JP3024817B2 - 磁歪式トルクセンサ用磁歪検出体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非接触でトルクを検出で
きる磁歪式トルクセンサの磁歪検出体及びその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トルク伝達軸の表面に磁気歪み効果をも
つ磁歪検出層を設け、その外周にソレノイドコイルを配
した磁歪式トルクセンサが特開昭６０−２０６４２１号
公報などで述べられている。

【０００３】このトルクセンサの検出原理であるが、磁
歪層を設けた軸に回転トルクが加わると、磁歪層にも回
転方向に対して４５°の方向に主応力がかかり歪みが発
生する。それが磁気的な異方性となって透磁率の変化を
生じる。このトルクに依存した透磁率の変化をソレノイ
ドコイルのインダクタンスの変化として電気信号で出力
することによりトルクの大きさおよび方向を検出してい
る。

【０００４】この種の磁歪検出方法は古くから知られて
いる。このセンサの信頼性及び耐久性は磁歪検出層の形
成方法によって決まることになる。現在までに発表され
ている磁歪検出層の形成方法は、軸の表面に非晶質合金
などの磁歪材料を接着剤で接着する方法やパーマロイ等
の磁歪合金をスパッタリングまたは湿式めっき等で形成
したもの等がある。

【０００５】すなわち、非晶質合金を接着した例は特開
昭５９−１６６８２７号公報がある。この場合の接着に
は樹脂系又はセラミック系の接着剤あるいはろう材等が
使用されているが、接着剤では樹脂系、セラミック系と
もに非晶質合金との物性値に大きな差があること等で繰
返し応力下での耐久性の上で改善すべき点がある。また
ろう材の場合はろう材を薄くした状態でもろう材部のク
リープ等長期間の耐久性の点で改善を要している。

【０００６】次に、スパッタリングを用いたものは特開
昭６０−４２６２８号公報がある。スパッタリング法は
密着性が高く耐久性の上では優れているが、合金材をス
パッタする場合、検出素子材を構成する各元素によりス
パッタ率が異なること、ターゲットと被処理物の角度と
距離、ターゲットの結晶方位と結晶粒の大きさ等によっ
て膜の組成が大きく変化することが多いのでセンサとし
ての特性の再現性の上で改善すべき課題が多い。また、
成膜速度が遅いため被膜を形成するのに長時間を要し、
生産性及び成膜価格の上で課題がある。

【０００７】湿式めっきにより軸表面にパーマロイ膜を
形成したのち熱処理して残留応力を除去したもの（特開
昭６２−２０６４２１号公報）も発表されている。

【０００８】この方法は密着力、膜組成の制御の上では
優れた方法であるが、トルクセンサ用磁歪検出膜とし
て、めっきのままでは膜に残留応力があるためトルク検
出の直線性、感度等の特性にばらつきが多い。これを改
善するために熱処理を要し生産性の上で必ずしも十分で
はない。また、めっき膜が数〜数１０μｍと薄い場合は
基材の磁気特性がトルク検出特性に影響を及ぼすため基
材に非磁性材を用いなければならない。

【０００９】次に軸面に磁性材料をプラズマ溶射法で設
けたトルクセンサが特開昭６３−２９７５４５号公報に
発表されている。この方式は検出素子部の成分の再現
性、被膜厚さ制御性、生産性の上では優れている。

【００１０】しかし、このトルクセンサはＦｅ−Ａｌ合
金を用い被膜中の不規則相と規則相の比率に関し検討し
特性の向上を図っている。溶射層の場合は粉末或いは線
材を原料として用いるが溶射の際はいずれも数μｍ〜数
１００μｍの粒子となって基材面に吹き付けられて成膜
する。従って、溶射層はこの粒子の積層構造となり、繰
り返し応力が加わる条件下では粒子間の結合が重要にな
る。その被膜に関してはあまり検討されておらず耐久性
に関して十分に配慮されていない。

【００１１】また溶射法では溶製材等とは異なり被膜内
に酸素が多量に混入することになり、この酸素が物性の
ばらつきと耐久性に影響を及ぼすが、この点についても
十分に配慮されていない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な問題点に鑑みなされたもので、トルク伝達軸との密着
性が良く、繰り返し応力に対しても安定した出力特性を
示し、検出感度及び再現性に優れた磁歪検出体を高い生
産性で得ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記のよう
な目的を達成するため、金属系の円筒状または円柱状の
トルク伝達軸の外周面に磁気歪み効果を有する物質の１
層以上の層を設けてなるトルクセンサ用磁歪検出体にお
いて、磁気歪み効果を有する物質の最表面層として、層
の厚さが０．０３〜１．０ｍｍで、層内が結晶質で、そ
の結晶化率が９０％以上で、平均結晶粒径が２００μｍ
以下である磁性体層を設けるとともに、トルク伝達軸の
外周面と磁気歪み効果を有する物質の層が相互拡散によ
って拡散層を形成して結合していることを特徴とするも
のである。

