(57)【要約】【課題】高精度な荷重測定を行える構造を実現する。【解決手段】回転軸２を、加えられるトルクに応じて透磁率が変化する磁歪効果部として機能させる。外輪５の軸方向片端部に取り付けたセンサ支持部材３に支持されたセンサ４の検出部（磁気検出素子１４）を、前記回転軸２の外周面に対向させる。又、この回転軸２を磁性鋼により構成すると共に、この回転軸２の表面に於ける、炭化物の面積率を２０％以下とし、且つ、窒化物の面積率を３．０％以下とする。【選択図】図１
2016027318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部分に、加えられるトルクに応じて透磁率が変化する磁歪効果部を有し、使用時に回転する回転体と、
前記磁歪効果部に対して近接配置された状態で、使用時にも回転しない部分に支持され、自身の検出部を通過し且つ前記磁歪効果部の透磁率によって変化する磁束に応じて出力信号を変化させるセンサと、
を備えたトルク測定装置であって、
前記磁歪効果部が磁性を有する鉄鋼により構成されていると共に、この磁歪効果部の表面のうち、少なくとも前記センサと径方向に対向する部分に於ける、炭化物の面積率が２０％以下であり、且つ、窒化物の面積率が３．０％以下である事を特徴とするトルク測定装置。
【請求項２】
内周面に外輪軌道を有し、使用時にも回転しない外輪と、
前記回転体の外周面又はこの回転体と共に回転する他の部材の外周面に設けられた内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられる複数個の転動体と、
を備えている、請求項１に記載したトルク測定装置。
【請求項３】
前記磁歪効果部の表面のうち、少なくとも前記センサと径方向に対向する部分に於ける算術平均粗さＲａが、Ｒａ＜０．５μｍの範囲に収まっている、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載したトルク測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種機械装置に組み込んで使用され、回転軸により伝達しているトルクに応じて出力信号を変化させるセンサを備えたトルク測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の分野では、近年、パワートレイン（動力伝達機構）を構成する回転軸により伝達しているトルクを測定し、その測定結果を利用して動力源（エンジン、電動モータ）の出力制御や変速機の変速制御を実行するシステムの開発が進んでいる。
【０００３】
又、回転軸により伝達しているトルクを測定する装置として、特許文献１には、この回転軸に外嵌固定した磁歪を有するリングを周方向に着磁すると共に、このリングの外周面と対向する位置に、検出部としてホール素子等を備えたセンサを配置したものが記載されている。この様な従来構造の場合、前記リングを外嵌固定した回転軸にトルクが加わる事により、この回転軸と共に前記リングが捩れ変形すると、逆磁歪効果に基づいて、このリングの透磁率が変化し、このリングの外部に漏れ磁束が発生する為、この漏れ磁束を前記センサにより検出する事によって、前記トルクを測定する事ができる。
【０００４】
この様な従来構造に於いて、磁歪効果部である前記リングを、軸受鋼等の磁性を有する鉄鋼（例えば磁性鋼）により構成する場合、この鉄鋼中の析出物は、応力の集中源となる。この為、この析出物の数が多くなると、前記磁歪効果部の逆磁歪特性（加えられる応力と透磁率との関係）が不安定になり、結果として、高精度なトルク測定を行う事が難しくなる。ここで、前記鉄鋼中に含まれる析出物の種類としては、炭化物及び窒化物がある。これらの生成元素である、炭素及び窒素は、鋼製部材の強度を向上させる添加元素であるが、その量が多くなり過ぎると、炭化物、窒化物の数も増え、上述の様に高精度なトルク測定を行えなくなる。従って、高精度なトルク測定を行える様にする為には、前記鉄鋼に関して、炭素及び窒素の濃度を規制する等により、炭化物及び窒化物の数を少なくする事が重要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２６２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の様な事情に鑑み、回転軸により伝達しているトルクを測定できるトルク測定装置に関して、磁歪効果部を構成する磁性を有する鉄鋼中の析出物の数を少なくする事により、高精度なトルク測定を行える構造を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のトルク測定装置は、回転体と、センサとを備える。
このうちの回転体は、少なくとも一部分に、加えられるトルクに応じて透磁率が変化する磁歪効果部を有し、使用時に回転する。
又、前記センサは、前記磁歪効果部に対して近接配置された状態で、ハウジングや転がり軸受を構成する静止輪である外輪等の使用時にも回転しない部分に支持され、自身の検出部を通過し且つ前記磁歪効果部の透磁率によって変化する磁束に応じて出力信号を変化させる。
