JP3114455B2 - 磁歪式トルク検出部を有するシャフトおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非晶質磁性合金の逆磁
歪効果を利用して、動力伝達軸としてのシャフトに伝わ
るトルクを非接触で測定する磁歪式トルクセンサに用い
られる磁歪式トルク検出部を有するシャフトおよびその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】強磁性体は、磁化されるとその寸法が微
小変形し、逆に外力を加え弾性変形を与えるとその透磁
率が変化する性質を有する。前者を磁歪効果、後者を逆
磁歪効果という。これらの効果の大きさの目安として
は、飽和磁歪係数λs が用いられる。上記逆磁歪効果を
利用して、回転軸に加えられたトルクを磁気的に検出す
るセンサを磁歪式トルクセンサという。

【０００３】一般に、原動機、工作機械等に用いられる
動力伝達軸（シャフト）においては、出力制御または動
力変動制御のため、シャフトに加わるトルクが計測され
ている。このトルクの計測には磁歪式トルクセンサが用
いられている。従来、磁歪式トルクセンサに用いられて
いる磁歪式トルク検出部付きシャフトとして、特開昭６
３−８１９９３号公報に示すように、シャフト自体を、
磁歪効果を有する鋼製シャフトで構成したシャフトが知
られている。

【０００４】また、特開昭６３−１６３２４３号公報に
示すように、シャフトの表面に、磁性金属薄帯を合成樹
脂系接着剤等によって固定して、磁歪式トルク検出部と
しての磁歪材層を形成したシャフトも知られている。こ
のシャフトからトルクを検出するには、シャフトに作用
するトルクによる応力を磁歪材層まで伝達させ、このと
きの磁歪材層の逆磁歪効果による透磁率の変化を外部か
ら非接触で検出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の磁歪式トルクセンサにおいては、次に示す問
題点を有している。まず、前者のシャフト自体の磁歪効
果を利用した磁歪式トルク検出部付きシャフトでは、磁
歪材層を別途設けた後者のシャフトに比較して磁歪効果
が低く、結果としてトルク検出の感度が低いという問題
点を有している。そのため、前者のシャフトを用いたト
ルクセンサでは、処理回路が複雑かつ高価になる。ま
た、後者の磁歪材層を別途設けたシャフトでは、磁歪材
層を接着剤で接着していることから、磁歪材層そのもの
に耐食性をもたせることができるものの、十分な磁歪材
層とシャフトとの接合強度が得られず、信頼性にかける
という問題点を有している。

【０００６】すなわち、後者のシャフトでは、シャフト
へ加えられるトルクの大きさ、または、高温多湿の使用
環境条件によっては、磁歪材層とシャフトとの接合が劣
化するおそれがあり、加えられるトルクと検出される透
磁率の変化との相関関係が崩れてしまい、トルクの検出
精度が低下してしまうおそれがある。このような不都合
が生じる原因は、シャフトに加えられるトルクと合成樹
脂系接着剤の接合強度との比が、トルクが大きくなるに
したがって小さくなり、シャフトに生じる応力を磁歪材
層へ十分に伝達できなくなるからと想定される。また、
合成樹脂系接着剤自体の経時変化や使用環境温度の熱に
よる劣化等に起因しているものと想定される。

【０００７】なお、特開平４−１５５２３２号公報に示
すように、シャフトの表面に中間層としてニッケル膜を
メッキにより形成し、その表面にパーマロイ層をメッキ
により形成し、熱処理することにより、接着剤を用いる
ことなくシャフトの表面に磁歪材層を形成した磁歪式ト
ルク検出部付きシャフトの製法も知られている。この公
報に開示してある磁歪式トルク検出部付きシャフトの製
法では、パーマロイ層を磁歪材層として用いていること
から、メッキ法により比較的容易に製造することができ
る。ところが、パーマロイ層の磁歪定数は、２〜３×１
０^-6程度であり、磁歪定数が３０〜４０×１０^-6である
鉄系非晶質磁歪材層に比較して逆磁歪特性に劣るという
課題を有している。また、逆磁歪特性に優れた鉄系非晶
質磁歪材層をシャフトに接合しようとする場合には、鉄
系非晶質磁歪材層をメッキ法で接着することは困難であ
ることから、この公報に開示してある製法を採用するこ
とはできず、前述した接着法を採用せざるを得なかっ
た。

