专利名称：磁传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种检测磁场强度和方向的正交磁选通器类型的磁传感器和这种传感器的制造方法。
近来，对具有高精度并且可以检测磁场强度和磁场方向的小尺寸便宜的磁传感器的需求一直在增加；并且这些传感器可用作涉及汽车辅助巡驶和先进高速公路系统的公路上磁标志器的检测传感器、用作交通工具设备上的电子罗盘和导航系统的磁传感器、用作测量诸如心脏等活体的磁场的磁传感器、以及在钢铁的无损检测中使用的磁传感器等等。
关于这种类型的传统的磁传感器，其例子有霍尔元件、MR元件、MI元件、超导量子干涉装置(SQUID)，平行或正交磁选通器类型的磁传感器，等等。在这些元件中，霍尔元件灵敏度差，MR元件、MI元件等的品质也差，并且由于单个元件不能检测到磁场的方向，需要安装多个。相反，即使安装成一个单个的传感器，平行和正交磁选通器类型的磁传感器也能够检测到磁场的强度和方向。而且，这些传感器在线性、温度特性和检测输出的分辨率方面都较好，特别是从检测精度的角度来看，由于它们具有高精度，注意力已集中在那些正交磁选通器类型的磁传感器上。
图1A是显示正交磁选通器类型元件的原理说明图；图1B是显示在磁芯中形成的磁通的说明图；图2是显示其操作的说明图；图3是在用图1A所示的元件对磁场进行检测的情况下励磁电流、在磁芯长度方向中的磁化程度和检测线圈输出电压的波形图。
附图标记21是由传导材料制成的圆棒形导体，22是由软磁材料制成的圆柱磁芯，23是检测线圈，并且25是高频电源。将圆棒形导体21和磁芯22同轴安装并通过磁芯22的内部，并且圆棒形导体21和高频电源25相连。当这种类型的磁传感器安放在圆棒形导体21的轴线上并且使磁芯22与待测磁场方向平行排列时，待测磁场的磁通量就如图2(a)所示由磁芯22侧所吸引，因此磁路通过磁芯22形成。
当具有如图3所示正弦波的励磁电流IEX流经圆棒形导体21时，如图2(b)中箭头所显示那样对磁芯22的外表面进行磁化，使得允许励磁电流IEX从图3(a)所示的状态增加，并且当其达到如图3(b)所示的最大值时，磁芯22的磁化达到饱和状态，从而将待测磁场的磁通量从磁芯22中分离出来并使其与圆棒形导体21平行排列。在这种情况下，磁芯22的磁化程度在长度方向以图3所示的方式下降，并且检测线圈23的输出(电压)在沿长度方向磁化强度的变化速率很大的位置上增加；并且在励磁电流IEX的变化速率大的位置上和当励磁电流IEX达到最大值或最小值时，检测线圈23的输出(电压)变为零。
在励磁电流IEX从最大值减小并达到零交叉点期间，如图2(c)所示，再次允许待测磁场的磁通穿过磁芯22。当励磁电流IEX的方向反向时，磁芯22的外表面以与图2(d)中箭头所显示圆周方向相反的方向磁化并且励磁电流IEX减小达到最小值，再次使得磁芯22的磁化达到饱和状态；因此，将待测磁场的磁通与磁芯22的轴线平行排列。在这种状态期间，检测线圈23的输出重复变化，其中在励磁电流IEX大的区域变得较大，同时当励磁电流IEX达到最小值时变为零，结果是两个周期对应的变化与一个周期中励磁电流IEX的变化相对应。
换句话说，使得励磁电流流经由软磁材料制成的圆柱形磁芯22以便在圆周方向周期性地激励它，从而切换在磁芯22的长度方向上的磁化；因此，磁芯22和待测的磁场之间的关系从图2(a)到图2(b)，从图2(b)到图2(c)并从图2(c)到图2(d)变化。在这种状态下，允许驻留在检测线圈23周围的磁通量的密度如图3所示变化，使得可从检测线圈23中获得对应于待测的磁场强度(方向)的输出电压(输出电压的相位)。
