磁致伸缩扭矩传感器和电动助力转向装置的制作方法

专利名称：磁致伸缩扭矩传感器和电动助力转向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及^t致伸缩扭矩传感器和电动助力转向装置(electric power steering apparatus )，并且更具体地涉及具有合适结构的f兹致伸缩扭矩传感器 以及装配有该磁致伸缩扭矩传感器的电动助力转向装置，所述合适结构用于 减小在添加磁各向异性的步骤中由加热旋转轴引起的传感器灵敏度特性变 化。
背景技术：
例如，在被提供作为交通工具的转向系统的电动助力转向装置中，通常 通过转向扭矩检测部分检测通过司机的转向操作从方向盘添加至转向轴的 转向扭矩。通常通过扭力杆类型的扭矩传感器组成转向扭矩检测部分。最近， 已经提出了磁致伸缩扭矩传感器。转向轴起旋转轴的作用以通过转向操作接 收旋转力而被旋转，并在转向扭矩检测部分中充当旋转轴。电动助力转向装 置控制转向力的驱动操作以帮助电动机响应通过转向扭矩检测部分检测的 扭矩信号，并减轻司机的转向力以提供舒适的转向感觉。如上面所述，已知磁致伸缩扭矩传感器被用于电动助力转向装置的转向 扭矩检测部分。磁致伸缩扭矩传感器在转向轴表面的两个预定位置的彼此相 反方向上配备有具有磁各向异性的磁致伸缩薄膜。磁致伸缩扭矩传感器具有 这种传感器结构，该结构用于当来自方向盘的扭矩作用于转向轴时，非接触 地检测对应于转向轴上产生的扭转的磁致伸缩薄膜的磁致伸缩特性变化。在用于制造如上面所述的磁致伸缩扭矩传感器的工艺中，必须提供在转 向轴的一部分预定表面上形成磁致伸缩薄膜并且添加磁各向异性至-兹致伸 缩薄膜的步骤，该预定表面也就是在旋转轴中在轴向上具有预定宽度的圆周 表面参照在磁致伸缩扭矩传感器的制造中添加磁各向异性至磁致伸缩薄膜 的传统方法，通过电解电镀处理，产生扭转扭矩以作用于具有磁致伸缩材料 镀覆部分Q兹致伸缩薄膜)的旋转轴上，例如，通过在施加应力的状态中高 频加热，应力被施加至旋转轴的圆周表面，以实现在旋转轴上的热处理(例如见JP-A-2004-340744 )。当转向轴，也就是具有组成磁致伸缩扭矩传感器的磁致伸缩薄膜的旋转 轴被装配进入电动助力转向装置，通过轴承，旋转轴被装配进入外壳。此时， 必须避免形成于旋转轴上的磁致伸缩薄膜与轴承接触而被损坏。为此，可以 建议在旋转轴的轴向上具有预定宽度的区域的直径被设定为小于相同区域 的两端附近的直径，并且在相同轴向上具有预定宽度的区域中形成两个^f兹致 伸缩薄膜。然而，其中在旋转轴的轴向上具有预定宽度的区域中的直径被设定为小 于相同区域中两端附近的直径，并且在具有预定宽度的区域中形成两个》兹致 伸缩薄膜的情况中， 一个磁致伸缩薄膜两端附近的旋转轴的直径不彼此相 等。为此，当通过利用由一绕组线圈部分组成的感应加热线圈实施高频加热， 以执行在磁致伸缩薄膜上的热处理时，磁致伸缩薄膜一端附近的旋转轴外周 和感应加热线圈之间的距离不同于^f兹致伸缩薄膜另一端附近的旋转轴外周 和感应加热线圈之间的距离。为此，磁致伸缩薄膜一端附近的旋转轴的加热 状态不同于另一端附近的旋转轴加热状态。因此，存在一个问题磁致伸缩 薄膜的温度分布不是均匀的，制备具有均匀的磁各向异性的磁致伸缩薄膜是 困难的，并且检测灵敏度具有变化。参照图12至14描述内容。图12是径向截面图，其在这种情况下示出了描 述布置关系的主要部分，其中通过经一绕组线圈部分形成的感应加热线圈加 热设置于旋转轴上的磁致伸缩薄膜。在旋转轴100中，在其轴向上具有预定 宽度的区域101的直径dnx)被设定为小于区域101的两端上的邻近部分102和 103的直径d,(n。在旋转轴100中，与其上和下端上的区域101—起形成阶梯部 分。在轴向上具有预定宽度的区域101上形成两个磁致伸缩薄膜104和105。 附图标记106表示通过一绕组线圈部分形成的感应加热线圈。如图12中示出 的，例如，磁致伸缩薄膜104的端部104A的邻近部分102中旋转轴的直径d,0, 不等于对于端部104B的邻近部分101A中旋转轴的直径d,00。为此，邻近部分 102和感应加热线圈106之间的距离D扁不同于邻近部分101A和感应加热线 圈之间的距离D2w。因此，当通过经一绕组线圈形成的感应加热线圈106实施 高频加热，以实施在磁致伸缩薄膜104上的热处理时，磁致伸缩薄膜104的端 部104A的邻近部分102中旋转轴的加热状态不同于另一端104B的邻近部分 101A中旋转轴的加热状态。当通过感应加热线圈加热其他-磁致伸缩薄膜105,
