CN1959359A - 制造磁致伸缩转矩传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造具有低不均匀性灵敏度特性的磁致伸缩转矩传感器的方法。首先测量转矩传感器(10)的旋转轴(11)中的残余奥氏体含量。磁性薄膜在热处理条件下承受热处理，对于每个测量到的残余奥氏体含量来说，该热处理条件不同，并且赋予磁各向异性。

Description

制造磁致伸缩转矩传感器的方法
技术领域
本发明通常涉及一种用于制造磁致伸缩转矩传感器的方法，更具体地，本发明涉及这样一种具有改良处理的方法，该改良处理消除在用于转轴的材料的磁特性中的不均匀性，并将传感器的灵敏度特性中的不均匀性保持到最小值。
背景技术
例如，在汽车的电动转向装置中，转向转矩传感器感知由驾驶员利用方向盘施加给转向轴的转向转矩。近来，磁致伸缩转矩传感器已经被提出作为这样一种转向转矩传感器。转向轴承受由转向操作产生的旋转力，并且起到旋转轴的作用。转向轴功能作为在转向转矩传感器的安装位置上的旋转轴的一部分。电动转向装置根据由转向转矩传感器检测到的转矩信号，来控制转向力辅助电动机的驱动。电动转向装置减小了对于驾驶员的转向力，从而提供了舒适的转向感觉。
在电动转向装置的转向转矩传感器中，关于彼此磁各向异性的磁致伸缩薄膜形成在转向轴表面的两个特定位置上。磁致伸缩转矩传感器具有以下构造，其中当转矩从方向盘施加给转向轴时，一种非接触方式被用来检测在相应于转向轴扭转的磁致伸缩薄膜的磁致伸缩特性上的变化。
用来制造磁致伸缩转矩传感器的方法包括：在转向轴一部分的特定表面上形成磁致伸缩薄膜；也就是，在旋转轴中具有特定轴向宽度的圆周表面上，并且提供具有磁各向异性的磁致伸缩薄膜。在磁致伸缩转矩传感器的制造中，用于提供具有磁各向异性的磁致伸缩薄膜的传统方法包括：通过电镀在旋转轴上形成磁致伸缩镀层(磁致伸缩薄膜)，例如，将扭转转矩施加于旋转轴，从而在旋转轴的圆周表面上产生应力，并且当轴保持在应力下时，在恒温器中对旋转轴热处理(例如，见JP-A-2002-82000)。
用作电动转向装置的转向转矩传感器的磁致伸缩转矩传感器优选地是这样的传感器，即，在传感器特性上具有很高的功能并具有很低的不均匀性。在磁致伸缩转矩传感器中，便宜、具有极好强度和机械加工特性的结构钢用作在其上形成磁致伸缩薄膜的转向轴。
SK、SCM、SNC或者其它材料被用作结构钢。这些材料是磁性材料，并且包括作为一种成份无磁性的残余奥氏体。在由结构钢构成的转向轴中，残余奥氏体含量取决于在制造阶段的热处理条件(淬火、回火以及其它条件)、成分以及其它因素而有所不同。当残余奥氏体含量不同时，转向轴的磁特性改变。在制造普通的转向轴的方法中，通常交付的转向轴含有大约5-15％范围的含量不均匀性的残余奥氏体。此后，为了在转向轴上制造磁致伸缩薄膜，实施热处理。公知的是，根据热处理，磁致伸缩薄膜的加热状态根据转向轴的磁特性上的不同而变化，并且磁致伸缩转矩传感器的最终传感器感知特性的变化可相当大。当残余奥氏体变化10％时，例如，传感器的最终的检测特性变化10％或更多。
如上所述，本发明者发现，由于转向轴残余奥氏体含量的差异，温度差异出现在转向轴的表面附近，当磁各向异性被提供给形成在转向轴上的磁致伸缩薄膜上时候，即使在热处理中保持相同的加热条件下。出于这个原因，当在残余奥氏体含量上存在不同时，就产生在所制造的磁致伸缩转矩传感器的灵敏度特性上的不均匀性。
减少转向轴上的残余奥氏体含量的不均匀性同样地可以被认为是一种减少磁致伸缩转矩传感器敏感特性上的不均匀性的方法。然而，需要高水平的技术难度来在制造阶段调节转向轴的残余奥氏体含量到百分之几的量级上。因此，即使制造了残余奥氏体含量被调节的转向轴，转向轴的成本就变得非常高。
另一方面，当转向轴中的残余奥氏体含量不同于通常采用的含量的时候，并且磁致伸缩转矩传感器是根据传统的制造方法制造时，由此制造的磁致伸缩转矩传感器的灵敏度特性变得更不均匀。出于这个原因，当把磁致伸缩转矩传感器安装到电动转向装置中的时候，需要工人来调整磁致伸缩转矩传感器的灵敏度特性。结果，用于组装电动转向装置的工序变得更复杂，并且该装置的生产成本也增加。
当配齐的磁致伸缩转矩传感器的灵敏度特性变化10％或更多时，传感器的产量降低，并且在组装过程中的特性调整变得非常困难。
因此，需要一种制造磁致伸缩转矩传感器的方法，其能够通过查明残余奥氏体含量和调节热处理时间以及磁性薄膜的其它参数来减少传感器灵敏度特性上的不均匀性，所述残余奥氏体含量是在由磁性材料构成的旋转轴中的非磁性相位。还需要提供一种制造磁致伸缩转矩传感器的方法，借助于该方法，传感器产量可得到提高，磁致伸缩转矩传感器可以以低成本容易地安装，组装步骤可整体地简化，并且工人的负担可得到改善。
发明内容
根据本发明，提供了一种制造磁致伸缩转矩传感器的方法，其包括：测量磁致伸缩转矩传感器旋转轴的残余奥氏体含量，在旋转轴上形成磁致伸缩薄膜，并且基于相应于在残余奥氏体测量中获得的测量信息的热处理条件，赋予磁致伸缩薄膜磁各向异性。
