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JP2000009558A - Magnetostrictive torque sensor - Google Patents

Magnetostrictive torque sensor

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Publication number
JP2000009558A
JP2000009558A JP10181279A JP18127998A JP2000009558A JP 2000009558 A JP2000009558 A JP 2000009558A JP 10181279 A JP10181279 A JP 10181279A JP 18127998 A JP18127998 A JP 18127998A JP 2000009558 A JP2000009558 A JP 2000009558A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
torque sensor
hysteresis
shaft
hysteresis characteristic
magnetostrictive
Prior art date
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Application number
JP10181279A
Other languages
Japanese (ja)
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JP3526750B2 (en
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Yasushiro Ishino
連信郎 石野
Taro Saito
太郎 齋藤
Shiro Takada
史朗 高田
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Kubota Corp
Original Assignee
Kubota Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of JP2000009558A publication Critical patent/JP2000009558A/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁歪式トルクセンサにおいて、ヒステリシス
を理想的にゼロにできるようにする。 【解決手段】 トルクセンサ軸とヒステリシス相殺手段
とを有する。トルクセンサ軸11は、第1のヒステリシ
ス特性を持つ部分と、この第1のヒステリシス特性とは
極性が逆の第2のヒステリシス特性を持つ部分とを備え
る。ヒステリシス相殺手段16は、トルクセンサ軸11
における第1のヒステリシス特性を持つ部分で生じるヒ
ステリシスと、第2のヒステリシス特性を持つ部分で生
じるヒステリシスとを相殺させる。
(57) [Problem] To provide a magnetostrictive torque sensor capable of ideally reducing hysteresis to zero. SOLUTION: A torque sensor shaft and a hysteresis canceling means are provided. The torque sensor shaft 11 includes a portion having a first hysteresis characteristic and a portion having a second hysteresis characteristic having a polarity opposite to that of the first hysteresis characteristic. The hysteresis canceling means 16 is connected to the torque sensor shaft 11.
In the portion having the first hysteresis characteristic and the hysteresis generated in the portion having the second hysteresis characteristic.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は磁歪式トルクセンサ
に関する。
The present invention relates to a magnetostrictive torque sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】トルクセンサの一種として、アメリカ特
許第4933580号や同第5520059号に開示さ
れる磁歪式のトルクセンサが知られている。この磁歪式
のトルクセンサは、検出しようとするトルクが伝達され
ることで透磁率が変化する磁気異方性部を備えたトルク
センサ軸と、このトルクセンサ軸を励磁する励磁手段と
を備える。この励磁手段は磁気異方性部の周囲に配置さ
れたソレノイドコイルや磁気ヘッドなどによって構成さ
れるのが通例であり、この励磁手段によって励磁状態と
されている磁気異方性部の透磁率の変化をソレノイドコ
イルや磁気ヘッドなどの検出手段で検出することで、そ
のトルクの大きさを検出可能である。
2. Description of the Related Art As one type of torque sensor, a magnetostrictive torque sensor disclosed in U.S. Pat. Nos. 4,933,580 and 5520059 is known. The magnetostrictive torque sensor includes a torque sensor shaft having a magnetic anisotropic portion whose magnetic permeability changes when a torque to be detected is transmitted, and an exciting unit that excites the torque sensor shaft. This exciting means is usually constituted by a solenoid coil or a magnetic head disposed around the magnetic anisotropic part, and the magnetic permeability of the magnetic anisotropic part which is in an excited state by this exciting means. By detecting the change with a detecting means such as a solenoid coil or a magnetic head, the magnitude of the torque can be detected.

【0003】このような磁歪式のトルクセンサを適用可
能な分野として、自動車のパワーステアリングの分野が
ある。この分野では、パワーステアリング軸に磁歪式の
トルクセンサを設置して、このパワーステアリング軸に
作用するトルクを検出することで、さまざまなステアリ
ング制御が行われる。このパワーステアリング軸におい
ては、計測定格トルクは一般に10Nm程度である。
As a field to which such a magnetostrictive torque sensor can be applied, there is a field of automobile power steering. In this field, various steering controls are performed by installing a magnetostrictive torque sensor on a power steering shaft and detecting a torque acting on the power steering shaft. In this power steering shaft, the measured rated torque is generally about 10 Nm.

【0004】しかし、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計測定格ト
ルクの10倍以上のオーバーロードトルクが作用するの
が一般的である。このため、パワーステアリング軸の軸
材は、このような過酷なオーバーロードトルクに耐える
強度を有した構成が必要とされる。したがって、パワー
ステアリング軸に介装されるトルクセンサも、同様に計
測定格トルクの10倍以上のオーバーロードトルクに耐
えるものであることが要求される。
However, when a running car rides on a curb or the like, an overload torque of 10 times or more of the measured rated torque generally acts on the power steering shaft. For this reason, the shaft material of the power steering shaft is required to have a structure that has a strength to withstand such severe overload torque. Accordingly, the torque sensor interposed in the power steering shaft is also required to withstand an overload torque of 10 times or more the measured rated torque.

【0005】このため、通常は、想定最大オーバーロー
ドトルクに耐えられるトルク容量(許容オーバーロード
トルク)のトルクセンサを設置して、その許容オーバー
ロードトルクの10分の1以下の軽負荷を、使用時の計
測定格トルクとしている。
For this reason, usually, a torque sensor having a torque capacity (allowable overload torque) capable of withstanding the assumed maximum overload torque is installed, and a light load of 1/10 or less of the allowable overload torque is used. It is the rated torque at the time of measurement.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ここで、たとえば、使
用時の計測定格トルクを10Nmとするとともに、15
0Nmのオーバーロードトルクに耐えるトルクセンサを
設計するときには、上述のアメリカ特許第493358
0号のような磁歪式トルクセンサでは、センサ軸に通常
の構造用鋼(SCM、SNCM材など)を使用している
ので、その構造用鋼の強度を考えて、150Nmのオー
バーロードトルクの印加時でも充分弾性域内にあること
を保証するため、この150Nmのオーバーロードトル
クが印加されたときに、センサ軸の磁気異方性部の表面
応力が10kg/mm2 程度となるように設計すること
が望ましい。このときに、磁歪式トルクセンサに特有の
ヒステリシスは、アメリカ特許第4933580号のよ
うな技術を用いた場合、150Nmのオーバーロードト
ルク印加・除荷時において、この150Nmのオーバー
ロードトルク印加時のセンサ出力の0.3%程度とする
ことができる。
Here, for example, while the measured rated torque during use is 10 Nm,
When designing a torque sensor that can withstand overload torque of 0 Nm, the aforementioned U.S. Pat.
In a magnetostrictive torque sensor such as No. 0, since a normal structural steel (SCM, SNCM material, etc.) is used for the sensor shaft, an overload torque of 150 Nm is applied in consideration of the strength of the structural steel. In order to guarantee that the sensor is within the elastic range even when the overload torque of 150 Nm is applied, the surface stress of the magnetically anisotropic portion of the sensor shaft should be about 10 kg / mm 2. Is desirable. At this time, the hysteresis peculiar to the magnetostrictive torque sensor is such that when a technique such as U.S. Pat. No. 4,933,580 is used, when the overload torque of 150 Nm is applied and unloaded, the sensor when the overload torque of 150 Nm is applied. It can be about 0.3% of the output.

【0007】ところが、150Nmのオーバーロードト
ルク印加時のトルクセンサのヒステリシスが、この15
0Nmを印加したときのセンサ出力の0.3%であって
も、その計測定格トルクを10Nmと印加オーバーロー
ドトルクの1/15にした場合には、オーバーロード印
加時のヒステリシスは、計測定格トルク(FS)である
10Nmに対しては、 0.3×(150/10)=4.5%(FS) にもなってしまうという問題点がある。
However, when the overload torque of 150 Nm is applied, the hysteresis of the torque sensor is 15
Even if the sensor output is 0.3% of the sensor output when 0 Nm is applied, if the measured rated torque is 10 Nm and 1/15 of the applied overload torque, the hysteresis at the time of overload application is the measured rated torque. For 10 Nm which is (FS), there is a problem that 0.3 × (150/10) = 4.5% (FS).

【0008】そこで本発明は、たとえば上述の自動車の
パワーステアリング制御のために用いられる磁歪式のト
ルクセンサなどのように、要求されるオーバーロードト
ルクに耐える大容量のトルクセンサを、使用時の軽負荷
を計測定格トルクとして使用する場合において、そのヒ
ステリシスを大幅に低減できるように、理想的にはゼロ
にできるようにすることを目的とする。
Accordingly, the present invention provides a large-capacity torque sensor capable of withstanding a required overload torque, such as a magnetostrictive torque sensor used for controlling the power steering of an automobile, for example. When a load is used as a measured rated torque, it is an object of the present invention to ideally reduce the hysteresis to zero so that the hysteresis can be greatly reduced.

【0009】また本発明は、自動車のパワーステアリン
グ制御などの特殊な用途に供されるもの以外の、通常の
用途に供される磁歪式トルクセンサについても、同様に
ヒステリシスを理想的にゼロにできるようにすることを
も目的とする。
The present invention also makes it possible to ideally reduce the hysteresis to zero for magnetostrictive torque sensors used for ordinary applications other than those used for special applications such as power steering control of automobiles. The purpose is also to do so.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は、トルクセンサ軸とヒステリシス相殺手段とを
有し、前記トルクセンサ軸は、第1のヒステリシス特性
を持つ部分と、この第1のヒステリシス特性とは極性が
逆の第2のヒステリシス特性を持つ部分とを備え、前記
ヒステリシス相殺手段を、前記トルクセンサ軸における
第1のヒステリシス特性を持つ部分で生じるヒステリシ
スと第2のヒステリシス特性を持つ部分で生じるヒステ
リシスとを相殺させるように構成したものである。
To achieve this object, the present invention comprises a torque sensor shaft and a hysteresis canceling means, wherein the torque sensor shaft has a portion having a first hysteresis characteristic and a first hysteresis characteristic. A portion having a second hysteresis characteristic having a polarity opposite to that of the first hysteresis characteristic, and the hysteresis canceling means is provided with a hysteresis and a second hysteresis characteristic generated in a portion of the torque sensor shaft having the first hysteresis characteristic. This is configured to offset the hysteresis generated in the holding portion.

【0011】このような構成によれば、トルクセンサ軸
における第1のヒステリシス特性を持つ部分と第2のヒ
ステリシス特性を持つ部分とでヒステリシスの極性すな
わち正負が逆になるため、ヒステリシス相殺手段によっ
てこれら逆極性のヒステリシス特性を持つ部分で生じる
ヒステリシスを相殺させることで、センサのヒステリシ
スを実質的にゼロにすることが可能となる。
According to such a configuration, since the polarity of the hysteresis, that is, the polarity of the portion having the first hysteresis characteristic and the portion having the second hysteresis characteristic in the torque sensor shaft are reversed, the hysteresis canceling means makes these parts different. By canceling the hysteresis generated in the portion having the hysteresis characteristic of the opposite polarity, the hysteresis of the sensor can be made substantially zero.

【0012】この構成の実施の形態をより詳細にみる
と、ヒステリシス相殺手段はトルクセンサ軸を励磁する
励磁手段にて構成され、前記トルクセンサ軸は、第1の
励磁条件のもとで正の値の第1のヒステリシス特性を呈
するとともに、第2の励磁条件のもとで負の値の第2の
ヒステリシス特性を呈するように構成され、前記励磁手
段は、前記第1の励磁条件を作り出す第1の励磁周波数
帯と、前記第2の励磁条件を作り出す第2の励磁周波数
帯との間の特定の周波数帯であって、センサのヒステリ
シスを実質的にゼロにし得る、第3の励磁周波数帯で励
磁を行うように構成される。
When the embodiment of this configuration is viewed in more detail, the hysteresis canceling means is constituted by exciting means for exciting the torque sensor shaft, and the torque sensor shaft has a positive value under the first exciting condition. And a second hysteresis characteristic having a negative value under a second excitation condition, wherein the excitation means generates a first hysteresis characteristic of the first excitation condition. A third excitation frequency band between a first excitation frequency band and a second excitation frequency band that creates the second excitation condition, wherein the third excitation frequency band can substantially reduce the hysteresis of the sensor. Is configured to perform excitation.

