JPH055660A - トルクセンサおよびその製造法 - Google Patents
トルクセンサおよびその製造法Info
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- JPH055660A JPH055660A JP15646591A JP15646591A JPH055660A JP H055660 A JPH055660 A JP H055660A JP 15646591 A JP15646591 A JP 15646591A JP 15646591 A JP15646591 A JP 15646591A JP H055660 A JPH055660 A JP H055660A
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- torque
- transmission shaft
- nickel
- torque transmission
- sensor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 応用磁気効果を用いたトルクセンサにおい
て、Ｆｅ−Ｎｉ系合金薄帯をトルク伝達軸表面に接着し
た簡単な構造を有し、安価で、温度変化によるセンサの
特性変化が小さく、かつセンサの出力特性にヒステリシ
スが生じないようにすることを目的とする。 【構成】 チタン合金製のトルク伝達軸１表面に、熱処
理によって内部応力を低減させた磁歪を有するニッケル
−鉄磁性材料薄帯２ａ，２ｂを熱膨張差を利用して平面
圧縮応力を印加させた状態で接着し、トルク伝達軸１か
ら磁性材料に伝達された応力による磁性材料の磁気特性
の変化をトルク伝達軸１の同心円状に巻回したコイル３
ａ，３ｂのインピーダンス変化によってトルクを検出す
る構成とし、高精度でかつ高温まで使用可能とする。
て、Ｆｅ−Ｎｉ系合金薄帯をトルク伝達軸表面に接着し
た簡単な構造を有し、安価で、温度変化によるセンサの
特性変化が小さく、かつセンサの出力特性にヒステリシ
スが生じないようにすることを目的とする。 【構成】 チタン合金製のトルク伝達軸１表面に、熱処
理によって内部応力を低減させた磁歪を有するニッケル
−鉄磁性材料薄帯２ａ，２ｂを熱膨張差を利用して平面
圧縮応力を印加させた状態で接着し、トルク伝達軸１か
ら磁性材料に伝達された応力による磁性材料の磁気特性
の変化をトルク伝達軸１の同心円状に巻回したコイル３
ａ，３ｂのインピーダンス変化によってトルクを検出す
る構成とし、高精度でかつ高温まで使用可能とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁性材料でてきた部材
に応力を外部から印加すると透磁率が変化するいわゆる
応力磁気効果を用いたトルクセンサおよびその製造法に
関する。
に応力を外部から印加すると透磁率が変化するいわゆる
応力磁気効果を用いたトルクセンサおよびその製造法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、応力磁気効果を用いた力学量のセ
ンサの開発が注目されている。たとえばこの原理を用い
たトルクセンサの一例が緒方、池田：日本応用磁気学会
学術講演概要集（１９８９）ｐ６７などに記載されてい
る。
ンサの開発が注目されている。たとえばこの原理を用い
たトルクセンサの一例が緒方、池田：日本応用磁気学会
学術講演概要集（１９８９）ｐ６７などに記載されてい
る。
【０００３】以下この種、従来のトルクセンサの構成に
ついて図５を参照しながら説明する。
ついて図５を参照しながら説明する。
【０００４】図に示すように、トルク伝達軸１１にシェ
ブロン状にスパッタ法で作製された磁歪を有するニッケ
ル−鉄磁性合金薄膜１２ａ，１２ｂを形成し、前記トル
ク伝達軸１１の外方に、かつ同心円状にコイルを設けて
いる。
