专利名称：一种磁性膜的方向盘扭矩角度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车传感器领域，特别是涉及一种基于磁性薄膜的方向盘扭矩角度一体化传感器。
背景技术：
目前，国外单独对扭矩和角度传感器的研究较多，扭矩传感器在早期的EPS应用中多为接触式的，工作时产生的摩擦使其易磨损，影响其精度，正逐步被淘汰，向非接触式发展。目前使用的角度传感器种类很多，有电位器式角度传感器，霍尔式非接触角度传感器，光电耦合式角度传感器等。存在的问题是电位器式角度传感器有触点接触，存在磨损，寿命短精度低；霍尔式角度传感器精度低，灵敏度差；光电耦合式精度高，但成本高，并且存在污染问题，这些问题制约着角度传感器性能的提升。
传统的传感器研究中并没有将扭矩、角度传感器结合起来研究，此次研究可提高传感器的集成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感器，改善镀磁性材料薄膜的方法，以克服现有技术存在的缺陷。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案
本发明提供的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，是一种基于径向充磁磁性薄膜的汽车方向盘转动扭矩、角度一体化传感器，该传感器设有微处理器、第一组合部件和第二组合部件；两种组合部件分别与汽车方向盘的主转动轴的上下端相连，它们的结构及工作原理完全相同，在微处理器控制下共同作用时为所述的方向盘扭矩角度传感器，其中第一组合部件单独作用时为角度传感器。所述的组合部件，其包括主齿轮、大小齿轮和布在电路板上的两片巨磁阻感应芯片，其中主齿轮由主转动轴带动；大齿轮和小齿轮均与主齿轮啮合相连；第一巨磁阻感应芯片正对大齿轮的表面，第二巨磁阻感应芯片正对小齿轮对应的表面。所述的两片巨磁阻感应芯片分别可以通过SPI 口与微处理器相连。所述的大小齿轮都可以采用玻碳陶瓷材料，以陶瓷材料为衬底镀上一种强磁性薄膜介质，所述强磁性薄膜介质是以玻碳陶瓷为衬底材料上的依次上下排列的保护层及永磁薄膜的叠层结构，其中第一永磁薄膜镀在大齿轮上，第二永磁薄膜镀在小齿轮上，然后用充磁机对永磁薄膜进行充磁。所述 的永 磁薄膜可以为AM磁性薄膜，其厚度可以为之间；所述的保护层可以以二为膜体材料，其厚度可以为1 ; 。所述的AM磁性薄膜可以采用电沉积方法制备，其步骤包括
(O大小齿轮的基本前处理将其分别经过除油除锈、电解抛光及活化处理；(2)配制电镀液
组分及配比为0.65 : 0J5M硝酸钾，0.35 : 0.451/硝酸铝，0.35 : 0.451#硝酸镍；
(3)将处理后的大小齿轮放入配制好的电镀液中，通电后经催化方法进行电沉积，获得AINi磁性薄膜。所述的催化方法为超声波催化法，其工艺条件可以为在电解槽中加入超声波模具头，调节超声波模具头的频率和功率来提高磁性膜的成膜率，最后所得较高成膜率的频率和功率有四组，分别为100W — 28kHz，IOOff-20kHz, 60ff— 25kHz, 60ff— 40kHz 所述的电路板固定在所述方向盘扭矩角度传感的壳体上。所述两片巨磁阻感应芯片的表面与大、小齿轮所镀的强磁性薄膜介质薄膜表面保持间隔距离，该间隔距离可以为50a 。 所述的第一巨磁阻感应芯片可以从磁场中获取的信号经电平转换和A/D转换后传给CPU计算，一方面经SPI输出得到角度变化的大小，另一方面经CAN总线传至ECU。第一巨磁阻感应芯片和第二巨磁阻感应芯片可以从磁场中获取的存在相位差的正弦信号经电平转换和A/D转换后输送给CPU计算，经SPI输出得到扭矩大小，另一方面经CAN总线传至 ECU。本发明与现有的扭矩、角度传感器相比具有以下主要的优点1.大齿轮和两个小齿轮啮合，实现了角度的放大，两个小齿轮齿数不同使得信号的采集更加精确，同时保障了工作的可靠性。2.用玻碳陶瓷材料做成的齿轮，具有耐磨性，使用寿命更长，传动更稳定，耐高温、耐腐蚀、可靠性高且齿轮可以做得更薄，易于安装固定、大批量生产，其次以玻碳陶瓷做电极，使得镀在上面的磁性薄膜结合更牢固。3.电沉积法工艺简单、快速、制备聚合物成本更低，磁性薄膜厚度、反应条件可控，制备效率高，金属基底结合更牢固、均匀致密，能够使磁性薄膜方面的材料器件更小型化。4.此电沉积方法制备的本发明汽车扭矩角度传感器AM磁性薄膜，其镀层厚度可通过施镀温度和时间来控制。本发明的电沉积法所获得的磁性薄膜，其表面平整光亮无气泡，表面粗糙度很小、磁性能优良。电沉积法采用超声波起催化作用，可控性强，效果好，耐用，制造简单。5.采用电沉积方法能快速得到性能优异的AM磁性薄膜，并能够很好地控制反应进行的程度，本发明的AM磁性薄膜的电沉积制备方法还具有工艺简单、成本低廉、反应条件温和可控以及制备效率高等优点。6.磁性薄膜介质具有体积小、磁场强度大、磁场方向性好、设计简单、可靠性高等优点。镀膜充磁目的在于产生磁场强度大，磁场方向好的强磁场，使用巨磁阻芯片使得信号灵敏度得到了很大提高，和霍尔器件相比，灵敏度提高了 10倍。9.本发明扭矩角度传感器结构紧凑、简单，角度、扭矩传感器一体化设计，安装方便，成本更低。采用非接触式传感器设计更加灵活，减少工作时的磨损，提高精度，使用更方便。绝对角度输出，减少误差，结果更精确。
