JP2006090883A - トルク伝達軸体及びその製造方法並びにトルク伝達軸体を用いたトルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁性スリーブが強固に固着され、かつ、着磁プロセスを必要としないトルク伝達軸体及びその製造方法並びにトルク伝達軸体を用いたトルクセンサを提供するものである。
【解決手段】 本発明に係るトルク伝達軸体１０は、回転に伴う駆動トルクＴを伝達するものであり、ロッド状の軸体本体１１と、その軸体本体１１の周りを被う円筒状のスリーブ１２とで構成され、スリーブ１２の長手方向両端部１２ｂ，１２ｂを中央部１２ａよりも厚肉に形成したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転に伴う駆動トルクを伝達するトルク伝達軸体、及び磁歪効果を利用したトルクセンサに関するものである。

図１２に示すように、強磁性体の鋼で構成され、かつ、磁歪効果を有する直径Ｄの軸体１２０に、矢印１２１で示すトルクＴが印加されると、歪み応力による一軸磁気異方性が誘導され（ビラリ効果）、軸体１２０の表層部に、式(1)で示される主応力σが発生する。

σ＝１６Ｔ／（πＤ³） …(1)
磁気歪み定数λが正であれば、磁化容易軸はσの正の方向（図１２中では＋σ）に平行な方向となり、磁気異方性の大きさは、式(2)で与えられる。逆に、磁気歪み定数λが負であれば、磁化容易軸はσの負の方向（図１２中では−σ）に平行な方向となる。

Ｋ_σ＝３λσ …(2)
トルクＴの印加によって軸体１２０の表層部に誘導された磁気異方性を検出することによって、軸体１２０に非接触で、トルクＴの大きさを計測することができることは、既に知られている（非特許文献１，２参照）。

また、非特許文献１記載の方法をさらに改良し、平面型の検出コイルで、トルクＴの大きさを計測できるようにした磁気ヘッドがある（非特許文献３参照）。

非特許文献３記載の磁気ヘッドは、図１３に示すように、８の字型で、かつ、外縁形状は矩形状の２つのコイル１３２，１３３を、90°ずらして重ねて配置したものであり、軸体１３０に非接触の状態で配置される。この磁気ヘッド１３１の動作原理を説明するために、１次コイル１３２及び２次コイル１３３を、各部に分けて考える。

軸体１３０に磁気異方性が誘導されていない場合（トルクが印加されていない場合）において、１次コイル１３２に交流電流を加えても、２次コイル１３３側に誘起電圧が発生しない。これは、１次コイル１３２の電流の向きを矢印Ａ１２、２次コイル１３３の電流の向きを矢印Ａ１３とした場合、磁気ヘッド１３１の中心部における90°交差部では、１次コイル１３２で発生させられた磁束は２次コイル１３３の垂直部と平行になるために鎖交せず、相互誘導（相互インダクタンス）はゼロとなる。右上部及び左下部の辺上では、２つのコイル１３２，１３３の電流方向が互いに逆であり、残りの左上部及び右下部の辺上では、２つのコイル１３２，１３３の電流方向が互いに同じである。相互誘導は、磁束の変化を妨げる方向に電圧を発生する。このため、右上部及び左下部の相互誘導の極性を正、左上部及び右下部の相互誘導の極性を負とすると、各辺上での正と負の相互誘導の強さは、形状の対称性から打ち消され、誘起電圧が生じない。このように、計測対象の軸体１３０に磁気異方性が誘導されていなければ、１次コイル１３２と２次コイル１３３との間の相互誘導は原理的にゼロである。

ところが、図１３に矢印１３５で示すトルクＴが印加され、一軸磁気異方性が誘導されると、正の極性を持つ右上部及び左下部で相互誘導が強くなり、反対に、負の極性を持つ左上部及び右下部で相互誘導が弱くなる。一方、磁気ヘッド１３１の中心部における90°交差部でも、磁束が磁気異方性の方向へわずかに傾くことにより、磁束に水平成分が発生する。これによって、２次コイル１３３の垂直部に鎖交が生じ、この極性は正となる。

以上のことから、磁気異方性が誘導されると、高感度に誘起電圧が発生する。さらに、磁気異方性が90°異なる方向に発生する場合は、上述した符号が全く逆になり、誘起電圧の位相が180°シフト（正負反転）する。これらのことから、同期整流器によって誘起電圧を整流すれば、トルクＴの方向及び大きさを計測することができる。

