KR101873855B1

KR101873855B1 - 3축 코일 센서 및 그것을 포함하는 자기장 측정 장치

Info

Publication number: KR101873855B1
Application number: KR1020150025290A
Authority: KR
Inventors: 황정환; 권종화
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2018-07-03
Also published as: US9841470B2; US20160245878A1; KR20160102780A

Abstract

본 발명에 따른 자기장 측정 장치는 제 1 센서 신호를 출력하는 제 1 코일 센서를 포함하고, 제 1 노드 및 제 2 노드에 연결되는 제 1 센서부, 제 2 센서 신호를 출력하며 상기 제 1 코일 센서에 수직한 방향으로 배치되는 제 2 코일 센서를 포함하고, 상기 제 2 노드 및 제 3 노드에 연결되는 제 2 센서부, 제 3 센서 신호를 출력하며 상기 제 1 및 제 2 코일 센서에 수직한 방향으로 배치되는 제 3 코일 센서를 포함하고, 상기 제 3 노드 및 제 4 노드에 연결되는 제 3 센서부, 그리고 상기 제 1 및 제 4 노드에 연결되고, 상기 제 1 및 제 4 노드 사이의 전압차에 기초하여 자속밀도를 출력하는 디지털 신호 처리기를 포함하되, 상기 제 1 내지 제 3 센서부들은 상기 제 1 내지 제 3 센서 신호들의 특정 전압들로 소정의 시간 동안 유지되는 제 1 내지 제 3 출력 신호들을 각각 출력한다.

Description

3축 코일 센서 및 그것을 포함하는 자기장 측정 장치{TRIAXIAL SENSOR AND DEVICE INCLUDING THE SAME FOR MEASURING MAGNETIC FIELD}

본 발명은 자기장 측정 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 공간상의 누적 자기장을 측정하는 3축 코일 센서 및 그것을 포함하는 자기장 측정 장치에 관한 것이다.

자석이나 전류 또는 시간에 따라 변화하는 전기장에 의해 그 주위에 자기력이 작용하는 공간을 만든다. 그 공간을 자기장이라고 한다. 자기장은 운동하는 전하에 영향을 미치며, 운동하는 전하는 자기장을 발생시킬 수 있다.

최근 전파 기술을 사용하여 일상생활에서 다양한 서비스를 제공받음에 따라, 전자파가 사용자의 건강에 미치는 영향에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 일상생활에서 노출되는 전자파의 양을 측정하는 시스템이 연구되고 있다. 특히, 저주파 대역(예를 들면, 30MHz 이하)에서 노출되는 자기장의 양을 측정하는 측정 시스템이 사용되고 있다.

본 발명의 목적은 각 축 방향의 센서부의 격리도 특성을 향상시키고, 소비전력을 절감하는 3축 코일 센서 및 그것을 포함하는 자기장 측정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 자기장 측정 장치는 제 1 센서 신호를 출력하는 제 1 코일 센서를 포함하는 제 1 센서부, 제 2 센서 신호를 출력하며 상기 제 1 코일 센서에 수직한 방향으로 배치되는 제 2 코일 센서를 포함하는 제 2 센서부, 제 3 센서 신호를 출력하며 상기 제 1 및 제 2 코일 센서에 수직한 방향으로 배치되는 제 3 코일 센서를 포함하는 제 3 센서부, 그리고 상기 제 1 내지 제 3 센서부들로부터의 제 1 내지 제 3 출력 신호들에 기초하여 자속밀도를 환산하는 디지털 신호 처리기를 포함하되, 상기 제 1 내지 제 3 센서부들 각각은 상기 제 1 내지 3 센서 신호들 각각에 포함된 특정 주파수를 가지는 상기 제 1 내지 제 3 출력 신호들을 선택하기 위해 다른 센서부들로부터 독립적인 대역 통과 필터를 포함한다.

