JP2008096220A - Manufacturing method of rotating shaft for magnetostrictive torque sensor, and twisting device of rotating shaft for magnetostrictive torque sensor - Google Patents
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Description
本発明は、磁歪式トルクセンサの製造技術の改良に関する。 The present invention relates to an improvement in manufacturing technology of a magnetostrictive torque sensor.
一般に、自動車等に装備される電動パワーステアリング装置では、ドライバーの操舵操作によって操舵軸から回転軸に加えられるトルクをトルクセンサで検出する。そして、このトルクセンサからの検出信号に応じてモータを駆動制御して動力を付加し、ドライバーの操舵力を軽減して快適な操舵フィーリングを与える。 In general, in an electric power steering apparatus installed in an automobile or the like, torque applied from a steering shaft to a rotating shaft by a steering operation of a driver is detected by a torque sensor. And according to the detection signal from this torque sensor, a motor is drive-controlled and power is added, a driver's steering force is reduced and a comfortable steering feeling is given.
上記トルクセンサは、各種のものが知られており、その一つは、磁歪式トルクセンサである。
磁歪式トルクセンサは、回転軸の表面に磁気異方性をもった磁歪膜を被着することを基本構成とする。回転軸に外部からトルクが作用したときに回転軸のねじれに応じて磁歪膜の磁気特性が変化する。この磁気特性の変化を検出し、トルクに換算することで、加えられたトルクを出力することを基本原理とする。
Various types of torque sensors are known, one of which is a magnetostrictive torque sensor.
A magnetostrictive torque sensor has a basic configuration in which a magnetostrictive film having magnetic anisotropy is deposited on the surface of a rotating shaft. When torque is applied to the rotation shaft from the outside, the magnetic characteristics of the magnetostrictive film change according to the twist of the rotation shaft. The basic principle is to output the applied torque by detecting this change in magnetic characteristics and converting it to torque.
磁気異方性を付与するために、回転軸にトルクを加えて応力が生じた状態のままで、加熱処理する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1を次図に基づいて説明する。
図4は従来の磁歪式トルクセンサの要部の構成図であり、回転軸101に磁歪膜106を成膜する。そして、一端の×印箇所を固定し、他端をねじることで、回転軸101に所定のトルクを加える。この状態のままで、加熱処理する。以上の工程により、磁歪膜106に磁気異方性を付加するというものである。
FIG. 4 is a configuration diagram of the main part of a conventional magnetostrictive torque sensor, in which a
本発明者らは、特許文献1を実施するため、次図に示す装置を作製した。
図5は従来の回転軸のねじり装置の原理図であり、回転軸のねじり装置100は、車両のステアリング系に配置される回転軸101を所定のトルクでねじる装置であり、装置フレーム102と、この装置フレーム102に設けられ、回転軸101の一端(上端)を支える支持部103と、この支持部103で支えられた回転軸101の他端(下端)に連結したトルク計104と、このトルク計104に連結すると共に装置フレーム102に固定されているサーボモータ105と、装置フレーム102に設けられ回転軸101に成膜されている磁歪膜106を加熱する誘導加熱コイル107と、トルク計104で検出したトルク信号と入力装置108で予め記憶させた目標値との差がゼロになるようにモータドライバー109を制御する制御部110とからなる。
In order to implement
FIG. 5 is a principle diagram of a conventional rotating shaft twisting device. A rotating
磁歪膜106を数百℃まで加熱すると、回転軸101は不可避的に熱膨張する。回転軸101は支持部103を起点として、図面下方へ伸びる。
When the
図5の作用を次図で詳しく説明する。
図6は図5の作用説明図であり、(a)に示される予定曲線で回転軸をねじり、トルクが安定した領域で、(b)に示される曲線で加熱し、冷却する要領で図5のねじり装置100を運転した。ところが、トルク計(図5、符号104)で測定したトルクは、(c)のようになった。すなわち、熱処理範囲でトルクが大きく変動した。
The operation of FIG. 5 will be described in detail with reference to the next figure.
FIG. 6 is an explanatory diagram of the operation of FIG. 5, in which the rotating shaft is twisted with the predetermined curve shown in FIG. 5A and the torque is stabilized, and the heating and cooling are performed with the curve shown in FIG. The
このような変動には、バラツキがあり、磁歪膜(図5、符号106)の品質に悪影響を及ぼす。そこで、本発明者らはトルクの変動を解消する作業の一環として、トルクの変動のメカニズムを次のように推定した。
図7は図5の7−7線断面図であり、回転軸側の角軸112は、トルク計側のボス113に設けられている角穴114に嵌合される。
図8は角穴と角軸との関係を示す断面図であり、角軸112が、熱膨張により下がってきても良いように、角穴114の底は十分に深くなっている。
Such fluctuations vary and adversely affect the quality of the magnetostrictive film (FIG. 5, reference numeral 106). Therefore, the present inventors estimated the torque fluctuation mechanism as follows as part of the work to eliminate the torque fluctuation.
