JPH05215620A

JPH05215620A - トルク検出装置

Info

Publication number: JPH05215620A
Application number: JP1786992A
Authority: JP
Inventors: Mikiya Shinohara; 原幹弥篠; Hiroyuki Aoki; 木博幸青; Itaru Shibata; 田格柴; Munekatsu Shimada; 田宗勝島; Masa Nagata; 田雅永
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1992-02-03
Filing date: 1992-02-03
Publication date: 1993-08-24
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: JP2765334B2

Abstract

(57)【要約】【目的】コイルなどよりなる検出手段の位置を被測定
軸毎に調整しなくとも、被測定軸が軸心方向に変位した
ときのトルク検出出力の誤差を低減する。【構成】被測定軸２と、被測定軸２を磁路の一部とす
る磁気回路を形成する励磁用コイル６ａ，６ｂと、被測
定軸２の磁歪成分を検出する検出用コイル６ａ，６ｂを
具備してなり、被測定軸２は高降伏点を有する材料を基
体２ａとしてその表面に高磁歪材料２ｂを金属組織的に
融合させたものとし、被測定軸２の高磁歪材料２ｂの部
分が軸心方向２Ａに２ケ所に分割され、それぞれの高磁
歪材料２ｂの部分に形状磁気異方性部５ａ，５ｂを形成
したものであり、検出用コイル６ａ，６ｂは各形状磁気
異方性部５ａ，５ｂの近傍でかつインダクタンスＬが極
大となる位置に配設された構成のトルク検出装置１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気ひずみ効果を利用
してトルクの検出を行うのに利用される磁歪式トルク検
出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種のトルク検出装置として
は、例えば、特開平２−１０７９１０号号公報に示され
たものがあり、図８に示すようなものがある。

【０００３】図８に示すトルク検出装置５１は、被測定
軸５２として磁気ひずみ効果を有する材料を用い、表面
に、軸心方向５２Ａと所定角度をなし、且つ円周方向に
複数の部分ら旋状溝５３ａ，５３ｂを左右において対称
となるように形成して、これらの部分に特定の方向の応
力が印加された場合に透磁率の変化が最大となる性質、
すなわち形状磁気異方性を持たせた溝形成部５４ａ，５
４ｂを設けたものを用いている。

【０００４】そして、各溝形成部５４ａ，５４ｂの位置
には、励磁手段兼検出手段として機能するコイル５５
ａ，５５ｂを配設し、さらにコイル５５ａ，５５ｂの外
側には被測定軸５２との間で隙間５６をおいて高透磁率
材料よりなるヨーク５７を設けた構造をなしている。

【０００５】このような構造において、被測定軸５２の
材料としては、例えば、動力伝達用構造材として使用で
きる高い降伏点を持ち、磁歪感度は低いがトルク検出特
性が高トルク領域まで良好な直線性を示す機械構造用鋼
（例えば、ＪＩＳに制定するＳＣ鋼，ＳＣＭ鋼，ＳＮＣ
Ｍ鋼およびそれを母材として磁気特性を改良した鋼等に
浸炭・高周波焼入れを施したものなど）や、降伏点が低
くトルク検出特性も低トルクで飽和するため、大トルク
伝達用構造材としての使用には適さないが、磁歪感度が
高く微小トルク検出に向く高磁歪材料のＦｅ−Ａｌ，Ｆ
ｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｃｏ合金などが使用されている。

【０００６】この被測定軸５２は、図９に示すように、
単体コイル５５を軸心方向５２Ａへ挿引したときに、コ
イル５５のインピーダンスＺのインダクタンス成分Ｌ
と、抵抗成分Ｒとが、図１０のような分布を示し、トル
ク検出装置５１に使用されることの多い１０ｋＨｚ〜１
００ｋＨｚの周波数帯域では、コイル５５のインピーダ
ンスＺに支配的であるインダクタンス成分Ｌの極大とな
る位置Ｐ_１，Ｐ_２が、溝形成部５４ａ，５４ｂのそれぞ
れの中心位置５４ａ−Ｃ，５４ｂ−Ｃに対して、内側に
δだけずれている。

【０００７】このような分布特性を持つ被測定軸５２に
対して、図８のトルク検出装置５１においては、図１０
のインダクタンス成分Ｌの極大となる位置Ｐ_１，Ｐ
_２に、コイル５５ａ，５５ｂの中心５５ａ−Ｃ，５５ｂ
−Ｃを一致させた位置に当該コイル５５ａ，５５ｂを配
設してあり、前記コイル５５ａ，５５ｂの外周部分に、
被測定軸５２との間で間隙５６をおいて、高透磁率材料
よりなるヨーク５７を設けた構造を成すものもある。

