(57)【要約】【課題】磁歪式トルクセンサ用のトルクセンサシャフトであって、トルクセンサシャフト内の温度勾配に起因する出力の変動を軽減した磁歪式トルクセンサシャフトを提供する。【解決手段】磁気異方性部分５を含む磁歪式トルクセンサシャフト２であって、前記磁気異方性部分５に接し、前記磁気異方性部分５を形成する材質よりも高い熱伝導性を有する層を備える磁歪式トルクセンサシャフト２およびその製造方法を提供する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気異方性部分を含む磁歪式トルクセンサシャフトであって、前記磁気異方性部分に接し、前記磁気異方性部分を形成する材質よりも高い熱伝導性を有する層を備える磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項２】
前記高い熱伝導性を有する層で、前記磁歪検出部分を備えるトルクセンサシャフト本体の表面を覆ってなる請求項１に記載の磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項３】
前記高い熱伝導性を有する層を、前記磁気異方性部分を形成する層と前記トルクセンサシャフト本体の間に設けた請求項１に記載の磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項４】
前記磁気異方性部分が、鉄、コバルト、またはニッケルの少なくとも１つを含む合金からなる請求項１〜３のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項５】
前記磁気異方性部分の材質が鋼であり、前記高い熱伝導性を有する層が、窒化アルミニウムと、ダイヤモンドと、六方晶窒化ホウ素とからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む請求項１〜４のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサシャフト。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のトルクセンサシャフトを含む磁歪式トルクセンサ。
【請求項７】
磁気異方性部分を含む磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法であって、前記磁気異方性部分に接し、前記磁気異方性部分を形成する材質よりも高い熱伝導性を有する層をメッキ処理により形成する工程を含む磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆磁歪効果を利用した磁歪式トルクセンサに関し、特に、トルクセンサシャフトに発生する温度勾配が原因となる出力の変動を軽減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のトランスミッションや４ＷＤトルクスプリッタ、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）等では、適切な制御を行うためにトルクを検出する必要がある。例えば、ＥＰＳとは、自動車等のハンドルに入力されたトルクに応じて電動モータを制御し、アシスト力を発生させるパワーステアリングシステムであり、その制御にはハンドルに加えられたトルクの検出が必須である。
従来、このようなトルクの検出には、より高い感度を得るためにねじれ量の大きなトーションバー（ねじりばね）が用いられている。しかし、ねじれ量を大きくするためにはトーションバーの径を小さくする必要があり、トーションバーの感度を高めるためにその剛性が犠牲となっていた。また、トーションバーは、動力伝達に関して周波数応答性や強度の点で不利となっていた。
また、剛性を上げるには、感度の高い歪ゲージを用いる方法もある。しかし、歪ゲージからの信号取り出しに問題があるため、歪ゲージは動力伝達系には不向きである。さらに、歪ゲージでははがれの懸念があるため、長期にわたる信頼性を保証できないという問題もある。
ここで、磁歪式センサは、高剛性で周波数応答性に優れるという特徴を持つ。磁歪式トルクセンサとして、特開平１−１６９９８３号公報、特公平８−３１６３６号公報等が知られている。磁歪式トルクセンサは、歪の検出感度が非常に高く、微小な歪の検出が可能であり、さらに、非接触検出、高速回転可能、高い周波数応答性といった有利な特徴を持つ。さらに、接着や溶射・メッキ等による磁歪膜を有することなく、軸材がそのまま磁歪センシング部を兼ねるタイプでは、磁歪膜のはがれ等の心配が無いため、信頼性も非常に高いものとすることができる。
【０００３】
