【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆磁歪効果を利用した磁歪式トルクセンサに関し、特に、過大トルク入力後の中点出力変動を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のトランスミッションや４ＷＤトルクスプリッタ、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）等では、適切な制御を行うためにトルクを検出する必要がある。例えば、ＥＰＳとは、自動車等のハンドルに入力されたトルクに応じて電動モータを制御し、アシスト力を発生させるパワーステアリングシステムであり、その制御にはハンドルに加えられたトルクの検出が必須である。従来、このようなトルクの検出にはトルクセンサが用いられている。特に、これらの装置は人間が直接操作するものであり、剛性感や自然なフィーリングといった感覚的性能が要求されるため、歪の検出感度が非常に高く、微小な歪の検出が可能な磁歪式トルクセンサは、この要求に非常に適したセンサである。磁歪式トルクセンサとして、特開平１−１６９９８３号公報、特公平８−３１６３６号公報等が知られている。
【０００３】
一般の計測用トルクセンサであれば、通常入力されることが期待されるトルクの最大値である定格トルクに対して、センサ特性を保証するトルクである保証トルクはせいぜい数倍程度、トルクセンサが破断しないことを保証するトルクである破断保証トルクはさらにその２〜３倍程度であれば十分に機能を果たすと考えられる。しかし、特にパワーステアリング用トルクセンサでは、走行する自動車が縁石に乗り上げた場合などには、パワーステアリング軸には定格トルクの１０倍以上の過大トルクが作用することがあるため、定格トルクに対して１０倍〜１０数倍もの、著しく高い過大トルクが入力されても、センサ特性、とりわけ中点出力が変化してはならないという、厳しい性能も要求される。
【０００４】
中点出力とはトルクがゼロのときの出力のことで、一般に、トルクセンサは、トルクがゼロのとき出力が所定の値になるように、初期状態において中点出力が調節されている。そして前記の中点出力の変動は、トルクがゼロの時の出力の変動であり、これはトルクセンサのヒステリシス特性に他ならない。つまり、定格トルクの１０倍〜１０数倍の入力トルクに対しても、ヒステリシスを極小にしなければならない。
【０００５】
以下、ヒステリシスの大きさとして、ヒステリシスによる出力変化量（片側）を、定格トルクにおける出力で割り、無次元化した数値（％ＦＳと記す。）を用いる。
【０００６】
例えば、ヒステリシスの要求性能が１％ＦＳ、保証トルクが定格トルクの１０倍のセンサを考える。ここでは単純化のため、ヒステリシスの大きさが入力トルクに比例すると仮定する。この場合、定格トルクで１％ＦＳのヒステリシスを持つセンサは、保証最大トルク（定格トルクの１０倍）が負荷された場合、そのあと発生するヒステリシス量は、定格トルクに対しては、１０％ＦＳにもなってしまう。このため、トルクセンサが定格トルク域のみで使用されている場合には問題はないが、一旦過大なトルクがトルクセンサに入力されると、大きなヒステリシスが生じ、トルクセンサはセンサとしての仕様を満たせないことになる。
【０００７】
具体的に述べると、例えば、定格トルクが１０Ｎ・ｍのトルクセンサで、要求されるヒステリシス特性を±１％以下とした場合、通常のセンサであれば、せいぜい５０〜６０Ｎ・ｍ程度までのヒステリシス量を保証すれば十分であるが、車のＥＰＳ等に用いるトルクセンサの場合には、１５０〜１６０Ｎ・ｍまでヒステリシスを±１％以下に保証しなければならない。そして、この場合に重要となるのが、１５０、１６０Ｎ・ｍといった保証トルクでの特性のみならず、定格トルクからこの保証トルクに到るまでの、全トルク域において、ヒステリシスを±１％ＦＳ以下に保証する必要があるということである。
これを満たそうとすれば、保証最大トルクで、０．１％ＦＳのヒステリシスを持つトルクセンサを実現するしかないが、それにしても、広い範囲のトルク域全域でヒステリシスが同じように小さくなるという保証は無い。
【０００８】
以上のように、高感度が特徴である磁歪式トルクセンサを用いても、定格トルクと保証トルクの差が大きいとき、定格トルク以上のトルクが入力されたときのヒステリシスが相対的に大きくなり、中点出力が変化するという問題があった。
【０００９】
このような問題の解決法として、特開２０００−９５５８号公報において示される方法が開示されている。これは磁気異方性部分にトルクに対して正のヒステリシスと負のヒステリシスをもつ２層を上下に配置することで過大トルクに対するヒステリシスを見かけ上ゼロにしようとするものである。これはショットピーニング等の製造法を用いて、シャフト表面にヒステリシスが正になる領域と負になる領域の二つを上下に配置し、シャフトにトルクが負荷されたときのそれぞれの領域で発生するヒステリシスの符合が逆であるためその相殺によって、見かけ上のヒステリシスの値を小さくする技術である。
【００１０】
しかしながら、発明者らは、この方法では最適な条件を設定した過大トルクに対してはヒステリシスの値を小さくすることができるが、それ以外のトルクでは依然として比較的大きなヒステリシスが発生してしまうことを見出した。つまり、定格トルク値以上、保証最大トルク値以下の、言ってみれば中間の過大トルク域では、依然として無視できない大きさのヒステリシスが存在し、保証最大トルクの場合よりも大きなヒステリシスが生じてしまうのである。
【００１１】
一般的に、ヒステリシス特性は、トルクに対して非直線的に変化する。また、正のヒステリシスと負のヒステリシスのトルクに対する特性は同じでない。このため、ある１点でヒステリシス特性を合わせる（ゼロにする）ことはできても、全過大トルク域において、正と負のヒステリシスを打ち消しあわせることは非常に困難である。
