JP2697842B2 - Torque sensor - Google Patents
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Landscapes
- Power Steering Mechanism (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Description
(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。 (従来の技術) 従来より、この種の磁歪式のトルクセンサとしては、
例えば、第4図に示す構造のものがある。 第4図に示す磁歪式のトルクセンサ21は、磁気ひずみ
効果を持つ磁性体からなる被測定軸22の外周部に、当該
被測定軸22との間に間隙23をおいて、例えば、パーマロ
イ等の高透磁率材料より形成されたヨーク24を配設し、
このヨーク24には、前記被測定軸22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25と、
前記被測定軸22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26とを設けた構造をなすものである。 このような構造を持つ磁歪式のトルクセンサ21は、励
磁コイル25に通電することにより、当該励磁コイル25か
ら発せられた磁束が、被測定軸22→間隙23→ヨーク24→
間隙23→被測定軸22を通る磁気回路が形成され、このと
き、検出コイル26には、誘導起電力が生じる。 前記誘導起電力が生じる状態において、被測定軸22に
ねじりトルクが加わると、この被測定軸22の磁気ひずみ
効果によって、当該被測定軸22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に変化が生じ、自己
誘導により検出コイル26に発生する誘導起電力が変化す
るので、この誘導起電力の変化を検出することによっ
て、前記被測定軸22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) しかしながら、第4図に示すような構造の磁歪式のト
ルクセンサ21において、被測定軸22として通常の機械構
造用鋼(JIS SC,SCr,SCM,SNCMなど)から製作されてい
るものを用いた場合には、磁気ひずみ効果の検出量が小
さく、十分な検出感度を得ることができないという問題
点を有していた。 (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、十分な検出感度を得ることができるトルクセン
サを提供することにより、上記問題点を解決することを
目的としている。(Industrial application field) The present invention relates to a magnetostrictive torque sensor used for detecting a torque applied to a shaft to be measured. (Prior art) Conventionally, as this type of magnetostrictive torque sensor,
For example, there is a structure shown in FIG. The magnetostrictive torque sensor 21 shown in FIG. 4 has a gap 23 between the measured shaft 22 and the outer periphery of the measured shaft 22 made of a magnetic material having a magnetostrictive effect. Yoke 24 made of high permeability material of
In the yoke 24, an exciting coil 25 as exciting means for forming a magnetic circuit in which the measured shaft 22 is part of a magnetic path,
It has a structure provided with a detection coil 26 as detection means for detecting a magnetostrictive component passing through the shaft 22 to be measured. In the magnetostrictive torque sensor 21 having such a structure, when the excitation coil 25 is energized, the magnetic flux emitted from the excitation coil 25 causes the measured magnetic flux 22 → the gap 23 → the yoke 24 →
