JPH0634459A

JPH0634459A - 磁歪式トルクセンサ用磁歪検出体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0634459A
Application number: JP19231092A
Authority: JP
Inventors: Takao Nakanishi; 孝夫中西; Naotatsu Asahi; 直達朝日
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1992-07-20
Filing date: 1992-07-20
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】【目的】トルク伝達軸と磁性合金層との密着性が良
く、繰返し応力に対して安定した出力特性を示し、しか
も検出感度および再現性の優れた磁歪検出体およびその
製造方法を提供することを目的とする。【構成】トルク伝達軸１の外周面に、軸心に対して角
度４５゜に傾斜する複数の凹条溝２を形成するととも
に、この凹条溝２中に磁性合金層４を充填する磁歪検出
体およびその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非接触でトルクを検
出できる磁歪式トルクセンサに使用する磁歪検出体およ
びその製造方法に関する。

【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、その外周にソレノイドコイルを配
置した磁歪式トルクセンサとしては、特開昭６２−２０
６４２１号公報等に開示されている。

【０００３】このトルクセンサは、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
するというものである。

【０００５】したがって、センサの信頼性および耐久性
は磁歪検出層の形成状態によって決定されることにな
る。

【０００６】磁歪検出層の形成方法としては、軸の表面
に非晶質合金等の磁歪材料の箔を螺旋状に接着したもの
（特開昭５９−１６６８２７号公報）がある。また、軸
の表面に磁歪合金層をスパッタリング法（特開昭６０−
４２６２８号公報），湿式めっき法（特開昭６２−２０
６４２１号公報），あるいはプラズマ溶射法（特開昭６
３−２９７５４５号公報）で形成した後、切削加工また
は化学的エッチング法により角度４５゜の螺旋状に溝付
け加工して、形状異方性を付与したもの等がある。後者
の場合は、通常合金層の金属組織均一化と軸部材との接
着性を高めるために熱処理される。

【０００７】しかしながら、接着剤やろう材で磁歪材料
の箔を接着したものは、繰返し応力下での耐久性の面で
改善の余地がある。

【０００８】さらに、スパッタリング法では密着性が良
い半面、生成膜組成の制御が困難で、処理時間が長くか
かる欠点がある。

【０００９】湿式めっき法では密着性は良好であるが、
膜組成のバラツキが大きくなりやすく、厚い膜を形成す
ることが困難であるという課題がある。

【００１０】さらに、プラズマ溶射法では、膜厚制御性
および生産性が良く、膜組成のバラツキが小さく、耐久
性も良いが、被膜を薄く形成することが困難である。

【００１１】一方、後者の各磁歪検出層の形成は、軸の
外周面に均一な厚さに被膜を形成しておいてから、切削
あるいは研磨、またはマスキングして化学的エッチング
して螺旋状の溝付け加工するので、溝付け加工の際には
被膜を傷付けることなく複数の溝を寸法精度良く形成す
ることが必要で、この場合、機械加工は手間がかかり、
加工能率が低いという課題があり、エッチングにおいて
も能率が悪く、排液処理を考慮しなければならないとい
う不具合があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来提案
されている磁歪検出体は、被膜組成および被膜厚の安定
性、製作条件管理の難易度、生産性等で一長一短があ
り、それぞれ改良が望まれていた。

【００１３】この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたもので、トルク伝達軸と磁歪検出層との間の密着性
が良く、繰返し応力に対して安定した出力特性を示し、
しかも検出感度および再現性に優れた磁歪検出体を高い
生産性で提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明のトルクセンサ用磁歪検出体は、トルク伝
達軸の外周面に軸心に対して角度４５゜に傾斜する複数
の凹条溝が形成され、この凹条溝中に磁性合金層が設け
られていることを特徴とする。

【００１５】また、この発明に係るトルクセンサ用磁歪
検出体の製造方法は、トルク伝達軸の外周面に軸心に対
して角度４５゜に傾斜する複数の凹条および凸条を規則
的間隔毎に形成し、溶射法により凹条部および凸条部に
磁性合金層を形成し、磁性合金層を備えたトルク伝達軸
を無酸化雰囲気中で加熱処理し、磁性合金層を備えたト
ルク伝達軸の外周表層を機械加工により除去してトルク
伝達軸の凸条を表面に露出することを特徴とする。

