JP4866437B2 - 磁歪式トルクセンサ及びその製造方法 - Google Patents

磁歪式トルクセンサ及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいてトルクを検出する磁歪式トルクセンサ及びその製造方法に関する。
一般に、電動パワーステアリング装置は、操舵系にモータを備え、モータから供給する動力を制御装置を用いて制御することにより、運転者の操舵トルクを軽減している。
従来の電動パワーステアリング装置200は、図11に示すように、ステアリングギヤボックス202内に、ステアリングホイール204に連結するステアリング軸206に作用する操舵トルクを検出するための操舵トルク検出部(トルクセンサ208)が設けられ、その検出値は制御装置へ入力されて、モータ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。
すなわち、運転者がステアリングホイール204を操作することによって生じた操舵トルクと操舵角が、ステアリング軸206等を経由してステアリングギヤボックス202の操舵軸210に入力されるようになっている。
ステアリングギヤボックス202は、上述した操舵軸210と、上述したトルクセンサ50と、運転者の操舵に対して動力補助するモータ212と、このモータ212の回転トルクを倍力する減速装置214(ウォーム216及びウォームホイール218)と、ラック・ピニオンギヤ220と、該ラック・ピニオンギヤ220のラックギヤ222とボールねじ224のねじ溝226とが形成されたラック軸228とを有する。
操舵軸210は、一方の端部に、ステアリングホイール204が、ステアリング軸206等を介して連結され、他方の端部がラック・ピニオンギヤ220のピニオンギヤ230を構成している。
そして、減速装置214にて倍力された回転トルクは、ボールねじ224を介してラック軸228の軸方向の推力に変換され、タイロッド232a及び232bを介して左右のタイヤ234a及び234bに伝達される。これにより、ステアリングホイール204の操舵角に応じてタイヤ234a及び234bが鉛直方向を中心に回転し、車両の向きが変わることになる。
このとき、制御装置236(ECU)は、少なくともトルクセンサ208からの信号を基本にして、例えば車速センサ238等の信号に基づいてモータ212を駆動制御する。
例えば運転者が操作したときの操舵トルクをトルクセンサ208により検出し、制御装置236を介してトルクセンサ208の出力信号を基に車速センサ238からの信号等に応じてモータ212を駆動制御する。このときのモータ発生トルクは、ラック・ピニオンギヤ220のピニオンギヤ230に作用され、その結果、ステアリングホイール204を回転するのに必要なトルクが軽減され、運転者の操舵トルク負担を軽減している。
上述のトルクセンサ208としては、ピニオンの入出力軸間に設けたトーションバーの捻れを利用するトーションバー式のほか、磁歪式が知られている。従来の磁歪式のトルクセンサ208の一例としては、図11に示すように、運転者がステアリングホイール204を操作することによって生じた操舵トルクと操舵角が、連結部240(例えばセレーション)を経由して操舵軸210に入力されるようになっている。操舵軸210は、一方の端部寄りに設置された第1軸受け242a、中央部分に設置された第2軸受け242b及び他方の端部に設置された第3軸受け242cによりステアリングギヤボックス202に回転自在に支持されている。
従来では、操舵軸210の表面に例えばNi−Feめっき処理によって、2つの磁歪膜(第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244b)をそれぞれ上下の位置関係となるように、且つ、それぞれ逆方向の磁気異方性となるように軸方向所定幅で成膜するようにしている。そして、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bに操舵トルクが作用したとき、磁気異方性に基づいて発生する逆磁歪特性を、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの周囲に配設された第1コイル246a及び第2コイル246bの交流抵抗等を利用して、操舵トルクを検知するものである。このような磁歪式トルクセンサ208は、例えば特許文献1、特許文献2で開示されている。
ここで、従来の磁歪式トルクセンサ208の具体的構成について図12〜図19を参照しながら説明する。
上述したNi−Feめっき処理による第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bは、操舵軸210をマスキングした状態で膜厚約40μmのめっき処理をすることにより被着される(図15参照)。
図12は、従来の磁歪式トルクセンサ208における第1コイル246a及び第2コイル246bと第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bとの配置関係を示す模式図である。操舵軸210の表面には、第1磁歪膜244aと、第1磁歪膜244aに間隔(間隙248)を設けて形成された第2磁歪膜244bとが設けられており、これら第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの近傍に微小の空隙(約0.5mm)を介して配置された第1コイル246a及び第2コイル246bが配置されている。これら第1コイル246a及び第2コイル246bには、図示されない検出回路が接続されている。第1コイル246a及び第2コイル246bには、それぞれ磁気シールド用の第1バックヨーク250a及び第2バックヨーク250bが取り付けられ、これら第1バックヨーク250aと第2バックヨーク250bとの間にスペーサ252が介在されている。
