JPH08293634A - 磁気弾性トルク・トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のものよりもはるかに経済的で、経済的
にも環境的にも従前は実行不可能であった多くの目的に
使用できるトルク・トランスデューサを提供する。 【解決手段】 回転軸に加えられるトルクに応答して透
磁率を変化させる強磁性・磁歪手段を有し、この強磁性
・磁歪手段は、前記回転軸の表面における実際的なマク
ロスコピックな形態変化を伴わない塑性変形にもとづく
残留応力による螺旋方向の磁気異方性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気弾性トルク・ト
ランスデューサに関し、特に、回転シャフトにかかった
トルクの測定値を与える非接触型の磁気弾性トルク・ト
ランスデューサに関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】回転駆動シャフトを有するシ
ステムの制御においては、トルクは重要な基本的パラメ
ータであることが一般に認められている。従って、正確
で、信頼性があり、しかも安価な方法でトルクを感知し
測定することは、数十年の間、労働者の主な目標であっ
た。長足の進歩はあったけれども、厳しい環境において
も長期間にわたって連続的にトルクを測定することので
きる安価なトルク感知装置を求める強い要求が今だにあ
る。

【０００３】全ての磁気弾性トルク・トランスデューサ
は２つの要素を共有している。すなわち、 （１）強磁性で磁歪効果を示す、トルクをかけられる部
材を有すること。前者は磁区の存在を保証し、後者は、
かけられたトルクに伴なう応力によって各磁区の磁化方
向が変えられ得ることを意味する。

【０００４】（２）トルクがかかっていない時の磁区方
向分布からの変化を感知する（大概は電磁的であるが、
必ずしもそうではない）手段を有すること。現存する、
あるいは提案されている様々な磁気弾性トルク・トラン
スデューサの相異は、これら共通の要素の違いにある。

【０００５】磁性材料の透磁率が、加えられた応力によ
って変化することは周知されている。磁歪材料の柱状シ
ャフトに捩り応力が加えられると、シャフトの各要素に
剪断応力が作用する。この剪断応力は、引張り応力と、
同等で垂直な圧縮応力とで表わすことができるものであ
り、各応力の大きさは、シャフト軸とその要素との間の
距離に正比例する。最大の引っ張り及び圧縮の方向は、
シャフトの軸の周囲の４５°左回り螺旋及び４５°右回
り螺旋に対する接線に沿って存在する。トルクの効果
は、その螺旋の１つに平行な方向における透磁率を増大
させると共に、これに対応して、他方の螺旋に平行な方
向における透磁率を減少させることである。１９５４年
６月の『科学機器評論』第２５巻第６号の『回転シャフ
トにおけるトルクの磁気測定』と題した論文（“Magnet
ic Measurements of Torgue in a Rotaing Shaft”, Th
e Review of Scientific Instruments, Vol.25, No.6,
June, 1954）において、Beth氏とMeeks 氏は、加えられ
たトルクの尺度として透磁率の変化を使うためには、主
応力方向に沿う透磁率を監視すると共にシャフトの表面
付近の部分に磁束を通すべきことを提案している。その
理由は、要素がシャフト軸から遠いほど応力が大きくな
り、そして最大透磁率変化が生じると期待されるのは主
応力方向に沿ってであるからである。

【０００６】これを実現するために、Beth氏とMeeks 氏
とは、シャフト内に交番磁束を発生させる駆動コイル
と、シャフト内の主応力方向又はその近くに延在する磁
束通路における、加えられたトルクによる透磁率変化を
検出するために数本の枝の各々に配置されたピックアッ
プ・コイルとを担持したヨークを使用した。シャフトに
トルクが加えられると、トルクに起因する機械的応力
は、相互に垂直な圧縮応力と引張り応力とに分解し、そ
れらは、シャフト内の透磁率を、一方の応力の方向に増
大させ他方の応力の方向に減少させる。その結果、ピッ
クアップ・コイルすなわち測定コイルに誘起される電圧
が増大又は減少する。誘起された電圧の大きさの差は、
シャフトに加えられた捩り応力に比例する。

【０００７】Dahle 氏の米国特許第３，０１１，３４０
号に類似のアプローチが記載されている。これらの種類
の装置の主な短所は、主応力方向沿いに透磁率感知を行
なう必要があることであり、これに伴って、それがシャ
フトからの半径方向距離の変化に敏感であること、シャ
フトの周囲が磁気的に不均一であること、シャフト速度
への依存性が補償不可能であること等の欠点がある。そ
の結果、例えばこれらの装置等は、１５２ミリメートル
（６インチ）以上の大直径シャフトに適用されているだ
けであり、大多数の用途が集中している小直径シャフト
には応用不能であった。

【０００８】Beth氏及びMeeks 氏の論文や米国特許第
３，０１１，３４０号に記載されている装置等において
は、回転するシャフト自体がトランスデューサの磁性要
素として作用するが、その種の装置は実用上著しい欠点
を持っていた。その理由は、希望の使用分野において望
ましい機械的性質をシャフトに与えるために使用された
材料と冶金処理が、殆んどの場合に、磁気弾性トルク・
センサに要求される磁気的性質を得るために最適ではな
く、あるいは望ましくさえないからである。製造の過程
において内部応力により、及び／又は結晶方向の異なる
領域からシャフト内に生じた無秩序な異方性は、シャフ
トの透磁率に局所的変化を生じさせる原因となり、それ
は、感知された電圧と加えられたトルクとの間の望まし
い相関を歪める。

【０００９】Scoppe氏の米国特許第３，３４０，７２９
号の解決策は、溶接等により磁性スリーブを荷重担持フ
ャフトに固着して、捩り荷重に比例する捩り歪がスリー
ブに生じるようにする方法である。ここで使用された測
定装置は、回転するシャフトではなくて回転するスリー
ブにおける透磁率の変化を感知する。そのため、Scoppe
氏によれば、シャフトに対して要求される機械的及び強
度的性質を最高にする材料をシャフト用に選択し、且
つ、スリーブの磁気的性質を最高にする別の材料をスリ
ーブ用に選ぶことができる。従来技術の装置と同様に、
Scoppe氏のトルク・メータは、磁束を発生させる一次巻
線と、１つは引張り方向に他の１つは圧縮方向に向けら
れた２つの二次巻線とを使用する。しかしながら、Dahl
e 氏により提出された材料問題の少くとも一部分は除去
したが、スリーブを固着して使用することは、他の、同
様に困った問題を発生させた。例えば、スリーブを製造
して取付ける仕事は手に負えない厄介な仕事であり、た
とえ取付け手段が溶接である時にも、強度上の問題はな
いが、非常に重大な問題が残っている。すなわち、鋼製
シャフトの熱膨張係数は、スリーブ用に選ばれた如何な
る磁性材料の熱膨張係数とも異なる（場合によっては５
０％も大きい）。溶接等の高温固着処理を行った後に冷
却をすると磁性材料内に応力が生じ、これにより磁気的
異方性を無秩序に変化させる結果となる。更に、その応
力を除去するためにシャフトとスリーブを焼き戻すと、
シャフトの望ましい機械的性質も消失し、且つスリーブ
の磁気的性質が変化する。また、Dahle 氏の装置と同様
に、主応力方向沿いの透磁率変化を監視する必要がある
ことに起因するScoppe氏のトランスデューサの短所は、
シャフトからの同トランスデューサの半径方向距離の変
化に敏感であること、シャフト周辺の磁気的性質が不均
一であること、及びシャフト速度に依存することであ
る。

【００１０】磁気弾性トルクを感知するための別のアプ
ローチでは、トルクが加えられるシャフトに接着された
２組の非晶質磁気弾性素子の差動磁気応答を利用する。
このアプローチは、従来のアプローチと比べると、回転
位置及びシャフト速度に鈍感であるという利点を持って
いる。しかし、その素子の調整と取付けには過度の注意
が必要である。その上に、トランスデューサとしての性
能は、トルクが加えられる部材の形状にそのリボン状素
子を適合させるために用いる方法；例えば、硬化中の縮
み、膨張係数、時間の経過に伴うクリープ、持続する荷
重下の温度等の、接着剤の性質；例えば軟度、安定性等
の、非晶質材料自体の機能的性質から不利な影響を受け
る。もう１つの関心事は、トランスデューサが働く環境
と接着剤との適合性であって、例えば、接着剤に対す
る、オイル、水又は他の溶剤又は潤滑剤の影響などが問
題である。

【００１１】『応力感応非晶質リボンを用いる新型トル
ク・トランスデューサ』と題したHarada氏ほかの論文
（the article “A New Torque Transducer Using Stre
ss Sensitive Amorphous Ribbons”, IEEE Trans. on M
ag., MAG-18, No.6, 1767-9, 1982 ）は、２本の応力感
応非晶質リボンを、シャフトにおける軸方向に離れた部
位の周囲に接着して形成するトルク・トランスデューサ
を開示している。シャフトに第１方向のトルクを加え、
これに第１リボンを接着し、このトルクを解除して第１
リボン内に弾性トルク応力を発生させ、シャフトに反対
方向のトルクを加え、これに第２リボンを接着し、その
トルクを解除して第２リボン内に弾性トルク応力を発生
させることによって、各リボンに１方向磁気弾性磁気異
方性を生じさせる。その結果、一方のリボンの異方性
は、シャフト軸に対して＋４５°の右回り螺旋に沿って
生じ、他方のリボンの異方性は、シャフト軸に対して−
４５°の軸対称左回り螺旋に沿って生じる。交流で励磁
されるコイルと感知コイルとがシャフトを囲んで、トラ
ンスデューサを円対称的にすると共に、シャフトの回転
による出力信号のゆらぎを根本的に除去している。トル
クが存在しない時には、２本のリボンの磁化は同等の軸
方向磁化力に対称的に応答し、感知コイルはリボンの応
答に何らの差も検出しない。しかし、トルクが加えられ
ると、そのトルクにより主軸沿いに発生した応力異方性
は、予めリボンに生成されていた静止異方性と非対称的
に結合するので、同等の軸方向磁化力に対する２本のリ
ボンの応答に差が生じる。この差応答はトルクの関数で
あり、感知コイルと、付属の回路は、加えられたトルク
に比例する出力信号を出す。

【００１２】特公昭５８−９０３４号公報においては、
略々同様のアプローチを用いており、２本の非晶質リボ
ンをシャフトに接着し、所定の、等しい反対向きの角度
の磁場中で熱処理をして対称的磁気異方性をこのリボン
に与える。非晶質リボンを±４５°の山形パターンでシ
ャフトに接着したり（これについては、Sasada氏ほかの
論文『IEEE Trans. on Mag., MAG-20, No.5, 951-53, 1
984 』を参照）、±４５°方向に並んだ並行スリットを
有する非晶質リボンをシャフトに接着したりして（これ
については、Mohri 氏の論文『IEEE Trans. on Mag., M
AG-20, No.5, 942-47, 1984 』を参照）、残留応力によ
る磁気異方性ではなくて形状磁気異方性をリボンに生じ
させる。磁気弾性トルク・トランスデューサにおいて非
晶質リボンを接着して使用することに関する他の新しい
成果が、Iwasaki 氏の米国特許第４，４１４，８５５号
と、Vranish 氏外の米国特許第４，５９８，５９５号に
開示されている。

【００１３】もっと近頃になって、リボンを接着して用
いることに固有の重大な短所を認識して、適当なマスク
材の上に金属をプラズマ吹付け及び電着する方法が利用
されるようになった。下記の論文を参照されたい。：Ya
masaki et al ., “TorqueSensors Using Wire Explosi
on Magnetostrictive Alloy Layers”, IEEE Trans.on
Mag., MAG-22, No.5, 403-405(1986) ; Sasada et al,
“Noncontact TorqueSensors Using Magnetic Heads an
d Magnetostrictive Layer on the Shaft Surface-Appl
ication of Plasma Jet Spraying Process ”, IEEE Tr
ans. on Mag.,MAG-22, No.5, 406-408(1986)。