以添加义兹各向异性时，以相同的方式产生前述内容。图13是示出了加热磁致伸缩薄膜104时的温度分布图。在图13的图示中， 横坐标轴表示与图12中的磁致伸缩薄膜104上侧上的端部104A的距离(mm )， 并且纵坐标轴表示对于磁致伸缩薄膜104每一个位置来说与温度中心部分 104C的温度差关于温度中心部分104C的百分比(差％)。特性图C100表示 温度分布的特性。如从图13显而易见的，^F兹致伸缩薄膜104中的温度分布是 不均匀的。此外，图14是示出了关于用于相同扭矩传感器的加热温度，配备有磁致 伸缩薄膜104和105的磁致伸缩扭矩传感器的灵敏度特性的图示。在图14的图 中，横坐标轴表示加热温度，纵坐标轴表示灵敏度特性。特性图C101表示加 热温度和灵敏度特性之间的关系。如从图I4显而易见的，灵敏度特性根据加 热温度而改变。为此，如图13中所示显而易见地，当磁致伸缩薄膜的加热温 度不均匀时，灵敏度具有变化。发明内容本发明的一个或多个实施例提供一种磁致伸缩扭矩传感器，当在^f兹各向 异性添加步骤处在磁致伸缩薄膜上实施热处理时，其引起磁致伸缩薄膜(磁 致伸缩材料镀覆部分)中的温度分布基本上是均匀的，该磁致伸缩扭矩传感 器可被配备有具有均匀的磁各向异性的磁致伸缩薄膜，并具有变化小的检测 灵敏度，以及在其上装配磁致伸缩扭矩传感器的电动助力转向装置。第一磁致伸缩扭矩传感器具有在其上形成至少一个磁致伸缩薄膜的旋 转轴，旋转轴具有小直径部分和在小直径部分的两端侧上定位的大直径部 分，根据在高频加热步骤使用的感应加热线圈的线圈宽度确定在小直径部分 的轴向上的长度，并且^f兹致伸缩薄膜设置在小直径部分上。依据第一磁致伸缩扭矩传感器，当通过利用由一绕组线圈部分形成的感 应加热线圈实施高频加热，以在,兹致伸缩薄膜上执行热处理时，在/f兹致伸缩 薄膜的两端侧上定位的各个大直径部分和感应加热线圈之间的距离4皮设定 为彼此相等。因此，在磁致伸缩薄膜的两端侧附近被定位的旋转轴的大直径 部分的加热状态彼此相等。因此，磁致伸缩薄膜中的温度分布变成均匀的， 从而可以形成具有均匀的磁各向异性的磁致伸缩薄膜。因此，可以获得具有 检测灵敏度变化小的的磁致伸缩扭矩传感器。
依据第二磁致伸缩扭矩传感器，在第 一磁致伸缩扭矩传感器的结构中， 在小直径部分的两端侧上定位的两个大直径部分的直径可以彼此相等。依据第三磁致伸缩扭矩传感器，在第 一或第二磁致伸缩扭矩传感器的结 构中，两个相应的大直径部分和感应加热线圏的对应部分之间的距离可以彼 此相等。此外，依据本发明的一个或多个实施例，电动助力转向装置配备有用于添加辅助扭矩至转向系统的电动机，用于;f企测转向系统的转向扭矩的转向扭 矩传感器，以及用于至少根据从转向扭矩传感器发送的转向扭矩信号控制电 动机驱动操作的控制器，以及被设定为是第一、第二、第三磁致伸缩扭矩传 感器的转向扭矩传感器。依据根据本发明的一个或多个实施例的磁致伸缩扭矩传感器，旋转轴具 有小直径部分和在其两端侧上定位的大直径部分，并且进一步地，小直径部 分在轴向上具有预定长度，并在小直径部分中提供磁致伸缩薄膜。因此，当 通过利用由一绕组线圈部分形成的感应加热线圈实施高频加热，以在》兹致伸 缩薄膜上执行热处理时，在磁致伸缩薄膜的两端侧上定位的各个大直径部分 和感应加热线圈之间的距离被设定为彼此相等，并且在磁致伸缩薄膜的两端 侧附近被定位的旋转轴的大直径部分的加热状态彼此相等。因此，磁致伸缩 薄膜中的温度可以是均匀的，并且可以形成具有均匀的磁各向异性的磁致伸 缩薄膜。从而可以获得具有检测灵敏度变化小的磁致伸缩扭矩传感器。依据根据本发明的 一个或多个实施例的磁致伸缩扭矩传感器，通过利用 作为转向扭矩传感器的^t致伸缩扭矩传感器，可以实施稳定的操作。本发明的其他方面和优点将从下面的描述和附加权利要求中显而易见。


图1是示出了依据本发明的磁致伸缩扭矩传感器的示范性实施例的部分 截面侧视图；图2是概念性地示出了依据示范性实施例的磁致伸缩扭矩传感器的基本 结构的侧^L图；图3是示出了依据示范性实施例的磁致伸缩扭矩传感器的旋转轴的特性 形状的部分侧视图；图4是示出了其中依据示范性实施例的磁致伸缩扭矩传感器作为转向扭 矩检测部分被结合进入电功率操纵设备的转向轴的具体结构的主要部分的径向截面图；图5是示出了涉及依据示范性实施例的磁致伸缩扭矩传感器中的每一个 探测线圈的磁致伸缩特性曲线和传感器检测特性的图示；图6是示出了制造依据本发明的示范性实施例的磁致伸缩扭矩传感器的 方法的图，其描述了用于制造旋转轴的过程的步骤；图7是示出了磁各向异性添加步骤的流程图；图8是示出了根据旋转轴的各个形状和磁各向异性添加步骤处的感应加 