【０００８】本発明は、このような実状に鑑みてなさ
れ、逆磁歪効果に優れた非晶質磁歪材層を十分な接合強
度でシャフトに接合させることが可能であり、しかもト
ルクの検出を高感度に行なうことができる高信頼性の磁
歪式トルク検出部を有するシャフトおよびその製造方法
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の磁歪式トルク検出部を有するシャフトは、
シャフトの表面に形成された中間層の表面に、非晶質磁
歪材層が積層され、シャフトに対し中間層と非晶質磁歪
材層とが拡散接合されることにより、磁歪式トルク検出
部が形成されていることを特徴とする。

【００１０】本発明の磁歪式トルク検出部を有するシャ
フトの製造方法は、シャフトの表面にニッケルを少なく
とも含む中間層を形成する工程と、この中間層の表面に
非晶質磁歪材層を仮止めする工程と、中間層および非晶
質磁歪材層が積層されたシャフトを熱処理し、シャフト
に対し中間層および非晶質磁歪材層を拡散接合する工程
と、拡散接合された中間層および非晶質磁歪材層を、シ
ャフトのトルクを検出できるようにパターン加工し、磁
歪式トルク検出部を形成する工程とを有する。上記熱処
理工程は、シャフト全体を熱処理する工程と、ビーム照
射による熱処理工程とを含むことが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明の磁歪式トルク検出部を有するシャフト
およびその製造方法では、非晶質磁歪材層を直接シャフ
トの外周に形成するのではなく、中間層を介して間接的
に形成してある。そのため、中間層が、非晶質磁歪材層
をシャフトに対して強固に接合させる。その結果、シャ
フトから非晶質磁歪材層へのトルクの伝達が良好とな
り、トルク検出の信頼性が向上する。また、非晶質磁歪
材層を用いているので、トルクの検出が高感度になる。

【００１２】また、中間層により、シャフトに含まれる
Ｍｎ，Ｃｒなどのシャフト材成分（逆磁歪効果にとって
有害）が非晶質磁歪材層へ拡散することを防止するの
で、非晶質磁歪材層の逆磁歪特性を劣化させることはな
い。なお、非晶質磁歪材層にＭｎ，Ｃｒなどのシャフト
材成分（逆磁歪効果にとって有害）が混入すると、逆磁
歪特性が劣化する。たとえば、シャフトの表面に直接非
晶質磁歪材層を接合する場合には、非晶質磁歪材層を構
成するためのリボンが接合時の熱処理により液相とな
り、シャフト材から磁歪材層中に拡散する不純物の拡散
速度が速くなり、磁歪材層中へシャフト材成分が多量に
拡散し、逆磁歪特性が劣化する。これに対し、中間層を
用い、接合用熱処理を行った場合には、シャフトの温度
が、非晶質磁歪材層の融点近傍になるが、その温度は、
中間層およびシャフトの融点よりも低いので（Ｎｉの場
合には１４００℃近傍）、中間層には固相部分が残って
いると考えられる。そのため、シャフト成分は、中間層
の固相中を拡散することになり、その拡散速度は、液相
中の拡散速度に比較して遅いものとなると考えられる。
このような観点から、前記中間層は、その融点が、非晶
質磁歪材層のそれよりも大きく、しかも固体中での不純
物の拡散速度が小さい材質で構成されることが好まし
く、具体的には、Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｙ，
Ｓｃ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｐ
ｄ，Ｐｔのうちの少なくともいずれかを単独または合金
として含むことが好ましい。特に好ましくは、前記中間
層は、Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｚｎ，Ｆｅのうちの少なくと
もいずれかを単独または合金として含む。この中間層の
厚さは、１０〜１００μｍであることが好ましい。シャ
フトからの歪を高感度で伝達し、かつ、シャフトからの
不純物元素の拡散を防止するためである。また、磁歪セ
ンサの励磁周波数として、数十ｋＨｚ程度の周波数を用
いるためには、磁歪材層の厚さは、２０μｍ以上が好ま
しい。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る磁歪式トルク
検出部を有するシャフトおよびその製造方法について、
図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１４】図１は本発明の一実施例に係る磁歪式トル
ク検出部を有するシャフトの要部を示す概略断面図、図
２は磁歪式トルク検出部を有するシャフトを用いたトル
クセンサの全体構成図、図３は本実施例の磁歪式トルク
検出部を有するシャフトの製造方法を示す概略図、図４
は本発明の一実施例で用いる熱処理装置の概略図、図５
は本発明の作用を示すグラフである。

