JP3377519B2 - トルクセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ひずみ効果磁
気異方性を利用して軸に印加されたトルクに対応して生
じる磁歪膜の磁気特性変化によりトルク検出を行うトル
クセンサおよびその製造する方法に関する。特に車両用
の電動式パワーステアリング装置として、補助操舵トル
クとなる電動モータの回転出力を歯車装置により減速し
て操舵機構の出力軸に伝達し、ステアリングホィールに
印加された操舵力を補助して、車輪の操舵を行うように
構成したものにおいて、入力軸に伝達された操舵力、す
なわちトルクを検出するためのトルクセンサとして好ま
しく用いることができる。このトルクセンサの検出結果
に応じて電動モータが駆動され、補助操舵力を発生する
ことで、安定した車両の運転を実現できる。

【０００２】

【従来の技術】磁歪式トルクセンサは例えばステンレス
などの非磁性体、あるいはＳＣＭ材等の磁性体からなる
軸の表面に例えばＮｉ−Ｆｅ合金膜等の磁歪膜を設け、
応力による磁歪膜の磁気特性変化からトルクを検出する
ものであり、その動作原理は磁気ひずみ効果磁気異方性
（磁気弾性効果磁気異方性）、すなわち、磁歪膜にトル
クを印加することで生じる磁気異方性の変化により透磁
率や損失等の磁気特性が変化する現象を利用するもので
ある。より詳細には磁気異方性の変化を外部に設けた磁
気回路によりインダクタンス変化、インダクタンス変化
にともなうリアクタンス変化、インピーダンス変化、イ
ンピーダンスの中の抵抗変化等に変換し、それを計測す
ることによりトルクを検出する。

【０００３】例えば、正の磁歪定数を有する磁歪膜に対
して引っ張り応力が印加されたときに透磁率が増加し、
反対に圧縮応力が印加されたときには透磁率が減少す
る。この応力による磁歪膜の透磁率の変化を電気信号と
して計測することで軸に加えられたトルクを検出するこ
とができる。

【０００４】このような磁歪式トルクセンサは回転軸を
軸としてねじりトルクを検出するトルクセンサとして広
く利用されている。

【０００５】そして、例えば、電気学会マグネティクス
研究会資料、ＭＡＧ−８１−７１（１９８１年）や、特
公平６−６３８７６号公報には回転軸に対してあらかじ
め所定の方向に所定のねじりトルクを加えた状態にし
て、磁気異方性を有する磁歪膜を回転軸の表面に接着に
より設け、その後前記ねじりトルクを除去することで、
ねじりトルクゼロ近傍でのオフセット電圧や左右のねじ
りトルクに対する感度の違いなどの悪影響を除去した磁
歪式トルクセンサの製造方法が開示されている。しか
し、磁歪膜を接着した場合、薄帯の巻き始めと巻き終わ
りに起因する磁気特性が不均一となり、軸の回転にとも
ない出力がドリフトするという問題があった。

【０００６】特開昭６２−１８４３２３号公報には、溶
射法により、特開昭５９−１６４９３１公報にはめっき
法により、軸に直接、磁歪膜を設けたトルクセンサが開
示されている。これらのトルクセンサでは上述した磁歪
膜を接着した場合の磁気特性が不均一となる問題とそれ
に起因する出力がドリフトする問題を解決している。ま
た、このトルクセンサでは軸の回転に対して均一な磁歪
膜が形成可能であり、コイルを軸方向に対して傾けて配
置することによりトルクを検出する。しかし、このよう
な複雑な構成の検出コイルを必要としており、ましてや
軸のトルクを検出するために好ましい斜め４５度方向へ
の異方性付与を行うことはできない。また、日本応用磁
気学会誌、２２号、１０７４ページには、ＮｉＦｅスパ
ッタ膜を軸上に形成したトルクセンサが開示されてい
る。スパッタ法により膜を形成するため、別の工程で作
製した磁歪膜を軸に貼り付ける必要が無く、さらに回転
させながら軸上に膜を形成することで、軸の円周方向の
均一性向上がはかられている。しかし、形成時の内部応
力と磁歪定数との関係から材料の選択の制約が多いこ
と、パターン形状に制約があることが述べられている。

【０００７】特開平１０−１８５７１３号公報には、め
っき法で軸に直接設けられた磁歪膜が異方性の付き方が
不完全である問題を解決するために、起歪体に電流を通
電しながら炉内で熱処理を行う歪みセンサが開示されて
いる。この方法で付与されるのは軸長手方向に対して直
角方向の誘導磁気異方性であり、軸のトルクを検出する
ために好ましい斜め４５度方向への異方性付与は不可能
であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように磁歪式
トルクセンサでは、製造過程で軸にねじりトルクを加え
た状態で磁歪膜を形成または接着して磁気異方性を付与
する工程を加えることにより特性の向上がはかられてい
る。