在这种正交磁选通器的元件中，由流经圆棒形导体21的励磁电流IEX所形成的磁通分布如图1B所示。换句话说，不仅在磁芯22(图中虚线S所表示的)中形成磁通量，而且在磁芯22的外部空间的圆周方向(图中虚线t所表示的)中也形成。结果，它们中的大部分仅使空间励磁，并且磁通量未能集中在磁芯22上的磁场中，导致磁化效率的降低和励磁电流IEX消耗量的浪费。而且，在正交磁选通器类型的元件中，由于检测线圈23是绝对必需的构件，在磁芯22的外部空间产生的磁通量的一部分(图中虚线t所表示的)残留在检测线圈23周围，促成励磁信号与检测输出相混合并且导致S/N比率和分辨率的降低。此外，正交磁选通器类型元件的实际结构与霍尔元件、MR元件、等相比是复杂的，尽管为表示其原理如图1A和2所示进行了简化；因此，另一个问题是使其结构小型化是困难的。
已公开的日本专利申请No.10-90381(1998)提出一种如图4所示的磁检测元件。图4所示的是由上述专利申请公开的传统磁检测元件的结构，其中在由铜丝制成的圆棒形导体61上包有绝缘层62，并且同轴地插入到软磁管63中，以及圆棒形导体61的一端通过导体64和接地导体65相连接。在这种传统的磁检测元件中，利用由软磁管63的电感L和寄生电容C产生的共振点附近的频率来产生阻抗的巨大变化，并且利用这个变化来检测磁场。
在这种类型的传统磁检测元件中，接地导体65形成具有寄生电容的LC谐振电路，并且安放在形成电感的圆棒形导体61的附近以此来消除由于环境而造成的寄生电容的变化。由于这个磁检测元件不需要检测线圈，最初没有必要考虑来自驻留在检测线圈周围的磁通量的影响。因此，没有必要阻止从磁检测元件中产生的励磁磁通的向外扩展。
此处，由于这个元件是一个用于检测关于磁场外表面的阻抗变化的双端元件，它仅对磁场强度作出响应，并且对磁场的方向不响应，因此不能检测磁场的方向。而且，具有上述结构的磁检测元件的特征是可检测阻抗中的变化；因此，由于不需要磁转换，流经导体的电流的值小，并且在实际应用中不需要考虑由空间励磁引起的能量消耗量的增加。因此，不可能将包含上述磁检测元件的结构应用到正交磁选通器元件上。
本发明的一个目的是提供一种正交磁选通器类型的磁传感器，通过利用简化的结构可达到小尺寸和轻重量，而且没有失去其作为正交磁选通器类型元件的内在特性；和这种磁传感器的制造方法。
本发明的另一个目的是提供一种正交磁选通器类型的磁传感器，其可以实现能量消耗量的巨大缩减并提供高灵敏度且没有失去其作为正交磁选通器类型元件的内在特性；和这种磁传感器的制造方法。
本发明的磁传感器具有一种结构，在该结构中允许高频电流流经安放在由软磁材料制成的圆柱磁芯中的内部导体，使得驻留于缠绕在磁芯上的检测线圈周围的待测磁场发生变化，在检测线圈的输出的基础上检测待测磁场的强度和方向。在这种结构中，磁传感器还提供一个安放在磁芯周围的外部导体，其和内部导体电连接。
由于外部导体安放在磁芯周围，没有空间可被流经内部导体的电流所产生的磁场所磁化，于是磁场可以集中在磁芯上；因此，可能改善磁化效率，并且因此可能切断励磁电流。此外，由于励磁电流的流动而形成的磁场可能集中在磁芯上，因此甚至利用低能量也可能充分对磁芯励磁，并且也能通过阻止励磁信号与检测线圈的输出信号相混合来改善信噪(S/N)比率。此外，由于整个磁芯(也就是说，不仅其表面，而且其内部)都能以均匀的方式受到磁性励磁，所以可能消除剩余磁场和其导致的磁滞现象的产生，并因此获得高的测量精度。
在上述磁传感器中，将外部导体安放在至少两个将磁芯定位于它们中间使其互相面对的位置。由于两个相应的磁芯位置的侧面覆盖着外部导体，所以该传感器具有简化的结构，能以小尺寸容易地制造，并且能够正确检测磁场的强度和方向。
在上述磁传感器中，外部导体有一种布置，在该布置中槽式构件的两端用端板封闭，该端板具有允许内部导体穿过它们的孔。因此，由于外部导体是通过槽式构件形成的，结构简化并能够很容易地制造该传感器。
在上述磁传感器中，外部导体形成圆柱形。由于外部导体形成圆柱形，整个磁芯的外围能够用外部导体覆盖；因此，容易地磁化磁芯、减少能量消耗和提供一种较少受碰撞和振动等影响的具有高刚性的结构以及批量生产中的高生产效率都是可能的。
