JP2008267865A

JP2008267865A - 磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法及び製造装置

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Publication number: JP2008267865A
Application number: JP2007108234A
Authority: JP
Inventors: Koichi Izawa; 浩一井澤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Consumer Electronics Holdings Corp; Toshiba Home Appliances Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Lifestyle Products and Services Corp
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2027-04-17
Also published as: JP4936969B2

Abstract

【課題】磁歪式トルクセンサシャフトを複数本ずつ、磁歪膜の組成や膜厚を均一にして製造できるようにする。
【解決手段】複数本のトルクセンサシャフト本体３を円周上に均等間隔に配置し、このトルクセンサシャフト本体３を円周に沿って周回移動（公転）させると共に、トルクセンサシャフト本体３自体も回転（自転）させながら、トルクセンサシャフト本体３の１本ごとの定電流回路２７にてトルクセンサシャフト本体３とメッキ電極２１との間に給電する電解メッキをして、複数本のトルクセンサシャフト本体３の各表面にそれぞれ磁歪膜を設けるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルクセンサシャフト本体の表面に磁歪膜を電解メッキにより設ける磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法及び製造装置に関する。

従来より、トルクの検出をするトルクセンサとしては、トルクセンサシャフト本体の表面に磁歪膜を設けて成る磁歪式トルクセンサシャフトを具え、このトルクセンサシャフトの磁歪膜を設けた部分の外周に検出コイルを配置した構成で、トルクセンサシャフトに作用するトルクにより、上記磁歪膜に引張りや圧縮の応力が及び、それによる逆磁歪効果で磁歪膜の透磁率が変化することに応じ、その透磁率変化を検出コイルにより検出するものが供されている（例えば特許文献１参照）。

そして、このものにおいては、上記磁歪膜を、前記トルクセンサシャフト本体の表面に電解メッキで設けるようにしたものが供されている（例えば特許文献２参照）。
更に、磁歪膜に特定されないが、一般的メッキの方法及び装置として、複数本の被処理体を円周上に均等間隔に配置し、この被処理体を円周に沿って周回移動させると共に、被処理体自体も回転させながら、被処理体にメッキを施すようにしたものがある（例えば特許文献３参照）。
特開２００３−９８０１７号公報特開２００５-３６２２号公報特開平４-６３２８７号公報

磁歪材としての例えばニッケル（Ｎｉ）と鉄との合金は、図１３に示すように、材料の組成（ニッケルと鉄との含有比率）により飽和磁歪定数（λ）が変化する（図１３には、横軸にニッケルの比率を示しており、これの残りの比率が鉄の含有比率である）。
この材料を磁歪式トルクセンサの磁歪膜に応用した場合、上記飽和磁歪定数の変化により、シャフトに作用するトルクから得られる検出コイルのインダクタンス変化も変化することによって、磁歪式トルクセンサの感度が変化することになる。

一方、ニッケルと鉄との合金を電解メッキで形成する場合、特許文献２に示されているように、メッキ液中に複数のニッケル電極を配置し、その間のほゞ中央にトルクセンサシャフト本体を配置し、ニッケル電極を正極、シャフトを負極として、それらの間に通電することにより、トルクセンサシャフト本体の表面にニッケルと鉄との合金から成る磁歪膜を形成する。

図１４は、そのように磁歪膜を電解メッキで形成する場合の電流密度（電流値〔Ａ〕をシャフトのメッキ部表面積〔ｄｍ^２〕で除した値）と、磁歪膜に析出されるニッケル組成（残りは鉄成分）との関係を示したもので、直径が８〔ｍｍ〕のシャフトに、２０〔ｍｍ〕の長さ範囲で、電流密度別に、それぞれ磁歪膜の厚みが１５〔μｍ〕になるように時間を調整して、電解メッキしたときのものである。

この図１４で明らかなように、電流密度が大きくなると、ニッケル成分が減少（鉄成分が増加）し、ある電流密度より大きいと、ニッケル成分は飽和する傾向にあることが分かる。
又、図１５は、電流密度と磁歪膜の厚みとの関係を示したもので、上述と同じトルクセンサシャフト本体に対して、電流密度別に、それぞれ４５〔分〕の時間で電解メッキを行って磁歪膜を形成したときのものである。これにより、磁歪膜の厚みは、電流密度にほゞ比例する関係にあることが分かる。

磁歪膜は、組成だけでなく、厚みも均一であることが重要であり、厚みが部分的に変化することにより、トルクセンサ特性の直線性の悪化や、出力の変動、温度特性などに影響する。従来、この解決手段の一つとして、前記メッキ液中の複数のニッケル電極間のほゞ中央に配置したトルクセンサシャフト本体を回転させたり、上下に揺動させたりして、磁歪膜の均一化を図っていた。

