JP6698082B2 - 磁歪式センサ、磁性構造体およびその製造方法、ならびに、磁歪式センサを備えたモータ駆動ユニットおよび電動アシスト付き自転車 - Google Patents
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Description
(A)前記第1断面において、前記少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、前記軸線を中心として時計回りに並んでいる。
(B)前記第1断面において、前記少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、前記磁歪部の厚み方向に並んでいる。
(C)前記第2断面において、前記少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、前記軸線に沿って並んでいる。
1.1.磁歪式センサの構成
図1は、本発明の一実施形態に係る磁歪式センサの概略構成を示す部分断面図である。以下の説明では、磁歪式センサの一例として、図示しない回転軸に取り付けられた基材21に作用するトルクを検知するための磁歪式トルクセンサ(以下、単に「トルクセンサ」と表記する場合もある。)1について説明する。なお、図1では、説明のために、トルクセンサ1の構成を模式的に示す。
図3に示す磁歪膜2の磁歪列部2aの長さL/幅Wは、例えば、下記式(2)を満たす。磁歪列部2aは、軸線Aに直交する方向から見て、磁歪膜2の領域2bでは、軸線Aに対して交差する第1の方向に延びている。磁歪列部2aは、軸線Aに直交する方向から見て、磁歪膜2の領域2cでは、前記第1の方向と交差する第2の方向に延びている。すなわち、磁歪列部2aは、基材21の軸線方向において、磁歪膜2の中央部分に、角度θで折れ曲がった曲部Zを有する。磁歪膜2は、例えば、下記式(1)で定義される被覆率が30%以上95%以下となるように形成される。
30≦長さL/幅W≦120 ・・・(2)
図4は、図1に示す磁性構造体20の断面を模式的に示す図である。図4に示す断面は、磁歪列部2aにおいて延伸方向と直交する面で磁性構造体20を切断することにより得られる断面である。より具体的には、図4に示す断面は、磁歪列部2aを第1の方向(図2における磁歪膜2の端部Xから曲部Zに向かう方向)と垂直な面で切断した場合の断面(図3のC−C線に沿って紙面と垂直方向に切断した断面)である。図4に示すように、磁性構造体20は、円筒状の基材21と、該基材21の外周面21sに設けられた磁歪膜2とを含む。なお、図4における「M」は、図3の「W」に相当する。
磁歪膜2は、磁性体材料を含む材料によって構成されている。例えば、前記磁性体材料は、Ni、Fe、Co、およびCrから選ばれる少なくとも1種の金属を含むことが好ましい。本実施形態では、磁歪膜2は、複数の元素を含む。前記複数の元素のうちの少なくとも1種は、例えば、強磁性体を形成する元素であることが好ましい。この場合、トルクセンサ1の感度を高めることができる。強磁性体を形成する元素とは、例えば、Fe、Co、またはNiである。より高い透磁率およびより高い磁歪効果を得られるという観点から、前記磁性体材料は、Feと、Ni、CoおよびCrから選ばれる少なくとも1種とを含むことがより好ましい。また、磁歪膜2は、Al、Ti、Ge、Mo、Ag、Cu等の金属、および/または、Si、B、S、C、O、N等の非金属材料をさらに含んでいてもよい。
本実施形態では、磁歪膜2において、複数の元素のうち少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が存在する。以下、図面を用いて具体的に説明する。
基材21は、磁歪膜2と異なる材料、例えば、磁歪膜2よりも透磁率が低い材料によって構成されている。基材21は、磁性体材料によって構成されるのが好ましく、Fe、Ni、Co、Cr等の磁性体材料によって構成されるのがより好ましい。なお、基材21は、Al、Ti、Ge、Mo、Ag、Cu等の金属、および/またはSi、B、S、C、O、N等の非金属の非磁性体材料を含んでいてもよい。
磁性構造体20は、磁歪膜2の表面に設けられたレジスト層をさらに含んでいてもよい。この場合、レジスト層の膜厚は45μm以下が好ましい
図10の(a)および(b)は、磁性構造体20の製造方法を説明するための図である。なお、図10は、磁性構造体20の製造過程において、基材21、磁歪膜2、レジスト層91等を、図4と同じ面で切断して示す断面図である。