A magnetic circuit is formed that passes from the gap 23 to the shaft 22 to be measured. At this time, an induced electromotive force is generated in the detection coil 26. In the state where the induced electromotive force is generated, when a torsional torque is applied to the measured shaft 22, the magnetic permeability of the measured shaft 22 itself changes due to the magnetostrictive effect of the measured shaft 22. Since a change occurs in the magnetic flux density and the induced electromotive force generated in the detection coil 26 due to self-induction changes, by detecting the change in the induced electromotive force, the torsional torque applied to the measured shaft 22 is detected. be able to. (Problems to be Solved by the Invention) However, in the magnetostrictive torque sensor 21 having the structure as shown in FIG. 4, a normal mechanical structural steel (JIS SC, SCr, SCM, SNCM, etc.) is used as the shaft 22 to be measured. ), There is a problem that the detection amount of the magnetostriction effect is small and sufficient detection sensitivity cannot be obtained. (Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and aims to solve the above problems by providing a torque sensor capable of obtaining a sufficient detection sensitivity. And
(問題点を解決するための手段) 本発明は、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を備えたトルクセンサに
おいて、前記被測定軸の少なくとも一部、とくに前記磁
路を形成する部分、もしくは全体が、重量%で、Alを1
1.0〜15.0%含み、さらに、Cを0.01〜0.50%と、Cr,M
o,W,V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hfのうちから選ばれる1種または2
種以上の元素と場合によってはさらにB,Si,Ge,Sn,Pb,P,
Sb,Cu,Ni,Co,Mn,Be,Sc,Y,希土類元素のうちから選ばれ
る1種または2種以上の元素とを合計で0.01〜5.0%含
み、残部が実質的にFeからなるFe−Al系合金を素材とし
ていることを特徴としている。 本発明に係るトルクセンサは、上記のように、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、前記被測定軸に発生する磁歪成分を検
出する検出手段を備えた構造をなすものであるが、この
場合、例えば、前記励磁手段と検出手段は、それぞれ別
個のコイルすなわち励磁コイルと検出コイルとから構成
させることができ、あるいは共通のコイルから形成して
当該コイルの透磁率変化によるインダクタンス変化を検
出するようにした構成とすることもできる。さらに、被
測定軸には、その軸心方向に対して所定の角度をなす凹
凸状部を形成して、形状的な磁気異方性を付与するよう
になすこともできるが、このような構造に限定されるこ
となくその他種々の構成を採用することが可能である。 本発明に係る磁歪式のトルクセンサでは、被測定軸と
して、少なくともその一部、とくに磁路を形成する部
分、もしくは被測定軸の全体が、上述した特定成分を有
するFe−Al系合金を素材としたものを用いることを特徴
とするものであり、以下にその成分組成(重量%)の限
定理由について説明する。 Al:11.0〜15.0% Alは、被測定軸の磁歪効果を高めて、磁歪成分の検出
感度を高める作用をするとともに、ヒステリシスを小さ
くする作用を有している特徴をもつものである。 ところが、Al量が多すぎると、靭性が低下し、動力伝
達軸それ自体を被測定軸として用いる場合には強度的な
不安があり、また鍛造や切削などの加工が困難となるな
どの問題点が生じ、さらに磁歪成分の検出感度が低くな
り、ヒステリシスも大きくなる。また逆にAl量が少なす
ぎる場合にも、磁歪成分の検出感度が低くなり、さらに
ヒステリシスが大きくなる問題点を生ずるので、11.0〜
15.0%の範囲とした。 B,Si,Ge,Sn,Pb,P,Sb,Cu,Ni,Co,Mn,Cr,Mo,W,V,Nb,Ta,Ti,
Zr,Hf,Be,Sc,Y,希土類元素のうちから選ばれる1種また
は2種以上の元素の合計:0.01〜5.0% これらの元素は溶製時の脱酸,脱硫剤として作用した
り、またFe−Al系合金に固溶して、強度を高めたり、析
出硬化により強度を向上させたり、結晶粒の微細化を促
進させたり、靭製を向上させたり、CやWやCrなどの拡
散移動を抑制させたり、可鍛性能を向上させたり、する
などに有効な元素であるが、多すぎると加工性を低下さ
せたり、靭性を低下させたり、磁歪成分の検出感度が低
くなりヒステリシスを増加させたり、するなどの問題点