【００１４】非晶質リボンを用いる上記の技術は、対称
的な、螺旋形に配向した磁気異方性を有し、軸方向に離
れた円周バンドがトルク・トランスデューサの改良に寄
与するという点についての最初の評価ではなかった。ソ
連発明者証第２７４，４２０号はHarada氏ほかの非晶質
リボン・トランスデューサと似ていなくもない磁気弾性
トルク測定装置を開示しており、この装置は一対のスリ
ーブから成り、初めに、これに異なる方向のトルクを加
えて変形させて、反対向きの磁気異方性をスリーブに与
え、次にこれをシャフトに形成した環状溝に取付ける。
その溝の半径方向深さは、スリーブをその中に収容し
て、スリーブの外径がシャフトの外面と面一になるよう
な深さである。適当な電子回路を用いて、シャフトにト
ルクが加えられた時、スリーブの透磁率変化を検出し、
これに対応する電気信号を発生させる。しかし、スリー
ブ又はシャフトに用いる材料については何らの指示もな
い。変形したスリーブをシャフトに取付ける方法に関し
ても何も開示されていない。その技術、接着剤又は溶接
がどのような技術であっても、得られたトルク測定装置
はScoppe氏の溶着スリーブ（米国特許第３，３４０，７
２９号）やHarada氏の接着リボンと同じ欠点を持つこと
になる。

【００１５】ソ連発明者証第６６７，８３６号は磁気弾
性トルク・トランスデューサを開示しており、このトラ
ンスデューサは、シャフト上で軸方向に離れた２本の周
囲バンドを有し、同バンドは、±４５°の山形パターン
を成してシャフトに形成された複数のスロットによって
画定されており、一対の励磁及び測定コイル取付け用の
周囲ボビンがシャフトに沿って軸方向に配置されてい
る。そのスロットによって生成された形状異方性は、Sa
sada氏外の山形パターン非晶質リボン及びMohri氏のス
リット付き非晶質リボンと同様にシャフトを磁気的に予
備調整したものであり、同様の短所を多く持っている。

【００１６】日本特許第１６９，３２６号は、強磁性材
料から成る回転シャフトのトルクを測定する手段を開示
している。その手段は、シャフト面上で軸方向に離れた
一対のバンドを含み、同バンドには、±４５°の対向す
る角度で刻みが形成されている。更に、それぞれのバン
ドを囲み、トルクがシャフトに加えられた時に磁束の変
化を感知して、その加えられたトルクに比例する超電力
を発生させるコイルを有している。刻みを付けるのに使
うプロセスや、シャフトのバンド部分に用いられる強磁
性材料や、シャフトをなまして応力を除去し又は機械的
強度を与える熱処理などに関しては、この特許は何も教
示していない。更に、この特許は、溝間の距離が大きい
ことを図面で示唆しているが、刻みの形態や溝の密度に
ついて詳しくは開示していない。また、バンドが、その
周囲の長さの少くとも５０％にわたって残留応力の無い
区域を少くとも１つ含むという教示もない。また、１つ
のバンドの刻みの『丘』には圧縮応力がかかり、他方の
バンドの刻み『丘』には引張り応力がかかるという記載
は、刻みに通じる機械的作業によって生成された残留応
力ではなくて、シャフト面の巨視的形状変化すなわち刻
みから磁気異方性が生じることを示唆するものである。

【００１７】従って、この特許は、残留応力から生じた
磁気異方性ではなくて、形状変化から生じた磁気異方性
が、感知された透磁率変化の原因であると教示している
と思われる。この教示は、切削又はフォトエッチング
（これは、残留応力に起因する異方性をバンドに生じさ
せない）等の技術で比較的に広く離間した溝を有する刻
みを形成することと全く矛盾しない。専ら、又は実質的
に、トルク測定装置のバンドに形状変化に依存して予め
生成される異方性は、実用に供するには余りに僅かであ
る。

【００１８】ソ連発明者証第８３８，４４８号は、シャ
フト上に離間して設けられた２つの円周方向バンドと、
このバンドを囲んで設けられた円周方向励磁コイルと円
周方向測定コイルとを有する磁気弾性トルク・トランス
デューサを開示している。このトランスデューサにおい
ては、シャフト面に刻みを設けることによってバンドを
形成しており、刻みの溝はシャフトに対して±４５°の
角度を成しているので、一方のバンドの溝は他方のバン
ドの溝に対して垂直である。刻みは、開示されていない
方法によって注意深く形成されており、これは、隣り合
う溝の間に応力のかかっていない面が広く存在すること
を保証するものであるので、溝の透磁率は、その間の無
ストレス域の透磁率とは異なる。溝の幅対ピッチ比が応
力面積対無応力面積比と一致し、所望の比は０．３であ
ると思われるので、どちらのバンドにも、その周囲の長
さの３０％以上にわたって故意に応力を加えられる周方
向領域は存在しない。この極小応力異方性の事前調整
は、経済的な商業上の使用を目的としては、測定コイル
及びその付属回路の電子信号出力で測定される。これ
は、一貫したトランスデューサ感度を与えるには余りに
も小さいと思われる。

【００１９】トルクが加えられるシャフト上の敏感で実
用的な磁気異方性のバンドの形成に多くの短所があるけ
れども、Harada氏ほか、Sasada氏ほか、Mori氏、Yamasa
ki氏ほかの論文及び前記ソ連発明者証に明示された成果
は、対称的な螺旋方向異方性を有する一対の軸方向に離
れた円周方向バンドが周面全体にわたって軸方向の透磁
率の差を平均化することを可能にするものであると認め
られる。このため、Beth氏及びMeeks 氏、Dahle 氏及び
Scoppe氏の先の仕事からの著しい進歩を表わしている。
これは、以前提案されていたように主応力軸に沿って感
知される螺旋状透磁率差を平均化しようとする試みより
も著しく単純である。

【００２０】更に、回転速度も、半径方向偏心率も、こ
のようにして感知される透磁率に著しい影響は与えな
い。それにも拘らず、トルクの加えられる部材の表面
に、磁気弾性を最大に活用できる材料を取付ける手段を
完成させようとする斯かる努力は、その結果としてのト
ルク・センサに不都合な制限を招来するものである。接
着剤で非晶質リボンをシャフトに付着させる場合には、
リボンをシャフトの形状に適合させる方法、接着剤の性
質、及び非晶質材料の機能上の性質等の著い欠点に煩わ
されることになる。これは、Scoppe氏や、最近ではBlom
kvist 氏ほかの米国特許第４，５０６，５５４号に教示
されている。堅く取付けたスリーブを用いることは、コ
ストが高くなるし、高温溶接により応力が生成される
し、且つ／又は、その後の焼戻しにより磁気的及び機械
的性質に不確実な点が生じるので、実用には適していな
い。同様に、応力異方性を発生させるために形状異方性
又は広い無応力領域を利用すると、その技術を商業的実
施には適さなくするような重大な問題が起きる。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】従って、トルク・トラ
ンスデューサ技術には多くの前進があったとはいえ、従
来のトルク・トランスデューサよりはるかに経済的で、
経済的にも環境的にも従前は実行不可能であった多くの
目的に使用することができると共に、大直径シャフトに
も小直径シャフトにも、それが静止していても実用的速
度で回転していても使用することができる磁気弾性トラ
ンスデューサが依然として求められていることは明らか
である。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、トルク
が加えられる回転軸の周面に形成されて、その加えられ
たトルクに応答して透磁率を変化させる強磁性・磁歪手
段と、この強磁性・磁歪手段の周辺に配置されてこの強
磁性・磁歪手段に磁場を付与する励磁手段と、前記の加
えられたトルクに起因する強磁性・磁歪手段の透磁率の
変化を感知する検知手段と、前記の感知された透磁率の
変化を、前記回転軸に加えられたトルクの大きさを示す
電気信号に変換する処理手段とを備えた磁気弾性トルク
・トランスデューサであって、前記強磁性・磁歪手段
が、鉄−ニッケル・マルテンサイト型の鋼合金と熱的に
硬化された鋼合金とから選ばれた鋼合金にて構成されて
おり、前記熱的に硬化された鋼合金は、絶対値が５ｐｐ
ｍ以上である実質上等方性の磁歪性を示すとともに、0.
05ないし0.75重量％の炭素と、当該合金の磁歪値を絶対
値で前記の５ｐｐｍ以上に高めるのに充分な量の、ニッ
ケル、クロム、コバルト、チタン、アルミニウム、マン
ガン、モリブデン、銅、ホウ素から選ばれた元素とを含
み、前記強磁性・磁歪手段は前記回転軸の軸方向へ一定
幅を有するように形成され、この強磁性・磁歪手段は、
前記回転軸の表面における実際的なマクロスコピックな
形態変化を伴わない塑性変形にもとづく残留応力による
螺旋方向の磁気異方性を有していることを特徴とする磁
気弾性トルク・トランスデューサを提案する。

【００２３】

【作用】このような構成において、一般に軸物に対する
転造などの塑性加工では、その塑性加工された形状を安
定に保つために塑性変形による残留応力を除去するのが
通例であり、そのために熱処理などが行われるのに比
べ、本発明では磁気異方性に寄与する有用な残留応力を
塑性変形により発生させることで、この塑性変形に伴う
残留応力を除去せずに、これを逆に活用して、磁気弾性
トルク・トランスデューサに適用することができる。す
なわち、本発明によれば、回転軸の表面における実際的
なマクロスコピックな形態変化を伴わない塑性変形にも
とづく残留応力による螺旋方向の磁気異方性を有してい
るため、このような形態変化に伴う透磁率の変化にもと
づく悪影響を防止でき、また最終製品の外観を良好なも
のとすることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明は磁気弾性トルク・トラン
スデューサを提供するものであって、このトランスデュ
ーサは、（１）トルク支持部材を有し、少くともその表
面の、適当な軸方向範囲の少くとも１つの完全周囲領域
が略々強磁性で磁歪効果を示し、（２）この領域内で軸
方向に別れた２つの周囲バンド又はそのような２つの領
域の各々にそのようなバンドが設けられており、それら
には、それぞれ、対称的な、螺旋の方向の、残留応力に
よって誘起された磁気異方性が与えられていて、トルク
が加えられていない時には、一方のバンドにおいては磁
化は左回り（ＬＨ）螺旋に沿う方向に向き、他方のバン
ドにおいては軸対称的な右回り（ＲＨ）螺旋に沿う方向
を向いており；（３）トルクが加えられる部材に接触す
ることなく、等しい軸方向磁化力に対する２つのバンド
の応答の差を検出する磁気弁別装置が設けられている。

【００２５】本発明の磁気弾性トルク・トランスデュー
サの上記特徴は、図１を参照すれば、もっとよく理解さ
れるであろう。同図において、強磁性、磁歪材料で形成
された、又は少くとも強磁性・磁歪領域４を有する円柱
状のシャフト２は、軸方向に離れた１対の周囲バンドす
なわち環状バンド６，８を有し、同バンドは、それぞ
れ、各々の磁化容易軸１０，１２の角方向±θの対称的
螺旋方向の磁気応力異方性を与えられている。磁気弁別
器１４がシャフト２から僅かに半径方向に離れている。
θの任意の値についてｃｏｓθ＝ｃｏｓ（−θ）である
から、これら２本のバンドの中の磁化の縦方向すなわち
軸方向の成分は同一であり、従って、磁気弁別器はその
差を検出しない（すなわちゼロを検出する）。

【００２６】シャフト２にトルクが加わると、それから
生じた応力異方性は、意図的にバンド内に浸透させてあ
った静止異方性と非対称的に結合するので、等しい軸方
向磁化力に対する２つのバンドの応答に差が生じる。応
力異方性はトルクの方向と大きさの関数であるから２つ
のバンドの作動応答はトルクの単調関数となる。その結
果として各バンドに生じる磁気異方性の差は、一方のバ
ンドの軸方向透磁率が増大し、他方のバンドのそれが減
少することで立証される。２つのバンドの軸方向透磁率
の差を用いてトルクを感知する。適切に設計された磁気
弁別器は、その作動応答の特徴を詳しく検出して出力信
号（これはトルクに対応するものである）を発生させ
る。

