測量應力的包含磁彈性材料層的傳感器以及製造層的方法

2023-05-10 01:41:11 1

專利名稱：測量應力的包含磁彈性材料層的傳感器以及製造層的方法
測量應力的包含磁彈性材料層的傳感器以及製造層的方法本申請是申請日為2009年8月19日、申請號為200980137591. 4、發明名稱為「用於測量應カ的包含磁彈性材料層的傳感器以及製造層的方法」的發明專利申請的分案申請。
_2] 技術領域及現有技術本發明涉及一種傳感器，其用於測量由施加到承載構件上的力引起的應力，其中傳感器包括形成於承載構件上的磁彈性材料層，且傳感器被設置用於在磁彈性材料層中產生時變磁場，檢測所述層中磁導率的變化，以及基於檢測到的所述層中磁導率的變化而確定所引起的應力。本發明也涉及用於製造這樣的層的方法。傳感器測量由施加到承載構件上的力引起的所述層中的應カ和/或應變。施加到承載構件上的カ為，例如拉力、壓カ或者扭矩，且承載構件為，例如金屬軸。以上描述類型的扭矩傳感器為本領域眾所周知，例如，從EP0309979。承載構件的目的是將負載傳遞到應カ
測量層。磁彈性材料，也表示為磁致伸縮材料，是ー種當由力負載時其磁導率改變的材料。磁彈性材料的示例有鐵、鎳、鈷及稀土金屬或者這些金屬的合金。當已經被暴露在強磁場時，硬磁性材料保持磁化。在已經暴露在強磁場中之後，軟磁性材料不能保持磁化。軟磁性材料與硬磁性材料的區別在於軟磁性材料在被磁化後不能保持穩恆磁場。硬磁性材料通常具有超過幾千A/m的矯頑力。軟磁性材料具有低很多的矯頑力，通常小於1000A/m。期望能夠測量在大負載範圍內的機械應カ。例如，在汽車エ業中，期望測量大小高達200-300MPa的扭矩引起剪切應力。另外，期望找到ー種由於抗機械及熱疲勞而長期穩定且為線性的扭矩測量設備，線性是指來自測量設備的輸出信號基本上與承載構件上的負載成比例。另外，期望降低或者甚至消除測量設備輸出信號中的蠕變，即在負載恆定時，輸出信號的值不應當改變。應當避免輸出信號中的磁滯，因為磁滯増大測量誤差。緻密層和在所述層及承載構件之間的良好的附著性是獲得長期穩定、具有大負載範圍及低磁滯的測量設備的前提。磁彈性效應從磁疇壁的移動的角度來解釋(參見例如「ModernMagneticMaterials」 第 7 章，作者 Robert C. 0' Handley, ISBN0-471-15566-7)，因此，磁疇的形狀和尺寸以及磁疇壁的移動性在基於磁彈性效應建立傳感器時極其重要。磁疇,即具有統一磁化方向的區域，具有被定義為磁疇壁的邊界。磁疇壁依賴於磁弾性材料的磁化方向而可在所述材料中移動。磁疇壁可在均勻單晶材料中自由移動，由於單晶在結構上及化學上都均勻，所述壁在其中不會遇到任何障礙。在非晶材料中，磁疇壁不會遇到任何障礙，因為在這樣的材料中，結構上或者化學上的變化比疇壁的厚度小得多。通常，軟磁性材料(例如NiFe或者FeCo)的磁疇壁厚度的數量級在幾百個納米，在極端情況下，達到Iym,因此,尺寸小於IOOnm的晶粒不能對疇壁形成有效障礙。在這些材料中，磁疇的形狀和尺寸依賴於退磁磁場以及試圖最小化磁化系統能量的磁化對象的形狀。W02007/106024公開了ー種用於製造在承載構件上的層的方法，所述層意圖用於測量由施加到承載構件上的力引起的應力，其中所述方法包含在所述構件的表面上形成平均晶粒尺寸小於50nm的磁彈性合金的納米晶層，以及熱處理所述層直到所述合金髮生結晶化且平均晶粒尺寸變為在IOOnm到IOOOOnm範圍內。由於所述方法製造了晶粒尺寸大到足以適應ー個或者只是幾個磁疇的微結構層，這種方法顯著地改善了所述層的應カ測量特性。平均晶粒尺寸小於50nm的納米晶層為結晶化及定製以上提到的微結構提供了有利的條件。晶粒尺寸大於IOOOOnm的微結構趨於具有較高的磁彈性靈敏度，當嘗試獲得上述提到的寬測量範圍時，其是不利的。