專利名稱：磁致伸縮扭矩傳感器與電動轉向裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及/F茲致伸縮(magne tos t r i ct ive)扭矩傳感器以及電動轉向裝 置。更特別地，本發(fā)明涉及用于檢測施加到轉向軸等之上的扭矩的磁致伸縮 扭矩傳感器，其利用基于在磁致伸縮膜中發(fā)生的磁致伸縮動作而產生的磁性 變化，本發(fā)明還涉及運用；茲致伸縮扭矩傳感器的電動轉向裝置。
背景技術：
例如，在作為轉向系統(tǒng)安裝于汽車中的電動轉向裝置中，通過駕駛員轉 向操作而從轉向輪加到轉向軸上的轉向扭矩通常由轉向扭矩檢測部分測得。 近年來，將利用磁致伸縮扭矩傳感器構造成的裝置用作為轉向扭矩檢測部分 已為人們所知。轉向軸是一旋轉軸，其接收由駕駛員轉向操作而產生的扭矩 從而旋轉，并在轉向扭矩檢測部分中起到旋轉軸的作用。電動轉向裝置驅動 控制用于響應通過轉向扭矩檢測部分測得的扭矩信號而輔助轉向力的電機。 因此，電動轉向裝置減輕了駕駛員的轉向力，從而給駕駛員帶來舒適的轉向 感覺。下面將參考附圖，描述起著轉向扭矩檢測部分作用的磁致伸縮扭矩傳感 器所采用的檢測扭矩的原理。事實上，磁致伸縮扭矩傳感器構造為傳感器裝 置，其包括對扭矩敏感的固有傳感器部分，以及執(zhí)行傳感器信號輸出的檢測 電^各部分。如圖10所示，在磁致伸縮扭矩傳感器中，磁致伸縮膜在沿軸中心線的 整個圓周上形成于轉向軸(旋轉軸)101的表面上，例如，磁致伸縮膜102A 與102B形成于其上的兩處位置上，以具有相反的磁各向異性103與104。》茲 致伸縮膜102A具有正磁致伸縮常數，而磁致伸縮膜102B具有負磁致伸縮常 數。磁致伸縮扭矩傳感器IOO具有的傳感器結構能夠使得當來自于轉向輪如 箭頭105所示的輸入扭矩作用于轉向軸101上時，通過;^測線圈106A與106B 中相關聯的一個，可無接觸地測得每個磁致伸縮膜102A與102B的磁致伸縮 特性中的變化。4企測線圈106A設置在-茲致伸縮膜102A周圍，以包圍住磁致伸縮膜102A。；險測線圈106B設置在;茲致伸縮膜102B周圍，以包圍住》茲致伸 縮膜102B。在上述扭矩傳感器中，通過4企測線圈106A與106B中相關if關的一個，可 測得每個磁致伸縮膜102A與102B的磁致伸縮特性的變化。因此，基于對該 變化的檢測，檢測線圈106A與106B可通以正弦波交變電流而被勵磁。勵磁 正弦波交變電流分別施加到檢測線圏106A與106B上。因此，交變磁場被分 別施加到相關的磁致伸縮膜102A與102B上。盡管描述了使用檢測線圏作為 勵磁線圈的示例，但磁致伸縮扭矩傳感器也可以構造為使用與檢測線圏分開 的勵磁線圏。在任何一種情況中，都需要用于將交變磁場施加到磁致伸縮膜 的勵》茲線圈。圖11表示根據作為磁致伸縮扭矩傳感器100的一種傳感器裝置的結構 檢測輸入扭矩/輸出的原理。特性VT1是基于檢測線圏106A的輸出信號而得 到的輸入扭矩特性。特性VT2是基于檢測線圈106B的輸出信號而得到的輸 入扭矩特性。 〃磁致伸縮膜102A的;茲各向異性103方向與^f茲致伸縮膜102B的 磁各向異性104方向是相反的。因此，表征特性VT1的線的傾斜方向與表征 特性VT2的線的傾斜方向是相反的。特性VT3是通過計算特性VT1與VT2之 差而得到的輸入扭矩輸出特性。根據特性VT3可獲得施加于轉向軸上的人工 輸入轉矩。事實上，將表征特性VT3的曲線上的點B設定為初始點。點B右 邊的右側區(qū)域設定為正區(qū)域。點B左邊的左側區(qū)域設定為負區(qū)域。