【０００８】
特に、本発明のトルク測定装置の場合には、前記磁歪効果部が磁性鋼等の磁性を有する鉄鋼（純鉄、鉄系合金鋼、炭素鋼）により構成されていると共に、この磁歪効果部の表面のうち、少なくとも前記センサと径方向に対向する部分に於ける、炭化物の面積率が２０％以下（好ましくは１０％以下）であり、且つ、窒化物の面積率が３．０％以下（好ましくは１．０％以下）である。
尚、当該炭化物（又は窒化物）の面積率は、前記鉄鋼中の炭素（又は窒素）の濃度を変える｛この為に、例えば、製銑時又は製鋼時の炭素（又は窒素）の添加量を変える｝事によって調整できる他、浸炭処理（又は窒化処理）等の表面処理によっても調整できる。
【０００９】
又、本発明のトルク測定装置を実施する場合には、例えば、前記磁歪効果部の表面のうち、少なくとも前記センサと径方向に対向する部分（請求項１に記載した発明に関する、炭化物、窒化物の面積率を規制する部分）に於ける、炭素濃度を１．５質量％以下（好ましくは１．３質量％以下）とし、且つ、窒素濃度を０．５質量％以下（好ましくは０．２質量％以下）とする。
又、本発明を実施する場合には、前記磁歪効果部を構成する磁性を有する鉄鋼の炭素濃度を０．０２質量％以下とする（例えば、当該鉄鋼を純鉄とする）事ができる。
この場合に、好ましくは、前記磁歪効果部を構成する鉄鋼のフェライト組織の［１００］方向を、前記回転体の軸方向の方向に対して円周方向に４５゜傾斜させる。
【００１０】
又、本発明のトルク測定装置を実施する場合には、例えば請求項２に記載した発明の様に、外輪と、複数個の転動体とを備えたものとする。
このうちの外輪は、内周面に外輪軌道を有し、ハウジング等に支持されて使用時にも回転しない。
又、前記各転動体は、前記回転体の外周面又はこの回転体と共に回転する他の部材の外周面に設けられた内輪軌道と前記外輪軌道との間に転動自在に設けられる。
【００１１】
又、本発明のトルク測定装置を実施する場合に、好ましくは、請求項３に記載した発明の様に、前記磁歪効果部の表面のうち、少なくとも前記センサと径方向に対向する部分に於ける算術平均粗さＲａを、Ｒａ＜０．５μｍの範囲（好ましくは０．３μｍ未満）に収める。
【００１２】
又、本発明のトルク測定装置を実施する場合には、例えば、前記回転体を、回転軸とする事ができる。
又は、前記回転体を、使用時に回転軸の外周面に外嵌固定される、外周面に前記内輪軌道を有する内輪とする事もできる。
又は、前記回転体を、使用時に回転軸の外周面に外嵌固定される、外周面に前記内輪軌道を有しない筒状のスリーブとする事もできる。
【００１３】
又、本発明を実施する場合には、例えば、前記外輪の軸方向片端部にセンサ支持部材を取り付けると共に、このセンサ支持部材のうち前記外輪の軸方向片端面よりも軸方向片側に突出した部分に前記センサを支持する事ができる。
この様な構成を採用すれば、前記センサをハウジング等に支持する場合に比べて、このセンサと前記磁歪効果部との対向間隔を正確に管理する事が容易となる。更には、前記センサを前記外輪の内周面に支持する場合に比べて、この外輪の軸方向寸法を小さくする事が容易となる。
【発明の効果】
【００１４】
上述の様に構成する本発明のトルク測定装置によれば、磁歪効果部の表面のうち、センサと対向する部分に存在する、応力の集中源となる析出物（炭化物及び窒化物）の数を少なくして、この磁歪効果部の逆磁歪特性を安定化させる事ができる。この為、高精度なトルク測定を行える。
【００１５】
又、本発明を実施する場合で、前記磁歪効果部を構成する磁性を有する鉄鋼の炭素濃度を０．０２質量％以下とすれば、この磁歪効果部が、広い温度範囲でフェライト組織（α相）の状態を維持する。この為、炭素原子を多く固溶し、炭素原子のピン止め効果により磁区の移動が妨げられ保持力の大きなマルテンサイト組織や、パーライト（セメンタイト）組織が含まれる可能性が低くなる。従って、その分、前記磁歪効果部の逆磁歪特性を安定化させる事ができる。この結果、より高精度なトルク測定を行える。
又、この場合に、前記磁歪効果部を構成する鉄鋼のフェライト組織の［１００］方向を、前記回転体の軸方向に対して円周方向に４５゜傾斜させれば、前記センサによるトルクの測定感度を確保し易くなる。即ち、フェライト組織は、結晶方位により磁化特性に有意な差を示すと考えられ、具体的には、［１００］方向の磁化特性が良好であると考えられる。この為、前記回転体にトルクが加わる事によって、前記磁歪効果部に作用する剪断応力の方向（この回転体の中心軸の方向に対して円周方向に±４５゜傾斜した方向）に、前記［１００］方向を一致させれば、前記フェライト組織の磁化特性が極大となる。従って、前記センサによるトルクの測定感度を確保し易くなる。
【００１６】
又、請求項３に記載した発明によれば、より高精度なトルク測定を行える。即ち、磁歪効果部の表面が粗い凹凸形状になっていると、この凹凸形状の凹部に対応する部分に応力が集中し易くなり、その分、前記磁歪効果部の逆磁歪特性が不安定になる。これに対して、請求項３に記載した発明の場合には、前記磁歪効果部の表面のうち、少なくとも前記センサと径方向に対向する部分に於ける表面粗さが良好になっている（Ｒａ＜０．５μｍの範囲に収まっている）為、その分、前記磁歪効果部の逆磁歪特性が安定化し、より高精度なトルク測定を行える。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。
