KR102656037B1 - 자기장 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 검출 장치는, 내부에 코어가 삽입된 공진 코일 및 공진 커패시터로 구성된 공진 회로, 상기 공진 코일에 외부 자기장이 인가되면, 상기 공진 코일의 인덕턴스 변화에 대응하여 소정 파형을 갖는 발진 신호를 출력하는 공진 발진기, 상기 발진 신호에 대응되는 주파수를 전압으로 변환하는 주파수 전압 변환기, 및 상기 발진 신호의 전압의 크기 변화에 기초하여 상기 외부 자기장을 검출하는 제어기를 포함한다.

Description

자기장 검출 장치{MAGNETIC-FIELD DETECTING APPARATUS}
본 발명은 자기장 검출 장치에 관한 것으로, 상세하게는 외부 자기장이 인가될 때 연자성체 코어를 둘러싸는 공진 코일의 발진 주파수 변화량을 측정하여 미세 자기장을 검출하는 기술에 관한 것이다.
자기장을 검출하는 방식은 여러가지 방식이 있다.
일 예로, 박막자기저항체를 사용하는 박막 자기장 센서는, 외부 자기장에 대하여 변화하는 자기저항(Magneto-resistance) 값을 검출하는 방식으로 전기신호로 변환시키기 위해서 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 필요로 하였다.
그러나, 이러한 자기저항 검출 방식은 검출이 간단한데 반해, 변화하는 자기저항 값의 범위가 크지 않아 검출 감도를 일정 이상 증대시킬 수 없었다.
다른 예로, 유리막 코팅된 와이어(Wire) 형태의 비정질 연자성체를 사용하는 박막 자기장 센서는, 외부 자기장에 대하여 변화하는 자기 임피던스(Magneto-impedance) 값을 검출하는 방식으로 전기신호로 변환시키기 위해서 고정된 수백 MHz의 고정주파수로 구동 시켜야 했다. 이러한 자기 임피던스 검출 방식은 부식에 강하고, 초소형으로 구현할 수 있을 뿐만 아니라 고감도 검출이 가능하다.
하지만, 자기 임피던스 검출 방식은 연자성체 와이어(Wire)에 잔류자기가 누적될 수 있으며, 진폭의 변화량을 감지하는 방식이므로 약한 자기장에서는 잡음이 커지고, 변화하는 자기 임피던스 값의 범위가 제한적이어서 미세한 자기장을 검출하는데 한계가 있다.
또 다른 예로, 100MHz 구형파 수정발진기로 구동하는 자기 임피던스(Magneto-impedance) 센서는, 수정발진기에 의한 안정된 발진주파수로 구동하므로 주파수 변동성에 기인한 위상 잡음을 최소화하여 구동 시킬 수 있고 직류 바이어스 전압을 조절하여 자기포화가 되지 않도록 한다.
하지만, 이러한 자기 임피던스 센서는 여러 고조파가 함유된 구형파로 구동하기 때문에, 자기장 검출 시 위상 잡음이 커져 미세한 자기장을 검출하는데 한계가 있다.
또한, 10MHz로 구동되는 자기 임피던스(Magneto-impedance) 센서는 마이크로 와이어를 집적화한 길이가 5mm에 불과한 소형으로 구현 가능하다.
하지만, 이러한 자기 임피던스 센서는 표피효과(Skin Effect)를 이용하여 진폭의 변화량을 감지하는 방식으로 동작하기 때문에, 약한 자기장에서는 잡음이 커지고, 변화하는 자기 임피던스 값의 범위가 제한적이어서 미세한 자기장을 검출하는데 한계가 있다.
