JPH05215618A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定軸の基体表面に高磁歪材料を金属組織
的に融合させるときや、被測定軸の基体に対して高降伏
点化のための焼入れなどの強化処理を行なうときに、高
磁歪材料に割れが発生するのを防止する。 【構成】 被測定軸２と、被測定軸２を磁路の一部とす
る磁気回路を形成する励磁手段としてのコイル６ａ，６
ｂと、被測定軸２の磁歪成分を検出する検出手段として
のコイル６ａ，６ｂを具備してなり、被測定軸２は強化
処理により高降伏点を有するものとなる材料を基体２ａ
として、その表面に高磁歪材料２ｂを金属組織的に融合
させたものとし、被測定軸２の軸心方向断面における基
体２ａと高磁歪材料２ｂとの融合界面のうちの少なくと
も軸心方向両端部２ｃ，２ｄを傾斜させて形成し、被測
定軸２の少なくとも高磁歪材料２ｂの部分に形状磁気異
方性部５ａ，５ｂを設けたトルク検出装置１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、被測定軸に加えられ
るトルクを検出するのに利用されるトルク検出装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種のトルク検出装置として
は、例えば、特開昭６２−１８５１３６号公報に示され
たものがあるが、このトルク検出装置は、トルクの大き
い領域も含まれる場合に、トルク−出力特性の出力が飽
和してしまうため、実用性に乏しいという問題点があっ
た。

【０００３】これに対して、我々は、特願平３−９９０
００号明細書および図面で、低トルク領域から高トルク
領域まで安定してトルクの検出が可能であるトルク検出
装置を提供した。

【０００４】すなわち、図８に示すように、このトルク
検出装置１０１は、高降伏点を有する材料を基体１０２
ａとして、その表面に高磁歪材料１０２ｂを金属組織的
に融合させたものとした被測定軸１０２をそなえ、前記
被測定軸１０２の少なくとも高磁歪材料１０２ｂの部分
に、当該被測定軸１０２の軸心方向に対し、所定の角度
をなす凹状部１０３ａ，１０３ｂを円周方向に複数形成
することによってこれら凹状部１０３ａ，１０３ｂの間
で円周方向に複数の凸状部１０４ａ，１０４ｂが形成さ
れることにより形状磁気異方性部を設け、前記形状磁気
異方性部に対向させて被測定軸１０２の外周側にコイル
１０５ａ，１０５ｂを隙間１０６を介して配置し、コイ
ル１０５ａ，１０５ｂの外側にヨーク１０７を設けた構
造をなすものである。

【０００５】このような構造のトルク検出装置１０１に
おいて、コイル１０５ａ，１０５ｂは、図９に例示する
ように、抵抗器１１１，１１２と組み合わされてブリッ
ジ回路を形成し、ブリッジ回路の接続点Ａ，Ｃ間に励磁
用発振器１１３を接続し、接続点Ｂ，Ｂ´間には差動増
幅器１１４を接続して、被測定軸１０２にトルクＴが加
えられた際に、図１０に例示するようなトルク−出力特
性の検出出力を取り出すことができるようにしている。

【０００６】この発明により、トルク−出力特性の飽和
出力トルクが大幅に向上した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のトルク検出装置１０１にあっては、被測定軸
１０２の基体１０２ａの表面に高磁歪材料１０２ｂを金
属組織的に融合させるときや、被測定軸１０２の基体１
０２ａに対して高降伏点化のための焼入れなどを行なう
ときに、高磁歪材料１０２ｂに割れが発生しやすく、特
に高磁歪材料１０２ｂとしてＦｅ−Ａｌ合金を用いた場
合に被測定軸１０２の軸心方向両端部の融合界面部分に
割れが多く発生し、生産効率が悪いという問題点があっ
た。