【図２】同第２例を示す断面図。
【図３】同第３例を示す断面図。
【図４】同第４例を示す断面図。
【図５】同第５例を示す断面図。
【図６】同第６例を示す断面図。
【図７】同第７例を示す断面図。
【図８】同第８例を示す断面図。
【図９】本発明の効果を確認する為に行った実験１の結果を示す線図。
【図１０】同じく実験２の結果を示す線図。
【図１１】同じく実験３の結果を示す線図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［実施の形態の第１例］
本発明の実施の形態の第１例に就いて、図１を参照しつつ説明する。
本例のトルク測定装置は、転がり軸受１と、回転軸２と、センサ支持部材３と、センサ４とを備える。
【００１９】
前記転がり軸受１は、シェル形ニードル軸受であり、外輪５と、それぞれが転動体である複数個のニードル６、６と、保持器７とを備える。
このうちの外輪５は、鋼製の板材に絞り加工等の塑性加工を施す事により、円筒状に造られたもので、軸方向両端部に内向鍔部８、８を備える。又、この外輪５の内周面のうち、これら両内向鍔部８、８同士の間に挟まれた部分を、円筒状の外輪軌道９としている。この様な外輪５は、自動車のパワートレインを構成するハウジング等に内嵌された状態で、使用時にも回転しない。
又、前記各ニードル６、６は、前記外輪軌道９と、前記回転軸２の外周面に設けられた円筒状の内輪軌道１０との間に、前記保持器７により保持された状態で転動自在に設けられている。これら各ニードル６、６は、鋼製である。又、前記保持器７は、鋼製若しくは合成樹脂製である。
【００２０】
又、前記回転軸２は、自動車のパワートレインを構成する、変速機の回転軸、デファレンシャルギヤの回転軸、プロペラシャフト、ドライブシャフト等の、トルク伝達軸であり、前記転がり軸受１の内径側に配置されている。この回転軸２の外周面のうち、前記外輪軌道９と径方向に対向する部分には、前記内輪軌道１０が設けられている。本例の場合には、この回転軸２が、特許請求の範囲に記載した回転体に相当し、この回転軸２の全体（少なくとも外周面）が、特許請求の範囲に記載した磁歪効果部として機能する。この様な回転軸２は、磁性金属製である。特に、本例の場合には、この磁性金属として、磁性鋼を使用している。これと共に、この回転軸２の表面のうち、少なくとも前記センサ４と径方向に対向する部分｛この回転軸２の外周面のうち、前記内輪軌道１０の軸方向片側（図１の右側）隣りに位置する部分｝（を含む全表面）に於ける、炭化物の面積率を２０％以下とし、且つ、窒化物の面積率を３．０％以下としている。この為に、前記回転軸２を構成する磁性金属として、例えば、ＪＩＳに規定されている、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３等の軸受鋼、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等の浸炭鋼、Ｓ５３Ｃ等の炭素鋼、ＳＫ５等の工具鋼と言った各種磁性鋼のうち、析出物である炭化物及び窒化物の生成元素である、炭素及び窒素の濃度が所定値以下のもの（製銑時又は製鉄時に炭素及び窒素の添加量を所定値以下に規制したもの）を使用している。これにより、前記回転軸２の表面のうち、少なくとも前記センサ４と径方向に対向する部分（を含む全表面）に於ける、炭素濃度を１．５質量％以下とし、且つ、窒素濃度を０．５質量％以下とする事で、当該部分（を含む全表面）に於ける、炭化物の面積率を２０％以下とし、且つ、窒化物の面積率を３．０％以下としている。又、前記回転軸２は、周方向に着磁（磁化）されている。
【００２１】
又、前記センサ支持部材３は、鋼等の金属又は合成樹脂により円環状に造られたもので、前記外輪５の軸方向片端部に取り付けられている。この様なセンサ支持部材３は、前記外輪５の軸方向片端部（内向鍔部８）に締り嵌めにより内嵌固定された嵌合筒部１１と、この嵌合筒部１１の軸方向片端部に連結されて、前記外輪５の軸方向片端面よりも軸方向片側に突出した、環状の支持部１２とを備える。
【００２２】
又、前記センサ４は、検出部を前記回転軸２の外周面に近接対向させる事により、この回転軸２に対して近接配置された状態で、前記センサ支持部材３を構成する支持部１２の内周面に設けられた凹部１３のうち、円周方向一部の内側に組み付けられている。本例の場合、前記センサ４の検出部として、ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子、ＴＭＲ素子、ＭＩ素子等の磁気検出素子１４を使用している。又、本例の場合には、前記回転軸２の外周面のうち、少なくとも前記センサ４と径方向に対向する部分に於ける算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）を、研磨加工等によりＲａ＜０．５μｍの範囲に収めている。
