专利名称：传感器、助力自行车、磁致伸缩元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及适于作为电动助力自行车等所使用的扭矩传感器的传感器、磁致伸缩元件，以及使用这些元件的助力自行车等。
背景技术：
近年来，依靠踏板的踩踏力，由电动机产生出作为辅助力的输出这样的具有辅助自行车驱动力的电动助力自行车日渐普及。
这样的电动助力自行车中，使用者只要踩踏踏板，扭矩传感器就会检测出该踩踏力，再根据所检测出的信息，由电动机输出与之相应的辅助力。
对于上述用途的扭矩传感器来说，需要小型轻便、且应答性好，因此，应答速度与以往的压电材料相比，有着天壤之别快的超磁致伸缩元件(以下简称为磁致伸缩元件)，非常适用于上述那样的电动助力自行车所用的扭矩传感器(参考，例如《超磁歪トルクセンサを用いた電動アシスト自転車の開発(使用超磁致伸缩扭矩传感器的电动助力自行车的开发)》角谷和重、河上日出生、青木英明、日本机器人学会、第16回日本机器人学会学术讲演会预稿集，pp.1193-1194、1998年)。
使用这样的磁致伸缩元件的扭矩传感器，若从外部输入踩踏力，磁致伸缩元件的尺寸发生变化，其导磁率也随之变化。该导磁率的变化，被设置在磁致伸缩元件周围的线圈作为电信号而取出，由此而检测出踩踏力。
作为使用于这样的扭矩传感器的磁致伸缩元件，是具有由式(1)RTy(这里，R为1种以上的稀土类金属元素，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4)所表示的组成的磁致伸缩元件，这里，R最好是Tb、Dy(例如，参考日本专利特开2003-3203号公报(第4页))。
然而，以往所开发的磁致伸缩元件，注重的是主要作为传动装置等来使用。因此，重视与电信号相对应的延伸方向的变形特性，着眼于获得较大的磁致伸缩值。
日本专利特开2003-3203号公报中有下述记载，作为磁致伸缩元件的原材料的合金，由式(2)TbxDy(1-x)表示，x如果在0.27＜x≤0.50的范围内更好。而且，由式(3)(TbxDy(1-x))Ty所表示的合金(T最好为Fe)，其饱和磁致伸缩系数大，可获得较大的磁致伸缩值。
但是，若使用上述组成的磁致伸缩元件作为扭矩传感器，则具有相对于温度变化的特性不稳定的问题。
详细来说就是，在比常温(大约20℃)更低的温度领域，磁致伸缩元件的电感大幅降低，由此，相对于所输入的踩踏力而输出的电信号就会由于温度关系而变得不稳定。若将这样的扭矩传感器用于电动助力自行车，在使用时由于温度环境的不同，即使以相同的踩踏力踩踏踏板，也会产生其辅助力比通常情况低等的现象。
发明内容
本发明的目的在于提供在上述技术问题的基础上，具有相对于温度变化较稳定的特性的传感器和磁致伸缩元件等。
而且，其另一目的在于，提供设有具有相对温度变化较稳定的特性的传感器的助力自行车。
若为上述目的，本发明的传感器特征在于，具备具有由(TbxDy(1-x))Ty所示组成的烧结体构成的磁致伸缩元件，这里，x在0.50＜x≤1.00的范围内，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4；以及设于磁致伸缩元件外周侧的线圈。
若将磁致伸缩元件中所包含的Tb的组成比x，设为0.50＜x≤1.00，则相对于温度变化，其输出可以相对稳定。
这样的传感器，特别是线圈，输出与压缩上述磁致伸缩元件的方向上的外力相对应的电信号，例如，最好作为扭矩传感器或压力传感器等。特别是，电动助力自行车中，最好使用该传感器作为用于检测踏板踩踏力的扭矩传感器。
本发明也可以提供磁致伸缩元件单体，该磁致伸缩元件是由具有(TbxDy(1-x))Ty所示组成的烧结体构成，这里，x在0.50＜x≤1.00的范围内，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4。
本发明也可以提供助力自行车，其具备自行车主体，具有踏板，且通过踏板的踩踏力来进行推进；传感器，输出与上述踏板的踩踏力相对应的电信号；以及辅助动力输出部，与从上述传感器输出的上述电信号相对应、输出辅助上述自行车主体的推进力的动力；上述传感器具备磁致伸缩元件，具有由(TbxDy(1-x))Ty所示的组成，且将上述踏板的踩踏力作为压缩力输入，使导磁率变化，这里x在0.50＜x≤1.00的范围内，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4；以及信号输出部件，用电信号输出上述磁致伸缩元件的导磁率的变化。
