KR101096463B1 - 로고스키코일을 이용한 전류감지센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저전류 부분에서 비선형을 나타내는 현상을 극복하고 정밀도를 향상시킬 수 있는 로고스키 코일을 이용한 전류감지센서를 제공하는 것으로, 자성체 코어나 자기 센서를 사용하지 않고, 단층세라믹 시트 상에 구현된 로고스키 코일을 이용한 전류 감지 센서를 제공한다. 본 발명은 로고스키코일을 이용한 전류감지센서에 있어서, 단층의 세라믹 기판을 포함하되, 상기 단층의 세라믹 기판의 일면에는, 제1센싱코일과 상기 제1센싱코일을 감싸도록 형성된 제1소거코일이 설치되어 전류의 자속변화를 검출하는 일측의 로고스키코일과, 상기 일측의 로고스키코일의 일면 상에 마련되어 전류가 입력되는 상부도전체가 설치되고; 상기 단층의 세라믹 기판의 타면에는, 제2센싱코일과 상기 제2센싱코일을 감싸도록 형성된 제2소거코일이 설치되어 전류의 자속변화를 검출하는 타측의 로고스키코일과, 상기 타측의 로고스키코일의 타면 상에 마련되어 전류가 출력되는 하부도전체가 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

로고스키코일을 이용한 전류감지센서{Current sensor using rogowski coil}

본 발명은 로고스키 코일을 이용한 전류감지센서에 관한 것으로, 특히 단층세라믹PCB기판 상에 형성된 로고스키 코일을 이용한 전류감지센서에 관한 것이다.

전류감지센서는 기본적으로 자성체 코어와 코일 또는 자기 센서들로 구성되어 있다. 교류 전류를 측정하기 위하여 자성체 코어에 코일을 감아 코일에 유기되는 기전력을 측정하는 트랜스포머(transformer) 방법과 자성체 코어와 홀 소자 등의 자기 센서를 결합하여 측정하는 방법이 일반적이다. 그러나, 홀 소자를 이용할 경우 온도 특성이 나쁘며 저 전류 측정에는 선형도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 또한, 전류 측정 센서로 이용하고 있는 자기 센서들은 강한 바이어스 자기장이 필요하며, 우수한 측정 감도에 비해 측정 범위가 좁고 바이어스 전류 주파수를 수백 ㎑에서 수 ㎒까지 공급해야 한다. 높은 주파수의 공급은 신호 처리 회로 구성을 복잡하게 하고, 신호의 정밀 측정을 위한 전자 소자들의 선택을 어렵게 한다.

일반적으로 사용되고 있는 전류감지센서는 대부분 변류기(Current Transformer)이다. 변류기는 자성체 코어를 사용함으로써 자기 포화와 측정 범위 대 크기의 한계로 인하여 규정 오차 범위 내에서 측정할 수 있는 전류 범위는 극히 제한되어 있다. 또한, 명목 전류의 수십∼수백 배에 이르는 사고 전류를 정확히 검출하기는 불가능하다. 그리고, 현재의 전력기기는 전력 전자와 펄스 파워 기술의 발달로 수 ㎐에서 수백 ㎑에 이르는 주파수 범위를 갖는 전류를 사용하는 예가 많으나 CT는 상용 주파수 전류 이외에 주파수 전류를 측정하는 데는 한계가 있다. 이러한 문제들로 인하여 현재 로고스키 코일(rosowski coil)이 많이 사용되고 있다.

로고스키 코일은 일반적으로 전류가 흐르는 도체 주위에 트로이달 형태의 공심 코어에 코일을 감아 입체적인 구조로 제작된다. 이러한 로고스키 코일은 인버터 용접기, 기중차단기, 가스 절연 차단기, 모터 컨트롤 모니터링, 원격 용접기, 전기 모터, 발전기의 전류계측, 전자식 전력량계 등에 많이 활용되며 특히 전력 변환기와 전자식 전력량계의 전류 측정 센서로 활용 가능성이 매우 높다. 그러나, 종래의 로고스키 코일은 측정 전류가 적을 경우 선형도가 저하되는 문제점이 있다. 또한, 원형으로 감겨진 코일 중간으로 측정 전류가 흐를 경우 고유의 출력값에 대한 선형도를 유지할 수 있으나, 측정 전류가 흐르는 도체의 위치가 다를 경우 선형도는 저하되는 문제점이 있다.

