(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に軟磁性粉末および結合材からなる材料を加圧して螺旋状に仮成形して軟磁性部を形成し、主に非磁性粉末および結合材からなる材料を加圧して螺旋状に仮成形して非磁性部を形成し、前記軟磁性部と前記非磁性部とを組み合わせて仮成形圧力よりも高い圧力で本成形し一体化することを特徴とする複合磁性体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪特性を利用して回転軸の軸トルクを非接触で検出する装置に関するもので、特に自動車分野、産業機械分野などに適用するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のパワーステアリング機構やエンジン制御機構、動力伝達機構などでは軸トルクを正確に検出する手段が古くから望まれている。検出精度を高めることにより、精密制御や効率向上が可能となるため、これまでに様々な手法が提案されてきた。なかでも回転軸の磁歪特性を利用して非接触で軸トルクを検出する手法は、応答性に優れ、高感度化が比較的容易であり、過負荷耐量も大きいことから、トーションバーのねじれ量からトルク検出を行なう従来手法に代わる方式として注目されている。
【０００３】
例えば特許文献１では、図６（ａ）に示す様に、回転軸に傾斜角を有する磁性膜115を固着させて、回転軸外周のソレノイドコイルで励磁・検出を行なう手法が提案されている。ところが、この方式は回転軸へ追加工を施す必要があるため、磁性膜の剥離など信頼性を損なう恐れがある。さらに、軸の専用化や大径化が必須となるため、装着性が悪いと思われる。
【０００４】
また特許文献２では、図６（ｂ）に示す様に、回転軸を無加工とし、ループコイルを一定の傾斜角を保ちながら配置することで特許文献１と同様にトルク検出を行なう手法が提案されている。この方式は軸への追加工が不要であるが、感度を高めるために軸の長手方向へ向かって広い領域を検出する必要があるので、装置の大型化が懸念される。
【０００５】
さらに特許文献３では、図６（ｃ）に示す様に、特許文献２の課題を克服すべくコイル部分を大幅にコンパクト化する構造が提案されているが、コイル構造が複雑なため多数巻が困難であり、コイルの巻回数に依存した高感度化は実現し難いと思われる。
【０００６】
そしてさらに上記３種の構造は、何れもコイルが回転軸に隣接しているため、軸の回転振れや異物混入などの影響を受けてコイルが断線する危険性も高く、それらを防止して構造信頼性を確保するためにコイル部分を樹脂などで覆って補強したり、軸とコイル間の空隙を拡大して感度を犠牲にしたりといった回避策が必要になると思われる。
【０００７】
また特許文献４では、図６（ｄ）に示す様に、回転軸の外周にＵ字形鉄心を設ける構造が記載されている。しかし、Ｕ字形鉄心を回転軸の外周に複数並べようとすると、構造が複雑化してコンパクト化が困難になり、生産性も悪く、さらに磁極の作用面積が増やし難いために高感度化が困難であると思われる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１−９４２３０号公報
【特許文献２】特開平６−２７３２４７号公報
【特許文献３】特開平６−１９４２３９号公報
【特許文献４】特許第２９０５５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した従来の磁歪検出型のトルク検出装置に関わる装着性、信頼性、小型化、高感度化、生産性に関わる課題を解決することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明ではセンサの磁気回路を形成する、軟磁性の磁気ヘッド部分に構造上の特徴を持たせることで、回転軸への加工を不要とし、励磁・検出コイルの構造を複雑化することなく、高感度なトルク検出装置を実現するものである。
【００１１】
本願第一の発明は、結合材および軟磁性粉末を主とする軟磁性部と、結合材および非磁性粉末を主とする非磁性部とを、螺旋状に周方向へ交互に並べて圧縮成形し一体化したことを特徴とする複合磁性体である。

【００１２】
