JP2004538467A6 - Magnetic field detector - Google Patents

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Abstract

磁界用の、具体的には飽和コアタイプの検知インダクタ(1)は、コア(20)を中心に平面の螺旋として巻回された少なくとも1つのインダクタコイル(10)を有し、より好適には、複数の平面螺旋(10a乃至d)がコアの軸(50)に沿って積み重ねられ、1対の隣接するコイル(10a、10b)は、ブリッジ(44)により互いに接続された内端部(32a、32b)を備える反対向きの螺旋として巻回される。こうした対を2つまたは3つ使用できる。複数のコイル(10a乃至d)および中心コア(20)は、半導体業界からの平面の選択的蒸着技法を使用して製造できる。磁性コア(50)は、積み重ねられたコイルを通して形成される軸ホール内に挿入される別のエンティティであってよい。好適なコア材料はパーマロイである。螺旋コイルの巻回幅(w)、間隔(s)、および厚さ(t)は、コイル間の軸方向間隔(d)およびコア直径(φ)と共に論じられる。A sensing inductor (1), specifically a saturated core type, for a magnetic field has at least one inductor coil (10) wound as a planar helix around the core (20), more preferably A plurality of planar spirals (10a-d) are stacked along the axis (50) of the core, and a pair of adjacent coils (10a, 10b) are connected to each other by an inner end (32a) connected by a bridge (44). , 32b). Two or three such pairs can be used. The multiple coils (10a-d) and the central core (20) can be manufactured using planar selective deposition techniques from the semiconductor industry. The magnetic core (50) may be another entity that is inserted into the axial hole formed through the stacked coils. A preferred core material is permalloy. The winding width (w), spacing (s), and thickness (t) of the helical coil are discussed along with the axial spacing (d) and core diameter (φ) between the coils.

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、磁界検知装置に関し、より具体的には、加えられたトルクまたは力の関数である磁界を発生させる磁化された変換素子と共に使用する検知装置に関するが、これに限定されるものではない。さらに本発明は、こうした検知装置を組み入れた検知回路にも関する。こうした回路は信号処理回路とも呼ばれる。
【背景技術】
【0002】
磁気変換器は、近年、シャフトのトルクを測定するために応用される例が増えてきている。磁化された変換素子はシャフトに設けられ、その磁化された領域となる。1つまたは複数の検知デバイスからなる非接触の検知装置が、その領域に隣接して配置される。非接触検知装置は、トルクのかけられたシャフトが回転している場合に特に有利である。トルクに依存した磁界を発生させる永久的に磁化された変換素子は、変換素子を磁化するために能動的な励磁を必要としないという点で受動的であるとみなすことのできる、検知装置での動作に有利である。
【0003】
ホール効果装置および磁気抵抗装置、ならびに飽和または可飽和コアインダクタとして知られるものを含む、様々なタイプの検知装置が知られている。現在使用可能な形式のこれらの装置には、それぞれ様々な実用上の問題が生じている。
【0004】
ホール効果装置は基本的に平面の形で生産され、その最大感度は装置面に垂直である。装置面を、たとえばシャフトの回転軸に対して放射状にすると、ホール効果装置は磁界の軸方向に向けられた(インライン)構成要素に対して感度が高く、軸方向に高い横分解能が可能である。横分解能は、放射状の磁界構成要素を検出するために、装置が放射状面に対して90°に配向された場合にはそれほど高くない。ホール効果装置の主要な欠点は、感度および分解能が低いこと、ならびに磁気変換素子によく見られる小さな磁界の適切な検出器でないことである。
【0005】
磁気抵抗(MR)装置は、異方性磁気抵抗器(AMR)および巨大磁気抵抗器(GMR)の2種類に分類される。最近では、後者の方がより好まれている。どちらの種類の装置も、本来は平面の形をしており、装置の領域面積に応じた抵抗の変化が見られるため、分解能に対する感度のバランスを取らなければならない。こうした装置が薄いことからも、検出できる磁界の領域が限られる。周知の可飽和インダクタ装置よりも高い横分解能が可能であるが、ホール効果装置ほど良い範囲を有していないため、前述のように分解能と感度との妥協点を見つけなければならない。
【0006】
可飽和コア検知装置は、コアに螺旋状に巻回されたコイルの形をしたインダクタを含む。たとえばコアは、名称2705Mでアライドシグナル社から入手可能な材料のものであってよい。これは可飽和高透磁性の、コバルト基非晶質ガラス状合金箔である。1つまたは複数のこうしたインダクタを、国際公開98/52063号(WO98/52063)に開示されたような信号処理回路に接続することができる。可飽和コア検知装置は高感度で作成可能であり、2つまたはそれ以上のインダクタを、地球磁場などの一般的な外部場によって相殺されるが、測定される磁界に対して加法的に作用するように、信号処理回路内に直列に接続することができる。可飽和コア検知装置は、コイルの軸方向に最大の感度を有する。応答パターンは、軸を中心にした円対称である。
【0007】
現在の可飽和インダクタ検知装置の欠点は、その横分解能が欠如していることにある。典型的には、これらデバイスは長さ4乃至8mm、直径2mmである。長さ寸法が、軸方向の磁界構成要素に対する横分解能を決定する。センサの応答は、実質上、デバイスの長さに沿って検知された場の統合であり、場はその長さにわたって大きさおよび方向のどちらも変化する可能性がある。
【特許文献1】
国際公開98/52063号(WO98/52063)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
したがって、依然として、分解能が高くさらに感度も高い磁界検知装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明により、コアを中心にして形成された螺旋コイルによって、こうした検知装置を提供することが提案される。螺旋は本質的に平面であり、好ましいことにその平面はコアを通る軸に対して直角である。こうした技術は、半導体製造で知られている製作技法を使用して、本質的に平面の形で実現することができる。検知装置は複数の空間的に平行な螺旋コイルを有することが可能であり、好ましくは偶数であって、すべてが全体の長さ寸法が小さい単一のコア素子に作用する。
【0010】
以下で論じるように、コイルおよびコイルを支持する絶縁(分離)材料は半導体製造技法を使用して形成可能であり、コアは軸ホールに挿入される別個の物として提供することができる。ホールは電気的構造に関する製造プロセス中に、または製造後にドリルによって形成される。コアは、パーマロイなどの適切な磁気材料のワイヤの一部であってよい。必要な磁気特性については、以下でさらに論じる。
【0011】
本発明を実施する検知装置は、検知装置を飽和へまたは飽和から駆動するための手段、および検知装置の駆動に応答して、検知された磁界の尺度としてそのような駆動のパラメータに依存する信号を生成する手段を含む、センサ回路内の磁界検知素子として接続することが可能である。
【0012】
