KR20050006699A - 임피던스변화를 이용하는 지자기센서의 구동회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임피던스의 변화를 이용하는 고감도 자기센서의 신호처리를 위한 구동회로에 관한 것으로서, 연자성이 우수하며 외부자계나 기계량의 변화에 의해서 임피던스가 변화하는 자기센서의 임피던스의 변화에 따른 출력전압으로부터 외부에서 인가된 자계나 기계량을 검출하는 자기센서를 구동하는 회로를 제공하기 위해서, 검파기 혹은 로우패스필터와 증폭기를 적절한 방법으로 구성시켜서 센서시스템의 성능을 향상시키는 방법과 이러한 방법으로 제작되는 자기센서용 구동회로에 관한 것이다.

Description

임피던스변화를 이용하는 지자기센서의 구동회로{Driving circuit of geomagnetic field sensors using their impedance change}

본 발명은 외부에서 가해지는 자계나 기계량를 검출하는 자기센서의 구동회로에 관한 것으로, 특히 지구자계와 같이 비교적 미약한 자계를 높은 분해능으로 검출하거나 미소한 스트레인, 가속도, 압력 등의 기계량을 고감도, 고분해능으로 검출할 수 있는 임피던스변화형 자기센서의 구동회로에 관한 것이다.

연자성이 우수한 자성체에 표피효과가 발생할 수 있는 고주파의 전류를 통전시킬 때, 자성체의 임피던스는 투자율에 비례하게 되는데, 이 때 투자율은 외부의 자계에 의해서 민감하게 변화하게 되고, 자기기계결합계수가 큰 자성체의 경우에는 외부에서 인가된 기계량에 의해서도 투자율이 민감하게 변화하게 되므로 임피던스의 변화를 검출할 수 있는 구동회로와의 결합을 통하여 외부자계나 기계량을 고감도, 고분해능으로 측정할 수 있는 자기센서시스템을 구현할 수 있다. 이러한 센서는, 주로 미소가공한 자성체박막이나 리본, 그리고 와이어의 형태로 구성되며, 직렬의 전기저항과 인덕턴스의 회로소자값을 가지게 된다. 이러한 센서에서, 외부자계나 기계량에 대한 검출능력을 극대화시키기 위해서, 연자성 아몰퍼스나 퍼말로이 등의 연자성체를 이용하게 되고 센서의 소형화나 저가격화, 그리고 생산성을 높이기 위해서 자성체는 두께가 수 ㎛정도인 박막이나 수십 ㎛정도의 리본이나 직경 수십 ㎛정도의 와이어를 사용하게 된다. 이러한 형상의 금속 자성체를 사용하는 경우, 표피효과는 수MHz이상의 주파수영역에서 현저하게 나타나게 되고, 센서 구동회로 또한 수 MHz이상의 주파수영역의 신호를 처리할 수 있어야 한다. 이러한 센서의 구동회로를 구성하기 위한 일반적인 방법으로, 발진부, 브릿지부(혹은 전압분배기부), 증폭부, 검파부 혹은 로우패스필터부 등으로 회로를 구성하고, 발진부에서 발생한 고주파전압를 센서가 한 변 이상으로 이루어진 브릿지나 센서와 고정저항으로 이루어진 전압분배기에 공급하고 센서의 임피던스변화에 의해 발생하는 전압신호의 미소변화를 증폭기를 통하여 증폭한 후, 검파기 혹은 로우패스필터를 이용하여 직류성분으로 바꾸어 출력하는 방법이 사용된다. 그러나, 이 때 구동주파수가 높으므로 증폭율이 높은 증폭부의 구성이 필요한 경우, 증폭기의 증폭율과 밴드폭의 곱이 큰 증폭부를 구성하는 것이 용이하지 않다는 문제점이 있다. 즉, OP Amp.등의 능동소자를 이용하여 구동회로를 구성하는 경우, 고가의 소자를 사용하여야 하거나, 증폭부 자체의 성능 저하가 생길 수 있고, ASIC으로 구동회로를 구성하는경우, 증폭부의 설계 및 제작이 어렵다는 단점이 생긴다. 또한 센서와 고정 임피던스로 브릿지를 구성하는 경우, 센서의 인덕턴스가 변화하게 되면 브릿지의 양 출력단의 신호에서, 진폭만 변화하는 것이 아니라 위상도 변화하게 되고 증폭기에 직접 입력되는 경우에는 노이즈로 작용할 수도 있다.