这里，作为辅助动力输出部，虽然是电动机等，但当然并不只限于此，也可以使用其他的驱动源。
本发明还可以提供磁致伸缩元件的制造方法，其特征在于，包含使原料粉末在磁场中成型而获得成型体的工序、将上述成型体烧结而得到具有由(TbxDy(1-x))Ty所示组成的烧结体的工序，这里，x在0.50＜x≤1.00的范围内，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4。
发明的效果若为本发明，将磁致伸缩元件中所含的Tb的组成比x设为0.50＜x≤1.00，由此使用这样的磁致伸缩元件而构成的传感器，其随温度变化的电感变化小，可获得稳定的输出。而且，具备这样的传感器的助力自行车，可以抑制由于使用环境的不同而得到的辅助力变化，总是可以得到稳定的辅助力。
图1是表示本实施方式的扭矩传感器的结构的图。
图2是表示电动助力自行车的结构的图。
图3是表示在实施例1中所制造的磁致伸缩元件上施加0～80kg的载荷后，而测量到的电感的结果的图表。
图4是表示在实施例1中所制造的磁致伸缩元件上施加0～240kg的载荷后，所测量到的电感的结果的图表。
图5是表示Tb的组成比x为0.28时的环境温度与电感变化量的关系的图。
图6是表示Tb的组成比x为0.30时的环境温度与电感变化量的关系的图。
图7是表示Tb的组成比x为0.32时的环境温度与电感变化量的关系的图。
图8是表示Tb的组成比x为0.34时的环境温度与电感变化量的关系的图。
图9是表示Tb的组成比x为0.40时的环境温度与电感变化量的关系的图。
图10是表示Tb的组成比x为0.60时的环境温度与电感变化量的关系的图。
图11是表示Tb的组成比x为1.00时的环境温度与电感变化量的关系的图。
图12是表示Tb的组成比x与温度特性系数P的关系的图。
具体实施例方式
下面，根据附图所示的实施方式详细说明本发明。
图1是用于说明本实施方式中扭矩传感器(传感器)10的结构的附图。
如该图1所示，扭矩传感器10具备例如圆柱形的磁致伸缩元件11、缠绕在磁致伸缩元件11的外周面上的线圈(信号输出部件)12。
在这样的扭矩传感器10中，若从外部输入磁致伸缩元件11的轴线方向上的压缩力P，则磁致伸缩元件11就在轴线方向上缩小变形，其导磁率变化，因此通过线圈12可将该导磁率的变化作为电信号输出。
这样的扭矩传感器10，例如图2所示，被安装在电动助力自行车(带助力自行车)100用的曲柄部件20上，若通过踏板21输入踩踏力，则通过滑环22将上述踩踏力作用在扭矩传感器10的磁致伸缩元件11上。若由扭矩传感器10输出与该踩踏力相对应的电信号，则通过控制器30的控制，将与上述电信号相对应的辅助力由电动机(辅助力输出部)40输出，从而使车轮120旋转，由此来辅助电动助力自行车100的车体(自行车主体)110的推进力。
而且，这样的磁致伸缩元件11，是通过将由式(1)RTy(这里，R为1种以上的稀土类金属元素，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4。)所示组成的合金粉烧结而成的。
这里，R表示的是，从镧族、锕族的稀土类金属元素中选出的1种以上，稀土类金属元素是含有Y的概念。这些之中，R最好是Nd、Pr、Sm、Tb、Dy、Ho这些稀土类金属元素，Tb、Dy更加好，也可以将这些混合使用。T表示的是1种以上的过渡金属元素。其中，作为T，最好是Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Mo等过渡金属元素，Fe、Co、Ni更好，也可以将这些混合使用。
由式(1)RTy所示的合金中，y表示1＜y＜4。RTy中，y＝2，R和T所形成的RT2莱维氏型(ラ一ベス(Laves)型)金属互化物，居里温度高，磁致伸缩值大，因此适用于磁致伸缩元件11。因此，当y在1以下时，在烧结后的热处理中R-rich相析出从而磁致伸缩值下降；当y在4以上时，RT3相和RT5相增多，磁致伸缩值下降。当y大于4时，RT3相和RT5相增多，磁致伸缩值下降。因此，为了增加RT2相，y应处于1＜y＜4的范围。y在1.5≤y≤2.0的范围更佳，1.80≤y≤1.95更好。