한편, 정확한 전류의 양을 특정하는 문제는 가정이나 공장이나 경제적인 문제와 바로 직결되고, 사용 전류에 따른 전력의 양을 정확히 검침하는 전력량계는 전류 센서의 성능에 좌우된다. IEC(International Electrotechnical Commission)에서 요구하는 가정용 전력량계의 정밀도는 ±2%이고 전자식 전력량계나 전력 변환기(power transducer)는 ±1% 수준이며, 이 정밀도 범위에서 전류 측정 센서의 측정 전류 범위는 0.5A∼40A로 정하고 있다.

따라서, 로고스키 코일이 저전류 부분에서 비선형을 나타내는 현상을 극복하면서도 IEC에서 요구하는 정밀도 수준을 만족할 수 있는 전류감지센서의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 저전류 부분에서 비선형을 나타내는 현상을 극복하고 정밀도를 향상시킬 수 있는 로고스키 코일을 이용한 전류감지센서를 제공하는 것으로, 본 발명은 자성체 코어나 자기 센서를 사용하지 않고, 단층세라믹 시트 상에 구현된 로고스키 코일을 이용한 전류 감지 센서를 제공한다.

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본 발명은 로고스키코일을 이용한 전류감지센서에 있어서, 단층의 세라믹 기판을 포함하되, 상기 단층의 세라믹 기판의 일면에는, 제1센싱코일과 상기 제1센싱코일을 감싸도록 형성된 제1소거코일이 설치되어 전류의 자속변화를 검출하는 일측의 로고스키코일과, 상기 일측의 로고스키코일의 일면 상에 마련되어 전류가 입력되는 상부도전체가 설치되고; 상기 단층의 세라믹 기판의 타면에는, 제2센싱코일과 상기 제2센싱코일을 감싸도록 형성된 제2소거코일이 설치되어 전류의 자속변화를 검출하는 타측의 로고스키코일과, 상기 타측의 로고스키코일의 타면 상에 마련되어 전류가 출력되는 하부도전체가 설치되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 단층의 세라믹PCB기판상에 로고스키 코일원리의 센싱코일과 소거코일이 동일면상에 형성되거나, 복수의 절연체 시트가 적층되고, 복수의 절연체 시트의 적어도 일 시트 상에 센싱 코일이 형성되며, 적어도 타 시트 상에 소거 코일이 형성된 로고스키 코일 및 이를 이용한 전류 감지 센서를 제공한다. 센싱 코일은 입력되는 전류의 자속을 검출하고, 소거 코일은 입력 전류의 노이즈 및 외부의 노이즈를 제거한다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 입체 구조의 코일과 도전체로 형성되는 기존의 로고스키 코일을 평판형 시트에 특성 변화없이 구현할 수 있으며, 센서 코일을 감싸도록 소거 코일을 형성함으로써 입력 전류 및 주변의 노이즈를 제거할 수 있어 선형성을 향상시킬 수 있다.

또한, 단층의 세라믹PCB기판 및 복수의 저온 소결 세라믹 시트에 로고스키 코일을 제조함으로써 보다 정밀하고 광범위한 전류 검지가 가능하다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 제 1 실시 예 및 제 2실시 예에 따른 로고스키 코일을 이용한 전류 감지 센서의 상부 및 하부 평면도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 로고스키 코일의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 로고스키 코일의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 단층세라믹기판상에 구현된 전류센서 감지용 로고스키 코일 사시도
도 6은 본 발명에 따른 단층세라믹기판상에 구현된 전류센서 감지용 로고스키코일 패턴 및 신호처리부 평면도
도 7은 본 발명에 따른 로고스키 코일의 센싱 코일의 선폭과 선간 거리에 따른 출력 시뮬레이션 결과.
도 8은 본 발명에 따른 로고스키 코일의 센싱 코일과 소거 코일의 비율에 따른 출력 시뮬레이션 결과.
도 9는 본 발명에 따른 로고스키 코일의 센싱 코일의 선폭과 선간 거리, 센싱 코일과 소거 코일의 비율 및 입력 전류에 따른 출력 시뮬레이션 결과.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “상부에” 또는 “위에” 있다고 표현되는 경우는 각 부분이 다른 부분의 “바로 상부” 또는 “바로 위에” 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

본 발명의 제 1 실시 예에 의하면,

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 로고스키 코일을 이용한 전류 감지 센서의 상부 평면도이고, 도 2는 하부 평면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로고스키 코일의 분해 사시도이다.

