(57)【要約】【課題】ヒステリシスの影響を低減し、印加されたトルクに応じた測定結果を得ることが可能な磁歪式トルクセンサを提供する。【解決手段】磁歪式トルクセンサは、外周面に磁性膜が形成されたシャフトと、シャフトに作用するトルクを磁性膜の磁歪特性に基づいて検出する検出部と、を備え、磁性膜は、高周波加熱され、磁化方向がシャフトの半径方向になるように構成されている。磁性膜は、高周波加熱される際の温度の設定により、感度とヒステリシスとが調整される。【選択図】図１
2020144018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトの外周面に形成された磁性膜の磁歪特性に基づいて当該シャフトに作用するトルクを検出する磁歪式トルクセンサの製造方法であって、
前記シャフトに前記磁性膜を形成する磁性膜形成工程と、
前記シャフトに形成された前記磁性膜を高周波加熱することにより前記磁性膜の面に垂直な方向に前記磁性膜を磁化する磁化工程と、
を有する磁歪式トルクセンサの製造方法。
【請求項２】
前記磁化工程は、
前記磁性膜を高周波加熱する温度により、感度とヒステリシスを調整する
請求項１に記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
【請求項３】
前記磁化工程は、６００℃から７５０℃の温度で前記磁性膜を高周波加熱する
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された製造方法により製造された磁歪式トルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁歪式トルクセンサの製造方法及び磁歪式トルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
トルク検出において、磁歪効果を用いることが知られている。トルクが作用するシャフトの表面に磁歪特性を有する磁性膜を設けておき、磁性膜の磁歪特性の変化をコイルによって測定することにより、シャフトに作用するトルクを検出することができる。
【０００３】
すなわち、シャフトにトルクが作用した状態では、シャフト表面の磁性膜に歪みが生じ、ビラリ効果により磁性膜の透磁率が変化する。それにより、シャフトの周囲に設けられたコイルのインピーダンスが変化し、インピーダンスの変化に対応してコイルの検出電圧が変化する。したがって、コイルの検出電圧の変化を測定することで、シャフトに作用するトルクを算出することができる。このような構成の磁歪式トルクセンサとその製造方法とは、特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１５７６２号公報
【特許文献２】特開平４−３５９１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のような従来の磁歪式トルクセンサは、トルクを印加した際の磁性膜のヒステリシスの影響により、シャフトに印加されたトルクと測定結果とがリニアな関係になりにくいという課題があった。
【０００６】
この発明はこのような課題を解消するためになされたものであり、ヒステリシスの影響を低減し、印加されたトルクに応じた測定結果を得ることが可能な磁歪式トルクセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る磁歪式トルクセンサは、シャフトの外周面に形成された磁性膜の磁歪特性に基づいて当該シャフトに作用するトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、シャフトに磁性膜を形成する磁性膜形成工程と、シャフトに形成された磁性膜を高周波加熱することにより磁性膜の面に垂直な方向に磁性膜を磁化する磁化工程と、により製造される。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る磁歪式トルクセンサによれば、ヒステリシスの影響を低減し、印加されたトルクに応じた測定結果を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサの原理的構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサの磁性膜の磁化方向を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサの製造方法の手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサの磁性膜を高周波加熱する温度と残留応力の特性を示す特性図である。
