【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆磁歪効果を利用した磁歪式トルクセンサに関し、特に、トルクセンサシャフトに発生する温度勾配が原因となる出力の変動を軽減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のトランスミッションや４ＷＤトルクスプリッタ、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）等では、適切な制御を行うためにトルクを検出する必要がある。例えば、ＥＰＳとは、自動車等のハンドルに入力されたトルクに応じて電動モータを制御し、アシスト力を発生させるパワーステアリングシステムであり、その制御にはハンドルに加えられたトルクの検出が必須である。
従来、このようなトルクの検出には、より高い感度を得るためにねじれ量の大きなトーションバー（ねじりばね）が用いられている。しかし、ねじれ量を大きくするためにはトーションバーの径を小さくする必要があり、トーションバーの感度を高めるためにその剛性が犠牲となっていた。また、トーションバーは、動力伝達に関して周波数応答性や強度の点で不利となっていた。
また、剛性を上げるには、感度の高い歪ゲージを用いる方法もある。しかし、歪ゲージからの信号取り出しに問題があるため、歪ゲージは動力伝達系には不向きである。さらに、歪ゲージでははがれの懸念があるため、長期にわたる信頼性を保証できないという問題もある。
ここで、磁歪式センサは、高剛性で周波数応答性に優れるという特徴を持つ。磁歪式トルクセンサとして、特開平１−１６９９８３号公報、特公平８−３１６３６号公報等が知られている。磁歪式トルクセンサは、歪の検出感度が非常に高く、微小な歪の検出が可能であり、さらに、非接触検出、高速回転可能、高い周波数応答性といった有利な特徴を持つ。さらに、接着や溶射・メッキ等による磁歪膜を有することなく、軸材がそのまま磁歪センシング部を兼ねるタイプでは、磁歪膜のはがれ等の心配が無いため、信頼性も非常に高いものとすることができる。
【０００３】
このソレノイドコイルを用いるタイプの磁歪式トルクセンサでは、感度を上げるために、トルクセンサシャフトに２ヶ所以上の磁気異方性部を設けるのが一般的である。特に一般的には、トルクセンサシャフトの中心軸に対して逆方向に約４５°傾けた１組の溝を設けることによって磁気異方性部を設ける。このような構造により、片側の磁気異方性部に引張応力がかかる場合には、他方には圧縮応力がかかり、このためトルク検出の感度を２倍にすることができる。以下では、説明の便宜上、このような２つの磁気異方性部分を持つトルクセンサシャフトの場合について記述する。
【０００４】
このようなトルクセンサシャフトは、その使用環境に応じて、その温度が変化することがある。このとき、もし２ヶ所の磁気異方性部分の温度が全く同じ状態で変化する場合には、それらの磁気的性質の変化も同じであり、両者の変化が打ち消し合うと考えられるため、原理的にはトルクセンサの出力に変化は生じない。しかし、場合によっては、トルクセンサシャフトの内部に温度勾配が生じる、特に、２ヶ所の磁気異方性部分で温度差が生じることがある。２ヶ所の磁気異方性部分に温度差があると、両者の磁気的性質に差が生じ、トルクセンサはこの差をあたかもトルクが負荷されたかのように検出し、これによってトルクセンサの出力が変動してしまうという問題が生じる。
【０００５】
この問題は、センサの外側すなわちセンサの使用条件を考慮することで、回避することも必要であるが、現実的には、センサ自体における対策が重要である。このような問題の対応策として、シャフトに軸方向の温度勾配を生じさせないようにすることが考えられる。
【０００６】
このような問題を解決するものとして、特開平６−９４５４９号公報のようにコイルボビン内部に流体を流す方法や、特開平１０−２２１１８５号公報のようにヒートシンクにより冷却を行う方法が提案されているが、これらの手段は、流体を流すためのシールや、流体を流す装置、構造を必要とする等、トルクセンサの構造を複雑とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記事情を鑑みてなされたもので、磁歪式トルクセンサ用のトルクセンサシャフトであって、トルクセンサシャフト内の温度勾配に起因する出力の変動を軽減した磁歪式トルクセンサシャフトおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気異方性部分を含む磁歪式トルクセンサシャフトであって、前記磁気異方性部分に接し、前記磁気異方性部分を形成する材質よりも高い熱伝導性を有する層を備える磁歪式トルクセンサシャフトを提供する。
なお、前記磁歪式トルクセンサシャフトは、前記高い熱伝導性を有する層で、前記磁歪検出部分を備えるトルクセンサシャフト本体の表面を覆うことで得ることができる。あるいは、前記磁歪式トルクセンサシャフトは、前記高い熱伝導性を有する層を、前記磁気異方性部分を形成する層と前記トルクセンサシャフト本体の間に設けることで得ることができる。
【０００９】
ここで、「磁気異方性部分」とは、磁歪式トルクセンサシャフトにおいて、トルクに応じてその磁気的性質が変化する部位を意味する。例えば、強磁性体のトルクセンサシャフト表面の軸方向から４５°傾けた溝を設けることで、その形状効果によりトルクセンサシャフトに磁気異方性を付与し、その部分の磁気的性質の変化を検出できるようにすることができる。このような部分を磁気異方性部分という。あるいは、特許第２７１０１６５号および特許第２９６５６２８号において提案されているように、トルクセンサシャフト表面に磁歪層を付加することで、磁気異方性部分を設けることができる。あるいは、特開２００２−１０７２４０号公報において提案されているように、温度変化に応じて磁性を変化させる材料に、局所的な温度処理を施すことで、磁気異方性部分を設けることができる。しかし、本発明にかかる磁気異方性部分は、これらの例に限定されるものではない。
