JP2008256662A - 磁歪式トルクセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮｉーＦｅ合金材で作られる２つの磁歪膜でＦｅ含有率を変化させ一方に正の磁歪定数、他方に負の磁歪定数を与え、２つの磁歪膜を１度の高周波加熱処理工程により同時に作ることができる磁歪式トルクセンサの製造方法を提供する。
【解決手段】この磁歪式トルクセンサの製造方法は、入力トルクに応じて回転するように用いられる回転軸で、その軸心に沿った少なくとも２つの箇所でその表面の円周方向に磁歪膜１４Ａ，１４ＢをＮｉ−Ｆｅ合金材によって形成し、かつ２箇所の磁歪膜の各々のＦｅ含有率を変えることにより一方の磁歪膜は正の磁歪定数を有し、他方の磁歪膜は負の磁歪定数を有するようにする。さらに、回転軸に捩りトルクを加えた状態で２箇所の磁歪膜に同時に高周波加熱による熱処理を行い、捩りトルクを解放することにより２箇所の磁歪膜に対して同時に異なる磁気異方性を付加するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は磁歪式トルクセンサの製造方法に関し、特に、電動パワーステアリング装置等におけるステアリングシャフトに付設される操舵トルク検出部として利用される磁歪式トルクセンサの製造方法に関する。

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シャフト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。操舵トルク検出部として磁歪式トルクセンサを利用して構成されたものが存する。ステアリングシャフトは、運転者の操舵による回転力を受けて回転する回転軸であり、操舵トルク検出部でその回転軸と機能する。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。

磁歪式トルクセンサでは、図１０に示すごとく、ステアリングシャフト（回転軸）１０１の表面でその円周方向全周に渡ってかつ軸心に沿った２つの箇所で互いに逆向きの磁気異方性１０３，１０４を有するように磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂが形成されている。磁歪膜１０２Ａは正の磁歪定数を有し、磁歪膜１０２Ｂは負の磁歪定数を有している。磁歪式トルクセンサ１００は、ステアリングシャフト１０１に矢印１０５のごとくステアリングホイールから入力トルクが作用したときに、ステアリングシャフト１０１に生じる捩れに応じた磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの磁歪特性の変化をそれぞれの検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂにより非接触で検出するセンサ構成を有している。検出コイル１０６Ａは磁歪膜１０２Ａを囲むようにその周囲に配置されている。検出コイル１０６Ｂは磁歪膜１０２Ｂを囲むようにその周囲に配置されている。

図１１は、磁歪式トルクセンサ１００のセンサ構成に基づく入力トルクの検出原理を示す。特性ＶＴ１は検出コイル１０６Ａからの出力信号に基づいて作られる入力トルク出力特性であり、特性ＶＴ２は検出コイル１０６Ｂからの出力信号に基づいて作られる入力トルク出力特性である。磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂでの磁気異方性１０３，１０４の方向が逆になっているため、特性ＶＴ１と特性ＶＴ２の傾きは逆になる。特性ＶＴ３は、特性ＶＴ１と特性ＶＴ２の差をとることにより作られる入力トルク出力特性である。特性ＶＴ３に基づいて、ステアリングシャフトに印加された入力トルクが求められる。実際上、特性ＶＴ３の点Ｂを原点として設定し、その右側領域を正領域とし、左側部分を負領域として扱う。特性ＶＴ３に基づきステアリングシャフトに印加される入力トルクの回転方向と大きさについての情報が得られる。

磁歪式トルクセンサ１００の製造方法では、回転可能な円柱体のステアリングシャフト１０１の軸心に沿った２箇所で、適宜な軸方向幅で、円周表面に全周に渡って磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂ（広義には磁歪領域部）を形成し、これらの磁歪膜に磁気異方性１０３，１０４を付加する。磁歪式トルクセンサ１００の製造方法で、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）を形成してシャフト部材（回転軸）に対して捩りトルクを作用させ、当該シャフト部材の円周表面に応力を付与し、当該応力の付与状態で恒温槽において当該シャフト部材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）。

またステアリングシャフトの表面に２箇所の磁歪膜を形成することにおいて、各々の磁気異方性を強くしかつＳ／Ｎ比を高くするため、正の磁歪定数を有する磁歪膜を形成するときには磁歪膜を形成する領域パターンの長手方向に対して圧縮する方向の表面応力を与え、負の磁歪定数を有する磁歪膜を形成するときには当該磁歪膜を形成する領域パターンの長手方向に対して引っ張り方向の表面応力を与えて、それぞれ、スパッタ成膜等や熱処理を行うようにしていた（例えば特許文献２参照）。
特開２００２−８２０００号公報 特開平４−３５９１２７号公報