在上述的制造方法中，可以首先测量转向轴或另一个旋转轴的残余奥氏体含量。接着，在磁各向异性赋予处理中，施加指定的扭转转矩至磁性薄膜(磁致伸缩镀层单元)的基础材料上的情况下，对于每个旋转轴的残余奥氏体含量在不同的热处理条件下实施热处理。因此，可以消除在磁致伸缩转矩传感器的灵敏度特性中的不均匀性，并且甚至在具有变化的残余奥氏体含量和磁特性的旋转轴的传感器中，都可以获得均匀的灵敏度特性。术语“热处理条件”是一个广泛的概念，其包括热处理时间、热输出以及其它参数。
优选地，磁各向异性的赋予，包括：基于与在施加指定的扭转转矩的情况下在残余奥氏体含量测量中所测量到的残余奥氏体含量相对应的热处理时间，来热处理旋转轴。
理想的，残余奥氏体含量的测量包括：在旋转轴周围布置一感应线圈，向感应线圈提供交流电以激励感应线圈，通过感应线圈间接地测量旋转轴的轴阻抗，并且基于测量到的轴阻抗计算残余奥氏体含量。
在本发明中，在制造磁致伸缩薄膜时，通过非破坏性测试来测量用在磁致伸缩转矩传感器中的旋转轴的残余奥氏体含量，基于旋转轴的残余奥氏体含量将轴分级，在赋予磁各向异性至旋转轴的磁致伸缩薄膜的步骤中，为每个分级的旋转轴设定不同热处理条件，并且热处理该轴。出于这个原因，不需要使用原来具有低残余奥氏体含量的昂贵的旋转轴材料。换句话说，热处理可以在不改变热处理装置的情况下执行，并且，利用传统的旋转轴材料以很低的成本来减少传感器灵敏度特性的不均匀性。从而可以提高传感器的产量，并且该传感器可以具有更均匀的灵敏度特性。因此，可以容易地组装磁致伸缩转矩传感器，可以简化整个组装步骤并且减少工人们的负担。
附图说明
下面将参考附图仅以示例的方式详细地描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1是显示了由根据本发明制造磁致伸缩转矩传感器的方法制造的磁致伸缩转矩传感器的基本结构的部分截面侧视图；
图2是显示了磁致伸缩转矩传感器基本结构的示意性侧视图；
图3是特定结构的不完整的纵向截面图，其中磁致伸缩转矩传感器被作为转向转矩传感器引入到电动转向装置的转向轴中；
图4显示了磁致伸缩特性曲线以及磁致伸缩转矩传感器中的传感器线圈的传感器特性的曲线图；
图5是显示了作为根据本发明制造磁致伸缩转矩传感器方法部分的制造旋转轴处理的流程图；
图6是磁各向异性赋予处理的流程图；
图7A和7B是显示了取决于旋转轴的残余奥氏体含量高或低的磁特性的曲线图；
图8是显示了残余奥氏体含量(％)和旋转轴轴阻抗(Z)之间关系的曲线图；
图9是当加热磁致伸缩镀层单元时，旋转轴的轴阻抗(Z)和栅极电流(Ig)之间关系的曲线图；
图10是当加热磁致伸缩镀层单元时，栅极电流(Ig)和加热温度之间关系的曲线图；
图11A和11B是显示了当以高频加热具有不同残余奥氏体并且提供有磁致伸缩镀层单元(磁致伸缩薄膜)的旋转轴时，磁通量分布的截面图；
图12是显示了栅极电流(Ig)和加热温度之间关系的曲线图；
图13是显示了形成在具有不同轴阻抗的旋转轴上的磁致伸缩转矩传感器的灵敏度(Z斜率)的曲线图；并且
图14是显示了形成在具有不同轴阻抗的旋转轴上的磁致伸缩转矩传感器的0点Z的曲线图。
具体实施方式
参考图1到3首先描述磁致伸缩转矩传感器。图1到3显示由根据本发明制造磁致伸缩转矩传感器的方法制造的磁致伸缩转矩传感器的结构示例。
如图1和2所示，磁致伸缩转矩传感器10由旋转轴11、以及围绕旋转轴11的外围设置的一个激励线圈12和两个传感器线圈13A和13B构成。为了描述的方便，在图1和2中显示的旋转轴11没有顶和底部件。
参考图3中显示的应用示例，例如，旋转轴11构造成转向轴21的一部分。旋转轴11承受围绕轴向中心11a的右向旋转(顺时针)或左向旋转(逆时针)的旋转力(转矩)，由箭头A表示。例如，旋转轴11由铬钼铸钢(SCM)或类似的金属制成的金属棒形成。磁致伸缩薄膜14A和14B在轴向两个竖直排列的位置设置到旋转轴11上。在旋转轴11的轴向方向上，磁致伸缩薄膜14A和14B均具有特定宽度，并且还形成在旋转轴11的整个周向外围上，磁致伸缩薄膜14A和14B在轴向的宽度尺寸以及两个磁致伸缩薄膜14A和14B之间的间隔尺寸根据条件任意地设定的。实际上，磁致伸缩薄膜14A和14B通过电镀处理或类似的处理作为磁致伸缩镀层部分，形成在旋转轴11的表面上。磁各向异性的磁致伸缩薄膜14A和14B是通过处理磁致伸缩镀层单元形成，以便获得磁各向异性。
为了下面描述的方便，术语“磁致伸缩薄膜14A和14B”和“磁致伸缩镀层部分14A和14B”表示相同的对象(item)，但是取决于制造的步骤和条件用于不同的目的。原则上，在已经被赋予磁各向异性之后完成的产品被称为“磁致伸缩薄膜14A和14B”，并且在该步骤之前，这些部分被称作“磁致伸缩镀层部分(14A和14B)”。
