JPH0290030A - トルク検出装置 - 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】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） 本発明は、被測定軸に加えられるトルクを検出するのに
利用される磁歪方式のトルク検出装置に関するものであ
る。 （従来の技術） この種の磁歪方式、のトルク検出装置としては、例えば
、第１図に示すようなものがあった。 第１図に示すトルク検出装置１は、磁気ひずみ効果を有
する被測定軸２の表面部分に、中心軸方向に対して＋４
５°方向をなす円周方向に複数の部分らせん状溝３（３
ａ）と、同じく中心軸方向に対して一４５°方向をなす
円周方向に複数の部分らせん状溝３（３ｂ）とを左右に
おいて対称となるように設け、この被測定軸２の近傍に
、前記各部分らせん状溝３　（３ａ　、３ｂ）と対向す
るようにして励磁兼検出用のコイル４（４ａ、４ｂ）を
配、没し、前記コイル４　（４ａ　、４ｂ）の外周に、
被測定軸２との間で間隙５をおいて、高透磁率材料より
なるヨーク６を設けた構造をなすものである（例えば、
特開昭６２−１８５１３６号公報参照）。 このような構造をなすトルク検出装置１において、被測
定軸２に加えられたトルク（Ｔ）を検出するに際しては
、例えば、第２図に示す回路を用いていた。 すなわち、コイル４ａ　、４ｂは抵抗１４ａ。 １４ｂと組み合わされてブリッジ回路を構成し。 このブリッジ回路にバランス用の可変抵抗１５を設ける
と共に、ブリッジ回路の接続点Ａ−Ｃ間に励磁用発振器
１６を接続して被測定軸２に対する励磁方向を同一方向
に合わせ、接続点Ｂ−Ｂ’間には差動増幅器１７を接続
して、出力端子１８．１９より検出出力を取り出すよう
にしている。 そこで、被測定軸２に加えられたトルク（Ｔ）の測定に
際しては、励磁用発振器１６よりコイル４ａ、４ｂに−
・定振幅および周波数の交流を通電する。この通電によ
って、被測定軸２→間隙５呻ヨーク６→間隙５→被測定
！１１２を磁路とする磁力線がコイル４ａ、４ｂを取り
囲むようにして発生する。このとき、磁力線は被測定軸
２の表面部分を流れ、部分らせん状溝３　（３ａ　、３
ｂ）のところで形状磁気異方性の効果があられれる。 そして、被測定軸２の軸心方向に対して＋４５°方向の
部分らせん状溝３ａが形成されているところでは最大引
張応力＋σが作用して透磁率が増加し、反対に一４５°
方向の部分らせん状ｈη３ｂが形成されているところで
は最大圧縮応力−σが作用して透磁率が減少し、透磁率
が増加した部分のコイル４ａのインダクタンスＬ、が増
加するとともに透磁率が減少した部分のコイル４ｂのイ
ンダクタンスＬ２が減少するので、第２図に示したブリ
ッジ回路のバランスがくずれ、差動増幅器１７を経て出
力端子１８．１９間にＩ・ルク（Ｔ）に対応した検出出
力が生じる。 また、トルク（Ｔ）が逆方向に付加された場合には、」
−述したと逆の作用により、一方のコイル４ａのインダ
クタンスＬ＋が減少するとともに他方のコイル４ｂのイ
ンダクタンスＬ２が増加するので、この場合にもｗＳ２
図に示したブリッジ回路のバランスがくずれ、差動増幅
器１７を経て出力−子１８．１９間にトルク（Ｔ）に対
応した検出出力が生じる。 したがって１例えば第３図に示すようなトルクと検出出
力との関係をもつ特性が得られる。 （発明が解決しようとする課題） このようなトルク検出装置１において、被測定軸２とし
ては種々の構成のものが考えられるが、例えば、動力伝
達軸を被測定軸として当該動力伝達軸に付加されたトル
クを直接検出しようとする場合において、動力伝達軸の
