KR20110013378A - 평면에서 자기장의 방향을 측정하는 자기장 센서 및 전류 센서 - Google Patents

평면에서 자기장의 방향을 측정하는 자기장 센서 및 전류 센서 Download PDF

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Abstract

평면에서 자기장의 방향을 측정하기 위한 자기장 센서는 회전 홀 소자로서 작동될 수 있는 2개의 검출 구조체(1A; 1B)를 포함한다. 두 홀 소자는 반대 방향들로 개별 단계로 회전된다. 그러한 자기장 센서는 전도체(15)를 통해 흐르는 1차 전류를 측정하기 위한 전류 센서로서 사용될 수 있다.

Description

평면에서 자기장의 방향을 측정하는 자기장 센서 및 전류 센서{MAGNETIC FIELD SENSOR MEASURING A DIRECTION OF A MAGNETIC FIELD IN A PLANE AND CURRENT SENSOR}
본 발명은 평면에서 자기장의 방향을 측정하는 자기장 센서 및 그러한 자기장 센서를 구비하는 전류 센서에 관한 것이다.
본 발명의 측정 원리는 한편으로는 1차 전류로 불리우는 측정될 전류에 의해 생성되는 자기장의 측정에 기초하고, 다른 한편으로는 코일을 통해 흐르는 2차 전류에 의해 생성되는 보조 자기장(auxiliary magnetic field)의 측정에 기초한다. 따라서, 전류 센서는 예컨대 홀 소자(Hall device)와 같은 자기장 센서, 플럭스게이트 센서(fluxgate sensor) 또는 AMR 또는 GMR 센서와 같은 자기저항 센서를 포함한다. 종래 기술에서, 측정될 전류에 의해 생성되는 자기장 및 코일을 통해 흐르는 2차 전류에 의해 생성되는 보조 자기장은 동일한 방향으로 진행되고, 자기 센서는 감도축(sensitive axis)이 이 방향과 동일 선상에 있는 단축 센서(single axis sensor)이다. 종래 기술은 주로 이 측정 원리의 2개의 상이한 구현 형태를 구별한다. 개방-루프 타입으로 불리우는 제1 구현 형태의 경우에, 보조 자기장은 자기장 센서를 보정하도록 사용된다. 이 구현 형태의 단점은 보조 자기장의 값이 낮고, 보조 자기장이 1차 전류의 자기장과 동일한 방향으로 진행하여, 1차 전류의 자기장 및 보조 자기장 둘 다를 포함하는 신호에서 그것을 선택적으로 측정하기에 어렵게 만든다는 점이다. 폐쇄-루프 타입으로 불리우는 제2 구현 형태의 경우에, 보조 자기장은 측정될 전류에 의해 생성되는 자기장을 보상하도록 사용된다. 이 제2 구현 형태의 이점은 전류 센서의 출력 신호가 자기장 센서의 특성에 의존하지 않는다는 점이지만, 단점은 보조 자기장이 1차 전류에 의해 생성되는 자기장과 동일한 크기이어야 한다는 점이다. 측정된 자기장에 관한 정보를 담은 전기 신호가 기준 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 생성되는 기준 자기장에 관한 정보를 담은 전기 신호에 의해 평형되는, 자기 요크(magnetic yoke)가 없는 폐쇄-루프 전류 센서가 JP 2001136921로부터 알려져 있다.
본 발명의 목적은 전술된 단점들이 없는 전류 센서를 개발하는 데 있다.
이하에서, 용어 "1차 전류" 및 "1차 자기장"은 측정될 전류에 의해 생성되는 자기장을 지칭하도록 사용되고, 용어 "기준 전류" 및 "기준 자기장"은 보조 자기장을 생성하기 위해 코일을 통해 흐르는 전류 및 보조 자기장을 지칭하도록 사용된다. 1차 자기장 및 기준 자기장은 합해져서 총 자기장이 된다. 본 발명은 상이한 방향을 갖는 기준 자기장을 1차 자기장에 바람직하게는 수직으로 정렬시키는 것과, 총 자기장의 방향 또는 총 자기장이 기준 자기장에 의해 규정되는 방향과 형성하는 각도를 측정하는 자기장 센서를 사용하는 것을 각각 제안한다. 자기장 센서는 하나의 출력 신호를 제공한다. 전류 센서는 또한 자기장 센서의 작동을 위한, 그리고 기준 자기장의 생성을 위한, 바람직하게는 이른바 개방-루프에서의 작동을 위한 전자 회로를 포함한다.
자기장 센서는 평면에서 자기장의 방향을 측정하기 위해 설계되고,
제1 검출 구조체 및 제2 검출 구조체로서,
링 형상의 전기 전도성 웰, 및
링 형상 웰을 따라 서로로부터 동일한 거리를 두고 배치되고 링 형상 웰과 접촉하는 동일한 크기의 소정 개수 N의 적어도 8개의 접촉부
를 각각 포함하는 제1 검출 구조체 및 제2 검출 구조체;
전자 회로로서,
적어도 하나의 전류원(current source),
각각 전압 차이 증폭기, 대역통과 필터 및 비교기를 포함하는, 제1 홀 전압을 처리하기 위한 제1 처리 블록 및 제2 홀 전압을 처리하기 위한 제2 처리 블록과, 제1 입력부 및 제2 입력부를 갖는 배타적 OR 게이트로서, 제1 처리 블록 및 제2 처리 블록의 출력부가 배타적 OR 게이트의 제1 입력부 또는 제2 입력부에 직접 또는 간접적으로 결합되는 배타적 OR 게이트,
제1 검출 구조체의 접촉부와 결합되는 제1 복수의 전자 스위치 및 제2 검출 구조체의 접촉부와 결합되는 제2 복수의 전자 스위치를 포함하는 스위칭 블록, 및
제1 검출 구조체의 복수의 접촉부의 소정 개수의 접촉부가 회전당 소정 수의 단계로 제1 검출 구조체의 링 형상 웰을 따라 시계 방향으로 이동하는 제1 홀 소자를 형성하도록, 그리고 제2 검출 구조체의 복수의 접촉부의 소정 개수의 접촉부가 회전당 동일한 소정 수의 단계로 제2 검출 구조체의 링 형상 웰을 따라 반시계 방향으로 이동하는 제2 홀 소자를 형성하도록, 소정의 시간 계획에 따라 스위칭 블록의 스위치를 개폐하기 위한 클럭 신호를 제공하는 타이밍 회로로서, 제1 홀 소자 및 제2 홀 소자는 적어도 하나의 전류원으로부터 전류를 공급받고 각각 적어도 하나의 홀 전압을 처리 블록에 제공하는, 타이밍 회로
를 포함하는 전자 회로
를 포함한다.
