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CN1952637A - 磁致伸缩扭矩传感器以及使用该传感器的电动转向设备 - Google Patents

磁致伸缩扭矩传感器以及使用该传感器的电动转向设备 Download PDF

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CN1952637A CNA2006101635731A CN200610163573A CN1952637A CN 1952637 A CN1952637 A CN 1952637A CN A2006101635731 A CNA2006101635731 A CN A2006101635731A CN 200610163573 A CN200610163573 A CN 200610163573A CN 1952637 A CN1952637 A CN 1952637A
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Abstract

本发明提供一种磁致伸缩扭矩传感器(10)以及具有该传感器的电动转向设备。所述传感器包括形成在旋转轴(11)表面的整个周向外周上的第一、第二和第三磁致伸缩薄膜(14A，14B，14C)。该第一、第二和第三磁致伸缩薄膜分别设有感测阻抗变化的第一、第二和第三传感线圈(13A，13B，13C)。根据从该第一至第三传感线圈输出的阻抗变化的信号被输入到扭矩计算单元(17)。扭矩计算单元(17)基于来自该第一传感线圈的输出信号和来自第二传感线圈的输出信号而计算施加于旋转轴的扭矩。此外，故障检测器(18)比较来自该第一至第三传感线圈的输出信号，并且检测该第一磁致伸缩薄膜或第二磁致伸缩薄膜中的故障。

Description

磁致伸缩扭矩传感器以及使用该传感器的电动转向设备
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设备，特别涉及一种包括能够检测磁致伸缩薄膜中的故障的结构和功能的磁致伸缩扭矩传感器；以及涉及一种使用该传感器制造的电动转向设备。
背景技术
在用作汽车的转向系统的电动转向设备中，例如，转向扭矩传感器通常感测由驾驶者的转向操作从转向轮施加到转向轴的转向扭矩。该转向扭矩传感器一般由磁致伸缩扭矩传感器构成。该转向轴起到由于来自转向操作的旋转力而旋转的旋转轴的作用。该转向轴构成转向扭矩传感器中的旋转轴。电动转向设备根据转向扭矩传感器检测的扭矩信号控制转向力辅助电机的驱动，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设备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，在例如转向轴(也称作旋转轴)101的表面上的两个特定的上下位置形成彼此具有相反的磁各向异性103、104的磁致伸缩薄膜102A、102B，如图12所示。磁致伸缩扭矩传感器100具有这样的结构，其中使用非接触式系统，在该系统中，传感线圈106A、106B感测磁致伸缩薄膜102A、102B的磁致伸缩特性中的变化，该变化与转向轴101的扭矩对应。当将输入扭矩从转向轮施加到转向轴101时，感测到该变化，如箭头105所示。
附图13示出磁致伸缩扭矩传感器100的传感器构造中感测输入扭矩的原理。特性VT1表示基于来自传感线圈106A的输出信号获得的输入扭矩/输出特性。特性VT2表示基于来自传感线圈106B的输出信号获得的输入扭矩/输出特性。特性VT1和VT2的斜率是彼此相反的，这是因为磁致伸缩薄膜102A、102B的磁各向异性方向103、104是相反的。特性VT3表示通过使用特性VT1和VT2并且在二者之间发现差异而产生的输入扭矩/输出特性。基于特性VT3可以确定施加于转向轴的输入扭矩。实际上，将特性VT3的点B设置为原点，将右侧的部分设置为正区，并且将左侧的部分设置为负区。可以从特性VT3获得有关输入扭矩的旋转方向和大小的信息。
在制造磁致伸缩扭矩传感器100的过程中，必须执行这样的步骤，其中将磁致伸缩薄膜102A、102B(在更广泛的意义上为，磁致伸缩区域)形成在转向轴101的一部分的特定表面上，即柱形旋转轴101中特定轴向宽度的整个圆周表面上，然后使这些磁致伸缩薄膜具有磁各向异性103、104。传统的在磁致伸缩扭矩传感器100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转扭矩施加到旋转轴，在该旋转轴上，例如通过电镀处理形成磁致伸缩镀层(磁致伸缩薄膜)，从而在旋转轴的圆周表面产生应力。随后是在恒温箱中热处理旋转轴，同时将轴保持在应力作用下(例如，参见JP2002-82000A)
