JPH0831636B2 - 磁気弾性トルク・トランスデューサ - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はトクル・センサに関し、特に、回転シャフト
にかかったトルクの測定値を与える非接触型磁気弾性ト
ルク・トランスデューサに関する。
にかかったトルクの測定値を与える非接触型磁気弾性ト
ルク・トランスデューサに関する。
（従来技術とその問題点） 回転駆動シャフトを有するシステムの制御において
は、トルクは重要な基本的パラメータであることが一般
に認められている。従って、正確で、信頼性があり、し
かも安価な方法でトルクを感知し測定することは、数十
年の間、労働者の主な目標であった。長足の進歩はあっ
たけれども、厳しい環境においても長期間にわたって連
続的にトルクを測定することのできる安価なトルク感知
装置を求める強い要求が今だにある。
は、トルクは重要な基本的パラメータであることが一般
に認められている。従って、正確で、信頼性があり、し
かも安価な方法でトルクを感知し測定することは、数十
年の間、労働者の主な目標であった。長足の進歩はあっ
たけれども、厳しい環境においても長期間にわたって連
続的にトルクを測定することのできる安価なトルク感知
装置を求める強い要求が今だにある。
全ての磁気弾性トルク・トランスデューサは２つの要
素を共有している。すなわち、 （１） 強磁性で磁歪効果を示す、トルクをかけられる
部材を有すること、前者は磁区の存在を保証し、後者
は、かけられたトルクに伴なう応力によって各磁区の磁
化方向が変えられ得ることを意味する。
素を共有している。すなわち、 （１） 強磁性で磁歪効果を示す、トルクをかけられる
部材を有すること、前者は磁区の存在を保証し、後者
は、かけられたトルクに伴なう応力によって各磁区の磁
化方向が変えられ得ることを意味する。
（２） トルクがかかっていない時の磁区方向分布から
の変化を感知する（大概は電磁的であるが、必ずしもそ
うではない）手段を有すること。現存する、あるいは提
案されている様々な磁気弾性トルク・トランスデューサ
の相異は、これら共通の要素の違いにある。
の変化を感知する（大概は電磁的であるが、必ずしもそ
うではない）手段を有すること。現存する、あるいは提
案されている様々な磁気弾性トルク・トランスデューサ
の相異は、これら共通の要素の違いにある。
磁性材料の透磁率が、加えられた応力によって変化す
ることは周知されている。磁歪材料の柱状シャフトに捩
り応力が加えられると、シャフトの各要素に剪断応力が
作用する。この剪断応力は、引張り応力と、同等で垂直
な圧縮応力とで表わすことができるものであり、各応力
の大きさは、シャフト軸とその要素との間の距離に正比
例する。最大の引っ張り及び圧縮の方向は、シャフトの
軸の周囲の45°左回り螺旋及び45°右回り螺旋に対する
接線に沿って存在する。トルクの効果は、その螺旋の１
つに平行な方向における透磁率を増大させると共に、こ
れに対応して、他方の螺旋に平行な方向における透磁率
を減少させることである。1954年６月の『科学機器評
論』第25巻第６号の『回転シャフトにおけるトルクの磁
気測定』と題した論文（“Magnetic Measurements of T
orgue in a Rotaing Shaft",The Review of Scientific
Instruments,Vol.25,No.6,June,1954）において、Beth
氏とMeeks氏は、加えられたトルクの尺度として透磁率
の変化を使うためには、主応力方向に沿う透磁率を監視
すると共にシャフトの表面付近の部分に磁束を通すべき
ことを提案している。その理由は、要素がシャフト軸か
ら遠いほど応力が大きくなり、そして最大透磁率変化が
生じると期待されるのは主応力方向に沿ってであるから
である。
ることは周知されている。磁歪材料の柱状シャフトに捩
り応力が加えられると、シャフトの各要素に剪断応力が
作用する。この剪断応力は、引張り応力と、同等で垂直
な圧縮応力とで表わすことができるものであり、各応力
の大きさは、シャフト軸とその要素との間の距離に正比
例する。最大の引っ張り及び圧縮の方向は、シャフトの
軸の周囲の45°左回り螺旋及び45°右回り螺旋に対する
接線に沿って存在する。トルクの効果は、その螺旋の１
つに平行な方向における透磁率を増大させると共に、こ
れに対応して、他方の螺旋に平行な方向における透磁率
を減少させることである。1954年６月の『科学機器評
論』第25巻第６号の『回転シャフトにおけるトルクの磁
気測定』と題した論文（“Magnetic Measurements of T
orgue in a Rotaing Shaft",The Review of Scientific
Instruments,Vol.25,No.6,June,1954）において、Beth
氏とMeeks氏は、加えられたトルクの尺度として透磁率
の変化を使うためには、主応力方向に沿う透磁率を監視
すると共にシャフトの表面付近の部分に磁束を通すべき
ことを提案している。その理由は、要素がシャフト軸か
ら遠いほど応力が大きくなり、そして最大透磁率変化が
生じると期待されるのは主応力方向に沿ってであるから
である。
これを実現するために、Beth氏とMeeks氏とは、シャ
フト内に交番磁束を発生させる駆動コイルと、シャフト
内の主応力方向又はその近くに延在する磁束通路におけ
る、加えられたトルクによる透磁率変化を検出するため
に数本の枝の各々に配置されたピックアップ・コイルと
を担持したヨークを使用した。シャフトにトルクが加え
られると、トルクに起因する機械的応力は、相互に垂直
な圧縮応力と引張り応力とに分解し、それらは、シャフ
ト内の透磁率を、一方の応力の方向に増大させ他方の応
力の方向に減少させる。その結果、ピックアップ・コイ
ルすなわち測定コイルに誘起される電圧が増大又は減少
する。誘起された電圧の大きさの差は、シャフトに加え
られた捩り応力に比例する。
フト内に交番磁束を発生させる駆動コイルと、シャフト
内の主応力方向又はその近くに延在する磁束通路におけ
る、加えられたトルクによる透磁率変化を検出するため
に数本の枝の各々に配置されたピックアップ・コイルと
を担持したヨークを使用した。シャフトにトルクが加え
られると、トルクに起因する機械的応力は、相互に垂直
な圧縮応力と引張り応力とに分解し、それらは、シャフ
ト内の透磁率を、一方の応力の方向に増大させ他方の応
力の方向に減少させる。その結果、ピックアップ・コイ
ルすなわち測定コイルに誘起される電圧が増大又は減少
する。誘起された電圧の大きさの差は、シャフトに加え
られた捩り応力に比例する。
Dahle氏の米国特許第3,011,340号に類似のアプローチ
が記載されている。これらの種類の装置の主な短所は、
主応力方向沿いに透磁率感知を行なう必要があることで
あり、これに伴って、それがシャフトからの半径方向距
離の変化に敏感であること、シャフトの周囲が磁気的に
不均一であること、シャフト速度への依存性が補償不可
能であること等の欠点がある。その結果、例えばこれら
の装置等は、６インチ以上の大直径シャフトに適用され
ているだけであり、大多数の用途が集中している小直径
シャフトには応用不能であった。
が記載されている。これらの種類の装置の主な短所は、
主応力方向沿いに透磁率感知を行なう必要があることで
あり、これに伴って、それがシャフトからの半径方向距
離の変化に敏感であること、シャフトの周囲が磁気的に
不均一であること、シャフト速度への依存性が補償不可
能であること等の欠点がある。その結果、例えばこれら
の装置等は、６インチ以上の大直径シャフトに適用され
ているだけであり、大多数の用途が集中している小直径
シャフトには応用不能であった。
Beth氏及びMeeks氏の論文や米国特許第3,011,340号に
記載されている装置等においては、回転するシャフト自
体がトランスデューサの磁性要素として作用するが、そ
の種の装置は実用上著しい欠点を持っていた。その理由
は、希望の使用分野において望ましい機械的性質をシャ
フトに与えるために使用された材料と冶金処理が、殆ん
どの場合に、磁気弾性トルク・センサに要求される磁気
的性質得るために最適ではなく、あるいは望ましくさえ
ないからである。製造の過程において内部応力により、
及び／又は結晶方向の異なる領域からシャフト内に生じ
た無秩序な異方性は、シャフトの透磁率に局所的変化を
生じさせる原因となり、それは、感知された電圧と加え
られたトルクとの間の望ましい相関を歪める。
記載されている装置等においては、回転するシャフト自
体がトランスデューサの磁性要素として作用するが、そ
の種の装置は実用上著しい欠点を持っていた。その理由
は、希望の使用分野において望ましい機械的性質をシャ
フトに与えるために使用された材料と冶金処理が、殆ん
どの場合に、磁気弾性トルク・センサに要求される磁気
的性質得るために最適ではなく、あるいは望ましくさえ
ないからである。製造の過程において内部応力により、
及び／又は結晶方向の異なる領域からシャフト内に生じ
た無秩序な異方性は、シャフトの透磁率に局所的変化を
生じさせる原因となり、それは、感知された電圧と加え
られたトルクとの間の望ましい相関を歪める。
Scoppe氏の米国特許第3,340,729号の解決策は、溶接
等により磁性スリーブを荷重担持シャフトに固着して、
捩り荷重に比例する捩り歪がスリーブに生じるようにす
る方法である。ここで使用された測定装置は、回転する
シャフトではなくて回転するスリーブにおける透磁率の
変化を感知する。そのため、Scoppeによれば、シャフト
に対して要求される機械的及び強度的性質を最高にする
材料をシャフト用に選択し、且つ、スリーブの磁気的性
質に最高にする別の材料をスリーブ用に選ぶことができ
る。従来技術の装置と同様に、Sco-ppe氏のトルク・メ
ータは、磁束を発生させる一次巻線と、１つは引張り方
向に他の１つは圧縮方向に向けられた２つの二次巻線と
を使用する。Dahle氏により提出された材料問題の少く
とも一部分は除去したが、スリーブを固着して使用する
ことは、他の、同様に困った問題を発生させた。例え
ば、スリーブを製造して取付ける仕事は手に負えない厄
介な仕事であり、たとえ取付け手段が溶接である時に
も、強度上の問題はないが、非常に重大な問題が残って
いる。すなわち、鋼製シャフトの熱膨張係数は、スリー
ブ用に選ばれた如何なる磁性材料の熱膨張係数とも異な
る（場合によっては50％も大きい）。溶接等の高温固着
処理を行った後に冷却をすると磁性材料内に応力が生
じ、これにより磁気的異方性を無秩序に変化させる結果
となる。更に、その応力を除去するためにシャフトとス
リーブを焼き戻すと、シャフトの望ましい機械的性質も
消失し、且つスリーブの磁気的性質が変化する。また、
Dahle氏の装置と同様に、主応力方向沿いの透磁率変化
を監視する必要があることに起因するScoppe氏のトラン
スデューサの短所は、シャフトからの同トランスデュー
サの半径方向距離の変化に敏感であること、シャフト周
辺の磁気的性質が不均一であること、及びシャフト速度
に依存することである。
等により磁性スリーブを荷重担持シャフトに固着して、
捩り荷重に比例する捩り歪がスリーブに生じるようにす
る方法である。ここで使用された測定装置は、回転する
シャフトではなくて回転するスリーブにおける透磁率の
変化を感知する。そのため、Scoppeによれば、シャフト
に対して要求される機械的及び強度的性質を最高にする
材料をシャフト用に選択し、且つ、スリーブの磁気的性
質に最高にする別の材料をスリーブ用に選ぶことができ
る。従来技術の装置と同様に、Sco-ppe氏のトルク・メ
ータは、磁束を発生させる一次巻線と、１つは引張り方
向に他の１つは圧縮方向に向けられた２つの二次巻線と
を使用する。Dahle氏により提出された材料問題の少く
とも一部分は除去したが、スリーブを固着して使用する
ことは、他の、同様に困った問題を発生させた。例え
ば、スリーブを製造して取付ける仕事は手に負えない厄
介な仕事であり、たとえ取付け手段が溶接である時に
も、強度上の問題はないが、非常に重大な問題が残って
いる。すなわち、鋼製シャフトの熱膨張係数は、スリー
ブ用に選ばれた如何なる磁性材料の熱膨張係数とも異な
る（場合によっては50％も大きい）。溶接等の高温固着
処理を行った後に冷却をすると磁性材料内に応力が生
じ、これにより磁気的異方性を無秩序に変化させる結果
となる。更に、その応力を除去するためにシャフトとス
リーブを焼き戻すと、シャフトの望ましい機械的性質も
消失し、且つスリーブの磁気的性質が変化する。また、
Dahle氏の装置と同様に、主応力方向沿いの透磁率変化
を監視する必要があることに起因するScoppe氏のトラン
スデューサの短所は、シャフトからの同トランスデュー
サの半径方向距離の変化に敏感であること、シャフト周
辺の磁気的性質が不均一であること、及びシャフト速度
に依存することである。
磁気弾性トルク感知への別のアプローチは、トルクが
加えられるシャフトに接着された２組の非晶室磁気弾性
素子の差動磁気応答を利用する。このアプローチは、従
来のアプローチと比べると、回転位置及びシャフト速度
に敏感であるという利点を持っている。しかし、その素
子の調整と取付けには過度の注意が必要である。その上
に、トランスデューサとしての性能は、トルクが加えら
れる部材の形状にそのリボン状素子を適合させるために
用いる方法；例えば、硬化中の縮み、膨張係数、時間の
経過に伴うクリープ、持続する荷重下の温度等の、接着
剤の性質；例えば軟度、安定性等の、非晶質材料自体の
機能的性質から不利な影響を受ける。もう１つの関心事
は、トランスデューサが働く環境と接着剤との適合性で
あって、例えば、オイル、水又は他の溶剤又は潤滑剤の
接着剤に対する影響などが問題である。
加えられるシャフトに接着された２組の非晶室磁気弾性
素子の差動磁気応答を利用する。このアプローチは、従
来のアプローチと比べると、回転位置及びシャフト速度
に敏感であるという利点を持っている。しかし、その素
子の調整と取付けには過度の注意が必要である。その上
に、トランスデューサとしての性能は、トルクが加えら
れる部材の形状にそのリボン状素子を適合させるために
用いる方法；例えば、硬化中の縮み、膨張係数、時間の
経過に伴うクリープ、持続する荷重下の温度等の、接着
剤の性質；例えば軟度、安定性等の、非晶質材料自体の
機能的性質から不利な影響を受ける。もう１つの関心事
は、トランスデューサが働く環境と接着剤との適合性で
あって、例えば、オイル、水又は他の溶剤又は潤滑剤の
接着剤に対する影響などが問題である。
『応力感応非晶質リボンを用いる新型トルク・トラン
スデューサ』と題したHarada氏外の論文（the article
“A New Torque Transducer Using Stress Sensitive A
morphous Ribbons",IEEE Trans.on Mag.,MAG-18,No.6,1
767−9,1982）は、２本の応力感応非晶質リボンをシャ
フトの、軸方向に離れた部位の周囲に接着して形成する
トルク・トランスデューサを開示している。シャフトに
第１方向のトルクを加え、これに第１リボンを接着し、
このトルクを解除して第１リボン内に弾性トルク応力を
発生させ、シャフトに反対方向のトルクを加え、これに
第２リボンを接着し、そのトルクを解除して第２リボン
内に弾性トルク応力を発生させることによって、各リボ
ンに１方向磁気弾性磁気異方性を生じさせる。その結
果、一方のリボンの異方性は、シャフト軸に対して＋45
°の右回り螺旋に沿って生じ、他方のリボンの異方性
は、シャフト軸に対して−45°の軸対称左回り螺旋に沿
って生じる。交流で励磁されるコイルと感知コイルとが
シャフトを囲んで、トランスデューサを円対称的にする
と共に、シャフトの回転による出力信号のゆらぎを根本
的に除去している。トルクが存在しない時には、２本の
リボンの磁化は同等の軸方向磁化力に対称的に応答し、
感知コイルはリボンの応答に何らの差も検出しない。し
かし、トルクが加えられると、そのトルクにより主軸沿
いに発生した応力異方性は、予めリボンに生成されてい
た静止異方性と非対称的に結合するので、同等の軸方向
磁化力に対する２本のリボンの応答に差が生じる。この
差応答はトルクの関数であり、感知コイルと、付属の回
路は、加えられたトルクに比例する出力信号を出す。
スデューサ』と題したHarada氏外の論文（the article
“A New Torque Transducer Using Stress Sensitive A
morphous Ribbons",IEEE Trans.on Mag.,MAG-18,No.6,1
767−9,1982）は、２本の応力感応非晶質リボンをシャ
フトの、軸方向に離れた部位の周囲に接着して形成する
トルク・トランスデューサを開示している。シャフトに
第１方向のトルクを加え、これに第１リボンを接着し、
このトルクを解除して第１リボン内に弾性トルク応力を
発生させ、シャフトに反対方向のトルクを加え、これに
第２リボンを接着し、そのトルクを解除して第２リボン
内に弾性トルク応力を発生させることによって、各リボ
ンに１方向磁気弾性磁気異方性を生じさせる。その結
果、一方のリボンの異方性は、シャフト軸に対して＋45
°の右回り螺旋に沿って生じ、他方のリボンの異方性
は、シャフト軸に対して−45°の軸対称左回り螺旋に沿
って生じる。交流で励磁されるコイルと感知コイルとが
シャフトを囲んで、トランスデューサを円対称的にする
と共に、シャフトの回転による出力信号のゆらぎを根本
的に除去している。トルクが存在しない時には、２本の
リボンの磁化は同等の軸方向磁化力に対称的に応答し、
感知コイルはリボンの応答に何らの差も検出しない。し
かし、トルクが加えられると、そのトルクにより主軸沿
いに発生した応力異方性は、予めリボンに生成されてい
た静止異方性と非対称的に結合するので、同等の軸方向
磁化力に対する２本のリボンの応答に差が生じる。この
差応答はトルクの関数であり、感知コイルと、付属の回
路は、加えられたトルクに比例する出力信号を出す。
特公昭58-9034号においては、略々同様のアプローチ
を用いており、２本の非晶質リボンをシャフトに接着
し、所定の、等しい反対向きの角度の磁場中で熱処理を
して対称的磁気異方性をリボンに与える。非晶質リボン
を±45°の山形パターンでシャフトに接着したり（これ
については、Sasada氏外の論文『IEEE Trans.on Mag.,M
AG-20,No.5,951-53,1984』を参照されたい）、±45°方
向に並んだ平行スリットを有する非晶質リボンをシャフ
トに接着したりして（これについては、Mohri氏の論文
『『IEEE Trans.on Mag.,MAG-20,No.5,942-47,1984』を
参照）、残留応力による磁気異方性ではなくて形状磁気
異方性をリボンに生じさせる。磁気弾性トルク・トラン
スデューサにおいて非晶質リボンを接着して使用するこ
とに関する他の新しい成果が、Iwasaki氏の米国特許第
4,414,855号と、Vranish氏外の米国特許第4,598,595号
に開示されている。
を用いており、２本の非晶質リボンをシャフトに接着
し、所定の、等しい反対向きの角度の磁場中で熱処理を
して対称的磁気異方性をリボンに与える。非晶質リボン
を±45°の山形パターンでシャフトに接着したり（これ
については、Sasada氏外の論文『IEEE Trans.on Mag.,M
AG-20,No.5,951-53,1984』を参照されたい）、±45°方
向に並んだ平行スリットを有する非晶質リボンをシャフ
トに接着したりして（これについては、Mohri氏の論文
『『IEEE Trans.on Mag.,MAG-20,No.5,942-47,1984』を
参照）、残留応力による磁気異方性ではなくて形状磁気
異方性をリボンに生じさせる。磁気弾性トルク・トラン
スデューサにおいて非晶質リボンを接着して使用するこ
とに関する他の新しい成果が、Iwasaki氏の米国特許第
4,414,855号と、Vranish氏外の米国特許第4,598,595号
に開示されている。
もっと近頃になって、リボンを接着して用いることに
固有の重大な短所を認識して、適当なマスク材の上に金
属をプラズマ吹付け及び電着する方法が利用されるよう
になった。下記の論文を参照されたい。:Yamasaki et a
l.,“TorqueSensors Using Wire Explosion Magnetostr
ictive Alloy Layers",IEEE Trans.on Mag.,MAG-22,No.
