JP4829921B2 - 磁歪式トルクセンサの異方性付与方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車等の電動パワーステアリング装置に装着され、操舵軸を介してシャフトに加えられる操舵トルクを磁気的に検出するための検出装置に用いて最適な磁歪式トルクセンサの異方性付与方法に関する。

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は、ドライバの操舵操作によって操舵軸からシャフトに加えられるトルクをトルクセンサによって検出する。そして、このトルクセンサからの検出信号に応じて、ドライバの操舵操作に対し動力補助する（補助操舵力を付与する）ためのモータを駆動制御し、ドライバの操舵力を軽減して快適な操舵フィーリングを与えるようにしている。

このような前記従来技術によるトルクセンサとして、磁歪式トルクセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この磁歪式トルクセンサは、シャフトの表面に磁気異方性をもった磁歪膜（例えばＮｉ−Ｆｅ系の合金膜）を被着している。そして、シャフトに外部からトルクが作用したときには、シャフトに生じる捩れに応じた磁歪膜の磁気特性（透磁率）の変化を磁気的に被接触で検出する構成となっている。

そこで、この種の従来技術による磁歪式トルクセンサを自動車の電動パワーステアリング装置に用いた場合を例に挙げ、図７ないし図１１を参照して説明する。図７は従来技術による電動パワーステアリング装置を示す模式図、図８は従来技術による操舵トルクとピニオントルクとの関係を示す説明図である。図９は従来技術による磁歪式トルクセンサを拡大して示す縦断面図、図１０は従来技術による操舵トルクとインピーダンスとの関係を示す特性線図、図１１は従来技術による磁歪式トルクセンサを示す回路図である。

図７に示すように、電動パワーステアリング装置１０１は、ハンドル１０２からの操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサ１０３と、ハンドル１０２の操作に対して補助操舵力を付与するモータ１０４と、このモータ１０４の回転トルクを増大させる減速装置１０５と、磁歪式トルクセンサ１０３及び車速センサ１０６等からの検出信号に応じてモータ１０４を駆動制御するＥＣＵ（Electrical Control Unit）１０７と、モータ１０４の回転をタイヤ１０８，１０８に伝えてタイヤ１０８の向きを変えるラック軸１０９及びピニオン１１０とによって大略構成されている。また、前記減速装置１０５は、図８に示すように、ウォーム１０５Ａとウォームホイール１０５Ｂとにより構成されるものである。

この従来技術では、ドライバが操舵操作したときの操舵トルクを、磁歪式トルクセンサ１０３を用いて検出すると共に、ＥＣＵ１０７により磁歪式トルクセンサ１０３からの検出信号（トルク信号）、車速センサ１０６からの検出信号（車速信号）等に応じてモータ１０４を駆動制御し、このときのモータ１０４のトルクを、減速装置１０５により増大させると共にラック軸１０９及びピニオン１１０を介してタイヤ１０８，１０８に伝えている。

このような電動式パワーステアリング装置１０１では、図８に示すように、ドライバの操舵トルクをＴＨとし、ピニオン１１０に伝わるトルクをＴＰとし、モータ１０４による補助トルクの大きさに関連した定数をＫＡとすると、ＴＨ＝ＴＰ／（１＋ＫＡ）の関係が成り立ち、モータ１０４の補助トルクによってドライバの操舵力を軽減することができる。

次に、磁歪式トルクセンサ１０３について説明する。磁歪式トルクセンサ１０３は、図９に示すように、アッパケース部１１１Ａ及びロアケース部１１１Ｂからなるセンサ収容ケース１１１に収容されている。そして、磁歪式トルクセンサ１０３は、ハンドル１０２の操舵軸１０２Ａ（図７参照）に連結され、センサ収容ケース１１１に軸受１１２，１１３等を介して回転可能に支持されたシャフト１１４と、前記アッパケース部１１１Ａの内周側に上下に離間して設けられた検出手段であるコイル１１５，１１５と、コイル１１５と対向してシャフト１１４の外周面（外表面）に設けられ、互いに逆方向の異方性をもった第１，第２の磁歪膜１１６，１１７とによって大略構成されている。

ここで、磁歪膜１１６，１１７は、例えばＮｉ−Ｆｅ系の合金膜等からなる磁歪材を用いて形成され、シャフト１１４の外周面にメッキされている。そして、磁歪式トルクセンサ１０３は、例えば図１１に示すように、交流電源１１８に接続された一次コイル１１９と、磁歪膜１１６，１１７を挟んで一次コイル１１９と対向して設けられた二次コイル１２０，１２０とを備えている。

