JPH0262926A - 磁歪式トルクセンサ - 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、回転軸に加わるトルクを、その軸表面に形成
された磁歪部の透磁率の変化として非接触検出する磁歪
式トルクセンサに関する。

〔従来の技術〕

電動機、工作機械、自動車等における回転駆動系の回転
軸に加わるトルクを非接触検出するセンサとして、回転
軸の適所に、軸方向に対し傾斜する方向を磁化容易軸と
する磁気異方性をもたせた磁歪部を形成し、これに励磁
・検出回路を配置して、磁歪部に交番磁界を印加すると
共に、回転軸にトルクか加わることにより磁歪部に生じ
る透磁率の変化を電気量として検出するようにした磁歪
式トルクセンサが広く使用されている。

上記磁歪式トルクセンサの構成部分である回転軸の磁歪
部としては、回転軸自身の表面に磁気異方性をもたせた
もの、および回転軸の表面に磁歪材料を固着して磁気異
方性をもたせたものとがある。前者の例として、回転軸
表面に、レーザ等により軸心方向に対して傾斜する方向
（軸心に対し±４５°方向）に帯状の焼入れ部を形成し
て焼入れ部と非焼入れ部の硬度差に因る透磁率の差を生
じさせることにより、帯状焼入れ部の傾斜方向を磁化容
易軸とする磁気異方性を付与したものが知られており、
また後者の代表例としては、磁気歪み・定数の大きい金
属のアモルファス磁性１帯を回転軸の表面に接着剤で接
合し、その１帯に形状磁気異方性をもたせたものが知ら
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

アモルファス磁性薄帯を磁歪材料として回転軸表面に接
着したトルクセンサは、軸材の磁気特性とは無関係に、
その薄帯の磁歪効果による良好なトルク検出感度が得ら
れるが、その反面、軸と薄帯との熱膨張係数の差による
熱応力の発生、軸表面に対する薄帯の接着力の環境温度
による変化、および接着剤の経年劣化等に起因してトル
ク検出々力の零点変動が生じ、また検出感度も低下して
いくという問題がある。他方、回転軸表面の磁歪効果を
利用したトルクセンサは、そのような問題とは無縁では
あるが、トルク検出感度が低いという問題がある。

本発明は、上記の欠点を解消し、検出感度が高く、かつ
安定性にすくれた磁歪式トルクセンサを提供しようとす
るものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、少な（とも表層が磁歪材料からなる回転軸の
表面に、軸心方向に対し傾斜する方向を磁化容易軸とす
る磁気異方性を有する磁歪部が設けられ、その磁歪部に
磁界を印加するための励磁回路と、磁歪部に生じる透磁
率の変化を検出するための検出回路が軸近傍に配置され
ている磁歪式トルクセンサにおいて、 前記回転軸の磁歪部は、互いに平行で軸周方向に略等間
隔である複数条の螺旋溝を有し、その螺旋溝のなす帯状
谷部の表面と、隣り合う螺旋溝同士間の山部頂面とが、
高低相異なる炭素濃度を有していることを特徴としてい
る。

本発明の磁歪式トルクセンサについて、実施例を示す図
面を参照して説明すると、第１図において、（１）は回
転軸、（２）は回転軸表面に形成された螺旋溝（３）を
有する磁歪部、（５）は磁歪部（２）に磁界を印加する
ための励磁巻線、（６）は磁歪部（２）に生しる透磁率
の変化を検出する検出巻線である。

励磁巻線（５）と検出巻線（６）とはケーシング（７）
に内装されて回転軸（１）に回転対称に配置されている
。なお、図は、２つの磁歪部（２）　（２）を設け、各
磁歪部の透磁率の変化を差動的に取出すようにしだ差動
型構造の例であり、従って２つの何２歪部（２）と（２
）のそれぞれに付与される磁化容易軸は、軸方向に対す
る傾斜角度が同一で、向きは互いに逆である。

回転軸（１）の表面に磁歪部（２）が形成される本発明
のトルクセンサにおける該回転軸は、少なくともその表
面が磁歪効果を有する金属材料からなる。その軸材料は
特に限定されないが、磁気歪み定数の大きいＮｊ含を合
金、例えばＪＩＳ　Ｇ　４１０３のニッケル・クロム・
モリブデンｉ　（ＳＮＣＭ　４１５．　同４２０８　同
６２５．同８１５等）であるのが好ましい。

回転軸表面の磁歪部（２）の螺旋溝（３）は、例えばロ
ーレット加工や転造加工等の公知の溝加工法により形成
される。螺旋溝（３）の軸方向に対する傾斜角度は、回
転軸の印加トルクにより生じる主応力の方向（軸心方向
に対し、±４５°）に略一致させることが好ましい。こ
れにより、トルクの印加による磁歪部（２）　（２）の
透磁率の変化を最も効果的に取出すことができる。

