JP4975174B1 - 磁歪式トルクセンサの製造方法および磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の軸材に磁性材料を自由な形状や厚みで形成することができて、感度の高い磁歪式トルクセンサを得ることができる磁歪式トルクセンサの製造方法を提供する。
【解決手段】回転軸１の軸材の外周面における、磁歪検出層が形成されない領域に、光硬化樹脂１１ｂを形成するとともに硬化させる光硬化樹脂形成硬化工程と、回転軸１の軸材の外周面に磁性材料を溶射して、回転軸の軸材の外周面における光硬化樹脂１１ｂの硬化部１１ｂ’がない部分に、磁歪検出層２ａ（２ｂ）を形成する磁歪検出層溶射工程と、を有する。この方法によれば、磁歪検出層２ａ（２ｂ）を厚く形成して、感度の高い磁歪式トルクセンサを得ることが可能となる。
【選択図】図７

Description

本発明は磁歪式トルクセンサの製造方法および磁歪式トルクセンサに関し、電動自転車の人力（踏力）を検出する用途等に適した磁歪式トルクセンサを製造する方法および磁歪式トルクセンサに関する。

回転軸に作用するトルクを検出するトルクセンサとして、図２０に示すように、トルクが伝達される回転軸５１の表面に磁気異方性を付与した磁歪検出層５２ａ、５２ｂを設け、その外周に一定の隙間（空間）を介してコイル５３ａ、５３ｂを配設した磁歪式トルクセンサが知られている（特許文献１、２等）。この磁歪式トルクセンサは、磁歪検出層５２ａ、５２ｂが、回転軸５１の軸心方向に対して例えば＋４５度と−４５度とをなす螺旋形状に形成されている。この構成において、回転軸５１にトルクが伝達されると回転軸５１の表面の磁歪検出層５２ａ、５２ｂに歪みが発生して透磁率の増加部分と減少部分とが発生するため、コイル５３ａ、５３ｂのインダクタンス差を測定することでトルクの方向と大きさを検出するようになっている。

ここで、前記特許文献１、２に開示されているトルクセンサは、＋４５度と−４５度とをなすスリット５２ｃが予めエッチング加工により形成された磁性材料としてのアモルファス磁性合金薄帯５２を回転軸５１となる軸材に巻きつけるとともに接着剤を介して接着することで製造されている。

また、特許文献３には、回転軸の外周面に転造加工等により凹部を形成し、凹部が形成された回転軸の外周面に磁性材料を溶射し、この後、磁性材料が溶射された回転軸の外周面を研削して、回転軸の外周面に磁歪検出層と回転軸の軸材とが交互に露出する形状に形成する方法が開示されている。

特開平４−２２８３１号公報 特開平４−２７６５３３号公報 特開平６−３４４５９号公報

しかしながら、前記特許文献１、２に開示されているトルクセンサを製造する方法を用いた場合には、磁性材料としてのアモルファス磁性合金薄帯５２におけるスリット５２ｃの面積を大きくすると、アモルファス磁性合金薄帯５２と回転軸５１との接着面積が小さくなるので、アモルファス磁性合金薄帯５２が回転軸（回転軸材）５１から剥離してしまう恐れがあった。

また、アモルファス磁性合金薄帯５２を厚くすると、アモルファス磁性合金薄帯５２が変形し難くなって回転軸５１の表面部に密着できない場合があるので、アモルファス磁性合金薄帯５２の厚みが規制される（例えば、０．０３０ｍｍ以下に規制される）難点もあった。

また、アモルファス磁性合金薄帯５２は接着剤を介して接合しており、前記接着剤を介して回転軸５１に生じた応力歪がアモルファス磁性合金薄帯５２に伝達される構造であるので、アモルファス磁性合金薄帯５２が厚いと、回転軸５１の応力歪がアモルファス磁性合金薄帯５２に良好に伝達されて反映されない恐れがあった。

また、上記のように磁性材料としてのアモルファス磁性合金薄帯５２の形状や厚みに対する規制要件が重なることで、トルクセンサとしての感度を向上させ難くなる場合がある。

また、前記特許文献３に開示されているトルクセンサの製造方法では、転造することで凹凸部を形成するため、凹凸部を形成するパターンの形状がある程度限定されてしまい、理想的な磁性部の幅や厚みまた形状とすることができない難点がある。また、最終工程で研削する必要があるため、溶射時での密着強度が大きくなるよう工夫しなければならない。

本発明は上記課題を解決するもので、回転軸の軸材に磁性材料を自由な形状や厚みで形成することができて、感度の高い磁歪式トルクセンサを得ることができる磁歪式トルクセンサの製造方法および磁歪式トルクセンサを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、回転軸の外周面に磁気異方性を付与した磁歪検出層が形成されてなる磁歪式トルクセンサの製造方法であって、回転軸の軸材の外周面における、前記磁歪検出層が形成されない領域に、光硬化樹脂を形成するとともに硬化させる光硬化樹脂形成硬化工程と、回転軸の軸材の外周面に磁性材料を溶射して、回転軸の軸材の外周面における前記光硬化樹脂の硬化部がない部分に、磁歪検出層を形成する磁歪検出層溶射工程と、を有することを特徴とする。

