KR20180038839A - 정전용량의 근접 검출 기술을 이용한 유체 감지 센서 - Google Patents

정전용량의 근접 검출 기술을 이용한 유체 감지 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전용량의 근접 검출 기술을 이용한 유체 감지 센서에 관한 것이다. 본 발명의 유체 감지 센서는 인쇄회로기판 상의 전면 및 후면 각각에 일정 면적을 갖는 캐패시터 형태의 동박 패드로 정전용량형 센서 전극들을 구비하고, 유체 저장 장치에서의 유체의 변화를 실시간으로 감지한다. 유체 감지 센서는 판 형상의 몸체를 갖는다. 유체 감지 센서는 검출 회로의 감도 조절 회로로 센싱 감도를 조절 가능하고, 전류 제한 회로와 역전압 방지 회로를 내장하여 오결선 순간에 단락 발생으로 인한 고장을 방지한다. 본 발명에 의하면, 소형으로 제작 가능하고, 유체 저장 장치의 관로에 설치가 용이하다.

Description

정전용량의 근접 검출 기술을 이용한 유체 감지 센서{FLOW SENSOR USING CAPACITIVE PROXIMITY DETECTION TECHNOLOGY}
본 발명은 유체 감지 센서에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 정전용량의 근접 검출 기술을 이용하여 인쇄회로기판 상의 전면 및 후면 각각에 일정 면적을 갖는 캐패시터 형태의 동박 패드(copper pad)를 구성하여 정전용량형 센서 전극들을 구비하고, 유체 탱크, 드럼 및 포트 등 다양한 유체 저장 장치의 배출구에 설치되어 유체의 변화를 실시간으로 감지하는 판(flat) 형상의 유체 감지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 정전용량 근접 센서(capacitive proximity sensor)는 대상으로 하는 물체 예를 들어, 유체와의 거리를 비접촉 상태로 검출하는 근접 센서로써, 정전용량의 변화를 이용하여 대상물의 유무 등을 검출한다. 이러한 정전용량 근접 센서는 대상물과 센서 간의 정전용량이 둘 사이의 거리에 반비례하는 특징을 이용하여, 미세한 변위를 검출하는데 적합하며, 간단한 구성으로 정밀도 높은 검출이 가능한 장점이 있다.
대부분의 유체 감지 센서는 유체 저장 장치의 관로와 대체로 유사하거나 동일한 굵기를 갖는 원통형으로 구비되고, 관로 내부에 설치되어 유체 저장 장치에서의 유체의 흐름이나 변화를 감지한다.
따라서 유체 감지 센서의 크기가 대형인 경우, 소형의 관로 및 소형의 유체 저장 장치 내부에 설치하기가 곤란하고, 유체의 감지를 위해 자석 감지식 리드 릴레이는 접점이 기계식이라 기계식 고장에 취약하며 채터링이 많이 발생하는 등의 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제10-1217338호(공고일 2012년 12월 31일) 한국 등록특허공보 제10-1046666호(공고일 2011년 07월 06일) 한국 등록특허공보 제10-1123147호(공고일 2012년 03월 16일) 한국 공개특허공보 제10-2010-0070371호(공개일 2010년 06월 25일)
본 발명의 목적은 소형으로 제작 가능하고, 유체 저장 장치의 관로에 설치가 용이하도록 판 형상을 갖는 정전용량의 근접 검출 기술을 이용한 유체 감지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유체 변화량을 검출하기 위한 다양한 기술 분야에 적용 가능한 정전용량의 근접 검출 기술을 이용한 유체 감지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고장을 방지하기 위한 정전용량의 근접 검출 기술을 이용한 유체 감지 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한, 본 발명의 유체 감지 센서는 정전용량의 근접 검출 기술을 이용하여 판 형상으로 구비하는데 그 한 특징이 있다. 이와 같은 본 발명의 유체 감지 센서는 소형으로 제작 가능하고, 유체 저장 장치의 관로에 설치가 용이하다.