如图1所示，对在旋转轴11表面上形成的两个磁致伸缩薄膜14A和14B都提供激励线圈12和传感器线圈13A和13B。具体地，如图1所示，传感器线圈13A与磁致伸缩薄膜14A的外围之间布置有一插入的间隙。环形的传感器线圈13A环绕磁致伸缩薄膜14A的整个外围，并且传感器线圈13A的轴向宽度尺寸基本上等于磁致伸缩薄膜14A的轴向宽度尺寸。而且，传感器线圈13B与磁致伸缩薄膜14B的外围之间布置有一插入的间隙。环形的传感器线圈13B环绕磁致伸缩薄膜14B的整个外围，并且传感器线圈13B的轴向宽度尺寸基本上等于磁致伸缩薄膜14B的轴向宽度尺寸。此外，环形激励线圈12布置在两个传感器线圈13A和13B的外围的周围。在图1中，环形激励线圈12被显示成分别提供给磁致伸缩线圈14A和14B，但是，这实际上是一个激励线圈12的两个部分的描述。传感器线圈13A和13B以及激励线圈12通过采用提供给旋转轴11外围的环形支架15A和15B，绕在磁致伸缩薄膜14A和14B周围的外围空间中，从而环绕旋转轴11。
在图2中，激励线圈12和传感器线圈13A和13B依据它们与旋转轴11磁致伸缩薄膜14A和14B的电关系示意性地显示。恒定地提供AC激励电流的交流电源16被连接到由磁致伸缩薄膜14A和14B共享的激励线圈12上。而且，相应于要检测的转矩的感生电压VA和VB，被从分别提供给磁致伸缩薄膜14A和14B的传感器线圈13A和13B的输出端子。
例如，如图3所示，磁致伸缩转矩传感器10被作为转向转矩传感器引入到电动转向装置的转向轴中。与图1和2中描述的元件基本上相同的图3中的元件用相同的数字符号表示。图3显示了转向转矩传感器20的构造，对于转向轴21的支撑结构(相应于旋转轴11)，齿条-齿轮传动机构34，驱动力传送机构35以及转向力辅助电机42。
在图3中，转向轴21的顶部安装到车辆的方向盘上(未示出)。构造转向轴21的底部，使得将转向力经由齿条-齿轮传动机构34传送到包含齿条轴的车辆轴上。设置在转向轴21顶部的转向转矩传感器20采用磁致伸缩转矩传感器10构造。转向转矩传感器20与转向转矩传感器10相一致，并且其上形成磁致伸缩薄膜14A和14B的转向轴21的部分与旋转轴11相一致。
转向轴21由在形成变速箱31的外壳31a中的两个轴承32和33旋转地支撑。齿条-齿轮传动机构34和驱动力传送机构35容纳在外壳31a的内部。
转向转矩传感器20(磁致伸缩转矩传感器10)被提供在转向轴21上。之前描述的磁致伸缩薄膜14A和14B形成在转向轴21上，并且激励线圈12和相应于磁致伸缩薄膜14A和14B的传感器线圈13A和13B由支架15A和15B以及磁轭36A和36B支撑。
外壳31a的顶开口由盖37关闭。提供在转向轴21的底端的齿轮38定位在轴承32和33之间。齿条轴39由齿条导承40引导，并且由压簧41加负荷挤压到齿轮38的侧面。驱动力传送机构35由连接到安装在转向力辅助电机42的输出轴以及固定到转向轴21的蜗轮45的传动轴43的蜗轮44形成。转向转矩传感器20附加到盖37的圆柱部件37a的内部。
转向转矩传感器20检测施加给转向轴21的转向转矩。检测的值被输入到控制装置(未示出)，并且用作用于产生电机42中合适的辅助转向转矩的参考信号。当来自于方向盘的转向转矩被施加给转向轴21时，转向转矩传感器20电力地检测相应于转向轴21扭转的，在磁致伸缩薄膜14A和14B的磁特性上的变化。该变化作为在来自于传感器线圈13A和13B的输出端子的感生电压VA和VB上的改变被检测。
当转向转矩作用在转向轴21上时，扭转出现在转向轴21上。因此，在磁致伸缩薄膜14A和14B中造成磁致伸缩效应。由于激励电流不变地从转向转矩传感器20中的AC电源16提供到激励线圈12，在由磁致伸缩薄膜14A和14B中磁致伸缩效果导致的磁场上的改变由传感器线圈13A和13B作为感生电压VA和VB上的改变而检测得到。根据转向转矩传感器20，基于感生电压VA和VB上的改变，两个感生电压VA和VB之间的差别被输出作为检测电压。因此，施加给转向轴21的转向转矩(T)的方向和程度可以基于转向转矩传感器20的输出电压(VA-VB)被检测到。
图4分别显示了两个磁致伸缩薄膜14A和14B的磁致伸缩特性曲线51A和51B。在图4中，水平轴代表施加给转向轴21的转向转矩，其中，正向侧(+)对应于右向旋转，而负向侧(-)对应于左向旋转。在图4中的垂直轴代表电压轴。
对于磁致伸缩薄膜14A和14B的磁致伸缩特性曲线51A和51B同时地显示传感器线圈13A和13B的检测输出。具体地，激励电流通过共享的激励线圈12被施加给具有磁致伸缩特性曲线51A和51B的磁致伸缩薄膜14A和14B，并且传感器线圈13A和13B响应由输出感生电压的该激励AC电流。因此，传感器线圈13A和13B的感生电压的改变特性与磁致伸缩薄膜14A和14B的磁致伸缩特性曲线51A和51B一致。换句话说，磁致伸缩特性曲线51A显示了从传感器线圈13A输出的感生电压VA的改变特性，而磁致伸缩特性曲线51B显示了从传感器线圈13B输出的感生电压VB的改变特性。
