JPH0634460A

JPH0634460A - 磁歪式トルクセンサ用磁歪検出体の製造方法

Info

Publication number: JPH0634460A
Application number: JP19231192A
Authority: JP
Inventors: Takao Nakanishi; 孝夫中西; Yoshiki Hirai; 佳樹平井
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1992-07-20
Filing date: 1992-07-20
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】【目的】検出体の感度および再現性が良く、繰返し応
力に対して安定した出力特性を示すとともに、生産性も
良好な磁歪検出体の製造方法を提供することを目的とす
る。【構成】軸部材１に磁性合金層４を設け、塑性加工に
より軸の長手方向に対して４５゜に傾斜する複数の凹条
２および凸条３を規則的間隔毎に形成する磁歪検出体の
製造方法。

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の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁歪式トルクセンサ用磁歪検出体におい
ては、透磁率の変化を感知可能とするために、検出体軸
の表面の一部に螺旋方向の磁気異方性が付与されてい
る。

【０００３】このような磁気異方性を付与する方法とし
ては、軸材の表面に非晶質合金等の磁歪材料の箔を螺旋
状に接着する（特開昭５９−１６６８２７号公報）、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６２−２０
６４２１号公報）、あるいはプラズマ溶射法（特開昭６
３−２９７５４５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
け加工する等がある。

【０００４】一方、磁歪材料の接着に代えて、合金鋼の
ような軟磁性材料の軸に捩じりトルクを与えた状態を維
持しながら軸面にショットピ―ニングした後、捩じりト
ルクを解放することにより、残留応力による磁気異方性
を付与する方法（特開平２−２８００２３号公報など）
がある。この方法は、前者の方法のように磁性合金の被
膜を螺旋状に設ける手間がかかるとか、亀裂や剥離のお
それがある等の欠点がなく、比較的簡単に製作できると
いう特徴がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、後者の
方法によるトルクセンサは出力の感度が低いという欠点
が指摘されている。

【０００６】そこで、この発明は、検出体の感度および
再現性が良く、繰返し応力に対して安定した出力特性を
示すとともに、生産性も良好な磁歪検出体の製造方法を
提供することを目的としている。

【０００７】

【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の製造方法
は、トルク伝達軸の外周面に溶射法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、溶射層表面を押
圧塑性加工を施し、軸の長手方向に対して角度４５゜に
傾斜する複数の凹条および凸条を規則的間隔毎に形成す
ることを特徴とする。

【０００８】前記の製造方法における溶射の前に、トル
ク伝達軸の外周面に予め軸の長手方向に対して角度４５
゜に傾斜する複数の凹条および凸条を規則的間隔毎に形
成しておき、前述したと同様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、溶射層表面を凹
条および凸条に倣って押圧して塑性加工してもよい。

【０００９】また、前記のいずれかの方法で作られた、
軸の長手方向に対して角度４５゜に傾斜する複数の凹条
および凸条を規則的間隔毎に形成した磁性合金層を有す
るトルク伝達軸の外周表層を機械加工により削除して、
凹条溝内の磁性合金層を残してトルク伝達軸の凸条を表
面に露出することを特徴とする。

【００１０】磁歪検出体軸は、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。

【００１１】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。

【００１２】凹条および凸条は、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
従来と同じである。

【００１３】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１０
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３０
μｍ以上設ける。軸表面に予め設ける複数の傾斜した凹
条および凸条の形成は、作業性の面から転造が好適であ
る。

【００１４】凹条の形状はＶ形、正弦波形、歯車形、台
形、扇形などを適用できる。

【００１５】軸部材に磁性合金を溶射する場合は、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。

【００１６】溶射は、Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ₂，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、溶融させて軸部材表面に吹き付け、被膜
を形成する。また、高温フレーム溶射法も適用できる。

【００１７】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。

【００１８】処理温度はＦｅ−Ｎｉ合金では９００〜１
１００℃、Ｃｏ−Ｆｅ合金では８００〜８５０℃、Ａｌ
−Ｆｅ合金では約４００℃で加熱して徐冷する。

【００１９】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合金では約１２００℃に加
熱して急冷、Ａｌ−Ｆｅ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。

【００２０】また、熱処理は、溶射膜の上から塑性加工
した後、行うことがある。磁性合金被膜を設けた軸の表
層部を削除し、軸材の凸条を露出させるには、研削が好
適である。