바람직하게는, 접촉부의 개수 N은 8이고, 제1 스위칭 블록은 각각의 단계에서 제1 검출 구조체의 8개의 접촉부 모두가 적어도 하나의 전류원에 연결되거나 또는 처리 블록의 하나에 직접 또는 간접적으로 연결되도록 제1 복수의 전자 스위치를 개폐시키도록 구성되고, 제2 스위칭 블록은 각각의 단계에서 제2 검출 구조체의 8개의 접촉부 모두가 적어도 하나의 전류원에 연결되거나 또는 처리 블록의 하나에 직접 또는 간접적으로 연결되도록 제2 복수의 전자 스위치를 개폐시키도록 구성된다.
스위칭 블록은 바람직하게는 제1 홀 소자 및 제2 홀 소자를 8 단계로 이루어진 회전으로 또는 4 단계로 이루어진 회전으로 그들 각각의 링 형상 웰을 따라 이동시키도록 구성된다.
바람직하게는, 각각의 단계는 전류를 공급하기 위한 접촉부 및 각각의 홀 전압을 측정하기 위한 접촉부가 이른바 스피닝 전류 방법(spinning current method)에 따라 교체되는 2개의 또는 4개의 하위-단계(sub-step)를 포함한다.
바람직하게는, 제1 처리 블록 및 제2 처리 블록을 교대로 교체하기 위한 적어도 하나의 다른 스위칭 블록이 제공된다.
전도체를 통해 흐르는 1차 전류를 측정하기 위한 전류 센서가 그러한 자기장 센서, 코일, 및 코일에 기준 전류를 공급하는 전류원을 포함한다. 코일의 권선(winding)은 1차 전류에 의해 생성되는 1차 자기장 및 기준 전류에 의해 생성되는 기준 자기장이 0과는 상이한 각도(β)를 포함하도록 1차 전류의 방향에 대해 배향된다. 전류 센서는 1차 전류에 비례하는 출력 신호를 생성하는 자기장 센서의 배타적 OR 게이트의 출력부에 결합되는 전자 회로를 추가로 포함한다.
이 전자 회로는 예를 들어 탄젠트 함수에 비례하는 출력 신호를 생성하도록 구성되는 적분기를 포함하는 아날로그 회로일 수 있으며, 적분기는 연산 증폭기, M개의 스위치 및 저항기, 및 커패시터를 포함하고, M개의 스위치 및 저항기는 직렬로 배치된 하나의 스위치 및 하나의 저항기의 병렬 세트들로서 배치되며, 이때 스위치의 하나의 단자는 전압원에 연결되고, 저항기의 하나의 단자는 연산 증폭기의 입력부에 연결된다.
제1 검출 구조체의 접촉부의 개수가 8개이고, 제2 검출 구조체의 접촉부의 개수가 8개이며, 홀 소자가 4 단계로 각각의 회전을 완료하도록 작동되고, 각각의 단계에서 증폭기의 개별 증폭률 및/또는 홀 소자를 통해 흐르는 개별 전류를 갖는 자기장 센서에 의해, 기준 자기장이 1차 자기장에 비해 작은 경우에도 높은 정확도를 달성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 신속하면서도 높은 정확도를 갖는 자기장 센서 및 전류 센서가 제공된다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 한가지 이상의 실시 형태를 도시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리 및 구현 형태를 설명하는 역할을 한다. 도면들은 축척에 맞게 도시되지는 않는다.
도 1 및 도 2는 상이한 작동 조건에서 이동 홀 소자로서 작동가능한 평평한 검출 구조체를 도시한다.
도 3은 홀 전압 다이어그램을 도시한다.
도 4는 두 검출 구조체를 포함하는 각도 센서의 블록도(block scheme)를 도시한다.
도 5는 상이한 전압 다이어그램을 도시한다.
도 6은 다른 각도 센서에 대한 블록도를 도시한다.
도 7은 전류 측정을 위한 조립체 그룹을 도시한다.
도 8은 탄젠트 함수를 생성하기 위한 아날로그 회로를 도시한다.
도 9는 일정 작동 조건에서의 평평한 검출 구조체를 도시한다.
