KR101135022B1

KR101135022B1 - 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서 및 이를 포함하는 변위감지장치

Info

Publication number: KR101135022B1
Application number: KR1020100033916A
Authority: KR
Inventors: 경태현; 문형준
Original assignee: 에스앤티모티브 주식회사
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2012-04-09
Also published as: KR20100115306A

Abstract

본 발명은, 케이스와; 상기 케이스 내부에 배치되는 여자코일과; 상기 케이스 내부에 상기 여자코일과 이격되어 배치되는 제1감지코일과; 상기 여자코일에 연결되는 제1전달봉과; 상기 여자코일과 상기 제1감지코일 사이의 공극을 포함하는 상기 케이스 내부를 채우는 자기유변유체를 포함하는 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서를 제공한다.

Description

자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서 및 이를 포함하는 변위감지장치 {Linear Displacement Sensor Using Magnetorheological Fluid And Displacement Sensing Apparatus Including The Same}

본 발명은 직선형 변위센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기유변유체(MR fluid)를 이용하여 변위감지 효율이 개선된 직선형 변위센서 및 이를 포함하는 변위감지장치에 관한 것이다.

종래의 자력을 이용한 비접촉식 거리 센서는 가진파를 공극(air gap)을 통하여 투과시킴으로써, 공극의 크기변화(변위)에 따른 자속 투과량(자기저항)의 차이를 측정하여, 변위를 간접적으로 측정하고 있다.

이 경우, 공극이 공기로 채워져 있어, 낮은 비투자율(μ = 1)을 가지며, 이 낮은 비투자율로 인하여, 출력 신호가 매우 미약하다.

또한, 이 미약한 출력 신호의 경우, 외부 잡음 신호에 영향을 많이 받고, 환경적 요인 변동(온도, 습도 등)에 민감하게 영향을 받는다.

따라서, 종래기술에 의하면 신호 대 잡음 비가 낮아지고, 신호 처리에 따른 응답 특성이 저하되고, 변위 분해능이 떨어지는 결과를 초래한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 여자코일(excitation coil) 및 감지코일(pick-up coil) 사이의 공극에 자기유변(magnetorheological: MR)유체(fluid)를 채움으로써, 작동거리 및 감도가 증대되는 직선형 변위센서(linear displacement sensor)의 제공을 목적으로 한다.

또한, 여자코일과 제1 및 제2감지코일 사이의 공극 각각에 자기유변유체를 채움으로써, 작동거리 및 감도가 증대됨과 동시에 오차가 상쇄되는 직선형 변위센서의 제공을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 케이스와; 상기 케이스 내부에 배치되는 여자코일과; 상기 케이스 내부에 상기 여자코일과 이격되어 배치되는 제1감지코일과; 상기 여자코일에 연결되는 제1전달봉과; 상기 여자코일과 상기 제1감지코일 사이의 공극을 포함하는 상기 케이스 내부를 채우는 자기유변유체를 포함하는 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서를 제공한다.

여기서, 상기 제1전달봉은 대상물체에 연결되어 상기 대상물체의 직선변위를 상기 여자코일에 전달하고, 상기 직선변위에 따라 상기 여자코일이 이동하여 상기 여자코일 및 상기 제1감지코일 사이의 간격이 변할 수 있다.

그리고, 상기 여자코일에는 입력신호가 인가되어 자속이 생성되고, 상기 자속은 상기 자기유변유체를 투과하여 상기 제1감지코일에 전달되고, 상기 제1감지코일에는 상기 자속에 의하여 제1출력신호가 유도될 수 있다.

또한, 상기 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서는, 상기 케이스 내부에서 상기 여자코일을 기준으로 상기 제1감지코일과 반대편에 배치되고, 상기 여자코일과 이격되는 제2감지코일을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1전달봉이 연결된 상기 여자코일의 일면과 반대되는 타면에 연결되는 제2연결봉을 더 포함할 수도 있다.

한편, 본 발명은, 케이스와, 상기 케이스 내부에 배치되는 여자코일과, 상기 케이스 내부에 상기 여자코일과 이격되어 배치되는 제1감지코일과, 상기 여자코일에 연결되는 제1전달봉과, 상기 여자코일과 상기 제1감지코일 사이의 공극을 포함하는 상기 케이스 내부를 채우는 자기유변유체를 포함하는 직선형 변위센서와; 상기 여자코일에 인가되는 입력신호를 생성하는 발진부와, 상기 입력신호를 증폭하는 여자증폭부를 포함하는 여자회로와; 상기 제1감지코일의 제1출력신호를 증폭하는 제1감지증폭부와, 상기 제1출력신호로부터 잡음을 제거하는 제1필터부와, 상기 입력신호 및 상기 제1출력신호를 이용하여 상기 제1전달봉에 연결된 대상물체의 직선변위를 산출하는 연산부를 포함하는 감지회로를 포함하는 변위감지장치를 제공한다.

