JP2702840B2 - トルク検出装置 - Google Patents

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。また、特開昭６３−２９７５４５号公報に示された
トルク検出装置は、被測定軸の表面にＦｅ−Ａｌ系合金
層を溶射法により形成したものとしているが、この溶射
法による合金層は、被測定軸の表面の微細凹凸部に投錨
効果により機械的な力で密着しているものであるため
に、被測定軸の変位が大きくなったときや大きな変位が
くり返し付加されたときには合金層が剥離してしまうお
それがないとはいえないという問題点があった。そして
また、実開昭６４−３５７６８号のマイクロフィルムに
は、被測定軸の表面に磁性材料を拡散により接合したも
のとすることが記載され、回転トルクは２ｋｇｆ・ｍ程
度まで付加したことが図示されているが、これよりもさ
らに大きなトルクを付加した場合には前記したと同様な
剥離の発生がないとはいえな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（本出願時未公開）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・合金化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，１０
３ｂ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Ｔが１０
ｋｇｆ・ｍまで良好な直線性を保つ優れたトルク−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・合金化させるときや、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
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・
合金化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・合金化させるときや、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・合金化や基体に対する焼入れを行なうときに発
生する割れは、融合・合金化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・合金化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・合金
化させたものとし、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・合金化界面のうちの
少なくとも軸心方向両端部を傾斜させて形成すると共に
基体部分の外径寸法と高磁歪材料の部分の外径寸法とを
同じに形成し、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
異方性部を設けて、高降伏点のものとなっている基体の
表面の高磁歪材料の部分に前記形状磁気異方性部を有す
る被測定軸を用い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・合金化界面の軸心方向
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・合金化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・合金化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・合金化させたものとし、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・合
金化界面のうちの少なくとも軸心方向両端部を傾斜させ
て形成すると共に基体部分の外径寸法と高磁歪材料の部
分の外径寸法とを同じに形成し、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て、高降伏
点のものとなっている基体の表面の高磁歪材料の部分に
前記形状磁気異方性部を有する被測定軸を用いた構成と
したため、基体の表面に高磁歪材料を金属組織的に融合
・合金化させるときや、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・合金化界面部分の応
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・合金化界面の軸心方向
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・合金化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・合金化界面の軸心方向
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・合金化させるときや、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・合金化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２
ａと高磁歪材料２ｂとの融合・合金化界面の軸心方向両
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り形状磁気
異方性部５ａ，５ｂを設け、前記形状磁気異方性部５
ａ，５ｂに対向させて被測定軸２の外周側にコイル６
ａ，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・合金化させたものとする。

【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・合金化界面の軸心方向両
端部２ｃ，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・合金化界面となって
おり、図３の（Ｂ）に示す実施例では、軸心方向両端部
２ｃ，２ｄ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・合金化界面となっており、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・合金化界面
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としていると共に、いずれの場合にも、図３
の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）より明らかであるように、基体２
ａの部分の表面と高磁歪材料２ｂの部分の表面とが面一
になっていて、基体２ａの部分の外径寸法と高磁歪材料
２ｂの部分の外径寸法とを同じに形成している。

【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・合金化させた基体２ａを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・合金化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・合金化させたものとした。

【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・合金化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・合金化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
・合金化させた基体１０２ａを前記実施例と同条件の８
５０℃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・合金化界面における軸心方向両
端部１０２ｃ，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・合金化させた
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・合金化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と共に基体部分
の外径寸法と高磁歪材料の部分の外径寸法とを同じに形
成し、被測定軸の少なくとも高磁歪材料の部分に形状磁
気異方性部を設けて、高降伏点のものとなっている基体
の表面の高磁歪材料の部分に前記形状磁気異方性部を有
する被測定軸を用いた構成としたから、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・合金化させる
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 (56)参考文献 特開 平３−216528（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−87623（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−73820（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−313027（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−297545（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−168962（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−35768（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【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・合金化させたものとし、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・合金化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と共に基体部分の外径寸法と
   高磁歪材料の部分の外径寸法とを同じに形成し、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
   設けて、高降伏点のものとなっている基体の表面の高磁
   歪材料の部分に前記形状磁気異方性部を有する被測定軸
   を用い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・合金化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。