【００２３】
上述の様な構成を有する本例のトルク測定装置の場合には、自動車の運転時に、前記回転軸２の透磁率の変化を前記センサ４により検出する事に基づいて、この回転軸２により伝達しているトルクを測定する。即ち、この回転軸２にトルクが加わると、逆磁歪効果に基づいて、この回転軸２の透磁率が変化する。具体的には、当該トルクによって、前記回転軸２に、軸方向に対して４５度方向の引っ張り応力（及びこれと直交する方向に圧縮応力）が作用する為、逆磁歪効果に基づいて、この回転軸２の磁化が、周方向から軸方向に倒される。この結果、この回転軸２の外部に漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束が前記センサ４の検出部である磁気検出素子１４を通過する事によって、このセンサ４の出力信号が変化する。従って、予め、前記センサ４の出力信号と前記トルクとの関係を調べておけば、この関係を利用して、前記センサ４の出力信号から前記トルクを求められる。尚、このトルクを求める演算は、図示しない演算器により行う。
【００２４】
上述した様な本例のトルク測定装置の場合には、前記回転軸２を構成する磁性金属として、磁性鋼を使用すると共に、この回転軸２の表面のうち、少なくとも前記センサ４と径方向に対向する部分（を含む全表面）に於ける、炭化物の面積率を２０％以下とし、且つ、窒化物の面積率を３．０％以下としている。つまり、本例のトルク測定装置の場合には、前記センサ４と径方向に対向する部分（を含む全表面）に存在する、応力の集中源となる析出物（炭化物及び窒化物）の数を十分に少なくしている。この為、前記回転軸２の逆磁歪特性を安定化させる事ができる。更に、本例の場合には、この回転軸２の外周面のうち、少なくとも前記センサ４と径方向に対向する部分に於ける表面粗さが良好になっている（Ｒａ＜０．５μｍの範囲に収まっている）為、その分、前記回転軸２の逆磁歪特性をより安定化させる事ができる。この結果、本例の場合には、高精度なトルク測定を行える。
【００２５】
又、本例の場合には、前記外輪５の軸方向片端部に取り付けられたセンサ支持部材３のうち、この外輪５の軸方向片端面よりも軸方向片側に突出した部分に前記センサ４が支持されている。この為、外輪の内周面にセンサが固定されている構造に比べて、前記外輪５の軸方向寸法を小さくできる。従って、この外輪５の材料費や加工コストを抑えられる。更には、前記ハウジングに前記センサ４を支持する場合に比べて、このセンサ４と前記回転軸２の外周面との対向間隔を正確に管理する事が容易となる。
【００２６】
［実施の形態の第２例］
本発明の実施の形態の第２例に就いて、図２を参照しつつ説明する。
本例の場合には、センサ４ａの構成が、上述した実施の形態の第１例の場合と異なる。即ち、本例の場合には、このセンサ４ａの検出部として、回転軸２の周囲を取り囲む位置に、この回転軸２と同心に配置された、コイル１５を使用している。又、使用時に、このコイル１５に交流電圧を印加して、このコイル１５の周囲に交流磁場を発生させる様にしている。その代わりに、本例の場合には、前記回転軸２を着磁していない。
【００２７】
この様な構成を有する本例のトルク測定装置の場合も、前記センサ４ａの出力信号は、前記回転軸２の透磁率に応じて変化する。この理由は、この回転軸２の透磁率が変化すると、前記センサ４ａの検出部である前記コイル１５の内側を通過する磁束が変化し、これに伴って、このコイル１５のインダクタンス（インピーダンス）が変化する為である。従って、本例の場合も、上述した実施の形態の第１例の場合と同様にして、前記センサ４ａの出力信号から、前記回転軸２により伝達しているトルクを求められる。又、本例の構造の場合には、製造時に前記回転軸２の着磁工程を省略できる分、製造コストを抑えられる。
その他の構成及び作用効果は、上述した実施の形態の第１例の場合と同様である。
【００２８】
［実施の形態の第３例］
本発明の実施の形態の第３例に就いて、図３を参照しつつ説明する。
本例の場合には、回転体である回転軸２ａの構成が、前述の図１に示した実施の形態の第１例の場合と異なる。即ち、本例の場合、この回転軸２ａは、機械構造用鋼等の磁性鋼（表面に於ける炭化物及び窒化物の面積率は特に問わない。）により造られた回転軸本体１６と、磁歪効果部である、磁性金属製の磁歪膜１７とから成る。この回転軸本体１６の外周面のうち、外輪５の内周面に設けられた外輪軌道９と径方向に対向する部分には、内輪軌道１０が設けられている。又、前記磁歪膜１７は、前記回転軸本体１６の外周面のうち、センサ４と径方向に対向する部分の全周に、被膜（例えば溶射被膜）として固定されている。本例の場合には、この磁歪膜１７を構成する磁性金属として、前述の図１に示した実施の形態の第１例の回転軸２と同様の磁性鋼を使用している。これにより、前記磁歪膜１７の外周面に於ける、炭素濃度を１．５質量％以下とし、且つ、窒素濃度を０．５質量％以下とする事で、この磁歪膜１７の外周面に於ける、炭化物の面積率を２０％以下とし、且つ、窒化物の面積率を３．０％以下としている。又、この磁歪膜１７は、前記回転軸本体１６と共に、周方向に着磁されている。更に、本例の場合には、この磁歪膜１７の外周面の算術平均粗さＲａを、Ｒａ＜０．５μｍの範囲に規制している。この為に、この磁歪膜１７を形成する前の段階で、基材表面となる前記回転軸本体１６の外周面を平滑に仕上げておく処理と、前記磁歪膜１７を形成した後の段階で、この磁歪膜１７の外周面を平滑に仕上げる処理とのうちの、少なくとも一方の処理を行っている。そして、本例の場合には、前記磁歪膜１７の透磁率の変化を前記センサ４により検出する事に基づいて、前記回転軸２ａにより伝達しているトルクを測定する様にしている。
