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JPS63297545A - Axis to be measured for torque sensor - Google Patents

Axis to be measured for torque sensor

Info

Publication number
JPS63297545A
JPS63297545A JP12989987A JP12989987A JPS63297545A JP S63297545 A JPS63297545 A JP S63297545A JP 12989987 A JP12989987 A JP 12989987A JP 12989987 A JP12989987 A JP 12989987A JP S63297545 A JPS63297545 A JP S63297545A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
measured
shaft
torque sensor
alloy layer
torque
Prior art date
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Granted
Application number
JP12989987A
Other languages
Japanese (ja)
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JPH0745704B2 (en
Inventor
Shinichiro Yahagi
慎一郎 矢萩
Takanobu Saitou
斉藤 貴伸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daido Steel Co Ltd
Original Assignee
Daido Steel Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daido Steel Co Ltd filed Critical Daido Steel Co Ltd
Priority to JP12989987A priority Critical patent/JPH0745704B2/en
Publication of JPS63297545A publication Critical patent/JPS63297545A/en
Publication of JPH0745704B2 publication Critical patent/JPH0745704B2/en
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Abstract

PURPOSE:To execute the detection of a large torque applied to an axis to be measured with high accuracy by providing a specific Fe-Al alloy layer on the partial surface of the axis to be measured. CONSTITUTION:An Fe-Al alloy layer 3 is provided on the partial surface of the axis 2 to be measured by a thermal spraying method and the torque applied to the axis to be measured is detected. The above-mentioned Fe-Al alloy layer 3 is formed from mixed phase. Said mixed phase contains >=2 kinds among an irregular phase, Fe3Al type regular phase having <=0.9 regularity and FeAl type regular phase. A torque applied to the axis 2 to be measured, particularly a large torque, can be detected with high accuracy by the above-mentioned torque sensor 1.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

[発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、被測定軸に加えられたトルクを検出するの
に利用されるトルクセンサに係り、とくに大きなトルク
の検出を支障なく高精度で行うことが可能であるトルク
センサ用被測定軸に関するものである。 (従来の技術) 従来、被測定軸に加えられたトルクを検出するのに利用
されるトルクセンサとしては、例えば、第6図に示すよ
うなものがあった。 このトルクセンサ51は磁歪方式のものであって、磁気
ひずみ効果を有する材質よりなる被測定軸52の表面に
、二つの励磁コイル53と検出コイル54を配設し、前
記励磁コイル53と検出コイル54の外周部に、かつ被
測定軸52との間で間隙55をおいて、高透磁率物質よ
りなるヨーク56を設けた構造をなすものである。 この磁歪式トルクセンサ51を作動させるに際しては、
励磁コイル53に通電することによって、被測定軸52
9間隙55およびヨーク56を通る磁気回路を形成させ
ておく、このとき、検出コイル54には誘導起電力が発
生している。 このような状態において、被測定軸52にねじリトルク
が加えられると、この被測定軸52の磁気ひずみ効果に
よって当該被測定軸52自体の透磁率が変化するため、
前記磁気回路を通る磁束密度が変化することとなり、こ
れに対応して検出コイル54に発生する誘導起電力も変
化し、この誘導起電力の変化を読み取ることによって、
前記被測定軸52に加えられたねじりトルクの値を知る
ことができる。 ところが、一般に使われる動力伝達軸(例えば、ドライ
ブシャフトやコラムシャフトなど)を被測定軸とする場
合を考えると、この種の動力伝達軸では磁気ひずみ効果
が小さいため、十分なトルク検出能力を発揮し得ない。 そこで、アモルファス磁性薄帯の磁気ひずみ効果が大き
いことを利用して、当該アモルファス磁性薄帯を回転軸
に巻いて接着剤により固定したトルクセンサが提案され
ている(特開昭58−9034号公報)。 しかし、このトルクセンサでは、アモルファス磁性薄帯
に対して熱処理によって所定の角度をもった磁化容易軸
を付与する必要があるなど、かなり繁雑な手段をもって
しか作り得ないという問題点がある。 そこで、磁気異方性を容易に得るために、第7図に示す
ように45°方向に形成した多数のスリブ)57a、5
7bを有するアモルファスの短ざく状磁気ひずみ磁性薄
、帯57を接着剤により被測定軸(回転軸)52に接着
して固定した第8図に示すような構造をもつトルクセン
サ51が提案されている(特開昭59−166827号
公報)。 (発明が解決しようとする問題点) しかしながら、前述のような従来のトルクセンサ51に
あっては、アモルファス磁性薄帯57を接着剤により被
測定軸52に接着して固定してなる構成であったため、
当該被測定軸52にアモルファス磁性薄帯57を均一に
接着することが難しく、特性のばらつきが太きくなりや
すいという問題点がある。また、第9図に示すように、
初期において線■に示す特性を出力したものが、接着剤
のクリープ現象のため、大きなトルク例えば10Kgf
@m程度のトルクを加えたあとは、同図の線■に示すよ
うに、出力のシフトが起り、精度を高く保ち得ないとい
う問題点があった。 さらに、温度変化に対しては、温度が上昇すると接着剤
が軟化して上記と同様に出力のシフトが起り、また、ア
モルファス磁性薄帯57と被測定軸52との熱膨張差が
大きいことから、温度の変化に対して安定した出力が得
られないという問題点があった。 (発明の目的) この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、接着剤を使用しないため、従来のような接着剤
の使用にもとづく大トルク印加や温度変化による特性の
ばらつきがほとんどなく、大トルク印加および温度変化
に対しても安定した出力特性を示し、高感度で低ヒステ
リシスの精度の高いトルク測定を行うことが可能である
トルクセンサ用被測定軸を提供することを目的としてい
るものである。
[Objective of the invention] (Industrial application field) The present invention relates to a torque sensor used to detect torque applied to a shaft to be measured, and in particular to detect large torques with high accuracy without any trouble. The present invention relates to a shaft to be measured for a torque sensor that is capable of (Prior Art) Conventionally, as a torque sensor used to detect torque applied to a shaft to be measured, there has been one shown in FIG. 6, for example. This torque sensor 51 is of a magnetostrictive type, and two excitation coils 53 and a detection coil 54 are disposed on the surface of a shaft 52 to be measured made of a material having a magnetostriction effect. It has a structure in which a yoke 56 made of a high magnetic permeability material is provided on the outer periphery of the yoke 54 with a gap 55 between it and the shaft 52 to be measured. When operating this magnetostrictive torque sensor 51,
By energizing the excitation coil 53, the shaft to be measured 52
A magnetic circuit passing through the gap 55 and the yoke 56 is formed. At this time, an induced electromotive force is generated in the detection coil 54. In such a state, when a screw torque is applied to the shaft to be measured 52, the magnetic permeability of the shaft to be measured 52 itself changes due to the magnetostrictive effect of the shaft to be measured 52.
