JP4878507B2

JP4878507B2 - 磁歪式トルクセンサの製造方法と電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4878507B2
Application number: JP2006169239A
Authority: JP
Inventors: 仁原田; 祐一福田; 瑞穂土肥; 信彦吉本; 均唐澤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-06-19
Also published as: JP2007333704A

Description

本発明は磁歪式トルクセンサの製造方法と電動パワーステアリング装置に関し、特に、各工程での磁化作用に起因するセンサごとのセンサ感度特性のバラツキを少なくし電動パワーステアリング装置等への組付け作業の効率を高めるのに適した磁歪式トルクセンサの製造方法、およびこの製造方法で作られた磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置に関する。

例えば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、一般的に、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軸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。操舵トルク検出部は、通常、トーションバー式トルクセンサで構成され、最近では磁歪式トルクセンサも提案されている。上記のステアリング軸は、操舵操作による回転力を受けて回転する回転軸として機能し、操舵トルク検出部でその回転軸となっている。電動パワーステアリング装置は、当該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快適な操舵フィーリングを与える。

上記電動パワーステアリング装置に用いられる操舵トルク検出部として、上記のごとく磁歪式トルクセンサが知られている。この磁歪式トルクセンサは、ステアリング軸の表面の所定の２箇所に、互いに逆向きの磁気異方性を持つ磁歪膜を備えている。磁歪式トルクセンサは、ステアリング軸にステアリングホイールからトルクが作用したときに、ステアリング軸に生じる捩れに応じた磁歪膜の磁歪特性の変化を非接触で検出するセンサ構成を有している。

上記のごとき磁歪式トルクセンサを製造するプロセスでは、上記ステアリング軸の一部の所定表面、すなわち回転軸における所定の軸方向幅の円周表面に磁歪膜を形成し、この磁歪膜に磁気異方性を付加する工程が必要である。磁歪式トルクセンサの製造において磁歪膜に磁気異方性を付加する従来の方法は、例えば電解めっき処理により磁歪材めっき部（磁歪膜）を形成した回転軸に対して捩りトルクを作用させ、回転軸の円周表面に応力を付与し、この応力付与状態にて恒温槽において当該回転軸を加熱処理するという方法であった（例えば、特許文献１参照）。
また磁気異方性を付加する従来の具体的方法としては、特許文献２に記載される方法がある。この方法では、ステアリング軸に磁歪膜をめっき処理で形成し、当該磁歪膜に応力付与と熱処理で磁気異方性を与えた後において、自動車のエンジンルームのような高温度雰囲気で長時間晒されても検出特性が変化しないようにするため、使用温度以上の温度（例えば１８０℃）で１〜３時間再加熱処理を行っている。
特開２００２−８２０００号公報特開２００４−３３３４４９号公報

従来の磁歪式トルクセンサの製造方法によれば、回転軸に磁歪膜を形成する電解めっき工程等や、回転軸の表面に形成された磁歪膜に磁気異方性を付加する加熱工程では、電磁作用を発生させる装置を備えるため、回転軸に対して電磁作用を及ぼす。その結果、これらの工程において回転軸表面や磁歪膜表面の多数の箇所で一様でない不規則な磁化状態を生じさせる。このため、従来の磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造した磁歪式トルクセンサでは、磁歪膜における磁気異方性の特性が回転軸表面や磁歪膜表面に生じた不規則な磁化の影響を受け、トルク検出時のセンサ感度のバラツキとなる。特に、回転軸表面や磁歪膜表面の磁化は一様ではなく不規則であるので、磁歪式トルクセンサごとにトルク検出感度のバラツキが生じるという問題が提起される。このように磁歪式トルクセンサごとにトルク検出感度のバラツキが生じると、作業員は、磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置に組み付ける際に、検出感度の調整を行わなければならない。そのため、磁歪式トルクセンサの製造方法で完成された磁歪式トルクセンサの検出感度を全数検査する必要が生じ、さらに装置組付けの際に、検査で得られた各磁歪式トルクセンサの検出感度特性に応じてセンサ個々の調整を行う必要が生じた。

