KR20030031142A - 자기 검출장치 - Google Patents

Abstract

소형, 저비용, 저소비전력의 자기 검출장치를 제공하는 것을 목적으로 하고, 그 목적을 달성하기 위해, 자기 임피던스 효과를 갖는 자기 임피던스 소자(1)에 대해, 바이어스용 코일(4) 및 부 귀환용 코일(5)를 수지 등에 의해 일체화 하여 구성하는 구조로 함으로써, 소자(1)와 코일(4, 5) 사이의 자기 저항을 저감시켜, 보다 적은 소비전력으로 바이어스 및 부 귀환 자계를 인가할 수 있도록 한다.

Description

자기 검출장치{MAGNETIC SENSOR}

종래, 자기 검출장치로서는 홀 소자나 자기 저항 소자가 널리 사용되고 있지만, 검출 감도의 점에서 만족할 수 있는 것이 적다. 그래서, 이 자기 저항 소자 대신에 고감도 자기 검출 소자로서, 예를 들면, 일본 특개평 6-281712호 공보에 개시되어 있는 비결정 와이어에 의한 자기 임피던스 소자나, 일본 특개평 8-075835호 공보에 개시되어 있는 박막 형상의 것이 제안되고 있다.

어떤 형상의 자기 임피던스 소자도 고감도의 자기 검출 특성을 나타내지만, 소자 자신의 자기 검출 특성은, 도 14에 도시한 비결정 와이어의 자기 임피던스 특성 예와 같이 비선형 특성을 갖기 때문에, 예를 들면, 일본 특개평 6-176930호 공보, 일본 특개평 6-347489호 공보와 같이, 바이어스 자계를 가함으로써 임피던스 변화의 인가 자계 의존성의 직선성을 개선하거나, 자기 임피던스 소자에 부 귀환 코일를 감고, 자기 임피던스 소자의 양단의 전압에 비례한 전류를 코일에 통전하여부 귀환을 행함으로써, 직선성이 우수한 자기 검출 소자를 제공하도록 하고 있다.

바이어스 자계는 자기 임피던스 소자에 감겨진 코일에 통전하는 방법이 일반적이므로, 바이어스용과 귀환용의 2종류의 코일을 감을 필요가 있어서 장치가 대형화 된다. 장치가 대형화 되면, 자기 임피던스 소자와 바이어스용 및 귀환용 코일의 자기 저항이 증가하기 때문에, 코일에 통전하는 전류를 증가시킬 필요가 생겨 저소비 전력화의 장애로 된다.

그 대책으로서, 자기 임피던스 소자를 가능한 한 소형화 함으로서 자기 임피던스 소자와 코일간의 자기 저항을 저감할 수 있지만, 비결정 와이어의 경우는 와이어의 장력 등의 차이, 즉 자기왜곡(磁歪) 효과의 차이에 의해 출력이 불균일하게 된다.

왜곡의 영향은 자기 감도가 작을수록, 즉 소자가 소형화 할수록 영향이 커지기 때문에, 비결정 와이어를 소형화 하면 자기 검출 정밀도가 올라가지 않으며, 온도 등에 의해 왜곡의 영향이 변하기 때문에 내환경성이 나쁜 등의 문제가 있다. 도 15에, 비결정 와이어를 이용한 소형 자기 검출장치의 예를 도시한다. 부호 Ｗ는 비결정 와이어, C는 코일를 나타낸다.

또한, 와이어 형상, 박막 형상의 어느 형상의 자기 임피던스 소자를 이용하는 경우에도, 자기 임피던스 소자의 제조시 재료(투자율, 저항율 등) 및 소자 치수(길이, 막두께, 막폭 등)의 편차에 의해, 소자 감도가 흐트러진다는 문제가 있다.

도 16에 자기 임피던스 소자의 검출 회로(자기 센서)의 종래예를 도시한다.

