JP2010048820A - 磁歪式トルクセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒステリシスが小さく、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを向上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。
【解決手段】磁歪式トルクセンサの製造方法は、シャフト部１０９ｂに磁歪膜１２，１３を設ける磁歪膜堆積工程と、次に磁歪膜１２，１３に歪みを発生させた後、高周波加熱により所定時間加熱したことによって、磁歪膜１２，１３の歪みを加熱前よりも抜けた状態にする加熱工程と、次にシャフト部１０９ｂに所定の捩りトルクを加えた状態で磁歪膜１２，１３を冷却する冷却工程と、次に捩りトルクを解放することによって磁歪膜１２，１３に磁気異方性を設けるトルク解放工程と、によって、シャフト部１０９ｂに磁気異方性を有する磁歪膜を設ける製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁歪式トルクセンサの製造方法に関し、特に、自動車用の電動パワーステアリング装置の操舵トルクを検出するのに最適な磁歪式トルクセンサの製造方法に関するものである。

図１７は、従来の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。電動パワーステアリング装置１００は、ハンドル（ステアリングホイール）１０１からの操舵トルクを検出する操舵トルク検出装置（トルクセンサ）１０２と、運転者の操舵に対して動力補助するモータ１０３と、このモータ１０３の回転トルクを倍力する減速装置（動力伝達機構）１０４と、少なくとも操舵トルク検出装置１０２の信号を基本にして、例えば車速センサ１０５などに基づいてモータを駆動制御する制御装置１０６、およびハンドル１０１の回転により前輪１０７の向きを変えるラック・ピニオン機構１０８などによって構成されている。

電動パワーステアリング装置１００は、ステアリングホイール（ハンドル）１０１に連結されるステアリング軸１０９ａ等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ている。ステアリング軸１０９ａはステアリング軸１０９ｂと自在軸継手１０９ｃを介して連結されており、ステアリング軸１０９ａの上端はステアリングホイール１０１に連結され、ステアリング軸１０９ｂの下端にはピニオンギヤ１１０が取り付けられている。ピニオンギヤ１１０に対して、これに噛み合うラックギヤ１１１ａを設けたラック軸１１１が配置されている。ピニオンギヤ１１０とラックギヤ１１１ａによってラック・ピニオン機構１０８が形成される。ラック軸１１１の両端にはタイロッド１１２が設けられ、各タイロッド１１２の外側端には前輪１０７が取り付けられる。上記ステアリング軸１０９ｂに対し動力伝達機構１０４を介してモータ１０３が設けられている。動力伝達機構１０４は、ウォームギヤ１０４ａとウォームホイール１０４ｂによって形成されている。モータ１０３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１０４を経由して、ステアリング軸１０９ｂ，１０９ａに与える。またステアリング軸１０９ｂには操舵トルク検出装置（トルクセンサ）１０２が設けられている。操舵トルク検出装置１０２は、運転者がステアリングホイール１０１を操作することによって生じる操舵トルクをステアリング軸１０９ａ，１０９ｂに加えたとき、ステアリング軸１０９ａ，ｂに加わる当該操舵トルクを検出する。１０５は車両の車速を検出する車速検出部であり、１０６はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置１０６は、操舵トルク検出装置１０２から出力される操舵トルク信号Ｔと車速検出部１０５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１０３の回転動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。上記のラック・ピニオン機構１０８等は図１６中で図示しないギヤボックス１１３に収納されている。

上記において電動パワーステアリング装置１００は、通常のステアリング系の装置構成に対し、操舵トルク検出装置１０２、車速検出部１０５、制御装置１０６、モータ１０３、動力伝達機構１０４を付加することによって構成されている。

上記構成において、運転者が操作した時の操舵トルクを操舵トルク検出装置１０２により検出し、制御装置１０６を介してこのトルクセンサ信号を基に車速信号等に応じてモータ１０３を駆動制御する。このときのモータ発生トルクを倍力装置（動力伝達機構）１０４により、トルク倍力してラック・ピニオン機構１０８のピニオン軸に作用させて運転者の操舵トルク負担を軽減している。

すなわち、運転者がステアリングホイール１０１を操作して自動車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１０９ａ，１０９ｂ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１０８を介してラック軸１１１の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド１１２を介して前輪１０７の走行方向を変化させようとする。このときにおいて、同時に、ステアリング軸１０９ｂに付設された操舵トルク検出装置１０２は、ステアリングホイール１０１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１０６へ出力する。また、車速検出部１０５は、車両の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１０６へ出力する。制御装置１０６は、操舵トルク信号Ｔ、車速信号Ｖに基づいてモータ１０３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１０３は、動力伝達機構１０４を介して補助操舵力をステアリング軸１０９ｂ，１０９ａに作用させる。以上のごとくモータ１０３を駆動することにより、ステアリングホイール１０１に加えられる運転者による操舵力が軽減される。

