JP2008147244A - 磁気弾性トルクセンサーの製法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気弾性トルクセンサーの製法を提供する。
【解決手段】磁気弾性トルクセンサーの製法は磁気的不活性の基材に磁気弾性材をメッキし、トランスジューサ素子内に応力異方性を発生させて一軸磁気異方性を付与する工程を含む。磁気的不活性の基材に磁気歪み材料をメッキすることによって、所要レベルの精度及び信頼性を有する低コストのトルク素子を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は磁気弾性トルクセンサーの製法に係わる。より具体的には、本発明はメッキ処理で基材に固定されたトランスジューサ・リングを有する磁気弾性トルクセンサーの製造に係わる。

従来の非接触トルクセンサーはシャフトで支持された磁気弾性リングを含む。単一軸を中心とする周方向の応力異方性が磁気弾性リング中に発生し、その結果として周方向磁気異方性が現れ、トランスジューサ素子が磁気弾性リング内に周方向の磁場を発生させる。シャフトに加わるトルクに起因する表面せん断応力に応答して周方向磁場が歪む。磁場歪みの量と方向を測定し、測定値を利用することによって所要のトルク測定値を求める。

トルクセンサーを製造する公知の方法は、磁気的に不活性なシャフトに磁気歪み材料から成るリングを圧着する工程が含む。シャフトはテーパー形状を有し、シャフトにリングをプレス嵌めすると、所要の周方向緊張またはフープ応力が発生する。周方向緊張は磁気容易アクセスを発生させ、これによって周方向磁場の安定性を高める。リングとシャフトとのプレス嵌合はこのようなトルクセンサーの性能及び精度を制約する因子である。シャフトとリングの間にスリップまたは相対移動が起これば、トルクの実示度値が歪められ、トルク測定のゼロ点がずれることになる。

シャフトに対するリングのプレス嵌めに関する公知の改良案として、非強磁性ステンレススチール基材を磁気弾性材、特に、ニッケルで被覆する溶射またはキネチック・メタライゼーションのような技術が採用されている。磁気弾性材による被覆処理中に、基材に軸方向荷重と熱を加えることによって磁気弾性材に必要な応力異方性を発生させる。被覆後、基材を冷却し、軸方向荷重を除く。その結果、軸方向引っ張り応力及び周方向圧縮フープ応力が磁気弾性材に作用して所要の磁場を発生させる。しかし、このような製法は制御し難く、基材として高価な等級のステンレススチールを必要とし、溶射処理において多量の磁気弾性材が浪費される。

従って、よりコストの低い材料を効率的に利用する磁気弾性トルク素子の製法を開発することが望ましい。

発明の概要

本発明の方法で製造される磁気弾性トルクセンサーの実施例は非強磁性ベース・シャフトにメッキされる磁気弾性リングを含む。ステンレススチール、黄銅またはチタンのような非磁性材から成るシャフトが磁気トランスジューサ材用の磁気的に不活性の基材として作用する。メッキ処理中、基材シャフトは無侵襲状態に置かれる。メッキ処理は極めて高いリング／シャフト接着強度を生む。この高いリング／シャフト接着強度はトルクセンサーの動作を改善し、センサーの故障及び劣化の共通する原因であるヒステレシスなどの発生を軽減する。

トランスジューサ用として選択された磁気弾性材が、例えば、多くの鋼合金がそうであるように磁気歪み材であるなら、所要の応力異方性は、トランスジューサ材が軸方向圧縮応力と周方向引っ張り応力を有するような応力異方性である。これとは逆に、ニッケルまたはコバルト及びこれらの合金のような非磁気歪み材は軸方向圧縮応力と周方向引っ張り応力を必要とする。メッキ処理が完了すると、基材には軸に沿って降伏点に向かって適当な方向の応力が作用し、シャフトの軸方向寸法を恒久的に変化させる。軸方向の恒久的な変形の結果、シャフトの直径も変化し、直径の変化はメッキされたトランスジューサ・リングに対する周方向応力を発生させ、材料内に必要な応力異方性を生む。

溶射処理を採用する場合とは異なり、電気めっき処理は高い均一性、低い空隙率及び高い強度を生む化学的なメッキ処理である。メッキ処理によるリング材の浪費は殆ど無い。さらに、リング／シャフト間接着強度は他の如何なる公知のトルクセンサー製造技術で得られる強度よりも遥かに高い。