도 1은 링 형상의 전기 전도성 웰(2)과, 링 형상 웰(2)을 따라 서로로부터 동일한 거리를 두고 배치되고 링 형상 웰(2)과 접촉하는 동일한 크기의 N개의 적어도 8개의 접촉부(3)로 구성되는 평평한 검출 구조체(1)를 도시한다. 링 형상 웰(2)은 제1 전도성 타입이고, 제2 전도성 타입의 웰 또는 기재(substrate) 내에 매립된다. 검출 구조체(1)는 축이 x 및 y로 지칭되는 평면 내에 놓인다. 그러한 검출 구조체(1)와 이동 홀 소자로서의 그의 작동은 국제 특허 출원 WO 2008145662로부터 알려져 있다. 바람직한 실시 형태의 경우에, 도 1에 도시된 바와 같이, 접촉부(3)의 개수 N은 N=8이다. 8개의 접촉부(3)는 C1 내지 C8로 표기된다. 이 실시 형태에서, 8개의 접촉부(3)[링 형상 웰(2)의 중심으로부터 볼 때]는 45°만큼 각도 변위된다.
비록 접촉부(3)의 개수 N이 아주 적지만, 전류가 제1 접촉부 및 제5 접촉부로 공급되고 제3 접촉부로부터 방전된다는 점에서, 그리고 제2 접촉부와 제4 접촉부 사이에 나타나는 홀 전압(UH1)이 측정된다는 점에서, 서로 인접하게 놓인 5개의 접촉부, 즉 제1 접촉부, 제2 접촉부, 제3 접촉부, 제4 접촉부 및 제5 접촉부가 조합되어 수직 홀 소자를 형성한다. 이렇게 형성된 수직 홀 소자는 이어서 링 형상 웰(2)을 따라 시계 방향으로 또는 반시계 방향으로 단계적으로 이동된다. 1회전(one turn)을 완료하기 위한 단계의 수는 접촉부(3)의 개수 N과 동일하다. 따라서, 시계 방향으로 이동할 때, 제1 단계에서는 C1 내지 C5로 표기된 접촉부가 수직 홀 소자를 형성하고, 제2 단계에서는 C2 내지 C6으로 표기된 접촉부가 수직 홀 소자를 형성하며, 기타 등등이다. 이렇게 하기 위해, 바람직하게는 DC 전류원(current source)인 전류원(4), 바람직하게는 차동 차이 증폭기인 전압 차이 증폭기(5), 접촉부(3)와 결합되는 복수의 전자 스위치를 포함하는 스위칭 블록(6), 및 스위칭 블록의 스위치를 제어하기 위한 클럭 신호를 제공하는 타이밍 회로(7)가 제공된다. 스위칭 블록(6)의 스위치는 각각의 단계에서 요구되는 대로, 또는 아래에서 설명되는 바와 같이 스피닝 전류 방법(spinning current method)이 각각의 하위-단계(sub-step)에 적용되는 경우에, 수직 홀 소자의 5개의 이웃한 접촉부를 전류원(4) 및 전압 차이 증폭기(5)에 연결시키기 위해 소정의 시간 계획에 따라 개폐된다.
접촉부(3)의 개수 N=8은 다른, 더욱 효율적인 작동 모드를 가능하게 한다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 접촉부 및 제5 접촉부는 항상 서로 대향하여 놓인다. 따라서, 제5 접촉부, 제6 접촉부, 제7 접촉부, 제8 접촉부 및 제1 접촉부는 제2 수직 홀 소자로 조합될 수 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 제1 접촉부 및 제5 접촉부는 두 수직 홀 소자 모두에 속한다. 이 경우에, 전류는 제1 접촉부 및 제5 접촉부로 공급되고 제3 접촉부 및 제7 접촉부로부터 방전되며, 제2 접촉부와 제4 접촉부 사이에 나타나는 제1 홀 전압(UH1) 및 제8 접촉부와 제6 접촉부 사이에 나타나는 제2 홀 전압(UH2)이 검출된다. 두 홀 전압(UH1, UH2)은 우선 각각 전압 차이 증폭기로 공급된 다음에, 합산 접점(summing junction)에서 합해진다. 따라서, 시계 방향으로 이동할 때, 제1 단계에서는 C1 내지 C5로 표기된 접촉부가 제1 수직 홀 소자를 형성하고 C5 내지 C8 및 C1로 표기된 접촉부가 제2 수직 홀 소자를 형성하며, 제2 단계에서는 C2 내지 C6으로 표기된 접촉부가 제1 수직 홀 소자를 형성하고 C6 내지 C8, C1 및 C2로 표기된 접촉부가 제2 수직 홀 소자를 형성하며, 기타 등등이다.
제1 수직 홀 소자 및 제2 수직 홀 소자는 일부 전류 접촉부를 공유한다. 따라서, 검출 구조체(1)의 8개의 접촉부(3)는, 전류를 공급받고 작동 중 N개의 단계로 회전되는 하나의 단일 홀 소자를 형성하는 것으로 간주될 수 있으며, 여기에서 각각의 접촉부는 전류원에 또는 증폭기에 연결된다. 이 홀 소자는 측정 오차 및 제조 공차를 제외하고는 동일한 크기를 갖는 두 홀 전압(UH1, UH2)을 제공한다. 따라서, 이들 두 홀 전압(UH1, UH2)은 두 전압 차이 증폭기에 의해 처리될 수 있고, 이들의 출력은 후속 처리 준비된 단일의 처리된 홀 전압(UH)을 제공하기 위해 합산 접점에서 합해질 수 있다.