여기서, 상기 연산부는 상기 입력신호에 대한 상기 제1출력신호의 진폭비를 이용하여 상기 직선변위를 산출할 수 있다.

그리고, 상기 변위센서는, 상기 케이스 내부에서 상기 여자코일을 기준으로 상기 제1감지코일과 반대편에 배치되고, 상기 여자코일과 이격되는 제2감지코일을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 감지회로는, 상기 제2감지코일의 제2출력신호를 증폭하는 제2감지증폭부와, 상기 제2출력신호로부터 잡음을 제거하는 제2필터부와, 상기 제1 및 제2출력신호의 진폭 차를 계산하는 차동부를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 연산부는 상기 입력신호의 진폭에 대한 상기 제1 및 제2출력신호의 진폭 차의 비를 이용하여 상기 직선변위를 산출할 수 있다.

본 발명에 따른 직선형 변위센서에서는, 여자코일과 감지코일 사이의 공극에 채워지는 MR유체의 큰 투자율로 인하여 자력선 투과가 용이해지기 때문에 직선변위 측정에서의 작동거리 및 감도가 증대된다는 이점이 있다.

또한, 여자코일 양쪽에 제1 및 제2감지코일을 배치하고, 여자코일과 제1 및 제2감지코일 사이의 공극 각각에 MR유체를 채움으로써, 작동거리 및 감도가 증대됨과 동시에 직선변위 측정 시 각종 요인으로 발생하는 오차가 상쇄된다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서의 사시도
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서의 영점상태 및 변위감지상태를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서에서의 입출력신호의 비와 코일간 간격의 관계를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서를 포함하는 변위감지장치를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서에서의 입력신호와 제1 및 제2출력신호의 차이의 비와 변위의 관계를 도시한 그래프.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서를 포함하는 변위감지장치를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서의 사시도로서, 케이스를 절개한 상태를 도시한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 직선형 변위센서(10)는, 속이 빈 원기둥 형태의 케이스(20)와, 케이스(20) 내부의 일 가장자리부에 에 배치되는 여자코일(excitation coil)(30)과, 케이스(20) 내부의 타 가장자리부에 여자코일(30)과 이격되어 배치되는 감지코일(pick-up coil)(40)과, 여자코일(30)에 연결되는 전달봉(50)과, 여자코일(30) 및 감지코일(40) 사이의 공극을 포함하는 케이스(20) 내부를 채우는 자기유변(magnetorheological: MR)유체(fluid)(60)를 포함한다.

케이스(20)는 MR유체(60)를 밀봉하여 유실되지 않도록 함과 동시에 여자코일(30) 및 감지코일(40)을 안내하는 역할을 하는 것으로, 여자코일(30)에 의하여 생성되는 자속(magnetic flux)에 영향을 주지 않는 비자성 물질로 형성될 수 있다.

여자코일(30)은 원기둥 형태의 여자코어(32)와 여자코어(32)에 감긴 여자전선(34)으로 구성되고, 감지코일(40)은 원기둥 형태의 감지코어(42)와 감지코어(42)에 감긴 감지전선(44)으로 구성되며, 여자코일(30) 및 감지코일(40)은 원통형 케이스(20)의 축 방향을 따라 서로 상대적으로 움직일 수 있도록 케이스(20) 내부에 배치된다.

즉, 케이스(20), 여자코일(30)의 여자코어(32) 및 감지코일(40)의 감지코어(42)는 모두 동일한 축을 따라 정렬되며, 여자코일(30)의 여자전선(34) 및 감지코일(40)의 감지전선(44)은 이러한 동일한 축을 기준으로 여자코어(32) 및 감지코어(42)에 각각 감겨서 형성되는데, 여자전선(34) 및 감지전선(44)이 감기는 방향에 따라 입력신호 및 출력신호의 부호만 변경되므로 여자전선(34) 및 감지전선(44)이 감기는 방향은 동일할 수도 있고 반대일 수도 있다.

전달봉(50)의 일단은 여자코어(32)의 일면에 연결되고, 전달봉(50)의 타단은 직선변위를 측정하고자 하는 대상물체(미도시)에 연결되며, 대상물체의 직선변위는 전달봉(50)을 통하여 여자코일(30)에 전달될 수 있다.

그리고, 여자코일(30)의 여자전선(34)은 여자회로(도 5의 70)에 연결되어 입력신호를 인가 받으며, 감지코일(40)의 감지전선(44)은 감지회로(도 5의 80)에 연결되어 출력신호를 출력한다.

여기서, 입력신호가 여자코일(30)의 여자전선(34)에 인가되면 자속이 생성되고, 생성된 자속은 MR유체(60)를 통하여 감지코일(40)에 전달되며, 감지코일(40)의 감지전선(44)에는 여자코일(30) 및 감지코일(40)의 상호유도용량(mutual inductance)에 따라 유도전압이 생성되어 출력신호로 출력된다.