従って、従来の磁歪式トルクセンサの製造方法の工程を改善し、完成した磁歪式トルクセンサの検出感度のバラツキをなくすと、検出感度の全数検査を行う工程を省略することができ、かつ装置組付け時にセンサの感度調整作業を簡素化することができる。

以上のことから、磁歪式トルクセンサの製造方法の工程に起因するセンサごとの検出感度特性のバラツキを、当該製造方法の工程を改善することによって低減することが望まれている。
そのためには、磁歪式トルクセンサの回転軸や磁歪膜の表面に生じた不規則な磁化を除去する消磁する工程が必要となる。さらにこの消磁工程は、磁歪式トルクセンサの製造プロセスで当該プロセスの全体の効率を高め、複数の回転軸を同時に消磁でき、消磁作用の効果が高く、かつ確実に消磁できることが望まれている。

本発明の目的は、上記の課題を鑑み、磁歪式トルクセンサの製造プロセスに起因するセンサごとの検出感度特性のバラツキを当該製造プロセスを改善することにより少なくし、各センサごとのトルク検出感度についての全数検査工程を省略でき、装置組付け時のセンサ調整の負担を軽減することができ、もって電動パワーステアリング装置等への組付け作業の効率を高めることができると共に、製造プロセスの全体の効率を高め、複数の回転軸を同時に消磁でき、消磁作用の効果が高く、かつ確実に消磁できる磁歪式トルクセンサの製造方法、およびかかる製造方法で製造された磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法と電動パワーステアリング装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

第１の磁歪式トルクセンサの製造方法（請求項１に対応）は、磁歪式トルクセンサの回転軸に磁歪膜を形成する磁歪膜形成工程と、この磁歪膜形成工程で形成された磁歪膜に磁気異方性を付加する磁気異方性付加工程と、上記の回転軸に再加熱および冷却による周期的熱ストレスを加えることによって、アニールおよび消磁を行う熱ストレス付加工程と、からなり、前記周期的熱ストレスを加える処理は、前記加熱および前記冷却の周期が少なくとも２周期以上行われるように構成される製造方法である。

上記の製造方法によれば、磁歪式トルクセンサの回転軸を消磁する熱ストレス付加工程を有するため、磁歪膜形成工程や、磁気異方性付加工程等において回転軸の表面等に生じた一様でない不規則な残留磁化等を消磁するので、回転軸に形成された磁歪膜の磁歪特性が回転軸の残留磁化から影響を受けず、トルク検出時のセンサ感度などのセンサ特性のバラツキを低減することが可能となる。この消磁のための熱ストレス付加工程は、回転軸のアニール処理を行うときに同時に併せて消磁処理を行うことを可能にし、製造プロセスの全体の効率を高める。

第２の磁歪式トルクセンサの製造方法（請求項２に対応）は、上記の方法において、好ましくは、周期的熱ストレスを加える処理は、加熱温度と冷却温度の温度差が１４０℃以上ある周期的熱処理であることで特徴づけられる。

本発明の電動パワーステアリング装置（請求項３に対応）は、ステアリング系に補助トルクを付加するモータと、ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、少なくとも操舵トルクセンサからの操舵トルク信号に基づいてモータを駆動制御する制御手段とを備え、さらに操舵トルクセンサを、上記の各製造方法で製造された磁歪式トルクセンサとしたことで特徴づけられる。

本発明によれば次の効果を奏する。本発明による磁歪式トルクセンサの製造方法によれば、第１に、磁歪膜に磁気異方性を付加する工程の後に熱ストレス付加工程を設け、電解めっき工程等または磁気異方性付加工程で回転軸表面や磁歪膜表面などに生じた不規則な多数の磁化を可能な限り消磁するようにしたため、従来存在した不規則な磁化による磁歪膜の磁歪特性への影響が低減し、トルク検出時のセンサ感度特性のバラツキが低減する。

第２に、磁歪式トルクセンサごとのトルク検出感度に係るセンサ特性が均一化されるため、製造された磁歪式トルクセンサに対して全数検査を行う必要がなくなる。その結果、磁歪式トルクセンサの品質検査は抜取り検査で十分となり、それにより、磁歪式トルクセンサの品質検査での工程数が少なくなり、検査工程を時間短縮することができる。