【０００８】このような構造を持つ磁歪式トルク検出装
置５１を用いてトルクを検出する原理は、次のように説
明される。

【０００９】まず、トルクの検出に先立って、図１１に
示すように、二つのコイル５５ａ，５５ｂと二つの抵抗
５９ａ，５９ｂとでブリッジ回路を形成し、対向する一
方の接続点Ｃ−Ｄ間を交流電源６０の供給側Ｖ_ｉｎと
し、対向する他方の接続点Ａ−Ｂ間を出力側（差動増幅
器６１からの出力Ｖ_Ｄ＝Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ａ）とした回路構成と
し、接続点Ｃ−Ｄ間を介して両コイル５５ａ，５５ｂに
各々交流の一定電圧（Ｖ_ｉｎ）を加えておく。

【００１０】このようにすると、部分ら旋状溝５３ａ，
５３ｂによって形成された形状磁気異方性を持つ溝形成
部５４ａ，５４ｂと、間隙５６と、ヨーク５７を通る磁
気回路が両コイル５５ａ，５５ｂのまわりにそれぞれ形
成される。

【００１１】この状態において、被測定軸５２に対して
捩りトルクＴが加わると、例えば、一方の部分ら旋状溝
５３ａによって形成された一方の溝形成部５４ａに引張
りひずみが生じると共に、他方の部分ら旋状溝５３ｂに
よって形成された他方の溝形成部５４ｂには圧縮ひずみ
が生じる。

【００１２】そのため、例えば、磁歪定数λ＞０を有す
る被測定軸５２を用いた場合には、引張りひずみで透磁
率が増加し、圧縮ひずみで透磁率が減少する。これによ
って、一方のコイル５５ａのインダクタンスＬ_Ａは増加
し、他方のコイル５５ｂのインダクタンスＬ_Ｂは減少す
ることになる。また、被測定軸５２に対して上記とは逆
向きの捩りトルクが付加されたときには上記の場合とは
逆になる。

【００１３】そこで、交流電源６０により交流の一定電
圧（Ｖ_ｉｎ）を加えた状態で被測定軸５２にトルクＴが
加えられると、接続点Ａ−Ｂ間には差動増幅器６１を経
て作動出力電圧Ｖ_Ｄ（＝Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ａ）が生じ、図１２の
特性Ａに示すようなトルク検出特性が得られる。

【００１４】さらに、このトルク検出装置５１において
は、前述したように、コイル５５ａ，５５ｂの中心５５
ａ−Ｃ，５５ｂ−Ｃを図１０に示したインダクタンス成
分Ｌの極大となる位置Ｐ_１，Ｐ_２に一致させたものとし
てあるため、機械的ながたつきなどによって被測定軸５
２がコイル５５ａ，５５ｂに対して軸心方向に変位して
も、この変位によるコイル５５ａ，５５ｂのインダクタ
ンス成分Ｌの変化は、他のどの位置にコイル５５ａ，５
５ｂの中心５５ａ−Ｃ，５５ｂ−Ｃを一致させた場合よ
りも小さい。

【００１５】それゆえ、被測定軸５２の軸心方向の変位
による図１１のブリッジ回路の接続点Ａ−Ｂ間での作動
出力電圧Ｖ_Ｄへの影響、すなわち、図１２のトルク検出
特性の誤差は、最小に抑えられている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
に示すインダクタンス成分Ｌの極大となる位置Ｐ_１，Ｐ
_２は、通常の場合、被測定軸５２の溝形成部５４ａ，５
４ｂの中心位置５４ａ−Ｃ，５４ｂ−Ｃに対して内側に
δだけずれており、その位置は各被測定軸５２毎に溝形
状による形状磁気異方性，材料の透磁率等の磁気的物性
や、熱処理等で生じる局部的な磁気特性の変動などが原
因で異なってくる。

【００１７】そのため、被測定軸５２の設計寸法や材料
を変更する度に被測定軸５２のインダクタンス成分Ｌの
極大となる位置Ｐ_１，Ｐ_２を測定してコイル５５ａ，５
５ｂの中心位置を決めなければならず、被測定軸５２の
物性や形状にばらつきが出るとコイル５５ａ，５５ｂの
中心位置がインダクタンス成分Ｌの極大となる位置
Ｐ_１，Ｐ_２からずれて、被測定軸５２が軸心方向に変位
した時におけるコイル５５ａ，５５ｂのインダクタンス
変化が大きくなり、図１２の特性Ｂに示すようにトルク
検出出力に生じる誤差ΔＶ_０が大きくなるという問題が
あった。