【００１５】図１に示すように、本発明の一実施例に係
る磁歪式トルク検出部を有するシャフト２は、シャフト
２の表面に析出された少なくともニッケルを含む中間層
４の表面に、非晶質磁歪材層６が積層され、シャフト２
に対し中間層４と非晶質磁歪材層６とが拡散接合される
ことにより、磁歪式トルク検出部８が形成されている。
シャフト２に形成された磁歪式トルク検出部８は、たと
えば図２に示すように、シャフトの軸心に対して相互に
逆方向に約４５度の傾きで傾斜した二列のスリット状パ
ターンを有する。

【００１６】各パターンが形成されたシャフト２の外周
には、約２mm以上程度の隙間で励磁コイル（図示せず）
が配置してある。これら励磁コイルは、数ｋＨｚから数
百ｋＨｚの交流電源（図示していない）に接続してあ
る。このため、動力伝達軸としてのシャフト２の表面に
形成された磁歪式トルク検出部８としての磁歪材層６，
６には十分飽和する交流磁界が与えられる。励磁コイル
の周囲には、シャフトに形成してある磁歪式トルク検出
部８の二列のパターンに対応して、検出コイル１０，１
０が配置してある。検出コイル１０，１０の一端同士は
接続され、他端はそれぞれ差動検出手段１２に接続して
あり、磁歪式トルクセンサを構成している。

【００１７】磁歪式トルク検出部６を、前述したように
シャフトの軸心に対して相互に逆方向に約４５度に傾く
二列のスリット状パターンに形成することで、シャフト
が一方向に回転した場合に、一方のパターンには圧縮応
力が作用し、他方のパターンには引っ張り応力が作用す
る。したがって、これらの応力に基づく透磁率の変化の
差を、磁歪式トルクセンサとしての検出コイル１０，１
０および差動検出手段１２で測定することで、シャフト
２に作用するトルクを検出することができる。差動検出
手段としては、たとえば差動アンプが用いられる。な
お、上記透磁率の変化の差は磁気ヘッドを用いて検出し
てもよい。

【００１８】本実施例では、図１に示すように、前述し
たようなパターンに形成された磁歪式トルク検出部８
は、前述したように、シャフト２の表面に形成された中
間層４と磁歪材層６とから構成される。非晶質磁歪材層
６としては、例えば非晶質（Ｆｅ 0_.9 Ｃｏ 0_.1 ）₇₈Ｓｉ
_X Ｂ_Y ，Ｃｏ−４０％Ｆｅ，Ｆｅ−１３％Ａｌ，Ｆｅ₃
Ｏ₄ ，ＴｂＦｅ₂ ，Ｔｂ−３０％Ｆｅ，Ｔｂ（ＣｏＦ
ｅ）₂ ，Ｔｂ（ＮｉＦｅ）₂ ，ＴｂＦｅ₃ ，ＤｙＦｅ₂
等の飽和磁歪係数が３０×１０^-6以上の磁性非晶質合金
などが例示される。また、ニッケルを含む中間層４とし
ては、メッキ法により形成されるＮｉ層、あるいはＮｉ
−Ｐ層が例示される。

【００１９】中間層４の膜厚は、特に限定されないが、
磁歪式トルク検出部８の形成時の熱処理によるシャフト
２から磁歪材層６への不純物拡散を抑制し、且つシャフ
ト２から磁歪材層６へのトルク伝達に影響を及ぼさない
程度の膜厚であることが好ましい。具体的には、１０〜
１００μｍ、好ましくは、１０〜５０μｍ程度が好まし
い。また、磁歪材層６の膜厚も特に限定されないが、逆
磁歪特性を発揮し得る膜厚であることが必要であり、具
体的には、２０μｍ以上、好ましくは２０〜１００μｍ
程度である。