본 발명에 따른 3축 코일 센서는 제 1 직경과 제 1 높이를 가지는 원반형 코어 및 상기 원반형 코어의 둘레에 감기는 제 1 코일을 포함하는 제 1 코일 센서, 상기 원반형 코어의 내부에 형성되어 제 2 직경과 제 2 높이를 가지는 제 1 원기둥 코어 및 상기 제 1 원기둥 코어의 기둥 면에 감기는 제 2 코일을 포함하는 제 2 코일 센서, 그리고 상기 원반형 코어의 내부에 상기 제 1 원기둥 코어와 수직한 방향으로 형성되어 상기 제 2 직경과 상기 제 2 높이를 가지는 제 2 원기둥 코어 및 상기 제 2 원기둥 코어의 기둥 면에 감기는 제 3 코일을 포함하는 제 3 코일 센서를 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 원기둥 코어들의 중심축들은 상기 원반형 코어의 원반 면과 평행하게 구현된다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 코일 센서들의 출력 신호들을 선택하기 위한 멀티플렉서 또는 스위치를 사용하지 않아 각 축 방향의 센서부의 격리도 특성을 향상시키고, 소비전력을 절감하는 3축 센서를 포함하는 자기장 측정 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 자기장의 양을 측정하기 위한 자기장 센서를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 측정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2의 디지털 신호 처리기를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 4는 도 2의 제 1 내지 제 3 코일 센서들을 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4의 제 1 내지 제 3 코일 센서들을 예시적으로 보여주는 정면도이다.
도 6은 도 4의 제 1 내지 제 3 코일 센서들을 예시적으로 보여주는 우측면도이다.
도 7은 도 3의 자속밀도 환산 회로에서 사용되는 자속밀도 변환 테이블을 예시적으로 보여주는 표이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기장 측정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 9는 도 8의 디지털 신호 처리기를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 10은 도 8의 각 센서부의 대역 통과 필터에서 출력되는 전압을 보여주는 타이밍도이다.
도 11은 도 8의 각 센서부의 단방향 소자에서 출력되는 전압을 보여주는 타이밍도이다.
도 12는 도 8의 각 센서부의 축전 소자에서 출력되는 전압을 보여주는 타이밍도이다.

앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다.

이하에서는, 자기장 측정 시스템이 본 발명의 특징 및 기능을 설명하기 위한 전기 장치의 한 예로서 사용될 것이다. 하지만, 이 기술 분야에 정통한 사람은 여기에 기재된 내용에 따라 본 발명의 다른 이점들 및 성능을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 다른 실시 예들을 통해 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고, 관점 및 응용에 따라 수정되거나 변경될 수 있다.

도 1은 자기장의 양을 측정하기 위한 자기장 센서를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 자기장 센서는 서로 직교하는 3개의 코일 센서들(10, 20, 30)을 포함할 수 있다. 코일 센서들(10, 20, 30)에 포함된 코어(Core)들 각각은 X축, Y축, Z축 방향으로 각각 배치될 수 있다. X축 방향과 Y축 방향은 서로 직교하고, Z축 방향은 X축과 Y축이 형성하는 평면에 수직한 방향이다.

공간에 형성되는 자기장은 임의의 방향을 가진다. 따라서, 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축 방향들 각각의 자속밀도를 측정한 후 세 방향들의 자속밀도들을 합산하여 공간에 형성되는 자기장은 계산될 수 있다. 각 방향(X축, Y축, Z축)에 대응하는 자속밀도들을 Bx, By, Bz로 나타내면, 총 자속밀도(Btotal)는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

도 1에서, 코일 센서들(10, 20, 30)은 각 방향(X축, Y축, Z축)에 대응하는 자기장 센서를 예시적으로 보여준다. 각 코일 센서(10, 20, 30)는 인덕션(Induction) 방식의 자기장 센서를 예시적으로 보여준다. 이하에서 코일 센서(10)가 예로서 설명된다. 코일 센서들(20, 30)은 코일 센서(10)와 동일한 구조와 특성을 가질 수 있다. 인덕션 방식의 코일 센서(10)는 자기장의 양을 측정하기 위해 구리와 같은 전도성이 높은 도선으로 코일(11)을 형성한다. 변화하는 자기장에 의해 코일(11)의 도선 양단에는 페라이트 법칙에 따라 전압(Vsx)이 발생한다. 코일 센서(10)는 코일(11)의 도선 양단에 발생하는 전압(Vsx)을 이용하여 자기장을 측정할 수 있다.

직경 D를 가지면서 원형의 단면을 갖는 코일(11)은 코일 내부에 형성되는 자기장에 의해 수학식 2와 같은 전압(Vsx)을 출력한다. 여기서 f는 자기장의 주파수, n은 코일의 감긴 수, Bcore는 코일 내부에 형성되는 자기장의 자속밀도를 나타낸다.

자속밀도(Bcore)를 증가시키면, 코일 센서(10)는 센싱 감도를 향상시킬 수 있다. 이를 위해 코어(12)는 페라이트와 같은 자성물질을 사용할 수 있다. 직경 Di 및 길이 l을 가지는 코어(12)가 코일(11)의 내부에 위치할 때, 자속밀도(Bcore)는 코어(12)의 투자율(Permeability)에 비례한다. 하지만, 코어(12)의 물리적 크기(즉, Di 및 l)에 의해 자속밀도(Bcore)는 포화된다. 따라서, 코일(11)의 양단에서 출력되는 전압(Vsx)은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