R也可以将稀土类金属混合，最好是将Tb和Dy混合使用。而且，在由式(2)TbxDy(1-x)所示的合金中，x必须处于0.50＜x≤1.00的范围。由此，由式(3)(TbxDy(1-x))Ty所示的合金中，随温度的变化电感的变化较小，具有稳定的温度特性。这里，若在0.50以下，使用该磁致伸缩元件11构成扭矩传感器10等的传感器的情况下，相对于环境温度，电感发生变化，特别是在低温区域，电感下降。
这里，x是，x＝1.00，也就是含有不含Dy的情况的物质。虽然通过含有预定量的Dy，可使方向性提高，且得到较大的磁致伸缩值，但扭矩传感器10等，在比起磁致伸缩值更重视压缩方向的变位的情况下，Dy的含量即使减少也无妨，而且，就扭矩传感器10所要求的特性来说，也可以不含有Dy。当然即使在这种情况下，若与以往的使用压电元件等的情况相比，具有很高的应答性等。
x的较佳范围是0.50＜x≤0.75。
作为T来说，最好是Fe。Fe与Tb、Dy形成金属互化物(Tb、Dy)Fe2，以得到具有较大磁致伸缩值、且磁致伸缩特性高的烧结体。这时，也可以是由Co、Ni将部分Fe置换而得的物质。Co使磁各向异性增大，导磁率降低，而Ni使居里温度下降，结果使得在常温、高磁场中的磁致伸缩值下降。由此，T中所占的Fe的比例最好在70wt％以上，在80wt％以上更好。
而且，在合金粉的一部分中最好含有经过氢吸留处理过的原料。若在合金粉中吸留有氢，就会产生畸变，由于其内部应力作用会产生破裂。因此，混合后的合金粉在形成成型体的时候受到压力，在混合状态的内部粉碎细化，烧结时就可得到致密的高密度烧结体。而且，由于Tb、Dy稀土类金属元素易于氧化，只要接触到一点氧，就会在其表面形成熔点很高的氧化膜，因而抑制烧结的进行，但通过吸留氢，就可以使氧化难以进行。因此，使合金粉的一部分进行氢吸留处理，就可以制造高密度的烧结体。
这里，将氢作为吸留原料，最好是由式(4)DybT(1-b)所示的组成，其中b为0.37≤b≤1.00。T可以只是Fe，也可以由Co、Ni将Fe的一部分置换而成。这样，就可以提高原料合金粉的烧结体密度。
在本实施方式中，例如，将原料粉在650℃以上的升温过程中的温度区间或者/以及1150℃以上1230℃以下的稳定温度区间内，氢气环境下或者氢气和惰性气体的混合环境下烧结，其中的氢气和惰性气体的混合环境如式(5)所示，氢气∶氩(Ar)气＝X∶100-X，式(5)中的X(vol％)为0＜X＜50。
式(1)RTy中所示的合金，是至少将原料粉在650℃以上的升温过程中、氢气以及惰性气体的混合环境下进行生成的。
烧结，是指将成型的原料粉在炉中升温热处理。升温速度以3～20℃/min进行。升温速度若不到3℃/min则生产性低下，但升温速度若超过20℃/min，则原料粉中原子的扩散变得不充分，就不会产生偏析和异相。适用上述氢气和惰性气体的混合环境的温度区间要在650℃以上，因为在低温下氢气吸留容易，若在不到650℃就导入氢气，则会降低磁致伸缩值。
烧结，最好在温度大概保持一定的稳定温度下进行。该稳定温度最好在1150～1230℃的范围。稳定温度若不够1150℃，无法促进烧结因而主相颗粒直径变小磁致伸缩值下降，若稳定温度超过1230℃，则接近由RTy所示的合金熔点，因此烧结体会产生熔融。
R极易与氧产生反应，而形成稳定的稀土类氧化物。这些氧化物无法显示出实用中成为磁性材料那样的磁特性。在高温烧结时即使接触到一点氧气，也会大大降低烧结体的磁特性，因此在烧结等热处理中，最好在含有氢气的环境下。而且，作为防氧化的环境，虽然可以在惰性气体环境下，但若只有惰性气体，很难完全去除氧气，就会在极易与氧气产生反应的稀土类金属元素上形成氧化物，因此为了防止该氧化，最好使用氢气与惰性气体混合的气体环境。
作为含有氢气的还原性环境，最好是如式(5)所示，氢气∶氩(Ar)气＝X∶100-X，其中的X(vol％)为0＜X＜50。Ar气为惰性气体，不会氧化R，因此与氢气混合可得到具有还原作用的环境。由于具有该还原作用，X(vol％)至少是0＜X。而且，X(vol％)若为50≤X，则还原作用饱和，因此X＜50为佳。这里，升温过程的650℃以上的温度区间中，氢气和Ar气混合的环境为好，而且，在稳定温度区间，成为氢气和Ar气混合的环境更好。