根據特性 VT 3 ，即可獲得旋轉方向與施加到轉向軸上的輸入扭矩大小的信息。專利文獻l中描述了一種傳統(tǒng)的磁致伸縮扭矩傳感器。專利文獻l中描 述的》茲致伸縮扭矩傳感器將勵/磁線圏勵》茲下的沖企測線圈的輸出添加至一參 考信號上。將表征這一添加結果的添加值的相位與參考信號的相位相比較。 將表征比較結果的比較輸出轉換為電壓?；谠撍@電壓的極性與大小，即 檢測出施加到扭矩傳遞軸上的扭矩方向與大小。 [專利文獻l] JP-A-2004-191068在傳統(tǒng)的i茲致伸縮扭矩傳感器中，石茲矩通過4念矩(twist torque)朝向 輸入方向而旋轉。磁矩的變化影響傳感器的靈敏度。盡管磁致伸縮扭矩傳感 器的靈敏度由材料的磁致伸縮常數與導磁率的乘積而決定，但是初始磁致伸 縮膜的磁特性依賴于其材料、其生產工藝、以及磁致伸縮膜所粘附的基底。 因此，需要作出大量針對工藝的研究以獲得傳感器中確定的材料的高水平且器靈敏度的變動歸因于地^U茲性以及當車輛穿過鐵路 交叉口時引起的磁場擾動或者類似情況，這取決于使用環(huán)境。然而，考慮這 些因素的工藝直到現在也并沒有得到充分的研究。在將磁致伸縮扭矩傳感器作為磁致伸縮扭矩傳感器的轉向扭矩檢測部 分使用的情況下，尤其需要高性能且低變動的扭矩傳感器。此外，考慮到在 電動轉向裝置中優(yōu)秀的轉向性能與失效保護模式的閾值裕量，需要在磁致伸縮扭矩傳感器中設置具有高信噪(SN)比的磁致伸縮膜。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種磁致伸縮扭矩傳感器，其能 夠在考慮到干擾，地磁以及當車輛穿過鐵路交叉口而引起的磁場擾動情況下 仍具有高水平且低變動的靈敏度，并且還能夠在考慮到電動轉向裝置中優(yōu)秀 的轉向性能與失效保護模式的閾值裕量情況下，在采用電動轉向裝置時具有 高信噪比，本發(fā)明的目的還在于提供構造為利用該磁致伸縮扭矩傳感器的電 動轉向裝置。為了實現上述目的，根據本發(fā)明的磁致伸縮扭矩傳感器以及根據本發(fā)明 的電動轉向裝置構成如下。根據本發(fā)明第一方面，提供一種磁致伸縮扭矩傳感器，其包括 用于根據輸入扭矩旋轉并且具有磁致伸縮膜的旋轉軸， 將交變磁場施加于所述磁性膜上的勵磁線圈，以及 檢測所述磁致伸縮膜的磁特性變化的檢測線圏，其中 一偏置^f茲場被添加到所述交變》茲場上，以滿足以下條件 Hm<Hin<Hn; 且 _ Hm> - Hin> - Hn其中Hm>0,其是對應于根據所述磁致伸縮膜的磁滯曲線而獲得的最大導磁率的所施加磁場，其表示出了由所述交變磁場引起的磁化，Hn>0,其是對應于不連續(xù)磁化的范圍的端點的所施加磁場，并且 Hin>0，其是確定靈敏度范圍的所施加磁場，該靈敏度范圍要被設定在表征所述磁致伸縮膜具有的磁致伸縮靈敏度的磁致伸縮靈敏度曲線上。根據第一方面的磁致伸縮扭矩傳感器，通過使用來自例如勵;茲線圈中的勵-茲電流來添加偏置;茲場，在旋轉軸的石茲致伸縮膜上施加適當的偏移》茲場。因此，磁致伸縮膜的高導磁率區(qū)域可以被用作為傳感器。另外，傳感器 的靈敏度可以不用改變檢測線圈的增益而得到提高。從而，磁致伸縮扭矩傳 感器的檢測線圈側面的信噪比可得到提高。通過將偏移磁場施加到其上可以 獲得;茲致伸縮膜的最大靈敏度。根據本發(fā)明的第二方面，提供根據本發(fā)明第 一方面的 一種磁致伸縮扭矩 傳感器，其中所述偏置^f茲場添加到其上，以滿足以下條件 (Hm+Hex+Hmag) <Hin< ( Hn — Hex — Hmag h 且_ ( Hm+Hex+Hmag ) 〉 — Hin> _ ( Hn — Hex — Hmag ) 其中Hex>0，其是由能夠影響所述^t致伸縮膜磁特性的擾動元素而引起的磁 場，并且Hmag>0，其是由地磁引起的磁場。