この方法によれば、回転軸の軸材の外周面における、前記磁歪検出層が形成されない領域に、光硬化樹脂を形成するとともに硬化させた後に、回転軸の軸材の外周面に磁性材料を溶射して、回転軸の軸材の外周面における前記光硬化樹脂の硬化部がない部分に、磁歪検出層を形成するので、磁性材料からなる磁歪検出層を比較的自由な厚みで形成することができる。したがって、磁歪検出層を厚く形成して、感度の高い磁歪式トルクセンサを得ることが可能となる。なお、前記磁歪検出層の厚みは０．１５〜０．６ｍｍであると好適である。また、本発明によれば、磁歪検出層が、接着剤などを介在させることなく、回転軸に直接溶着されて密着しているので、回転軸への応力が磁歪検出層に良好に伝達されて反映され、これによっても、磁歪式トルクセンサの感度が良好に保たれる。また、本発明によれば、磁性材料からなる磁歪検出層の面積割合や体積割合も自由に選択できる。例えば、磁性材料からなる磁歪検出層と磁歪検出層が設けられていない非磁歪検出層部とを交互に配設し、磁歪検出層と非磁歪検出層部とが交互に配設されている領域における、磁歪検出層が設けられている面積の割合が５０〜８０％であるように製造することで、前記磁歪検出層の面積割合が５０％よりも少ない場合や８０％を越える場合よりも当該トルクセンサの感度を向上させることができる。

また、本発明の磁歪式トルクセンサの製造方法は、前記光硬化樹脂形成硬化工程が、透光性を有するシート材に、光不透過部を印刷するとともに光硬化樹脂を積層させてマスキング材を形成するマスキング材形成工程と、前記回転軸の軸材に、前記マスキング材を、光硬化樹脂の面を合わせながら貼り付ける貼付工程と、前記シート材に光を照射して、前記光硬化樹脂における光不透過部を除く部分を硬化させる硬化工程と、前記シート材を取り外すとともに前記回転軸を外周から洗浄して前記光硬化樹脂における未硬化部分を除去する未硬化部除去工程と、を有することを特徴とする。なお、回転軸の軸材の外周面に磁性材料を溶射した後に光硬化樹脂の硬化部を除去してもよい。

この方法によれば、光不透過部を印刷した透光性を有するシート材および光硬化樹脂を用いて、回転軸の軸材の外周面をマスキングするので、金属製のマスクなどを用いる場合と比較して、安価かつ容易にしかも自由な形状でマスキング材を形成することができる。

また、本発明の磁歪式トルクセンサの製造方法は、前記シート材に光を照射して、前記光硬化樹脂における光不透過部を除く部分を硬化させた後に、回転軸の軸材の外周面における硬化部を除く部分に凹部を形成する凹部形成工程を有し、前記磁歪検出層溶射工程で、前記回転軸の軸材の外周面に磁性材料を溶射して前記凹部に磁歪検出層を形成することを特徴とする。この場合に、さらに、磁歪検出層が形成された回転軸の軸材の外周面を削る削り工程を設けてもよく、この方法によれば、回転軸の軸材の外周面に凹凸部を有しない磁歪式トルクセンサを製造することが可能となる。

また、本発明の磁歪式トルクセンサの製造方法は、前記光硬化樹脂形成硬化工程が、シート材に、磁歪検出層が形成されない領域に対応する光硬化樹脂を形成する光硬化樹脂形成工程と、回転軸の軸材に、光硬化樹脂が形成された前記シート材を、光硬化樹脂の面を合わせながら巻きつけて、光硬化樹脂を貼り付ける貼付工程と、前記光硬化樹脂に光を照射して、前記光硬化樹脂を硬化させる硬化工程と、を有することを特徴とする。この方法によれば、比較的少ない工程数で、感度の良好な磁歪式トルクセンサを製造することが可能となる。

なお、回転軸の軸材としては、炭素鋼、クロムモリブデン鋼、またはステンレス鋼が好適であり、前記磁歪検出層をなす磁性材料としては、磁性合金または金属ガラス材料であると好適である。また、光硬化樹脂としては紫外線硬化樹脂が好適であるが、可視光で硬化する樹脂を用いてもよい。

本発明の製造方法によれば、軸材の外周面に磁性材料を溶射して磁歪検出層を形成するので、この磁歪検出層の厚みを、前記アモルファス磁性合金薄帯よりも厚くするなど、自由に選択でき、また、磁性材料からなる磁歪検出層の面積割合も自由に選択できる。さらに、磁歪検出層の面積割合が５０〜８０％となるように製造することで、磁歪式トルクセンサの感度を向上させることができる。また、光不透過部を印刷した透光性を有するシート材および光硬化樹脂を用いて、回転軸の軸材の外周面をマスキングするので、金属製のマスクなどを用いる場合と比較して、安価かつ容易にしかも自由な形状でマスキング材を形成することができる。