磁致伸缩元件11的制造工序的流程详情如下所述。
首先，作为原料之一，称量Tb、Dy、Fe，在Ar气的惰性气体环境中熔融，以制造合金(下面，将其记作“原料A”)。这里，原料A是，例如Tb0.4Dy0.6Fe1.95的组成。将该原料A在1170℃下稳定20小时进行退火热处理，使合金制造时的各金属元素的浓度分布均匀，并消除析出的异相，例如由布朗磨(ブラウンミル)粉碎而得到粗粉。而且，将该粗粉用筛子除去2mm以上的部分。
而且，作为原料之一，称量Dy、Fe，在Ar气体的惰性气体环境中熔融，以制造合金(下面，将其记作“原料B”)。这里，作为原料B，是例如Dy2.0Fe的组成。将该原料B在氢气环境(氢浓度80％)中，150℃下稳定1小时进行热处理，吸留大约18000ppm氢。并将该原料B用筛子去除2mm以上的部分。
而且，作为原料之一，将Fe在氢气环境中300℃下稳定1小时进行热处理，由此通过还原作用将氧从例如3000ppm降低到1500ppm左右，并以例如雾化器粉碎而使用(以下，将其记作“原料C”)。
下面，称量所得的原料A、B、C之后，将其通过雾化器在Ar气惰性气体环境中粉碎混合，而得到组成为例如Tb0.6Dy0.4Fe1.88的合金粉(原料粉末)。
然后，将所得的合金粉装入模具，以预定强度、例如12kOe的横磁场中，以8ton/cm2的压力成型，而得到成型体。这时，为防止氧化，合金粉被移至填充着氮气的配管内。为了提高合金粉的流动性，对其提供全氟代聚醚(パ一フルオロポリエ一テル)的蒸汽等也有效。
而且，将所得的成型体在炉中升温到预定的温度分布，而得烧结体。这时，例如最好在1150～1230℃的稳定温度区间进行烧制，起初在Ar气的环境下开始升温，并在升温途中导入氢，在35vol％的氢气和65vol％的Ar气混合的环境下进行烧制，然后，成为Ar气的环境。
对于这样所得的烧结体，在经过时效处理以后，通过将烧结体分割成所定尺寸，就可得到磁致伸缩元件11。
实施例1这里，是通过上述那样的制造方法所制造的磁致伸缩元件11，在形成该磁致伸缩元件11的合金组成中，改变式(2)TbxDy(1-x)中的x、也就是Tb的组成比，来评价磁致伸缩元件11的温度特性，其结果如下所示。
评价用的试料，是将Tb的组成比x如下所示而成。
条件1x＝0.28、合金组成Tb0.28Dy0.72Fe1.875、条件2x＝0.30、合金组成Tb0.30Dy0.70Fe1.875、条件3x＝0.32、合金组成Tb0.32Dy0.68Fe1.875、条件4x＝0.34、合金组成Tb0.34Dy0.66Fe0.875、条件5x＝0.40、合金组成Tb0.40Dy0.60Fe1.875、条件6x＝0.60、合金组成Tb0.60Dy0.40Fe1.875、条件7x＝1.00、合金组成Tb1.00Fe1.875。
将上述条件1～7的磁致伸缩元件11，分别通过上述制造方法制造。磁致伸缩元件11的尺寸为直径7.4mm×长度3mm的圆柱形。
而且，将线圈12分别安装在磁致伸缩元件11的周围，将环境温度设置为-20、0、20、40、60℃，在各个温度下，对磁致伸缩元件11施加载荷0～80kg、0～240kg，并测量电感。
若施加0～80kg的载荷，所测量的电感结果如图3所示。若施加0～240kg的载荷，则测量的电感结果如图4所示。根据测量结果而来的解析结果如图5～图11所示。
在图3中，“L0”是载荷为0kg时的电感测量值、“L80”是载荷为80kg时的电感测量值，“ΔL80”是载荷从0kg变化到80kg是电感的变化量(L80的电感测量值和L0的电感测量值的差)。同样，图4中，“L0”是载荷为0kg时的电感测量值，“L240”是载荷为240kg时的电感测量值，“ΔL240”是载荷从0kg变化到240kg时的电感变化量(L240的电感测量值和L0的电感测量值的差)。
图5是在条件1下的环境温度和电感变化量的关系，同样，图6、图7、图8、图9、图10、图11分别表示的是在条件2、条件3、条件4、条件5、条件6、条件7下的环境温度与电感变化量的关系。
这里，在图5～图11中，求得温度变化所对应的ΔL80、ΔL240的电感变化量的关系的近似式(如图5～图11中所示)。