そして、シャフト１１４にハンドル１０２からのトルクが作用したときには、シャフト１１４に生じる捩れに応じた磁歪膜１１６，１１７の磁気特性の変化を、二次コイル１２０，１２０側でそれぞれ電気的に検出する。この結果、例えば図１０中に実線Ａ，Ｂで示すような２つの略凸形状の磁歪特性曲線が得られ、これら２つの磁歪特性曲線の差を算出することによって、シャフト１１４に加えられる操舵トルクの方向と大きさを検出するようにしている。
特開２００２−２５７６４８号公報（段落番号０００２、０００３、第６図） 特開２００２−２５０６６２号公報（５ページ左欄上から２行目乃至６行目、６ページ右欄上から２３行目乃至２６行目）

ところで、特許文献１には、シャフト（回転軸）の表面に磁歪膜を設けたトルクセンサが記載されているが、磁気異方性を付与する方法は開示されていない。

そこで、本発明は、シャフトの表面に設けた磁歪膜に磁気異方性を付与する磁歪式トルクセンサの異方性付与方法を提供することを目的としている。

前記課題を解決するため、本発明は、シャフトの外周面に対し、上下に離間して第１の磁歪膜、及び第２の磁歪膜を被着するステップと、前記シャフトに対して一方向にトルクを加えるステップと、前記第１の磁歪膜を加熱するステップと、冷却後に前記一方向に加えたトルクを解放するステップと、前記シャフトに対して、他方向にトルクを加えるステップと、前記第２の磁歪膜を加熱するステップと、冷却後に前記他方向に加えたトルクを解放するステップと、を備え、前記第１の磁歪膜、及び前記第２の磁歪膜のそれぞれに異なる磁気異方性を付与する磁歪式トルクセンサの異方性付与方法であって、前記磁歪膜を設ける前のシャフトは、そのロックウェル硬さが熱処理によってＨＲＣ４０〜６５に設定されていることを特徴とする。

これによれば、例えば、磁歪膜に異方性を付与した後にシャフトに焼き入れ等を施す必要がなくなり、磁歪膜に異方性を安定して付与することができ、線形性の高いトルク検出性能（図１０中の磁歪特性曲線Ａ，Ｂ参照）を得ることができる。

また、磁歪膜を設ける前のシャフトは、そのロックウェル硬さがＨＲＣ４０〜６５に設定されているので、シャフトに過大なトルク（例えば、３０ｋｇｆ・ｍ（２９４Ｎ・ｍ）程度）が加えられたとしても、シャフトが塑性変形するのを抑えることができる。したがって、シャフトを弾性変形させることができ、磁歪膜がシャフトから剥離するのを防止でき、磁歪式トルクセンサによる検出精度を高めることができる。

また、シャフトの下端にピニオンが設けられていることが好ましい。例えば、予めシャフトの素材となるクロムモリブデン鋼材に浸炭焼き入れによる肌焼き処理を施した後に、シャフトの表面に磁歪膜を被着することにより、ピニオン、軸受等を、シャフトと一緒に同一の工程で熱処理を行うことができる。すなわち、軸受、ピニオンを、異なる工程で熱処理を行う必要がなくなり、工程の短縮を図ることができる。

また、前記シャフトは、電動パワーステアリング装置のステアリング軸に用いられることが好ましい。これにより、シャフトに設けられた磁歪膜により操舵トルクの検出精度を高められ、電動パワーステアリング装置の性能、信頼性等を高めることができる。

なお、電動パワーステアリング装置を構成するラック軸の端部と前記ラック軸を収容するラック収容ケースの端部との間に、両者が衝突するときの衝撃力を緩和する弾性部材を設ける構成とすることにより、電動パワーステアリング装置の作動時には弾性部材によりラック軸の端部とラック収容ケースの端部とが衝突するときの衝撃力を吸収することができる。

本発明によれば、シャフトの表面に設けた磁歪膜に磁気異方性を付与することができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置（図７参照）に適用した場合を例に挙げ、図１ないし図３を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態による磁歪式トルクセンサを拡大して示す縦断面図、図２は、本実施の形態による捩り角と操舵トルクとの関係を示す特性線図である。
図３は、本実施の形態によるシャフトの硬度とヒステリシスとの関係を示す特性線図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ１は、前記従来技術とほぼ同様に、アッパケース部２Ａ及びロアケース部２Ｂからなるセンサ収容ケース２に軸受３，４，５等を介して回転可能に支持されたシャフト６と、前記アッパケース部２Ａの内周側に上下に離間して設けられた検出手段であるコイル７，７と、コイル７，７と対向してシャフト６の外周面（外表面）に被着され、互いに逆方向の異方性をもった第１，第２の磁歪膜８，９とを有している。そして、この磁歪膜８，９は、例えばＮｉ−Ｆｅ系の合金膜等からなる磁歪材を用いて形成されている。また、センサ収容ケース２のロアケース部２Ｂには、モータ１０、減速装置１１、ラック軸１２、ピニオン１３等が設けられ、前記減速装置１１は、ウォーム１１Ａ、ウォームホイール１１Ｂ等を有している。

