JPH0368826A - 磁歪膜式トルクセンサ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、非接触でトルクを検出できる磁歪模式トルク
センサ、特にその磁歪膜に関する。

〔従来技術〕

例えば、車両の駆動系、ステアリング系、ロボットの駆
動系等においては、その受動軸（駆動軸）に加わるトル
クを検出し１機械的或いは電気的な制御が行われる。

かかるトルクを検出するためのトルクセンサとしては、
受動軸の表面に接着剤を用いて磁歪膜を固着し、逆磁歪
効果により変化する膜の透磁率をコイル等で検出する。

非接触式トルクセンサがある（例えば特開昭６０−１９
５４３０号、特開昭６３−３１７７３２号参照）。

また、上記磁歪膜を受動軸の表面に、溶射法により直接
形成した磁歪模式トルクセンサも提案されている（特開
昭６２−１８４３２３号公報）。

しかして、上記のトルクセンサは、いずれも第１３図に
示すごとく、受動軸９の表面に磁歪膜９１を固着又は形
成しておき、該磁歪膜９１に対向させて励磁コイル９３
と検出コイル９４とを配設してなる。上記励磁コイル９
３は磁歪膜９１に対して例えば１ＫＨ２以上の高周波励
磁を行う。そして、受動軸９にトルクが加わると磁歪膜
９１に応力が加わり、その透磁率が変化する。つまり。

逆磁歪効果により磁歪膜９１の透磁率が変化する。

そこで、この透磁率を検出コイルによって検出し。

トルクを検出するのである。

また　上記従来の後者のトルクセンサは、溶射法により
磁歪膜を受動軸上に直接設けるものであるため　前記の
ごとく接着剤を用いて磁歪膜を固着するものに比して、
耐久性に優れている。

〔解決しようとする課題〕

しかしながら、上記溶射による磁歪膜を設けたトルクセ
ンサにおいても１次の問題がある。

即ち、磁歪膜と受動軸との界面の密着性が充分でない。

また、溶射磁歪膜の融合、即ち緻密性が充分でない。つ
まり、溶射磁歪Ｉ漠の内部には、気孔が生成していたり
、或いは酸化物が生成している。そのため、磁歪膜の密
度が低く、インダクタンス変化率が小さく、検出感度が
低い（後述する実施例参照）。

本発明はかかる問題点に鑑み、緻密で、検出感度に優れ
た磁歪膜を有する。磁歪模式トルクセンサを提供しよう
とするものである。

（課題の解決手段） 本発明は１表面に磁歪膜を形成した受動軸と。

上記磁歪膜に対向して空隙をもって配設した励磁コイル
と検出コイルとよりなるトルクセンサにおいて、上記磁
歪膜は上記受動軸の表面に減圧プラズマ溶射により形成
してなることを特徴とする磁歪模式トルクセンサにある
。

本発明において最も注目すべきことは、上記磁歪膜を減
圧プラズマ溶射により形成したことにある。

上記減圧プラズマ溶射は、ｉ％！圧下においてプラズマ
溶射を行う方法である。即ら１例えばＡｒ。

Ｈｅなとの不粘性ガスの供給ガス圧を３０〜１０Ｑｐｓ
ｉとした雰囲気中で、チャンバー圧ｌＯ〜５０Ｔｏｒｒ
で、磁歪膜原料としての金属キ５〕末を受動軸の表面に
溶射する。

磁歪膜の材質としては、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（Ｎｉ３０〜
８０％）、更にこれにＭｏ、Ｃｒなとの電気抵抗率を増
加させる元素を１０％以下添加した合金、Ｆｅ−Ｃｏ合
金、Ｆｅ−Ａｆｆｉ合金などがある。

また、ＷＩ射時の金属粉末としては、５０メツシユ以下
のものが好ましい、５０メツシユより粗い粉末では、生
成する磁歪膜が十分緻密とならないおそれがある。また
、磁歪膜の厚みは２０μｍ以上とすることが好ましい。

２０μｍ未満では検出感度が低い。

また　減圧プラズマ溶射に当たっては、受動軸の表面を
サンドブラスト等により下地クリーニングして２表面を
若干粗らしておくことが好ましい。

つまり１面粗度を１０μＲＺ以上としておくことが好ま
しい。これにより、磁歪膜の密着性が向上する。また、
下地クリーニングの後には、アーク洗浄を行って、受動
軸表面の酸化膜を除去する。

その後減圧プラズマ溶射を行う。

〔作用及び効果〕

本発明においては、磁歪膜を減圧プラズマ溶射により形
成しているので、磁歪膜中には殆ど気孔が生成していな
い（第５図参照）。即ら、膜中矢線面積率は５％以下で
ある（実施例参照）、そのため、磁歪膜が緻密である。