磁致伸缩扭矩传感器需要保持长时间的反向磁致伸缩特性，该反向磁致伸缩特性由在旋转轴上形成的磁致伸缩薄膜中的磁各向异性产生。然而，通过传统的磁致伸缩扭矩传感器，该磁致伸缩薄膜一般通过电镀形成在圆柱形旋转轴的整个圆周表面上。因此，湿气有时会粘附于电镀的部分即磁致伸缩薄膜上，这会造成腐蚀或剥落，或者使磁致伸缩薄膜腐蚀或由外因造成剥落，由此造成磁致伸缩薄膜故障。
在传统的磁致伸缩扭矩传感器中，不能可靠地检测磁致伸缩薄膜中的故障。这是因为当传感器输出中出现变化时，不能确定该变化是由于环境温度的变化、输入扭矩的变化，还是磁致伸缩薄膜的变化而造成的。
由于如上所述不能检测传统的磁致伸缩扭矩传感器100的磁致伸缩薄膜中的故障，所以在假设出现故障的情况下，一种想法是使用例如如图14所示的传感器构造处理故障。通过将相同结构的磁致伸缩薄膜的构造107A添加到由上述磁致伸缩薄膜102A、102B组成的磁致伸缩薄膜构造107中的旋转轴101获得如图14所示的传感器构造。具体而言，在旋转轴101上间隔地形成两组磁致伸缩薄膜102A、102B。根据这种构造，在顶部组的一组磁致伸缩薄膜出现故障的情况下，可以可靠地检测该故障，这是因为该顶部的一组磁致伸缩薄膜的传感器输出值不同于该下部组的磁致伸缩薄膜的传感器输出值。这种想法是通过提供该两组磁致伸缩薄膜102A、102B来检测磁致伸缩薄膜中的故障。
然而，如果使用如图14所示的传感器构造，则问题在于需要非常长的空间，以便在旋转轴101中提供磁致伸缩薄膜。整个长度L2现在必须是96mm，这是因为磁致伸缩薄膜的宽度W1必须是18mm，磁致伸缩薄膜L1之间的间隔必须是8mm，以便保证磁致伸缩薄膜可靠的所需检测性能，并且消除相邻的磁致伸缩薄膜对彼此施加的影响。
近来，通常将汽车电动转向设备中轴向上的旋转轴宽度限制于大约100mm，这是因为当通过电镀形成磁致伸缩薄膜时的设计考虑。有时很难保证100mm的宽度，这取决于车辆的类型。因此，在如上所述薄膜宽度是96mm的情况下，实际上很难在电动转向设备中使用磁致伸缩传感器。
这样，需要最小化转向轴的轴向长度，在该转向轴上可以形成磁致伸缩薄膜，以便能够在多种不同类型的车辆中使用磁致伸缩薄膜传感器。
因此，需要一种磁致伸缩薄膜传感器以及构造简单的使用该传感器的电动转向设备，其中可以简单可靠地检测感测输入扭矩并且形成在旋转轴上的磁致伸缩薄膜中的故障，并且可以最小化在该旋转轴上形成的磁致伸缩薄膜所需的空间。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了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；环绕该旋转轴表面的整个周向外周而形成的第一磁致伸缩薄膜；类似地环绕该旋转轴表面的整个周向外周而形成的第二磁致伸缩薄膜；第三磁致伸缩薄膜，该第三磁致伸缩薄膜具有不同于该第一磁致伸缩薄膜和第二磁致伸缩薄膜的合金成分，并且环绕该旋转轴表面的整个周向外周而形成；分别用于感测该第一磁致伸缩薄膜、第二磁致伸缩薄膜和第三磁致伸缩薄膜的阻抗的第一传感线圈、第二传感线圈和第三传感线圈；扭矩计算装置，用于根据从该第一至第三传感线圈输出的阻抗变化而输入信号，并且基于该第一传感线圈的输出信号和该第二传感线圈的输出信号计算施加于该旋转轴的扭矩；以及故障检测器，用于比较该第一至第三传感线圈的输出信号，并且检测该第一磁致伸缩薄膜或第二磁致伸缩薄膜中的故障。
在所述磁致伸缩扭矩传感器中，满足具体条件的第三磁致伸缩薄膜例如被设置在第一磁致伸缩薄膜和第二磁致伸缩薄膜之间，并且可以基于与第一至第三磁致伸缩薄膜的阻抗有关的传感器信号的状态，通过故障检测器快速可靠地至少感测该第一或第二磁致伸缩薄膜。
优选地，该第一至第三磁致伸缩薄膜由Ni-Fe合金形成。该第一磁致伸缩薄膜和第二磁致伸缩薄膜中合金的Fe含量是30至40重量％，而该第三磁致伸缩薄膜中Fe合金成分是15至25重量％。
理想地，该第三磁致伸缩薄膜的宽度小于该第一磁致伸缩薄膜的宽度或该第二磁致伸缩薄膜的宽度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电动转向装置，其包括转向轴；设置在所述转向轴上的任一上述磁致伸缩扭矩传感器，用于感测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测的转向扭矩将辅助转向力提供给所述转向轴；以及控制单元，用于基于与从该磁致伸缩扭矩传感器感测的转向扭矩有关的信号而控制该电机的驱动。
在所述电动转向装置中，可以简化用于检测形成在转向轴上的该磁致伸缩扭矩传感器的磁致伸缩薄膜的故障的故障感测装置的构造，并且减小其所需的设计空间，可以提高电动转向装置的性能，并且可以提高具有故障检测功能的电动转向装置的适用性。
根据本发明，可以提供一种具有磁致伸缩薄膜构造的磁致伸缩扭矩传感器，其中可以使用旋转轴轴向上较小尺寸的区域来检测磁致伸缩薄膜的故障，并且可以在比传统实践中更短的旋转轴上设置磁致伸缩薄膜故障感测结构和功能。在采用磁致伸缩扭矩传感器作为转向扭矩传感器的本发明的电动转向装置中，可以在更小长度的转向轴上设置检测磁致伸缩薄膜故障的功能，可以安装具有检测磁致伸缩薄膜故障的功能的电动转向设备，而不受车辆类型的限制，并且可以快速地处理磁致伸缩薄膜的故障。
