DE2414489A1 - Magnetfeldsensorvorrichtung - Google Patents

Description

MISHIMA KOSAN CO., LTD., 1-15, 2-chome, Edamitsu, Yawata-ku,

Kitakyusbu-City, Fukuoka Prefecture, Japan

Magnetfeldsensorvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensorvorrichtung.

Bei bekannten Magnetometern der hier in Präge stehenden Art wird eine große Masse magnetischen Materials verwendet, wodurch jedoch hohe Wirbelstromverluste entstehen, die die Empfindlichkeit beeinträchtigen. Dem entgegenzuwirken hat man Magnetometer gebaut, •bei denen die magnetische Substanz aus einer dünnen Schicht besteht. Dabei ergeben sich Magnetisierungsmechanismen aufgrund der Verschiebungen der Grenzen der einzelnen Domänen mit der Folge, daß die Umschaltgeschwindigkeit des Magnetkernes gering ist und die Betriebsfrequenz begrenzt ist auf einen Bereich zwischen einigen 1o JIz und einigen 1o kHz.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Magnetfeldsensor der eingangs genannten Art so auszugestalten, dai3 er mit hoher Empfindlichkeit, kleiner Grobe und leichtem Gewicht ausführbar sein kann und insbesondere auch bei hohen Frequenzen, nämlich oberhalb einiger 1o kHz Sinuswelle betreibbar ist. Die Erfindung nutzt dabei ein

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Phänomen aus, das darin besteht, daß eine magnetische Inversion in Abhängigkeit von einem Rotationsmagnetisierungsmechanismus stärker hervortritt als die anderen Magnetisierungsmechanismen, wenn die Magnetschicht wenige ,w oder einige lOyudick ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Erregerstromquelle zur Erzeugung eines Erregerwechselstromes an die um einen Magnetkern gewickelte Erregerwicklung angeschlossen ist, welcher Magnetkern einen zentralen elektrischen Leiter aufweist und mit einer magnetischen Schicht ummantelt ist, und daß im magnetischem Sättigungsbetrieb eine magnetische Inversion des Kerns in Abhängigkeit des Rotationsmagnetisierungsmechanismus hervorgerufen wird, und daß eine Detektorschaltung zur Ermittlung der Amplitudendifferenz der asymmetrisch in der Erregerwicklung induzierten Spannung und eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige dieser Amplitudendifferenz vorgesehen ist.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

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In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 einen Magnetfeldsensor nach der Erfindung,

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel dee Mag

netfeldsensors nach der Erfindung,

Figur 3a bis 3d vier Ausführungsbeispiele von Amplituden-

detektorschaltungen, und

Figur 4 eine Magnetfeldsensorvorrichtung nach der

Erfindung, bestückt mit Magnetfeldsensoren nach Figur 1 und 2.

In Figur 1 ist ein Magnetfeldsensor mit magnetischer Dünnschicht dargestellt, der einen mit einer Magnetschicht beschichteten Magnetkern 3 aufweist. Me magnetische Schicht 2 ist auf die Oberfläche des Leiters 1 elektrisch niedergeschlagen und einige/*. bis einige 10/U, dick.

Auf den Kern 3 ist eine Erregerwicklung 4 aus isoliertem Leiter aufgewickelt. Diese Erregerwicklung dient auch als Detektorwicklung. Das Detektorsignal wird an den Anschlüssen 5 und 6, die auch für die Zufuhr der Erregerspannung dienen, abgegriffen.

Die magnetischen Charakteristika, die magnetische Anisotropie und dergleichen der magnetischen Schicht 2 sind im einzelnen nicht begrenzt, aber die Magnetisierung M einer einzelnen magnetisch'en· Domäne der magnetischen Schicht soll uniaxial anisotrop sein. Die magnetische Schicht ist dünn und die Erregung erfolgt unter einem Erregerindex Xs1. Wenn Erregerstrom von den Anschlüssen 5 und 6 eingespeist wird, dann folgt die Magnetisierung M dem -Rotationsmagnetisierungsmechanismus in der Schicht, die sich .aus dem erregten Magnetfeld ergibt und die Kinematik der Magnetisierung kann durch folgende Gleichung annähernd ausgedrückt werden :

+ 41Yv² -2-S.

dt dt d θ

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δ. ρ 3ο 915

In dieser Gleichung bedeutet θ den Windel zwischen dem erregenden Magnetfeld und der Magnetisierung M, X ein Dämpfungskoeffizient, r ein Gyrokoeffizient und E eine freie Energie.

Wenn, theoretisch gesprochen, der Flußwechsel nach dieser Gleichung durch Drehung der Magnetisation M hervorgerufen wird, ergibt sich eine Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Detektorsignal.

Das Eingangssignal kann beispielsweise das magnetische Feld, da<j von Metall oder dergleichen oder einem magnetisieren Körper hervorgerufen wird, sein, es kann aber auch das magnetische Feld sein, das von einem magnetischen Kreis aufgrund eines elektrischen Stroms erzeugt wurde.

Figur 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors, bei dem die Erregerwicklung 4 für eine Brückenschaltung in zwei Wicklungsteile 4a und 4b unterteilt ist. Wenn das Eingangssignal auf den gesamten Magnetfeldsensor gleichmäßig wirkt, dann ist das abgenommene Detektorsignal 0. Wenn jedoch das Eingangssignal lokal unterschiedlich auf den Magnetfeldsensor einwirkt, also zum Beispiel nur auf den oberen Teil aus Figur 2, dann ist das abgenommene Detektorsignal bestimmt durch die Größe des Eingangssignals und die Unterteilung der Wicklung. Der Magnetkern 3 aus Figur 2 ist genauso ausgebildet wie der aus Figur 1. Mit 7 ist ein zusätzlicher Abgriff der Erregerwicklung 4 bezeichnet, für den Fall, daß der Magnetfeldsensor in eine Brückenschal-'tung einbezogen werden soll.

