KR100925259B1 - 철 성분을 가진 물체감지장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철 성분을 가진 물체를 감지하는 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로써 자기성분이 전혀 없는 코어에 코일을 감은 후, 코어를 변동시키거나 코일을 변동시키지 않으면서도 멀리 떨어져 있는 철 성분을 보유한 물체가 움직이는 것을 감지하도록 한 기술이다.

철, 감지, 코일, 코어

Description

철 성분을 가진 물체감지장치 및 그 제조방법{Object sensing device having iron component and manufacturing method thereof}

본 발명은 철 성분을 가진 물체감지장치 및 그 감지방법에 관한 것으로써, 특히 자기성분이 전혀 없는 코어에 코일을 감은 후, 코어 및 코일에 어떠한 변화도 가하지 않으면서도 멀리 떨어져 있는 철 성분을 가진 물체의 존재 여부를 감지할 수 있도록 감지거리를 대폭 증가시킨 철 성분 감지장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

임의 장소에 있는 철 성분을 감지하는 방법으로는 금속인 철의 전파 반사특성을 이용한 고주파 검지방식과, 전파 흡수 특성을 이용한 플럭스 게이트(flux gate) 검지방식 및, 인덕션(induction) 검지방식 또는 써치코일 검지방식 등이 있는바 이들 방식 모두가 제각각 장단점이 있어 필요한 분야에 대한 적용은 충분한 검토가 전제되어야 한다.

만일 상기 철 성분 감지방식들을 복합적으로 구성하되 복합 구성에 따른 문 제점을 제거하고 주요 특성만을 조화롭게 발휘할 수 있도록 처리하면 우수한 성능의 감지기 제조가 가능할 것이다.

지구는 하나의 자석으로 무한이 많은 자속(flux)이 지구상 모든 곳에 퍼져 있다. 자석에 철을 마찰시키면 철이 자석 성분을 가지듯이 지구상에 분포된 모든 철 성분은 그 자기력의 세기가 강하거나 혹은 약하거나 서로 다를지라도 자기력을 가지고 있다는 공통점이 있다.

지구는 지역에 따라 차이는 있으나 평균 0.5 가우스(gauss)의 자기력을 가지고 있으며 일반적인 나침판은 0.1-0.2 gauss 이상을 감지하여 N극과 S극의 방향을 가리킨다. 특수하게 설계된 측정기라면 최소 0.001 gauss는 감지할 수 있겠으나 일반적으로 그 이하의 가우스를 감지하기는 현재로는 어려운 상태이다.

자기력에 대한 일반적인 관심도는 크지 않지만 의학적으로는 예를 들어 자기공명장치(MRI)가 인체 구석구석을 검사할 수 있도록 이용되고 있는 것만 보더라도 자기력을 잘 이용하면 산업발전 및 생활에 유용하게 쓰일 수 있다는 것을 알 수 있다. 지구위의 어떤 곳이든 자기력의 영향이 미치지 않는 곳이 없으므로 미세한 자기력만이라도 감지할 수 있다면 곧 철 성분을 감지하는 것과 동일하다 할 수 있으므로 이러한 원리를 이용하면 유용한 제품의 개발이 가능하리라는 기대감을 가질 수 있다.

설명한 바와 같이 지구는 눈에 보이지는 않으나 플럭스(Flux)라고 하는 자기장이 남극(S극)과 북극(N극)을 중심으로 형성되어 있으며, 지역간에 다소 차이는 있으나 무한한 플럭스를 파형이 변화하지 않는 상태로 가지고 있다.

다만, 일정한 지점에 있어서 존재하지 않던 철 성분이 추가될 때 혹은 감지 범위내에 있던 철 성분이 없어질 때 이를 나침반으로 확인하면 남극과 북극을 향하던 나침바늘의 방향 변화가 일어나는데, 이는 곧 플럭스 방향의 변함에 따른 나침반의 위치에서의 플럭스량 변함에 의해 바늘이 움직이는 것이라는 것을 알 수 있다.

철 성분이 움직이지 않고 고정되어 있을 경우 플럭스 방향은 그 위치에서의 변화는 없으나, 철로 인해 철 성분을 거지고 있는 물체의 위치는 실제 남극과 북극의 위치와는 차이가 있음을 나침반을 통해 확인할 수 있다.

