JPH06174567A

JPH06174567A - トルクセンサおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH06174567A
Application number: JP32833892A
Authority: JP
Inventors: Masaki Ikeda; 正樹池田; Akihiko Yoshida; 昭彦吉田; Masahiro Hiraga; 将浩平賀; Haruhiko Handa; 晴彦半田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-12-09
Filing date: 1992-12-09
Publication date: 1994-06-24

Abstract

(57)【要約】【目的】高品質で耐久性に優れたトルクセンサを提供す
ることを目的とする。【構成】金属軸基体11と、この金属軸基体11の上の絶縁
性ガラス層12と、この絶縁性ガラス層12の上の磁歪性材
料層13と、この磁歪性材料層13と空間を隔てて存在する
励磁コイル14および検出コイル15とから構成され、機械
的強度が強く、寿命特性に優れたトルクセンサを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車や建設機械、モー
タなどを使用した電気機械やロボットなどに用いられト
ルクを検出するためのトルクセンサに関するもので、特
に高い信頼性と簡易な構造を有するトルクセンサおよび
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】軸に直接伝達されるトルクは軸のねじれ
角または歪を計測することによって検出することができ
る。その方法は、(1) 軸の表面歪を歪ゲージにより検出
する方法、(2) 軸材の磁気歪を用いて検出する方法、
(3) 磁性歯車などを用いてねじれ角を検出する方法がな
どがある。最近では、(4) 磁歪を有するアモルファス磁
性合金を用いたトルクセンサが開発されている。即ち、
図２に示すように金属軸基体１の上に絶縁性接着層を介
してＦｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂなどのアモルファス磁性合金
薄膜２をトルク発生軸の軸方向に±４５°をなす螺旋状
に接着し、金属軸基体１を周回するように励磁コイル３
と検出コイル４を巻き、アンプで励磁コイル３を励磁す
ると、トルクによる金属軸基体１の透磁率変化を２つの
コイルの出力電圧変化として検出でき、この電圧変化が
印加されたトルクに比例するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
(1) 、(2) 、(3) の方法は計測用トルクメータとして用
いられており、自動車などにおいて低温〜高温環境まで
の使用条件を満足するものではなかった。また、(4) の
方法はアモルファス磁性合金薄膜と金属軸基体の接合に
絶縁性接着剤として、エポキシ樹脂やポリイミド系樹脂
を使用しており、そのため、機械的強度、耐久性、寿命
特性に劣っていた。

【０００４】本発明はこのような課題を解決するもの
で、高品質で耐久性に優れたトルクセンサを提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、金属基体と、この金属基体の上の絶縁性ガ
ラス層と、この絶縁性ガラス層の上の磁歪性材料層と、
この磁歪性材料層と空間を隔てて存在するコイルとから
構成されることを要旨とするものである。前記絶縁性ガ
ラス層は結晶化ガラスであり、この結晶化ガラスは、Ｍ
ｇＯが１６〜５０重量％、ＳｉＯ₂ が７〜３０重量％、
Ｂ₂ Ｏ₃ が５〜３４重量％、ＢａＯが０〜５０重量％、
Ｌａ₂ Ｏ₃ が０〜４０重量％、ＣａＯが０〜２０重量
％、Ｐ₂ Ｏ ₅ が０〜５重量％、ＭＯ₂ が０〜５重量％
（但し、ＭはＺｒ，Ｔｉ，Ｓｎのうち少なくとも一種の
元素）からなる。また、磁歪性材料層として磁歪性材料
の箔体を用い、この箔体を絶縁性ガラス層中に埋め込む
構成は好ましい。この磁歪性材料の箔体を用いる場合、
本発明のトルクセンサは、磁歪性材料の箔体をガラスペ
ースト層中に埋め込んだ転写紙を金属基体または絶縁性
ガラス層を有する金属基体の上に配置し、これを焼成し
て前記金属基体または絶縁性ガラス層上に磁歪性材料の
箔体を固定すること方法により製造される。

【０００６】

【作用】以上のように、金属基体上に絶縁性ガラス層を
介して磁歪性材料層を印刷焼成、蒸着、スパッタリン
グ、鍍金のいずれかの方法で設けることにより、機械的
強度が強く、寿命特性に優れたトルクセンサが得られ
る。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の詳細な実施例について説明す
る。図１に本発明の一実施例によるトルクセンサを示
し、11は金属軸基体で、この金属軸基体11の上に絶縁性
ガラス層12を設け、またこの絶縁性ガラス層12の上に磁
歪性材料層13を設けてある。14および15は前記磁歪性材
料層13と空間を隔てて存在する励磁コイルおよび検出コ
イルである。

