JPH05215619A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定軸に対して高降伏点化のために焼入れ
などの強化処理を施すときに、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５ａ，５
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５ａ，５ｂを具備してなり、被測定軸２は急激
な温度変化を伴う熱処理など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２
ｂを金属組織的に融合させたものとし、被測定軸２の少
なくとも高磁歪材料２ｂの部分に軸心方向に対し所定の
角度をなす凹状部３ａ，３ｂおよび／または凸状部４
ａ，４ｂを形成し、凹状部３ａ，３ｂおよび／または凸
状部４ａ，４ｂの長端部および／または側端部が傾斜し
て形成されているものとしたトルク検出装置。

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においてトルクの
大きい領域も含まれる場合には、トルク−出力特性の出
力が飽和してしまい、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３−９９００
０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、急激な温度変化を伴う熱処理などの
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
１０２ａ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１０２
ｂ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，１０３
ｂ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る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に対して高降伏点化のための焼入
れなどの熱処理を行うときに、高磁歪材料１０２ｂの部
分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凹状部１０３ａ，１０
３ｂと凸状部１０４ａ，１０４ｂの境界付近に割れが多
く発生することがあるため、生産効率が悪くなることが
あるという問題点があり、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。

【０００８】

【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、被測定軸に対して高降伏点化のた
めに焼入れなどの強化処理を施すときに、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
せることが可能であるトルク検出装置を提供することを
目的としている。

【０００９】

【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焼入れ時の割れは、焼入れ時
の急激な温度変化によって局部的な膨張収縮が発生し、
その際、特に凹状部と凸状部の境界付近に応力が集中す
ることにより、発生するものであると考えた。

【００１０】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、前記被測定軸は急
激な温度変化を伴う熱処理などの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、被測定軸の
少なくとも高磁歪材料の部分に当該被測定軸の軸心方向
に対し所定の角度をなす凹状部および／または凸状部を
形成し、前記凹状部および／または凸状部の長端部およ
び／または側端部が傾斜して形成されているものとした
構成としたことを特徴としており、実施態様において
は、前記凹状部および／または凸状部の長端部および／
または側端部の傾斜角が軸表面の法線に対し１０度以上
に形成されているもの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
をもって前述した従来の課題を解決するための手段とし
ている。

【００１１】この発明に係わるトルク検出装置におい
て、被測定軸は、急激な温度変化を伴う熱処理などの強
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、降伏点や靭性などの特性を向上させたものが用いら
れる。

【００１２】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
の特性を向上させたものが用いられる。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】以上の材料と工法とによって得られた被測
定軸の少なくとも高磁歪材料の部分に、当該被測定軸の
軸心方向に対し所定の角度をなす凹状部を円周方向に複
数形成することによってこれら凹状部の間で円周方向に
複数の凸状部が形成されることによる形状磁気異方性部
を設けるが、そのとき、前記凹状部および／または凸状
部の長端部および／または側端部が傾斜して形成されて
いるものとし、実施態様においては傾斜角が軸表面の法
線に対し１０度以上に形成されているものとした構成と
する。

【００１６】そして、この後焼入れなどの熱処理によっ
て高降伏点のものとする強化処理を行う。

【００１７】

【発明の作用】この発明に係わるトルク検出装置におい
て、被測定軸は急激な温度変化を伴う熱処理などの強化
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、被測定軸の少なくとも高磁歪材料の部分に、当
該被測定軸の軸心方向に対し、所定の角度をなす凹状部
および／または凸状部を形成し、前記凹状部および／ま
たは凸状部の長端部および／または側端部が傾斜して形
成されているものとした構成としているので、焼入れな
どの強化処理時の急激な温度変化で発生する凹状部と凸
状部との境界部への応力集中が低減するものとなり、そ
の結果、高磁歪材料の割れの発生が抑制されるものとな
る。

【００１８】この場合、前記凹状部および／または凸状
部の長端部および／または側端部の傾斜角が軸表面の法
線に対し１０度以上に形成されているものとすることが
焼割れの抑制にとってさらに有効である。そして、軸表
面の法線に対する傾斜角が０度すなわち垂直の場合は応
力集中の緩和が不十分で割れが発生しやすいものとな
り、傾斜角が１０度未満では応力集中の緩和が十分でな
いことがあって割れが発生する場合もでてくる。