【0013】すなわち、本発明者らの知見によれば、ト
ルクセンサ軸を、第1の励磁条件を作り出す第1の励磁
周波数帯のもとで正の値の第1のヒステリシス特性を呈
するとともに、第2の励磁条件を作り出す第2の励磁周
波数帯のもとで負の値の第2のヒステリシス特性を呈す
るように構成した場合には、励磁条件としての励磁周波
数帯を変化させることで、このトルクセンサ軸にて構成
されるトルクセンサのヒステリシスを、正の値と負の値
との間で変動させることができる。よって、特定の第3
の励磁周波数帯を選択すれば、センサのヒステリシス
を、上述の正の値と負の値との間の実質的にゼロとなる
ところに設定することができる。
That is, according to the findings of the present inventors, the torque sensor shaft exhibits a first hysteresis characteristic of a positive value under a first excitation frequency band that creates a first excitation condition, In a case where a second hysteresis characteristic having a negative value is provided under the second excitation frequency band that creates the second excitation condition, the excitation frequency band as the excitation condition is changed. The hysteresis of the torque sensor constituted by the torque sensor shaft can be varied between a positive value and a negative value. Therefore, the specific third
, The hysteresis of the sensor can be set to be substantially zero between the above-mentioned positive value and negative value.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】図1は、本発明にもとづく磁歪式
トルクセンサの概略構成を示す。ここで11はトルクセ
ンサ軸で、所要の強度と磁歪特性とを兼備した材料にて
形成されており、具体的にはJISのSNCM815材
などによって形成されている。このトルクセンサ軸11
の外周面には、軸心方向に距離をおいた一対の位置に、
軸心方向に対し±45度の方向で形成された互いに逆特
性の磁気異方性部12、13が設けられている。これら
磁気異方性部12、13はナーリング溝によって形成さ
れているのが好適であり、互いに逆特性とするために、
磁気異方性部12と磁気異方性部13とでナーリング溝
が軸心方向に対し互いに±45度の逆方向に傾斜するよ
うに構成されている。これらナーリング溝は、具体的に
は、軸11の外周面に切削加工を施したり、軸11の外
周面に転造加工を施したりすることによって、形成する
ことができる。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a magnetostrictive torque sensor according to the present invention. Here, reference numeral 11 denotes a torque sensor shaft, which is formed of a material having both required strength and magnetostriction characteristics, and specifically formed of JIS SNCM815 material or the like. This torque sensor shaft 11
On the outer peripheral surface of a pair of positions spaced apart in the axial direction,
Magnetic anisotropic parts 12 and 13 having characteristics opposite to each other and formed in directions of ± 45 degrees with respect to the axial direction are provided. These magnetic anisotropic parts 12 and 13 are preferably formed by knurling grooves.
The magnetic anisotropic part 12 and the magnetic anisotropic part 13 are configured such that the knurling grooves are inclined in directions opposite to each other by ± 45 degrees with respect to the axial direction. More specifically, these knurling grooves can be formed by cutting the outer peripheral surface of the shaft 11 or rolling the outer peripheral surface of the shaft 11.

【0015】各磁気異方性部12、13の周囲には、こ
れら磁気異方性部12、13をそれぞれ励磁するための
励磁コイル14、14と、励磁状態で軸11にトルクが
印加されたときの各磁気異方性部12、13の透磁率の
変化を検出するための検出コイル15、15とが、それ
ぞれ同心状に配置されている。励磁コイル14、14
は、交流電源16に接続されている。各検出コイル1
5、15には出力V1、V2が現れるが、これらの出力
V1、V2を、減算器17および整流回路18によって
V1−V2の形にしたうえで、出力端子19に出力させ
るように構成されている。Tは軸11への印加トルクを
表す。
Exciting coils 14 and 14 for exciting the magnetic anisotropic parts 12 and 13 respectively are provided around the magnetic anisotropic parts 12 and 13 and torque is applied to the shaft 11 in an excited state. Detection coils 15, 15 for detecting a change in the magnetic permeability of each of the magnetic anisotropic parts 12, 13 at the time are arranged concentrically. Excitation coils 14, 14
Are connected to an AC power supply 16. Each detection coil 1
Outputs V1 and V2 appear at 5 and 15. These outputs V1 and V2 are formed into V1-V2 by a subtractor 17 and a rectifier circuit 18, and then output to an output terminal 19. I have. T represents the torque applied to the shaft 11.

【0016】トルクセンサ軸11は、第1の励磁条件の
もとで正の値の第1のヒステリシス特性を呈するととも
に、第2の励磁条件のもとで負の値の第2のヒステリシ
ス特性を呈するように構成されている。すなわち、この
トルクセンサ軸11によって構成されるトルクセンサ
は、上記の第1の励磁条件のもとでは正の値のヒステリ
シスが生じるとともに、第2の励磁条件のもとで負の値
のヒステリシスが生じるように特徴づけられている。以
下、この点について詳細に説明する。
The torque sensor shaft 11 exhibits a positive value of the first hysteresis characteristic under the first excitation condition and a negative value of the second hysteresis characteristic under the second excitation condition. It is configured to present. That is, the torque sensor constituted by the torque sensor shaft 11 has a positive value hysteresis under the first excitation condition and a negative value hysteresis under the second excitation condition. It is characterized as occurring. Hereinafter, this point will be described in detail.

【0017】一般的には、磁性材料は、正のヒステリシ
ス特性を有するのが普通である。すなわち、図2は、図
1の構成の理想的なトルクセンサにトルクが印加された
ときのセンサの出力電圧を概念的に示すものであり、横
軸はトルクT、縦軸は出力電圧Vである。出力電圧V
は、図1のトルクセンサより、V=V1−V2によって
与えられる。図示のように、トルクTがゼロから徐々に
印加されるとそれに対応して出力電圧Vもゼロから徐々
に増大し、ある時点でトルクTが減少すると、それにつ
れて出力電圧Vも減少する。しかし、この減少の段階に
おいては、印加トルクTがゼロになっても出力電圧Vは
ゼロにはならず、一定の正の値となる。すなわち正のヒ
ステリシス21が生じる。
Generally, magnetic materials usually have a positive hysteresis characteristic. That is, FIG. 2 conceptually shows the output voltage of the ideal torque sensor having the configuration shown in FIG. 1 when torque is applied. The horizontal axis represents the torque T, and the vertical axis represents the output voltage V. is there. Output voltage V
Is given by V = V1-V2 from the torque sensor of FIG. As shown, when the torque T is gradually applied from zero, the output voltage V gradually increases from zero correspondingly. When the torque T decreases at a certain time, the output voltage V decreases accordingly. However, in this decreasing stage, even if the applied torque T becomes zero, the output voltage V does not become zero, but becomes a constant positive value. That is, a positive hysteresis 21 occurs.

【0018】ここでいうヒステリシスの極性は、次のよ
うに定義する。すなわち一般にトルクゼロの状態から時
計方向または半時計方向にトルクを印加し、そのうえで
再度トルクゼロの状態に戻したときには、トルクセンサ
の出力または検出コイルの出力は、トルクゼロのときの
元の値(V0)から増加方向あるいは減少方向に変化し
た後に、この元の値(V0)とは異なる別の値(VH)
に戻る。ここでは、トルクの印加によって出力が元の値
(V0)から増加したうえで別の値(VH)に減少する
方向に戻ったときに、VH>V0なら「正のヒステリシ
ス」が生じていると定義し、またVH<V0なら「負の
ヒステリシス」が生じていると定義する。
Here, the polarity of the hysteresis is defined as follows. That is, generally, when a torque is applied clockwise or counterclockwise from the state of zero torque, and then returned to the state of zero torque again, the output of the torque sensor or the output of the detection coil is changed from the original value (V0) at zero torque. After changing in the increasing direction or the decreasing direction, another value (VH) different from the original value (V0)
Return to Here, when the output is increased from the original value (V0) by application of the torque and then returns to the direction of decreasing to another value (VH), if VH> V0, "positive hysteresis" has occurred. If VH <V0, it is defined that "negative hysteresis" has occurred.

【0019】一般的な磁性材料の特徴である「正のヒス
テリシス」特性は、次の原因によって発生するものであ
ると考えることができる。すなわち、励磁により磁化さ
れている材料は、トルクが印加されることによってその
磁化の状態が変化を受け、磁壁移動あるいは磁化回転を
行う。しかし、このときに材料内部の不純物や結晶粒界
などにミクロな磁気的ピン中心(pinning ce
nter)が存在することから、印加トルクが除荷され
ても磁化の状態が元に戻らなくなる。これによって、ヒ
ステリシス21が発生すると考えることができる。ここ
では、この現象を「磁気効果によるヒステリシス」と称
することができる。
The "positive hysteresis" characteristic which is a characteristic of general magnetic materials can be considered to be caused by the following causes. That is, the material magnetized by the excitation undergoes a change in the state of magnetization when a torque is applied, and performs domain wall movement or magnetization rotation. However, at this time, impurities such as impurities and crystal grain boundaries inside the material have a micro magnetic pin center.
Since the applied torque is unloaded, the state of magnetization cannot be restored even when the applied torque is unloaded. Thus, it can be considered that the hysteresis 21 occurs. Here, this phenomenon can be referred to as “hysteresis due to the magnetic effect”.

【0020】この現象を詳細に説明する。図1に示すト
ルクセンサ軸11に図示のように時計方向(CW)のト
ルクTを印加すると、軸心方向に対し+45度の方向に
ナーリング溝が形成された磁気異方性部12からの出力
V1は図3のようになり、軸心方向に対し−45度の方
向にナーリング溝が形成された磁気異方性部13からの
出力V2は図4のようになる。ΔV1は図3における正
のヒステリシス、ΔV2は図4における正のヒステリシ
スである。すなわち、ΔV1およびΔV2は、いずれ
も、トルクゼロの状態(出力がゼロであるとは限らな
い)からのトルクの印加によって出力が増加した場合に
おいて、再びトルクゼロの状態に戻ったときには、出力
は元の値よりも大きくなっている。
This phenomenon will be described in detail. When a clockwise (CW) torque T is applied to the torque sensor shaft 11 shown in FIG. 1 as shown in the figure, the output from the magnetically anisotropic portion 12 in which a knurling groove is formed in a +45 degree direction with respect to the axial direction. V1 is as shown in FIG. 3, and the output V2 from the magnetic anisotropic portion 13 in which the knurling groove is formed in the direction of -45 degrees with respect to the axial direction is as shown in FIG. ΔV1 is the positive hysteresis in FIG. 3, and ΔV2 is the positive hysteresis in FIG. That is, ΔV1 and ΔV2 both show that when the output increases due to the application of torque from the state of zero torque (the output is not always zero) and when the state returns to the state of zero torque again, the output becomes the original value. It is larger than the value.

【0021】その結果、図1の回路構成によりトルクセ
ンサ出力VがV=V1−V2となるようにすると、図2
の出力電圧が得られるのである。このとき、正のヒステ
リシス21の大きさは、ΔV1もΔV2も同一極性の
「正のヒステリシス」であるため、|ΔV1|+|ΔV
2|となる。
As a result, if the torque sensor output V is set to V = V1−V2 by the circuit configuration of FIG.
Is obtained. At this time, since the magnitude of the positive hysteresis 21 is “positive hysteresis” having the same polarity in both ΔV1 and ΔV2, | ΔV1 | + | ΔV
2 |.

【0022】磁性材料にて構成されるトルクセンサ軸1
1は、一般にミクロな磁気的ピン中心よりも大きな機械
的な欠陥を持たない場合に、このミクロな磁気的ピン中
心の存在によるヒステリシス現象が支配的となり、図1
に示すトルクセンサに図2に示すような正のヒステリシ
ス21を発生させることになると考えられる。
Torque sensor shaft 1 made of magnetic material
FIG. 1 shows that the hysteresis phenomenon due to the presence of the micro magnetic pin center becomes dominant when the micro magnetic pin center does not have a mechanical defect larger than that of the micro magnetic pin center.
It is considered that the positive hysteresis 21 as shown in FIG. 2 is generated in the torque sensor shown in FIG.

