CN1945247A

CN1945247A - 磁致伸缩扭矩传感器以及使用该传感器的电动转向装置

Info

Publication number: CN1945247A
Application number: CNA2006101431541A
Authority: CN
Inventors: 原田仁; 星智弘; 福田佑一; 樫村之哉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2006-10-08
Publication date: 2007-04-11
Also published as: EP1772715B1; EP1772715A3; US7540204B2; EP1772715A2; US20070074588A1; JP2007101423A; JP4728764B2

Abstract

本发明提供一种磁致伸缩扭矩传感器(10)，其包括：通过施加的扭矩而旋转的旋转轴(11)，在至少一个位置上环绕该旋转轴表面的整个周边形成的磁致伸缩薄膜(14A、14B)，用于感应该磁致伸缩薄膜的阻抗变化的传感线圈(13A、13B)，以及用于在基于与从该传感线圈输出的阻抗变化有关的信号的基础上计算施加于该旋转轴的扭矩的扭矩计算单元(17)。在该磁致伸缩扭矩传感器(10)中，设置该旋转轴的轴向上磁致伸缩薄膜(14A、14B)的宽度(W1)和该旋转轴的轴向上传感线圈的宽度(W2)，以便满足关系式1＜(W1/W2)＜1.35。

Description

磁致伸缩扭矩传感器以及使用该传感器的电动转向装置

技术领域

本发明涉及一种磁致伸缩扭矩传感器以及一种使用该传感器的电动转向装置，特别涉及一种磁致伸缩扭矩传感器以及使用该传感器制造的电动转向装置，其中，该传感器提高了传感器的灵敏度特性，增加了装置装配期间的位置失调(misalignment)容差。

背景技术

在作为汽车转向系统而提供的电动转向装置中，转向扭矩传感器通常例如感应通过驾驶者的转向操作从转向轮施加到转向轴的转向扭矩。该转向扭矩传感器通常由磁致伸缩扭矩传感器构成。该转向轴起到旋转轴的作用，该旋转轴由于来自转向操作的旋转力旋转。该转向轴构成转向扭矩传感器中的旋转轴。电动转向装置根据从转向扭矩传感器感应的扭矩信号控制转向力辅助电机，并且减少驾驶者的转向力，以便提供舒适的转向感觉。

如上所述，磁致伸缩扭矩传感器作为在电动转向装置中使用的转向扭矩传感器是众所周知的。在这种磁致伸缩扭矩传感器中，彼此磁各向异性的磁致伸缩薄膜例如形成在转向轴表面上的两个特定位置。该磁致伸缩扭矩传感器具有下面的构造，其中使用非接触系统感应磁致伸缩薄膜的磁致伸缩特性中的变化，该变化对应于当将扭矩从转向轮施加于转向轴时该转向轴的扭矩。

在磁致伸缩扭矩传感器的制造过程中，在部分转向轴的特定表面的整个周边表面上，即圆柱形旋转轴中的特定轴向宽度上，形成磁致伸缩薄膜(在更宽泛的意义上为，磁致伸缩区域)；然后必须执行处理，以便为该磁致伸缩薄膜提供磁各向异性。传统的在磁致伸缩扭矩传感器的制造中为磁致伸缩薄膜提供磁各向异性的方法包括：将扭曲扭矩提供到旋转轴，在该旋转轴上，例如通过镀膜过程形成磁致伸缩镀层(磁致伸缩薄膜)，从而在该旋转轴的周边表面中产生应力。然后在恒温箱中热处理该旋转轴，同时将该轴保持在应力下(例如，参见JP2002-82000A)。

与在不接触的情况下感应磁致伸缩薄膜的磁致伸缩特性中的变化的传感器构造一样，传统的磁致伸缩扭矩传感器具有圆柱形传感线圈，该圆柱形传感线圈密封环绕磁致伸缩薄膜周边的磁致伸缩薄膜。在圆柱形旋转轴的整个周边表面上形成该薄膜。在常见的传统磁致伸缩扭矩传感器中，旋转轴轴向方向上的磁致伸缩薄膜的宽度(下文中称作“磁致伸缩薄膜宽度”)实质上倾向于与相同轴向上传感线圈的长度或宽度(下文中称作“传感线圈宽度”)相匹配。将磁致伸缩薄膜宽度和传感线圈宽度以及磁致伸缩薄膜和传感线圈的内周(下文中称作“传感线圈宽度”)匹配。将磁致伸缩薄膜宽度和传感线圈宽度以及磁致伸缩薄膜和传感线圈的内周表面之间的距离(下文中称作“间隙”)限定为与磁致伸缩扭矩传感器中的磁致伸缩薄膜和传感线圈的大小和方位放置之间的关系有关的尺寸。

