JP2007101423A - 磁歪式トルクセンサとこれを利用した電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸に形成される磁歪膜と検出コイルとの形状に係る寸法関係を最適にしてセンサ感度特性を向上でき、組立て時の位置ずれ公差を拡大できる磁歪式トルクセンサと電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】この磁歪式トルクセンサは、トルクを加えられて回転する回転軸１１と、回転軸の表面の少なくとも１箇所に円周方向に全周に渡って形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂと、磁歪膜のインピーダンス変化を検出する検出コイル１３Ａ，１３Ｂと、検出コイルから出力されたインピーダンス変化に係る信号に基づいて回転軸に加わるトルクを算出するトルク算出部１７とを備える。磁歪膜幅Ｗ１と検出コイル幅Ｗ２は、Ｗ１とＷ２が１＜（Ｗ１／Ｗ２）＜１．３５の関係を満たすように設定されている。
【選択図】図６

Description

本発明は磁歪式トルクセンサとこれを利用した電動パワーステアリング装置に関し、特に、センサ感度特性を高め、装置組立て時の位置ずれ公差を拡大できる磁歪式トルクセンサ、およびこれを利用して作製される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、磁歪式トルクセンサにより構成されている。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、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よく知られている。この磁歪式トルクセンサは、ステアリング軸の表面の例えば所定の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の製造プロセスでは、上記ステアリング軸の一部の所定表面、すなわち円柱体形状の回転軸における所定の軸方向幅の円周表面に全周に渡って磁歪膜（広義には磁歪領域部）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恒温槽におい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２００２−８２０００号公報

従来の磁歪式トルクセンサは、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として、円柱体形状の回転軸の円周表面に全周に渡って形成された磁歪膜の周囲に当該磁歪膜を囲むように筒形状の検出コイルを備えている。一般的な従来の磁歪式トルクセンサでは、磁歪膜の回転軸の軸方向の幅（以下「磁歪膜幅」と記す）は、検出コイルのその軸方向の長さまたは幅（以下「検出コイル幅」と記す）にほぼ一致させる傾向にあった。磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜と検出コイルの各々の大きさと配置関係に関する寸法としては、上記の磁歪膜幅と検出コイル幅、磁歪膜と検出コイルの内周面との距離（以下「隙間」と記す）が定義される。

次に、図９と図１０を参照して、磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜幅、検出コイル幅、隙間に関する問題を説明する。

図９は、従来の磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜と検出コイルの間の回転軸の軸方向での位置ずれ（横軸：ｍｍ）とセンサの感度変化率（縦軸）との関係を示している。この場合、隙間は０．５ｍｍである。図１０は同磁歪式トルクセンサにおける磁性膜と検出コイルの間の隙間（回転軸の径方向における間隔、横軸：ｍｍ）とセンサの感度変化率（縦軸）との関係を示している。

図９のグラフ１０１によれば、位置ずれがない場合（横軸で０．０、縦軸で感度変化率「１」）を基準にして考えると、上方向（図９で右側）に位置ずれが生じても、下方向に（図９で左側）に位置ずれが生じても、感度変化率は「１」よりも小さくなる。例えば、回転軸の軸方向の位置ずれが例えば±０．６８ｍｍを超えた程度で、感度変化率は０．９８よりも小さくなるという特性を示している。

磁歪式トルクセンサは、検出精度が高い次元で求められる機器である。このため、その感度変化率が０．９８を切ると、実際に自動車等の車載機器として使用する場合には、ステアリング操作で運転者がその追従性について違和感を感じる可能性がある。

図１０のグラフ１０２によれば、同様に、横軸で隙間が０．５ｍｍのときに感度変化率を１．０としている。これを基準とする場合、例えば隙間が２倍の１ｍｍになると、すなわち０．５ｍｍだけずれるだけでも、感度変化率はほぼ０．８５程度まで小さくなるという望ましくない特性を有している。

磁歪式トルクセンサにおいて、回転軸に形成された磁歪膜とこの磁歪膜の周囲に設置される検出コイルとの間で、その位置関係に関して位置ずれが生じると、センサの感度性能が低下する。特に、当該磁歪式トルクセンサが自動車の電動パワーステアリング装置に応用されるとき、そのような位置ずれが生じているとすると、電動パワーステアリング装置で操作違和感を生じさせるので、好ましくない。

