CN1191317A - 铁磁体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁磁体传感器,其包括:通路形成装置,用以限定铁磁体的通路;磁铁,其设置在所述通路附近,以形成磁场;和磁场检测元件,其用以检测由所述磁铁所形成的磁场一部分,所述磁场部分平行于所述磁场检测元件的平面而延伸;其中所述通路形成装置,所述磁铁,和所述磁场检测元件可这样设置,使得所述磁场检测元件在所述铁磁体穿过所述通路,使磁场变形时,检测到铁磁体造成的磁场改变。

Description

铁磁体传感器

本发明涉及一种铁磁体传感器，特别是，涉及一种使用磁场检测元件的铁磁体传感器，其响应于平行于磁阻面的一部分磁场。

本申请是基于日本专利申请号平9-049615，其内容在这里可结合做参考。

日本专利申请，其第一次公告号昭60-102585和昭61-199875，公开了一种金属球检测装置。

图7示出了现有技术的金属球检测装置。金属球检测装置包括保持架30，其具有用于金属球50的通孔40；安装在保持架30上的永久磁铁10和霍尔元件60；和与永久磁铁10和霍尔元件60相连的铁磁材料L形磁路。

永久磁铁10的极面和霍尔元件60的磁阻面可垂直于穿过通孔40的金属球50的半径而设置。

对于永久磁铁10，霍尔元件60，和金属球50的布置存在一些限制，因为金属球检测装置使用了磁场检测装置，即霍尔元件，所以其会对垂直于元件表面的磁场起反应。也就是说，永久磁铁表面与霍尔元件表面之间的角必须为90度或90×N度(N为自然数)。霍尔元件60的磁阻表面必须垂直于金属球50的半径而设置，换句话说，平行于金属球50的切线。

另外，由于霍尔元件60的输出性能，其对小于30高斯的低磁场会线性劣化，因此，必须增强由永久磁铁10所形成的磁场，或者永久磁铁10与霍尔元件60之间的空隙必须要很窄。如此产生的问题在于，金属球50会受到永久磁铁10的吸引。

本发明的目的是提供一种铁磁体传感器，其允许自由地布置磁体和检测元件，并且其可使用具有低磁场强度的小磁体，由此可减低传感器的成本和大小。

为了实现上述目的，铁磁体传感器包括通路形成装置，其用以限定铁磁体的通路；磁铁，其与通路相邻设置，以形成磁场；和磁场检测元件，用以检测由磁铁所形成一部分磁场，即与磁场检测元件平面平行延伸的磁场部分；其中通路形成装置，磁铁，和磁场检测元件这样设置，使得磁场检测元件可在铁磁体穿过通路造成磁场变形时，检测磁场的改变。

按照本发明的铁磁体传感器允许自由地确定磁场检测元件相对于铁磁体移动的位置，从而允许设计的更大自由度，因为所使用的磁场检测元件可响应于与磁阻表面平行的磁场。

还有，本发明的铁磁体传感器允许自由地布置永久磁铁，通孔和磁场检测元件，因为平行的磁场检测元件对低磁场敏感，并且响应于由永久磁铁和铁磁体所形成的特定方向上的磁场。

按本发明的第二方面，通过铁磁体和磁场检测元件中心的第一平面与通过磁场检测元件磁阻表面的第二平面之间的夹角是在42-80度，132-170度，222-260度，和312-350度之一的范围内。相对于铁磁体中心的磁铁的中心与磁场检测元件的中心之间的夹角是在42-80度，132-170度，222-260度，和312-350度之一的范围内。最好是，磁铁具有1000-2000高斯的磁强度，其可作为表面磁通量密度。

按照本发明，铁磁体传感器允许自由地确定磁场检测元件的位置，因为使用的磁场检测元件响应于与元件表面平行的磁场，并且其对低磁场敏感。

最好是，提供许多磁铁和磁场检测元件，以便于检测穿过通路的铁磁体的移动速率。磁场检测元件可由Ni-Fe，Ni-Co，和Ni-Fe-Co之一的薄膜制成，并且其设置在集成电路芯片的硅衬底上。