【００２１】なお、軸の要部表面を樹脂などで被覆保護
するのは従来と同様である。

【００２２】

【作用】この発明により製作される磁歪検出体は、軸の
表面に透磁率の高い磁性合金層を備えているから、高い
出力が得られる。

【００２３】また、磁性合金層は、溶射法により形成す
るので、めっき法などに比べて合金層の組成バラツキが
少なく、安定した性能を得ることができる。

【００２４】螺旋状の凹凸条の形成により、形状異方性
が付与される。この場合、軸部材の表面に溶射で形成し
た磁性合金層を転造により押圧して塑性変形させるの
で、溶射による被膜の表面が緻密化および平滑になり、
検出体としての出力再現性が良好になる。また、磁性合
金層は軸材との接着面積が多く、耐久性を改善する。

【００２５】応力による透磁率変化の検出に作用する磁
性合金層は、凹凸条の両面に磁性合金層が形成されてい
る検出体の場合、凸条の頂き部および近傍にある合金層
が軸部材の凸条を露出させたものにあっては、凸条によ
り区画された凹条中の磁性合金層である。

【００２６】熱処理により金属組織が均一化し、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。

【００２７】軸部材表面の凹凸条は転造で形成でき、ま
た、被膜形成は溶射法で形成されるから、いずれも能率
が良く安価に製作できる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明方法の実施例について、添付図
面を参照しながら詳細に説明する。

【００２９】図１は、発明試料の製造工程を説明するた
めの検出体軸の断面図である。ただし、凹凸や被膜厚さ
は誇張して示してある。

【００３０】まず、外径２０mm、長さ１００mmのステン
レス鋼棒（材質ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４）を準備した。

【００３１】そして、（ａ１）のような円柱状の軸素材
試料１と、（ａ２）のような軸１の表面に凹条２および
凸条３をローレットによる転造で形成した後、凸条３を
研削して寸法を整えて軸素材試料２に加工した。

【００３２】後者の凹条２および凸条３は略台形をして
おり、凹条２の深さｈは０．５mmで、凸条３の幅Ｗ₃を
５mmとし、外周上に１０本形成した。凹条２および凸条
３は軸の長手方向に一方は角度＋４５゜に、他方は角度
−４５゜に傾斜して形成されている。

【００３３】そして、各軸素材の外周面は、圧縮空気で
コランダムを吹き付けブラスト処理し、梨地面にした。

【００３４】次に、各試料の要部に溶射により平均厚さ
０．６mmの磁性合金層４を図１の（ｂ１），（ｂ２）に
示すように設けた。溶射は、２００トールの減圧Ａｒガ
ス雰囲気中で、Ａｒ−Ｈ₂プラズマジェットにより５０
％Ｆｅ−Ｎｉ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−Ｎｉ合金層４をプラズマ溶射で
形成した検出体の磁歪特性を評価し、特性が良好だった
ものである。

【００３５】次に、各試料を水素ガス中、温度１０００
゜に加熱した後、徐冷した。

【００３６】次いで、各試料を凹条２および凸条３に対
応する外径の転造用ロールを用い、試料１においては磁
性合金層４面を徐々に押圧して、試料２では（ｂ２）の
凹凸面に対応して徐々に押圧し、図１（ｃ）のような断
面形状で、軸１の長手方向に、一方は角度＋４５゜に、
他方は角度−４５゜に傾いた凹凸条に塑性加工を施し、
試験用の試料１および試料２とした。その要部断面拡大
模式図を図２に示す。凹条２および凸条３の表面に塑性
加工された磁性合金層４が形成されている。

【００３７】また、上記の試料の凹条２と凸条３の寸法
が反対である、いわゆる凹条２の幅Ｗ₂を５mmとし、製
作手順は（ａ２），（ｂ２），（ｃ）による試料を準備
し、その外周面を円筒研削盤で研削し、図３に示すよう
に、表層部を除去し、軸部材の凸条３を露出させて試験
用試料３とした。試験用試料３の外観図を図３で、断面
構造を模式的に図４にて示す。

