KR100400958B1 - 자기센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

연질자성재료로 이루어진 통형상 코어, 상기 코어내측에 설치되어 있는 내부도체, 상기 코어의 주위에 설치되어 있고, 내부도체와 전기적으로 접속되어 있는 외부도체, 및 상기 외부도체의 외측에 감긴 검출코어로 이루어지며, 내부도체에 교류를 통류시켜서 검출코일의 주위의 피측정자장을 변화시키고, 검출코일의 출력에 근거해서 피측정자장의 강도 및 방향을 검출하는 직교 플럭스게이트형 자기센서를 제공한다. 따라서, 코어의 외주에 외부도체가 설치되어 있으므로, 코어에서 형성되는 자속에 의해 공간을 자화(磁化)하는 일이 없고, 코어에 대해서 자장이 집중된다.

Description

자기센서 및 그 제조방법{MAGNETIC SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 자장의 강도 및 방향을 검출하는 것이 가능한 직교 플럭스게이트형 자기센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 자동차의 주행지원 도로시스템에 관한 도로상의 자기마커(magnetic marker) 검출용으로서, 또 전자컴파스, 차재(車載) 내비게이션 시스템용으로서 탑재되는 자기센서, 심장 등의 생체자기의 측정용 자기센서, 강재 등의 비파괴검출용 자기센서 등, 자장의 강도와 함께 자장방향의 검출이 가능한 고정밀도이고 소형이고 저가의 자기센서에 대한 수요가 증대하고 있다.

종래의 이러한 종류의 자기센서로서는, 홀소자, MR소자, MI소자, 양자(量子)간섭소자(SQUID), 평행 또는 직교 플럭스게이트형 소자 등이 이용되고 있다. 이들 중 홀소자는 저감도이고, 또 MR소자, MI소자 등은 단체(單體)에서는 자장의 방향검출이 가능하지 않고 복수개가 필요로 된다는 문제점이 있는 것에 비해, 플럭스게이트형 소자는 평행형, 직교형 중 어느 것이어도 단체로 자장의 강도 및 방향의 검출이 가능하다. 게다가 검출출력의 직선성, 온도특성, 분해성에 있어서도 우수하고, 특히 검출정밀도의 면에서 보다 고정밀도의 검출이 가능한 직교 플럭스게이트형 소자가 주목되고 있다.

도 1A는 직교 플럭스게이트형 소자의 원리설명도이고, 도 1B는 코어에 형성되는 자속의 설명도이고, 도 2는 동작설명도이며, 도 3은 도 1A에 나타낸 소자로 자장의 검출을 행할 때의 여자전류, 코어의 길이방향에 있어서의 자화의 정도 및 검출코일의 출력전압 각각의 파형도이다.

도면부호 21은 도전성 재료로 형성된 막대형상의 도체, 22는 연질자성재료로 형성된 원통형 코어, 23은 검출코일, 25는 고주파전원을 나타내고 있다. 막대형상 도체(21)는 코어(22)내부를 지나 코어(22)와 동축으로 배치되고 있고, 이 막대형상 도체(21)에는 고주파 전원(25)이 접속되어 있다. 이러한 자기센서를 그 막대형상 도체(21), 코어(22)의 축심선을 피측정자장의 방향과 평행이 되도록 배치한 경우, 피측정자장내부의 자속은 도 2A에 도시된 바와 같이 코어(22)측으로 끌어당겨져 코어(22)내부를 지나는 자로(磁路)가 형성된다.

이제, 도 3에 나타내듯이 막대형상의 도체(21)에 정현파(사인파)의 여자전류(I_EX)를 흐르게 하면, 코어(22)의 둘레면은 도 2(b)에 화살표로 나타낸 바와 같이 자화되고, 여자전류(I_EX)가 도 3(a)에 나타낸 상태에서 증가하고, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이 최대값에 도달하면 코어(22)의 자화가 포화상태로 되고, 피측정자장의 자속은 코어(22)로부터 떨어져서 막대형상의 도체(21)와 평행하게 된다. 이 사이에 코어 (22)의 길이방향의 자화의 정도는 도 3에 나타낸 바와 같이 저하되고, 또한 검출코일(23)의 출력(전압)은 길이방향의 자화의 변화율이 큰 위치에서 커지고, 여자전류(I_EX)의 변화율이 큰 위치와 최대값 및 최소값일 때에서 제로가 된다.