例えば、操舵トルクをＴＨ、アシスト量ＡＨの係数を、例えば一定のｋＡとすると、ＡＨ＝ｋＡ×ＴＨであるから、負荷であるピニオントルクをＴＰとすると、

［数１］
ＴＰ＝ＴＨ＋ＡＨ
＝ＴＨ＋ｋＡ×ＴＨ （１）

という関係が成り立つから、操舵トルクＴＨは（２）式のように表される。

［数２］
ＴＨ＝ＴＰ／（１＋ｋＡ） （２）

したがって、操舵トルクＴＨは、ピニオントルクＴＰの１／（１＋ｋＡ）、（ｋＡは０より大、またはｋＡ＝０）となり軽減される。

図１８は、電動パワーステアリング装置１００の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す。ラック軸１１１の左端部および右端部の一部は断面で示されている。ラック軸１１１は、車幅方向（図１８中左右方向）に配置される筒状ハウジング１３１の内部に軸方向へスライド可能に収容されている。ハウジング１３１から突出したラック軸１１１の両端にはボールジョイント１３２がネジ結合され、これらのボールジョイント１３２に左右のタイロッド１１２が連結されている。ハウジング１３１は、図示しない車体に取り付けるためのブラケット１３３を備えると共に、両端部にストッパ１３４を備えている。

図１８において、１３５はイグニションスイッチ、１３６は車載バッテリ、１３７は車両エンジンに付設された交流発電機（ＡＣＧ）である。交流発電機１３７は車両エンジンの動作で発電を開始する。制御装置１０６に対してバッテリ１３６または交流発電機１３７から必要な電力が供給される。制御装置１０６はモータ１０３に付設されている。また１３８はラック軸の移動時にストッパ１３４に当たるラックエンドであり、１３９はギヤボックスの内部を水、泥、埃等から保護するためのダストシール用ブーツである。

図１９は図１８中のＡ−Ａ線断面図である。図１９では、ステアリング軸１０９ｂの支持構造、操舵トルク検出装置１０２、動力伝達機構１０４、ラック・ピニオン機構１０８の具体的構成が明示される。

図１９において、上記ギヤボックス１１３を形成するハウジング１１３ａにおいてステアリング軸１０９ｂは４つの軸受け部１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄによって回転自在に支持されている。ハウジング１１３ａの内部にはラック・ピニオン機構１０８と動力伝達機構１０４が収納され、さらに上部には操舵トルク検出部（トルクセンサ）１０２が付設されている。また、操舵トルク検出装置１０２では、ステアリング軸（回転軸）１０９ｂに磁歪膜１０２ｂ，１０２ｃが形成され、それらの周りにはコイル１０２ｄ，１０２ｆ，１０２ｅ，１０２ｆと、それらを囲むヨーク部１０２ｇによってステアリング軸１０９ｂを取り囲んでいる。ハウジング１１３ａの上部開口はリッド１４３で塞がれ、リッド１４３はボルトで固定されている。ステアリング軸１０９ｂの下端部に設けられたピニオン１１０は軸受け部１４１ａ，１４１ｂの間に位置している。ラック軸１１１は、ラックガイド１４５で案内され、かつ圧縮されたスプリング１４６で付勢されピニオン１１０側へ押さえ付けられている。動力伝達機構１０４は、モータ１０３の出力軸に結合される伝動軸１４８に固定されたウォームギヤ１０４ａとステアリング軸１０９ｂに固定されたウォームホイール１０４ｂとによって形成される。操舵トルク検出装置１０２はリッド１４３に取り付けられている。

上記したようにトルクセンサ１０２は、ステアリング・ギヤボックス１１３内に設けられており、ステアリング軸１０９ｂに作用する操舵トルクを検出し、その検出値は制御装置１０６へ入力されて、モータ１０３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供給される。

このような電動パワーステアリング装置１００の操舵トルクセンサ１０２としては、ステアリング軸に負荷される操舵トルクを、トーションバーを使って捩れ角を増大させて、その捩れ角を検出したり、この捩れ角を軸方向変位に変換してこの変位を検出する形式と異なって、直接的に検出する方式として、磁歪式トルクセンサが知られている。

この磁歪式トルクセンサは、図１８で示したように、ハンドル１０１に連結されるステアリング軸１０９ｂが軸受け１４１ｃと１４１ｄを介してギヤボックス１１３に回転自在に支持されており、これらの軸受け１４１ｃと１４１ｄの間のステアリング軸表面部に例えばニッケル鉄メッキのような磁歪膜が所定の厚さで２ヶ所（１０２ｂと１０２ｃ）施され、しかもそれぞれ逆方向の磁気異方性が与えられ、例えば後で説明する図２０に示すような逆磁歪特性が付与されている。

図２０は、上記のような磁歪式トルクセンサ１０２における励磁コイルと検出コイルと磁歪膜との配置関係の模式図である。ステアリング軸１０９ｂの表面に形成された磁歪膜１０２ｂとその磁歪膜１０２ｂに間隔を設けて形成された磁歪膜１０２ｃとが設けられており、それらの磁歪膜の近傍に微小の空隙を介して配置された励磁コイル１０２ｆと、その励磁コイル１０２ｆには、励磁電圧供給源１０２ｈが接続されている。また、磁歪膜１０２ｂの近傍には微小の空隙を介して検出コイル１０２ｄが設けられ、磁歪膜１０２ｃの近傍には微小の空隙を介して検出コイル１０２ｅが設けられている。

