KR20070075297A - 정밀한 압력센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀하게 압력을 측정할 수 있는 압력센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자석이 사각 형상으로 구성되거나, 자석은 좌측면 보다 우측면이 높으며, 윗면은 사선으로 형성된 사각형 형상으로 구성되어 N극 또는 S극의 극 표면에 일정 거리 이격되어 극 표면에 임의의 점으로부터 형성된 직선을 따라 이동하는 거리변화에 대응하여 선형의 자속밀도를 방출하는 자석을 사용하여 정확한 거리(위치)변화를 감지하고 거리 변화에 따른 정밀한 압력의 차이를 도출해 내는 압력센서에 관한 것이다.

본원은 음양의 압력을 연결하는 배관과 음압과 양압력의 차이에 따라 이동되는 다이어프램과 다이어프램의 일측부에 부착된 다이어프램 지지대와 다이어프램 지지대에 부착된 선형의 자속밀도를 방출하는 자석과 다이어프램을 지지하는 스프링과 이러한 구성들을 감싸는 상하판 케이스로 구성되어 있다.

본원의 효과는 압력을 검출하여 정밀한 제어를 수행하는 정밀 제어 장치에 있어서 종래의 자석을 이용한 위치센서들의 부정확한 위치 정보로 인하여 부정확한 제어가 불가피하였으나 본원의 거리 변화에 따른 정밀한 압력의 차이를 도출해 내는 압력센서로 인하여 보다 정밀한 제어가 가능하게 되었다.

자석, 센서, 압력

Description

정밀한 압력센서{Accurate Pressure Sensor}

도 1은 종래기술인 광을 이용한 압력센서의 단면도이며,

도 2는 종래기술인 자석을 이용한 압력센서의 단면도이며,

도 3은 종래기술인 복수개의 자석을 이용한 압력센서의 단면도이고,

도 4는 본원 발명에 따른 자석의 모양과 착자된 형상을 나타내는 도면이며,

도 5는 본원 발명에 따른 다른 실시예인 자석의 모양과 착자된 형상을 나타내며,

도 6은 본원 발명에 따른 삼각형과 직사각형의 자속밀도 변화를 나타내는 그래프이며,

도 7은 본원 발명에 따른 선형 자속밀도를 방출하는 자석을 사용한 정밀한 압력센서의 절단면도이며,

도 8은 본원 발명에 따른 선형 자속밀도를 방출하는 자석을 사용한 정밀한 압력센서의 측면도이고, 도 9는 본원 발명에 따른 선형 자속밀도를 방출하는 자석을 사용한 정밀한 압력센서의 평면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

60 :자석 62 : 다이어프램 지지대 64 : 결합부

66 : 다이어프램 68 : 자기센서(Programmable Hall IC)

70 : PCB 72 : 상판 케이스 74 : 하판케이스

82 : 스프링 92 : 음압 연결부 94 : 양압 연결부

A : 시작점 B : 끝지점

본 발명은 정밀하게 압력을 측정할 수 있는 압력센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자석이 사각 형상으로 구성되거나, 자석은 좌측면 보다 우측면이 높으며, 윗면은 사선으로 형성된 사각형 형상으로 구성되어 N극 또는 S극의 극 표면에 일정 거리 이격되어 극 표면에 임의의 점으로부터 형성된 직선을 따라 이동하는 거리변화에 대응하여 선형의 자속밀도를 방출하는 자석을 사용하여 정확한 거리(위치)변화(변위)를 감지하고 거리 변화에 따른 정밀한 압력의 차이를 도출해 내는 압력센서에 관한 것이다.

압력센서를 설명하기 이전에 본원에서 사용되는 자석의 개괄적인 특성을 설명하고자 한다.

자석 (磁石 magnet)은 철가루를 끌어당기는 자기력을 지닌 물체로, 공업적으로 만들어지는 강한 자석을 영구자석이라고 하는데, 일반적으로는 단순히 자석이라 부르는 경우가 많다.

자석 옆에 놓인 쇳조각은 자석에 끌어당겨진다. 이와 같이 자기력의 영향을 받는 공간을 자기장이라고 한다. 바꾸어 말하면 자석은 자기장을 만든다고 할 수 있다. 자기장의 모양을 보기 위해 사용하는 방법이 철가루 무늬로, 자석 위에 두꺼 운 백지를 얹고 그 위에다가 철가루를 골고루 뿌리면 자기력선 무늬가 나타난다. 작은 자침을 얹으면 이 자기력선에 따르는 방향을 가리키며, 자기력선이 자석의 N극에서 나와서 S극으로 들어가는 방향이다.

2극 사이의 힘은 거리의 제곱에 반비례하고 자기극의 세기에 비례하는 쿨롱의 법칙에 따른다. 자기극의 세기와 2극 사이의 거리의 곱을 자기모멘트라고 정의한다. 자기극은 동일한 세기의 N극과 S극이 반드시 1쌍으로 되어 있으므로 자기극의 세기보다도 자기모멘트 쪽이 본질적인 물리량이라고 생각된다. 자기모멘트는 그 방향을 생각하여 S극으로부터 N극으로 향하는 벡터로 나타낸다. 2개의 자기모멘트 사이의 힘을 계산하면 거리의 4제곱에 반비례한다. 이것은 2개의 자석 사이의 인력이, 접근되어 있을 때에는 강하고 떨어지면 급속히 약해지는 이유 때문이다.