を有しているので、これらの1種または2種以上の元素
を合計で0.01〜5.0%以下とした。 C:0.01〜0.50%と、Cr,Mo,W,V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hfのうちか
ら選ばれる1種または2種以上の元素を合計:0.01〜5.0
% CおよびCr,Mo,W,V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hfは炭化物を形成し
て生地中に分散することにより、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系その他
の軸構造体として要求される強度を確保するために有効
な元素であり、必要に応じてFe−Al系合金中に含有させ
ることが望ましい。しかし、多すぎると加工性に悪影響
を及ぼしたりするので、Cは0.01〜0.50%と、Cr,Mo,W,
V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hfのうちから選ばれる1種または2種以
上の合計は0.01〜5.0%の範囲とするのがよい。 (実施例) 第1図は本発明の実施例におけるトルクセンサを示し
ている。 図に示すトルクセンサ1は、その全体が後出の第1表
に示す組成のFe−Al系合金からなる被測定軸2を用いて
おり、この被測定軸2の表面には、当該被測定軸2の軸
心方向に対し所定の角度をなす凹状部3a,3bと凸状部4a,
4bとが適宜なる間隔をもって当該被測定軸2と一体に形
成してあり、これら凹状部3a,3bおよび凸状部4a,4bによ
って形状磁気異方性を持つようにしてある。 この場合、前記一方の凹状部3aおよび凸状部4aと、他
方の凹状部3bおよび凸状部4bとは、軸心方向に対し同じ
傾斜角度(例えば、この実施例では45゜)でかつ互いに
反対方向に傾斜した状態で一対をなすものとして設けて
ある。 また、このトルクセンサ1は、前記被測定軸2のほか
に、当該被測定軸2に形成した一方の凹状部3aおよび凸
状部4aと、他方の凹状部3bおよび凸状部4bに対向して配
置させた一対のコイル5a,5bを有しており、前記コイル5
a,5bの外側に、かつ被測定軸2との間で間隙6をおい
て、高透磁率材料よりなる円筒状のヨーク7を設けた構
造をなすものである。この場合、コイル5a,5bは、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、前記被測定軸2を通る磁歪成分を検出する検出手段
とに共通して使用されるものとなっている。 このような構造のトルクセンサ1において、コイル5
a,5bは、第2図に例示するように、抵抗器11,12と組合
わされてブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路にバ
ランス用の可変抵抗器13を設けると共に、ブリッジ回路
の接続点A,C間には励磁用発振器14を接続して励磁方向
を同一方向に合わせ、接続点B,B′間には差動増幅器15
を接続して、出力端子16,17より検出出力を取り出すこ
とができるようにしてある。 次に、前記第1図に示したトルクセンサ1を第2図に
示した電気回路に接続した場合の動作について説明す
る。 まず、作動に際しては、励磁用発振器14より、コイル
5a,5bに一定振幅(V)および周波数(f)の交流を通
電する。この通電によって、被測定軸2→間隙6→ヨー
ク7→間隙6→被測定軸2を磁路とする磁力線が、コイ
ル5a,5bを取り囲むように発生する。 ところで、通電する交流の周波数(f)を高くする
と、被測定軸2にはうず電流が増加する。そして、うず
電流の分布は被測定軸2の中心に近いほど強く、表面で
は零となる。そのため、表面での磁化は外部磁場の変化
に追従できても、内側になると磁化の変化は妨げられる
ようになる。 したがって、前記の磁力線は被測定軸2の表面部分を
流れ、被測定軸2には凹状部3a,3bが、当該被測定軸2
の軸心方向と所定の角度をなすように形成してあるた
め、これが磁気抵抗となり、凸状部4a,4bを主体に流れ
ることになる。それゆえ、前記凹状部3a,3bおよび凸状
部4a,4bによる形状磁気異方性の効果が現われる。 上記凹状部3a,3bおよび凸状部4a,4bの軸心方向に対す
る角度は、一方の凹状部3aおよび凸状部4aと他方の凹状
部3bおよび凸状部4bとが互いに逆方向でかつ等しい角度
を有するものとしているが、前記角度が最も望ましいの
は、被測定軸2にトルクが印加された場合の主応力方
向、すなわち、右45゜方向および左45゜方向をなすよう
にすることである。この理由は、前記磁力線は主応力方
向を主体に流れ、かつ凸状部4a,4bは被測定軸2の最表
面部であるから最もひずみが大きいところであり、この
ひずみにより磁性体の透磁率変化を最も効果的にひき出
すことができるためである。 そして、被測定軸2に対して第1図に示すT方向にト
ルクが印加されると、一方の凸状部4aは右45゜方向に形
成されているため、最大引張応力+σが作用し、反対
に、他方の凸状部4bは左45゜方向に形成されているた
め、最大圧縮応力−σが作用する。 ここで、被測定軸2が正の磁気ひずみ効果を有してい
れば、一方の凸状部4aの透磁率はトルク零のときに比べ
て増大し、逆に、他方の凸状部4bの透磁率はトルク零の
ときに比べて減少する。 したがって、一方のコイル5aのインダクタンスは増大
し、他方のコイル5bのインダクタンスは減少するので、
第2図に示したブリッジ回路のバランスがくずれ、出力
端子16,17間にトルクに対応した出力が生じる。 また、トルクが逆方向に印加された場合には、前述し
たのと逆の作用により、一方のコイル5aのインダクタン