本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法により製造した磁歪式トルクセンサの一部断面正面図 本発明の第１の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法に用いるマスキング材の断面図 同実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、回転軸にマスキング材を貼り付けた状態を示す正面図 図３のIV−IV線矢視断面図 同実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、回転軸の外周面に紫外線を照射させている状態を示す断面図 同実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、回転軸の外周面からマスキング材および紫外線硬化樹脂の未硬化部を除去した状態を示す正面図 図６のVII−VII線矢視断面図 同実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、回転軸の外周面に磁性材料を溶射した状態を示す正面図 図８のIX−IX線矢視断面図 同実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、紫外線硬化樹脂の硬化部を除去した状態を示す正面図 図１０のXI−XI線矢視断面図 本発明の第２の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、回転軸の外周面表面における硬化部を除く箇所を除去した状態を示す断面図 同実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、回転軸の外周面に磁性材料を溶射した状態を示す正面図 図１３のXIV−XIV線矢視断面図 同実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、回転軸の外周面表面を除去した状態を示す断面図 図１５のXVI−XVI線矢視断面図 本発明の第３の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法に用いるシート材などの断面図 同実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、回転軸の外周面にシート材などを貼り付けた状態を示す断面図 同実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法の、回転軸の外周面に紫外線硬化樹脂などの光硬化樹脂を形成した状態を示す断面図 従来の磁歪式トルクセンサの一部断面正面図

以下、本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法および磁歪式トルクセンサについて、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ１０の一部断面正面図である。図１に示すように、断面円形状の回転軸１の外周面に、磁気異方性を付与した磁歪検出層２ａ、２ｂと、磁気異方性が付与されていない非磁性部４ａ、４ｂと、が交互に設けられ、その外周に一定の隙間（空間）を介してコイル３ａ、３ｂが配設されている。この磁歪式トルクセンサは、磁歪検出層２ａ、２ｂが、回転軸１の軸心方向に対して例えば＋４５度と−４５度との傾斜をなす螺旋形状に形成されている。そして、回転軸１にトルクが伝達されると回転軸１の表面の磁歪検出層２ａ、２ｂに歪みが発生して一方の磁歪検出層２ａ（または２ｂ）には引張応力が作用し、他方の磁歪検出層２ｂ（または２ａ）には圧縮応力が作用し、引張応力が作用した箇所では透磁率が増加し、圧縮応力が作用した箇所では透磁率が減少するため、両者の透磁率の差、すなわちコイル３ａ、３ｂのインダクタンス差を測定することでトルクの方向と大きさを検出するよう構成されている。

ここで、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ１０は、断面円形状の回転軸１の軸材に、磁歪検出層２ａ、２ｂが形成されている箇所と、磁歪検出層２ａ、２ｂが形成されておらず、回転軸１の軸材が露出している箇所（非磁歪部４ａ、４ｂとも称し、この非磁歪部４ａ、４ｂは、後述するように、紫外線硬化樹脂１１ｂの硬化部１１ｂ’が残されている場合もある）とが交互に形成された構成とされている。そして、磁歪検出層２ａ、２ｂと非磁歪部４ａ、４ｂとが交互に設けられている領域Ｓ１、Ｓ２における、磁歪検出層２ａ、２ｂが形成されている領域の面積の割合が５０〜８０％とされており、より好ましくは６５〜７０％とされている。また、磁歪検出層２ａ、２ｂの厚みが０．１５〜０．６ｍｍとされており、より好ましくは０．３０ｍｍ以上、０．６０ｍｍ以下とされている。

また、回転軸１の軸材は、炭素鋼、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼などの鋼材で構成され、磁性材料は、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ａｌ−Ｆｅ合金などからなる磁性合金または、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｐ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｐ−Ｃ系などの金属ガラスで構成されている。

また、回転軸１の軸材と磁歪検出層２ａ、２ｂの磁性材料とは、使用温度域において、これらの線膨張係数が、一致またはごく近似した値のものが選択されている。具体的には、磁歪式トルクセンサ１０の使用温度域において、回転軸１の軸材の線膨張係数をα_１、磁歪検出層２ａ、２ｂの磁性材料の線膨張係数をα_２とした場合に、
α_２−１．０×１０^−６／Ｋ（℃）≦α_１≦α_２＋１．０×１０^−６／Ｋ（℃）
である材料が用いられる。なお、この磁歪式トルクセンサ１０は、電動自転車の人力（ペダルに作用する踏力）を検出する磁歪式トルクセンサとして用いられるが、この場合には、使用温度域が０〜４０℃であり、この使用温度域において、上記条件式を満足する回転軸１の軸材と磁歪検出層２ａ、２ｂの磁性材料とが使用されている。