附图说明
下面参照图，仅通过举例的方式详细地描述某些优选的本发明的实施例，其中：
图1是表示根据本发明实施例的磁致伸缩扭矩传感器的基本结构的部分截面侧视图；
图2是示意性地表示根据该实施例的磁致伸缩扭矩传感器的基本结构的侧视图；
图3是具体结构的主要部分的纵向截面图，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结合到电动转向设备的转向轴中；
图4是表示传感线圈的磁致伸缩特性曲线以及磁致伸缩扭矩传感器中的感测特性的曲线图；
图5是表示采用根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器作为转向扭矩传感器的电动转向设备的整个构造的曲线图；
图6是侧视图，其中仅将安装磁致伸缩薄膜和传感线圈的位置关系选择性地表示为图1所示的磁致伸缩扭矩传感器的一部分构造；
图7是表示饱和磁致伸缩常量(λs)和磁导率(μ)相对于由Ni-Fe合金制成的磁致伸缩薄膜的Fe含量的曲线图；
图8是表示材料电位(material potential)相对于由Ni-Fe合金制成的磁致伸缩薄膜的Fe含量的曲线图；
图9是表示传感器灵敏度相对于由Ni-Fe合金制成的磁致伸缩薄膜的Fe含量的曲线图；
图10A至10C是表示在故障检测器中提供的检测电路的电路图；
图11是表示阻抗ZA、ZB或ZC随施加到旋转轴的输入扭矩变化的方式的曲线图；
图12是表示普通的传统磁致伸缩扭矩传感器的主要构造的侧视图；
图13是表示描述在磁致伸缩扭矩传感器的构造中感测输入扭矩的原理的输入扭矩/输出特性的曲线图；以及
图14是作为解决现有技术的问题的例子的磁致伸缩扭矩传感器的侧视图。
具体实施方式
首先，参照图1至3描述磁致伸缩扭矩传感器的侧视图。图1至3示出了根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器的结构示例。
磁致伸缩扭矩传感器10由旋转轴11，以及围绕该旋转轴11的外周布置的一个激励线圈12和两个传感线圈13A、13B，13C构成，如图1和2所示。为了描述方便，在图1和2中没有示出旋转轴11的顶部和底部。当将磁致伸缩扭矩传感器10用作汽车电动转向设备中的转向扭矩传感器时，旋转轴11构成转向轴的一部分。这种状态如图3所示。
旋转轴11具有柱形杆的形状，并且受到环绕轴11a的右手旋转(顺时针的)或左手旋转(逆时针的)的旋转力(扭矩)，如箭头A所示。旋转轴11例如由铬-钼钢(SCM)等制成的金属杆形成。将第一和第二磁致伸缩薄膜14A、14B设置于旋转轴11的轴向上垂直对准的两个位置上，并且将第三磁致伸缩薄膜14C设置于两个磁致伸缩薄膜14A、14B之间。磁致伸缩薄膜14A、14B、14C形成在旋转轴11的整个圆周上。每两个磁致伸缩薄膜14A、14B、14C之间的宽度和间隔以如下所述的方式设置。
优选地将磁致伸缩薄膜14A、14B、14C作为磁致伸缩电镀部分形成在旋转轴11的表面上。该薄膜是通过电镀Ni-Fe合金形成的。磁致伸缩薄膜14A、14B是磁各向异性的，其通过处理磁致伸缩电镀部分(14A、14B)形成，以便获得磁各向异性。同时，不需要为磁致伸缩薄膜14C提供磁各向异性。然而，产生磁致伸缩薄膜14A、14B、14C的方法并不仅限于这种选择。旋转轴11上形成磁致伸缩薄膜的区域应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，磁致伸缩薄膜14A、14B在旋转轴11的轴向上的宽度(磁致伸缩薄膜宽度W1)和磁致伸缩薄膜14C在旋转轴11a的轴向上的宽度(磁致伸缩薄膜宽度W2)被设置成满足下述条件。
为了描述方便，术语“磁致伸缩薄膜14A、14B”和“磁致伸缩电镀部分(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，在产生磁各向异性之后获得的完成的产品指的是“磁致伸缩薄膜14A，14B”，而在该步骤之前的相同部分指的是“磁致伸缩电镀部分”。
为形成在旋转轴11表面上的第一和第二磁致伸缩薄膜14A、14B提供激励线圈12和传感线圈13A、13B，如图1所示。具体而言，传感线圈13A设置成以一定的中间间隙围绕磁致伸缩薄膜14A，如图1所示。大致圆柱环形的传感线圈13A环绕磁致伸缩薄膜14A的整个外周。同时，传感线圈13B设置成与磁致伸缩薄膜14B的外周之间具有一中间间隙。传感线圈13B同样地环绕磁致伸缩薄膜14B的整个外周。此外，在两个传感线圈13A、13B的外周设置一环形激励线圈12。在图1中，将所示的激励线圈12分别被提供给磁致伸缩薄膜14A、14B，但这是对实际上为一个激励线圈12的两个部分的图示。传感线圈13A、13B和激励线圈12利用环形支架15A、15B缠绕在磁致伸缩薄膜14A、14B周围的外周空间，所述支架被设置于旋转轴11的外周，以环绕旋转轴11。
