JP2007024641A - 磁歪式トルクセンサおよび磁歪式トルクセンサの磁歪膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁歪式トルクセンサの磁歪膜の損傷を防止して感度の低下を回避する。
【解決手段】 磁歪式の操舵トルクセンサは、ステアリングシャフト１１の表面にメッキ処理により形成した磁歪膜１２を備える。ステアリングシャフト１１の磁歪膜１２が形成されない部分の直径Ｄに対して、ステアリングシャフト１１の磁歪膜１２が形成される部分の直径を小さく設定したので、ステアリングシャフト１１の運搬時や組付時に磁歪膜１２が他の物体に接触して損傷するのを防止し、操舵トルクセンサの検出精度の低下を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転軸の外周面の一部に環状の磁歪膜を形成し、回転軸が捩じれ変形したときの磁歪膜の磁歪特性の変化を検出することで該回転軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサと、その磁歪式トルクセンサの磁歪膜の形成方法とに関する。

自動車のステアリングホイールに入力される操舵トルクを検出する磁歪式の操舵トルクセンサにおいて、ステアリングシャフトの表面の一部に電気メッキを行うことで磁歪膜を形成する際に、その磁歪膜の厚さを一定にするためにステアリングシャフトの外周に円筒状のマスキング治具を嵌合させた状態で電気メッキを施すものが、下記特許文献１により公知である。
特開２００５−３６２２号公報

ところで上記従来のものは、ステアリングシャフトの表面に形成された磁歪膜の表面が、該ステアリングシャフトの磁歪膜を持たない部分の表面よりも径方向外側に突出しているので、ステアリングシャフトの組付時等に磁歪膜が他の物品に接触して磁気特性に変化が生じてしまい、そのために操舵トルクセンサの検出精度が低下してしまう可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、磁歪式トルクセンサの磁歪膜の損傷を防止して感度の低下を回避することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転軸の外周面の一部に環状の磁歪膜を形成し、回転軸が捩じれ変形したときの磁歪膜の磁歪特性の変化を検出することで該回転軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、回転軸の磁歪膜が形成されない部分の直径に対して、回転軸の磁歪膜が形成される部分の直径を小さく設定したことを特徴とする磁歪式トルクセンサが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記磁歪式トルクセンサは、電動パワーステアリング装置のアクチュエータを制御するための操舵トルクを検出することを特徴とする磁歪式トルクセンサが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２に記載の磁歪式トルクセンサの磁歪膜の形成方法であって、回転軸の外周面に円筒状のマスキング治具を嵌合させて固定する工程と、回転軸をメッキ槽に入れてメッキを施すことで磁歪膜を形成する工程と、回転軸からマスキング治具を取り外す工程とを含むことを特徴とする磁歪式トルクセンサの磁歪膜の形成方法が提案される。

尚、実施例のステアリングシャフト１１は本発明の回転軸に対応し、実施例の操舵トルクセンサ１３は本発明の磁歪式トルクセンサに対応し、実施例の第１、第２マスキング治具１６，１７は本発明のマスキング治具に対応する。

請求項１の構成によれば、磁歪式トルクセンサの回転軸の磁歪膜が形成されない部分の直径に対して、回転軸の磁歪膜が形成される部分の直径を小さく設定したので、回転軸の運搬時や組付時に磁歪膜が他の物体に接触して磁気特性に変化が生じるのを防止し、磁歪式トルクセンサの検出精度の低下を防止することができる。

請求項２の構成によれば、磁歪式トルクセンサで電動パワーステアリング装置のアクチュエータを制御するための操舵トルクを検出するので、精度良く検出された操舵トルクに基づいてアクチュエータを制御して操舵フィーリングを高めることができる。

