DE69414937T2

DE69414937T2 - Drehmomentsensor mit Verwendung einer magnetostriktiven Legierung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69414937T2
Application number: DE69414937T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki 611-Gou Raionzu-Manshon Kyoto-Shi Kyoto 613 Hase; Rihito Yawata-Shi Kyoto 614 Shoji
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1993-08-26
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2014-08-26
Also published as: EP0640817B1; KR950006436A; US5675886A; EP0640817A2; KR0151747B1; DE69414937D1; US5557974A; EP0640817A3

Description

Diese Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor, der ein magnetostriktives Legierungsband- aufweist und der für eine kontaktlose Messung verwendet werden kann. Diese Erfindung betrifft außerdem einen Drehmomentsensor, der für die Zwecke z. B. der Messung der Kraft zur Drehung eines Lenkrads eines Fahrzeugs (insbesondere eines Elektrofahrzeugs), der Messung des Drehmoments einer Maschine zur Aufnähme einer synthetischen Faser oder der Messung der Viskosität von Materialien verwendet werden kann. Diese Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung des Drehmomentsensors.
Drehmomentsensoren, die aus einer amorphen magnetischen Legierung mit Magnetostriktion oder einer Legierung auf Fe- Basis mit Magnetostriktion hergestellt sind, sind bekannt. Zum Beispiel offenbart die JP-A-3-26339 einen Drehmomentsensor, der eine Metallwelle hat, auf welche ein spannungsempfindliches amorphes magnetostriktives Legierungsband geklebt ist. Längliche Schlitze sind in dem amorphen magnetostriktiven Legierungsband des Drehmomentsensors gebildet. Die Winkel der Schlitze sind +45º und -45º längs zur Welle, wenn das magnetostriktive Legierungsband an der Oberfläche der Welle klebt. Fig. 10 zeigt ein amorphes magnetostriktives Legierungsband vom Stand der Technik. Die Buchstaben in der Figur sind wie folgt beschrieben: a' = 35,8 mm (i' = 1 mm, h' = 1 mm) lang, b' = 25,0 mm (c' = 10,5 mm, d' = 10,5 mm, e' = 1 mm, f' = 2 mm, g' = 1 mm) breit. Die Schlitzbreite s ist 0,3 mm. Die Teilung (Abstand zwischen den zwei Schlitzen) t ist 2,0 mm. Der Winkel der Schlitze (&epsi;) ist 45º. Bei Verwendung für den Drehmomentsensor ist die Länge a' der Umfang. Die Sehlitze werden verwendet, um die Drehmomentrichtung zu messen. Spuleneinrichtungen sind außerhalb des amorphen magnetostriktiven Legierungsbandes angeordnet, um die magnetische Eigenschaft zu messen. Durch Anlegen eines Drehmoments an die Welle, werden Zug- und Druckspannungen bei +45º und -45º längs zur Oberfläche der Welle erzeugt. Daraus ergeben sich Änderungen der magnetischen Eigenschaften der Schlitze bei +45º und -45º an dem amorphen magnetostriktiven Legierungsband. Der Unterschied der Änderungen der magnetischen Eigenschaft wird von Spuleneinrichtungen gemessen, auf diese Weise wird die Richtung und Größe des Drehmoments gemessen.
Herstellungsverfahren eines solchen Drehmomentsensors sind nachstehend erklärt:
zylindrisches Formen einer amorphen Platte unter Krafteinwirkung und deren Zusammenkleben; oder
zylindrisches Formen einer amorphen Platte durch Glühen; um den Durchmesser der Welle in etwa anzupassen und dann deren Zusammenkleben.
In dem erstgenannten Verfahren wird ein flaches Metallband zylindrisch geformt und zusammengeklebt. Daher könnten mehrere auf dem Metallband gebildete Reihen von Schlitzen beim Biegen verformt werden, was eine der Ursachen für die Unebenheit oder Beschädigung des Metallbands ist. Im dem letztgenannten Verfahren wird ein Metallband an einer metallischen zylindrischen Spannvorrichtung befestigt und geglüht. Ein Problem mit diesem Verfahren sind Verformungen der Schlitze beim Befestigen des Bandes an der Spannvorrichtung, die eine Beschädigung des Bands zur Folge hatten. Die eingekreisten Teile eines Metallbands 22 in Fig. 11 (u&sub1; bis u&sub7;) zeigen, daß bestimmte Teile der Schlitze oft beschädigt werden, was zu einer geringen Ausbeute des Produkts führen könnte. Was die von den Schlitzen bereitgestellte magnetische Anisotropie betrifft, werden oft innere Verformungen hervorgerufen, selbst wenn es keinen beschädigten Teil gibt. Folglich wird kein gutes lineares Ausgangssignal über einen weiten Drehmomentbereich erhalten.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, durch Verbesserung der Form der Sehlitze in einem magnetostriktiven Legierungsband die Beschädigung eines magnetostriktiven Legierungsbands während der Herstellung und eine Ungenauigkeit im Ausgangssignal eines Drehmomentsensors zu verringern.
