JPH02304322A - 磁歪式トルクセンサ軸の製造方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、伝達トルクを、この伝達トルクにより発生す
る応力変化に伴う透磁率の変化として感知するようにし
た磁歪式トルクセンサ軸の製造方法に関する。

従来の技術 この種の磁歪式トルクセンサ軸においては、透磁率の変
化を感知可能とするために、その表面の一部にらせん方
向の磁気異方性が付与される。このような磁気異方性を
付与する方法として、従来、特開昭６３−２５２４８７
号公報に示されるものがある。

これは、軸木に過度の捩りひずみを加えて残留応力区域
を生成することにより、この残留応力にもとづく磁気異
方性を付与するものである。具体的には、たとえば熱硬
化させる軸では、マルエージング鋼からなる軸に熱硬化
前に過度の捩りひずみを与え、短時間で時効硬化させて
いる。

発明が解決しようとする課趙 しかし、このように過度の捩りひずみを加えて残留応力
区域を生成するものでは、軸木が大径になると必要とす
る捩りｌ〜ルクが大きくなりすぎ、実用的でないという
問題点がある。また異方性の方向が、捩りの主応力の方
向すなわち軸心に対し±４５度の方向に限られ、選択で
きないという問題点もある。さらに捩った際の引張残留
応力を生じるため、疲労強度その他の機械的強度が低下
するという問題点もある。特にトルクセンサ軸用の材料
として使用される確率の高いＮｉ鉄合金のような材料で
は、切欠感度が高く亀裂進展抵抗が小さいため、疲労強
度の点で著しく不利になるという問題点がある。

そこで本発明は、これら従来における問題点を解決し、
しかもトルクセンサ軸の磁化容易軸を面垂直方向として
センサ特性のしステリシス低減と感度向上とを図ること
を目的とする。

課Ｕを解決するための手段 上記目的を達成するために本発明の方法は、軸体の表面
に応力集中部を形成し、 この軸体に機械的負荷を作用させて、前記応力集中部に
圧縮応力にもとづく圧縮歪を生じさせ、次に、前記軸体
に前記機械的負荷を作用させた状態で、この軸体の表面
に、一様に分布するととらに軸体の材料の引張降伏時の
歪よりも大きな引張歪を生じさせ、 その後、前記機械的負荷と前記引張歪の発生原因とを取
り除いて、前記軸体の表面に前記引張歪にらとづく圧縮
残留応力を生じさせるものである。

本発明の方法は、引張降伏応力が小さくなる温度条件下
で実施することができる。

本発明の方法によれば、応力集中部として、複数の溝部
と山部とを、軸木の表面において周方向に交互に、かつ
らせん状に形成することができる。

本発明の方法によれば、軸心に対して互いに逆方向に傾
斜する一対の応力集中部を形成することができる。

本発明の方法によれば、一方の応力集中部に圧縮歪が生
じるように軸体に機械的負荷を作用させた状態で、この
一方の応力集中部にのみ引張歪を生じさせ、その後、他
方の応力集中部に圧縮歪が生じるように軸木に逆方向の
Ｉｌｌ械的負荷を作用させた状態で、この他方の応力集
中部にのみ引張歪を生じさせるものである。

作用 すなわち本発明によれば、まず軸体の表面に応力集中部
を形成し、この軸体に捩りトルクなどの機械的負荷を作
用させて前記応力集中部に圧縮歪−ε。を発生させる。

この状態で、次に軸木に引張降伏時の歪よりも大きな引
張歪十ε３を一様に生じさせる。

すると、応力集中部では上記引張歪と圧縮歪との差ε、
−ε０に対応する歪（伸び）が生じ、池の部分では引張
歪ε１が生じる。

次に前記機械的負荷と前記引張歪の発生原因とを取り除
くと、この引張歪が引張降伏時の歪よりも大きなもので
あったことから、軸体の表面に、この引張歪に対応した
圧縮残留応力が発生する。