자화는 자기구역의 모양·배치·방향 등이 바뀜으로써 진행된다. 이들이 변하기 어려운 구조를 지닌 것은, 일단 자화되면 자기장을 0으로 해도 원래대로 돌아가지 않고 자기모멘트가 남는다. 이 잔류자화(殘留磁化)가 큰 것이 영구자석이다.

자속 (磁束 magnetic flux)은 자속밀도 또는 자기유도를 그 방향에 수직인 단면적에 대하여 적분한 양이며, 자기력선속(磁氣力線束)이라고도 한다. 단위는 CGS단위계에서는 맥스웰(기호 Mx)이며, MKS단위계 또는 SI단위계에서는 웨버(기호 ㏝)이다. 코일 속을 통과하는 자속이 시간에 따라 변화하면 그 변화 비율에 비례하는 전압이 코일의 양끝 사이에 생긴다(패러데이의 전자기유도법칙). 이 전압의 방향은 전류에 의해 생기는 자기장이 자속의 변화를 방해하는 방향이다. 이를 렌츠의 법칙이라 한다. 자속은 영구자석 또는 코일에 흐르는 전류에 의해 만들어진다.

자기장을 검출하는 방법에 따라 검출 센서의 종류는 여러 가지가 있으나 아마도 가장 널리 알려진 센서는 홀 센서일 것이다. 홀 센서의 동작은 반도체(홀 소자)의 전극에 전류를 흐르게 한 후 수직 방향으로 자기장을 인가하면 전류의 방향과 자기장 방향에 수직하게 전위차(electric potential)가 발생한다.

통상적으로 가장 간단한 거리를 측정하는 장치로서 영구자석과 자속을 검출하는 센서를 사용하여 영구자석으로부터 거리가 멀어지고 가까워짐에 따라 자속밀도가 변화되는 것을 측정하여 센서에서 발생되는 전위차로 거리를 측정하는 것이다.

그러나 영구자석에서 생성되는 자속밀도가 거리에 따라 선형적으로 형성되지 않기 때문에 효과적으로 거리를 측정하는 센서로 사용하기 위하여 비선형성을 보상하는 프로그램이나 전자 회로를 구비하고 있어야 보다 정확한 거리 측정장치로서의 역할을 할 수 있었다. 또한 하나의 자석에서 발생되는 거리에 따른 비선형적인 자속밀도의 분포를 보상하기위하여 여러 가지 형태의 자석과 복수개의 자석을 조합하여 선형적인 자속밀도를 가질 수 있는 구조를 얻기 위하여 무한한 연구가 진행되었다.

최근, 선형 범위 또는 각의 범위에 있어서, 몸체의 절대 위치를 검출하고, 선형이고 각을 이루는 변위를 측정하기 위하여 여러 종류의 비접촉 거리 측정 장치가 점차 개발되었다.

비접촉 측정 위치 검출 자체 대한 다양한 양상들이 있다. 슬라이딩(sliding) 레지스터 포텐셔미터(potentiometer)를 사용하는 장치가 가장 대표적인 것이지만 만족할 만큼 확실하지 아니하다. 광학적 포지셔너(positioner)는 슬리트(slit) 범위와 같은 광학적 범위를 읽어내는 광학적 센서를 가지지만 그 구조는 더 복잡하게 된다. 더욱이 자기 매체에 쓰인 범위가 자기 센서에 의하여 읽혀지는 자기 범위가 있지만 그 구조도 또한 복잡하여 지고 절대 위치가 검출될 수 없다.

즉 임의의 2개의 점 사이의 거리만이 측정될 수 있다. 본 발명은 검출될 몸체의 절대 위치를 검출할 수 있고, 매우 간단한 구조와 긴 측정영역 및 높은 신뢰성을 가지는 선형 자속밀도를 갖는 자석을 사용한다면 비선형성을 보상하는 프로그램이나 전자 회로를 구비하지 않고 저렴한 센서를 사용하여 보다 정확한 거리를 측정할 수 있는 것이다.

본원은 음양의 압력을 연결하는 배관과 음압과 양압력의 차이에 따라 이동되는 다이어프램과 다이어프램의 일측부에 부착된 다이어프램 지지대와 다이어프램 지지대에 부착된 선형의 자속밀도를 방출하는 자석과 다이어프램을 지지하는 스프링과 이러한 구성들을 감싸는 상하판 케이스로 구성되어 있다.

압력 (壓力 pressure)은 두 물체가 접촉하여 서로 누르고 있을 때 그 접촉면에 두 물체가 서로 수직으로 미치고 있는 힘을 의미하는 것으로, 하나의 물체 내에서 그 내부의 각 부분이 서로 누르고 있을 때 작용하는 힘도 압력이라 하는데, 이 경우에는 물체 내에서 임의의 면을 고려해 그 양쪽 부분이 이 면에 서로 미치고 있는 힘(응력)으로서 생각한다. 이러한 힘이 면에 수직이 아닐 때는 이것을 면에 수직인 성분과 면에 평행한 성분으로 나누어 수직성분의 누르고 있는 힘만을 압력이라 한다(끌어당기는 힘은 장력이다).

