JPH10260093A

JPH10260093A - 磁歪式トルクセンサの磁歪膜の製造方法

Info

Publication number: JPH10260093A
Application number: JP9084390A
Authority: JP
Inventors: Wataru Yagi; 渉八木; Kota Maruyama; 宏太丸山; Toshikuni Kusano; 敏邦草野; Atsunao Itou; 厚直伊東
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】、磁歪式トルクセンサの磁歪膜の特性向上とば
らつき低減が可能な製造方法を提供する。【解決手段】金属からなるシャフトの外周面に、Ｎｉを
３０〜９０ｗｔ％含むＮｉ―Ｆｅ系合金からなる磁歪膜
を溶射により被着する磁歪式トルクセンサの磁歪膜の製
造方法において、磁歪膜を溶射後、還元雰囲気において
８００〜１３００℃で還元熱処理してみた。その結果、
Ｎｉ―Ｆｅ系合金を用いた溶射磁歪膜（Ｎｉ―Ｆｅ膜）
の特性を向上でき、特性のばらつきも低減できることを
見出した。また、溶射される金属にＡｌを０．１〜１５
ｗｔ％添加させてみた。その結果、一層の特性改善を実
現することができることがわかった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シャフト表面に被
着された磁気異方性の磁歪膜により、シャフトの捻れに
応じた磁歪膜の磁気特性（透磁率）の変化を磁気的に非
接触検出する磁歪式トルクセンサの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の磁歪膜の製法としては、スパッタ
リングやイオンプレーティングなどのＰＶＤ法（例えば
特開昭６０ー４２６２８号公報や特開平６ー１３７９８
１号公報）、めっき法（例えば特開昭６２ー２０６４２
１号公報）、プラズマ溶射法などの溶射法（例えば特開
平５ー５２６７８号公報、特開平６ー１６０２０９号公
報）が提案されている。

【０００３】ＰＶＤ法による磁歪膜は、成膜速度が遅い
ので生産性の点で問題を有している。めっき法、特
に無電解めっき法による磁歪膜では形成された磁歪膜の
組成に制限があるために感度向上の点で問題を有してい
る。更に、これらスパッタリング法による磁歪膜やめっ
き法による磁歪膜は比較的膜厚が薄いので、感度の点で
シャフトの磁気的影響を排除する必要があり、このた
め、非磁性シャフトを用いる必要があるという問題を有
している。これに対して、溶射法による磁歪膜は、組成
の再現性、膜厚制御性、密着強度、感度、生産性におい
て良好であり、高膜圧化も容易であるので、シャフトの
材質も限定されないという利点を有している。

【０００４】特開平６ー１６０２０９号公報は、Ｎｉが
４０〜８０ｗｔ％のＮｉ―Ｆｅ膜、このＮｉ―Ｆｅ膜に
Ａｌなどを７ｗｔ％以下含有させた膜、Ａｌが８〜１５
ｗｔ％のＦｅ―Ａｌ膜、このＦｅ―Ａｌ膜にＮｉなどを
５ｗｔ％以下含有させた膜を提案している。また、特開
平６ー１３７９８１号公報は、９０％Ｎｉ―Ｆｅ膜を上
記磁歪膜として用いることを開示している。

【０００５】更に、特開平５ー５２６７８号公報は、Ｆ
ｅーＣｏ（Ｃｏ、３０〜６０ｗｔ％）合金を用い、添加
元素としてＭｎ、Ｖ、Ｎｂの少なくとも一種以上を５ｗ
ｔ％以下とし、含有酸素量が０．２ｗｔ以下としたプラ
ズマ溶射法による磁歪膜を採用すること、更に、この磁
歪膜をプラズマ溶射後、無酸化雰囲気で８００〜８５０
℃加熱する熱処理を行うこと、この無酸化雰囲気とし
て、水素中すなわち還元雰囲気で行い、これにより上記
レベルまで含有酸素の還元を行うことを提案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したＮｉ―Ｆｅ系
合金を用いた磁歪膜は、高価なＣｏを用いないために、
経済性に優れ、プラズマ溶射などの溶射法による作製方
法は、膜厚が大きく、感度に優れる磁歪膜を比較的容易
かつ経済的に作製できるという利点を有している。