請求項３の構成によれば、磁歪式トルクセンサの回転軸の外周面に円筒状のマスキング治具を嵌合させて固定し、その回転軸をメッキ槽に入れてメッキを施すことで磁歪膜を形成した後に、回転軸からマスキング治具を取り外すので、回転軸のマスキング治具に覆われていない部分に形成される磁歪膜の膜厚を軸方向に均一化し、トルクの検出精度を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図９は本発明の第１実施例を示すもので、図１は磁歪膜が形成されたステアリングシャフトを示す図、図２は操舵トルクセンサの構造を示す図、図３は磁歪膜の均一性が透磁率に与える影響を示す図、図４はステアリングシャフトおよび操舵トルクセンサの位置関係がエアギャップに与える影響を示す図、図５は第１マスキング治具の形状を示す図、図６は第２マスキング治具の形状を示す図、図７はステアリングシャフトに第１、第２マスキング治具を取り付けた状態を示す図、図８は電気メッキで磁歪膜を形成する工程を示す図、図９はステアリングシャフトの組付後の操舵トルクセンサの感度変化を示すグラフである。

図１に示すように、電動パワーステアリング装置のステアリングシャフト１１の外周面にはＮｉ−Ｆｅメッキよりなる環状の磁歪膜１２，１２が形成される。二つの磁歪膜１２，１２は間隔を有して形成されており、実施例では、ステアリングシャフト１１の直径Ｄは２０ｍｍであり、磁歪膜１２，１２の幅Ｗは１４ｍｍであり、磁歪膜１２，１２の間隔ｗは８ｍｍであり、磁歪膜１２，１２の目標厚さｔは数十μｍである。

ステアリングシャフト１１の直径Ｄは２０ｍｍであるが、磁歪膜１２，１２が形成される部分の直径Ｄ′（図７参照）は、それよりも０．６ｍｍ細い１９．４ｍｍである。従って、ステアリングシャフト１１の磁歪膜１２，１２が形成される部分の表面の高さは、磁歪膜１２，１２が形成されない部分の表面の高さよりも０．３ｍｍだけ低くなっている。磁歪膜１２，１２の目標厚さｔは数十μｍであって前記０．３ｍｍよりも遥かに小さいため、磁歪膜１２，１２の表面の高さは、ステアリングシャフト１１の磁歪膜１２，１２が形成されない部分の表面の高さよりも低くなっている。

図２に示すように、電動パワーステアリング装置のステアリングシャフト１１に入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１３は、ステアリングシャフト１１の各磁歪膜１２に対向するヨーク１４と、そのヨーク１４に巻回されたコイル１５とを備えており、ヨーク１４および磁歪膜１２で構成される磁路に沿う磁束密度の変化に基づいて操舵トルクを検出する。

即ち、図３（Ａ）に示すように、操舵トルクによりステアリングシャフト１１が磁歪膜１２と共に捩じれ変形すると、磁歪膜１２の透磁率が変化することで磁束密度が変化し、その磁束密度の変化に基づいて操舵トルクを検出することができる。このとき、磁歪膜１２の厚さが軸方向に均一であれば、図４（Ａ）に示すように、ヨーク１４およびコイル１５に対する磁歪膜１２の軸方向位置がαだけずれていても、操舵トルクの検出精度に影響はない。

しかしながら、図３（Ｂ）に示すように、磁歪膜１２の厚さが軸方向に不均一であると、磁歪膜１２の透磁率が軸方向に不均一になって操舵トルクの検出精度が低下するだけでなく、図４（Ｂ）に示すように、ヨーク１４およびコイル１５に対する磁歪膜１２の軸方向位置がずれると、ヨーク１４および磁歪膜１２間のエアギャップｇが変化するために操舵トルクの検出精度が低下する問題がある。

またメッキ生成時の電流分布、即ち電流密度がメッキを施す面に対して不均一であると、メッキに含まれる鉄成分の割合、即ちメッキの磁歪特性が変わってしまい、やはりヨーク１４およびコイル１５に対する磁歪膜１２の軸方向位置のずれによって操舵トルクの検出精度が変化してしまう問題がある。従って、操舵トルクセンサ１３の検出精度を確保するには、メッキを行う際の電流密度を均一化して磁歪膜１２，１２の軸方向厚さを均一化する必要がある。

そこで本実施例では、ステアリングシャフト１１に磁歪膜１２，１２を電気メッキで形成する際に、例えば絶縁体材料である樹脂製の２個の第１マスキング治具１６，１６と１個の第２マスキング治具１７とを使用することで、磁歪膜１２，１２の膜厚の軸線方向分布の均一化を図っている。