所述層優選地藉助於電鍍而形成在所述構件上，因為電鍍是ー種用於獲得所期望的晶粒尺寸的磁彈性材料的合適方法。所述文件提到也可能使用其他方法將所述層施加到承載構件上，例如PVD(物理氣相沉積)方法，CVD(化學氣相沉積)方法，以及金屬噴鍍。然而，電鍍方法也有ー些缺點。缺點之一是在施加較厚層時電鍍需要花費很長時間。以上提到的在承載構件上的層適當地厚於30 u m,且優選地所述層的厚度在100 u m到300 y m之間。使用電鍍來施加這樣的厚層需要花費數小吋。因此，電鍍不是ー種在商業上有吸引力的將所述層施加到承載構件上的方法。電鍍的另ー缺點是其能夠導致所述層施加到的材料的強度降低，且對堅硬材料例如滲碳鋼尤其如此。所述層的施加快速且簡便從而經濟上可行很重要。ー個原子接ー個原子的層施加方法，例如物理或者化學氣相沉積，緩慢且在建立幾十或者幾百微米厚的層時其存在很大的局限性。粉末冶金方法，例如熱噴鍍、雷射熔覆及燒結的優點是在建立層厚度時非常快速且不損害承載層的強度。高速熱噴鍍技術是在其中將由顆粒形成的粉末噴鍍到表面的覆蓋エ藝。在應用粉末之前可加熱所述粉末。所述粉末通常饋入到噴鍍槍中，在噴鍍槍中，所述粉末能夠在被朝向將要被覆蓋的材料加速時被加熱。當噴鍍顆粒衝擊到表面上時，所述顆粒冷卻並建立形成所述覆蓋層的結構。粉末冶金方法的顯著特徵是當形成金屬層時，由於顆粒在覆蓋層中全部或者部分熔化而導致所製造的覆蓋層不均勻。通常，粉末中顆粒的表面由另ー種材料的外層覆蓋，通常為所述金屬的氧化物。顆粒的外層被包含在覆蓋層中且因此有助於所製造的覆蓋層的不均勻。許多粉末冶金方法的一個眾所周知的問題是由於在噴鍍過程中加熱粉末及金屬粉末與空氣接觸而導致的氧化。由於所製造的覆蓋層的不均勻以及在層沉積時相對高的溫度，高速熱噴鍍技術不適用於獲得具有所期望的一致的化學組分和晶粒尺寸的均勻納米晶層。因此，高速熱噴鍍技術不能用來製造要實施如W02007/106024所描述的方法所需要的均勻納米晶層。US6, 465，039公開了ー種用於在軸上形成磁致伸縮混合物覆蓋層的方法。通過低溫、高速噴鍍將磁致伸縮稀土鐵化合物(REF2)顆粒的粉末混合物及由噴鍍氣體流所承載的基質金屬顆粒施加到所述軸上。所述氣體的溫度可能在300攝氏度到1000攝氏度之間變化。針對所述軸，所噴鍍的基質金屬顆粒的顆粒尺寸範圍從63 y m到90 u m,及所噴鍍的磁致伸縮稀土鐵顆粒的顆粒尺寸範圍從63 y m到106 u m。所述覆蓋層自身包含硬磁性材料，因此在所述覆蓋層中產生及保持穩恆磁場。將具有覆蓋層的軸使用於傳感器中以測量施加到所述軸上的扭矩。由於所述覆蓋層磁導率的變化，穩恆磁場依賴於施加到所述軸上的扭矩而改變方向。為了使US6，465，039中描述的磁弾性傳感器成功操作，需要具有矯頑カ超過數千或者甚至數萬A/m的磁性硬材料，而這對於以層中的時變磁場在測量設備中引起電壓以便檢測磁導率的變化為原理而工作的磁彈性傳感器的情況來說是不需要具有的。發明目的及

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於製造具有良好應カ測量特性的磁彈性材料層的方法，所述方法克服了以上提到的伴隨電鍍的缺點。所述目的通過由權利要求1限定的方法來實現。這樣的方法包含以超過300m/s的速度朝向承載構件的表面加速平均尺寸在10 ii m到50 ii m範圍內的軟磁性並且磁彈性的材料的顆粒，使得被加速顆粒的平均溫度不高於所述磁彈性材料熔化溫度以上500攝氏度，但是也不低於所述磁彈性材料的熔化溫度以下500攝氏度。發明人出人意料地發現，與W02007/106024中描述的方法相比，這樣的方法獲得的層具有一祥好或者更好的應カ測量特性。該方法的ー個優點在於其非常快速，且因此經濟上可行，而且這樣的方法並不損害承載構件的強度。