(57)【要約】【課題】良好なトルク検出感度が得られ、かつ強度の高く、かつ剥離などが生じにくい磁歪式トルクセンサ用クラッド材およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の磁歪式トルクセンサ用クラッド材は、所定量のニッケルを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金層を、鋼部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成した構成を有している。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定量のニッケルを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金層を、鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成した磁歪式トルクセンサ用クラッド材。
【請求項２】
前記合金層は、ニッケルを３５質量％以上９０質量％以下含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ用クラッド材。
【請求項３】
前記合金層は、クロム、モリブデン、マンガン、銅およびシリコンよりなる群より選ばれる少なくとも１種を１０質量％以下含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の磁歪式トルクセンサ用クラッド材。
【請求項４】
所定量のニッケルを含み、かつ残部が鉄および不可避不純物を有する合金粉末をガスアトマイズ法により生成する工程と、
前記合金粉末を所定の大きさに分級する工程と、
鋼製部材と分級された前記合金粉末とを容器に充填する工程と、
前記鋼製部材と分級された前記合金粉末とを熱間塑性加工により一体に形成する工程とを備えた、磁歪式トルクセンサ用クラッド材の製造方法。
【請求項５】
前記合金粉末は、クロム、モリブデン、マンガン、銅およびシリコンよりなる群より選ばれる少なくとも１種を１０質量％以下含むように生成されることを特徴とする、請求項４に記載の磁歪式トルクセンサ用クラッド材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪式トルクセンサ用クラッド材およびその製造方法に関し、より具体的には、非接触式トルクセンサに用いる高感度で信頼性の高い磁歪式トルクセンサ用クラッド材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特許公報第２６１５６６１号には、被測定軸と、その被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手段と、その被測定軸を通る磁歪成分を検出する検出手段とを備えたトルクセンサにおいて、その被測定軸の全体が、重量％で、Ｎｉ（ニッケル）を３２〜８５％含み、残部が実質的にＦｅ（鉄）からなるＦｅ−Ｎｉ系合金を素材としていることを特徴とするトルクセンサが開示されている。
【０００３】
また、特開昭５９−６１７３０号公報には、大きな磁歪定数を有する磁性金属の薄帯を回転軸に巻いて固定し、その回転軸に加えられたトルクによりその磁性金属薄帯の磁気特性が変化することを利用してトルクの非接触検出を行なうトルクセンサにおいて、その磁性金属として磁歪定数の絶対値が２０×１０−６以上の結晶質磁性金属を用いたことを特徴とするトルクセンサが開示されている。
【０００４】
また、特開平１０−２６００９３号公報には、金属からなるシャフトの外周面に、Ｎｉを３０〜９０重量％含むＮｉ−Ｆｅ系合金からなる磁歪膜を溶射により被着する磁歪式トルクセンサの磁性膜の製造方法において、磁歪膜を溶射後、還元雰囲気で８００〜１３００℃で還元処理することを特徴とする磁歪式トルクセンサの磁歪膜の製造方法が開示されている。
【０００５】
また、特許公報第３０２４８１７号には、金属系の円筒状または円柱状のトルク伝達軸の外周面に磁気歪み効果を有する物質の１層以上の層を設けてなるトルクセンサ用磁歪検出体において、磁気歪み効果を有する物質の最表面層として、層の厚さが０．０３〜１．０ｍｍで、層内が結晶質で、その結晶化率が９０％以上で、平均結晶粒径が２００μｍ以下である磁性体層を設けるとともに、トルク伝達軸の外周面と磁気歪み効果を有する物質の層が相互拡散によって拡散層を形成して結合していることを特徴とするトルクセンサ用磁歪検出体が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
磁歪式トルクセンサにおける被測定軸用材料として、ＳＣＭやＳＮＣＭなどを用いたものが知られているが、これら構造用鋼ではトルク検出感度が十分ではない。一方、Ｆｅ−Ｎｉ系合金は優れたトルク検出感度を有することが知られているが、シャフトとしての強度が十分ではない。
【０００７】