本発明を実施する検知装置は、前述の国際公開98/52063号で開示された信号処理回路内の可飽和インダクタとしての、特定の応用例を見つけることができる。
本発明の態様および特徴については、添付の特許請求の範囲に記載される。
本発明に従って可飽和インダクタを使用するために磁界を測定するための好ましい回路構成については、請求項8、9、および10に記載される。回路構成それ自体については、参照により本明細書に組み込まれた国際公開98/52063号に記載される。
【0013】
本発明の実施で使用されるコイルは、マイクロコイルと呼ばれる小さい寸法で製造することが可能である。マイクロコイルを製造するための提案もすでに行われている。これらは、データ記憶アプリケーションの薄膜書込みヘッドの一部として応用されているが、感度が極端に低いため、磁界を検知する読取りヘッドとしては使用されない。他の提案は、向かい合った1組の螺旋コイルを使用して、コイルを通じて流れる電流によって作られる磁界の局所的な相互作用により、コイルの巻回の間に力を発生させるアクチュエータを提供することである。ドイツ、ブラウンシュヴァイク大学のマイクロ技術研究所(IMT)は、そのための1対のマイクロコイルを製作することに成功した。このコイル・システムには磁気コアがない。アクチュエータに関して興味深いものは、一方のコイルの巻回内の電流と他方のコイルの巻回内の電流との間に生成可能な力である。これまでに行われた研究は、平面状の螺旋コイル構造を製造する実現可能性の検証であるが、実用的なアクチュエータがすでに作成されたかどうかはわかっていない。
【0014】
上記で概説した提案で調査された螺旋コイルは、磁界の検知には応用されていないことを理解されよう。これに対して、本発明は磁界検知応用に関する構造を対象としている。検知装置は、可飽和コアを使用するものである。本発明を具体化する検知装置は、すでに論じたような高感度と高分解能とを組み合わせることを対象とするものである。本発明およびその実施について、添付の図面を参照しながらより詳細に論じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
図1(a)は、外端部31から内端部32へと時計回り(cw)に伸びる単一の螺旋平面巻線10で形成された、単層螺旋コイル状の可飽和インダクタ1を示す図である。巻線は複数の巻回を含み、1巻回は、巻線が放射状線12などを基準に、中心軸50の周りを360°旋回したものとみなすことができる。図示された例では、巻線は、図1(b)でよりわかりやすく示された均一の幅wおよび間隔sの均一の巻回と、図4に示された平面に垂直の均一の厚さtとを有する、導電性材料の層で形成される。図3および図4を見るとよくわかるように、中心軸50と位置合わせして配置されるのが、断面が丸いと想定される可飽和コア20である。コア20の断面を横切る磁化が均質(均一)になるように、コイル巻線はどの1巻回もほぼ円形になるように比較的きっちりと巻回することが好ましく、これにより半径は、軸を中心とした角度の関数として比較的ゆっくりと変化する。これについては以下でより詳細に論じる。
【0016】
したがって、巻回のピッチは(w+s)であり、その結果、半径は1巻回(角度2Π)に(w+s)ずつ増加することになる。他の関連する寸法パラメータは図4に示されており、以下に、本発明を具体化する可飽和インダクタの設計および製造について説明し、一定のパラメータにおける相対的な変化の影響について論じる。パラメータsおよびwは、螺旋10の隣接する2巻回の一部を示す図1(b)に示されており、巻回は影付きで示されている。
【0017】
端部31から端部32へと正の電流が流れると、コイルは、コア20に対して作用するように軸50に沿ってコイルに垂直の磁界を生成する。図に示されたcwの巻線方向の場合、軸の磁界方向は図1(a)の平面の中から外へとなる。
【0018】
好ましくは、コア材料は飽和磁化Bが1テスラ(10ガウス)未満の磁性を有する。さらに、記載される蒸着プロセス中にコア材料内に誘導される内部応力によるノイズ発生源を最小限にするために、コア材料の結晶異方性定数(K)および磁気歪み定数(λ)は小さくなければならない。これらの要件に合致する好適な材料は、パーマロイ(他の重要度の低い成分を備えたNi/Fe合金(Ni78 Fe22))であり、そのK値およびλ値はゼロに近い。パーマロイは電気めっき、スパッタリング、および他の蒸着技法によって蒸着可能であり、その後エッチングすることができる。
【0019】
記載される平面製造技法では、螺旋コイル1の内端部32よりも外端部31への外部接続を作る方が便利である。インダクタの外側に外部接続があることの利便性は、軸50を中心に反対方向(1つはcw、1つはccw)に巻回された1対の立体的に平行な螺旋コイルにもあてはまる。内端部は互いに接続され、励磁電源が外端部に印加されて、直列のコイルを励磁する。反対方向の螺旋を有することで、コア内に同じ方向の磁束が生成される。複数の螺旋コイルを使用することは、コアの望ましい飽和を達成するためにも有利である。また、複数の平行なコイルを使用することは、コアの減磁を減らすのに有利な軸方向に長いコアを使用することと一致する。これらの要素については、以下で詳細に論じる。
【0020】
図2は、一方の上に他方を重ねて示された(したがって、干渉パターン)、反対方向に巻回された1対の螺旋コイル10aおよび10bを示す正面図であり、それぞれの内端部32aおよび32bで接続され、それぞれの外端部31aおよび31bで励磁可能である。コイルは共通のコア20内に同じ方向の磁束を生成するように作用する。実際には、図3および4を見るとよくわかるように、コイル10aおよび10bは、軸50に対して垂直な、間隔を置いて平行な平面内にある。
【0021】
図3は、41a、41b、および42a、42bなどの巻線が影付きで示された、1対のコイル10aおよび10bの直径方向の軸を示す図である。巻回41a、42aは同じ螺旋コイル(10a)内にあるが、それらの中の電流の向きが図の平面を基準として反対であることから別々に示されており、コイル10bの巻回41b、42bも同様である。図示された直径方向の断面では、コイルの巻回10a、10bは軸方向に位置合わせされており、図2の正面図を見ればわかるように、重ねられている。図2の直径方向の断面図に対して90°のそれでは、巻回が互い違いまたは交互に配置されていることがわかるであろう。図4は、図3の構造の中央部分を示す拡大図である。図4は、コイル層の厚さパラメータtも示し、これはすなわち軸方向の厚さである。
【0022】
図3および4から、コアが両方のコイルを通って伸びていることがわかる。内端部分32aおよび32bは、正面図を見るとわかるように好ましくは重なっており、コイルを直列に接続するために、軸方向スルーブリッジ44によって接続される。外端部31aおよび31bを励磁電源(図示せず)に接続することにより、軸50の一方の側にある巻回内の電流は、40aおよび40bで図の面に垂直な電流方向で示されるように、2つの螺旋10a内と10b内では反対であり、軸50の他方の側では、40a’および40b’で示されるように逆であるため、2つのコイル内では依然として反対方向のままである。電流は、軸50に沿った方向に、コア20内に磁界Hを生成するために、加法的に作用する。その結果、コア20内に生じる磁束および磁化も、本来は軸方向である。
【0023】
図4には、以下で論じる他の寸法パラメータも示されている。それは、隣接する層の間の間隔d、コア20の直径φ、およびその軸方向長さlである。
上記の概念は、図5および6に示されたような螺旋コイルの他の対にも拡大することができる。コイルの対10a、10bに加えて、他の同様のコイルの対10c、10dがある。コア20は間隔をあけて並行に配置された4つのコイルすべてを通って延在する。
【0024】
図3および4の場合と同様に、巻線の巻回、たとえば41a、41d、および42a、42dは影付きで示される。コイル10a、10bはそれらの内端部でブリッジ44aによって接続され、コイル10c、10dは同様にブリッジ44bで接続される。軸に沿って順番に並んだコイルは、巻回方向が交互、たとえばcw−ccw−cw−ccwである。コイル10bの外端部は、軸方向に向けられたブリッジ46によって、隣接するコイル10cの外端部に接続され、その結果コイルは、端部31aおよび31dに接続された電源(図示せず)による励磁に対して、電気的に直列接続となる。
【0025】