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line 7-7 in FIG. 5, and the
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the relationship between the square hole and the square axis. The bottom of the
図9は図8の9部の拡大図(理解を促すために極端に拡大した図)である。
(a)は、例えば熱膨張前の角軸112とボス113との関係を示し、角軸112にポイント(目印)P1を付し、ボス113にポイントP2を付したとする。
角軸112の表面は機械加工などの影響で極めて微細な凹凸が不可避的に発生する。ボス113の表面も同様に極めて微細な凹凸が不可避的に発生する。
今、ポイントP1とポイントP2との水平距離がL1であったとする。
FIG. 9 is an enlarged view of
(A) shows the relationship between the
The surface of the
Assume that the horizontal distance between the point P1 and the point P2 is L1.
(b)は、例えば熱膨張途中の状態を示し、ボス113に対して角軸112が下方へ移動した。この移動により、角軸112側の凸がボス113側の凹に嵌合した。この結果、ポイントP1とポイントP2との水平距離L2はL1より小さくなった。
(B) shows the state in the middle of thermal expansion, for example, and the
(c)は、例えば熱膨張後の状態を示し、ボス113に対して角軸112が更に下方へ移動した。この移動により、角軸112側の凸がボス113側の凸に対向した。この結果、ポイントP1とポイントP2との水平距離L3はL2及びL1より大きくなった。
(C) shows a state after thermal expansion, for example, and the
図10は凹凸の影響を説明する図であり、想像線で示した角軸112が、上記水平距離の変化(L1→L2又はL1→L3)によって、実線で示す角軸112のように回転することが考えられる。図は誇張して記載したが、角度θは0.04°程度である。
FIG. 10 is a diagram for explaining the influence of unevenness, and the
ところで、図6(c)に示したトルク変動は、磁歪膜の品質に悪影響を及ぼす虞があって、容認できない。
そこで、図9〜図10の推論を踏まえて、トルクの変動を抑えることができる技術が望まれる。
Incidentally, the torque fluctuation shown in FIG. 6C is unacceptable because it may adversely affect the quality of the magnetostrictive film.
Therefore, a technique capable of suppressing torque fluctuations is desired based on the inferences shown in FIGS.
本発明は、トルクの変動を抑えることができる磁歪式トルクセンサ用回転軸の製造方法及び磁歪式トルクセンサ用回転軸のねじり装置を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a rotating shaft for a magnetostrictive torque sensor and a twisting device for the rotating shaft for a magnetostrictive torque sensor that can suppress fluctuations in torque.
請求項1に係る発明は、回転軸に磁歪膜を成膜する成膜工程と、前記回転軸に所定のトルクを加える工程と、前記回転軸に所定のトルクを加えた状態で前記磁歪膜に熱処理を施す熱処理工程と、前記トルクを解消する工程とからなる磁歪式トルクセンサ用回転軸の製造方法において、前記回転軸に所定のトルクを加える工程では、トルク発生手段と前記回転軸とをトーションバーで連結し、このトーションバーを介してトルク発生手段で回転軸をねじるようにしたことを特徴とする。
The invention according to
請求項2に係る発明は、磁歪膜が成膜されている回転軸を、トルク発生手段により所定のトルクでねじる磁歪式トルクセンサ用回転軸のねじり装置において、
前記回転軸と前記トルク発生手段との間に、トーションバーを介在させたことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a twisting device for a rotational shaft for a magnetostrictive torque sensor in which a rotational shaft on which a magnetostrictive film is formed is twisted with a predetermined torque by a torque generating means.
A torsion bar is interposed between the rotating shaft and the torque generating means.
