KR100748511B1 - 코일형 센서 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코일형 센서 모듈에 관한 것으로, 특히 전원선의 전류량을 측정하기 위한 센서를 다수의 코일을 직렬 연결하여 제작함으로써 감도를 향상시키도록 하는데 그 목적이 있다. 이러한 목적의 본 발명은 주전원선(610)을 시계방향으로 1회 권선하여 제1 코일 고리(611)를 형성하고 그 제1 코일 고리(611)에 직렬 연결되도록 주전원선(610)을 반시계방향으로 1회 권선하여 제2 코일 고리(612)를 형성하며, 나선형으로 권선된 제1,제2 코일(620)(630) 각각을 상기 제1,제2 코일고리(611)(612) 각각의 내부에 삽입하여 상기 제1,제2 코일(620)(630)의 내부 단자를 직렬 연결하고, 상기 제1,제2 코일(620)(630)의 외부단자(621)(631)를 상기 주전원선(610)의 전류량을 측정하기 위한 검출기기(도면 미도시)에 연결하여 구성함을 특징으로 한다.

Description

코일형 센서 모듈{SENSOR MODULE OF COIL TYPE}

도1은 코일형 센서의 기본 구성도.

도2는 트랜스포머 형태의 코일형 센서의 예시도.

도3 및 도4는 본 발명의 실시 예에서 주전원선의 분기 형태의 예시도.

도5는 본 발명의 실시 예에서 코일의 직렬 연결 상태를 보인 도면.

도6은 본 발명의 실시 예에서 코일형 센서의 구성도.

도7은 도6의 코일형 센서에 외부 자기장이 인가된 경우의 동작 상태를 보인 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

610 : 주전원선 611,612 : 제1,제2 코일 고리

620,630 : 제1,제2 코일

본 발명은 센서에 관한 것으로, 특히 코일형 센서 모듈에 관한 것이다.

최근 가정에 다양한 전기기기의 보급률이 높아지면서 가구당 전력 사용량이 급증하고 있다.

전력 소비는 에너지 자원의 소모를 뜻하며, 궁극적으로 제한된 자원의 매장량 감소 뿐만 아니라 이산화탄소(

)의 발생량 증가, 열 발생으로 인한 지구 온난화 등의 요인되고 있다.

또한, 전력 소비의 증가는 비용적 측면에서 향후 전력의 가격을 지속적으로 상승시킬 것이다.

따라서, 에너지 자원의 관리 측면과 가정의 경제적 측면에서 각 기기들의 소비 전력 관리는 필요할 것이다.

가정 내에서의 소비 전력 관리를 위해서는 자체적으로 소비 전력을 진단하는 기능을 갖는 기기를 설치하는 것이 하나의 방안이 될 것이다.

또한, 가정 내 전반적인 소비전력의 관리를 위해 전원 제어회로와 기기별 사용량을 측정할 수 있는 전력량 계측용 센서, 그리고 소비현황을 모니터하는 서버로 이루어지는 전원 관리 네트워크를 설치하는 것도 가능하다.

그런데, 전력량 계측용 센서는 동작에 있어서 소모 전류가 크지 않고 별도의 회로가 차지하는 부피가 작을수록 유리하다.

전력량 계측용 센서는 대체로 전류가 발생시키는 자기장을 감지하는 자기센서에 기반하여 설계되고 있는데, 홀(hall) 센서, MR(Magneto resistive : 자기저항 효과) 센서, 코일(coil)형 센서 등이 사용될 수 있다.

상기 예시된 센서 중에서 코일형 센서를 제외한 홀 센서 또는 MR 센서는 바이어스(bias) 전류를 가해주어야 하므로 별도의 구동회로를 필요로 한다.