根据磁致伸缩特性曲线51A，从感应线圈13A输出的感生电压VA完全以线性的方式随着转向转矩的值从负到正而增加，并且接近正的转向转矩值T1，接着当转向转矩达到正的值T1时达到最高点，并且随着转向转矩增加过T1逐渐地减少。根据磁致伸缩特性曲线51B，从感应线圈13B输出的感生电压VB以随着转向转矩的值接近负的值-T1而逐渐增加，接着当转向转矩达到负的值-T1时达到最高点，并且随着转向转矩经过T1增加以基本上线性的方式减少，并且从负到正改变。
如图4所示，属于传感器线圈13A的磁致伸缩特性曲线51A以及属于传感器线圈13B的磁致伸缩特性曲线51B反映：磁致伸缩薄膜14A和14B是彼此相反的磁各向异性的，并且具有关于垂直轴基本线性的对称关系，所述垂直轴包括两个磁致伸缩特性曲线交叉的点。
图4中显示的线52指示了基于在对于磁致伸缩特性曲线51A和51B共同的区域中获得的值产生的曲线图，并且具有基本线性的特性。该线的值通过从作为传感器线圈13A的输出电压获得的磁致伸缩特性曲线51A的值中，减去作为传感器线圈13B的输出电压获得的磁致伸缩特性曲线51B的相应值获得。当转向转矩是零时，从传感器线圈13A和13B输出的感生电压相等，并且因此它们的差别是零。在转向转矩传感器20中，线52通过采用在被认为在转向转矩的平均点(零)附近基本不变斜率的磁致伸缩特性曲线51A和51B中的区域，形成为大致的直线。图4中的垂直轴代表指示对于线52的特性曲线图的电压差别值的轴。线52是特性曲线，是通过原点(0，0)的直线，并且落在垂直和水平轴的正、负侧。由于转向转矩传感器20的检测输出值作为之前所述的从传感器线圈13A和13B输出的感生电压之间的差(VA-VB)，因此基于采用直线52可检测到施加给转向轴21的转向转矩的方向和程度。
如上所述，可能获得相应于输入到转向轴21(旋转轴11)的转向转矩的旋转方向和程度的传感器信号。该信号基于转向转矩传感器20的输出值获得。具体地，施加给转向轴21的转向转矩的旋转方向和程度，可以由来自于转向转矩传感器20输出的传感器值获知。
换句话说，转向转矩传感器20的传感器值根据转向转矩作为垂直线52上的任一点输出。当传感器值在水平轴的正向侧上时，确定的转向转矩是正在向右旋转，当传感器值在水平轴的负向侧上时，确定的转向转矩是正在向左旋转。在垂直轴上的传感器值的绝对值是转向转矩的程度。因此，可能通过采用垂直线52的特性，基于传感器线圈13A和13B的输出电压值通过转向转矩传感器20检测转向转矩。
下面是一个通过参考图5到14制造之前描述的磁致伸缩转矩传感器10的方法的描述。图5中制造磁致伸缩转矩传感器10的方法的主要部分显示了用于制造磁致伸缩转矩传感器10，也就是转向轴21的旋转轴11的步骤。图5主要地显示了用于制造旋转轴11的所有步骤。
在图5中，大致地分类，用于制造旋转轴11的工序包括：磁致伸缩薄膜形成工序P1；磁各向异性赋予工序P2；特性稳定工序P3；测试工序P4；以及残余奥氏体含量测量工序P10，其为特有步骤。残余奥氏体含量测量工序P10在磁致伸缩薄膜形成工序P1之前实施。在加热步骤中，在其中在磁各向异性赋予工序P2中热处理旋转轴11，热处理时间根据旋转轴11的等级而变化。这是因为如下所述提供残余奥氏体含量测量工序P10。
特性稳定工序P3通常包括退火工序P31。用于安装激励线圈12、传感器线圈13A和13B、或者其它这种传感器的传感器安装工序P5为了完成磁致伸缩转矩传感器10，被设置在测试工序P4之后。
转向转矩薄膜形成工序P1是在交付的旋转轴11(转向轴21)上形成磁致伸缩薄膜的步骤。在本示例中，残余奥氏体含量测量工序P10如上所述提供，作为先于磁致伸缩薄膜形成工序P1的步骤。实际上，交付的旋转轴11在收到时进行检查(步骤10)，先于残余奥氏体含量测量工序P10。
首先描述的是磁致伸缩薄膜形成工序P1，磁各向异性赋予工序P2，特性稳定工序P3以及测试工序P4。
在磁致伸缩薄膜形成工序P1中，通过电镀来形成磁致伸缩镀层部分，用于磁致伸缩薄膜的基础部分位于旋转轴11的表面上的特定位置。在磁致伸缩薄膜形成工序P1中，洗涤或另一个这种预处理或前处理被首先在旋转轴11(步骤S11)上实施。接着执行电镀(步骤S12)。该电镀被执行，以致于磁致伸缩薄膜在旋转轴11的顶和底位置上沉积到特定厚度。上和下磁致伸缩镀层部分用于通过后面描述的后处理来形成磁各向异性磁致伸缩薄膜14A和14B。接着执行干燥(步骤S13)。
在磁致伸缩薄膜形成工序P1中，电镀方法被用来在旋转轴11的表面上形成之前描述的磁致伸缩薄膜14A和14B。然而，也可以通过除了电镀之外的方法来形成在旋转轴11上形成磁致伸缩薄膜14A和14B的基础部分，例如溅射，离子镀，或者其它的这样的PVD方法；等离子喷涂；或者类似的方法。
接下来，执行磁各向异性形成工序P2。磁各向异性形成工序P2是用于向在旋转轴11的顶和底的位置形成的磁致伸缩镀层部分赋予磁各向异性的步骤，从而形成之前描述的磁致伸缩薄膜14A和14B。磁各向异性形成工序P2具有执行在顶磁致伸缩镀层部分上的高频加热步骤S21，以及执行在底磁致伸缩镀层部分上的高频加热步骤S22。
图6显示在磁各向异性形成工序P2中，执行在步骤S21和S22的处理步骤的流程图。