現在の電動パワーステアリング装置での製造環境では、組立て工程上での位置ずれは、検出コイルの組付けで０．２ｍｍ程度、ステアリング軸（回転軸）の組付けで０．２ｍｍ程度が見込まれている。そのため、検出コイルとステアリング軸で相対的に位置ずれが生じたときには最大で０．４ｍｍ程度の位置ずれが生じる可能性がある。

他方、自動車に組み込まれた電動パワーステアリング装置は、その後の使用環境によって、経年変化や路面からの過剰な入力等により、製造時の位置ずれも含めて最大で１ｍｍ程度は位置ずれが生じる可能性がある。そのため、自動車の電動パワーステアリング装置等に利用される磁歪式トルクセンサについては、製造時およびその後の使用時を含めて、最大でも１ｍｍ程度の位置ずれしか生じない構造上の耐性が望まれている。

本発明の目的は、上記の課題を鑑み、回転軸に形成される磁歪膜と検出コイルとの形状に係る寸法関係を最適にしてセンサ感度特性を向上することができ、かつ装置組立て時の位置ずれ公差を拡大することができる磁歪式トルクセンサ、およびこれを利用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、トルクを加えられて回転する回転軸と、回転軸の表面の少なくとも１箇所に円周方向に全周に渡って形成された磁歪領域部と、磁歪領域部のインピーダンス変化を検出する検出コイルと、検出コイルから出力されたインピーダンス変化に係る信号に基づいて回転軸に加わるトルクを算出するトルク算出部とを備える。以上の構成において、磁歪領域部での回転軸の軸方向の幅（Ｗ１）と検出コイルでの回転軸の軸方向の幅（Ｗ２）は、Ｗ１とＷ２が１＜（Ｗ１／Ｗ２）＜１．３５の関係を満たすように設定されている。

上記の磁歪式トルクセンサでは、磁歪膜等の磁歪領域部の軸方向幅Ｗ１を検出コイルの軸方向幅Ｗ２よりも大きくしかつ最適な寸法関係になるように設定することにより、仮に、その後において回転軸すなわちステアリング軸と検出コイルの軸方向に係る位置関係が相対的に１ｍｍ程度ずれたとしても、磁歪式トルクセンサのセンサ感度変化率を、電動パワーステアリング装置の使用において支障がない程度に保つことができる。

第２の磁歪式トルクセンサ（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、磁歪領域部は、回転軸の表面に磁歪材めっき部を形成することに基づいて作製される磁歪膜であることを特徴とする。

第３の磁歪式トルクセンサ（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、磁歪膜の材質はＮｉ−Ｆｅ合金材であることを特徴とする。

電動パワーステアリング装置（請求項４に対応）は、ステアリング軸と、ステアリング軸を回転軸としてこのステアリング軸に付設され、当該ステアリング軸に加わる操舵トルクを検出するための上記第１から第３のいずれかの磁歪式トルクセンサと、磁歪式トルクセンサで検出された操舵トルクに応じてステアリング軸に補助操舵力を付加するモータと、磁歪式トルクセンサから検出された操舵トルクに係る信号に基づいてモータの駆動を制御する制御部と、から構成されている。

上記電動パワーステアリング装置では、ステアリングホイールからの操舵力を受けるステアリング軸に付設される操舵トルク検出部として、上記の第１から第３のいずれかの磁歪式トルクセンサを利用し、当該磁歪式トルクセンサの特徴的構成に基づき、電動パワーステアリング装置自体の操舵フィーリング特性も長期の使用にわたり良好に維持することが可能である。

本発明によれば、磁歪式トルクセンサで、磁歪領域部の軸方向幅Ｗ１を検出コイルの軸方向幅Ｗ２を最適な寸法関係になるように設定したため、磁歪式トルクセンサのセンサ感度を高めることができ、かつセンサ装置組立て時に位置ずれの公差を拡大することができ、このためさらにセンサ装置に製造工程における公差管理が容易になる。またこのような特徴を有する磁歪式トルクセンサを利用して構成される電動パワーステアリング装置は、その後の使用環境において仮にステアリング軸と検出コイルの軸方向に係る位置関係が相対的にずれたとしても、磁歪式トルクセンサのセンサ感度変化率が良好に維持され、電動パワーステアリング装置としての操舵フィーリングを長期にわたり良好に維持することができる。

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３を参照して磁歪式トルクセンサの構成について説明する。図１〜図３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と図２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。磁歪式トルクセンサ１０が、自動車の電動パワーステアリング装置の操舵トルク検出部として利用されるとき、回転軸１１はステアリング軸の一部となる。この状態は図３に示されている。

