JP2002228527A - トルクセンサ用軸材及び該軸材を用いているトルクセンサ - Google Patents
トルクセンサ用軸材及び該軸材を用いているトルクセンサInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ヒステリシスをゼロ近傍にまで低減したトル
クセンサ用軸材と該軸材を用いたトルクセンサを提供す
る。 【解決手段】 質量％でＣ：０．３０〜１．５０％、Ｓ
ｉ：０．１〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜４．０％、Ｃ
ｒ：５．０％を超えて２０．０％以下、残部が実質的に
Ｆｅから成り、強磁性のマルテンサイト主体の組織で組
織中に含有する非磁性の残留オ−ステナイト量が５．０
〜４０．０％であるとともに、残留磁束密度Ｂｒが０．
６Ｔ（テスラ）以下のトルクセンサ用軸材である。
クセンサ用軸材と該軸材を用いたトルクセンサを提供す
る。 【解決手段】 質量％でＣ：０．３０〜１．５０％、Ｓ
ｉ：０．１〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜４．０％、Ｃ
ｒ：５．０％を超えて２０．０％以下、残部が実質的に
Ｆｅから成り、強磁性のマルテンサイト主体の組織で組
織中に含有する非磁性の残留オ−ステナイト量が５．０
〜４０．０％であるとともに、残留磁束密度Ｂｒが０．
６Ｔ（テスラ）以下のトルクセンサ用軸材である。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、被測定軸に加えら
れるトルクを磁気的に検出するために利用される磁歪式
トルクセンサの内、被測定軸の材質とその材質を用いて
いるトルクセンサに関するものである。
れるトルクを磁気的に検出するために利用される磁歪式
トルクセンサの内、被測定軸の材質とその材質を用いて
いるトルクセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、磁歪式トルクセンサの分野では、
磁性鋼を被測定軸として使用し、磁性鋼が有する磁歪効
果を利用して、被測定軸にかかる弾性トルクを磁気的に
検出する手法が用いられている。図１はトルクセンサの
出力特性図を示す。トルクセンサの特性は、弾性トルク
（入力信号）に対する出力電圧の傾きＳ（以下、感度と
記す。）と、弾性トルクを除去した後の出力電圧の初期
値からのずれｈ（以下、ヒステリシスと記す。）によっ
て評価される。感度（図１のＳ）が大きく、かつヒステ
リシス（図１のｈ）が小さい程、トルクセンサ特性は優
れたものとなる。この様なトルクセンサの被測定軸に
は、磁性とともに機械的強度が要求されるので、従来Ｊ
ＩＳのＳＫ材、ＳＣＭ材、ＳＮＣＭ材等の構造用鋼が使
用されることが多い。これらの構造用鋼は、Ｆｅが有す
る磁歪効果を持ち、かつ安価なので好んで使用される。
ところが、磁歪が小さい為に感度が小さく、かつヒステ
リシスも大きいので、正確なトルク検出を行えないとい
う問題があった。
磁性鋼を被測定軸として使用し、磁性鋼が有する磁歪効
果を利用して、被測定軸にかかる弾性トルクを磁気的に
検出する手法が用いられている。図１はトルクセンサの
出力特性図を示す。トルクセンサの特性は、弾性トルク
（入力信号）に対する出力電圧の傾きＳ（以下、感度と
記す。）と、弾性トルクを除去した後の出力電圧の初期
値からのずれｈ（以下、ヒステリシスと記す。）によっ
て評価される。感度（図１のＳ）が大きく、かつヒステ
リシス（図１のｈ）が小さい程、トルクセンサ特性は優
れたものとなる。この様なトルクセンサの被測定軸に
は、磁性とともに機械的強度が要求されるので、従来Ｊ
ＩＳのＳＫ材、ＳＣＭ材、ＳＮＣＭ材等の構造用鋼が使
用されることが多い。これらの構造用鋼は、Ｆｅが有す
る磁歪効果を持ち、かつ安価なので好んで使用される。
ところが、磁歪が小さい為に感度が小さく、かつヒステ
リシスも大きいので、正確なトルク検出を行えないとい
う問題があった。
【０００３】上述の問題を解決する為、従来から被測定
軸用の材料開発に関し、多くの検討が行われている。例
えば、特許２１３２９０９号には、質量％でＣ：０．１
〜０．５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下
及び、Ｎｉ：５．０％以下とＣｒ：５．０％以下のいず
れか一方または両方を含有し残部がＦｅと不可避不純物
の組成からなる材料をトルクセンサの軸材として使用す
る技術が開示されている。また特許２６９７８４６号に
は、特許２１３２９０９号の材料を更に改良した組成と
して、Ｃ：０．１〜１．５％、Ｓｉ：０．５〜４．０
％、Ｍｎ：０を超え３．０％以下、Ａｌ：０を超え３．
０％以下及び、Ｎｉ：５．０％以下とＣｒ：５．０％以
下のいずれか一方または両方を含有し残部がＦｅと不可
避不純物の組成からなる材料をトルクセンサの軸材とし
て使用する技術が開示されている。これらの技術は、合
金元素の添加によって材料の強度、硬さを確保するとと
もに、各添加元素の特徴を生かし、ＪＩＳＳＫ材、ＳＣ
Ｍ材、ＳＮＣＭ材等よりも感度が大きく、かつヒステリ
シスが小さくなる様に合金成分を調整しているという点
で優れた材料技術である。
