DE69327037T2

DE69327037T2 - Verfahren zum herstellen der welle eines magnetostriktiven drehmomentsensors und welle hergestellt nach diesem verfahren

Info

Publication number: DE69327037T2
Application number: DE69327037T
Authority: DE
Inventors: Renshiro Ishino; Taro Saito; Matsumi Sunahata
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1992-08-24
Filing date: 1993-08-23
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2013-08-24
Also published as: DE69327037D1; EP0609463A1; WO1994004896A1; US5491369A; EP0609463A4; EP0609463B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer magnetostriktiven Drehmomentsensorwelle, und eine Drehmomentsensorwelle.

Hintergrund der Erfindung

Magnetostriktive Drehmomentsensorwellen derart, daß sie eine magnetostriktive Metallschicht in zickzackartigem Aufbau aufweisen, die auf der Fläche einer Wellenbasis als Rundstab durch Plattieren, durch thermisches Sprayen oder anderweitig ausgebildet sind, die als ein magnetisch anisotroper Abschnitt wirken, sind bekannt und beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 59-16-931 und 3-68826 beschrieben.
Auch die JP3162642 beschreibt einen Drehmomentsensor mit einer runden Welle mit spiralförmigen Ausnehmungen.
Derartige Drehmomentsensoren mit einer magnetostriktiven Metallschicht über den gesamten Umfang eines stabartigen Wellenbasismaterials sind auch beispielsweise in der japanischen Anmeldung 4-359127 beschrieben.
Eine andere Art von magnetischen Drehmomentsensorwellen mit einem magnetisch anisotropen Abschnitt in der Form von Rillen, die auf der Oberfläche des Wellenbasismaterials durch Kordieren sind beispielsweise aus dem japanischen Patent 169326 bekannt.
Weiterhin sind magnetostriktive Drehmomentsensorwellen mit Kordierrillen bekannt, die einem Shot Peening unterworfen werden, um auf diese Weise eine Reduzierung der Hysteresis und eine Verbesserung der Empfindlichkeit zu erreichen, wenn die Welle in einen Drehmomentsensor eingepaßt wird, um stabile Sensoreigenschaften sicherzustellen, sind beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 2-221830 beschrieben.
Unglücklicherweise besitzen Drehmomentsensorwellen mit einer magnetostriktiven Metallschicht von zickzackartigem Aufbau, die durch Plattieren oder thermisches Sprayen auf der Oberfläche des Wellenbasismaterials ausgebildet sind, den Nachteil, daß Maskierschritte und Ätzschritte für die Ausbildung der magnetostriktiven Schicht erforderlich sind, was einen komplexen Prozeß verlangt. Ein weiteres Problem ist, daß Drehmomentsensoren, die eine derartige Welle verwenden, eine ungenügende Empfindlichkeit hinsichtlich der praktischen Anwendung aufweisen. Ein weiteres Problem ist, daß die magnetostriktive Metallschicht, die durch Plattieren und/oder thermisches Sprayen ausgebildet ist, einen Nachteil hinsichtlich der Lebensdauer aufweist.
Drehmomentsensorwellen mit magnetostriktiver Metallschicht, die über den Gesamtumfang des Wellenbasismaterials ausgebildet sind, weisen Schwierigkeiten bei der Zuteilung der magnetischen Anisotropie für die magnetostriktive Metallschicht auf, und zusätzlich hat die magnetostriktive Metallschicht keine ausreichende Lebensdauer.
Drehmomentsensorwellen mit Kordierrillen, die auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildet sind, sind nicht ausreichend empfindlich, selbst wenn ein eng ausgewähltes Basismaterial für die Welle verwendet wird.
Im Gegensatz zu denen, bei denen die Rillen lediglich durch Kordieren ausgebildet sind, können Wellen mit Kordierausnehmungen, die einem Shot Peening unterworfen wurden, vorteilhafterweise verwendet werden, um einen Drehmomentsensor mit einer guten Empfindlichkeit herzustellen, der für praktische Anwendungen geeignet ist. Wenn jedoch ein Drehmomentsensor mit einer verbesserten Empfindlichkeit entsprechend den wachsenden Marktanforderungen für Sensoren erforderlich ist, ist eine derartige Welle immer noch nicht ausreichend, um den Anforderungen zu genügen.
In der japanischen Patentoffenlegungsschrift 3-282338 ist ein Verfahren offenbart, daß das Ausbilden von Kordierrillen auf der Oberfläche des Wellenbasismaterials umfaßt, dann eine magnetostriktive Metallschicht auf der Oberfläche der Kordierrillen ausgebildet wird, wodurch eine magnetische Anisotropie auf der Wellenoberfläche ausgebildet wird. Entsprechend einer derartigen Anordnung kann eine hohe Meßempfindlichkeit des aufgebrachten Drehmomentes erwartet werden.
Es ist jedoch bei einer magnetostriktiven Metallschicht, die einfach auf den Kordierrillen ausgebildet ist, es sinnvollerweise nicht zu erwarten, daß die Stärke der magnetostriktiven Metallschicht ausreichend ist, dem angewendeten Drehmoment zu widerstehen. Insbesondere ist es, um einer genauen Messung eines kleinen Drehmomentes zu entsprechen, notwendig, daß das Wellenmaterial von verhältnismäßig kleinem Durchmesser ist, so daß der magnetisch anisotrope Abschnitt eine ausreichende Änderung in der magnetischen Permeabilität in Ansprache auf das angewendete Drehmoment aufweist. Wenn jedoch eine Überlastung auf die Welle mit derartig kleinem Durchmesser einwirkt, reicht die Stärke der magnetostriktiven Metallschicht nicht mehr den Anforderungen, was möglicherweise zu einer Verringerung der Sensoreigenschaften des Drehmomentsensors, der die Welle enthält, führt.