The magnetic flux density passing through the magnetic circuit changes, and the induced electromotive force generated in the detection coil 54 also changes accordingly, and by reading the change in this induced electromotive force,
The value of the torsional torque applied to the shaft 52 to be measured can be known. However, when considering the case where the shaft to be measured is a commonly used power transmission shaft (for example, a drive shaft or a column shaft), this type of power transmission shaft has a small magnetostrictive effect, so it does not exhibit sufficient torque detection ability. I can't. Therefore, by taking advantage of the large magnetostrictive effect of an amorphous magnetic ribbon, a torque sensor has been proposed in which the amorphous magnetic ribbon is wound around a rotating shaft and fixed with an adhesive (Japanese Unexamined Patent Publication No. 58-9034). ). However, this torque sensor has the problem that it can only be manufactured using fairly complicated means, such as the need to heat-treat the amorphous magnetic ribbon to provide an axis of easy magnetization with a predetermined angle. Therefore, in order to easily obtain magnetic anisotropy, a large number of sleeves (57a, 5) are formed in the 45° direction as shown in FIG.
A torque sensor 51 has been proposed which has a structure as shown in FIG. 8, in which an amorphous short strip-shaped magnetostrictive magnetic thin strip 57 having a diameter 7b is adhered and fixed to a shaft to be measured (rotating shaft) 52 with an adhesive. (Japanese Unexamined Patent Publication No. 166827/1982). (Problems to be Solved by the Invention) However, in the conventional torque sensor 51 as described above, the amorphous magnetic ribbon 57 is fixed to the shaft 52 to be measured using an adhesive. Save,
There is a problem in that it is difficult to uniformly adhere the amorphous magnetic ribbon 57 to the shaft 52 to be measured, and variations in characteristics tend to become large. Also, as shown in Figure 9,
The one that outputs the characteristics shown by the line ■ in the initial stage may have a large torque, e.g. 10 kgf, due to the creep phenomenon of the adhesive.
After applying a torque of about @m, a shift in the output occurs as shown by the line ■ in the same figure, and there is a problem in that high accuracy cannot be maintained. Furthermore, with respect to temperature changes, as the temperature rises, the adhesive softens and the output shifts as described above, and also because the difference in thermal expansion between the amorphous magnetic ribbon 57 and the shaft 52 to be measured is large. However, there was a problem in that stable output could not be obtained against changes in temperature. (Purpose of the Invention) The present invention was made by focusing on the above-mentioned conventional problems, and since no adhesive is used, the characteristics cannot be changed due to large torque application or temperature changes, which are caused by the use of conventional adhesives. To provide a shaft to be measured for a torque sensor, which has almost no variation, exhibits stable output characteristics even with large torque application and temperature changes, and is capable of performing highly accurate torque measurements with high sensitivity and low hysteresis. The purpose is to

