JP2008298534A - 磁歪式トルクセンサ及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

Abstract

【課題】回転軸に設けられた磁歪膜の磁歪特性の感度と安定性を高めること。
【解決手段】外部から回転軸２４に作用したトルクを検出する磁歪式トルクセンサ４１である。磁歪式トルクセンサ４１は、電動パワーステアリング装置１０に搭載される。磁歪式トルクセンサ４１は、回転軸２４の外周面に設けられた非磁性材料から成る磁気絶縁層６１，６２と、この磁気絶縁層６１，６２の外周面に設けられた磁歪膜７１，７２とを有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、トルクを検出する磁歪式トルクセンサ及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。

回転軸に作用したトルクを検出するトルクセンサには、多くの種類がある。近年、比較的簡単な構成で、しかも高精度である磁歪式トルクセンサの開発が進められている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３３３４４９公報

特許文献１で知られている磁歪式トルクセンサは、車両用電動パワーステアリング装置に備えられており、ステアリングホイールから回転軸へ伝わった操舵トルクを検出する。回転軸の外周面には磁歪膜が形成されている。磁歪式トルクセンサによれば、操舵トルクに応じて磁歪膜に生ずる磁歪の変化を、電気コイル及び磁歪検出回路で検出することにより、操舵トルクを検出できる。
ステアリングホイールで発生した操舵トルクは、回転軸とラックアンドピニオン機構とラック軸を介して操舵車輪に伝わる。このように、回転軸は、外周面に磁歪膜が形成されるとともに、軸端にラックアンドピニオン機構のピニオン（トルク伝達部分）が形成されている。

ところで、自動車は、エンジンを始動させない状態であっても、操舵できることが求められる。この状態において、操舵車輪を操舵するための操舵トルクは、通常の操舵時に比べて大きい。大きい操舵トルクは、回転軸からラックアンドピニオン機構を介してラック軸へ伝わる。このため、ラックアンドピニオン機構は、大きい機械的強度が求められる。すなわち、ラックアンドピニオン機構には、路面反力に起因する種々の外力や、運転者の操舵による適度の外力が作用する。ラックアンドピニオン機構は、前記外力に抗して、その時々の操舵状態を確保できるだけの、機械的強度が求められる。

ラックアンドピニオン機構のピニオンは、通常時の操舵トルクを越えた、大きい負荷に対する操舵トルクを伝達するのに必要な強度を、十分に確保する必要がある。このため、ピニオンは、浸炭処理や高周波焼入れ等の熱処理、ショットピーニング等といった、種々の表面処理を施すことが多い。ピニオンに熱処理を施すことは、ピニオンを有している回転軸の表面に、炭素成分を拡散させることになる。この結果、回転軸の表面は磁化されやすい。また、ピニオンにショットピーニング等の表面硬化処理を施すことにより、回転軸の表面に圧縮応力が残留するなど、ピニオン固有の制約が多くなる。

一方、回転軸の外周面に形成される磁歪膜は、一般にＮｉ−Ｆｅ系の合金膜等の磁歪メッキ材からなる。磁歪メッキ材は、回転軸からの磁気の影響や回転軸の全体の歪みや局部的な歪みの影響を強く受ける。また、磁歪膜は、外部からの磁気（例えば、地磁気や車両などの磁気によるノイズ）の影響を回転軸を介して受ける。

このように、磁歪膜の磁歪特性の感度を高く保ちつつ安定性を高めるには、改良の余地がある。磁歪特性の安定性を高めることは、磁歪式トルクセンサのセンサ信号の性能向上と安定化に繋がる。

本発明は、回転軸に設けられた磁歪膜の磁歪特性の感度と安定性を高めることができる技術を、提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、外部から回転軸に作用したトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、前記回転軸の外周面に設けられた非磁性材料から成る磁気絶縁層と、この磁気絶縁層の外周面に設けられた磁歪膜とを有していることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１において、前記磁気絶縁層は、前記回転軸の外周面に施された膜であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１において、前記磁気絶縁層は、前記回転軸に嵌合され且つ固定されたパイプであることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項において、前記非磁性材料は、前記磁歪膜のキュリー温度よりも高温の融点を有した金属であることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の磁歪式トルクセンサを、ステアリングホイールに発生した操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサとして搭載したことを特徴とする電動パワーステアリング装置である。

請求項１に係る発明では、回転軸の外周面と磁歪膜との間に、非磁性材料から成る磁気絶縁層を介在させたので、回転軸と磁歪膜との間を磁気的に絶縁することができる。このため、回転軸が磁化された場合であっても、磁歪膜は回転軸の磁気の影響を受けることがない。また、磁歪膜は、外部からの磁気の影響を回転軸を介して受けることはない。従って、回転軸に設けられた磁歪膜の磁歪特性の感度と安定性を、十分に高めることができる。磁歪特性の感度と安定性を高めることによって、磁歪式トルクセンサのセンサ信号を十分に安定させ且つ検出精度を高めることができる。
さらには、回転軸の外周面と磁歪膜との間に磁気絶縁層を有しているので、回転軸の材料、形状、寸法を選定する場合に、回転軸から磁歪膜へ与える磁気の影響を考慮する必要はない。このため、磁歪式トルクセンサの設計の自由度を大幅に高めることができる。