Offenbarung der Erfindung

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, eine Drehmomentsensorwelle vorzusehen, die die oben genannten Probleme vermeidet, und die vorteilhafterweise zum Aufbau eines hochempfindlichen magnetostriktiven Drehmomentsensors verwendet werden kann und dennoch eine hohe Festigkeit besitzt.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist entsprechend der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer magnetostriktiven Drehmomentsensorwelle vorgesehen, bei der die Oberfläche des Wellenbasismaterials bearbeitet wird, um dort Kordierausnehmungen zu schaffen, die relativ zur Achse des Wellenbasismaterials geneigt sind, dann das Wellenbasismaterial wärmezubehandeln und anschließend das Wellenbasismaterial einer Oberflächenbehandlung zuzuführen, die erforderlich ist, um die Bindungsstärke zwischen Wellenbasismaterial und der magnetostriktiven Schicht, die später auf der Oberfläche ausgebildet wird, zu verbessern, und/oder zur Verbesserung der Eigenschaften eines Drehmomentsensors, der mit der Drehmomentsensorwelle hergestellt wird; und anschließend eine magnetostriktive Schicht vorgegebener Stärke durch einen chemischen Prozeß und/oder einen physikalischen Prozeß auszubilden, beispielsweise Plattieren oder thermisches Sprayen, und zwar zumindest auf der Oberfläche der Kordierausnehmungen, die in dem Außenumfang des Wellenbasismaterials ausgebildet sind.
Drehmomentsensorwellen, die entsprechend diesem Verfahren hergestellt sind, werden zum Aufbau von magnetostriktiven Drehmomentsensoren verwendet. Es wurde herausgefunden, daß die Drehmomentsensorwelle gemäß der Erfindung eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, die für eine Drehmoment-Übertragungswelle notwendig ist, und dennoch in der Lage war, einen hochsensitiven Drehmomentsensor zur liefern, wie er nie zuvor von einer herkömmlichen Drehmomentsensorwelle erreicht wurde. Weiterhin weist der Drehmomentsensor eine ausreichende Lebensdauer auf.
Der Grund, warum ein Drehmomentsensor mit einer derartig hohen Empfindlichkeit durch die Verwendung der Drehmomentsensorwelle gemäß der Erfindung geschaffen werden kann, ist nicht vollständig klar, jedoch können folgende Faktoren dazu beitragen. Bekanntermaßen hängt die Empfindlichkeit eines magnetostriktiven Drehmomentsensors von drei Faktoren bezüglich des magnetisch anisotropen Abschnittes auf der Sensorwelle der Sensors ab, nämlich dem Flächeneffekt, dem Streßkonzentrationseffekt und dem magnetischen Effekt. Entsprechend der Erfindung, wie es im Detail später erklärt wird, wird im Gegensatz zu dem Stand der Technik eine erhebliche Verbesserung generell dieser drei Faktoren erreicht, mit dem Ergebnis, daß ein Drehmomentsensor derartig hoher Empfindlichkeit verwirklicht wird.
Weiterhin kann entsprechend der Erfindung die Hysteresis des Drehmomentsensors deutlich verringert werden. Das zugehörige Verfahren ist verhältnismäßig einfach und ermöglicht eine Massenproduktion bei niederen Kosten.
Als Material für die magnetostriktive Schicht wären vorzugsweise Materialien mit einer verhältnismäßig niedrigen kristallomagnetischen, anisotropiekonstanten und einer verhältnismäßig hohen magnetischen Sättigung und magnetostriktiven Konstanten verwendet. Bekanntermaßen ist der Grund dafür, daß die Empfindlichkeit eines Drehmomentsensors proportional zur magnetischen Sättigung und den magnetostriktiven Konstanten und umgekehrt proportional zur kristallmagnetischen Anisotropiekonstanten ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Darstellung, die einen ersten Schritt des Verfahrens zur Herstellung einer magnetostriktiven Drehmomentsensorwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Darstellung, die einen Schritt nachfolgend nach dem in Fig. 1 gezeigten Schritt darstellt;
Fig. 3 ist eine Darstellung, die den Schritt nach dem in Fig. 2 gezeigten Schritt aufzeigt;
Fig. 4 ist eine Darstellung, die den Schritt nachfolgend nach dem in Fig. 3 gezeigten Schritt darstellt;
Fig. 5 ist eine Ansicht, die den Ausbildungsbereich der magnetostriktiven Schichten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 6 ist eine Diagrammdarstellung, die die Empfindlichkeit eines Drehmomentsensors entsprechend der Erfindung im Vergleich zur Empfindlichkeit eines Drehmomentsensors gemäß Stand der Technik darstellt;
Fig. 7 ist ein Schaltdiagramm für den Drehmomentsensor entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, die als Beispiel den dynamischen Bereich eines Drehmomentsensors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 9 ist ein Graph, der beispielhaft die relative Empfindlichkeitseigenschaften des Drehmomentsensors nach der Erfindung aufzeigt;
Fig. 10 ist eine grafische Darstellung, die als Beispiel die Hystereseeigenschaften des Drehmomentsensors nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 11 ist ein Graph, der als Beispiel die nichtlinearen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors zeigt; und
die Fig. 12 bis 15 sind Darstellungen zur Erläuterung der Flächen der magnetisch anisotropen Abschnitte, die entsprechend der Erfindung im Vergleich zu denen nach dem Stand der Technik ausgebildet sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Wie oben beschrieben wurde ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen Drehmomentsensor mit hoher Empfindlichkeit und guter Lebensdauer zu erzeugen. Der Grund dafür, obwohl nicht vollständig klar, kann im wesentlichen durch folgende Faktoren erklärt werden.
Bekanntermaßen hängt die Empfindlichkeit eines magnetostriktiven Drehmomentsensors von drei Faktoren bezüglich des magnetisch anisotropen Abschnittes der Sensorwelle des Sensors ab, nämlich dem Flächeneffekt, dem Streßkonzentrationseffekt und dem magnetischen Effekt. Zu Vergleichszwecken betrachten wir die Fälle, in denen die magnetostriktiven Schichten durch Plattieren ausgebildet werden: in einem Fall, in dem die magnetostriktiven Schichten eine zickzackartige Ausbildung erhalten und durch ein teilweises Plattieren, wie in Fig. 12 dargestellt, ausgebildet sind, einen anderen Fall, in dem die magnetostriktiven Schichten mit der zugehörigen magnetischen Anisotropie in den Richtungen der Pfeile durch ein vollständiges umfangsmäßiges Plattieren ausgebildet sind, wie in Fig. 13 dargestellt, und einen weiteren Fall, in dem die magnetostriktiven Schichten durch Kordierplattieren entsprechend der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 14 dargestellt, ausgebildet sind. Fig. 15 ist eine modellartige Darstellung eines Abschnittes von einem Teil, der entlang des Umfanges der magnetostriktiven Schichten, die in Fig. 14 dargestellt sind, genommen ist.
