KR101891347B1 - 자기 근접 센서 - Google Patents

Abstract

자기 센서 요소(5)와, 제1 자극 표면과 제2 자극 표면을 갖는 자석 조립체(6, 7)를 포함하고, 상기 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극 표면은 자기 근접 센서의 센서 목표 표면 근처에 위치 결정되며, 상기 센서 요소(5)는 센서 목표 표면으로부터 멀리 떨어져 자석 조립체(6, 7)의 제2 자극 표면으로부터 제1 거리(t)에 위치 결정되는 것인 자기 근접 센서가 개시된다.

Description

자기 근접 센서{MAGNETIC PROXIMITY SENSOR}

본 발명은, 예컨대 센서 근처의 강자성 물품의 존재 또는 부재를 검출하는 데에 이용할 수 있는 자기 근접 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 자기 센서 요소와, 제1 자극 표면과 제2 자극 표면을 갖는 자석 조립체를 포함하는 자기 근접 센서에 관한 것이다.

미국 특허 제5,781,005호는 센서 근처에서 기어의 (강제) 톱니와 같은 강자성 물체를 감지하도록 된 홀 효과 강자성 물품 근접 센서를 개시하고 있다. 센서는 홀 센서 요소 등의 자기장 센서의 조립체와, 자석 구조체를 포함한다. 자석 구조체는 센서 목표 평면에서 보았을 때에 면형 홀 센서 요소의 후방에 위치 결정된다. 강자성 물체가 센서 평면 근처(즉, 홀 센서 요소 근처)를 통과할 때에, 가변적인 자기장이 감지된다. 홀 센서 요소의 위치 결정과 조합하여 자기장 배향과 자석 구조체의 분포 때문에, 효과적인 신호 처리가 실행될 수 있다. 자석 구조체는 적어도 북극과 남극 모두가 센서 요소의 바로 후방의 평면에 있도록 선택되어, 특정한 자기장 배향 및 분포를 초래한다.

이 센서는 보다 널리 알려진 후방 편향된 홀 센서의 특정한 실시예이고, 여기서 자기장은 센서의 감지면을 향해 자기장 센서를 통과하도록 되어 있다. 센서의 감지면측에서의 목표는 자기장 센서를 통과하는 자기장선에 영향을 미친다. 이들 편향이 감지되고 관련 신호가 처리될 수 있다.

본 발명의 목적은 능력과 효율이 개선된 자기 근접 센서를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 전술한 서두에 따른 자기 근접 센서가 제공되는데, 자석 조립체의 제1 자극 표면은 자기 근접 센서의 센서 목표 표면 근처에 위치 결정되고, 센서 요소는 센서 목표 표면으로부터 멀리 떨어져 자석 조립체의 제2 자극 표면으로부터 제1 거리를 두고 위치 결정된다. 이 구성은 매우 효율적인 방식으로 높은 민감도와 신뢰성을 갖는 근접 센서를 제조하고 조립하게 한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 다수의 예시적인 실시예를 이용하여 보다 상세하게 논의될 것이다.
도 1a는 홀 칩을 갖는 종래 기술의 자기 근접 센서를 보여주는 개략적인 도면을 도시하고,
도 1b는 도 1의 자기 근접 센서의 특정 그래프를 도시하며,
도 2a는 본 발명의 자기 근접 센서의 실시예의 개략적인 도면을 도시하고,
도 2b는 도 2a의 자기 근접 센서의 특성 그래프를 도시하며,
도 3은 본 발명의 자기 근접 센서의 다른 실시예의 개략적인 다이아그램을 도시한다.

종래 기술의 센서 설계는 센서의 자석과 시스템의 목표 사이에 배치되는 감지용 홀 칩을 갖는다. 이론적으로, 이 설계는 강자성 물체(철 또는 철 합금으로 제조된 물체와 같이 높은 자기 투자율을 갖는 물체)용 센서로서 기능할 수 있지만, 설계는 모든 용례에서 널리 사용되지 못한다. 이 결손의 한가지 이유는 매우 높은 기준선이거나 또는 물체 존재 자속 및 신호가 없다는 것이다. 많은 용례 상황에서 물체 존재 신호(object-present signal)는 기준선 신호보다 훨씬 크지 않고 전자 노이즈의 존재는 종래 기술의 설계가 신뢰성 없게 만들 수 있다.

미국 특허 제5781005호에 도시된 종래 기술의 구성은 이 높은 편향 문제(도 1a에 도시된 종래 기술의 실시예 참조)를 극복하는 해법을 제공한다. 도 1a는 (예컨대, rpm 측정을 위해) 회전 디스크(2) 상의 연장 톱니(3)를 검출하도록 실행되는 자기 근접 센서의 간소화된 다이아그램을 도시하고 있다.

