KR20060061786A - 비정질 리본과 영구자석을 이용한 자기임피던스센서 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 비정질 리본을 구조화하여 외부자계에 따라 임피던스의 변화를 나타내는 자성코어패턴과, 상기 자성코어패턴에 인접하게 설치되어 누설자속에 의해 상기 자성코어패턴에 바이어스 자계를 인가하는 영구자석과, 외부자계에 따라 변화하는 자성코어패턴의 임피던스를 전압으로 검출하기 위한 구동회로로 구성되는, 고감도, 저소비전력, 저가의 자계센서를 제공한다.

자계센서, 비정질 리본, 영구자석, 구동회로, 고감도, 저소비전력, 저가

Description

비정질 리본과 영구자석을 이용한 자기임피던스센서{Magneto-impedance sensor using amorphous ribbon and permanent magnet}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 전개도.

도2는 바이어스 자계가 인가되지 않았을 때의 자성코어패턴의 출력특성 그래프.

도3은 바이어스 자계가 인가되었을 때의 자성코어패턴의 출력특성 그래프.

※도면 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 본 발명의 일실시예에 따른 자계센서 11: 자성코어패턴

11a, 11b: 단자 12: 영구자석

본 발명은 외부자계를 높은 감도로 검출하기 위해서 제작되는 비정질 리본과 영구자석을 이용한 자기임피던스센서에 관한 것이다.

최근 휴대용 통신장치의 개발이 급속도로 진전됨에 따라 GPS신호를 이용한 위치정보에 대한 서비스가 실현 가능하게 되었다. 그러나 GPS신호만으로는 사용자 가 충분히 빠르게 이동하지 않는 한 사용자의 위치를 파악하는 것 이상의 서비스를 제공하기가 어렵다. 예를 들어, 사용자가 지도정보를 이용하여 찾아가고자 하는 위치의 방향이나 최단거리 등을 휴대용 통신장치를 통하여 알려주는 서비스를 제공하기 위해서는 GPS신호와 더불어 방위을 알 수 있도록 해주는 지자계센서의 탑재가 필수적이다.

휴대용 통신장치는 고성능화와 더불어 소형화가 같이 진척되고 있기 때문에 탑재되는 지자계센서는 고감도특성을 가짐과 동시에 소형으로 제작될 수 있어야 하고, 작은 소비전력으로 구동될 수 있어야 한다. 이러한 관점에서 소형 플럭스게이트센서가 제안되고 있으나 코일을 이용하여 자성체를 여자해야 하므로 소비전력이 크고 복잡한 구조를 가지기 때문에 제작비가 많이 든다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여, 자성체에 고주파전류를 통전시킬 때에 나타나는 표피효과가 외부자계에 의존함으로써, 임피던스가 변화하여 출력전압의 변화가 얻어지는 센서(자기임피던스센서)가 제안되고 있다. 자기임피던스센서는 기존의 플럭스게이트센서와 동등한 정도의 높은 자계분해능을 가질 뿐 아니라, 구조가 간단하여 소형화에 적합하고 생산단가도 낮다.