スは減少し、他方のコイル5bのインダクタンスは増大す
るので、第2図に示したブリッジ回路のバランスがくず
れ、出力端子16,17間にトルクに対応した出力が生じ
る。 これをさらに具体的に説明すれば、コイル5a,5bのイ
ンダクタンスをそれぞれL1,L2とし、抵抗11,12の抵抗値
をRとし、励磁用発振器14の電圧をV,周波数をfとした
ときに、ブリッジ回路A−B−Cを流れる電流をi1、回
路A−B′−Cを流れる電流をi2とすると、 となり、 B点の電位V1は、V1=i1・R B′点の電位V2は、V2=i2・R となる。 そこで、B−B′の電位差は|V1−V2|すなわち、 で表わされ、これを差動増幅器15で求めることによりト
ルクの検出を行う。 この実施例におけるトルクセンサ1では、凹状部3a,3
bおよび凸状部4a,4bをその傾きが反対である一対のもの
とし、それぞれにコイル5a,5bを対向させて、前記凹状
部3a,3bおよび凸状部4a,4bにおける磁性変化の差をブリ
ッジ回路により検出するようにしているので、被測定軸
2の透磁率が温度によって変化したとしても、出力の零
点は動かないものとすることができ、トルクの検出精度
の高いものとすることが可能である。 この実施例において、被測定軸2は第1表に示す化学
成分を有するFe−Al系合金を素材としている。そして、
50KgのFe−Al系合金をそれぞれ真空誘導炉中で溶製した
のち、鍛造し、被測定軸2となる形状に機械加工を施し
たあと、同じく第1表に示す条件で熱処理を施して被測
定軸2を作製した。 上記被測定軸2は、直径が20mmの軸の表面部分に、軸
心方向に対し所定の角度(この実施例では45゜)を有す
る幅2mm,段差1mmの凹状部3a,3bおよび凸状部4a,4bが一
体に形成してある構造をなすものである。 次に、上記被測定軸2を用いたトルスセンサ1におい
て、第2図に示す電気回路図の励磁発振器14より、コイ
ル5a,5bに対して周波数30KHz、電流30mAの交流を供給す
ることによって被測定軸2→間隔6→ヨーク7→間隔6
→被測定軸2を磁路とす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1kgf・mのトルクを
印加した際の前記被測定軸2の透磁率変化をコイル5a,5
bにおいてインダクタンス変化として第2図に示した交
流ブリッジにより検出すると、このときの各トルクセン
サ1の出力は第3図のようになりこのときの出力感度
(第3図の角度θ)を調べた。これらの結果を同じく第
1表に示す。また、機械的特性を評価するために同じ材
質のものについて引張試験を行った際の引張強さの結果
をあわせて第1表に示す。 第1表に示す結果より明らかなように、Al量が11.0〜
15.0%の範囲にあり、さらに、Cを0.01〜0.50%と、C
r,Mo,W,V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hfのうちから選ばれる1種また
は2種以上を合計で0.01〜5.0%とを含む実施例であるN
o.1,2、さらにはB,Si,Ge,Sn,Pb,P,Sb,Cu,Ni,Co,Mn,Be,S
c,Y,希土類元素の1種以上とCと上記Cr〜Hfの1種以上
とを含む実施例であるNo.3〜6の場合には、感度が1.3
〜2.2V/Kgf・mとなっており、通常の機械構造用鋼であ
るJIS S30Cを用いた場合の比較例No.13に比べると感度
は非常に高くなっている。 そして、上記B〜希土類元素の1種以上および/また
はCとCr〜Hfの1種以上とを適量添加したFe−Al系合金
を素材とする被測定軸2を用いた場合と、実質的にAlと
FeのみからなるFe−Al系合金を素材とする被測定軸2を
用いた例えば比較例No.10の場合とを比較すると、比較
例No.10の場合の方が感度は若干高いものの機械的性質
が劣っており、Fe−Al系合金に上記元素を添加すること
によって、第1表に示すように強度,靭性,加工性等を
向上させうることが確められた。 しかし、上記元素の添加量が適量を越える場合、例え
ば比較例No.11,12のような場合には、感度が0.7V/Kgf・
m,0.5V/Kgf・mと低くなっている。 なお、上記実施例では、コイル5a,5bが励磁手段用の
コイルと検出手段用のコイルとに共通使用されているト
ルクセンサ1を例にとって説明したが、そのほか、第4
図に例示したトルクセンサ21のように、被測定軸22の外
周部に、当該被測定軸22との間に間隙23をおいて高透磁
率材料からなるヨーク24を配設し、このヨーク24には、
励磁手段としての励磁コイル25と検出手段としての検出
コイル26とを設けた構造をなすものとすることもでき、
特に限定されない。(Means for Solving the Problems) The present invention detects an axis to be measured, exciting means for forming a magnetic circuit having the axis to be measured as a part of a magnetic path, and detecting a magnetostrictive component passing through the axis to be measured. In a torque sensor provided with a detecting means for detecting, at least a part of the shaft to be measured, in particular, a part or the whole forming the magnetic path, contains Al by 1% by weight.