【００１４】またこの発明は、金属系の円筒状または円
柱状のトルク伝達軸の外周面に磁気歪み効果を有する物
質の１層以上の層を設けてなるトルクセンサ用磁歪検出
体の製造方法において、磁気歪み効果を有する物質の層
の少なくとも最表面のＮｉ−Ｆｅ層を無酸化雰囲気中で
プラズマ溶射により設けた後、無酸化雰囲気中で９００
〜１１００℃に加熱し、次に上記Ｎｉ−Ｆｅ層に選択除
去処理を行って形状異方性を付与することを特徴とする
ものである。

【００１５】すなわち、発明者らは回転トルクにより回
転軸最表面に発生する歪量と、これに起因する透磁率の
変化を再現性よく検出するためのコイルに印加する高周
波の周波数と有効深さ、及びこれを具現化するための膜
組成と膜構造及び膜形成法による特性の安定化に関して
鋭意研究を行った。

【００１６】ここでは、φ２５、肉厚２ｔのＳＵＳ３０
４基材に磁歪膜を形成した。この回転軸に約１０Ｎ・ｍ
のトルクが加わった場合の表面層での変位を算出すると
数μｍのオーダである。一方、この歪を検出するための
高周波の検出有効深さは周波数を５０ＫＨｚとすると３
０μｍ程度である。

【００１７】次にトルクを正確に安定して再現性よく高
い耐久性で検出するための膜構造に関して検討した。そ
の結果膜組成は軸上に設ける膜の円周方向、長手方向及
び厚さ方向ともに組成のばらつきが少ないことがトルク
検出の安定性、再現性の上で極めて重要で、同一軸内で
は有効検出部内で±１％以内で形成する必要がある知見
を得た。

【００１８】また膜の構造は検出用素子の有効深さ範囲
内で発生する歪を緩和するような膜内での構造欠陥が極
めて少なく、均一な多結晶の連続した構造が望ましい。

【００１９】一方耐久性の上からは軸に対し膜が金属拡
散により結合していることが重要であることが知られ
た。この場合軸の材質と膜の材質との物性値が大きく異
なる場合は、最表面の感応素子成分と軸材との間に中間
層を設けることも効果がある。以上の条件を達成するプ
ロセスと組成について検討した結果、プラズマ溶射法を
用い合金組成を限定して被膜を形成し、その後の工程に
より溶射で発生する構造欠陥を除去することが適切であ
ることが分った。

【００２０】プラズマ溶射法は各種の機能性被膜の形成
法として広く用いられている。一般にはＡｒ，Ｈｅ，Ｎ
₂ ，Ｈ₂ 等のガスでプラズマを発生させ、そのプラズマ
中に被膜形成用の粉末を投入し溶融させて基材の表面に
吹き付けて被膜を形成する。従って被膜は個々の粉末粒
子が偏平して堆積した特有の積層構造を有する。一方、
用いる粉末粒子は数μｍ〜数１０μｍの大きさである。
基材に吹き付けられた密着粒子は、急速冷却されるので
合金材では非晶相を含む残留歪の大きい金属組織的に不
連続な膜構造となる。また粉末はアトマイズ法で製造す
るため被膜には０、１％オーダの酸素を含むことにな
る。

【００２１】従ってこの種の膜は耐摩耗、耐熱、耐食
性、強度を目的とする用途に多用されており、トルクセ
ンサの感応素子のような金属組織に敏感な特性を利用す
る分野では信頼性、耐久性、特性の再現性など多くの課
題がありほとんど利用されていないのが現状である。

【００２２】発明者らは溶射膜の金属組成、酸素量、軸
材との界面構造とトルク検出特性である出力の直線性、
ヒステリシス、感度、ダイナミックレンジ及び耐久性に
ついて検討した結果、これらの因子に対してプラズマ溶
射用合金粉末の組成、溶射後の後熱処理の雰囲気と温度
により被膜中に発生する構造欠陥、層状組織及び酸素の
含有量を改善し、被膜内の結晶構造と結晶粒度の分布状
態、酸素量の低減及び基材との拡散状態を制御すること
でトルクセンサ用感応素子としての特性が得られること
を見い出した。

