JPH05172662A

JPH05172662A - トルクセンサ

Info

Publication number: JPH05172662A
Application number: JP34558891A
Authority: JP
Inventors: Noboru Takayanagi; 登高柳; Kazuhiro Akihama; 一弘秋浜
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】下地の磁気的影響がなくしかも高剪断応力に
耐え、正確なトルク検出を行う。【構成】シャフト３０の表面には、非磁性膜３０４を
介し磁性金属膜３０６を積層蒸着する。そして、この蒸
着はレーザ蒸着によって行う。そこで、これら膜３０
４、３０６はシャフト３０に強固に固着され、高剪断応
力（１０ｋｇｆ／ｍｍ²）のトルク印加によっても破壊
されることがない。そして、非磁性膜３０４を１μｍ以
上とすることによって、磁性体からなるシャフト３０の
歪みに応じた影響が磁界に出ることを防止することがで
き、正確なトルク検出を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トルク伝達軸に固定さ
れた磁性金属の磁気特性の変化を利用してトルク伝達軸
に伝達されるトルクを検出するトルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の計測制御技術に伴い各種の分野に
おいて機器の動作状態を検出し、この検出結果を動作制
御に利用することが行われている。例えば、動力機械に
おいてその出力トルクを正確に把握することにより、そ
の機械の動作制御を向上することができる。

【０００３】そこで、動力機械の出力軸（トルク伝達
軸）が伝達するトルクを検出することが考えられるが、
トルク伝達軸は通常回転するものであり、非接触で検出
することが望ましい。そこで、磁性金属の歪みに応じた
磁気特性の変化を利用するトルクセンサが提案されてい
る。このトルクセンサでは、トルク伝達軸に磁歪を有す
る磁性金属膜を固定する。トルク伝達軸は、そこに伝達
されるトルクに応じた歪みが生じる。このため、軸に固
定された磁性金属膜も伝達トルクに応じて歪むことにな
り、磁歪を有する磁性金属膜は歪みに応じて磁気特性が
変化する。したがって、磁性金属膜が所定の磁界中にお
いてあれば、磁気特性の変化に応じた変化が磁界に現れ
る。そこで、電磁石等により雰囲気に一定の磁界を形成
しておき、磁性金属膜近傍の磁界を他の検出コイルにお
いて検出すれば、伝達トルクに応じた変化を検出するこ
とができ、これに基づいてトルク伝達軸における伝達ト
ルクを検出することができる。

【０００４】そして、このような手法により、トルクを
検出するためには、磁性金属膜をトルク伝達軸に固定す
ることが必要となる。例えば、特開昭５９−６１７３１
号公報には、トルク伝達軸の外周面にアモルファス磁性
金属薄帯を接着剤で固定することが示されており、また
特開昭６０−４２６２８号公報には、アモルファス磁性
金属膜をトルク伝達軸の外周面に気相成長法（スパッタ
法）により固着させることが示されている。これらの方
法により、トルク伝達軸に磁歪を有する磁性金属膜を確
実に固定できれば、トルク伝達軸に伝達されるトルクを
非接触で検出することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の磁性金属膜においては、次のような問題点
があった。すなわち、上述のアモルファス磁性金属薄帯
をトルク伝達軸の外周面に接着剤にて固着したものにお
いては、（ａ）トルクの繰返し印加によって、経時的に
接着が緩み、アモルファス磁性金属薄帯に伝達される応
力が変化する。このため、検出すべきトルクの値に変動
を来たし、正確なトルクを検出できなくなる、（ｂ）接
着剤の剪断応力の限界があり（数ｋｇｆ／ｍｍ²程度ま
で）、高剪断応力（１０ｋｇｆ／ｍｍ²以上）を印加し
た場合には、トルク伝達軸の外周面からアモルファス磁
性金属薄体が剥離してしまう、という問題点があった。

【０００６】すなわち、図１１及び図１２には、このア
モルファス磁性金属薄帯をシャフトの外周に張り付けた
場合におけるトルク検出結果を示す。このように、１０
００回の繰返しのトルク印加の後には、検出結果にヒス
テリシス特性が現れ、好適なトルク測定を行えないこと
が理解される。これは、繰返し印加により、アモルファ
ス金属膜がシャフトより剥れたことに起因するものと考
えられる。

