磁致伸缩扭矩传感器及其制造方法以及电动助力转向系统的制作方法

专利名称：磁致伸缩扭矩传感器及其制造方法以及电动助力转向系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于检测车辆的电动助力转向系统等的转向扭矩的磁致伸缩扭矩 传感器及该磁致伸缩扭矩传感器的制造方法，以及使用该磁致伸缩扭矩传感器配置的电动 助力转向系统。
背景技术：
在通常配备为机动车转向系统的电动助力转向系统中，驾驶员通过对转向盘的转 动操作从转向盘向转向轴施加的转向扭矩由转向扭矩检测部分进行检测。磁致伸缩扭矩传 感器被用作该转向扭矩检测部分。转向轴是通过接收由转动转向盘以使车辆转向的驾驶员 产生的旋转力而旋转的旋转轴并且在该转向扭矩检测部分中作为其旋转轴起作用。在电 动助力转向系统中，控制转向力辅助马达使其按照转向扭矩检测部分检测的扭矩信号被驱 动，从而减小驾驶员的转向力，给予驾驶员舒服的转向感觉。图11中显示了构成扭矩检测部分的磁致伸缩扭矩传感器的基本配置。车辆转向 轴(旋转轴)101的表面上形成有磁致伸缩膜102A、102B。该磁致伸缩膜102A、102B被设置 成在沿着旋转轴101的轴线的两个位置处在周向上沿着旋转轴101的全部圆周延伸并具有 彼此相反的磁各向异性103、104。在磁致伸缩膜102A中，磁导率相对于顺时针扭矩增加地 变化。在磁致伸缩膜102B中，磁导率相对于逆时针扭矩增加地变化。当向转向轴101施加 箭头105示出的顺时针方向或逆时针方向的输入扭矩时，磁致伸缩扭矩传感器100检测磁 致伸缩膜102A、102B的磁特性的改变，其分别与检测线圈106A、106B以非接触形式在转向 轴101中产生的扭矩匹配。检测线圈106A布置为围绕磁致伸缩膜102A，检测线圈106B布 置为围绕磁致伸缩膜102B。图12示出了基于磁致伸缩扭矩传感器100的传感器配置的输入扭矩的检测原理。 特性VTl是基于来自检测线圈106A的输出信号产生的输入扭矩输出特性，特性VT2是基于 来自检测线圈106B的输出信号产生的输入扭矩输出特性。由于磁致伸缩膜102A和103A具 有指向相反方向的磁各向异性103、104，特性VTl和特性VT2的趋势彼此相反。特性VT3是 通过取特性VTl和特性VT2之间的差(VT1-TV2)得出的输入扭矩输出特性。基于特性VT3 获得向转向轴施加的输入扭矩。实际上，特性VT3上的点B被设为原点(输出值为0)，原点 右手侧的区域被称为正相区，而原点左手侧的区域被称为负相区。有关向转向轴施加的输 入扭矩的旋转方向和大小的信息基于特性VT3获得。在一种制造磁致伸缩扭矩传感器100的方法中，磁致伸缩膜102A、102B( —般地 说，磁致伸缩区域部分)形成为以适当的轴的宽度在转向轴101轴向的两个位置处在周 向上沿可旋转的杆形(圆柱形)转向轴101的表面的全部圆周延伸，且向这些磁致伸缩膜 102AU02B提供磁各向异性。一种用于向磁致伸缩膜提供磁各向异性的传统方法采用如下 方法，通过例如电镀处理形成磁致伸缩材料电镀部分(磁致伸缩膜)，从而向轴构件(旋转 轴)施加扭力矩。然后，向轴构件的圆周表面施加应力，并且在施加应力的条件下在恒温池 中加热轴构件(专利文件1)。
专利文件1提出了用于提供磁各向异性的方法，其中，沿周向在转向轴的表面上 镀上40 μ m厚的磁致伸缩膜，向磁致伸缩膜施加2kgm的扭力矩以向其施加应力，并使转向 轴在150到550°C的温度经受10分钟至大约20小时的加热处理。图11所示的传统磁致伸缩扭矩传感器100存在问题，即不能精确地检测磁致伸缩 膜102A、102B的失效。原因在于，即使关于转向扭矩的传感器输出信号发生了变化，也不能 确定该变化是由环境的变化、还是施加的转向扭矩或者磁致伸缩膜102A、102B自身的失效 所导致的。在图11所示的传统磁致伸缩扭矩传感器100的配置中，为了能够检测磁致伸缩膜 102AU02B的失效，如图13所示，为两个磁致伸缩膜102A、102B的每一个都设置两个线圈 106Α-1、106Α-2、106Β-1、106Β-2(专利文件 2)。在图 13 中，设置上部线圈 106A-1、106B-1 和下部线圈106A-2、106B-2。结果，通过基于预定关系合并从四个检测线圈单独输出的电压 信号，可以获得关于转向扭矩的检测信号和失效检测信号。根据这种配置，如果磁致伸缩膜 102AU02B的任何一个发生失效，即可通过失效检测信号检测该磁致伸缩膜的失效。图14中显示出了具有失效检测结构的另一种磁致伸缩扭矩传感器(专利文件3)。 在这种磁致伸缩扭矩传感器200中，三个磁致伸缩膜201A、201B、201C以彼此在旋转轴101 的轴向上隔开的状态形成。