【００２３】本発明の磁歪検出体は円筒状または円柱状
のトルク伝達軸基材外周面に感応素子としてプラズマ溶
射によりＮｉ−Ｆｅ合金層を形成し、次いで熱処理を行
い粒子間に凝固収縮により形成される構造欠陥を無くす
とともに溶射後に形成される密着時の粒子間界面である
層状組織を粉末の相互拡散により連続組織とし、その結
晶化率を９０％以上とし、さらに平均結晶粒の大きさ２
００μｍ以下に制御し、酸素量を減少させ、さらに基材
と溶射層との間に拡散層を形成させることで従来の欠点
を解決したものである。

【００２４】まずＮｉ−Ｆｅ合金層の厚さは検出磁束の
侵入深さと熱処理後の被膜の欠陥の少ない厚さ範囲から
決まる。被膜が薄すぎると基材の影響が表れることにな
り出力特性の変動をきたすことになる。一方、被膜が厚
すぎると溶射の厚さとともに残留応力が発生し仕上げ後
の最表面に欠陥が出易くなり歩留りの低下となる。また
被膜形成に時間がかかりコスト上昇にもつながる。

【００２５】以上の理由から被膜の厚さは０．０３〜
１．０mm、望ましくは０．０５〜０．５mmである。

【００２６】次にＮｉ−Ｆｅ合金の組成である。Ｎｉ−
Ｆｅの成分としては溶射後の熱処理の影響も強いがＮｉ
−２０Ｆｅが最も高感度である。しかしその範囲は１０
〜５０％Ｆｅでも十分に使用できる。３元以上の系でも
同様の成分範囲であるが特に約４％Ｍｏ系が２０％Ｆｅ
の感度の点で最も望ましい。トルクセンサの回路等の改
善によっては６０％Ｆｅの成分まで使用できる。

【００２７】トルク伝達軸材には非磁性であるオーステ
ナイト系ステンレス鋼や、強磁性体のＳＣＭ材等の構造
用合金鋼等いずれも用いることができる。但しＮｉ−Ｆ
ｅ合金の熱膨脹系数差に関してある程度考慮する必要が
ある。

【００２８】トルク伝達軸は棒状または管状が使用で
き、トルクの大きさ及び取り付け部の形状に応じて直径
または肉厚を設定することにより、検出感度、ダイナミ
ックレンジ、直線性などが決まる。

【００２９】熱処理はトルク伝達軸と溶射被膜との密着
を強固にし、溶射粉末の密着時の個々の粒子間の相互拡
散を促進し、溶射被膜固有の欠陥を改善し、層状組織を
連続組織とし、Ｎｉ−Ｆｅの格子を正常にし、トルク変
換特性である出力の直線性、ヒステリシス、感度、ダイ
ナミックレンジ及び耐久性を改善させる。

【００３０】熱処理温度は９００℃より低いと拡散と再
結晶粒の成長が不十分で溶射被膜の最表面部の粒子間の
結合が得られず被膜内に欠陥が残り良好な検出感度が得
られない。一方熱処理温度が１１００℃より高いと溶射
被膜の再結晶粒が粗大化するため透磁率変化にヒステリ
シスを生じる。その結果、トルク変換特性にヒステリシ
スが現われてくる。以上のように９００〜１１００℃の
範囲、望ましくは１０００℃で拡散処理を行った場合の
み、トルク伝達軸と溶射被膜との間に適当な拡散層が得
られるとともに溶射被膜を結晶化率が９０％以上の連続
組織とし、Ｎｉ−Ｆｅの格子が正常となりさらに平均結
晶粒径を２００μｍ以下とすることができる。従ってト
ルクセンサとしての出力の直線性、ヒステリシス、感
度、ダイナミックレンジ及び耐久性に優れた磁歪検出体
が得られる。

【００３１】また熱処理の雰囲気も重要である。雰囲気
は水素中或いは高真空中が用いられるが水素中が最も望
ましい。中性及び不活性雰囲気中では酸素の還元が不十
分となり特性にばらつきが多くなる。従って上述の雰囲
気中で熱処理を行い被膜中の酸素量を５００ｐｐｍ以下
に低減させる必要がある。

【００３２】特に酸素量の増加はヒステリシスを大きく
する。図５はトルクセンサのヒステリシスと被膜中の酸
素量について検討した一例である。酸素が少くなる程ヒ
ステリシスも小さくなる。実用範囲である±３％の値は
５００ｐｐｍである。