【０００７】しかしながら、従来のＮｉ―Ｆｅ系合金を
用いた溶射磁歪膜では、その実用化のために、感度、リ
ニアリティ、ヒステリシス特性、シャフトとの密着性、
出力の温度安定性などの主要な特性の一層の向上及びば
らつきの低減が望まれていた。本発明は上記問題に鑑み
なされたものであり、磁歪式トルクセンサの磁歪膜の特
性向上とばらつき低減が可能な製造方法を提供すること
をその解決すべき課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、請求項１
記載の製造方法に関して、金属からなるシャフトの外周
面に、Ｎｉを３０〜９０ｗｔ％含むＮｉ―Ｆｅ系合金か
らなる磁歪膜を溶射により被着する磁歪式トルクセンサ
の磁歪膜の製造方法において、磁歪膜を溶射後、還元雰
囲気において８００〜１３００℃で還元熱処理してみ
た。

【０００９】その結果、Ｎｉ―Ｆｅ系合金を用いた溶射
磁歪膜（Ｎｉ―Ｆｅ膜）の特性を向上でき、特性のばら
つきも低減できることを見出した。これは、おそらく粒
子積層状態となっている溶射直後のＮｉ―Ｆｅ膜の組織
構造が還元熱処理により改質されると同時に、Ｎｉ―Ｆ
ｅ膜中のＮｉまたはＦｅと結合する酸素が還元により低
減されて、Ｎｉ―Ｆｅ膜の磁歪特性が改善されたためと
想像される。

【００１０】更に、この還元熱処理により、Ｎｉ―Ｆｅ
膜とシャフトの金属組織との密着性も向上することもわ
かった。還元熱処理温度は、８００〜１３００℃とされ
る。還元熱処理温度が８００℃未満の場合には、上記し
た溶射磁歪膜の組織改善と脱酸とによると思われる特性
改善が不十分となり、還元熱処理温度が１３００℃より
高いと素材の歪み、膜部の膨れ、Ａｌ含有量の低下及び
変動などが顕著となった。

【００１１】還元熱処理の時間は、１〜５時間が好適で
ある。還元熱処理の時間が上記範囲未満の場合に
は上記した溶射磁歪膜の組織改善と脱酸とが不十分とな
って特性の低下が生じ、上記範囲をを超えると溶射磁歪
膜中の結晶粒の大型化により特性のばらつきやヒステリ
シスの増大が生じる。Ｎｉ―Ｆｅ膜の厚さとしては、
０．１〜１ｍｍとするのが好ましい。膜厚が上記範囲未
満であれば感度の低下が顕著となり、上記範囲を超える
場合においては偏析、処理コストの増加という不具合が
生じる。

【００１２】本発明者らは、請求項２記載の製造方法に
関して、請求項１記載の製造方法において更に、溶射さ
れる金属にＡｌを０．１〜１５ｗｔ％添加させてみた。
その結果、一層の特性改善を実現することができること
がわかった。これは、還元熱処理中の高温により活性化
されたＡｌが膜中や粒界中の酸素と結合し、これにより
Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜中のＮｉやＦｅと酸素との結合が除去
されて磁歪膜としての特性が向上するためと想像され
る。すなわち、溶射膜は酸素を多く含み、この酸素がＮ
ｉ―Ｆｅ溶射膜の磁歪特性を低下させていたことがわか
った。Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜を還元熱処理する際において、
Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜中にＡｌが存在すると、おそらくＡｌ
が膜中の酸素と結合するためか、Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜の特
性が一層改善された。酸素と結合したＡｌは、アルミナ
となって安定化し、膜中に分散するので、膜の強度が向
上し、更に膜の抵抗率の増大による渦電流損失の低減に
効果がある。