軸体の磁歪の逆効果（ビラリ効果）を利用し、軸体に印加されたトルクの方向及び大きさを、磁気ヘッドにより直接検出、計測する方法は、構造が比較的簡単であるという長所を有している。しかしながら、トルク検出、計測性能が、機械特性に重きを置いて製作された軸体の磁気特性の影響を大きく受けるという欠点もある。例えば、軸体に焼入れ処理を施し、その耐久性を向上させることが一般的であるが、この焼入れ処理によって軸体の保磁力が増大し、感度が低下すること、また、軸体の回転方向の磁気特性が均一でなく、軸体の回転と共にトルクセンサの出力が変動するという問題があった（非特許文献４参照）。

この問題の解決方法の１つとして、図１４に示すように、軸体１４１の外周に磁性スリーブ１４２を強固に密着させて設け、軸体１４１の歪み変形に追従して磁性スリーブ１４２が歪み変形するようにし、その磁性スリーブ１４２に誘導される一軸磁気異方性を検出する方法がある。

磁性スリーブを用いる方法の１例として、軸体の周りにニッケルなどの磁性コーティング膜を設け、このコーティング膜を磁性スリーブとする方法がある。しかしながら、コーティング膜を、スパッタ法によって作製する場合、生産性が低い。また、コーティング膜を、メッキ法やプラズマスプレー法によって作製する場合、そのままではコーティング膜の保磁力が高く、これを低くするために、熱処理を必要とする。

磁性スリーブを用いる方法の他の例として、高強度で、かつ、強磁性の金属で作製した円筒体（磁性スリーブ）に軸体を圧入する方法がある。これは、軸体外面及び磁性スリーブ内面をテーパ状に形成し、軸体を磁性スリーブ内に圧入、嵌め込むことで、磁性スリーブが押し拡げられ、磁性スリーブが軸体の周りに強固に固着、装着される。これによって、軸体に固着された磁性スリーブにおいては、その円周方向に、強い張力が内在（残留）される。磁性スリーブを、マルエージ鋼などのように磁歪定数が正のもので作製することで、磁性スリーブの円周方向に強い一軸磁気異方性が付与される。磁性スリーブの固着、装着後、磁性スリーブの円周方向に着磁がなされる。磁性スリーブを装着した軸体にトルクが印加されると、円周方向から45°傾いた方向に一軸磁気異方性が誘導され、磁性スリーブの端部から磁束が漏れる。この漏出した磁束を磁界検出器で計測することで、トルクＴの方向及び大きさを計測することができる（非特許文献５参照）。

R.A.ベス(R.A.Beth)、W.W.ミークス(W.W.Meeks),「Rev. Sci. Instrum.」,1954,Vol.25,p.603 O.デール(O.Dahle),「ASEA ジャーナル(ASEA Journal)」,1960,Vol.33,No.3,p.23 I.Sasada、M.Akinaga,ハイ センシティビティー マグネティック ヘッド フォー ア シャフト トルク センサ(High sensitivity magnetic head for a shaft torque sensor),「J. Appl. Phys. 91」,2002,p.7792 古賀文隆、笹田一郎、吉田浩二,磁気ひずみ効果型トルクセンサのための鋼軸の特性評価,「電気学会論文誌Vol.117-A」,1997,No.2,pp.148-154 I.J.ガルシェリス(I.J.Garshelis)、C.R.コント(C.R.Conto),ア トルク トランデューサー ユーティライジング トゥー オポジットリー ポラライズド リングス(A Torque Transducer Utilizing Two Oppositely Polarized Rings),「IEEE トランサクションズ オン マグネティックス(IEEE Transactions on Magnetics)」,1994,Vol.30

ところで、非特許文献５記載の方法では、ほぼ単磁区又は２つの磁区に磁化状態が残留するよう、磁性スリーブに比較的大きな張力を内在（残留）させる必要がある。このため、磁性スリーブは薄肉でなければならない。また、磁性スリーブへの着磁というプロセスが必要である。従って、強い締結力（固着力）が得にくく、計測できるトルク範囲が限られると共に、製造工程数の増大を招くという問題があった。また、中、小径の軸体の場合、磁性スリーブの圧入は比較的容易であるものの、大径の軸体の場合、磁性スリーブの圧入が困難であるという問題がある。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、磁性スリーブが強固に固着され、かつ、着磁プロセスを必要としないトルク伝達軸体及びその製造方法並びにトルク伝達軸体を用いたトルクセンサを提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係るトルク伝達軸体は、回転に伴う駆動トルクを伝達するトルク伝達軸体において、ロッド状の軸体本体と、その軸体本体の周りを被う円筒状のスリーブとで構成され、スリーブの長手方向両端部を中央部よりも厚肉に形成したものである。