【００１２】
例えば、保証トルクＴｍでヒステリシスがゼロとなるように製造したトルクセンサシャフトを用いてトルクセンサを構成し、過大トルク域のトルクとヒステリシスの関係をプロットした例を図８に示す。図８に示すように、保証トルク以下の過大トルクで、ヒステリシスが大きくなり、トルクＴＨｍａｘにおいてヒステリシスが最大となる。
【００１３】
トルクセンサの過大トルク負荷に対する出力変動特性としては、図８のような特性は実用上望ましくない。というのも、過大トルクがかかる可能性の高い領域は、保証最大トルクではなく、それ以下の領域の過大トルク域だからである。つまり、従来、より負荷される可能性の高い領域の方が、出力変動（つまりヒステリシス）が大きくなってしまっていた。
【００１４】
なお、本明細書中で、トルクの符号は時計回り（ｃｗ）を正、反時計回り（ｃｃｗ）を負とする。また、本文中でヒステリシスが正とは、時計回りのトルクを入力して、そのトルクを取り除いた後、その時のセンサ出力が元の出力値よりも増加している場合とする。負とは、同様にしてセンサ出力が元の出力値よりも減少している場合である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、定格トルクに対して著しく高い過大トルクが入力されても、センサ特性、とりわけ中点出力が変化しない簡易な磁歪式トルクセンサを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気異方性部分を含む磁歪式トルクセンサシャフトであって、上記磁気異方性部分が、上記磁歪式トルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面上に、正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域とを備えた磁歪式トルクセンサシャフトを提供する。
【００１７】
ここで、「磁気異方性部分」とは、磁歪式トルクセンサシャフトにおいて、トルクに応じてその磁気的性質が変化する部位を意味する。例えば、強磁性体のトルクセンサシャフト表面の軸方向から４５°傾けた溝を設けることで、その形状効果によりトルクセンサシャフトに磁気異方性を付与し、その部分の磁気的性質の変化を検出できるようにすることができる。このような部分を磁気異方性部分という。あるいは、特許第２７１０１６５号および特許第２９６５６２８号において提案されているように、トルクセンサシャフト表面に磁歪層を付加することで、磁気異方性部分を設けることができる。あるいは、特開２００２−１０７２４０号公報において提案されているように、温度変化に応じて磁性を変化させる材料に、局所的な温度処理を施すことで、磁気異方性部分を設けることができる。しかし、本発明にかかる磁気異方性部分は、これらの例に限定されるものではない。
【００１８】
また、トルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面とは、トルクセンサシャフトが円柱形の場合、その表面と平行な面と同義であり、当然、トルクセンサシャフトの表面は、トルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面に含まれる。
【００１９】
また、前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域の境界を、トルクセンサシャフトの中心軸と平行、あるいは、トルクセンサシャフトの中心軸を法線とする平面と平行とすると、各領域の面積を、容易に制御することができ、好ましい。なお、全トルク域におけるヒステリシスを効果的に低減するために、前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域の面積の比は、好ましくは、負：正＝９：１〜５：５、さらに好ましくは、負：正＝７：３とする。
【００２０】
本発明によれば、本発明にかかる磁歪式トルクセンサシャフトは、そのトルクの特性を単純な計算で予測することができる。つまり、正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域をトルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面に設けるため、各々単体で把握したヒステリシスの特性を非常に単純な計算で組合せるだけでそれらを組み合わせたときに得られるトルクセンサのヒステリシス特性を非常に正確に推測できる。さらに、正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域の面積比を自由に変化させることができるので、トルクセンサの測定対象（使用条件）に応じて、過大トルク域のヒステリシス特性を自由にかつ精密に制御することができる。
【００２１】
このようなヒステリシス特性の制御は、従来技術のように正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域が、上下２層に重なっている場合には困難である。というのは、上下に正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域とを重ねると、直径方向で各領域にかかる応力が異なるため、各領域でのヒステリシス特性の調節が単純な計算通りにはならないのである。さらに、上下２層の領域の厚さが把握し難く、単体でのヒステリシス特性と、実際に上下に重ねた場合の効果との間にズレが出てしまう。このように、上下２層に正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域を重ねる場合、各々の特性を基に計算することで特性を予測するのが、非常に困難である。