본 발명과 관련된 센서 중 어느 정도 거리가 떨어진 곳에 있는 철 감지방식에는 학술적으로 Flux gate sensor 방식, Induction Coil Sensor 방식과 search coil sensor 방식 등이 공개되어 실제로 응용되고 있다. 그러나 상기 방식들은 지자기를 이용하므로 감지하려는 위치에서 지구를 중심으로 수직방향의 자력선 감지는 용이하나 수평적으로 철 성분의 위치가 변경되는 움직임 감지 기능은 미약하여 차량과 같은 큰 부피를 갖는 물체의 경우에도 1~2미터 정도 떨어져 있을 때조차도 감지하기가 어려운 문제점이 있다.

Flux gate sensor 방식은 발신쪽 코일과 수신쪽 코일을 특수한 코어에 감은 것으로 송수신 겸용 단일 코일에 주파수를 발진시킴으로써 검지거리를 향상시킨 것이다. Induction coil sensor 방식이나 Search coil sensor 방식은 그동안 사용하지 못하였던 비정질 코어를 사용하여 코일의 권선수를 줄이므로 감지기의 크기 및 부피 등을 소형화하여 특성을 향상시킴으로써 제조원가와 불량 발생요인을 극복하 였다. 그러나 이들 감지방식들 모두 원거리의 미세한 자기력을 감지하기에는 부족한 면이 없지 않았다.

종래 플럭스(자속) 감지 방식을 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면, 도 1a에 도시된 바와 같이 일반적인 영구자석(1) 주위에 정상적으로 플럭스가 흐르고 있는 상태에서 도 1b에 도시된 바와 같이 철 성분을 가지고 있는 물체(2)가 일정 지점에 위치하면 상기 물체(2)의 철 성분으로 인해 플럭스의 흐름이 변화(굴곡)된다. 이 변화량이 자기력이 미치는 범위내에 설치된 센서(100)에 의해 감지된다.

이러한 플럭스의 변화는 도 2a에 도시된 바와 같이 일정한 관 즉, 코일(4)이 권선된 보빈(3)을 통과하는 플럭스의 량이 변화가 없는 상태에서 도 2b에 도시된 바와 같이 철 성분을 가진 물체(A)가 있는 위치에서 변화가 있을 때 인식될 수 있으며 이러한 변화되는 플럭스의 량을 감지하여 철 성분을 가진 물체(A)의 존재를 확인하는 것이다.

상기와 같은 감지 방식은 미국 Joseph Henry와 영국의 Faraday 자기유도 법칙을 역이용하면 달성 가능하며, 헨리법칙이나 패러데이법칙은 코어에 코일을 감은 후 코일에 전류를 흘리면 코어가 자기성분을 갖게 되는 방식이다.

그러나 이와 같은 종래의 감지 방식은 철 성분을 가진 물체(2)와 코어간 거리가 멀어서 코어에 미치는 플럭스의 량이 나노(Nano)단위일 경우 이를 감지하기란 여간 어려운 것이 아니며, 정밀한 가우스 미터(Gauss meter) 측정기로도 0.001mm 가우스 이하는 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같이 먼 거리에 있는 철 성분을 가지는 물체에 의해 변화되는 플럭스량의 감지가 어려운 종래 감지 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 자기성분이 전혀 없는 코어에 코일을 감은 후, 코어 및 코일에 어떠한 변화도 가하지 않으면서도 멀리 떨어져 있는 철 성분을 가진 물체의 존재 여부를 감지할 수 있도록 감지거리를 대폭 증가시킨 철 성분을 가진 물체감지장치 및 그 제조방법을 제공하는데 있다

