JP2974553B2

JP2974553B2 - 磁歪測定軸

Info

Publication number: JP2974553B2
Application number: JP5208059A
Authority: JP
Inventors: 原幹弥篠; 田宗勝島; 田雅永
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1993-08-23
Filing date: 1993-08-23
Publication date: 1999-11-10
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JPH0755602A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軸にトルクが印加され
たときにその表層に生じる磁歪現象を検出することによ
り、印加トルクを測定するのに利用される磁歪測定軸に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の磁歪測定軸としては、例
えば、特願平４−２８３３９号や特願平４−１７８６９
号において出願されているものがあり、図６の（ａ），
（ｂ）に示すようなものがある。

【０００３】図６の（ａ），（ｂ）において、磁歪測定
軸１０１は、高降伏点を有する材料を基体１０２とし
て、その外周表面に例えばＦｅＡｌ合金などの高磁歪合
金層１０３を金属組織的に融合させた構成を有するもの
であり、高磁歪合金層１０３の少なくとも２ケ所に、軸
心方向１０１Ａと所定角度をなしかつ円周方向に複数の
部分螺旋状溝１０４ａ，１０４ｂを左右対称に形成し
て、形状磁気異方性を与えた溝形成部１０５ａ，１０５
ｂを設けてある。

【０００４】そして、この磁歪測定軸１０１を使用した
トルク検出装置は、例えば、図７に示すような構成とな
っており、各溝形成部１０５ａ，１０５ｂの位置には、
励磁手段兼検出手段として機能するコイル１０６ａ，１
０６ｂがヨーク１１１の内部に配設されている。

【０００５】図８はトルク検出装置の磁歪検出部におけ
る回路構成の一例を示しており、コイル１０６ａ，１０
６ｂと抵抗１０７ａ，１０７ｂとでブリッジ回路を形成
し、対向する一方の接続点Ｃ−Ｄ間を交流電源１０８の
供給側Ｖｉｎとして、両コイル１０６ａ，１０６ｂに交
流の定電圧を印加しておき、対向する他方の接続点Ａ−
Ｂ間の出力を差動増幅器１０９に接続してある。

【０００６】この状態において、図７の磁歪測定軸１０
１に対してねじりトルクＴが加わると、一方の溝形成部
１０５ａの溝山部位には引張応力＋σが加わり、引張歪
が生じると共に、他方の溝形成部１０５ｂの溝山部位に
は圧縮応力−σが加わり、圧縮歪が生じる。そのため、
例えば、ＦｅＡｌ合金のように正の磁歪定数を有する材
料を高磁歪合金層１０３の素材として使用した場合に
は、引張歪の生じる溝形成部１０５ａの透磁率が増加
し、圧縮歪の生じる溝形成部１０５ｂの透磁率は減少す
る。したがって、それぞれの溝形成部１０５ａ，１０５
ｂに対向して配置したコイル１０６ａ，１０６ｂのうち
一方のコイル１０６ａのインダクタンスＬａは増加し、
他方のコイル１０６ｂのインダクタンスＬｂは減少す
る。その結果、図８のブリッジ回路の接続点Ａ−Ｂ間に
電位差を生じ、差動増幅器１０９を経て図９に示すよう
なトルク検出特性を得る。

【０００７】また、図９に示すトルク検出特性におい
て、０点は、図７の磁歪測定軸１０１が軸心方向１０１
Ａへ変位することにより影響を受けて、変動誤差を生じ
る（これをスラストドリフトと称する）。これに関し
て、前記特願平４−１７８６９号として出願されている
ように、図６の（ｂ）に示す構成の磁歪測定軸１０１
は、図６の（ａ）に示す構成の磁歪測定軸１０１に対し
てスラストドリフトが少ないという特徴を有している。

【０００８】このような構成により使用される磁歪測定
軸１０１は、図６に示したように高降伏点を有する材料
を基体として、その外周表面に例えばＦｅＡｌ合金など
の高磁歪合金層１０３を金属組織的に融合させた構成と
しているため、高磁歪材料のみからなる軸よりも大きな
入力トルクに耐えることができ、高降伏点を有する材料
（例えば、表面硬化処理を施した鋼材）のみからなる軸
よりも高感度で、周囲の温度変化に対して特性が安定し
ている。

【０００９】さらに、高磁歪材料よりなる合金層１０３
は金属組織的に基体に融合させてあるため、繰り返しの
印加トルクに対してもその接合部は高い耐久信頼性を有
する。そのため、例えば、自動車等の動力伝達軸のよう
に、数千Ｎｍのトルクが繰り返し印加され、しかも温度
環境の厳しい場所に設置される軸のトルク検出用とし
て、特に優れた性能を有する。