従って、本発明の方法は基材／磁気弾性材リング間接着強度を改善されたトルクセンサー用の耐久性に優れた磁気弾性素子を従来よりも低いコストで製造することができる。

本発明の上記及びその他の特徴を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する

図１に示すように、トルク素子１０はシャフト１２と磁気弾性ニッケル・リング１４を含む。磁気弾性リング１４をシャフト１２にメッキすることによって、シャフト１２に加わるトルクが磁気弾性リング１４にねじり応力を発生させる。磁気弾性リング１４は応力異方性を含み、引っ張り応力を軸方向に、圧縮応力をシャフト１２の周りに周方向に発生させる。

周方向応力またはフープ応力は周方向磁束線を有する磁場の形成を促す。周知のように、周方向磁束線はシャフト１２にトルクが加わると、これに応答して歪む。この歪みを測定することによってトルクを求める。磁気弾性リング１４はシャフト１２にメッキされたニッケル材から成る。シャフト１２は非磁性等級のステンレススチールから成る。

図２及び３に示す本発明の方法は、先ずシャフト１２に磁気弾性リング１４をメッキする工程を含む。メッキ工程においてはシャフト１２に荷重をかけないから、磁気弾性リング１４内の応力は等方性であり、所要の周方向に応力は存在しない。所要の態様で作用するためには、磁気弾性リング１４の降伏強さはその下に存在する基材よりも高くなければならない。実施例の磁気弾性リング１４は典型的には降伏強さが６０，０００乃至８０，０００psi程度のニッケルメッキ材から成る。メッキ材の降伏強さとシャフト材との関係によってシャフト材の選択が決定される。従って、ニッケルメッキ材を使用すればシャフト１２がより低い降伏強さを有することになり、惹いては比較的低コストの等級のステンレススチール合金の使用が可能になる。実施例のシャフトは焼くなまし状態における降伏強さが約３５，０００psiの３１６-グレードのステンレススチール合金から形成されている。尚、所要の特性を有するなら、上記以外のグレード、上記以外の合金構成の材料を利用することも可能である。

周知のように、磁気弾性リング１４内の周方向応力はリング１４内に異方性磁気特性を生む。フープ応力が発生させる磁気特性として、磁場に対する周方向の抵抗が弱くなる。メッキされるニッケル材は厚さ及び空隙率が共に均一であり、所要の周方向応力を含まない。従って、応力異方性を発生させるには、リング１４に周方向応力を導入しなければならない。

メッキが完了したら、可塑変形が起こるまでシャフト１２に対して軸方向引っ張り荷重を作用させる。メッキ後のシャフト１２は長さ２０を有し、次いで可塑変形して長さ２２となる。伸張後の長さ２２は直径が元の直径２４から直径２６に縮小することに伴って達成される。シャフト１２の直径が直径２６にまで縮小することによって磁気弾性リング１４に圧縮応力３０が発生し、これがシャフト１２の周りに所要の周方向磁気異方性を生む。

シャフト１２の周りのリング１４内に発生する所要の周方向異方性は周方向に所要の磁気容易アクセス２８を発生させ、これが周方向帯磁を容易にする。シャフト１２にトルクが加わると、この磁場２８が周方向から螺旋方向に歪み、さらに軸方向へと歪む。磁場におけるこのシフトを測定することによってシャフト１２に加わるトルクを正確に求めることができる。軸方向の可塑変形に伴って直径２６に変形及び縮小が起こる。直径の縮小に伴ってメッキのニッケル材に対する所要の圧縮応力が発生する。

図４に示す本発明の他の実施例はシャフト４２に磁気弾性材４４をメッキする初期工程を含む。シャフト４２はリング４４を形成する磁気弾性材に対する基材として作用する。この実施例では、シャフト４２の段差部分または縮径部分４５内にリング４４がメッキされる。場合によっては、縮径部４５を形成して断面積を小さくすることが望ましいが、このことは必須条件ではなく、シャフト４２の最大径の部分にリング４４をメッキしてもよい。シャフト４２が均一な直径を有し、このように均一な直径を有するシャフト４２の任意の箇所にリング４４をメッキしてもよい。

