磁致伸缩扭矩传感器与电动转向装置的制作方法

专利名称：磁致伸缩扭矩传感器与电动转向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及/F兹致伸缩(magne tos t r i ct ive)扭矩传感器以及电动转向装 置。更特别地，本发明涉及用于检测施加到转向轴等之上的扭矩的磁致伸缩 扭矩传感器，其利用基于在磁致伸缩膜中发生的磁致伸缩动作而产生的磁性 变化，本发明还涉及运用；兹致伸缩扭矩传感器的电动转向装置。
背景技术：
例如，在作为转向系统安装于汽车中的电动转向装置中，通过驾驶员转 向操作而从转向轮加到转向轴上的转向扭矩通常由转向扭矩检测部分测得。 近年来，将利用磁致伸缩扭矩传感器构造成的装置用作为转向扭矩检测部分 已为人们所知。转向轴是一旋转轴，其接收由驾驶员转向操作而产生的扭矩 从而旋转，并在转向扭矩检测部分中起到旋转轴的作用。电动转向装置驱动 控制用于响应通过转向扭矩检测部分测得的扭矩信号而辅助转向力的电机。 因此，电动转向装置减轻了驾驶员的转向力，从而给驾驶员带来舒适的转向 感觉。下面将参考附图，描述起着转向扭矩检测部分作用的磁致伸缩扭矩传感 器所采用的检测扭矩的原理。事实上，磁致伸缩扭矩传感器构造为传感器装 置，其包括对扭矩敏感的固有传感器部分，以及执行传感器信号输出的检测 电^各部分。如图10所示，在磁致伸缩扭矩传感器中，磁致伸缩膜在沿轴中心线的 整个圆周上形成于转向轴(旋转轴)101的表面上，例如，磁致伸缩膜102A 与102B形成于其上的两处位置上，以具有相反的磁各向异性103与104。》兹 致伸缩膜102A具有正磁致伸缩常数，而磁致伸缩膜102B具有负磁致伸缩常 数。磁致伸缩扭矩传感器IOO具有的传感器结构能够使得当来自于转向轮如 箭头105所示的输入扭矩作用于转向轴101上时，通过;^测线圈106A与106B 中相关联的一个，可无接触地测得每个磁致伸缩膜102A与102B的磁致伸缩 特性中的变化。4企测线圈106A设置在-兹致伸缩膜102A周围，以包围住磁致伸缩膜102A。；险测线圈106B设置在;兹致伸缩膜102B周围，以包围住》兹致伸 缩膜102B。在上述扭矩传感器中，通过4企测线圈106A与106B中相关if关的一个，可 测得每个磁致伸缩膜102A与102B的磁致伸缩特性的变化。因此，基于对该 变化的检测，检测线圈106A与106B可通以正弦波交变电流而被励磁。励磁 正弦波交变电流分别施加到检测线圏106A与106B上。因此，交变磁场被分 别施加到相关的磁致伸缩膜102A与102B上。尽管描述了使用检测线圏作为 励磁线圈的示例，但磁致伸缩扭矩传感器也可以构造为使用与检测线圏分开 的励磁线圏。在任何一种情况中，都需要用于将交变磁场施加到磁致伸缩膜 的励》兹线圈。图11表示根据作为磁致伸缩扭矩传感器100的一种传感器装置的结构 检测输入扭矩/输出的原理。特性VT1是基于检测线圏106A的输出信号而得 到的输入扭矩特性。特性VT2是基于检测线圈106B的输出信号而得到的输 入扭矩特性。 〃磁致伸缩膜102A的;兹各向异性103方向与^f兹致伸缩膜102B的 磁各向异性104方向是相反的。因此，表征特性VT1的线的倾斜方向与表征 特性VT2的线的倾斜方向是相反的。特性VT3是通过计算特性VT1与VT2之 差而得到的输入扭矩输出特性。根据特性VT3可获得施加于转向轴上的人工 输入转矩。事实上，将表征特性VT3的曲线上的点B设定为初始点。点B右 边的右侧区域设定为正区域。