이것은, 자기 임피던스 소자(1)에 대해, 고주파 전류 발생기(OSC)로부터 고주파 전류를 흘린 때 얻어지는 출력을, 검파 회로(A) 및 증폭 회로(B)를 통하고 출력함으로써, 예를 들면 소자(1)의 임피던스를 구하는 것이다. 이 때, 출력의 조정은 가변 저항기(VR)에 의해 행한다.

그러나, 도 16과 같은 방식에서는, 상기한 소자 감도 편차를 하나의 가변 저항기(VR)밖에 조정할 수 없기 때문에, 편차의 저감화가 상당히 곤란하다는 문제가 있다. 또, 이와 같은 검출 회로를 이용하여 소자 감도 편차을 저감하기 위해서는, 1대씩 조정이나 교정을 행할 필요가 있어서 비용이 대폭적으로 올라간다. 가령, 조정, 교정이 행해졌다고 하더라도, 경시 변화에 의한 출력 드리프트의 교정은 할 수 없기 때문에, 보상 정도가 상승되지 않는다는 문제도 있다.

따라서 본 발명의 과제는, 내환경성이나 경시 변화에 의한 정밀도 저하가 없는, 고정도로서 저비용의 검출 회로를 제공하는데 있다.

본 발명은, 자기 임피던스 효과를 이용한 자기 검출장치, 특히 그 구조를 개량한 자기 검출장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태를 도시한 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 자기 검출장치의 제조 공정 설명도.

도 3은 도 1에서 이용되는 검지 회로 예를 도시한 블록도.

도 4는 자기 검출장치에 있어서의 교류 바이어스 설명도.

도 5는 자기 임피던스 소자에 있어서의 자기 발생 방향 설명도.

도 6은 자기 검출장치의 자계 검지 특성 설명도.

도 7은 자기 검출장치에 있어서의 자계 검지 방향 설명도.

도 8은 자기 실드의 설명도.

도 9는 본 발명의 제 2 실시 형태를 도시한 구성도.

도 10은 외란 자계의 제거 방법 설명도.

도 11은 본 발명의 제 3 실시 형태를 도시한 구성도.

도 12는 자기 검출장치에 있어서의 직류 바이어스 설명도.

도 13은 본 발명의 제 4 실시 형태를 도시한 구성도.

도 14는 비결정 와이어의 자계 임피던스 특성 설명도.

도 15는 비결정 와이어를 이용한 자기 검출장치를 도시한 개념도.

도 16은 검출 회로의 종래예를 도시한 회로도.

이와 같은 과제를 해결하기 위해, 제 1항의 발명에서는, 자기 임피던스 효과를 갖는 자기 임피던스 소자와, 이 자기 임피던스 소자의 양단에 교류 전류를 인가하는 단자와, 상기 자기 임피던스 소자에 바이어스 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자와, 상기 자기 임피던스 소자에 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 마련하고, 상기 자기 임피던스 소자와, 상기 바이어스 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자와, 상기 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 수지 성형에 의해일체화 하는 것을 특징으로 한다.

본 청구항 제 2항의 발명에서는, 자기 임피던스 효과를 갖는 한 쌍의 자기 임피던스 소자와, 이들 각 자기 임피던스 소자의 양단에 교류 전류를 인가하는 단자와, 상기 각 자기 임피던스 소자에 바이어스 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자와, 상기 각 자기 임피던스 소자에 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 마련하고, 상기 자기 임피던스 소자와, 상기 바이어스 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자와, 상기 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 각각 수지 성형에 의해 일체화 하는 것을 특징으로 한다.

본 청구항 제 2의 발명에 있어서는, 상기 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일은, 상기 쌍이 되는 자기 임피던스 소자에 대해 동일 방향의 자계를 부여하도록 하나의 코일로 구성할 수 있다(제 3 발명).

