TWI551876B - Magnetic field sensing device and method - Google Patents

Description

磁場感測裝置及方法

本發明是有關於一種測量磁變量的裝置及方法，特別是指一種用於感測空間磁場的磁場感測裝置及方法。

磁場的相關應用與現代人的日常生活密不可分，舉凡在民生電子領域的交通導航、硬碟磁頭讀寫，以至學術或工業應用的電流感測、轉向控制、材料特性量測等，都需要在三維空間中準確得知所關心的觀測位置的磁場方向及強度，以得到可靠的空間定位或量測結果。

現有磁場感測的方式是將多個能沿其感測軸量測其感測軸所在平面的磁場的磁場感測器沿彼此兩兩正交的一第一軸向、一第二軸向及一第三軸向擺設，使每一磁場感測器在其感測軸量測到一沿該第一軸向的第一磁場分量、一沿該第二軸向的第二磁場分量，及一沿該第三軸向的第三磁場分量，再由量測到的該第一磁場分量、該第二磁場分量，及該第三磁場分量整合成整個空間的磁場方向與強度等，進而利用來空間定位或進行其他後續的應用。

由於空間中的磁力線分佈並不集中，方向也殊異，所以若僅倚靠該多個磁場感測器沿彼此兩兩正交的該 第一軸向、該第二軸向及該第三軸向擺設並量測取得磁場分量，再自磁場分量整合成空間磁場分佈的感測方式，最大的問題在於該等磁場感測器僅能三維地沿兩兩正交的第一軸向、第二軸向及第三軸向組設而有整體裝置體積龐大的困擾。其次，因該等磁場感測器不具有磁通密度放大的功能，當空間磁場微弱，其靈敏度將不足以量測得到正確的空間磁場強度。再者，該等磁場感測器的感測軸必須確實地彼此兩兩正交設置，若因製造組裝的些許偏差而未達到完美正交的要求，將引起該第一磁場分量、該第二磁場分量、該第三磁場分量互相干涉而導致感測結果的精確度不足，無法得到正確的空間磁場量測值。

因此，本發明之一目的，即在提供一種體積小、靈敏度高且使空間磁場量測結果準確的磁場感測裝置。

此外，本發明之另一目的，即在提供一種空間磁場量測結果準確的磁場感測方法。

於是，本發明一種磁場感測裝置包含一基板、一磁通導引器、至少三磁場感測器，及一驅動控制單元。

該基板具有一由一第一軸向和一第二軸向定義的設置面，並定義該設置面的法向量方向為一與該第一軸向和第二軸向共同界定出一空間的第三軸向。

該磁通導引器設置於該設置面，並引導該空間的磁場沿該設置面成一導引磁場。

每一磁場感測器具有一感測軸而可依輸入訊號量測其感測軸所在平面的磁場得到量測磁場結果，該等磁場感測器以其感測軸位於該設置面且環繞該磁通導引器地設置於該基板。

該驅動控制單元提供多數驅動訊號輸入至該等磁場感測器，使每一磁場感測器對應其輸入的驅動訊號量測到得到一關於該導引磁場的感測資料，並對該等感測資料進行線性疊加轉換而得到該空間分別沿該第一軸向、該第二軸向和該第三軸向的一第一磁場分量、一第二磁場分量和一第三磁場分量。

再者，本發明一種磁場感測方法，量測一空間沿一第一軸向的第一磁場分量、一第二軸向的第二磁場分量，及一第三軸向的第三磁場分量，其中，該空間由該第一軸向、該第二軸向及該第三軸向所定義，該磁場感測方法包含一設置步驟、一資料取得步驟，及一資料轉換步驟。

該設置步驟是將至少三分別具有一感測軸的磁場感測器以其感測軸位在同一平面地環繞一磁通導引器設置，其中，該磁通導引器引導該空間的磁場沿該等磁場感測器的感測軸所在平面產生一導引磁場。