同时，在第三磁致伸缩薄膜14C周围设置了传感线圈13C和激励线圈12，以便以一定间隙环绕磁致伸缩薄膜14C。第三磁致伸缩薄膜14C是感测磁致伸缩薄膜14A、14B中的故障的磁致伸缩薄膜，所述磁致伸缩薄膜14A、14B用于感测输入扭矩。传感线圈13C和激励线圈12利用环形支架15C缠绕在磁致伸缩薄膜14C周围的外周空间，所述环形支架设置于旋转轴11的外周，以环绕该旋转轴11。
在图2中，示意性地表示激励线圈12和传感线圈13A、13B与旋转轴11的磁致伸缩薄膜14A、14B之间的电学关系。AC电源16不断地提供AC激励电流，将该AC电源连接到磁致伸缩薄膜14A、14B共用的激励线圈12。同时，从磁致伸缩薄膜14A、14B的传感线圈13A、13B所设的输出端子分别输出对应于所要感测的扭矩的感生电压VA、VB。激励线圈12和传感线圈13C类似地布置在第三磁致伸缩薄膜14C上，并且从传感线圈13C的输出端子输出电压VC。
从传感线圈13A、13B的输出端子输出的感生电压VA、VB被提供给扭矩计算单元17。扭矩计算单元17基于感生电压VA、VB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这样的计算装置或计算电路构成。
从传感线圈13A、13B、13C的输出端子输出的感生电压VA、VB、VC被输入故障检测器18。故障检测器18基于感生电压VA、VB、VC感测磁致伸缩薄膜14A、14B中的故障，并且输出故障信号SG2。该故障检测器18由微处理器或者其它这样的计算装置，或者计算电路构成。在本实施例中，故障检测器18设置在以下将描述的控制装置中。
在上面的描述中，激励线圈12和传感线圈13A、13B、13C之间的关系构成变压器的初级绕组线圈和次级绕组线圈之间的关系。
在旋转轴11的表面上形成的磁致伸缩薄膜14A、14B、14C是例如利用Ni-Fe合金通过电镀处理形成的磁致伸缩薄膜。而且，磁致伸缩薄膜14A、14B具有磁各向异性。两个磁致伸缩薄膜14A、14B被形成为使其具有彼此相反的磁各向异性。当通过旋转力将扭矩施加到旋转轴11上时，利用设置在磁致伸缩薄膜14A、14B的外周周围的传感线圈13A、13B感测磁致伸缩薄膜14A、14B中产生的相反的磁致伸缩特性。
下面是参照图3对采用磁致伸缩扭矩传感器10作为电动转向设备的转向轴中的转向扭矩传感器的具体结构的描述。图3中与图1和2中描述的元件大致相同的元件由相同的附图标记表示。
图3示出了转向扭矩传感器20、转向轴21的支撑结构、齿轮齿条机构34、动力传送机构35和转向力辅助电机42的具体构造。
在图3中，转向轴21的顶部联接到车辆的转向轮(未示出)。转向轴21的底部构造成将转向力经由齿轮齿条机构34传送到包括齿条轴的车轴。设置在转向轴21顶部的转向扭矩传感器20利用磁致伸缩扭矩传感器10构成。转向扭矩传感器20对应于磁致伸缩扭矩传感器10，并且其上形成有磁致伸缩薄膜14A、14B、14C的转向轴21的部分对应于旋转轴11。
转向轴21由两个轴承32、33可旋转地支撑在形成齿轮箱31的壳体31a中。齿轮齿条机构34和动力传送机构35容纳在壳体31a内部。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)设置于壳体31a的上侧。在转向轴21上形成上述磁致伸缩薄膜14A、14B，并且通过支架15A、15B、15C和轭36A、36B、36C支撑与磁致伸缩薄膜14A、14B、14C对应的激励线圈12和传感线圈13A、13B、13C。
壳体31a的顶部开口由盖37封闭，并且将该盖37通过螺栓(未示出)固定在壳体31a上的适当位置。设置于转向轴21的底端的小齿轮(pinion)38定位在轴承32、33之间。齿条轴39由齿条导向器40导向，并受到压缩弹簧41的推压，以压在齿轮38的侧面上。动力传送机构35包括固定在传送轴43上的蜗轮副(worm gear)44，所述传送轴联接到转向力辅助电机42的输出轴；动力传送机构35还包括固定在转向轴21上的蜗轮(worm wheel)45。转向扭矩传感器20附接于盖37的圆柱形部分37a的内部。
转向扭矩传感器20感测施加于转向轴21的转向扭矩。所感测的值输入到控制设备(在图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。
当将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通过电学方法感测与转向轴21中的扭矩对应的磁致伸缩薄膜14A、14B的磁特性变化。传感线圈13A、13B、13C的输出端子的感生电压VA、VB、VC的变化被感测作为上述变化。
对于两个传感线圈13A、13B中的每一个，获取如图4所示的凸形磁致伸缩特性曲线51A、51B，这将在下文中描述。磁致伸缩特性曲线51A、51B对应于作为分别来自传感线圈13A、13B的传感器输出的感生电压的变化特性。