【００１０】
本発明によると、高い熱伝導性を有する層が磁気異方性部分の温度勾配を積極的に軽減し、このため、磁気異方性部分の温度勾配に起因する出力の変動も軽減される。
【００１１】
以下に示す、モデル化したトルクセンサシャフトにおける計算により、この効果を確認することができる。トルクセンサシャフトが単純形状の丸棒であり、シャフトの長手方向にしか熱流束が存在しないと仮定する。このトルクセンサシャフトの表面に、母材より高い熱伝導性を有する層を形成する。規格化のため、トルクセンサシャフトの熱流束に直角な断面の面積および熱伝導率をそれぞれ１とし、高い熱伝導性を有する層の断面積および熱伝率をそれぞれａ、ｂとする。高い熱伝導性を有する層が存在しない場合のシャフト表面の温度勾配を１とした場合、高い熱伝導性を有する層をつけたときの温度勾配は以下の式で表せる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
高い熱伝導性を有する層の断面積ａと高い熱伝導性を有する層の熱伝導率ｂとシャフト表面の温度勾配の関係を図２に示す。ここから、高い熱伝導性を有する層に熱伝導率がシャフト材の２倍程度の材質を用いれば（ｂ＝２）、ａ＝０．５程度の面積の層を設けることで、温度勾配を半分にできることが分かる。この傾向は、熱伝導率がより良い（ｂがより大きい）場合にはさらに顕著であり、熱伝導率が４倍（ｂ＝４）であれば、ａ＝０．２５程度の面積の層を設けることで、温度勾配を半分にできることが分かる。さらに、熱伝導率が４倍（ｂ＝４）で、面積比が０．５（ａ＝０．５）の層を設けることで、温度勾配を１／３にできる。以上は高い熱伝導性を有する層の面積で記述されているが、現実には、シャフトの表面近傍のセンシング部と高い熱伝導性を有する層はほぼ同じ直径となるため、面積は近似的に高い熱伝導性を有する層の厚さと読み替えて考えることができる。
【００１４】
また、好ましくは、前記磁気異方性部分は、鉄、コバルト、またはニッケルの少なくとも１つを含む合金からなる。また、特に好ましくは、前記磁気異方性部分の材質はニッケルやコバルトを含む鋼であることから、前記高い熱伝導性を有する層は、この鋼よりも高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムと、ダイヤモンドと、六方晶窒化ホウ素とからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。
【００１５】
つまり、上記の効果を得るための層は、トルクセンサシャフトの磁気異方性部分を構成する材質よりも高い熱伝導度をもつことが要求される。
シャフトの材質が鋼である場合、この様な性質を持つ材質としては、窒化アルミニウムや、六方晶系窒化ホウ素等の高熱伝導性のセラミックスが利用できる。また、高熱伝導、絶縁性という点では、ダイヤモンドも利用できる。ダイヤモンドは、物質中最大の熱伝導率をもち、絶縁性も高く、また、誘電率も低いため、非常に有用な材質である。本発明にかかる高い熱伝導性を有する層としてこれらの材質が利用できるが、決してこれらに限定されるものではない。
【００１６】
なお、鋼とは、鉄―炭素系を基本とする合金を意味する。
また、応力（歪）を感度良く検出するために、前記磁気異方性部分は、鉄、コバルト、またはニッケルの少なくとも１つを含む合金からなると好ましい。
【００１７】
また、高い熱伝導性を有する層は、磁気異方性部分における磁気的変化の検出に悪影響を起こさないことが必要であり、このため、磁気を遮断しないこと、つまり、非磁性および絶縁性を有することが必要である。
【００１８】
これまでの説明は、トルクセンサシャフトの軸材と磁歪層（磁気異方性部分）の材質が同じ、つまり、磁歪層をトルクセンサシャフトと一体に設ける場合であるが、それ以外、つまり、トルクセンサシャフトの軸材に磁歪膜をはりつける場合やトルクセンサシャフトの軸材に溶射皮膜をつける場合にも、本発明にかかる高い熱伝導性を有する層を適用することで磁気異方性部分の熱勾配を軽減することが可能である。これらの場合には、磁歪膜（磁気異方性部分）の下（トルクセンサシャフトの軸材と磁歪層の間）に、高い熱伝導性を有する層を設ける。
この場合高い熱伝導性を有する層は、非磁性である必要はなく、高い熱伝導性を有する層を常磁性や反磁性の材質により設けることが可能となり、使用材料の選択の自由度が高まる。例えば、特に限定されるものではないが、銅、銀、アルミニウム等も利用できる。
【００１９】
また、本発明は、前記トルクセンサシャフトを含む磁歪式トルクセンサを提供する。
さらに、本発明は、磁気異方性部分を含む磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法であって、メッキ処理により前記磁気異方性部分に接し、前記磁気異方性部分を形成する材質よりも高い熱伝導性を有する層を形成する工程を含む磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法を提供する。
【００２０】
本発明によれば、トルクセンサの構造を複雑にする必要は無く、また、外部に余分な装置を設ける必要もない。さらに、他の動力伝達軸等の外部の部品との連結も通常の方法で可能である。