【００２２】
なお、好ましくは、前記トルクセンサシャフトの表面に、前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域を備える。しかし、正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域は、同一の応力面上にあれば、トルクセンサシャフトの表面のみではなく、内部にあっても同様な効果が得られる。
また、好ましくは、前記磁歪式トルクセンサシャフトは前記磁気異方性部分を複数備え、各磁気異方性部分にそれぞれ前記正のヒステリシス特性を持つ領域と負のヒステリシス特性を持つ領域を備える。
また、本発明は、前記トルクセンサシャフトを含む磁歪式トルクセンサを提供する。
【００２３】
以上のように、本発明により、トルクセンサのヒステリシス特性を自由にかつ精密に制御することが可能であり、保証最大トルク値でのヒステリシスを許容範囲内で自由に変動させて、過大トルク域全体でのヒステリシス量を抑制することができる。例えば、図２に示すような特性を持つトルクセンサを作ることにより、定格トルクに対して著しく高い過大トルクが入力されても、センサ特性、とりわけ中点出力が変化しない簡易な磁歪式トルクセンサを提供することができる。
【００２４】
なお、正と負のヒステリシス特性は、例えばショットピーニングのショット粒のメディア粒径、空気圧、ショットメディア流量、照射距離、照射時間等により制御することができるが、これらに限定されるものではない。ショットピーニングにより正と負のヒステリシスを制御する場合、トルクセンサシャフトにマスキングを施すことで、正と負のヒステリシスの領域の面積を自由に制御できるため、所定の特性を得るために、非常に広い範囲で正と負のヒステリシス領域の面積比を調整可能である。マスキングはシリコンゴム、ウレタンゴム、ナイロン樹脂等により施すことができるが、これらに限定されるものではない。なお、マスキングする領域を調節することで正と負のヒステリシスを持つ領域の面積を制御できるため、特性の異なるトルクセンサシャフトを製造する際にマスキングのみを変えれば、製造時に同じショット条件の装置で異なる特性のシャフトを混流生産させることが可能であり、生産性が飛躍的に向上する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る磁歪式トルクセンサの実施の形態の１例を、添付図面を参照しながら説明する。もっとも、以下に挙げる実施の形態は、本発明を限定するものではない。
図１は本発明に係る磁歪式トルクセンサの概念図である。
図１に示すように、本発明に係る磁歪式トルクセンサ１は、トルクセンサシャフト２と、励磁用ソレノイドコイル３と、検出用ソレノイドコイル４とを主要な要素とする。トルクセンサシャフト２は、応力（歪）に応じてその磁気的性質が変化する磁気異方性部分５および、トルクセンサシャフト２と他の動力伝達軸（図示しない）とを連結するための嵌合部６を有する。
【００２６】
磁気異方性部分５は、トルクセンサシャフト２の中心軸に対して約４５°傾けた溝（図示しない）を、トルクセンサシャフト２の全周に亘り所定間隔をもって設けることによって形成することができる。なお、トルクセンサシャフト２は、トルクセンサシャフト２の中心軸に対して互いに逆方向に傾いた溝によって形成された磁気異方性部分５の組を１組備える。
以上の構成により形状磁気異方性を有する磁気異方性部分５は、応力に応じてその透磁率を変化させる。なお、中心軸に対して４５°とは、ねじり荷重に対してトルクセンサシャフト表面の引張り方向の応力および圧縮方向の応力が最大となる方向であり、この方向に溝を形成することで、最も効率よくトルクセンサシャフト表面の引張り応力または圧縮方向の応力を検出できる。
【００２７】
ここで、溝の方向が異なる磁気異方性部分５のそれぞれが正あるいは負のヒステリシスを持つように作製しても良い。この正と負のヒステリシスの制御はショットピーニングにより行うことができる。このときトルクセンサシャフト２にマスキングを行うことで、正と負のヒステリシス領域の面積を自由に設定することが可能である。
【００２８】
なお、ヒステリシスが正あるいは負の領域の形状は、製造工程や、その他の要因に応じて適宜決めれば良い。例えば、図３に示すように、円筒の中心軸を通る面の上側を正のヒステリシス領域８、下側を負のヒステリシス領域９としても良い。また、図４に示すように、トルクセンサシャフトの表面をシャフトの中心軸と垂直な面で分割してもよい。あるいは、これらの組合せでも良い。トルクセンサシャフトのねじりによって発生する同一の応力面上に設けていれば、どのような形状の領域を作成しようと自由であり、この文章の記述に限定されるものではない。また、前述したように、同一の応力面上であれば、トルクセンサシャフトの表面のみではなく、内部にあっても同様な効果が得られる。
【００２９】
一方、励磁手段である励磁用ソレノイドコイル３は前記磁気異方性部分５を覆うように配置し、これに交流磁場を与える。検出手段は検出用ソレノイドコイル４と電子回路（図示しない）を含み、検出用ソレノイドコイル４も前記磁気異方性部分５を覆うように配置する。
ここで、励磁用ソレノイドコイル３により前記磁気異方性部分５に沿うように磁力線を流す。前述のように、トルクセンサシャフト２に応力がかかると、磁気異方性部分５はその透磁率を変化させるが、この磁気的変化を検出用ソレノイドコイル４によって検出することができる。
なお、トルクセンサシャフト２の磁気異方性部分である磁気異方性部分５は、励磁用ソレノイドコイル３、検出用ソレノイドコイル４等と共に、外部の磁気の影響を遮蔽するアルミ製のセンサケース７に内包する。
【００３０】
【実施例】
以下に、上記の実施の形態に基づいた本発明に係る磁歪式トルクセンサの実施例を示す。もっとも、本発明は実施例に限定されない。
