JPWO2012173261A1

JPWO2012173261A1 - トルクセンサおよびその製造方法

Info

Publication number: JPWO2012173261A1
Application number: JP2013520614A
Authority: JP
Inventors: 正博小牧; 広宣蔦野; 繁夫蒲田; 亮常見; 早乙女　康典; 康典早乙女; 網谷　健児; 健児網谷
Original assignee: NAKAYAMA AMORPHOUS CO., LTD.; SAN-E TEC CO., LTD.; Tohoku University NUC
Current assignee: NAKAYAMA AMORPHOUS CO., LTD.; SAN-E TEC CO., LTD.; Tohoku University NUC
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2012-06-16
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2032-06-16
Also published as: WO2012173261A1; JP5940531B2

Abstract

【課題】トルクの検出特性や製造コスト等について改善したトルクセンサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】発明のトルクセンサは、回転軸の表面にアモルファス合金皮膜（金属ガラス皮膜を含む）を含む磁歪部を有するものである。上記磁歪部におけるアモルファス合金皮膜は、金属粉末を含む火炎を噴射して金属粉末を溶融させるとともに、当該火炎を、それが回転軸表面に達する前より外側からの冷却ガスにて冷却する方式の溶射によって、上記回転軸の表面に形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸（駆動軸）に作用するトルクの大きさを、その回転軸の表面に設けた磁歪部の透磁率の変化によって検出する形式のトルクセンサに関するものである。

上記した形式のトルクセンサについて、一般的な構造を図１０に示す。トルクを受ける回転軸１が軸受２を介してハウジング３に支持されており、その回転軸１の一部表面に磁歪部Ａ・Ｂが形成されている。また、ハウジング３の内側で、磁歪部Ａ・Ｂの各外周に近い位置にコイルＣ・Ｄが配置されている。磁歪部Ａ・Ｂとしては、軸１の表面に、図示のとおり、軸方向に対して互いに逆向きに傾斜した螺旋状に磁性材料を形成する（つまり、磁性体の皮膜や突出部を螺旋状の複数の線として形成する）のが一般的である。ハウジング３には、図示のようにアンプ基板４や信号線用のコネクタ５なども付設されている。
回転軸１にトルクが印加されると、磁歪部Ａ・Ｂに引張応力と圧縮応力とがそれぞれ発生し、その結果、相反する磁歪効果によって各磁歪部Ａ・Ｂの透磁率がそれぞれ増加・減少する。この透磁率の変化をもとにコイルＣ・Ｄの誘導起電力が発生するため、直流変換や両者の差動増幅を行うことにより、トルクの大きさに比例した電圧出力が得られるわけである。

こうしたトルクセンサに関する文献として下記の特許文献１がある。同文献１には、磁歪部の構成として、回転軸自体を透磁率の高い強磁性材料で形成する例があり、また、回転軸の外周面に傾斜した溝を加工したうえ当該溝に磁歪材を溶射する例もある旨が示されている。
磁歪部を構成する磁性材料としては、アモルファス合金（金属ガラスを含む）が適しているとされている。トルクセンサにおける磁歪部には、高透磁率と高磁歪の二つの特性が求められるが、アモルファス合金はその点で好ましく、高感度特性をもたらし得るからである。磁歪部にアモルファス合金を使用することについては、下記の特許文献２等に記載されており、単ロール法で作製したアモルファス合金の薄帯を回転軸表面に固定する旨が示されている。
また下記の特許文献３には、母材（基材）の表面に金属ガラスの皮膜を形成するには、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）等の高速溶射プロセスを採用するのが好ましいと記載されている。