여기서 Hcore는 코일 내부에 형성되는 자계강도, d는 코일에 사용되는 도선의 직경을 나타낸다. 자계강도(Hcore)는 자성물질에 무관하여 자유 공간에 형성되는 자기장의 자계강도와 동일하다. 따라서, 코어(12)를 포함하는 코일 센서(10)는 코어(12)의 길이 방향(즉, X축 방향)으로 형성되는 자기장의 자계강도(Hcore)를 측정할 수 있다. 따라서, 각 코일 센서(10, 20, 30)는 각 방향(X축, Y축, Z축)의 자기장을 측정할 수 있다. 결국, 공간상의 자기장은 서로 직교하는 각 방향(X축, Y축, Z축)의 자기장들을 합하여 구할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 측정 장치를 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 자기장 측정 장치(100)는 제 1 내지 제 3 센서부들(110, 120, 130) 및 디지털 신호 처리기(140)를 포함할 수 있다. 각 센서부는 독립적인 코일 센서, 대역 통과 필터 및 증폭기를 포함할 수 있다. 각 센서부는 각 방향(X축, Y축, Z축)의 자기장을 측정할 수 있다.

제 1 센서부(110)는 코일 센서(111), 대역 통과 필터(112) 및 증폭기(113)를 포함할 수 있다. 제 1 센서부(110)는 X축 방향의 자기장을 측정할 수 있다. 예를 들면, 코일 센서(111)는 X축 방향의 자기장에 따라 센서 신호(Vsx)를 출력할 수 있다. 코일 센서(111)는, 도 1에서 살펴본 봐와 같이, 자성물질로 이루어진 코어 및 도선으로 코어를 감은 코일을 포함할 수 있다.

대역 통과 필터(112)는 센서 신호(Vsx)를 수신하여 잡음 성분을 제거할 수 있다. 대역 통과 필터(112)는, 예시적으로, 저항, 인덕터 및 커패시터 등과 같은 수동 소자들을 사용하여 구현될 수 있다. 또는 대역 통과 필터(112)는 OP(Operational) 앰프 등과 같은 능동 소자들을 사용하여 구현될 수 있다. 대역 통과 필터(112)는 잡음 성분이 제거된 필터 신호(Vfx)를 출력할 수 있다. 대역 통과 필터(112)는 센서 신호(Vsx) 중에서 원하는 자기장 주파수에 대응하는 필터 신호(Vfx)를 출력하도록 설정될 수 있다.

제 1 센서부(110)의 센싱 감도를 증가시키기 위해, 필터 신호(Vfx)는 증폭될 필요가 있다. 증폭기(113)는 필터 신호(Vfx)를 수신하여 증폭할 수 있다. 증폭기(113)는 증폭 신호(Vax)를 출력할 수 있다. 증폭 신호(Vax)는 코일 센서(111)에서 검출하려는 자기장의 자속밀도에 비례할 것이다. 따라서, 자기장 측정 장치(100)는 증폭 신호(Vax)에 기초하여 X축 방향의 자속밀도(Bx)를 구할 수 있다.

제 2 및 제 3 센서부(120, 130)는 제 1 센서부(110)와 동일하게 구성될 수 있다. 제 2 센서부(120)는 코일 센서(121), 대역 통과 필터(122) 및 증폭기(123)를 포함할 수 있다. 제 3 센서부(130)는 코일 센서(131), 대역 통과 필터(132) 및 증폭기(133)를 포함할 수 있다. 제 2 센서부(120)는 Y축 방향의 자기장을 측정할 수 있다. 제 3 센서부(130)는 Z축 방향의 자기장을 측정할 수 있다. 예를 들면, 제 2 센서부(120)는 증폭 신호(Vay)를 출력할 수 있다. 제 3 센서부(130)는 증폭 신호(Vaz)를 출력할 수 있다. 증폭 신호들(Vay, Vaz)의 생성 과정은 증폭 신호(Vax)의 생성 과정과 동일하므로 생략하도록 한다.

디지털 신호 처리기(140)는 증폭 신호들(Vax, Vay, Vaz)을 수신할 수 있다. 디지털 신호 처리기(140)는 증폭 신호들(Vax, Vay, Vaz)을 디지털 코드들로 변환할 수 있다. 디지털 신호 처리기(140)는 변환된 디지털 코드들을 각 방향(X축, Y축, Z축)에 대응하는 자속밀도들로 환산할 수 있다.

디지털 신호 처리기(140)는 환산된 각 방향(X축, Y축, Z축)에 대응하는 자속밀도들(Bx, By, Bz)을 합산하여 총 자속밀도(Btotal)를 출력할 수 있다. 하지만, 총 자속밀도(Btotal)를 구하는 방법은 이것에 국한되지 않는다. 예를 들면, 디지털 신호 처리기(140)는 변환된 디지털 코드들을 먼저 합산한 후 총 자속밀도(Btotal)로 환산할 수 있다.