【００１０】また、この磁歪測定軸１０１の構成は、前
記特願平４−２８３３９号において出願されているよう
な手段により実現することができる。すなわち、炭素鋼
や合金鋼等の軸を基体としてその外周部に高磁歪材料を
ＴＩＧ溶接，プラズマ粉末溶接，プラズマ溶射，レーザ
ー溶接，電子ビーム溶接等の手法により、金属組織的に
融合させた層を形成する。そして、形状磁気異方性を付
与するための溝１０４ａ，１０４ｂを溝底に基体材料１
０２が露出する深さに形成する（図１０の（ａ），
（ｂ）参照）。

【００１１】その後、この軸に浸炭処理を施すと、露出
した基体部位よりＣ（炭素）が高磁歪合金層１０３の下
部の基体中へと拡散し、急冷処理により高磁歪合金層１
０３の下部を含めて基体材料表面に硬化層１１０が形成
される（図１０の（ｃ）参照）。その結果、この磁歪測
定軸１０１の基体は高強度化され、高降伏点を有するよ
うになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の磁歪
測定軸は、基体材料を高強度化する手法として浸炭焼入
れ法を採用しているため、この磁歪測定軸を機械部品に
適用するためには専用の浸炭炉等の設備投資が必要とな
り、製造原価が高くなるという欠点を有していた。この
ため、構造用鋼よりなる軸の熱処理法として広く採用さ
れておりかつまた浸炭炉よりも生産量の変動に適応性の
ある高周波熱処理法によって磁歪測定軸を製作できるよ
うにすることが望まれていた。

【００１３】しかしながら、高周波焼入れ用の鋼材を基
体としてその表面にＦｅＡｌ合金を融合させて高周波焼
入れ処理を施しても、浸炭焼入れ処理により製作した磁
歪測定軸の６０％程度のトルク検出感度しか得られない
という問題点があり、このような問題点を解決すること
が課題としてあった。

【００１４】

【発明の目的】本発明は、このような従来の課題に鑑み
てなされたものであって、高周波焼入れ処理によって
も、浸炭焼入れ処理によって製作した磁歪測定軸と同等
のトルク検出感度を有する磁歪測定軸を製作することが
でき、量産性の良い安価な高感度磁歪測定軸を提供する
ことを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、高周波焼入れ
処理を施した磁歪測定軸が、浸炭焼入れ処理で製作され
る磁歪測定軸よりもトルク検出感度が劣る原因を以下の
ように推察することによりなされた。

【００１６】この磁歪測定軸は、高磁歪合金を鋼製軸素
材の基体に金属組織的に融合させる手法として、溶接ま
たは溶射工法を採用している。そのため、溶接時に基体
の鋼の一部が高磁歪合金であるＦｅＡｌ合金に混入する
ことが避けられず、溶接されたＦｅＡｌ合金層には基体
に含まれていたＦｅ以外の元素も取り込まれる。さら
に、高周波焼入れ用鋼材には、浸炭工程なしに表面を硬
化させる必要性から、一般に０．２５％程度以上のＣが
すでに含有されている。したがって、浸炭焼入れ用鋼製
軸素材と高周波焼入れ用鋼製軸素材とを基体として製作
された磁歪測定軸のＦｅＡｌ合金層においては、Ｃ含有
量が異なっていると推察した。

【００１７】そこで、浸炭焼入れ用鋼製軸素材の基体と
高周波焼入れ用鋼製軸素材の基体に対して、種々の溶接
条件によりＦｅＡｌ合金層を形成し、そのＡｌ含有量お
よびＣ含有量と、トルク検出感度との相関を詳細に検討
した結果、高周波焼入れ用鋼製軸素材に溶接されたＦｅ
Ａｌ合金層のＡｌ，Ｃ含有量とトルク検出感度との相関
が、従来より知られていたＦｅＡｌ合金のみからなる磁
歪測定軸のＡｌ合金量とトルク検出感度との相関とは異
なる傾向を示すことを発見し、本発明による構成をもつ
磁歪測定軸におけるＦｅＡｌ合金層中での適切なるＡ
ｌ，Ｃ含有量を見い出すに至った。