請求項２に係る発明では、回転軸の外周面と磁歪膜の間に磁気絶縁層の膜を施しただけの簡単な構成によって、回転軸と磁歪膜との間を磁気的に絶縁することができる。このため、磁気絶縁層を容易に且つ低コストで構成することができる。しかも、回転軸の外周面に施された膜であるから、回転軸に対して密着性が良く、磁気絶縁層を回転軸の全周にわたって均一に設けることができる。磁気絶縁層の厚さがより均一になるので、磁気絶縁層の磁気的な絶縁性能を、より安定させることができる。このため、磁歪膜の磁歪特性の感度と安定性を、より一層高めることができる。

請求項３に係る発明では、磁気絶縁層を、回転軸に嵌合され且つ固定されたパイプにより構成したので、磁気絶縁層の厚さを容易に均一にすることができる。磁気絶縁層の厚みがより均一になるので、磁気絶縁層の磁気的な絶縁性能を、より安定させることができる。このため、磁歪膜の磁歪特性の感度と安定性を、より一層高めることができる。
さらには、回転軸に嵌合されるパイプによって磁気絶縁層を構成したので、磁歪式トルクセンサに要求される性能に応じて、次の第１の構成と第２の構成を適宜選択することができる。第１の構成は、回転軸へ嵌合した後のパイプに磁歪膜を設けた構成である。第２の構成は、磁歪膜を設けた後のパイプを回転軸に嵌合した構成である。例えば、パイプの厚さや材質に応じて、より適切な方の構成を選択すればよい。このため、磁歪式トルクセンサの設計の自由度を大幅に高めることができる。

請求項４に係る発明では、非磁性材料が、磁歪膜のキュリー温度よりも高温の融点を有した金属から成るので、磁歪式トルクセンサは、使用される環境温度が比較的高温であっても、十分に性能を発揮することができる。例えば、飛行機や大型船舶のような移動体や、自動車やフォークリフト等の車両に、磁歪式トルクセンサを搭載した場合においても、磁歪式トルクセンサは十分に性能を発揮する。
しかも、磁歪式トルクセンサを使用する環境温度が磁歪膜のキュリー温度を越えた場合には、磁歪膜の磁性が徐々に消失するだけである。磁歪膜の磁性が著しく消失するまで、磁歪膜に生ずる磁歪の変化を検出コイルによって検出することができる。このため、消失するだけなので、磁歪式トルクセンサの故障診断を容易に行うことができる。従って、磁歪式トルクセンサの信頼性を大幅に高めることができる。

請求項５に係る発明では、電動パワーステアリング装置に磁歪式トルクセンサを搭載することにより、磁歪式トルクセンサを操舵トルクセンサとして用いることができる。このため、磁歪式トルクセンサにより検出された操舵トルクに応じて、電動モータが補助トルクを発生し、操舵トルクに補助トルクを加えた複合トルクにより操舵車輪を操舵することができる。
磁歪式トルクセンサの磁歪膜は、回転軸自体の磁気の影響や、電動モータから回転軸へ伝わった磁気の影響を受けない。このため、回転軸から磁気を遮断するために、更なる配慮をする必要はない。また、電動モータの取付け位置や出力の大きさに配慮をする必要がない。従って、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の生産性が高まる。
さらには、磁歪式トルクセンサの磁歪膜は、外部から回転軸を介して与えられる磁気の影響を受けない。つまり、磁歪膜は、外部からの磁気（例えば、地磁気や車両などの磁気によるノイズ）の影響を受けることが、極力抑制される。このため、操舵トルクセンサのセンサ信号が安定し、検出精度が高まる。この結果、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを高めることができる。

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。
磁歪式トルクセンサの一例として、車両用電動パワーステアリング装置に搭載した例を挙げて説明する。磁歪式トルクセンサは、操舵トルクセンサとして用いられる。なお、磁歪式トルクセンサは、車両用電動パワーステアリング装置に搭載された構成に限定されるものではない。

図１〜図３は、本発明の磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置を示している。図１に示すように、車両用電動パワーステアリング装置１０は、車両におけるステアリングホイール２１から操舵車輪３１，３１に至るステアリング系２０と、このステアリング系２０に補助トルクを加える補助トルク機構４０とからなる。なお、操舵車輪３１，３１は、例えば左右の前輪である。

ステアリング系２０は、ステアリングホイール２１と、このステアリングホイール２１にステアリングシャフト２２及び自在軸継手２３，２３を介して連結された回転軸２４と、この回転軸２４にラックアンドピニオン機構２５を介して連結されたラック軸２６と、このラック軸２６の両端にボールジョイント２７，２７、タイロッド２８，２８及びナックル２９，２９を介して連結された左右の操舵車輪３１，３１とからなる。
ラックアンドピニオン機構２５は、回転軸２４に形成されたピニオン３２と、ラック軸２６に形成されたラック３３とからなる。

このように、電動パワーステアリング装置１０は、運転者によるステアリングホイール２１の操舵に応じた操舵トルクを、回転軸２４及びラックアンドピニオン機構２５を介してラック軸２６に伝達することにより、ラック軸２６を介して操舵車輪３１，３１を操舵するものである。

補助トルク機構４０は、磁歪式トルクセンサ４１と制御部４２と電動モータ４３とボールねじ４４とからなる。磁歪式トルクセンサ４１は、ステアリングホイール２１に加えられた、ステアリング系２０の操舵トルクを検出する。制御部４２は、磁歪式トルクセンサ４１のトルク検出信号に基づいて制御信号を発生する。