청구항 제 4항의 발명에서는, 자기 임피던스 효과를 갖는 적어도 2개의 자기 임피던스 소자와, 이들 각 자기 임피던스 소자의 양단에 교류 전류를 인가하는 단자와, 상기 각 자기 임피던스 소자에 바이어스 자계를 인가하기 위한 자석과, 상기 각 자기 임피던스 소자에 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 마련하고, 상기 자기 임피던스 소자와, 자석과, 상기 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 각각 수지 성형에 의해 일체화 하는 것을 특징으로 한다.

상기 청구항 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 발명에 있어서는, 상기 자기 임피던스 소자에 대해, 그 출력에 비례한 신호를 출력하는 회로부를 일체화 할 수 있다(제 5 발명).

상기 청구항 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 발명에 있어서는, 상기 자기 임피던스 소자로서 박막형의 것을 이용할 수 있다(제 6 발명).

도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태를 도시한 구성도로서, 부호 1은 박막 형상의 자기 임피던스 소자, 부호 3은 자기 임피던스 소자(1)의 외측에 형성된 수지제의 보빈으로서, 인서트 성형 등으로 제작한다. 부호 4는 자기 임피던스 소자(1)에 바이어스 자계를 인가하기 위한 코일, 부호 5는 자기 임피던스 소자(1)에 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일, 부호 6은 자기 임피던스 소자(1) 및 코일(4, 5)을 환경으로부터 보호하기 위한 수지제의 케이스로서, 인서트 성형등 으로 제작한다. 부호 2는 자기 임피던스 소자(1)의 양단에 고주파 전류를 인가하기 위한 단자 및 코일(4, 5)에 전류를 인가하기 위한 단자이다. 이상과 같이 구성된 자기 검출장치를 부호(10)으로 나타낸다.

도 2에 자기 검출장치의 조립 플로우를 도시한다.

우선, ①로 도시한 리드 프레임(20) 1조의 단자 사이에, 자기 임피던스 소자(1)를 ②로 도시한 바와 같이 접합한다. 이 접합 방법으로서는 솔더링, 접착, 본딩 등이 있다. 다음에, ③과 같이, 자기 임피던스 소자(1)를 접합한 리드 프레임(20)에, 보빈(3)을 수지 성형한다. 뒤이어 ④와 같이 리드 프레임을 컷트한 후, 바이어스용 코일(4)과 부 귀환용 코일(5)을 감는다. 그 위에, ⑥과 같이 케이스(6)를 수지 성형하고, 단자(2)를 절곡 가공하여 완성으로 된다.

박막 형상의 자기 임피던스 소자는 1㎜각 정도로 제작이 가능하기 때문에, 자기 검출장치(10)의 외형을 거의 5㎜각으로 할 수 있고, 자기 임피던스 소자(1)와코일(4, 5)과의 자기 저항을 대폭적으로 저감할 수 있다.

도 3에 검출 회로의 예를 도시한다.

동 도면에 있어서, 부호 80은 자기 임피던스 소자(1)에 고주파 전류를 인가하는 소자 구동부, 부호 81은 바이어스용 코일(4)를 구동한 바이어스용 구동부, 부호 82는 검파 회로, 부호 83, 84는 유지 회로, 부호 85는 차동 증폭 회로, 부호 86은 부 귀환용 코일(5)에 출력을 귀환하기 위한, 예를 들어 저항으로 이루어지는 귀환 소자, 부호 87은 차동 증폭 회로(85)의 출력 전압을 디지털 값으로 변환하는 전압/디지털 변환기, 부호 88은 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 보정 연산기를 각각 나타낸다.

즉, 외부 자계에 의한 임피던스의 변화를 검파 회로(82)로 검파 후에, 바이어스용 코일(4)에 인가하는 파형의 타이밍에 동기시켜, 유지 회로(83)에서 검파 파형의 (+)측을 유지함과 함께 유지 회로(84)에서 그 (-)측을 유지하고, 이러한 차를 차동 증폭 회로(85)에서 검출한다.

도 4는 자기 검출장치에 교류 바이어스를 인가한 때의 출력 설명도이다.