【０００９】しかし、軸にトルクを加えた状態で磁歪膜
を接着する場合、検出特性のばらつきを生じるという欠
点があった。特に、磁歪膜のみを高速急冷法等で作製
し、軸に貼り付ける方法では、磁歪膜の作製工程にさら
に接着の工程が加わり、さらには貼り付けることによる
膜への応力の発生、平面の磁歪膜を軸の円周上に貼り付
けるために円周上の少なくとも１カ所に張り合わせ箇所
が生じる。この部分の特性は他の部分と大きく異なるこ
とによるトルク出力値のバラツキが生じていた。

【００１０】また、軸にトルクを加えた状態で磁歪膜を
形成する場合、膜を形成する成膜装置の成膜室は一般に
小さく、磁歪膜の形成時に軸にトルクを加えることは、
装置上で大きな制約であった。このため単位時間あたり
の生産数量は小さくなり、結果としてコスト高の原因と
なっていた。また、トルクを加えるための治具などにも
磁歪膜が形成されてしまうために、その防止のための対
策が必要であると同時に、高価な磁歪膜を不要な部分に
形成してしまう経済的損失も無視できないものであっ
た。さらに例えば軸の中央部を固定して、軸の両端を同
じ方向にねじる等の複雑なねじりトルク印加は膜を形成
中に行うことは極めて困難であった。

【００１１】このようにめっき法、溶射法、スパッタ法
または蒸着法で磁歪膜を形成することで、様々な利点が
あるが、唯一、量産に適したバイアストルクを加える方
法が無いことが大きな欠点であった。

【００１２】本発明の目的は、軸にトルクを加えた状態
で磁歪膜を形成する工程における装置上の制約にともな
う生産性の欠点と治具など余計な部分に形成される経済
的損失、軸にトルクを加えた状態で磁歪膜を接着する工
程に起因する検出特性のばらつき、軸の円周方向での特
性バラツキという欠陥を解決した磁歪式トルクセンサと
その製造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記のような課題は以下
の（１）乃至（１１）の本発明により解決される。 （１）被トルク検出体である軸とその表面に形成された
磁歪膜と前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出するための
コイルからなるトルクセンサであって、前記軸と前記磁
歪膜との間に前記軸および前記磁歪膜の融点よりも低い
融点を有する中間膜が形成されていることを特徴とする
トルクセンサ。 （２）被トルク検出体である軸の表面に磁歪膜が形成さ
れたトルクセンサであって、前記軸と前記磁歪膜との間
の一部に前記軸および前記磁歪膜の融点よりも低い融点
を有する中間膜が形成されていることを特徴とするトル
クセンサ。 （３）前記中間膜が、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｄの
いずれかの金属、あるいはいずれかを主成分とする合金
であることを特徴とする（１）または（２）に記載のト
ルクセンサ。 （４）前記中間膜がめっき法、溶射法、スパッタ法また
は蒸着法により形成されていることを特徴とする（１）
乃至（３）のいずれかに記載のトルクセンサ。 （５）前記磁歪膜がめっき法、溶射法、スパッタ法また
は蒸着法により形成されていることを特徴とする（１）
乃至（４）のいずれかに記載のトルクセンサ。 （６）前記磁歪膜は検出するトルクに対してバイアスと
なるトルクが印加された状態であることを特徴とする
（１）乃至（５）のいずれかに記載のトルクセンサ。 （７）被トルク検出体である軸の表面に磁歪膜が形成さ
れたトルクセンサの製造方法であって、前記軸と前記磁
歪膜の間に前記軸の融点よりも低い融点を有する中間膜
を形成したのち、前記中間膜の融点よりも高い融点を有
する前記磁歪膜を形成し、前記軸の融点以下かつ前記磁
歪膜の融点以下かつ前記中間膜の融点以上の温度におい
て、前記軸にトルクを印加した状態で熱処理を行い、降
温後に前記トルクを除去することを特徴とするトルクセ
ンサの製造方法。 （８）被トルク検出体である軸の表面に磁歪膜が形成さ
れたトルクセンサの製造方法であって、前記軸と前記磁
歪膜の間の一部に前記軸の融点よりも低い融点を有する
中間膜を形成したのち、前記中間膜の融点よりも高い融
点を有する前記磁歪膜を形成し、前記軸の融点以下かつ
前記磁歪膜の融点以下かつ前記中間膜の融点以上の温度
において、前記軸にトルクを印加した状態で熱処理を行
い、降温後に前記トルクを除去することを特徴とするト
ルクセンサの製造方法。 （９）前記中間膜をめっき法、溶射法、スパッタ法また
は蒸着法により形成することを特徴とする（７）または
（８）に記載のトルクセンサの製造方法。 （１０）前記磁歪膜をめっき法、溶射法、スパッタ法ま
たは蒸着法により形成することを特徴とする（７）乃至
（９）のいずれかに記載のトルクセンサの製造方法。 （１１）前記熱処理の少なくとも降温工程において、前
記被トルク検出体である軸を回転しながら行うことを特
徴とする（７）乃至（１０）のいずれかに記載のトルク
センサの製造方法。

