磁致弹性扭矩传感器的制造技术

专利名称：磁致弹性扭矩传感器的制造技术
技术领域：
本发明涉及一种制造磁致弹性扭矩传感器的方法。更具体地说， 本发明涉及制造一种具有换能器环的磁致弹性扭矩传感器，该换能器 环在镀覆工艺中附加在一基底上。
背景技术：
常规的非接触式扭矩传感器包括支撑在一轴上的磁致弹性环。在 该磁致弹性环中形成一种单轴的、沿周向的应力各向异性，这导致一 种沿周向的磁性各向异性，从而该换能器元件倾向于在该磁致弹性环 内形成一种沿周向的磁场。该周向磁场响应于由施加至该轴的扭矩所 导致的表面剪切应力而扭曲。测量磁场扭曲的量和方向，并且提供一 个值来表示所需的扭矩测量结果。
制造扭矩传感器的常规方法包括将一正磁致弹性材料环压制到一
磁惰性轴(magnetically inert shaft)上。该轴包括一锥度，使得 该环至该轴的压配合将产生所需的周向拉伸或者说"环向应力"。该 周向拉伸形成了一易磁化轴，从而有助于该周向磁场的稳定性。该环 和该轴之间的压配合对这些扭矩传感器的性能和精度来说是一种限制 因素。该轴和该环之间的任何滑动或相对运动都会错报该扭矩的真实 读数，并且造成任何扭矩测量的零点漂移。
对将环连接到轴上的压配合的一种已知改进包括使用诸如热喷 涂或动力金属喷涂的技术来将磁致弹性材料(尤其是镍)施加到非铁 磁性不锈钢基底上。该磁致弹性材料所需的应力各向异性是这样来提 供的在施加该磁致弹性材料期间，向该基底施加轴向载荷和热量。 一旦施加好了，则将该基底冷却，并释放该载荷。这导致在该磁致弹 性材料上形成轴向拉伸应力和沿周向的环向压缩应力，从而形成所需 的磁场。然而，这样一种制造方法是难于控制的，需要使用昂贵的不 锈钢基底，并且在热喷涂工艺中浪费了太多的磁致弹性材料。
相应地，希望研制一种制造磁致弹性扭矩元件的方法，该方法使 用不太昂贵的材料并且更加可靠。

发明内容
一种按照本发明制造的示例性磁致弹性扭矩传感器包括磁致弹性 材料环，该磁致弹性材料环镀覆到非铁磁性基底轴上。由非磁性材料 (诸如不锈钢、黄铜或钛)制成的该轴提供了一基底，该基底对于该 磁性换能器材料来说是磁惰性的。在对该轴进行镀覆期间，该基底轴 处于不受应力状态下。该镀覆工艺形成了一种非常高的环到轴的附着 强度。这种高的环-轴附着强度改善了该扭矩传感器的工作，并且降低 了磁滞以及通常造成传感器失效和恶化的其它情况的出现。
如果所选的用作换能器的该磁致弹性材料是正磁致弹性材料，诸
如大多数钢合金，那么该所需的应力各向异性是这样的该换能器材 料具有轴向压缩应力以及周向拉伸应力。相反，负磁致伸缩材料(诸 如镍或钴以及它们的合金)需要轴向拉伸应力以及周向压缩应力。当 完成该镀覆工艺时，在适当的方向上对该基底轴轴向施压至一屈服 点，该屈服点造成该轴的轴向尺寸的永久改变。该永久轴向变形也造 成该轴的直径的改变，这又在所镀覆的换能器环上造成周向应力，从 而在该材料内形成所需的应力各向异性。
与使用热施加工艺不同，电镀工艺是一种化学镀覆工艺，其产生 一种具有高度均匀性、低孔隙率和高强度的表面。该镀覆工艺实际上 对环材料没有任何浪费。而且，该环到轴的附着强度远高于任何其它 的已知扭矩制造技术。
相应地，本发明的该方法制成一种用于扭矩传感器的磁致弹性元 件，其以低成本和高耐用性改善了该基底与该磁致弹性材料环之间的 附着。
通过下文的说明和附图可以最佳地理解本发明的这些以及其它特征。


图1是本发明的示例性扭矩元件的透视图。
图2是本发明的示例性扭矩元件的镀覆步骤的示意图。
图3是用于本发明示例性扭矩元件的一个制造步骤的示意图。
图4是按照本发明的另 一制造步骤的示意图。
图5是本发明制造扭矩元件的另一示例方法的示意图。
图6是本发明制造扭矩元件的另一示例方法的示意图。 图7是按照本发明的示例性扭矩传感器的示意图。
具体实施例方式
