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【発明の名称】 磁歪リング及び磁歪リング式トルクセンサ
【発明者】 【氏名】島田 宗勝
【氏名】浦本 清弘
【氏名】松岡 敏光
【氏名】坂元 宏規
【課題】製造が容易でセンサ感度が向上した磁歪リング式のトルクセンサを実現し得る異方性磁歪リング、その製造方法及び磁歪リング式トルクセンサを提供すること。

【構成】磁歪リング式トルクセンサは、回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備える。磁歪を有するリングが回動軸に嵌合し、磁歪リングが周方向に着磁され、回動軸にトルクがかかったときに、磁歪リングからの磁束漏れの大きさを磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪リング式トルクセンサである。磁歪リングが異方性を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備え、上記磁歪を有するリングが上記回動軸に嵌合しており、
この磁歪リングがその周方向に着磁されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、この磁歪リングからの磁束漏れの大きさを該磁歪リングに近接配置した上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪式トルクセンサに用いられる磁歪リングにおいて、
磁歪特性に異方性を有することを特徴とする磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項２】
上記磁歪リングの中心軸線方向に磁界を印加して測定した周方向磁歪の大きさにおいて、異方性を有するようにしていない場合に比べて、磁歪が大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項３】
上記周方向磁歪の大きさが１０％以上大きくなっていることを特徴とする請求項２に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項４】
マルエージング鋼から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項５】
応力下における時効処理で作製されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項６】
回動軸方向に沿った断面形状がコの字を９０度回転した形状をなすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングを製造するに当たり、
磁歪を有するリングを、軸部材に冷やし嵌めした状態にて時効処理することを特徴とする磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングの製造方法。
【請求項８】
上記軸部材の線膨張係数が上記磁歪を有するリングの線膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングの製造方法。
【請求項９】
上記軸部材がオーステナイト系ステンレス製であることを特徴とする請求項７又は８に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングの製造方法。
【請求項１０】
回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備え、上記磁歪を有するリングが上記回動軸に嵌合しており、
この磁歪リングが周方向に着磁されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、この磁歪リングからの磁束漏れの大きさを該磁歪リングに近接配置した上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪リング式トルクセンサにおいて、
上記磁歪リングが、請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングであることを特徴とする磁歪リング式トルクセンサ。
【請求項１１】
上記磁気検出部が、ホールセンサとヨークを備えることを特徴とする請求項１０に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
【請求項１２】
上記磁歪リングと上記回動軸が締結手段により締結されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、異方性リング及びこれを用いた磁歪式トルクセンサに係り、更に詳細には、回動軸に働くトルクを非接触で検出する磁歪式トルクセンサのうち、磁歪リング方式のトルクセンサに良好に用いられる異方性を有する磁歪リング及びその製造方法、並びにこれを用いた磁歪式トルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トルクセンサとして磁歪を利用したセンサの提案がなされているものの、車輌用として実用化されているものはないようである。
車輌のミッションの出力軸トルクをモニターできるようになると、ＡＴ（自動変速機）の変速ショックに対し、現在行われているような難しい制御を行わなくともよいようになる。また、車輌の総合制御が可能になり、省燃費な車輌の実現に資するため、廉価で小型なトルクセンサの要望は潜在的にあり、研究開発されてきている。
【０００３】
従来の提案に係る磁歪式トルクセンサとして、回動軸に設けた２つの帯状の溝部と、それらを取り囲むコイルを設けたものがあり（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）、このトルクセンサでは、コイルで励磁し、左右溝部の透磁率変化を検出することによりトルクが検出される。
