KR20120077035A - Inductive sensor for angle or displacement using switching device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서에 관한 것으로서, 구조가 단순하고 소형화가 가능하며 전류소비를 절감할 수 있는 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서에 관한 것이다.The present invention relates to an inductance displacement sensor using a switching element, the structure is simple, can be miniaturized, and relates to an inductance displacement sensor using a switching element that can reduce the current consumption.
일반적으로 자동차의 핸들이나 제동장치, 각종 기계장치의 경우 회전각이나 직선이동거리 등에 대한 정확한 값을 측정하는 것이 정확한 제어를 행할 수 있으므로 매우 중요하다.In general, in the case of a steering wheel, a braking device, and various mechanical devices of a vehicle, it is very important to accurately measure the rotation angle or the linear moving distance, so that accurate control can be performed.
따라서, 회전체의 회전각을 측정하기 위하여 다양한 앵글센서를 설치하여 사용하고, 직선이동거리를 측정하기 위하여 다양한 직선변위 감지센서를 설치하여 사용한다.Therefore, various angle sensors are installed and used to measure the rotation angle of the rotating body, and various linear displacement sensors are installed and used to measure the linear travel distance.
예를 들면, 빛의 발광 및 수광을 이용하는 방식의 앵글센서, 코일의 인덕턴스를 이용하는 인덕턴스방식 변위감지센서 등이 사용된다.For example, an angle sensor using light emission and light reception, an inductance displacement detection sensor using an inductance of a coil, and the like are used.
종래 인덕턴스방식 변위감지센서의 예로는 대한민국 특허 제10-0929163호, 제10-0938597호, 제10-0988573호, 공개특허 제10-2010-0003172호, 제10-2010-0033907호, 등에 다양한 방식과 구조의 인덕턴스방식 앵글센서가 공개되어 있다.Examples of the conventional inductance displacement sensor include various methods such as Korean Patent Nos. 10-0929163, 10-0938597, 10-0988573, Patent Publication Nos. 10-2010-0003172, 10-2010-0033907, and the like. An inductance angle sensor with over structure is disclosed.
종래 인덕턴스방식 변위감지센서는 여자코일 위에 수신코일을 배치하고, 그 위에 커플러를 배치하여 구성된다. 상기 여자코일에는 소정의 주파수로 발진전압을 인가하기 위한 발진회로가 연결 설치된다.Conventional inductance displacement sensor is configured by placing the receiving coil on the excitation coil, and a coupler on it. An oscillation circuit is connected to the excitation coil to apply an oscillation voltage at a predetermined frequency.
상기 발진회로로는 RC발진기(RC Oscillator), LC발진기(LC Oscillator), 수정발진기(Crystal Oscillator), 하틀레이발진기(Hartley Oscillator), 콜피츠발진기(Colpitts Oscillator) 등이 사용된다.RC oscillator (RC Oscillator), LC Oscillator (LC Oscillator), Crystal Oscillator (Crystal Oscillator), Hartley Oscillator (Hartley Oscillator), Colpitts Oscillator (Colpitts Oscillator) is used.
상기와 같은 구조에서 커플러가 회전 또는 이동함에 따라 수신코일의 인덕턴스값에 변화가 발생하고, 이를 이용하여 회전체의 회전각이나 직선이동거리를 측정하게 된다.In the structure described above, a change occurs in the inductance value of the receiving coil as the coupler rotates or moves, and the rotation angle or the linear movement distance of the rotating body is measured using the same.
최근에는 인덕턴스방식 변위감지센서의 소형화에 대한 요구가 증가하고 있지만, 여자코일의 크기를 소형화하기 위해서는 주파수를 높여야 하는데, 높은 주파수를 발진하기 위한 발진회로의 구조가 복잡해진다는 문제가 있다.In recent years, the demand for miniaturization of the inductance displacement sensor has been increased, but in order to reduce the size of the excitation coil, the frequency has to be increased, but the structure of the oscillation circuit for oscillating a high frequency is complicated.
따라서 종래 인덕턴스방식 변위감지센서에 있어서는 소형화에 한계가 있다.Therefore, there is a limit to miniaturization in the conventional inductance displacement sensor.