中心軸に対する前記螺旋状の傾斜角度が３５〜５５度であることが好ましい。
【００１３】
本願第二の発明は、前記の複合磁性体にコイルを巻回してなる複合磁気ヘッドである。
【００１４】
本発明の複合磁性体は周方向へ分割した構造とすることができる。
【００１５】
本願第三の発明は、主に結合材および軟磁性粉末からなる材料を加圧して螺旋状に仮成
形して軟磁性部を形成し、主に結合材および非磁性粉末からなる材料を加圧して螺旋状に仮成形して非磁性部を形成し、前記軟磁性部と前記非磁性部とを組み合わせて仮成形圧力よりも高い圧力で本成形し一体化することを特徴とする複合磁性体の製造方法である。
【００１６】
以下に、磁歪検出型の回転軸トルク検出装置の原理を説明しながら、本発明の特長を示す。センサに設けられた励磁コイルへ電流を流すと、コイル周辺には図７（ａ）に示す様な磁束201が発生する。コイルで発生する磁束201は、コイルと直交する面内で右ネジの法則に従って閉ループを形成する。また、コイルの巻き方など磁気回路の工夫によって、複数の閉磁路を形成する場合が多い。なお、軸の回転によってセンサとの相対位置が変化しても、軸に回転トルクが加わって歪が生じない限り透磁率が変化しないため、コイルのインダクタンスにも変化は生じない。
【００１７】
図７（ａ）の無負荷状態から、図７（ｂ）の様に軸へ回転トルクを付与すると、軸の長手方向に対して＋４５°と−４５°傾斜する方向に、引張応力（−σ）と圧縮応力（＋σ）とがそれぞれ直交しながら同時に発生する。ここで、軟磁性材料に引張応力が加わると透磁率が増加し、逆に圧縮応力が加わると透磁率が減少することを利用することができる。
【００１８】
つまり、励磁コイルで発生した磁束が、引張応力の加わる方向へは流れ易く、反対に圧縮応力の加わる方向へは流れ難くなるので、この変化量や差分量を検出すれば、トルクの正負や絶対量を推定することができる。例えば、図７に示す様に軸に対して＋４５°傾斜する方向に螺旋状の励磁コイルがあると仮定する。コイルで発生する磁束は、右ネジの法則に従って閉磁路を形成するので、コイルとは直交する−４５°方向の面内における透磁率変化の影響を大きく受ける。ここで、−４５°方向に引張応力が加わったと仮定すると、無負荷時に比べて磁束が流れ易くなるので、コイルのインダクタンスは無負荷時に比べて増加する。反対に圧縮応力が加わると、インダクタンスは減少することになる。
【００１９】
前述の様に、軸へ回転トルクを付与すると＋４５°と−４５°の両方向へ、向きの異なる応力が同時に発生するので、無負荷時に対するインダクタンスの変化量からトルクを推定する方式では、＋４５°か−４５°のどちらか一方向の透磁率変化を検出すれば良いことになる。また、＋４５°と−４５°の両方向を同時に検出して、その差分量を検出することで、より高精度にトルクを推定することも可能になる。＋４５°と−４５°の両方向を同時に検出する手段としては、図３（ｂ）に示す様に回転軸２に対して時計回りに傾斜角を有するものと、反時計回りに傾斜角を有するものとを組み合わせて、１対で利用することで実現可能となる。
【００２０】
いずれにせよ、磁歪式の回転軸トルク検出装置では、軸に対して＋４５°および、または−４５°傾斜方向の透磁率変化を読み取ることが重要であり、特許文献１ではコイルを軸の回転方向に沿って傾斜角なくソレノイド状に巻回する代わりに、回転軸へ±４５°傾斜する方向に磁性膜を設けることで傾斜方向のみに磁束が流れる様に工夫している。また、特許文献２や特許文献３ではコイルに傾斜角を持たせることで軸トルクを検出可能にしている。
【００２１】
特許文献１の構造は、コイルが単純なソレノイド状のために多数巻が容易で、高感度化し易いという大きな特長を有するものの、軸への加工が必要なことが信頼性や装着性を悪化させていた。
【００２２】
そこで本方式では回転軸を無加工とし、回転軸に対して空隙を介して軟磁性部と非磁性部とが周方向へ交互に並んだ複数の磁極部を形成し、その軟磁性部が回転軸に対して傾斜角を有するとともに、磁極部へ励磁するためのコイルが単純なソレノイド状であることを構造上の主な特徴としている。
【００２３】