ＪＩＳ ＳＮＣＭ８１５合金（組成を表１に示す。）鋼丸棒から所定の棒材を削り出し、これに転造を施して、トルクセンサシャフトの表面に中心軸に対して４５°傾いた溝（磁気異方性部分）を設けた。
【００３１】
【表１】
【００３２】
この部分に高周波焼入れ処理を施した後、ショットピーニングを施し、ヒステリシスが正の領域と負の領域を設けた。ショットピーニングの条件を表２に示す。
【００３３】
【表２】
【００３４】
条件１は従来技術に対応するもので、±１５０ｋｇｆ・ｍの保証最大トルクを入力して、そのトルクを取り除いた後のヒステリシスがゼロになる条件である（図８参照）。条件２は負のヒステリシスのみをもつ条件である。条件３は正のヒステリシスのみをもつ条件である。条件４および条件５は、条件２および条件３を組合せたもので、負のヒステリシスを持つ領域と正のヒステリシスを持つ領域の面積比がそれぞれ７：３および３：７になる条件である。具体的には、まず、強度の高いショットを全面に行い、その後マスキングをして、強度の低いショットを行った。条件４は図３に示すレイアウトで、条件５は図４に示すレイアウトで正と負のヒステリシスを持つ領域をそれぞれ形成した。
【００３５】
このトルクセンサシャフトで励磁用および検出用ソレノイドコイル、電気回路等を組付けてトルクセンサを構成し、トルクとヒステリシス特性の関係を調査した。なお、このセンサの諸元は、定格トルク±１０Ｎ・ｍ、定格トルクおける出力電圧１Ｖ（０．１Ｖ／Ｎ・ｍ）、保証最大トルク±１５０Ｎ・ｍであった。また、軸のねじり強さは、３４０Ｎ・ｍ、降伏強さは２６０Ｎ・ｍであった。ヒステリシスの測定は、トルクを加える前後のセンサ出力を計測した。センサ出力の測定時には、間違い無くトルクをゼロとするために、トルクセンサをねじり試験機から外して、完全に機械的にフリーにした状態で行なった。
【００３６】
まず、条件１について、定格トルクを超える過大トルク域における、入力トルク値とヒステリシスの関係を調査した。すると図５に示す様に、トルク１５０Ｎ・ｍではヒステリシスはゼロになるものの、それ以外のトルク値では、ヒステリシスが存在し、トルク９０Ｎ・ｍでヒステリシスが最大になることが分かった。またこの場合、右ねじり（ＣＷ：トルク値正）と左ねじり（ＣＣＷ：トルク値負）では、その符号が反転するため、トルクセンサの中点変動の総合の幅は、ＣＷでのヒステリシス値の倍の幅を持つ。
【００３７】
次に、条件２および条件３についてヒステリシス特性を測定すると、図６に示すように、それぞれ負のみ、正のみのヒステリシス特性を示した。
さらに、条件４および条件５についてヒステリシス特性を測定すると、図７に示すように、全トルク域に亘ってヒステリシスを非常に小さく抑えることができた。この結果は、計算による予測値と合っており、ここから、正と負のヒステリシス特性およびこれらの領域の面積に基づく簡単な計算により、トルクセンサの使用目的に合わせて要求されるヒステリシス特性を満たすトルクセンサを設けることができることがわかった。
【００３８】
本実施例においては、正と負のヒステリシス領域の最適な面積比は条件４の負：正＝７：３であった。この条件で作成したトルクセンサのヒステリシス特性は、過大トルク１３０Ｎ・ｍまで１％以下のヒステリシスを維持することから、現実に負荷される可能性の高い過大トルク域でのヒステリシスが小さいことが分かった。さらに、トルク１５０Ｎ・ｍにおいてもヒステリシスの値は−２％を下回っており、実用上十分にヒステリシスの小さいセンサとなっていることが分かった。
【００３９】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明は、定格トルクに対して著しく高い過大トルクが入力されても、センサ特性、とりわけ中点出力が変化しない磁歪式トルクセンサを簡易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁歪式トルクセンサを表す概念図である。
【図２】本発明に係る磁歪式トルクセンサにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【図３】正と負のヒステリシス領域の配置の１例を表す概念図である。
【図４】正と負のヒステリシス領域の配置の別の例を表す概念図である。
【図５】条件１により作成したトルクセンサシャフトにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【図６】条件２および３により作成したトルクセンサシャフトにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【図７】条件４および５により作成したトルクセンサシャフトにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【図８】従来の磁歪式トルクセンサにおける、負荷トルクとヒステリシスの量の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１ 磁歪式トルクセンサ
２ トルクセンサシャフト
３ 励磁用ソレノイドコイル
４ 検出用ソレノイドコイル
５ 磁気異方性部分
６ 嵌合部
７ センサケース
８ 正のヒステリシス領域
９ 負のヒステリシス領域[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetostrictive torque sensor using the inverse magnetostrictive effect, and more particularly to a technique for reducing a midpoint output fluctuation after excessive torque input.
