JP2022121929A - Magnetostrictive sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

To provide a magnetostrictive sensor that has high sensor sensitivity and can be easily manufactured, and in addition, to provide a magnetostrictive sensor with less hysteresis.SOLUTION: A magnetostrictive sensor has a magnetostrictive part 110 that is formed on a member by thermal spraying and subjected to heat treatment, and the magnetostrictive sensor has an increased sensor sensitivity through the heat treatment.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、トルクを検出する磁歪式センサに関する。 The present invention relates to a magnetostrictive sensor that detects torque.

従来、シャフトに作用するトルクを検出するセンサが用いられている。特許文献1に記載された発明では、アモルファス磁性薄帯をシャフトに巻いて固定し、トルク変動に伴う回転軸のひずみ応力を、アモルファス磁性薄帯の磁気特性の変化を検出することによりトルクを測定している。また、低コスト、生産性の観点から、上記方法に替え、測定部材表面上に溶射材を溶射することにより形成された磁歪膜を有するセンサも用いられている。トルクセンサは、感度が高く、ヒステリシスが少ない特性であることが望ましい。アモルファスの磁歪膜は磁気等方性という特徴を有していてヒステリシスの減少に好都合であり、また、高透磁率、低ヤング率という特性より感度の面でも好都合なことから、アモルファスの磁歪膜を備えたセンサも用いられている。 Conventionally, a sensor is used to detect the torque acting on the shaft. In the invention described in Patent Document 1, an amorphous magnetic ribbon is wound around a shaft and fixed, and torque is measured by detecting a change in the magnetic properties of the amorphous magnetic ribbon to detect the strain stress of the rotating shaft that accompanies torque fluctuations. is doing. From the viewpoint of low cost and productivity, instead of the above method, a sensor having a magnetostrictive film formed by spraying a thermal spray material onto the surface of the measurement member is also used. It is desirable that the torque sensor have characteristics of high sensitivity and little hysteresis. Amorphous magnetostrictive films have the characteristic of magnetic isotropy, which is convenient for reducing hysteresis, and the properties of high magnetic permeability and low Young's modulus are also favorable in terms of sensitivity. Equipped sensors are also used.

特開昭60-123078号公報JP-A-60-123078

センサは、微小入力を高い精度で検出するために、高いセンサ感度が望まれている。また、アモルファス磁歪膜は、理論上上記利点があるものの、製造上は磁歪膜を構成する材料分子の部材に残留応力が発生するために、感度の低下やヒステリシスの増大が生じてしまうという短所があった。感度が低い、もしくはヒステリシスが大きいと測定精度が落ちるため、ヒステリシスが少ないセンサが望まれている。加えて、センサは、容易に生産できることが必要である。 Sensors are desired to have high sensor sensitivity in order to detect minute inputs with high accuracy. In addition, although the amorphous magnetostrictive film has the above theoretical advantages, it has the disadvantage that the sensitivity is lowered and the hysteresis is increased due to the residual stress generated in the material molecules constituting the magnetostrictive film. there were. If the sensitivity is low or the hysteresis is large, the measurement accuracy will drop, so a sensor with little hysteresis is desired. In addition, the sensor should be easily manufacturable.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、高いセンサ感度を有し、容易に作ることができる磁歪式センサを提供すること、さらに加えてヒステリシスが少ない磁歪式センサを提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and provides a magnetostrictive sensor that has high sensor sensitivity and can be easily manufactured. It is intended to

本発明に係る磁歪式センサは、所定の残留応力を有する熱処理された磁歪膜を有している。 A magnetostrictive sensor according to the present invention has a heat-treated magnetostrictive film having a predetermined residual stress.

本発明によれば、磁歪式センサが有する磁歪膜はセンサ感度が増加されている。よって、微小入力に対し高い精度でトルク等の出力を検出することができる。 According to the present invention, the magnetostrictive film of the magnetostrictive sensor has increased sensor sensitivity. Therefore, it is possible to detect an output such as torque with high accuracy with respect to a minute input.

本発明の実施の形態に係るトルクセンサのステータ構造における1個の磁気コアブロックを示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing one magnetic core block in the stator structure of the torque sensor according to the embodiment of the invention; 図1の磁気コアブロックの溝内に巻線部を装着した状態を示す磁歪部を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a magnetostrictive portion showing a state in which winding portions are mounted in grooves of the magnetic core block of FIG. 1; トルクセンサの作動時の出力信号の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of an output signal when the torque sensor is in operation; 図1の磁気コアブロックを複数組み合わせ、斜めの磁束を形成するティース端面を上下及び左右対称に配置した模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram in which a plurality of magnetic core blocks in FIG. 1 are combined, and tooth end surfaces that form oblique magnetic fluxes are arranged vertically and horizontally symmetrically. 図1の磁気コアブロックを複数組み合わせ、磁路一体型コアの形態を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a magnetic path-integrated core obtained by combining a plurality of magnetic core blocks shown in FIG. 1; 図4の模式図の一部の拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view of a part of the schematic diagram of FIG. 4; 本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの感度を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the sensitivity of the magnetostrictive torque sensor according to the embodiment of the invention; 本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサのヒステリシスを示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing hysteresis of the magnetostrictive torque sensor according to the embodiment of the invention;

