採用複合磁性物質的電動勢發生器的製作方法
2023-06-03 04:32:11 1
專利名稱：採用複合磁性物質的電動勢發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用做電氣和電子器件的構成材料的複合磁性物質，以及包含複合磁性物質的感生電動勢發生器。
日本審查後的專利公開昭55-15797、昭59-12142、昭61-28196、昭4-49070等公開了採用複合磁性物質產生感生電動勢的傳統技術。
例如，某些磁傳感器包括圍繞磁性金屬單細線卷繞的檢測線圈，已經過應力處理等，當對其施加外磁場時產生脈衝電壓。
在採用強磁性物質的傳統電氣和電子器件中，因強磁性物質形狀產生的不可避免的退磁場存在退磁效應，從而降低了電磁轉換效率。
在磁傳感器中，存在例如基於自退磁率的有效磁能降低的問題，所以提高輸出被認為導致不可估量的損失。
此外，由於近年來具有高檢測靈敏度的微型磁傳感器通常使用半值寬度小的檢測信號和尖銳脈衝電壓，所以難以使用它們直接驅動功能元件例如電晶體或存儲電路，或者用做數據處理及其外圍電路的電源能量。
本發明的目的在於提供有效地發生較大電動勢的裝置，並且提供形成磁傳感器和發生電動勢的器件的詳細方法。
本發明所用的複合磁性物質是通過聚集大量的複合磁性成分形成的，每個成分包括固定磁性成分和磁性耦合在一起的磁各向異性的雙穩磁性成分。這種複合磁性物質具有在反向起作用的退磁場，取決於由其最終形狀決定的自退磁係數和其磁性成分的性能。
在此情況，固定磁性成分在一定方向上(稱為正向)具有較大的矯頑力和磁各向異性，包括與該一定方向相反的方向在內(稱為反向)，雙穩磁性成分具有較小的矯頑力和單軸磁各向異性。
對複合磁性物質施加用於設定的較弱磁場作為第一外磁場時，固定磁性成分的磁化被完全反轉，其接受來自退磁場的第二反向磁化，達到穩定的磁化狀態(稱為設定狀態)，與固定磁性成分成為非平行。
接著，對複合磁性物質施加用於復位的較強磁場作為第二外磁場，退磁場被抵消，雙穩磁性成分磁化於正向。
以此作為觸發器，雙穩磁性成分接受基於相鄰固定磁性成分的磁化和復位磁場的磁化的組合作用的磁可逆效應，使其磁化瞬時反轉到穩定的平行狀態(稱為復位狀態)。
因此，對例如其上卷繞有電磁線圈的一定複合磁性物質，交替施加用於設定的反向磁場和用於復位的正向磁場，雙穩磁性成分被退磁場的可逆效應反覆地反轉。
此時的磁通量產生電動勢。因此，從而獲得獨特的特性，即使外磁場極慢地達到預定值，感生電動勢也大致恆定。
此外，採用根據本發明的複合磁性物質產生電動勢的原理不同於傳統方法，當雙穩磁性成分的磁化反轉時感生電動勢。
因此，確定了複合磁性物質的構成材料、最終形狀、和其它磁性能後，雙穩磁性成分的反轉速度本身設定為一定的值。這考慮了感生總是具有大致恆定量的電動勢的良好現象。
因此，本發明的電動勢發生器獲得了電動勢E＝e+U，其中電動勢U正比於從外界與電磁線圈連結的磁通量φ的瞬時變化率，基於傳統的假想電磁感應，一般認為U＝-dφ/dt。當外加磁場的瞬時變化率小時，或者當磁通量連結超慢時，電動勢降低，最後達到幾乎U＝0。
當雙穩磁性成分包括具有不同級大小的矯頑力的各種成分時，在退磁場或外磁場作用下它們的磁化按各級依次反轉，可以對應地產生連續的電動勢。
而且，在正向或反向脈動地施加較弱外磁場，具有把雙穩磁性成分的磁化瞬時反轉補充至設定狀態的作用，這是通過磁場實現的，從而可以更有效地產生電動勢。
圖1是具有退磁場功能的複合磁性物質的構成示意圖，這是相同物質在設定狀態的磁性方位的例子。
圖2是處於設定狀態的複合磁性物質的磁性方位例子的示意圖。
