(57)【要約】【課題】十分な機械的強度を有し、正確なトルク測定が可能で、量産に適した優れた加工性を有し、熱処理時の損傷の問題も回避することのできるトルク検出装置を提供する。【解決手段】鋼材製のトルク伝達軸２の表層部に設けられたトルク被検出部３と、その外周に対向して非接触に設けられた検出コイル４と、検出信号処理手段５とからなる。トルク被検出部３は、Ａｌの拡散層からなる磁歪材層である。この拡散層は、Ａｌが軸表面から中心方向に次第にＡｌ濃度が薄くなるように鋼材中に拡散されたものとする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材のトルク伝達軸の表層部に設けられたトルク被検出部と、このトルク被検出部の外周に対向して非接触に設けられた検出コイルと、この検出コイルに接続されトルク被検出部の透磁率の変化によりトルクを検出する検出信号処理手段とを備え、上記トルク被検出部は、Ａｌが上記トルク伝達軸の表面から中心方向に次第にＡｌ濃度が薄くなるように鋼材中に拡散された拡散層であることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】
請求項１において、上記拡散層は、表面のＡｌ濃度が５〜２５ｗｔ％であり、拡散深さが０．１ｍｍを超えるトルク検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記トルク伝達軸に、母材の成分が、Ｃを０．１５〜０．６ｗｔ％、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ内から選ばれる１種または２種以上の元素をそれぞれ０．１〜１．０ｗｔ％含み、Ｓ、Ｐは０．０２ｗｔ％以下とした鋼材を使用したトルク検出装置。
【請求項４】
請求項３において、上記トルク伝達軸の母材が、Ａｌを０．０１〜０．１５ｗｔ％、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ内から選ばれる１種または２種以上の元素をそれぞれ０．０１〜０．２５ｗｔ％含む鋼材であるトルク検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、トルク伝達軸がトルク被検出部に溝を有し、上記拡散層が上記溝の加工終了後に拡散処理されたものであるトルク検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、上記トルク伝達軸が、上記Ａｌの拡散層に、他部品と結合してトルクを伝達するための、軸方向に延びかつ規則的に円周方向に並ぶ凹凸部を有するトルク検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、トルク伝達軸が、Ａｌの拡散処理後に焼入れ焼き戻し処理又は浸炭熱処理が施されたものであるトルク検出装置。
【請求項８】
請求項７において、トルク伝達軸が、Ａｌの拡散処理後に、拡散層の表面を焼入鋼切削、研削、またはショットピーニングにより、最表面部分の残留応力が圧縮応力となるように処理されたものであるトルク検出装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、上記Ａｌの拡散層に窒素を拡散したトルク検出装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかにおいて、上記トルク被検出部の設けられたトルク伝達軸が、等速ボールジョイントの構成部品における軸部であるトルク検出装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、上記トルク伝達軸が、軸線に対して傾斜した溝を円周方向に複数並べて形成したものであり、上記トルク伝達軸の上記溝の設けられた軸方向範囲に上記拡散層からなるトルク被検出部を設けたトルク検出装置。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、上記Ａｌの拡散層が、トルク伝達軸の軸線に対して傾斜しかつ互いに周方向に並んだ複数の島状の拡散層形成部からなり、上記トルク伝達軸における上記複数の拡散層形成部の設けられた軸方向部分を上記トルク被検出部としたトルク検出装置。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２において、上記トルク伝達軸が、等速ボールジョイントの軸部であるトルク検出装置。
【請求項１４】
請求項１１または請求項１２において、上記トルク伝達軸が、転がり軸受の軌道輪であるトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、軸にトルクが負荷されたときに、その表層に生じる磁歪現象を検出することにより、非接触に負荷トルクを検出するトルク検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁歪方式の非接触トルク検出装置において、被測定軸を機械構造用鋼で製作した場合、磁歪現象が小さく、正確なトルクの検出が困難である。そこで、被測定軸に特殊合金を用いたもの、例えばＦｅ−Ａｌ合金としたトルク検出装置も提案されている（特許文献１）。しかし、Ｆｅ−Ａｌ合金は脆く硬いという性質を有するため、機械加工性が著しく低下する。また切欠を有する構造の被測定軸の場合、捩り疲労強度や衝撃値も著しく低下する。このため構造部品への適用が困難であった。
