KR200355936Y1 - 역학 센서의 구동회로 - Google Patents

Abstract

본 고안은 역학 센서의 구동회로에 관한 것으로서 입력되는 전원 전압에서 노이즈를 제거하며 서지전압(surge voltage) 또는 역전압에 의한 손상을 방지하는 전원입력부와, 상기 전원입력부에서 출력된 상기 전원 전압을 일정한 정전압으로 변화 및 유지시키는 정전압부와, 휘스톤 브리지로 접속된 다수 개의 저항으로 구성되어 상기 정전압을 외부에서 인가되는 물리량의 변화에 의해 저항 값이 변하여 미소 전압으로 변화시키는 감지부와, 상기 정전압부에서 출력되는 상기 정전압을 구동 전압으로 사용하여 상기 감지부에서 출력되는 미소 전압을 증폭하여 출력하는 증폭부와, 상기 정전압부에서 출력되는 상기 정전압을 구동 전압으로 사용하여 상기 증폭부에서 출력되는 전압을 전류로 출력하는 전압전류변환부를 구비한다. 따라서, 전원입력부에 인가되는 전원 전압이 변하여도 증폭부 및 전압전류변환부의 증폭비 및 소비 전류가 균일하므로 감지부에 인가되는 외부 물리량의 크기를 정확하게 측정할 수 있으며, 또한, 전원입력부의 전단에 별도의 정전압회로가 필요하지 않으므로 회로가 단순해지고 생산 원가가 감소된다.

Description

역학 센서의 구동회로{Driving circuit for mechanical sensor}

본 고안은 역학 센서의 구동회로에 관한 것으로서, 특히, 저항체가 휘스톤 브릿지(Wheatstone bridge) 구성을 이루어 압력, 액위(液位), 가속도 또는 중량 등의 물리량의 크기를 측정할 수 있는 역학 센서의 구동회로에 관한 것이다.

역학 센서, 즉, 압력 센서, 레벨 센서 또는 하중 센서 등은 압력, 액위(液位) 또는 중량 등의 물리량을 감지하여 전기 신호로 변환시키는 것에 의해 이 물리량의 크기를 측정한다. 역학 센서는 자동차, 선박, 항공·우주장비, 의료 장비, 대기·수질 등의 환경측정장비, 군사 장비 등 광범위한 분야에 필수적인 핵심 부품으로 사용되고 있다. 또한, 역학 센서는 산업용 로보트, 공장 자동화 및 정밀 계측장비 등에 채택되어 산업 전반에 걸친 다양한 응용 분야에 사용되고 있다. 특히, 역학 센서는 기계식 및 전기식에서 탈피해 최근 반도체 집적화기술 또는 미세가공기술과 결합해 고성능화 및 초소형화될 뿐만 아니라 대량 생산이 가능하여 가격이 낮아지고 있는 추세이다.

도 1은 종래 기술에 따른 역학 센서의 구동회로의 블럭도이다.

종래 기술에 따른 역학 센서는 전원입력부(11), 정전압부(13), 감지부(15), 증폭부(17) 및 전압전류변환부(19)를 포함한다.

상기에서 전원입력부(11)는 전원 전압단(Vin+)을 통해 입력되는 전원 전압에서 기생 노이즈 및 고주파 노이즈를 제거하여 회로의 오동작을 방지한다. 상기에서 전원 전압은 10 ∼ 32V 사이의 소정 전압, 즉, 10V, 12V, 15, 18V, 24V 및 32V의 전압 중 소정의 어느 하나의 전압이 용도에 따라 교정 전압으로 정해져 공급된다. 상기에서 교정 전압은 후술하는 전압전류변환부(19)이 4 ∼ 20mA 사이의 전류를 출력하도록 설정된다. 또한, 전원입력부(11)는 전원 전압 보다 큰 서지전압(surge voltage) 또는 역전압이 인가될 때 내부 회로가 손상되는 것을 방지한다.

정전압부(13)는 전원입력부(11)에서 출력된 저주파 및 고주파 노이즈가 제거된 전원 전압을 소정 전압, 예를 들면, 5V의 전압으로 변화시키고 일정하게 유지시킨다.