しかし、それは１本ずつのシャフトにしかメッキを施すことができないものであり、多量に生産するためには、メッキ装置を多数備える必要があって、製造設備費用が高額になる。又、メッキ装置の設置場所も広く必要であることから、多大な製造コストが発生する。
それに対して、特許文献３に示されている、複数本の被処理体を円周上に均等間隔に配置し、この被処理体を円周に沿って周回移動させると共に、被処理体自体も回転させながら、被処理体にメッキを施すものでは、複数本ずつの生産ができるため、メッキ装置を多数備える必要がなく、製造コスト上、有利である。

しかしながら、複数本の被処理体であるトルクセンサシャフトについて、それとニッケル電極との各間に流れる電流が、各部の接触抵抗の違いなどにより、均等となりにくく、その各間に流れる電流密度が相違する。このため、前述のように、メッキされる磁歪膜の組成と膜厚がトルクセンサシャフトごとに異なるものとなり、その結果、トルクセンサの特性や精度にばらつきを生じやすい。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、従ってその目的は、磁歪式トルクセンサシャフトを複数本ずつ、磁歪膜の組成や膜厚を均一にして製造できる磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法及び製造装置を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法においては、トルクセンサシャフト本体の表面に磁歪膜を電解メッキにより設ける方法において、複数本の前記トルクセンサシャフト本体を円周上に均等間隔に配置し、このトルクセンサシャフト本体を円周に沿って周回移動させると共に、トルクセンサシャフト本体自体も回転させながら、トルクセンサシャフト本体１本ごとの定電流回路にてトルクセンサシャフト本体とメッキ電極との間に給電する電解メッキをして、前記複数本のトルクセンサシャフト本体の各表面にそれぞれ磁歪膜を設けることを特徴とする（請求項１の発明）。

本発明の磁歪式トルクセンサシャフトの製造装置においては、トルクセンサシャフト本体の表面に磁歪膜を電解メッキにより設ける装置において、主軸と、この主軸の周囲に具えられた複数個のトルクセンサシャフト本体支持部と、このトルクセンサシャフト本体支持部を前記主軸を中心に周回移動させると共に、トルクセンサシャフト本体支持部を回転させる回転機構と、前記主軸に前記トルクセンサシャフト本体支持部の個数に対応して複数具えられた回転電極と、前記トルクセンサシャフト本体支持部のそれぞれに具えられて、前記主軸の回転電極に接続された回転電極と、前記トルクセンサシャフト本体支持部の全部に対向して配置された共通のメッキ電極と、正と負の出力端子を具え、その正の出力端子を前記メッキ電極に接続し、負の出力端子を前記主軸の回転電極に接続して設けた定電流回路とを具備し、その定電流回路は、前記トルクセンサシャフト本体支持部の個数に対応して複数具えられ、それぞれ、電源に接続されて、前記主軸の各回転電極と前記メッキ電極との間に流れる電流により発生する電圧と基準の電圧とを比較演算して、その差に応じた電流を前記主軸の各回転電極と前記メッキ電極との間に流すことにより、前記主軸の各回転電極と前記メッキ電極との間に定電流を流すように構成したことを特徴とする（請求項２の発明）。

上記構成の磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法及び製造装置によれば、複数本ずつの磁歪式トルクセンサシャフトの生産ができるため、メッキ装置を多数備える必要がなく、製造コスト上、有利である。又、トルクセンサシャフト本体を要するに公転、自転させると共に、トルクセンサシャフト本体１本ごとの定電流回路にてトルクセンサシャフト本体とメッキ電極との間に給電する電解メッキをして、上記複数本のトルクセンサシャフト本体の各表面にそれぞれ磁歪膜を設けるのであるから、トルクセンサシャフト本体とメッキ電極との各間に流れる電流が、各部の接触抵抗の違いや、トルクセンサシャフト本体の個体抵抗の違いなどがあっても均等となり、その各間に流れる電流密度が一定となる。よって、メッキされる磁歪膜の組成と膜厚も均一化し、トルクセンサの特性や精度を良好に確保できる。

以下、本発明の一実施例（一実施形態）につき、図１ないし図１２を参照して説明する。
まず、図６には、トルクセンサ１の全体構造を示しており、中央に磁歪式トルクセンサシャフト２を有している。この磁歪式トルクセンサシャフト２は、ステンレス鋼など金属にて円柱状に形成したトルクセンサシャフト本体３と、これの図中左右方向の中間部の近接した二箇所の表面に設けた磁歪膜４から成っており、その詳細は後述する。