該資料取得步驟是將多數驅動訊號對應輸入至該等磁場感測器，使每一磁場感測器對應其輸入的驅動訊號量測得到一關於該導引磁場的感測資料。

該資料轉換步驟將每一磁場感測器所得到的感測資料進行線性疊加轉換，得到該空間的該第一磁場分 量、該第二磁場分量，及該第三磁場分量。

本發明之功效在於：將該等磁場感測器設置在同一平面而縮小組裝體積，同時藉該磁通導引器將該空間的磁通集中及偏折導引至該等磁場感測器所在的平面，以使該至少三磁場感測器的組合可確實量測空間中任意方向的磁場並提昇靈敏度，再藉由將每一磁場感測器得到的感測資料進行線性疊加轉換，而使所量測到的該第一、二、三磁場分量更加準確可靠。

1‧‧‧磁場感測方法

11‧‧‧設置步驟

12‧‧‧校準步驟

13‧‧‧資料取得步驟

14‧‧‧資料轉換步驟

2‧‧‧磁場感測裝置

21‧‧‧基板

22‧‧‧磁通導引器

23‧‧‧磁場感測器

24‧‧‧驅動控制單元

241‧‧‧驅動電路模組

242‧‧‧資料轉換模組

25‧‧‧校正線圈模組

X‧‧‧第一軸向

Y‧‧‧第二軸向

Z‧‧‧第三軸向

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一流程圖，說明本發明磁場感測方法的一實施例；圖2是一俯視示意圖，說明該實施例使用的一磁場感測裝置；圖3是一示意圖，輔助圖2說明該實施例；圖4是一流程圖，說明該實施例的一校準步驟；圖5是一示意圖，輔助圖4說明該實施例的校準步驟；及圖6是一示意圖，輔助圖5說明該實施例的校準步驟。

參閱圖1與圖2，本發明磁場感測方法1的一實施例，包含一設置步驟11、一資料取得步驟13，及一資料轉換步驟14，準確量測一空間的一沿一第一軸向X的第一 磁場分量、一沿一第二軸向Y的第二磁場分量，和一沿一第三軸向Z的第三磁場分量，其中，該第一軸向X、該第二軸向Y及該第三軸向Z彼此兩兩正交，且該空間由該第一軸向X、該第二軸向Y及該第三軸向Z所定義。

首先，實施該設置步驟11，將三分別具有一感測軸而可依輸入訊號量測其感測軸所在平面的磁場的磁場感測器23以其感測軸位於一基板21的設置面且環繞該磁通導引器22地設置於該基板21，而得到一磁場感測裝置2，其中，該設置面的法向量方向為該第三軸向Z，且該等磁場感測器23的感測軸位在由該第一軸向X及該第二軸向Y所定義的該設置面，並將該磁通導引器22的長向軸線平行該第三軸向Z地設置於該設置面，利用其能讓磁場中的磁力線在其邊界發生集中或偏折，來引導該空間的磁場沿該設置面成一導引磁場，以讓該等感測軸皆位在同一平面的磁場感測器23量測。其中，該等磁場感測器23是選自異向磁阻、巨磁阻、穿隧磁阻其中之一，並搭配其所內建的惠斯同電路，利用其本身即具有的低功耗及高靈敏度等優點，靈敏地對微弱的空間磁場進行量測。

在本實施例中，該磁通導引器22的形狀是選擇關於其長向軸線為旋轉對稱的圓柱體，該基板21的設置面亦概成圓形，而且該等磁場感測器23分別環繞該磁通導引器22且彼此等角度間隔地設置於該基板21，利用該磁通導引器22與該基板21的設置面成旋轉對稱的特性，每一磁場感測器23會分別與該磁通導引器22等距地自該基板 21的周緣朝外延伸，而使其各自的感測軸皆落在由該第一軸向X及該第二軸向Y所構成的同一平面，藉以均勻地量測該空間的磁場。但是該磁通導引器22的形狀並不以圓柱體為限，例如也可以是關於其長向軸線為旋轉對稱的三角柱體、六角柱體或是圓錐體，且該基板21的設置面同時配合該磁通導引器22周緣形狀，同樣能使該等磁場感測器23的感測軸落在同一平面以均勻量測該空間的磁場。