同じ電流がそれぞれのコイル内を流れる。結果として生じる交互の電流の向きは、軸の上側は40a乃至d、軸の下側は40a’乃至d’で示され、向きは逆になる。各コイルがコア内に同じ向きの磁界を生成することを条件として、他の巻線方向および相互接続(たとえば並列および直列/並列の組合せ)が可能であることを理解されよう。奇数のコイルも使用可能であるが、偶数にすることによって、すべての外部接続がコイル・アセンブリの外周部で実行できることも理解されよう。
【0026】
螺旋コイルは、任意の抵抗率の低い導電性材料であってよく、非磁性体が好ましい。こうした導体の中には、アルミニウム、銅、および金がある。非磁性体材料を選択することで、導体そのものの中に寄生磁界を発生させるのを防ぐ。
【0027】
すでに上記で示したように、前述の螺旋コイル構造は、半導体分野および関連分野で知られた技法を使用することで実施可能であり、この構造は、図3乃至6に示された向きに対して90°のコイルを使用して1層ずつ製造される。製造ステップは、図7(a)および(b)に図示される。
【0028】
図7(a)は、たとえばAl、Cu、Auなどの導電性材料の第1の層が蒸着され、フォトリソグラフィ、および該当する場合は当分野で周知のエッチング技法などの、マスキングを使用して、螺旋コイル110aを形成する、絶縁層または基板100を示す図である。第1の層には、パーマロイなどのコア材料の中央ボス120も蒸着される。次に、たとえばAlO2またはSiOなどの酸化物の絶縁材料の他の層102が続き、これは図7(b)に示されるように122および124に開口部が設けられる。開口部122はコイル110aの内端部に重なり、開口部122はコア124に重なる。
【0029】
層102の上に第2の螺旋110bを蒸着すると、開口部122を介して導電性材料が蒸着され、コイル110aおよび110bの内端部のブリッジ接続144を形成することになる。コア材料が開口部124を介して蒸着され、コア120の延長120’を形成することになる。この製造ステップを繰り返して、隣接コイルに積み重ねられ軸方向に間隔を置いた、他の平面螺旋コイルを形成する。ただし、図5および6の方式によれば、110bより上の次のコイル層は内端部で層110bと分離され、外端部でブリッジ接続されることに留意されたい。
【0030】
図7(a)および(b)の構造体の電気的な構成要素の形成は、磁性コアを供給することとは別であってよい。構造体は、コア開口部124を備えるが、コア材料を蒸着せずに製造することができる。コアは別のエンティティ、たとえばコア材料のワイヤの一部としてホールに挿入することが可能である。1層ずつ製造する場合、初期には開口部124を省略してもよく、その結果、軸部分は絶縁材料から構成される。次に構造体に、前述のように別のエンティティとしてコアを受け入れるための穴をドリルで開けることができる。これらの状況では、コイルの内端部をコイルからさらに離して放射状に間隔をあけて配置し、コイルの厚さtを増やすことによって、その後コア内の磁界が損失してもこれを補償することが望ましいことが証明できる。次に、前述の教示に従って作成される検知装置の様々なパラメータについて論じる。
【0031】
記載された実施形態の螺旋コイルは「円形」、すなわちr=pθの形であって、rは半径、θは軸を中心とした角度、およびpは定数である。他の螺旋形状も適合可能であるが、コア内の磁化が均質であることが望ましいことに留意されたい。もちろん、コアの断面を円形以外にすることも可能であり、その断面の形状を基にして巻線の形状を選択することができる。
【0032】
すでに説明した理由により、コイル・システムに好ましい最低限の構成は、共通のコアを備えた2つの螺旋(図2および3)からなるものである。原則としてコイル・システムでは、螺旋の巻方向および接続に制限はない。すでに述べたように、コイル・システムの好ましい設計は、巻回方向が交互になった連続する螺旋導体層を製造すること、対の内端部に作られた接続部によって対の螺旋を接続すること、ならびに連続する対(複数の対があるものと想定する)を隣接する螺旋の外端部で接続することである。これが図5で採用された設計方式である。次に、完全なグループのうちの一番外側の2つの螺旋の外端部が、グループの逐次励磁に使用される。この巻回方向および相互接続を組み合わせることによって、すべての螺旋に印加された電流が、共通のコアに誘導される同じ方向の磁束を生じさせる。コイル・システムに偶数の螺旋を使用することで、可飽和インダクタを接続することになる回路の接続リードを、常に螺旋の外部で接続することもできる。
【0033】
これにより、螺旋の中心端を接続するために、励磁電源からのリード用に別の層を追加する必要がなくなる。各螺旋を個々に接触させるために別々のリードを使用することで、各コイルに同じ巻回方向を採用できるようになるが、追加の層が生じるため、結果として常に後で蒸着される層がより平坦でなくなる。層の平坦さは均質な場の分布を達成する際に重要である。一方でより多くのコイル層の対を使用し、コアをより適切に飽和させ、感度を上げることの利点と、他方で製造プロセスにおける寸法誤差を増加させ、コアが長くなるほど分解能が失われることの間で、釣り合いを取らなければならない。
【0034】
螺旋の巻回数は、結果として生じるコアに誘導される束密度およびリードの抵抗(抵抗率およびリードの長さによって与えられる)に従って、最適化しなければならない。巻回数が多くなっても、結果として生じる束密度が必ずしも同じ割合で上がるとは限らないが、全体の抵抗、したがってコイル・システムの電力消費は増加する。たとえば16μm(厚さ)×20μm(幅)および銅製の、リードの所与の断面の場合、領域内にある各螺旋について20の巻回数を選択することが、抵抗および達成可能な束密度に関して好ましい。リードの任意の他の断面により、結果として異なる巻回数が好ましくなる場合がある。
【0035】
4つの螺旋セットを使用することで、巻回がより多くコアがより長いコイル・システムを達成することができる。すべてのコイルが直列に接続されると仮定した場合、螺旋の数を倍にすれば、可飽和インダクタの抵抗(および電力消費)が確実に増加するが、コア内に誘導される束密度は同じ係数で増加する。螺旋の数を増やすよりも実際に重要なのがコアの形状寸法である。どちらも同じコア直径の場合、軸方向の短いコアは、長いコアに比べて減磁係数Nが悪い(0<N<1)。減磁係数Nが大きいと、結果としてコアの開放端に減磁界を生じさせることになり、そのために、コイル・システムによって完全に飽和することができない。コアが長くなるほど、飽和できないコア容積の割合、したがってシステムの効率に与える影響が少なくなる。これらの係数に顧慮して、コアの許容可能な減磁係数Nを達成するためには、6またはそれ以上の螺旋(3対)が好ましいことになる。
【0036】
本発明に従った磁界検知装置は、0.1から0.2mmの範囲の軸方向長さ、および1から2mmの範囲の直径を有するように製造可能であることが企図される。
本発明の1つまたは複数の可飽和コアインダクタを、前述の国際公開明細書98/52063号に記載された信号処理回路におけるインダクタLとして使用することが可能であり、それによって、インダクタが検知した磁界を表す出力が与えられる。
【0037】
以上、磁界に関する飽和コア検知装置として可飽和インダクタの性能に影響を与える可能性のある係数および寸法パラメータについて述べてきた。コアは、コアに関連付けられたコイル構造によって生成された磁界に関連して作用する外部磁界に対して感度の高い方法で動作するものでなければならない。検出される外部磁界がある中での飽和コアの動作は、検出された場の関数である出力信号を生成することである。このために飽和コアを動作する方法の1つが、前述の国際公開98/52063号で開示されている。
【0038】
飽和インダクタの設計ならびにその中およびその周辺での磁界の分布の態様を調査するための研究が行われてきた。この研究は、コンピュータ・シミュレーションで行われてきた。一般に、できる限りコア全体が飽和される設計を採用することが重要である。完全に飽和されたコアは均質に飽和されたと言い表すことが可能であり、飽和の量的な程度は飽和の均質性として表すことができる。
【0039】
コンピュータ・シミュレーションでは、コア材料に前述のNi/Fe合金、Ni78Fe22を選択した。この材料には結晶異方性Kおよび磁気歪みλがない。以前に述べた製造プロセスでは、磁気特性を詳細に知ることはできないが、選択された寸法について適切な動作推定値、すなわち飽和磁化B=0.8T、飽和保磁力Hc=2.4A/m、および透磁性μr=1000を、達成することができた。
【0040】