【００１８】本発明に係わる磁歪測定軸は、炭素鋼ない
しは合金鋼よりなる鋼製軸素材を基体とし、その外周の
磁歪測定部位にＦｅＡｌ合金層をより好ましくは厚さ３
ｍｍ以下で帯状に金属組織的に融合させた構成を有し、
鋼製軸素材はＣを０．２５重量％以上含有する高周波焼
入れ用鋼材からなり、ＦｅＡｌ合金層はＡｌ含有量が１
０〜１６重量％、Ｃ含有量が０．０５＋（７／６）×
（Ａｌ（重量％）−１０）×（１／１００）重量％以下
であって、高周波焼入れ処理が施されていて表面が硬化
しているものであるようにしたことを特徴としている。

【００１９】本発明に係わる磁歪測定軸は、炭素鋼ない
しは合金鋼からなる鋼製軸素材を用いているが、この場
合、具体的には、機械構造用鋼であるＳＣ材，ＳＣＫ
材，ＳＣｒ材，ＳＭｎ材，ＳＣＭ材，ＳＮＣ材，ＳＮＣ
Ｍ材などが用いられ、高周波焼入れ用としてはＣを０．
２５重量％以上含むものとすることが望ましい。

【００２０】このような鋼製軸素材の表面にＦｅ−１０
〜１６重量％Ａｌよりなる帯状合金層を設けるが、この
場合、Ａｌ含有量が少なすぎるとＦｅＡｌ合金層の弾性
限界強度が低くなり、トルク検出に使用できる範囲が狭
くなるので、自動車等の動力伝達軸としてはＡｌ含有量
を１０重量％以上としたものにする必要がある。しか
し、Ａｌ含有量が多すぎるとＦｅＡｌ合金層中に非磁性
相であるＦｅ−Ａｌ規則相の占める割合が増え、トルク
検出感度の低下をきたすため、Ａｌ含有量を１６重量％
以下とすることが必要である。

【００２１】また、ＦｅＡｌ合金層中に固溶またはＦｅ
−Ｃ，Ａｌ−Ｃ，Ｆｅ−Ａｌ−Ｃなどの炭化物として含
まれるＣ含有量が多すぎると、トルク検出感度を低下さ
せることになるので、Ｃ含有量は、０．０５＋（７／６）×（Ａｌ（重量％）−１０） ×（１／１００）重量％以下 …（１）であるようにすることが必要である。

【００２２】この場合、溶接時における入熱量を減らす
ことにより、ＦｅＡｌ合金層へのＣの過剰な混入を抑え
ることが可能となる。そしてこのようなＦｅＡｌ合金層
を設けるに際しては、ＴＩＧ溶接，ＭＩＧ溶接，プラズ
マ溶接，プラズマ粉末溶接（ＰＰＷ）等が使用される。
これらの溶接法により、鋼製軸素材の円周方向に肉盛溶
接を行うに際して１パスあたりの肉盛溶接幅を例えば１
５ｍｍ以下程度に制限し、鋼製軸素材への入熱量が過大
なものとならないようにすることも必要に応じて望まし
い。さらにまた、溶接応力による割れが発生するのを防
止するため、肉盛溶接の前後に予熱および／または後熱
を施しておくことも必要に応じて望ましい。

【００２３】

【発明の作用】本発明の磁歪測定軸の素材は、Ｃ含有量
が０．２５重量％以上の炭素鋼ないしは合金鋼よりなる
高周波焼入れ用鋼製軸素材の外周部に、Ｆｅ−１０〜１
６重量％Ａｌ合金より成り、Ｃ含有量を（１）式で示す
含有量以下とした高磁歪合金を金属組織的に融合させた
構成としてあるため、高周波焼入れ処理で製作したとき
でも、浸炭焼入れ処理で製作した磁歪測定軸と同等なト
ルク検出感度を有する磁歪測定軸となる。したがって、
この構成の磁歪測定軸を機械部品として応用しても、被
トルク測定軸となる軸の生産設備の変更が最小限で済
み、安価な磁歪測定軸の量産に寄与するものとなる。

【００２４】

【実施例】図１は、本発明の実施例による磁歪測定軸を
示すものであって、この磁歪測定軸１は、ＦｅＡｌ合金
よりなる高磁歪合金層２を２ケ所に帯状に形成し、この
高磁歪合金層２の部分に、軸心方向１Ａと所定角度をな
しかつ円周方向に複数の部分螺旋状溝４を左右対称に形
成して、形状磁気異方性を与えた溝形成部５を設けた構
成を有している。