根據第二方面的磁致伸縮扭矩傳感器，諸如磁場擾動因素之類的特性參 數以及地磁的影響可通過將偏移磁場施加于其上而減小。從而，可獲得低變 動的》茲致伸縮扭矩傳感器。根據本發(fā)明的第三方面，提供一種根據第一或第二方面的磁致伸縮扭矩 傳感器，其中偏置磁場是通過勵^磁線圈將偏壓電流添加到交變電流中而給出的。 根據本發(fā)明的第四方面，提供一種根據第一或第二方面的磁致伸縮扭矩傳感器，其中所述偏置磁場是由另 一磁場發(fā)生器給出的。根據本發(fā)明的第五方面，提供一種電動轉向裝置，其包括用于檢測施加到轉向裝置的轉向軸上的扭矩的轉向扭矩檢測部分，以及驅動控制一電機的控制器，該電機根據由所述轉向扭矩檢測部分測得的轉向扭矩而向轉向軸提供輔助扭矩，其中根據上述第一至第四方面中任一者的磁致伸縮扭矩傳感器被用作所述轉向扭矩4企測部分，并且所述轉向軸用作所述磁致伸縮扭矩傳感器的旋轉軸。 本發(fā)明具有以下的優(yōu)點根據本發(fā)明的磁致伸縮扭矩傳感器，基于在從所用磁致伸縮膜的磁滯曲 線獲得的、由&與H。所確定的范圍中所施加的磁場，可獲得磁致伸縮i寞的最高靈敏度。此外，像由鐵路交叉口處引起的擾動這樣的特性參數與地磁的影 響都得到降低。因此，可獲得高靈敏度且低變動的磁致伸縮扭矩傳感器。根據本發(fā)明的電動轉向裝置，用作為轉向扭矩檢測部分的磁致伸縮扭矩 傳感器的磁致伸縮膜的信噪比得到提高。因此，可獲得高水平的轉向性能。 在失效保護模式下可適合地設定閾值裕量。


圖1是說明根據本發(fā)明磁致的伸縮扭矩傳感器的基本結構的部分橫截面?zhèn)纫晥D。圖2是概念性地說明磁致伸縮扭矩傳感器的電路的側視圖。圖3是說明關于磁致伸縮扭矩傳感器的各個檢測線圏與傳感器檢測特性的磁致伸縮特性曲線的曲線圖。圖4是說明交變磁場、偏置石茲場、以及偏移;茲場之間關系的曲線圖。 圖5是說明根據磁滯曲線獲得最大導磁率處的所施加磁場Hm以及不連續(xù)磁化的范圍的端點處的所施加磁場Hn的曲線圖。圖6是說明施加磁場的線圈的"Hm<Hin<H ，，范圍與"-H ,〉-H, 〉-Hn，，范圍的曲線圖，所述磁場由"所施加的磁場/歸一化靈敏度"特性曲線的橫坐標軸所表示。圖7是說明電動轉向裝置結構的示意圖。圖8是說明施加磁場的線圈的"(Hm+Hex+Hraag) <Hin< ( Hn — Hex — Hmag)"范圍 與"-(Hm+Hex+Hmag) 〉 _ Hin> - ( Hn — Hex — Hmag )，，范圍的曲線圖，所述磁場由 "所施加的磁場/歸一化靈敏度"特性曲線的橫坐標軸所表示。圖9是與圖2類似的視圖，其說明了將偏移石茲場施加到^f茲致伸縮膜的另 一種改進形式。圖10是說明了傳統(tǒng)普通磁致伸縮扭矩傳感器主要部分結構的側視圖。 圖11是說明輸入扭矩/輸出特性的曲線圖，用于解釋使用傳統(tǒng)磁致伸縮 扭矩傳感器檢測輸入扭矩的原理。
具體實施方式