【発明の構成】[Structure of the invention]

(問題点を解決するための手段) この発明は、被測定軸に加えられたトルクを検出するト
ルクセンサの前記被測定軸に関するものであって、当該
被測定軸の少なくとも一部の表面ないしは全部の表面に
、溶射法により形成されたF e−AM系合金層を設け
ている構成を有することを特徴としており、F e−A
n系合金層を溶射法により被測定軸の表面に形成させた
ものとすることによって、従来の接着剤による薄帯の固
定の場合における問題点を解決するようにしたことを特
徴としている。この場合、種々の溶射法および溶射条件
を選定することによってFe−A文系合金層の被測定軸
表面への接合強度を選ぶことができるので、被測定軸へ
の最大印加応力に対応した溶射法および溶射条件を選定
すればよい。 また、溶射により形成されるF e−An系合金層にお
いても、当該Fe−A文系合金層中におけるA文濃度と
、金属学的相(Fe3A交型規則相、FeAl型規則相
、不規則相の混合相や、1”e3Al型規則相0規則度
など)とを選定することによって、高感度で低ヒステリ
シスの精度の高いトルクセンサを得ることができるよう
になる。この金属学的相の調整は、溶射方法および溶射
条件の選定や、溶射後の熱処理方法および熱処理条件(
加熱温度、加熱保持時間、加熱後の冷却速度など)の選
定によって行うことが可能である。 この発明に係るトルクセンサ用被測定軸のより望ましい
実施態様においては、前記Fe−Al1系合金層が、不
規周相単相、もしくはFe3 AJL型規則相周相eA
l型規則相お周相不規周相のうちの2種以上を含む混合
相よりなり、Fe5Ai型規則相の規則度が0.9以下
である鉄−アルミニウム系合金からなるものとするのが
よい。 また、この発明の実施態様において、前記被測定軸は、
当該被測定軸の軸方向と一定の角度をなすように、表面
部に適宜間隔毎に、溶射法によりF e−An系合金層
を形成することによって形状磁気異方性をもたせたもの
とすることができ、具体的には例えば前記Fe−AM系
合金層による形状磁気異方性はその方向を逆にした一対
として形成させることが可能であり、さらには前記一対
のF e−An系合金層に対向する一対のコイルを巻回
した構成とすることができる。そして、一対のコイルを
巻回する場合においては当該コイルを励磁用発振器と接
続し、励磁方向を同一方向に合わせた構成とすることが
できる。さらには、トルク負荷による前記一対のF e
−AJL系合金層における透磁率の変化を対向するコイ
ルのインダクタンス変化として交流ブリッジにより差動
増幅器を介して検出する構成とすることもできる。 また、この発明の他の実施態様においては、被測定軸の
表面に励磁コイルと検出コイルとを45°方向に対向設
置したいわゆる磁気ヘッド方式のトルクセンサの被測定
軸としても用いることも可能である。 この発明によるトルクセンサ用被測寓軸において、その
表面に溶射法により形成されるFe−A9.合金層中の
An含有量が8重量%以上18重量%以下であるものと
することがとくに望ましい、すなわち、An含有量の感
度に対する影響については、A交合有量が18重量%を
超えると著しく低下する傾向となり、またヒステリシス
に対する影響については、An含有量の増加とともに減
少し、14重量%の近傍で零となることによる。したが
って、トルクセンナに要求される精度にもよるが、通常
の場合には、ヒステリシスが10%以内の精度を満足さ
せるようにすることが望ましく、Fe−An系合金層中
のAn含有量を8重量%以上とするのがよい、また、I
Q含有量が18重量%を超えると室温では非磁性となり
、感度が零となるので、18重量%以下とするのがよい
。 また、Fe3 An型規則周相規則度とヒステリシスと
の関係を調べたところ、FeBAl型規則相の規周相が
0.9を超え、完全な規周相に近づくとヒステリシスが
増大して10%を超える傾向となるので、Fe3 Af
L型規則相の規則度は0.9以下とするのがとくに望ま
しい。 このl”e3AR型規則和の規則度の調整は、溶射方法
の選定や、溶射終了後における冷却手法(再加熱をも含
む、)を選定することによって可能である。さらには、
前記Fe−An系合金層は、その電気抵抗率が75μΩ
−0m以上であるものがとくに好ましい。 このように、トルクセンナ用被測定軸として、その表面
の少なくとも一部に、より望ましくは、不規周相よりな
るFe−AfL系合金層、もしくは規則度が0.9以下
のFe5An型規則相。 FeAl型規則相お周相不規周相のうちの2種以上を含
む混合相よりなるF e−AfL系合金層を、溶射法に
より形成して設けたものを用いることによって、高感度
でかつヒステリシスの著しく少ない二律背反的な特性の
いずれにも優れた出力特性をもつトルクセンサとするこ
とができる。 第1図はこの発明の一実施態様によるトルクセンサの構
成を示す断面説明図である。 図に示すトルクセンサ1は、例えば構造用炭素鋼や合金
鋼からなる被測定軸2を有しており、この被測定軸2の
表面には、例えば、不規周相単相や、規則度が0.9以
下のFe3 An型規則周相FeAfJ、和親周相およ
び不規周相のうちの2種以上を含む混合相、よりなるF
 e−AM系金合金層3溶射法により形成されている。 この被測定軸2の表面に溶射法により形成されるFe−
AJI系合金合金層3当該被測定軸2の軸心方向に対し
所定の角度をなす帯状部3a、3bが適宜間隔毎に形成
してあり、これら帯状部3a、3bによって形状磁気異
方性をもつようにしである。 この場合、前記一方の帯状部3aと、他方の帯状部3b
とは、軸心方向に対し同じ傾斜角度(この実施態様では
45°)でかつ互いに反対方向に傾斜した状態で一対の
ものとしである。 また、このトルクセンサ1は、前記被測定軸2のほか、
当該被測定軸2に形成した一方の帯状部3aと他方の帯
状部3bにそれぞれ対向して配置させた一対のコイル4
a、4bを有しており、前記コイル4a、4bの外側に