この従来の磁歪式トルクセンサ208において、このとき、操舵軸210にトルクが作用すると、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bにもトルクが作用し、このトルクに応じて第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bに逆磁歪効果が生じる。この逆磁歪効果によって第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの透磁率が変化し、これによって第1コイル246a及び第2コイル246bのインダクタンスが変化する。検出回路から第1コイル246a及び第2コイル246bに高周波の交流電圧(励磁電圧)が供給された状態であると、第1コイル246a及び第2コイル246bのインダクタンスの変化を電圧の変化としてトルクを検出することができる。
このような逆磁歪特性の一例を図13に示す。図13において、横軸は操舵トルク、縦軸は第1コイル246a及び第2コイル246bに交流電圧を印可したときの第1コイル246a及び第2コイル246bによって検出されるインピーダンスを示している。曲線C10は、第1コイル246aによって検出されるインピーダンスの変化を示し、曲線C11は、第2コイル246bによって検出されるインピーダンスの変化を示している。
第1コイル246a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、第2コイル246b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はピーク値P1をとり、さらに操舵トルクを増加すると減少する。このように、第1コイル246aで得られる操舵トルク−インピーダンス特性と第2コイル246bで得られる操舵トルク−インピーダンス特性は略凸形状を示し、第1コイル246aで得られる操舵トルク−インピーダンス特性と第2コイル246bで得られる操舵トルク−インピーダンス特性は、先に述べた第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの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。なお、図13に示す特性曲線C12は第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bに異方性を付与する前の特性である。
ここで、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bにそれぞれ異方性を付与して、曲線C10及び曲線C11の特性を与えるための手法を以下に示す。
先ず、図14Aに示すように、操舵軸210に所定トルク(10kgm)を加えた状態で、上側の第1磁歪膜244aを、加熱コイル254による高周波加熱によって300℃まで加熱し、その後、冷却し、冷却後、所定トルクを取り除くことによって異方性を付与する。
その後、図14Bに示すように、図14Aとは反対方向に、操舵軸210に所定トルク(10kgm)を加えた状態で、今度は下側の第2磁歪膜244bを、加熱コイル254による高周波加熱によって300℃まで加熱し、その後、冷却し、冷却後、所定トルクを取り除くことによって異方性を付与する。
このように、図13において、直線L10は、第1コイル246aにより検出された特性曲線C10から第2コイル246b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、操舵トルクの使用範囲W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208は、このような特性曲線C10及び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、入力される操舵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L10の特性を利用することで、第1コイル246a及び第2コイル246bの値から操舵トルクを検出することができる。
さらに、図13において、直線L20は、第1コイル246aにより検出された特性曲線C10と、第2コイル246bにより検出された特性曲線C11を加えた値に一定値を加えた値であり、操舵トルクによらず一定の値を示す。この信号が所定範囲内にあることを監視することにより、検出回路や第1コイル246a、第2コイル246bの故障を検出することができる。
特開2002−257648号公報 特開2004−340744号公報
しかしながら、磁歪式トルクセンサ208においては、2つの磁歪膜(第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244b)を間隙248を置いて上下に形成するようにしている。そのため、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの成膜位置のばらつき、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの長さのばらつき、並びに第1コイル246a及び第2コイル246bの取り付け位置のばらつき等によって、出力特性が変化してしまう。
そこで、従来では、これを避けるために、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの軸方向の寸法を第1コイル246a及び第2コイル246bに対して長くして、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの各中央部に、第1コイル246a及び第2コイル246bが対向するように位置決めしていた。この場合、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの軸方向の寸法を大きくする必要があるため、磁歪式トルクセンサ208並びに該磁歪式トルクセンサ208が設置される電動パワーステアリング装置が大型化するという問題がある。