図２０で示した磁歪式トルクセンサ１０２において、ステアリング軸１０９ｂにトルクが作用したときに、磁歪膜１０２ｂ，１０２ｃにもトルクが作用し、このトルクに応じて磁歪膜１０２ｂ，１０２ｃに逆磁歪効果が生じる。そのため、励磁電圧供給源１０２ｈから励磁コイル１０２ｆに高周波の交流電圧（励磁電圧）を供給したときに、トルクに基づく磁歪膜１０２ｂ，１０２ｃの逆磁歪効果による磁界の変化を検出コイル１０２ｄ，１０２ｅによりインピーダンスあるいは誘導電圧の変化として検出することができる。このインピーダンスあるいは誘導電圧の変化からステアリング軸１０９ｂに加えられたトルクを検出することができることになる。

このような逆磁歪特性の一例を図２１に示す。図２１において、横軸は操舵入力トルク、縦軸は励磁コイルに交流電圧を印加した時の検出コイルによって検出されるインピーダンスあるいは誘導電圧を示している。曲線Ｃ１００は、検出コイル１０２ｄによって検出されるインピーダンスあるいは誘導電圧の変化を示し、曲線Ｃ１０１は、検出コイル１０２ｅによって検出されるインピーダンスあるいは誘導電圧の変化を示している。検出コイル１０２ｄによる検出では、操舵トルクが負から正になるにつれてインピーダンスあるいは誘導電圧は増加し、操舵トルクが正の値Ｔ１となったときインピーダンスあるいは誘導電圧はピーク値Ｐ１をとり、操舵トルクがＴ１以上では減少する。また、検出コイル１０２ｅによる検出では、操舵トルクが正から負になるにつれてインピーダンスあるいは誘導電圧は増加し、操舵トルクが負の値−Ｔ１のときインピーダンスあるいは誘導電圧はピーク値Ｐ１をとり、さらに操舵トルクを負の方向に増加すると減少する。図２１に示すように、検出コイル１０２ｄで得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性と検出コイル１０２ｅで得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性は略凸形状を示し、検出コイル１０２ｄで得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性と検出コイル１０２ｅで得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性は、先に述べた磁歪膜の上下２箇所でそれぞれ逆方向となる磁気異方性を反映して縦軸に対してほぼ対称的になる。また、直線Ｌ１００は、検出コイル１０２ｄにより検出された特性曲線Ｃ１００から検出コイル１０２ｅにより検出された特性曲線Ｃ１０１を引いた値を示すものであり、理想的には操舵トルクがゼロのときにその値はゼロとなり、操舵トルクの範囲Ｒにおいては、操舵トルクの変化にほぼ直線的に変化することを示す。磁歪式トルクセンサはこのような特性曲線Ｃ１００，Ｃ１０１の中でも、特にトルク中立点付近のほぼ一定勾配とみなされる領域を使用することで、入力トルクの方向と大きさに対応した検出信号を出力している。また、直線Ｌ１００の特性を利用することで、検出コイル１０２ｄ，１０２ｅの値から操舵トルクを検出することができる。

磁気異方性を与える方法として、例えば特許文献１のように、ステアリング軸（回転軸）１０９ｂに磁歪膜を４０μｍの厚さでメッキ処理した後に捩りトルクを２ｋｇｍ作用させて応力を付与して、１５０〜５５０℃にて１０分から２０時間熱処理しているものが提案されている。

特開平２００２−８２０００公報

しかしながら、上記従来の磁歪式トルクセンサ１０２は、操舵トルクの検出値が不安定であると共にヒステリシスが大きいばかりか、熱処理に時間がかかり、生産性にも課題があった。図２２は、このような実際の逆磁歪特性の一例を示したグラフである。図２２において、横軸は操舵入力トルク、縦軸は励磁コイルに交流電圧を印加した時の検出コイルによって検出されるインピーダンスあるいは誘導電圧を示している。曲線Ｃ１０２は、検出コイル１０２ｄにより検出された実際の特性曲線（図２１の曲線Ｃ１００に対応）から検出コイル１０２ｅにより検出された実際の特性曲線（図２１の曲線Ｃ１０１に対応）を引いた値（Ａ−Ｂ）を示すものである。これは、図２１における直線Ｌ１００に対応するものである。図２２で示すように、実際には曲線Ｃ１０２は、操舵トルクがゼロのときに（Ａ−Ｂ）値はゼロとならず、ヒステリシスが生じていることが分かる。それゆえ、このような磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置に採用した場合は、操舵フィーリングを低下させるという課題があり実用化することができなかった。

