JPH0298639A - 磁歪式トルクセンサ用回転軸の調質処理方法 - 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、回転軸に印加されるトルクを、その軸表面に
生じる透磁率の変化として非接触検出する磁歪式トルク
センサにおける回転軸の［処理方法に関する。

〔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、軸表
面に交番磁界を印加し、回転軸にトルクが加わることに
より軸表面に生し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
。

その磁歪式トルクセンサには、励磁・検出手段として、
開磁路型鉄心であるＵ字状鉄心を有する巻線（磁気ヘッ
ド）を軸近傍に設置し、トルク印加により軸表面に生じ
る主応力方向（軸方向に対し±４５°方向）の透磁率の
変化を検出するようにしたもの、または回転軸の表面に
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
性を付与しておき、これに近接して励磁用ソレノイドコ
イル（励磁巻線）と、透磁率変化を検出するソレノイド
コイル（検出巻線）を配置し、トルク印加により生じる
軸方向の透磁率変化を検出するようにしたもの等が知ら
れている。

なお、後者のトルク検出センサにおける回転軸表面の磁
気異方性の導入方法としては、例えばレーザ焼入れ法に
より軸方向に対し傾斜する方向の帯状焼入れ部を形成し
て残留応力を生じさせ、その応力効果として軸表面に磁
気異方性（応力磁気異方性）を付与する方法、あるいは
軸表面にローレフト加工や転造加工法等により複数条の
互いに平行な螺旋溝を刻設し、その形状効果として軸表
面に磁気異方性（形状磁気異方性）をもたせる方法等が
知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の磁歪式トルクセンサにおいて、高精度のトルク検
出を可能とするためには、その軸表面が磁気的に均質で
あって、かつ大きな磁気歪み定数を有していることが必
要であるが、−船釣な軸材料である炭素鋼やクロム・モ
リブデン鋼等の磁気歪み定数（λＳ）は、例えば１〜ｉ
ｏ　ｘ　ｉｏ−’程度と低く、しかもその材料特性につ
いては専ら機械的性質に注意が払われ、磁気的性質につ
いての考慮は殆んどなされていないのが実情である。ま
た、回転軸の耐疲労性等の材料特性改善のための調質処
理として浸炭焼入れ処理が行われているが、その浸炭処
理後の焼入れは、通常水焼入れ等の連続冷却熱処理であ
り、その焼入れ組織は、マルテンサイト地（これは磁性
体である）に、残留オーステナイト（非磁性体である）
が比較的多量に混在しているため、磁気的性質の均一性
に乏しい。しかも、その非磁性体であるオーステナイト
相は、環境温度の上昇や軸に加わる繰返し作用応力の影
響をうけてマルテンサイト相へ漸次変態していく。その
変態は非磁性相から磁性相への変化、および体積膨張に
よる残留応力分布の変化を伴うためトルク検出感度や検
出々力の零点変動等、トルク検出特性の経年変化をさけ
ることができない。

本発明は、磁歪式トルクセンサにおける上記問題点を解
決することを目的としてなされたものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明は、回
転軸の表面に励磁々界を印加し、その回転軸にトルクが
加わることにより生じる軸表面の透磁率の変化を電気量
として非接触検出する磁歪式トルクセンサにおける該回
転軸の調質処理方法において、 該回転軸は、少くともその表層がニッケル含有合金鋼か
らなり、その軸表層に浸炭処理を施した後、焼入れ処理
として、オーステンバ処理、マルテンパ処理、または連
続冷却焼入れ処理とサブゼロ処理を施すことを特徴とし
ている。

以下、本発明について詳しく説明する。

励磁々界の磁路の一部となる回転軸の少なくとも表層を
なすニッケル含有合金鋼は、代表的にはＪＩＳ　Ｇ　４
１０３のニッケル・クロム・モリブデン合金鋼（ＳＮＣ
Ｍ　４１５．　ＳＮＣＭ　４２０．５ＮＣ１ｉ　６２０
．５Ｎ（Ｊ　８１５等）であり、これらの合金鋼はニッ
ケル含有効果として、他の軸材（例えば炭素鋼、クロム
・モリブデン鋼等）に比し、高い磁気歪み定数（例えば
、ＳＮＣＭ８１５のλＳ：約１５ＰＰＭ）を有している
。