実例を挙げると、磁歪式トルクセンサ208においては、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの各上下端部では透磁率が不均一な部分が存在する。例えばNi−Feメッキにて第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bを設ける場合、図15に示すようにマスキングした状態で、めっき浴に浸して電界めっき処理にて設ける。この場合、マスクとしては、操舵軸210の一方の端部をマスキングする第1マスク256aと、操舵軸210の他方の端部から軸方向中央部までをマスキングする第2マスク256bと、第1磁歪膜244aと第2磁歪膜244b間の間隙248をマスキングする第3マスク256cが用いられる。そして、めっき処理の際に、導電体である操舵軸210と第1マスク256a〜第3マスク256cとの各境界部は電気力線が集中する。そのため、図16Aに示すように、操舵軸210のうち、露出している部分(第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bが形成される部分)の軸方向上端と下端における電流密度が高くなり、その結果、図16Bに示すように、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの軸方向上端と下端における膜厚が局部的に厚くなり、膜厚の不均一な部分が形成される。図17に示すように、第1コイル246a及び第2コイル246bがこの不均一な部分に対向すると、出力特性(第1コイル246aからの検出信号VT1及び第2コイル246bからの検出信号VT2)が変化してしまい、例えば、操舵トルクがゼロのときの電圧(中点電圧)及びゲインが、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bで異なる、若しくは電圧(中点電圧)及びゲインが不均一な部分に対向しない時と異なるという不都合が生じる。
第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの不均一な部分に対向する理由として以下の事項が挙げられる。例えば、図11に示すように、第1コイル246a及び第2コイル246bを備えたコイルハウジング258と操舵軸210は、ステアリング・ギヤボックス202に固定されるが、このとき、第1コイル246a及び第2コイル246bの固定位置と第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの固定位置並びに、部品の公差がずれることにより生じる。
これを避けるために、従来では、図18に示すように、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの軸方向寸法を第1コイル246a及び第2コイル246bに対して長くして、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの各中央部の膜厚が一定の部分に、第1コイル246a及び第2コイル246bが対向するように位置決めして、中点電圧及びゲインが、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bで一致するようにしていた。
しかし、膜厚の不均一な部分は、第1磁歪膜244aで上下2箇所、第2磁歪膜244bで上下2箇所、合計4箇所あり、これを避けて第1コイル246a及び第2コイル246bを配置するためには、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの軸方向に沿った長さを大きくする必要があり、磁歪式トルクセンサ208並びに該磁歪式トルクセンサ208が設置される電動パワーステアリング装置が大型化するという問題がある。もちろん、第1磁歪膜244aと第2磁歪膜244b間の間隙248を狭くすることも考えられるが、間隙248を形成するための第3マスク256cは、例えば図19に示すように、左右に分離する例えば半円状の2つのマスク本体258a及び258bを互いに端面を対向させ、片側から2つのボルト260をねじ込むことによって構成するようにしているため、マスク本体258a及び258bの高さ(幅)を狭くすることには、ボルト260の寸法との関係もあり、限界がある。
このように、従来の磁歪式トルクセンサ208は、特性(ゲインや中点)のばらつきが大きく、これを調整するための機構や回路が必要で、装置が大型化・複雑化していた。また、複雑なマスキングが必要なため、製造工程が煩雑で、生産効率を上げることができず、製造コストの低廉化に限界があった。
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡単な構成で、ばらつきの発生源を有効に減らすことができ、しかも、磁歪膜の軸方向の長さを短くしても、特性のばらつきを引き起こすことがほとんどなく、装置の小型化、簡単化を促進させることができる磁歪式トルクセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
[1]第1の本発明に係る磁歪式トルクセンサは、軸部材に設けられた少なくとも1つの磁歪膜と、該磁歪膜の磁気特性の変化を検出するコイルとを有する磁歪式トルクセンサであって、少なくとも1つの前記磁歪膜は、複数の異なる磁気異方性を有することを特徴とする。
これにより、磁歪膜に対するコイルの配置に関するばらつき要因を減らすことができ、ばらつき低減のために行われていた磁歪膜の軸方向の長さを長くするという対策が不要となるため、磁歪式トルクセンサの小型化、ひいては、該磁歪式トルクセンサを設置した装置の小型化を図ることができる。また、磁歪膜を形成する際に生じる磁歪膜の膜厚のばらつきによる出力特性の変化を防ぐことができるため、軸部材に加わったトルクを正確に検出することが可能となる。
[2]第1の本発明において、前記コイルは、前記磁歪膜のうち、膜厚が一定の部分に対向して配置されていてもよい。これにより、磁歪膜を形成する際に生じる磁歪膜の膜厚のばらつきによる出力特性の変化を防ぐことができるため、軸部材に加わったトルクを正確に検出することが可能となる。
[3]第1の本発明において、前記軸部材に、1つの前記磁歪膜が形成され、1つの前記磁歪膜は、それぞれ逆の磁気異方性を有する第1異方性部と第2異方性部とを有し、前記第1異方性部と前記第2異方性部に対向してそれぞれコイルが配置されていてもよい。これにより、磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置のトルクセンサとして適用することができ、電動パワーステアリング装置の小型化を図ることが可能となる。