도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 감지 센서는 복수의 세라믹 시트 상에 구현되어 입력되는 전류의 자속 변화를 검출하는 로고스키 코일(100)과, 로고스키 코일(100)의 일 면상에 마련되어 전류가 입력되는 상부 도전체(200)와, 로고스키 코일(100)의 타 면상에 마련되어 전류가 출력되는 하부 도전체(300)와, 로고스키 코일(100)의 일 면상에 마련되어 로고스키 코일(100)에서 검출된 전압을 출력하는 출력 라인(400)을 포함한다. 즉, 상부 도전체(200)를 통해 입력되는 전류가 로고스키 코일(100)을 통과하여 하부 도전체(300)를 통해 출력되며, 로고스키 코일(100)에 의해 입력되는 전류의 자속 변화가 검출되고 그 자속 변화에 따라 유기되는 전압이 출력 라인(400)을 통해 출력된다.

상부 도전체(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 전류가 입력되는 제 1 단자(210)와, 로고스키 코일(100)보다 같거나 크게 마련되어 로코스키 코일(100)을 덮도록 마련된 루프부(220)와, 제 1 단자(210)와 이격되어 하부 도전체(300)의 일부와 고정되는 제 2 단자(230)를 포함한다. 또한, 하부 도전체(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 상부 도전체(200)의 제 2 단자(230)와 고정되는 제 1 단자(310)와, 예를들어 로고스키 코일(100)을 덮도록 마련된 루프부(320)와, 제 1 단자(310)와 이격되어 전류가 출력되는 제 2 단자(330)를 포함한다. 여기서, 상부 도전체(200)의 루프부(220)와 하부 도전체(300)의 루프부(320)는 동일한 형상 및 사이즈로 형성될 수 있다.

로고스키 코일(100)은 도 3에 도시된 바와 같이 예를들어 직사각형 판 형상의 제 1 내지 제 6 시트(110, 120, 130, 140, 150 및 160)와, 제 1 내지 제 5 시트(110, 120, 130, 140 및 150)에 형성되며 전도성 물질이 매립된 제 1 내지 제 5 홀(112, 122, 132, 142, 152)과, 제 2 및 제 5 시트(120 및 150) 상에 형성되어 전류 변화에 의한 자속을 검출하는 센싱 코일(124 및 154)과, 제 3 및 제 4 시트(130 및 140) 상에 형성되어 외부의 노이즈 및 센싱 코일(124 및 154)를 통해 흐르는 전류의 노이즈를 제거하는 소거 코일(136 및 156)을 포함한다.

제 1 시트(110)의 소정 영역에는 상하를 관통하는 제 1 홀(112)이 형성되며, 제 1 홀(112)은 전도성 페이스트에 의해 매립된다. 제 1 홀(112)은 제 1 시트(110)의 중앙 영역에서 장변 방향의 일 측에 형성된다. 즉, 제 1 시트(110)의 단변 길이의 반에 해당하는 지점과 장변 길이에서 단변 길이의 반에 해당하는 지점이 교차하는 영역에 제 1 홀(112)이 형성된다. 또한, 제 1 시트(110)의 일 측에는 신호 증폭부(118)가 마련된다. 신호 증폭부(118)는 예를들어 복수의 수동 및 능동 소자가 실장되어 마련되며, 로고스키 코일(200)을 통해 출력되는 신호를 증폭하는 역할을 한다.

제 2 시트(120) 상에는 제 2 홀(122) 및 제 1 센싱 코일(124)이 형성된다. 제 2 홀(122)은 제 1 시트(110) 상에 형성된 제 1 홀(112)과 대응되는 영역에 형성되며, 전도성 페이스트에 의해 매립된다. 제 1 센싱 코일(124)은 제 2 홀(122)과 연결되어 제 2 홀(122)을 중심으로 일 방향, 예를들어 시계 방향으로 회전하는 나선형으로 형성된다. 제 1 센싱 코일(124)의 회전수는 패턴 사이의 간격 및 제 2 시트(120)의 사이즈 등을 고려하여 최대한 많이 형성하는 것이 바람직한데, 회전수가 많을수록 자속 검출 능률을 향상시킬 수 있기 때문이다. 그러나, 패턴 사이의 간격이 너무 좁아 제 1 센싱 코일(124)을 형성할 때 인접한 패턴이 단락될 수 있기 때문에 패턴 사이의 간격을 충분히 고려하는 것이 바람직하다. 한편, 제 1 센싱 코일(124)은 제 2 홀(122)을 중심으로 나선형으로 형성되기 때문에 제 2 시트(120) 상에는 장변의 일 방향으로 소정의 공간이 남게 되는데, 이 공간에는 제 1 시트(110) 상에 실장되는 신호 증폭부(118)과 전기적으로 연결되는 회로 패턴(129)이 형성될 수 있다. 즉, 신호 증폭부(118)를 이루는 복수의 수동 소자 및 능동 소자가 제 1 시트(110) 상에 실장되어 회로 패턴(129)과 연결되고, 회로 패턴(129)을 통해 신호 증폭부(118)의 수동 소자 또는 능동 소자가 전기적으로 연결된다. 또한, 제 1 센싱 코일(124)은 일부분이 연장되어 인쇄 패턴(129)과 연결된다.