图1为本发明的整体结构示意图。图2为第一组合部件即电路板示意图。图3为底板结构示意图。图中1.主齿轮；2.小齿轮；3.大齿轮；4.第一永磁薄膜；5.第二永磁薄膜；6.电路板；7.第一巨磁阻芯片；8.第二巨磁阻芯片；9.壳体；10.第一组合部件；
11.第二组合部件；12.主转动轴 。
具体实施例方式下面结合实例对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。本发明提供的一种磁性膜的方向盘扭矩角度传感器，其结构如图1所示，包括微处理器、第一组合部件10和第二组合部件11 ;两种组合部件分别与汽车方向盘的主转动轴12的上下端相连，两组合部件结构及工作原理相同，在微处理器控制下共同作用为方向盘扭矩角度传感器，第一组合部件10单独作用时为角度传感器。所述第一组合部件10和第二组合部件11，其内部结构如图2和图3所示，均包括主齿轮1、大小齿轮和布在电路板6上的两片巨磁阻感应芯片，其中主齿轮I由主转动轴12带动；大齿轮3和小齿轮2均与主齿轮I啮合相连；第一巨磁阻感应芯片7正对大齿轮3的表面，第二巨磁阻感应芯片8正对小齿轮2对应的表面。所述的微处理器分别与第一巨磁阻感应芯片和第二巨磁阻感应芯片通过SPI 口相连。所述的大齿轮3和小齿轮2都采用玻碳陶瓷材料，以陶瓷为衬底镀上一种强磁性薄膜介质。参见图2，其中，第一永磁薄膜4镀在大齿轮3上，第二永磁薄膜5镀在小齿轮2上，然后用充磁机对永磁薄膜进行充磁。所述强磁性薄膜介质，其以玻碳陶瓷为衬底材料上的依次排列的永磁薄膜及保护层的叠层结构，其中永磁薄膜为AM薄膜，厚度可选范围介于 之间；保护层以Zn为膜体材料,厚度介于5um ~ 。第一永磁薄膜4镀在大齿轮3上,第二永磁薄膜5镀在小齿轮2上，然后用充磁机对永磁薄膜进行充磁。所述强磁性薄膜介质的制备方法为以玻碳陶瓷材料做成的齿轮为衬底，将衬底作为电化学反应的电极，控制电流及电压的大小使电解液中的铝和镍沉积在电极上，形成相应厚度的磁性薄膜，用同样的方法制备2 保护层，超声波在电解液中起催化作用，最后，采用充磁机对其径向充磁。本实施例提供的强磁性薄膜介质的制备方法为处理后的电镀液pH值为1-5，将玻碳陶瓷衬底清洗干净；然后将玻碳陶瓷材料衬底放入制备好的电解液中，电解液中电解质硝酸钾的浓度为0.65: 0.75M ,硝酸铝_0-:h的浓度为(135: 0A5M ,硝酸镍M(FO3)3的浓度为0.35: 0.45ikf ,通电时长IOmin后，待ATW沉淀于衬底表层达
~ 80^ 厚度。运用相同的方法对镀完薄膜后的基材洗净后置换硝酸钾和硝酸锌的电解液，恒电流通电时长达IOmin后,形成5_~ Vkim厚度的保护层。最后采用充磁机从径向对2 薄膜保护层充磁。
所述的电路板6固定在壳体9上，使得上述巨磁阻芯片表面和薄膜表面保持一定距离(例如0.5 m)。该电路板装有巨磁阻感应芯片CPU电路。该电路输出电压信号或电流信号或CAN总线信号进入微处理器进行处理。所述巨磁阻感应芯片为英飞凌TLE5011。所述微处理器可以采用英飞凌SAK-XC886C-8FFA。本发明提供的一种磁性膜的方向盘扭矩角度传感器，其工作过程是通过主齿轮I转动带动与之啮合的大齿轮3、小齿轮2转动，两片巨磁阻芯片检测大齿轮、小齿轮上的 磁场的变化，从而确定大小齿轮的转动角度，在微处理器中利用获得的大、小齿轮的转动角度，计算出方向盘的转动角度，转化成电压信号输出。第一组合部件10和第二组合部件11输出的转动角度之差，经微处理器处理后得到汽车方向盘的扭矩大小。
权利要求
1.一种磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，其特征是一种基于径向充磁磁性薄膜的汽车方向盘转动扭矩、角度一体化传感器，该传感器设有微处理器、第一组合部件(10)和第二组合部件(11)，两种组合部件分别与汽车方向盘的主转动轴(12)的上下端相连，它们的结构及工作原理完全相同，在微处理器控制下共同作用时为所述的方向盘扭矩角度传感器，其中第一组合部件(10)单独作用时为角度传感器。