電動モータ４３は、制御部４２の制御信号に基づき、前記操舵トルクに応じたモータトルク（補助トルク）を発生する。電動モータ４３のモータ軸４３ａは、ラック軸２６を囲う中空軸からなる。

ボールねじ４４は、モータトルクをラック軸２６に伝達するための動力伝達機構であって、ねじ部４５と、ナット４６と、多数のボールとからなる。ねじ部４５は、ラック軸２６に形成されている。ナット４６は、多数のボールを介して、ねじ部４５に組付けられる回転部材であって、モータ軸４３ａにも連結されている。

電動パワーステアリング装置１０によれば、回転軸２４に伝わる操舵トルクを磁歪式トルクセンサ４１で検出し、操舵トルクに応じたモータトルクを電動モータ４３で発生し、モータトルクをラック軸２６に伝達することができる。操舵車輪３１，３１は、操舵トルクに電動モータ４３で発生したモータトルクを加えた、複合トルクにより、ラック軸２６を介して操舵される。

図２に示すように、ラック軸２６は、車幅方向（左右方向）へ延びるハウジング５１に収納されている。ハウジング５１は、概ね管状である、第１ハウジング５２及び第２ハウジング５３の一端面同士が、ボルトで結合されることにより、１個の細長いギヤボックスに組立てられている。第２ハウジング５３は、電動モータ４３におけるモータケースを兼ねる。

図２及び図３に示すように、回転軸２４、ラックアンドピニオン機構２５、磁歪式トルクセンサ４１、電動モータ４３及びボールねじ４４は、ハウジング５１に収納される。第１ハウジング５２の上部開口は、リッド５４によって塞がれている。回転軸２４の上端部、長手中央部及び下端部は、上中下３個の軸受５５，５６，５７を介して、第１ハウジング５２に回転可能に支持されている。

次に、磁歪式トルクセンサ４１について、図３及び図４基づき詳細に説明する。
図３に示すように、磁歪式トルクセンサ４１は、第１及び第２付加歪み部７１，７２と、検出部７３とからなる。第１及び第２付加歪み部７１，７２は、付加歪みが付与されて回転軸２４の表面に設けられ、外部から回転軸２４に作用するトルク（外部トルク）に応じて磁歪特性が変化する。検出部７３は、第１及び第２付加歪み部７１，７２の周囲に設けられ、第１及び第２付加歪み部７１，７２に生じた磁歪効果を電気的に検出して、検出信号を出力する。この検出信号は、トルク検出信号である。

さらに詳しく述べると、第１及び第２付加歪み部７１，７２は、回転軸２４の軸長手方向に互いに逆方向の付加歪みが付与された、一対の磁気異方性部材である。つまり、第１及び第２付加歪み部７１，７２は、回転軸２４の外周面（軸外周面、表面）に設けられた磁歪膜からなる。以下、第１付加歪み部７１のことを、適宜「第１磁歪膜７１」と言い換える。第２付加歪み部７２のことを、適宜「第２磁歪膜７２」と言い換える。

一方、検出部７３は、回転軸２４が貫通する筒状のコイルボビン７４，７５と、コイルボビン７４，７５に巻かれた第１多層ソレノイド巻きコイル７６並びに第２多層ソレノイド巻きコイル７７と、第１及び第２多層ソレノイド巻きコイル７６，７７の周囲を囲う磁気シールド用バックヨーク７８とからなる。

第１及び第２多層ソレノイド巻きコイル７６，７７は、検出コイルである。以下、第１多層ソレノイド巻きコイル７６のことを、第１検出コイル７６と言い換える。第２多層ソレノイド巻きコイル７７のことを、第２検出コイル７７と言い換える。第１検出コイル７６は、第１付加歪み部７１の周囲に一定の隙間を有して巻かれる。第２検出コイル７７は、第２付加歪み部７２の周囲に一定の隙間を有して巻かれる。

図４は、磁歪式トルクセンサ４１の回路を模式的に示している。図４に示すように、検出部７３は、第１及び第２変換回路８１，８２及びトルク信号出力回路８３を有する。第１変換回路８１は、第１検出コイル７６の検出信号を整流、増幅、変換した上で、検出電圧ＶＴ１として出力する。第２変換回路８２は、第２検出コイル７７の検出信号を整流、増幅、変換した上で、検出電圧ＶＴ２として出力する。トルク信号出力回路８３は、検出電圧ＶＴ１，ＶＴ２を演算し、トルク検出電圧ＶＴ３として出力する。

検出部７３の作用は次の通りである。第１及び第２検出コイル７６，７７は、操舵トルクに応じて回転軸２４に発生した捩れを検出し、検出信号を発する。この各検出信号は、第１及び第２変換回路８１，８２から検出電圧ＶＴ１，ＶＴ２として出力される。この検出電圧ＶＴ１，ＶＴ２は、トルク信号出力回路８３からトルク検出電圧ＶＴ３として出力される。トルク検出電圧ＶＴ３は、トルク検出信号（操舵トルク信号）のことである。

磁歪式トルクセンサ４１の説明をまとめると、次の通りである。図３及び図４に示すように、回転軸２４は、歪みが付与された磁歪膜７１，７２を有している。第１及び第２検出コイル７６，７７と共に巻かれている励磁コイル（図示せず）には高周波の交流電圧が供給されている。回転軸２４から磁気絶縁層６１，６２（詳細は後述する。）を介して第１及び第２の磁歪膜７１，７２にトルクが作用したときに、このトルクに応じて磁歪膜７１，７２の透磁率が変化する。透磁率の変化に応じて、第１及び第２検出コイル７６，７７におけるインピーダンス（誘導電圧、検出電圧）が変化する。インピーダンスの変化を検出することによって、回転軸２４に作用したトルクの方向とトルクの値とを検出することができる。