本発明の一実施形態に係る電動アシスト付き自転車(例えば、二輪車、三輪車または四輪車)は、上記実施形態に係るトルクセンサ1を備える。本実施形態に係る電動アシスト付き自転車10では、例えば、搭乗者がペダルを踏むことによって生じるトルクをトルクセンサ1が検出する。電動アシスト付き自転車10では、トルクセンサ1によって検出したトルクの値に基づいて、電動モータの駆動が制御される。
本実施形態では、磁歪膜(磁歪部)2が、下記の(a)、(b)および(c)に示す要件のうち少なくとも一つの要件を満たす。これにより、磁歪膜2の内部に応力を発生させることができる。その結果、磁歪膜2を構成する材料の化学組成が、目標とする化学組成からある程度外れていても、トルクセンサ1の感度を十分に高めることができる。すなわち、トルクセンサ1の感度を高くすること、およびトルクセンサ1の生産を容易にすることを両立させることができる。したがって、感度の高いトルクセンサ1を効率よく生産することができる。
(a)磁性構造体20の第1断面において、少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、軸線Aを中心として時計回りに並んでいる。
(b)磁性構造体20の第1断面において、少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、磁歪膜2の厚み方向に並んでいる。
(c)磁性構造体20の第2断面において、少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、軸線Aに沿って並んでいる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
(a1)磁性構造体20aの第1断面において、少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、軸線Aを中心として時計回りに並んでいる。
(b1)磁性構造体20aの第1断面において、少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、磁歪膜2の厚み方向に並んでいる。
(c1)磁性構造体20aの第2断面において、少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、軸線Aに沿って並んでいる。
図10に示す製造方法にて、めっき法により、図3に示す磁歪列部2aおよび図4に示す断面を有する磁歪膜2が形成された磁性構造体20を複数得た。めっきは、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、硫酸鉄(II)、ホウ酸等からなる公知のNi−Fe合金浴(ワット浴)によって行った。めっき条件は、pH3、浴温55℃、電流密度5〜20A/dm2とした。また、基材21を周方向に3回転/分で回転させながらめっきを行うことにより、得られるめっき膜(磁歪膜2)の膜厚の均一性を確保した。
磁歪膜2を形成するためのレジスト層91の厚みを50μmにした以外は、実施例1と同様の方法にて、図2に示す磁歪列部2aおよび図4に示す断面を有する磁歪膜2が形成された磁性構造体20を得た。本実施例に係る磁性構造体20を備えたトルクセンサ1においても、実施例1に係るトルクセンサ1よりも若干感度が劣るものの、実施例1に係るトルクセンサ1と同様の効果が確認できた。
磁歪膜2を成膜する際に、貯留しているめっき液が互いに異なる2つ以上のめっき槽を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法にて、図2に示す磁歪列部2aおよび図4に示す断面を有する磁性構造体20を得た。本実施例に係る磁性構造体20の磁歪膜2では、厚さ方向において、Fe濃度が変化する。本実施例に係る磁性構造体20を備えたトルクセンサ1においても、実施例1に係るトルクセンサ1と同様の効果が確認できた。
Claims (14)
- 軸線に沿って延びる柱状の基材と、前記基材の外周面の上に設けられ且つ複数の元素を含むめっき膜で構成される磁歪部とを有する磁性構造体を備え、
前記磁歪部において、前記複数の元素のうち少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が複数存在し、
前記磁性構造体において、前記軸線に直交する断面を第1断面と定義し、前記第1断面に直交し且つ前記軸線を通る断面を第2断面と定義した場合に、
前記磁歪部が、下記の(A)、(B)および(C)に示す要件のうち少なくとも一つの要件を満たす、磁歪式センサ。
(A)前記第1断面において、前記少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、前記軸線を中心とした周方向に並んでいる。