この磁歪式トルクセンサ１０の磁歪検出層２ａ、２ｂは以下のようにして製造される（第１の実施の形態）。
まず、図２に示すように、ＰＥＴ（ポリエチレンテフタレート）などからなる透光性を有する透光性シート（フィルム）に磁歪検出層２ａ、２ｂに対応する形状の紫外線不透過部１１ｄが印刷された印刷シート１１ａに、紫外線で硬化する紫外線硬化樹脂１１ｂと、剥離フィルム１１ｃとを積層させてなる（マスキング材形成工程）マスキング材１１を準備する。なお、透光性シートに紫外線硬化樹脂１１ｂと剥離フィルム１１ｃとを積層させた後に、前記透光性シートに紫外線不透過部１１ｄを印刷してもよい。次に、マスキング材１１の剥離フィルム１１ｃを剥がし、図３、図４に示すように、回転軸１の軸材の外周面に、マスキング材１１を、その紫外線硬化樹脂１１ｂ側の面を合わせた状態で貼り付けて、回転軸１の軸材の外周面をマスキングする（貼付工程）。

次に、図５に示すように、この状態で回転軸１の表面である外周面に対して紫外線を照射して、印刷シート１１ａの紫外線不透過部１１ｄ以外の箇所の紫外線硬化樹脂１１ｂを硬化させる（硬化工程）。なお、図５などにおける１１ｂ’は紫外線硬化樹脂１１ｂの硬化部である。なお、この際、硬化した紫外線硬化樹脂１１ｂの厚みが、最終的に形成する磁歪検出層２ａ、２ｂの厚み（０．１５〜０．６ｍｍ）と同等もしくは大きくなるように、マスキング材１１の紫外線硬化樹脂１１ｂの厚みを予め調整しておく。

この後、回転軸１の外周面を水やアルカリ溶液などの未硬化部分用洗浄液で洗浄して、印刷シート１１ａおよび紫外線硬化樹脂１１ｂの未硬化部分（紫外線不透過部１１ｄが印刷された箇所に対応する部分）を除去する（未硬化部除去工程、図６、図７参照）。なお、予め、印刷シート１１ａを紫外線硬化樹脂１１ｂから剥がした後、紫外線硬化樹脂１１ｂの未硬化部分（紫外線不透過部１１ｄが印刷された箇所に対応する部分）を水やアルカリ溶液で洗浄して除去してもよい。

次に、図８、図９に示すように、紫外線硬化樹脂１１ｂの硬化部１１ｂ’が残された回転軸１の軸材の外周面に、磁性材料を溶射する（磁性材料溶射工程）。ここで、磁性材料は、その厚みが、最終的に形成する磁歪検出層２ａ、２ｂの厚み（０．１５〜０．６ｍｍとなるように形成する。なお、紫外線硬化樹脂１１ｂとして、溶射材料が付着し難い成分を有するもの、例えばフッ素系やシリコン系の樹脂を用いると好適であり、この場合には、紫外線硬化樹脂１１ｂの上に磁歪検出層２ａ、２ｂが形成され難くなる。このように磁性材料を溶射することにより、回転軸１の外周面に、磁性材料よりなる磁歪検出層２ａ、２ｂが形成され、回転軸１の軸材の外周面が露出している箇所では、磁歪検出層２ａ、２ｂが回転軸１の軸材に良好に固着される。

最後に、硬化した紫外線硬化樹脂１１ｂ（１１ｂ’）を専用の洗浄剤を用いて除去する（図１０、図１１参照）。紫外線硬化樹脂１１ｂが水溶性であれば、水で洗浄することができる。なお、磁性材料が紫外線硬化樹脂１１ｂの表面に付着していない場合には、紫外線硬化樹脂１１ｂを除去することなく、そのまま残しておいても差し支えない。また、磁性材料が紫外線硬化樹脂１１ｂに付着している場合でも、一般に磁性材料と紫外線硬化樹脂１１ｂとの付着力は弱いため、水などを用いて、回転軸１の表面を洗浄して、紫外線硬化樹脂１１ｂに付着している磁性材料だけを除去してもよい。

なお、上記製造方法において、磁歪検出層２ａ、２ｂと非磁性部４ａ、４ｂとが交互に設けられている領域Ｓ１、Ｓ２における、実際に磁歪検出層２ａ（または磁歪検出層２ｂ）が形成されている面積の割合が５０〜８０％となるように、マスキング材１１の、印刷シート１１ａにおいて紫外線不透過部１１ｄが印刷されている。

すなわち、図２に示すように、印刷シート１１ａの紫外線透過部分（紫外線硬化樹脂１１ｂの硬化部１１ｂ’に対応する部分）の幅ｄ１がＸであるとすると、印刷シート１１ａの紫外線不透過部１１ｄの幅（最終的には磁歪検出層２ａ、２ｂの幅と同じになる）ｄ２が１．０Ｘ〜４Ｘとなる形状に、マスキング材１１の印刷シート１１ａの印刷工程で印刷されている。また、印刷シート１１ａの紫外線不透過部１１ｄの幅ｄ２を２Ｘとすることにより、前記面積割合が約６６％となり、より好ましい面積割合となる。

