与し、コイルに高周波電流を流すことによって加熱する。加熱処理は図７に示すようにコイル５０を加熱処理する部位である磁歪膜２０ｕに対して配置し、例えばこのコイル５０に対して５００ＫＨｚ〜２ＭＨｚの高周波の電流を、ｔｕ＝１〜１０［ｓｅｃ］の間流すことによって行う。これにより、ｔｕ秒後には温度３００℃となる。この時点で加熱を停止、つまり電流の供給を停止し、冷却する。所定の温度まで下がったとき（例えば、ｔｅ秒後）に、捩りトルクＴｑを解放する。
【００４５】
図８は本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造した磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性Ｃ３０、Ｃ３１と再加熱処理前の磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性Ｃ２０、Ｃ２１を示す図である。破線Ｃ２０、Ｃ２１は再加熱処理前の磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性を示し、曲線Ｃ３０、Ｃ３１は磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性を示す。破線Ｃ２０、曲線Ｃ３０は磁歪膜２０ｕに対応する値であり、破線Ｃ２１、曲線Ｃ３１は磁歪膜２０ｄに対応する値である。ここで、本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造した磁歪式トルクセンサでは、再加熱処理における加熱を１８０℃で３時間行ったものとした。
【００４６】
再加熱処理における加熱温度はエンジンルームの環境温度である８０〜１００℃よりも高い温度で処理をしている。再加熱処理により、予め磁歪膜のクリープが進行する。この結果、磁歪膜２０ｕに対応するインピーダンス特性では、プリロードトルクが５０Ｎ・ｍから４０Ｎ・ｍ（図８中の矢印Ａ）に抜ける。また、トルクゼロ点が上昇（図８中の矢印Ｂ）したことによって、トルク中立点付近の傾きがａからｂ（ａ＜ｂ）に変化し、感度が良好になる。このように、センサとして使用する以前に予めクリープさせ、プリロードトルクが抜けた状態において、トルクセンサとしての設定を行う。
【００４７】
次に、本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造した磁歪式トルクセンサのトルクゼロ点とトルク中立点付近の傾きについての試験結果について示す。図９、図１０は、再加熱処理における加熱を１８０℃で１時間行ったものの試験結果を示す図である。図９は、トルクゼロ点の試験結果を示す図である。図１０はトルク中立点付近の傾きの試験結果を示す図である。
【００４８】
再加熱処理（アニリング）を１８０℃で１時間行ったものに対して、トルクゼロ点のインピーダンスおよびトルク中立点付近の傾きを調べた。使用される状況での使用温度で使用をしても、当該使用温度以上で予め再加熱処理を行っているため、クリープは生じない。従って、トルクゼロ点およびトルク中立点付近の傾き（センサ感度）ともに変化の少ない良好な特性を示している。このような特性を持つ磁歪式トルクセンサを、電動パワーステアリング装置１０の操舵トルク検出部２０として用いるので、検出出力に変化が生じず、操舵フィーリングの良好な電動パワーステアリング装置を提供できる。また、検出出力に変化が生じないので、検出値の加算値が所定範囲内にあるか否かによって、センサの故障判定を確実に行うことができる。
【００４９】
上述したように本発明の磁歪式トルクセンサの製造方法で製造された磁歪式トルクセンサによれば、ステアリング軸１２ｂに設けた磁歪膜２０ｕ，２０ｄを、使用温度（８０〜１００℃）より高い温度（例えば１８０〜２００℃）にて予めクリープさせることにより、通常使用時にクリープすることが無いので、高温度に対して変化が無くなり安定化する。また、ステアリング軸１２ｂを使用温度（８０〜１００℃）より高い温度（例えば１５０〜２００℃）にて加熱処理することにより、磁歪膜２０ｕ，２０ｄを予めクリープさせることができるので、操舵トルク検出部２０の組み立て後にステアリング軸１２ｂを加熱処理すれば良いので、操舵トルク検出部２０の出力を見ながら最適値に設定することができる。ステアリング軸１２ｂと磁歪膜２０ｕ，２０ｄを使用温度（８０〜１００℃）より高い温度（例えば１８０〜２００℃）にて加熱処理することにより、磁歪膜２０ｕ，２０ｄを予めクリープさせることができるので、操舵トルク検出部２０の組み立て後に装置全体を加熱処理すれば良いので、生産性が向上できる。また、操舵トルク検出部２０の出力を見ながら最適値に設定することができる。操舵トルク検出部２０を電動パワーステアリング装置の操舵トルクを検出させたことにより、ハンドルの右回転と左回転にて操舵トルクの大きさが異ならない良好な操舵フィールを付与する事ができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００５１】