압력은 넓이를 가진 면에 고르게 작용하기 때문에 전체의 힘의 크기(全壓 또는 全壓力이라 한다)가 같아도 그 힘을 받는 넓이에 따라 면의 각 점이 받는 압력의 세기가 달라진다. 크기 P인 힘이 넓이 S인 물체에 균일하게 미치고 있는 경우 압력세기는 P/S로 정의된다. 물체를 책상 위에 놓았을 때에는 일반적으로 압력의 세기는 위치에 따라 다르므로 각 점마다 그 점을 포함하는 미소면적을 이것에 작용하는 미소 힘의 크기로 그 점의 압력의 세기를 구할 수 있다. 압력의 세기를 간단히 압력이라고 하기도 한다.

이러한 압력을 측정하기위하여 사용되는 센서에는 여러 가지 형태의 압력센서가 존재하며 측정하고자하는 대상에 따라 종류가 달라질 수 있는 것이다.

압력을 측정하고자하는 대상에 따라 유체, 고체, 기체로 크게 구분할 수 있으며 고체형상의 압력을 측정하는 것은 스트레스 스트레인게이지가 대표적으로 쓰이고 있으며, 유체나 기체의 압력을 측정하기 위하여 상대적인 압력을 측정하여야 하므로 다이어프램을 이용하여 상대 비교 압을 측정하는 것을 사용하고 있다.

상대적인 압력을 측정하기 위한 방법은 상대적인 압력 차이에 의한 스프링과 조합된 다이어프램의 변위를 측정하여 상태적인 압력을 측정하게 되는 것이다.

본원은 다이어프램과 스프링을 이용한 상대적인 압력을 측정하는 센서에 관한 것으로, 이러한 센서는 유체 또는 기체의 압력을 측정하기 위한 용도로 널리 사용될 수 있다.

본원의 하나의 실시예로서 유입되는 공기 유량을 측정할 수 있는 압력센서를 구비한 보일러에 적용될 수 있으며, 종래 보일러용 공기압력(풍압) 검출장치로, 송 풍기로 유입되는 공기의 압력을 풍압센서(압력센서)의 다이어프램으로 전달하여 다이어프램에 부착되어 있는 마이크로 스위치가 전기회로의 개폐를 수행하도록 함으로써 유입되는 공기량을 조절하도록 된 온/오프(on/off) 방식의 풍압센서(압력센서)가 사용되고 있기도 하였으나, 상기 풍압센서(압력센서)는 동작 압력을 고정해서 사용하므로 송풍기에 따라 특정 풍압센서를 사용해야하는 단점이 있었다.

또한, 상기한 풍압센서는 유입되는 공기의 유량(공기량)을 정확하게 측정하는 것이 아니라 단지 유입되는 공기압력의 증감에 따라 송풍기의 회전수 제어를 통해 유입되는 공기압력(공기량)을 증감시켜 공급할 수 있도록 도와주는 역할을 할 뿐이었다.

이러한 유체의 압력을 감지할 수 있는 압력센서는 그 종류가 매우 다양하며, 그 중에 종래 유체의 유동압력(차압)을 이용하여 유량을 감지할 수 있는 압력센서들이 여러 가지 제시된 바 있다.

종래의 수위감지를 위한 압력센서의 일종으로, 실용신안등록번호 제0119708호 압력센서에 나타난 압력센서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상,하부 커버(110,130)로 이루어진 본체(100) 내부에 다이어프램(140)을 구비하고, 상기 본체(100)와 다이어프램(140)에 의해 형성된 수압실(131)의 압력변화에 따른 다이어프램(140)의 변화에 의해 수압실(131)내의 압력을 검지하는 압력센서에 있어서, 상기 다이어프램(140)의 변화에 비례하면서 단면적에 의해 광의 통과량이 제어되도록 하는 광차단부재(200)가 구비되고, 상기 광차단부재(200)의 승강 경로를 중심으로 발광소자인 발광다이오드(210)와 수광소자인 포토트랜지스터(220)가 대향되게 설치 되며, 상기 상부커버(110)에는 내주에 나사산(151)이 형성된 관체(150)내에 일정한 탄성을 갖는 스프링(160)이 수용되고, 상기 스프링(160)은 관체(150) 내주에 형성된 나사산(151)과 나사 조립되는 덮개(170)의 승,하강에 따라 그 탄성력이 조절되도록 구성되어 있어, 발광다이오드(210)로부터 인가된 광량에 따라 변화되는 포토트랜지스터(220)의 출력전압을 통해 수압실(131)내의 압력을 감지하도록 구성함으로써, 상기 광 결합소자의 광량변화에 따른 전압변화를 통해 수위를 감지할 수 있는 압력센서가 제시된 바 있다.