由於相對低的顆粒溫度及顆粒的高速度，層中的氧化水平保持低，且因此獲得傳感器輸出信號的低磁滯。另外，顆粒的高速度也提供了在層與承載構件之間良好的附著性。顆粒的平均溫度不應當低於熔化溫度以下500攝氏度，優選地，不低於熔化溫度以下200攝氏度，且更優選地，不低於熔化溫度以下100攝氏度。顆粒的平均溫度不應當高於熔化溫度以上500攝氏度，優選地，不高於熔化溫度以上200攝氏度，且更優選地，不高於熔化溫度以上100攝氏度。由於顆粒的平均溫度在顆粒熔化溫度附近，當將顆粒施加到承載構件的表面吋，大多數顆粒將至少部分熔化或者變形。這導致在所述層中形成許多區域，每個區域由具有明顯不同的化學或者結構特性的材料所包圍，由此當有磁場出現時，在各個區域之間形成疇壁。在區域中的材料與周圍的材料可能在化學組分、晶向和/或晶粒尺寸方面不同。被加速顆粒的尺寸、速度以及溫度強烈地影響區域尺寸。測試證明，加速平均尺寸在10 y m到50 u m範圍內且溫度接近磁彈性材料熔化溫度的顆粒可獲得平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm範圍內的區域。這種尺寸的區域形成ー個或者ー些磁疇。已經證明這樣的微結構可提供有利的應カ測量特性。因此，層的平均晶粒尺寸可在IOOnm以上，也可在IOOnm以下，且仍然可獲得有利的應カ測量特性。另外，顆粒平均溫度接近顆粒熔化溫度提供具有良好附著性的緻密層。為獲得具有所期望強度及密度的層以及對軸良好的附著性，如果至少ー些顆粒熔化會是ー個優點。磁彈性材料的熔化溫度通常為大約1500攝氏度。1800攝氏度附近的氣體溫度可獲得在磁彈性材料熔點附近的顆粒溫度，且因此可獲得部分熔化的顆粒。為獲得接近熔化溫度的溫度，藉助於具有溫度範圍在1500攝氏度到1900攝氏度之間的氣體來加速顆粒是合適的。由於磁彈性材料粉末顆粒只在熱氣體流中度過幾毫秒或者更少的時間，所述顆粒沒有時間在衝擊襯底時達到平衡溫度，即與所述氣體直接接觸的顆粒表面將會比顆粒中心達到更高的溫度。這是對於較大顆粒的情況。在通過熱氣體流運送的過程中，粉塵顆粒常常會熔化且會被氧化。這些大相逕庭的溫度條件對顆粒的氧化及對它們在形成層時的最終結晶尺寸有很大影響。容易理解的目標是在製造金屬層時降低氧化，從而這在磁彈性傳感器情況下產生傳感器的較低磁滯。較大的粉末顆粒將會導致與上述論述一致的非常低的氧化水平，但是反過來顆粒的附著性以及顆粒間的粘連兩者都將會受到損害。利用根據本發明的方法，可能獲得多個氧水平低於I %的重量百分比的磁彈性區域。完全熔化的顆粒容易氧化，且當顆粒衝擊到襯底時，所述顆粒驟冷到平均晶粒尺寸在IOOnm以下的納米晶結構中。熔化的顆粒中的氧含量依賴於承載氣體的溫度及氣體中的氧供應。利用根據本發明的方法，可有利地獲得熔化的顆粒的低氧化。另ー方面，未熔化的顆粒經常傾向於足夠溫暖以在朝向村底運送時再結晶並且以固態衝擊襯底，這導致晶粒尺寸相當大在幾千納米範圍內。每種金屬噴鍍沉積方法都具有最優顆粒尺寸，以允許獲得期望水平的熔化，從而獲得期望的晶粒尺寸以及具有良好附著性的緻密層。商業上可用的粉末包含一定範圍內不同尺寸的顆粒。因此，所述層變得對於晶體尺寸不均勻，這出人意料地給出幫助將層按磁彈性材料的直徑分解為幾百納米的區域的附加參數，給出期望的磁疇尺寸，以及允許定製磁彈性層的カ傳感器特性。例如金屬晶粒邊界、氧化物層或者區域、以及具有不同化學組分的層之類的結構特徵限定了磁疇邊界，且如果這些特徵相分離間隔至少lOOnm，它們能夠有效地形成對磁疇壁的障礙以及為磁疇壁提供釘扎。在超過IOOnm的範圍內且由這些結構以及層中的化學缺陷釘扎的磁疇提供期望的磁彈性傳感器特性，例如相對低的磁導率及磁彈性靈敏度。