JPH09165656A

JPH09165656A - トルク・センサ用高センサ出力、高強度材料

Info

Publication number: JPH09165656A
Application number: JP32724095A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Tokoro; 一典所; Katsuyuki Uchibori; 勝之内堀
Original assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1997-06-24

Abstract

(57)【要約】【課題】非接触型磁歪式トルク・センサに使用される
高センサ出力、高強度材料を提供する。【解決手段】重量百分率で下記元素を含有し、残部Ｆ
ｅ及び不可避不純物であるトルク・センサ用高センサ出
力、高強度材料である。（１）Ｎｉ：５〜２１％，Ａｌ：０．２〜２．５％（２）Ｎｉ：５〜２１％，Ａｌ：０．２〜２．５％，Ｃ
ｏ：０．５〜２０％（３）Ｎｉ：５〜２１％，Ａｌ：０．２〜２．５％，Ｍ
ｏ，Ｗの１種又は２種：各０．２〜３．０％（４）Ｎｉ：５〜２１％，Ａｌ：０．２〜２．５％，Ｃ
ｏ：０．５〜２０％，Ｍｏ，Ｗの１種又は２種：各０．
２〜３．０％

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非接触型磁歪式ト
ルク・センサのトルク検出に使用される高センサ出力、
高強度材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】産業機器、輸送機器、計測機器などにお
いて、回転系の回転軸及び捩り系の捩り軸に負荷してい
るトルクを非接触で測定するのは困難であったが、近年
になり非接触型磁歪式トルク・センサが一部で使用され
るようになった。磁歪式の特徴は非接触検出法で、検出
感度が良く小形である。磁歪式トルク・センサのトルク
測定方法は種々あるが、例として交流で励磁されている
トルク検出軸にトルクが作用すると、磁歪効果によって
トルクの大きさに応じて透磁率が変化するために、磁束
密度が変化して検出コイルに発生する透導起電力が変化
する。透導起電力の大きさによりトルクの大きさ、トル
ク検出に差動構造を設けることでトルクの向きを測定で
きる。

【０００３】回転軸及び捩り軸などがトルク検出軸にな
っているため、トルク検出軸には大きな負荷のかかるこ
とから、強度部材としての特性が優先している。例えば
機械構造用鋼（ＪＩＳ，ＳＣ，ＳＣｒ，ＳＮＣＭな
ど）、マルエージ鋼などがあげられるが、磁気的性質を
考慮した材料でないためこれらの鋼材を使用したトルク
検出軸の単位トルク当りのセンサ出力は低く要求を満足
するものではない。高センサ出力軸材あるいは軸として
は、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、アモルファス磁
性合金薄帯を接着した軸などが開発されているが、高負
荷のかかる用途には向かない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】機械構造用鋼、１５Ｎ
ｉ及び１８Ｎｉマルエージ鋼の室温における強度は、
０．２％耐力で６０〜２４０ｋｇｆ／ｍｍ²程度得られ
るが、元来が構造用鋼であるため保磁力は２０〜４０
Ｏｅ程度、透磁率は最大透磁率で１５０〜２５０程度と
磁気的に十分に軟質でなく、磁歪定数は５〜２０×１０
^-6ε程度で、磁歪効果は十分に大きくなく、センサ出力
は低く満足できない。これらの材料は元来が構造用鋼で
あるため、高センサ出力、高応力負荷の要求に対しては
使用可能なものはなかった。従来、強度を高めると、保
磁力は大きくなり透磁率及び飽和磁束密度は低下して磁
気的に十分な軟質でなくなり、センサ出力は低下する。
強度を高いままで保ち、センサ出力を高めるという相反
する複数の機能を同時に満足させた材料が求められる。

