WO2009107751A1

WO2009107751A1 - 磁歪式トルクセンサとその製造方法、並びに電動パワーステアリング装置

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Publication number: WO2009107751A1
Application number: PCT/JP2009/053606
Authority: WO
Inventors: 拓也山村; 祐一福田; 信彦吉本; 之哉樫村
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2009-09-03
Also published as: US8181538B2; US20110067947A1; CN101960274A; CN101960274B; GB2470152B; JP2009204533A; GB2470152A; GB201014660D0

Abstract

　磁歪式トルクセンサ１０は、ロッド形状の回転軸１１の表面で円周方向の全周囲に形成された磁歪膜の磁気特性の変化に基づいて回転軸に加えられた軸周りの回転トルクを検出する。磁歪膜１４は、回転軸の軸方向の一部に軸方向に連続して形成される。磁歪膜１４は、連続的に形成される領域で、互いに逆方向の磁気異方性を有する第１磁歪膜部分１４Ａおよび第２磁歪膜部分１４Ｂと、第１および第２の磁歪膜部分の間に形成された第３磁歪膜部分１４Ｃとを有し、第１磁歪膜部分、第２磁歪膜部分、第３磁歪膜部分に対して、それぞれ、第１検出コイル１３Ａ、第２検出コイル１３Ｂ、第３検出コイル１３Ｃを設ける。

Description

磁歪式トルクセンサとその製造方法、並びに電動パワーステアリング装置

　本発明は、自動車の電動パワーステアリング装置等の操舵トルクを検出するのに好適な磁歪式トルクセンサ、当該磁歪式トルクセンサの製造方法、並びに当該磁歪式トルクセンサを用いて構成される電動パワーステアリング装置に関する。

　一般的に自動車の操舵系として装備される電動パワーステアリング装置では、運転者の操舵操作によってステアリングホイールからステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを操舵トルク検出部によって検出する。操舵トルク検出部として磁歪式トルクセンサが利用される。ステアリングシャフトは、運転者の操舵による回転力を受けて回転する回転軸であり、操舵トルク検出部でその回転軸として機能する。電動パワーステアリング装置は、操舵トルク検出部から検出されたトルク信号に応じて、操舵力補助用のモータを駆動制御し、運転者の操舵力を軽減して運転者に快適な操舵フィーリングを与える。

　磁歪式トルクセンサの部分の基本構成を図１１に示す。自動車のステアリングシャフト（回転軸）１０１の表面には、磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂが形成されている。磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂは、ステアリングシャフト１０１の円周方向の全周に渡ってかつ軸心に沿った２つの箇所で互いに逆向きの磁気異方性１０３，１０４を有している。磁歪膜１０２Ａは時計回りトルクに対して透磁率が増加変化する。磁歪膜１０２Ｂは反時計回りトルクに対して透磁率が増加変化する。磁歪式トルクセンサ１００は、ステアリングシャフト１０１に矢印１０５に示すような時計回りまたは反時計回りの入力トルクが作用したときに、ステアリングシャフト１０１に生じる捩れに応じた磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの磁気特性の変化をそれぞれの検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂにより非接触で検出する。検出コイル１０６Ａは磁歪膜１０２Ａを囲むように配置され、検出コイル１０６Ｂは磁歪膜１０２Ｂを囲むように配置される。

　図１２は、磁歪式トルクセンサ１００のセンサ構成に基づく入力トルクの検出原理を示す。特性ＶＴ１は検出コイル１０６Ａからの出力信号に基づいて作られる入力トルク出力特性であり、特性ＶＴ２は検出コイル１０６Ｂからの出力信号に基づいて作られる入力トルク出力特性である。磁歪膜１０２Ａと１０２Ｂとは、それぞれの磁気異方性１０３，１０４の方向が逆になっているため、特性ＶＴ１と特性ＶＴ２との傾きは逆になる。特性ＶＴ３は、特性ＶＴ１と特性ＶＴ２の差（ＶＴ１－ＶＴ２）をとることにより作られる入力トルク出力特性である。特性ＶＴ３に基づいて、ステアリングシャフトに印加された入力トルクが求められる。実際は、特性ＶＴ３の点Ｂを原点（出力値０）として設定し、その右側領域を正領域とし、左側部分を負領域とする。特性ＶＴ３に基づき、ステアリングシャフトに印加される入力トルクの回転方向と大きさについての情報が得られる。

　磁歪式トルクセンサ１００の製造方法では、回転可能なロッド形状（円柱体）のステアリングシャフト１０１の軸心に沿った２箇所で、適宜な軸方向幅で、表面の円周方向の全周に渡って磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂ（広義には磁歪領域部）を形成し、これらの磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂに磁気異方性１０３，１０４をそれぞれ付加する。磁歪膜に磁気異方性を付加する従来の方法は、例えば電解めっき加工処理により磁歪材めっき部（磁歪膜）を形成してシャフト部材（回転軸）に対して捩りトルクを作用させ、当該シャフト部材の円周表面に応力を付与し、当該応力の付与状態で恒温槽において当該シャフト部材を加熱処理するという方法であった（特許文献１）。

　特許文献１では、磁気異方性を与える方法として、ステアリングシャフトの表面で円周方向に磁歪膜を４０μｍの厚みでめっき処理した後に、捩りトルクを２ｋｇｍ作用させて応力を付与し、１５０～５５０℃にて１０分から２０時間ほど熱処理することが提案されている。

