JPH0141209B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は磁歪式トルク検出装置に係わり、特
に検出感度が高くかつ耐久性が良好なトルク検出
装置に関する。

周知の如く、被測定軸（回転軸または固定軸）
にトルクを印加した場合、軸素材の歪は被測定軸
の中心部よりも外周部に大きく見られることが知
られている。

従つて、磁歪式トルク検出装置を用いて被測定
軸に加えられたトルクを検出する場合には、励磁
コイルから発せられる磁束をなるべく被測定軸の
表層部分、すなわち歪の大なる部分に集中させる
ことが好ましい。

そこで、従来被測定軸の表層部分に磁束を集中
させようとする技術としては、特公昭52−14985
号公報に示された磁歪式応力測定方法が知られて
いる。この方法は、被測定物の表面に磁歪材料の
被膜層を例えば電気メツキ、溶融浸漬メツキ、金
属溶射法、真空蒸着、金属片を接着する等によつ
て形成するようにしたものである。

しかしながら、このような従来方法にあつて
は、被測定軸の外周に異種材料の被膜が積層され
た形となつており、被測定軸と被膜層との界面に
おいて異種材料同士が密着し、その密着強度によ
つて被膜層が保持される形となつているため、検
出器が使用用される場所の温度変化が大きいと
き、あるいは被測定軸自体の温度変化が大きい状
況にて長時間繰り返し使用される場合等に、被測
定軸と被膜の熱膨脹係数の差によつて被膜が被測
定軸外表面より剥離、脱落するという問題があつ
た。

また、トルク変動の大きな状況下での使用にお
いても、被測定軸と被膜の弾性率の違いからせん
断応力が界面部に作用することにより、長時間の
使用により被膜が剥離、脱落するという問題があ
り、特に自動車のエンジントルクの検出等におい
ては、上記の温度変動とトルク変動とが極めて大
きく、その中で長期間に亘る安定性を補償するこ
とは極めて困難であつた。

この発明はこのような従来の問題点に着目して
なされたもので、その目的とするところは検出感
度が高くかつ耐久性の良好なトルク検出装置を提
供することにある。

この発明は上記の目的を達成するために、被測
定軸を鉄鋼材料を用いて形成するとともに、磁束
通路に対応する被測定軸の表層に、鉄を母材とす
る酸化物層を形成し、この酸化物層に磁束を集中
させるようにしたものである。

以下に、この発明の好適な一実施例を添付図面
に従つて詳細に説明する。

第１図はこの発明に係わるトルク検出装置の構
成を概略的に示す図、第２図は第１図における
―線断面図、第３図は第１図におけるＡ部拡大
図である。

第１図および第２図において、被測定軸１は例
えば自動車におけるクランク軸、ミツシヨン出力
軸等に相当し、通常これらは硬鋼〔JISS40C〕が
使用されている。この被測定軸１の所定部分、特
に磁束通過部分の表層全周には、第３図に示す如
く鉄を母材とした酸化物層（例えばFe₃O₄）２が
設けられている。この酸化物層２は第３図に示す
如く、深さ方向へ向かうに従つて密度が徐々に粗
くなるように形成されている。

ここで、Fe₃O₄層は、緻密かつ安定で強固な酸
化物層であり、高温蒸気の吹付け等により容易に
形成することができるが、更に温度や蒸気量の管
理や吹付け時間の管理あるいは軸を回転させる等
製造法の管理を充分に行なうことにより、酸化物
層の浸透深さや酸化度合を軸円周方向に沿つて均
一に形成することができる。

３ａ，３ｂは互いに直列接続された励磁コイル
であつて、この例では被測定軸１と平行に設けら
れたコの字状の励磁コア４の両脚部４ａ，４ｂに
巻回形成されており、この励磁コイル３ａ，３ｂ
には例えば所定周波数の正弦波交流電圧が印加さ
れる。

５ａ，５ｂは互いに直列接続された検出コイル
であつて、この例では第２図に示す如く前記コア
に対して直交する方向に配置された略コの字状検
出用コア６の両脚部６ａ，６ｂに巻回形成されて
いる。

そして、被測定軸１に対してトルクが加わる
と、そのトルクの大きさに応じた誘起電圧が検出
コイル５ａ，５ｂに誘起されることになる。

なお、このようなコの字形コアを十字型に配置
し、それぞれの両脚に励磁コイル３ａ，３ｂおよ
び検出コイル５ａ，５ｂを巻回させたものは、一
般に十字交差型コアと呼ばれる。