【0023】一方、磁歪式トルクセンサに図5に示すよ
うな負のヒステリシス特性を付与することも可能であ
る。たとえば、図1に示されるトルクセンサ軸11の磁
気異方性部12、13を転造加工により形成し、その後
にこの加工部に浸炭焼入焼戻の熱処理を施せば、それに
よって得られるトルクセンサは、図5に示す負のヒステ
リシス特性を呈する。さらに、センサ特性を向上させる
ために、熱処理後のセンサ軸に、磁気異方性部のナーリ
ング溝の底部のアールよりも小さな粒径のショット粒に
よりショットピーニング処理を施した場合も、それによ
ってヒステリシスの大きさは小さくなるものの、やはり
負のヒステリシス特性を示す。これによって、図5に示
すような負のヒステリシス22を発生させることになる
と考えられる。
On the other hand, it is also possible to provide the magnetostrictive torque sensor with a negative hysteresis characteristic as shown in FIG. For example, if the magnetically anisotropic parts 12 and 13 of the torque sensor shaft 11 shown in FIG. 1 are formed by rolling, and then this part is subjected to a heat treatment such as carburizing, quenching and tempering, the torque obtained thereby can be obtained. The sensor exhibits the negative hysteresis characteristic shown in FIG. Furthermore, in order to improve the sensor characteristics, when the sensor axis after the heat treatment is subjected to shot peening with shot particles having a particle size smaller than the radius at the bottom of the knurling groove of the magnetically anisotropic part, the hysteresis is also reduced. Have a small hysteresis characteristic, though they have a small size. It is considered that this causes a negative hysteresis 22 as shown in FIG.

【0024】この現象を詳細に説明する。上述の図2〜
図4に示されるヒステリシスの説明と同様に、図1に示
すトルクセンサ軸11に図示のように時計方向(CW)
のトルクTを印加すると、軸心方向に対し+45度の方
向にナーリング溝が形成された磁気異方性部12からの
出力V1は図6のようになり、軸心方向に対し−45度
の方向にナーリング溝が形成された磁気異方性部13か
らの出力V2は図7のようになる。ΔV1は図6におけ
る負のヒステリシス、ΔV2は図7における負のヒステ
リシスである。その結果、図1の回路構成によりトルク
センサ出力VがV=V1−V2となるようにすると、図
5の出力電圧が得られるのである。このとき、負のヒス
テリシス22の大きさは、ΔV1もΔV2も同一極性の
「負のヒステリシス」であるため、|ΔV1|+|ΔV
2|となる。
This phenomenon will be described in detail. FIG. 2 above
As in the description of the hysteresis shown in FIG. 4, the torque sensor shaft 11 shown in FIG.
When the torque T is applied, the output V1 from the magnetic anisotropic portion 12 in which the knurling groove is formed in the direction of +45 degrees with respect to the axial direction becomes as shown in FIG. FIG. 7 shows the output V2 from the magnetically anisotropic portion 13 in which the knurling groove is formed in the direction. ΔV1 is the negative hysteresis in FIG. 6, and ΔV2 is the negative hysteresis in FIG. As a result, when the torque sensor output V is set to V = V1−V2 by the circuit configuration of FIG. 1, the output voltage of FIG. 5 is obtained. At this time, since the magnitude of the negative hysteresis 22 is “negative hysteresis” of the same polarity in both ΔV1 and ΔV2, | ΔV1 | + | ΔV
2 |.

【0025】図5に示す負のヒステリシスの発生原因
は、次の通りであると考えることができる。すなわち、
ナーリング溝の形成のためにセンサ軸11の表面が切削
加工あるいは転造加工された場合には、その部分の軸表
面に多数の微小なクラックつまり機械的な欠陥が発生す
る。その欠陥の深さは、軸表面から、ナーリング溝の深
さの2倍程度にまで達する。そして、このような機械的
な欠陥が存在する状況のもとでセンサ軸が製造され、そ
のセンサ軸にて形成されたトルクセンサにトルクが印加
された場合には、この欠陥によって、磁壁移動や磁化回
転の磁化過程が阻害される。その結果、印加トルクが解
除されたときに、それまで機械的な欠陥によって阻害さ
れていた磁壁移動や磁化回転が、機械的な欠陥の少ない
ところにあるまわりの磁化の動きに引きずられて、元の
状態を越えて後戻りすることになる。これにより、図5
に示すような負のヒステリシス22を発生させることに
なると考えられる。したがって、ここではこの現象を
「磁気−機械的効果によるヒステリシス」と称すること
ができる。
The cause of the occurrence of the negative hysteresis shown in FIG. 5 can be considered as follows. That is,
When the surface of the sensor shaft 11 is cut or rolled to form the knurling groove, a large number of minute cracks, that is, mechanical defects are generated on the shaft surface at that portion. The depth of the defect reaches about twice the depth of the knurling groove from the shaft surface. Then, when the sensor shaft is manufactured in a situation where such a mechanical defect exists, and a torque is applied to a torque sensor formed by the sensor shaft, the defect causes domain wall movement and the like. The magnetization process of the magnetization rotation is hindered. As a result, when the applied torque is released, the domain wall motion and magnetization rotation, which had been hindered by mechanical defects, are dragged by the magnetization motion around where there are few mechanical defects. Will go back beyond the state. As a result, FIG.
It is considered that the negative hysteresis 22 shown in FIG. Therefore, this phenomenon can be referred to herein as "hysteresis due to the magneto-mechanical effect".

【0026】以上により、工夫をすれば、特定の材料に
て形成され、かつ特定の制御された機械的欠陥を有する
トルクセンサ軸を用いれば、正のヒステリシス特性と負
のヒステリシス特性とを兼備させることが可能になると
予測することができる。
As described above, if a torque sensor shaft formed of a specific material and having a specific controlled mechanical defect is used, a positive hysteresis characteristic and a negative hysteresis characteristic can be combined. Can be expected to be possible.

【0027】本発明は、この点に着目してなされたもの
である。このように、一つのトルクセンサ軸において正
のヒステリシス特性と負のヒステリシス特性とを兼備さ
せた場合には、本発明の一つの実施の形態として図8に
示すように、このトルクセンサ軸によって構成されるト
ルクセンサの励磁条件としての励磁周波数f1〜f4を
任意に変化させることで、センサに正のヒステリシスh
3、h4と負のヒステリシスh1、h2とのいずれかを
発生させることができる。またこのとき、励磁周波数f
1〜f4を変化させることによって、各ヒステリシスh
1〜h4の大きさを変化させることができる。
The present invention has been made by paying attention to this point. As described above, in a case where both the positive hysteresis characteristic and the negative hysteresis characteristic are provided in one torque sensor shaft, one embodiment of the present invention is configured by this torque sensor shaft as shown in FIG. By arbitrarily changing the excitation frequencies f1 to f4 as the excitation conditions of the torque sensor to be applied, the sensor has a positive hysteresis h.
3, h4 and negative hysteresis h1, h2. At this time, the excitation frequency f
By changing 1 to f4, each hysteresis h
The size of 1 to h4 can be changed.

【0028】このため、正のヒステリシスh3、h4を
発生させる励磁周波数f3、f4と、負のヒステリシス
h1、h2を発生させる励磁周波数f1、f2との間の
特定の励磁周波数f0を選択すれば、正のヒステリシス
も負のヒステリシスも生じない状態を作り出すことがで
きる。つまり、センサのヒステリシスを、正の値と負の
値との間の実質的にゼロとなるところに設定することが
できる。
Therefore, if a specific excitation frequency f0 between the excitation frequencies f3 and f4 that generate the positive hysteresis h3 and h4 and the excitation frequencies f1 and f2 that generate the negative hysteresis h1 and h2 is selected, A state can be created in which neither positive nor negative hysteresis occurs. That is, the hysteresis of the sensor can be set to a value that is substantially zero between a positive value and a negative value.

【0029】このように正のヒステリシス特性と負のヒ
ステリシス特性とを兼備するようにトルクセンサ軸を構
成するために、たとえば図1に示されるトルクセンサ軸
11の磁気異方性部12、13において、その最外表面
層の磁歪特性のヒステリシスの方向と、その直近下部層
の磁歪特性のヒステリシスの方向とが、互いに逆方向に
なるように構成することができる。
In order to configure the torque sensor shaft so as to have both the positive and negative hysteresis characteristics in this manner, for example, the magnetic anisotropic portions 12 and 13 of the torque sensor shaft 11 shown in FIG. The direction of the hysteresis of the magnetostriction characteristic of the outermost surface layer and the direction of the hysteresis of the magnetostriction characteristic of the layer immediately below the outermost surface layer may be opposite to each other.

【0030】このための手法の一つとして、ナーリング
溝にて形成された磁気異方性部に、ショット粒の粒径を
変えた2段階のショットピーニング処理を施すことが挙
げられる。すなわち、図9において、24はトルクセン
サ軸の磁気異方性部12、13を構成するナーリング溝
の山部である。いま、この山部24に、この山部24を
機械加工したことなどに起因する機械的な欠陥としての
クラック25が発生していたとする。
One of the techniques for this is to apply a two-stage shot peening process to the magnetically anisotropic portion formed by the knurling groove while changing the particle size of the shot grains. That is, in FIG. 9, reference numeral 24 denotes a knurling groove peak portion forming the magnetic anisotropic portions 12 and 13 of the torque sensor shaft. Now, it is assumed that a crack 25 has been generated in the crest 24 as a mechanical defect caused by machining the crest 24 or the like.

【0031】まず、第1段階として、溝底の半径Rがた
とえば0.3mmのナーリング溝の山部24を含む磁気
異方性部の全体に、粒径の比較的大きなショツト粒を用
いて、具体的にはたとえば中心粒径が250μmの鋼製
のショット粒26を用いて、ショットピーニングを施
す。すると、この第1段階のショットピーニング処理に
よって、クラック25すなわち機械的な欠陥が、マクロ
的にみると全体として改善される。このようにショツト
ピーニング処理を施して機械的な欠陥をマクロ的にみて
全体的に改善させることで、もともと大きかった負のヒ
ステリシス特性を、所要の程度の負のヒステリシス特性
に抑えることができる。
First, as a first stage, relatively large shot grains are used for the entire magnetic anisotropic portion including the ridge 24 of the knurling groove having a groove bottom radius R of 0.3 mm, for example. Specifically, for example, shot peening is performed using steel shot grains 26 having a center particle diameter of 250 μm. Then, by the shot peening process of the first stage, the crack 25, that is, the mechanical defect is improved as a whole in macro terms. In this way, by performing the shot peening process to improve mechanical defects as a whole from a macro perspective, the originally large negative hysteresis characteristic can be suppressed to a required negative hysteresis characteristic.

【0032】次に第2段階として、きわめて粒径の小さ
な、具体的にはたとえば中心粒径が50μmの鋼製のシ
ョット粒27を用いて、ショットピーニングを施す。す
ると、このように粒径の小さなショット粒27を用いる
ことによって、クラック25における特に軸表面部の欠
陥がさらに改善されることになる。
Next, as a second stage, shot peening is performed using shot grains 27 made of steel having a very small grain size, specifically, for example, a center grain size of 50 μm. Then, by using the shot grains 27 having such a small particle size, defects in the cracks 25, particularly at the shaft surface portion, are further improved.

【0033】一般に、磁気異方性部が形成されたトルク
センサ軸を励磁コイルによって交流励磁した場合におい
て、その励磁周波数を変化させたときには、磁気異方性
部における磁束の通り方は、次のようになる。すなわ
ち、磁束の表皮効果により、励磁周波数が低い場合には
磁束は軸における表面から深い所まで入り込み、反対に
励磁周波数が高い場合には磁束は軸の最外表面層に集中
する。
Generally, when the torque sensor shaft on which the magnetically anisotropic part is formed is AC-excited by an exciting coil, when the excitation frequency is changed, the direction of the magnetic flux in the magnetically anisotropic part is as follows. Become like That is, due to the skin effect of the magnetic flux, when the excitation frequency is low, the magnetic flux penetrates deep from the surface of the shaft, and when the excitation frequency is high, the magnetic flux concentrates on the outermost surface layer of the shaft.

