JP5180500B2 - 磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の製造方法および磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、トルクを伝達する回転軸の表面に磁気異方性を有する磁歪膜を形成し、前記回転軸にトルクが入力したときの前記磁歪膜の透磁率の変化に基づいて前記トルクを検出する磁歪式トルクセンサと、その磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の製造方法に関する。

下記特許文献１には、電動パワーステアリング装置に用いられる磁歪式トルクセンサの製造方法が記載されている。この磁歪式トルクセンサは、ステアリングギヤボックスのピニオンシャフトの外周に形成した磁歪膜を備えており、操舵トルクでピニオンシャフトが捩じり変形したときの磁歪膜の透磁率の変化に基づいて操舵トルクを検出するようになっている。

前記磁歪膜は先ずピニオンシャフトの表面にメッキにより形成され、ピニオンシャフトにトルクを加えて捩じり変形させた状態で、磁歪膜の周囲を囲むように配置した高周波加熱用コイルに高周波の電流を流すことで、磁歪膜を加熱して磁気異方性を付与するようになっている。
特開２００４−３４０７４４号公報

ところで上記特許文献１に記載されたものは、磁歪膜を加熱すべく高周波加熱用コイルを用いているため、加熱装置が大がかりなものとなって磁歪式トルクセンサの製造コストが増加する問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、磁歪式トルクセンサの磁歪膜を備えた回転軸の製造コストを削減することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、トルクを伝達する回転軸の表面に、磁気異方性を有する一対の磁歪膜を軸方向に間隔をおいて形成し、前記回転軸にトルクが入力したときの前記一対の磁歪膜の透磁率の変化に基づいて前記トルクを検出する磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の製造方法であって、前記回転軸の、前記一対の磁歪膜間に位置する軸部分に一対の平行な面取り部を形成し、前記一対の磁歪膜に磁気異方性を付与するための加熱処理を、前記回転軸に直接電流を軸方向に流して発熱させることで行うことを特徴とする、磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の製造方法が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記加熱処理は前記回転軸にトルクを加えた状態で行うことを特徴とする、磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の製造方法が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記トルクの入力は前記磁歪膜を挟む前記回転軸の二ヶ所を固定治具で固定した状態で行われ、前記電流は前記固定治具を介して流されることを特徴とする、磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の製造方法が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、トルクを伝達する回転軸の表面に、磁気異方性を有する一対の磁歪膜を軸方向に間隔をおいて形成し、前記回転軸にトルクが入力したときの前記一対の磁歪膜の透磁率の変化に基づいて前記トルクを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、前記回転軸の、前記一対の磁歪膜間に位置する軸部分に一対の平行な面取り部を形成し、前記回転軸に直接電流を軸方向に流して発熱させることで前記一対の磁歪膜を加熱処理して、各磁歪膜に前記磁気異方性を付与したことを特徴とする磁歪式トルクセンサが提案される。

尚、実施の形態のピニオンシャフト２１は本発明の回転軸に対応し、実施の形態の第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂは本発明の磁歪膜に対応し、実施の形態の上部固定治具６１および下部固定治具６２は本発明の固定治具に対応する。

請求項１または請求項４の構成によれば、磁歪式トルクセンサの回転軸に設けられた一対の磁歪膜に磁気異方性を付与するための加熱処理を、回転軸に直接電流を流して発熱させることで行うので、回転軸の周囲に高周波加熱用コイルを配置して高周波電流を流す必要がなくなり、加熱装置の小型化および低コスト化が可能になる。しかも回転軸に流す電流を制御するだけなので、高周波誘導加熱用コイルに対する電流の制御に比べて簡単であり、安定した加熱が可能になって磁歪膜の品質が向上する。

また請求項２の構成によれば、回転軸にトルクを加えて捩じった状態で加熱処理を行うので、捩じれた回転軸の磁歪膜の歪みを加熱によるクリープ現象で解放し、回転軸のトルクを抜いたときの捩じれ戻りにより磁歪膜に歪みを与えて磁気異方性を付与することができる。

