JPH07297462A - 磁歪材料、これを用いた磁歪式トルクセンサ用磁歪検出体およびその製造方法 - Google Patents

磁歪材料、これを用いた磁歪式トルクセンサ用磁歪検出体およびその製造方法

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JPH07297462A
JPH07297462A JP6081780A JP8178094A JPH07297462A JP H07297462 A JPH07297462 A JP H07297462A JP 6081780 A JP6081780 A JP 6081780A JP 8178094 A JP8178094 A JP 8178094A JP H07297462 A JPH07297462 A JP H07297462A
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magnetostrictive
shaft
magnetostrictive material
material layer
torque sensor
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Tadashi Sugihara
忠 杉原
Yukihiro Ouchi
幸弘 大内
Kazufumi Yoshida
和史 吉田
Akiyoshi Sugimoto
明義 杉本
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Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 逆磁歪効果に優れた磁歪材層を形成すること
ができる磁歪材料、さらにこのような磁歪材料を十分な
接合強度でシャフトに接合させることが可能であり、し
かもトルクの検出を高感度に行なうことができる高信頼
性の磁歪式トルクセンサ用検出体およびその製造方法を
提供する。 【構成】 磁歪材料として、次の一般式 FexySiz (ただし式中、x+y+z=100、65<x<80、20
<y+z<35、2<y<33である。)、次の一般式 FexNiyMomn (ただし式中、x+y+m+n=100、70<x+y<8
0、30<x<50、20<m+n<30、2<m<10で
ある。)、または次の一般式 FexCoymSin (ただし式中、x+y+m+n=100、75<x+y<9
0、50<x<80、10<m+n<25、9<m<24で
ある。)で表わされる非晶質または結晶質合金組成を有
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、非晶質磁性合金の逆磁
歪効果を利用して、動力伝達軸としてのシャフトに伝わ
るトルクを非接触で測定する磁歪式トルクセンサに用い
られる磁歪材料、これを用いた磁歪式トルクセンサ用磁
歪検出体およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】強磁性体は、磁化されるとその寸法が微
小変形し、逆に外力を加え弾性変形を与えるとその透磁
率が変化する性質を有する。前者を磁歪効果、後者を逆
磁歪効果という。これらの効果の大きさの目安として
は、飽和磁歪係数λs が用いられる。上記逆磁歪効果を
利用して、回転軸に加えられたトルクを磁気的に検出す
るセンサを磁歪式トルクセンサという。
【0003】一般に、原動機、工作機械等に用いられる
動力伝達軸(シャフト)においては、出力制御または動
力変動制御のため、シャフトに加わるトルクが計測され
ている。このトルクの計測には磁歪式トルクセンサが用
いられている。従来、磁歪式トルクセンサに用いられて
いる磁歪式トルク検出部付きシャフトとして、特開昭6
3−81993号公報に示すように、シャフト自体を、
磁歪効果を有する鋼製シャフトで構成したシャフトが知
られている。
【0004】また、特開昭59−166827号公報に
示すように、シャフトの表面に、磁性金属薄帯を合成樹
脂系接着剤等によって固定して、磁歪式トルク検出部と
しての磁歪材層を形成したシャフトも知られている。こ
のシャフトからトルクを検出するには、シャフトに作用
するトルクによる応力を磁歪材層まで伝達させ、このと
きの磁歪材層の逆磁歪効果による透磁率の変化を外部か
ら非接触で検出する。
【0005】また、特開平4−155232号公報に示
すように、シャフトの表面に中間層としてニッケル膜を
メッキにより形成し、その表面にパーマロイ層をメッキ
により形成し、熱処理することにより、接着剤を用いる
ことなくシャフトの表面に磁歪材層を形成した磁歪式ト
ルク検出部付きシャフトの製法も知られている。
【0006】さらに特開昭62−184323号公報、
特開平4−346043号、特開平5−52678号公
報には、このような磁歪材層をプラズマ溶射法などの溶
射法によりシャフト表面に形成することが開示されてい
る。さらに上記特開平4−346043号公報には、N
i−Fe層をプラズマ溶射法により形成したのち、無酸
化雰囲気中にて900〜1100℃で加熱拡散処理を行
なうことが、また上記特開平5−52678号公報に
は、同様にFe−Co層をプラズマ溶射法により形成し
たのち、無酸化雰囲気中にて800〜850℃で加熱拡
散処理を行なうことが開示されている。
【0007】また特公昭63−20031号公報には、
このような磁歪材料として、パーマロイ(Fe−Ni合
金)、センダスト(Fe−Al−Si合金)、Fe−S
i合金などの軟質磁性材料に代えて、Co1-a-bFea
bzSixy(ただし、M=Ti、Zr、Hf、V、N
b、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Ru、Ir、
Pd、Pt、Ag、Au、Cu、Zn、Al、Ga、I
n、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Y、希土類金属の
うちから選ばれた少なくとも一種、0.05≦a≦0.