【００２０】熱処理後の中間層４と磁歪材層６との境界
は、必ずしも明確である必要はない。また、中間層４
は、接合用熱処理時のシャフト２からのシャフト材成分
の熱拡散により成分組成が相違する複数の積層構造にな
っていても良い。熱処理によりシャフト材成分は、中間
層４へ所定の濃度勾配で熱拡散していると考えられる。
また、磁歪材層６および中間層４の成分も相互に熱拡散
していると考えられる。ニッケルを含む中間層４から磁
歪材層６に対し、ニッケルが磁歪特性を影響させない範
囲内で拡散するなどの理由から、磁歪材層６の耐食性が
向上する。

【００２１】次に、本発明の一実施例に係る磁歪式トル
ク検出部を有するシャフトの製造方法について説明す
る。

【００２２】図３（Ａ）に示すように、シャフト２を準
備する。シャフト２としては、特に限定されないが、た
とえばＳＮＣＭ４３９、ＹＨＤ５０などが用いられる。
このシャフト２は、まず洗浄される。

【００２３】シャフト２の洗浄後、図３（Ｂ）に示すよ
うに、シャフト２の所定の軸方向所定位置外周に、二列
の中間層４，４を所定の間隔で形成する。中間層４，４
は、ニッケルを含む薄膜で構成され、たとえば電解メッ
キ法もしくは無電界メッキ法により析出されるＮｉ層、
Ｎｉ−Ｐ層で構成される。中間層４，４の膜厚は、前述
したように、１０〜１００μｍ程度が好ましい。この膜
厚は、磁歪式トルク検出部を形成するための熱処理によ
るシャフト２から磁歪材層への不純物拡散を抑制し、且
つシャフト２から磁歪材層へのトルク伝達に影響を及ぼ
さない程度の膜厚であることが好ましい。

【００２４】Ｎｉ−Ｐ膜をメッキ法により形成するため
のメッキ浴の組成は、例えばＮｉＳＯ₄ ・６Ｈ₂ Ｏ：１
４ｇ／リットル，Ｈ₃ ＢＯ₄ ：１５ｇ／リットル，ＮＨ
₄ Ｃｌ：１６ｇ／リットル，ＮａＨ₂ ＰＯ₂ ・Ｈ₂ Ｏ：
５ｇ／リットルである。

【００２５】次に、図３（Ｃ）に示すように、中間層４
の外周に、鉄系非晶質磁歪材層６を構成するための磁歪
材合金薄帯（リボン）を、スポット溶接などで仮止めす
る。リボンの膜厚は、たとえば５０〜１００μｍ程度が
好ましい。リボンとしては、具体的には、（Ｆｅ 0_.9 Ｃ
ｏ 0_.1 ）₇₈Ｓｉ_X Ｂ_Y ，Ｃｏ−４０％Ｆｅ，Ｆｅ−１３
％Ａｌ，Ｆｅ₃ Ｏ₄ ，ＴｂＦｅ₂ ，Ｔｂ−３０％Ｆｅ，
Ｔｂ（ＣｏＦｅ）₂ ，Ｔｂ（ＮｉＦｅ）₂ ，ＴｂＦｅ
₃ ，ＤｙＦｅ₂ 等の飽和磁歪係数が３０×１０^-6以上の
磁性合金リボンが用いられる。

【００２６】次に、リボンを仮止めした状態のシャフト
２を、たとえば図４に示す高周波溶融接合装置１４を用
いて熱処理する。この装置１４は、シャフト２を収容す
る真空チャンバー１６を有し、シャフト回転装置１８に
よりシャフト２が回転するようになっている。シャフト
回転装置１８は、回転制御装置２０により制御される。

【００２７】真空チャンバー１６内には、シャフト２の
外周を高周波加熱するためのコイル２２が設置してあ
る。また、真空チャンバー１６には、その内部を高真空
度に維持するためのターボ分子ポンプ２４、ロータリポ
ンプ２６、その他のポンプ２８、および各種制御バルブ
が接続してある。

【００２８】コイル２２に印加される高周波は、たとえ
ば７０ｋＨｚであり、このコイル２２により加熱される
シャフト２の外周温度は、パイロメータ３０などにより
制御され、たとえば９００〜１２００℃程度である。こ
の加熱温度は、磁歪材で構成されるリボンを、中間層４
を介してシャフト２の外周に拡散接合させるために十分
な温度となるように決定され、しかも得られる磁歪材層
６の磁歪特性を劣化させない温度となるように決定され
る。また、シャフト２の溶融温度以下であることが必要
である。