回転軸１１は、円柱棒状の形状を有し、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。回転軸１１には、軸方向にて上下２箇所に磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが設けられている。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々は、回転軸１１の軸方向にて後述の条件を満たす所要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。２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの間隔寸法は条件に応じて任意に設定される。

磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、例えば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。なお磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの作り方はこれに限定されない。また回転軸１１における磁歪膜が形成される領域は、所要の磁歪特性を有すればよく、磁歪膜に限定されず、磁歪領域部が形成されればよい。

上記の磁歪式トルクセンサ１０において、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの回転軸１１ａの軸方向の幅（磁歪膜幅Ｗ１）は、検出コイル１３Ａ，１３Ｂのその軸方向の長さまたは幅（検出コイル幅Ｗ２）に後述する条件を満たすように大きくなるように設定されている。

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」という。

上記の励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂは、図１に示すごとく、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。ほぼ筒形状のリング状検出コイル１３Ａは、磁歪膜１４Ａの全周囲を囲み、かつ検出コイル１３Ａの検出コイル幅の寸法は磁歪膜１４Ａの磁歪膜幅の幅寸法よりも小さくなっている。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、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の検出コイル幅の寸法は磁歪膜１４Ｂの磁歪膜幅の幅寸法よりも小さくなっている。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。

検出コイル１３Ａ，１３Ｂの各出力端子から出力された誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂはトルク算出部１７に入力される。トルク算出部１７は、誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂに基づいて回転軸１１に加わったトルクを演算・算出して、当該トルクに係る信号（Ｔ）を出力する。トルク算出部１７は、マイコン等の演算手段または演算用電気回路で構成される。

上記において、励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂとの関係は、変圧器の１次巻線と２次巻線との関係になっている。

回転軸１１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。

次に、図３を参照して、上記磁歪式トルクセンサ１０を例えば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んだ具体的構造を説明する。図３において図１と図２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３では、操舵トルク検出部２０、ステアリング軸２１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の具体的構成が示されている。

図３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）に結合されている。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ている。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において、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。ハウジング３１ａの上側には、ステアリング軸２１（回転軸１１）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。

なお上記の操舵トルク検出部２０において、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪膜幅は、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの検出コイル幅に対して、相対的に相当に大きく強調して図示されている。しかし、これは図示の便宜上の理由であり、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪膜幅と検出コイル１３Ａ，１３Ｂの検出コイル幅との寸法関係は、後述の条件を満たすように設定されている。

ハウジング３１ａの上部開口はリッド３７で塞がれており、このリッド３７は図示しないボルトではハウジング３１ａに固定されている。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。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３中、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。

２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂに関しては、それぞれ、後述の図４に示す凸形状の磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂが得られる。この磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂは、それぞれ、検出コイル１３Ａ，１３Ｂからの検出出力である誘電電圧の変化特性に対応している。

操舵トルク検出部２０は、２つの磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂを基礎に、２つの検出コイルから出力される誘導電圧の差を算出し、その算出値の符号と大きさによってステアリング軸２１に加えられた操舵トルクの回転方向（右回転または左回転）と大きさを検出する。

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（Ｔ）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４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４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４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４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４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。

ここで、図５を参照して、自動車に装備される電動パワーステアリング装置の全体的構成と作用を概略的に説明し、かつ図３の構造と関連づけながら説明する。図５において、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。

電動パワーステアリング装置６０は、ステアリングホイール６１に連結されるステアリング軸２１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る。ステアリング軸２１は、上端にステアリングホイール６１が連結された上側のステアリング軸２１ａと、下端にピニオンギヤ３８が設けられた下側のステアリング軸２１ｂと、上下のステアリング軸２１ａ，２１ｂを連結する自在軸継手２１ｃとから構成されている。下側のステアリング軸２１ｂのピニオンギヤ３８に対して、これに噛み合うラックギヤ３９ａを設けたラック軸３９が配置されている。ピニオンギヤ３８とラック軸３９（ラックギヤ３９ａ）とによってラック・ピニオン機構３４が形成される。ラック軸３９の両端にはタイロッド４６が設けられ、各タイロッド４６の外側端には前輪６２が取り付けられている。

下側のステアリング軸２１ｂに対して動力伝達機構３５を介してモータ４２が設けられている。動力伝達機構４２は、ウォームギヤ４３とウォームホイール４５によって形成されている。モータ４２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３５を経由してステアリング軸２１ｂに与える。