点B左边的左侧区域设定为负区域。根据特性 VT 3 ，即可获得旋转方向与施加到转向轴上的输入扭矩大小的信息。专利文献l中描述了一种传统的磁致伸缩扭矩传感器。专利文献l中描 述的》兹致伸缩扭矩传感器将励/磁线圏励》兹下的冲企测线圈的输出添加至一参 考信号上。将表征这一添加结果的添加值的相位与参考信号的相位相比较。 将表征比较结果的比较输出转换为电压。基于该所获电压的极性与大小，即 检测出施加到扭矩传递轴上的扭矩方向与大小。 [专利文献l] JP-A-2004-191068在传统的i兹致伸缩扭矩传感器中，石兹矩通过4念矩(twist torque)朝向 输入方向而旋转。磁矩的变化影响传感器的灵敏度。尽管磁致伸缩扭矩传感 器的灵敏度由材料的磁致伸缩常数与导磁率的乘积而决定，但是初始磁致伸 缩膜的磁特性依赖于其材料、其生产工艺、以及磁致伸缩膜所粘附的基底。 因此，需要作出大量针对工艺的研究以获得传感器中确定的材料的高水平且器灵敏度的变动归因于地^U兹性以及当车辆穿过铁路 交叉口时引起的磁场扰动或者类似情况，这取决于使用环境。然而，考虑这 些因素的工艺直到现在也并没有得到充分的研究。在将磁致伸缩扭矩传感器作为磁致伸缩扭矩传感器的转向扭矩检测部 分使用的情况下，尤其需要高性能且低变动的扭矩传感器。此外，考虑到在 电动转向装置中优秀的转向性能与失效保护模式的阈值裕量，需要在磁致伸缩扭矩传感器中设置具有高信噪(SN)比的磁致伸缩膜。 发明内容本发明的目的在于解决上述问题，提供一种磁致伸缩扭矩传感器，其能 够在考虑到干扰，地磁以及当车辆穿过铁路交叉口而引起的磁场扰动情况下 仍具有高水平且低变动的灵敏度，并且还能够在考虑到电动转向装置中优秀 的转向性能与失效保护模式的阈值裕量情况下，在采用电动转向装置时具有 高信噪比，本发明的目的还在于提供构造为利用该磁致伸缩扭矩传感器的电 动转向装置。为了实现上述目的，根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器以及根据本发明 的电动转向装置构成如下。根据本发明第一方面，提供一种磁致伸缩扭矩传感器，其包括 用于根据输入扭矩旋转并且具有磁致伸缩膜的旋转轴， 将交变磁场施加于所述磁性膜上的励磁线圈，以及 检测所述磁致伸缩膜的磁特性变化的检测线圏，其中 一偏置^f兹场被添加到所述交变》兹场上，以满足以下条件 Hm<Hin<Hn; 且 _ Hm> - Hin> - Hn其中Hm>0,其是对应于根据所述磁致伸缩膜的磁滞曲线而获得的最大导磁率的所施加磁场，其表示出了由所述交变磁场引起的磁化，Hn>0,其是对应于不连续磁化的范围的端点的所施加磁场，并且 Hin>0，其是确定灵敏度范围的所施加磁场，该灵敏度范围要被设定在表征所述磁致伸缩膜具有的磁致伸缩灵敏度的磁致伸缩灵敏度曲线上。根据第一方面的磁致伸缩扭矩传感器，通过使用来自例如励;兹线圈中的励-兹电流来添加偏置;兹场，在旋转轴的石兹致伸缩膜上施加适当的偏移》兹场。因此，磁致伸缩膜的高导磁率区域可以被用作为传感器。另外，传感器 的灵敏度可以不用改变检测线圈的增益而得到提高。从而，磁致伸缩扭矩传 感器的检测线圈侧面的信噪比可得到提高。通过将偏移磁场施加到其上可以 获得;兹致伸缩膜的最大灵敏度。根据本发明的第二方面，提供根据本发明第 一方面的 一种磁致伸缩扭矩 传感器，其中所述偏置^f兹场添加到其上，以满足以下条件 (Hm+Hex+Hmag) <Hin< ( Hn — Hex — Hmag h 且_ ( Hm+Hex+Hmag ) 〉 — Hin> _ ( Hn — Hex — Hmag ) 其中Hex>0，其是由能够影响所述^t致伸缩膜磁特性的扰动元素而引起的磁 场，并且Hmag>0，其是由地磁引起的磁场。