請求項1に係る発明では、トーションバーを介してトルク発生手段で回転軸をねじるようにした。回転軸とトルク発生手段との間には機械的な連結部が存在する。この連結部には、機械加工などにより不可避的な凹凸が存在する。回転軸が熱膨張すると、連結部における凹凸の位置が相対的に移動し、その影響がトルク発生手段での回転角度に表れる。
トーションバーを介在させると、トルク発生手段の回転角度は、回転軸のねじれ角とトーションバーのねじれ角の合計になる。トルク発生手段の回転角度が大きいと、凹凸に起因する角度変化の影響は小さくなり、結果として、この結果、トルクの変動が緩和され、トルクの変動を抑えることができる。
In the invention according to
When the torsion bar is interposed, the rotation angle of the torque generating means is the sum of the twist angle of the rotating shaft and the twist angle of the torsion bar. When the rotation angle of the torque generating means is large, the influence of the angle change due to the unevenness is reduced, and as a result, the torque fluctuation is mitigated and the torque fluctuation can be suppressed.
請求項2に係る発明でも、トーションバーを介在させると、トルク発生手段の回転角度は、回転軸のねじれ角とトーションバーのねじれ角の合計になる。トルク発生手段の回転角度が大きいと、凹凸に起因する角度変化の影響は小さくなり、結果として、この結果、トルクの変動が緩和され、トルクの変動を抑えることができる。
In the invention according to
加えて、従来のねじり装置にトーションバーを加入することで、装置の改良を図ることができる。すなわち、安価なねじり装置を安価な改造費用で改造することで、本発明のねじり装置を得ることができるため、生産性を維持しつつ、トルクの変動を抑えることができるため、精密でかつ均質の磁気異方性を付加できる磁歪式トルクセンサ用回転軸のねじり装置の普及を促すことができる。 In addition, by adding a torsion bar to a conventional twisting device, the device can be improved. In other words, by remodeling an inexpensive torsion device at an inexpensive remodeling cost, the torsion device of the present invention can be obtained, so that fluctuations in torque can be suppressed while maintaining productivity. It is possible to promote the popularization of a twisting device for a rotating shaft for a magnetostrictive torque sensor that can add the magnetic anisotropy.
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1は本発明に係る磁歪式トルクセンサ用回転軸の製造方法を説明する図であり、(a)に工程が示され、(b)にトルクを付加する時期が示され、(c)に熱処理を施す時期が示されている。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The drawings are viewed in the direction of the reference numerals.
FIG. 1 is a diagram for explaining a method of manufacturing a rotating shaft for a magnetostrictive torque sensor according to the present invention, wherein (a) shows a process, (b) shows a timing for applying torque, and (c) shows a process. The time for heat treatment is shown.
(a)の工程を詳細に説明する。
(a−1)に示されるように、軸部材11に酸エッチング法などを用いて面を粗らすことを内容とする前処理を施す。粗面にすると、磁歪膜の接着強度を高めることができるからである。この前処理を済ませた軸部材12に、(a−2)に示されるように、電気メッキ法により磁歪膜13を成膜する。
The step (a) will be described in detail.
As shown in (a-1), the
(a−3)に示されるように、磁歪膜13が付いた軸部材14を所定のトルクでねじる。
(a−4)に示されるように、トルクを付加した状態で、数百℃まで急速加熱し、後にゆっくり冷却する。この加熱処理と冷却処理は合わせて熱処理と呼ばれる。ねじりながら熱処理を施すことにより磁気異方性を付与することができる。 次に、トルクの付加を解除する(a−5)。
好ましくは、(a−6)に示されるように焼なまし(アニーリング)処理を施す。
As shown in (a-3), the
As shown in (a-4), in a state where torque is applied, it is rapidly heated to several hundred degrees Celsius and then slowly cooled. This heat treatment and cooling treatment are collectively called heat treatment. Magnetic anisotropy can be imparted by performing heat treatment while twisting. Next, torque addition is canceled (a-5).
Preferably, an annealing treatment is performed as shown in (a-6).
以上に説明した工程のうちで、(a−3)の工程(トルク付加工程)〜(a−4)の工程(ねじりながら熱処理を施す工程)に好適な回転軸のねじり装置を以下に説明する。
図2は本発明に係る回転軸のねじり装置の原理図であり、回転軸のねじり装置10は、車両のステアリング系に配置される回転軸11を所定のトルクでねじる装置であり、装置フレーム12と、この装置フレーム12に設けられ、回転軸11の一端(上端)を支える支持部材13と、この支持部材13で支えられた回転軸11の他端(下端)に連結したトーションバー14と、このトーションバー14の他端(下端)に連結したトルク計15と、このトルク計15に連結すると共に装置フレーム12に固定されている、トルク発生手段としてのサーボモータ16と、装置フレーム12に設けられ回転軸11に成膜されている磁歪膜17を加熱する誘導加熱コイル18と、トルク計15で検出したトルク信号と入力装置19で予め記憶させた目標値との差がゼロになるようにモータドライバー21を制御する制御部22とからなる。
Among the steps described above, a rotating shaft twisting apparatus suitable for the steps (a-3) (torque applying step) to (a-4) (step of performing heat treatment while twisting) will be described below. .