여자전류(I_EX)가 최대값에서 감소해 가고, 제로크로스점(zero-crossing point)에 도달하는 과정에서 도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 다시 피측정자장의 자속은 코어(22)안을 지나게 된다. 여자전류(I_EX)의 방향이 반대가 되면 코어(22)의 둘레면은 도 2(d)에 화살표로 나타낸 바와 같이 둘레방향의 반대방향으로 자화되고, 여자전류(I_EX)가 감소하여 최소값에 도달하면, 코어(22)의 자화가 다시 포화상태로 되고, 피측정자장의 자속은 코어(22)의 축심선과 평행하게 된다. 이 동안에 검출코일(23)의 출력은 여자전류(I_EX)가 큰 영역에서 크고, 여자전류(I_EX)가 최소값에 도달하면 제로가 되는 변화를 반복한 결과, 여자전류(I_EX)의 1주기의 변화에 대응해서 2주기만큼 변화한다.

즉, 연질자성재료로 형성된 원통형 코어(22)에 여자전류를 통류시키고, 주기적으로 둘레방향으로 여자함으로써, 코어(22)의 길이방향의 자화를 스위칭하는 것에 의해, 코어(22)와 피측정자장과의 관계는 도 2(a)에서 도 2(b), 도 2(b)에서 도 2(c), 도 2(c)에서 도 2(d)로 옮겨가지만, 이 과정에서 검출코일(23)과 쇄교(鎖交, interlink)하는 자속밀도가 변화함으로써 도 3에 나타낸 바와 같이 검출코일(23)로부터 피측정자장의 강도(방향)에 대응한 출력전압(출력전압의 위상)이 얻어지게 된다.

이러한 구조의 직교 플럭스게이트형 소자에 있어서는 막대형상 도체(21)를 흐르는 여자전류(I_EX)에 의해 형성되는 자속분포는 도 1B에 나타낸 바와 같이 된다. 즉, 자속은 코어(22)안(도면중 파선s로 나타냄) 뿐만 아니라, 코어(22)의 외측 공간에서 둘레방향(도면중 파선t로 나타냄)으로 형성된다. 이 결과, 대부분은 공간을 여자하게 되고, 코어(22)에 대해서 자장을 집중시킬 수 없고, 자기적인 효율이 나쁘고, 여자전류(I_EX)가 과대하게 소비되게 된다. 또한, 직교 플럭스게이트형 소자에 있어서는, 검출코일(23)을 필수적인 구성으로 함으로써, 코어(22)이외의 공간에 발생하는 자속(도면중 파선t)의 일부가 검출코일(23)을 쇄교하게 되고, 검출출력중에 여자신호가 혼입하고, S/N비 및 분해능이 저하된다는 문제를 초래한다. 게다가 도 1A, 도 2에 있어서는 원리도로서 간략하게 나타내어져 있지만, 실제의 구조는 홀소자, MR소자 등과 비교해서 복잡하고, 그만큼 소형화가 어렵다는 문제점도 있다.

이것에 대해서, 일본국 특개평 10-90381호 공보에는 도 4에 나타낸 바와 같은 자기검출소자가 제안되고 있다. 도 4는 상기 공보에 개시된 종래의 자기검출소자의 구성을 나타낸 모식도이고, 구리선으로 이루어진 막대형상 도체(61)에 절연층(62)을 피복해서, 연질자성 튜브(63)안에 동축으로 삽입하고, 막대형상 도체 (61)의 일 단부는 도체(64)를 통해 접지도체(65)에 접속해서 구성되어 있다. 이러한 종래의 자기검출소자는, 연질자성 튜브(63)에 의한 인덕턴스(L)와 스트레이 용량(stray capacitance) (C)에 의한 공진점 부근의 주파수를 이용하는 것으로서 큰 임피던스변화를 발생시키고, 이것을 포착함으로써 자장을 검출하고 있다.

이러한 종래의 자기검출소자에 있어서는, 접지도체(65)는 스트레이 용량에 의해 LC공진회로를 구성하고, 또한 환경에 의한 스트레이 용량의 변화를 배제하는 것을 목적으로서 인덕턴스를 형성하는 막대형상 도체(61)에 근접해서 배치하고 있다. 이 자기검출소자는 검출코일이 불필요하므로, 검출코일에 쇄교하는 자속에 의한 영향을 본질적으로 고려할 필요가 없다. 따라서, 자기검출소자에서 발생하는 여자자속의 외부로의 확대를 방지할 필요가 없다.