素材として機械構造用鋼（ＪＩＳ　　ＳＣ，ＳＣｒ、Ｓ
ＣＭ、ＳＮＣＭなど）を焼入れ焼もどしして使用してい
るときには、第３図に示すようなヒステリシス（最大ヒ
ステリシスＨｍａｘ）を生じやすいものとなり、正確な
トルクの検出を安定して行うことが難しいことがあると
いう課題があった。 （発明の目的） 本発明は、上述した従来の課題にかんがみてなされたも
のであって、被測定軸の素材として、機械構造用鋼など
からなる磁性体の鋼材を用いているときでも−、トルク
−出力特性図において示されるヒステリシスを減少させ
、この被測定軸に付加されるトルクの検出を正確にかつ
安定して行うことができるようにすることを目的として
いる。

【発明の構成】

（課題を解決するための手段） 本発明は、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励磁手段と、前記被測定軸を通る
磁歪成分を検出する検出手段を備えたトルク検出装置に
おいて、磁性体である鉄鋼材料を素材とすると共に表面
硬化処理を施した被測定軸を用いた構成としたことを特
徴としており、このようなトルク検出装置の構成をと述
した従来の課題を解決するための手段としている。 本発明に係るトルク検出装置は、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励磁手段と
、前記被測定軸を通る磁歪成分を検出する検出を段を備
えた構成を有するものであり、具体的な構成としては、
第１図に例示したものと同様に、被測定軸を磁路の一部
とする磁気回路を形成する励磁手段と、前記被測定軸を
通る磁歪成分を検出する検出手段とに共通して使用され
る励磁兼検出用コイルを被測定軸の外周部分に配設した
構造を有するものとすることが可能であるが、このよう
な構造のもののみに限定されないことは当然であり、第
１図に示したトルク検出装置においてヨークを用いない
構造のものとすることが可能であるほか、例えば、被測
定軸の外周部に当該被測定軸を磁路の一部とする磁気回
路を形成する励磁コイルまたは励磁ヘッド（励磁手段）
と、前記被測定軸を通る磁歪成分を検出する検出コイル
または検出ヘッド（検出手段）とが別々に設けられてい
る構造のものとすることも可能であり、特に限定されな
い。 そして、被測定軸としては、磁性体である鉄鋼材料を素
材としたものが用いられ、とくに動力伝達軸それ自体が
被測定軸となる場合には、動力伝達軸としての強度が要
求されるので、例えば１機械構造用鋼（ＪＩＳ　　ＳＣ
，ＳＣｒ、ＳＣＭ。 ＳＮＣＭなど）が使用される。 本発明者らは、この種の磁歪方式のトルク検ｊＪＪ装首
において、被測定軸の素材として、−に記のごとき機械
構造用鋼を用いた場合に比較的大きなヒステリシスを生
ずることがある要因について解析したところ、ヒステリ
シスの発生は磁気的な塑性が原因しているものと考えら
れることから、ヒステリシスを減少させるためには被測
定軸の剛性向上が望ましいという結論に達した。 また、この種の磁歪方式のトルク検出装置においては、
高周波励磁の表皮効果によって被測定軸表面の磁歪を検
出していることから、被測定軸の表面改質が重要である
という結論に達した。 したがって、このような考察から、被測定軸の剛性向上
と表面改質にとって、表面硬化処理を施すことが最も効
果的であると考えた。 このように、本発明に係るトルク検出装置において、被
測定軸には表面硬化処理を施したものが用いられるが、
実施７１様においては、表面硬化処理として、浸炭、浸
炭窒化、窒化、高周波焼入れなどの熱処理加工と、ショ
ットピーニング、冷間圧延、冷間鍛伸などの機械加工の