在上述磁传感器中，内部导体形成柱状形，并且外部导体和磁芯都形成圆柱形。不允许由通过励磁电路磁化的磁芯所形成的磁场在空间上扩展，而是使其集中在磁芯上；因此，甚至利用低能量也可能对磁芯有效地励磁，并且能够通过阻止励磁信号与检测线圈的输出信号相混合来改善S/N比率。而且，由于整个磁芯(也就是，不仅其表面，而且其内部)都能以均匀的方式受到磁励磁，所以能够消除剩余磁场和导致的磁滞现象的产生，并因此获得高的测量精度。
在上述磁传感器中，在轴的长度方向上扩展的一个或多个隙缝形成在外部导体的外壁中。由于隙缝形成在外部导体中，能够阻止在外部导体中产生涡流电流，并因此能够防止输出的减少。
在上述磁传感器中，将内部导体和外部导体的同侧上的各自末端整体地电连接。由于将内部导体和外部导体的同侧上的各自末端整体地电连接，能够获得高度刚性的结构，并因此可能获得稳定的测量精度。
在上述磁传感器中，磁芯由坡莫合金或铁硅铝磁合金制造的管子形成。因此，具有小直径、高精度的圆柱磁芯能够以低成本高生产率地制造。
本发明的磁传感器中的一种制造方法，包括步骤获得由软磁材料制成的圆柱磁芯；将内部导体插入并固定在其间涂布有绝缘涂层薄膜的磁芯中；将在其轴的长度方向上有狭缝的圆柱外部导体从外面安装并固定到其间涂布有绝缘材料的磁芯的外表面上；并且在外部导体的外表面上缠绕检测线圈。在本发明的该制造方法中，能够以统一的质量和低成本而不破坏精度的规律来批量生产高精度的磁传感器。
在磁传感器的上述制造方法中，由软磁材料制成的圆柱磁芯是通过坡莫合金制成的管子形成。因此，甚至利用小的矫磁力也可能获得具有大导磁率的圆柱磁芯。而且，批量制造具有稳定精度的产品变得可能。
在磁传感器的上述制造方法中，使由坡莫合金制成的管子在1000℃到1200℃范围内进行几个小时的加热处理以此来改善其软磁特性。因此，能够消除制造引起的变形，并因此可能获得具有更好的软磁特性的管子。由于可获得同样的软磁特性，因此能够减少精度的不规律，并且还可很大地提高分辨率。
本发明的上述和其它目的和特征将会从下面参照附图的详细说明中变得更清楚。
图1A是显示正交磁选通器类型元件的原理的说明图。
图1B是显示在磁芯中形成磁通量的说明图。
图2是显示图1A中所示正交磁选通器类型元件的操作的说明图。
图3包含励磁电流，纵向方向中的磁化和图1A中所示正交磁选通器类型元件的检测线圈输出电压的波形图。
图4是显示传统磁检测元件的示意图。
图5是显示第一个实施例的磁传感器结构的示意图。
图6A是图5中所示磁传感器的纵向剖面图。
图6B是图5中所示磁传感器的侧视图。
图7是显示检测线圈结构的方框图。
图8A是显示第二个实施例的磁传感器结构的透视图。
图8B是图8A的侧视图。
图9A显示第三个实施例的磁传感器结构的示意图。
图9B是图9A中沿线B-B的剖面图。
图9C是显示第三个实施例的磁传感器另一个结构的剖面图。
图10A是显示外部导体另一种结构的示意图。
图10B是显示外部导体的又一种结构的示意图。
图11A到11G是显示本发明的磁传感器制造方法(第四个实施例)过程的说明图。
图12A到12E是显示本发明的磁传感器制造方法(第五个实施例)过程的说明图。
图13是显示测试电路结构的方框图。
图14是显示测试装置结构的示意图。
图15A和15B是显示作为磁传感器测试结果的输入/输出特性的图表。
图16A和16B是显示作为磁传感器测试结果的方向特性的图。
图17A和17B是显示磁传感器分辨率的测试结果的图表。
图18是显示对第四个实施例中所制造的磁传感器的剩余输出的测试结果特性图。
图19是显示第五个实施例中所制造的磁传感器中的励磁导线中电感的直流偏置特性的图表。
图5是显示根据本发明第一个实施例的正交磁选通器类型的磁传感器结构的示意图；图6A是显示第一个实施例结构的剖面图(在其中未示出检测线圈)；并且图6B是显示从右侧观察图6A结构的视图(在其中未示出检测线圈)。在这些图中，附图标记1是内部导体，2是外部导体，3是磁芯，4是检测线圈，和5是高频电源。