감지부(15)는 휘스톤 브리지(Wheatstone bridge)로 접속된 다수 개의 저항으로 구성되는데, 이 다수 개의 저항은 인가되는 외부의 물리량을 감지하여 저항 값이 변하게 된다. 그러므로, 감지부(15)는 저항 값의 변화에 따라 입력되는 소정의 정전압을 미소 전압으로 변화시켜 출력한다.

증폭부(17)는 전원입력부(11)에서 출력되는 전원 전압을 사용하여 감지부(15)에서 출력되는 미소 전압을 증폭하여 출력한다.

전압전류변환부(19)는 증폭부(17)에서 출력되는 전압을 증폭하여 0.5V ∼ 4.5V를 출력시키고, 출력된 이 전압을 전원입력부(11)에서 출력되는 전원 전압을 구동 전압으로 사용하여 증폭부(17)에서 출력되는 전압을 전류로 변환하여 출력한다.

상기에서 전압전류변환부(19)는 4 ∼ 20mA 사이의 전류를 출력하는데, 4mA는 감지부(15) 및 증폭부(17)의 최소구동전류인 옵셋(offset) 전류이며, 변화되는 전류 0 ∼ 16mA는 출력(span) 전류로서 감지 신호를 전송하는 것이다. 상기에서 전압전류변환부(19)에서 출력되는 전류의 변화량으로 감지부(15)에 인가되는 외부의 물리량의 크기를 측정하는데, 출력되는 전류가 4mA이면 감지부(15)에 물리량이 인가되지 않는 것이고, 20mA이면 감지부(15)에 최대의 물리량이 인가되는 것이다.

상술한 바와 같이 종래 기술에 따른 역학 센서의 구동회로에 있어서 전원입력부에 인가되는 전원 전압은 10 ∼ 32V 사이의 소정 전압, 즉, 10V, 12V, 15, 18V, 24V 및 32V의 전압 중 어느 하나가 용도에 따라 교정 전압으로 정해져 전원공급부에 입력되는데, 이 전원 전압이 증폭부 및 전압전류변환부에도 그대로 공급되어 이 회로를 동작시킨다.

종래의 다른 기술에 따른 역학 센서의 구동회로는 전원입력부의 전단에 별도의 정전압회로를 설치하여 증폭부 및 전압전류변환부에 안정된 교정 전압을 공급한다. 그러므로, 증폭부 및 전압전류변환부의 증폭비 및 소비 전류가 변화되는 것이 방지되어 감지부에 인가되는 물리량의 크기를 정확하게 측정할 수 있다.

그러나, 종래 기술에 따른 역학 센서의 구동회로는 전원입력부에 인가되는 전원 전압이 변화되면 증폭부 및 전압전류변환부의 증폭비 및 소비 전류가 변화되며, 이에 의해 전압전류변환부에서 변환 출력되는 전류량이 변하게 되므로 감지부에 인가되는 물리량의 크기를 정확히 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 종래 다른 기술에 따른 역학 센서의 구동회로는 전원입력부의 전단에 별도의 정전압회로가 설치되므로 회로가 복잡해질 뿐만 아니라 생산 원가가 증가되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 고안의 목적은 전원 전압이 변화되어도 증폭부 및 전압전류변환부에서 증폭비 및 소비 전류를 균일하게 하여 감지부에 인가되는 외부 물리량의 크기를 정확하게 측정할 수 있는 역학 센서의 구동회로를 제공함에 있다.

본 고안의 다른 목적은 별도의 정전압회로를 설치하지 않고 내부의 정전압부에 의해 증폭부 및 전압전류변환부가 구동되도록 하므로써 회로가 단순해지고 생산원가가 감소될 수 있는 역학 센서의 구동회로를 제공함에 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 역학 센서의 구동회로의 블럭도.

도 2는 본 고안에 따른 역학 센서의 구동회로의 블럭도.

