JPH03269229A - 磁歪式トルクセンサ軸 - 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 本発明は磁歪式トルクセンサ軸に関する。

従来の技術 磁気異方性部を有するトルクセンサ軸を利用した磁歪式
トルクセンサとして、特許第１６９３２６号のような溝
方式のセンサが従来から知られている。

このような磁歪式トルクセンサでは、トルクセンサ軸に
トルクが加わると、そのトルクに応じて磁気異方性部の
透磁率が変化するため、検出コイルや磁気ヘッドなどを
用いてこの透磁率の変化を検出することで、加えられた
トルクの大きさを求めることが可能である。

発明か解決しようとする課題 しかし、従来の磁歪式トルクセンサ軸では、軸引張り強
度が６０〜１００ｋｇｆ／　ｌ１１ｍ　２程度の軸（Ｊ
ＩＳの３０Ｍ材、ＳＮＣＭ材など）を使用しており、軸
剪断応力約２０ｋＯｆ／ｎ＋ｍ２程度以上のトルクが印
加されると、磁束の通過する軸材最外表面層（スキンデ
プス）の結晶の中で最も強度的に弱い結晶から塑性変形
を受け、またはミクロ的クラックが発生するという問題
点があった。なお、上記「スキンデプス」について説明
すると、特にここで問題にしている磁歪式トルクセンサ
は１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数で励磁されるのが
一般的であり、このため磁束は軸の最外表面層しか通過
しない。この領域を通常スキンデプス領域と呼んでおり
、その深さは約０．１ｍｍ以下である。そして、上記事
態が生じると、軸数外表面層の残留応力が再分布してセ
ンサ出力の零点が変化したり、しステリシスの増大やセ
ンサ感度の低下が生じたりするなど、センサにとって望
ましくない悪影響がもたらされるという問題点があった
。

このような問題点に対し、センサのヒステリシス低減を
目的としたものであるが、結果的にはセンサの過負荷対
策として有効と思われる特許出願がある。特願昭６３−
８１９９３号がそれで、軸に浸炭処理を行って表面層−
層の高度を上げることによりヒステリシス特性を改善す
ることを目的としているが、結果として副次的にセンサ
のダイナミックレンジの向上も図られることになると思
われる。

しかしこれでは実際上十分でなく、また浸炭だけで強度
を持なぜると、浸炭層最表面もしくは浸炭層直下の母材
が過大負荷によりミクロ的塑性変形やミクロ的クラック
を起こし、その結果ミクロ的塑性変形を起こした部分お
よび／またはミクロ的クラックを起こした部分の残留応
力か再分布し、瞬時にもしくは経時的にセンサ軸の最外
表面層の残留応力分布か変化し、この残留応力分布の変
化が軸材料の当該部分の透磁率変化を生じセンサの零点
を変化させる。また上記塑性変形および／４なはクラッ
クが大きい場合には、ヒステリシス特性の悪化、ダイナ
ミックレンジの低下、疲労強度の低下をもたらずという
問題点がある。

また通常、工業的に利用可能な浸炭熱処理では、軸材料
を決めると金属最外表面に固溶できるカーボン％は一定
で限度があるため、浸炭プロセスだけではセンサに最も
必要な最外表面層のスキンデプス部の強度を浸炭プロセ
スで決まる一定値以上になし得ない。特に最外表面層に
固溶できるカーボン％を上げようとすると浸炭温度を上
げなければならず、この場合結晶粒度が大きくなるなど
の不都合が生じて逆に強度低下をきたすという問題か発
生ずる。

そこで本発明はこのような問題点を解決し、十分な強度
を有し、ダイナミックレンジの改善を図ることのできる
磁歪式トルクセンサ軸を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するため本発明は、軸中心側から軸表面
側に向けて次第に強度が大きくなるように構成し、かつ
少なくとも軸の最外表面部分における概略スキンデプス
に相当する深さの部分の強度を特に向上させたものであ
る。