磁场检测元件可以为各向异性磁阻元件，巨型磁阻元件，或巨大磁阻元件。另外，磁铁可为永久磁铁。

图1A是透视图，其表示按照本发明实施例的铁磁体传感器。图1B是放大透视图，其表示磁场检测元件。图1C是平面图，其表示实施例的永久磁铁，磁场检测元件，和铁磁体的位置。

图2是表示由实施例的永久磁铁和铁磁体所形成的磁场的分布图。

图3A是曲线图，其表示由磁场检测元件所检测的磁场强度的波动，其分别是在存在和不存在实施例的铁磁体情况下检测的。图3B是平面图，其表示磁场检测元件相对于实施例的铁磁体的位置。

图4A是局部剖视图，其表示在实施例IC芯片的衬底上所形成的模压集成磁场检测元件。图4B是实施例的集成磁场检测元件等效电路的电路图。

图5A是用以说明实施例的示意图。图5B是用以说明实施例的侧视图。图5C是平面图，其用以说明实施例的有效磁场的区域。图5D是由实施例的铁磁体传感器所输出的波形图，其中上面的曲线表示铁磁体通过；下面的曲线表示无铁磁体通过时的状态。

图6是与实施例铁磁体传感器相连的显示电路的示意图。

图7是平面图，其表示现有技术的金属球检测装置。

下面将参照图1-6来描述按照本发明的铁磁体传感器的最佳形式。

如图1A所示，铁磁体传感器包括基座，其构成通路形成装置，如具有通孔(通路)4的保持架3，球5可穿过所述通孔4；永久磁铁1，其具有1000-2000高斯的磁场强度，可作为表面磁通密度，其可安装在保持架3上；和磁场检测元件2，其具有磁阻表面，响应于平行于该表面的磁场，如AMR元件(各向异性磁阻元件)，其具有各向异性磁阻效应。脉冲整形电路可连接于AMR元件上。永久磁铁1最好是以距永久磁铁1若干毫米的距离在特定方向上形成20-30高斯的磁场。

如图1B所示，磁阻表面是由上表面A，后表面B，下侧表面C和前表面D之一上形成的。如图1C所示，不必垂直于球5的半径来设置磁阻表面，因为磁场检测元件2可检测平行于磁阻表面的磁场。

图2表示在球5穿过通孔4时由磁铁1所形成的磁场。N和S极在铁磁体球5中形成以与永久磁铁相联通。磁场包括磁力线6，其由永久磁铁1相对侧上铁磁体球5的N极指向与永久磁铁1相邻的铁磁体球5的S极；和磁力线7，其由铁磁体球5的中部以方向H指向铁磁体球5相对侧上永久磁铁1的S极。在这种情况下，磁场检测元件2响应于磁力线6和7，其在方向V上发生变形。

铁磁体传感器可检测永久磁铁1和铁磁体球5的N极(或S极)之间的磁场强度，其使用具有磁阻表面的磁场检测元件2，以响应平行于该表面的磁场。因此，不必使磁阻表面垂直于球5的半径。铁磁体传感器可检测穿过的铁磁体球5，因为磁阻表面这样设置，以便于检测在方向V上的磁场变化。

下面将参照图3和4来描述实施例的操作。图3A表示分别在存在和不存在实施例的铁磁体情况下的磁场强度，和图3B表示永久磁铁1和球5的位置。

在图3中，横轴表示在方向B上距球5中心0x的距离，纵轴表示磁场强度。实线表示在球5穿过通孔4的情况下的磁场强度，虚线表示球5穿过之前和之后的磁场强度。在-6x(球5左端的位置)到0x(球5中心的位置)的范围内，由实线所示的磁场强度表示在-6x时为最大值，并且在0x时为最小值。在小于0x(0x的左侧)范围内，在球5穿过之前和之后的磁场强度(用虚线表示)要比在球5穿过时(由实线表示)的低得多。