軸材の浸炭焼入れ処理における浸炭処理は、所定の軸形
状に機械加工された回転軸を、適当な温度（おおむね、
８００〜９５０°Ｃ）で固体浸炭剤（木炭と炭酸バリウ
ムの混合物等）、液体浸炭剤（骨化カリ溶液等）、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される。その浸
炭による表面の炭素増加量は例えば０．２〜１．０％で
あり、浸炭深さは約ｌｔｍ前後であってよい。

本発明において上記浸炭処理後の焼入れ処理として、オ
ーステンバ処理、もしくはマルテンパ処理等の恒温変態
処理（熱浴焼入れ）を行うか、または水焼入れ等の通常
の連続冷却による焼入れとそれにつづくサブゼロ処理も
しくは焼もどし処理を行うこととしたのは、軸表面に磁
気的な均質性を有する金属組織をもたせるためである。

オーステンバ処理、すなわち被処理材（回転軸）を焼入
れ温度に加熱し、これをＭｓ点（マルテンサイト変態開
始温度）より高い一定温度に保持された塩浴ないし溶融
金属浴等の熱浴（通常、約２００〜６００’Ｃ）に浸漬
保持してオーステナイトからベイナイトへの恒温変態を
行わせ、変態完了後、水冷ないし空冷を行うことにより
、均質なペイナイト組織が与えられる。また、マルテン
パ処理、すなわちＭｓ点〜Ｍｆ点（マルテンサイト変態
終了温度）の間の一定温度に保持された熱浴を焼入れ媒
体とし、これに焼入れ温度に加熱された軸体を浸漬保持
して、オーステナイトからマルテンサイトへの恒温変態
を行わせ、変態完了後、空冷することにより、均質なマ
ルテンサイト組織が形成される。

上記の熱浴による恒温熱処理に代え、空冷、水焼入れ、
油焼入れ等の連続冷却によるオーステナイトからマルテ
ンサイトへの変態を行わせる場合には、その焼入れ処理
後、直ちに液体窒素やドライアイス等の冷媒に浸漬して
零下温度（例えば、−５０〜−１６３°Ｃ）に保持する
サブゼロ処理、またはＡＩ変態点以下の適当な温度に適
当時間保持する焼もどし処理を施すことにより、マルテ
ンサイト地に混在する非磁性相である残留オーステナイ
トをマルテンサイトに相変態させ、その残留量を可及的
に少くする。

本発明の調質処理が施される回転軸に磁気異方性の導入
を必要とする場合は、その磁気異方性の導入形式に応じ
て、前記浸炭焼入れ処理の前または後に磁気異方性を導
入するための加工または処理が行われる。次にその具体
例について説明する。

なお、説明の便宜上、軸表面の磁気異方性を付与しよう
とするｆｉＩ域、または付与した頭載を磁歪部と称する
こともある。

まず、応力効果としての磁気異方性を軸表面に導入しよ
うとする場合には、例えば第１図に示すように、軸（１
ン表面に、軸方向に対し傾斜する向きの互いに平行な複
数の浸炭防止マスキング（銅めっき、浸炭防止塗剤の塗
膜）（ａ）を帯状に設けたうえ、その軸体を浸炭焼入れ
処理する方法が用いられる。その浸炭焼入れ処理により
、磁歪部（２）には、帯状マスキング部（ａ）とその帯
状マスキング部間土間の非マスキング部（ｂ）とに浸炭
の有無による炭素濃度の高低差が生じ、その炭素濃度の
濃淡縞模様により生じる残留応力の効果として、軸方向
に対し傾斜する向きを磁化容易軸とする応力磁気異方性
が付与される。