そこで、特許公報第２６１５６６１号のようにＦｅ−Ｎｉ系合金にＣ（炭素）などの強化元素を適量添加し強度を改善している例も見られる。しかし、第３元素の添加はトルク検出感度を低下させると同時に添加量に上限があり、前述のＳＣＭやＳＮＣＭのような構造用鋼と比較して十分な強度が得られないという問題点がある。
【０００８】
また、特開昭５９−６１７３０号公報のようなシャフトに磁性金属薄帯を巻いて固定する方法や、特開平１０−２６００９３号公報のようにシャフトの外周面にＮｉ−Ｆｅ系合金の磁歪膜を溶射により被着する方法が提案されている。しかし、これらの例のような方法で複合化した材料を用いた場合、複合界面において剥離を起こす可能性があるという問題点や、溶射した磁歪膜内にポアや酸化物が存在するためトルク検出感度が低下するという問題点がある。
【０００９】
さらに、特許公報第３０２４８１７号のようにシャフトと磁気歪み効果を有する物質の層を相互拡散させた複合材料が提案されている。しかしながら、この公報の中で提案されているようなプラズマ溶射法による複合化の方法では、シャフト材表面の酸化物および原料粉末表面の酸化物により、両者のメタルタッチが抑制され、その後の熱処理においても複合界面は相互拡散するものの十分な強度が得られないという問題点がある。
【００１０】
それゆえ本発明の目的は、良好なトルク検出感度が得られ、かつ強度が高く、かつ剥離などが生じにくい磁歪式トルクセンサ用クラッド材およびその製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁歪式トルクセンサ用クラッド材は、所定量のニッケルを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金層を、鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成したことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の磁歪式トルクセンサ用クラッド材によれば、合金層として逆磁歪効果の大きいＦｅ−Ｎｉ系合金を用いているため、良好なトルク検出感度を得ることができる。
【００１３】
また、熱間塑性加工により鋼製部材と合金層とが一体化されるため、溶射、肉盛溶接、焼結などの塑性加工を伴わない製造方法と比較してポアを低減することができる。さらに鋼製部材と合金層とを熱間で塑性加工することにより、鋼製部材と合金層との複合界面の面積の増大により表面の酸化物などの膜が破れ、鋼製部材と合金層との両者がメタルタッチとなり、強固な界面密着性を有するクラッド材を得ることができる。また、シャフトとしての強度は、鋼製部材の材質を任意に選択することにより十分に高くすることができる。
【００１４】
上記の磁歪式トルクセンサ用クラッド材において好ましくは、合金層は、ニッケルを３５質量％以上９０質量％以下含んでいる。
【００１５】
これにより、さらに良好なトルク検出感度を得ることができる。
上記の磁歪式トルクセンサ用クラッド材において好ましくは、合金層は、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）およびシリコン（Ｓｉ）よりなる群より選ばれる少なくとも１種を１０質量％以下含んでいる。
【００１６】
これにより固有抵抗を増大させトルク検出感度を向上させることができる。ただし、これらの元素を１０質量％を超えて添加すると、磁気特性が劣化する。
【００１７】
本発明の磁歪式トルクセンサ用クラッド材の製造方法は、所定量のニッケルを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金粉末をガスアトマイズ法により生成する工程と、合金粉末を所定の大きさに分級する工程と、鋼製部材と分級された合金粉末とを容器に充填する工程と、鋼製部材と分級された合金粉末とを熱間塑性加工により一体に形成する工程とを備えている。
【００１８】
本発明の磁歪式トルクセンサ用クラッド材の製造方法によれば、熱間塑性加工により鋼製部材と合金層とを相互拡散させるため界面密着性を改善することができる。また、熱間塑性加工を伴なうため、溶射、肉盛り溶接、焼結などの熱間塑性加工を伴なわない製造方法と比較して、小孔を低減でき、界面の密着性を改善し実用に耐え得るトルク検出用のクラッド材を製造することができる。
【００１９】
上記の磁歪式トルクセンサ用クラッド材の製造方法において好ましくは、合金層は、クロム、モリブデン、マンガン、銅およびシリコンよりなる群より選ばれる少なくとも１種を１０質量％以下含むように生成される。
【００２０】
これにより固有抵抗を増大させトルク検出感度を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００２２】