5、0≦b≦0.15、0≦x≦20、4≦y≦35、
x+y+z=100)の組成よりなる非晶質合金を用い
ることが提唱されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の磁歪式トルクセンサにおいては、次に示す問
題点を有している。まず、特開昭63−81993号公
報に示すようなシャフト自体の磁歪効果を利用した磁歪
式トルク検出部付きシャフトでは、磁歪材層を別途設け
たのシャフトに比較して磁歪効果が低く、結果としてト
ルク検出の感度が低いという問題点を有している。その
ため、このシャフトを用いたトルクセンサでは、処理回
路が複雑かつ高価になる。
【0009】一方、また、特開昭59−166827号
公報に示すようにして磁歪材層を別途設けたシャフトで
は、磁歪材層を接着剤で接着していることから、磁歪材
層そのものに耐食性をもたせることができるものの、十
分な磁歪材層とシャフトとの接合強度が得られず、信頼
性にかけるという問題点を有している。すなわち、この
シャフトでは、シャフトへ加えられるトルクの大きさ、
または、高温多湿の使用環境条件によっては、磁歪材層
とシャフトとの接合が劣化するおそれがあり、加えられ
るトルクと検出される透磁率の変化との相関関係が崩れ
てしまい、トルクの検出精度が低下してしまうおそれが
ある。このような不都合が生じる原因は、シャフトに加
えられるトルクと合成樹脂系接着剤の接合強度との比
が、トルクが大きくなるにしたがって小さくなり、シャ
フトに生じる応力を磁歪材層へ十分に伝達できなくなる
からと想定される。また、合成樹脂系接着剤自体の経時
変化や使用環境温度の熱による劣化等に起因しているも
のと想定される。
【0010】また、特開平4−155232号公報に示
すように、シャフトの表面に中間層としてニッケル膜を
メッキにより形成し、その表面にパーマロイ層をメッキ
により形成し、熱処理することによりシャフトの表面に
磁歪材層を形成した場合、パーマロイ層の磁歪定数は、
2〜3×10-6程度であり、磁歪定数が30〜40×1
-6である鉄系非晶質磁歪材層に比較して逆磁歪特性に
劣るという課題を有している。また、逆磁歪特性に優れ
た鉄系非晶質磁歪材層をシャフトに接合しようとする場
合には、鉄系非晶質磁歪材層をメッキ法で接着すること
は困難である。
【0011】さらに、特開昭62−184323号公
報、特開平4−346043号、特開平5−52678
号公報に示されるようにプラズマ溶射法によりシャフト
表面に磁歪材層を形成した場合においても、磁歪材層と
シャフトとの接合が十分ではなく、さらに加熱拡散を行
なったとしてもシャフトとの接合性が十分満足できるも
のにまでは改善されず、長期の使用に耐えられないもの
であった。
【0012】また特公昭63−20031号公報に示さ
れるような組成の非晶質合金を磁歪材料として用いた場
合、我々の行なった実験によれば、このような磁歪材料
により形成される磁歪材層とシャフトとの接合性を十分
なものとすると、このトルクセンサにおいて、トルクに
対する出力の直線性、ヒステリシス特性が満足できるも
のとはならないことが明らかとなった。
【0013】本発明は、このような実状に鑑みてなさ
れ、逆磁歪効果に優れた非晶質磁歪材層を形成すること
ができる磁歪材料、さらにこのような磁歪材料を十分な
接合強度でシャフトに接合させることが可能であり、し
かもトルクの検出を高感度に行なうことができる高信頼
性の磁歪式トルクセンサ用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。
【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、本発明の磁歪材料は、次の一般式 FexySiz (ただし式中、x+y+z=100、65<x<80、20
<y+z<35、2<y<33である。)、次の一般式 FexNiyMomn (ただし式中、x+y+m+n=100、70<x+y<8
0、30<x<50、20<m+n<30、2<m<10で
ある。)、または次の一般式 FexCoymSin (ただし式中、x+y+m+n=100、75<x+y<9
0、50<x<80、10<m+n<25、9<m<24で
ある。)で表わされる非晶質または結晶質合金組成を有
することを特徴とする。
【0015】また本発明の磁歪式トルクセンサ用磁歪検
出体は、上記のごとき非晶質または結晶質合金組成を有
する磁歪材層を設けたことを特徴とする。さらに本発明