圖3是複合磁性物質的另一種方位的實施例的示意圖及其局部放大圖。
圖4是展示包括多層複合磁性物質的另一種方位的實施例的示意圖。
圖5A和5B是包括圍繞磁性合金單線層疊的大量磁性層的複合磁性物質的實施例，圖5A是磁性層的局部剖面方位的透視圖，圖5B是整個構成的剖切面不意圖。
圖6是包括圍繞大量複合磁性線束卷繞的電磁線圈的實施例的示意圖。
圖7是複合磁性物質的尺寸比例K與其自退磁係數N、與包括束的複合磁性線的數量之間的關係曲線圖。
圖8是證實退磁場功能的測試所確定的結果例，展示了對複合磁性線束施加外磁場的條件和電動勢e。
圖9是展示包括裝配於另一種方位的複合磁性物質的電磁線圈的電動勢發生器原理的構成示意圖。
圖10是一對磁性傳感器彼此非常靠近設置的實施例示意圖，每個傳感器包括圍繞複合磁性物質卷繞的電磁線圈。
圖11是磁化處理的示意圖，其中靠近磁性傳感器設置永磁體並且旋轉，磁性傳感器包括圍繞單一複合磁性物質卷繞的電磁線圈。
圖12是包括大量圍繞圓筒配置的複合磁性物質的電動勢發生器的示意圖，永磁體在圓筒內旋轉。
圖13是包括沿圓筒形複合磁性物質內面旋轉的永磁體的電動勢發生器另一個實施例的示意圖。
圖14是電動勢發生器另一實施例的主要部分示意圖，其中在偏置磁場下交變磁場連結於複合磁性物質。
以下將介紹基於上述原理和磁性方位的優選實施例。
首先，說明本發明所用的複合磁性物質的磁性能。
圖1是複合磁性物質的示意圖，每個包括雙穩磁性成分1和固定磁性成分的磁性層2，它們提供單軸磁各向異性並且直接或通過位於其間的中間層(圖中未示出)磁性耦合在一起。在此實施例中，這些多層緊密堆疊在一起，形成一體複合磁性物質4。
固定磁性成分2(由白色大箭頭表示)具有較大的矯頑力，在正向(向右)永久磁化。雙穩磁性成分1具有較小的矯頑力，自身磁化在反向(向左)，這取決於退磁場5的大小(由白色小箭頭表示)。圖中所示情況是在反向施加外磁場(圖中未示出)，從而雙穩磁性成分1和固定磁性成分2被完全彼此反平行地設定。
然後，如圖2所示，當在正向(向右)對複合磁性物質4施加外磁場6(由黑色大箭頭表示)時，退磁場5被抵消。同時，作為外磁場6的磁化效應和固定磁性成分2的磁相互交換效應的組合磁性作用，雙穩磁性成分1被瞬時反轉為正向，從而平行復位。
接著，當施加的外磁場6被中斷時，由退磁場5的作用產生的控制功能使雙穩磁性成分1變換返回設定狀態，與固定磁性成分2反平行。此時，通過在反向施加用於設定的弱磁場(圖中未示出)可以實現更好的設定狀態。
圖3展示了薄膜或塗敷膜形成的較為扁平的複合磁性物質4的構成實施例，其中大量的複合磁性物質3在A-B方向具有單軸磁各向異性，每個包括與固定磁性成分2磁性耦合的雙穩磁性成分1。還展示了其局部放大的剖面。此時，複合磁性物質4具有的寬度B-C足夠地短於其長度A-B，顯然當B-C短於A-B時退磁場5的作用增大，反轉磁化作用於雙穩磁性成分1。
此外，圖4展示了包括大量層疊的扁平複合磁性物質4形成複合磁性物質13的實施例。
圖5A和5B展示了具有退磁場功能的複合磁性物質4的構成，包括從磁性合金單線的芯部向外層疊的磁性多層。在這種複合磁性線中，雙穩磁性成分1用做最外部位8，固定磁性成分2用做內層，另一雙穩磁性成分1用做輔助內層，固定磁性成分2用做芯部。如圖1所示，這些圖展示了通過激勵退磁場5和用於設定的反向磁場來設定磁化的狀態。
然後，在正向(向右)施加外磁場，按與圖2介紹的方式大致相同地使雙穩磁性成分1的磁化復位。
這樣，通過把磁通量的變化連結於電磁線圈來產生感生電動勢，磁通量的變化來源於復位磁化並且再次返回設定狀態時雙穩磁性成分的反轉。