配合參閱圖3，接著，實施該資料取得步驟13，利用一驅動控制單元24的一驅動電路模組241提供多數驅動訊號輸入至該等磁場感測器23，使每一磁場感測器23對應其輸入的驅動訊號量測該空間的磁場，並藉由該磁通導引器22將該空間的磁場沿該等磁場感測器23的感測軸所在的設置面產生該導引磁場，使每一磁場感測器23量測得到一關於該導引磁場的感測資料。且在本實施例中，該驅動電路模組241是以一產生該等驅動訊號的訊號產生電路、一放大該等驅動訊號功率的功率放大電路，及一接收並放大該等磁場感測器量測得到的感測資料的儀表放大電路來實施。

接著，實施該資料轉換步驟14，利用該驅動控制單元24的一資料轉換模組242將每一磁場感測器23量測得到的該感測資料進行線性疊加轉換，藉線性疊加轉換的正交運算特性將該等感測資料進行正交化，進而得到該空間兩兩正交的該第一軸向X的該第一磁場分量、該第二軸向Y的該第二磁場分量，及該第三軸向Z的該第三磁場 分量，如下所示： 其中，A表示轉換係數矩陣，α _ji 分別表示使第i個磁場感測器23得到的該感測資料轉換成沿該第j軸向的磁場分量的轉換係數，B_x表示該第一磁場分量，B_y表示該第二磁場分量，B_z表示該第三磁場分量，而V₁、V₂、V₃則分別表示該三磁場感測器23所得到相關於該導引磁場的感測資料。

在本實施例中，該資料轉換模組242是以一電連接該儀表放大電路並轉換該等感測資料成數位資訊的資料擷取電路，及用以將該資料擷取電路得到的數位資訊執行解調線性處理的一鎖相同步電路與一微處理器來實施，且值得一提的是，由於在該資料取得步驟13的該等驅動訊號分別包括該訊號產生電路與該功率放大電路配合產生的交流調變電流，而藉由此交流調變電流輸入至該等磁場感測器23時產生的交流磁場調變，及透過該鎖相同步電路來消除該等磁場感測器23本身帶有的磁滯性，進而使得每一磁場感測器23能根據所量測到的該導引磁場的強度線性正比的輸出該感測資料，故可使進行上述線性疊加轉換時能得到更加準確的運算結果。

參閱圖4，另外要特別說明的是，本發明磁場感測方法1的實施例在實際運用之前，可以於該設置步驟11 設置得到該磁場感測裝置之後，進行一校準步驟12來得到該等轉換係數。

配合參閱圖5及圖6，詳細而言，該校準步驟12是先利用三法向量分別平行該第一軸向X、該第二軸向Y和該第三軸向Z的校正線圈模組25分別在該空間產生一沿該第一軸向X的第一校準磁場、一沿該第二軸向Y的第二校準磁場，及一沿該第三軸向Z的第三校準磁場，其中該等校正線圈模組25是能產生均勻線性磁場的霍姆霍茲線圈(Helmholtz coil)，並且藉由該驅動電路模組241對應該等磁場感測器23輸入多數驅動訊號，來驅動每一磁場感測器23量測該第一校準磁場、該第二校準磁場、該第三校準磁場，且由於該磁通導引器22會將該第一校準磁場、第二校準磁場、第三校準磁場偏折成該導引磁場，故每一磁場感測器23都能夠量測到其感測軸所在平面以外的空間磁場，並且分別得到一相關於該第一、二、三校準磁場的感測資料。接下來利用該資料轉換模組242分別提取每一感測資料在該第一軸向X、該第二軸向Y及該第三軸向Z的線性分量與該第一、二、三校準磁場計算，而得到實施該資料轉換步驟14時進行線性疊加轉換的多個轉換係數，如下所示： 其中，A表示轉換係數矩陣，α _ji 分別表示使第i個磁場感 測器23得到的該感測資料轉換成沿該第j軸向的磁場分量的轉換係數，B_cal表示校準磁場矩陣，V_cal表示該等磁場感測器23量測校準磁場得到的感測資料矩陣，且B _xx 表示該第一校準磁場，B _yy 表示該第二校準磁場，B _zz 表示該第三校準磁場，而V _ij分別表示第i個磁場感測器23所得到的感測資料在第j軸向的線性分量，且i為介於1到3的正整數，j為該第一軸向X、該第二軸向Y及該第三軸向Z的其中一者。