特開２０１０−２４１４号公報特公昭６３−２００３１号公報特開２０１０−１０６６８号公報

トルクセンサにおけるトルクの検出特性は、上記の各文献に記載されているいずれの例によっても十分ではなく、さらに改善の余地があると発明者らは考えている。
すなわち、回転軸の磁歪部は、一般的な磁性材料のみで構成する場合には、アモルファス合金を使用するよりも明らかに感度上不利である。またアモルファス合金の薄帯を、接着剤で貼り付けること等により回転軸表面に固定するなら、回転軸との密着性が高くないために十分な検出特性が得られず、出力のヒステリシス、短寿命の問題にも影響をおよぼす。高速フレーム溶射等の高速溶射プロセスによって回転軸表面に金属ガラス皮膜を形成する場合でも、その方法は、高速であるために金属粉末が火炎内にある時間が短く、したがって金属粉末を溶融させることなく過冷却液相状態で軸表面に積層するものであることから、やはり当該合金皮膜と回転軸との密着性が不十分のようで、トルクの検出感度が高くない。高速溶射プロセスについてはさらに、非晶質金属粉末であって粒径が３０μｍ程度以下の微粉を使用せねばならないという制約があり、そのために製造コストの面でも不利である。

本発明は、以上のような課題を解決し、トルクの検出特性や製造コスト等について改善したトルクセンサおよびその製造方法を提供するものである。

本発明のトルクセンサは、回転軸の表面に金属ガラス皮膜を含む磁歪部を有するもので、上記磁歪部における金属ガラス皮膜が、金属粉末を含む火炎を噴射して金属粉末を溶融させるとともに、当該火炎を、それが回転軸表面に達する前より外側からの冷却ガスにて冷却する方式の溶射によって、上記回転軸の表面に形成されていることを特徴とする。
このトルクセンサには、つぎのような作用的特徴がある。すなわち、
a) 回転軸の表面に金属ガラス皮膜を含む磁歪部を有するので、その磁歪部に高透磁率と高磁歪の二つの特性が備わっている。そしてそのために、当該皮膜のないものに比べ、このトルクセンサはトルク検出に関してすぐれた特性を発揮する（図１参照）。
b) 金属ガラス皮膜を溶射によって回転軸表面に形成することから、当該合金の薄帯を回転軸表面に固定する例に比べてヒステリシスがきわめて少ない（図２参照）。薄帯の固定のために接着剤等を用いる場合とは違って、当該合金皮膜と回転軸との密着性が高いからだと考えられる。また、金属ガラス皮膜は、溶射によって、アモルファス化と同時に皮膜として回転軸上に積層されるため、簡単かつ迅速に磁歪部が形成されるという利点もある。
c) 溶射方法として、金属粉末を含む火炎を噴射して金属粉末を溶融させるとともに、当該火炎を外側から冷却ガスにて冷却する上記の方式を採用することから、このトルクセンサは、高速溶射プロセスにて溶射したものに比べてもさらにトルク検出特性にすぐれている（図３参照）。金属粉末を一旦溶融させるため、回転軸表面に対する金属ガラス皮膜の密着性が高くなり、回転軸のトルクが当該合金皮膜に伝わりやすくなるからと考えられる。また、高速溶射プロセスの場合とは異なり、金属粉末として粒径が大きい（４０μｍ程度以上の）結晶質のものでも使用できるという利点がある。

上記のトルクセンサにおいては、回転軸が非磁性体であり、上記磁歪部のアモルファス合金がFe-Co-Si-B-Nb系金属ガラスであると、さらに好ましい。
もし回転軸が磁性体であれば、前記のとおり、その表面に螺旋状突起部等を形成するだけで磁歪部が構成でき、わざわざ磁性体の皮膜を設けなくともトルクの検出が可能になる。しかし回転軸が磁性体の場合、それが外部磁界の影響を受けるためにトルクの検出感度が低下する。その点、回転軸に非磁性材料を使用して、その表面に金属ガラス皮膜を形成することにより磁歪部を構成するなら、外部磁界の影響を受けにくいうえに金属ガラス皮膜の特質上、トルクの検出特性がきわめて高くなる（図４参照）。すなわち、金属ガラス溶射皮膜が形成可能であれば、あらゆる材料の回転軸がトルクセンサとして適用可能となる。
また、磁歪部のアモルファス合金皮膜がFe-Co-Si-B-Nb系金属ガラスであると、アモルファス形成能が高いうえ、磁気特性および機械的特性の点でも有利である（図７（ａ）（ｂ）（ｃ）参照）。