ここで、軸体本体は、スリーブよりも熱膨張率が大きい材料で構成してもよい。また、スリーブは、軸体本体よりも熱膨張率が大きい材料で構成してもよい。

スリーブは、強磁性ステンレス鋼で構成してもよい。また、スリーブは、マルエージ鋼で構成してもよい。さらに、スリーブは、ニッケル−クロム−モリブデン鋼、ニッケル鋼、鉄ニッケル鋼、又は鉄コバルト鋼の内のいずれかで構成してもよい。

軸体本体は、非磁性体で構成してもよい。また、軸体本体は、鋳鉄材で構成してもよい。さらに、軸体本体は、鋳鉄材の鍛造品で構成してもよい。また、軸体本体は、ニッケル−クロム−モリブデン鋼又はチタン材で構成してもよい。

一方、本発明に係るトルク伝達軸体の製造方法は、回転に伴う駆動トルクを伝達するトルク伝達軸体の製造方法において、ロッド状の軸体本体を冷却した状態で、長手方向両端部が中央部よりも厚肉に形成された円筒状のスリーブ内に挿入して冷やしバメを行い、軸体本体の周りにスリーブを密着させた状態で被せるものである。

また、本発明に係るトルク伝達軸体の製造方法は、回転に伴う駆動トルクを伝達するトルク伝達軸体の製造方法において、長手方向両端部が中央部よりも厚肉に形成された円筒状のスリーブを加熱した状態で、そのスリーブ内部にロッド状の軸体本体を挿入して焼きバメを行い、軸体本体の周りにスリーブを密着させた状態で被せるものである。

一方、本発明に係るトルクセンサは、前述したトルク伝達軸体と、そのトルク伝達軸体の周面に臨んで設けられる磁気ヘッドとを含むものである。

ここで、磁気ヘッドは、８の字型で、かつ、外縁形状は矩形状の２つのコイルを、90°ずらして重ねて配置したピックアップコイルであることが好ましい。

本発明によれば、軸体本体と磁性スリーブとが強固に固着され、かつ、軸体本体のねじれ歪みに対する磁性スリーブのコンプライアンスが高いトルク伝達軸体を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係るトルク伝達軸体の斜視外観図を図１に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０は、ロッド状の軸体本体１１と、その軸体本体１１の周りを被う円筒状のスリーブ１２とで構成される。スリーブ１２の長手方向両端部（図１中では左右方向両端部）は厚肉部１２ｂ，１２ｂとなっており、スリーブ１２の長手方向両端部は中央の本体部１２ａよりも厚肉に形成される。

本体部１２ａの厚さｔ１は、軸体本体１１の直径に応じて適宜選択され、軸体本体１１の直径が小さい時は薄肉に、軸体本体１１の直径が大きい時は厚肉とされるものであり、特に限定するもではない。例えば、本体部１２ａの厚さｔ１は、機械加工可能な最小限の厚さであればよく、好ましくは50μｍ〜2ｍｍ、より好ましくは100μｍ〜1ｍｍとされる。

厚肉部１２ｂ，１２ｂの厚さｔ２と、本体部１２ａの厚さｔ１との比（t2/t1）は、軸体本体１１の直径に応じて適宜選択され、軸体本体１１の直径が小さい時は大きく、軸体本体１１の直径が大きい時は小さくされるものであり、特に限定するもではない。例えば、比（t2/t1）は、２〜１０、好ましくは２〜６、より好ましくは３〜５とされる。

軸体本体１１の外径は、スリーブ１２の内径よりも僅かに大きくなるように形成される。この軸体本体１１は、後述する冷やしバメにより、図２に示すスリーブ１２の中空部２１内に挿入され、これによって、軸体本体１１にスリーブ１２が固着、装着される。軸体本体の一例を図３に示すように、軸体本体３１は、その両端部にセレーションＳを有しており、一方端（図３中では左端）がトルク入力側の穴に、他方端（図３中では右端）がトルク出力側の穴に係合される。ここで、軸体本体３１は、図に示したスリーブ１２との固着時の際の位置決めを容易にするために、段差部３３を有していてもよい。この場合、段差部３３を境にして、トルク入力側が大径部３２ａに、トルク出力側が小径部３２ｂに形成される。段差部３３における段差の大きさは、例えば、スリーブ１２における本体部１２ａの厚さｔ１と同程度とされる。