【0034】このため、2段階のショットピーニングが
施されることで機械的な欠陥が全体的に改善され、特に
軸表面部の欠陥が著しく改善された磁気異方性部を有す
るトルクセンサ軸を励磁すると、励磁周波数が比較的低
い場合は、上述の全体的に改善されてはいるが内部に一
部分機械的な欠陥をもつ部分を磁束が通過する。このた
め、センサは図5に示すような負のヒステリシス特性を
呈する(前述の「磁気−機械的効果によるヒステリシ
ス」)。その値は、励磁周波数によって変化する。これ
に対し、励磁周波数が比較的高い場合は、上述の欠陥が
著しく改善されてほとんど無欠陥の最外表面部のみをフ
ラックスが通過するため、センサは図2に示すような正
のヒステリシス特性を呈する(前述の「磁気効果による
ヒステリシス」)。その値は、同様に励磁周波数によっ
て変化する。
Therefore, the mechanical defect is improved as a whole by performing the two-stage shot peening, and in particular, a torque sensor shaft having a magnetically anisotropic part in which the defect on the shaft surface is significantly improved is provided. When excited, the magnetic flux passes through the above-described generally improved but partially mechanically defective portion if the excitation frequency is relatively low. Therefore, the sensor exhibits a negative hysteresis characteristic as shown in FIG. 5 (the above-mentioned "hysteresis due to the magneto-mechanical effect"). Its value varies with the excitation frequency. On the other hand, when the excitation frequency is relatively high, the above-mentioned defect is significantly improved, and the flux passes only through the almost defect-free outermost surface, so that the sensor has a positive hysteresis characteristic as shown in FIG. ("Hysteresis due to the magnetic effect" described above). Its value also varies with the excitation frequency.

【0035】したがって、上述の特殊なトルクセンサ軸
について、励磁周波数を調節すれば、正のヒステリシス
も負のヒステリシスも生じない状態、すなわち、センサ
のヒステリシスを正の値と負の値との間の実質的にゼロ
となるところに設定することができる。
Therefore, if the excitation frequency is adjusted with respect to the special torque sensor shaft described above, neither positive nor negative hysteresis occurs, that is, the hysteresis of the sensor is changed between a positive value and a negative value. It can be set to a point where it becomes substantially zero.

【0036】このように、2段階のショットピーニング
を施すことで、つまり、軸の最外表面層すなわち軸表面
から深さ10μm程度までの範囲を、ほとんど機械的欠
陥を有しない健全な構成として「磁気効果によるヒステ
リシス」を発現させるようにするとともに、この健全な
最外表面層の直近下部すなわち深さ10μmから100
μm程度までの範囲を、制御された機械的欠陥層とし
て、「磁気−機械的効果によるヒステリシス」を発現さ
せるようにすることで、励磁周波数の選択によりセンサ
のヒステリシスを実質的にゼロにすることができる。
As described above, by performing the two-stage shot peening, that is, the range from the outermost surface layer of the shaft, that is, the shaft surface to a depth of about 10 μm, is regarded as a sound structure having almost no mechanical defects. Hysteresis due to the magnetic effect "is developed, and a portion immediately below the sound outermost surface layer, that is, a depth of 10 μm to 100 μm.
By making the hysteresis due to the magneto-mechanical effect appear as a controlled mechanical defect layer in the range up to about μm, the hysteresis of the sensor can be made substantially zero by selecting the excitation frequency. Can be.

【0037】このような、健全な最外表面層と、その直
近下部の制御された機械的欠陥層とを有した構成を得る
ための別の手法として、ナーリング溝を形成するための
転造速度を遅くするなど、転造プロセスを制御すること
によって、制御された機械的欠陥層をも同時に形成し、
その後に微細なショット粒を用いたショットピーニング
を施すことによって健全な最外表面層を形成することも
可能である。
As another method for obtaining such a structure having a sound outermost surface layer and a controlled mechanical defect layer immediately below the outermost surface layer, a rolling speed for forming a knurling groove is known. By controlling the rolling process, such as slowing down, simultaneously forming a controlled mechanical defect layer,
Thereafter, a sound outermost surface layer can be formed by performing shot peening using fine shot grains.

【0038】一般的には、制御された機械的欠陥層は、
上述の機械的欠陥を粒径の大きなショット粒により改善
する方法や、ナーリング溝を制御された転造加工によっ
て形成する方法のほかの、適宜の方法によって形成する
ことができる。また、健全な最外表面層は、上述の粒径
の小さなショット粒によるショットピーニング処理のほ
かに、メッキやCVDなどによる化学的形成方法や、溶
射、PVD、イオンプレーティングなどによる物理的形
成方法や、レーザ照射などの熱処理による形成方法など
によって、形成することができる。
Generally, the controlled mechanical defect layer is:
It can be formed by an appropriate method other than the above-described method of improving the mechanical defect by shot grains having a large particle diameter, or the method of forming the knurling groove by controlled rolling. The sound outermost surface layer may be formed by a chemical forming method such as plating or CVD, or a physical forming method such as thermal spraying, PVD, or ion plating, in addition to the shot peening treatment using the shot particles having a small particle diameter. Alternatively, it can be formed by a forming method by heat treatment such as laser irradiation.

【0039】トルクセンサに正のヒステリシス特性と負
のヒステリシス特性とを兼備させるための処置として
は、上述の制御された機械的欠陥層からなる直近下部層
と健全な最外表面層とを形成することに代えて、他の手
法を採用することも可能である。
As a measure for making the torque sensor have both a positive hysteresis characteristic and a negative hysteresis characteristic, the immediately lower layer composed of the above-mentioned controlled mechanical defect layer and a sound outermost surface layer are formed. Alternatively, other techniques can be employed.

【0040】たとえば、軸材を熱処理することによっ
て、正のヒステリシス特性と負のヒステリシス特性とを
付与することが可能である。本発明者の知見によれば、
たとえばナーリング溝方式のトルクセンサの軸材がSN
CM815である場合には、ナーリング溝を転造しただ
けで熱処理を行わない場合や、転造後に浸炭窒化焼入焼
戻を行った場合には、センサ出力(V=V1−V2)に
正のヒステリシス特性を付与することができる。これに
対し、転造後の上記軸材に、浸炭焼入焼戻や、浸炭焼入
とそれに続く高周波焼入焼戻や、浸炭防止焼入焼戻や、
浸炭窒化防止焼入焼戻や、高周波焼入焼戻を行った場合
には、センサ出力(V=V1−V2)に負のヒステリシ
ス特性を付与することができる。
For example, it is possible to impart a positive hysteresis characteristic and a negative hysteresis characteristic by heat-treating the shaft. According to the findings of the inventor,
For example, the shaft material of the knurling groove type torque sensor is SN
In the case of CM815, if the heat treatment is not performed only by rolling the knurling groove, or if carbonitriding, quenching and tempering are performed after rolling, a positive sensor output (V = V1-V2) is obtained. Hysteresis characteristics can be provided. On the other hand, to the shaft material after rolling, carburizing and quenching and tempering, and carburizing and quenching followed by induction hardening and tempering,
When quenching and tempering to prevent carbonitriding or induction hardening and tempering are performed, a negative hysteresis characteristic can be given to the sensor output (V = V1−V2).

【0041】そこで、たとえば軸材における表面からの
深さの異なるそれぞれの部分に、正のヒステリシス特性
を付与可能な第1の熱処理と、負のヒステリシス特性を
付与可能な第2の熱処理とを施すことで、正負のヒステ
リシス特性を兼備させることができる。
Therefore, for example, a first heat treatment capable of imparting a positive hysteresis characteristic and a second heat treatment capable of imparting a negative hysteresis characteristic are applied to respective portions of the shaft material having different depths from the surface. Thus, both positive and negative hysteresis characteristics can be provided.

【0042】熱処理によりヒステリシスゼロの状態を実
現するための他の手法として、たとえば、図1に示すト
ルクセンサ軸11における一対の磁気異方性部12、1
3で熱処理の方法を変えて、一方の磁気異方性部が正の
ヒステリシス特性を呈すると共に、他方の磁気異方性部
が負のヒステリシス特性を呈するように構成することも
できる。
As another method for realizing a state of zero hysteresis by heat treatment, for example, a pair of magnetic anisotropic parts 12, 1 in a torque sensor shaft 11 shown in FIG.
The heat treatment method may be changed in 3 so that one magnetically anisotropic part has a positive hysteresis characteristic and the other magnetically anisotropic part has a negative hysteresis characteristic.

【0043】たとえば、図1のトルクセンサ軸11にお
ける一方の磁気異方性部12のナーリング溝に浸炭窒化
防止焼入焼戻処理を施して負のヒステリシス特性を付与
するとともに、他方の磁気異方性部13のナーリング溝
に浸炭窒化焼入焼戻処理を施して正のヒステリシス特性
を付与することによって、前記と同様のセンサの合成出
力につき、ヒステリシス特性を実質的にゼロにすること
ができる。
For example, the knurling groove of one magnetic anisotropic portion 12 in the torque sensor shaft 11 of FIG. 1 is subjected to carbonitriding quenching and tempering treatment so as to impart a negative hysteresis characteristic and to provide the other magnetic anisotropic member. By applying a carbonitriding, quenching and tempering treatment to the knurling groove of the characteristic portion 13 to give a positive hysteresis characteristic, the hysteresis characteristic can be made substantially zero for the combined output of the same sensor as described above.

【0044】トルクセンサ軸11の一部分に浸炭窒化防
止焼入焼戻処理を施すためには、熱処理の前にその部分
に浸炭窒化防止めっきやアルミメタリコン処理などを行
い、また熱処理後にこれらの表面処理材料を取り除けば
よい。
In order to perform a carbonitriding quenching and tempering treatment on a part of the torque sensor shaft 11, the part is subjected to a carbonitriding preventive plating or an aluminum metallikon treatment before the heat treatment. All you have to do is remove the material.

【0045】このようなトルクセンサ軸11にトルクT
が印加された場合の、負のヒステリシス特性を呈する磁
気異方性部の出力V1の特性例を図10に示し、そのと
きの正のヒステリシス特性を呈する磁気異方性部の出力
V2の特性例を図11に示す。正のヒステリシス特性を
発現させるために上述の浸炭窒化焼入焼戻処理を施す
と、その部分の軸表面が硬くなり、そのため図示のよう
にトルク検出感度が低くなる。図12は、トルクセンサ
の出力V、すなわちV=V1−V2の特性を示す。
The torque T is applied to the torque sensor shaft 11 as described above.
FIG. 10 shows an example of the characteristic of the output V1 of the magnetic anisotropic part exhibiting the negative hysteresis characteristic in the case where is applied, and the characteristic example of the output V2 of the magnetic anisotropic part exhibiting the positive hysteresis characteristic at that time. Is shown in FIG. If the above-mentioned carbonitriding, quenching, and tempering treatment is performed in order to exhibit a positive hysteresis characteristic, the shaft surface at that portion becomes hard, so that the torque detection sensitivity decreases as shown in the figure. FIG. 12 shows the output V of the torque sensor, that is, the characteristic of V = V1-V2.