본 발명은 상기와 같은 점에 조감하여 이루어진 것으로서, 발진회로로 스위칭소자를 사용하고 시정수의 변화를 측정하여 회전각이나 이동거리를 측정할 수 있도록 구성하는 것에 의하여 구조가 간단하고 소형화가 가능한 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서를 제공하는데, 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above point, by using a switching element as the oscillation circuit and by configuring the configuration to be able to measure the rotation angle or the moving distance by measuring the change of the time constant switching is capable of miniaturization and miniaturization The present invention provides an inductance displacement sensor using an element.
본 발명의 실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서는 엘씨회로(LC circuit 또는 LC tank)로 구성되는 센싱코일(sensing coil)과, 상기 센싱코일에 공급되는 전원을 주기적으로 온/오프시키는 스위칭소자와, 상기 센싱코일과 간격을 두고 설치되고 회전 또는 이동함에 따라 상기 센싱코일에 발생하는 인덕턴스값에 변화를 주는 커플러와, 상기 센싱코일에 연결 설치되고 상기 센싱코일에서 발생되는 인덕턴스값의 변화를 사용하여 커플러의 회전각이나 이동거리를 연산하여 출력하는 신호처리기를 포함하여 이루어진다.An inductance displacement sensor using a switching element according to an embodiment of the present invention periodically turns on / off a sensing coil composed of an LC circuit or an LC tank and a power supplied to the sensing coil. A switching element configured to be spaced apart from the sensing coil, and a coupler for changing a value of the inductance generated in the sensing coil as it is rotated or moved, and an inductance value connected to the sensing coil and generated in the sensing coil. It includes a signal processor that calculates and outputs the rotation angle or the moving distance of the coupler using the change.
상기 스위칭소자가 주기적으로 온/오프함에 따라 엘씨회로로 구성되는 센싱코일에서 공진이 발생하고, 일정한 공진주파수로 발진이 이루어진다.As the switching element is periodically turned on / off, resonance occurs in a sensing coil composed of an LC circuit, and oscillation is performed at a constant resonance frequency.
본 발명의 실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서에 의하면, 발진을 위하여 비교적 구조가 간단한 스위칭소자를 사용하므로, 센싱코일을 소형화하는 경우에도 전체적인 구조가 복잡해지지 않으며, 전체적인 시스템을 소형화 또는 초소형화하는 것이 가능하다.According to the inductance displacement sensor using a switching device according to an embodiment of the present invention, since the switching device uses a relatively simple structure for oscillation, the overall structure is not complicated even when the sensing coil is downsized, and the overall system is downsized. Or it is possible to miniaturize.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서에 의하면, 발진을 위하여 스위칭소자를 사용하므로, 공진이 일어나는 시점에서만 전류의 소비(종래 발진회로의 경우에는 계속하여 동작이 이루어지므로 전류가 많이 소비됨)되어 전체적으로 전류의 소비를 절감하는 것이 가능하다.In addition, according to the inductance displacement sensor using the switching element according to the embodiment of the present invention, since the switching element is used for oscillation, current consumption only occurs when resonance occurs (the conventional oscillation circuit is continuously operated. It is possible to reduce the consumption of current as a whole).
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서를 개념적으로 나타내는 블럭회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서에 있어서 센싱코일의 일예를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서에 있어서 도 2에 나타낸 센싱코일을 사용하는 예를 개념적으로 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서에 있어서 스위칭소자의 온/오프 작동에 따른 시정수의 변화 및 포락선(f(t))을 나타내는 그래프이다.1 is a block circuit diagram conceptually showing an inductance displacement sensor using a switching device according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing an example of a sensing coil in an inductance displacement sensor using a switching device according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram conceptually illustrating an example of using the sensing coil shown in FIG. 2 in an inductance displacement sensor using a switching device according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a change in time constant and envelope (f (t)) according to on / off operation of a switching element in an inductance displacement sensor using a switching element according to an embodiment of the present invention.