【００１８】さらに、最近になって、次に述べるよう
に、新しく開発された構造を持つ被測定軸に対しては、
従来の手法が適用できないことがわかった。

【００１９】この新しく開発された構造を持つ被測定軸
は、例えば、特願平３−９９０００号明細書および図面
に記載されており、図１３に示すような構造となってい
る。この被測定軸６２は、高降伏点を有する機械構造用
鋼（例えば、ＪＩＳに制定するＳＣ鋼，ＳＣＭ鋼，ＳＮ
ＣＭ鋼等）を基体６２ａとし、その表面に高磁歪材料
（例えば、Ｆｅ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｃｏ合金
等）６２ｂを金属組織的に融合させて、この高磁歪材料
６２ｂの部分には左右対称で所定の角度をなしかつ円周
方向に複数の凹状部６３ａ，６３ｂを形成してなる形状
磁気異方性部を設けた構造となっている。

【００２０】この場合、基体６２ａの表面に高磁歪材料
６２ｂを金属組織的に融合させたものとするに際して
は、ＴＩＧ溶接，プラズマ粉末溶接，レーザー溶接，電
子ビーム溶接，拡散等の手段が用いられる。そして、こ
のような構造のものとすることにより、被測定軸６２
は、機械構造用鋼だけのものよりも高感度でかつ高磁歪
材料だけのものよりも高いトルク領域まで直線性の良い
特性を示し、機械構造用鋼並の高降伏点を有し、高磁歪
材料６２ｂの剥離も生じないといった長所を持ってい
る。

【００２１】しかしながら、図１３に示したような複合
構造の材料を使用した被測定軸６２の場合には、高磁歪
材料６２ｂを基体６２ａに融合させる時に基体６２ａの
一部が高磁歪材料６２ｂに溶け込むため、両方の凹状部
６３ａ，６３ｂの広い領域にわたって磁気特性を均一に
そろえるのが難しく、インダクタンス成分Ｌの極大とな
る位置Ｐ_１，Ｐ_２は、各被測定軸６２ごとに異なったも
のとなりやすい。

【００２２】そのため、特定の被測定軸６２に対してコ
イル５５ａ，５５ｂの中心５５ａ−Ｃ，５５ｂ−Ｃの位
置をインダクタンス成分Ｌの極大となる位置Ｐ_１，Ｐ_２
に調整して決めたとしても、別の被測定軸６２に対して
は、インダクタンス成分Ｌの極大となる位置Ｐ_１，Ｐ_２
にコイル５５ａ，５５ｂの中心５５ａ−Ｃ，５５ｂ−Ｃ
がないため、被測定軸６２が軸心方向へ変位したときの
トルク検出出力の誤差（図１２のΔＶ_０）が大きくな
り、コイル位置を調整しない場合と同じになってしまう
という問題があった。

【００２３】さらに、基体６２ａや高磁歪材料６２ｂの
原料ロットごとにもばらつきが出ることがあるため、ほ
とんど被測定軸一本毎にコイル位置の調整を行わなけれ
ばならなくなり、この複合構造の被測定軸６２に対して
は、従来の手法が量産に適用できないという問題を生じ
ていたことから、これらの問題を解決することが課題と
なっていた。

【００２４】

【発明の目的】本発明は、このような従来の課題に鑑み
てなされたもので、各被測定軸毎にコイルなどよりなる
検出手段の位置を調整しなくとも、被測定軸が軸心方向
に変位したときのトルク検出出力の誤差ΔＶ_０を低減で
きるようにすることを目的としている。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明は、図１０に示し
たインダクタンス成分Ｌの極大となる位置Ｐ_１，Ｐ
_２が、図８に示した溝形成部５４ａ，５４ｂの中心位置
５４ａ−Ｃ，５４ｂ−Ｃよりも内側にある原因を以下の
ように推察することによりなされた。

【００２６】図８や図１３に示すような構造の被測定軸
５２，６２において、その表面の磁気浸透深さに相当す
る部分の透磁率は、少なくとも両溝形成部５４ａ，５４
ｂの間にわたって同一であることから、溝形成部５４ａ
と５４ｂの間に被測定軸自体を通して磁気回路的なつな
がりが生じ、コイル５５ａから見た場合、一方の溝形成
部５４ａの形状磁気異方性によるインダクタンス成分Ｌ
の増加に、他方の溝形成部５４ｂの形状磁気異方性の影
響が現われ、図１０に示すインダクタンス成分Ｌの分布
の極大となる位置Ｐ_１が溝形成部５４ａの中心位置５４
ａ−Ｃよりも他方の溝形成部５４ｂの方向へシフトした
位置（すなわち、図１０の５４ａ−Ｃと５４ｂ−Ｃの内
側の位置Ｐ_１，Ｐ_２）に現われていると考えられる。

【００２７】従って、インダクタンス成分Ｌの極大とな
る位置Ｐ_１，Ｐ_２が前述のように磁気特性の局部的な変
動や、溝形状の影響を受けて被測定軸５２，６２ごとに
ばらつくのを防ぐためには、被測定軸自体の溝形成部５
４ａと５４ｂの間を磁気回路的に遮断することが本質的
な手段であると考え、以下の構成を発明するに至った。