第１及び第２検出コイル７６，７７によって磁歪膜７１，７２の透磁率の変化を検出するときに、磁気絶縁層６１，６２は、検出コイル７６，７７で励磁された磁束が回転軸２４へ透過することを防止する役割を果たす。

次に、回転軸２４（トルク伝達軸２４）の第１実施例について、図５に基づき詳細に説明する。図５（ａ）は、第１及び第２の磁歪膜７１，７２を設けた状態の回転軸２４の断面構造を示している。図５（ｂ）は、第１及び第２の磁歪膜７１，７２を設けた状態の回転軸２４の外観を示している。

図５に示すように、回転軸２４は中実軸であり、軸長手方向の一端２４ａから他端２４ｂへ向かって、連結部２４ｃ、磁歪膜配置部２４ｄ、フランジ部２４ｅ、中間被支持部２４ｆ、止め輪嵌合溝２４ｇ、上記ピニオン３２、下側被支持部２４ｈを、この順に配列するとともに、軸線ＣＬに配列したものである。
これらの連結部２４ｃ、磁歪膜配置部２４ｄ、フランジ部２４ｅ、中間被支持部２４ｆ、止め輪嵌合溝２４ｇ、上記ピニオン３２及び下側被支持部２４ｈは、全て回転軸２４に一体に形成されている。

連結部２４ｃは、自在軸継手２３（図１参照）に連結する部分であって、例えばセレーションからなる。つまり、連結部２４ｃは、断面が非円形状に形成されたものであり、後述するように、工具を確実に且つ安定的に掛けることができ、しかも、磁歪膜７１，７２に曲げモーメントが加わらないように掛けることもできる。

磁歪膜配置部２４ｄは真円状（円柱状）に形成されるとともに、連結部２４ｃよりも大径に設定されている。さらに、磁歪膜配置部２４ｄは、第１磁歪膜７１を配置する位置と第２磁歪膜７２を配置する位置との間に、治具掛け部２４ｊが形成されている。治具掛け部２４ｊは、後述する治具を掛ける部分であり、回転軸２４の一端２４ａ側から見たときに、軸断面が非円形状に形成されている。より具体的には、治具掛け部２４ｊは、磁歪膜配置部２４ｄの外周面を２面取り又は４面取りすることによって形成された平坦面を有した部分である。断面が非円形状に形成された治具掛け部２４ｊに、後述する工具を確実に且つ安定的に掛けることができる。

フランジ部２４ｅは、磁歪膜配置部２４ｄや中間被支持部２４ｆよりも大径に設定され、回転軸２４の一端２４ａ側から見たときに、軸断面が非円形状に形成されている。より具体的には、フランジ部２４ｅは、外周面が２面取り又は４面取りされることによって形成された平坦面２４ｋを有している。断面が非円形状に形成されたフランジ部２４ｅは、治具掛け部を兼ねる。フランジ部２４ｅ（治具掛け部）に、後述する工具を確実に且つ安定的に掛けることができる。

中間被支持部２４ｆは、中間位置に配置された軸受５６（図３参照）によって回転可能に支持される部分である。止め輪嵌合溝２４ｇは、中間被支持部２４ｆに嵌合された軸受５６を位置決めするための止め輪５８（図３参照）を取付ける部分である。下側被支持部２４ｈは、下側に配置された軸受５７（図３参照）によって回転可能に支持される部分である。

磁歪膜配置部２４ｄは、軸長手方向の所定位置における外周面に、２つの磁気絶縁層６１，６２が施されている。第１の磁気絶縁層６１の外周面には、第１の磁歪膜７１が設けられている。第２の磁気絶縁層６２の外周面には、第２の磁歪膜７２が設けられている。このように、外部からトルクが作用する回転軸２４の表面には、第１の磁気絶縁層６１を介して第１の磁歪膜７１が設けられるとともに、第２の磁気絶縁層６２を介して第２の磁歪膜７２が設けられている。

上述のように、２つの磁気絶縁層６１，６２は、回転軸２４の外周面に全周にわたって形成された、概ね一定の幅Ｌ２で且つ一定の厚さの膜である。ピニオン軸２４の一端２４ａに近い位置に設けられた磁気絶縁層６１のことを、第１の磁気絶縁層６１とする。フランジ部２４ｅに近い位置に設けられた磁気絶縁層６２のことを、第２の磁気絶縁層６２とする。

第１及び第２磁歪膜７１，７２は、第１及び第２磁気絶縁層６１，６２の外周面に全周にわたって形成された、概ね一定の幅Ｌ１で且つ一定の厚さのメッキ層からなる。第１及び第２の磁歪膜７１，７２における磁歪の方向は、互いに逆方向である。

２つの磁歪膜７１，７２は、歪みの変化に対して磁束密度の変化が大きい材料からなる。例えば、磁歪膜７１，７２は、磁気絶縁層６１，６２の外周面にメッキ法によって形成された、Ｎｉ−Ｆｅ系の合金膜である。この合金膜の厚さは、好ましくは５〜２０μｍ程度である。なお、合金膜の厚さは、５〜２０μｍよりも小さく、または、５〜２０μｍよりも大きくてもよい。第１の磁歪膜７１の磁歪方向に対して、第２の磁歪膜７２の磁歪方向は異なっている。つまり、磁歪異方性を有する。