또한, 외부자장에 대한 임피던스의 변화를 검출하는 2단자 소자이므로, 자장의 강도에만 반응하고, 자장의 방향에는 반응하지 않고, 자장의 방향검출이 불가능하다는 문제가 있다. 또한, 상기 구성의 자기검출소자는 임피던스의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 것으로, 자기스위칭을 행할 필요가 없으므로 도체에 흐르는 전류값이 작고, 실용상 공간을 여자하는 것에 의한 소비전력의 증대를 고려할 필요가 없다. 따라서 상기 자기검출소자가 갖는 구성을 직교 플럭스게이트형 소자에 채용할 수는 없다.

본 발명의 목적은 직교 플럭스게이트형 소자로서의 본래의 특성을 손상시키지 않고, 구조의 간략화를 도모하고, 소형화 및 경량화를 가능하게 하는 직교 플럭스게이트형 자기센서 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 직교 플럭스게이트형 소자로서의 본래의 특성을 손상시키지 않고, 소비전력의 대폭적인 절감과 함께 고감도화를 가능하게 한 직교 플럭스게이트형 자기센서 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 자기센서는 연질자성재료로 이루어진 통형상의 코어 내측에 설치되어 있는 내부도체에 고주파전류를 통류시키고, 코어에 감은 검출코일 주위의 측정자장을 변화시켜, 검출코일의 출력에 기초해서 피측정자장의 강도 및 방향을 검출하도록 한 자기센서에 있어서, 코어의 주위에 내부도체와 전기적으로 접속되는 외부도체를 설치하고 있다.

코어의 외주에 외부도체를 배치했으므로, 내부도체에 흐르는 전류에 의해 발생한 자장으로 공간을 자화하는 일없이, 코어에 대해서 자장을 집중시킬 수 있고, 자기적 효율이 향상되고, 여자전류의 절감이 꾀해진다. 또, 여자전류의 통류에 의해 형성된 자장을 코어에 집중시킬 수 있게 되고, 작은 전력으로 코어를 효율좋게 여자할 수 있고, 또 검출코일의 출력신호에 여자신호가 혼입하지 않고, S/N비가 향상한다. 또한, 코어전체를 그 표면뿐만 아니라 표면 및 내부에 걸쳐 한 번에 여자할 수 있으므로, 잔류자장을 발생시키지 않아 히스테리시스가 없고, 높은 측정정밀도가 얻어진다.

상기 자기센서에 있어서, 외부도체는 코어와 떨어져서 서로 대향하는 적어도 2위치에 배치된다. 코어의 서로 대응하는 2위치의 측면을 외부도체로 덮는 구조로 했으므로, 구조가 간략화되고, 제조가 용이하고 소형화가 가능하게 되고, 또 자장의 강도와 함께 방향도 정확하게 검출할 수 있다.

상기 자기센서에 있어서, 외부도체는 채널재의 양 끝을 내부도체를 통과하기 위한 구멍을 형성한 끝판(端板)으로 폐쇄해서 구성되어 있다. 외부도체를 채널재로 구성했으므로, 구성이 간략화되고 제조가 용이하게 된다.

상기 자기센서에 있어서, 외부도체는 통형으로 형성되어 있다. 외부도체를 통형으로 형성했으므로 코어는 그 전체둘레가 외부도체로 덮여지게 되고, 코어의 자화가 용이하게 되고, 소비전력을 절감시킬 수 있는 동시에, 강성이 큰 구조로 되어 충격 및 진동 등에 영향을 받는 일이 없고, 또 대량생산할 경우의 생산효율도 좋다.

상기 자기센서에 있어서, 내부도체는 원주형으로, 또 외부도체 및 코어는 어느것이나 원통형으로 형성되어 있다. 여자전류에 의해 코어를 자화함으로써 형성된 자장이 공간에 확산되지 않고, 코어에 집중시킬 수 있게 되어, 작은 전력으로 코어를 효율좋게 여자할 수 있고, 또 검출코일의 출력신호에 여자신호가 혼입하지 않아S/N비가 향상한다. 코어전체를 그 표면뿐만 아니라 표면 및 내부에 걸쳐 일시에 여자할 수 있으므로, 잔류자장이 발생하지 않고 히스테리시스가 없고, 높은 측정정밀도가 얻어진다.