ステアリング軸２１ｂには操舵トルク検出部２０が設けられる。操舵トルク検出部２０は、運転者がステアリングホイール６１を操作してその操舵トルクをステアリング軸２１に加えたとき、ステアリング軸２１に加わった当該操舵トルクを検出する。

なお、図３に示したステアリング軸２１は、上記の説明で明かなように、厳密には下側のステアリング軸２１ｂを意味している。

６３は自動車の車速を検出する車速検出部であり、６４はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置６４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６３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４２の動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。

電動パワーステアリング装置６０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６３、制御装置６４、モータ４２、動力伝達機構３４等を付加することによって構成される。

運転者がステアリングホイール６１を操作して車両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２１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３４を介してラック軸３９の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド４６を介して前輪６２の走行方向を変化させる。このときに、同時に、ステアリング軸２１ｂ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６１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６４へ出力する。また車速検出部６３は、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６４へ出力する。制御装置６４は、操舵トルク信号Ｔ、車速信号Ｖに基づいてモータ４２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４２は、動力伝達機構３５を介して補助操舵力をステアリング軸２１ｂに作用させる。以上のごとくモータ４２を駆動することにより、ステアリングホイール６１に加えられる運転者の操舵力が軽減される。

次に、図６〜図８を参照して本発明に係る磁歪式トルクセンサ１０の特徴的構成を説明する。図６は、図１等で示した磁歪式トルクセンサ１０の構成に関して磁歪膜１４Ａ，１４Ｂと検出コイル１３Ａ，１３Ｂの取付け位置関係のみを抽出しかつ誇張して示した側面図である。図７は、磁歪膜幅（Ｗ１）と検出コイル幅（Ｗ２）の比Ｄ（＝Ｗ１／Ｗ２）に対する感度変化率の変化を示すグラフである。図８は比Ｄの感度変化率と位置ずれの関係を示すグラフである。

図６において図１で説明した要素には同一の符号を付している。図６で磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪膜幅の寸法はＷ１として示され、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの検出コイル幅の寸法はＷ２として示されている。なお図６で、矢印７１は磁歪膜１４Ａに付加された磁気異方性の方向を示し、矢印７２は磁歪膜１４Ｂに付加された磁気異方性の方向を示している。

図１に示すごとく、上記の磁歪式トルクセンサ１０では、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪膜幅Ｗ１が検出コイル１３Ａ，１３Ｂの検出コイル幅Ｗ２よりも大きく、かつその比Ｄ（＝Ｗ１／Ｗ２）が１．０＜Ｄ＜１．３５の条件を満たすように設定されている。この条件を満たすことにより、磁歪式トルクセンサ１０のセンサ感度が極めて向上する。上記の条件が最適であることの理由と、上記条件式を導き出す根拠を説明する。

先ず、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂでは、回転軸１１の軸方向の幅内で、感度は均一ではなく、中央部の感度が高く、両端部の感度が低いという特性を有することが見出された。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの両端部の感度が低くなる理由は、当該端部では局部的な磁力線が存在し、トルクの印加で磁歪膜に歪みが生じたとき、その磁気異方性７１，７２によって発生する逆磁歪特性が当該磁力線で低下させられるからである。逆に、検出コイルが狭くなりすぎると、検出コイルと磁歪膜に占める磁力線の割合いが小さくなり、感度が低下することになる。

図７に示した磁歪膜幅Ｗ１と検出コイル幅Ｗ２の比Ｄに対する感度変化率の変化については、磁歪膜と検出コイルとの間の隙間を０．５ｍｍに設定して測定を行っている。図７に示される最小二乗法で得たグラフ７３では、Ｄの値について、Ｄ＝１あたりで感度変化率は１を超え、Ｄ＝１から増大するに従って感度変化率が増加し、Ｄ＝１．１４のあたりで感度変化率のピークとなる。その後、Ｄの値の増加に従って感度変化率は減少し、Ｄ＝１．３５を超えたあたりでは感度変化率は１よりも小さくなる。以上のごとく、磁歪式トルクセンサ１０のセンサ感度の感度変化率は、比Ｄの値、すなわち磁歪膜幅Ｗ１と検出コイル幅Ｗ２の比（Ｗ１／Ｗ２）に依存して増減し、かつ１．０＜Ｄ＜１．３５では感度変化率が１をほぼ上回る。