このソレノイドコイルを用いるタイプの磁歪式トルクセンサでは、感度を上げるために、トルクセンサシャフトに２ヶ所以上の磁気異方性部を設けるのが一般的である。特に一般的には、トルクセンサシャフトの中心軸に対して逆方向に約４５°傾けた１組の溝を設けることによって磁気異方性部を設ける。このような構造により、片側の磁気異方性部に引張応力がかかる場合には、他方には圧縮応力がかかり、このためトルク検出の感度を２倍にすることができる。以下では、説明の便宜上、このような２つの磁気異方性部分を持つトルクセンサシャフトの場合について記述する。
【０００４】
このようなトルクセンサシャフトは、その使用環境に応じて、その温度が変化することがある。このとき、もし２ヶ所の磁気異方性部分の温度が全く同じ状態で変化する場合には、それらの磁気的性質の変化も同じであり、両者の変化が打ち消し合うと考えられるため、原理的にはトルクセンサの出力に変化は生じない。しかし、場合によっては、トルクセンサシャフトの内部に温度勾配が生じる、特に、２ヶ所の磁気異方性部分で温度差が生じることがある。２ヶ所の磁気異方性部分に温度差があると、両者の磁気的性質に差が生じ、トルクセンサはこの差をあたかもトルクが負荷されたかのように検出し、これによってトルクセンサの出力が変動してしまうという問題が生じる。
【０００５】
この問題は、センサの外側すなわちセンサの使用条件を考慮することで、回避することも必要であるが、現実的には、センサ自体における対策が重要である。このような問題の対応策として、シャフトに軸方向の温度勾配を生じさせないようにすることが考えられる。
【０００６】
このような問題を解決するものとして、特開平６−９４５４９号公報のようにコイルボビン内部に流体を流す方法や、特開平１０−２２１１８５号公報のようにヒートシンクにより冷却を行う方法が提案されているが、これらの手段は、流体を流すためのシールや、流体を流す装置、構造を必要とする等、トルクセンサの構造を複雑とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記事情を鑑みてなされたもので、磁歪式トルクセンサ用のトルクセンサシャフトであって、トルクセンサシャフト内の温度勾配に起因する出力の変動を軽減した磁歪式トルクセンサシャフトおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気異方性部分を含む磁歪式トルクセンサシャフトであって、前記磁気異方性部分に接し、前記磁気異方性部分を形成する材質よりも高い熱伝導性を有する層を備える磁歪式トルクセンサシャフトを提供する。
なお、前記磁歪式トルクセンサシャフトは、前記高い熱伝導性を有する層で、前記磁歪検出部分を備えるトルクセンサシャフト本体の表面を覆うことで得ることができる。あるいは、前記磁歪式トルクセンサシャフトは、前記高い熱伝導性を有する層を、前記磁気異方性部分を形成する層と前記トルクセンサシャフト本体の間に設けることで得ることができる。
【０００９】
ここで、「磁気異方性部分」とは、磁歪式トルクセンサシャフトにおいて、トルクに応じてその磁気的性質が変化する部位を意味する。例えば、強磁性体のトルクセンサシャフト表面の軸方向から４５°傾けた溝を設けることで、その形状効果によりトルクセンサシャフトに磁気異方性を付与し、その部分の磁気的性質の変化を検出できるようにすることができる。このような部分を磁気異方性部分という。あるいは、特許第２７１０１６５号および特許第２９６５６２８号において提案されているように、トルクセンサシャフト表面に磁歪層を付加することで、磁気異方性部分を設けることができる。あるいは、特開２００２−１０７２４０号公報において提案されているように、温度変化に応じて磁性を変化させる材料に、局所的な温度処理を施すことで、磁気異方性部分を設けることができる。しかし、本発明にかかる磁気異方性部分は、これらの例に限定されるものではない。
【００１０】
本発明によると、高い熱伝導性を有する層が磁気異方性部分の温度勾配を積極的に軽減し、このため、磁気異方性部分の温度勾配に起因する出力の変動も軽減される。
【００１１】
以下に示す、モデル化したトルクセンサシャフトにおける計算により、この効果を確認することができる。トルクセンサシャフトが単純形状の丸棒であり、シャフトの長手方向にしか熱流束が存在しないと仮定する。このトルクセンサシャフトの表面に、母材より高い熱伝導性を有する層を形成する。規格化のため、トルクセンサシャフトの熱流束に直角な断面の面積および熱伝導率をそれぞれ１とし、高い熱伝導性を有する層の断面積および熱伝率をそれぞれａ、ｂとする。高い熱伝導性を有する層が存在しない場合のシャフト表面の温度勾配を１とした場合、高い熱伝導性を有する層をつけたときの温度勾配は以下の式で表せる。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
