磁性檢測裝置的製作方法
2023-07-15 22:25:56 1
專利名稱：磁性檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用磁阻效應的磁性檢測裝置，更具體地說，涉及具有改進結構的磁性檢測裝置。
背景技術：
以往，霍爾元件或磁阻元件已被廣泛地用於磁性檢測裝置。然而，這些元件中只有少數能夠達到滿意的磁性檢測靈敏度。因此，已經提出了各種關於用高靈敏度磁性檢測元件代替傳統的磁阻元件方案。這些方案包括如日本特開平6-281712(1994)號公報所公開的基於非晶線(amorphous wire)應用的磁阻元件和如日本特開平8-075835(1996)號公報所公開的基於薄膜應用的磁阻元件。
儘管任何形狀的任何磁阻元件都表現出其自身的具有高靈敏度的磁性檢測特性，但是因為元件本身的磁性檢測特性是非線性的，如在如圖14所示的非晶線的磁阻特性情況，例如日本特開平6-176930(1994)號公報和日本特開平6-347489(1994)號公報所公開的，這種設置通過施加偏磁場改進施加的磁場的阻抗變化的線性關係，或者在磁阻元件上卷繞負反饋線圈後，對負反饋線圈施加與磁阻元件兩端的電壓成比例的電流，以提供具有優良線性度的磁檢測元件。
在常規的方法中，對卷繞於磁阻元件上的線圈施加偏磁場，必須在磁阻元件上卷繞兩種線圈，一個用於產生偏壓，另一個用於產生反饋，這增加了磁阻元件的尺寸。由於增加了尺寸，磁阻元件的磁阻和偏壓線圈和反饋線圈的磁阻分別增加，這樣需要增加饋給這些線圈的電流量，因而難以降低能耗。
作為解決該問題的手段，通過儘可能地減小磁阻元件的尺寸，可降低磁阻元件和線圈之間的磁阻。但是，在使用非晶線時，由於線的拉伸強度不同，也就是說，由於磁致伸縮效應的不同，使輸出成為可變量。
根據磁致伸縮效應，磁性靈敏度越小，也就是說，磁組元件越小，則磁致伸縮效應越大。這又導致了各種問題。例如，當使用減小尺寸的非晶線時，磁性檢測的精確度幾乎不能提高，而且進一步地，當磁致伸縮效應隨溫度和其它因素而變化時，它抗環境條件的耐用性仍然不足。圖15示範性地說明了使用非晶線的小尺寸的磁性檢測裝置。參考符號W表示非晶線，而C表示線圈。
此外，甚至當使用具有線的或薄膜構形的磁阻元件時，由於用於磁阻元件製造的材料的透磁率和電阻率的不一致，並且由於元件的尺寸(長度、膜厚和膜寬等)的不一致，都會使磁阻元件的磁性靈敏度變成可變量。
圖16示範性說明了常規磁阻元件的常規磁檢測電路(磁性傳感器)。在該實例中，這種設置使在由高頻電流產生器OSC供給磁阻元件1高頻電流時所產生的輸出電流，通過檢波電路A和放大電路B對外輸出，由此得到磁阻元件1的阻抗值。在執行該過程時，通過可變電阻器VR調節輸出水平。
然而，在使用圖16所示的方法時，由於只能用可變電阻器VR來調節磁阻元件1的可變的靈敏度，這極難使靈敏度的偏差最小化。此外，為了通過使用上述檢測電路來使磁阻元件1的靈敏度偏差最小，則需要調節並校正每一個檢測電路，因而使成本大幅增加。儘管可以適當地調節和校正檢測電路，但因為無法校正由檢測電路隨使用時間產生的質量退化所引起的輸出漂移效應，該問題又使補償精度很難得到提高。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種不會因為抗環境條件的耐用性不足或隨著使用時間磁檢測電路的質量退化而引起檢測精度降低的、改進的高精度和低成本磁檢測電路。