図８に示した比Ｄの感度変化率と位置ずれの関係を示すグラフでは、位置ずれが０ｍｍのグラフ８１、位置ずれが０．５ｍｍのグラフ８２、位置ずれが１．０ｍｍのグラフ８３、位置ずれが１．５ｍｍのグラフ８４が示されている。この「位置ずれ」は、回転軸１１の軸方向における磁歪膜１４Ａ，１４Ｂと検出コイル１３Ａ，１３Ｂとの間の位置ずれを意味している。図８のグラフ８１〜８４を参照すれば、位置ずれ０〜１ｍｍの範囲で比Ｄが１＜Ｄ＜１．３の範囲であるとき、感度変化率が１をほぼ上回ることが分かる。

従来の磁歪式トルクセンサによれば、上記の「位置ずれ」が０．６８ｍｍを超えた程度で感度変化率が０．９８を切っていた。図８を参照すれば、Ｄの値を最適に設定することにより位置ずれが１．５ｍｍを超えた場合でも感度変化率が０．９８を切らない範囲に設定することができる。

上記のごとく図７と図８のグラフに従えば、従来の磁歪式トルクセンサでのＤ＝１を基準にすると、本実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０によれば、その感度変化率を上回る１＜Ｄ＜１．３５でＤの最適値の範囲を決めることができる。また、より好ましい値として、磁歪式トルクセンサ１０を操舵トルク検出部２０として自動車に適用した場合に見込まれる最大の位置ずれである処の１．０ｍｍを基準にして、かつ感度変化率が０．９８を下回らない１．０３＜Ｄ＜１．３０を設定することができる。

なお、Ｄの最大値は図７に示されるごとく１．１４程度であるので、上記のごとく磁歪膜幅Ｗ１を検出コイル幅Ｗ２よりも広くすることにより、最もセンサ感度特性の高い磁歪式トルクセンサを得ることができる。またＤの値を最適値にすることにより、図１０に示した隙間の増大に対する感度変化率の低下に対しても、感度変化率が０．９８を切らないように調整することが可能である。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさ、材質、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、操舵トルク検出部として使用される磁歪式トルクセンサ、およびこれを利用した電動パワーステアリング装置であって、センサ感度を向上し、かつ装置組立て時の位置ずれ公差を拡大するのに利用される。

本発明に係る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である。 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。 本発明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。 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操舵トルク検出部として組み込んだ電動パワーステアリング装置の全体的構成を示す図である。 図１で示した磁歪式トルクセンサの構成に関して磁歪膜と検出コイルの取付け位置関係のみを抽出して示した側面図である。 磁歪膜幅（Ｗ１）と検出コイル幅（Ｗ２）の比Ｄ（＝Ｗ１／Ｗ２）に対する感度変化率の変化を示すグラフである。 比Ｄの感度変化率と位置ずれの関係を示すグラフである。 従来の磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜と検出コイルの間の回転軸の軸方向での位置ずれとセンサの感度変化率との関係を示すグラフである。 従来の磁歪式トルクセンサにおける磁性膜と検出コイルの間の隙間とセンサの感度変化率との関係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
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）
６０ 電動パワーステアリング装置
６１ ステアリングホイール
６２ 車速検出部
６３ 制御装置

Claims (4)

1. トルクを加えられて回転する回転軸と、
   前記回転軸の表面の少なくとも１箇所に円周方向に全周に渡って形成された磁歪領域部と、
   前記磁歪領域部のインピーダンス変化を検出する検出コイルと、
   前記検出コイルから出力されたインピーダンス変化に係る信号に基づいて前記回転軸に加わる前記トルクを算出するトルク算出手段とを備え、
   前記磁歪領域部での前記回転軸の軸方向の幅（Ｗ１）と前記検出コイルでの前記回転軸の軸方向の幅（Ｗ２）は、Ｗ１とＷ２が１＜（Ｗ１／Ｗ２）＜１．３５の関係を満たすように設定されることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記磁歪領域部は、前記回転軸の表面に磁歪材めっき部を形成することに基づいて作製される磁歪膜であることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 前記磁歪膜の材質はＮｉ−Ｆｅ合金材であることを特徴とする請求項２記載の磁歪式トルクセンサ。
4. ステアリング軸と、
   前記ステアリング軸を回転軸として前記ステアリング軸に付設され、前記ステアリング軸に加わる操舵トルクを検出するための請求項１〜３のいずれか１項に記載された磁歪式トルクセンサと、
   前記磁歪式トルクセンサで検出された前記操舵トルクに応じて前記ステアリング軸に補助操舵力を付加するモータと、
   前記磁歪式トルクセンサから検出された前記操舵トルクに係る信号に基づいて前記モータの駆動を制御する制御手段と、
   から成る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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