자기임피던스센서는 통상 자성박막 또는 자성와이어를 이용하여 제작된다. 전자는 고가의 진공장치를 사용해야 한다는 단점이 있고, 후자는 자성와이어를 융착시 자성와이어가 냉각되면서 결정화되어 취성이 증가하여 접합면이 분리되거나 접합면의 자기특성이 열화되는 문제점이 있다. 또한, 양자 모두 도체를 미소 패턴한 바이어스 코일을 이용하여, 자기임피던스의 동작점을 선형적인 영역으로 이동시 키기 위한 바이어스 자계를 인가하나, 도체를 미소 패턴하여 소형 바이어스 코일을 제작하는 것이 용이하지 않으며, 바이어스 자계를 얻기 위하여 바이어스 코일에 전류를 흘려줘야 하므로 소비전력이 크다는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는, 비정질 리본을 사용하고, 영구자석으로 바이어스 자계를 인가하는 자기임피던스 센서를 제공하고자 한다. 이러한 방법을 이용하면, 고가의 설비가 필요하지 않고, 자기특성이 열화되지 않으므로 고감도이며, 소비전력이 작은 자기임피던스 센서를 저가로 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명의 제1목적은 연자성이 우수한 비정질 리본을 구조화한 자성코어패턴과 이 자성코어패턴에 인접하게 설치되어 자성코어패턴에 바이어스 자계를 인가하는 영구자석으로 이루어지는 고감도 자기임피던스센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2목적은 비정질 리본과 영구자석을 이용한 저소비 전력의 자기임피던스센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 제3목적은 비정질 리본과 영구자석을 이용한 저가의 자기임피던스센서를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 자기임피던스센서는, Co 또는 Fe계의 연자성이 우수한 비정질 리본을 패터닝하여 얻어진 지그재그 패턴을 갖고 외부자계에 대한 감도 증가를 위해 폭방향으로 자기장 열처리되어 외부자계에 따라 임피던스 변화를 나타내는 자성코어패턴과, 상기 자성코어패턴과 동일한 크기로 이루어지며 자성코어패턴에 인 접하게 대향 설치되어 누설자속에 의해 상기 자성코어패턴에 바이어스 자계를 인가하여 자성코어패턴의 출력이 외부자계에 따라 급격하게 선형적으로 변화하는 영역으로 동작점을 이동시켜주는 판형상의 영구자석으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본원발명은 상기 외부자계에 따라 변화하는 자성코어패턴의 임피던스를 전압으로 검출하기 위한 구동회로를 더 포함할 수 있다.

상기 자성코어패턴은 연자성이 우수하며 자왜가 작은 비정질 리본으로 구성할 수 있으며, 예를 들어, Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B, Fe-Ni, Fe-Si-Al, Co-Nb-Zr, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Fe-Si-N 등의 박대 또는 박판을 사용할 수 있다. 상기 영구자석은 수 Oe의 바이어스 자계를 상기 자성코어패턴에 인가할 수 있는 것으로 구성할 수 있으며, 예를 들어, 고무자석, 자성페인트, 비디오 테이프, 오디오 테이프, 프로피 디스크, 페라이트 자석, 알니코 자석, 사마리움코발트 자석, NdFeB 자석 등을 사용할 수 있다. 상기 구동회로는 PCB 또는 ASIC 등으로 구성할 수 있다.

본 발명의 자기임피던스센서(이하 "자계센서"라 한다)를 이용하여 자계를 검출하는 원리는 다음과 같다.

자성코어패턴에, 예를들어, 고주파의 교류 정전류를 인가한 상태에서, 외부자계가 박막패턴의 길이 방향으로 인가되면, 박막패턴의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소하여 저항이 증가하고 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 출력전압이 증가하게 된다. 이때, 통상, 외부자계에 의한 센서의 출력은 외부자계가 영인 부근에서 완만하게 증가하다가, 외부자계가 증가함에 따라 급격하게 증가하는 영역을 거쳐 최대치를 나타내고 다시 감소한다. 따라서, 미약한 외부 자계를 고감도, 고선형성을 갖도록 측정하기 위하여, 상기 영구자석을 상기 자성코어패턴에 인접하게 설치하여, 이 영구자석으로부터의 누설자속을 바이어스 자계로써 상기 자성코어패턴에 인가하여, 자성코어패턴의 출력이 외부 자계에 따라 급격하게 선형적으로 변화하는 영역으로 동작점을 이동시켜 외부자계를 검출한다. 이와 같이 하면, 출력전압은 외부자계의 세기에 비례하므로 외부자계의 세기를 측정할 수 있다.

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

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1축자계센서의 주요부분을 나타내는 전개도이다.

