KR20040056216A - 자기변형물질 및 압전체를 이용한 회전수 검출센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기변형물질 및 압전체를 이용한 회전수 검출센서에 관한 것으로서, 자석, 회전수 검출부, 자기집속부 및 출력부를 포함하며, 상기 회전수 검출부는 기계적 응력을 받아서 전기적 신호를 발생시키는 압전체와, 상기 압전체에 부착되고, 통과되는 자기장에 따라 길이 방향으로 변형을 일으키는 자기변형물질로 구성됨으로써, 이러한 구성을 갖는 센서의 경우 전기적 부품을 개입하지 않아도 되므로 기존의 센서류와는 달리 동작온도범위의 제한이 적어 자동차 엔진 등의 고온 회전수 측정 분야에 적합한 특성을 지니며 센서의 구동을 위한 전원이 불필요한 장점을 지닌다.
Description
본 발명은 자기변형물질 및 압전체를 이용한 회전수 검출센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 인가되는 자장에 따라 형상의 변형을 일으키는 자기변형물질과 기계적 응력을 받아서 전기적 신호를 발생시키는 압전체를 사용하여, 회전운동중인 축에 부착된 기어 및 센서 내부의 자석의 위치변화에서 발생하는 자장변화를 압전체 출력으로 변환하여 외부에서 측정이 가능하게 함으로써, 외부에서 센서의 구동을 위한 전원을 공급하지 않아도 회전수의 측정이 가능하며, 특히 자장검출부위가 기계적인 반응을 나타내므로 외부 잡음 유입에 강한 특성을 갖는 자기변형물질 및 압전체를 이용한 회전수 검출센서에 관한 것이다.
자동차 및 기계분야에서 회전축의 회전수를 측정하는 것은 기본적인 기계의 운동상태를 측정하기 위한 필수적인 측정값이다. 이러한 회전수의 측정방법에는 매우 다양한 방법이 고안되어 있는데, 주로 사용되는 것은 광학식 엔코더를 축에 부착하여 축의 회전수에 해당하는 펄스(pulse)를 얻어 측정하는 방법으로서, 이는 특히 로봇 등의 운용분야에서는 필수적으로 사용되고 있으며, 측정 정밀도가 매우 우수한 장점이 있다. 그러나, 이러한 광학식 엔코더는 고속으로 회전하는 축에는 설치하기가 어려우며 구조에 따라 부품가격이 매우 비싸다는 문제점을 지니고 있다. 또한, 고온에서 동작이 어려우므로 자동차 엔진부 등의 고온회전체에는 적용이 거의 불가능한 단점을 지니고 있다.
따라서, 고온 측정분야에는 상기한 광학식 엔코더 대신에 자기센서를 이용한 회전수 측정용 센서, 픽업코일(pick up coil) 등이 주로 사용되어 왔다. 이들 방식은 회전축에 부착된 기어와 센서 쪽에 부착된 자석을 이용하는 것으로, 즉, 회전하는 기어 이빨부분이 자석에 근접하는 경우 센서에 인가되는 자장이 증가하는 현상을 이용하여 기어이빨이 지나가는 경우에 자기센서 및 픽업코일에 출력이 나타나게 하여 회전수를 검출하는 방법이다. 이러한 두 가지 방법 중 픽업코일의 경우는크기가 크고 정확한 외부 유입 노이즈 등에 반응하므로 정확한 회전수를 얻기 어려운 문제점이 있으며, 자기센서를 이용한 회전수 측정용 센서의 경우에도 자기센서의 구동을 위한 별도의 전원을 확보하여야 하므로 배선이 증가하는 문제점을 지니고 있다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 더욱 효율적으로 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 그 목적은 고온회전체에 적용가능하며, 외부 유입 노이즈에 대하여 강한 특성을 나타내고 외부에서 센서의 구동을 위한 전원을 별도 공급하지 않아도 회전수 측정이 가능한 회전수 검출센서를 제공하고자 하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 자기변형물질 및 압전체를 이용한 교류자계 검출장치의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 회전수 검출센서의 개략적인 구성도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 자석 20 : 회전수검출부