이 특징에 따른 본 발명의 유체 감지 센서는: 내부에 인쇄회로기판이 수용되는 판 형상의 몸체와; 상기 인쇄회로기판의 전면 및 후면의 대향하는 일측에 각각 구비되어 유체 저장 장치에서의 유체 변화를 감지하는 복수 개의 정전용량 센서 전극과; 상기 인쇄회로기판 상에 실장되어 상기 정전용량 센서 전극으로부터 감지된 정전용량의 차이에 대응하여 실시간으로 유체의 변화량을 검출하는 검출 회로 및; 상기 인쇄회로기판에 형성되어 외부로부터 전원을 공급받아서 상기 검출 회로로 전원을 공급하고, 상기 검출 회로로부터 검출된 유체의 변화량에 대응되는 검출 신호를 외부로 출력하는 복수 개의 입출력 단자;를 포함한다.
이 특징의 한 실시예에 있어서, 상기 유체 감지 센서는, 기설정된 저항값에 의해 상기 검출 회로의 센싱 감도를 조절하는 감도 조절 회로;를 더 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 상기 유체 감지 센서는, 상기 검출 회로로부터 상기 출력 단자로 출력되는 검출 신호를 일정 레벨의 전압을 갖도록 구동하는 출력 구동 회로 및; 상기 출력 단자로부터 유입되는 역류 전압을 차단하는 블록킹 회로;를 더 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 유체 감지 센서는, 상기 입출력 단자 중 전원 공급 단자와 상기 검출 회로 사이에 구비되어, 상기 전원 공급 단자를 통해 상기 검출 회로로 공급되는 전원의 과전류를 제한하는 전류 제한 회로와; 상기 전류 제한 회로와 상기 검출 회로 사이에 구비되어 오결선에 따른 역전압의 유입을 방지하는 역전압 방지 회로 및; 상기 입출력 단자 중 공통 단자에 연결되고 상기 역전압 방지 회로와 상기 검출 회로 사이에 구비되어 상기 검출 회로로 정전압의 전원을 공급하는 정전압 회로;를 더 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 유체 감지 센서는 상기 유체 저장 장치의 배출구에 설치된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 유체 감지 센서는 정전용량의 근접 검출 기술을 이용하여 인쇄회로기판의 감지 영역에 캐패시터 형태의 동박 패드를 판 형상으로 구비하여 실시간으로 유체의 변화를 검출함으로써, 소형으로 제작 가능하고, 유체 저장 장치의 관로에 설치가 용이하다.
또 본 발명의 유체 감지 센서는 검출 회로의 감도 조절 회로로 센싱 감도를 조절하여 유체의 변화를 실시간으로 감지하도록 함으로써, 정확한 유체 변화량을 검출할 수 있다.
또 본 발명의 유체 감지 센서는 전류 제한 회로와 역전압 방지 회로를 내장하여 오결선 순간에 단락 발생으로 인한 고장을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 유체 감지 센서는 기계 장치의 윤활유 경보 장치 및 유류 등의 레벨 감지, 물, 구리스 등의 레벨 감지, 자동차의 각종 유류, 냉각수, 워셔액의 소모 감지 등 다양한 분야에 활용 가능하다.
뿐만 아니라, 본 발명의 유체 감지 센서는 넓은 동작 전압 범위로 인하여, 24 V의 산업용으로부터 12 V의 자동차용으로도 적용할 수 있다.
