KR19980068511A - 자기장센서 - Google Patents

Abstract

무정형 강자성금속으로된 코어를 가진 원통형코일(2)로 구성된 자기장센서를 개선하기 위하여 이에 코일(2)의 인덕턴스의 지자기장(H_E)에 의하여 제어가능하며 LC-발진기(1)의 인덕턴스부와 발진기(1)의 작동범위를 결정하기 위하여 코일(2)의 무정형코어가 자기적으로 바이러스되는 조정장치를 설치할 것을 제안하는 바 이는 발진기코일(2)에 작용하고 있는 자기장(H_E)에 방생하는 발진기주파수(fo_sz)의 표준치와의 차이는 발진기(1)의 인덕턴스(2)가 광범위하게 조정이 가능한 자기장에 의하여 영향을 받으면 이때 조정이 가능한 자기장은 보상권선으로 구성된 2차 코일(3)에 의해 발생되며 2차 코일(3)을 통하는 전류(I)는 조정장치에 의하여 2차 코일(3)에 의하여 발생하는자기장이 1차 코일(2)의 측정장(H_E)의 작용을 보상하고 제어논리(8)에 의하여 보상코일(3)을 통하여 흐르는 전류(I) 방향은 측정장치(H_E)의 시간적상태에 적합한 싸이클에서 스위치(9a)와 (9b)의 동기성 조작에 의하여 전극이 전환되며 양 전류유동방향을 위한 측정장(H_E)의 경우 보상전류(I₁및 I₂)의 각 전류세기가 계측되고 양 전류치의 차이(I₁-I₂)는 측정장(H_E)이 자계세기에 비례하는 단위를 구해지도록 제어된다.

Description

자기장센서

제 1 도는 발명에 따른 자기장센서의 블록회로도이다.

제 2A 및 2B도는 보상코일의 상이한 흐름방향에서 이의 제어회로에 대한 작용특성 곡선을 제시하며,

제 3 도는 보상코일과 측정장의 자장강도(H_E)의 양 흐름방향의 양 보상전류간의 차이간의 선형관계를 설명한다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 발진기2 : 1차코일

3 : 2차코일8 : 제어논리

9a,9b,14a,14b : 전환스위치

본 발명은 청구범위 제 1 항의 상위개념에 따르는 자기장센서에 관한 것이다.

특허 EP 545 058 A1에서 최소한 2개의 서로 직교되는 각기 무정형 강자성체금속으로 된 원통형코일을 가진 차량에 사용가능 사고정보기록기에 대한 방향전환센서가 공지되어 있는 바 이때 코일의 기하학적 축은 사고정보기록기의 내부구조에 따라 일반적으로 차량수평방향을 취하고 있으며 코일의 자기유도계수는 지자기장에 의하여 제어가능하며, 이때 주로 같은 모양의 각 코일을 포함하고 있는 발진기들이 설치되어 있으며 발진기 작동부위의 고정을 위하여 코일의 무정형 코어는 영구자석으로 전압이 걸리도록 되어 있다.

코일코어의 자기바이어스는 코일에 공간적으로 인접하여 있는 특히 봉상의 영구자석에 의하여 행해지며 그의 자기장은 코일을 관류한다. 자기바이어스에 의하여 행해지며 그의 자기장은 코일을 관류한다. 자기바이어스에 의하여 자장센서의 규정에 의한 사용으로 인하여 일반적으로 지자기장인 발진기의 주파수변화가 생기며 이의 f/B-특성곡선상의 선형부위에서 스캐닝(탐지)이 가능하게 된다. 발진기의 작동점 결정은 바이어스의 측정장이 중첩될 때 발생하는 실제 방향이 정해지는 신호변조를 감안하여 영구자석의 장에 의하여 행해진다.

특허 EP503 370 A1은 코일몸체, 권선 및 무정형 영구자성체금속의 코일코어를 가진 자장제어발전기의 발진회로코일의 설계구조에 대한 고안을 포함한다.