少なくともいずれかによるものを採用することができる
。 そこで、機械構造用クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ　　Ｓ
ＣＭ４２０）を素材とした被測定軸に異なる熱処理を施
してその表面硬さを変化させたものとしてトルク検出装
置に組み込み１表面硬さとヒステリシスとの関係を調べ
たところ、第４図に示す傾向がみられた。 同様に、機械構造用炭素鋼（ＪＩＳ　　５４０Ｇ）を素
材とした被測定軸に異なる熱処理および機械加工を施し
てその表面硬さを変化させたものとしてトルク検出装置
に組み込み１表面硬さとヒステリシスとの関係を調べた
ところ、第５図に示す傾向がみられた。 そして、実用的に許容されるヒステリシスがｌＯ〜１２
％以下程度であると考え、このような許容値をある程度
余裕をもって満足させるようにするためには４表面硬化
処理後の被測定軸の表面硬さがＨｖ６００以上、硬さＨ
ｖ５５０以上の有効硬化層深さが０．２ｍｍ以上である
ものとするのが望ましいものと考えられた。そして、熱
処理加工と機械加工の両方を行う場合には熱処理加工を
行った後に機械加工を行って表面硬さがＨｖ６００以１
−１硬さ１（ｖ５５０以上の有効硬化層深さが０．２ｍ
ｍ以上の表面硬化層を有するものとするのが、機械加工
による効果が熱処理加工によって減殺されないようにす
るために有効であった。 （発明の作用） 本発明に係るトルク検出装置では、被測定軸として、磁
性体である鉄鋼材料を素材とすると共に表面硬化処理を
施したものを用い４より望ましくは、被測定軸の表面硬
さがＨｖ６００以上、硬さＨｖ５５０以上の有効硬化層
深さが０．２ｍｍ以上であるものとしたから、被測定軸
の素材として強度の確保が容易になしうる機械構造用鋼
を用いたときでも、トルク−検出出力特性におけるヒス
テリシスは小さなものとなる。 （実施例） 足置Ａ」 第１図に示したと同じように、トルク検出装置１として
、被測定軸２の表面部分に、中心軸方向に対して＋４５
°方向をなす円周方向に複数の部分らせん状１ｓ３（３
ａ）と、同じく中心軸方向に対して一４５゛方向をなす
円周方向に複数の部分らせん状ｔ＋１３（３ｂ）とを左
右において対称となるように設けて形状磁気異方性部を
形成し、この被測定軸２の近傍に、前記各部分らせん状
溝３（３ａ、３ｂ）と対向するようにして励磁兼検出用
のコイル４（ａａ、４ｂ）を配設し、前記コイル４　（
４ａ　、４ｂ）の外周に、被測定軸２との間で間隙５を
おいて、高透磁率材料よりなるヨーク６を設けた構造を
なすものであり、この実施例１においては、被測定軸２
の素材として機械構造用クロムモリブデン鋼（Ｓ　０Ｍ
４２０）を用い、軸素材に対して部分らせん状溝３　（
３ａ　、３ｂ）を加工したのち９００℃で浸炭して焼入
れし、１７０″Ｃで焼もどしを施した被測定軸２を用い
た。この被測定軸２の表面硬さは約Ｈｖ７３０であり、
第２図に示した回路に接続してヒステリシスの測定を行
ったところ、第１表に示す結果であった。 χムＡヱ 実施例１と同じ構造のトルク検出装置１において、被測
定軸２の素材として機械構造用クロムモリブデン鋼（Ｓ
　０Ｍ４２０）を用い、軸素材に対して部分らせん状溝
３　（３ａ　、３ｂ）を加工したのも９００℃で浸炭し
て焼入れし、１７０℃で焼もどしを施し、さらに第４表
の実施例２の欄に示したショットピーニング条件でショ
ットピーニングを施した被測定軸２を用いた。この被測
定軸２の表面硬さは約Ｈｖ７６０であり、第２図に示し
た回路に接続してヒステリシスの測定を行ったところ、
同じく第１表に示す結果であった。 ル邊む１↓ 実施例１と同じ４Ｗ造のトルク検出装置１において、被