5,403-405（1986）;Sasada et al,“Noncontact Torque
Sensors Using Magnetic Heads and Magnetostrictive
Layer on the Shaft Surface-Application of Plasma
jet Spraying Process",IEEE Trans.on Mag.,MAG-22,N
o.5,406-408（1986）。
固有の重大な短所を認識して、適当なマスク材の上に金
属をプラズマ吹付け及び電着する方法が利用されるよう
になった。下記の論文を参照されたい。:Yamasaki et a
l.,“TorqueSensors Using Wire Explosion Magnetostr
ictive Alloy Layers",IEEE Trans.on Mag.,MAG-22,No.
5,403-405（1986）;Sasada et al,“Noncontact Torque
Sensors Using Magnetic Heads and Magnetostrictive
Layer on the Shaft Surface-Application of Plasma
jet Spraying Process",IEEE Trans.on Mag.,MAG-22,N
o.5,406-408（1986）。
非晶質リボンを用いる上記の仕事は、対称的な、螺旋
形に配向した磁気異方性を有し、軸方向に離れた円周バ
ンドがトルク・トランスデューサの改良に寄与するとい
う最初の評価ではなかった。
形に配向した磁気異方性を有し、軸方向に離れた円周バ
ンドがトルク・トランスデューサの改良に寄与するとい
う最初の評価ではなかった。
ソ連発明者証第274,420号はHarada氏外の非晶質リボ
ン・トランスデューサと似ていなくもない磁気弾性トル
ク測定装置を開示しており、この装置は１対のスリーブ
から成り、初めに、これに異なる方向のトルクを加えて
変形させて、反対向きの磁気異方性をスリーブに与え、
次にこれをシャフトに形成した環状溝に取付ける。その
溝の半径方向深さは、スリーブをその中に収容して、ス
リーブの外径がシャフトの外面と共平面になるような深
さである。適当な電子回路を用いて、シャフトにトルク
が加えられた時、スリーブの透磁率変化を検出し、これ
に対応する電気信号を発生させる。スリーブ又はシャフ
トに用いる材料については何らかの指示もない。変形し
たスリーブをシャフトに取付ける方法に関しても何も開
示されていない。その技術、接着剤又は溶接がどのよう
な技術であっても、得られたトルク測定装置はScoppe氏
の溶着スリーブ（米国特許第3,340,729号）やHarada氏
の接着リボンと同じ欠点を持つとになろう。
ン・トランスデューサと似ていなくもない磁気弾性トル
ク測定装置を開示しており、この装置は１対のスリーブ
から成り、初めに、これに異なる方向のトルクを加えて
変形させて、反対向きの磁気異方性をスリーブに与え、
次にこれをシャフトに形成した環状溝に取付ける。その
溝の半径方向深さは、スリーブをその中に収容して、ス
リーブの外径がシャフトの外面と共平面になるような深
さである。適当な電子回路を用いて、シャフトにトルク
が加えられた時、スリーブの透磁率変化を検出し、これ
に対応する電気信号を発生させる。スリーブ又はシャフ
トに用いる材料については何らかの指示もない。変形し
たスリーブをシャフトに取付ける方法に関しても何も開
示されていない。その技術、接着剤又は溶接がどのよう
な技術であっても、得られたトルク測定装置はScoppe氏
の溶着スリーブ（米国特許第3,340,729号）やHarada氏
の接着リボンと同じ欠点を持つとになろう。
ソ連発明者証第667,836号は磁気弾性トルク・トラン
スデューサを開示しており、このトランスデューサは、
シャフト上で軸方向に離れた２本の周囲バンドを有し、
同バンドは、±45°山形パターンを成してシャフトに形
成された複数のスロットによって画定されており、１対
の励磁及び測定コイル取付け周囲ボビンがシャフトに沿
って軸方向に配置されている。そのスロットによって生
成された形状異方性は、Sasada氏外の山形パターン非晶
質リボン及びMohri氏のスリット付き非晶質リボンと同
じ種類のシャフトの磁気予備調整であり、同じ短所を多
く持っている。
スデューサを開示しており、このトランスデューサは、
シャフト上で軸方向に離れた２本の周囲バンドを有し、
同バンドは、±45°山形パターンを成してシャフトに形
成された複数のスロットによって画定されており、１対
の励磁及び測定コイル取付け周囲ボビンがシャフトに沿
って軸方向に配置されている。そのスロットによって生
成された形状異方性は、Sasada氏外の山形パターン非晶
質リボン及びMohri氏のスリット付き非晶質リボンと同
じ種類のシャフトの磁気予備調整であり、同じ短所を多
く持っている。
日本特許第169,326号は、強磁性材料から成る回転シ
ャフトのトルクを測定する手段を開示している。その手
段は、シャフト面上で軸方向に離れた１対のバンドを含
み、同バンドには、±45°の対向する角度で刻みが形成
されており、更に、それぞれのバンドを囲み、トルクが
シャフトに加えられた時に磁束の変化を感知して、その
加えられたトルクに比例する起電力を発生させるコイル
を含む。刻みを付けるのに使うプロセス、シャフトのバ
ンド部分に用いられる強磁性材料、シャフトをなまして
応力を除去し又は機械的強度を与える熱処理に関して
は、この特許は何も教示していない。更に、この特許
は、トラフ間の距離が大きいことを図面で示唆している
が、刻みの形態やトラフ密度について詳しくは開示して
いない。確かに、バンドが、その周囲の長さの少くとも
50％にわたって残留応力の無い区域（無残留ストレス域
のない周囲領域を少くとも１つ含むという教示はない。
また、１つのバンドの刻み『丘』には圧縮応力がかか
り、他方のバンドの刻み『丘』には引張り応力がかかる
という記載は、刻みに通じる機械的作業によって生成さ
れた残留応力ではなくて、シャフト面の巨視的形状変更
すなわち刻みから磁気異方性が生じることを示唆するも
のである。
ャフトのトルクを測定する手段を開示している。その手
段は、シャフト面上で軸方向に離れた１対のバンドを含
み、同バンドには、±45°の対向する角度で刻みが形成
されており、更に、それぞれのバンドを囲み、トルクが
シャフトに加えられた時に磁束の変化を感知して、その
加えられたトルクに比例する起電力を発生させるコイル
を含む。刻みを付けるのに使うプロセス、シャフトのバ
ンド部分に用いられる強磁性材料、シャフトをなまして
応力を除去し又は機械的強度を与える熱処理に関して
は、この特許は何も教示していない。更に、この特許
は、トラフ間の距離が大きいことを図面で示唆している
が、刻みの形態やトラフ密度について詳しくは開示して
いない。確かに、バンドが、その周囲の長さの少くとも
50％にわたって残留応力の無い区域（無残留ストレス域
のない周囲領域を少くとも１つ含むという教示はない。
また、１つのバンドの刻み『丘』には圧縮応力がかか
り、他方のバンドの刻み『丘』には引張り応力がかかる
という記載は、刻みに通じる機械的作業によって生成さ
れた残留応力ではなくて、シャフト面の巨視的形状変更
すなわち刻みから磁気異方性が生じることを示唆するも
のである。
従って、この特許は、残留応力から生じた磁気異方性
ではなくて、形状変更から生じた磁気異方性が、感知さ
れた透磁率変化の原因であると教示していると思われ
る。この教示は、切削又はフォトエッチング（これは、
残留応力に起因する異方性をバンドに生じさせない）等
の技術で比較的に広く離間したトラフを有する刻みを形
成することと全く矛盾しない。専ら、又は実質的に、形
状変更に依存するトルク測定装置のバンドに予め生成さ
れる異方性は、実用に供するには余りに僅かである。
ではなくて、形状変更から生じた磁気異方性が、感知さ
れた透磁率変化の原因であると教示していると思われ
る。この教示は、切削又はフォトエッチング（これは、
残留応力に起因する異方性をバンドに生じさせない）等
の技術で比較的に広く離間したトラフを有する刻みを形
成することと全く矛盾しない。専ら、又は実質的に、形
状変更に依存するトルク測定装置のバンドに予め生成さ
れる異方性は、実用に供するには余りに僅かである。
ソ連発明者証第838,448号は、シャフト上に離間して
設けられた２つの円周方向バンドと、このバンドを囲ん
でその上に設けられた円周方向励磁コイルと円周方向測
定コイルとを有する磁気弾性トルク・トランスデューサ
を開示している。このトランスデューサにおいては、シ
ャフト面に刻みを設けることによってバンドを形成して
おり、刻みのトラフはシャフト軸に対して±45°の角度
を成しているので、一方のバンドのトラフは他方のバン
ドのトラスに対して垂直である。刻みは、開示されてい
ない方法によって注意深く形成されており、これは、隣
り合うトラフ間に応力のかかっていない面が広く存在す
ることを保証するものであるので、トラフの透磁率は、
その間の無ストレス域の透磁率とは異なる。トラフの幅
対ピッチ比が応力面積無応力面積比と一致し、所望の比
は0.3であると思われるので、どちらのバンドにも、そ
の周囲の長さの30％以上にわたって故意に応力を加えら
れる周方向領域は存在しない。この極小応力異方性事前
調整は、経済的な商業上の使用を目的としては、測定コ
イル及びその付属回路の電子信号出力で測定される。一
貫したトランスデューサ感度を与えるには余りにも小さ
いと思われる。
設けられた２つの円周方向バンドと、このバンドを囲ん
でその上に設けられた円周方向励磁コイルと円周方向測
定コイルとを有する磁気弾性トルク・トランスデューサ
を開示している。このトランスデューサにおいては、シ
ャフト面に刻みを設けることによってバンドを形成して
おり、刻みのトラフはシャフト軸に対して±45°の角度
を成しているので、一方のバンドのトラフは他方のバン
ドのトラスに対して垂直である。刻みは、開示されてい
ない方法によって注意深く形成されており、これは、隣
り合うトラフ間に応力のかかっていない面が広く存在す
ることを保証するものであるので、トラフの透磁率は、
その間の無ストレス域の透磁率とは異なる。トラフの幅
対ピッチ比が応力面積無応力面積比と一致し、所望の比
は0.3であると思われるので、どちらのバンドにも、そ
の周囲の長さの30％以上にわたって故意に応力を加えら
れる周方向領域は存在しない。この極小応力異方性事前
調整は、経済的な商業上の使用を目的としては、測定コ
イル及びその付属回路の電子信号出力で測定される。一
貫したトランスデューサ感度を与えるには余りにも小さ
いと思われる。
トルクが加えられるシャフト上の敏感で実用的な磁気
異方性のバンドの形成に多くの短所があるけれども、Ha
rada氏外、Sasada氏外,Mori氏及びYamasaki氏外の論文
及び前記ソ連発明者証に明示された成果は、対称的な螺
旋方向異方性を有する１対の軸方向に離れた円周方向バ
ンドが周面全体にわたって軸方向の透磁率の差を平均化
することを可能にするものであると認められるので、Be
th氏及びMeeks氏、Dahle氏及びScoppe氏の先の仕事から
の著しい進歩を表わしている。これは、以前提案されて
いたように主応力軸に沿って感知される螺旋状透磁率差
を平均化しようとする試みより著しく単純である。
異方性のバンドの形成に多くの短所があるけれども、Ha
rada氏外、Sasada氏外,Mori氏及びYamasaki氏外の論文
及び前記ソ連発明者証に明示された成果は、対称的な螺
旋方向異方性を有する１対の軸方向に離れた円周方向バ
ンドが周面全体にわたって軸方向の透磁率の差を平均化
することを可能にするものであると認められるので、Be
th氏及びMeeks氏、Dahle氏及びScoppe氏の先の仕事から
の著しい進歩を表わしている。これは、以前提案されて
いたように主応力軸に沿って感知される螺旋状透磁率差
を平均化しようとする試みより著しく単純である。
更に、回転速度も、半径方向偏心率も、このようにし
て感知される透磁率に著しい影響を与えない。それにも
拘らず、トルクの加えられる部材の表面に、磁気弾性を
最大に活用できる材料を取付ける手段を完成させようと
する斯かる努力は、その結果としてのトルク・センサに
不都合な制限を招来するものである。接着剤で非晶質リ
ボンをシャフトに付着させる場合には、リボンをシャフ
トの形状に適合させる方法、接着剤の性質、及び非晶質
材料の機能上の性質等の著い欠点に煩わされることにな
る。Scoppe氏や、最近ではBlomkvist外の米国特許第4,5
06,554号に教示されている。堅く取付けたスリーブを用
いることは、コストが高くなるし、高温溶接により応力
が生成されるし、且つ／又は、その後の焼戻しにより磁
気的及び機械的性質に不確実な点が生じるので、実用に
は適していない。同様に、応力異方性を発生させるため
に形状異方性又は広い無応力領域を当てにすると、その
技術を商業的実施には適さなくするような重大な問題が
起きる。
て感知される透磁率に著しい影響を与えない。それにも
拘らず、トルクの加えられる部材の表面に、磁気弾性を
最大に活用できる材料を取付ける手段を完成させようと
する斯かる努力は、その結果としてのトルク・センサに
不都合な制限を招来するものである。接着剤で非晶質リ
ボンをシャフトに付着させる場合には、リボンをシャフ
トの形状に適合させる方法、接着剤の性質、及び非晶質
材料の機能上の性質等の著い欠点に煩わされることにな
る。Scoppe氏や、最近ではBlomkvist外の米国特許第4,5
06,554号に教示されている。堅く取付けたスリーブを用
いることは、コストが高くなるし、高温溶接により応力
が生成されるし、且つ／又は、その後の焼戻しにより磁
気的及び機械的性質に不確実な点が生じるので、実用に
は適していない。同様に、応力異方性を発生させるため
に形状異方性又は広い無応力領域を当てにすると、その
技術を商業的実施には適さなくするような重大な問題が
起きる。
従って、トルク・トランスデューサ技術には多くの前
進があったとはいえ、従来のトルク・トランスデューサ
よりはるかに経済的で、経済的にも環境的にも従前は実
行不可能であった多くの目的に使用することができると
共に、大直径シャフトにも小直径シャフトにも、それが
静止していても実用的速度で回転していても使用するこ
とができる磁気弾性トランスデューサが依然として求め
られていることは明らかである。
進があったとはいえ、従来のトルク・トランスデューサ
よりはるかに経済的で、経済的にも環境的にも従前は実
行不可能であった多くの目的に使用することができると
共に、大直径シャフトにも小直径シャフトにも、それが
静止していても実用的速度で回転していても使用するこ
とができる磁気弾性トランスデューサが依然として求め
られていることは明らかである。
（発明の概要） 本発明は、トルクが加えられる回転軸の周面に形成さ
れて、その加えられたトルクに応答して透磁率を変化さ
せる強磁性・磁歪手段と、この強磁性・磁歪手段の周辺
に配置されてこの強磁性・磁歪手段に磁場を付与する励
磁手段と、前記の加えられたトルクに起因する強磁性・
磁歪手段の透磁率の変化を感知する検知手段と、前記の
感知された透磁率の変化を、前記回転軸に加えられたト
ルクの大きさを示す電気信号に変換する処理手段とを備
えた磁気弾性トルク・トランスデューサであって、前記
強磁性・磁歪手段が、鉄−ニッケル・マルテンサイト型
の鋼合金と熱的に硬化された鋼合金とから選ばれた鋼合
金にて構成されており、前記熱的に硬化された鋼合金
は、絶対値が5ppm以上である実質上等方性の磁歪性を示
すとともに、0.05ないし0.75重量％の炭素と、当該合金
の磁歪値を絶対値で前記の5ppm以上に高めるのに充分な
量の、ニッケル、クロム、コバルト、チタン、アルミニ
ウム、マンガン、モリブデン、銅、ホウ素から選ばれた
元素とを含み、前記強磁性・磁歪手段は前記回転軸の軸
方向へ一定幅を有するように形成され、この強磁性・磁
歪手段は、前記回転軸の表面においてローレット加工に
伴う塑性変形により生じた螺旋方向のマクロスコピック
な形態変化を有して、この形態変化を伴う塑性変形にも
とづく残留応力による螺旋方向の磁気異方性を有してい
ることを特徴とする磁気弾性トルク・トランスデューサ
を提供する。
れて、その加えられたトルクに応答して透磁率を変化さ
せる強磁性・磁歪手段と、この強磁性・磁歪手段の周辺
に配置されてこの強磁性・磁歪手段に磁場を付与する励
磁手段と、前記の加えられたトルクに起因する強磁性・
磁歪手段の透磁率の変化を感知する検知手段と、前記の
感知された透磁率の変化を、前記回転軸に加えられたト
ルクの大きさを示す電気信号に変換する処理手段とを備
えた磁気弾性トルク・トランスデューサであって、前記
強磁性・磁歪手段が、鉄−ニッケル・マルテンサイト型
の鋼合金と熱的に硬化された鋼合金とから選ばれた鋼合
金にて構成されており、前記熱的に硬化された鋼合金
は、絶対値が5ppm以上である実質上等方性の磁歪性を示
すとともに、0.05ないし0.75重量％の炭素と、当該合金
の磁歪値を絶対値で前記の5ppm以上に高めるのに充分な
量の、ニッケル、クロム、コバルト、チタン、アルミニ
ウム、マンガン、モリブデン、銅、ホウ素から選ばれた
元素とを含み、前記強磁性・磁歪手段は前記回転軸の軸
方向へ一定幅を有するように形成され、この強磁性・磁
歪手段は、前記回転軸の表面においてローレット加工に
伴う塑性変形により生じた螺旋方向のマクロスコピック
な形態変化を有して、この形態変化を伴う塑性変形にも
とづく残留応力による螺旋方向の磁気異方性を有してい
ることを特徴とする磁気弾性トルク・トランスデューサ
を提供する。
このような構成において、一般に軸物に対する転造な
どの塑性加工では、その塑性加工された形状を安定に保
つために塑性変形による残留応力を除去するのが通例で
あり、そのために熱処理などが行われるのに比べ、本発
明では磁気異方性に寄与する有用な残留応力を塑性変形
により発生させることで、この塑性変形に伴う残留応力
を除去せずに、これを逆に活用して、磁気弾性トルク・
トランスデューサに適用することができる。すなわち、
本発明によれば、ローレット加工に伴う塑性変形により
生じた螺旋方向のマクロスコピックな形態変化を有し
て、この形態変化を伴う塑性変形にもとづく残留応力に
よる螺旋方向の磁気異方性を有する構成とすることで、
強磁性・磁歪手段にて構成される磁気異方性部に残留応
力異方性と形状異方性とを兼備させることができ、これ
によってトルク・トランスデューサの感度とその信号の
強度とを向上させることができる。
どの塑性加工では、その塑性加工された形状を安定に保
つために塑性変形による残留応力を除去するのが通例で
あり、そのために熱処理などが行われるのに比べ、本発
明では磁気異方性に寄与する有用な残留応力を塑性変形
により発生させることで、この塑性変形に伴う残留応力
を除去せずに、これを逆に活用して、磁気弾性トルク・
トランスデューサに適用することができる。すなわち、
本発明によれば、ローレット加工に伴う塑性変形により
生じた螺旋方向のマクロスコピックな形態変化を有し
て、この形態変化を伴う塑性変形にもとづく残留応力に
よる螺旋方向の磁気異方性を有する構成とすることで、
強磁性・磁歪手段にて構成される磁気異方性部に残留応
力異方性と形状異方性とを兼備させることができ、これ
によってトルク・トランスデューサの感度とその信号の
強度とを向上させることができる。
（実施例） 本発明は磁気弾性トルク・トランスデューサを提供す
るものであって、このトランスデューサは、（１）トル
ク支持部材を有し、少くともその表面の、適当な軸方向
範囲の少くとも１つの完全周囲領域が略々強磁性で磁歪
硬化を示し；（２）この領域内で軸方向に別れた２つの
周囲バンド又はそのような２つの領域の各々にそのよう
なバンドが設けられており、それらには、それぞれ、対
称的な、螺旋の方向の、塑性変形により発生した残留応
力によって誘起された磁気異方性が与えられていて、ト
ルクが加えられていない時には、一方のバンドにおいて
は磁化は左回り（LH）螺旋に沿う方向に向き、他方のバ
ンドにおいては軸対称的な右回り（RH）螺旋に沿う方向