高い熱伝導性を有する層の断面積ａと高い熱伝導性を有する層の熱伝導率ｂとシャフト表面の温度勾配の関係を図２に示す。ここから、高い熱伝導性を有する層に熱伝導率がシャフト材の２倍程度の材質を用いれば（ｂ＝２）、ａ＝０．５程度の面積の層を設けることで、温度勾配を半分にできることが分かる。この傾向は、熱伝導率がより良い（ｂがより大きい）場合にはさらに顕著であり、熱伝導率が４倍（ｂ＝４）であれば、ａ＝０．２５程度の面積の層を設けることで、温度勾配を半分にできることが分かる。さらに、熱伝導率が４倍（ｂ＝４）で、面積比が０．５（ａ＝０．５）の層を設けることで、温度勾配を１／３にできる。以上は高い熱伝導性を有する層の面積で記述されているが、現実には、シャフトの表面近傍のセンシング部と高い熱伝導性を有する層はほぼ同じ直径となるため、面積は近似的に高い熱伝導性を有する層の厚さと読み替えて考えることができる。
【００１４】
また、好ましくは、前記磁気異方性部分は、鉄、コバルト、またはニッケルの少なくとも１つを含む合金からなる。また、特に好ましくは、前記磁気異方性部分の材質はニッケルやコバルトを含む鋼であることから、前記高い熱伝導性を有する層は、この鋼よりも高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムと、ダイヤモンドと、六方晶窒化ホウ素とからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。
【００１５】
つまり、上記の効果を得るための層は、トルクセンサシャフトの磁気異方性部分を構成する材質よりも高い熱伝導度をもつことが要求される。
シャフトの材質が鋼である場合、この様な性質を持つ材質としては、窒化アルミニウムや、六方晶系窒化ホウ素等の高熱伝導性のセラミックスが利用できる。また、高熱伝導、絶縁性という点では、ダイヤモンドも利用できる。ダイヤモンドは、物質中最大の熱伝導率をもち、絶縁性も高く、また、誘電率も低いため、非常に有用な材質である。本発明にかかる高い熱伝導性を有する層としてこれらの材質が利用できるが、決してこれらに限定されるものではない。
【００１６】
なお、鋼とは、鉄―炭素系を基本とする合金を意味する。
また、応力（歪）を感度良く検出するために、前記磁気異方性部分は、鉄、コバルト、またはニッケルの少なくとも１つを含む合金からなると好ましい。
【００１７】
また、高い熱伝導性を有する層は、磁気異方性部分における磁気的変化の検出に悪影響を起こさないことが必要であり、このため、磁気を遮断しないこと、つまり、非磁性および絶縁性を有することが必要である。
【００１８】
これまでの説明は、トルクセンサシャフトの軸材と磁歪層（磁気異方性部分）の材質が同じ、つまり、磁歪層をトルクセンサシャフトと一体に設ける場合であるが、それ以外、つまり、トルクセンサシャフトの軸材に磁歪膜をはりつける場合やトルクセンサシャフトの軸材に溶射皮膜をつける場合にも、本発明にかかる高い熱伝導性を有する層を適用することで磁気異方性部分の熱勾配を軽減することが可能である。これらの場合には、磁歪膜（磁気異方性部分）の下（トルクセンサシャフトの軸材と磁歪層の間）に、高い熱伝導性を有する層を設ける。
この場合高い熱伝導性を有する層は、非磁性である必要はなく、高い熱伝導性を有する層を常磁性や反磁性の材質により設けることが可能となり、使用材料の選択の自由度が高まる。例えば、特に限定されるものではないが、銅、銀、アルミニウム等も利用できる。
【００１９】
また、本発明は、前記トルクセンサシャフトを含む磁歪式トルクセンサを提供する。
さらに、本発明は、磁気異方性部分を含む磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法であって、メッキ処理により前記磁気異方性部分に接し、前記磁気異方性部分を形成する材質よりも高い熱伝導性を有する層を形成する工程を含む磁歪式トルクセンサシャフトの製造方法を提供する。
【００２０】
本発明によれば、トルクセンサの構造を複雑にする必要は無く、また、外部に余分な装置を設ける必要もない。さらに、他の動力伝達軸等の外部の部品との連結も通常の方法で可能である。
また、一般的に磁歪式トルクセンサは数十ｋＨｚの高周波交流磁場で励磁するため、表皮効果により磁気異方性部分の表面近傍（０．１ｍｍ程度）を重点的にセンシングしている。このため、磁気異方性部分の温度勾配によるトルクセンサの出力変化を低減させるには、表面近傍の温度勾配のみを重点的に減らすことで、大きな効果が期待できる。
【００２１】
さらに、その他の効果として、センサの感度を上昇させる効果も期待できる。つまり、一般的に真空や空気は透磁率が低い。しかし、高い熱伝導性を有する層をつけることで、トルクセンサシャフトとソレノイドコイルの間に空気よりも透磁率の高い材料が存在することになり、磁力線をトルクセンサシャフト表面の磁歪検出部分に導きやすくなり、結果として感度が上がることが期待できる。
さらに、高い熱伝導性を有する層の材料として条件を満たすものには、非常に原子結合が強く、自由電子ではなく格子振動により、熱を伝える材料があり、このような材料は、一般的に高硬度であるため、本発明にかかる高い熱伝導性を有する層をトルクセンサシャフトに適用することでトルクセンサシャフトの耐磨耗性も改善できると考えられる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る磁歪式トルクセンサの実施の形態を、添付図面を参照しながら説明する。もっとも、以下に挙げる実施の形態は、本発明を限定するものではない。