【００２８】すなわち、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、前記被測定軸の磁歪成分を検出する検出手段を具備
してなるトルク検出装置において、前記被測定軸は高降
伏点を有する材料を基体としてその表面に高磁歪材料を
金属組織的に融合させたものとし、前記被測定軸の高磁
歪材料の部分が軸心方向に少なくとも２ケ所に分割さ
れ、それぞれの高磁歪材料の部分に例えば形状磁気異方
性部を形成したものであり、前記検出手段は各形状磁気
異方性部の近傍でかつインダクタンスが極大となる位置
に配設された構成としたことを特徴としている。

【００２９】そして、実施態様において、軸心方向に分
割された高磁歪材料の部分の間の部分は、前記高磁歪材
料よりも透磁率が低い構成とし、同じく実施態様におい
て、軸心方向に分割された各高磁歪材料の部分の透磁率
が等しく、軸心方向の長さおよび断面形状が各々同一で
ある構成とし、同じく実施態様において、軸心方向に分
割された高磁歪材料の部分の間の部分は、高降伏点を有
する材料が露出している構成とし、同じく実施態様にお
いて、高磁歪材料は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｏのうちよ
り選ばれる元素から成る結晶質合金である構成とし、同
じく実施態様において、形状磁気異方性部は、軸心方向
に対し所定の角度をなす凹状部および／または凸状部に
より形成されている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に係わる発明の構成を前述し
た従来の課題を解決するための手段としている。

【００３０】本発明に係わるトルク検出装置において、
被測定軸は、高降伏点を有する材料を基体として、その
表面に高磁歪材料を金属組織的に融合させたものとして
いるが、ここで用いられる高降伏点を有する材料として
は、ＪＩＳに制定する機械構造用鋼鋼材、例えば、機械
構造用炭素鋼鋼材（ＳＣ材，Ｓ−ＣＫ材など）や、機械
構造用合金鋼鋼材（ＳＣｒ材，ＳＣＭ材，ＳＮＣ材，Ｓ
ＮＣＭ材など）が用いられ、適宜、添加成分や組成を変
えることにより、降伏点等の材料強度特性や磁気ヒステ
リシス等の磁気的特性を改良したものが用いられる。

【００３１】また、被測定軸の表面において用いられる
高磁歪材料としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｏのうちよ
り選ばれる元素からなる結晶質合金が用いられ、例え
ば、金属Ｆｅ，金属Ｎｉ，Ｆｅ−Ａｌ合金，Ｆｅ−Ｎｉ
合金，Ｆｅ−Ｃｏ合金等が用いられ、適宜、添加成分や
組成を変えることにより、磁歪や磁気ヒステリシス等の
磁気特性を向上させたものが用いられる。

【００３２】さらに、これら高降伏点を有する基体材料
と、高磁歪材料との界面は互いに金属組織的に融合して
合金化しているものとなっており、機械構造用鋼並みの
高降伏点を有すると共に、大トルクの繰り返し印加に対
しても高磁歪材料の剥離が生じないような構造となって
いる。

【００３３】このように高降伏点を有する材料を基体と
し、その表面に高磁歪材料を金属組織的に融合させたも
のとするに際しては、ＴＩＧ溶接，プラズマ粉末溶接，
レーザー溶接，電気ビーム溶接，拡散等の手段が用いら
れる。

【００３４】そして、前記基体の表面に設けた高磁歪材
料の部分が軸心方向に少なくとも２ケ所に分割され、そ
れぞれの高磁歪材料の部分に形状磁気異方性部を形成し
た構成となっていることが重要であり、実施態様におい
ては、前記少なくとも２ケ所の形状磁気異方性部のあい
だに、前記高磁歪材料よりも低透磁率となる部分を設け
た構成とすることが望ましく、このような構成とするこ
とにより、図９，図１０に示すように、被測定軸のイン
ダクタンス成分Ｌの分布を測定したときにおいて、イン
ダクタンス成分Ｌの極大となる位置Ｐ_１，Ｐ_２が形状磁
気異方性部あるいは高磁歪材料の融合された部分の中心
に位置させてあって、この位置に検出手段が配設される
ものとしている。

【００３５】

【発明の作用】本発明において、被測定軸は高降伏点を
有する材料を基体として、その表面に高磁歪材料を金属
組織的に融合させたもので、被測定軸の少なくとも高磁
歪材料の部分の２ケ所に、形状磁気異方性部が分割形成
してあり、少なくとも２ケ所の形状磁気異方性部の間に
は高磁歪材料の存在しない部分が設けてあり、より望ま
しくは前記高磁歪材料よりも低透磁率となる部分が設け
てあるため、この高磁歪材料の存在しない部分、より望
ましくは低透磁率の部分が少なくとも２ケ所に分割され
た形状磁気異方性部の間で磁気抵抗として働き、検出コ
イルなどの検出手段から見たインダクタンスＬの極大と
なる位置は形状磁気異方性部の中心か、もしくは設計的
に意図的に検出コイルなどの検出手段の位置にくるよう
に設定できることとなる。