参见图l， 一种扭矩元件10包括轴12和磁致弹性镍环14。该磁致弹 性环14被镀覆在轴12上，施加在轴12上的扭矩造成该磁致弹性环14上 的扭转应力。该磁致弹性环14具有一种应力各向异性，其在轴向方向 上存在拉伸应力，而压缩应力绕该轴12沿周向布置。
该周向应力或者说环向应力促进了具有周向磁通线的磁场的形 成。可以认识到，这些周向磁通线响应于施加至轴12上的扭矩而发生 扭曲。测量该扭曲来确定扭矩。该磁致弹性环14包括镀覆在轴12上的 镍材料。该轴12由非磁性不锈钢制成。
参见图2和图3，本发明的方法包括首先将该磁致弹性环14镀覆到 该轴12上。在该镀覆步骤期间，没有栽荷加在轴12上，因此，该磁致 弹性环14内的应力是各向同性的，并且并没有布置在所需的周向方向 上。为了按需要来工作，该磁致弹性环14应该比下面的基底具有更高 的屈服强度。该示例性的磁致弹性环14包括一种镀镍材料，该材料的 屈月艮强度通常为大约60000 ~ 80000psi。该镀覆材料与该轴材料的屈服
强度之间的这种关系确定了对该轴材料的选择。相应地，该镀镍材料 的使用则允许轴12具有较低的屈服强度，从而这又允许使用更为经济 的不锈钢合金。该示例性轴是由316型不锈钢合金制成，该316型不锈 钢合金在退火状态下具有大约35000psi的屈服强度。可以理解，也可 以使用具有所希望特性的其它类型材料和材料的组合。
可以理解，该磁致弹性环14内的周向应力在该环14内提供了各向 异性的磁特性。由该环向应力所产生的磁特性使得在周向方向上对磁 场有较小的阻抗。该镀镍材料具有均匀的厚度和孔隙率，并且不包括 所需的周向应力。因此，必须将周向应力引入至该环14，从而诱发出 该应力各向异性。
一旦镀覆好了，将一轴向拉伸载荷(在32处示意性示出)施加在 轴12上，直至出现塑性变形。镀覆后的该轴具有长度20，然后塑性变 形成长度22。与伸长的长度22相伴随的是直径从原直径24缩减至一缩 减直径26。轴12的直径26的缩减在磁致弹性环14上诱发了一种压缩应
力(在30处示意性示出)，该压缩应力形成所需的沿周向绕着轴14的 磁性各向异性。
这种沿周向绕该轴12布置在环14内的所需各向异性在周向方向上 形成了所需的易磁化轴线28,以促进周向磁化。将扭矩施加至轴12会 将该磁场28在螺旋形方向上进行扭曲，该螺旋形方向远离该周向方向 并更多地朝向轴向方向。测量该磁场中的这种变换则可精确确定施加 在该轴12上的扭矩。可以意识到，在轴向方向上的塑性变形伴随着直 径26的变形和缩减。直径的缩减在该镀镍材料上产生所需的压缩应 力。
参见图4 ，按照本发明的另 一方法包括将磁致弹性材料44镀覆到轴 42这一初始步骒。该轴42用作形成环44的磁致弹性材料的基底。在该 示例方法中，该环44是被镀覆在轴42的台阶区域或者说缩减直径区域 45内。尽管在一些情况下，提供具有缩减横截面的缩减直径区域45是 优选的，但这不是必要的，该环44可以镀覆在轴42的最大直径区域上。 该轴42可以具有单一的公共的连续均匀直径，并且该环44可以在所需 位置处镀覆到该直径上。
进一步，该环44可以根据与应用有关的需求而具有任何轴向宽 度。通常，该环44的宽度与用于检测该环44的磁致弹性材料内的磁场 变化的传感器件相对应。
可以理解，在电镀领域，将材料镀覆至基底上的电解工艺导致一 种自然状态，在该自然状态中，镀覆材料产生在其自身内产生一种显 著的应力。这种显著应力在许多情况下通过特定的施加过程和工艺参 数来克服，这些工艺参数调节成可降低这种诱发应力。然而，对于用 于磁致弹性扭矩元件的镀覆的示例方法和应用来说，这种拉伸应力有 利地作为所需应力各向异性的一部分。因此，通过适当地选择基底和 磁致弹性材料，就能简单地通过该镀覆工艺而将所需的拉伸环向应力 形成在该环材料44中。
优选地，在图4所示的工艺中，下面的轴42是磁惰性不锈钢材料， 例如316型不锈钢合金。镀覆在该材料上的磁致弹性材料是镍铁合金， 通过控制镀覆工艺条件而使得该镍铁合金具有所需的拉伸应力。在一 些情况下，该诱发拉伸应力可以高达100000psi。
