磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法

摘要

一种磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法，其为安装磁致伸缩式扭矩传感器(1)的传感器部(2)的磁致伸缩式扭矩传感器用轴(100)的制造方法，具备：热处理工序，对铁系的轴材实施渗碳淬火回火处理；喷丸工序，至少对热处理工序后的轴材的安装传感器部(2)的位置使用维氏硬度1100以上1300以下的钢制丸料实施喷丸；以及表面研磨工序，对喷丸后的轴材实施表面研磨。

说明书

技术领域

本发明涉及磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法。

背景技术

以往，已知磁致伸缩式扭矩传感器。磁致伸缩式扭矩传感器使用具有在赋予应力时导磁率发生变化的磁致伸缩特性的轴，通过将赋予扭矩而使轴扭转时的轴的导磁率变化检测为检测线圈的电感变化，从而检测对轴赋予的扭矩。

此外，作为与本申请发明相关联的现有技术文献信息，存在专利文献1。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-112451号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，已知轴所使用的钢材中包含被称作残留奥氏体的非磁性组织。需说明的是，残留奥氏体在面心立方晶格结构的γ铁中固溶有其他元素。

若在轴中包含较多非磁性的残留奥氏体，则赋予扭矩时的导磁率变化减小，导致磁致伸缩式扭矩传感器的灵敏度下降。

但是，若通过调整热处理的条件等来减少轴整体的残留奥氏体量，则轴的韧性下降，有可能在轴上产生裂纹。

另外，磁致伸缩式扭矩传感器例如用于变速器的行程控制、引擎的输出控制等。因此，为了能够进行可靠的变速，希望误差尽可能小。

因此，本发明的目的在于，提供一种在确保韧性的同时，能够提高传感器灵敏度以及降低误差的磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法。

用于解决课题的手段

本发明以解决上述课题为目的，提供一种磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法，其是安装磁致伸缩式扭矩传感器的传感器部的磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法，具备：热处理工序，对铁系的轴材实施渗碳淬火回火处理；喷丸工序，至少对所述热处理工序后的轴材的安装所述传感器部的位置使用维氏硬度1100以上1300以下的钢制丸料实施喷丸；以及表面研磨工序，对喷丸后的所述轴材实施表面研磨。

发明效果

根据本发明，可提供一种在确保韧性的同时，能够提高传感器灵敏度以及降低误差的磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法。

附图说明

图1A是表示磁致伸缩式扭矩传感器的传感器部的一个例子的图，是安装于轴时的侧视图。

图1B是图1A的A-A线截面图。

图2A是示意性地表示展开了绕线管的状态的俯视图，是说明第1检测线圈及第4检测线圈的图。

图2B是示意性地表示展开了绕线管的状态的俯视图，是说明第2检测线圈及第3检测线圈的图。

图3是表示利用扭矩传感器的检测信号来测定对轴赋予的扭矩的测定部的一个例子的电路图。

图4A是说明灵敏度及磁滞误差的图。

图4B是说明角度误差的图。

图5A是表示使用HV700的钢制丸料的情况下的误差测定结果的图。

图5B是表示使用HV1200的钢制丸料的情况下的误差测定结果的图。

图6A是表示喷丸前后的传感器灵敏度的图表。

图6B是表示喷丸前后的磁滞误差的图表。

图7A是表示表面研磨前后的残留奥氏体量的深度方向分布的图表。

图7B是表示表面研磨前后的轴材表面的残留奥氏体量的周向分布的图表。

图8是表示表面研磨前后的轴材表面的X射线衍射结果的图表。

图9是表示表面研磨前后的误差测定结果的图。

具体实施方式

[实施方式]

以下，按照附图对本发明的实施方式进行说明。

(磁致伸缩式扭矩传感器的说明)

首先，对磁致伸缩式扭矩传感器(以下简称为扭矩传感器)进行说明。图1A是表示扭矩传感器的传感器部的一个例子的图，是安装于轴时的侧视图，图1B是其A-A线截面图。图2A是示意性地表示展开了绕线管的状态的俯视图，是说明第1检测线圈及第4检测线圈的图，图2B是说明第2检测线圈及第3检测线圈的图。图3是表示利用扭矩传感器的检测信号来测定对轴赋予的扭矩的测定部的一个例子的电路图。

如图1A、图1B所示，扭矩传感器1的传感器部2安装在具有磁致伸缩特性的磁致伸缩式扭矩传感器用轴(以下简称为轴)100的周围。扭矩传感器1测定对轴100赋予的扭矩(旋转扭矩)。