【００３６】従って、検出コイルなどの検出手段の位置
を各被測定軸ごとに調整する必要はなく、前記インダク
タンスＬの極大となる位置は、常に検出コイルなどの検
出手段の中心位置にあり、被測定軸の軸心方向の変位に
対して、インダクタンスＬの変化量が最小になる。これ
により、各被測定軸ごとに検出コイルなどの検出手段の
位置を調整しなくとも、トルク検出出力の誤差ΔＶ_０は
最小になる。

【００３７】さらに、この被測定軸は高降伏点を有する
材料を基体として、その表面に高磁歪材料を金属組織的
に融合させた構成となっているので、機械構造用鋼より
も高感度でかつ機械構造用鋼並みの高降伏点を有するこ
ととなり、図１３に示した従来の複合構造の被測定軸本
来の特徴も損なわれないものとなる。

【００３８】

【実施例】次に、本発明に係わるトルク検出装置の実施
例について説明する。

【００３９】図１は、本発明に係わるトルク検出装置の
一実施例を示すものであって、このトルク検出装置１
は、高降伏点を有する材料を基体２ａとして、その表面
に二つの高磁歪材料２ｂ，２ｂの部分を間隔をおいて金
属組織的に融合させて設けたものとした被測定軸２をそ
なえ、図２の（Ａ）（Ｂ）にも示すように、相互に分割
された二つの高磁歪材料２ｂ，２ｂからなり且つ前記被
測定軸２の軸心方向２Ａに対し左右対称の所定角度をな
す凹状部３ａ，３ｂを円周方向に複数形成することによ
って、これら凹状部３ａ，３ｂの間で円周方向に複数の
凸状部４ａ，４ｂが形成されることにより形成される形
状磁気異方性部５ａ，５ｂを設け、凹状部３ａ，３ｂ／
凸状部４ａ，４ｂを設けた二つの形状磁気異方性部５
ａ，５ｂの間に高磁歪材料２ｂ，２ｂよりも低透磁率で
ある材料で構成された低透磁率材料部分２ｃを設けてあ
る。この場合、低透磁率材料部分２ｃは、被測定軸２の
基体２ａが露出することによって形成されるものとなっ
ている。

【００４０】そして、前記形状磁気異方性部５ａ，５ｂ
に対向させて被測定軸２の外周側に励磁手段兼検出手段
としてのコイル６ａ，６ｂを配置した構成をなすもので
あり、コイル６ａ，６ｂの外側に被測定軸２との間で間
隙７をおいてヨーク８ａ，８ｂを設けたものとしてもよ
い。

【００４１】そして、コイル６ａ，６ｂは、図１１に示
したのと同様の回路の構成要素として抵抗５９ａ，５９
ｂと共にブリッジ回路を構成し、被測定軸２を磁路の一
部とする磁気回路を形成する励磁手段と、被測定軸２の
磁歪成分を検出する検出手段とを兼ねたものとなってい
る。

【００４２】図１および図２に示したトルク検出装置１
で用いられる被測定軸２において、被測定軸２の基体２
ａの素材となる高降伏点を有する材料としてＪＩＳＳ
２５Ｃに相当する炭素鋼を使用し、これを直径３１ｍｍ
に加工して浸炭焼入れを施したものを用いると共に、高
磁歪材料２ｂとして、Ｎｉ：４５重量％を含み残部Ｆｅ
よりなる合金を用い、ＴＩＧ溶接により基体２ａの表面
に金属組織的に融合させてある。

【００４３】その後、外周の切削により高磁歪材料２ｂ
の融合部の外径を３５ｍｍとして、転造法により幅１．
５ｍｍ，深さ１．５ｍｍの凹状部３ａ，３ｂを軸心方向
に間隔をおいてそして円周方向に等間隔で３２個所形成
することにより相対的に凸状部４ａ，４ｂを軸心方向に
間隔をおいて円周方向に等間隔で３２個所形成すること
によって、軸心方向の２個所に形状磁気異方性部５ａ，
５ｂを設ける。

【００４４】次いで、２個所の凹状部３ａ，３ｂ／凸状
部４ａ，４ｂよりなる形状磁気異方性部５ａ，５ｂを形
成した高磁歪材料２ｂの部分（軸心方向長さ２０ｍｍ）
以外の高磁歪材料２ｂの部分を削り取ることによって、
基体２ａの素材であるＳ２５Ｃを表面に露出させて低透
磁率材料部分２ｃを形成させる。この実施例の場合にお
いては、２ケ所の凹状部３ａ，３ｂ／凸状部４ａ，４ｂ
よりなる形状磁気異方性部５ａ，５ｂの間にあって表面
に露出している低透磁率材料部分２ｃ（この場合はＳ２
５Ｃ材料よりなる部分）の軸心方向の長さは、１０ｍｍ
である。