また、磁歪膜中には酸素が殆ど含有されていない（第７
図参照）。

また、上記減圧プラズマ溶射により磁歪膜を形成してい
るため、磁歪膜ど受動軸との間の密着性も高い。

したがって２本発明によれば、緻密で、検出感度に優れ
た磁歪膜を有する。磁歪模式トルクセンサを提供するこ
とができる。

〔実施例〕

第１実施例 受動軸の表面に、減圧プラズマ溶射により磁歪膜を形成
し、該受動軸及び磁歪膜について種々の測定を行った。

また、比較のため、大気）容射を行った場合についても
、同様の測定を行った。

まず、受動軸上への磁ｆ２膜の形成につき述べる。

減圧プラズマ溶射に当たっては、第９図に示すごとく１
減圧チヤンバー１内において２回転台１１上に受動軸２
を配置する。そして、減圧チャンバー１内を減圧となし
９次いでパイプ１２より磁歪膜用の金属粉末とキャリア
ガスを、プラズマ溶射ガン１４に送る。そして、該溶射
ガン１４より溶融状態の金属を１回転している受動軸２
に噴射する。なお、符号１３は、電線パイプである。

また、上記受動軸は、減圧チャンバー１内に配置するに
先立って、サンドブラストにより下地クリーニングを行
い１表面を面粗度約ｌＯμＲＺに粗らしておいた。これ
は、溶射粒子の密着性を上げるためである。そして、下
地クリーニングを行った受動軸を減圧チャンバー１内に
入れ、減圧下にアーク洗浄を行い、受動軸表面の酸化膜
除去を行った。その後、減圧プラズマ溶射を行った。

上記受動軸は、直径２０Ｍのステンレスｔ１．１Ｉ（Ｓ
ＵＳ３０４）である。また、金属粉末は、Ｆｅ５５％−
Ｎｉ４５％合金で９粒度は１００メツシユ以下であった
。キャリアガス及びその圧力は、Ａｒ（アルゴン）６０
ｐｓ　ｔ、Ｈｅ　（ヘリウム）６０ｐｓ　＋を用いた。

また、溶射時においては、減圧チャンバー内圧力は２０
Ｔｏｒｒ、電圧８０ｖ。

電流８００Ａとした。しかして、上記溶射により。

受動軸２の表面には、厚み１００μｍのＦｅ５５％−Ｎ
ｉ４５％合金の磁歪膜が形成された。以下。

この受動軸を本発明受動軸という。

また、比較のため、上記のごとき減圧を行わず。

減圧チャンバー内を大気圧状態、大気下におき。

またキャリヤーガスも空気を用いて、その他は上記と同
様にして溶射を行った。以下、この受動軸を比較受動軸
という。

次に、上記本発明受動軸、比較受動軸につき種々の測定
を行った。

（Ａ）　　インダクタンス変化率 第１０図に示すごと＜、磁歪膜２２を設けた受動軸２（
直径２０ｍｍ）に対して、該磁歪膜２５の周囲に空隙を
保持して、３５０ターンのコイル３１を配置する。該コ
イル３１は、ＬＣＲテスター３０に接続する。そして、
受動軸２に回転トルクを与えてコイルのインダクタンス
（Ｌ値）を測定した。上記測定は、ｌＯ〜１００ＫＩＩ
Ｚについて行った。また、歪量は、受動軸表面の４５度
方向の歪量で表し、受動軸負荷トルクから計算して求め
た。

その結果を第１図及び第２図に示す。第１図より知られ
るごとく１本発明受動軸は、比較受動軸に比べ、負荷ト
ルクに対して大きなインダクタンス変化率を示すことが
分る。

また、第２図より知られるごとく１本発明受動軸は、比
較受動軸に比して、いずれの周波数領域においても高い
インダクタンス変化率を示すことが分る。即ち１本発明
受動軸は優れた検出感度を有する。

（Ｂ）　　磁歪効果 直ａｍ化特性による磁歪効果について測定した。

この測定に当たっては、上記受動軸とは別の板状の金属
基板に前記と同様に溶射を行って磁歪膜を形成した。そ
して、第１１図に示すごとく、磁歪膜２６を形成した基
板２５を４点曲げ治具３３に装着する。また、基板２５
の周囲にはピックアップコイル３４を配置し、更にその
周囲に励磁コイル３５を配置する。

そして、上記基板に引張応力、無負荷、圧縮応力を加え
て、ピックアップコイル３４の出力と。

励磁コイル３５の磁界とを測定した。なお、引張。

圧縮とも磁歪膜に７．　４ｋｇ／ｎｍ”の応力がかかる
よう曲率を設定した。

その結果を２本発明（減圧プラズマ溶射）に関して第３
図に、比較例（大気圧溶射）に関して第４図に示した。

第３図及び第４図に示すごとく９本発明の磁歪膜のヒス
テリシスループ（第３図）は、比較磁歪膜のそれに比し
て、傾斜が大きく、インダクタンス変化率が大きいこと
を示し°ζいる。つまり２本発明磁歪膜は検出感度が高
い。