上記の従来の磁歪式トルクセンサの製造方法によれば、２つの磁歪膜の各々は、同一組成で作られ、また方向が逆である軸対称の残留応力磁気異方性を付加するため磁歪膜ごとに熱処理（高周波加熱）を行うようにしていた。そのため、２つの磁歪膜の各々について高周波加熱を２回行うことが必要となり、磁歪式トルクセンサの回転軸における２箇所の磁歪膜の製造プロセスに要する時間が非常に長くなるという問題を有していた。

本発明の目的は、上記の課題を解決することにあり、ＮｉーＦｅ合金材で作られる２つの磁歪膜でＦｅ含有率を変化させることにより一方の磁歪膜に正の磁歪定数を与え、他方の磁歪膜に負の磁歪定数を与え、これらの２つの磁歪膜を１度の高周波加熱処理工程（磁気異方性付加工程）により同時に作ることができ、これにより製造プロセスに要する時間を大幅に短縮することができる磁歪式トルクセンサの製造方法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の製造方法は、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の製造方法（請求項１に対応）は、入力トルクに応じて回転するように用いられる回転軸で、その軸心に沿った少なくとも２つの箇所でその表面の円周方向に磁歪膜をＮｉ−Ｆｅ合金材によって形成し、かつ２箇所の磁歪膜の各々のＦｅ含有率を変えることにより一方の磁歪膜は正の磁歪定数を有し、他方の磁歪膜は負の磁歪定数を有するようにし、さらに、回転軸に捩りトルクを加えた状態で２箇所の磁歪膜に同時に熱処理を行い、捩りトルクを解放することにより２箇所の磁歪膜に対して同時に異なる磁気異方性を付加するようにした方法である。

上記の製造方法では、回転軸の少なくとも２箇所に形成される磁歪膜を、それぞれ、電解めっき等を利用してＦｅの含有率（組成）を変えたＮｉ−Ｆｅ合金材で形成する。これにより、正の磁歪定数を有する磁歪膜と負の磁歪定数を有する磁歪膜であって軸対称の逆向きな磁気異方性を有する２つの磁歪膜を、同じトルクを加えた状態で１回の熱処理工程によって形成することが可能である。これにより磁歪式トルクセンサの製造方法において工数を低減することが可能となる。

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、上記の方法において、正の磁歪定数を有する磁歪膜についてＮｉ−Ｆｅ合金材におけるＦｅ含有率を２５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下とし、負の磁歪定数を有する磁歪膜についてＮｉ−Ｆｅ合金材におけるＦｅ含有率を０ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下とする。

第３の磁歪式トルクセンサの製造方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、回転軸に捩りトルクを加えた状態で熱処理を行う工程で、２箇所の磁歪膜について捩りトルクは同一方向に加えられるようにする。

本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によれば次の効果を奏する。第１に、回転軸の２箇所に形成される磁歪膜を、それぞれ、Ｎｉ−Ｆｅ合金材で形成しかつ磁歪膜ごとにＦｅの組成を適切に変化させるようにしたため、同じトルクを加えた状態で１回の熱処理工程によって、正の磁歪定数を有する磁歪膜と負の磁歪定数を有する磁歪膜であって異なる磁気異方性を有する２つの磁歪膜を形成することでき、これにより磁歪式トルクセンサの製造方法の工数を削減し、工程に要する時間を短縮することができる。

さらに第２に、正の磁歪定数を有する磁歪膜についてはＦｅ含有率を２５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下とし、負の磁歪定数を有する磁歪膜についてはＦｅ含有率を０ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下とし、Ｆｅ組成を適切に調整するだけで各磁歪膜において容易に必要な正負の磁歪定数に係る特性を実現することができる。

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。

図１と図２を参照して磁歪式トルクセンサの基本的構成について説明する。図１と図２は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（電気回路部を含む）を概念的に示す側面図を示している。

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。

回転軸１１は、例えば操舵系のステアリングシャフトの一部である。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。回転軸１１には、軸（軸心）方向に沿って図１中で上下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の軸方向にて一定の幅（軸方向幅）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、および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、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。なお図１等では磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの膜厚は少し誇張して示している。

２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪材にはＮｉ（ニッケル）−Ｆｅ（鉄）合金材が用いられる。また完成した２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、各々の磁気異方性は軸対称となって、互いに逆方向であり、一方の磁歪膜は正の磁歪定数を有し、かつ他方の磁歪膜は負の磁歪定数を有するという特性を有している。２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂでは、それぞれ、Ｆｅ（鉄）の含有率（組成：ｗｔ％（重量％））を変化させ、後述するごとく、所定のＦｅ含有率を持たせることによって各特性を生じさせている。なお以下の説明では、上側の磁歪膜１４Ａが正の磁歪定数を有し、下側の磁歪膜１４Ｂが負の磁歪定数を有するものとする。