ブロン状にスパッタ法で作製された磁歪を有するニッケ
ル−鉄磁性合金薄膜１２ａ，１２ｂを形成し、前記トル
ク伝達軸１１の外方に、かつ同心円状にコイルを設けて
いる。
【０００５】いまトルクがトルク伝達軸１１に印加され
ると、ニッケル−鉄磁性合金薄膜１２ａ，１２ｂに歪が
発生する。これによって応力磁気効果により透磁率が変
化し、結果としてコイル１３ａ，１３ｂのインダクタン
スが変化する。たとえば、図のようなトルクＴの印加に
対しては１３ａのインダクタンスは小さくなり、１３ｂ
のインダクタンスは大きくなる。この変化を検出回路に
よって検出し、トルクの大きさと方向を同時に検出でき
る。
ると、ニッケル−鉄磁性合金薄膜１２ａ，１２ｂに歪が
発生する。これによって応力磁気効果により透磁率が変
化し、結果としてコイル１３ａ，１３ｂのインダクタン
スが変化する。たとえば、図のようなトルクＴの印加に
対しては１３ａのインダクタンスは小さくなり、１３ｂ
のインダクタンスは大きくなる。この変化を検出回路に
よって検出し、トルクの大きさと方向を同時に検出でき
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このような従来のセン
サにおいては、スパッタ法などで薄膜を形成するため、
その後の熱処理によっても薄膜内の応力緩和が十分でな
く、良好な磁気特性を得ることが難しいという課題があ
った。また、薄帯内に複雑な内部応力が残るため、温度
変化によるセンサの特性変化が著しくかつセンサの出力
特性にヒステリシスが生ずる原因となっていた。
サにおいては、スパッタ法などで薄膜を形成するため、
その後の熱処理によっても薄膜内の応力緩和が十分でな
く、良好な磁気特性を得ることが難しいという課題があ
った。また、薄帯内に複雑な内部応力が残るため、温度
変化によるセンサの特性変化が著しくかつセンサの出力
特性にヒステリシスが生ずる原因となっていた。
【０００７】本発明は上記課題を解決するもので、ヒス
テリシスのほとんどない温度特性変化の少ないトルクセ
ンサを提供することを目的としている。
テリシスのほとんどない温度特性変化の少ないトルクセ
ンサを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、チタン合金製のトルク伝達軸表面に、熱処
理によって内部応力を低減させた磁歪を有するニッケル
−鉄磁性材料薄帯を平面圧縮応力を印加させた状態で接
着し、トルク伝達軸から磁性材料に伝達された応力によ
る磁性材料の磁気特性の変化をトルク伝達軸の同心円状
に巻回したコイルのインピーダンス変化によってトルク
を検出するようにしたものである。
するために、チタン合金製のトルク伝達軸表面に、熱処
理によって内部応力を低減させた磁歪を有するニッケル
−鉄磁性材料薄帯を平面圧縮応力を印加させた状態で接
着し、トルク伝達軸から磁性材料に伝達された応力によ
る磁性材料の磁気特性の変化をトルク伝達軸の同心円状
に巻回したコイルのインピーダンス変化によってトルク
を検出するようにしたものである。
【０００９】
【作用】上記のような構成のトルクセンサとすることに
より、予め熱処理によって薄帯内の応力緩和を十分実施
でき、良好な磁気特性をもつニッケル−鉄磁性薄帯が得
られる。また、この応力緩和されたニッケル−鉄磁性薄
帯をトルク伝達軸に使用温度以上の温度で接着すること
により、トルク伝達軸とニッケル−鉄磁性薄帯との間の
熱膨張係数差により、ニッケル−鉄磁性薄帯に常に平面
圧縮応力を印加する。このことによって、薄帯内に内部
応力による垂直磁気異方性を誘起できる。本発明のセン
サはトルク伝達軸に印加されるトルクにより接着したニ
ッケル−鉄磁性薄帯内に生じる応力変化を薄帯の磁気特
性変化として検出するものであるが、センサ使用温度領
域で常に薄帯内にこの平面圧縮応力が作用するように設
計することにより、温度変化によるセンサの特性変化が