【００２９】このようなシャフト全体の熱処理は、図４
に示す高周波加熱によらず、真空炉もしくは雰囲気炉を
用いて行なうこともできる。このような熱処理により、
磁歪材層６と中間層４とシャフト２とが強固に拡散接合
する。また、この熱処理時に、中間層４が、シャフト２
から磁歪材層６へのシャフト材成分の拡散を防止するの
で、磁歪材層６の逆磁歪特性を劣化させることはない。
磁歪材層６は、シャフト２からのシャフト材成分がある
程度拡散する。また、この熱処理時に、ニッケルを含む
中間層４から磁歪材層６に対し、ニッケルが磁歪特性を
影響させない範囲内で拡散するなどの理由から、磁歪材
層６の耐食性が向上する。なお、この熱処理により磁歪
材層６は、ほぼ非晶質化する。

【００３０】次に、電子ビームもしくはレーザビームを
磁歪材層６に照射し、この層をさらに非晶質化する。電
子ビームを用いる場合には、たとえば以下に示す条件で
非晶質化熱処理を行なう。たとえば真空度が２×１０^-4
Ｔｏｒｒの真空雰囲気で、電子ビーム出力を１０００Ｗ
とし、ビーム径：０．４ｍｍ、振幅：３０ｍｍ、周波
数：２００Ｈｚ、走査速度：７０ｍｍ／ｓ、照射時間：
１０秒の条件で非晶質化を行う。この電子ビーム溶融急
冷照射法により、５０μｍ以上の溶融深さを実現でき、
かつ、ほぼ溶融の深さ分布を一様にでき、磁歪層６をほ
ぼ完全に非晶質化する。

【００３１】また、この電子ビーム照射法では、電子ビ
ームの走査幅および走査方向をプログラムで制御するこ
とができる。また、電子ビームは光ではないため、表面
の光学的性質に全く無関係に使用することができる。こ
れらの結果、厚さ５０μｍのＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ膜を
容易に非晶質化でき、高感度な非晶質（Ｆｅ 0_.9 Ｃｏ 0
_.1 ）₇₈Ｓｉ_X Ｂ_Y 膜にすることができる。

【００３２】シャフト２全体の熱処理に引続き、ビーム
照射による熱処理を行なうことで、非晶質磁歪材層６と
中間層４とは、均一に接合される。その結果、非晶質磁
歪材層６とシャフト２との接合強度は、２０ｋｇ／ｍｍ
² 以上になり、耐久性は１０⁷ サイクル以上になる。な
お、１サイクルは、トルク印加の際の１回転である。さ
らに、非晶質磁歪材層６を構成する（Ｆｅ 0_.9 Ｃｏ 0
_.1 ）₇₈Ｓｉ_X Ｂ_Y 層は組成のずれを起こすこともな
く、高感度の磁歪特性を有する。

【００３３】次に、図３（Ｄ）に示すように、非晶質磁
歪材層６の表面をシャフト２の外周に沿って、相互に逆
方向に軸心に対して約４５度の傾きで傾斜した二列のス
リット状パターンに加工し、トルク検出部８，８を形成
する。このようなパターンは、いわゆるシェブロンパタ
ーンと称され、このパターンを形成するための手段とし
ては、特に限定されないが、転造などの機械加工法を用
いる。

【００３４】このようにして形成された所定パターンの
トルク検出部８，８の非晶質磁歪材層６を有する本実施
例のシャフト２について、シャフト２に加えられるトル
クに対する非晶質磁歪材層６のインダクタンスの変化
（トルク検出感度）を、温度６０℃および湿度９０％の
高温・高湿状態で調べた結果を図５に示す。この図にお
いて、黒丸の点が本実施例に係る磁歪式トルク検出部を
有するシャフトを用いてトルク検出を行なった結果を示
す。また、黒三角の点が従来の合成樹脂系接着剤（エポ
キシ系接着剤）を用いて磁歪材層から成るトルク検出部
を形成したシャフトを用いてトルク検出感度の特性を調
べた結果を示す。