　図１１に示した従来の磁歪式トルクセンサ１００では、磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの故障を正確に検出することができないという問題があった。その理由は、操舵トルクに係るセンサ出力信号において変化が生じたとしても、環境変化による変化か、加わった操舵トルクによる変化か、あるいは磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂそれ自体の故障による変化であるのかを判別することができなかったからである。

　図１１に示した従来の磁歪式トルクセンサ１００の構造では、磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの故障を検出できるようにするため、図１３に示すように、上記の２つの磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの各々に対して２つのコイル１０６Ａ－１，１０６Ａ－２，１０６Ｂ－１，１０６Ｂ－１，１０６Ｂ－２を設けるようにした（特許文献２）。２つの磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの各々には、回転軸１０１の軸方向において、図１３中で上側の検出コイル１０６Ａ－１，１０６Ｂ－１と下側の検出コイル１０６Ａ－２，１０６Ｂ－２が設けられる。その結果、これらの４つの検出コイルのそれぞれから出力される電圧信号を所定の関係に基づいて組み合わせることにより、操舵トルクに係る検出信号と故障検出信号とを求めることができる。かかる構成によれば、磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂのいずれかで故障が生じた場合に、故障検出信号によって、当該磁歪膜の故障を検出することができる。

　故障検出構造を有する他の磁歪式トルクセンサを図１４に示す（特許文献３）。この磁歪式トルクセンサ２００には、回転軸１０１の軸方向に分離した状態で３つの磁歪膜２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃが形成される。図１４中で上側と下側に位置する２つの磁歪膜２０１Ａ，２０１Ｂは、それぞれ異なる磁気異方性が付与された磁歪膜である。２つの磁歪膜２０１Ａ，２０１Ｂの間には故障検出用の磁歪膜２０１Ｃが形成される。３つの磁歪膜２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃのそれぞれの周囲には検出コイル２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃが設けられる。２つの検出コイル２０２Ａ，２０２Ｂから出力される２つの検出信号に基づいて操舵トルクに係る信号が取り出される。さらに、３つの検出コイル２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃから出力される３つの検出信号に基づいて故障検出信号が取り出される。

　従来の磁歪式トルクセンサでは、操舵トルク検出と磁歪膜故障検出を同時に行える構成の場合、磁歪膜が２箇所のときには合計で４つの検出コイルが必要となる。部品点数が多くなり、製作コストが高くなり、製作工程が増すという問題を有している。また、磁歪膜が３箇所に形成されているときには、検出コイルの総数は３個となる。しかしながら、実際の製作工程で中間に位置する磁歪膜は上下の他の磁歪膜に比べて鉄成分（Ｆｅ）の組成を低くしなければならず、製造工程が多くなるという問題がある。さらにステアリングシャフト（回転軸）における磁歪膜が作られる領域の軸方向の寸法が長くなり、成膜領域が大きくなるという問題がある。
特開２００２－８２０００号公報特開２００６－６４４４５号公報特開２００７－１０１４２２号公報

　本発明は、トルク信号検出と磁歪膜故障を同時に行うことができ、回転軸における磁歪膜が形成される領域を小さく作ることができ、検出コイル等の部品点数の総数を少なくすることができ、さらに製造工程を増すことなく構造を簡素化することができる磁歪式トルクセンサ、および当該磁歪式トルクセンサの製造方法、並びに当該磁歪式センサを利用して構成される電動パワーステアリング装置を提供する。

　本発明の第１の観点によれば、磁歪式トルクセンサは、ロッド形状の回転軸と、前記回転軸の表面で円周方向の全周囲に形成された磁歪膜と、前記磁歪膜の周囲に配置された第１検出コイル、第２検出コイル、第３検出コイルを備え、前記磁歪膜は、前記回転軸の軸方向に連続した領域として形成され、かつ連続的に形成される前記領域で、互いに逆方向の磁気異方性を有する第１磁歪膜部分および第２磁歪膜部分と、前記第１磁歪膜部分および前記第２磁歪膜部分の間に形成された第３磁歪膜部分とを有し、前記第１検出コイル、前記第２検出コイル、前記第３検出コイルはそれぞれ前記第１磁歪膜部分、前記第２磁歪膜部分、前記第３磁歪膜部分に対応して設けられている。

　磁歪式トルクセンサの回転軸の部分に作られる磁歪膜について、トルク検出用の２つの磁歪膜部分と、それらの間に位置する故障検出用の磁歪膜部分を１箇所の連続する磁歪膜として形成する。トルク検出用の２つの磁歪膜部分は逆の磁気異方性を有するように熱処理されて作られ、その結果として中間に形成される磁歪膜部分はトルクに対しては変化しない部分として形成される。１箇所の磁歪膜において上下の磁歪膜部分および中間部の磁歪膜部分を形成し、それぞれに検出コイルを設けることにより、トルク信号と故障検出を同時に行うことが可能となる。

　本発明の第２の観点によれば、第３磁歪膜部分はトルク不感領域であり、第３検出コイルは故障検出用コイルであることが好ましい。

　本発明の第３の観点によれば、磁歪膜は、回転軸の周面上で、回転軸の軸方向の一部に軸方向に連続して形成されていることが好ましい。

　本発明の第４の観点によれば、第１磁歪膜部分と第２磁歪膜部分と第３磁歪膜部分の各々の軸方向の長さがほぼ同一であることが好ましい。

　本発明の第５の観点によれば、回転軸は、自動車の電動パワーステアリング装置におけるステアリングシャフトの少なくとも一部であることが好ましい。

　本発明の第６の観点によれば、電動パワーステアリング装置は、ステアリングシャフトと、ステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを検出する操舵トルク検出部と、操舵トルク検出部が出力する操舵トルク検出信号に応じてモータを駆動しステアリングシャフトに補助トルクを与えるように制御する制御手段とを備え、操舵トルク検出部は上記のいずれかの磁歪式トルクセンサを含むことが好ましい。