본 발명의 목적은, 얇고 긴 스트립(strip) 형태의 연자성체 코어와 이를 둘러싸는 공진 코일을 이용하여 센서 헤드를 단순한 구조로 구현이 가능하면서, 외부 자기장에 의한 발진 주파수의 변화를 측정함으로써 길이 방향에 대하여 넓은 범위에 걸쳐 미세 자기장을 검출할 수 있는 자기장 검출 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 잔류 자기에 의한 코어의 자기포화가 없으면서 안정되게 고감도로 미세 자기장을 검출할 수 있는 자기장 검출 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 외부 전기장의 변화에 대한 영향을 받지 않으면서 미세한 자기장 변화를 검출할 수 있는 자기장 검출 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 검출 장치는, 내부에 코어가 삽입된 공진 코일 및 공진 커패시터로 구성된 공진 회로, 상기 공진 코일에 외부 자기장이 인가되면, 상기 공진 코일의 인덕턴스 변화에 대응하여 소정 파형을 갖는 발진 신호를 출력하는 공진 발진기, 상기 발진 신호에 대응되는 주파수를 전압으로 변환하는 주파수 전압 변환기, 및 상기 발진 신호에 대응되는 신호의 전압의 크기 변화에 기초하여 상기 외부 자기장을 검출하는 제어기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 코어는, 상기 외부 자기장이 인가되는 경우, 상기 공진 코일의 인덕턴스 변화를 유도하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 코어는, 상기 외부 자기장이 인가되는 경우 자성을 띠는 연자성체 합금으로 구성된 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 코어는, 소정 두께 이하이면서 길이 방향으로 긴 바 형상의 스트립 코어 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공진 코일은, 상기 코어를 밀착하여 감싸는 구조로 형성된 코일 보빈에 도선을 소정 횟수만큼 감아서 형성된 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공진 코일은, 상기 공진 코일의 양 끝단에 이어진 연결선이 상기 공진 코일로부터 소정 거리 내에서 상기 공진 커패시터의 양 단에 병렬 연결된 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공진 코일은, 하나의 도선에 의해 동일한 규격으로 권선된 복수 개의 공진 코일을 포함하며, 상기 복수 개의 공진 코일은, 직렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 자기장 검출 장치는, 상기 발진 신호의 주파수 정보를 추출하여 상기 추출된 주파수 정보를 포함하는 디지털 주파수 신호를 출력하는 비교기, 상기 디지털 주파수 신호의 주파수 정보에 기초하여 상기 디지털 신호의 위상을 안정화시키고, 상기 안정화된 위상의 디지털 신호를 출력하는 위상 동기 루프, 및 상기 위상 동기 루프로 입력되는 주파수 성분 중 외부 자기장의 변화에 대응하여 변화하는 주파수 성분을 추출하여 상기 위상 동기 루프로 피드백하는 저역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 비교기는, 상기 발진 신호의 전압이 기준 전압 이상인 경우 양극성 구형파 신호를 출력하고, 상기 기준 전압 미만인 경우 0 V 또는 음극성 구형파 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 위상 동기 루프는, 상기 저역통과필터로부터 피드백 된 주파수 성분에 대응되는 디지털 주파수 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 자기장 검출 장치는, 상기 위상 동기 루프에서 출력된 상기 디지털 주파수 신호의 주파수에 따라 정해진 분주비에 기초하여 1/N 크기의 저주파수 신호로 분주하여 상기 주파수 전압 변환기로 출력하는 주파수 분주기, 및 상기 주파수 전압 변환기로부터 출력된 신호를 증폭하여 상기 제어기로 출력하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 증폭기는, 직류 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 증폭기는, 직렬로 연결된 직류 증폭기 및 교류 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 증폭기는, 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 자기장 검출 장치는, 상기 공진 코일로 인가되는 외부 전기장을 차단하는 차폐 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 차폐 구조물은, 상부 면의 일 영역에 상기 공진 코일이 배치되는 절연 테이블, 하부 면이 상기 공진 코일의 상부 및 상기 공진 코일이 배치된 상기 절연 테이블의 상부 면에 밀착되도록 형성되는 절연 시트, 및 상기 절연 시트의 상부에 밀착되도록 형성되어, 상기 공진 코일에 외부 전기장이 인가되면 상기 외부 전기장을 접지선을 통해 외부로 방출하는 전기장 차폐 패널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 얇고 긴 스트립(strip) 형태의 연자성체 코어와 이를 둘러싸는 공진 코일을 이용하여 단순한 구조로 구현이 가능하면서, 자기 인덕턴스(Inductance) 변화를 측정함으로써 길이 방향에 대하여 넓은 범위에 걸쳐 미세 자기장을 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 잔류 자기에 의한 코어의 자기포화가 없으면서 안정되게 고감도로 미세 자기장을 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부 전기장의 변화에 대한 영향을 받지 않으면서 미세한 자기장 변화를 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 검출 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 회로부의 세부 구성을 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진 코일 구성을 도시한 도면이다.