上記のトルクセンサは、上記火炎の温度および上記回転軸の表面温度がそれぞれ一定となるよう管理された状態で、上記の溶射によって回転軸の表面に金属ガラス皮膜が形成されているのが好ましい。
溶射のための火炎は、金属粉末を溶融させるとともに冷却ガスで急速に冷却される必要があるため、その温度は十分に管理される必要がある。しかし発明者らの試験によれば、溶射の際の上記回転軸の表面温度も十分に管理されなければならない。溶射中の回転軸の表面温度によって、その溶射にて構成された磁歪部を含むトルクセンサの感度とヒステリシスが相違することが確認されるからである（図５・図６参照）。感度とヒステリシスに相違が生じるのは、たとえば、当該表面温度が低いと、溶融した金属粉末の回転軸表面に対する密着度が低くなるためにヒステリシスが生じるが、皮膜のアモルファス化率が高くなり、感度は向上する一方、同温度が高いと、密着度が高くなるためにヒステリシスは生じないが、皮膜のアモルファス化率が低くなり、感度は低下すると推測される。したがって、溶射中の回転軸の表面温度は、適切な温度計等によって計測され、適切な温度範囲（３００〜５００℃）に制御される必要がある。

トルクセンサの磁歪部については、回転軸表面に凹部と凸部とがそれぞれ線状に交互に配置され、その凹部を埋めるように上記の金属ガラス皮膜が形成されることにより（図１０参照）構成されていて、それら凹部および凸部を含む全域に金属ガラス皮膜が形成されたのち研磨されることにより、上記金属ガラス皮膜に隣接する凸部の表面の金属ガラス皮膜がなくなっているものが好ましい。
このような磁歪部は、凹凸を含む回転軸表面に溶射にて広く金属ガラス皮膜を形成し、その後に当該皮膜を研磨する方法によって、比較的簡単に製造することができる。またその場合、凹部に嵌るように金属ガラス皮膜が形成されることになるため、回転軸に対する当該皮膜の一体性がとくに高くなって剥離等しがたく、その一体性に基づいてトルクの検出感度も高いものになる。なお、磁歪部において金属ガラス皮膜の形成部分と不形成の部分とが、回転軸に対して鋭角４５度の傾きをもった線状に交互に配置されると、トルクの検出特性が高くなる。

トルクセンサの磁歪部は、また、回転軸表面に、金属ガラス皮膜の形成部分と不形成の部分とがそれぞれ線状に交互に配置されることにより（図１０参照）構成されていて、磁歪部の全域に金属ガラス皮膜が形成されたのち、回転軸表面の一部をマスクで覆って行うショットブラストにより、上記不形成の部分の金属ガラス皮膜が除去されたものであるのもよい。
このような磁歪部も、溶射と、その後にマスク（上記不形成の部分に対応する位置にスリット等の開口部を有するもの）を磁歪部に被せて行うショットブラストとによって、比較的簡単に構成することができる。なお、除去の方法としては、ショットブラストに限らず、磁歪部に樹脂等を被覆した後にエッチング等の化学処理によるもの、切削等の機械加工によるものでもかまわない。

トルクセンサの磁歪部は、また、回転軸表面に、金属ガラス皮膜の形成部分と不形成の部分とが線状に交互に配置されることにより（図１０参照）構成されていて、上記の溶射を、回転軸表面の一部をマスクで覆って行うことにより、上記形成部分の金属ガラス皮膜が形成されたものであるのもよい。
このような磁歪部も、マスク（上記形成部分に対応する位置にスリット等の開口部を有するもの）を磁歪部に被せて行う上記の溶射によって簡単に構成することができる。
トルクセンサの磁歪部は、また、回転軸表面に、金属ガラス皮膜の形成部分と不形成の部分とが線状に交互に配置されることにより構成されていて、上記の溶射を、溶射ガンにより、直接上記形成部分の金属ガラス皮膜が形成されたものであるのもよい。
このような磁歪部も、精密溶射複合機によって簡単に構成することができる。