본 발명의 실시예에 따른 자계센서(10)는 외부자계에 의해 임피던스의 변화를 나타내는 비정질 리본을 사진식각하여 제작한 자성코어패턴(11)과, 자성코어패턴(11)에 인접하게 대향 설치되어 누설자속에 의해 자성코어패턴(11)에 바이어스 자계를 인가하는 판형상의 영구자석(12)과, 자성코아패턴(11)의 외부자계에 따른 임피던스 변화를 전압신호로 검출하기 위한 구동회로(도면에 나타내지 않았다)로 구성된다. 상기 자성코어패턴은 Co-Fe-Si-B 의 조성을 갖는 비정질 리본을 사진식각 공정을 이용하여 절연기판 위에 접착 후 부식하여 구조화하였다. 또한, 자성코어패턴의 외부자계에 대한 감도를 증가시키기 위하여, 자성코어패턴을 진공중에서 자성코어패턴의 폭 방향으로 1 kOe 자계를 인가한 상태에서 350 ℃에서 열처리를 수행하였다. 상기 영구자석은 도 1과 같이 자성코어패턴과 동일한 크기의 판형상으로 이루어진 고무 자석을 이용하였다.

이와 같은 자계센서를 이용하여 자계를 검출하는 원리는 다음과 같다.

자성코어패턴(11)에, 예를들어, 단자(11a, 11b)를 이용하여, 고주파의 교류 정전류를 인가한 상태에서, 외부자계(도면에 나타내지 않았다)가 자성코어패턴(11)의 길이 방향으로 인가되면, 자성코어패턴의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소하여 저항이 증가하고 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 단자(11a, 11b)에 걸리는 출력전압이 증가하게 된다. 통상, 외부자계에 의한 단자(11a, 11b)에서의 출력 전압은, 도2에 도시한 것과 같이, 외부자계가 영인 부근에서 완만하게 증가하다가, 외부자계가 증가함에 따라 급격하게 증가하는 영역을 거쳐 최대치를 나타내고 다시 감소한다. 이때, 영구자석(12)을 자성코어패턴(11)에 인접하게 설치하면, 영구자석(12)에 의한 누설자속이 자성코어패턴(11)에 바이어스 자계로서 인가되어. 도3에 도시한 것과 같이, 자성코어패턴의 동작점이 이동되어, 자성코어패턴의 출력전압이 외부 자계에 따라 급격하게 선형적으로 변화하는 영역이 외부자계가 영인 곳으로 이동되므로, 미약 자계를 고감도로 측정된다. 이때, 이 출력전압은 외부자계의 세기에 비례하므로 외부자계의 세기를 측정할 수 있다.

본 발명의 자계센서는 상기 실시예에 국한되는 것은 아니며, 자성코어의 패턴을 다양한 형상으로 제조할 수 있으며, 또한 상기 실시예의 1축 자계센서를 서로 수직이 되도록 2개 또는 3개를 설치하여 2축 또는 3축 자계센서도 용이하게 제작 할 수 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 자계센서에 의하면, 비정질 리본과 영구자석을 이용하여, 고감도, 저소비전력, 저가인 자계센서를 용이하게 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. Co 또는 Fe계의 연자성이 우수한 비정질 리본을 패터닝하여 얻어진 지그재그 패턴을 갖고 외부자계에 대한 감도 증가를 위해 열처리되어 외부자계에 따라 임피던스 변화를 나타내는 자성코어패턴과;

   상기 자성코어패턴과 동일한 크기로 이루어지며 자성코어패턴에 인접하게 대향 설치되어 누설자속에 의해 상기 자성코어패턴에 바이어스 자계를 인가하여 자성코어패턴의 출력이 외부자계에 따라 급격하게 선형적으로 변화하는 영역으로 동작점을 이동시켜주는 판형상의 영구자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기임피던스센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부자계에 따라 변화하는 자성코어패턴의 임피던스를 전압으로 검출하기 위한 구동회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기임피던스센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 영구자석은 고무자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기임피던스센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 영구자석은 자기기록매체로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기임피던스센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 영구자석은 자성페인트로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기임피던스센서.

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