第３に、磁歪式トルクセンサのセンサ特性が均一化するため、当該磁歪式トルクセンサの品質が向上し、この磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置等に組み付ける際にセンサの検出感度の調整が簡単になり、作業負担の軽減、作業時間の短縮を達成でき、作業効率を高めることができる。

第４に、回転軸の消磁処理を行う熱ストレス付加工程は、従来のアニール工程も兼ねるので、エンジンルーム内のような高温度の雰囲気に長時間さらされても検出出力の特性が変わらない磁歪式トルクセンサを製造することができる。また回転軸の消磁処理とアニール処理を同時に行うことにより、製造プロセス全体を簡略化でき、効率を高めることができる。加えて複数の回転軸を同時に消磁できるので、作業効率を高めることができる。さらに、消磁効果を高めることができ、確実に消磁することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

最初に図１〜図３を参照して磁歪式トルクセンサについて説明する。図１〜図３は本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法で製造され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は上記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、回転軸１１と、この回転軸１１の周囲に配置される１つの励磁コイル１２と２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂとから構成されている。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。

回転軸１１は、図３に示した利用例を参照すると、例えばステアリング軸２１の一部として構成される。回転軸１１は、その軸心１１ａの周りに矢印Ａのごとく右回転（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ている。回転軸１１には、軸方向にて上下２箇所に磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが設けられている。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々は、回転軸１１の軸方向にて一定の幅を有しかつ回転軸１１の円周方向の全周に渡って形成されている。各磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの軸方向の幅寸法、および２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの間隔寸法は条件に応じて任意に設定される。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、実際には、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磁気異方性加工を施すことにより、磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成される。

以下の説明では、説明の便宜上、「磁歪膜１４Ａ，１４Ｂ」と「磁歪材めっき部（１４Ａ，１４Ｂ）」は同一物を指すが、製造の段階・状況に応じて使い分けている。原則的に、磁気異方性を付加されて完成した段階を「磁歪膜１４Ａ，１４Ｂ」といい、その前の段階では「磁歪材めっき部（１４Ａ，１４Ｂ）」という。

上記の励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂは、図１に示すごとく、回転軸１１の表面に形成された２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して設けられる。すなわち、図１に示されるように、磁歪膜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。リング状の検出コイル１３Ａは、磁歪膜１４Ａの全周囲を囲み、かつ検出コイル１３Ａの軸方向の幅寸法は磁歪膜１４Ａの軸方向の幅寸法と略等しい。また磁歪膜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、リング状の検出コイル１３Ｂは、磁歪膜１４Ｂの全周囲を囲み、かつ検出コイル１３Ｂの軸方向の幅寸法は磁歪膜１４Ｂの軸方向の幅寸法と略等しい。さらに、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、回転軸１１の周囲に回転軸１１を囲むように設けられたリング状の支持枠体部１５Ａ，１５Ｂを利用して磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの周囲スペースに巻設されている。

図２では、回転軸１１の磁歪膜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。また、磁歪膜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、検出対象であるトルクに対応する誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂが出力される。

回転軸１１の表面に形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、例えばＮｉ−Ｆｅめっきによる電解めっき加工処理で作られた磁気異方性を有する磁歪膜である。２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々は、互いに逆方向の磁気異方性を有するように作られている。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１４Ａ，１４Ｂの各々に生じる逆の磁歪特性を、磁歪膜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。

上記磁歪式トルクセンサ１０は、例えば図３に示すごとく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まれる。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では、操舵トルク検出部２０、ステアリング軸２１（回転軸１１に対応）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の構成が示されている。

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る。ステアリング軸２１の上部に付設された操舵トルク検出部２０は、上記の磁歪式トルクセンサ１０を利用して構成されている。操舵トルク検出部２０は磁歪式トルクセンサ１０に対応し、また磁歪膜１４Ａ，１４Ｂ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内で、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。

ステアリング軸２１に対して操舵トルク検出部２０（磁歪式トルクセンサ１０）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１４Ａ，１４Ｂが形成され、これらの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対応して励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂが支持枠体部１５Ａ，１５Ｂおよびヨーク部３６Ａ，３６Ｂに支持され、設けられている。

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、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ギヤ４４と、ステアリング軸２１に固定されたウォームホイール４５とによって形成される。上記操舵トルク検出部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１４Ａ，１４Ｂの磁気特性の変化を、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの各出力端子から誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの変化として電気的に検出する。

