KR20120115482A - 전력 측정 장치 및 전력 측정 방법 - Google Patents

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KR20120115482A KR1020120109310A KR20120109310A KR20120115482A KR 20120115482 A KR20120115482 A KR 20120115482A KR 1020120109310 A KR1020120109310 A KR 1020120109310A KR 20120109310 A KR20120109310 A KR 20120109310A KR 20120115482 A KR20120115482 A KR 20120115482A
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Abstract

본 발명은 미세전자기계시스템(MEMS) 진동자를 이용한 전류 측정 장치 및 이를 이용한 전류 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정 장치는, 피측정 전류가 흐르는 도선에 의해 발생된 유도 전류에 의해 자기장을 발생시키는 전류 루프; 상기 자기장에 커플링되고, 상기 전류의 크기에 대응하는 공진 주파수로 진동하는 미세기계전자시스템 진동자; 및 상기 미세기계전자시스템 진동자의 상기 공진 주파수의 변이를 검출하기 위한 주파수 검출 부재를 포함한다

Description

전력 측정 장치 및 전력 측정 방법{Power measuring device and power measuring method}
본 발명은 센서 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 미세전자기계시스템(MEMS) 진동자를 이용한 전류 측정 장치 및 전류 측정 방법에 관한 것이다.
대표적인 전력 측정 기술은 분류 저항(shunt resistor)을 이용하여, 상기 분류 저항에서 발생하는 전압 강하를 측정하는 것을 수반한다. 상기 분류 저항에 의한 전력 측정 방법은 상기 분류 저항에서 발생하는 전력 손실을 피할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 상기 분류 저항에 의한 전력 측정 방법은 측정 지점과 평가 지점 사이의 전기적 고립이 보장되지 않아, 소전력의 측정에 있어서 근본적인 한계를 갖는다.
측정 지점과 평가 지점의 전기적 고립을 확보할 수 있는 전력 측정 방법으로서, 도선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장을 검출할 수 있는 유도 트랜듀서를 이용하는 측정 기술이 있다. 그러나, 상기 유도 트랜듀셔를 이용하는 측정 기술은 측정 전류값에 비례하여 측정을 위한 소모 전력이 증가할 뿐만 아니라 측정 장치의 크기도 커진다. 또한, 상기 유도 트랜듀셔를 이용한 측정 기술은 철심에서 나타나는 측정 전류에 의한 포화와 잔류 자화로 인하여 2 차 코일에서 전류 파형이 변형되어, 대전력의 경우 정확한 선형성을 보장하지 못하며 이로 인하여 신뢰성 있는 측정이 어렵다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 측정 지점과 평가 지점의 전기적 고립을 확보할 수 있는 비접촉 방식의 전류 측정이 가능할 뿐만 아니라, 소전력 및 대전력의 모든 영역에서 신뢰성있는 측정 결과를 제공하고, 측정을 위한 소비 전력이 측정 전류에 무관하면서도 일정하고 작은 전류 측정 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 전류 측정 방법은, 전술한 이점을 갖는 전류 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정 장치는, 피측정 전류가 흐르는 도선에 의해 발생된 유도 전류에 의해 자기장을 발생시키는 전류 루프; 상기 자기장에 커플링되고, 상기 전류의 크기에 대응하는 공진 주파수로 진동하는 미세기계전자시스템 진동자; 및 상기 미세기계전자시스템 진동자의 상기 공진 주파수의 변이를 검출하기 위한 주파수 검출 부재를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 미세기계전자시스템 진동자는 일단부가 고정되고 타단부는 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 캔틸레버 구조일 수 있다. 또는, 상기 미세기계전자시스템 진동자는 양단부가 고정되고 중앙부가 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 브리지를 포함할 수도 있다. 또한, 상기 미세기계전자시스템 진동자는 적어도 3 이상의 단부가 고정되고 중앙부가 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 멤브레인을 포함할 수도 있다.