转向扭矩传感器20在两个磁致伸缩特性曲线51A、51B的基础上计算从两个传感线圈输出的感生电压之间的差，并且根据计算得到的值的符号和大小，感测施加于转向轴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中出现扭曲。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，恒定地从AC电源16向激励线圈12施加激励电流，因此传感线圈13A、13B通过感生电压VA、VB的变化感测到由磁致伸缩薄膜14A、14B中的磁致伸缩效应导致的磁场变化。根据转向扭矩传感器20，基于感生电压VA、VB的变化，将两个感生电压VA、VB之间的差异输出作为检测电压值。因此，可以基于转向扭矩传感器20的输出电压(VA-VB)而感测施加于转向轴21的转向扭矩(T)的方向和大小。
现在进一步详细地描述图4。如上所述，图4是分别示出两个磁致伸缩薄膜14A、14B的磁致伸缩特性曲线51A、51B的视图。在图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。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同时示出了传感线圈13A、13B的传感器输出特性。具体而言，通过公共的激励线圈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；并且传感线圈13A、13B响应该激励交变电流而输出感生电压。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VA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VB的变化特性。
从另一个观点来看，磁致伸缩特性曲线51A、51B表现了磁致伸缩薄膜14A、14B的阻抗相对于所施加的扭曲的变化。
根据磁致伸缩特性曲线51A，随着转向扭矩的值从负的变到正的并且接近正转向扭矩值T1，从传感线圈13A输出的感生电压VA的值以基本上线性的方式增加，然后当该转向扭矩达到正值T1时达到峰值，并且随着该转向扭矩超过T1而逐渐降低。根据磁致伸缩曲线51B，随着转向扭矩的值接近负值-T1，从传感线圈13B输出的感生电压VB的值逐渐增加，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并且从负的变化到正的，该感生电压VB的值以基本上线性的方式降低。
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的磁各向异性是彼此相反的，并且相对于包含两条磁致伸缩特性曲线交点的垂直轴具有基本上线性对称的关系。
图4所示线52表示基于在磁致伸缩特性曲线51A、51B所共有的区域中获得的值产生的曲线，并且该曲线具有基本上线性的特性。通过从作为传感线圈13A的输出电压而获得的磁致伸缩特性曲线15A的值减去作为传感线圈13B的输出电压而获得的磁致伸缩特性曲线51B的相应的值获得该线的值。当转向扭矩是零时，从传感线圈13A、13B输出的感生电压是相等的，因此它们的差是零。在转向扭矩传感器20中，利用磁致伸缩特性曲线51A、51B中靠近转向扭矩的中间点(mean point)(零点)、斜率被认为基本上恒定的区域，形成基本上为直线的线52。图4中的垂直轴表示指示线52的特性曲线的零值电压差的轴。线52作为特性曲线，其是穿过原点(0，0)并且位于垂直轴和水平轴的正负两侧的直线。由于如上所述获取从传感线圈13A、13B输出的感生电压之间的差(VA-VB)作为转向扭矩传感器20的传感器输出值，所以可以在利用直线52的基础上感测施加于转向轴21的转向扭矩的方向和大小。
如上所述，可以获得对应于输入到转向轴21(旋转轴11)的转向扭矩的旋转方向和大小的传感器信号。该信号是在转向扭矩传感器20的输出值的基础上获得的。具体而言，可以由转向扭矩传感器20输出的传感器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，根据转向扭矩将转向扭矩传感器20的传感器值作为垂直线52上的任意点输出。当该传感器值位于水平轴的正侧时确定该转向扭矩向右旋转，而当该传感器值位于水平轴的负侧时确定该转向扭矩向左旋转。垂直轴上该传感器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测该转向扭矩。
当将图4中的曲线51A、51B和52与图13中所示的前述特性VT1、VT2和VT3比较时，磁致伸缩特性曲线51A和51B分别与特性VT1和VT2对应，而垂直线52与特性VT3对应。
下面参照图5对安装在汽车中的电动转向设备的一般构造和操作进行示意性描述，并且该描述与图3中的结构关联。图5中与图3所示元件基本上相同的元件由相同的附图标记表示。
电动转向设备60用于将辅助转向力(转向扭矩)提供给连接到转向轮61的转向轴21。转向轴21由顶端连接到转向轮61的上部转向轴21a、底端设有小齿轮38的下部转向轴21b、以及连接上部和下部转向轴21a、21b的旋转耦合器构成。下部转向轴21b的小齿轮38具有齿条轴39，该齿条轴设有与小齿轮啮合的齿条39a。小齿轮38和齿条轴39(齿条39a)形成齿轮齿条机构34。在齿条轴39的两端设有连杆46，并且在连杆46的外端联接有前轮62。