第１及び第２磁気絶縁層６１，６２の幅Ｌ２は、第１及び第２磁歪膜７１，７２の幅Ｌ１よりも大きい。第１の磁気絶縁層６１と第２の磁気絶縁層６２との間は、磁気絶縁層や磁歪膜が全く存在しない、非磁歪部分を有している。上述のように、この非磁歪部分に治具掛け部２４ｊが形成されている。なお、２つの磁気絶縁層６１，６２は、回転軸２４の軸長手方向に連続して設けられてもよい。

次に、第１及び第２磁気絶縁層６１，６２について、図５に基づき詳しく説明する。第１及び第２磁気絶縁層６１，６２は、回転軸２４の外周面に例えばメッキ法、溶射法、スパッタ法、蒸着法などにより形成された膜である。この膜６１，６２（磁気絶縁層６１，６２）の厚さは一定である。この厚さは、好ましくは５〜５００μｍ程度である。なお、膜６１，６２の厚さは、５〜５００μｍよりも小さく、または、５〜５００μｍよりも大きくてもよい。

第１及び第２磁気絶縁層６１，６２は非磁性材料から成る。この非磁性材料は、回転軸２４や磁歪膜７１，７２とは異なる金属材料であって、合金を含む。より具体的に述べると、磁気絶縁層６１，６２を成す非磁性材料は、磁歪膜７１，７２のキュリー温度よりも高温の融点（溶融点）を有した金属であって、しかも、良導体である。このような金属材料を例示すると、銅（Ｃｕ）や銅合金、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金がある。銅の融点は約１０８０℃であり、銅合金の融点はそれ以上である。アルミニウムの融点は約６６０℃であり、アルミニウム合金の融点はそれ以上である。

ところで、上記磁歪膜７１，７２を成すＮｉ−Ｆｅ系の合金膜のキュリー温度は、ニッケル（Ｎｉ）の含有量によって異なる。Ｎｉのキュリー温度は約３６０℃である。一般に、Ｎｉ含有率が４０重量％であるＮｉ−Ｆｅ系の合金膜のキュリー温度は約３５０℃、Ｎｉ含有率が５０重量％であるＮｉ−Ｆｅ系の合金膜のキュリー温度は約５５０℃であると言われている。
従って、Ｎｉ−Ｆｅ系の合金膜のキュリー温度に対して、融点が十分に高温である銅、銅合金、アルミニウム及びアルミニウム合金を選択すればよい。例えば、キュリー温度が３５０〜５５０℃となるＮｉ−Ｆｅ系の合金膜によって磁歪膜７１，７２が構成された場合には、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって磁気絶縁層６１，６２を構成することが好ましい。

このように、磁気絶縁層６１，６２を構成する非磁性材料は、磁歪膜７１，７２のキュリー温度よりも高温の融点を有した金属から成る。環境温度が磁歪膜７１，７２のキュリー温度まで上昇した場合であっても、磁気絶縁層６１，６２が溶融する心配はない。このため、高温であっても、回転軸２４に磁気絶縁層６１，６２を介して磁歪膜７１，７２を密着状態で確実に保持させることができる。従って、磁歪式トルクセンサ４１は、使用される環境温度が比較的高温であっても、十分に性能を発揮することができ、信頼性が高まる。例えば、飛行機や大型船舶のような移動体や、自動車やフォークリフト等の車両に、磁歪式トルクセンサ４１を搭載した場合においても、磁歪式トルクセンサ４１は十分に性能を発揮する。

しかも、磁歪式トルクセンサ４１を使用する環境温度が磁歪膜のキュリー温度を越えた場合には、磁歪膜７１，７２の磁性が徐々に消失するだけである。磁歪膜７１，７２の磁性が著しく消失するまで、磁歪膜７１，７２に生ずる磁歪の変化を検出コイル７６，７７（図３参照）によって検出することができる。このため、磁歪式トルクセンサ４１の故障診断を容易に行うことができる。従って、磁歪式トルクセンサ４１の信頼性を大幅に高めることができる。

次に、回転軸２４に設けられた磁歪膜７１，７２に対する付加歪みの付与方法を、図５及び図６に基づき説明する。図６（ａ）〜図６（ｄ）は、回転軸２４の製造方法を示している。なお、図６においては磁気絶縁層６１，６２（図５参照）を省略してある。

先ず、図５（ａ）に示すように、磁気絶縁層６１，６２及び磁歪膜７１，７２が施された回転軸２４を準備する（軸準備工程）。
次に、図６に示す第１及び第２の治具９１，９２と加熱装置（例えば、高周波焼入装置９６）を準備する。
次に、図６（ａ）に示すように、第１及び第２磁歪膜７１，７２に高周波焼入装置９６をセットする。高周波焼入装置９６は、第１の磁歪膜７１の周囲を囲う第１加熱用コイル９６ａと、第２の磁歪膜７２の周囲を囲う第２加熱用コイル９６ｂと、第１及び第２加熱用コイル９６ａ，９６ｂに高周波数の交流電力を供給する電源９６ｃとからなる。

次に、図６（ｂ）に示すように、回転軸２４の連結部２４ｃ（治具掛け部）に第１の治具９１を掛け、回転軸２４のフランジ部２４ｅ（治具掛け部）に第２の治具９２を掛け、回転軸２４の治具掛け部２４ｊに第３の治具９３を掛ける。さらに、第１及び第２の治具９１，９２を固定部材９４，９５に掛けることによって、回り止めをする。つまり、第１及び第２の治具９１，９２の回転を規制する。