磁歪式トルクセンサシャフトの上記磁歪膜４を設けた部分の外周囲には、それぞれ検出コイル５をボビン６に巻装した状態で配設している。ボビン６には、導電材から成る２本の接続ピン７を挿通して固着しており、この接続ピン７のボビン６内側部分に、検出コイル５の各端部を接続している。

トルクセンサシャフト本体３の磁歪膜４を設けた部分の両側には、軸受８をそれぞれ装着し、これらの両軸受８からボビン６にかけて、フレーム９を被装している。このフレーム９の図中左側部の外側には、各種電気部品１０を実装した中継用基板１１を装着しており、この中継用基板１１に、フレーム９から突出させた前記接続ピン７の先端部を挿通させて半田付け等により接続している。

なお、中継用基板１１に実装した各種電気部品１０は、検出コイル５と協働して、磁歪式トルクセンサシャフトに作用したトルクを検出するもので、磁歪式トルクセンサシャフトに作用したトルクにより及ぶ応力で磁歪膜４の透磁率が変化することに応じ、その透磁率変化を検出することで、磁歪式トルクセンサシャフトに作用したトルクを検出するようになっている。

ここで、磁歪式トルクセンサシャフト２につき、図７及び図８を参照して詳述するに、この磁歪式トルクセンサシャフト２は、トルクセンサシャフト本体３の前記二箇所の表面部に、例えば転造法にて凹条部１２と凸条部１３とを交互に形成し、その外周面（トルクセンサシャフト本体３の表面）に例えばニッケルと鉄との合金から成る磁歪膜４を電解メッキにて形成している。凹条部１２と凸条部１３のパターンは、磁歪式トルクセンサシャフト２に作用するトルクによる応力が磁歪膜４に効果的に及ぶように軸方向に対して傾斜状、特には応力が磁歪膜４に最も有効に及ぶように約４５度角の傾斜状に延びるように形成しており、更に、図中左側の凹条部１２及び凸条部１３と右側の凹条部１２及び凸条部１３とでは、その傾斜の方向を逆にしていて、図中左側の磁歪膜４と右側の磁歪膜４とで反対の応力が及ぶようにしている。

図１は、上記磁歪式トルクセンサシャフト２を製造する装置を示しており、中央に主軸１４を有している。主軸１４の上部には上部回転支持体１５を取付け、下部に下部回転支持体１６を取付けている。これらの回転支持体１５，１６間には、主軸１４の周囲円周上に均等間隔に位置して、複数（図２に示す例では４本）の前記トルクセンサシャフト本体３を、それぞれトルクセンサシャフト本体支持部１７，１８によって支持するようにしており、又、その支持状態で、トルクセンサシャフト本体３は、前記磁歪膜４を設ける部分以外の部分がマスク部材１９，２０よってマスキングされるようになっている。

上記トルクセンサシャフト本体支持部１７，１８の周囲には、それらトルクセンサシャフト本体支持部１７，１８の全部に対向して、換言すれば、メッキするトルクセンサシャフト本体３の全部に対向して、円筒状を成す共通のメッキ電極２１を配設しており、このメッキ電極２１とトルクセンサシャフト本体支持部１７，１８の全部（トルクセンサシャフト本体３の全部）を、全部のマスク部材１９，２０と共に、メッキ槽２２内のメッキ液２３中に配置するようにしている。なお、メッキ電極２１は、この場合、ニッケル電極である。

そして、図示はしないが、上記の構造に対しては、モータを駆動源に、そのほかギヤ伝動機構等を有して成る回転機構が設けられ、この回転機構により、図２に矢印Ａ，Ｂで示すように、上記トルクセンサシャフト本体支持部１７，１８（トルクセンサシャフト本体３）を主軸１４を中心にその周囲円周上を周回移動（公転）させると共に、トルクセンサシャフト本体支持部１７，１８自体を回転（自転）させるようにしている。
なお、主軸１４の回転速度に対して、トルクセンサシャフト本体支持部１７，１８の回転速度はそれの非整数倍としており、それによって、それらの回転が同期することを避け、後述する電解メッキがより均一に行われるようにしている。

一方、上部回転支持体１５（ひいては主軸１４）には、上記トルクセンサシャフト本体３の個数に対応して、複数のリング状を成す固定電極２４を設けると共に、この固定電極２４にそれぞれ接する回転電極２５を設けており、それに対して、トルクセンサシャフト本体支持部１７には、それぞれ回転電極２５に接続される回転電極２６を設け、それらによって、上述のように公転、自転をするトルクセンサシャフト本体支持部１７（トルクセンサシャフト本体３）に給電をするようにしている。