【０００８】(1) 金属基体本発明に使用される金属基体はホーロ用鋼、ステンレス
鋼、珪素鋼、ニッケル−クロム−鉄、ニッケル−鉄、コ
バール、インバーなどの各種合金材やそれらのクラッド
材などが選択される。特に本発明において使用される金
属材料は、ガラス層との膨張率を整合させる必要がある
ことから、膨張率１００〜１４０×１０ ^-7／℃のステン
レス鋼が好ましい。

【０００９】金属基体の材質が決定されれば、所望の形
状加工、穴加工などが通常の機械加工、エッチング加
工、レーザ加工などで施される。その形状は、負荷荷重
の大きさや用途により、円筒形や板状（箔状も含む）な
どが選択される。

【００１０】これら金属基体はガラス層の密着性を向上
させる目的で、表面脱脂された後、ニッケル、コバルト
などの各種メッキを施したり、熱酸化処理によって酸化
被覆層が形成される。

【００１１】(2) ガラス層本発明に用いられるガラス層は、電気絶縁性、耐熱性の
観点から無アルカル結晶化ガラス（焼成によって、たと
えば、ＭｇＯ系の結晶相を析出）で構成されるのが好ま
しい。そのガラス組成は、特にＭｇＯが１６〜５０重量
％、ＳｉＯ₂ が７〜３０重量％、Ｂ₂ Ｏ₃ が５〜３４重
量％、ＢａＯが０〜５０重量％、Ｌａ₂Ｏ₃ が０〜４０
重量％、ＣａＯが０〜２０重量％、Ｐ₂ Ｏ₅ が０〜５重
量％、ＭＯ₂ が０〜５重量％（但し、ＭはＺｒ，Ｔｉ，
Ｓｎのうち少なくとも一種の元素）からなるとき、より
好ましい。

【００１２】このように、結晶化ガラス材料が選択され
る理由の１つは、金属基体とガラス層との密着性を強固
にするためである。特に、上記の組成のものは、密着性
が非常に強固である。

【００１３】上記ガラス層を金属基体上に被覆する方法
として、通常のスプレー法、粉末静電塗装法、電気泳動
電着法などがある。被膜の緻密性、電気絶縁性などの観
点から、電気泳動電着法が最も好ましい。

【００１４】この電気泳動電着法は、ガラスとアルコー
ルおよび少量の水を入れてボールミル中で約２０時間粉
砕、混合し、ガラスの平均粒径を１〜５μｍ程度にす
る。得られたスラリーを電界槽に入れて、液を循環す
る。そして、金属基体を、このスラリー中に浸漬し、１
００〜４００Ｖで陰分極させることにより、金属基体表
面にガラス粒子を析出させる。これを乾燥後、８５０〜
９００℃で１０分〜１時間焼成する。これによって、ガ
ラスの微粒子が溶融するとともに、ガラスの成分と金属
材料の成分が充分に相互拡散するため、ガラス層と金属
基体との強固な密着が得られる。

【００１５】なお、焼成は常温から徐々に昇温して上記
温度に到達させる方が微細針状結晶が無数に析出するた
め後述のアンカー効果の働きがより向上し、抵抗素子と
の密着性向上に効果があり、好ましい。

【００１６】結晶化ガラス材料が選択されるもう１つの
理由は、ガラス層の耐熱温度を高くするためである。す
なわち、ガラス層に抵抗素子を焼成法で形成するとき、
高温で焼成するのでガラス層の耐熱温度は少なくとも９
００℃以上必要である。本発明のガラスが非晶質のとき
の耐熱温度は６５０℃程度であるが、結晶化させること
によって耐熱温度が９００℃以上（９００℃でもガラス
が流動しないので、８５０℃で抵抗素子を焼成しても問
題ない）になる。それに対して一般の非晶質ガラスは、
再加熱しても結晶化しないので耐熱性（約６００℃以上
でガラスが流動するので、抵抗素子を６００℃以上で焼
成するとガラスと反応する）は向上しない。

【００１７】(3) 磁歪性材料およびその形成法磁歪性材料として、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂ、Ｆｅ−Ｓｉ
−Ｂなどのアモルファス磁性合金が選択される。本発明
のトルクセンサにおける磁歪性材料の形成法は、印刷
焼成、蒸着、スパッタリング、鍍金が好ましい、
また、磁歪性箔体をガラス絶縁層中に埋め込む方法、
磁歪性箔体をガラスペースト層中に埋め込んだ転写紙
を金属基体または絶縁性ガラス層を有する金属基体の上
に配置し、これを焼成して固定する方法も本発明に有効
である。