このとき、応力集中部における圧縮歪の方向には、この
圧縮歪−ε。の大きさに対応した分だけ引張歪が緩和さ
れるため、軸木の他の部分に比べて圧縮残留応力は小さ
な値となる。この結果、軸体に、残留応力の異方性すな
わち残留応力にもとづく磁気異方性が付与されることに
なる。

遁常の材料は温度が上昇するほど降伏応力が低下するた
め、このような降伏応力が小さくなる温度条件下、すな
わち高温条件下で磁気異方性を与える処理を実施するの
が有利である。

応力集中部は、軸体の表面において磁気異方性を得たい
形状に形成することができる。応力集中部は、複数の溝
部と山部とを、軸木の表面において周方向に交互に、か
つらせん状に形成するのが有利である。このようなもの
では、捩りトルクにより磁化容易軸の方向すなわち山部
の方向に前述の圧縮歪−εＣを発生させると、この圧縮
歪−ε。と直交する方向すなわち溝部を横断する方向に
おいて、同時に捩りトルクによる引張型土ε７が生じる
。したがって、溝部を横断する方向には、上記引張歪＋
ε１との合計の引張歪ε磨十６７が生じ、その分だけ圧
縮残留応力が大きな値となる。この結果、応力集中部に
発生する磁気異方性は、圧縮歪−ε。と引張型土ε丁と
の相乗効果によって顕著なものとなる。

らせん状の応力集中部は、これを軸木の表面に一対形成
し、かつ両者が軸心に対し互いに逆方向に傾斜するよう
に構成するのが特に有利である。

まず、このように互いに逆方向に傾斜する一対の応力集
中部の一方に圧縮歪が生じるように軸体に捩りトルクな
どの機械的負荷を作用させた状態で、この一方の応力集
中部にのみ引張歪を生じさせる。そして次に、他方の応
力集中部に圧縮歪が生じるように軸木に逆方向の機械的
負荷を作用させた状態で、この他方の応力集中部にのみ
引張歪を生じさせる。こうすることにより、互いに逆方
向に傾斜したシェブロン状の磁気異方性が付与されるこ
とになる。

実施例 第１図において、１はトルクセンサ軸を製造するための
軸体で、軟磁性体により構成されている。

まず、第１図の軸体１において、磁気異方性を得たい形
状に、応力集中部２を形成する。この応力集中部２は、
第２図に示すように、複数の溝部３と山部４とが、軸体
１の表面において周方向に交互に、かつらせん状に形成
された構成となっている。これら溝部３および山部４は
、たとえば軸体】の表面をローレット加工することなど
により、形成することができる。溝部３は、たとえば第
２図および第３図に示すような７字形に形成することが
できるし、あるいは第４図に示すような矩形にすること
らでき、この他応力集中を発生可能な適宜の形状とする
こともできる。

次に第５図に示すように、軸体１に機械的負荷としての
捩りトルクＴを加える。この捩りトルクＴは、応力集中
部２において溝部３および山部４の長さの方向に圧縮応
力が作用するような方向に加える。すると、第６図にら
示すように、応力集中部２０山部４の山頂に、この山部
４の方向の圧縮歪−εＣが生ずる（圧縮歪であるのでマ
イナスとする）、この圧縮歪−ε。は、応力集中部２の
応力集中係数をαとして、この応力集中部２を設けない
場合の０倍の大きさとなる。なお、溝部３の溝底には、
捩りトルクＴによりこの溝部３を横断する方向の引張応
力が生じ、これにもとづく引張歪＋６丁が生じて、この
方向にも応力集中が発生する。

このように大きな圧縮歪−ε。が生ずるように捩りトル
クＴをかけたままの状態で、第７図に示すように、軸体
１の表面に、一様に分布する引張歪（伸び歪）＋ε１を
生じさせる。この引張歪＋ε１は、たとえば軸体１の表
面にショットピーニング５を施すことにより発生させる
ことができ、軸体１の材料の引張降伏時の歪よりも大き
な値となるようにする。

次に、捩りトルクＴを取り去るとともにショットピーニ
ング５を停止する。すると、軸体１は、その表面に生じ
た引張歪が引張降伏時の歪を越えた分だけ、引張側に塑
性加工されたことになる。