이것은 일반적인 자기 임피던스 소자의 특성을 나타내고, 영(零) 자계를 기준으로 자계의 방향에 관계 없이 임의의 센서 출력을 얻을 수 있는 양상을 도시한다.

도 4에 있어서, (a), (b)에서 도시하는 케이스 1은, 외부 자계가 제로인 상태에서, 자기 임피던스 소자(1)의 출력으로 본 플러스측의 출력과 마이너스측의 출력이 동등하게 되어 있기 때문에, 유지 회로(83, 84)의 각각의 출력은 동등하게 되고, 차동 증폭 회로(85)의 출력은 화살표(A)로 나타내는 바와 같이 제로로 된다.

도 4의 (c), (d)에서 도시한 케이스 2는, 외부 자계가 인가된 상태에서, 자기 임피던스 소자(1)의 출력으로 본 플러스측의 출력과 마이너스측의 출력차는 ΔV로 되기 때문에, 유지 회로(83, 84)의 각각의 출력차는 ΔV로 되고, 차동 증폭 회로(85)의 출력은 화살표(B)로 나타내는 바와 같이 α×ΔV(α：차동 증폭 회로의 게인)로 된다.

이상과 같이, 임의의 자계가 인가된 상태에서 알고 있는 자계를 바이어스용 코일에 인가하고, 그 때의 출력을 구함으로써, 자기 검출장치의 출력 감도를 자동적으로 구할 수 있기 때문에, 이상에 설명한 바와 같은 자기 검출장치를 이용함으로써, 환경 특성이나 경시 변화로서 자기 임피던스 소자(1)의 자기 감도가 변화하였다고 하더라도, 도 4에서 도시한 바와 같은 방법에 의해 자기 임피던스 소자(1)의 감도를 검출하고, 자동적으로 교정을 행하는 것이 가능하게 된다.

도 5는 자기 검출장치에 있어서의 자계의 발생 방향 설명도이다.

여기서는, 바이어스용 코일(4)의 외측에 귀환용 코일(5)이 감겨져 있지만, 귀환용 코일(5)의 외측에 바이어스용 코일(4)를 감도록 하여도 좋다. 화살표(C)로 나타내는 자기 임피던스 소자(1)의 자계 검지 방향에 대해, 부 귀환용 코일(5)에 의한 자계 방향을 역으로 함으로써, 자기 임피던스 소자(1)에의 인가 자계를 저감할 수 있기 때문에, 보다 넓은 범위의 자계 검지가 가능하게 된다.

도 6에 부 귀환 소자(86)를 임의로 선정한 경우의, 검지 자계에 대한 자기 검출장치의 출력 특성예를 도시한다. 부 귀환을 시행한 경우의 쪽이 광범위한 자계를 검지할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 7에 자기 검출장치에 의해 전류를 검지하는 경우의 구성예를 도시한다. 동 도 (a)는 사시도, 동 도 (b)는 상면도이다.

도 (a)와 같이, 전류를 인도하는 배선(12)을 갖는 기판(11)상에 자기 검출장치를 실장한 것으로, 전류(120)에 의해 발생한 동 도 (b)의 점선(D)과 같은 자속에 대한 자기 검출장치(10)의 배치에 의해, 자기 검출장치(10)의 출력 감도가 결정되기 때문에, 자기 검출장치(10)의 배치를 고려함으로써, 전류(120)의 크기에 따른 자기 검출장치(10)의 출력 감도 조정이 가능하게 된다. 또한, 도 (b)의 자기 검출장치(10)에 도시된 화살표(E)는, 자기 임피던스 소자(1)의 자계 검지 방향을 나타낸다.

도 8에 자기 검출장치를 이용하여 전류를 검지하는 경우의 자기 실드의 구성예를 도시한다. 이것은, 도 7에 도시한 것에 자기 실드(13)을 부가한 것으로, 그 형상은 전류(120)의 크기에 따라 적정화 하는 것이 필요하다.