その他の構成及び作用効果は、前述の図１に示した実施の形態の第１例の場合と同様である。
【００２９】
［実施の形態の第４例］
本発明の実施の形態の第４例に就いて、図４を参照しつつ説明する。
本例の場合、転がり軸受１ａは、外輪５と、複数個のニードル６、６と、保持器７とに加えて、内輪１８を備える。本例の場合には、回転軸２ｂではなく、この内輪１８が、特許請求の範囲に記載した回転体に相当し、この内輪１８の全体（少なくとも内輪軌道１０が形成された部分よりも軸方向片側に存在する部分）が、特許請求の範囲に記載した磁歪効果部として機能する。この為、本例の場合には、前記回転軸２ｂを、機械構造用鋼等の磁性鋼（表面に於ける炭化物及び窒化物の面積率は特に問わない。）により造られたものとしている。又、前記内輪１８は、磁性金属により円筒状に造られたもので、前記回転軸２ｂの外周面に締り嵌めで外嵌固定されている。又、この内輪１８の外周面のうち、外輪５の内周面に設けられた外輪軌道９と径方向に対向する部分には、円筒状の内輪軌道１０が設けられている。又、この内輪１８の軸方向片端部（図４の右端部）は、前記外輪５の軸方向片端面よりも軸方向片側に突出しており、この突出した部分が、センサ４と径方向に対向している。又、本例の場合には、前記内輪１８を構成する磁性金属として、前述の図１に示した実施の形態の第１例の回転軸２と同様の磁性鋼を使用している。これにより、前記内輪１８の表面のうち、少なくとも前記センサ４と径方向に対向する部分である、外周面の軸方向片端部（を含む全表面）に於ける、炭素濃度を１．５質量％以下とし、且つ、窒素濃度を０．５質量％以下とする事で、当該部分（を含む全表面）に於ける、炭化物の面積率を２０％以下とし、且つ、窒化物の面積率を３．０％以下としている。又、前記内輪１８は、周方向に着磁されている。更に、本例の場合には、この内輪１８の表面のうち、少なくとも前記センサ４と径方向に対向する部分である、外周面の軸方向片端部に於ける算術平均粗さＲａを、Ｒａ＜０．５μｍの範囲に規制している。
【００３０】
この様な構成を有する本例のトルク測定装置の場合、前記回転軸２ｂにトルクが加わると、この回転軸２ｂと共に、前記内輪１８が弾性的に捩れ変形し、これに伴って、この内輪１８の透磁率が変化する。本例の場合には、この内輪１８の透磁率の変化を前記センサ４により検出する事に基づいて、前記トルクを測定する様にしている。又、本例の場合には、磁歪効果部を内輪１８としている為、前述した実施の形態の第１例の場合の様に磁歪効果部を回転軸とする場合に比べて、磁歪効果部の体積を小さくできる。従って、磁歪効果部を構成する材料や表面の非金属介在物の数及び表面粗さを規制する事に伴うコスト上昇を低く抑えられる。
その他の構成及び作用効果は、前述の図１に示した実施の形態の第１例の場合と同様である。
【００３１】
［実施の形態の第５例］
本発明の実施の形態の第５例に就いて、図５を参照しつつ説明する。
本例の場合には、回転体である内輪１８ａの構成が、上述した実施の形態の第４例の場合と異なる。即ち、本例の場合、この内輪１８ａは、機械構造用鋼若しくは軸受鋼等の磁性鋼（表面に於ける炭化物及び窒化物の面積率は特に問わない。）により円筒状に造られた内輪本体１９と、磁歪効果部である、磁性金属製の磁歪膜１７ａとから成る。この内輪本体１９は、回転軸２ｂの外周面に締り嵌めで外嵌固定されている。又、この内輪本体１９の外周面のうち、外輪５の内周面に設けられた外輪軌道９と径方向に対向する部分には、内輪軌道１０が設けられている。又、前記磁歪膜１７ａは、前記内輪本体１９の外周面のうち、センサ４と径方向に対向する部分である軸方向片端部の全周に、被膜として固定されている。この磁歪膜１７ａの構成に関しては、前述の図３に示した実施の形態の第３例の磁歪膜１７の場合と同様である。そして、本例の場合には、前記磁歪膜１７ａの透磁率の変化を前記センサ４により検出する事に基づいて、前記回転軸２ｂにより伝達しているトルクを測定する様にしている。
その他の構成及び作用効果は、上述した実施の形態の第４例の場合と同様である。
【００３２】
［実施の形態の第６例］
本発明の実施の形態の第６例に就いて、図６を参照しつつ説明する。