下面参照附图9和10，对与磁致伸缩薄膜宽度、传感线圈宽度和磁致伸缩扭矩传感器中的间隙有关的问题进行描述。

附图9表示在磁致伸缩薄膜和传感线圈之间的旋转轴轴向方向上的位置失调(水平轴：mm)和传统的磁致伸缩扭矩传感器(垂直轴)的灵敏度变化率之间的关系。在这种情况下，该间隙是0.5mm。附图10表示磁致伸缩薄膜和传感线圈之间的间隙(旋转轴径向上的空间，水平轴：mm)和相同的磁致伸缩扭矩传感器(垂直轴)的灵敏度变化率之间的关系。

在附图9中的曲线101中，将不具有位置失调(水平轴上为0.0，垂直轴上的灵敏度变化率为“1”)的情况作为参考，如果向上(附图9中的右侧)或向下(附图9中的左侧)出现位置失调时，灵敏度的变化率降到“1”以下。例如，当例如旋转轴轴向上的位置失调超过±0.68mm时，灵敏度的变化率展现出降到0.98以下的特性。

磁致伸缩扭矩传感器是需要高传感精度的装置。因此，如果灵敏度的变化率降到0.98以下，则在实际上将该传感器安装到汽车等中的情况下，驾驶者对于转向响应会经历不舒适的感觉。

根据附图10中的曲线102，当水平轴上的间隙是0.5mm时，灵敏度的变化率同样是1.0。基于该值，当该间隙两倍于1mm时，即当该间隙以0.5mm失调时，例如，灵敏度的变化率展现出降到大约0.85的不希望的特性。

在磁致伸缩扭矩传感器中，该传感器的灵敏度特性降低，当在旋转轴上形成的磁致伸缩薄膜和环绕磁致伸缩薄膜的周边布置的传感线圈之间的位置关系中出现位置失调时，该传感器的灵敏度特性降低。特别地，当在汽车电动转向装置中使用这种磁致伸缩扭矩传感器时，不希望出现这种位置失调，因为该电动转向装置在操作时会产生不舒适的感觉。

在制造电流电动转向装置的环境下，当附着传感线圈时，装配过程期间预期的位置失调大约是0.2mm，而当附着转向轴(旋转轴)时，预期的位置失调也大约是0.2mm。因此，可能将传感线圈和转向轴以彼此相对大约0.4的最大值未对准在适当的位置。

合并到汽车中的电动转向装置会出现大约1mm的最大位置失调，包括制造期间的位置失调，依据使用该装置的环境，这是由于随时间的变化或者来自路面的过度输入造成的。因此，需要在汽车电动转向装置中使用的磁致伸缩扭矩传感器中提供结构电阻，以使得位置失调即使在最大时也小于1mm，包括在制造和随后的操作期间出现的失调。

因此，需要开发一种磁致伸缩扭矩传感器，以及一种使用该传感器的电动转向装置，其中可以优化磁致伸缩薄膜的形状和在旋转轴上形成的传感线圈之间的尺寸关系，以便提高该传感器的灵敏度特性，并且可以增加该装置装配期间的位置失调容差。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种磁致伸缩扭矩传感器，其包括：通过施加扭矩而旋转的旋转轴，至少在一个位置上环绕该旋转轴表面的整个周边形成的磁致伸缩区域，用于感应该磁致伸缩区域的阻抗变化的传感线圈，以及用于在与该传感线圈输出的阻抗变化有关的信号的基础上计算施加于该旋转轴的扭矩的扭矩计算单元。在该构造中，设置旋转轴的轴向上的磁致伸缩区域的宽度(W1)和该旋转轴的轴向上的传感线圈的宽度(W2)，以使其满足关系式：1＜(W1/W2)＜1.35。

在该磁致伸缩扭矩传感器中，将该磁致伸缩薄膜或其它磁致伸缩区域的轴向宽度W1增加至大于传感线圈的轴向宽度W2，并且设置最优尺寸关系，使得即使在将与旋转轴未对准即旋转轴和传感线圈的轴向方向相对错开大约1mm的情况下，也可以将该磁致伸缩扭矩传感器的灵敏度变化率保持在不妨碍电动转向装置的使用的水平。