根据第二方面的磁致伸缩扭矩传感器，诸如磁场扰动因素之类的特性参 数以及地磁的影响可通过将偏移磁场施加于其上而减小。从而，可获得低变 动的》兹致伸缩扭矩传感器。根据本发明的第三方面，提供一种根据第一或第二方面的磁致伸缩扭矩 传感器，其中偏置磁场是通过励^磁线圈将偏压电流添加到交变电流中而给出的。 根据本发明的第四方面，提供一种根据第一或第二方面的磁致伸缩扭矩传感器，其中所述偏置磁场是由另 一磁场发生器给出的。根据本发明的第五方面，提供一种电动转向装置，其包括用于检测施加到转向装置的转向轴上的扭矩的转向扭矩检测部分，以及驱动控制一电机的控制器，该电机根据由所述转向扭矩检测部分测得的转向扭矩而向转向轴提供辅助扭矩，其中根据上述第一至第四方面中任一者的磁致伸缩扭矩传感器被用作所述转向扭矩4企测部分，并且所述转向轴用作所述磁致伸缩扭矩传感器的旋转轴。 本发明具有以下的优点根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器，基于在从所用磁致伸缩膜的磁滞曲 线获得的、由&与H。所确定的范围中所施加的磁场，可获得磁致伸缩i寞的最高灵敏度。此外，像由铁路交叉口处引起的扰动这样的特性参数与地磁的影 响都得到降低。因此，可获得高灵敏度且低变动的磁致伸缩扭矩传感器。根据本发明的电动转向装置，用作为转向扭矩检测部分的磁致伸缩扭矩 传感器的磁致伸缩膜的信噪比得到提高。因此，可获得高水平的转向性能。 在失效保护模式下可适合地设定阈值裕量。


图1是说明根据本发明磁致的伸缩扭矩传感器的基本结构的部分横截面侧视图。图2是概念性地说明磁致伸缩扭矩传感器的电路的侧视图。图3是说明关于磁致伸缩扭矩传感器的各个检测线圏与传感器检测特性的磁致伸缩特性曲线的曲线图。图4是说明交变磁场、偏置石兹场、以及偏移;兹场之间关系的曲线图。 图5是说明根据磁滞曲线获得最大导磁率处的所施加磁场Hm以及不连续磁化的范围的端点处的所施加磁场Hn的曲线图。图6是说明施加磁场的线圈的"Hm<Hin<H ，，范围与"-H ,〉-H, 〉-Hn，，范围的曲线图，所述磁场由"所施加的磁场/归一化灵敏度"特性曲线的横坐标轴所表示。图7是说明电动转向装置结构的示意图。图8是说明施加磁场的线圈的"(Hm+Hex+Hraag) <Hin< ( Hn — Hex — Hmag)"范围 与"-(Hm+Hex+Hmag) 〉 _ Hin> - ( Hn — Hex — Hmag )，，范围的曲线图，所述磁场由 "所施加的磁场/归一化灵敏度"特性曲线的横坐标轴所表示。图9是与图2类似的视图，其说明了将偏移石兹场施加到^f兹致伸缩膜的另 一种改进形式。图10是说明了传统普通磁致伸缩扭矩传感器主要部分结构的侧视图。 图11是说明输入扭矩/输出特性的曲线图，用于解释使用传统磁致伸缩 扭矩传感器检测输入扭矩的原理。
具体实施方式