轴100由具有磁致伸缩特性的材料(SCr420、SCM420、SNCM616、SUS440C、SUS630等)构成，并形成为圆柱状(棒状)。轴100例如是用于车辆的传动系统的扭矩传递的轴、或用于车辆的引擎的扭矩传递的轴。

传感器部2具备线圈21以及磁性体环22。磁性体环22由磁性体(强磁性体)构成，形成为中空圆筒状。在磁性体环22的中空部插入线圈21。磁性体环22起到抑制因线圈21的检测线圈3所产生的磁通量泄露到外部而导致灵敏度下降的作用。

线圈21具有由作为非磁性体的树脂构成的绕线管23以及在绕线管23的外周缠绕绝缘电线而构成的多个检测线圈3。绕线管23与轴100分离且同轴地设置，形成为中空圆筒状。在绕线管23的外周面形成有相对于轴100的轴向倾斜预定角度(这里为+45度)的多个第1倾斜槽4以及相对于轴向在与第1倾斜槽4相反方向上倾斜预定角度(这里为-45度)的多个第2倾斜槽5。第1倾斜槽4及第2倾斜槽5由在绕线管23的径向上凹陷的槽形成。

如图2A、图2B所示，线圈21具有第1～第4检测线圈31～34来作为检测线圈3。通过将绝缘电线沿第1倾斜槽4缠绕于绕线管23来形成第1检测线圈31及第4检测线圈34。通过将绝缘电线沿第2倾斜槽5缠绕于绕线管23来形成第2检测线圈32及第3检测线圈33。

图2A中，附图标记31a、31b分别表示一层第1检测线圈31的输入端和输出端，附图标记34a、34b分别表示一层第4检测线圈34的输入端和输出端。图2B中，附图标记32a、32b分别表示一层第2检测线圈32的输入端和输出端，附图标记33a、33b分别表示一层第3检测线圈33的输入端和输出端。需说明的是，在图2A、图2B中示出了缠绕1圈绝缘电线，通过重复缠绕绝缘电线至目标圈数来形成各检测线圈31～34。另外，图2A、图2B中所示的绝缘电线的缠绕方法是一个例子，也可以使用其他缠绕方法来形成检测线圈31～34。

第1检测线圈31及第4检测线圈34用于检测第1方向上的轴100的导磁率变化，所述第1方向是相对于轴100的轴向倾斜了预定角度(这里为+45度)的方向。另外，第2检测线圈32及第3检测线圈33用于检测第2方向上的轴100的导磁率变化，所述第2方向是相对于轴100的轴向在与第1方向相反一侧倾斜了预定角度(这里为-45度)的方向。

如图3所示，测定部41通过检测第1～第4检测线圈31～34的电感变化来测定对轴100赋予的扭矩。

测定部41具备桥接电路42、发射器43、电压测定电路44以及扭矩运算部45，其中，所述桥接电路42通过将第1检测线圈31、第2检测线圈32、第4检测线圈34、第3检测线圈33依次连接成环状而构成，所述发射器43在第1检测线圈31与第2检测线圈32之间的接点a和第3检测线圈33与第4检测线圈34之间的接点b之间施加交流电压，所述电压测定电路44检测第1检测线圈31与第3检测线圈33之间的接点c和第2检测线圈32与第4检测线圈34之间的接点d之间的电压，所述扭矩运算部45基于由电压测定电路44测定的电压来算出对轴100赋予的扭矩。桥接电路42构成为将第1检测线圈31及第4检测线圈34配置在对向的一个边，并将第2检测线圈32及第3检测线圈33配置在对向的另一个边。

在测定部41中，在未对轴100赋予扭矩的状态下，第1～第4检测线圈31～34的电感L1～L4相等，由电压测定电路44检测出的电压大致为0。

当对轴100赋予扭矩时，相对于轴向为+45度的方向的导磁率减少(或增加)，相对于轴向为-45度方向的导磁率增加(或减少)。因此，当在由发射器43施加交流电压的状态下对轴100赋予扭矩时，在第1检测线圈31及第4检测线圈34中电感减少(或增加)，在第2检测线圈32及第3检测线圈33中电感增加(或减少)。其结果，由电压测定电路44检测出的电压发生变化，因此，扭矩运算部45基于该电压的变化而算出对轴100赋予的扭矩。