1.0 to 15.0%, C is 0.01 to 0.50%, Cr, M
One or two selected from o, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf
B, Si, Ge, Sn, Pb, P,
Fe containing one or more elements selected from Sb, Cu, Ni, Co, Mn, Be, Sc, Y, and rare earth elements in a total amount of 0.01 to 5.0%, with the balance being substantially Fe -It is characterized by using an Al alloy as a material. As described above, a torque sensor according to the present invention detects an axis to be measured, an exciting unit that forms a magnetic circuit having the axis to be measured as a part of a magnetic path, and detects a magnetostrictive component generated in the axis to be measured. In this case, for example, the exciting means and the detecting means can be constituted by separate coils, that is, an exciting coil and a detecting coil, or a common coil. It is also possible to adopt a configuration in which a change in inductance due to a change in magnetic permeability of the coil is detected. Further, the measured shaft may be formed with a concavo-convex portion forming a predetermined angle with respect to the axial direction thereof so as to impart a shape with magnetic anisotropy. The present invention is not limited to this, and various other configurations can be adopted. In the magnetostrictive torque sensor according to the present invention, at least a part of the shaft to be measured, in particular, a portion forming a magnetic path, or the entirety of the shaft to be measured is made of a Fe-Al alloy having the above-described specific component. The reason for limiting the component composition (% by weight) will be described below. Al: 11.0 to 15.0% Al has a feature of enhancing the magnetostriction effect of the axis to be measured, enhancing the detection sensitivity of the magnetostrictive component, and reducing the hysteresis. However, if the amount of Al is too large, the toughness is reduced, and when the power transmission shaft itself is used as the shaft to be measured, there is a problem of strength, and processing such as forging and cutting becomes difficult. , And the detection sensitivity of the magnetostrictive component decreases, and the hysteresis also increases. Conversely, if the Al content is too small, the detection sensitivity of the magnetostrictive component is lowered, and the problem that the hysteresis increases further occurs.
The range was 15.0%. B, Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti,
Zr, Hf, Be, Sc, Y, one or more of the rare earth elements selected in total: 0.01 to 5.0% These elements act as deoxidizing and desulfurizing agents during melting, In addition, it forms a solid solution with Fe-Al-based alloys to increase strength, improve strength by precipitation hardening, promote crystal grain refinement, improve toughness, and improve C, W, Cr, etc. It is an element that is effective for suppressing diffusion movement and improving malleability, but if it is too much, it reduces workability, reduces toughness, and lowers the sensitivity of detecting magnetostrictive components, resulting in hysteresis. Therefore, one or more of these elements are limited to 0.01 to 5.0% or less in total because of problems such as an increase in the number of elements. C: 0.01 to 0.50% and a total of one or more elements selected from Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, and Hf: 0.01 to 5.0
% C and Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf form carbides and disperse in the dough to form a power transmission system such as a drive shaft or a column shaft. It is an element effective for securing the strength required as a shaft structure of the above, and it is desirable to include it in a Fe-Al-based alloy as necessary. However, if the content is too large, the workability is adversely affected. Therefore, C is 0.01 to 0.50% and Cr, Mo, W,
The total of one or more selected from V, Nb, Ta, Ti, Zr, and Hf is preferably in the range of 0.01 to 5.0%. (Embodiment) FIG. 1 shows a torque sensor according to an embodiment of the present invention. The torque sensor 1 shown in the figure uses a shaft 2 to be measured which is entirely made of an Fe-Al alloy having a composition shown in Table 1 below, and the surface of the shaft 2 to be measured is The concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, which make a predetermined angle with respect to the axial direction of the shaft 2,
4b are formed integrally with the shaft to be measured 2 at an appropriate interval, and the concave portions 3a and 3b and the convex portions 4a and 4b have a shape magnetic anisotropy. In this case, the one concave portion 3a and the convex portion 4a and the other concave portion 3b and the convex portion 4b have the same inclination angle (for example, 45 ° in this embodiment) with respect to the axial direction and are mutually opposite. They are provided as a pair in a state inclined in the opposite direction. In addition, the torque sensor 1 faces the concave portion 3a and the convex portion 4a formed on the measured shaft 2 and the concave portion 3b and the convex portion 4b formed on the measured shaft 2 in addition to the shaft 2 to be measured. And a pair of coils 5a and 5b arranged
A cylindrical yoke 7 made of a material having a high magnetic permeability is provided outside the a and 5b and with a gap 6 between the shaft 2 to be measured and the shaft 2 to be measured. In this case, the coils 5a and 5b are used in common for excitation means for forming a magnetic circuit with the measured shaft 2 as a part of a magnetic path and for detecting means for detecting a magnetostrictive component passing through the measured shaft 2. It is something to be done. In the torque sensor 1 having such a structure, the coil 5
As shown in FIG. 2, a and 5b are combined with resistors 11 and 12 to form a bridge circuit. The bridge circuit is provided with a variable resistor 13 for balance, and a connection point A of the bridge circuit. , C, an excitation oscillator 14 is connected to adjust the excitation direction to the same direction, and a differential amplifier 15 is connected between the connection points B, B ′.
