具有磁通導引器的三軸磁場感測裝置製造方法
2023-10-04 04:26:04 2
具有磁通導引器的三軸磁場感測裝置製造方法
【專利摘要】本發明是關於一種具有磁通導引器的三軸磁場感測裝置，主要是在一磁通導引器(fluxguide)的四個外側方分別設一第一至第四磁場感測器，且一第一假想平面分別通過第一至第二磁場感測器的感測軸及磁通導引器，一第二假想平面分別通過第三及第四磁場感測器的感測軸及磁通導引器，一控制單元組分別電性連接第一至第四磁場感測器，控制單元組可供分別控制各磁場感測器的感測方向，以令磁場感測器得以測量出各個軸向的磁場分量，並且通過各磁場感測器的配置，使得磁場感測裝置在X軸及Y軸所量測出的場點，會位在同一位置，以令磁場感測裝置所測得的結果，得以更貼近實際觀察點的測量結果。
【專利說明】具有磁通導引器的三軸磁場感測裝置
【技術領域】
[0001]本發明是關於一種測量磁場的儀器，尤指一種具有磁通導引器的三軸磁場感測裝置。
【背景技術】
[0002]一般我們常利用指南針來對一觀察點測量其磁場方向(如地磁的南北向)，但是此種手段無法測量出磁場強度。因此有人設計出一種磁場感測裝置，不僅可以測量出觀察點的磁場方向，也可以測量出該觀察點在各個軸向的磁場分量。
[0003]請參閱美國專利US6304082，該專利所揭露的三軸磁場感測裝置，是將三個單軸磁場感測裝置，分別設於三個不同位置，而可分別測量出X軸、Y軸、Z軸的磁場分量，最後可以得到一觀察點的磁場方向及各軸向的磁場分量。但是，此種三軸磁場感測裝置的設計，對於各個軸向所測得的場點，其位置均不相同，進而造成該三軸磁場感測裝置所測得的結果，並非實際觀察點在各軸向的磁場分量。再者，此種感測裝置的三個單軸磁場感測裝置的校準，需要三個互相正交的基準平面，組裝的成本偏高。
[0004]接著，請再參閱美國專利US7358722，該專利所揭露的三軸磁場感測裝置，是基於單一基準平面的矽晶片，運用微機電加工技術以非等向蝕刻技術定義斜面，將二個單軸磁場感測裝置放置於斜面上，消除其X軸或Y軸磁場分量來得到Z軸分量，另在基準平面上放置X軸與Y軸磁場感測裝置，構成三個軸向的磁場分量測定。但此種三軸磁場感測裝置，不僅在正交角度的控制上具有難度的外，各磁場感測裝置對各軸向所測得的場點，其位置均不相同，造成此種三軸磁場感測裝置所測量的結果，也並非實際觀察點於各軸向的磁場分量。
【發明內容】
[0005]為了讓三軸磁場感測裝置所測量的結果，為觀察點在各軸向的磁場分量，以解決先前技術所述不足之處。由此，本
【發明者】認為磁場感測裝置對各個軸向的測量結果，最少要有二個軸向的場點是在同一位置，且應使用同一基準平面作三軸正交組裝，才有辦法提升整體的磁場測量結果，所以提出一種具有磁通導引器的三軸磁場感測裝置，該磁場感測裝置包括:
[0006]一電路板。
[0007]一磁通導引器(fluxguide):
[0008]該磁通導引器為一柱體，該磁通導引器相反二外側方分別設一第一及第二磁場感測器，且該第一及第二磁場感測器與該磁通導引器的距離相等，一第一假想平面分別通過該第一及第二磁場感測器的感測軸及該磁通導引器的軸心；該磁通導引器相反二外側方分別設一第三及第四磁場感測器，且該第三及第四磁場感測器與該磁通導引器的距離相等，一第二假想平面分別通過該第三及第四磁場感測器的感測軸及該磁通導引器的軸心，且該第一假想平面垂直該第二假想平面；一第三及第四假想平面分別通過該磁通導引器的二端，且平行該電路板，任取二磁場感測器均位於該第三或第四假想平面，其餘二磁場感測器均位於該第三或第四假想平面。
[0009]一控制單元組:
[0010]該控制單元組分別電性連接該第一至第四磁場感測器，該控制單元組可供分別控制該第一至第四磁場感測器的感測方向。
[0011]其中，通過該第一假想平面垂直該第二假想平面，而可定出一 X軸及一 Y軸分別通過該磁通導引器，且相交於該磁通導引器，且一 Z軸通過該磁通導引器的軸心。
[0012]利用本發明的磁場感測裝置，可通過該控制單元組來決定測量X軸及Y軸的磁場強度，或是Z軸的磁場強度，例如欲測量Z軸的磁場強度時，該控制單元組控制該第一及第二磁場感測器的感測方向相反，且該第三及第四磁場感測器的感測方向相反，所以測量時，各磁場感測器在Z軸上所測量的磁場分量會相加，而在X軸及Y軸上的磁場分量會互相抵銷，而剩下Z軸的磁場分量。
[0013]同理，欲測量X軸及Y軸的磁場時，該控制單元組會控制該第一及第二磁場感測器的感測方向相同，且該第三及第四磁場感測器的感測方向相同，此時各磁場感測器在X軸及Y軸所測量的結果會相加，Z軸的磁場分量會相互抵銷，而剩下X軸及Y軸的磁場分量。