コイルの導体材料には、断面(t×w)が8μm×20μmの銅が選択された。以下で論じるシミュレーションから取得された好ましい厚さは、16mmである。螺旋コイルの1巻回あたりのピッチ(w+s)を30μmとすると、隣接する巻回との間の間隔sは10μmとして選択された。
【0041】
シミュレーション手順では、電流密度は、均一(均質)な直流密度Jhが存在する全巻線ピッチ(w+s)となるように幅が取られた、巻線の中に存在するものとみなされた。Jhの値は、前述の巻線の例で電流密度の関係Jh=J.w/(w+s)=J/1.5を得るための、実際の導体の幅wと全ピッチ(w+s)との比率によって、巻回幅wの中の電流密度Jに関係付けられる。励磁電流Iは、シミュレーションモデル中の電流密度J=0.9375kA/mmが得られる150mAと選択され、均一な電流密度Jh=0.625kA/mmに基づいて計算された。
【0042】
実行されたシミュレーションは磁気特性のみに絞られ、電流密度による熱、巻回間の電気的分離の質、あるいは材料特性の不均質性または不完全性(たとえばB、μr、Hc)などのどんな影響も考慮の対象とはしなかった。以下の設計の態様が考慮された。
【0043】
コア材料
外部磁界の影響の下で導体のコアを飽和することにより、外部磁界を測定するために、コアの飽和磁化Bは低くなければならない。ノイズを減らすためには、コア内の磁気歪みの影響も低いことが望ましい。これは、ガラス状合金などの、好結晶軸を持たない非結晶材料を使用することで達成可能である。残念ながら、ガラス状合金を基板上に蒸着することはできない。基板上に蒸着する材料の候補には、すでに述べたNi78Fe22合金(パーマロイ)、ニッケルそれ自体、および他のNe65Fe35などのNi/Fe合金がある。Niコアは十分に飽和しない。Ne65Fe35合金はパーマロイと同様に適切に飽和するが、結晶異方性または磁気歪みがないのはパーマロイのみである。
【0044】
コア直径(φ)
コアの飽和を達成するために、コアの長さは、積み重ねた平面螺旋コイルの軸長さとほぼ同じでなければならない。直径が長くなると減磁係数が減少することになるため、コアのアスペクト比(直径/長さ)は重要である。これは、飽和保磁力Hcの高いコア材料によって打ち消すことができる。ただし、そのためには磁気歪みにつながる結晶異方性の高い材料を使用することになる。そこで、上記の「コア材料」で論じた問題が生じる。
【0045】
コア長さ(l)
螺旋コイルは比較的平坦、すなわち軸方向に薄く、放射状に広がっている。これにより、コイル内および密接な間隔をあけて積み重ねられたコイル内に、磁界が強力に集中することになる。したがって、積み重ねられた螺旋コイルが占有する軸長さと同じ軸長さのコアを使用することが好ましい。コアの長さを短く維持することも、検知装置の軸方向または長さ方向の適切な分解能を達成する際に有利である。
【0046】
螺旋コイルの数(C)
複数のまたは積み重ねられた、軸方向に分離した螺旋コイルを使用することについては、すでに本発明の実施形態例で例証した。直近の各螺旋に与える影響はかなり大きいものである。各螺旋の力線はその隣の螺旋の力線に近いため、コア内の軸方向の場を増大させる。すでに述べたように、時計回りに巻回された対の中に偶数の螺旋があることが好ましく、C=4の値が有利であるが、C=6以上であればさらに良い。図7(a)および(b)を参照しながら述べたように、蒸着プロセスによって形成される螺旋数が増加するにつれて、形成される各螺旋コイルの寸法が不正確となる確率が増加し、その結果、C=6を超えても期待された恩恵をもたらすとは限らない場合がある。さらに、コア長さも増加することになる。
【0047】
コイルあたりの巻回数(n)
螺旋コイルの巻回数が増加するにつれて、外側の巻回がコア内の磁束に与える影響は少なくなる。本発明の実施において企図された寸法では、現在のところ、20から30までの巻回数を使用するのが好ましい。巻回数30を超えると、コア磁束が強化される程度は小さくなっていく。
【0048】
導体層の厚さ(t)
層厚さが増加するにつれて、たとえコア材料の容積が増加しても、コアの磁化の均一性(均質な磁化)を損なうことなく、積み重ねられたコイル全体の長さは増加する。さらに、導体層が厚くなる(ただし同じ幅w)と、同じ許容電流密度に対する巻回中の電流は増加する。これにより、コア内の飽和された材料の量が増加する。現在のところ、導体層厚さはt=16μmが好ましい。
【0049】
螺旋コイル間隔(d)
導体層厚さの増加の影響に対して、隣接する導体層間の間隔または分離が増加すると、同様にコア長さも増加するが、コア磁化の均質性は低下することになる。前述の実施形態では、間隔はd=10μmが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】(a)は、本発明に従った可飽和インダクタを形成するための、コアを備えた平面螺旋コイルの構造を示す図であり、(b)は、寸法パラメータの注釈が付けられた螺旋コイルの一部を示す拡大図である。
【図2】互いに重ねられた巻回方向が反対の1対の螺旋コイルの正面図である。
【図3】本発明に従った可飽和インダクタを提供する、中心コア内に同じ方向の軸方向場を生成するように構造化および相互接続された、1対の平行な平面螺旋コイルの軸断面図である。
【図4】図3の構造の中央部分を示す拡大図である。
【図5】2対の4つの平行な平面螺旋コイルを使用する本発明に従った可飽和インダクタの他の実施形態を示す、軸方向断面図である。
【図6】図5の構造の中央部分を示す拡大図である。
【図7】(a)および(b)は、螺旋コイルおよびコアの製造プロセスにおける各段階を示す図である。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates to a magnetic field sensing device, and more particularly, but not exclusively, to a sensing device for use with a magnetized transducer element that generates a magnetic field that is a function of applied torque or force. . The invention further relates to a detection circuit incorporating such a detection device. Such a circuit is also called a signal processing circuit.
[Background]
[0002]
In recent years, magnetic transducers have been increasingly applied to measure shaft torque. The magnetized transducer element is provided on the shaft and becomes its magnetized region. A non-contact sensing device comprising one or more sensing devices is arranged adjacent to the area. Non-contact sensing devices are particularly advantageous when the torqued shaft is rotating. Permanently magnetized transducer elements that generate a torque-dependent magnetic field can be considered passive in that they do not require active excitation to magnetize the transducer element. It is advantageous for operation.
[0003]
Various types of sensing devices are known, including Hall effect devices and magnetoresistive devices, and what are known as saturated or saturable core inductors. Each of these types of devices currently available has various practical problems.