この磁歪式トルクセンサ１０の製造方法によれば、紫外線不透過部１１ｄを印刷した透光性を有する印刷シート１１ａおよび光硬化樹脂１１ｂを用いて、回転軸１の軸材の外周面をマスキングし、マスキングされた回転軸１の軸材の外周面に磁性材料を溶射することで磁歪検出層２ａ、２ｂを形成するので、この磁歪検出層２ａ、２ｂを自由な厚みで形成することができ、磁歪検出層２ａ、２ｂを厚く形成することができる。

ここで、磁歪式トルクセンサ１０で検出するトルクは、磁歪検出層２ａ、２ｂに作用する応力による磁歪効果の変化量（インダクタンス差）により検出されるが、このインダクタンス差は磁歪検出層２ａ、２ｂの厚みにほぼ比例する。したがって、磁歪検出層２ａ、２ｂは、磁歪式トルクセンサ１０として必要な感度に対応する厚みがあることが望ましい。しかし、従来のようにアモルファス磁性合金薄帯５２からなる薄膜の磁性材料を接着する製造方法によれば、アモルファス磁性合金薄帯５２を厚くすると、回転軸５１の表面部に密着できないなどの不具合を生じるため、アモルファス磁性合金薄帯５２の厚みが規制され（例えば、０．０３０ｍｍ以下に規制され）て、感度を向上させることが困難となっていた。また、従来は、接着剤を介して回転軸５１に生じた応力歪がアモルファス磁性合金薄帯５２に伝達される構造であるので、アモルファス磁性合金薄帯５２が厚いと、回転軸５１の応力歪がアモルファス磁性合金薄帯５２に良好に伝達されて反映されない恐れがあった。

これに対して、本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ１０の製造方法によれば、磁性材料を溶射することで回転軸１に磁性材料を直接固着させて磁歪検出層２ａ、２ｂを形成するので、この磁歪検出層２ａ、２ｂを自由な厚みで形成することができ、溶射時間や溶射量を調整することで、磁歪検出層２ａ、２ｂを厚く形成できる。また、断面丸形状の回転軸１の軸材に、紫外線不透過部１１ｄを印刷した透光性を有する印刷シート１１ａおよび紫外線硬化樹脂１１ｂを用いて、回転軸１の軸材の外周面をマスキングし、マスキングされた回転軸１の軸材の外周面に磁性材料を溶射することで磁歪検出層２ａ、２ｂを形成するので、硬化させる紫外線硬化樹脂１１ｂの高さも自由に設定できる。これらの理由により、当該実施の形態の製造方法によれば、磁歪検出層２ａ、２ｂの厚みを従来のアモルファス磁性合金薄帯５２の厚みと比較して５〜２０倍の０．１５〜０．６ｍｍにすることができて、感度の高い磁歪式トルクセンサ１０を得ることができる。なお、磁歪検出層２ａ、２ｂの厚みを０．６ｍｍよりも大きくしようとすると、必要とする溶射時間が極めて大きくなり、生産能率が低下するので、磁歪検出層２ａ、２ｂの厚みを０．６ｍｍより大きくすることは好ましくない。

また、本発明の第１の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ１０の製造方法によれば、磁歪検出層２ａ、２ｂが、接着剤などを介在させることなく、回転軸１に直接溶着されて密着しているので、回転軸１への応力が磁歪検出層２ａ、２ｂに良好に伝達されて反映され、これによっても、磁歪式トルクセンサ１０の感度が良好に保たれる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ１０の製造方法によれば、紫外線不透過部１１ｄを印刷した透光性を有する印刷シート１１ａおよび紫外線硬化樹脂１１ｂを用いて、回転軸１の軸材の外周面をマスキングするので、金属製のマスクなどを用いる場合と比較して、安価かつ容易にしかも自由な形状でマスキング材を形成することができる。つまり、紫外線不透過部１１ｄの印刷により、紫外線硬化樹脂１１ｂの非硬化部を形成するので、安価にかつ自由な形状でマスキング材を形成することができる。つまり、前記特許文献３に開示されているように転造することで凹凸部を形成する場合には、凹部と凸部との断面積がほぼ同様とならざるを得ないため、磁歪検出層２ａ、２ｂの形状も規制されてしまうが、本発明の実施の形態によればこのような規制がなく、磁歪検出層２ａ、２ｂを自由な形状に形成することができる。また、本発明の実施の形態によれば、最終工程などで研削する必要がないので、溶射時での密着強度が大きくなるよう工夫する必要もない。

なお、上記実施の形態では、紫外線硬化樹脂１１ｂを用いた場合を述べたが、樹脂に対して硬化させる作用を与えるものは、紫外線に限るものではなく、可視光で硬化する樹脂を用いてもよい。また、光硬化樹脂としては、光架橋反応型、光変性型、光重合反応型、光分解反応型などの各種の光硬化樹脂を用いることができる。また、溶射する際に用いられるマスキング材としての光硬化樹脂には、溶射に耐えることのできる耐熱性、溶射材料と付着し難い解離性が必要であり、また、洗浄時に未硬化部分が良好に洗浄されて残らないものが好ましい。

