МАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1999 года по МПК H03K3/45 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при создании устройств ввода цифровой информации и датчиков механических перемещений.

Известен магнитный импульсный генератор [1], содержащий сердечник в виде провода, сердцевина которого имеет меньшую коэрцитивную силу, чем оболочка, считывающую катушку, намотанную на провод.

Недостатком известного генератора является нестабильность амплитуды, формы и фазы импульсов выходного напряжения, обусловленная стохастичностью процесса зарождения домена обратной намагниченности, который может происходить либо на торцах провода (одном или обоих), либо на нерегулярной границе раздела между сердцевиной и оболочкой.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является импульсный генератор [2] , содержащий анизотропный магнитный сердечник, считывающую катушку и источник перемагничивающего поля.

В известном генераторе на торцах магнитного провода размещены специальные полюсные наконечники, провод заключен в стеклянную капсулу, а считывающая катушка намотана на капсулу. Полюсные наконечники снижают неопределенность зарождения доменов на торцах, капсула защищает провод от термомеханических напряжений и, тем самым, повышает однородность границы раздела сердцевина-оболочка.

Однако нестабильность выходных импульсов известного генератора достигает существенной величины, недопустимой в целом ряде практических применений.

Кроме того, известный генератор может функционировать при длине магнитного провода, не меньший определенной (около 1 см), что ограничивает его быстродействие (максимальная рабочая частота около 20 кГц) и возможности миниатюризации.

Необходимо также подчеркнуть и сложность организации производства известного генератора с требуемыми параметрами, обусловленную нестандартной технологией изготовления двухфазного магнитного провода с заданными свойствами сердцевины и оболочки.

Техническая задача заявляемого изобретения заключается в создании магнитного импульсного генератора с повышенными показателями по стабильности параметров выходных импульсов, быстродействию, технологичности и сниженными габаритами.

Для решения поставленной задачи магнитный импульсный генератор, содержащий анизотропный магнитный сердечник, считывающую катушку и источник перемагничивающего поля, снабжен магнитосвязанным с сердечником источником локального магнитного поля с излучающими поверхностями. Сердечник выполнен в виде однородной магнитомягкой пластины с одноосной плоскостной анизотропией, излучающие поверхности источника локального поля размещены в пределах краев пластины, а локальное поле в плоскости пластины ориентировано вдоль оси легкого намагничивания сердечника.

На фиг. 1 представлена блок-схема магнитного импульсного генератора; на фиг. 2 - поэтапная картина процесса перемагничивания сердечника; на фиг. 3 - форма импульса выходного напряжения; на фиг. 4 - пример конструкции сердечника и считывающей катушки в интегральном исполнении; на фиг. 5 - пример топологии считывающей катушки; на фиг. 6 - пример применения заявляемого устройства для построения датчика скорости автомобиля; на фиг. 7 - пример применения заявляемого устройства для реализации бесконтактного переключателыя.

Магнитный импульсный генератор (фиг. 1) содержит анизотропный магнитный сердечник 1 в виде однородной магнитомягкой пластины (ОЛН - ось легкого намагничивания) c рабочей зоной 2 и краевыми доменами 3, источник 4 перемагничивающего поля например, в виде соленоида с током, источник 5 локального магнитного поля с излучающими поверхностями 6, не выходящими за пределы краев пластины 1, например, в виде постоянного магнита соответствующих размеров и катушку считывания 7.

В качестве сердечника можно использовать монокристаллические и аморфные магнитные пленки, ленты и слои с однослойной плоскостной анизотропией. Источником может быть как перемещаемый или вращающийся постоянный магнит, так и электромагнит, катушка или проводник с током. Эти же средства могут быть использованы в качестве источника Считывающая катушка может быть как объемной (намотанной на сердечник или накладной), так и плоской (в виде печатной платы или интегральной).

Работа магнитного импульсного генератора осуществляется следующим образом. Источник 4 перемагничивающего поля намагничивает до насыщения рабочую зону 2 сердечника 1, при этом ориентирует его магнитный момент по одному из направлений ОЛН, уменьшает до необходимой величины размеры краевых доменов 3 (они находятся в обратной зависимости от модуля ).

Источник 5 локального магнитного поля с излучающими поверхностями 6 для формирования импульсов выходного напряжения создает в рабочей зоне 2 поле параллельное ОЛН и противоположное
Импульс выходного напряжения U_вых, формируемый на нагрузке R_н, вырабатывается генератором, когда в рабочей зоне создаются условия для образования исходного домена обратной намагниченности, независимо от того, какое из полей или одно или оба, является изменяющимся или переменным. Исходный домен обратной намагниченности с большой скоростью расширяется до размеров рабочей зоны, при этом считывающая катушка 7 регистрирует изменение магнитного потока сердечника, на выводах которой получают импульс выходного напряжения U_вых.

Затем источники полей и создают условия для восстановления состояния насыщения рабочей зоны сердечника (либо снижением величины поля либо повышением величины поля ).