本発明は、回転軸に磁歪膜を付与する工程と、回転軸に所定の捩りトルクを加えた状態で熱処理を行う工程と、捩りトルクを解放することによって磁歪膜に磁気異方性を設ける工程と、回転軸を再度加熱処理する工程と、磁歪膜周囲に磁歪特性の変化を検出する多重巻きコイルを配置する工程とから磁歪式トルクセンサを製造するので、使用時には高温度の雰囲気に晒されることによるクリープをすることなく、検出出力の変化がなくなり、安定してトルクを検出する。また、検出出力の変化がないので、検出出力の加算値が所定範囲内にあるか否かによって、センサの故障判定を行う場合、確実な故障判定を行うことができる。さらに、再度加熱処理工程の温度を磁歪式トルクセンサが実際に使用される状況であるエンジンルーム内の使用温度（環境温度）以上で、予めクリープさせた後に、センサ出力の設定を行うため、エンジンルーム内のような高温度の雰囲気に長時間晒されても、検出出力の特性が変わらない磁歪式トルクセンサを製造することができる。また、上記製造方法によって製造された磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置に搭載することにより、操舵フィーリングを良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図２】電動パワーステアリング装置の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】磁歪式トルクセンサの製造方法を示すフロー図である。
【図５】操舵トルク検出部の製造過程を示す図である。
【図６】捩りトルク付与工程から捩りトルク除去工程までの間での捩りトルクＴｑの印加と温度変化を示した図である。
【図７】加熱処理工程を示す図である。
【図８】本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造した磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性と再加熱処理前の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。
【図９】トルクゼロ点の試験結果を示す図である。
【図１０】トルク中立点付近の傾きの試験結果を示す図である。
【図１１】磁歪式トルクセンサの模式図である。
【図１２】磁歪特性を示す図である。
【図１３】従来の磁歪式トルクセンサの製造方法を示すフロー図である。
【図１４】従来の磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造された磁歪式トルクセンサの高温耐久特性を示す図である。
【符号の説明】
１０ 電動パワーステアリング装置
１１ ステアリングホイール
１２ａ、１２ｂ ステアリング軸
１９ モータ
２０ 操舵トルク検出部
２０ｕ 磁歪膜
２０ｄ 磁歪膜
２０ｒ 励磁コイル
２０ｓ 検出コイル
２２ 制御装置
５０ コイル
ＳＧ１ 駆動制御信号
Ｔ 操舵トルク信号
Ｔｑ 捩りトルク
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の電動パワーステアリングの操舵トルクを検出するのに最適な磁歪式トルクセンサの製造方法および、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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動パワーステアリング装置は、自動車を運転中、運転者がステアリングホイール（操舵ハンドル）を操作するとき、モータを連動させて操舵力を補助する支援装置である。電動パワーステアリング装置では、運転者のハンドル操舵によりステアリング軸に生じる操舵トルクを検出する操舵トルク検出部からの操舵トルク信号、および車速を検出する車速検出部からの車速信号を利用し、モータ制御部（駆動制御回路）の制御動作に基づいて、補助操舵力を出力する支援用のモータをＰＷＭ駆動し、運転者の操舵力を軽減している。
【０００３】
例えば、操舵トルクをＴＨ、アシスト量ＡＨの係数を一定のｋＡとすると、ＡＨ＝ｋＡ×ＴＨであるから、負荷であるピニオントルクをＴＰとすると、ＴＰ＝ＴＨ＋ＡＨからＴＨ＝ＴＰ／（１＋ｋＡ）となる。したがって操舵トルクＴＨは、ピニオントルクＴＰの１／（１＋ｋＡ）、（ｋＡ≧０）となり軽減される。このような電動パワーステアリング装置における操舵トルク検出部として、ピニオンの入出力軸間に設けたトーションバーの捻れを利用するトーションバー式の他、磁歪式トルクセンサが知られている。
【０００４】
磁歪式トルクセンサの一例としては、例えば、ステアリングホイールに連結されたステアリング軸の表面に、Ｎｉ−Ｆｅメッキの磁歪膜を上下２箇所でそれぞれ逆方向の磁気異方性となるように軸方向所定幅で設け、磁歪膜に操舵トルクが作用したとき、磁気異方性に基づいて発生する逆磁歪特性を、磁歪膜の周囲に配設されたコイルの交流抵抗等を利用して、ステアリング軸にかかるトルクを検出するものがある。
【０００５】
図１１は、磁歪式トルクセンサ１００の模式図である。磁歪式トルクセンサ１００はステアリング軸１０１の周囲に形成された磁歪膜１０２とその磁歪膜１０２の下方に間隔を設けて形成された磁歪膜１０３と、磁歪膜１０２，１０３の近傍に微小の空隙を介して配置された励磁コイル１０４と、磁歪膜１０２に対応して設けられる検出コイル１０６と、磁歪膜１０３に対応して設けられる検出コイル１０７とから構成される。励磁コイル１０４には、励磁電圧供給源１０５が接続される。
