KR101984905B1 - 선형 가변 차동 변환기 - Google Patents

선형 가변 차동 변환기 Download PDF

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KR101984905B1
KR101984905B1 KR1020190039660A KR20190039660A KR101984905B1 KR 101984905 B1 KR101984905 B1 KR 101984905B1 KR 1020190039660 A KR1020190039660 A KR 1020190039660A KR 20190039660 A KR20190039660 A KR 20190039660A KR 101984905 B1 KR101984905 B1 KR 101984905B1
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김진천
류종필
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파크전자(주)
훌루테크 주식회사
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Abstract

측정오차가 최소화되어 측정정밀성이 개선되도록, 본 발명은 외부의 기계적 변위에 의해 선택적으로 이동되는 자성체 재질의 코어부; 중공형 원통 형상으로 구비되어 반경방향 내측에 상기 코어부의 외경을 초과하는 직경으로 관통된 관통홀이 형성되며, 반경방향 외부 중앙측에 길이방향을 따라 제1보빈이 형성되고, 상기 제1보빈의 길이방향 양측으로 상기 제1보빈과 구획되는 제2보빈 및 제3보빈이 각각 형성되는 센서몸체부; 상기 제1보빈의 외주에 원주방향을 따라 반경방향 외측으로 복수개의 권선층이 적층 권선되도록 연속 권선되되, 권선된 최외곽층이 조밀하게 권선된 나머지층과 상이하게 기설정된 간격으로 이격 권선되며, 전원이 인가됨에 따라 자계가 형성되는 프라임코일; 상기 프라임코일에 기설정된 규격의 교류 전원을 인가하는 전원부; 상기 제2보빈 및 상기 제3보빈의 외주에 원주방향을 따라 상호간 반대되는 방향으로 각각 권선되되 상호간 연결되며, 상기 코어부의 위치에 대응되어 변위 측정을 위한 유도자계가 형성되는 측정코일; 및 상기 측정코일에 연결되어 상기 코어부의 이동시 상기 측정코일에 발생되는 가변전압을 측정하는 가변전압측정부를 포함하는 선형 가변 차동 변환기를 제공한다.

Description

선형 가변 차동 변환기{linear variable differential transformer}
본 발명은 선형 가변 차동 변환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정오차가 최소화되어 측정정밀성이 개선되는 선형 가변 차동 변환기에 관한 것이다.
일반적으로 선형 가변 차동 변환기(LVDT,linear variable differential transformer)는 외부 물리적 변화에 독립적으로 움직이는 코어의 변위에 비례하여 전기적 출력을 발생시키는 장치로 계측분야에 광범위하게 사용되고 있다.
이러한 선형 가변 차동 변환기는 전자기 차폐와 계측 대상의 구조적 형태에 적절히 적용함에 따라 환경 변화에 대한 영향을 적게 받으면서 특성이 우수한 변환기로 사용이 가능하고, 이러한 형태의　변환기는 변위 측정을 기본으로 하고 있어 다양한 산업분야에서 광범위한 목적으로 사용되고 있다.
또한, 저항식 리니어 포텐셔미터와 달리 자기장의 변화를 이용하여 변위를 측정하므로 기본적으로 높은 정밀성을 가지며 마찰에 의한 센서값 변화가 실질적으로 적어 내구성이 뛰어난 특성이 있다.
그리고, 선형 가변 차동 변환기는 코일을 감는 포머와, 기계적 변위를 감지하는 코어, 코어를 지지해주는 지지봉, 외부에서 발생되는 자기적 간섭 내지 1차코일측 및 2차코일측 사이에서 발생하기 쉬운 와전류를 제거하기 위한 차폐 케이스, 그리고 기계적 변위를 전기적 신호로 바꾸어주는 코일로 구성될 수 있다.
여기서, 전기적 절연이 높은 원통형의 포머는 코일을 감을 수 있게 세부분으로 나누어지며, 중간 부분에 교류 전압을 공급하는 1차코일(primary coil)을 권선하고, 1차코일 측으로부터 동일한 간격을 유지하면서 대칭적으로 동일한 모양을 가진 2차코일(secondary coil)을 권선하여 외부적으로 반대방향으로 직렬 연결된다.
그러나, 종래의 선형 가변 차동 변환기는 포머에 권선되는 코일의 권선 간격이 불균일하게 형성되거나 코일의 직경에 미세한 변화가 발생하거나 코일의 에나멜 코팅 두께가 불균일한 경우 등의 코일의 미세한 불균일성에 의해 큰 오차가 발생됨으로 인하여 변위 측정이 정밀하게 수행되지 못하는 문제점이 있었다.
특히, 종래의 선형 가변 차동 변환기는 교류 전압이 인가되는 1차코일의 권선 방식 내지 코일 직경의 불균일성으로 인해 각 변위 구간마다 이상적인 이론치와 괴리되는 오차가 발생되어 제품의 측정정밀성이 저하되는 문제점이 있었다.