の磁歪式トルクセンサ用磁歪検出体の製造方法は、シャ
フト表面上に磁歪材層を仮留め形成した後、減圧条件下
において高周波誘導加熱を行なうことにより、磁歪材層
をシャフト表面に溶融接合することを特徴とする。
【0016】この製造方法において、磁歪材層は、予め
原料を溶解して所定の合金組成を有する磁歪材料のイン
ゴットを形成し、これを粉砕して得られた磁歪材料粉末
を用いて溶射を行なうことによりシャフト表面上に磁歪
材層を仮留め形成するものであることが望ましい。ある
いは、磁歪材層は、予め原料を溶解し急冷延伸して所定
の合金組成を有する磁歪材料のリボンを形成し、これを
所定長に裁断してシャフトに巻き付け、スポット溶接な
どにより溶接することによりシャフト表面上に磁歪材層
を仮留め形成するものであることが望ましい。さらに、
高周波誘導加熱を行なうことにより磁歪材層をシャフト
表面に溶融接合した後に、磁歪材層にレーザー、電子ビ
ーム等の電磁波ビームを照射して磁歪材料を非晶質化す
るものであることが望ましい。
【0017】
【作用】本発明の磁歪材料は、Fe−B−Si系、Fe
−Ni−Mo−B系、あるいはFe−Co−B−Si系
において前記したような特定の組成を有するものとし、
逆磁歪特性、その他耐食性、耐熱性、強度等の特性に優
れたものとする。このため、この磁歪材料によりシャフ
ト表面に磁歪層を形成し磁歪式トルクセンサの検出体と
して用いた場合、トルクに対する出力の直線性、ヒステ
リシス特性が良好なものとなる。
【0018】さらに本発明の磁歪式トルクセンサ用検出
体の製造方法では、磁歪材層をシャフトの外周に形成す
るにおいて、磁歪材層をシャフトに仮留め形成した後、
減圧条件下において高周波誘導加熱することにより、非
常に短時間の処理にて、強固に接合させる。また減圧条
件下、特に高真空化にて熱処理を行なうために、物性の
バラツキと耐久性の上で問題となる酸素の混入という問
題も生じない。その結果、シャフトから磁歪材層へのト
ルクの伝達が良好となり、トルク検出の信頼性が向上す
る。また、磁歪材層にレーザー、電子ビーム等の電磁波
ビームを照射して磁歪材料を非晶質化し非晶質磁歪材層
とすることで、トルクの検出が高感度になる。
【0019】なお、磁歪材層は、高周波誘導加熱時に完
全に溶融し、シャフト材表層部と拡散結合することとな
るが、この際、Mn,Crなどのシャフト材成分(逆磁
歪効果にとって有害)が磁歪材層の表面部近傍まで多量
に拡散してしまうと、逆磁歪特性が劣化する。しかしな
がら、本発明の磁歪材料は、Fe系シャフト材の融点よ
りも十分低く、かつ前記減圧条件下での高周波誘導加熱
に要する時間は、例えば240秒といった非常に短い時
間であるので、磁歪材層へのシャフト材成分の拡散は大
きく生じるものではなく、このため磁歪材層の逆磁歪特
性への影響は極めて少ないと考えられる。
【0020】また、磁歪センサの励磁周波数として、数
十kHz程度の周波数を用いるためには、磁歪材層の厚
さは、20μm以上が好ましい。
【0021】
【実施例】以下、本発明の一実施例に係る磁歪式トルク
センサ用検出体を有するシャフトおよびその製造方法に
ついて、図面を参照しつつ詳細に説明する。図1は本発
明の一実施例に係る磁歪式トルクセンサ用検出体を有す
るシャフトの要部を示す概略断面図、図2は磁歪式トル
クセンサ用検出体を有するシャフトを用いたトルクセン
サの全体構成図、図3は本実施例の磁歪式トルクセンサ
用検出体を有するシャフトの製造方法を示す概略図、図
4は本発明の一実施例で用いる熱処理装置の概略図であ
る。
【0022】図1に示すように、本発明の一実施例に係
る磁歪式トルクセンサ用検出体を有するシャフト2は、
シャフト2の表面に磁歪材層4が形成され、シャフト2
に対し磁歪材層4が強固に溶融接合されることにより、
磁歪式トルクセンサ用検出体6とされている。シャフト
2に形成された磁歪式トルクセンサ用検出体6は、たと
えば図2に示すように、シャフトの軸心に対して相互に
逆方向に約45度の傾きで傾斜した二列のスリット状パ
ターンを有する。
【0023】各パターンが形成されたシャフト2の外周
には、約2mm以上程度の隙間で励磁コイル(図示せず)
が配置してある。これら励磁コイルは、数kHzから数
百kHzの交流電源(図示していない)に接続してあ
る。このため、動力伝達軸としてのシャフト2の表面に
形成された磁歪式トルクセンサ用検出体6としての磁歪
材層4,4には使用に耐える交流磁界が与えられる。励
磁コイルの周囲には、シャフトに形成してある磁歪式ト