Are connected so that the detection output can be taken out from the output terminals 16 and 17. Next, the operation when the torque sensor 1 shown in FIG. 1 is connected to the electric circuit shown in FIG. 2 will be described. First, upon operation, the excitation oscillator 14
An alternating current having a constant amplitude (V) and a frequency (f) is applied to 5a and 5b. Due to this energization, the lines of magnetic force having the magnetic path of the measured shaft 2 → the gap 6 → the yoke 7 → the gap 6 → the measured shaft 2 are generated so as to surround the coils 5a and 5b. By the way, when the frequency (f) of the alternating current to be energized is increased, the eddy current increases in the shaft 2 to be measured. The distribution of the eddy current is stronger as it is closer to the center of the shaft 2 to be measured, and becomes zero on the surface. Therefore, even if the magnetization on the surface can follow the change in the external magnetic field, the change in the magnetization is hindered on the inside. Therefore, the magnetic field lines flow on the surface portion of the shaft 2 to be measured, and the concave portions 3a and 3b are formed on the shaft 2 to be measured.
Is formed so as to form a predetermined angle with respect to the axial direction of the shaft, and this becomes a magnetic resistance and flows mainly through the convex portions 4a and 4b. Therefore, the effect of shape magnetic anisotropy due to the concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, 4b appears. The angles of the concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, 4b with respect to the axial direction are such that one concave portion 3a and the convex portion 4a and the other concave portion 3b and the convex portion 4b are in opposite directions and equal to each other. Although it is assumed that the axis has an angle, it is most preferable that the angle is in the main stress direction when torque is applied to the measured shaft 2, that is, in the right 45 ° direction and the left 45 ° direction. is there. The reason for this is that the lines of magnetic force mainly flow in the main stress direction, and the convex portions 4a and 4b are the outermost surface portions of the shaft 2 to be measured. This is because it can be extracted most effectively. When a torque is applied to the shaft 2 to be measured in the direction T shown in FIG. 1, the one convex portion 4a is formed in the right 45 ° direction, so that the maximum tensile stress + σ acts, Conversely, since the other convex portion 4b is formed in the left 45 ° direction, the maximum compressive stress −σ acts. Here, if the measured shaft 2 has a positive magnetostriction effect, the magnetic permeability of one convex portion 4a increases as compared to when the torque is zero, and conversely, the magnetic permeability of the other convex portion 4b increases. The permeability decreases as compared to the case where the torque is zero. Therefore, the inductance of one coil 5a increases and the inductance of the other coil 5b decreases,
The balance of the bridge circuit shown in FIG. 2 is lost, and an output corresponding to the torque is generated between the output terminals 16 and 17. Further, when the torque is applied in the opposite direction, the inductance of one coil 5a decreases and the inductance of the other coil 5b increases due to the action opposite to that described above. The balance of the bridge circuit is lost, and an output corresponding to the torque is generated between the output terminals 16 and 17. More specifically, the inductances of the coils 5a and 5b are L 1 and L 2 , the resistance values of the resistors 11 and 12 are R, the voltage of the excitation oscillator 14 is V, and the frequency is f. When the current flowing through the bridge circuit ABC is i 1 and the current flowing through the circuit AB′-C is i 2 , , And the potential V 1 of the point B, the potential V 2 of V 1 = i 1 · R B ' point, the V 2 = i 2 · R. Therefore, the potential difference of BB ′ is | V 1 −V 2 | Is obtained by the differential amplifier 15 to detect the torque. In the torque sensor 1 of this embodiment, the concave portions 3a, 3
b and the convex portions 4a and 4b have a pair of opposite inclinations, the coils 5a and 5b are respectively opposed to each other, and the difference in magnetic change between the concave portions 3a and 3b and the convex portions 4a and 4b is determined. Since the detection is performed by the bridge circuit, even if the magnetic permeability of the shaft 2 to be measured changes with the temperature, the zero point of the output can be fixed and the detection accuracy of the torque can be high. It is possible. In this embodiment, the shaft 2 to be measured is made of an Fe-Al alloy having the chemical components shown in Table 1. And
Each of the 50 kg Fe-Al alloys was melted in a vacuum induction furnace, forged, machined into a shape to be measured shaft 2, and then subjected to a heat treatment under the conditions shown in Table 1 as well. The measurement axis 2 was produced. The shaft to be measured 2 is formed on a surface portion of a shaft having a diameter of 20 mm by forming concave portions 3 a and 3 b having a predetermined angle (45 ° in this embodiment) with a predetermined angle (45 ° in this embodiment), a step portion having a width of 1 mm, and a convex portion. 4a and 4b form a structure integrally formed. Next, in the torsion sensor 1 using the above-mentioned shaft 2 to be measured, an AC having a frequency of 30 KHz and a current of 30 mA is supplied to the coils 5a and 5b from the excitation oscillator 14 of the electric circuit diagram shown in FIG. Shaft 2 → Spacing 6 → Yoke 7 → Spacing 6
→ A magnetic circuit is formed with the measured shaft 2 as a magnetic path,
In this state, when a torque of 1 kgf · m is applied in each of the left and right rotation directions, the change in the magnetic permeability of the shaft 2 to be measured is measured by the coils 5 a and 5.