22 : 자기변형물질 24 : 압전체
26 : 압전체 전극 30 : 자기집속부
40 : C/V 변환기 50 : 출력부
100: 센서
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전체의 회전수를 측정하기 위한 회전수 검출센서는, 회전체의 회전에 따라 자기장의 방향을 달리하는 자석과; 상기 자석과 회전체 사이에 설치되어, 통과되는 자기장의 변화를 감지하고, 그 변화를 전기적 신호로 변환시키는 회전수 검출부와; 상기 회전수 검출부와 회전체 사이에 설치되어, 상기 회전수 검출부에 대한 자기장의 통과를 유도하기 위한 자기집속부와; 상기 회전수 검출부로부터 전기적 신호를 입력받아서, 상기 회전체의 회전수를 출력하는 출력부를 포함하고, 상기 회전수 검출부는 기계적 응력을 받아서 전기적 신호를 발생시키는 압전체와, 상기 압전체에 부착되고, 통과되는 자기장에 따라 길이 방향으로 변형을 일으키는 자기변형물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 회전수 검출센서에 있어서, 상기 압전체는 피지티-5(PZT-5)계열의 재질이고, 상기 자기변형물질은 터피놀-디(Terfenol-D) 재질로 만들어지는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 자기변형물질 및 압전체를 이용한 회전수 검출 센서에 대해 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보지만, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 회전수 검출센서는 자석(10), 회전수 검출부(20), 자기집속부(30) 및 출력부(50)를 포함하도록 구성되어 있는 것으로서, 특히 상기 회전수 검출부(20)는 자기변형물질(22) 및 압전체(24)를 포함하도록 구성된다.
도 1a 및 도 1b는 자기변형물질 및 압전체를 이용한 교류자계 검출장치의 개략적인 구성도로서, 도 1a는 무자계의 경우의 상태를 나타내는 것이고 도 1b는 자장인가 경우의 상태를 나타내는 것이다. 도시된 바와 같이, 기계적인 응력을 받아서 전기적 신호를 발생시키는 압전체(24)에 자기변형물질(22)이 부착되는 형태를 가지는 것으로, 상기 자기변형물질은 외부에서 인가되는 자장에 대하여 종방향 또는 횡방향의 길이 형상이 변화하게 된다.
이러한 구조는 회전축에 부착된 기어와 센서쪽의 자석에 의해 발생하는 자장의 변화량을 자기변형물질(22)의 길이방향의 변화분으로 나타나게 하고, 이러한 길이방향의 변화분이 압전체(24)에 인장력 또는 압축력 등의 기계적 힘으로 작용되게 하여, 결국 압전체에 인가된 기계적인 힘은 압전체 외부로 전기적인 출력을 나타내게 되는데, 이때 나타나는 전기적 출력은 회전축의 기어 및 센서의 자석에 의한 자장 변동분 즉 회전수에 대응되는 펄스형태의 전기적 신호를 나타내게 된다. 이러한 구성을 갖는 회전수 검출센서는 자장에 의한 변형력이 결국 압전체의 출력으로 나타나므로 외부에서 센서의 구동을 위한 전원을 공급하지 않아도 회전수의 측정이 가능한 장점을 나타내며 특히 자장검출부위가 기계적인 반응을 나타내므로 외부 잡음 유입에 강한 특성을 나타낼 수 있게 된다.
본 발명에서 자기변형물질(22)로는 자장에 대하여 종방향 및 횡방향의 길이가 변화하는 특성을 지닌 터피놀-디(Terfenol-D) 재질의 것을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상기 터피놀-디는 자장에 대하여 그 형상이 변화하는 금속물질로 기존의 금속과 달리 투자율 및 자화 정도가 변화하는 것이 아닌 그 형상이 변화하는 특성을 지니고 있다. 본 발명에서는 횡방향의 길이 변화를 일으키는 터피놀-디를 직경 5∼15㎜이고 두께 0.1∼0.5㎜인 디스크 형상으로 하여 압전체와 부착하여 사용하였다. 이때 부착되는 압전체는 피지티-5(PZT-5) 계열 재질의 것을 사용하는 것이 가장 바람직하며, 터피놀-디와 동일한 형상으로 가공하여 사용한다.