【００２７】本発明により、トルク支持部材は、同部材
の強磁性領域に、軸方向に離れた２つの周囲バンドすな
わち環状バンドを備えている。これらのバンドについて
は、同一直径の部材上に配置されていて、且つ同じトル
クが加わるように互いに充分に接近しているべきである
ことを除いて、幾何学的、空間的、場所的又は周囲に関
する特別の制限は無い。バンドには、残留応力による対
称的な螺旋方向の磁気異方性が意図的に与えられてい
る。

【００２８】以下に説明するように、様々な方法で残留
応力を部材内に誘起することができる。しかし、全ての
技術に共通することは、加えていた応力を解除した時
に、外力が無い状態で部材が無応力状態に弾性的に復元
することができなくなるように、少なくともその表面領
域の弾性限界以上の応力を部材に加えることである。残
留応力が残って、周知の如くに、これが磁気異方性を発
生させる。応力を加える方法に依存して、接線主残留応
力の、部材の軸に対する方向角は、０°より大きく９０
°より小さい範囲で変化する。残留応力の方向角と、そ
の結果としての磁化容易軸の方向角とは、１０°ないし
８０°であることが好ましく、２０°ないし６０°であ
ることが最も望ましい。

【００２９】本書においては、『残留応力』は、外力が
無い時に物体内に存在する応力を意味する。その分布
は、物体内の色々な部分に作用する力及びモーメントを
合計すると、物体全体ではゼロとなるような分布であ
る。従って、若し１つの領域が正味の力及び／又はトル
クを物体の残りの部分に作用させれば、これと相殺する
力及び／又はトルクを他の領域が作用させなければなら
ない。自己相殺分布を確立するための、残留応力につい
てのこの要求の帰結として、引張り応力を受ける領域が
存在するならば、これと通じて圧縮応力を受ける領域が
存在しなければならない。残留応力は、しばしば、領域
の寸法と、相殺し合う領域の間の距離とにより、短距離
（ＳＲ）応力及び長距離（ＬＲ）応力に分類される。Ｓ
Ｒ応力は、数原子の寸法から、単一の粒子等のミクロ構
造に匹敵する寸法までの領域に存在する。ＬＲ応力は、
１粒子以上の寸法から物体全体の巨視的寸法までにわた
って存在する。巨視的な軸方向範囲の周囲バンドの大部
分にわたって比較的に整然とした磁気異方性が存在しな
ければならないという本発明の要求は、慎重に浸透させ
た適切な分布のＬＲ応力で満たすことができる。いずれ
のバンドにおいても、表面及びその近傍における残留応
力の主成分は、バンド全体にわたって比較的に一様であ
り、螺旋指向性で特徴づけることができる。この表面応
力を相殺するのに必要な応力は、表面磁気感知によって
は検出不可能であるように表面から半径方向内方に向っ
て存在するのが望ましい。逆回りではあるが、同様の分
布の等角螺旋を、協働するバンドに浸透させる。

【００３０】トルクの感知は、主として、トルクが加え
られる部材の表面における透磁率の変化を感知すること
によって達成されるのであるから、残留応力により生成
された磁気異方性が存在しなければならないのは、各バ
ンドの少くとも表面である。従って、加えられる応力
は、少くとも、部材の表面における弾性限界より充分に
大きくなければならないという制限が存在する。勿論、
その最小限度より大きい応力を加えれば、その加えられ
た応力の大きさに依存して、物体の内部にも応力が残留
する結果となることが理解されるであろう。本書におい
て部材の『表面』は、表面及びその内側０．２５４ミリ
メートル（０．０１０インチ）までを意味するものとす
る。

【００３１】バンドの表面において部材の弾性限界を越
える応力を部材に加えると、関連する部材の断面にわた
って不均一な塑性変形が生じる。この塑性変形は、実際
的なマクロスコピックな形態変化を伴わないものである
ことが必要である。

【００３２】このための残留応力の誘起方法は、機械的
方法でも、熱的方法でも、あるいは適当な他の方法でも
よい。残留応力を誘起するために加える応力は、使用中
にその部材に加わると予想される最大の応力より大きい
ことが特に望ましい。その目的は、使用中に加わるトル
クによっては残留応力パターンと共にバンド内の磁気異
方性が変化しないことを保証することにある。等しい軸
方向磁化力が部材に加えられている時、軸方向透磁率感
知によって、トルクが加わっていなければ『差無し』出
力が、また互いに等しい時計回り（ＣＷ）及び反時計回
り（ＣＣＷ）のトルクが加わった結果としては等しいが
反対の出力が生じるように、それぞれのバンドに誘起さ
れる残留応力は略々等しくて対称的であるべきである。

【００３３】実際的なマクロスコピックな形態変化を伴
わない塑性変形にもとづく残留応力を生じさせるため
に、その弾性限度より大きい応力を部材に加える方法
は、主として、その部材の寸法、形状、材料及び目的の
用途の関数として選ばれる。その方法は、バンドの表面
全体にわたって、すなわちバンドの全周にわたり且つそ
の軸方向の全長にわたって、連続的で略々均等な残留応
力を誘起するかも知れない。あるいは、その方法は、応
力区域と無応力区域との両方を含む残留応力パターンを
各バンドに誘起するかも知れない。しかし、そのような
パターンについては、その周囲長さの少くとも５０％、
望ましくはその周囲長さの少くとも８０％にわたって、
無応力区域（無ストレス域）の無い連続的周囲領域が少
くとも１つは各バンドに存在しなければならないという
重要な制限がある。特に好適な形態においては、各バン
ドは、その周囲長さ全体にわたって無応力区域を持たな
い少くとも１つの連続的周囲領域を有する。一般に、シ
ャフトのなるべく広い部分に、比較的に強くなるように
調整された磁気異方性を与えるために、シャフト面の、
意図的に応力を加える面を最大にすることが特に望まし
い。これにより、シャフト製造中に内部応力により生成
されたり結晶方向から生じたりする無秩序な異方性のみ
を受けるシャフト面が可能な限り小さくなる。トルク・
センサの磁気回路の能動的素子すなわち感知領域として
シャフト自体を使用することに固有の無秩序な異方性に
伴なう問題は、本発明により、その無秩序な異方性を、
意図的に生成した残留応力によって誘起した比較的に強
い異方性で置換又は圧倒することによって克服されるも
のである、ということが理解されるべきである。明らか
に、意図的に誘起した異方性が大きいほど、残留した無
秩序な異方性は重要でなくなる。

【００３４】以上及び以下の記載において、『周囲領
域』は、先に定義した如く、（１）部材の軸に垂直な平
面と（２）部材の表面とが交わる部分を画定する点の軌
跡を意味する。部材が円柱状シャフトである場合には、
周囲領域は円柱面とシャフト軸に垂直な平面との交わり
部を画定する円であり、その円は円周又は周囲長さを有
する。換言すると、周囲領域を構成する部材の表面の各
要素を調べれば、その各要素には応力が加わっている
か、又は加わっていることも、いないこともある。広い
応用可能性を有し、特に小直径シャフトに適用でき、容
認可能で実用上再現可能な感度、直線性及び出力信号強
度を示す実用的なトルク・センサを形成するために、そ
れらの要素の少くとも５０％の領域には、その弾性限界
より大きい応力が加えられなければならず、従って、加
えられていた応力が除去された後に応力がその中に残留
していなければならない。実際的なマクロスコピックな
形態変化を伴わない塑性変形にもとづく残留応力により
浸透させられた螺旋方向の磁化容易軸（すなわち、磁化
が最も容易な方向）を含む所望のバンドをトルク支持部
材に与えることのできる方法は、実際上無数にある。ト
ランスデューサの性能という観点から最も重要な考慮事
項は、結果として得られる異方性が充分であること、す
なわち、生成されたバンドの異方性が、少くとも、加え
られたトルクの寄与する応力異方性に匹敵する強さを持
っていなければならないことである。トランスデューサ
が据付けられる装置との両立性の観点から考慮しなけれ
ばならないことは、部材の本来の機能に対する影響であ
る。

【００３５】方法を選ぶに当たっての他の重要な考慮事
項は、実用性と経済性である。実際的なマクロスコピッ
クな形態変化を伴わない塑性変形にもとづく残留応力に
より誘起される磁気方向特性をトルク支持部材上に、す
なわちその表面に、印する適当な方法としては、研削；
機械的けがき；指向性又はマスク付きショット・ピーニ
ング又はサンド・ブラスト；ロールクラッシング；適当
な化学的手段；選択的熱処理、例えば、誘導、トーチ、
熱プリント・ヘッド、レーザー・スクライビングなどが
あるが、これに限らない。

【００３６】これらの中で、実際的なマクロスコピック
な表面の変形を伴わない例えば研削等の形の冷間加工
は、残留応力と、これに伴なう磁気異方性とを生じさせ
るものであって、本発明のトルク・センサの製造に有利
な成形プロセスである。選択的熱処理と同様に、電子ビ
ーム・スクライビング及びレーザー・スクライビング等
のもっと複雑な方法も、大多数の機械的冷間加工法より
もシャフト表面を傷めずに所望の異方性を与えることが
できる。その上、これらの方法は、ビームの出力密度及
び強度及び／又は熱こう配の調節により、誘起される残
留応力を非常に精密に制御する可能性を提供するもので
ある。

【００３７】バンド内に残留応力を発生させるためにど
のような方法を選んだとしても、各バンド内の周囲領域
の周囲長さに沿うストレス域のパーセント（％ストレス
域）と感度（単位：ｍＶ／Ｎ−Ｍ）との間の関係は、
『％ストレス域』が増大すれば感度が増大するという関
係である。これらのパラメータをプロットして得られる
カーブは、『％ストレス域』の低い値で最大の勾配を有
し、『％ストレス域』が、１００％まで、大きくなるに
従って勾配が減少してゆき、１００％において感度は最
大で、勾配はゼロに近い。カーブの正確な形状や、『％
ストレス域』の特定な値におけるカーブの勾配や、その
初期の上昇率や、上昇率が減少してカーブが横ばいにな
る点などは、全てバンドの材料と応力を加える方法とに
関係する。代表的なカーブを図５に示してある。『Ａ』
においては、周囲領域の周囲に沿っての残留応力は存在
しない。『Ｃ』において、周囲領域の周囲長さの１００
％に残留応力が加わっている。『Ｂ』は、おおよそ感度
が横ばいになり始める、すなわち『％ストレス域』に対
して鈍感になるカーブ上の点を表わしており、この点の
位置は材料及び方法の両方に依存する。

【００３８】理想的には、１００％残留応力、すなわち
カーブ上の『Ｃ』においてトルク・センサを作動させる
のが最善である。それは、感度の変化率が最小であり、
一般に、殆んどの方法において１００％ストレス状態が
最も得やすいからである。実際問題として、残留応力誘
起方法を制御して１００％より小さい所望の『％ストレ
ス域』の値を達成するのは困難である。しかし、実際の
生産の問題を別にすれば、バンドの周囲領域の長さに沿
って１００％より少い残留応力に対応する感度レベルで
作動する容認可能なトルク・センサを作ることはでき
る。トルク・センサを図５のカーブに沿って上昇部分Ａ
Ｂで経済的に且つ再現可能に作動させることはできな
い。それは、その部分では、感度が『％ストレス域』に
対して極めて敏感に応答するからである。これは、たと
え僅かな『％ストレス域』の変化であっても、割合いに
大きな感度変化を引起すことを意味する。実際的な経済
的観点からは、大量生産されたトルク・センサは既知の
再現可能な感度を持っていなければならない。それらを
１つ１つ別々に目盛定めしなければならないのは非現実
的である。けれども、通常の製造誤差でも小さな『％ス
トレス域』変化を生じさせる原因となり、その変化は、
カーブのＡＢ領域では、センサ間に大きな感度差をもた
らす結果となる。従って、商業上有用なトルク・センサ
は、カーブのもっと平らな部分に沿って作動しなければ
ならず、そこでは勾配はゼロに近い。カーブのＢＣ部分
における作動は容認可能な妥協策であると思われる。殆
んどの材料と残留応力誘起方法については、『Ｂ』で表
わされる点は周囲領域の周囲長さに沿って少くとも５０
％ストレス域、好ましくは８０％ストレス域、を上回る
ことが好ましい。これは、周囲領域の最小許容残留応力
負荷は材料及びプロセスの両方に依存し、且つ、一般に
はできるだけ１００％応力負荷に近いことが最も望まし
いという事実の認識に基づいている。