在0x到+4x的范围内，磁场强度会一直增加直到+4x时(到球5右端的位置)。当永久磁铁1的磁场强度足够大时，0x到+4x的范围内的性能类似于-6x到0x范围内的性能。

磁场检测元件可包括两个元件或四个元件，并且如果必要的话，其可以是复合装置，该装置可包括所述元件和集成电路。

磁场检测元件可根据平行于磁阻表面的磁场而改变其电阻。每个元件的阻值R可根据信号磁场Hx而变化，并且其可由下式表示：

        R＝Ro+ΔRmax{1-(Hx/Ho)²}其中Ro是初始电阻值，ΔRmax是最大变量，和Ho是元件难磁化轴方向上的饱和磁场，其中Ho可由Ho＝4πMt/W+HK表示(W是元件宽度，t是薄膜厚度，M是饱和磁化，Hk是各向异性磁场)。

永久磁铁1和球5的位置可这样确定，使得电阻可根据图2所示方向V上磁场强度的变化而显著地改变。也就是说，磁场检测元件的输出也会根据在方向B上磁场强度的增加而增加，同时输出会根据方向B上磁场强度的降低而降低。

最好是，使用集成磁阻元件，如在日本专利公告(第二次公告)号为平7-078528中所公开的，其具有对应于磁场强度的开关特性。

图4A表示模压集成磁阻元件，图4B表示元件的等效电路。磁阻元件是通过将在预定平面(元件表面)上的磁阻材料薄膜以Z形构型而构成。可将磁阻分为四部分，并且还包含有桥(路)。磁阻材料的薄膜可形成在波形整形电路的集成电路芯片的衬底上。

在等效电路中，包含磁阻11-13的的桥路可连接于电源端子17和19上，并且桥路中点的输出可连接于比较器上，该比较器具有反馈电阻16，会提供磁滞特性，使得脉冲电压可从端子18上输出。该电路可象磁阻开关一样工作，其会根据铁磁体的移动而增加由“0”(高)到“1”(低)的输出电压。

下面将描述实施例的具体实例。参见图3，当球的半径为R时，可设定水平和垂直轴上的数值以满足条件：5.5x＝R和6y＝30高斯。在-6x到-2x范围内，在方向B(在图3B中)上与向接近永久磁铁1移动的铁磁体球5相通的磁场强度会比无铁磁体球5的磁场强度大的多。在-6x到-2x范围内，通过球5和磁场检测元件2中心的第一平面与通过磁阻表面的第二平面之间的角α(如图1C所示)，处于42-80度范围内。永久磁铁1的中心与磁场检测元件2之间相对于球5中心的角θ处于42-80度范围内。

在该实施例中，包括磁阻表面的平面与球5之间的角可设置为tan^-1R/4。在图1B中，磁阻表面可形成在上表面A，后表面B，下侧表面C，前表面D和与这些表面A-D平行的其它表面之一上。用于磁场检测元件的磁阻材料可以为，例如，坡莫合金(Ni-Fe)，Ni-Co，和Ni-Fe-Co合金之一。为了将检测输出变为数字电压，可使用图4B中的脉冲波形整形电路，并且将构成桥电路的电阻11的阻值设置为低，正如在日本专利公告，第二次公告，号为平7-078528中所公开的。在该结构中，处于42-80度角α范围内的磁场检测元件2会根据铁磁球5的穿过而以高电平输出电压信号。

图5A是用以说明永久磁铁1，磁场检测元件2和铁磁球5位置关系的示意图，图5B是用以说明该实施例的侧视图。图5C表示磁场检测元件位置的一个实例。

铁磁球5具有11毫米的半径。永久磁铁1具有1000-2000高斯的表面磁通密度。磁场检测元件为MRSM76或MRSS95(由日本电气公司制造)，其对于0.5-1.0毫米范围的表面磁场起反应，并且其定位在图5C中特定的矩形区域中。也就是说，磁场检测元件2定位在水平轴上-4x＝4毫米的位置上(在图3A中也示出了)。因此，构成了铁磁体传感器，其根据图5D所示铁磁球5的移动而输出“1”(高)电压信号。

