JPH0450741A - 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、エンジン、電動機などによる回転動力を伝達
するための回転軸のトルクを非接触で測定するようにし
たトルクセンサに用いられるトルクセンサ軸に関する。

従来の技術 従来の非接触式トルクセンサとして、トルク伝達軸の表
面に機械加工溝やアモルファス磁性薄帯などからなる磁
気異方性部を形成し、トルク伝達時における磁気異方性
部の透磁率の変化を、トルク伝達軸の周囲に設けた検出
コイルにて検出するようなしたものが数多く知られてい
る。

第１２図はこのような従来のトルクセンサの一例を示す
ものである。ここで１はトルクセンサ軸で、この軸１を
介してトルクが伝達されるようになっている。トルクセ
ンサ軸１の表面には一対の磁気異方性部２，３が機械加
工溝などによって形成されており、これら磁気異方性部
２．３では、その磁気異方性の方向が軸心４に対し互い
に逆方向に傾斜して、それぞれ軸心４に対する傾斜角度
子〇。

−〇（以下“磁気異方性の傾斜角度”という。）を有す
るようにされている。各磁気異方性部２゜３の周囲には
励磁コイル５．６および検出コイル７．８がそれぞれ設
けられている。

磁気異方性の傾斜角度十θ、−θは、従来のほとんどの
公知文献、たとえば特許第１６９３２６号明細書や特開
昭６２−１８５１３６号公報などには、「±約４５度」
と記載されている。また、なかには特開昭６３−２５２
４８７号公報などのように「０〜９０度」と記載された
ものもあるが、その根拠を示して記述されたものでなく
、「±４５度」と書かれたものと意味上の差がない。し
たがって、従来のこの種のトルクセンサでは、磁気異方
性部２，３の磁気異方性の傾斜角度十〇、−〇は±４５
度とすることが定着していると理解することができる。

通常、軸１に第１３図に示すようなトルクＴが加えられ
ると、軸心４に対し±４５度の方向に引張および圧縮の
主応力９，１０が働く。したがって、従来のように磁気
異方性部２，３の磁気異方性の傾斜角度十〇、−〇を±
４５度に設定したものでは、トルクＴが加えられたとき
に働く主応力９，１０の方向が磁気異方性部２．３の磁
気異方性の方向と一致し、磁気異方性の方向の応力が最
大となるために、横比感度が最大の良好なトルクセンサ
を得ることができると考えられていた。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、通常この種のトルクセンサの軸に使用さ
れるＮｉ含有率１〜２０％の磁歪材料では、機械的強度
よりも磁性強度の方か弱い。

ここで「磁性強度」とは、応力−磁気効果（逆磁歪効果
）の飽和特性をいう。すなわち、たとえば特許第１６９
３２６号明細書に示されるような溝刃式のトルクセンサ
では、トルク印加時に溝底部に応力集中が起り、この応
力集中の大きさが溝底部の周辺に存在する（深さ方向に
存在するものをも含む）強度の最も弱い結晶の強度（約
４０〜５０ｋｇ１　／ｍｍ’）を超えたあたりから、セ
ンサ特性のヒステリシスが大きくなる。そこで、このセ
ンサ特性のヒステリシスが大きくなり始める応力の大き
さを磁性強度とよぶ。トルクセンサの軸に使用される磁
歪材料では、一般に印加トルクの大きさが磁性強度を超
えたときには機械的にはまだ弾性域にあり、かかる意味
で磁性強度は機械的強度よりも弱い。

このようなトルクセンサ軸にトルク負荷を０から徐々に
大きくなるように加えていくと、機械的強度よりもかな
り小さな応力でセンサのヒステリシス特性ならびに直線
性が悪化しはじめ、次いで非常に大きいヒステリシスを
生じ、いわば磁気特性の破壊を起こす。このように、機
械強度よりも磁性強度の方が弱い状況下においては、通
常使用されている各種の軸に新たにトルク検出部を設け
ようとすると、その軸のほとんどすべてを現状よりも太
くせざるを得なくなる。このため、経済性を大きく損う
ことになるという欠点がある。

そこで本発明はこのような問題点を解決し、経径を大き
くすることなしに磁気特性の破壊を起こりにくくするこ
とのできる高耐力の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、軸表面に磁気異方性
部を形成した非接触トルクセンサ用のセンサ軸において
、前記磁気異方性部の磁気異方性の方向が軸心となす角
の絶対値、即ち磁気異方性の傾斜角度を４０度以下とし
て、この角の絶対値が４５度である場合に比べ、前記磁
気異方性の方向における応力成分の低下を許容するよう
にしたものである。