次に、図６（ｂ）に示すように、第３の治具９３を図時計回りＲ１に捩る。このようにして、回転軸２４に所定の正方向の付加トルクを加える。この結果、第１及び第２磁歪膜７１，７２にも正方向の付加トルクが付与される（外力付与工程）。

次に、図６（ｂ）に示すように、第３の治具９３による付加トルクを付与しながら、高周波焼入装置９６により、２つの磁歪膜７１，７２を同時に、所定の時間にわたって加熱する（加熱工程）。ところで、回転軸２４と磁歪膜７１，７２との間に磁気絶縁層６１，６２（図５参照）が介在している。このため、高周波焼入装置９６によって磁歪膜７１，７２が加熱されたときに、回転軸２４が直接に加熱されることはない。回転軸２４は、機械的強度を高めるために事前に熱処理されていることが多い。回転軸２４が直接に加熱されないので、回転軸２４の機械的強度を十分に確保することができる。

次に、図６（ｃ）に示すように、第１及び第２の磁歪膜７１，７２を、加熱された温度よりも低温となるように冷却する（冷却工程）。
次に、図６（ｃ）に示すように、第３の治具９３の捩り作業を止めることによって、加えていた付加トルクを除く（外力解放工程）。
最後に、図６（ｄ）に示すように、回転軸２４から全ての治具９１〜９３と高周波焼入装置９６を外して、作業を終了する。以上の工程によって、回転軸２４に設けられた磁歪膜７１，７２に対する付加歪みを付与することができる。

次に、回転軸２４と磁歪膜７１，７２との間に磁気絶縁層６１，６２を設けたことによる作用を図７に基づき説明する。なお、図７においては、第１の磁気絶縁層６１と第１の磁歪膜７１を例に説明する。

図７は、上記図３に合わせて表したものであり、検出コイル７６と共に巻かれている励磁コイル（図示せず）が発生した磁束ＣＯ，ＰＬを模式的に示している。想像線ＣＯは比較例における磁束を示し、実線ＰＬは第１実施例における磁束を示す。

比較例の構成は、磁気絶縁層６１が無く、回転軸２４の外周面に磁歪膜７１が直接に形成された構成である。比較例においては、想像線で示す磁束ＣＯが回転軸２４を通ってしまう。従って、磁歪膜７１は回転軸２４の磁気的な影響を受け易い。しかも、磁束ＣＯが磁歪膜７１ではなく回転軸２４を通ってしまうので、磁歪式トルクセンサ４１の感度は低下する。

これに対して、第１実施例の構成は、回転軸２４と磁歪膜７１との間に磁気絶縁層６１が介在した構成である。上述のように、磁気絶縁層６１は銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金から成る。銅の体積抵抗率は約２×１０^−８Ωｍである。アルミニウムの体積抵抗率は約３×１０^−８Ωｍである。
磁歪膜７１を成すＮｉ−Ｆｅ系の合金膜において、ニッケル（Ｎｉ）の体積抵抗率が約７×１０^−８Ωｍであり、鉄（Ｆｅ）の体積抵抗率が約１０×０^−８Ωｍであるのに対し、銅やアルミニウムの体積抵抗率は十分に小さい。つまり、磁歪膜７１の体積抵抗率に対して、磁気絶縁層６１の体積抵抗率は十分に小さい。

実線で示す磁束ＰＬが磁気絶縁層６１を通ろうとすると、磁束ＰＬの周りに渦電流が発生する。磁気絶縁層６１の体積抵抗率が小さいほど、より大きい渦電流を流さないと、磁束ＰＬは磁気絶縁層６１を通ることができない。結局、磁束ＰＬは、磁気絶縁層６１を通ることができないので、回転軸２４を通ることもできない。従って、磁歪膜７１は回転軸２４の磁気的な影響を受ない。
さらに、磁束ＰＬは、回転軸２４を通らないので、その分、磁歪膜７１を多く通る。しかも、磁束ＰＬは検出コイル７６の周りを短い距離で回る。この結果、磁歪式トルクセンサ４１の感度は一層高まる。

以上の説明から明らかなように、回転軸２４と磁歪膜７１との間に磁気絶縁層６１を設けるだけの簡単な構成にもかかわらず、磁歪膜７１は回転軸２４の磁気的な影響を受け難い。回転軸２４の全周にわたり、磁気絶縁層６１を介して磁歪膜７１を均一に且つ密着して設けることができるので、磁歪膜７１の品質を安定させることができる。しかも、回転軸２４と磁歪膜７１との間に磁気絶縁層６１を設けるだけであるから、磁歪膜７１の製造が容易であり、製造コストを抑制することができる。

次に、回転軸２４（トルク伝達軸２４）の第２実施例について、図８に基づき説明する。図８（ａ）は、第１及び第２の磁歪膜７１，７２を設ける前の状態の回転軸２４の断面構造を示している。図８（ｂ）は、第１及び第２の磁歪膜７１，７２を設けた状態の回転軸２４の外観を示している。