【００１８】の印刷焼成法で磁歪性材料を形成する方
法は、有機金属化合物を出発原料とし、それを主成分と
するペーストを作成してガラス層の表面に所定の形状に
パターン印刷し、さらに、その熱分解により磁歪性材料
成分元素の金属および合金膜を形成する。抵抗素子成分
元素として、ニッケル、クロム、銅、鉄、ルテニュウム
からなる群から選択された有機金属化合物を用い、その
他形成添加剤としてＢｉ、Ｒｈ、Ｖ、Ｓｂを少なくとも
２種以上含む熱分解有機化合物を用いる。この構成のも
のは、従来の厚膜技術で薄膜並の膜厚を得ることができ
る。

【００１９】もう１つの印刷法で磁歪性材料を形成する
方法としては、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ
などのアモルファス磁歪合金およびガラスフリットを主
成分とするペーストをガラス層に印刷し、その後焼成す
る方法がある。このペーストの成分には、主成分の磁歪
性材料およびガラスフリット（ホウケイ酸系ガラスな
ど）の他、フィラー（ＺｒＯ₂ など）、酸化ビスマス、
エチルセルロース、ブチルカルビトールアセテート（テ
ルピネオールでも良い）などが含まれている。

【００２０】、の方法は磁歪特性を有する材料のタ
ーゲットを用いて、蒸着、スパッタリングによって、所
定形状のマスクを、絶縁性ガラス層上に配置し、所定位
置にパターンニング形成する方法である。平面状の基体
への適用に向いている。

【００２１】の鍍金法は絶縁性ガラス層表面に樹脂ス
クリーン印刷などで、所定位置にマスク形成し、塩化パ
ラジウム液中で浸漬活性化処理し、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、
Ｂを含有する無電解メッキ液中に浸漬、アモルファス組
成の合金メッキする方法である。

【００２２】は磁歪性箔体をガラス絶縁層上に配置
し、焼成することによりガラスの軟化流動で接合し、磁
歪性箔体をガラス絶縁層中に埋め込む方法である。は
磁歪性箔体をガラスペースト層中に埋め込んだ転写紙を
金属基体または絶縁性ガラス層を有する金属基体の上に
配置し、これを焼成して、固定する方法である。

【００２３】上述の印刷法、メッキ法および転写法の抵
抗素子形成法は、円筒状の金属基体の側面に形成したガ
ラス層表面のような曲面上でも容易に抵抗素子を形成す
ることができる。また、これらの形成法は、安価でかつ
量産性に富む。

【００２４】以下に、具体実施例について説明する。具体実施例１本発明のトルクセンサに具現化した例を説明する。前述
の製造方法に基づいて種々の印刷法で抵抗素子を形成し
たトルクセンサを説明する。外径４０φｍｍ、長さ１０
０ｍｍのＳＵＳ４３０からなる金属軸基体を脱脂・水洗
・酸洗・水洗・ニッケルメッキ・水洗して前処理を行な
った後、表２の組成番号７のガラス粒子からなるスラリ
ー中に浸漬して、対極と金属軸基体間に直流電圧を印加
して、金属軸基体上にガラス粒子を被覆し、常温から８
８０℃まで４時間かけて昇温し、さらにこの温度で１０
分間保持する焼成を行ない結晶化ガラス層を形成した。
次に、結晶化ガラス層の表面にＦｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂを
含有するペーストをスクリーン印刷法でパターン印刷、
８５０℃で焼成して磁歪性材料層を形成した。また同様
にメッキ法、蒸着法、スパッタリング法によっても磁歪
性材料を形成した。なお比較例として、従来のアモルフ
ァス合金を旋回し、エポキシ樹脂で接合した方法での結
果も示した。表１は０〜２００℃の試験温度での歪伝達
率を示した結果である。

【００２５】

【表１】

【００２６】本発明の歪センサは従来に比べ、高温域で
の変化がなく、特定が安定していることを示す。

【００２７】具体実施例２前述のガラス層被覆工程に従い、ＳＵＳ４３０からなる
基体（１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．５ｍｍ）の表面
に、厚さ１００μｍの表２〜表６に示す組成の結晶化ガ
ラス層を電気泳動電着し、８８０℃で１０分焼成してサ
ンプルの表面粗度、うねり性、耐熱性などの諸特性を調
べた。その結果を組成とともに表２〜表６に示してい
る。

【００２８】なお、表面粗度はタリサーフ表面粗さ計で
測定し、表面中心線平均粗さＲａで示し、うねり性はタ
リサーフ表面粗さ計で得られた山と谷の差Ｒｍａｘで表
わした。