热线圈的定位关系的径向截面图；图9是示出了在磁各向异性添加步骤的各个步骤(a)至(d)处旋转轴 中径向上的温度分布(1)和变形分布(distortion distribution ) (2)的图；图IO是示出了在形成磁致伸缩材料镀覆部分后即时的磁致伸缩扭矩传 感器的阻抗特性，以及在依据示范性实施例的磁致伸缩扭矩传感器中添加磁 各向异性之后使用磁致伸缩薄膜的磁致伸缩扭矩传感器的阻抗特性的图；图ll是示出了依据示范性实施例的磁致伸缩扭矩传感器的阻抗特性和 传统的磁致伸缩扭矩传感器的阻抗特性之间的比较的图；图12是解释相关技术中关于磁各向异性添加步骤处旋转轴和感应加热 线圈之间的关系的问题的径向截面图；图13是为了解释该问题而示出了加热磁致伸缩薄膜时温度分布的图；图14是为了解释该问题而示出了对于磁致伸缩薄膜的加热温度来说磁 致伸缩扭矩传感器的灵敏度特性的图。<附图标记的描述>10致伸缩扭矩传感器11旋转轴llb、 llc、 lld大直径部分 lle、 llf小直径部分 12激励线圈 13A、 13B探测线圈 14A、 14B磁致伸缩薄膜 20转向扭矩检测部分 21转向轴 31齿轮箱34齿条和小齿轮机构 35功率传送机构 42 电动机51A、 51B ,兹致伸缩特性曲线(阻抗特性曲线) Pl ^磁致伸缩薄膜形成步骤 P2 -兹各向异性添加步骤 P3特性稳定化步骤具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示范性实施例。参照图1至4描述^f兹致伸缩扭矩传感器。图1至4示出了依据示范性实 施例的磁致伸缩扭矩传感器的结构的例子。图l是示出了磁致伸缩扭矩传感 器的基本结构的部分截面侧视图，图2是概念性地示出了^f兹致伸缩扭矩传感 器的基本结构的侧视图，图3是示出了仅组成磁致伸缩扭矩传感器的旋转轴 的一部分的侧视图，图4是示出了其中磁致伸缩扭矩传感器作为转向扭矩检 测部分被结合进入电功率操纵设备的转向轴的具体结构的径向截面图。如图1和2中示出，通过旋转轴11、设置在旋转轴11周围的激励线圈 12以及两个探测线圈13A和13B组成》兹致伸缩扭矩传感器10。在图1至3 中，旋转轴11被示出具有为了方便解释而被切除和省略的上和下部。参照在图4中示出的使用实例，例如，旋转轴11作为转向轴21的一部 分而被组成。在图1中，旋转轴11在如轴中心lla周围的箭头A示出的向右(顺时 针)或向左(逆时针)的方向上接收旋转力(扭矩)。通过比如铬钼钢产品 (SCM材料)的金属棒形成旋转轴11 。参照图3，针对旋转轴ll自身的形状给出描述。旋转轴ll被处理成包 括三个大直径部分llb、 llc和lld以形成具有大直径的部分、以及包括两 个小直径部分lie和llf以形成具有小直径的部分。所有大直径部分llb、 llc和lid直径彼此相等，并被表示为d"小直径部分lie和llf的直径也 彼此相等，并被表示为d2。在大直径部分llb和大直径部分llc之间形成小 直径部分lie,并且在大直径部分lib和大直径部分lld之间形成小直径部 分llf。因此，分别在小直径部分lie的两端侧上形成大直径部分llb和lie, 并且分别在小直径部分llf的两端侧上形成大直径部分lib和lld。在三个 大直径部分llb、 11c和lid的每一个和两个小直径部分lle和llf的每一个 之间形成阶梯部分。直径d,和d2之间的差例如近似是0.3mm。因此，大直 径部分llb、 11c和lid和小直径部分lie和llf之间的阶梯例如近似是 0.15mm。通过薄膜形成技术在两个位置中的小直径部分lle和llf的每一个 外围表面上形成磁致伸缩薄膜。形成it致伸缩薄膜的小直径部分lle和llf的轴向上的长度(宽度)被 确定为关于下面在具有一绕组线圈部分的感应加热线圈(RC)中描述的一 绕组线圈部分的轴向上的长度(宽度)基本上彼此相等。返回图1,给出描述。在旋转轴11中，在轴向上的两个上和下部中的 小直径部分lle和llf上分别提供磁致伸缩薄膜14A和14B。磁致伸缩薄膜 14A和14B在旋转轴11的轴向上具有某一宽度，并在旋转轴11的小直径部 分lle和llf中的旋转轴11的圓周方向上的整个外围上被分别形成。根据环 境任意设置每一个磁致伸缩薄膜14A和14B的轴向上的宽度。通过电解电 镀处理，磁致伸缩薄膜14A和14B在旋转轴11的表面上被形成为磁致伸缩 材料镀覆部分。在磁致伸缩材料镀覆部分上实现磁各向异性处理，从而形成 具有石兹各向异性的磁致伸缩薄膜14A和MB。