设置于图14中的上侧和下侧的两个磁致伸缩膜201A、201B是具 有磁各向异性的磁致伸缩膜。失效检测磁致伸缩膜201C形成在两个磁致伸缩膜201A、201B 之间。在三个磁致伸缩膜201A、201B、201C的圆周上分别设置检测线圈202A、202B、202C。 基于从两个检测线圈202A、202B输出的两个检测信号提取关于转向扭矩的信号。此外，基 于从三个检测线圈202A、202B、202C输出的三个检测信号提取失效检测信号。在传统的磁致伸缩扭矩传感器中，就可以同时执行转向扭矩检测和磁致伸缩膜失 效检测且磁致伸缩膜设置在两个位置的配置来说，总共需要4个检测线圈。该配置具有这 样的问题，即增加了部件的数量，而部件数量的增加又使制造成本和制造过程增加。另外， 在于三个位置形成磁致伸缩膜的情形中，检测线圈的总数变为3个。然而，在实际的制造过 程中，设置在中间的磁致伸缩膜的铁(Fe)组成成分必须低于另外的上面和下面的磁致伸 缩膜的铁组成成分，这导致了制造过程数量的增加。此外，转向轴(旋转轴)上形成磁致伸 缩膜的区域的轴向尺寸变得很长，这造成了扩大了磁致伸缩膜区域的问题。专利文件1 JP-A-2002-82000专利文件2 JP-A-2006-64445专利文件3 JP-A-2007-10142
发明内容
本发明提供一种能够同时进行扭矩信号检测和磁致伸缩膜失效检测的磁致伸缩 扭矩传感器，其能够减小旋转轴上形成磁致伸缩膜的区域，能够减少诸如检测线圈等部件 的总数，能够简化其结构而不进一步增加制造过程的数量。本发明还提供一种制造该磁致 伸缩扭矩传感器的方法以及利用该磁致伸缩扭矩传感器构造的电动助力转向系统。根据本法明的第一方面，提供一种磁致伸缩扭矩传感器，其包括杆形的旋转轴； 形成在所述旋转轴的表面上以在周向上沿着所述表面的全部圆周延伸的磁致伸缩膜；沿着 磁致伸缩膜的圆周布置的第一检测线圈、第二检测线圈和第三检测线圈；其中，磁致伸缩膜被形成为在旋转轴的轴向上连续延伸的区域，并且磁致伸缩膜在连续形成的区域上包括第 一磁致伸缩膜部分、第二磁致伸缩膜部分以及形成在所述第一磁致伸缩膜部分和第二磁致 伸缩膜部分之间的第三磁致伸缩膜部分，第一磁致伸缩膜部分和第二磁致伸缩膜部分具有 彼此相反的磁各向异性，并且，第一检测线圈、第二检测线圈和第三检测线圈被设置成分别 对应于第一磁致伸缩膜部分、第二磁致伸缩膜部分和第三磁致伸缩膜部分。在形成于旋转轴所处的磁致伸缩扭矩传感器的一部分处的磁致伸缩膜中，在单个 连续的磁致伸缩膜上形成两个扭矩检测磁致伸缩膜部分和位于它们之间的失效检测磁致 伸缩膜部分。两个扭矩检测磁致伸缩膜通过受热形成，使得这两个磁致伸缩膜具有相反的 磁各向异性。结果，形成在中间的磁致伸缩膜部分被形成为不随扭矩改变的部分。通过在 单个磁致伸缩膜上形成上部和下部磁致伸缩膜部分和中间磁致伸缩膜部分，并为磁致伸缩 膜部分单独提供检测线圈，可以同时执行扭矩检测和失效检测。根据本发明的第二方面，第三磁致伸缩膜部分优选为非扭矩敏感区域，且第三检 测线圈优选为失效检测线圈。根据本发明的第三方面，磁致伸缩膜优选在旋转轴的轴向上的一部分处形成在旋 转轴的圆周表面上以在轴向上连续延伸。根据本发明的第四方面，第一磁致伸缩膜部分、第二磁致伸缩膜部分和第三磁致 伸缩膜部分的轴向长度优选大致相同。根据本发明的第五方面，旋转轴优选是车辆电动助力转向系统的转向轴的至少一 部分。根据本发明的第六方面，一种电动助力转向系统优选包括转向轴；用于检测对 转向轴施加的转向扭矩的转向扭矩检测部分；根据转向扭矩检测部分输出的转向扭矩检测 信号进行控制以驱动马达从而给所述转向轴提供助力扭矩的控制单元；其中，转向扭矩检 测部分优选包括任何的所述磁致伸缩扭矩传感器。根据本发明的第七方面，提供一种用于制造磁致伸缩扭矩传感器的方法。该方法 包括以下步骤于杆形的旋转轴的轴向的一部分处，在周向上沿旋转轴的表面的全部圆周 在杆形的旋转轴的表面上形成磁致伸缩膜，以使磁致伸缩膜在轴向上连续延伸；在向旋转 轴施加第一扭力矩时，向磁致伸缩膜的第一磁致伸缩膜部分应用热处理；释放所述第一扭 力矩以在第一磁致伸缩膜部分中产生第一磁各向异性；在向旋转轴施加沿与第一扭力矩相 反方向作用的第二扭力矩时，向第二磁致伸缩膜部分应用热处理；释放第二扭力矩以在第 二磁致伸缩膜部分中产生第二磁各向异性；其中，在第一磁致伸缩膜部分和第二磁致伸缩 膜部分之间形成不具有磁各向异性的第三磁致伸缩膜部分。根据本发明的第八方面，在磁致伸缩扭矩传感器的制造方法中，磁致伸缩膜上的 第一磁致伸缩膜部分、第二磁致伸缩膜部分和第三磁致伸缩膜部分连续形成。根据本发明的第九方面，在磁致伸缩扭矩传感器的制造方法中，在向所述第一磁 致伸缩膜部分应用热处理和向所述第二磁致伸缩膜部分应用热处理时使用相同的加热线 圈，且所述第一磁致伸缩膜部分和所述第二磁致伸缩膜部分各自的轴向长度优选大致相 同。从实施方式的描述和权利要求可清楚本发明的其他特征和好处。