【００４５】この実施例における被測定軸２に対して、
図９に示したように単体コイル５５を軸心方向に挿引し
ながら、単体コイル５５のインピーダンスＺの各成分を
測定すると、図３に示すように、インダクタンス成分Ｌ
および抵抗成分Ｒは、分割されたそれぞれの高磁歪材料
２ｂ，２ｂの中心位置、即ちこの実施例では、凹状部３
ａ，３ｂ／凸状部４ａ，４ｂよりなる形状磁気異方性部
５ａ，５ｂの中心位置２ｂ−Ｃで極大および極小とな
り、低透磁率材料部分２ｃが磁気抵抗として働いている
ことが確認されたのである。

【００４６】この実施例の構成において、低透磁率材料
部分２ｃの軸心方向の長さは、前記のとおり５ｍｍであ
り、低透磁率材料部分２ｃで検出されるインダクタンス
成分Ｌが凹状部３ａ，３ｂ／凸状部４ａ，４ｂにおいて
インダクタンス成分Ｌが示す極大値の９３％であった。
従って、図１に示したトルク検出装置１のコイル６ａ，
６ｂは、その中心が、インダクタンス成分Ｌの極大位置
として高磁歪材料２ｂ，２ｂの中心２ｂ−Ｃ，２ｂ−Ｃ
に位置するように、配設されている。

【００４７】そして、この実施例のトルク検出装置１の
スラストドリフトを測定したところ、図４に示すよう
に、従来例の複合構造の被測定軸６２に従来のスラスト
ドリフトを抑制する手法を採用した場合の結果において
は、インダクタンス成分Ｌの極大位置がばらつくため
に、スラストドリフトが低減できないのに比べて、本発
明の構成によればコイル位置を調整しなくともスラスト
ドリフトは低減されていた。

【００４８】この実施例の構成によれば、両凹状部３
ａ，３ｂ／凸状部４ａ，４ｂの間の低透磁率材料部分２
ｃが磁気抵抗として作用し、さらには凹状部３ａ，３ｂ
／凸状部４ａ，４ｂを形成している高磁歪材料２ｂ，２
ｂの部分の両側に露出している低透磁率材料（基体２
ａ）の影響で、インダクタンス成分Ｌの極大となる位置
は高磁歪材料２ｂ，２ｂの中心２ｂ−Ｃ、すなわち凹状
部３ａ，３ｂ／凸状部４ａ，４ｂの中心となっている。

【００４９】したがって、高磁歪材料２ｂを基体２ａに
融合させるときにおける基体２ａの一部の溶け込みによ
り生じる程度の透磁率の局部的不均一が高磁歪材料２ｂ
に発生したとしても、前記インダクタンス成分Ｌの極大
となる位置は影響をうけない。そして、この実施例に示
す程度（２０ｍｍ程度）の凹状部３ａ，３ｂ／凸状部４
ａ，４ｂの軸心方向長さの領域であれば、融合された高
磁歪材料２ｂの特性を均一に保つのは容易であり、この
実施例の構成の被測定軸２を数十本試作しても、各被測
定軸２においてインダクタンス成分Ｌの極大となる位置
は全て凹状部３ａ，３ｂ／凸状部４ａ，４ｂの中心にあ
り、コイル６ａ，６ｂの位置を各被測定軸２ごとに調整
しなくとも、図４に示した効果が得られた。

【００５０】図５には、本発明に係わるトルク検出装置
１の被測定軸２の他の実施例を示す。

【００５１】図５は、図１に示した構造のトルク検出装
置１において被測定軸２の応力磁気異方性部５ａ，５ｂ
が設けられた部分を拡大して示すものであって、被測定
軸２の基体２ａの素材となる高降伏点を有する材料とし
て、ＪＩＳＳ４５Ｃに相当する炭素鋼を使用してい
る。

【００５２】そして、図５の（Ａ）に示すように、この
基体２ａの図１における励磁手段兼検出手段構成用コイ
ル６ａ，６ｂが配置される位置に合わせて円周溝２ｄ，
２ｄを切削により形成し、次いで前記円周溝２ｄ，２ｄ
の部分に高磁歪材料としてＡｌ：１３重量％を含み残部
Ｆｅよりなる合金をプラズマ粉末溶接により肉盛溶接す
ることによって基体２ａの表面に金属組織的に融合させ
る。