【０００６】
図１１で示した磁歪式トルクセンサ１００において、ステアリング軸１０１にトルクが作用したとき、磁歪膜１０２，１０３にもトルクが作用する。このトルクに応じて磁歪膜１０２，１０３に磁歪効果が生じる。そこで、励磁電圧供給源１０５から励磁コイル１０４に高周波の交流電圧（励磁電圧）を供給し、トルクに応じた磁歪膜１０２，１０３の磁歪効果による磁界の変化を検出コイル１０６，１０７によりインピーダンスまたは誘導電圧の変化として検出する。このインピーダンスまたは誘導電圧の変化に基づいてステアリング軸１０１に加えられたトルクを検出することができる。
【０００７】
図１２は磁歪特性を示す図である。横軸はステアリング軸１０１に加えられた操舵トルク、縦軸は励磁コイル１０４に交流電圧を印加したときに検出コイル１０６，１０７によって検出されるインピーダンスまたは誘導電圧を示している。曲線Ｃ１１０は、検出コイル１０６によって検出されるインピーダンスまたは誘導電圧の変化を示し、曲線Ｃ１１１は、検出コイル１０７によって検出されるインピーダンスまたは誘導電圧の変化を示している。
【０００８】
検出コイル１０６による検出値は、操舵トルクが負から正になるにつれてインピーダンスまたは誘導電圧が増加し、操舵トルクが正の値Ｔ１となったときにインピーダンスまたは誘導電圧がピーク値となり、操舵トルクがＴ１以上では減少する。また、検出コイル１０７による検出値は、操舵トルクが負の値−Ｔ１のときにインピーダンスまたは誘導電圧がピーク値をとり、操舵トルクの絶対値が増加すると減少する。
【０００９】
図１２に示すように、検出コイル１０６で得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性と検出コイル１０７で得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性はほぼ凸形状を示す。また、検出コイル１０６で得られる操舵トルク−インピーダンス特性（曲線Ｃ１１０）と検出コイル１０７で得られる操舵トルク−インピーダンス特性（曲線Ｃ１１１）は、磁歪膜の上下２箇所でそれぞれ逆方向となる磁気異方性であることを反映して、それぞれの特性曲線が交わる点を通る縦軸に対してほぼ対称的になる。
【００１０】
直線Ｌ１０は、検出コイル１０６により検出された特性曲線Ｃ１１０から検出コイル１０７により検出された特性曲線Ｃ１１１を引いた値を示すものであり、操舵トルクがゼロのときにその値はゼロとなる。磁歪式トルクセンサ１００はトルク中立点付近のほぼ一定勾配とみなされる領域を使用することで、入力トルクの方向と大きさに対応した検出信号を出力する。また、直線Ｌ１０の特性を利用することで、検出コイル１０６，１０７の値から操舵トルクを検出することができる。
【００１１】
従来の磁歪式トルクセンサでは、図１３に示すように、その磁歪膜１０２，１０３の異方性を与える方法として、ステアリング軸１０１に磁歪膜１０２をメッキ処理し（図１３（ａ）参照）、メッキ処理後に、捩りトルクＴｑ（ステアリング軸１０１の上部を反時計方向へ、下部を時計方向へ加える）を作用させてステアリング軸の円周表面に応力を付与し（図１３（ｂ）参照）、捩りトルクＴｑを作用させたまま恒温槽で加熱処理し（図１３（ｃ）参照）、冷却後に（図１３（ｄ）参照）捩りトルクＴｑを取り除き（図１３（ｅ）参照）、センサ出力の設定を行い、製造していた（特許文献１を参照）。
【００１２】
図１３中、ステアリング軸１０１の図の横に描かれた円形や楕円形は磁歪膜１０２での異方性歪モデルを示し、矢印はそれぞれ応力を示す。図１３（ｂ）では捩りトルクＴｑにより、楕円形の異方性歪モデルとなっている。図１３（ｃ）では、加熱によってクリープが生じ、異方性歪モデルが円に近い楕円形となっている。図１３（ｄ）では、冷却後もクリープが生じた後の異方性歪モデルの形を保っていることを示している。図１３（ｅ）では、捩りトルクＴｑを取り除くことで、磁歪膜１０２に対して捩りトルクＴｑと逆方向に捩りトルクが加わった状態を示している。
【００１３】
ここで、従来の磁歪式トルクセンサでは、磁歪膜１０２を４０μｍの厚さでメッキ処理し、ステアリング軸１０１に対して捩りトルクＴｑを７０Ｎ・ｍ作用させ、捩りトルクＴｑを付与したまま１５０〜５５０℃にて１０分から２０時間加熱処理していた。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−８２０００公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような製造方法によって製造された磁歪式トルクセンサは、例えば、８０〜１００℃程度の高温になる自動車のエンジンルームに長時間晒されると、磁歪式トルクセンサのトルクゼロ点と感度が変化するという課題があった。図１４は、従来の磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造された磁歪式トルクセンサの高温耐久特性を示す図である。特性曲線Ｃ１２０は使用初期時に検出コイル１０６により検出された値であり、特性曲線Ｃ１２１は使用初期時に検出コイル１０７により検出された値である。特性曲線Ｃ１３０は高温放置後に検出コイル１０６により検出された値であり、特性曲線Ｃ１３１は高温放置後に検出コイル１０７により検出された値である。