图1是概念性地显示根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器的基本结构的部分侧剖 图；图2是显示磁致伸缩扭矩传感器的装置结构的示意图；图3是显示根据本发明的一种实施方式的电动助力转向系统的内部结构的竖向 剖视图；图4是显示磁致伸缩扭矩传感器的扭矩检测部分的磁致伸缩特性曲线和传感器 检测特性的曲线图；图5是显示磁致伸缩扭矩传感器的扭矩检测线圈和失效检测线圈的输出改变特 性的曲线图；图6是显示一种磁致伸缩扭矩传感器制造方法中的旋转轴制造过程的过程图；图7是显示磁各向异性设置过程的流程图；图8是显示在旋转轴上镀上磁致伸缩膜区域的掩蔽状态的侧视图；图9 (A)到9 (C)是解释向旋转轴的磁致伸缩膜上的两个位置提供磁各向异性时的 热处理的示图；图10 (A)和10 (B)是解释根据该实施方式的磁致伸缩扭矩传感器的磁致伸缩膜的 好处的示图；图11是显示传统的通用磁致伸缩扭矩传感器的主要部分的结构的侧视图；图12是显示输入扭矩的输出特性以解释磁致伸缩扭矩传感器的传感器结构中的 输入扭矩检测原理的曲线图；图13是显示添加了失效检测结构的传统磁致伸缩扭矩传感器的第一例的侧视 图；图14是显示添加了失效检测结构的传统磁致伸缩扭矩传感器的第二例的侧视 图。附图标记列表10磁致伸缩扭矩传感器11旋转轴12激励线圈13A、13B、13C 检测线圈14磁致伸缩膜14A、14B、14C磁致伸缩膜部分Pl磁致伸缩膜形成过程P2磁各向异性提供过程P3特性稳定步骤
具体实施例方式以下基于附图描述用于执行本发明的优选模式(实施方式)。参照图1-3，将描述磁致伸缩扭矩传感器的配置。图1至图3显示了根据本发明的 磁致伸缩扭矩传感器的一种结构性示例。图1是显示磁致伸缩扭矩传感器的基本结构的局部侧剖视图，图2是概念性显示磁致伸缩扭矩传感器的基本结构的侧视图，图3显示了其中 磁致伸缩扭矩传感器结合到电动助力转向系统的转向轴作为转向扭矩检测部分的具体结 构的竖向剖视图。如图1和2所示，磁致伸缩扭矩传感器10具有杆形(圆柱形)旋转轴11、激励线 圈12和三个检测线圈13A、13B、13C。激励线圈12和检测线圈13A、13B、13C布置在旋转轴 11的圆周上。在图1和图2中，为了解释的方便，旋转轴11的上部和下部被切掉而略去了。 当磁致伸缩扭矩传感器10被用作车辆电动助力转向系统的转向扭矩检测部分时，旋转轴 11构成转向轴的部分。图3中显示了这一状态。旋转轴11接收如箭头A所示绕着轴线Ila作用的向右(顺时针)或向左(逆时 针)旋转力(扭矩)。旋转轴11由例如铬钼钢材料(SCM材料)制成的金属杆形成。磁致 伸缩膜14作为在轴向上连续延伸的单个区域形成在旋转轴11上。磁致伸缩膜14被形成 为在周向上沿着旋转轴11的全部圆周延伸。在图1等图中，磁致伸缩膜14的厚度被夸大 地显示。形成在单个位置处的磁致伸缩膜14被分为三个区域(部分)。在图1等图中，第 一磁致伸缩膜部分14A和第二磁致伸缩膜部分14B分别形成在磁致伸缩膜14的上部和下 部位置处。此外，第三磁致伸缩膜部分14C连续形成在两个磁致伸缩膜部分14A、14B之间。 磁致伸缩膜部分14A、14B、14C均被形成为在周向上沿旋转轴11的全部圆周延伸。三个磁致伸缩膜部分14A、14B、14C的每一个的轴向宽度尺寸优选为8mm。因此，磁 致伸缩膜14的总轴向宽度尺寸为24mm。磁致伸缩膜14优选使用Ni-Fe合金材料通过电镀处理形成在旋转轴的表面上，作 为磁致伸缩材料电镀部分。具有斜的磁各向异性的磁致伸缩膜部分14A、14B通过向每个磁 致伸缩材料电镀部分应用一次磁各向异性处理而形成。不向磁致伸缩膜部分14C提供磁各 向异性。磁致伸缩膜部分14A、14B的磁各向异性方向相反。磁致伸缩膜部分14C不具有斜 的磁各向异性并因此构成非扭矩敏感部分。制造磁致伸缩膜14的方法并不局限于电镀，因 此，还可以使用沉积和溅射。如图1所示，激励线圈12和检测线圈13A、13B、13C被设置成分别对应于第一到第 三磁致伸缩膜部分14A、14B、14C。检测线圈13A绕着磁致伸缩膜部分14A的圆周布置，并在其间留有间隙。接近圆 柱形和环形的检测线圈13A包围磁致伸缩膜部分14A的全部圆周。检测线圈13B绕着磁致 伸缩膜部分14B的圆周布置，并在其间留有间隙。类似地，检测线圈13B包围磁致伸缩膜部 分14B的全部圆周。环形的激励线圈12布置在两个检测线圈13A、13B的各自的圆周上。在 图1中，尽管单独设置了对应于磁致伸缩膜部分14A、14B的分开的激励线圈12，但实际上， 单个激励线圈12的两个部分被显示为分开的。