【００３９】トルクが加わっていない時に、等しい軸方
向磁化力を逆方向に傾斜する磁気異方性が付与された一
対のバンドに加えると、バンドは対称的に応答し、バン
ドに付属している感知手段は、応答に差の無いことを検
出する。トルクが加えられている時には、その加えられ
ているトルクに伴なう主応力は、バンド内の残留応力
と、２つのバンド内の合成応力が互いに他と異なるよう
な態様で、結合する。その結果として、透磁率は相異な
り、各バンドに付属する感知手段に誘起される起電力は
その差を反映する。差の大きさは、加えられたトルクの
大きさに比例する。このようにして、２つの周囲バンド
間の、加えられたトルクに伴なう主応力に対する差動的
磁気弾性応答を感知する。このことの重要性は、このよ
うな感知は結局バンドの周囲全体にわたって平均化され
た応答を感知するのに等しいことにある。このようにし
て、表面の不均一性、位置及び回転速度に対する感受性
が回避されている。

【００４０】加えられたトルクに起因する透磁率の変化
の感知は、従来技術に開示されているように、多くの方
法で行なうことができる。例えば前記のHarada氏外の論
文と米国特許第４，５０６，５５４号を参照されたい。
機能的には、磁気弁別器は、２つのバンド間の、加えら
れたトルクに対する差動的磁気弾性応答を評価するため
のプローブに過ぎない。一般に、それは、時間の経過に
従って周期的に変化する磁化力を両方のバンドに加え、
その結果としての同バンドの磁化の差を感知することに
よって機能する。その磁化力は、電流、永久磁石、又は
その両方に由来するものである。結果としての磁化は、
その発散を通して、磁束又はその時間変化率によって感
知することができるものである。トランスデューサ機能
は、そのトルクに類似する電気信号を送出する電気回路
によって完成される。

【００４１】磁化力を供給すると共に、その結果として
の感知コイルの差信号を測定する方法が図２と図３に示
されている。図２から判るように、シャフト２と同心状
のボビン１６，１８がバンド６，８を囲んでいる。ボビ
ン１６，１８に１対のコイル２０，２２及び２４，２６
が取付けられており、そのうちの２２と２６は、直列に
接続されて交流で駆動される励磁又は磁化コイルであ
り、２０と２４は、２つのバンドの磁束の差を感知する
反対向きに接続された感知コイルである。略々Ｅ形の回
転体としてフェライト材料コア２８が低意的に設けられ
ている。シャフトとＥ形コアとの間の周囲ギャップ３０
を、シャフトをコア内の中心に保つのに適当である程度
に小さく且つ均一に維持することが望ましい。図３に示
すところによると、励磁又は駆動コイル２２，２６は直
列にＡＣ電源３２から給電され、反対向きに接続された
感知コイル２０，２４に誘起された起電力は、整流器３
４で位相を感じるように整流されて電圧表示器３６に表
示される。黒点３８はコイルの極性を示す。

【００４２】シャフト２にトルクが加えられていない時
には、バンド内の応力は対称的で且つ等しいので、この
条件下では、ａ．ｃ．駆動入力が加えられても、図３に
示されている回路からの出力信号はゼロである。それは
バンドが等しい透磁率を持っているからである。従っ
て、感知コイルに誘起される電圧は、大きさが等しく極
性が反対であり、互いに打消し合う。しかし、トルクが
シャフト２に加えられている時には、それぞれのバンド
は引張り応力及び圧縮応力を受け、その結果として、一
方のバンドを通る磁束及び透磁率が増大し、他方のバン
ドを通る磁束及び透磁率が減少する。斯くして、一方の
感知コイルに誘起された電圧は、他方の感知コイルに誘
起された電圧を上回り、その誘起された電圧の差を表わ
す、加えられたトルクに比例する出力信号が得られる。
その信号は整流器３４で直流電圧に変換され、整流器出
力の極性は、加えられたトルクの方向すなわち、ＣＷ又
はＣＣＷ；に依存する。一般的に、線形で強い出力信号
を得るためには、ａ．ｃ．駆動電流を、励起周波数１な
いし４００ｋＨｚで１０ないし４００ｍＡの範囲に保つ
ことが望ましい。

【００４３】図４は、トルクがシャフトに加えられた時
のバンドの透磁率変化を感知する他の種類の磁気弁別器
を示す。強磁性コアと、これに巻回されたコイルとから
成る磁気ヘッド４２，４４は、バンド４６，４８と一致
するシャフト４０沿いの軸方向位置に設けられて、バン
ドに磁気的に結合されている。磁気ヘッド４２，４４
は、ダイオード５２，５４を通して高周波電源５０によ
り駆動される。シャフト４０にトルクが加えられていな
い時には、両バンドの透磁率は等しい。従って、両磁気
ヘッドのインダクタンスのレベルは等しくて極性が反対
であり、正味の電流出力Ｖｏｕｔはゼロである。矢印６
０で示されているように、トルクがシャフト４０に加え
られている時には、一方のバンドの透磁率は増大し、他
方の透磁率は減少する。これに対応して、一方の磁気ヘ
ッドのインダクタンスは増大し、他方の磁気ヘッドのイ
ンダクタンスは減少し、その結果として両ヘッドの励起
電流に差が生じる。抵抗器５６と平滑化コンデンサ５８
とを介して流れる励起電流の差は、加えられたトルクの
大きさ及び方向を示す極性及び大きさを有する直流電流
出力信号を産出する。

【００４４】本発明の１つの独特な面によると、前述し
たように、適当な材料のシャフトの２つの接近したバン
ドの各々に、対称的な、左回り及び右回りの螺旋の方向
の磁化容易軸が与えられる。少くともバンドの領域にお
いて、普通はその全長にわたって、シャフトは、少くと
もその表面は、強磁性及び磁歪の性質を有する材料で形
成されている。その材料は、磁区の存在を保証するため
に強磁性でなければならず、加えられたトルクに伴なう
応力により磁化方向が変化し得るように、磁歪性でなけ
ればならない。多くの材料が強磁性であって且つ磁歪性
である。しかし、高透磁率、底保磁力、低固有磁気異方
性等の他の望ましい磁気的性質をも示す材料のみが望ま
しい。また、望ましい材料は、高周波磁場を加えた結果
として発生する誘導渦電流を最少限度にとどめるため、
高い抵抗率を有する。最も重要なことは、好ましい材料
は、同材料を目的の用途に適する高い強度及び硬度を持
った適当なシャフトに形成するために必要な冷間加工及
び熱処理を受けた後に前記の望ましい磁気的性質を保持
していなければならないということである。

【００４５】多くの大強度鋼合金が強磁性で且つ磁歪性
であるというのは事実である。けれども、その合金の大
多数は、希望の用途に適する硬度と強度とを達成するの
に必要な熱処理を受けると、その磁気的性質が様々な度
合に劣化するものである。最も著しい劣化は、機械的硬
度と磁気的軟度との間の一般的反比例関係が確実に成立
すると思われる、炭素又は炭化物で硬化された合金にお
いて記録されている。しかし、ＡＩＳＩ１０１８等の低
炭素合金でさえも、その性能は熱処理で著しく劣化する
ことが判っている。例えばＡＩＳＩ ４１０などのマル
テンサイト型ステンレス鋼と、例えば４９Ｆｅ−４９Ｃ
ｏ−２Ｖ合金等の、他元素を多量に含む鋼とについても
同じことが言える。本発明の他の独特の面によれば、次
のことが確かめられている：すなわち、ニッケル・マレ
ージング鋼は、優れた機械的性質と共に顕著で且つ熱的
に安定した磁気的性質を併せ持っている異常な鋼であ
り、それ故にこの種の鋼は、強磁性歪手段に磁場を加え
て、これに加わったトルクに起因する透磁率変化を感知
して同トルクの大きさの示度を得る全ての磁気弾性トル
ク・トランスデューサに用いるのに特に適していて格別
に有利である。

【００４６】ニッケル・マレージング鋼は、一般には、
極低炭素、高ニッケル、鉄ベース合金であり、溶接容易
で熱処理容易な材料において構造的強さと破壊じん性と
の非凡な組合せを示す。この鋼は、焼き戻し及び冷却で
鉄−ニッケル・マルテンサイト微細構造に変化し、焼戻
しされた状態又はマルテンサイト状態におけるエージン
グで非凡な強度特性を得る。緩く結合した鉄ベース合金
のグループに属する。そこで、この合金は、その強化に
係る２つの主要な反応（マルテンサイト化、エージン
グ）の故に、『マレージング』と呼ばれる。しかし、こ
の鋼は、極めて高いレベルまで急速に強化することので
きる著しく粘り強いマルテンサイトの形成を可能にする
高ニッケル、極低炭素含有率の故に、独特なものであ
る。エージングされた状態におけるこの種の鋼では、３
００ｋｓｉに及び、且つそれをはるかに上回る耐力を利
用することができる。

【００４７】代表的ニッケル・マレージング鋼は、１２
〜２５％Ｎｉ、７〜１３％Ｃｏ、２．７５〜５．２％Ｍ
ｏ、１．５〜２．０％Ｔｉ、０．５〜０．３％Ａｌ、
０．０３％までのＣ、残りの鉄、及び微量のＭｎ，Ｓ
ｉ，Ｓ，Ｐ，Ｃｂ等の他の元素から成る合金である。最
もありふれていて実用上重要なマレージング鋼は、少く
とも現在は、エージングにより約２００ｋｓｉ、２５０
ｋｓｉ、及び３００ｋｓｉの耐力を生ずることのできる
１８％Ｎｉ鋼である。１８Ｎｉ２００、１８Ｎｉ２５
０、及び１８Ｎｉ３００級マレージング鋼と呼ばれるそ
の特別の合金は、１〜１９％Ｎｉ、７〜９．５％Ｃｏ、
３．０〜５．２％Ｍｏ、０．１〜０．８％Ｔｉ、０．０
５〜０．１５Ａｌ、０．０３％までのＣ、残りの鉄、及
び微量の他の元素、の範囲の代表的組成を有する。普
通、１８％ニッケル・マレージング鋼は、析出物を溶解
し、内部応力を除去し、完全なオーステナイトへの変化
を保証するため、例えば厚み２５．４ミリメートル（１
インチ）あたり１時間の充分な時間で８１６℃（１５０
０°Ｆ）以上の温度で焼き戻しされて熱処理される。空
気冷却後、１８％Ｎｉ鋼は、普通は、３９９〜５９３℃
（７５０〜１１００°Ｆ）（望ましくは４８２〜５１０
℃（９００〜９５０°Ｆ））で、厚みに応じて３〜１０
時間（普通３〜６時間）エージングされる。けれども、
僅か１０分間エージングしただけで満足な強度特性と優
れた磁気特性とを合金に与えることができるということ
が判っている。

【００４８】他の周知のニッケル・マレージング鋼は、
コバルトを含まない１８％ニッケル・マレージング鋼
と、コバルトを含む２５％Ｎｉ、２０Ｎｉ、及び１２％
Ｎｉマレージング鋼である。１８％Ｎｉ−Ｃｏ含有マレ
ージング鋼は、幾つかの供給元から販売されている。す
なわち、それらの鋼は、VascoMax C-200, VascoMax C-2
50, VascoMax C-300, 及びVascoMax C-350, という商標
でテレダイン・バスコ社(Teledyne Vasco of Latrobe ,
Pennsylvania)から ; Marvac 250 及びMarvac300とい
う商標でラトローブ・スチール社(Latrove Steel Compa
ny of Latrobe, Pennsylvania) から ; Unimar 300Kと
いう商標でサイクロプス社(Universal Cyclops Special
ty Steel DiviSion , Cyclops Corporation of Pittsbu
rgh , Pennsylvania) から; Almar 18-300という商標で
スペリオルチューブ社(SuperiorTube of Norristown ,
Pennsylvania)から；入手可能である。１８％Ｎｉ−コ
バルト無しマレージング鋼は、VascoMax T-200, Vasco
Max T-250,及びVascoMax T-300という商標でテレダイン
・バスコ社(Teledyne Vasco of Latrobe , Pennsylvani
a)から販売されている。鉄−ニッケル・マルテンサイト
相を形成する他の高ニッケル鋼は、もっと一般的なマレ
ージング鋼のそれに類似する、温度変化に対して相当安
定した機械的及び磁気的性質を示す。その中で最も有名
なのは、9.84Ni , 3.62 Co , 0.15 C、残りは鉄という
代表的重量％組成を有する、テレダイン・バスコ社(Tel
edyne Vasco)から販売されている、公称９％Ｎｉ−４％
Ｃｏ合金である。また、例えば１５％Ｎｉ−１５％Ｃｏ
などの、他の色々な高ニッケル・コバルト組成のマレー
ジング鋼が、色々な性質のうちの１つ又は幾つかの組合
せを最適化するために、断続的に試験されている。従っ
て、本書においては、『Ｎｉマレージング鋼』は、９な
いし２５％のニッケルを含有していて、前述の如くに鉄
−ニッケル・マルテンサイトの形成からその強度特性を
得る鉄及びニッケルの合金を意味する。

