JP5101561B2 - 磁歪式トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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と、該磁歪式トルクセンサを具備した電動パワーステアリング装置に関する。

非接触式トルクセンサとして、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が知られている。磁歪式トルクセンサは、車両用ステアリング装置の操舵トルク検出用等に用いられている（特許文献１参照）。

この種の磁歪式トルクセンサは、磁気異方性を異にする２つの磁歪膜（第１磁歪膜及び第２磁歪膜）をシャフトに設けると共に、第１磁歪膜及び第２磁歪膜に対向してそれぞれ第１検出コイル及び第２検出コイルを配置して構成されている。そして、シャフトにトルク（よじれ）が加えられると、第１磁歪膜及び第２磁歪膜の透磁率が変化し、これに応じて第１検出コイル及び第２検出コイルの各インダクタンスが変化するため、第１検出コイル及び第２検出コイルのインピーダンスあるいは誘導電圧の変化としてトルクを検出することができる。

特開２００４−３０９１８４号公報

上述したように、磁歪式トルクセンサは、回転軸の両端を捩じって捩りトルクを磁歪膜に印加すると、磁気歪効果（逆磁歪効果ともいう）により第１磁歪膜及び第２磁歪膜の透磁率や損失等の磁気特性が変化する現象を利用するものである。

このことから、回転軸は、機械的な捩りと曲げ強度を必要とするので、鉄合金を母材とし、さらに、熱処理、例えば調質、表面処理、表面焼入れ、ズブ焼入れ等の熱処理が必要である。この熱処理により、回転軸の母材中に多くの炭素が残留し、磁化の影響を受けやすいという問題がある。

上述のように、回転軸は、磁化の影響を受け易いことから、該回転軸を有する磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置に適用した場合、エンジンや発電機、または電気自動車用電動機等の交番磁界による交番磁束が回転軸（操舵軸）中を通過し、これにより、磁歪式トルクセンサからは、交番磁束の影響によってノイズが混入したセンサ信号が出力されることになる。このノイズによる振動音がハウジングや他の機器の音響板や共鳴板に影響を与え、異音（交番磁束音）が発生することになる。このノイズの対策として、ローパスフィルタで除去する方法が考えられるが、ローパスフィルタによる遅れにより、検出信号の応答性が低下し、ダイナミックレンジの広い出力信号を得ることができない。

このような磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリングに用いると、運転者のステアリングホイールにアシストするモータの遅れが大きく、滑らかな操舵フィーリングを得ることができない。

本発明は、これらの課題を解決した磁歪式トルクセンサと磁歪式トルクセンサを用いて操舵フィーリングを向上させた電動パワーステアリング装置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磁歪材と、該磁歪材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、前記軸部材を囲むように良導体である非磁性材料を設けたことを特徴とする。

これにより、軸部材への交番磁束の通過が抑制されることから、磁歪式トルクセンサから出力されるセンサ信号は、交番磁束による影響をほとんど受けなくなり、その結果、ノイズによる振動の発生や異音の発生を抑制することができる。また、良導体である非磁性材料として、銅、または銅合金、アルミ、またはアルミ合金等が挙げられるが、これらの材料は、加工がし易く、しかも、金や銀と比べて価格が安く入手しやすい。従って、磁歪式トルクセンサを低価格で作製でき、安定して市場に供給することができる。

［２］第１の本発明において、前記良導体である非磁性材料は、中空の円筒状を有するようにしてもよい。これにより、良導体である非磁性材料を軸部材に直接設けたり、コイルの近傍等に設ければよいので、取り付け場所の自由度が高く、しかも、調整も不要であるため、磁歪式トルクセンサの作製が容易になると共に、小型化することができる。

［３］第１の本発明において、前記良導体である非磁性材料は、少なくとも前記軸部材の径方向外側に渦電流を発生することができる厚みを有するようにしてもよい。良導体である非磁性材料は、厚みのある円筒状であり、しかも、渦電流を流すことができることから、軸部材内を通過しようとする交番磁束を打ち消す方向に磁束を発生させることができ、軸部材内への交番磁束の通過を有効に阻止することできる。

［４］第１の本発明において、前記良導体である非磁性材料は、前記軸部材とは別に作られた部材であってもよい。軸部材に一体に形成された場合と異なり、１つあるいは複数の部材を、軸部材への交番磁束の通過を有効に阻止する位置に、自由に組み付けることができ、磁歪式トルクセンサを容易に作製することができる。