【０００５】トルク検出軸に負荷する小さなトルクから
大きなトルクまで、小さなトルク変化、変動などを検出
するにはトルク検出軸材を高センサ出力化し、高応力負
荷にも耐えられるようにする必要がある。本課題を解決
するには、トルク検出軸材に低保磁力、高透磁率及び高
飽和磁束密度の軟磁性で、かつ高強度で優れた延性及び
じん性という軟磁性と高強度特性の相反した機能を持た
せ、磁歪効果を高めることで高センサ出力化する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】トルク検出軸材に依存す
るセンサ出力を高めるために、トルク検出軸材の保磁力
（_BＨ_C）を１０Ｏｅ以下に下げ、最大透磁率を３００
以上まで高め、飽和磁束密度（Ｂｓの代わりにＢ₁₀₀）
を１５ＫＧ以上まで高めた軟磁性及び引張強さ、６０ｋ
ｇｆ／ｍｍ²以上の高強度の相反した機能を同時に付与
し、磁歪定数及び磁歪効果を高めることが必要であるこ
とを見出した。これらを実現するための化学組成を本発
明者らは見出し、これらの知見に基づき高センサ出力、
高応力負荷型のトルク検出材料を完成した。

【０００７】本発明は、Ｆｅ−Ｎｉマルテンサイト組織
の軟磁気的特性を出来るだけ損うことなく、強度が高
く、延性及びじん性を備えたトルクセンサ用高センサ出
力、高強度材料を得るために、強度、延性、じん性を兼
ね備えるのにＡｌ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗなどを添加して、時
効硬化させ、Ｃｏを強度特性を改善するだけでなく、Ｎ
ｉ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｗなどの添加による飽和磁束密度の低
下を補い、磁気特性の改善を意図して添加したものであ
る。すなわち、本発明は重量百分率でＮｉ：５〜２１
％，Ａｌ：０．２〜２．５％を含み、残部は鉄及び不可
避な不純物よりなることを特徴とするトルク・センサ用
高センサ出力、高強度材料〔請求項１〕である。本発明
はまた上記化学組成にＣｏ：０．５〜２０％を加えたも
の〔請求項２〕、あるいは上記化学組成にＭｏ：０．２
〜３．０％，Ｗ：０．２〜３．０％のいずれか１種また
は２種を加えたもの〔請求項３〕、さらにＣｏ：０．５
〜２０％，を加え、Ｍｏ：０．２〜３．０％，Ｗ：０．
２〜３．０％のいずれか１種または２種を加えたもの
〔請求項４〕である。

【０００８】このような化学組成の本発明材料はトルク
・センサのトルク検出軸の全部を対象としても、また、
一部分を対象として適用しても良い。また、トルク検出
部に軸長方向と斜め方向に複数のジェブロン状の溝を設
けたもの、設けていないものも本発明の対象として適用
して良い。次に、本発明のトルク・センサ用高センサ出
力、高強度材料の化学組成における各元素の作用及び化
学組成の限定理由を詳細に説明する。

【０００９】Ｎｉ：Ｆｅ−Ｎｉ合金をγ相単相に加熱
後、室温に冷却してマルテンサイト組織単相にするに
は、Ｎｉ含有量約２４％以下でなければならない。室温
でγ相が残留すると保磁力が大きくなり、飽和磁束密度
は低下してセンサ出力が低下するとともに強度も低下す
る。Ｆｅ−Ｎｉマルテンサイト組織では、Ｎｉ含有量を
増加すると、センサ出力及び強度は高くなる。Ｎｉ含有
量が２０％を超えると、飽和磁束密度はわずかに低下し
て保磁力は若干高くなるが、磁歪効果が高くなって、セ
ンサ出力はわずかに増加し、強度増加はわずかであるの
で、Ｎｉ含有量の上限は２１％とする。Ｎｉ含有量５％
未満では、センサ出力が不足し、強度と延性などの強度
特性が不足するので、Ｎｉ含有量の下限は５％とする。