[4]第1の本発明において、少なくとも1つの前記磁歪膜は、前記軸部材に対するNi−Feめっき処理にて形成されていてもよい。これにより、磁歪膜のうち、膜厚が不均一な部分は、磁歪膜の両端部のみになり、それ以外は、膜厚がほぼ均一とされた部分となる。従って、コイルを配置するときは、磁歪膜の両端部のみを避ければよく、しかも、磁歪膜を分離するための間隙がないため、磁歪膜の軸方向の長さを短くすることができ、磁歪式トルクセンサの小型化、ひいては、該磁歪式トルクセンサを設置した装置の小型化を図ることができる。
[5]第2の本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法は、軸部材に設けられた少なくとも1つの磁歪膜と、該磁歪膜の磁気特性の変化を検出するコイルとを有する磁歪式トルクセンサの製造方法であって、前記軸部材の表面に前記磁歪膜を形成する磁歪膜形成工程と、前記軸部材に捩りトルクを加えた状態で高周波加熱する熱処理工程とを有する。
これにより、高周波加熱によって、磁歪膜に対して局部的に異方性を付与することができるため、磁歪膜自体の軸方向の長さを短くすることができる。これは、磁歪式トルクセンサの小型化につながる。
[6]第2の本発明において、前記熱処理工程は、前記軸部材に形成された1つの前記磁歪膜の第1部位に対向する位置に加熱コイルを配置して、前記軸部材に一方向に捩りトルクを加えた状態で高周波加熱し、磁気異方性を付与する第1熱処理工程と、前記軸部材に形成された1つの前記磁歪膜の第2部位に対向する位置に加熱コイルを配置して、前記軸部材に他方向に捩りトルクを加えた状態で高周波加熱し、磁気異方性を付与する第2熱処理工程とを有するようにしてもよい。
これにより、前記磁歪膜に、それぞれ逆の磁気異方性を有する第1異方性部と第2異方性部をもたせることができ、しかも、高周波加熱によって異方性を付与することから、局部的に第1異方性部と第2異方性部を形成することができる。これは、磁歪膜の軸方向の長さを短くしながらも、磁歪膜に複数の磁気異方性を付与できることになり、磁歪式トルクセンサを例えば電動パワーステアリング装置のトルクセンサとして適用した場合に、電動パワーステアリング装置の小型化を図ることが可能となる。
[7]第2の本発明において、前記磁歪膜形成工程は、前記軸部材にNi−Feめっき処理を施して、前記軸部材の表面に前記磁歪膜を形成するようにしてもよい。これにより、磁歪膜のうち、膜厚が不均一な部分は、磁歪膜の両端部のみになり、それ以外は、膜厚がほぼ均一とされた部分となる。従って、コイルを配置するときは、磁歪膜の両端部のみを避ければよく、しかも、磁歪膜を分離するための間隙がないため、磁歪膜の軸方向の長さを短くすることができ、磁歪式トルクセンサの小型化、ひいては、該磁歪式トルクセンサを設置した装置の小型化を図ることができる。
以上説明したように、本発明に係る磁歪式トルクセンサ及びその製造方法によれば、簡単な構成で、ばらつきの発生源を有効に減らすことができ、しかも、磁歪膜の軸方向の長さを短くしても、特性のばらつきを引き起こすことがほとんどなく、装置の小型化、簡単化を促進させることができる。
本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサが適用される電動パワーステアリング装置を示す構成図である。 本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサを信号処理の一例と共に示す断面図である。 本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの操舵トルクに対するトルク検出値(検出データ)の変化を示す特性図である。 図4Aは本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの全体を一部省略して示す断面図であり、図4Bは従来例に係る磁歪式トルクセンサの全体を一部省略して示す断面図である。 図5Aは本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの要部を一部省略して示す側面図であり、図5Bは従来例に係る磁歪式トルクセンサの要部を一部省略して示す側面図である。 本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法を示す工程ブロック図である。 操舵軸をマスキングして磁歪膜を形成した状態を示す工程図である。 図8Aは磁歪膜をめっき処理にて形成する過程において、めっき膜表面の電流密度の軸方向のばらつきを示す特性図であり、図8Bは磁歪膜の膜厚の軸方向のばらつきを示す特性図である。 図9Aは磁歪膜の上部を高周波加熱している状態を示す工程図であり、図9Bは磁歪膜の下部を高周波加熱している状態を示す工程図である。 操舵軸へのトルク印加、高周波加熱、冷却、トルク開放のタイミングを示すシーケンス図である。 従来例に係る磁歪式トルクセンサが適用される電動パワーステアリング装置を示す構成図である。 従来例に係る磁歪式トルクセンサの要部を一部省略して示す側面図である。 従来例に係る磁歪式トルクセンサの操舵トルクに対するインピーダンスの変化を示す特性図である。 図14Aは従来例に係る磁歪式トルクセンサにおいて、第1磁歪膜に異方性を付与する過程を示す工程図であり、図14Aは第2磁歪膜に異方性を付与する過程を示す工程図である。 従来例に係る磁歪式トルクセンサにおいて、操舵軸をマスキングして磁歪膜を形成した状態を示す工程図である。 図16Aは第1磁歪膜及び第2磁歪膜をめっき処理にて形成する過程において、めっき膜表面の電流密度の軸方向のばらつきを示す特性図であり、図16Bは第1磁歪膜及び第2磁歪膜の膜厚の軸方向のばらつきを示す特性図である。 第1磁歪膜及び第2磁歪膜のそれぞれ膜厚が不均一な部分に第1コイル及び第2コイルが対向した場合の出力特性を示す説明図である。 第1磁歪膜及び第2磁歪膜のそれぞれ膜厚が均一な部分に第1コイル及び第2コイルが対向した場合の出力特性を示す説明図である。 第1磁歪膜及び第2磁歪膜間の間隙を形成するための第3マスクを示す分解斜視図である。
以下、本発明に係る磁歪式トルクセンサ及びその製造方法の実施の形態例を図1〜図10を参照しながら説明する。
先ず、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサが適用される電動パワーステアリング装置10について図1を参照しながら説明する。