【００４９】その顕著な物性及び強度特性に加えて、ニ
ッケル・マレージング鋼は優れた磁気的特性を持ってい
るので、非接触トルク・トランスデューサの磁性材料と
して用いるのに特に適している。すなわち、この合金
は、２５ppm ±１５ppm の範囲の略々等方性の強い磁歪
性を有するがビラリ反転を示さず；電気抵抗率が高く；
結晶構造による固有磁気異方性が弱く；透磁率が高く；
保磁力が低くて、５〜２５エルステッドの範囲にあり；
合金の化学的性質で磁気的性質が安定している。しか
し、最も重要なことは、その磁気的性質が強化処理によ
って控えめに、けれども好都合に、影響されるに過ぎな
いということである（実際、その磁気的性質は冷間加工
とエージング熱処理で向上する）。この点で、ニッケル
・マレージング鋼は他の全ての大強度合金と相違してい
る。従来は、一般的知識として、鋼の機械的及び強度的
性質を改善するのに必要な熱処理は、その磁気的性質に
は有害であるとされてきた。例えば、焼入れされた鋼合
金は一般に非常に低い透磁率と高い保持力とを示すが、
これは不都合な磁気的性質の組合せであり、そのために
当該合金の弱磁場に対する感度は著しく低下し、本書で
考察しているようなトルク・トランスデューサには不向
きとなる。ところが、ニッケル・マレージング鋼につい
ては、これはあてはまらない。本発明により、極めて大
きな強度を与えるために行なう冷間加工及びエージング
熱処理でニッケル・マレージング鋼は磁気的に軟化する
ということが確認されている。実際、例えば１８％Ｎｉ
マレージング鋼の保磁力は、４８２℃（９００°Ｆ）で
１０時間エージングされると、低下する。その結果、マ
レージング鋼を、エージング済みの状態（すなわち、そ
の鋼が最大強度特性と、略々同等又は向上した磁気的特
性とを示す状態）で有利に使用することができる。

【００５０】従って、磁気弾性トルク・センサの磁性材
料として、特に、そのトルクが感知されるべき装置のシ
ャフト材料としてマレージング鋼を使用すれば、その種
の装置のシャフトを磁性部材として使用することに対し
て従来考えられていた問題点を実際上全て除去すること
ができる。マレージング鋼の機械的及び強度的性質は、
殆んど全てのシャフト用途における機械的性質に関する
要求を満すと同時に、トルク・センサにおけるその役割
のために顕著な磁気的性質を提供する。マレージング鋼
をエージングすると、透磁率の低下や保磁力の増大を伴
なわずに、機械的用途に必要な大強度及び高硬度を与え
ることができる。その上、８１６℃（１５００°Ｆ）よ
り高い温度での初期溶体化処理を含む、マレージング鋼
を熱処理する伝統的方法は、機械加工による内部応力
と、不均一性及び結晶方向による殆んどの応力とを除去
して、マレージング鋼シャフトの無秩序な磁気異方性の
量を最少にする。例えば、シャフトの通常使用時に予想
される最大トルク応力より大きな応力で、その弾性限界
を越えてシャフトに応力を加えることによって比較的に
強い磁気応力異方性を意図的に浸透させた一対の隣り合
うバンドを、本発明に従って前記の熱処理と組合わせれ
ば、シャフトの無秩序な異方性の、全磁気異方性への寄
与は実際に無視することができる。

【００５１】磁気弾性トルク・トランスデューサにおけ
るニッケル・マレージング鋼の利点は、シャフトを所望
のニッケル・マレージング鋼で形成することにより；シ
ャフトの或る領域を所望のニッケル・マレージング鋼で
形成し、この領域に環状バンドを置くことにより；又は
目的とするシャフトの機能に適する機械的性質を有する
合金で形成したシャフトの表面をニッケル・マレージン
グ鋼で仕上げること、すなわち、シャフトの適当な軸方
向範囲の少くとも１つの完全な周囲領域に所望のニッケ
ル・マレージング鋼の表面仕上げ合金を付着させ、この
領域に環状バンドを配置すること、によって；それぞれ
実現することができるということが理解されるであろ
う。本発明による透磁率の感知は基本的に表面現象であ
るから、その表面処理は、約0.38ミリメートル（0.015
インチ）を越えない厚みの周囲層を付けることを要す
る。その表面処理方法は、例えば、電気メッキ、金属吹
付け、スパッタリング、真空蒸着、イオン・インプラン
テーション等の、多くの既知の付加プロセスの中から選
ぶのが有利である。

【００５２】以下の説明からもっと明らかとなるよう
に、SAE 9310等の非Ｎｉマレージング鋼合金から本発明
の磁気弾性トルク・トランスデューサを調整するもっと
良い手順は、最初に肌焼き等でその合金を熱的に硬化さ
せ、次に、必要に応じて、そのシャフトを切削して真直
にする。その後、その硬化した合金の研磨その他の処理
をして、実際的なマクロスコピックな形態変化を伴わな
い塑性変形にもとづく残留応力により生成された磁気異
方性を有するバンドを設けることができる。研磨の１つ
の利点は、真直にするプロセスで浸透した表面異方性を
除去して、上述のようにシャフト表面の巨視的形状を変
えずに、所望の残留応力による異方性と置換することで
ある。

【００５３】その出力信号は励磁のための交流周波数に
正比例し、ほぼ線形に増加する。また試験の結果による
と、例えば２０kHz で、出力直流電圧信号の倍加が得ら
れる。使用する回路に応じ、１〜１００kHz の交流周波
数が本発明のトルクトランスデューサを駆動するのに支
障なく使える。好ましくは、ホイッスラ雑音を避けるた
め、可聴レンジよりすぐ上の１０〜３０kHz の周波数を
用いる。最も望ましくは、周波数を約２０kHz に調整す
る。周波数に対する応答と同様、出力直流信号は、周波
数に応じて１０〜４００mA（ピーク）の範囲とし得る駆
動電流にほぼ正比例し、より厳密にはＳ字状に変化する
と見られる。一般に、選定周波数で良好な信号を得るの
に、望ましくは印加トルクの全範囲にわたって信号ヒス
テリシスをゼロに調整するのに充分な電流が使われる。

【００５４】ニッケルマレーシング鋼製シャフトの感度
が、非磁性シャフトに非晶質リボンを接着固定したもの
を用いた研究者等によって報告されている感度より著し
く優れている点に注意すると興味深い。たとえば本発明
によれば、１２．７mmのシャフト直径を有する時効後の
Ｔ−２５０ニッケルマレージング鋼製シャフトが、１０
kHz の交流周波数と２００mAの励起電流、および各々１
００回巻の励起コイルと各々５００回巻の検知コイルを
用いると、６０Ｎ−Ｍの印加トルクで０．９ボルトの出
力直流信号、すなわち0.015 V/N-M の感度を生じる。比
較として、ササダ等は第１１回IEEE産業エレクトロニク
スソサエティ年次会議（１９８５年１１月１８−２２
日）の報告で、非晶質リボン型トルクセンサについて、
２０kHz の交流周波数、２００mAの励起電流、各々２２
０回巻の励磁コイルと各々８０回巻の検知コイル、およ
び１２mmのシャフト直径を用いた場合、１０N-M の印加
トルクで３５mVの出力直流信号を示している。感度は交
流周波数、励起電流、励起及び検知コイルの巻数に比例
し、シャフト直径の立方に反比例するので、上記で例示
したものと同じベースに補正したササダ等の感度は0.00
7V/N-Mである。すなわち、本発明のトルクトランスデュ
ーサは、ササダ等の非晶質リボン型トルクセンサより２
倍以上感度がよい。

【００５５】ニッケルマレージング鋼の絶対的および相
対的利点に関する上記の議論から、もっと普通の鋼合金
は本発明で使えないと思われるかもしれないが、これは
明らかに事実と反する。勿論、ニッケルマレージング鋼
を除く全てのものは、完全な硬化を達成するために高温
での硬化の後に急冷したり、あるいは肌焼きを達成する
のに浸炭化雰囲気内で高温加熱したりすることが、意図
しない残留応力を帯状組織（バンド）内に熱的に生じる
結果、本発明の磁気弾性トルクトランスデューサにとっ
て不可欠な帯状組織内の応力に基づく大きな残留磁気異
方性が失われてしまうという非常に重要な欠点を免れな
いのは真実である。しかし、実際に試験を行ったとこ
ろ、その試験に供した合金の各々が、所定のトルク付加
に対する出力信号の大きさの点で有用な範囲内の感度を
もたらすこと、更にトルクレンジの大部分にわたって充
分に線形の信号を発生することが判明した。つまり、こ
れらの合金をある特定の種類のトランスデューサの用途
に不向きとしているのは、それらの固有な磁気特性でな
く、むしろ意図する機械的機能を実行するのに必要とす
る機械的および強度的特性を合金に与えるのに必要な熱
硬化工程が、それら合金の好ましい磁気特性を破壊する
ためと考えられる。これに関連して、本発明のトルクト
ランスデューサのほとんどの用途では、設置される機器
の動作特性によって要求される回転シャフトの機械的お
よび強度的特性の必要条件が、鋼合金をそれらの硬化状
態で用いることを必要としている点が理解されよう。

【００５６】以下もっと詳しくかつ明確に定義する熱的
に硬化可能な鋼合金を、本発明の磁気弾性トルクトラン
スデューサにおいて極めて有効に機能するように作製で
きることが確認されている。この点は、かかる鋼合金に
おいて、合金を適切に熱処理しそれからの硬度及び強度
特性を合金の目的用途で要求されるレベルにまで高めた
後で、帯状組織内に残留応力を発生させることによって
達成できる。帯状組織に望ましい磁気異方性を与える磁
気応力の事後つまり硬化後の発生は、合金の機械的また
は強度的特性に悪影響を及ばさない。しかし、鋼合金製
シャフトをこのように作製することは、残留応力の発生
に使えるプロセスの種類に厳しい制限を課す。塑性流れ
および捻り過度ひずみを要求するローレット切り等の一
部のプロセスは、軟質の合金を必要とし、既に硬化済み
の合金には実施できない。硬化後の鋼合金をローレット
切りする試みは、微小割れ、亀裂、及びその他の望まし
くない形態的荒廃を、合金シャフトに与えてきた。小径
の硬化後の鋼合金を捻る試みは、シャフトを必ず折損さ
せてしまった。従って本発明によれば、後で定義する熱
的に硬化可能な非Ｎｉ−マレージング鋼合金の本発明の
磁性弾性トルクトランスデューサにおける使用は、合金
を熱的処理で機械的に強化した後でのみ、更に望ましい
対応した反対の一様な磁気異方性の分布を帯状組織に与
えられる所定の残留応力発生プロセスによってのみ、必
要な残留応力を発生することに限定される。このような
プロセスには、これに限られるものでないが、研磨、
（適当な工具による）機械的けがき、方向付けまたはマ
スクしたピーニングやサンドブラスト、化学的手段、お
よびレーザけがき、誘導、トーチ、加熱プリントヘッド
等を含む熱処理が含まれる。この結果、機械的な硬化お
よび強化の前または後で、実際的なマクロスコピックな
形態変化を伴わない塑性変形にもとづく残留応力を発生
でき、従って、使用する残留応力発生法によってプロセ
ス上制限されないニッケルマレージング鋼ほど用途に融
通性はないが、後で定義する非Ｎｉ−マレージング鋼合
金も、本発明の磁気弾性トルクトランスデューサにおけ
る強磁性の磁歪シャフト要素として重要な役割を果た
す。