본 발명의 철 성분 감지방식은 자기성분이 전혀 없는 코어에 코일을 감은 후, 코어 및 코일에 어떠한 변화도 가하지 않은 상태에서 멀리 떨어져 있는 철 성분을 보유한 물체의 존재여부를 감지하도록 구성한 것으로 지자기 자체의 변화량 감지방법, 철 자체가 지니고 있는 자력을 감지하는 방법, 감지기가 감지할 수 있는 범위를 최대한 향상시키는 방법을 복합적으로 구성한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 철 성분을 가진 물체감지장치는, 이탈방지용 돌기가 형성된 보빈; 상기 돌기에 의해 이탈이 방지되면서 보빈의 외주면을 둘러싸도록 권선된 코일; 및 상기 코일을 통해 발생되는 자기장의 통로로서 보빈의 좌우측으로 4~6mm 돌출되도록 보빈의 내부에 배치된 코어로 구성된 자기장발생장치 결합체; 상기 자기장발생장치 결합체에 의해 원거리에 떨어져 있는 물체로 부터의 철 성분이 감지된 감지값이 임피던스를 통해 입력되면 전압을 일정레벨 증폭하는 전압증폭회로; 전류를 일정레벨 증폭하는 전류증폭회로; 상기 증폭율을 향상시키는 피드백회로; 상기 증폭된 값이 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈제거회로; 및 상기 철 성분 감지값을 처리하여 일정 거리 떨어져 있는 지점에 철 성분을 포함하는 물체가 있음을 나타내어 사용자가 인식 가능토록 하는 제어수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 코어는 코일의 권선이 보다 용이하도록 하고, 낙하시 충격에 강하며, 원거리의 미세한 플럭스량 변화까지 감지가 가능하도록 리본 모양으로 형성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 코어는 감지거리가 증가되도록 보빈의 내부에 수직 혹은 수평으로 복수 개를 중첩 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 코어는 감지하고자 하는 거리에 따라 보빈 내부에 구성되는 개수를 달리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 코어는 낙하시 충격에 의해 분자(11)구조가 틀어지는 것을 방지하도록 두께를 0.025mm 이하로 박형 경량화한 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 철 성분을 가진 물체감지장치 제조방법은, 이탈방지용 돌기가 형성된 보빈; 상기 돌기에 의해 이탈이 방지되면서 보빈의 외주면을 둘러싸도록 권선된 코일; 및 상기 코일을 통해 발생되는 자기장의 통로로 기능하도록 보빈의 좌우측으로 4~6mm 돌출되도록 보빈의 내부에 배치된 코어로 구성된 자기장발생장치 결합체; 상기 자기장발생장치 결합체에 의해 원거리에 떨어져 있는 물체로부터의 철 성분이 감지된 감지값이 임피던스를 통해 입력되면 전압을 일정레벨 증폭하는 전압증폭회로; 전류를 일정레벨 증폭하는 전류증폭회로; 상기 증폭율을 향상시키는 피드백회로; 상기 증폭된 값이 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈제거회로; 및 상기 철 성분 감지값을 처리하여 일정 거리 떨어져 있는 지점에 철 성분을 포함하는 물체가 있음을 나타내어 사용자가 인식 가능토록 하는 제어수단으로 이루어진 철 성분 감지장치에 있어서, 상기 코어는 철(Fe), 니켈(Ni), 규소(Si), 크롬(Cr), 코발트(Co)를 각각 4.6~5.2중량%, 74.3~75.6중량%, 2.5중량%, 12.5~13중량%, 1.5~1.6중량%, 5.8~5.9중량%로 배합하여 1300℃ 이상에서 사출하고, 투자율을 고려하여 0.025mm의 두께로 제조되고, 사출시 260℃에서 1시간 동안 6.4A로 자기적인 열처리를 하고, 106℃/sec로 급속 냉각시켜 내구성을 갖도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 코어는 비정질 물질로 제조된 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기장발생장치는 이탈방지용 돌기가 형성된 보빈; 상기 돌기에 의해 이탈이 방지되면서 보빈의 외주면을 둘러싸도록 권선된 코일; 및 상기 코일을 통해 발생되는 자기장의 통로로서 보빈의 좌우측으로 4~6mm 돌출되도록 보빈의 내부에 배치된 코어로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 철 성분을 가진 물체감지장치 및 그 제조방법에 따르면 다음과 같은 여러 가지 뛰어난 이점이 있다.

첫째, 코어의 두께를 최소화함으로써 미세한 플럭스량의 감지는 물론 충격에 강하다.

둘째, 코어를 리본 모양으로 형성하여 보빈 내부에 배치하여 낙하시 충격에 강함은 물론 감지하고자 하는 거리에 따라 복수 개를 중첩 구성하여 원거리의 미세한 플럭스량 변화까지 감지가 가능하다.

셋째, 코어의 배치방향을 자유자재로 구현함으로써 움직이는 차량, 야적된 제품의 움직임, 땅굴 탐사장비의 센서, 무기류 감지장치 등 철 성분을 가진 제품의 수직 및 수평 감지가 가능하다.