【0046】なお、このように一つの軸材に異なった熱
処理を施して、互いに極性の異なるヒステリシス特性を
有した一対の磁気異方性部を形成する場合には、図10
および図11に示し、また上述したように、一方の磁気
異方性部の出力V1の特性と他方の磁気異方性部の出力
V2の特性とが揃わないことがある。すなわち、図10
と図11との線図では、同一のトルクが印加されたとき
の出力V1、V2の大きさ(絶対値)が相違し、また線
図の傾きも互いに相違している。このような場合には、
図1に示される演算回路としての減算器17の特性を調
節することなどによって、図12に示すようにセンサの
ヒステリシスを実質的にゼロにすることができる。
When a single shaft is subjected to different heat treatments to form a pair of magnetically anisotropic parts having hysteresis characteristics having different polarities as shown in FIG.
As shown in FIG. 11 and described above, the characteristics of the output V1 of one magnetically anisotropic part and the characteristics of the output V2 of the other magnetically anisotropic part may not be uniform. That is, FIG.
11 and FIG. 11, the magnitudes (absolute values) of the outputs V1 and V2 when the same torque is applied are different, and the slopes of the diagrams are also different from each other. In such a case,
By adjusting the characteristic of the subtractor 17 as the arithmetic circuit shown in FIG. 1, the hysteresis of the sensor can be made substantially zero as shown in FIG.

【0047】さらに、軸に磁歪スリーブを外ばめするこ
とにより磁気異方性部を形成する構成であって、この磁
歪スリーブが、正のヒステリシス特性を備えた第1の層
と、負のヒステリシス特性を備えた第2の層とを有した
多層構造であるようにしても、同様に両方のヒステリシ
ス特性を兼備させることができる。
Further, a magnetically anisotropic portion is formed by externally fitting a magnetostrictive sleeve on the shaft, wherein the magnetostrictive sleeve comprises a first layer having a positive hysteresis characteristic and a negative hysteresis. Even in the case of a multi-layer structure having a second layer having characteristics, both hysteresis characteristics can be similarly provided.

【0048】図13は、このように軸に2層構造の磁歪
スリーブを外ばめした構成のトルクセンサを例示する。
この図13のトルクセンサは、前述のアメリカ特許第5
520059号のトルクセンサを改良したものである。
FIG. 13 shows an example of a torque sensor having a structure in which a two-layered magnetostrictive sleeve is fitted around a shaft.
The torque sensor shown in FIG.
No. 520059 is an improved version of the torque sensor.

【0049】このアメリカ特許第5520059号のト
ルクセンサは、たとえばセンサ軸としての非磁性のステ
ンレス軸材に軟磁性磁歪材料であるニッケルマルエージ
ング鋼からなる磁歪スリーブをきつく外ばめし、その後
にこの磁歪スリーブを円周方向に磁化し、そして、この
磁歪スリーブの外側に、軸への印加トルクに比例した磁
歪スリーブからの漏れ磁束を検出するためのホール素子
などのピックアップ素子を配したものである。このよう
な構成において、センサ軸にトルクが印加されていない
無負荷状態では、磁歪スリーブに導入されている円周方
向の磁化は、周りには漏れ出さない。したがってこの状
態ではホール素子からのトルク出力は発生しない。とこ
ろが、センサ軸にトルクが印加されると、磁歪スリーブ
に誘導されている円周方向磁化が、印加トルクの方向に
対応して+45度方向もしくは−45度方向に磁化の向
きを変える。これによって、トルクの大きさに比例した
漏れ磁束が磁歪スリーブから発生し、ホール素子がこの
漏れ磁束を検出することによってトルク出力が発生する
ことになる。
The torque sensor disclosed in US Pat. No. 5520059, for example, has a magnetostrictive sleeve made of nickel maraging steel, which is a soft magnetic magnetostrictive material, fitted tightly to a non-magnetic stainless steel shaft serving as a sensor shaft. The sleeve is magnetized in the circumferential direction, and a pickup element such as a Hall element for detecting leakage magnetic flux from the magnetostrictive sleeve in proportion to the torque applied to the shaft is arranged outside the magnetostrictive sleeve. In such a configuration, in a no-load state where no torque is applied to the sensor shaft, the circumferential magnetization introduced into the magnetostrictive sleeve does not leak out. Therefore, in this state, no torque output is generated from the Hall element. However, when a torque is applied to the sensor axis, the circumferential magnetization induced in the magnetostrictive sleeve changes the direction of the magnetization in the +45 degree direction or the -45 degree direction in accordance with the direction of the applied torque. As a result, a leakage magnetic flux proportional to the magnitude of the torque is generated from the magnetostrictive sleeve, and the Hall element detects the leakage magnetic flux to generate a torque output.

【0050】そして、この場合は、センサにオーバーロ
ードトルクが印加されると、それによって磁歪スリーブ
の磁歪現象のヒステリシスが発生し、それにもとづき検
出出力にヒステリシス、換言すると過負荷後のゼロエラ
ーが発生することになる。
In this case, when an overload torque is applied to the sensor, a hysteresis of the magnetostrictive phenomenon of the magnetostrictive sleeve occurs due to the applied overload torque, and a hysteresis occurs in the detection output based on the hysteresis, in other words, a zero error after overload occurs. Will do.

【0051】図13に示した本発明の実施の形態のトル
クセンサは、このようなゼロエラーの発生の防止を図っ
たものである。すなわち、非磁性材料にて形成されたト
ルクセンサ軸31に第1の層としての第1の磁歪スリー
ブ32をきつく外ばめし、さらにこの第1のスリーブ3
2に、第2の層としての第2の磁歪スリーブ33をきつ
く外ばめしたものである。34はホール素子で、第2の
磁歪スリーブ33の外面に近接して設けられている。
The torque sensor according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 13 prevents such a zero error from occurring. That is, a first magnetostrictive sleeve 32 as a first layer is tightly fitted on a torque sensor shaft 31 formed of a nonmagnetic material, and the first sleeve 3
In FIG. 2, a second magnetostrictive sleeve 33 as a second layer is tightly fitted. Reference numeral 34 denotes a Hall element, which is provided near the outer surface of the second magnetostrictive sleeve 33.

【0052】内側の第1の磁歪スリーブ32と外側の第
2の磁歪スリーブ33とは、それぞれ磁歪現象のヒステ
リシスの正負が逆になるように構成されている。こうす
ることで、内外の磁歪スリーブの一方に正のヒステリシ
ス特性を付与するとともに、他方に負のヒステリシス特
性を付与することができる。なお、第1の磁歪スリーブ
32と第2の磁歪スリーブ33とのヒステリシス特性を
逆にすることは、任意の手段によって達成することがで
きる。すなわち、ショットピーニング、熱処理、機械加
工、物理的処理、化学的処理などのいかなるものによる
かは不問である。また、このような内外の二つのスリー
ブ構造に代えて、一つのスリーブの最外表面層とその直
近下部層とでヒステリシス特性の正負を逆にした構成と
することも可能である。
The inner first magnetostrictive sleeve 32 and the outer second magnetostrictive sleeve 33 are configured such that the hysteresis of the magnetostrictive phenomenon is opposite in sign. By doing so, a positive hysteresis characteristic can be provided to one of the inner and outer magnetostrictive sleeves, and a negative hysteresis characteristic can be provided to the other. Reversing the hysteresis characteristics of the first magnetostrictive sleeve 32 and the second magnetostrictive sleeve 33 can be achieved by any means. That is, it does not matter what shot peening, heat treatment, machining, physical treatment, chemical treatment, or the like is performed. Further, instead of the two inner and outer sleeve structures, it is also possible to adopt a configuration in which the outermost surface layer of one sleeve and the layer immediately below the outermost layer have opposite hysteresis characteristics.

【0053】上記のように第1の磁歪スリーブ32と第
2の磁歪スリーブ33とを内外に配することに代えて、
上述の熱処理の場合と同様にトルクセンサ軸31の軸心
方向に距離をおいた一対の位置に第1の磁歪スリーブ3
2と第2の磁歪スリーブ33とをそれぞれきつく外ばめ
し、それらのヒステリシス特性の正負を制御することに
よって、そのセンサの合成出力のヒステリシス特性を実
質的にゼロにすることもできる。
Instead of disposing the first magnetostrictive sleeve 32 and the second magnetostrictive sleeve 33 inside and outside as described above,
As in the case of the heat treatment described above, the first magnetostrictive sleeve 3 is located at a pair of positions spaced apart in the axial direction of the torque sensor shaft 31.
The hysteresis characteristic of the combined output of the sensor can be made substantially zero by tightly fitting each of the second and second magnetostrictive sleeves 33 and controlling the sign of the hysteresis characteristic.

【0054】図14は、他の原理を用いた実施の形態を
示す。すなわち、トルクセンサ軸41には、ナーリング
溝によって形成された第1の磁気異方性部42と第2の
磁気異方性部43とが、軸心方向に距離をおいた一対の
位置に形成されている。そして、第1の磁気異方性部4
2のナーリング溝の角度すなわちナーリング溝がトルク
センサ軸41の軸心44となす角をαとし、同様に第2
の磁気異方性部43のナーリング溝がトルクセンサ軸4
1の軸心44となす角をβとして、これらの角α、βの
大きさを互いに異ならせることによって、第1の磁気異
方性部42と第2の磁気異方性部43とでヒステリシス
の正負の特性が逆になるように構成されている。その他
の部材については、図1に示したものと同様の構成であ
るので、同様の参照番号を付してその詳細な説明は省略
する。
FIG. 14 shows an embodiment using another principle. That is, the first magnetic anisotropic portion 42 and the second magnetic anisotropic portion 43 formed by the knurling groove are formed on the torque sensor shaft 41 at a pair of positions spaced apart in the axial direction. Have been. Then, the first magnetic anisotropic part 4
The angle of the knurl groove, that is, the angle formed by the knurl groove with the axis 44 of the torque sensor shaft 41 is α,
The knurling groove of the magnetic anisotropic part 43 of the torque sensor shaft 4
The angle formed between the first magnetic anisotropic portion 42 and the second magnetic anisotropic portion 43 is determined by setting the angle formed between the first magnetic anisotropic portion 42 and the second magnetic anisotropic portion 43 by setting the angle formed between the first magnetic anisotropic portion 43 and the angle α to β. Are configured such that the positive and negative characteristics of are reversed. The other members have the same configuration as that shown in FIG. 1, and thus the same reference numerals are given and the detailed description thereof will be omitted.

【0055】図14のトルクセンサの原理は、次の通り
である。すなわち、たとえばトルクセンサ軸に転造加工
によりナーリング溝を形成し、その後に浸炭処理を施
し、そしてさらに高周波焼入焼戻を行い、最後にその表
面にショットピーニングを施して磁気異方性部を形成し
た場合において、センサ軸の軸心方向に対しナーリング
溝がなす角を変化させたときには、その磁気異方性部の
ヒステリシス特性は、特開平4−50741号公報にも
記載されているように、図15に示すように変化する。
The principle of the torque sensor shown in FIG. 14 is as follows. That is, for example, a knurling groove is formed by rolling on the torque sensor shaft, then carburizing is performed, and further induction hardening and tempering are performed, and finally the surface is shot peened to form a magnetic anisotropic portion. When the angle formed by the knurling groove with respect to the axial direction of the sensor shaft is changed, the hysteresis characteristic of the magnetically anisotropic portion is as described in JP-A-4-50741. , As shown in FIG.

【0056】すなわち、ナーリング溝の角度を45度か
ら小さくするにしたがい、センサの負のヒステリシス
(図5に示されるもの)が小さくなり、角度が15度と
なったときには、センサに正ヒステリシス(図2に示さ
れるもの)が生じる。
That is, as the angle of the knurling groove becomes smaller from 45 degrees, the negative hysteresis of the sensor (shown in FIG. 5) becomes smaller, and when the angle becomes 15 degrees, the sensor becomes positive hysteresis (see FIG. 5). 2).

【0057】このため、図15にもとづき、たとえば第
1の磁気異方性部42のナーリング溝のなす角αを+1
5度と設定するとともに、第2の磁気異方性部43にお
いて第1の磁気異方性部42とは正負が逆で大きさの等
しいヒステリシスが生じるように、そのナーリング溝の
なす角βを−33度と設定すると、図14の回路によっ
て形成される合成出力V=V1−V2のヒステリシスを
実質的にゼロにすることができる。
Therefore, based on FIG. 15, for example, the angle α formed by the knurling groove of the first magnetic anisotropic portion 42 is increased by +1.
The angle β formed by the knurling groove is set to 5 degrees so that the second magnetic anisotropic portion 43 has the same magnitude as that of the first magnetic anisotropic portion 42, so that the hysteresis is opposite to that of the first magnetic anisotropic portion 42. When the angle is set to −33 degrees, the hysteresis of the composite output V = V1−V2 formed by the circuit of FIG. 14 can be made substantially zero.