优选地，该磁致伸缩薄膜包括基于在旋转轴表面上形成的磁致伸缩镀膜部分产生的磁致伸缩薄膜。

理想地，磁致伸缩薄膜由Ni-Fe合金制成。

根据本发明的另一个方面，提供一种电动转向装置，其包括：转向轴；在该转向轴上设置的任一上述磁致伸缩扭矩传感器，以便感应施加于该转向轴的转向扭矩；电机，用于根据由该磁致伸缩扭矩传感器感应的转向扭矩将辅助转向力施加于该转向轴；以及控制单元，用于在与该磁致伸缩扭矩传感器感应的转向扭矩有关的信号的基础上控制该电机的驱动。

将上述磁致伸缩传感器用作提供到该转向轴的转向扭矩传感器，该转向轴承受来自该转向轮的转向力。基于该磁致伸缩扭矩传感器的优点，可以长时间地在该电动转向装置中保持满意的转向感觉。

设置该磁致伸缩区域的轴向宽度W1，以便使其在磁致伸缩扭矩传感器中具有与该传感线圈的轴向宽度W2的最佳尺寸关系。从而，可以提高磁致伸缩扭矩传感器的灵敏度，并且可以增加该传感器装配期间的位置失调容差。从而，当制造该传感器装置时，该容差甚至更易于管理。并且，通过使用磁致伸缩扭矩传感器构成的电动转向装置，可以适当地保持该磁致伸缩扭矩传感器的灵敏度变化率，并且即使在该转向轴和传感线圈之间的轴向位置关系在随后的使用中变成相对未对准的情况，也可以长时间地将该电动转向装置的转向感觉保持在满意的水平。

附图说明

下面参照附图仅通过示例的方式详细地描述本发明的优选实施方式，所述附图中：

附图1是表示根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器的基本结构的部分截面侧视图；

附图2是示意性地表示该磁致伸缩扭矩传感器的基本构造的侧视图；

附图3是特定结构的主要部分的纵向截面视图，其中将根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器作为转向扭矩传感器合并到电动转向装置的转向轴中；

附图4是表示磁致伸缩扭矩传感器中的传感线圈的传感器检测特性和磁致伸缩特性曲线的曲线图；

附图5是表示电动转向装置的整个构造的视图，其中将根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器作为转向扭矩传感器而合并；

附图6是侧视图，其中将安装磁致伸缩薄膜和传感线圈的位置关系作为附图1所示的磁致伸缩扭矩传感器的构造的一部分选择性地表示；

附图7是表示灵敏度变化率中的变量相对于磁致伸缩薄膜宽度(W1)和传感线圈宽度(W2)之间的比率D(＝W1/W2)的曲线图；

附图8是表示比率D的灵敏度变化率和位置失调之间的关系的曲线图；

附图9是表示传感器的灵敏度变化率和传统的磁致伸缩扭矩传感器中的旋转轴轴向上的磁致伸缩薄膜与传感线圈之间的位置失调之间关系的曲线图；以及

附图10是表示传感器的灵敏度变化率，和传统的磁致伸缩扭矩传感器中磁致伸缩薄膜与传感线圈之间的间隙的关系曲线图。

具体实施方式

首先，参照附图1至3描述磁致伸缩扭矩传感器的构造。附图1至3示出根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器的结构例。

磁致伸缩扭矩传感器10由旋转轴11以及环绕旋转轴11的周边布置的一个激励线圈12和两个传感线圈13A、13B构成。为了描述方便，所示旋转轴11不具有附图1和2中的顶部和底部。当磁致伸缩扭矩传感器10用作汽车电动转向装置中的转向传感器时，旋转轴11构成转向轴的一部分。在附图3中表示这种状态。

旋转轴11具有圆柱杆形状，并且绕轴11a受到右手旋转(顺时针)或左手旋转(逆时针)的旋转力(扭矩)，如箭头A所示。旋转轴11由例如铬-钼钢(SCM)制成的金属杆形成。将磁致伸缩薄膜14A、14B设置至旋转轴11的轴向上垂直对准的两个位置处。磁致伸缩薄膜14A、14B均在旋转轴11的轴向上具有特定的宽度，从而满足随后描述的条件，并形成在旋转轴11的整个周边上。根据特定的条件任意地设置两个磁致伸缩薄膜14A、14B之间的空间的尺寸。