【００５３】次いで、被測定軸２の基体２ａの外周に切
削加工を施し、外径を３１ｍｍに整えた後、図５の
（Ｂ），（Ｃ）に示すように、図１に示したトルク検出
装置１における励磁手段兼検出手段構成用コイル６ａ，
６ｂが配置される位置に幅１．５ｍｍ，深さ１．５ｍｍ
の凹状部３ａ，３ｂを切削加工によって軸心方向の２個
所で且つ円周方向に等間隔で２４個所形成することによ
り、相対的に凸状部４ａ，４ｂを軸心方向の２箇所で且
つ円周方向に等間隔で２個所形成して、形状磁気異方性
部５ａ，５ｂを２ケ所に設ける。この後、前記被測定軸
基体２ａの全体に高周波焼入れ処理を施し、基体２ａに
高降伏点を示す性質を付与することによって被測定軸２
を得る。

【００５４】この実施例においては、高磁歪材料２ｂが
融合される部分の軸心方向長さＷ_１が、凹状部３ａ，３
ｂ／凸状部４ａ，４ｂの軸心方向長さＷ_２から独立して
任意に設定できることが特徴である。この場合、形状磁
気異方性を付与する目的で形成される凹状部３ａ，３ｂ
／凸状部４ａ，４ｂは、その効果をより多く得るために
は軸心方向長さＷ_２が図１に示したコイル６ａ，６ｂの
幅よりも大きいことが望ましく、加工時間との兼ね合い
から１０〜２０ｍｍとすることが望ましい。これに対し
て、高磁歪材料２ｂが融合される部分の軸心方向幅Ｗ_１
は、コイル６ａ，６ｂより狭いものとしても感度は基体
２ａの素材のみからなる場合よりも高くなることが確認
されている。したがって、被測定軸２が基体２ａの素材
のみからなる場合の例えば５倍以上の感度が必要であれ
ば、高磁歪材料２ｂが融合される部分の軸心方向幅Ｗ_１
は、コイル６ａ，６ｂの幅１／２以上であることが望ま
しい。

【００５５】この実施例における被測定軸２に対して
も、図９に示したように単体コイル５５を軸心方向に挿
引しながら、インピーダンスＺの各成分を測定すると、
図６に示すように、インダクタンス成分Ｌおよび抵抗成
分Ｒは高磁歪材料２ｂ，２ｂが融合された部分の中心位
置２ｂ−Ｃ，２ｂ−Ｃで極大および極小となり、低透磁
率材料部分（この実施例ではＳ４５Ｃの部分）２ｃが磁
気抵抗として働いていることが確認された。

【００５６】この実施例では、高磁歪材料２ｂ，２ｂの
軸心方向長さＷ_１を１０ｍｍ，低透磁率材料部分２ｃの
軸心方向長さを１０ｍｍとしてあり、低透磁率材料部分
２ｃで検出されるインダクタンス成分Ｌは高磁歪材料２
ｂの中心位置２ｂ−Ｃで検出されるインダクタンス成分
Ｌの極大値の９０％であった。そしてこの実施例では、
図１に示したトルク検出装置１の励磁兼検出用コイル６
ａ，６ｂは、その中心が、高磁歪材料２ｂの中心２ｂ−
Ｃに位置するように配設される。

【００５７】この実施例における被測定軸２のスラスト
ドリフトも、従来例のものに比較して、図７に示すよう
に、著しく低減されており、励磁兼検出コイル６ａ，６
ｂの位置調整の必要もないことが確認された。そして、
この実施例に示すように、凹状部３ａ，３ｂ／凸状部４
ａ，４ｂの軸心方向長さＷ_２よりも、高磁歪材料２ｂが
融合された部分の軸心方向長さＷ_１の方が短い場合は、
インダクタンス成分Ｌの極大となる位置は高磁歪材料２
ｂの部分の中心２ｂ−Ｃになる。

【００５８】そして、Ｗ_１＜Ｗ_２となるような短い高磁
歪材料２ｂの軸心方向長さＷ_１では、第一の実施例と同
様の理由で、この構造をもつ被測定軸２を数十本試作し
ても、インダクタンス成分Ｌの極大となる位置は全て高
磁歪材料２ｂの部分の中心にあり、励磁兼用の検出コイ
ル６ａ，６ｂの位置を各被測定軸２ごとに調整する必要
はない。

【００５９】さらに、この実施例においては、高磁歪材
料２ｂを融合する部分の位置を変えることにより、イン
ダクタンス成分Ｌの極大となる位置を図５の長さＷ_２の
範囲内で、凹状部３ａ，３ｂ／凸状部４ａ，４ｂの中心
位置以外の任意の位置に設定できるという設計上の自由
度があり、凹状部３ａ，３ｂ／凸状部４ａ，４ｂの形状
を変更しなくともコイル６ａ，６ｂの位置すなわち検出
手段の位置に合せた被測定軸２の設計が可能であるとい
う特徴もある。