도 3b는 도 3a의 공진 코일을 측면에서 바라본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진 코일 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 코일의 차폐 구조를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 검출 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 회로부의 세부 구성을 도시한 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 자기장 검출 장치는 공진 발진기(10), 공진 회로부(20), 차동 증폭기(30), 비교기(40), 위상 동기 루프(50), 저역통과필터(60), 주파수 분주기(70), 주파수 전압 변환기(80), 증폭기(90) 및 제어기(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
공진 발진기(10)는 전기적 진동을 발생시켜 소정 파형의 발진 신호를 출력한다. 이때, 공진 발진기(10)는 공진 회로부(20)의 공진 회로를 통해 공진 주파수가 결정되면, 공진 주파수를 갖는 소정 파형을 갖는 발진 신호를 출력한다.
도 2를 참조하면, 공진 회로부(20)는 공진 커패시터(21) 및 공진 코일(22)로 구성된 공진 회로를 포함할 수 있다.
여기서, 공진 회로는 공진 커패시터(21) 및 공진 코일(22)이 병렬로 연결된 LC 병렬 공진 회로로서, 커패시터와 코일의 값에 의해 공진 주파수가 결정된다. 이에, 공진 커패시터(21) 및 공진 코일(22)은 결정된 공진 주파수에서만 전기적 신호를 출력하게 된다.
또한, 공진 회로부(20)는 결합 커패시터 및 바이어스 저항을 더 포함하여 구성될 수 있다. 결합 커패시터 및 바이어스 저항은 공진 회로의 양단에 각각 연결될 수 있다.
일 예로, 제1 결합 커패시터(26)는 공진 회로의 일단에 연결되고, 제2 결합 커패시터(27)는 공진 회로의 타 단에 연결될 수 있다. 이때, 결합 커패시터는 공진 발진기(10)로부터 인가되는 직류 전압을 차단하고, 소정 파형을 갖는 발진 신호를 통과시키는 필터 역할을 한다.
또한, 제1 바이어스 저항(28) 및 제2 바이어스 저항(29)은 직렬로 연결되되, 제1 바이어스 저항(28)은 제1 결합 커패시터(26)에 연결되고, 제2 바이어스 저항(29)은 제2 결합 커패시터(27)에 연결될 수 있다.
이에, 공진 회로부(20)는 결합 커패시터(26, 27)를 통과한 발진 신호를 차동 증폭기(30)로 출력한다.
여기서, 공진 코일(22)은 외부 자기장이 인가되는 경우, 인가된 외부 자기장을 검출하는 센서 헤드 역할을 할 수 있다.
이를 위해, 공진 코일(22)은 내부에 코어가 삽입될 수 있다. 여기서, 공진 코일(22)의 내부에 삽입되는 코어는 연자성체 물질로 구성된 연자성체 코어(24)일 수 있다.
공진 코일(22)의 발진주파수는 공진 코일(22) 자체의 인덕턴스와 내부의 연자성체 코어(24)의 투자율에 의해 공진 코일(22) 전체의 인덕턴스가 결정되는데, 연자성체 코어(24)는 공진 코일(22)의 주변에 외부 자기장이 인가되면 연자성체 코어(24)의 투자율의 변화가 유도되고, 이에 따라 외부 자기장에 의한 공진 코일(22)의 인덕턴스(Inductance) 변화를 유도할 수 있다. 따라서, 공진 코일(22)의 발진 주파수의 변화로부터 외부 자기장을 검출하게 된다.
공진 코일(22) 및 연자성체 코어(24)의 결합 구조에 대한 세부 설명은 도 3a, 도 3b 및 도 4의 실시예를 참조하도록 한다.
도 3a는 제1 실시예에 따른 공진 코일 구성을 도시한 도면이고, 도 3b는 도 3a의 공진 코일을 측면에서 바라본 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진 코일 구성을 도시한 도면이다.