MR유체(60)는 자화(magnetization) 가능한 미세입자와 물 또는 기름 등이 혼합된 유체로서, 외부 자기장에 의해 점도가 조절되는 특징이 있으며, 댐퍼, 브레이크, 연마 등 다양한 분야에 폭넓게 사용되고 있는데, 본 발명의 제1실시예에서는 MR유체(60)의 상대적으로 높은 비투자율(μ = 4~5)을 이용하여 직선형 변위센서에 있어서 여자코일(30)로부터 감지코일(40)로의 자속 투과를 증가시킴으로써 작동거리 및 감도를 개선한다.

이때, 입력신호 및 출력신호는 정현파(sinusoidal wave) 전압일 수 있으며, 입력신호 및 출력신호의 진폭의 비를 비교함으로써, 대상물체의 직선변위를 측정할 수 있다.

이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서의 동작원리를 도면을 참조하여 설명한다.

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서의 영점상태 및 변위감지상태를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서에서의 입출력신호의 비와 코일간 간격의 관계를 도시한 그래프이다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, MR유체를 이용한 직선형 변위센서(10)가 영점상태인 경우에는 여자코일(30) 및 감지코일(40)의 마주보는 두 면이 서로 기준간격(D)만큼 이격되어 케이스(20) 내부에 배치된다.

이때, 감지코일(40)은 케이스(20) 내부에 고정될 수 있다.

그리고, MR유체를 이용한 직선형 변위센서(10)가 변위감지상태인 경우에는, 대상물체(미도시)가 +x축 방향으로 직선변위(d)만큼 이동함에 따라 전달봉(50)의 일단이 +x축 방향을 따라 직선변위(d)만큼 이동하면 전달봉(50)의 타단과 연결된 여자코일(30)의 일면도 +x축 방향으로 직선변위(d)만큼 이동한다.

따라서, 여자코일(30)과 감지코일(40) 사이의 간격이 기준간격(D)에서 직선변위(d)를 뺀 값(D-d)으로 감소하고, 이에 따라 여자코일(30)에서 생성된 자속의 MR유체(60)를 통한 감지코일(40)로의 투과율은 증가한다.

도시하지는 않았지만, 대상물체가 -x축 방향으로 이동한 경우에는, 여자코일(30)과 감지코일(40) 사이의 간격(D-d)이 증가하고, 이에 따라 여자코일(30)에서 생성된 자속의 MR유체를 통한 감지코일(40)로의 투과율은 감소한다.

그러므로, 도 4에 도시한 바와 같이, 여자코일(30)로 인가되는 입력신호에 대한 감지코일(40)의 출력신호의 진폭비와, 여자코일(30)과 감지코일(40) 사이의 간격(D-d)은 서로 비례하는 관계에 있으며, 이러한 비례관계 및 도 4의 비례관계 그래프를 이용하여 여자코일(30)로 인가되는 입력신호에 대한 감지코일(40)의 출력신호의 진폭비로부터 여자코일(30)과 감지코일(40) 사이의 간격을 산출하고 그에 따른 대상물체의 직선변위(d)를 산출할 수 있다.

한편, MR유체(60)는, 도 2의 영점상태의 경우 케이스(20) 내부의 여자코일(30)과 감지코일(40) 사이의 제1공간(S1)을 점유하며 이때 제1밀도를 갖는 반면, 도 3의 변위감지상태의 경우 케이스(20) 내부의 여자코일(30)과 감지코일(40) 사이의 제2공간(S2) 및 여자코일(30)과 케이스(20) 사이의 제3공간(S3)을 점유하게 된다.

그런데, MR유체(60)는 케이스(20) 내부에 밀봉된 상태이므로, 여자코일(30)의 이동에 따라 여자코일(30)과 케이스(20) 사이의 미세한 틈을 통하여 흐르게 되며, 그 결과 전달봉(50)이 존재하지 않는다면 제1공간(S1)의 부피가 제2 및 제3공간(S2, S3)의 부피의 합과 동일(S1 = S2+S3)하게 되어 MR유체(60)는 일정한 밀도를 유지한다.

그러나, 실제로는 여자코일(30)의 이동에 따라 전달봉(50)이 케이스(20) 내부로 인입되며, 전달봉(50)의 부피만큼 MR유체(60)가 점유할 공간이 줄어들고, 그 결과 MR유체(60)의 밀도는 직선변위(d)에 따라 달라지게 된다.

MR유체(60)의 밀도 변화에 따라 여자코일(30)의 자속 투과율이 달라지고, 이에 따라 감지코일(40)의 출력신호의 크기도 달라지게 되므로, 정확한 변위감지를 위해서는 전달봉(50)의 인입 정도에 따른 MR유체(60)의 밀도 변화를 고려하여야 한다.