In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Drehmomentsensorwelle, mit 2 einen Kordierabschnitt, der über den Gesamtumfang der Wellenoberfläche ausgebildet ist, 3 bezeichnet eine magnetostriktive Schicht, die durch Plattieren ausgebildet ist. In Fig. 12 sind Abschnitte mit magnetostriktiv plattierten Schichten 3 und Abschnitte, die keine derartige Schicht aufweisen, abwechselnd an umfangsmäßig gleichen Abständen ausgebildet.
Um die Darstellung zu vereinfachen soll angenommen werden, daß die vorangegangenen drei Arten von magnetostriktiven Schichten alle unter gleichen Bedingungen plattiert sind. Durch diese Annahme ist es möglich, davon auszugehen, daß die magnetischen Effekte, denen sie unterworfen sind, gleich sind und demzufolge den Faktor des magnetischen Effektes aus der Betrachtungsweise herauszulassen. Demzufolge reicht es aus, die beiden anderen Faktoren zu betrachten, nämlich den Flächeneffekt und den Streßkonzentrationseffekt.
Um zu vergleichen, werden der Flächeneffekt und der Streßkonzentrationseffekt unter einer teilweisen Plattierung, wie in Fig. 12 dargestellt, beide mit dem Wert "1" standardisiert. Wenn dann bezüglich der magnetostriktiven Schicht, die durch ein teilweises Plattieren ausgebildet ist, ein Gesamteffekt erzielt wird, stellt dieser ein Produkt des Flächeneffektes multipliziert mit dem Streßkonzentrationseffekt dar, nämlich 1 · 1 = 1.
Im Fall einer magnetostriktiven Schicht, die durch ein vollständig umfangmäßiges Plattieren ausgebildet ist, wie es in Fig. 13 dargestellt ist, wird die Fläche der magnetostriktiven Schicht 3 doppelt so groß wie im Fall der magnetostriktiven Schicht nach Fig. 12. Demzufolge, während es keine Änderung in dem Streßkonzentrationseffekt gibt, wird der Flächeneffekt verdoppelt, was zu einem Gesamteffekt von 2 · 1 = 2 führt.
Als nächstes wird der Kordierplattierungsprozeß der Erfindung in Fig. 14 erklärt. Zur Vereinfachung soll angenommen werden, daß jeder Rücken oder jede Furche des Kordierabschnittes 2 im Querschnitt gleichschenkelig rechtwinklig dreiecksförmig ausgebildet ist, wie es in Fig. 15 dargestellt ist, in welchem Fall die Fläche jener magnetostriktiven Schicht 3 2 · 2 darstellt. Der Streßkonzentrationseffekt in jedem Kordierabschnitt 2 ist dementsprechend etwa 1,5 mal so groß wie in dem Fall, wenn die Welle einen weichen Außenumfang als Ergebnis einer Streßanalyse bezüglich Beispiel 1, das weiter unten beschrieben wird, aufweist. Demzufolge ist der Gesamteffekt dieses Verfahren:
2 · 2 · 1,5 = 4,2.
Auf diese Weise ist es entsprechend der Erfindung möglich, einen hochempfindlichen Drehmomentsensor mit einer sehr viel größeren Verbesserung der Gesamteigenschaften gegenüber einem Drehmomentsensor nach dem Stand der Technik zu schaffen.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Drehmomentsensors mit einer magnetostriktiven Drehmomentsensorwelle 11 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Diese Welle 11 besitzt ein Paar magnetisch anisotroper Abschnitte 12 und 13, die um den Außenumfang ausgebildet sind, mit dem Bezugszeichen 14 sind Erregerspulen bezeichnet, die zur Versorgung von magnetischen Feldern für die magnetisch anisotropen Abschnitte 12 und 13 vorgesehen sind, die durch einen Erregungsstrom von einer Erregungsschaltung 15 versorgt werden. Die Sensorspulen 16 erfassen eine Änderung in der magnetischen Permeabilität der magnetisch anisotropen Abschnitte 12 und 13, wenn ein Drehmoment auf die Welle 11 aufgebracht wird. Die Sensorenspulen 16 sind über Tiefpaßfilter mit einem Differentialverstärker 18 verbunden, über den ein Drehmomentsignal T geliefert wird. Es ist festzuhalten, daß die Erfindung in ihrer praktischen Ausführung zusätzlich zu dem Fall, in dem die Drehmomentsensorwelle ein Paar magnetisch anisotroper Abschnitte 12 und 13, wie oben festgehalten, aufweist, auch den Fall umfaßt, in dem die Welle nur einen einzigen magnetisch anisotropen Abschnitt besitzt, der ebenfalls genauso effektiv ist.
Die Fig. 1 bis 4 stellen das Verfahren vor, wie eine Drehmomentsensorwelle 11 hergestellt wird. Das Basismaterial der Welle ist strukturierter Stahl, beispielsweise SCM-Material (Chrommolybden-Stahl) oder SNCM-Material (Nickelchrommolybden-Stahl), wie es in JIS (Japanische Industrie Standards) vorgeschrieben ist. Auf der Oberfläche der Welle 11 sind Kordierabschnitte 21 ausgebildet, die in Fig. 1 dargestellt sind, die als magnetisch anisotrope Abschnitte 12 und 13, wie in Fig. 7 dargestellt, dienen und die durch Ausschneiden, durch Kordieren oder durch Rollen ausgeformt sind, wobei die Kordierabschnitte um ± 45º relativ zur Wellenachse geneigt sind. Die magnetische Anisotropie wird durch die Kordierabschnitte 21 für das Wellenmaterial aufgeprägt.
Anschließend wird das Basismaterial der Welle, das mit den Kordierabschnitten 21 ausgebildet ist, einer Wärmebehandlung unterworfen, um die erforderliche axiale Festigkeit der Welle zu verwirklichen. Diese Wärmebehandlung umfaßt eine allgemeine Wärmebehandlung zur Festigung der Welle für strukturierten Stahl, beispielsweise Karborisieren, Abschrecken und Tempern, oder Induktionshärten und Tempern.
Um dann anschließend eine Verbesserung der Bindung zwischen dem Wellenbasismaterial und den magnetostriktiven Schichten, die später beschrieben werden, und zur Verbesserung der Sensoreigenschaften zu erhalten, wird die Oberfläche des Wellenbasismaterials einer Basisbehandlung zur Ausbildung von magnetostriktiven Schichten unterworfen. Eine derartige Basisbehandlung ist z. B. die Ausbildung einer Vielzahl von feinen Ausnehmungen 22 auf der Oberfläche des Wellenbasismaterials. Beispielsweise wird Shot Peening insbesondere zur Anwendung für die Kordierabschnitte 21, wie in Fig. 2 dargestellt, bevorzugt. Die Anwendung von Shot Peening auf dieses Weise liefert eine Verbesserung der Bindung zwischen dem Wellenbasismaterial der magnetostriktiven Schichten, die durch Plattieren oder durch thermisches Sprayen, wie im folgenden beschrieben, ausgebildet werden. Shot Peening ist auch insoweit vorteilhaft, als es eine Hysteresisverringerung und eine Empfindlichkeitsverbesserung herbeiführt. Es ist jedoch festzuhalten, daß dort, wo eine besonders hohe Bindungsstärke zwischen dem Wellenbasismaterial und der magnetostriktiven Schicht erhältlich ist, beispielsweise beim Plattieren mit Nickel, eine Behandlung durch Shot Peening nicht notwendigerweise durchgeführt werden muß. Im Falle, daß die Oberfläche des Wellenbasismaterials Chrom enthält, kann ein Nickelplattieren als Basisbehandlung vorteilhaft sein. Mit anderen Worten, das Shot Peening und/oder das Nickelplattieren wird in der Stufe der Basisbehandlung durchgeführt.