먼저, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 연자성체 코어(24)는 공진 코일(22)의 내부에 삽입되며, 미세한 외부 자기장이 인가되면 순간적으로 자성을 띠는 연자성체 합금으로 구성될 수 있다.
일 예로, 연자성체 코어(24)는 순간적으로 발생하는 투자율의 변화가 큰 CoFeMo를 주성분으로 하는 연자성체 합금을 이용하여 구성하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
공진 코일(22) 주변에 외부 자기장이 인가되면, 외부 자기장에 의해 연자성체 코어(24)의 투자율이 변화하게 되고, 이에 의해 공진 코일(22)의 인덕턴스가 변하게 된다.
따라서, 자기장 검출 장치는 공진 코일(22)의 인덕턴스 변화로부터 외부 자기장을 검출하게 된다. 이때, 연자성체 코어(24)에 의해 미세한 자기장에 의해서도 공진 코일(22)의 인덕턴스가 변하기 때문에, 자기장 검출 장치는 외부에서 인가되는 미세한 자기장도 검출이 가능하다.
연자성체 코어(24)는 소정 두께 이하로 얇으면서, 길이 방향으로 긴 바 형상의 스트립 코어 구조를 갖도록 형성될 수 있으며, 공진 코일(22)을 감기 위한 코일 보빈(25)이 연자성체 코어(24)를 밀착하여 감싸는 구조로 형성될 수 있다.
코일 보빈(25)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
공진 코일(22)은 내부에 연자성체 코어(24)를 밀착하여 감싸도록 형성된 코일 보빈(25)에 도선을 소정 횟수만큼 감아서 형성되며, 공진 코일(22)의 양 끝단에 이어진 연결선(23)은 공진 커패시터(21)의 양 단에 병렬 연결될 수 있다. 따라서, 공진 코일(22)은 공진 커패시터(21)와의 상호 작용에 의해 공진 특성을 갖게 된다. 이때, 연결선(23)은 공진 코일(22)과 근접한 거리에서 공진 커패시터(21)에 연결되는 것이 바람직하다.
제1 실시예에 따른 공진 코일(22)은 하나의 공진 코일(22)로 구성한 것을 예로 하였으나, 외부 자기장의 검출 감도를 증가시키기 위해 도 4에 도시된 바와 같이, 두 개의 공진 코일(22)을 연결하여 구성할 수도 있다.
도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 공진 코일(22)은 두 개의 공진 코일을 나란하게 배치하고, 각 공진 코일의 일 단을 연결하여 직렬로 연결된 형태로 구성될 수 있다.
다시 말해, 연자성체 코어(24)가 삽입된 두 개의 코일 보빈(25)에 동일한 방향으로 권선된 공진 코일을 각각 구비하고, 이 두 개의 공진 코일을 측면이 서로 밀착되도록 나란하게 배치한다. 이때, 두 개의 공진 코일의 일단에 연결되는 연결선(23)을 직렬로 연결할 수 있다. 이 경우, 두 개의 공진 코일의 출력이 서로 상쇄될 수 있다.
일 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 두 개의 공진 코일의 좌측 끝단에 이어진 연결선(23)을 서로 직렬로 연결할 수 있다. 물론, 두 개의 코일 보빈(25)에 하나의 도선을 감아 직렬로 연결되는 두 개의 공진 코일을 형성하고, 이 두 개의 공진 코일을 측면이 서로 밀착되도록 나란하게 배치할 수도 있다. 이때, 두 개의 코일은 동일한 규격으로 형성된다.
두 개의 공진 코일의 우측 끝단에 이어진 연결선(23)은 1개의 공진 커패시터(21)의 양 단에 병렬 연결될 수 있다.
이와 같이, 두 개의 공진 코일을 연결하여 배치하는 경우 감도가 증가하여 미세 자기장을 더욱 정확하게 검출할 수 있게 된다.
이상의 실시예에서는 하나 또는 두 개의 공진 코일을 이용하여 외부 자기장을 검출하는 것에 대해 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 동일한 규격의 복수 개의 공진 코일을 직렬로 연결하고, 각 공진 코일의 측면이 서로 밀착되도록 나란하게 배치하여 구성될 수도 있다.