【0058】なお、このように一つの軸材にその軸心4
4となす角α、βが互いに相違した一対の磁気異方性部
を形成する場合には、図10および図11の場合と同様
に、一方の磁気異方性部の出力V1の特性と他方の磁気
異方性部の出力V2の特性とが揃わないことがある。し
かし、その場合も、図14に示される回路の特性を調節
することによって、センサのヒステリシスを実質的にゼ
ロにすることができる。
As described above, one shaft member has its shaft center 4
In the case of forming a pair of magnetic anisotropic parts having angles α and β different from each other, as in the case of FIGS. 10 and 11, the characteristic of the output V1 of one magnetic anisotropic part and the other And the output V2 characteristic of the magnetic anisotropic portion may not be uniform. However, in that case, too, the hysteresis of the sensor can be made substantially zero by adjusting the characteristics of the circuit shown in FIG.

【0059】本発明によれば、正のヒステリシス特性と
負のヒステリシス特性とを発現させる際に、それぞれの
特性を、上述の各処置を重複して行うことで発現させる
こともできる。たとえば、正負いずれかのヒステリシス
特性を発現させる際に、熱処理とショットピーニング処
理とを併用することもできる。
According to the present invention, when the positive hysteresis characteristic and the negative hysteresis characteristic are expressed, each characteristic can be expressed by performing the above-described treatments repeatedly. For example, when expressing either the positive or negative hysteresis characteristics, the heat treatment and the shot peening can be used in combination.

【0060】また本発明によれば、上述のナーリング溝
とソレノイドコイルとの組み合わせにより構成されるも
のの他に、磁気センサ軸と磁気ヘッドとにより構成され
るものであっても差し支えない。
In addition, according to the present invention, in addition to the above-described structure constituted by the combination of the knurling groove and the solenoid coil, the structure may be constituted by a magnetic sensor shaft and a magnetic head.

【0061】[0061]

【実施例】(第1の実施例)計測定格トルクが10N
m、オーバーロードトルクが150Nmのトルクセンサ
軸を製造するために、JISのSNCM815材で機械
加工した直径15mmの軸の外周に、磁気異方性部とし
て、45度の角度でナーリング溝を転造により形成し
た。溝底の半径Rは0.3mmとした。そして、この軸
材に高周波焼入焼戻処理により熱処理を行った。次に、
第1段階のショットピーニング処理として、中心粒径が
約250μmの鋼製のショット粒を用いた処理を行っ
た。さらに、第2段階のショットピーニング処理とし
て、中心粒径が約50μmの鋼製のショット粒を用いた
処理を行った。
Embodiment (First Embodiment) Measured rated torque is 10N
In order to manufacture a torque sensor shaft with an overload torque of 150 Nm, a knurling groove is formed at an angle of 45 degrees as a magnetically anisotropic part on the outer periphery of a 15 mm diameter shaft machined with JIS SNCM815 material. Formed. The radius R of the groove bottom was 0.3 mm. Then, the shaft was heat-treated by induction hardening and tempering. next,
As the first stage shot peening treatment, treatment using steel shot grains having a center particle diameter of about 250 μm was performed. Further, as a second stage shot peening treatment, a treatment using steel shot grains having a center particle diameter of about 50 μm was performed.

【0062】このようにして得られたトルクセンサ軸に
おける磁気異方性部の周囲に励磁コイルと検出コイルと
を配置して、自動車のパワーステアリング軸用の、計測
定格トルクが10Nmの磁歪式トルクセンサを構成し
た。
An excitation coil and a detection coil are arranged around the magnetically anisotropic portion of the torque sensor shaft obtained in this way, and a magnetostrictive torque for a power steering shaft of an automobile having a measured rated torque of 10 Nm. The sensor was configured.

【0063】励磁コイルの励磁周波数を20、30、3
5、45kHzと変化させたときのセンサの出力(V=
V1−V2)のヒステリシス特性を図16に示す。ここ
で、横軸は励磁周波数である。縦軸は、計測定格トルク
の10Nmをフルスケール(FS)として、150Nm
のオーバーロードを印加後の、この計測定格フルスケー
ルに対するヒステリシスすなわちゼロエラーを百分率で
表したものである。この縦軸の上側は正のヒステリシス
を表し、その下側は負のヒステリシスを表す。この図1
6に示すように、励磁周波数が20および30kHzの
場合には、負のヒステリシス特性を示した。また励磁周
波数が35kHzおよび45kHzの場合には、正のヒ
ステリシス特性を呈した。そして、図16の線図に示す
ように、励磁周波数を32.5kHzとしたときには、
ヒステリシスを実質的にゼロにすることができた。
The excitation frequency of the excitation coil is set to 20, 30, 3
The output of the sensor when changing to 5, 45 kHz (V =
V1-V2) is shown in FIG. Here, the horizontal axis is the excitation frequency. The vertical axis represents 150 Nm with 10 Nm of the rated torque measured as the full scale (FS).
Is a percentage of the hysteresis or zero error with respect to this measurement rated full scale after the application of the overload. The upper side of this vertical axis represents positive hysteresis, and the lower side thereof represents negative hysteresis. This figure 1
As shown in FIG. 6, when the excitation frequency was 20 and 30 kHz, negative hysteresis characteristics were exhibited. When the excitation frequency was 35 kHz or 45 kHz, a positive hysteresis characteristic was exhibited. Then, as shown in the diagram of FIG. 16, when the excitation frequency is 32.5 kHz,
Hysteresis could be substantially reduced to zero.

【0064】図17は、同トルクセンサに、150Nm
のオーバーロードトルクと−150Nmのオーバーロー
ドトルクとを交互に繰り返し作用させたときの、ヒステ
リシス特性を示す。ここで横軸は時間である。縦軸は、
計測定格トルクの10Nmをフルスケール(FS)とし
て、このフルスケール(FS)に対するヒステリシスす
なわちゼロエラーを百分率で表したものである。また、
黒い四角印はゼロエラーすなわちオーバーロード印加・
除荷後のヒステリシスのデータを示し、黒い菱形印は時
計方向の150Nmのオーバーロードトルクを印加した
タイミングを示し、黒い三角印は反時計方向の−150
Nmのオーバーロードトルクを印加したタイミングを示
す。この図17に示すように、計測定格トルク10Nm
の15倍のオーバーロードトルクを印加した後において
も、ヒステリシスを、計測定格トルク10Nmをフルス
ケールとしたときの0.5%未満に抑えることができ
た。
FIG. 17 shows that the torque sensor has 150 Nm.
Shows the hysteresis characteristic when the overload torque of -150 Nm and the overload torque of -150 Nm are alternately and repeatedly applied. Here, the horizontal axis is time. The vertical axis is
Assuming that 10 Nm of the measured rated torque is a full scale (FS), the hysteresis for this full scale (FS), that is, a zero error is expressed in percentage. Also,
Black square marks indicate zero error, that is, overload
The hysteresis data after unloading is shown, black diamonds indicate the timing at which a 150 Nm overload torque is applied clockwise, and black triangles indicate -150 in the counterclockwise direction.
The timing at which Nm overload torque is applied is shown. As shown in FIG. 17, the measured rated torque is 10 Nm.
The hysteresis was able to be suppressed to less than 0.5% of the full scale of the rated torque of 10 Nm even after the application of the overload torque of 15 times of the above.

【0065】(第2の実施例)実施例1と同様の、計測
定格トルクが10Nm、オーバーロードトルクが150
Nmのトルクセンサ軸を製造するために、軸材に同様の
ナーリング溝を転造により形成した。そして、この軸材
のナーリング溝の部分はセンサ特性を向上するために浸
炭防止処理を施し、またナーリング溝以外の部分、特に
軸端部は、他の機械要素との結合に必要な強度と硬さと
を付与するために浸炭防止処理を施さずに、軸全体に浸
炭焼入焼戻し熱処理を行った。
(Second Embodiment) As in the first embodiment, the measured rated torque is 10 Nm and the overload torque is 150
In order to manufacture a torque sensor shaft of Nm, a similar knurling groove was formed in the shaft material by rolling. The knurling groove portion of the shaft is subjected to a carburizing prevention treatment to improve the sensor characteristics, and the portion other than the knurling groove, particularly the shaft end, is provided with the strength and hardness required for coupling with other mechanical elements. The entire shaft was subjected to a carburizing, quenching and tempering heat treatment without performing a carburizing prevention treatment to impart a hardness.

【0066】さらに、第1段階のショットピーニング処
理として中心粒径が約250μmの鋼製のショット粒を
用いた処理を行い、第2段階のショットピーニング処理
として中心粒径が約50μmの鋼製のショット粒を用い
た処理を行った。つまり、熱処理とショットピーニング
処理とを併用して、所要のヒステリシス特性を発現させ
た。
Further, as a first stage shot peening treatment, a treatment using steel shot grains having a center particle size of about 250 μm is performed, and as a second stage shot peening treatment, a steel shot particle having a center particle size of about 50 μm is performed. Processing using shot grains was performed. That is, the required hysteresis characteristics were developed by using both the heat treatment and the shot peening treatment.

【0067】このようにして得られたトルクセンサ軸の
周囲に同様に励磁コイルと検出コイルとを配置して、自
動車のパワーステアリング軸用の、計測定格トルクが1
0Nmの磁歪式トルクセンサを構成した。
An excitation coil and a detection coil are similarly arranged around the torque sensor shaft obtained in this way, and the measured rated torque for the power steering shaft of the automobile is 1 unit.
A 0 Nm magnetostrictive torque sensor was constructed.

【0068】図18は、図16と同様にこのトルクセン
サについて励磁周波数を変化させたときの、オーバーロ
ード印加・除荷後の、計測定格トルクに対するヒステリ
シス特性を示す。また図19は、図17と同様の繰り返
しオーバーロードを作用させたときのヒステリシス特性
を示す。図示のように、図18、図19とも、図16、
図17と同様の結果を達成することができた。
FIG. 18 shows the hysteresis characteristics with respect to the measured rated torque after the application of the overload and the unloading when the excitation frequency is changed for this torque sensor as in FIG. FIG. 19 shows a hysteresis characteristic when the same overload as in FIG. 17 is applied. As shown in FIGS. 18 and 19, FIGS.
The same result as in FIG. 17 was able to be achieved.

【0069】(実施例3)実施例1と同様の、計測定格
トルクが10Nm、オーバーロードトルクが150Nm
のトルクセンサ軸を製造するために、軸材に同様のナー
リング溝を転造により形成した。そして、実施例2と同
じように、この軸材のナーリング溝の部分はセンサ特性
を向上するために浸炭防止処理を施し、またナーリング
溝以外の部分、特に軸端部は、他の機械要素との結合に
必要な強度と硬さとを付与するために浸炭防止処理を施
さずに、軸全体に浸炭焼入焼戻し熱処理を行った。さら
に、中心粒径が約50μmの鋼製のショット粒を用いた
ショットピーニング処理を1回だけ施した。
(Embodiment 3) As in Embodiment 1, the measured rated torque is 10 Nm and the overload torque is 150 Nm.
A similar knurling groove was formed in the shaft material by rolling in order to manufacture the torque sensor shaft of (1). As in the case of the second embodiment, the knurling groove portion of the shaft is subjected to a carburizing prevention treatment to improve the sensor characteristics, and the portion other than the knurling groove, particularly the shaft end, is connected to other mechanical elements. The entire shaft was subjected to a carburizing, quenching and tempering heat treatment without performing a carburizing prevention treatment in order to impart the strength and hardness required for bonding. Further, a shot peening treatment using a steel shot grain having a center particle diameter of about 50 μm was performed only once.

【0070】このようにして得られたトルクセンサ軸の
周囲に同様に励磁コイルと検出コイルとを配置して、自
動車のパワーステアリング軸用の、定格トルクが10N
mの磁歪式トルクセンサを構成した。
The excitation coil and the detection coil are similarly arranged around the torque sensor shaft obtained in this manner, and the rated torque for the power steering shaft of the automobile is 10 N.
m of the magnetostrictive torque sensor.