出人意料地，使用根據本發明的方法獲得所期望的相對低水平的磁導率以及磁彈性靈敏度，而不需要任何諸如退火之類的進一歩處理。優選地，磁彈性材料顆粒的平均尺寸在10 ii m到30 ii m範圍內。由此，確保儘可能多的區域具有在IOOnm到IOOOOnm範圍內的平均尺寸，然而，最優選地平均尺寸在IOOnm到IOOOnm範圍內。這個實施方式也提供了更加緻密且具有更好附著性的層。優選地，通過高速熱噴鍍方法將顆粒施加到承載構件，舉例來說，通過高速燃氣噴塗(HVAF)。HVAF提供在期望範圍內的顆粒溫度及速度、區域的低氧水平以及具有良好粘連的緻密覆蓋層。本發明的另一目的是提供擁有具有良好應カ測量特性的磁彈性層的傳感器，其中所述層能夠以克服了上述提到的伴隨電鍍的缺陷的方法形成於承載構件之上。該目的通過由權利要求6限定的傳感器來實現。這樣的傳感器的特徵在於所述層不均勻，且其包含平均晶粒尺寸在IOOnm以下且具有第一化學組分的第一相，以及具有顯著不同化學組分的第二相，其中所述第一相由所述第二相分割成平均尺寸在100到IOOOOnm範圍內的區域，且所述區域中的多個區域具有低於1%的重量百分比的氧水平。第一及第二相由熔化的粉末顆粒構成。第一及第二相具有顯著不同的化學組分，且第二相將第一相分割成多個區域，在有磁場出現時，所述區域相應地形成磁疇。由於其顯著不同的化學組分，第二相限定圍繞所述區域的磁疇壁。具有在高於IOOnm但是低於
IOOOOnm的範圍內的區域的微結構提供期望的磁彈性傳感器特性，例如相對低的磁導率及磁彈性靈敏度。根據本發明的傳感器具有大負載範圍、低磁滯以及低靈敏度以獲得線性傳感器。不均勻層的平均晶粒尺寸對於獲得期望的應カ測量特性來說不再像其在現有技術中那樣重要。重要的是區域的平均尺寸。在區域中低於1%的重量百分比的氧水平保證了傳感器輸出信號的低磁滯。氧水平的意思是相中的氧含量。可能存在氧水平高於1%的重量百分比的區域。然而，大部分的所述區域應當具有低於1%的重量百分比的氧水平以獲得期望的應カ測量特性。優選地，層中的至少50%的重量百分比的磁彈性材料應當具有低於1%的重量百分比的氧水平，以獲得低磁滯以及期望的低靈敏度。獲得期望的區域及疇壁釘扎的ー種替代是提供具有第一化學組分的區域，所述區域被具有與所述第一組分不同的第二化學組分的材料包圍。具有第一組分的區域與具有第ニ組分的周圍區域之間的邊界線形成疇壁。舉例來說，第一化學組分的氧水平低於1%的重量百分比，第二化學組分的氧水平高於5%的重量百分比。由於在噴鍍中加熱粉末及金屬粉末與空氣接觸，顆粒的表面將被氧化物層覆蓋。當部分熔化的顆粒擊中承載構件時，顆粒部分變形但是未完全破壞。氧化物層的殘餘將形成邊界，所述邊界能夠成為圍繞所述區域的磁疇壁，因此為磁弾性傳感器提供合適尺寸的磁疇。根據該實施方式，第二相由金屬氧化物構成。替代地，第二相可由碳氮化合物或者氟化物構成。純金屬或者非金屬也可形成第二相。獲得期望區域邊界，從而獲得期望磁疇壁釘扎位置(即磁疇壁的障礙物)的另ー種替代是提供平均晶粒尺寸在IOOnm到IOOOOnm範圍內的區域，所述區域被平均晶粒尺寸小於IOOnm的材料所包圍。具有較大晶粒尺寸的區域與具有較小晶粒尺寸的周圍區域之間的邊界線形成磁疇壁的障礙物。具有較小晶粒尺寸的區域由熔化的粉末顆粒構成。具有較大晶粒尺寸的區域由未熔化的粉末顆粒構成。這樣的層可如下製造，例如通過使用包含不同尺寸顆粒且包含一部分具有較小尺寸的顆粒的粉末，所述具有較小尺寸的顆粒在噴鍍過程中熔化且因此形成平均晶粒尺寸小於IOOnm的材料。根據本發明的一個實施方式，層包含平均晶粒尺寸超過IOOnm的第三相，第三相包含多個由第一及第二相包圍的顆粒，且每個顆粒包含ー個或者多個平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm範圍內且氧水平低於I %的重量百分比的區域，及每個區域由具有顯著不同結構特性的材料包圍。