また請求項３の構成によれば、回転軸にトルクを加えるために磁歪膜を挟む二ヶ所を固定する固定治具を利用して電流を流すので、回転軸に電流を流すための特別の端子が不要になって加熱装置の構造を一層簡素化することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図５は本発明の実施の形態を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置の全体構造を示す図、図２は図１の要部拡大図、図３は操舵トルクに対するトルク検出信号の変化特性を示す図、図４は磁歪膜に磁気異方性を付与する工程の説明図、図５は図４の５−５線断面図である。

図１に示すように、自動車の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１１と一体に回転する上部ステアリングシャフト１２と、上部ステアリングシャフト１２に上部自在継ぎ手１３を介して接続された下部ステアリングシャフト１４と、下部ステアリングシャフト１４に下部自在継ぎ手１５を介して接続されたラックアンドピニオン式のステアリングギヤボックス１６と、ステアリングギヤボックス１６に設けられたステアリングアクチュエータ１７とを備える。

ステアリングギヤボックス１６は、ラック１８が形成されたラックバー１９と、このラック１８に噛合するピニオン２０を有して前記下部自在継ぎ手１５に接続されるピニオンシャフト２１と、ラックバー１９を左右摺動自在に支持するとともに、ピニオンシャフト２１を３個のボールベアリング２２ａ，２２ｂ，２２ｃを介して支持するハウジング２４とを備える。ラックバー１９の左右両端は、左右のボールジョイント２５，２５および左右のタイロッド２６，２６を介して左右の車輪Ｗ，Ｗに接続される。

ステアリングアクチュエータ１７は、ラックバー１９の外周に配置されたボールねじ機構２７と、このボールねじ機構２７のナット部材と一体に回転するウオームホイール２８と、このウオームホイール２８に噛合するウオーム２９と、このウオーム２９を回転駆動するモータ３０とを備える。

図１および図２を併せて参照すると明らかなように、ステアリングギヤボックス１６のハウジング２４の一部を構成するピニオンシャフト支持部３１に、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサ３２が設けられる。磁歪式トルクセンサ３２は、ピニオンシャフト２１の表面を所定幅で覆うように且つ軸方向に間隔をおいて形成されて、例えばＮｉ−Ｆｅメッキよりなる第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂと、第１磁歪膜５１Ａを囲む第１コイル５２Ａと、第２磁歪膜５１Ｂを囲む第２コイル５２Ｂと、第１コイル５２Ａを囲む第１ヨーク５３Ａと、第２コイル５２Ｂを囲む第２ヨーク５３Ｂとを備える。

第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂよりも上方に位置するピニオンシャフト２１の上部にはセレーション部３３，３３が形成され、第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂよりも下方に位置するピニオンシャフト２１の中間部には六角断面部３４が形成される。またピニオンシャフト２１の、第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂの間に位置する軸部分に、一対の平行な面取り部２１ａ，２１ａが形成される。第１コイル５２Ａおよび第２コイル５２Ｂには、第１、第２出力選択回路５４Ａ，５４Ｂおよび差動増幅回路５５が接続される。

次に、上記構成を備えたステアリング装置の作用を説明する。

運転者がステアリングホイール１１を操作すると、ステアリングホイール１１の回転が上部ステアリングシャフト１２、上部自在継ぎ手１３、下部ステアリングシャフト１４、下部自在継ぎ手１５，ピニオンシャフト２１、ピニオン２０、ラック１８、ラックバー１９およびボールジョイント２５，２５を介してタイロッド２６，２６に伝達され、左右の車輪Ｗ，Ｗが転舵される。

その際に、運転者がステアリングホイール１１に入力した操舵トルクがピニオンシャフト２１の周囲に設けた磁歪式トルクセンサ３２により検出されると、図示せぬ電子制御ユニットが前記操舵トルクに応じてステアリングアクチュエータ１７のモータ３０を駆動することで、モータ３０のトルクがウオーム２９、ウオームホイール２８およびボールねじ機構２７を介してラックバー１９に伝達され、運転者のステアリング操作がステアリングアクチュエータ１７によりアシストされる。