【０００３】
この対策として、被測定軸の被検出部である表層部のみにＦｅ−Ａｌ合金を使用し、強度・靱性を必要とする部位に構造用鋼を接合して軸を製造することも試みられている。しかし、この場合には接合部の信頼性が乏しく、コストも高くなる。そのため、Ｆｅ−Ａｌ合金を、被測定軸における表層部の必要部位に溶接接合させたものがいくつか提案されているが、いずれも以下に述べるように問題点が多く残されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２５９２４９１号公報
【特許文献２】
特許２７６５３４０号公報
【特許文献３】
特許２９７４５５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、機械構造用鋼で形成された被測定軸の表層部に、Ｆｅ−Ａｌ合金などの高磁歪材料を肉盛溶接し、トルク被検出部品として使用する例（特許文献２）の場合、Ｆｅ−Ａｌ合金が脆い性質を持っていることから、肉盛溶接時に割れや剥離が生じるという問題点がある。このような問題点を解決するため、Ｆｅ−Ａｌ合金の肉盛溶接の厚みを３ｍｍ以下とすることで割れを防止するものも提案されている。しかしながら、肉盛溶接や溶射（例えば特許文献３）などとした場合にはポアが存在するので、繰り返し負荷トルクにより早期に割れが発生したり、磁歪特性にばらつきが生じる要因となる。磁歪特性のばらつきにより、トルク検出精度が著しく低下する。
【０００６】
この発明の目的は、十分な機械的強度を有し、正確なトルク測定が可能で、量産に適した優れた加工性を有し、熱処理時の損傷の問題も回避することのできるトルク検出装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明のトルク検出装置は、鋼材のトルク伝達軸の表層部に設けられたトルク被検出部と、このトルク被検出部の外周に対向して非接触に設けられた検出コイルと、この検出コイルに接続されトルク被検出部の透磁率の変化によりトルクを検出する検出信号処理手段とを備え、上記トルク被検出部が、Ａｌ（アルミニウム）を上記トルク伝達軸の表面から中心方向に次第にＡｌ濃度が薄くなるように鋼材中に拡散させた拡散層であることを特徴とする。
この構成によると、鋼材に次第に濃度が薄くなるように傾斜的にＡｌを拡散分布させるので、トルク伝達軸の機械的強度を低下させることなく、磁歪特性の高い磁歪材拡散層のトルク被検出部を得ることができる。この傾斜的濃度の拡散層は、肉盛溶射の場合のようなポアのない均一な合金層に形成され、疲労による早期亀裂の発生が大幅に抑制される。また、熱処理時の割れも発生しない。上記拡散層は、トルク伝達軸の機械加工終了後にＡｌの拡散処理が行えるため、通常の鋼材と同じ加工性を有し、生産性が向上するため、低コストにできる。
【０００８】
上記拡散層は、表面のＡｌ濃度が５〜２５ｗｔ％であり、拡散深さが０．１ｍｍを超えるものであっても良い。
表面のＡｌ拡散濃度は、５％未満であると磁歪特性が低下し、２６％以上で磁歪特性が低下または飽和する。そのため、Ａｌ濃度を５〜２５ｗｔ％とすることで、優れた磁歪特性が得られる。また、一般的な研削取代は０．１ｍｍ程度であるため、Ａｌの拡散層の拡散深さが０．１ｍｍを超えていると、研削を通常に行ってもＡｌの拡散層を残すことができ、研削後も磁歪特性を確保できる。
【０００９】
この発明において、上記トルク伝達軸に、母材の成分が、Ｃ（炭素）を０．１５〜０．６ｗｔ％、Ｓｉ（シリコン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）内から選ばれる１種または２種以上の元素をそれぞれ０．１〜１．０ｗｔ％含み、Ｓ（イオウ）、Ｐ（リン）は０．０２ｗｔ％以下とした鋼材を使用しても良い。
このように、鋼材に含まれるＣは、機械加工性と焼入れ硬さの観点から、０．１５ｗｔ％未満では焼入れ硬さが低下し、必要硬さが得られない。また、０．６ｗｔ％を超えると、加工性および靱性が低下する。０．１５〜０．６ｗｔ％とすることにより、十分な焼入れ硬さが得られると共に、加工性および靱性を確保することができる。鋼材に添加するＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉは、焼入れ性を確保するために１種または２種以上添加することが好ましい。この場合に、それぞれの添加物が０．１ｗｔ％未満では十分な焼入れ性が確保できず、また１．０ｗｔ％を超えると加工性が著しく低下する。０．１〜１．０ｗｔ％とすることにより、十分な焼入性と加工性を確保できる。さらに、Ｓ、Ｐの含有量は、０．０２ｗｔ％以下とすることにより、拡散部と母材部の靱性低下を防止できる。
【００１０】
この発明において、上記トルク伝達軸の母材は、Ａｌを０．０１〜０．１５ｗｔ％、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコン）内から選ばれる１種または２種以上の元素をそれぞれ０．０１〜０．２５ｗｔ％含むものとしても良い。