図５に示すように、第１マスキング治具１６はステアリングシャフト１１の外周面に隙間なく嵌合する円筒状の部材であって、ステアリングシャフト１１に対して着脱できるように、その軸線を含む分割面で第１半体１８および第２半体１９に２分割される。第１、第２半体１８，１９の内周面の一端には、ステアリングシャフト１１の段部に嵌合する環状突起１８ａ，１９ａが形成される。第１半体１８には２個の切欠１８ｂ，１８ｂが形成されており、そこから分割面にボルト孔１８ｃ，１８ｃが貫通する。また第２半体１９には前記ボルト孔１８ｃ，１８ｃに連通するボルト孔１９ｂ，１９ｂが形成される。

図６に示すように、第２マスキング治具１７はステアリングシャフト１１の外周面に隙間なく嵌合する円筒状の部材であって、ステアリングシャフト１１に対して着脱できるように、その軸線を含む分割面で第１半体２０および第２半体２１に２分割される。第１、第２半体２０，２１の内周面の両端には、ステアリングシャフト１１の段部に嵌合する環状突起２０ａ，２０ａ；２１ａ，２１ａが形成される。第１半体２０には２個の切欠２０ｂ，２０ｂが形成されており、そこから分割面にボルト孔２０ｃ，２０ｃが貫通する。また第２半体２１には前記ボルト孔２０ｃ，２０ｃに連通するボルト孔２１ｂ，２１ｂが形成される。

図７に示すように、第１マスキング治具１６の第１、第２半体１８，１９は、その環状突起１８ａ，１９ａがステアリングシャフト１１の段部に係合するように取り付けられ、２本のボルト２２，２２を第１半体１８のボルト孔１８ｃ，１８ｃに挿入し、第２半体１９のボルト孔１９ｂ，１９ｂにねじ込むことで固定される。段部および環状突起１８ａ，１９ａの係合により、第１マスキング治具１６はステアリングシャフト１１の軸線方向に精密に位置決めされる。

第２マスキング治具１７の第１、第２半体２０，２１は、その環状突起２０ａ，２０ａ；２１ａ，２１ａがステアリングシャフト１１の段部に係合するように取り付けられ、２本のボルト２３，２３を第１半体２０のボルト孔２０ｃ，２０ｃに挿入し、第２半体２１のボルト孔２１ｂ，２１ｂにねじ込むことで固定される。段部および環状突起２０ａ，２０ａ；２１ａ，２１ａの係合により、第２マスキング治具１７はステアリングシャフト１１の軸線方向に精密に位置決めされる。

尚、２個の第１マスキング治具１６，１６の外側でステアリングシャフト１１の外周面が露出する部分は、マスキングテープ２４を貼ることでマスキングされる。

図８に示すように、２個の第１マスキング治具１６，１６および１個の第２マスキング治具１７を装着したステアリングシャフト１１を、電解液を貯留したメッキ槽２５の内部に浸漬して陰極２６および陽極２７に通電することで、ステアリングシャフト１１の第１、第２マスキング治具１６，１６；１７およびマスキングテープ２４に覆われていない部分が、Ｎｉ−Ｆｅメッキされる。

そしてステアリングシャフト１１を一方向に捩じって加熱してから捩じりを解放し、更にステアリングシャフト１１を他方向に捩じって加熱してから捩じりを解放することで、磁歪膜１２，１２に異方性を持たせてステアリングシャフト１１を完成する。

さて、仮に第１、第２マスキング治具１６，１６；１７を使用せずにマスキングテープを使用して磁歪膜１２，１２を形成した場合には、マスキングテープに接する磁歪膜１２，１２の軸線方向の両端部の膜厚が急激に増加してしまう問題があるが、第１、第２マスキング治具１６，１６；１７を用いて磁歪膜１２，１２を形成すると、磁歪膜１２，１２の膜厚を軸線方向に均一化することができる。その理由は、メッキ時に磁歪膜１２，１２の両端部に電流が集中するのが防止されるためと考えられる。

