JPH02304323A - 磁歪式トルクセンサ軸の整造方法 - 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１ヘルクを、この伝達トルクにより発生
する応力変化に「トう透磁率の変化として感知するよう
にした硼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、軸体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題 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、軸体が大径になると必要とす
る捩りト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間ｕ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
センサ特性のヒステリシス低減と感度向上とを図ること
を目的とする。

課趙を解決するための手段 上記目的を達成するため本発明の方法は、軸体に形状的
切欠部を形成し、 この形状的切欠部を含む軸体の表面に圧縮残留応力がほ
ぼ一様に分布する処理を施し、次に、前記軸体に捩りト
ルクを加え、前記切欠部に、切欠部以外の部分よりもこ
の切欠部の応力集中体数分だけ大きな圧縮応力を発生さ
せて、この切欠部において、前記捩りトルクにもとづく
圧縮応力と前記圧縮残留応力との合計が軸体の材料の圧
縮降伏応力よりも大きくなるように設定し１、その後、
前記捩りトルクを取り除き、前記合計が圧縮降伏応力よ
りも大きくなった切欠部の圧縮残留応力を解放して、前
記軸体に残留応力の磁気異方性を付与するしのである。

本発明の方法は、圧縮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、形状的切欠部として、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ができる。

本発明の方法によれば、軸心に対し互いに逆方向に傾斜
する一対の形状的切欠部を形成することができる。

本発明の方法によれば、軸体に圧縮残留応力がほぼ一様
に分布する処理を施したうえで、この軸体にまず一方向
の捩りトルクを加え、続いて逆方向の捩りトルクを加え
ることができる。

本発明の方法によれば、軸体の両端に、トルクを伝達す
るための機械要素部を形成することができる。

作用 すなわち、本発明によれば、まず軸体に形状的切欠部を
形成して、この軸体に、方向性を有することなく一様な
分布を呈する圧縮残留応力を付与する０次に軸体に捩り
トルクを加えて、前記切欠部に、この切欠部以外の部分
よりも応力集中体数分だけ大きな圧縮応力を発生させる
。

このとき、この切欠部の圧縮応力と前記圧縮残留応力と
の合計が軸材料の圧縮降伏応力よりも大きくなるように
捩りトルクを加えても、実際には軸体には圧縮降伏応力
以上の応力は作用しない。

一方、この捩りトルクは、切欠部以外の部分では両応力
の合計が圧縮降伏応力以下の大きさとなるように付与さ
れる。

したがって、捩りトルクを除去すると、切欠部以外の部
分は元の一様な圧縮残留応力の分布に戻るが、両応力の
合計が圧縮降伏応力を越えていた切欠部では、圧縮残留
応力が解放される。この結果、トルク除去後は、切欠部
の圧縮残留応力が他の部分の圧縮残留応力よりも小さな
値となり、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、！７．されることになる。

通常の材料は温度が上昇するほど圧縮降伏応力が低下す
るため、このような圧縮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。

形状的切欠部は、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。磁歪式トルクセンサ軸
においては、形状的切欠部として、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
に形成するのが有利である。このらせん状の形状的切欠
部は、軸体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するのが特に有利であ
る。

このように互いに逆方向に傾斜する一対のらせぜん状の
形状的切欠部を形成した軸体に圧縮残留応力を付与した
後に、まず一方向の捩りトルクを加え、続いて逆方向の
捩りトルクを加える。

このとき、一方向の捩りトルクを加えると、各形状的切
欠部の形状効果により、一方の切欠部には主として圧縮
応力が作用し、他方の切欠部には主として引張応力が作
用する。そして、一方の切欠部においては、捩りトルク
による圧縮応力と前記圧縮残留応力との合計が圧縮降伏
応力よりも大きくなる。これに対し、他方の切欠部にお
いては、捩りトルクによる引張応力が圧縮残留応力と相
殺されることになるため、降伏応力を越える応力は発生
しない、したがって、この一方向に捩りトルクを加える
ことで、一方の切欠部のみに残留応力による磁気異方性
が付与される。

その後に逆方向の捩りトルクを加えることで、同様に、
他方の切欠部のみに残留応力による磁気異方性が付与さ
れる。そして、このようにして、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。

軸体の両端にトルク伝達用の機械要素部を形成すること
で、この機械要素部を介して捩りトルクが加えられると
ともに、軸体の完成後はこの機械要素部を介して実際に
トルクの伝達が行われる。

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、応力集中を起こさせるための形状的切欠部を形成
する。ここでは、軸体１の軸心に対し互いに逆方向に傾
斜した一対の形状的切欠部２．３を、軸心の方向に互い
に距離をおいて形成している。各形状的切欠部２，３は
、第２図に示すように、複数の溝部４と山部５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４および山部５
は、たとえば軸体１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４は、たとえば第２図および第３図に示すような■
字形にすることができるし、あるいは第４図に示すよう
な矩形にすることもでき、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、これら切欠部２，３を含む軸体１の表面に、圧縮
残留応力−δＣを付与する。この圧縮残留応力−δＣ（
圧縮応力であるのでマイナスとする）は、方向性を有し
ない一様な分布となるように付与される。第５図は、切
欠部２における圧縮残留応力−δ０の分布状態を示し、
一様な分布を表わすためにこの圧縮残留応力−δ。を円
で示している。この圧縮残留応力−δ。は、浸炭焼入。

