JP2007304018A - 磁歪式トルクセンサおよび磁歪膜を有する回転軸の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁歪式トルクセンサの一対の磁歪膜の磁気特性の差を機械的に補償する。
【解決手段】 電動パワーステアリング装置の磁歪式トルクセンサは、ピニオンシャフト１７の表面に形成された一対の磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの周囲をコイルで囲繞し、前記磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの磁気特性の変化を前記コイルで検出することでピニオンシャフト１７に加えられたトルクを検出する。ピンシャフト１７の一対の磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの磁気特性が異なるとき、一方の磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの表面に加圧ローラ５４を圧接して歪みを与えることで磁気特性を均一化する。加圧ローラ５４を圧接する代わりに、ポンチで一方の磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの表面を叩いて歪みを与えても良い。
【選択図】 図６

Description

本発明は、回転軸の表面に形成された磁歪膜の周囲をコイルで囲繞し、前記磁歪膜の磁気特性の変化を前記コイルで検出することで前記回転軸に加えられた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好適に用いられる磁歪膜を有する回転軸の製造方法とに関する。

電動パワーステアリング装置のステアリングホイールに入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサが、ステアリング軸の外周に相互に逆方向の磁気異方性を有するように形成された一対の磁歪膜と、各々の磁歪膜の外周を囲む励磁コイルおよび検出コイルとを備え、ステアリング軸の捩じれ変形に応じて変化する一対の磁歪膜の透磁率の変化を前記励磁コイルおよび検出コイルの交流抵抗の変化に基づいて検出することで、ステアリング軸に入力される操舵トルクを検出するものが、下記特許文献１により公知である。
特開２００４−３３３４４９号公報

ところで、かかる操舵トルクセンサの一対の磁歪膜を均一に製造することは難しく，その磁気特性の差によって操舵トルクの検出精度が低下してしまう可能性がある。そこで従来は、一対の磁歪膜の磁気特性の差を電気的に調整していたが、磁歪膜毎の磁気特性のばらつき等を考慮して全てを電気的に調整しようとすると調整範囲が広くなり、調整分解能が低下して正確な調整が困難になるという問題があった。

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一対の磁歪膜の磁気特性の差を機械的に補償すること、および一対の磁歪膜の磁気特性の差を機械的に補償した回転軸を提供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、回転軸の表面に形成された磁歪膜の周囲をコイルで囲繞し、前記磁歪膜の磁気特性の変化を前記コイルで検出することで前記回転軸に加えられたトルクを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、前記回転軸の表面に前記磁歪膜を形成した後に、前記磁歪膜に機械的圧力を加えて磁気特性を調整することを特徴とする磁歪式トルクセンサが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の磁歪式トルクセンサの磁歪膜を有する回転軸の製造方法であって、回転軸の表面に磁歪膜を形成する第１工程と、前記磁歪膜に磁気異方性を付与する第２工程とを含むことを特徴とする磁歪膜を有する回転軸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、前記第２工程は、前記回転軸に所定のトルクを付与しながら該回転軸を加熱する工程と、前記回転軸を冷却する工程と、前記回転軸のトルクを解放する工程と、前記磁歪膜に機械的圧力を付加する工程とを含むことを特徴とする磁歪膜を有する回転軸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、請求項３の構成に加えて、前記第２工程で前記回転軸を加熱する加熱用コイルは、巻き始め位置と巻き終り位置とが近接するとともに、巻き終り位置が巻き始め位置を僅かに超えた位置にあることを特徴とする磁歪膜を有する回転軸の製造方法が提案される。

尚、実施の形態のピニオンシャフト１７は本発明の回転軸に対応し、実施の形態第１、第２磁歪膜は本発明の磁歪膜に対応し、実施の形態第１、第２励磁コイル４０Ａ，４０Ｂおよび第１、第２検出コイル４１Ａ，４１Ｂは本発明のコイルに対応する。

請求項１の構成によれば、磁歪式トルクセンサの回転軸の表面に磁歪膜を形成した後に、その磁歪膜に機械的圧力を加えることで磁気特性を任意に調整することができる。これにより磁歪膜の磁気特性のばらつきを電気的に補償する必要が、あるいは補償する範囲を狭くする必要がなくなり、インターフェース回路を簡素化することができる。