、かつ被測定軸2との間で間隙5をおいて、高透磁率材
料よりなる円゛筒状のヨーク6を設けた構造をなすもの
である。 このような構造のトルクセンサ1において、コイル4a
、4bは、第2図に例示するように、抵抗器7.8と組
合わされてブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路に
バランス用の可変抵抗器9を設けると共に、ブリッジ回
路の接続点A、C間には励磁用発振器10を接続して励
磁方向を同一方向に合わせ、接続点B、B’  間には
差動増幅器11を接続して、出力端子12.13より検
出出力を取り出すことができるようにしである。 このようなトルクセンサ1の作動に際しては、励磁用発
振器10より、コイル4a、4bに一定振幅(V)およ
び周波数(f)の交流を通電する。この通電によって、
被測定軸2→間隙5→ヨーク6→間隙5→被測定軸2を
磁路とする磁力線が、コイル4a 、4bを取り囲むよ
うに発生する。そして、前記磁力線は被測定軸2の表面
部分を流れ、被測定軸2には帯状部3a、3bが当該被
測定軸2の軸心方向と所定の角度をなすように形成しで
あるため、形状磁気異方性の効果が現われる。 そこで、被測定軸2に対して!s1図に示すT方向にト
ルクが印加されると、一方の帯状部3aは右45°方向
に形成されているため、最大引張応力+σが作用し、反
対に、他方の帯状部3bは左45°方向に形成されてい
るため、最大圧縮応力−σが作用する。 したがって、一方のコイル4aのインダクタンスは増大
し、他方のコイル4bのインダクタンスは減少するので
、第2図に示したブリッジ回路のバランスがくずれ、出
力端子12.13間に前記トルクTに対応した出力が生
じる。また、トルクが逆方向に印加された場合には、前
述したのと逆の作用により、一方のコイル4aのインダ
クタンスは減少し、他方のコイル4bのインダクタンス
は増大するので、第2図に示したブリッジ回路のバラン
スがくずれ、出力端子12.13間に前記トルクTに対
応した出力が生じ、この結果第3図に示すような出力特
性を得ることができる。 この実施態様においては、上述のように、帯状部31L
、3bをその傾きが反対である一対のものとし、それぞ
れにコイル4 a * 4 bを対向させて、前記帯状
部3a、3bにおける磁性変化の差をブリッジ回路によ
り検出するようにしているので、Fe−A文系合金層3
の透磁率が温度によって変化したとしても出力の零点は
動かないものとすることができ、トルクの検出精度を高
いものとすることが可能である。 前記実施態様では、被測定軸2に対するトルク印加によ
る一対の帯状部3a、3bの透磁率変化を、一対のコイ
ル4a、4bのインダクタンス変化としてとらえ、交流
ブッリジにより作動増幅器11を介して検出するいわゆ
る自己インダクタンスの変化を利用した自己励磁方式に
よるものとしているが、第6図に示したように、励磁コ
イルと検出コイルを設けたいわゆる相互インダクタンス
の変化を利用した外部励磁方式としたトルクセンサにも
前記構成の被測定軸2を適用することが可能である。 第4図(a)、(b)は、この発明に係るトルクセンサ
用被測定軸が適用されるトルクセンサの他の実施態様を
示す図である。このトルクセンサ21は、被測定軸22
を有しており、この場合、被測定軸22は、構造用炭素
鋼や構造用合金鋼あるいはステンレス鋼よりなり且つ表
面に溶射法により形成したFe−A文系合金層23を設
けてなるものである、そして、この被測定軸22の外周
に、当該被測定軸22に対し所定の間隔24をおいて、
例えばパーマロイ等の高透磁率材料から形成したヨーク
25を近接配置し、このヨーク25に、前記被測定軸5
2に設けたFe−AfL系合金合金層23路の一部とす
る磁気回路を形成する励磁手段としての励磁コイル26
と、前記被測定軸52に設けたF e−A!;L系合金
層23を通る磁歪成分を検出する検出手段としての検出
コイル27とが設けてあり、励磁コイル26から発せら
れた磁束が被測定軸22に設けたFe−A1系合金層2
3およびヨーク25を磁路とする磁気回路を形成するよ
うにした構造をなすものである。 このトルクセンサ21において、例えば被測定軸22の
軸横断面に向かって時計方向にトルクを加えた場合、軸
方向と45度傾いた右方向の引張り応力+σによる透磁
率の増加と、45度傾いた左方向の圧縮応力−σによる
透磁率の減少との和を出力としてとらえ、これによりト
ルクの検出を行う。 上記したような被測定軸の少なくとも一部の表面にFe
−AfL系合金層を溶射法により形成させた本発明に係
るトルクセンサ用被測定軸では、上記した励51−検出
方式(磁気ヘッド検出方式、自己インダクタンスの変化
を利用した検出方式、相互インダクタンスの変化を利用
した検出方式)の種類に限定されずに適用することが可
能である。 (実施例) 実施例1 この実施例では、被測定軸の母材として外径18mmの
ステンレス鋼(SUS  304)を選び、溶射材とし
てFe−An系合金粉末を用いてプラズマ溶射を行うこ
とにより、母材表面にFe−AM系合金層を形成させた
。このとき、F e−An系合金層の厚さは1mmとし
、被測定軸の外径が20mmとなるようにした0次に、
前記被測定軸の表面に1幅2mm、深さ1mm、片側8
本、角度45°の溝付は加工を行って、第1図に示した
ような帯状部(3a、3b)を形成した被測定軸(2)
を用意した。 次いで、第1表に示すように、一部の被測定軸(2)は
溶射のままとし、他の一部の被測定軸(2)に対しては
、600℃xthr加熱保持後真空中で油冷する熱処理
を施した。 このようにして形成されたFe−An系合金層(3)中
のAn含有量は13.2%であり、溶射したままのFe
−A文系合金層(3)のFe5A型規則和親規則度は0
.81であり、上記熱処理を施した場合のそれは0.2
3であった。 次に、自己励磁方式により、第1表に示すように、第1
図に示したコイル(4a、4b)の巻数をそれぞれ44
ターンとし、励磁用発振器(10)による測定周波数を
30KHzとし、測定電流をloOmAとした状態で1
Kgf−mのトルクを被測定軸(2)に印加した。 この結果、第1表に示すように第5図に示す出力特性に
おける感度[S]は、溶射のままの場合に±3.2V/
Kgf@m、熱処理を施した場合に±4.3V/Kgf
@mであり、ヒステリシス[H]は、溶射のままの場合
に4%であり、熱処理を施した場合に1%であって、す
ぐれた結果が得られた。 X厘j」 この実施例では、前記実施例1とほぼ同様の被測定軸を
用意し、第4図に示した磁気ヘラド方式のトルクセンサ
(21)に適用した。この場合、前記実施例1の被測定
軸とは、Fe−A文系合金層(23)中のAfL含有量
が12.7%であり、溶射したままのFe−A文系合金
