JPH10260092A - 磁歪式トルクセンサの磁歪膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高感度の磁歪式トルクセンサ用磁歪膜の提供。 【解決手段】磁歪式トルクセンサの磁歪膜又はその磁歪
膜選択方法によれば、金属からなるシャフトの外周面に
磁歪膜が被着された磁歪式トルクセンサの磁歪膜選択方
法において、 比透磁率をμｓ、ヤング率をＥ、磁歪定
数をλとする場合に、（μｓ・Ｅ ）^1/2×λの絶対値
が５×１０⁴以上である組成の磁歪膜が選択される。こ
のようにすれば、簡素な物性データ試験又は既有の物性
データ表を用いて、高感度の磁歪膜を推定することが可
能となる。

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磁歪膜に関する。

【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６０−４２６２８号公報や特開平６−１３７９８
１号公報）、めっき法（例えば特開昭６２−２０６４２
１号公報）、プラズマ溶射法などの溶射法（例えば特開
平５−５２６７８号公報、特開平６−１６０２０９号公
報）が提案されている。

【０００３】特開平６−１６０２０９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６−１３７９８１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。

【０００４】更に、特開平５−５２６７８号公報は、Ｆ
ｅ−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を提案してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、磁歪
式トルクセンサの磁歪膜の製造方法及びその組成につい
ては、種々、提案されているが、磁歪膜における最も重
要なファクターである磁歪感度に優れた磁歪膜をどのよ
うに選択するかについては、従来全く知られておらず、
ただ、少しずつ組成比を変更しつつ作製、テストを重ね
てその磁歪感度を求める以外に有効な手段がなかった。

【０００６】例えば、上記従来技術が提案する組成範囲
においても、どの組成点において最も高感度の磁歪膜が
得られるかどうかについては、全く不明であり、ただこ
の程度が良いと示唆しているに過ぎない。これは、磁歪
膜が２以上の主要構成元素からなり、各主要構成元素の
組成比を一々変更して磁歪式トルクセンサを一々作製
し、試験することは、多大な手間、時間、費用を必要と
し、困難であるためである。

【０００７】この問題に鑑み、本発明者らは簡単に高感
度の磁歪膜を選択する手法を見出し、それにより各成分
系の磁歪膜において、高感度の磁歪膜の選択を可能とし
た。従って、本発明の目的は、高感度の磁歪膜を有する
磁歪式トルクセンサの提供を、その目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の磁歪式ト
ルクセンサの磁歪膜によれば、金属からなるシャフトの
外周面に磁歪膜が被着された磁歪式トルクセンサの磁歪
膜選択方法において、比透磁率をμｓ、ヤング率をＥ、
磁歪定数をλとする場合に、（μｓ・Ｅ）^1/2・λの絶
対値が５×１０⁴以上である組成の磁歪膜が選択され
る。このようにすれば、簡素な物性データ試験又は既有
の物性データ表を用いて、高感度の磁歪膜を推定するこ
とが可能となる。

【０００９】請求項２記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
膜によれば請求項１記載の磁歪式トルクセンサの磁歪膜
において更に、比透磁率μｓが１７０以上、ヤング率Ｅ
が１４０００以上、磁歪定数λが３０以上であり、Ｎｉ
を８５ｗｔ％以上含むＮｉ系磁歪膜が採用される。この
ようにすれば、高感度の磁歪膜を実現することができ
た。

【００１０】請求項３記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
膜によれば請求項２記載の磁歪式トルクセンサの磁歪膜
において更に、Ｃを０．０１〜２ｗｔ％含むＮｉ−Ｃ系
磁歪膜が採用される。このようにすれば、高感度の磁歪
膜を実現することができた。請求項４記載の磁歪式トル
クセンサの磁歪膜によれば請求項１記載の磁歪式トルク
センサの磁歪膜において更に、透磁率μｓが３５０以
上、ヤング率Ｅが１８０００以上、磁歪定数λが１７以
上であり、Ｎｉを３０〜９０ｗｔ％、Ａｌを０．１〜１
５ｗｔ％むＮｉ−Ｆｅ−Ａｌ系磁歪膜が採用される。こ
のようにすれば、高感度の磁歪膜を実現することができ
た。

【００１１】請求項５記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
膜によれば請求項４記載の磁歪式トルクセンサの磁歪膜
において更に、Ｃを０．０１〜２ｗｔ％含むＮｉ−Ｆｅ
−Ａｌ−Ｃ系磁歪膜が採用される。このようにすれば、
高感度の磁歪膜を実現することができた。請求項６記載
の磁歪式トルクセンサの磁歪膜によれば請求項１記載の
磁歪式トルクセンサの磁歪膜において更に、比透磁率μ
ｓが１５０以上、ヤング率Ｅが１５０００以上、磁歪定
数λの絶対値が２５以上であり、Ｎｉを８０〜９８ｗｔ
％含むＮｉ−Ｃｏ系磁歪膜が採用される。このようにす
れば、高感度の磁歪膜を実現することができた。