小さく、かつセンサの出力特性にヒステリシスが生じな
いセンサが供給できる。
より、予め熱処理によって薄帯内の応力緩和を十分実施
でき、良好な磁気特性をもつニッケル−鉄磁性薄帯が得
られる。また、この応力緩和されたニッケル−鉄磁性薄
帯をトルク伝達軸に使用温度以上の温度で接着すること
により、トルク伝達軸とニッケル−鉄磁性薄帯との間の
熱膨張係数差により、ニッケル−鉄磁性薄帯に常に平面
圧縮応力を印加する。このことによって、薄帯内に内部
応力による垂直磁気異方性を誘起できる。本発明のセン
サはトルク伝達軸に印加されるトルクにより接着したニ
ッケル−鉄磁性薄帯内に生じる応力変化を薄帯の磁気特
性変化として検出するものであるが、センサ使用温度領
域で常に薄帯内にこの平面圧縮応力が作用するように設
計することにより、温度変化によるセンサの特性変化が
小さく、かつセンサの出力特性にヒステリシスが生じな
いセンサが供給できる。
【００１０】
【実施例】本発明の一実施例について図１〜図４を参照
しながら説明する。
しながら説明する。
【００１１】図１に示すように、直径３０mmのチタニウ
ム製トルク伝達軸１は−３０℃から２５０℃の温度域で
線膨張率９．４×１０ー6（１／℃）、１１６００（ｋｇ
／ｍｍ2）のヤング率を有する。４５％ニッケル−鉄磁
性合金（４５％ニッケル含有残部鉄）薄帯２ａ，２ｂは
４０ｍｍ幅、９０ｍｍ長の長方形状で５０μｍ厚の線熱
膨張率７．９×１０-6（１／℃）、正の飽和磁歪定数を
持ち、斜め±４５゜にそれぞれ対称にスリットを形成し
ている。そして線膨張率はトルク伝達軸１の値より１．
５×１０ー6（１／℃）小さい。
ム製トルク伝達軸１は−３０℃から２５０℃の温度域で
線膨張率９．４×１０ー6（１／℃）、１１６００（ｋｇ
／ｍｍ2）のヤング率を有する。４５％ニッケル−鉄磁
性合金（４５％ニッケル含有残部鉄）薄帯２ａ，２ｂは
４０ｍｍ幅、９０ｍｍ長の長方形状で５０μｍ厚の線熱
膨張率７．９×１０-6（１／℃）、正の飽和磁歪定数を
持ち、斜め±４５゜にそれぞれ対称にスリットを形成し
ている。そして線膨張率はトルク伝達軸１の値より１．
５×１０ー6（１／℃）小さい。
【００１２】長方形状の４５％ニッケル−鉄磁性合金薄
帯２ａ，２ｂを９００℃で真空中で２時間、長辺をトル
ク伝達軸１の周方向と平行に巻回アニールして、図２に
示すようにトルク伝達軸１の表面曲率と同じく３０ｍｍ
φの円筒形状とした。
帯２ａ，２ｂを９００℃で真空中で２時間、長辺をトル
ク伝達軸１の周方向と平行に巻回アニールして、図２に
示すようにトルク伝達軸１の表面曲率と同じく３０ｍｍ
φの円筒形状とした。
【００１３】その後、この磁性合金薄帯２ａ，２ｂをト
ルク伝達軸１とは付加重合型ポリイミド系接着剤で接着
した。接着剤として付加重合型ビスマレイミドトリアジ
ン樹脂（三菱ガス化学製ＢＴ２１６４）を用いた。接着
はトルクセンサの使用温度１５０℃より１００℃高い温
度２５０℃に急速昇温しこの温度で２時間保持して行な
った。こうすることによってトルクセンサの使用温度領
域−５０℃〜＋１５０℃で、磁性合金薄帯２ａ，２ｂ内
に常に印加される面内圧縮応力がトルクによって印加さ
れる面内応力以上となるように設計した。コイルで３
a，３bはコイル巻回用ボビン４ａ，４ｂに巻回し、その
コイル巻回数はそれぞれ１００であった。５は高透磁率
な４５％ニッケル−鉄合金のヨークである。
ルク伝達軸１とは付加重合型ポリイミド系接着剤で接着
した。接着剤として付加重合型ビスマレイミドトリアジ
ン樹脂（三菱ガス化学製ＢＴ２１６４）を用いた。接着
はトルクセンサの使用温度１５０℃より１００℃高い温
度２５０℃に急速昇温しこの温度で２時間保持して行な
った。こうすることによってトルクセンサの使用温度領
域−５０℃〜＋１５０℃で、磁性合金薄帯２ａ，２ｂ内
に常に印加される面内圧縮応力がトルクによって印加さ
れる面内応力以上となるように設計した。コイルで３