그러나, 코일형 센서는 별도의 전원공급이 필요없지만, 부피에 비해 신호 크기가 작아 자기유도 뿐만 아니라 전기유도신호가 발생하기 쉬워 별도의 신호 처리 회로를 필요로 함으로 제작 비용함은 물론 설치 공간이 증가하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 전원선의 전류량을 측정하기 위한 센서를 다수의 코일을 직렬 연결하여 제작함으로써 감도를 향상시키도록 창안한 코일형 센서 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 주전원선을 일정영역을 형성하도록 시계방향으로 적어도 1회 이상 권선(제1 코일 고리)하고 이어서 일정영역을 형성하도록 반시계방향으로 적어도 1회 이상 권선(제2 코일 고리)하며, 상기 제1,제2 코일 고리 내의 영역에 적어도 1회 이상 권선된 제1,제2 코일을 삽입함과 아울러 그 제1,제2 코일의 내부단자간을 직렬 연결하고, 전류량 계측을 위한 검출기기에 연결할 상기 제1,제2 코일의 외부 단자를 외부로 도출하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 제1,제2 코일은 동일한 인덕턴스를 갖도록 단면적 및 권선수를 동일하게 구성함은 물론 나선형으로 권선하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 제1,제2 코일 고리는 주전원선의 일부를 분기하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 제1,제2 코일 또는 제1,제2 코일 고리는 인쇄회로기판에 패턴 형태로 구성함을 특징으로 한다.

상기 제1,제2 코일의 권선 영역 내부에 자성코어를 삽입하여 구성함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 기술적 구성요지는 바람직한 실시 예에서 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 구체적인 처리 흐름과 같은 많은 특정 상세 설명들을 기재함은 물론 도면을 첨부하여 본 발명에 대한 전반적인 이해를 돕기로 한다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

코일형 센서는 작용 방식에 따라 수동형 센서와 능동형 센서로 구분된다.

능동형 센서는 외부 전압을 필요로 하나, 수동형 센서는 외부 자극에 반응하여 전기적 신호를 직접 발생시킨다. 즉, 수동형 센서는 발전형(generative) 센서이다.

코일형 센서는 도1에서 도시한 바와 같이, 도선을 고리 모양으로 감은 코일형으로 제작할 수 있다.

또한, 코일형 센서는 인쇄회로기판에 코일형태의 패턴을 형성하여 제작할 수도 있다.

코일형 센서의 동작을 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도선(110)에 전류(i)가 흐르게 되면 코일(120)에 자기장이 유도되고, 상기 코일(120)에는 자기장에 반대되는 방향으로 유도 기전력이 발생되어 제1 단자(121)에서 제2 단자(122)로 전류가 흐르게 된다.

이때, 코일(120)에 발생되는 유도 기전력은 코일의 폐루프를 지나는 자속의 시간 변화율과 같다.

또한, 코일형 센서는 트랜스포머와 같은 형태로 제작할 수도 있다.

도2는 본 발명의 실시 예로서 제시한 트랜스포머 형태의 코일형 센서의 예시도로서 이에 도시한 바와 같이, 도선(210)을 폐루프를 형성하도록 한번 권선하고, 상기 도선(210)의 폐루프 상에 근접하도록 코일(220)을 위치시켜 구성한다.

도2에서 폐루프를 형성하는 도선(210)은 단락(short) 상태가 되지 않도록 한다.

도2의 코일형 센서는 도선과 코일의 상호 유도 결합도(mutual inductance coupling strength)를 증가시켜 검출감도를 향상시키는 경우이다.

즉, 도2는 1차 권선이 되는 도선(210)에 흐르는 전류에 의해 유도되는 자속의 밀도를 크게 하여 검출감도를 높이는 방식의 센서를 도시한 것이다.

특히, 상호 유도가 적용되는 경우 자성 코어를 코일(220)의 내부에 삽입하면 결합력을 더욱 크게 할 수 있다.

그런데, 도2와 같이 상호 유도를 이용하는 경우에 검출하고자 하는 전류의 양이 크다면 코일(220)이 도선(210)에 직렬 인덕턴스를 부가하는 역할을 함으로 악영향이 나타날 수 있다.

따라서, 도선(= 주전원선)과 코일간의 유도 계수를 줄일 필요가 있다.

도3 및 도4는 본 발명의 실시 예로서 제시한 주전원선의 일부를 분기하여 도선과 코일간의 유도 계수를 줄이는 방법을 도시한 것이다.