检测线圈13A、13B和激励线圈12通过利用 环形支撑架部分15A、15B绕着磁致伸缩膜部分14A、14B的周向空间缠绕。支撑架部分15A、 15B设置在旋转轴11的圆周上从而包围旋转轴11。检测线圈13C和激励线圈12围绕第三磁致伸缩膜部分14C的圆周设置以包围该 磁致伸缩膜部分14C，并在其间留有间隙。第三磁致伸缩膜部分14C是用于检测被设置用来 检测输入扭矩的磁致伸缩膜部分14A、14B的失效的磁致伸缩膜部分。检测线圈13C和激励 线圈12通过利用环形支撑架部分15C绕着磁致伸缩膜部分14C的周向空间缠绕。支撑架 部分15C也沿着旋转轴11的圆周设置从而包围旋转轴11。
在图2中，激励线圈12和对应于形成在旋转轴11上的磁致伸缩膜14的磁致伸缩 膜部分14A、14B设置的检测线圈13A、13B概念性地被示出为具有电关系。始终供应交流激 励电流的交流电源16连接到通常设置到磁致伸缩膜部分14A、14B的激励线圈12。感应电 压VA、Vb分别从对应于磁致伸缩膜部分14A、14B设置的检测线圈13A、13B的各自输出终端 输出。感应电SVA、VB对应于构成待检测目标的扭矩。类似地，激励线圈12和检测线圈13C 被设置成对应于第三磁致伸缩膜部分14C，电压V。从检测线圈13C的输出终端输出。从检测线圈13A、13B的输出终端输出的感应电压VA、Vb被输入至扭矩计算部分17。 扭矩计算部分17操作、基于感应电SVA、VB计算施加至旋转轴11的扭矩并输出关于该扭矩 的信号(T)。扭矩计算部分17由诸如微型计算机或者操作电路的操作装置构造。从检测线圈13A、13B、13C的各自输出终端输出的感应电压VA、VB、V。被输入至失效 检测部分18。失效检测部分18基于感应电压VA、VB、V。检测磁致伸缩膜部分14A、14B的失 效并输出失效信号SG1。失效检测部分18由诸如微型计算机或操作电路的操作装置构造。激励线圈12和检测线圈13A、13B、13C之间的关系与变压器的第一绕组和第二绕 组之间的关系一致。当向旋转轴11施加旋转力引起的扭矩时，在磁致伸缩膜部分14A、14B中单独产生 的磁特性改变通过利用分别围绕磁致伸缩膜部分14A、14B的圆周设置的检测线圈13A、13B 来检测。参照图3，将描述其中磁致伸缩扭矩传感器10被结合作为例如电动助力转向系统 的转向轴上的转向扭矩检测部分的结构。在图3中，为与图1和图2中描述的元件基本相 同的元件给出了相同的附图标记。图3显示了转向扭矩检测部分20、转向轴21的支撑结构、齿条-小齿轮机构34、 动力传输机构35和转向助力马达42的具体构造。在图3中，转向轴21的上部连接到车辆的转向盘(未示出)。转向轴21的下部被 设计用于将转向力借助齿条_小齿轮机构34传递至包括齿条轴的轮轴。转向扭矩检测部 分20添加到转向轴21的上部。转向扭矩检测部分20包括磁致伸缩扭矩传感器10。在转 向轴21的上部上对应于转向轴11形成磁致伸缩膜14(磁致伸缩膜部分14A至14C)。在形成齿轮箱31的外壳31a中，转向轴21通过两个轴承部分32、33可旋转地支 撑。齿条-小齿轮机构34和动力传输机构35容纳在外壳31a的内部。转向扭矩检测部分 20 (包括磁致伸缩扭矩传感器10)在外壳31a的上侧添加到转向轴21 (对应于旋转轴11)。 磁致伸缩膜部分14A、14B、14C形成在转向轴21上，激励线圈12和检测线圈13A、13B、13C 设置成与磁致伸缩膜部分14A、14B、14C对应。激励线圈12和检测线圈13A、13B、13C分别 支撑在支撑架部分15A、15B、15C和轭部分36A、36B、36C上。外壳31a的上部开口由盖37封闭。尽管没有示出，该盖37利用螺栓固定到外壳 31a。小齿轮38设置在转向轴21的下端部分并位于轴承部分32、33之间。齿条轴39由齿 条引导件40引导并被压缩弹簧41偏置成压向小齿轮38 —侧。动力传输机构35由蜗轮44 和蜗杆45形成。蜗轮44固定到连接于转向助力马达42的输出轴的传动轴43上。蜗杆45 固定到转向轴21。转向扭矩检测部分20安装在盖37的圆柱形部分37a的内部。转向扭矩检测部分20检测施加到转向轴21的转向扭矩。检测值被输入控制单元 (图3中未示出)并用作参考信号以产生适用于马达42的助力转向扭矩。