そして、この塑性加工にもとづく引張残留歪が生じ、こ
の引張残留歪に対応する圧縮残留応力が、軸体１の表面
に発生する。

ところが、応力集中部２の山部４の方向には、捩りトル
クＴにより他の部分よりも大きな圧縮歪−εＣが生じて
いたことから、ショットピーニング５にも°とづく引張
歪はε自−ε。にとどまり、他の部分よりも小さい、し
たがって、この応力集中部２の山部４の方向では、引張
残留歪およびこの引張残留歪にもとづく圧縮残留応力も
、池の部分より小さくなる。一方、応力集中部２におけ
る溝部３を横断する方向では、捩りトルクＴによる引張
歪＋６丁とショットピーニング５による引張歪十ε廖と
の和ε８＋ε丁に対応した引張歪が生じ、他に比べ大き
な圧縮残留応力が生じる。

結局、軸体１の全体としては、第８図に示すような分布
の圧縮残留応力６を生ずる。この圧縮残留応力６は、図
示のように、応力集中部２の溝部３および山部４の方向
には最小となり、かつこれと直角な方向には最大となる
ような異方性を呈する分布となる。また引張歪＋ε７は
、引張型土ε８を助長する方向に生じるので、上記異方
性は特に顕著なものとなる。

第９図はショットピーニング５を行った際の応力−歪線
図で、応力集中部２では谷底部に比べ山頂部の残留応力
が小さくなる様子が示されている。

このように、あらかじめ捩りトルクＴを負荷したうえて
ショットピーニング５により引張歪＋ε−を与え、この
引張歪＋εａから捩りトルクＴによる圧縮歪−ε。を減
じた歪ε８−ε。にもとづいて残留応力の異方性を付与
するものであるため、従来のような過大なトルクを与え
る必要はなく、捩りトルクＴは弾性限界内の大きさでよ
い。

また、残留応力の異方性を付与する方法として、上記と
は逆に、あらかじめショットピーニングを行った後にト
ルクを作用させることも考えられるが、上記のようにト
ルクを作用させたままショットピーニングを行った方が
、トルク負荷が小さくてすむ利点がある。

第１０図は、本発明の方法により製造される磁歪式トル
クセンサ軸の一具体例を示す、ここでは、軸体１の軸心
に対し互いに逆方向に傾斜した一対の応力集中部２Ａ、
２Ｂを、軸心の方向に互いに距離をおいて形成している
。

このような構成において、軸体１に磁気異方性を付与す
るときには、まず応力集中部２Ａに圧縮歪が生じるよう
に捩りトルクＴ１負荷し、その状態で応力集中部２Ｂを
マスキングして応力集中部２Ａにのみショットピーニン
グを施す０図中、７はマスキングのための境界部を示す
０次に逆方向の捩りトルクＴ２を負荷して応力集中部２
Ｂに圧縮歪を生じさせ、その状態で応力集中部２人をマ
スキングして応力集中部２Ｂにのみショットピーニング
を施す、すると、図示のように、応力集中部２Ａと２Ｂ
とで、互いに逆方向に傾斜したシェブロン状の圧縮残留
応力６Ａ、６Ｂの分布が得られる。

このようにして圧縮残留応力による磁気異方性を付与す
る作業は、もちろん常温下において実施することができ
る。しかし、通常の材料は温度が上昇するほど引張降伏
応力が低下するため、このように引張降伏応力が小さく
なる温度条件下、すなわち高温下で異方性を付与する処
理を行うと、作用させるべき応力を小さなものとするこ
とができる。

また本発明によれば、圧縮残留応力の大小の差にもとづ
く磁気異方性を付与するものであるため、従来のように
引張応力で異方性を付与するものと異なって、磁化容易
軸が軸体１の表面に対して垂直方向を向くことになる。

すなわち、磁性体としての軸体１の磁化過程には回転磁
化過程や磁壁移動過程などがあり、磁壁移動過程がセン
サ特性のヒステリシスを大きくし、感度を下げることが
知られている。しかし、本発明のように磁化容易軸が軸
表面に対し垂直方向を向いていれば、磁壁移動過程を経
ることなく回転磁化過程のみを利用できることから、し
ステリシス小かつ感度大というセンサ特性を得ることが
できる。