【００３３】次に熱処理後の冷却速度も影響がある。特
にＮｉ−２０Ｆｅの成分付近での影響が極めて大きくこ
の成分では冷却速度が早い程感度が高くなる。

【００３４】

【作用】この発明によれば、トルク伝達軸の外周面にプ
ラズマ溶射法により磁性体層，特にＮｉ−Ｆｅ合金被膜
を０．０３〜１．０mmを設け、次いで９００〜１１００
℃の間の温度で、かつ無酸化雰囲気中で拡散処理を施す
ことにより、トルクセンサとしての出力直線性，ヒステ
リシス、感度、ダイナミックレンジ及び耐久性が向上す
る。

【００３５】

【実施例】

［実施例１］以下、実施例を説明する。トルク伝達軸は
外径２５ｍｍ、肉厚２mm、長さ１００mmのステンレス鋼
管（材質ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４）を機械加工で採取
後、外径面をブラスト処理を行ったものを使用した。ト
ルク伝達軸の外周面にＮｉ−５０Ｆｅ組成合金粉末を用
いて２００ＴｏｒｒＡｒ中で減圧プラズマ溶射を行い、
厚さ０．１mmのＮｉ−Ｆｅ合金層を形成させた。

【００３６】次いで表１に示すように溶射のままの磁歪
検出体及び熱処理温度を８００℃、９００℃、１０００
℃、１１００℃及び１２００℃と変化させ水素ガス中で
１時間の熱処理を行った磁歪検出体を準備した。

【００３７】次に前記Ｎｉ−Ｆｅ合金層を図１のように
スリット状に選択除去した。除去された部分は幅が１m
m、長さ４０mmで軸の長手方向の右部分は角度＋４５
°、左部分は角度−４５°に傾き、円周に各１０本ずつ
である。選択除去は機械加工で行った。

【００３８】このようにして作製した各磁歪検出体を片
持ち治具に固定し、図１に示すコイル配置、図２に示す
電気回路で、試料の一端に捩じりトルクを加え、トルク
と出力電圧の関係を測定した。すなわち、図１中１、２
はコイル、３はトルク伝達軸，４はＮｉ−Ｆｅ合金層，
５はこのＮｉ−Ｆｅ層をスリット状に選択除去した溝で
ある。また、図２中、１、２はコイル、６はトランジス
タ、７は入力端子、８は出力端子である。

【００３９】使用したコイル１及び２は同一のもので、
巻数はそれぞれ４０ターンとした。測定周波数は５０Ｋ
Ｈｚ、励磁電流は１００ｍＡである。

【００４０】その結果を表１に示す。表１は熱処理温度
の違いによるトルク変換特性の変化を示したものであ
る。これから熱処理温度９００〜１１００℃で処理した
試料がヒステリシス３．２〜４．０％、直線性２．１〜
２．５％を示し、溶射のままの試料のヒステリシス１
４．３％，直線性９．８％、及び１２００℃で処理した
試料のヒステリシス９．４％、直線性６．７％と比較し
て、優れた結果が得られた。

【００４１】

【表１】

【００４２】次に、トルクセンサ用磁歪検出体の耐久性
を調べた。１０００℃で熱処理した試料及び８００℃で
処理した試料を片持ち治具にそれぞれ固定し、試料の他
端に±10Ｎ．ｍの捩りトルクを１０Ｈｚの周期で１０⁸
回加えた。その後トルク変換特性を測定し、耐久試験前
との特性の違いを調べた。

【００４３】その結果、８００℃で処理した試料はクリ
ープが発生し、感度が初期値より３０％低下したのに対
し、１０００℃で処理した試料は特性の劣化はほとんど
認められなかった。

【００４４】［実施例２］この実施例ではＮｉ−Ｆｅ合
金粉末のＦｅ含有率を10，15，20，30，36，50と変化さ
せ、プラズマ溶射を行い、水素ガス中で１０００℃で１
時間加熱処理を行った後、実施例１と同様にＮｉ−Ｆｅ
合金層にスリット状の選択被膜除去処理を行った。

【００４５】表２はこれらの試料を用いトルク変換特性
を測定し、Ｎｉ−Ｆｅ合金組成が出力特性に及ぼす影響
を調べた結果を示すものである。

【００４６】

【表２】

【００４７】その結果、ヒステリシス、直線性にはあま
り差はみられないが感度は大きな差がみられる。感度は
Ｎｉ−５０ＦｅとＮｉ−２０Ｆｅの成分が高い値を示し
ている。