EP 545 058 A1에 따르는 소위 배열은 원하는 작동점이 자동운전조건에서 불안정하며 직접 계측정도에 불리하다는 단점을 가지고 있다. 거기에 기재된 계측체계에 영구자석의 자성은 물론 무정형금속 코일코어의 자화도 온도에 따라 변하기 때문에 온도변화의 원인이 된다. 또한 소재의 가열과정이 영구자석과 코일코어와 반대성향을 가질 때 원하는 작용부위에서 온도영향이 무정형금속과 영구자석에 의하여 상호 상태되는 소재대우를 찾아내기란 대단히 곤란하므로 실제로는 바람직하지 않은 온도영향이 항상 측정결과를 간섭한다.

이 밖에 이러한 류의 자기장센서배열들은 발진기의 작동점조정에 있어 조정비용이 많이 든다는 단점을 가지고 있다. 조정하기 위하여 자기바이어스를 발생시키는 영구자석은 측정코일 주위에서 공간적으로 밀려서 측정코일에서 유도된 전압측정에 의하여 원하는 작용점을 정의하는 영구자석위치가 탐지된다. 그리하여 영구자석은 이 위치에서 고정되어야 한다. 이러한 방법은 대량생산제품에 대해서는 비용이 과대하게 들며 특히 이러한 공정은 조정중에 지자기장에 의한 간섭을 배제하기 위하여 자지장이 차단된 계측공간에서만 실행이 가능한다.

측정코일의 공간주위에 영구자석을 가진 자기장센서배열 또한 그의 자장이 측정코일에 균일하게 관류하도록 영구자석을 배열하기가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이에 관하여 자석의 특수한 고가의 조형을 요한다. 영구자석에 의한 코일의 불균일한 관류는 그러나 계측배열에 따라 달할 수 있는 측정정도를 저하시킨다.

모든 이러한 단점들은 또한 자동화목적, 대량생산조건 및 차량계기화에 있어서 적합한 원가표준을 고려한 유형에 따른 자기장센서에 대한 다른 해결방안을 찾도록 한다. 특히 광범위한 온도역에 걸쳐서 안정한 자장계측을 보장하는 하나의 해결을 제공하는 것이 상기 발명의 과제이다.

측정장에 의한 발진기주파수의 변동을 제어장치로 하여금 표준치로 안정화시켜서 무정자 금속코어로 된 코일로 구성된 발진기의 유도계수는 제 2 차로 정의된 제어가능 자장에 의하여 영향을 받으면 발진기주파수조정에 소요되는 에너지는 측정장의 강도에 대한 척도로 평가되도록 제안된다. 그러기 위하여 제 2 차 코일 소위 보상권선으로 주로 제 1 차 코일 즉 발진기코일에 감긴다. 이러한 2 차 코일을 통한 전류로 전자제어스위치에 의하여 2 차 코일에서 발생된 자장은 1차 코일의 측정장의 효과가 바로 보상이 되도록 제어된다.

게다가 발진기주파수는 적당한 전자조정장치에 의하여 조정기에 공급되는데 이는 2차 코일의 자장변환에 의한 순간발진주파수를 그의 표준치로 환원시키기 위하여 발진기주파수의 일정편차에 대비 순간적인 발진기주파수와 그의 조정회로에 저장된 표준치와 비교후 2차 코일에 대한 작동전원에 영향을 미친다. 이에 소요되는 에너지는 1차 코일에 감진 측정장의 크기에 비례하며 이에 따라서 측정크기에 대한 척도로서 사용이 가능하다.

선행기술에서 영구자석에 의하여 취해진 발진기의 작용점조정은 상기 해결에서는 2차 코일의 전류에 의하여 발생하는 자장에 의하여 행하여지는 바 이때 발진기의 작용점도달을 위한 측정장이 없을 경우에 필요한 제어전류의 강도는 2차 즉 보상코일의 작동전류의 기본레벨을 정해준다.