다른 종류의 압력 센서로는 실용신안등록번호 제0273056호에 나타난 압력센서로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 일측에 유통구(11a,12a)가 형성되어 유체가 유출입되는 공간(13)을 가지며, 이 공간(13)에는 유체의 압력과 탄성부재의 탄성에 따라 상하 유동하는 다이어프램(14)이 구비되는 하우징부재(10)와; 상기 다이어프램(14)에 연동하는 영구자석(20)과; 상기 영구자석(20)이 이동하는 작동 구간에 인접하여 구비되면서 승강하는 상기 영구자석(20)으로부터의 자기력을 체크하는 감지부재(30)로서 이루어진 구성을 특징으로 함으로써, 유체의 미세한 압력 변화에 미세하게 이동하게 되는 영구자석(20) 으로부터의 자기력 변화를 감지부재(30)가 체크하여 유체의 유량 및 압력의 변화를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 되어 있는 것이다. 그러나 이러한 구성으로 사용되는 영구자석과 감지부재(30)는 자석의 비선형적 특성으로 인하여 정확한 위치를 측정하기에는 부정확한 위치정보를 얻을 수밖에 없는 구성인 것이다.

보다 상세한 도 2의 설명으로는 압력 차이에 따라 움직이는 다이어프램(14) 의 이동 변위를 측정하기위하여 내부에 밀폐되어 있기 때문에 그 변위를 정확한 콘트롤 정보를 알기위하여 비 접촉식으로 사용되고 있으며, 통상적으로 사용되는 비 접촉식 근접센서의 일종으로 단순하게 채택하여 자석의 밀도를 측정하는 방식을 사용한 것으로 통상적인 자석의 특성인 거리에 따라 밀도의 감소가 거리의 제곱에 반비례하는 나타내는 비선형적인 자속밀도의 분포를 가격이 비싸고 복잡한 변환 알고리즘을 사용하여 선형적으로 변환을 시킨다고 하여도 근본적인 알고리즘상의 오차와 측정 장치의 오차를 정확하게 극복할 수 없는 구조적인 단점이 있는 구성이다.

또 다른 시도로는 하나의 극성만을 이용한 것이 아니라 도 3에서와 같이 서로 대응되게 4개의 극성을 갖는 구성으로, 이렇게 4개의 극성으로 이루어지도록 하는 경우 영구자석(20)으로부터 자기력을 체크하게 되는 감지부재(30)는 영구 자석(20)이 승강하게 되는 작동 구간의 일측으로 구비되게 하였으나 자석의 비선형적인 특성으로 인한 자속의 밀도를 감지하는 센서의 정보 또한 비선형의 특성을 가지게 되므로 실질적인 위치를 감지하는 것이 아닌 비선형 특성으로 인한 왜곡된 위치정보를 얻을 수밖에 없는 것이다.

이러한 왜곡된 위치정보는 설비를 컨트롤 하기위한 기초정보인 압력정보의 왜곡을 가져오는 것이고 이러한 정보를 바탕으로 부정확한 보일러나 장치를 콘트롤하게 되는 것이므로 장치나 설비를 비효율적으로 운용하게 되는 결과를 야기하게 되는 것이다.

따라서 보다 정밀한 변위를 측정하여 정확하게 압력 차이를 측정할 수 있는 압력센서가 절실하게 필요하게 되었다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 정밀하게 압력을 측정할 수 있는 압력센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자석이 사각 형상으로 구성되거나, 자석은 좌측면 보다 우측면이 높으며, 윗면은 사선으로 형성된 사각형 형상으로 구성되어 N극 또는 S극의 극 표면에 일정 거리 이격되어 극 표면에 임의의 점으로부터 형성된 직선을 따라 이동하는 거리변화에 대응하여 선형의 자속밀도를 방출하는 자석을 사용하여 정확한 거리(위치)변화를 감지하고 거리 변화에 따른 정밀한 압력의 차이를 도출해 내는 압력센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 상세하게,

압력센서에 있어서, 자석이 사각 형상으로 구성되고, N극과 S극이 사각형의 모서리로부터 대각선 방향으로 대각선을 따라 sin파형으로 착자되고 , 자석의 극표면에 일정거리 이격되어 자석의 극표면에 평행하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하고,

상기 자석의 구성부인 N극 또는 S극의 착자된 자석밀도가 높은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 시작점이 되고,

착자된 자석밀도가 낮은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 시작점과 동일하게 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 끝지점이 되며,

상기 시작점으로부터 극표면과 평행한 직선(시작점과 끝지점을 있는 선)을 따라 끝지점까지 자석의 자속밀도가 극 표면에 평행하는 직선을 따라 이동하는 거리변화에 대응하여 선형의 자속밀도를 방출하는 선형 자속밀도를 갖는 자석으로, 자석의 극표면에 평행하는 직선을 따르는 상대변위를 정확히 측정하여 상대적인 압력을 검출하는 것을 특징으로 하며,

상기 자석의 구성부인 N극 또는 S극의 자속밀도가 극표면에 따라 반복적으로 변화된 일정한 간격을 유지하며 평행하게 이동하여 센서로 측정한 자속밀도가 이동 거리 대비 선형성을 최적으로 유지하는 직선을 찾아, 자석의 극표면에 최적거리 이격되어 자석의 극표면에 평행하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 자석의 극표면에 평행하는 직선을 따르는 최적의 위치에 선서를 위치시켜 거리변화에 따르는 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하고,

상기 압력센서는 다이어프램에 결합된 다이어프램 지지대와,

상기 다이어프램 지지대에 자석의 N극 또는 S극이 극 표면이 다이어프램의 작동방향과 수직으로 배치되며,

상기 자석의 위치를 감지하는 자기센서는 자석의 N극 또는 S극이 극 표면과 평행하고 하판케이스 하부면에 수직으로 배치되고,

상기 다이어프램 지지대 하부와 하판케이스 하부면 사이에 설치된 스프링과.

