KR102564924B1 - 정전용량 방식과 인덕터 방식을 혼용한 철 또는 비철금속을 감지하는 초 슬림형 근접센서 - Google Patents

정전용량 방식과 인덕터 방식을 혼용한 철 또는 비철금속을 감지하는 초 슬림형 근접센서 Download PDF

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Abstract

철 또는 비철금속 물체 검출을 위한 근접센서에 있어 센서 두께의 한계를 극복할 수 있는 초 슬림형 근접센서가 개시된다. 본 발명은 센서 하우징; 상기 센서 하우징의 내부의 인쇄회로기판에 탑재되어 전압을 제공하는 발진부; 상기 발진부에서 발생되는 전압을 인가받아 자기장을 형성하여 접근하는 철 또는 비철금속에 의한 자기력선의 가감을 출력하는 인덕터; 상기 발진부에서 발생된 전압이 상기 인덕터를 거쳐 출력되는 전압의 전위차를 신호파형으로 출력하는 검출부; 상기 검출부로부터 출력된 신호파형을 판독하여 상기 발진부에서 발생된 전압의 신호파형과 비교하는 비교부; 및 상기 비교부에서 비교되어 출력된 신호파형을 인가받아 출력부를 통한 신호 발생 여부를 결정하는 제어부;를 포함하되, 상기 인덕터는 상기 인쇄회로기판 상에 나선형으로 감겨진 패턴상으로 형성되고, 상기 인덕터 및 상기 발진부의 양 접점에 각각 접지 콘덴서가 연결된 것을 특징으로 하는 초 슬림형 근접센서를 제공한다.