ここで、軸体本体１１は、スリーブ１２よりも熱膨張率が大きい材料で構成してもよい。この軸体本体１１にスリーブ１２を装着する際には、本実施の形態に係るトルク伝達軸体の製造方法において後述するように、冷やしバメが適用される。また、スリーブ１２は、軸体本体１１よりも熱膨張率が大きい材料（軸体本体１１は、スリーブ１２よりも熱膨張率が小さい材料）で構成してもよい。この軸体本体１１にスリーブ１２を装着する際には、他の実施の形態に係るトルク伝達軸体の製造方法において後述するように、焼きバメが適用される。

スリーブ１２の構成材としては、強磁性ステンレス鋼（例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼、具体的にはSUS403（JIS規格品））、マルエージ鋼、Ｎｉを比較的多く含むJIS構造用鋼（例えば、ニッケル−クロム−モリブデン鋼（SNCM材）、ニッケル鋼、鉄ニッケル鋼、或いは鉄コバルト鋼など）、又はニッケル材などが挙げられる。

また、軸体本体１１の構成材としては、非磁性体、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性ステンレス鋼、具体的にはSUS304（JIS規格品））、鋳鉄材（例えば、球状黒鉛鋳鉄材）、鋳鉄材の鍛造品（鋳鉄材の高周波焼入れ品）、Ｎｉを比較的多く含むJIS構造用鋼（例えば、ニッケル−クロム−モリブデン鋼（SNCM材））、又はチタン材などが挙げられる。

軸体本体１１及びスリーブ１２の良好な組み合わせの例として、軸体本体１１を非磁性で、かつ、安価なSUS304で、スリーブ１２を良好な磁歪の逆効果（ビラリ効果）を有するSUS403で構成することが好ましい。

以上のような構成を有する本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０の、スリーブ１２の周面に臨んで、図４に示すように、磁気ヘッド１３１（図１３参照）を設けることで、トルクセンサ４０が得られる。磁気ヘッド１３１は、８の字型で、かつ、外縁形状が矩形状の２つのコイル（１次コイル１３２及び２次コイル１３３）を、90°ずらして重ねて配置してなるピックアップコイルである。磁気ヘッド１３１における各コイル１３２，１３３は、それぞれ、計測手段（図示せず）に電気的に接続される。

磁気ヘッド１３１に、図５（ａ），図５（ｂ）に示す磁気コア（例えば、フェライト磁石製）５１を、必要に応じて装着するようにしてもよい。磁気コア５１は、外縁形状が矩形状で、凹面部５２を有する。その凹面部５２には、磁気ヘッド１３１と略同形状の十字溝部５３が設けられており、この十字溝部５３内に１次コイル１３２及び２次コイル１３３がそれぞれ嵌め込まれる。この場合、磁気コア５１の凹面部５２がトルク伝達軸体１０の周面に臨むように、磁気コア５１に装着された磁気ヘッド１３１とトルク伝達軸体１０とが配置される。

次に、本実施の形態に係るトルク伝達軸体の製造方法及び作用を、添付図面に基づいて説明する。

図２に示すように、ロッド状の軸体本体１１を常温よりも大幅に低い温度（例えば、液体窒素温度（77Ｋ）近傍）に冷却し、円筒状のスリーブ１２を常温よりもやや高い温度に加熱した状態で、軸体本体１１をスリーブ１２の中空部２１内に挿入し、冷やしバメを行う。これによって、軸体本体１１の周りにスリーブ１２が密着された状態で被さったトルク伝達軸体１０が得られる。

冷やしバメの前段において、軸体本体１１の外径は、スリーブ１２の内径よりも僅かに大きい。ところが、軸体本体１１は、スリーブ１２よりも熱膨張率が大きい材料で構成している。このため、上述したように、軸体本体１１を冷却し、スリーブ１２を加熱することで、軸体本体１１はその外径が大きく縮径し、スリーブ１２はその内径が拡径する。これによって、軸体本体１１の外径は、スリーブ１２の内径よりも僅かに小さくなる。その結果、軸体本体１１をスリーブ１２の中空部２１内に挿入することが可能となる。