디지털 신호 처리기(140)는 다양한 방법으로 디지털 코드들을 자속밀도로 환산할 수 있다. 예를 들면, 디지털 신호 처리기(140)는 수학식 3을 이용하여 디지털 코드들을 자속밀도로 환산할 수 있다. 또한, 디지털 신호 처리기(140)는 자속밀도 환산 테이블을 저장할 수 있다. 자기장 측정 장치(100)는 특정한 자기장 하에서 측정된 디지털 코드를 저장할 수 있다. 이렇게 미리 저장된 자속밀도 환산 테이블을 이용하여 디지털 신호 처리기(140)는 현재의 자속밀도를 환산할 수 있다. 하지만, 자속밀도를 환산하는 방법은 이것에 국한되지 않는다.

본 발명에 따른 자기장 측정 장치(100)는 제 1 내지 제 3 센서부들(110, 120, 130)에서 각각 독립적인 증폭기(113, 123, 133)를 사용할 수 있다. 따라서, 자기장 측정 장치(100)는 각 센서부 사이에서 향상된 격리도 특성을 얻을 수 있다. 또한, 자기장 측정 장치(100)는 코일 센서들(111, 121, 131)의 출력 신호들을 선택하기 위한 멀티플렉서 또는 스위치를 사용하지 않아 소비전력을 절감할 수 있다.

도 3은 도 2의 디지털 신호 처리기를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 디지털 신호 처리기(140)는 아날로그-디지털 변환기들(141, 142, 143) 및 자속밀도 환산 회로(144)를 포함할 수 있다. 디지털 신호 처리기(140)는 각 방향(X축, Y축, Z축)에 대응하는 증폭 신호들(Vax, Vay, Vaz)을 수신할 수 있다. 디지털 신호 처리기(140)는 증폭 신호들(Vax, Vay, Vaz)에 기초하여 총 자속밀도(Btotal)를 출력할 수 있다.

예를 들면, 아날로그-디지털 변환기(141)는 증폭 신호(Vax)를 수신할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(141)는 증폭 신호(Vax)를 전압 코드(Sdx)로 변환할 수 있다. 또한, 아날로그-디지털 변환기(142)는 증폭 신호(Vay)를 수신할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(142)는 증폭 신호(Vay)를 전압 코드(Sdy)로 변환할 수 있다. 또한, 아날로그-디지털 변환기(143)는 증폭 신호(Vaz)를 수신할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(143)는 증폭 신호(Vaz)를 전압 코드(Sdz)로 변환할 수 있다.

자속밀도 환산 회로(144)는 전압 코드들(Sdx, Sdy, Sdz)을 수신하여 총 자속밀도(Btotal)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 자속밀도 환산 회로(144)는 전압 코드들(Sdx, Sdy, Sdz) 각각을 각 방향(X축, Y축, Z축)에 대응하는 자속밀도들(Bx, By, Bz)로 환산할 수 있다. 자속밀도 환산 회로(144)는 환산된 자속밀도들(Bx, By, Bz)을 합산하여 총 자속밀도(Btotal)를 계산할 수 있다.

또는 자속밀도 환산 회로(144)는 전압 코드들(Sdx, Sdy, Sdz)을 합산하여 총 전압 코드(Stotal)를 계산할 수 있다. 자속밀도 환산 회로(144)는 총 전압 코드(Stotal)를 환산하여 총 자속밀도(Btotal)를 계산할 수 있다. 자속밀도 환산 회로(144)는 총 자속밀도(Btotal)를 출력할 수 있다.

자속밀도 환산 회로(144)는 다양한 방법으로 전압 코드들(Sdx, Sdy, Sdz)을 자속밀도로 환산할 수 있다. 예를 들면, 자속밀도 환산 회로(144)는 수학식 3을 이용하여 전압 코드들(Sdx, Sdy, Sdz)을 자속밀도로 환산할 수 있다. 또한, 자속밀도 환산 회로(144)는 자속밀도 환산 테이블을 저장할 수 있다. 자기장 측정 장치(100)는 특정한 자기장 하에서 측정된 전압 코드들(Sdx, Sdy, Sdz) 또는 총 전압 코드(Stotal)를 저장할 수 있다. 이렇게 미리 저장된 자속밀도 환산 테이블을 이용하여 자속밀도 환산 회로(144)는 현재의 자속밀도를 환산할 수 있다.

도 4는 도 2의 제 1 내지 제 3 코일 센서들을 예시적으로 보여주는 사시도이다. 도 5는 도 4의 제 1 내지 제 3 코일 센서들을 예시적으로 보여주는 정면도이다. 도 6은 도 4의 제 1 내지 제 3 코일 센서들을 예시적으로 보여주는 우측면도이다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 자기장 측정 장치(100)는 그 두께를 줄일 수 있다.