상기 자기센서에 있어서, 외부도체의 둘레벽에는 축길이방향으로 연장하는 1개 또는 복수개의 슬릿이 형성되어 있다. 외부도체에 슬릿을 설치했으므로, 외부도체에 와류전류가 발생하지 않아 출력의 저하를 방지할 수 있다.

상기 자기센서에 있어서, 내부도체와 외부도체는 그 동일한 측의 단부끼리를 전기적으로 접속한 모양으로 일체적으로 연결되어 있다. 내부도체와 외부도체의 동일한 측의 일단부끼리가 일체적으로 연결되어 있으므로, 구조적으로 큰 강성이 얻어지고, 안정된 측정정밀도가 얻어진다.

상기 자기센서에 있어서, 코어가 퍼멀로이제 또는 센더스트제의 튜브로 형성되어 있다. 따라서, 고정밀도의 소경(小徑)으로 이루어진 통형상의 코어를 생산성 좋게 또한 저렴하게 얻을 수 있다.

본 발명의 자기센서를 제조하는 방법은 연질자성재료로 이루어진 통형상 코어를 얻는 단계와, 코어안에, 이것과의 사이에 절연피복을 개재시킨 상태로 내부도체를 삽입고정하는 단계와, 코어의 외측둘레에 이것과의 사이에 절연재료를 개재시킨 상태로 신장방향으로 슬릿이 형성된 통형을 이루는 외부도체를 외부에서 끼워 고정하는 단계와, 외부도체의 외측둘레에 검출코일을 감은 단계를 포함한다. 본 발명의 제조방법은, 고정밀도의 자기센서를 정밀도가 불균일하지 않고 균일한 품질로 대량으로 또한 저렴하게 제조할 수 있다.

상기 자기센서의 제조방법에 있어서, 연질자성재료로 이루어진 통형상의 코어는 퍼멀로이제 튜브로 구성된다. 작은 보자력에서 큰 투자율을 가지는 통형상 코어가 얻어진다. 또, 정밀도가 안정된 제품을 대량 제조하는 것이 가능하게 된다.

상기 자기센서의 제조방법에 있어서, 퍼멀로이제 튜브에 연자기특성(軟磁氣特性)을 향상시키기 위해 1000℃ 내지 1200℃의 범위에서 수시간에 걸쳐 열처리를 실시한다. 가공변형을 해소하고, 양호한 연자기특성을 보유하는 튜브가 얻어진다. 본 방법은 균일한 연자기특성을 구비할 수 있고, 정밀도의 불균일이 작고, 분해능이 대폭 향상한다. 본 발명의 목적 및 특징들은 첨부된 도면과 함께 후술하는 상세한 설명을 참조하면 더 상세하게 알 수 있다.

도 1A는 직교 플럭스게이트(orthogonal flux-gate)형 소자의 원리설명도이다.

도 1B는 코어에 형성되는 자속의 설명도이다.

도 2는 도 1A에 나타낸 직교 플럭스게이트형 소자의 동작설명도이다.

도 3은 도 1A에 나타낸 직교 플럭스게이트형 소자의 여자전류, 길이방향의 자화, 검출코일의 출력전압의 파형도이다.

도 4는 종래의 자기검출소자의 모식도이다.

도 5는 제1실시예의 자기센서의 구성을 나타낸 모식도이다.

도 6A는 도 5에 나타낸 자기센서의 종단면도이다.

도 6B는 도 5에 나타낸 자기센서의 측면도이다.

도 7은 검출부의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 8A는 제2실시예의 자기센서의 구성을 나타낸 사시도이다.

도 8B는 도 8A의 측면도이다.

도 9A는 제3실시예의 자기센서의 구성을 나타낸 모식도이다.

도 9B는 도 9A의 B-B선에 의한 단면도이다.

도 9C는 제3실시예의 자기센서의 다른 구성을 나타낸 단면도이다.

도 10A는 외부도체의 다른 구성을 나타낸 모식도이다.

도 10B는 외부도체의 또 다른 구성을 나타낸 모식도이다.