[0004]
Hall effect devices are basically produced in the form of a plane, whose maximum sensitivity is perpendicular to the device surface. If the surface of the device is radial, for example with respect to the axis of rotation of the shaft, the Hall effect device is sensitive to components directed in the axial direction of the magnetic field (in-line) and allows high lateral resolution in the axial direction. . The lateral resolution is not so high when the device is oriented at 90 ° to the radial plane in order to detect radial magnetic field components. The main drawbacks of the Hall effect device are its low sensitivity and resolution, and it is not a suitable detector for small magnetic fields often found in magnetic transducers.
[0005]
Magnetoresistive (MR) devices are classified into two types: anisotropic magnetoresistors (AMR) and giant magnetoresistors (GMR). Recently, the latter is more preferred. Both types of devices are originally in the form of a plane, and a change in resistance according to the area of the region of the device is seen, so the sensitivity must be balanced against the resolution. Even the thinness of these devices limits the area of the magnetic field that can be detected. Although higher lateral resolution is possible than known saturable inductor devices, it does not have as good a range as the Hall effect device, so a compromise between resolution and sensitivity must be found as described above.
[0006]
The saturable core sensing device includes an inductor in the form of a coil spirally wound around the core. For example, the core may be of a material available from Allied Signal under the name 2705M. This is a saturable high permeability cobalt-based amorphous glassy alloy foil. One or more such inductors can be connected to a signal processing circuit as disclosed in WO 98/52063 (WO 98/52063). Saturable core detectors can be made with high sensitivity and two or more inductors are offset by a common external field such as the geomagnetic field, but act additively on the measured magnetic field Thus, it can be connected in series in the signal processing circuit. The saturable core detector has maximum sensitivity in the axial direction of the coil. The response pattern is circularly symmetric about the axis.
[0007]
A drawback of current saturable inductor sensing devices is their lack of lateral resolution. Typically, these devices are 4-8 mm long and 2 mm in diameter. The length dimension determines the lateral resolution for the axial magnetic field component. The response of the sensor is essentially the integration of the detected field along the length of the device, and the field can vary in both magnitude and direction over that length.
[Patent Document 1]
International Publication No. 98/52063 (WO98 / 52063)
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0008]
Therefore, there is still a need for a magnetic field detection device with high resolution and high sensitivity.
[Means for Solving the Problems]
[0009]
According to the present invention, it is proposed to provide such a detection device by means of a helical coil formed around a core. The helix is essentially a plane, and preferably the plane is perpendicular to the axis through the core. Such techniques can be realized in essentially planar form using fabrication techniques known in semiconductor manufacturing. The sensing device can have a plurality of spatially parallel helical coils, preferably even, all acting on a single core element with a small overall length dimension.
[0010]
As discussed below, the coil and the insulating (separating) material supporting the coil can be formed using semiconductor manufacturing techniques, and the core can be provided as a separate object inserted into the axial hole. The holes are formed by a drill during the manufacturing process for the electrical structure or after manufacturing. The core may be part of a wire of a suitable magnetic material such as permalloy. The required magnetic properties are discussed further below.
[0011]
A sensing device embodying the invention comprises means for driving the sensing device to or from saturation, and a signal that depends on the parameters of such drive as a measure of the detected magnetic field in response to driving the sensing device. Can be connected as a magnetic field sensing element in the sensor circuit.
[0012]
A sensing device embodying the present invention can find particular application as a saturable inductor in the signal processing circuit disclosed in the aforementioned WO 98/52063.
The aspects and features of the invention are set forth in the appended claims.
Preferred circuit configurations for measuring the magnetic field in order to use a saturable inductor according to the invention are described in claims 8, 9 and 10. The circuit configuration itself is described in WO 98/52063, which is incorporated herein by reference.
[0013]
Coils used in the practice of the present invention can be manufactured with small dimensions called microcoils. Proposals for manufacturing microcoils have already been made. They are applied as part of thin film write heads for data storage applications, but are not used as read heads to detect magnetic fields because of their extremely low sensitivity. Another proposal is to provide an actuator that uses a pair of opposed helical coils to generate forces during coil turns by local interaction of the magnetic field created by the current flowing through the coils. is there. The Institute for Microtechnology (IMT) at Braunschweig University, Germany, has successfully produced a pair of microcoils for this purpose. This coil system has no magnetic core. Of interest with respect to actuators is the force that can be generated between the current in one coil turn and the current in the other coil turn. The work done so far is a verification of the feasibility of producing a planar helical coil structure, but it is not known if a practical actuator has already been created.
[0014]
It will be appreciated that the helical coil investigated in the proposal outlined above has not been applied to the detection of magnetic fields. In contrast, the present invention is directed to structures relating to magnetic field sensing applications. The detection device uses a saturable core. A detection device embodying the present invention is directed to combining high sensitivity and high resolution as previously discussed. The invention and its implementation will be discussed in more detail with reference to the accompanying drawings.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0015]
FIG. 1A shows a saturable inductor 1 in the form of a single-layer spiral coil formed by a single spiral plane winding 10 extending clockwise (cw) from an outer end 31 to an inner end 32. FIG. The winding includes a plurality of windings, and one winding can be regarded as a winding rotated 360 ° around the central axis 50 with respect to the radial wire 12 or the like. In the example shown, the windings are of uniform winding with a uniform width w and spacing s shown more clearly in FIG. 1 (b) and a uniform thickness perpendicular to the plane shown in FIG. and formed of a layer of conductive material having t. As can be seen from FIG. 3 and FIG. 4, the saturable core 20 that is assumed to have a round cross section is disposed in alignment with the central axis 50. The coil windings are preferably wound relatively tightly so that every turn is substantially circular so that the magnetization across the cross section of the core 20 is uniform (uniform), so that the radius It changes relatively slowly as a function of the central angle. This is discussed in more detail below.
[0016]
Accordingly, the winding pitch is (w + s), and as a result, the radius is increased by one (w + s) to one winding (angle 2 mm). Other relevant dimensional parameters are shown in FIG. 4 and the following describes the design and manufacture of a saturable inductor embodying the present invention and discusses the effects of relative changes in certain parameters. The parameters s and w are shown in FIG. 1 (b), which shows a part of two adjacent turns of the spiral 10, and the turns are shown shaded.
[0017]
When a positive current flows from end 31 to end 32, the coil generates a magnetic field perpendicular to the coil along axis 50 to act on core 20. In the case of the winding direction of cw shown in the figure, the magnetic field direction of the axis is from the plane of FIG.
[0018]
Preferably, the core material is saturated magnetization B S 1 Tesla (10 4 Less than Gauss). Furthermore, the crystal material has a small crystal anisotropy constant (K) and magnetostriction constant (λ) to minimize noise sources due to internal stresses induced in the core material during the described deposition process. There must be. Suitable materials that meet these requirements are permalloy (Ni / Fe alloys with other less important components (Ni 78 Fe 22 )), And its K and λ values are close to zero. Permalloy can be deposited by electroplating, sputtering, and other deposition techniques, and then etched.
[0019]
In the described planar manufacturing technique, it is more convenient to make an external connection to the outer end 31 than to the inner end 32 of the helical coil 1. The convenience of having an external connection outside the inductor also applies to a pair of three-dimensional parallel spiral coils wound around the axis 50 in opposite directions (one cw, one ccw). . The inner ends are connected to each other, and excitation power is applied to the outer ends to excite the series coils. By having spirals in opposite directions, magnetic flux in the same direction is generated in the core. The use of multiple helical coils is also advantageous to achieve the desired saturation of the core. Also, using a plurality of parallel coils is consistent with using an axially long core that is advantageous in reducing core demagnetization. These elements are discussed in detail below.