상기 미세기계전자시스템 진동자는 상기 전류 루프에 이격 배치된다. 상기 미세기계전자시스템 진동자는 적어도 일부에 자성체를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 주파수 검출 부재는 상기 미세기계전자시스템 진동자의 진동으로부터 전기적 신호를 발생시키는 제 1 변환부; 및 상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 제 2 변환부를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 제 2 변환부는, 샘플링 클럭에 따라 상기 전기적 신호를 샘플링하여 상기 전기적 신호의 주파수를 나타내는 디지털 신호를 생성하는 아나로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 제 2 변환부는 상기 전기적 신호의 주파수 클럭을 계수하여 디지털 신호를 생성하는 카운터를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전력 측정 장치는, 상기 제 2 변환부의 상기 디지털 신호를 외부 회로에 전달하기 위한 통신 회로부를 더 포함할 수도 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정 방법은, 피측정 전류가 흐르는 도선의 전류로부터 소비 전력을 측정하는 전력 측정 방법이다. 상기 전력 측정 방법은, 상기 도선에 인접하여, 상기 피측정 전류에 의해 발생된 유도 전류에 의해 자기장을 발생시키는 전류 루프를 제공하는 단계; 상기 자기장에 커플링되고, 상기 유도 전류의 크기에 대응하는 공진 주파수로 진동하는 미세기계전자시스템 진동자를 제공하는 단계; 및 상기 미세기계전자시스템 진동자의 상기 공진 주파수의 변이을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 미세기계전자시스템 진동자는 일단부가 고정되고 타단부는 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 캔틸레버 구조일 수 있다. 또는, 상기 미세기계전자시스템 진동자는 양단부가 고정되고 중앙부가 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 브리지를 포함할 수도 있다. 또한, 상기 미세기계전자시스템 진동자는 적어도 3 이상의 단부가 고정되고 중앙부가 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 멤브레인을 포함할 수도 있다.
상기 미세기계전자시스템 진동자는 상기 전류 루프에 이격되어 제공될 수 있다. 상기 미세기계전자시스템 진동자는 적어도 일부에 자성체를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 공진 주파수의 변이를 검출하는 단계는, 상기 미세기계전자시스템 진동자의 진동으로부터 전기적 신호를 발생시키는 단계; 및 상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계는, 샘플링 클럭에 따라 상기 전기적 신호를 샘플링하여 상기 전기적 신호의 주파수를 나타내는 디지털 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로는, 상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계는, 상기 전기적 신호의 주파수 클럭을 계수하여 디지털 신호를 생성할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 측정 장치는, 피측정 전류가 흐르는 도선과 분리 배치되는 전류 루프 및 미세기계전자시스템 진동자를 이용하여 상기 피측정 전류의 크기를 측정함으로써, 측정 지점과 평가 지점의 전기적 고립을 확보할 수 있는 비접촉 방식의 전류 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 다양한 구조의 미세기계전자시스템 진동자를 이용하여, 소전력 및 대전력의 모든 영역에서 신뢰성있는 측정 결과를 제공하고, 측정을 위한 소비 전력이 측정 전류에 무관하면서도 일정하고 작은 전류 측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 측정 방법에 따르면, 전술한 측정 지점과 평가 지점의 전기적 고립을 확보할 수 있는 비접촉 방식의 전류 측정과 같은 이점이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정 장치를 도시하는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전력 측정 장치를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전력 측정 장치를 도시하는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 검출 부재를 포함하는 전력 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역 또는 부분을 다른 영역 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역 또는 부분을 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정 장치(100A)를 도시하는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 전력 측정 장치(100A)는 전류 루프(LP) 및 전류 루프(LP)로부터 발생하는 자기장(BL1, BL2)에 커플링되어 진동하는 미세기계전자시스템 부재(ME1)를 포함한다. 전력 측정 장치(100A)는 도선(L)에 전기적으로 접속되지 않고서도, 도선(L)에 흐르는 피측정 전류(i)에 의한 자기장을 이용하여, 피측정 전류(i)의 크기를 측정할 수 있다.