ルクセンサ用検出体6の二列のパターンに対応して、検
出コイル8,8が配置してある。検出コイル8,8の一
端同士は接続され、他端はそれぞれ差動検出手段10に
接続してあり、磁歪式トルクセンサを構成している。
【0024】磁歪式トルクセンサ用検出体6を、前述し
たようにシャフトの軸心に対して相互に逆方向に約45
度に傾く二列のスリット状パターンに形成することで、
シャフトが一方向に回転した場合に、一方のパターンに
は圧縮応力が作用し、他方のパターンには引っ張り応力
が作用する。したがって、これらの応力に基づく透磁率
の変化の差を、磁歪式トルクセンサとしての検出コイル
8,8および差動検出手段10で測定することで、シャ
フト2に作用するトルクを検出することができる。差動
検出手段としては、たとえば差動アンプが用いられる。
なお、上記透磁率の変化の差は磁気ヘッドを用いて検出
してもよい。
【0025】本実施例では、図1に示すように、前述し
たようなパターンに形成された磁歪式トルクセンサ用検
出体6は、前述したように、シャフト2の表面に形成さ
れた磁歪材層4から構成される。磁歪材層4としては、
以下に示すような特定の組成比を有するFe−B−Si
系、Fe−Ni−Mo−B系、あるいはFe−Co−B
−Si系の非晶質または結晶質合金、好ましくは非晶質
合金が用いられる。
【0026】FexySiz (ただし式中、x+y+z=100、65<x<80、20
<y+z<35、2<y<33である。)、次の一般式 FexNiyMomn (ただし式中、x+y+m+n=100、70<x+y<8
0、30<x<50、20<m+n<30、2<m<10で
ある。)、または次の一般式 FexCoymSin (ただし式中、x+y+m+n=100、75<x+y<9
0、50<x<80、10<m+n<25、9<m<24で
ある。)これらの合金組成において、Feは誘電磁気異
方性の大きな値を得るため、及び飽和磁歪値の制御のた
めの必須成分である。その値xがそれぞれの組成におい
て規定される範囲よりも小さいと、誘電磁気異方性値及
び飽和磁歪値が小さく、一方大きいと飽和磁歪値が大き
くなり、線形性が劣化してしまう。
【0027】またCoおよびNiは、Feと同様に誘電
磁気異方性の大きな値を得るため、及び飽和磁歪値の制
御のため成分であるが、その含有率をそれぞれ上記範囲
の限定したのは、これらの範囲を逸脱すると、ヒステリ
シス特性が悪くなったり飽和磁歪値が小さくなる虞れが
あるためである。
【0028】またBは非晶質合金の製造に不可欠の元素
であり、またSiは結晶化温度を上昇させるのに効果の
ある元素であり、またMoも結晶化温度を上昇させ、熱
安定性を向上させるとともに熱膨脹係数の大きさを調整
することができるものであるが、その含有率をそれぞれ
上記範囲の限定したのは、これらの範囲を逸脱すると、
非晶質合金の製造が困難となり、また線形性が大きく低
下してしまうためである。
【0029】次に、本発明の一実施例に係る磁歪式トル
クセンサ用検出体を有するシャフトの製造方法について
説明する。まず図3(A)に示すようにシャフト2を準
備する。シャフト2としては、特に限定されないが、た
とえばSNCM439、YHD50などが用いられる。
このシャフト2は、まず洗浄される。
【0030】シャフト2の洗浄後、図3(B)に示すよ
うに、シャフト2の所定の軸方向所定位置外周に、トル
クセンサ用検出体6を形成するための磁歪材層4を形成
仮留めする。形成仮留めする方法としては、予め原料を
溶解して所定の合金組成を有する磁歪材料のインゴット
を形成し、これを粉砕して得られた磁歪材料粉末を用い
てプラズマ溶射等の溶射を行なうか、あるいは予め原料
を溶解し急冷延伸して所定の合金組成を有する磁歪材料
の薄帯(リボン)を形成しておき、これをシャフトに巻
き付けて、スポット溶接などで仮止めすること等により
行なわれるが、前者の方法が最終的に磁歪材層をシャフ
トにより強固かつ均一に接合できるために望ましい。
【0031】なお、このように予め所定の合金組成を有
する磁歪材料のインゴットあるいはリボンを作成してお
くことで、磁歪材層の組成の均一化が図られ、特に溶射
法によった場合においても、各成分の溶融温度の相違に
よる合金組織のバラツキ、欠陥の発生といった問題を回
避できる。
【0032】プラズマ溶射法は、一般にはAr、He、
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ものであり、所望の層厚、例