軸用の材料開発に関し、多くの検討が行われている。例
えば、特許２１３２９０９号には、質量％でＣ：０．１
〜０．５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下
及び、Ｎｉ：５．０％以下とＣｒ：５．０％以下のいず
れか一方または両方を含有し残部がＦｅと不可避不純物
の組成からなる材料をトルクセンサの軸材として使用す
る技術が開示されている。また特許２６９７８４６号に
は、特許２１３２９０９号の材料を更に改良した組成と
して、Ｃ：０．１〜１．５％、Ｓｉ：０．５〜４．０
％、Ｍｎ：０を超え３．０％以下、Ａｌ：０を超え３．
０％以下及び、Ｎｉ：５．０％以下とＣｒ：５．０％以
下のいずれか一方または両方を含有し残部がＦｅと不可
避不純物の組成からなる材料をトルクセンサの軸材とし
て使用する技術が開示されている。これらの技術は、合
金元素の添加によって材料の強度、硬さを確保するとと
もに、各添加元素の特徴を生かし、ＪＩＳＳＫ材、ＳＣ
Ｍ材、ＳＮＣＭ材等よりも感度が大きく、かつヒステリ
シスが小さくなる様に合金成分を調整しているという点
で優れた材料技術である。
【０００４】また、特許２１３２５８７号には磁歪が大
きく、強度が高いマルエ−ジング鋼を磁歪式トルクセン
サの軸材として使用する技術が開示されている。この技
術は、磁歪が大きいＦｅ−Ｎｉ系合金に着目することに
よりトルクセンサの感度を高め、更にマルエ−ジング鋼
のマルテンサイト組織とＡｌ、Ｔｉ等の析出強化元素に
よって材料の強度、硬さを確保できるという点で優れた
技術である。
きく、強度が高いマルエ−ジング鋼を磁歪式トルクセン
サの軸材として使用する技術が開示されている。この技
術は、磁歪が大きいＦｅ−Ｎｉ系合金に着目することに
よりトルクセンサの感度を高め、更にマルエ−ジング鋼
のマルテンサイト組織とＡｌ、Ｔｉ等の析出強化元素に
よって材料の強度、硬さを確保できるという点で優れた
技術である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らの検討によ
ると、上述した特許２１３２９０９号や特許２６９７８
４６号、更に特許２１３２５８７号に開示されている技
術は、トルクセンサ軸材の磁性や磁歪を改善することに
よって、トルクセンサの感度を上げるという点では有利
であるものの、ヒステリシスをゼロ近傍にまでは小さく
出来ないという問題がある。その為、被測定軸のゼロ点
安定性という点で問題があった。本発明の目的は、上述
の問題を解決し、ヒステリシスをゼロ近傍にまで低減し
たトルクセンサ用軸材とその軸材を用いたトルクセンサ
を提供することである。
ると、上述した特許２１３２９０９号や特許２６９７８
４６号、更に特許２１３２５８７号に開示されている技
術は、トルクセンサ軸材の磁性や磁歪を改善することに
よって、トルクセンサの感度を上げるという点では有利
であるものの、ヒステリシスをゼロ近傍にまでは小さく
出来ないという問題がある。その為、被測定軸のゼロ点
安定性という点で問題があった。本発明の目的は、上述
の問題を解決し、ヒステリシスをゼロ近傍にまで低減し
たトルクセンサ用軸材とその軸材を用いたトルクセンサ
を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述した
トルクセンサ用軸材のヒステリシスの問題に関して、軸
材の磁気特性と金属組織の観点から、ヒステリシスに及
ぼす材料因子の影響を調査した。その結果、軸材の残留
磁束密度を０．６Ｔ（テスラ）以下とすることによっ
て、ヒステリシスが低減することを見出した。更にトル
クセンサ用軸材に要求される機械的強度を満たした上
で、上述の磁気特性を満足するためには、軸材の金属組
織として、強磁性であって且つ強度が高いマルテンサイ
トを主体としたマトリックス（基地）中に、所定範囲に
調節した非磁性の残留オ−ステナイトを残すことが有効
であることを見出し、これらの磁気特性と金属組織を満
足するための最適な材料組成をも検討した結果、本発明
に到達した。
トルクセンサ用軸材のヒステリシスの問題に関して、軸
材の磁気特性と金属組織の観点から、ヒステリシスに及
ぼす材料因子の影響を調査した。その結果、軸材の残留
磁束密度を０．６Ｔ（テスラ）以下とすることによっ
て、ヒステリシスが低減することを見出した。更にトル
クセンサ用軸材に要求される機械的強度を満たした上
で、上述の磁気特性を満足するためには、軸材の金属組
織として、強磁性であって且つ強度が高いマルテンサイ
トを主体としたマトリックス（基地）中に、所定範囲に
調節した非磁性の残留オ−ステナイトを残すことが有効
であることを見出し、これらの磁気特性と金属組織を満
足するための最適な材料組成をも検討した結果、本発明
に到達した。
【０００７】すなわち本発明は、質量％でＣ：０．３０
〜１．５０％、Ｓｉ：０．１〜４．０％、Ｍｎ：０．１
〜４．０％、Ｃｒ：５．０％を超えて２０．０％以下、
残部が実質的にＦｅから成り、マルテンサイト主体の組
織で組織中に含有する残留オ−ステナイト量が５．０〜
４０．０％であるとともに、残留磁束密度が０．６Ｔ
（テスラ）以下のトルクセンサ用軸材である。好ましく
は、更にＮｉ：０．１〜５．０％、Ａｌ：０．１〜４．
０％、Ｃｏ：０．１〜４．０％、Ｍｏ：０．１〜４．０