本発明の実施の形態に係る磁歪式センサは、溶射により部材上に形成され、熱処理されている磁歪膜を有する磁歪式センサである。磁歪膜は、金属ガラス材料を溶射して部材上に形成する。形成した磁歪膜に熱処理を加え、残留応力を所望の値に調整することで、熱処理されていない従来のセンサより、感度を増加させことができる。さらに、熱処理を特定の温度範囲とすることにより、感度を増加させるとともに、ヒステリシスを低減させることができる。 A magnetostrictive sensor according to an embodiment of the present invention is a magnetostrictive sensor having a magnetostrictive film formed on a member by thermal spraying and heat-treated. The magnetostrictive film is formed on the member by spraying a metallic glass material. By applying a heat treatment to the formed magnetostrictive film to adjust the residual stress to a desired value, the sensitivity can be increased compared to conventional sensors that have not been heat treated. Furthermore, by setting the heat treatment to a specific temperature range, the sensitivity can be increased and the hysteresis can be reduced.

以下に、本発明の実施の形態に係る磁歪式センサについて説明する。本発明は、部材上に形成され、熱処理された磁歪膜を有する点が発明の要旨であり、その発明の磁歪膜を用いたセンサは、所望の形態で実施できる。以下に、回転するシャフトのトルクを検出する磁歪式センサの実施の形態を説明する。本発明に係る磁歪式センサが備えられたトルクセンサは、回転軸に設けられた磁歪部のビラリ効果を利用し、回転軸を取り囲むステータ構造により歪み検出を行う構成である。ステータ構造は、回転軸と対向するティース端面に傾斜した辺を付け、各辺同士が向かい合うように配置し、軸方向に対して斜め方向に傾いた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として効率よく検出するよう構成されている。図6に、その概略の構造が示されている。ステータ構造10の内周面が対向する回転する軸90の外周面に、磁歪膜が形成され、磁歪部110が設けられている。以下に、ステータ構造10を説明する。 A magnetostrictive sensor according to an embodiment of the present invention will be described below. The gist of the present invention is that it has a magnetostrictive film formed on a member and subjected to heat treatment, and the sensor using the magnetostrictive film of the invention can be implemented in any desired form. An embodiment of a magnetostrictive sensor for detecting torque of a rotating shaft will be described below. A torque sensor equipped with a magnetostrictive sensor according to the present invention is configured to detect distortion by a stator structure surrounding the rotating shaft by utilizing the Villari effect of the magnetostrictive portion provided on the rotating shaft. In the stator structure, inclined sides are attached to the tooth end surfaces facing the rotating shaft, and the sides are arranged so as to face each other. is efficiently detected as a change in magnetic flux. FIG. 6 shows its schematic structure. A magnetostrictive film is formed on the outer peripheral surface of the rotating shaft 90 facing the inner peripheral surface of the stator structure 10, and a magnetostrictive portion 110 is provided. The stator structure 10 is described below.

図1は、本発明の磁歪式センサの実施の形態に係るトルクセンサのステータ構造における多数の磁気コアブロック10aの中の1個の磁気コアブロックを示すものである。
前記磁気コアブロック10aは、全体が磁性材を、例えば、金属射出成形機で一体に成形したものである。さらに詳しく言えば、基板の役目をなすバックヨーク100に対して一体に、第1ティース端面260a、第2ティース端面260b、及び第3ティース端面260cを形成した構成である。
FIG. 1 shows one magnetic core block among many magnetic core blocks 10a in the stator structure of a torque sensor according to an embodiment of the magnetostrictive sensor of the present invention.
The magnetic core block 10a is integrally formed of a magnetic material by, for example, a metal injection molding machine. More specifically, the first tooth end face 260a, the second tooth end face 260b, and the third tooth end face 260c are formed integrally with the back yoke 100 serving as a substrate.

前記各ティース端面260a、260b、及び260c間には、第1溝101及び第2溝102が形成されており、前記各ティース端面260a、260b、260cの表面には、図2で示される軸90の周面91の曲面に対向する曲折面からなる第1辺30a、第2辺30b及び第3辺30cが、軸90の表面からわずかなギャップを介して配設されている。 A first groove 101 and a second groove 102 are formed between the tooth end surfaces 260a, 260b, and 260c, and shafts 90 shown in FIG. A first side 30a, a second side 30b and a third side 30c, which are curved surfaces facing the curved surface of the peripheral surface 91 of the shaft 90, are arranged with a slight gap from the surface of the shaft 90. As shown in FIG.