이에 본 발명에서는, 임피던스변화형 자기센서의 구동회로에서, 브릿지회로나 전압분배기에서 발생하는 전압신호를 검파기 혹은 로우패스필터를 통하여 외부의 자계나 기계량에 비례하는 직류성분으로 바꾸고, 이 직류성분을 증폭함으로써 민감한 출력특성을 나타내는 회로를 구성하는 방법과 이 방법으로 제작되는 구동회로를 제공하고자 한다. 이러한 방법으로 구성된 회로를 이용하면, 증폭기에 가해지는 신호의 주파수가 고주파발진 주파수가 아니라 측정주파수이므로 증폭기 구동상에서 충분히 낮아서 증폭율을 높이는 데에 문제가 없을 뿐 아니라, 증폭부에 입력되는 신호가 직류성분이므로 위상의 차이에 의해서 발생하는 노이즈에 대한 문제도 해결될 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 제1목적은 임피던스변화형 자기센서시스템에 있어서, 증폭부의 구성을 용이하게 하며, 위상차에 의해서 발생하는 노이즈에 대한 문제를 해결하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 제2목적은 임피던스변화형 자기센서시스템의 구동회로에 있어서 능동소자 등을 이용하여 증폭부를 구성할 때, 고주파출력신호를 검파기 혹은 로우패스필터를 통하여 직류성분으로 변환시키고 증폭부를 거치게 함으로써, 저가의 OP Amp.등을 이용하여 구성함에도 불구하고 성능이 우수한 구동회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 제3목적은 임피던스변화형 자기센서시스템의 구동회로에 있어서 ASIC으로 구현할 때, 고주파출력신호를 검파기 혹은 로우패스필터를 통하여 직류성분으로 변환시키고 증폭부를 거치게 함으로써, 증폭부의 설계 및 제작이 용이한 구동회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 제4목적은 임피던스변화형 자기센서시스템에 있어서, 성능이 안정되고 저가격으로 구현할 수 있는 구동회로설계 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 제5목적은 각종 센서시스템이나 기능성 디바이스에 있어서, 고주파의 출력신호를 안정하고 용이하게 검출할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 제6목적은 다음에 기술할 형태의 자기센서시스템를 제작하는 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 회로도

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 회로도

본 발명에 따른 자계센서시스템은, 자성체(박막, 리본, 와이어)소자와 자성체소자의 임피던스변화를 검출하기 위해서 필요한 구동회로로 구성된다. 자성체소자는 아몰퍼스자성체나 퍼말로이 등 보자력이 작고 투자율이 큰 연자성체로 이루어지고 적당한 초기임피던스를 부여하기 위해서 미소가공을 한 것을 사용할 수 있으며, 통상 자계중 열처리 혹은 줄열을 이용한 열처리를 통하여 연자성을 향상시키고자기이방성을 제어할 수 있다. 상기 시스템에서, 구동회로는 자성체소자의 임피던스변화를 검출하기 위해서 인가되는 고주파신호를 발생시키는 발진부, 자성체소자의 임피던스변화에 따르는 고주파출력신호를 얻기 위한 브릿지부나 전압분배기, 브릿지회로나 전압분배기로부터 발생한 고주파출력신호를 직류로 변환시키는 검파부 혹은 로우패스필터부, 검파기 혹은 로우패스필터부에서 나오는 직류의 출력신호를 증폭시키는 증폭부로 구성된다.

본 발명의 자계센서를 이용하여 자계를 검출하는 원리는 다음과 같다.