えば、200〜300μmとなるまで、必要に応じて溶
射操作を繰り返す。なお、この層厚は、検出磁束の侵入
深さと後述するような熱処理後の被膜の欠陥が少ない厚
さ範囲から決まる。被膜が薄すぎると基材の影響が表わ
れることになり出力特性の変動をきたすこととなり、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
生し仕上げ後に最表面に欠陥がでやすくなり歩留りの低
下につながることから、上記の範囲の層厚とすることが
望まれる。リボンを巻き付ける態様においても、前記し
たような層厚となるように巻き付けられるが、操作性の
上からリボンの膜厚は、たとえば50〜100μm程度
が好ましい。
【0033】次に、磁歪材層4を仮留めした状態のシャ
フト2を、たとえば図4に示すような高周波溶融接合装
置12を用いて、減圧条件下に熱処理する。この装置1
2は、シャフト2を収容する真空チャンバー14を有
し、シャフト回転装置16によりシャフト2が回転する
ようになっている。シャフト回転装置16は、回転制御
装置18により制御される。
【0034】真空チャンバー14内には、シャフト2の
外周を高周波加熱するためのコイル20が設置してあ
る。また、真空チャンバー14には、その内部を高真空
度に維持するためのターボ分子ポンプ22、ロータリポ
ンプ24、その他のポンプ26、および各種制御バルブ
が接続してある。
【0035】コイル20に印加される高周波は、50〜
400kHz、たとえば110kHzであり、このコイ
ル20により加熱されるシャフト2の外周温度は、パイ
ロメータ28などにより制御され、たとえば1000〜
1100℃程度である。この加熱温度は、仮留めされた
磁歪材を、シャフト2の外周に拡散接合させるために十
分な温度となるように決定され、しかも得られる磁歪材
層4の磁歪特性を劣化させない温度となるように決定さ
れる。また、シャフト2の溶融温度以下であることが必
要である。このような加熱温度とするために、前記周波
数において、高周波パワーは0.5〜3kWとされ、ま
た加熱時間は180〜300秒程度が適当である。また
減圧度としては、10-2〜10-5Torr、例えば10
-3Torr程度の真空状態である。なお、Ar等の不活
性ガスを用いて雰囲気ガスを置換することも可能であ
る。さらに、シャフト2全周にわたりほぼ均一に処理を
施すために、シャフトを10〜50rpm程度で回転さ
せる。このような熱処理により、磁歪材層4とシャフト
2とが強固かつ均一に拡散接合する。なお、この熱処理
時に、シャフト2から磁歪材層4へのシャフト材成分の
拡散が生じるが、熱処理時間が非常に短時間で行なわれ
るので、拡散は接合界面のみにおいて生じ、磁歪材層4
の最表面近くまで拡散してくることはないので、磁歪材
層4の逆磁歪特性を劣化させることはない。なお、この
熱処理を行なった後においては、前記したような本発明
に係る組成の磁歪材料を用いた場合、磁歪材層4は、大
部分が結晶化した状態である。
【0036】このような熱処理の結果、磁歪材層4とシ
ャフト2との接合強度は、30kg/mm2 以上にな
り、耐久性は107 サイクル以上になる。なお、1サイ
クルは、トルク印加の際の1回転である。次に、センサ
特性向上のため、必要に応じて、電子ビームもしくはレ
ーザビームを磁歪材層4に照射し、この層をさらに非晶
質化する。電子ビームを用いる場合には、たとえば以下
に示す条件で非晶質化熱処理を行なう。たとえば真空度
が2×10-4Torrの真空雰囲気で、電子ビーム出力
を1000Wとし、ビーム径:0.4mm、振幅:30
mm、周波数:200Hz、走査速度:70mm/s、
照射時間:10秒の条件で非晶質化を行う。この電子ビ
ーム溶融急冷照射法により、50μm以上の溶融深さを
実現でき、かつ、ほぼ溶融の深さ分布を一様にでき、磁
歪層4をほぼ完全に非晶質化する。
【0037】また、この電子ビーム照射法では、電子ビ
ームの走査幅および走査方向をプログラムで制御するこ
とができる。また、電子ビームは光ではないため、表面
の光学的性質に全く無関係に使用することができる。こ
れらの結果、厚さ50μm以上にわたり合金層を容易に
非晶質化でき、高感度な非晶質磁歪材層にすることがで
きる。
【0038】次に、図3(C)に示すように、非晶質磁
歪材層4の表面をシャフト2の外周に沿って、相互に逆
方向に軸心に対して約45度の傾きで傾斜した二列のス
リット状パターンに加工し、トルクセンサ用検出体6,
6を形成する。このようなパターンは、いわゆるシェブ