上記した発明のトルクセンサは、上記回転軸の表面に上記磁歪部を構成するとき、a)上記回転軸を予熱しておき、b)その表面に、火炎の温度を一定に保った上記の溶射によって上記磁歪部における金属ガラス皮膜を形成することとし、c)当該皮膜の形成の際、上記回転軸を回転させるとともに、上記火炎を回転軸表面に当てることと回転軸表面から逸らすことを繰り返すことによって回転軸表面の温度維持をはかるようにして製造するのがよい。
そのようにすれば、火炎の温度および回転軸の表面温度をそれぞれ一定となるよう管理しながら、上記の溶射によって回転軸の表面に好ましい金属ガラス皮膜を形成できる。回転軸表面に火炎を当て続けると当該表面の温度は上昇し続けるが、上記のように火炎を当てたり逸らしたりすると、回転軸表面の温度を一定範囲内に維持することが可能（図９参照）だからである。こうすることにより、回転軸表面への密着度や一体性にすぐれるうえアモルファス化率も高い金属ガラス皮膜が形成でき、結果として、検出特性に優れたトルクセンサを製造することができる。

金属ガラス皮膜を形成する上記の溶射には、結晶質粉末を含む直径４０μｍ以上の金属粉末を使用してもよい。
そのような金属粉末は、より直径の小さいものや非晶質粉末（アモルファス化された粉末）に比べると安価で入手できるため、溶射すなわち磁歪部の構成に要するコストを下げることができる。なお、このような安価な金属粉末を使用できることは、高速フレーム溶射等の高速溶射プロセスとは異なる、本発明特有の利点の一つである。

本発明によれば、検出特性にすぐれているほか、磁歪部の構成に要するコストが低くて安価なトルクセンサを提供することができる。

トルクセンサの回転軸にトルク（横軸）を作用させたときのセンサ出力（縦軸）を示す線図であり、磁歪部に金属膜を有しない場合と有する場合との比較を示す。トルクセンサの回転軸にトルク（横軸）を作用させたときのセンサ出力（縦軸）を示す線図であり、磁歪部にアモルファス合金の薄帯（リボン）を固定した場合と溶射による金属ガラス皮膜を設けた場合との比較を示す。トルクセンサの回転軸にトルク（横軸）を作用させたときのセンサ出力（縦軸）を示す線図であり、磁歪部に高速フレーム溶射による金属ガラス皮膜が形成された場合と、本発明の方式の溶射による同皮膜が形成されている場合との比較を示す。トルクセンサの回転軸にトルク（横軸）を作用させたときのセンサ出力（縦軸）を示す線図であり、回転軸の材質（磁性体か非磁性体か）による相違を示す。トルクセンサの回転軸にトルク（横軸）を作用させたときのセンサ出力（縦軸）を示す線図であり、金属ガラス皮膜を溶射する間の回転軸の表面温度による相違を示す。トルクセンサの回転軸にトルク（横軸）を作用させたときのセンサ出力（縦軸）を示す線図であり、金属ガラス皮膜を溶射する間の回転軸の表面温度による相違を示す。図７（ａ）（ｂ）（ｃ）のそれぞれは、磁歪部におけるアモルファス合金皮膜とするFe-Co-Si-B-Nb系金属ガラスについて、磁歪および保持力、機械的特性、ならびにアモルファス形成能（ＸＲＤプロファイル）を示す図である。溶射装置の概要を示す側面図（一部を断面図で示す）である。磁歪部に溶射を行う間の回転軸の表面温度の変化を示す線図（時間経過は右から左へ）である。磁歪式トルクセンサの構造を示す模式的な断面図である。