도 1에서 살펴본 봐와 같이 일반적으로 3축 코일 센서는 각 방향(X축, Y축, Z축)에 대응하는 코어들을 필요로 한다. 코어들은 일반적으로 동일한 직경과 동일한 길이를 가지는 원기둥의 형태로 구현된다. 따라서, 자기장 측정 장치(100)는 최소한 코어의 길이만큼의 두께를 가지게 된다.

본 발명에 따른 3축 코일 센서(3CS)는 Z축 방향의 코어의 길이를 줄일 수 있다. 예를 들면, 3축 코일 센서(3CS)는 Z축 방향의 자기장을 측정하기 위한 원반형 코어(131a)를 포함할 수 있다. X축 또는 Y축 방향의 자기장을 측정하기 위한 기둥형 코어(111a, 121a)는 원반형 코어(131a)의 내부에 포함될 수 있다. 기둥형 코어들(111a, 121a)의 길이는 원반형 코어(131a)의 직경 이하로 구현될 수 있다. 기둥형 코어들(111a, 121a)의 직경은 원반형 코어(131a)의 두께 이하로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 3축 코일 센서(3CS)는 다양한 두께로 구현될 수 있다. 기둥형 코어들(111a, 121a) 및 원반형 코어(131a)에 감기는 코일들(111b, 121b, 131b)은 서로 동일한 코일이 사용될 수 있다.

기둥형 코어들(111a, 121a)과 원반형 코어(131a)의 형태는 다르지만, 기둥형 코어들(111a, 121a) 및 원반형 코어(131a)는 함께 자기장을 측정하도록 사용될 수 있다. 예를 들면, 기둥형 코어들(111a, 121a) 및 원반형 코어(131a)는 수학식 3을 이용하여 동일한 자기장 하에서 동일한 전압을 출력하도록 직경과 길이(또는 두께)를 조절하여 구현될 수 있다. 또는 자기장 측정 장치(100)는 기둥형 코어들(111a, 121a)과 원반형 코어(131a)에서 측정되는 전압들을 자속밀도로 환산하기 위해 서로 다른 자속밀도 변환 테이블을 사용할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 3축 코일 센서(3CS)는 원반형 코어를 사용하여 Z축 방향의 코어의 길이를 줄일 수 있다. 따라서, 자기장 측정 장치(100)는 3축 코일 센서(3CS)를 사용하여 그 두께를 줄일 수 있다.

도 7은 도 3의 자속밀도 환산 회로에서 사용되는 자속밀도 변환 테이블을 예시적으로 보여주는 표이다. 도 3 및 도 7을 참조하면, 자속밀도 환산 회로(144)는 자속밀도 변환 테이블을 사용하여 전압 코드를 자속밀도로 환산할 수 있다.

먼저 자기장 측정 장치(100)는 특정한 자기장 하에서 측정된 전압 코드를 저장할 수 있다. 예를 들면, 자속밀도가 1인 경우, 측정된 총 전압 코드(Stotal)는 V1일 수 있다. 자속밀도가 2인 경우, 측정된 총 전압 코드(Stotal)는 V2일 수 있다. 이러한 방식으로 자기장 측정 장치(100)는 자속밀도 변환 테이블을 생성하여 저장할 수 있다. 자속밀도 변환 테이블은 특정한 자기장 하에서 측정된 총 전압 코드(Stotal)에 대하여 생성될 수 있다. 또한, 자속밀도 변환 테이블은 특정한 자기장 하에서 측정된 각 방향(X축, Y축, Z축)에 대응하는 전압 코드들(Sdx, Sdy, Sdz)에 대하여 생성될 수 있다.

자기장 측정 시, 자속밀도 환산 회로(144)는 저장된 자속밀도 변환 테이블을 이용하여 전압 코드들(Sdx, Sdy, Sdz) 또는 총 전압 코드(Stotal)를 자속밀도로 환산할 수 있다. 예를 들면, 측정된 총 전압 코드(Stotal)가 V1인 경우, 자속밀도 환산 회로(144)는 1의 값을 가지는 총 자속밀도(Btotal)를 출력할 수 있다. 한편 자속밀도 변환 테이블에 포함되지 않는 총 전압코드(Stotal) 및 전압코드들(Sdx, Sdy, Sdz)에 대해서는 내삽법을 적용하여 대응하는 총 전압코드(Stotal) 및 전압코드들(Sdx, Sdy, Sdz)에서의 자속밀도로 변환할 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기장 측정 장치를 보여주는 블록도이다. 자기장 측정 장치(200)는 제 1 내지 제 3 센서부들(210, 220, 230), 디지털 신호 처리기(240) 및 증폭기(250)를 포함할 수 있다. 각 센서부는 코일 센서, 대역 통과 필터, 단방향 소자 및 축전 소자를 포함할 수 있다. 각 센서부는 각 방향(X축, Y축, Z축)의 자기장을 측정할 수 있다.