次に作用を説明すると、本発明に係わるトルク
検出装置における検出出力は次式で表される。

Ｖ＝KωNeNdIeμ（β−１） ……(1) ここで、 Ｖ；検出コイルの誘導起電力の実効値 Ｋ；比例定数 ω；2πf（ｆ；励磁周波数） Ne；励磁コイル巻数 Nd；検出コイル巻数 μ；被測定部位材料の透磁率 β；磁気異方性（トルクおよび磁歪率に関
係した）に依存する変数 Ie；励磁電流の実効値 (1)式により、一定励磁周波数および一定励磁電
流において、出力感度の向上を図るためには、 (イ) 被測定部位材料の透磁率を高くすること、 (ロ) 磁歪磁気異方性に依存する変数を大きくする
こと、 ロ―ａ） 誘導磁気異方性（加工により生じる）
等他の異方性を排除すること、 ロ―ｂ） 励磁率を大きくすること、 ロ―ｃ） 励磁磁束を最大歪が生じる軸の外周近
傍に集中的に流すこと、 等が考えられる。

ここで酸化物〔Fe₃O₄〕は、通常の鉄鋼（例え
ばS40C）に比べ、磁歪率は同程度または若干低
く、透磁率が数倍高いという特徴を有しており、
従つて上記の出力感度の向上の条件における(イ)、
ロ―ａ）、ロ―ｃ）に寄与し、特にロ―ａ）の加
工等により生じた誘導磁気異方性が解除され、こ
れにより検出に要する磁歪磁気異方性が顕著に表
れるためと、ロ―ｃ）の酸化物層の透磁率の増大
により励磁磁束を最大の磁束を生じる軸外周近傍
に集中させて流すことができる点により出力感度
の向上が実現できる。

第４図に本発明装置の実験結果を示す。同一励
磁電流・周波数のもとで、鋼材S40Cとそれに対
し本発明の酸化処理を行なつた場合の出力レベル
の差を示す。

S40C棒材のままで、加工による誘導磁気異方
性が存在しているため、トルク零の状態において
も出力は零とならず、また変化幅も小さいのに比
べ、本発明のものにおいてはトルク零の状態にお
いて出力は確実に零となり、左右トルクの印加量
に比例した形の逆Ｖ字形の正規の特性が得られる
とともに、その変化幅も著しく増大することが確
認できた。

また製造上から見ても、酸化方法そのものは従
来から公知のものであつて、その条件の管理精度
を上げることで容易に適用でき、また局部的に酸
化を行うことも比較的容易であり実用性は極めて
高い。

また、本質的に酸化物層（Fe₃O₄）は安定、強
固なものであるとともに、被測定軸部材と同質の
母材による酸化物であるため、物理的特性は似通
つており、また従来のメツキによる被膜の形成の
如く界面により明確に分離することもなく、深さ
方向への酸化度の変化という形で連続的に被測定
軸と結合しているため、温度変動やトルク変動が
大きな状況下においても充分な耐久性を有するも
のとなつている。

なお、前記実施例においては励磁コイルおよび
検出コイルを交差型コアに巻回したが、これに替
えて例えば特公昭53−12447に示されるように被
測定軸を取り巻くリング状コアに巻回しても良
く、更に交差型コアの４本の脚部に加えその交差
部よりもう１本脚部を有する公知に５本脚コアに
も適用できることは勿論である。

以上の実施例の説明でも明らかなように、この
発明に係わるトルク検出装置にあつては、被測定
軸として鉄鋼材料を用いるとともに、磁束通路に
対応する被測定軸の表面に、鉄を母材とする酸化
物層を形成し、この酸化物層に磁束を集中させる
ようにしたものであるから、製造が容易であると
ともにこの種トルク検出装置の検出感度および耐
久性を著しく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるトルク検出装置の構成
を概略的に示す図、第２図は第１図における―
線断面図、第３図は第１図のＡ部拡大図、第４
図は本発明装置の検出感度を説明するためのグラ
フである。 １……被測定軸、２……酸化物層、３ａ，３ｂ
……励磁コイル、５ａ，５ｂ……検出コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉄鋼材料を用いて形成された被測定軸と； 前記被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形
   成するための励磁コイルと； 前記被測定軸を流れる磁束の磁歪成分を検出す
   る検出用コイルとを備えたトルク検出装置におい
   て； 前記磁束通路に対応する被測定軸の表層に、鉄
   を母材とする酸化物層を形成し、この酸化物層に
   磁束を集中させるように構成したことを特徴とす
   るトルク検出装置。