また本発明は、軸中心側から軸表面側に向けて段階的に
強度か大きくなる多層Ｗ４造を有する構成としたもので
ある。

スキンデプスに相当する最外表面部の強化層は、ショッ
トピーニング、サーフエースローリング、バニッシング
など、機械的に加工することで得られる加工硬化層によ
る強化層であってもよいし、またレーザまたは高周波誘
導で急速加熱、急速冷却することで得られる結晶微細化
手段による強化層であってもよいし、さらには通常の高
周波焼入などの焼入熱処理による強化層であってもよい
。

３層以上の強化層を得るためには、材料強化過程の異な
る複数の材料強化過程、ずなわち熱処理手段による材料
強化過程とショットピーニングなどの機械的手段による
材料強化過程とを複合することが必要である。本発明の
中心技術はかかる材料強化過程の異なる複数の処理を採
用することにより３層以−にの強化層を待つ磁歪式トル
クセンサ軸を提供することにある。

作用 このような構成によれば、強度の向上した！・ルクセン
サ軸が得られ、特にスキンデプスに対応する部分の強度
が大幅に向」二することで、大きな軸剪断応力が加わっ
ても概略磁束の通過するスキンデプス領域の軸材料結晶
にミクロ的塑性変形やミクロ的クラックが生じることが
防止され、組織の健全性が保たれるため、零点変化やし
ステリシスの増大や感度の低下が少なく、ダイナミック
レンジが改善された磁歪式トルクセンサが得られる。

実施例 実施例１ 第１図は、ソレノイドコイル方式のトルクセンサに用い
られる磁歪式トルクセンサ軸の要部を示ず。磁気異方性
部として、軸の表面にはナーリング部１が形成されてい
る。この軸には、軸の表面側から中心部に向けて順に、
第１の強化層２、第２の強化層３および第３の層４か形
成されている。

第１の強化層２は、概略スキンデプスに相当する深さ、
すなわち軸表面から概略０．０１〜０．１州程度の深さ
まで形成され、他の２層に比べ最も強度が高くなるよう
に形成されている。

第２の強化層３は、第１の強化層２の直下部分において
、軸表面から概略２．０州程度の深さまで形成されてい
る。そして、この第２の強化層３は、軸を強化するのに
十分な強度に設定されている。

第３の層４は、第２の強化層３よりも軸の中心側におい
て、充分な靭性を備えるように形成された母材にて構成
されている。

第２図および第３図は、磁気ヘッド方式のトルクセンサ
に用いられる磁歪式トルクセンサ軸の横断面構造および
その一部分の縦断面構造を示す。

第１図の場合と同様に、第１の強化層２と、第２の強化
層３と、所要の靭性を得るための第３の層０ ４とを有した三層構造となるようにされている。

第４図は、各層における強度分布の例を示す。

このような構成によれば、第１の強化層２および第２の
強化層３では、強度が高いことから大きな応力に耐える
ことが可能となる。ずなわち、トルクセンサ軸にトルク
が印加されると、それに応じて最外表面部に最大応力が
加わるが、最も強度の高い第１の強化層２がこの最大応
力に耐える。

そして、次に強度の高い第２の強化層３が、最外表面部
の直下における２番目に大きな応力に耐え、かつ靭性を
持たせた軸中央部の第３の層４によって、軸全体の強度
か与えられ、軸の健全性が保証される。この結果、磁性
式トルクセンサ軸に大きな軸剪断応力が加わっても、軸
材料の結晶にミクロ的塑性変形やミクロ的クラックか生
じることが防止される。したがって、零点変化やしステ
リシスの増大や感度の低下が少なく、ダイナミックレン
ジが改善されたトルクセンサが得られることになる。

実施例２ １ 第５図は第１図と同じように磁歪式トルクセンサ軸の要
部を示す。磁気異方性部として、軸の表面にはナーリン
グ部１が形成されている。この軸には、軸の表面側から
中心部に向けて順に、第１の強化層１１、第２の強化層
１２、第３の強化層１３および靭性を有しな第４の層１
４（母材）が形成され、４層構造となるようにされてい
る。