内部导体1由已知金属或其它传导材料制成，并且形成圆柱形。具体地，内部导体1最好是由非磁材料制成，使得不会对磁芯3施加由于剩余磁化导致的偏移和磁滞现象的不利影响，例如，可从Cu，Al等中选择该材料。而且，从和内部导体1同样的角度出发，外部导体2也可从传导材料中选择，并形成其内部直径比内部导体1的直径大的圆柱形。将内部导体1和外部导体2以同轴的方式安放，使内部导体1位于内部并使外部导体2位于外侧，并在它们之间插入绝缘材料，并且将内部导体1和外部导体2处于同侧的各自末端通过端板2a相互电连接。通过钎焊或熔焊将内部导体1和外部导体2相应的末端整体固定在端板2a的表面上。
内部导体1的另一端以预定长度从外部导体2的另一端向外伸出的方式来安置。依靠使汽相淀积或涂敷来使内部导体1的外部圆周表面、外部导体2的内部和外部圆周表面以及端板2a的内部圆周表面上附着上绝缘材料。将绝缘材料安放成能够维持内部导体1和外部导体2相对表面之间的电绝缘。此处，为获得本发明磁传感器更优选的效果，维持内部导体1和磁芯3之间的绝缘是有效的；并且为提供优选的生产率等，用绝缘材料覆盖内部导体1的外部圆周表面是有效的。
此处，将由诸如坡莫合金(Ni-Fe合金)、铁硅铝磁合金(Fe-Al-Si合金)或软铁氧体制成的、形成圆柱形的磁芯3插入并安装在内部导体1和外部导体2之间形成的圆柱空间区域内部。圆柱磁芯3的材料是软磁材料，并且需要具有适当的软磁特性(也就是，具有大的导磁率，矫顽力尽可能的小)。坡莫合金(Ni-Fe合金)是能够满足这种需要的最好材料，其次是铁硅铝磁合金(Fe-Al-Si合金)并且然后是软铁氧体(例如，Mn-Zn系铁氧体)。上述材料的任一种都可用于本发明涉及的圆柱磁芯，并且从制造特性(为了最小化直径)和软磁特性的角度来看，坡莫合金是最好的材料其次是铁硅铝磁合金；因此，可获得更优选的管子形状。此处，从制造特性的角度来看，坡莫合金是最好的材料。但是，由于制造引起的变形会使坡莫合金易于在软磁特性中的退化；因此，通过使其在制造之后接受加热处理(磁退火)可更优选地改善软磁特性。此外，铁硅铝磁合金固有地不易加工变形，并且不需要经历热处理。
将磁芯3的一个末端插入到使其与端板2a的内部圆周表面连接，并且允许其另一端以预定的长度从外部导体2的另一端向外突出。不需要在磁芯3、内部导体1和外部导体2之间提供一种紧密的连接状态，并且这些构件相互之间可以自由转动，并且彼此之间有适当的余隙。在外部导体2的外表面以预定的匝数缠绕检测线圈4，并且在内部导体1和外部导体2的另一端之间连接有高频电源5。
此处，本实施例作为例子给出了内部导体1形成柱状，并且外部导体2和磁芯3也分别形成圆柱形状的情况；但是，这些构件的形状不受这些形状的特别限制，并且它们当然可以形成例如正方形，五边形或其它多边形。
在图6B中，在图5所示的正交磁选通器类型的磁传感器中允许高频电流流经内部导体1和外部导体2之间形成的磁场用带箭头的虚线s表示。该图清楚地显示，由流经内部导体1的励磁电流和流经外部导体2的励磁电流所形成的励磁磁场，仅在内部导体1和外部导体2之间产生而没有磁化任何空间；因此将磁场集中在磁芯3上是可能的，并因此以低能量没有任何损耗地完成磁化过程。换句话说，通过将外部导体2有效地安放在磁芯3周围，在外部导体2的外部泄漏的励磁磁通将基本上缩减到零，并因此得到上述的效果。
图7是显示与检测线圈4相连的检测单元结构的方框图，并且在该图中，附图标记6表示振荡/分频电路。从振荡/分频电路6输出7KHz和14KHz的两种高频能，并且将7KHz的高频波作为正弦励磁电流作用给内部导体1和外部导体2，和将14KHz的高频波作用给对相位敏感的检测器8。将作为检测线圈4的检测信号的电压信号输入给消除噪音的带通滤波器7(BPF)，并输入到检测相位的对相位敏感的检测器8，然后输入给平滑滤波器9。平滑滤波器9使所输入的相位检测信号平滑，并将与磁场的强度和方向相关的正或负的检测信号输出给检测电路40。因此，检测电路40在检测信号的基础上检测磁场的强度和方向。
