JPH03282338A - トルクセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は回転軸などに加えられたトルクを非接触で検出
するトルクセンサを製造する方法に関する。

（従来の技術） 電動機、自動車などの回転駆動部において制御又は監視
を行う場合、トルクは最も基本的なパラメータとして利
用される。例えば、開発の盛んな各種車載電装システム
（パワーステアリングシステム、トランスミッション制
御システム、エンジン制御システム、４輪駆動システム
、操舵システム）においても、トルク検出の重要性は高
い。

近年、非晶質磁性合金の薄帯に生じる磁気歪み効果を利
用し、トルクを非接触で検出することができるトルクセ
ンサが提案されている（電気学会マグネティックス研究
会資料ＭＡＧ−８１−７２）。

このトルクセンサの原理を第１１図を参照して説明する
。第１２図において、トルクを検出すべき回転軸、すな
わちトルク伝達軸１には非晶質磁性合金薄帯からなる磁
性体２か巻回されて固定されている。この磁性体２には
、予めトルク伝達軸１の周方向３に対して角度θ（≠０
）の方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性Ｋ。。が付
与されている。

また、この磁性体２に近接して励磁コイル及び検出コイ
ルが配置され、この検出コイルは図示し、ない検出回路
に接続されている。

このような構成のトルクセンサを用い、以下のようにし
てトルクを検出することができる。ここで、説明を簡単
にするために、θ−４５＠、飽和磁歪定数λ５〉０とす
る。いま、軸１に破線矢印で示すトルクＴが加わると、
軸１に発生した表面歪み応力σが磁性体２に伝達され、
磁性体２にはトルク伝達軸１の周方向に対して＋４５″
の方向に張力σが、−４５”の方向に圧縮応力−σがそ
れぞれ発生する。これに伴って、磁性体２には磁気歪み
効果によって、＋４５°の方向に応力誘起磁気異方性に
、、（Ｋ、、−３λ、・σ）が誘導される。この結果、
Ｋ、。とに１．とが合成されて一軸磁気異方性はＫ　ｗ
ｘに変化する。この場合、磁性体２の内部を通過する磁
束の向きが一定であれば、−軸磁気異方性が変化するこ
とにより、磁性体２における磁束貫通方向の透磁率が変
化する。したがって、この透磁率変化を、検出コイル及
びこれに接続された検出回路により測定することができ
、その値から軸１に加えられたトルクＴを求めることが
できる。

ところで、前述した原理に基づくトルクセンサにおいて
は、磁性体２に予め一軸磁気異方性Ｋｕ。

を付与しておく必要がある。特に、このトルクセンサに
より、正転時及び逆転時のトルクを直線性よく検出する
ためには、トルク伝達軸の周方向に対してそれぞれ＋θ
及び−θ（０°、９０″１８０″２７０＠を除く）の方
向に予め一軸磁気異方性に６゜を付与した１対の磁性体
と、これらの磁性体の磁気特性変化を検出するための差
動結合された１対の検出コイル又は検出ヘッドを用いて
トルクセンサを構成する必要がある。

磁性体に一軸磁気異方性に５ｏを付与するには、従来、
以下のような方法が知られているが、これらの方法には
いずれも問題がある。

■トルク伝達軸の径に合わせて非晶質磁性合金からなる
環状の磁性体を作製し、熱処理して内部応力を除去した
後、これをトルク伝達軸に挿着し、軸にねじりを与えた
状態で接着し、軸のねじりを戻す方法。しかし、この方
法では、予め軸の径に合わせて環状の磁性体を作製する
必要がある、軸にねじりを与える必要がある、など工程
の煩雑化を招くという問題がある。

■磁性体を軸に接着固定する前に、予め磁性体に磁界中
熱処理・冷却を施すことにより、−軸磁気異方性を導入
する方法。しかし、この方法では、非常に手間がかかり
量産性に欠ける上、長尺磁性体には適用が困難であるな
ど磁性体の寸法及び形状が制限される。

■軸に非晶質合金を例えば熱間静水圧圧縮法（ＨＩ　Ｐ
）により接合して結晶化した後、この合金の一部にレー
ザパルスを照射して縞状に非晶質化する方法（特開昭６
３−２Ｈ４７８号公報）。この方法では、磁性体は結晶
質及び非晶質が交互に縞状に配列された構造となるため
、磁気異方性を付与することができる。また、この方法
では、磁性体の接合耐久性が良好となる。しかし、この
方法では、高価なレーザ照射装置が必要になる、レーザ
で磁性体の表面を改質すると程度の差はあれ磁性体がも
ろくなる、などの問題がある。