Um diese und ändere Aufgaben und Vorteile zu erreichen, weist ein Drehmomentsensor dieser Erfindung ein auf einer Oberfläche einer Welle befestigtes magnetostriktives Legierungsband und außerhalb des Bandes angeordnete Einrichtungen zum Messen einer magnetischen Änderung auf, wobei das magnetostriktive Legierungsband mehrere Reihen von mehreren Löchern besitzt, die in einem gewünschten Winkel bezüglich der Längsrichtung der Welle angeordnet sind, und die Reihen von Löchern in Längsrichtung bezüglich der Welle angeordnet sind.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß das magnetostriktive Legierungsband zylindrisch geformt ist, so daß die Längsrichtung im wesentlichen vertikal ist, und es in der Lage ist, eine gleichförmig auf dem Band anliegende Last von 10 g oder mehr auszuhalten.
In dieser Erfindung ist stärker bevorzugt, daß das magnetostriktive Legierungsband zylindrisch geformt ist, so daß die Längsrichtung im wesentlichen vertikal ist, und es in der Lage ist, eine gleichförmig auf dem Band anliegende Last von 80 g oder mehr auszuhalten.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die Abmessung der Löcher zwischen 2 mm und 5 mm in der Länge und zwischen 0,1 mm und 2 mm in der Breite liegt.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die Löcher in einer Linie angeordnet sind und der Abstand zwischen benachbarten Löchern in einer Linie zwischen 0,1 mm und 1 mm ist und der Abstand zwischen benachbarten Linien zwischen 0,5 mm und 5 mm liegt.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die mehreren Lochlinien schräg in zwei Richtungen längs zur Welle angeordnet sind.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die schrägen Winkel ungefähr +45º und -45º sind.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die Löcher eine gekrümmte Form haben.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß der krummlinige Abschnitt der Löcher die Form hat, die mindestens einer Form aus der Gruppe bestehend aus Kreis, Ellipse und Oval entspricht.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß das magnetostriktive Metallband eine amorphe magnetostriktive Legierung aufweist.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die amorphe magnetostriktive Legierung mindestens eine Legierung ist, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Legierung auf Fe-Cr- Si-B-Basis, Fe-Nb-Si-B-Basis Fe-V-Si-B-Basis, Fe-Co-Si-B-Basis, Fe-W-Si-B-Basis, Fe-Ni-Cr-Si-B-Basis, Fe-Ni-Nb-B-Basis und Fe- Ni-Mo-B-Basis.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die Zusammensetzung der amorphen magnetostriktiven Legierung Fe: 75 Atom%, Cr: 4 Atom%, Si: 12,5 Atom%, B: 8,5 Atom% (nachstehend Fe&sub7;&sub5;Cr&sub4;Si12,5B8,5) ist.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die Einrichtung zum Messen einer magnetischen Änderung eine Spuleneinrichtung ist.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die Ungenauigkeit der Ausgangsspannung 10% oder weniger des gesamten Bereichs des Drehmoments (100 kgfcm) ist.
In dieser Erfindung ist bevorzugt, daß die Kennlinie bei graphischer Darstellung im wesentlichen eine gerade Linie zeigt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Drehmomentsensors dieser Erfindung weist die folgenden Schritte auf:
Ätzen eines magnetostriktiven Legierungsbands, um mehrere Reihen von mehreren, in einem gewünschten Winkel angeordneten Löchern zu bilden;
Wickeln des magnetostriktiven Legierungsbands auf eine zylindrischen Innenstruktur, deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Welle ist;
Anordnen des magnetostriktiven Legierungsbands und der Innenstruktur innerhalb einer zylindrischen Außenstruktur, die hohl ist; und
Rollen des magnetostriktiven Legierungsbands durch Glühen.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die Glühtemperatur zwischen 350ºC bis 600ºC liegt. Es ist besonders bevorzugt, daß die Glühtemperatur die Kristallisationstemperatur der magnetostriktiven Legierung oder geringer ist und geeignet ist, das magnetostriktive Legierungsband zu rollen.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die Glühatmosphäre mindestens eine nichtoxidierende Atmosphäre ist, die aus der Gruppe bestehend aus inerter Atmosphäre und Unterdruck- Atmosphäre ausgewählt ist.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß der Druck der Unterdruck-Atmosphäre zwischen 1 Torr und 1 · 10&supmin;&sup6; Torr liegt.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die inerte Atmosphäre mindestens ein Gas ist, das aus der Gruppe bestehend aus Ar, He, Ne, N&sub2; und CO ausgewählt ist.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß das Material der Innenstruktur einen hohen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung hat, während das Material der Außenstruktur einen niedrigen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung hat.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß der Abstand zwischen der Innenstruktur und der Außenstruktur zwischen 10 um und 500 um liegt.