【００５７】既に硬化済みの鋼合金の帯状組織内に残留
応力を発生させる残留応力発生プロセスの選択は、多く
の因子、特にシャフトのサイズ、シャフトの組成、処理
すべきシャフト数、および利用可能性、必要な処理装置
更にシャフトの最終的な形態的外観を含む経済性に基づ
く。実際上多くの例では、最後のものが支配的な因子で
ある。回転シャフト機器のメーカーは、磁気弾性トルク
トランスデューサの取付が望ましいとしても、その取付
を行うのに既存の機器を著しく改造することを好まな
い。それより、少なくとも回転シャフト機器が始めから
そのようなトルクトランスデューサを含むように設計さ
れるまで、個々に適したトランスデューサが各々別の用
途毎に作製されていくと考えられる。シャフトが回転す
る環境、シャフトの構造体一体性、回転シャフトに対す
るその他の構成部品の接近度などの因子は、回転シャフ
ト上またはそれに関連した領域に帯状組織を形成するの
に用いるプロセスが、シャフト表面のマクロスコピック
な形態の変化を最小限とするように選ばれることが機器
メーカーにとって望ましいことを示唆している。

【００５８】実際上、こうしたメーカーの難色は別にし
ても、シャフト表面のマクロスコピックな形態的変化を
最小限とする機能上の理由が存在する。本発明によれ
ば、比較的大なる大きさで、意図的に導入され、コント
ロールされた磁気応力の異方性を帯状組織に与えるため
に、残留応力が帯状組織に発生される。従って１つの主
な理由は、本発明のトルクトランスデューサが印加トル
クによって引き起こされる透磁率の変化に対して予測可
能な方法で応答するように、シャフト内に存在するコン
トロールされていないランダムな磁気異方性を取り除く
および／または有意でなくすることである。このため、
本発明によって意図的に導入された残留応力に基づく磁
気異方性のコントロールされた因子以外のもので、透磁
率の変化に影響を及ぼす因子は最小限化するのが望まし
い。この点に関連して、ローレット、スリット、リッジ
等、シャフト表面の示差的なマクロスコピック形態変化
が、望ましい磁気弾性効果の他に、磁気弁別器で検出さ
れる透磁率の変化に影響を及ぼすことが見いだされてい
る。差のある形態変化が透磁率の変化に及ぼす非磁気弾
性効果は、３倍である。材料に起因した一様でない形態
的影響が存在する結果、シャフトにトルクが加わると、
各帯状組織内の形状及び材質の対称性が異なって変化し
歪められる。印加される捻り応力は直交する引張及び圧
縮応力に分解されるため、一つの帯状組織内のローレッ
ト、スリット等は長くなって相互に接近する一方、他の
帯状組織内のローレット、スリット等は短くなって相互
に離反する。それぞれの帯状組織を取り巻く励起及び検
知コイルは実際上、各帯状組織内の磁気物質の異なった
量および／または分布を観測し、従って各々異なる透磁
率を検知する。このようにして、帯状組織内の残留応力
に基づく磁気異方性とは別に、形態的変化によって、透
磁率の検知に関しての影響が生じる。また、完全に焼き
なましたシャフトにおいても、このシャフトへのトルク
印加に原因した応力分布に対する形態的な変化が存在す
る。この形態的な影響が、帯状組織内の捻り応力を、形
態的に変化していない帯状組織内においてと異なる方法
で分布させる結果、帯状組織上に位置したコイルで検知
される透磁率変化の少なくとも一部が、望ましい磁気弾
性効果によるだけでなく、形態的に左右された応力分布
にもよるものとなる。結局、形態的変化にもとづく形状
が透磁率の検知に及ぼす影響が存在する。例えば、シャ
フト表面に形成されたそれぞれ±４５°のスリットから
なる帯状組織を想定すると、捻り応力がシャフトに印加
され且つ周期的に時間変化する磁場が帯状組織に印加さ
れた場合、捻り応力がＣＷまたはＣＣＷの何れの印加で
あるかに応じ、引張／圧縮応力の片方が一組のスリット
の長さに沿って磁化を整列させようとする一方、他方が
それと直角に、すなわち他組のスリットの長さに沿って
磁化を整列させようとする。磁気弾性上の因子は別とし
て、物理的および形状的な点から、加えられる磁化は後
者より前者に沿って移動する方が容易である。この結
果、磁化がスリットの長さに沿って整列しようとしてい
る帯状組織上のコイルによって検知される透磁率の方
が、磁化がスリットの長さを横切って整列しようとして
いる帯状組織上のコイルによって検知される透磁率より
も高い。この透磁率の増加は、一部において帯状組織表
面の形態的変化によるものである。つまり磁化は、スリ
ットに沿ってでなくそれを横切って移動する際、物理的
により困難な経路を辿らされる。

【００５９】まとめれば、形態的に変化されたシャフト
が何故トルクトランスデューサとしてある程度働くかと
いう点を、上記３つの理由が説明している。また、何故
熱処理が形態的に変化されたシャフトの透磁率の変化を
全て除去できないのかの理由でもある。同じ理由から、
シャフト表面における形態的変化の影響が、外部的で、
望ましくなく、コントロールされていない信号を透磁率
の検知機能に導き、少なくともその分だけ、厳密に磁気
弾性的な因子だけが印加トルクを検出出力に関連せしめ
る理想的な状態から逸脱させる。このため、シャフト表
面のマクロスコピックな形態的変化はできる限り避けら
れるべきである。この目標は、シャフト合金を熱処理で
適切に硬化及び強化した後で残留応力を加えることと完
全に合致しており、さらに後で定義する非Ｎｉ−マレー
ジング鋼合金を本発明と関連して用いることとも完全に
合致している。

【００６０】前述した各種の残留応力発生法は、マクロ
スコピックな形態的表面変化を多少とも最小限化しよう
とするものである。容易に実証可能な一つの方法は研磨
で、それぞれの帯状組織を作成するのにワークの軸に対
して±２０°〜６０°傾斜させた通常の砥石を用い、帯
状組織の幾何形状に応じ各帯状組織の軸方向長さに沿っ
て、例えば0.025 ミリメートル（0.001 インチ）等シャ
フト表面の一様なわずかな深さを除去する。研磨はそれ
ぞれの帯状組織から合金表面材料の等しい量を除去する
だけなので、差のあるマクロスコピックな形態的変化は
生じない、すなわち各帯状組織内での変化は同一で、こ
れら各帯状組織内において非一様な形態的特徴は生じな
い。あらゆる実際的な目的上、２つの帯状組織は形態的
に同一となる。何れかの帯状組織内におけるシャフト軸
に直角な断面は、真円からのマクロスコピックなずれだ
けを含む円である。また研磨法は、それによって発生さ
れる細かな多数の塑性変にもとづく残留応力にほぼ完全
に対応する、反対の対応した磁気異方性を有する２つの
隣合う帯状組織を形成している。このシャフトに捻り応
力を加えると、リッジやトラフの伸縮など材料に起因し
た非一様な形態的変化は生ぜず；帯状組織の形態が同一
なので、形態に起因した差のある捻り応力分布は生ぜ
ず；また帯状組織間の形態的な差による形状の影響も生
じない。これは、ローレット切り領域が帯状組織を形成
するときに存在する状況と著しく異なる。各ローレット
切り領域はトラフとリッジの異なる構成、すなわちひず
み可能な形状と特徴、差のある応力と磁化に影響する形
態、および形状的影響を与える特徴を含み、これらが別
々におよび相乗的に、帯状組織内へ意図的に導入された
残留応力発生の異方性と独立に検知される透磁率を変化
させる。つまり、離間したローレット切り帯状組織を含
むシャフトに捻り応力を加えると必ず出力信号が生じる
が、この信号は残留応力で発生した異方性の関数だけと
ならず、ローレットで表されるシャフト表面のマクロス
コピックな形態的変化によって左右される。この結果、
かかる全てのローレットを含むシャフトはトルクトラン
スデューサとして機能すると考えられるが、それらの出
力信号は残留磁気で発生した磁気異方性に少しも依存せ
ず、印加電圧に対してわずかな相関関係しか持たない。

【００６１】非Ｎｉ−マレージング鋼合金を用い、残留
応力を加えて帯状組織内に磁気異方性を発生したあと熱
処理で硬化することによって、本発明による磁気弾性ト
ルクトランスデューサが如何に作製できるかを実証する
ため、研磨プロセスによって形成され、ラセン的に対称
的なＬＨおよびＲＨ両磁化容易軸を与えられた一対の軸
方向に離間した帯状組織を有する直径6.35ミリメートル
と12.7ミリメートル（１／４インチと１／２インチ）の
円筒状シャフトを用いて、いくつか異なるトルクトラン
スデューサを組み立てた。直径12.7ミリメートル（１／
２インチ）のシャフトを用いた装置の特性は、各々磁化
および検知コイルが装着されているボビンをシャフトと
同心円状に且つ帯状組織と軸方向に一致させて位置決め
することによって検知した。複数の磁化コイルは直列に
接続し、交流電源によって駆動した。各々の検知コイル
中に誘起されたemf （起電力）は別々に整流され、これ
ら整流出力が逆向きに接続されて差信号を生じ、これが
電圧表示計器上に表示された。直径6.35ミリメートル
（１／４インチ）のシャフトを用いた装置の特性は、２
つの並列なトランジスタのうち１回に一方だけが高周波
源からの入力を導通させ、矩形波電圧を生じて周期的に
時間変化する磁場をシャフトの帯状組織に加えるのを可
能とする通常のマルチバイブレータ回路を用いて検知し
た。その結果、一方の帯状組織に対応するコイルのイン
ダクタンスが増加したのに対し、他方の帯状組織に対応
するコイルのインダクタンスは減少した。このインダク
タンスの差が、異なる電圧信号を生じ、これらが比較器
に入力されて発生した差信号が電圧表示計器上に表示さ
れた。

【００６２】比較のため、異なる材料で形成した３つの
シャフトを用いた。各材料は、マルテンサイズ化と時効
化によって硬化したニッケルマレージング鋼であるT-25
0 ；無心硬化鋼であるAISI 416；および肌焼鋼であるSA
E 9310とした。各合金の組成は、以下の通りである。