다음으로 본 발명에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Next, a preferred embodiment of an inductance displacement sensor using a switching device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 센싱코일(10)과, 스위칭소자(50)와, 커플러(30)와, 신호처리기(40)를 포함하여 이루어진다.First, as shown in FIG. 1, an inductance displacement sensor using a switching device according to an embodiment of the present invention includes a
상기 센싱코일(10)은 엘씨회로(LC circuit 또는 LC tank)로 구성된다.The
예를 들면, 상기 센싱코일(10)은 코일(L)과 저항(R)이 직렬로 연결되고 여기에 커패시터(C)가 병렬로 연결되는 구조, 코일(L)과 코일(L)이 간격을 두고 인덕턴스가 발생하도록 배치되는 구조 등의 다양한 엘씨회로를 이용하여 구현하는 것이 가능하다.For example, the
상기 스위칭소자(50)는 상기 센싱코일(10)에 공급되는 전원을 주기적으로 온/오프(on/off)시키는 기능을 수행한다.The
상기 스위칭소자(50)로는 고속으로 온/오프할 수 있는 TR(Transistor), FET(Field Effect Transistor), SSR(Solid State Relay), JFET(Junction Field Effect Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 널리 알려진 다양한 반도체 소자 중에서 선택하여 사용하는 것이 가능하다.The
상기 스위칭소자(50)에서 엘씨회로로 구성되는 센싱코일(10)로 공급되는 전원을 주기적으로 온/오프하게 되면, 센싱코일(10)의 엘씨회로에서는 일정한 공진주파수로 발진이 이루어진다.When the power supply to the
상기 센싱코일(10)은 여자코일만으로 구성하는 것도 가능하고, 수신코일만으로 구성하는 것도 가능하고, 여자코일과 수신코일을 조합하여 구성하는 것도 가능하다.The
예를 들면, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 센싱코일(10)을 여자코일(12)과 수신코일(14)을 조합하여 구성하는 것도 가능하다.For example, as illustrated in FIGS. 2 and 3, the
그러나 본 발명의 실시예에 있어서 센싱코일(10)의 구성은 이에 한정되는 것이 아니고, 여자코일과 수신코일을 단독으로 또는 다양한 형상과 조합으로 구성하는 것이 가능한 것이며, 센싱코일(10)의 형상과 조합에 제한이 있는 것은 아니다.However, in the embodiment of the present invention, the configuration of the
상기 센싱코일(10)을 구성하는 여자코일(12)은 다수회 권선된 상태로 설치된다. 예를 들면, 상기 여자코일(12)은 원형이나, 사각형 또는 삼각형으로 권선하여 사용한다.The
상기 수신코일(14)은 상기 여자코일(12)과 간격을 두고 설치된다.The
상기 수신코일(14)에는 상기 여자코일(12)에 전원이 공급될 때에 유도기전력에 의한 인덕턴스(L)가 발생한다.The
상기 수신코일(14)은 대칭형상으로 형성되어 배치되는 한쌍으로 구성하는 것도 가능하다. 예를 들면, 상기 수신코일(14)은 상기 여자코일(12)의 형상을 균등 분할하는 형상으로 쌍을 이루도록 형성하는 것도 가능하다.The
상기 커플러(30)는 상기 센싱코일(10)과 간격을 두고 설치된다.The
상기 커플러(30)는 상기 센싱코일(10)에 발생하는 인덕턴스값에 변화를 주도록 회전 또는 이동이 가능하게 설치한다.The
상기 여자코일(12), 수신코일(14), 커플러(30) 등은 일반적으로 널리 알려진 다양한 인덕턴스방식 변위감지센서에 사용되는 구성을 적용하여 실시하는 것이 가능하므로, 상세한 설명은 생략한다.Since the
상기 신호처리기(40)는 상기 센싱코일(10)에 연결 설치된다.The
상기에서 커플러(30)가 회전 또는 이동함에 따라 상기 센싱코일(10)에서 상기 스위칭소자(50)의 온/오프 동작에 의하여 발진되는 공진주파수에 변화가 발생하고, 상기 신호처리기(40)에서는 상기 센싱코일(10)에서 발생하는 공진주파수의 변화 또는 인덕턴스값의 변화를 검출하여 이를 연산 처리하는 것에 의하여 상기 커플러(30)의 회전각 또는 이동거리, 커플러(30)의 접근여부 등을 출력하게 된다.As the
상기 신호처리기(40)에서는 커플러(30)의 회전 또는 이동에 따른 상기 센싱코일(10)에서 발생하는 인덕턴스의 변화를 일정한 전압 변화로 변경하여 처리하도록 이루어지는 것도 가능하다.In the
상기 신호처리기(40)에는 원하는 출력범위에 맞추어 오프셋(offset) 및 게인(gain)을 조정하는 레벨조절부를 더 설치하는 것도 가능하다.The
다음으로 상기와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서를 적용하여 커플러(30)의 회전각이나 이동거리, 접근여부를 검출하는 과정을 설명한다.Next, a process of detecting a rotation angle, a moving distance, and approaching of the
일반적으로 RC회로(저항(R)과 커패시터(C)로 이루어진 회로)와 RL회로(저항(R)과 코일(L)로 이루어진 회로)의 과도(정상상태에 이를 때까지의 상태)응답에서 과도항은 (exp-t/τ)의 비율로 감쇄한다. 여기에서 t는 경과한 시간을 나타내고, τ를 시정수(time constant)라고 하며, 시정수(τ)는 초기값에 대한 값이 exp-1(63.2%)로 되는 시간을 나타낸다. RC회로에서는 τ=RC로 나타내어지며, RL회로에서는 τ=L/R로 나타내어진다.In general, transients in RC response (circuit consisting of resistor R and capacitor C) and RL circuit (circuit consisting of resistor R and coil L) (resistance until steady state) The term attenuates at the ratio (exp -t / τ ). Here, t represents elapsed time , τ is called a time constant , and τ is a time when the value for the initial value becomes exp −1 (63.2%). In the RC circuit, τ = RC, and in the RL circuit, τ = L / R.