제 3 시트(130) 상에는 제 3 홀(132) 및 제 1 소거 코일(136)이 형성된다. 제 3 홀(132)은 제 1 및 제 2 시트(110 및 120) 상에 각각 형성된 제 1 및 제 2 홀(112 및 122)과 대응되는 영역에 형성되며, 전도성 페이스트에 의해 매립된다. 제 1 소거 코일(136)은 제 3 홀(132)을 중심으로 타 방향, 예를들어 반시계 방향으로 회전하는 나선형으로 형성된다. 그런데, 제 1 소거 코일(136)은 최내부의 패턴 내경이 제 1 센싱 코일(124)의 최외곽 패턴 사이의 거리보다 크게 형성된다. 즉, 제 1 소거 코일(136)은 제 1 센싱 코일(124)을 감싸도록 형성된다. 또한, 제 1 소거 코일(136)은 길이가 너무 길면 센싱 감도를 저하시키고 너무 짧으면 노이즈 제거 능률이 떨어지게 된다. 따라서, 제 1 소거 코일(136)은 제 1 센싱 코일(124)과 적당한 길이 비율로 형성할 수 있는데, 제 1 소거 코일(136)과 제 1 센싱 코일(124)의 길이 비율이 1 : 10 내지 1 : 2로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 소거 코일(136)은 제 3 홀(132)과 연결 배선으로 연결된다.

제 4 시트(140) 상에는 제 4 홀(142) 및 제 2 소거 코일(146)이 형성된다. 제 4 홀(142)은 제 3 시트(130) 상에 형성된 제 3 홀(132)과 대응되는 영역에 형성되며, 전도성 페이스트에 의해 매립된다. 제 2 소거 코일(146)은 제 4 홀(142)을 중심으로 타 방향, 예를들어 반시계 방향으로 회전하는 나선형으로 형성된다. 즉, 제 2 소거 코일(146)은 제 1 소거 코일(136)과 동일 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 소거 코일(146)은 제 2 센싱 코일(154)과 1 : 10 내지 1 : 2의 길이 비율로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 제 2 소거 코일(146)은 제 4 홀(142)과 연결 배선으로 연결된다.

제 5 시트(150) 상에는 제 5 홀(152) 및 제 2 센싱 코일(154)이 형성된다. 제 5 홀(152)은 제 4 시트(140) 상에 형성된 제 4 홀(142)과 대응되는 영역에 형성되며, 전도성 페이스트에 의해 매립된다. 제 2 센싱 코일(154)은 제 5 홀(152)을 중심으로 일 방향, 예를들어 시계 방향으로 회전하는 나선형으로 형성된다. 또한, 제 2 센싱 코일(154)은 제 5 홀(152)과 연결되어 형성될 수 있다. 제 2 센싱 코일(154)은 제 1 센싱 코일(125)와 동일한 회전 수로 형성되는 것이 바람직하고, 제 2 센싱 코일(154)의 회전 수는 패턴 사이의 간격 및 제 5 시트(150)의 사이즈, 그리고 제 2 소거 코일(146)를 고려하여 최대한 많이 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 제 2 센싱 코일(154)은 제 1 센싱 코일(124)와 동일 형상으로 형성되고, 외곽 패턴 사이의 거리가 제 4 시트(140) 상에 형성된 제 2 소거 코일(146)의 내경보다 작게 형성될 수 있다.

제 6 시트(160)은 제 5 시트(150) 하부에 마련되어 전류 감지 센서를 커버한다.