상기 하판케이스와 상판케이스로 형성된 내부공간을 두개의 격실로 구분하는 다이어프램과.

상기 두개의 격실 중 상부격실에 연통된 양압 연결부와 하부격실과 연통된 음압 연 결부와,

상기 다이어프램의 상하 움직임에 따라 다이어프램 지지대와 결합된 자석의 절대 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서에 관한 것이다.

또한 상대적인 거리의 변화를 측정하기위한 센서에 사용되는 자석에 있어서,

자석이 좌측면 보다 우측면이 높으며, 윗면은 사선으로 형성된 사각형 형상으로 구성되고,

N극 또는 S극의 착자된 자석밀도가 높은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 시작점이 되고,

착자된 자석밀도가 낮은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 시작점과 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 끝지점이 되고,

상기 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하며,

상기 자석의 구성부인 N극과 S극이 좌측면대 우측면의 폭이 1 대 1 ~ 4의 비율을 갖는 금속에 착자되며,

상기 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하고,

상기 자석의 자속밀도가 N극 또는 S극의 극표면에 따라 선형으로 변형되며,

상기 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 상 대변위를 정확히 측정하여 정밀한 압력을 검출하는 것을 특징으로 하며,

상기 자석의 자속밀도가 N극 또는 S극의 착자된 자석밀도가 높은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 시작점이 되고,

착자된 자석밀도가 낮은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 시작점과 동일하게 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 끝지점이 되며,

상기 시작점으로부터 극표면과 평행한 직선(시작점과 끝지점을 있는 선)을 따라 끝지점까지 자석의 자속밀도가 성형성을 갖는가를 측정하고,

극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 상기 끝지점으로부터 점차 이격 거리를 절대높이가 시작점과 같은 높이가 되도록 반복하여 자석이 증가시키며 자석의 자속밀도가 성형성을 갖는가를 측정하고, 가장 자속밀도가 선형성을 유지하는 끝지점을 찾아내어,

상기 시작점과 찾아낸 끝지점의 위치에 자속밀도를 측정하는 센서를 위치하도록 하는 것을 특징으로 하고,

상기 압력센서는 다이어프램에 결합된 다이어프램 지지대와,

상기 다이어프램 지지대에 자석의 N극 또는 S극이 극 표면이 다이어프램의 작동방향과 수직으로 배치되며,

상기 자석의 위치를 감지하는 자기센서는 자석의 N극 또는 S극이 극 표면과 평행하고 하판케이스 하부면에 수직으로 배치되고,

상기 다이어프램 지지대 하부와 하판케이스 하부면 사이에 설치된 스프링과.

상기 하판케이스와 상판케이스로 형성된 내부공간을 두개의 격실로 구분하는 다이어프램과.

상기 두개의 격실 중 상부격실에 연통된 양압 연결부와 하부격실과 연통된 음압 연결부와,

상기 다이어프램의 상하 움직임에 따라 다이어프램 지지대와 결합된 자석의 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서에 관한 것이다.

그리고 압력센서는 다이어프램에 결합된 다이어프램 지지대와,

상기 다이어프램 지지대에 자석의 자속밀도가 N극 또는 S극의 극표면에 대하여 일정간격 이격되어 있으며, 상기 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는, 자석의 극 표면이 다이어프램의 작동방향과 수직으로 배치되며,

상기 자석의 위치를 감지하는 자기센서는 자석의 N극 또는 S극이 극 표면과 평행하고 하판케이스 하부면에 수직으로 배치되고,

상기 다이어프램 지지대 하부와 하판케이스 하부면 사이에 설치된 스프링과.

상기 하판케이스와 상판케이스로 형성된 내부공간을 두개의 격실로 구분하는 다이어프램과.

상기 두개의 격실 중 상부격실에 연통된 양압 연결부와 하부격실과 연통된 음압 연결부와,

상기 다이어프램의 상하 움직임에 따라 다이어프램 지지대와 결합된 자석의 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서에 관 한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래기술인 광을 이용한 압력센서의 단면도이며, 도 2는 종래기술인 자석을 이용한 압력센서의 단면도이며, 도 3은 종래기술인 복수개의 자석을 이용한 압력센서의 단면도이고, 도 4는 본원 발명에 따른 자석의 모양과 착자된 형상을 나타내는 도면이며, 도 5는 본원 발명에 따른 다른 실시예인 자석의 모양과 착자된 형상을 나타내며, 도 6은 본원 발명에 따른 삼각형과 직사각형의 자속밀도 변화를 나타내는 그래프이며, 도 7은 본원 발명에 따른 선형 자속밀도를 방출하는 자석을 사용한 정밀한 압력센서의 절단면도이며, 도 8은 본원 발명에 따른 선형 자속밀도를 방출하는 자석을 사용한 정밀한 압력센서의 측면도이고, 도 9는 본원 발명에 따른 선형 자속밀도를 방출하는 자석을 사용한 정밀한 압력센서의 평면도이다.