例如，通过镀膜过程将磁致伸缩薄膜14A、14B作为磁致伸缩镀膜部分形成在旋转轴11的表面上。磁各向异性的磁致伸缩薄膜14A、14B，是通过处理磁致伸缩镀膜部分形成，从而获得磁各向异性。然而，产生磁致伸缩薄膜14A、14B的方法不仅仅限于这种选择。而且，在旋转轴11上形成磁致伸缩薄膜的区域应当具有特定的磁致伸缩特性，并且可以形成不限于磁致伸缩薄膜的磁致伸缩区域。

在磁致伸缩扭矩传感器10中，将旋转轴11的轴向上的磁致伸缩薄膜14A、14B的宽度(磁致伸缩薄膜的宽度W1)设置成大于相同轴向上的传感线圈13A、13B的长度或宽度(传感线圈宽度W2)，以便满足稍后描述的所需条件。

为了描述方便，术语“磁致伸缩薄膜14A、14B”和“磁致伸缩镀膜部分(14A，14B)”表示相同的对象，但是用于不同的目的，这取决于制造的步骤和条件。原则上，产生磁各向异性之后完成的产品指的是“磁致伸缩薄膜14A，14B”，而在该步骤之前这些部件指的是“磁致伸缩镀膜部分”。

如图1所示，为旋转轴11的表面上形成的两个磁致伸缩薄膜14A、14B提供激励线圈12和传感线圈13A、13B。特别地，传感线圈13A设置为与磁致伸缩薄膜14A的周边具有一插入间隙，如图1所示。实质上，圆柱环形状的传感线圈13A环绕磁致伸缩薄膜14A的整个周边，并且传感线圈13A的宽度尺寸小于磁致伸缩薄膜14A的宽度尺寸。而且，将传感线圈13B设置成与磁致伸缩薄膜14B的周边具有一插入间隙。传感线圈13B同样环绕磁致伸缩薄膜14B的整个周边，并且传感线圈13B的宽度尺寸小于磁致伸缩薄膜14B的宽度尺寸。而且，将环形激励线圈12环绕两个传感线圈13A、13B的周边布置。在附图1中，将所示的激励线圈12单独地提供到磁致伸缩薄膜14A、14B，但是这实际上是对一个激励线圈12的两个部分的描述。使用环形支架15A、15B将传感线圈13A、13B和激励线圈12环绕磁致伸缩薄膜14A、14B周围的周边空间缠绕，将所述支架15A、15B设置到旋转轴11的周边，以便环绕该旋转轴11。

在附图2中，示意性地示出激励线圈12和传感线圈13A、13B与旋转轴11的磁致伸缩薄膜14A、14B的电关系。将不断地提供AC激励电流的AC电源16连接到由磁致伸缩薄膜14A、14B共用的激励线圈12。同样，从分别提供到磁致伸缩薄膜14A、14B的传感线圈13A、13B的输出终端输出对应于感应的扭矩的感生电压V_A、V_B。

将从传感线圈13A、13B输出的感生电压V_A、V_B提供至扭矩计算单元17。扭矩计算单元17在感生电压V_A、V_B的基础上计算施加于旋转轴11的扭矩，并且根据该扭矩输出信号(T)。扭矩计算单元17由微处理器或者其它计算装置或计算电路构成。

在上面的描述中，激励线圈12和传感线圈13A、13B之间的关系构成了变压器的初级缠绕线圈和次级缠绕线圈之间的关系。

在旋转轴11的表面上形成的磁致伸缩薄膜14A、14B例如是通过使用Ni-Fe镀膜的镀膜过程形成的磁各向异性磁致伸缩薄膜。形成所述两个磁致伸缩薄膜14A、14B，以便彼此具有相反的磁各向异性。当通过旋转力将扭矩施加于旋转轴11时，使用环绕磁致伸缩薄膜14A、14B的周边布置的传感线圈13A、13B感应在磁致伸缩薄膜14A、14B中产生的相反的磁致伸缩特性。

下面是参照附图3对特定结构进行的描述，其中例如将磁致伸缩扭矩传感器10作为转向扭矩传感器合并到电动转向装置的转向轴。附图3中与附图1和2所述的实质上相同的构件用相同的附图标记表示。

附图3示出转向扭矩传感器20、用于转向轴21的支撑结构、齿条和齿轮结构34、动力传送机构35以及转向力辅助电机42的具体构造。

在附图3中，将转向轴21的顶部连接到车辆的转向轮(未示出)。配置转向轴21的底部，以便将转向力经由齿条和齿轮机构34传送到包括齿条轴的车辆轴。使用磁致伸缩扭矩传感器10配置在转向轴21的顶部设置的转向扭矩传感器20。转向扭矩传感器20对应于磁致伸缩扭矩传感器10，和转向轴21中对应于旋转轴11形成有磁致伸缩薄膜14A、14B的部分。