また請求項２の構成によれば、回転軸の表面に磁歪膜を形成した後に、その磁歪膜に磁気異方性を付与するので、磁歪膜の磁気特性の調整が容易になる。

また請求項３の構成によれば、表面に磁歪膜を形成した回転軸に所定のトルクを付与しながら加熱・冷却してトルクを解放した後に、その磁歪膜に機械的圧力を付加することで、磁歪膜の磁気特性を任意に調整することができる。これにより磁歪膜の磁気特性のばらつきを電気的に補償する必要がなくなり、インターフェース回路の簡素化することができる。

また請求項４の構成によれば、回転軸の加熱用コイルは、巻き始め位置と巻き終り位置とが近接するとともに、巻き終り位置が巻き始め位置を僅かに超えた位置にあるので、回転軸の表面に形成した磁歪膜が加熱用コイルの巻き始め位置および巻き終り位置の近傍で加熱不足になるのを防止し、磁歪膜を全周に亘って均一に加熱することができる。

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８は本発明の第１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斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４は操舵トルクに対する検出コイルのインピーダンス特性を示す図、図５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６は加圧ローラによる磁気特性の調整工程を示す図、図７は磁歪膜を形成する工程を示すフローチャート、図８は加熱用コイルの斜視図である。

図１に示すように、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は、上部ユニバーサルジョイント１３、下部ステアリングシャフト１４および下部ユニバーサルジョイント１５を介して、減速機１６から上方に突出するピニオンシャフト１７に接続される。減速機１６の下端に接続されたステアリングギヤボックス１８の左右両端から突出するタイロッド１９，１９が、左右の車輪ＷＬ，ＷＲの図示せぬナックルに接続される。減速機１６にはモータＭが支持されており、このモータＭの作動が、減速機１６の内部に収納した操舵トルクセンサＳｔからの信号が入力される電子制御ユニットＵにより制御される。

図２および図３に示すように、減速機１６はステアリングギヤボックス１８と一体の下部ケース２１と、その上面にボルト２２…で結合された中間ケース２３と、その上面にボルト２４…で結合された上部ケース２５とを備えており、ステアリングギヤボックス１８および上部ケース２５にボールベアリング２６，２７で前記ピニオンシャフト１７が回転自在に支持される。ピニオンシャフト１７の下端に設けられたピニオン２８が、ステアリングギヤボックス１８の内部に左右移動自在に支持したラックバー２９に設けられらラック３０に噛合する。ステアリングギヤボックス１８に形成した貫通孔１８ａに押圧部材３１が摺動自在に収納されており、貫通孔１８ａを閉塞するナット部材３２との間に配置したスプリング３３で押圧部材３１をラックバー２９の背面に向けて付勢することで、ラックバー２９の撓みを抑制してラック３０をピニオン２８に正しく噛合させることができる。

減速機１６の内部に延びるモータＭの回転軸３４は、一対のボールベアリング３５，３６で下部ケース２１に回転自在に支持される。モータＭの回転軸３４に設けられたウオーム３７は、ピニオンシャフト１７に固定されたウオームホイール３８に噛合する。

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操舵トルクセンサＳｔは、ピニオンシャフト１７の表面を所定幅で覆うように形成された、例えばＮｉ−Ｆｅメッキよりなる第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂと、第１磁歪膜３９Ａの周囲を囲繞する第１励磁コイル４０Ａおよび第１検出コイル４１Ａと、第２磁歪膜３９Ｂの周囲を囲繞する第２励磁コイル４０Ｂおよび第２検出コイル４１Ｂと、第１励磁コイル４０Ａおよび第１検出コイル４１Ａを囲む第１ヨーク４２Ａと、第２励磁コイル４０Ｂおよび第２検出コイル４１Ｂを囲む第２ヨーク４２Ｂとを備える。第１、第２検出コイル４１Ａ，４１Ｂにはそれぞれ第１、第２変換回路４３Ａ，４３Ｂが接続され、第１、第２変換回路４３Ａ，４３Ｂにはアンプ４４が接続される。