【００２５】そこで、このような図１に示す磁歪測定軸
１を製作するにあたり、鋼製軸素材６として表１および
表２の「鋼製軸素材」の欄に示す鋼種でかつ直径が３１
ｍｍのものを使用し、その表面にプラズマ粉末溶接法
（ＰＰＷ）にてＦｅＡｌ合金を肉盛溶接して高磁歪合金
層（ＦｅＡｌ合金層）２を形成した。

【００２６】このとき、図２に示すように、ＰＰＷ溶接
用トーチ３に供給する肉盛溶接用粉末としては、表１お
よび表２における「ＦｅＡｌ肉盛合金層」の「Ａｌ含有
量」の欄に示す組成が得られるように肉盛溶接時の希釈
を考慮し、上記Ａｌ含有量よりも若干多いＡｌ含有量の
ものを使用し、粒径が６０〜３５０メッシュのものを使
用した。

【００２７】また、プラズマ電流を表１および表２の
「プラズマ電流」の欄に示す値として、図２に示すよう
に溶接用トーチ３を矢印Ａ方向にウイービングさせ、鋼
製軸素材６を矢印Ｂ方向に回転させながらＰＰＷ溶接を
行った。そして、溶接ＦｅＡｌ肉盛合金層２の幅は、こ
の実施例においては、鋼製軸素材６への入熱量を抑え
て、ＦｅＡｌ肉盛合金層へのＣの混入を防ぐため、１５
ｍｍ以下とした。しかし、溶接可能な肉盛幅は、溶接用
トーチ３のウイービング速度にも依存するため、かなら
ずしもこの限りではない。このようにして得た肉盛高磁
歪合金層２中のＡｌ，Ｃ含有量を調べたところ、表１お
よび表２の「Ａｌ含有量」「Ｃ含有量」の欄にに示す結
果となった。

【００２８】次いで、このＦｅＡｌ肉盛高磁歪合金層２
の部分に、軸心方向１Ａと所定角度をなし、かつ円周方
向に複数の部分螺旋状溝４をエンドミル加工等により左
右対称に形成して、形状磁気異方性を持たせた溝形成部
５を設けた。そして、この軸を高周波焼入れ装置により
例えば数ｋＨｚの周波数で高周波焼入れ処理を行い、軸
の表面を厚さ２〜４ｍｍにわたって硬化させて磁歪測定
軸１を得た。

【００２９】このようにして得た磁歪測定軸１のトルク
検出感度を図７および図８に示した構成により評価した
ところ、表１および表２の「トルク検出感度」の欄に示
す結果を得た。

【００３０】この結果をＡｌ含有量を横軸にとり、トル
ク検出感度を縦軸にとってプロットしたところ、図３に
示すようになった。図３中の○印プロットは浸炭焼入れ
用鋼（Ｓ２０Ｃ）で得られた結果を示し、特開昭６３−
１６７２３２号で示されているＦｅＡｌ合金のみからな
る磁歪測定軸のＡｌ濃度とトルク検出感度との相関に類
似した傾向を示した。

【００３１】すなわち、Ａｌ含有量が１６重量％超過で
は、非磁性相であるＦｅ−Ａｌ型規則相の析出割合が増
加してトルク検出感度は減少し、１６重量％以下ではＡ
ｌ含有量が低いほうが感度が高くなる傾向を示す。

【００３２】これに対し高周波焼入れ用鋼（Ｓ４０Ｃ，
Ｓ４５Ｃ）でのＡｌ含有量とトルク検出感度との相関
は、ＦｅＡｌ肉盛合金層２中のＣ含有量が０．０５重量
％程度の時と、０．１０重量％程度の時とで図３のよう
な違いが見られた。すなわち、高周波焼入れ用鋼ではＡ
ｌ含有量が低下するとトルク検出感度も低下しており、
これまでの知見と異なる傾向を示した。そこでこれらの
ＦｅＡｌ肉盛合金層２の金属組織を分析したところ、Ａ
ｌ含有量が低いＦｅＡｌ肉盛合金ほど炭化物と推定され
る析出物が多量に析出していることがわかった。逆に、
Ａｌ含有量が多いとＣ含有量が多くても前記析出物が生
じにくく、浸炭鋼の場合に匹敵するトルク検出感度が得
られた。そして、浸炭焼入れ用鋼の場合には、Ａｌ含有
量が１６重量％以下で、約０．２４ｍＶ／Ｎｍのトルク
検出感度が得られているが、表１の本発明例のＡｌ，Ｃ
含有量のＦｅＡｌ肉盛合金によれば、高周波焼入れ用鋼
でも同等のトルク検出感度が得られた。