［５］第１の本発明において、さらに、少なくとも前記軸部材、前記磁歪材及びコイルを収容するハウジングを有し、前記ハウジングは、前記軸部材の端部寄りに開口部を備え、前記開口部に前記良導体である非磁性材料が設けられていてもよい。通常、交番磁束は、軸部材のうち、ハウジングの外部に位置する部分（端部等）を介して軸部材を通過することになるため、交番磁束のほとんどはハウジングの開口部を通ることになる。従って、ハウジングの開口部に良導体である非磁性材料を設けることで、外部からの交番磁束が軸部材を通過するのを有効に阻止することができる。

［６］第２の本発明に係る電動パワーステアリング装置は、運転者が車両のステアリングホイールを操舵することによって発生する操舵トルクを検出する操舵トルクセンサを有し、モータの動力を操舵系に直接作用させて、運転者の前記操舵トルクを軽減する電動パワーステアリング装置において、前記操舵トルクセンサは、操舵軸を囲むように良導体である非磁性材料を設けたことを特徴とする。

これにより、電動パワーステアリングを取り巻く環境に、エンジンや発電機、または電機自動車用電動機の交番磁界が発生しても、操舵軸中を通過しなくなるので、ノイズの発生が無く、振動が減少されて、静粛でしかも応答性の良い滑らかな操舵フィーリングを得ることができるばかりか、その他の例えば舵角センサ等のような操舵軸やその近傍に設けられるセンサに悪影響を与えない。

以上説明したように、本発明に係る磁歪式トルクセンサによれば、交流磁束が軸部材又は磁歪材又はコイルを通過しなくなり、交番磁界の影響を受けにくくなる。その結果、操舵トルクを正確に検出することができる。

また、本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、周辺機器において交番磁界が発生しても、交番磁束は操舵軸中を通過しなくなるので、ノイズの発生が無く、振動が減少されて、静粛でしかも応答性の良い滑らかな操舵フィーリングを得ることができるばかりか、その他の例えば舵角センサ等のような操舵軸やその近傍に設けられるセンサに悪影響を与えない。

第１トルクセンサを一部破断して示す側面図である。 第１トルクセンサの入力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。 第１トルクセンサの回転軸に固定されるリングを示す斜視図である。 図４Ａは通常の磁歪式トルクセンサにおいて、回転軸に交番磁束が通過する状態を示す説明図であり、図４Ｂは第１トルクセンサにおいて、回転軸への交番磁束の通過が阻止された状態を示す説明図である。 図５Ａ及び図５Ｂは第２トルクセンサの構成を示す説明図である。 図６Ａ及び図６Ｂは第２トルクセンサの作用を示す説明図である。 第３トルクセンサを一部破断して示す側面図である。 第４トルクセンサを一部破断して示す側面図である。 第１パワーステアリング装置を示す構成図である。 第５トルクセンサを一部破断して示す側面図である。 第５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。 第２パワーステアリング装置の要部を一部破断して示す側面図である。 第３パワーステアリング装置の要部を一部破断して示す側面図である。

以下、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の実施の形態例を図１〜図１３を参照しながら説明する。

先ず、第１の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ（以下、第１トルクセンサ１０Ａと記す）について、図１〜図１３を参照しながら説明する。

この第１トルクセンサ１０Ａは、図１に示すように、図示されない軸受けにより回転自在に支持される回転軸１２と、該回転軸１２の表面に設けられた磁歪膜１４と、該磁歪膜の磁気特性の変化を検出する検出コイル１６とを有する。

回転軸１２は、機械的な強度を必要とするため、鉄合金、例えば、機械構造用鋼材（ＳＣ材）やクロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ材）を用い、さらに、熱処理、例えば表面処理（高周波焼入れや浸炭等）により強度を確保しつつ、靭性を付与している。そのため、母材中と表面に炭素が残存し、磁化されやすいという性質を有する。

磁歪膜１４は、例えばＦｅ−Ｎ合金や、Ｆｅ−Ｃｏ合金、ＳｍＦｅ合金等で形成されるが、ここではＦｅ−Ｎｉ合金で説明する。この磁歪膜１４は、厚さ５〜１００μｍ程度であり、回転軸１２にめっき法、溶射法、スパッタ法、蒸着法、接着法等により製作される。これにより、回転軸１２の外周にほぼ均一な膜厚で密着良く設けられる。もちろん、回転軸１２のうち、磁歪膜１４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１４との密着性を向上させている。

磁歪膜１４には異方性が付与されている、この異方性は、例えば、５〜２００Ｎｍ程度（要求によってこれ以上でもよいし、以下でもよい）の捩りトルク（単に、トルクと記す場合もある）を印加しながら、例えば高周波誘導加熱のような熱処理法で、例えば３００〜５００℃程度に数秒から数１００秒、加熱し、磁歪膜１４に熱を加える。この熱により、回転軸１２を介して磁歪膜１４に印加されていたトルク（５〜２００Ｎｍ）による歪は抜けて、概ね応力が作用しない状態といってよいくらいになる。この状態で常温まで冷却する。そして、印加していたトルクを開放すると磁歪膜１４に異方性が付与される。すなわち、磁歪膜１４に入力トルクと反対方向のトルクが回転軸１２から作用される。