相应地，图4所示的工艺包括步骤选择与环镀覆材料相容的基底
材料。该环镀覆材料包括镍铁混合物。该镍铁混合物配比成这样的组
合物，即，使得该镀覆工艺自身将在该环44内形成所需大小的拉伸应 力。 一旦完成镀覆而形成了该环44，环44上的所需拉伸应力就绕该轴 42沿周向在环44内形成所需的磁场方向。如果所选的材料是在与应用 有关的参数的范围内，则这样一种工艺是理想的， 一旦已经将该环材 料44镀覆到了轴42上，则不需要进行任何额外处理。
参见图5，其示出了按照本发明的另一示例方法，该方法包括将环 材料64镀覆到轴62上这一初始步骤。通过将镍铁材料或镍材料(如66 处所示)施加在该轴62上而镀覆上该环材料64。在该镀覆工艺期间， 该轴62处于轴向栽荷下，如箭头68所示。该轴向载荷68将一拉伸应力 施加在该轴62上，但该轴并不形成塑性变形。
一旦完成了该镀覆工艺，去除该该轴向载荷68，并且该轴62基本 上恢复到初始长度和宽度。该拉伸长度74将缩减至基本上自然的长度 75。可以意识到，当在该轴62上施加轴向拉伸载荷时，该直径76比没 有应力时的直径77小。释放该轴向栽荷68就使得直径从拉伸状态76移 动至松弛状态77。该松弛状态77大于该拉伸状态，这样，就将拉伸应 力72以所需的方式施加在该环64上。这些拉伸应力形成所需要提供的 沿周向的易磁化通路，以使得在镍铁环中产生的磁场具有所需的方 向。
参见图6，其示出了制造用于扭矩传感器的磁致弹性元件的另一示 例方法，该方法包括将镍-铁材料8 6镀覆到轴82上以形成环84这一初始 步骤。在该示例方法中，在镍-铁镀覆工艺期间，该轴82并不处于任何 栽荷下。该镍-铁镀覆工艺包括在该环84和轴82内诱发了一些应力，但 这些应力并不提供该环84的所需各向异性至该磁场的所需方向。
因此，下面的轴82所发生的变形被用来在该镀覆环上诱发应力， 并由此产生所需的沿周向的磁场方向。在该过程中，在轴82上施加轴 向栽荷96。该轴向栽荷是一种压缩载荷，其将长度88减小成长度90， 并且将直径92增大到直径94。施加这些压缩应力，直至产生塑性形变， 这样，在去除载荷96后，所需应力就保持在该环材料84上了。
由扭矩元件产生的磁场与该环材料的磁致弹性特性成比例。此 外，该磁晶特性也影响了在受扭矩作用的传感器中可观测到的磁滞 量。电镀镍铁材料基本上具有一种纳米晶形态，因此是一种非常小的
磁晶各向异性。该材料的磁致伸缩性由该环的合金百分比来确定。该
磁致弹性材料的优选材料构成中包括45~ 55%的镍。通过本发明方法所 使用的镀覆工艺而提供了这些优点，并且这些优点可用于制造可靠且 精确的扭矩传感器。
参见图7，按照该方法制造的扭矩传感器100包括镀覆有环材料108 的磁致弹性扭矩元件102。该环材料108提供了一种沿周向的易磁化通 路，使得磁场110沿周向绕轴102设置在环108内。磁强计104围绕该轴 102设置，并且具体是绕该环108设置。施加至该轴102上的扭矩112使 得该磁场110发生扭曲，而该扭曲又由磁强计104检测到。该磁场的变 化使得磁强计104产生的电压发生变化，该电压变化由控制器106检 测，并且以公知方式转化，以提供对施加至轴102的扭矩112的大小的 测量结果。
这里所公开的该示例方法的优点在于大大降低了施加该环材料的 成本，并且增加了该扭矩传感器自身的性能。将换能器材料镀覆至轴， 这就增加了该传感器在该镀覆工艺中作为附着物而能达到的最大扭 矩，并且该轴优于在现有方法中使用的其它方法。
尽管已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员会 认识到，某些改进可以落入本发明的范围。因此，应该用下面的权利 要求来确定本发明的真正范围和内容。
权利要求