第２実施例は、磁気絶縁層１６１，１６２が、回転軸２４に嵌合され且つ固定されたパイプであることを特徴とする。第２実施例の磁気絶縁層１６１，１６２は、上記図５に示す第１実施例の磁気絶縁層６１，６２の代わりに設けられている。磁気絶縁層１６１，１６２の材質は、磁気絶縁層６１，６２の材質と同じである。磁気絶縁層１６１，１６２の長さは、磁気絶縁層６１，６２の幅と同じＬ２である。
他の構成、作用については、上記図１〜図７に示す第１実施例と同様なので、同一符号を付し、その説明を省略する。

磁気絶縁層１６１，１６２は、磁歪膜配置部２４ｄに対して互いに嵌合し合い且つ固定し合う（連結し合う）ことによって、一体的に組み立てられる。例えば、磁歪膜配置部２４ｄと磁気絶縁層１６１，１６２は、圧入することによって、一体的に組み立てられる。

磁気絶縁層１６１，１６２の孔に対する磁歪膜配置部２４ｄの嵌め合い方式は、「しまりばめ」である。「しまりばめ」とは、孔と軸とを嵌合したときに、常に「しめしろ」ができる嵌め合い、すなわち、孔の最大径が軸の最小径よりも小さいか、または、極端な場合には等しい嵌め合い方式である。「しめしろ」とは、軸の径が孔の径よりも大きい場合において、組み合わせる前の、軸の径に対する孔の径の差のことである。

磁気絶縁層１６１，１６２の孔に対する磁歪膜配置部２４ｄの「しめしろ」は、最適な値となるように、適宜に設定される。より具体的には、磁歪膜配置部２４ｄの外径Ｄｓは、磁気絶縁層１６１，１６２の孔径ｄｈよりも若干小さく設定されている。なお、磁気絶縁層１６１，１６２の孔の中に磁歪膜配置部２４ｄを固定する方法は、「しまりばめ」に限定されるものではない。

磁気絶縁層１６１，１６２に磁歪膜７１，７２を設ける手順は次の通りである。
先ず、図８（ａ）に示すように、回転軸２４及び磁気絶縁層（パイプ）１６１，１６２を準備する。次に、磁歪膜配置部２４ｄの所定位置に磁気絶縁層１６１，１６２を嵌合し、且つ固定する。最後に、図８（ｂ）に示すように、磁気絶縁層１６１，１６２の外周面に磁歪膜７１，７２をメッキ法等によって形成して作業を完了する。この結果、第１の磁気絶縁層１６１には、外周面の全体にわたって第１の磁歪膜７１が施される。第２の磁気絶縁層１６２には、外周面の全体にわたって第２の磁歪膜７２が施される。

次に、第２実施例の変形例について、図９に基づき説明する。図９（ａ）は、第１及び第２の磁歪膜７１，７２を設ける前の状態の回転軸２４の断面構造を示している。図９（ｂ）は、第１及び第２の磁歪膜７１，７２を設けた状態の回転軸２４の外観を示している。
図９に示すように、変形例は、磁歪膜７１，７２を設けた後のパイプ１６１，１６２を回転軸２４に嵌合した構成であることを特徴とする。他の構成、作用については、上記図８に示す第２実施例と同様なので、同一符号を付し、その説明を省略する。

変形例において、磁気絶縁層１６１，１６２に磁歪膜７１，７２を設ける手順は次の通りである。先ず、図９（ａ）に示すように、回転軸２４及び磁気絶縁層（パイプ）１６１，１６２を準備する。次に、磁気絶縁層１６１，１６２の外周面に磁歪膜７１，７２をメッキ法等によって形成する。最後に、図９（ｂ）に示すように、磁歪膜配置部２４ｄの所定位置に磁気絶縁層１６１，１６２を嵌合し、且つ固定して、作業を完了する。

このように、第２実施例及びその変形例によれば、磁気絶縁層１６１，１６２を、回転軸２４に嵌合され且つ固定されたパイプにより構成したので、磁気絶縁層１６１，１６２の厚さを容易に均一にすることができる。磁気絶縁層１６１，１６２の厚みがより均一になるので、磁気絶縁層１６１，１６２の磁気的な絶縁性能を、より安定させることができる。このため、磁歪膜７１，７２の磁歪特性の感度と安定性を、より一層高めることができる。

さらには、上記図５に示す第１実施例の磁気絶縁層６１，６２は、回転軸２４の外周面にメッキ法、溶射法、スパッタ法、蒸着法などにより形成された膜である。このため、回転軸２４には膜を形成しない部分にマスキングを施す必要がある。また、メッキ法で磁気絶縁層６１，６２を形成する場合には、マスキングが施された回転軸２４をメッキ槽に入れる必要がある。
これに対して、図９に示す変形例によれば、磁気絶縁層１６１，１６２はパイプにより構成されている。このため、回転軸２４にマスキングを施す必要がなく、回転軸２４をメッキ槽に入れる必要もない。しかも、回転軸２４は、メッキ槽に入れられることによる影響を受けない。

さらには、回転軸２４に嵌合されるパイプによって磁気絶縁層１６１，１６２を構成したので、磁歪式トルクセンサ４１に要求される性能に応じて、次の第１の構成と第２の構成を適宜選択することができる。第１の構成は、図８に示すように、回転軸２４へ嵌合した後のパイプ１６１，１６２に磁歪膜７１，７２を設けた構成である。第２の構成は、図９に示すように、磁歪膜７１，７２を設けた後のパイプ１６１，１６２を回転軸２４に嵌合した構成である。例えば、パイプ１６１，１６２の厚さや材質に応じて、より適切な方の構成を選択すればよい。このため、磁歪式トルクセンサ４１の設計の自由度を大幅に高めることができる。