由于第1检测线圈31及第4检测线圈34与第2检测线圈32及第3检测线圈33除了缠绕方向不同之外结构完全相同，因此，通过使用如图3的桥接电路42，能够抵消温度等对第1～第4检测线圈31～34的电感的影响，能够高精度地检测对轴100赋予的扭矩。另外，在扭矩传感器1中，如果第1检测线圈31及第4检测线圈34中电感增加(或下降)，则第2检测线圈32及第3检测线圈33中电感下降(或增加)，因此，通过使用如图3的桥接电路42，能够进一步提高检测灵敏度。

(轴100及其制造方法的说明)

在本实施方式中，作为轴100，使用在对铁系的轴材实施渗碳淬火回火处理后实施喷丸，进而之后实施表面研磨而得的轴。

也就是说，本实施方式涉及的轴100的制造方法具备：对铁系的轴材实施渗碳淬火回火处理的热处理工序、至少对热处理工序后的轴材的安装传感器部的位置实施喷丸的喷丸工序、以及对喷丸后的轴材实施表面研磨的表面研磨工序。

作为轴100所使用的轴材，可以使用铁系的材料，例如SCr420(铬钢)、SCM420(铬钼钢)、SNCM616(镍铬钼钢)、SUS440C(马氏体系不锈钢)或SUS630(沉淀硬化系不锈钢)等。这里，作为轴材，使用SCr420。

通过对轴材整体实施渗碳淬火回火处理，能够提高包含轴100的韧性在内的机械强度。在本实施方式中，将热处理工序后的轴材的表面硬度设为HV(维氏硬度)650以上。这是因为，若热处理工序后的轴材的表面硬度低，则存在传感器灵敏度下降、或磁滞误差变高的情况。为了抑制传感器灵敏度及磁滞误差的恶化，优选热处理工序后的轴材的表面硬度为HV650以上。也就是说，优选在热处理工序中以热处理工序后的轴材的表面硬度为HV650以上的方式进行热处理。在本实施方式中，利用气体渗碳(920℃×3小时→830℃×15分钟→油冷，回火200℃×1.5小时)进行热处理工序。

在进行热处理工序时，轴材会产生变形。因此，优选在热处理工序中进行轴材回弯的工序以及将轴材的表面磨削成直线状的磨削工序。在磨削工序中，优选以装配传感器部2的部分(称为测定部)的磨削量(磨削深度)在周向上均匀的方式进行磨削。这是因为，轴材的深度方向(径向)上组成不同，因此，若测定部中磨削量(磨削深度)不均匀，则在测定部的表面会产生组成不同的部分，有时成为后述的角度误差的原因。此外，为了在磨削工序后获得期望的外径，作为热处理前的轴材，使用比完成外径稍微粗的轴材(例如，直径大0.2mm左右的轴材)为佳。

在喷丸工序中，对热处理后的轴材实施喷丸。通过对热处理后的轴材实施喷丸，能够在轴100的表面(自表面起预定深度的区域)产生马氏体相变(无扩散相变)，能够减少非磁性的残留奥氏体，并增大强磁性的马氏体。其结果，通过轴100的表面的非磁性区域减少且磁性区域增大，从而赋予扭矩时的导磁率的变化变大，能够提高扭矩传感器1的灵敏度。此外，残留奥氏体在面心立方晶格结构的铁(γ铁)中固溶有其他元素。另外，马氏体是在体心正方晶格的铁的晶体中掺入碳的固溶体。

另外，通过对热处理后的轴材实施喷丸，从而轴材的表面被加工硬化，磁滞特性得到改善。更详细而言，通过对热处理后的轴材实施喷丸，轴100的表面的磁区(磁矩的方向一致的区域)被细化，并且成为妨碍磁区的边界即磁壁的移动的钉扎点的残留奥氏体减少。其结果，在释放所赋予的扭矩时，磁区、磁壁容易恢复至原来的状态，可降低磁滞误差。

此外，如图4A所示，扭矩传感器1的灵敏度是将传感器输出V(mV)除以对轴100赋予的扭矩T(Nm)而得的值，由V/T(mV/Nm)表示。若将对轴100赋予的扭矩T设为-T1以上+T1以下，将与扭矩-T1对应的传感器输出设为V1，并将与扭矩+T1对应的传感器输出设为V2，则传感器灵敏度由(V2-V1)/(2×T1)＝Vs/Ts表示。另外，磁滞误差也被称作线性误差，其是扭矩增加时及减少时在该扭矩下的传感器输出差的最大值Vh相对于传感器输出Vs(＝V2-V1)的比率，可以由Vh/Vs(％FS，FS是指满量程)表示。