【００２９】耐熱性は、サンプルを８５０℃の電気炉中
に１０分入れ、炉から取り出し３０分間、自然放冷する
サンプルを繰り返すスポーリングテストを行なって、サ
ンプルのクラックや剥離の状態を調べた。なお、クラッ
クは赤インク中に浸漬し、その後、表面を拭き取って、
目視観察によって、その有無を調べた。表中、○は１０
サイクル以上行なっても異常が認められないもの、△は
５〜９サイクルで異常が発生したもの、×は４サイクル
以下で異常が発生したものを示す。

【００３０】密着性は、基体の曲げ試験を行ない、ガラ
ス層が剥離して金属部が露出したものを×、金属部が一
部だけ露出したものを△、金属部が露出していないもの
を○とした。

【００３１】以上の評価に基づき総合評価を行ない、そ
の結果を○、△、×で示した。Ｎｏ．１〜８は他の成分
を一定として、ＳｉＯ₂ とＢ₂ Ｏ₃ を変化させたもの、
Ｎｏ．９〜１５はＳｉＯ₂ ／Ｂ₂ Ｏ₃ をほぼ一定にし、
ＭｇＯ量を変化させたもの、Ｎｏ．１６〜１９は同じく
ＣａＯ量を変化させたもの。Ｎｏ．２０〜２４は同じく
ＢａＯ量を変化させたもの。Ｎｏ．２５〜２９は同じく
Ｌａ₂ Ｏ₃ 量を変化させたもの。Ｎｏ．３０〜４２はそ
れぞれ、ＺｒＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 、ＳｎＯ₂ 、Ｐ₂Ｏ₅ 、Ｚ
ｎＯの影響を示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】

【表３】

【００３４】

【表４】

【００３５】

【表５】

【００３６】

【表６】

【００３７】表２〜表６から明らかなように、ＳｉＯ₂
を増加していけば耐熱性は向上するが、表面性および密
着性が悪くなる。逆に、Ｂ₂ Ｏ₃ 量を増加していけば、
たしかに表面性、密着性は向上するか耐熱性は低下す
る。従って、本発明では、ＳｉＯ₂ ７〜３０重量％、Ｂ
₂ Ｏ₃ ５〜３４重量％の範囲内が好ましい。

【００３８】ＭｇＯ量は結晶性と相関があり、１６重量
％未満では結晶析出が不十分で、耐熱性に劣る。また、
５０重量％を超えると、結晶が析出しやすく、ガラス溶
融時に簡単に結晶化し、均質なガラスを得ることが難し
く、また表面粗度が大きくなる。

【００３９】ＣａＯ量は、２０重量％を超えると、表面
性が悪くなり好ましくない。ＢａＯ量は、５０重量％を
超えると、耐熱性および密着性が劣化し好ましくない。

【００４０】Ｌａ₂ Ｏ₃ 量は、４０重量％を超えると、
耐熱性が劣化し好ましくない。その他の添加可能な成分
はＺｒＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 、ＳｎＯ₂ 、ＰｎＯ₅ 、ＺｎＯな
どが挙げられるが、５重量％以下までなら添加可能であ
る。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明からも本発明によれば、耐熱
性、機械的強度に優れ、特性が安定で高品質のトルクセ
ンサを提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のトルクセンサの断面図であ
る。

【図２】従来例におけるトルクセンサの断面図である。

【符号の説明】

11 金属軸基体 12 絶縁性ガラス層 13 磁歪性材料層 14 励磁コイル 15 検出コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者半田晴彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属基体と、この金属基体の上の絶縁性
ガラス層と、この絶縁性ガラス層の上の磁歪性材料層
と、この磁歪性材料層と空間を隔てて存在するコイルと
から構成されることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】絶縁性ガラス層が結晶化ガラスであるこ
とを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
【請求項３】結晶化ガラスは、ＭｇＯが１６〜５０重
量％、ＳｉＯ₂ が７〜３０重量％、Ｂ₂ Ｏ₃ が５〜３４
重量％、ＢａＯが０〜５０重量％、Ｌａ₂ Ｏ ₃ が０〜４
０重量％、ＣａＯが０〜２０重量％、Ｐ₂ Ｏ₅ が０〜５
重量％、ＭＯ ₂ が０〜５重量％（但し、ＭはＺｒ，Ｔ
ｉ，Ｓｎのうち少なくとも一種の元素）からなることを
特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
【請求項４】磁歪性材料層が磁歪性材料の箔体からな
り、この箔体を絶縁性ガラス層中に埋め込んでなること
を特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
【請求項５】磁歪性材料の箔体をガラスペースト層中
に埋め込んだ転写紙を金属基体または絶縁性ガラス層を
有する金属基体の上に配置し、これを焼成して前記金属
基体または絶縁性ガラス層上に磁歪性材料の箔体を固定
することを特徴とするトルクセンサの製造方法。