本実施の形態の磁歪式トルクセンサ用クラッド材は、所定量のニッケルを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金層を、鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成したものである。またこの合金層は、ニッケルを３５質量％以上９０質量％以下含んでいることが好ましい。また、この合金層は、クロム、モリブデン、マンガン、銅およびシリコンよりなる群より選ばれる少なくとも１種を１０質量％以下含むことが好ましい。
【００２３】
このような磁歪式トルクセンサ用クラッド材は、たとえば非接触式トルクセンサに用いられる。この非接触式トルクセンサは、たとえば図１に示す構成を有している。
【００２４】
図１を参照して、非接触式トルクセンサ１は、回転軸（鋼製部材）４の表面に形成された磁歪材パターン（合金層）２と、磁歪材パターン２を周回するように巻回されたコイル３とを含んでいる。磁歪材パターン２は、複数の帯状の磁歪材膜を回転軸４の表面に所定のピッチおよび角度で形成したものである。
【００２５】
回転軸４に捩りトルクが発生すると、磁歪材パターン２の透磁率が変化し、コイル３のインダクタンスが変化する。したがって、コイル３のインダクタンスの変化を検出することにより、回転軸４のトルクを非接触で検出することができる。
【００２６】
次に、本実施の形態の磁歪式トルクセンサ用クラッド材の製造方法について説明する。
【００２７】
図２は、本発明の一実施の形態における磁歪式トルクセンサ用クラッド材の製造方法を示すフロー図である。図２を参照して、まず所定量のニッケルと所定量の鉄とが配合され（ステップＳ１）、その後に溶解される（ステップＳ２）。この溶解された溶湯は、たとえばＡｒ（アルゴン）ガスアトマイズにより合金粉末とされる（ステップＳ３）。
【００２８】
このガスアトマイズは、たとえば図３に示す装置により行なわれる。つまり、真空誘導溶解炉２１で溶解された溶湯を、タンディッシュ２２に流し込み、そのタンディッシュ２２から所望量ずつ落下させ、アルゴンガスなどの噴霧ガスの高圧吹付けによって急速に凝固させることにより、噴霧器２３内に球状の粉末が得られる。
【００２９】
この後、噴霧後の合金粉末は、サイクロン２４により捕集され、コンテナー２５に蓄えられる。そして振動式のふるい（図示せず）で分級される（ステップＳ４）。
【００３０】
分級された合金粉末は、たとえば図４に示すように中心に鋼製部材を配置したステンレス容器２６内に充填（キャニング（ｃａｎｎｉｎｇ））される（ステップＳ５）。この状態で、ステンレス容器２６内においては、図５に示すようにたとえばＳ４５Ｃよりなる鋼製部材１１の外表面を覆うように、たとえばＦｅ−６０質量％Ｎｉの合金粉末１２が覆っている。
【００３１】
この状態で熱間塑性加工が施される（ステップＳ６）。この熱間塑性加工は、図６に示すようにビレット１０を加熱した状態で、図７に示すように押出により縮径することによって行なわれる。
【００３２】
この後、合金粉末から形成された合金層にパターニングなどの所定の処理を施すことにより図１に示すような磁歪材パターン２を有する回転軸４が形成される。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例について説明する。
【００３４】
クラッド材（合わせ材）の出発原料である磁歪合金粉末の逆磁歪特性評価のために、以下の４水準（Ｆｅ−３５質量％Ｎｉ、Ｆｅ−４５質量％Ｎｉ、Ｆｅ−６０質量％Ｎｉ、Ｆｅ−９０質量％Ｎｉ）および、それらとの比較のためＦｅ、Ｆｅ−２０質量％Ｎｉ、Ｎｉ、ＳＣＭ４４０を評価した。
【００３５】
試験片の作製は、以下の手順で行なった。
１５０ｇの各材料を溶解した後に遠心鋳造し、機械加工で５×５×２５ｍｍの寸法に仕上げ、真空中で８００℃の温度で２時間加熱放置した後に空冷して試験片を作製した。作製した試験片の逆磁歪特性を図８に示す方法で評価した。
【００３６】
図８を参照して、作成した５×５×２５ｍｍ寸法の試験片３０にコイル３１を巻き（巻き数１００）、そのコイル３１に５０ｋＨｚで２０ｍＡの電流を流したときのインダクタンスをＬＣＲメータ３２により測定した。その測定においては、試験片３０が通常の状態でのインダクタンスの値（Ｌ１）と、試験片３０の長手方向に２３．５ＭＰａの圧縮荷重をかけた状態でのインダクタンスの値（Ｌ２）とを測定した。そして、逆磁歪特性を、圧縮応力によるインダクタンスの変化｜Ｌ１−Ｌ２｜により評価した。その測定結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１の結果より、ニッケル量は多くても少なくてもインダクタンスの変化が少なく、最適な範囲があることが分かる。また、ニッケル量が３５質量％以上９０質量％以下のときに、逆磁歪特性が４．３μＨ以上となっており、比較例の逆磁歪特性よりも大幅に逆磁歪特性が大きくなっていることが分かる。
【００３９】
次に、本実施例のクラッド材の熱間加工による製造条件を以下に示す。
本方式では、図２に示すようにＡｒガスアトマイズ→分級→キャニング→熱間押出（または熱間鍛造）の手順を取るものとする。
【００４０】