ロンパターンと称され、このパターンを形成するための
手段としては、特に限定されないが、転造などの機械加
工法を用いる。
【0039】このようにして形成されたトルクセンサ用
検出体6,6は、非常に強固にシャフト2に接合してお
り、また、耐熱性も十分なものであるために、特に自動
車のエンジンのような高トルク・高温などの過酷な使用
環境においても応力−磁気特性変換の感度および直線性
は優れている。
【0040】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変するこ
とができる。たとえば、電磁波照射による熱処理は、電
子ビームに限らず、レーザ溶融急冷法を用いることもで
きる。その場合には、窒素雰囲気中で、例えばレーザ出
力:1.0〜4.8kW、ビーム径:0.43mm、周
速度:0.08〜2.0m/sの条件でレーザ光を照射
することにより、本発明に係る合金組成の薄膜を非晶質
化する。この結果、Fe−Co−Si−B膜を容易に非
晶質化でき、高感度な非晶質膜にすることがきる。この
実施例にあっては、上記操作を真空中で行わなくてもよ
いため、装置を簡略化することができる。その他、構
成、作用は上述した実施例と同じである。
【0041】次に、本発明のさらに具体的な実施例を、
比較例との対比において説明するが、本発明は、これら
実施例に限定されない。実施例1 まず、YHD50材で構成される直径20mmおよび長
さ170mmのシャフト2を準備した。YHD50材の
組成は、Cを0.60原子%、Siを1.00原子%、
Mnを13.00原子%、Crを10.00原子%、V
を2.00原子%含み、残りがFeである。
【0042】このシャフト2を洗浄後、シャフト2の所
定の軸方向所定位置外周に、二列のトルクセンサ用検出
体6を形成するために、予め合金成分を溶融しインゴッ
トとした後粉砕して得られた粒径10〜100μmの合
金粉を用いて、溶射法によりシャフト2の表面に磁歪材
層4を形成した。用いられた鉄系磁歪材料の組成は、F
eが40原子%、Niが38原子%、Moが4原子%、
Bが18原子%であった。また溶射条件はプラズマ式溶
射で、Arガス流量40リットル/min、プラズマ入
力パワー500A×70V、合金粉供給速度18g/m
in、シャフト回転速度650rpm、プラズマトーチ
走査速度1.5cm/秒で走査を20回繰返した。
【0043】このような溶射により、シャフト表面に形
成された磁歪材層4の層厚は300μmで、幅35mm
であった。次に、この磁歪材層4を仮止めした状態のシ
ャフト2を、図4に示す高周波溶融接合装置14を用い
て熱処理した。溶融接合条件は、減圧度10-3Tor
r、周波数110kHz、高周波出力2kW、シャフト
回転速度10rpmで、加熱時間は予熱を含め240秒
であった。
【0044】この結果、磁歪材層は完全に溶融し、Fe
系のシャフト材と十分に接合していた。またXRDによ
る分析の結果、磁歪材層の大部分は結晶質であった。こ
のシャフト2を図2に示したトルクセンサとほぼ同様の
構成のトルクセンサ特性評価装置を用いて、圧縮応力
(ねじりトルク値に比例する。)下でのコイルのインダ
クタンス変化率ΔLを測定した。
【0045】なお、用いたトルクセンサ特性評価装置
は、シャフト2を油圧プレスで挾持する形で保持するも
のであり、励磁コイルは線径0.25mmの銅線を50
回巻装したものであり、また差動検出手段10としては
LCRメーターを用いた。またコイルの励起周波数は2
0kHz、使用電流は50mAとした。
【0046】得られた結果を図5に示す。図5に示すよ
うに本発明の合金組成範囲外の組成(Feが30原子
%、Niが20原子%、Moが30原子%、Bが20原
子%)の合金を用いて同様に磁歪材層を作製した比較例
の場合と比べて、その感度が2倍以上高く、かつ直線性
に優れるものであった。実施例2 実施例1で作製した結晶質の磁歪材層の表面部をさら
に、CO2レーザーを用いてアモルファス化させた。ア
モルファス化の条件はレーザー出力2.0kWで、レー
ザー加工速度200cm/秒、スリット幅100μmの
シャストフォーカスである。この処理の結果、磁歪材層
の表面より約50μmの深さまでをアモルファス化させ
ることができた。
【0047】このようにして得られたシャフト2に関
し、実施例1と同様にしてインダクタンス変化率ΔLを
測定した。結果を図5に示す。図5に示されるように、
その感度は実施例1のものと比較して、さらに優れたも