磁歪式トルクセンサ軸の磁性材料としてよく用いられる
Ｎｉなどを含有する材料は、切欠感度が高く、引張残留
応力の分布する部分では亀裂の進展が速いという特性を
有する。しかし、本発明のように圧縮残留応力を分布さ
せることで、機械的強度、特に疲労強度を高めることが
できる。

また本発明によれば、応力集中部２，２Ａ。

２Ｂを設けることで、好みの方向に異、力性を付与する
ことができ、かつ軸体１における他の部分は過大な負荷
を受けない利点がある。さらに、上述のように互いに逆
方向に傾斜する一対の応力集中部２Ａ、２Ｂを形成する
場合は、軸体１の全体に捩りトルクを加えても、圧縮応
力の方向の応力集中部にのみ異方性が付与され、しかも
他方の応力集中部は、この捩りトルクの影響を受けない
。

また本発明によれば、圧縮残留応力を分布させることで
、引張応力側の磁気飽和点に達するまでのトルクが大き
くなり、直線性が向上する。すなわち、第１１図は、磁
歪式トルクセンサ軸を用いてトルクを検出するときの特
性を例示するもので、その横軸はセンサ軸に作用するト
ルクを、またその縦軸は検出電圧などの検出出力を示す
、横軸は、磁気異方性部に引張方向のトルクが作用する
場合をプラス、圧縮方向のトルクが作用する場合をマイ
ナスとしている９図において、実線は従来方法で製造し
たトルクセンサの特性を示す、ここで、圧縮側はトルク
が大きくなっても検出特性の直線性が良好であるが、引
張側は比較的小さなトルクで磁気飽和点に達し、直線性
が損われやすいことが示されている。しかしながら、本
発明によれば、圧縮残留応力を付与することから、第１
１図における座標軸の原点Ｏが、図中の一点鎖線で示す
ように圧ｌａ開側へフトしたのと同様な効果を得ること
ができる。したがって本発明によれば、引張側の磁気飽
和点に達するまでのトルクが大きくなり、この引張側の
直線性が向上する。

第１２図は本発明にもとづくトルクセンサ軸を用いたと
きのセンサ特性を示す図、また第１３図は従来方法によ
り製造したトルクセンサ軸を用いたときのセンサ特性を
示す図である０両図とも、横軸はセンサにて検出される
トルク、縦軸は電圧による検出出力である。±６０ｋｑ
ｆ　−ｍのトルクが加わったときの検出電圧をみると、
第１３図の従来のものでは５８．０１７ｍＶであるのに
対し、第１２図の本発明のものでは７８．０９１ｍＶと
なっており、その分だけ感度が向上している。

また、特性曲線についての直線からのずれの最大値は、
第１３図の従来のものでは４．８９γｍＶであるのに対
し、第１２図の本発明のものでは１．６８４ｍＶとなっ
ており、その分だけ直線性が向上している。

発明の効果 以上述べたように本発明によると、捩りトルクにより応
力集中部に発生する圧縮歪と、軸体の表面に一様に分布
しかつ軸体の材料の引張降伏時の歪よりも大きな引張歪
とを軸木の表面に生じさせるようにして、応力集中部の
方向の圧縮残留応力を解放することにより、軸木に圧縮
残留応力による磁気異方性を付与するものであるため、
機械的強度、特に疲労強度の高いトルクセンサ軸を得る
ことができる。しかも磁化容易軸は軸表面に対し垂直方
向を向くため、回転磁化のみを利用できることになって
、センサのしステリシスを小さくできるうえにその感度
を大きくできる。また応力集中部を形成することで、好
みの方向に異方性が付与できるうえに、あまり大きな捩
りトルクを加えることなしに異方性を付与できて、他の
部分に過大な負荷を加えずに済む、さらに、圧縮残留応
力を分布させることで、引張応力側で磁気飽和点に達す
るまでのトルクが大きくなって、センサの直線性を向上
させることができる。