이하, 본 발명에 의한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명 한다

도 3a 및 3b는 철 성분을 가진 물체의 위치 혹은 방향의 변화에 따른 플럭스량의 변화를 도시한 도면, 도 4는 본 발명의 철 성분을 가진 물체감지장치의 코어를 도시한 도면, 도 5는 본 발명의 철 성분을 가진 물체감지장치의 전체 구성도, 도 6은 본 발명의 철 성분을 가진 물체감지장치의 사용 예시도이다.

도 3a 및 도 3b는 철 성분을 가진 물체(2)의 위치 및 거리에 따른 자기장(점선으로 표시)의 변화를 나타낸 도면으로, 도 3a에 도시된 바와 같이 자기성분이 전혀 없는 코어(3)에 코일(4)을 감은 후, 코어(3)와 코일(4)에 어떠한 변화를 가하지 않으면서도 도 3b에 도시된 바와 같이 멀리 떨어져 있는 철 성분을 가진 물체(2)의 위치 혹은 방향이 변화할 때마다 발생되는 코어(3)에 미치는 플럭스량의 변화를 감지하는 것이 본 발명의 기본 개념이다.

이러한 플럭스 감지 방식 원리는 이미 공개된 기술이나, 상기 배경기술에서 밝힌 바와 같이 철 성분의 물체(2)와 코어(3)의 거리가 멀리 떨어져 코어(3)에 미치는 플럭스량이 나노(Nano)단위일 때의 감지 방식으로는 유용하지 못하며, 또한 정밀하고 섬세한 가우스 미터 측정기로도 수 mm 가우스 이하는 측정이 불가능하다.

따라서 본 발명에서는 미세한 플럭스량의 감지를 위해 히스테리시스 특성이 양호하고, 고투자율을 갖는 코어를 제조하되, 현재까지 개발된 금속이나 비금속 혹은 비정질 금속이라도 감지할 수 있는 한계가 0.001mm 가우스 이하는 어렵고, 반도체를 이용한 가장 강한 초전도 양자 간섭소자(Squid) 자기센서도 근거리에서는 10^-8 Tesla(테슬라) 이하까지 가능하지만, 10^-16 Tesla 이하의 감지는 불가능하였던 점을 감안하여 이하에서와 같이 특별한 금속처리를 함과 동시에 합금의 성분 배합비율과 단위당 무게 그리고 코어의 두께 등을 원거리 감지에 적합하도록 설계 제조한다.

먼저 코어(3)의 제조를 위한 구성성분 및 그 배합비율을 보면, 철(Fe), 니켈(Ni), 규소(Si), 크롬(Cr), 코발트(Co)를 각각 4.6~5.2중량%, 74.3~75.6중량%, 2.5 중량%, 12.5~13중량%, 1.5~1.6중량%, 5.8~5.9중량%의 비율로 배합하여 1300℃ 이상의 온도에서 사출하되 원거리 감지에 영향을 미치는 투자율 및 충격을 고려하여 0.025mm 이하의 두께로 제조한다.

상기 니켈 성분은 코어에 있어서 그 함량이 주요 중량%를 차지하므로 저온에 놓일 경우 용해되는 것을 방지하는 것이 중요하고, 또한 상기 코발트는 1200~1300℃의 온도에서는 자기적 특성(히스테리시스)이 떨어지는 특성이 있으므로 사출온도 를 1300℃ 이상 올리지 않는 것이 중요하다. 또한 사출은 충격에 예민하므로 사출속도를 느리게 하면서 106℃/sec로 급속 냉각시켜 코어(3)가 내구성을 갖도록 한다.

이렇게 제조된 코어(3)는 10만 배 이상을 확대하여 보면 배합된 소재 분말의 상태가 도 4에 도시한 바와 같이 불규칙 상태이므로 분자(12)들이 일정 방향으로 정돈된 상태를 유지하도록 일정온도로 가열하여 분자들이 용해되기 직전까지 열처리하면서 강력한 자장을 가하여 분자(12)들을 정렬시킨다.

또한, 분자(12)가 영구히 정렬 상태를 유지하도록 후술하는 전원부(30)를 통해 코일(4)에 전류를 인가하여 자장 처리하면서 서서히 냉각시킨다. 이렇게 하면 히스테리시스와 투자율이 높아진 코어(3)의 제조가 완료된다.

상기 열처리 방식은 용도에 따라 수직 혹은 수평 자장 열처리 방법이 있다.