图6是方框图，其表示用以计数铁磁球5的移动的显示电路。计数器集成电路22可对铁磁体传感器21所输出的脉冲电压计数，并且由计数器22所计数的总值可由显示器23进行显示。

虽然在实施例中所描述的铁磁体为球5，但铁磁体的形状不限于此，只要如前所述特定方向上的磁场是通过永久磁铁和铁磁体而形成的。

上述实施例是在X轴上的值为负数时进行的描述。当X轴上的数值为正数时，可以获得类似的特性，并且铁磁体传感器可以通过将磁场检测元件设置在物体中心的右边而构成。也就是说，当使用具有足够大表面磁通密度的永久磁铁时，磁场强度会由0x以类似于由0x向X轴上的左边的方式向X轴上的右边增加。

因此，永久磁铁应设置在同一位置上，同时磁场检测元件应设置在铁磁体中心的右侧上。在图1C中，通过铁磁球5和磁场检测元件1中心的第一平面与通过磁阻表面的第二平面之间的角α应处于42-80度，132-170度，222-260度，和312-350度之一的范围内。永久磁铁1中心与磁场检测元件2的中心之间相对于球5的中心的角θ应处于42-80度，132-170度，222-260度，和312-350度之一的范围内。

虽然在实施例中使用了具有AMR(各向异性磁阻)效应的平行磁场检测元件，但是还可以使用GMR(巨型磁阻)元件，或CMR(巨大磁阻)元件。

还有，沿铁磁体的移动方向可提供许多永久磁铁和磁场检测元件，以便于通过测量铁磁体移动的间隔来检测通过通路所传送的铁磁体的移动速率。再有，可使用电磁铁来代替永久磁铁。铁磁体的通路不限于圆形通孔。

本发明还可以以其它形式来实施，或以不脱离本发明精神的其它方式来完成。因此，本发明实施例可以在各个方面进行考虑，并且其不能作为对本发明限制，本发明的保护范围将通过权利要求来加以限制，所有的改进均将落于本发明及其等效的范围内。

Claims (9)

1.一种铁磁体传感器，其包括：

通路形成装置，用以限定铁磁体的通路；

磁铁，其设置在所述通路附近，以形成磁场；和

磁场检测元件，其用以检测由所述磁铁所形成的一部分磁场，所述磁场部分平行于所述磁场检测元件的平面而延伸，

其特征在于所述通路形成装置，所述磁铁，和所述磁场检测元件可这样设置，使得所述磁场检测元件在所述铁磁体穿过所述通路，使磁场变形时，检测到由所述铁磁体造成的磁场改变。

2.按照权利要求1是铁磁体传感器，其中通过所述铁磁体和所述磁场检测元件中心的第一平面与通过所述磁场检测元件的第二平面之间的角，处于42-80度，132-170度，222-260度，和312-350度之一的范围内。

3.按照权利要求2的铁磁体传感器，其中所述磁铁中心与所述磁场检测元件中心之间相对于所述铁磁体的中心的角处于42-80度，132-170度，222-260度，和312-350度之一的范围内。

4.按照权利要求1的铁磁体传感器，其中提供有许多所述磁铁和所述磁场检测元件，以便检测穿过所述通路的所述铁磁体的移动速率。

5.按照权利要求1的铁磁体传感器，其中所述磁场检测元件是由至少Ni-Fe，Ni-Co，和Ni-Fe-Co之一的薄膜制成。

6.按照权利要求1的铁磁体传感器，其中所述磁场检测元件可设置在集成电路芯片的硅衬底上，并且其可连接于所述集成电路芯片中的电路。

7.按照权利要求1的铁磁体传感器，其中所述磁场检测元件至少为各向异性磁阻元件，巨型磁阻元件，和巨大磁阻元件之一。

8.按照权利要求1的铁磁体传感器，其中所述通路形成装置包括基体，其具有用于使所述铁磁体穿过的孔，所述磁铁可安装在所述基体上。

9.安装权利要求1的铁磁体传感器，其中所述磁铁为永久磁铁。

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