在形成齿轮箱31的壳体31a中，由两个轴承32、33可旋转地支撑转向轴21。将齿条和齿轮机构34以及动力传送机构35容纳在壳体31a的内部。将转向轴21(对应于旋转轴11)的转向扭矩传感器20(对应于磁致伸缩扭矩传感器10)设置到壳体31a的上侧。将上述磁致伸缩薄膜14A、14B形成在转向轴21上，并且通过支架15A、15B和轭36A、36B支撑与磁致伸缩薄膜14A、14B对应的激励线圈12和传感线圈13A、13B。

在转向扭矩传感器20中，将所示的磁致伸缩薄膜14A、14B的宽度相对于传感线圈13A、13B的宽度放大。然而，这是为了在附图中的方便，并且设置磁致伸缩薄膜14A、14B的宽度和传感线圈13A、13B的宽度之间的尺寸关系被设置为满足稍后所述的条件。

通过盖37关闭壳体31a的顶部开口，并且通过螺栓(未示出)将该盖37固定在壳体31a上的适当位置。在转向轴21的底端设置小齿轮38，并将该小齿轮定位在轴承32、33之间。齿条轴39通过齿条导轨40引导，并且由压缩弹簧41推进，以便压向小齿轮38的侧面。动力传送机构35包括在传送轴43上固定的蜗杆齿轮44，该传送轴连接到转向力辅助电机42的输出轴，并且还包括在转向轴21上固定的蜗轮45。将转向扭矩传感器20附着在盖37的圆柱形部分37a的内部。

转向扭矩传感器20感应施加于转向轴21的转向扭矩。将感应的值输入到控制装置(在附图3中未示出)，并且用作参考信号，以便在电机42中产生适当的辅助转向扭矩。

当来自转向轮的转向扭矩施加于转向轴21时，转向扭矩传感器20电感应磁致伸缩薄膜14A、14B的磁特性变化，该变化对应于转向轴21的扭转。将该变化作为来自传感线圈13A、13B的输出终端的感生电压V_A、V_B的变化而感应。

附图4示出将在稍后描述的对于两个传感线圈13A、13B中的每一个获得的凸面磁致伸缩特性曲线51A、51B。该磁致伸缩特性曲线51A、51B对应于感生电压的变化特性，并且其分别来自传感线圈13A、13B的传感输出。

转向扭矩传感器20在两个磁致伸缩特性曲线51A、51B的基础上计算来自两个传感线圈的输出感生电压之间的差异，并且依据计算值的符号和大小，感应施加于转向轴21的转向扭矩的旋转方向(向右或向左)和大小。

当转向扭矩作用于转向轴21时，在转向轴21中出现扭转。从而，在磁致伸缩薄膜14A、14B中产生磁致伸缩效应。由于在转向扭矩传感器20中不断地将激励电流从AC电源16提供到激励线圈12，因此由于磁致伸缩薄膜14A、14B中的磁致伸缩效应引起的磁场变化被传感线圈13A、13B并表现为感生电压V_A、V_B的变化。根据转向扭矩传感器20，在感生电压V_A、V_B的变化的基础上将两个感生电压V_A、V_B之间的差作为传感电压值输出。从而，可以在转向扭矩传感器20的输出电压(V_A-V_B)的基础上感应施加于转向轴21的转向扭矩(T)的方向和大小。

现在进一步详细地描述附图4。如上所述，附图4是分别表示磁致伸缩薄膜14A、14B的磁致伸缩特性曲线51A、51B的示图。在附图4中，水平轴表示施加于转向轴21的转向扭矩，其中正侧(+)对应于右旋转，而负侧(-)对应于左旋转。附图4中的垂直轴表示电压轴。

磁致伸缩薄膜14A、14B的磁致伸缩特性曲线51A、51B同步表示出传感线圈13A、13B的传感输出特性。特别地，通过共同的激励线圈12将激励交变电流提供给具有磁致伸缩特性曲线51A、51B的磁致伸缩薄膜14A、14B；传感线圈13A、13B通过输出感生电压而对应响应于该激励交变电流。因此，传感线圈13A、13B的感生电压的变化特性对应于磁致伸缩薄膜14A、14B的磁致伸缩特性曲线51A、51B。换句话说，磁致伸缩特性曲线51A表示从传感线圈13A输出的感生电压V_A的变化特性，而磁致伸缩特性曲线51B表示从传感线圈13B输出的感生电压V_B的变化特性。