经由动力传送机构35为下部转向轴21b设置电机42。动力传送机构35通过蜗轮副44和蜗轮45形成。电机42输出补充转向扭矩的旋转力(扭矩)，并且该旋转力通过动力传送机构35施加于下部转向轴21b。
下部转向轴21b设置有转向扭矩传感器20。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感测施加于转向轴21的转向扭矩。
图3中所示的转向轴21严格地表示下部转向轴21b，如在上述描述中阐明的。
附图标记63表示感测车辆速度的车辆速度传感器，64表示由计算机构成的控制设备。控制设备64接收从转向扭矩传感器20输出的转向扭矩信号T以及从车辆速度传感器63输出的速度信号V，并且基于与转向扭矩有关的信息和与车辆速度有关的信息而输出驱动控制信号SG1，以便控制电机42的操作。控制设备64还装配有用于故障检测器18的功能单元。因此，来自转向扭矩传感器20的三个电压信号(VA、VB、VC)被输入到控制设备64。
电动转向设备60包括转向扭矩传感器20、车辆速度传感器63、控制设备64、电机42、齿轮齿条机构34以及其它添加到常规转向系统的装置结构中的组件。
当驾驶者操作转向轮61以改变车辆行进的方向时，通过齿轮齿条机构34将基于施加到转向轴21的转向扭矩的旋转力转换成沿齿条轴39的轴向的线性运动，并且经由连杆46改变改变前轮62的行进方向。此时，设置于下部转向轴21b的转向扭矩传感器20同时根据驾驶者对转向轮61的转向感测转向扭矩，将该转向扭矩转换成电转向扭矩信号T，并且将该转向扭矩信号T输出到控制设备64。速度传感器63感测车辆速度，将该速度转换成速度信号V，然后将该速度信号V输出到控制设备64。控制设备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将辅助转向力经由动力传送机构35施加于下部转向轴21b。如上所述，通过驱动电机42减少由驾驶者施加于转向轮61的转向力。
此外，在控制设备64中，如稍后描述的，由执行故障检测功能的故障检测器18检测磁致伸缩薄膜14A、14B中的故障。
接下来将参照图6至9描述根据本发明的磁致伸缩扭矩传感器10的特征构造。图6是图1中所示的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经提取和放大的安装磁致伸缩薄膜14A、14B、14C以及传感线圈13A、13B、13C的位置关系。
在图6中，将已在图1中描述的元件用相同的附图标记表示。图6中磁致伸缩薄膜14A、14B的宽度尺寸用W1表示，磁致伸缩薄膜14C的宽度尺寸用W2表示，磁致伸缩薄膜14A、14B和磁致伸缩薄膜14C的间距用L11表示，以及轴向上的整个长度用L12表示。在图6中，箭头71表示磁致伸缩薄膜14A所具有的磁各向异性的方向，箭头72表示磁致伸缩薄膜14B所具有的磁各向异性的方向。
在图6所示的构造中，在通过电镀Ni-Fe合金制成的磁致伸缩薄膜14A、14B、14C中，磁致伸缩薄膜14A、14B中合金的Fe含量是30至40重量％，而磁致伸缩薄膜14C中合金的Fe含量是15至25重量％，或者更优选地为16至23重量％。其原因如下：
现在参照下面所示的表1描述饱和磁致伸缩常量(λs)以及其它因素的变化与Ni-Fe合金的Fe含量的变化之间的关系，并参照表2描述Fe含量和传感器灵敏度。
表1
    Fe     λs     μ     √μ×λs
    10     -8     250     126.4911
    15     -2     1600     80
    20     0.3     4000     18.97367
    25     3     2200     140.7125
    30     19     1900     828.1908
    40     25     1400     935.4143
    50     22     1100     729.6575
    60     15     650     382.4265
在表1中，第一列表示Ni-Fe合金(磁致伸缩薄膜)的Fe浓度(重量％)。其中示出了该浓度从10到60的八个水平。第二列中的“λs”表示饱和磁致伸缩常量，该这列中所示的数值是“×10-6”的。饱和磁致伸缩常量指的是当施加磁场H时长度的变化率(δL/L)。反过来，该数据对应于当度变化δL时磁致伸缩薄膜中产生的磁场H。第三列中的“μ”表示导磁率(H/m)。该表中的值指的是当将真空中的导磁率设为1时材料的导磁率，并且所述值与穿过相同磁场H的磁通量成比例。第四列中的“√μ×λs”表示当在扭矩传感器中使用时的材料电位，并且该电位对应于扭矩传感器情况下的理想传感器输出。