【００６０】

【発明の効果】本発明に係わ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、前記被測定軸の磁歪成分を検出する
検出手段を具備してなるトルク検出装置において、前記
被測定軸は高降伏点を有する材料を基体としてその表面
に高磁歪材料を金属組織的に融合させたものとし、前記
被測定軸の高磁歪材料の部分が軸心方向に少なくとも２
ケ所に分割され、それぞれの高磁歪材料の部分に形状磁
気異方性部を形成したものであり、前記検出手段は各形
状磁気異方性部の近傍でかつインダクタンスが極大とな
る位置に配設された構成としたから、励磁兼検出コイル
などの検出手段の位置を被測定軸ごとに調整することな
く、被測定軸のインダクタンス成分Ｌの極大となる位置
が励磁兼検出コイルなどの検出手段の中心位置に一致す
るようになり、被測定軸が軸心方向に変位したときのス
ラストドリフトの低減を図ることが可能であってトルク
検出出力の誤差ΔＶ_０を低減することが可能となり、機
械構造用鋼並みの高降伏点を有し、かつ機械構造用鋼よ
りも高感度であるという従来の複合構造型の被測定軸の
特徴も損なわない著大なる効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例によるトルク検出装置の構
成を示す説明図である。

【図２】本発明の第一実施例によるトルク検出装置の被
測定軸の構成を示し、図２の（Ａ）は正面説明図、図２
の（Ｂ）は断面説明図である。

【図３】本発明の第一実施例による被測定軸の各位置で
のコイル特性を示す説明図である。

【図４】従来例と本発明第一実施例とにおける被測定軸
のスラスト方向変位と図１１のブリッジ回路差動出力と
の関係を示すグラフである。

【図５】本発明の第二実施例によるトルク検出装置の被
測定軸の構成を示し、図５の（Ａ）は基体に円周方向溝
を形成した被測定軸素材の正面説明図、図５の（Ｂ）は
円周方向溝に高磁歪材料を肉盛溶接したのち凹状部／凸
状部を形成した被測定軸の正面図、図５の（Ｃ）は図５
の（Ｂ）の断面図説明図である。

【図６】本発明の第二実施例による被測定軸の各位置で
のコイル特性を示す説明図である。

【図７】従来例と本発明第二実施例とにおける被測定軸
のスラスト方向変位と図１１のブリッジ回路差動出力と
の関係を示すグラフである。

【図８】従来のトルク検出装置の構成を示す説明図であ
る。

【図９】被測定軸の各位置でのコイル特性の測定方法を
示す説明図である。

【図１０】従来の被測定軸の各位置でのコイル特性を示
す説明図である。

【図１１】トルク検出装置のトルク−出力特性検出回路
の一例を示す説明図である。

【図１２】トルク検出装置の出力特性図を示すグラフで
ある。

【図１３】従来の複合構造型の被測定軸の構成を示し、
図１３の（Ａ）は正面図、図１３の（Ｂ）は断面説明図
である。

【符号の説明】

１トルク検出装置２被測定軸２Ａ被測定軸の軸心方向２ａ被測定軸の基体２ｂ被測定軸の高磁歪材料２ｂ−Ｃ高磁歪材料の中心位置２ｃ低透磁率材料部分３ａ，３ｂ凹状部４ａ，４ｂ凸状部５ａ，５ｂ形状磁気異方性部６ａ，６ｂコイル（励磁手段兼検出手段）

フロントページの続き (72)発明者柴田格神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者島田宗勝神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者永田雅愛知県名古屋市緑区鳴海町字伝治山98−３

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、前記被測定軸の
磁歪成分を検出する検出手段を具備してなるトルク検出
装置において、前記被測定軸は高降伏点を有する材料を
基体としてその表面に高磁歪材料を金属組織的に融合さ
せたものとし、前記被測定軸の高磁歪材料の部分が軸心
方向に少なくとも２ケ所に分割され、それぞれの高磁歪
材料の部分に形状磁気異方性部を形成したものであり、
前記検出手段は各形状磁気異方性部の近傍でかつインダ
クタンスが極大となる位置に配設されたことを特徴とす
るトルク検出装置。
【請求項２】軸心方向に分割された高磁歪材料の部分
の間の部分は、前記高磁歪材料よりも透磁率が低いこと
を特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項３】軸心方向に分割された各高磁歪材料の部
分の透磁率が等しく、軸心方向の長さおよび断面形状が
各々同一であることを特徴とする請求項１または２に記
載のトルク検出装置。
【請求項４】軸心方向に分割された高磁歪材料の部分
の間の部分は、高降伏点を有する材料が露出しているこ
とを特徴とする請求項１，２または３のいずれかに記載
のトルク検出装置。
【請求項５】高磁歪材料は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｏ
のうちより選ばれる元素から成る結晶質合金であること
を特徴とする請求項１，２，３または４のいずれかに記
載のトルク検出装置。
【請求項６】形状磁気異方性部は、軸心方向に対し所
定の角度をなす凹状部および／または凸状部により形成
されている請求項１，２，３，４または５のいずれかに
記載のトルク検出装置。