CN103809133A - 具有磁通导引器的三轴磁场感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种具有磁通导引器的三轴磁场感测装置，主要是在一磁通导引器(fluxguide)的四个外侧方分别设一第一至第四磁场感测器，且一第一假想平面分别通过第一至第二磁场感测器的感测轴及磁通导引器，一第二假想平面分别通过第三及第四磁场感测器的感测轴及磁通导引器，一控制单元组分别电性连接第一至第四磁场感测器，控制单元组可供分别控制各磁场感测器的感测方向，以令磁场感测器得以测量出各个轴向的磁场分量，并且通过各磁场感测器的配置，使得磁场感测装置在X轴及Y轴所量测出的场点，会位在同一位置，以令磁场感测装置所测得的结果，得以更贴近实际观察点的测量结果。
Description
技术领域
本发明是关于一种测量磁场的仪器，尤指一种具有磁通导引器的三轴磁场感测装置。
背景技术
一般我们常利用指南针来对一观察点测量其磁场方向(如地磁的南北向)，但是此种手段无法测量出磁场强度。因此有人设计出一种磁场感测装置，不仅可以测量出观察点的磁场方向，也可以测量出该观察点在各个轴向的磁场分量。
请参阅美国专利US6304082，该专利所揭露的三轴磁场感测装置，是将三个单轴磁场感测装置，分别设于三个不同位置，而可分别测量出X轴、Y轴、Z轴的磁场分量，最后可以得到一观察点的磁场方向及各轴向的磁场分量。但是，此种三轴磁场感测装置的设计，对于各个轴向所测得的场点，其位置均不相同，进而造成该三轴磁场感测装置所测得的结果，并非实际观察点在各轴向的磁场分量。再者，此种感测装置的三个单轴磁场感测装置的校准，需要三个互相正交的基准平面，组装的成本偏高。
接着，请再参阅美国专利US7358722，该专利所揭露的三轴磁场感测装置，是基于单一基准平面的硅晶片，运用微机电加工技术以非等向蚀刻技术定义斜面，将二个单轴磁场感测装置放置于斜面上，消除其X轴或Y轴磁场分量来得到Z轴分量，另在基准平面上放置X轴与Y轴磁场感测装置，构成三个轴向的磁场分量测定。但此种三轴磁场感测装置，不仅在正交角度的控制上具有难度的外，各磁场感测装置对各轴向所测得的场点，其位置均不相同，造成此种三轴磁场感测装置所测量的结果，也并非实际观察点于各轴向的磁场分量。
发明内容
为了让三轴磁场感测装置所测量的结果，为观察点在各轴向的磁场分量，以解决先前技术所述不足之处。由此，本发明者认为磁场感测装置对各个轴向的测量结果，最少要有二个轴向的场点是在同一位置，且应使用同一基准平面作三轴正交组装，才有办法提升整体的磁场测量结果，所以提出一种具有磁通导引器的三轴磁场感测装置，该磁场感测装置包括：
一电路板。
一磁通导引器(fluxguide)：
该磁通导引器为一柱体，该磁通导引器相反二外侧方分别设一第一及第二磁场感测器，且该第一及第二磁场感测器与该磁通导引器的距离相等，一第一假想平面分别通过该第一及第二磁场感测器的感测轴及该磁通导引器的轴心；该磁通导引器相反二外侧方分别设一第三及第四磁场感测器，且该第三及第四磁场感测器与该磁通导引器的距离相等，一第二假想平面分别通过该第三及第四磁场感测器的感测轴及该磁通导引器的轴心，且该第一假想平面垂直该第二假想平面；一第三及第四假想平面分别通过该磁通导引器的二端，且平行该电路板，任取二磁场感测器均位于该第三或第四假想平面，其余二磁场感测器均位于该第三或第四假想平面。
一控制单元组：
该控制单元组分别电性连接该第一至第四磁场感测器，该控制单元组可供分别控制该第一至第四磁场感测器的感测方向。
其中，通过该第一假想平面垂直该第二假想平面，而可定出一X轴及一Y轴分别通过该磁通导引器，且相交于该磁通导引器，且一Z轴通过该磁通导引器的轴心。
利用本发明的磁场感测装置，可通过该控制单元组来决定测量X轴及Y轴的磁场强度，或是Z轴的磁场强度，例如欲测量Z轴的磁场强度时，该控制单元组控制该第一及第二磁场感测器的感测方向相反，且该第三及第四磁场感测器的感测方向相反，所以测量时，各磁场感测器在Z轴上所测量的磁场分量会相加，而在X轴及Y轴上的磁场分量会互相抵销，而剩下Z轴的磁场分量。