【特許文献１】特許第２６７７０６６号公報
【非特許文献１】Ｒ．Ｉｓｈｉｎｏ ｅｔ ａｌ．：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．５，３３０６，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００２．
【０００４】
一方、磁歪リングを回動軸に嵌合するタイプの磁歪式トルクセンサも提案されている（例えば、非特許文献２及び３参照）。この磁歪リング式トルクセンサは、磁歪リングを周方向に磁化させておき、回動軸にトルクがかかったときに、回動軸方向に発生する磁界の成分をホール素子等の小さな磁気センサで検出するものである。
【非特許文献２】Ｉ．Ｊ．Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．５，２２０２，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９２．
【非特許文献３】Ｉ．Ｊ．Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ ａｎｄ Ｃ．Ｒ．Ｃｏｎｔｏ：ＪＡＰ，ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．８，４７５６，１９９６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、かかる従来の磁歪式トルクセンサのうち、コイルを用いる方式のセンサには、コイルを用いるがゆえにスペースを要するという問題がある。
また、コイルに１０ｋＨｚオーダーの交流電流を流す必要があり、電気的な電力という点では１Ｗ弱程度の電力が必要であり、電力的にも問題があった。
【０００６】
一方、磁歪リングを回動軸に嵌合する磁歪式トルクセンサは、小型、省電力の要求を満たすものであるが、回動軸と磁歪リングとが締り嵌めされているため、少し大きなトルクがかかると、回動軸とリングとの間にすべりが発生してしまうという問題がある。
また、磁歪リングには引張の周方向応力（Ｈｏｏｐ ｓｔｒｅｓｓ）が働いていて、これにより周方向に１軸の磁気異方性が確保されるが、この部分が良好なセンサ特性にとっては本質的な部分となっている。即ち、良好なセンサ特性を得るのには、嵌合代をある程度以上大きくすることが必要であるが、大きな嵌合代を確保することは製造上容易ではない。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造が容易で良好なセンサ特性を有する磁歪リング式のトルクセンサを実現し得る異方性磁歪リング、その製造方法及びこれを用いた磁歪リング式トルクセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、磁歪リングの磁歪に異方性を付与することにより、上記嵌合代の減少と良好なセンサ特性が実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングは、回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備え、上記磁歪を有するリングが上記回動軸に嵌合しており、
この磁歪リングがその周方向に着磁されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、この磁歪リングからの磁束漏れの大きさを該磁歪リングに近接配置した上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪式トルクセンサに用いられる磁歪リングにおいて、
磁歪特性に異方性を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の磁歪式トルクセンサ用磁歪リングの製造方法は、上述の如き磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングを製造するに当たり、
磁歪を有するリングを、軸部材に冷やし嵌めした状態にて時効処理することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の磁歪リング式トルクセンサは、回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備え、上記磁歪を有するリングが上記回動軸に嵌合しており、
この磁歪リングがその周方向に着磁されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、この磁歪リングからの磁束漏れの大きさを該磁歪リングに近接配置した上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪リング式トルクセンサにおいて、
上記磁歪リングが、上述の如き磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、磁歪リングの磁歪に異方性を付与することとしたため、製造が容易で良好なセンサ特性を有する磁歪リング式のトルクセンサを実現し得る異方性磁歪リング、及びこれを用いた磁歪リング式トルクセンサを提供することができる。
また、本発明の異方性磁歪リングや磁歪リング式トルクセンサを用いれば、センサ特性に優れた省電力小型のトルク検出装置を実現できる。しかも、リングの締め代が小さくとも良好なセンサ特性が得られることから、その有用性は飛躍的に向上している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明につき図面を参照して詳細に説明する。
本発明の内容を明確にすべく、まず、従来技術につき再度説明する。