螺旋溝（３）の溝形状は、例えば溝幅約１ｍ、溝深さ約
１　ｍｍ、溝長さ約１０ｍｍとしてよい。また、トルク
検出々力の回転対称性を確保するために、隣り合う螺旋
溝同士（３）　（３）の軸周方向の間隔は略−定である
のがよい。その螺旋溝の軸周方向のピ・ンチは、例えば
２ｍｍである。

上記螺旋溝（３）の帯状谷部の表面と、隣り合う螺旋溝
同士間の帯状山部（４）の頂面ば、高低相異なる炭素濃
度が与えられている。その炭素濃度の差は、例えば０．
６〜０．７％であってよい。この磁歪部（２）の谷部（
３）と山部（４）の炭素量の′ａ淡のパターンは、浸炭
処理により形成することができる。

すなわち、螺旋溝の山部（４）頂面に選択的にマスキン
グ（銅めっき、または浸炭防止塗剤の塗膜）を設けて浸
炭処理を行うことにより、山部の表面を低炭素濃度（軸
材の炭素濃度とほぼ同じ）とし、谷部（３）の表面に浸
炭による高炭素濃度を付与することができる。その浸炭
処理は、軸材を、加熱下に固体浸炭剤（木炭と炭酸バリ
ウムの混合物等）、液体浸炭剤（資化カリ溶液等）、ま
たはガス浸炭剤（−酸化炭素、プロパンガス雰囲気等）
と接触させる公知の一般的方法により達成することがで
きる。

なお、軸材は、疲労強度の向上等の材質改善を目的とす
る浸炭焼入れ処理が施されることが多いので、その浸炭
焼入れ処理に際して、磁歪部に上記のように部分的に浸
炭防止マスキングを施しておけば、軸材の材質改善のた
めの゛浸炭焼入れと、磁歪部（２）の螺旋溝の凹凸パタ
ーンに対応する炭素濃度の濃淡パターンの形成を同時に
達成することができる。殊に、浸炭処理につづいて焼入
れを行うことは、磁歪部（２）の山部（４）と谷部（３
）との炭素濃度の差に基づ（残留応力が効果的に導入さ
れ、その応力効果として磁歪部に付与される磁気異方性
が増強される点で好ましいことである。また、この場合
溝の谷部（４）が浸炭焼入れされることになるので、回
転軸へのトルク印加時の溝の谷部−・の応力集中作用に
対し疲労強度が高められることにもなり好都合である。

回転軸の磁歪部（２，２）に近接配置される励磁・検出
回路は公知のそれと同じ構成であってよい。

第２図は、前記差動型トルクセンサにおける励磁・検出
回路の例を示している。（８）は、磁歪部（２゜２）に
交番磁界を印加するための励磁巻線（５）に接続された
高周波電源である。検出巻線（６）と（６）とは、対応
する２つの磁歪部（２）と（２）との透磁率を差動的に
取出すために互いに逆極性に接続されており、その端子
に同期整流器（９）が接続されている。その検出巻線（
６）および（６）のそれぞれに励磁巻線（５）との間の
相互誘導による誘起電圧が生じ、その誘起電圧の差が同
期整流器（９）により直流電圧として出力される。

この励磁・検出回路を有するトルクセンサにおいて、回
転軸（１）にトルクが印加されていない状態では、２つ
のは歪部（２）と（２）の透磁率は相等しいので、一方
の検出巻線（６）に生じる誘起電圧と、他方の検出巻線
（６）に生じる誘起電圧とは互いに打ち消し合い、従っ
て出力は現れない。１回転軸（１）にトルク（Ｔ）が印
加されると、２つの磁歪部（２）と（２）の一方には張
力が、他方には圧縮力がそれぞれ選択的に作用すること
により、一方のは歪部の透磁率は増加し、他方の磁歪部
のそれは減少する。この透磁率の差動的な変化により、
一方の検出巻線（６）の誘起電圧は増加し、他方の検出
巻線（６）の誘起電圧は減少する。その差が同！ｔＩｌ
ｌ整流器（９）により直流電圧として出力され、その出
力値の大きさから印加トルクの大きさを、また出力値の
正負の符合からトルクの印加方向を読みとることができ
る。なお、上記の励磁・検出回路の構成は一例であって
、これに限定されるものではなく、例えば、開磁路鉄心
入り巻！ｆｆＡＣ磁気ヘッド）により磁歪部の励磁とそ
の透磁率の変化を検出する構成としてもよい。また磁歪
部を２個所に設ける差動構成に代え、１個所にのみ磁歪
部を成形してその磁歪部の透磁率の変化から、回転軸の
印加トルクの大きさと印加方向の正負を検出する励磁・
検出回路を用いることも無論可能である。

〔作用〕

本発明の磁歪部トルクセンサにおける回転軸表面の磁歪
部は、螺旋溝の形状効果として生じる螺旋溝傾斜方向を
磁化容易軸とする磁気異方性（形状磁気異方性）と、そ
の螺旋溝の帯状谷部と帯状山部との凹凸パターンに対応
した炭素量の濃淡のパターンに因る螺旋溝傾斜方向を磁
化容易軸とする磁気異方性との重畳効果により、大きな
磁気異方性が付与され高感度のトルク検出が可能である
。