여기서, 자극 피스(7)는 칩 측면에 배치된 자석면에서 대향하는 자극을 갖도록 (영구) 자석(6)의 홀 또는 보어 내에 배치된다. 자석(6)은 높이(p)와 외경(d₁)을 갖는 원통형 자석이고, 직경(d₂)을 갖는 중앙 보어를 구비한다. 자극 피스(7)는 T형의 변형으로서, 두께(q)와, 직경(d₁)을 갖는 스템을 구비하여, 외경(d₁)과 높이(p)를 갖는 원통형 자석 조립체를 제공한다. 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극은 목표[톱니(3)]에 대면하고 거리(s)에 위치 결정된다. 홀 센서(5)는 목표와 자석 조립체(6, 7)의 제1 면 사이에서 목표[톱니(3)]로부터 거리(t)에 위치 결정된다. 이 방식에서, 슬롯이 존재할 때에 0의 자속이 발생될 수 있다. 이하의 방식으로 민감도 대 편향이 정의된다.

Sens=(B_tooth-B_slot)/(max(|B_tooth|,|B_slot|))*100%

여기서, B_tooth는 톱니(3)가 센서 표면(제1 자극)의 근처에 존재할 때에 자속 밀도이고, B_slot은 슬롯[2개의 이웃한 톱니(3) 사이의 디스크(2)의 공간]이 센서 표면 근처에 존재할 때에 자속 밀도이다.

도 1b의 그래프는 종래 기술의 셋업에서 홀 센서(5)를 t=2.4 내지 2.6 mm에 배치할 때에 민감도가 편향의 100%보다 크게 될 수 있다는 것을 보여준다. 이는 민감도가 10% 미만인 종래의 구성(기타 후방 편향된 자기 센서 요소 실시예)에 관해서 극적인 개선이다. 그러나, 이 원리의 단점은 홀 센서 요소가 자석(6)과 목표[금속 톱니(3)]가 존재하는(또는 부재하는) 센서 전방면 사이에 위치될 필요가 있을 때에 홀 센서(5)의 칩 리드(chip lead)가 자석(6) 둘레에서 접힐 필요가 있다는 것이다. 이는 자석 영역 및 이에 따라 강도를 감소시킬 뿐만 아니라 전체 치수를 증가시켜 리드 벤딩의 여지를 허용한다. 게다가, 자석(6)은 홀 센서(5)를 위한 공간을 남겨둘 필요가 있기 때문에 목표(3)에 가깝게 되는 것이 제한되고, 이는 보다 낮은 신호 또는 보다 강하고 및/또는 보다 큰 자석(6)에 대한 필요성을 초래한다. 특히, 작은 센서가 요구되는 경우에, 이것은 문제가 될 수 있다. 또한, 홀 센서(5)가 목표(3)에 가깝게 배치되기 때문에 목표(3)의 나머지 자화가 센서 신호에 상당한 영향을 미칠 수 있다.

이들 측정을 위해, 이하의 설계 파라미터가 사용된다.

d₁=8 mm; d₂=2 mm; p=6 mm; q=2 mm; s=4.775 mm

본 발명의 실시예는 개선된 기능을 갖는다. 도 2a는 본 발명에 따른 자기 근접 센서의 실시예의 간소화된 다이아그램을 도시하고 있다. 다시, 연장 톱니(3)를 갖는 디스크(2)를 구비하는 목표가 도시되어 있다. 이 경우에, 원통형으로 되어 있고, 중앙 보어[외경(d₁), 보어 직경(d₂) 및 높이(또는 길이)(p)], 뿐만 아니라 외경(d₂)과 길이(p)를 갖는 축방향 자극 피스(7)를 구비하는 자석(6)이 제공된다. 따라서, 자석 조립체는 동축으로 위치 결정된 자석 본체 또는 자석(6)과 축방향 자극 피스(7)를 포함한다. 자기장 센서(5)(예컨대, 홀 센서)는 자석 조립체(6, 7)의 제2 자극면으로부터 거리(t)를 두고 목표(3)의 반대쪽을 향하는 자석 조립체의 측면에 위치 결정된다. 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극면은 목표[디스크(2)와 톱니(3)]에 대면하고 톱니(3)로부터 거리(s)에 위치 결정된다. 자기 근접 센서 요소(5, 6, 7)는 예컨대 플라스틱 몰딩 기술을 이용하여 센서 하우징(8) 내에 제공될 수 있다. 센서 하우징(8)은 또한 도시된 바와 같이 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극의 센서 표면을 덮을 수 있거나, 센서 표면을 덮지 않고 남겨둘 수 있다.