この電動パワーステアリング装置10は、図1に示すように、運転者がステアリングホイール12を操作することによって生じた操舵トルクと操舵角が、ステアリング軸14、第1自在継手16a、中間軸18、第2自在継手16b、連結部17(例えばセレーション)を経由してステアリングギヤボックス20の操舵軸22に入力されるようになっている。
ステアリングギヤボックス20は、上述した操舵軸22と、運転者の操舵トルクを検出するセンサである本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ(以下、トルクセンサ50と記す)と、運転者の操舵に対して動力補助するモータ52(例えばブラシレスモータ)と、このモータ52の回転トルクを倍力する減速装置54(ウォーム56及びウォームホイール58)と、ラック・ピニオンギヤ60と、該ラック・ピニオンギヤ60のラックギヤ62とボールねじ64のねじ溝66とが形成されたラック軸68とを有する。減速装置54のウォームホイール58はボールねじ64に固定されている。
操舵軸22は、一方の端部に、ステアリングホイール12が、ステアリング軸14、第1自在継手16a、中間軸18及び第2自在継手16bを介して連結され、他方の端部がラック・ピニオンギヤ60のピニオンギヤ70を構成している。
そして、減速装置54にて倍力された回転トルクは、ボールねじ64を介してラック軸68の軸方向の推力に変換され、タイロッド72a及び72bを介して左右のタイヤ74a及び74bに伝達される。これにより、ステアリングホイール12の操舵角に応じてタイヤ74a及び74bが鉛直方向を中心に回転し、車両の向きが変わることになる。
このとき、制御装置76(ECU)は、少なくともトルクセンサ50からの信号を基本にして、例えば車速センサ78等の信号に基づいてモータ52を駆動制御する。なお、図1では、各種配線、例えば制御装置76とトルクセンサ50間の配線、制御装置76とモータ52間の配線等を省略して示してある。
例えば運転者が操作したときの操舵トルクをトルクセンサ50により検出し、制御装置76を介してトルクセンサ50の出力信号を基に車速センサ78からの信号等に応じてモータ52を駆動制御する。このときのモータ発生トルクは、減速装置54とボールねじ64を介してラック軸68に作用し、その結果、ステアリングホイール12を回転するのに必要なトルクが軽減され、運転者の操舵トルク負担を軽減している。
例えば、操舵トルクをTs、アシスト量AHの係数を、例えば一定のkAとすると、
H=kA×Ts
であるから、負荷をピニオントルクTp±で考えると、
Tp=Ts+AH
=Ts+kA×Ts
であり、その結果、操舵トルクTsは、
Ts=Tp/(1+kA
となる。
従って、操舵トルクTsは、非アシスト時のピニオントルクTpの1/(1+kA)に軽減される。この場合、kA>0又はkA=0である。
なお、車速が高速走行になるに従って、路面からタイヤへの反力が減少することから、ステアリングホイール12を操作する際の手応え感が減少することになるが、定数kAを車速の関数として、車速の増大に伴って小さくすることによって、車両が高速走行になるに従って手応え感が減少するのを抑制することができる。その際にも操舵トルクTsを大きくして手応え感を付与することができる。
そして、トルクセンサ50は、図2に示すように、操舵軸22の外周面に設けられた1つの磁歪膜80と、操舵軸22に作用される捩りトルクに応じて変化する磁歪膜80の透磁率の変化を検出する第1コイル82aと第2コイル82bと、少なくとも操舵軸22、磁歪膜80、第1コイル82a及び第2コイル82bを収容するハウジング83により構成される。また、第1コイル82a及び第2コイル82bには、それぞれ磁気シールド用の第1バックヨーク84a及び第2バックヨーク84bが取り付けられ、これら第1バックヨーク84aと第2バックヨーク84bとの間に、第1コイル82aと第2コイル82bとの位置決め等を兼ねたスペーサ85が介在されている。操舵軸22は、一方の端部寄りに設置された第1軸受け86a、中央部分に設置された第2軸受け86b及び他方の端部に設置された第3軸受け86cによりハウジング83に回転自在に支持されている。また、ハウジング83は、操舵軸22の一方の端部寄りに開口部88を有し、該開口部88には、シール部材90が設けられて、ハウジング83内及びステアリングギヤボックス20内の気密が保たれている。
上述したように、操舵軸22の一方の端部寄りの外周面には、例えばNi−Feめっき処理によって、正の磁歪定数を示す磁歪材による所定の膜厚(例えば35〜45μm以下)の1つの磁歪膜80が設けられている。この磁歪膜80には、2つの互いに逆方向の磁気異方性を有する第1異方性部92a及び第2異方性部92bが付与されている。これら第1異方性部92a及び第2異方性部92bは、操舵軸22に所定の捩りトルクを印加し、高周波加熱により加熱し、室温に戻し、捩りトルクを取り去ることにより付与されている。これにより、磁歪膜80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、引っ張りの歪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。なお、操舵軸22のうち、磁歪膜80が形成される外周部分は、機械加工後にアルカリ洗浄や水洗いや酸洗浄等が適宜施され、磁歪膜80との密着性が向上されている。
また、第1異方性部92aに対向して第1コイル82aが微小の空隙を介して配置され、第2異方性部92bに対向して第2コイル82bが微小の空隙を介して配置されている。従って、操舵軸22にトルクが作用したとき、磁歪膜80の第1異方性部92a及び第2異方性部92bにもトルクが作用し、このトルクに応じて磁歪膜80の第1異方性部92a及び第2異方性部92bに逆磁歪効果が生じる。そのため、図示しないコネクタを介して制御装置76によって第1コイル82a及び第2コイル82bに高周波の交流電圧(励磁電圧)を供給したときに、トルクに基づく第1異方性部92a及び第2異方性部92bの逆磁歪効果による磁界の変化を第1コイル82a及び第2コイル82b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80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、操舵軸22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。