[0002]
[Prior art]
In an automobile transmission, a 4WD torque splitter, an electric power steering (EPS), and the like, it is necessary to detect torque in order to perform appropriate control. For example, EPS is a power steering system that generates an assist force by controlling an electric motor in accordance with a torque input to a steering wheel of an automobile or the like, and its control requires detection of a torque applied to the steering wheel. is there. Conventionally, a torque sensor has been used for detecting such a torque. In particular, since these devices are directly operated by humans and require sensory performance such as rigidity and natural feeling, the sensitivity of strain detection is extremely high, and magnetostriction capable of detecting minute strains Type torque sensors are very suitable for this requirement. JP-A-1-169983, JP-B-8-31636, and the like are known as magnetostrictive torque sensors.
[0003]
In the case of a general measurement torque sensor, the guaranteed torque, which is the torque that guarantees the sensor characteristics, is at most several times the rated torque, which is the maximum value of the torque that is normally expected to be input. It is considered that the fracture assurance torque, which is the torque that guarantees not to break, will function sufficiently if it is about two to three times as large. However, in the case of a torque sensor for power steering, in particular, when a running vehicle rides on a curb, an excessive torque of 10 times or more of the rated torque may act on the power steering shaft. Strict performance is required that the sensor characteristics, especially the midpoint output, must not change even if an extremely high torque of 10 to 10 times is input.
[0004]
The midpoint output is an output when the torque is zero. Generally, the midpoint output of the torque sensor is adjusted in an initial state so that the output becomes a predetermined value when the torque is zero. The change in the midpoint output is a change in the output when the torque is zero. This is nothing but the hysteresis characteristic of the torque sensor. That is, the hysteresis must be minimized even for an input torque that is 10 to 10 times the rated torque.
[0005]
Hereinafter, as the magnitude of the hysteresis, an output change amount (one side) due to the hysteresis is divided by the output at the rated torque to obtain a dimensionless numerical value (referred to as% FS).
[0006]
For example, consider a sensor in which the required performance of hysteresis is 1% FS and the guaranteed torque is 10 times the rated torque. Here, for simplicity, it is assumed that the magnitude of the hysteresis is proportional to the input torque. In this case, a sensor having a hysteresis of 1% FS at the rated torque, when a guaranteed maximum torque (10 times the rated torque) is applied, the amount of hysteresis generated thereafter is 10% FS with respect to the rated torque. It will also be. Therefore, there is no problem if the torque sensor is used only in the rated torque range, but once excessive torque is input to the torque sensor, a large hysteresis occurs, and the torque sensor can satisfy the specifications as a sensor. Will not be.
[0007]
More specifically, for example, in a torque sensor having a rated torque of 10 N · m and a required hysteresis characteristic of ± 1% or less, a normal sensor may have a hysteresis of at most about 50 to 60 N · m. It is sufficient to guarantee the amount, but in the case of a torque sensor used for an EPS of a car, etc., the hysteresis must be guaranteed to be ± 1% or less from 150 to 160 N · m. What is important in this case is not only characteristics at guaranteed torques of 150 and 160 N · m, but also a hysteresis of ± 1% FS or less over the entire torque range from the rated torque to the guaranteed torque. It is necessary to guarantee.
In order to satisfy this, a torque sensor having a guaranteed maximum torque and a hysteresis of 0.1% FS can only be realized. However, there is no guarantee that the hysteresis is similarly reduced over a wide torque range. There is no.
[0008]
As described above, even when using a magnetostrictive torque sensor characterized by high sensitivity, when the difference between the rated torque and the guaranteed torque is large, the hysteresis when a torque equal to or higher than the rated torque is input becomes relatively large, There is a problem that the midpoint output changes.
[0009]
As a solution to such a problem, a method disclosed in JP-A-2000-9558 is disclosed. In this method, two layers having a positive hysteresis and a negative hysteresis with respect to the torque are arranged vertically above and below the magnetically anisotropic portion so that the hysteresis with respect to the excessive torque is made to be apparently zero. This is caused by using a manufacturing method such as shot peening, and arranging two regions, a region where the hysteresis is positive and a region where the hysteresis is negative, on the shaft surface, and in each region when torque is applied to the shaft. This is a technique for reducing the apparent value of hysteresis by canceling out the sign of the hysteresis because the sign is reversed.
[0010]
However, the inventors have found that this method can reduce the value of the hysteresis for an excessive torque for which an optimal condition has been set, but that a relatively large hysteresis still occurs for other torques. I found it. In other words, in the excessive torque range between the rated torque value and the guaranteed maximum torque value, in other words, in the middle of the excessive torque range, there is still a hysteresis of a magnitude that cannot be ignored, and a larger hysteresis occurs than the case of the guaranteed maximum torque. is there.