■気相成長法を用いて軸の表面に磁性体を形成する方法
（特願昭５１１１−１５０９８８号公報）。この方法は
軸の表面への磁性体の固定という点では優れている。し
かし、この公報には、軸の表面に形成された磁性体に磁
気異方性を付与する具体的な手段が開示されておらず、
この点に問題がある。

トルクセンサを車載電装システムなどに応用するにあた
っては、磁性体への磁気異方性の導入に対する対策が非
常に重要である。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、磁性体への磁気異方性の導入に付随す
る問題がなく、しかも感度の高いトルクセンサを製造し
得る方法を提供することにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明のトルクセンサの製造方法は、磁歪を有する磁性
体をトルク伝達軸表面に回定し、該軸に加えられたトル
クにより、前記磁性体の磁気特性が変化することを利用
してトルクの検出を行うトルクセンサを製造するにあた
り、前記トルク伝連軸の表面にその周方向に対して所定
の方向に沿って溝加工又は化学的下地処理を施した後、
磁性体を成膜することにより、所定方向に磁気異方性を
生じさせることを特徴とすることを特徴とするものであ
る。

本発明において、トルク伝達軸に溝を形成する具体的な
加工方法としては、■旋盤加工によりトルク伝達軸の表
面に螺旋状の溝を形成する方法、■比較的粗粒の研磨紙
などを用い、トルク伝達軸を研磨して研摩傷をつける方
法、■トルク伝達軸にフォトレジストを塗布し、露光・
現像して所定のレジストパターンを形成した後、露出し
たトルク伝達軸をエツチングする方法、などが挙げられ
る。

溝の形状は、角型、Ｖ型、Ｕ型などいずれでもよく、特
に限定されない。溝の幅及び間隔は、１０＃−１０■ｌ
程度が好ましい。また、溝の深さはｌＩｎ〜１鰭程度が
好ましい。

また、トルク伝達軸に化学的下地処理を施す方法として
は、トルク伝達軸に磁性体が成長しにくい油膜、樹脂な
どを塗布し、所定の方向に沿ってレーザなどの高エネル
ギー密度ビームを照射して、その部分の油膜、樹脂など
を除去する方法、などが挙げられる。この場合、後の工
程で磁性体を成膜する際に、油膜、樹脂などがある部分
とない部分とで、磁性体の成長速度が異なるので、成膜
される磁性体に凹凸が生じる。

化学的下地処理の幅及び間隔は、ｌ−〜５■■程度が好
ましい。

このような溝加工や化学的下地処理は、後の工程で成膜
される磁性体に一輪磁気異方性が生じるように、トルク
伝達軸の周方向に対して所定の方向に沿って施される。

溝加工や化学的下地処理の方向は、主応力方向、すなわ
ちトルク伝達軸の周方向に対して±４５″の方向が望ま
しいが、周方向に対して０°より大きく、９０″未満の
任意の角度をなす方向であればよい。

本発明において、トルク伝達軸上に磁性体を成膜する具
体的な方法としては、■メツキ法、■スパッタ法などの
気相成長法、などが挙げられる。

ただし、軟磁気特性の示す磁性体が得られるように、製
造に関するパラメータ（例えばスパッタ法におけるＡｒ
圧など）を適当に選択することが好ましい。また、膜の
厚さは、ｌ　００ｎｍ−１■ｍ程度が好ましい。

（作　用） 本発明の方法では、トルク伝達軸の表面にその周方向に
対して所定の方向に沿って溝加工又は化学的下地処理を
施した後、磁性体を成膜すると、磁性体がトルク伝達軸
表面の凹凸にならって均一な膜厚で形成されるか、又は
磁性体がトルク伝達軸表面の凹凸又は化学的下地処理に
応じて異なる膜厚で形成される。磁性体の膜が前記のい
ずれの状態になるかは、溝の幅、深さ、磁性体の膜厚な
どによって決まる。そして、前者の場合には、磁性体に
所定の方向に形状磁気異方性が生じる。また、後者の場
合には、磁性体の膜厚の違いによって、磁気特性、特に
透磁率に差が生じ、所定の方向に磁気異方性が生じる。