Anschließend werden, wie in Fig. 3 dargestellt, magnetostriktive Schichten durch Plattieren, thermisches Sprayen oder anderweitig zumindest auf der Oberfläche der Kordierabschnitte 21, die in dem Außenumfang des Wellenbasismaterials enthalten ist, durchgeführt. In diesem Fall stehen verschiedene Verfahren zur Bildung von magnetostriktiven Schichten zur Verfügung, die z. B. zusätzlich zu dem oben erwähnten Plattieren und dem thermischen Sprayen CVD-Prozesse und PVD-Prozesse (beispielsweise Vakuumniederschlag, Sputtering oder Ionenplattieren) umfassen, wobei jedes der Verfahren je nach Wunsch verwendet werden kann.
Beispielsweise kann, wie in Fig. 5 dargestellt, eine derartige magnetostriktive Schicht 23 günstigerweise über den gesamten Bereich 26 zwischen ein Paar von Flanken 24 und 25 ausgebildet werden, die auf der Welle 11 geformt sind, um dementsprechend zwei magnetostriktive Abschnitte 12 und 13 dazwischen einzuschließen. Für das Material derartiger magnetostriktiver Schichten 23 wird ein weiches magnetisches Material, beispielsweise Nickel, Eisen-Nickel-Legierung, Eisen-Kobalt-Legierung oder Eisen-Aluminium-Legierung verwendet, die relativ niedrig kristallomagnetisch anisotropiekonstanten und, andererseits, verhältnismäßig hohe Sättigungsmagnetisierung und magnetostriktive Konstanten aufweisen. Wenn eine Eisenlegierung verwendet wird, ist die magnetostriktive Konstante im Wert positiv, beispielsweise bei strukturiertem Stahl oder Basismaterial der Welle 11. Wenn die magnetostriktive Konstante des Wellenbasismaterials die gleiche Polarität wie die magnetostriktive Konstante der magnetostriktiven Schicht aufweist, kann eine magnetostriktive Schicht dünn ausgeführt werden, ohne daß die Möglichkeit von gegenseitiger negativer Empfindlichkeit zwischen dem Basismaterial und der magnetostriktiven Schicht gegeben ist, was sehr günstig für die Ausbildung von magnetostriktiven Schichten ist.
Im Gegensatz dazu besitzt eine Nickellegierung eine magnetostriktive Konstante von negativem Wert und weist entgegengesetzte Eigenschaften bezüglich des Basismaterials der Welle 11 auf. Um ein Überschneiden miteinander zu verhindern, ist es demzufolge notwendig, daß die Dicke der magnetostriktiven Schicht 23 größer als die Hauttiefe ist, durch die der magnetische Fluß führt, vorzugsweise mehr als die zweifache Hautdicke. Die Hautdicke ä, durch die der Fluß hindurchführt, wird entsprechend der vorliegenden Gleichung berechnet:
δ = ρ/ (ωu)
In der Gleichung stellt ω die Erregungswinkelfrequenz dar, ρ stellt den Widerstand der magnetostriktiven Schicht dar und u stellt die magnetische Permeabilität der magnetostriktiven Schicht dar. Wenn beispielsweise die Erregung so bewirkt wird, daß die Erregungsfrequenz 50 kHz beträgt, ist die Hautdicke des SCM-Materials 85 Micron, die Hautdicke des Nickelmaterials 15 Micron, und die Hautdicke von PB Permalloy nach japanischem Standard (z. B. Nickel 47% - Eisen 53% Legierung) ist 20 Micron. Allgemein ist es wünschenswert, daß eine magnetostriktive Schicht 23 mit einer Dicke von mehr als 40 Micron ausgebildet wird.
Nachdem sie in dieser Weise aufgebaut ist, wird die magnetostriktive Schicht 23 einer stabilisierenden Wärmebehandlung zur Verfestigung der Materialstruktur der magnetostriktiven Schicht 23 unterworfen.
Anschließend wird die Schichtoberfläche einem Shot Peening unterworfen, wodurch eine Vielzahl von feinen Ausnehmungen 27 auf der Oberfläche der magnetostriktiven Schicht 23 ausgebildet werden. Die Schaffung derartiger feiner Vertiefungen oder Ausnehmungen liefert eine Verbesserung in den magnetischen Eigenschaften, der Oberfläche der magnetostriktiven Schicht 23, was zu einer verbesserten Sensorhysterese und zu einer weiteren Verbesserung der Sensorempfindlichkeit führt.
Um schließlich die Materialstruktur der magnetostriktiven Schicht 23 zu stabilisieren, die einem Shot Peening unterworfen wurde, wird eine Stabilisierungswärmebehandlung erneut durchgeführt.
Fig. 6 zeigt einen Vergleich der Empfindlichkeitseigenschaften eines Drehmomentsensors 1, der entsprechend der vorliegenden Erfindung gemacht wird, im Vergleich zu einem Drehmomentsensor mit einer Welle gemäß den Verfahren nach dem Stand der Technik.
Die Querachse bezeichnet das aufgebrachte Drehmoment und die Ordinate zeigt die Ausgangsspannung. In der Figur ist, je steiler die Linie geneigt ist, die Empfindlichkeit um so höher.
Linie "A" stellt die Sensoreigenschaften einer Drehmomentsensorwelle gemäß dem Verfahren der Kordierung, gefolgt durch die Wärmebehandlung, dar. Die Linie "B" stellt die Empfindlichkeitseigenschaften einer Drehmomentsensorwelle dar mit einer magnetostriktiven Schicht, die auf der Oberfläche gemäß dem Verfahren des Plattierens oder des thermischen Sprayens, das in Fig. 12 oder 13 dargestellt ist, dar. Aus der Figur ist die Empfindlichkeitsverbesserung im Vergleich mit "A" deutlich, was einer Verbesserung der Eigenschaften des magnetischen anisotropen Anteils aufzeigt. Die Linie "C" stellt die Empfindlichkeitseigenschaften einer Drehmomentsensorwelle nach dem Verfahren des Shot Peenings nach dem Kordieren dar, was sich auf eine Welle bezieht, die ähnlich der ist, die in der oben erwähnten japanischen Patentanmeldung 2-221830 aufgezeigt ist. Die Wirkung des Shot Peenings wird in einer weiteren Empfindlichkeitsverbesserung gegenüber von "B" aufgezeigt. Die Linie "D" stellt die Empfindlichkeit eines Drehmomentsensors gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Offensichtlich wird eine deutliche Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber den Wellen, die nach den Verfahren nach dem Stand der Technik erzeugt werden, erreicht.
Als nächstes werden die Beispiele des Verfahrens der vorliegenden Erfindung erklärt.