第三相由被熔化的顆粒包圍的未熔化顆粒構成。所述粉末顆粒包含ー個或者多個平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm範圍內的晶粒。晶粒具有不同的晶向。晶粒之間的邊界線限定磁疇壁。另外，在第一及第三相之間的邊界線也由於顯著不同的晶粒尺寸而形成磁疇壁。相應地，在有磁 場出現時，晶粒形成磁疇。優選地，第一和第二相佔到所述層的10-90%的重量百分比，且更優選地佔到所述層的20-80%的重量百分比。當第一與第三相的重量百分比基本相同時，可獲得最有利的應カ測量特性。合適地，通過熱噴鍍包含平均尺寸在10 ii m到50 ii m之間的材料顆粒的粉末而將磁彈性材料層形成於構件的表面上，以及所述第一及第二相由熔化的或者部分熔化的材料顆粒構成。熱噴鍍建立層厚度非常快速且不損害承載構件的強度。根據本發明的一個實施方式，磁彈性材料包含至少60%的原子百分比的金屬或者金屬合金，所述金屬或者金屬合金包含鐵、鎳及鈷構成的組中的一個或者多個組分。已經證明，能夠為層提供優異特性的合適合金為包含鐵在23-65%的重量百分比範圍內，優選地，25-50 %的重量百分比，且最優選地30-45 %的重量百分比，以及鎳在35-77 %的重量百分比範圍內，優選地50-75%的重量百分比，以及最優選地55-70%的重量百分比的合金。根據本發明的傳感器能夠，舉例來說，用於測量以下(但是不限於)諸物中的扭矩或者力，例如引擎、汽車、飛機、噴氣式引擎、自行車、變速箱、汽車中的助力轉向、工具、螺旋槳引擎或者直升機。根據本發明的傳感器對測量交通工具中的扭矩尤其有用。


現在將通過對本發明不同實施方式的描述以及參考所附的附圖對本發明進行詳
細解釋。圖1示出了包含被磁彈性層覆蓋的承載構件的測量設備的示例。圖2示出了根據本發明的磁致伸縮層的特徵微結構的圖示，所述層包含在其內部具有晶粒的顆粒及顆粒之間的先前熔化區域。圖3示出了根據本發明的磁致伸縮層的先前熔化區域的放大圖。圖4示出了根據本發明的磁致伸縮層的先前熔化區域的進ー步放大圖。圖5示出了包含由不同方法製造的磁彈性層的4個傳感器的磁滯作為扭矩的函數的實驗數據。本發明優選實施方式的詳細描述圖1示出了包含承載構件的測量設備的示例，所述承載構件是旋轉軸I的形式，其中所述旋轉軸I被設置用於利用任何類型的機械傳動來傳輸扭矩。所述設備適用於測量施加到承載構件上的扭矩。承載構件由具有足夠剛度的材料製成，例如鋼。磁彈性區域2提供於軸I上。磁彈性區域2包含磁彈性材料的第一層3，其在所述區域2中具有基本連續的延伸及厚度。在該實施方式中，磁彈性層3由噴鍍形成，且主要包含鐵和鎳。連續條帶形式的第二層4提供於第一層3之上。第二層4在第一層3上形成表面圖案。另外，測量設備包含用於提供交變磁場到測量設備的繞組5a-b。這種類型的測量設備在，例如國際專利申請TO01/44770中有更詳細描述。本發明涉及第ー磁彈性層3以及用於製造這樣的層的方法。實驗證明，包含在一定範圍內的鐵、鎳及其他合金成分的合金獲得良好的應カ測量特性。磁彈性層由，例如大致50%的重量百分比的鐵、大致50%的重量百分比的鎳及小於1%的重量百分比的其他合金成分組成。然而，雖然還未經測試，很可能特定比例的合金成分的其他組合也能夠使用根據本發明的方法而獲得相同的結果。本領域技術人員能夠通過合理實踐查明所述方法對其他合金成分是否也適用以及其在何種範圍內適用。舉例來說，鐵和鈷的組合或者鎳和鈷的組合有可能獲得相同的結果。根據本發明的用於製造層3材料的方法包含以至少300m/s的速度朝向承載構件I的表面加速平均尺寸在10 ii m到50 ii m範圍內的軟磁性並且磁彈性的材料的顆粒，使得被加速顆粒的平均溫度低於所述顆粒的熔化溫度，但是不低於所述熔化溫度以下500攝氏度。