상기 구성성분의 배합비율로 제조된 코어(3)의 자기적인 열처리 온도에 따른 B-H 특성은 다음 표와 같이 나타났다.

상기 표에서 나타난바와 같이 260℃에서 1시간 동안 6.4A로 자기적인 열처리를 하는 것이 감지거리 확장에 가장 많은 영향을 미침을 알 수 있다.

다음에 본 발명 코어(3)의 제조 형상에 대해 설명한다.

코어(3)의 모양을 원형으로 할 경우 코일(4)의 권선은 용이하나 코어(3)의 길이가 길어지면서 굵기가 가늘어질 경우 코일(4) 권선에 어려움이 따르며, 2차 열처리 및 자기 열처리를 할 경우 고비용 및 장시간이 소요됨은 물론, 낙하시 충격에 의해 분자(11)구조가 틀어지는 점을 감안하여 본 발명은 도 5에 도시된 바와 같이 절연재질의 보빈(10)을 구성하고 코어(3)는 두께를 0.025mm 이하로 한 리본(테이프) 혹은 그와 유사한 형태로 제조하여 박형 경량화한다. 이러한 형상 역시 도 5에 도시되어 있다.

다음에 본 발명 코어(3)를 제조하기 위한 다른 실시예의 물질에 대해 설명한다.

상술한 바와 같이 코어(3)의 두께는 얇을수록 특성이 좋아지며 충격에 견딜 수 있도록 무게도 가벼워야 하므로 비정질 계통이나 퍼머로이(Permalloy) 코어를 사용하는 것이 좋으나, 퍼머로이 금속은 충격에 의한 변화폭이 비정질 금속보다 높으므로 본 발명은 비정질(아몰퍼스) 코어를 사용한다.

금속의 자장을 10여 년 이상의 신뢰성 평가시험을 기초로 한 아몰퍼스 코어는 주로 변압기에 사용되는 것으로 종래의 규소강판 변압기와 비교했을 경우 철손을 약 75%이상 줄일 수 있는 에너지 절약형 소재이다. 아몰퍼스 코어는 규소강판 변압기보다 효율이 높다는 것은 잘 알려져 있는바 무부하 손실의 효율 향상은 아몰퍼스 합금의 비정질 자체의 불규칙한 원자구조와 약 25㎛인 박판의 소재특성에 기인한다. 따라서 소재는 두께가 얇을수록 특성이 우수하다.

아몰퍼스 합금을 포함한 모든 상자성체는 자구(domain)를 갖고 있다. 변압기에 전원을 연결하면, 지구가 주파수(50Hz 또는 60Hz)에 따라 앞뒤로 움직이는데, 이 자구벽의 움직임에 소요되는 자기에너지를 철손중에서 히스테리시스손(Hysteresis Loss)이라 한다. 아몰퍼스 합금은 비정질 구조를 갖고 있어 매우 뛰어난 자구유동성이 있기 때문에, 규소강판 코어에 비해 자화가 쉽게 된다. 그러므로 코어 손실을 줄일 수 있다. 매우 낮은 히스테리시스손실과 더불어, 아몰퍼스 코어는 와전류손실이 작다. 여기에는 두 가지 이유가 있는데, 하나는 아몰퍼스 합금의 전기저항이 규소강판에 비해 3배 정도 크기 때문에 코어 자체에 유기된 전압은 코어의 저항이 높은 관계로 낮은 와전류 손실을 갖게 한다. 둘째는 박판의 물질에서는 와전류 손실이 낮은데, 아몰퍼스 합금은 규소강판의 10분의 1 정도로 얇게 해야 와전류손실을 최소로 할 수 있기 때문에 기존의 규소강판 코어보다 작게 하는 이유이다.

한편 비정질 금속으로 제조하더라도 전기는 통하므로 코어(3)를 절연시킨 후 코일(4)을 권선한다.

상기와 같은 구성성분 및 형상으로 제조된 본 발명에 다른 코어(30의 구체적인 응용예를 설명한다.

도 5에 도시한 바와 같이 본 발명은 보빈(10)에 형성된 밀림방지 돌기(11)에 의해 이탈되지 않으면서 그 외주면을 둘러싸도록 코일(4)을 권선하며 보빈(10) 내부에 구성되는 코어(3)는 보빈(10)의 좌우측으로 일정길이 만큼 돌출되도록 구성한다. 바람직하게는 코어(3)를 보빈(10)의 길이보다 최소 4~6 mm 길게 제조하여 지향성이 향상되도록 한다.