한국 등록특허 제10-1324716호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 측정오차가 최소화되어 측정정밀성이 개선되는 선형 가변 차동 변환기를 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 외부의 기계적 변위에 의해 선택적으로 이동되도록 기설정된 길이로 구비되는 자성체 재질의 코어와, 일단부가 상기 코어의 길이방향 양단부 중 적어도 어느 일측에 연결되는 비자성체 재질의 연결부를 포함하는 코어부; 중공형 원통 형상으로 구비되어 반경방향 내측에 상기 코어부의 외경을 초과하는 직경으로 관통된 관통홀이 형성되며, 반경방향 외부 중앙측에 길이방향을 따라 제1보빈이 형성되고, 상기 제1보빈의 길이방향 양측으로 제2보빈 및 제3보빈이 상기 제1보빈과 구획되며 각각 형성되는 센서몸체부; 상기 제1보빈의 외주에 원주방향을 따라 반경방향 외측으로 복수개의 권선층이 적층 권선되도록 연속 권선되되, 권선된 최외곽층이 조밀하게 권선된 나머지층과 상이하게 기설정된 간격으로 이격 권선되며, 전원이 인가됨에 따라 자계가 형성되는 프라임코일; 상기 프라임코일에 기설정된 규격의 교류 전압을 인가하는 전원부; 상기 제2보빈 및 상기 제3보빈의 외주에 원주방향을 따라 상호간 반대되는 방향으로 각각 권선되되 상호간 연결되며, 상기 코어부의 위치에 대응되어 변위 측정을 위한 유도자계가 형성되는 측정코일; 및 상기 측정코일에 연결되어 상기 코어부의 이동시 상기 측정코일에 발생되는 가변전압을 측정하는 가변전압측정부를 포함하는 선형 가변 차동 변환기를 제공한다.
여기서, 상기 프라임코일의 최외곽층을 제외한 나머지층은 상기 제1보빈의 외주 전체를 커버하며 연속적으로 권선되되 상기 프라임코일의 전체 길이 중 92~96%로 형성되며, 상기 프라임코일의 최외곽층은 상기 프라임코일의 최외곽층을 제외한 나머지층의 반경방향 외측에 연속적으로 권선되되 권선된 상기 프라임코일의 전체 길이 중 4~8%로 형성됨이 바람직하다.
이때, 상기 프라임코일의 최외곽층은 기설정된 간격으로 이격 권선되되, 상기 기설정된 간격은 상기 프라임코일 직경의 80~100%에 대응되는 간격으로 형성됨이 바람직하다.
그리고, 상기 프라임코일의 권선 끝단은 상기 코어부의 이동방향에 관계없이 측정오차가 최소화되도록 상기 제1보빈의 길이방향 중앙부에서 종료됨이 바람직하다.
또한, 상기 측정코일 및 상기 프라임코일 간의 권선 밀도비는 7:5로 형성되고, 상기 센서몸체부의 직경과 상기 코어의 직경 간의 비율은 3.39~4.89:1로 형성되며, 상기 센서몸체부의 길이방향 길이와 상기 코어의 길이방향 길이 간의 비율은 1.45~1.60:1로 형성됨이 바람직하다.
상기의 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 센서몸체부의 제1보빈 외주에 권선되는 프라임코일의 최외곽층이 상기 프라임코일 직경의 80~100%에 대응되는 간격으로 이격 권선되어 제1보빈의 길이방향 중앙부를 기준으로 어느 일방향으로 프라임코일의 권선 밀도가 편중되지 않고 균일화되므로 불균일한 코일의 직경 및 불균일한 코일의 에나멜 코팅 두께 등에 의한 오차 요소가 최소화되면서도 균일한 자계가 형성되어 제품의 측정정밀성이 현저히 개선될 수 있다.
둘째, 프라임코일의 최외곽층을 제외한 나머지층이 전체 길이 중 92~96%로 형성되고 프라임코일의 최외곽층이 전체 길이 중 4~8%로 형성됨에 따라 이상적인 전압특성과 실질적으로 일치하는 정밀한 선형 전압특성이 실험적 결과로 도출되므로 코어부의 변위 변화에 대한 측정정밀성이 현저히 개선될 수 있다.
셋째, 상기 프라임코일의 권선 끝단이 상기 제1보빈의 길이방향 중앙부에서 종료됨에 따라 상기 프라임코일의 권선 위치 편중이 방지되어 오차 요소가 최소화되며 균일한 자계가 형성되므로 코어부의 이동방향에 관계없이 측정오차가 최소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기를 나타낸 측면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기를 나타낸 측단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기의 센서몸체부를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기를 나타낸 블록도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기의 변위에 따른 전압특성을 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기를 나타낸 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기를 나타낸 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기의 센서몸체부를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기를 나타낸 블록도이다.
도 1 내지 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기(100)는 코어부(10), 센서몸체부(20), 프라임코일(30), 전원부(40), 측정코일(50), 및 가변전압측정부(60)를 포함한다.
여기서, 상기 선형 가변 차동 변환기(100)는 로봇과 자동화시스템 분야, 선박의 조타기, 유압밸브, 서보밸브, 피스톤 등의 각종 다양한 산업환경에서 변위를 측정하기 위해 구비되는 변위 센서로 이해함이 바람직하다. 즉, 상기 선형 가변 차동 변환기(100)는 다양한 장치의 영점에 대한 정렬 여부를 확인하기 위해 구비되는 센서로 이해함이 바람직하다. 이때, 상기 코어부(10)가 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 중앙부측에 배치되는 경우에 변위가 영점으로 설정 및 정렬됨이 바람직하며, 상세한 설명은 이하에서 후술된다.
한편, 상기 코어부(10)는 외부의 기계적 변위에 의해 선택적으로 이동되도록 구비됨이 바람직하다. 여기서, 상기 코어부(10)는 상기 센서몸체부(20)의 내부에 배치되어 상기 센서몸체부(20)의 길이방향을 따라 선택적으로 이동되도록 구비됨이 바람직하다.