Das magnetostriktive Legierungsband des Drehmomentsensors der Erfindung, wie oben erwähnt, hat mehrere Reihen von mehreren, in einem gewünschten Winkel längs zu einer Welle angeordneten Lochgruppen, die während der Herstellung eine Beschädigung des magnetostriktiven Legierungsbands verringern und die Ungenauigkeit des Ausgangssignals des Drehmomentsensors verringern können. Der Grund dafür ist wie folgt: Anstelle von Schlitzen im Stand der Technik sind mehrere Reihen von mehreren Lochgruppen gebildet, die die Stabilität aufeinanderfolgender Teile in Richtung der Fläche des magnetostriktiven Legierungsbands erhöhen. Folglich ist die Kraft, selbst wenn eine Spannung anliegt, nicht konzentriert, sondern verteilt, und daher ist die Festigkeit erhöht.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß das magnetostriktive Legierungsband zylindrisch geformt ist, so daß die Längsrichtung im wesentlichen vertikal ist, und daß es in der Lage ist, eine gleichförmig auf dem Band anliegende Last von 10 g oder mehr auszuhalten, was während der Herstellung die Beschädigung des magnetostriktiven Legierungsbands verringern und die Ungenauigkeit der Ausgangsspannung eines Drehmomentsensors verringern kann.
In diesem Verfahren ist stärker bevorzugt, daß das magnetostriktive Legierungsband zylindrisch geformt ist, so da die Längsrichtung im wesentlichen vertikal ist, und daß es in der Lage ist, eine gleichförmig auf dem Band anliegende Last von 80 g oder mehr auszuhalten, was während der Herstellung die Beschädigung des magnetostriktiven Legierungsbands verringern und die Ungenauigkeit der Ausgangsspannung eines Drehmomentsensors verringern kann.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die Abmessung der Löcher, die die Lochgruppen bilden, zwischen 2 und 5 mm in der Länge und zwischen 0,1 und 2 mm in der Breite liegt, was während der Herstellung die Beschädigung des magnetostriktiven Legierungsbands verringern und die Ungenauigkeit des Ausgangssignals eines Drehmomentsensors verringern kann.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die Lochgruppen Linien bilden und der Abstand zwischen benachbarten Löchern in der gleichen Linie zwischen 0,1 und 1 mm liegt, und der Abstand zwischen zwei Linien zwischen 0,5 und 5 mm liegt, was während der Herstellung Beschädigungen des magnetostriktiven Legierungsbands verringern und die Ungenauigkeit des Ausgangssignals eines Drehmomentsensors verringern kann.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die mehreren Lochlinien und Gruppen schräg in zwei Richtungen längs zur Welle angeordnet sind, was die Verformung in Längs- und Umfangsrichtung genauer messen kann. Es ist insbesondere bevorzugt, daß der schräge Winkel +45º und -45º ist.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die Löcher eine gekrümmte Form haben, die unter Spannung kaum beschädigt wird. In diesem Verfahren ist insbesondere bevorzugt, daß die Form mindestens eine Form ist, die aus der Gruppe bestehend aus Kreis, Ellipse und Oval ausgewählt ist.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß das magnetostriktive Metallband eine amorphe magnetostriktive Legierung aufweist, die ein Drehmoment genau messen kann. In diesem Verfahren ist insbesondere bevorzugt, daß die magnetostriktive Legierung mindestens eine Legierung ist, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Legierung auf Fe-Cr-Si-B-Basis, Fe-Nb-Si-B- Basis, Fe-V-Si-B-Basis, Fe-Co-Si-B-Basis, Fe-W-Si-B-Basis, Fe- Ni-Cr-Si-B-Basis, Fe-Ni-Nb-B-Basis und Fe-Ni-Mo-B-Basis.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die Einrichtung zum Messen einer magnetischen Änderung eine Spuleneinrichtung ist, die eine genauere Messung eines Drehmoments erlaubt.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die Ungenauigkeit der Ausgangsspannung 10% oder weniger des gesamten Drehmoment- Bereichs (1000 kgfcm) ist, was die genauere Messung eines Drehmoments erlaubt. In diesem Verfahren ist außerdem bevorzugt, daß die Kennlinie bei graphischer Darstellung im wesentlichen eine gerade Linie zeigt.
Gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Erfindung kann der oben erwähnte Drehmomentsensor effizient hergestellt werden.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die Glühtemperatur zwischen 350ºC und 600ºC liegt, was für das Rollen des magnetostriktiven Metallbands geeignet ist.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß die Glühatmosphäre mindestens eine nichtoxidierende Atmosphäre ist, die aus der Gruppe bestehend aus inerter Atmosphäre und Unterdruck- Atmosphäre ausgewählt ist und die geeignet ist, die Oxidation des magnetostriktiven Legierungsbands zu verhindern und das magnetostriktive Legierungsband zu rollen. Es ist außerdem als nichtoxidierende Atmosphäre bevorzugt, daß der Druck der Unterdruck-Atmosphäre zwischen 1 Torr und 1 · 10&supmin;&sup6; Torr liegt, oder daß die inerte Atmosphäre mindestens ein Gas ist, das aus der Gruppe bestehend aus Ar, He, Ne, N&sub2; und CO ausgewählt ist.