도 9에 본 발명의 제2의 실시의 형태를 도시한다.

이것은, 도 1에 도시한 것에 대해, 2개의 자기 임피던스 소자(1a, 1b)를 이용한 점이 특징이다. 이렇게 하면, 2개의 소자의 출력차를 취할 수 있고, 이것에 의해 외란 자계의 영향을 제거하여 자계를 검지하는 것이 가능하게 되고, 보다 고정도인 검지가 가능하게 된다.

도 10은 외란 자계의 제거 방법 설명도이다.

동 도면에 있어서, 자계(S)에 대한 자기 임피던스 소자(1a, 1b)의 검지 자계를 Sa, Sb로 하여, 일률적인 외란 자계(N)에 대한 자기 임피던스 소자(1a, 1b)의 검지 자계를 N이라고 하면, 자기 임피던스 소자(1a, 1b)의 출력차는,

차동 출력 = 1a의 출력 - 1b의 출력

= Sa + N - (Sb + N) = Sa - Sb …(1)

로 되고, 일률적인 외란 자계(N)의 영향을 받는 일 없이 자계의 검지가 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 동 도면에 있어서 외란 자계(N)에 의한 자속을 화살표(N)로 나타내고 있다.

도 11에 본 발명의 제 3 실시 형태를 도시한다.

이것은, 도 9의 바이어스용 코일 대신에, (마이크로) 마그넷(7)을 이용한 점이 특징이다. 마이크로 마그넷(7)은 자기 임피던스 소자(1a, 1b)에 직류 바이어스를 인가하는 것으로, 바이어스용 코일를 이용하는 것에 비하여 바이어스용 코일에 통전하는 전류를 저소비 전력화 할 수 있다. 보통, 바이어스용 코일에는 약 30ｍA 정도의 전류가 필요함으로, 5V 구동시에 약 150ｍＷ의 저소비 전력화가 가능하게 된다.

도 12는, 도 11의 마이크로 마그넷에 의한 직류 바이어스 설명도이다. 동 도면의 외부 자계에 대한 센서의 출력 특성은, 일반적인 자기 임피던스 소자의 특성을 나타내고 있고, 영(zero) 자계를 기준으로 자계의 방향에 관계 없이 임의의 센서 출력을 얻을 수 있는 것을 나타낸다. 도 12의 (a), (b), (c)로 도시한 케이스 1은, 외부 자계가 제로의 상태에서, 자기 임피던스 소자(1a, 1b)의 출력이 동등하게 되어 있기 때문에, 유지 회로(83, 84)의 각 출력도 동등하게 되고, 차동 증폭회로(85)의 출력은 화살표(E)로 나타내는 바와 같이 제로로 된다.

또한, 도 12의 (d), (ｅ), (ｆ)로 도시한 케이스 2는, 외부 자계(ΔH)가 인가된 상태에서, 자기 임피던스 소자(1a, 1b)의 출력차가 ΔV로 되기 때문에, 유지 회로(83, 84)의 출력차도 ΔV로 되고, 차동 증폭 회로(85)의 출력은 화살표(F)로 나타내는 바와 같이 A×ΔV(= α×(ΔH - ΔH'), A：차동 증폭 회로의 게인)으로 된다.

도 13에 본 발명의 제 4 실시 형태를 도시한다.

이것은, 도 1에 도시한 자기 검출장치에 대해, 도 3에 도시한 바와 같은 검지 회로부(8)를 내장한 점이 특징이다. 이와 같이 함으로써, 센서 신호의 고 S/N화가 가능하게 되고, 도 4에서 설명한 바와 같은 자동 교정시의 각종 보정 데이터를 자기 임피던스 소자마다 내장시킴으로써, 보다 고정도화 할 수 있다. 이와 같은 검지 회로부(8)는 도 9, 도 11에 도시한 자기 검출장치에 대해서도 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명에 의하면, 자기 임피던스 소자와 바이어스 코일, 부 귀환 코일 및 단자를 수지 성형에 의해 일체화 하였기 때문에, 자기 저항이 저감되고 바이어스 전류 및 부 귀환 전류를 작게 할 수 있으므로, 소형이고 저소비 전력의 자기 검출장치를 제공할 수 있다.