적절한 제어논리에 의하여 전류의 방향이 보상코일에 의하여 측정장의 시간적 상황에 맞는 싸이클에서 분극이 안되고 양 전류방향을 위한 측정장이 있을 경우 보상전류의 각 전류가 계측될 때 양 전류치의 차이가 생김으로서 측정장의 강도에 비례하는 온도의 영향으로 처리되는 측정치가 나오는 바 이는 양 전류값을 뺄 때에 온도범위에 좌우되는 발진기의 작용점을 조정하기 위하여 필요한 제어전류의 부분이 이때 현저하기 때문이다.

이로부터 또한 발진기코일의 기생전류부가 제거되려면 발진기코일을 통하는 전류의 방향을 동시에 제어논리에 의하여 주기적인 변환을 시키는 것이 바람직하다.

다음에 제 3 도에 의하여 발명의 유형예를 설명한다.

1도에서 (1)은 LC-발진기로서 1차코일로 구성된 유도성 인덕턴스(2)로 작동이 된다. 유도인덕턴스(2)에 외부자장(H_E)이 작용함에도 불구하고 발진주파수(f_Osz)를 일정하게 유지하기 위하여 자장강도에 따르는 정현(사인)파형 발진수파수(fo_sz)는 적절한 적응회로(4)에 의하여 우선적으로 디지털로 활용가능한 구형신호에 변조되면 그의 배열이 감쇠요소(6)와의 결합된 주파수-전압변환기(5)에 연결되는데 여기에서 순간적인 발진주파수(f_Osz)에 비례하는 전압치(U_soll)는 발진기의 이상적인 표준주파수(f_soll)에 해당하는 전압표준치(U_soll)로부터 감해진다. 발진기의 표준주파수(f_soll)는 발진기가 무부하상태 즉 그의 작용점에 측정장(H_E)이 없을 때 취하는 그러한 주파수이다. (H_E)는 이에 대하여 코일의 길이방향을 측정할 자장의 요소를 표시한다. 양전압치(U_soll)와 (U_sit)와의 차이는 예컨대 PI(위치지시계)조정기로 된 조정기(7)에 공급되는데 이러한 조정기는 보상코일(3)의 작동전류(I)를 전압차(U_soll-U_ist) 영(0)에 근접하고 측정장(H_E)로 인하여 발생되는 인덕턴스(2)와 이로 인한 발진주파수(f_Osz)의 변화가 보상되도록 조정을 하며 이로 인하여 발진주파수(f_Osz)는 제어회로의 제어속도에 따라서 다소간에 일정하게 유지된다. 실제적용하는데 있어서 보상코일(3)은 인덕턴스(2) 위에 감아놓게 되지만 양 코일은 전기적으로 상호 절연이 되어 있다. 양 코일은 서로 반대방향으로 감아 놓는 것이 유리하다.

보상코일(3)의 작동전류(I)에 대한 진폭을 코일의 횡방향에 따른 측정장(H_E)요소의 크기에 직접 비례하며 이에 따라 측정장의 강도와 동일하게 변한다. 따라서 고유한 측정치는 작동전류(I)의 진폭을 분석함으로서 유도해 낼 수 있다. 또한 보상코일(3)을 통하여 흐르는 작동전류(I)는 전류(I)를 전압신호로 분석이 가능하도록 분로저항(10)을 거쳐서 접지(GND)로 유도된다. 그러나 이러한 전압신호의 동일부분만이 측정치에 비례하는 양이므로 전압신호는 저역필터로 된 필터링크(11)를 거쳐서 추가처리를 위하여 아날로그-디지털-변환기에 유도된다. 상세한 분석은 μP-지원 전산회로로 가능하나 여기에서는 상세히 취급하지 않으려 하며 이는 그의 구조는 발명의 핵심부가 아니기 때문이다. μP-지원 전산회로는 아날로그-디지털 변환기(12)의 출구에서 측정신호가 포촉하는 바에 따라서 제 1 도에 또한 도시하지 않았다.