在下文中，参照附图对根据本发明的优选实施例(示例)进行了说明。、下面参照附图1和2说明根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器的基本结构。图1和2说明了根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器结构的示例。图1是说明根据本发明磁致伸缩扭矩传感器基本结构的部分横截面侧视图。图2是概念性地说明磁致伸缩扭矩传感器基本结构(包括电路)的侧视图。如图1和2所示，磁致伸缩扭矩传感器10包括旋转轴11、围绕旋转轴 11设置的一个励;兹线圈12与两个检测线圈13A和13B。为便于描述，图1 和2通过剖切并忽略旋转轴11的上部与下部来说明旋转轴11。举例来说，旋转轴11是转向系统的转向轴的一部分。旋转轴11接收右 旋扭矩(顺时针旋转扭矩)以使其产生围绕轴的中心轴线lla的顺时针旋转， 或者接受左旋扭矩(逆时针旋转扭矩)以4吏其产生围绕轴的中心轴线lla的 逆时针旋转，如箭头A所示。旋转轴11由金属棒构成，该金属棒可由例如 铬钼钢材料(SCM材料)制成。在图1中所示，沿着轴的方向(轴中心线) 在轴11上的上下两个位置处设置磁致伸缩膜14A和14B。每个磁致伸缩膜 14A与14B都在旋转轴11的轴向上具有恒定宽度(轴向宽度)，并且形成于 旋转轴11的整个圆周上。两个》兹致伸缩膜14A和14B中每一个的轴向宽度 尺寸以及这两个磁致伸缩膜14A和14B之间间距的尺寸是根据条件可选择地 设定的。事实上，磁致伸缩膜14A和14B是通过电解电镀作为磁致伸缩电镀 部分形成于旋转轴11的表面上的。具有》兹各向异性的》兹致伸缩膜14A和14B 是通过在磁致伸缩电镀部分上执行磁各向异性处理磁致伸缩各向异性处理 而形成于其上的。在图1中，各磁致伸缩膜14A和14B的膜层厚度是稍微夸 大地进行图示的。将镍铁合金材料用作为两个磁致伸缩膜14A和14B中每一个的磁致伸缩 材料。两个完整的磁致伸缩膜14A和14B的磁各向异性是关于轴对称并且彼 此相反的。^磁致伸缩膜14A和14B中的一个具有正》兹致伸缩常数，而另一个 磁致伸缩膜则具有负石兹致伸缩常数。在如下的描述中，假定上部磁致伸缩膜 14A具有正》兹致伸缩常数，而下部磁致伸缩膜14B具有负/磁致伸缩常数。如图1所示，对应于两个;兹致伸缩膜14A和14B,分别设有励石兹线圈12 与一对4企测线圈13A和13B。即，如图l所示，将4企测线圈13A设置为跨过 围绕磁致伸缩膜14A的间隙。环状的检测线圏13A围绕磁致伸缩膜14A的整 个圓周。另夕卜，检测线圏13A轴向宽度的尺寸与磁致伸缩膜HA的基本相等。 将检测线圈13B设置为跨过围绕磁致伸缩膜14B的间隙。类似地，环状的检 测线圈13B围绕磁致伸缩膜14B的整个圆周。另夕卜，检测线圈13B轴向宽度的尺寸与磁致伸缩膜14B的基本相等。而且，环状励磁线圈12设置为围绕 检测线圈13A和13B中的每一个。尽管图1看来是表示励磁线圈12独立且 分别对应于磁致伸缩膜14A和14B设置的，但事实上是单个励》兹线圏12的 两部分被相互分开图示。检测线圈13A、 13B与励》兹线圈12是在围绕;兹致伸 缩膜14A和14B的位置处缠绕地设置的，利用环绕:旋转轴11的环状支架部 分15A和15B以包围S走转轴11。图2概念性地说明了设置为环绕旋转轴11上的磁致伸缩膜14A和14B 的励^兹线圏12以及^企测线圈13A和13B之间的电学关系。用于一直供给励 磁交变电流(交变正弦波电流)的交流电源16与共同沿着》兹致伸缩膜14A 和14B设置的励磁线圏12相连接。在用于根据本实施例向励磁线圏12供给 励磁电流的电路中，除了交流电源16，还提供有用于供给直流偏流(1。)的 偏压电源17。分别对应于所要检测的扭矩的感应电压Va和VB从分别对应于 磁致伸缩膜14A和14B设置的检测线圈13A和13B的输出端输出。