在第二个实施例中，在外部导体2的圆周方向的一部分中形成在轴长度方向扩展的狭槽。图8A是显示第二个实施例结构的透视图。图8B是侧视图(其中检测线圈4未示出)。其它元件，诸如内部导体1、外部导体2和磁芯3实质上具有和第一个实施例中相同的结构；将省略相同附图标记所代表的相对应的构件及其描述。在第二个实施例中，由于形成了一个狭缝2b，能够防止在外部导体2的表面上产生涡旋电流，并因此有效地防止由于涡旋电流的产生引起的输出电压减小和噪音增加。
在第三个实施例中，外部导体由一对平行的导体组成，并且用相互面对的两个侧面覆盖磁芯3并将磁芯3定位于其中。图9A显示第三个实施例结构的示意图，并且图9B是图9A中沿线B-B的剖面图。在图中，附图标记1是内部导体，10是外部导体，3是磁芯，4是检测线圈，并且5是高频电源。
组成外部导体10的平行的平板形状导体10a和10b由传导材料制成，并且在它们的末端通过由同样材料制成的端板10c和10d相互整体地连接，并且在端板10c和10d中的各自中心处开有孔。将由软磁材料形成的圆柱形的磁芯3安放在平行导体10a和10b之间，并且同样以其与外部导体10的长度方向相一致的长度方向将其内插到端平板10c和10d之间。通过端板10c上的孔将内部导体1插入到磁芯3中，其中对插入到端板10c孔的内部导体1的一端进行钎焊或铜焊，内部导体1的另一端将以所确定长度从端板10d向外伸出。在第三个实施例中，外部导体10的形成是容易进行的，并且整个装配过程也是容易实施的。
图9C显示外部导体10的另一个结构，是对应于图9B的剖面图，并且外部导体10由具有在其剖面中在长度方向上的两端通过端面封闭的凹面形状的槽式构件组成。诸如内部导体1、磁芯3、检测线圈4等其它元件实质上具有和图9A和图9B所示的相同结构。在外部导体10的这个布置中，由组成外部导体10的平行导体10a、10b和将它们连接的导体10e覆盖磁芯3；因此，在磁化磁芯3的时候允许磁力线进入平行导体10a、10b和导体10e从而磁化它们。因此，磁场将进一步集中在磁芯3上，并且使得用低能量有效地完成磁化过程变得可能。
此处，关于第三个实施例中的外部导体10，除图9B和图9C所显示的结构外，可采用图10A所示的横截面为半圆柱形的外部导体10p，或者可采用将平板形状的外部导体10q安放在如图10B所示在圆周方向上相互间每隔120°角的三个方向上。
换句话说，外部导体的这些布置和结构使得能够减少外部导体外励磁磁通量的渗漏，并且更优选的是利用图5所示的外部导体完全包围磁芯外表面的结构；但是，根据生产率、所需要的精度等，还可采用除了上述结构之外的多种结构。例如其中包括在磁芯3的周围安放奇数个诸如3、5或7个平板形状的外部导体10，或者在磁芯3周围安放偶数个诸如4、6或8个平板形状的外部导体10。
第四个实施例是图9A和图9B所显示的作为第三个实施例的磁传感器的制造方法。图11A到11G是显示磁传感器的主要制造方法过程的说明图。首先，如图11A所示，制备3mm宽、7到8mm长和0.013mm厚的由坡莫合金制成的平板。将该平板卷成在宽度方向上允许两侧边缘相互接触的圆柱型，并如图11B所示，通过点焊使两个接触的边缘相互连接，于是可获得具有0.8mm的内部直径和8mm长的圆柱形的磁芯3，并且该磁芯将经受3小时的1100℃的加热处理(退火)，如图11C所示。
接下来，将一对相互面对并将磁芯3内插到它们之间的、由铜制成的平行导体通过端板10c和10d在其每个末端封闭，并且在端板10c和10d的中心形成圆孔；从而形成外部导体10，并将磁芯3覆盖在其内部。然后，如图11D所示，将磁芯3各自末端的孔从其内部与外部导体10的端板10c和10d的孔10f和10g对齐，并且在这种状态中，允许圆棒形内部导体1从外部导体10的一端按顺序穿过孔10f、磁芯3和孔10g。然后，如图11E所示通过铜焊或熔焊将前端整体地固定在孔10g的外部边缘上。与磁芯3相接触的内部导体1的部分将由电绝缘材料形成。在这种状态中，以能够在孔10f之前伸展出预定长度的方式来安装内部导体1的底端部分。