接下来将描述步骤S21，其中在磁各向异性形成工序P2中顶磁致伸缩镀层部分在高频加热。在步骤S21中，首先执行步骤S201，从而经由转矩施加装置向旋转轴11施加特定的扭转转矩。接下来执行加热步骤S202，从而通过磁性感应加热旋转轴11的顶磁致伸缩镀层部分，其中当正在施加特定扭转转矩时，提供一特定时间量的高频波。接下来执行步骤S203，从而自然地冷却加热的旋转轴11，并且转矩释放步骤S204最后执行，从而通过释放扭转转矩在顶磁致伸缩镀层部分中赋予磁各向异性，因此，形成磁致伸缩薄膜14A。
在加热步骤S202中，感应加热线圈被放置在旋转轴11的顶磁致伸缩镀层部分上，并且特定高频电流被从高频电源提供到感应加热线圈，从而仅在顶磁致伸缩镀层部分上执行高频加热。
在步骤S201到S204中，磁各向异性被赋予到旋转轴11的顶磁致伸缩镀层部分，从而形成磁各向异性的磁致伸缩薄膜14A。
在旋转轴11的底磁致伸缩镀层部分在高频加热步骤S22中，类似地实施步骤S201到S204，赋予底磁致伸缩镀层部分磁各向异性，借此形成磁各向异性的磁致伸缩薄膜14B。在这种情况下，磁性的各向异性被赋予到底磁致伸缩镀层部分，因此，转矩施加于旋转轴11的方向被反向，从而在磁致伸缩薄膜14B上获得反向磁各向异性。
在磁各向异性赋予工序P2中，控制在热处理执行的加热步骤S202中的热处理条件(热处理时间，以及其它参数)，从而根据每个旋转轴11的等级而变化，这是根据旋转轴11的残余奥氏体含量而分等级的，如下文所描述的。
特性稳定工序P3，在上述的磁各向异性赋予工序P2之后执行。在特性稳定工序P3中，执行退火处理P31，并且热处理在一温度执行特定长的时间，该温度例如是在转向转矩传感器20被采用的条件下的使用温度或更高。
在特性稳定工序P3之后执行测试工序P4。此后，执行用于安装激励线圈12或其它传感器的传感器安装工序P5，并且提供用于测试在旋转轴11的磁致伸缩薄膜14A和14B的外围中的磁致伸缩特性上的改变。磁致伸缩转矩传感器10经由上述步骤完成。
下面更详细描述的是测量方法和实施上述的残余奥氏体含量测量工序P10的理由。
首先进行描述实施残余奥氏体含量测量工序P10的原因。
铬钼铸钢(SCM材料)、镍铬钼铸钢(SNCM材料)，或者另一种结构钢被用作磁致伸缩转矩传感器的旋转轴11(转向轴21)。如上所述，在旋转轴11中，旋转轴的磁特性如此取决于在制造旋转轴的时候残余奥氏体含量而变化。通常地，交付的旋转轴11具有大约5％到15％的残余奥氏体含量，取决于淬水温度、回火温度、Cp(碳势)、成分以及其它因素。根据制作者和生产批次(production 1ot)的不同，交付的旋转轴11具有不同的残余奥氏体含量。当这种旋转轴11在磁各向异性赋予工序P2中实施的加热步骤S202中承受相同的热处理条件时，最终制造的磁致伸缩转矩传感器的传感器特性(中心点特性，灵敏度特性)中，产生相当大的不均匀性。
由于上述原因并根据依据本发明的制造方法，每个交付的旋转轴11在残余奥氏体含量测量工序P10中以非接触的方式测量每个旋转轴11的残余奥氏体含量。每个交付的旋转轴11根据通过测量获得的残余奥氏体含量进行分等级(分类)。在上述的磁各向异性给予工序P2的加热步骤S202中，热处理条件(此后，指的是“热处理时间”)对于各等级是变化的，并且热处理时间基于残余奥氏体含量对于每种旋转轴11进行控制。
在磁各向异性赋予工序P2的加热步骤S202中，通过根据每个旋转轴11的等级控制热处理时间，减小在热处理状态的不均匀性以及传感器的灵敏度特性。在磁致伸缩转矩传感器10的制造处理中的质量和生产率借此可以得到提高。在旋转轴11的交付过程中指定固定的残余奥氏体含量在百分之几的级上是非常困难的，并且执行这样的数值增加了成本。轴的残余奥氏体含量优选的保持在一定范围，从而减小制造成本。
下面描述的是在残余奥氏体含量测量工序P10中的测量方法。
在磁致伸缩薄膜形成工序P10中，每个旋转轴11采用一线圈(此后，指的是“感应线圈”)承受非破坏性测试，用来测量旋转轴11的残余奥氏体含量。具体地，在本示例中，旋转轴11通过感应线圈的中心插入安装，用来将感应线圈布置在旋转轴11的外围，AC电流被供应给感应线圈，用来激励线圈，旋转轴11的轴阻抗采用感应线圈通过测量线圈端子之间的阻抗间接地测量。旋转轴11的磁性状态基于旋转轴11测量的轴阻抗确定，并且残余奥氏体含量基于阻抗值计算。如这里用到的，术语旋转轴11的“轴阻抗”指的是代表旋转轴11的磁特性的特性值。该值被测量并且被间接地计算作为感应线圈的线圈阻抗。
用于测量旋转轴11的轴阻抗的步骤优选的是通过采用高频波的感应加热在将磁各向异性赋予旋转轴11磁致伸缩薄膜之前执行。该步骤甚至更优选的在向旋转轴11提供磁致伸缩镀层部分之前执行，其是磁致伸缩薄膜14A和14B的基础材料。