当从转向盘向转向轴21施加转向扭矩时，转向扭矩检测部分20以电的方式检测 与转向轴21中产生的扭矩对应的磁致伸缩膜部分14A、14B的磁特性的改变以及磁致伸缩 膜14C的特性随着检测线圈13A、13B、13C的各自输出终端的感应电压VA、VB、V。变化的变 化。图4中所示的凸形的磁致伸缩特性曲线51A、51B是分别针对两个检测线圈13A、 13B所获得的。这些磁致伸缩特性曲线51A、51B对应于感应电压的特性改变，该感应电压为 来自检测线圈13A、13B的检测输出。转向扭矩检测部分20基于两个磁致伸缩特性曲线51A、51B计算从两个检测线圈 输出的感应电压之间的差，并通过计算的值的正负和大小检测向转向轴21施加的转向扭 矩的旋转方向(向右旋转或向左旋转)和大小。当向转向轴21施加转向扭矩时，就在转向轴21中产生扭转，由此在磁致伸缩膜部 分14A、14B中产生磁致伸缩效应。由于始终从转向扭矩检测部分20中的交流电源16向激 励线圈12供应激励电流，因此随着感应电压VA、VB&改变，可由检测线圈13A、13B检测归因 于磁致伸缩膜部分14A、14B中的磁致伸缩效应的磁导率改变引起的磁场改变。根据该转向 扭矩检测部分20，基于感应电压\、Vb的改变，两个感应电压\、Vb之间的差被作为检测的 电压值输出。因此，对转向轴21施加的转向扭矩⑴的方向和大小可以基于来自转向扭矩 检测部分20的输出电压值(Va-Vb)来检测。图4显示了磁致伸缩膜部分14A、14B各自的磁致伸缩特性曲线51A、51B。在图4 中，横轴表示对转向轴21施加的转向扭矩。正侧⑴对应右向旋转，负侧㈠对应左向旋 转。图4中的纵轴表示电压轴。磁致伸缩膜部分14A、14B的磁致伸缩特性曲线51A、51B表示相同时间检测线圈 13AU3B的检测输出特性。即，由于通过共同的激励线圈12分别向具有磁致伸缩特性曲线 51A、51B的磁致伸缩膜部分14A、14B施加交流激励电流，检测线圈13A、13B响应于该交流 激励电流输出感应电压，检测线圈13A、13B的感应电压的特性改变对应于磁致伸缩膜部分 14AU4B的磁致伸缩特性曲线51A、51B。换句话说，磁致伸缩特性曲线51A表示从检测线圈 13A输出的感应电SVa的特性变化。另一方面，磁致伸缩特性曲线51B表示从检测线圈13B 输出的感应电压Vb的特性变化。根据该磁致伸缩特性曲线51A，从检测线圈13A输出的感应电压Va的值具有这样 的特性，即转向扭矩的值从负相区向正相区变化、并随着转向扭矩值到达正值Tl进一步以 基本线性特征增加，在转向扭矩达到正值Tl时出现峰值，并在转向扭矩超过Tl进一步增 加时逐渐减小。另一方面，根据磁致伸缩特性曲线51B，从检测线圈13B输出的感应电压％ 的值具有这样的特性，即转向扭矩的值逐渐增加，直至到达负值-Tl，在转向扭矩值达到负 值-Tl时出现峰值，并在转向扭矩超过-Tl进一步增加时基本以线性特征减小并从负相区 变化到正相区。如图4所示，有关检测线圈13A的磁致伸缩特性曲线51A和有关检测线圈13B的 磁致伸缩特性曲线51B关于纵轴基本呈对称关系，纵轴包括两条磁致伸缩特性曲线相交的 点，反应了磁致伸缩膜部分14A、14B具有方向相反的磁各向异性的事实。如图4中的线52所示，在磁致伸缩特性曲线51A、51B的公共区域，该区域具有基 本上线性的特征，基于从磁致伸缩特性曲线51A上作为检测线圈13A的输出电压获得的相应各个值减去磁致伸缩特性曲线51B上作为检测线圈13B的输出电压获得的各个值所得的 值制备一条曲线。由于转向扭矩为0时从各自的检测线圈13A、13B输出的感应电压相等，因 此它们之间的差值为0。在转向检测部分20中，通过利用处于磁致伸缩特性曲线51A、51B 上转向扭矩的中间点(零点)附近的被认为具有基本恒定斜度的区域，线52被形成为具有 基本直线特征。至于线52的特征曲线，图4中的纵轴表示显示不同电压值的轴。线52(特 征曲线)是经过原点(0，0)并位于纵轴和横轴的正侧和负侧的直线。如上面所述，由于转向 扭矩检测部分20的检测输出值得出为检测线圈13A、13B输出的感应电压之间的差(Va-Vb)， 因此对转向轴21施加的转向扭矩的方向和大小可利用直线52获得。如上所述，可基于转向扭矩检测部分20的输出值获得与输入到转向轴21 (旋转轴 11)的转向扭矩的旋转方向和大小对应的检测信号。即，通过从转向扭矩检测部分20输出 的检测值可以知道向转向轴21施加的转向扭矩的旋转方向和大小。换句话说，转向扭矩检测部分20的检测值被作为根据施加的转向扭矩的直线52 上的任意点输出。当检测值位于横轴的正侧时，可确定转向扭矩为右向旋转，而当检测值位 于横轴的负侧时，可确定转向扭矩为左向旋转。检测值在纵轴上的绝对值表示转向扭矩的 大小。这样，基于检测线圈13A、13B的输出电压值，利用直线52的特征，转向扭矩检测部分 20可对转向扭矩进行检测。另外，在检测线圈13A、13B、13C的感应电压VA、VB、V。被输入其中的失效检测部分 18处执行如下失效判断。图5显示了三个检测线圈13A、13B、13C各自的扭矩/输出特性。附图标记61A表 示检测线圈13A的扭矩/输出特性，附图标记61B表示检测线圈13B的扭矩/输出特性，附 图标记61C表示检测线圈13C的扭矩/输出特性。