한편, 상기 제 1 및 제 2 센싱 코일(124 및 154), 제 1 및 제 2 소거 코일(136 및 146)은 각각 전도성 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄법(screen printing)으로 형성할 수 있으며, 그외에도 스퍼터링(sputtering), 증발법 및 졸겔 코팅법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 5 홀(112, 122, 132, 142 및 152)은 각각 전도성 페이스트에 의해 매립되어 이들이 서로 전기적으로 연결된다.

상기와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 감지 센서의 제조 방법을 도 4를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

S110 : 예를들어 직사각형 형상의 세라믹 시트를 복수 마련한다. 세라믹 시트는 Al₂O₃, SiC, AlN 등의 재료에 따라 특성을 조절할 수 있다. 그러나, 전기 전도가 우수한 Ag, Cu 등을 전극 재료로 사용할 수 있고, 저항의 탑재가 가능하며, 낮은 유전율을 가지고, 열전도성이 높아 방열이 용이하며, 열팽창 계수가 작은 Al₂O₃를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, Al₂O₃ 등의 절연성 세라믹 물질을 알코올류 등의 용매로 24시간 볼밀(Ball Mill)하여 원료 분말을 준비한다. 이어서, 준비된 원료 분말에 첨가제로 유기 바인더(binder)를 톨루엔/알코올(toluene/alcohol)계 솔벤트(solvent)에 용해시켜 투입하고, 소형 볼 밀(ball mill)로 밀링(milling) 및 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 이러한 슬러리를 닥터 블레이드(Doctor blade) 등의 방법으로 원하는 두께의 시트를 제조한다.

S120 : 세라믹 시트중에서 선택된 시트의 소정 영역에 홀을 형성한다. 즉, 제 1 내지 제 5 시트(110, 120, 130, 140 및 150)의 소정 영역, 예를들어 시트의 단변 길이의 반에 해당하는 지점과 장변 길이에서 단변 길이의 반에 해당하는 지점이 교차하는 시트 상에 홀(112, 122, 132, 142, 152)을 각각 형성한다. 이러한 홀들(112, 122, 132, 142 및 152)은 레이저 펀칭 또는 기계적 펀칭 방법 등에 의해 형성되며, 수㎛ 정도의 크기로 형성한다. 이어서, 홀들(112, 122, 132, 142 및 152)을 Pd, Ag/Pd, Ag 등의 도전성 페이스트로 매립한다.

S130 : 시트 상에 센싱 코일 및 소거 코일을 선택적으로 형성하고, 선택된 시트 상에 회로 패턴을 형성한다. 즉, 제 2 및 제 5 시트(120 및 150) 상에 제 2 및 제 5 홀(122 및 152)을 중심으로 나선형으로 제 1 센싱 코일(124 및 154)를 형성하고, 제 3 및 제 4 시트(130 및 140) 제 3 및 제 4 홀(132 및 142)을 중심으로 나선형으로 제 1 및 제 2 소거 코일(136 및 146)을 형성한다. 이때, 제 1 및 제 2 소거 코일(136 및 146)은 그 내경이 제 1 및 제 2 센싱 코일(124 및 154)의 외곽 패턴의 폭보다 크게 형성한다. 즉, 제 1 및 제 2 소거 코일(136 및 146)이 제 1 및 제 2 센싱 코일(124 및 154)를 둘러싸도록 형성한다. 또한, 제 2 시트(120)의 소정 영역, 즉 제 1 센싱 코일(124)과 이격된 영역에 회로 패턴(129)를 형성한다. 제 1 및 제 2 센싱 코일(124 및 154)와 제 1 및 제 2 소거 코일(136 및 146), 그리고 회로 패턴(129)은 스크린 프린팅 등의 방법으로 Pd, Ag/Pd, Ag 등의 도전성 페이스트를 인쇄하여 형성한다.

S140 : 홀 및 센싱 코일, 홀 및 소거 코일 등이 형성된 시트들을 적층한 후 이들 적층 시트를 예를들어 200∼700 kgf/㎠의 압력으로 압착하고, 적층물을 원하는 단위 칩 크기로 절단하여 직육면체의 적층물을 제조한다.

S150 : 계속하여 이러한 시트 적층물을 소성로에서 예를들어 230∼350℃의 온도로 예를들어 20시간∼40시간 동안 하소(Burn-out)하여 바인더 성분을 제거하고, 예를들어 700∼900℃의 온도로 20∼40시간 동안 소성한다.