この異方性が付与されたときの特性を図２を用いて説明する。図２に示すように、回転軸１２に印加する入力トルクを横軸に、縦軸に例えばインピーダンスをとって示すと、図２中、破線Ａは異方性が付与される前の磁歪膜１４の検出コイル１６による出力特性を示し、図２中、実線Ｂは、例えば５０Ｎｍのトルクを印加しながら、例えば高周波誘導加熱のような熱処理法で、例えば３００〜５００℃程度に数秒から数１００秒、加熱し、この加熱によって、回転軸１２を介して磁歪膜１４に印加されていたトルクによる歪を抜いて、常温に冷却したときの特性である。加熱によってトルクによる歪が抜かれる原因は、加熱によって磁歪膜１４にクリープが発生したことによるものと考えられる。そして、磁歪膜１４には、印加したトルク５０Ｎｍより小さいが概ね近いトルクが、例えば４５Ｎｍ程度が残留する。このように異方性を付与すると、図２からもわかるように、第１トルクセンサ１０Ａの実質的な使用範囲Ｗで高い傾きｓ、すなわち、大きな感度を得ることができる。

図１に示すように、磁歪膜１４には、径方向にほぼ均等な適当な間隙ｄａを有して円筒状の検出コイル１６が設けられる。間隙ｄａは、０＜ｄａ≦１ｍｍ程度の範囲で設定される。この検出コイル１６は、断面略コの字の形をした樹脂で形成されたボビン１８内に多重巻きされた巻線２０により形成される。そして１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で適当な、例えば１０ｋＨｚ程度の周波数で励磁され、検出コイル１６と異方性の付与された磁歪膜１４との間の透磁率を検出する。

そして、この第１トルクセンサ１０Ａにおいては、中空の円筒状のリング２２が、磁歪膜１４の近傍、例えば図１中、磁歪膜１４の右端の近傍に、圧入により一体的に固定される。磁歪膜１４の右端からリング２２の左端までの間隔ｄｂは、０＜間隔≦１０ｍｍの範囲が望ましいがそれ以上でもよい。固定方法は、接着でもカシメで固定してもよい。なお、リング２２は、図１中、磁歪膜１４の左端の近傍でもよいし、磁歪膜１４の両端の近傍にそれぞれ設けてもよい。リング２２は、良導体（電気抵抗が小さい）である非磁性材料、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等で構成されており、体積抵抗率が小さい。本実施の形態では、Ａｌ材にて構成されている。また、このリング２２は、回転軸１２の径方向外側に渦電流を発生することができる厚みを有することが好ましい。例えば図３に示すように、寸法として、軸方向の長さｈが１〜５ｍｍ、径方向の厚みｔが１〜５ｍｍが挙げられるがそれ以外でもよい。

次に、第１トルクセンサ１０Ａの作動原理について説明する。

この第１トルクセンサ１０Ａでは、回転軸１２を介してトルクを磁歪膜１４に印加すると、磁気歪効果（逆磁歪効果ともいう）により、磁歪膜１４の透磁率や損失等の磁気特性が変化する現象を利用する。この磁歪膜１４の透磁率や損失等の磁気特性が変化を検出コイル１６により電気的に検出する。ここでは、インダクタンス変化（リアクタンス変化も含む）やインピーダンス変化（抵抗変化も含む）等に変換して検出する。例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金であるとすると、正の磁歪定数を有するので、引っ張り応力が印加されると、透磁率が増大し、逆に圧縮応力が印加されると、透磁率が減少する。異方性の付与により、常に圧縮応力が印加されているので、図２に示すように、右（時計）方向のトルク（＋）を印加して増大させると（但し、使用範囲Ｗ内）、圧縮応力がより小さくなることから、透磁率が増大し、インピーダンスが増大する。逆に、左（反時計）方向のトルク（−）を印加させた場合には、圧縮応力がさらに減少することにより、透磁率が減少し、インピーダンスがさらに減少する。これを電気的に検出してトルクを検出する。

ここで、リング２２による作用を説明する。例えばエンジンや発電機、工業用モータ等の近くに、この磁歪式トルクセンサが設置されると、回転機械の磁束Φが漏れて、図４Ａに示すように、回転軸１２の母材中を貫通するが、図１に示す第１トルクセンサでは、回転軸１２にリング２２を設けているので、回転機械の磁束が漏れていても、図４Ｂに示すように、回転軸１２の母材中を貫通することはない。