【００１０】Ａｌ：ＡｌはＦｅ−Ｎｉ合金の高センサ出
力特性を極力損なわずに、時効強化する元素である。Ａ
ｌ含有量は０．２％未満では時効硬化速度が遅いため、
時効時間が長くなり実用的でない。また、時効硬化量も
少なく高強度が得られない。しかし、Ａｌ含有量が２．
２％を超えると、延性が低下する傾向があるので、Ａｌ
含有量の下限は０．２％、上限は２．５％とする。Ｃ
ｏ：Ｃｏの添加は、飽和磁束密度の向上に有効であるば
かりでなく、強度の改善にも有効である。Ｆｅ−Ｎｉ合
金にＡｌを単独添加し時効硬化させたときにみられる延
性低下の抑止効果もある。Ｃｏ含有量は０．５％から有
効であって、添加量を増加すると飽和磁束密度は向上
し、センサ出力を高め、強度を高めるが、Ｃｏ含有量が
１９％を超えると、延性を低下させるとともに保磁力を
高めるので、Ｃｏ含有量の下限は０．５％、上限は２０
％とする。さらに好ましい下限は２．０％である。

【００１１】Ｍｏ，Ｗ：ＭｏあるいはＷの単独添加又は
複合添加は強度上昇に依存する延性及びじん性の低下を
防止し、良好な延性及びじん性の得られる効果がある。
ＭｏあるいはＷ含有量は０．２％以上で効果があり、
１．５％を超えると効果が飽和する傾向のあることと、
ＭｏあるいはＷを添加することによる飽和磁束密度の低
下を出来るだけ少なくする必要がある。しかし、実用的
には３％までの添加は可能である。従ってＭｏあるいは
Ｗ含有量の下限は０．２％、上限は３．０％とする。よ
り好ましい上限は１．５％である。Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，
Ｐ，Ｓ：ＣはＦｅ−Ｎｉ合金の低炭素マルテンサイト組
織の優れた延性及びじん性を損ない、保磁力を高めると
ともに透磁率を低下させてセンサ出力を低下させるの
で、Ｃ含有量は０．０２％以下が望ましい。

【００１２】Ｓｉは脱酸剤として使用する場合でも、Ｓ
ｉ含有量は０．５％以下で十分である。Ｓｉ含有量０．
５％を超えると、０．２％耐力１５０ｋｇｆ／ｍｍ²以
上の高強度鋼の延性及びじん性を低下させる。Ｍｎは脱
酸剤及び加工性向上剤として使用する。脱酸効果及び加
工性向上の面から、Ｍｎ含有量は０．６％以下で十分で
あり、それを超えた添加は保磁力を高めて、透磁率を低
下させてセンサ出力を低下させる。Ｐ，Ｓについては、
高強度材料の延性及びじん性を低下させるので出来るだ
け少ないのが望ましい。０．０１％以下であれば実用鋼
レベルの強度では延性及びじん性の低下はわずかであ
る。本発明を適用した非接触型磁歪式トルク・センサの
トルク検出軸に関して、ベアリング装着面及びトルク測
定軸両端の接続個所の磨耗防止又は低減のために窒化処
理などの表面硬化処理を必要に応じて施す。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施例、比較例に相当す
る化学組成の合金を高周波誘導溶解炉を使用して作製
し、均質処理後熱間鍛造し、熱間圧延した材料を供試材
として各種試験に供した。マルテンサイト組織にするた
めの溶体化処理を施した後、強度を高めると共にセンサ
出力を損うことのないような条件で時効処理を施した。
溶体化処理温度は、７８０℃以下では均一なγ相単相が
得られず、室温に冷却後γ相が残留して保磁力が高くな
り、飽和磁束密度及び強度は低下する。１０００〜１１
００℃を超えると、結晶粒が粗大化して延性及びじん性
が低下するので基本的には８００〜１０００℃が望まし
く、溶体化処理時間は１５分間〜５時間が望ましい。８
５０〜９００℃×１時間保持後、空冷の溶体化処理を施
した。時効処理温度は、５５０℃を超えるとマルテンサ
イト組織の一部が逆変態γ相を生成して保磁力を高める
と共に、飽和磁束密度を低下させてセンサ出力を低下さ
せ、強度も低下させる。４５０℃以下では時効硬化速度
が遅く、時効処理に長時間を要し実用的でないので、４
７０〜５４５℃が望ましく、時効処理時間は０．５〜１
０時間が望ましい。