그리고, 상기 코어부(10)는 자성체 재질로 구비되되 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 중앙측 내부에 영점에 대한 기준위치가 정렬되어 배치되는 코어(11)를 포함함이 바람직하다.
여기서, 상기 코어(11)는 자성체 재질로 구비되되 기설정된 길이의 원통 형상 등으로 구비됨이 가장 바람직하며, 상기 코어(11)는 길이방향을 따라 균일한 직경으로 형성될 수 있다. 물론, 경우에 따라 측정오차가 최소화되도록 상기 코어(11)의 외주는 대칭적으로 구배진 연속적인 만곡면으로 형성될 수도 있다. 즉, 상기 코어(11)의 외주가 반경방향 외측으로 볼록한 형상 또는 오목한 형상으로 형성될 수도 있다. 이때, 상기 코어(11)의 외주가 상기 코어(11)의 길이방향 중앙부로부터 길이방향 양측으로 갈수록 반경이 구배지게 연속적으로 증가되거나 감소되는 형태로 구비될 수 있다.
또한, 상기 코어(11)의 길이는 후술되는 상기 센서몸체부(20)의 제1보빈(22)의 길이방향 길이 이상으로 구비될 수 있으며, 상기 코어(11)의 직경은 후술되는 상기 센서몸체부(20)의 관통홀(21)의 내경 미만으로 형성됨이 바람직하다.
그리고, 상기 코어(11)는 기준상태에서 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 중앙부측에 배치됨이 바람직하다. 이때, 기준상태라 함은 상기 코어부(10)가 기계적 변위에 의해 상기 센서몸체부(20)의 길이방향을 따라 선택적으로 이동되기 전의 정렬 위치를 의미한다. 즉, 상기 코어(11)의 길이방향 중앙부와 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 중앙부가 상기 기준상태에서 상호간 정렬됨이 바람직하다.
또한, 상기 코어부(10)는 일단부가 상기 코어(11)의 길이방향 양단부 중 적어도 어느 일측에 연결되어 상기 코어(11)의 이동을 매개하는 비자성체 재질의 연결부(12)를 포함함이 바람직하다.
이때, 본 발명의 일실시예에서 상기 연결부(12)가 상기 코어(11)의 길이방향 양단부 중 어느 하나에 연결된 경우를 예로써 도시 및 설명하나, 경우에 따라 상기 연결부(12)가 복수개 구비되어 상기 코어(11)의 길이방향 양단부에 각각 연결되는 구성도 본 발명의 권리범위에 포함됨으로 이해함이 바람직하다.
더욱이, 상기 코어부(10)는 상기 연결부(12)의 타단부에 구비되되, 상기 코어(11)가 상기 센서몸체부(20)의 길이방향을 따라 기설정된 범위 이내에서 탄성 왕복 운동되도록 탄성복원력을 제공하는 탄성복원부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 연결부(12)에 연결된 상기 코어(11)가 기설정된 탄성복원력으로 구비된 상기 탄성복원부(미도시)에 의해 상기 센서몸체부(20)의 길이방향을 따라 기설정된 범위 이내에서 탄성 왕복 운동되되, 시간이 경과됨에 따라 상기 코어(11)가 상기 기준상태로 정렬될 수 있다.
여기서, 기설정된 범위 이내라 함은 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 양단부 이내로 이해함이 바람직하다. 즉, 상기 코어(11)가 상기 센서몸체부(20)의 길이방향을 따라 왕복 운동시 상기 코어(11)의 양단부가 상기 센서몸체부(20)의 외부로 벗어나지 않는 범위 이내에서 왕복 운동됨으로 이해함이 바람직하다.
한편, 상기 센서몸체부(20)는 중공형 원통 형상으로 구비되어 반경방향 내측에 상기 코어부(10)의 외경을 초과하는 직경으로 관통된 관통홀(21)이 형성되며, 반경방향 외부 중앙측에 길이방향을 따라 제1보빈(22)이 형성되고, 상기 제1보빈의 길이방향 양측으로 상기 제1보빈(22)과 구획되는 제2보빈(23) 및 제3보빈(24)이 각각 형성됨이 바람직하다. 이때, 상기 제1보빈(22), 상기 제2보빈(23), 상기 제3보빈(24) 각각의 길이방향 길이가 상호간 동일한 길이로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 센서몸체부(20)는 폴리아세탈(polyacetal) 등의 비자성체의 합성수지 재질 등으로 구비됨이 가장 바람직하나, 비자성체 재질로 구비되는 경우라면 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 폴리아세탈은 포름알데히드(CH2O)와 트리옥산(CH2O)3을 중합하여 제조되는 열가소성 수지로, 결정성이 높고, 굽힘강도 등 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 치수 안정성, 내피로 특성, 내마모성이 우수하여 합성수지이지만 금속과 유사한 성질을 갖고 있어 일반적으로 금속 기계 부품을 대체하는 용도로 사용되고 있다.
그리고, 상기 관통홀(21)은 상기 센서몸체부(20)의 반경방향 중앙측에 관통 형성되어 길이방향을 따라 연장 형성됨이 바람직하다. 이때, 상기 관통홀(21)의 직경이 상기 코어부(10)의 직경을 초과하도록 구비됨이 바람직하다.