前記各溝101、102には、表面側Pからみてハの字型をなすように、一対の第1、第2巻線部105、106が配設され、第1磁束方向107及び第2磁束方向108が発生するように構成されている。
尚、前記各巻線部105、106は、各溝101、102の配設されていることが図2に示されているが、例えば、他の形態として、図示していないが、各ティース260a、260b、260cの周囲に巻き付けて各溝101、102を通る構成も可能である。
従って、図2の構成により、1個の磁歪部110が形成されている。
A pair of first and second winding parts 105 and 106 are arranged in each of the grooves 101 and 102 so as to form a V shape when viewed from the surface side P, and a first magnetic flux direction 107 and a second magnetic flux are provided. A direction 108 is configured to occur.
2 shows that the winding portions 105 and 106 are provided with the respective grooves 101 and 102. For example, as another form, although not shown, the teeth 260a, A configuration that wraps around 260b, 260c and passes through each groove 101, 102 is also possible.
Therefore, one magnetostrictive portion 110 is formed by the configuration of FIG.

図3は、図4で示す多数の磁気コアブロック10a、すなわち、磁歪部110を筒状(図5、図6)に配設したステータ構造を用いて、前記軸90を回転させた時の第1磁束方向107から得られる第1信号VL1と第2磁束方向108(すなわち、第1磁束方向107と対称)から得られる第2信号VR1が得られ、その差分111が得られる。
尚、従来の状態では、各巻線部105及び106の励磁用コイル214aで励磁し、軸90のねじれを検出用コイル215aで出力信号を得るようにした構成であるが、本実施の形態では、前記軸90の透磁率の変化を利用し、多数の磁歪部110で出力電圧差として取り出す構成である。本実施の形態では、前述の磁歪部110を用いた周知のビラリ効果(Villari Effect)、すなわち、応力の作用下での、磁場中にある強磁性物質内における透磁率の変化を利用している。
FIG. 3 shows the number of magnetic core blocks 10a shown in FIG. 4, that is, the stator structure in which the magnetostrictive portions 110 are arranged in a cylindrical shape (FIGS. 5 and 6), and the shaft 90 is rotated. A first signal VL1 obtained from one flux direction 107 and a second signal VR1 obtained from a second flux direction 108 (ie, symmetrical with the first flux direction 107) are obtained, and the difference 111 is obtained.
In the conventional state, the excitation coils 214a of the winding portions 105 and 106 are excited, and the torsion of the shaft 90 is detected by the detection coils 215a. The change in the magnetic permeability of the shaft 90 is used to take out the output voltage difference in a large number of magnetostrictive portions 110 . This embodiment utilizes the well-known Villari Effect using the magnetostrictive portion 110 described above, that is, the change in magnetic permeability in a ferromagnetic material in a magnetic field under the action of stress. .

図4は、一対の磁気コアブロック10aを用い、斜め磁束を形成するティース端面260a、260b、260cの組み合わせによって、上下及び左右対称に配置した構成図で ある。以下に図4の基礎となる図1の動作について説明する。
軸90に付与した磁歪部110のビラリ効果を利用した磁歪式センサ150において、軸90と対向するティース端面260a、260b、260cに傾斜した辺30a、3 0b、30cを付け、完成品としては、その辺同士が向かい合うように配置することにより、軸90の軸方向Eに対して斜め方向(0°より大きく90°より小さい)に傾けた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として、効率よく検出できる。磁束の傾きが45°のとき、効率最大となる。また、ティースとそれを繋ぐ巻線部105、106及びバックヨーク100を一体化させ、連続した磁性体で構成することで、磁気的な損失の少ない効率的なコアとし、一対で製造することで製造誤差を抑える。さらに、同一コアで、複数のティースを用いて軸方向に対して斜め方向(0°より大きく90°より小さい)の磁束を上下又は左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号VL1、VR1を得ることができ、図3のように、その差分111をとることで、検出精度を向上させることが出来る。
FIG. 4 is a configuration diagram of a pair of magnetic core blocks 10a arranged vertically and horizontally symmetrically by combining teeth end surfaces 260a, 260b, and 260c that form oblique magnetic fluxes. The operation of FIG. 1, which is the basis of FIG. 4, will be described below.
In the magnetostrictive sensor 150 utilizing the Villari effect of the magnetostrictive portion 110 imparted to the shaft 90, inclined sides 30a, 30b and 30c are attached to the tooth end faces 260a, 260b and 260c facing the shaft 90, and the finished product is: By arranging the sides so that they face each other, the main magnetic flux can flow in an oblique direction (more than 0° and less than 90°) with respect to the axial direction E of the shaft 90. can be efficiently detected as a change in The efficiency is maximized when the gradient of the magnetic flux is 45°. In addition, by integrating the teeth, the winding portions 105 and 106 that connect them, and the back yoke 100, and constructing them from a continuous magnetic material, an efficient core with little magnetic loss can be manufactured as a pair. Minimize manufacturing errors. Furthermore, in the same core, by using a plurality of teeth to form a magnetic flux in an oblique direction (larger than 0° and smaller than 90°) with respect to the axial direction vertically or horizontally symmetrically, a plurality of teeth symmetrical with respect to the strain direction signals VL1 and VR1 can be obtained, and the detection accuracy can be improved by taking the difference 111 between them as shown in FIG.