【０００７】また、アモルファス磁性金属膜をトルク伝
達軸の外周面に直接気相成長法（スパッタ法）を用いて
固着させた場合には、トルク伝達軸からの磁気的影響を
除去することができず、トルク検出感度が劣化するとい
う問題があった。すなわち、トルク伝達軸は、通常鉄な
どの磁性体から構成される。このため、トルク伝達軸自
体の磁気歪みが検出値に影響し、正確なトルク検出を行
うことができなかった。

【０００８】一方、トルク伝達軸からの磁気的影響を完
全に除去するためには、アモルファス磁性金属膜の厚さ
を５μｍ以上とすればよい。ところが、このような厚膜
は物理的に形成が困難であり、このためトルク伝達軸か
らの磁気的影響を除去することができなかった。

【０００９】本発明は、上記問題点を解決することを課
題としてなされたものであり、膜の剥離を生じることな
く、かつトルク伝達軸などの磁性金属膜の下地の影響を
除去することができるトルクセンサを提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、トルク伝達軸
に固定された磁性金属の磁気特性の変化を利用して前記
トルク伝達軸に伝達されるトルクを検出するトルクセン
サにおいて、前記トルク伝達軸の表面上にレーザ蒸着に
より形成された非磁性膜と、この非磁性膜上にレーザ蒸
着により形成された磁性金属膜とを有することを特徴と
する。

【００１１】

【作用】このように、本発明においては、トルク伝達軸
と磁性金属膜の間に、非磁性膜が形成されている。従っ
て、この非磁性膜により、トルク伝達軸の歪みに応じた
周辺磁界に対する影響を除去することができる。このた
め、トルク伝達軸の伝達トルクに応じて、磁性金属膜が
歪み、この磁性金属膜の歪みに応じた磁気特性の変化を
検出することで、正確なトルク検出を行うことができ
る。ここで、非磁性膜は、酸化物、例えばＡｌ₂Ｏ₃層
をＣＯ₂レーザ蒸着法によってトルク伝達軸の外周面上
に蒸着固定する。そして、その後磁性金属をエキシマ
（あるいはＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガー
ネット）レーザ蒸着法によって積層固着する。なお、非
磁性膜の厚さは１μｍ以上が好適であり、磁性金属膜は
２μｍ以上が好適である。そして、膜形成にレーザ蒸着
法を用いたため、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレ
ーティング法などの他の気相成長法を用いた場合と比較
して、磁性金属膜とトルク伝達軸との接着強度が強く、
高剪断応力に耐え得ると共に、経時的な剥離などの生じ
るおそれがない。なお、このようにレーザ蒸着法により
接着強度が強くなるのは、蒸発粒子のエネルギーが高
く、蒸着時における粒子の注入効果によるものと考えら
れている。

【００１２】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例につい
て説明する。

【００１３】膜形成装置の構成まず、本発明に係るトルクセンサの磁性金属膜および非
磁性金属膜の形成について説明する。図１は、これらの
膜を形成するためのレーザ蒸着装置であり、真空チャン
バ１０と、この真空チャンバ１０からの排気を行うター
ボポンプ１２及びロータリーポンプ１４と、レーザ光源
１６を有している。そして、真空チャンバ１０、ターゲ
ット２０及びシャフト３０を固定する。この状態で、タ
ーボポンプ１２及びロータリポンプ１４により、真空チ
ャンバ１０内を所定の真空状態とした後、レーザ光源１
６よりレーザ光Ｌをターゲット２０に照射する。これに
よって、ターゲット２０の構成物質が蒸発し、これがシ
ャフト３０の表面に蒸着される。