[0020]
FIG. 2 is a front view showing a pair of helical coils 10a and 10b wound in opposite directions, shown one over the other (hence the interference pattern), with each inner end 32a. And 32b and can be excited at the respective outer end portions 31a and 31b. The coils act to generate magnetic flux in the same direction in the common core 20. In practice, as can be seen in FIGS. 3 and 4, the coils 10a and 10b are in a spaced parallel plane perpendicular to the axis 50.
[0021]
FIG. 3 is a diagram illustrating the diametrical axes of a pair of coils 10a and 10b with windings such as 41a, 41b and 42a, 42b shaded. The turns 41a, 42a are in the same spiral coil (10a), but are shown separately because the current direction in them is opposite with respect to the plane of the figure, the turns 41b of the coil 10b, The same applies to 42b. In the diametrical cross section shown, the coil turns 10a, 10b are axially aligned and overlapped as can be seen from the front view of FIG. It will be appreciated that the turns are staggered or alternated at 90 ° relative to the diametrical cross section of FIG. FIG. 4 is an enlarged view showing a central portion of the structure of FIG. FIG. 4 also shows the coil layer thickness parameter t, which is the axial thickness.
[0022]
3 and 4, it can be seen that the core extends through both coils. Inner end portions 32a and 32b preferably overlap as seen in the front view and are connected by an axial through bridge 44 to connect the coils in series. By connecting the outer ends 31a and 31b to an excitation power source (not shown), the current in the winding on one side of the shaft 50 is shown in a current direction perpendicular to the plane of the drawing at 40a and 40b. Thus, in the two coils 10a and 10b are opposite and on the other side of the shaft 50 are opposite as shown by 40a 'and 40b', it still remains in the opposite direction in the two coils is there. The current acts additively to generate a magnetic field H in the core 20 in a direction along the axis 50. As a result, the magnetic flux and magnetization generated in the core 20 are also originally axial.
[0023]
FIG. 4 also shows other dimensional parameters discussed below. It is the distance d between adjacent layers, the diameter φ of the core 20 and its axial length l.
The above concept can be extended to other pairs of helical coils as shown in FIGS. In addition to the coil pairs 10a, 10b, there are other similar coil pairs 10c, 10d. The core 20 extends through all four coils spaced in parallel.
[0024]
As in FIGS. 3 and 4, the winding turns, for example 41a, 41d, and 42a, 42d, are shown shaded. The coils 10a and 10b are connected by a bridge 44a at their inner ends, and the coils 10c and 10d are similarly connected by a bridge 44b. The coils arranged in order along the axis have alternating winding directions, for example, cw-ccw-cw-ccw. The outer end of the coil 10b is connected to the outer end of an adjacent coil 10c by an axially oriented bridge 46, so that the coil is a power source (not shown) connected to the ends 31a and 31d. Electrically connected in series with respect to excitation by.
[0025]
The same current flows in each coil. The resulting alternating current direction is indicated by 40a-d on the upper side of the axis and 40a'-d 'on the lower side of the axis, and the directions are reversed. It will be appreciated that other winding directions and interconnections (eg, parallel and series / parallel combinations) are possible provided that each coil produces a magnetic field in the same direction in the core. It will also be appreciated that although an odd number of coils can be used, by making it even, all external connections can be made at the outer periphery of the coil assembly.
[0026]
The helical coil may be any conductive material having a low resistivity, and is preferably a non-magnetic material. Among these conductors are aluminum, copper, and gold. By selecting a non-magnetic material, a parasitic magnetic field is prevented from being generated in the conductor itself.
[0027]
As already indicated above, the helical coil structure described above can be implemented using techniques known in the semiconductor and related fields, and this structure is relative to the orientation shown in FIGS. Each layer is manufactured using a 90 ° coil. The manufacturing steps are illustrated in FIGS. 7 (a) and (b).
[0028]
FIG. 7 (a) shows a first layer of a conductive material such as Al, Cu, Au, for example, deposited using masking, such as photolithography and, where applicable, etching techniques well known in the art. FIG. 2 is a diagram showing an insulating layer or substrate 100 forming a helical coil 110a. A central boss 120 of core material such as permalloy is also deposited on the first layer. Next, for example, AlO2 or SiO 2 Followed by another layer 102 of oxide insulating material, such as 122 and 124, as shown in FIG. 7 (b). The opening 122 overlaps the inner end of the coil 110 a, and the opening 122 overlaps the core 124.
[0029]
When the second helix 110b is deposited on the layer 102, a conductive material is deposited through the opening 122 to form a bridge connection 144 at the inner ends of the coils 110a and 110b. The core material will be deposited through the openings 124 to form the extension 120 ′ of the core 120. This manufacturing step is repeated to form other planar helical coils that are stacked on adjacent coils and spaced axially. However, it should be noted that according to the scheme of FIGS. 5 and 6, the next coil layer above 110b is separated from layer 110b at the inner end and bridged at the outer end.
[0030]
The formation of the electrical components of the structure of FIGS. 7 (a) and (b) may be separate from providing a magnetic core. The structure includes a core opening 124, but can be manufactured without vapor deposition of the core material. The core can be inserted into the hole as part of another entity, eg, a wire of core material. In the case of manufacturing one layer at a time, the opening 124 may be omitted initially, and as a result, the shaft portion is made of an insulating material. The structure can then be drilled to accept the core as another entity as described above. In these situations, the inner end of the coil is spaced further away from the coil and spaced radially, increasing the coil thickness t to compensate for any subsequent loss of the magnetic field in the core. Can prove desirable. The various parameters of the sensing device made in accordance with the above teaching will now be discussed.
[0031]
The helical coil of the described embodiment is “circular”, ie in the form of r = pθ, where r is the radius, θ is the angle about the axis, and p is a constant. It should be noted that other helical shapes can be adapted, but it is desirable that the magnetization in the core be homogeneous. Of course, the cross section of the core can be other than circular, and the shape of the winding can be selected based on the shape of the cross section.
[0032]
For the reasons already described, the preferred minimum configuration for a coil system consists of two spirals (FIGS. 2 and 3) with a common core. In principle, in a coil system, there are no restrictions on the direction and connection of the spiral. As already mentioned, the preferred design of the coil system is to produce a continuous spiral conductor layer with alternating winding directions, connecting the pair of spirals by a connection made at the inner end of the pair. As well as connecting successive pairs (assuming there are multiple pairs) at the outer ends of adjacent spirals. This is the design method adopted in FIG. The outer ends of the outermost two spirals of the complete group are then used for sequential excitation of the group. By combining this winding direction and interconnection, the current applied to all the spirals produces a magnetic flux in the same direction that is induced in a common core. By using an even number of spirals in the coil system, the connection leads of the circuit that will connect the saturable inductor can always be connected outside the spiral.
[0033]
This eliminates the need to add another layer for leads from the excitation power source to connect the central ends of the helix. Using separate leads to contact each helix individually allows the same winding direction to be used for each coil, but creates additional layers, resulting in a layer that is always later deposited as a result. It becomes less flat. Layer flatness is important in achieving a uniform field distribution. On the one hand, the benefits of using more coil layer pairs to saturate the core more appropriately and increase sensitivity, and on the other hand, increase the dimensional error in the manufacturing process, and the longer the core, the more loss of resolution. There must be a balance between them.