為了解決上述問題，根據權利要求1的本發明，其由下述特徵表徵設置提供磁阻效應的磁阻元件；用於對該電阻元件的兩端施加交流(AC)電流的端子；多個用於對該磁阻元件施加偏磁場的線圈和端子；和多個用於對該磁阻元件施加負反饋磁場的線圈和端子；其中所述磁阻元件、那些用於對所述磁阻元件施加偏磁場的線圈和端子、以及那些用於對所述磁阻元件施加負反饋磁場的線圈和端子，通過樹脂模製工藝整體地組裝在一起。
根據權利要求2的本發明，其由下述特徵表徵設置一對分別提供磁阻效應的磁阻元件；多個用於對一對所述磁阻元件的兩端施加交流電流的端子；多個用於對一對所述磁阻元件施加偏磁場的線圈和端子；和多個用於對一對所述磁阻元件施加負反饋磁場的線圈和端子；其中一對所述磁阻元件、多個用於施加所述偏磁場的所述線圈和端子、和多個用於施加所述負反饋磁場的所述線圈和端子通過樹脂模製工藝整體地組裝在一起。
在根據權利要求2的本發明中，關於用於對磁阻元件施加所述負反饋磁場的線圈，其允許設置成由使用一單線圈構成，以提供一對具有相同磁場方向的所述磁阻元件(其對應於根據權利要求3的本發明)。
根據權利要求4的本發明，其由下述特徵表徵設置至少兩個分別提供磁阻效應的磁阻元件；對至少兩個磁阻元件的兩端施加交流電流的端子；用於對多個所述磁阻元件施加偏磁場的磁體；和用於對多個所述磁阻元件施加負反饋磁場的線圈和端子；其中多個所述磁阻元件、所述磁體和多個用於對多個所述磁阻元件施加所述負反饋磁場的線圈和端子通過樹脂模製工藝整體地組裝在一起。
在權利要求1-4任一項的本發明中，可整體地形成這樣的電路，該電路對磁阻元件輸出的信號與從這些元件的輸出成比例(其對應於權利要求5的本發明)。
在權利要求1-5任一項的本發明中，允許使用上述的薄膜型磁阻元件(其對應於權利要求6的本發明)。
在所附附圖中圖1是本發明磁性檢測裝置的第一實施方案的分解透視圖。
圖2表示連續組裝本發明磁性檢測裝置的基本元件的系列加工過程。
圖3是示範性說明構成圖1所示磁性檢測裝置的磁性檢測電路的示意性方框圖。
圖4(a)-(d)是磁性檢測裝置中交流偏壓電流的曲線圖。
圖5是磁阻元件中磁場產生方向的示意圖。
圖6是磁場檢測過程中顯示本發明磁性檢測裝置特性的略圖。
圖7(a)-(b)引證了在本發明磁性檢測裝置的操作過程中的磁場檢測方向。
圖8顯示了磁性屏蔽機制。
圖9是本發明磁性檢測裝置的第二實施方案的分解透視圖。
圖10是用於消除外部幹擾磁場的方法的示意圖。
圖11是本發明磁性檢測裝置的第三實施方案的分解透視圖。
圖12(a)-(f)顯示了本發明磁性檢測裝置的直流偏壓電流。
圖13是本發明磁性檢測裝置的第四實施方案的分解透視圖。
圖14是解釋非晶線的磁阻特性的略圖。
圖15顯示了使用非晶線的磁性檢測裝置的簡化構造。
圖16顯示了常規磁性檢測電路的電路圖。
具體實施例方式
圖1是實施本發明的第一實施方案磁性檢測裝置的分解透視圖。參考數字1表示具有薄膜構形的磁阻元件。參考數字3表示由插入模製成型工藝(insert-molding process)在磁阻元件1的外側上形成的樹脂線軸。參考數字4表示用於對磁阻元件1施加偏磁場的線圈。參考數字5表示用於對磁阻元件1施加負反饋磁場的線圈。參考數字6表示用於保護磁阻元件1及線圈4和5不受各種環境損害的樹脂殼，其中樹脂殼6通過插入模製成型工藝形成。參考數字2表示用於對磁阻元件1的兩端施加高頻電流，並且也用於對線圈4和5施加電流的端子。參考數字10表示包括以上所述元件的磁性檢測裝置。