挿入後は、軸体本体１１及びスリーブ１２を常温に戻すことで、軸体本体１１は拡径し、スリーブ１２は縮径し、軸体本体１１の外径がスリーブ１２の内径よりも僅かに大きい元の状態に戻る。これによって、軸体本体１１とスリーブ１２とが強固に固着される。

冷やしバメのハメ代（軸体本体１１の外半径Ｒ₁とスリーブ１２の内半径との差）をδとすれば、通常δ<<Ｒ₁であるから、軸体本体１１の外半径Ｒ₁とスリーブ１２の内半径は等しいと近似できる。よって、軸体本体１１とスリーブ１２との間に作用する面圧縮圧力ｐを求めると、以下に示す(3)式で与えられる。冷やしバメのハメ代は、従来の圧入のハメ代よりも大きくとられており、例えば、約２〜３倍とされる。

ｐ＝Ｅδ（Ｒ₂ ²−Ｒ₁ ²）／（４Ｒ₁Ｒ₂ ²） …(3)
（ここで、Ｒ₁：軸体本体１１の外半径及びスリーブ１２の内半径、Ｒ₂：スリーブ１２の外半径、Ｅ：スリーブ１２の弾性率）
Ｒ₂／Ｒ₁を横軸、面圧縮圧力ｐを縦軸にとり、Ｒ₁＝24/2（ｍｍ）、δ＝１として正規化すると、図６に示す曲線６１が得られる。図７に示す曲線７１は、図６に示した曲線６１におけるＲ₂／Ｒ₁が1.0〜1.5の時の拡大図である。図６からわかるように、Ｒ₂／Ｒ₁が２を超えた辺りから、面圧縮圧力ｐが飽和し始めることがわかる。また、図６からわかるように、Ｒ₂／Ｒ₁が大きい程、すなわちスリーブ１２の肉厚が厚い程、面圧縮圧力（軸体本体１１とスリーブ１２との締結力）ｐが大きくなる。しかし、スリーブ全体の肉厚を単に厚くするだけでは、トルクの印加による軸体本体１１のねじれ歪みに対するスリーブのコンプライアンス（追従性）が悪化する（低くなる）。

そこで、本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０においては、スリーブ１２の長手方向両端部（厚肉部１２ｂ，１２ｂ）のみが、中央の本体部１２ａよりも厚肉に形成されている。このため、軸体本体１１とスリーブ１２との締結力（固着力）は強固に保つことができると共に、図１に示したトルクＴの印加による軸体本体１１のねじれ歪みに対するスリーブ１２のコンプライアンスは良好とする（高くする）ことができる。その結果、大きなトルクＴが印加されても、軸体本体１１とスリーブ１２との間でスリップが生じにくくなり、計測可能なトルク範囲（トルクセンサのダイナミックレンジ）を大きくすることができる。また、印加されたトルクＴの方向及び大きさを精度良く計測することができる。以上より、本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０を用いて、図４に示したトルクセンサ４０を作製することで、高精度にトルク計測を行うことができる。

また、本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０のスリーブ１２を、強磁性材のマルテンサイト系ステンレス鋼（例えば、SUS403）で構成することで、スリーブ１２に対する着磁プロセスが不要となり、製造工程が簡易となる。よって、トルク伝達軸体１０を、安価な製造コストで作製することができる。

また、本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０のスリーブ１２を、高強度で、かつ、良好な磁歪の逆効果を有するマルテンサイト系ステンレス鋼（例えば、SUS403）で構成することで、機械的強度、耐久性の確保のための熱処理（高周波焼入れ処理）が不要となり、製造工程が簡易となる。よって、トルク伝達軸体１０を、安価な製造コストで作製することができる。また、焼入れ処理が不要であるため、軸体本体１１の保磁力が増大することはなく、トルク検出感度が低下することもない。スリーブ１２の構成材によっては、必要に応じてスリーブ１２に熱処理を施してもよい。例えば、スリーブ１２としてSNCM材を用いる場合、スリーブのベース材となるロッド材の製造過程において螺旋状の磁気特性の変動が生じる。よって、この場合、ベース材から作製したロッド材に予め900℃程度の温度で熱処理を施しておき、熱処理後のロッド材に機械加工を施し、スリーブ１２を形成することが好ましい。

また、本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０は、従来の圧入とは異なり、冷やしバメによって、スリーブ１２に軸体本体１１を挿入させ、固着を行うことから、中、小径の軸体本体１１は言うまでもなく、大径の軸体本体１１であっても、容易に軸体本体１１とスリーブ１２とを固着させることができる。