第１の強化層１１は、実施例１と同様に概略スキンデプ
スに相当する深さまで強化され、他の３層に比べ最も強
度か高くなるように形成されている。

第２の強化層１２は、軸表面から１〜２＋ｎｍ程度の深
さまで形成することができる。そしてこの第２の強化層
１２は、第３の強化層１３、第４の層１４よりも高強度
に形成されており、これよりも軸中心側の部分に過大１
〜ルクによりミクロ的塑性変形および／またはミクロ的
クラックが発生しても、第１の強化層１１に影響を与え
ないよう十分な厚みと強度を持つように設定されている
。第３の強化層１３は軸表面から２〜３Ｉｎｍ程度の深
さまで形成することができる。この第３の強化層１３は
靭性を有した第２ ４の層よりも高強度に形成されており、センサ軸に過大
トルクが印加されたとしても、この第３の強化層１３お
よび第４の層１４の軸中心側にミクロ的塑性変形および
／またはミクロ的クラックが発生しても、最外表面層を
なす第１の強化層に重大な影響を与えないように設定さ
れている。

第６図および第７図は磁気ヘッド方式のトルクセンサに
用いられるトルクセンサ軸の横断面ｓ造およびその一部
分の縦断面ｖＪ造を示す。第５図の場合と同様に第１の
強化層１１、第２の強化層１２、第３の強化層１３およ
び靭性を有した第４の層１４を備えた４層構造となるよ
うにされている。第８図は各層における強度分布の例を
示す。

次に、これらの多層強化構造が過負荷に対してどのよう
に作用するかを、本実施例２の場合を例にとって説明す
る。

第９図に、本実論例２にもとづくトルクセンサ軸の強度
分布と、浸炭焼入のみによる強化軸（従来例）の強度分
布と、実際のトルク印加時の負荷応力分布とを示す。こ
こで分布Ａ　Ｉ３　ＣＤ　Ｅは本実　３ 雄側２にもとづくトルクセンサ軸の強度分布を、また一
部破線のＣ′ＣＤＥは従来の浸炭焼入のみによる強化方
法によるトルクセンサ軸の強度分布を示している。

通常、センサの定格トルク負荷時の負荷応力線図は、強
度分布に比べて充分低い負荷レベル１ずなわちＯＴｌに
設定される。ただし０点を軸中心とする。このとき浸炭
焼入のみによる強化軸の場合は、負荷レベル２すなわち
ＯＴ２がＣ′と交わる点、つまり最外表面層で、ミクロ
的塑性変形および／またはミクロ的クラックか発生ずる
と考えてよい。すると、センサ軸の最外表面層の残留応
力が変化するので、直ちにセンサの零点電圧が変化した
りしステリシス特性を悪化させたりしてセンサに悪影響
を与える。

一方、本実施例２の場合には、さらに強い負荷を与えて
負荷レベル３ずなわちＯＴ３になってはじめてＣ点近傍
でミクロ的塑性変形および／またはミクロ的クラックが
発生ずる。しかしセンサの特性に直接関係するスキンデ
プス領域ＡＢ間まで４ の間には強化層Ｂｅがあるため、またＡＢ間は最も強化
された第１の強化層１１であるため、Ｃ点近傍のミクロ
的塑性変形および／またはミクロ的クラックの影響は直
接スキンデプス領域ＡＢに及ばない。よってセンサ特性
の健全性は保証されることとなる。