(Beispiel 1)

Ein SCM-Strukturstahl mit einem Außendurchmesser von 6 mm wurde kordiert, um einen Außenumfang zu bilden über eine Breite von 12 mm, wobei der Kordierabschnitt eine Reihe von Kordierungen mit einer Sattelhöhe von 0,3 mm in einem Muster von 1,3 mm enthält. Nach der Wärmebehandlung wurde ein Nickelplattieren auf dem Kordierabschnitt, der auf der Wellenoberfläche eingeschlossen ist, bewirkt, wodurch eine magentostriktive Schicht geformt wurde. Zu diesem Zweck wurde der elektrolytische Plattierungsprozeß verwendet, in dem ein NiSO&sub4;-NiCl&sub2;-H&sub3;BO Bad, oder ein sogenanntes Watt-Bad verwendet wurde zur Nickelplattierung. Eine nickelplattierte Schicht als magnetostriktive Schicht wurde zur einer Stärke von etwa 80 Micron ausgebildet. Anschließend wurde eine Temperaturstabilisierungs-Wärmebehandlung bei 170ºC für vier Stunden durchgeführt. Dann wurde die Oberfläche der magnetostriktiven Schicht einem Shot Peening unter Krafteinwirkung unterzogen, um die magnetostriktive Schicht nicht abzustreifen. Als Partikel beim Shot Peening wurden Gußeisenpartikel mit einer Partikelgröße von 44 Micron verwendet, die Bogenhöhe war 0,1 mmN. Schließlich wurde eine Temperaturstabilisierung wiederum bei etwa 170ºC für vier Stunden durchgeführt. Mit jeder Behandlungsstufe wurde eine Drehmomentsensor hergestellt und der gleiche wurde auf seine Eigenschaften unter einer Erregungswinkelfrequenz von 50 kHz getestet. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
In Tabelle 1 repräsentieren V1 und V2 die Werte nach der Änderung für die jeweiligen Ausgangsspannungen der Sensorspulen 16, 16 unter unbelasteten Zuständen in Fig. 7. Der Ausdruck "Empfindlichkeit" bezieht sich auf das Gleichgewicht zwischen V1 und V2, wenn vorgegeben Drehmomente, positive oder entgegengesetzte, auf die Welle 11 aufgebracht werden, was einem Drehmomentsignal entspricht im vorliegenden Beispiel wurde ein vorgegebenes Drehmoment von 0,05 kgm aufgebracht.
"S/N" stellt einen nicht dimensionierten Wert für die Empfindlichkeit dar. Es wird deutlich aus Tabelle 1, daß die Werte von V1 und V2 unter unbelastetem Zustand nach jeder Behandlungsstufe nicht gleich sind, wenn die Erregungsspannungen der Erregungsspulen 14, 14 geregelt konstant sind. Demzufolge ermöglicht der direkte Vergleich der "Empfindlichkeit"- Werte nicht den genauen Empfindlichkeitsvergleich. Demzufolge wurde für den exakten Empfindlichkeitsvergleich ein Wert gemäß der folgenden Gleichung berechnet:
V1 - V2 /(V1 + V2)
und der so berechnete Werte wurde als S/N-Wert verwendet.
Die Hysterese bezieht sich auf den Hysteresewert für den Drehmomentsensor selbst.
Wie es aus Tabelle 1 deutlich wird, wird durch die Durchführung einer Wärmebehandlung mit Temperaturstabilisierung nach dem Nickelplattieren eine erhebliche Verbesserung des S/N-Wertes erreicht im Vergleich zu dem Fall, in dem die Wärmebehandlung einfach nach der Stufe des Kordierens durchgeführt wurde. Die Wert in Klammern stellen des S/N-Verhältnis nach jedem Verarbeitungsschritt dar, wenn der S/N-Wert an einem Zeitpunkt direkt nach der Wärmebehandlung als "1" gesetzt wird. Ein nachfolgendes Shot Peening und eine Wärmebehandlung mit Temperaturstabilisierung führen zu einer weiteren Verbesserung des S/N-Wertes.
Wenn die Empfindlichkeitswerte negativ dargestellt sind, ist zu verstehen, daß eine derartige negative Darstellung auf der Tatsache beruht, daß die magnetostriktive Konstante von Nickel einen negativen Wert besitzt. Wie gezeigt ist, kann eine Verbesserung im S/N-Wert nur nach der Stufe der Wärmebehandlung bei Temperaturstabilisierung erkannt werden. Im Falle der Ausbildung der magnetostriktiven Schicht durch Nickelplattierung kann eine solche Verbesserung durch die Tatsache erklärt werden, daß die Restbeanspruchung der nickelplattierten magnetostriktiven Schicht lediglich durch die Wärmebehandlung bei Temperaturstabilisierung erreicht wird.
Gleichermaßen führt die Wärmebehandlung bei Temperaturstabilisierung nach dem Nickelplattieren zu eine Verbesserung in der Sensorhysterese.
Dieser Effekt der Hystereseverbesserung ist insbesondere bemerkenswert, wenn ein Shot Peening nach dem Plattieren durchgeführt wird.

(Beispiel 2)