根据磁致伸缩特性曲线51A，随着转向扭矩的值从负值变成正值，并且接近正值转向扭矩值T1时，从传感线圈13A输出的感生电压V_A的值以大致线性的方式增加，然后当转向扭矩达到正值T1时达到峰值，并且随着该转向扭矩超过T1而逐渐降低。根据磁致伸缩特性曲线51B，从传感线圈13B输出的感生电压V_B的值随着转向扭矩的值接近负值-T1而逐渐增加，然后当该转向扭矩达到负值-T1时达到峰值，并且随着该转向扭矩进一步超过-T1并且从负值变成正值时以大致线性的方式降低。

如图4所示，与传感线圈13A有关的磁致伸缩特性曲线51A和与传感线圈13B有关的磁致伸缩特性曲线51B反映了磁致伸缩薄膜14A、14B具有彼此相反的磁各向异性，并且具有相对于垂直轴实质上线性的对称关系，该垂直轴包括所述两个磁致伸缩特性曲线的交叉点。

附图4中所示的线52表示一曲线图，该曲线图基于在磁致伸缩特性曲线51A、51B共有的区域中获得的值而产生，并且具有实质上线性的特性。通过从作为传感线圈13A的输出电压获得的磁致伸缩特性曲线51A的值中减去作为传感线圈13B的输出电压获得的磁致伸缩特性曲线51B的对应值而获得该曲线的值。当该转向扭矩为零时，从传感线圈13A、13B输出的感生电压相等，因此它们的差是零。在转向扭矩传感器20中，通过使用磁致伸缩特性曲线51A、51B中的区域将线52大致形成为直线，认为该磁致伸缩特性曲线51A、51B在该转向扭矩的平均点(零点)具有大致恒定的斜率。附图4中的垂直轴表示指出线52的特性图的电压差的零值的轴。线52是特性曲线图，其是穿过原点(0，0)，并且位于垂直轴和水平轴的正负侧的直线。由于将转向扭矩传感器20的传感输出值作为从传感线圈13A、13B输出的感生电压之间的差(V_A-V_B)而获得，如上所述，因此可以基于使用直线52的使用而感应施加于转向轴21的转向扭矩的方向和大小。

如上所述，可以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传感信号。基于转向扭矩传感器20的输出值获得该信号。特别地，可以从转向扭矩传感器20输出的传感值知道施加于转向轴21的转向扭矩的旋转方向和大小。

换句话说，将转向扭矩传感器20的传感值以与转向扭矩一致的垂直线52上的任一点而输出。当该传感值位于水平轴的正侧时，确定该转向扭矩向右旋转，且当该传感值位于水平轴的负侧时，确定该转向扭矩向左旋转。垂直轴上传感值的绝对值即该转向扭矩的大小。这样，可以通过利用垂直线52的特性在传感线圈13A、13B的输出电压值的基础上感应转向扭矩。

下面参照附图5对安装在汽车中的电动转向装置的一般构造和操作进行的示意性描述，并且该描述与附图3中的结构关联。附图5中与附图3中描述的构件大致相同的构件用相同的附图标记表示。

配置电动转向装置60，以便将辅助转向力(转向扭矩)提供到与转向轮61连接的转向轴21。该转向轴21包括：顶端连接到转向轮61的上部转向轴21a，底端设置有小齿轮38的下部转向轴21b，以及连接所述上部和下部转向轴21a、21b的旋转耦合器21c。下部转向轴21b的小齿轮38具有齿条轴39，该齿条轴具有与该小齿轮啮合的齿条39a。通过小齿轮38和齿条轴39(齿条39a)形成齿条和齿轮机构34。在齿条轴39的两端设置拉杆46，并且将前轮62附着于该拉杆46的外端。

将电机42经由动力传送机构35提供到下部转向轴21b。通过蜗杆齿轮44和蜗轮45形成动力传送机构35。电机42输出补充转向扭矩的旋转力(扭矩)，并且通过动力传送机构35将该旋转力施加于下部转向轴21b。