在下面的描述中，为了方便解释，"磁致伸缩薄膜14A和14B"和"磁 致伸缩材料镀覆部分(14A， 14B)"彼此相同，并根据制造的阶段和情况而 被合适地使用。原则上，"磁致伸缩薄膜14A和14B"用于其中增加磁各向 异性而实现完成的阶段，并且'^兹致伸缩材料镀覆部分(14A， 14B)"用于 其之前阶H如图1中所示，对应于形成在旋转轴11的表面上两个磁致伸缩薄膜14A 和14B而分别提供激励线圈12和探测线圈13A和13B。更具体地，如图1 中所示，探测线圈13A被设置在磁致伸缩薄膜14A的周围，且其间具有间 隙。环形的探测线圈13A围绕磁致伸缩薄膜14A的整个外围，并且在探测 线圈13A的轴向上的宽度基本上等于在磁致伸缩薄膜14A的轴向上的宽度。 此外，探测线圈13B被设置在磁致伸缩薄膜14B的周围，其间具有间隙。 类似地，环形的探测线圈13B围绕磁致伸缩薄膜14B的整个外围，并且在 探测线圈13B的轴向上的宽度基本上等于在磁致伸缩薄膜14B的轴向上的
宽度。此外，环形激励线圈12分别设置在两个探测线圈13A和13B的周围。 如图1中所示，分别对应于f兹致伸缩薄膜14A和14B而单独提供激励线圈 12。实际上，分别示出一个激励线圈12的两个部分。通过利用在旋转轴11 的外围上提供的环形支撑构架部件部分15A和15B，探测线圈13A和13B 和激励线圈12缠绕在;兹致伸缩薄膜14A和14B的外围空间上，从而围绕旋 转轴11。图2概念性地示出了为了旋转轴11的磁致伸缩薄膜14A和14B而设置 的激励线圈12和探测线圈13A和DB之间的电关系。用于一直为激励而供 给交流电的AC电源16连接至对磁致伸缩薄膜14A和14B共有设置的激励 线圈12。此外，从对应于磁致伸缩薄膜14A和14B而设置的探测线圈13A 和13B的输出端分别输出对应于将成为检测目标的扭矩的感应电压Va和 Vb。通过例如利用Ni-Fe电镀的电解电镀处理制作在旋转轴11的两个位置 中的小直径部分lle和llf的表面上形成的磁致伸缩薄膜14A和14B，并且 该磁致伸缩薄膜14A和14B具有磁各向异性。两个磁致伸缩薄膜14A和14B 被制备成在彼此的反向上分别具有磁各向异性。当通过旋转力产生的扭矩作 用于旋转轴11时，通过利用在磁致伸缩薄膜14A和14B周围提供的探测线 圈13A和13B检测在磁致伸缩薄膜14A和14B上产生的反向磁致伸缩特性。如图4中所示，例如，磁致伸缩扭矩传感器IO作为转向扭矩检测部分 被结合进入电动助力转向装置的转向轴中。此外，当具有组成磁致伸缩扭矩 传感器的磁致伸缩薄膜的转向轴(旋转轴)被装配进入电动助力转向装置中 时，它一皮通过轴承装配进入外壳中。如上面所述，在旋转轴11的两个位置中的小直径部分lie和llf的直 径d2被设定为小于在其三个位置中大直径部分1 lb、 1 lc和1 Id的直径d，， 并且在两个位置中的小直径部分lle和llf的外围表面上分别形成磁致伸缩 薄膜14A和14B。因此可以避免在旋转轴11上形成的磁致伸缩薄膜14A和 14B与轴承接触而被损坏。在图4中，如参照图1至3描述的那些基本上相 同的部件具有相同的附图标记。图4示出了转向扭矩检测部分20、转向轴 21 (对应于旋转轴11)的支撑结构、齿条和小齿轮机构34、功率传送机构 35和转向力帮助电动机42的结构。在图4中，转向轴21的上部耦合至交通工具的方向盘(未示出)。方向
盘21的下部被组成为通过齿条和小齿轮机构34传送转向力至具有齿条轴的 轴。通过利用磁致伸缩扭矩传感器10组成在方向盘21的上部上附加提供的 转向扭矩4全测部分20。转向扭矩4企测部分20对应于磁致伸缩扭矩传感器10， 并且进一步地，在其上形成磁致伸缩薄膜14A和14B的转向轴21的一部分 S十应于凝」转轴11。在形成齿轮箱31的外壳31a中，通过两个轴承部分32和33旋转支撑 转向轴21。齿条和小齿轮机构34和功率传送机构35被容纳在外壳31a中。转向扭矩检测部分20 (磁致伸缩扭矩传感器10)被附加提供至转向轴 21。在转向轴21上形成石兹致伸缩薄膜14A和14B，在支撑构架部件部分15A 和15B和对应于磁致伸缩薄膜14A和14B的轭部分36A和36B上支撑和提 供激励线圈12和#:测线圈13A和13B。利用盖37阻塞外壳31a的上部开口 。在轴承部分32和33之间定位在 转向轴21的下端上提供的小齿轮38。齿条轴39通过齿条导引40引导，并 通过压缩弹簧41被激励，并因此被朝向小齿轮38侧推动。通过固定至被耦 合至转向力帮助电动机42输出轴的传送轴43的蜗轮44,以及固定至转向轴 21的蜗轮45,形成功率传送机构35。