【００１４】上記の本発明を用いることにより、簡便な
方法で量産性に優れ製造ばらつきが少ないとともに軸の
周方向均一性にも優れた磁歪式トルクセンサおよびその
製造方法を得ることができる。そして、さらには製造工
程で生じる不良品を修正し、損失を低減することができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面を参照しつつ説明する。本発明のトルクセンサの
最小構成要素は被トルク検出体である軸とその表面に形
成された磁歪膜と前記軸と前記磁歪膜との間の少なくと
も一部に形成された中間膜と前記磁歪膜の磁気特性の変
化を検出するためのコイルである。

【００１６】図１は、本発明の好適な実施の一形態とし
ての磁歪式トルクセンサの断面図である。この磁歪式ト
ルクセンサは軸である回転軸（１１）とその表面に形成
された磁歪膜（１２）、中間膜（１６）、回転軸（１
１）および磁歪膜（１２）から間隙を設けて配置される
励磁コイル（１３）、磁歪膜の磁気特性の変化を検出す
るためのピックアップコイル（１４）および軟磁性材料
からなる円筒状のヨーク（１５）から構成される。

【００１７】トルクの検出の原理を説明する。励磁コイ
ル（１３）は交流が印加され磁歪膜（１２）を励磁す
る。このときピックアップコイル（１４）には誘起電圧
が生じる。磁歪膜（１２）はトルクが加わると応力が生
じ磁気ひずみ効果により透磁率が変化し、それに応じて
ピックアップコイル（１４）に生じる誘起電圧は変化す
る。従って、この誘起電圧を測定することでトルクを検
出することができる。

【００１８】本発明においては、軸の表面に磁気歪み効
果を有する磁歪膜の形成方法はめっき法、溶射法、スパ
ッタ法または蒸着法などにより形成されることが望まし
い。これらの手法で形成することにより、軸に磁歪膜を
接着剤等で貼り付ける工程が無くなると同時に、軸円周
方向に切れ目無く均一な磁歪膜を形成することが可能と
なる。しかしながら、軸に磁歪膜を接着剤等で貼り付け
る方法とは異なり、磁歪膜の形成時に加わった応力を解
放することが困難であり、かつトルクセンサとして不可
欠なバイアストルクを加えることが困難となってしま
う。このため本発明においては、図１（ｂ）に示す軸の
断面図のように磁歪膜との間に中間膜を形成する。この
中間膜の形成方法は、磁歪膜の形成と同様にめっき法、
溶射法、スパッタ法または蒸着法により形成されること
が望ましい。また、この中間膜の材質は、軸および磁歪
膜の融点よりも低い融点を有する材料から選択される。
一般に磁歪膜や軸の融点は８００℃以上であるので、そ
れ未満であれば良いが、融点４００℃以下が好ましい。
軸あるいは磁歪膜と、中間膜の融点の差は、１００℃以
上、好ましくは２００℃以上である。具体的には、Ｓ
ｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｄのいずれかの金属、あるい
はいずれかを主成分とする合金が特に好ましい。上記主
成分とする金属の融点は、例えばＳｎ（２３２℃）、Ｐ
ｂ（３２７℃）、ＳｎＰｂ（１８２℃）、Ｂｉ（２７１
℃）、Ｃｄ（３２１℃）、Ｉｎ（１５６℃）である。ま
た、中間膜の膜厚は、０．１〜５００μｍ、好ましくは
０．５〜５０μｍ、特に好ましくは０．５〜２０μｍで
ある。前記範囲未満では、十分なバイアストルクを印加
することが困難となり、前記範囲を超える膜厚ではトル
クが磁歪膜に十分に伝わらないため、いずれの場合も検
出感度が低下する。

【００１９】また、前記金属から選ばれる１種を主成分
とし、副成分として前記金属から選ばれる１種以上の金
属を含む合金や、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ等の高融点金
属やＰ、Ｃ、Ｓ等の非金属をさらに１０ｗｔ％以下含有
する組成であっても、その合金の融点が上記温度未満で
あれば問題はない。

【００２０】また、上記中間膜として、価格、安全性の
観点からＳｎが好ましく、ＳｎまたはＳｎ合金めっき膜
とする場合には、公知の各種のめっき浴、めっき条件を
使用することが可能である。例えばホウフッ化物浴、硫
酸浴、有機スルホン酸浴等である。さらに錯化剤とし
て、エチレンジアミンテトラ酢酸、ジエチレントリアミ
ンペンタ酢酸、トリエチレンテトラミンヘキサ酢酸等を
加えたりめっき被膜の粒子を微細化させるために水溶性
高分子化合物、例えば、スチレン化フェノール、２価フ
ェノール、１価フェノール、脂肪族アミンおよび脂肪族
アルコールのエチレンオキシドおよびプロピレンオキシ
ド付加物、そしてゼラチンおよびペプトン等を併せて添
加することが可能である。

【００２１】なお、磁歪膜が形成される部分の表面粗さ
は下地膜、中間膜の形成方法、形成条件により左右され
ることも多い。めっき法で下地膜、中間膜を形成する場
合に、表面粗さを小さくするために、公知の光沢めっき
浴を用いることが可能である。逆に密着強度を重視する
場合には、半光沢浴や無光沢浴を用いることができる。

