(57)【要約】【課題】定格トルクに対して著しく高い過大トルクが入力されても、センサ特性、とりわけ中点出力が変化しない簡易な磁歪式トルクセンサシャフトを提供する。【解決手段】磁気異方性部分５を含む磁歪式トルクセンサシャフト２であって、上記磁気異方性部分５が、上記磁歪式トルクセンサシャフト２のねじりによって発生する同一の応力面上に設けた正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域を含む磁歪式トルクセンサシャフトを提供する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気異方性部分を含む磁歪式トルクセンサシャフトであって、上記磁気異方性部分が、上記磁歪式トルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面上に、正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域とを備えた磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項２】
前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域の境界が、トルクセンサシャフトの中心軸と平行である請求項１に記載の磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項３】
前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域の境界が、トルクセンサシャフトの中心軸を法線とする平面と平行である請求項１に記載の磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項４】
前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域の面積の比が、負：正＝９：１〜５：５である請求項１〜３のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項５】
前記トルクセンサシャフトの表面に、前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域を備える請求項１〜４のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項６】
前記磁気異方性部分を複数備え、各磁気異方性部分にそれぞれ前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域を備えた請求項１〜５のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のトルクセンサシャフトを含む磁歪式トルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆磁歪効果を利用した磁歪式トルクセンサに関し、特に、過大トルク入力後の中点出力変動を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のトランスミッションや４ＷＤトルクスプリッタ、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）等では、適切な制御を行うためにトルクを検出する必要がある。例えば、ＥＰＳとは、自動車等のハンドルに入力されたトルクに応じて電動モータを制御し、アシスト力を発生させるパワーステアリングシステムであり、その制御にはハンドルに加えられたトルクの検出が必須である。従来、このようなトルクの検出にはトルクセンサが用いられている。特に、これらの装置は人間が直接操作するものであり、剛性感や自然なフィーリングといった感覚的性能が要求されるため、歪の検出感度が非常に高く、微小な歪の検出が可能な磁歪式トルクセンサは、この要求に非常に適したセンサである。磁歪式トルクセンサとして、特開平１−１６９９８３号公報、特公平８−３１６３６号公報等が知られている。
【０００３】
一般の計測用トルクセンサであれば、通常入力されることが期待されるトルクの最大値である定格トルクに対して、センサ特性を保証するトルクである保証トルクはせいぜい数倍程度、トルクセンサが破断しないことを保証するトルクである破断保証トルクはさらにその２〜３倍程度であれば十分に機能を果たすと考えられる。しかし、特にパワーステアリング用トルクセンサでは、走行する自動車が縁石に乗り上げた場合などには、パワーステアリング軸には定格トルクの１０倍以上の過大トルクが作用することがあるため、定格トルクに対して１０倍〜１０数倍もの、著しく高い過大トルクが入力されても、センサ特性、とりわけ中点出力が変化してはならないという、厳しい性能も要求される。
【０００４】
中点出力とはトルクがゼロのときの出力のことで、一般に、トルクセンサは、トルクがゼロのとき出力が所定の値になるように、初期状態において中点出力が調節されている。そして前記の中点出力の変動は、トルクがゼロの時の出力の変動であり、これはトルクセンサのヒステリシス特性に他ならない。つまり、定格トルクの１０倍〜１０数倍の入力トルクに対しても、ヒステリシスを極小にしなければならない。