層(23)中のFe5A文型規則相の規則度は0.62
であり、熱処理を施した場合のそれは0.22であると
ころが異なっている。 次に、磁気ヘッド方式により、第1表に示すよ□うに、
第4図に示した励磁コイル(26)を100ターン、検
出コイル(27)を100’ターンとし、測定周波数を
10KHzとし、測定電流を200mAとした状態で1
Kgf11mのトルクを被測定軸(22)に印加した。 この結果は同じく第1表に示すとおり良好なる結果であ
った。 実施例3 この実施例では、被測定軸の母材として外径20mm(
7)ステンレス鋼(SUS  304)を選び、溶射材
としてFe−AfL系合金粉末を用いてプラズマ溶射を
行うことにより、母材表面にF e−An系合金層を形
成させ、実施例1の場合と同様に角度45°の溝付は加
工を行って、第1図に示したような帯状部(3a、3b
)を形成した被測定軸(2)を用意した。 次いで、第1表に示すように、800℃×lhr加熱保
持後油冷したのち400℃×lhr加熱保持後炉冷加熱
保持連炉冷した。 このようにして形成されたFe−AJI系合金層(3)
中のAfL含有量は11,9%であり、Fe5An型規
則相和親則度は0.37であった。 次に、同じく第1表に示した条件で、自己励磁方式によ
るトルクの検出と、外部励磁方式によるトルクの検出を
行ったところ、同じく第1表に示すトルク検出結果が得
られ、感度[S]が高くかつヒステリシス[H]の小さ
い良好なる検出結果が得られた。 実施例4 この実施例では、被測定軸の母材として外径10mmの
機械構造用合金鋼(S CM  440)の高周波焼入
れ焼もどし材を選び、溶射材としてFe−An系合金線
材を用いて線爆溶射を行うことにより、母材表面にF 
e−AfL系合金層を形成させた。 次に、第1表に示すように、実施例3と同じ条件で熱処
理を施した。このようにして形成されたFe−A文系合
金層中のA′fL含有量は14.1%であり、Fe5A
i型規則相和親則度は0.42であった。 次いで、実施例2と同じ磁気ヘッド方式により各コイル
数を設定し、測定周波数を10KHz 。 測定電流を50mAとした状態で被測定軸(22)に1
Kgf11mおよびloKgfllmのトルクを印加し
た。 この結果、トルク検出感度[S]およびヒステリシス[
H]は同じ<81表に示すとおり良好なる値を示した。
(Means for Solving the Problems) The present invention relates to the measured shaft of a torque sensor that detects torque applied to the measured shaft, and the present invention relates to at least a part of the surface or the entire surface of the measured shaft. It is characterized by having a structure in which an Fe-AM alloy layer formed by thermal spraying is provided on the surface of the Fe-A
The present invention is characterized in that the n-based alloy layer is formed on the surface of the shaft to be measured by a thermal spraying method, thereby solving the problems encountered in the conventional method of fixing a ribbon using an adhesive. In this case, the bonding strength of the Fe-A alloy layer to the surface of the shaft to be measured can be selected by selecting various thermal spraying methods and thermal spraying conditions, so the thermal spraying method corresponding to the maximum stress applied to the shaft to be measured can be selected. and thermal spraying conditions. In addition, in the Fe-An alloy layer formed by thermal spraying, the A concentration in the Fe-A alloy layer and the metallurgical phase (Fe3A alternating ordered phase, FeAl ordered phase, irregular phase) By selecting a mixed phase of 1" e3Al type ordered phase (0 order degree, etc.), it is possible to obtain a highly accurate torque sensor with high sensitivity and low hysteresis.Adjustment of this metallurgical phase The selection of the thermal spraying method and thermal spraying conditions, as well as the post-spraying heat treatment method and heat treatment conditions (
This can be done by selecting the heating temperature, heating holding time, cooling rate after heating, etc. In a more desirable embodiment of the shaft to be measured for a torque sensor according to the present invention, the Fe-Al1-based alloy layer has an irregular circumferential phase single phase, or an Fe3 AJL type regular phase circumferential phase eA.