　本発明の第７の観点によれば、本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法は、ロッド形状の回転軸の表面で円周方向の全周囲に、軸方向の一部に軸方向に連続して磁歪膜を形成する工程と、回転軸に第１の捩りトルクを加えた状態で磁歪膜の第１磁歪膜部分に熱処理を行う工程と、第１捩りトルクを解放して第１磁歪膜部分に第１の磁気異方性を作る工程と、回転軸に前記第１の捩りトルクと逆方向の第２の捩りトルクを加えた状態で第２磁歪膜部分に熱処理を行う工程と、第２捩りトルクを解放して第２磁歪膜部分に第２の磁気異方性を作る工程と、から成り、第１磁歪膜部分と第２磁歪膜部分の間に、磁気異方性のない第３の磁歪膜部分が形成される。

　本発明の第８の観点によれば、上記の磁歪式トルクセンサの製造方法において、磁歪膜における第１磁歪膜部分と第２磁歪膜部分と第３磁歪膜部分は連続して形成されることが好ましい。

　本発明の第９の観点によれば、上記の磁歪式トルクセンサの製造方法において、第１磁歪膜部分の熱処理および第２磁歪膜部分の熱処理で同一の加熱コイルを使用し、第１磁歪膜部分と第２磁歪膜部分の各々の軸方向の長さはほぼ同一であることが好ましい。

　その他の特徴および効果は、実施例の記載および添付のクレームより明白である。

本発明に係る磁歪式トルクセンサの基本的構造を概念的に示す一部断面側面図である。磁歪式トルクセンサの装置構成を示す図である。本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の内部構造を示す縦断面図である。磁歪式トルクセンサのトルク検出部の磁歪特性曲線とセンサ検出特性を示すグラフである。磁歪式トルクセンサのトルク検出コイルおよび故障検出コイルの出力変化特性を示すグラフである。磁歪式トルクセンサの製造方法であって、回転軸の製造プロセスを示す工程図である。磁気異方性付加工程を示すフローチャートである。回転軸で磁歪膜領域にめっき処理する際のマスキング状態を示す側面図である。図９（Ａ）～図９（Ｃ）は回転軸の磁歪膜の２箇所に磁気異方性を付加するときの加熱処理を説明する図である。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は本実施形態に係る磁歪式トルクセンサの磁歪膜の利点を説明するための図である。従来の一般的な磁歪式トルクセンサの要部構造を示す側面図である。磁歪式トルクセンサのセンサ構成における入力トルク検出の原理を説明するための入力トルク・出力特性を示すグラフである。従来の磁歪式トルクセンサで故障検出の構成を付加した第１の例を示す側面図である。従来の磁歪式トルクセンサで故障検出の構成を付加した第２の例を示す側面図である。

符号の説明

　１０　磁歪式トルクセンサ
　１１　回転軸
　１２　励磁コイル
　１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ　検出コイル
　１４　磁歪膜
　１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ　磁歪膜部分
　Ｐ１　磁歪膜形成工程
　Ｐ２　磁気異方性付加工程
　Ｐ３　特性安定化工程

　以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を図面に基づいて説明する。

　図１～図３を参照して磁歪式トルクセンサの構成について説明する。図１～図３は本発明に係る磁歪式トルクセンサの一構造例を示している。図１は磁歪式トルクセンサの基本的構造を示す一部断面側面図を示し、図２は磁歪式トルクセンサの基本的構成を概念的に示す側面図を示し、図３は磁歪式トルクセンサを操舵トルク検出部として電動パワーステアリング装置のステアリング軸に組み込んだ具体的構造の縦断面図を示している。

　図１と図２に示すように磁歪式トルクセンサ１０は、ロッド（円柱）形状の回転軸１１と、励磁コイル１２と３つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを有する。励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは回転軸１１の周囲に配置されている。回転軸１１は、図１と図２では、説明の便宜上、上部および下部を切断し省略して示している。磁歪式トルクセンサ１０が、自動車の電動パワーステアリング装置の操舵トルク検出部として利用されるとき、回転軸１１はステアリング軸の一部となる。この状態は図３に示される。

　回転軸１１は、その軸心１１ａの周りに矢印Ａのように右回転（時計回り）または左回転（反時計回り）の回転力（トルク）を受ける。回転軸１１は例えばクロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ材）等の金属棒で形成される。回転軸１１には、軸方向に連続する１箇所の領域として磁歪膜１４が形成される。磁歪膜１４は、回転軸１１の円周方向の全周に渡って形成されている。図１等では磁歪膜１４の厚みを誇張して示している。１箇所に形成された磁歪膜１４は３つの領域（部分）に分かれている。磁歪膜１４では、図１等において上下の２箇所に第１と第２の磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂが形成され、さらに２つの磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂの間に第３の磁歪膜部分１４Ｃが連続的に形成されている。磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの各々は回転軸１１の円周方向の全周に渡って形成されている。

　３つの磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの各々の軸方向の幅寸法は好ましくは８ｍｍである。このため、磁歪膜１４の全体の軸方向の寸法は２４ｍｍとなる。