また、別法として、軸表面の磁歪部（２）に浸炭防止マ
スキングを施して浸炭焼入れ処理を行った後、その磁歪
部（２）にレーザ加熱により、第２図に示すように軸方
向に対し傾斜する複数条のレーザ加熱部（ｃ）を帯状に
形成することにより応力を住じさせ、その応力効果とし
ての磁気異方性を付与することもできる。

他方、軸表面に複数条の互いに平行な螺旋溝を刻設し、
その形状効果としての磁気異方性を付与する場合は、ロ
ーレント加工や転造法等の公知の溝加工法により、第３
図に示すように螺旋溝（ｄ）を形成したのち、浸炭焼入
れを行えばよい。その場合の浸炭焼入れに際して、螺旋
溝（ｄ）である帯状谷部の表面にのみ選択的に浸炭防止
マスキング（例えば、銅めっき、浸炭防止塗剤の塗膜）
を施して浸炭焼入れを行うこととすれば、螺旋溝（ｄ）
の帯状谷部の表面と、その螺旋溝同土間の帯状山部（ｅ
）表面とに浸炭の有無による炭素濃度の濃淡の差が生じ
、その炭素濃度の帯状縞模様により住じる応力効果とし
て磁気異方性（応力磁気異方性）が誘導される。すなわ
ち、この場合の磁歪部（２）には螺旋溝による形状磁気
異方性と炭素濃度の濃淡による応力磁気異方性とが重畳
した磁気異方性が付与される。この螺旋溝（ｄ）の形成
と浸炭焼入れ処理との順序は逆にすることも可能であり
、例えば形成しようとする螺旋溝の形状パターン（溝幅
、傾斜角度等）に一致させて軸表面に帯状の浸炭防止マ
スキングを施しておき、浸炭焼入れ処理の後、そのマス
キング部分に螺旋溝（ｄ）を形成することにより、上記
と同じように形状磁気異方性と応力磁気異方性とが重畳
した磁歪部を形成することができる。

なお、上記第１図〜第３図はいずれも、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トルクセンサを構成する
例であり、従って２つの磁歪部（２）と（２）のそれぞ
れの磁化容易軸は、軸方向に対する傾斜角度が同一で、
互いに逆の向きに与えられる。

本発明の調質処理が施された回転軸に配置される励磁・
検出回路は公知のそれと同じ構成であってよい。第４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）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
導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つの磁歪部（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ｗＡ（６）に生じる誘起電
圧とは互いに打ち消し合い、出力は現れない。

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ので、一方の磁歪部の透磁
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。その差が同期整流器（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［・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。

（作用〕 本発明の調質処理が施された回転軸は、従来の回転軸の
一般的な調質処理を経たものと異なって、残留オーステ
ナイト量が少なく、組織的並びに磁気的均質性が高いの
で、回転軸の磁気特性の経時変化が少ない。また、軸の
少なくとも表層がニンケル含有合金鋼からなるので、高
い磁気歪み定数を有している。従って、トルク検出感度
が高く、残留オーステナイトの相変態に伴う磁気特性の
変化とそれに伴う出力変動も極めて少ない。

〔実施例〕

（１）回転軸の調質処理 ニッケル・クロム・モリブデン鋼からなる軸材の表面の
隣り合う２個所に、第１図に示すように、軸方向に対し
傾斜する方向の互いに平行な複数条の帯状銅めっき（ａ
）を浸炭防止マスキングとして形成したのち、浸炭焼入
れ処理を行った。

（ａ）軸材 ＳＮＣＭ　８１５　（Ｃ：　０．１３％、Ｓｉ：０．１
８％、Ｍｎ：０．４５％、Ｎｉ：４．４％、Ｃｒ　：０
．８９％、Ｍｏ：０．３１％、残部Ｆｅ） （ｂ）帯状銅めっきのマスキングパターン傾斜角度：４
５°　−４，５’ 帯幅：１．Ｏｎ＋ｍ、帯長さ：１０ｍｍ、帯間隔：１．
Ｏｍｍ（Ｃ）浸炭処理（ガス浸炭） 浸炭剤：プロパンガス 処理温度・時間：　　９３０’ＣＸ　５　Ｈｒ浸炭部炭
素濃度：０．８％ （ｄ）焼入れ処理 浸炭処理後、９３０’Ｃから、浴温３５０°Ｃの恒温塩
浴中に浸漬するオーステナイト量を行い、変態完了後、
空冷。熱処理後の残留オーステナイト量は１％以下であ
った（Ｘ線回折による）。