[0034]
The number of turns of the helix must be optimized according to the resulting bundle density and lead resistance (given by resistivity and lead length) induced in the core. Increasing the number of turns does not necessarily increase the resulting bundle density at the same rate, but increases the overall resistance and hence the power consumption of the coil system. For a given cross section of leads, eg 16 μm (thickness) × 20 μm (width) and copper, it is preferable to select 20 turns for each helix in the region in terms of resistance and achievable bundle density . Depending on any other cross section of the lead, different turns may result as a result.
[0035]
By using four spiral sets, a coil system with more turns and longer cores can be achieved. Assuming all coils are connected in series, doubling the number of spirals will surely increase the resistance (and power consumption) of the saturable inductor, but the bundle density induced in the core will be the same Increases by a factor. What is actually more important than increasing the number of spirals is the core geometry. When both have the same core diameter, a short core in the axial direction has a lower demagnetization coefficient N than a long core (0 <N <1). A large demagnetization factor N results in a demagnetizing field at the open end of the core, which cannot be fully saturated by the coil system. The longer the core, the less impact it has on the percentage of core volume that cannot be saturated and thus the efficiency of the system. In view of these factors, six or more spirals (three pairs) would be preferred to achieve an acceptable core demagnetization factor N.
[0036]
It is contemplated that the magnetic field sensing device according to the present invention can be manufactured to have an axial length in the range of 0.1 to 0.2 mm and a diameter in the range of 1 to 2 mm.
One or more saturable core inductors of the present invention can be used as the inductor L in the signal processing circuit described in the aforementioned WO 98/52063, whereby the inductor senses An output representing the magnetic field is provided.
[0037]
The foregoing has described coefficients and dimensional parameters that can affect the performance of a saturable inductor as a saturated core detector for magnetic fields. The core must operate in a manner that is sensitive to an external magnetic field that acts in conjunction with the magnetic field generated by the coil structure associated with the core. The operation of the saturated core in the presence of a detected external magnetic field is to produce an output signal that is a function of the detected field. One way of operating a saturated core for this purpose is disclosed in the aforementioned WO 98/52063.
[0038]
Studies have been conducted to investigate the design of saturated inductors and the manner of distribution of magnetic fields in and around them. This research has been done by computer simulation. In general, it is important to adopt a design where the entire core is saturated as much as possible. A fully saturated core can be described as being homogeneously saturated, and the quantitative degree of saturation can be expressed as saturation homogeneity.
[0039]
In the computer simulation, the aforementioned Ni / Fe alloy, Ni 78 Fe 22 Selected. This material has no crystal anisotropy K and no magnetostriction λ. In the manufacturing process described earlier, the magnetic properties cannot be known in detail, but a suitable operating estimate for the selected dimension, ie the saturation magnetization B S = 0.8T, coercivity Hc = 2.4 A / m, and permeability μr = 1000 could be achieved.
[0040]
As the coil conductor material, copper having a cross section (t × w) of 8 μm × 20 μm was selected. A preferred thickness obtained from the simulation discussed below is 16 mm. When the pitch (w + s) per turn of the helical coil was 30 μm, the interval s between adjacent turns was selected as 10 μm.
[0041]
In the simulation procedure, the current density was considered to be present in the winding, the width being taken to be the total winding pitch (w + s) where there was a uniform (homogeneous) DC density Jh. The value of Jh is the current density relationship Jh = J. The ratio of the actual conductor width w to the total pitch (w + s) to obtain w / (w + s) = J / 1.5 is related to the current density J in the winding width w. The excitation current I is the current density J = 0.9375 kA / mm in the simulation model. 2 Is selected to be 150 mA, and a uniform current density Jh = 0.625 kA / mm 2 Calculated based on
[0042]
The simulations performed were limited to magnetic properties only, heat due to current density, quality of electrical separation between turns, or inhomogeneous or incomplete material properties (eg B S , Μr, Hc) etc. were not considered. The following design aspects were considered.
[0043]
Core material
In order to measure the external magnetic field by saturating the core of the conductor under the influence of the external magnetic field, the saturation magnetization B of the core S Must be low. In order to reduce noise, it is desirable that the influence of magnetostriction in the core is also low. This can be achieved by using an amorphous material such as a glassy alloy that does not have a crystallization axis. Unfortunately, glassy alloys cannot be deposited on the substrate. The candidates for the material to be deposited on the substrate include the Ni described above. 78 Fe 22 Alloy (permalloy), nickel itself, and other Ne 65 Fe 35 Ni / Fe alloys such as The Ni core is not fully saturated. Ne 65 Fe 35 The alloy saturates as well as permalloy, but only permalloy has no crystal anisotropy or magnetostriction.
[0044]
Core diameter (φ)
In order to achieve core saturation, the length of the core must be approximately the same as the axial length of the stacked planar helical coils. As the diameter increases, the demagnetization factor decreases, so the aspect ratio (diameter / length) of the core is important. This can be counteracted by the core material having a high coercivity Hc. However, for this purpose, a material having high crystal anisotropy that leads to magnetostriction is used. Therefore, the problem discussed in the above “core material” arises.
[0045]
Core length (l)
The helical coil is relatively flat, i.e. thin in the axial direction and spreads radially. As a result, the magnetic field is strongly concentrated in the coil and in the coil stacked at a close interval. Therefore, it is preferable to use a core having the same axial length as that occupied by the stacked helical coils. Keeping the core length short is also advantageous in achieving adequate resolution in the axial or longitudinal direction of the sensing device.
[0046]
Number of spiral coils (C)
The use of multiple or stacked axially separated helical coils has already been illustrated in the example embodiments of the present invention. The effect on each of the latest spirals is quite large. Since each helix field line is close to the next helix field line, it increases the axial field in the core. As already mentioned, it is preferred that there be an even number of spirals in the pair wound clockwise, and a value of C = 4 is advantageous, but it is even better if C = 6 or more. As described with reference to FIGS. 7 (a) and (b), as the number of spirals formed by the deposition process increases, the probability that the dimensions of each spiral coil formed will be inaccurate increases, and As a result, exceeding C = 6 may not always provide the expected benefits. Furthermore, the core length will also increase.
[0047]
Number of turns per coil (n)
As the number of turns of the helical coil increases, the influence of the outer turns on the magnetic flux in the core decreases. For the dimensions contemplated in the practice of the present invention, it is currently preferred to use 20 to 30 turns. When the number of windings exceeds 30, the degree to which the core magnetic flux is strengthened decreases.
[0048]
Conductor layer thickness (t)
As the layer thickness increases, the overall length of the stacked coils increases without compromising the uniformity of the core magnetization (homogeneous magnetization), even if the volume of the core material increases. Furthermore, as the conductor layer becomes thicker (but with the same width w), the current during winding for the same allowable current density increases. This increases the amount of saturated material in the core. At present, the conductor layer thickness is preferably t = 16 μm.
[0049]
Spiral coil spacing (d)
As the spacing or separation between adjacent conductor layers increases due to the effect of increasing conductor layer thickness, the core length increases as well, but the homogeneity of the core magnetization decreases. In the above-described embodiment, the distance is preferably d = 10 μm.
[Brief description of the drawings]
[0050]
FIG. 1 (a) shows the structure of a planar helical coil with a core to form a saturable inductor according to the present invention, and (b) is annotated with dimensional parameters. It is the enlarged view which shows some helical coils.
FIG. 2 is a front view of a pair of spiral coils that are stacked on each other and have opposite winding directions.
FIG. 3 is an axial cross-section of a pair of parallel planar helical coils structured and interconnected to produce an axial field in the same direction within a central core providing a saturable inductor according to the present invention. FIG.