また、逆磁歪特性は、図２３に示すように、熱処理前のメッキで形成された磁歪膜の特性の影響を受けるという課題があった。図２３は、磁歪膜の熱処理前の逆磁歪特性と磁歪膜の熱処理後の逆磁歪特性の測定結果を示す。図２３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ磁歪膜１０２ｂ，１０２ｃの熱処理前の特性であり、実線で描かれた曲線は時計回りのトルクの印加であり、点線で描かれた曲線は、反時計回りのトルクの印加である。このとき、磁歪膜１０２ｂの方が、磁歪膜１０２ｃに比べてヒステリシスが大きいことが分かる。また、図２３（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、３００℃１時間で熱処理した場合の磁歪膜１０２ｂと磁歪膜１０２ｃの逆磁歪特性であり、実線で描かれた曲線は時計回りのトルクの印加であり、点線で描かれた曲線は、反時計回りのトルクの印加である。このとき、磁歪膜１０２ｂの方が、磁歪膜１０２ｃに比べてヒステリシスが大きいことが分かる。

このように、例えば、磁歪膜１０２ｂの場合の熱処理前のヒステリシスが大きいと熱処理後も大きく、逆に磁歪膜１０２ｃのように熱処理前のヒステリシスが比較的に小さいと熱処理後も小さくなることが分かった。このように、熱処理後の逆磁歪特性は、熱処理前の逆磁歪特性の影響を受けてしまうので、熱処理前のメッキ特性の影響を受けないで常にヒステリシスの小さい製造方法が望まれていた。

本発明の目的は、上記問題を解決するため、ヒステリシスが小さく、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを向上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に、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、シャフト部に磁歪膜を設ける磁歪膜付与工程と、シャフト部に所定の捩りトルクを加えた状態で所定時間加熱し、磁歪膜の歪みをほぼ抜けた状態にする加熱工程と、捩りトルクを解放することによって磁歪膜に磁気異方性を設けるトルク解放工程と、によって、シャフト部に磁気異方性を有する磁歪膜を設けることで特徴づけられる。

第１の磁歪式トルクセンサの製造方法によれば、シャフト部に磁歪膜を設ける磁歪膜付与工程と、シャフト部に所定の捩りトルクを加えた状態で所定時間加熱し、磁歪膜の歪みをほぼ抜けた状態にする加熱工程と、捩りトルクを解放することによって磁歪膜に磁気異方性を設けるトルク解放工程と、によって、シャフト部に磁気異方性を有する磁歪膜を設けるため、シャフト部に設けた磁歪膜に、捩りトルクを付与して電磁誘導加熱（高周波加熱）により所定時間加熱したことにより、シャフト部の磁歪膜に大きな残留引っ張り歪みと捩り歪みとを同時に付与することができ、これにより検出値のヒステリシスを小さくすることができ、しかも高周波加熱後は、この処理前のメッキ特性の影響を受けないので逆磁歪特性が安定している。

本発明に係る磁歪式トルクセンサとこの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を示す図である。 本発明に係る磁歪式トルクセンサにおける励磁コイルと検出コイルと磁歪膜との配置関係の模式図である。 本発明に係る磁歪式トルクセンサにおける逆磁歪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の製造方法を示すフローチャートである。 磁歪膜を熱処理するときの方法を示す模式図である。 加熱時間とトルクの印加の時間変化を示すグラフである。 磁歪膜の熱処理を行った後のトルクセンサの特性曲線を示すグラフである。 磁歪膜の高周波加熱を行う前と後の逆磁歪特性を示すグラフである。 高周波加熱の時の、加熱される部分について説明する図である。 熱処理での磁歪膜の状態のモデルを示す図である。 従来の熱処理での磁歪膜の状態のモデルを示す図である。 従来の熱処理での磁歪膜の状態のモデルを示す図である。 従来の熱処理での磁歪膜の状態のモデルを示す図である。 本発明の熱処理での磁歪膜の状態のモデルを示す図である。 本発明の熱処理での磁歪膜の状態のモデルを示す図である。 本発明の熱処理での磁歪膜の状態のモデルを示す図である。 電動パワーステアリング装置の全体構成図である。 電動パワーステアリング装置の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す図である。 図１８中のＡ−Ａ線断面図である。 磁歪式トルクセンサにおける励磁コイルと検出コイルと磁歪膜との配置関係の模式図である。 逆磁歪特性の理想的な一例を示すグラフである。 逆磁歪特性の実際の一例を示すグラフである。 熱処理前後の逆磁歪特性の実際の一例を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法で製造した磁歪式トルクセンサとこの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１０を示す図である。図１は、図１９で示した電動パワーステアリング装置１００に対応するものであり、磁歪膜の熱処理方法以外は、構成は同様であるので対応する構成要素には同じ符号を付し、磁歪式トルクセンサ以外の説明は省略する。