식 1과 같이, 도선(L)에 흐르는 전류(i)에 의해, 도선(L) 주위에 자기장(B1, B2)이 발생될 수 있다. 자기장(B1, B2)의 세기 B는 피측정 전류(i)의 크기 I에 비례하고, 도선(L)으로부터의 거리 r 에 반비례한다.
[식 1]
B = k × (I/r)
도선(L)에 인접 배치된 전류 루프(LP)에서는, 렌츠의 법칙에 따라 도선(L)에 흐르는 피측정 전류(i)에 의해 전류 루프(LP)에 인가되는 자속(B1, B2)의 변화를 상쇄하려는 방향으로 유도 전류(LPi1 또는 LPi2)가 흐른다. 예를 들면, 도선(L) 내에 흐르는 피측정 전류(i)에 의해 전류 루프(LP) 내에 지면의 이면으로부터 전면으로 나오는 방향의 자속(B1)이 발생하면, 전류 루프(LP)에는 이를 상쇄시키기 위해 자기장(BL1)을 발생시킬 수 있는 전류(i1)가 흐르게 된다. 역으로, 피측정 전류(i)에 의해 전류 루프(LP) 내에 지면의 전면으로부터 이면으로 들어가는 방향의 자속(B2)가 발생하면, 전류 루프(LP)에는 자기장(BL2)를 발생시킬 수 있는 전류(i2)가 흐르게 된다.
본 실시예에 따르면, 전류 루프(LP)는 피측정 전류(i)가 흐르는 도선(L)에 인접 배치되어 피측정 전류(i)의 크기에 비례하는 자기장을 전달하는 역할을 한다. 전류 루프(LP) 내에 부하가 없는 이상적 조건에서, 전류 루프(LP)에 의해 전력 소모가 발생하지는 않는다. 전류 루프(LP)를 흐르는 유도 전류(i1, i2)에 의해 발생하는 자장(BL1, BL2)의 크기 B는, 식 1에서와 같이, 유도 전류(i1, i2)의 크기 I에 비례한다. 식 1에서, k는 비례상수이고, r은 전류 루프의 반지름이다.
[식 2]
B = k × (I/r)
위 식 1과 2로부터, 전류 루프(LP)에 의해 발생하는 자기장(BL1, BL2)의 크기는 피측정 전류(i)의 크기에 비례하는 것을 알 수 있다. 전술한 실시예에서, 전류 루프(LP)는 기판 상에 형성된 도전성 패턴, 원형 코일, 솔레노이드 또는 다른 적합한 전류 루프일 수 있으며, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
미세기계전자시스템 진동자(ME1)는 일단부(MEa)가 고정부(FA)에 고정되고 타단부(MEb)는 자기장(BL1, BL2)에 커플링되어 진동할 수 있는 캔틸레버 구조를 가질 수 있다. 상기 캔틸레버 구조는 단단한 탄성체로서 구조가 간단하여, 실리콘 기반의 반도체 직접회로 제조 기술로 쉽게 구현되며, 일반적인 미세 전자 회로와 우수한 양립성을 갖는다. 예를 들면, 실리콘 기판과 같은 기판(10) 상에 반도체 제조 기술로 전류 루프(LP)를 구현하기 위한 도전성 패턴을 형성하고, 자기장(BL1, BL2)에 커플링하기에 충분한 거리만큼 이격된 캔틸레버 구조를 동일 기판(10) 상에 형성함으로써, 통상의 반도체 직접회로 제조 기술에 의해 전력 측정 장치(100A)를 형성할 수 있다. 상기 캔틸레버 구조는 포토리소그래피 공정, 희생막 형성 공정 및 식각 공정을 통하여 얻어질 수 있으며, 전류 루프와 함께 단일 칩으로 형성하여, SOC(system on chip)화 할 수 있다.