将转向扭矩传感器20设置到下部转向轴21b。当驾驶者操作转向轮61并且将转向扭矩施加于转向轴21时，转向扭矩传感器20感应施加于转向轴21的转向扭矩。

为了更精确，附图3中所示的转向轴21表示下部转向轴21b，如在上面的描述中阐明的。

附图标记63表示用于感应汽车速度的速度传感器，64表示由计算机构成的控制装置。控制装置64接收从转向扭矩传感器20输出的转向扭矩信号T以及从速度传感器63输出的速度信号V，并且输出驱动控制信号SG1，以便在基于与转向扭矩有关的信息和与车辆速度有关的信息的基础上控制电机42的操作。

电动转向装置60包括：转向扭矩传感器20、速度传感器63、控制装置64、电机42、齿条和齿轮机构34以及其它添加到规则常规转向系统的装置结构的组件。

当驾驶者操作转向轮61以便改变车辆进行的方向时，基于施加于转向轴21的转向扭矩的旋转力通过齿条和齿轮机构34被转变成沿齿条轴39的轴向上的线性运动，并且通过拉杆46改变前轮62的行进方向。此时，设置到下部转向轴21b的转向扭矩传感器20同时感应转向扭矩，根据驾驶者对转向轮61的转向，将该转向扭矩转换成电转向扭矩信号T，并且将转向扭矩信号T输出到控制装置64。速度传感器63感应车辆速度，将该速度转换成速度信号V，然后将该速度信号V输出到控制装置64。控制装置64在转向扭矩信号T和速度信号V的基础上产生驱动电机42的电机电流。由电机电流驱动的电机42经由动力传送机构35将辅助转向力施加于下部转向轴21b。如上所述，通过驱动电机42降低了由驾驶者施加于转向轮61的转向力。

其次，参照附图6至8描述根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器10的特性构造。附图6是附图1中所示磁致伸缩扭矩传感器10的构造的侧视图，其以放大的形式选择性地示出磁致伸缩薄膜14A、14B和传感线圈13A、13B的安装位置关系。附图7示出灵敏度变化率相对于磁致伸缩薄膜的宽度(W1)和传感线圈的宽度(W2)的比率D(＝W1/W2)的变化曲线图。附图8示出比率D的灵敏度变化率和位置失调之间的关系曲线图。

，在附图1中描述过的构件在附图6中用相同的附图标记表示。附图6中磁致伸缩薄膜14A、14B的宽度尺寸由W1表示，传感线圈13A、13B的宽度尺寸由W2表示。在附图6中，箭头71表示提供到磁致伸缩薄膜14A的磁各向异性的方向，而箭头72表示提供到磁致伸缩薄膜14B的磁各向异性的方向。

如图1所示，磁致伸缩薄膜14A、14B的宽度W1大于传感线圈13A、13B的宽度W2，设置所述宽度，以使得比率D(＝W1/W2)满足下面的条件1.0＜D＜1.35。该条件的满足大大提高了磁致伸缩扭矩传感器10的灵敏度。现在将描述这种条件是最优选的原因，并描述和导出该条件的基础。

首先，已经发现磁致伸缩薄膜14A、14B具有下面的特性：穿过旋转轴11的轴向上薄膜的宽度的灵敏度是不统一的，而是中间高两端低。灵敏度在磁致伸缩薄膜14A、14B的两端低的原因是，因为局部磁力线存在于两端，并且当通过施加的扭矩在磁致伸缩薄膜中产生应力时，由磁各向异性71、72产生的相反的磁致伸缩特性被磁力线降低。相反地，如果传感线圈大窄，则出现在传感线圈和磁致伸缩薄膜中的磁力线的比率会降低，且灵敏度也会降低。

通过将磁致伸缩薄膜和传感线圈之间的间隙设置成0.5mm，测量附图7中磁致伸缩薄膜的宽度W1和传感线圈的宽度W1之间的比率D的灵敏度变化率的变量变化。在通过附图7所示的最小二乘方法获得的曲线图73中，灵敏度的变化率当D＝1时超过1，随着D从1增加而增加，并且当D＝1.14时达到最大值。在此之后，随着D的增加，灵敏度的变化率随着D的增加而降低，并且当D超过1.35时小于1。如上所述，磁致伸缩扭矩传感器10的灵敏度的变化率增加或降低，取决于比率D的值；即取决于磁致伸缩薄膜的宽度W1和传感线圈的宽度W2的比率(W1/W2)，并且当1.0＜D＜1.35时基本大于1。