转向扭矩检测部分20连接至盖37的 圓柱形部分37a的内部部分。转向扭矩4全测部分20 4佥测作用于转向轴21的转向扭矩。检测值被输入 至控制装置(未示出)，并被用作为电动机42产生合适的辅助转向扭矩的参 考信号。当从方向盘产生的转向扭矩作用于转向轴21时，转向扭矩检测部 分20电检测随着来自探测线圈13A和13B的各个输出端的感应电压Va和 Vb的交化，而在转向轴21上产生的对应于扭转的》兹致伸缩薄膜14A和14B 的磁特性变化。当转向作用于转向轴21时，在转向轴21上产生扭转。结果，在磁致伸 缩薄膜14A和14B上产生石兹致伸缩效应。在转向扭矩检测部分20中， 一直 从AC电源16供给用于激励的电流至激励线圈12。因此，通过磁致伸缩薄 膜14A和14B中磁致伸缩效应引起的磁场的变化^皮检测为通过探测线圈13A 和13B感应的电压Va和Vb的变化。依据转向扭矩4全测部分20，根据感应 电压Va和Vb的変化，两个感应电压Va和VB之间的差被作为检测电压值 输出，因此，根据转向扭矩检测部分.20的输出电压值(VA-VB)，可以检测 被施加至转向轴21的转向扭矩的方向和振幅。
参照图4，更详细地给出描述。图5是示出了如上面描述的两个;兹致伸 缩薄膜14A和14B的各个f兹致伸缩特性曲线51A和51B的曲线图。在图5 中，横坐标轴表示被施加至转向轴21的转向扭矩，其中正侧(+ )对应于向 右旋转，并且负侧(-)对应于向左旋转。此外，图5中的纵坐标轴表示电 压轴。
针对磁致伸缩薄膜14A和14B的i"兹致伸缩特性曲线51A和51B表示同 一时刻的探测线圈13A和13B的探测输出特性。更具体地，通过公共激励 线圈12供给用于激励的交流电至具有磁致伸缩特性曲线51A和51B的磁致 伸缩薄膜14A和14B,并且探测线圈13A和13B响应用于激励的AC电流 输出感应电压。因此，探测线圈13A和13B的感应电压的变化特性对应于 磁致伸缩薄膜14A和14B的磁致伸缩特性曲线51A和51B。换句话说，磁 致伸缩特性曲线51A表示从探测线圈13A输出的感应电压Va的交化特性。 另一方面，石兹致伸缩特性曲线51B表示从探测线圈13B输出的感应电压VB 的变化特性。
依据磁致伸缩特性曲线51A,从探测线圈13A输出的感应电压Va的植 具有这样的特性转向扭矩的值从负区域变化至正区域，并且进一步地，当 逐渐达到转向扭矩的正值Tl时，基本上线性特性地增加，当转向扭矩具有 正值T1时获得峰值，并当转向扭矩从T1进一步增加时逐渐减小。另一方面， ^磁致伸缩特性曲线51B具有这样的特性从探测线圈13B输出的感应电压 VB的值逐渐增加，直至转向扭矩的值达到负值-Tl，当转向扭矩具有负值-Tl 时获得峰值，并当转向扭矩从-Tl进一步增加时基本上线性特性地减小，并 从负区域至正区域而改变。
如图5中所示，涉及探测线圈13A的-兹致伸缩特性曲线51A和涉及探 测线圈13B的磁致伸缩特性曲线51B关于包括点的纵坐标轴具有基本上线 对称的关系，在所述点上，磁致伸缩特性曲线通过事实的反映而彼此相交， 所述事实是它们在各个磁致伸缩薄膜14A和14B中彼此反向的方向上具有 》兹各向异性。
在图5中示出的直线52表示基于一值产生的图，该值通过从磁致伸缩 特性曲线51A的每一个值减去磁致伸缩特性曲线51B的每一个对应值来获 得，磁致伸缩特性曲线51B的每一个对应值被获得作为探测线圈13B的输 出电压，在^f兹致伸缩特性曲线51A和51B的公共区域即具有基本上线性特
性的区域中，获得^磁致伸缩特性曲线51A的每一个值作为探测线圈13A的 输出电压。当转向扭矩是零时，从探测线圈13A和13B的输出感应电压彼 此相等。因此，其之间的差具有零值。在转向扭矩;险测部分20中，使用被 认为在^f兹致伸缩特性曲线51A和51B中的转向扭矩的中性点(零点)附近 具有基本上恒定的梯度的区域。因此，直线52被形成为具有基本上线性的 特性。参照直线52的特性图，图5中的纵坐标轴意思是表示差分电压的值 的轴。为特性图的直线52是通过原点(0， 0)的直线，并存在于纵坐标和 横坐标轴的正和负侧上。获得转向扭矩检测部分20的检测输出值作为如上 面所述的从探测线圈13A和13B的输出感应电压之差(VA-VB)，因此4艮据 利用直线52的事实，可以检测被施加至转向轴21的转向扭矩的方向和振幅。
如上面所述，根据转向扭矩检测部分20的输出值，可以取得对应于与 输入到转向轴21 (旋转轴11)的转向扭矩相关的旋转方向和振幅的检测信 号。更具体地，根据从转向扭矩检测部分20输出的检测值，可以知道作用 于转向轴21的转向扭矩的旋转方向和振幅。