そして、シャフト６にハンドルからのトルクが作用したときには、シャフト６に生じる捩れに応じた磁歪膜８，９の磁気特性の変化を、コイル７等を用いて電気的に検出する。この結果、例えば図１０中に実線Ａ，Ｂで示すような２つの略凸形状の磁歪特性曲線が得られ、これら２つの磁歪特性曲線の差を算出することによってシャフト６に加えられる操舵トルクの方向と大きさを検出する構成となっている。

ここで、本実施の形態によるシャフト６は、クロムモリブデン鋼材（例えば、ＳＣＭ８２２）等を用いて形成されている。そして、このシャフト６は、前記クロムモリブデン鋼材に予め焼き入れ等の熱処理を施した後、磁歪膜８，９をスパッタリングやイオンプレーティング等のＰＶＤ法、メッキ法、プラズマ溶射法等を用いて被着することにより、ロックウェル硬さをＨＲＣ４０〜６５の範囲内に設定している。さらに、シャフト６は、クロムモリブデン鋼材の表面に浸炭焼き入れによる肌焼き処理を施すことにより形成してもよい。また、シャフト６のロックウェル硬さをＨＲＣ６５以下に設定した理由は、ロックウェル硬さをＨＲＣ６５よりも大きく設定すると、シャフト６に脆さが生じ、切損するからである。一方、シャフト６のロックウェル硬さをＨＲＣ４０以上に設定した理由は、後記
するようにシャフト６に過大なトルクが作用したときでも、シャフト６を弾性変形させるためである。

このように構成される本実施の形態では、ドライバが操作したときの操舵トルクを、磁歪式トルクセンサ１を用いて検出すると共に、ＥＣＵにより磁歪式トルクセンサからの検出信号、車速センサ（いずれも図７参照）からの検出信号等に応じてモータ１０を駆動制御し、このときのモータ１０のトルクを、減速装置１１により増大させると共にラック軸１２、ピニオン１３を介してタイヤ（図示せず）に伝えている。

ところで、本実施の形態による磁歪式トルクセンサ１は、ハンドルをロックするまで時計廻りまたは反時計廻りに回転すると、前記従来技術でも述べたように、ラック軸１２の端部が、ラック収容ケースの端部（図示せず）と突き当たり（衝突し）、このときの大きな衝撃トルクがシャフト６に伝わり、シャフト６が塑性変形する可能性がある。そして、この塑性変形量が大きくなると、シャフト６の表面の磁歪膜８，９が剥離し、この剥離によりセンサ出力にヒステリシスを生じる。

しかし、実験による試行錯誤の結果、本実施のように、シャフト６のロックウェル硬さをＨＲＣ４０〜６５に設定することにより、図２に示すように、シャフト６に対し３０ｋｇｆ・ｍ（２９４Ｎ・ｍ）程度の過大な操舵トルクが付加されたときでも、本実施の形態によるシャフト６の塑性変形量ａを、前記従来技術の場合の塑性変形量ｂに比べて著しく小さく（ａ＜ｂ）抑えられ、磁歪膜８，９が剥離しないことを見出した。

従って、シャフト６のロックウェル硬さをＨＲＣ４０〜６５に設定したので、操舵操作時に、例えば、３０ｋｇｆ・ｍ（２９４Ｎ・ｍ）以上の大きな操舵トルクがシャフト６に加えられたとしても、図３に示すように、このときのシャフト６の塑性変形によるヒステリシスを許容値である５％以下に著しく小さく抑えられることが分かった。

これにより、シャフト６の表面から磁歪膜８，９が剥離するのを防止することができ、シャフトに過大な操舵トルクが作用した場合でも、磁歪式トルクセンサ１による検出精度を良好に保つことができ、磁歪膜８，９の剥れによるヒステリシスの発生を低減でき、操舵フィーリングを高めることができる。

また、シャフト６の製作時には、予めシャフト６の素材となるクロムモリブデン鋼材に浸炭焼き入れによる肌焼き処理を施した後に、シャフト６の表面に磁歪膜８，９を被着する構成としたので、軸受３，４，５、ピニオン１３等を、シャフト６と一緒に同一の工程で、例えば、ロックウェル硬さＨＲＣ５８以上となる熱処理を行うことができる。従って、軸受３，４，５、ピニオン１３を、異なる工程で熱処理を行う必要がなくなり、工程の短縮を図ることができ、これらの部材を容易に製作することができる。また、軸受３，４，５、シャフト６、ピニオン１３等を熱処理する際には、これらの部材の歪の影響を考慮して工程の管理を行うことができ、品質を安定化することができる。