【０００５】
以下、ヒステリシスの大きさとして、ヒステリシスによる出力変化量（片側）を、定格トルクにおける出力で割り、無次元化した数値（％ＦＳと記す。）を用いる。
【０００６】
例えば、ヒステリシスの要求性能が１％ＦＳ、保証トルクが定格トルクの１０倍のセンサを考える。ここでは単純化のため、ヒステリシスの大きさが入力トルクに比例すると仮定する。この場合、定格トルクで１％ＦＳのヒステリシスを持つセンサは、保証最大トルク（定格トルクの１０倍）が負荷された場合、そのあと発生するヒステリシス量は、定格トルクに対しては、１０％ＦＳにもなってしまう。このため、トルクセンサが定格トルク域のみで使用されている場合には問題はないが、一旦過大なトルクがトルクセンサに入力されると、大きなヒステリシスが生じ、トルクセンサはセンサとしての仕様を満たせないことになる。
【０００７】
具体的に述べると、例えば、定格トルクが１０Ｎ・ｍのトルクセンサで、要求されるヒステリシス特性を±１％以下とした場合、通常のセンサであれば、せいぜい５０〜６０Ｎ・ｍ程度までのヒステリシス量を保証すれば十分であるが、車のＥＰＳ等に用いるトルクセンサの場合には、１５０〜１６０Ｎ・ｍまでヒステリシスを±１％以下に保証しなければならない。そして、この場合に重要となるのが、１５０、１６０Ｎ・ｍといった保証トルクでの特性のみならず、定格トルクからこの保証トルクに到るまでの、全トルク域において、ヒステリシスを±１％ＦＳ以下に保証する必要があるということである。
これを満たそうとすれば、保証最大トルクで、０．１％ＦＳのヒステリシスを持つトルクセンサを実現するしかないが、それにしても、広い範囲のトルク域全域でヒステリシスが同じように小さくなるという保証は無い。
【０００８】
以上のように、高感度が特徴である磁歪式トルクセンサを用いても、定格トルクと保証トルクの差が大きいとき、定格トルク以上のトルクが入力されたときのヒステリシスが相対的に大きくなり、中点出力が変化するという問題があった。
【０００９】
このような問題の解決法として、特開２０００−９５５８号公報において示される方法が開示されている。これは磁気異方性部分にトルクに対して正のヒステリシスと負のヒステリシスをもつ２層を上下に配置することで過大トルクに対するヒステリシスを見かけ上ゼロにしようとするものである。これはショットピーニング等の製造法を用いて、シャフト表面にヒステリシスが正になる領域と負になる領域の二つを上下に配置し、シャフトにトルクが負荷されたときのそれぞれの領域で発生するヒステリシスの符合が逆であるためその相殺によって、見かけ上のヒステリシスの値を小さくする技術である。
【００１０】
しかしながら、発明者らは、この方法では最適な条件を設定した過大トルクに対してはヒステリシスの値を小さくすることができるが、それ以外のトルクでは依然として比較的大きなヒステリシスが発生してしまうことを見出した。つまり、定格トルク値以上、保証最大トルク値以下の、言ってみれば中間の過大トルク域では、依然として無視できない大きさのヒステリシスが存在し、保証最大トルクの場合よりも大きなヒステリシスが生じてしまうのである。
【００１１】
一般的に、ヒステリシス特性は、トルクに対して非直線的に変化する。また、正のヒステリシスと負のヒステリシスのトルクに対する特性は同じでない。このため、ある１点でヒステリシス特性を合わせる（ゼロにする）ことはできても、全過大トルク域において、正と負のヒステリシスを打ち消しあわせることは非常に困難である。
【００１２】
例えば、保証トルクＴｍでヒステリシスがゼロとなるように製造したトルクセンサシャフトを用いてトルクセンサを構成し、過大トルク域のトルクとヒステリシスの関係をプロットした例を図８に示す。図８に示すように、保証トルク以下の過大トルクで、ヒステリシスが大きくなり、トルクＴＨｍａｘにおいてヒステリシスが最大となる。
【００１３】
トルクセンサの過大トルク負荷に対する出力変動特性としては、図８のような特性は実用上望ましくない。というのも、過大トルクがかかる可能性の高い領域は、保証最大トルクではなく、それ以下の領域の過大トルク域だからである。つまり、従来、より負荷される可能性の高い領域の方が、出力変動（つまりヒステリシス）が大きくなってしまっていた。
【００１４】
なお、本明細書中で、トルクの符号は時計回り（ｃｗ）を正、反時計回り（ｃｃｗ）を負とする。また、本文中でヒステリシスが正とは、時計回りのトルクを入力して、そのトルクを取り除いた後、その時のセンサ出力が元の出力値よりも増加している場合とする。負とは、同様にしてセンサ出力が元の出力値よりも減少している場合である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、定格トルクに対して著しく高い過大トルクが入力されても、センサ特性、とりわけ中点出力が変化しない簡易な磁歪式トルクセンサを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気異方性部分を含む磁歪式トルクセンサシャフトであって、上記磁気異方性部分が、上記磁歪式トルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面上に、正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域とを備えた磁歪式トルクセンサシャフトを提供する。