도 1a 및 도 1b은 본 발명에 따른 유체 감지 센서가 설치된 저장 탱크의 구성을 도시한 도면;
도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시된 유체 감지 센서의 구성을 나타내는 사시도;
도 3은 도 2에 도시된 유체 감지 센서의 인쇄회로기판의 전면을 나타내는 도면;
도 4는 도 2에 도시된 유체 감지 센서의 인쇄회로기판의 후면을 나타내는 도면;
도 5는 도 2에 도시된 유체 감지 센서의 구성을 나타내는 블럭도; 그리고
도 6은 도 5에 도시된 유체 감지 센서의 실시예에 따른 구성을 나타내는 회로도이다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하 첨부된 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b은 본 발명에 따른 유체 감지 센서가 설치된 저장 탱크의 구성을 도시한 도면들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 유체 감지 센서(100)는 판(flat) 형상의 몸체(102)를 구성하고 몸체(102)에 수용되는 인쇄회로기판(도 3의 130)에 복수 개의 정전용량 센서 전극(120)들을 형성하여, 유체(20)가 저장되는 유체 저장 장치(10) 예를 들어, 유체 탱크, 드럼 및 포트 등에 설치되어, 정전용량 근접 검출 기술을 이용하여 유체의 변화를 실시간으로 감지한다.
이러한 본 발명의 유체 감지 센서(100)는 소형으로 제작 가능하고, 유체 저장 장치(10)의 관로 상에 설치가 용이하다.
즉, 본 발명의 유체 감지 센서(100)는 유체 저장 장치(10)의 배출구(12)의 내측에 설치된다. 유체 감지 센서(100)는 정전용량 센서 전극(120)들로부터 정전용량의 차이에 따른 유체 변화를 감지하여 외부 전자 장치(미도시됨) 예를 들어, 컴퓨터, 테스터, 유량 측정 장치 등의 호스트(host)로 유체 변화량에 따른 검출 신호를 제공한다. 이 때, 유체 저장 장치(10)의 배출구(12)에는 배출 튜브 또는 배출 파이프(14)가 결합되고, 유체 감지 센서(100)는 케이블(200)을 통해 외부 전자 장치와 전기적으로 연결된다.
구체적으로, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유체 감지 센서의 구성 및 기능에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시된 유체 감지 센서의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 유체 감지 센서의 인쇄회로기판의 전면을 나타내는 도면이며, 도 4는 도 2에 도시된 유체 감지 센서의 인쇄회로기판의 후면을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 유체 감지 센서(100)는 일정 두께를 갖는 판 형상의 몸체(102)를 구비한다. 몸체(102)는 내부에 인쇄회로기판(130)이 수용 설치된다. 몸체(102)는 전면 및 후면의 대향하는 일측에 정전용량 센서 전극(120 : 122, 124)들 각각이 유체의 변화를 감지하기 위한 윈도우(104)가 형성된다.
인쇄회로기판(130)은 예를 들어, FR-4(EpoxyResin) PCB로 구비되고, 대체로 몸체(102)의 형상에 대응하여 구비된다. 인쇄회로기판(130)은 전면 및 후면의 일측에 복수 개의 정전용량 센서 전극(120 : 122, 124)들 각각이 구비된다. 정전용량 센서 전극(120)은 캐패시터 형태의 동박 패드(copper pad)로 구비된다.
인쇄회로기판(130)은 전면 및 후면의 타측에 복수 개의 입출력 단자(132 ~ 136)들이 구비된다. 입출력 단자(132 ~ 136)들은 전원 공급 단자(VB+)(132), 공통 단자(COM)(134) 및 출력 단자(OUT)(136)로 구성된다. 입출력 단자(132 ~ 136)들은 케이블(200 : 202 ~ 206)을 통하여 외부 전자 장치와 전기적으로 연결된다.
또 인쇄회로기판(130)에는 도면에는 도시되지 않았으나 회로 패턴이 형성되고, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수 개의 반도체 집적 회로와, 복수 개의 주변 회로 소자들이 실장되어 회로 패턴에 의해 전기적으로 연결된다.
도 5는 도 2에 도시된 유체 감지 센서의 구성을 나타내는 블럭도이고, 도 6은 도 5에 도시된 유체 감지 센서의 실시예에 따른 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 유체 감지 센서(100)는 복수 개의 정전용량 센서 전극(120 : 122, 124)과, 복수 개의 입출력 단자(132 ~ 136)와, 감도 조절 회로(110)와, 검출 회로(140)와, 출력 구동 회로(150) 및, 블록킹 회로(160)를 포함한다. 또 유체 감지 센서(100)는 전류 제한 회로(170)와, 역전압 방지 회로(180) 및 정전압 회로(190)를 포함한다.