なお以下の説明では、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。

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。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の表面に形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、Ｎｉ−Ｆｅめっきによる電解めっき加工処理で作られた互いに異なる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。

図３は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３で、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３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。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、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。

図３で線５２は、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。線５２の特性グラフに関しては、図３の縦軸は差電圧の値を示す軸を意味している。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、直線５２を利用することに基づいて、回転軸１１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。

次に、図４〜図６を参照して磁歪式トルクセンサ１０の製造方法の全体工程を説明する。図４に示した磁歪式トルクセンサ１０の製造方法は、磁歪式トルクセンサ１０の回転軸１１の製造工程である。

図４において、回転軸１１の製造工程は、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を含み、検査工程Ｐ４は、製造された回転軸１１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の表面の所定箇所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、回転軸１１の洗浄等の前処理が行われる（ステップＳ１１）。その後にめっき処理が行われ、めっき処理としては好ましくは電解めっきである（ステップＳ１２）。この電解めっき工程では、回転軸１１の上下の箇所で磁歪材のめっき処理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異なる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）。

上記の電解めっき工程において、上下の磁歪材めっき部の各々は、各々に応じた所定のＦｅ含有率を有するＮｉ−Ｆｅ合金材で作られる。このため上下の磁歪材めっき部の各々を作る時には、各々のＦｅ含有率に応じたＮｉ−Ｆｅ合金材に係る電解溶液を収容する電解槽が用いられる。このときめっきをしない部分にはマスキングが施されている。

上記の磁歪膜形成工程Ｐ１では、回転軸１１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同様に形成することもできる。さらに、所定のＦｅ含有率を有するＮｉ−Ｆｅ含有合金で作られた環状部材を回転軸に接着する方法、あるいは帯状の鉄板を回転軸の外周に巻き付けて固定する方法等も用いることができる。

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に形成された上下の２箇所の磁歪材めっき部に対してそれぞれ異なる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と下側の磁歪材めっき部に対して同時に高周波加熱を行うステップＳ２１を有している。高周波加熱による熱処理工程は１回の工程で行われる。

図５は磁気異方性付加工程Ｐ２のステップＳ２１で実施される処理工程のフローチャートを示す。図６は、磁気異方性付加工程Ｐ２のステップＳ２１における回転軸１１の磁歪材めっき部での軸径方向の温度分布と軸径方向の歪分布を示す図である。図６では、説明の簡略化の観点で１箇所の磁歪材めっき部の例で図解している。

磁気異方性付加工程Ｐ２の上下の磁歪材めっき部を高周波加熱するステップＳ２１は、図５に示すごとく、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、所定の捩りトルクを印加した状態の回転軸１１の上下の磁歪材めっき部に対して所定時間だけ高周波電流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、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下の磁歪材めっき部の各々に異なる磁気異方性を付加して磁歪膜１４Ａ，１４Ｂを形成するトルク解放ステップＳ２０４から構成されている。作られた２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、軸対称であって逆方向となる磁気異方性を有し、かつ一方の磁歪膜（磁歪膜１４Ａ）には正の磁歪定数を持たせ、他方の磁歪膜（磁歪膜１４Ｂ）には負の磁歪定数を持たせるようにする。

上記の熱処理ステップＳ２０２では、回転軸１１の上下の磁歪材めっき部の各々を囲むごとくその周囲に誘導加熱コイルを配置し、この誘導加熱コイルに誘導加熱電源の高周波発振回路から高周波を供給して上下の磁歪材めっき部のみを誘導加熱する。

上記のステップＳ２０１〜Ｓ２０４により、回転軸１１の上下の磁歪材めっき部は異なる磁気異方性が付加され、これにより異なる磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａ，４Ｂが形成される。

上記において、上下の磁性膜１４Ａ，１４Ｂの各々に対して軸対称で逆向きの異なる磁気異方性を付加するにあたり、回転軸１１に同じ向きのトルクを印加することにより磁気異方性の付加を行うことができる。

次に図６を参照して、磁気異方性付加工程Ｐ２で磁歪材めっき部に磁気異方性を付加し磁歪膜を形成するメカニズムについて説明する。ここでは磁歪膜１４Ａの例で説明する。

図６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５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６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６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６（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６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６の（ｂ）で、回転軸１１の径方向の歪み分布は、図６（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６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６（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６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６（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を作る場合においても、磁歪膜１４Ａに比較して逆向きの磁気異方性が付加されるが、以下に説明するように、Ｎｉ−Ｆｅ合金材のＦｅ含有率を変化させたため、同じ捩りトルクＴｑを利用することができ、磁歪膜１４の作製と同時に行うことができる。