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１４Ａ，１４Ｂでの磁歪効果に起因す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の方向と大きさを検出することができる。

図４についてさらに詳述する。図４は、前述のごとく、２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの磁歪特性曲線５１Ａ，５１Ｂを示す図である。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。また図４の縦軸は電圧軸を意味する。

磁歪膜１４Ａ，１４Ｂについての上記磁歪特性曲線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Ｖ_Ａ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Ｖ_Ｂ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。

次に、図５〜図１３を参照して、前述した磁歪式トルクセンサ１０の製造方法を説明する。図５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すなわちステアリング軸２１の製造工程である。図５は主に回転軸１１の製造工程の全体を示している。

図５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と磁気異方性付加工程Ｐ２と特性安定化工程Ｐ３と検査工程Ｐ４から構成されている。特性安定化工程Ｐ３は熱ストレス付加工程Ｐ３１から構成されている。また検査工程Ｐ４は、製造された回転軸の品質を検査する工程である。なお磁歪式トルクセンサ１０として完成するためには、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，１３Ｂ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。この磁歪膜形成工程Ｐ１では、電解めっき処理により回転軸１１の表面の所定箇所に磁歪材めっき部が磁歪膜の基礎となる部分として形成される。

磁歪膜形成工程Ｐ１では、まず、回転軸１１の洗浄等の前処理が行われる（ステップＳ１１）。その後に電解めっきが行われる（ステップＳ１２）。この電解めっき工程では、回転軸１１の上下の箇所で磁歪材が所定の膜厚になるように施される。上下の磁歪材めっき部は、後述する後処理によって磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａ，１４Ｂになる部分である。その後、乾燥が行われる（ステップＳ１３）。

上記の磁歪膜形成工程Ｐ１では、回転軸１１の表面に前述した磁歪膜１４Ａ，１４Ｂを形成するために電解めっき処理法を用いた。しかしながら、回転軸１１における磁歪膜１４Ａ，１４Ｂ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。

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に形成された上下２箇所の磁歪材めっき部に対して磁気異方性を付加し前述の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂを形成する工程である。磁気異方性付加工程Ｐ２は、上側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６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。図７は、磁気異方性付加工程Ｐ２の各ステップＳ２１，Ｓ２２における回転軸１１の磁歪材めっき部での軸径方向の温度分布と軸径方向の歪分布を示す図である。

磁気異方性付加工程Ｐ２の上側磁歪材めっき部を高周波加熱するステップＳ２１は、図６に示すごとく、最初に実行される、トルク印加装置により回転軸１１に所定の捩りトルクを印加するステップＳ２０１、次に所定の捩りトルクを印加した状態の回転軸１１の上側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熱処理ステップＳ２０２、次に加熱した回転軸１１を自然に冷却するステップＳ２０３、最後に捩りトルクを解放することによって上側磁歪材めっき部に磁気異方性を付加して上記磁歪膜１４Ａを形成するトルク解放ステップＳ２０４から構成されている。

上記の熱処理ステップＳ２０２では、回転軸１１の上側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により、回転軸１１の上側磁歪材めっき部は磁気異方性が付加され、これにより磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａが形成される。

回転軸１１の下側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、下側磁歪材めっき部に対して磁気異方性が付加され、これにより磁気異方性を有する磁歪膜１４Ｂが形成される。この場合には、下側磁歪材めっき部に磁気異方性を付加するときに、磁歪膜１４Ｂ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。

さらに図７と図８を参照して、磁記異方性付加工程Ｐ２で磁歪材めっき部に磁気異方性を付加し磁歪膜１４Ａを形成するメカニズムについて詳述する。

図７では、縦方向に示された回転軸１１の径方向の温度分布（１）と歪み分布（２）について、横方向に（ａ）トルク印加状態、（ｂ）誘導加熱状態、（ｃ）めっき部歪み解放状態、（ｄ）トルク解放状態の４つの状態が示されている。トルク印加状態（ａ）は図６に示したステップＳ２０１に対応し、誘導加熱状態（ｂ）は同図のステップＳ２０２に対応し、めっき部歪み解放状態（ｃ）は同図のステップＳ２０３に対応し、トルク解放状態（ｄ）は同図のステップＳ２０４に対応している。図７の（１）で軸６１は温度を表す軸を示し、（２）で軸６２は歪みを表す軸を示す。