軸への複雑な加工を不要にすることで、装着性や信頼性を大幅に改善することができる。なお、回転軸が非磁性ＳＵＳなどの様に磁歪特性を持たないものであっても、軸の外周部に磁歪特性を有するリングを被せるだけで済むので、特許文献１の様に信頼性を損なうことがない。また、コイルをソレノイド状にできるので、巻回数に依存した高感度化が容易になる。さらに、コイルを磁気ヘッドの外周面にも配置できるので、コイルが断線する危険性を回避することもできる。そしてさらに、回転軸と磁気ヘッドとの空隙を大幅に縮小して、高感度化を図るのも容易になる。
【００２４】
磁気ヘッドの構造として、前記軟磁性部は３５〜５５°の傾斜角であって、前記非磁性部の周方向の幅が、前記軟磁性部の傾斜角方向長さの０.７〜１.５倍であると、軟磁性部の数と同数だけ発生する複数の閉磁路どうしの磁気的な干渉が起き難くなるため、軸に対して４５°傾斜する方向の透磁率変化を効率良く検出することができる。
【００２５】
軟磁性部と非磁性部とが周方向へ交互に並んだ複合磁気ヘッドを得る手段として、例えば従来技術では互いの部品を切削や鍛造、鋳造法などで個別に製作した後に、接着やネジ止め等によって組立てを行なう手法が考えられる。しかし、この方式は部品点数が増えるために組立て作業が困難であり、さらに接合強度がばらつくことや、構造信頼性が低くなることが懸念される。また別の方式として、軟磁性部だけを製作した後に、その軟磁性体片を等間隔でリング状に複数並べて樹脂等でインサート成型する手法や、アルミダイキャストで鋳包む手法なども考えられる。しかし、この方式では樹脂やアルミなどの非磁性部分の機械強度が、軟磁性部を包み込む構造体として強固でなければならないため、接合強度とコンパクト化の両立は困難と思われる。
【００２６】
そこで本発明では、軟磁性部と非磁性部の各々を、樹脂バインダー（結合剤）を含む各種微粉末から成る圧縮成形体で形成すると共に、各々の圧縮成形体において製造初期の段階で成形体表面の微粉末が脱落可能な程度に弱く結合するよう低圧力で仮成形する。その後、得られた軟磁性部と非磁性部とを最終的に得られる複合磁性体の形状に応じて組み合わせて高圧力で本成形する。このようにして製造した複合磁性体は接合面の微粉末どうしが良く噛み込み、熱硬化後の樹脂バインダーの結合力を、界面においても安定して生じさせることができるという特長を有している。
【００２７】
軟磁性粉末には、平均粒径が２００μｍ以下の純Ｆｅ粉、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系のセンダスト粉、Ｆｅ基ナノ結晶材料のファインメット粉、などを使用するのが好ましい。非磁性粉末には平均粒径が２００μｍ以下のＣｕ−Ｚｎ系、Ａｌ-Ｓｉ系などの混合粉を使用するのが好ましい。また、結合材には各原料粉への分散性などを考慮して、平均粒径が１００μｍ以下の熱可塑性樹脂を使用するのが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明により、トルクを検出する回転軸への複雑な追加工が不要になる。また、磁気ヘッド部分の構造信頼性が向上するとともに、コンパクト化も容易になる。さらに、励磁・検出コイルの巻線処理が容易なため、装置全体としての生産性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について図面とともに説明する。ここで、結合材および軟磁性粉末を主とする軟磁性部と、結合材および非磁性粉末を主とする非磁性部とを、螺旋状に周方向へ交互に並べて圧縮成形し一体化した、リング状の複合磁性体を得る製造方法を、図１に示す。
【００３０】
図１に示す様に、軟磁性部１０と非磁性部１１とは、個別の圧縮成形装置３０，３１において低圧力で仮成形される。なお、複雑な螺旋形状であっても、成形体の密度を必要以上に高める必要がないために、金型構造を簡素化したり、１回の成形で多数の成形体を得る構成にしたりすることも可能である。仮成形圧力の目安としては、製品のハンドリングが容易な３００ＭＰａ程度が好ましい。次に、螺旋形状の軟磁性体片と非磁性体片とを周方向へ交互に並べて、圧縮成形装置３２の円筒状の圧縮成形キャビティ内へ投入し、１０００ＭＰａ程度の高圧力で本成形する。なお、本成形の際に螺旋形状の軟磁性体片および非磁性体片の各々の全長が一様に短くなるため、所望の角度が得られる様に仮成形体の角度を予め変えておく必要がある。