図７に、前述した電解めっき加工処理のステップＳ１２における状態（ａ）、上下のめっきの高周波加熱のステップＳ２１における状態（ｂ）、加熱時トルク解放後における状態（ｃ）を示している。

図７の（ａ）では電解めっき加工処理によって、回転軸１１の上下２箇所の表面に上側の磁歪材めっき部１４Ａと下側の磁歪材めっき部１４Ｂが形成される。このとき、磁歪膜１４ＡではＮｉ−Ｆｅ合金材でのＦｅ含有率は２５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下であり、磁歪膜１４ＢではＮｉ−Ｆｅ合金材でのＦｅ含有率は０ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下である。これにより、磁歪材めっき部１４Ａは正の磁歪定数を有し、磁歪膜１４Ｂは負の磁歪定数を有すると共に、磁歪材めっき部１４Ａ，１４Ｂの各々の磁化方向１４Ａ−１，１４Ｂ−１が９０°ずれる。

図７の（ａ）の状態での２つの磁歪材めっき部１４Ａ，１４Ｂの各々によるトルク（Ｔ）−インピーダンス（Ｚ）の変換特性は、対応して図示されたグラフ７１における符号１４Ａ−２，１４Ｂ−２で示された変化特性のようになる。

図７の（ｂ）では、回転軸１１に上記の捩りトルクＴｑが印加された状態で、磁歪材めっき部１４Ａ，１４Ｂの各々に対して例えば個別に高周波誘導加熱コイル７２，７３が配置され、同時に加熱処理が行われる。その結果、２つの磁歪材めっき部１４Ａ，１４Ｂの各々に符号１４Ａ−２，１４Ｂ−２に示す磁気異方性が生じる。

図７の（ｃ）では、印加されていた捩りトルクＴｑが解放される。その結果、２つの磁歪材めっき部１４Ａ，１４Ｂの各々においては、符号１４Ａ−３，１４Ｂ−３に示す磁気異方性が生じる。磁気異方性１４Ａ−３，１４Ｂ−３は前述した通り、軸対称でありかつ向きが反対になっている。なお図７の状態（ｂ），（ｃ）を経た結果、２つの磁歪材めっき部１４Ａ，１４Ｂの各々によるトルク−インピーダンス変換特性は、対応して図示されたグラフ７４における符号１４Ａ−４，１４Ｂ−４で示された変化特性のようになる。なお，図７のグラフ７１，７４で「ＣＷ」は時計回りを意味し、「ＣＣＷ」は反時計回りを意味している。

次に、Ｎｉ−Ｆｅ合金材で作った２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々のＦｅ含有率を変えることで、磁気異方性付加工程Ｐ１での１回の高周波加熱Ｓ２１の工程により、磁歪膜１４Ａに正の磁歪定数を持たせかつ磁歪膜１４Ｂに負の磁歪定数を持たせることのできる原理を説明する。

具体的には、前述のごとく、正の磁歪定数を有する磁歪膜１４ＡについてはＮｉ−Ｆｅ合金材におけるＦｅ含有率を２５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下とし、負の磁歪定数を有する磁歪膜１４ＢについてはＮｉ−Ｆｅ合金材におけるＦｅ含有率を０ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下とする。

ここで、下記に示す表１を参照してＮｉ−Ｆｅ合金材におけるＦｅの含有率（組成）の変化に対する飽和磁歪定数（λｓ）等の変化について説明し、表２を参照してＦｅの含有率（組成）とセンサ感度を説明する。

表１では、第１列の欄にＮｉ−Ｆｅ合金材（磁歪膜）中におけるＦｅ組成に関する濃度（重量％：ｗｔ％）が示される。濃度は５〜６０まで９段階で示されている。第２列の欄の「λｓ」は飽和磁歪定数を意味し、欄中に記載された数値に対しては「×１０^−６」である。飽和磁歪定数は、磁界Ｈを加えたときの長さの変化率（δＬ／Ｌ）を意味する。反対に、このことは、長さをδＬ変化させたときに磁歪膜中に発生する磁界Ｈに対応する。第３列の欄の「μ」は透磁率（Ｈ／ｍ）を意味している。透磁率については、真空中の透磁率を１とするとき、その材料の透磁率を意味し、同一磁界Ｈにて通過させることができる磁束量に比例する数値である。第４列の欄の「√μ＊λｓ」はトルクセンサに使用する際の材料ポテンシャルを意味し、これはトルクセンサにした場合の理想センサ出力に対応する。第５列の欄の「μ＊λｓ」は上記の「√μ＊λｓ」とほぼ同義であり、「μ」は絶対値である。この数値は、大きいほどセンサとして良好な性能を示すことになる。