引張降伏応力が小さくなる高温の温度条件下で異方性の
付与作業を実施すれば、加えるべき応力をさらに小さな
ものとすることができる。

応力集中部として、複数の溝部と山部とを、軸木の表面
において周方向に交互に、かつらせん状に形成すること
により、また軸心に対し互いに逆方向に傾斜するらせん
状の一対の応力集中部を形成することにより、トルク検
出用として特に適したセンサ軸を製造することができる
。

このように軸体の表面に一対のらせん状の応力集中部を
形成すれば、この軸体にまず一方の応力集中部に圧縮歪
が生じる方向の捩りトルクを加え、この一方の応力集中
部にのみ引張歪を生じさせる。

次に、逆方向の捩りトルクを加えて他方の応力集中部に
圧縮歪を生じさせた状態で、この他方の応力集中部にの
み引張歪を作用させることで、各応力集中部に、その方
向に応じた異方性をそれぞれ付与することができる。し
かも、一方の応力集中部に圧縮歪を生じさせるように捩
りトルクを加えたときには、この捩りトルクは他方の応
力集中部には何ら悪影響を及ぼさないという利点がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により磁歪式トルクセンサ軸を製造する
ための軸体の正面図、第２図は第１図の軸体における応
力集中部の拡大斜視図、第３図および第４図は第１図の
軸木における応力集中部の形状例を示す図、第５図〜第
８図は本発明による磁歪式トルクセンサ軸の製造方法の
説明図、第９図は本発明にもとづく圧縮残留応力の発生
状態を示す応力−歪線図、第１０図は本発明にもとづく
磁歪式トルクセンサ軸の一具体例の斜視図、第１１図は
従来および本発明にもとづくトルク検出特性の一例を概
略的に示す図、第１２図は本発明にもとづくトルク検出
特性の詳細を示す図、第１３図は従来例にもとづくトル
ク検出特性の詳細を示す図である。 １・・・軸体、２，２Ａ、２Ｂ・・・応力集中部、Ｔ。 ＴＩ、Ｔ２・・・捩りトルク（機械的負荷）、−εＣ・
・・圧縮歪、＋ε８・・・引張歪、５・・・ショットピ
ーニング、６・・・圧縮残留応力。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 第１図 ２−１も力１（→４弔 第２図 第３図　　　　第４図 第Ｓ　図 第９図 第７図 εＳ−εζ 第１ρ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸体の表面に応力集中部を形成し、 この軸体に機械的負荷を作用させて、前記応力集中部に
   圧縮応力にもとづく圧縮歪を生じさせ、 次に、前記軸体に前記機械的負荷を作用させた状態で、
   この軸体の表面に、一様に分布するとともに軸体の材料
   の引張降伏時の歪よりも大きな引張歪を生じさせ、 その後、前記機械的負荷と前記引張歪の発生原因とを取
   り除いて、前記軸体の表面に前記引張歪にもとづく圧縮
   残留応力を生じさせることを特徴とする磁歪式トルクセ
   ンサ軸の製造方法。 ２、引張降伏応力が小さくなる温度条件下で実施するこ
   とを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ軸の
   製造方法。 ３、応力集中部として、複数の溝部と山部とを、軸体の
   表面において周方向に交互に、かつらせん状に形成する
   ことを特徴とする請求項１または２記載の磁歪式トルク
   センサ軸の製造方法。 ４、軸心に対し互いに逆方向に傾斜するらせん状の一対
   の応力集中部を形成することを特徴とする請求項３記載
   の磁歪式トルクセンサ軸の製造方法。 ５、一方の応力集中部に圧縮歪が生じるように軸体に機
   械的負荷を作用させた状態で、この一方の応力集中部に
   のみ引張歪を生じさせ、その後、他方の応力集中部に圧
   縮歪が生じるように軸体に逆方向の機械的負荷を作用さ
   せた状態で、この他方の応力集中部にのみ引張歪を生じ
   させることを特徴とする請求項４記載の磁歪式トルクセ
   ンサ軸の製造方法。