通过检测线圈13A的输出特性61A和检 测线圈13B的输出特性61B获得转向扭矩信号V。ut。通过检测线圈13A的输出特性61A和 检测线圈13C的输出特性61C以及检测线圈13B的输出特性61B和检测线圈13C的输出特 性61C获得失效检测信号V。utl和V。ut2。在失效检测部分18的失效检测中，当V。ut改变，V。utl恒定且V。ut2改变时，可确定 磁致伸缩膜部分14A失效。此外，当V。ut改变，V。utl改变且V。ut2恒定时，可确定磁致伸缩膜 部分14B失效。另外，当Vout恒定，VoutI和V。ut2改变时，可确定磁致伸缩膜部分14C失效。当向旋转轴11输入转向扭矩时，来自与具有磁各向异性的磁致伸缩膜部分14A、 14B对应的检测线圈13A、13B的输出信号相对于该转向扭矩改变。但是，来自与不具有磁 各向异性的磁致伸缩膜部分14C对应的检测线圈13C的输出信号基本不随转向扭矩变化。 另一方面，当扭矩之外的干扰(例如，温度改变)输入到旋转轴11时，检测线圈13A至13C 各自的输出信号会发生类似的改变。因此，通过利用来自检测线圈13C的输出信号，检测线 圈13A、13B的输出信号中包含的干扰引起的浮动可以得到补偿。另外，形成磁致伸缩膜部 分14A到14C的磁致伸缩膜14具有相同的Fe组成并且成分没有差别，因此补偿时的误差 很小。参照图6和7，描述磁致伸缩扭矩传感器10的制造方法。图6中显示的磁致伸缩 扭矩传感器10的制造方法的主要部分是磁致伸缩扭矩传感器10的旋转轴11的制造方法。在图6中，旋转轴11的制造过程主要包括磁致伸缩膜形成过程P1、磁各向异性提 供过程P2、特性稳定过程P3和检查过程P4。特性稳定过程P3又包括退火过程P31和消磁
11过程P32。检查过程P4是检查构造的旋转轴的质量的过程。为了完成磁致伸缩扭矩传感器 10，在检查过程P4之后提供在旋转轴11上安装激励线圈12和检测线圈13A到13C的检测 器安装过程。首先，执行磁致伸缩膜形成过程Pl。在磁致伸缩膜形成过程Pl中，通过电镀处理 在旋转轴11表面的预定位置处形成磁致伸缩材料电镀部分，作为构成磁致伸缩膜14的基 础的部分。通常，在磁致伸缩膜形成过程Pl前提供接受检查过程(未示出)。在磁致伸缩膜形成过程Pl中，首先，对旋转轴11进行预处理(步骤S11)。在该预 处理过程中，例如执行包括初步清洗、掩蔽模连接、电解脱脂、酸性电解等步骤。之后，进行 电镀(步骤S12)。在该电镀步骤中，在旋转轴11的一个位置上连续应用磁致伸缩材料达到 预定厚度。磁致伸缩材料电镀部分是成为通过后文描述的后处理具有磁各向异性的磁致伸 缩膜14的部分。然后，在执行没有示出的“模去除”之后进行干燥步骤(步骤S13)。在磁致伸缩膜形成过程Pl中，使用电镀处理方法来在旋转轴11的表面上形成磁 致伸缩膜14。然而，旋转轴11上待形成磁致伸缩膜14的基本部分也可以通过电镀方法之 外的其他方法形成，例如包括溅射方法、诸如离子镀方法的PVD方法以及等离子喷涂方法。在磁致伸缩膜形成过程Pl中，尽管向旋转轴11上的单个连续区域施加掩蔽来形 成构成磁致伸缩膜14的电镀部分，但与图8中所示的通过使用两个掩蔽构件71、72在多个 位置形成磁致伸缩膜的传统方法相比，可以简单地进行掩蔽，从而可以降低生产成本。接着，执行磁各向异性提供过程P2。该磁各向异性提供过程P2是向形成在旋转轴 11上的一个位置处的磁致伸缩材料电镀部分的一部分提供磁各向异性，以形成磁致伸缩膜 部分14A、14B和磁致伸缩膜部分14C的过程。磁各向异性提供过程P2具有步骤S21和S22， 在步骤S21中，向磁致伸缩材料电镀部分的上部区域施加高频加热，在步骤S22中，向磁致 伸缩材料电镀部分的下部区域施加高频加热。图7是显示磁各向异性提供过程P2的各个步骤S21和S22中进行的处理步骤的 流程图。向磁致伸缩材料电镀部分的上部区域施加高频加热的步骤S21具有扭矩施加步 骤S201、热处理步骤S202、冷却步骤S203和扭矩释放步骤S204。在首先执行的扭矩施加步 骤S201中，通过扭矩施加装置(未示出)向旋转轴11施加预定扭力矩(Tq)。接着，在热处 理步骤S202中，对被施加预定扭力矩(Tq)的旋转轴11的上部区域中的磁致伸缩材料电镀 部分应用预定时段的高频，以通过电磁感应进行热处理。接着，在冷却步骤S203中，使被加 热的旋转轴11自然冷却。最后，在扭矩释放步骤S204中，通过释放扭力矩向上部区域中的 磁致伸缩材料电镀部分提供磁各向异性，由此形成磁致伸缩膜部分14A。在热处理步骤S202中，在被施加扭矩的旋转轴11的上部区域中的磁致伸缩材料 电镀部分处设置感应加热线圈，并由高频电源向该感应加热线圈供应预定高频，从而使高 频仅加热上部区域中的磁致伸缩材料电镀部分。