すなわち、第1コイル82a及び第2コイル82bへの交流通電により、操舵トルクに応じて生じる磁歪膜80の第1異方性部92aと第2異方性部92bの透磁率の変化が、それぞれインピーダンス変化として検出され、インターフェイス部94の検出回路においてそれぞれ第1検出電圧VT1及び第2検出電圧VT2に変換され、さらに、インターフェイス部94のA/D変換器においてデジタルの第1検出データDT1、第2検出データDT2に変換されて出力される。なお、このインターフェイス部94は、制御装置76内に設けても、ハウジング83内に設けてもよい。
これらの透磁率の変化、すなわち、第1検出データDT1、第2検出データDT2は、インターフェイス部94を介して制御装置76内の演算部96に取り込まれ、例えば下式に基づいて、図3の出力特性を有するデジタルデータ(トルク検出データDT3)を得ることができる。
DT3=k・(DT1−DT2)+Da
(kは比例定数)
得られたトルク検出データDT3に基づいて、上述したように、モータ52の制御が実施される。
このように、トルクセンサ50においては、1つの磁歪膜80に複数の異なる磁気異方性(第1異方性部92a及び第2異方性部92b)を設けるようにしたので、磁歪膜80に対する第1コイル82a及び第2コイル82bの配置に関するばらつき要因を減らすことができる。これにより、ばらつき低減のために行われていた磁歪膜80の軸方向の長さを長くするという対策が不要となるため、トルクセンサ50の小型化、ひいては、該トルクセンサ50を設置した電動パワーステアリング装置10の小型化を図ることができる。
しかも、第1コイル82a及び第2コイル82bを、磁歪膜80のうち、膜厚が一定とされた部分に対向させて配置することができるため、磁歪膜80を形成する際に生じる磁歪膜80の膜厚のばらつきによる出力特性の変化を有効に防ぐことができ、操舵軸22に加わったトルクを正確に検出することが可能となる。
また、本実施の形態では、磁歪膜80のうち、膜厚が不均一な部分は、磁歪膜80の両端部のみになり、それ以外は、膜厚がほぼ均一とされた部分となる。従って、第1コイル82a及び第2コイル82bを配置するときは、磁歪膜80の両端部のみを避ければよく、しかも、磁歪膜80を分離するための間隙248がないため、磁歪膜80の軸方向の長さを短くすることができ、トルクセンサ50の小型化、ひいては、該トルクセンサ50を設置した電動パワーステアリング装置10の小型化を図ることができる。
ここで、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ50と従来の磁歪式トルクセンサ208とを比較して説明する。
従来の磁歪式トルクセンサ208は、図4Bに示すように、Ni−Feめっき処理にて第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bを設ける場合、操舵軸210をマスキングした状態で(第1マスク256a〜第3マスク256cを設置:図15参照)、めっき浴に浸して電界めっき処理を行うことで、操舵軸210に第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bを設けていた。導電体である操舵軸210と第1マスク256a〜第3マスク256cとの境界部分は電気力線が集中し、電流密度が高いので、境界部分、すなわち、第1磁歪膜244aの軸方向上端と下端並びに第2磁歪膜244bの軸方向上端及び下端では、膜厚が厚く不均一になる。図17にも示したように、第1コイル246a及び第2コイル246bがこの不均一な部分に対向して配置されると、出力特性が変化し、例えば中点電圧及びゲインが、第1磁歪膜244aと第2磁歪膜244bで異なるという問題が起こる。
これを避けるために、従来は、図18にも示したように、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの軸方向寸法を第1コイル246a及び第2コイル246bに対して充分長くして、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの各中央部(膜厚が一定の部分)にそれぞれ第1コイル246a及び第2コイル246bが対向配置できるようにしていた。膜厚の不均一な部分は、第1磁歪膜244aで上下2箇所、第2磁歪膜244bで上下2箇所、合計4箇所あり、これを避けて第1コイル246a及び第2コイル246bを配置するためには、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244bの軸方向に沿った長さを大きくする必要があり、しかも、第1磁歪膜244a及び第2磁歪膜244b間の間隙248も、第3マスク256cの関係で、狭くできないことから、図4Bに示すように、磁歪式トルクセンサ208の全体の長さLが大きくなり、磁歪式トルクセンサ208が設置される電動パワーステアリング装置が大型化するという問題がある。
一方、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ50は、図4Aに示すように、操舵軸22の外周面に設けた1つの磁歪膜80に、異なる複数の磁気異方性(第1異方性部92a及び第2異方性部92b)を設けたので、図7に示すように、マスクとしては、第1マスク256a及び第2マスク256bで済み(第3マスク256cが不要)、膜厚の不均一な部分は、磁歪膜80の上端と下端のみとなる。第1コイル82a及び第2コイル82bは、この2箇所を避ければよいので、磁歪膜80の軸方向長さを短くすることができ、図4Aに示すように、トルクセンサ50の全体の長さLを従来よりも短くすることができる。
具体的な寸法を想定して、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ50と従来の磁歪式トルクセンサ208との違いを説明する。