정전용량 센서 전극(120 : 122, 124)은 인쇄회로기판(130)의 전면 및 후면의 대향하는 일측에 각각 구비되어 유체 저장 장치(10)에서의 유체 변화를 실시간으로 감지하고, 감지 신호를 검출 회로(140)로 제공한다.
입출력 단자(132 ~ 136)는 인쇄회로기판(130)의 전면 및 후면의 타측에 구비되어 외부 전자 장치(미도시됨)로부터 전원을 공급받아서 유체 감지 센서(100)의 구동 전원을 공급하는 전원 공급 단자(VB+)(132)와, 공통 단자(COM)(134) 및 검출 회로(140)로부터 검출된 유체의 변화량에 대응되는 검출 신호를 외부 전자 장치로 출력하는 출력 단자(OUT)(136)를 포함한다.
감도 조절 회로(110)는 검출 회로(140)에 연결되고, 기설정된 저항값에 의해 검출 회로(140)의 센싱 감도를 조절한다. 이 실시예에서 감도 조절 회로는 테스트 시, 가변 저항을 이용하여 저항값을 설정하고, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수 개의 저항(R2, R3)들에 의해 고정된 저항값으로 설정된다.
검출 회로(140)는 정전용량 센서 전극(120 : 122 ~ 124)으로부터 감지된 정전용량의 차이에 대응하여 실시간으로 유체의 변화량을 검출한다. 검출 회로(140)는 검출된 유체의 변화량에 대응되는 검출 신호를 출력 구동 회로(150)로 출력한다.
이 실시예에서 검출 회로(140)는 도 6에 도시된 바와 같이, 반도체 집적회로 소자 형태의 싱글 채널 근접 검출기(Single-Channel Proximity Detector)(예를 들어, 마이크로칩 사의 MTCH101 등)로 구비된다. 이러한 검출 회로(140)는 약 2 ~ 5.5 V의 검출 신호를 출력 구동 회로(150)로 출력한다.
출력 구동 회로(150)는 검출 회로(150)로부터 출력되는 검출 신호를 일정 레벨의 전압을 갖도록 구동하여 출력 단자(136)로 출력한다. 이 실시예에서 출력 구동 회로(150)는 도 6에 도시된 바와 같이, 반도체 집적 회로 소자 형태의 구동기(driver)(예를 들어, 인피니온테크놀로지스 사의 BSP 452 등)로 구비된다. 이러한 출력 구동 회로(150)는 검출 회로(140)로부터 출력되는 검출 신호를 넓은 동작 전압 범위 예컨대, 약 6 ~ 36 V 사이에서 일정 레벨의 전압(예컨대, 12 V, 24 V 등)으로 구동하여 출력 단자(136)로 출력한다.
블록킹 회로(160)는 출력 구동 회로(150)와 출력 단자(136) 사이에 구비되어, 출력 단자(136)로부터 유입되는 역류 전압을 차단한다. 이 실시예에서 블록킹 회로(160)는 도 6에 도시된 바와 같이, 다이오드(D2)로 구비된다.
전류 제한 회로(PTC resettable fuse)(170)는 입출력 단자(132 ~ 136) 중 전원 공급 단자(132)와 검출 회로(140) 사이에 구비되고, 전원 공급 단자(132)를 통해 검출 회로(140)로 공급되는 전원의 과전류를 제한한다. 이 실시예에서 전류 제한 회로(170)는 폴리 스위치 휴즈(poly switch fuse)(F1) 예컨대, PTC(Positive Temperature Coefficient) 폴리 스위치 휴즈로 구비되어, 과전류가 흐르면 저항값이 증가되어 검출 회로(140)로 공급되는 전원을 제한한다.
역전압 방지 회로(180)는 전류 제한 회로(170)와 검출 회로(140) 사이에 구비되어 전원 공급 단자(132)와 공통 단자(134)의 오결선에 따른 역전압의 유입을 방지한다. 이 실시예에서 역전압 방지 회로(180)는 도 6에 도시된 바와 같이, 다이오드(D1)로 구비된다.