홀 소자(들)의 오프셋(offset)을 감소시키기 위해, 바람직하게는 잘 알려진 스피닝 전류 방법이 적용된다. 이는 각각의 단계가 2개 또는 4개의 하위-단계로 분할됨을 의미하며, 여기에서 전류 및 전압 접촉부가 교체된다. 도 1은 제1 단계의 제1 하위-단계의 스위칭 구성을 도시하는 반면에, 도 2는 제1 단계의 제2 하위-단계의 스위칭 구성을 도시한다. 이 제2 하위-단계에서, 전류는 C2 및 C8로 표기된 접촉부로 공급되고 접촉부 C4 및 C6으로부터 방전되며, 제1 홀 전압은 접촉부 C3과 단락된 접촉부 C1 및 C5 사이에서 측정되고, 제2 홀 전압은 접촉부 C7과 단락된 접촉부 C1 및 C5 사이에서 측정된다. 하위-단계의 수가 4개인 경우에, 하위-단계 3에서는 전류가 반대 방향으로 흐르고 전압 접촉부가 하위-단계 1에 대해 교체되며, 하위-단계 4에서는 전류가 반대 방향으로 흐르고 전압 접촉부가 하위-단계 2에 대해 교체된다. 따라서, 홀 소자를 회전시키기 위한 단계의 수는 여전히 N=8이지만, 스위칭 사이클의 총 수는 2*8=16 또는 2*4=32이다.
도 3은 x-방향을 지향하는 자기장이 인가되는 경우에, 하나의 완전한 회전 중에 N=8 단계의 각각에서 나타나는 홀 전압(UH)을 도시한다. 홀 전압(UH)은 계단 코사인파(코사인파의 근사파)이다. 유사하게, 홀 전압(UH)은 인가된 자기장이 y-방향을 지향하는 경우에 계단 사인파이다. 마지막으로, 임의의 평면내(in-plane) 자기장에 의해 유도되는 홀 전압(UH)은 계단 사인파 및 계단 코사인파의 선형 조합이다.
도 1의 검출 구조체(1)는 전자 회로와 조합되어 각도 센서를 형성할 수 있으며, 여기에서 각도 센서는 xy 평면 내에 놓인 자기장이 x-축과 형성하는 각도(α)에 비례하는 출력 신호를 제공한다. 따라서, 각도 센서는 평면에서 자기장의 방향을 측정하기 위한 자기장 센서이다. 바람직한 실시 형태에서, 각도 센서는 2개의 검출 구조체(1A, 1B)를 포함하며, 여기에서 제1 검출 구조체(1A)는 시계 방향으로 이동하는 홀 소자로서 작동되고, 제2 검출 구조체(1B)는 반시계 방향으로 이동하는 홀 소자로서 작동된다. 도 4는 완전한 전자 회로와 함께 그러한 각도 센서(8)의 블록도를 도시한다. 각도 센서(8)는 본질적으로 제1 검출 구조체(1A); 제1 스위칭 블록(6A); 제1 전압 차이 증폭기(5A), 제1 대역통과 필터(10A) 및 제1 비교기(11A)를 포함하는 제1 처리 블록(9A); 제2 검출 구조체(1B); 제2 스위칭 블록(6B); 제2 전압 차이 증폭기(5B), 제2 대역통과 필터(10B) 및 제2 비교기(11B)를 포함하는 제2 처리 블록(9B); 타이밍 회로(7); 제1 전류원(4A); 및 제2 전류원(4B)을 포함한다. 검출 구조체(1A, 1B)의 각각이 두 홀 전압(UH1, UH2)을 제공할 때, 제1 전압 차이 증폭기(5A) 및 제2 전압 차이 증폭기(5B)는, 두 홀 전압(UH1, UH2) 모두를 처리하고 그들의 합에 비례하는 출력 신호를 제공하도록 구성된다. 두 처리 블록(9A, 9B)의 출력 신호는 두 입력부 및 하나의 출력부를 갖는 배타적 OR 게이트(12)로 공급된다. 배타적 OR 게이트(12)는 펄스폭 변조(pulse width modulated: PWM) 신호인 출력 신호를 제공한다. 이 실시예의 경우에, 처리 블록(9A, 9B)의 출력부는 배타적 OR 게이트(12)의 입력부에 직접 결합된다.
제1 스위칭 블록(6A)은 제1 검출 구조체(1A)의 접촉부(3)와 결합되는 제1 복수의 전자 스위치를 포함하고, 제2 스위칭 블록(6B)은 제2 검출 구조체(1B)의 접촉부(3)와 결합되는 제2 복수의 전자 스위치를 포함한다. 제1 홀 소자를 제1 검출 구조체(1A)의 링 형상 웰(2)을 따라 시계 방향으로 그리고 제2 홀 소자를 제2 검출 구조체(1B)의 링 형상 웰(2)을 따라 반시계 방향으로 이동시키기 위해 검출 구조체(1A, 1B)의 8개의 접촉부(3)가 전술된 바와 같이 일정한 전류원(4A, 4B)에 또는 처리 블록(9A, 9B)에 연결되도록, 타이밍 회로(7)는 소정의 시간 계획에 따라 스위칭 블록(6A, 6B)의 스위치를 개폐하기 위한 클럭 신호를 제공한다. 각각의 홀 소자는, 제1 처리 블록(9A) 또는 제2 처리 블록(9B)의 각각의 전압 차이 증폭기(5A 또는 5B)에서 처리되어 합계 홀 전압(UH)으로 합산되는 두 홀 전압(UH1, UH2)을 제공한다. 홀 소자는 전류를 단일 전류원으로부터 공급받을 수 있거나, 또는 도시된 바와 같이 여러 상이한 전류원(4A, 4B)으로부터 공급받을 수 있다.
도 5는 처리 블록(9A, 9B) 내에서 및 배타적 OR 게이트(12)의 출력부에서 나타나는 상이한 전압 V1 내지 V7을 시간 t의 함수로서 도시한다. 이들 전압은 다음과 같다:
V1은 제1 전압 차이 증폭기(5A)의 출력부에서 나타나는 전압이고,
V2는 제1 대역통과 필터(10A)의 출력부에서 나타나는 전압이며,
V3은 제1 비교기(11A)의 출력부에서 나타나는 전압이고,
V4는 제2 전압 차이 증폭기(5B)의 출력부에서 나타나는 전압이며,
V5는 제2 대역통과 필터(10B)의 출력부에서 나타나는 전압이고,
V6은 제2 비교기(11B)의 출력부에서 나타나는 전압이며,
V7은 배타적 OR 게이트(12)의 출력부에서 나타나는 전압이다.