図１は本発明に係るトルクセンサを概念図的に示す。図３は本発明に係る磁歪式トルクセンサシャフトを概念図的に示す。
図１および図３に示すように、本発明に係る磁歪式トルクセンサ１は、トルクセンサシャフト２と、励磁用ソレノイドコイル３と、検出用ソレノイドコイル４とを主要な要素とする。トルクセンサシャフト２は、応力（歪）に応じてその磁気的性質が変化する磁気異方性部分５および、トルクセンサシャフト２と他の動力伝達軸（図示しない）とを連結するための嵌合部６を有する。
【００２３】
磁気異方性部分５は、トルクセンサシャフト２の中心軸に対して約４５°傾けた溝（図示しない）を、トルクセンサシャフト２の全周に亘り所定間隔をもって設けることによって形成することができる。なお、トルクセンサシャフト２は、トルクセンサシャフト２の中心軸に対して互いに逆方向に傾いた溝によって形成された磁気異方性部分５の組を１組以上備えると好ましい。
以上の構成により形状磁気異方性を有する磁気異方性部分５は、応力に応じてその透磁率を変化させる。なお、中心軸に対して４５°とは、ねじり荷重に対してトルクセンサシャフト表面の引張り方向の応力および圧縮方向の応力が最大となる方向であり、この方向に溝を形成することで、最も効率よくトルクセンサシャフト表面の引張り応力または圧縮方向の応力を検出できる。
なお、必要に応じて溝部に高周波焼入れおよびショットピーニング等を施して高透磁率部分を形成し磁気特性の調整を行うと好ましい。
【００２４】
ここで、磁気異方性部分５を含むトルクセンサシャフトの表面に、イオンプレーティング（ＩＰ）等のＰＶＤ、その他メッキあるいは、ＣＶＤにより高い熱伝導性を有する層を設けることができるが、高い熱伝導性を有する層を設ける方法はこれらに限定されるものではない。
【００２５】
ここで、メッキとは、ＰＶＤ、蒸着、スパッタリング、イオンメッキ、溶射、はんだ被覆などの乾式メッキの他、化学的、電気化学的な反応によって、被処理物に金属を析出させる湿式メッキも含まれる。また、ＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は物理蒸着、物理気相成長ともいい、高温加熱、スパッタリングなどの物理的方法で物質を蒸発し、基板に凝縮させ、薄膜を形成することをいい、イオンプレーティング、真空蒸着、スパッタリングなどを含む。なお、イオンプレーティングとは、真空容器内の低圧ガスに電解をかけてプラズマを発生させ、これによって蒸発源からの蒸発粒子をイオン化して基板表面に蒸着させる薄膜形成法であり、スパッタリングとは、グロー放電でガスイオンの衝突によって電極材料を放出させ、他の物質表面上に電極材料の膜を作る薄膜形成法である。
【００２６】
なお、磁気異方性部分５の全域に高い熱伝導性を有する層を設けると、最も効率よく磁気異方性部分の温度勾配をなくすことができると考えられ、好ましい。しかし、高い熱伝導性を有する層を設ける領域は、必ずしも、磁気異方性部分５の全域を含む必要はなく、また、トルクセンサシャフト２の磁気異方性部分５以外の領域を含んでもよい。
【００２７】
また、励磁手段である励磁用ソレノイドコイル３は前記磁気異方性部分５を覆うように配置し、これに交流磁場を与える。検出手段は検出用ソレノイドコイル４と電子回路（図示しない）を含み、検出用ソレノイドコイル４も前記磁気異方性部分５を覆うように配置する。
ここで、励磁用ソレノイドコイル３により前記磁気異方性部分５に沿うように磁力線を流す。前述のように、トルクセンサシャフト２に応力がかかると、磁気異方性部分５はその透磁率を変化させるが、この磁気的変化を検出用ソレノイドコイル４によって検出することができる。
なお、トルクセンサシャフト２の磁気異方性部分である磁気異方性部分５は、励磁用ソレノイドコイル３、検出用ソレノイドコイル４等と共に、外部の磁気の影響を遮蔽するアルミ製のセンサケース７に内包する。
【００２８】
以上の構成により、高い熱伝導性を有する層を介して磁気異方性部分５における熱は均衡化され、磁気異方性部分５内の温度勾配に起因するトルクセンサ出力の変動を軽減することができる。
【００２９】
【実施例】
以下に、第１の実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
ＪＩＳ　ＳＮＣＭ８１５材（組成を表１に示す。）をトルクセンサシャフト材として用い、左右に４５°ねじれ角を持つ磁気異方性部分２ヶ所を転造により加工した。これに高周波焼入れ処理を施して、転造時の応力を開放すると共に、表面硬化させた。その後、ショットピーニングを行い、トルクセンサシャフトとした。
このトルクセンサシャフトの磁気異方性部分に、高い熱伝導性を有する層として窒化アルミニウム皮膜をＰＶＤにより成膜した。膜厚は２０μｍであった。