【図５】本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサのヒステリシスの特性を示す特性図である。
【図６】本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサの磁性膜を高周波加熱する温度と感度の特性を示す特性図である。
【図７】本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサの磁性膜を高周波加熱する温度とヒステリシスの特性を示す特性図である。
【図８】本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサの製造方法における高周波加熱の手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサの入出力特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の磁歪式トルクセンサ１０の実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。
【００１１】
実施の形態１．
はじめに、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の基本的な構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の原理的構成を示す構成図である。
【００１２】
磁歪式トルクセンサ１０は、シャフト１１、磁性膜１２、及び検出部１３を有する。なお、図１は磁性膜１２と検出部１３が１組だけの状態を示しているが、磁性膜１２と検出部１３はシャフト１１の軸方向に複数組設けることができる。
【００１３】
シャフト１１は、トルクを検出する対象となる部材である。このシャフト１１は、トルクを検出する対象として、ステアリングシャフト、モータの出力軸、及びロボットの関節駆動軸などの各種の部位に設けられる。
【００１４】
磁性膜１２は、シャフト１１の径方向の外周面にメッキ処理によって形成された、磁歪特性を有する合金膜である。磁性膜１２は、例えば電解メッキ法により、鉄ニッケル合金、鉄コバルト合金、及び鉄ニッケルコバルト合金などの材質を用いて、シャフト１１に形成される。
【００１５】
検出部１３は、磁性膜１２の周囲に設けられたコイルにより構成される。シャフト１１にトルクが作用すると、シャフト１１に歪みが生じることで磁性膜１２に歪みが生じて、ビラリ効果により磁性膜１２の透磁率が変化する。それにより、検出部１３のコイルのインピーダンスが変化し、インピーダンスの変化に対応した検出電圧が得られる。
【００１６】
以上の磁歪式トルクセンサ１０は、シャフト１１を回転可能に支持するベアリングを介してケースに収容される。また、必要に応じて、検出部１３のコイルの検出電圧を処理する信号処理回路がケースに収容される。
【００１７】
次に、磁性膜１２について、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の磁性膜１２の磁化方向を示す説明図である。
【００１８】
従来のトルクセンサの磁性膜は、磁性膜の面内方向に磁化されていた。これに対し、実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の磁性膜１２の磁化方向は、図２に示されるように、磁性膜１２の面に垂直な方向、すなわち、シャフト１１の半径方向である。なお、磁性膜１２の面に垂直な方向を「面垂直方向」と呼ぶ。
【００１９】
図２は、磁性膜１２の磁化方向を模式的に示している。なお、磁性膜１２の磁化方向は、面垂直方向であればよいため、図２に示される向きと逆向きであってもよい。図２に示されるように磁性膜１２を面垂直方向に磁化する手順については、後述する。
【００２０】
次に、磁歪式トルクセンサ１０の製造方法について図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の製造方法の手順を示すフローチャートである。
【００２１】
ステップＳ１において、シャフト１１の外周面の所定位置に、既知の電解メッキ法などにより、鉄ニッケル合金、鉄コバルト合金、及び鉄ニッケルコバルト合金などの材質を用いてメッキ層を形成する。このメッキ層が磁性膜１２である。このステップＳ１は、シャフト１１に磁性膜１２を形成する磁性膜形成工程であり、磁性膜１２に特定の方向の磁気異方性が付与されている必要はない。その後、処理がステップＳ２へと進む。
【００２２】
ステップＳ２において、高周波加熱を実行し、所定の温度になるように磁性膜１２を加熱する。ここでは、磁性膜１２の周囲に誘導加熱コイルを配置し、誘導加熱コイルに高周波電源から所定の高周波を供給し、磁性膜１２のみを高周波加熱する。ここでは磁性膜１２のみを短時間で加熱すればよく、磁性膜１２の内側に存在するシャフト１１を加熱しない。高周波加熱処理された磁性膜１２には、磁性膜１２の面に垂直な圧縮方向の残留応力が生じる。