　磁歪膜１４は、好ましくはＮｉ－Ｆｅ合金材による電解めっき加工処理等により回転軸１１の表面に磁歪材めっき部として形成される。この磁歪材めっき部に対して領域ごとに磁気異方性加工を施すことにより、斜め方向の磁気異方性を有する磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂが形成される。磁歪膜部分１４Ｃには、磁気異方性は付加されない。磁歪膜部分１４Ａと１４Ｂとは磁気異方性が逆向きである。磁歪膜部分１４Ｃは斜め方向の磁気異方性を有さず、トルク不感帯部分となる。磁歪膜１４の作り方は、電解めっき加工処理には限定されず、蒸着やスパッタリング等を用いることもできる。

　図１に示すように、上記の励磁コイル１２及び検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、回転軸１１の表面に形成された第１から第３の磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃのそれぞれに対応して設けられる。

　磁歪膜部分１４Ａの周囲には隙間を介在させて検出コイル１３Ａが配置される。ほぼ筒形状のリング状検出コイル１３Ａは、磁歪膜１４Ａの全周囲を囲んでいる。磁歪膜部分１４Ｂの周囲には隙間を介在させて検出コイル１３Ｂが配置される。同様に、検出コイル１３Ｂは、磁歪膜１４Ｂの全周囲を囲んでいる。２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂのそれぞれの周囲にはリング状の励磁コイル１２が配置される。図１では、磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して個別に励磁コイル１２が設けられるように図示されているが、実際には１つの励磁コイル１２の２つの部分を分けて示したものである。検出コイル１３Ａ，１３Ｂと励磁コイル１２は、リング状の支持枠体部１５Ａ，１５Ｂを利用して磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂの周囲スペースに巻設されている。支持枠体部１５Ａ，１５Ｂは回転軸１１の周囲に回転軸１１を囲むように設けられる。

　第３の磁歪膜部分１４Ｃの周囲には、隙間を介在させて当該磁歪膜部分１４Ｃを囲むように検出コイル１３Ｃと励磁コイル１２が設けられている。第３の磁歪膜部分１４Ｃは、入力トルク検出用に設けられた上記磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂの故障を検出するための磁歪膜部分である。検出コイル１３Ｃと励磁コイル１２は、リング状の支持枠体部１５Ｃを利用して磁歪膜１４Ｃの周囲スペースに巻設されている。支持枠体部１５Ｃも回転軸１１の周囲に当該回転軸１１を囲むように設けられる。

　図２では、回転軸１１に形成された磁歪膜１４の磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂに対して配置される励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂを電気的関係として概念的に示している。磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂに対して共通に配置される励磁コイル１２には、励磁用交流電流を常時に供給する交流電源１６が接続されている。磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して配置される検出コイル１３Ａ，１３Ｂの各出力端子からは、誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂが出力される。誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂは検出対象であるトルクに対応している。第３の磁歪膜部分１４Ｃに対しても、同様に、励磁コイル１２と検出コイル１３Ｃが配置され、検出コイル１３Ｃの出力端子からは電圧Ｖ_Ｃが出力されている。

　検出コイル１３Ａ，１３Ｂの各出力端子から出力された誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂはトルク算出部１７に入力される。トルク算出部１７は、誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂに基づいて回転軸１１に加わったトルクを演算・算出して、当該トルクに係る信号（Ｔ）を出力する。トルク算出部１７は、マイコン等の演算手段または演算用電気回路で構成される。

　検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの各出力端子から出力された誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃは故障検出部１８に入力される。故障算出部１８は、誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃに基づいて磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂの故障を検出して、故障信号ＳＧ１を出力する。故障検出部１８は、マイコン等の演算手段または演算用電気回路で構成される。

　励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとの関係は、変圧器の１次巻線と２次巻線との関係になっている。

　回転軸１１に対して回転力によるトルクが作用したとき、磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂの各々に生じる磁気特性の変化を、磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂの周囲に配設した検出コイル１３Ａ，１３Ｂを利用して検出する。

　図３を参照して、上記磁歪式トルクセンサ１０を例えば電動パワーステアリング装置のステアリング軸に操舵トルク検出部として組み込んだ構造を説明する。図３において図１と図２で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。

　図３は、操舵トルク検出部２０、ステアリング軸２１の支持構造、ラック・ピニオン機構３４、動力伝達機構３５、操舵力補助用モータ４２の具体的構成を示す。

　図３において、ステアリング軸２１の上部は車両のステアリングホイール（図示せず）に結合されている。ステアリング軸２１の下部は、ラック・ピニオン機構３４を介して、ラック軸を備えた車軸に操舵力を伝達するように構成されている。操舵トルク検出部２０はステアリング軸２１の上部に付設されている。操舵トルク検出部２０は磁歪式トルクセンサ１０を含んでいる。磁歪膜１４（磁歪膜部分１４Ａ～１４Ｃ）が形成されたステアリング軸２１の部分が上記回転軸１１に対応している。

　ギヤボックス３１を形成するハウジング３１ａにおいて、ステアリング軸２１は、２つの軸受け部３２，３３によって回転自在になるよう支持されている。ハウジング３１ａの内部にはラック・ピニオン機構３４と動力伝達機構３５が収納される。ハウジング３１ａの上側には、ステアリング軸２１（前述の回転軸１１に対応）に対して、操舵トルク検出部２０（磁歪式トルクセンサ１０を含む）が付設されている。ステアリング軸２１には前述した磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃが形成され、磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃに対応して励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが設けられている。励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは支持枠体部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃおよびヨーク部３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃに支持されている。