また、一般的に磁歪式トルクセンサは数十ｋＨｚの高周波交流磁場で励磁するため、表皮効果により磁気異方性部分の表面近傍（０．１ｍｍ程度）を重点的にセンシングしている。このため、磁気異方性部分の温度勾配によるトルクセンサの出力変化を低減させるには、表面近傍の温度勾配のみを重点的に減らすことで、大きな効果が期待できる。
【００２１】
さらに、その他の効果として、センサの感度を上昇させる効果も期待できる。つまり、一般的に真空や空気は透磁率が低い。しかし、高い熱伝導性を有する層をつけることで、トルクセンサシャフトとソレノイドコイルの間に空気よりも透磁率の高い材料が存在することになり、磁力線をトルクセンサシャフト表面の磁歪検出部分に導きやすくなり、結果として感度が上がることが期待できる。
さらに、高い熱伝導性を有する層の材料として条件を満たすものには、非常に原子結合が強く、自由電子ではなく格子振動により、熱を伝える材料があり、このような材料は、一般的に高硬度であるため、本発明にかかる高い熱伝導性を有する層をトルクセンサシャフトに適用することでトルクセンサシャフトの耐磨耗性も改善できると考えられる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る磁歪式トルクセンサの実施の形態を、添付図面を参照しながら説明する。もっとも、以下に挙げる実施の形態は、本発明を限定するものではない。
図１は本発明に係るトルクセンサを概念図的に示す。図３は本発明に係る磁歪式トルクセンサシャフトを概念図的に示す。
図１および図３に示すように、本発明に係る磁歪式トルクセンサ１は、トルクセンサシャフト２と、励磁用ソレノイドコイル３と、検出用ソレノイドコイル４とを主要な要素とする。トルクセンサシャフト２は、応力（歪）に応じてその磁気的性質が変化する磁気異方性部分５および、トルクセンサシャフト２と他の動力伝達軸（図示しない）とを連結するための嵌合部６を有する。
【００２３】
磁気異方性部分５は、トルクセンサシャフト２の中心軸に対して約４５°傾けた溝（図示しない）を、トルクセンサシャフト２の全周に亘り所定間隔をもって設けることによって形成することができる。なお、トルクセンサシャフト２は、トルクセンサシャフト２の中心軸に対して互いに逆方向に傾いた溝によって形成された磁気異方性部分５の組を１組以上備えると好ましい。
以上の構成により形状磁気異方性を有する磁気異方性部分５は、応力に応じてその透磁率を変化させる。なお、中心軸に対して４５°とは、ねじり荷重に対してトルクセンサシャフト表面の引張り方向の応力および圧縮方向の応力が最大となる方向であり、この方向に溝を形成することで、最も効率よくトルクセンサシャフト表面の引張り応力または圧縮方向の応力を検出できる。
なお、必要に応じて溝部に高周波焼入れおよびショットピーニング等を施して高透磁率部分を形成し磁気特性の調整を行うと好ましい。
【００２４】
ここで、磁気異方性部分５を含むトルクセンサシャフトの表面に、イオンプレーティング（ＩＰ）等のＰＶＤ、その他メッキあるいは、ＣＶＤにより高い熱伝導性を有する層を設けることができるが、高い熱伝導性を有する層を設ける方法はこれらに限定されるものではない。
【００２５】
ここで、メッキとは、ＰＶＤ、蒸着、スパッタリング、イオンメッキ、溶射、はんだ被覆などの乾式メッキの他、化学的、電気化学的な反応によって、被処理物に金属を析出させる湿式メッキも含まれる。また、ＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は物理蒸着、物理気相成長ともいい、高温加熱、スパッタリングなどの物理的方法で物質を蒸発し、基板に凝縮させ、薄膜を形成することをいい、イオンプレーティング、真空蒸着、スパッタリングなどを含む。なお、イオンプレーティングとは、真空容器内の低圧ガスに電解をかけてプラズマを発生させ、これによって蒸発源からの蒸発粒子をイオン化して基板表面に蒸着させる薄膜形成法であり、スパッタリングとは、グロー放電でガスイオンの衝突によって電極材料を放出させ、他の物質表面上に電極材料の膜を作る薄膜形成法である。
【００２６】
なお、磁気異方性部分５の全域に高い熱伝導性を有する層を設けると、最も効率よく磁気異方性部分の温度勾配をなくすことができると考えられ、好ましい。しかし、高い熱伝導性を有する層を設ける領域は、必ずしも、磁気異方性部分５の全域を含む必要はなく、また、トルクセンサシャフト２の磁気異方性部分５以外の領域を含んでもよい。
【００２７】
また、励磁手段である励磁用ソレノイドコイル３は前記磁気異方性部分５を覆うように配置し、これに交流磁場を与える。検出手段は検出用ソレノイドコイル４と電子回路（図示しない）を含み、検出用ソレノイドコイル４も前記磁気異方性部分５を覆うように配置する。
ここで、励磁用ソレノイドコイル３により前記磁気異方性部分５に沿うように磁力線を流す。前述のように、トルクセンサシャフト２に応力がかかると、磁気異方性部分５はその透磁率を変化させるが、この磁気的変化を検出用ソレノイドコイル４によって検出することができる。
なお、トルクセンサシャフト２の磁気異方性部分である磁気異方性部分５は、励磁用ソレノイドコイル３、検出用ソレノイドコイル４等と共に、外部の磁気の影響を遮蔽するアルミ製のセンサケース７に内包する。
【００２８】
以上の構成により、高い熱伝導性を有する層を介して磁気異方性部分５における熱は均衡化され、磁気異方性部分５内の温度勾配に起因するトルクセンサ出力の変動を軽減することができる。
【００２９】
【実施例】
以下に、第１の実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