通过利用Ni-Fe电镀进行电解电镀处理而形成于旋转轴11表面上的磁 致伸缩膜14A和14B具有相反的；兹各向异性。两个》兹致伸缩膜14A和14B分 别形成为具有相反的磁各向异性。当由转向力引起的扭矩施加于旋转轴11 上时，磁致伸缩膜14A和14B中产生的相反的磁致伸缩特性通过利用环绕磁 致伸缩膜14A和14Bi殳置的;f全测线圈13A和13B ^皮分别测得。图3是说明两个》兹致伸缩膜14A和14B的;兹致伸缩特性曲线21A和21B 的曲线图。在图3中，横坐标轴表示施加到旋转轴(转向轴)上的转向扭矩。 正的一侧对应于顺时针旋转。负的一侧对应于逆时针旋转。在图3中，纵坐 才示轴表示电压轴。分别对应于》兹致伸缩膜14A和14B的》兹致伸缩特性曲线21A和21B表示 检测线圈13A和13B的检测特性输出。就是说，励》兹交变电流从共同的励磁 线圈12供给到分别对应于磁致伸缩特性曲线21A和21B的磁致伸缩膜14A 和14B。 ^r测线圈13A和13B响应于励/磁交变电流而llr出感应电压。因此， 各个检测线圈13A和13B的感应电压中的变化特性与分别对应于》兹致伸缩膜 14A和14B的磁致伸缩特性曲线21A和21B中相关联的一个相对应。磁致伸 缩特性曲线21A表示由检测线圈13A输出的感应电压V,的变化特性。磁致伸 缩特性曲线21B表示由检测线圈13B输出的感应电压Vb的交化特性。在图3中，直线22表示依据数值而产生的曲线，该数值是从由示出检测线圈13A输出电压的磁致伸缩特性曲线21A所表征的相关值中减去由示出 ;险测线圈13B输出电压的磁致伸缩特性曲线21B所表征的每一个值而获得 的。关于由线22表示的特性曲线，图3的纵坐标轴表征不同电压的值。如和13B输出的感应电压VA和VB之间的差值(VA-VB)而获得的。因此，依赖线 22即可以测得施加到旋转轴11上的转向4a矩的方向与大小。具有上述结构的义兹致伸缩扭矩传感器10的操作在以下进行了详细描述。 在磁致伸缩扭矩传感器10中，从励-兹线圈12才是供的交变电流是高频率 正弦波交变电流，其频率包括在大致从约20到约100kHz的频率范围中。在 当励磁线圈12被交变电流激励时4丑矩由外部施加到S走转轴11上的情况下， 在每个励石兹线圈12以及才企测线圈13A和13B中产生电动电压，该电动电压 包括由电感变化引起的自感电压与互感电压，其中的电感变化是由与旋转轴 11上产生的应力应变成比例地生成的导磁率的变化而引起的。因此，感应电 压(VA， VJ作为瞬时(minute)电压从斗企测线圈的llT出端输出。此时，正 弦波交流电压持续施加到励磁线圈12上。励磁状态得到保持。在传统磁致 伸缩扭矩传感器中，正弦波交流电压，0V交流电压范围的中点，施加到励》兹 线圏。然而，在磁致伸缩扭矩传感器的传送中，旋转轴的导磁率存在有变动。 另外，因为旋转轴由磁性材料制成，所以在其磁化中存在有个体差异。从而 产生了传感器灵敏度(或导磁率)的变动。因此，在根据本实施例的磁致伸 缩扭矩传感器10中，进一步由偏压电源17向励-兹线圈12施加预定的直流 电流U。)。从而，在正弦波交流电流被供给励磁线圈12时产生的施加于每 个磁致伸缩膜14A和14B的磁场发生偏移。预先确定的直流电流是上述的偏 流I。，并且也是用于产生偏置磁场的偏移电流。励磁线圈12基于提供给它 的上述正弦波交变电流而产生交变》兹场。要添加到该正弦波交变电流中的偏 流1。通过添加偏置磁场在交变磁场上添加偏压磁场而产生偏移磁场。顺便提 及，上述的偏压电源17可以构造为光学地调节偏压。