【００１７】
ここで、「磁気異方性部分」とは、磁歪式トルクセンサシャフトにおいて、トルクに応じてその磁気的性質が変化する部位を意味する。例えば、強磁性体のトルクセンサシャフト表面の軸方向から４５°傾けた溝を設けることで、その形状効果によりトルクセンサシャフトに磁気異方性を付与し、その部分の磁気的性質の変化を検出できるようにすることができる。このような部分を磁気異方性部分という。あるいは、特許第２７１０１６５号および特許第２９６５６２８号において提案されているように、トルクセンサシャフト表面に磁歪層を付加することで、磁気異方性部分を設けることができる。あるいは、特開２００２−１０７２４０号公報において提案されているように、温度変化に応じて磁性を変化させる材料に、局所的な温度処理を施すことで、磁気異方性部分を設けることができる。しかし、本発明にかかる磁気異方性部分は、これらの例に限定されるものではない。
【００１８】
また、トルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面とは、トルクセンサシャフトが円柱形の場合、その表面と平行な面と同義であり、当然、トルクセンサシャフトの表面は、トルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面に含まれる。
【００１９】
また、前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域の境界を、トルクセンサシャフトの中心軸と平行、あるいは、トルクセンサシャフトの中心軸を法線とする平面と平行とすると、各領域の面積を、容易に制御することができ、好ましい。なお、全トルク域におけるヒステリシスを効果的に低減するために、前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域の面積の比は、好ましくは、負：正＝９：１〜５：５、さらに好ましくは、負：正＝７：３とする。
【００２０】
本発明によれば、本発明にかかる磁歪式トルクセンサシャフトは、そのトルクの特性を単純な計算で予測することができる。つまり、正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域をトルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面に設けるため、各々単体で把握したヒステリシスの特性を非常に単純な計算で組合せるだけでそれらを組み合わせたときに得られるトルクセンサのヒステリシス特性を非常に正確に推測できる。さらに、正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域の面積比を自由に変化させることができるので、トルクセンサの測定対象（使用条件）に応じて、過大トルク域のヒステリシス特性を自由にかつ精密に制御することができる。
【００２１】
このようなヒステリシス特性の制御は、従来技術のように正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域が、上下２層に重なっている場合には困難である。というのは、上下に正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域とを重ねると、直径方向で各領域にかかる応力が異なるため、各領域でのヒステリシス特性の調節が単純な計算通りにはならないのである。さらに、上下２層の領域の厚さが把握し難く、単体でのヒステリシス特性と、実際に上下に重ねた場合の効果との間にズレが出てしまう。このように、上下２層に正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域を重ねる場合、各々の特性を基に計算することで特性を予測するのが、非常に困難である。
【００２２】
なお、好ましくは、前記トルクセンサシャフトの表面に、前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域を備える。しかし、正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域は、同一の応力面上にあれば、トルクセンサシャフトの表面のみではなく、内部にあっても同様な効果が得られる。
また、好ましくは、前記磁歪式トルクセンサシャフトは前記磁気異方性部分を複数備え、各磁気異方性部分にそれぞれ前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域を備える。
また、本発明は、前記トルクセンサシャフトを含む磁歪式トルクセンサを提供する。
【００２３】
以上のように、本発明により、トルクセンサのヒステリシス特性を自由にかつ精密に制御することが可能であり、保証最大トルク値でのヒステリシスを許容範囲内で自由に変動させて、過大トルク域全体でのヒステリシス量を抑制することができる。例えば、図２に示すような特性を持つトルクセンサを作ることにより、定格トルクに対して著しく高い過大トルクが入力されても、センサ特性、とりわけ中点出力が変化しない簡易な磁歪式トルクセンサを提供することができる。