【００１６】磁歪検出体軸は棒状あるいは円筒状で、不
銹鋼や非鉄合金のような非磁性でも合金鋼のような強磁
性体のいずれでも用いることができるが、強磁性体の場
合は磁性合金被膜を厚く形成する必要があるので、非磁
性である材料が好ましい。この場合、材料の熱膨脹係数
は、磁性合金と近似していることが好ましい。

【００１７】磁性合金は、公知のニッケル、１５〜６０
％Ｆｅ−Ｎｉ系合金、３０〜６０％Ｃｏ−Ｆｅ系合金、
８〜１８％Ａｌ−Ｆｅ系合金等が適用できる。磁歪係数
が大きく、安価であることを考慮すれば、５０％Ｆｅ−
Ｎｉ系合金が好適である。

【００１８】凹条溝中の磁性合金および凸条は、軸心に
対して角度４５゜の傾きであり、正転逆転検知用の場合
では軸の長手方向に一方は＋４５゜、他方は−４５゜に
形成されるのは従来と同じである。

【００１９】磁性合金部の厚さは、薄すぎると応力検出
特性が不安定になるので、軸材が非磁性材の場合は１０
μｍ以上形成するのが好ましい。また、軸材として強磁
性材を用いる場合は、検出磁束が軸材まで到達しない程
度の厚さが必要であるから、例えば、透磁率変化を検出
するための周波数が５０ＫＨｚの場合、被膜厚さは３０
μｍ以上設ける。また、磁性合金層の面積は、軸要部表
面の２０％以上にすることが望ましい。

【００２０】凸条は幅が狭すぎると傷がついた場合に隣
り合う磁性合金帯がつながって検出特性を悪くするとこ
ろがあるので、０．２mm以上が望ましい。

【００２１】次に、製造方法において、軸表面に予め設
ける複数の傾斜した溝の形成は、切削加工、塑性加工等
が適用できるが、。作業性の面から転造が好適である。

【００２２】凹条溝の断面形状はＶ形、正弦波形、歯車
形、台形、扇形などを適用できる。

【００２３】凹条溝を形成した軸部材に磁性合金を溶射
する場合は、予め表面の油などを除去しておくことが望
ましい。また、溶射被膜の密着性を高めるため、溶射さ
れる面をブラスト処理して梨地面にしておくことが望ま
しい。

【００２４】溶射は、Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ₂，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、溶融させて軸部材表面に吹き付け、被膜
を形成する。また、高温フレーム溶射法も適用できる。
被膜の表層部は気孔が多いので、仕上り厚さにより少し
厚めに形成しておき、後の工程で切削除去することが望
ましい。

【００２５】熱処理は、軸材と溶射被膜の密着を強固に
し、溶射された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、層状の金属組織を正常化して、感度
や直線性および耐久性を改善するものであり、真空中、
水素ガス中など無酸化雰囲気中で処理される。

【００２６】処理温度はＦｅ−Ｎｉ合金では９００〜１
１００℃、Ｃｏ−Ｆｅ合金では８００〜８５０℃、Ａｌ
−Ｆｅ合金では約４００℃で加熱して徐冷することは従
来と同様である。この場合、処理温度を高くすると、感
度は向上するが、直線性およびヒステリシスは処理温度
が高すぎても低すぎても悪くなることが知られている。
また、成分を均一化するために、前記の加熱徐冷する前
に、Ｃｏ−Ｆｅ合金では約１２００℃に加熱して急冷、
Ａｌ−Ｆｅ合金では約８００℃に加熱して急冷する処理
をすることがある。

【００２７】磁性合金被膜を設けた軸の外周面は、切削
あるいは研削により表層部を除去し、凹条溝内にある磁
性合金の必要厚さを形成するとともに、凸条を適正に露
出させる。

【００２８】この表面除去工程は、熱処理工程の前に行
なうことができる。

【００２９】

【作用】この発明によれば、軸表面の凹条溝中に磁性合
金が充填された構成の磁歪検出体であるから、軸材と磁
性合金の接着面積が多く、耐久性を改善する作用があ
り、また、凹条溝間の凸条は磁性合金層を区画してい
る。

【００３０】被膜の形成は溶射法であるから、溶射被膜
各部の組成バラツキを少なくて厚く形成できる。さら
に、熱処理を行なうことにより、金属組織を均一化させ
るから、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、再現性、および耐久
性を改善する。

【００３１】また、軸部材表面の凹凸条は転造などで容
易に形成でき、被膜は溶射で能率が良く形成でき、複数
の螺旋状の磁性合金は、研削等の機械加工により溶射被
膜の表層を除き軸部材の凸条頂き面を露出させることに
より簡単に形成できるものであるから、磁歪検出体を能
率良く安価に製作できる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を参照しな
がら詳細に説明する。