그리고 RLC 폐회로의 경우 전압에 대하여 항을 정리하면, 다음의 수학식 1과 같이 나타내어진다.In the case of the RLC closed circuit, if the terms are summarized with respect to the voltage, the following equation (1) is given.
상기 수학식 1을 시간응답이란 시간함수(s)로 표시하여 라플라스역변환을 행하면 ,다음의 수학식 2와 같이 나타내는 것이 가능하다.In the
상기 수학식 2를 제동비(ζ)(damping ratio)와 비제동 고유진동수(ω0)(undamped natural frequency)를 이용하여 다시 정리하면, 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Equation (2) is rearranged using a damping ratio (ζ) and a non-braking natural frequency (ω0) and can be expressed as Equation 3 below.
상기 수학식 3을 이용하여 부족제동상태(underdamped condition)인 0〈ζ〈1인 조건에 대하여 해석하면, 다음의 수학식 4와 같이 얻어진다.Using the above Equation 3, the condition of 0 <ζ <1, which is an underdamped condition, is obtained as shown in Equation 4 below.
본 발명의 일실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서에 있어서는 스위칭소자(50)에서 온/오프를 할 때마다 도 4에 나타낸 바와 같은 파형으로 상기 센싱코일(10)에 인가되는 전원이 변화하게 되고, 상기 센싱코일(10)에는 엘씨회로(LC회로)의 주기적인 공진이 발생하고, 특정한 공진주파수가 얻어진다.In the inductance displacement sensor using a switching device according to an embodiment of the present invention, the power applied to the
즉 별도의 발진회로를 구성하지 않아도, 상기 스위칭소자(50)를 온/오프 시키는 것만으로 상기 센싱코일(10)에 특정 주파수로 발진되는 공진주파수가 얻어진다.In other words, even if a separate oscillation circuit is not configured, a resonance frequency oscillated at a specific frequency in the
상기에서 커플러(30)가 회전 또는 이동함에 따라 상기 센싱코일(20)의 공진주파수가 변화하게 되고, 상기 신호처리기(40)에서는 이를 연산 처리하여 커플러(30)의 회전각이나 이동거리, 접근여부에 대한 출력값을 제공하는 것이 가능하다.As the
상기에서 센싱코일(20)에 수신코일(14)을 설치하는 경우에는 커플러(30)의 회전 또는 이동함에 따라 수신코일(14)의 인덕턴스(L)값이 변화하게 되고, 상기 수신코일(14)로부터 얻어지는 신호를 상기 신호처리기(40)에서 연산 처리하여 상기 커플러(30)의 회전각 또는 이동거리의 출력값을 얻는 것도 가능하다.In the case where the
상기 신호처리기(40)에서 적분기 등을 통하여 시정수의 변화를 적분하면, 그 결과는 다음의 수학식 5와 같이 나타내어진다.When the
상기 수학식 5에서 A는 도 3에 나타낸 시정수 파형의 최대 진폭을 나타낸다.In Equation 5, A represents the maximum amplitude of the time constant waveform shown in FIG.
상기 수학식 5를 시정수(τ)에 대하여 정리하면, 다음의 수학식 6과 같이 나타내어진다.The above equation (5) is summarized with respect to the time constant (tau), and is expressed as shown in the following equation (6).