本発明の方法を用いれば、従来、磁性体に磁気異方性を
導入するために必要とされていた処理、例えば環状磁性
体の作製と軸にねじりを与える作業、磁界中熱処理・冷
却、レーザビーム照射などが不必要となり、しかもトル
ク伝達軸に磁性体を強固に固定することができる。また
、磁界中熱処理、レーザビーム照射などによる磁性体の
脆化の問題も生じない。

なお、本発明の方法と同様な方法として、トルク伝達軸
の一部をマスキングして磁性体を選択的に成膜する方法
が考えられる。しかし、トルク伝達軸の一部をマスキン
グする方法は、本発明における溝加工や化学的下地処理
に比べてはるかに煩雑であり、実用性に劣る。また、ト
ルク伝達軸の一部をマスキングして磁性体を選択的に成
膜すると、磁性体の膜が非連続的に形成された状態とな
り、磁気回路中に大きな磁気抵抗が入るため、トルク検
出感度が低下する。これに対して本発明の方法では、磁
性体の膜が連続的に形成されるため、トルク検出感度が
低下することはない。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１ 第１図は本発明の一実施例に係るトルクセンサの概略的
な構成図である。第１図において、図示しないモータな
どの駆動源によって回転する直径２０　ａｍのトルク伝
達軸１１の表面の２個所には、旋盤加工により、第２図
に示すような幅０．５鰭、深さ０．５ｍｍのＶ溝が、０
．１ｍｍ間隔で、トルク伝達軸１１の周方向に対して＋
４５６及び−４５＠の方向に１対設けられている。トル
ク伝達軸１１の溝が形成された部分には、磁性体１２が
成膜されている。

この磁性体１２は、スパッタ法により形成された、（Ｆ
　ｅｏ、２　Ｃ００，８）　７１１Ｓ　ｉ　ｓ　Ｂ１４
なる組成を有する磁歪定数１０−５程度の合金膜からな
っている。その膜厚は約２０１である。

このような構造により、溝の走る方向が磁性体１２の磁
化容易軸となり、磁性体１２にトルク伝達軸１１の周方
向に対してそれぞれ＋４５°　−４５°の方向に一軸磁
気異方性に３゜、Ｋ−〇が導入される。

トルク伝達軸１１の溝が形成された部分の外周には、磁
性体１２に非接触の状態で、円筒状の検出巻線１３１　
１３２が施されている。また、検出巻線１３１　１３□
の外周には、円筒状の励磁巻線１４が施されている。こ
れら検出巻線１３１　１３２及び励磁巻線１４は、図示
しない非磁性体からなる巻枠に０．３＋ａｍ径の導線を
、検出巻線１３１　１３２の場合１００回、励磁巻線１
４の場合３００回巻回したものである。

第９図は本実施例のトルクセンサの回路構成を示すブロ
ック図である。第５図において、発振器２１により１０
０ｋＨｚの正弦波励磁電流を発生させ、増幅器２２によ
り増幅し、励磁巻線１４に印加する。

この結果、磁性体１２＋　、１２□には交番磁界が加わ
る。そして、前述した原理に従って、検出巻線１３＋　
、１３□により得られる検出信号が、差動増幅器２３．
２４．２５を介して同期検波器２６により整流されて、
トルク変化に応じて変化する直流のトルク信号が得られ
る。

以上のような構成のトルクセンサを用い、トルクの検出
特性を測定した結果を第１０図に示す。第１０図から明
らかなように、本実施例のトルクセンサは、広いトルク
範囲にわたって良好な直線性を示す。

実施例２ 旋盤加工によりトルク伝達軸１１の表面に第２図に示す
Ｖ溝を形成する代わりに、フオトエ・ソチングによりト
ルク伝達軸１１の表面に第３図に示すような幅０．０５
＋ｎｍ、深さ０．１ｗのＵ溝が、０．０５＋ａｍ間隔で
、トルク伝達軸１１の周方向に対して＋４５″及び−４
５″の方向に１対設けた以外は、実施例１と同様にして
第１図に示す構造を形成した。

その他の検出巻線１３１１３□、励磁巻線１４及び回路
構成は実施例１の場合と同様である。このトルクセンサ
でも、第１Ｏ図と同様な直線性の良好なトルク検出特性
が得られた。