a，３bはコイル巻回用ボビン４ａ，４ｂに巻回し、その
コイル巻回数はそれぞれ１００であった。５は高透磁率
な４５％ニッケル−鉄合金のヨークである。
【００１４】トルク伝達軸１から斜め±４５゜にそれぞ
れ対称にスリットを設けた長方形状４５％ニッケル−鉄
磁性合金薄帯２ａ，２ｂに伝達された応力（歪）による
磁気特性の変化すなわち透磁率の変化をトルク伝達軸１
の同心円状にテフロン製のボビン４ａ，４ｂに巻回した
コイル３ａ，３ｂのインダクタンス変化をトルクの検出
回路を含む電気回路６によってトルクを検出する。７は
コイルとトルク検出回路６とを結ぶ導線である。トルク
検出のためコイル３ａ，３ｂに３０ｋＨｚで交流電流を
流し、１Ｏe(エルシュテッド)の交番磁界を生じさせ
た。長方形状４５％ニッケル−鉄磁性合金薄帯２ａ，２
ｂにそれぞれ対称に設けたスリットにより、斜め±４５
゜に形状異方性をもたせ、図３に示すように差動回路に
より、トルクの大きさと同時にトルクの方向も検出でき
る。
れ対称にスリットを設けた長方形状４５％ニッケル−鉄
磁性合金薄帯２ａ，２ｂに伝達された応力（歪）による
磁気特性の変化すなわち透磁率の変化をトルク伝達軸１
の同心円状にテフロン製のボビン４ａ，４ｂに巻回した
コイル３ａ，３ｂのインダクタンス変化をトルクの検出
回路を含む電気回路６によってトルクを検出する。７は
コイルとトルク検出回路６とを結ぶ導線である。トルク
検出のためコイル３ａ，３ｂに３０ｋＨｚで交流電流を
流し、１Ｏe(エルシュテッド)の交番磁界を生じさせ
た。長方形状４５％ニッケル−鉄磁性合金薄帯２ａ，２
ｂにそれぞれ対称に設けたスリットにより、斜め±４５
゜に形状異方性をもたせ、図３に示すように差動回路に
より、トルクの大きさと同時にトルクの方向も検出でき
る。
【００１５】図４にその出力特性を示した。−３０〜＋
１５０℃の温度域でヒステリシスのほとんどない温度特
性変化の少ないトルクセンサが提供できる。
１５０℃の温度域でヒステリシスのほとんどない温度特
性変化の少ないトルクセンサが提供できる。
【００１６】本発明ではニッケル−鉄磁性合金薄帯２
ａ，２ｂをトルク伝達軸１に接着する前に、熱処理によ
って内部応力を低減する。このとき、トルク伝達軸１の
外径と同じ内径を有するように熱処理によってニッケル
−鉄磁性合金薄帯２ａ，２ｂに巻癖をつけ、その後セン
サ使用温度の上限以上の温度で接着することによって、
トルク伝達軸１にニッケル−鉄磁性合金薄帯２ａ，２ｂ
の熱膨張率の差によって使用温度領域でニッケル−鉄磁
性合金薄帯２ａ，２ｂに常に面内圧縮応力を印加するよ
うにすると、特にヒステリシスのほとんどない温度特性
変化の少ない良好なトルクセンサが得られた。巻癖径が
異なったり、熱処理が不十分な場合ニッケル−鉄磁性合
金薄帯２ａ，２ｂ内に曲げ応力が発生したり、残留応力
が生ずるため、出力特性にヒステリシスが生じたり、温
度特性変化が大きくなる。
ａ，２ｂをトルク伝達軸１に接着する前に、熱処理によ
って内部応力を低減する。このとき、トルク伝達軸１の
外径と同じ内径を有するように熱処理によってニッケル
−鉄磁性合金薄帯２ａ，２ｂに巻癖をつけ、その後セン
サ使用温度の上限以上の温度で接着することによって、
トルク伝達軸１にニッケル−鉄磁性合金薄帯２ａ，２ｂ
の熱膨張率の差によって使用温度領域でニッケル−鉄磁
性合金薄帯２ａ，２ｂに常に面内圧縮応力を印加するよ
うにすると、特にヒステリシスのほとんどない温度特性
変化の少ない良好なトルクセンサが得られた。巻癖径が
異なったり、熱処理が不十分な場合ニッケル−鉄磁性合
金薄帯２ａ，２ｂ内に曲げ応力が発生したり、残留応力
が生ずるため、出力特性にヒステリシスが生じたり、温
度特性変化が大きくなる。
【００１７】また、ニッケル−鉄磁性合金薄帯２ａ，２
ｂに常に印加する面内圧縮応力がトルクによって印加さ
れる面内応力以上である場合使用温度全領域において特