미세기계전자시스템 진동자(ME1)가 자기장(BL1, BL2)에 의해 기동할 수 있도록 적어도 일부에 자성체(MEF)를 포함할 수 있다. 자성체(MEF)는 캔틸레버 구조의 표면 상에 적층되거나, 캔틸레버 구조의 일부에 매립되거나, 자성체로 캔틸레버 구조를 형성할 수도 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 자성체(MEF)는, 예를 들면, Fe, Ni, Co 중 어느 하나의 조성 및 이들의 조합을 포함하는 재료로 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 전력 측정 장치의 전류 루프(LP)와 캔틸레버 구조의 미세기계전자시스템 진동자(ME1) 배치에 따르면, 캔틸레버 구조의 종축에 수직한 방향으로 전류 루프(LP)에 의해 발생한 자기장(BL1, BL2)이 인가되고, 그에 따라 캔틸레버 구조 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 자유 단부(MEb)는 도면의 지면에 대하여 수직한 방향으로 왕복 진동하게 된다. 즉, 교류 전류가 도선(L)에 흐르면, 전류 루프(LP)에 유도 전류(i1 또는 i2)가 발생하고, 유도 전류(i1 또는 i2)에 의해 미세기계전자시스템 진동자(ME1)에 인가되는 외부 자기장이 미세기계전자시스템 진동자(ME1)를 소정의 주파수 ωo로 진동하도록 기동시킨다.
미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 진동 특성을 이해하기 위해 식 3 및 식 4를 고려할 수 있다. 식 3은 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 자유 단부(MEb)의 변형 ε와 인가된 응력 σ 사이의 관계를 나타낸다. 여기서, υ는 포아송비(Poisson's ratio)이고, E 는 영률(Young's modulus)이며, L 및 t는 각각 캔틸레버 구조의 길이와 두께를 나타낸다.
[식 3]
Figure pat00001
미세기계전자시스템 진동자(ME1)에 인가되는 힘이 전류 루프(LP)에 의해 발생된 자기장(BL1, BL2)의 크기에 비례함으로 고려할 때, 식 3으로부터, 외부 자기장에 의한 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 자유 단부(MEb)의 변위는 자기장(BL1, BL2)의 크기에 비례하는 것을 알 수 있다. 이로부터, 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 자유 단부(MEb)의 변위를 측정함으로써 도선(L)을 흐르는 피측정 전류(i)의 크기를 얻을 수 있다. 또한, 측정된 전류(i)의 크기로부터 전류가 공급되는 부하가 소비하는 전력 측정도 가능하다.
일반적으로 캔틸레버 구조의 변위를 측정하는 것은, 원자힘 현미경(atomic force microscope; AFM)에 주로 채용되는 바와 같이, 캔틸레버 구조의 표면에 광을 조사하여 반사광을 측정하는 위치 인식 광센서를 이용하는 방법이 있다. 그러나, 상기 위치 인식 광센서를 이용하는 것은 측정 장치의 소형화에 바람직하지 못할 수 있다.
따라서, 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 표면 또는 일부에 이의 변위에 따라 저항값이 달라지는 압전 저항을 형성하여, 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 변위를 측정하는 것이 장치의 소형화에 유익하다. 또 다른 실시예로서, 상기 캔틸레버 구조의 자유 단부로부터 이격되어 이에 대향하는 전극을 배치하여 상기 자유 단부와 상기 전극으로 이루어진 캐패시터를 형성하고, 상기 자유 단부의 변위에 따른 캐패시턴스 변화를 측정할 수도 있다. 이들 변위 측정 방법은 당해 기술 분야에서 잘 알려져 있으며, 이에 대한 설명은 생략하며, 이들 측정 방법에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 실시예로서, 인가되는 자기장(BL1, BL2) 크기의 변화에 따른 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 공진 주파수(resonance frequency)의 변화를 측정함으로써 피측정 전류(i)의 크기를 검출할 수 있다. 공진 주파수에서 진동하는 미세기계전자시스템 진동자(ME1)에서, 자유 단부(MEb)와 전류 루프(LP) 사이의 자기장 기울기(electric-field gradient) 및/또는 자기장에 의한 스트레스와 같은 외부 파라미터에 의해서 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 유효 스프링 상수(effective spring constant)가 변하고, 그에 따라 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 공진 주파수(resonance frequency)가 변하게 된다. 구체적으로, 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 공진 주파수는 고유의 기계적 복원력과 질량과 관계되므로, 전류 루프(LP)에 의한 자기장(BL1, BL2)에 커플링된 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 고유 진동 주파수는 증가되며, 예를 들면, 선형적으로 또는 비선형적으로 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 공진 주파수의 변이(frequency shift)가 피측정 전류의 크기 측정을 위해 탐지하고자 하는 신호이다. 일부 실시예에서는, 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 고유 공진 주파수를 확보한 후, 자기장에 의한 진동으로 인한 공진 주파수의 변이를 측정할 수 있다. 상기 고유 공진 주파수를 확보하기 위하여, 전력 측정 장치(100A)는 미세기계전자시스템 진동자(ME1)를 진동시키기 위한 정전기력 등을 이용한 공지의 기동 메커니즘을 더 포함할 수도 있다.