接下来，制备如图11G所示由绝缘材料制成的方形的线圈架19，在其剖面中，该线圈架19在中间部分上横向和纵向侧为3mm和在长度方向上为8mm并且在各自末端部分的外表面具有凸缘19a和19b；并且在其外表面上将具有90μm直径的导线缠绕100匝来得到检测线圈4；然后并将其如图11F所示从外部安装到已把磁芯3和内部导体1放入其中的外部导体10上。因此，大体可以制造与第三个实施例所示相同的磁传感器。
图12A至12E是显示适合批量生产本发明磁传感器的磁传感器主要制造方法过程的说明图。首先，如图12A所示制备由坡莫合金制成的管30。管30的材料由80％重量的Ni，5％重量的Mo和Fe组成。在下面的步骤中制造管30将具有0.18mm厚和12.8mm宽并由上述成分制成的被拉长的带状平板从其宽度方向的一个末端侧面以使其折叠的方式来弯曲，使得宽度方向上的两个边缘相互接触；并且在这种状态中，对接触部分进行焊接以得到由坡莫合金制成的密封焊接导管；并且利用插塞和模具使其经受一个拉拔的制造处理。最终得到的管30要经过一个软退火(在800℃到1000℃中，在氢气中1到5分钟)以使容易实施下面的过程，并且再次进行导线拉拔处理；此后，将其切割成预定长度以获得具有预定软磁特性的管31。接下来，如图12B所示，最终得到的管31要经受一个热处理(磁退火)来改善软磁特性。
上述热处理(磁退火)是在氩气或其他惰性气体中在1000℃到1200℃的温度范围内(更优选的是，1100℃到1150℃)进行1到4小时(更优选的是，3小时)。管31热处理的条件和最终得到的磁特性如表1所示。
表1
材料80％重量的Ni，5％重量的Mo，Fe。在氩气中进行热处理，接下来是冷却过程。Hc矫顽力，μm最大特定的导磁率从表1中清楚的看到，通过热处理的温度和热处理的时间可获得多种磁特性；因此，可依据所需要的诸如矫顽力Hc和最大特定的磁导率μm的磁特性适当选择热处理的温度和热处理的时间。因此得到的管31具有诸如抗拉强度69.9kg/mm2，扩展比率35.8％，和硬度(Hv)162(1kg)等特性。而且，例如管31的尺寸如下面的表2所示表2
上述热处理允许管31作为整体具有相同的软磁特性。接下来，如图12C所示，将配线部件32从管31的一端插入到经受过热处理的管31的内部，并且利用焊接剂等将其整个固定，其中配线部件32由Mo制成用来作为内部导体并涂敷有由Al2O3所制成的绝缘薄膜33，在该状态中允许配线部件32和绝缘薄膜33以预定长度从前端的侧面伸出。
接下来，如图12D所示，在其内部安装并固定内部导体的管31的外表面上安装一个圆柱体34，该圆柱体形成外部导体，由铜制成具有0.1mm的厚度，并有一个以能沿整个长度在轴长度方向上扩展的、在其圆周方向的一部分中所形成的缝隙34a。在圆柱体34的内部圆周表面上或管31的外部圆周表面上包覆绝缘材料，并且将圆柱体34焊接并固定在31的外部圆周表面上，并在两者之间插入绝缘材料。通过缝隙34a将其分开的方式固定圆柱体34。此后，如图12E所示，将由Mo制成的从管31的一端伸出的配线部件32弯曲并将其焊接到圆柱体34一端的外部圆周表面上。沿圆柱体34的外部圆周表面缠绕涂敷有绝缘材料的检测线圈35；因此，各自的末端形成检测输出端子。而且，将输出端子34b焊接在圆柱体34另一端的外部圆周表面上，并且在端子34b和用作内部导体由Mo制成的配线部件32之间连接高频电源。如上所述，大体上可制造与第二个实施例中所描述的相同的磁传感器。
下面的描述将讨论在根据第四和第五个实施例所制造的磁传感器上利用图13和图14所示的测试电路和测试装置进行测试的结果。