【００１３】なお、熱処理雰囲気が還元性であるので、
磁歪膜の表面付近のＡｌは多少放散されるものの、雰囲
気ガス中の酸素とＡｌとが結合して磁歪膜の表面付近の
Ａｌが大きく減耗する事がなく、膜中各部の成分ばらつ
きによる特性ばらつきを低減することができる。本発明
者らは、請求項３記載の製造方法に関して請求項１又は
２記載の製造方法において更に、還元熱処理をＣＯガス
を用いて行ってみた。このようにすれば、更に以下の効
果を奏することがわかった。

【００１４】すなわち、上記したような高温で還元熱処
理を行うに際して上記従来技術に記載されている水素ガ
スによる還元を採用すると、高強度を要求されるシャフ
トに水素脆化が生じてその強度が低下する（もろくな
る）という不具合が生じるが、この製造方法によれば、
このような水素脆化を防止するとともに、Ｃｏによる高
温での還元熱処理により浸炭によるシャフトの表面強化
を図ることができるので、Ｎｉ―Ｆｅ膜の特性向上とシ
ャフトの強化とを一挙に実施することができ、実用上、
きわめて有効であることがわかった。ＣＯガスの採用
は、Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜中へのＣの混入と、それによるＮ
ｉ―Ｆｅ溶射膜の磁歪特性の低下を懸念させるが、実験
によれば、ＣＯガスに使用によるＮｉ―Ｆｅ溶射膜の特
性低下は生じなかった。

【００１５】本発明者らは、請求項４記載の製造方法に
関して請求項１ないし３のいずれか記載の磁歪式トルク
センサの磁歪膜の製造方法において更に、還元熱処理
中、またはその後、８００〜１３００℃で浸炭処理を行
ってみた。その結果、シャフトの機械的強度を向上する
ことができる。なお、このようなＮｉ―Ｆｅ系合金から
なる磁歪膜（Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜）が被着されたシャフト
を浸炭処理する場合、Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜も浸炭処理され
る訳であるから、それによる特性低下が強く懸念され
る。しかし、実験によれば、Ｎｉ―Ｆｅ系合金からなる
磁歪膜は、浸炭処理により特性低下を生じることなく、
かえってこの浸炭処理時においてＮｉ―Ｆｅ系合金中で
ＮｉやＦｅと結合する酸素を除去し、更に浸炭処理時に
ＮｉとＦｅとの合金化が進むので、溶射後にはまだ不十
分である溶射膜の合金が促進され、これらの結果とし
て、Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜の特性が改善されることが分かっ
た。

【００１６】すなわち、Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜を還元雰囲気
で熱処理すると特性が向上する。しかし、この高温処理
によりシャフトの機械的特性が低下する。そこで、この
還元熱処理中またはその後で、浸炭処理を行うと、シャ
フトの機械的特性を向上させるとともに、Ｎｉ―Ｆｅ溶
射膜中の酸素の低減を行うので、磁歪膜の特性も向上す
るという一挙両得の結果が得られた。

【００１７】浸炭処理としては、上記説明した還元熱処
理をＣＯガスを用いて行う他、Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜及びシ
ャフトにＣを塗布したりして行うことができる。本発明
者らは、請求項５記載の製造方法に関して請求項１ない
し４のいずれか記載の製造方法において更に、還元熱処
理後、８００〜１０００℃で焼き入れ処理を行ってみ
た。

【００１８】このようにすれば、磁歪膜の特性向上と同
時にシャフトの強化を図ることができることがわかっ
た。詳しく説明すれば、上記した還元熱処理または浸炭
処理を高温で行うと、どうしてもシャフトを構成する金
属の結晶構造の肥大化を招く。特に、上記した従来技術
のように、この高温熱処理段階から徐冷を行う場合にお
いてそれが顕著であり、その他、このような熱処理やそ
の後の徐冷によりシャフトの結晶層が望ましくない結晶
構造となる場合もある。