次に第１０図の強度分布の場合を説明する。この場合の
強度分布、負荷応力線図の意味は第９図の場合と同じで
ある。ここで浸炭焼入れのみによる強化軸の場合（強度
分布Ｃ′ＣＤＦ、）は、負荷レベル２すなわち作用応力
線図ＯＴ２においてＤ点近傍でミクロ的塑性変形および
／またはミクロ的クラックが発生し、その影響は短時間
のうちに最外表面層の残留応力分布を変化させ、センサ
特性（零点電圧、しステリシス特性）を変化させること
が予想される。しかし、本実施例２による強化方法の場
合は、強度分布ＡＢＣＤＥが得られ、Ｄ点近傍でミクロ
的塑性変形および／またはミクロ的クラックが発生して
も、センサ特性に直接関係するスキンデプス領域Ａ３間
までには強化層Ｂｅ５ があるため、またＡＢ間は最も強化された層であるため
、影響かほとんど及ばない。

具体例 次に、上記実施例１および実施例２にもとづく具体例を
説明する。

具体例１ 実施例１の具体例である。

ニッケルクロムモリブデン＠（ＪｌｓのＳＮＣＭ　８１
５）を浸炭焼入焼戻しにより表面層を深さ１．０〜２．
０ｍｍまで浸炭強化した後、高周波焼入焼戻しにより最
外表面層を深さ０．２〜０．５ｍｍまでさらに強化した
。

この具体例１は、最外表面部の第１の強化層を浸炭層の
残留オーステナイトを高周波焼入焼戻しにより強化する
ことにより浸炭層を再強化し、第２の強化層を浸炭焼入
れにより強化し、中心部に第３の層としての靭性部を持
たせた３層構造を有する。そしてその強度分布を第４図
のようにすることにより、過負荷特性を向上させている
。

具体例２ ６ 本例も実施例１の具体例である。

ニッケルクロムモリブデン鋼（ＪＩＳのＳＮＣＭ　８１
５）を浸炭焼入焼戻しにより表面層を深さ１．０〜２．
０＋ｕ＋まで浸炭強化した後、ショットピーニングによ
り最外表面層を深さ０．２〜０．５關までさらに強化し
な。

特にこの場合、ショットピーニング処理により、軸体の
表層、特にスキンデプス領域が圧縮緻密化および結晶微
細化されるとともに加工硬化により硬質化され、その疲
労強度や結晶粒界のすべり抵抗が高められること及びシ
ョット圧孔周りの環状安定残留応力の分布により磁化過
程が主として磁化回転となることから、トルク検出特性
のヒステリシスが低減されるメリットももたらす。この
点は、特願平１−４２５４４号にも記載されている通り
である。

すなわちこの具体例２は、最外表面部の第１の強化層を
ショットピーニングにより強化し、第２の強化層を浸炭
焼入焼戻しにより強化し、中心部に第３の層としての靭
性部を持つ３層構造を有す　７ る。そして、その強度分布を第４図のようにすることに
より、過負荷特性を向上させるとともに、最外表面層を
ショットピーニングによる強化層としているためにしス
テリシス特性もきわめて向上したものとなっている。

具体例３ 実施例２の具体例である。

ニッケルクロムモリブデン鋼（ＪＩＳのＳＮＣＭ　８１
５）に浸炭焼入焼戻しにより表面層を深さ１．０〜２．
０ｍｍまで浸炭強化した後、高周波焼入焼戻しにより、
さらに表面層を深さ０．２〜０．５關までさらに強化し
、しかる後にショットピーニングを施して最外表面層す
なわち概略スキンデプス領域を一層強化した。

この具体例３は、最外表面部の第１の強化層を浸炭後の
高周波焼入により浸炭層残留オーステナイトを高周波焼
入により再強化した後にショットピーニングにより最も
強化し、第２の強化層を浸炭層の高周波焼入により第１
の強化層に次いだ強化層とし、さらに第３の強化層を浸
炭層とし、か８ つ軸中心部に靭性の高い第４の層を持つ４層４１１造の
例である。この場合、強度分布は第８図のようになって
いる。かかる構造により、過負荷耐力が大幅に向上する
。

次にこれらの具体例の過負荷特性（ダイナミックレンジ
）を第１１図に示し、そのヒステリシス特性を第１２図
に示す。第１１図をみると、従来の浸炭強化軸（２層構
造）に比べ、具体例１（３層構造）具体例２（３層構造
）、具体例３（４層構造）とも、過負荷特性に優れてい
ることがわかる。