　ハウジング３１ａの上部開口はリッド３７で塞がれており、このリッド３７は図示しないボルトでハウジング３１ａに固定されている。ステアリング軸２１の下端部に設けられたピニオン３８は軸受け部３２，３３の間に位置している。ラック軸３９は、ラックガイド４０で案内され、かつ圧縮されたスプリング４１で付勢され、ピニオン３８側へ押し付けられている。動力伝達機構３５は、ウォームギヤ４４と、ウォームホイール４５とによって形成される。ウォームギヤ４４は操舵力補助用モータ４２の出力軸に結合された伝動軸４３に固定される。ウォームホイール４５はステアリング軸２１に固定される。操舵トルク検出部２０はリッド３７の円筒部３７ａの内部に取り付けられている。

　操舵トルク検出部２０は、ステアリング軸２１に作用する操舵トルクを検出する。その検出値は、制御装置（図３中、図示しない）に入力され、モータ４２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使用される。

　操舵トルク検出部２０は、ステアリング軸２１に対してステアリングホイールからの操舵トルクが作用したとき、ステアリング軸２１に生じる捩れに応じた磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂの磁気特性の変化および磁歪膜部分１４Ｃの特性変化を、検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの各出力端子からの誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃの変化として電気的に検出する。

　２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂに関しては、それぞれ、図４に示す凸形状の磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂが得られる。この磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂは、それぞれ、検出コイル１３Ａ，１３Ｂからの検出出力である誘導電圧の変化特性に対応している。

　操舵トルク検出部２０は、２つの磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂを基礎に、２つの検出コイルから出力される誘導電圧の差を算出し、その算出値の符号と大きさによってステアリング軸２１に加えられた操舵トルクの回転方向（右回転または左回転）と大きさを検出する。

　ステアリング軸２１に操舵トルクが作用したときステアリング軸２１に捩れが生じ、その結果、磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂに磁歪効果が生じる。操舵トルク検出部２０では、交流電源１６から励磁コイル１２に励磁用電流が常に供給されているので、磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂでの磁歪効果に起因する透磁率変化による磁界変化を検出コイル１３Ａ，１３Ｂによって誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの変化として検出する。操舵トルク検出部２０によれば、誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの変化に基づき、２つの誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの差を検出電圧値として出力する。従って操舵トルク検出部２０の出力電圧値（Ｖ_Ａ－Ｖ_Ｂ）に基づいてステアリング軸２１に加えられた操舵トルク（Ｔ）の方向と大きさを検出することができる。

　図４は２つの磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂを示す。図４において、横軸は、ステアリング軸２１に加えられた操舵トルクを意味し、正側（＋）が右回転に対応し、負側（－）が左回転に対応している。図４の縦軸は電圧軸を意味する。

　磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂについての磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂは同時に検出コイル１３Ａ，１３Ｂの検出出力特性を表している。すなわち、磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂを有する磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂに対して共通の励磁コイル１２により励磁用交流電流を供給し、この励磁用交流電流に感応して検出コイル１３Ａ，１３Ｂは誘導電圧を出力していることから、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの誘導電圧の変化特性は、磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂの磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂに対応している。換言すれば、磁歪特性曲線５１Ａは検出コイル１３Ａから出力される誘導電圧ＶＡの変化特性を示し、他方、磁歪特性曲線５１Ｂは検出コイル１３Ｂから出力される誘導電圧ＶＢの変化特性を示している。

　磁歪特性曲線５１Ａによれば、検出コイル１３Ａから出力される誘導電圧Ｖ_Ａの値は、操舵トルクの値が負領域から正領域に変化しさらに操舵トルクの正の値Ｔ１に到るにつれて略線形特性にて増加し、操舵トルクが正の値Ｔ１となったときにピーク値となり、操舵トルクがＴ１よりさらに増加すると徐々に減少するという特性を有する。他方、磁歪特性曲線５１Ｂによれば、検出コイル１３Ｂから出力される誘導電圧Ｖ_Ｂの値は、操舵トルクの値が負の値－Ｔ１に到るまでは徐々に増加し、操舵トルクが負の値－Ｔ１のときにピーク値をとり、操舵トルクがさらに－Ｔ１よりも増加して負領域から正領域に変化すると略線形特性にて減少するという特性を有する。

　図４に示すように、検出コイル１３Ａに関連する磁歪特性曲線５１Ａと検出コイル１３Ｂに関連する磁歪特性曲線５１Ｂは、磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂのそれぞれで互いに逆方向となる磁気異方性を有することが反映して、両磁歪特性曲線が交わる点を含む縦軸に関して略線対称との関係になっている。

　図４において示された線５２は、磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂの共通領域であって略線形特性を有する領域において、検出コイル１３Ａの出力電圧として得られる磁歪特性曲線５１Ａの各値から、検出コイル１３Ｂの出力電圧として得られる磁歪特性曲線５１Ｂの対応する各値を差し引いた値に基づいて作成されるグラフを示す。操舵トルクがゼロのときに、各検出コイル１３Ａ，１３Ｂから出力される誘導電圧は等しいので、その差の値はゼロとなる。操舵トルク検出部２０では、上記の磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂにおける操舵トルクの中立点（ゼロ点）付近の略一定勾配とみなされる領域を使用することで、上記線５２を略直線特性を有するものとして形成している。なお線５２の特性グラフに関しては、図４の縦軸は差電圧の値を示す軸を意味している。特性グラフである直線５２は、原点（０，０）を通る直線であって、縦軸および横軸の正側・負側に存在する。操舵トルク検出部２０の検出出力値は前述のごとく検出コイル１３Ａ，１３Ｂから出力される誘導電圧の差（Ｖ_Ａ－Ｖ_Ｂ）として得られることから、上記直線５２を利用することに基づいて、ステアリング軸２１に加えられた操舵トルクの方向と大きさを検出することができる。