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß das Material der Innenstruktur einen hohen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung hat, während das Material der Außenstruktur einen niedrigen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung hat. In diesem Fall kann der Abstand zwischen der Innenstruktur und der Außenstruktur bei Raumtemperatur verringert sein, da die Zufuhr von Wärme beim Glühen weniger Auswirkung haben wird, was es ermöglicht, das magnetostriktive Metallband gleichförmig zu wickeln. Es ermöglicht außerdem, bei Raumtemperatur die Innenstruktur effizienter innerhalb der Außenstruktur anzuordnen. Weichere Metalle wie Messing, Kupfer und Aluminium sind als Material für die Innenstruktur bevorzugt, da diese Metalle hohe Koeffizienten der thermischen Ausdehnung haben. Andererseits sind Titan, Titanstahl, Stahl, Fe-Nickel-Stahl, rostfreier Stahl, Nickel und dergleichen als Material für die Außen struktur bevorzugt, da die Metalle niedrige Koeffizienten der thermischen Ausdehnung haben.
In diesem Verfahren ist bevorzugt, daß der Abstand zwischen der Innenstruktur und der Außenstruktur zwischen 10 und 500 um liegt, was für das gleichförmige Rollen des magnetostriktiven Metallbands geeigneter ist.
Das Verfahren dieser Erfindung erzeugt keine Verformungen der Schlitze, die in dem Herstellungsverfahren vom Stand der Technik erzeugt worden sind. Folglich kann die Reproduzierbarkeit des Ausgangssignals des Drehmomentsensors verbessert werden, da eine Beschädigung verhindert werden kann.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines entrollten magnetostriktiven Metallbands, das für einen Drehmomentsensor einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht von Löchern des Drehmomentsensors von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht zum Formen des magnetostriktiven Metallbands in eine zylindrische Form. Das Band wird für einen Drehmomentsensor einer Ausführungsform der Erfindung verwendet.
Fig. 4 zeigt die Struktur eines Drehmomentsensors einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5(a) und Fig. 5(b) erklären den Vorgang des zylindrischen Formens eines magnetostriktiven Metallbands einer Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 5(a) zeigt den Vorgang des zylindrischen Wickelns des magnetostriktiven Metallbands auf eine Innenstruktur, und Fig. 5(b) zeigt den Vorgang des Anbringens einer Außenstruktur an das magnetostriktive Metallband und des Glühens.
Fig. 6(a) und Fig. 6(b) zeigen vergrößerte Querschnittsansichten eines mit elliptischen Löchern gebildeten magnetostriktiven Metallbands einer Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 6(a) erklärt mehrere Löcher und Fig. 6(b) erklärt eines der Löcher.
Fig. 7(a) und Fig. 7(b) zeigen vergrößerte Querschnittsansichten eines mit ovalen Löchern gebildeten magnetostriktiven Metallbands einer Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 7(a) erklärt mehrere Löcher und Fig. 7(b) erklärt eines der Löcher.
Fig. 8(a) und Fig. 8(b) zeigen vergrößerte Querschnitts ansichten eines mit rechteckigen Löchern gebildeten magnetostriktiven Metallbands einer Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 8(a) erklärt mehrere Löcher und Fig. 8(b) erklärt eines der Löcher.
Fig. 9(a) und Fig. 9(b) zeigen, wie die Belastungsstärke gemessen wird, um ein magnetostriktives Metallband dieser Erfindung mit einem Beispiel vom Stand der Technik zu vergleichen. Fig. 9(a) zeigt den Vorgang des Anordnens eines zylindrischen magnetostriktiven Metallbands auf einer Glasplatte und des anschließenden Anordnens einer anderen Glasplatte auf dem zylindrischen magnetostriktiven Metallband. Fig. 9(b) zeigt den Vorgang des Anordnens eines Gewichts auf der Glasplatte auf dem zylindrischen magnetostriktiven Metallband.
Fig. 10 zeigt eine Ansicht eines entrollten, mit Schlitzen gebildeten magnetostriktiven Metallbands vom Stand der Technik.
Fig. 11 zeigt die beschädigten Teile des mit Schlitzen gebildeten magnetostriktiven Metallbands vom Stand der Technik.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel der optimalen Ausgangsspannung und des Ungenauigkeitsbereichs eines mit elliptischen Löchern gebildeten Drehmomentsensors einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 13 zeigt ein Beispiel der optimalen Ausgangsspannung und des Ungenauigkeitsbereichs eines mit ovalen Löchern gebildeten Drehmomentsensors einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 14 zeigt ein Beispiel der optimalen Ausgangsspannung und des Ungenauigkeitsbereichs eines mit rechteckigen Löchern gebildeten Drehmomentsensors einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 15 zeigt ein Beispiel der optimalen Ausgangsspannung und des Ungenauigkeitsbereichs eines mit Schlitzen gebildeten Drehmomentsensors vom Stand der Technik.
Tabelle 1 zeigt einige Beispiele für die Materialien eines magnetostriktiven Legierungsbands, die sich für eine Verwendung in dieser Erfindung eignen. Tabelle 1 zeigt außerdem die Kristallisationstemperatur der Materialien.