예를 들어, 도 2의 상태보다 도 3의 상태의 MR유체(60)가 더 큰 밀도를 가질 수 있으며, 그에 따라 도 2의 상태보다 도 3의 상태의 자속 투과율 및 출력신호가 더 클 수 있으며, 그 결과 도 4의 그래프에서 코일 간격(D-d)이 낮은 쪽 그래프의 기울기가 코일 간격(D-d)이 높은 쪽 그래프의 기울기보다 낮을 수 있다.

따라서, 전달봉(50)의 인입 정도에 따른 MR유체(60)의 부피 및 밀도변화를 보상하여 입출력신호의 진폭비와 코일 간격의 비례관계 및 그 비례관계 그래프를 구하는 것이 바람직할 것이다.

한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 변위센서(10)에서는, 케이스(20), 여자코일(30) 및 감지코일(40)을 원기둥 형태인 것으로 설명하였으나, 다른 실시예에서는, 케이스, 여자코일 및 감지코일이 동일한 축을 따라 배치되는 닮은꼴의 다각형 기둥 형태로 형성될 수도 있다.

이러한 MR유체를 이용한 직선형 변위센서를 포함하는 변위감지장치에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서를 포함하는 변위감지장치를 도시한 도면이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 변위감지장치(90)는 MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(10), 여자회로(70) 및 감지회로(80)를 포함한다.

여기서, MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(10)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 여자코일(30)과 감지코일(40)을 포함한다.

여자회로(70)는 MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(10)의 여자코일(30)에 인가되는 입력신호를 생성하는 회로로서, 발진부(72)와 여자증폭부(74)를 포함한다.

발진부(72)는 입력신호로 사용되는 정현파를 생성하는 부분으로 미리 정해진 주파수에 따라 입력신호를 생성하여 여자증폭부(74)로 전달하고, 여자증폭부(74)는 신호 정확도의 개선을 위하여 전달 받은 입력신호의 진폭을 증폭하여 여자코일(30)에 인가한다.

여자코일(30)에 인가된 정현파에 의하여 자속이 생성되고, 생성된 자속은 MR유체(도 2 및 도 3의 60)를 투과하여 감지코일(40)에 전달되고, 감지코일(40)에는 정현파인 출력신호가 유도 생성된다.

감지회로(80)는 MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(10)의 감지코일(40)에서 유도 생성된 출력신호를 분석하여 직선변위를 산출하는 회로로서, 감지증폭부(82), 필터부(84), 연산부(86)를 포함한다.

감지증폭부(82)는, 신호 정확도의 개선을 위하여, 감지코일(40)에서 유도 생성된 출력신호를 증폭하여 필터부(84)에 전달하고, 필터부(84)는 전달된 출력신호에서 미리 정해진 주파수 이외의 신호를 걸러낸 후 연산부(86)에 전달한다.

예를 들어, 필터부(84)는, 미리 정해진 주파수보다 높거나 낮은 고주파 및 저주파 잡음(noise)을 제거하는 대역통과필터(band pass filter: BPF)로 구성될 수 있다.

연산부(86)는 입력신호에 대한 출력신호의 진폭비를 산출하고 도 4의 그래프로부터 코일 간격(D-d)을 구함으로써, 최종적으로 대상물체의 직선변위(d)를 산출한다.

예를 들어, 직선변위(d) 산출을 위하여, 연산부(86)는 입력신호에 대한 정보를 여자회로(70)로부터 전달 받아 저장할 수 있고, 도 4의 그래프 및 코일 사이의 기준간격(D)에 대한 정보를 저장할 수 있으며, 이를 위하여 저장부(미도시)를 포함할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(10) 및 이를 포함하는 변위감지장치(90)에서는, 여자코일(30) 및 감지코일(40) 사이의 공극를 상대적으로 높은 비투자율을 갖는 MR유체(60)로 채움으로써, 여자코일(30)의 자속이 감지코일(40)로 전달되는 효율을 개선할 수 있으며, 그 결과 변위감지에 있어서의 작동거리 및 감도가 개선된다.

그런데, 주변 환경의 변화에 따라 실제 직선변위와 입출력신호의 진폭비 사이에는 다양한 오차가 발생할 수 있는데, 이러한 발생 오차를 상쇄시킬 수 있는 다른 실시예에 따른 변위센서에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서에서의 입력신호와 제1 및 제2출력신호의 차이의 비와 직선변위의 관계를 도시한 그래프이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 직선형 변위센서(110)는, 속이 빈 원기둥 형태의 케이스(120)와, 케이스(120) 내부의 중앙부에 배치되는 여자코일(excitation coil)(130)과, 케이스(120) 내부의 양 가장자리부에 여자코일(130)과 이격되어 각각 배치되는 제1 및 제2감지코일(pick-up coil)(140, 145)과, 제1 및 제2감지코일(140, 145)을 통과하여 여자코일(130)의 양면에 각각 연결되는 제1 및 제2전달봉(150, 155)과, 여자코일(130)과 제1 및 제2감지코일(140, 145) 사이의 공극을 포함하는 케이스(120) 내부를 채우는 자기유변(magnetorheological: MR)유체(fluid)(160)를 포함한다.