【００３５】図５に示すように、本実施例では、時間の
経過により出力感度の特性がほとんど変化しないのに対
し、中間層を形成しなかった参考例では、高温多湿条件
下では出力感度が低下することが確認された。したがっ
て、特に自動車のエンジンのような高トルク・高温など
の過酷な使用環境においても応力−磁気特性変換の感度
および直線性は優れている。

【００３６】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変するこ
とができる。

【００３７】たとえば、ビーム照射による熱処理は、電
子ビームに限らず、レーザ溶融急冷法を用いることもで
きる。その場合には、窒素雰囲気中で、例えばレーザ出
力：１．０〜４．８ｋＷ、ビーム径：０．４３ｍｍ、周
速度：０．０８〜２．０ｍ／ｓの条件でレーザ光を照射
することにより、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ膜を非晶質化す
る。この結果、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ膜を容易に非晶質
化でき、高感度な非晶質（Ｆｅ_0.9 Ｃｏ_0.1 ）₇₈Ｓｉ_X
Ｂ_Y 膜にすることがきる。この実施例にあっては、上記
操作を真空中で行わなくてもよいため、装置を簡略化す
ることができる。その他、構成、作用は上述した実施例
と同じである。

【００３８】次に、本発明のさらに具体的な実施例を、
比較例との対比において説明するが、本発明は、これら
実施例に限定されない。

【００３９】実施例１ まず、ＹＨＤ５０材で構成される直径２０mmおよび長さ
１００mmのシャフト２を準備した。ＹＨＤ５０材の組成
は、Ｃを０．６０原子％、Ｓｉを１．００原子％、Ｍｎ
を１３．００原子％、Ｃｒを１０．００原子％、Ｖを
２．００原子％含み、残りがＦｅである。

【００４０】このシャフト２を洗浄後、シャフト２の所
定の軸方向所定位置外周に、二列の中間層４，４となる
ニッケル層を電界メッキ法により、５０μｍの厚さで形
成した。次に、このニッケル層の外周に、鉄系非晶質磁
歪材層６を構成するための磁歪材合金薄帯（リボン）
を、５回巻き付けてスポット溶接で仮止めした。このリ
ボンの組成は、Ｆｅが６７．５原子％、Ｃｏが１８．２
原子％、Ｓｉが１．２原子％、Ｂが１３．１原子％であ
った。巻き付け前のリボンの厚さは、２５μｍであった
ので、このリボンをニッケル層の外周に５回巻き付けた
ので、リボンの総厚は１２５μｍであった。

【００４１】次に、このリボンを仮止めした状態のシャ
フト２を、図４に示す高周波溶融接合装置１４を用いて
熱処理した。設定温度は１０５０℃であり、熱処理行程
は、６００秒で１０５０℃まで温度を上昇させ、上昇さ
せた直後に電源をきるという行程であった。

【００４２】次に、シャフトの外周に電子ビームを照射
した。電子ビームの照射は、真空度が２×１０^-4Ｔｏｒ
ｒの真空雰囲気で、電子ビーム出力を１０００Ｗとし、
ビーム径：０．４ｍｍ、振幅：３０ｍｍ、周波数：２０
０Ｈｚ、走査速度：７０ｍｍ／ｓ、照射時間：１０秒の
条件で行った。

【００４３】最後に、図３（Ｄ）に示すように、転造加
工法を用いて、非晶質磁歪材層６の表面をシャフト２の
外周に沿って、相互に逆方向に軸心に対して約４５度の
傾きで傾斜した二列のスリット状パターンに加工し、ト
ルク検出部８，８を形成した。

【００４４】このトルク検出部８の一部を切断し、その
断面をＳＥＭで調べた結果を図６に示す。図６に示すよ
うに、シャフト２の最外周に、厚さ約２０〜４０μｍの
磁歪材層６が良好に形成され、その中間に第１，第２，
第３中間層４０，４１，４２から成る中間層４が形成さ
れた。第１，第２，第３中間層４０，４１，４２および
磁歪材層４の各点において、ＥＰＭＡにより成分組成を
調べた結果を表１に示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】表１中の数値は原子パーセントである。