これは、図４Ａに示すような交番磁束Φが回転軸１２を貫通してリング２２を通ろうとすると、リング２２に渦電流が発生して、回転軸１２内を通過しようとする交番磁束Φを打ち消す方向に磁束が発生することによる。その結果、回転軸１２内への交番磁束Φの通過を有効に阻止することできる。もちろん、リング２２は電気抵抗が小さいので、交番磁束Φの一部が熱となって消費される。回転軸１２内への通過を阻止された交番磁束Φは、ほかの経路を通ることになる。体積抵抗率が小さい程、リング２２にて発生する渦電流が大きくなるため、交番磁束Φの阻止効果がより大きくなる。また、磁歪膜１４の両端近傍にそれぞれリング２２を設置しても、交番磁束Φの阻止効果をより大きくすることができる。

このように、第１トルクセンサ１０Ａにおいては、回転軸１２への交番磁束Φの通過が抑制されることから、第１トルクセンサ１０Ａから出力されるセンサ信号は、交番磁束Φによる影響をほとんど受けなくなり、その結果、ノイズによる振動の発生や異音の発生を抑制することができる。

また、上述した異音発生の対策としてのローパスフィルタを設置する必要がないため、ローパスフィルタに起因する遅れがなく、高い応答性、すなわち、ダイナミックレンジの広い出力信号を得ることができる。また、リング２２をアルミ材で製作したので、組み立て製作がし易く、しかも価格が安く入手しやすい（金や銀に比べて）材料なので、第１トルクセンサ１０Ａを低価格で製作でき、安定して市場に供給できる。

さらに、円筒状のリング２２としたので、リング２２を回転軸１２に直接設けたり、検出コイル１６の近傍等に設ければよいので、取り付け場所の自由度が高く、しかも、調整も不要であるため、第１トルクセンサ１０Ａの作製が容易になると共に、小型化することができる。

また、リング２２は、回転軸１２とは別に作られた部材で構成したので、回転軸１２に一体に形成された場合と異なり、１つあるいは複数のリング２２を、回転軸１２への交番磁束Φの通過を有効に阻止する位置に、自由に組み付けることができ、第１トルクセンサ１０Ａを容易に作製することができる。

次に、第２の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ（以下、第２トルクセンサ１０Ｂと記す）について図５Ａ〜図６Ｂを参照しながら説明する。

この第２トルクセンサ１０Ｂは、上述した第１トルクセンサ１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、検出コイル１６が、断面略コの字の形で、且つ、電磁鋼板等の軟磁性体からなるヨーク２４と、このヨーク２４に多重巻きされた巻線２０とで構成されている点で異なる。

ここで、第２トルクセンサ１０Ｂの作動原理について説明する。この第２トルクセンサ１０Ｂについても、上述した第１トルクセンサ１０Ａと同様に、回転軸１２の両端を捩じって、捩りトルクを磁歪膜１４に印加すると、磁気歪効果（逆磁歪効果）により磁歪膜１４の透磁率や損失等の磁気特性が変化する現象を利用するものである。この磁歪膜１４の透磁率や損失等の磁気特性の変化を検出コイル１６により電気的に検出する。

具体的には、インダクタンス変化（リアクタンス変化も含む）やインピーダンス変化（抵抗変化も含む）等に変換して検出する。例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金であれば、正の磁歪定数を有するので、引っ張り応力が印加されると、透磁率が増大し、逆に、圧縮応力が印加されると、透磁率が減少するので、検出コイル１６を図５Ａ及び図５Ｂに示すように、回転軸１２の軸方向に対して約４５°の方向に傾斜させて取り付けることにより、印加されたトルクを引っ張り方向と圧縮方向の応力として検出することができる。

上述の動作原理を図６Ａ及び図６Ｂを用いて具体的に説明する。図６Ａは、右（時計）方向のトルクを印加させた場合である。このとき、検出コイル１６は、回転軸１２の軸方向に対して約４５°の方向に傾斜させて取り付けられていることにより、約４５°方向の圧縮方向の応力を検出するので、透磁率が減少し、これを電気的に検出コイル１６で検出すると、検出コイル１６のインダクタンスは減少する。逆に、図６Ｂに示すように、左（反時計）方向のトルクを印加させた場合には、検出コイル１６には、引っ張り方向の応力が印加されるので、透磁率が増大し、これを電気的に検出すると検出コイル１６のインダクタンスは増大する。このインダクタンスの変化を検出することで、トルクを検出することができる。