所述顆粒不包含任何硬磁性材料，只包含軟磁性材料。存在一些商業上可用的熱噴鍍方法。然而，這些方法在噴鍍顆粒溫度及速度方面不同。一種用來獲得期望的顆粒溫度及速度的尤其適用的方法是高速燃氣噴塗(HVAF)。HVAFエ藝在，例如由美國佛吉尼亞阿什蘭 UniqueCoat Technologies 的 A. Verstak 及 V. Baranovski 寫作的題為 「Activatedしombustion HVAF Coatings for Protection against Wear andHigh i'emperatureCorrosion"的文章中描述。根據HVAFエ藝，噴鍍粉末顆粒在被加速到速度遠大於700m/s時，被加熱到低於熔點的溫度，以形成緻密且具有最小熱退化的非氧化型沉積。
替代地，冷噴鍍(也稱為動力學噴鍍)與預加熱粉末一起使用，可用於將層施加到承載構件上。高速火焰噴塗(HVOF)也是ー種可能使用的方法。如果使用HV0F，則需要降低氧水平，舉例來說，通過選擇具有較大顆粒尺寸的粉末，在保護性環境或者真空中噴鍍。另ー種可能性是使用燒結來施加所述層。另ー種可能性是使用由不同方法施加的兩個或者多個層，以便組合不同噴鍍方法的優勢。舉例來說，使用HVOF將第一層施加到金屬軸上以獲得對軸具有良好粘連的層，然後使用冷噴鍍在第一層之上施加提供良好應カ測量特性的第ニ層。為獲得本發明有優勢的測量特性，應當避免使用將碳或者氮引入到所述層中的施加方法，例如雷射融覆以及磁彈性層的再熔化。如果在區域中碳和氮的總含量超過1%的重量百分比，則可能的風險是傳感器的磁滯會變得過高。上述提到的噴鍍方法並不會將碳或者氮併入到層的磁弾性部分，且因此是合適的方法。相應地，至少ー些區域中的碳和氮的總含量應當低於1%的重量百分比。如果所述方法還在層中引入氧，則在至少ー些區域中，碳、氮及氧的總含量應當低於1%的重量百分比。被噴鍍狀態中的噴鍍金屬層包含大量的缺陷，所述缺陷可被退火以穩定所述層的磁彈性特性。在金屬噴鍍沉積エ藝中，適合使用諸如Al2O3的硬顆粒，所述硬顆粒具有顯著較高的熔點且因此將中等程度地(通常為5-10%的體積百分比)併入到所述層中。這些顆粒在不顯著影響傳感器其他磁彈性特性的情況下，積極地影響所述層的附著性，因此積極影響傳感器的長期穩定性以及較低的磁彈性傳感器磁滯。圖2示出了根據本發明的並且通過根據本發明的方法製造的磁致伸縮層的特徵微結構的圖。所述層 包含不均勻磁彈性材料，例如鐵鎳合金，其具有晶粒尺寸顯著不同的溶化相及非熔化相。非熔化相包含多個源於粉末顆粒的顆粒10a-b。姆個顆粒包含一個或者多個晶粒12a_b。晶粒可能由氧化物層包圍。大多數晶粒12a_b具有低於1%的重量百分比的氧水平，且非熔化相中的晶粒平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm之間。晶粒形成氧低於1%的區域12a-b。每個區域可形成一個磁疇，即具有均勻磁化方向的區域。舉例來說，每個顆粒IOa僅包含一個晶粒,其相應地形成ー個區域12a。姆ー個顆粒IOb包含多個晶粒,姆個晶粒形成ー個區域12b。顆粒的晶粒具有不同的晶向，且因此在各個晶粒之間形成功能為各個區域之間疇壁的結構邊界。非熔化相的顆粒由熔化相材料14包圍。熔化相材料的平均晶粒尺寸小於lOOnm。熔化相材料由在噴鍍過程中已經熔化並且然後凝固的顆粒形成。兩個相之間的邊界也形成磁疇壁。圖3在放大圖中示出了熔化相材料。圖4在進ー步放大圖中示出了熔化相材料。如圖4所示，熔化相由在噴鍍過程中已經熔化的材料構成，其包含大量平均尺寸小於IOOnm的小晶粒15。大多數晶粒具有低於1%的重量百分比的氧化物水平。熔化相材料還包括其他化學組分、通常為氧化物的邊界17，其包圍晶粒15的區域18。