보상코일(3)의 유동방향 극을 전환시키기 위하여 그의 양 전기접속은 각기 동기성 제어장치(8)에 의하여 작동되는 전환스위치(9a)와 (9b)에 접해진다. 이와 동일하게 작동전류(Io)를 발진코일(2)에 의하여 방향을 교대로 전환시켜 주기 위하여 측정코일로 된 인덕턴스(2)의 양 전기접속은 동기전환이 가능하고 제어장치(13)에 의하여 작동이 가능한 전환스위치(14a)와 (14b)를 거쳐서 유도되며 이에 따라 발진기의 기생전류부가 제거될 수 있다. 기생전류부분이라 함은 LC-발진기(1)의 교번자계가 이상적이 못되고 발진기 회로상의 기술적인 구조상의 제약으로 동리부분에 의하여 중첩이 되는데 이것은 발진기(1)에서 불가피하게 발생하는 무효전류로 인하여 파생한다. 구체화 단계에서 제어장치(8)과 (13)은 동일하면서도 구조상 통합이 가능하다. 제어장치(8)과 (13)은 그들에 의하여 작동되는 전환스위치들(9a,9b,14a 및 14b)에 의하여 짝지어 동조되며 각기 같은 싸이클로 이는 mmsec범위내에 들어 있다.

제 2A도는 2종의 상기한 작동온도(T1 및 T2)에서 제어회로에 대한 동작특성곡선을 제시하고 있다. 이때 발진기의 주파수(f_Osz)는 바이어스 전압과 측정장으로 형성되어 있는 인덕턴스(2)에 작용하는 자장의 장의 세기(H) 또는 보상코일(3)에 대한 장의 세기(H)에 비례하는 작동전류(I)에 의해 가해진다.

스위치(9a 및 9b)는 제 2A도에서 제 1 도에 제시된 위치를 취한다. 제 2B도는 보상코일(3)의 역전류 방향인 때 즉 스위치(9a)와 (9B) 작동후에 작동온도(T1)과 (T2)에 있어서 동시에 동일한 동작특성곡선을 제시한다.

보상전류(I)의 진폭은 3성분으로 구성되어 있다.

1. 제어회로에 의하여 일정하게 유지되는 표준동작주파수(f_s)의 경우 발진기(1)의 동작점 조정을 위한 부분(I_A)

2. 발진기의 기생장애요인의 보상을 위한 부분(I_ε1) 또는 (I_ε2) 및

3. 외부자장요소(H_E)의 보상에 필요한 부분(I_M)

으로 되어 있어서 제어기(7)에 의하여 제공되는 작동전류(I)는 보상코일(3)의 1차 유동방향에서 다음과 같이 주어진다.

I₁= I_A+ I_ε1+ I_M

동작점 조정을 위한 부분(I_A)은 F_Osz/(I,H)-도표의 동작특성곡선의 위치에 따라서 양적으로 변화하는 바 이때 온도(T1) 및 (T2)에 대한 특성곡선은 실제로 제 2A 및 2B도에 제시된 위치를 취할 수 있다. 스위치(9a)와 (9b)의 조작에 의하여 보상코일(3)내 유동방향이 변하면 필요한 모두 보상전류(I)는 이의 측정장(H_E)의 존재하에 I₂= I_A+ I_ε2- I_M이 된다.

일정온도(예컨대(T1) 또는 (T2))에서 (I₁)과 (I₂)의 차이는 다음식으로 표시된다.

위 식에서 부분(I_ε1-I_ε2)는 발진기코일(2)의 방향교번유동으로 인하여 영(0)에 근접하므로서 그러하다. 자기장센서의 정확도 요구조건에 따라서 유동방향교번에 필요한 스위치(14a)와 (14b)의 부담은 더욱이 부분(I_ε1-I_ε2)이 I_M에 비하여 크기가 아주 작으므로 무시할 수 있다.

전류(I_M)가 직접 측정장의 장의 크기(H_E)에 대하여 선형이며 더구나 전적으로 코일의 길이와 감긴수로 형성되는 코일의 기하학적 정수에 대하여서도 그러한 것은 주목할만하다. 제 3 도는 측정장의 장의 세기(H_E)에 대한 전류차(I₁-I₂)를 제시함으로서 이러한 관계를 명확하게 하고 있다.