なお、実施例１の場合には、第４図に示すように、磁性
体１２はトルク伝達軸１１表面の凹凸にならって均一な
膜厚で形成されている。一方、実施例２の場合には、第
６図に示すように、磁性体１２はトルク伝達軸１１表面
の凹凸に応じて異なる膜厚で形成されている。また、第
４図と第６図との中間的な状態として、第５図に示すよ
うに磁性体１２が形成される場合もある。これらの違い
は、溝の幅、深さ、磁性体１２の膜厚によって決まるが
、いずれの場合も磁性体１２には磁気異方性が生じる。

また、トルク伝達軸１１に化学的下地処理を施した後、
磁性体１２を成膜することにより、磁性体１２に磁気異
方性を導入してもよい。この方法を第７図及び第８図を
参照して説明する。第７図に示すように、トルク伝達軸
１１の表面に油膜３５を塗布する。そして、トルク伝達
軸１１を回転しながら、その表面の油膜３５に、レーザ
発振器３２からのレーザ光をミラー３３及びレンズ３４
により走査させながら照射する。この結果、トルク伝達
軸１１表面では、その周方向に対して所定方向に沿って
、油膜３５が除去された部分３６が形成される。この後
、磁性体１２をスパッタすると、油膜３５がある部分と
ない部分３６とで、磁性体１２の成長速度が異なるので
、第８図に示すように、成膜される磁性体１２に凹凸が
でき磁性体１２に磁気異方性が生じる。

また、前記実施例では励磁巻線Ｉ４を用い、第９図に示
す回路構成でトルク検出を行ったが、励磁巻線を用いず
に、第１１図に示す回路構成でトルク検出を行ってもよ
い。第１１図において、発振器２１て発生された正弦波
電流は増幅器２２て増幅される。

増幅器２２の出力端には検出巻線１３．と抵抗Ｒ１との
直列回路及び検出巻線１３２と抵抗Ｒ２（Ｒ２−Ｒ＋）
との直列回路からなるブリッジ回路が接続されている。

また、発振器２１で発生された正弦波電流は参照信号発
生器２７に入力され、ここで発生した信号が位相検波器
２８に出力される。そして、ブリッジ回路の検出端には
差動増幅器２３が接続され、その出力が位相検波器２８
で検波されてトルク出力を得ることができる。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明のトルクセンサの製造方法で
は、トルク伝達軸の表面にその周方向に対して所定の方
向に沿って溝加工又は化学的下地処理を施した後、磁性
体を成膜するという簡便な手段で、磁性体に磁気異方性
を導入することができる。また、磁性体への磁気異方性
の導入に伴う脆化などの問題を生じることがなく、トル
ク検出特性も優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるトルクセンサの概略構
成図、第２図及び第３図はそれぞれ本発明の実施例１．
２でトルク伝達軸に形成された溝の形状を示す断面図、
第４図〜第６図は本発明の実施例におけるトルク伝達軸
に形成された溝の形状による磁性体の被覆状態を示す説
明図、第７図は本発明の他の実施例におけるトルク伝達
軸の化学的下地処理の方法を示す説明図、第８図はトル
ク伝達軸の化学的下地処理後に成膜された磁性体の状態
を示す説明図、第９図は本発明に係るトルクセンサの回
路構成を示すブロック図、第１０図は本発明に係るトル
クセンサによるトルク検出特性を示す喪性図、第１１図
は本発明の他の実施例におけるトルクセンサの回路構成
を示すブロック図、第１２図は本発明に係るトルクセン
サの原理を示す説明図である。 １１・・・トルク伝達軸、１２・・・磁性体、１３．　
１３□・・検出巻線、１４・・・励磁巻線、２１・・・
発振器、２２・・・増幅器、２３．２４．２５・・・差
動増幅器、２６・・・同期検波器、２７・・・参照信号
発生器、２８・・・位相検波器。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　磁歪を有する磁性体をトルク伝達軸表面に固定し、該
   軸に加えられたトルクにより、前記磁性体の磁気特性が
   変化することを利用してトルクの検出を行うトルクセン
   サを製造するにあたり、前記トルク伝達軸の表面にその
   周方向に対して所定の方向に沿って溝加工又は化学的下
   地処理を施した後、磁性体を成膜することにより、所定
   方向に磁気異方性を生じさせることを特徴とするトルク
   センサの製造方法。