さらに、本実施の形態では、シャフト６に磁歪膜８，９を貼り付ける構成としたので、シャフト６全体を磁歪材を用いて形成した場合と比較して、磁歪式トルク１の検出感度を１０〜１００倍程度まで高めることができる。

また、磁歪式トルクセンサ１を、自動車のステアリング機構に対して補助操舵力を付与する電動パワーステアリング装置に適用する構成としたので、磁歪式トルクセンサ１により操舵トルクの検出精度を高めることができ、電動パワーステアリング装置の性能、信頼性等を高めることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図４は本発明の第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、シャフトに、硬度がＨＲＣ４０〜６５となるような熱処理を施した後に、磁歪膜をシャフトに被着し、次に磁歪膜に異方性を付与する構成としたことにある。

図４（ａ）は、本実施の形態による磁歪膜が被着されたシャフトに反時計廻りのトルクを付与した状態を示す斜視図、図４（ｂ）は、本実施の形態による磁歪膜が被着されたシャフトに時計廻りのトルクを付与した状態を示す斜視図である。

図４に示すように、磁歪式トルクセンサ２１は、第１の実施の形態とほぼ同様に、下端側にピニオン２２が形成されたシャフト２３と、シャフト２３の外周面に上下に離間して被着された第１，第２の磁歪膜２４，２５とによって大略構成されている。

次に、磁歪式トルクセンサ２１の製造方法について説明する。
まず、シャフト２３に、ロックウェル硬さがＨＲＣ４０〜６５となる熱処理を施した後、シャフト２３の外周面に上下に離間して磁歪膜２４，２５を被着する。次に、図４（ａ）中に矢印Ｐ，Ｓで示す方向へとシャフト２３を捩ることにより、第１の磁歪膜２４（磁歪膜の一部）に対し反時計廻りのトルクＴ（例えば１０ｋｇｆ・ｍ（９８Ｎ・ｍ）程度）を加え、この状態でコイル２６を用いて磁歪膜２４を高い周波数で振動させることにより、磁歪膜２４を約３００℃で数秒加熱して冷却した後に反時計廻りのトルクＴを取り除くと、磁歪膜２４には異方性が付与される。

次に、図４（ｂ）中に矢印Ｐ，Ｓで示す方向へとシャフト２３を捩ることにより、第２の磁歪膜２５（磁歪膜の他部）に対し時計廻りのトルクＴ（例えば１０ｋｇｆ・ｍ（９８Ｎ・ｍ）程度）を加え、この状態でコイル２７を用いて磁歪膜２５を磁歪膜２４と同様に高い周波数で振動させることにより、磁歪膜２５を約３００℃で加熱する。この結果、磁歪膜２５には磁歪膜２４とは逆方向の異方性が付与される。

このように構成される本実施の形態では、ロックウェル硬さがＨＲＣ４０〜６５に設定されたシャフト２３に磁歪膜２４，２５を一体に設け、この後に、これら磁歪膜２４，２５に異方性を付与する構成としたので、シャフト２３にトルクＴを加えて磁歪膜２４，２５に異方性を付与する工程において、シャフト２３が塑性変形することがなくなるので、磁歪膜２４，２５に対して異方性を安定して付与することができる。また、このようにシャフト２３が塑性変形することがなくなることにより、線形性の高いトルク検出性能（図１０中の磁歪特性曲線Ａ，Ｂ参照）を得ることができる。

（第３の実施の形態）
次に、図５、図６は本発明の第３の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、電動パワーステアリング装置を構成するラック軸の端部とラック軸を収容するラック収容ケースの端部との間に、両者が衝突するときの衝撃力を緩和する弾性部材を設ける構成としたことにある。

なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。また、図５はラック軸、ラック収容ケース等を一部破断した状態で示す外観図、図６は図５中のａ部を拡大して示す拡大断面図である。

図５、図６において、ラック軸３１は、その左右両側に段付きの端部３１Ａ，３１Ａを有している。また、ラック軸３１を収容するラック収容ケース３２は、左右方向に延び、内周側にラック軸３１が挿入される長尺筒部３２Ａと、この長尺筒部３２Ａの左右両側に嵌着された短尺筒部３２Ｂ，３２Ｂとによって構成され、前記短尺筒部３２Ｂの内周側には、後述の緩衝部材３４が取り付けられる段付きの端部３２Ｃが形成されている。