이에, 외부 자기장이 공진 코일(22)에 인가되면, 공진 코일(22)의 인덕턴스가 변하게 되고, 공진 회로부(20)로부터 변화된 인덕턴스에 대응되는 발진 신호를 차동 증폭기(30)로 출력하게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 차동 증폭기(30)는 공진 발진기(10) 및 공진 회로부(20)를 통해 출력된 소정 파형을 갖는 발진 신호를 증폭시켜 비교기(40)로 출력한다. 여기서, 차동 증폭기(30)는 공진 회로의 양 단에서 출력된 두 개의 신호가 입력되면, 두 입력 신호의 차에 비례하여 증폭시킨다.
비교기(40)는 차동 증폭기(30)에 의해 증폭된 발진 신호가 입력되면, 입력된 발진 신호 중 위상 동기 루프(50)에서 필요한 주파수 정보를 추출하여 위상 동기 루프(50)로 제공한다.
이때, 비교기(40)는 기준 전압이 0V라 가정했을 때, 입력 신호의 전압이 기준 전압 이상일 경우에는 양극성 구형파를 출력하고, 기준 전압 미만일 경우에는 0 V 또는 음극성 구형파를 출력할 수 있다.
위상 동기 루프(50)는 비교기(40)로부터 디지털 구형파 신호가 입력되면, 입력된 디지털 구형파 신호의 주파수를 안정화하고, 안정화된 주파수의 디지털 구형파 신호를 출력한다. 이때, 위상 동기 루프(50)는 비교기(40)로부터 입력된 디지털 구형파 신호의 위상과, 출력 디지털 구형파 신호의 위상을 비교하여 오차 신호를 저역통과필터(60)로 출력할 수 있다.
여기서, 위상 동기 루프(50)는 저역통과필터(60)와 피드백 루프가 형성되는데, 저역통과필터(60)는 비교기(40)로부터 위상 동기 루프(50)로 입력되는 주파수 성분 중 일정 시간 동안 미세하게 변화하는 주파수 성분을 필터링하고, 순간적으로 변화하는 주파수 성분에 대응하는 직류전압값의 변화량을 추출하여 위상 동기 루프(50)로 피드백 한다.
이에, 위상 동기 루프(50)는 저역통과필터(60)로부터 피드백 된 주파수 성분에 대응되는 디지털 주파수 신호를 출력한다.
주파수 분주기(70)는 위상 동기 루프(50)에서 출력된 디지털 신호의 주파수가 주파수 전압 변환기에서 수용 가능한 주파수의 범위를 초과하는 경우, 정해진 분주비에 따라 1/N 크기의 저주파수 신호로 분주하여 출력한다. 여기서, 주파수 분주기(70)의 분주비는 주파수 전압 변환기(80)에서 수용 가능한 크기의 주파수에 기초하여 결정될 수 있다.
주파수 분주기(70)에 의해 분주된 신호는 주파수 전압 변환기(80)로 입력된다. 이에, 주파수 전압 변환기(80)는 주파수 분주기(70)로부터 입력된 신호의 주파수를 대응되는 전압으로 변환하여 출력한다.
증폭기(90)는 주파수 전압 변환기(80)로부터 출력된 신호가 제어기(100)에서 인식될 수 있도록 증폭하여 출력한다. 증폭기(90)는 외부의 전자기기에서 인식 가능한 신호로 증폭하여 출력할 수도 있다.
일 예로, 증폭기(90)는 직류 증폭기를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 외부 자기장의 절대 크기의 측정이 가능하게 된다. 한편, 증폭기(90)는 직렬로 연결된 직류 증폭기와 교류 증폭기를 포함하여 구성될 수도 있다. 이 경우, 외부의 순간적인 자기장 변화도 감지할 수 있어 검출 감도를 증대시킬 수 있다. 또한, 증폭기(90)는 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC)를 포함하여 구성될 수도 있다. 이 경우, 외부의 순간적인 자기장 변화를 디지털 신호 영역에서 처리할 수 있다.
제어기(100)는 자기장 검출 장치의 각 구성유닛들의 동작을 제어하고, 자기장 검출 장치의 전반적인 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 제어기(100)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다.