磁歪式トルクセンサ１１は、ハンドル１０１に連結されるステアリング軸（回転軸）１０９ｂが軸受け１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄを介してハウジング１１３ａに回転自在に支持されている。そして、軸受け１４１ｃと１４１ｄの間のステアリング軸（回転軸）１０９ｂの表面部に例えばニッケル鉄メッキのような正の磁歪定数を示す磁歪材が所定の膜厚（例えば３０ミクロン以下）で、２ヶ所（１２と１３）施され、しかもそれぞれ逆方向の磁気異方性が、回転軸１０９ｂに所定のトルクを印加し高周波加熱により加熱し室温に戻し、トルクを取り去ることにより付与している。これにより、後述する機構によって、磁歪膜に捩りトルクが印加されていない場合においても、常に引っ張り応力がかかっており、引っ張りのひずみが加わっているため、逆磁歪特性でのヒステリシスが小さくなっている。

図２は、上記のようなトルクセンサ１１における励磁コイルと検出コイルと磁歪膜との配置関係の模式図である。ステアリング軸１０９ｂの表面に形成されたトルクを印加しながら高周波加熱を行った磁歪膜１２とその磁歪膜１２に間隔を設けて形成されたやはりトルクを印加しながら高周波加熱を行った磁歪膜１３とが設けられており、それらの磁歪膜の近傍に微小の空隙を介して配置された励磁コイル１０２ｆと、その励磁コイル１０２ｆには、励磁電圧供給源１０２ｈが接続されている。また、磁歪膜１２の近傍には微小の空隙を介して検出コイル１０２ｄが設けられ、磁歪膜１３の近傍には微小の空隙を介して検出コイル１０２ｅが設けられている。

図２で示した磁歪式トルクセンサ１１において、ステアリング軸１０９ｂにトルクが作用したときに、磁歪膜１２，１３にもトルクが作用し、このトルクに応じて磁歪膜１２，１３に逆磁歪効果が生じる。そのため、励磁電圧供給源１０２ｈから励磁コイル１０２ｆに高周波の交流電圧（励磁電圧）を供給したときに、トルクに基づく磁歪膜１２，１３の逆磁歪効果による磁界の変化を検出コイル１０２ｄ，１０２ｅによりインピーダンスあるいは誘導電圧の変化として検出することができる。このとき、捩りトルク以外にも常に引っ張り応力が磁歪膜に印加された状態となっているため、ヒステリシスが小さい特性が得られ、このインピーダンスあるいは誘導電圧の変化からステアリング軸１０９ｂに加えられたトルクを検出することができることになる。

このような本発明に係る磁歪式トルクセンサにおける逆磁歪特性を図３に示す。図３において、横軸は操舵入力トルク、縦軸は励磁コイルに交流電圧を印加した時の検出コイルによって検出されるインピーダンスあるいは誘導電圧を示している。曲線Ｃ１０は、検出コイル１０２ｄによって検出されるインピーダンスあるいは誘導電圧の変化を示し、曲線Ｃ１１は、検出コイル１０２ｅによって検出されるインピーダンスあるいは誘導電圧の変化を示している。検出コイル１０２ｄによる検出では、操舵トルクが負から正になるにつれてインピーダンスあるいは誘導電圧は増加し、操舵トルクが正の値Ｔ１となったときインピーダンスあるいは誘導電圧はピーク値Ｐ１０をとり、操舵トルクがＴ１以上では減少する。また、逆にそのトルクを大きくした状態から、トルクを減少させていき、トルクがゼロになったときも引っ張り応力が加わっているため、磁歪膜の磁化状態は安定しており、トルクに対する磁気特性の変化も安定している。そのため、ヒステリシスは小さくなる。また、検出コイル１０２ｅによる検出では、操舵トルクが正から負になるにつれてインピーダンスあるいは誘導電圧は増加し、操舵トルクが負の値−Ｔ１のときインピーダンスあるいは誘導電圧はピーク値Ｐ１０をとり、さらに操舵トルクを負の方向に増加すると減少する。また、トルクが負の方向で増加した状態から、減少させるとき、磁歪膜内の磁区の方向は変化するが、そのとき、トルクがゼロになっても引っ張り応力がかかっているために、磁歪膜の磁化状態は安定しており、トルクに対する磁気特性の変化も安定しているため、ヒステリシスは少なくなる。図３に示すように、検出コイル１０２ｄで得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性と検出コイル１０２ｅで得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性はヒステリシスの小さな、略凸形状を示し、検出コイル１０２ｄで得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性と検出コイル１０２ｅで得られる操舵トルク−インピーダンス（誘導電圧）特性は、先に述べた磁歪膜の上下２箇所でそれぞれ逆方向となる磁気異方性を反映して縦軸に対してほぼ対称的になる。また、直線Ｌ１０は、検出コイル１０２ｄにより検出された特性曲線Ｃ１０から検出コイル１０２ｅにより検出された特性曲線Ｃ１１を引いた値を示すものであり、操舵トルクがゼロのときにその値はゼロとなり、操舵トルクの範囲Ｒにおいては、操舵トルクの変化にほぼ直線的に変化することを示す。そして、ヒステリシスは小さい特性となっている。磁歪式トルクセンサはこのような特性曲線Ｃ１０，Ｃ１１の中でも、特にトルク中立点付近のほぼ一定勾配とみなされる領域を使用することで、入力トルクの方向と大きさに対応した検出信号を出力することができる。また、直線Ｌ１０の特性を利用することで、検出コイル１０２ｄ，１０２ｅの値から操舵トルクを検出することができる。そして、このようなヒステリシスの小さい逆磁歪特性を有する磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置を備えた車両のステアリング系で発生するトルクを検出するセンサとして搭載することにより、ハンドル戻りの良好な操舵フィールを付与することができる。