另外，在本实施方式中，除了磁滞误差之外，还对轴100的周向上的传感器输出的偏差(以下称为角度误差)进行了评价。如图4B所示，角度误差是指在轴旋转时产生的误差，在将传感器输出的最大值设为Vmax，并将最小值设为Vmin时，其由(Vmax-Vmin)/Vs(％)来表示。以下，将磁滞误差和角度误差的合计值称为合计误差。在本实施方式中，目标是使合计误差为3.5％以下。

在本实施方式中，将铬钢(SCr420)用作轴100的轴材来研究最佳的喷丸条件。在本实施方式中，使用粒径0.6mm的钢制丸料。另外，轴100的直径为18mm。另外，在进行喷丸时，以低速(例如6rpm)使轴100旋转的同时，进行丸料的喷射。

首先，在图5(a)中示出了使用HV700的钢制丸料并将喷射压力设为0.4MPa、0.55MPa的情况下的误差测定结果。如图5(a)所示，在使用HV700的丸料的情况下，合计误差高达4％以上。此外，图5A所示的误差(磁滞误差及角度误差)表示包含温度特性(在环境温度-40℃～150℃的条件下测定)在内的最大值。另外，图5A的横轴表示丸料的喷射时间，表示将总喷射时间除以轴100的长度而得的值，即轴100的轴向每1cm的喷射时间(以下简称为喷射时间)。

接着，在图5(b)中示出了使用HV1200的钢制丸料并将喷射压力设为0.4MPa、0.55MPa的情况下的误差测定结果。此外，由于丸料中存在硬度的偏差，因此作为丸料，只要使用HV1100以上1300以下的丸料即可。如图5B所示，与使用HV700的丸料的情况相比，在使用HV1200的丸料的情况下，虽然磁滞误差降低，但是角度误差变大，作为结果，合计误差变大。

在本实施方式中，使用粒径0.6mm以上的丸料，并将喷射压力设为0.4MPa以上0.55MPa以下。根据图5B的结果，在使用粒径0.6mm的丸料的情况下，为了减小合计误差，可以说优选将喷射压力设为0.4MPa并将喷射时间设为8秒/cm以上20秒/cm以下的喷丸条件。在本实施方式中，以将喷射压力设为0.4MPa并将喷射时间设为8秒/cm的喷丸条件进行喷丸。如图6A所示，通过以该条件进行喷丸，能够将喷丸前为1.5mV/Nm的传感器灵敏度提高到6.4mV/Nm，获得了设定为目标值的4.0mV/Nm以上的传感器灵敏度。另外，如图6B所示，能够将喷丸前为5.5％FS的磁滞误差降低至1.3％FS，能够实现设定为目标值的1.75％FS以下的磁滞误差。

如上所述，可知在仅提高丸料的硬度时无法减小合计误差。因此，本发明人等对角度误差变大的缘由进行了研究。该研究的结果为，本发明人等发现角度误差主要因2个因素而变大。

第1个因素是喷丸工序中残留的残留奥氏体未均匀地分布在轴100的周向。如上所述，通过进行喷丸，能够利用加工诱发使残留奥氏体进行马氏体相变，将非磁性区域磁性化，同时降低容易塑性变形的残留奥氏体区域，实现表面的高硬度化，其结果，能够同时实现传感器灵敏度提高和磁滞误差的降低。但是，并非完全去除残留奥氏体，如图7A中虚线所示，在喷丸后的轴材表面留有残留奥氏体。

因此，如图7B中虚线所示，对喷丸后的轴材的每个角度位置测定残留奥氏体量，结果可知残留奥氏体量在0.4％～1.0％波动。由于残留奥氏体为非磁性，因此若测定部中残留奥氏体的分布在周向上波动，则角度误差变大。可认为仅进行喷丸时无法充分消除这样的残留奥氏体的偏差。

第2个因素是由于丸料中所含的硼的影响而在轴材表面生成Fe

因此，在本实施方式中，为了去除这2个因素来改善角度误差，进行对喷丸后的轴材实施表面研磨的表面研磨工序。在表面研磨工序中，例如使用被称作水纸或者耐水纸的研磨用纸来进行轴材的表面研磨为佳。研磨后的轴材表面的算术平均粗糙度Ra为0.3μm，最大高度Rz为3μm。