TABELLE 1

Zusammensetzung (Atom%) Kristallisationstemperatur
Fe&sub7;&sub5;Cr&sub4;Si12,5B8,5 460
Fe&sub7;&sub0;Cr&sub4;Si&sub1;&sub6;B&sub1;&sub0; 480
Fe&sub8;&sub0;NbSi&sub6;B&sub1;&sub3; 510
Fe&sub7;&sub9;V&sub2;Si&sub6;B&sub1;&sub3; 480
Fe&sub7;&sub0;Co&sub8;Si&sub1;&sub3;B&sub9; 520
Fe&sub7;&sub4;W&sub2;Si&sub1;&sub0;B&sub1;&sub5; 560
Fe&sub4;&sub0;Ni&sub3;&sub5;Cr&sub4;Si&sub1;&sub2;B&sub9; 440
Fe&sub4;&sub0;Ni&sub3;&sub9;Nb&sub2;B&sub1;&sub9; 400
Fe&sub4;&sub0;Ni&sub3;&sub8;Mo&sub4;B&sub1;&sub8; 390
Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines entrollten magnetostriktiven Metallbands, das für den Drehmomentsensor einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. Die Nummer 2 in Fig. 1 ist das amorphe magnetostriktive Metallband. Die Zusammensetzung des amorphen magnetostriktiven Legierungsbands 2 war Fe&sub7;&sub5;Cr&sub4;Si12,5B8,5. Die Dicke war 32 um, die Kristallisationstemperatur war 460ºC, die Sättigungskonstante der Magnetostriktion war 22 ppm. Das magnetostriktive Legierungsband 2 wurde durch ein Einzelwalzen-Schnellabschreckung-Verfahren erzeugt (z. B. wurde es mit 10000ºC/sek schnell von 1400ºC auf Raumtemperatur abgeschreckt). Die Abmessungen waren: Länge (a): 35,8 mm (i = 1 mm, h = 1 mm), Breite (b): 25,0 mm (c = 11 mm, d = 11 mm, e = 1 mm, f = 1 mm, g = 1 mm), der Winkel der Lochlinien α war 45º. Die Abstände der Mitten zwischen zwei Lochlinien (j und k) waren jeweils 2 mm. Die oben erwähnten Löcher wurden durch einen Ätzprozeß erzeugt. Bei Verwendung für einen Drehmomentsensor wird die Längsrichtung (a) der Umfang. Die weißen Löcher und schraffierten Löcher in Fig. 1 unterscheiden sich ein wenig in der Abmessung, was in Fig. 2 erklärt ist.
Das weiße Loch (Ellipse) und das schraffierte Loch (Ellipse) in Fig. 2 entsprechen jeweils denjenigen in Fig. 1. Die weißen Löcher sind 4 mm lang (11 bis 13) und 0,3 mm breit (p1). Das schraffierte Loch ist 2,95 mm lang (14) und 0,3 mm breit (p2). Der Abstand der Mitten zwischen einer Lochlinie und der nächsten (n) ist 2 mm.
Das Folgende ist Fig. 3, die das Formen eines magnetostriktiven Metallbands 2, das für einen Drehmomentsensor einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, in eine zylindrische Form zeigt. Dieses wurde erzeugt, indem das amorphe magnetostriktive Legierungsband 2 geätzt wurde und es durch Glühen (440ºC) zylindrisch gerollt wurde, um passend für den Rand der Innenstruktur 4 in Fig. 5(a) zu sein. Fig. 5(a) zeigt ein Beispiel für den Vorgang zum Rollen des amorphen magnetostriktiven Legierungsbands 2. Die Nummer 4 in der Figur ist eine Innenstruktur aus Messing, deren Rand einen Randdurchmesser gleich dem Durchmesser der Welle hat (11,80 mm bei 20ºC). Die Nummer 5 ist eine Außenstruktur, deren Innendurchmesser ungefähr 130 um größer als der Randdurchmesser der Innenstruktur gearbeitet ist (11,93 mm bei 20ºC). Titanstahl wurde als Material verwendet. Wie in Fig. 5(b) gezeigt ist, wurde das magnetostriktive Legierungsband zwischen der Innenstruktur 4 und der Außenstruktur 5 angeordnet und zylindrisch verformt. In dieser Lage wurde das magnetostriktive Legierungsband in einem Vakuum bei 440ºC (bei der Kristallisationstemperatur oder darunter) für 40 Minuten geglüht, um gerollt zu werden.
Der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Titanstahls war 9,4 · 10&supmin;&sup6;/ºC und der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Messings war 22 · 10&supmin;&sup6;/ºC. Geglüht auf 440ºC war der Randdurchmesser der Innenstruktur 11,8 mmx[1 + 22 · 10&supmin;&sup6;x (440-20] = 11,909 mm. Geglüht auf 440ºC war der Randdurchmesser der Außenstruktur 11,93 mmx [1 + 9,4 · 10&supmin;&sup6;x (440-20] = 11,977 mm. Die Differenz zwischen dem Innendurchmesser der Außenstruktur und dem Randdurchmesser der Innenstruktur war 0,068 mm. Die Hälfte der Differenz (0,034 mm oder 34 um) war der Abstand. Die Verwendung von Materialien, die sich im Koeffizienten der thermischen Ausdehnung voneinander unterschieden, kann die Effizienz beim Wickeln eines magnetostriktiven Metallbands um eine Innenstruktur und beim anschließenden Anordnen des zylindrischen magnetostriktiven Metallbands in einer Außenstruktur verbessern.
Die Festigkeit des zylindrischen magnetostriktiven Metallbands in Fig. 3, das durch das oben erwähnte Verfahren gewonnen wurde, wurde gemessen. Fig. 9 zeigt, wie die Belastungsstärke gemessen wird, um das magnetostriktive Metallband der Erfindung und das vom Stand der Technik zu vergleichen. Ein zylindrisches magnetostriktives Metallband 11 wurde auf einer Glasplatte 12 angeordnet, auf welches eine Glasplatte 13 (Gewicht 2 g) angeordnet wurde, auf welche ein Gewicht 14 angeordnet wurde. Unter Erhöhen der Last auf diese Weise wurde die Last visuell untersucht, bei der das zylindrische magnetostriktive Metallband 11 verformt wurde. Als Ergebnis begann sich das in Fig. 3 gezeigte magnetostriktive Band bei einem Gewicht von 80 bis 120 g zu verformen.
Andererseits wurde das zylindrische magnetostriktive Metallband (in Fig. 10 gezeigt) vom Stand der Technik bei 4 bis 6 g verformt.
