JPH0552678A - 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

Abstract

(57)【要約】 【目的】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、検出成度及び再現
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。 【構成】円筒状または円柱状のトルク伝達軸３の外周面
にプラズマ溶射法によりＦｅ−Ｃｏ合金層４を０．０３
〜１．０ｍｍ固着形成し、次いで８００〜８５０℃の温
度でかつ無酸化雰囲気中で拡散処理を施す。

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、その外周面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６２−２０６４２
１号公報などに開示されている。

【０００３】ところで、このトルクセンサの検出原理で
あるが、磁歪検出層を設けた軸に回転トルクが加わる
と、磁歪検出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。

【０００４】それが磁気的な異方性となって透磁率の変
化を生じ、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。このような磁歪検出方法は古くから知られている
が、この種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。

【０００５】現在までに発表されている磁歪検出層の形
成方法としては、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。すなわち、非晶質合金を接着した例としては特開昭
５９−１６６８２７号公報がある。

【０００６】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、接着剤がろう材の場
合には、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。

【０００７】次に、スパッタリング法を用いたものとし
ては特開昭６０−４２６２８号公報がある。このスパッ
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あるいは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。

【０００８】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問題があ
る。さらに、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として
は、特開昭６２−２０６４２１号公報などとしても発表
されている。

【０００９】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めっきによる残留応力が残存する
ため、トルク検出の直線性，感度等の特性にばらつきが
生じ易い。

【００１０】これを改善するためには熱処理を要し、従
って生産性の上で必ずしも望ましい方式ではない。ま
た、めっき膜が数〜数１０μｍと薄い場合には、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等基材の選定範囲が狭
くなるという問題を有している。

【００１１】次に、軸表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、被膜厚さ制御性あるいは生産性の上では優れてお
り、被膜はＦｅ−Ａｌ合金を用い、被膜中の不規則相と
規則相の比率について検討しつつ特性の向上を図ったも
のである。

【００１２】溶射の場合には、粉末或いは線材を原料と
して用い、溶射の際は数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、得られ
る溶射層はこの粒子が積層された構造となり、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。し
かし、その被膜に関しては検討されておらず、耐久性に
関して十分な配慮がされていないのが現状である。

【００１３】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、この酸素が素子
の物性のばらつきと耐久性に影響を及ぼすのであるが、
この点についても十分に配慮されていない。

【００１４】

【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。

【００１５】

【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磁性体層
を設けてなるトルクセンサ用磁歪検出体において、上記
磁性体体層がＦｅ−Ｃｏ合金からなり、その厚さが０．
０３〜１．０ｍｍで、層内が結晶質であるとともにその
結晶化率が９０％以上で、かつ平均結晶粒径が２００μ
ｍ以下である磁性体層を設けたことを特徴とするもので
ある。

【００１６】また、この発明はＦｅ−Ｃｏ合金を無酸化
雰囲気中でプラズマ溶射することにより磁性体層を設け
ることを特徴とするものである。

【００１７】すなわち、本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
の変化量及びこの透磁率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。研究に際し
ては、主としてφ２５，肉厚２ｔのＳＵＳ３０４基材に
磁歪膜を形成して行った。

【００１８】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３０μｍ程度で
ある。

【００１９】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られた膜の円周方向，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また再現性の上で極めて重要で
あり、かつ同一軸内では有効検出部内で±１％以内で形
成する必要があるという知見を得た。

【００２０】さらに、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。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
際、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成分の異なる
中間層を設けることも効果があることが知られた。

【００２１】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
る構造欠陥を改善することが適切であることが判明し
た。

【００２２】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おり、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ことと
なるが、一方用いられる粉末の粒子は数μｍ〜数１０μ
ｍの大きさであるので基材に吹き付けられた密着粒子は
急速冷却される。このため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、
粉末は水アトマイズ法で製造されるため被膜には０、１
％オーダの酸素を含むことになる。

【００２３】よって、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。

【００２４】このような点を踏まえ、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などを改善し、かつ被
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
感応素子として満足すべき特性が得られることを見い出
したものである。

【００２５】具体的には、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銅や、強磁性体のＳＣ
Ｍ材等の構造用合金銅等のいずれも用いることができ
る。但し、Ｆｅ−Ｃｏ合金の熱膨張系数差に関してある
程度考慮する必要がある。

【００２６】また、トルク伝達軸は棒状または管状とし
て使用することができ、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。

【００２７】熱処理はトルク伝達軸と溶射被膜の密着を
強固にし、溶射粉末の密着時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、Ｆｅ−Ｃｏ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。