（Ｃ）　　磁歪膜中の気孔生成状態 前記のごとく磁歪膜を形成した受動軸について。

その磁歪膜形成部分につき、顕微鏡観察を行った。

その結果を本発明受動軸につき第５図に、比較受動軸に
つき第６図に示した。同写真は、磁歪膜形成部分の断面
につき、塩化第二鉄溶液によるエツチングを行ったもの
で３倍率２００倍である。

両図において、写真中央部より上方が溶射磁歪膜。

下方が受動軸基材である。

第５図より知られるごとく２本発明受動軸の磁歪膜は膜
中欠陥としての気孔が殆どなく緻密である。即ち、膜中
欠陥面積率は１．　９％であった。

ここに膜中欠陥面積率とは４００倍に拡大した膜断面に
おける欠陥の面積を１画像処理装置により計測したもの
である。

これに対して、比較受動軸の磁歪膜は、第６図に示すご
と＜、ｎｕ中の気孔が非常に多い、そして。

その膜中欠陥面積率は４３％にも達していた。

（Ｄ）　　磁歪膜中の酸素含有状態 磁歪膜形成部分につき、磁歪膜中の酸素含有状態をＥＰ
ＭＡにより分析した。その結果を、ＥＰＭＡ写真（倍率
２００倍）により１本発明受動軸につき第７図に、比較
受動軸につき第８図に示す。

両写真において、白色点が酸素存在位置を示している。

そして、写真中、上方３分の１の白色の多い部分は、断
面写真撮影ピースにおける埋込樹脂、下方３分の１の黒
色部分が受動軸である基材を示し２両者の間に磁歪膜が
存在する。

しかして１両写真より知られるごとく２本発明受動軸の
磁歪膜（第７図）は、比較受動軸の磁歪膜（第８図）に
比して、酸素含有量（白色点数）が極めて少ない。即ち
１本発明受動軸の磁歪膜は。

基材（受動軸）とほぼ同程度しか酸素が含有されでいな
い。

以上より知られるごとく１本発明受動軸の磁歪膜は、気
孔含有量つまり膜中欠陥面積率が極めて小さく、また酸
素含有量が極めて小さいことが分る。また、それ故に２
本発明受動軸の磁歪膜ば優れた検出感度を示している（
第１図〜第４図）のである。

第２実施例 本発明受動軸は３例えば第１２図に示すごとく検出回路
を構成し、トルクセンサとして用いる。

本例における検出回路は、受動軸２に固着した共振回路
にと、受動軸２の外に設けた人力コイル５と出力コイル
６とよりなる検出部りとからなりこれによりトルクを検
出しようとするものである。

即ち、共振回路には、受動軸２の全周に設けた前記磁歪
膜２２と、その周囲に巻回した共振コイル４３及び該共
振コイル４３と直列に接続したコンデンサ４４とによっ
て構成し、これらは受動軸２上に固定する。

また、上記共振回路Ｋから出力される共振周波数を検出
する検出部りは、駆動電源に接続した入力コイル５と、
検出した信号を発信する出力コイル６とからなる。人力
コイル５は磁心５１とこれに巻回したコイル５２とから
なり、出力コイル６は磁心６】とこれに巻回したコイル
６２とからなる。上記入力コイルが、いわゆる励磁コイ
ルである。

しかして、上記共振回路に、検出部りに波形整形回路を
接続して、トルク変動出力を測定する（図示路）。なお
、測定の詳細は、特開昭６３３１７７３２号参照。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１１図は、第１実施例のトルクセンサを示し
、第１図は負荷トルクとインダクタンス変化率の関係線
図、第２図は周波数とインダクタンス変化率との関係図
、第３図及び第４図は磁歪膜のヒステリシス線図、第５
図及び第６図は磁歪膜形成部分の断面の金属＆１１織の
顕微鏡写真、第７図及び第８図は、磁歪膜形成部分の断
面におけるＸ線マイクロアナライザーによるＸ線写真、
第９図は減圧プラズマ溶射の説明図、第１０図はインダ
クタンスの測定説明図、第１１図は磁歪効果の測定説明
図、第１２図は第２実施例におけるトルクセンサ説明図
、第１３図は磁歪膜トルクセンサの説明図である。 １１８．減圧チャンバー ２１２．受動軸。 ２４ 、磁歪膜 出　　願　人 株式会社豊田自動織機製作所

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 表面に磁歪膜を形成した受動軸と、上記磁歪膜に対向し
   て空隙をもって配設した励磁コイルと検出コイルとより
   なるトルクセンサにおいて、上記磁歪膜は上記受動軸の
   表面に減圧プラズマ溶射により形成してなることを特徴
   とする磁歪模式トルクセンサ。