제어기(100)는 증폭기(90)로부터 출력된 신호에 기초하여 공진 코일(22)의 인덕턴스 변화를 확인한다. 일 예로, 공진 코일(22)에 외부 자기장이 인가되면 인덕턴스가 변화하고, 그로 인해 제어기(100)로 출력되는 신호의 출력 전압이 변화하게 된다. 따라서, 제어기(100)는 출력 전압의 크기 변화로부터 외부 자기장을 검출할 수 있다.
도 1 내지 도 4와 같이 구성되는 자기장 검출 장치의 공진 코일(22)은 외부 자기장의 변화를 검출하는데, 외부 전기장에도 영향을 받을 수 있다. 따라서, 외부 전기장의 영향을 받으면 외부에서 인가되는 자기장을 정확하게 검출할 수 없게 된다.
이를 위해, 공진 코일(22)의 외부에서 인가되는 전기장을 차폐시키도록 공진 코일(22) 주변에 차폐 구조물을 설치할 수 있다. 공진 코일(22)의 차폐 구조는 도 5를 참조하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 코일의 차폐 구조를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 공진 코일(22)의 차폐 구조물은 절연 테이블(111), 절연 시트(113), 전기장 차폐 패널(115)로 구성될 수 있다.
여기서, 절연 테이블(111)은 절연 물질이 도포되거나 혹은 절연 물질로 구성된 테이블 형상의 구조물로서, 공진 코일(22)을 지지할 수 있다.
마찬가지로, 절연 시트(113)는 절연 물질이 도포되거나 혹은 절연 물질로 구성된 판 또는 시트 형상의 패널이다. 일 예로, 절연 시트(113)는 실리콘 패드일 수 있다.
전기장 차폐 패널(115)은 전기장 차폐 물질이 도포되거나, 전기장 차폐 물질로 구성된 판 또는 시트 형상의 패널이다.
여기서, 공진 코일의 차폐 구조물은 절연 테이블(111)의 상부 면의 일 영역에 공진 코일(22)을 배치하고, 공진 코일(22)의 상부 면과 공진 코일(22)이 배치된 절연 테이블(111)의 상부 면을 절연 시트(113)로 덮어 공진 코일(22)이 노출되지 않도록 한다.
이때, 절연 시트(113)의 상부에 전기장 차폐 패널(115)을 밀착 형성함으로써 공진 코일(22)이 외부 전기장의 변화에 영향을 받지 않도록 할 수 있다. 전기장 차폐 패널(115)에는 접지선이 연결될 수 있다. 이에, 외부 전기장이 인가되면, 전기장 차폐 패널(115)에 전기장이 유도되고, 이때 전기장 차폐 패널(115)에 유도된 전기장은 접지선을 통해 외부로 방출되게 된다.
따라서, 전기장 차폐 패널(115) 위를 금속 이물질(1)이 지나가는 경우, 공진 코일(22)은 전기장의 변화에 영향을 받지 않고, 금속 이물질(1)의 이동에 의해 주변 지구 자기장이 변화하거나 자화 된 금속 이물질(1)의 이동에 의해 변화되는 자기장을 검출할 수 있다.
한편, 공진 코일(22)을 통해 외부 자기장의 변화뿐만 아니라 외부 전기장도 함께 검출하고자 하는 경우에는, 도 5에 도시된 차폐 구조물에서 전기장 차폐 패널(115)이 생략될 수도 있다.