在下文中，參照附圖對根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例(示例)進行了說明。、下面參照附圖1和2說明根據本發(fā)明的磁致伸縮扭矩傳感器的基本結構。圖1和2說明了根據本發(fā)明的磁致伸縮扭矩傳感器結構的示例。圖1是說明根據本發(fā)明磁致伸縮扭矩傳感器基本結構的部分橫截面?zhèn)纫晥D。圖2是概念性地說明磁致伸縮扭矩傳感器基本結構(包括電路)的側視圖。如圖1和2所示，磁致伸縮扭矩傳感器10包括旋轉軸11、圍繞旋轉軸 11設置的一個勵;茲線圈12與兩個檢測線圈13A和13B。為便于描述，圖1 和2通過剖切并忽略旋轉軸11的上部與下部來說明旋轉軸11。舉例來說，旋轉軸11是轉向系統(tǒng)的轉向軸的一部分。旋轉軸11接收右 旋扭矩(順時針旋轉扭矩)以使其產生圍繞軸的中心軸線lla的順時針旋轉， 或者接受左旋扭矩(逆時針旋轉扭矩)以4吏其產生圍繞軸的中心軸線lla的 逆時針旋轉，如箭頭A所示。旋轉軸11由金屬棒構成，該金屬棒可由例如 鉻鉬鋼材料(SCM材料)制成。在圖1中所示，沿著軸的方向(軸中心線) 在軸11上的上下兩個位置處設置磁致伸縮膜14A和14B。每個磁致伸縮膜 14A與14B都在旋轉軸11的軸向上具有恒定寬度(軸向寬度)，并且形成于 旋轉軸11的整個圓周上。兩個》茲致伸縮膜14A和14B中每一個的軸向寬度 尺寸以及這兩個磁致伸縮膜14A和14B之間間距的尺寸是根據條件可選擇地 設定的。事實上，磁致伸縮膜14A和14B是通過電解電鍍作為磁致伸縮電鍍 部分形成于旋轉軸11的表面上的。具有》茲各向異性的》茲致伸縮膜14A和14B 是通過在磁致伸縮電鍍部分上執(zhí)行磁各向異性處理磁致伸縮各向異性處理 而形成于其上的。在圖1中，各磁致伸縮膜14A和14B的膜層厚度是稍微夸 大地進行圖示的。將鎳鐵合金材料用作為兩個磁致伸縮膜14A和14B中每一個的磁致伸縮 材料。兩個完整的磁致伸縮膜14A和14B的磁各向異性是關于軸對稱并且彼 此相反的。^磁致伸縮膜14A和14B中的一個具有正》茲致伸縮常數，而另一個 磁致伸縮膜則具有負石茲致伸縮常數。在如下的描述中，假定上部磁致伸縮膜 14A具有正》茲致伸縮常數，而下部磁致伸縮膜14B具有負/磁致伸縮常數。如圖1所示，對應于兩個;茲致伸縮膜14A和14B,分別設有勵石茲線圈12 與一對4企測線圈13A和13B。即，如圖l所示，將4企測線圈13A設置為跨過 圍繞磁致伸縮膜14A的間隙。環(huán)狀的檢測線圏13A圍繞磁致伸縮膜14A的整 個圓周。另夕卜，檢測線圏13A軸向寬度的尺寸與磁致伸縮膜HA的基本相等。 將檢測線圈13B設置為跨過圍繞磁致伸縮膜14B的間隙。類似地，環(huán)狀的檢 測線圈13B圍繞磁致伸縮膜14B的整個圓周。另夕卜，檢測線圈13B軸向寬度的尺寸與磁致伸縮膜14B的基本相等。而且，環(huán)狀勵磁線圈12設置為圍繞 檢測線圈13A和13B中的每一個。盡管圖1看來是表示勵磁線圈12獨立且 分別對應于磁致伸縮膜14A和14B設置的，但事實上是單個勵》茲線圏12的 兩部分被相互分開圖示。檢測線圈13A、 13B與勵》茲線圈12是在圍繞;茲致伸 縮膜14A和14B的位置處纏繞地設置的，利用環(huán)繞:旋轉軸11的環(huán)狀支架部 分15A和15B以包圍S走轉軸11。圖2概念性地說明了設置為環(huán)繞旋轉軸11上的磁致伸縮膜14A和14B 的勵^茲線圏12以及^企測線圈13A和13B之間的電學關系。用于一直供給勵 磁交變電流(交變正弦波電流)的交流電源16與共同沿著》茲致伸縮膜14A 和14B設置的勵磁線圏12相連接。在用于根據本實施例向勵磁線圏12供給 勵磁電流的電路中，除了交流電源16，還提供有用于供給直流偏流(1。)的 偏壓電源17。分別對應于所要檢測的扭矩的感應電壓Va和VB從分別對應于 磁致伸縮膜14A和14B設置的檢測線圈13A和13B的輸出端輸出。通過利用Ni-Fe電鍍進行電解電鍍處理而形成于旋轉軸11表面上的磁 致伸縮膜14A和14B具有相反的；茲各向異性。