磁歪式トルクセンサ３２による操舵トルクの検出は、次のようにして行われる。

第１、第２コイル５２Ａ，５２Ｂに交流電流を供給すると、ピニオンシャフト２１に操舵トルクが入力されたときに、第１磁歪膜５１ＡのインダクタンスがＬからＬ＋ΔＬに変化し、第２磁歪膜５１ＢのインダクタンスがＬからＬ−ΔＬに変化し、しかも前記変化量ΔＬが加えられた操舵トルクに比例するので、この変化量ΔＬを第１、第２コイル５２Ａ，５２Ｂで検出する。

即ち、図３において、第１コイル５２Ａが出力する第１電圧信号ＶＴ１および第２コイル５２Ｂが出力する第２電圧信号ＶＴ２はいわば整流回路の役目をする第１、第２出力選択回路５４Ａ，５４Ｂにそれぞれ入力される。第１、第２出力選択回路５４Ａ，５４Ｂは、前記第１、第２電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２に対応する第１、第２電圧信号ＶＴ１^* ，ＶＴ２^* を出力し、その第１、第２電圧信号ＶＴ１^* ，ＶＴ２^* は差動増幅回路５５に入力され、そこで操舵トルクの大きさに対応する第３電圧信号（トルク検出信号）が算出されて出力される。

具体的には、差動増幅回路５５は第１信号電圧ＶＴ１^* から第２信号電圧ＶＴ２^* を減算したＶＴ１^* −ＶＴ２^* にゲインｋを乗算して第３電圧信号（トルク検出信号）を算出する。第１信号電圧ＶＴ１^* は操舵トルクの増加に応じて増加し、第２信号電圧ＶＴ２^* は操舵トルクの増加に応じて減少するため、第３電圧信号は操舵トルクの増加に応じて増加する。操舵トルクが０のとき、第３電圧信号が所定のバイアス電圧Ｖｂ（例えば、２．５Ｖ）となるようにバイアスされる。

ＶＴ３＝ｋ（ＶＴ１^* −ＶＴ２^* ）＋Ｖｂ
このようにして、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクによりピニオンシャフト２１が第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂと共に捩じれ変形すると、第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂおよび第１、第２ヨーク５３Ａ，５３Ｂで構成される二つの磁路に沿う磁束密度が変化することで、その磁束密度の変化に基づいて操舵トルクを検出することができる。

次に、図４および図５に基づいてピニオンシャフト２１に対する第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂの形成方法を説明する。

先ず、ピニオンシャフト２１の表面に例えばＮｉ−Ｆｅ系の合金をメッキすることで第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂを形成する。メッキを終えた段階では第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂは磁気異方性を有していないため、熱処理により磁気異方性を付与する必要がある。

そのために、ピニオンシャフト２１のセレーション部３３，３３に第１固定治具６１を相対回転不能に係合させるとともに六角断面部３４に第２固定治具６２を相対回転不能に係合させ、それら第１、第２固定治具６１，６２を図示せぬ固定部に固定する。またピニオンシャフト２１の面取り部２１ａ，２１ａにレンチ状のトルク入力治具６３を係合させ、そのトルク入力治具６３を図示せぬ駆動源に接続することで、ピニオンシャフト２１に通常の操舵トルクの１．５倍以上のトルク（例えば、１５〜１００Ｎｍ）を加える。このとき、第１、第２固定治具６１，６２は第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂの軸方向両側に位置し、トルク入力治具６３は第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂの間に位置しているため、ピニオンシャフト２１の第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂの部分に逆方向のトルクが加わることになる。

上部治具６１および下部治具６２は交流電源６４に接続されており、ピニオンシャフト２１にトルクを加えた状態で交流電源６４から上部治具６１および下部治具６２を介して高周波数の交流電流を１秒〜１０秒（好ましくは１秒）程度入力すると、上部治具６１および下部治具６２間のピニオンシャフト２１に電流が流れる際の電気抵抗により発熱し、第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂは例えば３５０°Ｃ〜４２０°Ｃ加熱される。この加熱によるクリープ現象で、トルクにより発生していた第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂの歪みが解放されるため、自然冷却後にピニオンシャフト２１を上部治具６１、下部治具６２およびトルク入力治具６３から取り外してトルクによる捩れが元の状態に復元したときに、第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂが逆方向に歪んで磁気異方性が付与される。