In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wird ein Kordierabschnitt auf dem Wellenmaterial ausgebildet und dann eine Wärmebehandlung durchgeführt. Anschließend wird zur Verbesserung der Bindungsstärke einer thermischen Sprayschicht, die im folgenden beschrieben wird, die Wellenoberfläche mit dem Kordierabschnitt in einem Shot Peening mit Aluminiumteilchen mit einer Partikelgröße von 0,3 mm unterworfen. Als nächstes wird eine Eisen-Nickel- Legierung thermisch über den Oberflächenabschnitt gesprüht, um eine magnetostriktive Schicht zu bilden. Für das thermische Sprayen wurde eine Legierung von 47% Nickel und 53% Eisen (PB Permalloy, japanische Standardisierung) mit einer Durchschnittsgröße von 6 Micron verwendet. Ein Oxy-Fuel-Plasmaspraying wurde unter folgenden Sprühbedingungen durchgeführt: Strom 500 A, Argonflußrate 60 L/min, Wasserstoffflußrate 3 Umin, Pulverzufuhr-Düsendurchmesser 1,86 mm, Winkel der Pulverzuführung 105º. Eine magnetostriktive Schicht mit einer aufgesprühten Schichtdicke von 80 Micron wurde unter diesen Bedingungen erzielt.
Die Drehmomentsensoren wurden jeweiligen Verarbeitungsstufen aufgebaut und dann auf ihre Eigenschaften hin getestet unter einer Erregungswinkelfrequenz von 50 kHz. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt. Das aufgebrachte Drehmoment war 0,2 kgm. Tabelle 2
Wie es aus Tabelle 2 deutlich wird, wird durch die Ausbildung einer magnetostriktiven Schicht durch thermisches Sprayen eine bedeutende Verbesserung im S/N-Wert und in der Hysterese erreicht im Verhältnis zu dem Fall, in dem lediglich eine Wärmebehandlung nach dem Ausbilden des Kordierens durchgeführt wurde. Wenn ein derartiges Sprühen bewirkt wird, sind die Verbesserungen in den Eigenschaften, wie sie in Tabelle 2 dargestellt sind, ohne ein anschließendes Shot Peening und ohne eine Wärmebehandlung bei Temperaturstabilisierung möglich.
Als nächstes wird der Grund für die Empfindlichkeitsänderung gemäß des Unterschiedes in dem Zusammensetzungsmaterial für die magnetostriktive Schicht erklärt. Wenn ein Drehmoment auf eine Sensorwelle nach Fig. 3 aufgebracht wird, wird die Beanspruchung, die auf die äußerste Oberflächenschicht des Basismaterials in dem Kordierungsabschnitt 21 ausgeübt wird, als σ, und die Beanspruchung, die auf die magnetostriktive Schicht 23 wirkt, wird als σ m genommen. Die Sensorempfindlichkeit einer kordierten Welle alleine wird als Span-s verwendet, und die Sensorempfindlichkeit, wenn eine weichmagnetische magnetostriktive Schicht auf dem Kordierabschnitt ausgebildet wird, wird als Span-m genommen. Unter der Voraussetzung, daß die magnetostriktive Schicht mit einer Dicke ausgebildet ist, die größer als die Hautdicke ist, die notwendig und ausreichend ist, so daß der magnetische Fluß nur durch die magnetische Schicht läuft, gilt im wesentlichen die folgende Gleichung:
Span = k · S · σ · Λ
wobei k eine Konstante darstellt, S den Bereich, durch den der magnetische Fluß läuft, und σ die einwirkende Beanspruchung. Der Buchstabe A stellt einen Koeffizient des inversen magnetostriktiven Effektes (einen Faktor für die Villari-Umkehr) dar, so daß, wenn der magnetische Fluß B ist,
Λ = δB/δσ
Demzufolge werden Span-s und Span-m wie folgt dargestellt:
Span-s = k · S · σs · Λs
Span-m = k · S · σm · Λm.
Aus den beiden Gleichungen ergibt sich
Span-m/Span-s = (σm · Λm)/(σs · Λs).
Wenn das Young-Modul des Wellenmaterials Es, und das Young-Modul der magnetostriktiven Schicht Em ist, kann, da die Beanspruchung des Wellenmaterials und der magnetostriktiven Schicht an ihren Grenzen gleich sind, die obige Gleichung umgeschrieben werden als
Span-m/Span-s = (Em · Es)/(Λm · Λs).
Demzufolge ist das Empfindlichkeitsverhältnis das Produkt der Young- Modul-Verhältnisse multipliziert mit dem inversen Magnetostriktions- Effektverhältnis.
Wenn beispielsweise das Wellenmaterial SCM-Strukturstahl ist und die magnetostriktive Schicht aus 47 Nickelpermalloy hergestellt wird, d. h. PB- Permalloy, dann ist das Verhältnis:
Span-47 Permalloy/Span-s = (14000 /21000) · (1925/57) = 22,5
Wenn das Wellenmaterial SCM-Strukturstahl ist und die magnetostriktive Schicht aus Nickel gebildet ist, ist das Verhältnis
Span-Ni/Span-s
= (22000/21000) · (475/57) = 8,7
Um die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors durch die Ausbildung einer magnetostriktiven Schicht auf der Oberfläche des Wellenmaterials zu verbessern, betrachtet in Ausdrücken einer linearen Proximation, ist es wünschenswert, ein Material auszuwählen, das dazu dient, das Produkt der Young-Modulverhältnisse multipliziert mit dem inversen Magnetostriktions- Effektverhältnis als Material sowohl für die Welle als auch für die magnetostriktive Schicht, oder insbesondere als Material für die magnetostriktive Schicht zu vergrößern.
Zu diesem Zweck ist es notwendig, die Bearbeitungsbeanspruchung, die an der magnetostriktiven Schicht entwickelt wird, abzusenken, da das weiche magnetische magnetostriktive Material, das die magnetostriktive Schicht darstellt, im wesentlichen eine geringe Stärke besitzt. Dazu ist es wünschenswert, das Young-Modulverhältnis Em/Es auf weniger als 1 abzusenken und somit ist es notwendig, das Material so auszuwählen, daß (Em/Es) · (Λm/Λs) größer als 1 ist. Unter Bezugnahme auf die oben genannten Empfindlichkeitsverhältnisse führt die Auswahl von PB Permalloy für die magnetostriktive Schicht zu einem größeren Drehmomentbereich, der ohne Nachteil für die Sensoreigenschaften angewendet werden kann als in dem Fall, in dem Nickel für die magnetostriktive Schicht ausgewählt wird. Der Grund dafür liegt darin, daß das Young-Modulverhältnis für PB Permalloy des Wellenmaterialstahles kleiner als 1 ist, so daß die Beanspruchung, die sich entwickelt, verhältnismäßig kleiner ist als bei der Verwendung von Nickel.
Die oben genannte Beschreibung ist tabellenartig in Tabelle 3 aufgeführt, wobei
Λ = 0,77λsBs/K
wobei λs die magnetostriktive Konstante für jedes Material stellt und Bs die Sättigungsmagnetisierung zeigt, und K eine kristallomagnetische Anisotropiekonstante darstellt. Tabelle 3

(Beispiel 3)