도 1 내지 도 3은 종래기술에서 이미 설명을 하였고, 도 4는 본원 발명에 따른 자석의 모양과 착자된 형상을 나타내는 도면을 나타내는 것으로,

도 4에서와 같이 자석의 형상을 점선으로 표기된 대각선 방향으로 착자를 했을 때 변위에 따른 N극의 자속밀도는 거리의 제곱의 반비례함에 따라 자속의 분포가 일정한 방향이 아닌 대각선 방향임에 따라 측정하는 N극에서부터 1mm 떨어진 곳에서 자속밀도를 측정했을 때 자속밀도 그래프는 변위에 따른 자속밀도의 변화가 직진성이 나타나지 않기 때문에 일정영역에서 직진성을 나타내게 하기 위해 도 4a의 실선 과 같이 착자의 형상을 변형하였다.

거리에 따른 자속밀도의 변화가 일정구간에서 직진성을 나타내게 하기 위해 상기 도 4에서와 같이 착자의 형태를 대각선 방향으로 약간 왜곡되게 변형하여 제작하였다.

도 4에서 센서의 변위는 자석의 구간인 0-12에 거쳐 측정하게 되는 것이며, 일정한 간격(d)이 극 표면으로부터 이격되어 극 축과 수직하게, 극 표면과 수평한 방향으로 이동되는 것이다. 자석의 구간인 0-12 중에서 가장자리 약간의 비선형을 나타내는 부분을 제외하고 2-10의 구간을 보다 정밀한 위치센서의 사용구간으로 채택 할 수 있는 것이다.

실제 거리에 따른 자속밀도 변화를 측정하기 위해 Programmable Hall IC를 이용하여 변위 별 자속밀도 변화를 측정하였다. 사용된 Programmable Hall IC는 Micronas사 부품으로 오차율은 ±.1% 이다. 실험결과는 도 6의 그래프에서 보여준다.

도 6은 본원 발명에 따른 자속밀도 변화를 나타내는 그래프로서, 전구간(0-12)에 거쳐 자속밀도가 거리에 따라 직진성을 가지고 있으며, 일정영역 (2~8)구간에서 변위 별 자속밀도 값이 거의 완벽한 직진성을 띄고 있다. 따라서 자석의 착자형상을 달리하여 일정영역에서 변위 별 자속밀도 값을 직선적으로 만들 수 있음을 알 수 있다. 그러나 자속밀도를 측정하는 거리가 멀어질수록 거리의 제곱에 반비례 하므로 측정하는 거리에 맞추어 착자형상을 맞추어 설계하여야 한다.

도 5는 본원 발명에 따른 다른 실시예인 자석의 착자된 형상을 나타내는 것 으로, 자석의 하부 면의 폭 W는 필요에 따라 그 길이를 조절할 수 있는 것이며, 자석의 S극의 왼쪽측변은 Sd1이며 오른쪽 측변의 높이는 Sd2가됨을 보여주는 것이며, 또한 자석의 N극의 왼쪽측변은 Nd1이며 오른쪽 측변의 높이는 Nd2가되고 S극의 위쪽에 배치되는 구성이다. 따라서 S극과 N극이 배치된 구성은 왼쪽측변은 Sd1+Nd1이며 오른쪽 측변의 높이는 Sd2+Nd2로 되어 죄측변 보다 우측변의 높이가 높게 형성되는 사각형의 형상이다.

자석의 형상을 숫자로 표기하면, 자석의 S극의 왼쪽측변은 1이며 오른쪽 측변의 높이는 2가됨을 보여주는 것이며, 또한 자석의 N극의 왼쪽측변은 1이며 오른쪽 측변의 높이는 2가되고 S극의 위쪽에 배치되는 구성이다. 따라서 S극과 N극이 배치된 구성은 왼쪽측변은 2이며 오른쪽 측변의 높이는 4로 되어 죄측변 보다 우측변의 높이가 2배가되는 사각형의 형상이다.

바람직하기로는 N극과 S극이 좌측면대 우측면의 폭이 1 내지2 대 2 내지 4( 1 : 1 ~ 4)의 비율의 영역으로 착자되는 것이 바람직하다.

도 5와 같은 구조로 자석을 착자하여 변위 별 자속밀도 변화를 측정하였다. 측정위치는 자석의 우측면 상부 끝부분에서부터 임의의 거리 d가 이격된 지점 A로부터 좌측면 B지점의 각기 다른 각도의 점인 B1 내지 B4의 지점을 연결한 직선을 따라 측정위치를 조금씩 각도를 달리하였다.

재차 상세히 설명하면, 자석의 자속밀도가 N극 또는 S극의 착자된 자석밀도가 높은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 시작점(A)이 되고, 착자된 자석밀도가 낮은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 시작점과 동일하게 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 끝지점(B4)이 되며,

상기 시작점(A)으로부터 극표면과 평행한 직선(시작점과 끝지점(B)을 있는 선)을 따라 끝지점(B)까지 자석의 자속밀도가 성형성을 갖는가를 측정하고,

극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 상기 끝지점으로부터 점차 이격 거리를 절대높이가 시작점과 같은 높이(B1)가 되도록 반복하여 자석이 증가시키며 자석의 자속밀도가 성형성을 갖는가를 측정하고, 가장 자속밀도가 선형성을 유지하는 끝지점을 찾아내는 것이다.

따라서 측정된 값 중 가장 직진성이 뛰어난 위치에 그래프가 아래에 설명할 도 6과 같이 나타나는 것으로, 가장 직진성이 뛰어난 위치의 시작점과 끝지점을 사용하여 센서에 적용되는 것이다.