【００１９】ここで、長端部および／または側端部がＲ
形状となっていてもよく、その場合は、Ｒの接線と軸表
面の法線とのなす角が１０度以上になっているものとす
ることがよい。

【００２０】これらの構成により、高磁歪材料に焼割れ
を発生させずに基体材料の高降伏点化がなされ、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−出力特性が得られるようになる。

【００２１】

【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。

【００２２】図１は、この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、急激な温度変化を伴う熱処理などの強化処理により
高降伏点を有するものとなる材料を基体２ａの素材とし
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の少
なくとも高磁歪材料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（この実施例では±４
５°）をなす凹状部３ａ，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る形状
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２の外周側にコイル５ａ，５ｂを隙間６を介
して配置し、コイル５ａ，５ｂの外側にヨーク７を設け
た構造をなすものである。

【００２３】この場合、コイル５ａ，５ｂ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。

【００２４】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が設けられ
た部分を拡大して示すものである。この場合、被測定軸
２の基体２ａの材料として、ＪＩＳ ＳＣＭ４４０に相
当する機械構造用合金鋼鋼材を使用してこれを直径２９
ｍｍに加工したものを用い、この表面に設けられる高磁
歪材料２ｂとして、Ａｌ：１３重量％を含み残部Ｆｅよ
りなるＦｅ−Ａｌ合金を所定厚さにすべくプラズマ粉末
肉盛溶接により基体２ａの表面で金属組織的に融合させ
たものとする。

【００２５】その後、外周の切削により直径３１ｍｍと
し、さらに直径３２ｍｍのホブ刃を用いたホブ盤によ
り、軸心方向に対する角度が±４５°の凹状部３ａ，３
ｂを円周方向に等間隔で３２個所切削することによって
相対的に凸状部４ａ，４ｂを円周方向に等間隔で３２個
所形成させ、これらによって形状磁気異方性部を設け
る。

【００２６】このとき、凹状部３ａ，３ｂの平面は図３
の（Ａ）に拡大して示すようになっており、また、凹状
部３ａ，３ｂの長手方向（ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ´方向）
における断面は図３の（Ｂ）に示すようになっていて、
図３の（Ｂ）に示すようにＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ´方向の
断面はＲ＝３０の円弧状に形成してある。

【００２７】また、凹状部３ａ，３ｂの短手方向（ＩＩ
ＩＣ−ＩＩＩＣ´方向）における断面は図３の（Ｃ）に
示すようになっていて、図３の（Ｃ）に示すようにＩＩ
ＩＣ−ＩＩＩＣ´方向の断面は開口最大幅１ｍｍ，最大
深さ１ｍｍで、かつ側端部の傾斜角はθ＝２０度となっ
ている。尚、凹状部３ａ，３ｂの両側壁面は直線に限ら
ず、歯車歯面のインボリュート曲線のように上下がアー
ルで中央が直線状のものにしてもよい。

【００２８】次いで、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２とした。

【００２９】この時点で、カラーチェックにより、焼き
割れの有無を調べたところ、高磁歪材料２ｂの凹状部３
ａ，３ｂと凸状部４ａ，４ｂの境界に割れは全く検出さ
れなかった。

【００３０】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。

【００３１】（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の形状磁気
異方性部が設けられた部分を拡大して示すものである。
この場合に、被測定軸１０２の基体１０２ａの材料とし
て、ＪＩＳ ＳＣＭ４４０に相当する機械構造用合金鋼
鋼材を使用してこれを直径２９ｍｍに加工したものを用
い、この表面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
金をプラズマ粉末溶接により基体１０２ａの表面で金属
組織的に融合させたものとする。

【００３２】その後、外周の切削により直径３１ｍｍと
し、さらに、エンドミルを用いて、軸心方向に対する角
度が±４５°の凹状部１０３ａ，１０３ｂを円周方向に
等間隔で３２個所切削することによって相対的に凸状部
１０４ａ，１０４ｂを円周方向に等間隔で３２個所形成
させ、これらによって形状磁気異方性部を設けた。