图13是显示测试电路结构的方框图，并且如图14所示，将磁传感器安放到在亥姆霍兹(Helmholtz)线圈14和15之间安装的固定基座上，并且将磁传感器的检测线圈14与检测单元50相连。从检测单元50中的振荡/分频电路6输出7kHz和14kHz两种高频能量，其中，将7kHz的高频作为正弦波励磁输出作用给内部导体和外部导体，并且在其过程中，通过噪音测量表41检测噪音。而且，将14kHz的高频施加给对相位敏感的检测器8。
将作为检测线圈4的检测信号的电压信号输入到在其中消除噪音的BPF7，并输入到在其中检测相位的对相位敏感的检测器8，然后输入到平滑滤波器9。平滑滤波器9使所输入相位检测信号平滑；因此，允许检测电路40获得与磁场的强度和方向相关的检测信号输出。因此，检测电路40在检测输出的基础上得到检测结果(磁场的强度和方向)。
图14是显示测试装置结构的示意图。在该测试装置中，形成具有每侧边12cm、通过由坡莫合金制成的板(0.5mm厚)遮蔽的周围六个面以避免地球磁场影响的立方体形外壳11。在其内部中心，一对支撑平板12和13，以预定间隙(大约是16mm)相互平行地垂直安放；Helmholtz线圈14和15每个具有32mm的直径，并以同轴的方式固定在各自相对的面上；一个样品基座17位于Helmoholtz线圈14和15之间，并固定在可自由旋转的支柱16的顶端。此处，附图标记18是固定在支柱16上的旋转角度平板。如图13所示，将磁传感器安放在样品基座17上，并使其与检测单元50相连来进行测试。
将在第四个实施例中所制造的磁传感器安放在样品基座17上，并将能量施加给Helmholtz线圈14和15以在它们之间形成强度可变化的磁场。接下来，旋转样品基座17，从而改变由磁传感器的方向(内部导体1和外部导体2的轴向)和磁场的方向所形成的角θ；因此，造成每次改变时都要对磁传感器的检测信号进行采样。
图15A和15B是显示作为在第四和第五个实施例中所制造各自磁传感器测试结果的输入/输出特性的图表，并且在横坐标轴上绘出所施加的磁通量密度(mG)的采样结果，并且在纵坐标轴上绘出那些用作检测信号的输出电压(V)。在这些图表中，标记□和●显示的是将与磁传感器相关的磁场方向在正极(图15A中向上的)和负极(图15A中向下的)之间反向的情形。正如这些图表显示的特性所显示的一样，在输入/输出比率达到2V/G的情况下，输出电压(V)在1mG到1G的范围内相对于所施加的磁通量密度以基本上是线性的方式变化，因此显示的是施加了优良的线性特性。
图16A和16B显示的是在第四和第五个实施例中所制造的各自磁传感器测试结果的方向特性，并且图表所显示的是通过改变内部导体1和外部导体2的轴向相对于磁场方向(在0°方向中所作用的0.5G的磁通量)的角θ所获得输出电压(V)的采样结果。通过这些方向特性清楚地显示，输出电压在0°和180°方向最大并且输出电压在90°和270°方向上基本为零；这显示施加了优良的方向特性。
图17A和17B显示的是在第四和第五个实施例中所制造的各磁传感器分辨率的测试结果，并且在横坐标轴上绘出时间(秒)，和在纵坐标轴上绘出输出电压。对于在第四个实施例中所制造的磁传感器的测试，在1mG的基础上以步进方式改变磁场强度，并且对于在第五个实施例中所制造的磁传感器的测试，在0.5mG的基础上以步进方式改变磁场强度；因此，可分别得到各自输出电压(mV)的结果。通过这些图表清楚地显示，可清楚地区别1mG和0.5mG的步进式响应波形。
图18显示的是对第四个实施例中所制造的磁传感器的剩余输出测试的结果的特性，并且在圆周方向绘出角度和在半径方向绘出输出电压。在这个测试中，处于一种没有能量施加到如图14所示的测试装置中的Helmholtz线圈14和15上的状态中，旋转样品基座17以检测外壳体11内部的磁芯3的剩余磁通量密度。结果显示输出电压不超过2mV，也就是说，磁芯3的剩余磁通量密度不超过1mG。对于在第五个实施例中所制造的磁传感器，将获得基本上同样的测试结果。从这些测试结果中，证实通过完全消除诸如地球磁场等干扰因素可将预定的磁场精确地作用给磁传感器。