FIG. 2 is a principle diagram of a rotating shaft twisting device according to the present invention. The rotating
上記装置10で、回転軸11に100Nmのトルクを付加した。この結果、回転軸11は0.40°ねじれた。また、トーションバー14は2.30°ねじれた。
トーションバー14の上端をP11、下端をP12と呼ぶ。そして、P11及びP12におけるねじれ角を測定した。比較のために、同条件で従来装置でも測定した。測定の結果を次表に示す。
With the
The upper end of the
比較例は、図5に示すねじり装置を使用し、サーボモータで100Nmのトルクを回転軸に付加した。回転軸のねじれ角は0.40°であり、サーボモータの回転角は同様の0.40°であった。P1での角度変化は、図10で説明したように角度変化は0.04°であった。
変化の影響は、(角度変化/サーボモータの回転角)と定義すると、0.04/0.40=0.10の計算により、10%となった。
In the comparative example, the twisting device shown in FIG. 5 was used, and a torque of 100 Nm was applied to the rotating shaft with a servo motor. The twist angle of the rotating shaft was 0.40 °, and the rotation angle of the servo motor was 0.40 °. As described with reference to FIG. 10, the angle change at P1 was 0.04 °.
When the influence of the change is defined as (angle change / rotation angle of the servo motor), it is 10% by the calculation of 0.04 / 0.40 = 0.10.
実施例は、図2に示すねじり装置を使用し、サーボモータで100Nmのトルクを回転軸に付加した。回転軸のねじれ角は0.40°でありトーションバーのねじれ角は2.30°あった。サーボモータの回転角は回転軸のねじれ角とトーションバーのねじれ角の合計となり、2.70°であった。P1(図2参照)での角度変化は0.04°、P2での角度変化は0.04°であった。
変化の影響は、(角度変化/サーボモータの回転角)と定義すると、(0.04+0.04)/2.70=0.03の計算により、3%となった。
実施例は、比較例に対して変化の影響が1/3以下になった。
In the embodiment, the twisting device shown in FIG. 2 was used, and a torque of 100 Nm was applied to the rotating shaft by a servo motor. The twist angle of the rotating shaft was 0.40 °, and the twist angle of the torsion bar was 2.30 °. The rotation angle of the servo motor was the sum of the twist angle of the rotating shaft and the twist angle of the torsion bar, and was 2.70 °. The angle change at P1 (see FIG. 2) was 0.04 °, and the angle change at P2 was 0.04 °.
When the influence of the change is defined as (angle change / rotation angle of the servo motor), it is 3% by calculation of (0.04 + 0.04) /2.70=0.03.
In the example, the influence of the change was 1/3 or less compared to the comparative example.
図3は本発明におけるトルク曲線を示すグラフであり、点P3で一旦トルクが減少するものの直ぐに復帰し、結果として、図6(c)で示されるようなトルクの大きな変動を、大幅に改善することができた。 FIG. 3 is a graph showing a torque curve according to the present invention. Although the torque once decreases at the point P3, it returns immediately, and as a result, the large fluctuation in torque as shown in FIG. 6C is greatly improved. I was able to.
尚、回転軸のねじり装置10は、原理的な構造を示しただけであり、適宜構成を変更することは差し支えない。特に、トルク計15の位置は任意であり、支持部材13と回転軸11との間に設けることもできる。また、サーボモータ16にトルク計の機能が内蔵されていれば、見かけ上、トルク計15を省くことができる。
Note that the twisting
本発明は、車両のステアリング系統に使用する磁歪式トルクセンサ用回転軸のねじり装置に好適である。 The present invention is suitable for a twisting device for a rotating shaft for a magnetostrictive torque sensor used in a vehicle steering system.
10…回転軸のねじり装置、11…回転軸、14…トーションバー、16…トルク発生手段(サーボモータ)。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記回転軸と前記トルク発生手段との間に、トーションバーを介在させたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ用回転軸のねじり装置。 In a twisting device for a rotational shaft for a magnetostrictive torque sensor in which a rotational shaft on which a magnetostrictive film is formed is twisted with a predetermined torque by torque generating means
A torsion device for a rotating shaft for a magnetostrictive torque sensor, wherein a torsion bar is interposed between the rotating shaft and the torque generating means.
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