2.如权利要求1所述的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，其特征在于所述的组合部件，其包括主齿轮(I)、大小齿轮和布在电路板(6)上的两片巨磁阻感应芯片，其中主齿轮 Cl)由主转动轴(12)带动；大齿轮(3)和小齿轮(2)均与主齿轮(I)啮合相连；第一巨磁阻感应芯片(7)正对大齿轮(3)的表面，第二巨磁阻感应芯片(8)正对小齿轮(2)对应的表面。
3.如权利要求2所述的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感器，其特征在于所述的第一巨磁阻感应芯片和第二巨磁阻感应芯片分别通过SPI 口与微处理器相连。
4.如权利要求2所述的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，其特征在于所述的大小齿轮都采用玻碳陶瓷材料，以陶瓷材料为衬底镀上一种强磁性薄膜介质，所述强磁性薄膜介质是以玻碳陶瓷为衬底材料上的依次上下排列的保护层及永磁薄膜的叠层结构，其中第一永磁薄膜(4)镀在大齿轮(3)上，第二永磁薄膜(5)镀在小齿轮(2)上，然后用充磁机对永磁薄膜进行充磁。
5.如权利要求4所述的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，其特征在于所述的永磁薄膜为AM磁性薄膜，其厚度为~8()w 之间；所述的保护层以2 为膜体材料,其厚度为。
6.如权利要求5所述的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，其特征在于所述的AfM磁性薄膜采用电沉积方法制备，其步骤包括(O大小齿轮的基本前处理将其分别经过除油除锈、电解抛光及活化处理；(2)配制电镀液组分及配比为0.65: H75i￥硝酸钾，0.35: 0.45M硝酸铝，0.35 : 0.45M硝酸镍；(3)将处理后的大小齿轮放入配制好的电镀液中，通电后经空化方法进行电沉积，获得 AlMi磁性薄膜。
7.如权利要求6所述的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，其特征在于所述的空化方法为超声波空化法，其工艺条件为在电解槽中加入超声波模具头，调节超声波模具头的频率和功率来提高磁性膜的成膜率，最后所得较高成膜率的频率和功率有四组，分别为100W— 28kHz，IOOff- 20kHz，60ff—25kHz，60ff— 40kHz。
8.如权利要求2所述的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，其特征在于所述的电路板 (6)固定在所述方向盘扭矩角度传感的壳体(9)上，并且所述巨磁阻芯片的表面与大、小齿轮所镀的强磁性薄膜介质薄膜表面保持间隔距离。
9.如权利要求8所述的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，其特征在于所述的间隔距离为 5 Ckw。
10.如权利要求8所述的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，其特征在于所述的第一巨磁阻感应芯片(7)从磁场中获取的信号经电平转换和A/D转换后传给CPU计算，一方面经 SPI输出得到角度变化的大小，另一方面经CAN总线传至ECU ;第一巨磁阻感应芯片(7)和第二巨磁阻感 应芯片(8)从磁场中获取的存在相位差的正弦信号经电平转换和A/D转换后输送给CPU计算，经SPI输出得到扭矩大小，另一方面经CAN总线传至E⑶。
全文摘要
本发明提供的磁性薄膜的方向盘扭矩角度传感，是一种基于径向充磁磁性薄膜的汽车方向盘转动扭矩、角度一体化传感器，该传感器设有微处理器、第一组合部件(10)和第二组合部件(11)，两种组合部件分别与汽车方向盘的主转动轴(12)的上下端相连，它们的结构及工作原理完全相同，在微处理器控制下共同作用时为所述的方向盘扭矩角度传感器，其中第一组合部件(10)单独作用时为角度传感器。本发明具有结构紧凑、简单，用材少，角度、扭矩传感器一体化设计，安装方便，成本更低；采用非接触式传感器设计更加灵活，减少工作时的磨损，提高精度，使用更方便。绝对角度和扭矩模拟输出、CAN总线输出，抗干扰能力更强，结果更精确等优点。
文档编号G01D5/12GK103017796SQ201210542519
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者杨胜兵, 熊晶晶, 李珍珍, 徐锋, 苏廷霞, 王帅, 熊焱飞, 吴超仲 申请人:武汉理工大学