測定軸２の素材として機械構造用クロムモリブデン鋼（
Ｓ　０Ｍ４２０）を用い、軸素材に対して部分らせん状
溝３　（３ａ　、３ｂ）を加工したのも８７０℃で焼入
れし、１７０℃で焼もどしを施した被測定軸２を用いた
。この被測定軸２の表面硬さは約Ｈｖ２４０であり、第
２図に示した回路に接続してヒステリシスの測定を行っ
たところ、第１表に示す結果であった。 皮敷Ａヱ 実施例１と同じ構造のトルク検出装置１において、被測
定軸２の素材として機械構造用クロムモリブデン鋼（Ｓ
　０Ｍ４２０）を用い、軸素材に対して部分らせん状溝
３　（３ａ　、３ｂ）を加工したのち８５０℃で焼なま
しを施した被測定軸２を用いた。この被測定軸２の表面
硬さは約Ｈｖ１７０であり、第２図に示した回路に接続
してヒステリシスの測定を行ったところ、第１表に示す
結果であった。 第１表に示すように、機械構造用クロムモリブテン鋼か
ら作製した軸素材に表面硬化処理として浸炭焼入れ焼も
どしく実施例１の場合）や浸炭焼入れ焼もどし後にショ
ットピーニング（実施例２の場合）を施した被測定軸２
を用いたトルク検出装置１では、ヒステリシスが著しく
小さなものとなっていた。 Ｘム亘ｌ 実施例１と同じ構造のトルク検出装置１において、被測
定軸２の素材として機械構造用炭素鋼（Ｓ　４０　Ｃ）
を用い、軸素材に対して部分らせん状＆Ｗ３（３ａ、３
ｂ）を加工したのち周波数３０ＫＨｚ、出力１５０ＫＷ
−ｔ’高周波焼入れし、１７０℃で焼もどしを施した被
測定軸２を用いた。この被測定軸２の表面硬さは約Ｈｖ
６８０であり、第２図に示した回路に接続してヒステリ
シスの測定を行ったところ、第２表に示す結果であった
。 Ｘム湾１ 実施例１と同じ構造のトルク検出装置１において、被測
定軸２の素材として機械構造用炭素鋼（５４０Ｃ）を用
い、軸素材に対して部分らせん状溝３　（３ａ　、３ｂ
）を加工したのち１周波数３０ＫＨｚ、出力ｔｓｏＫｗ
−ｔ’高周波焼入れし、１７０℃で焼もどしを施し、さ
らに第４表の実施例４の欄に示したショットピーニング
条件でショットピーニングを施した被測定軸２を用いた
。この被測定軸２の表面硬さは約Ｈｖ７２０であり、第
２図に示した回路に接続してヒステリシスの測定を行っ
たところ、第２表に示す結果であった。 塩箆亘ユ 実施例１と同じ構造のトルク検出装置１において、被測
定軸２の素材として機械構造用炭素鋼（Ｓ　４０　Ｇ）
を用い、軸素材に対して部分らせん状溝３　（３ａ　、
３ｂ）を加工したのち８５０℃で焼入れし、１７０℃で
焼もどしを施した被測定軸２を用いた。この被測定軸２
の表面硬さは約Ｈｖ３３０であり、第２図に示した回路
に接続してヒステリシスの測定を行ったところ、第２表
に示す結果であった。 ル邊むＩＡ 実施例１と同じ構造のトルク検出装置１において、被測
定軸２の素材として機械構造用炭素鋼（５４０Ｇ）を用
い、軸素材に対して部分らせん状溝３　（３ａ　、３ｂ
）を加工したのち８２０℃で焼なましを施した被測定軸
２を用いた。この被測定軸２の表面硬さは約Ｈｖ１９０
であり、第２図に示した回路に接続してヒステリシスの
測定を行ったところ、第２表に示す結果であった。 第２表に示すように、機械構造用炭素鋼から作製した軸
素材に表面硬化処理として高周波焼入れ焼もどしく実施
例３の場合）や高周波焼入れ焼もどし後にシ、フトビー
ニング（実施例４の場合）を施した被測定軸２を用いた
トルク検出装置１では、ヒステリシスが著しく小さなも
のとなっていた。 実施例５ 実施例１と同じ構造のトルク検出装置１において、被測
定軸２の素材として機械構造用クロム鋼（ＳＣｒ４４０
）を用い、ｉｂ素材に対して部分らせん状溝３　（３ａ