〔■〕　トルクセンサの構成およびトルク検出試験上記
軸材を回転軸として第４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。

第５図は上記トルクセンサの使用開始当初の検出特性（
特性１）、および雰囲気温度１．００″Ｃで回転軸に正
逆両方向の定格トルクを１０７回反復印加した後の検出
特性（特性２）を示している。

実施例１ （１）回転軸の調質処理 ニッケル・クロム・モリブデン鋼からなる軸材の表面の
隣り合う２個所に、ローレット加工により、第３図に示
すように複数条の互いに平行な螺旋溝（ｄ）を形成し、
ついでその軸材を浸炭焼入れ処理に付した。

（ａ）軸材：実施例１と同じ （ｂ）螺旋溝刻設パターン 傾斜角度：４５°、−４５°、溝幅：１．０順、溝深さ
：０．５ｍｍ、溝長さ：　１０ｍｍ、溝ピッチ：２．Ｏ
ｍｍ（ｃ）浸炭処理（ガス浸炭） 実施例１と同じ Ｃｄ）焼入れ処理 浸炭処理後、８２５°Ｃに加熱して油焼入れし、焼入れ
後直ちに−６０〜−７０℃のドライアイス中に１゜５時
間保持するサブゼロ処理を行い、ついで１８０°Ｃ×２
時間の焼もどし処理を行った。処理後の組織には残留オ
ーステナイトは認められなかった（Ｘ線回折）。

〔■］　トルクセンサの構成およびトルク検出試験上記
軸材を回転軸として第４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、その使用開始当初
およびトルク印加反復（１０’回）後のトルク検出試験
を行った結果、実施例１と同じく第５図に示すトルク検
出特性を得た。

止較± 実施例２おいて、浸炭処理後の焼入れを、水焼入れ（焼
入れ後のサブゼロ処理なし）により行った点を除いて同
一条件の１ｉＪＷ処理を施した。その軸表層部オーステ
ナイト量は約５％であった（Ｘ線回折による）。この軸
材に上記と同じ励磁検出回路を設けてトルクセンサを構
成した。第６図にそのトルクセンサの使用開始当初（曲
線Ｉ）と、トルク印加反復（１０’回）後のトルク検出
特性（曲線２）を示す。

上記試験結果から明らかなように、比較例のトルクセン
サは、残留オーステナイトの存在によりトルク印加のく
り返しに伴って検出感度が大きく変化しているのに対し
、発明例のトルクセンサは、多数回のトルク印加が繰返
された後にも、感度変化や出力値の零点変動は極めて少
ない。

〔発明の効果］ 本発明の調質処理が施された回転軸はすぐれた磁歪効果
を有し、磁気特性が安定で、経年変化が少ないので、そ
の磁歪効果を利用したトルク検出において、長期に亘り
出力変動等の少ない高精度のトルク検出が保証される。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は回転軸表面の磁気異方性を説明する正
面図、第４図は磁歪式トルクセンサの励磁・検出回路の
例を示す図、第５図、第６図はトルク検出特性を示すグ
ラフである。 ｌ：回転軸、２：＠歪部、５：励磁巻線、６：検出巻線
。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転軸の表面に励磁々界を印加し、その回転軸にト
   ルクが加わることにより軸表面に生じる透磁率の変化を
   電気量として非接触検出する磁歪式トルクセンサの該回
   転軸の調質処理方法において、 該回転軸は、少くともその表層がニッケル含有合金鋼か
   らなり、その軸表層に浸炭処理を施した後、焼入れ処理
   として、オーステンパ処理、マルテンパ処理、または連
   続冷却焼入れ処理とサブゼロ処理もしくは焼もどし処理
   を施すことを特徴とする回転軸の調質処理方法。