여기서, 상기 센서몸체부(20)의 직경과 상기 코어(11)의 직경 간의 비율은 3.39~4.89:1로 형성됨이 바람직하며, 상기 관통홀(21)의 직경과 상기 코어(11)의 직경 간의 비율은 1.02~1.46:1로 형성됨이 바람직하다. 예컨대, 상기 센서몸체부(20)의 직경이 20.00mm로 구비되는 경우 상기 코어(11)의 직경이 5.00mm로 구비될 수 있으며 상기 관통홀(21)의 직경이 6.00mm으로 구비될 수 있다.
여기서, 상기 센서몸체부(20)의 직경과 상기 코어(11)의 직경 간의 비율이 3.39:1 미만인 경우 상기 센서몸체부(20)의 외주에 권선되는 상기 프라임코일(30) 및 상기 측정코일(50)이 상기 센서몸체부(20)의 반경방향 외측으로 노출됨에 따라 상호간 간섭이 발생되어 측정 오차가 발생될 우려가 있다. 반면, 상기 센서몸체부(20)의 직경과 상기 코어(11)의 직경 간의 비율이 4.89:1을 초과하는 경우 상기 센서몸체부(20)가 요구되는 면적 이상으로 구비되어 경제성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 센서몸체부(20)의 직경과 상기 코어(11)의 직경 간의 비율이 3.39~4.89:1로 형성됨에 따라 측정정밀성 및 경제성 간의 최적화된 제품이 제공될 수 있다.
그리고, 상기 센서몸체부(20)의 외주에는 길이방향을 따라 동일한 간격으로 상기 제1보빈(22), 상기 제2보빈(23), 상기 제3보빈(24)이 형성되되 상호간 구획되도록, 길이방향을 따라 기설정된 간격을 두고 복수개의 구획격벽부가 형성되되, 각 상기 구획격벽부는 상기 센서몸체부(20)의 원주방향을 따라 반경방향 외측으로 확장 형성됨이 바람직하다.
또한, 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 길이와 상기 코어(11)의 길이방향 길이 간의 비율은 1.45~1.60:1로 형성될 수 있다. 또한, 상기 코어(11)의 길이방향 길이와 상기 제1보빈(22), 상기 제2보빈(23), 상기 제3보빈(24) 중 어느 하나의 길이방향 길이 간의 비율은 1.80~2.17:1로 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 길이가 57.50mm로 구비되는 경우 상기 제1보빈(22), 상기 제2보빈(23), 상기 제3보빈(24) 각각의 길이방향 길이가 상호간 동일한 17.80mm로 형성될 수 있으며, 상기 코어(11)의 길이방향 길이가 37.40mm로 구비될 수 있고, 각 상기 구획격벽부의 길이방향 길이 1.00mm로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 길이와 상기 코어(11)의 길이방향 길이 간의 비율이 1.60:1을 초과하거나 1.45:1 미만인경우 측정가능한 변위폭이 감소될 수 있다. 이를 통해, 상기 코어(11)가 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 중앙부로부터 길이방향 양단부측으로 -12.00~12.00mm의 범위내에서 외부의 기계적 변위에 의해 이동됨에 따라 변위가 가변될 수 있다.
이때, 상기 제1보빈(22) 및 상기 제2보빈(23)의 사이에 제1구획격벽부가 구비됨이 바람직하며, 상기 제1보빈(22) 및 상기 제3보빈(24)의 사이에 제2구획격벽부가 구비됨이 바람직하다.
그리고, 각 상기 구획격벽부의 반경방향 길이는 상기 제1보빈(22), 상기 제2보빈(23), 상기 제3보빈(24)의 반경방향 외주에 권선 배치되는 상기 프라임코일(30) 및 상기 측정코일(50)의 반경방향 전체 외경을 초과하는 길이로 형성됨이 바람직하다.
또한, 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 양단부, 즉, 상기 제2보빈(23) 및 상기 제3보빈(24)의 길이방향 외측에는 원주방향을 따라 반경방향 외측으로 확장된 한쌍의 확장격벽부가 구비됨이 바람직하다.
여기서, 각 상기 확장격벽부는 각 상기 구획격벽부의 반경방향 길이에 대응되는 길이로 형성됨이 바람직하며, 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 양측으로 각각 연장 형성될 수 있다.
그리고, 각 상기 구획격벽부 및 각 상기 확장격벽부의 외주 테두리에는 원주방향을 따라 기설정된 간격을 두고 반경방향 내측으로 함몰 형성되는 복수개의 장착홈이 형성될 수 있다. 이때, 각 상기 장착홈은 상호간 동일한 간격 및 위치에 정렬되며 형성됨이 바람직하다.
여기서, 각 상기 장착홈은 상기 선형 가변 차동 변환기(100)가 외부장치(미도시)에 결합시 사용될 수 있으며, 상기 외부장치(미도시)에는 상기 장착홈의 형상에 대응되는 형상으로 돌출부(미도시)가 형성될 수 있다.
한편, 상기 프라임코일(30)은 상기 제1보빈(22)의 외주에 원주방향을 따라 반경방향 외측으로 복수개의 권선층이 적층 권선되도록 연속 권선되되, 권선된 최외곽층이 조밀하게 권선된 나머지층과 상이하게 기설정된 간격으로 이격 권선되며, 상기 전원부(40)에 전원이 인가됨에 따라 자계가 형성됨이 바람직하다. 상세한 설명은 후술된다.