上記の給電するについては、前記トルクセンサシャフト本体３の個数に対応して、複数すなわちトルクセンサシャフト本体３の１本ごとに定電流回路２７を設けており、その定電流回路２７は正（＋）の出力端子２８と負（−）の出力端子２９とを具え、そのうちの正の出力端子２８を前記メッキ電極２１に接続し、負の出力端子２９を前記上部回転支持体１５（主軸１４）の各固定電極２４にそれぞれ接続し、ひいては前記回転電極２５にそれぞれ接続している。従って又、負の出力端子２９は前記回転電極２６を介してトルクセンサシャフト本体３に接続されるようになっており、その結果、正の出力端子２８から、メッキ電極２１−メッキ液２３−トルクセンサシャフト本体３−トルクセンサシャフト本体支持部１７−回転電極２６−回転電極２５−固定電極２４−負の出力端子２９と、電流を流すようにしている。

図３は、上記定電流回路２７の１つを代表で詳細に示している。この図３で、Ｅは例えば直流１２〔Ｖ〕の主電源を示しており、これに上記正の出力端子２８を接続している。それに対して、負の出力端子２９は増幅素子であるｎｐｎ形トランジスタ３０のコレクタｃに接続している。
トランジスタ３０のエミッタｅには電流検出素子である抵抗３１を接続しており、この抵抗３１に、前記正の出力端子２８と負の出力端子２９との間に上述のように流れる電流に応じた電圧が発生し、その電圧信号をフィルタ回路３２を介して比較演算素子３３の負側端子３４に入力するようにしている。

比較演算素子３３の正側端子３５には、電流設定手段である可変抵抗３６と固定抵抗３７とにより形成される設定電流値相当（基準）の電圧信号を、抵抗３８を介して入力するようにしており、この正側端子３５の入力と先の負側端子３４の入力とで比較演算素子３３が比較演算をして、その入力差に応じた出力電流を抵抗３９を介して前記トランジスタ３０のベースｂに与える。それによって、前記正の出力端子２８と負の出力端子２９との間には、上記入力差に応じた電流がトランジスタ３０のコレクタｃとエミッタｅとの間を通じて流れるようになっており、かくして、前記正の出力端子２８と負の出力端子２９との間に上記可変抵抗３６と固定抵抗３７とにより設定した定電流が流れるようにしている。

図４は、上記定電流回路２７の機能効果を示しており、同図の（ａ）に示すように、両出力端子２８，２９間にかかる電圧には、固定電極２４や回転電極２５，２６の接触部の接触抵抗の違いや、トルクセンサシャフト本体３の個体抵抗の違いなどにより、変化が起きるものの、両出力端子２８，２９間に流れる電流は、同図の（ｂ）に示すように、一定となる。
なお、図５は、上記定電流回路２７を用いずに、同部分に一定の電圧を印加した場合の電流を示しており，時間の経過と共に電流値が変動していることが分かる。

従って、上記構成のものの場合、トルクセンサシャフト本体支持部１７，１８に支持された複数のトルクセンサシャフト本体３がメッキ液２３中で主軸１４の周囲を公転しつつ自転する状況で、メッキ電極２１と全トルクセンサシャフト本体３との間を含む、定電流回路２７の正の出力端子２８と負の出力端子２９との間にそれぞれ定電流が流れるものであり、かくして、トルクセンサシャフト本体３のマスキングされた部分以外の部分が電解メッキされ、磁歪膜４が形成される。

よって、上記構成のものの場合、複数本ずつの磁歪式トルクセンサシャフト２の生産ができるものであり、メッキ装置を多数備える必要がないので、製造コスト上、有利である。又、トルクセンサシャフト本体３を公転、自転させると共に、トルクセンサシャフト本体３の１本ごとの定電流回路２７にてトルクセンサシャフト本体３とメッキ電極２１との間に給電する電解メッキをして、複数本のトルクセンサシャフト本体３の各表面にそれぞれ磁歪膜を設けるのであるから、トルクセンサシャフト本体３とメッキ電極２１との各間に流れる電流が、固定電極２４や回転電極２５，２６の接触部の接触抵抗の違いや、トルクセンサシャフト本体３の個体抵抗の違いなどがあっても均等となり、その各間に流れる電流密度が一定となる。よって、メッキされる磁歪膜４の組成と膜厚も全トルクセンサシャフト本体３について均一化し、トルクセンサ１の特性や精度を良好に確保できる。