回転軸１２は、機械的な捩りと曲げ強度を必要とするので、鉄合金を母材とし、さらに、熱処理、例えば調質、表面処理、表面焼入れ、ズブ焼入れ等の熱処理が必要である。この熱処理により、回転軸１２の母材中に多くの炭素が残留し、磁化の影響を受けやすい。

しかし、第１トルクセンサ１０Ａと同様に、円筒状のリング２２を、磁歪膜１４の近傍に例えば圧入により一体的に固定されているため、回転軸１２内への交番磁束Φの通過を阻止することができ、第１トルクセンサ１０Ａと同様の効果を得ることができる。

次に、第３の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ（以下、第３トルクセンサ１０Ｃと記す）について図７を参照しながら説明する。

この第３トルクセンサ１０Ｃは、上述した第１トルクセンサ１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、図７に示すように、回転軸１２と磁歪膜１４との間に、中間膜２６が介在している点で異なる。

すなわち、磁歪膜１４と回転軸１２との間に、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、カドミウム（Ｃｄ）のいずれかの金属、あるいはいずれかを主成分とする合金による中間膜２６を設け、回転軸１２にトルクを印加しながら、中間膜２６の構成材料が溶融する温度以上に加熱して、磁歪膜１４に印加されていたトルクによる歪を開放させる。その後に、このトルクが入力された状態で常温に冷却して中間膜２６を凝固させる。凝固した後で、印加されていたトルクを開放する。これにより、磁歪膜１４に異方性が付与される。この第３トルクセンサ１０Ｃにおいても、図２と同等の特性を得ることができる。

この第３トルクセンサ１０Ｃも、回転軸１２には機械的な強度を必要とする。そのため、鉄合金を母材とし、さらに、熱処理により強度を確保しなければならず、磁化の影響を受けやすい。

しかし、第１トルクセンサ１０Ａと同様に、円筒状のリング２２を、磁歪膜１４の近傍、例えば図７中、中間膜２６の右端の近傍に、圧入により一体的に固定するようにしたので、回転軸１２内への交番磁束Φの通過を阻止することができ、第１トルクセンサ１０Ａと同様の効果を得ることができる。なお、中間膜２６の右端からリング２２の左端までの間隔ｄｃは、０≦間隔≦１０ｍｍの範囲が望ましいがそれ以上でもよい。この場合も、リング２２は、図７中、中間膜２６の左端の近傍でもよいし、中間膜２６の両端の近傍にそれぞれ設けてもよい。

次に、第４の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ（以下、第４トルクセンサ１０Ｄと記す）について図８を参照しながら説明する。

第４トルクセンサは、上述した第１トルクセンサ１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、図８に示すように、少なくとも回転軸１２、磁歪膜１４及び検出コイル１６を収容するハウジング２８を有し、このハウジング２８に円筒状のリング２２が固定されている点で異なる。

具体的には、ハウジング２８は、樹脂又は金属にて構成され、金属製の場合は、鉄合金材であればアルミニウムを含んでもよいが、アルミ合金材であれば、銅を含むことが好適である。アルミ合金材の中でも、純銅又は銅合金を含む材料は他のアルミ合金材よりも電気抵抗が小さいからである。ここでは、銅を含むアルミ合金を例にとって説明する。

ハウジング２８は、アルミ合金からなり、一方の端部及び他方の端部に設置された第１軸受け３０ａ及び第２軸受け３０ｂを介して回転軸１２を回転自在に支持している。回転軸１２は、両端に他の装置に締結するためのセレーション３２が設けられ、他の装置との締結を確実なものにしている。セレーション３２の他にキー溝やフランジを設け、また、ゴムカップリングで締結してもよい。

ハウジング２８は、軸方向中央部であって、回転軸１２と対向する部分に、検出コイル１６が収容されるリング状の凹部３４が形成されており、検出コイル１６と凹部３４との間には電磁鋼板等の軟磁性体からなるリング状のヨーク３６が設置されている。

リング２２は、ハウジング２８のアルミ合金よりも体積抵抗率の小さい、つまり、電気抵抗の小さい純銅、純アルミ又は銅合金、アルミ合金にて構成され、ハウジング２８の内壁面のうち、一方の開口部３８ａの近傍に固定されている。一方の開口部３８ａ（ハウジング２８の一方の端面）からリング２２の右端までの間隔は、例えば０≦間隔≦１０ｍｍの範囲であるがそれ以外でもよい。リング２２の固定方法は、圧入でもよいし、接着でもカシメで固定してもよい。リング２２は、図８中、ハウジング２８の内壁面のうち、他方の開口部３８ｂの近傍でもよいし、一方の開口部３８ａ及び他方の開口部３８ｂの各近傍にそれぞれ設けてもよい。リング２２は、第１軸受け３０ａの端面（回転軸１２の一方の端部寄りの端面）に固定してもよいし、第２軸受け３０ｂの端面（回転軸１２の他方の端部寄りの端面）に固定してもよいし、第１軸受け３０ａ及び第２軸受け３０ｂの各端面に固定してもよい。