또한, 상기 전원부(40)는 상기 프라임코일(30)에 기설정된 규격의 교류 전압을 인가하도록 구비됨이 바람직하다. 이때, 상기 전원부(40)는 1~10kHz의 주파수로 상기 프라임코일(30)에 교류 전압을 인가할 수 있다.
그리고, 상기 측정코일(50)은 상기 제2보빈(23) 및 상기 제3보빈(24)의 외주에 원주방향을 따라 반경방향 외측으로 복수개의 권선층이 적층 권선되도록 연속 권선되되, 상호간 반대되는 방향으로 각각 권선되어 상호간 연결되며, 상기 코어부(10)의 위치에 대응되어 변위 측정을 위한 유도자계가 형성됨이 바람직하다.
이때, 상기 측정코일(50)은 상기 제2보빈(23)에 권선되는 제1측정코일(50A)과, 상기 제3보빈에 권선되는 제2측정코일(50B)을 포함함이 바람직하며, 상기 제1측정코일(50A) 및 상기 제2측정코일(50B)는 상호간 반대 방향으로 권선되되 상호간 회로 연결됨에 따라 상기 측정코일(50) 전체가 연속적으로 연결됨이 바람직하다.
그리고, 상기 제1측정코일(50A) 및 상기 제2측정코일(50B)은 상기 제2보빈(23) 및 상기 제3보빈(24)에 각각 권선되되, 상호간 동일한 길이방향 길이로 구비된 상기 제2보빈(23) 및 상기 제3보빈(24)의 외주에 상호간 동일한 총 코일 길이 및 권선 패턴으로 권선됨이 바람직하다.
한편, 상기 프라임코일(30) 및 상기 측정코일(50)은 각 보빈(22,23,24)의 외주에 원주방향을 따라 반경방향 외측으로 복수개의 권선층으로 적층 권선됨이 바람직하다. 이때, 각 보빈(22,23,24)이라 함은 상기 제1보빈(22), 상기 제2보빈(23), 상기 제3보빈(24)을 포괄하는 개념으로 사용됨으로 이해함이 바람직하다.
예컨대, 각 보빈(22,23,24)의 각 길이방향 길이가 상호간 동일한 10~14mm로 각각 구비되는 경우 상기 프라임코일(30) 및 상기 측정코일(50)이 각 보빈(22,23,24)의 외주에 원주방향을 따라 각각 전체 약 480~520회 권선될 수 있으며, 이때, 하나의 권선층당 약 80~100회씩 권선됨에 따라 5~6층의 권선층이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 가변전압측정부(60)는 상기 측정코일(50)에 연결되어 상기 코어부(10)의 이동시 상기 측정코일(50)에 발생되는 가변전압을 실시간 측정하도록 구비됨이 바람직하다.
상세히, 상기 전원부(40)에 기설정된 교류 전압이 인가되어 상기 프라임코일(30)에 전류가 인가됨에 따라 상기 코어부(10)의 코어(11)에 유도자계가 형성될 수 있다.
이어서, 유도자계가 형성된 상기 코어(11)를 포함하는 상기 코어부(10)가 외부의 기계적 변위에 의해 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 중 어느 일방향으로 이동되면 상기 코어(11)의 이동 변위에 대응되어 상기 측정코일(50)에 유도자계가 형성됨에 따라 가변전압이 형성될 수 있다.
이때, 상기 제2보빈(23)에 권선된 상기 제1측정코일(50A) 및 상기 제3보빈(24)에 권선된 상기 제2측정코일(50B)이 상호간 반대 방향으로 권선되며 상기 측정코일(50)의 전체 유도전압 및 유도전류가 상기 가변전압측정부(60)를 통해 실시간 측정될 수 있다.
여기서, 상기 가변전압측정부(60)에서 측정되는 가변전압은 상기 제1측정코일(50A)에서 발생된 유도전압에서 상기 제2측정코일(50B)에서 발생된 유도전압 간의 차이값으로 산출될 수 있다. 이때, 상기 가변전압측정부(60)를 통해 측정되는 가변전압은 상기 코어(11)의 변위 변화량에 비례함으로 이해함이 바람직하다.
이를 통해, 상기 코어부(10)가 상기 센서몸체부(20)의 길이방향으로 이동됨에 따라 상기 측정코일(50)에서 발생되는 가변전압이 상기 가변전압측정부(60)를 통해 실시간으로 측정될 수 있다. 따라서, 상기 가변전압측정부(60)를 통해 상기 측정코일(50)의 가변전압이 실시간 측정됨에 따라 상기 코어(11)의 변위변화를 정확하게 파악할 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 프라임코일(30)은 상기 측정코일(50)과 동일한 방식으로 권선되던 종래와 달리, 상기 측정코일(50)의 권선 방식과 상이한 방법으로 권선됨이 바람직하다.
상세히, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층은 상기 제1보빈(22)의 외주 전체를 커버하며 연속적으로 권선되되, 상기 프라임코일(30)의 전체 길이 중 92~96%로 형성됨이 바람직하다.
그리고, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층은 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층의 반경방향 외측에 연속적으로 권선되되, 권선된 상기 프라임코일(30)의 전체 길이 중 4~8%로 형성됨이 바람직하다. 여기서, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층과 최외곽층을 제외한 나머지층에 권선된 코일이 일체로 연속적으로 권선됨으로 이해함이 바람직하다.