The iron-aluminum alloy is made of a mixed phase containing two or more of an L-type ordered phase and an irregular circumferential phase, and the degree of order of the Fe5Ai-type ordered phase is 0.9 or less. good. Further, in an embodiment of the present invention, the axis to be measured is
Shape magnetic anisotropy is imparted by forming Fe-An alloy layers by thermal spraying on the surface at appropriate intervals so as to form a constant angle with the axial direction of the measured axis. Specifically, for example, the shape magnetic anisotropy due to the Fe-AM alloy layer can be formed as a pair with the directions reversed, and further, It can be configured by winding a pair of coils facing each other in the layer. In the case of winding a pair of coils, the coils can be connected to an excitation oscillator so that the excitation directions are aligned in the same direction. Furthermore, the pair of F e due to torque load
- It is also possible to adopt a configuration in which a change in magnetic permeability in the AJL alloy layer is detected as a change in inductance of an opposing coil using an AC bridge via a differential amplifier. In another embodiment of the present invention, it is also possible to use the shaft as the measured shaft of a so-called magnetic head type torque sensor in which an excitation coil and a detection coil are placed facing each other in a 45° direction on the surface of the measured shaft. be. In the shaft to be measured for a torque sensor according to the present invention, Fe-A9. It is particularly desirable that the An content in the alloy layer is 8% by weight or more and 18% by weight or less.In other words, the influence of the An content on sensitivity is significantly reduced when the A content exceeds 18% by weight. This is because the influence on hysteresis decreases as the An content increases and becomes zero near 14% by weight. Therefore, although it depends on the accuracy required of the torque sensor, in normal cases it is desirable to satisfy the accuracy within 10% of hysteresis, and the An content in the Fe-An alloy layer is 8% by weight. % or more, and I
If the Q content exceeds 18% by weight, it becomes non-magnetic at room temperature and the sensitivity becomes zero, so it is preferably 18% by weight or less. In addition, when we investigated the relationship between the regularity of the Fe3An-type ordered phase and hysteresis, we found that when the regularity of the FeBAl-type ordered phase exceeds 0.9 and approaches a completely regular phase, the hysteresis increases to 10%. Since it tends to exceed Fe3 Af
It is particularly desirable that the degree of order of the L-shaped ordered phase be 0.9 or less. The degree of regularity of this l"e3AR type ordered sum can be adjusted by selecting the thermal spraying method and the cooling method (including reheating) after the thermal spraying is completed.Furthermore,
The Fe-An alloy layer has an electrical resistivity of 75 μΩ.
-0 m or more is particularly preferred. As described above, as a shaft to be measured for a torque sensor, at least a portion of its surface is preferably an Fe-AfL alloy layer consisting of an irregular circumferential phase, or an Fe5An type ordered phase with a degree of order of 0.9 or less. By using a Fe-AfL alloy layer formed by a thermal spraying method, the Fe-AfL alloy layer is made of a mixed phase containing two or more of the FeAl-type ordered phase and the irregular circumferential phase. It is possible to obtain a torque sensor that has extremely low hysteresis and has excellent output characteristics in both of the tradeoff characteristics. FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing the configuration of a torque sensor according to an embodiment of the present invention. The torque sensor 1 shown in the figure has a shaft 2 to be measured made of, for example, structural carbon steel or alloy steel. is 0.9 or less, an Fe3 An-type regular periodic phase FeAfJ, a mixed phase containing two or more types of a washin periodic phase and an irregular periodic phase,
The e-AM gold alloy layer 3 is formed by thermal spraying. Fe-
AJI alloy layer 3 Strips 3a and 3b forming a predetermined angle with respect to the axial direction of the shaft 2 to be measured are formed at appropriate intervals, and these strips 3a and 3b improve the shape magnetic anisotropy. It's like it lasts. In this case, the one band-shaped portion 3a and the other band-shaped portion 3b
A pair of blades are inclined at the same angle of inclination (45° in this embodiment) with respect to the axial direction and in opposite directions. In addition to the shaft to be measured 2, this torque sensor 1 also includes:
A pair of coils 4 are arranged to face each other on one strip 3a and the other strip 3b formed on the shaft 2 to be measured.
a, 4b, and a cylindrical yoke 6 made of a high magnetic permeability material is provided outside the coils 4a, 4b and with a gap 5 between it and the shaft 2 to be measured. It is something that does. In the torque sensor 1 having such a structure, the coil 4a
, 4b are combined with a resistor 7.8 to form a bridge circuit, as illustrated in FIG. An excitation oscillator 10 is connected between C and the excitation direction is aligned in the same direction, and a differential amplifier 11 is connected between connection points B and B' to extract the detection output from output terminals 12 and 13. It is possible to do so. When such a torque sensor 1 operates, an excitation oscillator 10 supplies an alternating current with a constant amplitude (V) and frequency (f) to the coils 4a and 4b. By this energization,
Lines of magnetic force whose magnetic path is the axis to be measured 2 → gap 5 → yoke 6 → gap 5 → axis to be measured 2 are generated so as to surround the coils 4a and 4b. The magnetic lines of force flow on the surface of the shaft 2 to be measured, and the belt-shaped parts 3a and 3b are formed on the shaft 2 to be measured so as to form a predetermined angle with the axial direction of the shaft 2 to be measured. The effect of shape magnetic anisotropy appears. Therefore, for the measured axis 2! When torque is applied in the T direction shown in Fig. s1, the maximum tensile stress +σ acts on one of the strips 3a since it is formed in the right 45° direction, and on the other hand, the other strip 3b is formed in the left 45° direction. Since it is formed in the ° direction, the maximum compressive stress -σ acts on it. Therefore, the inductance of one coil 4a increases and the inductance of the other coil 4b decreases, causing the bridge circuit shown in FIG. occurs. Furthermore, when torque is applied in the opposite direction, the inductance of one coil 4a decreases and the inductance of the other coil 4b increases due to the opposite effect to that described above. The bridge circuit is unbalanced, and an output corresponding to the torque T is generated between the output terminals 12 and 13. As a result, output characteristics as shown in FIG. 3 can be obtained. In this embodiment, as described above, the strip portion 31L
, 3b are used as a pair with opposite inclinations, and the coils 4a * 4b are placed opposite to each other, so that the difference in magnetic change in the strips 3a and 3b is detected by a bridge circuit. Fe-A liberal arts alloy layer 3
Even if the magnetic permeability of the magnet changes with temperature, the zero point of the output can remain unchanged, making it possible to increase the accuracy of torque detection. In the embodiment described above, the change in magnetic permeability of the pair of strips 3a, 3b due to the application of torque to the shaft 2 to be measured is treated as a change in the inductance of the pair of coils 4a, 4b, and is detected via the operational amplifier 11 by an AC bridge. Although the torque sensor uses a self-excitation method that utilizes changes in self-inductance, as shown in Figure 6, there are also torque sensors that use an external excitation method that uses changes in so-called mutual inductance, in which an excitation coil and a detection coil are provided. It is possible to apply the measured axis 2 having the above configuration. FIGS. 4(a) and 4(b) are diagrams showing other embodiments of a torque sensor to which the shaft to be measured for a torque sensor according to the present invention is applied. This torque sensor 21 has a shaft to be measured 22.