전술한 종래 기술 실시예의 후방 편향된 구성이 변경되지만, 효율적인 자기장 분포[가능한 한 목표(3)에 가깝게]가 유지되고 자석 조립체(6, 7)의 후방면에 있는 자기장 센서(5)를 이용한 측정이 이용된다.

본 발명은 홀 센서(5)가 자석(6)의 다른 측면에 배치되는 구성을 보여주고 있다. 자석(6)은 홀 센서(5)와 목표(3) 사이에 있지만 100% 초과하는 민감도가 여전히 보장된다(도 2a 및 도 3에 도시된 실시예 참조). 톱니(3) 또는 슬롯[2개의 인접한 톱니(3) 사이에 디스크(2)의 공간]의 존재는 자극 피스[자석 조립체(6, 7)]를 통해 운반되는 자속의 양이 변하는 것을 처리한다. 자석의 좌측의 위치(t)에서, 이 변화가 홀 센서(5)에 의해 감지된다. 도 2b의 그래프는 홀 센서(5)를 t=2.15 내지 2.4 mm에 배치할 때에 민감도가 편향의 100%를 초과하게 될 수 있다는 것을 보여준다. 이 원리의 이점은 홀 센서(5)의 리드가 자석(6) 둘레에서 접힐 필요가 없다는 것이다. 더욱이, 홀 센서(5)가 목표(2, 3)로부터 더 멀리 이동되기 때문에, 목표(2, 3)의 임의의 나머지 자화가 센서 신호에 영향을 덜 미치게 된다.

도 2a의 실시예에서, 이하가 적용된다.

-적절한 재료를 선택함으로써, 보자력(Hc)이 약 900 kA/m이고 자기장 강도(Br)가 약 1.14T인 특성을 갖는 자석 조립체(6, 7)가 사용된다. 자극 피스(7)는 1000의 상대적인 투자율(Ur)을 갖는 연성 자기 재료이다.

-t는 자석 조립체(6, 7)의 (제2 자극) 후방에서 홀 센서(5)의 위치이다.

-다른 실시예에서, 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극을 덮고 보호하는 0.5 mm 두께의 플라스틱 하우징(8)을 포함함으로써 센서 정면(제1 자극)과의 간극이 1 mm로 취해진다. 따라서, 거리(s)=1.5 mm[자석 조립체 정면으로부터 목표(3)까지의 거리].

-편향의 백분율로서의 민감도는 아래와 같이 정의된다.

Sens=(B_tooth-B_slot)/(max(| B_tooth|,|B_slot|))*100%

-홀 센서(5) 후방의 2.2 내지 2.7 mm의 범위에서, 편향의 백분율로서의 민감도가 이루어질 수 있다. 자석(6) 후방에서 t=2.15 내지 2.4 mm에 홀 센서(5)를 배치할 때에, 편향의 백분율로서의 민감도가 100% 초과가 될 수 있다.

-이들 결과(도 2b 참조)는 도 1b에 나타낸 결과와 비교될 수 있는데, 즉 민감도가 매우 높은 자석 후방에서의 거리 범위가 획정될 수 있다.

이들 측정을 위해, 이하의 설계 파라미터가 사용된다.

d₁=8 mm; d₂=3 mm; p=6 mm; s=1.5 mm

변경예에서, 이하의 파라미터가 선택될 수 있다.

*d₁=6 mm ... 12 mm

*d₂=2 mm ... 5 mm

*s=0.7 mm ... 2.5 mm

*p=4 mm ... 12 mm

선택된 파라미터의 값들에 따라, 자기 근접 센서의 민감도가 가장 높은 지점(t)이 계산될 수 있을 뿐만 아니라, 높은 민감도가 구현될 수 있는 그 지점 둘레의 범위가 계산될 수 있다.

보다 일반적으로 말해서, 본 발명은 자기 센서 요소(5; 홀 센서 요소 등)와, 제1 자극 표면과 제2 자극 표면을 갖는 자석 조립체(6, 7)를 포함하는 자기 근접 센서에 관한 것으로서, 자석 조립체의 제1 자극 표면은 자기 근접 센서의 센서 목표 표면에 인접하게 위치 결정되고, 센서 요소(5)는 센서 목표 표면으로부터 멀리 떨어져 자석 조립체(6, 7)의 제2 자극 표면으로부터의 제1 거리(t)에 위치 결정된다.

자석 조립체는 동축으로 위치 결정된 자석 본체(6)를 갖는 축방향 자극 피스(자속 집중기, 예컨대 원통형의 연성 자기 재료)를 포함할 수 있다. 종래 기술의 센서와 같이 T형 자극 피스가 필요하지 않다.