또한, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층의 전체 길이와, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층의 전체 길이 간의 비율은 11.5~23.5:1로 형성됨이 바람직하다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 프라임코일(30)의 5개의 권선층으로 권선되는 경우를 예로써 도시 및 설명한다. 그리고, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층은 도 2에 도시된 권선층 중 5층으로 이해함이 바람직하며, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층은 도 2에 도시된 권선층 중 1~4층으로 이해함이 바람직하다.
여기서, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층은 상기 제1보빈(22)의 외주 전체를 커버하도록 상기 제1보빈(22)의 길이방향을 따라 원주방향으로 연속 권선됨이 바람직하다.
즉, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층은 상기 측정코일(50)의 권선 방식과 동일한 방식으로 조밀하게 권선됨으로 이해함이 바람직하며, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층은 기설정된 간격으로 이격 권선됨으로 이해함이 바람직하다.
그리고, 상기 프라임코일(30) 전체가 연속적으로 권선됨으로 이해함이 바람직하며, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층은 상기 프라임코일(30)의 전체 길이 중 92~96%로 형성되고, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층은 상기 프라임코일(30)의 전체 길이 중 4~8%로 형성됨으로 이해함이 바람직하다.
여기서, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층의 길이가 96%를 초과하며 상기 프라임코일(30)의 최외곽층의 길이가 4% 미만인 경우, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층 형성을 위한 권선 길이가 부족함에 따라 최종 제조되는 선형 가변 차동 변환기의 측정정밀성이 저하될 우려가 있다. 더욱이, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층 형성을 위한 권선 길이가 부족함에 따라 상기 프라임코일(30)의 최외곽층이 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙측을 기준으로 편중 배치되는 경우에는 상기 측정코일(50)에서 형성되는 가변전압에 오차가 발생될 우려가 있었다.
반면, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층의 길이가 92% 미만이며 상기 프라임코일(30)의 최외곽층의 길이가 8%를 초과하는 경우, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층이 기설정된 이격 간격 미만으로 조밀하게 배치됨에 따라 최외곽층에 권선된 코일 중 불균일한 에나멜 코팅 두께 등의 변수에 의해 측정 오차가 증폭될 우려가 있다.
따라서, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층을 제외한 나머지층이 상기 프라임코일(30)의 길이방향 전체 길이 중 92~96%로 형성되고, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층이 상기 프라임코일(30)의 길이방향 전체 길이 중 4~8%로 형성됨에 따라 이상적인 전압특성과 실질적으로 일치하는 정밀한 선형 전압특성이 실험적 결과로 도출되므로 코어부의 변위 변화에 대한 측정정밀성이 현저히 개선될 수 있다.
한편, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층은 기설정된 간격으로 이격 권선되되, 상기 기설정된 간격은 상기 프라임코일(30) 직경의 80~100%에 대응되는 간격으로 형성됨이 바람직하다.
상세히, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층은 상기 제1보빈(22)의 외주에 길이방향을 따라 연속적으로 권선되되, 상기 프라임코일(30) 직경의 80~100%, 즉, 상기 프라임코일(30) 직경의 0.8~1.0배 만큼의 간격을 두고 코일이 상기 제1보빈(22)의 길이방향으로 상호간 이격 배치됨이 바람직하다.
여기서, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층이 상기 프라임코일(30) 직경의 80% 미만의 간격으로 형성되는 경우, 최외곽층에 권선된 코일 중 불균일한 에나멜 코팅 두께 등의 변수에 의해 측정 오차가 증폭될 우려가 있다.
반면, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층이 상기 프라임코일(30) 직경의 100%를 초과하는 간격으로 형성되는 경우, 최외곽층 코일이 배치된 위치 및 최외곽층 코일이 배치되지 않은 공간 간의 자계 발생 격차가 크게 형성됨에 따라 최종 제조되는 선형 가변 차동 변환기의 측정정밀성이 저하될 우려가 있다.
따라서, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층이 상기 프라임코일(30) 직경의 80~100%에 대응되는 간격으로 이격 권선되므로 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부를 기준으로 어느 일방향으로 상기 프라임코일(30)의 권선 밀도가 편중되지 않고 균일화되므로 불균일한 코일의 직경 및 불균일한 코일의 에나멜 코팅 두께 등에 의한 오차 요소가 최소화되면서도 상기 제1보빈(22)의 길이방향을 따라 균일한 자계가 형성되어 제품의 측정정밀성이 현저히 개선될 수 있다.
한편, 상기 제1보빈(22)의 길이방향 어느 일단부 및 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부 중 어느 일측으로부터 권선되기 시작하여 연속적으로 권선된 상기 프라임코일(30)의 권선 끝단은 상기 코어부(10)의 이동방향에 관계없이 측정오차가 최소화되도록 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부에서 종료됨이 바람직하다.
이때, 상기 프라일코일(30)의 권선 시작 위치가 상기 제1보빈(22)의 길이방향 어느 일단부 및 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부 중 어느 일측으로 설정되고, 권선 종료 위치, 즉, 권선 끝단이 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부로 설정됨이 바람직하다.
여기서, 상기 프라임코일(30)의 권선 끝단이 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부가 아닌 상기 제1보빈(22)의 어느 일측에서 종료되는 경우, 상기 프라임코일(30)의 권선 끝단 위치를 기준으로 상기 제1보빈(22)의 길이방향 양측으로 발생되는 자계의 편차가 발생될 우려가 있다.