またステアリングシャフト１１の磁歪膜１２，１２が形成されていない部分の直径Ｄを、磁歪膜１２，１２が形成されている部分の直径Ｄ′よりも小さくし、ステアリングシャフト１１の磁歪膜１２，１２が形成されていない部分の表面から磁歪膜１２，１２が突出するのを防止したので、完成したステアリングシャフト１１を運搬する際や組み付ける際に、磁歪膜１２，１２が他の部分に接触して磁気特性に変化が生じるのを防止することで、操舵トルクセンサ１３の検出精度を高めることができる。

図９の比較例はステアリングシャフト１１の外径が全てＤであって、磁歪膜１２，１２がステアリングシャフト１１の表面から突出しているものであり、実施例のステアリングシャフト１１が組付後に殆ど感度低下を起こしていないのに対し、比較例のステアリングシャフト１１は組付後に６％〜７％の感度低下を起こしているのが分かる。

しかして、厚さが均一であってかつ損傷し難い磁歪膜１２，１２を有する高精度の操舵トルクセンサ１３を用いて電動パワーステアリング装置のアクチュエータを制御するので、電動パワーステアリング装置による操舵フィーリングを高めることができる。

次に、図１０に基づいて本発明の第２実施例を説明する。

第２実施例は、ステアリングシャフト１１の磁歪膜１２，１２が形成されない部分と、磁歪膜１２，１２が形成される部分との境界に、環状溝１１ａ，１１ａ，１１ｂ，１１ｂが形成される。環状溝１１ａおよび環状突起１８ａ，１９ａの係合により、第１マスキング治具１６はステアリングシャフト１１の軸線方向に一層精密に位置決めされ、環状溝１１ｂ，１１ｂおよび環状突起２０ａ，２０ａ；２１ａ，２１ａの係合により、第２マスキング治具１７はステアリングシャフト１１の軸線方向に一層精密に位置決めされる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の磁歪式トルクセンサは、電動パワーステアリング装置用の操舵トルクセンサ１３以外の任意の用途に適用することができる。

磁歪膜が形成されたステアリングシャフトを示す図 操舵トルクセンサの構造を示す図 磁歪膜の均一性が透磁率に与える影響を示す図 ステアリングシャフトおよび操舵トルクセンサの位置関係がエアギャップに与える影響を示す図 第１マスキング治具の形状を示す図 第２マスキング治具の形状を示す図 ステアリングシャフトに第１、第２マスキング治具を取り付けた状態を示す図 電気メッキで磁歪膜を形成する工程を示す図 ステアリングシャフトの組付後の操舵トルクセンサの感度変化を示すグラフ 本発明の第２実施例に係る、前記図１に対応する図

符号の説明

１１ ステアリングシャフト（回転軸）
１２ 磁歪膜
１３ 操舵トルクセンサ（磁歪式トルクセンサ）
１６ 第１マスキング治具（マスキング治具）
１７ 第２マスキング治具（マスキング治具）
２５ メッキ槽
Ｄ 直径
Ｄ′ 直径

Claims (3)

1. 回転軸（１１）の外周面の一部に環状の磁歪膜（１２）を形成し、回転軸（１１）が捩じれ変形したときの磁歪膜（１２）の磁歪特性の変化を検出することで該回転軸（１１）のトルクを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、
   回転軸（１１）の磁歪膜（１２）が形成されない部分の直径（Ｄ）に対して、回転軸（１１）の磁歪膜（１２）が形成される部分の直径（Ｄ′）を小さく設定したことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記磁歪式トルクセンサ（１３）は、電動パワーステアリング装置のアクチュエータを制御するための操舵トルクを検出することを特徴とする、請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の磁歪式トルクセンサの磁歪膜の形成方法であって、
   回転軸（１１）の外周面に円筒状のマスキング治具（１６，１７）を嵌合させて固定する工程と、
   回転軸（１１）をメッキ槽（２５）に入れてメッキを施すことで磁歪膜（１２）を形成する工程と、
   回転軸（１１）からマスキング治具（１６，１７）を取り外す工程と、
   を含むことを特徴とする磁歪式トルクセンサの磁歪膜の形成方法。
   

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