【００１４】以上のようにして準備した引張試験片、磁
性測定試験片、トルク検出軸などについて各種試験を行
った。本実施態様では、トルク検出部全部が軸状である
例を示しているが、トルク検出部のみが本発明合金で端
面を摩擦圧接などで接合してから機械加工、熱処理を施
して仕上げたトルク検出軸であっても、本発明合金を円
筒状に加工してほかの材料を芯にスリ−ブ状にはめたト
ルク検出軸のようにトルク検出部が本発明合金ならセン
サ特性には何ら問題はない。本発明合金は磁歪効果を使
用したトルク検出方式の種類を問わず適用できてセンサ
特性には何ら問題はない。

【００１５】

【実施例】表１、３、５、７に示す化学組成の合金を上
述の発明の実施の態様項で述べた方法に基づいて供試材
とした。溶体化処理温度及び溶体化処理時間はそれぞれ
の合金の化学組成に基づいて上記範囲内で決定した。以
上のようにして準備した引張試験片、磁性測定試験片、
トルク検出軸などについて、引張特性、磁気特性、磁歪
定数及びセンサ出力を、本発明実施例材、比較材及び従
来材について試験をし、結果を表２、４、６、８に示
す。表１、２はＦｅ−Ｎｉ−Ａｌ系合金、表３、４はＦ
ｅ−Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｏ系合金、表５、６はＦｅ−Ｎｉ−
Ａｌ−Ｍｏ／Ｗ系合金、表７、８はＦｅ−Ｎｉ−Ａｌ−
Ｃｏ−Ｍｏ／Ｗ系合金についてのものである。なお、表
１、２には従来材として４％Ｎｉ鋼（Ａ２１，Ｃ：０．
１８％，Ｓｉ：０．２１％，Ｍｎ：０．４４％，Ｃｒ：
０．８２％、Ｎｉ：４．０３％、Ｍｏ：０．１６％、Ａ
ｌ：０．０３％含有）及びＡ２２の１８％Ｎｉマルエー
ジ鋼についても示した。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】

【表３】

【００１９】

【表４】

【００２０】

【表５】

【００２１】

【表６】

【００２２】

【表７】

【００２３】

【表８】

【００２４】本発明合金の引張強さはいずれも６０ｋｇ
ｆ／ｍｍ²以上、伸びは１０％以上あり、Ｎｉ量の高い
方が、少量のＡｌ量で同一強度が得られる。Ｎｉ量とＡ
ｌ量の増加に伴い引張強さは高くなる。Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ
のいずれか１種以上を添加した表４のＦｅ−Ｎｉ−Ａｌ
−Ｃｏ系合金、表６のＦｅ−Ｎｉ−Ａｌ−Ｍｏ−Ｗ系合
金、表８のＦｅ−Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｏ−Ｍｏ−Ｗ系合金は
引張強さ、１５０ｋｇｆ／ｍｍ²以上でも伸び１０％以
上の十分な延性が得られる。磁性については、本発明合
金のＢ₁₀₀は１５ＫＧ以上、_BＨ_Cは１０Ｏｅ以下、透
磁率は３００以上あり、軟磁性と高強度の相反する機能
が両立しており、磁歪定数は４％Ｎｉ鋼の値より大き
い。優れた磁歪効果により、センサ出力は４％Ｎｉ鋼よ
り大きく、１８Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ−Ｔｉ系のマルエージ
鋼と同一Ｎｉ量レベルで高センサ出力が得られる。