Als Grund dafür wird erwogen, daß der Schlitztyp vom Stand der Technik eine äußerst geringe Festigkeit hatte, da sich Kräfte auf einem unter Spannung stehenden Punkt konzentrieren. Andererseits war die Probe der Ausführungsform mit mehreren Lochgruppen im mehreren Reihen gebildet, die aufeinanderfolgende Teile in Richtung der Fläche des magnetostriktiven Legierungsbands erhöhten. Folglich war selbst beim Anliegen einer Spannung die Kraft nicht konzentriert, sondern verteilt, und die Festigkeit war erhöht. Im wesentlichen wurde das in Fig. 10 gezeigte amorphe Legierungsband vom Stand der Technik (in der Figur sind die Schlitze 0,3 mm breit (s), die Teilung ist 2,0 mm (t)) oft beim Befestigen an der Glühspannvorrichtung, beim Herausnehmen des magnetostriktiven Legierungsbands 21 aus der Spannvorrichtung nach dem Glühprozeß und beim Befestigen an der Welle, um den Drehmomentsensor zu bilden, beschädigt. Die Beschädigungsrate war insbesondere nach dem Glühprozeß höher. Fig. 11 zeigt die Muster der Beschädigung, die durch eine Anzahl von Experimenten klassifiziert wurden. In Fig. 11 zeigen eingekreiste Teile des magnetostriktiven Legierungsbands 22 (u&sub1; bis u&sub7;), daß sich die Beschädigung auf die mittleren Teile oder Ecken der Schlitze konzentrierte. Als Ursache der Beschädigung, obwohl nicht gewiß, wird erwogen, daß sich die Spannung wegen der Verformung des Schlitzes oder dergleichen durch die äußere Kraft auf Ecken konzentriert.
Fig. 4 zeigt die Struktur eines Drehmomentsensors einer Ausführungsform der Erfindung. Die Nummer 1 in der Figur ist eine Titanwelle, deren Durchmesser (r) 11,8 mm beträgt. Das magnetostriktive Legierungsband 2 ist ein amorphes magnetostriktives Legierungsband, das in einem Einzelwalzen- Schnellabschreckung-Verfahren (z. B. wurde es mit 10000ºC pro Sekunde von 1400ºC auf Raumtemperatur abgeschreckt) hergestellt wurde und mit mehreren Reihen von mehreren ovalen Löchern (2a und 2b) in der helikalen Richtung von +45º und -45º längs zur Welle geätzt wurde. Die Zusammensetzung des amorphen magnetostriktiven Legierungsbands 2 war Fe&sub7;&sub5;Cr&sub4;Si12,5B8,5. Die Dicke war 32 um, die Kristallisationstemperatur war 460ºC und die Sättigungskonstante der Magnetostriktion war 22 ppm. Im Falle eines amorphen magnetostriktiven Legierungsbands 2 wurde ein Klebstoff eines vorgegebenen Gewichts auf die Welle 1 aufgetragen. Dann wurde ein magnetostriktives Legierungsband angeordnet und unter Druck eines Stickstoffgases bei 10 atm (10 kg/cm²) bei 250ºC an die Welle geklebt. Ein Drehmomentsensor wurde durch Anordnen von Spuleneinrichtungen 3a und 3b außerhalb des geklebten magnetostriktiven Legierungsbands hergestellt. Die Meßgenauigkeit dieses Drehmomentsensors wird später erklärt.
Fig. 6, 7 und 8 zeigen Beispiele für Ätzungen auf den magnetostriktiven Legierungsbändern anderer Ausführungsformen dieser Erfindung. In Fig. 6(a), (b) liegt die bevorzugte Länge 5 eines elliptischen Lochs (l&sub5;) zwischen 2 und 5 mm, die Breite (p&sub3;) liegt zwischen 0,1 und 2 mm. Ein bevorzugter Abstand zwischen elliptischen Löchern (m&sub4;) liegt zwischen 0, 2 und 1 mm. Folglich liegt die Teilung (l&sub5; + m&sub4;) zwischen 2,2 und 6 mm. Ein bevorzugter Abstand zwischen der Mitte einer Lochlinie und der nächsten (n&sub2;) liegt zwischen 0,5 und 5 mm. Ferner ist bevorzugt, daß der Winkel β einer Lochlinie 45º ist, obwohl der Winkel willkürlich gewählt werden kann.
In Fig. 7(a), (b) liegt die bevorzugte Länge eines ovalen Lochs (l&sub6;) zwischen 2 und 5 mm, die bevorzugte Breite (p&sub4;) liegt zwischen 0,1 und 2 mm. Ein bevorzugter Abstand zwischen ovalen Löchern (m&sub5;) liegt zwischen 0,2 und 1 mm. Folglich liegt die Teilung (l&sub6; + m&sub5;) zwischen 2,2 und 6 mm. Ein bevorzugter Abstand zwischen der Mitte einer Lochlinie und der nächsten (n&sub3;) liegt zwischen 0,5 und 5 mm. Ferner ist bevorzugt, daß der Winkel γ einer Lochlinie 45º ist, obwohl der Winkel willkürlich gewählt werden kann.
In den folgenden Figuren Fig. 8(a), (b) liegt die bevorzugte Länge eines rechteckigen Lochs (l&sub7;) zwischen 2 und 5 mm, die bevorzugte Breite (p&sub5;) liegt zwischen 0,1 und 2 mm. Ein bevorzugter Abstand zwischen rechteckigen Löchern (m&sub6;) liegt zwischen 0,2 und 1 mm. Folglich liegt die Teilung (l&sub7; + m&sub6;) zwischen 2,2 und 6 mm. Ein bevorzugter Abstand zwischen der Mitte einer Lochlinie und der nächsten (n&sub4;) liegt zwischen 0,5 und 5 mm. Ferner ist bevorzugt, daß der Winkel δ einer Lochlinie 45º ist, obwohl der Winkel willkürlich gewählt werden kann.
Eine Beschädigung der magnetostriktiven Bänder mit den oben erwähnten Löchern wurde bewertet. Vierzig Proben wurden jeweils verwendet. In dem Fall von Löchern ohne Ecken in Fig. 6 und 7 gab es keine Beschädigung. Im Fall der rechteckigen Löcher in Fig. 8 wurden sehr wenige Proben beschädigt. Dennoch war die Beschädigungsrate jedes Lochs geringer als die des Bands mit Schlitzen.