【０００８】したがって、従来の技術ではこのような問
題点を解決することが課題として存在していた。

【０００９】

【発明の目的】この発明は、このような従来の課題に鑑
みてなされたもので、被測定軸の基体の表面に高磁歪材
料を金属組織的に融合させるときや、被測定軸の基体に
対して高降伏点化のための焼入れなどの強化処理を行な
うときに、高磁歪材料に割れが発生するのを防止し、品
質および生産性を向上させたトルク検出装置を提供する
ことを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来のトル
ク検出装置の問題点である基体表面に対する高磁歪材料
の融合や基体に対して焼入れを行なうときに発生する割
れは、融合や焼入れ時の急激な温度変化によって局部的
に膨張収縮が発生し、その際、特に融合界面の軸心方向
両端部に応力が集中することにより、発生するものであ
ると考えた。

【００１１】そのため、この発明は、被測定軸と、前記
被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手
段と、前記被測定軸の磁歪成分を検出する検出手段を具
備してなるトルク検出装置において、前記被測定軸は強
化処理により高降伏点を有するものとなる材料を基体と
して、その表面に高磁歪材料を金属組織的に融合させた
ものとし、前記被測定軸の軸心方向断面における前記基
体と高磁歪材料との融合界面のうちの少なくとも軸心方
向両端部を傾斜させて形成し、被測定軸の少なくとも高
磁歪材料の部分（高磁歪材料の部分のみ、および高磁歪
材料と基体とにまたがった部分を含む）に、例えば当該
被測定軸の軸心方向に対し所定の角度をなす凹凸状部よ
りなる形状磁気異方性部を設けた構成としたことを特徴
としており、実施態様においては、前記被測定軸の軸心
方向断面における基体と高磁歪材料との融合界面の軸心
方向両端部の傾斜角を軸表面の法線に対し３０度以上と
した構成としたことを特徴としており、このようなトル
ク検出装置に係わる発明の構成を前述した従来の課題を
解決するための手段としている。

【００１２】本発明に係わるトルク検出装置において、
被測定軸は、強化処理によって高降伏点を有するものと
なる材料を基体として、その表面に高磁歪材料を金属組
織的に融合させたものとしているが、ここで用いられる
基体材料としては、ＪＩＳに制定する機械構造用鋼鋼
材、例えば、機械構造用炭素鋼鋼材（ＳＣ材など）や、
機械構造用合金鋼鋼材（ＳＣｒ材，ＳＣＭ材，ＳＮＣＭ
材など）が用いられる。そして、適宜、添加成分や組成
を変えることにより、降伏点を向上させたものが用いら
れる。

【００１３】また、被測定軸の表面において用いられる
高磁歪材料としては、金属Ｆｅ，金属Ｎｉ，Ｆｅ−Ｎｉ
合金，Ｆｅ−Ａｌ合金，Ｆｅ−Ｃｏ合金などが用いら
れ、適宜、添加成分や組成を変えることにより、磁歪等
を向上させたものが用いられる。

【００１４】そして、これら基体材料と高磁歪材料とは
互いに金属組織的に融合して合金化するものであること
が重要である。

【００１５】そして、基体材料の表面に高磁歪材料を金
属組織的に融合させたものとするに際しては、ＴＩＧ溶
接，プラズマ粉末溶接，レーザ溶接，電子ビーム溶接，
拡散などの手段が用いられる。

【００１６】

【発明の作用】この発明に係わるトルク検出装置におい
て、被測定軸は強化処理によって高降伏点を有するもの
となる材料を基体として、その表面に高磁歪材料を金属
組織的に融合させたものとし、前記被測定軸の軸心方向
断面における前記基体と高磁歪材料との融合界面のうち
の少なくとも軸心方向両端部を傾斜させて形成する構成
としたため、基体の表面に高磁歪材料を金属組織的に融
合させるときや、基体に対して焼入れなどの強化処理を
行なうときに発生する融合界面部分の応力集中を低減さ
せることができ、高磁歪材料の割れの発生が防止される
こととなる。