【００２２】なお、特に中間層の硬度が、磁歪層の硬度
の５０％以下、好ましくは３０％以下であるように選択
することで、過負荷トルクが印加された場合に、磁歪膜
の破壊、剥離を防止することも可能である。例えば磁歪
膜にＮｉＦｅ（ビッカース硬度４００）を用い、中間膜
にＳｎ（ビッカース硬度４０）を用いた場合が、これに
相当する。

【００２３】本発明のトルクセンサは、上記の構造をし
ているために、磁歪膜の形成後に、前記軸の融点以下か
つ前記磁歪膜の融点以下で、前記中間膜の融点以上の温
度において、軸にトルクを印加した状態に保持し、そし
て前記中間膜の融点以下の温度まで降温することで、バ
イアストルクを印加することが可能となる。前記軸の融
点以下かつ磁歪膜の融点以下で、中間膜の融点以上の温
度の中でも、中間膜の融点より１０〜２００℃高い温度
にすることが好ましい。前記温度未満では十分なバイア
ストルク印加が行われない。前記範囲を越えることは、
エネルギー的に無駄である。

【００２４】上記熱処理は、通常のオーブン等による熱
処理だけでなく、高周波誘導加熱法やレーザー照射によ
る加熱法等による短時間昇温、冷媒等による急冷（降
温）も可能である。また、基体（軸）全体を熱処理する
必要は無く、バイアストルクを印加したい磁歪膜の成膜
された部分のみを上記温度以上とすれば良いことは明ら
かである。このため磁歪膜が形成されていない軸の両端
にトルク印加のための治具等を設けることが容易とな
る。

【００２５】磁歪膜は、大きな磁歪定数を持つ磁性膜が
用いられる。具体的には正の磁歪定数を持つ磁歪膜とし
て公知の各種の組成膜、例えばＮｉ−Ｆｅ（Ｆｅ＝３０
〜６５ｗｔ％）合金膜、Ｆｅ−Ｃｏ（Ｃｏ＝４０〜７０
ｗｔ％）合金膜、ＴｂＦｅ2に代表されるＴｂＦｅ合金
膜、ＤｙＦｅ2に代表されるＤｙＦｅ合金膜等や、負の
磁歪定数を持つ磁歪膜としては公知の各種の組成膜、例
えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ膜や、ＳｍＦｅ2に代表されるＳ
ｍＦｅ合金膜等を用いることができる。また、これらの
磁歪膜には主組成である金属元素以外に１ｗｔ％以下の
Ｃ、Ｓ、Ｈあるいは他の非金属元素を含有していても差
し支えない。

【００２６】めっき法は低温での形成が可能であり湾曲
した曲面であっても均一な膜を形成することができるた
め好適である。例えば電気めっき法により形成されるＮ
ｉ−Ｆｅ合金膜は、その磁気特性、膜形成の生産性から
見て特に好ましい。Ｎｉ−Ｆｅめっき膜は公知のめっき
浴から形成することができる。特に応力緩和剤としてサ
ッカリンナトリウムを添加したり、鉄イオンの酸化防止
剤として次亜リン酸イオンやアスコルビン酸イオンを添
加することも好ましく用いることができる。このような
めっき膜には、膜中に炭素、硫黄等が共析し、磁気特
性、耐食性に大きな影響を及ぼすことが知られている。
その含有量は、主として前記めっき浴添加剤により変化
するため、適宜選択することが好ましい。

【００２７】また、磁歪膜が形成される部分の表面粗さ
は、磁歪膜の磁気特性に影響を及ぼすことがある。表面
粗さが大きいと磁気特性が劣化し、トルク検出感度が低
下する。一般的には最大表面粗さが０．００１〜０．５
μｍが好ましい。前記範囲未満にするにはコストが高く
なり量産に適さないと同時に密着強度が低下し膜剥がれ
が発生しやすくなる。前記範囲を越えると磁歪膜の保磁
力が大きくなり結果として、トルク検出感度が低下す
る。但し、適度の方向性のあるすじ状の粗れの場合に
は、磁気異方性が誘導され逆にトルク検出感度の向上や
出力安定化に寄与する場合もある。例えば軸の円周方向
に平行に最大表面粗さ５μｍ、平均山間隔を１００μｍ
程度に設定すると円周方向に磁化容易軸が配向する。

【００２８】磁歪膜の内部応力は、弱い引っ張り応力で
あることが、好ましい。これは、熱処理の際に、軸から
磁歪膜がリリースされやすいからである。もちろん強い
圧縮応力は好ましくないが、無応力、弱い圧縮応力であ
っても特に問題はない。

【００２９】本発明においては、磁歪膜の形状は従来の
ように、回転軸に対して傾斜した方向にスリットを設け
る必要は特に無い。すなわち帯状であっても良い。この
ため、磁歪膜を所望の形状に形成するための、磁歪膜形
成をする際のマスキングを行う工程や形成後にエッチン
グ等により不要部分を除去する工程等を省くことが可能
となる。もちろん、スリットを設けても差し支えない。