【００１６】
高温放置後（例えば、１万回使用した後）の特性曲線Ｃ１３０，Ｃ１３１は、使用初期時の特性曲線Ｃ１２０，Ｃ１２１と比べインピーダンスのピーク値が上方へ、入力トルクのピーク値がトルク中立点方向へ変化している。例えば、使用初期時の特性曲線Ｃ１２０と高温放置後の特性曲線Ｃ１３０を比べると、インピーダンスのピーク値が２６．６Ωから２６．９Ωへ、入力トルクのピーク値が４５．１Ｎ・ｍから４２．８Ｎ・ｍへ変化している。これは、メッキがクリープ（歪みが抜ける）することによって起こる現象であり、温度が下がってもクリープ後の特性を保つため、使用初期時（設定時）の特性には戻らない。
【００１７】
上記変化により、ゼロ点Ｚ２００がゼロ点Ｚ２１０に変化してしまう。ゼロ点が変化してしまうと、例えば、検出コイル１０６，１０７の検出値の加算値が所定範囲内にあるか否かによって、センサの故障判定を行うときに、所定範囲を超えてしまい、故障判定を行うことができなくなる。
【００１８】
また、トルク値は検出コイル１０６により検出される特性曲線と検出コイル１０７により検出される特性曲線との差に基づいて決定されるのであるが、この差の傾きが上記変化に伴い変化するため、トルクセンサの感度も変化してしまう。ここで、トルクセンサの感度は、トルクセンサ製造時にトルクに対する制御量が最適になるように設定するので、設定した感度から変化することによって、操舵に違和感が生じることがある。また、トルクセンサの製作時に中点ズレが生じた場合には、さらにゼロ点および感度の変化が大きくなってしまう。
【００１９】
本発明の目的は、上記の問題を解決することにあり、自動車のエンジンルームのように高温度の雰囲気に長時間晒されても検出出力の特性が変わることなく、電動パワーステアリングの操舵フィーリングを良好に保つことが可能な磁歪式トルクセンサの製造方法およびこの製造方法で製造された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。
【００２０】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法、および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は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００２１】
第１の磁歪式トルクセンサの製造方法（請求項１に対応）は、回転軸に磁歪膜を付与する工程と、回転軸に所定の捩りトルクを加えた状態で熱処理を行う工程と、捩りトルクを解放することによって磁歪膜に磁気異方性を設ける工程と、回転軸を再度加熱処理する工程と、磁歪膜周囲に磁歪特性の変化を検出する多重巻きコイルを配置する工程とから成ることを特徴とする。捩りトルク解放後に再度加熱処理をするので、使用時には高温度の雰囲気に晒されることによるクリープをすることなく、検出出力の変化がなくなり、安定してトルクを検出する。また、検出出力の変化がないので、検出出力の加算値が所定範囲内にあるか否かによって、センサの故障判定を行う場合、確実な故障判定を行うことが可能となる。
【００２２】
第２の磁歪式トルクセンサの製造方法（請求項２に対応）は、再度加熱処理工程の温度を磁歪式トルクセンサが実際に使用される状況での使用温度以上としたことを特徴とする。実際に使用される状況であるエンジンルーム内の使用温度（環境温度）以上で、予めクリープさせた後に、センサ出力の設定を行うため、エンジンルーム内のような高温度の雰囲気に長時間晒されても、検出出力の特性が変わらない磁歪式トルクセンサを製造することが可能である。
【００２３】
第１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（請求項３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回転軸に磁歪膜を付与し、回転軸に捩りトルクを加えた状態で熱処理を行い、捩りトルクを解放することによって磁歪膜に磁気異方性を設け、その後磁歪式トルクセンサが実際に使用される状況での使用温度以上で再度加熱処理した磁歪式トルクセンサとしたことを特徴とする。高温度の雰囲気に晒されても検出出力の特性がかわらない磁歪式トルクセンサを搭載したので、エンジンルーム内の高温度の雰囲気に長時間晒されても、操舵トルクセンサの感度が変わらず、操舵フィーリングを良好に保つことが可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図である。電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングホイール１１に連結されるステアリング軸１２ａに対して補助用の操舵力（操舵トルク）を与えるように構成されている。ステアリング軸１２ａはステアリング軸１２ｂと自在軸継手１２ｃを介して連結されており、ステアリング軸１２ａの上端はステアリングホイール１１に連結され、ステアリング軸１２ｂの下端にはピニオンギヤ１３が取り付けられている。ピニオンギヤ１３に対して、これに噛み合うラックギヤ１４ａを設けたラック軸１４が配置されている。ピニオンギヤ１３とラックギヤ１４ａによってラック・ピニオン機構１５が形成される。ラック軸１４の両端にはタイロッド１６が設けられ、各タイロッド１６の外側端には前輪１７が取り付けられる。