图7A和7B是显示了旋转轴11中的磁特性和残余奥氏体含量之间关系的曲线图。在图7A和7B中，水平轴代表磁场(H)，垂直轴代表磁通密度(B)。当旋转轴11具有低残余奥氏体含量时，它在磁场方向上具有窄的滞后曲线特性61，如图7A所示。当旋转轴11具有高残余奥氏体含量时，它在磁场方向上具有宽的滞后曲线特性62，如图7B所示。滞后曲线特性61和62的比较显示旋转轴11的导磁率μ随着旋转轴11的残余奥氏体在任何磁场H中减少而增加，因为导磁率μ由B/H计算。换句话说，在滞后曲线特性61上的导磁率μ(a)由B(a)/H(a)计算，在滞后曲线特性62上的导磁率μ(b)由B(b)/H(b)计算，导致不等式μ(a)＞μ(b)。因此，旋转轴11的残余奥氏体含量可以通过测量取决于导磁率μ的电量而确定。
考虑到上述原因，在根据本示例测量旋转轴11的残余奥氏体含量的方法中，感应线圈如上所述布置在旋转轴11的外围，旋转轴11的阻抗(Z)采用感应线圈进行测量，并且旋转轴11的残余奥氏体含量通过轴阻抗(Z)的大小(|Z|)确定。具体地，轴阻抗(Z)由下面提到的方程1表达。方程(1)取决于导磁率μ，并且导磁率μ取决于并随着残余奥氏体含量变化。因此，轴阻抗(Z)和残余奥氏体含量之间的关系如下计算。
| Z | = ( ( ωL ) 2 + R 2 ) - - - ( 1 )
在方程(1)中，ω是供应给感应线圈的交变电流的角频率，L是阻抗，R是电阻。阻抗L与导磁率μ相关，如方程(2)所示。
L＝μ(K·n2·S)/I   (2)
在方程(2)中，K是Nagaoka系数，n是激励线圈的匝数，S是激励线圈的截面面积，I是轴向上的感应线圈长度。
在本示例中，旋转轴11的轴阻抗(Z)和残余奥氏体含量之间的相关性，事先通过X射线衍射计算。例如，因此事前生成轴阻抗值相应于残余奥氏体含量的表。
下面的表1显示了旋转轴11的等级以及通过与每个旋转轴11的轴阻抗(Z)相关的X射线衍射方法获得的残余奥氏体含量。
表1
  C1   C2   C3   C4    C5    C6    C7   C8
NO. Z100KIIZ Z30KHZ γ α    比率    残留奥氏体含量   级别
  S1   816.95   366.39   622    13209    4.71％    4.82％    6
  S2   809.82   364.26   636    13799    4.61％    4.72％    6
  S3   806.76   362.78   830    15044    5.52％    5.65％    5
  S4   801.21   358.95   806    14033    5.74％    5.88％    4
  S5   791.93   357.51   1042    13290    7.84％    8.03％    3
  SG   786.29   348.36   1184    12479    9.49％    9.71％    0
在表1中，C1栏显示了旋转轴11的样品(S1到S6)，C2栏显示了通过供应100KHz的AC电流测量的旋转轴11的轴阻抗(Z)，C3栏显示了通过公给30KHz的AC电流测量的旋转轴11的轴阻抗(Z)。六个旋转轴11(样品S1到S6)被作为样品显示在表1中。在C4栏中的累积强度(integratedintensity)γ显示了由旋转轴11中的残余奥氏体的X射线衍射产生的衍射线的累积强度，并且在C5栏中的累积强度α显示了由旋转轴11中的马氏体的X射线衍射产生的衍射线的累积强度。在C6栏中的比率基于下面提到的方程(3)计算，其中Iγ是累计强度γ的数值，Iα是累计强度α的数值。在方程(3)中，cγ是奥氏体的体积比，cα是马氏体的体积比，Rγ和Rα是取决于采用的材料类型的常数。而且，R取决于衍射光线之间的角度θ以及晶体表面的Miller指数hkl。
Iγ/Iα＝(Rγ/Rα)(cγ/cα)    (3)
具体地，C6栏中的比率(cγ/cα)是基于方程(3)计算的。栏C7的残余奥氏体显示了采用关系式cγ+cα＝1计算的值。
所有的旋转轴11的样品(S1到S6)采用感应线圈利用交变电流激励，测量旋转轴11的阻抗值，基于测量计算旋转轴11的残余奥氏体含量，并且基于轴阻抗值(或者残余奥氏体含量)根据此后描述的等级表分级旋转轴11。具体地，在表1中的C8栏中，对于样品S1到S6，显示了对于每个旋转轴11的按从0到6的范围的七个级别中的一个。
下面描述了分级表，分级表显示在下面提到的表2中。在表2中，等级0到6显示在C11栏中，相应于等级的轴阻抗的范围(较高和较低的极限值)显示在C12栏中。12a栏显示了轴阻抗值的较低的极限值，12b栏显示了轴阻抗值的较高的极限值。显示在C12栏的轴阻抗值基于通过30KHz的交变电流产生的轴阻抗值。该等级基于在100KHz产生的轴阻抗值，而不是基于在30KHz产生的轴阻抗值。
表2
C11   C12
  C12a    C12b
  级别   大于    小于
   0    349.00
   1   349.00    352.00
   2   353.00    355.00