に上記の良好なトルクセンサが得られる。本実施例では
この面内圧縮応力が接着条件により制御でき、センサ使
用温度上限１５０℃で面内圧縮歪が約１５０×１０ー6と
なる。故に、計測トルク上限値が印加された場合、最大
面内引張応力による表面歪値がこの値以下となるように
するのが望ましく、本実施例では１０ｋｇｆ・ｍを計測
トルク上限に選んだ。このような条件が満たされない場
合、出力特性にヒステリシスが生じたり、温度特性変化
が大きくなる。また、接着による過度な圧縮応力印加は
センサ出力を大幅に低下させ、好ましくない。
ｂに常に印加する面内圧縮応力がトルクによって印加さ
れる面内応力以上である場合使用温度全領域において特
に上記の良好なトルクセンサが得られる。本実施例では
この面内圧縮応力が接着条件により制御でき、センサ使
用温度上限１５０℃で面内圧縮歪が約１５０×１０ー6と
なる。故に、計測トルク上限値が印加された場合、最大
面内引張応力による表面歪値がこの値以下となるように
するのが望ましく、本実施例では１０ｋｇｆ・ｍを計測
トルク上限に選んだ。このような条件が満たされない場
合、出力特性にヒステリシスが生じたり、温度特性変化
が大きくなる。また、接着による過度な圧縮応力印加は
センサ出力を大幅に低下させ、好ましくない。
【００１８】また、本実施例では使用上限温度を１５０
℃としたが、この温度に限定されるものではなく、より
高温での使用が可能である。なぜなら、センサに使用す
る磁性材料は結晶質材料であり、結晶化温度を有するア
モルファス磁性合金などを用いるセンサに比べ、２００
℃以上の環境温度でも長時間使用できる。故に、高温で
の使用が可能で簡単な構造の安価なトルクセンサが実現
できる。
℃としたが、この温度に限定されるものではなく、より
高温での使用が可能である。なぜなら、センサに使用す
る磁性材料は結晶質材料であり、結晶化温度を有するア
モルファス磁性合金などを用いるセンサに比べ、２００
℃以上の環境温度でも長時間使用できる。故に、高温で
の使用が可能で簡単な構造の安価なトルクセンサが実現
できる。
【００１９】本実施例では４５％ニッケル−鉄磁性合金
について述べたがＮｉ含有率が異なる同ニッケル−鉄合
金でも同様のことが期待できる。特に、ニッケル−鉄合
金ではニッケル濃度によりその熱膨張係数の調整が可能
であり、所望のセンサ仕様を満足させるため、適当な材
料選択にも適している。
について述べたがＮｉ含有率が異なる同ニッケル−鉄合
金でも同様のことが期待できる。特に、ニッケル−鉄合
金ではニッケル濃度によりその熱膨張係数の調整が可能
であり、所望のセンサ仕様を満足させるため、適当な材
料選択にも適している。
【００２０】
【発明の効果】以上の実施例の説明から明らかなよう
に、本発明によれば、温度変化によるセンサの特性変化
が小さく、かつセンサの出力特性にヒステリシスが生じ
ない高精度な高温まで使用可能な、簡単な構造で安価な
トルクセンサが実現できる。
に、本発明によれば、温度変化によるセンサの特性変化
が小さく、かつセンサの出力特性にヒステリシスが生じ
ない高精度な高温まで使用可能な、簡単な構造で安価な
トルクセンサが実現できる。
【００２１】これらのセンサは今後、自動車、ロボット
などの制御に大きく貢献することが期待できる。
などの制御に大きく貢献することが期待できる。
【図１】（ａ）は本発明の一実施例のトルクセンサの部
分断面正面図 （ｂ）は同、Ａ−Ａ断面図
分断面正面図 （ｂ）は同、Ａ−Ａ断面図
【図２】同、接着前、熱処理後の円筒状、長方形状４５
％ニッケル−鉄磁性合金薄帯の斜視図
％ニッケル−鉄磁性合金薄帯の斜視図
【図３】トルク出力検出用差動回路図
【図４】トルク出力特性図
【図５】従来例のトルクセンサの部分断面正面図
１ トルク伝達軸 ２ａ，２ｂ ４５％ニッケル−鉄磁性合金薄帯 ３a，３b コイル
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】表面に磁性材料を有するチタン合金製トル