％の１種以上を含有する上述のトルクセンサ用軸材であ
る。好ましくは、ロックウェル硬さが４５ＨＲＣ以上で
ある上述何れかのトルクセンサ用軸材である。更に本発
明は、上述何れかのトルクセンサ用軸材を用いているト
ルクセンサである。
〜１．５０％、Ｓｉ：０．１〜４．０％、Ｍｎ：０．１
〜４．０％、Ｃｒ：５．０％を超えて２０．０％以下、
残部が実質的にＦｅから成り、マルテンサイト主体の組
織で組織中に含有する残留オ−ステナイト量が５．０〜
４０．０％であるとともに、残留磁束密度が０．６Ｔ
（テスラ）以下のトルクセンサ用軸材である。好ましく
は、更にＮｉ：０．１〜５．０％、Ａｌ：０．１〜４．
０％、Ｃｏ：０．１〜４．０％、Ｍｏ：０．１〜４．０
％の１種以上を含有する上述のトルクセンサ用軸材であ
る。好ましくは、ロックウェル硬さが４５ＨＲＣ以上で
ある上述何れかのトルクセンサ用軸材である。更に本発
明は、上述何れかのトルクセンサ用軸材を用いているト
ルクセンサである。
【０００８】
【発明の実施の形態】上述したように、本発明は、トル
クセンサのヒステリシスをゼロ近傍にまで低減する為
に、トルクセンサ用軸材の磁気特性と金属組織を所定の
範囲に調整したものであり、これらを満足する最適な材
料組成を見出したことにある。
クセンサのヒステリシスをゼロ近傍にまで低減する為
に、トルクセンサ用軸材の磁気特性と金属組織を所定の
範囲に調整したものであり、これらを満足する最適な材
料組成を見出したことにある。
【０００９】まずトルクセンサ用軸材の成分元素の内、
必須元素の含有量を限定した理由を述べる。 Ｃ：０．３０〜１．５０％ Ｃは、軸材の機械的強度、硬さを確保するために必要な
元素である。また本発明のトルクセンサ用軸材の金属組
織において、マルテンサイトと残留オ−ステナイトを得
るために必要な元素である。但し、０．３０％未満では
効果が小さく、逆に１．５０％を超えると靭性や塑性加
工性が悪くなるので、上述の範囲とした。 Ｓｉ：０．１〜４．０％ Ｓｉは、０．１〜０．５％の組成範囲では製鋼時の脱酸
剤として作用する元素である。また０．５〜４．０％の
範囲では軸材の応力に対する感度を高める効果がある。
但し、４．０％を超えると靭性や塑性加工性が悪くなる
ので、上述の範囲とした。
必須元素の含有量を限定した理由を述べる。 Ｃ：０．３０〜１．５０％ Ｃは、軸材の機械的強度、硬さを確保するために必要な
元素である。また本発明のトルクセンサ用軸材の金属組
織において、マルテンサイトと残留オ−ステナイトを得
るために必要な元素である。但し、０．３０％未満では
効果が小さく、逆に１．５０％を超えると靭性や塑性加
工性が悪くなるので、上述の範囲とした。 Ｓｉ：０．１〜４．０％ Ｓｉは、０．１〜０．５％の組成範囲では製鋼時の脱酸
剤として作用する元素である。また０．５〜４．０％の
範囲では軸材の応力に対する感度を高める効果がある。
但し、４．０％を超えると靭性や塑性加工性が悪くなる
ので、上述の範囲とした。
【００１０】Ｍｎ：０．１〜４．０％ Ｍｎは、Ｓｉ同様、製鋼時に脱酸剤として作用する元素
である。また磁気特性と残留オーステナイト量を本発明
の範囲内に調整する上で有効な元素である。但し、０．
１％未満では脱酸剤としての効果も小さく、逆に４．０
％を超えると加工性が悪くなるので、上述の範囲とし
た。 Ｃｒ：５．０％を超えて２０．０％以下 Ｃｒは、焼入れ性を良くして本発明のトルクセンサ用軸
材の硬さを上げるとともに、磁気特性と残留オーステナ
イト量を本発明の範囲内に調整する上で重要な元素であ
る。また自動車部品として使用されるトルクセンサの軸
材には、耐食性が要求されることが多く、耐食性を確保
する為にも重要な元素である。但し、５．０％以下では
耐食性を確保する効果が小さく、また２０．０％を超え
ると加工性が悪くなるので上述の範囲とした。
である。また磁気特性と残留オーステナイト量を本発明
の範囲内に調整する上で有効な元素である。但し、０．
１％未満では脱酸剤としての効果も小さく、逆に４．０
％を超えると加工性が悪くなるので、上述の範囲とし
た。 Ｃｒ：５．０％を超えて２０．０％以下 Ｃｒは、焼入れ性を良くして本発明のトルクセンサ用軸
材の硬さを上げるとともに、磁気特性と残留オーステナ
イト量を本発明の範囲内に調整する上で重要な元素であ
る。また自動車部品として使用されるトルクセンサの軸
材には、耐食性が要求されることが多く、耐食性を確保
する為にも重要な元素である。但し、５．０％以下では
耐食性を確保する効果が小さく、また２０．０％を超え
ると加工性が悪くなるので上述の範囲とした。
【００１１】本発明のトルクセンサ用軸材には、応力に
対する感度を上げるためにＮｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｍｏの１
種以上を添加することができる。ここで、これらの元素
の組成範囲とその限定した理由を述べる。 Ｎｉ：０．１〜５．０％ ＮｉはＦｅ基合金中で磁歪を大きくする効果があるの
で、軸材の応力に対する感度を高めるのに有効な元素で
ある。またＣｒと同様、磁気特性と残留オーステナイト
量を本発明の範囲内に調整する上で有効な元素である。
但し、０．１％未満では効果が小さく、逆に５．０％を
超えると、軸材の金属組織は非磁性のオーステナイト主