换句话说，根据转向扭矩输出转向扭矩检测部分20的检测值作为直线 52上的任何点。当在横坐标轴中的正侧上定位检测值时，判定转向扭矩具有 向右旋转方向。当在横坐标轴中的负侧上定位检测值时，判定转向扭矩具有 向左旋转方向。此外，检测值的纵坐标轴上的绝对值为转向扭矩的振幅。因 此，通过转向扭矩检测部分20利用直线52的特性。因此，可以根据探测线 圈13A和13B的输出电压值检测转向扭矩。此外，通过利用磁致伸缩扭矩 传感器，可以制备稳定的电动助力转向装置。
下面，参照图6至11，给出制造磁致伸缩扭矩传感器10的方法的描述。 在图6中示出的制造磁致伸缩扭矩传感器10的方法的主要部分表示用于制 造磁致伸缩扭矩传感器10的旋转轴11的过程。
在图6中，通过磁致伸缩薄膜形成步骤Pl,磁各向异性添加步骤P2， 特性稳定化步骤P3和检查步骤P4粗略地组成用于制造旋转轴11的过程。 特性稳定化步骤P3包括退火步骤P31。此外，在检查步骤P4处，检查被制 造的旋转轴的质量。为了完成磁致伸缩扭矩传感器10，在检查步骤P4之后 提供比如激励线图12和旋转轴11上的探测线圈13A和13B的添加探测器 的探测器添加步骤。
首先，执行磁致伸缩薄膜形成步骤P1。在磁致伸缩薄膜形成步骤P1处，
通过电解电镀处理，作为是爽转轴11的小直径部分lle和llf的外围表面上
的磁致伸缩薄膜的基础的一部分地形成磁致伸缩电路部分。
在磁致伸缩薄膜形成步骤P1处，首先实施预处理，例如清洗被形成为
具有大直径部分llb至lld和小直径部分lle和llf的形状的旋转轴(步骤 Sll)。然后，实施电解电镀(步骤S12)。在电解电镀步骤处，应用^f兹致伸 缩材料，以便在旋转轴11的上和下部中的小直径部分lle和llf中具有预定 薄膜厚度。通过将在下面被描述的后处理，上和下磁致伸缩材料镀覆部分充 当具有磁各向异性的磁致伸缩薄膜14A和14B。之后进行干燥(步骤S13 )。 在磁致伸缩薄膜形成步骤P1处，电解电镀方法用于在旋转轴11的预定 部分的表面上形成^兹致伸缩薄膜14A和14B。然而，通过除电解电镀方法之 外的方法也可以形成用于在旋转轴11中形成;兹致伸缩薄膜14A和14B的基 础部分，例如濺射方法，比如离子镀方法之类的PVD方法，或等离子喷涂 方法。
下面，执行磁各向异性添加步骤P2。在磁各向异性添加步骤P2处，磁 各向异性被添加至形成于旋转轴11上的两个上和下部中的小直径部分lie 和llf的磁致伸缩材料镀覆部分，因此形成磁致伸缩薄膜14A和14B。磁各 向异性添加步骤P2具有在上侧上的磁致伸缩材料镀覆部分上实现高频加热 的步骤S21和在下侧上的^l致伸缩材料镀覆部分上实现高频加热的步骤 S22。
图7是示出了在磁各向异性添加步骤P2的步骤S21和S22处被执行的 工艺步骤的流程图。
通过以下步骤组成步骤S21,步骤S21用于在磁各向异性添加步骤P2 处的上磁致伸缩材料镀覆部分上实现高频加热步骤S201，首先被执行且 用于通过扭矩施加设备施加预定扭转扭矩至旋转轴11;热处理步骤S202， 其接着被执行，用于在其中施加预定扭转扭矩的状态中仅针对预定时间提供 高频至旋转轴11的上》兹致伸缩材料镀覆部分，并通过电》兹感应实施热处理； 步骤S203，其随后自然冷却被加热的旋转轴11;以及用于添加磁各向异性 至上磁致伸缩材料镀覆部分的最后释放扭转扭矩的扭矩释放步骤S204,从 而形成石兹致伸缩薄膜14A。
在加热处理步骤S202处，在旋转轴11的上磁致伸缩材料镀覆部分中设 置通过一绕组线圈部分形成的感应加热线圈，并从高频电源供给预定高频至
感应加热线圈，从而仅在上-兹致伸缩材料镀覆部分上实现高频加热。
图8是示出了在这种情况中旋转轴11和感应加热线圈之间的定位关系 的截面图。在图8中，RC表示具有一绕组线圈部分的感应加热线圈。旋转
轴11在两个位置中具有小直径部分lle和llf，以及在各个小直径部分lie 和llf的径向上在两侧上定位的大直径部分llb、 llc和lld。在两个位置中 的小直径部分lle和llf的各个表面上形成磁致伸缩材料镀覆部分，也就是 磁致伸缩薄膜14A和14B。根据磁致伸缩材料镀覆部分被设定为磁致伸缩薄 膜14A和14B的假定给出描述。
当通过感应加热线圈RC加热磁致伸缩薄膜14A时，》兹致伸缩薄膜14A 的上部大直径部分llb和感应加热线圈RC的对应部分之间的距离与下部大 直径部分11 c和感应加热线圈RC的对应部分之间的距离被设定为彼此相等， 也就是一皮表示为DIO。因此，当通过感应加热线圈RC的高频加热热处理》兹 致伸缩薄膜14A时，磁致伸缩薄膜14A的上端附近的大直径部分lib的一 部分中的加热状态等于下端附近大直径部分lie的一部分的的加热状态。因 此，磁致伸缩薄膜14A上轴向上的温度分布是均匀的，从而可以制备具有均 匀的磁各向异性的磁致伸缩薄膜14A。因此，可以获得具有检测灵敏度变化 非常小的^f兹致伸缩扭矩传感器。