以上の説明をまとめると、次の通りである。
回転軸２４の外周面と磁歪膜７１，７２との間に、非磁性材料から成る磁気絶縁層６１，６２，（１６１，１６２）を介在させたので、回転軸２４と磁歪膜７１，７２との間を磁気的に絶縁することができる。このため、回転軸２４が磁化された場合であっても、磁歪膜７１，７２は回転軸２４の磁気の影響を受けることがない。また、磁歪膜７１，７２は、外部からの磁気の影響を回転軸２４を介して受けることはない。従って、回転軸２４に設けられた磁歪膜７１，７２の磁歪特性の感度と安定性を、十分に高めることができる。磁歪特性の感度と安定性を高めることによって、磁歪式トルクセンサ４１のセンサ信号を十分に安定させ且つ検出精度を高めることができる。
さらには、回転軸２４の外周面と磁歪膜７１，７２との間に磁気絶縁層６１，６２，（１６１，１６２）を有しているので、回転軸２４の材料、形状、寸法を選定する場合に、回転軸２４から磁歪膜７１，７２へ与える磁気の影響を考慮する必要はない。このため、磁歪式トルクセンサ４１の設計の自由度を大幅に高めることができる。

また、電動パワーステアリング装置１０に磁歪式トルクセンサ４１を搭載することにより、磁歪式トルクセンサ４１を操舵トルクセンサとして用いることができる。このため、磁歪式トルクセンサ４１により検出された操舵トルクに応じて、電動モータ４３が補助トルクを発生し、操舵トルクに補助トルクを加えた複合トルクにより操舵車輪３１，３１を操舵することができる。

磁歪式トルクセンサ４１の磁歪膜７１，７２は、回転軸自体２４の磁気の影響や、電動モータ４３から回転軸２４へ伝わった磁気の影響を受けない。このため、回転軸２４から磁気を遮断するために、更なる配慮をする必要はない。また、電動モータ４３の取付け位置や出力の大きさに配慮をする必要がない。従って、磁歪式トルクセンサ４１を搭載した電動パワーステアリング装置１０の生産性が高まる。

さらには、磁歪式トルクセンサの磁歪膜は、外部から回転軸を介して与えられる磁気の影響を受けない。つまり、磁歪膜は、外部からの磁気（例えば、地磁気や車両などの磁気によるノイズ）の影響を受けることが、極力抑制される。このため、操舵トルクセンサのセンサ信号が安定し、検出精度が高まる。この結果、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを高めることができる。

さらには、磁歪式トルクセンサ４１の磁歪膜７１，７２は、外部から回転軸２４を介して与えられる磁気の影響を受けない。つまり、磁歪膜７１，７２は、外部からの磁気（例えば、地磁気や車両などの磁気によるノイズ）の影響を受けることが、極力抑制される。このため、操舵トルクセンサ４１のセンサ信号が安定し、検出精度が高まる。この結果、電動パワーステアリング装置１０の操舵フィーリングを高めることができる。

なお、本発明では、磁歪膜７１，７２は、強磁性体の膜であればよく、Ｎｉ−Ｆｅ系の合金膜に限定されるものではない。例えば、磁歪膜７１，７２は、Ｃｏ−Ｆｅ系の合金膜やＳｍ−Ｆｅ系の合金膜であってもよい。
また、２つの磁気絶縁層６１，６２（又は、磁気絶縁層１６１，１６２）及び２つの磁歪膜７１，７２を回転軸２４の軸長手方向に連続して設けることができる。この場合であっても、連続して設けられた磁歪膜７１，７２間の中間位置に治具掛け部２４ｊが形成されることにより、中間位置に第３の治具９３を掛けることができる。

本発明の磁歪式トルクセンサ４１は、車両用電動パワーステアリング装置に備えたトルクセンサとして用いるのに、好適である。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の模式図である。 本発明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の３−３線断面図である。 本発明に係る磁歪式トルクセンサの模式的回路図である。 本発明に係る磁歪膜を有する回転軸の第１実施例図である。 図５に示された回転軸並びに磁歪膜の製造方法を示す説明図である。 回転軸と磁歪膜との間に磁気絶縁層を設けたことによる作用を説明する図である。 図５に示された回転軸の第２実施例図である。 図８に示された回転軸の変形例図である。

符号の説明

１０…電動パワーステアリング装置、２１…ステアリングホイール、２４…回転軸、４１…磁歪式トルクセンサ、６１，１６１…第１の磁気絶縁層、６２，１６２…第２の磁気絶縁層、７１…第１の磁歪膜、７２…第２の磁歪膜。

Claims (5)

1. 外部から回転軸に作用したトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、前記回転軸の外周面に設けられた非磁性材料から成る磁気絶縁層と、この磁気絶縁層の外周面に設けられた磁歪膜とを有していることを特徴とした磁歪式トルクセンサ。
2. 前記磁気絶縁層は、前記回転軸の外周面に施された膜であることを特徴とした請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 前記磁気絶縁層は、前記回転軸に嵌合され且つ固定されたパイプであることを特徴とした請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 前記非磁性材料は、前記磁歪膜のキュリー温度よりも高温の融点を有した金属であることを特徴とした請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の磁歪式トルクセンサ。
5. 請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の磁歪式トルクセンサを、ステアリングホイールに発生した操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサとして搭載した、ことを特徴とする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。

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