[0014]並且，通過該第一至第四磁場感測器的位置配置，會使得該磁場感測裝置在X軸及Y軸所測得的場點，會位在同一場點，也因此，使得該磁場感測裝置所測量的結果，會比較貼近實際觀察點的磁場方向及在各個軸向的磁場分量，以解決先前技術所述不足之處。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明於測量Z軸的磁場分量時，X-Z平面的磁場方向示意圖，其中第一及第二磁場感測器的箭頭方向代表其感測方向。
[0016]圖2是本發明於測量X軸的磁場分量時,X-Z平面的磁場方向不意圖,其中第一及第二磁場感測器的箭頭方向代表其感測方向。
[0017]圖3是本發明的磁場感測器為八個，且於測量Z軸磁場分量時，X-Z平面的磁場方向示意圖，其中第一及第二磁場感應器的箭頭方向代表其感測方向。
[0018]圖4是本發明的磁場感測器為八個，且於測量X軸磁場分量時，X-Z平面的磁場方向示意圖，其中第一及第二磁場感應器的箭頭方向代表其感測方向。
[0019]圖5是對本發明由俯視觀看的示意圖。
[0020]圖6是本發明的控制單元組與各感測器連接示意圖。
[0021]圖7是本發明的各假想平面與磁通導引器位置配置示意圖。
[0022]附圖標記說明:A —磁場感測裝置；1 一電路板；2 —磁通導引器；3 —第一磁場感測器；3A —第一磁場感測器；4 一第二磁場感測器；4A —第二磁場感測器；5 —第三磁場感測器；6 —第四磁場感測器；7 —控制單元組；X —第一假想平面；Y —第二假想平面；Ζ —磁通導引器的軸心；η —第四假想平面；m —第三假想平面；P1 —場點；P2 —場點；P3 —場點。
【具體實施方式】
[0023]以下通過圖式的輔助，說明本發明的構造、特點與實施例，使貴審查人員對於本發明有更進一步的了解。[0024]請參閱圖5所示，本發明是關於一種具有磁通導引器的三軸磁場感測裝置，該磁場感測裝置A包括:
[0025]一電路板1:
[0026]請參閱圖5所示，該電路板I是提供固定各磁場感測器(3?6)與磁通導引器2，且該電路板I的形狀不拘，較佳為以X軸及Y軸為對稱軸的板體(X軸及Y軸的定義見後述)，而圖5是呈現該電路板I的形狀較佳為十字形，可縮小該磁場感測裝置(A)整體體積。且，該電路板I的材質較佳是玻璃布(fiberglass)基板，該玻璃布基板可為:玻璃布環氧樹脂(glass-reinforced epoxy)、或玻璃布聚四氟乙烯(glass-reinforced PTFE),而可減少該磁場感測裝置A的厚度、重量、並維持足夠剛性。該電路板I的厚度應足夠維持剛性，以利定義各磁場感測器(3?6)與該磁通導引器2組裝所需的基準平面，進而使該磁場感測裝置A具有三軸正交感測的性能。
[0027]—磁通導引器(fluxguide) 2:
[0028]請參閱圖1至圖5所示，該磁通導引器2設於該電路板I 一側，該磁通導引器2的形狀為柱體，較佳為以X軸、Y軸、Z軸為對稱軸的方柱體、稜柱體或圓柱體(X軸、Y軸、Z軸的定義見後述)。該磁通導引器2的高度應大於寬度，以提升Z軸磁通的導引效果。該磁通導引器2的材質為具有高磁透率及低磁滯的軟磁材料，例如鎳鋅鐵氧軟磁材料(N1-Znferrite)。該磁通導引器2可供將外加磁場的Z軸磁場分量偏向為X軸或Y軸分量。
[0029]請再配合參閱圖7所示，該磁通導引器2相反二外側方分別設一第一及第二磁場感測器(3、4)，且該第一及第二磁場感測器(3、4)與該磁通導引器2的距離相等，一第一假想平面X分別通過該第一及第二磁場感測器(3、4)的感測軸及該磁通導引器的軸心Z ;該磁通導引器2相反二外側方分別設一第三及第四磁場感測器(5、6)，且該第三及第四磁場感測器(5、6)與該磁通導引器2的距離相等，一第二假想平面(Y)分別通過該第三及第四磁場感測器(5、6)的感測軸及該磁通導引器的軸心Z，且該第一假想平面X垂直該第二假想平面Y; —第三及第四假想平面(m、n)分別通過該磁通導引器2的二端部，且分別平行該電路板I，任取二磁場感測器位於該第三或第四假想平面(m、η)，其餘二磁場感測器位於該第三或第四假想平面(m、n)。其中，該第一至第四假想平面(X、Y、m、n)是用於表示各磁場感測器(3?6)於該磁通導引器2外側方的配置位置。