图19显示的是通过利用LC测量仪表对在第五个实施例中所制造的磁传感器中电感的直流偏置特性而获得的测试结果。图19是显示励磁导线中电感的直流偏置特性的图表，并且在横坐标轴上绘出偏置直流(mA)，和在纵坐标轴上绘出电感(μH)。在图19中，标记□显示0.3mm直径的情形，并且标记●显示0.4mm的情形。通过这个图表清楚地显示，对于管，即使在小偏置电流的情况下直径越小，电感越低，换句话说，甚至用小的励磁电流也可使磁芯磁化饱和，因此使得减少励磁电流成为可能。
由于本发明可以用没有超出其基本特征的精神的几个方式来描述，目前的实施例是示范性的和非限定性的，由于本发明的范围由附属的权利要求而不是上述的说明来限定，并且所有的变化都将落入到权利要求的界定和范围内，因而与这些权利要求的边界和范围相当的其它内容也由权利要求所包含。
权利要求
1.一种磁传感器，包括一个由软磁材料制成的圆柱形磁芯；一个安放在磁芯内部的内部导体；一个缠在磁芯上的检测线圈；和一个安放在磁芯周围、并和内部导体电连接的外部导体，其中使AC电流流经内部磁芯以使驻留在检测线圈周围的待测磁场变化，并且在检测线圈输出的基础上检测待测磁场的强度和方向。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中将所说的外部导体至少安放在互相面对并且磁芯定位于中间的两个位置处。
3.根据权利要求1所述的磁传感器，其中所说的外部导体由具有通过端板封闭的两个末端的槽式构件构成，每块板具有允许内部导体穿过的孔。
4.根据权利要求1所述的磁传感器，其中所说的外部导体为圆柱形。
5.根据权利要求1所述的磁传感器，其中所说的内部导体为柱状形，并且外部导体和磁芯也各自为圆柱形。
6.根据权利要求1所述的磁传感器，其中一个或多个缝隙以在轴的长度方向延伸的方式形成在外部导体的外壁上。
7.根据权利要求1所述的磁传感器，其中通过其同侧的各自末端的相互电连接将所说的内部导体和外部导体整体上相互连接。
8.根据权利要求1所述的磁传感器，其中通过由坡莫合金或铁硅铝磁合金制造的管子形成所说的磁芯。
9.一种磁传感器的制造方法，包括步骤形成由软磁材料制成的圆柱形磁芯；将内部导体插入并固定在磁芯中，并在它们之间设置绝缘材料；将圆柱外部导体从外部安装并固定到磁芯上，并在它们之间设置绝缘材料；在外部导体的外表面缠绕检测线圈。
10.根据权利要求9所述的磁传感器的制造方法，其中在外部导体中沿其轴长度方向形成狭缝。
11.根据权利要求9所述的磁传感器的制造方法，其中通过由坡莫合金制成的管形成所说的磁芯。
12.根据权利要求11所述的磁传感器的制造方法，其中所说的由坡莫合金制成的管要经受几个小时的1000℃到1200℃的热处理以改善其自身的软磁特性。
13.一种磁传感器装置，包括一个磁传感器，包含一个由软磁材料制成的圆柱形磁芯、一个安放在磁芯内部的内部导体、一个缠绕在磁芯上的检测线圈、一个安放在磁芯周围并和内部导体电连接的外部导体；一个电源，用于对内部导体施加AC电流来使驻留在检测线圈周围的待测磁场改变；和一个检测单元，用于在来自检测线圈的检测信号的基础上对待测磁场的强度和方向进行检测。
全文摘要
提供一种具有由软磁材料制成的圆柱形磁芯的正交磁选通器类型的磁传感器;将内部导体安放在磁芯内部;在磁芯上缠绕检测线圈;并且将外部导体安放在磁芯周围并与内部导体电连接。使高频电流流经内部导体来使驻留在检测线圈周围的待测磁场改变,并在检测线圈输出的基础上检测待测磁场的强度和方向。由于外部导体安放在磁芯的外表面上,因此防止由磁芯所形成的磁通量磁化任意空间是可能的,并因此能够将磁场集中在磁芯上。
文档编号G01R33/04GK1272629SQ00118180
公开日2000年11月8日 申请日期2000年4月30日 优先权日1999年4月30日
发明者川上诚 申请人:住友特殊金属株式会社