此外，在其上形成^兹致伸缩薄膜14A和14B的小直径部分lie和llf 的轴向上的长度(宽度)基本上等于其中感应加热线圈RC的内周面上形成 有凹入部分的一部分RC1的宽度。为此，当通过利用感应加热线圈RC实施 高频加热以热处理石兹致伸缩薄膜时，可以以基本上均匀的温度分布加热石兹致 伸缩薄膜，从而可以制备具有均匀磁各向异性的磁致伸缩薄膜。因此，可以
获得具有检测灵敏度变化非常小的磁致伸缩扭矩传感器。
通过步骤S201至S204,将石兹各向异性添加至旋转轴11的上磁致伸缩 材料镀覆部分。因此，形成具有磁各向异性的磁致伸缩薄膜14A。
类似地，也在用于旋转轴11的下磁致伸缩材料镀覆部分的高频加热步 骤S22中，执行步骤S201至S204,并将如上面所迷的相同磁各向异性添加 至下磁致伸缩材料镀覆部分。因此，形成具有磁各向异性的磁致伸缩薄膜 14B。在这种情况中，当将磁各向异性添加至下^ 兹致伸缩材料镀覆部分时， 至旋转轴11的扭矩的施加方向被设定为与磁致伸缩薄膜14B的磁各向异性 反向。
此外，参照图9和10，将以原理详细地描述用于添加磁各向异性至磁
致伸缩材料镀覆部分以在磁各向异性添加步骤P2处形成磁致伸缩薄膜14A 的机构。
在图9中，参照在垂直方向上示出的旋转轴11的径向上的温度分布(1 ) 和变形分布(2),描述了四种状态，包括(a)扭矩施加状态，(b)感应加 热状态，(c)镀覆部分变形释放状态，以及(d)在相反方向上扭矩释放状 态。扭矩施加状态(a)，感应加热状态(b)，镀覆部分变形释放状态(c), 以及扭矩释放状态(d)分别对应于图7中的步骤S201、 S202、 S203和S204。 在图9的(1)和(2)中，轴61和62分别表示温度和变形。
在图9的(a)中，产生扭转扭矩Tq作用于旋转轴11上，以施加应力 至旋转轴ll的圆周表面。因此，扭转扭矩Tq起作用。在这种情况中，旋转 轴11的径向上的变形分布被设定为从外周缘方向上的旋转轴11的中心上定 位的轴中心lla增加的分布ST1。也在考虑变形的分布方向，分布ST1在轴 中心lla的右和左侧处反向。因此，在正侧(+ )中示出右侧上的变形分布， 并且在负侧(-)中示出左侧上的变形分布。此外，在图9的(a)中，以虛 线示出在旋转轴11的径向上的温度分布，该温度分布并因此被从外周缘方 向上的旋转轴11的轴中心lla设置为室温下的恒定分布Tl。室温是旋转轴 11的参考温度。
在图9的(b)中，利用作用于旋转轴11上的扭转扭矩Tq，通过感应 加热线圈围绕^磁致伸缩材料镀;f隻部分，并且产生高频电流流动至感应加热线 圈，以热处理磁致伸缩材料镀覆部分。在图9的(b)中，在旋转轴ll的径 向上的变形分布和图9的(a)中的相同。此外，在旋转轴ll的径向上的温 度分布被设定为从更接近的部分朝向外周缘至旋转轴11的外周缘部分快速 增加的分布T2。
在图9的(c)中，实施冷却。结果，在磁致伸缩材料镀覆部分中产生 蠕变，从而使磁致伸缩材料镀覆部分中的变形是零。同时，旋转轴11的径 向上的变形分布被表示为ST2。在图9的(c)的状态中示出的步骤是在热 处理后自然进行冷却的步骤S203。旋转轴11径向上的温度分布T2的形状 基本上不变，但是随着冷却过程的过渡温度整体上降低。
在图9的(d)中，在冷却之后释放被施加至旋转轴11的扭转扭矩Tq。 因此，实现扭矩释放。因此，如在变形分布ST3中示出的，旋转轴ll中的
径向上的变形分布是零。另一方面，如变形分布ST3中示出的，仅在石兹致伸 缩材料镀覆部分中产生变形分布。结果，通过变形分布ST3，磁各向异性可 被添加至磁致伸缩材料镀覆部分。因此，可以形成具有磁各向异性的磁致伸 缩薄膜14A。在图9(d)中，温度分布被减小至如T3中示出的整体上的平 滑分布。
当形成磁致伸缩薄膜14B时，添加反向磁各向异性至》兹致伸缩薄膜14A 中。因此，施加与扭转扭矩Tq反向的逆时针扭转扭矩，以便执行该过程。