도 3은 도 2의 상세 회로도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21 : 전원입력부 23 : 정전압부

24 : 정전압IC 25 : 감지부

27 : 증폭부 29 : 전압전류변환부

상기 목적들을 달성하기 위한 본 고안에 따른 역학 센서의 구동회로는 입력되는 전원 전압에서 노이즈를 제거하며 서지전압(surge voltage) 또는 역전압에 의한 손상을 방지하는 전원입력부와, 상기 전원입력부에서 출력된 상기 전원 전압을 일정한 정전압으로 변화 및 유지시키는 정전압부와, 휘스톤 브리지로 접속된 다수개의 저항으로 구성되어 상기 정전압을 외부에서 인가되는 물리량의 변화에 의해 저항 값이 변하여 미소 전압으로 변화시키는 감지부와, 상기 정전압부에서 출력되는 상기 정전압을 구동 전압으로 사용하여 상기 감지부에서 출력되는 미소 전압을 증폭하여 출력하는 증폭부와, 상기 정전압부에서 출력되는 상기 정전압을 구동 전압으로 사용하여 상기 증폭부에서 출력되는 전압을 전류로 출력하는 전압전류변환부를 구비한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 고안에 따른 역학 센서의 구동회로의 블럭도이다.

본 고안에 따른 역학 센서의 구동회로는 전원입력부(21), 정전압부(23), 감지부(25), 증폭부(27) 및 전압전류변환부(29)를 포함한다.

상기에서 전원입력부(21)는 전원 전압단(Vin+)을 통해 입력되는 전원 전압에서 저주파 및 고주파 노이즈를 제거하여 회로의 오동작을 방지한다. 상기에서 전원전압은 10 ∼ 32V 사이의 소정 전압, 즉, 10V, 12V, 15, 18V, 24V 및 32V의 전압 중 소정 어느 하나의 전압이 용도에 따라 교정 전압으로 정해져 공급된다. 또한, 전원입력부(21)는 전원 전압 보다 큰 서지전압(surge voltage) 또는 역전압이 인가될 때 내부 회로가 손상되는 것을 방지한다.

정전압부(23)는 전원입력부(21)에서 출력된 저주파 및 고주파 노이즈가 제거된 전원 전압을 소정 전압, 예를 들면, 5V의 정전압으로 변화시킨다.

감지부(25)는 다이아프램(도시되지 않음) 상에 형성된 휘스톤 브리지로 접속된 다수 개의 저항으로 구성되는데, 이 다수 개의 저항은 외부에서 인가되는 압력, 액위(液位), 가속도 또는 중량 등의 물리량을 감지하여 저항 값이 변하게 된다. 그러므로, 감지부(25)는 저항 값의 변화에 따라 정전압부(23)로 부터 입력되는 정전압을 미소 전압으로 변화시켜 출력한다.

증폭부(27)는 정전압부(23)로 부터 출력되는 정전압을 구동 전압으로 사용하여 감지부(25)에서 출력되는 미소 전압을 증폭하여 출력한다. 증폭부(27)는 정전압을 구동 전압으로 사용하므로 전원입력부(21)에 인가되는 전원 전압이 소정 교정 전압에서 10 ∼ 32V 사이의 다른 전압 값으로 변화되어도 구동 전류가 일정하게 된다. 또한, 증폭부(27)가 정전압을 구동 전압으로 사용하므로 증폭비가 변하지 않고 일정하게 되어 감지부(25)에서 출력되는 미소 전압을 일정하게 증폭시킨다.

정전압부(23)에서 출력되는 정전압을 구동 전압으로 사용하여 상기 증폭부(27)에서 출력되는 전압을 전류로 변환하여 출력한다. 상기에서 전압전류변환부(29)는 증폭부(27)에서 출력되는 전압을 증폭하여 0.5V ∼ 4.5V를 출력시키고, 출력된 이 전압을 정전압부(23)에서 출력되는 정전압을 구동 전압으로 사용하여 전류로 변환하여 출력한다. 이 때, 전압전류변환부(29)는 정전압을 구동 전압으로 사용하므로 전원입력부(21)에 인가되는 전원 전압이 소정의 교정 전압에서 10 ∼ 32V 사이의 다른 전압 값으로 변화되어도 증폭부(27)에서 출력되는 전압을 균일한 비율로 증폭하며 구동 전류가 변하지 않고 일정하게 된다. 상기에서 증폭된 전압이0.5V 정도가 되면 감지부(25)에서 최소 물리량이 감지된 상태이고, 4.5V 정도가 되면 감지부(25)에 최대 물리량이 감지된 상태이다.