【００２６】
ステアリング軸１２ｂに対し動力伝達機構１８を介してモータ１９が設けられている。動力伝達機構１８は、ウォームギヤ１８ａとウォームホイール１８ｂによって形成されている。モータ１９は、操舵トルクを補助する回転力（トルク）を出力し、この回転力を、動力伝達機構１８を経由して、ステアリング軸１２ｂ，１２ａに与える。
【００２７】
ステアリング軸１２ｂには操舵トルク検出部（操舵トルクセンサ）２０が設けられている。操舵トルク検出部２０は、運転者がステアリングホイール１１を操作することによって生じる操舵トルクをステアリング軸１２ａ，１２ｂに加えたとき、ステアリング軸１２ａ，ｂに加わった当該操舵トルクを検出する。２１は車両の車速を検出する車速検出部であり、２２はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置２２は、操舵トルク検出部２０から出力される操舵トルク信号Ｔと車速検出部２１から出力される車速信号Ｖを取り入れ、操舵トルクに係る情報を車速に係る情報に基づいて、モータ１９の回転動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。上記のラック・ピニオン機構１５等は図１中で図示しないギヤボックス２４（図２、図３参照）に収納されている。
【００２８】
電動パワーステアリング装置１０は、通常のステアリング系の装置構成に対し、操舵トルク検出部２０、車速検出部２１、制御装置２２、モータ１９、動力伝達機構１８を付加することによって構成されている。
【００２９】
運転者がステアリングホイール１１を操作して自動車の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリング軸１２ａ，１２ｂに加えられた操舵トルクに基づく回転力はラック・ピニオン機構１５を介してラック軸１４の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド１６を介して前輪１７の走行方向を変化させようとする。このときにおいて、同時に、ステアリング軸１２ｂに付設された操舵トルク検出部２０は、ステアリングホイール１１での運転者による操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置２２へ出力する。また、車速検出部２１は、車両の車速を検出して車速信号Ｖに変換し、この車速信号Ｖを制御装置２２へ出力する。
【００３０】
制御装置２２は、操舵トルク信号Ｔ、車速信号Ｖに基づいてモータ１９を駆動するためのモータ電流を発生する。モータ電流によって駆動されるモータ１９は、動力伝達機構１８を介して補助操舵力をステアリング軸１２ｂ，１２ａに作用させる。以上のごとくモータ１９を駆動することにより、ステアリングホイール１１に加えられる運転者による操舵力が軽減される。
【００３１】
図２は、電動パワーステアリング装置１０の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す。ラック軸１４の左端部および右端部の一部は断面で示されている。ラック軸１４は、車幅方向（図２中左右方向）に配置される筒状ハウジング３１の内部に軸方向へスライド可能に収容されている。ハウジング３１から突出したラック軸１４の両端にはボールジョイント３２がネジ結合され、これらのボールジョイント３２に左右のタイロッド１６が連結されている。ハウジング３１は、図示しない車体に取り付けるためのブラケット３３を備えると共に、両端部にストッパ３４を備えている。
【００３２】
３５はイグニションスイッチ、３６は車載バッテリ、３７は車両エンジンに付設された交流発電機（ＡＣＧ）である。交流発電機３７は車両エンジンの動作で発電を開始する。制御装置２２に対してバッテリ３６または交流発電機３７から必要な電力が供給される。制御装置２２はモータ１９に付設されている。また３８はラック軸の移動時にストッパ３４に当たるラックエンドであり、３９はギヤボックスの内部を水、泥、埃等から保護するためのダストシール用ブーツである。
【００３３】
図３は図２中のＡ−Ａ線断面図である。図３では、ステアリング軸１２ｂの支持構造、操舵トルク検出部２０、動力伝達機構１８、ラック・ピニオン機構１５の具体的構成が明示される。
【００３４】
ギヤボックス２４を形成するハウジング２４ａにおいてステアリング軸１２ｂは２つの軸受け部４１，４２によって回転自在に支持されている。ハウジング２４ａの内部にはラック・ピニオン機構１５と動力伝達機構１８が収納され、さらに上部には操舵トルク検出部２０が付設されている。ステアリング軸１２ｂには磁歪膜２０ｕ，２０ｄが形成され、これらに対応してコイル２０ｒ，２０ｓ，２０ｒ’，２０ｓ’がヨーク部２０ｙに囲まれて設けられている。
【００３５】
