JPH01209773A - トルクセンサーを一体に備えた回転軸 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 り久上立且ユ１１ 本発明は、その外周に沿って磁歪式トルクセンサーとし
ての強磁性材層が一体に形成された常温常磁性鋼製回転
軸に関するものである。

従ＪＬＪＬ術 力、トルクなどを計測する力学量センサーにおいて、非
晶質磁性合金の応力−磁気効果を利用するセンサーが近
年注目されつつあり、この力学量センサーによれば、■
力の非接触検出が可能である、■力の電気量への変換を
直接的に行うことができる、■センサーとしての装置構
造が簡単で、小型化が達成される等の利点が得られる。

その−例として、応力−磁気効果が敏感な正の磁歪を有
する非晶質磁性合金の薄帯０１を回転軸０２に巻き付け
、トルクＴによって回転軸０２に生ずる捩り歪を薄帯０
１に導入せしめ、応力−磁気効果による薄帯０１の磁気
特性の変化を検出し、もってトルクＴを検出するトルク
センサーが知られている（第１図参照）。強磁性金属で
は、引張り応力を与えると引張り方向の磁気弾性エネル
ギーが低下し、その方向で磁化が容易になる現象があり
、この現象を応力−磁気効果と称しているが、前記トル
クセンサーにおいては、該応力−磁気効果を利用して、
薄帯０１の全面に周方向０３に対する傾斜角α（α〉４
５°）の方向に−様な磁化容易軸（−軸磁気異方性）に
Ｕを与えている。しかるに、回転軸０２にトルクＴが作
用すると、第２図図示の如く回転軸０２の表面で軸心線
方向に対して角度±４５°のの外径である）で表わされ
る最大応力σが生じ、応力−磁気効果により、＋σの方
向にも一軸磁気異方性が誘導され、結果として合成され
た磁化容易軸Ｋｕ’が与えられる。

一般に磁性体の透磁率は、磁界方向に対する磁化容易軸
の方向によって変化することから、前記磁化容易軸の変
化（にｕ−＋Ｋｕ’　）を透磁率の変化ととして捉え、
トルクＴの大きさを検出することができる。そこで、例
えば励磁コイル（−次コイル）、検出コイル（二次コイ
ル）を用いて透磁率（または磁束密度）の変化を電圧変
化として検出すると、第３図図示の如きトルク−出力曲
線が得られる。

゛しよ　とす 薄帯０１をもって以上のようなトルク検出を行うために
は、薄帯０１を回転軸０２の表面に密接固定して回転軸
０２の表面に生じる歪が正しく薄帯０１に伝達されるよ
うにしなければならない。それ故、薄帯０１は接着剤に
よって回転軸０２の表面に接合される。ところが、接着
剤による接合は、■接着剤層の層厚を均一にするのが難
しい、■薄帯０１の剥れが生じる心配がある、■接着剤
層の熱膨張係数が薄帯０１のそれに比して非常に大きく
、湿度変化に伴う両者の熱膨張差により薄帯０１に無荷
重状態（トルクＴ＝０）での応力が発生し、トルクセン
サーとしての特性が変化する等の不都合がある。

本発明は斯かる事情の下に創案されたものであり、トル
クを測定する対象物である回転軸に別体品である磁歪材
料を取着するのではなく、回転軸自体の表面層をトルク
センサーとして使用可能にすることをその目的とする。

・　　　　　　゛　　　　　た　　の　−　　　　−−
この目的は、常温常磁性鋼で形成された回転軸の局所幅
帯域に、高エネルギー密度ビームの照射により周方向に
沿って表面層の加熱、急冷処理を施すことにより該局所
幅帯域の透磁率を他の箇所の透磁率よりも大きくなし、
該局所幅帯域を磁歪式ｌ・ルクセンサーとして使用する
ことによって達成される。