　、３ｂ）を加工したのも８７０℃で焼入れし、１７０
℃で焼もどしを施した被測定軸２を用いた。この被測定
軸２の表面硬さは約Ｈｖ６２０であり、第２図に示した
回路に接続してヒステリシスの測定を行ったところ、第
３表に示す結果であった。 夫ム桝ｊ 実施例１と同じ構造のトルク検出装置１において、被測
定軸２の素材として機械構造用クロム鋼（ＳＣｒ４４０
）を用い、軸素材に対して部分らせん状溝３　（３ａ　
、３ｂ）を加工したのち８７０℃で焼入れし、１７０℃
で焼もどしを施し、さらに第４表の実施例６の欄に示し
たショットピーニング条件でショット−ピーニングを施
し・た被測定Ｍ２を用いた。この被測定ｆｔｈ２の表面
硬さは約Ｈｖ７００であり、第２図に示した回路に接続
してヒステリシスの測定を行ったところ、同じく第３表
に示す結果であった。 第３表に示すように５機械構造用クロム鋼から作製した
軸素材に表面硬化処理として焼入れ焼もど１７を施した
実施例５の被測定軸２を用いたトルク検出袋ｇ！１１で
は、ヒステリシスが１０％と許容限界に近いものであっ
たが、焼入れ焼もどし後にショットピーニングを施した
実施例６の被測定軸２を用いたトルク検出装置１では、
ヒステリシスが著しく小さなものとなっていた。

【発明の効果】

本発明によれば、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励磁手段と、前記被測定軸
を通る磁歪成分を検出する検出手段を備えたトルク検出
装置において、磁性体である鉄鋼材料を素材とすると共
に表面硬化処理を施した被測定軸を用いた構成としたか
ら、被測定軸の素材として、機械的強度の確保が比較的
容易なものとなる機械構造用鋼などからなる鉄鋼材料を
用いたときでも、トルク検出の際のヒステリシスを大幅
に減少させることが可能であり、トルクの検出を正確に
そして安定して行うことができるようになるという非常
に優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁歪方式のトルク検出装置の構造を例示する説
明図、第２図は第１図のトルク検出装置のトルク検出に
用いる回路を例示する説明図、第３図はトルク検出装置
のトルク検出出力特性を示すグラフ、第４図、は機械構
造用クロムモリブデン鋼（Ｓ　０Ｍ４２０）を素材とし
た被測定軸を用いたトルク検出？を置の被測定軸表面硬
さとヒステリシスとの関係を調べた結果を例示するグラ
フ、第５図は機械構造用炭素鋼（３４０Ｃ）を素材とし
た被測定軸を用いたトルク検出装置の被測定軸表面硬さ
とヒステリシスとの関係を調べた結果を例示するグラフ
である。 １・・・トルク検出装置、 ２・・・被測定軸。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定軸と、前記被測定軸を磁路の一部とする磁
   気回路を形成する励磁手段と、前記被測定軸を通る磁歪
   成分を検出する検出手段を備えたトルク検出装置におい
   て、磁性体である鉄鋼材料を素材とすると共に表面硬化
   処理を施した被測定軸を用いたことを特徴とするトルク
   検出装置。
2. （２）表面硬化処理は、浸炭，浸炭窒化，窒化，高周波
   焼入れなどの熱処理加工と、ショットピーニング，冷間
   圧延，冷間鍛伸などの機械加工の少なくともいずれかに
   よるものであり、被測定軸の表面硬さがＨｖ６００以上
   、硬さＨｖ５５０以上の有効硬化層深さが０．２ｍｍ以
   上であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に
   記載のトルク検出装置。