JPH10288558A

JPH10288558A - トルクセンサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10288558A
Application number: JP9630497A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Murakami; 春彦村上; Kazuyoshi Ishikawa; 和義石川; Masahiro Kato; 昌弘加藤; Masashi Takahashi; 正志高橋
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】磁性体膜の剥離を生じることなく、かつ磁性
体膜の下地として存在するトルク伝達軸などの磁気的影
響を除去することができ、トルク検出感度を高めること
ができるような構成のトルクセンサおよびその製造方法
を提供する。【解決手段】磁歪を有する磁性体膜２ａ，２ｂを片面
に成膜して成るフィルム状部材４を、トルク伝達軸３に
接着又は接合する。また、フィルム状部材４を熱硬化性
樹脂であるポリイミド系樹脂から構成する。トルクセン
サ１の製造に際しては、磁歪を有する磁性体膜２ａ，２
ｂをスパッタリング法によりフィルム状部材４の片面上
に形成し、しかる後にフィルム状部材４の他面をトルク
伝達軸３に接着又は接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トルク伝達軸に取
付けた磁歪を有する磁性材料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非接触状態の下
で検出するトルクセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車や工作機械などの回転駆動
系の制御を行なう場合に使用するトルクセンサとして、
小型化，非接触化のために磁歪式トルクセンサが提案さ
れている。この磁歪式トルクセンサは、トルク伝達軸
（回転軸）の周面に磁歪を有する磁性材料から成る磁歪
膜を例えば螺旋状に付着させ、トルク伝達軸にトルクが
伝達されるのに伴って変化する磁歪膜の磁気特性をイン
ピーダンスの変化として検出コイルや磁気ヘッドによ
り、トルク伝達軸に伝達されたトルクの大きさを非接触
で検出するようにしたものである。

【０００３】ところで、従来にあっては、上述の磁歪膜
は、アモルファス箔を接着する方法、めっき法、ＰＶＤ
法（物理蒸着法）などの方法によってトルク伝達軸の表
面上に磁性薄膜或いは磁性体膜を形成し、これによりト
ルクセンサを得るようにしている。

【０００４】図４はこの種の従来のトルクセンサ２０の
一例を示すものであって、このトルクセンサ２０は、駆
動トルクが伝達されて軸線を中心に回転駆動されるトル
ク伝達軸２１と、このトルク伝達軸２１の外周面に螺旋
状に付着された一対の磁性体膜２２ａ，２２ｂ（巻回方
向は互いに逆）と、前記トルク伝達軸２１の周囲に配設
されたヨーク２３と、このヨーク２３内に固定配置され
ると共に前記一対の磁性体膜２２ａ，２２ｂに対して僅
かな空隙を隔てて対応配置された一対の検出コイル２４
ａ，２４ｂとから構成されている。

【０００５】図５は上述の磁性体膜２２ａ，２２ｂを形
成する磁性体膜形成装置２５であり、この製造装置２５
は、磁歪を有する磁性材料２６が充填されたるつぼ（シ
ール材）２７と、このるつぼ２７の上方箇所に配置され
たシャッタ２８と、トルク伝達軸２１をその軸線を中心
に回転駆動する回転駆動装置２９と、これらの各部材を
収容する真空槽３０とから構成されている。

【０００６】トルクセンサ２０の製造に当たりトルク伝
達軸２１に磁性体膜２２ａ，２２ｂを形成するに際して
は、トルク伝達軸２１を回転駆動装置２９にて回転駆動
させつつるつぼ２７内の磁性材料２６を物理的エネルギ
ーを利用してトルク伝達軸２１の外周面上に蒸着（ＰＶ
Ｄ法による蒸着）して磁性体膜２２ａ，２２ｂを形成す
るようにしている。なお、蒸着時にトルク伝達軸２１の
外周面にマスキングを施すことにより、或いは、得られ
た磁性体膜を部分的にエッチングすることにより、所定
形状の磁性体膜２２ａ，２２ｂとするようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
如き従来のトルクセンサ２０では次のような問題点があ
る。すなわち、磁性体膜２２ａ，２２ｂを形成するため
のＰＶＤ法としては、特願昭６０−４２６２８号などに
記載のスパッタリング法や、特開平５−１７２６６２号
などに記載のレーザ蒸着法などが提案されているが、こ
れらの方法により得られる磁性金属膜（磁性体膜）は一
般的に薄膜であるため検出感度が低く、トルク伝達軸か
らの磁気的影響を受け易いという問題点がある。すなわ
ち、従来の場合には、被蒸着体であるトルク伝達軸２１
を回転させながらこのトルク伝達軸２１の外周面上に磁
性体膜２２ａ，２２ｂを直接に成膜するようにしていた
ため、トルク伝達軸２１からの磁気的影響を受け易い。
また、磁性体膜２２ａ，２２ｂを厚膜にするには長い成
膜時間を要する上に、磁性体膜２２ａ，２２ｂを厚くす
る場合には下地との密着性が悪く、磁性体膜２２ａ，２
２ｂがトルク伝達軸２１から剥離し易いという欠点があ
る。一方、磁性体膜２２ａ，２２ｂが薄い場合には、下
地の表面粗さの影響を受け易く、検出精度が悪いという
不具合がある。なお、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、磁性金属膜の厚さを５μｍ以
上にすることが要求されるが、このような膜厚を形成す
るのは物理的に困難であるのが実状である。