1.一种形成磁致弹性元件的方法，包括步骤a)镀覆一磁致弹性材料环至一基底的一部分上；和b)在镀覆之后，使所述基底塑性变形，以便赋予所述磁致弹性材料以所需的应力各向异性。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括在 所述基底上施加轴向载荷。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轴向载荷在所述 基底上施加拉伸力。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轴向载荷在所述 基底上施加压缩力。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述轴向载荷使得所 述基底永久伸长。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底包括不锈钢 材料。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁致弹性材料包 括至少一部分镍材料。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底包括一凹槽 形直径部分，所述磁致弹性材料镀覆在所述凹槽形直径部分内。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所需应力各向异 性包括在所述磁致弹性材料内沿周向定向的应力，以便绕所述基底沿 周向产生一易磁化轴线。
10. —种形成磁致弹性扭矩传感器组件的方法，包括a) 绕一基底的周边镀覆一包含镍的材料环；和b) 使所述基底塑性变形，以在所述环内产生所需应力，所述所需 应力用于在所需方向上产生磁场。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述材料环包括镍 和铁。
12. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基底在该材料 环附近的区域中包括缩减的橫截面。
13. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括步骤在所述 镀覆步骤之前使所述基底塑性变形。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使所述基底塑性 变形的步骤包括在所述基底上施加轴向拉伸栽荷。
15. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使所述基底塑性 变形的步骤包括在所述基底上施加轴向压缩栽荷。
16. —种扭矩传感器组件，包括 用于承受一扭矩载荷的基底；由镀覆至所述基底的磁致弹性材料制成的环，其中，所述磁致弹 性材料在绕所述基底的周向方向上具有低的磁阻；和磁检测器件，用于检测由施加至所述基底的扭矩诱发的磁场扭曲。
17. 根据权利要求16所述的组件，其特征在于，所述磁致弹性材 料包括镀覆到所述基底周边上的镍。
18. 根据权利要求16所述的组件，其特征在于，所述基底被塑性 变形，以便在所述环内形成所需的应力定向。
19. 根据权利要求18所述的组件，其特征在于，所述基底被塑性 变形，以便改变所述环附近的橫截面积，从而在所述磁致弹性材料内 形成所需的应力各向异性。
全文摘要
一种制造磁致弹性扭矩传感器的方法，包括将磁致弹性材料镀覆至磁惰性基底上，并且通过在该换能器元件内形成应力各向异性而赋予其单轴的磁性各向异性。将磁致弹性材料镀覆至磁惰性基底上这就提供了不太昂贵的扭矩元件，并且该扭矩元件具有所需水平的精度和可靠性。
文档编号G01L3/04GK101191750SQ200610163690
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月30日 优先权日2006年11月30日
发明者D·W·克里普 申请人:西门子Vdo汽车公司