JPH0758810B2

JPH0758810B2 - トルクセンサ

Info

Publication number: JPH0758810B2
Application number: JP61226062A
Authority: JP
Inventors: 博幸青木; 慎一郎矢萩; 貴伸斉藤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1995-06-21
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: JPS6381993A

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
利用される磁歪式のトルクセンサに関するものである。

この種の磁歪式のトルクセンサとしては、例えば第１図
に示す構造のものがある。

第１図に示す磁歪式のトルクセンサ１は、磁気ひずみ効
果を有する磁性体からなる被測定軸２の外周部に、当該
被測定軸２との間で間隙３をおいて高透磁率物質よりな
るヨーク４を配設し、このヨーク４には、前記被測定軸
２を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手段とし
ての励磁コイル５と、前記被測定軸５を通る磁歪成分を
検出する検出手段としての検出コイル６とを設けた構造
をなすものである。

このような構造をもつ磁歪式のトルクセンサ１を作動さ
せるに際しては、励磁コイル５に通電することによっ
て、被測定軸2,間隙3,ヨーク4,間隙3,被測定軸２を通る
磁気回路を形成させておく。このとき、検出コイル６に
は誘導起電力が発生している。

このような状態において、被測定軸２にねじりトルクが
加わると、この被測定軸２の磁気ひずみ効果によって当
該被測定軸２自体の透磁率が変化するため、前記磁気回
路を通る磁束密度が変化することとなり、これに対応し
て検出コイル６に発生する誘導起電力も変化して、この
誘導起電力の変化を読み取ることによって、前記被測定
軸２に加えられたねじりトルクを検出することができ
る。

（発明が解決しようとする問題点）ところが、一般に使われている動力伝達軸（たとば、ド
ライブシャフトやコラムシャフトなど）に加えられるね
じりトルクを検出しようとした場合に、第１図に示した
構造の磁歪式のトルクセンサ１を使用し、動力伝達軸そ
のものを被測定軸２として採用しようとしたときには、
当該動力伝達軸は通常の構造用鋼（JIS SC,SCr,SCM,SN
CMなど）から製作されていることが多いため、磁気ひず
み効果が小さく、第２図に示す出力特性図における角度
θが小さいことから十分な検出感度を得ることができな
いとともに、同じく第２図に示す出力特性図における幅
ｈが大きくなってヒステリシスを生じやすく、正確なト
ルクの検出を行うことが困難であるという問題点があっ
た。

（発明の目的）本発明は、上述した従来の問題点に着目してなされたの
もで、とくに動力伝達軸のような負荷の大きい回転軸そ
れ自体を被測定軸として、当該回転軸に加えられるトル
クを検出する場合において、動力伝達軸などの回転軸の
強度を十分に確保したうえで、トルクセンサの被測定軸
として使用される場合の当該トルクセンサの検出感度が
大きく、ヒステリシスも小さく、トルクの検出を正確に
行うことができるようにすることを目的としているもの
である。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明は、磁性体からなる被測定軸と、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とを備えた
トルクセンサにおいて、前記被測定軸が、重量％で、C:
0.1〜0.5％、Si:1.0％以下、Mn:2.0％以下、およびNi:
5.0％以下,Cr:5.0％以下のうちの１種または２種、さら
に必要に応じてCu:1.0％以下,Mo:1.0％以下,B:0.0005〜
0.05％,V:0.03〜0.5％,Ti:0.01〜0.1％,Nbおよび／また
はTa:0.01〜0.5％,Zr:0.01〜0.5％のうちの少なくとも
１種以上を含み、残部がFeおよび不純物からなる組成を
有する鋼を素材としていることを特徴としている。

本発明によるトルクセンサは、上記のように、磁性体か
らなる被測定軸と、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とを備えた構造をなすものであ
るが、具体的な構造としては、第１図に例示したトルク
センサ１のように、被測定軸２の外周部に、当該被測定
軸２との間で間隙３をおいて高透磁率物質よりなるヨー
ク４を配設し、このヨーク４には、励磁コイル（すなわ
ち励磁手段）５と検出コイル（すなわち検出手段）６と
を設けた構造のものとすることができる。

また、被測定軸の外周部に二つのコイルを配設し、前記
二つのコイルに交流電源（すなわち励磁手段）を接続し
て、前記被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成さ
せ、トルクの付加による前記被測定軸の透磁率変化を前
記コイルのインダクタンス変化として交流ブリッジ（す
なわち検出手段）により検出する構造のものとすること
もでき、特に限定されない。

そして、本発明においては、磁歪式のトルクセンサ１に
おける被測定軸２として、上記した特定成分の組成を有
する鋼を用いていることを特徴とするものであるが、以
下にその成分組成（重量％）の限定理由について説明す
る。