【００３０】なお、磁歪膜形成の前処理として、軸との
密着性向上、中間膜と磁歪膜の間の拡散防止のためにさ
らに下地膜を軸あるいは中間膜の上に形成しても差し支
えない。下地膜としては、例えば、ＡｕやＣｕ、Ｎｉ膜
を用いることが好ましい。保護膜としては、Ｎｉめっき
膜や、Ｓｎめっき膜、エポキシ電着塗装膜等が好まし
く、特に磁歪膜よりも自然電位が卑な合金からなるめっ
き膜を犠牲層保護膜として設けることが好ましい。さら
に必要に応じて液体の油等の層を磁歪膜、あるいは、そ
の保護膜上にさらに設けることも可能である。また、磁
歪膜の上に無機あるいは有機の保護膜を形成することも
差し支えない。

【００３１】適当な保護膜が形成された後に、バイアス
トルク印加のための熱処理を行う場合には、特に不活性
雰囲気中でなくとも磁歪膜の酸化が起こらない場合もあ
る。また、バイアストルク印加のための熱処理において
同時に保護膜を焼成、硬化することも可能である、例え
ば、ゾルゲル法によるセラミック保護膜を熱処理時に焼
成することが可能である。

【００３２】軸にトルクを印加するには図２に示すよう
軸である回転軸（２１）に中間膜（２６）および磁歪膜
（２２）を形成の後、回転軸（２１）の一方の端部を固
定し、他方の端部をねじりトルクを加えた状態で固定す
ればよい。また、本発明においては中間膜は図２（ａ）
に示すように基体と磁歪膜の間の全体に形成されていて
もよいが、一部分にのみ形成されていてもよい。例えば
図２（ｂ）に示すように中間膜を軸と磁歪膜の間の一部
分にのみ形成し軸上に直接磁歪膜が形成されている部分
を有する構成としても良い。また、図２（ｃ）に示すよ
うに中間膜を軸に対して傾斜させたパターン状に形成し
ても良い。これらの構成ではバイアストルクを加える熱
処理工程において中間膜が形成されてなく磁歪膜が基体
に直接形成されている部分と中間膜が形成されている部
分との間で歪みを生じ効果的にバイアストルクを印加す
ることができる。

【００３３】昇温のための熱処理雰囲気は、磁歪膜の酸
化防止のために、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気、ま
たは真空中が好ましい。また、この熱処理は磁歪膜の膜
中に含まれる水素などの元素をガスとして放出させる効
果も有する。すなわち、製造時に使用温度よりも高い温
度で熱処理を行っているために、使用温度範囲において
ガスの放出が大幅に少ないため、磁歪膜の磁気特性変化
を防止することが可能である。例えばＴＤＳ（昇温脱離
ガス分析）法によれば、概ね１３０℃以上で膜からの放
出が確認され、この放出につれて磁気特性、膜質（硬
度、脆性等）が変化する。この際に膜の結晶粒径の粗大
化等の現象も観察されている。言い換えれば本発明のト
ルクセンサに用いられている熱処理を受けている磁歪膜
は、すでに製造時での熱処理工程でガス放出をしている
ために、従来の磁歪膜に比べて、熱処理温度以下ではガ
ス発生は大幅に少なく、結晶粒径の変化も小さいために
区別が可能となる。すなわち、製造された磁歪膜をさら
に熱処理するとき、本発明の磁歪膜は製造時の熱処理温
度以下では、従来の磁歪膜とガス発生に大きな差があ
り、製造時の熱処理温度以上では、大きな差は見られな
いという特徴がある。

【００３４】熱処理の際に加えるねじりトルクとしては
０．５〜１００００Ｎ・ｍ程度が好ましく特に好ましく
は１〜１０００Ｎ・ｍである。前記範囲未満では十分な
トルクを膜に付与することができず出力が小さくなる。
前記範囲を超えるトルクの印加は、膜が軸から剥離して
しまうことがある。

【００３５】熱処理の際に加えるねじりトルクは、印加
したいバイアストルクの大きさはもちろん、中間膜およ
び磁歪膜の種類、膜厚を考慮して決定されるが、概ね印
加したいバイアストルクの１１０〜１０００％が目安と
なる。

【００３６】本発明においては、所望の方向にトルクを
付与するだけでなくセンサとして無用な等方的に作用し
ている応力を除去することができる。このため磁歪膜の
剥離の問題がなく密着力の強い膜を軸上に形成すること
ができる。

【００３７】さらに、本発明の磁歪式トルクセンサは製
造過程で生じる出力の小さい不良品であっても再度、軸
にトルクを加えた状態で熱処理を行うことで高い出力を
得るように修正が可能である。

【００３８】本発明による磁歪式トルクセンサは単独で
使用してもよいが図３に示すように２組の磁歪式トルク
センサを組み合わせて差動動作させることが好ましい。
この磁歪式トルクセンサは軸である回転軸（３１）とそ
の表面に形成された中間膜（３８）、磁歪膜１（３
２）、磁歪膜２（３３）、励磁コイル（３４）、ピック
アップコイル１（３５）、ピックアップコイル２（３
６）および軟磁性材料から成る円筒状のヨーク（３７）
から構成される。この場合、励磁コイル（３４）は磁歪
膜１（３２）、磁歪膜２（３３）とも励磁するがそれぞ
れに励磁コイルを用いて励磁しても差し支えない。ま
た、２枚の磁歪膜は、連続した１枚の膜でも差し支えな
い。