【０００８】一方、アモルファス箔から成る磁性薄膜を
トルク伝達軸に接着する方法としては、特開平５−５６
６０号，特開平６−１０６２４５号，特開平５−３２２
６７５号，特開昭５９−６１７３１号などに記載の方法
が提案されているが、この方法では、アモルファス箔自
体が柔軟性を持つため、トルク伝達軸にアモルファス箔
を接着する前に予め熱処理によりアモルファス箔をトル
ク伝達軸の軸径と同じ曲率の円筒形状とし、しかる後に
アモルファス箔をトルク伝達軸に加圧接着しなければな
らない。このため、トルクセンサの製造が面倒であると
いう問題点がある。なお、アモルファス箔を円筒形状に
する工法としては金属ワイヤーで締め付ける工法が一般
的に用いられているが、この工法では締め付け治具が必
要である上に、作業性，再現性が悪いのが実状である。
また、アモルファス箔を熱処理により、円柱状（トルク
伝達軸と相似形）ではなく多角柱の軸部に接着するよう
にした場合には、局部的な曲げ応力が不均一に発生し、
磁気特性のバラツキの原因や局所応力による破壊の原因
となり、問題点の１つとなっている。

【０００９】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的は、磁性体膜の剥離を生じ
ることなく、かつ磁性体膜の下地として存在するトルク
伝達軸などの磁気的影響を除去することができ、トルク
検出感度を高めることができるような構成のトルクセン
サおよびその製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係るトルクセンサでは、磁歪を有する磁
性体膜を片面に成膜して成るフィルム状部材を、トルク
伝達軸に接着又は接合するようにしている。また、本発
明に係るトルクセンサでは、前記フィルム状部材を熱硬
化性樹脂であるポリイミド系樹脂にて構成している。ま
た、本発明に係るトルクセンサの製造方法では、磁歪を
有する磁性体膜をスパッタリング法によりフィルム状部
材の片面上に形成し、しかる後に前記フィルム状部材の
他面をトルク伝達軸に接着又は接合するようにしてい
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施態様につい
て図１〜図３を参照して説明する。

【００１２】図１は本発明に係るトルクセンサ１を示す
ものであって、このトルクセンサ１は、磁性体膜２ａ，
２ｂをトルク伝達軸３の外周面に直接的に成膜せずに、
磁歪を有する磁性体膜２ａ，２ｂをフィルム状部材４の
表面上に一旦成膜した後に、このフィルム状部材４の裏
面をトルク伝達軸３に巻き付けて接着又は接合して成る
軸状部材５を具備している。そして、この軸状部材５の
周囲にはヨーク６が配設されると共に、このヨーク６内
に円筒状の一対の検出コイル７ａ，７ｂが固定配置され
ている。かくして、軸状部材５が前記検出コイル７ａ，
７ｂ内に同軸状に配置され、これらの検出コイル７ａ，
７ｂに前記磁性体膜２ａ，２ｂがそれぞれ対向配置され
ている。

【００１３】図２は上述のフィルム状部材４上に磁性体
膜２ａ，２ｂを形成するための磁性体膜形成装置８を示
しており、この装置８は、ＰＶＤ法の１つであるスパッ
タリング法を用いたマグネトロンスパッタリング装置に
て磁性体膜２ａ，２ｂを形成するようにしたものであ
る。具体的に述べると、本例の磁性体膜形成装置８は、
磁歪を有する磁性材料９が充填されたるつぼ（シール
材）１０と、このるつぼ１０の上方箇所に配置されたシ
ャッタ１１と、このシャッタ１１の上方箇所に配置され
た基板ホルダ１２と、この基板ホルダ１２の下面に取付
けられた基板１３と、これらの各部材を収容する真空槽
１４とから構成されている。

【００１４】上述の装置８を使用してフィルム状部材４
上に磁性体膜２ａ，２ｂを形成するに際しては、基板ホ
ルダ１２の下面に基板１３を保持してこの基板１３の下
面に柔軟性に富む材質のフィルム状部材４（テープ状の
ものを含む）を固定配置する。なお、このフィルム状部
材４の材質としては、柔軟性に富む金属や樹脂の何れで
あっても良いが、特に、耐熱性が高く柔軟性に富む熱硬
化性のポリイミド系樹脂が好ましい。