体となって感度が下がるので、上述の範囲に限定した。 Ａｌ：０．１〜４．０％ ＡｌはＳｉとよく似た作用を持つ元素であり、軸材の応
力に対する感度を高める効果がある。但し０．１％未満
では効果が小さく、逆に４．０％を超えると加工性が悪
くなるので、上述の範囲に限定した。
対する感度を上げるためにＮｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｍｏの１
種以上を添加することができる。ここで、これらの元素
の組成範囲とその限定した理由を述べる。 Ｎｉ：０．１〜５．０％ ＮｉはＦｅ基合金中で磁歪を大きくする効果があるの
で、軸材の応力に対する感度を高めるのに有効な元素で
ある。またＣｒと同様、磁気特性と残留オーステナイト
量を本発明の範囲内に調整する上で有効な元素である。
但し、０．１％未満では効果が小さく、逆に５．０％を
超えると、軸材の金属組織は非磁性のオーステナイト主
体となって感度が下がるので、上述の範囲に限定した。 Ａｌ：０．１〜４．０％ ＡｌはＳｉとよく似た作用を持つ元素であり、軸材の応
力に対する感度を高める効果がある。但し０．１％未満
では効果が小さく、逆に４．０％を超えると加工性が悪
くなるので、上述の範囲に限定した。
【００１２】Ｃｏ：０．１〜４．０％ ＣｏはＮｉ同様、磁歪を高める作用があるので、軸材の
応力に対する感度を高める効果がある。但し０．１％未
満では効果が小さく、逆に４．０％を超えると加工性が
悪くなるので、上述の範囲に限定した。 Ｍｏ：０．１〜４．０％ Ｍｏも軸材の応力に対する感度を高める効果がある。但
し０．１％未満では効果が小さく、逆に４．０％を超え
ると加工性が悪くなるので、上述の範囲とした。本発明
においては、上述したＮｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｍｏの内の１
種を選択添加しても良いし、これらの内の２種以上を複
合添加しても良い。尚、本発明の軸材は不可避不純物と
してＰ，Ｓ，Ｏを、軸材の感度、ヒステリシス特性を劣
化させない範囲として、各０．１％までは含有しても良
い。
応力に対する感度を高める効果がある。但し０．１％未
満では効果が小さく、逆に４．０％を超えると加工性が
悪くなるので、上述の範囲に限定した。 Ｍｏ：０．１〜４．０％ Ｍｏも軸材の応力に対する感度を高める効果がある。但
し０．１％未満では効果が小さく、逆に４．０％を超え
ると加工性が悪くなるので、上述の範囲とした。本発明
においては、上述したＮｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｍｏの内の１
種を選択添加しても良いし、これらの内の２種以上を複
合添加しても良い。尚、本発明の軸材は不可避不純物と
してＰ，Ｓ，Ｏを、軸材の感度、ヒステリシス特性を劣
化させない範囲として、各０．１％までは含有しても良
い。
【００１３】本発明のトルクセンサ用軸材は、トルクセ
ンサの入力信号に対する出力電圧のヒステリシスが小さ
い。特にヒステリシスの絶対値が０．５％以下となって
いるものである。この小さいヒステリシスを得るには、
軸材の磁気特性として残留磁束密度が０．６Ｔ（テス
ラ）以下である必要がある。以下にその理由を述べる。
磁歪を有する材料は、磁場中で弾性変形を起こす。トル
クセンサは磁歪の逆現象を利用している。すなわち弾性
トルクを掛けることによって発生する軸材の透磁率の変
化をセンサ部が検出するので、外力（弾性トルク）を掛
けることによって軸材を磁化していると考えることがで
きる。ここで、本発明者らは図１に示すトルクセンサの
入力信号（弾性トルク）に対する出力電圧の関係を、図
２に示す軸材の磁化曲線に置き換えて考察した。上述し
た様にトルクセンサ用軸材では、外力（弾性トルク）
は、軸材を磁化する際の外部磁場に置き換えて考えるこ
とが出来る。更にトルクセンサの出力電圧に生じるヒス
テリシス（初期値からのずれ）は、強磁性材料を磁化し
た後、外部磁場をゼロに戻した場合の残留磁束密度Ｂｒ
に相当すると考えることが出来る。以上の観点から、本
発明では軸材の残留磁束密度Ｂｒを小さくすることが、
トルクセンサのヒステリシスを低減する上で有効である
と考えた。残留磁束密度Ｂｒを０．６Ｔ（テスラ）以下
としたのは、これを超えるとヒステリシスが特に大きく
なるので、残留磁束密度を０．６Ｔ以下としている。
ンサの入力信号に対する出力電圧のヒステリシスが小さ
い。特にヒステリシスの絶対値が０．５％以下となって
いるものである。この小さいヒステリシスを得るには、
軸材の磁気特性として残留磁束密度が０．６Ｔ（テス
ラ）以下である必要がある。以下にその理由を述べる。
磁歪を有する材料は、磁場中で弾性変形を起こす。トル
クセンサは磁歪の逆現象を利用している。すなわち弾性
トルクを掛けることによって発生する軸材の透磁率の変
化をセンサ部が検出するので、外力（弾性トルク）を掛
けることによって軸材を磁化していると考えることがで
きる。ここで、本発明者らは図１に示すトルクセンサの
入力信号（弾性トルク）に対する出力電圧の関係を、図
２に示す軸材の磁化曲線に置き換えて考察した。上述し
た様にトルクセンサ用軸材では、外力（弾性トルク）
は、軸材を磁化する際の外部磁場に置き換えて考えるこ