以下、発明の実施について図面に基づき説明する。
図１０のようなトルクセンサにおける回転軸１の一部表面に、溶射により金属ガラス皮膜を形成して図示のような磁歪部Ａ・Ｂを構成する。各磁歪部Ａ・Ｂは、軸心方向と４５°をなす複数の螺旋状に金属ガラス皮膜を形成し、当該皮膜の形成部分と不形成部分とを交互にそれぞれ線状に配置したものである。磁歪部Ａ・Ｂの螺旋の向きは互いに異ならせ、双方の線同士が直角をなすようにする。なお、回転軸１の直径は８ｍｍ以上、形成部分および不形成部分の螺旋の線幅は１〜３ｍｍ程度である。

その磁歪部Ａ・Ｂにおける金属ガラス皮膜の形成部分と不形成部分とは、つぎの手順で形成する。すなわち、1)回転軸１の表面に複数本の溝を形成して溝付きシャフトとすることにより上記螺旋状の線（形成部分と不形成部分）に沿う凹部と凸部と（図示省略）を交互に設けておき、2)それら凹部と凸部とを含む全域に溶射することによって金属ガラス皮膜を形成し、3)そののち溶射部分を研磨することによって凸部の金属ガラス皮膜を取り除き、4)金属ガラス皮膜（形成部分）の表面とそれに隣接する凸部（不形成部分）の表面との間に段差がない状態にする。
ただし、磁歪部Ａ・Ｂの構成手順は、上の例に限らず、たとえば、上記のような溝を有しないシャフト（回転軸１）を用い、磁歪部Ａ・Ｂの全域に溶射によって金属ガラス皮膜を形成したのち、回転軸１の表面の一部をマスク（不形成部分に相当する螺旋状のスリットを有するもの。図示省略）で覆ってショットブラストを行うことにより、金属ガラス皮膜の形成部分と不形成部分とを設けるようにするのもよい。あるいは、上記の溶射を、上記溝のない回転軸表面の一部をマスク（形成部分に相当する螺旋状のスリットを有するもの。図示省略）で覆って行うことにより、同様の形成部分と不形成部分とを設けるのもよい。
基材をショットブラスト後、耐熱塗料等を使ってショブロン状の模様を施し、その表面に溶射皮膜を形成した後に、ショブロン模様上の溶射皮膜のみをグラインダまたはショットブラストを使って除去することで、ショブロンパターンを形成するのもよい。
さらには、基材表面に溶射皮膜を形成した後に、耐ショットブラスト性塗料等を使ってショブロン状のマスキングを施してショットブラスト後、ショブロンパターンを形成するのもよい。