도 11A-11G는 본 발명의 자기센서의 제조방법(제4실시예)의 공정설명도이다.

도 12A-12E는 본 발명의 자기센서의 제조방법(제5실시예)의 공정설명도이다.

도 13은 시험회로의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 14는 시험장치의 구성을 나타낸 모식도이다.

도 15A, 15B는 자기센서의 시험결과인 입출력특성을 나타낸 그래프이다.

도 16A, 16B는 자기센서의 시험결과인 지향특성을 나타낸 도면이다.

도 17A, 17B는 자기센서의 분해능의 시험결과를 나타낸 그래프이다.

도 18은 제4실시예로 제조된 자기센서의 잔류출력의 시험결과를 나타낸 특성도이다.

도 19는 제5실시예로 제조된 자기센서에 있어서의 여자도선(勵磁導線)의 인덕턴스의 직류중첩특성을 나타낸 그래프이다.

(부호의 설명)

1…내부도체 2…외부도체

3…코어 4…검출코일

5…고주파전원 2a…끝판

이하, 본 발명을 실시예를 도시한 도면에 근거해서 상술한다.

(제1실시예)

도 5는 본 발명의 제1실시예인 직교 플럭스게이트형 자기센서의 구성을 나타낸 모식도이고, 도 6A는 제1실시예의 구성을 나타낸 종단면도(검출코일은 도시하지 않음)이며, 도 6B는 도 6A의 우측면도(검출코일은 도시하지 않음)이고, 도면중 부호 1은 내부도체, 2는 외부도체, 3은 코어, 4는 검출코일, 5는 고주파전원을 나타내고 있다.

내부도체(1)는, 공지의 금속 또는 기타 도전성 재료제로서 원주형으로 형성된다. 특히, 내부도체(1)는 코어(3)에 대해서 잔류자기에 의한 오프셋, 히스테리시스의 영향을 받지않도록 하기 위해 비자성의 재료가 바람직하고, 예를 들면 Cu, Al 등으로 선택한다. 또한, 외부도체(2)도 내부도체(1)와 마찬가지의 관점에서 도전성 재료를 선택하는 것이 바람직하고, 내경이 내부도체(1)의 직경보다 큰 원통형으로 형성되어 있다. 내부도체(1)와 외부도체(2)는 전자를 내측으로, 후자를 외측으로 해서 상호간에 절연재료를 개재시킨 상태로 동축으로 설치되고, 내부도체(1) 및 외부도체(2)의 동일한 측면의 단부끼리는 끝판(2a)으로 전기적으로 접속되어 있다. 내부도체(1), 외부도체(2)의 각 단부는 끝판(2a)의 표면에 납땜, 또는 용접으로 일체적으로 고정되어 있다.

내부도체(1)의 타단은 외부도체(2)의 타단에서 소정 길이 외측으로 돌출해서 배치되어져 있다. 이들 내부도체(1)의 외주면, 외부도체(2)의 내, 외주면 및 끝판(2a)의 내주면에는 절연재가 증착 또는 코팅되어 있다. 이들 절연재는 내부도체(1)와 외부도체(2)의 대향면 간의 전기적 절연을 확보하기 위해 배치하지만, 본 발명의 자기센서의 작용을 보다 효과적으로 실현시키기 위해서는 적어도 내부도체 (1)와 코어(3)의 사이의 절연을 확보하는 것이 유효하고, 생산성 등을 고려하면, 내부도체(1)의 외주면에 절연재를 코팅하는 구성이 바람직하다.

그리고, 상기 내부도체(1)와 외부도체(2)의 사이에 형성되어 있는 원통형을 이루는 공간부 안에 예를 들면 퍼멀로이(Ni-Fe합금), 센더스트(Fe-Al-Si합금), 소프트 페라이트 등의 연질자성체 재료로 원통형으로 형성한 코어(3)가 삽입되어져 있다. 통형상 코어(3)의 재료는 연질자성재료이고, 양호한 연자기특성(가능한한 작은 보자력과 큰 투자율)이 요구된다. 이러한 요구를 가장 만족시키는 것이 퍼멀로이(Ni-Fe합금)이고, 다음에 센더스트(Fe-Al-Si합금), 그 다음이 소프트 페라이트(예를 들면, Mn-Zn계 페라이트)이다. 본 발명의 대상이 되는 통형 코어에는 상기한 것 중 어느 재료를 사용하는 것도 가능하지만 가공성(소경화(小徑化)), 연자기특성의 관점에서 퍼멀로이가 적합하고, 다음에 센더스트가 적합하고, 튜브형상으로 할 수 있다. 또한, 가공성의 면에서는 퍼멀로이가 가장 우수하다. 단, 퍼멀로이는 가공변형에 의해 연자기특성의 저하를 초래하므로, 가공후의 열처리(자성 소둔)을 실시해서 연자기특성의 향상을 꾀하는 것이 바람직하다. 또, 센더스트는 그 성질에 있어서 가공변형이 발생하기 어렵고 가공후의 열처리를 필요로 하지 않는다.