Ａｌの拡散処理は、高温で処理するために鋼材の結晶粒が粗大化する。これを抑制するために、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒを１種または２種以上添加する。Ａｌは、鋼の製造時に脱酸材として０．０１ｗｔ％以上必要であり、０．１５ｗｔ％を超えると不純物として鋼中に存在し、強度を低下させる。Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒは、微細化に必要な０．０１ｗｔ％以上とするが、０．２５ｗｔ％を超えると材料の硬さが増加し、著しく加工性を低下させる。本粗大化防止の元素を添加することにより、Ａｌ拡散処理後の焼準を廃止できる。
【００１１】
この発明において、トルク伝達軸がトルク被検出部に溝を有し、上記拡散層が上記溝の加工終了後に拡散処理されたものとしても良い。
トルク伝達軸は、検出特性の向上や他部品との結合等の各種の目的で、トルク被検出部に溝が加工されることがある。Ａｌの拡散層は、加工性に優れるため、拡散後に溝加工を行っても良いが、上記のように溝の加工終了後に拡散処理することにより、大幅に加工性が向上する。
【００１２】
この発明において、上記トルク伝達軸が、上記Ａｌの拡散層に、他部品と結合してトルクを伝達するための、軸方向に延びかつ規則的に円周方向に並ぶ凹凸部を有するものとしても良い。上記凹凸部は、例えばセレーションである。
Ａｌの拡散層は加工性に優れるため、セレーション等のような凹凸部も容易に加工できる。このように凹凸部を設けることで、結合精度が高くなり、がたつきなく高トルクを負担できる。なお、Ａｌ拡散層は溶接性にも優れており、溶接、摩擦接合、攪拌摩擦接合も容易に行える。
【００１３】
この発明において、トルク伝達軸は、Ａｌの拡散処理後に焼入れ焼き戻し処理が施されたものであっても良い。
焼入れ焼き戻し処理により、少なくとも拡散層境界付近の硬さを素材硬さよりも増大させることで、トルク伝達軸の強度を向上させることができる。焼入れ焼き戻し処理を行っても、拡散層の磁歪性が確保される。焼入れ焼き戻し処理後にＡｌ拡散を行うことは硬度低下を招くため、焼入れ焼き戻し処理はＡｌの拡散処理後に行う。Ａｌ拡散処理後に加工され、Ａｌ拡散層が除去された部位に浸炭焼入し、機械的特性を向上させてもよい。
【００１４】
この発明において、トルク伝達軸が、Ａｌの拡散処理後に、拡散層の表面を焼入鋼切削や、研削、またはショットピーニングにより、最表面部分の残留応力が圧縮応力となるように処理されたものであっても良い。なお、上記焼入鋼切削は、単に切削のことであり、切削は通常は生材の状態で行うので、焼入後の切削であることを明確にするために焼入鋼切削と称した。
焼入れを行うと、拡散層は引張残留応力が残り易く、そのままでは疲労強度が低下する。上記のように拡散層の表面を焼入鋼切削や研削またはショットピーニング処理すれば、Ａｌ拡散層の最表面部に圧縮残留応力を付与させることができ、これにより拡散層の疲労強度が向上する。
【００１５】
この発明において、上記Ａｌの拡散層に窒素を拡散しても良い。
窒素を拡散すると、Ａｌ拡散層の硬さを増加させることができ、Ａｌ拡散層の強度を向上させることができる。
【００１６】
この発明において、上記トルク被検出部の設けられたトルク伝達軸が、等速ボールジョイントの構成部品における軸部であっても良い。
等速ボールジョイントはトルク伝達を行うジョイントであり、その軸部に上記拡散層を設けることで、軸トルクの測定が可能になる。この構造を車輪駆動用の等速ボールジョイントに適用した場合は、一層きめ細かい車両制御やエンジン制御が可能となる。また、パワーステアリングの等速ボールジョイントに適用した場合は、高精度なトルク検出によってステアリング特性が向上する。
【００１７】
この発明において、上記トルク伝達軸が、軸線に対して傾斜した溝を円周方向に複数並べて形成したものであり、上記トルク伝達軸の上記溝の設けられた軸方向範囲に上記拡散層からなるトルク被検出部を設けても良い。
上記トルク伝達軸に作用するトルクで発生する捩じり歪みは斜め方向となるため、上記拡散層に傾斜した溝を円周方向に並べて設けることにより、トルクによる歪みが大きく発生し、感度が向上する。
【００１８】
この発明において、上記Ａｌの拡散層が、トルク伝達軸の軸線に対して傾斜しかつ互いに周方向に並んだ複数の島状の拡散層形成部からなり、上記トルク伝達軸における上記複数の拡散層形成部の設けられた軸方向部分を上記トルク被検出部としても良い。
このように傾斜した島状の拡散層形成部のパターンを形成した場合も、歪みの発生が大きくなり、検出感度を高くすることができる。
【００１９】
上記のように軸線に対して傾斜した溝を円周方向に複数並べて形成し、または軸線に対して傾斜した島状の拡散層形成部を並べて形成する場合に、上記トルク伝達軸が、等速ボールジョイントの軸部であっても良い。
この構成の場合、車両等における駆動軸のトルクを精度良く測定することができ、よりきめ細かい車両制御やエンジン制御等が可能となる。
【００２０】
また、傾斜した溝や傾斜した島状の拡散層形成部を設ける場合に、上記トルク伝達軸が、転がり軸受の軌道輪であっても良い。