兩個》茲致伸縮膜14A和14B分 別形成為具有相反的磁各向異性。當由轉向力引起的扭矩施加于旋轉軸11 上時，磁致伸縮膜14A和14B中產生的相反的磁致伸縮特性通過利用環(huán)繞磁 致伸縮膜14A和14Bi殳置的;f全測線圈13A和13B ^皮分別測得。圖3是說明兩個》茲致伸縮膜14A和14B的;茲致伸縮特性曲線21A和21B 的曲線圖。在圖3中，橫坐標軸表示施加到旋轉軸(轉向軸)上的轉向扭矩。 正的一側對應于順時針旋轉。負的一側對應于逆時針旋轉。在圖3中，縱坐 才示軸表示電壓軸。分別對應于》茲致伸縮膜14A和14B的》茲致伸縮特性曲線21A和21B表示 檢測線圈13A和13B的檢測特性輸出。就是說，勵》茲交變電流從共同的勵磁 線圈12供給到分別對應于磁致伸縮特性曲線21A和21B的磁致伸縮膜14A 和14B。 ^r測線圈13A和13B響應于勵/磁交變電流而llr出感應電壓。因此， 各個檢測線圈13A和13B的感應電壓中的變化特性與分別對應于》茲致伸縮膜 14A和14B的磁致伸縮特性曲線21A和21B中相關聯的一個相對應。磁致伸 縮特性曲線21A表示由檢測線圈13A輸出的感應電壓V,的變化特性。磁致伸 縮特性曲線21B表示由檢測線圈13B輸出的感應電壓Vb的交化特性。在圖3中，直線22表示依據數值而產生的曲線，該數值是從由示出檢測線圈13A輸出電壓的磁致伸縮特性曲線21A所表征的相關值中減去由示出 ;險測線圈13B輸出電壓的磁致伸縮特性曲線21B所表征的每一個值而獲得 的。關于由線22表示的特性曲線，圖3的縱坐標軸表征不同電壓的值。如和13B輸出的感應電壓VA和VB之間的差值(VA-VB)而獲得的。因此，依賴線 22即可以測得施加到旋轉軸11上的轉向4a矩的方向與大小。具有上述結構的義茲致伸縮扭矩傳感器10的操作在以下進行了詳細描述。 在磁致伸縮扭矩傳感器10中，從勵-茲線圈12才是供的交變電流是高頻率 正弦波交變電流，其頻率包括在大致從約20到約100kHz的頻率范圍中。在 當勵磁線圈12被交變電流激勵時4丑矩由外部施加到S走轉軸11上的情況下， 在每個勵石茲線圈12以及才企測線圈13A和13B中產生電動電壓，該電動電壓 包括由電感變化引起的自感電壓與互感電壓，其中的電感變化是由與旋轉軸 11上產生的應力應變成比例地生成的導磁率的變化而引起的。因此，感應電 壓(VA， VJ作為瞬時(minute)電壓從斗企測線圈的llT出端輸出。此時，正 弦波交流電壓持續(xù)施加到勵磁線圈12上。勵磁狀態(tài)得到保持。在傳統(tǒng)磁致 伸縮扭矩傳感器中，正弦波交流電壓，0V交流電壓范圍的中點，施加到勵》茲 線圏。然而，在磁致伸縮扭矩傳感器的傳送中，旋轉軸的導磁率存在有變動。 另外，因為旋轉軸由磁性材料制成，所以在其磁化中存在有個體差異。從而 產生了傳感器靈敏度(或導磁率)的變動。因此，在根據本實施例的磁致伸 縮扭矩傳感器10中，進一步由偏壓電源17向勵-茲線圈12施加預定的直流 電流U。)。從而，在正弦波交流電流被供給勵磁線圈12時產生的施加于每 個磁致伸縮膜14A和14B的磁場發(fā)生偏移。預先確定的直流電流是上述的偏 流I。，并且也是用于產生偏置磁場的偏移電流。勵磁線圈12基于提供給它 的上述正弦波交變電流而產生交變》茲場。要添加到該正弦波交變電流中的偏 流1。通過添加偏置磁場在交變磁場上添加偏壓磁場而產生偏移磁場。順便提 及，上述的偏壓電源17可以構造為光學地調節(jié)偏壓。圖4中所示的曲線說明了基于正弦波交變電流的交變磁場31、基于偏流 工。的偏置》茲場32、以及由偏流1。