なお、本明細書において、常温常磁性鋼の“鋼”とは、
鉄系材料一般をも含めた意味で用いることとする。

鋼材の表面にレーザービーム、電子ビームの如き高エネ
ルギー密度ビームの照射を行なって加熱。

急冷処理を施し、表面層を硬化させて耐摩耗性を向上さ
せる手法は良く知られている。この処理をオーステナイ
ト系ステンレス鋼であるＪＩＳ　５ＵＳ３０４材、　５
ＵＨ３７材、　５ＵＨ６６０材の如き常温常磁性鋼に施
覆と、急冷効果によってマルテンサイト相が生じる。マ
ルテンサイト相は強磁性を有しているから、前記処理が
その外周に施された常温常磁性鋼製軸は、あたかも回転
軸の外周に強磁性体である非晶質磁性合金１！ｊｉｌ帯
を接合したものに相当する。強磁性体に張力を作用させ
ると各磁区の磁化容易軸が張力の大きさに応じてその方
向に回転し、−軸磁気異方性が与えられる。強磁性体の
透磁率は磁界方向に対する磁化容易軸の方向によって変
化するのであるから、透磁率の変化堡を捉えることによ
って張力の大きさを知ることができる。

本発明の具体的内容は以下の実施例の説明によって゛明
確にされる。

支ｉｆユ ■ＪＩＳ　５ＵＳ３０４材で形成された回転軸１の局所
幅帯域（幅Ｗで示される範囲）に、例えば炭酸ガスレー
ザビームを照射して全外周に亘って全表面層の加熱、急
冷処理（軸自体の冷却マスによる急冷）を施し、もって
回転軸１の外周に強磁性体層２を形成する（第４図）。

このとき、レーザビームの出力密度、照射処理速度、ウ
ィービング幅および速度を変化させることにより強磁性
体層２の透磁率（μ）の大きさを制御できる。

・炭酸ガスレーザビームの照射条件例・・・出力１０に
一１照射処理速度０．４１１１／分、ビーム径（ｄ）＝
２ｍｍ　。

・照射処理によって得られる強磁性体層２の特徴・・・
強磁性体層層厚約４００μｍ１透磁率（μ）−１００〜
１０００　（回転軸１本体の透磁率（μ）＝２〜３）。

■強磁性体層２に接近させて一次コイル３．二次コイル
４．５を巻いた三つ膜状磁心６を配置する。励磁コイル
である一次コイル３に高周波電流を流し、検出コイルで
ある二次コイル４．５の端子線に生じる誘起電圧（Ｖ）
を調べる（第５図。

第６図）。

０回転軸１にトルクＴを作用させると、回転軸１の外周
面に沿って周方向に対する傾斜角±４５゜の方向に最大
応力十σ（引張り応力）、−σ（圧縮応力）が惹起され
る。その結果、強磁性体層２の磁化容易軸はトルクＴの
大きさに応じて＋σ力方向誘導され、磁心６ａの先端か
ら磁心６ｂの先端に至る範囲に存在する強磁性体層２と
、磁心６ａの先端から磁心６Ｃの先端に至る範囲に存在
する強磁性体層２との透磁率に大小差が生じ、その差に
応じた誘起電圧（Ｖ）が取出される。

この誘起電圧（Ｖ）は、強磁性体！２の透磁率の変化（
すなわち回転軸１に与えられたトルクＴによって強磁性
体層２に生じる引張り応力＋σの大小）によって変化し
、透磁率とトルクＴとの関係を予め調べておけば、誘起
電圧（Ｖ）を測定することにより、トルクＴの大きさを
知ることができる。

１１口１１ ■ＪＩＳ　５ＵＳ３０４材で形成された回転軸７の局所
幅帯域に例えば炭酸ガスレーザビームを照射して全外周
に亘って表面層の加熱、急冷処理（軸自体の冷却マスに
よる急冷）を施す。このとき、局所幅帯域の範囲Ａでは
照射処理方向くビームを動かす方向）が周方向に対する
傾斜角（θ）＝＋４５°になるようになしく形状磁気異
方性の付与）、範囲Ｂでは同じ（傾斜角（θ）＝−４５
°になるようになす（形状磁気異方性の付与）。また、
照射処理によって回転軸７の表面に生じる隣接処理線８
相互の間隔は、ビーム径（照射点の直径）をｄとすると
き、隣接処理線８同志がその婦長のｄ／２を越えて重な
らないようにすべきである（第８図）。

なお、隣接処理線８同志は必ずしも重なる必要はなく、
小間隔を置いて形成してもよい。あるいは重なる箇所と
重ならない箇所を適宜組合せてもよい。その選択はビー
ム径、照射エネルギーの大小、その他の要求特性によっ
て行われる。ちなみに、隣接処理線８同志が重ならない
場合の照射処理表面層を一次照射層と称し、重なった部
分の照射処理表面層を二次照射層と称することができる
。