図７の（ａ）では、捩りトルクＴｑを回転軸１１に作用させ、回転軸１１の円周表面に応力を与える。これにより捩りトルクＴｑが作用する。この場合、回転軸１１の径方向の歪み分布は、回転軸１１の中心に位置する軸心１１ａから周縁方向に向かって増加した分布ＳＴ１となる。ただし、分布ＳＴ１では、歪みの分布方向も含めて考えると、軸心１１ａの右側と左側では反対になるので、右側の歪み分布は正側（＋）に示され、左側の歪み分布は負側（−）に示されている。さらに、図７（ａ）で回転軸１１の径方向の温度分布は、破線で示すごとくなり、回転軸１１の軸心１１ａから周縁方向まで室温であって一定の分布Ｔ１となる。この室温は回転軸１１の温度の基準温度になる。

図７の（ｂ）では、回転軸１１に捩りトルクＴｑを作用させたまま、磁歪材めっき部の周囲を誘導加熱コイルで囲み、この誘導加熱コイルに対して高周波電流を流し、磁歪材めっき部を加熱処理する。図７の（ｂ）で、回転軸１１の径方向の歪み分布は、図７（ａ）の場合と同じである。また回転軸１１の径方向の温度分布は、回転軸１１の外周縁部に近いところから当該外周縁に向かって急激に増加する分布Ｔ２となる。

図７の（ｃ）では、冷却が行われ、その結果、磁歪材めっき部にクリープが生じ、磁歪材めっき部での歪みがゼロとなる。このときの回転軸１１の径方向の歪み分布は符号ＳＴ２で示される。図７（ｃ）の状態を示すステップは、加熱処理後、自然に冷却させるステップＳ２０３である。回転軸１１の径方向の温度分布Ｔ２の形状については実質的には変化がなく、冷却過程の推移と共に全体に温度は低下する。

図７の（ｄ）では、冷却後、回転軸１１に印加されていた捩りトルクＴｑを解除し、トルク解放を行う。これにより、歪み分布ＳＴ３に示されるごとく、回転軸１１内での径方向での歪み分布はゼロとなる。他方、反対に、歪み分布ＳＴ３に示されるごとく、磁歪材めっき部においてのみ歪み分布が生じる。この結果、当該歪み分布ＳＴ３によって磁歪材めっき部に磁気異方性を付加することができ、これにより磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａを形成することができる。なお、図７（ｄ）で温度分布は、Ｔ３に示すごとく全体になだらかに分布するように低減する。

なお磁歪膜１４Ｂを作る場合には、磁歪膜１４Ａに比較して逆向きの磁気異方性を付加するため、上記の捩りトルクＴｑとは逆方向の時計回りの捩りトルクを与えて前述のプロセスを実行する。

図８では、回転軸１１の上下２箇所に設けられる磁歪材めっき部のインピーダンス特性Ｚ_０と、磁歪材めっき部に磁気異方性を付加して形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのインピーダンス特性Ｚ_Ａ，Ｚ_Ｂを示す。図８において、横軸はトルク（Ｎｍ）を意味し、縦軸はインピーダンス（Ω）を意味している。磁気異方性が付加される前の段階の磁歪材めっき部のインピーダンス特性Ｚ_０は、磁気異方性が付加されることにより、磁歪膜１４Ａの場合にはインピーダンス特性Ｚ_Ａに、または磁歪膜１４Ｂの場合にはインピーダンス特性Ｚ_Ｂに変化する。磁歪膜１４Ａはインピーダンス特性Ｚ_Ａを有するため、磁歪膜１４Ａに対応する検出コイル１３Ａは前述した磁歪特性曲線５１Ａを有することになる。また磁歪膜１４ＢはインピーダンスＺ_Ｂを有するため、磁歪膜１４Ｂに対応する検出コイル１３Ｂは前述した磁歪特性曲線５１Ｂを有することになる。