도3은 도선(310)의 일부를 분기하여 폐루프(311)를 형성하고 그 폐루프(311) 상의 근접하게 코일(320)를 위치시키는 경우를 도시한 것이다.

도4는 도선(410)의 일부를 분기시켜 트랜스포머(420)와 결합시킨 경우를 도시한 것이다.

한편, 코일형 센서는 신호의 감도를 높이기 위하여 여러 개의 코일을 직렬 연결하여 구성할 수 있다.

도5는 본 발명의 실시 예로서 2개의 코일을 직렬 연결하는 방식의 일예를 도시한 것이다.

도5에서 도선(510)을 기준으로 일측 면에 외부에서 시계방향으로 적어도 한번 이상 권선하여 나선형의 코일(521)를 구성하고, 다른측 면에 외부에서 반시계방향으로 적어도 한번 이상 권선하여 나선형의 코일(522)을 구성하며, 상기 코일(521)의 내부 단자와 상기 코일(522)의 외부단자를 직렬 연결하여 구성한다.

따라서, 도5의 코일형 센서는 직렬 연결을 통해 코일의 출력을 2배로 증가시키게 된다.

또한, 도6은 본 발명의 실시 예로서 제시한 코일형 센서의 구성도로서 이에 도시한 바와 같이, 주전원선(610)을 시계방향으로 1회 권선하여 제1 코일 고리(611)를 형성하고 그 제1 코일 고리(611)에 직렬 연결되도록 주전원선(610)을 반시계방향으로 1회 권선하여 제2 코일 고리(612)를 형성하며, 외부에서 내부측으로 권선된 나선형의 제1,제2 코일(620)(630) 각각을 상기 제1,제2 코일고리(611)(612) 각각의 내부에 삽입하여 상기 제1,제2 코일(620)(630)의 내부 단자를 공통 연결하 고, 상기 제1,제2 코일(620)(630)의 외부단자(621)(631)를 상기 주전원선(610)의 전류량을 측정하기 위한 검출기기(도면 미도시)에 연결하여 구성한다.

도3에서 주전원선(610)이 형성하는 제1,제2 코일 고리(611)(612)는 1차 권선이 되어 제1,제2 코일(620)(630)와 트랜스포머로 결합되는 것이다.

본 발명의 실시 예로 제시된 도3의 코일형 센서에 대한 동작 및 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

주전원선(610)에 전류(i)가 흐르면 제1 코일 고리(611)는 도면을 기준으로 안쪽으로 자기장을 발생시키고, 제2 코일 고리(612)는 도면을 기준으로 바깥쪽으로 자기장을 발생시킨다.

이때, 유도되는 자기장에 의해 제1 코일(620)과 제2 코일(630)에 각각 유도 기전력(

), (

이 발생된다.

만일, 단자(621)(631)가 부하 저항이나 검출기기에 연결되어 있다면 상기 유도 기전력(

,

)에 의해 제1,제2 코일(620)(630)에는 각각 전류(

,

)가 흐르게 된다.

이때, 유도 기전력(

,

)은 서로 순방향으로 직렬 연결되고, 제1,제2 코일(620)(630)에 흐르는 전류(

)도 순방향이 됨으로 전류(

)의 크기는 상기 제1,제2 코일(620)(630)에 각기 흐르는 전류(

,

)의 합과 같다.

따라서, 제1,제2 코일(620)(630)의 단자(621)(631)에 발생하는 유도 기전력(

,

)은

만큼의 크기를 가진다. 이에 따라, 검출기기(도면 미도 시)를 이용하여 주전원선(610)에 흐르는 전류의 양을 측정할 수 있다.

그런데, 주전원선(610)에 흐르는 전류에 의해 제1,제2 코일(620)(630)에 발생되는 유도 자기장을 서로 반대 방향이다.

하지만, 제1,제2 코일(620)(630)의 검출감도는 제1 코일(620)의 유도 기전력(

)과 제2 코일(630)의 유도 기전력(

)의 합으로 나타남으로 유도 자기장에 의한 영향은 없다.