本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０を用いて作製した磁気ヘッド型トルクセンサ４０に駆動トルクＴが印加されることによって、トルク伝達軸体１０に一軸磁気異方性が誘導される。トルク伝達軸体１０の表面、正確にはスリーブ１２の周面に生じた透磁率差が、スリーブ１２と非接触状態の磁気ヘッド１３１により、感度よく、かつ、高精度に計測される。これによって、発生した誘起電圧が高精度に検出され、同期整流器によって誘起電圧を整流すれば、駆動トルクＴの方向及び大きさを計測することができる。

ここで、トルク伝達軸体１０のスリーブ１２を、保磁力の小さい生材（未熱処理材）で構成することで、図４に示した検出コイル（磁気ヘッド）の励磁起磁力をそれ程大きくとる必要がなくなり、例えば、200〜300ｍＡで十分となる。また、保磁力の小さい生材でスリーブ１２を構成することで、必ずしも、図４に示した検出コイル（磁気ヘッド）を、図５（ａ），図５（ｂ）に示したフェライト磁心に装着させる必要はない。これによって、トルクセンサ４０の軽量化、小型化を図ることができると共に、トルクセンサ４０の製造コストの低減を図ることができる。

本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０を用いたトルクセンサ４０を自動車に適用することで、パワーステアリングトルクの制御や、エンジントルクの制御、又はモーションコントロールなどを高精度に行うことが可能となる。また、本実施の形態に係るトルク伝達軸体１０を用いたトルクセンサ４０をタービンエンジンに適用することで、タービン運転の制御、監視などを高精度に行うことが可能となる。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

前実施の形態に係るトルク伝達軸体の製造方法は、軸体本体１１をスリーブ１２よりも熱膨張率が大きい材料で構成し、軸体本体１１にスリーブ１２を装着する際には、冷やしバメを行うものであった。

これに対して、本実施の形態に係るトルク伝達軸体の製造方法は、ロッド状の軸体本体１１を常温よりもやや低い温度に冷却し、円筒状のスリーブ１２を常温よりも大幅に高い温度に加熱した状態で、軸体本体１１をスリーブ１２の中空部２１内に挿入し、焼きバメを行う。これによって、軸体本体１１の周りにスリーブ１２が密着させた状態で被さったトルク伝達軸体１０が得られる。

焼きバメの前段において、軸体本体１１の外径は、スリーブ１２の内径よりも僅かに大きい。ところが、軸体本体１１は、スリーブ１２よりも熱膨張率が小さい材料で構成している。このため、上述したように、軸体本体１１を冷却し、スリーブ１２を加熱することで、軸体本体１１はその外径が縮径し、スリーブ１２はその内径が大きく拡径する。これによって、スリーブ１２の内径は、軸体本体１１の外径よりも僅かに大きくなる。その結果、軸体本体１１をスリーブ１２の中空部２１内に挿入することが可能となる。

挿入後は、軸体本体１１及びスリーブ１２を常温に戻すことで、軸体本体１１は拡径し、スリーブ１２は縮径し、軸体本体１１の外径がスリーブ１２の内径よりも僅かに大きい元の状態に戻る。これによって、軸体本体１１とスリーブ１２とが強固に固着される。

本実施の形態に係る製造方法を用いて製造されたトルク伝達軸体においても、前実施の形態に係る製造方法を用いて製造されたトルク伝達軸体１０と同様の作用効果が得られる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１１）
軸体本体の構成材として、平均線膨張係数が17.3×10^-6/℃（熱膨張率が17.3ppm/℃））のSUS304を、スリーブの構成材として、平均線膨張係数が9.9×10^-6/℃（熱膨張率が9.9ppm/℃））のSUS403を用い、冷やしバメを用いて図１に示したトルク伝達軸体１０を作製した。軸体本体は、図３に示したように段差部を有しており、大径部の外径を28ｍｍ、小径部の外径を25ｍｍ、全体の長さを35ｍｍとした。また、スリーブは、図２に示した構造であり、その内径を24ｍｍ、本体部の肉厚を0.5ｍｍ、本体部の長さを25ｍｍ、厚肉部の肉厚をそれぞれ2.0ｍｍ、肉厚部の長さをそれぞれ5ｍｍとした。ハメ代は80μｍとした。