図９は、特許文献１や非特許文献１に開示されているような交流透磁率差動方式の磁歪式トルクセンサを示す構成図である。
一方、図１０は、ガルシェリスの提案している磁歪リング方式のトルク検出装置を示す側面図であり、非特許文献２や非特許文献３に開示されている。
【００１４】
図９において、回動軸１Ｌと１Ｒに設けられた溝１ｇは、左（１Ｌ）右（１Ｒ）でそれぞれ異なる方向に４５度傾いて形成されている。回動軸１Ｌ、１Ｒに図示Ｔのようにトルクが働くと、回動軸１Ｌの溝部帯（山部）では透磁率が増加し、回動軸１Ｒでは減少する。トルクが働くと４５度方向には引張、圧縮応力が働き、溝が形状異方性を形成しているから、磁歪の逆効果によりいっそうそのようになる（磁歪の値が正である材料について説明している。以下でも同様である）。
【００１５】
図９に示すセンサでは、溝部１ｇが軸方向に２ヶ所あること、溝１ｇを覆うコイル２が設置する必要があることにより、センサの小型化には難がある。また、コイル２には１０ｋＨｚオーダーの交流電流を流す。数十ｍＡで数ボルトであるから、１Ｗ弱の電力を要するので、消費電力が大きいという難もある。
【００１６】
一方、図１０に示す磁歪リング式トルクセンサでは、磁歪を有するリング３が回動軸１に嵌められている。それにより、リング３には周方向に引張応力（Ｈｏｏｐ ｓｔｒｅｓｓ）が働いている。周方向に着磁すると磁化は周方向に向いている。
回動軸１にトルクがかかると、４５度方向に引張応力（それと直交して圧縮応力）が作用するので、磁歪の逆効果により、磁化は軸方向に倒される。従って、リング端部には磁極が現われ、漏れ磁束が発生する。よって、ホール素子等のセンサ４を配置しておくと、トルクに相関のある信号が検出される。
【００１７】
かかる磁歪リング式センサは、図９のトルクセンサと比べると、回動軸方向長さが短くてよいし、検出センサも小さいので、径方向にも小型化が図れる。また、ホール素子も省電力であることから、省電力・小型化が図れるという利点がある。
但し、回動軸１にリング３を締り嵌めするため、両者間にすべりが発生するという難点があり、締め代の大きさをある程度以上確保しないと、良好なセンサ特性が得られず、工法上の容易さに難点がある。また、センサ感度を向上させることにも問題がある。
【００１８】
本発明者らは、このような背景を踏まえて、磁歪リングの異方性化について検討したところ、締め代の減少と良好なセンサ特性の確保ができることを見出し、本発明を完成させた。
よって、本発明の異方性磁歪リング及び磁歪リング式トルクセンサは、基本的に図１０に示したような構造を有する。
【００１９】
なお、本発明の磁歪リング式トルクセンサにおいては、磁歪リングと回動軸がトルク印加に際して滑らないように、締結手段により締結することができる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を実施例及び参考例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２１】
（参考例１）
図１は、長さ１３ｍｍ、厚さ０．７６ｍｍのマルエージング鋼製リング２０をφ１２．６４ｍｍの回動軸１０に冷やし嵌めにて嵌合して成る磁歪リング式トルクセンサの一例を示す模式的断面図である。
この際、締め代は２０μｍとした。リング２０は日立金属製のマルエージング鋼であるＹＡＧ３００を機械加工して作製し、８２０℃にて１時間固溶化し、次いで、４９０℃にて５時間時効処理する熱処理を行い、しかる後、回動軸１０に冷やし嵌めした。回動軸１０はＳＵＳ３０３製である。
【００２２】
なお、リング２０は電子ビームにて接合した。溶け込みは約０．５ｍｍとし、全周溶接した。そして、軸方向に通電することにより、リング２０を周方向に着磁した。通電着磁はピーク電流値が約１００００Ａのパルス電流で行った。
このようにして、本例の磁歪リング式トルクセンサを作製した。
【００２３】
このトルクセンサにおいて、回動軸１０にトルクを印加しながら、リング２０の端部から１ｍｍの位置での漏れ磁界をガウスメータにて測定した。ガウスメータの検出部はリング表面から約０．５ｍｍの位置にあり、リング面に対して垂直な成分の磁界を測定した。測定結果を図２に示す。
【００２４】
図２から明らかなように、大きなヒステリシスを描いていて良好な特性となっていない。
一方、締め代を５０μｍとした場合には、±１５Ｎｍにおいて、ヒステリシスのない直線性のよい特性が得られている。
【００２５】
このように、マルエージング鋼の時効リングにおいては、良好なセンサ特性を得るには、締め代をある程度以上に大きする必要があるのである。即ち、周方向に働く応力（Ｈｏｏｐ ｓｔｒｅｓｓ）を大きくする必要があるわけである。
但し、締め代を５０μｍとすることは、冷やし嵌めとしては、あまり容易でなく、締め代は２０μｍ程度と小さいことが望まれる。
【００２６】
（実施例１）
固溶化処理（真空中８２０℃で２時間）したＹＡＧ３００の素材から、リング２０（参考例１と同じ仕様のもの）を作製し、ＳＵＳ３０３製の軸部材（リングへのＨｏｏｐ Ｓｔｒｅｓｓを付与用の軸）に、２μｍにて冷やし嵌めしたものと、５０μｍにて冷やし嵌めしたものをそれぞれ用意した。そして、それらを真空中にて４９０℃で５時間時効処理を施した。
【００２７】
なお、ＳＵＳ３０３は、その線膨張係数がＹＡＧ３００よりも大きいので、時効温度においては、リングが応力下で時効される。
ちなみにマルエージング鋼の線膨張係数は１１．３×１０−６／℃であり、ＳＵＳ３０３のそれは１４．７×１０−６／℃である。
【００２８】
このようにして作製したリングを、締め代２０μｍにて回動軸であるＳＵＳ軸に冷やし嵌めした。次いで、両端を電子ビームにより接合した。そして、参考例１と同様にしてセンサ特性を調べた。結果を図３にまとめて示した。
【００２９】
２μｍの冷やし嵌めでの時効処理を施したリング、５０μｍの冷やし嵌めでの時効処理を施したリングともに、ヒステリシスのない直線の特性が得られている。
