KR101047304B1 - 자석과 이를 이용한 위치 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자석과 이를 이용한 위치 센서에 대한 것으로서, 특히, 자석의 면적을 변화시킴으로써 자석 가우스값의 선형성을 확보하여 센서의 정밀도를 증가시킬 수 있는 위치 센서에 대한 것이다. 본 발명은 자석의 중심에서 N극 및 S극으로 갈수록 폭을 감소시켜 자석의 가우스 값의 선형성을 확보함으로써 선형적인 출력을 얻을 수 있는 자석과 이를 이용한 위치 센서를 제공할 수 있다.

Description

자석과 이를 이용한 위치 센서{MAGNET AND POSITION SENSOR USING THE SAME}
본 발명은 자석과 이를 이용한 위치 센서에 대한 것으로서, 특히, 자석의 면적을 변화시킴으로써 자석 가우스값의 선형성을 확보하여 센서의 정밀도를 증가시킬 수 있는 자석과 이를 이용한 위치 센서에 대한 것이다.
위치를 감지하는 위치 센서의 제작에는 다양한 방법이 사용되고 있다. 이러한 위치 센서 중 일반적으로 홀 IC와 자석을 조합한 구조가 많이 사용되고 있다. 홀 IC와 자석을 조합한 위치 센서는 자석의 자속밀도의 변화에 따라 전압을 발생시키는 홀 효과를 이용하여 위치 센서의 제작에 응용되고 있으며, 다양한 형태로 구성될 수 있다.
도 7은 기존 위치 센서에 사용되는 자석의 평면도이고, 도 8은 기존 위치 센서의 3차원 자속 밀도 그래프이고, 도 9는 기존 위치 센서의 센서 출력 그래프이다.
전술된 구조를 갖는 기존의 위치 센서는 막대 형태의 자석을 이용하며, 이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 자석의 N극과 S극에 자력선의 분포가 밀집되어 도 8과 같이 가우스 값의 변화량이 일정하지 않다. 따라서, 기존의 위치 센서는 도 9와 같이 홀 IC를 사용하여 선형적인 출력값을 얻는데 어려움이 있다. 즉, 기존의 위치 센서는 전술된 막대 형태 자석의 특성으로 인하여 실제 이동한 거리와 홀 IC의 출력값 간에 상당한 오차가 발생하여 센서로서의 고유 기능을 만족시킬 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 선형적인 출력을 얻을 수 있는 자석과 이를 이용한 위치 센서를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 몸체와, 상기 몸체의 일단에 형성된 N극과, 상기 몸체의 타단에 형성된 S극을 포함하고, 상기 몸체는 중심에서 상기 N극과 상기 S극으로 갈수록 폭이 감소하는 것을 특징으로 하는 자석을 제공한다. 상기 S극의 폭과 상기 N극의 폭은 서로 상이할 수 있다. 또한, 상기 몸체는 측면이 유선형 또는 직선일 수 있다. 물론, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 몸체는 측면이 다각일 수도 있다.
또한, 본 발명은 중심에서 N극과 S극으로 갈수록 폭이 감소하는 자석과, 상기 자석의 자속밀도의 변화에 따라 전압을 발생시키는 위치 검출 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 센서를 제공한다. 이때, 상기 S극의 폭과 상기 N극의 폭은 동일한 것을 예시하나, 상기 S극의 폭과 상기 N극의 폭은 서로 상이할 수도 있다.
상기 자석은 측면에 유선형이거나 직선일 수 있다. 물론, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 자석은 측면이 다각일 수도 있다. 또한, 상기 위치 검출 소자는 홀 IC를 포함한다.
본 발명은 자석의 중심에서 N극 및 S극으로 갈수록 폭을 감소시켜 자석의 가우스 값의 선형성을 확보함으로써 선형적인 출력을 얻을 수 있는 자석과 이를 이용한 위치 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 위치 센서의 개략 사시도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 위치 센서의 자석의 사시도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 위치 센서의 자석의 사시도.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 위치 센서의 자석의 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 위치 센서의 자속 밀도 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 위치 센서의 센서 출력 그래프.
도 7은 기존 위치 센서에 사용되는 자석의 평면도.
도 8은 기존 위치 센서에 사용되는 자석의 3차원 자속 밀도 그래프.