【００２５】比較材について、Ａ１８はＮｉ量及びＡｌ
量が請求範囲より少なく、引張強さ及びセンサ出力は４
％Ｎｉ鋼より低い。Ａ１９はＡｌ量が請求範囲より多
く、不安定破壊をしている。Ａ２０はＮｉ量が請求範囲
より多く、オ−ステナイト組織を含むため、引張強さが
目標値より低く、センサ出力は４％Ｎｉ鋼より低い。Ｂ
２１はＮｉ量が請求範囲より少なく、引張強さが目標値
より低く、センサ出力は４％Ｎｉ鋼より低い。Ｂ２２は
Ａｌ量が請求範囲より多く、不安定破壊をしている。Ｂ
２３はＮｉ量が請求範囲より多く、オ−ステナイト組織
を含むため、引張強さ及びセンサ出力が４％Ｎｉ鋼より
低い。Ｃ２２はＡｌ量、Ｍｏ量及びＷ量が請求範囲より
多く、不安定破壊をし、_BＨ_Cは４１．０Ｏｅ，Ｂ₁₀₀
は１４．２ＫＧ、透磁率は７６といずれも目標値に達し
ていない。Ｃ２３はＮｉ量及びＡｌ量が請求範囲より低
いため、引張強さが目標値より低く、Ｗ量が請求範囲よ
り多いことが加わって、センサ出力は４％Ｎｉ鋼より低
い。Ｃ２４はＮｉ量及びＭｏ量が請求範囲より多く、オ
−ステナイト組織を含むため、引張強さ、磁気特性及び
透磁率が目標値より低く、センサ出力は４％Ｎｉ鋼より
低い。Ｄ２２はＮｉ量が請求範囲より少ないため引張強
さが目標値より低く、Ｍｏ量及びＷ量が請求範囲より多
いことが加わって、センサ出力は４％Ｎｉ鋼より低い。
Ｄ２３はＡｌ量、Ｃｏ量及びＭｏ量が請求範囲より多
く、特にＡｌ量が多いため不安定破壊をしている。Ｄ２
４はＮｉ量、Ａｌ量及びＷ量が請求範囲より多く、Ｃｏ
量が請求範囲より少なく、オ−ステナイト組織を含むた
め、引張強さ、磁気特性が目標値より低く、センサ出力
は４％Ｎｉ鋼より低い。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、実施例で明らかにした
通り、本発明材料は現在実用化されているトルクセンサ
のトルク検出材料に比較して、強度レベルを現用材と同
程度の引張強さ６０ｋｇｆ／ｍｍ²以上とし、単位トル
ク当りのセンサ出力を高めた高機能材料である。特に、
センサ出力の主要因子であるＮｉ量を同一レベルで従来
材と本発明材料のセンサ出力を比較すると、本発明材は
高センサ出力である。回転系の回転軸、捩り系の捩り軸
に負荷する小トルクから高トルクまで負荷に応じたトル
クを精度よく非接触で検出できる効果がある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量百分率でＮｉ：５〜２１％，Ａｌ：
０．２〜２．５％を含み、残部は鉄及び不可避な不純物
よりなることを特徴とするトルク・センサ用高センサ出
力、高強度材料。
【請求項２】重量百分率でＮｉ：５〜２１％，Ａｌ：
０．２〜２．５％，Ｃｏ：０．５〜２０％を含み残部は
鉄及び不可避な不純物よりなることを特徴とするトルク
・センサ用高センサ出力、高強度材料。
【請求項３】重量百分率でＮｉ：５〜２１％，Ａｌ：
０．２〜２．５％を含み、さらにＭｏ：０．２〜３．０
％，Ｗ：０．２〜３．０％の１種又は２種と残部は鉄及
び不可避な不純物よりなることを特徴とするトルク・セ
ンサ用高センサ出力、高強度材料。
【請求項４】重量百分率でＮｉ：５〜２１％，Ａｌ：
０．２〜２．５％，Ｃｏ：０．５〜２０％を含み、さら
にＭｏ：０．２〜３．０％，Ｗ：０．２〜３．０％の１
種又は２種と残部は鉄及び不可避な不純物よりなること
を特徴とするトルク・センサ用高センサ出力、高強度材
料。