リング４４の軸方向の幅は用途に応じて寸法設定すればよい。典型的には、リング４４の幅はリング４４の磁気弾性材内の磁場変化を感知するのに利用されるピックアップ・デバイスと対応するように寸法設定される。

電気メッキの分野では周知のように、基材に対するメッキ材料の電気分解に伴い、メッキ材がそれ自体に顕著な応力を発生させる自然状態が生まれる。この顕著な応力はこの応力を軽減するように設定された特定用途及び特定処理に応じたパラメータによって克服される。しかし、磁気弾性トルク素子のためのメッキにおいては、このような引っ張り応力は所要の応力異方性の１成分として有益である。従って、基材と磁気弾性材を適正に選択すれば、メッキ処理だけでリング材４４内に所要の引っ張りフープ応力を発生させることができる。

図４に示す製法においては、内側のシャフト４２が、例えば、ステンレススチール合金３１６のような磁気的不活性のステンレススチール材であることが好ましい。この材料のシャフト４２にメッキされる磁気弾性材は制御された条件下でのメッキ処理によって所要の引っ張り応力を発生させるニッケル／鉄合金である。場合によっては、発生する引っ張り応力は１００，０００psiにも達する。

従って、図４に示す製法はリングメッキ材とコンパチブルな基材を選択するステップを含む。リングメッキ材はニッケル／鉄混合物である。その混合比はメッキ処理だけで所要レベルの引っ張り応力がリング４４内に発生するように設定される。メッキが完了してリング４４が形成されると、リング４４に生ずる所要の引っ張り応力がリング４４内に、シャフト４２を囲む所要の周方向磁場方向性が生まれる。シャフト４２にリング材４４をメッキしてしまえば、それ以上の工程を必要としない、用途に固有のパラメータの範囲内で材料を選択するなら、このような製法が望ましい。

図５に示す本発明の方法の実施例はシャフト６２にリング材６４をメッキする初期工程を含む。ニッケル／鉄合金材またはニッケル材６４をシャフト６２にメッキすることによってリング材６４を形成する。メッキ工程中、シャフト６２に軸方向荷重６８を加える。軸方向荷重６８はシャフト６２に引っ張り応力を作用させるが、これが可塑変形を起こすには至らない。

メッキ工程が完了すると、軸方向荷重６８が除かれ、シャフト６２はほぼ元の長さと幅を維持する。伸張状態での長さ７４はほぼ自然状態の長さ７５に縮小する。軸方向引っ張り荷重がシャフト６２に加わると、直径７６は応力が存在しない時の直径７７よりも縮小される。軸方向荷重６８が除かれると、直径が伸張状態の際の直径よりも大きくなり、望ましい態様でリング６４に引っ張り応力が作用する。この引っ張り応力が所要の周方向磁気容易アクセスを発生させ、その結果、ニッケル／鉄合金リング中に所要の磁場方向性が生まれる。

図６に示すトルクセンサー用磁気弾性素子の製法の実施例はシャフト８２にニッケル／鉄合金材８６をメッキしてリング８４を形成する初期工程を含む。この実施例においては、ニッケル／鉄合金のメッキ工程中は如何なる荷重を加えない。ニッケル／鉄合金メッキ工程はリング８４及びシャフト８２内に応力を発生させるものの、これらの応力は磁場に所要の方向性を与えるような所要方向の異方性をリング８４に発生させるものではない。

従って、内側のシャフト８２の変形を利用することによってメッキのリング８４に応力を発生させて所要の周方向磁場を発生させる。このメッキ処理では、シャフト８２に軸方向荷重９６を配置する。軸方向荷重は圧縮荷重であり、その結果が長さ８８から長さ９０への縮小となり、直径９２から直径９４への増大となる。リング材８４に作用する所要の応力が荷重９６が除かれた後も残留するように、可塑変形が起こるまで圧縮応力を加える。

トルク素子が発生させる磁場はリング材の磁気歪み性能に比例する。磁気結晶性もヒステレシス量に影響を及ぼし、このヒステレシスはトルクの作用下にあるセンサー内で観察される。ニッケル／鉄合金の電気分解は本質的にナノ結晶性形態を有するから、きわめて小さい磁気結晶異方性である。リング材の磁気歪みはリングの合金％に応じて異なる。磁気弾性材の好ましい材料組成は４５-５５％のニッケルを含む。このような利点は本発明の方法が利用するメッキ処理によって達成され、信頼性と精度に優れたトルクセンサーの製造を可能にする。