Description

정전용량 방식과 인덕터 방식을 혼용한 철 또는 비철금속을 감지하는 초 슬림형 근접센서{Super slim type proximity sensor detecting ferrous metal or nonferrous metal combined electrostatic capacity type and inductor type}
본 발명은 근접센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철 또는 비철금속을 감지하는 초 슬림형 근접센서에 관한 것이다.
물체가 인접했을때 스위치동작을 하는 센서인 근접센서는 주로 정전용량 방식이나 인덕터 방식(고주파발진형)의 원리를 이용하여 물체의 인접 유무를 판단하여 스위치를 동작시키게 된다.
정전용량 방식의 경우 대상물과 센서 간의 정전용량이 둘 사이의 거리에 반비례하는 것을 이용하여 물체를 검출하는 센서로서 철 및 비철금속은 물론 어떠한 재질의 물체라도 검출이 가능한 반면, 인덕터 방식은 코일에서 자기장이 발생하게 되고, 철 또는 비철금속 물체가 자기장에 접근하면, 전자유도작용에 의해 도체 내부에 와전류(eddy current)가 발생하게 되고, 와전류는 센싱 코일에 의해 생성된 필드에 대항하는 자기장을 생성한다. 이때, 센싱 코일에서는 손실저항(R)과 인덕턴스(L) 변화가 발생함에 따라 주파수의 변화가 발생하게 되고, 이러한 주파수 변화를 감지하여 출력을 발생한다. 즉, 인덕터 방식은 정전용량 방식과 달리 철 또는 비철금속 물체에 한해 검출이 가능하다.
한편, 철 또는 비철금속 물체 검출을 위한 근접센서는 다양한 산업 현장에서 사용되고 있으며, 이때, 매우 협소한 공간에서도 근접센서의 설치가 요구되는 경우가 많다. 그러나, 인덕터 방식의 근접센서의 경우 인덕터 소자 특성상 근접센서의 두께를 줄이는 데 한계가 있고, 현재 센서 하우징을 포함하여 두께 7 내지 8 mm 수준이 한계이다.
[선행특허문헌]
- 한국 등록특허 제10-1998362호(2019.07.03. 등록)
- 한국 등록특허 제10-1421110호(2014.07.14. 등록)
본 발명은 철 또는 비철금속 물체 검출을 위한 근접센서에 있어 센서 두께의 한계를 극복할 수 있는 초 슬림형 근접센서를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 센서 하우징; 상기 센서 하우징의 내부의 인쇄회로기판에 탑재되어 전압을 제공하는 발진부; 상기 발진부에서 발생되는 전압을 인가받아 자기장을 형성하여 접근하는 철 또는 비철금속에 의한 자기력선의 가감을 출력하는 인덕터; 상기 발진부에서 발생된 전압이 상기 인덕터를 거쳐 출력되는 전압의 전위차를 신호파형으로 출력하는 검출부; 상기 검출부로부터 출력된 신호파형을 판독하여 상기 발진부에서 발생된 전압의 신호파형과 비교하는 비교부; 및 상기 비교부에서 비교되어 출력된 신호파형을 인가받아 출력부를 통한 신호 발생 여부를 결정하는 제어부;를 포함하되, 상기 인덕터는 상기 인쇄회로기판 상에 나선형으로 감겨진 패턴상으로 형성되고, 상기 인덕터 및 상기 발진부의 양 접점에 각각 접지 콘덴서가 연결된 것을 특징으로 하는 초 슬림형 근접센서를 제공한다.
또한 상기 패턴상은 외경이 11 내지 13 mm이고, 패턴 간격이 0.08 내지 0.12 mm이고, 패턴 두께가 0.08 내지 0.12 mm이고, 패턴 회전수가 23 내지 25 turn이고, 상기 근접센서의 두께가 상기 하우징 두께 기준으로 5 mm 이하인 것을 특징으로 하는 초 슬림형 근접센서를 제공한다.
본 발명에 따르면, 철 또는 비철금속을 감지하는 근접센서에 있어, 정전용량 방식과 인덕터 방식을 혼용하되, 인쇄회로기판 상에 나선형으로 감겨진 패턴상으로 형성되는 인덕터를 적용하고, 발진부의 양 접점에 각각 접지 콘덴서를 연결함으로써 감지 거리를 늘리면서 철 또는 비철금속을 감지할 수 있는 초 슬림형의 근접센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초 슬림형 근접센서의 외관을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초 슬림형 근접센서의 구조를 설명하는 블록도,
도 3은 본 발명에서 패턴상으로 형성된 인덕터의 물리적 구조를 예시적으로 나타낸 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였으며, 본 발명의 세부구성 방향은 도면을 기준으로 하여 설명한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초 슬림형 근접센서의 외관을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초 슬림형 근접센서의 구조를 설명하는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초 슬림형 근접센서(100)는 센서 하우징(110), 발진부(120), 인덕터(130), 검출부(140), 비교부(150), 제어부(160) 및 출력부(170)를 포함한다. 이때, 상기 발진부(120), 인덕터(130), 검출부(140), 비교부(150), 제어부(160) 및 출력부(170)는 상기 센서 하우징(110)의 내부의 인쇄회로기판(PCB)에 탑재된다.
상기 발진부(120)는 전압을 제공하고, 연속적인 발진을 이루도록 하는 구성이라면 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 상기 발진부(120)에 사용되는 소자는 능동소자인 트랜지스터인 것으로, 이와 같은 트랜지스터는 소자 특성에 따라 전계효과 트랜지스터(FET) 또는 바이폴라트랜지스터(BJT)로 적절히 선택할 수 있으며, 입력측에선 네가티브 레지스턴스(negative resistance) 조건이 발생하도록 하고, 출력측은 출력 주파수 신호가 잘 출력되도록 임피던스 매칭을 하게 된다. 여기서 트랜지스터는 3개의 단자중 어떤 단자를 접지시키더라도 발진기로서의 구성을 만족하지만 일반적인 증폭기와 마찬가지로 FET의 경우는 소스(source)를, BJT의 경우는 에미터(emitter)를 접지시킨 구조인 것이 바람직하다.