[0011]
Generally, the hysteresis characteristic changes non-linearly with respect to torque. Further, the characteristics of the positive hysteresis and the negative hysteresis with respect to the torque are not the same. For this reason, although the hysteresis characteristics can be adjusted (set to zero) at a certain point, it is very difficult to cancel the positive and negative hysteresis in the entire excessive torque range.
[0012]
For example, FIG. 8 shows an example in which a torque sensor is configured using a torque sensor shaft manufactured so that the hysteresis becomes zero at the guaranteed torque Tm , and the relationship between the torque and the hysteresis in an excessive torque region is plotted. As shown in FIG. 8, the hysteresis increases at an excessive torque equal to or lower than the guaranteed torque, and the hysteresis becomes maximum at the torque THmax .
[0013]
As an output fluctuation characteristic of the torque sensor with respect to an excessive torque load, a characteristic as shown in FIG. This is because the region in which the excessive torque is likely to be applied is not the guaranteed maximum torque, but the excessive torque region in the lower region. That is, conventionally, the output fluctuation (that is, the hysteresis) is larger in a region where the load is more likely to be applied.
[0014]
In this specification, the sign of the torque is positive for clockwise (cw) and negative for counterclockwise (ccw). In addition, it is assumed that the hysteresis is positive in the text when a clockwise torque is input, and after removing the torque, the sensor output at that time is larger than the original output value. Negative is the case where the sensor output is similarly reduced from the original output value.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a simple magnetostrictive torque sensor in which the sensor characteristics, particularly the midpoint output, do not change even when an excessively high torque is input relative to the rated torque. Aim.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a magnetostrictive torque sensor shaft including a magnetic anisotropic portion, wherein the magnetic anisotropic portion has a positive hysteresis characteristic on the same stress surface generated by the torsion of the magnetostrictive torque sensor shaft. And a magnetostrictive torque sensor shaft including a region having a negative hysteresis characteristic and a region having a negative hysteresis characteristic.
[0017]
Here, the “magnetically anisotropic portion” means a portion of the magnetostrictive torque sensor shaft whose magnetic property changes according to the torque. For example, by providing a groove inclined at 45 ° from the axial direction of the surface of the torque sensor shaft made of a ferromagnetic material, magnetic anisotropy is given to the torque sensor shaft by its shape effect, and a change in the magnetic property of that portion is detected. You can do it. Such a portion is called a magnetic anisotropic portion. Alternatively, a magnetically anisotropic portion can be provided by adding a magnetostrictive layer to the surface of the torque sensor shaft as proposed in Japanese Patent No. 2710165 and Japanese Patent No. 2965628. Alternatively, as proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-107240, a magnetic anisotropic portion can be provided by subjecting a material that changes magnetism in response to a temperature change to a local temperature treatment. However, the magnetic anisotropic portion according to the present invention is not limited to these examples.
[0018]
Further, the same stress surface generated by the torsion of the torque sensor shaft is synonymous with a surface parallel to the surface of the torque sensor shaft when the torque sensor shaft is cylindrical, and of course, the surface of the torque sensor shaft is Included in the same stressed plane caused by torsion.
[0019]
Further, when the boundary between the region having the positive hysteresis characteristic and the region having the negative hysteresis characteristic is parallel to the central axis of the torque sensor shaft, or parallel to a plane having the central axis of the torque sensor shaft as a normal line, The area of each region can be easily controlled, which is preferable. In order to effectively reduce the hysteresis in the entire torque range, the area ratio between the region having the positive hysteresis characteristic and the region having the negative hysteresis characteristic is preferably negative: positive = 9: 1 to 5 : 5, more preferably negative: positive = 7: 3.
[0020]
According to the present invention, the torque characteristic of the magnetostrictive torque sensor shaft according to the present invention can be predicted by a simple calculation. In other words, a region with positive hysteresis characteristics and a region with negative hysteresis characteristics are provided on the same stress surface generated by the torsion of the torque sensor shaft. The hysteresis characteristic of the torque sensor obtained by combining them can be estimated very accurately. Furthermore, since the area ratio between the region having the positive hysteresis characteristic and the region having the negative hysteresis characteristic can be freely changed, the hysteresis characteristic in the excessive torque region can be changed according to the measurement target (operating condition) of the torque sensor. It can be controlled freely and precisely.
[0021]
Such control of the hysteresis characteristic is difficult when the region having the positive hysteresis characteristic and the region having the negative hysteresis characteristic are overlapped in the upper and lower layers as in the prior art. This is because when the area with positive and negative hysteresis characteristics is overlapped with the area with negative hysteresis characteristics, the stress applied to each area in the diameter direction is different, so adjusting the hysteresis characteristic in each area is a simple calculation. It will not be on the street. Further, it is difficult to grasp the thicknesses of the upper and lower two-layer regions, and there is a gap between the hysteresis characteristics of a single unit and the effect of the case where the layers are actually vertically stacked. As described above, when a region having a positive hysteresis characteristic and a region having a negative hysteresis characteristic are overlapped in the upper and lower two layers, it is very difficult to predict the characteristic by calculating based on each characteristic.