を向いており；（３）トルクが加えられる部材に接触す
ることなく、等しい軸方向磁化力に対する２つのバンド
の応答の差を検出する磁気弁別装置が設けられている。
るものであって、このトランスデューサは、（１）トル
ク支持部材を有し、少くともその表面の、適当な軸方向
範囲の少くとも１つの完全周囲領域が略々強磁性で磁歪
硬化を示し；（２）この領域内で軸方向に別れた２つの
周囲バンド又はそのような２つの領域の各々にそのよう
なバンドが設けられており、それらには、それぞれ、対
称的な、螺旋の方向の、塑性変形により発生した残留応
力によって誘起された磁気異方性が与えられていて、ト
ルクが加えられていない時には、一方のバンドにおいて
は磁化は左回り（LH）螺旋に沿う方向に向き、他方のバ
ンドにおいては軸対称的な右回り（RH）螺旋に沿う方向
を向いており；（３）トルクが加えられる部材に接触す
ることなく、等しい軸方向磁化力に対する２つのバンド
の応答の差を検出する磁気弁別装置が設けられている。
本発明の磁気弾性トルク・トランスデューサの上記特
徴は、第１図を参照すれば、もっとよく理解されるであ
ろう。
徴は、第１図を参照すれば、もっとよく理解されるであ
ろう。
同図において、強磁性・磁歪材料で形成された、又は
少くとも強磁性・磁歪領域４を有する円柱状のシャフト
２は、軸方向に離れた１対の周囲バンドすなわち環状バ
ンド6,8を有し、同バンドは、それぞれ、各々の磁化容
易軸10,12の角方向±θの対称的螺旋方向の磁気応力異
方性を与えられている。磁気弁別器14がシャフト２から
僅かに半径方向に離れている。θの任意の値についてco
s θ＝cos（−θ）であるから、これら２本のバンドの
中の磁化の縦方向すなわち軸方向の成分は同一であり、
従って、磁気弁別器は差提検出しない（すなわちゼロを
検出する）。
少くとも強磁性・磁歪領域４を有する円柱状のシャフト
２は、軸方向に離れた１対の周囲バンドすなわち環状バ
ンド6,8を有し、同バンドは、それぞれ、各々の磁化容
易軸10,12の角方向±θの対称的螺旋方向の磁気応力異
方性を与えられている。磁気弁別器14がシャフト２から
僅かに半径方向に離れている。θの任意の値についてco
s θ＝cos（−θ）であるから、これら２本のバンドの
中の磁化の縦方向すなわち軸方向の成分は同一であり、
従って、磁気弁別器は差提検出しない（すなわちゼロを
検出する）。
シャフト２にトルクが加わると、それから生じた応力
異方性は、意図的にバンド内に浸透させてあった静止異
方性と非対称的に結合するので、等しい軸方向磁化力に
対する２つのバンドの応答に差が生じる。応力異方性は
トルクの方向と大きさの関数であるから２つのバンドの
作動応答はトルクの単調関数となる。その結果として各
バンドに生じる磁気異方性の差は、一方のバンドの軸方
向透磁率が増大し、他方のバンドのそれが減少すること
で立証される。２つのバンドの軸方向透磁率の差を用い
てトルクを感知する。適切に設計された磁気弁別器は、
その作動応答の特徴を詳しく検出して出力信号（これは
トルクのアナログである）を発生させる。
異方性は、意図的にバンド内に浸透させてあった静止異
方性と非対称的に結合するので、等しい軸方向磁化力に
対する２つのバンドの応答に差が生じる。応力異方性は
トルクの方向と大きさの関数であるから２つのバンドの
作動応答はトルクの単調関数となる。その結果として各
バンドに生じる磁気異方性の差は、一方のバンドの軸方
向透磁率が増大し、他方のバンドのそれが減少すること
で立証される。２つのバンドの軸方向透磁率の差を用い
てトルクを感知する。適切に設計された磁気弁別器は、
その作動応答の特徴を詳しく検出して出力信号（これは
トルクのアナログである）を発生させる。
本発明により、トルク支持部材は、同部材の強磁性領
域に、軸方向に離れた２つの周囲バンドすなわち環状バ
ンドを備えている。これらのバンドについては、同一直
径の部材上に配置されていて、且つ同じトルクが加わる
ように互いに充分に接近しているべきであることを除い
て、幾何学的、空間的、場所的又は周囲に関する特別の
制限は無い。バンドは、ローレット加工に伴う塑性変形
により生じた螺旋方向のマクロスコピックな形態変化を
有して、このバンドには、この形態変化を伴う塑性変形
にもとづく残留応力による螺旋方向の磁気異方性が与え
られている。
域に、軸方向に離れた２つの周囲バンドすなわち環状バ
ンドを備えている。これらのバンドについては、同一直
径の部材上に配置されていて、且つ同じトルクが加わる
ように互いに充分に接近しているべきであることを除い
て、幾何学的、空間的、場所的又は周囲に関する特別の
制限は無い。バンドは、ローレット加工に伴う塑性変形
により生じた螺旋方向のマクロスコピックな形態変化を
有して、このバンドには、この形態変化を伴う塑性変形
にもとづく残留応力による螺旋方向の磁気異方性が与え
られている。
この残留応力により磁気異方性を付与することとは、
塑性変形により残留応力を発生させることである。即
ち、加えていた応力を解除した時に、外力が無い状態で
部材が無応力状態に弾性的に復元することができなくな
るように、少くともその表面領域の弾性限界以上の応力
を部材に加えることである。一般に、金属材料を塑性変
形により加工すると、結晶構造に欠陥が生じ、材料の強
さ等に悪影響を与えるため、塑性変形により生じた残留
応力を残したままにすることは避けるべきものと考えら
れている。
塑性変形により残留応力を発生させることである。即
ち、加えていた応力を解除した時に、外力が無い状態で
部材が無応力状態に弾性的に復元することができなくな
るように、少くともその表面領域の弾性限界以上の応力
を部材に加えることである。一般に、金属材料を塑性変
形により加工すると、結晶構造に欠陥が生じ、材料の強
さ等に悪影響を与えるため、塑性変形により生じた残留
応力を残したままにすることは避けるべきものと考えら
れている。
しかし、本発明では、加工に一定の条件を課すことに
より塑性変形により悪影響を避け、磁気異方性に寄与す
る有用な残留応力を発生させることができることに鑑
み、この塑性変形を逆に活用して磁気弾性トルク・トラ
ンスデューサに適用したものである。残留応力が残っ
て、周知の如くに、これが磁気異方性を発生させる。応
力を加える方法に依存して、接線主残留応力の、部材の
軸に対する方向角は、０°より大きく90°より小さい範
囲で変化する。残留応力の方向角と、その結果としての
磁化容易軸の方向角とは、10°ないし80°であることが
好ましく、20°ないし60°であることが最も望ましい。
より塑性変形により悪影響を避け、磁気異方性に寄与す
る有用な残留応力を発生させることができることに鑑
み、この塑性変形を逆に活用して磁気弾性トルク・トラ
ンスデューサに適用したものである。残留応力が残っ
て、周知の如くに、これが磁気異方性を発生させる。応
力を加える方法に依存して、接線主残留応力の、部材の
軸に対する方向角は、０°より大きく90°より小さい範
囲で変化する。残留応力の方向角と、その結果としての
磁化容易軸の方向角とは、10°ないし80°であることが
好ましく、20°ないし60°であることが最も望ましい。
本書においては、『残留応力』は、外力が無い時に物
体内に存在する応力を意味する。その分布は、物体内の
色々な部分に作用する力及びモーメントを合計すると、
物体全体ではゼロとなるような分布である。従って、若
し１つの領域が正味の力及び／又はトルクを物体の残り
の部分に作用させれば、これと相殺する力及び／又はト
ルクを他の領域が作用させなければならない。自己相殺
分布を確立するための、残留応力についてのこの要求の
帰結として、引張り応力を受ける領域が存在するなら
ば、これと通じて圧縮応力を受ける領域が存在しなけれ
ばならない。塑性変形により発生した残留応力は、しば
しば、領域の寸法と、相殺し合う領域の間の距離とによ
り、短距離（SR）応力及び長距離（LR）応力に分類され
る。SR応力は、数原子の寸法から、単一の粒等のミクロ
構造に匹敵する寸法までの領域に存在する。LR応力は、
１粒子以上の寸法から物体全体の巨視的寸法までにわた
って存在する。巨視的な軸方向範囲の周囲バンドの大部
分にわたって比較的に整然とした磁気異方性が存在しな
ければならないという本発明の要求は、慎重に浸透させ
た適切な分布のLR応力で満たすことができる。いずれの
バンドにおいても、表面及びその近傍における残留応力
の主成分は、バンド全体にわたって比較的に一様であ
り、螺旋指向性で特徴づけることができる。この表面応
力を相殺するのに必要な応力は、表面磁気感知によって
は検出不可能であるように表面から半径方向内方に向っ
て存在するのが望ましい。逆回りではあるが、同様の分
布の等角螺旋を、協働するバンドに浸透させる。
体内に存在する応力を意味する。その分布は、物体内の
色々な部分に作用する力及びモーメントを合計すると、
物体全体ではゼロとなるような分布である。従って、若
し１つの領域が正味の力及び／又はトルクを物体の残り
の部分に作用させれば、これと相殺する力及び／又はト
ルクを他の領域が作用させなければならない。自己相殺
分布を確立するための、残留応力についてのこの要求の
帰結として、引張り応力を受ける領域が存在するなら
ば、これと通じて圧縮応力を受ける領域が存在しなけれ
ばならない。塑性変形により発生した残留応力は、しば
しば、領域の寸法と、相殺し合う領域の間の距離とによ
り、短距離（SR）応力及び長距離（LR）応力に分類され
る。SR応力は、数原子の寸法から、単一の粒等のミクロ
構造に匹敵する寸法までの領域に存在する。LR応力は、
１粒子以上の寸法から物体全体の巨視的寸法までにわた
って存在する。巨視的な軸方向範囲の周囲バンドの大部
分にわたって比較的に整然とした磁気異方性が存在しな
ければならないという本発明の要求は、慎重に浸透させ
た適切な分布のLR応力で満たすことができる。いずれの
バンドにおいても、表面及びその近傍における残留応力
の主成分は、バンド全体にわたって比較的に一様であ
り、螺旋指向性で特徴づけることができる。この表面応
力を相殺するのに必要な応力は、表面磁気感知によって
は検出不可能であるように表面から半径方向内方に向っ
て存在するのが望ましい。逆回りではあるが、同様の分
布の等角螺旋を、協働するバンドに浸透させる。
トルクの感知は、主として、トルクが加えられる部材
の表面における透磁率の変化を感知することによって達
成されるのであるから、塑性変形により発生した残留応
力により生成された磁気異方性が存在しなければならな
いのは、各バンドの少くとも表面である。従って、塑性
変形により加えられる応力は、少くとも、部材の表面に
おける弾性限界により充分に大きくなければならないと
いう制限が存在する。勿論、その最小限度より大きい応
力を加えれば、その加えられた応力の大きさに依存し
て、物体の内部にも応力が残留する結果となることが理
解されるであろう。本書において部材の『表面』は、表
面及びその内側0.010インチまでを意味するものとす
る。
の表面における透磁率の変化を感知することによって達
成されるのであるから、塑性変形により発生した残留応
力により生成された磁気異方性が存在しなければならな
いのは、各バンドの少くとも表面である。従って、塑性
変形により加えられる応力は、少くとも、部材の表面に
おける弾性限界により充分に大きくなければならないと
いう制限が存在する。勿論、その最小限度より大きい応
力を加えれば、その加えられた応力の大きさに依存し
て、物体の内部にも応力が残留する結果となることが理
解されるであろう。本書において部材の『表面』は、表
面及びその内側0.010インチまでを意味するものとす
る。
部材の表面をローレット加工することにより、バンド
の表面において部材の弾性限界を越える応力が加えら
れ、これにより部材の断面にわたって不均一な塑性変形
が生じる。残留応力を誘起するために加える応力は、使
用中にその部材に加わると予想される最大の応力より大
きいことが特に望ましい。その目的は、使用中に加わる
トルクによっては残留応力パターンと共にバンド内の磁
気異方性が変化しないことを保証することである。等し
い軸方向磁化力が部材に加えられている時、軸方向透磁
率感知によって、トルクが加わっていなければ『差無
し』出力が、等しい時計回り（CW）及び反時計回り（CC
W）のトルクが加わった結果としては等しいが反対の出
力が生産されるように、それぞれのバンドに誘起される
残留応力は略々等しくて対称的であるべきである。
の表面において部材の弾性限界を越える応力が加えら
れ、これにより部材の断面にわたって不均一な塑性変形
が生じる。残留応力を誘起するために加える応力は、使
用中にその部材に加わると予想される最大の応力より大
きいことが特に望ましい。その目的は、使用中に加わる
トルクによっては残留応力パターンと共にバンド内の磁
気異方性が変化しないことを保証することである。等し
い軸方向磁化力が部材に加えられている時、軸方向透磁
率感知によって、トルクが加わっていなければ『差無
し』出力が、等しい時計回り（CW）及び反時計回り（CC
W）のトルクが加わった結果としては等しいが反対の出
力が生産されるように、それぞれのバンドに誘起される
残留応力は略々等しくて対称的であるべきである。
残留応力を生じさせるためにその弾性限度より大きい
応力を部材に加える方法によれば、バンドの表面全体に
わたって、すなわちバンドの全周にわたり且つその軸方
向の全長にわたって、連続的で略々均等な残留応力を誘
起するかも知れない。あるいは、その方法は、応力区域
と無応力区域との両方を含む残留応力パターンを各バン
ドに誘起するかも知れない。しかし、そのようなパター
ンについては、その周囲長さの少くとも50％、望ましく
はその周囲長さの少くとも80％にわたって、無応力区域
（無ストレス域）の無い連続的周囲領域が少くとも１つ
は各バンドに存在しなければならないという重要な制限
がある。特に好適な形態においては、各バンドは、その
周囲長さ全体にわたって無応力区域を持たない少くとも
１つの連続的周囲領域を有する。一般に、シャフトのな
るべく広い部分に、比較的に強い統制された磁気異方性
を与えるために、シャフト面の、意図的に応力を加える
面を最大にすることが特に望ましい。これにより、シャ
フト製造中に内部応力により生成されたり結晶方向から
生じたりする無秩序な異方性のみを受けるシャフト面が
可能な限り小さくなる。トルク・センサの磁気回路の能
動的素子、すなわち感知領域としてシャフト自体を使用
することに固有の無秩序な異方性に伴なう問題は、本発
明により、その無秩序な異方性を、意図的に生成した残
留応力によって誘起した比較的に強い異方性で置換又は
圧倒することによって克服されるものである、というこ
とが理解されるべきである。明らかな理由から、意図的
に誘起した異方性が大きいほど、残留した無秩序な異方
性は重要でなくなる。
応力を部材に加える方法によれば、バンドの表面全体に
わたって、すなわちバンドの全周にわたり且つその軸方
向の全長にわたって、連続的で略々均等な残留応力を誘
起するかも知れない。あるいは、その方法は、応力区域
と無応力区域との両方を含む残留応力パターンを各バン
ドに誘起するかも知れない。しかし、そのようなパター
ンについては、その周囲長さの少くとも50％、望ましく
はその周囲長さの少くとも80％にわたって、無応力区域
（無ストレス域）の無い連続的周囲領域が少くとも１つ
は各バンドに存在しなければならないという重要な制限
がある。特に好適な形態においては、各バンドは、その
周囲長さ全体にわたって無応力区域を持たない少くとも
１つの連続的周囲領域を有する。一般に、シャフトのな
るべく広い部分に、比較的に強い統制された磁気異方性
を与えるために、シャフト面の、意図的に応力を加える
面を最大にすることが特に望ましい。これにより、シャ
フト製造中に内部応力により生成されたり結晶方向から
生じたりする無秩序な異方性のみを受けるシャフト面が
可能な限り小さくなる。トルク・センサの磁気回路の能
動的素子、すなわち感知領域としてシャフト自体を使用
することに固有の無秩序な異方性に伴なう問題は、本発
明により、その無秩序な異方性を、意図的に生成した残
留応力によって誘起した比較的に強い異方性で置換又は
圧倒することによって克服されるものである、というこ
とが理解されるべきである。明らかな理由から、意図的
に誘起した異方性が大きいほど、残留した無秩序な異方
性は重要でなくなる。
以上及び以下の記載において、『周囲領域』は、先に
定義した如く、（１）部材の軸に垂直な平面と（２）部
材の表面との交線を画定する点の軌跡を意味する。部材
が円柱状シャフトである場合には、周囲領域は円柱面と
シャフト軸に垂直な平面との交線を画定する円であり、
その円は円周又は周囲長さに有する。換言すると、周囲
領域を構成する部材の表面の各要素を調べれば、その各
要素には応力が加わっているか、又は加わっていること
も、いないこともある。広い応用可能性を有し、特に小
直径シャフトに適用でき、容認可能で実用上再現可能な
感度、直線性及び出力信号強度を示す実用的なトルク・
センサを形成するために、それらの要素の少くとも50％
は、その弾性限界より大きい応力を加えられなければな
らず、従って、加えられていた応力が除去された後に応
力がその中に残留していなければならない。残留応力に
より浸透させられた螺旋方向の磁化容易軸（すなわち、
磁化が最も容易な方向）を含む所望のバンドをトルク支
持部材に与えるに際し、トランスデューサの性能という
観点から最も重要な考慮事項は、結果として得られる異
方性が充分であること、すなわち、生成されたバンドの
異方性が、少くとも、加えられたトルクの寄与する応力
異方性に匹敵する強さを持っていなければならないこと
である。トランスデューサが据付けられる装置との両立
性の観点から考慮しなければならないことは、部材の本
来の機能に対する影響である。
定義した如く、（１）部材の軸に垂直な平面と（２）部
材の表面との交線を画定する点の軌跡を意味する。部材
が円柱状シャフトである場合には、周囲領域は円柱面と
シャフト軸に垂直な平面との交線を画定する円であり、
その円は円周又は周囲長さに有する。換言すると、周囲
領域を構成する部材の表面の各要素を調べれば、その各
要素には応力が加わっているか、又は加わっていること
も、いないこともある。広い応用可能性を有し、特に小
直径シャフトに適用でき、容認可能で実用上再現可能な
感度、直線性及び出力信号強度を示す実用的なトルク・
センサを形成するために、それらの要素の少くとも50％
は、その弾性限界より大きい応力を加えられなければな
らず、従って、加えられていた応力が除去された後に応
力がその中に残留していなければならない。残留応力に
より浸透させられた螺旋方向の磁化容易軸（すなわち、
磁化が最も容易な方向）を含む所望のバンドをトルク支
持部材に与えるに際し、トランスデューサの性能という
観点から最も重要な考慮事項は、結果として得られる異
方性が充分であること、すなわち、生成されたバンドの
異方性が、少くとも、加えられたトルクの寄与する応力
異方性に匹敵する強さを持っていなければならないこと
である。トランスデューサが据付けられる装置との両立
性の観点から考慮しなければならないことは、部材の本
来の機能に対する影響である。
他の重要な考慮事項は、実用性と経済である。本発明
にもとづくローレット切りは、実際上如何なる直径のシ
ャフトに残留応力を誘起するのにも望ましい方法であ
る。ローレット切りでは、バンドの位置、その軸方向範
囲、離隔距離を精密に制御することができる。その上、
ローレット切りでは、容易軸の捩れ角を割合い簡単に制
御することができる。非常に重要なことに、ローレット
切りでは、ピッチ、深さ及び断面形状等の刻み自体の凸
部の特徴を予め設定することができるので、誘起される
残留応力を制御することができる。本発明においては、
その周囲長さの少くとも50％にわたって無応力（ストレ
ス）区域の無い連続的周囲領域が少くとも１つ各バンド
に存在することとなるように、各バンドの表面の充分な
部分に応力を加えなければならない。全てのローレット
がこのように広いわけではなく、刻みと、この目的を達
成するその刻みを適用する方法を選ぶには注意が必要で
ある。ローレット切りはシャフトの表面を粉砕してその