(B)前記第1断面において、前記少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、前記磁歪部の厚み方向に並んでいる。
(C)前記第2断面において、前記少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、前記軸線に沿って並んでいる。 - 前記少なくとも1種の元素は、強磁性体を形成する元素である、請求項1に記載の磁歪式センサ。
- 前記磁歪部を前記厚み方向における外方から囲むように配置されたコイルをさらに備える、請求項1または2に記載の磁歪式センサ。
- 前記コイルは、前記軸線に沿って、複数並んで配置されている、請求項3に記載の磁歪式センサ。
- 前記磁歪部は、Ni、Fe、Co、およびCrから選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む、請求項1から4のいずれかに記載の磁歪式センサ。
- 前記磁歪部は、列状に延びる複数の磁歪列部を有し、
前記複数の磁歪列部のうち少なくとも一部は、該一部を含む磁歪列部をその延伸方向と直交する断面で見て、前記基材の外周面に平行な方向において、最も長い部分の長さが、前記一部を含む磁歪列部と前記基材の外周面との接触部分の長さよりも大きく、且つ、前記接触部分と、前記磁歪列部の隣りの磁歪列部と前記基材の外周面との接触部分との間隔よりも大きい、請求項1から5のいずれかに記載の磁歪式センサ。 - 前記複数の磁歪列部のうち前記少なくとも一部は、該一部を含む前記磁歪列部をその延伸方向と直交する断面で見て、前記最も長い部分の長さが、前記磁歪列部の厚み方向における高さよりも大きい、請求項6に記載の磁歪式センサ。
- 前記複数の磁歪列部のうち前記少なくとも一部は、該一部を含む前記磁歪列部をその延伸方向と直交する断面で見て、前記磁歪列部の厚み方向における高さが、前記基材の外周面から前記磁歪列部における前記最も長い部分までの前記厚み方向の高さよりも大きい、請求項6または7に記載の磁歪式センサ。
- 前記複数の磁歪列部のうち前記少なくとも一部は、該一部を含む前記磁歪列部をその延伸方向と直交する断面で見て、前記磁歪列部の厚み方向における高さの半分は、前記基材の外周面から前記磁歪列部における前記最も長い部分までの前記厚み方向の高さ以上である、請求項8に記載の磁歪式センサ。
- 前記複数の磁歪列部のうち前記少なくとも一部は、該一部を含む前記磁歪列部をその延伸方向と直交する断面で見て、前記接触部分と、隣りの磁歪列部と前記基材の外表面との接触部分との間隔が、前記基材の外周面に平行な方向において、前記最も長い部分が前記接触部分に対して前記隣りの磁歪列部に向かって突出する長さと、前記隣りの磁歪列部において最も長い部分が該隣りの磁歪列部と前記基材との接触部分に対して前記磁歪列部に向かって突出する長さとの和よりも大きい、請求項6から9のいずれかに記載の磁歪式センサ。
- 軸線に沿って延びる柱状の基材と、前記基材の外周面の上に設けられ且つ複数の元素を含むめっき膜で構成される磁歪部とを有する磁性構造体であって、
前記磁歪部において、前記複数の元素のうち少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が複数存在し、
前記軸線に直交する断面を第1断面と定義し、前記第1断面に直交し且つ前記軸線を通る断面を第2断面と定義した場合に、
前記磁歪部が、下記の(A)、(B)および(C)に示す要件のうち少なくとも一つの要件を満たす、磁性構造体。
(A)前記第1断面において、前記少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、前記軸線を中心とした周方向に並んでいる。
(B)前記第1断面において、前記少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、前記磁歪部の厚み方向に並んでいる。
(C)前記第2断面において、前記少なくとも1種の元素の濃度が互いに異なる部分が、前記軸線に沿って並んでいる。 - 請求項11に記載の磁性構造体の製造方法であって、
前記基材の外周面上に、所定のパターンを有するレジスト層を形成する工程と、
前記レジスト層が設けられた前記基材の外周面上に、前記磁歪部を形成する工程とを有する、磁性構造体の製造方法。 - 請求項1から10のいずれか一つに記載の磁歪式センサを備えた、モータ駆動ユニット。
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