例えば従来の磁歪式トルクセンサ208では、図5Bに示すように、第1磁歪膜244aの膜厚が均一な部分の軸方向の長さLaは、第1コイル246aとの位置ずれを考慮すると8〜10mmであり、膜厚が不均一な部分(上端部分及び下端部分)の軸方向の長さLb1及びLb2はそれぞれ1〜2mmである。第2磁歪膜244bも、膜厚が均一な部分の軸方向の長さLcは第2コイル246bとの位置ずれを考慮すると8〜10mmであり、膜厚が不均一な部分(上端部分及び下端部分)の軸方向の長さLd1及びLd2はそれぞれ1〜2mmである。しかも、第1磁歪膜244aと第2磁歪膜244b間の間隙248の長さLgは、第3マスク256c(図19参照)の寸法に支配され、7〜10mm程度である。従って、第1磁歪膜244aの上端から第2磁歪膜244bの下端までの長さLeは、27〜38mmとなる。
一方、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ50では、図5Aに示すように、磁歪膜80の膜厚が不均一な部分(上端部分及び下端部分)の軸方向の長さLf1及びLf2はそれぞれ1〜2mmであるため、膜厚が均一な部分の軸方向の長さLiは全体の長さLhから2〜4mm差し引いた長さとなる。もちろん、磁歪膜80の軸方向中央は、磁気異方性が区別できる程度の長さLj(=1〜2mm)が必要であることから、第1異方性部92aの軸方向長さLk1を第1コイル82aとの位置ずれを考慮して8〜10mmに設定し、第2異方性部92bの軸方向長さLk2を第2コイル82bとの位置ずれを考慮して8〜10mmに設定したとき、磁歪膜80の上端から下端までの長さLhは、19〜26mmとなり、従来の場合よりも大幅に短くすることができる。
このように、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ50は、磁歪膜80の軸方向の長さを従来と比して大幅に短くすることができ、その結果、操舵軸22全体の軸方向の長さも短くすることができ、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ50が設置される電動パワーステアリング装置10の小型化を有効に図ることができる。
次に、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ50の製造方法について図6〜図10を参照しながら説明する。
本実施の形態の製造方法は、図6に示すように、磁歪膜形成工程S1と、第1トルク印加工程S2と、トルク印加状態での第1高周波加熱工程S3と、トルク印加状態での第1冷却工程S4と、第1トルク開放工程S5と、第2トルク印加工程S6と、トルク印加状態での第2高周波加熱工程S7と、トルク印加状態での第2冷却工程S8と、第2トルク開放工程S9と、コイル配置工程S10とを有する。
磁歪膜形成工程S1は、図7に示すように、例えば操舵軸22の一方の端部に第1マスク256aを設置し、操舵軸22の他方の端部から長手方向中央部に第2マスク256bを設置して、後に磁歪膜80が形成される部分のみを露出させる。従来使用していた第3マスク256cは設置する必要はない。その後、第1マスク256a及び第2マスク256bが設置された操舵軸22をめっき浴に浸して電界めっき処理(例えばNi−Feめっき処理)を施して、露出した部分に、膜厚が約40μmの磁歪膜80を形成する。
上述のめっき処理によって、導電体である操舵軸22と第1マスク256a及び第2マスク256bとの各境界部は電気力線が集中する。そのため、図8Aに示すように、操舵軸22のうち、露出している部分(磁歪膜80が形成される部分)の軸方向上端と下端における電流密度が高くなり、その結果、図8Bに示すように、磁歪膜80の軸方向上端と下端における膜厚が局部的に厚くなり、磁歪膜80の軸方向上端と下端に、膜厚の不均一な部分が形成される。
第1トルク印加工程S2は、操舵軸22に捩りトルクを一方向に印加する工程である。操舵軸22に印加する捩りトルクは、磁歪膜80の主成分が鉄ニッケルであれば50Nm以上、100Nm以下である。
トルク印加状態での第1高周波加熱工程S3は、図9Aに示すように、第1マスク256a及び第2マスク256bを取り外した後、操舵軸22に所定の捩りトルクを加えた状態で熱処理を行う工程で、磁歪膜80の上部に所定方向の磁気異方性を設ける目的で行う。このときの熱処理は、磁歪膜80のうち、上部の周囲を加熱コイル100で囲み、この加熱コイル100に高周波の電流を流し、磁歪膜80を所定時間加熱する。
トルク印加状態での第1冷却工程S4は、操舵軸22に所定の捩りトルクを加えた状態で常温まで冷却する工程である。
第1トルク開放工程S5は、操舵軸22から捩りトルクを開放することによって、磁歪膜80の上部に磁気異方性を設ける工程である。これにより、磁歪膜80の上部に第1異方性部92aが設けられることとなる。
次に、第2トルク印加工程S6は、操舵軸22に捩りトルクを今度は他方向(一方向とは逆の方向)に印加する工程である。操舵軸22に印加する捩りトルクは、50Nm以上、100Nm以下である。
トルク印加状態での第2高周波加熱工程S7は、図9Bに示すように、操舵軸22に所定の捩りトルクを加えた状態で熱処理を行う工程で、磁歪膜80の下部に所定方向の磁気異方性を設ける目的で行う。このときの熱処理は、磁歪膜80のうち、下部の周囲を加熱コイル100で囲み、この加熱コイル100に高周波の電流を流し、磁歪膜80を所定時間加熱する。
トルク印加状態での第2冷却工程S8は、操舵軸22に所定の捩りトルクを加えた状態で常温まで冷却する工程である。
第2トルク開放工程S9は、操舵軸22から捩りトルクを開放することによって、磁歪膜80の下部に磁気異方性を設ける工程である。これにより、磁歪膜80の下部に第2異方性部92bが設けられることとなる。
コイル配置工程S10は、磁歪膜80の周囲に磁歪特性の変化を検出する多重巻きコイル(第1コイル82a及び第2コイル82b)を配置する工程である。
上述の工程を経ることによって、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ50が作製される。
次に、上記の工程のうち主要な工程であるトルク印加工程(S2、S6)、高周波加熱工程(S3、S7)、冷却工程(S4、S8)、トルク開放工程(S5、S9)について詳細に説明する。
操舵軸22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80は、操舵軸22の外周面にめっき処理で形成したNi−Fe系の合金膜である。この合金膜の厚みは、好ましくは5〜40μmである。Ni−Fe系の合金膜は、Feを概ね35重量%含んだ場合、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Fe含有量の材料を使用することが望ましい。