図5の構成は、4個の磁気コアブロック10aを組み合わせた構成を示し、実際には、さらに5個の磁気コアブロック10aを設けて完成品とするが、ここでは4個を組み合わせた場合について述べる。
図4~図6に本発明を実施する為の構成の一例を記載する。実施の形態の磁気コアブロックの最小単位を任意のN個とし、その磁気コアブロックを軸周方向に配置する。
本実施の形態では、軸90と対向するティース端面260a、260b、260cの傾斜した辺30a、30b、30c同士を向かい合わせ、図2に示す軸方向Eに対して斜め方向に傾けた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として、効率よく検出できる。また、ティース端面260a、260b、260cとそれを繋ぐ巻線部105、106及びバックヨーク100を一体化させ、連続した磁性体で構成することにより、磁気的な損失の少ない効率的な磁気コアブロックとする。さらに、同一の磁気コアブロックにおいて、上下または左右または上下左右対称な複数のティース端面260a、260b、260cの組み合わせにより、軸方向Eに対して斜め方向の磁束を上下または左右または上下左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号VL1、VR1を得ることができ、その差分111をとることで、検出精度を向上させることが出来る。
The configuration of FIG. 5 shows a configuration in which four magnetic core blocks 10a are combined, and in reality, five magnetic core blocks 10a are further provided to form a finished product. state.
An example of a configuration for carrying out the present invention is described in FIGS. 4 to 6. FIG. The minimum unit of the magnetic core blocks of the embodiment is an arbitrary number N, and the magnetic core blocks are arranged in the axial direction.
In this embodiment, the inclined sides 30a, 30b, and 30c of the tooth end faces 260a, 260b, and 260c facing the shaft 90 face each other, and the main magnetic flux obliquely inclined with respect to the axial direction E shown in FIG. The strain and its direction can be efficiently detected as changes in magnetic flux. In addition, by integrating the tooth end surfaces 260a, 260b, 260c, the winding portions 105, 106 connecting them, and the back yoke 100 and constructing them with a continuous magnetic material, an efficient magnetic core block with little magnetic loss can be obtained. and Furthermore, in the same magnetic core block, by combining a plurality of teeth end faces 260a, 260b, 260c that are symmetrical vertically, horizontally, or vertically and horizontally, magnetic flux oblique to the axial direction E is formed vertically, horizontally, or vertically and horizontally symmetrically. By doing so, it is possible to obtain a plurality of signals VL1 and VR1 symmetrical with respect to the distortion direction, and by taking the difference 111 between them, it is possible to improve the detection accuracy.

従って、主磁束を磁歪部110の軸方向Eに対して斜め方向に形成することで、検出効率(感度)を向上させることができる。ティース端面260a、260b、260cと巻線部105、106及びバックヨーク100を一体の連続した磁性体で構成することで、磁気的に効率の良い磁気コアブロックをつくり、製造誤差を抑えることができる。
同一の磁気コアブロックにおいて、複数のティース端面260a、260b、260cを組み合わせにより、磁歪部110の軸方向Eに対して斜めの磁束を上下または左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号VL1、VR1を取得し、その差分111によって検出精度を向上させることができる。
Therefore, by forming the main magnetic flux in a direction oblique to the axial direction E of the magnetostrictive portion 110, detection efficiency (sensitivity) can be improved. By forming the tooth end faces 260a, 260b, 260c, the winding portions 105, 106, and the back yoke 100 from an integrated continuous magnetic material, a magnetic core block with good magnetic efficiency can be produced, and manufacturing errors can be suppressed. .
In the same magnetic core block, by combining a plurality of tooth end faces 260a, 260b, and 260c, oblique magnetic flux with respect to the axial direction E of the magnetostrictive portion 110 is formed vertically or horizontally symmetrically. A plurality of signals VL1 and VR1 are acquired, and the difference 111 between them can be used to improve the detection accuracy.

<磁歪膜の製造方法>
本実施の形態の磁歪式センサの磁歪膜の製造方法について説明する。磁歪膜は、部材の表面上に磁歪膜を形成する工程と、形成された磁歪膜を熱処理する工程との2つの工程を備えている。
<Method for manufacturing magnetostrictive film>
A method for manufacturing the magnetostrictive film of the magnetostrictive sensor of this embodiment will be described. The magnetostrictive film has two steps of forming the magnetostrictive film on the surface of the member and heat-treating the formed magnetostrictive film.