そして、エンジンや発電機、工業用モータ等の近くに、この第４トルクセンサ１０Ｄが設置されると、回転機械の交番磁束Φが漏れて、通常は、図４Ａの場合と同様に、回転軸１２の母材中を貫通するが、このとき、交番磁束Φは、回転軸１２のうち、ハウジング２８の外部に位置する部分（回転軸１２の一方の端部、他方の端部等）を介して回転軸１２を通過することになるため、交番磁束Φのほとんどはハウジング２８の一方の開口部３８ａを通ることになる。

しかし、第４トルクセンサ１０Ｄは、ハウジング２８の一方の開口部３８ａの近傍にリング２２を設けるようにしたので、回転機械の交番磁束Φが漏れていても、図４Ｂの場合と同様に、回転軸１２の母材中を貫通することはない。従って、この第４トルクセンサ１０Ｄにおいても、第１トルクセンサ１０Ａと同様の効果を得ることができる。

次に、例えば第１トルクセンサ１０Ａ〜第４トルクセンサ１０Ｄの考えを適用した本実施の形態に係る電動パワーステアリング装置について図９〜図１３を参照しながら説明する。

先ず、第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置（以下、第１パワーステアリング装置５０Ａと記す）は、図９に示すように、運転者がステアリングホイール５２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５４、第１自在継手５６ａ、中間軸５８、第２自在継手５６ｂ、連結部５７（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６０の操舵軸６２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６０は、上述した操舵軸６２と、運転者の操舵トルクを検出するセンサである第５の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ（以下、第５トルクセンサ１０Ｅと記す）と、運転者の操舵に対して動力補助するモータ６４（例えばブラシレスモータ）と、このモータ６４の回転トルクを倍力する減速装置６６（ウォーム６８及びウォームホイール７０）と、ラック・ピニオンギヤ７２のラックギア７４とボールねじ７６のねじ溝７８とが形成されたラック軸８０とを有する。減速装置６６のウォームホイール７０はボールねじ７６に固定されている。

操舵軸６２は、一方の端部に、ステアリングホイール５２が、ステアリング軸５４、第１自在継手５６ａ、中間軸５８及び第２自在継手５６ｂを介して連結され、他方の端部がラック・ピニオンギヤ７２のピニオンギヤ８２を構成している。

そして、減速装置６６にて倍力された回転トルクは、ボールねじ７６を介してラック軸８０の軸方向の推力に変換され、タイロッド８４ａ及び８４ｂを介して左右のタイヤ８６ａ及び８６ｂに伝達される。これにより、ステアリングホイール５２の操舵角に応じてタイヤ８６ａ及び８６ｂ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８８（ＥＣＵ）は、少なくとも第５トルクセンサ１０Ｅからの信号を基本にして、例えば車速センサ９０等の信号に基づいて、モータ６４を駆動制御する。なお、図１０では、各種配線、例えば制御装置８８と第５トルクセンサ１０Ｅ間の配線、制御装置８８とモータ６４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第５トルクセンサ１０Ｅにより検出し、制御装置８８を介してこのトルクセンサ信号を基に車速センサ９０からの信号等に応じてモータ６４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６６とボールねじ７６を介してラック軸８０に作用し、その結果、ステアリングホイール５２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Ａ_Hの係数を、例えば一定のｋ_Aとすると、
Ａ_H＝ｋ_A×Ｔｓ
であるから、負荷をピニオントルクをＴｐ±で考えると、
Ｔｐ＝Ｔｓ＋Ａ_H
＝Ｔｓ＋ｋ_A×Ｔｓ
であり、その結果、操舵トルクＴｓは、
Ｔｓ＝Ｔｐ／（１＋ｋ_A）
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＋ｋ_A）に軽減される。この場合、ｋ_A＞０又はｋ_A＝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５２を操作する際の手応え感が減少することになるが、定数ｋ_A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、第５トルクセンサ１０Ｅは、図１０に示すように、操舵軸６２の外周面に設けられた１つの磁歪膜１４と、操舵軸６２に作用される捩りトルクに応じて変化する磁歪膜１４の透磁率の変化を検出する第１検出コイル１６ａと第２検出コイル１６ｂと、少なくとも操舵軸６２、磁歪膜１４、第１検出コイル１６ａ及び第２検出コイル１６ｂを収容するハウジング９１により構成される。また、第１検出コイル１６ａ及び第２検出コイル１６ｂには、それぞれ磁気シールド用の第１バックヨーク９２ａ及び第２バックヨーク９２ｂが取り付けられ、これら第１バックヨーク９２ａと第２バックヨーク９２ｂとの間に、第１検出コイル１６ａと第２検出コイル１６ｂとの位置決め等を兼ねたスペーサ９３が介在されている。操舵軸６２は、一方の端部寄りに設置された第１軸受け９４ａ、中央部分に設置された第２軸受け９４ｂ及び他方の端部に設置された第３軸受け９４ｃによりハウジング９１に回転自在に支持されている。また、ハウジング９１は、操舵軸６２の一方の端部寄りに開口部９６を有し、該開口部９６には、シール部材９８（例えばオイルシール）が設けられて、ハウジング９１内及びステアリングギヤボックス６０内の気密が保たれている。