【0071】図20は、図16と同様にこのトルクセン
サについて励磁周波数を変化させたときの、オーバーロ
ード印加・除荷後の、計測定格トルクに対するヒステリ
シス特性を示す。図21は、図17と同様の繰り返しオ
ーバーロードを作用させたときのヒステリシス特性を示
す。図示のように、図20、図21とも、図16、図1
7と同様の結果を達成することができた。
FIG. 20 shows the hysteresis characteristics with respect to the measured rated torque after the application of the overload and the unloading when the excitation frequency is changed for this torque sensor as in FIG. FIG. 21 shows a hysteresis characteristic when the same repetitive overload as in FIG. 17 is applied. As shown in FIGS. 20 and 21, FIGS.
The same result as in Example 7 could be achieved.

【0072】なお、図16、図18、図20から明らか
なとおり、実施例1および実施例2のように大径ショッ
ト粒と小径ショット粒とを組み合わせて2段階のショッ
トピーニング処理を施す方が、実施例3のようにショッ
トピーニング処理を1回だけしか行わなかった場合に比
べ、ヒステリシスをゼロにすることができる周波数を低
くすることができる。
As is clear from FIGS. 16, 18 and 20, it is more preferable to perform a two-stage shot peening process by combining large-diameter shot grains and small-diameter shot grains as in the first and second embodiments. As compared with the case where the shot peening process is performed only once as in the third embodiment, the frequency at which the hysteresis can be made zero can be reduced.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上のように本発明によると、トルクセ
ンサ軸とヒステリシス相殺手段とを有し、前記トルクセ
ンサ軸は、第1のヒステリシス特性を持つ部分と、この
第1のヒステリシス特性とは極性が逆の第2のヒステリ
シス特性を持つ部分とを備え、前記ヒステリシス相殺手
段を、前記トルクセンサ軸における第1のヒステリシス
特性を持つ部分で生じるヒステリシスと第2のヒステリ
シス特性を持つ部分で生じるヒステリシスとを相殺させ
るように構成したため、トルクセンサ軸における第1の
ヒステリシス特性を持つ部分と第2のヒステリシス特性
を持つ部分とでヒステリシスの極性すなわち正負が逆に
なり、このため、ヒステリシス相殺手段によってこれら
逆極性のヒステリシス特性を持つ部分で生じるヒステリ
シスを相殺させることで、センサのヒステリシスを実質
的にゼロにすることができる。
As described above, according to the present invention, there is provided a torque sensor shaft and a hysteresis canceling means, and the torque sensor shaft has a portion having a first hysteresis characteristic and the first hysteresis characteristic. A portion having a second hysteresis characteristic having a reverse polarity, wherein the hysteresis canceling means is provided with a hysteresis generated at a portion having the first hysteresis characteristic and a hysteresis generated at a portion having the second hysteresis characteristic on the torque sensor shaft. , The polarity of the hysteresis, that is, the polarity of the portion having the first hysteresis characteristic and that of the portion having the second hysteresis characteristic in the torque sensor axis are reversed. Cancels the hysteresis that occurs in the part with the opposite polarity hysteresis characteristics And, the hysteresis of the sensor can be substantially zero.

【0074】したがって、たとえば自動車のパワーステ
アリング制御のために用いられる場合などにおいて、要
求されるオーバーロードトルクに耐える大容量のトルク
センサを、使用時の軽負荷を計測定格トルクとして使用
するときに、そのヒステリシスを大幅に低減でき、理想
的にはゼロにすることができる。さらに、上述の自動車
のパワーステアリング制御などの特殊な用途に供される
もの以外の、通常の用途に供されるトルクセンサにおい
ても、同様にヒステリシスを理想的にゼロにすることが
できる。
Therefore, for example, when used for power steering control of an automobile, a large-capacity torque sensor capable of withstanding a required overload torque is used when a light load during use is used as a measured rated torque. The hysteresis can be greatly reduced, and ideally can be made zero. Furthermore, the hysteresis can be ideally reduced to zero in a torque sensor used for a normal use other than the one used for a special use such as the power steering control of an automobile described above.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態の磁歪式トルクセンサの概
略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetostrictive torque sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】同トルクセンサの出力についての正のヒステリ
シス特性を説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a positive hysteresis characteristic of an output of the torque sensor.

【図3】同トルクセンサにおける一方の磁気異方性部に
ついての正のヒステリシス特性を説明するための図であ
る。
FIG. 3 is a diagram for describing a positive hysteresis characteristic of one magnetic anisotropic portion in the torque sensor.

【図4】同トルクセンサにおける他方の磁気異方性部に
ついての正のヒステリシス特性を説明するための図であ
る。
FIG. 4 is a diagram for explaining a positive hysteresis characteristic of the other magnetic anisotropic portion in the torque sensor.

【図5】同トルクセンサの出力についての負のヒステリ
シス特性を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a negative hysteresis characteristic of the output of the torque sensor.

【図6】同トルクセンサにおける一方の磁気異方性部に
ついての負のヒステリシス特性を説明するための図であ
る。
FIG. 6 is a diagram for explaining a negative hysteresis characteristic of one magnetic anisotropic portion in the torque sensor.

【図7】同トルクセンサにおける他方の磁気異方性部に
ついての負のヒステリシス特性を説明するための図であ
る。
FIG. 7 is a diagram for explaining a negative hysteresis characteristic of the other magnetic anisotropic portion in the torque sensor.

【図8】同トルクセンサにおける励磁周波数とヒステリ
シスとの関係を説明するための図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining a relationship between an excitation frequency and hysteresis in the torque sensor.

【図9】センサ軸に2段階のショットピーニングを施す
ことによる機械的欠陥の改善について説明するための図
である。
FIG. 9 is a diagram for describing improvement of mechanical defects by performing two-stage shot peening on a sensor axis.

【図10】熱処理により形成された一方の磁気異方性部
についての負のヒステリシス特性の例を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a negative hysteresis characteristic of one magnetically anisotropic portion formed by a heat treatment.

【図11】熱処理により形成された他方の磁気異方性部
についての正のヒステリシス特性の例を示す図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a positive hysteresis characteristic of the other magnetically anisotropic portion formed by the heat treatment.

【図12】異なった熱処理により形成された磁気異方性
部を有する本発明のトルクセンサの出力特性の例を示す
図である。
FIG. 12 is a diagram showing an example of output characteristics of the torque sensor of the present invention having magnetically anisotropic portions formed by different heat treatments.

【図13】本発明の他の実施の形態の磁歪式トルクセン
サの斜視図である。
FIG. 13 is a perspective view of a magnetostrictive torque sensor according to another embodiment of the present invention.

【図14】本発明のさらに他の実施の形態の磁歪式トル
クセンサの概略構成図である。
FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a magnetostrictive torque sensor according to still another embodiment of the present invention.

【図15】図14のトルクセンサの磁気異方性部につい
てのナーリング角度とヒステリシスとの関係を示す図で
ある。
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between a knurling angle and a hysteresis of a magnetic anisotropic portion of the torque sensor of FIG. 14;

【図16】本発明の第1の実施例のトルクセンサについ
ての励磁周波数とヒステリシスとの関係を示す図であ
る。
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the excitation frequency and the hysteresis of the torque sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図17】同実施例のトルクセンサのオーバーロード特
性を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing overload characteristics of the torque sensor according to the embodiment.

【図18】本発明の第2の実施例のトルクセンサについ
ての励磁周波数とヒステリシスとの関係を示す図であ
る。
FIG. 18 is a diagram illustrating a relationship between an excitation frequency and hysteresis for a torque sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図19】同実施例のトルクセンサのオーバーロード特
性を示す図である。
FIG. 19 is a diagram showing overload characteristics of the torque sensor according to the embodiment.

【図20】本発明の第3の実施例のトルクセンサについ
ての励磁周波数とヒステリシスとの関係を示す図であ
る。
FIG. 20 is a diagram illustrating a relationship between an excitation frequency and hysteresis for a torque sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図21】同実施例のトルクセンサのオーバーロード特
性を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing overload characteristics of the torque sensor according to the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 トルクセンサ軸 12 磁気異方性部 13 磁気異方性部 14 励磁コイル 16 交流電源 21 正のヒステリシス 22 負のヒステリシス Reference Signs List 11 Torque sensor shaft 12 Magnetic anisotropic part 13 Magnetic anisotropic part 14 Excitation coil 16 AC power supply 21 Positive hysteresis 22 Negative hysteresis