【００１４】そして、シャフト３０は、真空チャンバ１
０内において、図２に示すような保持機構４０に保持さ
れている。すなわち、この保持機構４０は、架台４０２
上において、シャフト３０を回転及び軸方向に移動自在
としている。このために、架台４０２上には、スライド
用凸条４０４が設けられ、このスライド用凸条４０４を
またいで、一対の軸受部材４０６、４０８が摺動自在に
設けられている。この軸受部材４０６、４０８の間に
は、シャフト３０が回転自在に軸支され、シャフト３０
の軸受部材４０６側には、モータ４１０の出力軸が接続
されている。従って、このモータ４１０を回転すること
により、シャフト３０を回転することができる。

【００１５】また、モータ４１０は、軸受部材４０６に
固定されると共に、この軸受部材４０６は、連結材４１
２によってラック４１４に接続されており、このラック
４１４はモータ４１６によって回転されるピニオン４１
８にかみ合っている。従って、モータ４１６を回転する
ことにより、ラック４１４が移動し、軸受部材４０６、
４０８及びシャフト３０がその軸方向に移動することと
なる。

【００１６】膜の蒸着上述のようなレーザ蒸着装置を用いて、本実施例のトル
クセンサを形成することについて説明する。

【００１７】まず、真空チャンバ１０内を１×１０^-6Ｔ
ｏｒｒ以下の真空に排気した後、シャフト３０の外周面
に、Ａｌ₂Ｏ₃層を炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザを用いた
蒸着法によって蒸着し、非磁性膜を形成する。ここで、
ＣＯ₂レーザは、入力パワー３００Ｗ、波長１０．６μ
ｍの連続波を使用するものを用いた。また、シャフト１
０には、ＳＣＭ４００Ｈシャフト（クロムモリブデン鋼
シャフト，直径３５ｍｍ）を用い、シャフト３０の表面
に非磁性膜を１μｍ形成した。

【００１８】その後、レーザ光源１６の射出レーザ光を
エキシマレーザに変更し、エキシマレーザ蒸着法によっ
て磁性金属（ＦｅＳｉＢ）の磁性金属膜を２μｍ積層固
着させた。ここで、エキシマには、ＫｒＦエキシマレー
ザ（波長２４８ｎｍ、パルス幅１６ｎｓｅｃ、パルス周
波数１００パルス／ｓｅｃ、パルスエネルギー２５０ｍ
Ｊ、照射パワー密度約５０Ｊ／ｃｍ²）を用い、磁性金
属には、Ｆｅ₇₅Ｓｉ₈Ｂ₁₇を用いた。なお、ＣＯ₂レー
ザのスポット径は、φ１．５μｍ、レーザパワー密度は
１．７×１０⁴Ｗ／ｃｍ²であった。

【００１９】そして、このような膜の蒸着の際には、膜
厚が一様になるように、図２におけるモータ４１０、４
１６を駆動し、シャフト３０を回転及びスライドさせ
た。さらに、このような磁性金属膜及び非磁性金属膜の
蒸着の後、１０^-6〜１０^-5Ｔｏｒｒの真空中において、
２００℃、３０分間のアニール処理を行い、磁性金属膜
の内部応力の緩和、磁気特性の改善を行った。

【００２０】このようにして得られた膜について、トル
クの繰り返し印加による強度測定を行ったところ、密着
強度は１２ｋｇｆ／ｍｍ²以上であることが分った。こ
れより、薄膜の密着強度は、従来の接着剤による場合に
比べ１０倍以上、スパッタ法による膜に比べ３倍以上で
あることが分った。

【００２１】トルクセンサの構成次に、図３に、上述のようにして構成された薄膜の構成
を示す。すなわち、シャフト３０の外周面には、酸化ア
ルミニウムからなる非磁性膜３０４が形成され、この上
にＦｅ₇₅Ｓｉ₈Ｂ₁₇からなる磁性金属膜３０６が形成さ
れている。

【００２２】そして、実際のトルクセンサを構成する場
合には、図４に示すように、膜３００に対し、２つのＵ
字型の磁心５０２及び５０４を直交して配置する。この
Ｕ字型の磁心５０２及び５０４と膜とのギャップはそれ
ぞれ２００μｍとする。そして、この磁心５０２には、
励磁コイル５０６を巻回し、ここに所定の励磁電源５０
８からの電力を供給する。一方、磁心５０４には検出コ
イル５１０を巻回し、この両端に電圧計５１２を取り付
ける。従って、励磁コイル５０６に所定の電流を流し、
膜３００の近傍に一定の磁界を形成しておき、検出コイ
ル５１０に発生する電圧を電圧計５１２で検出すること
により、シャフト３０に印加されているトルクが検出さ
れることとなる。