고안된 회로도배열로 자동적용 목적, 대량생산조건 및 차량계기화에 적합한 원가표준을 감안함으로서 자장센서의 실현을 가능케 하는 해결방안이 발견되었다. 특히 이러한 회로배열로 용이하게 구체화될 수 있는 차이측정조치에 의하여 광범위한 온도범위에 걸쳐서 안정한 가장측정의 과제가 이와 같은 방법으로 해결되었다.

Claims (5)

1. 인덕턴스가 지자계(H_E)에 의하여 제어가 될 수 있는 강자성 금속코어를 가진 1차코일(2)로 형성되는 자장기장센서에 있어서,

   본 코일(2)의 인덕턴스는 발진기(1)의 부분이며 그의 동작범위는 금속코어의 지속적인 독자적 자화에 의하여 결정되는 것으로,

   a) 1차 코일(2)에 작용하는 자장(H_E)에 의하여 발생되는 발진주파수(fo_SZ)의 편차는 외부의 영향을 받지 않는 발진기의 진동반응에 해당되는 표준치(f_soll)로부터 조정장치에 의해 제어되어서 발진기(1)의 인덕턴스는 보다 광범위하게 제어 가능한 자장에 의하여 영향을 받으며 이때 이러한 제어자기장은 제 2의 관류코일(3)에 의하여 발생되며 그의 전류(I)는 조정장치에 의하여 제 2 차 코일(3)에 의하여 생성된 자장이 제 1차 코일(2)에 작용하는 자장(H_E)의 작용을 완전히 보상해주며,

   b) 제 2 차 코일(3)을 통하는 전류(I)의 방향은 이 코일(3)의 접속라인에 있으며 각기 동시에 제어논리(8)에 의하여 작동되고 보다 놓은 주파수로 극히 전환되고 항시 측정할 자장(H_E)의 장 방향이 변하며,

   c) 그의 각 크기(11)과 (12)의 두 전류유동방향 및 두 크기의 차이(I₁- I₂)에 대한 측정할 자장이 존재하는 경우 항시 측정할 자장(H_E)에 비례하는 단위 장의 세기 값이 산출되는 것을 특징으로 하는 자기장센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   제어장치는 대체로 정합전자장치, 주파수-전압변환기(5), 차감부(6)와 조정기(7)로 구성되어 있는 바 발진주파수(fo_sz)는 정합전자장치(4)와 주파수전합변환기(5)를 거쳐서 조정기(7)에 전달되며 이것은 발진주파수의 이에 대하여 정해진 차이와 대비 조정장치에 저장된 표준치(f_soll)와 순간발진주파수(fo_sz)의 차감부(6)에서 행해진 비교에 의하여 제 2 차 코일(3)의 작동전류(I)에 영향을 주어서 제 2 차 코일(3)의 자기장변화에 의한 순간발진주파수(fo_sz)를 그의 표준치(f_soll)로 환원시켜주는 것을 특징으로 하는 자기장센서.
3. 전항들중 어느 하나의 항에 있어서,

   발진기(1)의 작동점 조정은 제 2 차 코일(3)의 전류에 의하여 발생되는 자기장에 의하여 행해지는데 이때 표준작동주파수(f_s)로 표시된 발진기(1)의 작동점에 도달하기 위하여 자장(H_E)이 없을 때 소요되는 제어전류의 크기는 제 2 코일(3)의 작동전류의 기본값을 정해주는 것을 특징으로 하는 자기장센서.
4. 전항들중 어느 하나의 항에 있어서,

   제 1 차 코일(2) 위에 보상권선(3)이 감기는 것을 특징으로 하는 자기장센서.
5. 전항들중 어느 하나의 항에 있어서,

   발진기(1)와 그의 인덕턴스(2)간의 전류조정에서 제어장치(13)에 의하여 동조되어 작동하는 스위치(14a)와 (14b)가 설치되어 있어서 이것이 발진기(1)의 기생전류부분을 제거하기 위하여 전류(Io)의 방향이 발진기 코일(2)에 의하여 주기적으로 변조하는 것을 특징으로 하는 자기장센서.