본 발명의 감지장치의 전체적인 구성은, 이탈방지용 돌기(11)가 형성된 보빈(10); 상기 돌기(11)에 의해 이탈이 방지되면서 보빈(10)의 외주면을 둘러싸도록 권선된 코일(4); 및 상기 코일(4)을 통해 발생되는 자기장의 통로로 기능하도록 보빈(10)의 좌우측으로 4~6mm 돌출되도록 보빈(10)의 내부에 배치된 코어(3)로 구성된 자기장발생장치 결합체와, 상기 자기장발생장치 결합체에 의해 도면상 좌측 원거리에 떨어져 있는 물체로부터의 철 성분이 감지된 감지값이 임피던스(50)를 통해 입력되면 전압을 일정레벨 증폭하는 전압증폭회로(60)와, 전류를 일정레벨 증폭하는 전류증폭회로(70)와, 상기 증폭율을 향상시키는 피드백회로(80)와, 상기 증폭된 값이 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈제거회로(90)와, 철 성분 감지값을 처리하여 일정 거리 떨어져 있는 지점에 철 성분을 포함하는 물체가 있음을 나타내어 사용자가 인식 가능토록 하는 제어수단(100)으로 이루어진다.

상기 전압증폭회로(60)와 전류증폭회로(70)는 코일(4)에서 출력되는 전압이 미세하여 증폭기 자체의 입력 동작점을 만족하기 어려우므로, 비록 주파수 감지방식이 우수하고 감도를 높이기에 합당하지만 주파수 변환을 위하여 주파수 안정회로와 70-80dB 이상의 증폭도를 갖도록 한다.

또한 정해진 코어(3)가 금속이어서 필요한 주파수를 발진시키기 위하여 금속의 특성과 발진하고자하는 주파수가 매칭될 때 발진하므로 주파수 선정에 어려움이 있으나, 일단 선정되면 안정된 감도와 수직과 수평 어느 곳에서나 동일하게 검지되게 하며, 검지하고자 하는 철의 극성이 동일할 때 주파수가 상승하며 극의 특성이 다를 때 주파수가 하락하도록 하여 감지하려는 철의 움직임 진행방향을 감지하게 한다.

이러한 특성을 나타낸 것이 다음 표 2이다.

한편 보빈(10)에 권선된 코일(4)에서 출력되는 신호값은 감지하고자 하는 물체가 가지고 있는 자장의 세기, 움직이는 속도, 방향, 부피, 감지거리에 따라 비례하는바 현재까지는 실제적으로 근거리(1m 정도)에서는 밀리(milli) 가우스 정도 밖에는 감지할 수 없었다.

따라서 나노가우스 감지를 위해서는 특수한 전자회로가 필요한데 본 발명은 반도체 기술의 발달로 자기적 회로에서 70-80dB 이상 증폭할 수 있는 기술과 입력신호가 2~3 나노 볼트에도 동작하는 전자회로를 적용한다.

본 발명에 상기 전자회로가 적용되도록 설계되는 필수조건은 다음과 같다.

1) 낮은 입력신호를 감지할 것.(Nano Volt 또는 Nano Ampere)

2) 노이즈를 제거시키는 필터회로가 있을 것.(ASIC)

3) 증폭율을 최대로 높일 것.( 70-80db )(ASIC)

4) 온도 보상회로가 구성될 것.(ASIC)

5) 정전압 회로가 구성될 것.(ASIC)

6) 코일에서 나오는 아날로그신호를 디지털신호로 출력시킬 수 있을 것.

7) 주파수 특성이 좋을 것.(ASIC)

8) 상기 조건의 회로가 하나의 칩으로 주문형 반도체(application specific integrated circuit : ASIC) 화로 설계하여 최소형화 할 것.