第１２図は、トルク印加時の軸表面平均負荷応力（σ＝
１６Ｔ／πｌ）３　）が１０ｋＱｆ　／聞２のときのセ
ンサのヒステリシスの大きさをグラフ化したものである
。この第１２図によると、ヒステリシス特性の面からみ
ても、従来の浸炭強化軸（２層構造）に比べ具体例１（
３層構造）、具体例２（３層構造）、具体例３（４層構
造）の方が優れていることがわかる。

このように具体例１．２の３層構造によれば、従来の浸
炭焼入だけによる２層構造の場合に比べ、９ ヒステリシス特性を大幅に改善することが可能になって
いる。また具体例３の４層構造によれば、具体例１で得
られた良好なしステリシス特性に加えて最外表面層をさ
らにショットピーニング処理しているため、きわめて良
好なヒスブリシス特・訃か得られ、トルクセンサとして
著しく価値ある技術を提供することができる。

以上、強化方法について、浸炭熱処理法、高周波熱処理
法、ショットピーニング強化法の組合せで説明したが、
本実繕例の３層′！ｐＪＫｉ、４層ｍ造あるいはそれ以
上の多層構造の製造方法は、いずれもこれらの強化方法
に限定されるものではない。

たとえば、最外層のサーフエースローリング、バニッシ
ング、ホーニングなどの加工硬化を利用する機械的強化
法、レーザまなは高周波による急速加熱、急速冷却によ
り結晶を微細化し強度向上をはかる方法、およびＡ３変
態点直上、直下で加熱冷却を繰り返し結晶を微細化する
方法のように結晶微細化により強度を向上させる方法、
窒素などのイオンを最外表面層に注入することにより強
化０ する方法、クロム、ホウ素を表面拡散させて強化する方
法、および／または浸炭以外の窒化など他の熱処理法に
より強化する方法などの組み合せにより、本実施例の３
層ｍ造、４層構造あるいはそれ以上の多層構造を実現す
ることか可能である。

実施例３ 」二連の実施例１および２は、具体例１〜３をも含めて
、すべて材料の表層部を強化した肌焼き鋼を対象として
いる。しかし、磁歪式トルクセンサ軸に使用可能な機械
構造用鋼として、析出硬化により材料全体を強化するも
のを利用することもできる。析出硬化によって強化しう
る材料としては、析出硬化型強靭鋼、マルエージング鋼
、析出硬化型マルテンサイト系およびフェライト系ステ
ンレス鋼などがある。この場合は、第１３図に示される
ような２層構造や、第１４図に示されるような３層構造
などを採用することができる。両国において、２１は析
出硬化層、２２は表面強化層、２３は第１の強化層そし
て２４は第２の強化層である。