圖6展示了圍繞包括大量複合磁性線束10的複合磁性物質13卷繞的電磁線圈14。當對複合磁性物質13間歇地連結反向磁場6s以及之後的正向外磁場6r，雙穩磁性成分與退磁場效應結合，其磁化被每次連結反覆反轉。此時，在電磁線圈14中產生電動勢E，其大小對應於包括線束的複合磁性線的數量。
在這種情況，施加於複合磁性物質的外磁場間歇速度即使極慢，例如小於1Hz，電動勢的波形高度與電動勢速度是20Hz的情況相同。
這種複合磁性物質中的退磁場，一般正比於複合磁性物質的磁化強度和由其形狀決定的自退磁係數N的乘積。因此，線剖面越長和越窄，係數N就越小，退磁場效應就越小。
圖7展示了自退磁係數N和複合磁性線的尺寸比例k(＝L/2r)之間的關係，其中r是線的半徑，L是其長度。
當複合磁性物質包括大量配置成棒狀束的長度為L的複合磁性線時，這實際等同於線的剖面面積的增大，因此其尺寸比例k值降低，平均自退磁係數N降低，提高了退磁場的效應。
此外，右側的垂直軸代表緊密綑紮在一起的複合磁性線的數量，這是採用直徑2r＝0.25mm、長度L為50mm的複合磁性線獲得的結果。如圖7所示，一條複合磁性線具有足夠大的尺寸比例k，其自退磁係數N因此小。所以，雙穩磁性成分本身的退磁場效應產生幾乎非自發反轉。因此，僅需要施加用於設定的反向磁場Hs，以便設定雙穩磁性成分並且完全反轉磁化。
圖8展示了電動勢e的測試結果例，這是對包括不同數量複合磁性線的各種複合磁性物質依次施加用於設定的磁場Hs和用於復位的Hr(80Oe恆定值)所獲得的。在包括25和100條線束(n＝25，n＝100)的複合磁性物質的情況，即使在用於設定的磁場Hs＝0，也可見退磁場效應反轉雙穩磁性成分，從而有助於產生電動勢。
特別是，包括100條線的束(n＝100)呈現強的退磁場功能，使所有雙穩磁性成分的磁化反轉到設定狀態。因此，僅施加用於復位的磁場Hr即可產生大致恆定的電動勢。但是，電動勢並不總是直接正比於束中線的數量而增大，發生效率趨於下降。
以下，將說明製造複合磁性線10的特定方法。
例如，絞合具有較大磁性形變的Fe-Co-V系雙合金細線，使其含有一定的絞合應力，此時在線的外側上形成具有小矯頑力的雙穩磁性成分。線芯包括單一複合磁性線10，其具有較大的固定磁性成分特性，在束中可以設置一定數量的線，形成具有自退磁係數的棒狀複合磁性物質13。
另外，當對Fe-Ni系坡莫合金線施加絞合應力時，矯頑力大的固定磁性成分形成在線外側。線芯包括單一複合磁性線10，其具有雙穩磁性成分的特性，可以在束中設置大量的這些線，形成棒狀複合磁性物質13。
圖9展示了磁性傳感器16，通過圍繞包括混合磁性氧化物的複合磁性物質15卷繞電磁線圈14，形成棒狀複合磁性傳感器。施加正向外磁場的永磁體17每次移動到靠近在先對傳感器施加反向外磁場(圖中未示出)的位置並移動離開那裡，正如箭頭所示，複合磁性物質15的雙穩磁性成分的磁化被反轉，感生電動勢E。
在此情形，通過聚集大量的微粒例如氧化鐵粉末，形成複合磁性物質15，包括在A至B方向磁化的固定磁性成分，其與磁化方向由退磁化功能和反向外磁場決定的雙穩磁性成分耦合。
圖10展示了包括分別圍繞複合磁性物質15和18卷繞的電磁線圈14和19的磁性傳感器16和20。如箭頭所示，通過移動磁性傳感器16和20以其間一定的空隙非常靠近，感生電動勢E。
複合磁性物質15的固定磁性成分在S至N的方向磁化，如圖10所示，按與具有N極和S極的磁體相同的方式磁力線向外分布。
複合磁性物質18的功能相同。因此，當對峙的磁性傳感器16和20以其間一定空隙非常靠近在一起，通過它們的雙穩磁性成分的磁化反轉產生的電動勢感生在電磁線圈14和19中。