【００１５】このようにして固定配置されたフィルム状
部材４の片面（下面）に、マグネトロンスパッタリング
装置を作動させるのに伴って磁性材料９から飛散した金
属原子を蒸着させ、所望の厚さを有する磁性体膜２ａ，
２ｂを成膜する。しかる後に、所望厚さの磁性体膜２
ａ，２ｂを片面に成膜して成るフィルム状部材４を基板
１３から取外し、フィルム状部材４の他面側をトルク伝
達軸３の外周面に接着剤を介して巻き付けて加熱接着す
る。或いは、ろう、はんだ等の接合材などにより接合し
てもよい。これによりトルク伝達軸３にトルク検出用の
磁性体膜２ａ，２ｂを形成する。なお、図４において、
斜線Ａで示す部分はフィルム状部材４が巻き付けられた
部分である。

【００１６】既述の磁性体膜２ａ，２ｂに所定形状のパ
ターンニングを施す必要がある場合は、スパッタリング
による磁性体膜２ａ，２ｂの成膜時にフィルム状部材４
に所定形状のマスキングを施し、或いは、フィルム状部
材４上に成膜された一様な厚さの磁性体膜２ａ，２ｂを
所定形状にエッチングするようにすればよい。

【００１７】このようにして製造されたトルクセンサ１
によれば、磁性体膜２ａ，２ｂをスパッタリング法にて
フィルム状部材４上に形成するようにしているので、充
分な膜厚を有しかつ均一な厚さの磁性体膜２ａ，２ｂを
得ることができる。しかも、本例によれば、磁性体膜２
ａ，２ｂはトルクセンサ１に直接的に成膜されずにフィ
ルム状部材４を介してトルクセンサ１の外周面上に形成
されることとなる。このため、トルク伝達軸３に加わる
トルクの検出に当たっては、トルク伝達軸３からの磁気
的影響を阻止でき、トルク検出精度の向上を図ることが
できる。また、トルク検出精度のより一層の向上を図る
場合には、磁性体膜２ａ，２ｂの上層或いは下層に非磁
性体膜等の他の膜を形成するようにすることが望まし
い。さらに、接着、接合時の加熱によって磁性体膜の歪
を取り除くことにより、特性の向上を図ることができ
る。

【００１８】次に、上述の如き作用効果を確認すべく行
った実験例につき述べる。先ず、磁性体膜２ａ，２ｂの
成膜条件（スパッタリング条件）を下記の表１に記載す
る。

【００１９】

【表１】

【００２０】ここで、トルク伝達軸３としてＳ４５Ｃ
（直径１２ｍｍφ）を使用し、ターゲットである磁性材
料９として３種類の材質すなわちＦｅ₂₀Ｎｉ₇₀，Ｆｅ₇₅
Ｓｉ₁₀Ｂ₁₅，及び（Ｆｅ_0.2Ｃｏ_0.8）₇₈Ｓｉ₈Ｂ₁₄を
それぞれ使用し、フィルム状部材４としてはポリイミド
系樹脂を使用した。

【００２１】その結果得られた磁性体膜２ａ，２ｂを有
する各トルクセンサ１の出力感度（トルク検出精度）を
下記の表２に示す。なお、この実験例における磁性体膜
２ａ，２ｂの膜厚は、８〜１０μｍである。

【００２２】

【表２】

【００２３】トルクセンサ１の出力感度の測定は、図３
に示すような測定回路１５を用い、励磁電流を一定とし
た状態で励磁周波数を変化することによって行った。な
お、図３において、１６は発振器、Ｒ₁，Ｒ₂は分圧用
抵抗、Ｌ₁，Ｌ₂は磁性体膜２ａ，２ｂから得られるイ
ンダクタンス、１７は差動増幅器、１８はピークホール
ド回路である。

【００２４】励磁周波数が１００ＫＨｚ及び３００ＫＨ
ｚの場合の出力感度を上記の表２に示した。なお、下記
の表３は、図５に示す従来の方法により磁性体膜をトル
ク伝達軸に１．５倍の時間をかけて直接的に成膜した場
合の出力感度を示す比較例である。

【００２５】

【表３】

【００２６】上記の表２及び表３の測定結果から明かな
ように、本発明に係るトルクセンサ１によれば、出力感
度が良好であり、精度の高いトルク検出を行なうことが
可能であることが確認された。