向旋转轴11的上部区域中的磁致伸缩材料电镀部分提供磁各向异性，由此在具 有磁各向异性的磁致伸缩膜14中形成磁致伸缩膜部分14A。在高频加热步骤S22中，针对旋转轴11上的磁致伸缩膜14的下部区域中的磁致 伸缩材料电镀部分，类似地进行步骤S202至S204。S卩，向下部区域中的磁致伸缩材料电镀部分提供磁各向异性，由此在具有磁各向异性的磁致伸缩膜14中形成具有磁各向异性的 磁致伸缩膜部分14B。在该情形下，当通过向下部区域中的磁致伸缩材料电镀部分提供磁各 向异性而形成磁致伸缩膜部分14B时，向旋转轴施加的扭矩方向相反，使得该磁各向异性 与磁致伸缩膜部分14A的磁各向异性相反。图9(A)至9(C)显示了磁致伸缩膜部分14A和磁致伸缩膜部分14B形成在磁致伸 缩膜14上的状态。图9 (A)显示了磁致伸缩膜部分14A形成的状态，图9 (B)显示了磁致伸 缩膜部分14B形成的状态。在图9㈧和9(B)中，区域73表示受热部分。在磁致伸缩膜14 中，为了形成磁致伸缩膜部分14A和磁致伸缩膜部分14B，对各自的区域应用热处理，作为 如此应用热处理的结果，在中间区域中形成不具有倾斜各向异性的磁致伸缩膜部分14C，作 为非扭矩敏感区域，如图9(C)所示。磁致伸缩膜14的中间部分(对应于磁致伸缩膜部分 14C)最终通过热处理时的磁致伸缩膜部分14A和磁致伸缩膜部分14B的散热加热。另一 方面，在磁致伸缩膜部分14A和磁致伸缩膜部分14B的每一个每次被热处理时，在中间部分 处施加的扭矩反向。由此，磁致伸缩膜部分14C不具有斜的磁各向异性并被制成非扭矩敏 感区域。磁致伸缩膜部分14A和磁致伸缩膜部分14B的形成过程与传统的相同。根据该实 施方式的磁致伸缩扭矩传感器制造方法，尽管该形成过程与传统的相同，但可以形成包括 具有相反的磁各向异性的磁致伸缩膜部分14A、14B以及磁致伸缩膜部分14C的磁致伸缩膜 14。位于上部和下部区域的磁致伸缩膜部分14A、14B和位于中间区域的磁致伸缩膜 部分14C在磁致伸缩膜14上连续形成，作为在旋转轴11的一个位置处连续形成的区域。因 此，磁致伸缩膜14的轴向尺寸可以比磁致伸缩膜部分14A到14C单独形成所得到的轴向尺 寸小得多。图10(A)和10(B)是解释根据该实施方式的以上述方式制造的磁致伸缩膜14的 好处的视图。在该实施方式中，如图10(A)所示，形成在旋转轴11上的磁致伸缩膜14不分 开地连续形成在一个位置处，且扭矩检测磁致伸缩膜部分14A、14B和失效检测磁致伸缩膜 部分14C形成在磁致伸缩膜14上。与此相反，在传统的磁致伸缩扭矩传感器中，如图10(B) 所示，例如，上下两个扭矩检测磁致伸缩膜81、82分离地形成在旋转轴11上。在两个磁致 伸缩膜81、82之间形成分离边界部分83。由此，在根据本实施方式的磁致伸缩膜14中，如 图10(A)所示，由于该磁致伸缩膜连续形成，当向其施加偏置磁场时，附图标记84所指示的 偏置磁场很容易经过磁致伸缩膜14。因此，可以容易地获得希望的偏置磁场，从而可以降低 消耗的能量。相反，如图10(B)所示，在磁致伸缩膜分离地形成的情形中，偏置磁场85在分 离边界部分83处中断。因此，为了获得希望的偏置磁场，需要通过消耗大量能量从外部产 生偏置磁场。当将该实施方式的在一个位置处连续形成磁致伸缩膜与传统的分离的磁致伸 缩膜进行比较时，在单一或一体的磁致伸缩膜上，相对于偏置磁场的能量改变比分离的磁 致伸缩膜上的大。在产生相同的偏置磁场时，根据实际测量的数据，利用该实施方式的磁致 伸缩膜结构，消耗的能量可以降低大约10%。根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器制造方法，作为非扭矩敏感区域的中间磁致伸 缩膜部分可以仅通过在以传统方式对其施加扭矩的状态下向具有相反磁各向异性的上下 磁致伸缩膜部分进行热处理来形成。因此，用于制备磁致伸缩膜的过程能够得以简化。另 外，与在两个位置形成磁致伸缩膜的情形相比，可减少检测线圈的数量。与在三个位置形成
13磁致伸缩膜的情形相比，不必改变Fe的成分，因此，可以在不增加制造过程数量的条件下 制造磁致伸缩膜。根据本发明的电动助力转向系统在转向扭矩检测部分利用根据本发明的磁致伸 缩扭矩传感器。因此，可以减少部件的数量，且设置转向轴部分的尺寸可以很短。因此，可 以利用简单结构构造紧凑的电动助力转向装置。实施方式中描述的构造、形状、尺寸和位置关系仅仅是示意性地描述的，以使本发 明能够被理解和执行。另外，该构造的数值和成分(材料)仅仅作为例子描述。因此，本发 明并不局限于描述的实施方式，在不脱离权利要求所示范围和技术构思的条件下可以以各 种形式进行改型。尽管已经参照具体实施方式