제 1 센서부(210)는 코일 센서(211), 대역 통과 필터(212), 단방향 소자(213) 및 축전 소자(214)를 포함할 수 있다. 제 1 센서부(210)는 X축 방향의 자기장을 측정할 수 있다. 예를 들면, 코일 센서(211)는 X축 방향의 자기장에 따라 센서 신호(Vsx)를 출력할 수 있다. 대역 통과 필터(212)는 센서 신호(Vsx)를 수신하여 잡음 성분을 제거할 수 있다. 대역 통과 필터(212)는, 예시적으로, 저항, 인덕터 및 커패시터 등과 같은 수동 소자들을 사용하여 구현될 수 있다. 또는 대역 통과 필터(212)는 OP(Operational) 앰프 등과 같은 능동 소자들을 사용하여 구현될 수 있다. 대역 통과 필터(212)는 잡음 성분이 제거된 필터 신호를 출력할 수 있다. 대역 통과 필터(212)는 센서 신호(Vsx) 중에서 원하는 자기장 주파수에 대응하는 필터 신호를 출력하도록 설정될 수 있다. 예를 들면, 필터 신호는 정현파 신호일 수 있다.

단방향 소자(213)는 필터 신호에서 음의 성분을 제거할 수 있다. 예를 들면, 단방향 소자(213)는 다이오드로 구현될 수 있다. 단방향 소자(213)는 필터 신호를 반파 정류 신호로 변환할 수 있다. 축전 소자(214)는 반파 정류 신호를 첨두치 신호로 변환할 수 있다. 예를 들면, 축전 소자(214)는 커패시터로 구현될 수 있다. 축전 소자(214)는 반파 정류 신호의 첨두치를 가지는 전압 신호를 일정 시간 동안 유지하여 출력할 수 있다.

제 2 및 제 3 센서부(220, 230)는 제 1 센서부(210)와 동일하게 구성될 수 있다. 제 2 센서부(220)는 코일 센서(221), 대역 통과 필터(222), 단방향 소자(223) 및 축전 소자(224)를 포함할 수 있다. 제 3 센서부(230)는 코일 센서(231), 대역 통과 필터(232), 단방향 소자(233) 및 축전 소자(234)를 포함할 수 있다. 제 2 센서부(220)는 Y축 방향의 자기장을 측정할 수 있다. 제 3 센서부(230)는 Z축 방향의 자기장을 측정할 수 있다. 예를 들면, 제 2 센서부(220)의 축전 소자(224)는 센서 신호(Vsy)에 대응하는 첨두치 신호를 출력할 수 있다. 제 3 센서부(230)의 축전 소자(234)는 센서 신호(Vsz)에 대응하는 첨두치 신호를 출력할 수 있다. 각 센서부의 첨두치 신호 생성 과정은 서로 동일하므로 생략하도록 한다.

이때 제 1 내지 제 3 센서부들(210, 220, 230)의 축전 소자들(214, 224, 234)과 증폭기(250)는 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들면, 증폭기(250)의 제 1 입력단 및 축전 소자(214)의 일단은 노드(N1)에 연결될 수 있다. 축전 소자(214)의 다른 일단 및 축전 소자(224)의 일단은 노드(N2)에 연결될 수 있다. 축전 소자(224)의 다른 일단 및 축전 소자(234)의 일단은 노드(N3)에 연결될 수 있다. 축전 소자(234)의 다른 일단 및 증폭기(250)의 제 2 입력단은 노드(N4)에 연결될 수 있다. 이에 의하면, 제 1 내지 제 3 센서부들(210, 220, 230)의 축전 소자들(214, 224, 234)의 첨두치 신호들을 합산한 총 첨두치 신호가 증폭기(250)에 입력될 수 있다. 따라서, 증폭기(250)는 총 첨두치 신호를 증폭하여 총 전압 신호(Vtotal)를 출력할 수 있다.

디지털 신호 처리기(240)는 총 전압 신호(Vtotal)를 수신할 수 있다. 디지털 신호 처리기(240)는 총 전압 신호(Vtotal)를 디지털 코드로 변환할 수 있다. 디지털 신호 처리기(240)는 변환된 디지털 코드를 총 자속밀도(Btotal)로 환산할 수 있다. 예를 들면, 디지털 신호 처리기(240)는 미리 저장된 자속밀도 변환 테이블을 이용하여 디지털 코드를 총 자속밀도(Btotal)로 환산할 수 있다.

본 발명에 따른 자기장 측정 장치(200)는 코일 센서들(211, 221, 231)의 출력 신호들을 선택하기 위한 멀티플렉서 또는 스위치를 사용하지 않는다. 따라서, 자기장 측정 장치(200)는 소비전력을 절감할 수 있다.