【００４７】表１に示すように、磁歪材層６中には、シ
ャフト成分の一部であるＭｎやＣｒがほとんど拡散され
ず、熱処理前リボンの組成に近い組成成分となった。す
なわち、中間層４０，４１，４２により、シャフトから
磁歪材層へのシャフト成分の拡散を防止できることが確
認された。

【００４８】また、この実施例１で製造したトルク検出
部を有するシャフトについて、印加トルクに対してイン
ダクタンス変化率を調べた結果を図７の曲線Ａに示す。
その際の励磁周波数は、４０ｋＨｚであり、励磁電流
は、２５ｍＡであった。

【００４９】実施例２ ニッケル層を２０μｍの厚さで無電界メッキした以外
は、実施例１と同様にして、トルク検出部を有するシャ
フトを製造した。トルク検出部の断面をＳＥＭで調べた
結果を図８に示す。図８に示すように、シャフト２の上
に、中間層４および磁歪材層６が良好に形成された。

【００５０】また、この実施例２で製造したトルク検出
部を有するシャフトについて、印加トルクに対してイン
ダクタンス変化率を調べた結果を図７の曲線Ｂに示す。

【００５１】比較例１ ニッケル層をシャフトの外周にメッキせずに、リボンを
シャフトの外周に４回巻き付け、スポット溶接した後、
設定温度９５５℃で熱処理した以外は、実施例１と同様
にしてトルク検出部付シャフトを形成した。トルク検出
部の断面をＳＥＭで調べた結果を図９に示す。図９に示
すように、磁歪材層６ａとシャフト２ａとの間に、隙間
が形成され、接合が不十分であった。

【００５２】比較例２ ニッケル層をシャフトの外周にメッキせずに、リボンを
シャフトの外周に４回巻き付け、スポット溶接した後、
設定温度１０３０〜１０４０℃で熱処理した以外は、実
施例１と同様にしてトルク検出部付シャフトを形成し
た。トルク検出部の断面をＳＥＭで調べた結果を図１０
に示す。図１０に示すように、磁歪材層６ｂとシャフト
２ｂとの間に、中間層４ｂは形成されたが、拡散が不均
一であり、中間層４ｂが蛇行していることが確認され
た。

【００５３】また、この比較例２で製造したトルク検出
部を有するシャフトについて、印加トルクに対してイン
ダクタンス変化率を調べた結果を図７の曲線Ｃに示す。
図７に示すように、実施例１，２に比較して、磁歪特性
が劣化することが確認された。磁歪材層６ｂに対して、
Ｍｎ，Ｃｒなどのシャフト成分が多量に拡散していると
考えられる。

【００５４】比較例３ ニッケル層をシャフトの外周にメッキせずに、リボンを
シャフトの外周に８回巻き付け、リボン層の総厚を２０
０μｍとし、このリボン層をスポット溶接した後、設定
温度１０３０〜１０４０℃で熱処理した以外は、実施例
１と同様にしてトルク検出部付シャフトを形成した。ト
ルク検出部の断面をＳＥＭで調べた結果を図１１に示
す。図１１に示すように、磁歪材層６ｃとシャフト２ｃ
との間に、中間層４ｃは形成された。

【００５５】また、この比較例３で製造したトルク検出
部を有するシャフトについて、印加トルクに対してイン
ダクタンス変化率を調べた結果を図７の曲線Ｄに示す。
図７に示すように、実施例１，２に比較して、磁歪特性
が劣化することが確認された。磁歪材層６ｃに対して、
Ｍｎ，Ｃｒなどのシャフト成分が多量に拡散していると
考えられる。

【００５６】比較例４ ニッケル層を２０μｍの厚さで電界メッキし、設定温度
１０９０℃で熱処理た以外は、実施例１と同様にして、
トルク検出部を有するシャフトを製造した。トルク検出
部の断面をＳＥＭで調べた結果を図１２に示す。図１２
に示すように、拡散接合が激しく、シャフトの外周に、
磁歪材層および中間層が区別できるようには形成されな
かった。

【００５７】また、この比較例４で製造したトルク検出
部を有するシャフトについて、印加トルクに対してイン
ダクタンス変化率を調べた結果を図７の曲線Ｅに示す。
図７に示すように、実施例１，２に比較して、磁歪特性
が劣化することが確認された。