케이스(120)는 MR유체(160)를 밀봉하여 유실되지 않도록 함과 동시에 여자코일(130)과 제1 및 제2감지코일(140, 145)을 안내하는 역할을 하는 것으로, 여자코일(130)에 의하여 생성되는 자속(magnetic flux)에 영향을 주지 않는 비자성 물질로 형성될 수 있다.

도시하지는 않았지만, 제1실시예와 마찬가지로, 여자코일(130)은 원기둥 형태의 여자코어와 여자코어에 감긴 여자전선으로 구성되고, 제1 및 제2감지코일(140, 145) 각각은 원기둥 형태의 감지코어와 감지코어에 감긴 감지전선으로 구성되며, 여자코일(130)과 제1 및 제2감지코일(140, 145)은 원통형 케이스(120)의 축 방향을 따라 서로 상대적으로 움직일 수 있도록 케이스(120) 내부에 배치된다.

즉, 케이스(120), 여자코일(130)의 여자코어, 제1 및 제2감지코일(140, 145) 각각의 감지코어는 모두 동일한 축을 따라 정렬되며, 여자코일(130)의 여자전선과 제1 및 제2감지코일(140, 145)의 감지전선은 이러한 동일한 축을 기준으로 여자코어와 감지코어에 각각 감겨서 형성되는데, 여자전선 및 감지전선이 감기는 방향에 따라 입력신호 및 출력신호의 부호만 변경되므로 여자전선 및 감지전선이 감기는 방향은 동일할 수도 있고 반대일 수도 있다.

제1전달봉(150)의 일단은 여자코일(130)의 여자코어의 일면에 연결되고, 제2전달봉(155)의 일단은 여자코일(130)의 여자코어의 타면에 연결되는데, 제1 및 제2전달봉(150, 155)이 각각 제1 및 제2감지코일(140, 145)을 통하여 여자코일(130)에 연결될 수 있도록 제1 및 제2감지코일(140, 145) 각각의 감지코어에는 관통홀이 형성될 수 있다.

여기서, 제1 및 제2전달봉(150, 155) 중 하나의 타단은 직선변위를 측정하고자 하는 대상물체(미도시)에 연결되며, 대상물체의 직선변위는 제1 및 제2전달봉(150, 155) 중 하나를 통하여 여자코일(130)에 전달될 수 있다.

그리고, 여자코일(130)의 여자전선은 여자회로(도 7의 170)에 연결되어 입력신호를 인가 받으며, 제1 및 제2감지코일(140, 145)의 감지전선은 감지회로(도 7의 180)에 연결되어 출력신호를 출력한다.

여기서, 입력신호가 여자코일(130)의 여자전선에 인가되면 자속이 생성되고, 생성된 자속은 MR유체(160)를 통하여 제1 및 제2감지코일(140, 145)에 전달되며, 제1 및 제2감지코일(145) 각각의 감지전선에는 여자코일(130)과 제1 및 제2감지코일(140, 145) 사이의 상호유도용량(mutual inductance)에 따라 유도전압이 생성되어 출력신호로 출력된다.

MR유체(160)는 자화(magnetization) 가능한 미세입자와 물 또는 기름 등이 혼합된 유체로서, 외부 자기장에 의해 점도가 조절되는 특징이 있으며, 댐퍼, 브레이크, 연마 등 다양한 분야에 폭넓게 사용되고 있는데, 본 발명의 제2실시예에서는 MR유체(160)의 상대적으로 높은 비투자율(μ = 4~5)을 이용하여 직선형 변위센서에 있어서 여자코일(130)로부터 제1 및 제2감지코일(140, 145)로의 자속 투과를 증가시킴으로써 작동거리 및 감도를 개선한다.

그리고, 제2실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서에서는, 대상물체의 직선변위가 여자코일(130) 및 제1감지코일(140) 사이의 간격변화와 여자코일(130) 및 제2감지코일(145) 사이의 간격 변화에 서로 반대로 작용하게 되고, 제1 및 제2감지코일(140, 145)의 출력신호도 반대로 증감하게 되며, 제1 및 제2감지코일(140, 145)의 출력신호의 차이와 입력신호를 비교함으로써 오차 보상과 함께 직선변위를 산출할 수 있는데, 이를 더 상세히 설명한다.