所產生的偏移^i場33之間關系的一個示例。 上述曲線圖所示的用于偏移交變磁場31的條件如下而確定。 如圖5所示，假定H ( >0 )指代根據磁致伸縮膜14A和14B的磁滯曲線 34確定的"對應于最大導磁率的施加的；茲場"，其由交變^茲場31所產生，Hn(〉0)指代"不連續(xù)磁化范圍終止(磁飽和)處施加的磁場"，而Hin (〉0)則指代確定靈敏度范圍的施加的磁場，該范圍將設定在表征磁致伸縮膜14A 和14B所具有的磁致伸縮靈敏度的磁致伸縮靈敏度曲線上。在這樣的假定下， 偏流I。添加到上述正弦波交變電流中以滿足下述條件Hra<Hin<H ;并且 -Hm〉-Hin〉-H,'。根據上述磁致伸縮膜14A和14B的"所施加的磁場/歸一化靈敏度"特 性，如圖6所示，設定了 "對應于最大導磁率的施加的磁場Hm"以及"不連 續(xù)磁化的范圍終止處的施加的磁場Hn"。在圖6中，根據"所施加的磁場/歸 一化靈敏度"特性35,范圍Al是H,n的范圍，其中滿足由不等式"HU;， 給出的條件。范圍A2是H,n的范圍，其中滿足由不等式"-Hra〉-Hin〉-H "給出 的條件。根據上述的結構，可以將傳感器的靈敏度特性實現為使得在最大靈敏度 處傳感器靈敏度中的變動最小，該最大靈敏度對應于由形成在旋轉軸11上 的兩個磁致伸縮膜14A和14B給出的最大導磁率。施加到旋轉軸11上的磁致伸縮膜14A和14B上的偏移磁場33的設定是 基于供給勵;茲線圈12的勵/磁電流與偏流在初始i殳定處而進行的。"初始設 定，，是初始化過程中對電力系統(tǒng)回路的設定，所述初始化在;茲致伸縮扭矩傳 感器10運用于汽車電動轉向裝置的轉向扭矩檢測部分中時，例如當汽車的 生產已經完成時進行。通常，對于磁致伸縮扭矩傳感器1Q安裝于給定設備 中的情況，該"初始設定"是當該設備作為成品完成時所要進行的設定。接下來，將在下面描述利用上述磁致伸縮扭矩傳感器IO作為汽車電動 轉向裝置的轉向扭矩檢測部分的實施例。圖7是il明將安裝于汽車中的電動轉向裝置完整結構的示意圖。電動轉向裝置40構造為向連接于轉向輪41的轉向軸42給出輔助扭矩。 轉向軸42包括頂端與轉向輪41相連接的上轉向軸42a、在底部設置有小齒 輪43的下轉向軸42b、以及使上轉向軸42a與下轉向軸42b相互連接起來的 萬向接頭42c。齒條軸44帶有與下轉向軸42b的小齒輪43相嚙合的齒條44a。 齒條-齒輪傳動機構45由小齒輪43與齒條軸44 (齒條44a )構成。連接桿 46設置在齒條軸44的兩端處。前輪47與連接4干46中相關的一個的外端相 連接。電機49通過傳動機構48與下轉向軸42b相連接。傳動機構48由蝸齒 輪50與蝸輪51構成。電機49輸出回轉力(扭矩)以輔助轉向扭矩，并通 過傳動機構48將回轉力傳給轉向軸42b。轉向扭矩檢測部分52設置在轉向軸42b上。當駕駛員操作轉向輪41并 將轉向扭矩施加到轉向軸42上時，轉向扭矩檢測部分52測得施加到轉向軸 42上的轉向^^矩。附圖標記53指代用于檢測汽車車輛速度的車輛速度檢測部分。附圖標 記54指代包括計算機的控制裝置?？刂蒲b置54接收從轉向扭矩檢測部分52 輸出的轉向扭矩信號T，并且也輸出從車輛檢測部分53輸出的車輛速度信號 V。然后，控制裝置54基于與轉向扭矩相關的信息以及與車輛速度相關的信 息而輸出用以控制電機49運行的驅動控制信號SG1。當車輛行駛時駕駛員操縱轉向輪41以在行車方向上實施轉向時，基于 施加到轉向軸42上的轉向扭矩的回轉力通過齒條-齒輪機構45而轉變成齒 條軸的軸向線性運動。另外，前輪47的行駛方向可通過連接桿46而得以改 變。