When the change in inductance is detected by the AC bridge shown in FIG. 2 at b, the output of each torque sensor 1 at this time becomes as shown in FIG. 3, and the output sensitivity (the angle θ in FIG. 3) at this time was examined. . These results are also shown in Table 1. Table 1 also shows the results of the tensile strength when a tensile test was performed on the same material to evaluate the mechanical properties. As is clear from the results shown in Table 1, the Al content was 11.0 to
15.0%, and further, C is 0.01 to 0.50% and C
N is an embodiment containing one or more selected from r, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, and Hf in a total amount of 0.01 to 5.0%.
o.1,2, B, Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Cu, Ni, Co, Mn, Be, S
In the case of Nos. 3 to 6, which are examples including at least one of c, Y, and rare earth elements, C and at least one of Cr to Hf, the sensitivity is 1.3
2.22.2 V / Kgf · m, and the sensitivity is much higher than that of Comparative Example No. 13 using JIS S30C which is a normal steel for machine structure. A case where the measured shaft 2 made of a Fe-Al-based alloy to which a suitable amount of one or more of the above B to rare earth elements and / or C and one or more of Cr to Hf are added is substantially used. Al and
For example, in comparison with the case of Comparative Example No. 10 using the shaft to be measured 2 made of a Fe-Al-based alloy consisting of Fe only, the case of Comparative Example No. 10 has a slightly higher sensitivity, The properties were inferior, and it was confirmed that, as shown in Table 1, strength, toughness, workability, etc. could be improved by adding the above elements to the Fe-Al alloy. However, when the addition amount of the above elements exceeds an appropriate amount, for example, in the case of Comparative Examples Nos. 11 and 12, the sensitivity is 0.7 V / Kgf
m, 0.5V / Kgf · m. In the above embodiment, the torque sensor 1 in which the coils 5a and 5b are commonly used for the coil for the excitation means and the coil for the detection means has been described as an example.
As in the torque sensor 21 illustrated in the figure, a yoke 24 made of a material having high magnetic permeability is disposed around the measured shaft 22 with a gap 23 between the measured shaft 22 and the yoke 24. In
It is also possible to form a structure provided with an exciting coil 25 as exciting means and a detecting coil 26 as detecting means,
There is no particular limitation.
以上説明してきたように、本発明は、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
段を備えたトルクセンサにおいて、前記被測定軸の少な
くとも一部が、重量%で、Alを11.0〜15.0%含み、さら
に、Cを0.01〜0.50%と、Cr,Mo,W,V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hfの
うちから選ばれる1種または2種以上の元素と場合によ
ってはさらにB,Si,Ge,Sn,Pb,P,Sb,Cu,Ni,Co,Mn,Be,Sc,
Y,希土類元素のうちから選ばれる1種または2種以上の
元素とを合計で0.01〜5.0%含み、残部が実質的にFeか
らなるFe−Al系合金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
ンサの出力感度を十分良好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、特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使用し、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、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、トルクの検出をきわめて簡便な
構成にしてしかも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。As described above, the present invention provides an axis to be measured, exciting means for forming a magnetic circuit having the axis to be measured as a part of a magnetic path, and detecting means for detecting a magnetostrictive component passing through the axis to be measured. Wherein at least a part of the shaft to be measured contains Al in an amount of 11.0 to 15.0% by weight, and further contains 0.01 to 0.50% of C, Cr, Mo, W, V, Nb, and Ta. , Ti, Zr, Hf, at least one element selected from the group consisting of B, Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Cu, Ni, Co, Mn, Be, Sc,
Y, one or two or more elements selected from rare earth elements are contained in a total amount of 0.01 to 5.0%, and the balance is substantially made of Fe-Al-based alloy,
The output sensitivity of the torque sensor can be made sufficiently good while the strength of the shaft to be measured is sufficiently secured, and the torque can be accurately detected. In the case where a rotating shaft having a large load, such as a power transmission shaft, is used as the shaft to be measured and the torque applied to the rotating shaft is detected, the strength of the rotating shaft is sufficiently secured. The detection sensitivity of the sensor can be increased, and a very excellent effect that the detection of torque can be performed with a very simple configuration and accurately can be achieved.