Ein SNCM-Strukturstahl mit einem Außendurchmesser von 15 mm wurde dem Kordieren unterworfen und dann zur Verstärkung der Welle wärmebehandelt. Anschließend wurde ein Shot Peening durchgeführt, in dem Gußeisenpartikel mit einer Partikelgröße von 177 Micron verwendet wurden, um eine Vorbehandlung zur Verbesserung der Bindung zwischen einer magnetostriktiven Schicht und dem Wellenbasismaterial zu erzielen. Nachdem das Wellenmaterial durch Säurebehandlung oder anderweitig gesäubert wurde, wurde, um eine weiter Vorbehandlung für das Ausbilden der magnetostriktiven Schicht zu erzielen, ein Nickelplattieren für eine Dicke von 1 bis 2 Micron durchgeführt. Um ein Basismaterial wie den oben genannten SNCM-Strukturstahl zu plattieren, der Chrom enthält, ist ein Nickelplattieren notwendig, um eine verbesserte Bindung zwischen der plattierten Schicht zu erzielen.
Dann wurde eine Eisen-Nickel-Legierung auf der nickelplattierten Oberfläche plattiert, um eine magnetostriktive Schicht mit einer Dicke von 100 Micron auszubilden. Ein Watt-Bad wurde verwendet als Plattierungsbad.
In diesem Fall ist das Verhältnis des Eisen-Nickel-Gehaltes in der Legierung variiert worden, um verschiedene Arten von Wellen zu erhalten. Schließlich wurden diese Wellen einer Wärmebehandlung (bei 200ºC für vier Stunden) zur Stabilisierung der restlichen Plattierungsbeanspruchung unterworfen.
Fig. 8 zeigt eine Ansicht des dynamischen Bereichs, wie er erhalten wurde, wenn der Eisengehalt variiert wurde. Der dynamische Bereich ist durch Drehmomentbelastungen repräsentiert, innerhalb derer der Drehmomentsensor in seinem Ausgangssignal Linearität beibehält. Wie dargestellt, ist ein großer dynamischer Bereich erhalten worden, wenn der Eisengehalt in den Bereich von weniger als 25% liegt.
Fig. 9 zeigt Änderungen in der relativen Sensorempfindlichkeit, oder den S/N-Wert, wie er beobachtet wurde, wenn der Eisengehalt variiert wurde. Im vorliegenden Beispiel wie in dem Fall von Beispiel 1, wurden die S/N-Werte bezüglich der Ni-Fe-plattierten Sensorwellen auf der Basis des S/N-Wertes für SNCM-Stahlwellenmaterials, das allein einer Wärmebehandlung unterworfen wurde und das als 1 gesetzt wurde, berechnet. Wie dargestellt, werden bei 25 bis 30% Eisengehalt als Grenzwert die Sensoreigenschaften in ihrer Polarität umgekehrt. Dies bedeutet, daß eine hohe Empfindlichkeit erhalten wurde, wenn der Eisengehalt weniger als 25% betrug und wiederum eine sehr hohe Empfindlichkeit erhalten wurde, wenn der Eisengehalt zwischen 35 und 40% lag.
Die Fig. 10 und 11 zeigen Sensorhysterese und nichtlineare Darstellungen, wenn, bei variiertem Eisengehalt, die Drehmomentwerte in Fig. 8 im dynamischen Bereich angewendet wurden. In beiden Charakteristiken wurden zufriedenstellende Werte bei einem Eisengehalt von weniger als 25% nachgewiesen.
Auf diese Weise wurden zufriedenstellende Drehmoment- Sensoreigenschaften herausgefunden, wenn der Eisengehalt der Fe-Ni- Legierungsplattierung in den Bereich von weniger als 25% liegt.
Insbesondere ist dieser Eisengehalt vorteilhaft insoweit, als er einen größeren dynamischen Bereich ermöglicht und die Hysterese auf weniger als 1% begrenzt. Weiterhin wurde herausgefunden, daß innerhalb dieses Eisengehaltes die S/N-Werte im Bereich von 20 oder höher liegen, so daß es möglich ist, eine hohe Empfindlichkeit des Sensors zur Eignung für praktische Anwendungen zu erhalten.
Es ist erforderlich, daß der dynamische Bereich so groß wie möglich ist. Von dem Standpunkt einer langen Sensorlebensdauer und insbesondere dem Widerstand auf wiederholte Drehmomente ist es vorteilhaft, eine Sensorwelle mit einem hohen dynamischen Bereich zu verwenden, wobei der aktuelle Einsatzbereich auf einen niedrigeren Drehmomentbereich als der dynamische Bereich begrenzt ist.
Die Verhältnisse des dynamischen Bereiches mit der Hysterese und der Nichtlinearität werden erklärt. Wie aus den Fig. 9 bis 11 ersehen werden kann, zeigen Wellen mit einem hohen dynamischen Bereich im Durchschnitt gute Hysterese- und nichtlineare Eigenschaften. Einleuchtenderweise heißt dies, daß eine Welle mit einem großen dynamischen Bereich nicht so leicht einer plastischen Deformation im Mikrobereich des Wellenmaterials aufgrund des Anbringens eines Drehmomentes unterliegt, was wiederum zu einer zufriedenstellenden Hystere und nichtlinearen Eigenschaften beiträgt.
Als nächstes werden die Ergebnisse des Dauertestes erklärt. Ein SNCM- 815-Material mit einem Außendurchmesser von 15 mm ähnlich dem oben erwähnten Material wurde einer Plattierung mit einer Legierung von 5% Eisen und 95% Nickel zu einer Dicke von 100 Micron unterworfen, um eine Drehmomentsensorwelle zu erzeugen. Die Welle besitzt einen dynamischen Bereich von 6 kgm. Wiederholte Drehmomente von ± 4 kg wurden auf die Drehmomentsensorwelle aufgebracht, um 10&sup7; mal einen Dauertest zu durchlaufen. Die Ergebnis sind in Tabelle 4 dargestellt.
Es wurden auch Kalttests durchgeführt. Tests bei 100ºC für zwei Stunden und bei -30ºC für zwei Stunden wurden abwechselnd für 100 Zyklen wiederholt. Die Änderungen in den Sensoreigenschaften sind in Tabelle 5 dargestellt. Tabelle 4

Tabelle 5

Änderung
Empfindlichkeit (wenn ± 4 kgm angewendet wurden -0,6% FS
Hysterese -0,2% FS
Nichtlinearität -0,3% FS
In Verbindung mit dem oben genannten Dauertest und dem Kältetest wird die Dauerhaftigkeit der Sensorwelle mit einer magnetostriktiven Schicht, die durch Plattieren ausgebildet ist, erklärt. Die Drehmomentsensorwellen sollen nicht nur gute magnetische Charakteristiken, wie hohe Permeabilität und hohe magnetostriktive Konstante aufweisen, sondern auch einen Widerstand gegen die Beanspruchung, die an der plattierten Schicht aufgrund des aufgebrachten Drehmomentes erzeugt wird, d. h. sie sollen gegen Ermüdung widerstandsfähig sein.
Die oben erwähnte japanische Patentanmeldung 3-282338 lehrt ein Verfahren, in dem Kordierungsrillen auf der Oberfläche des Wellenbasismaterials ausgebildet werden und weiterhin eine magnetostriktive Schicht aufgebracht wird, um eine magnetische Anisotropie auf der Oberfläche der Welle zu erzeugen. Jedoch ist mit dieser bekannten Sensorwelle, in der eine magnetostriktive Schicht auf der Oberfläche der Kordierausnehmungen allein durch Plattieren ausgebildet wird, es nicht möglich, eine ausreichende Wellenfestigkeit oder eine Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung vorzusehen.
Hinsichtlich dieses Lebensdaueraspektes sind die wichtigsten Faktoren, die betrachtet werden müssen, die Festigkeit gegen Ermüdung der plattierten Schicht selbst und auch der Widerstand gegen Ermüdung der Bindung zwischen der plattierten Schicht und dem Wellenbasismaterial.
Als erstes wird das Problem des Widerstands gegen Ermüdung der plattierten Schicht selbst erklärt. Bei plattierten Sensorwellen nach dem Stand der Technik war das Problem, daß der dynamische Bereich so klein ist, daß bei Aufbringen eines Drehmomentes in der Größenordnung des dynamischen Bereiches die plattierte Schicht einer plastischen Deformation auf Mikroebene in ihrer Körnungsbindung unterworfen wurde. Wenn demzufolge ein wiederholtes Drehmoment aufgebracht wurde, führt die plastische Deformation zu einer verhältnismäßig schwachen Körnungsbindung, und ein metallurgischer Ermüdungsprozeß beginnt mit dem Ergebnis, daß in der Hysterese Änderungen auftreten, ebenso in der Nichtlinearität und in der Empfindlichkeit, was die Charakteristiken und Eigenschaften des Sensors benachteiligt.
Als nächstes wird das Problem der Ermüdung der Bindung zwischen der plattierten Schicht und dem Wellenbasismaterial erklärt. Selbst wenn der Widerstand gegen Ermüdung in der plattierten Schicht sehr hoch ist, wird, wenn die Stärke der Bindung zwischen dem Wellenbasismaterial und der plattierten Schicht gering ist, eine Abtrennung der Zwischenschicht mit den Schichten auftreten, wenn sie durch wiederholte Beanspruchung aufgrund des aufgebrachten Drehmomentes belastet werden mit dem Ergebnis, daß die Welle zur Verwendung als Sensor ungeeignet ist.
Bezüglich dieser Punkte wurde eine bedeutende Verbesserung gemäß der Erfindung erreicht, wie im vorliegenden Beispiel 3 ausgeführt, bei dem eine Eisen-Nickel-Plattierung ausgeführt wurde, wenn der Eisengehalt auf 0 bis 25% begrenzt ist, wodurch ein verbesserter Sensordynamikbereich erzielt wird. Weiterhin ist in der praktischen Verwendung die Aufbringung eines Drehmomentes auf einen vernünftig geringeren Drehmomentbereich innerhalb des dynamischen Bereiches begrenzt. Auf diese Weise ist es möglich, die Ermüdungseigenschaften der plattierten Schicht selbst zu verbessern.
Weiterhin wurden als Vorbehandlung für das Plattieren ein Shot Peening oder ein Nickelplattieren durchgeführt, um die Festigkeit der Bindung zwischen dem Basismaterial und der plattierten Schicht zu erhöhen. Auch dies führt zu einer guten Verbesserung in den Ermüdungseigenschaften.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen der Welle (1) eines magnetostriktiven Drehmomentsensors, bei dem