Позициями 8 - 25 обозначены элементы устройств, использующих описанный генератор.

Принцип работы заявляемого устройства иллюстрируется с помощью фиг. 2 и 3, где для одного цикла работы показаны характерные промежуточные магнитные состояния рабочей зоны магнитопленочного сердечника и соответствующие им участки импульса выходного напряжения. Данные, приведенные на фиг. 2 и фиг. 3, получены экспериментальным путем при импульсном перемагничивании магниопленочного анизотропного сердечника. Доменные структуры (фиг. 2) наблюдались на магнитооптической установке (использован меридиональный эффект Керра), выходной импульс (фиг. 3) регистрировался плоской катушкой считывания, поле создавалось импульсной катушкой, питаемой от генератора наносекундных импульсов тока.

В исходном состоянии (фиг. 2а) рабочая зона 2 сердечника насыщена и намагничена вдоль ОЛН в направлении
При подаче (фиг. 2б) и выполнении условия (I)

где H_N - поле зародышеобразования;
H_р - поле рассеяния краев сердечника, нормальных к ОЛН,
внутри рабочей зоны 2 образуется небольшой исходный домен 8 обратной намагниченности. Поскольку H^N≈H_k(H_k - поле планарной анизотропии материала сердечника), данная фаза процесса перемагничивания сердечника осуществляется преимущественно вращением вектора намагниченности и длится не более 100 нм; ее вклад в U_вых относительно невелик ввиду малости изменения магнитного потока (фиг. 3, участок А).

Затем исходный домен 8 обратной намагниченности увеличивается в размерах одновременно по направлениям осей легкого и трудного намагничивания (ОТН) - фиг. 2в. Эта фаза осуществляется путем разностороннего некогерентного вращения вектора намагниченности у вершин и боковых границ домена, проходит с высокой скоростью V_d (до 2•10⁶ смс^-1) и вносят основной вклад в U_сч (фиг. 3, участок Б). Скорость роста домена по ОЛН несколько выше, чем по ОТН; приближенно обе скорости могут быть описаны соотношением (2)
V_d ≅ μ_d•H_a,
где μ_d - подвижность границ и домена (μ_d ≅ 1•10⁵ cм•c^-1Э)^-1,
H_а - эффективное приложенное поле,
H_а=H_лок+H_р-H_п-H_c-H_d, (3),
где H_с - коэрцитивная сила материала сердечника, H_d - размагничивающее поле растущего домена.

H^d≈N_dM_sDb_dl_d ^-1, (4)
где N_d - размагничивающий фактор домена, M_s - намагниченность насыщения материала сердечника, D - толщина пластины сердечника, b_d и l_d - соответственно ширина и длина домена.

Из (1) и (3) получим, что
H_a≈H_N-H_d-H_c (5)
Из (2), (4) и (5), с учетом порядка величины μ_d и что H_N≈H_k, следует, что скорость роста домена, а значит и параметры импульса выходного напряжения в значительной мере определяются свойствами материала сердечника μ_d, H_k, H_c, M_s, D).

Кроме того, следует, что, как только домен достигает максимальной длины и дальнейшее перемагничивание сердечника происходит за счет роста ширины домена, начинается снижение V_d и U_вых.

Процесс перемагничивания заканчивается при снижении V_d до нуля на границах рабочей зоны 2 сердечника (фиг. 2г). Эта фаза имеет наибольшую длительность и вносит небольшой вклад в U_вых (фиг. 3, участок В).

Цикл работы устройства заканчивается восстановлением исходного состояния рабочей зоны сердечника либо за счет снижения величины , либо за счет повышения Магнитное состояние сердечника в данном процессе изменяется со скоростью снижения (см. (3)). Вначале домен, занимающий всю рабочую зону, разделяется на несколько изолированных доменов 9 (фиг. 2д). Затем по мере снижения размеры доменов 9 уменьшаются и происходит их коллапс. Эта фаза создает на выводах катушки напряжение с полярностью, противоположной U_вых и небольшой амплитудой, зависящей от скорости
В течение всего цикла работы устройства краевые домены и граничные эффекты исключены из процесса перемагничивания сердечника и формирования импульса выходного напряжения. Таким образом, в устройстве обеспечиваются условия для перемагничивания сердечника с максимальной воспроизводимой скоростью, определяемой параметрами его материала и минимальной зависимостью от скорости изменения рабочих полей. Например, для образца, параметры выходного импульса которого даны на фиг. 3 (D=3 мкм, H_k= 40Э, H_c=1Э, M_c=1000 Гс, диаметр рабочей зоны - 4 мм) диапазон "независимости" амплитуды от частоты составляет от 0 до 100 кГц, максимальная рабочая частота - 250 кГц.

При этом устройство позволяет сформировать достаточно высокую удельную амплитуду U_вых - около 10 мВ/виток (на холостом ходу) при использовании плоской накладной печатной считывающей катушки. Эта особенность заявляемого устройства создает основу для исполнения сердечника и считывающей катушки в виде интегральной пленочной схемы.