上述したように、操舵軸６２の一方の端部寄りの外周面には、厚さ５〜１００μｍのＦｅ−Ｎｉ系（Ｆｅ−Ｃｏ合金やＳｍＦｅ合金等でも良い）の磁歪材からなる１つの磁歪膜１４が、めっき法（溶射法、スパッタ法や蒸着法、接着法等の製法でもよい）により設けられる。これにより、操舵軸６２の外周面にほぼ均一な膜厚で密着よく成膜することができる。もちろん、操舵軸６２のうち、磁歪膜１４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１４との密着性が向上されている。

この磁歪膜１４にそれぞれ相異なる、すなわち、それぞれ逆の第１異方性部１００ａと第２異方性部１００ｂが付与され、図１１の出力特性に示す検出データＤＴ１とＤＴ２のような逆の勾配を持った特性が得られるようになっている。

磁歪膜１４への異方性の付与は、例えば５〜２００Ｎｍ程度（要求によってはこれ以上でもこれ以下でもよい）のそれぞれ逆方向のトルクを印加しながら、例えば高周波誘導加熱のような熱処理法で、例えば３００〜５００℃程度に数秒から数１００秒、加熱する。これにより、操舵軸６２を介して磁歪膜１４に印加されていたそれぞれ逆方向のトルクによる歪が抜けるため、その後、概ね応力が作用しない状態にする。この状態で常温まで冷却する。そして、印加していたトルクを開放すると、磁歪膜１４にそれぞれ逆の第１異方性部１００ａと第２異方性部１００ｂが付与される。

そして、図示しないコネクタを介して制御装置８８によって第１検出コイル１６ａ及び第２検出コイル１６ｂが交流通電される。この交流通電により、操舵トルクに応じて生じる磁歪膜１４の第１異方性部１００ａと第２異方性部１００ｂ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１０２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１０２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１０２は、制御装置８８内に設けても、ハウジング９１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１０２を介して制御装置８８内の演算部１０４に取り込まれ、例えば下式に基づいて、図１１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６４の制御が実施される。

そして、この第５トルクセンサ１０Ｅにおいては、ハウジング９１の内壁面のうち、開口部９６の近傍に円筒状のリング２２が固定されている。具体的には、ハウジング９１の開口部９６の近傍に設置されたシール部材９８と第１軸受け９４ａとの間にリング２２が固定されている。リング２２は、ハウジング９１のアルミ合金よりも体積抵抗率の小さい、つまり、電気抵抗の小さい純銅、純アルミ又は銅合金、アルミ合金にて構成されている。リング２２は、上述した開口部９６の近傍に加えて、第２軸受け９４ｂ寄りの部分に固定してもよい。

このように、第５トルクセンサ１０Ｅを設置した第１パワーステアリング装置５０Ａにおいては、リング２２をハウジング９１の開口部９６の近傍に固定するようにしたので、自身のモータ６４やエンジンや発電機、または電気自動車用電動機等の交番磁界による交番磁束Φが操舵軸６２中を通過しなくなる。その結果、交番磁束Φに起因するノイズの発生がなく、振動が減少されて、静粛でしかも応答性のよい滑らかな操舵フィーリングを得ることができる。

また、上述した異音発生の対策としてのローパスフィルタを設置する必要がないため、ローパスフィルタに起因する遅れがなく、高い応答性の操舵フィーリングを得ることができる。

さらに、その他の例えば舵角センサ等のような操舵軸やその近傍に設けられるセンサに悪影響を与えることがない。

次に、第２の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置（以下、第２パワーステアリング装置５０Ｂと記す）について図１２を参照しながら説明する。