この構成の場合、コンパクトな構成のトルク検出機能付きの転がり軸受とできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１はこの実施形態のトルク検出装置の概略構成を示す模式図である。このトルク検出装置１は磁歪方式のものであって、鋼材のトルク伝達軸２の表層部に設けられたトルク被検出部３と、このトルク被検出部３の外周に対向して非接触に設けられた検出コイル４と、この検出コイル４に接続されトルク被検出部３の透磁率の変化によりトルクを検出する検出信号処理手段５とを備える。トルク伝達軸２の母材となる鋼材には例えば機械構造用鋼が用いられる。トルク被検出部３は、Ａｌが上記トルク伝達軸２の表面から中心方向に次第にＡｌの濃度が薄くなるように母材である鋼材中に拡散された拡散層とされている。この拡散層が磁歪層となる。このような拡散層の拡散処理は、被処理物となるトルク伝達軸２の母材を、Ｆｅ−Ａｌの合金粉末や各種調合材等と共に容器内に密閉し、加熱することで行える。この拡散層は、トルク伝達軸２の軸方向の一部にのみ設けても良いが、この実施形態では拡散処理の効率化のために、トルク伝達軸２の表面の全体に上記拡散層を設け、その軸方向の一部をトルク被検出部３として用いるようにしている。このトルク被検出部３とする軸方向範囲Ｌには、軸線に対して傾斜した溝６が円周方向に複数並べて形成してある。この溝６は等間隔に配置され、各溝６の傾斜角度は例えば４５°とされる。
トルク伝達軸２は、端部に他の軸と連結するための溝または切欠等からなる結合用凹部２ａが設けられている。上記拡散層の拡散処理は、この結合用凹部２ａおよび上記傾斜溝６の加工後に行うことが好ましいが、加工前に行っても良い。加工後に拡散処理を行う場合は、上記傾斜溝６の内面も拡散層が形成されることになる。
【００２２】
上記構成の作用および具体的材質例を説明する。Ｆｅ−Ａｌ合金が高磁歪特性を示すことは良く知られているが、Ｆｅ−Ａｌ合金が脆い特性を有するため、通常のＦｅ−Ａｌ合金の使用形態では機械構造用部材に適用するには、信頼性に欠ける。そこで、この実施形態では、構造用鋼に次第に濃度が薄くなるように傾斜的にＡｌを拡散分布させており、これによりトルク伝達軸２の機械的強度を低下させることなく、磁歪特性の高い磁歪材拡散層のトルク被検出部３を得ることが可能になった。Ａｌを傾斜的な濃度となるように表面から分布させるために、Ａｌを高温雰囲気下で表面から拡散させることにより、トルク伝達軸２の母材である鋼材に、表面から中心方向へ緩やかなカーブの濃度曲線を描きながら、次第にＡｌの濃度が薄くする層を形成することが可能である。この傾斜的濃度の拡散層は、肉盛溶射の場合のようなポアのない均一な合金層に形成され、疲労による早期亀裂の発生が大幅に抑制される。また、熱処理時の割れも発生しない。
また、Ｆｅ−Ａｌ合金のバルク材から作成された磁歪材であれは、脆いために加工性が低下するが、上記の拡散処理によると、トルク伝達軸２の機械加工終了後にＡｌの拡散処理を行うことにより、通常の鋼材と同じ加工性を有し、生産性が著しく向上する。そのため低コストにできる。また、上記Ａｌの拡散層は、加工性が良いため、拡散処理後に上記傾斜溝６や結合用凹部２ａの加工を行うようにしても良い。トルク被検出部３の溝６は、トルク被検出部３の磁歪特性を向上させ検出感度を高くする。
【００２３】
トルク被検出部３の表面でのＡｌの拡散濃度は、５ｗｔ％未満であると磁歪特性が低下し、２６ｗｔ％以上で磁歪特性が低下または飽和するので、５〜２５ｗｔ％としている。Ａｌの拡散深さは、研削取り代（０．１ｍｍ）以上の深さが必要である。また、通常の磁歪方式のトルク検出装置では、３０ＫＨｚ前後の周波数で励起されるため、表皮効果により、その磁束は最外表面層（２００μｍ前後の深さの層）のスキンデプス領域のみを流れる。このため、Ａｌの拡散深さはスキンデプス領域以上あれば十分であり、０．８ｍｍあれば、それよりも深くあっても効果的でない。これらのことから、トルク被検出部３のＡｌ拡散深さは０．１ｍｍを超える値、より好ましくは０．１５〜０．８ｍｍとした。
【００２４】
トルク伝達軸２の鋼材は、母材の成分が、Ｃを０．１５〜０．６ｗｔ％、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ内から選ばれる１種または２種以上の元素をそれぞれ０．１〜１．０ｗｔ％含み、Ｓ、Ｐは０．０２ｗｔ％以下とした。
鋼材に含まれるＣは、機械加工性と焼入れ硬さの観点から、０．１５ｗｔ％以下では焼入れ硬さが低下し、必要硬さが得られない。一方、Ｃの含有量が０．６ｗｔ％を超えると、加工性および靱性が低下する。このため、鋼材に含まれるＣは、上記のように０．１５〜０．６ｗｔ％とた。
Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉは、鋼材の焼入性を確保する目的で、１種または２種以上のものを添加する。この場合に、０．１ｗｔ％未満の添加では十分な焼入性が確保できず、１．０ｗｔ％を超えると加工性が著しく低下する。このため、０．１〜１．０ｗｔ％とした。また、Ｓ、Ｐは、拡散部と母材部の靱性を低下させないように、０．０２ｗｔ％以下とした。トルク伝達軸２の形状は、棒状でもパイプ状でも良い。パイプ状とする場合に、シームレスパイプであっても、電縫管であっても良い。
【００２５】