【００１７】ここで、前記融合界面の軸心方向両端部の
傾斜角を軸表面の法線に対し３０度以上となるように形
成することが割れの抑制にとって特に有効である。これ
は、前記融合界面の軸心方向両端部が軸心方向に対して
垂直となっている場合、すなわち、傾斜角が軸表面の法
線に対し０度となっている場合には、応力緩和が不十分
で割れが多くなるためであり、傾斜角が軸表面の法線に
対し３０度未満であるときも応力緩和が十分でないこと
もありうるためである。

【００１８】そして、前記融合界面の軸心方向両端部が
Ｒ形状となっていても良く、その場合は、Ｒの接線と軸
表面の法線とのなす角が３０度以上となっているように
することがよい。

【００１９】これらの構成により、基体の表面に高磁歪
材料を金属組織的に融合させるときや、基体に対して焼
入れなどの急激な温度変化を伴う強化処理を施すときで
も、高磁歪材料に割れを発生することがなくなり、品
質，生産性が高まるとともに、低トルク域から高トルク
域まで安定したトルク−出力特性を発揮するトルク検出
装置が得られるようになる。

【００２０】

【実施例】次に、この発明に係わるトルク検出装置の実
施例について説明する。

【００２１】図１は、本発明に係わるトルク検出装置の
一実施例を示すものであって、このトルク検出装置１
は、強化処理によって高降伏点を有するものとなる材料
を基体２ａとして、その表面に高磁歪材料２ｂを金属組
織的に融合させたものとした被測定軸２をそなえ、前記
被測定軸２の軸心方向断面における前記基体２ａと高磁
歪材料２ｂとの融合界面の軸心方向両端部２ｃ，２ｄを
傾斜させて形成（詳細は後述）した被測定軸２とし、前
記被測定軸２の高磁歪材料２ｂの部分に、当該被測定軸
２の軸心方向に対し左右対称の所定角度をなす凹状部３
ａ，３ｂを円周方向に複数形成することによってこれら
凹状部３ａ，３ｂの間で円周方向に複数の凸状部４ａ，
４ｂが形成されることにより形状磁気異方性部５ａ，５
ｂを設け、前記形状磁気異方性部５ａ，５ｂに対向させ
て被測定軸２の外周側にコイル６ａ，６ｂを隙間７を介
して配置し、コイル６ａ，６ｂの外側に高透磁率材料よ
りなるヨーク８を設けた構造をなすものである。

【００２２】この場合、コイル６ａ，６ｂは図９に示し
たのと同様の回路構成として抵抗（１１１，１１２）と
共にブリッジ回路を形成し、被測定軸２を磁路の一部と
する磁気回路を形成する励磁手段と、被測定軸２の磁歪
成分を検出する検出手段とを兼ねたものとなっている。

【００２３】図２は、図１に示した構造のトルク検出装
置１において、被測定軸２の形状磁気異方性部５ａ，５
ｂが設けられた部分を拡大して示すものである。

【００２４】この実施例の場合、被測定軸２の基体２ａ
の材料として、ＪＩＳ ＳＣＭ４４０に相当する合金鋼
を使用してこれを直径３２ｍｍに加工したものを用い、
この表面に１ｍｍ以上の深さを削って巾広溝を形成し、
そこに設けられる高磁歪材料２ｂとして、Ａｌ：１３重
量％を含み残部ＦｅよりなるＦｅ−Ａｌ合金を用いて、
プラズマ粉末溶接により基体２ａの表面で高磁歪材料２
ｂを金属組織的に融合させたものとする。

【００２５】また、前記被測定軸２の軸心方向断面は、
図３の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に３例を示すように、基体２
ａと高磁歪材料２ｂとの融合界面の軸心方向両端部２
ｃ，２ｄが傾斜したものとして形成してある。