Примеры конструкции сердечника и катушки в интегральном исполнении даны на фиг. 4, 5.

На подложке 10 находится магнитопленочный сердечник 11 с однослойной планарной анизотропией, получаемый вакуумными методами распыления или напыления, изолирующий слой 12 (двуокись кремния) и планарная катушка 13 из алюминия или меди. Катушка (фиг. 5) содержит две последовательно включенные одинаковые секции 14 и 15 и контактные площадки 16. Секции 14 и 15 соединены согласно по отношению к магнитному потоку рабочей зоны 17 сердечника и встречно по отношению к потоку перемагничивающего поля.

Примеры практического применения заявляемого устройства - на фиг. 6 и фиг. 7.

Датчик скорости автомобиля (фиг. 6) предназначен для преобразования частоты вращения приводного вала в частоту электрических импульсов, пропорциональную скорости движения автомобиля, при его установке на привод спидометра коробки передач. Датчик содержит магнитопленочный сердечник 17, непосредственно на который намотана считывающая катушка 18, кольцевой многополюсный постоянный магнит 19 (4 полюса), закрепленный на приводном валу 20 датчика, магнитопроводы 21, постоянный магнит 22. Кольцевой магнит 19 вместе с магнитопроводами 21 служит для создания перемагничивающего поля магнит 22 - для создания локального поля При движении автомобиля приводной вал 20 датчика вращает многополюсный магнит 19, который с помощью магнитопроводов 21 создает в сердечнике 17 знакопеременное магнитное поле При выполнении условия (1) перемагничивается рабочая зона сердечника 17 и на выводах катушки 18 вырабатывается импульс напряжения (в данном случае два импульса за один оборот приводного вала). Датчик данного типа прошел стендовые и дорожные испытания и осваивается в серийном производстве.

Бесконтактный переключатель (фиг. 7) предназначен для выработки одного электрического импульса при однократном нажатии на его приводной элемент. Переключатель содержит подвижную клавишу 23, постоянный магнит 24, жестко связанный с клавишей, неподвижные магнитопроводы 25, сердечник 26, считывающую катушку 27, постоянный магнит 28. Постоянный магнит 24 вместе с магнитопроводами 25 служит для создания локального поля постоянный магнит 28 - для создания перемагничивающего поля В исходный момент рабочая зона сердечника под действием поля магнита 28 находится в состоянии насыщения. При нажатии клавиши 23 постоянный магнит 24 входит в зазор между магнитопроводами 25 и к сердечнику 26 прикладывается нарастающее локальное магнитное поле. При выполнении условия (1) на выводах катушки 27 вырабатывается импульс напряжения. Возврат клавиши приводит к выводу магнита 24 из магнитной связи с магнитопроводами 25, в сердечнике спадает и его рабочая зона возвращается в исходное состояние.

Переключатель данного типа смакетирован в лабораторных условиях и показал принципиальную работоспособность и высокую повторяемость параметров выходного импульса от цикла к циклу.

Использование магнитного импульсного генератора обеспечивает следующие преимущества. Исключение краевых и граничных эффектов из процесса формирования импульсов генератора позволяет обеспечить стабильный и, в то же время, максимальный порог начала перемагничивания сердечника. Следствием этого является создание условий для перемагничивания сердечника с максимально возможной скоростью и формирования выходного напряжения с максимально возможной амплитудой, в широких пределах не зависящей от скорости изменения перемагничивающего поля. Исключение процесса зарождения доменов обратной намагниченности на краевых и межфазных несовершенствах из процесса перемагничивания сердечника позволяет существенно повысить повторяемость параметров импульсов во времени от образца к образцу. Быстрое перемагничивание сердечника приводит к формированию импульсов с круглым передним фронтом и меньшей длительностью, что повышает быстродействие и пространственную точность формирования импульсов генератора при его применении в датчиках механических перемещений. Кроме того, планарная геометрия сердечника в заявляемом техническом решении делает возможным применение групповых технологических методов для изготовления генератора, в том числе интегральных методов при выполнении сердечника в магнитопленочном виде, упрощает пооперационный контроль и создает предпосылки для снижения габаритов.

Использование: устройства ввода цифровой информации и датчики перемещения. Сущность изобретения: генератор содержит магнитомягкую пластину с одноосной плоскостной анизотропией, источники перемагничивающего поля и локальные поля, считывающую катушку. Излучающие поверхности источника локального поля расположены в пределах пластины, а его поле ориентировано вдоль оси легкого намагничивания последней. 7 ил.

Магнитный импульсный генератор, содержащий анизотропный магнитный сердечник, считывающую катушку и источник перемагничивающего поля, отличающийся тем, что он снабжен магнитосвязанным с сердечником источником локального магнитного поля, при этом сердечник выполнен в виде однородной магнитомягкой пластины с одноосной плоскостной анизотропией, а полюса источника локального поля размещены в пределах краев пластины так, что локальное поле в плоскости пластины ориентировано вдоль оси легкого намагничивания последней.