die Oberfläche des Wellenbasismaterials bearbeitet wird, um darin Rändelausnehmungen (2) zu formen, die relativ zur Achse des Wellenbasismaterials geneigt sind,

dann das Wellenbasismaterial wärmebehandelt wird,

dann das Wellenbasismaterial der Oberflächenbehandlung durch shot peening unterworfen wird, um die Bindungsstärke zwischen dem Wellenbasismaterial und einer magnetostriktiven Beschichtung, die später auf der Oberfläche ausgebildet wird, zu verbessern, und/oder

zur Verbesserung der Sensoreigenschaften eines Drehmomentsensors, der aus der Drehmomentsensorwelle aufgebaut wird, und

nachfolgend eine magnetostriktive Beschichtung vorgegebener Dicke durch thermisches Sprühen oder Vakuumbeschichtung oder Spritzen oder Ionenplattierung

zumindest auf der Fläche der Rändelausnehmungen (2), die in dem äußeren Umfangsbereich des Wellenbasismaterials enthalten sind, ausgebildet wird.

2. Verfahren zum Herstellen der Welle (1) eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht eine Schickt plattiert mit einer FeNi-Legierung aufweist, bei der der Fe-Anteil mehr als 0%, jedoch weniger als 15% beträgt.

3. Verfahren zum Herstellen der Welle eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Verfahrensschritt nach der Wärmebehandlung, jedoch vor der Ausbildung der magnetostriktiven Schicht die Nickelplattierung als vorbereitende Oberflächenbehandlung durchgeführt wird.

4. Verfahren zum Herstellen der Welle eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht nach ihrer Ausbildung einer temperaturstabilisierten Wärmebehandlung unterworfen wird.

5. Verfahren zum Herstellen der Welle eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schritt des Shot Peenings nach der Bildung der magnetostriktiven Schicht durchgeführt wird, um feine Ausnehmungen auf der Oberfläche der magnetostriktiven Schicht auszubilden.

6. Verfahren zum Herstellen der Welle eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der magnetostriktiven Schicht weiterhin nach der Ausbildung der feinen Ausnehmungen einer temperaturstabilisierten Wärmebehandlung unterworfen wird.

7. Verfahren zum Herstellen der Welle eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Konstante des Materials des Wellenbasismaterials und die magnetostriktive Konstante des Metalls der magnetostriktiven Schicht in ihren positiven und negativen Polaritäten gleich sind.

8. Verfahren zum Herstellen der Welle eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Konstante des Metalls des Wellenbasismaterials und die magnetostriktive Konstante des Metalls der magnetostriktiven Schicht in ihren positiven und negativen Polaritäten unterschiedlich sind, wobei die Dicke der magnetostriktiven Schicht größer als die Außenhauttiefe ist.

9. Verfahren zum Herstellen der Welle eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der magnetostriktiven Schicht mehr als das doppelte der Außenhauttiefe beträgt.

10. Verfahren zum Herstellen der Welle eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht aus einem weichen magnetischen Material mit einem Young-Wert kleiner als der des Wellenbasismaterials ist.

11. Magnetostriktiven Drehmomentsensors, mit Rändelausnehmungen (2) auf der Oberfläche des Wellenbasismaterials, die relativ zur Achse des Wellenbasismaterials geneigt sind,

einer oberflächenbehandelten Schicht, wobei die Schicht durch shot peening behandelt wird, ausgebildet auf dem wärmebehandelten Wellenbasismaterial, erforderlich zur Verbesserung der Bindungsfestigkeit zwischen dem Wellenbasismaterial (1) und einer magnetostriktiven Schicht und/oder zur Verbesserung der Sensoreigenschaften eines Drehmomentsensors, der die Drehmomentsensorwelle aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die magnetostriktive Schicht, die zumindest auf der Oberfläche der Rändelausnehmungen (2), die in dem Außenumfang des Wellenbasismaterials sich befinden, eine vorgegebene Dicke aufweist und eine plattierte Schicht oder gesprühte Schicht oder eine durch Vakuumbeschichtung erzeugte Schicht oder einen gespritzte Schicht besitzt.

12. Magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht FeNi-Legierung plattierte Schicht aufweist, wobei der Fe Anteil der legierungsplattierten Schicht größer als 0%, jedoch kleiner als 25% ist.

3. Magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenbasismaterial ein Material ausgewählt aus Nickel-Chrom- Stahl und Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl ist.

4. Magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetstriktionskonstante des Materials des Wellenbasismaterlals und die Magnetstriktionskonstante des Metalls der magnetostriktiven Schicht die gleichen in den positiven und negativen Polaritäten sind.

15. Magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Konstante des Metalls des Wellenbasismaterials und die magnetostriktive Konstante des Metalls der magnetostriktiven Schicht unterschiedlich in ihren positiven und negativen Polaritäten sind, wobei die Dicke der magnetostriktiven Schicht größer ist als die Außenhauttiefe.

16. Magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der magnetostriktiven Schicht mehr als das doppelte der Außenhauttiefe beträgt.

17. Magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht aus einem weichen magnetischen Material mit einem Young-Wert kleiner als der des Wellenbasismaterials gebildet ist.