本例の場合には、回転軸２ｂの外周面のうち、内輪１８ｂの軸方向片側（図６の右側）に隣接する部分で、且つ、センサ４と径方向に対向する部分に、円筒状のスリーブ２０が締り嵌めで外嵌固定されている。本例の場合には、前記回転軸２ｂや前記内輪１８ｂではなく、前記スリーブ２０が、特許請求の範囲に記載した回転体に相当し、このスリーブ２０の全体が、特許請求の範囲に記載した磁歪効果部として機能する。この為、本例の場合には、前記回転軸２ｂを機械構造用鋼等の磁性鋼（表面に於ける炭化物及び窒化物の面積率は特に問わない。）により造られたものとし、又、前記内輪１８ｂを機械構造用鋼若しくは軸受鋼等の磁性鋼（表面に於ける炭化物及び窒化物の面積率は特に問わない。）により造られたものとしている。又、前記スリーブ２０は、磁性金属により円筒状に造られたもので、周方向に着磁されている。本例の場合には、このスリーブ２０を構成する磁性金属として、前述の図１に示した実施の形態の第１例の回転軸２と同様の磁性鋼を使用している。これにより、前記スリーブ２０の表面のうち、少なくとも前記センサ４と径方向に対向する部分である外周面（を含む全表面）に於ける、炭素濃度を１．５質量％以下とし、且つ、窒素濃度を０．５質量％以下とする事で、この外周面（を含む全表面）に於ける、炭化物の面積率を２０％以下とし、且つ、窒化物の面積率を３．０％以下としている。更に、本例の場合には、前記スリーブ２０の表面のうち、前記センサ４と径方向に対向する外周面に於ける算術平均粗さＲａを、Ｒａ＜０．５μｍの範囲に規制している。
【００３３】
この様な構成を有する本例のトルク測定装置の場合、前記回転軸２ｂにトルクが加わると、この回転軸２ｂと共に、前記スリーブ２０が弾性的に捩れ変形し、これに伴って、このスリーブ２０の透磁率が変化する。本例の場合には、このスリーブ２０の透磁率の変化を前記センサ４により検出する事に基づいて、前記トルクを測定する様にしている。又、本例の場合には、磁歪効果部をスリーブ２０としている為、前述した実施の形態の第１例の場合の様に磁歪効果部を回転軸とする場合に比べて、磁歪効果部の体積を小さくできる。従って、磁歪効果部を構成する材料や表面の非金属介在物の数及び表面粗さを規制する事に伴うコスト上昇を低く抑えられる。又、転がり軸受１ａを構成する内輪１８ｂとして、一般的なものを使用できる為、加工コストの低減を図れる。
その他の構成及び作用効果は、前述の図１に示した実施の形態の第１例、及び、前述の図４に示した実施の形態の第４例の場合と同様である。
【００３４】
［実施の形態の第７例］
本発明の実施の形態の第７例に就いて、図７を参照しつつ説明する。
本例の場合には、回転体であるスリーブ２０ａの構成が、上述した実施の形態の第６例の場合と異なる。即ち、本例の場合、このスリーブ２０ａは、機械構造用鋼若しくは軸受鋼等の磁性鋼（表面に於ける炭化物及び窒化物の面積率は特に問わない。）により円筒状に造られたスリーブ本体２１と、磁歪効果部である、磁性金属製の磁歪膜１７ｂとから成る。このスリーブ本体２１は、回転軸２ｂの外周面のうち、内輪１８ｂの軸方向片側（図７の右側）に隣接する部分で、且つ、センサ４と径方向に対向する部分に、締り嵌めで外嵌固定されている。又、前記磁歪膜１７ｂは、前記スリーブ本体２１の外周面の全周に、被膜として固定されている。この磁歪膜１７ｂの構成に関しては、前述の図３に示した実施の形態の第３例の磁歪膜１７の場合と同様である。そして、本例の場合には、前記磁歪膜１７ｂの透磁率の変化を前記センサ４により検出する事に基づいて、前記回転軸２ｂにより伝達しているトルクを測定する様にしている。
その他の構成及び作用効果は、上述した実施の形態の第６例の場合と同様である。
【００３５】
［実施の形態の第８例］
本発明の実施の形態の第８例に就いて、図８を参照しつつ説明する。
本例の場合には、回転体である円筒状のスリーブ２０ｂの設置態様が、前述の図６に示した実施の形態の第６例の場合と異なる。即ち、本例の場合、このスリーブ２０ｂは、回転軸２ｂの外周面に締り嵌めで外嵌固定されると共に、内輪１８ｂの内周面に締り嵌めで内嵌固定されている。又、この状態で、前記スリーブ２０ｂの軸方向片端部（図８の右端部）は、前記内輪１８ｂ及び外輪５の軸方向片端面よりも軸方向片側に突出しており、この突出した部分が、センサ４と径方向に対向している。又、本例の場合、前記スリーブ２０ｂの外周面の算術平均粗さＲａは、少なくとも前記センサ４と対向する軸方向片端部に於いて、Ｒａ＜０．５μｍの範囲に規制されている。
その他の構成及び作用効果は、前述の図６に示した実施の形態の第６例の場合と同様である。
【００３６】
尚、本発明を実施する場合には、上述した実施の形態の第３〜８例でも、磁歪効果部の着磁を省略すると共に、前述した実施の形態の第２例で使用した、検出部をコイル１５としたセンサ４ａを使用する事ができる。
【００３７】
又、本発明を実施する場合には、上述した各実施の形態の構造に関して、磁歪効果部を構成する磁性を有する鉄鋼の炭素濃度を０．０２質量％以下とする（例えば、この鉄鋼を純鉄とする）事ができる。この様な構成を採用すれば、前記磁歪効果部は、広い温度範囲でフェライト組織の状態を維持する。この為、この磁歪効果部に、その境界部が応力の集中源となる、パーライト組織、マルテンサイト組織、及び残留オーステナイト組織が含まれる可能性が低くなる。従って、その分、前記磁歪効果部の逆磁歪特性を安定化させる事ができる。この結果、より高精度なトルク測定を行える。