とが出来る。更にトルクセンサの出力電圧に生じるヒス
テリシス（初期値からのずれ）は、強磁性材料を磁化し
た後、外部磁場をゼロに戻した場合の残留磁束密度Ｂｒ
に相当すると考えることが出来る。以上の観点から、本
発明では軸材の残留磁束密度Ｂｒを小さくすることが、
トルクセンサのヒステリシスを低減する上で有効である
と考えた。残留磁束密度Ｂｒを０．６Ｔ（テスラ）以下
としたのは、これを超えるとヒステリシスが特に大きく
なるので、残留磁束密度を０．６Ｔ以下としている。
【００１４】次にトルクセンサ用軸材の金属組織を規定
した理由を述べる。上述した通り、本発明軸材には残留
磁束密度０．６Ｔ以下の磁気特性が要求される。鉄鋼材
料の組織には、フェライト、マルテンサイト、オ−ステ
ナイト等があるが、強磁性の組織であって、かつトルク
センサ用軸材に必要な機械的強度、硬さを満足するため
には、マトリックス（基地）組織はマルテンサイトを主
体とする必要がある。ところがマトリックス（基地）が
強磁性のマルテンサイト１００％の組織になっている
と、磁化曲線は磁場に対して飽和し易い特性となり、そ
れに伴って残留磁束密度は高くなる。これは、軸材のヒ
ステリシス増大に繋がる。このため本発明では、強磁性
のマルテンサイト組織中に非磁性の残留オーステナイト
を所定量含有する組織とすることにより、軸材の残留磁
束密度ひいてはヒステリシスを低減できるという新規な
知見をもとに、残留オーステナイト量を５．０〜４０．
０％の範囲に規定した。この理由は、５．０％未満では
上述の残留磁束密度ひいてはヒステリシスを低減する効
果が小さく、逆に４０．０％を超えると非磁性組織が多
くなり過ぎて、軸材の感度が落ちるからである。
した理由を述べる。上述した通り、本発明軸材には残留
磁束密度０．６Ｔ以下の磁気特性が要求される。鉄鋼材
料の組織には、フェライト、マルテンサイト、オ−ステ
ナイト等があるが、強磁性の組織であって、かつトルク
センサ用軸材に必要な機械的強度、硬さを満足するため
には、マトリックス（基地）組織はマルテンサイトを主
体とする必要がある。ところがマトリックス（基地）が
強磁性のマルテンサイト１００％の組織になっている
と、磁化曲線は磁場に対して飽和し易い特性となり、そ
れに伴って残留磁束密度は高くなる。これは、軸材のヒ
ステリシス増大に繋がる。このため本発明では、強磁性
のマルテンサイト組織中に非磁性の残留オーステナイト
を所定量含有する組織とすることにより、軸材の残留磁
束密度ひいてはヒステリシスを低減できるという新規な
知見をもとに、残留オーステナイト量を５．０〜４０．
０％の範囲に規定した。この理由は、５．０％未満では
上述の残留磁束密度ひいてはヒステリシスを低減する効
果が小さく、逆に４０．０％を超えると非磁性組織が多
くなり過ぎて、軸材の感度が落ちるからである。
【００１５】本発明のトルクセンサ用軸材は、ロックウ
ェル硬さ４５ＨＲＣ以上であることが好ましい。この硬
さは構造体の強度として最低限必要な硬さである。望ま
しい硬さは５０ＨＲＣ以上である。本発明のトルクセン
サ用軸材は、優れたヒステリシスを示すので、本発明の
トルクセンサ用軸材を用いてトルクセンサとすれば、磁
歪式トルクセンサ用途として、特に使い易い材質であ
る。
ェル硬さ４５ＨＲＣ以上であることが好ましい。この硬
さは構造体の強度として最低限必要な硬さである。望ま
しい硬さは５０ＨＲＣ以上である。本発明のトルクセン
サ用軸材は、優れたヒステリシスを示すので、本発明の
トルクセンサ用軸材を用いてトルクセンサとすれば、磁
歪式トルクセンサ用途として、特に使い易い材質であ
る。
【００１６】
【実施例】本発明では、トルクセンサ用軸材の組成と磁
気特性、残留オ−ステナイト量が特に重要であり、硬さ
も重要なものである。種々の組成を有する２１種の鋼塊
を真空溶解炉で作製した。実験材の化学組成を表１に示
す。
気特性、残留オ−ステナイト量が特に重要であり、硬さ
も重要なものである。種々の組成を有する２１種の鋼塊
を真空溶解炉で作製した。実験材の化学組成を表１に示
す。
【００１７】
【表１】
【００１８】表１の各素材の組成について説明する。Ｎ
ｏ．１〜３は、本発明の範囲内でＣとＣｒを変動させた
組成である。Ｎｏ．４〜１９は、Ｎｏ．３の組成を基本
として、それぞれＣを低減した組成（Ｎｏ．４〜５）、
Ｓｉを増量した組成（Ｎｏ．６〜７）、Ｎｉを添加した
組成（Ｎｏ．８〜１０）、Ａｌを添加した組成（Ｎｏ．
１１〜１３）、Ｃｏを添加した組成（Ｎｏ．１４〜１
６）、Ｍｏを増量した組成（Ｎｏ．１７〜１９）であ
る。Ｎｏ．１〜１９は、いずれも本発明の組成である。
Ｎｏ．２０〜２１は比較例の組成である。Ｎｏ．２０は
質量％でＦｅ−４％Ｎｉ−０．３５％Ｃを基本組成とす
る合金であり、これは特許２１３２９０９号に開示され
るトルクセンサ用軸材の組成に含まれる。またＮｏ．２
１は質量％でＦｅ−１８％Ｎｉ−９．２％Ｃｏ−０．１
％Ａｌ−０．５％Ｔｉを基本組成とするマルエ−ジング
鋼であり、特許２１３２５８７号に開示されるトルクセ
ンサの軸材質に相当する。
ｏ．１〜３は、本発明の範囲内でＣとＣｒを変動させた
組成である。Ｎｏ．４〜１９は、Ｎｏ．３の組成を基本
として、それぞれＣを低減した組成（Ｎｏ．４〜５）、
Ｓｉを増量した組成（Ｎｏ．６〜７）、Ｎｉを添加した