【００３３】また、図３で認められるように、浸炭焼入
れ用鋼では、Ａｌ含有量が１２重量％以下の時に、０．
２４ｍＶ／Ｎｍ以上の感度が得られているが、ＦｅＡｌ
肉盛合金中のＡｌ含有量が増加すると弾性限度が図４に
示すように向上するので、軸径を細くして単位トルクあ
たりの表面剪断歪率を増加させる等の設計上の工夫によ
り、実用上は浸炭焼入れ用鋼の場合と同等の性能のもの
が得られる。

【００３４】図５は表１および表２に示す本発明例と比
較例のＡｌ含有量とＣ含有量をプロットしたものであ
り、各プロットの添字はそのＡｌ，Ｃ含有量でのトルク
検出感度を示す。この結果から、浸炭焼入れ用鋼の場合
と同等のトルク検出感度を得るには、Ａｌ含有量が１０
〜１６重量％でかつＣ含有量が（１）式に示される含有
量以下であることが必要であるとの結果を得た。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明に係わ
る磁歪測定軸では、Ｃ含有量が０．２５重量％以上の高
周波焼入れ用鋼製軸を基体とし、その外周の磁歪測定部
位に金属組織的に融合させたＦｅＡｌ合金層のＡｌ含有
量を１０〜１６重量％とし、Ｃ含有量を０．０５＋（７
／６）×（Ａｌ（重量％）−１０）×（１／１００）重
量％以下とし、高周波焼入れ処理が施されていて表面が
硬化しているものとする構成としたことにより、高周波
焼入れ用鋼を使用した場合でも浸炭焼入れ用鋼を使用し
た場合と同等のトルク検出感度が得られるようになり、
高周波熱処理を採用している生産工程で品質の優れた磁
歪測定軸を製作することが可能にな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磁歪測定軸の構成を示
す説明図である。

【図２】プラズマ粉末溶接（ＰＰＷ）法によりＦｅＡｌ
合金を肉盛り溶接する要領を示す説明図である。

【図３】浸炭焼入れ用鋼および高周波焼入れ用鋼により
製作した磁歪測定軸においてＦｅＡｌ肉盛合金層中のＡ
ｌ含有量とトルク検出感度との相関を示すグラフであ
る。

【図４】ＦｅＡｌ肉盛合金層中のＡｌ含有量とＦｅＡｌ
肉盛合金層のねじり弾性限度との相関を示すグラフであ
る。

【図５】ＦｅＡｌ肉盛合金層中のＡｌ，Ｃ含有量と、ト
ルク検出感度との相関を示すグラフである。

【図６】従来の磁歪測定軸の構成を二例（図６の
（ａ），（ｂ））示す説明図である。

【図７】磁歪測定軸と検出コイルとの配置関係を示すト
ルクセンサの説明図である。

【図８】トルクセンサの検出回路における検出コイルの
配置を示す回路図である。

【図９】トルク検出特性の一例とトルク検出感度の定義
を示す説明図である。

【図１０】浸炭焼入れ処理によりＦｅＡｌ合金層下部の
鋼を硬化させる様子を示す全体説明図（図１０の
（ａ）），Ａ−Ａ´断面説明図（図１０の（ｂ））およ
びＢ−Ｂ´断面説明図（図１０の（ｃ））である。

【符号の説明】

１磁歪測定軸２高磁歪合金層（ＦｅＡｌ合金層）６鋼製軸素材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永田雅愛知県名古屋市緑区鳴海町字伝治山98番地の３ (56)参考文献特開平５−72064（ＪＰ，Ａ) 特開平１−247530（ＪＰ，Ａ) 特開平４−246123（ＪＰ，Ａ) 特開平３−269229（ＪＰ，Ａ) 桜内雄二郎著「工業材料活用ハンドブック」（1989．１．10）工業調査会

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素鋼ないしは合金鋼よりなる鋼製軸素
材を基体とし、その外周の磁歪測定部位にＦｅＡｌ合金
層を帯状に金属組織的に融合させてなる磁歪測定軸にお
いて、鋼製軸素材はＣを０．２５重量％以上含有する高
周波焼入れ用鋼材からなり、ＦｅＡｌ合金層はＡｌ含有
量が１０〜１６重量％、Ｃ含有量が０．０５＋（７／
６）×（Ａｌ（重量％）−１０）×（１／１００）重量
％以下であって、高周波焼入れ処理が施されていて表面
が硬化していることを特徴とする磁歪測定軸。
【請求項２】ＦｅＡｌ合金層は厚さ３ｍｍ以下である
請求項１に記載の磁歪測定軸。