도 5에서와 같이 측정위치를 각도로 달리한 것은 가장 직진성이 뛰어난 위치를 찾고자 함이다. 또한 고려해야 할 것은 자속의 밀도가 클수록 자속의 영향을 주는 궤적이 작고, 자속의 밀도가 작을수록 자속의 영향을 주는 궤적이 크다는 점이다. 초기 측정되는 극표면에 이격된 A의 위치도 변경이 가능한 것이며, 자석의 크기와 착자의 세기에 따라 좌측변과 우측변의 높이의 비가 달라져 자석의 형상이 변화될 수 있다.

도 6은 본원 발명에 따른 삼각형과 직사각형의 자속밀도 변화를 나타내는 그래프로서, 직사각형 자석의 착자를 변형하여 보다 정밀한 선형 자속밀도를 부여하여 나타난 결과와 삼각형(비등변사각형) 형상의 착자의 형상과 모양을 변경하여 나타난 결과가 거의 일치하는 그래프를 보이고 있으며, 실제 자석의 유효구간인 0-12 구간에서 거리에 따른 자속밀도의 변화에서 선형성을 발견할 수 있는 것으로 이러한 자석을 이용하여 정밀한 절대위치를 파악하여 정밀한 제어가 가능한 중요한 상기의 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석이 되는 것이다.

도 7은 본원 발명에 따른 선형 자속밀도를 방출하는 자석을 사용한 정밀한 압력센서의 절단면도를 나타내는 것이며, 도 8은 본원 발명에 따른 선형 자속밀도를 방출하는 자석을 사용한 정밀한 압력센서의 측면도이고, 도 9는 본원 발명에 따른 선형 자속밀도를 방출하는 자석을 사용한 정밀한 압력센서의 평면도를 나타내는 것이다.

압력센서는 상판 케이스(72)와 하판 케이스(72)가 서로 맞물려 내부공간을 구비하며, 상판 케이스(72)와 하판 케이스(72) 사이에 다이어프램(66)이 끼워져 내부공간을 두개의 격실로 구분하도록 결합된 구성을 하고 있다.

다이어프램(66)의 하부에는 결합구(64)가 형성되어 다이어프램 지지대(62)와 다이어프램(66)을 긴밀하게 결합되어 다이어프램 지지대(62)와 다이어프램(66)이 압력변화에 따라 연동하여 움직이도록 구성되며, 다이어프램 지지대(62)의 하부에 상기의 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속 밀도를 방출하는 자석(60)이 결합되고, 자석(60)의 N극 또는 S극의 극 표면이 다이어프램(66)의 이동방향과 동일하고 자기센서(Programmable Hall IC) (68)와 일정거리 이격되어 평행하게 배치되는 것이다.

자기센서(68)는 PCB(70)에 연결되어 전기적인 출력을 압력센서를 사용하는 목적에 따라 컨트롤러에 압력정보를 전달하게 되는 것이다.

다이어프램 지지대(62)의 하부에 배치된 스프링(82)은 양압력과 음압력의 균형을 유지시키는 작용을 하는 것이며, 다이어프램(66)이 양압 연결부(94)와 음압 연결부(92)에 부가되는 압력 차이에 따라 상방향 또는 하방향으로 이동되며, 양압력이 음압력 보다 큰 만큼 즉 압력의 차이 정도에 따라 스프링이 변형하는 거리에 차이가 있는 것으로, 스프링이 변형하는 정도를 자기센서(Programmable Hall IC)(68)가 자석(60)에서 발생하는 선형으로 변하는 자속밀도를 측정하여 절대적인 변형위치를 감지하게 되는 것이다.

이상으로, 본 발명에 따른 정밀한 압력센서를 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 여기에 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 사항과 균등한 범위의 모든 기술적 사상에 대하여 미친다고 할 것이다.

본원의 효과는 압력을 검출하여 정밀한 제어를 수행하는 정밀 제어 장치에 있어서 종래의 자석을 이용한 위치센서들의 부정확한 위치 정보로 인하여 부정확한 제어가 불가피하였으나 본원의 거리 변화에 따른 정밀한 압력의 차이를 도출해 내는 압력센서로 인하여 보다 정밀한 제어가 가능하게 되었다.

Claims (10)

1. 압력센서에 있어서,

   자석이 사각 형상으로 구성되고,

   N극과 S극이 사각형의 모서리로부터 대각선 방향으로 대각선을 따라 sin파형으로 착자되고 , 자석의 극표면에 일정거리 이격되어 자석의 극표면에 평행하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 자석의 구성부인 N극 또는 S극의 착자된 자석밀도가 높은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 시작점이 되고,

   착자된 자석밀도가 낮은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 시작점과 동일하게 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 끝지점이 되며,