上に刻みを形成するので、刻み付きバンドには残留応力
異方性と共に形状異方性が与えられる。例えば、目的と
する用途と両立させるためにそれが望ましければ、刻み
の粗い形状特徴をシャフトから削り取って、残留応力に
起因する磁気異方性のみを残すことができる。各バンド
内の周囲領域の周囲長さに沿うストレス域のパーセント
（％ストレス域）と感度（単位:mV/N−Ｍ）との間の関
係は、『％ストレス域』が増大すれば感度が増大すると
いう関係である。これらのパラメータをプロットして得
られるカーブは、『％ストレス域』の低い値で最大の勾
配を有し、『％ストレス域』が、100％まで、大きくな
るに従って勾配が減少してゆき、100％において感度は
最大で、勾配はゼロに近い。カーブの正確な形状、『％
ストレス域』の特定な値におけるカーブの勾配、その初
期の上昇率、及び上昇率が減少してカーブが横ばいにな
る点、は全てバンドの材料と、応力を加える方法との関
数である。代表的なカーブを第７図に示してある。
『Ａ』においては、周囲領域の周囲長さに沿って残留応
力は存在しない。『Ｃ』において、周囲領域の周囲長さ
の100％に残留応力が加わっている。『Ｂ』は、おおよ
そ感度が横ばいになり始める、すなわち『％ストレス
域』に対して鈍感になるカーブ上の点を表わしており、
この点は材料及び方法の両方に依存する点である。
にもとづくローレット切りは、実際上如何なる直径のシ
ャフトに残留応力を誘起するのにも望ましい方法であ
る。ローレット切りでは、バンドの位置、その軸方向範
囲、離隔距離を精密に制御することができる。その上、
ローレット切りでは、容易軸の捩れ角を割合い簡単に制
御することができる。非常に重要なことに、ローレット
切りでは、ピッチ、深さ及び断面形状等の刻み自体の凸
部の特徴を予め設定することができるので、誘起される
残留応力を制御することができる。本発明においては、
その周囲長さの少くとも50％にわたって無応力（ストレ
ス）区域の無い連続的周囲領域が少くとも１つ各バンド
に存在することとなるように、各バンドの表面の充分な
部分に応力を加えなければならない。全てのローレット
がこのように広いわけではなく、刻みと、この目的を達
成するその刻みを適用する方法を選ぶには注意が必要で
ある。ローレット切りはシャフトの表面を粉砕してその
上に刻みを形成するので、刻み付きバンドには残留応力
異方性と共に形状異方性が与えられる。例えば、目的と
する用途と両立させるためにそれが望ましければ、刻み
の粗い形状特徴をシャフトから削り取って、残留応力に
起因する磁気異方性のみを残すことができる。各バンド
内の周囲領域の周囲長さに沿うストレス域のパーセント
（％ストレス域）と感度（単位:mV/N−Ｍ）との間の関
係は、『％ストレス域』が増大すれば感度が増大すると
いう関係である。これらのパラメータをプロットして得
られるカーブは、『％ストレス域』の低い値で最大の勾
配を有し、『％ストレス域』が、100％まで、大きくな
るに従って勾配が減少してゆき、100％において感度は
最大で、勾配はゼロに近い。カーブの正確な形状、『％
ストレス域』の特定な値におけるカーブの勾配、その初
期の上昇率、及び上昇率が減少してカーブが横ばいにな
る点、は全てバンドの材料と、応力を加える方法との関
数である。代表的なカーブを第７図に示してある。
『Ａ』においては、周囲領域の周囲長さに沿って残留応
力は存在しない。『Ｃ』において、周囲領域の周囲長さ
の100％に残留応力が加わっている。『Ｂ』は、おおよ
そ感度が横ばいになり始める、すなわち『％ストレス
域』に対して鈍感になるカーブ上の点を表わしており、
この点は材料及び方法の両方に依存する点である。
理想的には、100％残留応力、すなわちカーブ上の
『Ｃ』におけるトルク・センサ作動が最善である。それ
は、感度の変化率が最小であり、一般に、殆んどの方法
において100％ストレス状態が最も得やすいからであ
る。実際問題として、残留応力誘起方法を制御して100
％より小さい所望の『％ストレス域』の値を達成するの
は困難である。しかし、実際の生産の問題を別にすれ
ば、バンドの周囲領域の長さに沿って100％より少し残
留応力に対応する感度レベルで作動する容認可能なトル
ク・センサを作ることはできる。
『Ｃ』におけるトルク・センサ作動が最善である。それ
は、感度の変化率が最小であり、一般に、殆んどの方法
において100％ストレス状態が最も得やすいからであ
る。実際問題として、残留応力誘起方法を制御して100
％より小さい所望の『％ストレス域』の値を達成するの
は困難である。しかし、実際の生産の問題を別にすれ
ば、バンドの周囲領域の長さに沿って100％より少し残
留応力に対応する感度レベルで作動する容認可能なトル
ク・センサを作ることはできる。
トルク・センサを第７図のカーブに沿って上昇部分AB
で経済的に且つ再現可能に作動させることはできない。
それは、その部分では、感度が『％ストレス域』に対し
て極めて敏感に応答するからである。これは、たとえ僅
かな『％ストレス域』の変化であっても、割合いに大き
な感度変化を引起すことを意味する。実務的な経済的観
点からは、大量生産されたトルク・センサは既知の再現
可能な感度を持っていなければならない。それらを１つ
１つ別々に目盛定めしなければならないのは非現実的で
ある。けれども、通常の製造誤差でも小さな『％ストレ
ス域』変化を生じさせる原因となり、その変化は、カー
ブのAB領域では、センサ間に大きな感度差をもたらす結
果となる。従って、商業上有用なトルク・センサは、カ
ーブのもっと平らな部分に沿って作動しなければなら
ず、そこでは勾配はゼロに近い。カーブのBC部分におけ
る作動は容認可能な妥協策であると思われる。殆んどの
材料と残留応力誘起方法のについては、『Ｂ』で表わさ
れる点は周囲領域の周囲長さに沿って少くとも50％スト
レス域、好ましくは80％ストレス域、を上回ることが好
ましい。これは、周囲領域の最小許容残留応力負荷は材
料及びプロセスの両方に依存し、且つ、一般にはできる
だけ100％応力負荷に近いことが最も望ましいという事
実の認識に基づいている。
で経済的に且つ再現可能に作動させることはできない。
それは、その部分では、感度が『％ストレス域』に対し
て極めて敏感に応答するからである。これは、たとえ僅
かな『％ストレス域』の変化であっても、割合いに大き
な感度変化を引起すことを意味する。実務的な経済的観
点からは、大量生産されたトルク・センサは既知の再現
可能な感度を持っていなければならない。それらを１つ
１つ別々に目盛定めしなければならないのは非現実的で
ある。けれども、通常の製造誤差でも小さな『％ストレ
ス域』変化を生じさせる原因となり、その変化は、カー
ブのAB領域では、センサ間に大きな感度差をもたらす結
果となる。従って、商業上有用なトルク・センサは、カ
ーブのもっと平らな部分に沿って作動しなければなら
ず、そこでは勾配はゼロに近い。カーブのBC部分におけ
る作動は容認可能な妥協策であると思われる。殆んどの
材料と残留応力誘起方法のについては、『Ｂ』で表わさ
れる点は周囲領域の周囲長さに沿って少くとも50％スト
レス域、好ましくは80％ストレス域、を上回ることが好
ましい。これは、周囲領域の最小許容残留応力負荷は材
料及びプロセスの両方に依存し、且つ、一般にはできる
だけ100％応力負荷に近いことが最も望ましいという事
実の認識に基づいている。
使用可能なトルクを製造するために上記説明を適用し
得ることを立証するために、第８図を参照すると、外径
0.25インチの円柱状シャフト100に、軸方向長さが等し
くて、外径0.215インチの縮径シャフト部分104で隔てら
れた２つの肩部102が形成されている。このシャフト
は、ペンシルベニア州ピッツバーグ市のサイクロプス社
（Universal-Cyclops Specialty Steel Division,Cyclo
ps Corporation of Pittsburgh,Pensylvania）からUnim
ar 300kという名称で販売されているニッケル・マレー
ジング鋼で形成され、内部応力を除去するため水素中で
813℃で予備焼なましされている。外径3/4インチ、長さ
3/8インチで、その周囲に48個の歯を有する１対の同一
のローレット・ローラにより各肩部102に注意深く刻み
が形成されている。シャフト軸に対して±30°の角度で
各肩部に対称的刻みが形成されるように制御して肩部を
ローレット・ローラに接触させた。肩部に対する工具の
切込みを注意深く制御することにより、各刻みトラフの
幅及び深さを制御することができた。各々の刻み付き肩
部の周囲領域の周囲長さに沿っての『％ストレス域』
は、刻みトラフは肩部上で唯一のストレス域であり、ト
ラフ間の肩面はローレット切り作業で応力を加えられて
はいないと仮定し；トラフ幅と弦刻みピッチとを測定し
てその弦ピッチを周ピッチに変換し；周ピッチに対する
トラフ幅の比（この比に100を掛ければ所望の『％スト
レス域』の値となる）を計算することによって決定し
た。このようにして調整したシャフトをレバー・アーム
に取付けた。このアームは、その各端部のケーブルから
10個の１ポンドの錘を吊すことのできるものであった。
そのレバー・アームの寸法は、いずれかの側に１ポンド
の錘を追加し又は取除けばシャフトに0.5N−Ｍのトルク
変化が与えられるように設定されていた。錘を適当にず
らして、シャフトに加わるトルクの大きさと方向との両
方を変えることができた。
得ることを立証するために、第８図を参照すると、外径
0.25インチの円柱状シャフト100に、軸方向長さが等し
くて、外径0.215インチの縮径シャフト部分104で隔てら
れた２つの肩部102が形成されている。このシャフト
は、ペンシルベニア州ピッツバーグ市のサイクロプス社
（Universal-Cyclops Specialty Steel Division,Cyclo
ps Corporation of Pittsburgh,Pensylvania）からUnim
ar 300kという名称で販売されているニッケル・マレー
ジング鋼で形成され、内部応力を除去するため水素中で
813℃で予備焼なましされている。外径3/4インチ、長さ
3/8インチで、その周囲に48個の歯を有する１対の同一
のローレット・ローラにより各肩部102に注意深く刻み
が形成されている。シャフト軸に対して±30°の角度で
各肩部に対称的刻みが形成されるように制御して肩部を
ローレット・ローラに接触させた。肩部に対する工具の
切込みを注意深く制御することにより、各刻みトラフの
幅及び深さを制御することができた。各々の刻み付き肩
部の周囲領域の周囲長さに沿っての『％ストレス域』
は、刻みトラフは肩部上で唯一のストレス域であり、ト
ラフ間の肩面はローレット切り作業で応力を加えられて
はいないと仮定し；トラフ幅と弦刻みピッチとを測定し
てその弦ピッチを周ピッチに変換し；周ピッチに対する
トラフ幅の比（この比に100を掛ければ所望の『％スト
レス域』の値となる）を計算することによって決定し
た。このようにして調整したシャフトをレバー・アーム
に取付けた。このアームは、その各端部のケーブルから
10個の１ポンドの錘を吊すことのできるものであった。
そのレバー・アームの寸法は、いずれかの側に１ポンド
の錘を追加し又は取除けばシャフトに0.5N−Ｍのトルク
変化が与えられるように設定されていた。錘を適当にず
らして、シャフトに加わるトルクの大きさと方向との両
方を変えることができた。
第９図は、上記の如くにして調整したシャフトの『％
ストレス域』と感度との関係を示すグラフである。この
カーブは約60％負荷までは急に上昇し、その後は急に上
昇はせずに横ばいになってゆくことが判る。その理由
は、低『％ストレス域』値では、周ピッチに対するトラ
フ幅の比と、シャフトの周囲領域の周囲長さに沿っての
ストレス域の実際の割合との間に強い相関関係があると
思われるからである。刻みトラフの幅と深さとが増大す
るに従って、トラフ間の肩面が、少くともトラフの端に
近い部分において、僅かに変形し、略々確実に残留応力
が生じる。従って、周囲領域において100％応力負荷が
達成されるカーブ上の点は、計算された100％値よりや
や小さく、このことは、その高『％ストレス域』部分で
カーブが急に横ばいになることを説明するものである。
このことは、ローレット切り等の多くのプロセスで、10
0％より小さい局所粉砕で100％応力負荷点に達すること
ができるということを示唆している。これに関して、シ
ャフトに残留応力を誘起する方法は、それぞれ特有の、
『％ストレス域』対感度カーブを産出するけれども、各
カーブは第７図と第９図に現れた同じ一般的特徴を有す
ると思われる。
ストレス域』と感度との関係を示すグラフである。この
カーブは約60％負荷までは急に上昇し、その後は急に上
昇はせずに横ばいになってゆくことが判る。その理由
は、低『％ストレス域』値では、周ピッチに対するトラ
フ幅の比と、シャフトの周囲領域の周囲長さに沿っての
ストレス域の実際の割合との間に強い相関関係があると
思われるからである。刻みトラフの幅と深さとが増大す
るに従って、トラフ間の肩面が、少くともトラフの端に
近い部分において、僅かに変形し、略々確実に残留応力
が生じる。従って、周囲領域において100％応力負荷が
達成されるカーブ上の点は、計算された100％値よりや
や小さく、このことは、その高『％ストレス域』部分で
カーブが急に横ばいになることを説明するものである。
このことは、ローレット切り等の多くのプロセスで、10
0％より小さい局所粉砕で100％応力負荷点に達すること
ができるということを示唆している。これに関して、シ
ャフトに残留応力を誘起する方法は、それぞれ特有の、
『％ストレス域』対感度カーブを産出するけれども、各
カーブは第７図と第９図に現れた同じ一般的特徴を有す
ると思われる。
叙上から判るように、トルクが加わっていない時に、
等しい軸方向磁化力をバンドに加えると、バンドは対称
的に応答し、バンドに付属している感知手段は、応答に
差の無いことを検出する。トルクが加えられている時に
は、その加えられているトルクに伴なう主応力は、バン
ド内の残留応力と、２つのバンド内の合成応力が互いに
他と異なるような態様で、結合する。その結果として、
透磁率は相異なり、各バンドに付属する感知手段に誘起
される起電力はその差を反映する。差の大きさは、加え
られたトルクの大きさに比例する。このようにして、本
システムは、２つの周囲バンド間の、加えられたトルク
に伴なう主応力に対する差動的磁気弾性応答を感知す
る。このことの重要性は、このような感知は結局バンド
の周囲全体にわたって平均化された応答を感知するのに
等しいことにある。このようにして、表面の不均一性、
位置及び回転速度に対する感受性が回避されている。
等しい軸方向磁化力をバンドに加えると、バンドは対称
的に応答し、バンドに付属している感知手段は、応答に
差の無いことを検出する。トルクが加えられている時に
は、その加えられているトルクに伴なう主応力は、バン
ド内の残留応力と、２つのバンド内の合成応力が互いに
他と異なるような態様で、結合する。その結果として、
透磁率は相異なり、各バンドに付属する感知手段に誘起
される起電力はその差を反映する。差の大きさは、加え
られたトルクの大きさに比例する。このようにして、本
システムは、２つの周囲バンド間の、加えられたトルク
に伴なう主応力に対する差動的磁気弾性応答を感知す
る。このことの重要性は、このような感知は結局バンド
の周囲全体にわたって平均化された応答を感知するのに
等しいことにある。このようにして、表面の不均一性、
位置及び回転速度に対する感受性が回避されている。
加えられたトルクに起因する透磁率の変化の感知は、
従来技術に開示されているように、多くの方法で行なう
ことができる。例えば前記のHarada氏外の論文と米国特
許第4,506,554号を参照されたい。機能的には、磁気弁
別器は、２つのバンド間の、加えられたトルクに対する
差動的磁気弾性応答を評価するためのプローブに過ぎな
い。一般に、それは、時間の経過に従って周期的に変化
する磁化力を両方のバンドに加え、その結果としての同
バンドの磁化の差を感知することによって機能する。そ
の磁化力は、電流、永久磁石、又はその両方に由来する
ものである。結果としての磁化は、その発散を通して、
磁束又はその時間変化率によって感知することができる
ものである。トランスデューサ機能は、そのトルクのア
ナログである電気信号を送出する電気回路によって完成
される。
従来技術に開示されているように、多くの方法で行なう
ことができる。例えば前記のHarada氏外の論文と米国特
許第4,506,554号を参照されたい。機能的には、磁気弁
別器は、２つのバンド間の、加えられたトルクに対する
差動的磁気弾性応答を評価するためのプローブに過ぎな
い。一般に、それは、時間の経過に従って周期的に変化
する磁化力を両方のバンドに加え、その結果としての同
バンドの磁化の差を感知することによって機能する。そ
の磁化力は、電流、永久磁石、又はその両方に由来する
ものである。結果としての磁化は、その発散を通して、
磁束又はその時間変化率によって感知することができる
ものである。トランスデューサ機能は、そのトルクのア
ナログである電気信号を送出する電気回路によって完成
される。
磁化力を供給すると共に、その結果としての感知コイ
ルの差信号を測定する方法が第２図と第３図に示されて
いる。第２図から判るように、シャフト２と同軸のボビ
ン16,18がバンド6,8を囲んでいる。ボビン16,18に１対
のコイル20,22及び24,26が取付けられており、そのうち
の22と26は、直列に接続されて交流で駆動される励磁又
は磁化コイルであり、20と24は、２つのバンドの磁束の
差を感知する反対向きに接続された感知コイルである。
略々Ｅ形の回転立体としてフェライト材料コア28が随意
的に設けられている。シャフトとＥ形コアとの間の周囲
ギャップ30を、シャフトをコア内の中心に保つのに適当
である程度に小さく且つ均一に維持することが望まし
い。第３図の示すところによると、励磁又は駆動コイル
22,26は直列にAC電源32から給電され、反対向きに接続
された感知コイル20,24に誘起された起電力は、整流器3
4で位相敏感に整流されて電圧表示器36に表示される。
黒点38はコイルの極性を示す。
ルの差信号を測定する方法が第２図と第３図に示されて
いる。第２図から判るように、シャフト２と同軸のボビ
ン16,18がバンド6,8を囲んでいる。ボビン16,18に１対
のコイル20,22及び24,26が取付けられており、そのうち
の22と26は、直列に接続されて交流で駆動される励磁又
は磁化コイルであり、20と24は、２つのバンドの磁束の
差を感知する反対向きに接続された感知コイルである。
略々Ｅ形の回転立体としてフェライト材料コア28が随意
的に設けられている。シャフトとＥ形コアとの間の周囲
ギャップ30を、シャフトをコア内の中心に保つのに適当
である程度に小さく且つ均一に維持することが望まし
い。第３図の示すところによると、励磁又は駆動コイル
22,26は直列にAC電源32から給電され、反対向きに接続
された感知コイル20,24に誘起された起電力は、整流器3
4で位相敏感に整流されて電圧表示器36に表示される。
黒点38はコイルの極性を示す。
シャフト２にトルクが加えられていない時には、バン
ド内の応力は対称的で且つ等しいので、この条件下で
は、a.c.駆動入力が加えられても、第３図に示されてい
る回路からの出力信号はゼロである。それはバンドが等
しい透磁率を持っているからである。従って、感知コイ
ルに誘起される電圧は、大きさが等しく極性が反対であ
り、互いに打消し合う。しかし、トルクがシャフト２に
加えられている時には、それぞれのバンドは引張り応力
及び圧縮応力を受け、その結果として、一方のバンドを
通る磁束及び透磁率が増大し、他方のバンドを通る磁束
及び透磁率が減少する。斯くして、一方の感知コイルに
誘起された電圧は、他方の感知コイルに誘起された電圧
を上回り、その誘起された電圧の差を表わす、加えられ
たトルクに比例する出力信号が得られる。その信号は整
流器34で直流電圧に変換され、整流器出力の極性は、加
えられたトルクの方向すなわち、CW又はCCW;に依存す
る。一般的に、線形で強い出力信号を得るためには、a.