따라서, 상기 프라임코일(30)의 권선 끝단이 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부에서 종료됨에 따라 상기 프라임코일(30)의 권선 위치 편중이 방지되어 오차 요소가 최소화되며 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부를 기준으로 길이방향 양측으로 균일한 자계가 형성되므로 상기 코어부(10)의 이동방향에 관계없이 측정오차가 최소화될 수 있다.
또한, 상기 측정코일(50) 및 상기 프라임코일(30) 간의 권선 밀도비는 7:5로 형성됨이 바람직하다. 예컨대, 측정코일 권선 밀도는 700kg/m3로 형성되며, 프라임코일의 권선 밀도는 500kg/m3로 형성될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기의 변위에 따른 전압특성을 나타낸 그래프이다.
변위(mm) 출력(V RMS) 이론치(V RMS) 오차(V RMS) 오차율(%)
12 3.628 3.8711323 -0.243 3.1422411
11 3.418 3.5487346 -0.131 1.6896137
10 3.188 3.2263369 -0.038 0.4954663
9 2.939 2.9039392 0.035 0.4531253
8 2.673 2.5815415 0.091 1.1820088
7 2.389 2.2591438 0.130 1.6782605
6 2.087 1.9367462 0.150 1.9418802
5 1.768 1.6143485 0.154 1.985792
4 1.438 1.2919508 0.146 1.8875398
3 1.090 0.9695531 0.120 1.5566556
2 0.732 0.6471554 0.085 1.0965315
1 0.367 0.3247577 0.042 0.5459394
0 0.003 0.00236 0.001 0.0082714
-1 -0.357 -0.320038 -0.037 0.4777007
-2 -0.738 -0.642435 -0.096 1.2350768
-3 -1.094 -0.964833 -0.129 1.6693529
-4 -1.439 -1.287231 -0.152 1.961465
-5 -1.755 -1.609628 -0.145 1.8787813
-6 -2.084 -1.932026 -0.152 1.9641095
-7 -2.384 -2.254424 -0.130 1.6746418
-8 -2.666 -2.576822 -0.089 1.1525421
-9 -2.931 -2.899219 -0.032 0.4107346
-10 -3.180 -3.221617 0.042 0.537857
-11 -3.411 -3.544015 0.133 1.7190804
-12 -3.622 -3.866412 0.244 3.1587838
그리고, 표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기의 변위에 따른 전압특성을 나타낸 표이다. 이때, 표 1은 도 5에 도시된 그래프에 대한 수치값을 나타낸 표로 이해함이 바람직하다.
여기서, 선형 가변 차동 변환기의 변위에 따른 전압특성을 측정시 검사 환경이 온도 22~24℃, 및 습도 45~55%R.H의 조건으로 설정될 수 있다. 그리고, 상기 프라임코일(30)의 전체 직류저항이 7.0~9.0Ω이며, 상기 제1측정코일(50A)의 전체 직류저항이 18.0~19.0Ω으로 구비될 수 있으며, 상기 제2측정코일(50B)의 전체 직류저항이 18.0~19.0Ω으로 구비될 수 있다.
도 5 및 표 1에서 보는 바와 같이, 상기 코어부(10)가 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 중앙부를 기준 영점으로 하여 상기 센서몸체부(20)의 길이방향을 따라 이동됨에 따라 변화되는 변위에 대한 상기 가변전압측정부(60)를 통해 측정된 상기 측정코일(50)에 발생되는 가변전압이 변화됨으로 이해함이 바람직하다.
이때, 도 5를 참조하면 이상적인 선형 가변 차동 변환기에 대한 변위에 따른 전압특성이 점선으로 도시됨으로 이해함이 바람직하며, 본 발명의 일실시예에 따른 선형 가변 차동 변환기(100)에 대한 변위에 따른 전압특성이 실선으로 도시됨으로 이해함이 바람직하다.
그리고, 이상적인 선형 가변 차동 변환기에 대한 변위에 따른 전압특성은 변위가 증가됨에 따라 가변전압이 변위에 비례하여 선형으로 증가됨이 바람직하다. 그러나, 종래의 선형 가변 차동 변환기는 상기 전원부(40)를 통해 교류 전압이 인가되는 상기 프라임코일(30)의 권선 방식 내지 코일 직경의 불균일성으로 인해 변위 구간마다 이론치와 현저히 괴리되는 오차가 발생되어 제품의 측정정밀성이 저하되었다.
반면, 표 1을 참조하면, 상기 코어(11)가 상기 센서몸체부(20)의 길이방향을 따라 이동됨에 따라 변위 변화가 발생시 상기 측정코일(50)을 통해 발생되어 상기 가변전압측정부(60)에서 측정된 가변전압의 출력값 및 그의 이론치 간에 0.008271358%의 최소오차율과 3.158783824%의 상대적으로 작은 최대오차율이 발생하였다.
이에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 프라임코일(30)의 최외곽층이 상기 프라임코일(30)의 길이방향 전체 길이 중 4~8%로 형성되며, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층이 상기 프라임코일(30) 직경의 80~100%에 대응되는 간격으로 이격 권선되고, 상기 프라임코일(30)의 끝단이 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부에서 종료됨에 따라 변위에 따른 전압특성이 실질적인 선형으로 도출되어 이상적인 변위에 따른 전압특성에 근접한 제품이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층의 각 코일 상호간의 이격 간격 및 상기 프라임코일(30) 끝단의 종료 위치 요소와 관련된 물리법칙에 의해 상기 프라임코일(30)의 최외곽층의 권선 방식과 상기 측정코일(50)에 발생되는 가변전압의 측정 오차 간의 연관요소가 있는 것으로 추정된다.