[0030]通過該第一假想平面X垂直該第二假想平面Y，而可定出一 X軸及一 Y軸分別通過該磁通導引器2，且相交於該磁通導引器2，並可定出一 Z軸通過該磁通導引器的軸心Z，且分別垂直該X軸及該Y軸。其中，由於第五圖是本發明的俯視圖，故該第一及第二假想平面(X、Y)為一虛線。
[0031]由上述可知，本發明所指的各磁場感測器(3?6)，不限均設於該磁通導引器2的上端或下端，亦可為該第一及第二磁場感測器(3、4)位於該磁通導引器2的上端，且該第三及第四磁場感測器(5、6)位於該磁通導引器2的下端，或者該第一及第三磁場感測器(3、5)位於該磁通導引器2的上端，且該第二及第四磁場感測器(4、6)位於該磁通導引器2的下端等，均落入本發明欲保障的範圍。
[0032]並且，為配合該電路板I的形狀為十字形，該磁通導引器2較佳是設於該電路板I中央，而各磁場感測器(3?6)較佳是設於該電路板I各端部的上方，藉以縮小該磁場感測裝置(A)整體體積。[0033]一控制單元組7:
[0034]請參閱第六圖所示，該控制單元組7分別電性連接該第一至第四磁場感測器(3?6)，該控制單元組7可供分別控制該第一至第四磁場感測器(3?6)的感測方向。
[0035]首先，請參閱圖2配合圖5及圖6所示，欲使用該磁場感測裝置A量測觀察點分別在該X軸及該Y軸上的磁場分量時，先利用該控制單元組7分別控制該第一至第四磁場感測器(3?6)，使該第一及第二磁場感測器(3、4)的感測方向相同，且該第三及第四磁場感測器(5、6)的感測方向相同。
[0036]由圖式中可知，該磁場感測裝置(A)在該Z軸上所感測得的磁場分量會被相互抵銷，而在該X軸上所感測的磁場分量會相互加成，所以具有較佳的感測響應，其感測響應為個別磁場感測器(3、4)所測得的2倍；同理，該磁場感測裝置㈧也會在該Y軸上具有較佳的感測響應。
[0037]請參閱圖1配合圖5及圖6所示，欲使用該磁場感測裝置A量測該觀察點在該Z軸的磁場分量時，先利用該控制單元組7分別控制該第一至第四磁場感測器(3?6)，使該第一及第二磁場感測器(3、4)的感測方向相反，且該第三及該第四磁場感測器(5、6)的感測方向相反。
[0038]由圖式中可知，該磁場感測裝置A在該X軸及該Y軸所測得的磁場分量會被相互抵銷，而只剩下該Z軸上的磁場分量，所以該磁場感測裝置A在該Z軸上的感測響應會是個別磁場感測器(3?6)的4倍。
[0039]縱上所述，本發明的該磁場感測裝置A不僅具有較佳的感測響應外，並由於各磁場感測器(3?6)以該磁通導引器2為中心進行配置，所以在該X軸及該Y軸所測得的場點P1，其位置是相同，且該磁通導引器2會通過該場點P1，而在該Z軸所測得的場點P2也會被該磁通導引器2通過，也因此，該磁場感測裝置A所測量的結果，較貼近實際觀察點的位置，且具有較佳的感測響應。
[0040]以下是說明該控制單元組切換各磁場感測器(3?6)的感測方向的方法:
[0041]1.請參閱圖6配合圖1、圖2、圖5所示，該控制單元組7包括四電子開關分別電性連接該第一至第四磁場感測器(3?6)的電壓輸出端，以供切換各磁場感測器(3?6)的輸出極性，藉以達成切換感測方向的目的。
[0042]2.請參閱圖6配合圖1、圖2、圖5所示，以控制單元組7切換各磁場感測器(3?6)的感測方向，另一可行的方法為，當各磁場感測器(3?6)是以交流磁場激發的相位決定其輸出的正負方向，則將各磁場感測器(3?6)的激發方向切換即可達成切換感測方向的目的。
[0043]3.請參閱圖6配合圖1、圖2、圖5所示，以控制單元組7切換各磁場感測器(3?6)的感測方向，另一可行的方法為，先將各磁場感測器(3?6)的輸出信號以數字讀出，再將讀出的數字作相加或相減，即可達到切換感測方向的目的。
[0044]請參閱圖3配合圖4及圖7所示，該磁場感測裝置A更進一步可以實施為:該第四假想平面η位於該第三假想平面m上方，該第一至第四磁場感測器(3?6)分別位於該第三假想平面m，各磁場感測器(3?6)上方且位於該第四假想平面n，分別更設另一相同單元的第一至第四磁場感測器(3A、4A)(圖式僅呈現另一相同單元的第一及第二磁場感測器)，且分別電性連接該控制單元組7。通過上述的構造，讓該磁場感測裝置A在測量時，在該X軸、該Y軸、該Z軸所測量出的場點P3，均位在同一位置，此外，由於增加磁場感測器，使得該磁場感測裝置A在各個軸向的感測響應也因而提升。