본 발명의 일실시예에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서는 상기한 수학식 6과 같이 얻어지는 시정수(τ)의 적분값이 상기 커플러(30)가 회전(또는 이동)함에 따라 주기적으로 변화되는 것을 이용하여, 커플러(30)의 회전각(또는 이동거리)을 감지하도록 이루어진다.Inductance displacement sensor using a switching device according to an embodiment of the present invention periodically as the
상기에서 수학식 6을 이용하여 커플러(30)의 회전각이나 이동거리, 접근여부 등을 감지하도록 구성하는 경우에는 상기 신호처리기(40)를 포락선검출기(Envelope detector)를 이용하여 구현하는 것이 가능하다.In the case of configuring the
상기 신호처리기(40)는 비교기와 적분기를 사용하여 상기 센싱코일(10)로부터 전송되는 인덕턴스값(L값)의 변화를 확인하여 상기 커플러(20)의 회전각이나 이동거리를 연산하도록 이루어지는 것도 가능하다.The
상기에서 신호처리기(40)를 비교기와 적분기를 이용하여 구현하는 경우에는 도 3과 같이 나타내어지는 시정수(τ)의 파형이 구형파(사각형상의 파)로 얻어진다.When the
상기 신호처리기(40)는 커플러(30)의 위치에 따라 변경되는 공진주파수를 전압 레벨의 변화로 처리하도록 FM복조기(Frequency Modulation Demodulator)를 이용하여 구현하는 것도 가능하다.The
상기 신호처리기(40)는 위상동기회로(PLL;Phase Locked Loop), 무선검파기(radiodetector), 포스터-실리 변별기(Foster-Seeley discriminator), 시간지연 복조기(time-delay demodulator) 등에서 하나를 선택하여 이를 이용하여 구현하는 것도 가능하다.The
상기에서는 본 발명에 따른 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 명세서 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.In the above, a preferred embodiment of an inductance displacement sensor using a switching element according to the present invention has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is not limited thereto and may be modified in various ways within the scope of the claims and the accompanying drawings. It is possible and this also belongs to the scope of the present invention.
10 - 센싱코일, 12 - 여자코일, 14 - 수신코일, 30 - 커플러,
40 - 신호처리기, 50 - 스위칭소자10-sensing coil, 12-female coil, 14-receiving coil, 30-coupler,
40-signal processor, 50-switching element
Claims (3)
상기 센싱코일에 공급되는 전원을 주기적으로 온/오프시키는 스위칭소자와,
상기 센싱코일과 간격을 두고 설치되고 회전 또는 이동함에 따라 상기 센싱코일에 발생하는 인덕턴스값에 변화를 주는 커플러와,
상기 센싱코일에 연결 설치되고 상기 센싱코일에서 발생되는 인덕턴스값의 변화 사용하여 커플러의 회전각 또는 이동거리를 연산하여 출력하는 신호처리기를 포함하는 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서.A sensing coil composed of an LC circuit,
A switching element for periodically turning on / off power supplied to the sensing coil;
A coupler for changing the inductance value generated in the sensing coil as installed and spaced from the sensing coil and rotating or moving;
And a signal processor connected to the sensing coil and configured to calculate and output a rotation angle or a moving distance of the coupler by using a change in the inductance value generated by the sensing coil.
상기 스위칭소자로는 고속으로 온/오프할 수 있는 TR(Transistor), FET(Field Effect Transistor), SSR(Solid State Relay), JFET(Junction Field Effect Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 중에서 선택하여 사용하는 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서.The method according to claim 1,
The switching device may be turned on and off at high speed (TR), field effect transistor (FET), solid state relay (SSR), junction field effect transistor (JFET), and metal-oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). Inductance displacement sensor using a switching element selected from among MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) and IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
상기 신호처리기는 포락선검출기(Envelope detector), 비교기와 적분기의 조합, FM복조기(Frequency Modulation Demodulator), 위상동기회로(PLL;Phase Locked Loop), 무선검파기(radiodetector), 포스터-실리 변별기(Foster-Seeley discriminator), 시간지연 복조기(time-delay demodulator) 중에서 하나를 선택하여 구성하는 스위칭소자를 이용한 인덕턴스방식 변위감지센서.The method according to claim 1,
The signal processor includes an envelope detector, a combination of a comparator and an integrator, a frequency modulator demodulator, a phase locked loop, a radio detector, a poster-silie discriminator. An inductance displacement sensor using a switching element composed of one of a Seeley discriminator and a time-delay demodulator.
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