【００２４】
なお、正と負のヒステリシス特性は、例えばショットピーニングのショット粒のメディア粒径、空気圧、ショットメディア流量、照射距離、照射時間等により制御することができるが、これらに限定されるものではない。ショットピーニングにより正と負のヒステリシスを制御する場合、トルクセンサシャフトにマスキングを施すことで、正と負のヒステリシスの領域の面積を自由に制御できるため、所定の特性を得るために、非常に広い範囲で正と負のヒステリシス領域の面積比を調整可能である。マスキングはシリコンゴム、ウレタンゴム、ナイロン樹脂等により施すことができるが、これらに限定されるものではない。なお、マスキングする領域を調節することで正と負のヒステリシスを持つ領域の面積を制御できるため、特性の異なるトルクセンサシャフトを製造する際にマスキングのみを変えれば、製造時に同じショット条件の装置で異なる特性のシャフトを混流生産させることが可能であり、生産性が飛躍的に向上する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る磁歪式トルクセンサの実施の形態の１例を、添付図面を参照しながら説明する。もっとも、以下に挙げる実施の形態は、本発明を限定するものではない。
図１は本発明に係る磁歪式トルクセンサの概念図である。
図１に示すように、本発明に係る磁歪式トルクセンサ１は、トルクセンサシャフト２と、励磁用ソレノイドコイル３と、検出用ソレノイドコイル４とを主要な要素とする。トルクセンサシャフト２は、応力（歪）に応じてその磁気的性質が変化する磁気異方性部分５および、トルクセンサシャフト２と他の動力伝達軸（図示しない）とを連結するための嵌合部６を有する。
【００２６】
磁気異方性部分５は、トルクセンサシャフト２の中心軸に対して約４５°傾けた溝（図示しない）を、トルクセンサシャフト２の全周に亘り所定間隔をもって設けることによって形成することができる。なお、トルクセンサシャフト２は、トルクセンサシャフト２の中心軸に対して互いに逆方向に傾いた溝によって形成された磁気異方性部分５の組を１組備える。
以上の構成により形状磁気異方性を有する磁気異方性部分５は、応力に応じてその透磁率を変化させる。なお、中心軸に対して４５°とは、ねじり荷重に対してトルクセンサシャフト表面の引張り方向の応力および圧縮方向の応力が最大となる方向であり、この方向に溝を形成することで、最も効率よくトルクセンサシャフト表面の引張り応力または圧縮方向の応力を検出できる。
【００２７】
ここで、溝の方向が異なる磁気異方性部分５のそれぞれが正あるいは負のヒステリシスを持つように作製しても良い。この正と負のヒステリシスの制御はショットピーニングにより行うことができる。このときトルクセンサシャフト２にマスキングを行うことで、正と負のヒステリシス領域の面積を自由に設定することが可能である。
【００２８】
なお、ヒステリシスが正あるいは負の領域の形状は、製造工程や、その他の要因に応じて適宜決めれば良い。例えば、図３に示すように、円筒の中心軸を通る面の上側を正のヒステリシス領域８、下側を負のヒステリシス領域９としても良い。また、図４に示すように、トルクセンサシャフトの表面をシャフトの中心軸と垂直な面で分割してもよい。あるいは、これらの組合せでも良い。トルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面上に設けていれば、どのような形状の領域を作成しようと自由であり、この文章の記述に限定されるものではない。また、前述したように、同一の応力面上であれば、トルクセンサシャフトの表面のみではなく、内部にあっても同様な効果が得られる。
【００２９】
一方、励磁手段である励磁用ソレノイドコイル３は前記磁気異方性部分５を覆うように配置し、これに交流磁場を与える。検出手段は検出用ソレノイドコイル４と電子回路（図示しない）を含み、検出用ソレノイドコイル４も前記磁気異方性部分５を覆うように配置する。
ここで、励磁用ソレノイドコイル３により前記磁気異方性部分５に沿うように磁力線を流す。前述のように、トルクセンサシャフト２に応力がかかると、磁気異方性部分５はその透磁率を変化させるが、この磁気的変化を検出用ソレノイドコイル４によって検出することができる。
なお、トルクセンサシャフト２の磁気異方性部分である磁気異方性部分５は、励磁用ソレノイドコイル３、検出用ソレノイドコイル４等と共に、外部の磁気の影響を遮蔽するアルミ製のセンサケース７に内包する。
【００３０】
【実施例】
以下に、上記の実施の形態に基づいた本発明に係る磁歪式トルクセンサの実施例を示す。もっとも、本発明は実施例に限定されない。
ＪＩＳ　ＳＮＣＭ８１５合金（組成を表１に示す。）鋼丸棒から所定の棒材を削り出し、これに転造を施して、トルクセンサシャフトの表面に中心軸に対して４５°傾いた溝（磁気異方性部分）を設けた。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
この部分に高周波焼入れ処理を施した後、ショットピーニングを施し、ヒステリシスが正の領域と負の領域を設けた。ショットピーニングの条件を表２に示す。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