なお図８において、範囲７３は、インピーダンス特性Ｚ_Ａ，Ｚ_Ｂの重複部分として略線形の変化特性が得られる範囲である。この範囲７３が磁歪式トルクセンサ１０のセンサ使用範囲として利用される。

上記の磁気異方性付加工程Ｐ２の後に特性安定化工程Ｐ３が行われる。特性安定化工程Ｐ３では、熱ストレス付加工程Ｐ３１が行われる。熱ストレス付加工程Ｐ３１では、例えば操舵トルク検出部２０が使用される状況での使用温度以上の温度で所定時間加熱処理を行い、次に冷却するという工程を少なくとも２周期以上行うという周期的熱ストレスを加える。また、このときの熱ストレスは、加熱温度と冷却温度の温度差が１４０℃以上あるようにする。

この熱ストレス付加工程Ｐ３１により、アニールと回転軸１１の表面に生じた磁化等の消磁を同時に行うことができる。この熱ストレス付加工程Ｐ３１によれば、回転軸１１上の全表面（磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの表面を含む）に生じたすべての磁化部分等を消磁し、残留磁化を初期化することができる。

前述した磁歪膜形成工程Ｐ１において、電解脱脂などの前処理工程のステップＳ１１、電解めっきのステップＳ１２、磁歪材めっき部に対する磁気異方性付加工程Ｐ２などの製造プロセスでは、各種の電磁発生装置が設けられている。そのため、例えば図９の（ａ）に示されるように、回転軸１１の表面（磁歪膜の表面も含む）に意図しない多数の磁化部ＭＳが生じる。図９の（ａ）では、熱ストレス付加工程Ｐ３１による消磁前の段階での回転軸１１の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの表面におけるばらついた複数の磁気異方性ＭＭと共に、回転軸１１の表面に多数の磁化部ＭＳや歪みＭＫが生じている。磁気異方性ＭＭ、磁化部ＭＳ、歪みＭＫは不規則に形成されている。

上記のごとく回転軸１１に磁化部ＭＳ等が不規則な状態で存在すると、印加トルクに応じて磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪特性に変化を生じさせるとき、この磁歪特性に不安定性の影響を与える。このような回転軸１１を磁歪式トルクセンサ１０に用いると、磁歪式トルクセンサ１０の検出感度が不安定になる。回転軸１１はその製造プロセスにおいて上記のような様々な要因で不規則に磁化されるため、磁化部ＭＳ等の発生状態は回転軸１１ごとに異なり、回転軸１１の間でバラツキが出て、磁歪式トルクセンサ１０のセンサ出力感度にもバラツキが出る。

そこで、上記のような状態の回転軸１１に対して、熱ストレス付加工程Ｐ３１による周期的再加熱処理でアニールと消磁処理を同時に行う。これにより、消磁後の回転軸１１の状態は、図９の（ｂ）のようになる。消磁後の回転軸１１はその表面に存在する磁化部ＭＳや歪みＭＫは初期化され、さらに２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに互いに逆向きの安定したセンサ出力感度を実現する磁気異方性ＭＭが形成される。その結果、前述した不安定な検出感度や、センサ出力感度のバラツキの問題は解消される。また、この熱ストレス付加工程Ｐ３１で同時に行われるアニールによって、センサ出力感度の熱安定性が増加する。

この熱ストレス付加工程Ｐ３１での加熱温度（上限温度）と冷却温度（下限温度）とそれらの温度の温度差は、次のようにして決定される。

磁性材料はキュリー点まで温度が上昇するとその時点で、残留磁化が消磁されるので、消磁するだけのためには、周期的に加熱と冷却を繰り返す必要はない。しかしながら、回転軸に設けられたピニオンの歯の部分は強度を増すために浸炭処理が施されており、キュリー点に達する２００℃以上で加熱すると浸炭部分が軟化してしまう。そのため、加熱温度は２００℃以下にする必要がある。また、加熱温度は、あらかじめ磁歪膜のクリープを進行させておくために、エンジンルームの環境温度である８０℃〜１００℃よりも高い温度にする。従って、この熱ストレス付加工程Ｐ３１での上限温度は１２０℃以上２００℃以下とする。