【００５８】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ニッケルを含む中間層が、非晶質磁歪材層をシャフ
トに対して強固に接合させので、シャフトから非晶質磁
歪材層へのトルクの伝達が良好となり、逆磁歪特性を利
用したトルク検出の信頼性が向上する。また、非晶質磁
歪材層を用いているので、トルクの検出が高感度にな
る。

【００５９】また、中間層により、シャフトに含まれる
Ｍｎ，Ｃｒなどのシャフト材成分（逆磁歪効果にとって
有害）が非晶質磁歪材層へ拡散することを防止するの
で、非晶質磁歪材層の逆磁歪特性を劣化させることはな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る磁歪式トルク検出部を
有するシャフトの要部を示す概略断面図である。

【図２】磁歪式トルク検出部を有するシャフトを用いた
トルクセンサの全体構成図である。

【図３】本実施例の磁歪式トルク検出部を有するシャフ
トの製造方法を示す概略図である。

【図４】本発明の一実施例で用いる熱処理装置の概略図
である。

【図５】本発明の作用を示すグラフである。

【図６】本発明の一具体的実施例に係るトルク検出部の
要部断面の金属組成を示す走査型電子顕微鏡写真であ
る。

【図７】本発明の具体的実施例と比較例とについて、イ
ンダクタンス変化率を調べた結果を示すグラフである。

【図８】本発明の他の具体的実施例に係るトルク検出部
の要部断面の金属組成を示す走査型電子顕微鏡写真であ
る。

【図９】本発明の比較例に係るトルク検出部の要部断面
の金属組成を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図１０】本発明の他の比較例に係るトルク検出部の要
部断面の金属組成を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図１１】本発明の他の比較例に係るトルク検出部の要
部断面の金属組成を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【図１２】本発明の他の比較例に係るトルク検出部の要
部断面の金属組成を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【符号の説明】

２… シャフト ４… 中間層 ６… 磁歪材層 ８… 磁歪式トルク検出部

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−106485（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/12 G01L 3/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 逆磁歪効果を利用してシャフトに伝わる
   トルクを磁気的に検出することができる磁歪式トルク検
   出部を表面に有するシャフトにおいて、 上記シャフトの表面に形成された中間層の表面に、非晶
   質磁歪材層が積層され、シャフトに対し中間層と非晶質
   磁歪材層とが拡散接合されることにより、上記磁歪式ト
   ルク検出部が形成されていることを特徴とする磁歪式ト
   ルク検出部を有するシャフト。
2. 【請求項２】 前記中間層は、Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｚ
   ｎ，Ｆｅ，Ｙ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｏ，Ｒ
   ｈ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔのうちの少なくともいずれかを単
   独または合金として含むことを特徴とする請求項１に記
   載の磁歪式トルク検出部を有するシャフト。
3. 【請求項３】 逆磁歪効果を利用してシャフトに伝わる
   トルクを磁気的に検出することができる磁歪式トルク検
   出部を表面に有するシャフトにおいて、 上記シャフトの表面に析出された少なくともニッケルを
   含む中間層の表面に、非晶質磁歪材層が積層され、シャ
   フトに対し中間層と非晶質磁歪材層とが拡散接合される
   ことにより、上記磁歪式トルク検出部が形成されている
   ことを特徴とする磁歪式トルク検出部を有するシャフ
   ト。
4. 【請求項４】 前記中間層の厚さは、１０〜１００μｍ
   であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
   の磁歪式トルク検出部を有するシャフト。
5. 【請求項５】 シャフトの表面にニッケルを少なくとも
   含む中間層を形成する工程と、 この中間層の表面に非晶質磁歪材層を仮止めする工程
   と、 中間層および非晶質磁歪材層が積層されたシャフトを熱
   処理し、シャフトに対し中間層および非晶質磁歪材層を
   拡散接合する工程と、 拡散接合された中間層および非晶質磁歪材層を、シャフ
   トのトルクを検出できるようにパターン加工し、磁歪式
   トルク検出部を形成する工程とを有する磁歪式トルク検
   出部が形成されたシャフトの製造方法。
6. 【請求項６】 上記熱処理工程は、シャフト全体を熱処
   理する工程と、ビーム照射による熱処理工程とを含む請
   求項５に記載のシャフトの製造方法。