ハウジング２４ａの上部開口はリッド４３で塞がれ、リッド４３はボルトで固定されている。ステアリング軸１２ｂの下端部に設けられたピニオン１３は軸受け部４１，４２の間に位置している。ラック軸１４は、ラックガイド４５で案内され、かつ圧縮されたスプリング４６で付勢されピニオン１３側へ押さえ付けられている。動力伝達機構１８は、モータ１９の出力軸に結合される伝動軸４８に固定されたウォームギヤ１８ａとステアリング軸１２ｂに固定されたウォームホイール１８ｂとによって形成される。操舵トルク検出部２０はリッド４３に取り付けられている。
【００３６】
操舵トルク検出部２０は、図３に示されるように鉄材等の強磁性材からなるステアリング軸（シャフト）１２ｂの周囲２箇所に設けられた磁歪膜２０ｕ，２０ｄと、磁歪膜２０ｕ，２０ｄを励磁する励磁コイル２０ｒ，２０ｒ’と、磁歪膜２０ｕ，２０ｄの磁歪特性の変化を検出する検出コイル２０ｓ，２０ｓ’とから構成されている。
【００３７】
また、励磁コイル２０ｒ，２０ｒ’および検出コイル２０ｓ，２０ｓ’の外周にはヨーク部２０ｙが設けられている。操舵トルク検出部２０は、ステアリング・ギヤボックス２４内に設けられており、ステアリング軸１２ｂに作用する操舵トルクを検出し、その検出値は制御装置２２へ入力されて、モータ１９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供給される。
【００３８】
ここで用いられる操舵トルク検出部２０は、磁歪式トルクセンサであり、図３に示すように、ステアリング軸１２ｂの表面に例えばＮｉ−Ｆｅメッキで磁気異方性を有する磁歪膜を、上下２箇所（２０ｕおよび２０ｄ）にそれぞれ逆方向の異方性となるように軸方向所定幅で設け、磁歪膜２０ｕ，２０ｄに操舵トルクが作用したときに発生する逆磁歪特性を、磁歪膜２０ｕ，２０ｄの周囲に配設したコイル２０ｓ，２０ｓ’の交流抵抗等を利用して検知するものである。操舵トルク検出部２０は操舵トルクを検出するため、ステアリング軸１２ｂの上記位置に設けられるものであり、この位置はエンジンルーム内であるので、エンジン作動中には高温度の雰囲気となっている。
【００３９】
電動パワーステアリング装置１０の制御装置２２は、操舵トルク検出部２０からの操舵トルク信号Ｔ、および車速検出部２１からの車速信号Ｖを利用し、補助操舵力を出力する支援用のモータ１９をＰＷＭ駆動し、運転者の操舵力を軽減している。操舵トルク検出部２０からの操舵トルク信号Ｔが変動すると、操舵トルク信号Ｔに基づいて駆動されるモータ１９も変動し、操舵フィーリングに悪い影響を与える。
【００４０】
従来の磁歪式トルクセンサである操舵トルク検出部２０では、エンジンルーム内のように高温度の雰囲気の中で、ステアリング軸１２ｂにメッキした磁歪膜がクリープを起こし、操舵トルク信号Ｔが変動していた。本発明に係る電動パワーステアリング装置１０では、操舵フィーリングに影響を与える操舵トルク信号Ｔの変動をなくすため、磁歪式トルクセンサである操舵トルク検出部２０を、以下の方法によって製造した。
【００４１】
図４、図５を参照して、本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法を説明する。図４は、磁歪式トルクセンサの製造方法を示すフロー図である。図５は、磁歪式トルクセンサである操舵トルク検出部２０の製造過程を示す図である。ここでは、磁歪膜２０ｕ，２０ｄのうち磁歪膜２０ｕを例に製造方法を説明する。以下、磁歪式トルクセンサの製造方法を図４のフロー図および図５の製造過程に従って説明する。
【００４２】
ステアリング軸１２ｂに磁歪膜２０ｕをメッキ処理する（図４のステップＳ１０１、図５（ａ）参照）。メッキ処理は、磁歪材が所定の膜厚（例えば、３０μｍ）で施される。メッキ処理後に、捩りトルクＴｑ（ステアリング軸１２ｂの上部を反時計方向へ、下部を時計方向へ加える）を作用させてステアリング軸の円周表面に応力を付与する（図４のステップＳ１０２、図５（ｂ）参照）。ここで、捩りトルクＴｑは従来の製造時に作用させる捩りトルクＴｑよりも大きな捩りトルクＴｑを作用させる。例えば、従来の捩りトルクＴｑ７０Ｎ・ｍに対して捩りトルクＴｑ７５Ｎ・ｍを作用させる。この捩りトルクＴｑを作用させたまま、磁歪膜２０ｕの周囲をコイルで囲み、このコイルに対して高周波の電流を流し、磁歪膜２０ｕを加熱処理する（図４のステップＳ１０３、図５（ｃ）参照）。加熱処理後は自然に冷却させる（図５（ｄ）参照）。冷却後（図４のステップＳ１０４）、捩りトルクＴｑを取り除く（図４のステップＳ１０５、図５（ｅ）参照）。ここで、プリロードトルク（ステアリング軸１２ｂに残っている捩りトルク）は−６０Ｎ・ｍ程度になっている。捩りトルクＴｑ除去後、再び加熱処理を行う（図４のステップＳ１０６、図５（ｆ）参照）。この再加熱処理では、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、例えば１８０℃で１時間から３時間加熱処理を行う。ここで、プリロードトルクは−５５Ｎ・ｍ程度になっている。再加熱処理後、磁歪膜２０ｕに対応する位置にコイルを配置する（図４のステップＳ１０７）。
【００４３】