ＪＩＳ ＳＮＣＭ８１５材（組成を表１に示す。）をトルクセンサシャフト材として用い、左右に４５°ねじれ角を持つ磁気異方性部分２ヶ所を転造により加工した。これに高周波焼入れ処理を施して、転造時の応力を開放すると共に、表面硬化させた。その後、ショットピーニングを行い、トルクセンサシャフトとした。
このトルクセンサシャフトの磁気異方性部分に、高い熱伝導性を有する層として窒化アルミニウム皮膜をＰＶＤにより成膜した。膜厚は２０μｍであった。
このトルクセンサシャフトに励磁用および検出用ソレノイドコイルのセット、センサ回路等をつけることで、トルクセンサとした。励磁周波数は４０ｋＨｚとした。
【００３０】
【表１】
【００３１】
図４にトルクセンサシャフトの温度勾配による中点変動を測定する概要図をしめす。センサ電源８および出力測定装置９をつないだトルクセンサ１の両端に熱源１０を接着し、これを真空チャンバ１１および真空ポンプ１２による真空雰囲気においた。温度制御機１３により外部から熱源の温度を制御して、トルクセンサシャフト２に温度差をつけ、トルクセンサの出力を測定した。ここで、温度差はセンサ両端で１０℃とした。なお、センサ長は１００ｍｍである。
高い熱伝導性を有する層を設けなかったとき、トルクセンサ出力の変化量を１℃当たりに換算した値は、３．５％ＦＳ／℃であったが、高い熱伝導性を有する層を設けたときは、１．９％ＦＳ／℃であった。
【００３２】
ここから、高い熱伝導性を有する層を設けることにより出力変化量が５０％程度改善されたことが分かった。ＳＮＣＭ８１５の熱伝導率はおよそ３５（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）であり、窒化アルミニウムの熱伝導率はおよそ２００（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）であるため、高い熱伝導性を有する層の熱伝導率は、トルクセンサシャフト軸材のおよそ５．７倍である。また、励磁周波数４０ｋＨｚにおける表皮効果を厚さ約０．１ｍｍと見積もると、高い熱伝導性を有する層のトルクセンサシャフトの断面に対する面積比は０．２であり、シャフトの半径方向の伝熱を考慮すると、数式１および図２と良く一致しているといえる。
【００３３】
次に、第２の実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
実施例１と同様の構成のトルクセンサシャフトを作製した。樹脂系接着剤を用いて粒径５μｍの合成ダイヤモンドパウダーをトルクセンサシャフト表面に塗布、硬化させることで高い熱伝導性を有する層を設けた。硬化後の高い熱伝導性を有する層の厚さは１００ミクロンであった。
このトルクセンサシャフトにも第１の実施例と同様に温度勾配を与え、トルクセンサ出力の変化量を測定した。結果、出力変化量は、１．６％ＦＳ／℃であった。
【００３４】
ダイヤモンドは、通常得られる物質の中で熱伝導率が最も高いものであるため、非常に大きな効果が期待できる。本実施例においては、ダイヤモンドを熱伝導率の悪い樹脂系接着材と混合して利用したため、ダイヤモンドの熱伝導性を十分には生かしきれていないが、それでも大幅に出力変化量を低減する効果が認められた。
ダイヤモンドの熱伝導率は、およそ２０００（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）で、鋼の熱伝導率３５〜５０（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）の４０〜６０倍程度あるため、ＣＶＤ等で成膜させることができれば、薄い膜で、非常に大きな効果が期待できる。具体的には、膜厚２μｍ程度あれば、面積比ａ＝２／１００、ｂ＝５０とすると、温度勾配を半分にすることができることが、数式１から分かる。
前記実施例は、磁歪部分のみに高い熱伝導性を有する層を設けた例を示しているが、原理上その他の部分に高い熱伝導性を有する層を設けても、何ら悪影響を及ぼすことは無く、シャフト全面に処理を施すことも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
前記したところから明らかなように、本発明によると、磁歪式トルクセンサ用のトルクセンサシャフトであって、トルクセンサシャフト内の温度勾配に起因する出力の変動を軽減した磁歪式トルクセンサシャフトおよびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトルクセンサを表す概念図である。
【図２】高い熱伝導性を有する層の面積と高い熱伝導性を有する層の熱伝導率とトルクセンサシャフトの温度勾配の関係を表すグラフである。
【図３】本発明に係る磁歪式トルクセンサシャフトを表す概念図である。
【図４】温度勾配特性測定の概要図である。
【符号の説明】
１ 磁歪式トルクセンサ
２ トルクセンサシャフト
３ 励磁用ソレノイドコイル
４ 検出用ソレノイドコイル
５ 磁歪検出部
６ 嵌合部
７ センサケース
８ センサ電源
９ 出力測定装置
１０ 熱源
１１ 真空チャンバ
１２ 真空ポンプ
１３ 温度制御機[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetostrictive torque sensor using the inverse magnetostriction effect, and more particularly to a technique for reducing output fluctuations caused by a temperature gradient generated in a torque sensor shaft.