回転軸１に対する金属ガラス皮膜の形成は、図８に示す火炎急冷式の溶射装置１１を用い、支持装置（回転軸１を水平に支持して軸心回りに回転させるもの。図示省略）に支持させた回転軸１の外周面に溶射することによって行う。
図示のように溶射装置１１は、粉末式フレーム溶射ガン１２の前部に、外部冷却装置とも言える二重管の筒状体１５等を取り付けたものである。溶射ガン１２には、溶射する材料粉末を搬送ガス（たとえば窒素）とともに供給する管と、燃料とするアセチレンおよび酸素の各供給管、ならびに内部冷却ガス（たとえば窒素）の供給管とが接続されている。溶射ガン１２の前端にはノズル１３があり、それより火炎と溶融材料（上記粉末の溶融したもの）とを噴射する。上記の内部冷却ガスは、ノズル１３の周囲に接する位置から吹き出してノズル１３の冷却と火炎の温度調節をする。溶射ガン１２には、その前端付近であってノズル１３の周囲にフランジ状の前部プレート１４を固定し、それを介して筒状体１５を取り付けている。図示の筒状体１５は、溶射ガン１２が噴射する火炎Ｆの前半部分（ノズル１３に近い部分。材料粉末の溶融領域）において火炎Ｆと外気とを隔てるとともに、二重管の先端部より火炎Ｆの後半部分に冷却ガス（たとえば窒素）Ｇを吹き出して火炎Ｆを冷却する。
この溶射装置１１は、材料粒子を含む火炎Ｆをノズル１３から噴射し、当該材料粒子を火炎Ｆによって溶融させたうえ上記冷却ガスＧで冷却することにより、回転軸１の表面に金属ガラス皮膜を形成することができる。火炎Ｆの速度は３０〜４０ｍ／ｓ程度とし、火炎Ｆの温度は中心部付近が１０００〜１２００℃となるようにする（材料粒子に応じてそれぞれ調整する）。火炎Ｆは、筒状体１５とそれより噴出される冷却ガス（窒素）Ｇに囲まれて基材１０に達するため、金属ガラス皮膜中に酸化物の介在する量を抑制できる。十分な熱量で溶射粒子を溶融させ得ることから、溶射装置１１を用いる溶射においては、結晶質粉末を含む直径４０μｍ以上（１００μｍ程度以下）の金属粉末をも使用することが可能である。

溶射装置１１による溶射の際には、火炎Ｆの温度とともに回転軸１の表面温度が一定となるよう温度管理をする。溶射中の回転軸１の表面温度によっても、その溶射にて構成された磁歪部のトルク検出感度が相違するからである。
回転軸１の表面温度は放射温度計によって計測し、図９のように予熱・降温の各時間ｔ１・ｔ２の間とともに、溶射時間ｔ３において温度コントロールを行う。具体的には、1)予熱時間ｔ１では、溶射開始前にバーナー等によって回転軸１を予熱し、2)やや高めの予熱温度から、溶射材料の飛散を防ぐ邪魔板をセットする間の降温時間ｔ２での多少の降温を確認したうえで溶射を開始し、3)溶射時間ｔ３においては、回転軸１を回転させながら、火炎Ｆを軸表面に当てることと軸表面から逸らすことを繰り返すことによって回転軸１の表面温度をほぼ一定（３００〜５００℃の範囲内。回転軸１や溶射材料の材質等による）に保つ。つまりこの時間ｔ３の間、水平に支持し回転させる回転軸１（の磁歪部形成箇所）に対し火炎Ｆを当てながら軸長方向（水平）に送るとともに、その送りの一端または両端で火炎Ｆを軸長方向と直角な方向（上下いずれかの方向）に往復移動させて軸表面から逸らす。回転軸１が小径であって温度上昇しやすい場合等には、軸表面から逸らした位置で火炎Ｆをしばらく待機（停止）させることにより表面温度のコントロールを行うようにするのもよい。

上記溶射によって形成する皮膜は、たとえばFe-Co-Si-B-Nb系金属ガラスとするのがよい。その金属ガラスは、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、アモルファス形成能が高くてアモルファス化させやすいうえ、磁気特性にすぐれ、また機械的特性においては塑性変形しがたい、といった点で好ましいからである。すなわち、まず図７（ａ）は、一例として
(Fe_1-xCo_x)₇₂B₂₀Si₄Nb₄の金属ガラスにおける磁歪（λｓ）および保持力（Ｈｃ）をCoの濃度ごとに調べた線図であり、いずれの特性にもすぐれることが分かる。図７（ｂ）は、同じ金属ガラスについて同様に機械的特性を調査したもので、圧縮強度、ヤング率、塑性伸びについて良好な特性を有するといえる。また、図７（ｃ）は、(Fe_0.5Co_0.5)₇₂Si₄B₂₀Nb₄金属ガラスについて、前述した急冷溶射（図８の溶射装置１１を使用）を行って得た溶射膜のＸＲＤプロファイルを示す。溶射条件を変えて得た２種類の溶射膜のいずれにおいてもアモルファス相のみが得られており、組織的には溶射で容易にアモルファス相が得られる合金であることが判明した。
なお、回転軸１の材質は問わないが、チタンやステンレス鋼等の非磁性体とするのが有利である。回転軸１が非磁性体であれば、外部磁界の影響を受けにくく、したがってトルク検出特性が高くなるからである。