在附图8中表示位置失调和比率D的灵敏度变化率的关系曲线图中，曲线81对应于0mm的位置失调，曲线82对应于0.5mm的位置失调，曲线83对应于1.0mm的位置失调，曲线84对应于1.5mm的位置失调。术语“位置失调”是指磁致伸缩薄膜14A、14B和传感线圈13A、13B之间沿旋转轴11的轴向的位置失调。从附图8中的曲线81至84可以清楚地看出，当比率D在1＜D＜1.3的范围内时，在0至1mm的位置失调范围内的灵敏度变化率基本大于1。

在传统的磁致伸缩扭矩传感器中，当位置失调超过0.68mm时，灵敏度的变化率降到0.98以下。参照附图8，通过将D设置为最优值，即使在位置失调超过1.5mm的情况下，灵敏度的变化率也不会降到0.98以下的范围。

根据如上所述的附图7和8中的曲线图，使用根据本实施方式的磁致伸缩扭矩传感器10可以将最优值的范围设置为1＜D＜1.35，该范围位于传感器的灵敏度变化率之上。在这里，将传统的磁致伸缩扭矩传感器的值D＝1作为参考。当磁致伸缩扭矩传感器10用作汽车中的转向扭矩传感器20时，基于将1.0mm设置为期望的最大位置失调，可以将1.03＜D＜1.30范围中的值设置为更优选的值，其中，在该范围内，灵敏度的变化率不会降到0.98以下。

由于对应于灵敏度最大变化率的值D大约是1.14，如图7所示，如上所述增加磁致伸缩薄膜的宽度W1使其大于传感线圈的宽度W2，可以获得具有最高可能的传感器灵敏度特性的磁致伸缩扭矩传感器。同样，将值D设置成最优水平可以使得即使在灵敏度的变化率随着附图10所示的间隙增加而降低的情况下，也可以将灵敏度的变化率保持在0.98或者0.98以上。

Claims

1.一种磁致伸缩扭矩传感器，其包括：

通过施加扭矩而旋转的旋转轴(11)；

在至少一个位置上环绕所述旋转轴(11)表面的整个周边形成的磁致伸缩区域(14A、14B)；

传感线圈(13A、13B)，其用于感应所述磁致伸缩区域的阻抗变化；以及

扭矩计算装置(17)，其用于在对应于从所述传感线圈输出的阻抗变化的信号的基础上计算施加于所述旋转轴(11)的扭矩，其中

将所述旋转轴(11)的轴向上磁致伸缩区域(14A，14B)的宽度(W1)和所述旋转轴(11)的轴向上传感线圈(13A、13B)的宽度(W2)设置成满足关系式：1＜(W1/W2)＜1.35。

2.如权利要求1所述的磁致伸缩扭矩传感器，其中，所述磁致伸缩区域(14A、14B)包括基于在所述旋转轴表面上形成的磁致伸缩镀膜部分而产生的磁致伸缩薄膜。

3.如权利要求2所述的磁致伸缩扭矩传感器，其中，所述磁致伸缩薄膜的材料是Ni-Fe合金。

4.一种电动转向装置，包括：

转向轴(21)；

在所述转向轴上设置的磁致伸缩扭矩传感器(20)，以便用于感应施加于所述转向轴的转向扭矩，所述磁致伸缩扭矩传感器(20)包括：在至少一个位置上环绕所述转向轴表面的整个周边形成的磁致伸缩区域(14A、14B)；用于感应所述磁致伸缩区域(14A、14B)的阻抗变化的传感线圈(13A、13B)；以及在对应于所述传感线圈(13A、13B)输出的阻抗变化的信号的基础上，计算施加于所述转向轴(21)的扭矩的扭矩计算装置(17)，将所述转向轴(21)的轴向上磁致伸缩区域(14A、14B)的宽度(W1)和所述转向轴(21)的轴向上传感线圈(13A、13B)的宽度(W2)设置成满足关系式：1＜(W1/W2)＜1.35；

电机(42)，其用于根据由所述磁致伸缩扭矩传感器(20)感应的转向扭矩将辅助转向力施加于所述转向轴(21)；以及

控制装置(64)，其用于在与所述磁致伸缩扭矩传感器(20)感应的转向扭矩有关的信号的基础上控制所述电机(42)的驱动。

5.如权利要求4所述的电动转向装置，其中，所述磁致伸缩扭矩传感器(20)的磁致伸缩区域(14A、14B)是基于在所述转向轴(21)表面上形成的磁致伸缩镀膜部分而产生的磁致伸缩薄膜。

6.如权利要求5所述的电动转向装置，其中，所述磁致伸缩薄膜由Ni-Fe合金形成。