즉, 도 6의 점선표시와 같이, MR유체를 이용한 직선형 변위센서(110)가 영점상태(점선표시)인 경우에는, 여자코일(130)이 케이스(120)의 정 중앙부에 위치하게 되고, 제1감지코일(140)과 여자코일(130)의 마주보는 두 면 사이의 간격과 제2감지코일(145)과 여자코일(130)의 마주보는 두 면 사이의 간격은 기준거리(D)로 동일하고, 그 결과 영점상태에서의 제1감지코일(140)의 제1출력신호의 진폭(V10)과 제2감지코일의 제2출력신호의 진폭(V20)은 동일하다(V10 = V20).

이때, 제1 및 제2감지코일(140, 145) 각각은 케이스(120) 내부의 양 가장자리부에 고정될 수 있다.

그리고, MR유체를 이용한 직선형 변위센서(110)가 변위감지상태인 경우에는, 대상물체(미도시)가 +x축 방향으로 직선변위(d)만큼 이동함에 따라 대상물체에 연결된 제1 및 제2전달봉(150, 155) 중 하나의 일단이 +x축 방향을 따라 직선변위(d)만큼 이동하고, 대상물체에 연결된 제1 및 제2전달봉(150, 155) 중 하나의 타단과 연결된 여자코일(130)의 일면도 +x축 방향으로 직선변위(d)만큼 이동한다.

물론, 대상물체에 연결되지 않은 제1 및 제2전달봉(150, 155) 중 하나도 여자코일(130)에 연결되어 있으므로, 동일하게 +x축 방향으로 직선변위(d)만큼 이동한다.

따라서, 제1감지코일(140)과 여자코일(130) 사이의 간격은 기준간격(D)에 직선변위(d)를 더한 값(D+d)으로 증가하고, 여자코일(130)과 제2감지코일(145) 사이의 간격은 기준간격(D)에 직선변위(d)를 뺀 값(D-d)으로 감소한다.

이에 따라 여자코일(130)에서 생성된 자속의 MR유체(160)를 통한 제1감지코일(140)로의 투과율은 감소하고, 여자코일(130)에서 생성된 자속의 MR유체(160)를 통한 제2감지코일(145)로의 투과율은 증가한다.

도시하지는 않았지만, 대상물체가 -x축 방향으로 이동한 경우에는, 여자코일(130)과 제1감지코일(140) 사이의 간격(D-d)은 기준간격(D)보다 감소하고, 여자코일(130)과 제2감지코일(145) 사이의 간격(D+d)은 기준간격(D)보다 증가하고, 이에 따라 여자코일(130)에서 생성된 자속의 MR유체(160)를 통한 제1감지코일(140)로의 투과율은 증가하고, 여자코일(130)에서 생성된 자속의 MR유체(160)를 통한 제2감지코일(145)로의 투과율은 감소한다.

그러므로, 변위감지상태에서의 제1감지코일(140)의 제1출력신호의 진폭(V1d)과 제2감지코일(145)의 제2출력신호의 진폭(V2d)은 서로 상이하며, 예를 들어 대상물체가 +x축으로 이동한 경우에는 제1감지코일(140)의 제1출력신호의 진폭(V1d)이 제2감지코일(145)의 제2출력신호의 진폭(V2d)보다 작다(V1d<V2d).

한편, 변위감지상태에서의 제1 및 제2출력신호의 진폭(V1d, V2d) 각각에는 코일 간격 증감에 따른 전압 변화량과 주변환경에 다른 오차가 포함되어 있을 수 있다.

예를 들어, 대상물체가 +x축으로 이동한 경우, 제1감지코일(140)과 여자코일(130) 사이의 간격 증가(D+d)에 따라, 변위감지상태에서의 제1출력신호의 진폭(V1d)은 영점상태에서의 제1출력신호의 진폭(V10)보다 변위전압(Vd)만큼 감소하고(V1d = V10-Vd), 제2감지코일(145)과 여자코일(130) 사이의 간격 감소(D-d)에 따라, 변위감지상태에서의 제2출력신호의 진폭(V2d)은 영점상태에서의 제2출력신호의 진폭(V20)보다 변위전압(Vd)만큼 증가한다(V2d = V20+Vd).

또한, 온도, 습도 등의 주변 환경에 따라 MR유체의 비투자율이 달라질 수 있으며, 그 결과 제1 및 제2감지코일(140, 145)의 제1 및 제2출력신호의 진폭에는 각각 오차전압(Ve)이 추가될 수 있다(V1d = V10-Vd+Ve, V2d = V20+Vd+Ve).

여기서, 변위감지상태에서의 제1 및 제2출력신호의 진폭의 차를 계산하면, 영점상태의 각 출력신호(V10, V20)와 오차성분(Ve)을 배제한 변위전압(Vd)만을 추출할 수 있고(V1d-V2d = V10-V20-2Vd = -2Vd), 입력신호의 진폭에 대한 제1 및 제2출력신호의 진폭 차의 비는 직선변위(d)에 비례하는 관계에 있음을 알 수 있다.