近似式y＝Px+R中，系数(下面，将其称作温度特性系数)P表示的是温度变化所对应的电感变化量的斜率。相对于温度变化，显示出较高的稳定性，对此，该温度特性系数越小越好。因此，条件1～7、也就是Tb的组成比，与Δ80、Δ240各自的温度特性系数P的关系如图12所示。
如该图12所示，通过使Tb的组成比x处于0.50以上，与组成比x不到0.50的情况相比，温度特性系数P显著降低。
实施例2
除了将上述原料A～原料C按照下述组成来称量、混合以外，在与实施例1相同的条件下制造了磁致伸缩元件11(条件8～11)，并且，就条件8～11也求得ΔL80、ΔL240各自的温度特性系数P。其结果如表1所示。
条件8x＝0.60、合金组成Tb0.60Dy0.40Fe1.5条件9x＝0.60、合金组成Tb0.60Dy0.40Fe3.0条件10x＝0.70、合金组成Tb0.70Dy0.30Fe1.875条件11x＝0.90，合金组成Tb0.90Dy0.10Fe1.875。
表1
权利要求
1.传感器，其特征在于，包括具有由(TbxDy(1-x))Ty所示组成的烧结体构成的磁致伸缩元件，这里，x在0.50＜x≤1.00的范围内，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4；以及设于磁致伸缩元件外周侧的线圈。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，上述线圈输出与压缩上述磁致伸缩元件的方向上的外力相对应的电信号。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，上述传感器是用于电动助力自行车的扭矩传感器，可检测上述电动助力自行车中踏板的踩踏力。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，上述磁致伸缩元件为圆柱形，上述线圈被缠绕在上述磁致伸缩元件的外周面上。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，上述x小于1.00。
6.磁致伸缩元件，其特征在于，由具有(TbxDy(1-x))Ty所示组成的烧结体构成，这里，x在0.50＜x≤1.00的范围内，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4。
7.如权利要求6所示的磁致伸缩元件，其特征在于，上述x为0.50＜x≤0.75。
8.助力自行车，其具备自行车主体，具有踏板，且通过踏板的踩踏力来进行推进；传感器，输出与上述踏板的踩踏力相对应的电信号；以及辅助动力输出部，与从上述传感器输出的上述电信号相对应、输出辅助上述自行车主体的推进力的动力；上述传感器具备磁致伸缩元件，具有由(TbxDy(1-x))Ty所示的组成，且将上述踏板的踩踏力作为压缩力输入，使导磁率变化，这里x在0.50＜x≤1.00的范围内，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4；以及信号输出部件，用电信号输出上述磁致伸缩元件的导磁率的变化。
9.如权利要求8所述的助力自行车，其特征在于，上述辅助动力输出部是电动机。
10.如权利要求8所述的助力自行车，其特征在于，上述信号输出部件是线圈。
11.如权利要求8所述的助力自行车，其特征在于，上述磁致伸缩元件为圆柱形。
12.如权利要求8所述的助力自行车，其特征在于，上述x为0.50＜x≤0.75。
13.如权利要求8所述的助力自行车，其特征在于，上述y为1.80≤y≤1.95。
14.磁致伸缩元件的制造方法，其特征在于，包含使原料粉末在磁场中成型而获得成型体的工序、将上述成型体烧结而得到具有由(TbxDy(1-x))Ty所示组成的烧结体的工序，这里，x在0.50＜x≤1.00的范围内，T为1种以上的过渡金属元素，y表示1＜y＜4。
全文摘要
本发明的目的在于提供相对温度变化具有稳定特性的传感器、磁致伸缩元件等。其中，检测电动助力自行车的踩踏力的扭矩传感器具备具有由(Tb
文档编号G01L1/12GK1667385SQ20051005277
公开日2005年9月14日 申请日期2005年3月14日 优先权日2004年3月12日
发明者野老诚吾, 森辉夫 申请人:Tdk株式会社