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 トルクセンサ軸とヒステリシス相殺手段
とを有し、前記トルクセンサ軸は、第1のヒステリシス
特性を持つ部分と、この第1のヒステリシス特性とは極
性が逆の第2のヒステリシス特性を持つ部分とを備え、
前記ヒステリシス相殺手段は、前記トルクセンサ軸にお
ける第1のヒステリシス特性を持つ部分で生じるヒステ
リシスと第2のヒステリシス特性を持つ部分で生じるヒ
ステリシスとを相殺させるように構成されていることを
特徴とする磁歪式トルクセンサ。
1. A torque sensor shaft and a hysteresis canceling means, wherein the torque sensor shaft has a portion having a first hysteresis characteristic and a second hysteresis characteristic having a polarity opposite to that of the first hysteresis characteristic. With a part having
The hysteresis canceling means is configured to cancel hysteresis generated in a portion having a first hysteresis characteristic of the torque sensor shaft and hysteresis generated in a portion having a second hysteresis characteristic. Type torque sensor.
【請求項2】 ヒステリシス相殺手段はトルクセンサ軸
を励磁する励磁手段にて構成され、前記トルクセンサ軸
は、第1の励磁条件のもとで正の値の第1のヒステリシ
ス特性を呈するとともに、第2の励磁条件のもとで負の
値の第2のヒステリシス特性を呈するように構成され、
前記励磁手段は、前記第1の励磁条件を作り出す第1の
励磁周波数帯と、前記第2の励磁条件を作り出す第2の
励磁周波数帯との間の特定の周波数帯であって、センサ
のヒステリシスを実質的にゼロにし得る、第3の励磁周
波数帯で励磁を行うように構成されていることを特徴と
する請求項1記載の磁歪式トルクセンサ。
2. The hysteresis canceling means is constituted by exciting means for exciting a torque sensor shaft, wherein the torque sensor shaft exhibits a first hysteresis characteristic having a positive value under a first exciting condition. A second hysteresis characteristic having a negative value under the second excitation condition;
The excitation means is a specific frequency band between a first excitation frequency band for creating the first excitation condition and a second excitation frequency band for creating the second excitation condition, and includes a hysteresis of the sensor. 2. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein the excitation is performed in a third excitation frequency band, which can substantially reduce the torque to zero.
【請求項3】 トルクセンサ軸の外周にナーリング溝が
形成され、このナーリング溝が形成された部分における
軸の最外表面層とその直近下部層とで、ヒステリシス特
性の正負が互いに逆になるように構成されていることを
特徴とする請求項1または2記載の磁歪式トルクセン
サ。
3. A knurling groove is formed on the outer periphery of the torque sensor shaft, and the outermost surface layer of the shaft and a layer immediately below the knurling groove in a portion where the knurling groove is formed have opposite hysteresis characteristics. 3. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein the magnetostrictive torque sensor is configured as follows.
【請求項4】 直近下部層は、この直近下部層を所要の
ヒステリシス特性とするための機械的な欠陥を有し、最
外表面層は、この最外表面層のヒステリシス特性が前記
直近下部層のヒステリシス特性と正負が逆になる程度に
機械的な欠陥の少ない状態で形成されていることを特徴
とする請求項3記載の磁歪式トルクセンサ。
4. The nearest lower layer has a mechanical defect for making the nearest lower layer have a required hysteresis characteristic, and the outermost surface layer has a hysteresis characteristic of the outermost surface layer. 4. The magnetostrictive torque sensor according to claim 3, wherein the magnetostrictive torque sensor is formed with few mechanical defects such that the hysteresis characteristic of the magnetic sensor is opposite to the positive and negative.
【請求項5】 最外表面層は、軸材の表面にショットピ
ーニング処理が施されることによってそのヒステリシス
特性が形成されていることを特徴とする請求項3または
4記載の磁歪式トルクセンサ。
5. The magnetostrictive torque sensor according to claim 3, wherein the outermost surface layer has a hysteresis characteristic formed by performing a shot peening process on the surface of the shaft member.
【請求項6】 直近下部層は、ナーリング溝の形成時に
発生した機械的な欠陥の度合いを改善するためのショッ
トピーニング処理が施されることによってそのヒステリ
シス特性が形成されていることを特徴とする請求項3か
ら5までのいずれか1項記載の磁歪式トルクセンサ。
6. The hysteresis characteristic of the immediately lower layer is formed by performing a shot peening process for improving the degree of a mechanical defect generated at the time of forming the knurling groove. The magnetostrictive torque sensor according to any one of claims 3 to 5.
【請求項7】 最外表面層は、直近下部層のヒステリシ
ス特性を形成するためのショットピーニング処理のため
のショット粒よりも中心粒径の小さなショット粒によっ
てショットピーニング処理が施されることによってその
ヒステリシス特性が形成されていることを特徴とする請
求項5および6記載の磁歪式トルクセンサ。
7. The outermost surface layer is subjected to a shot peening process by a shot grain having a central grain size smaller than a shot grain for a shot peening process for forming a hysteresis characteristic of the immediately lower layer. 7. The magnetostrictive torque sensor according to claim 5, wherein a hysteresis characteristic is formed.
【請求項8】 直近下部層は、低速で転造加工されたナ
ーリング溝などの、制御された機械的欠陥層によって形
成されていることを特徴とする請求項5記載の磁歪式ト
ルクセンサ。
8. The magnetostrictive torque sensor according to claim 5, wherein the immediately lower layer is formed by a controlled mechanical defect layer such as a knurling groove rolled at a low speed.
【請求項9】 最外表面層は、熱処理と、メッキやCV
Dなどの化学的処理と、溶射やイオンプレーティングな
どの物理的処理とのいずれかによって形成されているこ
とを特徴とする請求項3記載の磁歪式トルクセンサ。
9. An outermost surface layer is formed by heat treatment, plating or CV.
The magnetostrictive torque sensor according to claim 3, wherein the magnetostrictive torque sensor is formed by one of a chemical treatment such as D and a physical treatment such as thermal spraying or ion plating.
【請求項10】 第1のヒステリシス特性を持つ部分は
第1の熱処理によって形成され、第2のヒステリシス特
性を持つ部分は、前記第1の熱処理とは相違する第2の
熱処理によって形成されていることを特徴とする請求項
1記載の磁歪式トルクセンサ。
10. A portion having a first hysteresis characteristic is formed by a first heat treatment, and a portion having a second hysteresis characteristic is formed by a second heat treatment different from the first heat treatment. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein:
【請求項11】 トルクセンサ軸の外周にナーリング溝
が形成され、このナーリング溝が形成された部分におけ
る軸の最外表面層とその直近下部層とに第1の熱処理と
第2の熱処理とが施されることで第1のヒステリシス特
性を持つ部分と第2のヒステリシス特性を持つ部分とが
形成され、ヒステリシス相殺手段は前記ナーリング溝が
形成されかつ第1および第2の熱処理が施された部分を
励磁する励磁手段にて構成され、前記ナーリング溝が形
成されかつ第1および第2の熱処理が施された部分は、
第1の励磁条件のもとで正の値の第1のヒステリシス特
性を呈するとともに、第2の励磁条件のもとで負の値の
第2のヒステリシス特性を呈するように構成され、前記
励磁手段は、前記第1の励磁条件を作り出す第1の励磁
周波数帯と、前記第2の励磁条件を作り出す第2の励磁
周波数帯との間の特定の周波数帯であって、センサのヒ
ステリシスを実質的にゼロにし得る、第3の励磁周波数
帯で励磁を行うように構成されていることを特徴とする
請求項10記載の磁歪式トルクセンサ。
11. A knurling groove is formed on an outer periphery of a torque sensor shaft, and a first heat treatment and a second heat treatment are performed on an outermost surface layer of the shaft and a layer immediately below the knurling groove at a portion where the knurling groove is formed. As a result, a portion having a first hysteresis characteristic and a portion having a second hysteresis characteristic are formed, and the hysteresis canceling means is a portion where the knurling groove is formed and the first and second heat treatments are performed. The portion where the knurling groove is formed and the first and second heat treatments are performed is constituted by exciting means for exciting
The excitation means is configured to exhibit a first hysteresis characteristic of a positive value under a first excitation condition and to exhibit a second hysteresis characteristic of a negative value under a second excitation condition. Is a specific frequency band between a first excitation frequency band that creates the first excitation condition and a second excitation frequency band that creates the second excitation condition, and substantially reduces the hysteresis of the sensor. 11. The magnetostrictive torque sensor according to claim 10, wherein excitation is performed in a third excitation frequency band that can be set to zero.
【請求項12】 トルクセンサ軸の外周に第1のナーリ
ング溝が形成され、この第1のナーリング溝から軸心方
向に距離をおいた位置におけるトルクセンサ軸の外周に
第2のナーリング溝が形成され、前記第1のナーリング
溝が形成された部分に第1の熱処理が施されることによ
って第1のヒステリシス特性を持つ部分が構成され、前
記第2のナーリング溝が形成された部分に第2の熱処理
が施されることによって第2のヒステリシス特性を持つ
部分が構成され、ヒステリシス相殺手段は、前記第1の
ナーリング溝に対応して得られる第1の出力に含まれる
第1のヒステリシス成分と、前記第2のナーリング溝に
対応して得られる第2の出力に含まれる第2のヒステリ
シス成分とを加減算することによって、これら第1のヒ
ステリシス成分と第2のヒステリシス成分とを相殺させ
るように構成されていることを特徴とする請求項10記
載の磁歪式トルクセンサ。
12. A first knurling groove is formed on the outer circumference of the torque sensor shaft, and a second knurling groove is formed on the outer circumference of the torque sensor shaft at a position spaced in the axial direction from the first knurling groove. The first heat treatment is applied to a portion where the first knurling groove is formed to form a portion having a first hysteresis characteristic, and a second heat treatment is applied to a portion where the second knurling groove is formed. Is performed, a portion having a second hysteresis characteristic is formed, and the hysteresis canceling means includes a first hysteresis component included in a first output obtained corresponding to the first knurling groove. , By adding / subtracting a second hysteresis component included in a second output obtained corresponding to the second knurling groove, the first hysteresis component and the second hysteresis component are added. 11. The magnetostrictive torque sensor according to claim 10, wherein the magnetostrictive torque sensor is configured to cancel out the hysteresis component of (2).
【請求項13】 トルクセンサ軸に磁歪スリーブが外ば
めされ、この磁歪スリーブにおいて最外表面層とその直
近下部層とでヒステリシス特性の正負が互いに逆になる
ように構成されることで、第1のヒステリシス特性を持
つ部分と第2のヒステリシス特性を持つ部分とが形成さ
れていることを特徴とする請求項1記載の磁歪式トルク
センサ。
13. A magnetostrictive sleeve is fitted around a torque sensor shaft, and the outermost surface layer and a layer immediately below the outermost surface layer of the magnetostrictive sleeve are configured so that the positive and negative hysteresis characteristics are opposite to each other. 2. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein a portion having a first hysteresis characteristic and a portion having a second hysteresis characteristic are formed.
【請求項14】 トルクセンサ軸に一対の磁歪スリーブ
が互いに軸心方向に距離をおいて外ばめされ、一方のス
リーブと他方のスリーブとのヒステリシス特性がヒステ
リシス相殺手段によって互いに相殺されるように構成さ
れていることを特徴とする請求項1記載の磁歪式トルク
センサ。
14. A pair of magnetostrictive sleeves are fitted on the torque sensor shaft at an axial distance from each other, and the hysteresis characteristics of one sleeve and the other sleeve are offset by hysteresis canceling means. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein the magnetostrictive torque sensor is configured.
【請求項15】 トルクセンサ軸と、このトルクセンサ
軸を励磁する励磁手段とを備えた磁歪式トルクセンサを
製造するに際し、前記トルクセンサ軸を製造するための
軸材料の外周にナーリング溝を加工し、次にそのナーリ
ング溝が形成された軸材に高周波焼入焼戻処理を施し、
その後に、前記ナーリング溝に第1のショットピーニン
グ処理を施して、このナーリング溝の加工にともなって
発生した機械的な欠陥を改善することで、この欠陥が改
善された部分に所要のヒステリシス特性を発現させ、さ
らに、この欠陥が改善された部分の軸表面に前記第1の
ショットピーニング処理の際のショット粒よりも中心粒
径の小さなショット粒を用いて第2のショットピーニン
グ処理を施して、この部分の最外表面層に、その直近下
部層である前記欠陥が改善された部分のヒステリシス特
性と正負が逆になるヒステリシス特性を発現させること
を特徴とする磁歪式トルクセンサ軸の製造方法。
15. When manufacturing a magnetostrictive torque sensor having a torque sensor shaft and an exciting means for exciting the torque sensor shaft, a knurling groove is formed on an outer periphery of a shaft material for manufacturing the torque sensor shaft. Then, the shaft material with the knurling groove is subjected to induction hardening and tempering,
Thereafter, a first shot peening process is performed on the knurling groove to improve a mechanical defect generated by processing the knurling groove, thereby providing a required hysteresis characteristic to a portion where the defect is improved. The second shot peening process is performed by using a shot grain having a smaller center grain size than the shot grain at the time of the first shot peening process on the axial surface of the portion where the defect is improved, A method of manufacturing a magnetostrictive torque sensor shaft, characterized in that the outermost surface layer of this portion is provided with a hysteresis characteristic in which the polarity is reversed to the hysteresis characteristic of a portion where the defect is improved, which is a layer immediately below the outermost surface layer.
【請求項16】 高周波焼入焼戻処理を施す前に、軸材
に浸炭防止焼入焼戻処理を施すことを特徴とする請求項
15記載の磁歪式トルクセンサ軸の製造方法。
16. The method for manufacturing a magnetostrictive torque sensor shaft according to claim 15, wherein the shaft material is subjected to a carburizing prevention quenching and tempering process before the induction hardening and tempering process is performed.
【請求項17】 トルクセンサ軸と、このトルクセンサ
軸を励磁する励磁手段とを備えた磁歪式トルクセンサを
製造するに際し、前記トルクセンサ軸を製造するための
軸材料の外周にナーリング溝を加工し、次にそのナーリ
ング溝が形成された軸材に浸炭防止焼入焼戻処理を施し
たうえで、高周波焼入焼戻処理を施し、その後に、前記
ナーリング溝にショットピーニング処理を施して、この
ナーリング溝の加工にともなって発生した機械的な欠陥
が存在する部分の最外表面層の前記欠陥を改善して所要
のヒステリシス特性を発現させることで、この最外表面
層のヒステリシス特性と、その直近下部層である前記欠
陥が改善されなかった部分のヒステリシス特性との正負
を逆にすることを特徴とする磁歪式トルクセンサ軸の製
造方法。
17. When manufacturing a magnetostrictive torque sensor having a torque sensor shaft and an exciting means for exciting the torque sensor shaft, a knurling groove is formed on an outer periphery of a shaft material for manufacturing the torque sensor shaft. Then, after performing the carburizing prevention quenching and tempering treatment on the shaft material on which the knurling groove is formed, and then performing the induction quenching and tempering treatment, and then performing the shot peening treatment on the knurling groove, By improving the defect of the outermost surface layer of the portion where the mechanical defect generated by the processing of the knurling groove is present and expressing the required hysteresis characteristic, the hysteresis characteristic of this outermost surface layer, A method of manufacturing a magnetostrictive torque sensor shaft, comprising: inverting the sign of the hysteresis characteristic of a portion where the defect is not improved, which is a layer immediately below the portion, in which the defect is not improved.
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