■得られた強磁性体層９は、範囲ＡとＢとで磁化容易軸
の方向が異なっており、回転軸７にトルクＴを作用させ
たときに強磁性体層９に生じる最大引張り応力の大ぎさ
に応じて範囲Ａ、Ｂ間の透磁率の差が変化する（引張り
応力大→透磁率差大）。

そこで、強磁性体１１ｉ９を接近包囲する態様で、範囲
Ａに対しては円筒形の二次コイル１１を設け、範囲Ｂに
対しては円筒形の二次コイル１２を設け、二次コイル１
１．１２を包囲して一次コイル１０を設けて一次コイル
１０に高周波電流を流し、二次コイル１１、１２の端子
線に生じる誘起電圧（Ｖ）を調べれば、実施例１と同様
にトルクＴの大きさを知ることができる。ここで留意す
べきは、前記角度θがそれぞれ±４５°であれば処理線
８の方向と回転軸７の表面に生じる最大応力方向とが一
致するため、トルクＴが作用したときに強磁性体層９の
範囲Δ。

８間で大きな透磁率差が得られることであり、したがっ
て、第３図においてトルクＴの大きさが範囲（Ｉ）を越
えて回転軸７に作用する場合、角度θを４５°よりも小
さく、または大きくすれば、範囲（Ｉ）内でのトルク（
Ｔ）の測定を行うことができる。ただし、１５°≦θ≦
７５′″の範囲が適当である。

なお、前記各実施例において、高エネルギー密度ビーム
の照射による加熱、急冷処理を行う際に強磁性材粉末（
金Ｉ、Ｒ化物）を添加するか、あるいはビーム照射に先
立って回転軸の被処理表面に強磁性材（金属、酸化物）
の被覆（メツキ、溶射、塗布等による）を施しておけば
、単にビーム照射を行う場合に比して局所幅帯域のより
大ぎな透磁率を実現できる。

１且夏匁」 以上の説明から明らかなＪ：うに、本発明では、常温常
磁性鋼で形成された回転軸の局所幅帯域に、高エネルギ
ー密度ビームの照射により周方向に沿って表面層の加熱
、急冷処理を施して、該局所幅帯域の透磁率を他の箇所
の透磁率よりも大きくなしたため、回転軸の外周に接着
剤を用いて非晶質磁性合金の薄帯を貼着する困難性、お
よびその他の各種不都合から開放され、トルクセンサー
付き回転軸製造上の作業能率の向上を計り得るとともに
トルクセンサーの早期の破損等の事態を回避することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は非晶磁性合金薄帯を回転軸の外周に接
合して回転軸に与えられるトルクを検出する場合の原理
を説明する図、第３図は前記薄帯による軸トルク測定例
としてのトルク−出力曲線を示すグラフ、第４図は常温
常磁性鋼で形成された回転軸の外周面（局所幅帯域）に
高エネルギー密度ビームを照射して本発明の一実施例に
係る回転軸を得る状態を示す図、第５図は該本発明回転
軸の表面層に形成された強磁性体層の透磁率変化を検出
する装置を示す斜視図、第６図は第５図の表示方法を変
えて前記検出装置の配線を概念的に示す図、第７図は他
の実施例に係る回転軸およびその表面層に形成された強
磁性体層の透磁率変化を検出する装置を示す図、第８図
は該回転軸を得るための高エネルギー密度ビーム照射処
理態様を示す図である。 １・・・回転軸、２・・・強磁性体層、３・・・−次コ
イル、４・・・二次コイル、５・・・二次コイル、６・
・・磁心、７・・・回転軸、８・・・処理線、９・・・
強磁性体層、１０・・・−次コイル、１１．１２・・・
二次コイル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）常温常磁性鋼で形成された回転軸の局所幅帯域に
   、高エネルギー密度ビームの照射により周方向に沿って
   表面層の加熱、急冷処理を施してなり、該局所幅帯域の
   透磁率が他の箇所の透磁率よりも大きくなされ、該局所
   幅帯域が磁歪式トルクセンサーとして使用されることを
   特徴とするトルクセンサーを一体に備えた回転軸。
2. （２）前記高エネルギー密度ビームの照射によつて回転
   軸の局所幅帯域に形状磁気異方性が与えられていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のトルクセンサ
   ーを一体に備えた回転軸。