圖11展示了包括圍繞多層複合磁性物質7卷繞的電磁線圈14的的磁性傳感器16，多層複合磁性物質具有如圖5的實施例所述的退磁場功能。通過設置靠近磁性傳感器16的永磁體17，並且圍繞旋轉軸21使其旋轉，來感生電動勢E。
圖11所示的配置是這樣的，複合磁性物質7在從A到B的方向磁化，作用在永磁體17正向(即向右)的磁場使雙穩磁性成分復位。
當永磁體17旋轉180度時，雙穩磁性成分反轉到設定狀態。每當通過相同的反轉使狀態從設定轉變為復位，則感生電動勢E。
按此方式施加交變磁場時，如果在每次均對複合磁性物質7施加正向偏置作用，則連續形成用於激勵交變的設定和復位狀態的磁性過程的反對稱勵磁方式。通過用複合磁性物質13或15代替複合磁性物質7可以實現相同的效果。
圖12展示了旋轉元件，包括兩個沿圓筒28內表面旋轉的永磁體22和23，和圍繞圓筒28外表面設置的固定元件，固定元件包括圍繞複合磁性物質24卷繞的電磁線圈25和27等，每個複合磁性物質24包括多條複合磁性線束10。參考標號29代表旋轉軸。
在這種構成中，通過串聯、並聯等連接電磁線圈聚集電動勢，可以使波形高度或輸出寬度提高。
圖13展示的電動勢發生器包括固定元件和電磁線圈32，固定元件包括通過圍繞圓筒30的周邊設置大量複合磁性線10而形成的圓筒狀複合磁性物質31，電磁線圈32圍繞整個圓筒狀複合磁性物質31卷繞。圍繞圓筒內側旋轉的旋轉元件包括裝配於旋轉軸的多個永磁體22。
圓筒30包括施加反向磁場的較弱永磁體33，該磁場比在設定狀態的圓筒狀複合磁性物質31的較弱。這種磁化補充了由退磁場引起的雙穩磁性成分的磁化瞬時反轉到設定狀態。因此，其作用在於當永磁體22等設置得靠近在一起時從多條複合磁性線10有效地產生感生電動勢。
在上述的電動勢發生器中，通過把磁性發生源裝配於固定元件、大量的複合磁性物質裝配於旋轉元件而顛倒上述構成時，可以獲得相同的效果。
施加交變磁場作為外磁場的一種方法，包括在一定的方向對設置有線圈的複合磁性物質施加偏置磁場。
採用這種方法時，可以交替獲得對複合磁性物質進行設定和復位的磁化過程。
此外，當施加用於產生商用ac電流和高頻dc電流作為外磁場時，這種施加外磁場的方法可以同樣採用。
亦即，如圖14所示，外磁場H+和H-是相等的正負交變磁場，並且連結於包括電磁線圈14和永磁體35的複合磁性物質15。
這種方式可以用於ac電流波導中的電流檢測等，如下所述。
永磁體35施加偏置磁場Hb，設置成添加在外磁場H+的一定方向上。此時，Hb最好設置成稍大於複合磁性物質的矯頑力Hc的值(Hc≤Hb)。
當超過ac波導的特定值的過電流饋給ac波導時，產生反對稱勵磁，從而用於設定的外磁場Hs(＝H--Hb)作用於反向，用於復位的外磁場Hr(＝H++Hb)作用於正向。因此，由於可以在每個循環產生電動勢，獲得了重複性極好的過電流檢測裝置。
這種對交變磁場施加偏置磁場的方法具有自動再現複合磁性物質的先前磁化狀態的作用，實現了在產生電動勢時恆定限制磁場。
磁性金屬、磁性氧化物、相同或不同材料例如金屬化合物和非晶磁性材料的組合、複合磁性物質的磁性顆粒混合物、或者結晶和非晶磁性層的組合等，可以用做上述複合磁性物質的構成材料。然後，通過將其配置成為薄膜，多層的壓制尖角或圓形束，可以形成具有一定退磁場功能的複合磁性物質。
而且，通過把多個不同類的磁性合金圓柱接合成為單一棒狀並配置成一線，採用如此形成的包覆線，或者通過對不同類磁性合金進行電鍍、澱積、濺射、噴射等，也可以獲得具有退磁場功能的複合磁性物質。
當然，可以對這種棒狀磁性物質附加連續的鐵部件，可以彎曲這種物質在其中形成閉合磁路。