전압 V2 및 V5는,
V2=A1*S1*B*IH1*cos(2π*f*t-α) 및
V5=A2*S2*B*IH2*cos(2π*f*t+α)에 의해 주어지고,
V7=폭 α/(π*f)의 직사각형 펄스이며,
여기에서, α는 xy-평면에서 자기장이 x-축과 형성하는 각도를 지칭하고, f는 주파수 = 단위 시간당 홀 소자의 회전수를 지칭하며, A1 및 A2는 증폭기(5A, 5B)의 증폭률(amplification factor)(이득)을 지칭하고, S1 및 S2는 검출 구조체(1A, 1B)의 감도를 지칭하며, IH1 및 IH2는 검출 구조체(1A, 1B)를 통해 흐르는 전류를 각각 지칭한다. T는 1/f이다. 처리 블록(9A, 9B)은 바람직하게는 A1=A2를 갖도록 매칭된다. 감도는 동일하며, 즉 S1=S2이다. 이 바람직한 각도 센서(8)는 배타적 OR 게이트(12)의 출력부에서 나타나는 펄스가 증폭기(5A, 5B)의 이득 및 온도 변동에 무관하다는 이점을 갖는다.
처리 블록(9A, 9B)은 각각 일정 지연을 도입할 수 있어, 비교기(11A, 11B)의 출력부에서 나타나는 펄스가 시간 면에서 약간 이동된다. 처리 블록(9A, 9B)이 매칭되고 각각 ψ1 및 ψ2를 갖는 경우에, 전압 V2 및 V5는,
V2=A1*S1*B*IH1*cos(2π*f*t-α+ψ1) 및
V5=A2*S2*B*IH2*cos(2π*f*t+α+ψ2)이고,
펄스의 폭 α/(π*f)는 ψ1=ψ2인 경우 지연에 무관하다. ψ1=ψ2를 갖기 위해서, 두 처리 블록(9A, 9B)을 주기적으로, 예컨대 홀 소자의 각각의 완전한 회전 후에 교체하는 것이 바람직하다. 도 6은 처리 블록(9A, 9B) 앞에 위치되는 적어도 하나의 다른 스위칭 블록(13) 또는 처리 블록(9A, 9B) 앞과 뒤에 위치되는 2개의 다른 스위칭 블록(13, 14)을 구비하는 각도 센서(8)를 도시한다. 스위칭 블록(들)(13, 14)은 처리 블록(9A, 9B)을 주기적으로 교체한다. 이 실시예의 경우에, 처리 블록(9A, 9B)의 출력부는 배타적 OR 게이트(12)의 입력부에 간접적으로[스위칭 블록(14)을 통해] 결합된다.
도 7은 전류의 측정을 위한 그러한 각도 센서의 응용을 도시한다. 각도 센서(8)는 측정될 전류, 즉 1차 전류가 그것을 통해 흐르는 평탄한 전기 전도체(15) 상에 위치된다. 1차 전류는 화살표(16)로 지시된 방향으로 전도체(15)를 따라 흘러 1차 자기장(Bp)을 생성한다. 각도 센서(8)는 종래 방식으로 전도체(15) 위에 위치되는 반도체 칩 내에 통합된다. 코일(17)을 통해 흐르는 기준 전류(Iref)가 기준 자기장(Bref)을 생성한다. 코일(17)은 바람직하게는 검출 구조체(1) 위에서 반도체 칩 상에 형성되는 종래의 전도체 트랙(19)으로 구성되는 평탄한 코일이다. 전도체 트랙(19)의 권선(winding)은 기준 자기장(Bref)이 1차 자기장(Bp)의 방향과는 상이한 방향으로 지향되도록 배향된다. 1차 자기장(Bp) 및 기준 자기장(Bref)은 0과는 상이한 고정 각도(β)를 포함한다. 바람직하게는, 각도(β)는 이 실시예에 도시된 바와 같이 β=90°이다. 전도체(15) 및 각도 센서(8)는 전류 측정을 위한 조립체 그룹을 형성한다. 도 1과 관련하여, 각도 센서(8) 및 코일(17)은 코일(17)을 통해 흐르는 전류(Iref)에 의해 생성되는 기준 자기장(Bref)이 x-방향을 지향하고 측정될 전류(Ip)에 의해 생성되는 1차 자기장(Bp)이 y-방향을 지향하도록 배향된다. 각도(α)는 총 자기장 B=Bref+Bp가 기준 자기장(Bref)과 형성하는 각도를 가리킨다.
각도(α)는 다음의 식, 즉
tanα=Bp/Bref=k1*Ip/(k2*Iref)에 의해 주어지며,
여기에서 k1 및 k2는 각각 전도체(15) 및 코일(17)의 진공 자기 유전율(vacuum magnetic permittivity) 및 기하학적 형상에 의존하는 상수이다. 코일(17)을 통해 흐르는 전류(Iref)는 예를 들어 일정한 기준 전압(Vref) 및 기준 저항기(Rref)를 제공하는 전압원인 전류원(18)에 의해 다음과 같이, 즉
Iref=Vref/Rref로 생성되고,
Ip=k2*Vref/(k1*Rref)*tanα를 얻는다.