진동하는 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 공진 주파수의 측정은 미세기계전자시스템 진동자(ME1)의 진동으로부터 전기적 신호를 발생시키는 적합한 변환부(transducer), 예를 들면, 전술한 압저항, 압전 소자 및 캐패시터에 의해 구현될 수 있으며, 이로부터 얻어지는 신호를 공지의 FM 복조 회로, 또는 본 발명의 실시예에 따른 신호 변환부에 의해 디지털화할 수 있으며, 이에 관하여는 후술한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전력 측정 장치들(100B, 100C)을 도시하는 평면도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 실시예들에서는, 도 1에 도시된 참조 부호와 동일 또는 유사한 참조 부호를 갖는 부재들에 대하여는 모순되지 않는 한, 전술한 개시 사항을 참조할 수 있다.
도 2를 참조하면, 미세기계전자시스템 진동자(ME2)는, 도 1에 도시된 캔틸레버 구조 대신에, 양단부(Mea, MEb)가 모두 고정부(FA, FB)에 고정되고 중앙부(MEC)가 자기장(B1, B2)에 커플링되어 공진 진동수 ωo로 진동하는 브리지 구조를 갖는다. 또한, 도 3을 참조하면, 미세기계전자시스템 진동자(ME3)는, 적어도 3 이상의 단부가 고정부(FA, FB, FC, FD)에 고정되고 중앙부(MEC)가 자기장(B1, B2)에 커플링되어 공진 진동수 ωo로 진동하는 멤브레인 구조를 가질 수 있다. 브리지 구조 및 멤브레인 구조의 저면은 진동이 가능하도록 기판(10)과 분리되어 있을 수 있다.
상기 미세기계전자시스템 진동자(ME2)의 적어도 일부, 예를 들면, 각 중앙부에는 자성체(MEF)를 포함할 수 있다. 자성체(MEF)는 브리지 구조 및 멤브레인 구조의 표면 상에 적층되거나, 일부에 매립되거나, 자성체로 상기 브리지 구조 및 멤브레인 구조를 형성할 수도 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 자성체(MEF)는, 예를 들면, Fe, Ni, Co 중 어느 하나의 조성 및 이들의 조합을 포함하는 재료로 형성될 수 있다. 자성체(MEF)는 전류 루프(LP)로부터 발생하는 자기장(BL1, BL2)와 커플링되어 진동한다.