在該示例中，邊界由金屬氧化物構成，且被叫做氧化物相。熔化相14由氧化物相分割成平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm範圍內的區域。所述區域中的多個區域具有低於1%的重量百分比的氧水平。邊界17的材料可能源自粉末顆粒上的氧化物覆蓋層。當顆粒熔化時，氧化物覆蓋層將會形成包圍小晶粒15的區域18的邊界。在這種情況下，邊界中的氧含量非常高，肯定大於5%的重量百分比。熔化相包括第一相以及第二相，所述第一相包含小晶粒的區域18，所述第二相包含不同化學組分的邊界17。由於晶粒15與邊界17顯著不同的組分，區域18之間的邊界17形成磁疇壁，且由邊界17包圍的區域18形成磁疇。區域18的平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm範圍內。因此，熔化相也包含多個氧水平低於I %的重量百分比的區域18。相應地，在圖2、圖3及圖4中示出的層具有兩種類型的區域，ー種12a-b由具有顯著不同結構特性(晶粒尺寸)的材料包圍，及ー種由具有顯著不同化學特性(組分)的材料包圍。這樣的層通過以下製造使用包含不同尺寸顆粒且具有一部分小尺寸顆粒的粉末，所述小尺寸顆粒在噴鍍過程中熔化，或者使用相當高的噴鍍溫度使得大量顆粒在噴鍍過程中熔化。圖5示出了作為施加到傳感器上的扭矩的函數的四個扭矩傳感器的輸出信號的磁滯的三條曲線A、B及C。應當避免輸出信號中的磁滯，因為磁滯増大測量誤差。三個傳感器中的每ー個包含由不同方法製造的磁彈性層3。所述曲線基於實驗數據。磁滯以針對測量區域+/-300Nm的滿標度的百分比(％)來表達。每個傳感器由使用包含鐵鎳合金(50%的重量百分比鐵及50%的重量百分比鎳)顆粒的粉末的高速噴鍍方法製造。鐵鎳合金的熔化溫度大約是1500攝氏度。三個方法之間的主要不同在幹在加速過程中承載顆粒的氣體流的溫度及相應的被加速顆粒的平均溫度，顆粒的速度以及顆粒的尺寸。曲線A對應的層由根據本發明的方法製造。被加速的粉末具有IOiim到30 iim的顆粒尺寸、大約1800攝氏度的氣體溫度、600-900m/s的顆粒速度及接近合金熔化溫度的平均顆粒溫度。這ー方法獲得了具有多個氧水平低於1%的重量百分比並且平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm範圍內的區域的層。然而，也有具有較高氧水平的區域，例如各個區域之間的邊界中。從圖中可以看出，這種方法製造了具有低磁滯且因此具有良好的測量特性的傳感器。曲線B對應的層由具有大於50 iim的平均顆粒尺寸、大約1800攝氏度的氣體溫度、600-900m/s的顆粒速度及低於合金熔化溫度的平均顆粒溫度的粉末製造。所述方法製造了具有很大一部分非熔化相的層，其導致了所述層緻密性差以及對襯底粘連差。從圖中可以看出，這種方法製造了具有高磁滯且因此具有差的測量特性的傳感器。由於大的平均顆粒尺寸，這樣的方法得到了對軸的附著性差且較不緻密的層。曲線C對應的層由具有10 ii m到30 ii m的平均顆粒尺寸、大約2800攝氏度的氣體溫度、300-800m/s的顆粒速度及遠高於合金熔化溫度的平均顆粒溫度的粉末製造。由於高的顆粒溫度，所述方法並未產生任何氧水平低於I %的重量百分比的區域。高的顆粒溫度使得在噴鍍過程中所有的顆粒都熔化。從圖中可以看出，這種方法製造了具有非常高的磁滯且因此具有非常差的測量特性的傳感器。從圖5可以清楚看出，根據本發明的方法製造了ー種具有顯著最低磁滯且因此具有最好的測量特性的傳感器。顆粒溫度能夠例如，藉助於噴鍍表(Oseir公司)來測量。顆粒的溫度依賴於氣體溫度以及顆粒尺寸。如果顆粒的平均尺寸太小，則顆粒將會被燒焦。如果顆粒的平均尺寸太大和/或如果被加速的顆粒的速度或顆粒的溫度太低，則結果是層與軸的附著性差。本發明並不限於所公開的實施方式，而是可能在以下權利要求的範圍內修改及變化。