次に、本発明の磁歪式トルクセンサの製造方法について述べる。磁歪式トルクセンサは、回転軸に磁歪膜を形成した後、回転軸に所定の捩りトルクを加えた状態で熱処理を行い、磁歪膜に所定方向の磁気異方性を設ける。このときの熱処理は高周波加熱によって所定時間加熱する。また、好ましくは磁歪膜は主成分が鉄ニッケルからなり、所定の捩りトルクは５０Ｎｍ以上かつ１００Ｎｍ以下である。

図４は、本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法を示すフローチャートである。この磁歪式トルクセンサの製造方法は、磁歪膜堆積工程（ステップＳＴ１０）と、トルク印加高周波加熱工程（ステップＳＴ１１）と、トルク解放工程（ステップＳＴ１２）と、コイル配置工程（ステップＳＴ１３）と、からなる。

磁歪膜堆積工程（ステップＳＴ１０）は、回転軸に磁歪膜を設ける工程であり、回転軸１２ｂに磁歪膜をめっき法で形成する。トルク印加高周波加熱工程（ステップＳＴ１１）は、回転軸に所定の捩りトルクを加えた状態で高周波加熱によって所定時間加熱する工程であり、めっき法で磁歪膜を形成した回転軸に所定の捩りトルクを加えた状態で、磁歪膜の周囲をコイルで囲み、このコイルに高周波の電流を流し、磁歪膜を加熱する。トルク解放工程（ステップＳＴ１２）は、捩りトルクを解放することによって磁歪膜に磁気異方性を設ける工程であり、ステップＳＴ１２の工程後に自然に冷却した後に、捩りトルクを取り除く。これにより、磁歪膜に磁気異方性が設けられる。コイル配置工程（ステップＳＴ１３）は、磁磁歪膜周囲に磁歪特性の変化を検出する多重巻きコイルを配置する工程である。以上の工程により、磁歪式トルクセンサが形成される。以下に上記の工程のうち主要な工程であるトルク印加高周波加熱工程の詳細を重点的に述べる。

回転軸の材質は、例えばクロムモリブデン鋼鋼材（ＪＩＳ−Ｇ−４１０５，記号；ＳＣＭ）である。磁歪膜は、回転軸の外周面にめっき法で形成したＮｉ−Ｆｅ系の合金膜である。この合金膜の厚みは好ましくは３０μｍ以下である。Ｎｉ−Ｆｅ系の合金膜は、Ｎｉを概ね２０重量％含んだ場合と、概ね５０重量％含んだ場合に、磁歪定数が大きくなるので磁歪効果が高まる傾向にあり、このようなＮｉ含有量の材料を使用することが望ましい。例えば、Ｎｉ−Ｆｅ系の合金膜として、Ｎｉを５０〜６０重量％含み、残りがＦｅである材料を使用する。なお、磁歪膜は強磁性体の膜であればよく、パーマロイ（Ｎｉ；約７８重量％、Ｆｅ；残り）やスーパーマロイ（Ｎｉ；７８重量％、Ｍｏ；５重量％、Ｆｅ；残り）の膜であってもよい。ここで、Ｎｉはニッケル、Ｆｅは鉄、Ｍｏはモリブデンである。

図５は、磁歪膜を熱処理するときの方法を示す模式図である。図５（ａ）は、磁歪膜１２の熱処理を示し、図５（ｂ）は、磁歪膜１３の熱処理を示す。回転軸１０９ｂに鉄ニッケルをめっきし、磁歪膜１２，１３を形成する。ここで、回転軸１０９ｂの磁歪膜１２と１３は、１００Ｎｍのトルクを矢印で示すように負荷しながら誘導子であるコイル１４とコイル１５に５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ程度の高周波の電流をＴＵ＝１〜１０秒の間流して、磁歪膜１２と１３を図５のように加熱する。

図６は、加熱時間とトルクの印加の時間変化を示すグラフである。横軸は時間であり、縦軸は、印加するトルクあるいは温度である。高周波を印加する前にトルクを印加する。その後、高周波を時間ＴＵ（１〜１０秒）印加する。それにより、磁歪膜の温度がＴｐ（３００℃）まで上がり、その後、減少する。温度が減少し、温度Ｔになったときに、トルク印加を停止する。