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
す軸方向断面説明図、第2図は第1図のトルクセンサに
接続する電気回路の構成を例示する説明図、第3図は第
1図のトルクセンサの出力特性を示すグラフ、第4図
(a)(b)はトルクセンサの他の構造例を示す各々軸
方向説明図および軸直角方向説明図である。 1,21……トルクセンサ、2,22……被測定軸、5a,5b……
コイル(励磁手段および検出手段)、25……励磁コイル
(励磁手段)、26……検出コイル(検出手段)。FIG. 1 is an axial cross-sectional explanatory view showing a structural example of a torque sensor to which the present invention is applied, FIG. 2 is an explanatory view illustrating the configuration of an electric circuit connected to the torque sensor of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a graph showing an output characteristic of the torque sensor, and FIGS. 4 (a) and 4 (b) are an explanatory diagram in an axial direction and an explanatory diagram in a direction perpendicular to the axis, respectively, showing other structural examples of the torque sensor. 1,21 ... Torque sensor, 2,22 ... Measured axis, 5a, 5b ...
Coil (excitation means and detection means), 25 ... excitation coil (excitation means), 26 ... detection coil (detection means).
Claims (2)
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を備えたトルクセンサに
おいて、前記被測定軸の少なくとも一部が、重量%で、
Alを11.0〜15.0%含み、さらに、Cを0.01〜0.50%と、
Cr,Mo,W,V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hfのうちから選ばれる1種また
は2種以上の元素を合計で0.01〜5.0%含み、残部が実
質的にFeからなるFe−Al系合金を素材としていることを
特徴とするトルクセンサ。1. A torque sensor comprising: an axis to be measured; exciting means for forming a magnetic circuit having the axis to be measured as a part of a magnetic path; and detecting means for detecting a magnetostrictive component passing through the axis to be measured. , At least a part of the axis to be measured is, by weight%,
Containing 11.0 to 15.0% of Al, and 0.01 to 0.50% of C;
Fe-Al comprising one or more elements selected from Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, and Hf in a total amount of 0.01 to 5.0%, and the balance substantially consisting of Fe A torque sensor using a base alloy as a material.
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を備えたトルクセンサに
おいて、前記被測定軸の少なくとも一部が、重量%で、
Alを11.0〜15.0%含み、さらに、Cを0.01〜0.50%と、
Cr,Mo,W,V,Nb,Ta,Ti,Zr,Hfのうちから選ばれる1種また
は2種以上の元素とB,Si,Ge,Sn,Pb,P,Sb,Cu,Ni,Co,Mn,B
e,Sc,Y,希土類元素のうちから選ばれる1種または2種
以上の元素とを合計で0.01〜5.0%含み、残部が実質的
にFeからなるFe−Al系合金を素材としていることを特徴
とするトルクセンサ。2. A torque sensor comprising: a shaft to be measured; exciting means for forming a magnetic circuit having the shaft to be measured as a part of a magnetic path; and detecting means for detecting a magnetostrictive component passing through the shaft to be measured. , At least a part of the axis to be measured is, by weight%,
Containing 11.0 to 15.0% of Al, and 0.01 to 0.50% of C;
One or more elements selected from Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf and B, Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Cu, Ni, Co , Mn, B
e, Sc, Y, one or two or more elements selected from the rare earth elements are contained in a total amount of 0.01 to 5.0%, and the remainder is substantially made of Fe-Al-based alloy. Characteristic torque sensor.
Priority Applications (4)
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---|---|---|---|
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US07/319,351 US5107711A (en) | 1988-03-04 | 1989-03-06 | Torque sensor |
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JPH01236665A JPH01236665A (en) | 1989-09-21 |
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