Vier Arten von in Fig. 1, 2, 3, 7, 8, 10 gezeigten amorphen Bändern wurden geklebt, um Drehmomentsensoren zu bilden, dann wurden Meßschaltungen eingebaut, um ihre Ausgangskennlinien zu bewerten. Als Meßteile wurden Widerstände mit Spuleneinrichtungen (3a und 3b) verbunden, um Brückenschaltungen zu bilden, und die Differenz der Spitzenwertspannungen über den Spuleneinrichtungen (3a und 3b) wurde die Ausgangsspannung. Wenn die Adhäsion des magnetostriktiven Legierungsbands ungleichförmig wird, unterscheiden sich die Impedanzen der Spuleneinrichtungen 3a und 3b voneinander. Folglich kann ein Scheinausgangssignal erzeugt werden, selbst wenn kein Drehmoment anliegt (Drehmoment = 0 kgfcm). Daher ist das Drehmoment durch die horizontale Achse dargestellt, und das Sensorausgangssignal ist durch die vertikale Achse dargestellt. Je mehr sich die Ausgangsspannung Null (V) nähert, wenn kein Drehmoment anliegt (Drehmoment = 0 kgfcm), um so idealer ist die Adhäsion.
Daten über die wesentlichen Ungenauigkeiten in der Ausgangsspannung sind in Fig. 12 gezeigt, die den Drehmomentsensor unter Verwendung des magnetostriktiven Legierungsbands in Fig. 1, 2 und 3 darstellt. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur ausgeführt. Die schraffierten Teile in den Figuren zeigen den Bereich der Ungenauigkeiten des hergestellten Sensors. Die durchgezogene Linie zeigt die Ausgangsspannung für die minimale ungleichförmige Adhäsion, oder alternativ die ideale Adhäsion. Die Messung wurde in dem Drehmomentbereich von ± 100 kgfcm ausgeführt.
Auf gleiche Weise sind Daten über die wesentlichen Ungenauigkeiten in der Ausgangsspannung in Fig. 13 gezeigt, die den Drehmomentsensor unter Verwendung des magnetostriktiven Legierungsbands in Fig. 7 darstellt. Daten über die wesentlichen Ungenauigkeiten in der Ausgangsspannung sind in Fig. 14 gezeigt, die den Drehmomentsensor unter Verwendung des magnetostriktiven Legierungsbands in Fig. 8 beschreibt. Daten über die wesentlichen Ungenauigkeiten in der Ausgangsspannung sind in Fig. 15 gezeigt, die den Drehmomentsensor unter Verwendung des magnetostriktiven Legierungsbands vom Stand der Technik in Fig. 10 beschreibt.
Ausgangsspannungen der Bänder gemäß Fig. 1, 2, 3, 7, 8 und 10 wurden unter Verwendung des gleichen Drehmoments verglichen. In dem Vergleich war der Drehmomentsensor mit Schlitzen vom Stand der Technik zufriedenstellend. Jedoch waren die mit Lochgruppen der Erfindung gebildeten Drehmomentsensoren in der Reproduzierbarkeit der Ausgangsspannung und Symmetrie viel besser. Die Form des Lochs machte weniger Unterschied. Die elliptischen Löcher in Fig. 1, 2 und 3 hatten die beste Linearität, obwohl die Ursache ungewiß ist. Einer der wahrscheinlichen Gründe ist, daß die Wirkung der magnetischen Anisotropie aufgrund der Form und jede Biegespannung, der ein Band während der Herstellung ausgesetzt ist, abhängig von der Lochposition variieren können. Eine Klärung der Ursache kann die Linearität der Ausgangsspannung durch Verfeinern der Form und der Anordnung der Löcher verbessern.
Die folgenden Schlüsse können nach Vergleichen von Fig. 12, welche die gemessenen Ausgangsdaten einer Ausführungsform in dieser Erfindung zeigen, und Fig. 15 gezogen werden, welche die gemessenen Ausgangsdaten vom Stand der Technik zeigen.
(1) In dem Beispiel dieser Erfindung überschreitet die Ungenauigkeit der Ausgangsspannung bei Drehmoment 0 kgfcm nicht 10%, oder insbesondere 2%, des gesamten Drehmomentbereichs (± 100 kgfcm), während der Ungenauigkeitsbereich vom Stand der Technik ungefähr 20% ist.
(2) In dem Beispiel dieser Erfindung zeigt die Kennlinie bei graphischer Darstellung im wesentlichen eine gerade Linie, während die Kennlinie vom Stand der Technik S-förmig ist, was bedeutet, daß die Daten vom Stand der Technik nicht zuverlässig sind.
Eine nähere Untersuchung wurde über die Abstände zwischen zwei in Fig. 1, 2, 3, 7 und 8 gezeigten Löchern (m) bezüglich einer Beschädigung vorgenommen. Das Ergebnis ist, daß die Ausgangsspannung ansteigt, wenn der Abstand m kleiner ist, jedoch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung während der Herstellung hoch wird, wenn m 0,1 mm oder geringer wird. Wenn m bei 0,2 mm festgehalten wird, wird die Ausgangsspannung des Drehmomentsensors höher, wenn die Lochlänge (l) länger ist. Wenn sie jedoch 4 mm überschreitet, wird die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung allmählich hoch. In jedem Fall waren rechteckige Löcher in gewissem Grade beschädigt.
Die oben erwähnten Fälle verwendeten Lochgruppen, die in Richtung von 45º angeordnet waren. Andere Winkel führen vermutlich zu einem ähnlichen Ergebnis.
Zusätzlich zu dem Obenerwähnten, kann die Längsrichtung der Löcher und die Lochform variiert werden.
Das Obenerwähnte ist ein Beispiel eines Drehmomentmeßbereichs (100 gcm) eines Drehmomentsensors, dessen Welle 11,8 mm im Durchmesser hat.
Für den Fall einer Messung eines größeren Drehmoments kann der Drehmomentmeßbereich theoretisch proportional zur dritten Potenz des Durchmesser der Welle erweitert werden. Wenn beispielsweise der Durchmesser der Welle 20 mm wird, ist es möglich, eine Ausgangskennlinie zu erhalten, deren Drehmomentbereich 4,87 mal größer ist als der, der in Fig. 12, 13, 14 gezeigt ist. (Der Drehmomentmeßbereich kann bis 487 gcm erweitert werden.)
Es ist bevorzugt, daß, wenn die Abmessungen des in Fig. 1 gezeigten magnetostriktiven Metallbands (a und b) 1,69 mal vergrößert werden, um für den Durchmesser der Welle zu passen, die Abmessung des in Fig. 2 gezeigten Lochs (l&sub1; bis l&sub4;, m&sub1; bis m&sub3;, p&sub1;, p&sub2;, n) in dem Bereich der oben erwähnten Ausführungsform ist, um eine Beschädigung des Metallbands zu verhindern.