【００１９】そこで、還元熱処理後に、焼き入れ処理を
行ってみると、Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜の特性を低下させるこ
となく、シャフトの機械的強度の向上が行えることがわ
かった。一例において、この焼き入れ処理は、還元熱処
理後の冷却を終了した後の再加熱とその後の急冷により
実施されるが、他例においては還元熱処理を行う高温の
冷却過程において、急冷工程が挿入される。すなわち、
後者の方法では、還元熱処理が焼き入れにおける前工程
を兼ねるので、行程が簡素となる。

【００２０】重要なことは、この焼き入れ処理すなわち
急冷を実施することにより高温の還元熱処理で低下した
シャフトの機械的特性が向上するが、それと同時に磁歪
膜の結晶構造が変成し、磁歪膜の特性すなわち感度、リ
ニアリティ、ヒステリシス特性などの特性が悪化せず、
むしろ改善されるとも言えるということが判明した点で
ある。

【００２１】本発明者らは、請求項６記載の製造方法に
関して請求項５記載の製造方法において更に、焼き入れ
処理後、焼き戻し処理を行ったみた。このようにすれ
ば、シャフトの残留応力を低減できると同時に、Ｎｉ―
Ｆｅ溶射膜の特性ばらつきも低減できることがわかっ
た。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な態様を以下
の実施例により詳細に説明する。磁歪膜として用いるＮ
ｉ―Ｆｅ系合金としては、上述したようにＮｉを３０〜
９０ｗｔ％、更に好ましくは３５〜８０ｗｔ％含むこと
が好ましい。Ａｌは０．１〜１５ｗｔ％、更に好ましく
は５〜１０ｗｔ％添加されることが好ましい。その他、
含まれることができる補助添加元素については、Ｍｇ、
Ｃａ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｍｎなどを０．０１〜１０ｗｔ
％程度添加することができる。

【００２３】シャフトとしては、ＳＣｒ、ＳＮＣＭ、Ｓ
ＣＭなどの合金鋼や炭素鋼更には非磁性のステンレスな
どが採用されることができる。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）実験に用いた磁歪式トルクセンサの磁歪膜
の形状を図１に示す。１はシャフト、２はシャフト１に
微少な隙間を介して嵌着されたボビンである。

【００２５】ボビン２は軸方向前後に一対のコイル溝を
有しており、両コイル溝の上部には励磁コイル３、４が
個別に巻装され、両コイル溝の下部には検出コイル５、
６が個別に巻装されている。一方のコイル溝にボビン２
を挟んで対面するシャフト１の外周面には第一の磁歪膜
７が被着され、他方のコイル溝にボビン２を挟んで対面
するシャフト１の外周面には第二の磁歪膜８が被着され
ている。両励磁コイル３、４のターン数は等しく、両検
出コイル５、６のターン数は等しく設定されている。

【００２６】図２に検出回路の構成を示す。所定周波数
の正弦波交流電圧（ここでは５０ｋＨｚ）が直列に接続
された励磁コイル３、４に印加されると、シャフト１に
かかる捻り応力に応じて磁歪膜７、８が交流磁界を変調
する。すると、両検出コイル５、６に誘導される信号電
圧が逆方向に変化するので、両検出コイル５、６の信号
電圧をそれぞれ検波器９、１０で検波し、電圧増幅器１
１、１２で増幅し、両信号電圧の差を差動増幅器１３で
求めれば、ほぼシャフト１の応力すなわちトルクに比例
する信号電圧が得られる。

【００２７】磁歪膜７、８は、プラズマ溶射により形成
され、その後、切削加工により、図１に示すように互い
に反対に向きかつ軸方向に対して４５度の方向に平行に
伸びる多数の短い帯により構成される。上記説明したこ
れらの構成は、磁歪式トルクセンサ構造として一般的で
あり、よく知られているので、詳細な説明は省略する。