【００３９】図４は熱処理の際に２枚の磁歪膜に与える
トルクの方向と熱処理後印加されるバイアストルクの方
向を示す。２枚の磁歪膜に同符号の磁歪定数を有する磁
歪膜を用いる場合、トルク印加は図４（ａ）に示すよう
に行えばよい。すなわち、軸である回転軸（４１）に中
間膜（４６）、磁歪膜１（４２）、磁歪膜２（４３）を
形成の後、回転軸（４１）の中央に位置する部分を固定
し、回転軸の両端を同じ方向にねじりトルクを加えれ
ば、両端から見て磁歪膜１（４２）、磁歪膜２（４３）
に異なる方向のトルクを加えることになる。

【００４０】また、２枚の磁歪膜に磁歪定数の正負の符
号が異なる磁歪膜を用いることもできる。例えば一方を
負の磁歪定数を有するＮｉ膜とし、他方を正の磁歪定数
を有するＮｉ−Ｆｅ合金とすれば、磁歪膜の形成後、熱
処理の際に２枚の磁歪膜に同一方向のトルクを加える。
この場合、図４（ｂ）に示すように回転軸（４１）の中
央部を固定し回転軸の両端を反対方向にねじりトルクを
加えるか、図４（ｃ）に示すように一方の端部を固定
し、他方の端部をねじりトルクを加えれば、両端から見
て磁歪膜１（４２）、磁歪膜２（４３）に同一方向のト
ルクを加えることになる。

【００４１】さらに、中間膜を回転軸と２枚の磁歪膜そ
れぞれの間に形成せず図４（ｄ）に示すように磁歪膜の
対向する側の部分を回転軸に直接磁歪膜を形成する構
成、あるいは図４（ｅ）に示すように磁歪膜の対向する
側の部分にのみ中間膜を形成した構成とすることもでき
る。

【００４２】これらの場合、効果的にバイアストルクを
印加できるばかりでなく、２つの磁歪膜を同符号の磁歪
定数を有する膜、特に同じ組成の膜で形成した場合であ
っても、一方の端部を固定し、他方の端部をねじりトル
クを加えれば、２つの磁歪膜に逆向きのバイアストルク
を印加することができる。

【００４３】図４（ａ）、（ｄ）、（ｅ）において磁歪
膜（４２）、（４３）はそれぞれ別個に形成した構成を
示しているが１枚の磁歪膜として形成しても良い。その
場合、磁歪膜は、見かけ上１枚であるが、２枚の場合と
同様の効果を得ることができる。

【００４４】差動動作により使用した場合には、図５に
示すようにピックアップコイル１の誘起電圧Ｖ１とピッ
クアップコイル２の誘起電圧Ｖ２の差Ｖ１−Ｖ２を出力
とすればトルクの方向と大きさを検出することができ
る。

【００４５】以上、本発明のトルクセンサは、軸の回転
方向のトルクの検出について説明したが、もちろん、被
検出体である軸にトルクでは無く、軸の長手方向に引張
応力や圧縮応力が加えられた場合であってもその応力に
応じた出力を信号として検出する張力センサ等の応力セ
ンサとして適用することも可能である。すなわち本発明
におけるトルクセンサを応力センサと置き換えることが
可能である。

【００４６】また、本発明のトルクセンサの製造方法に
おいては、好ましくは熱処理の工程において、より好ま
しくは、少なくとも降温工程において、前記被トルク検
出体である軸を回転しながら行う。これは低融点を有す
る中間膜が液体化あるいは軟性化した際に、軸と磁歪膜
の間で偏在することを防止するためである。回転数は
０．０１〜１００００回転／分、好ましくは１〜１００
回転／分であり、前記範囲以下では偏在を十分に防止で
きないために、軸の回転方向でトルク出力の変動が発生
する等の問題がある。前記範囲以上では装置が高価とな
り実用に適さない。

【００４７】さらに、軸はその長手方向が、ほぼ水平に
なるような方向で保持し回転することが好ましい。これ
により、軸長手方向で、低融点を有する中間膜が液体化
あるいは軟性化した際に、軸と磁歪膜の間で偏在するこ
とを防止するためである。本発明のトルクセンサにおい
ては、上記手法により磁歪膜に、検出するトルクに対し
てバイアスとなるトルクが印加された状態で使用され
る。なお、バイアストルクが印加された状態か否かは外
観からは判断することができない。しかし、トルクに対
する出力変化を評価すれば確認可能である。さらに再
度、トルクを印加しない状態で熱処理を行い、バイアス
トルクを解放することが可能であり、再熱処理前後の比
較を行えばさらに確実である。なお、磁歪膜、中間膜を
めっき法、溶射法、スパッタ法または蒸着法によれば、
張り合わせ箇所が無く形成できる。