图4中所示的曲线说明了基于正弦波交变电流的交变磁场31、基于偏流 工。的偏置》兹场32、以及由偏流1。所产生的偏移^i场33之间关系的一个示例。 上述曲线图所示的用于偏移交变磁场31的条件如下而确定。 如图5所示，假定H ( >0 )指代根据磁致伸缩膜14A和14B的磁滞曲线 34确定的"对应于最大导磁率的施加的；兹场"，其由交变^兹场31所产生，Hn(〉0)指代"不连续磁化范围终止(磁饱和)处施加的磁场"，而Hin (〉0)则指代确定灵敏度范围的施加的磁场，该范围将设定在表征磁致伸缩膜14A 和14B所具有的磁致伸缩灵敏度的磁致伸缩灵敏度曲线上。在这样的假定下， 偏流I。添加到上述正弦波交变电流中以满足下述条件Hra<Hin<H ;并且 -Hm〉-Hin〉-H,'。根据上述磁致伸缩膜14A和14B的"所施加的磁场/归一化灵敏度"特 性，如图6所示，设定了 "对应于最大导磁率的施加的磁场Hm"以及"不连 续磁化的范围终止处的施加的磁场Hn"。在图6中，根据"所施加的磁场/归 一化灵敏度"特性35,范围Al是H,n的范围，其中满足由不等式"HU;， 给出的条件。范围A2是H,n的范围，其中满足由不等式"-Hra〉-Hin〉-H "给出 的条件。根据上述的结构，可以将传感器的灵敏度特性实现为使得在最大灵敏度 处传感器灵敏度中的变动最小，该最大灵敏度对应于由形成在旋转轴11上 的两个磁致伸缩膜14A和14B给出的最大导磁率。施加到旋转轴11上的磁致伸缩膜14A和14B上的偏移磁场33的设定是 基于供给励;兹线圈12的励/磁电流与偏流在初始i殳定处而进行的。"初始设 定，，是初始化过程中对电力系统回路的设定，所述初始化在;兹致伸缩扭矩传 感器10运用于汽车电动转向装置的转向扭矩检测部分中时，例如当汽车的 生产已经完成时进行。通常，对于磁致伸缩扭矩传感器1Q安装于给定设备 中的情况，该"初始设定"是当该设备作为成品完成时所要进行的设定。接下来，将在下面描述利用上述磁致伸缩扭矩传感器IO作为汽车电动 转向装置的转向扭矩检测部分的实施例。图7是il明将安装于汽车中的电动转向装置完整结构的示意图。电动转向装置40构造为向连接于转向轮41的转向轴42给出辅助扭矩。 转向轴42包括顶端与转向轮41相连接的上转向轴42a、在底部设置有小齿 轮43的下转向轴42b、以及使上转向轴42a与下转向轴42b相互连接起来的 万向接头42c。齿条轴44带有与下转向轴42b的小齿轮43相啮合的齿条44a。 齿条-齿轮传动机构45由小齿轮43与齿条轴44 (齿条44a )构成。连接杆 46设置在齿条轴44的两端处。前轮47与连接4干46中相关的一个的外端相 连接。电机49通过传动机构48与下转向轴42b相连接。传动机构48由蜗齿 轮50与蜗轮51构成。电机49输出回转力(扭矩)以辅助转向扭矩，并通 过传动机构48将回转力传给转向轴42b。转向扭矩检测部分52设置在转向轴42b上。当驾驶员操作转向轮41并 将转向扭矩施加到转向轴42上时，转向扭矩检测部分52测得施加到转向轴 42上的转向^^矩。附图标记53指代用于检测汽车车辆速度的车辆速度检测部分。附图标 记54指代包括计算机的控制装置。控制装置54接收从转向扭矩检测部分52 输出的转向扭矩信号T，并且也输出从车辆检测部分53输出的车辆速度信号 V。然后，控制装置54基于与转向扭矩相关的信息以及与车辆速度相关的信 息而输出用以控制电机49运行的驱动控制信号SG1。