S160 : 소성로에서 소성된 시트 적층물의 상에 복수의 수동 소자 및 능동 소자를 실장하여 신호 증폭부(118)를 형성한다.

본 발명의 제2실시예에 의하면,

도 5는 본 발명에 따른 단층세라믹기판상에 구현된 전류센서 감지용 로고스키 코일 사시도이다. 또한 도 6은 본 발명에 따른 단층세라믹기판상에 구현된 전류센서 감지용 로고스키코일 패턴 및 신호처리부 평면도이다.

상기 도 5, 도 6 에 있어서, 전류 감지 센서는 단층의 세라믹PCB기판상(CeramicPCB)에 구현되어 입력되는 전류의 자속 변화를 검출하는 로고스키 코일(100)과, 로고스키 코일(100)의 일 면상에 마련되어 전류가 입력되는 상부 도전체(200)와, 로고스키 코일(100)의 타 면상에 마련되어 전류가 출력되는 하부 도전체(300)와, 로고스키 코일(100)의 일 면상에 마련되어 로고스키 코일(100)에서 검출된 전압을 출력하는 출력 라인(400)을 동일면상에 포함한다. 즉, 도 5 및 6에서 도시된 바와 같이, 세라믹 기판의 일면과 타면에 각각 일측의 로고스키코일과 타측의 로고스키코일로써 형성되고, 일측의 로고스키코일은 제1센싱코일과 제1소거코일을 포함하고, 타측의 로고스키코일은 제2센싱코일과 제2소거코일을 포함한다. 이에, 상부 도전체(200)를 통해 입력되는 전류가 로고스키 코일(100)을 통과하여 하부 도전체(300)를 통해 출력되며, 로고스키 코일(100)에 의해 입력되는 전류의 자속 변화가 검출되고 그 자속 변화에 따라 유기되는 전압이 출력 라인(400)을 통해 출력된다.

상부 도전체(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 전류가 입력되는 제 1 단자(210)와, 로고스키 코일(100)보다 같거나 크게 마련되어 로코스키 코일(100)을 덮도록 마련된 루프부(220)와, 제 1 단자(210)와 이격되어 하부 도전체(300)의 일부와 고정되는 제 2 단자(230)를 포함한다. 또한, 하부 도전체(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 상부 도전체(200)의 제 2 단자(230)와 고정되는 제 1 단자(310)와, 예를들어 로고스키 코일(100)을 덮도록 마련된 루프부(320)와, 제 1 단자(310)와 이격되어 전류가 출력되는 제 2 단자(330)를 포함한다. 여기서, 상부 도전체(200)의 루프부(220)와 하부 도전체(300)의 루프부(320)는 동일한 형상 및 사이즈로 형성될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 전류 감지 센서는 나선형 패턴으로 형성되어 입력 전류의 자속 변화를 센싱하는 센싱 코일과 센싱 코일의 외측을 감싸고 외부의 노이즈 및 입력 전류의 노이즈를 제거하여 외부 자계의 영향을 차단하는 소거 코일이 직렬 접속되고, 센싱 코일과 소거 코일은 서로 다른 방향으로 감겨 서로 반대되는 기전력이 작용한다. 또한, 이들 사이에는 다층 세라믹 시트가 절연층을 형성한다. 따라서, 입력 전류는 상부 도전체를 통해 로고스키 코일을 통과하여 하부 도전체로 흐르고, 센싱 코일 주위에서 자계를 생성하여 전류에 비례한 기전력이 유도된다. 즉, 입력 전류가 크면 자속 변화가 커지고 그에 따라 전압이 크게 출력되고, 입력 전류가 작으면 자속 변화가 작아지고 그에 따라 전압이 작게 출력된다. 이때, 서로 반대 방향으로 회전하는 센싱 코일과 소거 코일의 기전력은 반대가 되고, 센싱 코일에 유도되는 기전력은 외부 시변(time varying) 자계에 응답하여 소거 코일에 유도되는 기전력으로 동일하게 소거되어 외부 간섭에 영향을 받지 않는다.