当根据表1相对于Fe含量(水平轴)描绘出饱和磁致伸缩常量λs(左垂直轴)和导磁率μ(右垂直轴)时，获得图7所示的曲线75、76。当根据表1相对于Fe成分(水平轴)描绘出材料电位时，获得图8中所示的曲线77。
表2
    Fe成分重量％     灵敏度     灵敏度的变化率
    20     0.04％     0.006
    24     0.24％     0.035
    27     1.07％     0.156
    31     6.75％     0.978
    35     6.90％     1.000
    40     6.08％     0.882
    44     5.72％     0.829
在表2中，第一列表示Ni-Fe合金(磁致伸缩薄膜)中Fe的浓度(重量％)。其中示出该浓度从20至44的七个数值。第二列表示传感器灵敏度。传感器灵敏度定义为“ΔZ/Z”，其中ΔZ是当施加10N·m的扭矩时阻抗的变化，Z是施加该扭矩之前的阻抗。第三列表示灵敏度变化率的数值。
当根据表2相对于Fe含量(水平轴)描绘出传感器灵敏度时，获得图9中所示的曲线78。
理想地，设置在磁致伸缩薄膜14A、14B之间的故障检测磁致伸缩薄膜14C的灵敏度范围为大约0.2％或者更小。因此，如上所述，根据曲线75至78以及表1和2，选择Fe浓度为15至25重量％，或者更优选为16至23重量％。将15至25重量％的Fe浓度设置成曲线75至78中的范围R2。由此可以将中间定位的磁致伸缩薄膜14C制成具有与磁致伸缩薄膜14A、14B相同的温度特性的固定电阻。磁致伸缩薄膜14A、14B中合金的Fe含量是30至40重量％，将该范围设置成曲线75至78中的范围R1。
当将输入扭矩施加于旋转轴11时，磁致伸缩薄膜14C的阻抗没有变化，并且输出电压相对于从传感线圈15C输出到磁致伸缩薄膜14C的测量阻抗值是恒定的。所有的磁致伸缩薄膜14A、14B、14C具有相同的温度特性，这是因为不管Ni-Fe合金成分如何，温度特性是恒定的。
图6所示的构造中磁致伸缩薄膜14A、14B的宽度W1例如是18mm，而磁致伸缩薄膜14C的宽度W2可以设置得较小。这是因为由于仅需要磁致伸缩薄膜14C起到固定电阻的作用，该固定电阻不需要具有扭矩感生的输出变化，因此实质上不需要增加磁致伸缩薄膜宽度。在本实施例中，例如将磁致伸缩薄膜14C设置成约为4mm。通过设计适当的制造步骤甚至可以将中间定位的磁致伸缩薄膜14C制得更小。
上下扭矩感测磁致伸缩薄膜14A、14B之间的空间应该保持在8mm左右，以便该薄膜彼此不影响。因此，在本实施例中，在磁致伸缩薄膜14A、14B和磁致伸缩薄膜14C之间形成大约3mm的间隙L11。从而，从上部磁致伸缩薄膜14A的顶端到下部磁致伸缩薄膜14B的底端的整个长度L12是46mm。这是大约等于前述传统传感器长度96mm的一半的一较小长度。由此，该传感器可以应用于短的旋转轴11；即短的转向轴。
下面是参照图10A至10C及图11对上述故障检测器18的构造进行的描述；即，对根据本实施例的磁致伸缩扭矩传感器10中的检测故障方法的描述。
在图10A至10C中示出了三个电路，以便简化对比。这些电路形成在故障检测器18的内部。这些电路是基于从传感线圈13A、13B、13C输出的传感器信号构造的。从传感线圈13A输出的信号是感测磁致伸缩薄膜14A中阻抗变化的信号。因此，在图10A至10C中将磁致伸缩薄膜14A的阻抗表示为“ZA”。从传感线圈13B输出的信号是感测磁致伸缩薄膜14B中阻抗变化的信号。因此，在图10A至10C中将磁致伸缩薄膜14B的阻抗表示为“ZB”。从传感线圈13C输出的信号是感测磁致伸缩薄膜14C中阻抗变化的信号。因此在图10A至10C中将磁致伸缩薄膜14C的阻抗表示为“ZC”。
此外，在图10A至10C中所示的三个电路中，端子81是电源端子(Vcc)，端子82是接地端子(GND)，端子83、83-1和83-2是输出端子。每个电路中端子83、83-1和83-2的输出分别是“Vout”、“Vout1”和“Vout2”。
在对于每个阻抗ZA、ZB和ZC，将特性相对于输入扭矩(N·m)变化的方式制成表时，得到下面的表3。
表3
    扭矩(N·m)     ZA     ZB     ZC
    -20     270     330     300
    -10     285     315     300
    0     300     300     300
    10     315     285     300
    20     330     270     300
对每个阻抗ZA、ZB和ZC来说，当描绘出特性相对于输入扭矩(N·m)的变化方式时，得到图11所示结果。
在上面的描述中，原则上，图10C中所示的电路利用磁致伸缩薄膜14A、14B的阻抗ZA、ZB输出用于感测施加于旋转轴11的输入扭矩的信号(Vout)。图10A中所示的电路利用磁致伸缩薄膜14B、14C的阻抗ZB、ZC输出用于检测磁致伸缩薄膜14B、14C中的故障的信号(Vout1)。此外，图10B中所示的电路利用磁致伸缩薄膜14A、14C的阻抗ZA、ZC输出用于检测磁致伸缩薄膜14A、14C中的故障的信号(Vout2)。