4 is an enlarged view showing a central portion of the structure of FIG. 3;
FIG. 5 is an axial cross-sectional view showing another embodiment of a saturable inductor according to the present invention using two pairs of four parallel planar helical coils.
6 is an enlarged view showing a central portion of the structure of FIG. 5;
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing each stage in the manufacturing process of the helical coil and the core. FIGS.

Claims (10)

可飽和コアと前記コアを通る軸廻りに延在する導電性巻線とを含む、可飽和インダクタ類の磁界検知装置であって、前記巻線は、
本質的にそれぞれの平面で螺旋状に巻回される少なくとも1つのコイルを含むことを特徴とする磁界検知装置。
A magnetic field sensing device for saturable inductors, comprising a saturable core and a conductive winding extending about an axis passing through the core, the winding comprising:
A magnetic field sensing device comprising at least one coil essentially spirally wound in each plane.
前記平面が前記軸に対して垂直であることを特徴とする請求項1に記載の磁界検知装置。The magnetic field detection apparatus according to claim 1, wherein the plane is perpendicular to the axis. 前記巻線が、それぞれの外端部間に直列の電流経路を提供するために2つの螺旋コイルの内端部が互いに接続された、巻回方向が反対のそれぞれの螺旋状に巻回された2つの隣接するコイルを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の磁界検知装置。The windings were wound in respective spirals with opposite winding directions, with the inner ends of the two helical coils connected to each other to provide a series current path between the respective outer ends. The magnetic field detection device according to claim 1, comprising two adjacent coils. 少なくとも前記螺旋コイルが1層ずつ製造され、絶縁材料によって間隔をあけて配置されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁界検知装置。The magnetic field detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein at least the spiral coil is manufactured one layer at a time and is arranged at an interval by an insulating material. 前記螺旋コイルの数が少なくとも4つであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁界検知装置。The magnetic field detection apparatus according to claim 1, wherein the number of the helical coils is at least four. 前記コアがパーマロイ材料から作られることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁界検知装置。6. The magnetic field detection device according to claim 1, wherein the core is made of a permalloy material. 磁界を検知する検知回路であって、
磁界に反応する磁界検知装置と、
前記検知装置を飽和へまたは飽和から駆動させるための手段と
前記検知装置の前記駆動に応答して、検知された磁界の尺度としてそのような駆動のパラメータに依存する信号を生成する手段とを含むことを特徴とする検知回路。
A detection circuit for detecting a magnetic field,
A magnetic field detector that reacts to a magnetic field;
Means for driving the sensing device to or from saturation and means for generating a signal in response to the driving of the sensing device that is dependent on parameters of such driving as a measure of the sensed magnetic field. A detection circuit characterized by that.
磁界を測定するための回路構成であって、
測定される磁界を検知するための可飽和インダクタと、
連続する半分のサイクルで反対方向にインダクタを飽和させる電圧波形をし、前記インダクタを駆動するために前記インダクタに接続された発振器回路と、
磁界により連続する半分のサイクルでの飽和の不均衡を表す出力信号を生成するために前記インダクタに接続された、電流電圧変換器を含む手段とを含み、
前記発振器回路が、前記不均衡の尺度である発振器サイクルあたりのインダクタ内の平均電流を生成するために、前記インダクタを駆動するように動作可能であり、
前記電流電圧変換器が、前記平均電流を表す電圧を生成するために前記平均電流に応答するものであって、
前記可飽和インダクタが、請求項1乃至6のいずれかに記載の少なくとも1つの磁界検知装置を含むことを特徴とする回路構成。
A circuit configuration for measuring a magnetic field,
A saturable inductor for detecting the magnetic field to be measured;
An oscillator circuit connected to the inductor to drive the inductor, having a voltage waveform that saturates the inductor in the opposite direction in half consecutive cycles;
Means including a current-voltage converter connected to the inductor to generate an output signal representative of a saturation imbalance in a continuous half cycle by the magnetic field;
The oscillator circuit is operable to drive the inductor to generate an average current in the inductor per oscillator cycle that is a measure of the imbalance;
The current to voltage converter is responsive to the average current to generate a voltage representative of the average current;
A circuit configuration, wherein the saturable inductor includes at least one magnetic field detection device according to any one of claims 1 to 6.
磁界を測定するための回路構成であって、
測定される磁界を検知するための可飽和インダクタと、
連続する半分のサイクルで反対方向にインダクタを飽和させる電圧波形を有する、前記インダクタを駆動するために前記インダクタに接続された発振器回路と、
磁界により連続する半分のサイクルでの飽和の不均衡を表す出力信号を生成するために前記インダクタに接続された手段とを含み、
前記発振器回路が、前記電圧波形を生成するために2つの状態を切替え可能な手段と、前記切替え可能な手段に接続され、前記切替え可能な手段を連続する半分のサイクルのほぼ等しい大きさの電流で切り替えさせるように前記インダクタを通る電流に応答する、電流検知手段とを含むものであって、
前記可飽和インダクタが、請求項1乃至6のいずれかに記載の少なくとも1つの磁界検知装置を含むことを特徴とする回路構成。
A circuit configuration for measuring a magnetic field,
A saturable inductor for detecting the magnetic field to be measured;
An oscillator circuit connected to the inductor to drive the inductor having a voltage waveform that saturates the inductor in the opposite direction in half consecutive cycles;
Means for generating an output signal representative of a saturation imbalance in a continuous half cycle by the magnetic field,
The oscillator circuit is connected to the switchable means for generating two voltage states to generate the voltage waveform, and the switchable means is connected to the switchable means, and the current of approximately equal magnitude in half successive cycles. Current sensing means responsive to the current through the inductor to be switched at
A circuit configuration, wherein the saturable inductor includes at least one magnetic field detection device according to any one of claims 1 to 6.
磁界を測定するための回路構成であって、
測定される磁界を検知するための可飽和インダクタと、
インダクタ内の電流流れが、連続する半分のサイクルで反対方向にインダクタを飽和させる電圧波形を有する、前記インダクタを駆動するために前記インダクタに接続された発振器回路と、
磁界により連続する半分のサイクルでの飽和の不均衡を表す出力信号を生成するために前記インダクタに接続された、電流電圧変換器を含む手段とを含み、
前記発振器回路が、前記不均衡の尺度である発振器サイクルあたりのインダクタ内の平均電流を生成するために、前記インダクタを駆動するように動作可能であり、
前記電流電圧変換器が、インダクタの電流が流れる回路パス内で接続され、前記平均電流を表す電圧を生成するために前記インダクタ内の平均電流に応答するものであって、
前記可飽和インダクタが、請求項1乃至6のいずれかに記載の少なくとも1つの磁界検知装置を含むことを特徴とする回路構成。
A circuit configuration for measuring a magnetic field,
A saturable inductor for detecting the magnetic field to be measured;
An oscillator circuit connected to the inductor to drive the inductor, wherein the current flow in the inductor has a voltage waveform that saturates the inductor in the opposite direction in half consecutive cycles;
Means including a current-voltage converter connected to the inductor to generate an output signal representative of a saturation imbalance in a continuous half cycle by the magnetic field;
The oscillator circuit is operable to drive the inductor to generate an average current in the inductor per oscillator cycle that is a measure of the imbalance;
The current-voltage converter is connected in a circuit path through which an inductor current flows and is responsive to the average current in the inductor to generate a voltage representative of the average current;
A circuit configuration, wherein the saturable inductor includes at least one magnetic field detection device according to any one of claims 1 to 6.
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