【００２６】これらのうち、図３の（Ａ）に示す実施例
では、軸心方向両端部２ｃ，２ｄが直線状に傾斜してい
ると共に底部２ｅが直線状の融合界面となっており、図
３の（Ｂ）に示す実施例では、軸心方向両端部２ｃ，２
ｄが若干のわん曲状に傾斜していると共に底部２ｅが直
線状の融合界面となっており、図３の（Ｃ）に示す実施
例では、軸心方向両端部２ｃ，２ｄおよび底部２ｅが連
続したわん曲形状の融合界面となっている。尚、図３
（Ａ）の両端部２ｃ，２ｄと底部２ｅとのコーナー部の
みに小径のアールを付してもよい。

【００２７】これら各実施例において、軸心方向両端部
２ｃ，２ｄが軸表面の法線となす角度は、それぞれ、図
３の（Ａ）に示す実施例の場合は４５度、図３の（Ｂ）
に示す実施例の場合はわん曲状Ｒの接線と軸表面の法線
とのなす角度が７０度、図３の（Ｃ）に示す実施例の場
合はわん曲形状Ｒの接線と軸表面の法線とのなす角度が
６０度であるようにしており、高磁歪材料２ｂの最大厚
さは１ｍｍとしている。

【００２８】その後、外周の切削により直径３１ｍｍと
し、さらに幅１ｍｍ，深さ１ｍｍの凹状部３ａ，３ｂを
円周方向に等間隔で３２個所切削することにより相対的
に凸状部４ａ，４ｂを形成させ、これらによって形状磁
気異方性部を設ける。

【００２９】このようにして表面に高磁歪材料２ｂを金
属組織的に融合させた基体２ａを８５０℃に加熱し、８
０℃の油中に焼入れ、その後、１７０℃で焼戻しするこ
とによって基体２ａを高降伏点化した被測定軸２とし
た。

【００３０】この時点で、カラーチェックにより、焼割
れ発生の有無を調べたところ、いずれも基体２ａと高磁
歪材料２ｂの融合界面部分に割れは全く検出されなかっ
た。

【００３１】この実施例におけるトルク検出装置１のト
ルク−出力特性は、図４に示すように、トルクと出力と
が比例する範囲が広いものとなっており、トルクは９０
ｋｇｆ・ｍまでの実験では、良好な直線性を保っている
ことが認められた。

【００３２】（比較例）図５は、図８に示した従来のト
ルク検出装置１０１において、被測定軸１０２に凹状部
１０３ａ，１０３ｂおよび凸状部１０４ａ，１０４ｂを
形成することによって形状磁気異方性部が設けられた部
分を拡大して示すものである。

【００３３】この比較例において、被測定軸１０２の基
体１０２ａの材料として、ＪＩＳＳＣＭ４４０に相当す
る合金鋼を使用してこれを直径３２ｍｍに加工したもの
を用い、この表面に巾広溝を形成し、そこに設けられる
高磁歪材料１０２ｂとして、Ａｌ：１３重量％を含み残
部ＦｅよりなるＦｅ−Ａｌ合金を用いて、プラズマ粉末
溶接により基体１０２ａの表面で高磁歪材料１０２ｂを
金属組織的に融合させたものとした。

【００３４】また、前記被測定軸１０２の軸心方向断面
は、図６に示すように、基体１０２ａと高磁歪材料１０
２ｂとの融合界面の軸心方向両端部１０２ｃ，１０２ｄ
が軸表面の法線に対し０度、すなわち軸表面に対し垂直
となるように形成してあると共に底部１０２ｅが直線状
の融合界面となるように形成してある。この場合、高磁
歪材料１０２ｂの厚さは１ｍｍと一定にしている。

【００３５】その後、外周の切削により直径３１ｍｍと
し、さらに幅１ｍｍ，深さ１ｍｍの凹状部１０３ａ，１
０３ｂを円周方向に等間隔で３２個所切削することによ
り相対的に凸状部１０４ａ，１０４ｂを形成させ、これ
らによって形状磁気異方性部を設けた。

【００３６】次いで、表面に高磁歪材料１０２ｂを融合
させた基体１０２ａを前記実施例と同条件の８５０℃に
加熱し、８０℃の油中に焼入れした後、１７０℃で焼戻
しすることによって被測定軸１０２とした。