【００１２】

【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−Ｃｏ系系合金としては、更に好ましくはＮｉを９０
〜９５ｗｔ％含むことが好ましい。その他、含まれるこ
とができる補助添加元素については、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｓ
ｉ、Ｃｒ、Ｃｕがなどを０．１〜１０ｗｔ％程度添加す
ることができる。

【００１３】磁歪膜として用いるＮｉ−Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ
系磁歪膜としては、更に好ましくはＮｉを４０〜８０ｗ
ｔ％、Ａｌは５〜１０ｗｔ％含むことが好ましい。その
他、含まれることができる補助添加元素については、Ｍ
ｎ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｃｕがなどを０．１〜１０ｗｔ
％程度添加することができる。シャフトとしては、ＳＣ
ｒ、ＳＣＭなどの合金鋼や炭素鋼更には非磁性のステン
レス鋼などを採用することができる。

【００１４】

【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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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、大気中で実施
し、シャフト１の外周面に厚さ０．３ｍｍの磁歪膜を形
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１．５ｈ
ｒ保持した後、１３０℃まで油焼入れし、その後、１８
０℃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。

【００１９】次に、この磁歪膜に図１のようにシエブロ
ンパターン形状膜すなわち上記した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。上
記磁歪膜の組成を決定するために、以下の理論解析を行
った。 （磁歪感度と磁歪膜の各物性値との関連に関する理論解
析）磁界Ｈ、磁束密度Ｂ、応力σ、ひずみｅが微小な変
化をしている場合、各変化量の関係は以下のように示さ
れる。

【００２０】まず、ＢはＨとσとの関数であるから、Ｂ
＝Ｂ（Ｈ、σ）とし、ｅもＨとσとの関数であるからｅ
＝（Ｈ、σ）として、 ただし、μｓは応力一定条件での偏微分係数で表される
比透磁率であり、μｏは真空透磁率であり、Ｅはヤング
率である。 ただし、ｄは磁歪変換定数、ｄ’は逆磁歪変換定数であ
る。ここで、Ｂ、△ｅなどを単にＢ、ｅと記すことにす
れば、 と書き直すことができる。次に、Ｂ、Ｈの微小な変化に
よって磁気的に与えられたエネルギーのうち、弾性エネ
ルギーに変換されて、物質内にたくわえられたエネルギ
ーの割合をｋ² とすると となる。ここで、ｋは電気機械変換定数である。また、
マックスウエルの関係式よりｄ＝ｄ’と考えられるか
ら、上記式を用いて、 Ｂ＝（１−ｋ²）μｓμｏ・Ｈ＋（μｓμｏ・Ｅ）^1/2
・ｅ・ｋ が得られる。ここで、（１−ｋ²）μｓμｏ・Ｈは、外
部磁界変化にもとづく磁束密度変化であり、（μｓμｏ
・Ｅ）^1/2 ・ｅ・ｋは、磁歪にもとづく磁束密度変化と
考えられる。更に、等方磁歪を仮定し、静的磁歪定数を
λとすれば、上記磁歪にもとづく磁束密度変化は、 ただし、ｌは長さ、ｄｌはその変化量である。結局、磁
歪にもとづく磁束密度変化、即ち、センサー感度は、
（μｓμｏ・Ｅ）^1/2 ・λをαと仮定すれば、透磁率
（比透磁率×真空透磁率）、ヤング率、磁歪変換定数、
電気機械結合定数とα・ｋという関係を有することが判
明した。電気機械変換定数ｋのトルク印加前後の変化を
無視すれば、センサー感度は、比透磁率μｓ、ヤング率
Ｅ、磁歪変換定数λに対して、αの関係をもつものと見
なせることが判明した。

【００２１】また、センサー感度と各種磁性材料の磁気
特性とで、多変量解析による重回帰分析にて因果関係を
調べたところ、センサー感度は初期の磁歪の立ち上がり
と、透磁率とに深い相関をもつこともわかった。次に、
本発明者らは上記知見に基づき、３種類の成分系の溶射
磁歪膜について、予め知られている物性値μｓ、Ｅ、λ
がともに大きい組成のものを選択して実施例磁歪膜（ａ
〜ｃ）を形成し、感度を調べた。また、比較のために合
計４種類の比較例磁歪膜（ｄ〜ｇ）についても感度を調
べた。その結果を図３に示す。図３から、異なる成分系
の多数の磁歪膜において、αと感度（出力）とが極めて
強い比例関係を持つことが実証された。なお、図３の特
性は、図１及び図２に示す磁歪式トルクセンサにおい
て、測定周波数は５０ＫＨｚ、励磁電圧２Ｖで測定した
ものであり、図３の縦軸の値（出力）は、回路の電圧増
幅分を除いた実力値を示す。