【００２７】既述のトルクセンサ１によれば、１５μｍ
を越える膜厚にしてもトルク伝達軸３から剥離すること
がなく、従って厚膜による磁気特性の向上ひいてはトル
ク検出精度の向上を図ることができる。また、フィルム
状部材４として熱硬化型であるポリイミド系樹脂を用い
た場合には、トルク伝達軸３に磁性体膜２ａ，２ｂを形
成した後に加熱処理を行なうことにより、フィルム状部
材４の剛性を上げ、トルクの伝達を正確に行なうことが
できる。また、その加熱の間或いは成膜中（特に金属フ
ィルム等）の加熱にて磁性体膜２ａ，２ｂ中の内部応力
を除去することにより、特性の向上を図ることができ
る。さらに、成膜中或いは成膜後に、磁場に印加，局所
加熱，シェブロンノッチ形状の付与等の方法にて磁気異
方性を持たせるようにしてもよい。

【００２８】かくして、本例のトルクセンサ１によれ
ば、従来のＰＶＤ法による成膜や薄帯の接着の場合と比
較して、磁性体膜２ａ，２ｂの膜厚を容易に制御し得
て、厚膜の磁性体膜２ａ，２ｂをトルク伝達軸４に形成
することができ、トルク検出の高精度化を図ることが可
能となる。その結果、高性能のトルクセンサ１を提供す
ることができる。

【００２９】以上、本発明の一実施形態につき述べた
が、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、
本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可
能である。例えば、磁性体膜２ａ，２ｂの形状（パター
ン）は適宜に変更可能であり、また磁性体膜２ａ，２ｂ
を成膜して成るフィルム状部材４をトルク伝達軸３に取
付ける方法としては、接着剤による接着や加熱による接
着に限らず、各種の接合手段を採用可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上の如く、本発明に係るトルクセンサ
は、磁歪を有する磁性体膜を片面に成膜して成るフィル
ム状部材をトルク伝達軸に接着又は接合するようにした
ものであり、換言すれば磁性体膜をトルク伝達軸に直接
的に成膜するのではなく、フィルム状部材に一旦成膜し
てからトルク伝達軸に接着又は接合して成膜するように
したものであるから、フィルム状部材を介して磁性体膜
を間接的に成膜するようにしたことにより、短時間で磁
性体膜の厚膜化が可能となり、トルク検出精度の向上を
図ることができる。また、トルク伝達軸と磁性体膜との
間にフィルム状部材が介在されるので、磁性体膜がトル
ク伝達軸からの磁気的影響を受けにくくなる。従って、
磁性体膜をたとえ薄膜とした場合であっても、高いトル
ク検出精度を得ることができる。よって、磁性体膜の膜
厚について柔軟に対応することができ、設計の自由度の
改善が可能となる。

【００３１】また、本発明に係るトルクセンサでは、フ
ィルム状部材を熱硬化性樹脂であるポリイミド系樹脂か
ら構成するようにしているので、耐熱性が高く、耐久性
に優れたトルクセンサを提供することができる。

【００３２】また、本発明に係るトルクセンサの製造方
法では、磁歪を有する磁性体膜をスパッタリング法によ
りフィルム状部材の片面上に形成し、しかる後に前記フ
ィルム状部材の他面をトルク伝達軸に巻き付けて接着す
るようにしているので、スパッタリング法によるフィル
ム状部材への磁性体膜の付着強度が強く、従って磁性体
膜が剥離してしまうような不具合の発生を回避できる。
なお、従来におけるアモルファス薄帯の接着では、既述
の如く、予備的に形状を付与するために加熱処理を行な
う必要があり、締め付け治具を必要とし、作業性や再現
性に劣る等の不具合があるが、本発明によれば、このよ
うな不具合はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトルクセンサの一実施例を示す部
分断面図である。

【図２】上述のトルクセンサを製造する際に用いる磁性
体膜形成装置の構成を示す断面図である。

【図３】本発明に係るトルクセンサのトルク検出性能を
測定するために用いられる測定回路の回路図である。

【図４】従来のトルクセンサの一例を示す部分断面図で
ある。

【図５】従来のトルクセンサを製造する際に用いる磁性
体膜形成装置の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１トルクセンサ２ａ，２ｂ磁性体膜３トルク伝達軸４フィルム状部材８磁性体膜形成装置９磁歪を有する磁性材料１０るつぼ（シール材）１１シャッタ１２基板ホルダ１３基板１４真空槽１５測定回路１６発振器１７差動増幅器１８ピークホールド回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋正志静岡県浜松市高塚町300番地スズキ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁歪を有する磁性体膜を片面に成膜して
成るフィルム状部材を、トルク伝達軸に接着又は接合し
たことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】前記フィルム状部材を熱硬化性樹脂であ
るポリイミド系樹脂から構成したことを特徴とする請求
項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】磁歪を有する磁性体膜をスパッタリング
法によりフィルム状部材の片面上に形成し、しかる後に
前記フィルム状部材の他面をトルク伝達軸に接着又は接
合するようにしたことを特徴とするトルクセンサの製造
方法。