[0022]
Preferably, the surface of the torque sensor shaft includes a region having the positive hysteresis characteristic and a region having the negative hysteresis characteristic. However, if the region having the positive hysteresis characteristic and the region having the negative hysteresis characteristic are on the same stress surface, the same effect can be obtained not only on the surface of the torque sensor shaft but also inside.
Preferably, the magnetostrictive torque sensor shaft includes a plurality of the magnetic anisotropic portions, and each of the magnetic anisotropic portions includes a region having the positive hysteresis characteristic and a region having the negative hysteresis characteristic.
The present invention also provides a magnetostrictive torque sensor including the torque sensor shaft.
[0023]
As described above, according to the present invention, the hysteresis characteristic of the torque sensor can be freely and precisely controlled, and the hysteresis at the guaranteed maximum torque value can be freely varied within an allowable range, and the entirety of the excessive torque region can be controlled. , The amount of hysteresis can be suppressed. For example, by making a torque sensor having a characteristic as shown in FIG. 2, even if an excessively high torque with respect to the rated torque is input, a simple magnetostrictive torque sensor in which the sensor characteristic, especially the midpoint output does not change, is obtained. Can be provided.
[0024]
Note that the positive and negative hysteresis characteristics can be controlled by, for example, the media particle diameter of shot grains of shot peening, air pressure, shot media flow rate, irradiation distance, irradiation time, and the like, but are not limited thereto. When controlling positive and negative hysteresis by shot peening, masking the torque sensor shaft allows the area of the positive and negative hysteresis regions to be freely controlled, so that in order to obtain predetermined characteristics, a very wide area is required. The area ratio between the positive and negative hysteresis regions can be adjusted within the range. Masking can be performed with silicon rubber, urethane rubber, nylon resin, or the like, but is not limited thereto. In addition, since the area of the region having positive and negative hysteresis can be controlled by adjusting the region to be masked, if only the masking is changed when manufacturing a torque sensor shaft having different characteristics, it is possible to use a device having the same shot condition at the time of manufacturing. It is possible to mix-produce shafts having different characteristics, and productivity is dramatically improved.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a magnetostrictive torque sensor according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described below do not limit the present invention.
FIG. 1 is a conceptual diagram of a magnetostrictive torque sensor according to the present invention.
As shown in FIG. 1, a magnetostrictive torque sensor 1 according to the present invention has a torque sensor shaft 2, a solenoid coil 3 for excitation, and a solenoid coil 4 for detection as main elements. The torque sensor shaft 2 has a magnetic anisotropic portion 5 whose magnetic properties change according to stress (strain), and a fitting for connecting the torque sensor shaft 2 to another power transmission shaft (not shown). It has a part 6.
[0026]
The magnetically anisotropic portion 5 can be formed by providing grooves (not shown) inclined at about 45 ° with respect to the central axis of the torque sensor shaft 2 over the entire circumference of the torque sensor shaft 2 at predetermined intervals. . The torque sensor shaft 2 includes one set of magnetically anisotropic portions 5 formed by grooves inclined in opposite directions to the center axis of the torque sensor shaft 2.
With the above configuration, the magnetic anisotropy portion 5 having the shape magnetic anisotropy changes its magnetic permeability according to the stress. Note that 45 ° with respect to the central axis is a direction in which the stress in the tensile direction and the stress in the compressive direction on the surface of the torque sensor shaft with respect to the torsional load are maximized. By forming a groove in this direction, It is possible to efficiently detect the tensile stress or the stress in the compression direction on the surface of the torque sensor shaft.
[0027]
Here, the magnetic anisotropic portions 5 having different groove directions may be manufactured so as to have positive or negative hysteresis. The control of the positive and negative hysteresis can be performed by shot peening. At this time, by masking the torque sensor shaft 2, the areas of the positive and negative hysteresis regions can be set freely.
[0028]
Note that the shape of the region where the hysteresis is positive or negative may be determined as appropriate according to the manufacturing process and other factors. For example, as shown in FIG. 3, the upper side of a plane passing through the center axis of the cylinder may be a positive hysteresis area 8, and the lower side may be a negative hysteresis area 9. Further, as shown in FIG. 4, the surface of the torque sensor shaft may be divided by a plane perpendicular to the central axis of the shaft. Alternatively, a combination of these may be used. As long as they are provided on the same stress surface generated by the torsion of the torque sensor shaft, any area of any shape can be freely created, and the present invention is not limited to this description. Further, as described above, the same effect can be obtained not only on the surface of the torque sensor shaft but also inside the same on the same stress surface.
[0029]
On the other hand, an exciting solenoid coil 3 as an exciting means is arranged so as to cover the magnetic anisotropic portion 5, and applies an alternating magnetic field to it. The detection means includes a detection solenoid coil 4 and an electronic circuit (not shown), and the detection solenoid coil 4 is also arranged so as to cover the magnetic anisotropic portion 5.
