JPS62179626A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は磁歪式のトルク検出装置に係り、トルク検出
出力の安定化、特に軸の回転に対する出力変動の低減を
図ったトルク検出装置に関するものである。

（従来の技術） 被測定軸、例えば回転軸や固定軸などの軸にトルクを加
えた場合、軸素材の歪が軸の中心部よりも軸の表面部に
おいて大きくなることが知られている。

また、例えば、被測定軸の軸横断面に向かって時計方向
にトルクＴを加えると、軸の周囲に第２図に示すように
軸方向と４５度傾いた右方向に引張り応力＋σが、また
４５度傾いた左方向に圧縮応力−σが発生する。

一方、磁性体は応力が加わると、透磁率が変化する、い
わゆる磁歪特性を持っており、この磁性体の特性を利用
して磁性体に作用する応力を磁気的に測定することがで
きる。

すなわち、正の磁歪を有する磁性体では引張り応力方向
に透磁率が増加し２、逆に負の磁歪を有する磁性体では
引張り応力方向に透磁率が減少する。

この性質を利用して回転軸や固定軸などの軸に加えられ
たトルクを検出するには、励磁コイルから発せられた磁
束を軸の表面部、すなわち大きな歪の生じる部分に集中
させることにより大きな検出出力を得ることが可能であ
る。

このようにして、例えば、鉄鋼で製作された軸の出力特
性は第７図に示すようなものが得られ、これによって、
印加されるトルクと検出出力とを対応させることにより
トルク検出が行われる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、測定に使用される軸は、機械加工および
／または焼入れ等の熱処理によって、局部的な応力が加
わり、これらの応力によって磁壁が移動して固着された
状態になっている。そのため、第５図に示すように局部
的に透磁率の異方性をもつ分布状態になり、このままの
状態で測定すると、第３図に示すトルクＴ＝Ｏｋｇｆ−
ｍの状ｙルでの出力（以下、「零トルク」と称す６）が
、軸の回転位置による変動となって現われる。そして、
この局部的な透磁率の異方性をもつ分布状７ｇは、Ｊｌ
ｌｌ定すべきトルク領域では消えることなく保存される
ので、第３図に示すトルクＴと出力との関係が、軸の回
転位置による出力変動となって表われ、被Ｊｌｌｌ定軸
に対して作用するトルクＴを正確に計測することができ
ないという問題点があった。

そこでこの発明は、上述した従来の問題点に着目してな
されたもので、軸の局部的な透磁率の異方性を矯正し、
軸全周にわたって透磁率を等方的な分布状態とすること
によって、被測定軸を回転状態で使用するときでも、ト
ルクの検出出力特性が軸の回転位置によって変化するこ
とのない安定したトルク出力が得られるトルク検出装置
を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するためのこの発明によるトルク検出
装置の構成は、磁性体からなる軸と、前記軸を磁路の一
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検出装置
において、前記軸として、当該軸表面部の透磁率の局部
異方性を応力印加により等方化した軸を用いたことを特
徴とするものである。

（実施例） 以ド、この発明を図面に基づいて説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）はこの発明に係るトルク検出装置
行の−・実施例の構成を示す正面図および側面図である
。同図において、鉄を主成分として０．２ｍ１ｌｔ％の
炭素を含んだニッケル・クロム争モリブデン合金鋼（０
，２重量％Ｃ，ＪＩＳ−５ＮＣＭ４２０Ｈ材）からなる
被測定軸（外径１７ｍｍ）１の外周には、例えばパーマ
ロイ等の高い透磁率を有する物質からなるヨーク４が４
ｍｈ　１に対して所定の間隔をおくようにして近接され
ている。

ヨーク４には、前記軸１を磁路の−・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２と、前記軸１
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
３とが交差するように配置されている。従って、励磁コ
イル２から発せられた磁束が軸１およびヨーク４を磁路
として磁気回路を形成する。

そして、このトルク検出装置の構成において、例えば第
２図に示す軸１の軸横断面に向かって時計方向にトルク
Ｔを加える場合、軸方向と４５度傾いた右方向の引張り
応力＋σによる透磁率の増加と、４５度傾いた左方向の
圧縮応力−σによる透磁率の減少との和を出力としてと
らえている。