図５中、ステアリング軸１２ｂの図の横に描かれた円形や楕円形は磁歪膜２０ｕでの異方性歪モデルを示し、矢印はそれぞれ応力を示す。図５（ｂ）では捩りトルクＴｑにより、楕円形の異方性歪モデルとなっている。図５（ｃ）では、加熱によってクリープが生じ、異方性歪モデルが円に近い楕円形となっている。図５（ｄ）では、冷却後もクリープが生じた後の異方性歪モデルの形を保っていることを示している。図５（ｅ）では、捩りトルクＴｑを取り除くことで、磁歪膜２０ｕに対して捩りトルクＴｑと逆方向に捩りトルクが加わった状態を示している。図５（ｆ）では、再加熱処理によってクリープが起こったことを示している。なお、加熱処理時にコイルに高周波の電流を流すことで、磁歪膜を加熱したが、従来と同様に恒温槽で加熱処理してもよい。磁歪膜２０ｄの場合には、上記捩りトルクと逆方向に捩りトルクを付与して行う。
【００４４】
図６は捩りトルク付与工程から捩りトルク除去工程までの間での捩りトルクＴｑの印加と温度変化を示した図である。矩形の線はトルクを示し、破線は温度を示す。図７は加熱処理工程でのステアリング軸１２ｂを示す図である。ステアリング軸１２ｂに対して捩りトルクＴｑ７５Ｎ・ｍを付与し、コイルに高周波電流を流すことによって加熱する。加熱処理は図７に示すようにコイル５０を加熱処理する部位である磁歪膜２０ｕに対して配置し、例えばこのコイル５０に対して５００ＫＨｚ〜２ＭＨｚの高周波の電流を、ｔｕ＝１〜１０［ｓｅｃ］の間流すことによって行う。これにより、ｔｕ秒後には温度３００℃となる。この時点で加熱を停止、つまり電流の供給を停止し、冷却する。所定の温度まで下がったとき（例えば、ｔｅ秒後）に、捩りトルクＴｑを解放する。
【００４５】
図８は本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造した磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性Ｃ３０、Ｃ３１と再加熱処理前の磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性Ｃ２０、Ｃ２１を示す図である。破線Ｃ２０、Ｃ２１は再加熱処理前の磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性を示し、曲線Ｃ３０、Ｃ３１は磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性を示す。破線Ｃ２０、曲線Ｃ３０は磁歪膜２０ｕに対応する値であり、破線Ｃ２１、曲線Ｃ３１は磁歪膜２０ｄに対応する値である。ここで、本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造した磁歪式トルクセンサでは、再加熱処理における加熱を１８０℃で３時間行ったものとした。
【００４６】
再加熱処理における加熱温度はエンジンルームの環境温度である８０〜１００℃よりも高い温度で処理をしている。再加熱処理により、予め磁歪膜のクリープが進行する。この結果、磁歪膜２０ｕに対応するインピーダンス特性では、プリロードトルクが５０Ｎ・ｍから４０Ｎ・ｍ（図８中の矢印Ａ）に抜ける。また、トルクゼロ点が上昇（図８中の矢印Ｂ）したことによって、トルク中立点付近の傾きがａからｂ（ａ＜ｂ）に変化し、感度が良好になる。このように、センサとして使用する以前に予めクリープさせ、プリロードトルクが抜けた状態において、トルクセンサとしての設定を行う。
【００４７】
次に、本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造した磁歪式トルクセンサのトルクゼロ点とトルク中立点付近の傾きについての試験結果について示す。図９、図１０は、再加熱処理における加熱を１８０℃で１時間行ったものの試験結果を示す図である。図９は、トルクゼロ点の試験結果を示す図である。図１０はトルク中立点付近の傾きの試験結果を示す図である。
【００４８】
再加熱処理（アニリング）を１８０℃で１時間行ったものに対して、トルクゼロ点のインピーダンスおよびトルク中立点付近の傾きを調べた。使用される状況での使用温度で使用をしても、当該使用温度以上で予め再加熱処理を行っているため、クリープは生じない。従って、トルクゼロ点およびトルク中立点付近の傾き（センサ感度）ともに変化の少ない良好な特性を示している。このような特性を持つ磁歪式トルクセンサを、電動パワーステアリング装置１０の操舵トルク検出部２０として用いるので、検出出力に変化が生じず、操舵フィーリングの良好な電動パワーステアリング装置を提供できる。また、検出出力に変化が生じないので、検出値の加算値が所定範囲内にあるか否かによって、センサの故障判定を確実に行うことができる。
【００４９】