また、本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ１０の製造方法によれば、溶射後の処理として、マスキング材の除去などのあまり時間や手間が掛からない作業だけで済ますことができるので、製造作業の能率がよいという利点もある。

さらに、本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ１０の製造方法によれば、磁歪検出層２ａ、２ｂと非磁性部４ａ、４ｂとが交互に設けられている領域Ｓ１、Ｓ２における面積の割合が５０〜８０％となるように形成されているので、磁歪式トルクセンサ１０としての感度が極めて良好となるとともに感度が安定している。なお、磁歪検出層２ａ、２ｂの体積の割合が５０％よりも小さくなると感度が低下する要因としては、磁歪検出層２ａ、２ｂの幅や厚みが小さくなって歪の発生量自体が低下することが考えられる。また、磁歪検出層２ａ、２ｂの面積の割合が８０％よりも大きくなると感度が低下する要因としては、磁歪検出層２ａ、２ｂの面積の割合が８０％よりも大きくなると、磁歪検出層２ａ、２ｂが、回転軸の軸心方向に対して例えば＋４５度と−４５度とをなす螺旋形状に形成されずに、回転軸の全周にわたって形成された状態に近づくため、圧縮応力と引張応力とに良好に分かれて発生し難くなり、ひいては、コイル３ａ、３ｂのインダクタンス差が低下することが一因であると考えられる。

また、上記製造方法によれば、回転軸１の軸材として、炭素鋼、クロムモリブデン鋼、またはステンレス鋼など、多くの種類の鉄鋼材を使用することができるので、回転軸１の軸材としての選択範囲が広い利点がある。磁歪式トルクセンサ１０を使用する環境として、水分が付着したり、高い湿度で使用したりする場合があるなど、錆が発生する可能性が高い場合には、耐食性が高い、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０などのステンレス鋼を使用すればよい。また、回転軸１の軸材としてクロムモリブデン鋼を使用する場合には、高強度となるように熱処理を行うことも可能である。

なお、磁歪式トルクセンサ１０の製造工程において、磁性材料溶射工程後に、アニール処理（焼鈍処理）による熱処理を行ってもよい。この熱処理により、初期内部応力が除去され、所望のねじり応力のみが発生して印加される。そのため、磁性特性の保有力が小さく、残留磁束密度が大きくなり、センシング感度が増加して、より性能が安定した磁歪式トルクセンサ１０を得ることができる。

上記製造方法によれば、溶射する磁性材料を選択することで、適した応力を測定できる、各種の磁歪式トルクセンサ１０を製造することができる。また、上記の磁歪式トルクセンサ１０によれば、回転軸１の軸材と磁歪検出層２ａ、２ｂの磁性材料とが、使用温度域において、回転軸１の軸材の線膨張係数をα_１、磁歪検出層２ａ、２ｂの磁性材料の線膨張係数をα_２とした場合に、α_２−１．０×１０^−６／Ｋ（℃）≦α_１≦α_２＋１．０×１０^−６／Ｋ（℃）である材料が用いられているので、温度補償などを行わなくても、正確に測定できて、良好な信頼性を得ることができる。また、上記製造方法においても、磁性材料の溶射温度を一定に維持し、かつ回転軸１の軸材の温度があまり変動しないように管理した状態で製造すれば、磁性材料が回転軸１の軸材に直接固着されるので、感度がよく、かつ安定した性能を有する磁歪式トルクセンサ１０を得ることができる。

上記した第１の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法においては、図６〜図９に示すように、紫外線硬化樹脂１１ｂの未硬化部分を除去した回転軸１の外周面に直接磁性材料を溶射した場合を述べたが、これに限るものではない。図１２〜図１６は本発明の第２の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法に係る工程を示すものである。なお、紫外線硬化樹脂１１ｂの未硬化部分を除去する（図６、図７参照）までの各工程は、第１の実施の形態と同じである。

この第２の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法では、図６、図７に示すように、回転軸１の外周面を水やアルカリ溶液で洗浄して、紫外線硬化樹脂１１ｂの未硬化部分を除去して回転軸１の外周面を露出させた後に、図１２に示すように、この回転軸１の外周面の露出部分表面、すなわち、回転軸１の外周面表面における硬化部１１ｂ’を除く箇所を、エッチング処理やブラスト加工により除去して凹部５を形成する（凹部形成工程）。そして、図１３、図１４に示すように、回転軸１の軸材の外周面に磁性材料６を溶射して、凹部５に磁性材料６を溜めて磁歪検出層２ａ、２ｂを形成する（磁歪検出層溶射工程）。