【００２３】検出結果励磁コイル５０６に、２００ｋＨｚの交流を印加して、
シャフト３０のトルク出力を電圧計５１２によって測定
した。その結果を図５及び図６に示す。なお、このとき
の励磁電流は４００ｍＡであった。図５は、成膜後にお
ける処理結果を示すものであり、図４に示すように、ね
じり試験器によってシャフト３０に対しＴｑのねじりト
ルクを印加すると、ねじり方向において＋σ：＋σの引
張り応力が印加され、ねじり方向と直交する方向におい
て−σ：−σの圧縮応力が生じる。そして、膜３００
は、このような応力によって歪み、これによって磁気特
性が変化する。この磁気特性の変化が検出コイル５１０
において検出する電圧として現れる。その結果が図５で
あり、トルクと検出電圧に良好な直線関係があることが
理解される。

【００２４】また、図６は、トルク±１５０ｋｇｆｍ
（最表面剪断応力１８ｋｇｆ／ｍｍ²）を１０００回繰
返し印加した後の結果である。これより、本実施例の検
査によれば、出力値はほとんど変動がなく、良好なトル
ク検出を行えることが理解される。

【００２５】次に、図７及び図８は、非磁性膜３０４の
厚さを０．７μｍとした比較例についての測定結果であ
る。このように非磁性膜を１μｍ以下とした場合には、
シャフト３０の歪みに応じた変化が検出コイルの出力に
現れ、トルクと出力の関係が非線形となり、好ましくな
いことが理解される。

【００２６】また、図９及び図１０は、非磁性膜３０４
を全く設けずにシャフト３０の外周に直接磁性膜を固着
させた場合の比較例の測定結果である。これより、磁性
体で構成されたシャフトのねじりにおける影響が出力値
に出て、トルクと出力が非線形となり、良好な出力トル
ク測定が行えないことが理解される。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るトル
クセンサによれば、下地（シャフト自体）のトルク変動
に係る磁気的変化の影響を除去し、常に正確なトルク検
出を行うことができる。しかも、高剪断応力（１０ｋｇ
ｆ／ｍｍ²以上）のトルク印加にも耐え得るトルクセン
サを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトルクセンサの形成に利用するレ
ーザ蒸着装置の構成を示す図である。

【図２】同レーザ蒸着装置におけるシャフト保持機構の
構成を示す図である。

【図３】実施例の薄膜の構成を示す図である。

【図４】本発明の実施例に係るトルクセンサの構成を示
す図である。

【図５】実施例のトルクと出力の関係を示す図である。

【図６】所定回数のトルク印加後におけるトルクと出力
の関係を示す図である。

【図７】非磁性膜が０．７μｍとした場合のトルクと出
力の関係を示す図である。

【図８】図７と同一の構成例における繰返し印加後のト
ルクと出力の関係を示す図である。

【図９】非磁性膜を省略し、磁性膜をシャフトに直接取
り付けた場合のトルクと出力の関係を示す図である。

【図１０】図９と同一の構成例における繰返し印加後の
トルクと出力の関係を示す図である。

【図１１】従来のアモルファス磁性金属薄帯をシャフト
に取り付けた場合のトルクと出力の関係を示す図であ
る。

【図１２】図１１に示した例の繰返し印加後のトルクと
出力の関係を示す図である。

【符号の説明】

３００膜３０４非磁性膜３０６磁性金属膜３０シャフト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トルク伝達軸に固定された磁性金属の磁気
特性の変化を利用して前記トルク伝達軸に伝達されるト
ルクを検出するトルクセンサにおいて、前記トルク伝達軸の表面上にレーザ蒸着により形成され
た非磁性膜と、この非磁性膜上にレーザ蒸着により形成された磁性金属
膜と、を有することを特徴とするトルクセンサ。