9) 충격과 방수가 완전할 것.(도 5 참조)

10) 소모전류가 1mA 이하일 것

한편 상기 도 5의 구성에서 리본 즉, 코어의 길이가 길수록 감지거리가 증가하는 것을 감안할 때 여러 개의 리본을 중첩 구성하면 감지거리를 대폭 증가시킬 수 있을 것임을 알 수 있다. 즉 리본을 수직 혹은 수평으로 일정 개수 중첩적으로 구성하되, 하기 표 3에서와 같이 일정 개수 이상의 리본은 연결 구성하더라도 감지거리에는 변화가 없는 것으로 나타났으므로 감지하고자 하는 거리에 따라 리본 개수를 달리하되 가장 먼 거리를 감지하고자 할 경우에는 7개를 중첩 구성하면 될 것이다.

상기 표 3에 나타난 1회 ~ 6회는 실험 회수를 나타낸 것이다.

한편 본 발명의 감지장치는 스테인리스 재질의 봉에 내장하여 견고함을 갖추도록 함으로써 무거운 하중(1000㎏~40Ton)에도 무리가 가지 않고 땅속, 물속, 바다 속(염분) 혹은 일반적인 화학물질에서 변질되지 않으며, 방부 및 방수는 물론 감지기의 성능에 변함이 없도록 하여도 된다.

또한 도 6에 도시한 바와 같이 본 발명의 감지장치를 4개 이상 유기적으로 연결 구성하면 각각의 감지장치(A, B, C, D)에서 흐르는 자기력이 감지대상인 철 성분을 가진 물체에 미치게 되어 감지장치 사이를 지나는 철 제품의 크기와 형체를 알 수 있음은 물론, 수동형으로 설계되어 있어 코일에는 전류를 전혀 공급하지 않고 무전류로 동작하기 때문에 반영구적이며, 부피가 작고 가볍다.

즉 일정한 감지범위를 가진 감지기 3 개 이상을 사용하면 삼각법 혹은 4각법에 의하여 철 제품의 크기를 기하학적으로 쉽게 알 수 있는 것이다.

본 발명의 응용범위는 다음과 같다.

1) 움직이는 항공기, 차량, 선박, 탱크 등 교통수단에 응용하는 감지장치

2) 야적된 제품의 움직임, 맨홀의 움직임, 철 대문의 움직임, 철 물체의 움직임

3) 권총, 대검, 수류탄 등 국방 강화 시스템에 센서로 적용

4) 로봇 등 U.B.S 감지장치 응용

5) 군수용, 민수용, 산업용, 정부기관(원자력 발전소), 농어촌의 경제시스템의 센서로 응용

6) 지하에서 움직이는 철성분의 움직임, 지하에 매설된 금속관의 위치 감지 등의 땅굴 탐사 장비의 센서로 응용

7) 문을 출입하는 자의 소지품 중 무기류 감지장치(정부 주요기관 및 공공기관의 소지품 감지장치로 응용)

8) 지상과 지하의 통신장치의 수신기 센서

9) 지상과 수중 통신 장치의 수신기 센서

10) 수중에서 쌍방 통신 장치의 수신기 센서

11) 수상, 수중에서 움직이는 군함, 잠수함 감지 장치의 센서

12) 금고 내부에 설치하여 금고에 근접하는 괴한의 금속 소지품을 감지

본 발명은 특정한 실시예를 들어 설명하였으나 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적사상의 범주 내에서는 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.

도 1a, 1b는 철 성분에 의한 플럭스의 형상을 도시한 도면.

도 2a, 2b는 철 성분에 의한 보빈을 통과하는 플럭스량의 변화를 도시한 도면.

도 3a 및 3b는 철 성분을 가진 물체의 위치 혹은 방향의 변화에 따른 플럭스량의 변화를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 철 성분을 가진 물체감지장치의 코어부분을 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 철 성분을 가진 물체감지장치의 전체 구성도.

도 6은 본 발명의 철 성분을 가진 물체감지장치의 사용 예시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

3 : 코어 4 : 코일

10 : 보빈 11 : 분자

50 : 임피던스매칭부 60 : 전압증폭회로

70 : 전류증폭회로 80 : 피드백회로

90 : 노이즈제거회로

Claims (13)

1. 보빈(10); 상기 보빈(10)의 외주면을 둘러싸도록 권선된 코일(4); 및 상기 코일(4)을 통해 발생되는 자기장의 통로로서 보빈(10)의 좌우측으로 4~6mm 돌출되도록 보빈(10)의 내부에 배치된 코어(3)로 구성된 자기장발생장치 결합체;

   상기 자기장발생장치 결합체에 의해 원거리에 떨어져 있는 물체로부터의 철 성분이 감지된 감지값이 임피던스(50)를 통해 입력되면 전압을 일정레벨 증폭하는 전압증폭회로(60);