실시예에서, 자기 근접 센서는 센서 목표 표면을 형성하는 센서 하우징(8; 도 2a 및 도 3 참조)을 더 포함하고, 센서 요소(5)와 자석 조립체(6, 7)는 센서 하우징(8)에 내장된다. 또한, 예컨대 센서 자체에서 측정 신호를 처리하기 위한 센서 요소 회로가, 예컨대 센서 기판 또는 인쇄 회로 기판 상에서 센서 하우징(8) 내에 마련될 수 있다.

센서 하우징(8)은 적어도 0.1 mm, 예컨대 다른 실시예(도 2a 참조)에서 적어도 0.5 mm의 두께를 갖는 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극 표면을 덮는다. 이는 적절히 획정된 센서 목표 표면을 갖게 하고, 또한 목표(2, 3)의 근접이 자석 조립체(6, 7)에 의해 발생된 자기장에 감지되게 한다. 변경예에서, 하우징(8)은 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극 표면과 높이가 동일하다.

실시예에서, 제1 거리(t)는 2.2 내지 2.7 mm이다. 이는 도 2a에 도시된 실시예에서 설명된 바와 같이, 3 mm의 자극 피스 직경(d₂), 8 mm의 자석 본체 직경(d₁), 6 mm의 길이(p), 및 1 mm(1.5 mm)의 목표 거리와 조합한 것이고, t=2.34 mm에서 최대 민감도를 초래한다.

도 3은 상이하게 형성된 제2 자극 표면을 갖는 변경예를 도시하고 있는데, 축방향 자극 피스(7)는 동축으로 위치 결정된 자석 본체(6)를 넘어서 연장된다. 자석(6)의 길이는 p에 의해 지시되고, 축방향 자극 피스는 자석(6)의 길이를 넘어서 거리(a)를 연장한다. 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극은 도 2a 실시예와 유사하고, 제1 자극을 형성하는 평탄한 자석 조립체 표면을 제공한다.

이 실시예는 보다 높은 민감도와 조합하여 자속 밀도의 절대 레벨의 덜 가파른 구배가 얻어질 수 있다는 효과를 갖는다. d₁=5.5 mm, d₂=2 mm, p=4.4 mm, s=1.8 mm이고 파라미터(a)가 변경된 실시예(-0.5, -0.1, 0.1, 0.5 및 1 mm)에 대해 비교 시험을 수행하였다. 더 긴 자극 피스(7; 1의 양의 값)는 홀 센서(5)의 위치 공차(값 t)가 덜 중요하게 되게 하는 덜 가파른 구배를 제공한다. a=0.5의 경우, t=0.6이 권고되거나, 또는 a가 증가하면 t가 감소할 수 있다. 보다 긴 자극 피스는 t의 동일한 값에 대해 조금 더 적은 민감도를 제공하지만, 1의 보다 높은 값에 대한 t의 감소는 단부에서 보다 큰 민감도를 초래한다.

본 발명의 실시예를 도면에 도시된 다수의 예시적인 실시예를 참조하여 설명하였다. 일부 부품 또는 요소의 수정 및 변경 실시가 가능하며, 첨부된 도면에서 한정되는 보호 범위 내에 포함된다.

Claims (6)

1. 자기 근접 센서로서,
   자기 센서 요소(5)와, 제1 자극 표면과 제2 자극 표면을 갖는 자석 조립체(6, 7)를 포함하고, 상기 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극 표면은 자기 근접 센서의 센서 목표 표면에 인접하여 위치 결정되며, 상기 자기 센서 요소(5)는 센서 목표 표면으로부터 원격으로 위치하는 자석 조립체(6, 7)의 제2 자극 표면으로부터 제1 거리(t)에 위치 결정되고, 상기 자석 조립체(6, 7)는 상기 자기 센서 요소(5)와 상기 센서 목표 표면 사이에 위치하며,
   상기 자석 조립체(6, 7)는 동축으로 위치 결정된 자석 본체(6)를 갖는 축방향 자극 피스(7)를 포함하고, 상기 축방향 자극 피스(7)는 상기 동축으로 위치 결정된 자석 본체(6)을 지나서 상기 자기 센서 요소(5)를 향하는 방향으로 상기 제1 거리(t)보다 짧은 제2 거리(a)로 연장되는 것인 자기 근접 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 센서 목표 표면을 획정하는 센서 하우징(8)을 더 포함하고, 상기 센서 요소(5)와 자석 조립체(6, 7)는 센서 하우징(8)에 내장되는 것인 자기 근접 센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 센서 하우징(8)은 적어도 0.1 mm의 두께로 상기 자석 조립체(6, 7)의 제1 자극 표면을 덮는 것인 자기 근접 센서.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 거리(t)는 2.2 내지 2.7 mm인 것인 자기 근접 센서.
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6. 삭제

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