【００２３】
磁性膜１２の面に垂直な圧縮方向の残留応力が磁性膜１２に生じると、図２に示したように、磁性膜１２は面垂直方向に磁化される。すなわち、このステップ２は、面垂直方向に磁性膜１２を磁化する磁化工程である。磁性膜１２の加熱温度と磁化との関係については後述する。その後、処理がステップＳ３へと進む。
【００２４】
ステップＳ３において、図１に示されるように磁性膜１２と検出部１３が向かい合うように、ケース内でシャフト１１を所定の位置に配置し、磁歪式トルクセンサ１０を完成させる。このようにして、磁歪式トルクセンサ１０を製造する一連の処理が終了する。
【００２５】
次に、磁性膜１２を高周波加熱する温度と、磁性膜１２に加わる残留応力の関係を説明する。図４は、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の磁性膜１２を高周波加熱する温度と残留応力の特性を示す特性図である。図４の縦軸でマイナスの値は圧縮方向の残留応力を示している。
【００２６】
図４に示すように、横軸の０℃は高周波加熱なしの状態を示し、縦軸にはメッキにより磁性膜１２を形成したことによる残留応力が存在することを示している。
【００２７】
磁性膜１２を高周波加熱するとメッキによって発生した初期残留応力の解放が起きる。その後、温度に応じてメッキとシャフトの膨張差により残留応力が面垂直方向に付与される。このような残留応力が磁性膜１２に加わることにより、磁性膜１２は面垂直方向に磁化される。
【００２８】
次に、磁性膜１２の磁化方向とヒステリシスとの関係を図５により説明する。図５は、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０のヒステリシス曲線を示す特性図である。
【００２９】
磁化方向が面内方向である従来の磁性膜は、図５に示すヒステリシス曲線における容易軸の特性を有する。容易軸の特性は、高感度であるが、ヒステリシスの影響が大きく、リニアではない特性を有する。
【００３０】
一方、磁化方向が面垂直方向である磁性膜１２は、図５に示すヒステリシス曲線における困難軸の特性を有する。困難軸の特性は、低感度であるが、ヒステリシスの影響が小さく、リニアな特性を有する。
【００３１】
次に、磁性膜１２を高周波加熱する温度と、磁歪式トルクセンサ１０の感度との関係について図６を参照して説明する。図６は、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の磁性膜１２を高周波加熱する温度と感度の特性を示す特性図である。
【００３２】
図６に示すように、磁性膜１２を高周波加熱する温度を高くするほど、磁歪式トルクセンサ１０の感度は低下する。なお、磁性膜１２を鉄ニッケル合金のメッキにより構成した場合、５００℃付近で鉄ニッケル合金の相変化が起こり、５００℃付近を境に特性が大きく変化する。従って、図６は６００℃以上で磁性膜１２を高周波加熱する温度と感度の特性を示している。
【００３３】
次に、磁性膜１２を高周波加熱する温度と、磁歪式トルクセンサ１０の出力に含まれるヒステリシスの影響との関係について図７を参照して説明する。図７は、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の磁性膜１２を高周波加熱する温度とヒステリシスの特性を示す特性図である。
【００３４】
ここで、縦軸のヒステリシスは、求めたヒステリシス成分をフルスケールで割った％ＦＳで表している。図７に示すように、磁性膜１２を高周波加熱する温度を高くしていくと、磁歪式トルクセンサ１０のヒステリシスが減少する。磁性膜１２を高周波加熱する温度が７５０℃であるときに最もヒステリシスが減少し、磁性膜１２を高周波加熱する温度が７５０℃を超えると再びヒステリシスが増加する。なお、磁性膜１２を鉄ニッケル合金のメッキにより構成した場合、５００℃付近で鉄ニッケル合金の相変化が起こり、５００℃付近を境に特性が大きく変化する。従って、図６は６００℃以上で磁性膜１２を高周波加熱する際の温度と感度の特性を示している。
【００３５】
次に、図３中のステップＳ２の磁性膜１２に対する高周波加熱について図８を参照して詳細に説明する。図８は、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の製造方法における高周波加熱の手順を示すフローチャートである。
【００３６】
ステップＳ１１において、図６に示す高周波加熱の温度と感度の特性と、図７に示す高周波加熱の温度とヒステリシスの特性を参照し、目的とする性能を満足するように、磁性膜１２を高周波加熱する際の温度を決定する。