上記Ａｌの拡散処理は、高温で処理するため、鋼材の結晶粒が粗大化する。これを抑制するため、Ａｌを添加し、またＮｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒの中から選ばれる１種または２種の元素を添加する。Ａｌは鋼の製造時に、脱酸材として０．０１ｗｔ％以上必要であるが、０．１５ｗｔ％以上になると不純物として鋼中に存在して強度を低下させる。このため、鋼材に含まれるＡｌは０．０１〜０．１５ｗｔ％とした。Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒは、微細化するのに必要な０．０１ｗｔ％とするが、０．２５ｗｔ％を超えると鋼材の硬さが増加し、著しく加工性を低下させる。このため、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒの中から選ばれる１種または２種の元素は、鋼材に含まれる量をそれぞれ０．０１〜０．２５ｗｔ％とした。微細化により、Ａｌ拡散処理後の焼準を廃止できる。
【００２６】
トルク被検出部３を形成するＡｌの拡散処理は、トルク被検出部３の溝６の加工終了後に行われる。これにより、大幅に加工性が向上することになる。
トルク伝達軸２は、強度を向上させる目的で、Ａｌの拡散処理後に焼入れ焼戻し処理を施す。これにより、少なくとも拡散層および拡散層境界付近の硬さを、素材硬さよりも増大させる。焼き入れ方法には高周波焼入れが採用されるが、焼入れ後の硬さは、Ｈｖ３００〜７００の間とするのが好ましい。この場合にトルク被検出部３であるＡｌ拡散層は焼入硬化しない。
上記焼入れを行うと、トルク被検出部３であるＡｌ拡散層には引張残留応力が残り易いので、ここでは焼入れ後に、Ａｌ拡散層の表面に焼入鋼切削や、研削、またはショットピーニング処理を施している。これにより、Ａｌ拡散層の最表面部に圧縮残留応力が付与されて、Ａｌ拡散層からなるトルク被検出部３の疲労強度が向上する。また、Ａｌ拡散層は、その硬さを増加させるために窒素を拡散させても良い。これによりＡｌ拡散層の強度を向上させることができる。Ａｌ拡散処理後に機械加工され、拡散層が除去された部位に浸炭焼入れし、機械特性を向上させても良い。
【００２７】
この実施形態のトルク検出装置１は、整理すると次の各利点が得られる。すなわち、トルク伝達軸２の表層部に設けられるトルク被検出部３を、Ａｌがトルク伝達軸２の表面から中心方向に次第にＡｌの濃度が薄くなるように鋼材中に拡散された拡散層として磁歪特性を付与させたので、トルク伝達軸２につき、次の各利点が得られる。
（１）  トルク伝達軸２に十分な機械的強度を持たせることができる。
（２）  検出感度が高く、正確なトルクを測定できる。
（３）  加工性が機械構造用鋼と同程度に得られ、製作コストを低減できる。
（４）  特殊な合金を製造することなく、市販されている鋼を使用することができて素材コストを低減できる。
（５）  耐食性、高温酸化性、耐磨耗性が向上する。
（６）  溝６の加工方法として転造を採用することが可能となり、製作コストをさらに    低減できる。
（７）  熱処理時の焼割れの発生が無い。
（８）  接合、溶射等の加工を必要としない。
（９）  均一な組織が得られる。
（１０）他部品との結合性が向上し、高トルク伝達が可能となり、がたつきも無くすことができる。
【００２８】
次に、試験例を説明する。試験は、次の比較例▲１▼，▲２▼と、実施例▲３▼とにつき行った（比較例と実施例とは通し番号を付した。材料の符号はＪＩＳ規格における材料種類を示す）。
（材料成分）
比較例▲１▼：構造用特殊鋼（ニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ４３９  ））
比較例▲２▼：Ｆｅ−Ａｌバルク（比較例）
実施例▲３▼：機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）にＡｌ拡散
これら比較例▲１▼，▲２▼と、実施例▲３▼とは、次のように材料化学成分と加工系列を異ならせた。材料化学成分は表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
（加工系列）
各材料の処理は次の通りである。
▲１▼ＳＮＣＭ４３９  ：機械加工→溝加工→高周波熱処理→研削
▲２▼Ｆｅ−Ａｌバルク：機械加工→溝加工→接合→高周波熱処理→研削
▲３▼Ｓ４５ＣにＡｌ拡散：機械加工→溝加工→Ａｌ拡散処理→高周波熱処理→研削
【００３１】
（形状）
各比較例▲１▼，▲２▼および実施例▲３▼の形状は、図１に示したトルク伝達軸２のとおりである。
【００３２】
（Ａｌの拡散処理）
上記加工系列におけるＡｌ拡散処理は、次のように行った。Ｓ４５Ｃの機械構造用鋼を、Ｆｅ−Ａｌ合金粉末とＮＨ３  Ｃｌ粉末の調合剤、および緩衝剤としてのＡｌ２  Ｏ３  粉末と共に鋼製のケース内に埋め込み、密閉し、それを９５０℃×２８ｈｒで均熱加熱し、Ａｌを拡散処理した。拡散の原理は、次の反応式で表すことができる。
ＮＨ４  Ｃｌ⇔ＮＨ３  ＋ＨＣｌ
２Ａｌ＋６ＣＨｌ→２ＡｌＣｌ３  ＋３Ｈ３  
２ＡｌＣｌ３  ＋Ｍｅ→３ＭｅＣｌ２  ＋２Ａｌ
すなわち、Ｆｅ−Ａｌ合金粉末中のＡｌがＨＣｌと反応してＡｌＣｌ３  （蒸気）となり、これがＳ４５Ｃの表面でＳ４５Ｃ鋼のＦｅ金属（Ｍｅ）と置換反応し拡散浸透する。
