JP3693577B2

JP3693577B2 - 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

Publication number: JP3693577B2
Application number: JP2001026258A
Authority: JP
Inventors: 紳一郎横山; 計佐々木; 丈博大野; 伸芳杉谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Proterial Ltd
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: JP2002228527A

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。
【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ＪＩＳ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、ＳＣＭ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。
【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２６９７８４６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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００１７】
【表１】

【００１８】
表１の各素材の組成について説明する。Ｎｏ．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．１４〜１６）、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．２１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。
【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。
【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８０ｋＨｚ、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Ｎｏ．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、２５０ＭＰａ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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【図４】比較例のインダクタンス−応力特性を示す図である。

Claims

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）以下であることを特徴とするトルクセンサ用軸材。
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。
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。