[0045]此外，該磁場感測裝置A還可以實施為:該第一至第四磁場感測器(3?6)為一異向磁阻(AMR)，通過該異向磁阻的特性，可以提高磁場解析度，在該磁場感測裝置A整體的特徵尺寸小於5_時，具有較佳的感測結果；該第一至第四磁場感測器(3?6)亦可為一巨磁阻(GMR)，通過該巨磁阻的特性，可以降低該磁場感測裝置A的消耗功率，此外在該磁場感測裝置A整體的特徵尺寸大於5_時，具有較佳的感測結果；該第一至第四磁場感測器(3?6)亦可為通量閘(f Iuxgate),通過通量閘的特性,可以減少該磁場感測裝置A整體所需的信號輸出入端點數，此外在該磁場感測裝置(A)整體的特徵尺寸大於5mm時，具有較佳的感測結果。
[0046]綜上所述，本發明確實符合產業利用性，且未於申請前見於刊物或公開使用，亦未為公眾所知悉，且具有非顯而易知性，符合可專利的要件，依法提出專利申請。
[0047]上述所陳，為本發明在產業上一較佳實施例，舉凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化，皆屬本案訴求標的的範疇。
【權利要求】
1.一種具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，包括: 一電路板； 一磁通導引器:該電路板一側鄰接該磁通導引器，該磁通導引器為一柱體，該磁通導引器相反二外側方分別設一第一及第二磁場感測器，且該第一及第二磁場感測器與該磁通導引器的距離相等，一第一假想平面分別通過該第一及第二磁場感測器的感測軸及該磁通導引器的軸心；該磁通導引器相反二外側方分別設一第三及第四磁場感測器，且該第三及第四磁場感測器與該磁通導引器的距離相等，一第二假想平面分別通過該第三及第四磁場感測器的感測軸及該磁通導引器的軸心，且該第一假想平面垂直該第二假想平面；一第三及第四假想平面分別通過該磁通導引器的二端，且平行該電路板，任取二磁場感測器均位於該第三或第四假想平面，其餘二磁場感測器均位於該第三或第四假想平面； 一控制單元組:分別電性連接該第一至第四磁場感測器，該控制單元組能供分別控制該第一至第四磁場感測器的感測方向。
2.根據權利要求1所述具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，該第四假想平面位於該第三假想平面上方，該第一至第四磁場感測器分別位於該第三假想平面，該第一至第四磁場感測器上方且於該第四假想平面分別更設另一相同單元的第一至第四磁場感測器，且分別電性連接該控制單元組。
3.根據權利要求2所述具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，各第一至第四磁場感測器是選自於下列群組之一:通量閘、異向磁阻、巨磁阻。
4.根據權利要求1所述具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，該第一至第四磁場感測器是選自於下列群組之一:通量閘、異向磁阻、巨磁阻。
5.根據權利要求1所述具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，該電路板為玻璃布基板。
6.根據權利要求5所述具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，該電路板的材質是選自於下列群組之一:玻璃布環氧樹脂、玻璃布聚四氟乙烯。
7.根據權利要求1所述具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，該控制單元組包括四電子開關分別電性連接該第一至第四磁場感測器的電壓輸出端，以供切換各磁場感測器的輸出極性。
8.根據權利要求1所述具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，該控制單元組能供當各磁場感測器是以交流磁場激發的相位決定其輸出的正負方向，以將各磁場感測器的激發方向切換。
9.根據權利要求1所述具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，該控制單元組能供先將各磁場感測器的輸出信號以數字讀出，再將讀出的數字作相加或相減。
10.根據權利要求1所述具有磁通導引器的磁場感測裝置，其特徵在於，該電路板為十字形，而該磁通導引器設於該電路板中央，各磁場感測器分別設於該電路板的各端部上方。
【文檔編號】G01R33/02GK103809133SQ201310504793
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2012年11月2日
【發明者】鄭振宗, 呂志誠 申請人:高雄應用科技大學