Ａｒガスアトマイズは、真空誘導溶解炉にて溶解した後、出湯温度１７００℃、噴霧圧４ＭＰａの条件下で実施した。出来上がった粉末は５００μｍ以下の粒径に分級した。
【００４１】
熱間押出を実施する場合は、φ１５０×４００Ｌ（ｍｍ）のステンレス容器の中心に軸材としてφ９０（ｍｍ）のＳ４５Ｃを配置し、その周りにガスアトマイズにより作製した上記Ｆｅ−Ｎｉ合金粉末を充填し真空引き封入した後、１１５０℃に加熱しφ１５０（ｍｍ）のステンレス容器をφ２５（ｍｍ）に縮径させた。
【００４２】
他方、熱間鍛造を実施する場合は、φ８０×２００Ｌ（ｍｍ）のステンレス容器の中心に軸材としてφ６０（ｍｍ）のＳ４５Ｃを配置し、その周りにガスアトマイズにより作製した上記Ｆｅ−Ｎｉ合金粉末を充填し封入した後、１１５０℃に加熱し、φ８０（ｍｍ）のステンレス容器をφ２０（ｍｍ）に縮径させた。
【００４３】
本実施例との比較のために実施した溶射による製造方法を以下に示す。
溶射は、Ｓ４５Ｃ製でφ１５（ｍｍ）の軸材を回転させながら、４５〜２５０μｍに分級したＦｅ−Ｎｉ系磁歪合金粉末をガスフレーム溶射（２．７×１０−２ＭＰａの減圧Ａｒ雰囲気中）により、その軸材の表面に厚さ２ｍｍの磁歪合金を形成することにより行なった。なお、上記溶射の後に、水素雰囲気中で１０００℃で１時間放置後に炉冷した。
【００４４】
以上の方法で作製した磁歪軸について、鋼製部材と合金層との複合界面の強度を評価した。
【００４５】
複合界面の評価は、上記の方法で作製したφ１７×１０Ｌ（ｍｍ）のＳ４５Ｃ／Ｆｅ−６０質量％Ｎｉのクラッド材を径方向に５０％冷間プレスした後に、界面の割れを実体顕微鏡で観察して割れの有無を確認することにより行なった。その観察結果を表２に示す。
【００４６】
【表２】
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【００４７】
表２の結果より、溶射により製造した試験片には割れが発生しているものの、熱間押出しや熱間鍛造により製造した試験片にはクラックは観察されなかった。このことより、熱間押出しや熱間鍛造のような熱間塑性加工を用いた本方法は信頼性の高い製造方法であると言える。
【００４８】
なお、本実施例では、軸材にＳ４５Ｃを用いたが、使用温度範囲で線膨張係数がＳ４５Ｃと同じものであるならば、Ｓ４５Ｃに限られず、他の材質が用いられてもよい。また、熱間塑性加工は、上述した熱間押出し、熱間鍛造以外に熱間圧延であっても構わない。また、磁歪部材をＳ４５Ｃ材の外側に配置する例を示したが、パイプ材の内周側を検出面とする場合には、そのパイプ材の内周側に磁歪材料が配置されていてもよい。
【００４９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の磁歪式トルクセンサ用クラッド材およびその製造方法によれば、合金層として逆磁歪効果の大きいＦｅ−Ｎｉ系合金を用いているため、良好なトルク検出感度を得ることができる。また、熱間塑性加工により鋼製部材と合金層とが一体化されるため、溶射、肉盛溶接、焼結などの塑性加工を伴わない製造方法と比較してポアを低減することができる。さらに鋼製部材と合金層とを熱間で塑性加工することにより、鋼製部材と合金層との複合界面の面積の増大により表面の酸化物などの膜が破れ、鋼製部材と合金層との両者がメタルタッチとなり、強固な界面密着性を有するクラッド材を得ることができる。また、シャフトとしての強度は、鋼製部材の材質を任意に選択することにより十分に高くすることができる。以上より、ポアのないＦｅ−Ｎｉ系合金層を有し、熱処理時の焼き割れ、外力による剥離、割れが抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な非接触式トルクセンサに本発明の一実施の形態における磁歪部材を適用した構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態における磁歪部材の製造方法を示すフロー図である。
【図３】アトマイズおよび分級の工程を説明するための図である。
【図４】粉末充填（キャニング）の工程を説明するための図である。
【図５】粉末充填により鋼製部材の表面に合金粉末が覆った様子を示す図である。
【図６】ビレット加熱の様子を示す図である。
【図７】押出の様子を示す図である。
【図８】逆磁歪特性を測定する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１　非接触式トルクセンサ、２　磁歪材パターン、３，３１　コイル、４　回転軸、１０　ビレット、１１　鋼製部材、１２　合金粉末、２１　真空誘導溶解炉、２２　タンディッシュ、２３　噴霧器、２４　サイクロン、２５　コンテナー、２６　ステンレス容器、３０　試験片、３２　ＬＣＲメータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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