条件１は従来技術に対応するもので、±１５０ｋｇｆ・ｍの保証最大トルクを入力して、そのトルクを取り除いた後のヒステリシスがゼロになる条件である（図８参照）。条件２は負のヒステリシスのみをもつ条件である。条件３は正のヒステリシスのみをもつ条件である。条件４および条件５は、条件２および条件３を組合せたもので、負のヒステリシスを持つ領域と正のヒステリシスを持つ領域の面積比がそれぞれ７：３および３：７になる条件である。具体的には、まず、強度の高いショットを全面に行い、その後マスキングをして、強度の低いショットを行った。条件４は図３に示すレイアウトで、条件５は図４に示すレイアウトで正と負のヒステリシスを持つ領域をそれぞれ形成した。
【００３５】
このトルクセンサシャフトで励磁用および検出用ソレノイドコイル、電気回路等を組付けてトルクセンサを構成し、トルクとヒステリシス特性の関係を調査した。なお、このセンサの諸元は、定格トルク±１０Ｎ・ｍ、定格トルクおける出力電圧１Ｖ（０．１Ｖ／Ｎ・ｍ）、保証最大トルク±１５０Ｎ・ｍであった。また、軸のねじり強さは、３４０Ｎ・ｍ、降伏強さは２６０Ｎ・ｍであった。ヒステリシスの測定は、トルクを加える前後のセンサ出力を計測した。センサ出力の測定時には、間違い無くトルクをゼロとするために、トルクセンサをねじり試験機から外して、完全に機械的にフリーにした状態で行なった。
【００３６】
まず、条件１について、定格トルクを超える過大トルク域における、入力トルク値とヒステリシスの関係を調査した。すると図５に示す様に、トルク１５０Ｎ・ｍではヒステリシスはゼロになるものの、それ以外のトルク値では、ヒステリシスが存在し、トルク９０Ｎ・ｍでヒステリシスが最大になることが分かった。またこの場合、右ねじり（ＣＷ：トルク値正）と左ねじり（ＣＣＷ：トルク値負）では、その符号が反転するため、トルクセンサの中点変動の総合の幅は、ＣＷでのヒステリシス値の倍の幅を持つ。
【００３７】
次に、条件２および条件３についてヒステリシス特性を測定すると、図６に示すように、それぞれ負のみ、正のみのヒステリシス特性を示した。
さらに、条件４および条件５についてヒステリシス特性を測定すると、図７に示すように、全トルク域に亘ってヒステリシスを非常に小さく抑えることができた。この結果は、計算による予測値と合っており、ここから、正と負のヒステリシス特性およびこれらの領域の面積に基づく簡単な計算により、トルクセンサの使用目的に合わせて要求されるヒステリシス特性を満たすトルクセンサを設けることができることがわかった。
【００３８】
本実施例においては、正と負のヒステリシス領域の最適な面積比は条件４の負：正＝７：３であった。この条件で作成したトルクセンサのヒステリシス特性は、過大トルク１３０Ｎ・ｍまで１％以下のヒステリシスを維持することから、現実に負荷される可能性の高い過大トルク域でのヒステリシスが小さいことが分かった。さらに、トルク１５０Ｎ・ｍにおいてもヒステリシスの値は−２％を下回っており、実用上十分にヒステリシスの小さいセンサとなっていることが分かった。
【００３９】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明は、定格トルクに対して著しく高い過大トルクが入力されても、センサ特性、とりわけ中点出力が変化しない磁歪式トルクセンサを簡易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁歪式トルクセンサを表す概念図である。
【図２】本発明に係る磁歪式トルクセンサにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【図３】正と負のヒステリシス領域の配置の１例を表す概念図である。
【図４】正と負のヒステリシス領域の配置の別の例を表す概念図である。
【図５】条件１により作成したトルクセンサシャフトにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【図６】条件２および３により作成したトルクセンサシャフトにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【図７】条件４および５により作成したトルクセンサシャフトにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【図８】従来の磁歪式トルクセンサにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１　　磁歪式トルクセンサ
２　　トルクセンサシャフト
３　　励磁用ソレノイドコイル
４　　検出用ソレノイドコイル
５　　磁気異方性部分
６　　嵌合部
７　　センサケース
８　　正のヒステリシス領域
９　　負のヒステリシス領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004053433.tif 000009
【図６】
2004053433.tif 000010
【図７】
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【図８】
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