C:0.1〜0.5％Ｃは被測定軸、例えばドライブシャフトやコラムシャフ
トなどの動力伝達軸その他の軸構造体として要求される
強度を確保するために必要な元素であり、このためには
0.1％以上含有させる。しかし、多すぎるとかえって靭
性を低下させたり、冷間での塑性加工性に悪影響を及ぼ
したりするので、0.5％以下とした。

Si:1.0％以下 Siは製鋼時に脱酸剤として作用すると共に、強度を高め
るのに有効な元素であるが、多すぎると靭性を低下させ
るので1.0％以下とした。

Mn:2.0％以下 Mnは製鋼時に脱酸剤および脱硫剤として作用し、また、
鋼の焼入性を向上して強度を高めるのに有効な元素であ
るが、多すぎると加工性を低下させるので2.0％以下と
した。

Ni:5.0％以下 Cr:5.0％以下 Ni,Crは鋼の焼入性を改善したり、基地を強化したりし
て強度を向上させるのに有効な元素である。

この場合、Niの含有量を多くすれば感度は向上する（す
なわち、第２図の角度θが大きくなる）が、ヒステリシ
スが増大する（すなわち、第２図の幅ｈが大きくなる）
ので、5.0％以下とする必要がある。また、Crの含有量
をある程度多くすればヒステリシスは減少する（すなわ
ち、第２図の幅ｈが小さくなる）傾向となるが、感度が
低下する（すなわち、第２図の角度θが小さくなる）よ
うになり、Cr含有量が多すぎるとヒステリシスは再び増
大する傾向となるので、5.0％以下とする必要がある。

このように、NiおよびCrは被測定軸の強度を向上させる
という共通の作用を有しているものの、被測定軸の磁気
特性に対しては異なる作用をもっており、磁歪式のトル
クセンサの感度が良好であってかつヒステリシスも小さ
いものとするためには、Ni＋Ci量で1.5〜4.0％の範囲と
するのが望ましく、とくにヒステリシスを小さなものと
するためにはNi＋Cr量が2.0〜3.0％の範囲となるように
するのが良い。

Cu:1.0％以下 Mo:1.0％以下 Cu,Moはともに鋼の基地を強化して強度の向上をはかる
のに有効な元素であるので、必要に応じて添加するのも
よい。しかし、Cu量が多すぎると熱間加工性が低下し、
Mo量が多すぎると靭性が低下するので、添加するとして
もCuは1.0％以下、Moも1.0％とするのがよい。

そのほか、鋼の焼入性を向上させるために、Ｂを0.0005
〜0.05％添加したり、結晶粒を微細化や析出硬化によっ
て強度の向上をはかるために、Ｖを0.03〜0.5％、Tiを
0.01〜0.1％、Nb＋Taを0.01〜0.5％、Zrを0.01〜0.5％
の１種以上を添加することもできる。

本発明によるトルクセンサに用いる被測定軸は、上記の
組成を有する鋼を素材としているものであるが、必要に
応じて、ヒステリシスをさらに低くし、また個々の測定
軸ごとの出力感度やヒステリシスのばらつきを少なくす
るために、また表面の耐摩耗性や疲労強度を増大させる
ために、通常の焼入れ・焼もどし処理のほかに、例えば
浸炭・焼入れ処理や、浸炭・焼入れ・焼もどし処理や、
浸炭・窒化処理や、窒化処理などを施すことも必要に応
じて望ましく、例えば浸炭層のＣ量が0.1％超過1.5％と
なっているようにしておくことも必要に応じて望まし
い。

（実施例）第１表に示す化学成分の鋼をそれぞれ溶製したのち造塊
し、分塊圧延および製品圧延を行って直径17mmの丸棒を
作製した。

次いで、各丸棒に対して900℃×２時間の条件で浸炭処
理を施したのち油中に投入して焼入れし、次いで170℃
で焼もどしを行った。なお、浸炭層中のＣ量を第１表に
合わせて示す。

次に、熱処理後の各丸棒を第１図に示した構造のトルク
センサ１の被測定軸２として用い、励磁コイル５に対し
て周波数40KHz,電流100mAの交流を供給することによっ
て、被測定軸2,間隙3,ヨーク4,間隙3,被測定軸２を通る
磁気回路を形成させておき、この状態で左右回転方向に
それぞれ30kgf・ｍのトルクを印加した際の各トルクセ
ンサ１の出力電圧を検出コイル６で測定し、このときの
各トルクセンサ１の出力感度（第２図の角度θ）および
ヒステリシス（第２図の幅ｂ）を調べた。これらの結果
を同じく第１表に示す。

第１表に示す結果から明らかなように、Ni量が5.0％以
下でかつCr量が5.0％以下であって、Ni＋Cr量が1.5〜4.
0％の範囲にある本発明例No.1〜3,No.5〜10の場合に
は、感度が12〜24mV/kgf・m,ヒステリシスが０〜３％と
なっていて、感度およびヒステリシスの両方共が良好な
値を示している。