通过对喷丸后的轴材实施表面研磨，能够利用表面研磨时的应力来促进马氏体相变，使残留奥氏体的分布均匀。在图7A、图7B中使用实线一并示出了研磨后的残留奥氏体的分布。如图7A、图7B中实线所示，可知通过对喷丸后的轴材实施表面研磨，从而残留奥氏体量降低，角度位置造成的残留奥氏体量的偏差被抑制在0.2％左右(0.4％～0.6％)。

另外，通过对喷丸后的轴材实施表面研磨，可除去喷丸时形成于轴材表面的Fe

在表面研磨工序中，以轴材表面的算术平均粗糙度Ra为0.3μm以下且最大高度Rz为3μm以下的方式进行表面研磨为佳。这是因为，在轴材表面的算术平均粗糙度Ra大于0.3μm或者最大高度Rz大于3μm的情况下，表面研磨不充分，有时不能充分地进行残留奥氏体的分布均匀化、Fe

如此，通过对喷丸后的轴材实施表面研磨，能够同时实现残留奥氏体的分布均匀化以及形成于轴材表面的Fe

具体地，在轴100中，能够使磁滞误差为2％左右，并使角度误差为1％左右，从而能够使合计误差为3.5％以下。在包含由检测电路引起的电路误差的情况下，也能够使该误差的总计为3.5％以下，从而实现误差非常小的扭矩传感器1。此外，图9中示出了使用粒径0.6mm的HV1200的钢制丸料，将喷射压力设为0.4MPa，并将喷射时间设为8秒/cm来进行喷丸的情况。

(实施方式的作用及效果)

如以上说明那样，在本实施方式涉及的扭矩传感器1的制造方法中具备：热处理工序，对铁系的轴材实施渗碳淬火回火处理；喷丸工序，至少对热处理工序后的轴材的安装传感器部2的位置使用维氏硬度1100以上1300以下的钢制丸料实施喷丸；以及表面研磨工序，对喷丸后的轴材实施表面研磨。

通过具备喷丸工序，能够仅在轴100的表面减少非磁性的残留奥氏体，能够抑制轴100的韧性下降。另外，通过使用HV1200的高硬度的丸料来进行喷丸，能够降低磁滞误差并提高传感器灵敏度。但是，由于丸料中所含的硼的影响等，角度误差会变大。在本实施方式中，通过对喷丸后的轴材实施表面研磨，能够使残留奥氏体的周向分布均匀化，并且能够除去因丸料中所含的硼的影响而形成于轴材表面的Fe

(实施方式的总结)

接着，援引实施方式中的附图标记等对根据以上说明的实施方式掌握的技术思想进行记载。但是，以下记载中的各附图标记等并不将权利要求书中的结构要素限定为在实施方式中具体示出的部件等。

[1]一种磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法，其是安装磁致伸缩式扭矩传感器(1)的传感器部(2)的磁致伸缩式扭矩传感器用轴(100)的制造方法，具备：热处理工序，对铁系的轴材实施渗碳淬火回火处理；喷丸工序，至少对所述热处理工序后的轴材的安装所述传感器部(2)的位置使用维氏硬度1100以上1300以下的钢制丸料实施喷丸；以及表面研磨工序，对喷丸后的所述轴材实施表面研磨。

[2]根据[1]所述的磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法，在所述表面研磨工序中，以所述轴材表面的算术平均粗糙度Ra为0.3μm以下且最大高度Rz为3μm以下的方式进行表面研磨。

[3]根据[1]或[2]中所述的磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法，所述轴材由铬钢构成。

[4]根据[1]至[3]中任一项所述的磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法，在所述热处理工序中，以该热处理工序后的所述轴材的表面硬度为维氏硬度650以上的方式进行热处理。

[5]根据[1]至[4]中任一项所述的磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法，在所述喷丸工序中，使用粒径0.6mm以上的所述丸料，将喷射压力设为0.4MPa以上0.55MPa以下。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但以上记载的实施方式不用于限定权利要求书的发明。另外，需要留意的是，实施方式中说明的特征的所有组合并非是用于解决发明的课题所必须的手段。另外，本发明在不脱离其宗旨的范围内可以适当变形来实施。

工业实用性

可提供一种在确保韧性的同时，能够提高传感器灵敏度及降低误差的磁致伸缩式扭矩传感器用轴的制造方法。

符号说明

1：扭矩传感器(磁致伸缩式扭矩传感器)、2：传感器部、3：检测线圈、100：轴(磁致伸缩式扭矩传感器用轴)。