表面のＡｌの濃度は、Ｆｅ−Ａｌ粉末のＡｌの濃度を調整することにより変化させることが可能である。拡散温度、時間により調整することもできる。
このように形成したＡｌ拡散層の特性は、表層のＡｌ濃度１６％、全拡散深さ０．２５ｍｍ、表層硬さＨｖ３１５であった。
【００３３】
（試験結果）
上記各比較例▲１▼，▲２▼と実施例▲３▼の試験結果を表２に示す。表２から、実施例▲３▼と比較例▲２▼とでは、感度およびヒステリシスの点からは同程度の機能が得られるが、比較例▲２▼では溝部の焼割れが発生したのに対して、実施例▲３▼では焼割れが発生せず、磁気特性および焼割れの両方の点で優れていることが分かる。また、捩じり強度についても、実施例▲３▼は通常の機械加工および高周波熱処理を行ったもの（比較例▲１▼）と同程度に得られることが分かる。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
図２は、この発明の他の実施形態を示す。このトルク検出装置１は、図１に示す第１の実施形態において、トルク伝達軸２にＡｌ拡散層および傾斜溝６を設ける代わりに、傾斜した複数の拡散層形成部１６をパターン形成してトルク被検出部３としたものである。すなわち、トルク伝達軸２の軸線に対して傾斜しかつ互いに周方向に並んだ複数の島状の拡散層形成部１６を設け、トルク伝達軸２におけるこれら複数の拡散層形成部１６の設けられた軸方向部分をトルク被検出部３としている。これら拡散層形成部１６の形成は、軸線に対して傾斜した複数の溝を有する薄帯（図示せず）をトルク伝達軸２の母材表面にセットした状態で、上記実施形態と同様にしてＡｌ拡散層を形成し、その後にその薄帯を取り除くことで、各溝部分に残った各Ａｌ拡散層が、上記拡散層形成部１６となる。
上記複数の拡散層形成部１６により、トルク被検出部３の磁歪特性が向上し、検出感度が高くなる。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。
【００３６】
図３は、上記各実施形態における検出信号処理手段５の回路構成例を示す。この検出信号処理手段５では、抵抗Ｒ１と検出コイル４とで第１の直列回路部７が構成され、２つの抵抗Ｒ２，Ｒ３により第１の直列回路部７に対して並列に接続される第２の直列回路部８が構成され、これら両直列回路部７，８に発信器９から交流電圧を印加するようにされている。検出コイル４にかかる分圧（分割電圧）は、整流器１０およびローパスフィルタ１１で直流電圧に変換されて、差動増幅器１２の第１入力端子に入力される。また、上記第２の直列回路部８の抵抗Ｒ３にかかる電圧は別の整流器１０およびローパスフィルタ１１で直流電圧に変換されて、差動増幅器１２の第２入力端子に基準電圧として入力され、検出コイル４にかかる分圧を直流電圧に変換した値と上記基準電圧との差分が上記差動増幅器１２から出力される。トルク被検出部３にかかるトルクにより、トルク被検出部２の透磁率が変化することで検出コイル４のインダクタンスが変化し、これに伴い検出コイル４にかかる分圧が変化するので、その変化量だけ差動増幅器１２の出力が変化する。その出力は、トルク伝達軸２にかかるトルク変化を検出することになる。
【００３７】
図４および図５は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このトルク検出装置は、図１に示す第１の実施形態において、トルク伝達軸２におけるトルク被検出部３に、軸線に対して傾斜する複数の溝６を、図４のように２列に並べて周方向複数箇所に形成し、両列の溝６Ａ，６Ｂの傾斜方向を互いに逆向きとしている。検出コイル４は上記各列の溝６Ａ，６Ｂに対応させて２組（４Ａ，４Ｂ）設けている。検出信号処理手段５は、図５に示すように、１列の溝６Ａに対向配置された検出コイル４Ａと抵抗Ｒ１とからなる第１の直列回路部７Ａと、他の１列の溝６Ｂに対向配置された検出コイル４Ｂと抵抗Ｒ４とからなり第１の直列回路部７Ａと並列に接続される第２の直列回路部７Ｂとに、発信器９から交流電圧を印加するように構成されている。検出コイル４Ａにかかる分圧は、整流器１０およびローパスフィルタ１１で直流電圧に変換されて差動増幅器１２の第１入力端子に入力される。また、検出コイル４Ｂにかかる分圧も、別の整流器１０およびローパスフィルタ１１で直流電圧に変換されて、差動増幅器１２の第２入力端子に入力される。差動増幅器１２はこれら２入力に差分を出力する。その他の構成は第１の実施形態の場合と同様である。
【００３８】
このトルク検出装置１では、トルク伝達軸２にトルクが作用して、トルク被検出部２の１列の溝６Ａに引張応力が作用すると、他の１列の溝６Ｂに圧縮応力が作用するので、これら両列の溝６Ａ，６Ｂに対応する各検出コイル４Ａ，４Ｂの検出値（インピーダンス変化）の差分を図５のようにトルク変化の検出信号として出力することで、その出力の正負および大きさから、トルク伝達軸２に作用した捩じりトルクの方向および大きさを知ることができる。
なお、この実施形態において、上記２列の溝６Ａ，６Ｂに代えて、図２に示した実施形態の場合のように、複数の島状の拡散層形成部１６を、傾斜の向きを互いに逆向きとして２列設けても良く、この場合にも同様にトルク伝達軸２に作用した捩じりトルクの方向および大きさを知ることができる。