上述したように本発明の磁歪式トルクセンサの製造方法で製造された磁歪式トルクセンサによれば、ステアリング軸１２ｂに設けた磁歪膜２０ｕ，２０ｄを、使用温度（８０〜１００℃）より高い温度（例えば１８０〜２００℃）にて予めクリープさせることにより、通常使用時にクリープすることが無いので、高温度に対して変化が無くなり安定化する。また、ステアリング軸１２ｂを使用温度（８０〜１００℃）より高い温度（例えば１５０〜２００℃）にて加熱処理することにより、磁歪膜２０ｕ，２０ｄを予めクリープさせることができるので、操舵トルク検出部２０の組み立て後にステアリング軸１２ｂを加熱処理すれば良いので、操舵トルク検出部２０の出力を見ながら最適値に設定することができる。ステアリング軸１２ｂと磁歪膜２０ｕ，２０ｄを使用温度（８０〜１００℃）より高い温度（例えば１８０〜２００℃）にて加熱処理することにより、磁歪膜２０ｕ，２０ｄを予めクリープさせることができるので、操舵トルク検出部２０の組み立て後に装置全体を加熱処理すれば良いので、生産性が向上できる。また、操舵トルク検出部２０の出力を見ながら最適値に設定することができる。操舵トルク検出部２０を電動パワーステアリング装置の操舵トルクを検出させたことにより、ハンドルの右回転と左回転にて操舵トルクの大きさが異ならない良好な操舵フィールを付与する事ができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００５１】
本発明は、回転軸に磁歪膜を付与する工程と、回転軸に所定の捩りトルクを加えた状態で熱処理を行う工程と、捩りトルクを解放することによって磁歪膜に磁気異方性を設ける工程と、回転軸を再度加熱処理する工程と、磁歪膜周囲に磁歪特性の変化を検出する多重巻きコイルを配置する工程とから磁歪式トルクセンサを製造するので、使用時には高温度の雰囲気に晒されることによるクリープをすることなく、検出出力の変化がなくなり、安定してトルクを検出する。また、検出出力の変化がないので、検出出力の加算値が所定範囲内にあるか否かによって、センサの故障判定を行う場合、確実な故障判定を行うことができる。さらに、再度加熱処理工程の温度を磁歪式トルクセンサが実際に使用される状況であるエンジンルーム内の使用温度（環境温度）以上で、予めクリープさせた後に、センサ出力の設定を行うため、エンジンルーム内のような高温度の雰囲気に長時間晒されても、検出出力の特性が変わらない磁歪式トルクセンサを製造することができる。また、上記製造方法によって製造された磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置に搭載することにより、操舵フィーリングを良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図２】電動パワーステアリング装置の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】磁歪式トルクセンサの製造方法を示すフロー図である。
【図５】操舵トルク検出部の製造過程を示す図である。
【図６】捩りトルク付与工程から捩りトルク除去工程までの間での捩りトルクＴｑの印加と温度変化を示した図である。
【図７】加熱処理工程を示す図である。
【図８】本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造した磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性と再加熱処理前の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。
【図９】トルクゼロ点の試験結果を示す図である。
【図１０】トルク中立点付近の傾きの試験結果を示す図である。
【図１１】磁歪式トルクセンサの模式図である。
【図１２】磁歪特性を示す図である。
【図１３】従来の磁歪式トルクセンサの製造方法を示すフロー図である。
【図１４】従来の磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造された磁歪式トルクセンサの高温耐久特性を示す図である。
【符号の説明】
１０ 電動パワーステアリング装置
１１ ステアリングホイール
１２ａ、１２ｂ ステアリング軸
１９ モータ
２０ 操舵トルク検出部
２０ｕ 磁歪膜
２０ｄ 磁歪膜
２０ｒ 励磁コイル
２０ｓ 検出コイル
２２ 制御装置
５０ コイル
ＳＧ１ 駆動制御信号
Ｔ 操舵トルク信号
Ｔｑ 捩りトルク
Claims (3)
- 回転軸に磁歪膜を付与する工程と、
前記回転軸に所定の捩りトルクを加えた状態で熱処理を行う工程と、
前記捩りトルクを解放することによって前記磁歪膜に磁気異方性を設ける工程と、
前記回転軸を再度加熱処理する工程と、
前記磁歪膜周囲に磁歪特性の変化を検出する多重巻きコイルを配置する工程と、から成ることを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。 - 前記再度加熱処理工程の温度を磁歪式トルクセンサが実際に使用される状況での使用温度以上としたことを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
- 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、回転軸に磁歪膜を付与し、前記回転軸に捩りトルクを加えた状態で熱処理を行い、前記捩りトルクを解放することによって前記磁歪膜に磁気異方性を設け、その後磁歪式トルクセンサが実際に使用される状況での使用温度以上で再度加熱処理した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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