当车辆行驶时驾驶员操纵转向轮41以在行车方向上实施转向时，基于 施加到转向轴42上的转向扭矩的回转力通过齿条-齿轮机构45而转变成齿 条轴的轴向线性运动。另外，前轮47的行驶方向可通过连接杆46而得以改 变。这时，附接于转向轴42的转向扭矩检测部分52同时测得响应于驾驶员 对转向轮41的转向操作的转向扭矩，并将所检测的转向扭矩转变为转向扭 矩电信号T。然后，转向扭矩检测部分52将转向扭矩信号T输出至控制装置 54。另一方面，车速检测部分53检测车速并将所测车速转变为车速信号V。 控制装置54根据转向扭矩信号T与车速信号V而产生用于驱动电机49的电 机电流。由电机电流所驱动的电机49通过传动机构48而产生作用于转向轴 42b的辅助转向力。因此，驾驶员的用于施加到转向轮41上的转向力靠驱动 电机49而得以减小。如上所述，在上述磁致伸缩扭矩传感器10用作为汽车电动转向装置40 的转向扭矩检测部分52的情况下，使用环境中的》兹场环境发生显著变化。举例来说，在汽车横穿过铁路交叉口，以及在汽车^v高架铁路路轨下面行驶过的情况下，汽车会受到磁场的影响。此外，地磁也会随着使用磁致伸缩扭 矩传感器的区域而发生变化。因此，将地磁变化的影响考虑进去是有必要的。 因此，在汽车的电动转向装置40中使用磁致伸缩扭矩传感器10的情况 中，优选地，将偏流添加到上述的正弦波交变电流,人而以卩吏上述施加的；兹场 Hin (〉0)满足以下条件 . (Hm+Hex+Hraag) <Hin< ( Hm - Hex - Hraag);以及—(Hm+Hex+Hmag) 〉 一 Hin〉 — ( Hm _ Hex — Hmag)其中fL(〉0)是由扰动元素而引起的磁场，尤其是当汽车横穿过铁路交 叉口时产生的磁场，以及旋转轴的初始磁性而引起的磁场，而Hmag(>0)则 是由地磁引起的磁场。Hin的范围如下，即在类似于图6的图8中所示的"所 施加的磁场/归一化灵敏度"特性35中，范围Bl满足条件(Hm+Hex+HMg )<H, < (Hm — Hex - Hraag);而范围B2满足条件-(Hm+Hex+Hmag) > — Hin〉 _ ( Hm - Hex-Hmag)。在以这种方式设定偏移磁场的情况下，例如像地磁之类的磁场扰动元 素以及特性参数的影响能够得以减小。从而，可获得低变动的导磁率和灵敏 度的磁致伸缩扭矩传感器。在上述实施例中，将直流电(偏流)施加到厥W兹线圈12以将偏移J兹场 (或偏置磁场)施加到旋转轴11上的磁致伸缩膜14A和14B上。为了将预 定宽度的偏移磁场(或偏置磁场)施加到磁致伸缩膜14A和14B,如图9所 示，可以实施通过将另一磁场发生装置附接于旋转轴11上而直接施加磁场 到旋转轴11的方法。图9与上述图2相似。在图9中，与参照图2描述时 基本相同的元素，由图2所示的用以指示相同元素相同的附图标记所指代。 因此，省略了对这样的元素的描述。在图9所示的结构中，环状N极永/磁体 62与环状S极永磁体6 3设置于磁致伸缩膜14A轴向的两侧，从而由箭头61 所指代的磁场在沿磁致伸缩表面设置的区域中产生。类似地，环状N极永磁 体65与环状S极永磁体66设置于磁致伸缩膜14B轴向的两侧，从而由箭头 64所指代的磁场在沿磁致伸缩表面设置的区域中产生。磁场61的方向与磁 场64的相同并且与旋转轴11的轴向相平行。N极永磁体62、 65与S极永磁 体63、 66构成磁场发生装置。各自在旋转轴11的圆周方向上呈类似环状形 状的N极永磁体62、 65与S极永磁体63、 66，通过改变每个N极永磁体62、 65与S极永磁体63、 66的体积而调节所产生的；兹场。