図９は、上記構成のものの効果を示しており、（ａ）に磁歪膜４のニッケル組成の変動度合を、（ｂ）に磁歪膜４の膜厚の変動度合を示している。ともに、設定値どおりのもの（変動値「０」）のものが多くて、均一度が高い。これに対して、定電流回路２７を用いない従来のものでは、図１０の（ａ）、（ｂ）に示すように、磁歪膜４のニッケル組成の変動度合（ａ）、並びに磁歪膜４の膜厚の変動度合（ｂ）は、ともに、設定値どおりのもの（変動値「０」）のものが少なくて、均一度が低い。

又、図１１も、上記構成のものの効果を示しており、上記磁歪膜４を有する磁歪式トルクセンサシャフト２を使用したトルクセンサ１の、シャフト回転に対する出力変動の様子を示していて、複数（一例として３個）のサンプルについて、出力変動が少ないことが分かる。これにより、トルクセンサ１の特性や精度を良好に確保できる。それに対して、定電流回路２７を用いないで製造した従来のものでは、図１２に示すように、複数（一例として５個）のサンプルについて、出力変動が多いことが分かる。これでは、トルクセンサの特性や精度を良好に確保することはできない。
なお、本発明は上記し且つ図面に示した実施例にのみ限定されるものではなく、特に磁歪膜の具体的材料その他の点につき、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る。

本発明の一実施例を示す製造装置の概略的構成図図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図定電流回路の電気回路図定電流回路の機能効果を示す図従来のものの図４（ｂ）相当図トルクセンサの断面図磁歪式トルクセンサシャフトの磁歪膜部分の側面図図７のＹ−Ｙ線に沿う拡大断面図本発明の効果を示す図従来のものの図９相当図本発明の異なる効果を示す図従来のものの図１１相当図磁歪材の組成と飽和磁歪定数との関係を示す図磁歪膜形成の際の電流密度と磁歪膜のニッケル組成との関係を示す図磁歪膜形成の際の電流密度と磁歪膜の厚みとの関係を示す図

符号の説明

図面中、１はトルクセンサ、２は磁歪式トルクセンサシャフト、３はトルクセンサシャフト本体、４は磁歪膜、１４は主軸、１７はトルクセンサシャフト本体支持部、２１はメッキ電極、２５，２６は回転電極、２７は定電流回路、２８は正の出力端子、２９は負の出力端子、３０はトランジスタ（増幅素子）、３１は抵抗（電流検出素子）、３３は比較演算素子、３７は可変抵抗（電流設定手段）を示す。

Claims

トルクセンサシャフト本体の表面に磁歪膜を電解メッキにより設ける方法において、
複数本の前記トルクセンサシャフト本体を円周上に均等間隔に配置し、このトルクセンサシャフト本体を円周に沿って周回移動させると共に、トルクセンサシャフト本体自体も回転させながら、トルクセンサシャフト本体１本ごとの定電流回路にてトルクセンサシャフト本体とメッキ電極との間に給電する電解メッキをして、前記複数本のトルクセンサシャフト本体の各表面にそれぞれ磁歪膜を設けることを特徴とする磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法。
トルクセンサシャフト本体の表面に磁歪膜を電解メッキにより設ける装置において、
主軸と、
この主軸の周囲に均等間隔で具えられた複数個のトルクセンサシャフト本体支持部と、
このトルクセンサシャフト本体支持部を前記主軸を中心に周回移動させると共に、トルクセンサシャフト本体支持部を回転させる回転機構と、
前記主軸に前記トルクセンサシャフト本体支持部の個数に対応して複数具えられた回転電極と、
前記トルクセンサシャフト本体支持部のそれぞれに具えられて、前記主軸の回転電極に接続された回転電極と、
前記トルクセンサシャフト本体支持部の全部に対向して配置された共通のメッキ電極と、
正と負の出力端子を具え、その正の出力端子を前記メッキ電極に接続し、負の出力端子を前記主軸の回転電極に接続して設けた定電流回路とを具備し、
その定電流回路は、前記トルクセンサシャフト本体支持部の個数に対応して複数具えられ、それぞれ、電源に接続されて、前記主軸の各回転電極と前記メッキ電極との間に流れる電流により発生する電圧と基準の電圧とを比較演算して、その差に応じた電流を前記主軸の各回転電極と前記メッキ電極との間に流すことにより、前記主軸の各回転電極と前記メッキ電極との間に定電流を流すように構成したことを特徴とする磁歪式トルクセンサシャフトの製造装置。