   전류를 일정레벨 증폭하는 전류증폭회로(70);

   상기 증폭율을 향상시키는 피드백회로(80);

   상기 증폭된 값이 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈제거회로(90); 및

   상기 철 성분 감지값을 처리하여 일정 거리 떨어져 있는 지점에 철 성분을 포함하는 물체가 있음을 디스플레이수단을 통해 나타내어 사용자가 인식 가능토록 하는 제어수단(100)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 보빈(10)은 권선되는 코일(4)의 이탈을 방지하도록 그 양단부 외주면에 이탈방지용 돌기(11)가 형성된 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 코어(3)는 낙하시 충격에 강하며, 원거리의 미세한 플럭스량 변화까지 감지가 가능하도록 리본 형상(테이프 형상)으로 형성된 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 코어(3)는 감지하고자 하는 거리에 따라 보빈(10) 내부에 구성하는 개수를 달리하는 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 코어(3)는 감지거리가 증가되도록 복수 개가 보빈(10) 내부에 수직 혹은 수평으로 중첩 구성된 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 코어(3)는 낙하시 충격에 의해 분자(11)구조가 틀어지는 것을 방지하도록 두께를 0.025mm 이하로 박형 경량화한 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치.
7. 보빈(10); 상기 보빈(10)의 외주면을 둘러싸도록 권선된 코일(4); 및 상기 코일(4)을 통해 발생되는 자기장의 통로로서 보빈(10)의 좌우측으로 4~6mm 돌출되도록 보빈(10)의 내부에 배치된 코어(3)로 구성된 자기장발생장치 결합체;

   상기 자기장발생장치 결합체에 의해 원거리에 떨어져 있는 물체로부터의 철 성분이 감지된 감지값이 임피던스(50)를 통해 입력되면 전압을 일정레벨 증폭하는 전압증폭회로(60);

   전류를 일정레벨 증폭하는 전류증폭회로(70);

   상기 증폭율을 향상시키는 피드백회로(80);

   상기 증폭된 값이 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈제거회로(90); 및

   상기 철 성분 감지값을 처리하여 일정 거리 떨어져 있는 지점에 철 성분을 포함하는 물체가 있음을 나타내어 사용자가 인식 가능토록 하는 제어수단(100)으로 이루어진 철 성분을 가진 물체감지장치에 있어서,

   상기 코어(3)는 철(Fe), 니켈(Ni), 규소(Si), 크롬(Cr), 코발트(Co)를 각각 4.6~5.2중량%, 74.3~75.6중량%, 2.5 중량%, 12.5~13중량%, 1.5~1.6중량%, 5.8~5.9중량%로 배합하여 1300℃ 이상에서 사출하고, 투자율 및 충격을 고려하여 0.025mm의 두께로 제조되고, 사출시 260℃에서 1시간 동안 6.4A로 자기적인 열처리를 하고, 106℃/sec로 급속 냉각시켜 내구성을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 코어(3)는 비정질 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치 제조방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 코어(3)는 낙하시 충격에 강하며, 원거리의 미세한 플럭스량 변화까지 감지가 가능하도록 리본 모양(테이프 형상)으로 형성한 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치 제조방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 코어(3)는 낙하시 충격에 의해 분자(11)구조가 틀어지는 것을 방지하도록 두께를 0.025mm 이하로 박형 경량화한 것을 특징으로 하는 철 성분을 가진 물체감지장치 제조방법.
11. 이탈방지용 돌기(11)가 형성된 보빈(10);

    상기 돌기(11)에 의해 이탈이 방지되면서 보빈(10)의 외주면을 둘러싸도록 권선된 코일(4); 및

    상기 코일(4)을 통해 발생되는 자기장의 통로로서 보빈(10)의 좌우측으로 4~6mm 돌출되도록 보빈(10)의 내부에 배치된 코어(3)로 구성된 것을 특징으로 하는 자기장발생장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 코어(3)는 감지거리가 증가되도록 보빈(10)의 내부에 수직 혹은 수평으로 일정개수가 중첩 구성된 것을 특징으로 하는 자기장발생장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 코어(3)는 감지하고자 하는 거리에 따라 보빈(10) 내부에 구성되는 개수를 달리하는 것을 특징으로 하는 자기장발생장치.

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