한편, 도 2는 본 발명의 회전수 검출센서의 개략적인 구성도로서, 도 1의 압전체(24)와 그에 부착된 자기변형물질(22)을 포함하도록 구성된 회전수 검출부(20)가 자석(10)과 회전체 사이에 설치되며, 상기 회전수 검출부와 회전체 사이에 회전수 검출부에 대한 자기장의 통과를 유도하는 자기집속부(Magnetic concentrator; 30)가 설치되고, 출력부(40)가 구비되어 있어, 상기 회전수 검출부(20)로부터 전기적 신호를 입력받아서 상기 회전체의 회전수를 출력함으로써 회전체의 회전수를 측정할 수 있게 된다. 이때 사용된 자기집속부(30)는 투자율이 매우 높은 물질을 사용해야 하는데, 본 발명에서는 투자율이 100,000 정도로 나타나는 유-메탈(u-metal)을 사용하는 것이 자장의 집속 효과를 높이는 데 바람직하다.
이러한 구조를 갖는 본 발명의 회전수 검출센서의 원리는, 회전축에 설치된 기어이빨이 지나가게 되면 자석에서 발생하는 자장이 자기집속부(30)를 통해 집중되며 결과적으로 기어이빨이 지나가지 않는 상태에 대하여 더 높은 자장이 인가되는 결과를 발생하게 되므로 자기변형물질(22)의 형상이 변화하여 압전체(24)의 출력이 나타나게 되고, 이때 압전체에서 나타나는 출력은 용량성 변화이므로 외부에서 C/V 변환회로(40)를 통해 압전체의 용량변화를 측정하면 회전수에 대응되는 펄스신호를 얻게 되어 회전수 측정이 가능하게 된다.
이상에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 자기변형물질 및 압전체를 이용한 회전수 검출센서는 자장의 변화를 압전체에 인가되는 힘으로 바꾸어 자장에 비례하는 압전체 출력을 얻도록 하고, 이를 이용하여 회전운동 중인 축에 부착된 기어 및 센서 내부의 자석의 위치변화에서 발생하는 자장변화를 압전체 출력으로 변환함으로써, 전기적 부품을 개입하지 않아도 되므로 기존의 센서류와는 달리 동작온도범위의 제한이 적어 자동차 엔진 등의 고온 회전수 측정 분야에 적합한 특성을 지니며 센서의 구동을 위한 전원이 불필요한 장점을 지닌다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (2)
- 회전체의 회전수를 측정하기 위한 회전수 검출센서에 있어서,상기 회전체의 회전에 따라 자기장의 방향을 달리하는 자석과;상기 자석과 회전체 사이에 설치되어, 통과되는 자기장의 변화를 감지하고, 그 변화를 전기적 신호로 변환시키는 회전수 검출부와;상기 회전수 검출부와 회전체 사이에 설치되어, 상기 회전수 검출부에 대한 자기장의 통과를 유도하기 위한 자기집속부와;상기 회전수 검출부로부터 전기적 신호를 입력받아서, 상기 회전체의 회전수를 출력하는 출력부를 포함하고,상기 회전수 검출부는 기계적 응력을 받아서 전기적 신호를 발생시키는 압전체와, 상기 압전체에 부착되고, 통과되는 자기장에 따라 길이 방향으로 변형을 일으키는 자기변형물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기변형물질 및 압전체를 이용한 회전수 검출센서.
- 제 1항에 있어서,상기 압전체는 피지티-5(PZT-5) 계열의 재질이고, 상기 자기변형물질은 터피놀-디(Terfenol-D) 재질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 자기변형물질 및 압전체를 이용한 회전수 검출센서.
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Cited By (3)
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| KR100854929B1 (ko) * | 2003-12-31 | 2008-08-27 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 마그네트 회전수 측정 시스템 |
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