窒化、ショットピーニングなどの熱処理１機械的処理な
どにより付与することができる。

次に第６図に示すように、軸体１に捩りトルクＴを加え
る。この捩りトルクＴは、切欠部２における溝部４およ
び山部５の長さ方向に圧縮応力が作用するような方向に
加える。すると、切欠部２に応力集中が生ずる。すなわ
ち、第７図に示すように、切欠部２においては、その応
力集中係数をαとして、山部５の山頂に、この山部５の
方向の圧縮応力−αδが生ずる。溝部４の溝底には、こ
の溝部４を横断する方向の引張応力δ７が生ずるが、こ
れは前述の圧縮残留応力と相殺される。したかって、切
欠部２における圧縮応力に注目すると、この圧縮応力６
は第６図に示すような分布となり、切欠部２の方向に最
大応力−αδが生ずる。

なお、第６図では、説明の簡単のために、圧縮残留応力
−δ。や引張応力については図示が行われていない。

このように圧縮残留応力−δ０を付与したうえに捩りト
ルクＴによる圧縮応力を付与すると、軸体１にはこれら
の合力が付与されることになる。

第８図は、このような合カフの分布を示す、第８図には
、軸体ｌの圧縮降伏応力−δゆアが円で示されている。

第８図において、軸体１における切欠部２の方向の圧縮
応力は、圧縮残留応力−δ。と捩りトルクＴにらとづく
圧縮応力−αδとの合計−（αδ＋δＣ）となる。しか
し、この合計が圧縮降伏応力−δ。、を越える程度に大
きな捩りトルクＴを加えると、実際は軸体１には圧縮降
伏応力−δ、よりも大きな応力は作用せず、捩りトルク
Ｔによる圧縮塑性ひずみが増大するだけである。

捩りトルクＴを除去すると、合計−（αδ十δＣ）が圧
縮降伏応力−δ、を越えていた場合（αδ＋δ０〉δ。

、）は、圧縮残留応力が解放され、切欠部２の方向の圧
縮残留応力は、元の圧縮残留応力−δＣよりも小さな値
となる。一方、切欠部２の方向以外の方向で、第８図に
示すように応力の合計が圧縮降伏応カーδｅｌｆ以下の
場合（αδ＋δ０≦δ。ア）は、捩りトルクＴを除去す
ると、元の一様な圧縮残留応力−δＣの分布に戻る。

この結果、捩りトルクＴを解除した後の圧縮残留応力８
の分布は第９図のようになり、残留応力の異方性が生じ
る。これにより、軸体１に、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。

第６図に示す方向の捩りトルクＴを軸体１に作用させる
と、第１図における切欠部３の山頂には、この切欠部３
の方向に、応力集中を伴った引張応力が生じる。しかし
、この引張応力は、あらかじめ与えられていた圧Ｓ残留
応カーδ。にて相殺されることになる。したがって、引
張応力については、降伏応力を越えるような大きな応力
が生じるごとがなく、これによっては残留応力の異方性
が現われることはない、これとともに、切欠部３の溝底
には、この切欠部３と直交する方向の圧縮応力が作用し
、この方向に応力集中が生じることになる。よって、こ
の方向でも圧縮応力の合計が圧縮降伏応力を越える。し
たがって、溝底角方向に磁気異方性が付与されることに
なり、山部の尾根方向の磁気異方性は相対的に大きくな
る。

このため、第６図に示す方向の捩りトルクＴを軸体１に
作用させた後にこの捩りトルクＴを取り除いた場合には
、第１図における形状的切欠部２、および形状的切欠部
３に磁気異方性が生ずる。

捩りトルクＴを取り除いた後に、今度は逆方向の捩りト
ルクを軸体１に作用させる。するとこの逆方向の捩りト
ルクによれば、切欠部２の溝底部と切欠部３の山頂部に
磁気異方性が付与される。

したがって、この逆方向の捩りトルクを取り除いた後に
は、第１０図に示すようなシェブロン状の磁気異方性が
、両切、大部２，３にわたって形成されることになる。

第１１図に示すように、軸体１の両端に、この軸体１に
トルクを伝達するための機械要素部９，１０を形成する
のが好ましい、この機械要素部９，１０としては、キー
、スプラインなどを利用することができる。このような
機械要素部９，１０は、軸体１に上述の磁気異方性を付
与するための捩りトルクを加えるなめに利用される。ま
た磁気異方性の付与が完了してトルクセンサ軸として完
成した後には、検出すべきトルクを軸体１に伝達するた
めに利用される。