ク伝達軸と、前記トルク伝達軸の外側に配したコイル
と、前記コイルのインピーダンス変化を検出する検出回
路を備え、前記トルク伝達軸表面に、磁歪を有するニッ
ケル−鉄磁性材料薄帯を平面圧縮応力を印加させた状態
で接着してなるトルクセンサ。 【請求項２】ニッケル−鉄磁性材料薄帯をトルク伝達軸
の外径と同じ内径を有するように熱処理によって内部応
力低減するとともに巻癖をつけ、センサ使用温度の上限
以上の温度で接着することによって、トルク伝達軸にニ
ッケル−鉄磁性材料薄帯の熱膨張率の差によって使用温
度領域でニッケル−鉄磁性材料薄帯に常に面内圧縮応力
を印加するようにしたトルクセンサの製造法。 【請求項３】ニッケル−鉄磁性材料薄帯に常に印加する
面内圧縮応力がトルクによって印加される面内応力以上
である請求項１記載のトルクセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15646591A JPH055660A (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | トルクセンサおよびその製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15646591A JPH055660A (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | トルクセンサおよびその製造法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH055660A true JPH055660A (ja) | 1993-01-14 |
Family
ID=15628346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15646591A Pending JPH055660A (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | トルクセンサおよびその製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH055660A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5585574A (en) * | 1993-02-02 | 1996-12-17 | Mitsubishi Materials Corporation | Shaft having a magnetostrictive torque sensor and a method for making same |
| US7225686B2 (en) | 2004-03-22 | 2007-06-05 | Tdk Corporation | Torque sensing apparatus |
-
1991
- 1991-06-27 JP JP15646591A patent/JPH055660A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5585574A (en) * | 1993-02-02 | 1996-12-17 | Mitsubishi Materials Corporation | Shaft having a magnetostrictive torque sensor and a method for making same |
| US7225686B2 (en) | 2004-03-22 | 2007-06-05 | Tdk Corporation | Torque sensing apparatus |
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