【００４８】次にＮｉ−２０Ｆｅで２つの値があるが感
度が９００ｍｖ／Ｎｍを示した素子は１０００℃からの
冷却速度を２０℃／Ｓ以上と速くして作製したものであ
る。

【００４９】［実施例３］トルク伝達軸基材にＳＣＭ４
３５を選び、溶射粉末にＮｉ−５０Ｆｅ組成を用いプラ
ズマ溶射を行い、被膜厚さを表３に示す様に０．０２〜
１．５ｍｍと変化させＮｉ−Ｆｅ合金層を作製した。

【００５０】次に、実施例２と同様に水素ガス中で１０
００℃で１時間の熱処理及び選択被膜除去処理を行い、
トルク変換特性を測定し、溶射被膜の厚さが出力特性に
及ぼす影響を調べた。次に被膜厚さ０．１ｍｍで熱処理
雰囲気を水素、窒素、アルゴン及び１×１０^-3Ｔｏｒｒ
の真空中で行い、同様に選択被膜除去処理を行い、熱処
理雰囲気が出力特性に及ぼす影響を調べた。これらの結
果を表３に示す。

【００５１】

【表３】

【００５２】この表３から被膜の厚さ０．０３〜１．０
ｍｍの間で優れたトルク検出特性を示すことが分かる。

【００５３】また、熱処理雰囲気は水素又は１×１０^-3
Ｔｏｒｒの真空中で被膜中の酸素量が５００ｐｐｍ以下
となりヒステリシス、感度の点で優れた特性を示すこと
が分かった。

【００５４】

【発明の効果】この発明に係る磁歪検出体は、上記のよ
うにトルク伝達軸の外周面に厚みが０．０３〜１．０ｍ
ｍ、層内が結晶質で、その結晶化率が９０％以上で、平
均結晶粒径が２００μｍ以下の磁性体層を設けるととも
に、トルク伝達軸の外周面と磁気歪み効果を有する物質
の層が相互拡散によって拡散層を形成して結合したもの
であるから、出力の直線性、ヒステリシス、感度、ダイ
ナミックレンジに優れたトルクセンサ用磁歪検出体を低
コストに提供することができる。

【００５５】また、この発明に係る製造方法によれば、
トルク伝達軸の外周面にＮｉ−Ｆｅ合金被膜をプラズマ
溶射法により溶射した後、無酸化雰囲気中で９００〜１
１００℃に加熱し、次に上記Ｎｉ−Ｆｅ層に選択除去処
理を行って形状異方性を付与したものであるから、トル
ク伝達軸と磁性体層との密着力は強固で耐久性に優れた
トルクセンサ用磁歪検出体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトルクセンサの構成図、

【図２】トルク検出回路図、

【図３】トルクセンサの出力特性図、

【図４】感度およびヒステリシスの概念図、

【図５】ヒステリシスと被膜中の酸素量の一例の図であ
る。

【符号の説明】

１、２ コイル ３ トルク伝達軸 ４ Ｎｉ−ＦＥ合金層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/10 C22C 38/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属系の円筒状または円柱状のトルク伝
   達軸の外周面に磁気歪み効果を有する物質の１層以上の
   層を設けてなるトルクセンサ用磁歪検出体において、磁気歪み効果を有する物質の最表面層として、層の 厚さ
   が０．０３〜１．０ｍｍで、層内が結晶質で、その結晶
   化率が９０％以上で、平均結晶粒径が２００μｍ以下で
   ある磁性体層を設けるとともに、 トルク伝達軸の外周面と磁気歪み効果を有する物質の層
   が相互拡散によって拡散層を形成して結合している こと
   を特徴とするトルクセンサ用磁歪検出体。
2. 【請求項２】 最表面層がＮｉ−Ｆｅ合金で組成がＮｉ
   −Ｆｅ−Ｘ成分からなり、Ｆｅ含有率１０〜６０ｗｔ％
   で、ＸがＭｏ，Ｃｕ，Ｃｒの少なくとも一種以上を１０
   ｗｔ％以下含み、酸素量が５００ｐｐｍ以下、残りがＮ
   ｉであることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ
   用磁歪検出体。
3. 【請求項３】 金属系の円筒状または円柱状のトルク伝
   達軸の外周面に磁気歪み効果を有する物質の１層以上の
   層を設けてなるトルクセンサ用磁歪検出体の製造方法に
   おいて、 磁気歪み効果を有する物質の層の少なくとも最表面のＮ
   ｉ−Ｆｅ層を無酸化雰囲気中でプラズマ溶射により設け
   た後、 無酸化雰囲気中で９００〜１１００℃に加熱し、 次に上記Ｎｉ−Ｆｅ層に選択除去処理を行って形状異方
   性を付与する ことを特徴とするトルクセンサ用磁歪検出
   体の製造方法。