のとなり、またその直線性も実施例1と同様に優れたも
のであった。実施例3 まず、SNCM439材で構成される直径20mmおよび
長さ170mmのシャフト2を準備した。SNCM439
材の組成は、Cを1.81原子%、Siを0.39原子
%、Mnを0.70原子%、Crを0.85原子%、N
iを1.7原子%、Moを0.12原子%含み、残りが
Feである。
【0048】このシャフト2を洗浄後、シャフト2の所
定の軸方向所定位置外周に、二列のトルクセンサ用検出
体6を構成するための磁歪材合金薄帯(リボン)を、5
回巻き付けてスポット溶接で仮止めした。このリボンの
組成は、Feが78原子%、Bが13原子%、Siが9
原子%であった。巻き付け前のリボンの厚さは、25μ
mであったので、このリボンをニッケル層の外周に5回
巻き付けたので、リボンの総厚は125μmであった。
また、リボンの幅は30mmであった。
【0049】次に、この磁歪材層4(リボン)を仮止め
した状態のシャフト2を、図4に示す高周波溶融接合装
置14を用いて熱処理した。溶融接合条件は、10To
rrのArガス雰囲気において、周波数110kHz、
高周波出力1.5kW、シャフト回転速度10rpm
で、加熱時間は220秒であった。
【0050】この結果、磁歪材層は完全に溶融し、Fe
系のシャフト材と十分に接合していた。またXRDによ
る分析の結果、磁歪材層の大部分は結晶質であった。こ
のシャフト2に関し、コイルの励起周波数を25kH
z、使用電流を25mAとする以外は実施例1と同様に
してインダクタンス変化率ΔLを測定した。
【0051】得られた結果を図6に示す。図6に示すよ
うに本発明の合金組成範囲外の組成(Feが50原子
%、Bが20原子%、Siが30原子%)の合金を用い
て同様に磁歪材層を作製した比較例の場合と比べて、そ
の感度が2倍以上高く、かつ直線性に優れるものであっ
た。実施例4 実施例3で作製した結晶質の磁歪材層の表面部をさら
に、電子線ビームを用いてアモルファス化させた。アモ
ルファス化の条件は、減圧度1×10-4Torr、エミ
ッション電流50mA、加速電圧10kV、としてヒー
ム径0.3mm、振幅30mm、周波数200Hz、走
査速度180mm/分、照射時間10秒とした。この処
理の結果、磁歪材層の表面より約70μm以上の深さま
でをアモルファス化させることができた。
【0052】このようにして得られたシャフト2に関
し、実施例3と同様にしてインダクタンス変化率ΔLを
測定した。結果を図6に示す。図6に示されるように、
その感度は実施例1のものと比較して、さらに優れたも
のとなり、またその直線性も実施例1と同様に優れたも
のであった。実施例5 まず、SNCM439材で構成される直径20mmおよ
び長さ170mmのシャフト2を準備した。
【0053】このシャフト2を洗浄後、シャフト2の所
定の軸方向所定位置外周に、二列のトルクセンサ用検出
体6を形成するために、予め合金成分を溶融しインゴッ
トとした後粉砕して得られた粒径20〜100μmの合
金粉を用いて、溶射法によりシャフト2の表面に磁歪材
層4を形成した。用いられた鉄系磁歪材料の組成は、F
eが67原子%、Coが18原子%、Bが14原子%、
Siが1原子%であった。また溶射条件はプラズマ式溶
射で、Arガス流量50リットル/min、プラズマ入
力パワー500A×80V、合金粉供給速度20g/m
in、シャフト回転速度500rpm、プラズマトーチ
走査速度2.0cm/秒で走査を10回繰返した。
【0054】このような溶射により、シャフト表面に形
成された磁歪材層4の層厚は100μmで、幅50mm
であった。次に、この磁歪材層4を仮止めした状態のシ
ャフト2を、図4に示す高周波溶融接合装置14を用い
て熱処理した。溶融接合条件は、減圧度10-3Tor
r、周波数110kHz、高周波出力1.8kW、シャ
フト回転速度15rpmで、加熱時間は220秒であっ
た。
【0055】この結果、磁歪材層は完全に溶融し、Fe
系のシャフト材と十分に接合していた。またXRDによ
る分析の結果、磁歪材層の大部分は結晶質であった。こ
のシャフト2に関し、コイルの励起周波数を30kH
z、使用電流を20mAとする以外は実施例1と同様に
してインダクタンス変化率ΔLを測定した。
【0056】得られた結果を図7に示す。図7に示すよ
うに本発明の合金組成範囲外の組成(Feが30原子
%、Coが20原子%、Bが20原子%、Siが30原
子%)の合金を用いて同様に磁歪材層を作製した比較例