また、加熱温度と冷却温度の温度差ΔＴが大きければ大きいほど熱ストレスは強くなる。この熱ストレスが大きいほど消磁の効果は大きくなる。熱ストレスの効果を高めるために高温加熱後に冷却工程を設ける。例えば、磁歪膜に冷風を与えたり、回転軸を炉から移動したりすることにより強制冷却を行う。しかし、−６０℃以下になると、磁歪膜の結晶構造が変化してしまうため、冷却温度は−６０℃よりも高い温度までとする。

図１０は、本実施形態での熱ストレス付加工程Ｐ３１の温度変化の一例を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は温度を示す。曲線Ｃ１０がこの工程において回転軸１１に加える温度変化を示すグラフである。まず、回転軸１１を２０℃から約１時間で１８０℃まで昇温する。１８０℃の高温に達したら、その１８０℃の加熱温度で１時間保持する。その後、約１時間で−４０℃の低温まで冷却する。−４０℃の低温に達したら、その冷却温度で１時間保持する。その後、再び１８０℃の高温まで昇温する。１８０℃の加熱温度で１時間保持する。その後、再び冷却する。このように、加熱温度（上限温度）と冷却温度（下限温度）の差が少なくとも１４０℃以上ある熱周期が、少なくとも１周期以上繰り返される。これにより、確実な消磁が行われることが分かった。

この熱ストレス付加工程Ｐ３１により、図９の（ｂ）に示されるように回転軸１１に生じていた磁化部ＭＳが磁化状態はゼロとなり、磁歪膜形成工程Ｐ１等で回転軸１１に生じた不規則な磁化部や歪みを消磁する。これにより、回転軸１１に形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各磁気異方性ＭＭの特性が安定して維持され、トルク検出時のセンサ感度のバラツキを低減させることができる。

熱ストレス付加工程Ｐ３１の後には、抜取り検査の形式で実行される検査工程Ｐ４が行われる。

その後に、励磁コイル等の検出器を配置する検出器付設工程Ｐ５を設け、回転軸１１の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの周囲に磁歪特性の変化を検出する検出手段を配置する。以上の工程により、磁歪式トルクセンサ１０が完成する。

次に、前述した磁歪式トルクセンサの製造方法によって製造された磁歪式トルクセンサ１０のセンサ特性に関するテスト結果を説明する。

図１１は、本発明による磁歪膜に関して磁歪膜インピーダンスと印加磁界の関係を示す。横軸は、図２で示したコイル１２により印加した磁界を示し、縦軸は、コイル１３Ａまたはコイル１３Ｂで検出される磁歪膜インピーダンスを示す。曲線Ｃ１１は、熱処理も交流消磁も行わない初期状態の磁歪膜を示す特性である。曲線Ｃ１２は、熱処理と交流消磁をそれぞれ別工程で行った磁歪膜の示す特性である。曲線Ｃ１３は、図１０で示した本発明による所定温度で周期的に加熱するという周期的熱ストレスを加えた場合の磁歪膜の特性を示す。ここで、熱処理は、一定の時間高温で保つ処理であり、交流消磁は、回転軸に交流磁界を与え、その与えた交流磁界の大きさを徐々に減少させるように変化させて消磁する方法である。

曲線Ｃ１１で示した初期状態の磁歪膜では、トルクを印加した場合、左右対称性がなく、磁気特性に変動があり、均一性がないことがわかる。左右対称性がないと、磁気特性に変動が出てしまい、トルク検出時にもバラツキが生じてしまう。これに対して、熱処理と交流消磁を同時に行った曲線Ｃ１２では左右ほぼ対称を示しており、磁気特性が安定していることが分かる。また、周期的熱処理を行った曲線Ｃ１３でも曲線Ｃ１２と同様の左右対称の磁気特性を示しており、安定していることが分かる。

図１２は、本発明による磁歪式トルクセンサのエンジンルーム内の温度と同じ環境での感度の時間変化を示す。横軸は時間を示し、縦軸は感度を示す。曲線Ｃ１４は、磁歪膜のアニールを行わないで製造した磁歪式トルクセンサに対する変化を示すグラフであり、曲線Ｃ１５は、磁歪膜に熱ストレス付加工程を設けて製造した磁歪式トルクセンサに対する変化を示すグラフである。このグラフを見て分かるように、アニールを行わない場合には、感度は時間とともに変化しているが、熱ストレス付加工程を行った場合には、感度は時間の経過でほとんど変化がない。