在這些構成中，可以設置電絕緣層和非磁性層、不同的磁性層等，作為雙穩磁性成分和固定磁性成分之間、大量複合磁性成分或複合磁性物質之間的中間層。這種中間層延伸了磁相對作用並增強了各層之間的退磁場控制，防止渦流損耗等。
例如，雖然圖中未示出這些，對包括多層磁性層混合物等的複合磁性物質各層之間的處理是有效的，例如在圖1、2、3和4所示構成的各層之間，或者在圖5的複合磁性線10的線和表面絕緣之間，設置絕緣，對圖7所示的複合磁性物質構成中的不同磁性顆粒的表面進行絕緣。
採用本發明的複合磁性物質產生的電動勢不同於傳統的電動勢，這取決於磁場的磁通量連結數量的變化比。
根據本發明產生的電動勢基於磁化的自身高速反轉，這種反轉產生於外磁場用做觸發器時，雙穩磁性成分和具有退磁場功能的複合磁性物質之內的固定磁性成分的相對作用。
因此，本發明具有感生大小基本恆定的電動勢的優異效果，即使以超低速旋轉永磁體產生外磁場時、或者旋轉速度不規則時也是如此。
由於按此方式外磁場慢並不成為問題，所以本發明有利於作為旋轉式電動勢發生器，和具有利用風速、流動水、或某些這種能源驅動的大檢測電動勢的磁傳感器。
而且，由於根據本發明的電動勢發生器輸出較大的能量，所以其輸出信號足以直接驅動電子電路例如電晶體、存儲器等。因此，例如可以構成為用於存儲信號發生量的器件，而不會長時間消耗能量等。
而且，當產生於ac波導的磁場連結於複合磁性物質時，可以實現有利於在感生電動勢時刻檢測通過電流或過電流的構成。還有利於形成採用LED直接監測電動勢產生時刻的器件，用於插入光導纖維長距離測量電動勢產生時刻的器件等。
權利要求
1.一種採用複合磁性物質的電動勢發生器，包括裝配有線圈的複合磁性物質，通過聚集大量磁性成分而形成，該磁性成分包括在預定方向具有磁各向異性的固定磁性成分，與在該預定方向具有單軸磁各向異性的雙穩磁性成分磁性耦合，具有退磁場功能，圍繞複合磁性物質卷繞有電磁線圈，從而連結複合磁性物質中的磁通量；外磁場施加裝置，用於對裝配有線圈的複合磁性物質施加磁場，使雙穩磁性成分在預定方向磁化，並且使雙穩磁性成分在與預定方向相反的方向磁化。
2.根據權利要求1的採用複合磁性物質的電動勢發生器，複合磁性物質包括大量複合磁性線的束，每條線具有較大矯頑力的固定磁性成分作為線芯或線周邊，具有較小矯頑力的雙穩磁性成分作為另一部分，從而具有退磁場功能。
3.根據權利要求1的採用複合磁性物質的電動勢發生器，進行磁性處理以此施加外磁場，從而使在反平行於固定磁性成分的設定狀態磁化的雙穩磁性成分，反轉到平行於固定磁性成分的復位狀態，通過取消外磁場獲得的退磁場作用，使雙穩磁性成分反轉回到設定狀態。
4.根據權利要求1的採用複合磁性物質的電動勢發生器，包括，外磁場施加裝置，其中施加交變磁場作為外磁場，通過對裝配線圈的複合磁性物質在預定方向恆定施加偏置磁場，對複合磁性物質的磁化過程交替進行設定和復位。
全文摘要
採用複合磁性物質的電動勢發生器,包括:裝配有線圈的複合磁性物質,通過聚集大量磁性成分而形成,該磁性成分包括在預定方向具有磁各向異性的固定磁性成分,與在該預定方向具有單軸磁各向異性的雙穩磁性成分磁性耦合,具有退磁場功能,圍繞複合磁性物質卷繞有電磁線圈,從而連結複合磁性物質中的磁通量;外磁場施加裝置,用於對裝配有線圈的複合磁性物質施加磁場,使雙穩磁性成分在預定方向磁化,並且使雙穩磁性成分在與預定方向相反的方向磁化。
文檔編號H02N11/00GK1266992SQ0010689
公開日2000年9月20日 申請日期2000年3月11日 優先權日1999年3月11日
發明者松下昭 申請人:松下昭, 株式會社日本系統研究所