In this case, the shaft 22 to be measured is made of structural carbon steel, structural alloy steel, or stainless steel, and has an Fe-A alloy layer 23 formed by thermal spraying on the surface. A predetermined interval 24 is placed on the outer periphery of the measured shaft 22, and
For example, a yoke 25 made of a high magnetic permeability material such as permalloy is arranged close to the yoke 25, and the shaft 5 to be measured is connected to the yoke 25.
An excitation coil 26 as an excitation means forming a magnetic circuit as a part of the Fe-AfL alloy layer 23 provided in 2.
and F e-A! provided on the shaft 52 to be measured. ; A detection coil 27 is provided as a detection means for detecting the magnetostriction component passing through the L-based alloy layer 23, and the magnetic flux emitted from the excitation coil 26 is applied to the Fe-A1-based alloy layer 2 provided on the shaft 22 to be measured.
3 and the yoke 25 form a magnetic circuit. In this torque sensor 21, for example, when torque is applied clockwise toward the shaft cross section of the shaft 22 to be measured, the magnetic permeability increases due to the tensile stress +σ in the right direction inclined at 45 degrees with respect to the axial direction, and The sum of the leftward compressive stress and the decrease in magnetic permeability due to σ is taken as an output, and torque is detected from this. Fe on the surface of at least a part of the shaft to be measured as described above.
- The shaft to be measured for a torque sensor according to the present invention in which an AfL alloy layer is formed by a thermal spraying method uses the above-mentioned excitation detection method (magnetic head detection method, detection method using a change in self-inductance, mutual inductance The present invention can be applied without being limited to the type of detection method (detection method using change). (Example) Example 1 In this example, stainless steel (SUS 304) with an outer diameter of 18 mm was selected as the base material of the shaft to be measured, and plasma spraying was performed using Fe-An alloy powder as the spraying material. , an Fe-AM alloy layer was formed on the surface of the base material. At this time, the thickness of the Fe-An alloy layer was 1 mm, and the outer diameter of the shaft to be measured was 20 mm.
1 width 2mm, depth 1mm, 8 on one side on the surface of the shaft to be measured
The shaft to be measured (2) was machined to form a groove with an angle of 45° to form a band-shaped portion (3a, 3b) as shown in Figure 1.
prepared. Next, as shown in Table 1, some of the shafts to be measured (2) were left as thermal sprayed, and some of the other shafts to be measured (2) were heated and held at 600°C x thr in vacuum. Heat treated with oil cooling. The An content in the Fe-An alloy layer (3) thus formed was 13.2%, and the Fe-An alloy layer (3) formed in this manner was 13.2%.
-Fe5A type regularity of A-type alloy layer (3) is 0
.. 81, and when the above heat treatment is applied, it is 0.2
It was 3. Next, as shown in Table 1, the first
The number of turns of the coils (4a, 4b) shown in the figure is 44 each.
turn, the measurement frequency by the excitation oscillator (10) is 30KHz, and the measurement current is loOmA.
A torque of Kgf-m was applied to the shaft to be measured (2). As a result, as shown in Table 1, the sensitivity [S] in the output characteristics shown in Figure 5 is ±3.2V/
Kgf@m, ±4.3V/Kgf when heat treated
The hysteresis [H] was 4% when as-sprayed and 1% when heat treated, giving excellent results. In this example, a shaft to be measured similar to that in Example 1 was prepared and applied to the magnetic helad type torque sensor (21) shown in FIG. In this case, the axis to be measured in Example 1 is the one in which the AfL content in the Fe-A alloy layer (23) is 12.7%, and the AfL content in the Fe-A alloy layer (23) as sprayed. The regularity of the Fe5A sentence pattern regularity phase is 0.62.
The difference is that when heat treatment is applied, it is 0.22. Next, using the magnetic head method, as shown in Table 1,
The excitation coil (26) shown in Fig. 4 has 100 turns, the detection coil (27) has 100' turns, the measurement frequency is 10KHz, and the measurement current is 200mA.
A torque of 11 kgf was applied to the shaft to be measured (22). The results were also good as shown in Table 1. Example 3 In this example, the base material of the shaft to be measured has an outer diameter of 20 mm (
7) Select stainless steel (SUS 304) and perform plasma spraying using Fe-AfL alloy powder as a thermal spraying material to form an Fe-An alloy layer on the surface of the base material. In the same way, grooves with an angle of 45° are machined to create band-shaped parts (3a, 3b) as shown in Figure 1.