[0002]
[Prior art]
In an automobile transmission, a 4WD torque splitter, an electric power steering (EPS), and the like, it is necessary to detect torque in order to perform appropriate control. For example, EPS is a power steering system that generates an assist force by controlling an electric motor in accordance with a torque input to a steering wheel of an automobile or the like, and its control requires detection of a torque applied to the steering wheel. is there.
Conventionally, to detect such a torque, a torsion bar (torsion spring) having a large amount of torsion is used to obtain higher sensitivity. However, in order to increase the amount of twist, it is necessary to reduce the diameter of the torsion bar, and its rigidity is sacrificed in order to increase the sensitivity of the torsion bar. Further, the torsion bar is disadvantageous in terms of frequency response and strength with respect to power transmission.
In order to increase rigidity, there is a method using a strain gauge having high sensitivity. However, since there is a problem in extracting signals from the strain gauge, the strain gauge is not suitable for a power transmission system. Further, there is a problem that long-term reliability cannot be guaranteed due to the fear of peeling of the strain gauge.
Here, the magnetostrictive sensor is characterized by high rigidity and excellent frequency response. JP-A-1-169983, JP-B-8-31636, and the like are known as magnetostrictive torque sensors. The magnetostrictive torque sensor has very high strain detection sensitivity, is capable of detecting minute strain, and has advantageous features such as non-contact detection, high-speed rotation, and high frequency response. Furthermore, in the type where the shaft material also serves as the magnetostrictive sensing part without having a magnetostrictive film by adhesion, thermal spraying, plating, etc. it can.
[0003]
In a magnetostrictive torque sensor of the type using this solenoid coil, it is common to provide two or more magnetic anisotropic parts on the torque sensor shaft in order to increase the sensitivity. Particularly generally, the magnetic anisotropic portion is provided by providing a set of grooves inclined at about 45 ° in the opposite direction to the center axis of the torque sensor shaft. With such a structure, when a tensile stress is applied to one of the magnetic anisotropic portions, a compressive stress is applied to the other, so that the sensitivity of torque detection can be doubled. Hereinafter, for convenience of description, a case of a torque sensor shaft having such two magnetically anisotropic portions will be described.
[0004]
The temperature of such a torque sensor shaft may change depending on the use environment. At this time, if the temperatures of the two magnetically anisotropic portions change in exactly the same state, the changes in their magnetic properties are the same, and it is considered that both changes cancel each other. No change occurs in the output of the torque sensor. However, in some cases, a temperature gradient may occur inside the torque sensor shaft, and in particular, a temperature difference may occur at two magnetically anisotropic portions. If there is a temperature difference between the two magnetically anisotropic parts, a difference occurs in the magnetic properties of the two parts, and the torque sensor detects this difference as if torque was applied, and the output of the torque sensor fluctuates. Problem arises.
[0005]
Although this problem needs to be avoided by considering the outside of the sensor, that is, the usage conditions of the sensor, it is actually important to take measures against the sensor itself. As a countermeasure against such a problem, it is conceivable to prevent an axial temperature gradient from occurring in the shaft.
[0006]
In order to solve such a problem, a method of flowing a fluid inside a coil bobbin as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-94549, and a method of performing cooling using a heat sink as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-221185 have been proposed. However, these means complicate the structure of the torque sensor, such as requiring a seal for flowing a fluid, a device for flowing the fluid, and a structure.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a torque sensor shaft for a magnetostrictive torque sensor, wherein the output fluctuation due to a temperature gradient in the torque sensor shaft is reduced, and a magnetostrictive torque sensor shaft therefor. It is intended to provide a manufacturing method.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a magnetostrictive torque sensor shaft including a magnetically anisotropic portion, comprising a layer in contact with the magnetically anisotropic portion and having a higher thermal conductivity than a material forming the magnetically anisotropic portion. Provided is a magnetostrictive torque sensor shaft.
The magnetostrictive torque sensor shaft can be obtained by covering the surface of the torque sensor shaft main body including the magnetostriction detecting portion with the layer having high thermal conductivity. Alternatively, the magnetostrictive torque sensor shaft can be obtained by providing the layer having high thermal conductivity between the layer forming the magnetically anisotropic portion and the torque sensor shaft main body.