　上記のごとく、操舵トルク検出部２０の出力値に基づき、ステアリング軸２１（回転軸１１）に入力された操舵トルクに関してその回転方向と大きさに対応した検出信号を取り出すことが可能となる。すなわち、操舵トルク検出部２０から出力される検出値によって、ステアリング軸２１に作用した操舵トルクの回転方向と大きさを知ることができる。

　換言すれば、操舵トルク検出部２０の検出値は、操舵トルクに応じて直線５２上のいずれかの点として出力される。当該検出値が、横軸で正側に位置するときには操舵トルクは右回転と判断され、横軸で負側に位置するときには操舵トルクは左回転と判断される。また、上記検出値の縦軸上での絶対値が操舵トルクの大きさとなる。このようにして、操舵トルク検出部２０によって、直線５２の特性を利用することにより、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの出力電圧値を基礎に操舵トルクを検出することが可能となる。

　また、検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃからの誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃが入力される故障検出部１８での故障判定は次のように行われる。

　図５は３つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの各々のトルク／出力特性を示す。符号６１Ａは検出コイル１３Ａのトルク／出力特性を示し、符号６１Ｂは検出コイル１３Ｂのトルク／出力特性を示し、符号６１Ｃは検出コイル１３Ｃのトルク／出力特性を示している。検出コイル１３Ａの出力特性６１Ａと検出コイル１３Ｂの出力特性６１Ｂとによって操舵トルク信号Ｖ_ＯＵＴが取り出される。検出コイル１３Ａの出力特性６１Ａと検出コイル１３Ｃの出力特性６１Ｃとによって、および検出コイル１３Ｂの出力特性６１Ｂと検出コイル１３Ｃの出力特性６１Ｃとによって、故障検出信号Ｖ_ＯＵＴ１，Ｖ_ＯＵＴ２が取り出される。

　故障判定部１８の故障判定において、Ｖ_ＯＵＴが変化し、Ｖ_ＯＵＴ１が一定であり、Ｖ_ＯＵＴ２が変化するときには、磁歪膜部分１４Ａは故障であると判定される。またＶ_ＯＵＴが変化し、Ｖ_ＯＵＴ１が変化し、Ｖ_ＯＵＴ２が一定であるときには、磁歪膜部分１４Ｂは故障であると判定される。さらにＶ_ＯＵＴが一定であり、Ｖ_ＯＵＴ１とＶ_ＯＵＴ２が変化するときには、磁歪膜部分１４Ｃは故障であると判定される。

　回転軸１１に操舵トルクが入力されると、磁気異方性を有する磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂに対応する検出コイル１３Ａ，１３Ｂの出力信号は操舵トルクに対して変化するが、斜めの磁気異方性を有しない磁歪膜部分１４Ｃに対応する検出コイル１３Ｃの出力信号は操舵トルクに対してほとんど変化しない。他方、回転軸１１にトルク以外の外乱（例えば温度の変化等）が入力されると、検出コイル１３Ａ～１３Ｃの各出力信号には同様な変化が生じる。従って、検出コイル１３Ｃの出力信号を利用すると、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの出力信号に含まれる外乱によるドリフトを補償することが可能となる。また、磁歪膜部分１４Ａ～１４Ｃが形成された磁歪膜１４はＦｅが同じ成分であり、組成差がないので、補償の際にも誤差を小さくすることができる。

　図６と図７を参照して磁歪式トルクセンサ１０の製造方法を説明する。図６に示した磁歪式トルクセンサ１０の製造方法の主要部は、磁歪式トルクセンサ１０の回転軸１１の製造工程である。

　図６において、回転軸１１の製造プロセスは、大きく分けると、磁歪膜形成工程Ｐ１、磁気異方性付加工程Ｐ２、特性安定化工程Ｐ３及び検査工程Ｐ４から構成されている。特性安定化工程Ｐ３はさらにアニール工程Ｐ３１と消磁工程Ｐ３２から構成されている。検査工程Ｐ４は、製造された回転軸の品質を検査する工程である。磁歪式トルクセンサ１０を完成させるためには、検査工程Ｐ４の後に回転軸１１に対して励磁コイル１２や検出コイル１３Ａ～１３Ｃ等の検出器を付設する検出器付設工程が設けられている。

　最初に磁歪膜形成工程Ｐ１が実行される。磁歪膜形成工程Ｐ１では、電解めっき加工処理により回転軸１１の表面の所定箇所に磁歪材めっき部が磁歪膜１４の基礎となる部分として形成される。

　なお、磁歪膜形成工程Ｐ１の前段には、通常、図示しない受入検査工程が設けられる。

　磁歪膜形成工程Ｐ１では、まず、回転軸１１の前処理が行われる（ステップＳ１１）。前処理の工程では、例えば、予備洗浄、マスク治具付け、電解脱脂、酸電解等の工程が実施される。その後に電解めっきが行われる（ステップＳ１２）。この電解めっきの処理工程では、回転軸１１の１箇所に連続的な磁歪材が所定膜厚になるように施される。磁歪材めっき部は、後述する後処理によって磁気異方性を有する磁歪膜１４になる部分である。その後、図示しない「治具ばらし」を行った後に、乾燥が行われる（ステップＳ１３）。