圖2表示將上述元件連續組裝到與本發明相關的磁性檢測裝置中的一系列步驟的流程。
首先，通過包括焊接工藝(soldering process)、粘附和接合(bonding)方法的任何綜合方法(uniting methods)將磁阻元件1連接於引線框20(示於①中)一對端子之間(示於②中)。然後，如③所示，在連接有磁阻元件1的引線框20內模塑樹脂線軸3。接著，如④所示，切除引導框架20後，在樹脂線軸3上分別卷繞偏壓線圈4和負反饋線圈5。接下來，如⑥所示，在帶有線圈4和5的線軸3上形成樹脂殼6。最後，摺疊端子2，則完成了磁性檢測裝置10的製造過程。
因為有可能製造出尺寸為1平方毫米的薄膜磁阻元件，因此有可能將磁性檢測裝置10的外尺寸減小到約5立方毫米。這又使大幅降低磁阻元件1和線圈4和5之間的磁阻成為可能。
圖3是磁性檢測電路的簡化的示意性方框圖。
在圖3中，參考數字80表示用於對磁阻元件1施加高頻電流的元件驅動器。參考數字81表示驅動偏壓線圈4的偏壓驅動器。參考數字82表示檢波電路。參考數字83和84分別表示保持電路。參考數字85表示差分放大電路。參考數字86表示由例如電阻器組成的用於將輸出反饋到負反饋線圈5的反饋元件。參考數字87表示將差分放大電路85的電壓輸出轉換成數值的電壓/數值轉換器。參考數字88表示由微電腦和其它裝置組成的補償運算操作裝置。
更具體地，首先，檢波電路82檢測由外部磁場引起的阻抗變化，然後，與施加給偏壓線圈4的波形的時間同步，保持電路83保持檢測波形的正側，而其它保持電路84保持其負側，因而使差分放大電路85檢測它們之間的差。
圖4(a)-(d)是當對磁性檢測裝置10施加交流偏壓電流時的輸出曲線圖。該曲線圖顯示常規磁阻元件的特性。每個曲線圖顯示以零磁場為基準，所得到的與磁場的方向無關的可選擇的傳感器輸出。
在圖4中，(a)和(b)涉及外部磁場保持在零狀態的情形(1)，其中當以磁阻元件1的輸出檢測時，在正側和負側的輸出值彼此相同，這樣保持電路83和84的輸出值相等，因而差分放大電路85的輸出為零，如箭頭A所示。
在圖4中，(c)和(d)涉及施加外部磁場的情形(2)，其中當以磁阻元件1的輸出檢測時，正側輸出和負側輸出之間的差為ΔV，這樣，保持電路83和84之間輸出值的差為ΔV。因此，差分放大電路85的輸出值為「α×ΔV」，如箭頭B所示。注意「α」表示差分放大電路85的增益。
如上所述，在施加任意磁場的狀態下，對偏壓線圈施加一已知的磁場後，通過計算實際的輸出值，則可自動計算出磁性檢測裝置的輸出靈敏度。因此，使用上述磁性檢測裝置的應用，即使因為環境特性或隨時間質量的退化，使磁阻元件1的磁性靈敏度產生變化，也能夠自動檢測出磁阻元件1的實際靈敏度，然後用圖4所示的方法自動較正磁性檢測裝置。
圖5為磁性檢測裝置中磁場產生方向的說明性略圖。
在圖5中，負反饋線圈5被卷繞在偏壓線圈4的外側，也允許將偏壓線圈4卷繞在負反饋線圈5的外側。如箭頭C所示，使通過負反饋線圈5的磁場方向相對於磁阻元件1的磁場檢測方向相反，能夠減少施加到磁阻元件1上的磁場，因而能夠在更大範圍內檢測磁場。
圖6是示範性說明當任意選擇負反饋元件86時，相對於可檢測磁場的磁性檢測裝置的輸出特性的略圖。發現在提供負反饋的情況下，可以檢測更大範圍的磁場。
圖7示範性說明了利用磁性檢測裝置10檢測電流的構成，其中圖7(a)表示透視圖，圖7(b)表示俯視圖。