전술한 미세기계전자시스템 진동자들(ME1, ME2, ME3)은 동일 재료로 형성되더라도 그 형상에 따라 견고성 또는 질량이 달라 서로 다른 고유 진동수를 갖게 되므로, 설계 사항에 따라 적절히 선택될 수 있다. 또한, 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 미세기계전자시스템 진동자들(ME1, ME2, ME3)은 단일하거나 복수의 어레이 형태로 제조될 수 있으며, 서로 다른 구조를 갖는 미세기계전자시스템 진동자들(ME1, ME2, ME3)이 서로 조합되어 사용될 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 검출 부재를 포함하는 전력 측정 장치(200)를 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 전력 측정 장치(200)는 전술한 전류 루프(LP) 및 미세기계전자시스템 진동자(ME)와 함께, 주파수 검출 부재(DC)를 더 포함한다. 주파수 검출 부재(DC)는 미세기계전자시스템 진동자(ME)의 진동으로부터 전기적 신호, X(t)를 발생시키는 제 1 변환부(TF1) 및 전기적 신호 X(t)의 주파수 신호를 디지털 신호 U(t)로 변환하는 제 2 변환부(TF2)를 포함할 수 있다. 전력 측정 장치(200)는 제 1 변환부(TF1) 및 제 2 변환부(TF2)를 제어하고 디지털 신호 U(t)로부터 공진 주파수의 변이를 계산하기 위한 연산부(PU)를 더 포함할 수 있다.
제 1 변환부(TF1)는 미세기계전자시스템 진동자(ME)의 진동을 검출하여 전기적 신호 X(t)를 출력하는 장치이다. 예를 들면, 미세기계전자시스템 진동자(ME)에 형성된 압저항, 압전 소자 및 캐패시터에 의해 구현될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 전력 측정 장치(200)는 제 1 변환부(TF1)에서 출력되는 전기적 신호 X(t)를 증폭하기 위한 증폭부를 더 포함할 수도 있다.
제 1 변환부(TF1)으로부터 출력되는 전기적 신호 X(t)는 아나로그 신호이다. 제 2 변환부(TF2)는 아나로그 신호 X(t)의 주파수 신호를 디지털 신호 U(t)로 변환시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 변환부(TF2)는 샘플링 클럭에 따라 전기적 신호 X(t)를 샘플링하여, 전기적 신호 X(t)의 주파수를 나타내는 디지털 신호 U(t)를 생성하는 아나로그-디지털 컨버터(ADC)일 수 있다.
다른 실시예에서, 제 2 변환부(TF2)는 전술한 아나로그-디지털 컨버터(ADC)를 대신하여 전기적 신호 X(t)를 직접 디지털 값으로 변환할 수 있는 카운터일 수 있다. 제 1 변환부(TF1)으로부터 출력되는 전기적 신호 X(t)는 아나로그 신호이지만, 미세기계전자시스템 진동자(ME)의 진동으로부터 생성된 것이어서, 일종의 주파수 신호에 해당한다. 따라서, 전기적 신호 X(t)의 주파수 클럭을 카운터에 의해 카운트하여 직접 디지털 값으로 변환할 수 있다. 이와 같은 카운터를 이용한 디지털 변환은 간단한 카운터 회로만으로 아나로그-디지털 컨버터를 대체할 수 있기 때문에, 제조 비용과 회로의 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 측정을 위한 소비 전력이 감소되고 측정 전력의 크기와 무관하게 상기 소비 전력이 일정한 이점이 있다.
전력 측정 장치(200)는 제 2 변환부(TF2)로부터 출력되는 디지털 신호 U(t)를 외부 회로에 전달하기 위한 통신 회로부(CI)를 더 포함할 수 있다. 통신 회로부(CI)는 USB(Universal Serial Bus), RS232, RS422 및 RS485S와 같은 유선 통신, RF 무선 통신 또는 광 통신에 의해 외부 회로에 디지털 값을 전달할 수 있다. 또한, 전력 측정 장치(200)는 측정된 디지털 값을 저장하기 위한 적어도 하나 이상의 메모리부(MC)를 더 포함하여 기존에 측정된 데이터를 열람하도록 할 수도 있다. 메모리부(MC)는 DRAM(dynamic random access memory)과 같은 휘발성 메모리 또는 플래시 메모리 및 상변화 메모리(PCRAM)과 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수 있으며, 이들 메모리부(MC)는 탈부착이 가능하도록 제공될 수 있다. 통신 회로부(CI) 및 메모리부(MC)도 연산부(PU)에 접속될 수 있다.