이러한 비례관계 및 도 7의 비례관계 그래프를 이용하여, 여자코일(130)로 인가되는 입력신호의 진폭에 대한 제1 및 제2감지코일(140, 145)의 제1 및 제2출력신호의 진폭 차의 비로부터 오차를 제거함과 동시에 대상물체의 직선변위(d)를 산출할 수 있다.

한편, 제2실시예에서는, 제1 및 제2전달봉(150, 155)이 항상 케이스(120) 내부에 인입된 상태이므로, 변위감지상태에서 케이스(120) 내부의 여자코일(130)의 위치가 변경되어, MR유체(160)가 제1감지코일(140)과 여자코일(130) 사이의 제1공간(S1)과 제2감지코일(145)과 여자코일(130) 사이의 제2공간(S2)을 점유하게 되더라도, 영점상태에서 MR유체(160)가 점유하는 공간과 차이가 없다.

따라서, 영점상태 및 변위감지상태에서 MR유체(160)의 체적 및 밀도는 동일하며, 그에 따른 자속 투과율의 변화 및 출력신호의 변화가 없으므로, 직선변위 산출에 있어서 제1 및 제2전달봉(150, 155)의 인입을 고려할 필요가 없다.

물론, 다른 실시예에 따른 변위센서는, 제1 및 제2전달봉 대신 여자코일(130)의 일면에 연결된 하나의 전달봉을 포함할 수 있으며, 이 경우 제1실시예와 마찬가지로 직선변위 산출에 있어서 전달봉의 인입 정도에 따른 MR유체의 부피 및 밀도변화를 보상하는 것이 필요하다.

한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 변위센서(110)에서는, 케이스(120), 여자코일(130) 및 감지코일(140)을 원기둥 형태인 것으로 설명하였으나, 다른 실시예에서는, 케이스, 여자코일 및 감지코일이 동일한 축을 따라 배치되는 닮은꼴의 다각형 기둥 형태로 형성될 수도 있다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서를 포함하는 변위감지장치를 도시한 도면이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 변위감지장치(190)는 MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(110), 여자회로(170) 및 감지회로(180)를 포함한다.

여기서, MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(110)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 여자코일(130)과 제1 및 제2감지코일(140, 145)을 포함한다.

여자회로(170)는 MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(110)의 여자코일(130)에 인가되는 입력신호를 생성하는 회로로서, 발진부(172)와 여자증폭부(174)를 포함한다.

발진부(172)는 입력신호로 사용되는 정현파를 생성하는 부분으로 미리 정해진 주파수에 따라 입력신호를 생성하여 여자증폭부(174)로 전달하고, 여자증폭부(174)는 신호 정확도의 개선을 위하여 전달 받은 입력신호의 진폭을 증폭하여 여자코일(130)에 인가한다.

여자코일(130)에 인가된 정현파에 의하여 자속이 생성되고, 생성된 자속은 MR유체(도 6의 160)를 투과하여 제1 및 제2감지코일(140, 145)에 전달되고, 제1 및 제2감지코일(140, 145)에는 정현파인 제1 및 제2출력신호(V1d, V2d)가 각각 유도 생성된다.

감지회로(180)는 MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(110)의 제1 및 제2감지코일(140, 145)에서 유도 생성된 제1 및 제2출력신호를 분석하여 직선변위를 산출하는 회로로서, 제1 및 제2감지증폭부(182, 183), 제1 및 제2필터부(184, 185), 차동부(186), 연산부(188)를 포함한다.

제1 및 제2감지증폭부(182, 183)는 각각, 신호 정확도의 개선을 위하여, 제1 및 제2감지코일(140, 145)에서 유도 생성된 제1 및 제2출력신호를 증폭하여 제1 및 제2필터부(184, 185)에 전달하고, 제1 및 제2필터부(184, 185)는 각각 전달된 출력신호에서 미리 정해진 주파수 이외의 신호를 걸러낸 후 차동부(186)에 전달한다.

예를 들어, 제1 및 제2필터부(184, 185)는 각각, 미리 정해진 주파수보다 높거나 낮은 고주파 및 저주파 잡음(noise)을 제거하는 대역통과필터(band pass filter: BPF)로 구성될 수 있다.

차동부(186)는 제1 및 제2출력신호의 진폭 차를 계산하여 연산부(188)에 전달하고, 연산부(188)는 입력신호의 진폭에 대한 출력신호의 진폭 차의 비를 산출하고 도 7의 그래프로부터 대상물체의 직선변위(d)를 산출한다.

예를 들어, 직선변위(d) 산출을 위하여, 연산부(188)는 입력신호에 대한 정보를 여자회로(170)로부터 전달 받아 저장할 수 있고, 도 7의 그래프에 대한 정보를 저장할 수 있으며, 이를 위하여 저장부(미도시)를 포함할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 MR유체를 이용하는 직선형 변위센서(110) 및 이를 포함하는 변위감지장치(190)에서는, 여자코일(130)과 제1 및 제2감지코일(140, 145) 사이의 공극를 상대적으로 높은 비투자율을 갖는 MR유체(160)로 채움으로써, 여자코일(130)의 자속이 제1 및 제2감지코일(140, 145)로 전달되는 효율을 개선할 수 있으며, 그 결과 변위감지에 있어서의 작동거리 및 감도가 개선된다.