c.駆動電流を、励起周波数１ないし400kHz、10ないし40
0mAの範囲に保つことが望ましい。
ド内の応力は対称的で且つ等しいので、この条件下で
は、a.c.駆動入力が加えられても、第３図に示されてい
る回路からの出力信号はゼロである。それはバンドが等
しい透磁率を持っているからである。従って、感知コイ
ルに誘起される電圧は、大きさが等しく極性が反対であ
り、互いに打消し合う。しかし、トルクがシャフト２に
加えられている時には、それぞれのバンドは引張り応力
及び圧縮応力を受け、その結果として、一方のバンドを
通る磁束及び透磁率が増大し、他方のバンドを通る磁束
及び透磁率が減少する。斯くして、一方の感知コイルに
誘起された電圧は、他方の感知コイルに誘起された電圧
を上回り、その誘起された電圧の差を表わす、加えられ
たトルクに比例する出力信号が得られる。その信号は整
流器34で直流電圧に変換され、整流器出力の極性は、加
えられたトルクの方向すなわち、CW又はCCW;に依存す
る。一般的に、線形で強い出力信号を得るためには、a.
c.駆動電流を、励起周波数１ないし400kHz、10ないし40
0mAの範囲に保つことが望ましい。
第４図は、トルクがシャフトに加えられた時のバンド
の透磁率変化を感知する他の種類の磁気弁別器を示す。
強磁性コアと、これに巻回されたコイルとから成る磁気
ヘッド42,44は、バンド46,48と一致するシャフト40沿い
の軸方向位置に設けられて、バンドに磁気的に結合され
ている。磁気ヘッド42,44は、ダイオード52,54を通して
高周波電源50により駆動される。シャフト40にトルクが
加えられていない時には、両バンドの透磁率は等しい。
従って、両磁気ヘッドのインダクタンスのレベルは等し
くて極性が反対であり、正味の電流出力Voutはゼロであ
る。矢60で示されているように、トルクがシャフト40に
に加えられている時には、一方のバンドの透磁率は増大
し、他方の透磁率は減少する。これに対応して、一方の
磁気ヘッドのインダクタンスは増大し、他方の磁気ヘッ
ドのインダクタンスは減少し、その結果として両ヘッド
の励起電流に差が生じる。抵抗器56と平滑化コンデンサ
58とを介して流れる励起電流の差は、加えられたトルク
の大きさ及び方向を示す極性及び大きさを有する直流電
流出力信号を産出する。
の透磁率変化を感知する他の種類の磁気弁別器を示す。
強磁性コアと、これに巻回されたコイルとから成る磁気
ヘッド42,44は、バンド46,48と一致するシャフト40沿い
の軸方向位置に設けられて、バンドに磁気的に結合され
ている。磁気ヘッド42,44は、ダイオード52,54を通して
高周波電源50により駆動される。シャフト40にトルクが
加えられていない時には、両バンドの透磁率は等しい。
従って、両磁気ヘッドのインダクタンスのレベルは等し
くて極性が反対であり、正味の電流出力Voutはゼロであ
る。矢60で示されているように、トルクがシャフト40に
に加えられている時には、一方のバンドの透磁率は増大
し、他方の透磁率は減少する。これに対応して、一方の
磁気ヘッドのインダクタンスは増大し、他方の磁気ヘッ
ドのインダクタンスは減少し、その結果として両ヘッド
の励起電流に差が生じる。抵抗器56と平滑化コンデンサ
58とを介して流れる励起電流の差は、加えられたトルク
の大きさ及び方向を示す極性及び大きさを有する直流電
流出力信号を産出する。
本発明の１つの独特な面によると、前述したように、
適当な材料のシャフトの２つの接近したバンドの各々
に、対称的な、左回り及び右回りの螺旋の方向の磁化容
易軸が与えられる。少くともバンドの領域において、普
通はその全長にわたって、シャフトは、少くともその表
面は、強磁性及び磁歪の性質を有する材料で形成されて
いる。その材料は、磁区の存在を保証するために強磁性
でなければならず、加えられたトルクに伴なう応力によ
り磁化方向が変化し得るように、磁歪性でなければなら
ない。多くの材料が強磁性であって且つ磁歪性である。
しかし、高透磁率、低保磁力、低固有磁気異方性等の他
の望ましい磁気的性質をも示す材料のみが望ましい。ま
た、望ましい材料は、高周波磁場を加えた結果として発
生する誘導渦電流を最少限度にとどめるため、高い抵抗
率を有する。最も重要なことは、好ましい材料は、同材
料を目的の用途に適する高い強度及び硬度を持った適当
なシャフトに形成するために必要な冷間加工及び熱処理
を受けた後に前記の望ましい磁気的性質を保持していな
ければならないということである。
適当な材料のシャフトの２つの接近したバンドの各々
に、対称的な、左回り及び右回りの螺旋の方向の磁化容
易軸が与えられる。少くともバンドの領域において、普
通はその全長にわたって、シャフトは、少くともその表
面は、強磁性及び磁歪の性質を有する材料で形成されて
いる。その材料は、磁区の存在を保証するために強磁性
でなければならず、加えられたトルクに伴なう応力によ
り磁化方向が変化し得るように、磁歪性でなければなら
ない。多くの材料が強磁性であって且つ磁歪性である。
しかし、高透磁率、低保磁力、低固有磁気異方性等の他
の望ましい磁気的性質をも示す材料のみが望ましい。ま
た、望ましい材料は、高周波磁場を加えた結果として発
生する誘導渦電流を最少限度にとどめるため、高い抵抗
率を有する。最も重要なことは、好ましい材料は、同材
料を目的の用途に適する高い強度及び硬度を持った適当
なシャフトに形成するために必要な冷間加工及び熱処理
を受けた後に前記の望ましい磁気的性質を保持していな
ければならないということである。
多くの大強度鋼合金が強磁性で且つ磁歪性であるとい
うのは事実である。けれども、その合金の大多数は、希
望の用途に適する硬度と強度とを達成するのに必要な熱
処理を受けると、その磁気的性質が様々な度合に劣化す
るものである。最も著しい劣化は、機械的硬度と磁気的
軟度との間の一般的反比例関係が確実に成立すると思わ
れる、炭素又は炭化物で硬化された合金において記録さ
れている。しかし、AISI 1018等の低炭素合金でさえ
も、その性能は熱処理で著しく劣化することが判ってい
る。例えばAISI 410などのマルテンサイト型ステンレス
鋼と、例えば49Fe-49Co-2V合金等の、他元素を多量に含
む鋼とについても同じことが言える。本発明の他の独特
の面によれば、次のことが確かめられている：すなわ
ち、ニッケル・マレージング鋼は、優れた機械的性質と
共に顕著で且つ熱的に安定した磁気的性質を併せ持って
いる異常な鋼であり、それ故にこの種の鋼は、強磁性磁
歪手段に磁場を加えて、これに加わったトルクに起因す
る透磁率変化を感知して同トルクの大きさの示度を得る
全ての磁気弾性トルク・トランスデューサに用いるのに
特に適していて格別に有利である。
うのは事実である。けれども、その合金の大多数は、希
望の用途に適する硬度と強度とを達成するのに必要な熱
処理を受けると、その磁気的性質が様々な度合に劣化す
るものである。最も著しい劣化は、機械的硬度と磁気的
軟度との間の一般的反比例関係が確実に成立すると思わ
れる、炭素又は炭化物で硬化された合金において記録さ
れている。しかし、AISI 1018等の低炭素合金でさえ
も、その性能は熱処理で著しく劣化することが判ってい
る。例えばAISI 410などのマルテンサイト型ステンレス
鋼と、例えば49Fe-49Co-2V合金等の、他元素を多量に含
む鋼とについても同じことが言える。本発明の他の独特
の面によれば、次のことが確かめられている：すなわ
ち、ニッケル・マレージング鋼は、優れた機械的性質と
共に顕著で且つ熱的に安定した磁気的性質を併せ持って
いる異常な鋼であり、それ故にこの種の鋼は、強磁性磁
歪手段に磁場を加えて、これに加わったトルクに起因す
る透磁率変化を感知して同トルクの大きさの示度を得る
全ての磁気弾性トルク・トランスデューサに用いるのに
特に適していて格別に有利である。
ニッケル・マレーシング鋼は、一般には、極低炭素、
高ニッケル、鉄ベース合金であり、溶接容易で熱処理容
易な材料において構造的強さと破壊じん性との非凡な組
合せを示す。この鋼は、焼き戻し及び冷却で鉄−ニッケ
ル・マルテンサイト微細構造に変化し、焼戻しされた状
態又はマルテンサイト状態におけるエージングで非凡な
強度特性を得る、緩く結合した鉄ベース合金のグループ
に属する。そこで、この合金は、その強化に係る２つの
主要な反応（マルテンサイト化、エージング）の故に、
『マレーシング』と呼ばれる。しかし、この鋼は、極め
て高いレベルまで急速に強化することのできる著しく粘
り強いマルテンサイトの形成を可能にする高ニッケル、
極低炭素含有率の故に、独特なものである。エージング
された状態におけるこの種の鋼では、300KSiに及び、且
つそれをはるかに上回る耐力を利用することができる。
高ニッケル、鉄ベース合金であり、溶接容易で熱処理容
易な材料において構造的強さと破壊じん性との非凡な組
合せを示す。この鋼は、焼き戻し及び冷却で鉄−ニッケ
ル・マルテンサイト微細構造に変化し、焼戻しされた状
態又はマルテンサイト状態におけるエージングで非凡な
強度特性を得る、緩く結合した鉄ベース合金のグループ
に属する。そこで、この合金は、その強化に係る２つの
主要な反応（マルテンサイト化、エージング）の故に、
『マレーシング』と呼ばれる。しかし、この鋼は、極め
て高いレベルまで急速に強化することのできる著しく粘
り強いマルテンサイトの形成を可能にする高ニッケル、
極低炭素含有率の故に、独特なものである。エージング
された状態におけるこの種の鋼では、300KSiに及び、且
つそれをはるかに上回る耐力を利用することができる。
代表的ニッケル・マレージング鋼は、12〜25％Ni、７
〜13％Co、2.75〜5.2％Mo、1.5〜2.0％Ti、0.5〜0.3％A
l、0.03％までのＣ、残りの鉄、及び微量のMn,Si,S,P,C
b等の他の元素から成る合金である。最もありふれてい
て実用上重要なマレージング鋼は、少くとも現在は、エ
ージングにより約200KSi、250Ksi、及び300KSiの耐力を
生ずることのできる18％Ni鋼である。18Ni200、18Ni25
0、及び18Ni300級マレージング鋼と呼ばれるその特別の
合金は、１〜19％Ni、７〜9.5％Co、3.0〜5.2％Mo、0.1
〜0.8％Ti、0.05〜0.15Al、0.03％までのＣ、残りの
鉄、及び微量の他の元素、の範囲の代表的組成を有す
る。普通、18％ニッケル・マレージング鋼は、析出物を
溶解し、内部応力を除去し、完全なオーステナイトへの
変化を保証するため、例えば厚み１インチあたり１時間
の充分な時間1500゜F以上の温度で焼き戻しされて熱処理
される。空気冷却後、18％Ni鋼は、普通は、750〜1100゜
F（望ましくは900〜950゜F）で、厚みに応じて３〜10時
間（普通３〜６時間）エージングされる。けれども、僅
か10分間エージングしただけで満足な強度特性と優れた
磁気特性とを合金に与えることができるということが判
っている。
〜13％Co、2.75〜5.2％Mo、1.5〜2.0％Ti、0.5〜0.3％A
l、0.03％までのＣ、残りの鉄、及び微量のMn,Si,S,P,C
b等の他の元素から成る合金である。最もありふれてい
て実用上重要なマレージング鋼は、少くとも現在は、エ
ージングにより約200KSi、250Ksi、及び300KSiの耐力を
生ずることのできる18％Ni鋼である。18Ni200、18Ni25
0、及び18Ni300級マレージング鋼と呼ばれるその特別の
合金は、１〜19％Ni、７〜9.5％Co、3.0〜5.2％Mo、0.1
〜0.8％Ti、0.05〜0.15Al、0.03％までのＣ、残りの
鉄、及び微量の他の元素、の範囲の代表的組成を有す
る。普通、18％ニッケル・マレージング鋼は、析出物を
溶解し、内部応力を除去し、完全なオーステナイトへの
変化を保証するため、例えば厚み１インチあたり１時間
の充分な時間1500゜F以上の温度で焼き戻しされて熱処理
される。空気冷却後、18％Ni鋼は、普通は、750〜1100゜
F（望ましくは900〜950゜F）で、厚みに応じて３〜10時
間（普通３〜６時間）エージングされる。けれども、僅
か10分間エージングしただけで満足な強度特性と優れた
磁気特性とを合金に与えることができるということが判
っている。
他の周知のニッケル・マレージング鋼は、コバルトを
含まない18％ニッケル・マレージング鋼と、コバルトを
含む25％Ni、20Ni、及び12％Niマレージング鋼である。
18％Ni-Co含有マレージング鋼は、幾つかの供給元から
販売されている。すなわち、それらの鋼は、VascoMax C
−200,VascoMax C−250,VascoMax C−300,及びVascoMax
C−350という商標でテレダイン・バスコ社（Teledyne
Vasco of Latrobe,Pennsylvania）から;Marvac 250及び
Marvac 300という商標でラトローブ・スチール社（Latr
obe Steel Company of Latrobe,Pennsylvania）から;Un
imar 300Kという商標でサイクロプス社（Universal Cyc
lops Specialty Steel DiviSion,Cyclops Corporation
of Pittsburgh,Pennsylvania）から;Almar 18-300とい
う商標でスペリオルチューブ社（Superior Tube of Nor
ristown,Pennsylvania）から；入手可能である。18％Ni
−コバルト無しマレージング鋼は、VascoMax T−200,Va
scoMax T−250,及びVascoMax T−300という商標でテレ
ダイン・バスコ社（Teledyne Vasco of Latrobe,Pennsy
lvania）から販売されている。鉄−ニッケル・マルテン
サイト相を形成する他の高ニッケル鋼は、もっと一般的
なマレージング鋼のそれに類似する、温度変化に対して
相当安定した機械的及び磁気的性質を示す。その中で最
も有名なのは、9.84Ni,3.62Co,0.15 C、残りは鉄という
代表的重量％組成を有する、テレダイン・バスコ社（Te
ledyne Vasco）から販売されている。公称９％Ni−４％
Co合金である。また、例えば15％Ni-15％Coなどの、他
の色々な高ニッケル・コバルト組成のマレージング鋼
が、色々な性質のうちの１つ又は幾つかの組合せを最適
化するために、断続的に試験されている。従って、本書
においては、『Niマレージング鋼』は、９ないし25％の
ニッケルを含有していて、前述の如くに鉄−ニッケル・
マルテンサイトの形成からその強度特性を得る鉄及びニ
ッケルの合金を意味する。
含まない18％ニッケル・マレージング鋼と、コバルトを
含む25％Ni、20Ni、及び12％Niマレージング鋼である。
18％Ni-Co含有マレージング鋼は、幾つかの供給元から
販売されている。すなわち、それらの鋼は、VascoMax C
−200,VascoMax C−250,VascoMax C−300,及びVascoMax
C−350という商標でテレダイン・バスコ社（Teledyne
Vasco of Latrobe,Pennsylvania）から;Marvac 250及び
Marvac 300という商標でラトローブ・スチール社（Latr
obe Steel Company of Latrobe,Pennsylvania）から;Un
imar 300Kという商標でサイクロプス社（Universal Cyc
lops Specialty Steel DiviSion,Cyclops Corporation
of Pittsburgh,Pennsylvania）から;Almar 18-300とい
う商標でスペリオルチューブ社（Superior Tube of Nor
ristown,Pennsylvania）から；入手可能である。18％Ni
−コバルト無しマレージング鋼は、VascoMax T−200,Va
scoMax T−250,及びVascoMax T−300という商標でテレ
ダイン・バスコ社（Teledyne Vasco of Latrobe,Pennsy
lvania）から販売されている。鉄−ニッケル・マルテン
サイト相を形成する他の高ニッケル鋼は、もっと一般的
なマレージング鋼のそれに類似する、温度変化に対して
相当安定した機械的及び磁気的性質を示す。その中で最
も有名なのは、9.84Ni,3.62Co,0.15 C、残りは鉄という
代表的重量％組成を有する、テレダイン・バスコ社（Te
ledyne Vasco）から販売されている。公称９％Ni−４％
Co合金である。また、例えば15％Ni-15％Coなどの、他
の色々な高ニッケル・コバルト組成のマレージング鋼
が、色々な性質のうちの１つ又は幾つかの組合せを最適
化するために、断続的に試験されている。従って、本書
においては、『Niマレージング鋼』は、９ないし25％の
ニッケルを含有していて、前述の如くに鉄−ニッケル・
マルテンサイトの形成からその強度特性を得る鉄及びニ
ッケルの合金を意味する。
その顕著な物性及び強度特性に加えて、ニッケル・マ
レージング鋼は優れた磁気的特性を持っているので、非
接触トルク・トランスデューサの磁性材料として用いる
のに特に適している。すなわち、この合金は、25ppm±1
5ppmの範囲の略々等方性の強い磁歪性を有するがビラリ
反転を示さず；電気抵抗率が高く；結晶構造による固有
磁気異方性が弱く；透磁率が高く；保磁力が低くて、５
〜25エルステッドの範囲にあり；合金の化学的性質で磁
気的性質が安定している。しかし、最も重要なことは、
その磁気的性質が強化処理によって控えめに、けれども
好都合に、影響されるに過ぎないということである（実
際、その磁気的性質は冷間加工とエージング熱処理で向
上する）。この点で、ニッケル・マレージング鋼は他の
全ての大強度合金と相違している。従来は、一般的知識
として、鋼の機械的及び強度的性質を改善するのに必要
な熱処理は、その磁気的性質には有害であるとされてき
た。例えば、焼入れされた鋼合金は一般に非常に低い透
磁率と高い保磁力とを示すが、これは不都合な磁気的性
質の組合せであり、そのために当該合金の弱磁場に対す
る感度は著しく低下し、本書で考察しているようなトル
ク・トランスデューサには不向きとなる。ところが、ニ
ッケル・マレージング鋼については、これはあてはまら
ない。本発明により、極めて大きな強度を与えるために
行なう冷間加工及びエージング熱処理でニッケル・マレ
ージング鋼は磁気的に軟化するということが確認されて
いる。実際、例えば18％Niマレージング鋼の保磁力は、
900゜Fで10時間エージングされると、低下する。その結
果、マレージング鋼を、エージング済みの状態（すなわ
ち、その鋼が最大強度特性と、略々同等又は向上した磁
気的特性とを示す状態）で有利に使用することができ
る。
レージング鋼は優れた磁気的特性を持っているので、非
接触トルク・トランスデューサの磁性材料として用いる
のに特に適している。すなわち、この合金は、25ppm±1
5ppmの範囲の略々等方性の強い磁歪性を有するがビラリ
反転を示さず；電気抵抗率が高く；結晶構造による固有
磁気異方性が弱く；透磁率が高く；保磁力が低くて、５
〜25エルステッドの範囲にあり；合金の化学的性質で磁
気的性質が安定している。しかし、最も重要なことは、
その磁気的性質が強化処理によって控えめに、けれども
好都合に、影響されるに過ぎないということである（実
際、その磁気的性質は冷間加工とエージング熱処理で向
上する）。この点で、ニッケル・マレージング鋼は他の
全ての大強度合金と相違している。従来は、一般的知識
として、鋼の機械的及び強度的性質を改善するのに必要
な熱処理は、その磁気的性質には有害であるとされてき