組成（Ｎｏ．８〜１０）、Ａｌを添加した組成（Ｎｏ．
１１〜１３）、Ｃｏを添加した組成（Ｎｏ．１４〜１
６）、Ｍｏを増量した組成（Ｎｏ．１７〜１９）であ
る。Ｎｏ．１〜１９は、いずれも本発明の組成である。
Ｎｏ．２０〜２１は比較例の組成である。Ｎｏ．２０は
質量％でＦｅ−４％Ｎｉ−０．３５％Ｃを基本組成とす
る合金であり、これは特許２１３２９０９号に開示され
るトルクセンサ用軸材の組成に含まれる。またＮｏ．２
１は質量％でＦｅ−１８％Ｎｉ−９．２％Ｃｏ−０．１
％Ａｌ−０．５％Ｔｉを基本組成とするマルエ−ジング
鋼であり、特許２１３２５８７号に開示されるトルクセ
ンサの軸材質に相当する。
【００１９】得られた鋼塊を１２２０℃でソ−キングし
た後、１１００℃で熱間鍛造し、直径２２ｍｍの丸棒を
得た。次に８７０℃の炉内で４ｈ保持後、２０℃／ｈの
冷却速度で６００℃まで冷却した後、炉内で室温まで冷
却した。この焼鈍処理により素材は軟らかくなり、実際
にトルクセンサ軸を作製する場合の塑性加工が可能とな
る。本実施例では、材料特性の評価用サンプルとして、
この素材より下記の３種の試験片を採取した。 ａ） 丸棒：直径１０ｍｍ×長さ８０ｍｍ（両端ネジ加
工） ｂ） 板：板厚１ｍｍ×幅８ｍｍ×長さ１００ｍｍ ｃ） 円板：板厚７ｍｍ×直径２２ｍｍ 上記ａ）丸棒は、トルクセンサ特性である感度とヒステ
リシスを測定するための試験片である。上記ｂ）板は磁
性測定片であり、上記ｃ）円板は残留オ−ステナイト量
と硬さを測定するための測定片である。
た後、１１００℃で熱間鍛造し、直径２２ｍｍの丸棒を
得た。次に８７０℃の炉内で４ｈ保持後、２０℃／ｈの
冷却速度で６００℃まで冷却した後、炉内で室温まで冷
却した。この焼鈍処理により素材は軟らかくなり、実際
にトルクセンサ軸を作製する場合の塑性加工が可能とな
る。本実施例では、材料特性の評価用サンプルとして、
この素材より下記の３種の試験片を採取した。 ａ） 丸棒：直径１０ｍｍ×長さ８０ｍｍ（両端ネジ加
工） ｂ） 板：板厚１ｍｍ×幅８ｍｍ×長さ１００ｍｍ ｃ） 円板：板厚７ｍｍ×直径２２ｍｍ 上記ａ）丸棒は、トルクセンサ特性である感度とヒステ
リシスを測定するための試験片である。上記ｂ）板は磁
性測定片であり、上記ｃ）円板は残留オ−ステナイト量
と硬さを測定するための測定片である。
【００２０】上記ａ）〜ｃ）の試験片を、各素材が最も
硬くなる条件で熱処理を行った。各素材の磁気特性は、
上記ｂ）の板サンプルに対し、４０，０００Ａ／ｍの直
流磁場を印加した後の残留磁束密度Ｂｒを測定した。ま
た各素材の残留オ−ステナイト量は、上記ｃ）の円板を
用いて、Ｘ線回折により測定した。また硬さは、ロック
ウェル硬度計により測定した。
硬くなる条件で熱処理を行った。各素材の磁気特性は、
上記ｂ）の板サンプルに対し、４０，０００Ａ／ｍの直
流磁場を印加した後の残留磁束密度Ｂｒを測定した。ま
た各素材の残留オ−ステナイト量は、上記ｃ）の円板を
用いて、Ｘ線回折により測定した。また硬さは、ロック
ウェル硬度計により測定した。
【００２１】本実施例では作製した素材のトルクセンサ
特性を簡易的に評価する手法として上記ａ）の試験片を
使い、引張試験機とＬＣＲメ−タを用いて評価した。以
下、評価方法を述べる。まず、磁気検出用のサ−チコイ
ルとして、内径１０ｍｍの円筒状の空芯コイル（コイル
長さ２０ｍｍ）を作製した。コイル巻数は１００回とし
た。このサ−チコイルを上記ａ）の試験片に被せ、試験
片の両端は引張試験機に、サ−チコイルの両端はＬＣＲ
メ−タに接続した。ＬＣＲメ−タの設定は、周波数８０
ｋＨｚ、電流値８ｍＡとした。試験片に印加した磁場は
５６．６Ａ／ｍである。
特性を簡易的に評価する手法として上記ａ）の試験片を
使い、引張試験機とＬＣＲメ−タを用いて評価した。以
下、評価方法を述べる。まず、磁気検出用のサ−チコイ
ルとして、内径１０ｍｍの円筒状の空芯コイル（コイル
長さ２０ｍｍ）を作製した。コイル巻数は１００回とし
た。このサ−チコイルを上記ａ）の試験片に被せ、試験
片の両端は引張試験機に、サ−チコイルの両端はＬＣＲ
メ−タに接続した。ＬＣＲメ−タの設定は、周波数８０
ｋＨｚ、電流値８ｍＡとした。試験片に印加した磁場は
５６．６Ａ／ｍである。
【００２２】この状態で、引張応力を掛ける前のインダ
クタンスの初期値Ｌ０をＬＣＲメ−タで測定した。次
に、素材の弾性限内で引張応力を掛け、応力を負荷した
時のインダクタンスの値（Ｌ負荷時）を測定した。続い
て引張応力を除荷し、応力ゼロに戻した時のインダクタ
ンスの値（Ｌ除荷時）を測定した。引張応力の値を素材
の弾性限内で徐々に上げて行き、上記の測定を繰り返し
た。測定例として、本発明の素材Ｎｏ．４のインダクタ
ンス−応力特性を図３に示す。また比較例として素材Ｎ
ｏ．２０のインダクタンス−応力特性を図４に示す。図
３〜４から、本発明の素材Ｎｏ．４では除荷時のインダ
クタンス（図３の〇印）が初期値の近傍で安定している
のに対し、比較例の素材Ｎｏ．２０では除荷時のインダ
クタンス（図４の〇印）が応力増加とともに初期値から
ずれて行くことが分かる。
クタンスの初期値Ｌ０をＬＣＲメ−タで測定した。次
に、素材の弾性限内で引張応力を掛け、応力を負荷した
時のインダクタンスの値（Ｌ負荷時）を測定した。続い