発明の効果 １ 以上述べたように本発明によると、トルク印加時に最大
応力が作用する軸の最外表面部分における概略スキンデ
プスに相当する深さの部分の強度を特に向上させ、かつ
この最外表面部分よりも内側の部分も軸中心側から軸表
面側に向かって次第に強度が大きくなるように構成した
ため、大きなトルクか加わっても、軸材料にミクロ的塑
性変形やミクロ的クラックが生じることを防止できて、
零点変化やヒステリシスの増大や感度変化の低下などを
少なくすることができ、このためダイナミックレンジが
改善された磁歪式トルクセンサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の磁歪式トルクセンサ軸
であってソレノイドコイル方式トルクセンサに用いられ
るものの一部切欠斜視図、第２図および第３図は同第１
の実施例のトルクセンサ軸であって磁気ヘッド方式トル
クセンサに用いられるものの横断面図および一部分の縦
断面図、第４図は同第１の実施例の）・ルクセンサ軸の
強度分布２ の−例を示す図、第５図は本発明の第２の実施例の磁歪
式トルクセンサ軸であってソレノイドコイル方式トルク
センサに用いられるものの一部切欠斜視図、第６図およ
び第７図は同第２の実態例のトルクセンサ軸であって磁
気ヘッド方式トルクセンサに用いられるものの横断面図
および一部分の縦断面図、第８図は同第２の実施例のト
ルクセンサ軸の強度分布の一例を示ず図、第９図および
第１０図は同第２の実態例のトルクセンサ軸の強度分布
と負荷応力分布とを示す図、第１１図および第１２図は
第１および第２の実施例のトルクセンサ軸の過負荷特性
およびしステリシス特性を示す図、第１３図および第１
４図は本発明の第３の実線例の磁歪式トルクセンサ軸の
横断面図である。 ２、１１．２３・・・第１の強化層、３．１２．２４・
・・第２の強化層、４・・・第３の層、１３・・・第３
の強化層、１４・・・第４の層、２１・・・析出強化層
、２２・・・表面強化層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸中心側から軸表面側に向けて次第に強度が大きく
   なるように構成し、かつ少なくとも軸の最外表面部分に
   おける概略スキンデプスに相当する深さの部分の強度を
   特に向上させたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ軸
   。 ２、軸中心側から軸表面側に向けて段階的に強度が大き
   くなる多層構造を有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。 ３、異なった材料強化過程からなる複数の処理工程によ
   り形成されていることを特徴とする請求項２記載の磁歪
   式トルクセンサ軸。 ４、異なつた材料強化過程からなる複数の熱処理工程に
   より形成されてい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。 ５、単数または複数の熱処理工程と、ショットピーニン
   グなどの単数または複数の機械的工程との複合工程によ
   り形成されてい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。 ６、最外表面部分における概略スキンデプスに相当する
   深さにおいて、最も強度が高くなるように形成された第
   １の強化層と、この第１の強化層の直下部分において、
   軸強度を強化するのに十分な強度となるように形成され
   た第２の強化層と、この第２の強化層よりも軸の中心側
   において、十分な靭性を備えるように形成された第３の
   層とを有することを特徴とする請求項２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。 ７、第２の強化層が浸炭層であるるとともに、第１の強
   化層が浸炭による強化層をショットピーニングによりさ
   らに強化させた層であることを特徴とする請求項６記載
   の磁歪式トルクセンサ軸。 ８、第２の強化層が浸炭層であるとともに、第１の強化
   層が浸炭による強化層を高周波焼入焼戻しによりさらに
   強化させた層であることを特徴とする請求項６記載の磁
   歪式トルクセンサ軸。 ９、最外表面部分における概略スキンデプスに相当する
   深さにおいて、最も強度が高くなるように形成された第
   １の強化層と、この第１の強化層の直下部分において、
   この第１の強化層を保護するのに十分な強度となるよう
   に形成された第２の強化層と、この第２の強化層の直下
   部分において軸強度を強化するのに十分な強度となるよ
   うに形成された第３の強化層と、この第３の強化層より
   も軸の中心側において、十分な靭性を備えるように形成
   された第４の層とを有することを特徴とする請求項２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。 １０、第３の強化層が浸炭層であるとともに、第２の強
   化層が浸炭による強化層を高周波焼入焼戻しによりさら
   に強化させた層であり、かつ第１の強化層が、浸炭によ
   る強化層を高周波焼入焼戻しによりさらに強化させた後
   にショットピーニングにより三たび強化させた層である
   ことを特徴とする請求項９記載の磁歪式トルクセンサ軸
   。 １１、析出強化層を有することを特徴とする請求項２、
   ３、４、５、６、９のうちいずれか１項記載の磁歪式ト
   ルクセンサ軸。 １２、ソレノイドコイル方式トルクセンサを構成するこ
   とを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項記
   載の磁歪式トルクセンサ軸。 １３、磁気ヘッド方式トルクセンサを構成することを特
   徴とする請求項１から１１までのいずれか１項記載の磁
   歪式トルクセンサ軸。