又、これらの構造を採用する場合に、前記磁歪効果部を構成する鉄鋼のフェライト組織の［１００］方向を、前記磁歪効果部を備えた回転体の軸方向に対して円周方向に４５゜傾斜させれば、センサによるトルクの測定感度を確保し易くなる。即ち、フェライト組織は、結晶方位により磁化特性に有意な差を示すと考えられ、具体的には、［１００］方向の磁化特性が良好であると考えられる。この為、前記回転体にトルクが加わる事によって、前記磁歪効果部に作用する剪断応力の方向（この回転体の中心軸の方向に対して円周方向に±４５゜傾斜した方向）に、前記［１００］方向を一致させれば、前記フェライト組織の磁化特性が極大となる。従って、前記センサによるトルクの測定感度を確保し易くなる。
【実施例】
【００３８】
本発明の効果を確かめる為に行った実験（実験１、実験２、及び実験３）に就いて説明する。
【００３９】
＜実験１＞
実験１では、図４に示した実施の形態の第４例の構造（但し、センサ４を、図２のセンサ４ａに置換したもの）に就いて、磁歪効果部（内輪１８）の表面に於ける炭化物の面積率が、コイル１５の出力電圧に与える影響に就いて調べた。
【００４０】
実験１の条件を、以下に示す。
「試料となるトルク測定装置に就いて」
軸受名番ＮＵ２３０４の単列円筒ころ軸受をベースとした構造を使用した。
外輪５の外径寸法  ：  ５２ｍｍ
内輪１８の内径寸法  ：  ２０ｍｍ
外輪５の軸方向寸法  ：  ２１ｍｍ
内輪１８のうち外輪５の軸方向片端面からの軸方向突出量  ：  ２０ｍｍ
内輪１８の材料である磁性鋼  ：  素材としてＪＩＳに規定されている浸炭鋼の一種であるＳＣｒ４２０のうち、炭素濃度が０．２０質量％であり、窒素濃度が０質量％であるものを用いた。
「各試料に就いて」
各試料毎に、内輪１８の表面に於ける炭化物の析出量を、浸炭処理により異ならせた。析出量の調整は、浸炭処理中のプロパンガス流量を調整する事で行った。
「内輪１８の表面に於ける炭化物の面積率の測定方法に就いて」
内輪１８の表面｛外周面の軸方向片端部（図４の右端部）｝を鏡面に研磨した後、腐食液（ピクリン酸アルコール）で金属組織を現出させてから、当該面に於ける２００μｍ×１６０μｍの領域の金属顕微鏡写真を２値化して、その領域の炭化物の面積率を測定した。
「コイル１５の出力電圧の評価方法に就いて」
内輪１８を締り嵌めで外嵌固定した回転軸２ｂに、−１０００〜１０００Ｎｍのトルクを１０往復繰返し負荷しつつ、コイル１５の出力電圧を測定し、その最小二乗近似直線からのばらつきの標準偏差σを求めた。そして、３×σの値を、誤差として評価した。
【００４１】
実験１の結果を図９に示す。この結果から、磁歪効果部（内輪１８）の表面に於ける炭化物の面積率が２０％以下であれば、コイル１５の出力電圧の誤差を小さく抑えられる（高精度なトルク測定を行える）事を確認できた。更に、当該面積率が１０％以下であれば、当該誤差をより小さく抑えられる（より高精度なトルク測定を行える）事を確認できた。
又、一般的に、転がり軸受の軌道輪に用いられる鋼の場合、この軌道輪の表面に於いて、炭化物の面積率が２０％となる炭素濃度は１．５質量％であり、当該面積率が１０％となる炭素濃度は１．３質量％である。従って、実験１の結果から、磁歪効果部（内輪１８）の表面に於ける炭素濃度が１．５質量％以下であれば、高精度なトルク測定を行え、更に当該炭素濃度が１．３質量％以下であれば、より高精度なトルク測定を行える事を確認できた。
【００４２】
＜実験２＞
実験２では、図４に示した実施の形態の第４例の構造（但し、センサ４を、図２のセンサ４ａに置換したもの）に就いて、磁歪効果部（内輪１８）の表面に於ける窒化物の面積率が、コイル１５の出力電圧に与える影響に就いて調べた。
【００４３】
実験２の条件を、以下に示す。
「試料となるトルク測定装置に就いて」
実験１と同様である。
「各試料に就いて」
各試料毎に、内輪１８の表面に於ける窒化物の析出量を、窒化処理により異ならせた。析出量の調整は、窒化処理中のアンモニアガス流量を調整する事で行った。
「内輪１８の表面に於ける窒化物の面積率の測定方法に就いて」
内輪１８の表面｛外周面の軸方向片端部（図４の右端部）｝を鏡面に研磨してから、当該面に於ける２００μｍ×１６０μｍの領域の金属顕微鏡写真を２値化して、その領域の窒化物の面積率を測定した。
「コイル１５の出力電圧の評価方法に就いて」
実験１と同様である。
【００４４】
実験２の結果を、図１０に示す。この結果から、磁歪効果部（内輪１８）の表面に於ける窒化物の面積率が３．０％以下であれば、コイル１５の出力電圧の誤差を小さく抑えられる（高精度なトルク測定を行える）事を確認できた。更に、当該面積率が１．０％以下であれば、当該誤差をより小さく抑えられる（より高精度なトルク測定を行える）事を確認できた。
又、一般的に、転がり軸受の軌道輪に用いられる鋼の場合、この軌道輪の表面に於いて、窒化物の面積率が３．０％となる窒素濃度は０．５質量％であり、当該面積率が１．０％となる窒素濃度は０．２質量％である。従って、実験２の結果から、磁歪効果部（内輪１８）の表面に於ける窒素濃度が０．５質量％以下であれば、高精度なトルク測定を行え、更に当該窒素濃度が０．２質量％以下であれば、より高精度なトルク測定を行える事を確認できた。