這時，附接于轉向軸42的轉向扭矩檢測部分52同時測得響應于駕駛員 對轉向輪41的轉向操作的轉向扭矩，并將所檢測的轉向扭矩轉變?yōu)檗D向扭 矩電信號T。然后，轉向扭矩檢測部分52將轉向扭矩信號T輸出至控制裝置 54。另一方面，車速檢測部分53檢測車速并將所測車速轉變?yōu)檐囁傩盘朧。 控制裝置54根據轉向扭矩信號T與車速信號V而產生用于驅動電機49的電 機電流。由電機電流所驅動的電機49通過傳動機構48而產生作用于轉向軸 42b的輔助轉向力。因此，駕駛員的用于施加到轉向輪41上的轉向力靠驅動 電機49而得以減小。如上所述，在上述磁致伸縮扭矩傳感器10用作為汽車電動轉向裝置40 的轉向扭矩檢測部分52的情況下，使用環(huán)境中的》茲場環(huán)境發(fā)生顯著變化。舉例來說，在汽車橫穿過鐵路交叉口，以及在汽車^v高架鐵路路軌下面行駛過的情況下，汽車會受到磁場的影響。此外，地磁也會隨著使用磁致伸縮扭 矩傳感器的區(qū)域而發(fā)生變化。因此，將地磁變化的影響考慮進去是有必要的。 因此，在汽車的電動轉向裝置40中使用磁致伸縮扭矩傳感器10的情況 中，優(yōu)選地，將偏流添加到上述的正弦波交變電流,人而以卩吏上述施加的；茲場 Hin (〉0)滿足以下條件 . (Hm+Hex+Hraag) <Hin< ( Hm - Hex - Hraag);以及—(Hm+Hex+Hmag) 〉 一 Hin〉 — ( Hm _ Hex — Hmag)其中fL(〉0)是由擾動元素而引起的磁場，尤其是當汽車橫穿過鐵路交 叉口時產生的磁場，以及旋轉軸的初始磁性而引起的磁場，而Hmag(>0)則 是由地磁引起的磁場。Hin的范圍如下，即在類似于圖6的圖8中所示的"所 施加的磁場/歸一化靈敏度"特性35中，范圍Bl滿足條件(Hm+Hex+HMg )<H, < (Hm — Hex - Hraag);而范圍B2滿足條件-(Hm+Hex+Hmag) > — Hin〉 _ ( Hm - Hex-Hmag)。在以這種方式設定偏移磁場的情況下，例如像地磁之類的磁場擾動元 素以及特性參數的影響能夠得以減小。從而，可獲得低變動的導磁率和靈敏 度的磁致伸縮扭矩傳感器。在上述實施例中，將直流電(偏流)施加到厥W茲線圈12以將偏移J茲場 (或偏置磁場)施加到旋轉軸11上的磁致伸縮膜14A和14B上。為了將預 定寬度的偏移磁場(或偏置磁場)施加到磁致伸縮膜14A和14B,如圖9所 示，可以實施通過將另一磁場發(fā)生裝置附接于旋轉軸11上而直接施加磁場 到旋轉軸11的方法。圖9與上述圖2相似。在圖9中，與參照圖2描述時 基本相同的元素，由圖2所示的用以指示相同元素相同的附圖標記所指代。 因此，省略了對這樣的元素的描述。在圖9所示的結構中，環(huán)狀N極永/磁體 62與環(huán)狀S極永磁體6 3設置于磁致伸縮膜14A軸向的兩側，從而由箭頭61 所指代的磁場在沿磁致伸縮表面設置的區(qū)域中產生。類似地，環(huán)狀N極永磁 體65與環(huán)狀S極永磁體66設置于磁致伸縮膜14B軸向的兩側，從而由箭頭 64所指代的磁場在沿磁致伸縮表面設置的區(qū)域中產生。磁場61的方向與磁 場64的相同并且與旋轉軸11的軸向相平行。N極永磁體62、 65與S極永磁 體63、 66構成磁場發(fā)生裝置。各自在旋轉軸11的圓周方向上呈類似環(huán)狀形 狀的N極永磁體62、 65與S極永磁體63、 66，通過改變每個N極永磁體62、 65與S極永磁體63、 66的體積而調節(jié)所產生的；茲場。因此可確定最佳的施 加磁場。