まず、軸90の外周面上に磁歪膜を形成する方法について説明する。磁歪膜を形成するには、公知の溶射法で行う。溶射法では、溶射する材料に何らかのエネルギ源により運動エネルギを付加して溶射材の粒子を高速で飛ばし、測定対象部材上に磁歪膜を直接形成する。具体的には、ガスを燃焼させて熱源として溶射材の粒子を飛ばすフレーム溶射法、アルゴンガスなどのプラズマガスを流しながら高電圧を印加して、プラズマジェットにより溶射材の粒子を飛ばすプラズマ溶射法、高圧ガスを先細末広ノズルに通して超音速流にしたガスにより、溶射材の粒子を飛ばすコールドスプレー法、などが用いられる。何れかの溶射方法により、溶射材の粒子を飛ばし、軸90を回転させながら、過冷却液相状態の粒子を軸90の外周面上に堆積させて溶射被膜を形成する。 First, a method of forming a magnetostrictive film on the outer peripheral surface of shaft 90 will be described. A known thermal spraying method is used to form the magnetostrictive film. In the thermal spraying method, kinetic energy is applied to the material to be thermally sprayed from some energy source to cause particles of the thermal spraying material to fly at high speed, thereby directly forming a magnetostrictive film on the member to be measured. Specifically, the flame spraying method, in which the particles of the thermal spraying material are ejected by burning gas as a heat source, and the plasma spraying method, in which the particles of the thermal spraying material are ejected by a plasma jet, by applying a high voltage while flowing a plasma gas such as argon gas. , a cold spray method in which particles of the thermal spray material are blown away by supersonic flow of high-pressure gas through a tapered and diverging nozzle. Particles of the thermal spray material are ejected by any thermal spraying method, and while the shaft 90 is rotated, particles in a supercooled liquid phase are deposited on the outer peripheral surface of the shaft 90 to form a thermal spray coating.

磁歪膜を形成する材料は、測定対象部材上に磁歪膜を形成できる金属ガラス材料であれば何れのものも用いることができる。例えば、鉄、ニッケル、フェライト、鉄-コバルト系合金、鉄-ニッケル系合金等の金属材料が用いられる。本実施の形態では、溶射材として、鉄-コバルト系合金を主成分とした材料を用いる。溶射材は、粉体、ワイヤ状、等、溶射方法に合わせた形態で用いられる。 Any material can be used as the material for forming the magnetostrictive film as long as it is a metallic glass material capable of forming a magnetostrictive film on the member to be measured. For example, metallic materials such as iron, nickel, ferrite, iron-cobalt based alloys, iron-nickel based alloys are used. In this embodiment, a material containing an iron-cobalt alloy as a main component is used as the thermal spray material. The thermal spraying material is used in a form suitable for the thermal spraying method, such as powder or wire.

本実施の形態の磁歪式センサでは、溶射後の熱処理により残留応力の調整を行って所望の状態とする。溶射工程では、溶射材を部材上にアモルファス状態で堆積させる。膜厚は、100μm程度が好ましい。 In the magnetostrictive sensor of this embodiment, the residual stress is adjusted by heat treatment after thermal spraying to obtain a desired state. In the thermal spraying process, the thermal spray material is deposited on the member in an amorphous state. The film thickness is preferably about 100 μm.

次に、形成された磁歪膜を熱処理する方法について説明する。溶射により部材上に形成された磁歪膜は、所定の残留応力を有している。残留応力があるということは歪がある状態であるということであり、残留応力を低減すれば、センサ出力、すなわちセンサ感度を上げることができると考えられる。熱処理を加えると、センサ感度が変化するとともに、ヒステリシスも変化する。磁歪膜は、熱処理されて残留応力の向き、大きさが調整されることで、所望のセンサ感度とヒステリシスとを実現する。 Next, a method of heat-treating the formed magnetostrictive film will be described. A magnetostrictive film formed on a member by thermal spraying has a predetermined residual stress. If there is residual stress, it means that there is strain, and it is thought that if the residual stress is reduced, the sensor output, that is, the sensor sensitivity, can be increased. Heat treatment changes the sensor sensitivity and also changes the hysteresis. The magnetostrictive film is heat-treated to adjust the direction and magnitude of residual stress, thereby realizing desired sensor sensitivity and hysteresis.

熱処理方法は、公知の方法を選択可能であるが、高周波加熱が好ましい。高周波加熱は、加熱したい部位のみを加熱しやすく、また温度を調整しやすい加熱方法である。本実施の形態では、磁歪部110が形成された軸90を、高周波加熱により熱処理を行う。熱処理は、磁性状態が変化するキュリー点温度以上、かつ結晶化が進行する温度である相変態温度以下の温度範囲で行う。本実施の形態で用いる鉄-コバルト系合金で形成された溶射材では、キュリー点温度は500℃、相変態温度は580℃である。軸90における磁歪膜が形成された部位を、500℃以上580℃以下の範囲の温度に加熱し、残留応力の調整を行う。加熱時間は溶射材の種類と、センサ特性値により5秒間~30秒間程度の範囲で選択する。本実施の形態では、10秒間加熱を行う。熱処理温度、及び熱処理時間は、溶射材の材料と、所望する残留応力とセンサ感度により、適宜決定する。 As the heat treatment method, a known method can be selected, but high-frequency heating is preferred. High-frequency heating is a heating method that makes it easy to heat only a portion that is desired to be heated and to easily adjust the temperature. In this embodiment, the shaft 90 on which the magnetostrictive portion 110 is formed is subjected to heat treatment by high-frequency heating. The heat treatment is carried out in a temperature range equal to or higher than the Curie point temperature at which the magnetic state changes and equal to or lower than the phase transformation temperature at which crystallization proceeds. The thermal spray material formed of the iron-cobalt alloy used in this embodiment has a Curie point temperature of 500.degree. C. and a phase transformation temperature of 580.degree. The portion of the shaft 90 where the magnetostrictive film is formed is heated to a temperature in the range of 500° C. or more and 580° C. or less to adjust the residual stress. The heating time is selected in the range of about 5 to 30 seconds depending on the type of thermal spray material and sensor characteristic value. In this embodiment, the heating is performed for 10 seconds. The heat treatment temperature and heat treatment time are appropriately determined according to the thermal spray material, desired residual stress and sensor sensitivity.