【００３９】
図６は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このトルク検出装置１は、第１の実施形態におけるトルク伝達軸２をモータ１３の回転軸に適用したものである。図６（Ａ）はそのトルク伝達軸２の断面図を、図６（Ｂ）はそのトルク伝達軸２をモータ１３に組み込んだ状態を示す断面図である。モータ回転軸であるトルク伝達軸２は、モータ１３のロータ１４に対して着脱可能に連結される。トルク伝達軸２の外周面には転がり軸受１５が装着され、この転がり軸受１５を介してトルク伝達軸２がモータ１３のハウジング１７の前部内径面に回転自在に支持される。また、ロータ１４の軸部１４ａは別の転がり軸受１８を介してハウジング１７の後部内径面に回転自在に支持される。ハウジング１７の中央部内径面には、ロータ１４の外周側に位置するステータ１９が設置されている。トルク伝達軸２を支持する転がり軸受１５は、トルク伝達軸２の外周面のトルク被検出部３から軸方向に外れた位置に嵌合する内輪２０と、上記ハウジング１７の前部内径面に嵌合する外輪２１と、これら内外輪２０，２１の間に介在する転動体であるボール２２とでなる。トルク検出装置１の検出コイル４は、トルク伝達軸２のトルク被検出部３と対向させて外輪２１の内径面に設置されている。トルク被検出部３の溝６は、これに代えて図２の実施形態の場合のような島状の拡散層形成部１６としても良い。
【００４０】
なお、同図の上記転がり軸受１５における内輪２０を省略して、図７に示すようにトルク伝達軸２の外周面を内輪に兼用する構成としても良い。
【００４１】
図８は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このトルク検出装置１は、第１の実施形態におけるトルク伝達軸２を、モータ１３の回転軸２３を回転自在に支持する転がり軸受１５Ａの内輪２０Ａに適用したものである。図８（Ａ）はその転がり軸受１５Ａの断面図を示し、図８（Ｂ）はその転がり軸受１５Ａをモータ１３に組み込んだ状態の断面図を示す。転がり軸受１５Ａは、トルク伝達軸２である内輪２０Ａと、モータ１３のハウジング１７の前部内径面に嵌合する外輪２１と、これら内外輪２０Ａ，２１の間に介在する転動体であるボール２２とでなる。内輪２０Ａにおけるボール２２の転走面となる部位から軸方向に外れた表層部は、Ａｌ拡散層の設けられたトルク被検出部３とされている。Ａｌ拡散層は内輪２０Ａの外表面の全体に設けられていても良い。その場合に、例えばボール２２の転走面となる部位は研削加工や研磨加工を施し、また転走面となる部位に隣合ったトルク被検出部３として使用する箇所に、上記各例のような傾斜した溝６（図１）を設けても良い。内輪２０Ａの内径面には、軸方向に延びかつ規則的に円周方向に並ぶ凹凸部２０ａを有する。この凹凸部２０ａは例えばセレーションである。この凹凸部２０ａが、モータ回転軸２３の外周面に形成された軸方向に延びかつ規則的に円周方向に並ぶ凹凸部２３ａに噛み合うよりに、内輪２０Ａとモータ回転軸２３とが結合される。この結合により、モータ回転軸２３のトルクが上記トルク被検出部３に伝達される。トルク検出装置１の検出コイル４は、トルク伝達軸２である内輪２０Ａのトルク被検出部３と対向させて外輪２１の内径面に設置されている。モータ１３の他の構造は図６の実施形態の場合と同様である。
【００４２】
このように構成することにより、トルク検出装置１をモータ１３にコンパクトに設置できる。トルク伝達軸２である内輪２０Ａに、上記のようにセレーション等となる凹凸部２０ａを形成する場合に、トルク被検出部３のＡｌ拡散層の拡散処理は、上記凹凸部２０ａの加工が完了した後に行っても、また加工前に行っても良い。上記Ａｌ拡散層からなる磁歪材は、加工性に優れるため、その形成後に上記セレーションとなる凹凸部２０ａを加工することができる。このような凹凸部２０ａを介して結合することで、結合精度が高く、ガタがなく、高トルクを容易に負荷できる。
なお、トルク被検出部３は、溝６を形成する代わりに、図２の実施形態の場合のような島状の拡散層形成部１６により構成しても良い。
【００４３】
図９は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このトルク検出装置１は、第１の実施形態におけるトルク伝達軸２を、駆動輪支持ユニットにおける等速ボールジョイント３７の外輪となる構成部品３２Ｃの軸部３２ｃに適用したものである。駆動輪支持ユニットは、内輪回転タイプの車輪用軸受２５を備える。車輪用軸受２５は、内周に複列（ここでは２列）の転走面を有する外方部材３１と、この外方部材３１の転走面にそれぞれ対向する転走面を有する内方部材３２と、これら複列の転走面間に介在させた複列の転動体３３とを備える。外方部材３１は、固定側の部材となるものであって、ナックル４６に固定するための車体取付フランジ３１ａを外周に有する一体の部材である。車体取付フランジ３１ａには、車体（図示せず）に固定されたナックル４６がナックルボルト４９で締結されている。内方部材３２は、回転側の部材となるものであって、車輪取付フランジ３２ａを有するハブ輪３２Ａと、このハブ輪３２Ａの端部外径に嵌合した別体の内輪構成部材３２Ｂと、ハブ輪３２Ａの内径に嵌合した別体の等速ボールジョイント構成部材３２Ｃとで構成される。ハブ輪３２Ａおよび内輪構成部材３２Ｂに各列の転走面がそれぞれ形成されている。