【００３７】
そして、ステップＳ１２において、決定された温度で磁性膜１２が高周波加熱されるように、高周波の周波数、電力、加熱時間を調整し、磁性膜１２を高周波加熱する。加熱時間については、決定された温度で磁性膜１２を高周波加熱し、磁性膜１２内側のシャフト１１を加熱しないような時間に決定する。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０として、磁性膜１２を高周波加熱する温度を変更して製造したものについて、それぞれの特性を示す。図９は、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０の入出力特性を示す特性図である。
【００３９】
磁性膜１２を高周波加熱する前の状態と、４５０℃〜５００℃までの温度で高周波加熱したものは、ヒステリシスの影響により、入力トルクに対して出力電圧の変動が大きい。
【００４０】
磁性膜１２を６００℃〜７５０℃で高周波加熱したものは、磁性膜１２の磁化方向が困難軸に切り替わっているため、ヒステリシスが減少し、入力トルクに対して出力電圧がリニアに増加する特性になっている。
【００４１】
また、磁性膜１２を６００℃〜７５０℃で高周波加熱したものは、鉄ニッケル合金の相変化により磁歪定数の正負が逆転するため、入力トルクが０付近での出力電圧の傾きが、高周波加熱する温度が５５０℃以下とは逆向きになる。
【００４２】
このように、実施の形態１の磁歪式トルクセンサ１０によれば、ヒステリシスの影響を低減し、印加されたトルクに応じてリニアな特性の測定結果を得ることが可能になる。
【００４３】
次に、本発明の実施の形態１における磁歪式トルクセンサ１０について、従来よりも優れた各種の特性を詳細に説明する。
【００４４】
地磁気を含む各種の周辺の磁場は外乱磁場としてシャフト１１を貫通する。このため、磁化方向が面内方向である従来の磁性膜は外乱磁場の影響を受けやすく、測定結果に外乱磁場の成分が含まれるという問題があった。一方、本発明の実施の形態１では、高周波加熱により磁性膜１２の磁化方向を面垂直方向に設定しているため、シャフト１１を貫通する磁場と磁性膜１２の磁化方向は垂直になり、シャフト１１を貫通する外乱磁場の影響を受けにくく、耐磁場性に優れた特性を有している。
【００４５】
従来の加熱は、磁性膜の面内の磁化方向を決定することを目的として、シャフトに捩りトルクを加えた状態で磁性膜をヒーターなどで加熱していた。一方、本発明の実施の形態１では、シャフトに捩りトルクを加えず、高周波加熱により残留応力を調整し、磁性膜１２を面垂直方向に磁化するようにしているため、高周波の影響によって磁性膜１２の特性が従来と比較して周方向全域で均一化される。このため、シャフト１１が回転したときの磁歪式トルクセンサ１０の出力電圧の変動、すなわち回転変動が従来より抑制される効果が得られる。
【００４６】
本発明の実施の形態１では、高周波加熱により残留応力を調整し、磁性膜１２を面内方向ではなく面垂直方向に磁化するようにしているため、高周波の影響によって磁性膜１２に含まれる結晶粒径が従来よりも微細化されることが確認されている。このような結晶粒径の微細化によっても、ヒステリシスの影響が低減され、回転変動が抑制される効果が大きくなる。
【００４７】
以上、本実施の形態１によれば、磁歪式トルクセンサ１０は、外周面に磁性膜１２が形成されたシャフト１１と、磁性膜１２の磁歪特性に基づいてシャフト１１に作用するトルクを検出する検出部１３と、を備え、磁性膜１２は、高周波加熱により磁性膜の面に垂直な方向に磁化される。
【００４８】
これにより、ヒステリシスの影響を低減し、シャフト１１に印加されたトルクに応じた測定結果を得ることが可能になる。
【００４９】
なお、以上の説明において示した特性は一例であり、磁性膜１２の組成または膜厚により高周波加熱する温度と各種特性の関係が変化する可能性がある。その場合、高周波加熱する温度を適宜調整することで、本発明の実施の形態１として説明した作用効果を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  磁歪式トルクセンサ、１１  シャフト、１２  磁性膜、１３  検出部。
【図１】
2020144018.tif 000003
【図２】
2020144018.tif 000004
【図３】
2020144018.tif 000005
【図４】
2020144018.tif 000006
【図５】
2020144018.tif 000007
【図６】
2020144018.tif 000008
【図７】
2020144018.tif 000009
【図８】
2020144018.tif 000010
【図９】
2020144018.tif 000011