以上のようにして磁歪部を構成した発明のトルクセンサにおけるトルク検出特性について、各種の比較データを得たので以下に紹介する。

まず図１に、炭素鋼（SK3）製の回転軸に上記とおり金属ガラスを溶射して前述の磁歪部とした場合と、金属ガラスを使用せず、炭素鋼（SK3）製の回転軸の表面に螺旋状に延びた凹凸のみを形成して磁歪部とした場合とについて、トルク（横軸）とセンサ出力（縦軸）との関係を示している。前者の例では、前記した溝付きシャフトを利用して磁歪部に金属ガラスの形成部分と不形成部分とを設けている。
磁歪部に金属ガラス皮膜を有する前者の場合は、当該皮膜を有しない後者の例に比べると、直線性はやや劣るものの感度がきわめて高いことが分かる。これほどまでに感度が高いと、アンプによって出力を増幅する必要がなく、そのためにノイズが少ない（ノイズフィルターが不要になる）という利点がある。

つづく図２には、回転軸に上記のとおり金属ガラスを溶射して磁歪部とした場合と、単ロール法で形成したアモルファスリボンを回転軸の表面に貼り付けて磁歪部とした場合とについて、トルクとセンサ出力との関係を示す。回転軸は双方とも炭素鋼（SK3）である。前者では、前記の溝付きシャフトを利用して磁歪部に金属ガラスの形成部分と不形成部分とを設けている。前者の金属ガラスの厚みは１４０〜１５０μｍ、後者のアモルファスリボンの厚みは２５μｍ（溝のない回転軸表面に貼り付けている）である。
アモルファスリボンを貼り付けた後者の例では、リボンと回転軸との密着性が十分でないせいか、溶射によって金属ガラス皮膜を形成した前者に比べてヒステリシスを発生させやすいことが分かる。

図３には、磁歪部の金属ガラス皮膜を、上記の溶射によって形成した場合と、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）によって形成した場合とについて、トルクとセンサ出力との関係を示している。回転軸はいずれも炭素鋼（SK3）製であり、金属ガラスはいずれも、前記のとおり(Fe_0.5Co_0.5)₇₂Si₄B₂₀Nb₄である。
ＨＶＯＦによるものは出力の直線性にはすぐれているが、感度が低くヒステリシスを生じるといえる。ＨＶＯＦでは、粉末材料の溶け込みが十分でないことから回転軸の表面との密着性が高くないのではないかと推察される。

図４は、チタン（Ti-６Al-４V）製および炭素鋼（S45C）製の各回転軸に、図８の装置１１による上記の溶射を行って磁歪部を構成した場合について、トルクとセンサ出力との関係を示している。いずれの場合も、磁歪部には、前記の溝付きシャフトを利用して金属ガラスの形成部分と不形成部分とを設けている。金属ガラス皮膜の厚みに差はない。
この図４によると、回転軸をチタン製にすると、炭素鋼製である場合に比べて直線性はやや劣るものの感度において大幅にすぐれることが分かる。これは、チタン材が鉄材に比して、弾性率が低く歪量が大きいことに加え、非磁性であるため、コイルのつくる磁束を磁歪部に集中させやすいという特徴を持つためである。