た。例えば、焼入れされた鋼合金は一般に非常に低い透
磁率と高い保磁力とを示すが、これは不都合な磁気的性
質の組合せであり、そのために当該合金の弱磁場に対す
る感度は著しく低下し、本書で考察しているようなトル
ク・トランスデューサには不向きとなる。ところが、ニ
ッケル・マレージング鋼については、これはあてはまら
ない。本発明により、極めて大きな強度を与えるために
行なう冷間加工及びエージング熱処理でニッケル・マレ
ージング鋼は磁気的に軟化するということが確認されて
いる。実際、例えば18％Niマレージング鋼の保磁力は、
900゜Fで10時間エージングされると、低下する。その結
果、マレージング鋼を、エージング済みの状態（すなわ
ち、その鋼が最大強度特性と、略々同等又は向上した磁
気的特性とを示す状態）で有利に使用することができ
る。
従って、磁気弾性トルク・センサの磁性材料として、
特に、そのトルクが感知されるべき装置のシャフト材料
としてマレージング鋼を使用すれば、その種の装置のシ
ャフトを磁性部材として使用することに対して従来なさ
れていた異議を実際上全て除去することができる。マレ
ージング鋼の機械的及び強度的性質は、殆んど全てのシ
ャフト用途における機械的性質に関する要求を満すと同
時に、トルク・センサにおけるその役割のために顕著な
磁気的性質を提供する。マレージング鋼をエージングす
ると、透磁率の低下や保磁力の増大を伴なわずに、機械
的用途に必要な大強度及び高硬度を与えることができ
る。その上、1500゜Fより高い温度での初期溶体化処理を
含む、マレージング鋼を熱処理する伝統的方法は、機械
加工による内部応力と、不均一性及び結晶方向による殆
んどの応力とを除去して、マレージング鋼シャフトの無
秩序な磁気異方性の量を最少にする。例えば、シャフト
の通常使用時に予想される最大トルク応力より大きな応
力で、その弾性限界を越えてシャフトに応力を加えるこ
とによって比較的に強い磁気応力異方性を意図的に浸透
させた１対の隣り合うバンドを、本発明に従って前記の
熱処理と組合わせれば、シャフトの無秩序な異方性の、
全磁気異方性への寄与は実際に無視することができる。
特に、そのトルクが感知されるべき装置のシャフト材料
としてマレージング鋼を使用すれば、その種の装置のシ
ャフトを磁性部材として使用することに対して従来なさ
れていた異議を実際上全て除去することができる。マレ
ージング鋼の機械的及び強度的性質は、殆んど全てのシ
ャフト用途における機械的性質に関する要求を満すと同
時に、トルク・センサにおけるその役割のために顕著な
磁気的性質を提供する。マレージング鋼をエージングす
ると、透磁率の低下や保磁力の増大を伴なわずに、機械
的用途に必要な大強度及び高硬度を与えることができ
る。その上、1500゜Fより高い温度での初期溶体化処理を
含む、マレージング鋼を熱処理する伝統的方法は、機械
加工による内部応力と、不均一性及び結晶方向による殆
んどの応力とを除去して、マレージング鋼シャフトの無
秩序な磁気異方性の量を最少にする。例えば、シャフト
の通常使用時に予想される最大トルク応力より大きな応
力で、その弾性限界を越えてシャフトに応力を加えるこ
とによって比較的に強い磁気応力異方性を意図的に浸透
させた１対の隣り合うバンドを、本発明に従って前記の
熱処理と組合わせれば、シャフトの無秩序な異方性の、
全磁気異方性への寄与は実際に無視することができる。
磁気弾性トルク・トランスデューサにおけるニッケル
・マレージング鋼の利点は、シャフトを所望のニッケル
・マレージング鋼で形成することにより；シャフトの或
る領域を所望のニッケル・マレージング鋼で形成し、こ
の領域に環状バンドを置くことにより；又は目的とする
シャフトの機能に適する機械的性質を有する合金で形成
したシャフトの表面をニッケル・マレージング鋼で仕上
げこと、すなわち、シャフトの適当な軸方向範囲の少く
とも１つの完全な周囲領域に所望のニッケル・マレージ
ング鋼の表面仕上げ合金を付着させ、この領域に環状バ
ンドを配置すること、によって；それぞれ実現すること
ができるということが理解されるであろう。本発明によ
る透磁率感知は、基本的に表面現象であるから、その表
面処理は、約0.015インチを越えない厚みの周囲層を付
けることを要する。その表面処理方法は、例えば、電気
メッキ、金属吹付け、スパッタリング、真空蒸着、イオ
ン・インプランテーション等の、多くの既知の付加プロ
セスの中から選ぶのが有利である。
・マレージング鋼の利点は、シャフトを所望のニッケル
・マレージング鋼で形成することにより；シャフトの或
る領域を所望のニッケル・マレージング鋼で形成し、こ
の領域に環状バンドを置くことにより；又は目的とする
シャフトの機能に適する機械的性質を有する合金で形成
したシャフトの表面をニッケル・マレージング鋼で仕上
げこと、すなわち、シャフトの適当な軸方向範囲の少く
とも１つの完全な周囲領域に所望のニッケル・マレージ
ング鋼の表面仕上げ合金を付着させ、この領域に環状バ
ンドを配置すること、によって；それぞれ実現すること
ができるということが理解されるであろう。本発明によ
る透磁率感知は、基本的に表面現象であるから、その表
面処理は、約0.015インチを越えない厚みの周囲層を付
けることを要する。その表面処理方法は、例えば、電気
メッキ、金属吹付け、スパッタリング、真空蒸着、イオ
ン・インプランテーション等の、多くの既知の付加プロ
セスの中から選ぶのが有利である。
本発明のトルク・トランスデューサにおける磁性材料
としてのマレージング鋼の顕著な質を実物で示すと共
に、マレージング鋼の性能を他の大強度鋼と比較するた
めに、螺旋対称左回り及び右回り磁化容易軸を有する１
対の磁方向に離間したバンドがその上に形成されている
直径12.7mmの円柱状シャフトを用いてトルク・トランス
デューサを組立てた。各々のバンドは12.7mmの軸方向長
さを有し、12.7mmのシャフト区域で隔てられていた。そ
れらは、その周囲に48個の歯を有する外径3/4インチの
ローレットによるローレット切りで形成されたのである
が、その歯は各々シャフト軸に対して30°の角度を成す
方向を向いていた。この配置の特徴は、シャフトと同軸
で、軸方向においてバンドと整列するようにボビンを配
置することによって感知されたが、各ボビンには磁性コ
イル及び感知コイルが取付けられていた。磁化コイル
は、10kHzの周波数で200mAピーク駆動電流を出力する交
流電流源に直列に持続されて駆動された。感知コイルの
各々に誘起された起電力は別々に整流され、その整流さ
れた出力は逆向きに接続されて差信号を産出し、この信
号は電圧表示器で表示された。４本のシャフトを使用し
たが、それらは、各々相異なる材料で形成されていたこ
とを除いて、他の全ての面で同じであった。各シャフト
の組成を重量％で以下に掲げる。
としてのマレージング鋼の顕著な質を実物で示すと共
に、マレージング鋼の性能を他の大強度鋼と比較するた
めに、螺旋対称左回り及び右回り磁化容易軸を有する１
対の磁方向に離間したバンドがその上に形成されている
直径12.7mmの円柱状シャフトを用いてトルク・トランス
デューサを組立てた。各々のバンドは12.7mmの軸方向長
さを有し、12.7mmのシャフト区域で隔てられていた。そ
れらは、その周囲に48個の歯を有する外径3/4インチの
ローレットによるローレット切りで形成されたのである
が、その歯は各々シャフト軸に対して30°の角度を成す
方向を向いていた。この配置の特徴は、シャフトと同軸
で、軸方向においてバンドと整列するようにボビンを配
置することによって感知されたが、各ボビンには磁性コ
イル及び感知コイルが取付けられていた。磁化コイル
は、10kHzの周波数で200mAピーク駆動電流を出力する交
流電流源に直列に持続されて駆動された。感知コイルの
各々に誘起された起電力は別々に整流され、その整流さ
れた出力は逆向きに接続されて差信号を産出し、この信
号は電圧表示器で表示された。４本のシャフトを使用し
たが、それらは、各々相異なる材料で形成されていたこ
とを除いて、他の全ての面で同じであった。各シャフト
の組成を重量％で以下に掲げる。
Ｔ−250 :18.5 Ni;3.0 Mo;1.4 Ti;0.10 Al;0.03より
少ないC;コバルト無し；残りはFe SAE 9310 :0.08〜0.13 C;0.45〜0.65 Mn;3〜3.5 Ni;1
〜1.4 Cr;0.08〜0.15 Mo;残りはFe 416 SS :11.5〜13.5 Cr;最大0.5 Ni;最大0.15 C;最
大1.0 Mn;最大1.0 Si;残りはFe AISI 1018 :0.15〜0.20 C;0.6〜0.9 Mn;最大0.04 P;最
大0.05 S;残りはFe 第１連の運転では、テレダイン・バスコ社から受取っ
た時の、溶体化処理はされているがエージングはされて
いない状態のままでＴ−250ニッケル・マレージング鋼
シャフトを使用した。同様に、他のシャフトも、購入時
の状態のまま、それ以上の熱処理をせずに使用した。試
験の対象としての各シャフトに既知のトルク荷重を加
え、出力電圧信号を記録した。加えるトルクを０から10
0ニュートン−メートル（Ｎ−Ｍ）まで増大させた。第
５図は、各シャフトについての、加えたトルク対出力d.
c.電圧のグラフである。明らかに、与えられたトルク荷
重に対する出力信号の大きさに関して、Ｔ−250シャフ
トの感度は、試験された他のシャフト材料より著しく大
きかった。その上に、Ｔ−250シャフトについての出力
信号の直線性は、全トルク範囲にわたって極めて良好で
あった。他のシャフト材料は、Ｔ−250シャフトに比べ
ると、加えられたトルクに対して略々同程度に鈍感であ
ると思われた。いずれもＴ−250シャフトほど直線性の
良好な信号を出さなかったけれども、各々、かなりに直
線的な信号をトルク範囲の大部分にわたって産出した。
少ないC;コバルト無し；残りはFe SAE 9310 :0.08〜0.13 C;0.45〜0.65 Mn;3〜3.5 Ni;1
〜1.4 Cr;0.08〜0.15 Mo;残りはFe 416 SS :11.5〜13.5 Cr;最大0.5 Ni;最大0.15 C;最
大1.0 Mn;最大1.0 Si;残りはFe AISI 1018 :0.15〜0.20 C;0.6〜0.9 Mn;最大0.04 P;最
大0.05 S;残りはFe 第１連の運転では、テレダイン・バスコ社から受取っ
た時の、溶体化処理はされているがエージングはされて
いない状態のままでＴ−250ニッケル・マレージング鋼
シャフトを使用した。同様に、他のシャフトも、購入時
の状態のまま、それ以上の熱処理をせずに使用した。試
験の対象としての各シャフトに既知のトルク荷重を加
え、出力電圧信号を記録した。加えるトルクを０から10
0ニュートン−メートル（Ｎ−Ｍ）まで増大させた。第
５図は、各シャフトについての、加えたトルク対出力d.
c.電圧のグラフである。明らかに、与えられたトルク荷
重に対する出力信号の大きさに関して、Ｔ−250シャフ
トの感度は、試験された他のシャフト材料より著しく大
きかった。その上に、Ｔ−250シャフトについての出力
信号の直線性は、全トルク範囲にわたって極めて良好で
あった。他のシャフト材料は、Ｔ−250シャフトに比べ
ると、加えられたトルクに対して略々同程度に鈍感であ
ると思われた。いずれもＴ−250シャフトほど直線性の
良好な信号を出さなかったけれども、各々、かなりに直
線的な信号をトルク範囲の大部分にわたって産出した。
第２連の運転では、Ｔ−250のニッケル・マレージン
グ鋼シャフトを約900゜Fで30分間エージングして同シャ
フトの強度と硬度を向上させた。試験の一貫性を保つた
めに他のシャフトも同様の方法で熱処理をし、その後、
各シャフトに０〜100N−Ｍのトルクを加えて出力d.c.電
圧を記録した。第６図は、熱処理の各シャフトについて
の、加えられたトルク対出力d.c.電圧のグラフである。
この場合にもＴ−250シャフトの感度は他のシャフトの
感度はるかに上回り、また、Ｔ−250出力信号は全トル
ク範囲にわたって直線的であったということが判る。エ
ージングをされていない状態のＴ−250シャフトについ
ての第５図と比較すれば判るように、エージングはシャ
フトの感度を多少向上させており、これは、エージング
でマレージング鋼の磁気的性質が或る程度向上したこと
を示す。対照的に、SAE 9310シャフトの感度は、この熱
処理で向上したようには見えない。その上に、出力信号
の直線性は、特に加えられたトルクが大きいとき、明ら
かに悪くなっていた。AISI 1018シャフトの感度は低ト
ルク域で著しい向上したが、約40N−Ｍから衰え始め、
その後は悪化していた。エージングされたAISI 1018シ
ャフトについての出力信号の直線性は悪かった。
グ鋼シャフトを約900゜Fで30分間エージングして同シャ
フトの強度と硬度を向上させた。試験の一貫性を保つた
めに他のシャフトも同様の方法で熱処理をし、その後、
各シャフトに０〜100N−Ｍのトルクを加えて出力d.c.電
圧を記録した。第６図は、熱処理の各シャフトについて
の、加えられたトルク対出力d.c.電圧のグラフである。
この場合にもＴ−250シャフトの感度は他のシャフトの
感度はるかに上回り、また、Ｔ−250出力信号は全トル
ク範囲にわたって直線的であったということが判る。エ
ージングをされていない状態のＴ−250シャフトについ
ての第５図と比較すれば判るように、エージングはシャ
フトの感度を多少向上させており、これは、エージング
でマレージング鋼の磁気的性質が或る程度向上したこと
を示す。対照的に、SAE 9310シャフトの感度は、この熱
処理で向上したようには見えない。その上に、出力信号
の直線性は、特に加えられたトルクが大きいとき、明ら
かに悪くなっていた。AISI 1018シャフトの感度は低ト
ルク域で著しい向上したが、約40N−Ｍから衰え始め、
その後は悪化していた。エージングされたAISI 1018シ
ャフトについての出力信号の直線性は悪かった。
416 SSシャフトについては、低トルク域での感度は熱
処理で向上したが、大トルク域では相当悪くなってい
た。416 SS出力信号の直線性は熱処理で悪くなった。加
えられたトルクに対する出力信号の応答は雑多であるけ
れども、熱処理はSAE 9310,416 SS,及びAISI 1018シャ
フトの機械的及び強度的性質に悪い影響を与えたという
ことは注目に値する。例えば、熱処理後に加えた僅かに
約50N−Ｍのトルクは、AISI 1018シャフトの弾性限界を
越え、シャフトは永久的捩り変形を起こした。
処理で向上したが、大トルク域では相当悪くなってい
た。416 SS出力信号の直線性は熱処理で悪くなった。加
えられたトルクに対する出力信号の応答は雑多であるけ
れども、熱処理はSAE 9310,416 SS,及びAISI 1018シャ
フトの機械的及び強度的性質に悪い影響を与えたという
ことは注目に値する。例えば、熱処理後に加えた僅かに
約50N−Ｍのトルクは、AISI 1018シャフトの弾性限界を
越え、シャフトは永久的捩り変形を起こした。
更に、第６図に示した結果は、Ｔ−250合金との比較
を行なうのには意味があるが、磁気弾性トルク・トラン
スデューサのシャフトにこれらの合金を実際に使用して
利益があるか否かを判定するためには当てにならない。
その理由は、これらの合金に対して行なった熱処理が90
0゜Fでの30分間のエージングであり、これはＴ−250合金
に適用したのと同じ熱処理であったことにある。けれど
も、この熱処理は、これらの鋼合金の機械的及び強度的
性質を改善するのに有効な熱処理ではなかった。一般
に、例えば、416 SSの焼入れには、950℃以上に加熱す
ることが必要であり、SAF 9310の肌焼きには、900℃以
上に加熱することが必要である。このような高温では、
ローレット切りのプロセスでバンド内に発生した残留応
力と、その残留応力により生成された磁気異方性との大
部分が除去され、機械的には硬いけれども磁気的には劣
る合金が得られ、その合金は、本発明の磁気弾性トルク
・トランスデューサの磁歪性・強磁性シャフト素子とし
ては本質的に役に立たない。また、SAE 9310の肌焼きな
どの或る種の熱硬化処理はシャフトを反らせる結果とな
り、更に処理をしなければ、目的とするトランスデュー
サのみならず他の如何なるトランスデューサにも使用で
きないシャフトとなってしまうことが記録された。残念
なことに、反ったシャフトを真直にするのに必要な切削
などの処理をすると、バンドに意図的に浸透させた磁気
異方性が変化し、シャフトに注意深く施された磁気的予
備調整が実際上だいなしになる。
を行なうのには意味があるが、磁気弾性トルク・トラン
スデューサのシャフトにこれらの合金を実際に使用して
利益があるか否かを判定するためには当てにならない。
その理由は、これらの合金に対して行なった熱処理が90
0゜Fでの30分間のエージングであり、これはＴ−250合金
に適用したのと同じ熱処理であったことにある。けれど
も、この熱処理は、これらの鋼合金の機械的及び強度的
性質を改善するのに有効な熱処理ではなかった。一般
に、例えば、416 SSの焼入れには、950℃以上に加熱す
ることが必要であり、SAF 9310の肌焼きには、900℃以
上に加熱することが必要である。このような高温では、
ローレット切りのプロセスでバンド内に発生した残留応
力と、その残留応力により生成された磁気異方性との大
部分が除去され、機械的には硬いけれども磁気的には劣
る合金が得られ、その合金は、本発明の磁気弾性トルク
・トランスデューサの磁歪性・強磁性シャフト素子とし
ては本質的に役に立たない。また、SAE 9310の肌焼きな
どの或る種の熱硬化処理はシャフトを反らせる結果とな
り、更に処理をしなければ、目的とするトランスデュー
サのみならず他の如何なるトランスデューサにも使用で
きないシャフトとなってしまうことが記録された。残念
なことに、反ったシャフトを真直にするのに必要な切削
などの処理をすると、バンドに意図的に浸透させた磁気
異方性が変化し、シャフトに注意深く施された磁気的予
備調整が実際上だいなしになる。
第５ないし６図は、比較的低い10kHzの交流励起周波
数を用いた場合の印加トルクに対する信号をグラフで示
している。出力信号は交流周波数に正比例し、ほぼ線形
に増加することが認められる。また試験の結果は、例え
ば20kHzで、出力直流電圧信号の倍加が得られることを
示している。使用する回路に応じ、１〜100kHzの交流周
波数が本発明のトルクトランスデューサを駆動するのに
支障なく使える。好ましくは、ホイッスラ雑音を避ける
ため、可聴レンジよりすぐ上の10〜30kHzの周波数を用
いる。最も望ましくは、周波数を約20kHzに調整する。
周波数に対する応答と同様、出力直流信号は、周波数に
応じて10〜400mA（ピーク）の範囲とし得る駆動電流に
ほぼ正比例、より厳密にはＳ字状に変化すると見られ
る。一般に、選定周波数で良好な信号を得るのに、望ま
しくは印加トルクの全範囲にわたって信号ヒステリシス
をゼロに調整するのに充分な電流が使われる。
数を用いた場合の印加トルクに対する信号をグラフで示
している。出力信号は交流周波数に正比例し、ほぼ線形
に増加することが認められる。また試験の結果は、例え
ば20kHzで、出力直流電圧信号の倍加が得られることを
示している。使用する回路に応じ、１〜100kHzの交流周
波数が本発明のトルクトランスデューサを駆動するのに
支障なく使える。好ましくは、ホイッスラ雑音を避ける
ため、可聴レンジよりすぐ上の10〜30kHzの周波数を用
いる。最も望ましくは、周波数を約20kHzに調整する。
周波数に対する応答と同様、出力直流信号は、周波数に
応じて10〜400mA（ピーク）の範囲とし得る駆動電流に
ほぼ正比例、より厳密にはＳ字状に変化すると見られ