因此可确定最佳的施 加磁场。在结构的这一示例中，仅有交流电源16是与励;兹线圏12相连接的。 在该结构的情况下，偏移磁场(偏置磁场)与励磁线圏是无关的。因此，通 过去除例如线圈绕组数目及其阻抗值的影响，能够确定磁场范围。上述实施例所描述的构件结构、形状、大小、材料、以及布置关系，都 仅仅是粗略地用来说明能够理解及实施的发明范围。因此，本发明并不局限 于所描述的实施例。从而，在不背离由附加权利要求所描述技术思想的范围 的情况下，本发明可以变化成各种形式。根据本发明，用作为电动转向装置转向扭矩检测部分的磁致伸缩扭矩传 感器可用来简化其生产过程。
权利要求
1、一种磁致伸缩扭矩传感器，其包括用于根据输入扭矩旋转并且具有磁致伸缩膜的旋转轴，将交变磁场施加于所述磁性膜上的励磁线圈，以及检测所述磁致伸缩膜的磁特性变化的检测线圈，其中一偏置磁场被添加到所述交变磁场上，以满足以下条件Hm＜Hin＜Hn； 且-Hm＞-Hin＞-Hn其中Hm＞0，其是对应于根据所述磁致伸缩膜的磁滞曲线而获得的最大导磁率的所施加磁场，其表示出了由所述交变磁场引起的磁化，Hn＞0，其是对应于不连续磁化的范围的端点的所施加磁场，并且Hin＞0，其是确定灵敏度范围的所施加磁场，该灵敏度范围要被设定在表征所述磁致伸缩膜具有的磁致伸缩灵敏度的磁致伸缩灵敏度曲线上。
2、 根据权利要求1的磁致伸缩扭矩传感器，其中 所述偏置石兹场添加到其上，以满足以下条件(Hm+Hex+Hmag ) <Hin< ( Hn — Hex _ Hmag ) ， 且一 (Hm+Hex+Hmag ) > — Hin〉 — ( Hn 一 Hex 一 Hmag) 其中Hex>0,其是由能够影响所述磁致伸缩膜磁特性的扰动元素而引起的磁场，并且H,gX)，其是由地磁引起的磁场。
3、 根据权利要求1的磁致伸缩扭矩传感器，其中偏置^t场是通过励^磁线圈将偏压电流添加到交变电流中而给出的。
4、 根据权利要求1的磁致伸缩扭矩传感器，其中 所述偏置磁场是由另 一磁场发生器给出的。
5、 一种电动转向装置，其包括用于检测施加到转向装置的转向轴上的扭矩的转向扭矩检测部分，以及驱动控制一电机的控制器，该电机根据由所述转向扭矩检测部分测得的 转向扭矩而向转向轴提供辅助扭矩，其中根据权利要求1至4中任一项的磁致伸缩扭矩传感器被用作所述转向扭 矩检测部分，并且所述转向轴用作所述磁致伸缩扭矩传感器的旋转轴。
全文摘要
本发明公开一种磁致伸缩扭矩传感器(10)，其包括用于根据输入扭矩旋转并且具有磁致伸缩膜(14A)和(14B)的旋转轴(11)、将交变磁场(31)施加于磁致伸缩膜上的励磁线圈(12)、以及各自检测相关联的一个磁致伸缩膜的磁特性变化的检测线圈(13A)和(13B)，其中由偏压电源(17)将偏置磁场添加到交变磁场，以满足以下条件H_m＜H_in＜H_n；且-H_m＞-H_in＞-H_n，其中H_m(＞0)是对应于根据磁致伸缩膜磁滞曲线获得的最大导磁率处的施加磁场，示出了由交变磁场引起的磁化，H_n(＞0)是对应于不连续磁化范围端点处的施加磁场，H_in(＞0)是确定灵敏度范围的施加磁场，该灵敏度范围设定在表征磁致伸缩膜磁致伸缩灵敏度的磁致伸缩灵敏度曲线上。
文档编号G01L3/10GK101329209SQ200810110258
公开日2008年12月24日 申请日期2008年6月23日 优先权日2007年6月22日
发明者原田仁, 土肥瑞穗, 樫村之哉, 福田裕一 申请人:本田技研工业株式会社