ピニオンシャフト１７にトルクが作用して捩じれ変形すると第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの透磁率が変化するため、第１、第２励磁コイル４０Ａ，４０Ｂに高周波の交流電圧を印可することで、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの透磁率の変化を第１、第２検出コイル４１Ａ，４１Ｂのインピーダンスの変化（図４参照）として検出することができる。上記第１、第２検出コイル４１Ａ，４１Ｂのインピーダンスの変化を第１、第２変換回路４３Ａ，４３Ｂでそれぞれ電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２に変換し、アンプ４４が二つの電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２の差を増幅率ｋで増幅し、それに所定のバイアス電圧Ｖｂ（例えば、２．５Ｖ）を加えたトルク検出信号ＶＴ３を出力する。このトルク検出信号ＶＴ３はピニオンシャフト１７に入力されるトルクに応じて変化する。

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１７が第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂと共に捩じれ変形すると、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂおよび第１、第２ヨーク４２Ａ，４２Ｂ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。

ところで、図５（Ａ）に示すように、トルクが０のときの電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２が一致していれば、トルクが０のときのトルク検出信号ＶＴ３はバイアス電圧Ｖｂに一致する。しかしながら、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの磁気特性は膜厚のばらつき、歪みの付与状態あるいは母材の影響を受けて必ずしも一致しないため、図５（Ｂ）に示すように、トルクが０のときのトルク検出信号ＶＴ３がバイアス電圧Ｖｂに一致しない場合がある。この不一致を電気的に補正しようとしても、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの磁気特性のばらつきが大きいと調整しきれない場合があり、また前記不一致を全て電気的に調整しようとするとインターフェース回路が複雑化するだけでなく、調整範囲を広くする必要があるために調整分解能が低下して正確な調整が困難になる問題があった。

そこで本出願人は、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの磁気特性を機械的に調整することで一致させる方法を見いだした。具体的には、図４において、第１、第２検出コイル４１Ａ，４１Ｂのインピーダンスが大きくなる側（例えば、第２磁歪膜３９Ｂ）の磁歪膜の磁気特性を調整して該インピーダンスを減少させ、第１、第２検出コイル４１Ａ，４１Ｂのインピーダンスを一致させることでトルクが０のときに電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２を一致させる方法を採用する。

即ち、図６に示すように、ピニオンシャフト１７の両端を第１、第２センタ５１，５２で回転自在に支持し、駆動源に接続されて回転するローラ軸５３に設けた加圧ローラ５４を第１磁歪膜３９Ａあるいは第２磁歪膜３９Ｂに押し付け、回転させながら圧力を加えて歪みを与えることで磁気特性を変化させ、対応する検出コイルのインピーダンスを減少方向に調整する手法を案出した。

次に、図７のフローチャートに基づいて第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの形成方法を説明する。

先ずステップＳ１でピニオンシャフト１７の第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂを形成すべき位置を所定の膜厚（例えば、３０μｍ）でＮｉ−Ｆｅメッキする。続くステップＳ２でピニオンシャフト１７に一方向の捩じりトルクを加え、ステップＳ３で前記捩じりトルクを加えた状態のまま、第１磁歪膜３９Ａの周囲を取り囲む加熱用コイル５５（図８参照）に高周波電流を流して加熱する。そしてステップＳ４でピニオンシャフト１７を冷却し、ステップＳ５で前記捩じりトルクを解放する。前記ステップＳ２〜Ｓ５の工程により第１磁歪膜３９Ａに磁気異方性を付与する。

続くステップＳ６でピニオンシャフト１７に他方向の捩じりトルクを加え、ステップＳ７で前記捩じりトルクを加えた状態のまま、第２磁歪膜３９Ｂの周囲を取り囲む加熱用コイル５５（図８参照）に高周波電流を流して加熱する。そしてステップＳ８でピニオンシャフト１７を冷却し、ステップＳ９で前記捩じりトルクを解放する。前記ステップＳ６〜Ｓ９の工程により第２磁歪膜３９Ｂに、第１磁歪膜３９Ａとは逆方向の磁気異方性を付与する。

図８に示すように、加熱用コイル５５の巻き数は概ね１ターンであって、軸方向一端側に設けられた巻き始めの端子５５ａと、軸方向他端側に設けられた巻き終りの端子５５ｂとを円周方向に僅かにずらすことにより、円周方向に距離ｄだけオーバーラップしている。その結果、巻き始めの端子５５ａおよび巻き終りの端子５５ｂの近傍で加熱用コイル５５が存在しない部分が発生するのを防止し、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂを全周に亘って均等に加熱することができる。

図７のフローチャートに戻り、ステップＳ１０で、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂのの一方（対応する検出コイルのインピーダンスが高い方）の表面に、図６に示す加圧ローラ５４を圧接して磁気特性を調整する。