圖7(a)示範性說明了在裝有導電配線部件(current-donductivewiring unit)12的基板11上安裝磁性檢測裝置。7(b)中用虛線圓D表示由電流120產生的磁通。根據磁性檢測裝置10與磁通相對(against)的設置，能夠確定磁性檢測裝置10的輸出靈敏度。因此，取決於磁性檢測裝置10的怎樣設置，可以對應於電流120的大小適當調整磁性檢測裝置10輸出的靈敏度。
圖8示範性說明了使用磁性檢測裝置10檢測電流的過程中，磁性屏蔽結構的構成。將磁性屏蔽結構13設置於圖7所示的結構中。其形狀對應於電流120的大小進行優化是必要的。
圖9是本發明第二實施方案的磁性檢測裝置的分解透視圖。
與圖1所示的一個磁阻元件相反，第二實施方案的特徵在於具有兩個磁阻元件1a和1b。由此，可以確定兩個磁阻元件1a和1b之間的輸出差，因此，能夠通過消除外部幹擾磁場的負作用而檢測到實際的磁場。所以，有更高的檢測精度。
圖10是消除外部幹擾磁場的方法的示意圖。
在圖10中，將由磁阻元件1a和1b相對於磁場S的可檢測磁場假設為Sa和Sb，並且進一步假設磁阻元件1a和1b相對於穩定的外部幹擾磁場N的可檢測磁場為N，則磁阻元件1a和1b之間的輸出差對應於下面的等式(1)。
差分輸出＝1a的輸出-1b的輸出＝Sa+N-(Sb+N)＝Sa-Sb(1)因此，應當理解可以適當地檢測磁場而不受穩定外部幹擾磁場N的負面影響。在圖10中，用箭頭N表示由外部幹擾磁場N產生的磁通。
圖11是本發明第三實施方案的磁性檢測裝置的分解透視圖。
第三實施方案的特徵在於，微磁體7取代了圖9所示的偏壓線圈4。微磁體7將DC偏壓電流施加到磁阻元件1a和1b。這意味著與使用偏壓線圈的情況相反，微磁體7不消耗電流。一般來說，需要大約30mA的電流用於偏壓線圈，因此，在用5V功率驅動微磁體7時，可節約大約150mW的驅動功率。
圖12(a)-(f)顯示利用圖11所示的微磁體7供給DC偏壓電流的特性。圖12所示的相對於外部磁場的傳感器的輸出特性顯示出常規磁阻元件的特性。這又說明了可以得到與磁場方向無關的任意的傳感器輸出，以零磁場為基準。圖12(a)、(b)和(c)所示的情形(1)對應於外部磁場為零的狀態，因而磁阻元件1a和1b的輸出相等，使保持電路83和84的輸出相等。結果，差分放大電路85的輸出值為零，如箭頭E所示。
在如圖12(d)、(e)和(f)所示的情形(2)中，在施加外部磁場ΔH的狀態下，磁阻元件1a和1b之間的輸出差為ΔV。因此，保持電路83和84之間的輸出差為ΔV，並且如箭頭F所示，差分放大電路85的輸出值對應於下面的等式。
AxΔV(＝αx(ΔH-ΔH′))其中A表示差分放大電路85的增益。
圖13是本發明第四實施方案的磁性檢測裝置的分解透視圖。
第四實施方案的特徵在於磁性檢測裝置內的磁性檢測電路8，如圖3所示，其與圖1所示的磁性檢測裝置的構造不同。由於這種設置，能夠提高傳感器信號的信噪比(S/N)。此外，通過內存的用於每個磁阻元件1的由參照圖4所述的自動校準得到的大量的較正數據，可以用更高的精度執行磁性檢測操作。當然，磁性檢測電路8也適用於圖9和圖11所示的磁性檢測裝置。
工業適用性根據本發明，由於通過樹脂模製工藝的磁阻元件、偏壓線圈、負反饋線圈和端子的整體組件，使磁阻降低到最小成為可能，因而進一步使偏壓電流及負反饋電流減至最小。因此根據本發明能夠提供小型化的、低能耗的磁性檢測裝置。
此外，由於可以施加一已知磁場通過偏壓線圈，利用輸出自動檢測磁阻元件的實際靈敏度，因此本發明可提供具有優良的抗環境因素的耐用的高精度磁性檢測裝置。