【００４５】
＜実験３＞
実験３では、図４に示した実施の形態の第４例の構造（但し、センサ４を、図２のセンサ４ａに置換したもの）に就いて、磁歪効果部（内輪１８）の表面のうち、センサ４ａの検出部（コイル１５）と径方向に対向する部分である、外周面の軸方向片端部の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）が、コイル１５の出力電圧に与える影響に就いて調べた。
【００４６】
実験３の条件を、以下に示す。
「試料となるトルク測定装置に就いて」
各部の寸法（外輪５の外径寸法、内輪１８の内径寸法、外輪５の軸方向寸法、内輪１８のうち外輪５の軸方向片端面からの軸方向突出量等）が実験１と同様であると共に、内輪１８を構成する磁性鋼がＳＣｒ４２０であり、且つ、外輪３ｃの表面に於ける、炭化物の面積率が３．０〜５．０％（≦２０％）、窒化物の面積率が０％（≦３．０％）であるものを採用した。
「各試料に就いて」
各試料毎に、内輪１８の表面のうち、センサ４ａの検出部（コイル１５）と径方向に対向する部分に於ける表面粗さ（算術平均粗さＲａ）を異ならせた。尚、表面粗さの調整は、＃１２０〜＃１５００のサンドペーパを用いて行った。
「コイル１５の出力電圧の評価方法に就いて」
実験１と同様である。
【００４７】
実験３の結果を図１１に示す。この結果から、磁歪効果部（内輪１８）の表面のうち、少なくともセンサ４ａの検出部（コイル１５）と径方向に対向する部分の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）が、Ｒａ＜０．５μｍの範囲に収まっていれば、コイル１５の出力電圧の誤差を小さく抑えられる（高精度なトルク測定を行える）事を確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のトルク測定装置は、自動車のパワートレインを構成する回転軸に限らず、例えば、風車の回転軸（主軸、増速器の回転軸）、圧延機のロールネック、鉄道車両の回転軸（車軸、減速機の回転軸）、工作機械の回転軸（主軸、送り系の回転軸）、建設機械・農業機械・家庭用電気器具・モータの回転軸等、各種機械装置の回転軸の設置部に組み込んで使用する事ができる。
又、請求項１に記載したトルク測定装置は、回転体とセンサとを備えている事は必須であるが、外輪と複数個の転動体とを含んで構成される転がり軸受を備えている事は必須ではない。
又、請求項２に記載したトルク測定装置の様に、外輪と複数個の転動体とを含んで構成される転がり軸受を備えた構成を採用する場合、この転がり軸受と、センサ及び磁歪効果部とは、軸方向に離隔して配置する事もできる。
又、請求項２に記載したトルク測定装置を構成する、少なくとも外輪と複数個の転動体とを備えた転がり軸受は、ニードル軸受に限らず、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受等、各種のものを採用する事ができる。更に、当該転がり軸受は、単列転がり軸受に限らず、複列転がり軸受であっても良い。
又、本発明のトルク測定装置を構成するセンサは、自身の検出部を通過し且つ前記磁歪効果部の透磁率によって変化する磁束に応じて出力信号を変化させるものであれば良く、具体的な構成は特に限定されない。又、当該磁束の発生源は、着磁した磁歪効果部、センサを構成するコイルの他、センサに組み込んだ永久磁石であっても良い。
又、磁束の発生源を、着磁した磁歪効果部とする場合、この磁歪効果部の着磁の方向は、周方向に限らず、軸方向や径方向であっても良い。
又、センサと磁歪効果部との組み合わせは、上述した各実施の形態のものに限らず、例えば、前記特許文献１に記載された、各種のものを採用する事ができる。
【符号の説明】
【００４９】
１、１ａ  転がり軸受
２、２ａ、２ｂ  回転軸
３  センサ支持部材
４、４ａ  センサ
５  外輪
６  ニードル
７  保持器
８  内向鍔部
９  外輪軌道
１０  内輪軌道
１１  嵌合筒部
１２  支持部
１３  凹部
１４  磁気検出素子
１５  コイル
１６  回転軸本体
１７、１７ａ、１７ｂ  磁歪膜
１８、１８ａ、１８ｂ  内輪
１９  内輪本体
２０、２０ａ、２０ｂ  スリーブ
２１  スリーブ本体
【図１】
2016027318.tif 000003
【図２】
2016027318.tif 000004
【図３】
2016027318.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016027318.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016027318.tif 000009
【図８】
2016027318.tif 000010
【図９】
2016027318.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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