이를 도7을 참조하여 설명하기로 한다. 도7은 도6의 코일형 센서에 외부에서 자기장이 인가되는 경우를 도시한 것이다.

외부에서의 자기장(

)은 제1,제2 코일(611)(612)에 동일한 방향으로 자기장을 주게 된다.

이때, 제1 코일(611)에는 유도 기전력(

)이 인가되고, 제2 코일(612)에는 유도 기전력(

이 인가된다.

따라서, 제1 코일(611)과 제2 코일(612)의 단면적, 권선수가 동일하여 인덕턴스가 같다고 가정하면 상기 제1,제2 코일(611)(612)에 각기 흐르는 전류(

)(

)의 방향은 반대이고 유도 기전력(

)(

)은 같다(

).

이에 따라, 외부 자기장(

)에 의해 유도되는 기전력은

이 된다.

즉, 도6의 구조로 제작된 코일형 센서는 제1,제2 코일(611)(612)을 직렬 연 결함으로 감도는

로 크기가 증가되고, 외부 자기장이나 전자기파 등의 노이즈로 인해 입력되는 동상 신호에 대한 감도는

로 크기를 감소시켜 노이즈에 대한 영향을 줄이게 된다.

또한, 도6에서 주전원선(610)을 2회 권선하여 직렬 연결하는 구성을 도시하였으나, 주전원선을 도3과 같이 분기하여 도6의 제1,제2 코일 고리(611)(612)를 형성하고, 그 제1,제2 코일 고리(611)(612)의 내부에 제1,제2 코일(620)(630)를 각기 삽입하여 코일형 센서를 구성할 수 있다.

그런데, 주전원선을 분기하는 경우에는 인쇄회로기판에 패턴으로 제작하는 것이 바람직하며, 이 경우 코일형 센서를 하나의 모듈로 구성하는 것이 용이할 것이다. 그런데, 인쇄회로기판에 패턴을 형성할 때 주전원선의 권선 부분이 연결되지 않도록 다층 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 제1,제2 코일(611)(612)의 내부에 각각 자성코어를 삽입하면 상호 유도의 경우에 결합력을 더욱 크게 할 수 있다.

한편, 상기에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니라 본 발명과 관련된 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘하게 된다.

1. 기기 또는 선로에 흐르는 전류를 센서의 직렬 연결을 통해 원하는 감도로 증폭시켜 전달할 수 있다.

2. 다양한 기기의 사용과 많은 전류원들에 의한 외부의 노이즈를 효과적으로 줄여 전류량을 정확히 검출할 수 있다.

3. 모듈화가 용이함으로 센서의 설치가 용이하다.

Claims (7)

1. 제1,제2 코일 고리가 직렬 연결되도록 주전원선을 권선하고, 상기 제1,제2 코일 고리 내부에 적어도 1회 이상 권선된 제1,제2 코일을 삽입하여 그 제1,제2 코일의 내부단자간을 직렬 연결하며, 전류량 측정을 위한 기기에 접속할 상기 제1,제2 코일의 외부단자를 도출시켜 구성함을 특징으로 하는 코일형 센서 모듈.
2. 제1항에 있어서, 제1,제2 코일 고리 또는 제1,제2 코일은 인쇄회로기판에 패턴 형태로 구성한 것임을 특징으로 하는 코일형 센서 모듈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1,제2 코일 고리는

   주전원선의 일부를 분기하여 구성함을 특징으로 하는 코일형 센서 모듈.
4. 제3항에 있어서, 제1,제2 코일 고리는

   서로 반대 방향으로 권선하여 구성함을 특징으로 하는 코일형 센서 모듈.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1,제2 코일은 동일한 인덕턴스를 갖도록 단면적 및 권선수를 동일하게 구성함을 특징으로 하는 코일형 센서 모듈.
6. 제5항에 있어서, 제1,제2 코일은 나선형으로 권선하여 구성함을 특징으로 하 는 코일형 센서 모듈.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1,제2 코일의 권선 영역 내부에 자성코어를 삽입하여 구성함을 특징으로 하는 코일형 센서 모듈.

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