る。一般に、選定周波数で良好な信号を得るのに、望ま
しくは印加トルクの全範囲にわたって信号ヒステリシス
をゼロに調整するのに充分な電流が使われる。
ニッケルマレージング鋼製シャフトの感度が、非磁性
シャフトに非晶質リボンを接着固定したものを用いた研
究者等によって報告されている感度より著しく優れてい
る点に注意すると興味深い。第６図から、本発明によれ
ば、12.7mmのシャフト直径を有する時効後Ｔ−250ニッ
ケルマレージング鋼製シャフトが、10kHzの交流周波数
と200mAの励起電流、および各々100回巻の励起コイルと
各々500回巻の検知コイルを用いると、60N−Ｍの印加ト
ルクで0.9ボルトの出力直流信号、すなわち0.015V/N−
Ｍの感度を生じることが明らかであろう。比較として、
ササダ等は第11回IEEE産業エレクトロニクスソサイアテ
ィ年次会議（1985年11月18-22日）の報告で、非晶質リ
ボン型トルクセンサについて、20kHzの交流周波数、200
mAの励起電流、各々220回巻の励磁コイルと各々80回巻
の検知コイル、および12mmのシャフト直径を用いた場
合、10N−Ｍの印加トルクで35mVの出力直流信号を示し
ている。感度は交流周波数、励起電流、励起及び検知コ
イルの巻数に比例し、シャフト直径の立方に反比例する
ので、第６図に示したものと同じペースに補正したササ
ダ等の感度は0/007V/N−Ｍである。すなわち、本発明の
トルクトランスデューサは、ササダ等の非晶質リボン型
トルクセンサより２倍以上感度がよい。
シャフトに非晶質リボンを接着固定したものを用いた研
究者等によって報告されている感度より著しく優れてい
る点に注意すると興味深い。第６図から、本発明によれ
ば、12.7mmのシャフト直径を有する時効後Ｔ−250ニッ
ケルマレージング鋼製シャフトが、10kHzの交流周波数
と200mAの励起電流、および各々100回巻の励起コイルと
各々500回巻の検知コイルを用いると、60N−Ｍの印加ト
ルクで0.9ボルトの出力直流信号、すなわち0.015V/N−
Ｍの感度を生じることが明らかであろう。比較として、
ササダ等は第11回IEEE産業エレクトロニクスソサイアテ
ィ年次会議（1985年11月18-22日）の報告で、非晶質リ
ボン型トルクセンサについて、20kHzの交流周波数、200
mAの励起電流、各々220回巻の励磁コイルと各々80回巻
の検知コイル、および12mmのシャフト直径を用いた場
合、10N−Ｍの印加トルクで35mVの出力直流信号を示し
ている。感度は交流周波数、励起電流、励起及び検知コ
イルの巻数に比例し、シャフト直径の立方に反比例する
ので、第６図に示したものと同じペースに補正したササ
ダ等の感度は0/007V/N−Ｍである。すなわち、本発明の
トルクトランスデューサは、ササダ等の非晶質リボン型
トルクセンサより２倍以上感度がよい。
ニッケルマレージング鋼の絶対的および相対的利点に
関する上記の議論から、もっと普通の鋼合金は本発明で
使えないと思われるかもしれないが、これは明らかに事
実と反する。勿論、ニッケルマレージング鋼を除く全て
のものは、完全な硬化を達成するのに高温での硬化の後
急冷したり、あるいは肌焼きを達成するのに浸炭化雰囲
気内で高温加熱するなどの加熱が、意図しない残留応力
を帯状組織（バンド）内に熱的に生じる結果、本発明の
磁気弾性トルクトランスデューサにとって不可欠な帯状
組織内の応力に基づく大きな残留磁気異方性が失われて
しまうという非常に重要な欠点を免れないのは真実であ
る。しかし、第５図に示したデータから、試験したSAE
9310,415 SSおよびAISI 1018合金の各々が、所定のトル
ク付加に対する出力信号の大きさの点で有用な範囲内の
感度をもたらすこと、更にトルクレンジの大部分にわた
って充分に線形の信号を発生することが明らである。つ
まり、これらの合金を第５図に示したデータで例示した
ような種類のトランスデューサの用途に不向きとしてい
るのは、それらの固有な磁気特性でなく、むしろ意図す
る機械的機能を実行するのに必要とする機械的および強
度的特性を合金に与えるのに必要な熱硬化工程が、それ
ら合金の好ましい磁気特性を破壊するためと考えられ
る。これに関連して、本発明のトルクトランスデューサ
のほとんどの用途では、設置される機器の動作特性によ
って要求される回転シャフトの機械的および強度的特性
の必要条件が、鋼合金をそれらの硬化状態で用いること
を必要としている点が理解されよう。
関する上記の議論から、もっと普通の鋼合金は本発明で
使えないと思われるかもしれないが、これは明らかに事
実と反する。勿論、ニッケルマレージング鋼を除く全て
のものは、完全な硬化を達成するのに高温での硬化の後
急冷したり、あるいは肌焼きを達成するのに浸炭化雰囲
気内で高温加熱するなどの加熱が、意図しない残留応力
を帯状組織（バンド）内に熱的に生じる結果、本発明の
磁気弾性トルクトランスデューサにとって不可欠な帯状
組織内の応力に基づく大きな残留磁気異方性が失われて
しまうという非常に重要な欠点を免れないのは真実であ
る。しかし、第５図に示したデータから、試験したSAE
9310,415 SSおよびAISI 1018合金の各々が、所定のトル
ク付加に対する出力信号の大きさの点で有用な範囲内の
感度をもたらすこと、更にトルクレンジの大部分にわた
って充分に線形の信号を発生することが明らである。つ
まり、これらの合金を第５図に示したデータで例示した
ような種類のトランスデューサの用途に不向きとしてい
るのは、それらの固有な磁気特性でなく、むしろ意図す
る機械的機能を実行するのに必要とする機械的および強
度的特性を合金に与えるのに必要な熱硬化工程が、それ
ら合金の好ましい磁気特性を破壊するためと考えられ
る。これに関連して、本発明のトルクトランスデューサ
のほとんどの用途では、設置される機器の動作特性によ
って要求される回転シャフトの機械的および強度的特性
の必要条件が、鋼合金をそれらの硬化状態で用いること
を必要としている点が理解されよう。
本発明による有効な磁気弾性トルクトランスデューサ
は、強磁性および磁気弾性シャフト部品としてニッケル
マレージング鋼を用い、さらにニッケルマレージング鋼
合金を時効化してその機械的及び強度的特性を改善する
前また後に、帯状組織内に残留応力を発生してシャフト
中に所望な磁気異方性を導入することによって作製でき
ることは既に指摘した。また、本発明による有効な磁気
弾性トルクトランスデューサは、選択した非Ni−マレー
ジング鋼合金を用い、さらにNi−マレージング鋼合金を
適切に熱処理してそれらの機械的及び強度的特性を改善
した後でのみ、帯状組織内に残留応力を発生させること
によって作製できることも指摘した。多くの理由から、
全ての非Ni−マレージング鋼合金をそのように用いるこ
とができないことは明らかであろう。一般に、各種の炭
素含有量を持つ焼きなまし鉄−炭素合金において、磁
歪、つまり印加磁場内の長さのわずかな変化は負であ
る。多く例で、合金はビラーリ（Villari）の反転現象
を生じる−まず磁場強度の増加につれて膨張し、すなわ
ち長さのわずかな変化は正であり、その後さらに磁場強
度の増加につれて収縮する、すなわち長さのわずかな変
化は負になる。このような反転現象を起こす合金で形成
されたシャフトにトルクを加えると、応力の加わった異
方性が存在するランダムな異方性に対して、正磁歪のシ
ャフト領域と負磁歪のシャフト領域とで異なった作用を
及ぼす。これは、異方性の局部的な磁歪のため、シャフ
ト内の異なる位置で変化する複合異方性をもたらす結
果、一様な磁化が得られなくなる。自明なごとく、これ
はトルクトランスデューサにおいて許容できない状態
で、ビラーリの反転現象を起こす合金は明らかに使用で
きない。一定の元素、例えばニッケルと合金すると、得
られる合金がより正になることは少し以前から知られて
いた。事実、鉄−炭素合金系でのビラーリの反転収縮を
取り除くのに、わずか１〜３重量％のニッケルで充分な
ことが指摘されている。つまり、元の鉄−炭素合金内の
ニッケル量が増せば、その合金は全ての磁場強度でその
磁歪が正となるように挙動し、シャフト内の異なる位置
での複合異方性がより一様となり、従って一様な磁化が
得られる。その他の合金形成元素、例えばクロム（C
r）、コバルト（Co）、チタン（（Ti）、アルミ（A
l）、マンガン（Mn）、モリブデン（Mo）、銅（Cu）、
ホウ素（Ｂ）、およびこれらの組合せの追加は、鉄−炭
素合金系の磁歪をより正の方向に向かわせるという同様
の傾向も指摘されている。鉄−炭素合金系でのビラーリ
の反転現象に対処する別の手段は、約750-800℃の高温
で焼きなまして急冷し、それ以上焼きなまし強化しない
ことである。このような処理は、ビラーリの反転現象を
実質上取り除き、実質上等方性の磁歪を有する硬化され
た鉄−炭素合金系を生じると考えられる。さらに、熱処
理による硬化は、それまでの処理による冷間加工での応
力とそれに伴うランダムな異方性を取り除き、捻り応力
の透磁性に対する影響に関連してヒステリシスと線形性
を改善する。
は、強磁性および磁気弾性シャフト部品としてニッケル
マレージング鋼を用い、さらにニッケルマレージング鋼
合金を時効化してその機械的及び強度的特性を改善する
前また後に、帯状組織内に残留応力を発生してシャフト
中に所望な磁気異方性を導入することによって作製でき
ることは既に指摘した。また、本発明による有効な磁気
弾性トルクトランスデューサは、選択した非Ni−マレー
ジング鋼合金を用い、さらにNi−マレージング鋼合金を
適切に熱処理してそれらの機械的及び強度的特性を改善
した後でのみ、帯状組織内に残留応力を発生させること
によって作製できることも指摘した。多くの理由から、
全ての非Ni−マレージング鋼合金をそのように用いるこ
とができないことは明らかであろう。一般に、各種の炭
素含有量を持つ焼きなまし鉄−炭素合金において、磁
歪、つまり印加磁場内の長さのわずかな変化は負であ
る。多く例で、合金はビラーリ（Villari）の反転現象
を生じる−まず磁場強度の増加につれて膨張し、すなわ
ち長さのわずかな変化は正であり、その後さらに磁場強
度の増加につれて収縮する、すなわち長さのわずかな変
化は負になる。このような反転現象を起こす合金で形成
されたシャフトにトルクを加えると、応力の加わった異
方性が存在するランダムな異方性に対して、正磁歪のシ
ャフト領域と負磁歪のシャフト領域とで異なった作用を
及ぼす。これは、異方性の局部的な磁歪のため、シャフ
ト内の異なる位置で変化する複合異方性をもたらす結
果、一様な磁化が得られなくなる。自明なごとく、これ
はトルクトランスデューサにおいて許容できない状態
で、ビラーリの反転現象を起こす合金は明らかに使用で
きない。一定の元素、例えばニッケルと合金すると、得
られる合金がより正になることは少し以前から知られて
いた。事実、鉄−炭素合金系でのビラーリの反転収縮を
取り除くのに、わずか１〜３重量％のニッケルで充分な
ことが指摘されている。つまり、元の鉄−炭素合金内の
ニッケル量が増せば、その合金は全ての磁場強度でその
磁歪が正となるように挙動し、シャフト内の異なる位置
での複合異方性がより一様となり、従って一様な磁化が
得られる。その他の合金形成元素、例えばクロム（C
r）、コバルト（Co）、チタン（（Ti）、アルミ（A
l）、マンガン（Mn）、モリブデン（Mo）、銅（Cu）、
ホウ素（Ｂ）、およびこれらの組合せの追加は、鉄−炭
素合金系の磁歪をより正の方向に向かわせるという同様
の傾向も指摘されている。鉄−炭素合金系でのビラーリ
の反転現象に対処する別の手段は、約750-800℃の高温
で焼きなまして急冷し、それ以上焼きなまし強化しない
ことである。このような処理は、ビラーリの反転現象を
実質上取り除き、実質上等方性の磁歪を有する硬化され
た鉄−炭素合金系を生じると考えられる。さらに、熱処
理による硬化は、それまでの処理による冷間加工での応
力とそれに伴うランダムな異方性を取り除き、捻り応力
の透磁性に対する影響に関連してヒステリシスと線形性
を改善する。
従って本発明によれば、回転シャフトのまたはそれに
関連した強磁性の磁歪領域として有用な非Ni−マレージ
ング鋼合金は、少なくとも5ppmの絶対値を持つ実質上等
方性で、高い磁歪を有し；熱処理によって硬化されてお
り；炭素含有量が0.05−0.75重量％の範囲で；シャフト
の目的用途の機械的、化学的および磁気的な（異方性と
磁歪をもたらす）必要条件に合った合金組成を有すべき
である。
関連した強磁性の磁歪領域として有用な非Ni−マレージ
ング鋼合金は、少なくとも5ppmの絶対値を持つ実質上等
方性で、高い磁歪を有し；熱処理によって硬化されてお
り；炭素含有量が0.05−0.75重量％の範囲で；シャフト
の目的用途の機械的、化学的および磁気的な（異方性と
磁歪をもたらす）必要条件に合った合金組成を有すべき
である。
上記の点は全て、本発明で有用な非Ni−マレージング
鋼合金を少くとも5ppmの絶対値を持つ実質上等方性の磁
歪と、以下に指示する次の元素からなる組成を有する熱
的に硬化した鋼合金の中から選択することによって達成
できる： FeCaMbQc 但し、“M"はNi,Cr,Co,Ti,Al,Mn,Mo,Cu,及びＢからなる
群の中から選ばれた１つ以上の合金元素、 “Q"は、シリコン（Si）、リン（Ｐ）、イオウ
（Ｓ）、窒素（Ｎ）、セレン（Se）、タングステン
（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（HF）、コロン
ビウム（Cb）、タンタル（Ta）および錫（Sn）など普通
の鋼合金元素を含むが、これに限られないその他の１つ
以上の合金元素； “a"は0.05−0.75重量％の炭素含有量を示す； “b"は合金の磁歪を少なくとも5ppmの絶対値レベルへ
高めるのに少なくとも充分な１つ以上の合金元素“M"の
含有量を示し、磁歪の所望レベルは所定の用途に合わせ
て加えられるトルクに基づく静止異方性“K"と印加応力
に依存する； “c"はゼロから、合金の所望な機械的、化学的、およ
び／またはその他の特性に応じた任意の有用量までの１
つ以上の合金元素“Q"の含有量を示す。
鋼合金を少くとも5ppmの絶対値を持つ実質上等方性の磁
歪と、以下に指示する次の元素からなる組成を有する熱
的に硬化した鋼合金の中から選択することによって達成
できる： FeCaMbQc 但し、“M"はNi,Cr,Co,Ti,Al,Mn,Mo,Cu,及びＢからなる
群の中から選ばれた１つ以上の合金元素、 “Q"は、シリコン（Si）、リン（Ｐ）、イオウ
（Ｓ）、窒素（Ｎ）、セレン（Se）、タングステン
（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（HF）、コロン
ビウム（Cb）、タンタル（Ta）および錫（Sn）など普通
の鋼合金元素を含むが、これに限られないその他の１つ
以上の合金元素； “a"は0.05−0.75重量％の炭素含有量を示す； “b"は合金の磁歪を少なくとも5ppmの絶対値レベルへ
高めるのに少なくとも充分な１つ以上の合金元素“M"の
含有量を示し、磁歪の所望レベルは所定の用途に合わせ
て加えられるトルクに基づく静止異方性“K"と印加応力
に依存する； “c"はゼロから、合金の所望な機械的、化学的、およ
び／またはその他の特性に応じた任意の有用量までの１
つ以上の合金元素“Q"の含有量を示す。
適切な非Ni−マレージング鋼合金の上記定義を前述し
たいくつかの例示鋼合金に適用し、また各種合金元素に
関する公表磁歪データを適用すれば、合金の磁歪を少な
くとも推定することができる。例えば:AISI 410の場合
には、12.3％Crの存在が合金の磁歪を約20ppmまで高め
る主要因で;AISI 502の場合には、５％Crと0.8％Mnの存
在が合金の磁歪を約7ppmまで高める主要因で;SAE 9310
の場合には、３−3.5％Niと１−1.4％Crの存在が合金の
磁歪を約15ppmまで高める主要因である。
たいくつかの例示鋼合金に適用し、また各種合金元素に
関する公表磁歪データを適用すれば、合金の磁歪を少な
くとも推定することができる。例えば:AISI 410の場合
には、12.3％Crの存在が合金の磁歪を約20ppmまで高め
る主要因で;AISI 502の場合には、５％Crと0.8％Mnの存
在が合金の磁歪を約7ppmまで高める主要因で;SAE 9310
の場合には、３−3.5％Niと１−1.4％Crの存在が合金の
磁歪を約15ppmまで高める主要因である。
（産業上の利用可能性） 本発明の特有で且つ改良された磁気弾性トルクトラン
スデューサは、あらゆる種類およびサイズの部材中のト
ルクを、その部材が動作する装置あるいは用途にかかわ
りなく、検知および測定するのに広く使える。トルクが
回転部材を有する系の制御において絶対的な基本パラメ
ータであることは、一般に受け入れられている。回転部
材に生じている瞬間的なトルクを検知し、それに応じて
トルクとの間に既知の関係を有する電流を発生すること
は、回転部材を駆動しているエンジン、マシン、モータ
等のマイクロプロセッサその他を介して制御あるいは故
障発端問題の早期診断を可能とする。
スデューサは、あらゆる種類およびサイズの部材中のト
ルクを、その部材が動作する装置あるいは用途にかかわ
りなく、検知および測定するのに広く使える。トルクが
回転部材を有する系の制御において絶対的な基本パラメ
ータであることは、一般に受け入れられている。回転部
材に生じている瞬間的なトルクを検知し、それに応じて
トルクとの間に既知の関係を有する電流を発生すること
は、回転部材を駆動しているエンジン、マシン、モータ
等のマイクロプロセッサその他を介して制御あるいは故
障発端問題の早期診断を可能とする。
本発明のトルクトランスデューサの用途は、回転部材
を有する実質上あらゆる装置に見いだせる。高感度で、
応答性が良く、しかも安価な磁気トルクセンサが、エン
ジンおよび動力駆動装置のトルクをモニターして、全体
的な性能と燃費を向上し、排気物を抑制し、さらに伝達
比を調整するため；船舶の推進系では、推進機械の出力
減少、船体付着物の影響およびプラペラの損傷を検出し
て補正するため；ヘリコプターのタービンでは、過負荷
を避け、また例えば砂や塩の吹き付けによって生じる動
力損を検出するために要求されている。また、本発明に
基づき、繊維の品質を維持するためのバルブ粉砕機、製
紙機などあらゆる種類の重工業用機械を制御するのに設
けたり、更には食品ミキサーや処理装置など家庭及び商
業用機器で用いるようなトルクトランスデューサも要求
されている。さらに、小型で、安価で、感度が良く、高
信頼のトルクトランスデューサに対する要求も、機械工
具、手工具、ロボット、情報装置、産業用測定計器、各
種の重量計量システム、補助電気動力を用いたパワース
テアリング装置、及び車両牽引釣合装置などさまざまな
用途で認められている。
を有する実質上あらゆる装置に見いだせる。高感度で、
応答性が良く、しかも安価な磁気トルクセンサが、エン
ジンおよび動力駆動装置のトルクをモニターして、全体
的な性能と燃費を向上し、排気物を抑制し、さらに伝達
比を調整するため；船舶の推進系では、推進機械の出力
減少、船体付着物の影響およびプラペラの損傷を検出し
て補正するため；ヘリコプターのタービンでは、過負荷
を避け、また例えば砂や塩の吹き付けによって生じる動
力損を検出するために要求されている。また、本発明に
基づき、繊維の品質を維持するためのバルブ粉砕機、製
紙機などあらゆる種類の重工業用機械を制御するのに設
けたり、更には食品ミキサーや処理装置など家庭及び商
業用機器で用いるようなトルクトランスデューサも要求
されている。さらに、小型で、安価で、感度が良く、高
信頼のトルクトランスデューサに対する要求も、機械工