進一步，由於能產生負反饋電流以減少可檢測的磁場，因此通過增加負反饋電流，能夠調節相對於檢測的磁場的磁性檢測裝置的輸出靈敏度。所以，能夠提供一種低能耗的磁性檢測裝置，該磁性檢測裝置能夠在寬範圍內檢測磁性，而不會引起檢測的磁場使磁性檢測裝置的輸出電勢飽和。
此外，通過檢測兩個磁阻元件的輸出差，可以消除外部幹擾磁場的負作用，因而本發明能夠提供低能耗和高精度的磁性檢測裝置。
進一步，用微磁體給磁阻元件施加偏磁場，使施加給偏壓線圈的電流進一步降低，因而有利於進一步降低能耗。
又，通過在內部提供信號處理電路(即，磁性檢測電路)，可以提高傳感器信號的信噪比(S/N)。尤其是，通過由大量的內部儲存的較正數據的應用提高了適當的功能，可提供抗環境侵害的耐用性優良、高精度和低能耗的磁性檢測裝置。
此外，由於形成了薄膜型磁阻元件，幾乎不受由磁阻效應引起的輸出變化的影響，該磁阻效應通常在線型磁阻元件中引起問題。因此，本發明能夠提供一種高精度且低能耗的磁性檢測裝置。
權利要求
1.一種磁性檢測裝置，其包括提供磁阻效應的磁阻元件；用於對所述磁阻元件的兩端施加AC電流的端子；用於對所述磁阻元件施加偏磁場的線圈及端子；和用於對所述磁阻元件施加負反饋磁場的線圈及端子；其中所述磁性檢測裝置的特徵在於通過樹脂模製工藝整體組合所述磁阻元件、用於對所述磁阻元件施加偏磁場的所述線圈和所述端子、以及用於對所述磁阻元件施加負反饋磁場的所述線圈和所述端子。
2.一種磁性檢測裝置，其包括分別提供磁阻效應的一對磁阻元件；多個用於對所述磁阻元件的每一個的兩端施加AC電流的端子；多個用於對所述磁阻元件的每一個施加偏磁場的線圈和端子；和多個用於對所述磁阻元件的每一個施加負反饋磁場的線圈和端子；其中所述磁性檢測裝置的特徵在於通過樹脂模製工藝整體組合所述磁阻元件、用於對每個所述磁阻元件施加偏磁場的所述線圈和所述端子、以及用於對每個所述磁阻元件施加負反饋磁場的所述線圈和所述端子。
3.如權利要求2所述的磁性檢測裝置，其特徵在於，所述用於對每個所述磁阻元件施加負反饋磁場的所述線圈包括一單一線圈，該單一線圈能夠提供一對具有相同方向磁場的所述磁阻元件。
4.一種磁性檢測裝置，包括至少兩個分別提供磁阻效應的磁阻元件；多個用於對所述磁阻元件的每一個的兩端施加AC電流的端子；用於對所述磁阻元件的每一個施加偏磁場的磁體；和用於對所述磁阻元件的每一個施加負反饋磁場的一個線圈和多個端子；其中所述磁性檢測裝置的特徵在於通過樹脂模製工藝整體組合所述磁阻元件、所述磁體和用於對每個所述磁阻元件施加負反饋磁場的所述線圈和所述端子。
5.如權利要求1-4任一項所述的磁性檢測裝置，其特徵在於，所述磁性檢測裝置進一步包括一電路，該電路將信號輸出給所述磁阻元件，所述信號與從這些元件的輸出成比例，其中所述電路與所述元件整體地合成一體。
6.如權利要求1-5任一項所述的磁性檢測裝置，其特徵在於，所述磁阻元件的每一個磁阻元件是薄膜型。
全文摘要
本發明提供了一種小型的、低成本、低能耗的磁性檢測裝置。為了達到該目的，相對於提供磁阻效應的磁阻元件(1)通過整體地形成包括偏壓線圈(4)和負反饋線圈(5)的樹脂結構，該磁阻檢測裝置能降低元件(1)與線圈(4)和(5)之間的磁阻，因而，能夠對具有降低能耗的元件(1)提供偏磁場和負反饋磁場。
文檔編號G11B5/33GK1513119SQ0281077
公開日2004年7月14日 申請日期2002年6月4日 優先權日2001年6月6日
發明者工藤隆裕, 北出雄二郎, 二郎 申請人:富士電機株式會社