도 9는 도 8의 디지털 신호 처리기를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 9를 참조하면, 디지털 신호 처리기(240)는 아날로그-디지털 변환기(241) 및 자속밀도 환산 회로(242)를 포함할 수 있다. 디지털 신호 처리기(240)는 총 전압 신호(Vtotal)를 수신할 수 있다. 디지털 신호 처리기(240)는 총 전압 신호(Vtotal)에 기초하여 총 자속밀도(Btotal)를 출력할 수 있다.

예를 들면, 아날로그-디지털 변환기(241)는 총 전압 신호(Vtotal)를 수신할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(241)는 총 전압 신호(Vtotal)를 총 전압 코드(Stotal)로 변환할 수 있다. 자속밀도 환산 회로(242)는 총 전압 코드(Stotal)을 수신하여 총 자속밀도(Btotal)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 자속밀도 환산 회로(242)는 자속밀도 환산 테이블을 포함할 수 있다. 자속밀도 환산 테이블은 특정한 자속밀도에 대응하는 전압을 측정하여 미리 저장될 수 있다. 자속밀도 환산 회로(242)는 자속밀도 환산 테이블을 참조하여 입력된 총 전압 코드(Stotal)를 총 자속밀도(Btotal)로 변환할 수 있다.

도 10은 도 8의 각 센서부의 대역 통과 필터에서 출력되는 전압을 보여주는 타이밍도이다. 도 11은 도 8의 각 센서부의 단방향 소자에서 출력되는 전압을 보여주는 타이밍도이다. 도 12는 도 8의 각 센서부의 축전 소자에서 출력되는 전압을 보여주는 타이밍도이다. 도 8 내지 도 12를 참조하면, 각 센서부(210, 220, 230)의 코일 센서(211, 221, 231)는 각 방향(X축, Y축, Z축)의 자기장에 대응하는 센서 신호(Vsx, Vsy, Vsz)를 출력할 수 있다.

도 10에서, 각 센서부(210, 220, 230)의 대역 통과 필터(212, 222, 232)는 센서 신호(Vsx, Vsy, Vsz)에서 잡음을 제거한 필터 신호(Vbpf)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 제 1 센서부(210)의 대역 통과 필터(212)는 첨두치 Vx를 가지는 필터 신호(Vbpf)를 출력할 수 있다. 제 2 센서부(220)의 대역 통과 필터(222)는 첨두치 Vy를 가지는 필터 신호(Vbpf)를 출력할 수 있다. 제 3 센서부(230)의 대역 통과 필터(232)는 첨두치 Vz를 가지는 필터 신호(Vbpf)를 출력할 수 있다.

각 센서부(210, 220, 230)의 필터 신호(Vbpf)는 정현파 신호일 수 있다. 각 센서부(210, 220, 230)의 필터 신호(Vbpf)는 서로 다른 위상과 첨두치를 가질 수 있다. 예를 들면, 제 1 센서부(210)의 필터 신호(Vbpf)는 제 1 시점(t1)에 첨두치(Vx)를 가질 수 있다. 제 2 센서부(220)의 필터 신호(Vbpf)는 제 2 시점(t2)에 첨두치(Vy)를 가질 수 있다. 제 3 센서부(230)의 필터 신호(Vbpf)는 제 4 시점(t4)에 첨두치(Vz)를 가질 수 있다.

도 11에서, 각 센서부(210, 220, 230)의 단방향 소자(213, 223, 233)는 필터 신호(Vbpf)에서 음의 부분을 제거하여 반파 정류 신호(Vdiode)를 출력할 수 있다. 각 센서부(210, 220, 230)의 반파 정류 신호(Vdiode)는 필터 신호(Vbpf)와 동일한 위상 및 첨두치(Vx, Vy, Vz)를 가질 수 있다.

도 12에서, 각 센서부(210, 220, 230)의 축전 소자(214, 224, 234)는 반파 정류 신호(Vdiode)의 첨두치(Vx, Vy, Vz)로부터 일정한 기울기로 감소하는 첨두치 신호(Vcap)를 출력할 수 있다. 첨두치 신호(Vcap)가 일정 기간 동안 첨두치(Vx, Vy, Vz)를 유지할 수 있도록 축전 소자(214, 224, 234)의 축전 용량은 조절될 수 있다. 즉, 축전 소자(214, 224, 234)의 시정수를 조절하여 첨두치 신호(Vcap)는 일정 기간 동안 첨두치(Vx, Vy, Vz)를 유지할 수 있다.