또한 상기 발진부(120)는 연속적인 발진을 이루도록 부족한 출력전압의 일부를 제공받기 위하여 상기 발진부(120)에 콘덴서를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 콘덴서에서 출력된 전압을 입력으로 전환하기 위해 상기 전계효과 트랜지스터(FET) 또는 바이폴라트랜지스터(BJT)를 구비하는 것 외에 상기 FET 또는 BJT에 의해 발진되는 정현파(sine wave)는 온도 변화에 따라 가변될 수 있으므로 온도 변화에 의해 변화되는 것을 방지하기 위해 FET 또는 BJT를 더 구비하여 구성할 수 있다.
상기 인덕터(130)는 상기 발진부(120)에서 발생되는 전압을 인가받아 자기장을 형성하여 접근하는 철 또는 비철금속에 의한 자기력선의 가감을 출력하는 소자로서, 인덕터(130)는 상기 발진부(120)의 전압에 의해 자기장이 형성되고 근접하는 철 또는 비철금속 물체와의 거리 간격에 따라 자기장이 변화된다. 이러한 인덕터(130)를 이용한 검출은 자기장이 형성된 인덕터(130)에 철 또는 비철금속 물체가 근접하면 전자유도 현상에 의한 와전류로 인덕터(130)의 자속을 방해하거나 증가시키는 것을 이용한 것으로, 인덕터(130)를 거쳐 출력된 전압은 발진부(120)에서 제공한 입력 전압과 전위차를 갖는다.
도 3은 본 발명에서 패턴상으로 형성된 인덕터(130)의 물리적 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서 상기 인덕터(130)는 종래 코일상으로 형성된 인덕터와 달리 상기 인쇄회로기판 상에 나선형으로 감겨진 패턴상(131)으로 형성된다. 따라서 종래 코일을 이용한 인덕터 방식의 근접센서의 경우 인덕터 소자 특성상 근접센서의 두께를 줄이는 데 한계가 있었으나, 본 발명에 따라 인덕터(130)를 패턴상으로 구현함으로써 근접센서 두께를 인쇄회로기판의 두께 수준으로 획기적으로 슬림화할 수 있게 된다. 도 3에서 빨간색으로 나타낸 패턴(131a)은 인쇄회로기판의 상면에 형성된 것을 나타내고, 파란색(131b)으로 나타낸 패턴은 인쇄회로기판의 하면에 형성된 것을 나타낸다.
구체적으로, 상기 패턴상(131)은 전체적으로 모서리가 라운드 진 정사각 형태 또는 직사각 형태일 수 있고, 외경(D)이 11 내지 12 mm이고, 패턴 간격이 0.08 내지 0.12 mm이고, 패턴 두께가 0.08 내지 0.12 mm이고, 패턴 회전수가 23 내지 25 turn일 수 있고, 이에 따라, 상기 근접센서(100)의 두께가 상기 센서 하우징(110) 두께(T) 기준으로 5 mm 이하, 바람직하게는 4.25 mm 이하, 더욱 바람직하게는 3.5 mm 이하 수준까지 초 슬림화가 가능하다.
여기서, 인덕터(130)의 크기(패턴 면적), 턴수 등에 따라 인덕턴스가 달라지고 이는 감지 거리에 영향을 주게 되는데, 그 크기가 클수록 감지 거리도 커지게 된다. 따라서 좁은 공간에서 사용할 수 있는 소형 근접센서의 개발은 쉽지 않으며, 소형 센서의 경우 감지 거리가 매우 짧은 것이 대부분이다.
이에, 본 발명에서는 인덕터 방식을 기본적으로 적용하되, 코일 형태의 인덕터를 배제하고 이에 대응하는 인덕터를 PCB 패턴상(131)으로 대체하였으며, 감지 거리를 늘리기 위해 정전용량형 방식의 측정 방식을 적용함으로써 주파수의 변화가 민감할 수 있게 하여 감지 거리를 늘리고자 하였다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 인덕터(130) 및 상기 발진부(120)의 양 접점에 각각 접지 콘덴서(C1 및 C2)를 연결함으로써, 철 및 비철금속 물체가 접근할 때 변화되는 대역폭을 상대적으로 먼 거리에서도 감지하여 스위치 동작할 수 있도록 하게 된다. 예컨대, 도 3과 같은 PCB 패턴상(131)의 인덕터(130) 구조를 외경(D) 12 mm, 패턴 간격 0.1 mm, 패턴 두께 0.1 mm, 24 Turn으로 제작하여 약 4.4 μH의 용량값을 만들 수 있고, 또한 정전용량 기준값을 만들기 위해 300 pF의 콘덴서(C1 및 C2) 2개를 실장하고 인덕터(130)에서 볼 때에는 직렬합산 콘덴서 용량을 약 150 pF에 맞출 수 있다. 이와 같이 구성하여 발진주파수 약 6.2 MHz 대역을 만들고 이 주파수가 철 또는 비철금속 물체가 접근할 때 변화되는 대역폭을 감지하여 스위치 동작을 하도록 한다.
상기 검출부(140)는 상기 발진부(120)에서 발생된 전압이 상기 인덕터(130)를 거쳐 출력되는 전압의 전위차를 신호파형으로 출력한다.
상기 비교부(150)는 상기 검출부(140)로부터 출력된 신호파형을 판독하여 상기 발진부(120)에서 발생된 전압의 신호파형과 비교하며, 비교부(150)는 상기 인덕터(130)에서 출력된 전압손실을 최소화하면서 정류되도록 배 정류회로로 구성될 수 있고, 배 정류회로로 정류된 전압을 증폭기를 통하여 발진부(120)에서 제공한 입력전압으로 증폭한 다음 이에 대한 입력전압과 출력전압의 전압차값을 상기 제어부(160)에 제공한다.
상기 제어부(160)는 상기 비교부(150)에서 비교되어 출력된 신호파형을 인가받아 신호 발생 여부를 결정하여 출력부(170)를 통해 예컨대, 구형파의 점멸신호가 송출되도록 할 수 있다.
한편, 상기 발진부(120), 검출부(140), 비교부(150) 및 제어부(160)는 마이크로프로세서 칩(200)에 집적된 형태로 인쇄회로기판에 탑재될 수 있다.
본 발명에서 상기 센서 하우징(110)은 상기 인쇄회로기판을 보호하면서 박형으로 제조 가능한 소재라면 특별히 그 재질이나 형상에 제한이 있는 것은 아니며, 예컨대, 플라스틱 사출물로써 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 근접센서 110 : 센서 하우징
120 : 발진부 130 : 인덕터
131 : PCB 패턴상 140 : 검출부
150 : 비교부 160 : 제어부
170 : 출력부 200 : 마이크로프로세서 칩
D : 패턴의 외경 T : 센서 하우징의 두께
C1, C2 : 콘덴서