權利要求
1.一種傳感器，其用於測量由施加到承載構件(I)上的力引起的應力，其中所述傳感器包括形成於所述承載構件上的磁彈性材料層(3)，且所述傳感器被設置用於在所述磁彈性層中產生時變磁場，檢測所述層中磁導率的變化，以及基於檢測到的所述層中磁導率的變化而確定所述應力， 其特徵在於，所述層不均勻，且包含平均晶粒尺寸低於IOOnm且具有第一化學組分的第一相，以及具有顯著不同化學組分的第二相(17)，所述第一相被所述第二相分割成平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm範圍內的區域(18)，且所述區域中的多個區域具有低於1%的重量百分比的氧水平。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述第二相具有超過5%的氧水平。
3.根據權利要求1或者2所述的傳感器，其中所述層包含多個被所述第一相和第二相包圍的顆粒，且每個顆粒包含一個或者多個平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm範圍內且氧水平低於1%的重量百分比的晶粒。
4.根據權利要求1-3中任一項權利要求所述的傳感器，其中第一相佔到所述層的10-90%的重量百分比。
5.根據權利要求1-4中任一項權利要求所述的傳感器，其中通過熱噴鍍包含平均尺寸在10-50 範圍內的材料顆粒的粉末，將所述磁彈性層形成在所述構件的表面上，以及所述第一及第二相由熔化的或者部分熔化的材料顆粒構成。
6.根據權利要求1-5中任一項權利要求所述的傳感器，其中所述磁彈性材料包含至少60%的原子百分比的金屬或者金屬合金，其中所述金屬或金屬合金包含選自鐵、鎳及鈷構成的組中的一個或者多個組分。
7.根據權利要求1-6中任一項權利要求所述的傳感器，其中所述磁彈性材料包含23-65%的重量百分比範圍內的鐵，以及35-77%的重量百分比範圍內的鎳。
8.根據權利要求1-7中任一項權利要求所述的傳感器，其中所述層中至少50%的重量百分比的所述磁彈性材料具有低於I%的重量百分比的氧水平。
9.根據權利要求1-8中任一項權利要求所述的傳感器，其中所述磁彈性材料包含23-65 %的重量百分比範圍內的鐵，優選地25-50 %的重量百分比，且最優選地30-45 %的重量百分比，以及在35-77%的重量百分比範圍內的鎳，優選地50-75%的重量百分比，且最優選地55-70 %的重量百分比。
10.根據權利要求1-9中任一項權利要求所述的傳感器用於測量交通工具中的扭矩的用途。
全文摘要
本發明公開了測量應力的包含磁彈性材料層的傳感器以及製造層的方法。所述傳感器用於測量由施加到承載構件上的力引起的應力。所述傳感器包含形成於承載構件上的磁彈性材料層。所述層為不均勻的，且包含平均晶粒尺寸低於100nm且具有第一化學組分的第一相，以及具有顯著不同化學組分的第二相(17)，第一相由第二相分割成平均尺寸在100nm到10000nm範圍內的區域(18)，且所述區域中的多個區域具有低於1％的重量百分比的氧水平。本發明也涉及以至少300m/s的速度朝向承載構件的表面加速軟磁性材料和平均尺寸在10μm到50μm範圍內的磁彈性材料的顆粒，使得被加速顆粒的平均溫度不高於所述磁彈性材料熔化溫度以上500攝氏度，但是也不低於所述磁彈性材料的熔化溫度以下500攝氏度。
文檔編號H01L41/22GK103033299SQ201210470680
公開日2013年4月10日 申請日期2009年8月19日 優先權日2008年9月25日
發明者H·林, A·米尼奧塔斯 申請人:Abb公司