図７は、上記の方法で磁歪膜を熱処理を行った後の、トルクセンサの逆磁歪特性曲線を示す。図７（ａ）は、高周波を１秒間印加したものであり、横軸はトルクであり、縦軸はインピーダンスである。曲線Ｃ２０はコイル１０２ｄからの出力であり、曲線Ｃ２１は、コイル１０２ｅからの出力である。曲線Ｃ２０は、トルクが負から増加すると、インピーダンスは増加し、約１０ｋｇｍでピークを持ち、それ以上のトルクで減少する。また、曲線Ｃ２１では、−１０ｋｇｍのトルクでピークをとり、それ以上のトルクで減少する。そして、トルクを逆に変化させたときも同様の曲線になり、ヒステリシスはほとんどない。また、図７（ｂ）は、高周波を３秒印加したものであり、図７（ａ）で示した特性とほぼ同じであり、図７（ｃ）は、高周波を５秒印加したものであり、このときも図７（ａ）で示した特性とほぼ同様である。このように、ピーク温度ＴＰ＝３００℃になるように通電時間をＴＵ＝１秒、３秒、５秒に変えてもヒステリシスの小さい安定した特性が得られている。

図８は、磁歪膜に高周波加熱を行う前と、高周波加熱を行った後の逆磁歪特性である。図８（ａ）は、磁歪膜に高周波加熱による熱処理を行う前の逆磁歪特性である。このとき、トルクを増加させ、また、減少させると、曲線Ｃ３０のようになり、ヒステリシスが見られ、また、トルクがゼロ付近で、窪みが見られる。図８（ｂ）は、磁歪膜の高周波加熱後（３００℃）の磁歪膜特性であり、曲線Ｃ３１はトルク印加を増加させ、その後減少させたときのグラフである。インピーダンスは初期特性よりも小さな値となるが、ヒステリシスが小さくなり、また、窪みが無くなったことが分かる。このように、図８に示すように電磁誘導加熱（高周波加熱）であれば、熱処理前の磁歪膜の逆磁歪特性においてヒステリシスが大きくても、熱処理後はヒステリシスが小さくなり、熱処理前の磁歪膜の逆磁歪特性の影響を受けない。

次に、以上のようにヒステリシスの小さい逆磁歪特性曲線が得られる理由について考察する。

図９は、ステアリング軸１０９ｂにめっきした磁歪膜１２，１３の高周波加熱をする時の、加熱される部分について説明する図である。回転軸１０９ｂに磁歪膜１２と１３がめっきで形成されている。このとき、上記のように高周波加熱すると、高周波に曝された部分にうず電流が生じ、それにより加熱されるが、これは、図９に示すように、メッキ生成された磁歪膜１２と１３の部分１２Ａと１３Ａが加熱され回転軸１０９ｂの深部はほとんど加熱されない。そのために大きな引っ張り歪みと捩りトルクによる歪みが同時に残留される。

これをモデルで表現すると図１０〜図１６のようになる。まず、従来の熱処理での状態を説明する。 図１０は、磁歪膜１２をめっきした回転軸１０９ｂにトルクＴを印加したときの磁歪膜の円形の微小部分Ｄ１０が受ける変形を図示する。図１０（ｂ）、（ｃ）は、微小部分を拡大した図である。まず、図１０（ｃ）において、回転軸１０９ｂに捩りトルクを印加する前の円形微小部分Ｄ１０は、回転軸１０９ｂに例えば１００Ｎｍの捩りトルクを作用して捩ると磁歪膜１２の微小部分Ｄ１０は図１０（ｂ）に示すように引っ張り荷重Ｆ１と圧縮荷重Ｆ２を同時に受け円形（捩りトルクをうけないとき）から右上がりのつぶれた楕円形に変形する。

次に、恒温槽にて全体を３００℃にて１時間加熱する。図１１は、加熱したときの微小部分の変形の様子を示す。図１１（ａ）のように磁歪膜１２と回転軸１０９ｂが加熱されるが、これらの磁歪膜１２と回転軸１０９ｂは過熱され膨張する。そのとき、図１１（ｂ）のように楕円形に変形した磁歪膜は、全体が膨張した状態となるが３００℃で過熱されるために磁歪膜１２は、図１１（ｃ）のようにほぼ歪みが抜けた状態になる。図１２は、室温に戻したときの微小部分の変形を示す図である。図１２のように常温まで冷却されると熱膨張した磁歪膜は、その状態で、回転軸と共に縮小する。そして、室温に冷却すると、その時の微小部分は図１２（ｂ）のようになる。図１３は、捩りトルクをゼロにしたときの微小部分の変形を示す図である。そして、図１３（ｂ）のように捩りトルクＴを取り除くと微小部分Ｄ１０は逆方向のすなわち左上がりの楕円形になる。