도 9는 기존 위치 센서의 자속 밀도 그래프.
도 10은 기존 위치 센서의 센서 출력 그래프.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 위치 센서의 개략 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 위치 센서의 자석의 사시도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 위치 센서의 자석의 사시도이며, 도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 위치 센서의 자석의 사시도이다.
본 발명에 따른 위치 센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 자석(100)과, 자석(100)의 자속밀도 변화에 따라 전압을 발생시키는 위치 검출 소자(200)를 포함한다. 이때, 자석(100)과 위치 검출 소자(200) 중 어느 하나는 이동된다. 또한, 이동되는 거리는 d로 정의한다.
자석(100)은 자기장을 발생시키기 위한 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 길이(D)와, N극의 폭인 제 1 폭(W1)과, S극의 폭인 제 2 폭(W2)과, N극의 측면인 제 1 측면(S1)과, S극의 측면인 제 2 측면(S2), 및 자석의 중심(C)을 포함한다. 본 실시예는 도 2에 도시된 바와 같이, 자석(100)의 몸체 중심(C)에서 N극과 S극으로 갈수록 폭이 감소함에 따라 면적이 감소하게 된다. 이때, 자석(100)의 제 1 측면(S1)과 제 2 측면(S2)은 유선형으로 제작된다. 또한, 이에 따라 자석(100)의 중심(C)의 폭과, N극의 제 1 폭(W1) 및 S극의 제 2 폭(W2)은 서로 상이하게 되며, 결과적으로 제 1 폭(W1) 및 제 2 폭(W2)은 자석(100) 중심(C)의 폭보다 작게 된다. 한편, 본 실시예는 제 1 폭(W1)과 제 2 폭(W2)이 동일한 것을 예시하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제 1 폭(W1)과 제 2 폭(W2)은 서로 상이할 수도 있다. 이 경우, 제 1 폭(W1)이 제 2 폭(W2)보다 크거나 작을 수 있다.
한편, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 자석(100)의 제 1 측면(S1)과 제 2 측면(S2)이 유선형이 아닌 직선형일 수도 있다. 즉, 자석(100)의 중심(C)에서 N극과 S극까지 폭이 감소하는 형상이되, 제 1 측면(S1)과 제 2 측면(S2)을 직선형상으로 제작할 수 있다. 물론, 도 4에 도시된 바와 같이, 자석(100)의 중심(C)에서 N극과 S극까지 폭이 감소하는 형상이되, 제 1 측면(S1)과 제 2 측면(S2)을 두 개 이상의 직선이 소정각도로 연결된 다각형상으로 제작할 수도 있다. 즉, 본 발명은 자석(100)의 중심(C)에서 N극과 S극으로 갈수록 면적이 감소하도록 중심(C)보다 제 1 폭(W1)과 제 2 폭(W2)을 작게 할 수 있다면, 제 1 측면(S1)과 제 2 측면(S2)의 형상은 직선형을 포함하는 다각형상 또는 유선형상일 수 있다. 더욱이, 제 1 측면(S1)과 제 2 측면(S2)의 형상은 서로 상이할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 측면(S1)은 유선형이되 제 2 측면(S2)은 직선형일 수 있으며, 제 1 측면(S1)이 유선형이되 제 2 측면(S2)은 다각형상일 수 있다. 또한, 제 1 측면(S1)이 직선형이되 제 2 측면(S2)은 유선형 또는 다각형상일 수 있으며, 제 1 측면(S1)이 다각형상이되 제 2 측면(S2)은 직선형 또는 유선형일 수 있다.
위치 검출 소자(200)는 자석(100)에서 발생된 자기장에 의해 전압이 발생되는 것으로 위치를 검출하기 위한 것으로서, 홀 효과를 이용한 홀 IC(Hall IC)를 포함할 수 있다. 이러한 홀 IC는 예를 들어, x축 방향으로 전류를 인가하고, x축과 직각인 방향으로 자계를 형성해주면 자계와 직각인 z축 방향으로 전압이 발생하는 원리를 이용할 수 있다.