尚、交流電源６４を直流電源に置き換えることも可能であり、要はピニオンシャフト２１に電流を流して発熱させることができれば良い。

以上のように、ピニオンシャフト２１の第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂの周囲に高周波誘導加熱用コイルを配置することなく、ピニオンシャフト２１にトルクを加えるための第１、第２固定治具６１，６２を利用して直接交流電流を流すだけで第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂを加熱することが可能となり、加熱装置の小型化および低コスト化が可能になる。しかもピニオンシャフト２１に流す電流を制御するだけなので、高周波誘導加熱用コイルに対する電流の制御に比べて簡単であり、安定した加熱が可能になって第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂの品質が向上する。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではピニオンシャフト２１にトルクを加えた状態で加熱することで第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂに磁気異方性を付与しているが、第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂにそれぞれ異なる方向の磁束を作用させて歪ませた状態で加熱処理することで、トルクを加えて歪ませた状態で加熱する場合と同様に、第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂに磁気異方性を付与することができる。この場合には、従来の高周波加熱用コイルを配置していたスペースを利用して磁束発生手段を配置することができる。

また実施の形態ではピニオンシャフト２１に交流電流を流しているが、直流電流を流しても良い。但し、交流電流を用いると、ピニオンシャフト２１の表面の第１、第２磁歪膜５１Ａ，５１Ｂをより効果的に加熱することができる。

また実施の形態では磁歪式トルクセンサ３２をピニオンシャフト２１に設けているが、それを上部ステアリングシャフト１２や下部ステアリングシャフト１４に設けることができる。

また実施の形態では電動パワーステアリング装置用の磁歪式トルクセンサ３２を例示したが、本発明の磁歪式トルクセンサは任意の用途に適用することができる。

また実施の形態では磁気回路としてヨーク５３Ａ，５３Ｂを用いているが、このヨーク５３Ａ，５３Ｂを廃止することも可能である。

電動パワーステアリング装置の全体構造を示す図 図１の要部拡大図 操舵トルクに対するトルク検出信号の変化特性を示す図 磁歪膜に磁気異方性を付与する工程の説明図 図４の５−５線断面図

２１ ピニオンシャフト（回転軸）
５１Ａ 第１磁歪膜（磁歪膜）
５１Ｂ 第２磁歪膜（磁歪膜）
６１ 上部固定治具（固定治具）
６２ 下部固定治具（固定治具）

Claims (4)

1. トルクを伝達する回転軸の表面に、磁気異方性を有する一対の磁歪膜を軸方向に間隔をおいて形成し、前記回転軸にトルクが入力したときの前記一対の磁歪膜の透磁率の変化に基づいて前記トルクを検出する磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の製造方法であって、 前記回転軸の、前記一対の磁歪膜間に位置する軸部分に一対の平行な面取り部を形成し、
   前記一対の磁歪膜に磁気異方性を付与するための加熱処理を、前記回転軸に直接電流を軸方向に流して発熱させることで行うことを特徴とする、磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の製造方法。
2. 前記加熱処理は前記回転軸にトルクを加えた状態で行うことを特徴とする、請求項１に記載の磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の製造方法。
3. 前記トルクの入力は前記磁歪膜を挟む前記回転軸の二ヶ所を固定治具で固定した状態で行われ、前記電流は前記固定治具を介して流さ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における磁歪膜の製造方法。
4. トルクを伝達する回転軸の表面に、磁気異方性を有する一対の磁歪膜を軸方向に間隔をおいて形成し、前記回転軸にトルクが入力したときの前記一対の磁歪膜の透磁率の変化に基づいて前記トルクを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、
   前記回転軸の、前記一対の磁歪膜間に位置する軸部分に一対の平行な面取り部を形成し、
   前記回転軸に直接電流を軸方向に流して発熱させることで前記一対の磁歪膜を加熱処理して、各磁歪膜に前記磁気異方性を付与したことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。

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