また、Ni量が5.0％以下でかつCr量が5.0％以下であっ
て、Ni＋Cr量が1.5％よりも少ない本発明例No.4の場合
には、Ni＋Cr量が1.5％以上の場合に比べて感度が低
く、かつまたヒステリシスが大きくなっていることが明
らかである。反対に、Ni＋Cr量が4.0％よりも多い本発
明例No.11,12においては、感度は良好であるもののヒス
テリシスが大きくなっている。

さらに、Crを含まずかつNi量が5.0％よりも多い比較例N
o.13の場合には感度は良好であるもののヒステリシスが
大きくなっており、Niを含まずかつCr量が5.0％より多
い比較例No.14の場合にはヒステリシスが大きくなって
いるとともに感度も低いものとなっていることが明らか
である。

また、第３図には、本発明例No.5とNo.7の２種類につ
き、第１表に示す浸炭処理を施したものと、第１表に示
す浸炭処理を施さないものとをそれぞれ用意し、上述と
同じ実験方法により感度θとヒステリシスｈを測定した
結果を示す。第３図から明らかなように、浸炭材も非浸
炭材も共に、良好な結果を示しているが、浸炭材の方が
低ヒステリシスでかつ特性のばらつきが小さく、よい望
ましいことがわかる。

［発明の効果］以上説明してきたように、本発明は、磁性体からなる被
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
出する検出手段とを備えたトルクセンサにおいて、前記
被測定軸が、重量％で、C:0.1〜0.5％、Si:1.0以下、M
n:2.0％以下、およびNi:5.0％以下,Cr:5.0％以下のうち
の１種または２種、さらに必要に応じてCu:1.0％以下,M
o:1.0％以下,B:0.0005〜0.05％,V:0.03〜0.5％,Ti:0.01
〜0.1％,Nbおよび／またはTa:0.01〜0.5％,Zr:0.01〜0.
5％のうちの１種以上を含み、残部がFeおよび不純物か
らなる組成を有する鋼を素材としているものであるか
ら、被測定軸の強度を十分に確保したうえで当該トルク
センサの出力感度を大きなものにすると同時にヒステリ
シスを小さなものにすることが可能であり、トルクの検
出を正確に実施することができるようになる。そして、
とくに動力伝達軸のような負荷の大きい回転軸それ自体
を被測定軸として、当該回転軸に加えられるトルクを検
出する場合において、動力電圧軸などの回転軸の強度を
十分に確保したうえで、トルクセンサの検出感度を大き
なものにすることができると同時にヒステリシスを小さ
なものにすることができ、トルクの検出を正確に行うこ
とができ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図は本発明が適用されるトルクセンサの構造例を示
す断面説明図、第２図はトルクセンサの出力特性を示す
グラフ、第３図は本発明No.5とNo.7に対して浸炭・焼入
れを施した場合と浸炭・焼入れを施さない場合の各々出
力感度とヒステリシスとを測定した実験結果を示すグラ
フである。１……トルクセンサ、２……被測定軸、３……間隙、４
……ヨーク、５……励磁コイル（励磁手段）、６……検
出コイル（検出手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−79238（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−95626（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−40830（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁性体からなる被測定軸と、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とを備え
たトルクセンサにおいて、前記被測定軸が、重量％で、
C:0.1〜0.5％、Si:1.0％以下、Mn:2.0％以下、およびN
i:5.0％以下とCr:5.0％以下のいずれか一方または両方
を含み、残部がFeおよび不純物からなる組成を有する鋼
を素材としていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】Ni＋Crが1.5〜4.0％であることを特徴とす
る特許請求の範囲第（１）項記載のトルクセンサ。
【請求項３】被測定軸は浸炭処理されていて浸炭層のＣ
量が0.1％超過1.5％以下となっていることを特徴とする
特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載のトル
クセンサ。
【請求項４】磁性体からなる被測定軸と、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とを備え
たトルクセンサにおいて、前記被測定軸が、重量％で、
C:0.1〜0.5％、Si:1.0％以下、Mn:2.0％以下、およびN
i:5.0％以下とCr:5.0％以下のいずれか一方または両方
を含み、さらにCu:1.0％以下,Mo:1.0％以下,B:0.0005〜
0.05％,V:0.03〜0.5％,Ti:0.01〜0.1％,Nbおよび／また
はTa:0.01〜0.5％,Zr:0.01〜0.5％のうちの少なくとも
１種以上を含み、残部がFeおよび不純物からなる組成を
有する鋼を素材としていることを特徴とするトルクセン
サ。
【請求項５】Ni＋Crが1.5〜4.0％であることを特徴とす
る特許請求の範囲第（４）項記載のトルクセンサ。
【請求項６】被測定軸は浸炭処理されていて浸炭層のＣ
量が0.1％超過1.5％以下となっていることを特徴とする
特許請求の範囲第（４）項または第（５）項記載のトル
クセンサ。