이때, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층의 각 코일 상호간의 이격 간격이 최적화된 이격 간격으로 배치됨에 따라 불균일한 코일의 직경 및 불균일한 코일의 에나멜 코팅 두께 등에 의한 오차 요소가 최소화되는 것으로 추정된다. 예컨대, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층에 종래와 같이 코일이 조밀하게 상호간 밀착되며 권선되는 경우에는 코일의 불균일한 두께에 의해 코일의 권선 중심점과 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부 간의 위치가 상호간 어긋나게 형성됨에 따라 미세한 오차가 발생될 우려가 있다. 즉, 상기 제1보빈(22)의 길이방향 중앙부를 기준으로 어느 일방향으로 상기 프라임코일(30)의 권선 밀도가 편중됨에 따라 오차가 발생될 우려가 있다. 이때, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층에 권선된 코일이 코일의 불균일성에 의한 오차가 무시될 수 있는 기설정된 간격으로 상호간 이격 배치됨에 따라 오차 요소가 최소화 되는 것으로 추정된다.
또한, 상기 프라임코일(30) 끝단의 종료 위치가 상기 제1보빈(22)을 포함하는 상기 센서몸체부(20)의 길이방향 중앙부에 배치됨에 따라 상기 제1보빈(22)의 외주에 길이방향을 따라 배치되는 상기 프라임코일(30)의 권선 위치 편중이 방지되어 오차 요소가 최소화되는 것으로 추정된다.
따라서, 상기 프라임코일(30)의 최외곽층의 각 코일 상호간의 이격 간격 및 상기 프라임코일(30)의 끝단의 종료 위치 요소에 의해 발생되는 상기 프라임코일(30)의 자계가 상기 제1보빈(22)의 길이방향을 따라 균일하게 형성됨에 따라 상기 코어부(10)의 변위 변화에 따른 상기 측정코일(50)에 발생되는 가변전압의 출력시 오차가 최소화되어 실질적으로 선형에 근접한 전압특성이 도출될 수 있다.
이때, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.
100: 선형 가변 차동 변환기 10: 코어부
11: 코어 12: 연결부
20: 센서몸체부 21: 관통홀
22: 제1보빈 23: 제2보빈
24: 제3보빈 30: 프라임코일
40: 전원부 50: 측정코일
60: 가변전압측정부

Claims (5)

  1. 외부의 기계적 변위에 의해 선택적으로 이동되도록 기설정된 길이로 구비되는 자성체 재질의 코어와, 일단부가 상기 코어의 길이방향 양단부 중 적어도 어느 일측에 연결되는 비자성체 재질의 연결부를 포함하는 코어부;
    중공형 원통 형상으로 구비되어 반경방향 내측에 상기 코어부의 외경을 초과하는 직경으로 관통된 관통홀이 형성되며, 반경방향 외부 중앙측에 길이방향을 따라 제1보빈이 형성되고, 상기 제1보빈의 길이방향 양측으로 제2보빈 및 제3보빈이 상기 제1보빈과 구획되며 각각 형성되는 센서몸체부;
    상기 제1보빈의 외주에 원주방향을 따라 반경방향 외측으로 복수개의 권선층이 적층 권선되도록 연속 권선되되, 권선된 최외곽층이 조밀하게 권선된 나머지층과 상이하게 기설정된 간격으로 이격 권선되며, 전원이 인가됨에 따라 자계가 형성되는 프라임코일;
    상기 프라임코일에 기설정된 규격의 교류 전압을 인가하는 전원부;
    상기 제2보빈 및 상기 제3보빈의 외주에 원주방향을 따라 상호간 반대되는 방향으로 각각 권선되되 상호간 연결되며, 상기 코어부의 위치에 대응되어 변위 측정을 위한 유도자계가 형성되는 측정코일; 및
    상기 측정코일에 연결되어 상기 코어부의 이동시 상기 측정코일에 발생되는 가변전압을 측정하는 가변전압측정부를 포함하는 선형 가변 차동 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프라임코일의 최외곽층을 제외한 나머지층은 상기 제1보빈의 외주 전체를 커버하며 연속적으로 권선되되 상기 프라임코일의 전체 길이 중 92~96%로 형성되며,
    상기 프라임코일의 최외곽층은 상기 프라임코일의 최외곽층을 제외한 나머지층의 반경방향 외측에 연속적으로 권선되되 권선된 상기 프라임코일의 전체 길이 중 4~8%로 형성됨을 특징으로 하는 선형 가변 차동 변환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프라임코일의 최외곽층은 기설정된 간격으로 이격 권선되되,
    상기 기설정된 간격은 상기 프라임코일 직경의 80~100%에 대응되는 간격으로 형성됨을 특징으로 하는 선형 가변 차동 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프라임코일의 권선 끝단은 상기 코어부의 이동방향에 관계없이 측정오차가 최소화되도록 상기 제1보빈의 길이방향 중앙부에서 종료됨을 특징으로 하는 선형 가변 차동 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정코일 및 상기 프라임코일 간의 권선 밀도비는 7:5로 형성되고,
    상기 센서몸체부의 직경과 상기 코어의 직경 간의 비율은 3.39~4.89:1로 형성되며, 상기 센서몸체부의 길이방향 길이와 상기 코어의 길이방향 길이 간의 비율은 1.45~1.60:1로 형성됨을 특징으로 하는 선형 가변 차동 변환기.
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