图10示出了旋转轴11的两个上和下部中提供的磁致伸缩材料镀覆部分 的阻抗特性ZQ和通过添加》兹各向异性至^f兹致伸缩镀覆部分形成的石兹致伸缩 薄膜14A和14B的阻抗特性Za和Zb。在困10中，横坐标轴表示扭矩(Nm), 并且纵坐标轴表示阻抗(Q )。在磁致伸缩薄膜14A的情况中，通过添加》兹 各向异性，在添加磁各向异性的先前阶段中将磁致伸缩材料镀覆部分的阻抗 特性Z。改变成阻抗特性ZA,或者在磁致伸缩薄膜14B的情况中，将其改变 成阻抗特性Zb。磁致伸缩薄膜14A具有阻抗特性Za。因此，对应于磁致伸 缩薄膜14B的探测线圈13A具有磁致伸缩特性曲线51A。此外，磁致伸缩 薄膜14B具有阻抗Zb。因此，对应于磁致伸缩薄膜14B的探测线圈13B具 有磁致伸缩特性曲线51B。
在图10中，在范围73中，获得阻抗特性ZA和ZB的重叠部分作为基本 上线性的变化特性。范围73被利用为磁致伸缩扭矩传感器10的传感器利用 范围(sensor using range )。
图11示出了依据实施例通过添加磁各向异性至旋转轴100中的磁致伸 缩材料镀覆部分形成的磁致伸缩薄膜104的阻抗特性Zw和通过旋转轴11 形成的磁致伸缩薄膜14A的阻抗特性Za。从图11,明显地，依据实施例通 过旋转轴11提高了磁致伸缩薄膜14A的磁致伸缩特性。
返回图6，给出描述。在磁各向异性添加步骤P2之后实施特性稳定化 步骤P3。在特性稳定化步骤P3处，实施退火步骤P31。在退火步骤P31处， 例如在其中使用转向扭矩检测部分20的情况中，在等于或高于使用温度处， 实施热处理预定时间。
在退火步骤P31之后，实施以采样检测为形式而执行的检测步骤P4。
然后，提供设置检测器比如激励线圈的检测器设置步骤(未示出)，并 在旋转轴11的磁致伸缩薄膜14A和14B周围设置用于检测磁致伸缩特性变
化的检测装置。通过这些步骤，完成磁致伸缩扭矩传感器10。
如上面所述地，依据本发明的示范性实施例，磁致伸缩薄膜中的温度分 布可以是均匀的，并且在加热磁致伸缩薄膜的步骤处可以制备具有均匀的磁 各向异性的磁致伸缩薄膜。因此，可以获得具有检测灵敏度变化非常小的磁 致伸缩扭矩传感器。
以可以理解和实施本发明的这种方式已经示意性示出了在实施例中描 述的结构、形状、尺寸和设置关系，并且进一步地，每一结构(材料)的数 值和成分仅是描迷性的。因此，本发明不局限于上面描述的实施例，而是可 以进行成为各种结构的变化，只要不脱离在权利要求中描述的技术思想的范 围。
用于通过电动助力转向装置来检测转向扭矩的磁致伸缩扭矩传感器采 用本发明。
本申请要求于2006年3月20日申请的申请号为No.2006-077099的日本专 利申请的外国优先权，在此将其整个内容并入作为参考。
权利要求
1、一种磁致伸缩扭矩传感器，包括在其上形成至少一个磁致伸缩薄膜的旋转轴，其中，所述旋转轴具有小直径部分和在该小直径部分的两端侧上定位的大直径部分，在所述小直径部分的轴向上的长度相对于在高频加热步骤使用的感应加热线圈的线圈宽度来确定，以及所述磁致伸缩薄膜设置在所述小直径部分上。
2、 依据权利要求1的磁致伸缩扭矩传感器，其中，在所述小直径部分 的两端侧上定位的两个大直径部分的直径彼此相等。
3、 依据权利要求1的磁致伸缩扭矩传感器，其中，两个相应的大直径 部分和感应加热线圈的对应部分之间的距离彼此相等。
4、 一种电动助力转向装置，包括用于添加辅助4丑矩至转向系统的电动才几； 用于检测转向系统的转向扭矩的转向扭矩传感器；以及 用于至少根据从转向扭矩传感器发送的转向扭矩信号控制所述电动机 的驱动操作的控制器，其中转向扭矩传感器被设定为是依据权利要求1的磁致伸缩扭矩传感器。
5、 一种旋转轴，包括 具有第一直径的第一部分，在轴向上邻近第一部分并具有第二直径的第二部分，其中第二直径小于 第一直径；第三部分，位于第一部分的相对侧，在轴向上邻近第二部分，并具有第 一直径；第四部分，位于第二部分的相对侧，在轴向上邻近第三部分，并具有第 二直径；第五部分，位于第三部分的相对侧，在轴向上邻近第四部分，并具有第 一直径；设置在第二部分上的第 一磁致伸缩薄膜； 设置在第四部分上的第二磁致伸缩薄膜。
全文摘要
磁致伸缩扭矩传感器是具有旋转轴(11)的磁致伸缩扭矩传感器(10)，在该旋转轴(11)上形成至少一个磁致伸缩薄膜(14A或14B)，并具该磁致伸缩扭矩传感器有这种结构旋转轴(11)具有小直径部分(11e和11f)和在小直径部分的两端侧上定位的大直径部分(11b、11c和11d)，并且在小直径部分的轴向上的长度相对于在高频加热步骤使用的感应加热线圈的线圈宽度来确定，并且磁致伸缩薄膜在小直径部分上形成。
文档编号B62D5/04GK101126667SQ200710109738
公开日2008年2月20日 申请日期2007年3月20日 优先权日2006年3月20日
发明者吉本信彦, 唐泽均, 星智弘, 福田佑一 申请人:本田技研工业株式会社