【００２８】この熱処理としては１２００℃程度に加熱
して約１時間保持後、急冷し、室温程度まで冷却し、続
いて８００〜８５０℃に加熱して約１時間保持後に除冷
し、組織をα´相（規則化したα相）の均一組織とする
ことが望ましい。

【００２９】上記のように熱処理をした場合には、基材
と皮膜との間に良好な拡散層が得られ、溶射皮膜の密着
は非常に強固なものとなる。しかし、コストの点からは
最初の１２００℃の加熱は省略することも可能である。

【００３０】この場合、処理温度が８００℃より低いと
α相の均一組織が得られず良好な軟磁性が得られないと
ともに、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。

【００３１】一方、熱処理温度が８５０℃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
テリシスを生じその結果トルク変換特性にヒステリシス
が生じる。

【００３２】以上のように８００〜８５０℃に加熱した
後、この温度範囲の状態で１〜２時間保持した場合のみ
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、密着が強固になるとともに溶射被膜を結晶化率が９
０％以上のα´相の均一組織とし、Ｆｅ−Ｃｏ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。したがって、トルクセンサとして、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。

【００３３】

【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Ｆｅ−Ｃｏ合金の被膜を０．０３〜
１．０ｍｍを設け、次いで８００〜８５０℃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
ルク伝達軸との固着がよい磁性体層を設けるので、トル
クセンサとしての出力直線性，ヒステリシス，感度，ダ
イナミックレンジ等を向上させる。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面とともに詳細に
説明する。

【００３５】図１は本発明に係る磁歪検出体であり、円
筒状または円柱状の回転軸となるトルク伝達軸３の基材
外周面に感応素子としてプラズマ溶射によりＦｅ−Ｃｏ
合金層４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２００μｍ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。

【００３６】まず、Ｆｅ−Ｃｏ合金層４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。以上の理由から被膜の厚さは０．０３〜１．０ｍ
ｍ、望ましくは０．０５〜０．５ｍｍである。

【００３７】次に、Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成であるがＦｅ
−Ｃｏの成分としては溶射後の後熱処理の影響も強いが
Ｆｅ−５０Ｃｏが最も高感度である。しかしながら、そ
の範囲は３０〜６０％Ｃｏでも十分に使用できる。

【００３８】トルクセンサ素子として使用する場合、溶
射被膜に被膜除去処理を行い、図１に示すようにスリッ
ト状溝５を形成し、被膜に形状異方性を付与することが
必要となる。この場合、加工は高精度で行う必要がある
ので溶射被膜の切削加工性が重要となる。

【００３９】被膜の切削加工性を改良する手段として
は、特性に影響を及ぼさない範囲で第３元素を添加する
ことも効果があり、３元素以上の系では特に約２％Ｖを
含むＦｅ−（３０〜６０）Ｃｏ系がＦｅ−Ｃｏ合金の切
削加工性の上で望ましい。

【００４０】また、熱処理の雰囲気も重要であり雰囲気
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ため、上述の雰囲
気中で熱処理を行い被膜中の酸素量を０．２％以下に低
減させる必要がある。

【００４１】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り、酸素が少くなる程ヒ
ステリシスも小さくなるため、実用範囲である±３％の
値は０．２％である。

【００４２】以下、具体的実施例を説明する。 ［実施例１］トルク伝達軸３は外径２５ｍｍ，肉厚２ｍ
ｍ，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、外周面にブラスト
処理を施したものを使用した。プラズマ溶射はＦｅ−５
０Ｃｏ組成の合金粉末を用いて２００Ｔｏｒｒの減圧Ａ
ｒ中で行い、トルク伝達軸３の外周面に厚さ０．１ｍｍ
のＦｅ−Ｃｏ合金層を形成させた。次いで、表１に示す
ように溶射のままのＦｅ−Ｃｏ合金層を熱処理温度７５
０℃，８００℃，８５０℃，９００℃に変化させ、水素
ガス中で１時間の熱処理を行って磁歪検出体を準備し
た。

【００４３】

【表１】

【００４４】次に、これらの試料に図１のようにスリッ
ト状溝５を形成すべく被膜除去処理を施した。除去され
た部分は幅１ｍｍ，長さ４０ｍｍ，深さ０．１ｍｍで、
軸の右手分は長手方向に対して＋４５°，左半分は−４
５°に傾き、円周に各１０本ずつである。被膜除去処理
は機械加工で行った。

【００４５】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１，２の配置で、
図２に示すように、入力端子７と出力端子８間にトラン
ジスタ６およびコイル１，２などを有する電気回路を用
い、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。