【００３８】このとき磁性合金層４は、露出した軸部材
の凸条３で区画されている。

【００３９】一方、特開平２−２８００２３号公報記載
のように、軸に捩じりトルクを与えた状態を維持しなが
ら軸面にショットピーニングして残留応力を付与する方
法による比較用の試料４を作成した。これは、材料がニ
ッケルモリブデン鋼で、軸の長手方向に一方は角度＋４
５゜に、他方は角度−４５゜に傾いた凹凸条を切削加工
により形成し、この軸素材の中間部ｓをチャッキング固
定して、軸の一端を時計方向、他端を反時計方向に捩じ
りトルクを与えた状態で、凹凸条をショットピーニング
処理した後、捩じりトルクを取り去ったものである。

【００４０】このようにして作成した各磁歪検出体を、
片持ち軸に固定し、図５に示すように、コイル５，６を
配置するとともに、図６に示すようなトルク検出用の電
気回路で、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。図６中、符号７はトラン
ジスタ、８は入力端子、９は出力端子である。なお、コ
イル５，６の巻き数は４０ターンで、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
の出力電圧の値である。

【００４２】直線性とは、所定トルクを正転および逆転
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
ロットして直線で結び、この直線に対して各トルク印加
による出力電圧のずれ量をフルスケール電圧に対する百
分率で示した値である。

【００４３】また、ヒステリシスとは、トルクを正逆連
続して印加した後のトルク量０における出力電圧値のず
れ量を、前記のフルスケール電圧に対する百分率で示し
た値である。

【００４４】測定結果は、表１の通りであり、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
いることが容易に理解できる。

【００４５】さらに、発明試料１と２を比較すると、試
料１の方が塑性加工量が大きく磁性合金の加工歪みが大
きい分、感度が小さい。また、試料２と３とを比較する
と、試料２は凸条面の被膜の応力歪みを検出するのに対
して、試料３は軸部材の凸条３で区画された凹条２中の
磁性合金層４の応力歪みを検出している。また、試料２
の磁性合金層４の表面は塑性加工のままであるが、試料
３の磁性合金層４の表面は研磨面であるため、応力を緩
和する凹凸が少ないので試料３の方が感度が大きい。

【００４６】一方、製作においては、本発明方法は比較
試料の作成方法とほぼ同様であり、磁性合金被膜を形成
して螺旋状に選択除去する方法に比べて能率良く製造で
きることがわかる。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明に係る磁歪検
出体の製造方法は、軸部材に磁性合金層を設け、塑性加
工で凹凸条を形成することを骨子としたものであるか
ら、軸部材に磁性合金層が緻密で軸部材と被膜の接着性
が良好なものとなり、耐久性に優れ、感度、直線性など
の特性が良好である等品質性能の良い磁歪検出体を提供
できるという効果を有する。

【００４９】さらに、本発明による磁歪検出体の製造方
法は、転造法、溶射法によるものであるから、能率良く
磁歪検出体を製作することができ、磁歪検出体の生産性
を著しく高めることが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製造方法を説明する
軸部材断面図。

【図２】本発明による磁歪検出体の試料１および試料２
を示す要部断面図。

【図３】本発明による磁歪検出体の試料３の外観図。

【図４】本発明による磁歪検出体の試料３の要部断面
図。

【図５】この発明の測定に使用するトルクセンサの構成
を示す説明図。

【図６】図５に示すトルクセンサのトルクの検出回路
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

【特許請求の範囲】

【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てなる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溶射法により磁性
合金層を形成し、無酸化雰囲気中で加熱処理し、溶射層
表面を押圧塑性加工を施し、軸の長手方向に対して角度
４５゜に傾斜する複数の凹条および凸条を規則的間隔毎
に形成することを特徴とするトルクセンサ用磁歪検出体
の製造方法。
【請求項２】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てなる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゜に傾斜する複数の凹条および凸条を規則
的間隔毎に形成し、溶射法により凹条部および凸条部に
磁性合金層を形成し、無酸化雰囲気中で加熱処理し、溶
射層表面を凹条および凸条に倣って押圧して塑性加工す
ることを特徴とするトルクセンサ用磁歪検出体の製造方
法。
【請求項３】軸の長手方向に対して角度４５゜に傾斜
する複数の凹条および凸条を規則的間隔毎に形成した磁
性合金層を有するトルク伝達軸の外周表層を機械加工に
より削除して、凹条溝内の磁性合金層を残してトルク伝
達軸の凸条を表面に露出させることを特徴とする請求項
１または２記載のトルクセンサ用磁歪検出体の製造方
法。