しかも、これらの磁気異方性は極めて安定しているので
、繰返し作用応力による影ビをうけにくく、経年変化も
少ない。

〔実施例〕

（Ｎ回転軸の磁歪部の形成 ニッケル・クロム・モリブデン鋼からなる軸材の表面に
、磁歪部としてローレット加工により複数条の互いに平
行な螺旋溝を形成し、その溝の谷部頂面にのみ浸炭防止
膜を施し、ついでその軸材を浸炭焼入れ処理に付した。

軸材は、ＪＩＳ　Ｇ　４１０３に規定されているＳＮＣ
Ｍ　４２０　（Ｃ：　０．１５％、５ｉ−０，２０％、
Ｍｎ：０．５０％、Ｎｉ：４．１２％、Ｃｒ：０゜８２
％、Ｍｏ：０．２２％、残部Ｆｅ）であり、浸炭処理は
、プロパンガスを浸炭剤とし、９５０°Ｃに５時間保持
するガス浸炭法により行い、浸炭後、同温度から１４０
’Ｃの油浴中に２０分間浸漬して焼入れを行った。

螺旋溝：溝幅Ｌ　ｍｍ、溝深さｌ　ｍｍ、溝長さ１０ｍ
ｍ、溝ピンチ＝２ＩｎＩＴｌ 螺旋溝傾斜角度：軸心方向に対し±４５゜浸炭部炭素濃
度＝０．８％ 非浸炭部（谷部）炭素濃度：　０．１５％〔■］　トル
クセンサの構成 上記軸材を回転軸として第２図に示すように、励磁・検
出回路を配置してトルクセンサを構成した。これをトル
クセンサＡとする。

他方、比較例として、回転軸表面に螺旋溝（溝°形状・
パターンは前記トルクセンサＡのそれと同一）を形成し
たのち、溝の山部および谷部の全表面に浸炭焼入れ処理
を施したうえ、前記とおなじように第２図に示す励磁・
検出回路を配置した。

これをトルクセンサＢとする。

更に、他の比較例として、回転軸表面の螺旋溝の形成を
省略し、その平坦な軸周面に上記トルクセンサＡの回転
軸の炭素濃度の濃淡パターンと同一の濃淡パターンを浸
炭焼入れ処理により形成したうえ、上記と同じように第
２図に示す励磁・検出回路を配置した。これをトルクセ
ンサＣとする。

上記各供試トルクセンサＡ、Ｂ、Ｃによるトルク検出特
性を第３図に示す。図中、ａ、ｂおよびＣはそれぞれト
ルクセンサＡ、ＢおよびＣの検出特性である。この試験
結果から明らかなように、発明例のトルクセンサＡは、
トルクセンサＢおよびＣに比べて検出感度か高く、高精
度のトルク検出が可能である。これはトルクセンサＡに
おける回転軸に螺旋溝の形状効果と炭素濃度差の効果と
して、トルクセンサＢおよびＣに比べてより大きな磁気
異方性が付与されていることによるものである。

なお、上記トルクセンサＡについては、軸表面剪断応力
１５ｋｇｆ／ｍｍ”のトルク印加を１０７回反復した後
にも、そのトルク検出特性は使用開始当初と殆ど変化が
ないことも確認されている。

〔発明の効果ゴ 本発明のトルクセンサは、回転軸表面に、形状効果とし
ての磁気異方性と、炭素含有量の濃淡パターンに因る磁
気異方性とが重畳された磁歪部を有しているので、検出
感度が高く、しかもその磁気異方性が極めて安定してい
るので繰返し作用応力による磁歪部の磁気特性の変化が
少なく、長期に亘って高１７度の１−ルク検出が可能で
あり、回転駆動系の制御における高い信頼性を保証する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す部分断面図、第２図は本
発明トルクセンサの励磁・検出回路の例を示す図、第３
図はトルク検出特性を示す図である。 ｌ：回転軸、２：磁歪部、３：螺旋溝（谷部）、４：山
部、５：励磁巻線、６：検出巻線。 第１図 手 続 補 正 書 （方 式） 事件の表示 昭和６３年 特 許 願 第２１６０８５号 ２゜ 発明の名称 磁歪式トルクセンサ ３゜ 補正をする者 事件との関係

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　少なくとも表層が磁歪材料からなる回転軸の表面
   に、軸方向に対し傾斜する方向を磁化容易軸とする磁気
   異方性を有する磁歪部が設けられ、その磁歪部に磁界を
   印加するための励磁回路と、回転軸にトルクが印加され
   ることにより生じる磁歪部の透磁率の変化を検出するた
   めの検出回路とが軸近傍に配置されている磁歪式トルク
   センサにおいて、 前記回転軸の磁歪部は、互いに平行で軸周方向に略等間
   隔である複数条の螺旋溝を有し、その螺旋溝のなす帯状
   谷部の表面と、隣り合う螺旋溝同士間の山部頂面とが、
   高低相異なる炭素濃度を有していることを特徴とする磁
   歪式トルクセンサ。