JPS6381993A - トルクセンサ - 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） 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２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２９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，Ｓ
Ｃｒ。

ＳＣＭ、ＳＮＣＭなど）から製作されていることが多い
ため、ａｉ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
特性図における幅り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も
ので、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
太きく、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１重量％で、Ｃ
：０．１〜０．５％、Ｓｔ：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、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Ｔ
ａ：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型Ｓ（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 Ｓｔ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図の幅りが大きくなる
）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図の輻りが小さくなる）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＋Ｃｒ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Ｎ　ｉ　＋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　、　Ｍ　ｏ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０．０
００５〜０．０５％添加したり、納品粒の微細化や析出
硬化によって強度の向上をはかるために、■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シ、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、浸炭争焼入れ書焼もどし処理や、
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Ｏ２１％超過１．
５％以下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１７
０℃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２１間隙３．ヨーク４９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３０ｋｇｆ１１ｍ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ｈ
）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％以下であッテ、Ｎｉ＋Ｃ
ｒ量が１．５〜４．０％の範囲にある本発明倒動、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
下であッテ、Ｎｉ＋Ｃｒ量が１．５％よりも少ない本発
明倒動、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０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Ｎｏ、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％より多い比較倒動、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、本発明倒動、５と陽、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、より
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な検
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。

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：ｏ、ｏｉ　〜ｏ、ｓ
％、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図は本発明倒動、５と慟、７に対して浸炭
φ焼入れを施した場合と浸炭φ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）。 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（Ｇ）　　　第１図（ｂ） 第２図 ｆＬ＠乾　　　　　　石回転 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （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Ｎｉ：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。 （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。 （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。 （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Ｎｉ：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。 （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。 （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。