　磁歪膜形成工程Ｐ１では、回転軸１１の表面に前述した磁歪膜１４を形成するために電解めっき加工処理法を用いる。しかしながら、回転軸１１における磁歪膜１４を形成する基礎部分は、電解めっき法以外の方法、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法、プラズマ溶射法などの方法によって形成することもできる。

　磁歪膜形成工程Ｐ１では、回転軸１１で連続した１箇所の領域に磁歪膜１４となるめっき部分を形成するためにマスキングを施すが、複数箇所の磁歪膜を作る従来の方法に比して、図８に示すように、２つのマスキング部材７１，７２を用いることによりマスキングが簡単に行うことができ、製作コストを削減することができる。

　次に、磁気異方性付加工程Ｐ２が実行される。この磁気異方性付加工程Ｐ２は、回転軸１１に形成された１箇所の磁歪材めっき部の一部に対して磁気異方性を付加し、前述の磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂおよび磁歪膜部分１４Ｃを形成する工程である。磁気異方性付加工程Ｐ２は、上側領域の磁歪材めっき部に対して高周波加熱を行うステップＳ２１と、下側領域の磁歪材めっき部に対して高周波加熱を行うステップＳ２２とを有している。

　図７は、磁気異方性付加工程Ｐ２の各ステップＳ２１，Ｓ２２で実施される処理工程のフローチャートを示す。

　磁気異方性付加工程Ｐ２の上側領域の磁歪材めっき部を高周波加熱するステップＳ２１は、トルク印加ステップＳ２０１、熱処理ステップＳ２０２、冷却ステップＳ２０３、トルク解放ステップＳ２０４を有する。最初に実行されるトルク印加ステップＳ２０１では、トルク印加装置（図示せず）により回転軸１１に所定の捩りトルク（Ｔｑ）を印加する。次に、熱処理ステップＳ２０２では、所定の捩りトルク（Ｔｑ）を印加した状態の回転軸１１の上側領域の磁歪材めっき部に対して所定時間だけ高周波を供給し電磁誘導により加熱処理を行う。次に、冷却ステップＳ２０３では、加熱した回転軸１１を自然に冷却する。最後に、トルク解放ステップＳ２０４では、捩りトルクを解放することによって上側領域の磁歪材めっき部に磁気異方性を付加して前述した磁歪膜部分１４Ａを形成する。

　熱処理ステップＳ２０２では、トルク印加状態の回転軸１１の上側領域の磁歪材めっき部に誘導加熱コイルを配置し、この誘導加熱コイルに高周波電源から所定の高周波を供給して上側領域の磁歪材めっき部のみを高周波加熱する。

　上記のステップＳ２０１～Ｓ２０４によって、回転軸１１の上側領域の磁歪材めっき部は磁気異方性が付加され、これによって磁歪膜１４において磁気異方性を有する磁歪膜部分１４Ａが形成される。

　回転軸１１の磁歪膜１４における下側領域の磁歪材めっき部に対する高周波加熱ステップＳ２２においても同様に上記のステップＳ２０１～Ｓ２０４が実行される。すなわち、下側領域の磁歪材めっき部に対して磁気異方性が付加され、これにより磁歪膜１４において磁気異方性を有する磁歪膜部分１４Ｂが形成される。この場合には、下側領域の磁歪材めっき部に磁気異方性を付加して磁歪膜部分１４Ｂを作るときに、磁歪膜部分１４Ａの磁気異方性とは逆向きになるように、回転軸１１に与えるトルクの印加方向を逆向きにする。

　磁歪膜１４で磁歪膜部分１４Ａと磁歪膜部分１４Ｂを作るときの状態を図９（Ａ）～９（Ｃ）に示す。図９（Ａ）は磁歪膜部分１４Ａを作るときの状態を示し、図９（Ｂ）は磁歪膜部分１４Ｂを作るときの状態を示している。図９（Ａ）と図９（Ｂ）で領域７３は加熱部分を示している。磁歪膜１４において、磁歪膜部分１４Ａと磁歪膜部分１４Ｂを作るためにそれぞれに加熱処理を施すことによって、その加熱処理の結果、図９（Ｃ）に示されるように中間領域に斜め方向の磁気異方性を持たないトルク不感帯としての磁歪膜部分１４Ｃが作られる。磁歪膜１４の中間部分（磁歪膜部分１４Ｃに対応）は、磁歪膜部分１４Ａと磁歪膜部分１４Ｂの各々の加熱処理時に熱拡散により結果的に加熱される。他方、当該中間部での印加トルクは、それぞれの加熱時に逆向きになる。その結果、磁歪膜部分１４Ｃでは斜めの磁気異方性を持たず、トルク不感帯となる。磁歪膜部分１４Ａと磁歪膜部分１４Ｂを作る工程は従来と同じである。本実施形態による磁歪式トルクセンサの製造方法によれば、従来と同じ工程でありながら、逆の磁気異方性を有する磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂと、磁歪膜部分１４Ｃとを含む磁歪膜１４を作成することができる。

　回転軸１１において１箇所で連続して形成される領域としての磁歪膜１４で、上下領域の磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂと中間領域の磁歪膜部分１４Ｃとは連続的に形成される。そのため、軸方向の磁歪膜１４の寸法は、磁歪膜部分１４Ａ～１４Ｃが分離して作られる場合に比較してかなり小さくすることが可能となる。