この後、磁性材料が溶射された回転軸１を冷却させた後に、軸材の外周面が良好な円柱形状、すなわち、軸心に沿う方向に対しては平坦な形状、軸心に直交する方向に対しては円形状になるように、回転軸１の外周面表面全体（硬化部１１ｂ’を含む部分）を、切削または研削する（削り工程：図１５、図１６参照）。

この方法によれば、製造された磁歪式トルクセンサ１０の回転軸１の表面部と磁歪検出層２ａ、２ｂとが凹凸のない同一面状態となるので、この磁歪式トルクセンサ１０を使用して、電動自転車の一部に組み込む際などに、磁歪検出層２ａ、２ｂが他の部品に接触して損傷することを防止することができる。つまり、磁歪検出層が回転軸の軸材よりも外側に突出して配設されている場合には、磁歪式トルクセンサを組み込む際に、磁歪検出層の突出部分が他の部品に接触して損傷することがあるが、本実施の形態の磁歪式トルクセンサ１０によれば、このような不具合が発生することを防止できる。

また、この磁歪式トルクセンサ１０の製造方法によれば、上記第１の実施の形態と同様に、磁歪検出層２ａ、２ｂを自由な厚みで形成することができ、磁歪検出層２ａ、２ｂを厚く形成して、感度の高い磁歪式トルクセンサ１０を製造することができる。なお、上記第１の実施の形態と同様に、磁歪検出層２ａ、２ｂと非磁歪部４ａ、４ｂとが交互に設けられている領域Ｓ１、Ｓ２における、磁歪検出層２ａ、２ｂが形成されている領域の面積の割合が５０〜８０％とされており、より好ましくは６５〜７０％とされている。また、磁歪検出層２ａ、２ｂの厚みが０．１５〜０．６ｍｍとされており、より好ましくは０．３０ｍｍ以上、０．６０ｍｍ以下とされている。これにより、感度の高い磁歪式トルクセンサ１０を得ることができる。

上記した第１、第２の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法においては、紫外線不透過部１１ｄを印刷した印刷シート１１ａを用いて、回転軸１の外周面の全周に紫外線硬化樹脂１１ｂを貼り合わせた状態で回転軸１の軸材の外周面をマスキングして、紫外線硬化樹脂１１ｂの硬化部１１ｂ’と非硬化部とを形成した場合を述べたが、これに限るものではない。

図１７〜図１９は本発明の第３の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法に係る工程を示すものである。この磁歪式トルクセンサの製造方法でも、第１の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法と同様に、図６、図７に示すように、回転軸１の軸材の外周面に磁性材料６を溶射する際のマスクとなるような紫外線硬化樹脂１１ｂの硬化部１１ｂ’を形成した後、回転軸１の軸材の外周面に磁性材料６を溶射して、磁歪検出層２ａ、２ｂを形成し、必要に応じて紫外線硬化樹脂１１ｂの硬化部１１ｂ’を除去する。しかしながら、この第３の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法では、回転軸１の軸材の外周面に磁性材料６を溶射する際のマスクとなるような紫外線硬化樹脂１１ｂの硬化部１１ｂ’を形成する方法が、第１の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの製造方法とは異なる。

図１７に示すように、まず、容易に剥離可能なシート材１２上に、回転軸１の軸材の外周面に磁性材料６を溶射する際のマスクとなるような形状（磁歪検出層２ａ、２ｂが形成されない領域に対応する形状）の紫外線硬化樹脂１１ｂなどの光硬化樹脂を形成する（光硬化樹脂形成工程）。この光硬化樹脂の形成方法としては、例えば、磁歪検出層２ａ、２ｂが形成されない領域に対応する凹部形状を有する金型の前記凹部に、紫外線硬化樹脂１１ｂを満たして、シート材１２上に転写したり、或いは、紫外線硬化樹脂１１ｂのインクとしてシート材１２上に印刷したりする。次に、図１８に示すように、シート材１２を、その紫外線硬化樹脂１１ｂなどの光硬化樹脂側の面を合わせた状態で、回転軸１の軸材の外周面に巻きつけた状態で貼り付けて（貼付工程）、シート材１２のみを取り外し、紫外線硬化樹脂１１ｂなどの光硬化樹脂を回転軸１の軸材の外周面に移してマスキングする（図１９参照）。

この後、回転軸１の軸材の外周面に形成された紫外線硬化樹脂１１ｂなどの光硬化樹脂に光を照射し、紫外線硬化樹脂１１ｂなどの光硬化樹脂を硬化させる（硬化工程）。そして、回転軸１の軸材の外周面に磁性材料６を溶射して、磁歪検出層２ａ、２ｂを形成し（図６、図７参照）、必要に応じて、紫外線硬化樹脂１１ｂなどの光硬化樹脂の硬化部１１ｂ’を除去する。なお、光硬化樹脂として、水溶性のものを用いると好適であり、水で洗い流すなどして容易に除去できる。

この製造方法によっても、感度の高い磁歪式トルクセンサ１０を製造することができ、第１の実施の形態の製造方法よりも工程数を削減できるので、製造コストの低減化を図ることができる。