【００６３】T-250 ：18.5 Ni ；3.0 Mo；1.4 Ti；
0.10 Al ；0.03より少ないC ；コバルト無し；残りはFe AISI 1018 ：0.15〜0.20 C；0.6 〜0.9 Mn；最大0.04
P；最大0.05 S；残りはFe SAE 9310 ：0.08〜0.13 C；0.45〜0.65 Mn ；3 〜3.5
Ni；1 〜1.4 Cr；0.08〜0.15 Mo ；残りはFe 第１の一連の作業では、各々の合金を硬化されていない
状態で研磨し、残留応力に基づく磁気異方性を持つ所望
の帯状組織を形成した。既知のトルク負荷を試験対象の
各シャフトに印加し、出力電圧信号を記録した。印加電
圧はゼロから、一部のシャフトでは３０ニュートン−メ
ートル（N-M ）の高さまで増大せしめた。図６の曲線
“１”（SAF 9310）、図７の曲線“３”（AISI 416）お
よび図８の曲線“５”（Ｔ−２５０）は、硬化していな
い状態で試験し各シャフトに関する印加トルク対出力直
流電圧のグラフである。これらのグラフから明らかなよ
うに、各ケースで研磨によってシャフトに与えられる感
度は優れ、それぞれの試験トルク範囲にわたる出力信号
の線形性は良好であり、ニッケルマレージング鋼および
非Ｎｉ−マレージング鋼合金のシャフトに形成された帯
状組織に、残留応力に基づく磁気異方性を与えるのに研
磨が有効な方法であることをこれらの観測は裏付けてい
る。試験後、ニッケルマレージング鋼製シャフトを、２
０分から２４時間までの間で徐々に時間を増加させなが
ら４８０℃の温度で時効処理した。各増時間ごとに、ト
ルクセンサとしてのシャフトの性能が向上するのが見ら
れた。AISI 416およびSAE 9310の両シャフトは、各々約
９５０℃、９００℃という高温で熱処理した。上記のト
ルク負荷試験を繰り返したところ、両シャフトは実質上
印加トルクに対して何等の出力感度も示さなかった。こ
れは、熱硬化用の熱処理温度に対応した高温が、研磨プ
ロセスでシャフトへ意図的に与えられた望ましい磁気特
性を破壊したためである。また、実質上何等の出力感度
も残っていなかったので、研磨プロセスがシャフト表面
の有意なマクロスコピックの形態的変化を生じていなか
ったことも明らかである。第２の一連の作業では、全て
の合金を個々の合金を硬化するのに適した熱処理によっ
て硬化した。ニッケルマレージング鋼製シャフトは４８
０℃で、１時間時効処理した。AISA 416は８５０℃で焼
きなまして急冷した；更にSAE 9310は、浸炭化雰囲気内
において約９００℃で高温処理した後急冷し、0.10ミリ
メートル（0.004 インチ）の深さまで表面を肌焼きし
た。その後、硬化した各合金シャフトを研磨し、前記第
１の一連の作業の場合と同様の方法で試験した。図６の
曲線“２”（SAE 9310）、図７の曲線“４”（AISI 41
6）および図８の曲線“６”（Ｔ−２５０）は、硬化し
た状態で研磨した各シャフトに関する印加トルク対出力
直流電圧のグラフである。硬化後に研磨したシャフトの
出力感度は、硬化しないで研磨したシャフトの出力感度
より一貫して低かった点が興味深い。ニッケルマレージ
ング鋼においてさえ、硬化後研磨シャフトの研磨後にお
ける追加の時効処理によってシャフトの出力感度が向上
しているが、得られる最大の感度はそれでも、非硬化ニ
ッケルマレージング鋼製シャフトを研磨して得られる最
大感度のわずか2/3 であった。しかし、硬化後研磨シャ
フトは一貫して、良好な線形性とヒステリシスを示し
た。これらの結果は、熱処理でシャフト合金が適切に硬
化および強化された後で、残留応力に基づく磁気異方性
を有する帯状組織をシャフトに与えられるような方法に
よれば、適切な鋼合金を用いて有用な磁気弾性トルクト
ランスデューサが作製可能なことを裏付けている。出力
感度において観測された低下と線形性およびヒステリシ
スで観測された向上は、軟質の合金シャフトよりもはる
かに高い弾性限界を有する硬化後の合金シャフトでは、
帯状組織内に残留応力を生じるのに弾性限界を越えねば
ならないため、加える研磨応力が高くなければならない
という認識と合致している。このために、得られる残留
応力は、軟質の合金シャフトに研磨を施した場合よりも
はかるに高い。この結果、シャフトに対する捻り応力の
印加前における合金シャフト系の総静止（ゼロ入力）異
方性“Ｋ”（残留応力、形状、結晶度、等に起因した異
方性を含む）は、軟質合金シャフトよりも硬化合金シャ
フトの方が高い。印加応力の透磁率に対する影響は、合
金の磁歪と印加応力に正比例する一方、系の静止異方性
に反比例することが理解されよう。従って、高“Ｋ”の
系にトルクを加えると、印加応力の影響はより小さくな
り、観測される感度つまり透磁率に関する影響も同様に
小さくなる。ほぼ同じ理由から、より高い“Ｋ”はより
低いヒステリシスと改善された線形性を生じる。

【００６４】本発明による有効な磁気弾性トルクトラン
スデューサは、強磁性および磁気弾性シャフト部品とし
てニッケルマレージング鋼を用い、さらにニッケルマレ
ージング鋼合金を時効処理してその機械的及び強度的特
性を改善する前また後に、帯状組織内に残留応力を発生
してシャフト中に所望の磁気異方性を導入することによ
って作製できることは既に指摘した。また、本発明によ
る有効な磁気弾性トルクトランスデューサは、選択した
非Ｎｉ−マレージング鋼合金を用い、さらにＮｉ−マレ
ージング鋼合金を適切に熱処理してそれらの機械的及び
強度的特性を改善した後でのみ、帯状組織内に残留応力
を発生させることによって作製できるこも指摘した。多
くの理由から、全ての非Ｎｉ−マレージング鋼合金をそ
のように用いることができないことは明らかであろう。
一般に、各種の炭素含有量を持つ焼きなまし鉄−炭素合
金において、磁歪、つまり印加磁場内での長さのわずか
な変化は負である。多くの例で、合金はビラーリ（Vill
ari ）の反転現象を生じる。すなわち、まず磁場強度の
増加につれて膨張し、すなわち長さのわずかな変化は正
であり、その後さらに磁場強度の増加につれて収縮す
る、すなわち長さのわずかな変化は負になる。このよう
な反転現象を起こす合金で形成されたシャフトにトルク
を加えると、応力の加わった異方性が存在するランダム
な異方性に対して、正磁歪のシャフト領域と負磁歪のシ
ャフト領域とで異なった作用を及ぼす。これによれば、
異方性の局部的な磁歪のため、シャフト内の異なる位置
で変化する複合異方性をもたらす結果、一様な磁化が得
られなくなる。自明なごとく、これはトルクトランスデ
ューサにおいて許容できない状態で、ビラーリの反転現
象を起こす合金は明らかに使用できない。一定の元素、
例えばニッケルと合金すると、得られる合金がより正に
なることは少し以前から知られていた。事実、鉄−炭素
合金系でのビラーリの反転収縮を取り除くのに、わずか
１〜３重量％のニッケルで充分なことが指摘されてい
る。つまり、元の鉄−炭素合金内のニッケル量が増せ
ば、その合金は全ての磁場強度でその磁歪が正となるよ
うに挙動し、シャフト内の異なる位置での複合異方性が
より一様となり、従って一様な磁化が得られる。その他
の合金形成元素、例えばクロム（Cr）、コバルト（C
o）、チタン（（Ti）、アルミ（Al）、マンガン（M
n）、モリブデン（Mo）、銅（Cu）、ホウ素（B ）、お
よびこれらの組合せの追加は、鉄−炭素合金系の磁歪を
より正の方向に向かわせるという同様の傾向も指摘され
ている。鉄−炭素合金系でのビラーリの反転現象に対処
する別の手段は、約７５０−８００℃の高温で焼きなま
して急冷し、それ以上の焼きなまし強化を行わないこと
である。このような処理によれば、ビラーリの反転現象
を実質上取り除き、実質上等方性の磁歪を有する硬化さ
れた鉄−炭素合金系を生じると考えられる。さらに、熱
処理による硬化は、それまでの処理による冷間加工での
応力とそれに伴うランダムな異方性を取り除き、捻り応
力の透磁性に対する影響に関連してヒステリシスと線形
性を改善する。

【００６５】従って本発明によれば、回転シャフトのま
たはそれに関連した強磁性の磁歪領域として有用な非Ｎ
ｉ−マレージング鋼合金は、少なくとも５ppm の絶対値
を持つ実質上等方性で、高い磁歪を有し；熱処理によっ
て硬化されており；炭素含有量が0.05−0.75重量％の範
囲で；シャフトの目的用途の機械的、化学的および磁気
的な（異方性と磁歪をもたらす）必要条件に合った合金
組成を有すべきである。

【００６６】上記の点は全て、本発明で有用な非Ｎｉ−
マレージング鋼合金を少くとも５ppm の絶対値を持つ実
質上等方性の磁歪を有した、以下の元素からなる組成を
有する熱的に硬化した鋼合金の中から選択することによ
って選択できる： FeCaMbQc 但し、“Ｍ”はNi,Cr,Co,Ti,Al,Mn,Mo,Cu,及びB からな
る群の中から選ばれた１つ以上の合金元素、“Ｑ”は、
シリコン（Si）、リン（P ）、イオウ（S ）、窒素（N
）、セレン（Se）、タングステン（W ）、バナジウム
（V ）、ハフニウム（Hf）、コロンビウム（Cb）、タン
タル（Ta）および錫（Sn）など普通の鋼合金元素を含む
が、これに限られないその他の１つ以上の合金元素；
“ａ”は0.05−0.75重量％の炭素含有量を示す；“ｂ”
は合金の磁歪を少なくとも５ppm の絶対値レベルへ高め
るのに少なくとも充分な１つ以上の合金元素“Ｍ”の含
有量を示し、磁歪の所望レベルは所定の用途に合わせて
加えられるトルクに基づく静止異方性“Ｋ”と印加応力
に依存する；“ｃ”はゼロから、合金の所望な機械的、
化学的、および／またはその他の特性に応じた任意の有
用量までの１つ以上の合金元素“Ｑ”の含有量を示す。

【００６７】適切な非Ｎｉ−マレージング鋼合金の上記
定義を前述したいくつかの例示鋼合金に適用し、また各
種合金元素に関する公表磁歪データを適用すれば、合金
の磁歪を少なくとも推定することができる。例えば：AI
SI 410の場合には、12.3％Crの存在が合金の磁歪を約２
０ppm まで高める主要因で；AISI 502の場合には、５％
Crと0.8 ％Mnの存在が合金の磁歪を約７ppm まで高める
主要因で；SAE 9310の場合には、３−3.5 ％Ｎｉと１−
1.4 ％Crの存在が合金の磁歪を約１５ppm まで高める主
要因である。

【００６８】

【産業上の利用可能性】本発明の特有で且つ改良された
磁気弾性トルクトランスデューサは、あらゆる種類およ
びサイズの部材中のトルクを、その部材が動作する装置
あるいは用途にかかわりなく、検知および測定するのに
広く使える。トルクが回転部材を有する系の制御におい
て絶対的な基本パラメータであることは、一般に受け入
れられている。回転部材に生じている瞬間的なトルクを
検知し、それに応じてトルクとの間に既知の関係を有す
る電流を発生することは、回転部材を駆動しているエン
ジン、マシン、モータ等の、マイクロプロセッサその他
を介した制御あるいは初期問題の早期診断を可能とす
る。

【００６９】本発明のトルクトランスデューサの用途
は、回転部材を有する実質上あらゆる装置に見いだせ
る。高感度で、応答性が良く、しかも安価な磁気トルク
センサが、エンジンおよび動力駆動装置のトルクをモニ
ターして、全体的な性能と燃費を向上し、排気物を抑制
し、さらに伝達比を調整するため；船舶の推進系では、
推進機械の出力減少、船体付着物の影響およびプロペラ
の損傷を検出して補正するため；ヘリコプターのタービ
ンでは、過負荷を避け、また例えば砂や塩の吹き付けに
よって生じる動力損を検出するために要求されている。
また、本発明に基づき、繊維の品質を維持するためのバ
ルブ粉砕機、製紙機などあらゆる種類の重工業用機械を
制御するのに設けたり、更には食品ミキサーや処理装置
など家庭及び商業用機器で用いられるようなトルクトラ
ンスデューサも要求されている。さらに、小型で、安価
で、感度が良く、高信頼のトルクトランスデューサに対
する要求も、機械工具、手工具、ロボット、情報装置、
産業用測定計器、各種の重量計量システム、補助電気動
力を用いたパワーステアリング装置、及び車両牽引釣合
装置などさまざまな用途で認められている。

【００７０】本発明の磁気弾性トルクトランスデューサ
の用途のうち、エネルギー節約、環境のクリーン化と安
全性に対するトルクトランスデューサの潜在的な貢献
度、さらに多くの人々とビジネスに直接影響を及ぼす点
から特に見込みのある１つは、内燃機関と付設のエンジ
ン動力駆動装置における用途である。本発明のトルクセ
ンサは、エンジンのアイドルと最大動作速度間のあらゆ
る時点での事象に寄与する重要なトルクの顕著な項目を
識別するために、充分に広いバンド巾にわたってエンジ
ンのトルク特性をカバーできる。正確でコスト効率の良
い方法でのトルク検知は、エンジンの機能状態による故
障発端問題の早期診断を可能とし、重要な時点で車両の
動作機能を制限するかもしれない予期しない故障の回避
を助け、さらにエンジンおよびその動力駆動装置の性能
と経済性を向上および／または制御する。