상기에서 전압전류변환부(29)는 0.5V ∼ 4.5V의 전압을 4 ∼ 20mA사이의 전류로 변환하여 출력하는데, 4mA는 감지부(25) 및 증폭부(27)의 최소구동전류인 옵셋(offset) 전류이며, 변화되는 전류 0 ∼ 16mA는 출력(span) 전류로서 감지 신호를 전송하는 것이다. 상기에서 전압전류변환부(29)에서 출력되는 전류의 변화량으로 감지부(25)에 외부에서 인가되는 물리량의 크기를 측정하는데, 출력되는 전류가 4mA이면 감지부(25)에 물리량이 인가되지 않는 것이고, 20mA이면 감지부(25)에 최대의 물리량이 인가되는 것이다.

도 3은 도 2의 상세 회로도이다.

상기에서 전원입력부(21)는 전원 전압단(Vin+)을 통해 전원 전압이 10 ∼ 32V 사이의 전압, 즉, 10V, 12V, 15, 18V, 24V 및 32V의 전압 중 소정의 어느 하나의 전압이 용도에 따라 교정 전압으로 정해져 공급된다. 전원입력부(21)는 전원 전압단(Vin+)(Vin-)과 접지단 사이에 고역필터로 사용되는 커패시터(C1)(C2)(C3)와 저역필터로 사용되는 커패시터(C4)가 연결된다. 상기에서 커패시터(C1)(C2)(C3)는 적층세라믹커패시터로 구성되어 전원 전압에 포함된 고주파 노이즈를 제거하고, 커패시터(C4)는 탄탈커패시터로 구성되어 전원 전압에 포함된 저주파 노이즈를 제거한다.

그리고, 전원 전압단(Vin+)(Vin-) 사이에 제너다이오드(ZD)가 연결되며, 전원 전압단(Vin+)에 다이오드(D)가 연결된다. 상기에서 제너다이오드(ZD)는 전원 전압 보다 큰 서지전압(surge voltage)이 입력될 때, 그리고, 다이오드(D)는 역전압 접속될 때 회로가 손상되는 것을 방지한다.

정전압부(23)는 N채널형 전계효과트랜지스터(FET)와 정전압IC(24)로 구성된다. 상기에서 정전압IC(24)은 전원입력부(21)에서 출력된 전원 전압을 소정 전압, 예를 들면, 5V의 정전압으로 출력한다. 상기에서 전계효과트랜지스터(FET)는 구동시 온도 변화가 작으므로 5V의 정전압을 안정되게 유지시킨다.

감지부(25)는 다이아프램(도시되지 않음) 상에 형성된 휘스톤 브리지로 접속된 다수 개의 저항(R1)(R2)(R3)(R4)으로 구성된다. 상기에서 다이아프램은 외부에서 인가되는 압력, 액위(液位), 가속도 또는 중량 등의 물리량에 의해 변형되며, 이에 의해, 다수 개의 저항(R1)(R2)(R3)(R4)도 변형되어 저항이 변하게 된다. 그러므로, 다수 개의 저항(R1)(R2)(R3)(R4)은 정전압IC(24)으로 부터 입력되는 5V의 정전압을 미소 전압으로 변화시켜 출력한다.

증폭부(27)는 제 1 증폭기(OP1)와 저항(R5)(R6)으로 구성된다. 상기에서 제 1 증폭기(OP1)는 감지부(25)에서 출력되는 미소 전압을 정전압부(23)에서 출력되는 5V의 정전압을 구동 전압으로 사용하여 증폭하여 출력한다. 상기에서 제 1 증폭기(OP1)는 5V의 정전압을 구동 전압으로 사용하므로 전원 전압이 소정 교정 전압에서 10 ∼ 32V 사이의 다른 전압 값으로 변화되어도 감지부(25)에서 출력되는 미소 전압의 증폭비가 일정하고 구동전류가 일정하게 된다.

전압전류변환부(29)는 제 2 증폭기(OP2), 저항(R7)(R8)(R9)(R10)(R11)(R12) (R13) 및 트랜지스터(Tr)로 구성된다. 상기에서 제 2 증폭기(OP2)는 감지부(27)에서 출력되고 저항(R7)에 의해 레벨이 강하된 전압을 증폭한다. 제 2 증폭기(OP2)는 5V의 정전압을 구동 전압으로 사용하므로 저항(R7)에 의해 레벨이 강하된 전압을 최소 0.5V에서 최대 4.5V로 증폭하여 출력한다. 이 때, 제 1 증폭기(OP1)에서 출력되는 전압이 0.5V 정도이면 감지부(25)에서 최소 물리량이 감지된 상태이고, 4.5V정도이면 감지부(25)에 최대 물리량이 감지된 상태이다.