【００４６】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ターンである。測定周波数は５０Ｋ
Ｈｚ、励磁電流は１００ｍＡである。その判定結果は表
１に示す如くである。すなわち、表１は熱処理条件の違
いによるトルク変換特性の変化を示したものである。

【００４７】熱処理温度８００〜８５０℃で処理した試
料が感度２００ｍＶ／Ｎ・ｍ，ヒステリシス２．６〜
２．８％、直線性２．４％を示し、溶射のままの試料の
感度５０ｍＶ／Ｎ・ｍヒステリシス９．８％，直線性１
１．３％、及び７５０℃で処理した試料の感度１６０ｍ
Ｖ／Ｎ・ｍ，ヒステリシス４．０％、直線性３．５％及
び９００℃で処理した試料の感度２４０ｍＶ／Ｎ・ｍ，
ヒリテリシス４．２％，直線性４．５％と比較して優れ
た結果が得られた。

【００４８】次に、トルクセンサ用磁歪検出体の耐久性
を調べた。８５０℃で１時間の熱処理を行った試料を片
持ち治具に固定し、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。その結果、特性の劣化はほとんど認められなかっ
た。

【００４９】［実施例２］この実施例ではＦｅ−Ｃｏ合
金粉末のＣｏ含有率を２０，３０，４０，５０，及び６
０ｗｔ％と変化させ、プラズマ溶射を行い、水素ガス中
で８５０℃で加熱処理を行った後、実施例１と同様にＦ
ｅ−Ｃｏ合金層にスリット状溝５を形成すべく被膜除去
処理を行った。表２はこれらの試料のトルク変換特性を
測定し、Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成がトルクセンサ出力特性
に及ぼす影響を調べた結果を示すものである。

【００５０】

【表２】

【００５１】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Ｆｅ−５０Ｃｏ組成で
２００ｍＶ／Ｎ・ｍと最も高い値を示している。しか
し、Ｃｏ含有率３０，４０及び６０ｗｔ％でも１００ｍ
ｖ／Ｎｍ以上の感度を示し実用上使用可能である。

【００５２】［実施例３］トルク伝達軸３の基材にＳＣ
Ｍ４３５を選び、溶射粉末にＦｅ−５０Ｃｏ組成を用
い、被膜厚さを表３に示すように０．０２〜１．５ｍｍ
と変化させプラズマ溶射を行いＦｅ−Ｃｏ合金層を作製
した。次に、実施例１及び２と同様の熱処理及び被膜除
去処理を行い、トルク変換特性を測定し、溶射被膜の厚
さがトルクセンサ出力特性に及ぼす影響を調べた。

【００５３】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^-5Ｔｏｒｒの真空
中で行い、同様に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。

【００５４】

【表３】

【００５５】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。
また、熱処理雰囲気は水素又は１×１０^-5Ｔｏｒｒの真
空中で被膜中の酸素量が０．２％以下となり、優れたト
ルク変換特性を示すことが分かった。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明は、トル
ク伝達軸の外周面にプラズマ溶射法によりＦｅ−Ｃｏ合
金の被膜を０．０３〜１．０ｍｍ設け、次いで８００〜
８５０℃の温度で無酸化雰囲気中で拡散処理を施すもの
であるから、トルク伝達軸と磁歪層の固着がよく、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 Ｆｅ−Ｃｏ合金層

Claims (4)

【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磁性体層を設けて
   なるトルクセンサ用磁歪検出体において、上記磁性体層
   がＦｅ−Ｃｏ合金からなり、その厚さが０．０３〜１．
   ０ｍｍで、層内が結晶質であるとともにその結晶化率が
   ９０％以上であり、かつ平均結晶粒径が２００μｍ以下
   である磁性体層を設けた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】 Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成がＦｅ−Ｃｏ−Ｘ
   成分からなり、Ｃｏ含有率が３０〜６０ｗｔ％で、Ｘが
   Ｍｎ，Ｖ，Ｎｂの少なくとも一種以上を５％以下含み、
   酸素量が０．２％以下で、残りがＦｅ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】 Ｆｅ−Ｃｏ合金を無酸化雰囲気中でプラ
   ズマ溶射することにより磁性体層を設けることを特徴と
   する請求項１及び２記載のトルクセンサ用磁歪検出体の
   製造方法。
4. 【請求項４】 プラズマ溶射によりＦｅ−Ｃｏ合金層を
   設けた後、これを無酸化雰囲気中で８００〜８５０℃に
   加熱することを特徴とする請求項１及び２記載のトルク
   センサ用磁歪検出体の製造方法。