また本発明は、特に、磁気異方性の方向が軸心となす角
の絶対値が１０度以上かつ３５度以下であるようにした
ものである。

作用 特許第１６９３２６号明細書に示されるような溝刃式ト
ルクセンサにおいて磁気異方性の傾斜角度が４５度より
も小さくなると、トルクによって軸に作用する主応力の
方向と磁気異方性の方向とが相違することになり、磁気
異方性の方向の応力成分が小さくなる。このためセンサ
感度は、磁気異方性の傾斜角度の絶対値が４５度の時に
最大感度を示し、それより角度の絶対値が太き（なって
も小さくなっても感度は低下する。即ち磁気異方性の方
向の応力成分が小さくなった分に逆比例して、磁性が飽
和する限度まで軸に加えることができるトルクの大きさ
を増大させることが可能になって、センサのダイナミッ
クレンジ（センサの直線性およびヒステリシス特性を保
証する応力範囲）が向上することになった。

このようなセンサ特性の改善は磁気異方性の傾斜角度が
１５度以上かつ３０度以下のときに特に顕著であった。

実施例 第１図において、トルクセンサ軸１に形成された磁気異
方性部２，３における磁気異方性の傾斜角度子〇、−〇
は、その絶対値が４０度以下、たとえば３０度や１５度
に形成されている。

このようなセンサ軸１にトルクを加えると、第２図に示
すように軸心４と４５度の角度に主応力１１が働く。こ
の主応力１１を磁気異方性の傾斜方向の応力成分１２と
、磁気異方性の傾斜方向に直角な方向の応力成分１３と
に分解すると、磁気異方性部３の磁気異方性の傾斜角度
子θが４５度よりも小さくなればなる程、応力成分１２
の大きさも小さくなる。

このため、磁気異方性部２．３の磁気異方性の方向の応
力の大きさにもとづくセンサ感度は、傾斜角度子〇、−
θの絶対値を小さくすることで低下する。

しかし、第２図に示すように磁気異方性部３の磁気異方
性の方向の応力成分１２が小さ（なるため、磁性が飽和
する限度まで軸１に加えることができるトルクの大きさ
を４５度の場合よりも増大させることができる。この結
果、トルクによる磁性の飽和点が向上することになり、
センサのダイナミックレンジが向上する。また反対に、
軸１に加わるトルクの大きさが所定値を越えない場合に
は、機械的強度を満たす範囲内で可能な限り軸１の径を
小さくすることができ、経済的な効果を得ることが可能
になる。

（実験例） 第４図は、同一材料（ＪＩＳのＳＮＣＭ８１５）で同一
直径の軸１に磁気異方性の方向が軸心４と±４５度、±
３０度、±１５度の傾斜角度子θ、−θをなす磁気異方
性部２，３を転進加工溝によって第３図に示すように同
一の幅Ｗ及び同一溝ピッチＰで形成して、トルク対検出
電圧の特性を測定した結果を示す。検出電圧は、雨検出
コイル７．８の検出信号の差によって求めた。図示のよ
うに、磁性飽和が起こるトルク負荷の大きさの相対値は
、磁気異方性の傾斜角度子θ、−〇が±４５度の場合を
１００％とすると、±３０度の場合は約２００％、±１
５度の場合は約３００％となった。

第４図に示すように、磁気異方性の傾斜角度＋θ、−θ
の絶対値を小さくすると、それにつれて同一トルク値に
おける検出電圧の値すなわち検出感度も、徐々に低下し
た。これは、第２図を用いて説明したのと同じ理由にも
とづく。第５図は磁気異方性の傾斜角度を変化させたと
きの感度の変化の様子を示すものである。ここで、軸材
は前述のＪＩＳのＳ　Ｎ　ＣＭｇＩ２を用い、これを転
造加工して磁気異方性部２．３を形成した後に浸炭処理
し、そしてさらに高周波焼入、焼戻しし、最後に軸表面
にショットピーニングを施している。

第５図において、実線は浸炭かっそれにひきつづき高周
波焼入、焼戻し後のショットピーニング前の軸に定格ト
ルクを付与したときの測定結果を示す。ここでは、磁気
異方性の傾斜角度子〇。

−θの絶対値が１５度、３０度、４５度、６０度および
７５度の場合について測定が行われた。第５図の破線は
、同−熱処理後のショットピーニング後の測定結果を示
す。図示のように、ショットピーニングを施すことによ
って検出感度が大幅に向上し、磁気異方性の傾斜角度の
絶対値が１５度程度のときでも十分実用に耐えることが
判明した。なお、７５度のときは、ショットピーニング
を施してもあまり感度の改善は見られなかった。ここで
、ショットピーニングにより感度が向上するのは、ショ
ットピーニングによりセンサーの磁気異方性部の残留応
力の分布が変化し、それによる磁気異方性部の磁気異方
性の大きさが変化し感度を向上させるためである。

なお、ショットピーニングを施してセンサ特性を改善す
ること自体は、本発明者が先に特開昭６２−３２１１８
１１２号や特願平１−４２５４４号などにおいて提案し
ており、本発明の目的とするところではないので、その
詳細な説明は省略する。

第６図は、軸に定格トルクを付与したときの検出出力の
ヒステリシスの絶対値を、検出値の定格出力に対する百
分率で表わしたものである。実線はショットピーニング
前のデータ、破線はショットピーニング後のデータであ
る。ショットピーニング前でも磁気異方性の傾斜角度子
〇、−〇の絶対値が１５〜３０度のときにヒステリシス
特性が比較的良好で、ショットピーニングを施すことに
よりヒステリシス特性の大幅な改善が見られた。