상기에서 저항(R8)은 제 2 증폭기(OP2)이 0.5V로, 저항(R7)은 이 제 2 증폭기(OP2)이 4.5V로 출력되게 조절된다. 상기에서 저항(R9)은 전원 전압단(Vin-)의 전압을 피드백(feedback)시키는 저항이고, 저항(R10)은 제 2 증폭기(OP2)의 바이어스 저항으로써 저항(R13)에 의해 전압 강하된 전압을 입력한다. 상기에서 제 2 증폭기(OP2)는 5V의 정전압을 구동 전압으로 사용하므로 전원 전압이 소정 교정 전압에서 10 ∼ 32V사이의 다른 전압 값으로 변화되어도 전압의 증폭비가 일정하게 된다.

그리고, 트랜지스터(Tr)는 제 2 증폭기(OP2)에서 증폭되어 출력되는 전압을 전류로 변환하여 출력한다. 상기에서 저항(R11)은 파워-업(power-up) 및 과도 전압이 인가될 때 발생되는 과도 전류가 트랜지스터(Tr)의 베이스로 입력되는 것을 제한한다. 그리고, 저항(R12)은 전원 전압이 최소일 때 최대 전류 20mA가 흐르도록 설계되는 것으로 파워-업(power-up) 및 과도 전압이 인가될 때 발생되는 과도 전류로 부터 트랜지스터(Tr)를 보호한다.

트랜지스터(Tr)는 저항(R11)과 저항(R12)을 통해 흐르는 전류의 합이 저항(R13)에 흐른다. 상기에서 저항(R13)을 통해 4 ∼ 20mA 사이의 전류가 대부분흐르는데, 여기에서 4mA는 감지부(25) 및 증폭부(27)를 동작시키는 옵셋(offset) 전류이며, 변화되는 전류 0 ∼ 16mA는 출력(span) 전류로서 감지 신호를 전송하는 것이다. 상기에서 저항(R13)을 통해 4mA의 전류가 흐르면 감지부(25)에 물리량이 인가되지 않는 것이고, 20mA의 전류가 흐르면 감지부(25)에 최대의 물리량이 인가되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 고안에 따른 역학 센서의 구동회로는 전원입력부의 전단에 별도의 정전압회로를 설치하지 않고 내부의 정전압부에서 출력되는 정전압으로 증폭부 및 전압전류변환부를 구동하여 감지부에 인가되는 외부 물리량의 크기를 측정한다.

이상에서 설명한 본 고안은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

따라서, 본 고안은 전원입력부에 인가되는 전원 전압이 변하여도 증폭부 및 전압전류변환부의 증폭비 및 소비 전류가 균일하므로 감지부에 인가되는 외부 물리량의 크기를 정확하게 측정할 수 있는 잇점이 있다. 또한, 전원입력부의 전단에 별도의 정전압회로가 필요하지 않으므로 회로가 단순해지고 생산 원가가 감소되는 잇점이 있다.

Claims (1)

1. 입력되는 전원 전압에서 노이즈를 제거하며 서지전압(surge voltage) 또는 역전압에 의한 손상을 방지하는 전원입력부와,

   상기 전원입력부에서 출력된 상기 전원 전압을 일정한 정전압으로 변화 및 유지시키는 정전압부와,

   휘스톤 브리지로 접속된 다수 개의 저항으로 구성되어 상기 정전압을 외부에서 인가되는 물리량의 변화에 의해 저항 값이 변하여 미소 전압으로 변화시키는 감지부와,

   상기 정전압부에서 출력되는 상기 정전압을 구동 전압으로 사용하여 상기 감지부에서 출력되는 미소 전압을 증폭하여 출력하는 증폭부와,

   상기 정전압부에서 출력되는 상기 정전압을 구동 전압으로 사용하여 상기 증폭부에서 출력되는 전압을 전류로 출력하는 전압전류변환부를 구비하는 역학 센서의 구동회로.