코어(3)의 일단(一端)은 끝판(2a)의 내주면에 접하는 위치까지 삽입되고, 또한 타단은 외부도체(2)의 타단에서 소정 길이로 돌출되어 있다. 상기 코어(3)와 내부도체(1), 외부도체(2)사이는 밀접된 상태로 할 필요는 없고, 적절히 헐겁게 유동가능한 상태로 해도 좋다. 외부도체(2)의 외주에는 검출코일이 소정 회수로 감겨지고, 또한 내부도체(1)와 외부도체(2)의 타단부사이에는 고주파전원(5)이 접속되어 있다.

또한 내부도체(1)는 원주형으로, 외부도체(2) 및 코어(3)는 원통형으로 각각 형성한 경우를 나타냈지만, 특별히 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 단면을 4각형, 5각형, 기타 다각형으로 해도 되는 것은 말할 필요도 없다.

도 6B에는 도 5에 나타낸 직교 플럭스게이트형 자기센서에 있어서의 내부도체(1)와 외부도체(2)사이에 고주파전류를 통류시킨 경우에 있어서의 자장을 화살표가 붙은 파선(s)으로 나타내고 있다. 이 도면으로부터 알 수 있듯이 내부도체(1)를 흐르는 여자전류와 외부도체(2)를 흐르는 여자전류에 의해 여자자장은 이들 내부도체(1)와 외부도체(2)사이에만 발생하고, 공간을 자화하는 일이 없고, 코어(3)에 자장을 집중시킬 수 있어 작은 전력으로 유효한 자화를 행할 수 있게 된다. 즉, 외부도체(2)를 코어(3)의 주위에 효과적으로 배치함으로써 외부도체(2)의 외측으로 누설되는 여자자속을 실질적으로 제로로 할 수 있고, 상기와 같은 효과를 얻는 것이 가능하게 된다.

도 7은 검출코일(4)에 접속되는 검출부의 구성을 나타낸 블록도이고, 도면부호 6은 발진(發振)·분주(分周)회로를 나타내고 있다. 발진·분주회로(6)에서는 7kHz와 14kHz의 2종류의 고주파전력이 출력되고, 그 중 7kHz의 고주파는 정현파의 여자전류로서 내부도체(1) 및 외부도체(2)로 인가되고, 또 14kHz의 고주파는 위상검파기(8)로 부여되도록 되어 있다. 한편 검출코일(4)의 검출신호인 전압신호는 밴드패스필터(BPF)(7)로 입력되어 잡음이 제거되고, 위상검파기(8)로 입력되어 검파된 후, 평활필터(9)로 입력된다. 평활필터(9)는 입력된 검파신호를 평활화하고, 자장의 강도에 대응하여 방향에 따른 정(正) 또는 부(負)의 검출신호를 검출회로(40)로 출력한다. 검출회로(40)는 검출신호에 근거해서 자장의 강도 및 방향을 검출한다.

(제2실시예)

본 제2실시예에 있어서는, 외부도체(2)의 둘레방향의 한 부분에, 그 축길이방향으로 연장하는 슬릿을 형성한 구성으로 되어 있다. 도 8A는 제2실시예의 구성을 나타낸 사시도, 도 8B는 동일한 그 측면도(검출코일(4)은 도시하지 않음)이다. 그외에 내부도체(1), 외부도체(2), 코어(3)의 구성에 있어서는 제1실시예에서와 실질적으로 동일하므로, 대응하는 부분에 같은 번호를 붙여 설명을 생략한다. 이러한 제2실시예에 있어서는, 슬릿(2b)을 형성함으로써 외부도체(2)의 표면에 와류전류가 발생하는 것을 억제할 수 있고, 와류전류의 발생에 의한 출력전압의 저하, 노이즈의 증대를 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.