Claims (2)

  1. 센서 하우징;
    상기 센서 하우징의 내부의 인쇄회로기판에 탑재되어 전압을 제공하는 발진부;
    상기 발진부에서 발생되는 전압을 인가받아 자기장을 형성하여 접근하는 철 또는 비철금속에 의한 자기력선의 가감을 출력하는 인덕터;
    상기 발진부에서 발생된 전압이 상기 인덕터를 거쳐 출력되는 전압의 전위차를 신호파형으로 출력하는 검출부;
    상기 검출부로부터 출력된 신호파형을 판독하여 상기 발진부에서 발생된 전압의 신호파형과 비교하는 비교부; 및
    상기 비교부에서 비교되어 출력된 신호파형을 인가받아 출력부를 통한 신호 발생 여부를 결정하는 제어부;
    를 포함하되,
    상기 인덕터는 상기 인쇄회로기판 상에 나선형으로 감겨진 패턴상으로 형성되고, 상기 인덕터 및 상기 발진부의 양 접점에 각각 접지 콘덴서가 연결되고,
    상기 패턴상은 외경이 11 내지 13 mm이고, 패턴 간격이 0.08 내지 0.12 mm이고, 패턴 두께가 0.08 내지 0.12 mm이고, 패턴 회전수가 23 내지 25 turn이고, 근접센서의 두께가 상기 하우징 두께 기준으로 5 mm 이하이고,
    상기 발진부, 상기 검출부, 상기 비교부 및 상기 제어부는 마이크로프로세서 칩에 집적된 형태로 상기 인쇄회로기판에 탑재된 것을 특징으로 하는 초 슬림형 근접센서.
  2. 삭제
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