또한, 바이어스용 코일로 알고 있는 자계를 인가할 수 있기 때문에, 그 출력으로부터 자기 임피던스 소자의 감도를 자동적으로 검출함으로써, 내환경성에 우수한 고정밀한 자기 검출장치를 제공할 수 있다.

또한, 부 귀환 전류에 의해 검지 자계가 저감될 수 있기 때문에, 부 귀환 전류를 크게 함으로써, 검지 자계에 대한 자기 검출장치의 출력 감도의 조정이 가능하게 된다. 따라서 검지 자계에 의해 자기 검출장치의 출력이 포화되는 일이 없고, 자기 검지 범위가 넓은(와이드 레인지인) 자기 검출장치를 저소비 전력으로 제공할 수 있다.

또한, 2개의 자기 임피던스 소자의 출력의 차를 검출함으로서, 외란 자계의 영향을 제거할 수 있고, 저소비 전력으로 고정도인 자기 검출장치를 제공할 수 있다.

자기 임피던스 소자의 바이어스 자계를 마이크로 마그넷으로 인가함으로서, 바이어스 코일에 인가하는 전류분을 더욱 저감할 수 있고, 보다 저소비 전력화를 도모할 수 있다.

또한, 신호 처리 회로(검지 회로부)를 내장시킴으로써, 센서 신호의 고 S/N화가 가능하게 된다. 특히, 각종 보정 데이터를 내장시켜서 고기능화를 도모함으로써, 내환경성에 우수하고 고정도로 저소비 전력의 자기 검출장치를 제공할 수 있다.

덧붙여서, 자기 임피던스 소자에 박막 타입의 것을 이용함으로써, 와이어 타입에서 문제가 되는 왜곡에 의한 출력 변화의 영향이 적고, 그 결과, 고정도로 저소비 전력의 자기 검출장치를 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 자기 임피던스 효과를 갖는 자기 임피던스 소자와,

   상기 자기 임피던스 소자의 양단에 교류 전류를 인가하는 단자와,

   상기 자기 임피던스 소자에 바이어스 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자와,

   상기 자기 임피던스 소자에 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 마련하고,

   상기 자기 임피던스 소자와,

   상기 바이어스 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자와,

   상기 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 수지 성형에 의해 일체화 하는 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.
2. 자기 임피던스 효과를 갖는 한 쌍의 자기 임피던스 소자와,

   이들 각 자기 임피던스 소자의 양단에 교류 전류를 인가하는 단자와,

   상기 각 자기 임피던스 소자에 바이어스 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자와,

   상기 각 자기 임피던스 소자에 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 마련하고,

   상기 자기 임피던스 소자와,

   상기 바이어스 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자와,

   상기 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 각각 수지 성형에 의해 일체화 하는 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일은, 상기 쌍이 되는 자기 임피던스 소자에 대해 동일 방향의 자계를 부여하도록 하나의 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.
4. 자기 임피던스 효과를 갖는 적어도 2개의 자기 임피던스 소자와,

   이들 각 자기 임피던스 소자의 양단에 교류 전류를 인가하는 단자와,

   상기 각 자기 임피던스 소자에 바이어스 자계를 인가하기 위한 자석과,

   상기 각 자기 임피던스 소자에 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 마련하고,

   상기 자기 임피던스 소자와, 자석과, 상기 부 귀환 자계를 인가하기 위한 코일 및 단자를 각각 수지 성형에 의해 일체화 하는 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 자기 임피던스 소자에 대해, 그 출력에 비례한 신호를 출력하는 회로부를 일체화 하는 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 자기 임피던스 소자로서 박막형의 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 자기 검출장치.