본 발명에 따른 자기장 측정 장치(200)는 증폭기(250)와 센서부들(210, 220, 230)을 직렬로 연결하여 각 센서부(210, 220, 230)의 첨두치 신호(Vcap)를 합산할 수 있다. 따라서, 자기장 측정 장치(200)는 코일 센서들(211, 221, 231)의 출력 신호들을 선택하기 위한 멀티플렉서 또는 스위치를 사용하지 않는다. 결국, 자기장 측정 장치(200)는 소비전력을 절감할 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100, 200 : 자기장 측정 장치
110, 210 : 제 1 센서부
120, 220 : 제 2 센서부
130, 230 : 제 3 센서부
140, 240 : 디지털 신호 처리기
111, 121, 131, 211, 221, 231 : 코일 센서
112, 122, 132, 212, 222, 232 : 대역 통과 필터
113, 123, 133, 250 : 증폭기
141, 142, 143, 241 : 아날로그-디지털 변환기
144, 242 : 자속밀도 환산 회로
213, 223, 233 : 단방향 소자
214, 224, 234 : 축전 소자

Claims

제 1 센서 신호를 출력하는 제 1 코일 센서를 포함하고, 제 1 노드 및 제 2 노드에 연결되는 제 1 센서부;
제 2 센서 신호를 출력하며 상기 제 1 코일 센서에 수직한 방향으로 배치되는 제 2 코일 센서를 포함하고, 상기 제 2 노드 및 제 3 노드에 연결되는 제 2 센서부;
제 3 센서 신호를 출력하며 상기 제 1 및 제 2 코일 센서에 수직한 방향으로 배치되는 제 3 코일 센서를 포함하고, 상기 제 3 노드 및 제 4 노드에 연결되는 제 3 센서부;
상기 제 1 및 제 4 노드에 연결되고, 상기 제 1 및 제 4 노드 사이의 전압차를 증폭하여 증폭 신호를 출력하는 증폭기; 그리고
상기 증폭 신호에 기초하여 서로 수직한 3개 축 방향들에 대응하는 자속밀도들을 합한 총 자속밀도를 출력하는 디지털 신호 처리기를 포함하되,
상기 제 1 내지 제 3 센서부들 각각은 상기 제 1 내지 제3 센서 신호들 각각에 대한 최대 전압을 소정 시간 유지하여 제 1 내지 제 3 첨두치 신호들 각각을 출력하고,
상기 증폭 신호는 상기 제 1 내지 제 3 첨두치 신호들이 합산된 총 첨두치 신호가 증폭된 총 전압 신호인 자기장 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 센서부들 각각은 단방향 소자 및 축전 소자를 포함하고,
상기 단방향 소자는 상기 제 1 내지 제 3 센서 신호들 각각의 양의 부분만 선택하여 반파 정류 신호를 출력하고,
상기 축전 소자는 상기 반파 정류 신호의 최대 전압을 상기 소정의 시간 동안 유지하여 상기 제 1 내지 제 3 첨두치 신호들 각각을 출력하는 자기장 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 센서부들 각각은 상기 제 1 내지 제 3 센서 신호들에서 특정 주파수에 대응하는 신호를 선택하기 위한 대역 통과 필터를 포함하는 자기장 측정 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 디지털 신호 처리기는,
상기 제 1 및 제 4 노드 사이의 전압차를 디지털 코드로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 그리고
상기 디지털 코드에 대응하는 상기 총 자속밀도를 출력하는 자속밀도 환산 회로를 포함하는 자기장 측정 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 자속밀도 환산 회로는 자속밀도 변환 테이블을 이용하여 상기 디지털 코드를 상기 총 자속밀도로 환산하는 자기장 측정 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 자속밀도 변환 테이블은 특정한 자속밀도 하에서 상기 제 1 및 제 4 노드 사이의 전압차를 측정하여 상기 자속밀도 환산 회로에 저장되는 자기장 측정 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 자속밀도 환산 회로는, 특정한 자속밀도 하에서 상기 디지털 코드와 상기 자속밀도 사이의 관계식을 미리 저장하고, 상기 관계식을 이용하여 상기 디지털 코드를 상기 총 자속밀도로 환산하는 자기장 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 코일 센서는:
제 1 직경과 제 1 높이를 가지고, 상기 제 3 코일 센서에 대응하는 원반형 코어;
상기 원반형 코어의 내부에 형성되어 제 2 직경과 제 2 높이를 가지고, 상기 제 1 코일 센서에 대응하는 제 1 원기둥 코어; 그리고
상기 원반형 코어의 내부에 상기 제 1 원기둥 코어와 수직한 방향으로 형성되어 상기 제 2 직경과 상기 제 2 높이를 가지고, 상기 제 2 코일 센서에 대응하는 제 2 원기둥 코어를 포함하되,
상기 제 2 직경은 상기 제 1 높이보다 작거나 같고,
상기 제 2 높이는 상기 제 1 직경보다 작거나 같고,
상기 제 1 및 제 2 원기둥 코어들의 중심축들은 상기 원반형 코어의 원반 면과 평행하게 구현되는 자기장 측정 장치.
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