図７に示すように、本発明に従って製造されるトルクセンサー１００はリング材１０８でメッキされた磁気弾性トルク素子１０２を含む。リング材１０８はリング１０８内でシャフト１０２の周りに周方向に磁場１１０が形成されるように周方向容易磁気アクセスを提供する。シャフト１０２の周りに、詳しくはリング１０８の周りに磁力計１０４が配置されている。シャフト１０２にトルク１１２が加わると、このトルク１１２が磁場１１０を歪ませ、この歪みが磁力計１０４によって検知される。磁場の変化は磁力計１０４によって発生させられる電圧を変動させ、この変動がコントローラ１０６によって検知され、公知の態様で変換され、シャフト１０２に加わるトルク１１２の測定値を提供する。

ここに実施例として開示した方法はリングを被せるためのコストを大幅に軽減し、トルクセンサー自体の性能を高めることによって、公知の被覆方式を改善する。シャフトをトランスジューサ材でメッキすると、メッキとシャフトとの接着強度が高知の方法において利用される他の方法よりも優れているから、センサーを利用できる最大トルクを増大させることができる。

本発明の好ましい実施例を以上に説明したが、当業者ならば、本発明の範囲内で種々の変更を案出できるであろう。従って、本発明の真の範囲及び内容を判断するには後記する特許請求の範囲を検討すべきである。

本発明によるトルク素子の実施例を示す斜視図である。 本発明によるトルク素子の製法におけるメッキ工程を略示する説明図である。 本発明によるトルク素子の製法の実施例を略示する説明図である。 本発明によるトルク素子の製法の他の実施例を略示する説明図である。 本発明によるトルク素子の製法の他の実施例を略示する説明図である。 本発明によるトルク素子の製法の他の実施例を略示する説明図である。 本発明によるトルク素子の実施例を略示する説明図である。

Claims (19)

1. 磁気弾性素子を形成する方法において、
   ａ）基材の一部に磁気弾性材から成るリングをメッキし；
   ｂ）メッキ後、基材を可塑変形させることによって磁気弾性材に所要の応力異方性を付与するステップを含むことを特徴とする磁気弾性素子形成方法。
2. 工程ｂ）が基材に軸方向負荷を加えるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 軸方向負荷が基材に加わる引張力であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 軸方向負荷が基材に加わる圧縮力であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 軸方向負荷が基材を恒久的に伸張することを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 基材がステンレススチール材であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 磁気弾性材がニッケル材の少なくとも一部を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 基材が縮径部を含み、この縮径部内において基材に磁気弾性材をメッキしたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 応力異方性が基材の周りに磁気容易方向を発生させる磁気弾性材中の円周方向応力を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 磁気弾性トルクセンサー組立体を形成する方法において、
    ａ）基材の周りを、ニッケルを含む材料のリングでメッキし；
    ｂ）所要の方向の磁場を発生させるため、基材を可塑変形させてリング内に所要の応力を発生させるステップを含むことを特徴とする磁気弾性トルクセンサー組立体形成方法。
11. リングの材料がニッケル及び鉄を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 基材がリングの近傍域において縮小された断面を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. メッキ処理の前に基材を可塑変形させるステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. 基材を可塑変形させるステップが基材に軸方向引っ張り荷重を作用させるステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 基材を可塑変形させるステップが基材に軸方向圧縮荷重を作用させるステップふくむことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. トルクセンサー組立体において、
    トルク荷重を受ける基材と；
    基材を中心とする円周方向に低い磁気抵抗を有する磁気弾性材から成り、基材にメッキされるリングと；
    基材に加わるトルクに起因する磁場の歪みを検知する磁気検知デバイスから成ることを特徴とするトルクセンサー組立体。
17. 磁気弾性材が基材に円周方向にメッキされるニッケルを含むことを特徴とする請求項１６に記載の集合体。
18. 基材を可塑変形させることによってリング内に所要の方向の応力を発生させたことを特徴とする請求項１６に記載の集合体。
19. 基材を可塑変形させることによってリングの近傍における断面積を変化させて磁気弾性材内に所要の応力異方性を発生させたことを特徴とする請求項１８に記載の集合体。

Images