以上のように、本実施の形態によれば、磁歪式トルクセンサＳｔのピニオンシャフト１７の表面に第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂを形成した後に、何れか一方の磁歪膜に機械的圧力を加えて磁気特性を調整するので、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの磁気特性のばらつきを電気的に補償する必要がなくなる。これにより、磁歪式トルクセンサＳｔのインターフェース回路を簡素化することができ、しかも経年変化により調整後にずれることもない。

次に、図９に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態では加圧ローラ５４を第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂに圧接して磁気特性を調整しているが、第２の実施の形態では支持台５６，５６上に載置したピニオンシャフト１７の第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂをポンチ５７で叩いて圧力を加えることで磁気特性を調整する。第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの磁気特性は、ポンチ５７の形状、叩く強さ、叩く回数により任意に調整することができる。

この第２の実施の形態によれば、加圧ローラ５４を回転させる駆動源が不要になって製造コストの削減が可能になる。

次に、図１０に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態では加熱用コイル５５は１ターンであるが、第３の実施の形態の加熱用コイル５５は複数ターン（例えば、３ターン）である。この場合も、巻き始めの端子５５ａおよび巻き終りの端子５５ｂを円周方向に僅かにずらして距離ｄだけオーバーラップさせることで、巻き始めの端子５５ａおよび巻き終りの端子５５ｂの近傍で加熱用コイル５５が一部存在しない部分が発生するのを防止することができる。

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、実施の形態では操舵トルクセンサＳｔを例示したが、本発明は回転軸に入力されるトルクを検出する任意の用途のトルクセンサに適用することができる。

また第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂをメッキにより形成する代わりに、蒸着や塗装により形成することができる。

また第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂを形成する際に、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの中間部分にトルクを付与し、加熱・冷却後にトルクを解放するようにしても良い。このようにすれば、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの両方に一度で磁気異方性を付与することができる。

第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の全体斜視図 図１の２−２線拡大断面図 図２の３−３線断面図 操舵トルクに対する検出コイルのインピーダンス特性を示す図 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 加圧ローラによる磁気特性の調整工程を示す図 磁歪膜を形成する工程を示すフローチャート 加熱用コイルの斜視図 第２の実施の形態に係るポンチによる磁気特性の調整工程を示す図 第３の実施の形態に係る加熱コイルを示す図

符号の説明

１７ ピニオンシャフト（回転軸）
３９Ａ 第１磁歪膜（磁歪膜）
３９Ｂ 第２磁歪膜（磁歪膜）
４０Ａ 第１励磁コイル（コイル）
４０Ｂ 第２励磁コイル（コイル）
４１Ａ 第１検出コイル（コイル）
４１Ｂ 第２検出コイル（コイル）
５５ 加熱用コイル

Claims (4)

1. 回転軸（１７）の表面に形成された磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）の周囲をコイル（４０Ａ，４０Ｂ；４１Ａ，４１Ｂ）で囲繞し、前記磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）の磁気特性の変化を前記コイル（４０Ａ，４０Ｂ；４１Ａ，４１Ｂ）で検出することで前記回転軸（１７）に加えられた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（１７）の表面に前記磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）を形成した後に、前記磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）に機械的圧力を加えて磁気特性を調整することを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 請求項１の磁歪式トルクセンサの磁歪膜を有する回転軸の製造方法であって、
   回転軸（１７）の表面に磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）を形成する第１工程と、
   前記磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）に磁気異方性を付与する第２工程と、
   を含むことを特徴とする磁歪膜を有する回転軸の製造方法。
3. 前記第２工程は、
   前記回転軸（１７）に所定のトルクを付与しながら該回転軸（１７）を加熱する工程と、
   前記回転軸（１７）を冷却する工程と、
   前記回転軸（１７）のトルクを解放する工程と、
   前記磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）に機械的圧力を付加する工程と、
   を含むことを特徴とする、請求項２に記載の磁歪膜を有する回転軸の製造方法。
4. 前記第２工程で前記回転軸（１７）を加熱する加熱用コイル（５５）は、巻き始め位置と巻き終り位置とが近接するとともに、巻き終り位置が巻き始め位置を僅かに超えた位置にあることを特徴とする、請求項３に記載の磁歪膜を有する回転軸の製造方法。
   

Images