【００３３】このとき、凹状部１０３ａ，１０３ｂの平
面は図６の（Ａ）に拡大して示すようになっており、ま
た、凹状部１０３ａ，１０３ｂの長手方向（ＶＩＢ−Ｖ
ＩＢ´方向）における断面は図６の（Ｂ）に示すように
なっていて、図６の（Ｂ）に示すようにＶＩＢ−ＶＩＢ
´方向の断面は両端部が垂直となっている。

【００３４】また、凹状部１０３ａ，１０３ｂの短手方
向（ＶＩＣ−ＶＩＣ´方向）における断面は図６の
（Ｃ）に示すようになっていて、ＶＩＣ−ＶＩＣ´方向
の断面は図６の（Ｃ）に示すように開口最大幅１ｍｍ，
深さ１ｍｍで、かつ側端部は垂直となっている。

【００３５】これを前記実施例と同条件の８５０℃に加
熱し、８０℃の油中に焼入れ、その後、１７０℃で焼戻
しすることによって被測定軸１０２とした。

【００３６】この時点で、カラーチェックにより、焼き
割れの有無を調べたところ、図７に示すように、高磁歪
材料１０２ｂには凹状部１０３ａ，１０３ｂと凸状部１
０４ａ，１０４ｂの境界を起点とするような割れ１０８
が３個所に認められた。

【００３７】

【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、前記被測定軸は急激な温度
変化を伴う熱処理などの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、被測定軸の少なくと
も高磁歪材料の部分に当該被測定軸の軸心方向に対し所
定の角度をなす凹状部および／または凸状部を形成し、
前記凹状部および／または凸状部の長端部および／また
は側端部が傾斜して形成されているものとした構成とし
たため、被測定軸が焼入れなどの急激な温度変化にさら
されたとしても高磁歪材料の凹状部と凸状部の境界を起
点とするような焼き割れが発生するのを抑制し、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】この発明に係わるトルク検出装置の一実施例を
示す要部説明図である。

【図２】図１に示すトルク検出装置における被測定軸の
形状磁気異方性部を示す説明図である。

【図３】図２に示したトルク検出装置の被測定軸に設け
た凹状部を拡大して示し、図３の（Ａ）は平面説明図、
図３の（Ｂ）は図３の（Ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ´方
向における断面説明図、図３の（Ｃ）は図３の（Ａ）の
ＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ´方向における断面説明図である。

【図４】図１に示したトルク検出装置のトルク−出力特
性を例示する説明図である。

【図５】この発明の比較例で用いた従来のトルク検出装
置における被測定軸の形状磁気異方性部を示す説明図で
ある。

【図６】図５に示したトルク検出装置の被測定軸に設け
た凹状部を拡大して示し、図６の（Ａ）は平面説明図、
図６の（Ｂ）は図６の（Ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ´方向に
おける断面説明図、図６の（Ｃ）は図６の（Ａ）のＶＩ
Ｃ−ＶＩＣ´方向における断面説明図である。

【図７】図５に示したトルク検出装置の被測定軸の焼入
れ後における割れ発生状況を示す説明図である。

【図８】従来のトルク検出装置の要部説明図である。

【図９】励磁手段と検出手段を共通のコイルで兼用させ
たトルク検出装置の回路構成を例示する説明図である。

【図１０】従来のトルク検出装置のトルク−出力特性を
例示する説明図である。

【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 被測定軸の高磁歪材料 ３ａ，３ｂ 凹状部 ４ａ，４ｂ 凸状部 ５ａ，５ｂ コイル（励磁手段兼検出手段） ６ 隙間 ７ 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、前記被測定軸は急激な温度変化を伴う熱
   処理などの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、被測定軸の少なくとも高磁歪材料
   の部分に当該被測定軸の軸心方向に対し所定の角度をな
   す凹状部および／または凸状部を形成し、前記凹状部お
   よび／または凸状部の長端部および／または側端部が傾
   斜して形成されているものとしたことを特徴とするトル
   ク検出装置。
2. 【請求項２】 凹状部および／または凸状部の長端部お
   よび／または側端部の傾斜角が軸表面の法線に対し１０
   度以上に形成されているもの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。