일 예로, 지자기의 영향을 최소화하기 위하여, 공진 코일(22)의 길이 방향이 동-서 방향을 향하도록 설치할 수도 있다. 이 경우, 다른 방향 보다 지자기의 영향이 최소화됨에 따라 넓은 자기장 감지 면적을 가질 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 검출 장치는 소정 두께 이하이면서 길이 방향으로 긴 바 형상의 스트립(strip) 형태의 연자성체 코어와 이를 둘러싸는 공진 코일을 이용하여 단순한 구조의 센서 헤드 구현이 가능하면서도, 자기 인덕턴스 변화를 측정함으로써 길이 방향에 대하여 넓은 범위에 걸쳐 미세 자기장을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 잔류 자기에 의한 코어의 자기포화가 없으면서 안정되게 고감도로 미세 자기장을 검출할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 공진 발진기 20: 공진 회로부
21: 공진 커패시터 22: 공진 코일
23: 연결선 24: 연자성체 코어
25: 코일 보빈 26, 27: 결합 커패시터
28, 29: 바이어스 저항 30: 차동 증폭기
40: 비교기 50: 위상 동기 루프
60: 저역통과필터 70: 주파수 분주기
80: 주파수 전압 변환기 90: 증폭기
100: 제어기 111: 절연 테이블
113: 절연 시트 115: 전기장 차폐 패널
117: 접지선

Claims (16)

  1. 내부에 코어가 삽입된 공진 코일 및 공진 커패시터로 구성된 공진 회로;
    상기 공진 코일에 외부 자기장이 인가되면, 상기 공진 코일의 인덕턴스 변화에 대응하여 소정 파형을 갖는 발진 신호를 출력하는 공진 발진기;
    상기 발진 신호에 대응되는 주파수를 전압으로 변환하는 주파수 전압 변환기; 및
    상기 발진 신호에 대응되는 신호의 전압의 크기 변화에 기초하여 상기 외부 자기장을 검출하는 제어기를 포함하되,
    상기 코어는,
    상기 외부 자기장이 인가되는 경우 자성을 띠는 연자성체 합금으로 구성되어, 상기 외부 자기장이 인가되는 경우 상기 공진 코일의 인덕턴스 변화를 유도하는 자기장 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 코어는,
    소정 두께 이하이면서 길이 방향으로 긴 바 형상의 스트립 코어 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 공진 코일은,
    상기 코어를 밀착하여 감싸는 구조로 형성된 코일 보빈에 도선을 소정 횟수만큼 감아서 형성된 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 공진 코일은,
    상기 공진 코일의 양 끝단에 이어진 연결선이 상기 공진 코일로부터 소정 거리 내에서 상기 공진 커패시터의 양 단에 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 공진 코일은,
    하나의 도선에 의해 동일한 규격으로 권선된 복수 개의 공진 코일을 포함하며,
    상기 복수 개의 공진 코일은,
    직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 발진 신호의 주파수 정보를 추출하여 상기 추출된 주파수 정보를 포함하는 디지털 주파수 신호를 출력하는 비교기;
    상기 디지털 주파수 신호의 주파수 정보에 기초하여 상기 디지털 주파수 신호의 위상을 안정화시키고, 상기 안정화된 위상의 디지털 주파수 신호를 출력하는 위상 동기 루프; 및
    상기 위상 동기 루프로 입력되는 주파수 성분 중 외부 자기장의 변화에 대응하여 변화하는 주파수 성분을 추출하여 상기 위상 동기 루프로 피드백하는 저역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 발진 신호의 전압이 기준 전압 이상인 경우 양극성 구형파 신호를 출력하고, 상기 기준 전압 미만인 경우 0 V 또는 음극성 구형파 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 위상 동기 루프는,
    상기 저역통과필터로부터 피드백 된 주파수 성분에 대응되는 디지털 주파수 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 위상 동기 루프에서 출력된 상기 디지털 주파수 신호의 주파수에 따라 정해진 분주비에 기초하여 1/N 크기의 저주파수 신호로 분주하여 상기 주파수 전압 변환기로 출력하는 주파수 분주기; 및
    상기 주파수 전압 변환기로부터 출력된 신호를 증폭하여 상기 제어기로 출력하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 증폭기는,
    직류 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 증폭기는,
    직렬로 연결되는 직류 증폭기 및 교류 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 증폭기는,
    아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 공진 코일로 인가되는 외부 전기장을 차단하는 차폐 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 차폐 구조물은,
    상부 면의 일 영역에 상기 공진 코일이 배치되는 절연 테이블;
    하부 면이 상기 공진 코일의 상부 및 상기 공진 코일이 배치된 상기 절연 테이블의 상부 면에 밀착되도록 형성되는 절연 시트; 및
    상기 절연 시트의 상부에 밀착되도록 형성되어, 상기 공진 코일에 외부 전기장이 인가되면 상기 외부 전기장을 접지선을 통해 외부로 방출하는 전기장 차폐 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 검출 장치.
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