CN101126667A - 磁致伸缩扭矩传感器和电动助力转向装置 - Google Patents

磁致伸缩扭矩传感器和电动助力转向装置 Download PDF

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Abstract

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。

Description

磁致伸缩扭矩传感器和电动助力转向装置
技术领域
本发明涉及磁致伸缩扭矩传感器和电动助力转向装置(electric powersteering apparatus)，并且更具体地涉及具有合适结构的磁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磁致伸缩薄膜的步骤，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(磁致伸缩薄膜)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磁致伸缩薄膜。
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磁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磁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d100被设定为小于区域101的两端上的邻近部分102和103的直径d101。在旋转轴100中，与其上和下端上的区域101一起形成阶梯部分。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d101不等于对于端部104B的邻近部分101A中旋转轴的直径d100。为此，邻近部分102和感应加热线圈106之间的距离D200不同于邻近部分101A和感应加热线圈之间的距离D201。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，以添加磁各向异性时，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，磁致伸缩薄膜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14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，当在磁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，并且磁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，以在磁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。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圈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，以在磁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磁致伸缩扭矩传感器，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。
附图说明
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视图；
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10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11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
11b、11c、11d  大直径部分
11e、11f  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  磁致伸缩特性曲线(阻抗特性曲线)
P1  磁致伸缩薄膜形成步骤
P2  磁各向异性添加步骤
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描述磁致伸缩扭矩传感器。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1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是概念性地示出了磁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组成磁致伸缩扭矩传感器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11a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11自身的形状给出描述。旋转轴11被处理成包括三个大直径部分11b、11c和11d以形成具有大直径的部分、以及包括两个小直径部分11e和11f以形成具有小直径的部分。所有大直径部分11b、11c和11d直径彼此相等，并被表示为d1。小直径部分11e和11f的直径也彼此相等，并被表示为d2。在大直径部分11b和大直径部分11c之间形成小直径部分11e，并且在大直径部分11b和大直径部分11d之间形成小直径部分11f。因此，分别在小直径部分11e的两端侧上形成大直径部分11b和11c，并且分别在小直径部分11f的两端侧上形成大直径部分11b和11d。在三个大直径部分11b、11c和11d的每一个和两个小直径部分11e和11f的每一个之间形成阶梯部分。直径d1和d2之间的差例如近似是0.3mm。因此，大直径部分11b、11c和11d和小直径部分11e和11f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11e和11f的每一个外围表面上形成磁致伸缩薄膜。
形成磁致伸缩薄膜的小直径部分11e和11f的轴由向上的长度(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11e和11f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11e和11f中的旋转轴11的圆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，从而形成具有磁各向异性的磁致伸缩薄膜14A和14B。
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“磁致伸缩材料镀覆部分(14A，14B)”用于其之前阶段。
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，分别对应于磁致伸缩薄膜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缠绕在磁致伸缩薄膜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13B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11e和11f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10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，它被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11e和11f的直径d2被设定为小于在其三个位置中大直径部分11b、11c和11d的直径d1，并且在两个位置中的小直径部分11e和11f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检测部分20。转向扭矩检测部分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的一部分对应于旋转轴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上形成磁致伸缩薄膜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和探测线圈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的圆柱形部分37a的内部部分。
转向扭矩检测部分20检测作用于转向轴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的变化，而在转向轴21上产生的对应于扭转的磁致伸缩薄膜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上产生磁致伸缩效应。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被检测为通过探测线圈13A和13B感应的电压VA和VB的变化。依据转向扭矩检测部分20，根据感应电压VA和VB的变化，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磁致伸缩薄膜14A和14B的各个磁致伸缩特性曲线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的磁致伸缩特性曲线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的变化特性。另一方面，磁致伸缩特性曲线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的值具有这样的特性：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T1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-T1，当转向扭矩具有负值-T1时获得峰值，并当转向扭矩从-T1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的磁致伸缩特性曲线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磁各向异性。
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，在磁致伸缩特性曲线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。在转向扭矩检测部分20中，使用被认为在磁致伸缩特性曲线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)，因此根据利用直线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P1，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圈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，作为是旋转轴11的小直径部分11e和11f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11b至11d和小直径部分11e和11f的形状的旋转轴(步骤S11)。然后，实施电解电镀(步骤S12)。在电解电镀步骤处，应用磁致伸缩材料，以便在旋转轴11的上和下部中的小直径部分11e和11f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磁致伸缩薄膜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中形成磁致伸缩薄膜14A和14B的基础部分，例如溅射方法，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11e和11f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和在下侧上的磁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的上磁致伸缩材料镀覆部分，并通过电磁感应实施热处理；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，从而形成磁致伸缩薄膜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，从而仅在上磁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11e和11f，以及在各个小直径部分11e和11f的径向上在两侧上定位的大直径部分11b、11c和11d。在两个位置中的小直径部分11e和11f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，磁致伸缩薄膜14A的上部大直径部分11b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11c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，也就是被表示为D10。因此，当通过感应加热线圈RC的高频加热热处理磁致伸缩薄膜14A时，磁致伸缩薄膜14A的上端附近的大直径部分11b的一部分中的加热状态等于下端附近大直径部分11c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磁致伸缩扭矩传感器。
此外，在其上形成磁致伸缩薄膜14A和14B的小直径部分11e和11f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磁致伸缩薄膜时，可以以基本上均匀的温度分布加热磁致伸缩薄膜，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，将磁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，并将如上面所述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磁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11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11a增加的分布ST1。也在考虑变形的分布方向，分布ST1在轴中心11a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，以虚线示出在旋转轴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11a设置为室温下的恒定分布T1。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覆部分，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11的径向上的变形分布和图9的(a)中的相同。此外，在旋转轴11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11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，仅在磁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磁致伸缩薄膜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Z0和通过添加磁各向异性至磁致伸缩镀覆部分形成的磁致伸缩薄膜14A和14B的阻抗特性ZA和ZB。在图10中，横坐标轴表示扭矩(Nm)，并且纵坐标轴表示阻抗(Ω)。在磁致伸缩薄膜14A的情况中，通过添加磁各向异性，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Z0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Z104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述性的。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。

Claims (5)

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：
用于添加辅助扭矩至转向系统的电动机；
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。
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