【００４８】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。 （実施例１および比較例１）直径２０ｍｍの円柱状の自
動車用ステアリングシャフトであるＳＣＭ材の軸を通常
の電気めっき法で、広く使用されている工程（アルカリ
脱脂処理、酸洗処理、ストライクニッケルめっき）を用
いて前処理を行った後、軸上にＳｎ膜を電気めっき法に
より１０μｍの厚さに形成した。さらに、この上にＡｕ
膜を電気めっき法により０．５μｍの厚さに形成した。
そして磁歪膜として正の磁歪定数を有するＮｉ−Ｆｅ膜
を電気めっき法により４０μｍの厚さに形成した。Ｎｉ
−Ｆｅ合金めっき浴は、硫酸ニッケル、硫酸鉄（II）、
ホウ酸等からなる公知のＮｉＦｅ合金浴を用い、ｐＨ３
〜５、浴温２０〜７０℃、電流密度は２〜１０Ａ／ｄｍ
²とした。なお、均一性改善を目的に、軸を周方向に１
０回転／分で回転させながら膜を形成した。

【００４９】膜の組成は、蛍光Ｘ線分析装置およびＩＣ
Ｐ（プラズマ発光分析）により行ったが、Ｎｉ含有量４
０〜７０ｗｔ％であった。以上の工程により作製された
丸棒に２０Ｎ・ｍのねじりトルクを加えて、中間膜であ
るＳｎの融点、２３２℃以上であり、ＮｉＦｅ膜および
ＳＣＭ材の融点以下である２８０℃にて１０分間の熱処
理を行った。そして２時間をかけて降温し、丸棒に加え
てあった２０Ｎ・ｍのねじりトルクを除去し、トルクセ
ンサの軸とした。比較のために中間膜を形成せずにＳＣ
Ｍ材の軸に直接、ＮｉＦｅめっきを形成し、また、熱処
理も行わなかったたものを比較例１とした。

【００５０】実施例１および比較例１の評価結果を図６
に示す。このように、左右のねじりトルクの印加に対し
てピックアップコイルに誘起電圧が変化しトルクの大き
さおよび方向が検出された。また、中間膜を形成しなか
った比較例１は左右のねじりトルクに対して誘起電圧は
変化したもののトルクの方向は検出されず、ゼロトルク
付近でのオフセットが存在すると同時に、ゼロトルク付
近での検出感度は低かった。

【００５１】さらに、実施例１および比較例１を多数試
作したところ、実施例１によるトルクセンサは比較例１
に対して検出感度のばらつきが少なく量産性も良好であ
った。また、比較例１では、膜の形成時に生じた等方応
力を原因として動作試験中に基体から磁歪膜が剥離する
という不良品が発生したが、実施例１のトルクセンサで
は、形成時の等方応力は解放されているため磁歪膜の剥
離は皆無であった。

【００５２】しかしながら実施例１においても少数では
あるが出力が小さいセンサが発見された。このため、こ
のセンサの磁歪膜が形成された円柱状のＳＣＭ材の基体
に最初の熱処理と同じ温度で、２倍のねじりトルクを加
えた状態で再度、熱処理を行った。その結果、出力は基
準値範囲内となった。

【００５３】（実施例２および比較例２） 次に磁歪膜とピックアップコイルを２組組み合わせた磁
歪式トルクセンサを作製した。実施例２では実施例１と
同様に、直径２０ｍｍの円柱状の自動車用ステアリング
シャフトであるＳＣＭ材の軸を用い、磁歪膜１、２とも
正の磁歪定数を有するＮｉ−６５Ｆｅめっき膜とし、中
間膜はＩｎ（融点１５６℃）とし、それぞれ電気めっき
法で２０μｍ、１０μｍを形成した。但し、図４に示す
ように磁歪膜１、２の一部は中間膜を介さないで直接、
軸上に形成した。ＮｉＦｅめっきの前に０．２μｍのＡ
ｕめっき下地膜を形成した。形成後、図４に示すよう
に、軸の片方の端部を固定し、３０Ｎ・ｍのねじりトル
クを加えて２００℃の温度で水平に保ち、６０回転／分
の回転を与えながら、高周波誘導加熱法により１分間の
熱処理を行った。降温は軸に水をかけることで急冷し、
温度が１００℃になった５秒後に回転を停止し、５０℃
になった１５秒後に、３０Ｎ・ｍのねじりトルクを解放
した。また、比較のために中間膜を形成せずにＳＣＭ材
の軸に直接、ＮｉＦｅめっき膜を形成し、また熱処理も
行わなかったたものを比較例２とした。

【００５４】実施例２、比較例２、ともに励磁コイルに
交流を与え２枚の磁歪膜を励磁しピックアップコイル
１、２の誘起電圧を測定したところ、実施例２は図６に
示すように左右のねじりトルクに対してそれぞれ逆の電
圧変化が観測され差動動作が確認された。すなわち、目
的のトルク検出の範囲である−１０乃至＋１０Ｎ・ｍ
（左右に１０Ｎ・ｍ）のねじりトルクに対して動作が確
認された。しかし、中間膜を形成しなかった比較例２は
左右のねじりトルクに対して個々のコイルの誘起電圧は
変化したがトルクの方向は検出されなかった。これは左
右のコイルの出力が相殺されたことによる。