て引張応力を除荷し、応力ゼロに戻した時のインダクタ
ンスの値（Ｌ除荷時）を測定した。引張応力の値を素材
の弾性限内で徐々に上げて行き、上記の測定を繰り返し
た。測定例として、本発明の素材Ｎｏ．４のインダクタ
ンス−応力特性を図３に示す。また比較例として素材Ｎ
ｏ．２０のインダクタンス−応力特性を図４に示す。図
３〜４から、本発明の素材Ｎｏ．４では除荷時のインダ
クタンス（図３の〇印）が初期値の近傍で安定している
のに対し、比較例の素材Ｎｏ．２０では除荷時のインダ
クタンス（図４の〇印）が応力増加とともに初期値から
ずれて行くことが分かる。
【００２３】引張応力σ［ＭＰａ］を印加した時の感度
Ｓは、次式（１）で評価した。 Ｓ＝（Ｌ負荷時−Ｌ０）／σ ［μＨ／ＭＰａ］…（１） また、引張応力σ［ＭＰａ］を印加した後、除荷した時
のヒステリシスｈは、次式（２）で評価した。 ｈ＝１００×（Ｌ除荷時−Ｌ０）／Ｌ０［％］…（２） 各素材の熱処理条件と磁気特性、残留オ−ステナイト
量、ロックウェル硬さ、及び２５０ＭＰａの応力を掛け
た場合の各素材の感度Ｓ［μＨ／ＭＰａ］と、２５０Ｍ
Ｐａの応力を掛けた後、応力を除荷した時の各素材のヒ
ステリシスｈ［％］を表２にまとめて示す。
Ｓは、次式（１）で評価した。 Ｓ＝（Ｌ負荷時−Ｌ０）／σ ［μＨ／ＭＰａ］…（１） また、引張応力σ［ＭＰａ］を印加した後、除荷した時
のヒステリシスｈは、次式（２）で評価した。 ｈ＝１００×（Ｌ除荷時−Ｌ０）／Ｌ０［％］…（２） 各素材の熱処理条件と磁気特性、残留オ−ステナイト
量、ロックウェル硬さ、及び２５０ＭＰａの応力を掛け
た場合の各素材の感度Ｓ［μＨ／ＭＰａ］と、２５０Ｍ
Ｐａの応力を掛けた後、応力を除荷した時の各素材のヒ
ステリシスｈ［％］を表２にまとめて示す。
【００２４】
【表２】
【００２５】本発明では、優れたヒステリシスの指標と
して、ヒステリシスの絶対値が０．５０％以下であるこ
ととしている。ヒステリシスの絶対値が０．５０％以下
であれば、トルクセンサ被測定軸のゼロ安定性は良く、
トルク検出を行う上での支障は無いと判断できる。本発
明のトルクセンサ用軸材であるＮｏ．１〜１９では、い
ずれもヒステリシスの絶対値が０．５０％以下の特性を
満足しており、トルクセンサ軸材としてゼロ点の安定性
が優れていると判断できる。一方、比較例のＮｏ．２０
〜２１では、ヒステリシスの絶対値は０．５０％を超
え、約１％まで大きくなっている。
して、ヒステリシスの絶対値が０．５０％以下であるこ
ととしている。ヒステリシスの絶対値が０．５０％以下
であれば、トルクセンサ被測定軸のゼロ安定性は良く、
トルク検出を行う上での支障は無いと判断できる。本発
明のトルクセンサ用軸材であるＮｏ．１〜１９では、い
ずれもヒステリシスの絶対値が０．５０％以下の特性を
満足しており、トルクセンサ軸材としてゼロ点の安定性
が優れていると判断できる。一方、比較例のＮｏ．２０
〜２１では、ヒステリシスの絶対値は０．５０％を超
え、約１％まで大きくなっている。
【００２６】ここで各軸材の残留磁束密度と残留オ−ス
テナイト量を見ると、本発明のＮｏ．１〜１９では、い
ずれも残留磁束密度０．６Ｔ以下、残留オ−ステナイト
量５．０〜４０．０％の範囲を満足している。一方、比
較例のＮｏ．２０〜２１では、残留磁束密度は０．６Ｔ
を超え、残留オ−ステナイト量は５％未満となってい
る。また本発明のＮｏ．１〜１９では、いずれもロック
ウェル硬さ４５ＨＲＣ以上の硬さを有している。本実施
例から、素材の組成、残留磁束密度、残留オ−ステナイ
ト量を本発明の範囲内に調節することにより、トルクセ
ンサ軸材として優れたヒステリシスが得られることが分
かる。本発明のトルクセンサ軸材は、優れたゼロ点安定
性を有するトルクセンサとして使用できることが明らか
である。
テナイト量を見ると、本発明のＮｏ．１〜１９では、い
ずれも残留磁束密度０．６Ｔ以下、残留オ−ステナイト
量５．０〜４０．０％の範囲を満足している。一方、比
較例のＮｏ．２０〜２１では、残留磁束密度は０．６Ｔ
を超え、残留オ−ステナイト量は５％未満となってい
る。また本発明のＮｏ．１〜１９では、いずれもロック
ウェル硬さ４５ＨＲＣ以上の硬さを有している。本実施
例から、素材の組成、残留磁束密度、残留オ−ステナイ
ト量を本発明の範囲内に調節することにより、トルクセ
ンサ軸材として優れたヒステリシスが得られることが分
かる。本発明のトルクセンサ軸材は、優れたゼロ点安定
性を有するトルクセンサとして使用できることが明らか
である。
【００２７】
【発明の効果】本発明によればトルクセンサ軸材の組
成、残留磁束密度、残留オ−ステナイト量を所定の範囲
内に調整することにより、トルクセンサのヒステリシス
を飛躍的に低減することができる。本発明はゼロ点安定
性に優れたトルクセンサを実現するに当たって欠くこと
のできない技術である。
成、残留磁束密度、残留オ−ステナイト量を所定の範囲
内に調整することにより、トルクセンサのヒステリシス
を飛躍的に低減することができる。本発明はゼロ点安定
性に優れたトルクセンサを実現するに当たって欠くこと
のできない技術である。
【図１】トルクセンサの出力特性図である。
【図２】トルクセンサ軸材の磁化曲線の模式図である。
【図３】本発明のトルクセンサ用軸材のインダクタンス
−応力特性を示す図である。