（比較例１１）
実施例１１と同じ構成材を用い、冷やしバメを用いてトルク伝達軸体を作製した。軸体本体は、図３に示したように段差部を有しており、大径部の外径が28ｍｍ、小径部の外径が25ｍｍ、全体の長さを35ｍｍとした。また、スリーブは、図１４に示した構造であり、その内径を24ｍｍ、肉厚を0.5ｍｍ、長さを20ｍｍとした。ハメ代は80μｍとした。

実施例１１及び比較例１１のトルク伝達軸体を用いて、図４に示した構造のトルクセンサをそれぞれ作製した。各トルクセンサの磁気ヘッド（１次コイル及び２次コイルのコイルターン数は各10ターン）には、図５に示した磁気コアをそれぞれ装着し、磁気結合を強めた。磁気コアは、外縁の１辺の長さを15ｍｍ、対角の長さを21ｍｍ、全体の高さを15ｍｍ、十字溝部の幅を1ｍｍ、十字溝部の底から凹面部の最先端部までの垂直高さを10ｍｍとした。各トルクセンサを用いて、トルク検出特性の評価を行った。トルクセンサの励磁条件は、それぞれ60ｋＨｚ、0.3Ａとした。その評価結果を図８，図９に示す。図８，図９中の、横軸はトルク（Ｎｍ）、縦軸は電圧（ｍＶ；感度）を表している。

図９に示すように、全長に亘って肉厚が均一なスリーブを用いた比較例１１のトルクセンサでは、60〜70（-60〜-70）Ｎｍ程度のトルク印加で、スリーブと軸体本体との間にスリップが生じてしまい、トルクセンサとしては極めて大きなヒステリシスが生じてしまった。

これに対して、図８に示すように、本発明に係る実施例１１のトルクセンサでは、400（-400）Ｎｍまでの印加トルクに対してヒステリシスが小さく、線形性（直線性）に優れていた。このことから、実施例１１のトルクセンサは、感度が良好で、かつ、高精度であることがわかる。

（実施例２１）
平均線膨張係数が9.9×10^-6/℃（熱膨張率が9.9ppm/℃））のSUS403を用いて軸体を作製した。この軸体は、図２に示した構造であり、外径を25ｍｍ、全体の長さを35ｍｍとした。

（比較例２１）
軸体の構成材がSNCM420（Ｎｉを1〜2wt％含有）である以外は、実施例２１と同様にして軸体を作製した。

実施例２１及び比較例２１の軸体を用いて、図１３に示した構造のトルクセンサをそれぞれ作製した。各トルクセンサの磁気ヘッド（１次コイル及び２次コイルのコイルターン数は各10ターン）には、図５に示した磁気コアをそれぞれ装着し、磁気結合を強めた。各トルクセンサを用いて、トルク検出特性の評価を行った。各トルクセンサの励磁条件は、それぞれ60ｋＨｚ、0.3Ａとした。その評価結果を図１０に示す。図１０中の、横軸はトルク（Ｎｍ）、縦軸は電圧（ｍＶ；感度）を表している。

図１０に示すように、破線１０２で示す比較例２１のトルクセンサと比べて、実線１０１で示す実施例２１のトルクセンサの方が、感度及びヒステリシスの両面で優れていることがわかった。

ここで、図１０に示した実施例２１のトルクセンサのトルク検出特性と、図８に示した［実施例１］における実施例１１のトルクセンサのトルク検出特性を比較すると、実施例１１では感度（電圧値）が約１／４に低下していた。これは、スリーブの円周方向に、強い引張応力が内在（残留）していることから、トルク未印加の状態でも軸方向に一軸磁気異方性が誘導されてしまい、これによって、トルク印加時に誘導される一軸磁気異方性が減殺されるためである。引張残留応力によって、感度は低下するもの、ヒステリシスが略ゼロとなるため、精度は向上する。

［実施例１］における実施例１１のトルクセンサと、［実施例２］における実施例１１及び比較例２１の各トルクセンサを用い、軸の回転に伴うゼロ点の変動について評価を行った。各トルクセンサの励磁条件は、それぞれ60ｋＨｚ、0.3Ａとした。その評価結果を図１１に示す。図１１中の、横軸は軸の回転角度（deg）、縦軸は400Ｎｍを１（フルスケール）とした時の印加トルクのＦＳ比（％；［印加トルク／400Ｎｍ］×100）を表している。