図１３は、本発明による磁歪式トルクセンサのエンジンルーム内の温度と同じ環境での０点でのインピーダンスの変化率の時間変化を示す。横軸は時間を示し、縦軸はインピーダンスの変化率を示す。曲線Ｃ１６は、磁歪膜のアニールを行わないで製造した磁歪式トルクセンサに対する変化を示すグラフであり、曲線Ｃ１７は、磁歪膜に熱ストレス付加工程を設けて製造した磁歪式トルクセンサに対する変化を示すグラフである。このグラフを見て分かるように、アニールを行わない場合には、インピーダンスの変化率は時間とともに変化しているが、熱ストレス付加工程を行った場合には、インピーダンスの変化率は時間の経過でほとんど変化がない。

図１２と図１３で見られるように、熱ストレス付加工程Ｐ３１によって使用温度より高い温度にて予めクリープさせることにより、通常使用時にクリープすることがないので、高温度に対して変化がなくなり安定化する。また、同時に周期的に加熱することにより、製造工程で付加された磁化を消磁することができ、磁気特性を均一にすることができ、安定性を向上させることができる。これら二つの特性安定化処理を同時に行うことができるため、工数を削減する。

以上のように本発明によれば、製造工程で種々の事情で生じた回転軸の磁化等を初期化するようにしたため、磁歪式トルクセンサの特性のバラツキを低減することができ、工数を短縮し、品質を向上させることができる。

本発明は、電動パワーステアリング装置などで操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサを製造する方法として利用される。

本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法で製造される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である。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である。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要部縦断面図である。磁歪式トルクセンサにおける各検出コイルに関する磁歪特性曲線とセンサ検出特性を示すグラフである。本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法であり、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のフローチャートである。磁気異方性付加工程の各ステップ（ａ）〜（ｄ）での回転軸における径方向の温度分布（１）と歪み分布（２）を示す図である。本発明に係る磁歪式トルクセンサの製造方法での磁歪材メッキ部形成直後の磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性と磁気異方性付加後の磁歪膜を用いた磁歪式トルクセンサのインピーダンス特性を示す図である。熱ストレス付加工程の前後での回転軸の磁化等の状態を示す模式図である。熱ストレス付加工程での回転軸に加える温度変化を示すグラフである。本発明による磁歪膜に関して磁歪膜インピーダンスと印加磁界の関係を示すグラフである。エンジンルーム内の温度と同じ温度環境での磁歪式トルクセンサの感度の時間変化を示すグラフである。エンジンルーム内の温度と同じ温度環境での磁歪式トルクセンサのインピーダンスの変化率の時間変化を示すグラフである。

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検出コイル
１４Ａ，１４Ｂ磁歪膜
２０操舵トルク検出部
２１ステアリング軸
３１ギヤボックス
３４ラック・ピニオン機構
３５動力伝達機構
４２モータ
５１Ａ，５１Ｂ磁歪特性曲線（インピーダンス特性曲線）
Ｐ１磁性膜形成工程
Ｐ２磁気異方性付加工程
Ｐ３特性安定化工程
Ｐ３１熱ストレス付加工程

Claims

磁歪式トルクセンサの回転軸に磁歪膜を形成する磁歪膜形成工程と、
前記磁歪膜形成工程で形成された前記磁歪膜に磁気異方性を付加する磁気異方性付加工程と、
前記回転軸に再加熱および冷却による周期的熱ストレスを加えることによって、アニールおよび消磁を行う熱ストレス付加工程と、からなり、
前記周期的熱ストレスを加える処理は、前記加熱および前記冷却の周期が少なくとも２周期以上行われることを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。
前記周期的熱ストレスを加える処理は、加熱温度と冷却温度の温度差が１４０℃以上ある周期的熱処理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の製造方法。
ステアリング系に補助トルクを付加するモータと、前記ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、少なくとも前記操舵トルクセンサからの操舵トルク信号に基づいて前記モータを駆動制御する制御手段と、を備えた電動パワーステアリング装置において、
前記操舵トルクセンサを、請求項１または２に記載の製造方法で製造された磁歪式トルクセンサとしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。