同理，欲测量X轴及Y轴的磁场时，该控制单元组会控制该第一及第二磁场感测器的感测方向相同，且该第三及第四磁场感测器的感测方向相同，此时各磁场感测器在X轴及Y轴所测量的结果会相加，Z轴的磁场分量会相互抵销，而剩下X轴及Y轴的磁场分量。
并且，通过该第一至第四磁场感测器的位置配置，会使得该磁场感测装置在X轴及Y轴所测得的场点，会位在同一场点，也因此，使得该磁场感测装置所测量的结果，会比较贴近实际观察点的磁场方向及在各个轴向的磁场分量，以解决先前技术所述不足之处。
附图说明
图1是本发明于测量Z轴的磁场分量时，X-Z平面的磁场方向示意图，其中第一及第二磁场感测器的箭头方向代表其感测方向。
图2是本发明于测量X轴的磁场分量时，X-Z平面的磁场方向示意图，其中第一及第二磁场感测器的箭头方向代表其感测方向。
图3是本发明的磁场感测器为八个，且于测量Z轴磁场分量时，X-Z平面的磁场方向示意图，其中第一及第二磁场感应器的箭头方向代表其感测方向。
图4是本发明的磁场感测器为八个，且于测量X轴磁场分量时，X-Z平面的磁场方向示意图，其中第一及第二磁场感应器的箭头方向代表其感测方向。
图5是对本发明由俯视观看的示意图。
图6是本发明的控制单元组与各感测器连接示意图。
图7是本发明的各假想平面与磁通导引器位置配置示意图。
附图标记说明：A－磁场感测装置；1－电路板；2－磁通导引器；3－第一磁场感测器；3A－第一磁场感测器；4－第二磁场感测器；4A－第二磁场感测器；5－第三磁场感测器；6－第四磁场感测器；7－控制单元组；X－第一假想平面；Y－第二假想平面；Z－磁通导引器的轴心；n－第四假想平面；m－第三假想平面；P1－场点；P2－场点；P3－场点。
具体实施方式
以下通过图式的辅助，说明本发明的构造、特点与实施例，使贵审查人员对于本发明有更进一步的了解。
请参阅图5所示，本发明是关于一种具有磁通导引器的三轴磁场感测装置，该磁场感测装置A包括：
一电路板1：
请参阅图5所示，该电路板1是提供固定各磁场感测器(3～6)与磁通导引器2，且该电路板1的形状不拘，较佳为以X轴及Y轴为对称轴的板体(X轴及Y轴的定义见后述)，而图5是呈现该电路板1的形状较佳为十字形，可缩小该磁场感测装置(A)整体体积。且，该电路板1的材质较佳是玻璃布(fiberglass)基板，该玻璃布基板可为：玻璃布环氧树脂(glass-reinforced epoxy)、或玻璃布聚四氟乙烯(glass-reinforcedPTFE)，而可减少该磁场感测装置A的厚度、重量、并维持足够刚性。该电路板1的厚度应足够维持刚性，以利定义各磁场感测器(3～6)与该磁通导引器2组装所需的基准平面，进而使该磁场感测装置A具有三轴正交感测的性能。
一磁通导引器(fluxguide)2：
请参阅图1至图5所示，该磁通导引器2设于该电路板1一侧，该磁通导引器2的形状为柱体，较佳为以X轴、Y轴、Z轴为对称轴的方柱体、棱柱体或圆柱体(X轴、Y轴、Z轴的定义见后述)。该磁通导引器2的高度应大于宽度，以提升Z轴磁通的导引效果。该磁通导引器2的材质为具有高磁透率及低磁滞的软磁材料，例如镍锌铁氧软磁材料(Ni-Zn ferrite)。该磁通导引器2可供将外加磁场的Z轴磁场分量偏向为X轴或Y轴分量。
请再配合参阅图7所示，该磁通导引器2相反二外侧方分别设一第一及第二磁场感测器(3、4)，且该第一及第二磁场感测器(3、4)与该磁通导引器2的距离相等，一第一假想平面X分别通过该第一及第二磁场感测器(3、4)的感测轴及该磁通导引器的轴心Z；该磁通导引器2相反二外侧方分别设一第三及第四磁场感测器(5、6)，且该第三及第四磁场感测器(5、6)与该磁通导引器2的距离相等，一第二假想平面(Y)分别通过该第三及第四磁场感测器(5、6)的感测轴及该磁通导引器的轴心Z，且该第一假想平面X垂直该第二假想平面Y；一第三及第四假想平面(m、n)分别通过该磁通导引器2的二端部，且分别平行该电路板1，任取二磁场感测器位于该第三或第四假想平面(m、n)，其余二磁场感测器位于该第三或第四假想平面(m、n)。其中，该第一至第四假想平面(X、Y、m、n)是用于表示各磁场感测器(3～6)于该磁通导引器2外侧方的配置位置。