또한, 입력신호의 진폭에 대한 제1 및 제2출력신호의 진폭 차의 비로부터 직선변위를 산출함으로써, 주변환경에 따른 출력신호 오차를 상쇄시킴으로써 신호 측정의 정확도가 개선된다.

이와 같은 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서는, MR 유체를 사용하여 공극을 채워줌으로써, 비투자율(μ = 4~5)을 높여 준다.

이에 따라, 출력 신호의 증대가 가능하여, 잡음 내성이 향상되고, 신호 처리를 용이하게 할 수 있으며, 직선변위에 대한 분해능 및 응답 속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 작동거리 증대에 따라 공극(케이스)을 크게 할 수 있어, 센서의 설계가 용이하고, 센서의 적용 범위를 넓힐 수 있다.

특히, 차동형 변위센서의 경우, 환경적인 요인에 의한 오차를, 양쪽 코일 출력값을 이용하여 상쇄시켜 제거함으로써, 잡음 영향이 적은 신호 출력과, 보다 향상된 분해능을 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

10: 직선형 변위센서 20: 케이스
30: 여자코일 40: 감지코일
50: 전달봉 60: MR유체

Claims

케이스와;
상기 케이스 내부에 배치되는 여자코일과;
상기 케이스 내부에 상기 여자코일과 이격되어 배치되는 제1감지코일과;
상기 여자코일에 연결되는 제1전달봉과;
상기 여자코일과 상기 제1감지코일 사이의 공극을 포함하는 상기 케이스 내부를 채우는 자기유변유체
를 포함하는 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서.
제1항에 있어서,
상기 제1전달봉은 대상물체에 연결되어 상기 대상물체의 직선변위를 상기 여자코일에 전달하고, 상기 직선변위에 따라 상기 여자코일이 이동하여 상기 여자코일 및 상기 제1감지코일 사이의 간격이 변하는 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서.
제2항에 있어서,
상기 여자코일에는 입력신호가 인가되어 자속이 생성되고, 상기 자속은 상기 자기유변유체를 투과하여 상기 제1감지코일에 전달되고, 상기 제1감지코일에는 상기 자속에 의하여 제1출력신호가 유도되는 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서.
제1항에 있어서,
상기 케이스 내부에서 상기 여자코일을 기준으로 상기 제1감지코일과 반대편에 배치되고, 상기 여자코일과 이격되는 제2감지코일
을 더 포함하는 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서.
제4항에 있어서,
상기 제1전달봉이 연결된 상기 여자코일의 일면과 반대되는 타면에 연결되는 제2연결봉을 더 포함하는 자기유변유체를 이용한 직선형 변위센서.
케이스와, 상기 케이스 내부에 배치되는 여자코일과, 상기 케이스 내부에 상기 여자코일과 이격되어 배치되는 제1감지코일과, 상기 여자코일에 연결되는 제1전달봉과, 상기 여자코일과 상기 제1감지코일 사이의 공극을 포함하는 상기 케이스 내부를 채우는 자기유변유체를 포함하는 직선형 변위센서와;
상기 여자코일에 인가되는 입력신호를 생성하는 발진부와, 상기 입력신호를 증폭하는 여자증폭부를 포함하는 여자회로와;
상기 제1감지코일의 제1출력신호를 증폭하는 제1감지증폭부와, 상기 제1출력신호로부터 잡음을 제거하는 제1필터부와, 상기 입력신호 및 상기 제1출력신호를 이용하여 상기 제1전달봉에 연결된 대상물체의 직선변위를 산출하는 연산부를 포함하는 감지회로
를 포함하는 변위감지장치.
제6항에 있어서,
상기 연산부는 상기 입력신호에 대한 상기 제1출력신호의 진폭비를 이용하여 상기 직선변위를 산출하는 변위감지장치.
제6항에 있어서,
상기 변위센서는, 상기 케이스 내부에서 상기 여자코일을 기준으로 상기 제1감지코일과 반대편에 배치되고, 상기 여자코일과 이격되는 제2감지코일을 더 포함하고,
상기 감지회로는, 상기 제2감지코일의 제2출력신호를 증폭하는 제2감지증폭부와, 상기 제2출력신호로부터 잡음을 제거하는 제2필터부와, 상기 제1 및 제2출력신호의 진폭 차를 계산하는 차동부를 더 포함하고,
상기 연산부는 상기 입력신호의 진폭에 대한 상기 제1 및 제2출력신호의 진폭 차의 비를 이용하여 상기 직선변위를 산출하는 변위감지장치.