【００７１】最近の車両の推進、その他重要な機能のた
めの主動力は、内燃機関の回転出力シャフトから得られ
ている。エンジンの種類にかかわりなく、実際にそのシ
ャフトから車両に伝えられる動力は、２つのパラメータ
すなわち回転速度と伝達トルクだけの積である。これら
２つのうち、回転速度はそれ自体エンジンの内部発生ト
ルクに依拠しているので、トルクの方が集約的なパラメ
ータである。車両の加速度、坂での速度、その他の走行
および性能因子に関する制限を左右するのは、利用可能
なトルクの大きさである。車両の満足できる使用と快適
さは最終的に、エンジンがその動作速度範囲にわたって
機能的に必要なトルクをできるかどうかの能力に依存し
ている。

【００７２】タービンエンジンが定負荷を駆動している
場合を除き、エンジンの出力シャフトを介して伝達され
るトルクは急速に変動する。かかる変動は、エンジンに
よって発生されるトルクの周期的な変化と、車両の負荷
によって課せられるトルクの一時的な変化の両方を反映
している。ピストン型エンジンの場合、トルクは各シリ
ンダーによってそれが出力工程にある間だけ発生され
る。多気筒エンジンは、各シリンダからの出力工程の位
相を重複させることでかなりならされた発生トルクを得
ている。これで出力トルクの周期的な変化が減少され、
さらにエンジンの内部移動部品の複合慣性によっても減
少されるが、それでも各シリンダの発生トルクが持つ強
い瞬間衝撃的な性状は出力シャフトを介して伝わる。こ
うして瞬間的に加えられた捻り振動が、往復移動する連
結部品の加速度の変化と組み合わされて、時間変化する
追加のトルク成分をもたらす。このトルクの大きさだけ
でなくその方向も、スロットル弁の設定、ギヤ位置、負
荷ピックアップ、道路表面の傾斜及び路面の粗さなど、
車両の作動条件の変化によって更に左右される。

【００７３】エンジンの出力シャフトに加わるトルク
は、こうした複数の発生源からの寄与の累積を表してい
るが、その多くは相互に強く依存しており、それらの組
合せがエンジンの性能を特徴付ける実効特性を形成す
る。かかる特性の顕著な特徴は、例えばシリンダの点火
など特有のエンジン事象と明らかに関連している。平常
特徴の欠如、その変化または新たな特徴の発生は、機能
の異常を反映することとなる。異常の性状と範囲が、特
定のエンジンまたは駆動ラインでの故障の徴候を表す。
多くのエンジントラブルは、全体の性能および／または
もっと対象を絞って測定可能な量（例えばマニホールド
圧、圧縮比、ノイズ特性、排気ガスの分析）に関する徴
候的な影響によっても検出できるが、これらは何れも、
適正なエンジンの機能を総合的に特徴付けている個々の
事象として、トルクほどに感度良く定量化できない。ト
ルクはエンジンが実際に直接生み出しているものなの
で、間接的に関連しているパラメータを測定しても、ト
ルク自体の測定で得られるほど、不適切な事態の発生を
正確に見極めることはできない。動力計を使ったり、あ
るいは点火断続および／または燃料流量の段階的変化を
含む手順による無負荷エンジンでの加速度および減速度
の測定に基づいた従来のトルクデータ取得方法は、平均
値を求めるだけで、明確な診断および制御に必要な詳細
データが欠けている。エンジン出力シャフトのトルク特
性に含まれる情報の取得と分析は、故障発端問題の診断
を可能とし、重要な時点で車両の動作機能を制限するか
もしれない予期しない故障の回避を助け、さらにエンジ
ンおよびその動力駆動装置の性能と経済性を向上および
／または制御する。ここで重要なのは、意味のある分析
を行うのに充分なトルク情報を取得することである。

【００７４】4000rpm で作動する１２気筒、４行程のエ
ンジンでは、毎秒400 回の出力行程と（少なくとも）16
00回のバルブ事象（開閉）が生じる。タービンエンジン
はもっと滑らかな動力入力で作動するが、毎秒500 回転
までの速度に達する。こうした顕著な事象の中から重要
な項目を弁別できるためには、トルク検知系が最大事象
速度の少なくとも数倍、すなわち５kHz 近くまで充分に
フラットな周波数応答を持っていなければならない。ま
た周波数応答は、車両負荷によって加わる安定状態での
トルク成分を忠実に捕らえるため、低周波数側もゼロHz
まで延びていなければならない。

【００７５】診断手段として最大限生かすためには、全
バンド巾とするのが明らかに望ましいが、１０Hzまでの
低周波数スペクタルで得られる情報が、制御量（入力）
と負荷（出力）の変化に対するエンジンの全体的応答を
正確に記述する。この情報から性能の変化を目的通り評
価できるだけでなく、別の領域、エンジンの制御及び付
設の動力駆動装置においても潜在的に重要な使用価値を
持つ。

【００７６】５kHz のバンド幅を有するトルクセンサ
は、任意に位置決めできない。トルクは別々の位置での
接触力によってエンジンシャフトに印加されるが、連続
的な応力分布によって軸方向に伝えられる。一時的なト
ルク事象は瞬間的に伝えられないだけでなく、シャフト
に沿って不変の状態にも留まらない。実際のトルク材料
の有限の弾性と慣性が組み合わされて、トルク変化の伝
達可能な速度を制限する。急激な一時的変化は、材料と
モードに依存したシャフトに沿う特性速度で移動する弾
性および連動エネルギー（応力波）の振動交換をトリガ
ーする。伝達されるトルクの忠実度は、その発生源から
の距離に応じ、内部及び外部摩擦の累積消散効果によっ
て更に減少される。このためセンサは、減衰により、あ
るいは干渉及び反射応力波の複合組合せからなるバック
グランド“ノイズ”のため所望なトルク情報が失われる
のを避けるのに充分なだけ、発生源に近付けて位置させ
なければならない。

【００７７】センサの重要な必要条件は、少なくともシ
ャフトの軸と平行な方向の寸法が小さく、頑丈で、更に
摩損、腐食または疲労など使用や時間に伴う劣化影響を
受けないことである。またセンサは、特にエンジンシャ
フトを含むトルク検知系の各部品修理あるいは交換時
に、性能の検証及び較正をし易くなければならない。さ
らにセンサは、エンジンと駆動ラインの製造可能性や動
作や保守に、無視し得ない影響を及ぼすべきでなく、ま
たどんな状況下にあっても、トルクセンサの故障が車両
の正常な動作に干渉する付随の結果をもたらすべきでな
い。

【００７８】以上から、エンジン、動力駆動装置、ある
いはその他の装置いずれにせよ、適切なトルクセンサ
は、誤用し難く、トルク印加シャフトについて得られる
多くのトルク情報を信頼できる方法で取得できる邪魔に
ならない装置であるべきことが明らかであろう。従来考
えられている技術水準に属するトルクトランスデューサ
の何れも、これらの条件を満たすことができない。しか
し、本発明の磁気弾性トルクセンサはあらゆる点で極め
て適していると認められ、商業的に実施し得る安価で、
信頼でき、且つ高感度なトルクセンサを初めて可能とし
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁気弾性トルクトランスデューサ
の斜視図である。

【図２】本発明による磁気弾性トルクトランスデューサ
の断面図で、該磁気弾性トルクトランスデューサで有用
な磁気弁別器の一形態を示す図である。

【図３】図２の磁気弁別器に付設の回路を示す回路図で
ある。

【図４】本発明による磁気弾性トルクトランスデューサ
の概略図で、該磁気弾性トルクトランスデューサで有用
な磁気弁別器と付設回路の別の形態を示す図である。

【図５】本発明のトルクトランスデューサの帯状組織に
おける周囲領域の円周長さに沿った、トルクトランスデ
ューサの感度対残留応力負荷の関係を示すグラフであ
る。

【図６】本発明によって作製した磁気弾性トルクトラン
スデューサに関する印加トルク対出力信号の関係を示す
グラフである。

【図７】本発明によって作製した磁気弾性トルクトラン
スデューサに関する印加トルク対出力信号の関係を示す
グラフである。

【図８】本発明によって作製した磁気弾性トルクトラン
スデューサに関する印加トルク対出力信号の関係を示す
グラフである。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トルクが加えられる回転軸の周面に形成
   されて、その加えられたトルクに応答して透磁率を変化
   させる強磁性・磁歪手段と、この強磁性・磁歪手段の周
   辺に配置されてこの強磁性・磁歪手段に磁場を付与する
   励磁手段と、前記の加えられたトルクに起因する強磁性
   ・磁歪手段の透磁率の変化を感知する検知手段と、前記
   の感知された透磁率の変化を、前記回転軸に加えられた
   トルクの大きさを示す電気信号に変換する処理手段とを
   備えた磁気弾性トルク・トランスデューサであって、前
   記強磁性・磁歪手段が、鉄−ニッケル・マルテンサイト
   型の鋼合金と熱的に硬化された鋼合金とから選ばれた鋼
   合金にて構成されており、前記熱的に硬化された鋼合金
   は、絶対値が５ｐｐｍ以上である実質上等方性の磁歪性
   を示すとともに、0.05ないし0.75重量％の炭素と、当該
   合金の磁歪値を絶対値で前記の５ｐｐｍ以上に高めるの
   に充分な量の、ニッケル、クロム、コバルト、チタン、
   アルミニウム、マンガン、モリブデン、銅、ホウ素から
   選ばれた元素とを含み、前記強磁性・磁歪手段は前記回
   転軸の軸方向へ一定幅を有するように形成され、この強
   磁性・磁歪手段は、前記回転軸の表面における実際的な
   マクロスコピックな形態変化を伴わない塑性変形にもと
   づく残留応力による螺旋方向の磁気異方性を有している
   ことを特徴とする磁気弾性トルク・トランスデューサ。
2. 【請求項２】 強磁性・磁歪手段は、研削または機械的
   けがきによる回転軸の表面での実際的なマクロスコピッ
   クな形態変化を伴わない塑性変形にもとづく残留応力に
   よる螺旋方向の磁気異方性を有していることを特徴とす
   る請求項１記載の磁気弾性トルク・トランスデューサ。
3. 【請求項３】 強磁性・磁歪手段は、方向付けまたはマ
   スクしたピーニングまたはサンドブラストによる回転軸
   の表面での実際的なマクロスコピックな形態変化を伴わ
   ない塑性変形にもとづく残留応力による螺旋方向の磁気
   異方性を有していることを特徴とする請求項１記載の磁
   気弾性トルク・トランスデューサ。
4. 【請求項４】 強磁性・磁歪手段は、回転軸の円周長さ
   の少なくとも50％に残留応力域を有していることを特徴
   とする請求項１から３までのいずれか１項記載の磁気弾
   性トルク・トランスデューサ。
5. 【請求項５】 強磁性・磁歪手段は、回転軸の全周に残
   留応力域を有していることを特徴とする請求項４記載の
   磁気弾性トルク・トランスデューサ。
6. 【請求項６】 強磁性・磁歪手段は、回転軸に熱硬化処
   理を施した後の、回転軸の表面での実際的なマクロスコ
   ピックな形態変化を伴わない塑性変形にもとづく残留応
   力による螺旋方向の磁気異方性を有していることを特徴
   とする請求項１から５までのいずれか１項記載の磁気弾
   性トルク・トランスデューサ。
7. 【請求項７】 磁気異方性の強さは、強磁性・磁歪手段
   内のランダムな磁気異方性よりも充分に強くて、このラ
   ンダムな磁気異方性の合計による影響を無視できるよう
   に構成されていることを特徴とする請求項１から６まで
   のいずれか１項記載の磁気弾性トルク・トランスデュー
   サ。
8. 【請求項８】 強磁性・磁歪手段は、ニッケルマレージ
   ング鋼にて形成されていることを特徴とする請求項１か
   ら７までのいずれか１項記載の磁気弾性トルク・トラン
   スデューサ。