JPH0666651A - 磁歪式トルクセンサ用磁歪検出体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気異方性が良好であり、感度，直線性など
の特性が良好で、しかも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を目的とする。 【構成】 トルク伝達軸１の外表面に軸の長手方向に対
して角度４５゜に傾斜する複数の凸条３を規則的間隔毎
に形成するとともに、この凸条３の頂き面の幅を０．５
mm以上に設定し、この凸条の頂き面上に磁性合金層４を
形成したトルクセンサ用磁歪検出体。

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
変化が生じ、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】従来の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。

【０００７】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６２−２０６４２１号公報），あるいはプラ
ズマ溶射法（特開昭６３−２９７５４５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。

【０００８】なお、後者の場合は、通常、合金層の金属
組織の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。

【０００９】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。

【００１０】さらに、スパッタリング法では密着性が良
い反面、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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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を行なうので、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。

【００１４】

【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。

【００１５】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提供
することを目的とする。

【００１６】

【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
達軸の外周面に軸の長手方向に対して角度４５℃に傾斜
する複数の凸条が規則的間隔毎に形成されており、上記
凸条の頂き面の幅が０．５mm以上に設定され、磁性合金
層がこの凸条の頂き面上に形成されていることを特徴と
する。

【００１７】さらに、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。

【００１８】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。

【００１９】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様
である。凸条の高さは、０．２mm以上が好ましい。ま
た、凸条の傾きの幅は０．５mm以上とし、凸条の頂き面
の面積は円筒面積の２０％以上にすることが望ましい。

【００２０】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２０
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３０μ
ｍ以上設ける。

【００２１】次に、磁歪検出体の製造方法は、トルク伝
達軸の外周面に溶射により磁性合金層を形成し、無酸化
雰囲気中で加熱処理した後、切削加工で軸の長手方向に
対して４５゜に傾斜した複数の凹条溝を形成するか、ま
たは、トルク伝達軸の外周面に予め切削加工または転造
などで凹条溝を形成して、凸条の頂きを研磨して円弧面
を形成し、高さを整え、凹条溝をマスキングした状態で
凸条面だけに溶射により磁性合金層を形成した後、前記
と同様に熱処理すればよい。

【００２２】凹条の形状は、Ｖ形，正弦波形，歯車形，
台形，扇形等が適用できる。

【００２３】磁性合金の溶射をする場合は、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，Ｎ ₂，Ｈ ₂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―ム溶射法で行なうことが
できる。

【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系合金では９００
〜１１００℃，Ｃｏ−Ｆｅ系合金では８００〜８５０
℃，Ａｌ−Ｆｅ系合金では約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。

【００２７】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系合金では約１２００℃に
加熱して急冷，Ａｌ−Ｆｅ系合金では約８００℃に加熱
して急冷する処理をすることがある。

【００２８】

【作用】この発明による磁歪検出体の磁性合金層は、角
度４５°に傾斜した凸条の頂き表面に形成され、異方性
が付与されており、この磁性合金層が凸条の頂き面に形
成されていて、軸表面に細く突出した状態にすると、ト
ルクによる変位量が大きく異方性をもつことから、良好
な感度を示すようになる。

【００２９】磁歪検出は、凸条の頂き面近傍の磁性合金
層の歪みによる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される。

【００３０】また、凸条の頂き面の幅が狭いと出力が少
なくなるので、０．５mm以上必要である。

【００３１】被膜の形成は溶射法であるから、作業能率
が良く、安価に製作でき、磁性合金層の組成バラツキが
少なくて厚く形成できる。

【００３２】熱処理して金属組織を均一化すると、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。

【００３３】

【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。

【００３４】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、軸
素材とする。なお、軸素材の外周面は、圧縮空気でコラ
ンダムを噴き付けてブラスト処理し梨地面にしてある。

【００３５】次に、軸素材の外周面にプラズマ溶射によ
り、厚さ０．１mmの磁性合金被膜を設けた。溶射は、２
００ト―ルの減圧Ａｒガス雰囲気中で、Ａｒ−Ｈ ₂プラ
ズマジェットにより、５０％Ｆｅ−Ｎｉ系合金粉末を吹
き付けた。この組成は、予備実験で各種組成のＦｅ−Ｎ
ｉ系合金被膜をプラズマ溶射で形成し、磁歪特性を評価
して特性が良好だったものである。