そこで、第３図に示す軸１に対するトルクＴ＝Ｏｋｇｆ
−ｍの状態で現われる零トルク出力は、軸１を磁路の一
部とする磁気回路における検出コイル３を通過する磁束
のバランスのくずれを読み取っていることになる。

すなわち、本来は零トルク出力は零であるはずであるが
、第１図（ａ）、（ｂ）に示すヨーク４の各磁極の加工
精度や、励磁コイル２および検出コイル３の配置の微妙
なずれと、軸１の局部的な透磁率の不均一とから零トル
ク出力は零でなく。

数ミリボルトから数十ミリボルトの値を示す。この場合
、零トルク出力が零でないこと自体はさほど大きな問題
ではないが、軸１の回転による出力変動を生じることに
は問題があり、軸１の局部的な磁気的不均一からくる出
力の回転位置による変動が大きな問題となり、測定トル
クの印加時にも保存されるので好ましくない、そこで、
この発明では、上記変動要因のうち軸１自体の問題に絞
って考えるために、前記ヨーク４の各磁極の加工精度が
高く、励磁コイル２および検出コイル３がバランスよく
作られていて、軸１がヨーク４．励磁コイル２および検
出コイル３から無限長の距離にあるときの出力は零であ
るとする。

この場合に軸１とヨーク４の先端の磁極とを１ｍｍの間
隔をおいて接近させて測定したとき、軸１の表面部全周
にわたって零トルク出力が零である場合には、軸表面部
の透磁率は当該軸表面部のどの位置においても等史的で
あり、例えば第４図に示すように４５度方向の透磁率が
等しい形で表わすことができる。また、零トルク出力が
零でない値を示す場所がある場合には、その場所は軸１
の軸方向に対して４５度傾いた右方向の透磁率ル■と、
４５度傾いた左方向の透磁率ｐｅとの差ＩＩＬ■−ｐｅ
ｌの大きい場所である。この場合の軸表面部の透磁率は
、全周にわたっては等史的でなく、第５図に示すように
部分的にどちらかが優勢な分布になっている。これは測
定すべきトルク領域でも消えることなく保存され、第３
図に示すトルクと出力との関係から軸１の回転位置によ
って出力変動となって表われる。

そこで、第５図に示すような軸１の局部的な透磁率の異
方性を矯正し、第４図に示すような等史的な分布にすれ
ば回転変動が解消されることになる。そこで、本発明者
は第５図に示すような軸１に対して磁壁の固着エネルギ
ー以上の応力を印加し、磁壁を大きく移動させて１局部
的な透磁率の異方性を矯正し、第４図に示すような軸表
面部全周にわたって等史的な分布状態にすることによっ
て、軸１の回転位置による出力変動を解消することを見
出した。

これを具体例で説明すると、被測定軸１として、鉄を主
成分としかつ０．２重量％の炭素を含んだニッケル・ク
ロム・モリブデン合金鋼（０，２重量％Ｃ、Ｊ　Ｉ　Ｓ
−３ＮＣ５−３ＮＣ材）からなる外径１７ｍｍのものを
使用し、この軸１に対して浸炭焼入れ・焼戻しを施した
のち、。

その軸横断面に向かってまず時計方向に７０ｋｇｆ・ｍ
の捩りトルクを印加し、次に、前記捩りトルクを零まで
戻し、さらに反時計方向に７０ｋｇｆ＊ｍの捩りトルク
を印加して、再び前記捩りトルクを零に戻した。続いて
、同様の方法で５０ｋｇｆ＊ｍ、次いで３０ｋｇｆφｍ
と捩りトルクを減衰させながら反復印加した。その結果
、第６図（ｂ）に示すように零トルク出力の回転変動が
、第６図（ａ）に示す初期の状態に比べて約１／４に低
減することができた。また、上記と同様の方法で軸１に
まず１００ｋｇｆ・ｍの捩りトルクを反復印加し、次に
７０ｋｇｆ＊ｍ、次いで５０ｋｇｆｓｍ、さらに３０ｋ
ｇｆ・ｍと測定トルク域まで減衰させるトルクを印加し
た場合の結果を第６図（Ｃ）に示す、この場合、第６図
（Ｃ）に示すように、零トルク出力の変動が第６図（ａ
）に示す初期の状態に比べて約１／１０に低減しており
、軸１の回転による出力変動は、はぼ完全に解消できた
。