实践中，如下通过感测输出信号“Vout”、“Vout1”和“Vout2”的状态来确定磁致伸缩薄膜14A、14B、14C中的故障。
当“Vout”变化，“Vout1”恒定并且“Vout2”变化时，确定磁致伸缩薄膜14A出现故障。
当“Vout”变化，“Vout1”变化并且“Vout2”恒定时，确定磁致伸缩薄膜14B出现故障。
当“Vout”恒定，“Vout1”变化并且“Vout2”变化时，确定磁致伸缩薄膜14C出现故障。
如上所述，根据输出信号“Vout”、“Vout1”和“Vout2”状态的组合，可以确定磁致伸缩薄膜14A至14C是否处于正常状态，或者任一磁致伸缩薄膜14A至14C是否处于非正常状态。
上面实施例中所述的构造、形状、尺寸、材料以及布置关系仅是为了理解和实现本发明的示意性描述。因此本发明不限于上述实施例，在不脱离权利要求中给出的技术思想的范围的情况下，可以进行各种修改。
例如，磁致伸缩薄膜14C并不必须定位在磁致伸缩薄膜14A和14B之间，而可以布置在旋转轴11的表面上不会妨碍其它机构(例如，电动转向设备的轴承等等)的任意位置处。

Claims (6)

1.一种磁致伸缩扭矩传感器，包括：
通过施加扭矩而旋转的旋转轴(11)；
环绕所述旋转轴表面的整个周向外周而形成的第一磁致伸缩薄膜(14A)；
环绕所述旋转轴表面的整个周向外周而形成的第二磁致伸缩薄膜(14B)；
第三磁致伸缩薄膜(14C)，所述第三磁致伸缩薄膜具有不同于所述第一磁致伸缩薄膜和第二磁致伸缩薄膜的合金成分，并且环绕所述旋转轴表面的整个周向外周而形成；
第一传感线圈(13A)，用于感测所述第一磁致伸缩薄膜的阻抗；
第二传感线圈(13B)，用于感测所述第二磁致伸缩薄膜的阻抗；
第三传感线圈(13C)，用于感测所述第三磁致伸缩薄膜的阻抗；
扭矩计算装置(17)，用于根据从所述第一至第三传感线圈输出的阻抗变化而输入信号，并且基于所述第一传感线圈的输出信号和所述第二传感线圈的输出信号而计算施加于所述旋转轴的扭矩；以及
故障感测装置(18)，用于比较所述第一至第三传感线圈的输出信号，并且检测所述第一磁致伸缩薄膜或第二磁致伸缩薄膜中的故障。
2.如权利要求1所述的磁致伸缩扭矩传感器，其中，所述第一至第三磁致伸缩薄膜(14A至14C)是由Ni-Fe合金形成的，所述第一磁致伸缩薄膜(14A)和第二磁致伸缩薄膜(14B)中合金的Fe含量是30至40重量％，所述第三磁致伸缩薄膜(14C)中合金的Fe含量是15至25重量％。
3.如权利要求1或2所述的磁致伸缩扭矩传感器，其中，所述第三磁致伸缩薄膜(14C)具有比所述第一磁致伸缩薄膜(14A)的宽度或所述第二磁致伸缩薄膜(14B)的宽度更小的宽度。
4.一种电动转向装置，包括：
转向轴(21)；
设置在所述转向轴上的磁致伸缩扭矩传感器(20)，用于感测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)具有：环绕所述转向轴表面的整个周向外周而形成的第一磁致伸缩薄膜(14A)；环绕所述转向轴表面的整个周向外周而形成的第二磁致伸缩薄膜(14B)；第三磁致伸缩薄膜(14C)，所述第三磁致伸缩薄膜具有不同于所述第一磁致伸缩薄膜和第二磁致伸缩薄膜的合金成分，并且环绕所述转向轴表面的整个周向外周而形成；用于感测所述第一磁致伸缩薄膜的阻抗的第一传感线圈(13A)；用于感测所述第二磁致伸缩薄膜的阻抗的第二传感线圈(13B)；用于感测所述第三磁致伸缩薄膜的阻抗的第三传感线圈(13C)；扭矩计算单元(17)，用于根据从所述第一至第三传感线圈输出的阻抗变化而输入信号，并且基于所述第一传感线圈的输出信号和所述第二传感线圈的输出信号而计算施加于所述旋转轴的扭矩；以及故障感测装置(18)，用于比较所述第一至第三传感线圈的输出信号，并且检测所述第一磁致伸缩薄膜或所述第二磁致伸缩薄膜中的故障；
电机(42)，用于根据由所述磁致伸缩扭矩传感器(20)感测的转向扭矩，将辅助转向力提供给所述转向轴；以及
控制装置(64)，用于基于与由所述磁致伸缩扭矩传感器(20)感测的转向扭矩有关的信号而控制所述电机的驱动。
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)中的第一至第三磁致伸缩薄膜是由Ni-Fe合金构成的，所述第一磁致伸缩薄膜(14A)和第二磁致伸缩薄膜(14B)中合金的Fe含量是30至40重量％，所述第三磁致伸缩薄膜(14C)中合金的Fe含量是15至25重量％。
6.如权利要求4或5所述的电动转向装置，其中，所述磁致伸缩扭矩传感器(20)中的第三磁致伸缩薄膜(14C)具有小于所述第一磁致伸缩薄膜(14A)的宽度或所述第二磁致伸缩薄膜(14B)的宽度的宽度。
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