【００２８】シャフト１の直径は１７ｍｍ、長さは１２
０ｍｍであり、ＳＣｒ４２０を素材として加工形成され
たものを準備し、その外周面をブラスト処理した後、プ
ラズマ溶射を行った。プラズマ溶射は、Ｆｅ５２ｗｔ
％、Ｎｉ３８ｗｔ％、Ａｌ１０ｗｔ％のブレンド粉末を
用いて大気中で実施し、シャフト１の外周面に厚さ０．
３ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ａｌ合金層を形成した。次に、シ
ャフト１をＣＯ（一酸化炭素）雰囲気で９５０℃で３ｈ
保持し、その後、８５０℃で１．５ｈｒ保持した後、１
３０℃まで油焼入れし、その後、１８０℃で２ｈ保持し
た後、空冷して焼戻しを行なう浸炭熱処理を行った。

【００２９】次に、この合金膜に図１のようにシエブロ
ンパターン形状膜すなわち上記し多数の帯を形成すべ
く、加工処理を実施した。各帯の横幅は約２．２ｍｍ、
長さ１０ｍｍ、膜厚０．２ｍｍで軸の右半分は長手方向
に対して＋４５°、左半分は−４５℃に傾き、各１２本
づつ形成した。各帯間の間隔は約２．２ｍｍとした。こ
のように作成したシャフト１の一端にねじりトルクを加
えてトルクと出力電圧の関係を測定した。その結果を図
３に示す。測定周波数は５０ＫＨｚ、励磁電圧は２Ｖで
ある。センサー出力は、２ｍＶ／Ｎｍであり、その直線
性は０．６％ＦＳを示した。なお、図３において、差動
増幅器１３は約ＤＣ５Ｖのバイアス電圧を出力してい
る。

【００３０】次に、上記実施例膜としたＮｉ―Ｆｅ溶射
膜（正確にはＮｉ―Ｆｅ−ＡＬ溶射膜）のせん断試験を
実施し、密着せん断強度を測定した。その結果を図４に
示す。これにより浸炭処理により、シャフト１の強度が
向上したことがわかった。なお、図４における破線は、
普通車の運転時とロック時のトルクをせん断応力に換算
した値を示す。

【００３１】次に、上記実施例膜のＸ線回折結果を表３
に示し、比較例膜として、溶射に用いた合金粉末のＸ線
回折結果を表１に示し、溶射したのみのＮｉ―Ｆｅ溶射
膜のＸ線回折結果を表２に示す。表３から、実施例膜
は、ＦｅーＮｉパーマロイ粒子とアルミナ粒子と粒界の
炭化物とからなる複合体と考えられ、これに若干のＡｌ
分が含有されていると思われる。また、浸炭時の熱処理
により合金化が進んだと考えられ、Ｎｉのピークがわず
かになっている。

【００３２】次に、実施例膜の断面拡大写真を図５〜図
７に示し、比較例膜として、溶射に用いた原料合金粉末
の断面拡大写真を図９、図１０に示し、溶射したのみの
Ｎｉ―Ｆｅ溶射膜の断面拡大写真を図１１〜図１４に示
す。図１２〜図１４から、溶射したのみのＮｉ―Ｆｅ溶
射膜には溶け残り粒子が残存すること及び孔が残ってい
ることがわかる。これに対して、図６、図７に示す試料
膜では、溶け残り粒子や孔の残存はなく、組織の均一性
が改善されたことがわかる。

【００３３】次に、実施例膜（溶射、還元熱処理として
浸炭処理をおこなったもの）の組成と、比較例膜として
溶射に用いた原料合金粉末の組成を表４に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】