このトルクセンサシャフトに励磁用および検出用ソレノイドコイルのセット、センサ回路等をつけることで、トルクセンサとした。励磁周波数は４０ｋＨｚとした。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
図４にトルクセンサシャフトの温度勾配による中点変動を測定する概要図をしめす。センサ電源８および出力測定装置９をつないだトルクセンサ１の両端に熱源１０を接着し、これを真空チャンバ１１および真空ポンプ１２による真空雰囲気においた。温度制御機１３により外部から熱源の温度を制御して、トルクセンサシャフト２に温度差をつけ、トルクセンサの出力を測定した。ここで、温度差はセンサ両端で１０℃とした。なお、センサ長は１００ｍｍである。
高い熱伝導性を有する層を設けなかったとき、トルクセンサ出力の変化量を１℃当たりに換算した値は、３．５％ＦＳ／℃であったが、高い熱伝導性を有する層を設けたときは、１．９％ＦＳ／℃であった。
【００３２】
ここから、高い熱伝導性を有する層を設けることにより出力変化量が５０％程度改善されたことが分かった。ＳＮＣＭ８１５の熱伝導率はおよそ３５（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）であり、窒化アルミニウムの熱伝導率はおよそ２００（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）であるため、高い熱伝導性を有する層の熱伝導率は、トルクセンサシャフト軸材のおよそ５．７倍である。また、励磁周波数４０ｋＨｚにおける表皮効果を厚さ約０．１ｍｍと見積もると、高い熱伝導性を有する層のトルクセンサシャフトの断面に対する面積比は０．２であり、シャフトの半径方向の伝熱を考慮すると、数式１および図２と良く一致しているといえる。
【００３３】
次に、第２の実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
実施例１と同様の構成のトルクセンサシャフトを作製した。樹脂系接着剤を用いて粒径５μｍの合成ダイヤモンドパウダーをトルクセンサシャフト表面に塗布、硬化させることで高い熱伝導性を有する層を設けた。硬化後の高い熱伝導性を有する層の厚さは１００ミクロンであった。
このトルクセンサシャフトにも第１の実施例と同様に温度勾配を与え、トルクセンサ出力の変化量を測定した。結果、出力変化量は、１．６％ＦＳ／℃であった。
【００３４】
ダイヤモンドは、通常得られる物質の中で熱伝導率が最も高いものであるため、非常に大きな効果が期待できる。本実施例においては、ダイヤモンドを熱伝導率の悪い樹脂系接着材と混合して利用したため、ダイヤモンドの熱伝導性を十分には生かしきれていないが、それでも大幅に出力変化量を低減する効果が認められた。
ダイヤモンドの熱伝導率は、およそ２０００（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）で、鋼の熱伝導率３５〜５０（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）の４０〜６０倍程度あるため、ＣＶＤ等で成膜させることができれば、薄い膜で、非常に大きな効果が期待できる。具体的には、膜厚２μｍ程度あれば、面積比ａ＝２／１００、ｂ＝５０とすると、温度勾配を半分にすることができることが、数式１から分かる。
前記実施例は、磁歪部分のみに高い熱伝導性を有する層を設けた例を示しているが、原理上その他の部分に高い熱伝導性を有する層を設けても、何ら悪影響を及ぼすことは無く、シャフト全面に処理を施すことも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
前記したところから明らかなように、本発明によると、磁歪式トルクセンサ用のトルクセンサシャフトであって、トルクセンサシャフト内の温度勾配に起因する出力の変動を軽減した磁歪式トルクセンサシャフトおよびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトルクセンサを表す概念図である。
【図２】高い熱伝導性を有する層の面積と高い熱伝導性を有する層の熱伝導率とトルクセンサシャフトの温度勾配の関係を表すグラフである。
【図３】本発明に係る磁歪式トルクセンサシャフトを表す概念図である。
【図４】温度勾配特性測定の概要図である。
【符号の説明】
１　　磁歪式トルクセンサ
２　　トルクセンサシャフト
３　　励磁用ソレノイドコイル
４　　検出用ソレノイドコイル
５　　磁歪検出部
６　　嵌合部
７　　センサケース
８　　センサ電源
９　　出力測定装置
１０　熱源
１１　真空チャンバ
１２　真空ポンプ
１３　温度制御機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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