　図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、上記のようにして製作された本実施形態に係る磁歪膜１４の利点を説明する図である。本実施形態では、図１０（Ａ）に示すように、回転軸１１に形成される磁歪膜１４は、回転軸１１の１箇所において分離されることなく連続して作られ、そこにトルク検出用の磁歪膜部分１４Ａ，１４Ｂと故障検出用の磁歪膜部分１４Ｃとが作られる。これに対して、従来の磁歪膜トルクセンサの構造では、図１０（Ｂ）に示すように、例えば、回転軸１１に対してトルク検出用の上下２つの磁歪膜８１，８２が分離した状態で作られていた。２つの磁歪膜８１，８２の間には分離境界部８３が作られている。その結果、本実施形態に係る磁歪膜１４は、図１０（Ａ）に示すように、磁歪膜が連続してつながった状態で作られているので、外部からバイアス磁界を与えると、当該バイアス磁界は符号８４で示されるように磁歪膜１４の中を通りやすくなる。そのため、望ましいバイアス磁界を容易に得ることができ、消費電力を低減させることができる。これに対して、図１０（Ｂ）に示すように、磁歪膜が分離して作られている場合には、バイアス磁界８５が分離境界部８３で途切れてしまう。そのため、所望のバイアス磁界を得るためには外部から大きな消費電力でバイアス磁界を発生させる必要がある。本実施形態の連続した１箇所の磁歪膜と、従来の分離した磁歪膜とを比較すると、バイアス磁界に対する電力変化は１箇所の磁歪膜の方が大きく、実測データとしては同じバイアス磁界を生じさせるに当たり本実施形態の磁歪膜構造の場合には消費電力を約１割程度低減することができる。

　本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法によれば、逆の磁気異方性を有する上下の磁歪膜部分を従来のトルク印加状態での加熱処理で作るだけで、中間部のトルク不感帯としての磁歪膜部分を作ることができるので、磁歪膜を作製する工程が簡素である。また、２箇所の磁歪膜を作る場合に比較して検出コイルの個数を少なくでき、３箇所の磁歪膜を作る場合に比較してＦｅの組成を変える必要もなく、製作工程を増すことなく製作することができる。　

　本発明に係る電動パワーステアリング装置は、その操舵トルク検出部に本発明に係る磁歪式トルクセンサを利用したため、部品点数を少なくすることができ、ステアリングシャフト部分の寸法を短くすることができるため、簡素な構造でコンパクトに製作することができる。

　以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

　本出願は、２００８年２月２８日出願の日本特許出願（特願２００８－０４８５７９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明に係る磁歪式トルクセンサは、自動車の電動パワーステアリング装置の操舵トルク検出部に利用される。

Claims

　ロッド形状の回転軸と、
　前記回転軸の表面で円周方向の全周囲に形成された磁歪膜と、
　前記磁歪膜の周囲に配置された第１検出コイル、第２検出コイル、第３検出コイルを備え、
　前記磁歪膜は、前記回転軸の軸方向に連続した領域として形成され、かつ連続的に形成される前記領域で、互いに逆方向の磁気異方性を有する第１磁歪膜部分および第２磁歪膜部分と、前記第１磁歪膜部分および前記第２磁歪膜部分の間に形成された第３磁歪膜部分とを有し、
　前記第１検出コイル、前記第２検出コイル、前記第３検出コイルはそれぞれ前記第１磁歪膜部分、前記第２磁歪膜部分、前記第３磁歪膜部分に対応して設けられている、ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
　前記第３磁歪膜部分はトルク不感領域であり、前記第３検出コイルは故障検出用コイルであることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
　前記磁歪膜は、前記回転軸の周面上で、前記回転軸の軸方向の一部に軸方向に連続して形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
　前記の第１磁歪膜部分と第２磁歪膜部分と第３磁歪膜部分の各々の軸方向の長さがほぼ同一であることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
　前記回転軸は、自動車の電動パワーステアリング装置におけるステアリングシャフトの少なくとも一部であることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
　ステアリングシャフトと、
　このステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを検出する操舵トルク検出部と、
　この操舵トルク検出部が出力する操舵トルク検出信号に応じてモータを駆動し前記ステアリングシャフトに補助トルクを与えるように制御する制御手段と
　を備える電動パワーステアリング装置において、
　前記操舵トルク検出部は請求項１～４のいずれか１項に記載された磁歪式トルクセンサを含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
　ロッド形状の回転軸の表面で円周方向の全周囲に、軸方向の一部に軸方向に連続して磁歪膜を形成する工程と、
　前記回転軸に第１の捩りトルクを加えた状態で前記磁歪膜の第１磁歪膜部分に熱処理を行う工程と、
　前記第１捩りトルクを解放して前記第１磁歪膜部分に第１の磁気異方性を作る工程と、
　前記回転軸に前記第１の捩りトルクと逆方向の第２の捩りトルクを加えた状態で第２磁歪膜部分に熱処理を行う工程と、
　前記第２捩りトルクを解放して前記第２磁歪膜部分に第２の磁気異方性を作る工程と、を備え
　前記第１磁歪膜部分と前記第２磁歪膜部分の間に、磁気異方性のない第３の磁歪膜部分が形成される、
　ことを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。
　前記磁歪膜における前記第１磁歪膜部分と前記第２磁歪膜部分と前記第３磁歪膜部分は連続して形成されることを特徴とする請求項７記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
　前記第１磁歪膜部分の熱処理および前記第２磁歪膜部分の熱処理で同一の加熱コイルを使用し、前記第１磁歪膜部分と前記第２磁歪膜部分の各々の軸方向の長さはほぼ同一であることを特徴とする請求項７または８記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。