<実施の形態による実験結果>
表1~表2は、形成された磁歪膜を熱処理した実施例と、比較のために行った比較例について、それぞれ感度と、ヒステリシスとを測定した結果を示している。溶射材は、鉄-コバルトを主成分とした溶射材を使った。磁歪膜は、フレーム溶射により軸90の外周面上に、膜厚100μmとなるように形成した。測定は、実施例1~5、及び比較例1の6つの試料について行った。実施例1~5、及び比較例1の磁歪膜は、全て同じ条件で形成されたものであり、磁歪膜形成後の熱処理条件のみ異なっている。
<Experimental results according to the embodiment>
Tables 1 and 2 show the results of measuring the sensitivity and hysteresis of an example in which the formed magnetostrictive film was heat-treated and a comparative example for comparison. The thermal spraying material was mainly composed of iron-cobalt. The magnetostrictive film was formed on the outer peripheral surface of the shaft 90 by flame spraying so as to have a film thickness of 100 μm. Six samples of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were measured. The magnetostrictive films of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were all formed under the same conditions, and differed only in the heat treatment conditions after the formation of the magnetostrictive films.

各試料の熱処理温度は、実施例1は300℃、実施例2は450℃、実施例3は500℃、実施例4は550℃、実施例5は650℃である。実施例の熱処理は、全て目的温度に達した際に加熱を停止している。また、参考として、実施例1~5と同じように磁歪膜を作製し、熱処理をしていない比較例1も測定した。 The heat treatment temperature of each sample is 300° C. for Example 1, 450° C. for Example 2, 500° C. for Example 3, 550° C. for Example 4, and 650° C. for Example 5. In all the heat treatments of the examples, heating is stopped when the target temperature is reached. As a reference, a magnetostrictive film was produced in the same manner as in Examples 1 to 5, and Comparative Example 1, which was not heat-treated, was also measured.

準備した各試料に予め決められた同一の値のトルク入力を与え、センサ出力をそれぞれ測定した。各試料の、予め決められた同一の値のトルク入力に対するセンサ出力の値、すなわちセンサ感度の測定結果は、次のとおりである。 A torque input of the same predetermined value was applied to each prepared sample, and the sensor output was measured. The measurement results of sensor output values, ie, sensor sensitivities, for the same predetermined torque input for each sample are as follows.

Figure 2022121929000002
Figure 2022121929000002

図7には、表1のセンサ感度測定結果が示されている。センサ感度について、実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、及び、実施例5のセンサ感度は、それぞれ0.0770.151(V/Nm)、0.368(V/Nm)、0.358(V/Nm)、及び、0.190(V/Nm)であった。一方、熱処理無しの比較例1のセンサ感度は、0.052(V/Nm)であった。したがって、熱処理をした全ての試料について、センサ感度が増加した。特に、キュリー点温度以上、かつ相変態温度以下の温度で熱処理を行った実施例3、及び実施例4は、熱処理無しに比べて、大幅にセンサ感度が向上した。また、450℃から650℃の温度範囲では、熱処理無しに比べて、明確にセンサ感度が増加したと言える。 FIG. 7 shows the sensor sensitivity measurement results of Table 1. FIG. Regarding the sensor sensitivity, the sensor sensitivities of Examples 1, 2, 3, 4, and 5 are 0.0770.151 (V/Nm) and 0.368 (V/Nm), respectively. , 0.358 (V/Nm), and 0.190 (V/Nm). On the other hand, the sensor sensitivity of Comparative Example 1 without heat treatment was 0.052 (V/Nm). Therefore, sensor sensitivity increased for all heat treated samples. In particular, in Examples 3 and 4 in which the heat treatment was performed at a temperature higher than the Curie point temperature and lower than the phase transformation temperature, the sensor sensitivity was greatly improved compared to the case without heat treatment. Moreover, in the temperature range of 450° C. to 650° C., it can be said that the sensor sensitivity clearly increased compared to the case without heat treatment.