−応力特性を示す図である。
【図４】比較例のインダクタンス−応力特性を示す図で
ある。
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 計 島根県安来市安来町2107番地２ 日立金属 株式会社冶金研究所内 (72)発明者 大野 丈博 島根県安来市安来町2107番地２ 日立金属 株式会社安来工場内 (72)発明者 杉谷 伸芳 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内
Claims (4)
- 【請求項１】 質量％でＣ：０．３０〜１．５０％、Ｓ
ｉ：０．１〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜４．０％、Ｃ
ｒ：５．０％を超えて２０．０％以下、残部が実質的に
Ｆｅから成り、マルテンサイト主体の組織で組織中に含
有する残留オ−ステナイト量が５．０〜４０．０％であ
るとともに、残留磁束密度が０．６Ｔ（テスラ）以下で
あることを特徴とするトルクセンサ用軸材。 - 【請求項２】 更にＮｉ：０．１〜５．０％、Ａｌ：
０．１〜４．０％、Ｃｏ：０．１〜４．０％、Ｍｏ：
０．１〜４．０％の１種以上を含有することを特徴とす
る請求項１に記載のトルクセンサ用軸材。 - 【請求項３】 ロックウェル硬さが４５ＨＲＣ以上であ
ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のト
ルクセンサ用軸材。 - 【請求項４】 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の
トルクセンサ用軸材を用いているトルクセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001026258A JP3693577B2 (ja) | 2001-02-02 | 2001-02-02 | トルクセンサ用軸材及び該軸材を用いているトルクセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001026258A JP3693577B2 (ja) | 2001-02-02 | 2001-02-02 | トルクセンサ用軸材及び該軸材を用いているトルクセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002228527A true JP2002228527A (ja) | 2002-08-14 |
| JP3693577B2 JP3693577B2 (ja) | 2005-09-07 |
Family
ID=18891101
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001026258A Expired - Fee Related JP3693577B2 (ja) | 2001-02-02 | 2001-02-02 | トルクセンサ用軸材及び該軸材を用いているトルクセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3693577B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004239652A (ja) * | 2003-02-04 | 2004-08-26 | Honda Motor Co Ltd | 磁歪式トルクセンサ |
| US6959781B2 (en) | 2003-02-04 | 2005-11-01 | Honda Motor Co., Ltd. | Rotational torque detection mechanism and power steering apparatus |
| JP2008224678A (ja) * | 2008-04-21 | 2008-09-25 | Honda Motor Co Ltd | 磁歪式トルクセンサの異方性付与方法 |
-
2001
- 2001-02-02 JP JP2001026258A patent/JP3693577B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004239652A (ja) * | 2003-02-04 | 2004-08-26 | Honda Motor Co Ltd | 磁歪式トルクセンサ |
| US6959781B2 (en) | 2003-02-04 | 2005-11-01 | Honda Motor Co., Ltd. | Rotational torque detection mechanism and power steering apparatus |
| JP2008224678A (ja) * | 2008-04-21 | 2008-09-25 | Honda Motor Co Ltd | 磁歪式トルクセンサの異方性付与方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3693577B2 (ja) | 2005-09-07 |
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