[0009]
Here, the “magnetically anisotropic portion” means a portion of the magnetostrictive torque sensor shaft whose magnetic property changes according to the torque. For example, by providing a groove inclined at 45 ° from the axial direction of the surface of the torque sensor shaft made of a ferromagnetic material, magnetic anisotropy is given to the torque sensor shaft by its shape effect, and a change in the magnetic property of that portion is detected. You can do it. Such a portion is called a magnetic anisotropic portion. Alternatively, a magnetically anisotropic portion can be provided by adding a magnetostrictive layer to the surface of the torque sensor shaft as proposed in Japanese Patent No. 2710165 and Japanese Patent No. 2965628. Alternatively, as proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-107240, a magnetic anisotropic portion can be provided by subjecting a material that changes magnetism in response to a temperature change to a local temperature treatment. However, the magnetic anisotropic portion according to the present invention is not limited to these examples.
[0010]
According to the present invention, the layer having high thermal conductivity positively reduces the temperature gradient in the magnetically anisotropic portion, and thus the fluctuation in output due to the temperature gradient in the magnetically anisotropic portion is also reduced.
[0011]
This effect can be confirmed by the following calculation on a modeled torque sensor shaft. It is assumed that the torque sensor shaft is a simple round bar and that heat flux exists only in the longitudinal direction of the shaft. A layer having higher thermal conductivity than the base material is formed on the surface of the torque sensor shaft. For standardization, the area and thermal conductivity of the cross section perpendicular to the heat flux of the torque sensor shaft are respectively set to 1, and the cross-sectional area and thermal conductivity of the layer having high thermal conductivity are set to a and b, respectively. Assuming that the temperature gradient on the shaft surface when the layer having high thermal conductivity does not exist is 1, the temperature gradient when the layer having high thermal conductivity is provided can be expressed by the following equation.
[0012]
(Equation 1)
FIG. 2 shows the relationship between the cross-sectional area a of the layer having high thermal conductivity, the thermal conductivity b of the layer having high thermal conductivity, and the temperature gradient of the shaft surface. From this, if a material having a thermal conductivity of about twice that of the shaft material is used for the layer having high thermal conductivity (b = 2), a layer having an area of about a = 0.5 is provided to reduce the temperature gradient. You can see that it can be cut in half. This tendency is more remarkable when the thermal conductivity is better (b is larger), and when the thermal conductivity is four times (b = 4), a layer having an area of about a = 0.25 is formed. It can be seen that the temperature gradient can be halved by providing. Further, by providing a layer having a thermal conductivity of 4 times (b = 4) and an area ratio of 0.5 (a = 0.5), the temperature gradient can be reduced to 1/3. Although the above is described in terms of the area of the layer having high thermal conductivity, in reality, the sensing part near the surface of the shaft and the layer having high thermal conductivity have almost the same diameter, so the area is approximately It can be read as the thickness of a layer having high thermal conductivity.
[0014]
Preferably, the magnetically anisotropic portion is made of an alloy containing at least one of iron, cobalt, and nickel. Also, particularly preferably, since the material of the magnetic anisotropic portion is steel containing nickel or cobalt, the layer having high thermal conductivity includes aluminum nitride having higher thermal conductivity than this steel; It contains at least one selected from the group consisting of diamond and hexagonal boron nitride.
[0015]
That is, the layer for obtaining the above-described effects is required to have higher thermal conductivity than the material forming the magnetic anisotropic portion of the torque sensor shaft.
When the material of the shaft is steel, as a material having such properties, ceramics having high thermal conductivity such as aluminum nitride and hexagonal boron nitride can be used. Also, diamond can be used in terms of high thermal conductivity and insulation. Diamond is a very useful material because it has the highest thermal conductivity among materials, high insulation, and low dielectric constant. These materials can be used as the layer having high thermal conductivity according to the present invention, but are not limited thereto.
[0016]
Note that steel means an alloy based on iron-carbon.
Further, in order to detect stress (strain) with high sensitivity, it is preferable that the magnetic anisotropic portion is made of an alloy containing at least one of iron, cobalt, and nickel.
[0017]
In addition, the layer having high thermal conductivity needs to have no adverse effect on the detection of magnetic change in the magnetically anisotropic portion. It is necessary to have.
[0018]
In the description so far, the shaft material of the torque sensor shaft and the material of the magnetostrictive layer (magnetic anisotropic portion) are the same, that is, the magnetostrictive layer is provided integrally with the torque sensor shaft. Even when a magnetostrictive film is attached to the shaft of the sensor shaft or a thermal spray coating is applied to the shaft of the torque sensor shaft, the heat of the magnetically anisotropic portion can be obtained by applying the layer having high thermal conductivity according to the present invention. It is possible to reduce the gradient. In these cases, a layer having high thermal conductivity is provided below the magnetostrictive film (magnetically anisotropic portion) (between the shaft material of the torque sensor shaft and the magnetostrictive layer).
In this case, the layer having high thermal conductivity does not need to be non-magnetic, and the layer having high thermal conductivity can be provided by a paramagnetic or diamagnetic material, which increases the degree of freedom in selecting a material to be used. . For example, although not particularly limited, copper, silver, aluminum and the like can be used.
[0019]
The present invention also provides a magnetostrictive torque sensor including the torque sensor shaft.
Further, the present invention is a method for manufacturing a magnetostrictive torque sensor shaft including a magnetic anisotropic portion, wherein the material is in contact with the magnetic anisotropic portion by plating and is higher than a material forming the magnetic anisotropic portion. Provided is a method for manufacturing a magnetostrictive torque sensor shaft including a step of forming a layer having thermal conductivity.