表１に従って上記Ｆｅ組成（横軸）に対する飽和磁歪定数λｓ（左縦軸）と透磁率μ（右縦軸）をグラフで示すと、それぞれ、図８に示すようなグラフ７５，７６になる。また表１に従って上記Ｆｅ組成（横軸）に対する材料ポテンシャルをグラフで示すと、図９に示すようなグラフ７７になる。

表２では、第１列の欄にＮｉ−Ｆｅ合金材（磁歪膜）中におけるＦｅ組成に関する濃度（重量％：ｗｔ％）が示される。濃度は２０〜４４まで７つの数値が示されている。第２列の欄はセンサ感度が示されている。センサ感度は「ΔＺ／Ｚ(ini)」で定義され、ΔＺはトルク１０Ｎ・ｍ印加時のインピーダンス変化量であり、Ｚ(ini)はトルク印加前のインピーダンス値である。第３列の欄は、感度変化率の数値を示している。

表２に従って上記Ｆｅ組成（横軸）に対するセンサ感度をグラフで示すと、前述の図９に示すグラフ７８となる。

磁歪膜１４Ａ，１４ＢのＦｅ含有率は、上記の表１と表２、およびグラフ７５〜７８等を考慮して決定される。すなわち、正の磁歪定数を有する磁歪膜１４Ａの場合にはグラフ７５に従ってＦｅ含有率は２５〜４０ｗｔ％、負の磁歪定数を有する磁歪膜１４Ｂの場合にはグラフ７５に従ってＦｅ含有率は０〜１５ｗｔ％と決められる。

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
、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使用される磁歪式トルクセンサを製造プロセスの簡略化に利用される。

本発明の製造方法が適用され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。 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。 磁歪式トルクセンサの製造方法であり、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。 面図である。 電解めっき加工処理（ａ）、高周波加熱処理（ｂ）、加熱時トルク解放処理後（ｃ）の各々における磁化方向または磁気異方性方向を示す状態図（Ａ）、および特性グラフ（Ｂ）である。 Ｎｉ−Ｆｅ合金材による磁歪膜におけるＦｅ組成に対する飽和磁歪定数（λｓ）と透磁率（μ）の各変化特性を示すグラフである。 Ｎｉ−Ｆｅ合金材による磁歪膜におけるＦｅ組成に対する材料ポテンシャルとセンサ感度の各変化特性を示すグラフである。 従来の一般的な磁歪式トルクセンサの要部構成を示す側面図である。 磁歪式トルクセンサのセンサ構成における入力トルク検出の原理を説明するための入力トルク・出力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
１２ 励磁コイル
１３Ａ，１３Ｂ 検出コイル
１４Ａ，１４Ｂ 磁歪膜（磁歪材めっき部）
５１Ａ，５１Ｂ 磁歪特性曲線（インピーダンス特性曲線）
Ｐ１ 磁歪膜形成工程
Ｐ２ 磁気異方性付加工程
Ｐ３ 特性安定化工程

Claims (3)

1. 入力トルクに応じて回転するように用いられる回転軸で、その軸心に沿った少なくとも２つの箇所でその表面の円周方向に磁歪膜をＮｉ−Ｆｅ合金材によって形成し、かつ２箇所の前記磁歪膜の各々のＦｅ含有率を変えることにより一方の前記磁歪膜は正の磁歪定数を有し、他方の前記磁歪膜は負の磁歪定数を有するようにし、
   前記回転軸に捩りトルクを加えた状態で２箇所の前記磁歪膜に同時に熱処理を行い、
   前記捩りトルクを解放することにより２箇所の前記磁歪膜に対して同時に異なる前記磁気異方性を付加する、
   ことを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。
2. 正の磁歪定数を有する前記磁歪膜について前記Ｎｉ−Ｆｅ合金材におけるＦｅ含有率を２５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下とし、負の磁歪定数を有する前記磁歪膜について前記Ｎｉ−Ｆｅ合金材におけるＦｅ含有率を０ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下としたことを特徴とする請求項２記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
3. 前記回転軸に捩りトルクを加えた状態で前記熱処理を行う工程で、２箇所の前記磁歪膜について前記捩りトルクは同一方向に加えられることを特徴とする請求項１または２記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。

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