详细描述了本发明，但本领域技术人员清楚的是，在 不脱离本发明的精神和范围的条件下可以对本发明进行各种改变或变型。本专利申请基于2008年2月28日提交的日本专利申请(No. 2008-048579)，该专 利申请的内容通过引用结合在此。工业实用性根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器用在车辆电动助力转向系统的转向扭矩检测 部分。
权利要求
一种磁致伸缩扭矩传感器，其特征在于包括杆形的旋转轴；磁致伸缩膜，其形成在所述旋转轴的表面上以在周向上沿着所述表面的全部圆周延伸；和沿着所述磁致伸缩膜的圆周布置的第一检测线圈、第二检测线圈和第三检测线圈，其中，所述磁致伸缩膜被形成为在所述旋转轴的轴向上连续延伸的区域，并且所述磁致伸缩膜在所述连续延伸的区域上包括第一磁致伸缩膜部分、第二磁致伸缩膜部分以及形成在所述第一磁致伸缩膜部分和第二磁致伸缩膜部分之间的第三磁致伸缩膜部分，所述第一磁致伸缩膜部分和第二磁致伸缩膜部分具有彼此相反的磁各向异性，并且其中，所述第一检测线圈、第二检测线圈和第三检测线圈被设置成分别对应于所述第一磁致伸缩膜部分、第二磁致伸缩膜部分和第三磁致伸缩膜部分。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩扭矩传感器，其特征在于，所述第三磁致伸缩膜部分是非扭矩敏感区域，且所述第三检测线圈是失效检测线圈。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩扭矩传感器，其特征在于，所述磁致伸缩膜在所述旋转轴的轴向的一部分处形成在所述旋转轴的圆周表面上，从 而在所述轴向上连续延伸。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩扭矩传感器，其特征在于，所述第一磁致伸缩膜部分、第二磁致伸缩膜部分和第三磁致伸缩膜部分的轴向长度大 致相同。
5.根据权利要求1所述的磁致伸缩扭矩传感器，其特征在于， 所述旋转轴是车辆电动助力转向系统的转向轴的至少一部分。
6.一种电动助力转向系统，其特征在于包括 转向轴；转向扭矩检测部分，其用于检测对所述转向轴施加的转向扭矩；和 控制单元，其根据所述转向扭矩检测部分输出的转向扭矩检测信号进行控制以驱动马 达，从而向所述转向轴提供助力扭矩，其中，所述转向扭矩检测部分包括根据权利要求1-4中的任一项所述的磁致伸缩扭矩 传感器。
7.一种用于制造磁致伸缩扭矩传感器的方法，其特征在于包括以下步骤于杆形的旋转轴的轴向的一部分处，在周向上沿所述旋转轴的表面的全部圆周在所述 表面上形成磁致伸缩膜，以使磁致伸缩膜在所述轴向上连续延伸；在向所述旋转轴施加第一扭力矩时，向所述磁致伸缩膜的第一磁致伸缩膜部分应用热 处理；释放所述第一扭力矩以在所述第一磁致伸缩膜部分中提供第一磁各向异性； 在向所述旋转轴施加沿与所述第一扭力矩相反方向作用的第二扭力矩时，向第二磁致 伸缩膜部分应用热处理；释放所述第二扭力矩以在所述第二磁致伸缩膜部分中产生第二磁各向异性； 其中，在所述第一磁致伸缩膜部分和所述第二磁致伸缩膜部分之间形成不具有磁各向 异性的第三磁致伸缩膜部分。
8.根据权利要求7所述的用于制造磁致伸缩扭矩传感器的方法，其特征在于，所述磁 致伸缩膜上的所述第一磁致伸缩膜部分、第二磁致伸缩膜部分和第三磁致伸缩膜部分连续 形成。
9.根据权利要求7或8所述的用于制造磁致伸缩扭矩传感器的方法，其特征在于， 在向所述第一磁致伸缩膜部分应用热处理和向所述第二磁致伸缩膜部分应用热处理时使用相同的加热线圈，且所述第一磁致伸缩膜部分和所述第二磁致伸缩膜部分各自的轴向长度大致相同。
全文摘要
提供了一种用于检测对杆形轴(11)施加的轴线上的旋转扭矩的磁致伸缩扭矩传感器(10)，其基于轴(11)的表面上且围绕整个圆周形成的磁致伸缩膜的磁特性的改变。磁致伸缩膜(14)轴向地连续形成在所述轴轴向的一部分上。磁致伸缩膜(14)包括连续形成但彼此具有方向相反的磁各向异性的第一磁致伸缩膜部分(14A)和第二磁致伸缩膜部分(14B)以及形成在第一和第二磁致伸缩膜部分之间的第三磁致伸缩膜部分(14C)。而且，分别为第一磁致伸缩膜部分、第二磁致伸缩膜部分和第三磁致伸缩膜部分设置第一检测线圈(13A)、第二检测线圈(13B)和第三检测线圈(13C)。
文档编号B62D5/04GK101960274SQ20098010678
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月26日 优先权日2008年2月28日
发明者吉本信彦, 山村拓也, 樫村之哉, 福田祐一 申请人:本田技研工业株式会社