Claims

1. Drehmomentsensor, der eine Welle (1) und Einrichtungen zum Messen einer magnetischen Änderung (3a, 3b) aufweist, gekennzeichnet durch ein auf der Oberfläche der Welle (1) befestigtes magnetostriktives Legierungsband (2), wobei die Einrichtungen zum Messen der magnetischen Änderung außerhalb des magnetostriktiven Legierungsbands (2) angeordnet sind, wobei das magnetostriktive Legierungsband (2) mehrere Reihen von mehreren, in einem gewünschten Winkel bezüglich der Längsrichtung der Welle angeordneten Löchern hat, und wobei die Reihen von Löchern längs zur Welle (1) angeordnet sind.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das magnetostriktive Legierungsband (2) zylindrisch geformt ist, so daß die Längsrichtung im wesentlichen vertikal ist, und es in der Lage ist, eine gleichförmig auf dem Band (2) anliegende Last von 10 g oder mehr auszuhalten.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das magnetostriktive Legierungsband (2) zylindrisch geformt ist, so daß die Längsrichtung im wesentlichen vertikal ist, und es in der Lage ist, eine gleichförmig auf dem Band (2) anliegende Last von 80 g oder mehr auszuhalten.

4. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Löcher (2a, 2b) 2 bis 5 mm lang und 0,1 bis 2 mm breit sind.

5. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Löcher (2a, 2b) Linien bilden, ein Abstand zwischen benachbarten Löchern in der gleichen Linie zwischen 0,1 und 1 mm liegt, und ein Abstand zwischen benachbarten Lochlinien zwischen 0,5 und 5 mm liegt.

6. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere Lochlinien schräg in zwei Richtungen längs zur Welle (1) angeordnet sind.

7. Drehmomentsensor nach Anspruch 6, wobei die schrägen Richtungen im wesentlichen +45º und -45º sind.

8. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Löcher eine gekrümmte Form haben.

9. Drehmomentsensor nach Anspruch 8, wobei die gekrümmte Form aus der Gruppe bestehend aus Kreis, Ellipse und Oval ausgewählt ist.

10. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das magnetostriktive Metallband (2) eine amorphe magnetostriktive Legierung aufweist.

11. Drehmomentsensor nach Anspruch 10, wobei die amorphe magnetostriktive Legierung mindestens eine Legierung ist, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Legierung auf Fe-Cr- Si-B-Basis, Fe-Nb-Si-B-Basis Fe-V-Si-B-Basis, Fe-Co-Si-B-Basis, Fe-W-Si-B-Basis, Fe-Ni = Cr-Si-B-Basis, Fe-Ni-Nb-B-Basis und Fe- Ni-Mo-B-Basis.

12. Drehmomentsensor nach Anspruch 10, wobei die amorphe magnetostriktive Legierung Fe&sub7;&sub5;Cr&sub4;Si12,5B8,5 ist.

13. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Einrichtungen zum Messen einer magnetischen Änderung (3a, 3b) Spulen sind.

14. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Ungenauigkeit der Ausgangsspannung bei einem Drehmoment von 0 kgfcm 10% oder weniger des gesamten Drehmomentbereichs (100 kgfcm) ist.

15. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Kennlinie bei graphischer Darstellung im wesentlichen eine gerade Linie zeigt.

16. Verfahren zur Herstellung eines Drehmomentsensors, der ein an einer Oberfläche einer Welle (1) befestigtes magnetostriktives Legierungsband (2) und außerhalb des Bands angeordnete Einrichtungen zum Messen einer magnetischen Änderung (3a, 3b) hat, mit folgenden Schritten:

Ätzen eines magnetostriktiven Legierungsbands (2), um mehrere Reihen von mehreren, in einem gewünschten Winkel längs zur Welle angeordneten Löchern (2a, 2b) zu bilden, und wobei die Reihen von Löchern längs zur Welle angeordnet sind;

Wickeln des magnetostriktiven Legierungsbands (2) auf eine zylindrische Innenstruktur (4), deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Welle (1) ist;

Anordnen des magnetostriktiven Legierungsbands (2) und der Innenstruktur innerhalb einer zylindrischen Außenstruktur (5), die hohl ist; und

Rollen des magnetostriktiven Legierungsbands (2) durch Glühen.

17. Verfahren zur Herstellung eines Drehmomentsensors nach Anspruch 16, wobei die Glühtemperatur zwischen 350ºC und 600ºC liegt.

18. Verfahren zur Herstellung eines Drehmomentsensors nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Glühatmosphäre mindestens eine nichtoxidierende Atmosphäre ist, die aus der Gruppe bestehend aus inerter Atmosphäre und Unterdruck-Atmosphäre ausgewählt ist.

19. Verfahren zur Herstellung eines Drehmomentsensors nach Anspruch 18, wobei der Druck der Unterdruck-Atmosphäre zwischen 1 Torr und 1 · 10&supmin;&sup6; Torr liegt.

20. Verfahren zur Herstellung eines Drehmomentsensors nach Anspruch 18 oder 19, wobei die inerte Atmosphäre mindestens ein Gas ist, das aus der Gruppe bestehend aus Ar, He, Ne, N&sub2; und CO ausgewählt ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die Innenstruktur (4) aus einem Material mit einem hohen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung hergestellt ist, während die Außenstruktur (5) aus einem Material mit einem niedrigen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung hergestellt ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei der Abstand zwischen der Innenstruktur (4) und der Außenstruktur (5) zwischen 10 und 500 um liegt.