軸にトルクを付与したときの検ａａ力のヒステリシスに
は、実際には第８図に示すような時計方向のヒステリシ
スと、第９図に示すような反時計方向のヒステリシスと
が存在する。第６図ではヒステリシスの方向を度外視し
てその大きさだけに着目したが、第７図は、その方向を
も考慮に入れてプロットした結果を示す。この第７図の
データは、第６図におけるショットピーニング後のデー
タに対応するもので、磁気異方性の傾斜角度を小さくす
るにしたがい時計方向のヒステリシスが小さくなり、磁
気異方性の傾斜角度が１５度になったときには、反時計
方向のヒステリシスが生じている。

すなわち、３０度と１５度との間にヒステリシスか最小
となる角度Ａが存在する筈で、ヒステリシス特性を向上
させるためには、磁気異方性の傾斜角度の絶対値を１５
度〜３０度の範囲とするのが好ましいことが理解できる
。

一方、磁気異方性の傾斜角度の絶対値が４５度を超える
と、ヒステリシス特性は悪化する。特に磁気異方性の傾
斜角度子〇、−〇の絶対値が１５度〜３０度のときは磁
気異方性部２，３をショットピーニングすることにより
ヒステリシス特性が極めて改善されると共に、感度向上
効果によりショットピーニングをする前の最高感度を与
える磁気異方性の傾斜角度が４５度の時の感度と同等以
上の感度が得られる点でも好都合である。すなわちショ
ットピーニング前の磁気異方性の傾斜角度４５度のセン
サ特性に比較して、ショットピーニング後の磁気異方性
の傾斜角度１５〜３０度のセンサ特性は、ヒステリシス
特性が大幅に改善されるとともにセンサ感度も同等以上
の特性が得られる点で、産業上の利用価値は極めて大き
いものとなる。

第１０図は、定格トルク（センサー軸表面平均応力、約
１０ｋｇ１　／■２）および過大トルクを付与したとき
のヒステリシス特性を示す。磁気異方性の傾斜角度が７
５度の場合には、付与するトルクが大きくなるにつれヒ
ステリシス特性が大きく悪化している。反対に、磁気異
方性の傾斜角度が１５度のときには、大きなトルクを付
与してもヒステリシスはほとんど増大せず、きわめて良
好な過負荷特性が得られた。定格トルクを付与したとき
も１５度の方がヒステリシス特性が良好である点は、先
に説明した第６図および第７図の場合と同様である。

更に第１１図は検出出力の非直線につき、ショットピー
ニングの前とその後に関し測定した結果を示す。この場
合も、磁気異方性の傾斜角度が小さくなるにつれて良好
な特性が得られる傾向が生じた。

発明の効果 以上述べたように本発明によると、磁気異方性部の磁気
異方性の方向が軸心となす角の絶対値を４０度以下とし
たにもかかわらずセンサ感度の低下を招くことを防止す
ることができ、しかもトルクによる磁性の飽和点を向上
させることができてダイナミックレンジを向上でき、し
たがってそれに相当する分だけ軸径の細いトルクセンサ
を製造することが可能となり、大きな経済的効果を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のトルクセンサ軸を用いた磁
歪式トルクセンサの概略構成図、第２図は第１図のトル
クセンサ軸に働く主応力を示す図、第３図はトルクセン
サ軸における磁気異方性部の幅および溝ピッチを示す図
、第４図〜第７図、第１０図および第１１図は、本発明
にもとづ〈実施例の結果を示す図、第８図および第９図
は時計方向ヒステリシスおよび反時計方向ヒステリシス
を説明する図、第１２図は従来のトルクセンサ軸を用い
たトルクセンサの概略構成図、第１３図は第１２図のト
ルクセンサ軸に働く主応力を示す図である。 ２３・・・磁気異方性部、＋θ、−θ・・・傾斜角度、
４・・・軸心、１１・・・主応力、１２・・・応力成分
、１４・・・磁束、１５・・・磁束成分。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 第３ 図 （ａ） 第ｆ 第２因 第４図 ３００　　％ トルク＠対値 １１ｉＡ（検索電圧） 第５図 第７図 ａ雀 ヒステ替シス ％Ｆ５ 第６図 第１０図 角屋 第１２区 第１ｆ図 第ｔ３図 １５゜ ４デ フ５゜ 角度

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸表面に磁気異方性部を形成した非接触トルクセン
   サ用のトルクセンサ軸であって、前記磁気異方性部の磁
   気異方性の方向が軸心となす角の絶対値を４０度以下と
   して、この角の絶対値が４５度である場合に比べ、前記
   磁気異方性の方向における応力成分の低下を許容するこ
   とを特徴とする。 ２、請求項１記載のトルクセンサ軸であって、磁気異方
   性部の磁気異方性の方向が軸心となす角の絶対値が１０
   度以上かつ３５度以下であり、更に望ましくは１５度以
   上かつ３０度以下であることを特徴とする。