그리고 정전압 회로(190)는 입출력 단자(132 ~ 136) 중 공통 단자(134)에 연결되고 역전압 방지 회로(180)와 검출 회로(140) 사이에 구비되어, 검출 회로(140)로 정전압의 전원을 공급한다. 이 실시예에서 정전압 회로(190)는 도 6에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(Q1)와 저항(R1) 및 제너 다이오드(ZD1)로 구성된다. 이러한 정전압 회로(190)는 제너 다이오드(ZD1)에 의해 전원 공급 단자(VB+)(132)로 공급되는 전원을 일정 레벨의 전압(VDD)으로 변환하여 검출 회로(140)로 공급한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 유체 감지 센서(100)는 유체 저장 장치(10)의 배출구(12)의 관로, 배출구 등의 내부에 설치되어 정전용량의 근접 검출 기술을 이용하여 몸체(102)가 유체(20)에 잠기어 있을 때에 검출 신호를 출력하거나 유체(20)에 잠겨있다가 유체(20)가 소실되면 검출 신호를 출력할 수 있도록 함으로써, 실시간으로 유체의 변화량을 검출할 수 있다.
이상에서, 본 발명에 따른 유체 감지 센서의 구성 및 작용을 상세한 설명과 도면에 따라 도시하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.
10 : 유체 저장 장치
100 : 유체 감지 센서
102 : 몸체
110 : 감도 조절 회로
120, 122, 124 : 정전용량 센서 전극
130 : 인쇄회로기판
132 ~ 136 : 입출력 단자
140 : 검출 회로
150 : 구동 회로
160 : 블록킹 회로
170 : 전류 제한 회로
180 : 역전압 방지 회로
190 : 정전압 회로
200 : 케이블

Claims (5)

  1. 유체 감지 센서에 있어서:
    내부에 인쇄회로기판이 수용되는 판 형상의 몸체와;
    상기 인쇄회로기판의 전면 및 후면의 대향하는 일측에 각각 구비되어 유체 저장 장치에서의 유체 변화를 감지하는 복수 개의 정전용량 센서 전극과;
    상기 인쇄회로기판 상에 실장되어 상기 정전용량 센서 전극으로부터 감지된 정전용량의 차이에 대응하여 실시간으로 유체의 변화량을 검출하는 검출 회로 및;
    상기 인쇄회로기판에 형성되어 외부로부터 전원을 공급받아서 상기 검출 회로로 전원을 공급하고, 상기 검출 회로로부터 검출된 유체의 변화량에 대응되는 검출 신호를 외부로 출력하는 복수 개의 입출력 단자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 감지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 감지 센서는,
    기설정된 저항값에 의해 상기 검출 회로의 센싱 감도를 조절하는 감도 조절 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 감지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 감지 센서는,
    상기 검출 회로로부터 상기 출력 단자로 출력되는 검출 신호를 일정 레벨의 전압을 갖도록 구동하는 출력 구동 회로 및;
    상기 출력 단자로부터 유입되는 역류 전압을 차단하는 블록킹 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 감지 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 감지 센서는,
    상기 입출력 단자 중 전원 공급 단자와 상기 검출 회로 사이에 구비되어, 상기 전원 공급 단자를 통해 상기 검출 회로로 공급되는 전원의 과전류를 제한하는 전류 제한 회로와;
    상기 전류 제한 회로와 상기 검출 회로 사이에 구비되어 오결선에 따른 역전압의 유입을 방지하는 역전압 방지 회로 및;
    상기 입출력 단자 중 공통 단자에 연결되고 상기 역전압 방지 회로와 상기 검출 회로 사이에 구비되어 상기 검출 회로로 정전압의 전원을 공급하는 정전압 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 감지 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유체 감지 센서는 상기 유체 저장 장치의 유체 배출구에 설치되는 것을 특징으로 하는 유체 감지 센서.
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