なお、上記の実施の形態においては、回転軸１の軸材が内部も材料がある中実の棒状体である場合を図示したが、これに限るものではなく、回転軸１の軸材は、内側が空洞となった管状のものである場合にも適用できることはもちろんである。

本発明は、電動自転車に用いる磁歪式トルクセンサの製造方法として好適に用いることができるが、これに限るものではなく、各種の磁歪式トルクセンサの製造方法として広く適用することができる。

１ 回転軸
２ａ、２ｂ 磁歪検出層
３ａ、３ｂ コイル
５ 凹部
６ 磁性材料
１０ 磁歪式トルクセンサ
１１ マスキング材
１１ａ 印刷シート
１１ｂ 紫外線硬化樹脂
１１ｂ’ 硬化部
１１ｃ 剥離フィルム
１１ｄ 紫外線不透過部
１２ シート材

Claims (11)

1. 回転軸の外周面に磁気異方性を付与した磁歪検出層が形成されてなる磁歪式トルクセンサの製造方法であって、
   回転軸の軸材の外周面における、前記磁歪検出層が形成されない領域に、光硬化樹脂を形成するとともに硬化させる光硬化樹脂形成硬化工程と、
   前記光硬化樹脂における光不透過部を除く部分を硬化させた後に、回転軸の軸材の外周面における硬化部を除く部分に凹部を形成する凹部形成工程と、
   回転軸の軸材の外周面に磁性材料を溶射して、回転軸の軸材の外周面における前記光硬化樹脂の硬化部がない部分に、磁歪検出層を形成する磁歪検出層溶射工程と、
   を有し、
   前記光硬化樹脂形成硬化工程が、
   透光性を有するシート材に、光不透過部を印刷するとともに光硬化樹脂を積層させてマスキング材を形成するマスキング材形成工程と、
   前記回転軸の軸材に、前記マスキング材を、光硬化樹脂の面を合わせながら貼り付ける貼付工程と、
   前記シート材に光を照射して、前記光硬化樹脂における光不透過部を除く部分を硬化させる硬化工程と、
   前記シート材を取り外すとともに前記回転軸を外周から洗浄して前記光硬化樹脂における未硬化部分を除去する未硬化部除去工程と、
   を有し、
   前記磁歪検出層溶射工程で、前記回転軸の軸材の外周面に磁性材料を溶射して前記凹部に磁歪検出層を形成する
   ことを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。
2. 回転軸の軸材の外周面に磁性材料を溶射した後に光硬化樹脂の硬化部を除去する硬化部除去工程を有する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の製造方法。
3. 磁歪検出層が形成された回転軸の軸材の外周面を削る削り工程を有する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の製造方法。
4. 回転軸の外周面に磁気異方性を付与した磁歪検出層が形成されてなる磁歪式トルクセンサの製造方法であって、
   回転軸の軸材の外周面における、前記磁歪検出層が形成されない領域に、光硬化樹脂を形成するとともに硬化させる光硬化樹脂形成硬化工程と、
   前記光硬化樹脂における光不透過部を除く部分を硬化させた後に、回転軸の軸材の外周面における硬化部を除く部分に凹部を形成する凹部形成工程と、
   回転軸の軸材の外周面に磁性材料を溶射して、回転軸の軸材の外周面における前記光硬化樹脂の硬化部がない部分に、磁歪検出層を形成する磁歪検出層溶射工程と、
   を有し、
   前記光硬化樹脂形成硬化工程が、
   シート材に、磁歪検出層が形成されない領域に対応する光硬化樹脂を形成する光硬化樹脂形成工程と、
   回転軸の軸材に、光硬化樹脂が形成された前記シート材を、光硬化樹脂の面を合わせながら巻きつけて、光硬化樹脂を貼り付ける貼付工程と、
   前記光硬化樹脂に光を照射して、前記光硬化樹脂を硬化させる硬化工程と、
   を有し、
   前記磁歪検出層溶射工程で、前記回転軸の軸材の外周面に磁性材料を溶射して前記凹部に磁歪検出層を形成する
   ことを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。
5. 磁性材料からなる磁歪検出層と磁歪検出層が設けられていない非磁歪検出層部とが交互に配設され、磁歪検出層と非磁歪検出層部とが交互に配設されている領域における、磁歪検出層が設けられている面積の割合が５０〜８０％であるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
6. 前記磁歪検出層の厚みが０．１５〜０．６ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
7. 回転軸の軸材が、炭素鋼、クロムモリブデン鋼、またはステンレス鋼であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
8. 前記磁歪検出層をなす磁性材料が、磁性合金またはガラス材料であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
9. 光硬化樹脂が紫外線硬化樹脂であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の磁歪式トルクセンサの製造方法。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の磁歪式トルクセンサの製造方法により製造されたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
11. 請求項１０に記載の磁歪式トルクセンサを備えていることを特徴とする電動自転車。

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