[0020]
According to the present invention, there is no need to complicate the structure of the torque sensor, and it is not necessary to provide an extra device outside. Furthermore, connection with external parts such as other power transmission shafts is possible by a usual method.
In general, since a magnetostrictive torque sensor is excited by a high-frequency AC magnetic field of several tens of kHz, it mainly senses near the surface (about 0.1 mm) of a magnetically anisotropic portion by a skin effect. Therefore, in order to reduce the output change of the torque sensor due to the temperature gradient in the magnetically anisotropic portion, a significant effect can be expected by focusing only on the temperature gradient near the surface.
[0021]
Further, as another effect, an effect of increasing the sensitivity of the sensor can be expected. That is, generally, vacuum and air have low magnetic permeability. However, by providing a layer with high thermal conductivity, a material having a higher magnetic permeability than air exists between the torque sensor shaft and the solenoid coil, and the lines of magnetic force are led to the magnetostriction detection portion on the surface of the torque sensor shaft. It can be expected that the sensitivity will increase as a result.
Furthermore, a material that satisfies the conditions as a material of a layer having high thermal conductivity has a material that has very strong atomic bonds and transmits heat by lattice vibration instead of free electrons, and such a material is generally used. Because of the high hardness, it is considered that the wear resistance of the torque sensor shaft can be improved by applying the layer having high thermal conductivity according to the present invention to the torque sensor shaft.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a magnetostrictive torque sensor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described below do not limit the present invention.
FIG. 1 schematically shows a torque sensor according to the present invention. FIG. 3 schematically shows a magnetostrictive torque sensor shaft according to the present invention.
As shown in FIGS. 1 and 3, a magnetostrictive torque sensor 1 according to the present invention includes a torque sensor shaft 2, an excitation solenoid coil 3, and a detection solenoid coil 4 as main elements. The torque sensor shaft 2 has a magnetic anisotropic portion 5 whose magnetic properties change according to stress (strain), and a fitting for connecting the torque sensor shaft 2 to another power transmission shaft (not shown). It has a part 6.
[0023]
The magnetically anisotropic portion 5 can be formed by providing grooves (not shown) inclined at about 45 ° with respect to the central axis of the torque sensor shaft 2 over the entire circumference of the torque sensor shaft 2 at predetermined intervals. . Preferably, the torque sensor shaft 2 includes one or more sets of magnetically anisotropic portions 5 formed by grooves inclined in opposite directions with respect to the center axis of the torque sensor shaft 2.
With the above configuration, the magnetic anisotropy portion 5 having the shape magnetic anisotropy changes its magnetic permeability according to the stress. Note that 45 ° with respect to the central axis is a direction in which the stress in the tensile direction and the stress in the compressive direction on the surface of the torque sensor shaft with respect to the torsional load are maximized. By forming a groove in this direction, It is possible to efficiently detect the tensile stress or the stress in the compression direction on the surface of the torque sensor shaft.
It is preferable that the grooves be subjected to induction hardening, shot peening, or the like to form a high magnetic permeability portion and to adjust the magnetic characteristics as needed.
[0024]
Here, a layer having high thermal conductivity can be provided on the surface of the torque sensor shaft including the magnetically anisotropic portion 5 by PVD such as ion plating (IP) or other plating or CVD. The method for providing the conductive layer is not limited to these.
[0025]
Here, the term “plating” includes not only dry plating such as PVD, vapor deposition, sputtering, ion plating, thermal spraying, and solder coating, but also wet plating for depositing a metal on an object to be processed by a chemical or electrochemical reaction. . In addition, PVD (physical vapor deposition) is also called physical vapor deposition or physical vapor deposition, which means that a substance is evaporated by a physical method such as high-temperature heating or sputtering, condensed on a substrate to form a thin film, and ion plating is performed. , Vacuum deposition, sputtering and the like. In addition, ion plating is a thin film forming method in which a low-pressure gas in a vacuum vessel is electrolyzed to generate plasma, thereby ionizing particles evaporated from an evaporation source and depositing them on a substrate surface. This is a thin film forming method in which an electrode material is released by collision of gas ions with glow discharge to form a film of the electrode material on the surface of another substance.
[0026]
It is preferable to provide a layer having high thermal conductivity over the entire area of the magnetically anisotropic portion 5 because it is considered that the temperature gradient of the magnetically anisotropic portion can be eliminated most efficiently. However, the region where the layer having high thermal conductivity is provided does not necessarily need to include the entire region of the magnetic anisotropic portion 5, and may include a region other than the magnetic anisotropic portion 5 of the torque sensor shaft 2. .
[0027]
An exciting solenoid coil 3, which is an exciting means, is disposed so as to cover the magnetic anisotropic portion 5, and applies an alternating magnetic field to it. The detection means includes a detection solenoid coil 4 and an electronic circuit (not shown), and the detection solenoid coil 4 is also arranged so as to cover the magnetic anisotropic portion 5.
Here, lines of magnetic force are caused to flow along the magnetically anisotropic portion 5 by the exciting solenoid coil 3. As described above, when a stress is applied to the torque sensor shaft 2, the magnetic anisotropy portion 5 changes its magnetic permeability. This magnetic change can be detected by the detection solenoid coil 4.