배타적 OR 게이트(12)의 출력부는 폭(또는 길이) α/(π*f)의 펄스를 제공한다. 값 tanα는 여러 상이한 방식으로, 예를 들어 룩업 테이블과 함께 디지털 블록 또는 A/D 컨버터의 사용에 의해, 기타 등등에 의해 결정될 수 있다. 도 8은 각도(α)의 함수로서 tanα를 생성하기 위해 펄스폭 변조 신호(V7)의 폭 α/(π*f)의 펄스를 사용하는 아날로그 회로를 사용하는 바람직한 방식을 도시한다. 도 8은 아날로그 회로 및 몇몇 다이어그램을 도시한다.
아날로그 회로는 적분기(20), 샘플 및 홀드 회로(sample and hold circuit)(21), 적분기(20)의 출력부를 샘플 및 홀드 회로(21)의 입력부에 결합시키는 제1 스위치(22), 및 특정 시간에 적분기(20)의 리셋을 가능하게 하는 제2 스위치(26)를 포함한다. 적분기(20)는 전압원(23), 연산 증폭기(24), M개의 스위치(φ1 내지 φM) 및 저항기(R1 내지 RM), 및 커패시터(C1)를 포함한다. M개의 스위치(φ1 내지 φM) 및 저항기(R1 내지 RM)는 직렬로 배치된 하나의 스위치 및 하나의 저항기의 병렬 세트들로서 배치되며, 이때 스위치의 하나의 단자는 전압원(23)에 연결되고, 저항기의 하나의 단자는 연산 증폭기(24)의 입력부에 연결된다. 샘플 및 홀드 회로(21)는 커패시터(C2) 및 연산 증폭기(25)를 포함한다. 스위치(22, 26)는 대부분의 시간 동안 열려 있고, 단지 후술될 짧은 시간 주기 동안만 닫힌다.
처음에, 모든 스위치(φ1 내지 φM)가 열리고, 커패시터(C)가 방전된다. 연산 증폭기(24)의 출력부에서의 전압은 0이다. 시간 t0에서, 스위치(φ1)가 닫혀, 전류 I1=Vref/R1이 저항기(R1)를 통해 흐르고 커패시터(C1)를 충전시킨다. 시간 t1에서, 스위치(φ2)가 닫혀, 전류 I2=Vref/(R1∥R2)가 커패시터(C1)를 충전시킨다. 시간 t2에서, 스위치(φ3)가 닫혀, 전류 I3=Vref/(R1∥R2∥R3)이 커패시터(C1)를 충전시킨다. 시간 t1, t2 내지 tM은 t0 내지 t1, t1 내지 t2,...tM -1 내지 tM의 연속적인 시간 간격을 형성한다. 시간 t1, t2 내지 tM과 저항기(R1 내지 RM)는 각각의 시간 간격에서 커패시터(C1)를 충전하는 전류가 그 시간 간격의 적절한 시점에서 tan(t)의 1차 도함수에 비례하도록 선택된다. 이 아날로그 회로(20)는 전통적인 적분기이기 때문에, 연산 증폭기(24)의 출력부에서의 전압은 tan(t)에 비례한다.
전압 신호(V7)는 아날로그 회로(20)의 작동을 제어한다. 그러나, 적분기(20)의 시간 척도(time scale)는 펄스폭 변조 신호(V7)의 시간 척도에 맞추어져야 한다. 전압 신호(V7)의 펄스의 시작은 적분기(20)의 시작을 유발하며, 즉 전압(V7)의 상태가 낮음(low)에서 높음(high)으로 변화될 때, 시간 t0이 생성된다. 스위치(φ1 내지 φM)는 소정의 시간 t0 내지 tM -1에서 차례로 닫힌다. 그러나, 펄스의 종료시, 즉 전압(V7)의 상태가 높음에서 낮음으로 변화될 때, 이 과정이 종료되고, 모든 스위치(φ1 내지 φM)가 열린다. 연산 증폭기(24)의 출력부에서의 전압은 이제 값 k1/(k2*C1)*Ip를 갖는다.
스위치(22)는 커패시터(C1)에서의 실제 전압을 커패시터(C2)로 전달하기 위해, 각각의 펄스의 종료시, 즉 전압(V7)의 상태가 높음에서 낮음으로 변화될 때, 짧은 시간 주기 동안 닫힌다. 스위치(22)가 다시 열린 후에, 스위치(26)는 적분기(20)의 출력 전압을 0으로 리셋하는 커패시터(C1)를 방전시키기 위해 짧은 시간 주기 동안 닫힌다.
도 8의 다이어그램은 배타적 OR 게이트(12)(도 4)의 출력부에서의 전압(V7), 스위치(22, 26)의 상태(S22, S26)(높음=닫힘, 낮음=열림), 적분기(20)의 출력부에서의 전압(V8), 및 샘플 및 홀드 회로(21)의 출력부에서의 전압(V9)을 도시한다. 이 실시예의 경우에, V7의 3개의 연속적인 펄스의 폭은 증가한다. 따라서, 전압(V8, V9)은 연속적으로 더욱 높은 레벨을 달성한다.
함수 tan(t)는 1.25% 미만의 함수 tan(t)의 근사치의 오차를 갖고서 M=6만큼 적은 저항기에 의해 t=0 내지 t=π/(4*2*π*f)=1/(8*f)의 간격으로 우수하게 근사될 수 있다. 함수 tan(t)가 π/4보다 큰 각도에 대해 생성될 필요가 있는 경우에, 저항기의 개수 M과 시간 간격은 더욱 크다.