【００３３】まず、外径２０mm、長さ１００mmのステン
レス鋼棒（材質ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４）を準備した。

【００３４】次いで、図１に示すように、軸１の表面に
凹条２および凸条３をローレットによる転造で形成した
後、凸条３の外形を研削して寸法を整えて軸素材とし
た。

【００３５】凹条２および凸条３は略台形をしており、
凹条２の深さｈは０．５mmで、凹条２の幅Ｗ₂を５mmと
し、外周上に１０本形成した試料１と、凹条２の深さｈ
は同じで、凹条２の幅Ｗ₂を１mmとし、外周上に５０本
形成した試料２の２種類を用意する。

【００３６】凹条２および凸条３は軸の長手方向に一方
が角度＋４５゜に、他方が角度−４５゜に傾斜した状態
に形成する。

【００３７】各軸素材の外周面は、圧縮空気でコランダ
ムを吹き付けブラスト処理し、梨地面にした。

【００３８】次いで、凹条２部および凸条３部に溶射に
より厚さ０．６mmの磁性合金被膜４を設けた。溶射は、
２００トールの減圧Ａｒガス雰囲気中で、Ａｒ−Ｈ₂プ
ラズマジェットにより、５０％Ｆｅ−Ｎｉ合金粉末を吹
き付けた。この組成は、予備実験で各種組成のＦｅ−Ｎ
ｉ合金被膜４をプラズマ溶射で形成した検出体の磁歪特
性を評価し、特性が良好だったものである。

【００３９】次に、各試料を水素ガス中、温度１０００
゜に加熱したのち徐冷した。

【００４０】次いで、各試料の外周面を円筒研削盤で研
削し、図１に示す一点鎖線より外側を除去し、軸部材の
凸条３を露出させ試料とした。

【００４１】図２に、上記試料の断面構造を模式的に示
す。

【００４２】図２において、軸１の表面に凹条２および
凸条３があり、凹条２の溝中に磁性合金層４が密着充填
されており、磁性合金層４の表面および凸条３の頂き面
は円柱面である。

【００４３】なお、図３は試料２の断面構造を模式的に
示したものである。

【００４４】また、凹条２の断面形状は、図４（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ）に例示するように、Ｖ形、正弦
波形、歯車形、台形、扇形等を適用することができる。

【００４５】一方、比較用の試料３として、めっき法に
よる試料を作製した。

【００４６】前記と同じ寸法のステンレス鋼棒の外周面
を機械加工により平滑に仕上げた後、アルカリ脱脂洗浄
して軸素材とし、２０％Ｆｅ−Ｎｉ合金めっきを厚さ１
０μｍ施した。このめっき法は、特開昭６２−２０６４
２１号公報記載の方法と同様に、スルファミン酸ニッケ
ル溶液中で行なった。

【００４７】次に、軸の長手方向に、一方は角度＋４５
゜、他方は角度−４５゜で幅４mmの帯状にマスキング剤
（ワックス）を等間隔に被覆し、塩化第二鉄水溶液でエ
ッチングして、めっき膜を選択除去した。そして、水素
ガス中、温度３５０℃にて残留応力除去の熱処理を施
し、比較試料とした。

【００４８】なお、比較試料の合金組成を２０％Ｆｅ−
Ｎｉとし、熱処理温度を３５０℃としたのはＦｅ−Ｎｉ
合金のめっき被膜の場合、この合金組成が磁歪検出感度
が良好であり、この熱処理温度は軸材との接着性および
磁歪検出感度の点で良好であるという予備実験によって
得た知見に基づく。

【００４９】図５に、比較試料３の断面構造を模式的に
示す。図５において、軸１の表面に等間隔に磁性合金層
４が密着しており、磁性合金層４の間はエッチングで取
り除かれた選択除去部１０である。

【００５０】このようにして作成した各磁歪検出体を、
片持ち軸に固定し、図６に示すようにコイル５，６を配
置するとともに、図７に示すようなトルク検出用の電気
回路で、試料の一端に捩じりトルクを加えて、トルクと
出力電圧の関係を測定した。図７中符号７はトランジス
タ、８は入力端子、９は出力端子である。