   3   355.00    358.00
   4   358.00    361.00
   5   361.00    364.00
   6   364.00
样品S1到S6的旋转轴11从0到6分等级，如在表1中的C8栏所示，基于上述的表2。
图8显示了指示在表1的C8栏中的等级。在图8中，水平轴代表显示在表1的C3栏中的旋转轴11的轴阻抗(Z)，垂直轴代表显示在表1的C7栏中的残余奥氏体(cγ)。在图8中六个绘制的点代表在表1的C1栏中列出的样品S1到S6。虚直线71是采用最小二乘法从绘制的样品S1到S6的数据获得的直线。
如图8所示，当旋转轴11的等级根据与材料S1到S6的旋转轴11有关的残余奥氏体含量不同时，灵敏度的中点以及灵敏度如此经历在最终完成的磁致伸缩转矩传感器中的变化，并且不均匀性出现在灵敏度特性上，假设在后续执行的磁各向异性赋予工序P2的加热步骤S202中的热处理时间不考虑等级而固定。
下面参考图9到11描述的原因在于当在加热步骤202中的热处理时间是相同的，而旋转轴11的残余奥氏体含量是不同的，也就是旋转轴11的等级是不同的时候，不均匀性出现在磁致伸缩转矩传感器的灵敏度特性中。
图9是当旋转轴11的磁致伸缩镀层部分(磁致伸缩薄膜14A和14B)被加热时、旋转轴11的轴阻抗和栅极电流Ig之间关系的曲线图。如这里采用的，术语“栅极电流Ig”指的是当在加热步骤S202中高频电流(Ip)被供应给感应加热线圈时，在磁致伸缩镀层部分和旋转轴11中产生的涡流成反比的电流。在图9中，水平轴代表旋转轴11的轴阻抗(Z：Ω)，垂直轴代表栅极电流(Ig：mA)。在图9中，测量数据点D1到D6与六个旋转轴样品有关而绘制。六个测量数据点D1到D6沿着直线72绘制，并且是线性关系。因此，栅极电流Ig可以被看成随着旋转轴11的阻抗值增加而减小，如图9中的线72所指示的。
图10是当旋转轴11被加热时栅极电流Ig和加热温度之间关系的曲线图。在图10中，水平轴代表栅极电流(Ig：mA)，垂直轴代表旋转轴11的加热温度(℃)。
在图10中，栅极电流Ig的范围被分割成四个范围。还显示出的是栅极电流的数值范围和上述的等级1到6之间的相关性。等级1相应于大约145.7到147.6mA的栅极电流范围，等级2相应于大约143.8到145.7mA的栅极电流范围，等级3相应于大约142到143.8mA的栅极电流范围，等级4相应于大约140.2到142mA的栅极电流范围，等级5相应于大约138.3到140.2mA的栅极电流范围，等级6相应于大约136到138.3mA的栅极电流范围。
根据图10的曲线图，绘制了很多测量数据点，20或更多。线73可以基于很多测量数据点叠加，但是关系是线性的。图10中示出的直线73指示了反向关系，借此加热温度随着栅极电流Ig增加而减小。等级1到6的关系是这样，即，加热温度随着等级从6到1减小而减小。
以下可以从图9中的旋转轴11的轴阻抗和栅极电流之间的关系推断出，并且图10中示出的栅极电流和加热温度之间的关系被考虑；也就是，当旋转轴11的磁致伸缩镀层部分被加热时，加热温度根据旋转轴11的轴阻抗和加热温度之间的关系中的轴阻抗的差别而变化。具体地，加热温度取决于旋转轴11的残余奥氏体含量中的差别而变化，并且作为在传感器上述灵敏度特性的结果，出现不均匀性，即使在工序P2中采用相同的加热时间执行加热。在该步骤中，磁致伸缩镀层部分在加热步骤S202中以高频加热，旋转轴11的磁致伸缩薄膜(14A和14B)提供有磁各向异性。
加热温度取决于旋转轴11的残余奥氏体含量中的差别而变化的原因，在下面参考图11A和11B进行更详细的描述。
图11A和11B显示了当具有不同残余奥氏体含量的旋转轴11在高频加热时，穿透旋转轴11的磁通量的分布状态。图11A显示了具有低残余奥氏体含量的旋转轴11(相应于等级6)的示例，图11B显示了具有高残余奥氏体含量的旋转轴11(相应于等级1)的示例。
在图11A和11B中，数学符号81显示了旋转轴11的一部分，并且数学符号82显示了构造磁致伸缩薄膜14A和14B的磁致伸缩镀层部分。数学符号83显示了感应加热线圈。虚线84显示了磁通量的分布状态。当残余奥氏体含量低时，旋转轴81的导磁率μ是大值，旋转轴81的导磁率和磁致伸缩镀层部分82全部是大值，如图11A所示。因此，磁通量84被阻止进入旋转轴11的内部，磁通量84被集中在磁致伸缩镀层部分82和旋转轴81的表面区域中，并且在表面区域中的磁通量密度增加。为了这个原因，高频电流Ip增加，栅极电流Ig减小，并且由于磁致伸缩镀层部分82的涡流的增加，磁致伸缩镀层部分中的加热温度增加。相反地，当残余奥氏体含量高时，旋转轴81的导磁率μ是小值，旋转轴81的导磁率和磁致伸缩镀层部分82全部是小值，如图11B所示。因此，磁通量84被引起穿透到旋转轴11的内部，磁通量84相对地分散在磁致伸缩镀层部分82和旋转轴81的表面区域中，并且在表面区域中的磁通量密度减小。为了这个原因，高频电流Ip减小，栅极电流Ig增加，并且由于磁致伸缩镀层部分82的涡流的减小，磁致伸缩镀层部分中的加热温度减小。