각도(α)는 비율 k1*Ip/(k2*Iref)에 의존한다. 0 내지 π/4의 각도를 갖기 위해서, k1=k2인 경우에, 기준 전류(Iref)는 측정될 1차 전류(Ip)보다 커야 한다. 이 조건은 코일(17)을 통해 흐를 수 있는 최대 기준 전류가 제한되기 때문에 항상 충족될 수는 없다. 그러나, 홀 전압이 Bp에만 또는 Bref에만 관한 정보를 담은 홀 소자의 회전 중의 단계에서만 홀 전압이 샘플링된다는 점에서 이 문제를 극복하는 해소방안이 있다. 1회전의 N=8 단계 중에는, 홀 전압이 Bp에만 관한 정보를 담은 두 단계가 있고, 홀 전압이 Bref에만 관한 정보를 담은 두 단계가 있다. 따라서, 홀 소자는 링 형상 웰(2)을 따라 단지 4개의 단계로만 회전된다. N=8 단계로 회전할 때, 2개의 연속하는 단계로 형성되는 수직 홀 소자는 두 인접 접촉부(3) 사이의 거리만큼 변위되며, 즉 그들은 360°/8=45°의 각도만큼 회전된다. N=4 단계로 회전할 때, 2개의 연속하는 단계로 형성되는 수직 홀 소자는 두 인접 접촉부(3) 사이의 거리의 2배만큼 변위되며, 즉 그들은 360°/4=90°의 각도만큼 회전된다. 제1 단계에서, 8개의 접촉부(3)는 도 1에 도시된 바와 같이 전류원(4) 및 전압 차이 증폭기(5)에 연결된다. 검출 구조체(1)는 이제 자기장(Bref)을 측정한다. 제2 단계, 제3 단계 및 제4 단계에서, 8개의 접촉부(3)는 도 9에 도시된 바와 같이 전류원(4) 및 전압 차이 증폭기(5)에 연결된다. 검출 구조체(1)는 이제 자기장(Bp)을 측정한다. 제3 단계에서 검출 구조체(1)는 다시 자기장(Bref)을 측정하고, 제4 단계에서 검출 구조체(1)는 자기장(Bp)을 측정한다. 자기장(Bp)이 측정될 때, 즉 단계 2 및 단계 4에서 측정될 때, 전류(IH1, IH2)가 비율(factor) h만큼 감소되거나, 또는 증폭기(5A, 5B)의 증폭률이 비율 h만큼 감소되거나, 또는 이들 둘 다의 조합이 일어난다. [또는 대안적으로, 자기장(Bref)이 측정될 때, 즉 단계 1 및 단계 3에서 측정될 때, 전류(IH1, IH2)가 비율 h만큼 증가되거나, 또는 증폭기(5A, 5B)의 증폭률이 비율 h만큼 증가되거나, 또는 이들 둘 다의 조합이 일어난다.] 이때, 도 4에 도시된 회로의 전압 V2, V5 및 V7은,
V2=A1*S1*B*IH1*cos(2π*f*t-π/4-α1),
V5=A2*S2*B*IH2*cos(2π*f*t-π/4+α1),
V7=폭 α1/(π*f)의 직사각형 펄스이며,
여기에서, tanα1=Bp/(h*Bref),
또는 Ip=h*k2/k1*Iref)*tanα1이다.
따라서, 도 4 및 도 8에 도시된 회로는 홀 소자를 N/2=4 단계로 회전시키는 것, 전술된 바와 같이 개별 증폭률 및/또는 홀 소자를 통한 전류를 갖는 것, 및 전압(V7)의 펄스에 대한 적분기(20)의 스케일링 변경과 같은 적은 변경사항을 갖고서 이 경우에 또한 사용될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시 형태에서, 샘플 및 홀드 회로(21)의 연산 증폭기(25)의 증폭률은 비율 h만큼 증가되어, 샘플 및 홀드 회로(21)의 출력부에서의 전압(V9)은,
V9=k2/k1*Iref이다.
수직 홀 소자를 단계당 90°의 회전으로 4 단계로 회전시키는 대신에, 이들 4개의 단계 중 단지 단계 1 및 단계 2만을 사용하는 것, 즉 도 1 및 도 9에 도시된 바와 같은 홀 소자의 제1 연결 계획과 제2 연결 계획 사이에서 교대로 스위칭하는 것이 또한 가능할 수 있다. 또한, 수직 홀 소자를 8 단계로 회전시키고, 각각의 단계에서 홀 소자를 통해 흐르는 개별 전류 및/또는 증폭기(5A, 5B)의 개별 증폭률을 갖는 것이 또한 가능할 수 있다.
한가지 큰 이점은 회전당 적은 수의 4개 또는 8개의 단계로 인해, 정보를 얻는데 필요한 시간이 짧기 때문에, 각도 센서 및 전류 센서를 아주 신속하게 한다는 점이다.
본 발명의 실시 형태 및 응용이 도시되고 설명되지만, 본 개시 내용의 이득을 취한 본 기술 분야의 당업자라면, 본 명세서의 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고서 전술된 바보다 훨씬 많은 변형이 가능함을 명백하게 파악할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 특허청구범위 및 그들의 동등물에 의한 바를 제외하고는 한정되지 않는다.