また、図５および図６には、センサ出力に及ぼす溶射温度の影響について示している。つまり、金属ガラス皮膜を形成する際の磁歪部での回転軸表面の温度（図９に示す溶射時間ｔ３での低部温度）が、トルクとセンサ出力との関係にどのような影響をもたらすかを表している。図５は、前記の直径３０ｍｍの螺旋状溝付きシャフトを利用して磁歪部に金属ガラスの形成部分と不形成部分とを設けた例で、図６は、直径３０ｍｍシャフトの回転軸に対し、磁歪部の全域に溶射したのち前記のようにマスキングしてショットブラストを行うことにより金属ガラス皮膜の形成部分と不形成部分とを設けた例である。いずれのケースでも、回転軸の表面温度は、前述のとおり放射温度計で計測した。なお、図５と図６のそれぞれにおいて、温度計測のための放射率は別個に設定している。
図５・図６によれば、溶射中の回転軸表面の温度によって、トルクセンサの感度や直線性の相違が生じることが確認される。当該温度によって、回転軸表面に対する溶融金属の密着度や溶射皮膜のアモルファス化率が変わるためであると推測される。試験によると、当該温度の最適値は３００〜５００℃の範囲内にあるが、回転軸や溶射皮膜の材質、あるいは、溶射部の形状や大きさによって最適な温度が異なる。

以上のように、本発明にしたがって磁歪部を構成したトルクセンサは、溶射の際の火炎や回転軸表面の温度を適切にコントロールするなら、他の方法や材質・形態を採用したトルクセンサよりも好ましいトルク検出特性を発揮し得ることが分かる。

１回転軸
Ａ・Ｂ磁歪部
１１溶射装置

Claims

回転軸の表面に、金属ガラス皮膜を含む磁歪部を有するトルクセンサであって、
上記磁歪部における金属ガラス皮膜が、金属粉末を含む火炎を噴射して金属粉末を溶融させるとともに、当該火炎を、それが回転軸表面に達する前より外側からの冷却ガスにて冷却する方式の溶射によって上記回転軸の表面に形成されていることを特徴とするトルクセンサ。
上記回転軸が非磁性体であり、上記磁歪部の金属ガラスがFe-Co-Si-B-Nb系金属ガラスであることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
回転軸表面に凹部と凸部とがそれぞれ線状に交互に配置されたうえその凹部を埋めるように上記金属ガラス皮膜が形成されることにより上記の磁歪部が構成されていて、当該磁歪部は、凹部および凸部を含む全域に金属ガラス皮膜が形成されたのち研磨されることにより、上記金属ガラス皮膜とそれに隣接する凸部の表面の金属ガラス皮膜がなくなっていることを特徴とする請求項１または２に記載のトルクセンサ。
回転軸表面に、金属ガラス皮膜の形成部分と不形成の部分とがそれぞれ螺旋状に交互に配置されることにより上記の磁歪部が構成されていて、当該磁歪部は、全域に金属ガラス皮膜が形成されたのち、皮膜表面の一部をマスクで覆って行うショットブラストかエッチング等の化学処理または切削等の機械加工により、上記不形成の部分の金属ガラス皮膜が除去されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のトルクセンサ。
回転軸表面に、金属ガラス皮膜の形成部分と不形成の部分とがそれぞれ線状に交互に配置されることにより上記の磁歪部が構成されていて、当該磁歪部は、上記の溶射を回転軸表面の一部をマスクで覆って行うことにより、上記形成部分の金属ガラス皮膜が形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のトルクセンサ。
請求項１〜５のいずれかに記載したトルクセンサの製造方法であって、上記回転軸の表面に上記磁歪部を構成するとき、
上記回転軸を予熱しておき、その表面に、火炎の温度を一定に保った上記の溶射によって上記磁歪部における金属ガラス皮膜を形成することとし、当該皮膜の形成の際、上記回転軸を回転させるとともに、上記火炎を回転軸表面に当てることと回転軸表面から逸らすことを繰り返すことによって回転軸表面の温度維持をはかることを特徴とするトルクセンサの製造方法。
金属ガラス皮膜を形成する上記の溶射に、結晶質粉末を含む直径４０μｍ以上の金属粉末を使用することを特徴とする請求項６に記載したトルクセンサの製造方法。