通过该第一假想平面X垂直该第二假想平面Y，而可定出一X轴及一Y轴分别通过该磁通导引器2，且相交于该磁通导引器2，并可定出一Z轴通过该磁通导引器的轴心Z，且分别垂直该X轴及该Y轴。其中，由于第五图是本发明的俯视图，故该第一及第二假想平面(X、Y)为一虚线。
由上述可知，本发明所指的各磁场感测器(3～6)，不限均设于该磁通导引器2的上端或下端，亦可为该第一及第二磁场感测器(3、4)位于该磁通导引器2的上端，且该第三及第四磁场感测器(5、6)位于该磁通导引器2的下端，或者该第一及第三磁场感测器(3、5)位于该磁通导引器2的上端，且该第二及第四磁场感测器(4、6)位于该磁通导引器2的下端等，均落入本发明欲保障的范围。
并且，为配合该电路板1的形状为十字形，该磁通导引器2较佳是设于该电路板1中央，而各磁场感测器(3～6)较佳是设于该电路板1各端部的上方，藉以缩小该磁场感测装置(A)整体体积。
一控制单元组7：
请参阅第六图所示，该控制单元组7分别电性连接该第一至第四磁场感测器(3～6)，该控制单元组7可供分别控制该第一至第四磁场感测器(3～6)的感测方向。
首先，请参阅图2配合图5及图6所示，欲使用该磁场感测装置A量测观察点分别在该X轴及该Y轴上的磁场分量时，先利用该控制单元组7分别控制该第一至第四磁场感测器(3～6)，使该第一及第二磁场感测器(3、4)的感测方向相同，且该第三及第四磁场感测器(5、6)的感测方向相同。
由图式中可知，该磁场感测装置(A)在该Z轴上所感测得的磁场分量会被相互抵销，而在该X轴上所感测的磁场分量会相互加成，所以具有较佳的感测响应，其感测响应为个别磁场感测器(3、4)所测得的2倍；同理，该磁场感测装置(A)也会在该Y轴上具有较佳的感测响应。
请参阅图1配合图5及图6所示，欲使用该磁场感测装置A量测该观察点在该Z轴的磁场分量时，先利用该控制单元组7分别控制该第一至第四磁场感测器(3～6)，使该第一及第二磁场感测器(3、4)的感测方向相反，且该第三及该第四磁场感测器(5、6)的感测方向相反。
由图式中可知，该磁场感测装置A在该X轴及该Y轴所测得的磁场分量会被相互抵销，而只剩下该Z轴上的磁场分量，所以该磁场感测装置A在该Z轴上的感测响应会是个别磁场感测器(3～6)的4倍。
纵上所述，本发明的该磁场感测装置A不仅具有较佳的感测响应外，并由于各磁场感测器(3～6)以该磁通导引器2为中心进行配置，所以在该X轴及该Y轴所测得的场点P1，其位置是相同，且该磁通导引器2会通过该场点P1，而在该Z轴所测得的场点P2也会被该磁通导引器2通过，也因此，该磁场感测装置A所测量的结果，较贴近实际观察点的位置，且具有较佳的感测响应。
以下是说明该控制单元组切换各磁场感测器(3～6)的感测方向的方法：
1.请参阅图6配合图1、图2、图5所示，该控制单元组7包括四电子开关分别电性连接该第一至第四磁场感测器(3～6)的电压输出端，以供切换各磁场感测器(3～6)的输出极性，藉以达成切换感测方向的目的。
2.请参阅图6配合图1、图2、图5所示，以控制单元组7切换各磁场感测器(3～6)的感测方向，另一可行的方法为，当各磁场感测器(3～6)是以交流磁场激发的相位决定其输出的正负方向，则将各磁场感测器(3～6)的激发方向切换即可达成切换感测方向的目的。
3.请参阅图6配合图1、图2、图5所示，以控制单元组7切换各磁场感测器(3～6)的感测方向，另一可行的方法为，先将各磁场感测器(3～6)的输出信号以数字读出，再将读出的数字作相加或相减，即可达到切换感测方向的目的。
请参阅图3配合图4及图7所示，该磁场感测装置A更进一步可以实施为：该第四假想平面n位于该第三假想平面m上方，该第一至第四磁场感测器(3～6)分别位于该第三假想平面m，各磁场感测器(3～6)上方且位于该第四假想平面n，分别更设另一相同单元的第一至第四磁场感测器(3A、4A)(图式仅呈现另一相同单元的第一及第二磁场感测器)，且分别电性连接该控制单元组7。通过上述的构造，让该磁场感测装置A在测量时，在该X轴、该Y轴、该Z轴所测量出的场点P3，均位在同一位置，此外，由于增加磁场感测器，使得该磁场感测装置A在各个轴向的感测响应也因而提升。