このように、図１３のように常温に冷却されたあと、図１３のように捩りトルクＴが取り除かれても図１０の楕円とほぼ同じ大きさ（面積）で左上がりにつぶれている。

次に、本発明に係る磁歪膜での状態を説明する。トルクは従来と同様に印加し、図１０に示したように、磁歪膜１２をめっきした回転軸１０９ｂにトルクＴを印加したときの磁歪膜の円形の微小部分Ｄ１０が受ける変形を図示する。まず、図１０において、回転軸１０９ｂに捩りトルクを印加する前の円形微小部分Ｄ１０は、回転軸１０９ｂに例えば１００Ｎｍの捩りトルクを作用して捩ると磁歪膜１２の微小部分Ｄ１０は引っ張り荷重Ｆ１と圧縮荷重Ｆ２を同時に受け円形（捩りトルクをうけないとき）から右上がりのつぶれた楕円形に変形する。

次に、図３のようなコイル１３で電磁誘導加熱（高周波加熱）する。図１４は、電磁誘導加熱したときの微小部分の変形の様子を示す。図１４（ｂ）のように磁歪膜１２のみが数秒で瞬時に加熱されるが、軸１０９ｂは過熱されないので磁歪膜は膨張することができない。したがって、図１４（ｂ）のように磁歪膜１２は膨張しようとするが、回転軸１０９ｂは膨張しないので、全体に圧縮応力Ｆ３がかかる。また、３００℃で過熱されているので、その後、磁歪膜にはクリープが起こり、図１４（ｃ）のようにほぼ歪みが抜けた状態になる。図１５は、室温に戻したときの微小部分の変形を示す図である。図１５のように常温まで冷却されると熱膨張して歪の抜けた磁歪膜は、その状態で、回転軸と接合面を形成する。そして、室温に冷却すると、磁歪膜は収縮しようとするが、回転軸との接合面で接合しているために、全体に引っ張り歪みＳが残留する。その時の微小部分はＤ１０で示す。図１６は、捩りトルクをゼロにしたときの微小部分の変形を示す図である。そして、微小部分Ｄ１０は図１６のように捩りトルクＴを取り除くと引っ張り歪みＳと捩り歪みＣ１，Ｃ２の残留した逆方向のすなわち左上がりのつぶれた全体に大きい楕円形になる。

したがって、従来手法では捩り歪みのみが磁歪膜に付与されるが、本発明では引っ張り歪みと捩り歪みが同時に付与される。

本実施形態のように、ソレノイドコイル１０２ｆにより回転軸の軸方向に磁歪膜を励磁するとき、全方向に引っ張り歪みが作用しているときには、この引っ張り歪みを感知することができる。また、回転軸の軸方向に対しては引っ張り歪み、軸と直角方向では圧縮歪みのみを感知することができる。これらの特性により、例えば、図３のＴ１あるいは−Ｔ１のところまで捩りトルクが作用すると磁歪膜の微小部分はほぼ図１５のようになる。このとき、従来手法では、図１２のように歪みがほとんど発生していないため、歪みを感知しない。したがって、図２３のように磁歪膜の初期歪みなどのみを検出し不安定であるが、本発明では、磁歪膜の初期歪みを上回る引っ張り歪みが残留されているので、この残留歪みが感知されて安定な状態となる。

また、さらに、捩りトルクを増大させて再び捩りトルクを減少させると従来手法では、歪みを感知しないところを通過するのでヒステリシスが増大するが、本発明手法では、常に引っ張り歪みが残留しているため、ヒステリシスがほとんどない良好な逆磁歪特性が得られる。

また、このヒステリシスの小さい磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置に適用すると、ハンドルに作用する運転者の操舵トルクを直接検出することができ、とくに運転者が操舵トルクを減少させたときのハンドル軸上のトルクのヒステリシスを小さく検出できる。したがって、運転者のハンドル操作に忠実にモータの動きを応答できるので、ハンドル戻りを良好にすることができる。

本発明は、磁歪式トルクセンサを製造する製造方法と、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として利用される。

１０…電動パワーステアリング装置、１１…磁歪式トルクセンサ、１２，１３…磁歪膜、１００…電動パワーステアリング装置、１０１…ステアリングホイール、１０２…磁歪式トルクセンサ、１０２ｄ…検出コイル、１０２ｅ…検出コイル、１０２ｆ…励磁コイル、１０２ｇ…ヨーク部、１０２ｈ…電源、１０３…モータ、１０４…動力伝達機構、１０５…車速センサ、１０６…制御装置、１０７…前輪、１０８…ラック・ピニオン機構、１０９ａ，ｂ…ステアリング軸、１１０…ピニオンギヤ、１１１…ラック軸、１１２…タイロッド

Claims (1)

1. シャフト部に磁歪膜を設ける磁歪膜付与工程と、
   次に前記シャフト部に所定の捩りトルクを加え磁歪膜に歪みを発生させた後、高周波加熱により所定時間加熱したことによって、磁歪膜の歪みを加熱前よりも抜けた状態にする加熱工程と、
   次に前記シャフト部に所定の捩りトルクを加えた状態で磁歪膜を冷却する冷却工程と、
   次に前記捩りトルクを解放することによって前記磁歪膜に磁気異方性を設けるトルク解放工程と、
   によって、前記シャフト部に磁気異方性を有する磁歪膜を設け、この磁歪膜は、前記磁気異方性単独の磁気異方性を有することを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。

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