の場合と比べて、その感度が2倍以上高く、かつ直線性
に優れるものであった。
【0057】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、Fe−B−Si系、Fe−Ni−Mo−B系、ある
いはFe−Co−B−Si系において前記したような特
定の組成を有するものとして形成した磁歪材層をシャフ
ト表面に強固に接合させるために、磁歪式トルクセンサ
の検出体として用いた場合、トルクに対する出力の直線
性、ヒステリシス特性が良好なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る磁歪式トルクセンサ用
検出体を有するシャフトの要部を示す概略断面図であ
る。
【図2】磁歪式トルクセンサ用検出体を有するシャフト
を用いたトルクセンサの全体構成図である。
【図3】本実施例の磁歪式トルクセンサ用検出体を有す
るシャフトの製造方法を示す概略図である。
【図4】本発明の一実施例で用いる高周波誘導加熱処理
装置の概略図である。
【図5】本発明の具体的実施例と比較例とについて、イ
ンダクタンス変化率を調べた結果を示すグラフである。
【図6】本発明の別の具体的実施例と比較例とについ
て、インダクタンス変化率を調べた結果を示すグラフで
ある。
【図7】本発明のさらに別の具体的実施例と比較例とに
ついて、インダクタンス変化率を調べた結果を示すグラ
フである。
【符号の説明】
2… シャフト 4… 磁歪材層 6… 磁歪式トルクセンサ用検出体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01L 3/10 A H01L 41/12 (72)発明者 杉本 明義 埼玉県大宮市北袋町1−297 三菱マテリ アル株式会社中央研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 次の一般式 FeXySiz (ただし式中、x+y+z=100、65<x<80、20
    <y+z<35、2<y<33である。)、 次の一般式 FexNiyMomn (ただし式中、x+y+m+n=100、70<x+y<8
    0、30<x<50、20<m+n<30、2<m<10で
    ある。)、または次の一般式 Fex CoymSin (ただし式中、x+y+m+n=100、75<x+y<9
    0、50<x<80、10<m+n<25、9<m<24で
    ある。)で表わされる非晶質または結晶質合金組成を有
    することを特徴とする磁歪材料。
  2. 【請求項2】 逆磁歪効果を利用してシャフトに伝わる
    トルクを磁気的に検出することができる磁歪式トルクセ
    ンサにおいて用いられる磁歪検出体であって、シャフト
    表面に請求項1に記載の非晶質または結晶質合金組成を
    有する磁歪材層を設けたことを特徴とする磁歪式トルク
    センサ用磁歪検出体。
  3. 【請求項3】 逆磁歪効果を利用してシャフトに伝わる
    トルクを磁気的に検出することができる磁歪式トルクセ
    ンサにおいて用いられる磁歪検出体の製造方法であっ
    て、シャフト表面上に磁歪材層を仮留め形成した後、減
    圧条件下において高周波誘導加熱を行なうことにより、
    磁歪材層をシャフト表面に溶融接合することを特徴とす
    る磁歪式トルクセンサ用磁歪検出体の製造方法。
  4. 【請求項4】 予め原料を溶解して所定の合金組成を有
    する磁歪材料のインゴットを形成し、これを粉砕して得
    られた磁歪材料粉末を用いて溶射を行なうことによりシ
    ャフト表面上に磁歪材層を仮留め形成する請求項3に記
    載の製造方法。
  5. 【請求項5】 予め原料を溶解し急冷延伸して所定の合
    金組成を有する磁歪材料のリボンを形成し、これを所定
    長に裁断してシャフトに巻き付け、溶接することにより
    シャフト表面上に磁歪材層を仮留め形成する請求項3に
    記載の製造方法。
  6. 【請求項6】 高周波誘導加熱を行なうことにより磁歪
    材層をシャフト表面に溶融接合した後に、磁歪材層に電
    磁波ビームを照射して磁歪材料を非晶質化する請求項3
    〜5のいずれかに記載の製造方法。
  7. 【請求項7】 磁歪材料として請求項1に記載のものを
    用いる請求項3〜6のいずれかに記載の製造方法。
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