此外，该磁场感测装置A还可以实施为：该第一至第四磁场感测器(3～6)为一异向磁阻(AMR)，通过该异向磁阻的特性，可以提高磁场解析度，在该磁场感测装置A整体的特征尺寸小于5mm时，具有较佳的感测结果；该第一至第四磁场感测器(3～6)亦可为一巨磁阻(GMR)，通过该巨磁阻的特性，可以降低该磁场感测装置A的消耗功率，此外在该磁场感测装置A整体的特征尺寸大于5mm时，具有较佳的感测结果；该第一至第四磁场感测器(3～6)亦可为通量闸(fluxgate)，通过通量闸的特性，可以减少该磁场感测装置A整体所需的信号输出入端点数，此外在该磁场感测装置(A)整体的特征尺寸大于5mm时，具有较佳的感测结果。
综上所述，本发明确实符合产业利用性，且未于申请前见于刊物或公开使用，亦未为公众所知悉，且具有非显而易知性，符合可专利的要件，依法提出专利申请。
上述所陈，为本发明在产业上一较佳实施例，举凡依本发明申请专利范围所作的均等变化，皆属本案诉求标的的范畴。
Claims (10)
1.一种具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，包括：
一电路板；
一磁通导引器：该电路板一侧邻接该磁通导引器，该磁通导引器为一柱体，该磁通导引器相反二外侧方分别设一第一及第二磁场感测器，且该第一及第二磁场感测器与该磁通导引器的距离相等，一第一假想平面分别通过该第一及第二磁场感测器的感测轴及该磁通导引器的轴心；该磁通导引器相反二外侧方分别设一第三及第四磁场感测器，且该第三及第四磁场感测器与该磁通导引器的距离相等，一第二假想平面分别通过该第三及第四磁场感测器的感测轴及该磁通导引器的轴心，且该第一假想平面垂直该第二假想平面；一第三及第四假想平面分别通过该磁通导引器的二端，且平行该电路板，任取二磁场感测器均位于该第三或第四假想平面，其余二磁场感测器均位于该第三或第四假想平面；
一控制单元组：分别电性连接该第一至第四磁场感测器，该控制单元组能供分别控制该第一至第四磁场感测器的感测方向。
2.根据权利要求1所述具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，该第四假想平面位于该第三假想平面上方，该第一至第四磁场感测器分别位于该第三假想平面，该第一至第四磁场感测器上方且于该第四假想平面分别更设另一相同单元的第一至第四磁场感测器，且分别电性连接该控制单元组。
3.根据权利要求2所述具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，各第一至第四磁场感测器是选自于下列群组之一：通量闸、异向磁阻、巨磁阻。
4.根据权利要求1所述具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，该第一至第四磁场感测器是选自于下列群组之一：通量闸、异向磁阻、巨磁阻。
5.根据权利要求1所述具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，该电路板为玻璃布基板。
6.根据权利要求5所述具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，该电路板的材质是选自于下列群组之一：玻璃布环氧树脂、玻璃布聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，该控制单元组包括四电子开关分别电性连接该第一至第四磁场感测器的电压输出端，以供切换各磁场感测器的输出极性。
8.根据权利要求1所述具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，该控制单元组能供当各磁场感测器是以交流磁场激发的相位决定其输出的正负方向，以将各磁场感测器的激发方向切换。
9.根据权利要求1所述具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，该控制单元组能供先将各磁场感测器的输出信号以数字读出，再将读出的数字作相加或相减。
10.根据权利要求1所述具有磁通导引器的磁场感测装置，其特征在于，该电路板为十字形，而该磁通导引器设于该电路板中央，各磁场感测器分别设于该电路板的各端部上方。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140521 |