如上所述，在磁致伸缩镀层部分和其它部件中的加热温度取决于旋转轴11的残余奥氏体含量中的差别而变化，导致传感器中上述灵敏度特性中的不均匀性。
依照根据本示例的制造磁致伸缩转矩传感器的方法，具有不同残余奥氏体含量的旋转轴11，通过测量在残余奥氏体含量测量工序P10中测量它的轴阻抗分等级(等级0到6)，设定加热时间，并且根据在磁各向异性赋予工序P2的加热步骤S202中的等级执行热处理，因此，旋转轴11上的磁致伸缩镀层部分的加热温度基本上相等，即使旋转轴11的残余奥氏体含量是不同的。因此，使得所完成的磁致伸缩转矩传感器10的灵敏度特性是均匀的。
在磁各向异性各向异性赋予工序P2中的较高镀层高频加热步骤S21以及较低镀层高频加热步骤S22的加热步骤S202中，在要处理的旋转轴11的残余奥氏体含量为高(轴阻抗高或者等级更接近于0)，磁致伸缩镀层部分中的磁通量密度为低，并且温度不容易增加时，延长热处理时间。而且，在要处理的旋转轴11的残余奥氏体含量为低(轴阻抗低或者等级更接近于6)，磁致伸缩镀层部分中的磁通量密度为高，并且温度容易增加时，缩短热处理时间。在实际期间中，控制热处理时间，使得通过积分时间上的栅极电流获得的值得到固定。
如上所述，磁各向异性赋予工序P2的加热步骤S202中的热处理时间取决于基于由交付的旋转轴11的残余奥氏体含量上的差别分类的等级0到6而确定。实际上，热处理时间采用在旋转轴中产生的栅极电流Ig确定。
图12是显示了对于与六个示例相关的旋转轴的栅极电流(Ig)和热处理温度之间关系的曲线图。在图12中，水平轴代表栅极电流Ig(mA)，垂直轴代表热处理时间(秒)。很明显的是，随着在六个示例中的栅极电流Ig减小，热处理时间延长。
接下来，在图13和14中显示的是通过根据本示例制造磁致伸缩转矩传感器的方法制造的磁致伸缩转矩传感器10的特性的测试结果。
图13显示了形成在具有不同轴阻抗(残余奥氏体含量)的旋转轴上形成的磁致伸缩转矩传感器的“灵敏度”。例如，灵敏度代表在磁致伸缩转矩传感器10的输入转矩阻抗特性(相应于图4中显示的特性51A和51B)中输入转矩的每1N·m阻抗上的变化量。
在图13中，水平轴代表旋转轴的轴阻抗，垂直轴代表形成在每个旋转轴上的磁致伸缩转矩传感器的灵敏度。绘制的点PL10、PL11和PL12代表通过根据本示例的制造方法制造的磁致伸缩转矩传感器10的灵敏度，并且绘制的点PL20、PL21、PL22代表通过传统制造方法制造的磁致伸缩转矩传感器的灵敏度。
很明显的是，采用本示例的制造方法制造的磁致伸缩转矩传感器10的灵敏度保持基本不变，并不取决于旋转轴11的轴阻抗，与传统制造方法相反，其中，形成在具有不同轴阻抗上的磁致伸缩转矩传感器的灵敏度根据轴阻抗上的差别而变化。
图14显示了形成在具有不同轴阻抗(残余奥氏体含量)上的磁致伸缩转矩传感器的“0点Z”。当输入转矩是在Z参考线上的0时，该“0点Z”是轴阻抗值。在图14中，水平轴代表旋转轴的轴阻抗，垂直轴代表形成在旋转轴上的磁致伸缩转矩传感器的0点Z。绘制的点PL30、PL31和PL32代表采用本示例的制造方法制造的磁致伸缩转矩传感器10的0点Z，并且绘制的点PL40、PL41、PL42代表采用传统制造方法制造的磁致伸缩转矩传感器的0点Z。很明显的是，采用本示例的制造方法制造的磁致伸缩转矩传感器的0点Z保持基本不变，并且0点Z取决于旋转轴的轴阻抗，与传统制造方法相反，其中，制作在具有不同轴阻抗上的磁致伸缩转矩传感器的0点Z根据轴阻抗上的差别而变化。
如上所述，根据本发明，在不必变更以任何特殊方式采用的加热装置的情况下，通过采用传统的交付的旋转轴11可以容易地控制加热时间，可以减小磁致伸缩转矩传感器的输出特性上的不均匀性。
本发明是一种制造磁致伸缩转矩传感器的方法，该传感器被用作在电动转向装置或类似装置上的转向转矩传感器，并且该方法被用作为在传感器灵敏度特性上产生最小不均匀性的制造方法。

Claims (3)

1、一种制造磁致伸缩转矩传感器的方法，包括：
测量旋转轴(11)的残余奥氏体含量；
在旋转轴(11)上形成磁致伸缩薄膜；以及
基于与在残余奥氏体含量测量中所获得的测量信息相一致的热处理条件，赋予磁致伸缩薄膜磁各向异性。
2、根据权利要求1的方法，其中赋予磁各向异性包括：基于与在施加预定的扭转转矩的情况下、在所述残余奥氏体含量测量中所测量到的残余奥氏体含量相一致的热处理时间，来热处理旋转轴(11)。
3、根据权利要求1的方法，其中残余奥氏体含量测量包括：
围绕旋转轴(11)布置一感应线圈；
向感应线圈提供交流电以激励所述感应线圈；
通过所述感应线圈间接地测量旋转轴(11)的轴阻抗；及
基于测量到的轴阻抗来计算残余奥氏体的含量。
CN2006101646280A 2005-10-20 2006-10-20 制造磁致伸缩转矩传感器的方法 Active CN1959359B (zh)

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