具、手工具、ロボット、情報装置、産業用測定計器、各
種の重量計量システム、補助電気動力を用いたパワース
テアリング装置、及び車両牽引釣合装置などさまざまな
用途で認められている。
本発明の磁気弾性トルクトランスデューサの用途のう
ち、エネルギー節約、環境のクリーン化と安全性に対す
るトルクトランスデューサの潜在的な貢献度、さらに多
くの人々とビジネスに直接影響を及ぼす点から特に見込
みのある１つは、内燃機関と付設のエンジン動力駆動装
置における用途である。本発明のトルクセンサは、エン
ジンのアイドルと最大動作速度間のあらゆる時点での事
象に寄与する重要なトルクの顕著な項目を識別するため
に、充分に広いバンド巾にわたってエンジンのトルク特
性をカバーできる。正確でコスト効率の良い方法でのト
ルク検知は、エンジンの機能状態による故障発端問題の
早期診断を可能とし、重要な時点で車両の動作機能を制
限するかもしれない予期しない故障の回避を助け、さら
にエンジンおよびその動力駆動装置の性能と経済性を向
上および／または制御する。
ち、エネルギー節約、環境のクリーン化と安全性に対す
るトルクトランスデューサの潜在的な貢献度、さらに多
くの人々とビジネスに直接影響を及ぼす点から特に見込
みのある１つは、内燃機関と付設のエンジン動力駆動装
置における用途である。本発明のトルクセンサは、エン
ジンのアイドルと最大動作速度間のあらゆる時点での事
象に寄与する重要なトルクの顕著な項目を識別するため
に、充分に広いバンド巾にわたってエンジンのトルク特
性をカバーできる。正確でコスト効率の良い方法でのト
ルク検知は、エンジンの機能状態による故障発端問題の
早期診断を可能とし、重要な時点で車両の動作機能を制
限するかもしれない予期しない故障の回避を助け、さら
にエンジンおよびその動力駆動装置の性能と経済性を向
上および／または制御する。
最近の車両の推進、その他重要な機能のための主動力
は、内燃機関の回転出力シャフトから得られている。エ
ンジンの種類にかかわりなく、実際にそのシャフトから
車両に伝えられる動力は、２つのパラメータ、回転速度
と伝達トルクだけの数値積である。これら２つのうち、
回転速度はそれ自体エンジンの内部発生トルクに依拠し
ているので、トルクの方が集約的なパラメータである。
車両の加速度、坂での速度、その他の走行および性能因
子に関する制限を左右するのは、利用可能なトルクの大
きさである。車両の満足できる使用と快適さは最終的
に、エンジンがその動作速度範囲にわたって機能的に必
要なトルクをできるかどうかの能力に依存している。
は、内燃機関の回転出力シャフトから得られている。エ
ンジンの種類にかかわりなく、実際にそのシャフトから
車両に伝えられる動力は、２つのパラメータ、回転速度
と伝達トルクだけの数値積である。これら２つのうち、
回転速度はそれ自体エンジンの内部発生トルクに依拠し
ているので、トルクの方が集約的なパラメータである。
車両の加速度、坂での速度、その他の走行および性能因
子に関する制限を左右するのは、利用可能なトルクの大
きさである。車両の満足できる使用と快適さは最終的
に、エンジンがその動作速度範囲にわたって機能的に必
要なトルクをできるかどうかの能力に依存している。
タービンエンジンが定負荷を駆動している場合を除
き、エンジンの出力シャフトを介して伝達されるトルク
は急速に変動する。かかる変動は、エンジンによって発
生されるトルクの周期的な変化と、車両の負荷によって
課せられるトルクの一時的な変化の両方を反映してい
る。ピストン型エンジンの場合、トルクはシリンダーに
よってそれが出力工程にある間だけ発生される。多気筒
エンジンは、各シリンダからの出力工程の位相を重複さ
せることでかなりならされた発生トルクを得ている。こ
れで出力トルクの周期的な変化が減少され、さらにエン
ジンの内部移動部品の複合慣性によっても減少される
が、それでも各シリンダの発生トルクが持つ強い瞬間衝
撃的な性状は出力シャフトを介して伝わる。こうして瞬
間的に加えられた捻り振動が、往復移動する連結部品の
加速度の変化と組み合わされて、時間変化する追加のト
ルク成分をもたらす。このトルクの大きさだけでなくそ
の方向も、スロットル弁の設定、ギヤ位置、負荷ピック
アップ、道路表面の傾斜及び路面の粗さなど、車両の作
動条件の変化によって更に左右される。
き、エンジンの出力シャフトを介して伝達されるトルク
は急速に変動する。かかる変動は、エンジンによって発
生されるトルクの周期的な変化と、車両の負荷によって
課せられるトルクの一時的な変化の両方を反映してい
る。ピストン型エンジンの場合、トルクはシリンダーに
よってそれが出力工程にある間だけ発生される。多気筒
エンジンは、各シリンダからの出力工程の位相を重複さ
せることでかなりならされた発生トルクを得ている。こ
れで出力トルクの周期的な変化が減少され、さらにエン
ジンの内部移動部品の複合慣性によっても減少される
が、それでも各シリンダの発生トルクが持つ強い瞬間衝
撃的な性状は出力シャフトを介して伝わる。こうして瞬
間的に加えられた捻り振動が、往復移動する連結部品の
加速度の変化と組み合わされて、時間変化する追加のト
ルク成分をもたらす。このトルクの大きさだけでなくそ
の方向も、スロットル弁の設定、ギヤ位置、負荷ピック
アップ、道路表面の傾斜及び路面の粗さなど、車両の作
動条件の変化によって更に左右される。
エンジンの出力シャフトに加わるトルクは、こうした
複数の発生源からの寄与の累積を表しているが、その多
くは相互に強く依存しており、それらの組合せがエンジ
ンの性能を特徴付ける実効特性を形成する。かかる特性
の顕著な特徴は、例えばシリンダの点火など特有のエン
ジン事象と明らかに関連している。平常特徴の欠如、そ
の変化または新たな特徴の発生は、機能の異常を反映す
ることとなる。異常の性状と範囲が、特定のエンジンま
たは駆動ラインでの故障の徴候を表す。多くのエンジン
トラブルは、全体の性能および／またはもっと対象を絞
って測定可能な量（例えばマニホールド圧、圧縮度、ノ
ズル特性、排気ガスの分析値）に関する徴候的な影響に
よっても検出できるが、これらは何れも、適正なエンジ
ンの機能を総合的に特徴付けている個々の事象として、
トルクほどに感度良く定量化できない。トルクはエンジ
ンが実際に直接生み出しているものなので、間接的に関
連しているパラメータを測定しても、トルク自体の測定
で得られるほど、不適切な事態の発生を正確に見極める
ことはできない。動力計を使ったり、あるいは点火断続
および／または燃料流量の段階的変化を含む手順による
無負荷エンジンでの加速度および減速度の測定に基づい
た従来のトルクデータ取得方法は、平均値を求めるだけ
で、明確な診断および制御に必要な詳細データが欠けて
いる。エンジン出力シャフトのトルク特性に含まれる情
報の取得と分析は、故障発端問題の診断を可能とし、重
要な時点で車両の動作機能を制限するかもしれない予期
しない故障の回避を助け、さらにエンジンおよびその動
力駆動装置の性能と経済性を向上および／または制御す
る。ここで重要なのは、意味のある分析を行うのに充分
なトルク情報を取得することである。
複数の発生源からの寄与の累積を表しているが、その多
くは相互に強く依存しており、それらの組合せがエンジ
ンの性能を特徴付ける実効特性を形成する。かかる特性
の顕著な特徴は、例えばシリンダの点火など特有のエン
ジン事象と明らかに関連している。平常特徴の欠如、そ
の変化または新たな特徴の発生は、機能の異常を反映す
ることとなる。異常の性状と範囲が、特定のエンジンま
たは駆動ラインでの故障の徴候を表す。多くのエンジン
トラブルは、全体の性能および／またはもっと対象を絞
って測定可能な量（例えばマニホールド圧、圧縮度、ノ
ズル特性、排気ガスの分析値）に関する徴候的な影響に
よっても検出できるが、これらは何れも、適正なエンジ
ンの機能を総合的に特徴付けている個々の事象として、
トルクほどに感度良く定量化できない。トルクはエンジ
ンが実際に直接生み出しているものなので、間接的に関
連しているパラメータを測定しても、トルク自体の測定
で得られるほど、不適切な事態の発生を正確に見極める
ことはできない。動力計を使ったり、あるいは点火断続
および／または燃料流量の段階的変化を含む手順による
無負荷エンジンでの加速度および減速度の測定に基づい
た従来のトルクデータ取得方法は、平均値を求めるだけ
で、明確な診断および制御に必要な詳細データが欠けて
いる。エンジン出力シャフトのトルク特性に含まれる情
報の取得と分析は、故障発端問題の診断を可能とし、重
要な時点で車両の動作機能を制限するかもしれない予期
しない故障の回避を助け、さらにエンジンおよびその動
力駆動装置の性能と経済性を向上および／または制御す
る。ここで重要なのは、意味のある分析を行うのに充分
なトルク情報を取得することである。
4000rpmで作動する12気筒、４工程のエンジンでは、
毎秒400回の出力工程と（少なくとも）1600回のバルブ
事象（開閉）が生じる。タービンエンジンはもっと滑ら
かな動力入力で作動するが、毎秒500回転までの速度に
達する。こうした顕著な事象の中から重要な項目を弁別
できるためには、トルク検知系が最大事象速度の少なく
とも数倍、すなわち5kHz近くまで充分にフラットな周波
数応答を持っていなければならない。また周波数応答
は、車両負荷によって加わる安定状態でのトルク成分を
忠実に捕らえるため、低周波数側もゼロHzまで延びてい
なければならない。
毎秒400回の出力工程と（少なくとも）1600回のバルブ
事象（開閉）が生じる。タービンエンジンはもっと滑ら
かな動力入力で作動するが、毎秒500回転までの速度に
達する。こうした顕著な事象の中から重要な項目を弁別
できるためには、トルク検知系が最大事象速度の少なく
とも数倍、すなわち5kHz近くまで充分にフラットな周波
数応答を持っていなければならない。また周波数応答
は、車両負荷によって加わる安定状態でのトルク成分を
忠実に捕らえるため、低周波数側もゼロHzまで延びてい
なければならない。
診断手段として最大限生かすためには、全バンド巾と
するのが明らかに望ましいが、10Hzまでの低周波数スペ
クタルで得られる情報が、制御量（入力）と負荷（出
力）の変化に対するエンジンの全体的応答を正確に記述
する。この情報から性能の変化を目的通り評価できるだ
けでなく、別の領域、エンジンの制御及び付設の動力駆
動装置においても潜在的に重要な使用価値を持つ。
するのが明らかに望ましいが、10Hzまでの低周波数スペ
クタルで得られる情報が、制御量（入力）と負荷（出
力）の変化に対するエンジンの全体的応答を正確に記述
する。この情報から性能の変化を目的通り評価できるだ
けでなく、別の領域、エンジンの制御及び付設の動力駆
動装置においても潜在的に重要な使用価値を持つ。
5kHzのバンド巾能力を有するトルクセンサは、任意に
位置決めできない。トルクは別々の位置での接触力によ
ってエンジンシャフトに印加されるが、連続的な応力分
布によって軸方向に伝えられる。一時的なトルク事象は
瞬間的に伝えられないだけでなく、シャフトに沿って不
変の状態にも留まらない。実際のトルク材料の有限の弾
性と慣性が組み合わされて、トルク変化の伝達可能な速
度を制限する。急激な一時的変化は、材料とモードに依
存したシャフトに沿う特性速度で移動する弾性および運
動エネルギー（応力は）の振動交換をトリガーする。伝
達されるトルクの忠実度は、その発生源からの距離に応
じ、内部及び外部摩擦の累積消散効果によって更に減少
される。このためセンサは、減衰により、あるいは干渉
及び反射応力波の複合組合せからなる背景“ノイズ”の
ため所望なトルク情報が失われるのを避けるのに充分な
だけ、発生源に近付けて位置させなければならない。
位置決めできない。トルクは別々の位置での接触力によ
ってエンジンシャフトに印加されるが、連続的な応力分
布によって軸方向に伝えられる。一時的なトルク事象は
瞬間的に伝えられないだけでなく、シャフトに沿って不
変の状態にも留まらない。実際のトルク材料の有限の弾
性と慣性が組み合わされて、トルク変化の伝達可能な速
度を制限する。急激な一時的変化は、材料とモードに依
存したシャフトに沿う特性速度で移動する弾性および運
動エネルギー（応力は）の振動交換をトリガーする。伝
達されるトルクの忠実度は、その発生源からの距離に応
じ、内部及び外部摩擦の累積消散効果によって更に減少
される。このためセンサは、減衰により、あるいは干渉
及び反射応力波の複合組合せからなる背景“ノイズ”の
ため所望なトルク情報が失われるのを避けるのに充分な
だけ、発生源に近付けて位置させなければならない。
センサの重要な必要条件は、少なくともシャフトの軸
と平行な寸法が小さく、頑丈で、更に摩損、腐食または
疲労など使用や時間に伴う劣化影響を受けないことであ
る。またセンサは、特にエンジンシャフトを含むトルク
検知系の各部品修理あるいは交換時に、性能の検証及び
較正をし易くなければならない。さらにセンサは、エン
ジンと駆動ラインの製造可能性、動作及び保守に無視し
得ない影響を及ぼすべきでなく、またどんな状況下にあ
っても、トルクセンサの故障が車両の正常な動作に干渉
する付随の結果をもたらすべきでない。
と平行な寸法が小さく、頑丈で、更に摩損、腐食または
疲労など使用や時間に伴う劣化影響を受けないことであ
る。またセンサは、特にエンジンシャフトを含むトルク
検知系の各部品修理あるいは交換時に、性能の検証及び
較正をし易くなければならない。さらにセンサは、エン
ジンと駆動ラインの製造可能性、動作及び保守に無視し
得ない影響を及ぼすべきでなく、またどんな状況下にあ
っても、トルクセンサの故障が車両の正常な動作に干渉
する付随の結果をもたらすべきでない。
以上から、エンジン、動力駆動装置、あるいはその他
の装置いずれにせよ、適切なトルクセンサは、誤用し難
く、トルク印加シャフトについて得られる多くのトルク
情報を信頼できる方法で取得できる邪魔にならない装置
であるべきことが明らかであろう。従来考えられている
従来水準に属するトルクトランスデューサの何れも、こ
れらの情報を満たすことができない。しかし、本発明の
磁気弾性トルクセンサはあらゆる点で極めて適している
と認められ、商業的に実施し得る安価で、信頼でき、且
つ高感度なトルクセンサを初めて可能とした。
の装置いずれにせよ、適切なトルクセンサは、誤用し難
く、トルク印加シャフトについて得られる多くのトルク
情報を信頼できる方法で取得できる邪魔にならない装置
であるべきことが明らかであろう。従来考えられている
従来水準に属するトルクトランスデューサの何れも、こ
れらの情報を満たすことができない。しかし、本発明の
磁気弾性トルクセンサはあらゆる点で極めて適している
と認められ、商業的に実施し得る安価で、信頼でき、且
つ高感度なトルクセンサを初めて可能とした。
第１図は本発明による磁気弾性トルクトランスデューサ
の斜視図；第２図は本発明による磁気弾性トルクトラン
スデューサの断面図で、該磁気弾性トルクトランスデュ
ーサで有用な磁気弁別器の一形態を示す；第３図は第２
図の磁気弁別器に付設の回路を示す回路図；第４図は本
発明による磁気弾性トルクトランスデューサの概略図
で、該磁気弾性トルクトランスデューサで有用な磁気弁
別器と付設回路の別の形態を示す；第５図は本発明の数
種類の磁気弾性トルクトランスデューサに関する印加ト
ルク対出力信号の関係を示すグラフ；第６図は各シャフ
トを同一の条件下で熱処理した後における、第５図の磁
気弾性トルクトランスデューサに関する印加トルク対出
力信号の関係を示すグラフ；第７図は本発明のトルクト
ランスデューサの帯状組織における周囲領域の円周長さ
に沿った、トルクトランスデューサの感度対残留応力負
荷の関係を示すグラフ；第８図はトルクトランスデュー
サの感度試験で用いた試験片の正面図；第９図は本発明
のトルクトランスデューサに関する感度対残留応力負荷
の関係を示す第７図と同様なグラフで、制御下のローレ
ット切り法による残留応力に基づいた磁気異方性がトル
クトランスデューサの帯状組織に与えられている。
の斜視図；第２図は本発明による磁気弾性トルクトラン
スデューサの断面図で、該磁気弾性トルクトランスデュ
ーサで有用な磁気弁別器の一形態を示す；第３図は第２
図の磁気弁別器に付設の回路を示す回路図；第４図は本
発明による磁気弾性トルクトランスデューサの概略図
で、該磁気弾性トルクトランスデューサで有用な磁気弁
別器と付設回路の別の形態を示す；第５図は本発明の数
種類の磁気弾性トルクトランスデューサに関する印加ト
ルク対出力信号の関係を示すグラフ；第６図は各シャフ
トを同一の条件下で熱処理した後における、第５図の磁
気弾性トルクトランスデューサに関する印加トルク対出
力信号の関係を示すグラフ；第７図は本発明のトルクト
ランスデューサの帯状組織における周囲領域の円周長さ
に沿った、トルクトランスデューサの感度対残留応力負
荷の関係を示すグラフ；第８図はトルクトランスデュー
サの感度試験で用いた試験片の正面図；第９図は本発明
のトルクトランスデューサに関する感度対残留応力負荷
の関係を示す第７図と同様なグラフで、制御下のローレ
ット切り法による残留応力に基づいた磁気異方性がトル
クトランスデューサの帯状組織に与えられている。
Claims (5)
- 【請求項１】トルクが加えられる回転軸の周面に形成さ
れて、その加えられたトルクに応答して透磁率を変化さ
せる強磁性・磁歪手段と、この強磁性・磁歪手段の周辺
に配置されてこの強磁性・磁歪手段に磁場を付与する励
磁手段と、前記の加えられたトルクに起因する強磁性・
磁歪手段の透磁率の変化を感知する検知手段と、前記の
感知された透磁率の変化を、前記回転軸に加えられたト
ルクの大きさを示す電気信号に変換する処理手段とを備
えた磁気弾性トルク・トランスデューサであって、前記
強磁性・磁歪手段が、鉄−ニッケル・マルテンサイト型
の鋼合金と熱的に硬化された鋼合金とから選ばれた鋼合
金にて構成されており、前記熱的に硬化された鋼合金
は、絶対値が5ppm以上である実質上等方性の磁歪性を示
すとともに、0.05ないし0.75重量％の炭素と、当該合金
の磁歪値を絶対値で前記の5ppm以上に高めるのに充分な
量の、ニッケル、クロム、コバルト、チタン、アルミニ
ウム、マンガン、モリブデン、銅、ホウ素から選ばれた
元素とを含み、前記強磁性・磁歪手段は前記回転軸の軸
方向へ一定幅を有するように形成され、この強磁性・磁
歪手段は、前記回転軸の表面においてローレット加工に
伴う塑性変形により生じた螺旋方向のマクロスコピック
な形態変化を有して、この形態変化を伴う塑性変形にも
とづく残留応力による螺旋方向の磁気異方性を有してい
ることを特徴とする磁気弾性トルク・トランスデュー
サ。 - 【請求項２】強磁性・磁歪手段は、回転軸の円周長さの
少なくとも50％に残留応力域を有していることを特徴と
する特許請求の範囲第１項に記載の磁気弾性トルク・ト
ランスデューサ。 - 【請求項３】強磁性・磁歪手段は、回転軸の全周に残留
応力域を有していることを特徴とする特許請求の範囲第
２項に記載の磁気弾性トルク・トランスデューサ。 - 【請求項４】磁気異方性の強さは、強磁性・磁歪手段内
のランダムな磁気異方性よりも充分に強くて、このラン
ダムな磁気異方性の合計による影響を無視できるように
構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
から第３項までのいずれか１項に記載の磁気弾性トルク
・トランスデューサ。 - 【請求項５】強磁性・磁歪手段は、ニッケルマレージン
グ鋼にて形成されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の磁気弾
性トルク・トランスデューサ。
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