在此需強調的是，該等磁場感測器23的設置方式並不以彼此等角度間隔為限，不論彼此是以任何角度間隔，該等感測軸皆位在同一平面的磁場感測器23都能藉該磁通導引器22將在此一平面外的例如該第三軸向Z的磁力線偏折至此平面，以及將在此平面分布的磁力線集中至該磁通導引器22的周緣，來量測到該空間的各個磁場，也就是說，每一磁場感測器23的感測軸形同等效地發生彎折般能充分量測到其所在平面內及其所在平面外的磁場，如此，不僅將該等磁場感測器23設置在該設置面而縮小組裝體積，同時提升了該等磁場感測器23其感測軸量測的靈敏度，解決在空間磁場微弱時因靈敏度不足而造成其量測得到的感測資料不能反映出正確的空間磁場強度的問題。並且，藉由實施該校準步驟12使每一消除磁滯性的磁場感測器23根據其所量測到的空間磁場強度線性正比地輸出成該感測資料來得到多個轉換係數，再藉由資料轉換步驟14將該等感測資料與該多個轉換係數進行正交化的線性疊加轉 換運算，進而能準確地得到該空間兩兩正交的該第一軸向X的該第一磁場分量、該第二軸向Y的該第二磁場分量，及該第三軸向Z的該第三磁場分量，並解決了以往該等磁場感測器23因組裝的些許偏差造成感測軸未彼此兩兩正交，以致感測結果的精確度不足的問題。

另外，為了避免該空間中的磁場還受到其他因素影響，使磁力線分布發生其他變化而影響到量測結果，該基板21是選自矽晶板或玻璃纖維板其中之一，且玻璃纖維板的材質是選自玻璃布環氧樹脂、玻璃布聚四氟乙烯，及此等非磁性材料的組合所構成。此外，該磁通導引器22具有一預定長寬比，並且是選自鐵氧體、鈷鐵合金、或鎳鐵合金及此等高導磁係數材料的組合，除了能避免其本身材料帶有的磁滯性去影響該等磁場感測器23得到的感測資料的準位，並且能使磁力線在通過其邊界時所發生集中或偏折的因素只由該預定長寬比決定，當導磁係數越高、磁滯性越低、且該預定長寬比接近1，該磁通導引器22的表面的磁透率僅由該預定長寬比決定，可降低空間磁場在集中或偏折時發生的非線性誤差，進而提供良好的磁通導引效果，提升在感測使用時的精確度。

由以上說明可知，當本發明磁場感測裝置2配合磁場感測方法1量測該空間任一觀測位置的磁場時，該磁場感測裝置2的每一磁場感測器23能藉由該設置面而在同一平面進行組裝，並利用該磁通導引器22將磁力線集中或偏折，使每一磁場感測器23的感測軸如同等效地發生彎 折般的能確實量測到該空間中任意方向的磁場並提昇其靈敏度，以使該等磁場感測器23量測得到的感測資料能正確的反映空間磁場強度，再藉由將每一磁場感測器23進行校準後所量測得到的感測資料進行正交化的線性疊加轉換運算，準確地得到該空間兩兩正交的該第一軸向X的該第一磁場分量、該第二軸向Y的該第二磁場分量，及該第三軸向Z的該第三磁場分量，因而能使該磁場感測裝置2達到體積小、靈敏度高，並配合該磁場感測方法1使得空間磁場量測結果準確的功效，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧磁場感測裝置

21‧‧‧基板

22‧‧‧磁通導引器

23‧‧‧磁場感測器

X‧‧‧第一軸向

Y‧‧‧第二軸向

Z‧‧‧第三軸向

Claims (15)