等速ボールジョイント３７は、上記外輪となる等速ボールジョイント構成部材３２Ｃと、ジョイント内輪３４と、両部材３２Ｃ，３４間に介在した転動体３６と、保持器３５とでなる。ジョイント外輪となる構成部材３２Ｃは、カップ部３２ｂと軸部３２ｃとが一体に形成された部材であって、その軸部３２ｃがハブ輪３２Ａの内径面にスプライン嵌合により接合される。すなわちハブ輪３２Ａの内径面および軸部３２の外径面に、スプライン溝となる凹凸部が形成されている。車輪取付フランジ３２ａは内方部材３２のアウトボード側端部に位置しており、この車輪取付フランジ３２ａに、ブレーキロータ４７を介して車輪４８がボルト５０で取付けられている。内輪構成部材３２Ｂは、ハブ輪３２Ａのインボード側端部に設けられた加締部でハブ輪３２Ａに軸方向に締め付け固定される。内外の部材３２，３１間の環状空間のアウトボード側およびインボード側の各開口端部は、それぞれ接触式のシール３７，３８で密封されている。
【００４４】
トルク検出装置１のトルク被検出部３は、等速ボールジョイント構成部材３２Ｃの外輪軸部３２ｃの基端にある大径軸部３２ｄに設けられている。この大径軸部３２ｄの表層部に、トルク被検出部３となるＡｌ拡散層が設けられている。このＡｌ拡散層の施された大径軸部３２ｄに、第１の実施形態と同様に複数の傾斜溝６が設けられ、またはこの傾斜溝６を設ける代わりに、図２の例と同様な拡散層形成部１６が設けられている。トルク被検出部３に対向する検出コイル４は、外方部材３１に設けられている。
【００４５】
このように、駆動輪支持構造における等速ボールジョイント構成部材３２Ｃに上記のようなＡｌ拡散層からなるトルク被検出部３を形成することで、車両における駆動軸のトルクを測定することができる。これにより、よりきめ細かい車両制御やエンジン制御が可能となる。なお、等速ボールジョイント３７の構成部品となる内輪３４や、内輪３４に結合された中間軸（図示せず）等に上記各構成のトルク被検出部３を設けても良い。上記の等速ボールジョイント３７は、駆動輪への駆動伝達用のものであるが、パワーステアリングの等速ボールジョイント構成部品や、等速ボールジョイントに結合される軸に適用しても良く、その場合には高精度のトルク検出による応答性の良いステアリング特性が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
この発明のトルク検出装置は、鋼材のトルク伝達軸の表層部に設けられたトルク被検出部と、このトルク被検出部の外周に対向して非接触に設けられた検出コイルと、この検出コイルに接続されトルク被検出部の透磁率の変化によりトルクを検出する検出信号処理手段とを備え、上記トルク被検出部を、Ａｌが上記トルク伝達軸の表面から中心方向に次第にＡｌの濃度が薄くなるように鋼材中に拡散された拡散層としたため、十分な機械的強度を有し、正確なトルク測定が可能で、量産に適した優れた加工性を有し、熱処理時の損傷の問題も生じないものとできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態にかかるトルク検出装置の構成を示す模式図である。
【図２】この発明の他の実施形態にかかるトルク検出装置の構成を示す模式図である。
【図３】上記各トルク検出装置における検出信号処理手段の回路構成を示す回路図である。
【図４】この発明のさらに他の実施形態にかかるトルク検出装置の構成を示す模式図である。
【図５】同トルク検出装置における検出信号処理手段の回路構成を示す回路図である。
【図６】（Ａ）はこの発明のさらに他の実施形態にかかるトルク検出装置の断面図、（Ｂ）は同トルク検出装置を組み込んだモータの断面図である。
【図７】この発明のさらに他の実施形態にかかるトルク検出装置を示す断面図である。
【図８】（Ａ）はこの発明のさらに他の実施形態にかかるトルク検出装置の断面図、（Ｂ）は同トルク検出装置を組み込んだモータの断面図である。
【図９】この発明のさらに他の実施形態にかかるトルク検出装置を組み込んだ駆動輪支持構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１…トルク検出装置
２…トルク伝達軸
３…トルク被検出部
４，４Ａ，４Ｂ…検出コイル
５…検出信号処理手段
６，６Ａ，６Ｂ…溝
１６…拡散層形成部
２０Ａ…内輪
２０ａ…凹凸部
３２Ｃ…等速ボールジョイント構成部材
３２ｃ，３２ｄ…軸部
【図１】
2004340783.tif 000005
【図２】
2004340783.tif 000006
【図３】
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【図４】
2004340783.tif 000008
【図５】
2004340783.tif 000009
【図６】
2004340783.tif 000010
【図７】
2004340783.tif 000011
【図８】
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【図９】
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