【００３６】次いで、各試料を水素ガス中，温度１００
０℃に加熱した後、徐冷し、機械加工により図１に示す
ように、軸の長手方向に一方は角度＋４５゜，他方は角
度−４５゜で凹条２を形成して試料とした。

【００３７】この試料は、図２に示す断面模式図のよう
に、凸条３が略台形状をしており、凸条３の頂き面に磁
性合金層４が密着した構造をしており、凸条３の高さを
０．５mm，頂き面の幅Ｗ ₃を０．５mmで軸１の外周面上
に４０本形成した試料１と、凸条３の頂き面の幅Ｗ ₃を
１mmとし、軸１の外周面上に２０本形成した試料２，お
よび凸条３の頂き面の幅Ｗ ₃を２mmとし、軸１の外周面
上に１０本形成した試料３をそれぞれ形成する。

【００３８】一方、比較用の試料として、前記したと同
じステンレス製軸素材に、転造により外周面の軸の長手
方向に一方が角度＋４５゜，他方が角度−４５゜で、凹
条４および凸条５を設け、その表面をブラスト処理した
後、前記したと同様な方法で凹条４および凸条５の表面
に厚さ０．１mmの磁性合金溶射被膜を設け、熱処理を施
し比較試料４を製作した。なお、凸条５は円周上に３１
本形成した。

【００３９】このようにして作製した試料１ないし試料
３および比較試料４を片持ち軸に固定し、磁性合金層が
ある軸の外側にコイルを配置して、図４に示すような電
気回路とし、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。

【００４０】なお、図４中符号５，６はコイル、符号７
はトランジスタ、符号８は入力端子、符号９は出力端子
を示す。なお、コイル５，６の巻き数は４０タ―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。

【００４１】ここで、感度は、１Ｎ・ｍのトルク印加時
の出力電圧の値をいい、直線性は、トルクを正転方向お
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おき、正逆各最大トルクの出力電圧
を直線で結び、この直線からプロットした電圧値の最大
ずれ量を、フルスケ―ル電圧（正逆各最大トルクの出力
電圧の差）に対する百分率で示した値であり、ヒステリ
シスは、正トルク，逆トルクを連続して印加したとき、
トルクがゼロにおける出力電圧値ずれ量を、前記のフル
スケ―ル電圧に対する百分率で表わした値である。

【００４２】測定結果は表１の通りである。本発明試料
１，２，３は、比較試料４に比べて各特性とも優れてい
ることがわかる。これは、本発明試料は磁性合金被膜が
非連続的で細長い帯状であるため、磁気異方性が大きい
ためと推察される。

【００４３】また、発明試料１，２，３から、凸条３の
頂き面の幅Ｗ ₃が大きいほど、感度および直線性が低下
する傾向を示している。これは、凸条３の剛性が大きく
なるほどトルクに対する変位量が小さくなることに起因
しているものと考えられる。

【００４４】

【表１】 次に、試料１について、前記の試験方法と同様にセット
し、軸に１０Ｎ・ｍの正逆戻りトルクを１０Hzの周期で
１０ ⁸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。その結果、劣化はほとんど認められなかっ
た。

【００４５】

【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、軸部材の凸条の頂き面に磁性合金被膜が形成さ
れているため、磁気異方性が良好なものであり、感度，
直線性などの特性が良好であるとともに、耐久性に優れ
ており、性能の良いトルクセンサを提供できるという効
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側面図。

【図２】本発明による磁歪検出体の要部を示す断面図。

【図３】比較試料の構成を示す断面図。

【図４】トルクセンサの検出回路図。

【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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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設けた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の長手方向に対して
   角度４５℃に傾斜する複数の凸条が規則的間隔毎に形成
   されており、上記凸条の頂き面の幅が０．５mm以上に設
   定され、磁性合金層がこの凸条の頂き面上に形成されて
   いることを特徴とするトルクセンサ用磁歪検出体。