Die magnetischen Eigenschaften sind folgende. Vorzugsweise liegen die Achsen einfachster Magnetisierung in Umfangsrichtung, wiewohl die Richtung dieser Achsen einfachster Magnetisierung und die Richtungen des anregenden Magnetfeldes und des Magnetsignals wählbar sind. Es gibt auch keine Einschränkungen in der relativen Position des Magnetkerns, der magnetischen Abschirmmittel zur Verhinderung magnetischer Störgeräusche, der Abschirmmittel zur Begrenzung der Ansprechrichtung sowie der des Leiters.Das gleiche gilt für die relative Anordnung mehrerer wechselseitig betriebener Magnetfeldsensoren.

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Der magnetische Kern kann einschichtig oder mehrschichtig sein und orthogonal schräg oder parallel auf jeder Oberfläche angeordnet sein und kann integriert sein, so daß ein Vielfachkopf entsteht. Im Falle eines solchen Vielfachkopfes muß man nur noch die einzelnen Köpfe auswählenden Schaltmittel vorsehen.

Unter Umständen ist es zweckmäßig, einen Resonanzkreis vorzusehen, indem eine Kapazität zwischen den Anschlüssen 5 und 6 über die Wicklung 4 in Figur 1 beziehungsweise 2 geschaltet wird.

Figur 3a bis 3c zeigen je eine Detektorschaltung zur Ermittlung der Amplitudendifferenz der asymmetrischen Spannungswelle, die zwischen den Anschlüssen 5 und 6 beziehungsweise 5, 6 und 7 der Erregerwicklung 4 aus Figur 1 beziehungsweise 2 abgegriffen wird.

Die Detektorschaltungen weisen, um die Maximalwerte der positiven oder negativen Amplitude zu- ermitteln, zwei beziehungsweise vier Dioden, einen Widerstand und Kapazitäten auf.

Die Anschlüsse 8 und 9 sind gemäß Figur 3a und 3b die Ausgangs anschlüsse der Detektorschaltung en. Gemäß Figur 3c liegen die Ausgangs anschlüsse und 7 an einem Brückenabgriff einer aus zwei Kapazitäten und einem Widerstand mit Mittelabgriff gebildeten Brücke. Das gleiche gilt für Figur 3d.

Wenn man die Ausgangsspannung, die an den Ausgangsanschlüssen 8 und 9 beziehungsweise 7 und 8 abgegriffen wird, verstärkt und falls notwendig gleichrichtet, dann kann damit das magnetische Feld, das auf die magnetische Schicht des betreffenden Magnetfeldsensörs einwirkt, zur Anzeige gebracht werden.

Gemäß Figur 4 ist mit 1o eine Erregerspannungsquelle bezeichnet, die eine: ßrregerwechselspannung erzeugt.

Mit 11 ist eine Magnetfeldsensorvorrichtung bezeichnet, mit einem in Brücke geschalteten Magnetfeldsensor aus Figur 2 oder zwei hintereinandergeschalteten Magnetfeldsensoren aus Figur 1.

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Mit 12 ist eine Detektorschaltung bezeichnet, die ausgeführt ist wie die in Figur 3d. Mit 13 ist eine Anzeigevorrichtung bezeichnet.

Wenn auf die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung ein äußeres Magnetfeld einwirkt, das in gleicher Weise auf den oberen und auf den unteren Magnetfeldsensor beziehungsweise den oberen und unteren Teil des Magnetfeldsensors der Magnetfeldsensorvorrichtung 11 einwirkt, dann ist die Brückenbedingung in der Detektorschaltung 12 erfüllt und das Anzeigesignal an den Anschlüssen 7 und 3 ist O Volt.

Wenn dagegen das auf den unteren Magnetfeldsensor beziehungsweise die untere Abteilung des Magnetfeldsensors einwirkende Magnetfeld ein bischen gröfSer ist als das auf den oberen Magnetfeldsensor beziehungsweise die obere Abteilung dann ist die Gleichgewichtsbedingung der Brückenschaltung der Detektorschaltung 12 nicht mehr erfüllt und es entsteht ein Spannungssignal am Ausgangsanschiuid S, das in der Anzeigevorrichtung 13 einen Anzeigeausschlag auslöst.

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Claims (1)

24U489 P 3ο 915 ANSPRÜCHE

1. Magnetfeldsensorvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erregerstromquelle ( 1o ) .zur Erzeugung eines Erregerwechselstromes an die um einen Magnetkern ( 3 ) gewickelte Erregerwicklung ( 4 ) angeschlossen ist, welcher Magnetkern ( 3 ) einen zentralen elektrischen Leiter ( 1 ) aufweist und mit einer magnetischen Schicht ( 2 ) ummantelt ist, und daß im magnetischen Sättigungsbetrieb eine magnetische Inversion des Kerns in Abhängigkeit des Rotationsmagnetisierungsmechanismus hervorgerufen wird, und daß eine Detektorschaltung ( 12 ) zur Ermittlung der Amplitudendifferenz der asymmetrisch in der Erregerwicklung ( 4 ) induzierten Spannung und eine Anzeigevorrichtung ( 13. ) zur Anzeige dieser Amplitudendifferenz vorgesehen ist.

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