) A shaft to be measured (2) was prepared. Next, as shown in Table 1, the mixture was heated and held at 800° C. for 1 hr, cooled in oil, then kept at 400° C. for 1 hr, and then cooled in a continuous furnace. Fe-AJI alloy layer (3) formed in this way
The AfL content therein was 11.9%, and the Fe5An type rule compatibility degree was 0.37. Next, under the conditions also shown in Table 1, torque detection was performed using the self-excitation method and torque detection using the external excitation method, and the torque detection results also shown in Table 1 were obtained, and the sensitivity [S ] and a small hysteresis [H], good detection results were obtained. Example 4 In this example, an induction hardened and tempered mechanical structural alloy steel (S CM 440) with an outer diameter of 10 mm was selected as the base material of the shaft to be measured, and an Fe-An alloy wire was used as the thermal spray material. By performing wire blast spraying, F is applied to the surface of the base material.
An e-AfL alloy layer was formed. Next, as shown in Table 1, heat treatment was performed under the same conditions as in Example 3. The A'fL content in the Fe-A alloy layer thus formed was 14.1%, and the Fe5A
The degree of compatibility and affinity of the i-type rule was 0.42. Next, the number of each coil was set using the same magnetic head method as in Example 2, and the measurement frequency was set to 10 KHz. 1 to the axis to be measured (22) with the measurement current set to 50mA.
Torques of Kgf11m and loKgflllm were applied. As a result, torque detection sensitivity [S] and hysteresis [
H] showed a good value as shown in the same <81 table.

【発明の効果】【Effect of the invention】

以上説明してきたように、この発明によれば、被測定軸
に加えられたトルクを検出するトルクセンサの前記被測
定軸において、当該被測定軸の少なくとも一部の表面に
、溶射法により形成されたFe−AJI系合金層を設け
ている構成としたから、従来の接着剤を用いて磁性体薄
膜を接2着固定した場合のような前記接着剤の使用にも
とづく大トルク印加や温度変化による不具合の発生をな
くすことが可能であり、大トルクが印加された場合およ
び温度変化が大きい場合であっても安定した出力特性が
得られ、高感度で且つ低ヒステリシスの精度の高いトル
ク測定を行うことが可能になるという非常に優れた効果
がもたらされる。
As explained above, according to the present invention, in the shaft to be measured of the torque sensor that detects the torque applied to the shaft to be measured, the surface of at least a part of the shaft to be measured is formed by thermal spraying. Since the structure is equipped with a Fe-AJI alloy layer, it is difficult to apply large torque due to the use of the adhesive or due to temperature changes, as in the case where a magnetic thin film is bonded and fixed using a conventional adhesive. It is possible to eliminate the occurrence of defects, obtain stable output characteristics even when large torques are applied or large temperature changes, and perform highly accurate torque measurements with high sensitivity and low hysteresis. This brings about a very good effect of making it possible.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明の一実施態様におけるトルクセンサの
縦断面説明図、第2図は第1図のトルクセンサに接続す
る電気回路図、第3図はトルクセンサの出力特性図、第
4図(a)(b)は他の実施態様におけるトルクセンサ
の各々正面説明図および側面説明図、第5図は感度[5
]およびヒステリシス[H]の測定要領を示す説明図、
第6図は従来のトルクセンサの縦断面図、第7図は従来
のトルクセンサ用被測定軸に貼り付ける磁性薄膜の展開
図、第8図は第75!Jの磁性薄膜を接着剤により貼り
付けた被測定軸を用いたトルクセンサの縦断面図、第9
圀は従来のトルクセンサの出力特性図である。 1.21・・・トルクセンサ。 2.22・・・被測定軸、 3.23・・・Fe−AfL系合金層。
Fig. 1 is a longitudinal cross-sectional explanatory diagram of a torque sensor in one embodiment of the present invention, Fig. 2 is an electric circuit diagram connected to the torque sensor of Fig. 1, Fig. 3 is an output characteristic diagram of the torque sensor, and Fig. 4 (a) and (b) are respectively a front explanatory view and a side explanatory view of the torque sensor in other embodiments, and FIG. 5 is a sensitivity [5
] and an explanatory diagram showing the measurement procedure of hysteresis [H],
Fig. 6 is a vertical cross-sectional view of a conventional torque sensor, Fig. 7 is a developed view of a magnetic thin film attached to a shaft to be measured for a conventional torque sensor, and Fig. 8 is a 75! Longitudinal cross-sectional view of a torque sensor using a shaft to be measured to which a magnetic thin film of J is attached with adhesive, No. 9
The diagram shows the output characteristics of a conventional torque sensor. 1.21...Torque sensor. 2.22... Axis to be measured, 3.23... Fe-AfL alloy layer.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)被測定軸に加えられたトルクを検出するトルクセ
ンサの前記被測定軸において、当該被測定軸の少なくと
も一部の表面に、溶射法により形成されたFe−Al系
合金層を設けていることを特徴とするトルクセンサ用被
測定軸。
(1) In the measured shaft of the torque sensor that detects the torque applied to the measured shaft, an Fe-Al alloy layer formed by thermal spraying is provided on at least a part of the surface of the measured shaft. A shaft to be measured for a torque sensor, characterized in that:
(2)Fe−Al系合金層は、不規則相、もしくはFe
_3Al型規則相、FeAl型規則相および不規則相の
うちの2種以上を含む混合相よりなり、Fe_3Al型
規則相の規則度が0.9以下であることを特徴とする特
許請求の範囲第(1)項に記載のトルクセンサ用被測定
軸。
(2) The Fe-Al alloy layer has a disordered phase or Fe
_3Al-type ordered phase, FeAl-type ordered phase, and disordered phase. The shaft to be measured for a torque sensor according to item (1).
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