同じ冷やし嵌めなのに、参考例１とは違った特性となっている。これまででは、回動軸に対し５０μｍ程度の締め代が必要であったが、２０μｍで良好な特性が得られることになる。また、感度も向上している。
【００３０】
（実施例２）
参考例１、実施例１の方法で作製したリングの磁歪そのものの測定を行った。リング２０に抗磁性歪ゲージ３１を、図４（ｂ）に示すように、中心軸に平行な方向と垂直な方向に貼った（計２枚）。そして、電磁石のギャップの中央にリング２０を置いて、中心軸線方向に磁場を印加して、磁歪を測定した（図４（ａ）参照）。
【００３１】
磁歪の測定結果を図５，６に示す。
図５は時効処理のみのリングでの結果である。平行方向は２３ｐｐｍ、垂直方向は−１０ｐｐｍとなっている。磁場は±３．５ｋＯｅであった。磁歪曲線が飽和の傾向を示しているので、この範囲での磁場の大きさで測定を行っている。
【００３２】
一方、図６は、５０μｍにてＳＵＳ３０３軸（軸部材）に冷やし嵌めして、時効処理を施したリングでの結果である。平行方向が約１８ｐｐｍ、垂直方向が−１３ｐｐｍとなっている。
平行方向は伸びにくくなっていて、垂直方向の縮みは増加している。垂直方向の磁歪の大きさは３０％増加している。このように磁歪に異方性がつくと実施例１で示したようにセンサ特性の改善が図れるわけである。
【００３３】
なお、結果を示していないが、２μｍ冷やし嵌め時効リングでは平行方法では２３ｐｐｍ弱、垂直方法では−１３ｐｐｍとなっていた。
磁歪の異方性の大きさとしては、１０％以上あれば、実施例１で示した、センサ特性改善の効果が十分に期待できると考えられる。
【００３４】
さて、リングの中心軸線方向にのみ何故磁界をかけて測定するのか、奇異に思われるかもしれないが、大きな磁界をかけるにはこの方向しかかけられないからである。周方向に大きな磁界をかけて磁歪を測定したいが、それは実現不可能なことである。
中心軸線方向に磁界をかけるとマルエージング鋼の磁歪は正なので、中心軸線方向に伸びる。それに伴い、周方向には縮む。縮みの大きさが大きいということは、こちら方向を向いている磁化が多いということである。
応力下で時効処理を施したリングにおいて、異方性がついているのは何故であろうか。時効の際には微細な析出物が析出する。冷やし嵌め状態で時効した場合には、磁化分布に異方性を与えるように、微細な析出物の析出分布状態がなるものと推定される。
【００３５】
（実施例３）
磁歪検出部の構造として、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、２個のホール素子３０とヨーク４０を設けた構造とすることができる。
回動軸１０にトルクが印加されたときの磁束の流れを図７（ｃ）に示した。左右のホール素子４０の信号は逆極性であるので、差動すると感度は２倍になる。また、同相入力はキャンセルされるから、ＳＮ比の改善が図れる。
また、ヨークを採用すると感度を更に倍にすることができ、且つ電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。また、検出部とリングとのギャップ変動に対しても鈍感にできる。感度は都合４倍となった。
【００３６】
ヨーク４０としてはＰＢ（パーマロイのＢ種）パーマロイ製で厚さ１ｍｍのものを採用した。大きさは図示の大きさ、即ちホール素子３０とリング２０を覆える程度であればよい。ホール素子３０（樹脂パッケージ）とヨーク４０とは接している。また、感磁部はリング表面から約０．５ｍｍ離間した位置としている。
【００３７】
（実施例４）
コの字リングの場合を図８に示す。コの字リング２２では回動軸１０が鋼の場合でも感度低下を少なくすることができる。
コの字リング２２全体に一様な周方向応力がかかるように冷やし嵌めした状態にて時効処理したところ、実施例１と同様の効果が確認できた。
【００３８】
以上、本発明を好適実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、トルク検出用の磁気センサとしてはホールセンサのみを例示したが、これに限定されるものではなく、省電力で小型であるところの、ホールＩＣ、及びＭＩセンサを使用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】磁歪リング式トルクセンサの一例を示す模式的断面図である。
【図２】トルクセンサ特性を示すグラフである。
【図３】トルクセンサ特性を示すグラフである。
【図４】リング自体の磁歪測定を示す説明図グラフである。
【図５】磁歪測定結果を示すグラフである。
【図６】磁歪測定結果を示すグラフである。
【図７】本発明のトルクセンサの他の実施例を示す断面図である。
【図８】本発明のトルクセンサの更に他の実施例を示す断面図である。
【図９】従来の磁歪式トルクセンサ（溝方式）の一例を示す断面図である。
【図１０】従来の磁歪リング式トルクセンサの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 回動軸
１Ｌ、１Ｒ 回動軸
１ｇ 溝
２ コイル
３ リング
１０ 回動軸
２０ リング
２２ コの字リング
３０ ホール素子
３１ 抗磁性歪ゲージ
４０ ヨーク

特許の図
【出願人】 【識別番号】０００００３９９７
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
【出願日】 平成１８年７月２４日（２００６．７．２４）
【代理人】 【識別番号】１００１０２１４１
【弁理士】
【氏名又は名称】的場 基憲
【公開番号】 特開２００８−２６２０９（Ｐ２００８−２６２０９Ａ）
【公開日】 平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【出願番号】 特願２００６−２００５２２（Ｐ２００６−２００５２２）