このように、あらかじめ圧縮残留応力−δＣを付与した
うえで捩りトルクＴを加え、この捩りトルクＴにより形
状的切欠部２，３に応力集中を伴って発生する圧縮応力
−αδと前記圧縮残留応力−δ。どの合計−（αδ＋δ
Ｃ）が圧縮降伏応力−δゆ、よりも大きくなるようにす
るものであるため、過大なトルクを加えることなしに残
留応力の異方性を付与することができる。

このようにして圧Ｓ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圧縮降伏
応力が低下するため、このように圧縮降伏応力が小さく
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、加えるべき捩りトルク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、ヒ
ステリシス小かつ怒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、ｆｉＭ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、応力集中を発生させるための形状
的切欠部２．３を設けることで、好みの方向に異方性を
付与することができ、かつ他の部分は過大な負荷を受け
ない利点がある。さらに、上述のように方向の異なる複
数の形状的切欠部２゜３を形成する場合は、軸＃１の全
体に捩りトルクを加えても、圧縮応力の方向の切欠部に
のみ異方性が付与され、しかも他の切欠部はこの捩りト
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１２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力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０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ｌ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１２図に
おけるＭ鋲軸の原点Ｏが、図中の一点ｔｎ線で示すよう
に圧縮側ヘシ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＋３！１ｕｌ
ｌの直線性が向上する。

第１３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１４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。±６０ｋｇ
ｆ　−ｍのトルクが加わったときの検出電圧をみると、
第１４図の従来のものでは５８．０１７ｍ　Ｖであるの
に対し、第１３図の本発明のものでは７８．０９１ｍ　
Ｖ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１４図の従来のものでは４．８９７　ｍＶであるのに
対し、第１３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、圧縮残留応力と、捩
りトルクにより形状的切欠部に応力集中を伴って発生す
る圧縮応力との合計が軸体の材料の圧縮降伏応力よりも
大きくなるようにして、捩りトルク解除時に形状的切欠
部の方向の圧縮残留応力を解放することにより、軸体に
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、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、センサのヒ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。また形状的切欠部により応力集中を
発生させることで、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。

圧縮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ｌべき捩りトルクをさら
に小さくすることができる。

形状的切欠部として、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
ん状の一対の形状的切欠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形状的切欠部
を形成すれば、この軸体にまず一方向の捩りトルクを加
え、続いて逆方向の捩りトルクを加えることで、各形状
的切欠部にそれぞれ異方性を付与することができるうえ
に、一方の形状的切欠部に異方性を付与するために捩り
トルクを加えたときには、この捩りトルクは他方の形状
的切欠部には何ら悪影響を及ぼさないという利点がある
。

軸体の両端にトルク伝達のための機械要素部を形成する
ことにより、異方性付与のための捩りトルクを容易に作
用させることができるとともに、センサとして使用する
ときも容易にトルクを伝達することができる。

【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図の軸体における形
状的切欠部の拡大斜視図、第３図および第４図は第１図
の軸体における形状的切欠部の形状例を示す図、第５図
〜第１０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１１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１２図は従来例およ
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１３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１４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、２，３・・・形状的切欠部、−δＣ・・
・圧縮残留応力、Ｔ・・・捩りトルク、−αδ・・・圧
縮応力、−δ。、・・・圧縮降伏応力、８・・・圧縮残
留応力、９゜１０・・・機械要素部。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 第１図 第３図　　　　第７図 第５図 ４．−・−氏栴へＶ応り ＠６図 第７図 第２図 第２図 第１ｄ図 第１／図 デ・／ρ−＃械キ青音ｐ 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸体に形状的切欠部を形成し、 この形状的切欠部を含む軸体の表面に圧縮残留応力がほ
   ぼ一様に分布する処理を施し、次に、前記軸体に捩りト
   ルクを加え、前記切欠部に、切欠部以外の部分よりもこ
   の切欠部の応力集中係数分だけ大きな圧縮応力を発生さ
   せて、この切欠部において、前記捩りトルクにもとづく
   圧縮応力と前記圧縮残留応力との合計が軸体の材料の圧
   縮降伏応力よりも大きくなるように設定し、 その後、前記捩りトルクを取り除き、前記合計が圧縮降
   伏応力よりも大きくなった切欠部の圧縮残留応力を解放
   して、前記軸体に残留応力の磁気異方性を付与すること
   を特徴とする磁歪式トルクセンサ軸の製造方法。 ２、圧縮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、形状的切欠部として、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
   の形状的切欠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、軸体に圧縮残留応力がほぼ一様に分布する処理を施
   したうえで、この軸体にまず一方向の捩りトルクを加え
   、続いて逆方向の捩りトルクを加え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。 ６、軸体の両端に、トルクを伝達するための機械要素部
   を形成することを特徴とする請求項１から５までのいず
   れか１項記載の磁歪式トルクセンサ軸の製造方法。