   상기 시작점으로부터 극표면과 평행한 직선(시작점과 끝지점을 있는 선)을 따라 끝지점까지 자석의 자속밀도가 극 표면에 평행하는 직선을 따라 이동하는 거리변화에 대응하여 선형의 자속밀도를 방출하는 선형 자속밀도를 갖는 자석으로, 자석의 극표면에 평행하는 직선을 따르는 상대변위를 정확히 측정하여 상대적인 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 자석의 구성부인 N극 또는 S극의 자속밀도가 극표면에 따라 반복적으로 변화된 일정한 간격을 유지하며 평행하게 이동하여 센서로 측정한 자속밀도가 이동 거리 대비 선형성을 최적으로 유지하는 직선을 찾아, 자석의 극표면에 최적거리 이격되어 자석의 극표면에 평행하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 자석의 극표면에 평행하는 직선을 따르는 최적의 위치에 선서를 위치시켜 거리변화에 따르는 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압력센서는 다이어프램에 결합된 다이어프램 지지대와,

   상기 다이어프램 지지대에 자석의 N극 또는 S극이 극 표면이 다이어프램의 작동방향과 수직으로 배치되며,

   상기 자석의 위치를 감지하는 자기센서는 자석의 N극 또는 S극이 극 표면과 평행하고 하판케이스 하부면에 수직으로 배치되고,

   상기 다이어프램 지지대 하부와 하판케이스 하부면 사이에 설치된 스프링과.

   상기 하판케이스와 상판케이스로 형성된 내부공간을 두개의 격실로 구분하는 다이어프램과.

   상기 두개의 격실 중 상부격실에 연통된 양압 연결부와 하부격실과 연통된 음압 연 결부와,

   상기 다이어프램의 상하 움직임에 따라 다이어프램 지지대와 결합된 자석의 절대 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.
5. 상대적인 거리의 변화를 측정하기위한 센서에 사용되는 자석에 있어서,

   자석이 좌측면 보다 우측면이 높으며, 윗면은 사선으로 형성된 사각형 형상으로 구성되고,

   N극 또는 S극의 착자된 자석밀도가 높은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 시작점이 되고,

   착자된 자석밀도가 낮은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 시작점과 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 끝지점이 되고,

   상기 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.
6. 제5항에 있어서,

   상기 자석의 구성부인 N극과 S극이 좌측면대 우측면의 폭이 1 대 1 ~ 4의 비율을 갖는 금속에 착자되며,

   상기 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.
7. 제6항에 있어서,

   상기 자석의 자속밀도가 N극 또는 S극의 극표면에 따라 선형으로 변형되며,

   상기 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는 자석으로 상대변위를 정확히 측정하여 정밀한 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.
8. 제7항에 있어서,

   상기 자석의 자속밀도가 N극 또는 S극의 착자된 자석밀도가 높은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 시작점이 되고,

   착자된 자석밀도가 낮은 부분 끝단 지점에서, 극 표면으로부터 수직으로 시작점과 동일하게 일정 거리 이격된 지점이 센서로 측정하는 끝지점이 되며,

   상기 시작점으로부터 극표면과 평행한 직선(시작점과 끝지점을 있는 선)을 따라 끝지점까지 자석의 자속밀도가 성형성을 갖는가를 측정하고,

   극 표면으로부터 수직으로 일정 거리 이격된 상기 끝지점으로부터 점차 이격 거리를 절대높이가 시작점과 같은 높이가 되도록 반복하여 자석이 증가시키며 자석의 자속밀도가 성형성을 갖는가를 측정하고, 가장 자속밀도가 선형성을 유지하는 끝지점을 찾아내어,

   상기 시작점과 찾아낸 끝지점의 위치에 자속밀도를 측정하는 센서를 위치하도록 하 는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압력센서는 다이어프램에 결합된 다이어프램 지지대와,

   상기 다이어프램 지지대에 자석의 N극 또는 S극이 극 표면이 다이어프램의 작동방향과 수직으로 배치되며,

   상기 자석의 위치를 감지하는 자기센서는 자석의 N극 또는 S극이 극 표면과 평행하고 하판케이스 하부면에 수직으로 배치되고,

   상기 다이어프램 지지대 하부와 하판케이스 하부면 사이에 설치된 스프링과.

   상기 하판케이스와 상판케이스로 형성된 내부공간을 두개의 격실로 구분하는 다이어프램과.

   상기 두개의 격실 중 상부격실에 연통된 양압 연결부와 하부격실과 연통된 음압 연결부와,

   상기 다이어프램의 상하 움직임에 따라 다이어프램 지지대와 결합된 자석의 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.
10. 압력센서는 다이어프램에 결합된 다이어프램 지지대와,

    상기 다이어프램 지지대에 자석의 자속밀도가 N극 또는 S극의 극표면에 대하여 일정간격 이격되어 있으며, 상기 시작점과 끝지점을 연결하는 직선을 따라 선형 자속밀도를 갖는, 자석의 극 표면이 다이어프램의 작동방향과 수직으로 배치되며,

    상기 자석의 위치를 감지하는 자기센서는 자석의 N극 또는 S극이 극 표면과 평행하고 하판케이스 하부면에 수직으로 배치되고,

    상기 다이어프램 지지대 하부와 하판케이스 하부면 사이에 설치된 스프링과.

    상기 하판케이스와 상판케이스로 형성된 내부공간을 두개의 격실로 구분하는 다이어프램과.

    상기 두개의 격실 중 상부격실에 연통된 양압 연결부와 하부격실과 연통된 음압 연결부와,

    상기 다이어프램의 상하 움직임에 따라 다이어프램 지지대와 결합된 자석의 상대변위를 정확히 측정하여 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 정밀한 압력센서.

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