Here, lines of magnetic force are caused to flow along the magnetically anisotropic portion 5 by the exciting solenoid coil 3. As described above, when a stress is applied to the torque sensor shaft 2, the magnetic anisotropy portion 5 changes its magnetic permeability. This magnetic change can be detected by the detection solenoid coil 4.
The magnetically anisotropic portion 5 of the torque sensor shaft 2 is an aluminum sensor case 7 that shields the influence of external magnetism together with the excitation solenoid coil 3 and the detection solenoid coil 4. To be included.
[0030]
【Example】
Hereinafter, examples of the magnetostrictive torque sensor according to the present invention based on the above embodiment will be described. However, the present invention is not limited to the embodiments.
A predetermined bar is cut out from a JIS SNCM815 alloy (composition is shown in Table 1) steel round bar and rolled to form a groove (magnetically inclined at 45 ° with respect to the center axis on the surface of the torque sensor shaft. Anisotropic portion).
[0031]
[Table 1]
[0032]
After this part was subjected to induction hardening, shot peening was performed to provide a positive hysteresis region and a negative hysteresis region. Table 2 shows the conditions of shot peening.
[0033]
[Table 2]
[0034]
Condition 1 corresponds to the prior art, and is a condition under which a guaranteed maximum torque of ± 150 kgfm is input and the hysteresis after removing the torque becomes zero (see FIG. 8). Condition 2 is a condition having only negative hysteresis. Condition 3 is a condition having only positive hysteresis. Conditions 4 and 5 are a combination of conditions 2 and 3, wherein the area ratio between the region having negative hysteresis and the region having positive hysteresis is 7: 3 and 3: 7, respectively. Specifically, a high-strength shot was first performed over the entire surface, and then masking was performed to perform a low-strength shot. Condition 4 is the layout shown in FIG. 3, and Condition 5 is the layout shown in FIG. 4 in which regions having positive and negative hysteresis are formed.
[0035]
The torque sensor shaft was assembled with a solenoid coil for excitation and detection, an electric circuit, and the like to form a torque sensor, and the relationship between torque and hysteresis characteristics was investigated. The specifications of this sensor were rated torque ± 10 N · m, output voltage at rated torque 1 V (0.1 V / N · m), and guaranteed maximum torque ± 150 N · m. The torsional strength of the shaft was 340 Nm, and the yield strength was 260 Nm. The measurement of the hysteresis measured the sensor output before and after applying a torque. When the sensor output was measured, the torque sensor was removed from the torsion tester and completely mechanically free in order to reduce the torque to zero.
[0036]
First, under condition 1, the relationship between the input torque value and the hysteresis in an excessive torque region exceeding the rated torque was investigated. Then, as shown in FIG. 5, it was found that although the hysteresis was zero at a torque of 150 N · m, the hysteresis was present at other torque values, and the hysteresis was maximized at a torque of 90 N · m. In this case, the sign of the right-hand twist (CW: positive torque value) and the left-hand twist (CCW: negative torque value) are reversed, so that the total width of the change in the middle point of the torque sensor is equal to the hysteresis value of the CW. Has twice the width.
[0037]
Next, when the hysteresis characteristics were measured under conditions 2 and 3, as shown in FIG. 6, only negative and only positive hysteresis characteristics were shown, respectively.
Further, when the hysteresis characteristics were measured under the conditions 4 and 5, as shown in FIG. 7, the hysteresis could be kept very small over the entire torque range. This result is consistent with the predicted value from the calculation, from which the positive and negative hysteresis characteristics and the simple calculation based on the area of these regions satisfy the hysteresis characteristics required for the intended use of the torque sensor. It has been found that a torque sensor can be provided.
[0038]
In this embodiment, the optimal area ratio between the positive and negative hysteresis regions was negative: positive = 7: 3 under condition 4. The hysteresis characteristic of the torque sensor created under this condition maintains a hysteresis of 1% or less up to an excessive torque of 130 N · m, so that it was found that the hysteresis in an excessive torque region where there is a high possibility of actually being loaded is small. . Furthermore, even at a torque of 150 Nm, the value of the hysteresis was lower than -2%, indicating that the sensor had a sufficiently small hysteresis for practical use.
[0039]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention can easily provide a magnetostrictive torque sensor in which the sensor characteristics, especially the midpoint output, do not change even when an excessively high torque is input relative to the rated torque. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a magnetostrictive torque sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the load torque and the amount of hysteresis in the magnetostrictive torque sensor according to the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an example of an arrangement of positive and negative hysteresis regions.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating another example of an arrangement of positive and negative hysteresis regions.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the load torque and the amount of hysteresis in the torque sensor shaft created under condition 1.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the load torque and the amount of hysteresis in the torque sensor shaft created under conditions 2 and 3.
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a load torque and an amount of hysteresis in a torque sensor shaft created under conditions 4 and 5.
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a load torque and an amount of hysteresis in a conventional magnetostrictive torque sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetostrictive torque sensor 2 Torque sensor shaft 3 Exciting solenoid coil 4 Solenoid coil for detection 5 Magnetic anisotropic part 6 Fitting part 7 Sensor case 8 Positive hysteresis area 9 Negative hysteresis area