1: 검출 구조체 2: 링 형상 웰
3: 접촉부 4: 전류원
5: 전압 차이 증폭기 6: 스위칭 블록
7: 타이밍 회로 8: 각도 센서
12: 배타적 OR 게이트 15: 전도체
17: 코일 18: 전류원
19: 전도체 트랙 20: 적분기
21: 샘플 및 홀드 회로 23: 전압원
24: 연산 증폭기 25: 연산 증폭기

Claims (10)

  1. 평면에서 자기장의 방향을 측정하기 위한 자기장 센서이며:
    제1 검출 구조체 및 제2 검출 구조체로서,
    링 형상의 전기 전도성 웰(2), 및
    링 형상 웰(2)을 따라 서로로부터 동일한 거리를 두고 배치되고 링 형상 웰(2)과 접촉하는 동일한 크기의 소정 개수 N의 적어도 8개의 접촉부(3)
    를 각각 포함하는 제1 검출 구조체 및 제2 검출 구조체;
    전자 회로로서,
    적어도 하나의 전류원(4),
    각각 전압 차이 증폭기(5A; 5B), 대역통과 필터(10A; 10B) 및 비교기(11A; 11B)를 포함하는, 제1 홀 전압을 처리하기 위한 제1 처리 블록(9A) 및 제2 홀 전압을 처리하기 위한 제2 처리 블록(9B)과, 제1 입력부 및 제2 입력부를 갖는 배타적 OR 게이트(12)로서, 제1 처리 블록 및 제2 처리 블록(9A; 9B)의 출력부가 배타적 OR 게이트(12)의 제1 입력부 또는 제2 입력부에 직접 또는 간접적으로 결합되는 배타적 OR 게이트(12),
    제1 검출 구조체(1A)의 접촉부(3)와 결합되는 제1 복수의 전자 스위치 및 제2 검출 구조체(1B)의 접촉부(3)와 결합되는 제2 복수의 전자 스위치를 포함하는 스위칭 블록(6), 및
    제1 검출 구조체(1A)의 복수의 접촉부(3)의 소정 개수의 접촉부(3)가 회전당 소정 수의 단계로 제1 검출 구조체(1A)의 링 형상 웰(2)을 따라 시계 방향으로 이동하는 제1 홀 소자를 형성하도록, 그리고 제2 검출 구조체(1B)의 복수의 접촉부(3)의 소정 개수의 접촉부가 회전당 동일한 소정 수의 단계로 제2 검출 구조체(1B)의 링 형상 웰(2)을 따라 반시계 방향으로 이동하는 제2 홀 소자를 형성하도록, 소정의 시간 계획에 따라 스위칭 블록(6A; 6B)의 스위치를 개폐하기 위한 클럭 신호를 제공하는 타이밍 회로(7)로서, 제1 홀 소자 및 제2 홀 소자는 적어도 하나의 전류원(4)으로부터 전류를 공급받고 각각 적어도 하나의 홀 전압을 처리 블록(9A; 9B)에 제공하는, 타이밍 회로(7)
    를 포함하는 전자 회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    접촉부의 개수 N은 8이고,
    제1 스위칭 블록(6A)은 각각의 단계에서 제1 검출 구조체(1A)의 8개의 접촉부(3) 모두가 적어도 하나의 전류원(4)에 연결되거나 또는 처리 블록(9A; 9B)의 하나에 직접 또는 간접적으로 연결되도록 제1 복수의 전자 스위치를 개폐시키도록 구성되며,
    제2 스위칭 블록(6B)은 각각의 단계에서 제2 검출 구조체(1B)의 8개의 접촉부(3) 모두가 적어도 하나의 전류원(4)에 연결되거나 또는 처리 블록(9A; 9B)의 하나에 직접 또는 간접적으로 연결되도록 제2 복수의 전자 스위치를 개폐시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    스위칭 블록(6A; 6B)은 제1 홀 소자 및 제2 홀 소자를 8 단계로 이루어진 회전으로 그들 각각의 링 형상 웰을 따라 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    스위칭 블록(6A; 6B)은 제1 홀 소자 및 제2 홀 소자를 4 단계로 이루어진 회전으로 그들 각각의 링 형상 웰을 따라 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    각각의 단계는 전류를 공급하기 위한 접촉부 및 각각의 홀 전압을 측정하기 위한 접촉부가 스피닝 전류 방법에 따라 교체되는 2개의 또는 4개의 하위-단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 처리 블록 및 제2 처리 블록(9A; 9B)을 교대로 교체하기 위한 적어도 하나의 다른 스위칭 블록(13; 14)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  7. 전도체(15)를 통해 흐르는 1차 전류를 측정하기 위한 전류 센서이며:
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 자기장 센서,
    코일(17), 및
    코일(17)에 기준 전류를 공급하는 전류원(18)
    을 포함하고,
    코일(17)의 권선은 1차 전류에 의해 생성되는 1차 자기장 및 기준 전류에 의해 생성되는 기준 자기장이 0과는 상이한 각도(β)를 포함하도록 1차 전류의 방향에 대해 배향되며,
    전류 센서는 1차 전류에 비례하는 출력 신호를 생성하는 배타적 OR 게이트(12)의 출력부에 결합되는 전자 회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    전자 회로는 탄젠트 함수에 비례하는 출력 신호를 생성하도록 구성되는 적분기(20)를 포함하며, 적분기(20)는 연산 증폭기(24), M개의 스위치(φ1 내지 φM) 및 저항기(R1 내지 RM), 및 커패시터(C1)를 포함하고, M개의 스위치(φ1 내지 φM) 및 저항기(R1 내지 RM)는 직렬로 배치된 하나의 스위치 및 하나의 저항기의 병렬 세트들로서 배치되며, 이때 스위치의 하나의 단자는 전압원(23)에 연결되고, 저항기의 하나의 단자는 연산 증폭기(24)의 입력부에 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    각도(β)는 대략 90°이고, 증폭기(5A; 5B)의 개별 증폭률 및/또는 홀 소자를 통해 흐르는 개별 전류가 각각의 단계에 적용되는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 검출 구조체(1A)의 접촉부(3)의 개수는 8이고, 제2 검출 구조체(1B)의 접촉부(3)의 개수는 8이며, 회전당 단계의 소정 수는 4인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
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