【００３７】この時点で、カラーチェックにより、焼割
れ発生の有無を調べたところ、図７に示すように、高磁
歪材料１０２ｂの融合界面における軸心方向両端部１０
２ｃ，１０２ｄに割れ１０９が５箇所発生していること
が認められた。

【００３８】

【発明の効果】この発明は、被測定軸と、前記被測定軸
を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手段と、前
記被測定軸の磁歪成分を検出する検出手段を具備してな
るトルク検出装置において、前記被測定軸は強化処理に
より高降伏点を有するものとなる材料を基体として、そ
の表面に高磁歪材料を金属組織的に融合させたものと
し、前記被測定軸の軸心方向断面における前記基体と高
磁歪材料との融合界面のうちの少なくとも軸心方向両端
部を傾斜させて形成し、被測定軸の少なくとも高磁歪材
料の部分に形状磁気異方性部を設けた構成としたから、
被測定軸の基体の表面に高磁歪材料を金属組織的に融合
させるときや、被測定軸の基体に対して高降伏点化のた
めの焼入れなどの強化処理を行なうときに、高磁歪材料
に割れが発生するのを防止することが可能となり、極め
て良好な品質と生産性を兼ね備えたトルク検出装置を得
ることができるという著しく優れた効果がもたらされ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるトルク検出装置を示す
説明図である。

【図２】図１に示したトルク検出装置における被測定軸
の高磁歪材料の部分を拡大して示す説明図である。

【図３】図２に示した被測定軸の軸心方向断面を３つの
実施例（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）について各々拡大して示す部
分説明図である。

【図４】本発明の一実施例によるトルク検出装置のトル
ク−出力特性の一例を示すグラフである。

【図５】図８に示したトルク検出装置における被測定軸
の高磁歪材料の部分を拡大して示す説明図である。

【図６】図５に示した被測定軸の軸心方向断面を拡大し
て示す部分説明図である。

【図７】図５に示した被測定軸において焼割れが発生し
た状況を示す説明図である。

【図８】従来のトルク検出装置の一例を示す説明図であ
る。

【図９】トルク検出装置の励磁手段および検出手段を形
成する回路の一例を示す説明図である。

【図１０】従来のトルク検出装置のトルク−出力特性の
一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ トルク検出装置 ２ 被測定軸 ２ａ 被測定軸の基体 ２ｂ 高磁歪材料 ２ｃ 融合界面の軸心方向端部 ２ｄ 融合界面の軸心方向端部 ２ｅ 融合界面の底部 ３ａ，３ｂ 凹状部 ４ａ，４ｂ 凸状部 ５ａ，５ｂ 形状磁気異方性部 ６ａ，６ｂ コイル（励磁手段兼検出手段） ７ 隙間 ８ ヨーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴 田 格 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 島 田 宗 勝 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 永 田 雅 愛知県名古屋市緑区鳴海町字伝治山98−３

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定軸と、前記被測定軸を磁路の一部
   とする磁気回路を形成する励磁手段と、前記被測定軸の
   磁歪成分を検出する検出手段を具備してなるトルク検出
   装置において、前記被測定軸は強化処理により高降伏点
   を有するものとなる材料を基体として、その表面に高磁
   歪材料を金属組織的に融合させたものとし、前記被測定
   軸の軸心方向断面における前記基体と高磁歪材料との融
   合界面のうちの少なくとも軸心方向両端部を傾斜させて
   形成し、被測定軸の少なくとも高磁歪材料の部分に形状
   磁気異方性部を設けたことを特徴とするトルク検出装
   置。
2. 【請求項２】 被測定軸の軸心方向断面における基体と
   高磁歪材料との融合界面の軸心方向両端部の傾斜角を軸
   表面の法線に対し３０度以上としたことを特徴とする請
   求項１に記載のトルク検出装置。