【００５１】なお、コイル５，６の巻き数は４０ターン
で、励磁条件は周波数５０ＫＨｚ、電流１００ｍＡで、
波形はサイン波とした。

【００５２】ここで、感度は、１Ｎ・ｍのトルク印加時
の出力電圧の値である。

【００５３】直線性とは、所定トルクを正転および逆転
方向へ等しく印加したときの出力電圧値をグラフ上にプ
ロットして直線で結び、この直線に対して、各トルク印
加による出力電圧のずれ量を、フルスケール電圧に対す
る百分率で示した値である。

【００５４】また、ヒステリシスとは、トルクを正逆連
続して印加した後のトルク量０における出力電圧値のず
れ量を、前記フルスケール電圧に対する百分率で示した
値である。

【００５５】測定結果は表１の通りであり、本発明試料
１，２は、比較試料３に比べて各特性とも優れているこ
とがわかる。このことは、本発明試料１，２は組織バラ
ツキが小さく、接着面積が多いため、密着性が良好であ
ると考えられる。

【００５６】また、凹条２の幅Ｗ₂が広く本数が少ない
試料１と、幅Ｗ₂を狭く形成して本数を多くした試料２
を比較すると、試料２は出力の直線性およびヒステリシ
スにおいて良好である。

【００５７】一方、製作においては、比較試料３はめっ
き処理、選択除去処理およびこれらの液管理が煩雑であ
るのに対し、本発明試料１，２の場合、転造，溶射とも
に能率的であり、表層を機械加工で除去するという簡単
な手段で区画された磁性合金層を形成できることがわか
る。

【００５８】

【表１】次に、発明試料１と比較試料３について、前記の試験方
法と同様にセットし、軸に１０Ｎ・ｍの正逆捩じりトル
クを１０Ｈｚの周期で１０⁸回加え、その後のトルク変
換特性を測定し、劣化状況を調べた。比較試料３は感度
が５０％、直線性は５％、ヒステリシスにおいては７％
低下したのに比べ、発明試料１においては劣化はほとん
ど認められなかった。

【００５９】また、試料１と同様であるが、異なる点は
溶射被膜の厚さを０．４mmとして、熱処理および外周面
を研削した図８に示すような試料４を作成し、前述した
と同様な評価試験をした結果、試料１に比べて感度が劣
っていた。これは、溶射した被膜表面のままであるた
め、面粗さが大きいことによるものと考えられる。しか
し、比較試料３よりは性能が優れていた。

【００６０】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明に係る磁歪検
出体は、軸部材の凹条の溝中に磁性合金層が形成されて
いるため、軸部材と被膜の接着性が良好であり、耐久性
に優れており、感度、直線性などの特性が良好である等
の種々の効果を有する。

【００６１】さらに、本発明に係る磁歪検出体の製造方
法は、転造法、溶射法によるものであるから、能率良く
製作することができ、磁歪検出体の生産性が著しく向上
するという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁歪検出体の製造方法を説明する
要部断面図。

【図２】本発明試料１の磁歪検出体を示す要部断面図。

【図３】本発明試料２の磁歪検出体を示す断面図。

【図４】本発明に係る磁歪検出体における凹凸条の形状
を示す断面図。

【図５】比較試料３の要部断面図。

【図６】本発明の測定に使用するトルクセンサの構成を
示す説明図。

【図７】図６に示すトルクセンサにおけるトルクの検出
回路図。

【図８】本発明試料４の磁歪検出体を示す要部断面図。

【符号の説明】

１軸２凹条３凸条４磁性合金層５，６コイル７トランジスタ８入力端子９出力端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トルク伝達軸の外周面に磁気歪み効果を
有する磁性合金層を螺旋状に設けてなるトルクセンサ用
磁歪検出体において、トルク伝達軸の外周面に軸心に対
して角度４５゜に傾斜する複数の凹条溝が形成され、こ
の凹条溝中に磁性合金層が設けられていることを特徴と
するトルクセンサ用磁歪検出体。
【請求項２】トルク伝達軸の外周面に磁気歪み効果を
有する磁性合金層を螺旋状に設けてなるトルクセンサ用
磁歪検出体において、トルク伝達軸の外周面に軸心に対
して角度４５゜に傾斜する複数の凹条および凸条を規則
的間隔毎に形成し、溶射法により凹条部および凸条部に
磁性合金層を形成し、磁性合金層を備えたトルク伝達軸
を無酸化雰囲気中で加熱処理し、磁性合金層を備えたト
ルク伝達軸の外周表層を機械加工により除去してトルク
伝達軸の凸条を表面に露出することを特徴とするトルク
センサ用磁歪検出体の製造方法。