【００３１】
上記の圧縮成形法によって得られる、軟磁性部と非磁性部とが螺旋状に交互に並んだ複合磁性リング12に対して、図２に示す様にガイド13を両端部に勘合し、外周面に励磁・検出用のコイル14を巻回し、内周側へ被検物である回転軸2を挿入することでトルク検出装置に用いる複合磁気ヘッド1が得られる。
【００３２】
（全体構成）
図２（ａ）〜（ｃ）に、本発明の磁歪式トルク検出装置の一実施形態を示す。図２（ａ）および（ｂ）は複合磁性リング12とガイド13の斜視図を示したものである。磁気回路の鉄心となる部分は、斜め４５度の傾斜角を有する４つの軟磁性体10と、それらの間に配置する４つの非磁性部11と、外周両端部のガイド13で構成されている。軟磁性部には、平均粒径が約50μｍの純Ｆｅ粉に熱可塑性樹脂を1質量％添加したものを使用した。また非磁性部には平均粒径が約80μｍのＣｕ-Ｚｎ粉に熱可塑性樹脂を3質量％添加したものを使用した。また、仮成形圧力は３００ＭＰａ、本成形圧力は１０００ＭＰａとした。本成形後に、２００℃で２時間の熱硬化処理を行なった。図２（ｃ）は前記複合磁性リングの外周側へ励磁・検出用のコイルを巻回し、内周側へ被検物である回転軸を挿入し、コイルの両端部に交流電流を印加している様子を示した斜視図である。回転軸にはニッケル・モリブデン鋼に浸炭処理を施したものを使用した。
【００３３】
回転軸の外径はΦ２０mm、複合磁性リングの内径はΦ２０.６mm、外径はΦ２５mmとした。励磁・検出コイルにはΦ０.５mmのエナメル線を使用し、複合磁気ヘッドの外周側へ１２０ターン巻回し、交流電流の周波数を100ｋHzとした。
【００３４】
回転軸へ−２００〜＋２００Ｎｍのトルクを付与した時の、コイルのインダクタンス変化を実測したものを図８に示す。図８より、トルクを付与した時のインダクタンス変化に良好な直線性を示すことが解かる。従って、本発明の構成に回路処理を加えれば、極めて直線性の良い出力信号が得られることになる。
【００３５】
また図５に示す様に、複合磁性リング12を周方向へ２分割にすることで、軸を挟み込む様に装着可能とし、軸への装着性をより良好にすることもできる。
【００３６】
励磁・検出コイルの巻線方法としては、図６（ｄ）の特許文献４に記載のごとく軟磁性体片の各々へソレノイド状に巻き付ける方式の他に、図４（ａ）〜（ｃ）に記載のごとく磁気ヘッド全体を取り囲む様に巻回することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例に関わる複合磁性リングの製法を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施例に関わる装置取付け方法を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施例に関わる他の装置取付け方法を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施例に関わるコイル巻線方法を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施例に関わる他の構造を示す模式図である。
【図６】他の実施例を示す模式図である。
【図７】本発明の一実施例に関わるトルク検出の原理を示す模式図である。
【図８】本発明の一実施例に関わる実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１：複合磁気ヘッド
２：回転軸
10：軟磁性部
11：非磁性部
12：複合磁性リング
13：ガイド
14：励磁・検出コイル
102：回転軸
110：軟磁性ヨーク
113：励磁・検出コイル
115：磁性膜
201：磁束
【図１】
0004827167.tif 000002
【図２】
0004827167.tif 000003
【図３】
0004827167.tif 000004
【図４】
0004827167.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004827167.tif 000007
【図７】
0004827167.tif 000008
【図８】
0004827167.tif 000009