したがって、反復印加する捩りトルクの大きさについて
は、通常の測定範囲を超えるトルクを印加すればよいが
、特に塑性域、すなわち０．２％耐力（本実施例におけ
るニッケル・クロム・モリブデン合金鋼の場合、τｏ　
、２　’ｖ９０ｋｇｆ・ｍｍ２）を超えるような応力に
相当する捩りトルクを反復印加すると、透磁率の等方化
に大きな効果がある。

なお、反復印加する捩りトルクは１弾性域の測定トルク
範囲まで徐々に減衰させる捩りトルクの方がその効果は
大きい。

また、軸１に対する捩りトルクの反復印加だけではなく
、軸１に対する軸方向の引張りと圧縮の反復印加によっ
ても、上記と同様の効果が得られる。

さらに、上述した実施例では軸１として強度の比較的大
きなニッケル中りロム拳モリブデン合金鋼を用いる例を
示したが、この発明にあってはこれに限定されるもので
はなく、ニッケルやパーマロイのような高磁歪材料を用
いた場合にも、また強度の大きな各種の炭素鋼および合
金鋼よりなる軸を用いる場合にも、あるいはそれらの複
合材料よりなる被測定軸を用いる場合にも十分適用でき
る。

さらに、励磁コイル２．検出コイル３．ヨーク４におい
てもこれらを軸１と同軸的に配置する構造のものであっ
ても、また磁束を検出する従来公知の検出手段、例えば
ホール素子等のトルク検出装置にも適用可能であること
は言うまでもない。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、この発明のトルク検出装置に
よれば、磁性体からなる軸と、前記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検出装置におい
て、前記軸として、当該軸表面部の透磁率の局部異方性
を応力印加により等力比した軸を用いた構成としたこと
により、軸の回転による出力変動がなく極めて安定した
ものにして、軸に作用するトルクを正確に検出すること
ができるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ＣＬ）、（ｂ）はこの発明の一実施例によるトル
ク検出装置の構造を説明する各々正面図および側面図、
第２図は軸トルクと応力との関係を示す説明図、第３図
は軸を一回転させたときの検出出力の変動を示す特性説
明図、第４図は軸表面部の透磁率の等史的な分布状態を
示す概念的説明図、第５図は軸表面部の透磁率の局部異
方的な分布状態を示す概念的説明図、第６図（ａ）。 （ｂ）、（Ｃ）は各々トルクを印加しない軸を用いた場
合（同図（ａ）の場合）、最大７０ｋｇｆ・ｍのトルク
を印加した軸を用いた場合（同図（ｂ）の場合）、およ
び最大１００ｋｇｆ・ｍのトルクを印加した軸を用いた
場合（同図（Ｃ）の場合）における当該軸を一回転させ
たときの零トルク出力の低減を示す説明図、第７図はト
ルク検出装置において軸を一定に固定したときのトルク
と出力との関係を示す特性説明図である。 １・・・軸、 ２・・・励磁コイル（励磁手段）、 ３・・・検出コイル（検出手段）、 ４・・・ヨーク。 特許出願人　日産自動車株式会社 特許出願人　大同特殊鋼株式会社 代理人弁理士　小　　塩　　　豊 第１図（０）　　　第１図（ｂ） 第２図 第３図 ｒｊＪ＊（ｔｌ（［，１

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁性体からなる軸と、前記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検出装置において
   、前記軸として、当該軸表面部の透磁率の局部異方性を
   応力印加により等方化した軸を用いたことを特徴とする
   トルク検出装置。
2. （２）応力印加は、軸に対する捩りトルクの反復印加に
   よるものであることを特徴とする特許請求の範囲第（１
   ）項記載のトルク検出装置。
3. （３）応力印加は、軸に対する軸方向の引張りと圧縮の
   反復印加によるものであることを特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項または第（２）項記載のトルク検出装置
   。