The magnetically anisotropic portion 5 of the torque sensor shaft 2 is an aluminum sensor case 7 that shields the influence of external magnetism together with the excitation solenoid coil 3 and the detection solenoid coil 4. To be included.
[0028]
With the above configuration, the heat in the magnetic anisotropic portion 5 is balanced through the layer having high thermal conductivity, and the fluctuation of the output of the torque sensor due to the temperature gradient in the magnetic anisotropic portion 5 is reduced. Can be.
[0029]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to a first embodiment.
JIS SNCM815 material (composition is shown in Table 1) was used as a torque sensor shaft material, and two magnetic anisotropic parts having a 45 ° twist angle on the left and right were processed by rolling. This was subjected to induction hardening treatment to release the stress at the time of rolling and to harden the surface. Thereafter, shot peening was performed to obtain a torque sensor shaft.
An aluminum nitride film was formed as a layer having high thermal conductivity on the magnetically anisotropic portion of the torque sensor shaft by PVD. The film thickness was 20 μm.
A torque sensor was obtained by attaching a set of solenoid coils for excitation and detection, a sensor circuit, and the like to the torque sensor shaft. The excitation frequency was 40 kHz.
[0030]
[Table 1]
[0031]
FIG. 4 shows a schematic diagram for measuring the midpoint variation due to the temperature gradient of the torque sensor shaft. Heat sources 10 were adhered to both ends of the torque sensor 1 connected to the sensor power supply 8 and the output measuring device 9, and were placed in a vacuum atmosphere by a vacuum chamber 11 and a vacuum pump 12. The temperature of the heat source was externally controlled by the temperature controller 13 to make a difference in the temperature of the torque sensor shaft 2, and the output of the torque sensor was measured. Here, the temperature difference was 10 ° C. at both ends of the sensor. Note that the sensor length is 100 mm.
When the layer having high thermal conductivity was not provided, the value obtained by converting the change in the output of the torque sensor per 1 ° C. was 3.5% FS / ° C., but the layer having high thermal conductivity was provided. Was 1.9% FS / ° C.
[0032]
From this, it was found that the output change amount was improved by about 50% by providing the layer having high thermal conductivity. Since the thermal conductivity of SNCM815 is about 35 (W · m −1 · K −1 ) and the thermal conductivity of aluminum nitride is about 200 (W · m −1 · K −1 ), high thermal conductivity is obtained. Is about 5.7 times that of the torque sensor shaft shaft. When the skin effect at an excitation frequency of 40 kHz is estimated to be about 0.1 mm in thickness, the area ratio of the layer having high thermal conductivity to the cross section of the torque sensor shaft is 0.2, and the heat transfer in the radial direction of the shaft is Considering this, it can be said that it is in good agreement with Equation 1 and FIG.
[0033]
Next, the present invention will be described in more detail with reference to a second embodiment.
A torque sensor shaft having the same configuration as that of Example 1 was manufactured. A layer having high thermal conductivity was provided by applying and curing a synthetic diamond powder having a particle size of 5 μm on the surface of the torque sensor shaft using a resin adhesive. The thickness of the layer having high thermal conductivity after curing was 100 microns.
A temperature gradient was applied to this torque sensor shaft as in the first embodiment, and the amount of change in the torque sensor output was measured. As a result, the output change amount was 1.6% FS / ° C.
[0034]
Since diamond has the highest thermal conductivity among substances usually obtained, a very large effect can be expected. In the present embodiment, diamond was mixed with a resin-based adhesive having poor thermal conductivity and used, so that the thermal conductivity of diamond was not fully utilized, but the effect of greatly reducing the output variation was still large. Admitted.
Since the thermal conductivity of diamond is about 2000 (W · m −1 · K −1 ), which is about 40 to 60 times the thermal conductivity of steel 35 to 50 (W · m −1 · K −1 ), If the film can be formed by CVD or the like, a very large effect can be expected with a thin film. Specifically, it can be seen from Equation 1 that if the film thickness is about 2 μm, the temperature gradient can be halved if the area ratio a = 2/100 and b = 50.
Although the above embodiment shows an example in which a layer having high thermal conductivity is provided only in the magnetostrictive portion, even if a layer having high thermal conductivity is provided in other portions in principle, there is no adverse effect. Instead, it is also possible to apply processing to the entire shaft.
[0035]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, according to the present invention, it is a torque sensor shaft for a magnetostrictive torque sensor, wherein the output fluctuation due to a temperature gradient in the torque sensor shaft is reduced, and a magnetostrictive torque sensor shaft therefor. A manufacturing method is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a torque sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the area of a layer having high thermal conductivity, the thermal conductivity of the layer having high thermal conductivity, and the temperature gradient of a torque sensor shaft.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a magnetostrictive torque sensor shaft according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram of temperature gradient characteristic measurement.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetostrictive torque sensor 2 Torque sensor shaft 3 Exciting solenoid coil 4 Solenoid coil for detection 5 Magnetostrictive detector 6 Fitting part 7 Sensor case 8 Sensor power supply 9 Output measuring device 10 Heat source 11 Vacuum chamber 12 Vacuum pump 13 Temperature controller