そして、図9Aに示すように、磁歪膜80に一方向の異方性を付与するための処理を行う。すなわち、磁歪膜80の上部(第1異方性部92aとなる部分)を囲むように加熱コイル100を配置し、次いで、操舵軸22に例えば100Nmの捩りトルクを一方向に印加する(第1トルク印加工程S2)。そして、捩りトルクを一方向に印加しながら、加熱コイル100に500kHz〜3MHz程度の高周波の電流を1〜10秒間流して、磁歪膜80の上部を高周波加熱する(第1高周波加熱工程S3)。
図10は、加熱時間と捩り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、操舵軸22に捩りトルクTrを印加する。その後、加熱コイル100に高周波の電流を時間Tu(=1〜10秒)流す。磁歪膜80の上部の温度がTmp(300℃)まで上がった時点で加熱コイル100への高周波電流の供給を停止する。その後、捩りトルクTrを印加した状態で冷却を行う(第1冷却工程S4)。この冷却は自然冷却でもよい。磁歪膜80の上部の温度が減少し、温度Tmh(例えば室温)になったときに、捩りトルクTrの印加を停止する(第1トルク開放工程S5)。これらの工程を経ることによって、磁歪膜80の上部に第1異方性部92aが形成される。
次に、磁歪膜80に他方向の異方性を付与するための処理を行う。すなわち、図9Bに示すように、磁歪膜80の下部(第2異方性部92bとなる部分)を囲むように加熱コイル100を配置し、次いで、操舵軸22に例えば100Nmの捩りトルクを今度は他方向(一方向とは逆の方向)に印加する(第2トルク印加工程S6)。捩りトルクを他方向に印加しながら、加熱コイル100に500kHz〜3MHz程度の高周波の電流をTu=1〜10秒間流して、磁歪膜80の上部を高周波加熱する(第2高周波加熱工程S7)。その後、上述と同様に、磁歪膜80の下部の温度がTmp(300℃)まで上がった時点で加熱コイル100への高周波電流の供給を停止し、捩りトルクを印加した状態で冷却を行い(第2冷却工程S8)、磁歪膜80の下部の温度が温度Tmh(例えば室温)になったときに、トルク印加を停止する(第2トルク開放工程S9)。これらの工程を経ることによって、磁歪膜80の下部に第2異方性部92bが形成される。
このように、高周波加熱によって磁歪膜80を加熱するため、図9A及び図9Bに示すように磁歪膜80を局所的に加熱することが可能となり、1つの磁歪膜80に異なる複数の磁気異方性を正確に設けることができる。
なお、本発明に係る磁歪式トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
10…電動パワーステアリング装置 22…操舵軸
50…トルクセンサ 52…モータ
54…減速装置 80…磁歪膜
82a…第1コイル 82b…第2コイル
92a…第1異方性部 92b…第2異方性部

Claims (7)

  1. 軸部材に設けられた1つの磁歪膜と、該1つの磁歪膜の磁気特性の変化を検出するコイルとを有する磁歪式トルクセンサであって、
    前記1つの磁歪膜は、それぞれ異なる位置に、前記軸部材に捩りトルクを加えた状態で高周波加熱する熱処理が施されて、それぞれ異なる磁気異方性が付与されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
  2. 請求項1記載の磁歪式トルクセンサにおいて、
    前記1つの磁歪膜は、両端部の膜厚が中央部分の膜厚よりも大きく、且つ、前記中央部分の膜厚が一定とされ、
    前記コイルは、前記1つの磁歪膜のうち、膜厚が一定の部分に対向して配置されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
  3. 請求項1又は2記載の磁歪式トルクセンサにおいて、
    前記1つの磁歪膜は、それぞれ異なる位置に、それぞれ逆の磁気異方性を有する第1異方性部と第2異方性部とを有し、
    前記第1異方性部と前記第2異方性部に対向してそれぞれコイルが配置されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、
    前記1つの磁歪膜は、前記軸部材に対するNi−Feめっき処理にて形成されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
  5. 請求項1記載の磁歪式トルクセンサにおいて、
    前記1つの磁歪膜は、
    一方の磁気異方性が付与された第1部位と、
    他方の磁気異方性が付与された第2部位と、
    前記第1部位と前記第2部位との間に設けられ、前記第1部位及び前記第2部位の磁気異方性が区別できる長さを有する第3部位とを有することを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
  6. 請求項1〜のいずれか1項に記載の磁歪式トルクセンサの製造方法であって、
    前記軸部材の表面に前記1つの磁歪膜を形成する磁歪膜形成工程と、
    前記軸部材に捩りトルクを加えた状態で高周波加熱する熱処理工程とを有し、
    前記熱処理工程は、
    前記軸部材に形成された前記1つの磁歪膜の第1部位に対向する位置に加熱コイルを配置して、前記軸部材に一方向に捩りトルクを加えた状態で高周波加熱し、磁気異方性を付与する第1熱処理工程と、
    前記軸部材に形成された前記1つの磁歪膜の第2部位に対向する位置に加熱コイルを配置して、前記軸部材に他方向に捩りトルクを加えた状態で高周波加熱し、磁気異方性を付与する第2熱処理工程と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。
  7. 請求項記載の磁歪式トルクセンサの製造方法において、
    前記磁歪膜形成工程は、
    前記軸部材にNi−Feめっき処理を施して、前記軸部材の表面に前記1つの磁歪膜を形成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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