以上より、何れの温度において熱処理した場合でも、熱処理無しの場合よりセンサ感度は増加した。特に、キュリー点温度以上、かつ相変態温度以下の温度で熱処理した場合は、センサ感度を大幅に向上させることができた。これは、熱処理により磁歪膜の残留応力が除かれたことで、高いセンサ感度が得られたものと考える。なお、鉄-コバルト合金以外の材料を主成分とする溶射材で形成した場合でもキュリー点温度以上、かつ相変態温度以下の温度において熱処理することでセンサ感度を向上できると思われる。鉄-コバルト合金以外の材料を溶射材とした場合は、キュリー点温度、及び相変態温度は、溶射材の材質に応じた値となる。 From the above, the sensor sensitivity was higher than that without heat treatment regardless of the temperature. In particular, when the heat treatment was performed at a temperature higher than the Curie point temperature and lower than the phase transformation temperature, the sensor sensitivity could be significantly improved. It is considered that high sensor sensitivity was obtained because the residual stress of the magnetostrictive film was removed by the heat treatment. Even if the sensor is made of a thermal spray material containing a material other than an iron-cobalt alloy as a main component, it is thought that the sensor sensitivity can be improved by heat-treating at a temperature above the Curie point and below the phase transformation temperature. When a material other than an iron-cobalt alloy is used as the thermal spray material, the Curie point temperature and the phase transformation temperature are values corresponding to the material of the thermal spray material.

次に、各試料のヒステリシス測定結果は、次のとおりである。 Next, the hysteresis measurement results of each sample are as follows.

Figure 2022121929000003
Figure 2022121929000003

図8には、表2のヒステリシス測定結果が示されている。ヒステリシスについて、実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、及び、実施例5のヒステリシスは、それぞれ1.04(F.S.%)、3.51(F.S.%)、2.69(F.S.%)、1.05(F.S.%)、及び、1.25(F.S.%)であった。一方、熱処理無しの比較例1のヒステリシスは、1.11(F.S.%)であった。実施例2、実施例3、及び、実施例5を含む温度域では、熱処理無しである比較例1に比べてヒステリシスは増加したが、実施例1、及び、実施例4を含む、一部の温度域において、ヒステリシスは減少した。図4において、比較例1を通り横軸に平行な直線をAとすると、直線Aより下に位置する範囲が、熱処理無しの場合よりもヒステリシスが低減される磁歪膜が得られる熱処理の温度範囲である。すなわち、550℃以上580℃未満の範囲の温度で熱処理する場合は、熱処理無しである比較例1よりヒステリシスが減少すると考える。 The hysteresis measurement results of Table 2 are shown in FIG. Regarding hysteresis, the hysteresis of Examples 1, 2, 3, 4, and 5 is 1.04 (F.S.%) and 3.51 (F.S.%), respectively. , 2.69 (F.S.%), 1.05 (F.S.%), and 1.25 (F.S.%). On the other hand, the hysteresis of Comparative Example 1 without heat treatment was 1.11 (F.S.%). In the temperature range including Example 2, Example 3, and Example 5, the hysteresis increased compared to Comparative Example 1 without heat treatment, but some including Example 1 and Example 4 The hysteresis decreased in the temperature range. In FIG. 4, assuming that a straight line parallel to the horizontal axis of Comparative Example 1 is A, the range below straight line A is the temperature range of the heat treatment in which a magnetostrictive film with reduced hysteresis compared to the case without heat treatment is obtained. is. That is, when heat treatment is performed at a temperature in the range of 550° C. or more and less than 580° C., it is considered that the hysteresis is reduced as compared with Comparative Example 1 without heat treatment.

以上より、300℃と、550℃以上580℃未満の範囲の温度で熱処理する場合は、熱処理無しの場合よりヒステリシスが減少する。 As described above, the hysteresis is reduced in the case of heat treatment at 300° C. and in the range of 550° C. to less than 580° C. as compared with the case without heat treatment.

上記の結果より、熱処理を行うと、センサ感度と、ヒステリシスとの両方の特性値が変化する。図7~図8から明らかなように、センサ感度が増加する温度範囲と、ヒステリシスが減少する温度範囲とは、同じではない。したがって、センサの熱処理温度条件は、センサ感度と、ヒステリシスとのそれぞれの所望する値の範囲を決定した上で、最適な熱処理条件を決定する。センサ感度の増加を優先する場合、熱処理無しの場合に対し、センサ感度が十分増加する温度範囲は、450℃以上650℃以下である。特に、キュリー点温度以上、かつ相変態温度以下の温度範囲が好ましい。また、センサ感度を増加させるとともに、ヒステリシスをあまり増加させない場合は、熱処理温度範囲は、550℃以上が好ましい。特に、550℃以上、かつ相変態温度(580℃)未満であると、熱処理無しの場合に比べ、センサ感度を十分増加させ、かつヒステリシスも減少できる。 From the above results, the heat treatment changes the characteristic values of both the sensor sensitivity and the hysteresis. As is clear from FIGS. 7-8, the temperature range in which the sensor sensitivity increases is not the same as the temperature range in which the hysteresis decreases. Therefore, for the heat treatment temperature conditions of the sensor, the optimum heat treatment conditions are determined after determining the respective desired value ranges for the sensor sensitivity and hysteresis. When priority is given to the increase in sensor sensitivity, the temperature range in which the sensor sensitivity is sufficiently increased is 450° C. or higher and 650° C. or lower as compared to the case without heat treatment. In particular, a temperature range of the Curie point temperature or higher and the phase transformation temperature or lower is preferable. In order to increase the sensor sensitivity without increasing the hysteresis too much, the heat treatment temperature range is preferably 550° C. or higher. In particular, when the temperature is 550° C. or more and less than the phase transformation temperature (580° C.), the sensor sensitivity can be sufficiently increased and the hysteresis can be reduced as compared with the case without heat treatment.