【００２２】その結果、優れた磁歪感度（出力）が得ら
れる組成範囲が各成分系について判明した。その結果を
表１に示す。

【００２３】

【表１】 以下、上記各膜について更に詳細に説明する。

【００２４】Ｎｉ−Ｃ溶射膜すなわち実施例品ａは、上
記説明した製造工程で作製されたものであり、原料を１
００ｗｔ％ニッケルとしたものであり、カーボンＣは、
還元熱処理にて約１ｗｔ％添加されたものである。Ｎｉ
−Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ溶射膜すなわち実施例品ｂは、上記説
明した製造工程で作製されたものであり、磁歪膜組成
は、Ｎｉが４３ｗｔ％、Ａｌが１ｗｔ％、Ｃが２ｗｔ
％、残部がほぼＦｅとなっている。なお、添加元素とし
て、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｂ、Ｃｒなどを合
計１０ｗｔ％程度含有することもできる。

【００２５】Ｎｉ−Ｃｏ膜すなわち実施例品ｃは、鋳鍛
造法にて作製したバルク膜であり、９５ｗｔ％のＮｉを
含有する。ＳＣｒ膜すなわち非溶射比較例品ｄは、市販
の丸棒から作製したバルク膜であり、０．９〜１．２ｗ
ｔ％のＣｒを含有する。Ｃｏバルク膜すなわち比較例品
ｅ、及び、Ｎｉバルク膜すなわち比較例品ｆも鋳鍛法に
て作製したそれぞれ１００ｗｔ％のバルク膜である。

【００２６】Ni溶射膜すなわち比較例品ｇは、上記説明
した製造工程のうち溶射完了後の還元熱処理工程以降を
省略したものである。この試験を含む各種試験及び上記
理論解析から、以下のことがわかった。Ｎｉ系磁歪膜で
は、比透磁率μｓが１７０以上、ヤング率Ｅが１４００
０以上、磁歪定数λが３０以上であり、Ｎｉを８５ｗｔ
％以上含む組成の材料、Ｎｉ−Ｃ系磁歪膜では、上記Ｎ
ｉ系磁歪膜においいて更にＣを０．０１〜２ｗｔ％含む
組成の材料、Ｎｉ−Ｆｅ−Ａｌ系磁歪膜では、比透磁率
μｓが３５０以上、ヤング率Ｅが１８０００以上、磁歪
定数λが１７以上であり、Ｎｉを３０〜９０ｗｔ％、Ａ
ｌを０．１〜１５ｗｔ％含む組成の材料、Ｎｉ−Ｆｅ−
Ａｌ−Ｃ系磁歪膜では、上記Ｎｉ−Ｆｅ−Ａｌ系磁歪膜
において更にＣを０．１〜２ｗｔ％含む組成の材料、Ｎ
ｉ−Ｃｏ系バルク磁歪膜では、比透磁率μｓが１８０以
上、ヤング率Ｅが１８０００以上、磁歪定数λの絶対値
が２５以上であり、Ｎｉを８０〜９８ｗｔ％含む組成の
材料。

【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】各試料の出力電圧（感度）と複合物性パラメー
タαとの関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１はシャフト、７、８は磁歪膜

───────────────────────────────────────────────────── 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 (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属からなるシャフトの外周面に、磁歪膜
   を被着する磁歪式トルクセンサの磁歪膜において、 比透磁率をμｓ、ヤング率をＥ、磁歪定数をλとする
   時、（μｓ・Ｅ）^1/2・λの絶対値が５×１０⁴以上であ
   る組成の磁歪膜であることを特徴とする磁歪式トルクセ
   ンサの磁歪膜。
2. 【請求項２】請求項１記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
   膜において、 前記磁歪膜は、比透磁率μｓが１７０以上、ヤング率Ｅ
   が１４０００以上、磁歪定数λが３０以上であり、Ｎｉ
   を８５ｗｔ％以上含むＮｉ系磁歪膜からなることを特徴
   とする磁歪式トルクセンサの磁歪膜。
3. 【請求項３】請求項２記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
   膜において、 前記磁歪膜は、更にＣを０．０１〜２ｗｔ％含むＮｉ−
   Ｃ系磁歪膜からなることを特徴とする磁歪式トルクセン
   サの磁歪膜。
4. 【請求項４】請求項１記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
   膜において、 前記磁歪膜は、比透磁率μｓが３５０以上、ヤング率Ｅ
   が１８０００以上、磁歪定数λが１７以上であり、Ｎｉ
   を３０〜９０ｗｔ％、Ａｌを０．１〜１５ｗｔ％含むＮ
   ｉ−Ｆｅ−Ａｌ系磁歪膜からなることを特徴とする磁歪
   式トルクセンサの磁歪膜。
5. 【請求項５】請求項４記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
   膜において、 前記磁歪膜は、更にＣを０．１〜２ｗｔ％含むＮｉ−Ｆ
   ｅ−Ａｌ−Ｃ系磁歪膜からなることを特徴とする磁歪式
   トルクセンサの磁歪膜。
6. 【請求項６】請求項１記載の磁歪式トルクセンサの磁歪
   膜において、 前記磁歪膜は、比透磁率μｓが１５０以上、ヤング率Ｅ
   が１５０００以上、磁歪定数λの絶対値が２５以上であ
   り、Ｎｉを８０〜９８ｗｔ％含むＮｉ−Ｃｏ系磁歪膜か
   らなることを特徴とする磁歪式トルクセンサの磁歪膜。