在結構的這一示例中，僅有交流電源16是與勵;茲線圏12相連接的。 在該結構的情況下，偏移磁場(偏置磁場)與勵磁線圏是無關的。因此，通 過去除例如線圈繞組數目及其阻抗值的影響，能夠確定磁場范圍。上述實施例所描述的構件結構、形狀、大小、材料、以及布置關系，都 僅僅是粗略地用來說明能夠理解及實施的發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明并不局限 于所描述的實施例。從而，在不背離由附加權利要求所描述技術思想的范圍 的情況下，本發(fā)明可以變化成各種形式。根據本發(fā)明，用作為電動轉向裝置轉向扭矩檢測部分的磁致伸縮扭矩傳 感器可用來簡化其生產過程。
權利要求
1、一種磁致伸縮扭矩傳感器，其包括用于根據輸入扭矩旋轉并且具有磁致伸縮膜的旋轉軸，將交變磁場施加于所述磁性膜上的勵磁線圈，以及檢測所述磁致伸縮膜的磁特性變化的檢測線圈，其中一偏置磁場被添加到所述交變磁場上，以滿足以下條件Hm＜Hin＜Hn； 且-Hm＞-Hin＞-Hn其中Hm＞0，其是對應于根據所述磁致伸縮膜的磁滯曲線而獲得的最大導磁率的所施加磁場，其表示出了由所述交變磁場引起的磁化，Hn＞0，其是對應于不連續(xù)磁化的范圍的端點的所施加磁場，并且Hin＞0，其是確定靈敏度范圍的所施加磁場，該靈敏度范圍要被設定在表征所述磁致伸縮膜具有的磁致伸縮靈敏度的磁致伸縮靈敏度曲線上。
2、 根據權利要求1的磁致伸縮扭矩傳感器，其中 所述偏置石茲場添加到其上，以滿足以下條件(Hm+Hex+Hmag ) <Hin< ( Hn — Hex _ Hmag ) ， 且一 (Hm+Hex+Hmag ) > — Hin〉 — ( Hn 一 Hex 一 Hmag) 其中Hex>0,其是由能夠影響所述磁致伸縮膜磁特性的擾動元素而引起的磁場，并且H,gX)，其是由地磁引起的磁場。
3、 根據權利要求1的磁致伸縮扭矩傳感器，其中偏置^t場是通過勵^磁線圈將偏壓電流添加到交變電流中而給出的。
4、 根據權利要求1的磁致伸縮扭矩傳感器，其中 所述偏置磁場是由另 一磁場發(fā)生器給出的。
5、 一種電動轉向裝置，其包括用于檢測施加到轉向裝置的轉向軸上的扭矩的轉向扭矩檢測部分，以及驅動控制一電機的控制器，該電機根據由所述轉向扭矩檢測部分測得的 轉向扭矩而向轉向軸提供輔助扭矩，其中根據權利要求1至4中任一項的磁致伸縮扭矩傳感器被用作所述轉向扭 矩檢測部分，并且所述轉向軸用作所述磁致伸縮扭矩傳感器的旋轉軸。
全文摘要
本發(fā)明公開一種磁致伸縮扭矩傳感器(10)，其包括用于根據輸入扭矩旋轉并且具有磁致伸縮膜(14A)和(14B)的旋轉軸(11)、將交變磁場(31)施加于磁致伸縮膜上的勵磁線圈(12)、以及各自檢測相關聯的一個磁致伸縮膜的磁特性變化的檢測線圈(13A)和(13B)，其中由偏壓電源(17)將偏置磁場添加到交變磁場，以滿足以下條件H_m＜H_in＜H_n；且-H_m＞-H_in＞-H_n，其中H_m(＞0)是對應于根據磁致伸縮膜磁滯曲線獲得的最大導磁率處的施加磁場，示出了由交變磁場引起的磁化，H_n(＞0)是對應于不連續(xù)磁化范圍端點處的施加磁場，H_in(＞0)是確定靈敏度范圍的施加磁場，該靈敏度范圍設定在表征磁致伸縮膜磁致伸縮靈敏度的磁致伸縮靈敏度曲線上。
文檔編號G01L3/10GK101329209SQ200810110258
公開日2008年12月24日 申請日期2008年6月23日 優(yōu)先權日2007年6月22日
發(fā)明者原田仁, 土肥瑞穗, 樫村之哉, 福田裕一 申請人:本田技研工業(yè)株式會社