本実施の形態における磁歪式センサ150は、所定の残留応力を有する熱処理された磁歪膜を有している。 The magnetostrictive sensor 150 in this embodiment has a heat-treated magnetostrictive film having a predetermined residual stress.

したがって、熱処理されていない磁歪膜を有している場合に比べて、センサ感度を増加させることができる。 Therefore, the sensor sensitivity can be increased compared to the case of having a magnetostrictive film that has not been heat treated.

また、本実施の形態における磁歪式センサ150は、最適な熱処理温度にて熱処理されている磁歪膜を有している。 Also, the magnetostrictive sensor 150 in the present embodiment has a magnetostrictive film heat-treated at an optimum heat-treatment temperature.

したがって、熱処理されていない磁歪膜を有している場合に比べて、センサ感度の増加に加えて、ヒステリシスを低減させることができる。 Therefore, in addition to the increase in sensor sensitivity, hysteresis can be reduced compared to the case of having a magnetostrictive film that has not been heat-treated.

また、本実施の形態における磁歪式センサ150は、溶射時の熱履歴に依らず、溶射後の熱処理により特性の調整を行っている。 Further, the magnetostrictive sensor 150 according to the present embodiment adjusts the characteristics by heat treatment after thermal spraying, regardless of the thermal history during thermal spraying.

したがって、溶射時の軸温度を一定に保ち特性を調整する場合に比べて、溶射時の温度管理が容易である。 Therefore, temperature control during thermal spraying is easier than in the case where the shaft temperature is kept constant during thermal spraying and the characteristics are adjusted.

本実施の形態における磁歪式センサ150の製造方法は、磁歪膜を熱処理して残留応力を調整する工程を備えている。 The manufacturing method of the magnetostrictive sensor 150 according to the present embodiment includes a step of heat-treating the magnetostrictive film to adjust the residual stress.

したがって、センサ感度を増加させることができる。 Therefore, sensor sensitivity can be increased.

本実施の形態における磁歪式センサ150の製造方法は、最適な熱処理温度にて磁歪膜を熱処理して残留応力を調整する工程を備えている。 The manufacturing method of the magnetostrictive sensor 150 according to the present embodiment includes a step of heat-treating the magnetostrictive film at an optimum heat-treating temperature to adjust the residual stress.

したがって、センサ感度に加えて、ヒステリシスを低減させることができる。 Therefore, hysteresis can be reduced in addition to sensor sensitivity.

150 磁歪式センサ、 110 磁歪部。 150 Magnetostrictive sensor, 110 Magnetostrictive part.

Claims (5)

溶射により部材上に形成され、所定の残留応力を有する熱処理された磁歪部(110)を有する磁歪式センサであって、
前記磁歪部(110)が、前記熱処理されたことにより入力トルクに対するセンサ出力が増加している、磁歪式センサ。
A magnetostrictive sensor having a heat-treated magnetostrictive portion (110) formed on a member by thermal spraying and having a predetermined residual stress,
A magnetostrictive sensor, wherein the magnetostrictive portion (110) is subjected to the heat treatment to increase the sensor output with respect to the input torque.
前記磁歪部(110)は、前記熱処理によりヒステリシスが低減されている、請求項1に記載の磁歪式センサ。 The magnetostrictive sensor according to claim 1, wherein the magnetostrictive portion (110) has hysteresis reduced by the heat treatment. 前記溶射は、ガラス転移温度以下で行われる、請求項1又は2に記載の磁歪式センサ。 3. The magnetostrictive sensor according to claim 1, wherein the thermal spraying is performed below the glass transition temperature. 溶射により部材上に磁歪膜を形成する工程と、
前記磁歪膜を熱処理して残留応力を調整する工程と、を備える磁歪式センサの製造方法であって、
前記磁歪部(110)は、前記熱処理により入力トルクに対するセンサ出力が増加している、磁歪式センサの製造方法。
forming a magnetostrictive film on the member by thermal spraying;
A method for manufacturing a magnetostrictive sensor, comprising the step of heat-treating the magnetostrictive film to adjust the residual stress,
A method of manufacturing a magnetostrictive sensor, wherein the magnetostrictive portion (110) has an increased sensor output with respect to input torque due to the heat treatment.
前記磁歪部(110)は、熱処理によりヒステリシスが低減されている、請求項4に記載の磁歪式センサの製造方法。 5. The method of manufacturing a magnetostrictive sensor according to claim 4, wherein the magnetostrictive portion (110) has its hysteresis reduced by heat treatment.
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