【００５５】さらに１００Ｎ・ｍの大トルク印加試験で
は、実施例２は問題を生じなかったが、比較例２では、
磁歪膜が剥離してしまった。

【００５６】

【発明の効果】上述したように本発明の効果は明らかで
ある。本発明によれば従来課題とされた、軸にトルクを
加えた状態で磁歪膜を形成する工程における装置上の制
約がなく、その制約にともなう生産性の欠点を解決し、
治具など余計な部分に膜が形成される経済的損失を最小
にとどめ、応力による膜の剥離を防止でき、平板状の磁
歪材料を円筒形の軸に接着する工程に起因する回転によ
る検出特性のばらつきの小さな、非常に優れた磁歪式ト
ルクセンサとその製造方法を提供することができる。そ
して、さらには製造工程で生じる不良品を修正し、損失
を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁歪式応力センサの構造を示す断面図
である。

【図２】本発明の磁歪式応力センサの構造を示す図であ
る。

【図３】本発明の磁歪式応力センサの構造を示す断面図
である。

【図４】本発明の磁歪式応力センサの熱処理時に印加す
る応力を示す図である。

【図５】本発明の磁歪式応力センサの応力と誘起電力、
差動出力を示す図である。

【図６】本発明の実施例と比較例の出力を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１ 回転軸 １２ 磁歪膜 １３ 励磁コイル １４ ピックアップコイル １５ ヨーク １６ 中間膜 ２１ 回転軸 ２２ 磁歪膜 ２６ 中間膜 ３１ 回転軸 ３２ 磁歪膜１ ３３ 磁歪膜２ ３４ 励磁コイル ３５ ピックアップコイル１ ３６ ピックアップコイル２ ３７ ヨーク ３８ 中間膜 ４１ 回転軸 ４２ 磁歪膜１ ４３ 磁歪膜２ ４６ 中間膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/10 301 H01L 41/12 H01L 41/22 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被トルク検出体である軸と、その表面に
   形成された磁歪膜と、前記磁歪膜の磁気特性の変化を検
   出するためのコイルと、を有するトルクセンサであっ
   て、 前記磁歪膜がめっき法、溶射法、スパッタ法または蒸着
   法により形成され、 前記軸と前記磁歪膜との間に前記軸および前記磁歪膜の
   融点よりも低い融点を有する中間膜がめっき法、溶射
   法、スパッタ法または蒸着法により形成されており、 前記磁歪膜は検出するトルクに対してバイアスとなるト
   ルクが印加された状態にある ことを特徴とするトルクセ
   ンサ。
2. 【請求項２】 被トルク検出体である軸の表面に磁歪膜
   が形成されたトルクセンサであって、 前記磁歪膜がめっき法、溶射法、スパッタ法または蒸着
   法により形成され、 前記軸と前記磁歪膜との間の一部に前記軸および前記磁
   歪膜の融点よりも低い融点を有する中間膜がめっき法、
   溶射法、スパッタ法または蒸着法により形成されてお
   り、 前記磁歪膜は検出するトルクに対してバイアスとなるト
   ルクが印加された状態にある ことを特徴とするトルクセ
   ンサ。
3. 【請求項３】 前記中間膜が、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉ
   ｎ、Ｃｄのいずれかの金属、あるいはいずれかを主成分
   とする合金である請求項１または請求項２に記載のトル
   クセンサ。
4. 【請求項４】 前記磁歪膜が軸円周方向に切れ目の無い
   膜である請求項１または請求項２に記載のトルクセン
   サ。
5. 【請求項５】 被トルク検出体である軸の表面に磁歪膜
   が形成されたトルクセンサの製造方法であって、 前記軸と前記磁歪膜の間に前記軸の融点よりも低い融点
   を有する中間膜をめっき法、溶射法、スパッタ法または
   蒸着法により形成し、 前記中間膜の融点よりも高い融点を有する前記磁歪膜を
   めっき法、溶射法、スパッタ法または蒸着法により形成
   し、 しかる後、 前記軸の融点以下かつ前記磁歪膜の融点以下
   かつ前記中間膜の融点以上の温度において、前記軸にト
   ルクを印加した状態で熱処理を行い、降温後に前記トル
   クを除去することを特徴とするトルクセンサの製造方
   法。
6. 【請求項６】 被トルク検出体である軸の表面に磁歪膜
   が形成されたトルクセンサの製造方法であって、 前記軸と前記磁歪膜の間の一部に前記軸の融点よりも低
   い融点を有する中間膜をめっき法、溶射法、スパッタ法
   または蒸着法により形成し、 前記中間膜の融点よりも高い融点を有する前記磁歪膜を
   めっき法、溶射法、スパッタ法または蒸着法により形成
   し、 しかる後、 前記軸の融点以下かつ前記磁歪膜の融点以下
   かつ前記中間膜の融点以上の温度において、前記軸にト
   ルクを印加した状態で熱処理を行い、降温後に前記トル
   クを除去することを特徴とするトルクセンサの製造方
   法。
7. 【請求項７】 前記磁歪膜が軸円周方向に切れ目の無い
   膜となるように形成される請求項５または請求項６に記
   載のトルクセンサの製造方法。