また、図６に示すように、弾性部材３３は、ゴム等の弾性材料を用いて環状に形成され、ラック収容ケース３２の端部３２Ｃに固着された緩衝部材３４と、鉄鋼材料を用いて環状に形成され、前記緩衝部材３４の内周側に固着された鉄鋼部材３５とによって構成されている。また、緩衝部材３４には鍔部３４Ａが径方向外側に突設されている。

このように構成される本実施の形態では、ハンドルをロックするまで時計廻りまたは反時計廻りに回転すると、ラック軸３１の端部３１Ａ，３１Ａのうちいずれか一方が、ラック収容ケース３２の端部３２Ｃ側に設けられた弾性部材３３（緩衝部材３４）の鍔部３４Ａと衝突し、このときの衝撃力を緩衝部材３４によって緩衝することができる。従って、ハンドルのロック時等において操舵トルクが著しく増大するのを弾性部材３３により抑えることができ、シャフトから磁歪膜が剥離するのを防止でき、磁歪式トルクセンサ１（２１）のヒステリシス、耐久性等を向上させ、操舵フィーリングを高めることができる。

なお、前記各実施の形態では、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場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、他の各種装置に適用可能である。

また、前記第３の実施の形態では、弾性部材３３を、ゴム材料等からなる緩衝部材３４と鉄鋼部材３５とによって構成する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば弾性部材を、ばね等の弾性を有する部材によって形成してもよい。

さらに、前記第３の実施の形態では、弾性部材３３を、ラック軸３１とラック収容ケース３２のうち、ラック収容ケース３２側に設ける構成とした場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限ることなく、例えば弾性部材をラック軸３１に設けてもよいし、ラック軸３１とラック収容ケース３２の両方の部材に設けてもよい。また、本発明は、ピニオンアシストの電動パワーステアリング装置に適用してもよいし、ラックアシストの電動パワーステアリング装置に適用してもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサを拡大して示す縦断面図である。 第１の実施の形態に係る捩り角と操舵トルクとの関係を示す特性線図である。 第１の実施の形態に係るシャフトの硬度とヒステリシスとの関係を示す特性線図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るシャフトに反時計廻りのトルクを付与した状態を示す斜視図、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るシャフトに時計廻りのトルクを付与した状態を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係るラック軸、ラック収容ケース等を一部破断した状態で示す外観図である。 図５中のａ部を拡大して示す要部拡大断面図である。 従来技術に係る電動パワーステアリング装置を示す模式図である。 従来技術に係る操舵トルクとピニオントルクとの関係を示す説明図である。 従来技術に係る磁歪式トルクセンサを拡大して示す縦断面図である。 従来技術に係る操舵トルクとインピーダンスとの関係を示す特性線図である。 従来技術に係る磁歪式トルクセンサを示す回路図である。 従来技術に係る操舵トルクと磁歪式トルクセンサの検出値との関係を示す特性線図である。

符号の説明

１，２１ 磁歪式トルクセンサ
３，４，５ 軸受
６，２３ シャフト
７ コイル（検出手段）
８，２４ 第１の磁歪膜（磁歪膜の一部）
９，２５ 第２の磁歪膜（磁歪膜の他部）
１０ モータ
１１ 減速装置
１２，３１ ラック軸
３１Ａ，３２Ｃ 端部
３２ ラック収容ケース
３３ 弾性部材
１０１ 電動パワーステアリング装置

Claims (3)

1. シャフトの外周面に対し、上下に離間して第１の磁歪膜、及び第２の磁歪膜を被着するステップと、
   前記シャフトに対して一方向にトルクを加えるステップと、
   前記第１の磁歪膜を加熱するステップと、
   冷却後に前記一方向に加えたトルクを解放するステップと、
   前記シャフトに対して、他方向にトルクを加えるステップと、
   前記第２の磁歪膜を加熱するステップと、
   冷却後に前記他方向に加えたトルクを解放するステップと、
   を備え、前記第１の磁歪膜、及び前記第２の磁歪膜のそれぞれに異なる磁気異方性を付与する磁歪式トルクセンサの異方性付与方法であって、
   前記磁歪膜を設ける前のシャフトは、そのロックウェル硬さが熱処理によってＨＲＣ４０〜６５に設定されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサの異方性付与方法。
2. 前記シャフトの下端にピニオンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁歪式トルクセンサの異方性付与方法。
3. 前記シャフトは、電動パワーステアリング装置のステアリング軸に用いられることを特徴とする請求項２に記載の磁歪式トルクセンサの異方性付与方法。

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