일부 실시예에서, 전력 측정 장치(200)의 미세기계전자시스템 진동자(ME)는 반도체 제조 기술로 제조될 수 있으므로, 전력 측정 장치(200)는 전류 루프(LP), 미세기계전자시스템 진동자(ME), 주파수 검출 부재(DC), 통신 회로부(CI), 메모리부(MC) 및 제어부(PU) 중 적어도 2 이상의 조합을 단일 칩으로 구성하여 SOC 형태로 제조될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (21)

  1. 피측정 전류가 흐르는 도선에 의해 발생된 유도 전류에 의해 자기장을 발생시키는 전류 루프;
    상기 전류 루프의 상기 자기장에 커플링되고, 상기 전류의 크기에 대응하는 공진 주파수로 진동하는 미세기계전자시스템 진동자; 및
    상기 미세기계전자시스템 진동자의 상기 공진 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 부재를 포함하는 전력 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 일단부가 고정되고 타단부는 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 캔틸레버 구조인 전력 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 양단부가 고정되고 중앙부가 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 브리지를 포함하는 전력 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 적어도 3 이상의 단부가 고정되고 중앙부가 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 멤브레인을 포함하는 전력 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 상기 전류 루프에 이격 배치되는 전력 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 적어도 일부에 자성체를 포함하는 전력 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주파수 검출 부재는 상기 미세기계전자시스템 진동자의 진동으로부터 전기적 신호를 발생시키는 제 1 변환부; 및 상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 제 2 변환부를 포함하는 전력 측정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 변환부는, 샘플링 클럭에 따라 상기 전기적 신호를 샘플링하여 상기 전기적 신호의 주파수를 나타내는 디지털 신호를 생성하는 아나로그-디지털 변환기를 포함하는 전력 측정 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 변환부는 상기 전기적 신호의 주파수 클럭을 계수하여 디지털 신호를 생성하는 카운터를 포함하는 전력 측정 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 변환부의 상기 디지털 신호를 외부 회로에 전달하기 위한 통신 회로부를 더 포함하는 전력 측정 장치.
  11. 피측정 전류가 흐르는 도선의 전류로부터 소비 전력을 측정하는 전력 측정 방법으로서,
    상기 도선에 인접하여, 상기 피측정 전류에 의해 발생된 유도 전류에 의해 자기장을 발생시키는 전류 루프를 제공하는 단계;
    상기 전류 루프의 상기 자기장에 커플링되고, 상기 유도 전류의 크기에 대응하는 공진 주파수로 진동하는 미세기계전자시스템 진동자를 제공하는 단계; 및
    상기 미세기계전자시스템 진동자의 상기 공진 주파수의 변이를 검출하는 단계를 포함하는 전력 측정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 일단부가 고정되고 타단부는 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 캔틸레버 구조인 전력 측정 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 양단부가 고정되고 중앙부가 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 브리지를 포함하는 전력 측정 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 적어도 3 이상의 단부가 고정되고 중앙부가 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 멤브레인을 포함하는 전력 측정 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 상기 전류 루프에 이격되어 제공되는 전력 측정 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 미세기계전자시스템 진동자는 적어도 일부에 자성체를 포함하는 전력 측정 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 공진 주파수의 변이를 검출하는 단계는,
    상기 미세기계전자시스템 진동자의 진동으로부터 전기적 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함하는 전력 측정 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계는,
    샘플링 클럭에 따라 상기 전기적 신호를 샘플링하여 상기 전기적 신호의 주파수를 나타내는 디지털 신호를 생성하는 단계를 포함하는 전력 측정 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계는,
    상기 전기적 신호의 주파수 클럭을 계수하여 디지털 신호를 생성하는 단계를 포함하는 전력 측정 방법.
  20. 피측정 전류가 흐르는 도선에 의해 발생된 유도 전류에 의해 자기장을 발생시키는 전류 루프;
    상기 전류 루프의 상기 자기장에 커플링되어 진동하는 미세기계전자시스템 진동자; 및
    상기 미세기계전자시스템 진동자의 변위를 검출하는 변위 검출 부재를 포함하는 전력 측정 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 변위 검출 부재는 압전 저항 및 캐패시터 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 전력 측정 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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