この第２パワーステアリング装置５０Ｂは、上述した第１パワーステアリング装置５０Ａとほぼ同様の構成を有するが、図１２にその要部を示すように、ハウジング９１の開口部９６の近傍に、第１軸受け９４ａに代えて、すべり軸受け１０６が設置され、さらに、操舵軸６２のうち、一方の端部寄りの位置にリング２２が固定されている点で異なる。具体的には、リング２２は、操舵軸６２のうち、磁歪膜１４の上端とすべり軸受け１０６の下端との間に固定されている。リング２２の上端からすべり軸受け１０６の下端までの間隔は、例えば０ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲である。なお、すべり軸受け１０６を電気抵抗率の低い銅合金などで作ればリング２２の効果を発揮するため、部材が少なくなりコストを削減することができる。

次に、第３の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置（以下、第３パワーステアリング装置５０Ｃと記す）について図１３を参照しながら説明する。

この第３パワーステアリング装置５０Ｃは、上述した第１パワーステアリング装置５０Ａとほぼ同様の構成を有するが、図１３にその要部を示すように、操舵軸６２に減速装置６６のウォームホイール７０が設けられ、モータ６４の回転トルクがウォーム６８及びウォームホイール７０を介して操舵軸６２に伝達される点で異なる。なお、図示しないが、ラック軸８０には、ボールねじ７６は設置されていない。

すなわち、減速装置６６にて倍力された回転トルクは、ラック・ピニオンギヤ７２のピニオンギヤ８２を介してラック軸８０の軸方向の推力に変換され、タイロッド８４ａ及び８４ｂを介して左右のタイヤ８６ａ及び８６ｂに伝達されるようになっている。

この第３パワーステアリング装置５０Ｃにおいても、ハウジング９１の開口部９６の近傍にリング２２を固定するようにしたので、上述した第１パワーステアリング装置５０Ａと同様の効果を得ることができる。

特に、この第３パワーステアリング装置５０Ｃにおいては、リング２２がグリース溜めにでき、シール部材９８の耐久性を向上させることができる。また、操舵軸６２に減速装置６６を設置した関係から、自身のモータ６４の交番磁束Φが減速装置６６から操舵軸６２に通過しようとするが、リング２２の存在により、その通過を阻止することができる。この場合、リング２２を、ハウジング９１の開口部９６の近傍に加えて、ウォームホイール７０の近傍に設置すれば、交番磁束Φの阻止効果をより大きくすることができる。ウォームホイール７０の近傍としては、例えば操舵軸６２のうち、磁歪膜１４とウォームホイール７０との間の部分や、ハウジング９１の内壁面のうち、第２検出コイル１６ｂとウォームホイール７０との間の部分等が挙げられる。

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。

１０Ａ〜１０Ｅ…第１トルクセンサ〜第５トルクセンサ
１２…回転軸 １４…磁歪膜
１６…検出コイル １８…ボビン
２０…巻線 ２２…リング
２４…ヨーク ２６…中間膜
２８…ハウジング ３０ａ…第１軸受け
３０ｂ…第２軸受け ３８ａ…一方の開口部
３８ｂ…他方の開口部
５０Ａ〜５０Ｃ…第１パワーステアリング装置〜第３パワーステアリング装置
６２…操舵軸 ９１…ハウジング
９６…開口部 ９８…シール部材
１００ａ…第１異方性部 １００ｂ…第２異方性部
１０６…すべり軸受け

Claims (4)

1. 軸部材に設けられた磁歪材と、該磁歪材に対向して配置され、該磁歪材の磁気特性の変化を検出するコイルと、前記軸部材を支持する軸受けとを有する磁歪式トルクセンサであって、
   前記軸部材を囲むように良導体である非磁性材料が設けられ、
   前記良導体である非磁性材料は、前記軸受けとは別部材であって、且つ中空の円筒状を有し、前記軸部材の全周にわたって接触するように、且つ、前記コイルに対して軸方向に異なる位置にのみ設けら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、
   前記良導体である非磁性材料は、少なくとも前記軸部材の径方向外側に渦電流を発生することができる厚みを有す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、
   前記良導体である非磁性材料は、前記軸部材とは別に作られた部材であることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
4. 運転者が車両のステアリングホイールを操舵することによって発生する操舵トルクを検出する操舵トルクセンサを有し、モータの動力を操舵系に直接作用させて、運転者の前記操舵トルクを軽減する電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵トルクセンサは、
   軸部材に設けられた磁歪材と、該磁歪材に対向して配置され、該磁歪材の磁気特性の変化を検出するコイルと、前記軸部材を支持する軸受けとを有し、
   前記軸部材を囲むように良導体である非磁性材料が設けられ、
   前記良導体である非磁性材料は、前記軸受けとは別部材であって、且つ中空の円筒状を有し、前記軸部材の全周にわたって接触するように、且つ、前記コイルに対して軸方向に異なる位置にのみ設けられていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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