임피던스의 변화를 검출하기에 적합한 형상을 가진 자성체패턴에, 구동회로의 발진부에서 발생시킨 자성체패턴에서 표피효과가 발생할 정도의 주파수를 가진 고주파전압 혹은 전류신호를 인가한 상태에서, 외부자계가 박막패턴에 인가되면, 박막패턴의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소됨과 동시에 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 출력전압이 증가하게 된다. 이때, 이 출력전압은 외부자계의 세기와 외부자계와 박막패턴의 길이 방향과 이루는 각도의 함수이므로, 출력전압을 읽음으로써 외부자계의 세기 및 방향을 알 수 있다. 또한, 상기 자성체패턴 중 자기기계결합계수가 큰 경우에는, 구동회로의 발진부에서 발생시킨 자성체패턴에서 표피효과가 발생할 정도의 주파수를 가진 고주파전압 혹은 전류신호를 인가한 상태에서, 스트레인이나 압력과 같은 외부의 기계량이 박막패턴에 인가되면, 박막패턴의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소됨과 동시에 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 출력전압이 증가하게 된다. 이때, 이 출력전압은 외부의 기계량의 방향과 크기에 비례하므로, 출력전압을 읽음으로써 외부에서 인가된 기계량의 크기 및 인가방향을 알 수 있다. 상기의 센서시스템에서, 자성체패턴의 임피던스, 혹은 임피던스의 변화를 검출하기 위해서는 상기의 발진부에서 발생된 고주파 전압 혹은 전류신호가 센서를 통과한 후에 얻어지는 고주파 전압신호를 적당한 크기로 증폭시키고 직류로 변환할 필요가 있다. 따라서, 상기의 센서시스템을 구성하기 위해서는 상기의 발진부이외에 증폭부와 검파부 혹은 로우패스필터부가 필요하고, 센서에서의 출력변화를 선형적으로 검출하기 위해서 센서를 포함하는 브릿지 혹은 전압분배기가 필요하게 된다. 상기의 발진부, 증폭부, 검파부 혹은 로우패스필터부, 브릿지부(혹은 전압분배기)로 상기 센서시스템의 구동회로가 구성된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 자계센서의 적합한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기센서의 구동회로도이다. 제1실시예의 구동회로는 도1에서 나타낸 것과 같이, 발진부, 브릿지부, 검파부, 증폭부로 구성되어 있다. 발진부는 오실레이터나 기타의 발진기를 사용할 수 있고, 라인드라이버를 추가적으로 배치하여 출력되는 전압신호를 안정시키고 일정크기이상의 신호를 발생시킬 수도 있으며, 자기센서의 임피던스검출을 위한 고주파전압신호를 발생시킨다. 브릿지부는 하나이상의 자기센서와 센서와의 브릿지평형을 만들기 위한 고정저항 혹은 고정임피더스소자로 구성되며, 자기센서에 인가되는 외부자계 혹은 기계량에 따라 변화하는 자기센서의 임피던스에 의존하는 양출력단의 전압차이을 유발한다. 검파부는 브릿지의 양출력단에서의 발생한 고주파전압을 직류성분으로 변환시킨다. 증폭부는 검파부에서 출력되며 센서의 임피던스에 비례하여 발생한 전압차이를 증폭하여 출력시키는 작용을 한다.

도2는 본 발명의 제2실시예에 따른 자기센서의 구동회로도이다. 도1에서의 사용한 브릿지부 대신 전압분배부를 사용한 점이 제1실시예와 다르다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 임피던스변화를 이용하는 자기센서의 구동회로에 의하면, 외부자계에 의해서 임피던스가 변화하거나 외부에서 인가되는 기계량에 의해서 임피던스가 변화하는 자기센서의 신호처리에 있어서, 능동소자를 이용하여 증폭부를 구성하는 경우에는 저가의 능동소자를 이용하여도 높은 증폭율을 얻을 수 있고, ASIC을 이용하여 증폭단을 구현하는 경우에는 설계와 제작이 용이하게 구동회로를 구성할 수 있으며, 노이즈에 강인하기 때문에 고감도, 고분해능의 자기센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 임피던스 변화형 자기센서에 있어서, 발진부와, 브릿지부 혹은 전압분배부와, 검파부 혹은 로우패스필터부와, 증폭부로 구성되며, 외부자계 혹은 기계량의 인가에 따르는 임피던스변화에 의존하는 브릿지부의 출력전압을 검파기 혹은 로우패스필터를 이용해서 직류성분으로 변환시키고, 직류성분의 출력전압을 증폭시키는 구동회로의 설계방법과 이 방법에 의해서 구성되는 지자기센서시스템