【表４】次に、上記した実施例の製造工程で作製したＮｉ―Ｆｅ
系溶射磁歪膜ａ（Ｎｉが４３ｗｔ％、Ａｌが１ｗｔ％、
Ｃが２ｗｔ％、残部のほとんどがＦｅ）の感度と、上記
した実施例の製造工程のうち還元熱処理以降の工程を省
略して製したＮｉ―Ｆｅ系溶射磁歪膜ｂ（Ｎｉが４３ｗ
ｔ％、Ａｌが１ｗｔ％残部のほとんどがＦｅ）の感度
と、鋳鍛造法で作製したＮｉ―Ｆｅバルク膜ｃの感度と
を以下に記載する。

【００３８】ａの感度は２．０２ｍＶ/Ｎｍであり、ｂ
の感度は０．２３０ｍＶ/Ｎｍであり、ｃの感度は２．
２０ｍＶ/Ｎｍであった。測定は、上記実施例と同じ方
法で行った。この感度の比較から、溶射後の還元浸炭熱
処理により溶射膜においてもバルク膜に匹敵する格段の
感度向上が実現できるようになるという優れた効果が得
られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験に用いた磁歪式トルクセンサの磁歪膜及び
シャフトの形状を示す模式図である。

【図２】実験に用いた磁歪式トルクセンサの検出回路の
構成を示す回路図である。

【図３】実施例膜（溶射後、浸炭処理を兼ねる還元熱処
理、焼き入れ、焼き戻しを行ったもの）のトルクと出力
電圧の関係を示す特性図である。

【図４】実施例膜（溶射後、浸炭処理を兼ねる還元熱処
理、焼き入れ、焼き戻しを行ったもの）と、比較例膜
（溶射のみを行ったもの）との密着せん断強度を示す図
である。

【図５】実施例膜の金属組織の断面写真である。

【図６】実施例膜の金属組織の断面写真である。

【図７】実施例膜の金属組織の断面写真である。

【図８】原料合金の金属組織の断面写真である。

【図９】原料合金の金属組織の断面写真である。

【図１０】溶射のみを行った比較例膜の金属組織の断面
写真である。

【図１１】溶射のみを行った比較例膜の金属組織の断面
写真である。

【図１２】溶射のみを行った比較例膜の金属組織の断面
写真である。

【図１３】溶射のみを行った比較例膜の金属組織の断面
写真である。

【符号の説明】

１はシャフト、７、８はＮｉ―Ｆｅ溶射膜である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊東厚直愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属からなるシャフトの外周面に、Ｎｉを
３０〜９０ｗｔ％含むＮｉ―Ｆｅ系合金からなる磁歪膜
を溶射により被着する磁歪式トルクセンサの磁歪膜の製
造方法において、前記磁歪膜を溶射後、還元雰囲気で８００〜１３００℃
で還元熱処理することを特徴とする磁歪式トルクセンサ
の磁歪膜の製造方法。
【請求項２】請求項１記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
膜の製造方法において、前記溶射される金属は、Ａｌを０．１〜１５ｗｔ％含む
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサの磁歪膜の製造方
法。
【請求項３】請求項１又は２記載の磁歪式トルクセンサ
の磁歪膜の製造方法において、前記還元熱処理は、ＣＯガスを用いて行われることを特
徴とする磁歪式トルクセンサの磁歪膜の製造方法。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか記載の磁歪式
トルクセンサの磁歪膜の製造方法において、前記還元熱処理時またはその後、８００〜１３００℃で
浸炭処理を行うことを特徴とする磁歪式トルクセンサの
磁歪膜の製造方法。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか記載の磁歪式
トルクセンサの磁歪膜の製造方法において、前記還元熱処理後、８００〜１０００℃で焼き入れ処理
を行うことを特徴とする磁歪式トルクセンサの磁歪膜の
製造方法。
【請求項６】請求項５記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
膜の製造方法において、前記焼き入れ処理後、焼き戻し処理を行うことを特徴と
する磁歪式トルクセンサの磁歪膜の製造方法。