1. 一種磁場感測裝置，包含：一基板，具有一由一第一軸向和一第二軸向定義的設置面，並定義該設置面的法向量方向為一與該第一軸向和該第二軸向共同界定出一空間的第三軸向；一磁通導引器，設置於該設置面，並引導該空間的磁場沿該設置面成一導引磁場；至少三磁場感測器，每一磁場感測器具有一感測軸而可依輸入訊號量測其感測軸所在平面的磁場得到量測磁場結果，該等磁場感測器以其感測軸位於該設置面且環繞該磁通導引器地設置於該基板；及一驅動控制單元，提供多數驅動訊號輸入至該等磁場感測器，使每一磁場感測器對應其輸入的驅動訊號量測到得到一關於該導引磁場的感測資料，並對該等感測資料進行線性疊加轉換而得到該空間分別沿該第一軸向、該第二軸向和該第三軸向的一第一磁場分量、一第二磁場分量和一第三磁場分量。
2. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中，該等磁場感測器彼此角度間隔地設置於該基板的設置面。
3. 如請求項2所述的磁場感測裝置，其中，該等磁場感測器彼此等角度間隔地設置於該基板的設置面。
4. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中，該驅動控制單元包括一輸入該等驅動訊號至每一磁場感測器的驅動電路模組，及一運算該等感測資料的資料轉換模組。
5. 如請求項1所述的磁場感測裝置，可包含三法向量分別平行該第一軸向、該第二軸向和該第三軸向的校正線圈模組。
6. 如請求項4所述的磁場感測裝置，其中，該等驅動訊號分別包括一使每一磁場感測器根據空間磁場強度線性輸出成感測資料的交流調變電流。
7. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中，該磁通導引器具有一預定長寬比，並選自鐵氧體、鈷鐵合金、或鎳鐵合金及此等高導磁係數材料的組合。
8. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中，該等磁場感測器是選自異向磁阻、巨磁阻、穿隧磁阻其中之一。
9. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中，該基板是選自矽晶、玻璃纖維、玻璃布環氧樹脂、玻璃布聚四氟乙烯，及此等材料的組合所構成。
10. 一種磁場感測方法，量測一空間沿一第一軸向的第一磁場分量、一第二軸向的第二磁場分量，及一第三軸向的第三磁場分量，其中，該空間由該第一軸向、該第二軸向及該第三軸向所定義，該磁場感測方法包含：一設置步驟，將至少三分別具有一感測軸並可依輸入訊號量測其感測軸所在平面的磁場的磁場感測器，以其感測軸位在同一平面地環繞一磁通導引器設置，其中，該磁通導引器引導該空間的磁場沿該等磁場感測器的感測軸所在平面產生一導引磁場； 一資料取得步驟，將多數驅動訊號對應輸入至該等磁場感測器，使每一磁場感測器對應其輸入的驅動訊號量測得到一關於該導引磁場的感測資料；及一資料轉換步驟，將該等感測資料進行線性疊加轉換而得到該空間的該第一磁場分量、該第二磁場分量，及該第三磁場分量。
11. 如請求項10所述的磁場感測方法，其中，該設置步驟是將該磁通導引器設置於一基板的一設置面，且該等磁場感測器以其感測軸位於該設置面且環繞該磁通導引器地設置於該基板，其中該基板的設置面由該第一軸向、第二軸向定義，且該磁通導引器的長向軸線與該第三軸向平行。
12. 如請求項11所述的磁場感測方法，其中，該等磁場感測器分別環繞該磁通導引器且角度間隔地設置於該基板的設置面。
13. 如請求項12所述的磁場感測方法，其中，該等磁場感測器分別環繞該磁通導引器且彼此等角度間隔地設置於該基板的設置面。
14. 如請求項10所述的磁場感測方法，還包含一校準步驟，分別在該空間產生一沿該第一軸向的第一校準磁場、一沿該第二軸向的第二校準磁場，及一沿該第三軸向的第三校準磁場讓每一磁場感測器量測，並對每一磁場感測器得到的感測資料提取其在該第一軸向、該第二軸向及該第三軸向的線性分量與該第一、二、 三校準磁場計算，而得到實施該資料轉換步驟時進行線性疊加轉換的多個轉換係數。
15. 如請求項10所述的磁場感測方法，其中，該資料取得步驟輸入的該等驅動訊號分別包括一使每一磁場感測器根據空間磁場強度線性輸出成該感測資料的交流調變電流。