図１１に、一点鎖線１１１で示すように、SNCM420で構成した軸体を用いた比較例２１のトルクセンサは、大きなゼロ点変動を示した。

これに対して、図１１に、破線１１２で示すように、SUS403で構成した軸体を用いた実施例２１のトルクセンサは、ゼロ点変動が比較的小さかった。

また、図１１に、実線１１３で示すように、冷やしバメによって作製した実施例１１のトルクセンサは、ゼロ点変動が緩やかであった。これは、引張残留応力によって、スリーブに局在していた残留応力がならされて均一になるためであると考えられる。

本発明の好適一実施の形態に係るトルク伝達軸体の斜視外観図である。 軸体本体及びスリーブの斜視外観図である。 軸体本体の一変形例を示す平面図である。 本発明の好適一実施の形態に係るトルクセンサの斜視外観図である。 図５（ａ）は、磁気ヘッドに装着される磁気コアの平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の５ｂ−５ｂ線断面図である。 スリーブの肉厚と面圧縮応力との関係を示す図である。 図６の部分拡大図である。 ［実施例１］における実施例１１のトルクセンサの、トルクと電圧との関係を示す図である。 ［実施例１］における比較例１１のトルクセンサの、トルクと電圧との関係を示す図である。 ［実施例２］における実施例２１及び比較例２１の各トルクセンサの、トルクと電圧との関係を示す図である。 軸の回転角度とＦＳ比との関係を示す図である。 従来のトルク伝達軸体の斜視外観図である。 図１２のトルク伝達軸体を用いたトルクセンサの斜視外観図である。 磁性スリーブ装着型トルク伝達軸体の斜視外観図である。

符号の説明

１０ トルク伝達軸体
１１ 軸体本体
１２ スリーブ
１２ａ 本体部（中央部）
１２ｂ 厚肉部（長手方向端部）
Ｔ 駆動トルク

Claims (14)

1. 回転に伴う駆動トルクを伝達するトルク伝達軸体において、ロッド状の軸体本体と、その軸体本体の周りを被う円筒状のスリーブとで構成され、スリーブの長手方向両端部を中央部よりも厚肉に形成したことを特徴とするトルク伝達軸体。
2. 上記軸体本体を、上記スリーブよりも熱膨張率が大きい材料で構成した請求項１記載のトルク伝達軸体。
3. 上記スリーブを、上記軸体本体よりも熱膨張率が大きい材料で構成した請求項１記載のトルク伝達軸体。
4. 上記スリーブを強磁性ステンレス鋼で構成した請求項１から３いずれかに記載のトルク伝達軸体。
5. 上記スリーブをマルエージ鋼で構成した請求項１から３いずれかに記載のトルク伝達軸体。
6. 上記スリーブを、ニッケル−クロム−モリブデン鋼、ニッケル鋼、鉄ニッケル鋼、又は鉄コバルト鋼の内のいずれかで構成した請求項１から３いずれかに記載のトルク伝達軸体。
7. 上記軸体本体を非磁性体で構成した請求項１から６いずれかに記載のトルク伝達軸体。
8. 上記軸体本体を鋳鉄材で構成した請求項１から６いずれかに記載のトルク伝達軸体。
9. 上記軸体本体を鋳鉄材の鍛造品で構成した請求項１から６いずれかに記載のトルク伝達軸体。
10. 上記軸体本体を、ニッケル−クロム−モリブデン鋼又はチタン材で構成した請求項１から５いずれかに記載のトルク伝達軸体。
11. 回転に伴う駆動トルクを伝達するトルク伝達軸体の製造方法において、ロッド状の軸体本体を冷却した状態で、長手方向両端部が中央部よりも厚肉に形成された円筒状のスリーブ内に挿入して冷やしバメを行い、軸体本体の周りにスリーブを密着させた状態で被せることを特徴とするトルク伝達軸体の製造方法。
12. 回転に伴う駆動トルクを伝達するトルク伝達軸体の製造方法において、長手方向両端部が中央部よりも厚肉に形成された円筒状のスリーブを加熱した状態で、そのスリーブ内部にロッド状の軸体本体を挿入して焼きバメを行い、軸体本体の周りにスリーブを密着させた状態で被せることを特徴とするトルク伝達軸体の製造方法。
13. 請求項１から１０いずれかに記載のトルク伝達軸体と、そのトルク伝達軸体の周面に臨んで設けられる磁気ヘッドとを含むことを特徴とするトルクセンサ。
14. 上記磁気ヘッドが、８の字型で、かつ、外縁形状は矩形状の２つのコイルを、90°ずらして重ねて配置したピックアップコイルである請求項１３記載のトルクセンサ。
    

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