본 발명은 전술된 원리에 의해 동작하는 위치 검출 소자(200)를 이용하되, 일반적인 막대형 자석이 아닌 N극과 S극의 면적이 자석(100)의 중심(C)에서 멀어질수록 감소하도록 하였다. 일반적으로 자력(
Figure 112010055290815-pat00001
)은 아래의 수학식1과 같이 정의된다.
Figure 112010055290815-pat00002
여기서,
Figure 112010055290815-pat00003
는 자속밀도,
Figure 112010055290815-pat00004
는 면적,
Figure 112010055290815-pat00005
는 투자율이다.
수학식1을 참조하면,
Figure 112010055290815-pat00006
가 되고
Figure 112010055290815-pat00007
가 되며, 면적(
Figure 112010055290815-pat00008
)을 감소시켜 자력(
Figure 112010055290815-pat00009
)을 줄일 경우,
Figure 112010055290815-pat00010
의 값에 변화를 가지게 된다. 즉, 자석(100)의 중심(C)에서 N극과 S극으로 갈수록 N극과 S극의 면적(
Figure 112010055290815-pat00011
)을 감소시켜 자력(
Figure 112010055290815-pat00012
)을 감소시킬 경우
Figure 112010055290815-pat00013
의 값이 변화되며, 이는 자석의 가우스 값의 선형성을 확보할 수 있다. 따라서, 별도의 조치를 취하지 않고도 선형적인 위치 센서의 출력을 얻을 수 있게 된다.
다음은 본 발명에 따른 위치 센서와 기존의 막대형 자석을 이용한 위치 센서의 특성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 위치 센서의 자속 밀도 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 위치 센서의 센서 출력 그래프이다. 도 7은 기존 위치 센서에 사용되는 자석의 평면도이고, 도 8은 기존 위치 센서의 3차원 자속 밀도 그래프이다. 또한, 도 9는 기존 위치 센서의 센서 출력 그래프이다. 여기서, 도 5 및 도 8에 도시된 그래프에서 x축은 가우스 값을 의미하며 y축은 자석(100)의 길이(D)를 의미하며, 도 6 및 도 9에 도시된 그래프에서 x축은 위치 센서의 출력 전압을 의미하며 y축은 자석(100)의 이동 거리(d)를 의미한다.
전술된 구조를 갖는 본 발명에 따른 위치 센서는 도 5에 도시된 바와 같이, 자석(100)의 길이(D) 방향에 따라 선형적인 가우스 값이 얻어지는 것을 볼 수 있다. 또한, 이에 따라, 본 발명에 따른 위치 센서는 도 6에 도시된 바와 같이, 선형적인 출력 파형이 얻어지는 것을 알 수 있다. 하지만, 도 7에 도시된 바와 같이 기존의 막대형 자석을 이용하는 위치 센서는 도 8에 도시된 바와 같이 자속 밀도의 변화량이 양단(N극/S극)으로 갈수록 불균일하여, 도 9에 도시된 바와 같이 자석의 길이(D) 방향에 따라 비선형적인 가우스 값이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 이에 따라, 기존의 막대형 자석을 이용하는 위치 센서는 도 10에 도시된 바와 같이 위치 센서의 출력 전압이 선형적이지 못한 것을 볼 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 위치 센서는 자석(100) 양단(N극/S극)의 폭을 자석(100) 중심(C)의 폭보다 작게 하여 면적을 줄임으로써 가우스값의 선형성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 선형적인 위치 센서의 출력을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 자석의 중심에서 N극 및 S극으로 갈수록 폭을 감소시켜 자석의 가우스 값의 선형성을 확보함으로써 선형적인 출력을 얻을 수 있는 위치 센서를 제공할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 자석 200: 소자
C: 자석의 중심 D: 길이
S1: 제 1 측면 S2: 제 2 측면
W1: 제 1 폭 W2: 제 2 폭

Claims (9)

  1. 몸체와 상기 몸체의 일측에 형성된 N극과 상기 몸체의 타측에 형성된 S극을 포함하는 자석;과
    상기 자석의 자속밀도의 변화에 따라 전압을 발생시키는 위치 검출 소자로 이루어진 자석을 이용한 위치 센서에 있어서,
    상기 자석은 상기 몸체의 중심에서 상기 N극과 상기 S극으로 갈수록 폭이 감소하는 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 위치 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자석의 측면은 타원형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 위치 센서.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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