실험예

코일 패턴의 선폭과 선간 거리에 따른 전자기장 해석

입력 전류의 자속 변화를 검출하는 로고스키 코일의 단면적이 센싱 감도에 중요한 요소가 됨에 따라 선폭과 선간 거리를 다르게 하여 복수의 로고스키 코일을 설계하고, 범용 전자기장 해석툴을 이용한 시뮬레이션을 통해 전자기적 특성을 분석하였다. 이때, 로고스키 코일의 외경은 130㎜, 내경은 50㎜로 하고, 센싱 코일과 소거 코일의 길이 비율은 3:1로 하였으며, 기판은 Al₂O₃를 이용한 다층 세라믹 기판을 이용하였다. 또한, 각 센싱 코일의 선폭은 0.1㎜에서 0.3㎜로 설정하고, 선간 거리를 0.1㎜에서 0.3㎜로 설정하여 시뮬레이션하였다.

[표 1]은 선폭과 선간 거리를 다르게 한 전자기장 해석 조건이다.

센싱 코일의 선폭과 선간 거리를 [표 1]의 조건으로 다르게 하고, 선폭과 선간 거리 이외에 모든 조건을 동일하게 설정하여 각각 60㎐ 주파수에 5A의 전류를 입력하여 시뮬레이션 결과에 따른 출력(mV)을 도 5에 나타내었다.

도 7에 도시된 바와 같이 선폭이 좁고, 선간 거리가 짧을수록 그 출력값이 높이 나옴을 알 수 있다.

센싱 코일과 소거 코일의 비율에 따른 전자기장 해석

본 발명에 따른 로고스키 코일의 센싱 코일과 소거 코일의 비율이 센싱 감도에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 센싱 코일과 소거 코일의 비율을 다르게 하여 시뮬레이션하였다.

[표 2]는 선간 거리과 센싱 코일과 소거 코일의 비율을 다르게 하여 시뮬레이션을 한 조건이다. 센싱 코일과 소거 코일의 길이 및 비율을 제외한 소재와 조건은 상기와 동일하다.

센싱 코일 및 소거 코일의 선간 거리와 센싱 코일 및 소거 코일의 비율 이외의 모든 조건을 동일하게 설정하고, [표 2]의 조건으로 선폭과 선간 거리를 다르게 로고스키 코일을 설계하여 각각 60㎐ 주파수에 5A의 전류를 입력하여 시뮬레이션한 결과에 따른 출력(mV)을 도 6에 도시하였다.

도 8에 도시된 바와 같이 전자기장 해석 결과에 의하면 센싱 코일과 소거 코일의 비율이 1:1일 때 다른 비율에 비하여 높은 출력값이 나옴을 알 수 있다.

입력 전류의 변화에 따른 출력값 선형성 조사

로고스키 코일을 이용한 전류 감지 센서를 가정용 전력량계에 적용시키기 위해 중요한 요소중의 하나인 선형성을 알아보기 위해 범용 전자기장 해석 설계 툴을 이용하여 선폭과 선간 거리, 센서 코일과 소거 코일의 비율을 다르게 설계한 로코스키 코일에 도전체를 연결하고, 5A에서 40A까지 5A 단위로 전류를 점진적으로 흘려주어 시뮬레이션한 결과를 도 7에 도시하였다.

도 9에 도시된 바와 같이 type 1이 가장 좋은 특성을 나타낸다. 즉, 선폭과 선간 거리가 짧을수록, 센서 코일과 소거 코일의 비율이 1:1일수록 출력이 커짐을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 로고스키 코일 200 : 상부 도전층
300 : 하부 도전층
110, 120, 130, 140, 150 및 160 : 절연 시트
112, 122, 132, 142 및 152 : 홀
124 및 154 : 센싱 코일 136 및 156 : 소거 코일

Claims (7)

1. 로고스키코일을 이용한 전류감지센서에 있어서,
   단층의 세라믹 기판을 포함하되,
   상기 단층의 세라믹 기판의 일면에는,
   제1센싱코일과 상기 제1센싱코일을 감싸도록 형성된 제1소거코일이 설치되어 전류의 자속변화를 검출하는 일측의 로고스키코일과, 상기 일측의 로고스키코일의 일면 상에 마련되어 전류가 입력되는 상부도전체가 설치되고;
   상기 단층의 세라믹 기판의 타면에는,
   제2센싱코일과 상기 제2센싱코일을 감싸도록 형성된 제2소거코일이 설치되어 전류의 자속변화를 검출하는 타측의 로고스키코일과, 상기 타측의 로고스키코일의 타면 상에 마련되어 전류가 출력되는 하부도전체가 설치되는 것을 특징으로 하는 로고스키코일을 이용한 전류감지센서
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