(제3실시예)

본 제3실시예에 있어서는 외부도체는 한 쌍의 평행도체로 구성하고, 코어(3)를 사이에 두고 서로 대향하는 2측면만을 덮는 구성으로 되어 있다. 도 9A는 제3실시예의 구성을 나타낸 모식도, 도 9B는 도 9A의 B-B선에 의한 단면도이고, 도면부호 1은 내부도체, 10은 외부도체, 3은 코어, 4는 검출코일, 5는 고주파전원을 나타내고 있다.

외부도체(10)를 구성하는 도전성 재료로 형성한 판형상의 평행도체(10a, 10b)는 그 양끝을 동일한 도전성재료로 구성한 끝판(10c, 10d)으로 일체적으로 연결해서 구성되고, 각 끝판(10c, 10d)에는 각각 그 중앙에 구멍이 개구되어 있다. 코어(3)는 연질자성체로 통형으로 구성되고, 평행도체(10a, 10b)사이에, 또한 끝판(10c, 10d)사이에 그 길이방향을 외부도체(10)의 길이방향과 일치시켜 삽입되어 있다. 한 쪽의 끝판(10c)의 외측에서 그 구멍을 통과해서 내부도체(1)를 코어(3)에 삽입하고, 내부도체(1)의 일 단부를 끝판(10c)의 구멍에 통과한 상태에서 이것에 납땜 또는 경납땜하고, 그밖의 단부는 끝판(10d)의 외측으로 소정 길이 돌출한 상태로 위치시킨다. 이러한 제3실시에 있어서는 외부도체(10)의 형성이 용이하게 되고, 또한 전체조립작업도 용이하게 되는 이점이 있다.

도 9C는 외부도체(10)의 다른 구성을 나타내며, 도 9B에 대응하는 단면도로서, 외부도체(10)는 단면이 오목형의 채널재의 길이방향의 양끝을 단면으로 폐쇄해서 구성되어 있다. 기타 내부도체(1), 코어(3), 검출코일(4) 등에 대해서는 도 9A, 9B에 나타낸 것과 실질적으로 동일한 구성으로 되어 있다. 외부도체(10)를 이러한 구성으로 함으로써 코어(3)는 그 둘레면의 3방향을 외부도체(10)를 구성하는 평행도체(10a, 10b) 및 이들 사이를 연결하는 도체(10e)로 덮여진 구성으로 되고, 코어(3)를 자화한 자력선은 평행도체(10a, 10b) 및 도체(10e)에 들어가 이것을 자화하게 되고, 코어(3)에 자장을 보다 집중시킬 수 있어 적은 전력으로 효율적인 자화가 가능하게 된다.

또 이 제3실시예에 있어서의 외부도체(10)로서는 도 9B 또는 도 9C에 나타내어져 있는 경우외에 도 10A에 나타낸 바와 같이 단면이 반원통형상의 외부도체 (10p)로 하고, 또는 도 10B에 나타낸 바와 같이 둘레방향으로 120°의 각도로 간격을 벌려 3방향으로 각각 판형상의 외부도체(10q)를 배치한 구성으로 해도 좋다.

즉, 외부도체의 배치구성에 의해, 외부도체의 외측으로 누설되는 여자자속을 절감하는 것이 가능하고, 도 5에서와 같이 완전하게 코어의 외주를 포위하는 구성이 바람직하지만, 생산성 및 요구정밀도 등에 따라, 상기 이외의 여러 가지의 구성, 예를 들면, 판형상의 외부도체(10)를 코어(3)의 주위에 5개, 7개 등의 홀수개, 또는 4개, 6개, 8개 등의 짝수개 설치하는 구성 등을 채용할 수 있다.

(제4실시예)

제4실시예는, 제3실시예로서 도 9A, 9B에 나타낸 자기센서의 제조방법이다. 도 11A∼도 11G는 자기센서의 주요 제조공정을 나타낸 공정설명도이다. 먼저 도 11A에 나타낸 바와 같이, 퍼멀로이제로서 폭 3㎜, 길이 7∼8㎜, 두께 0.013㎜의 판을 준비하고, 이 판의 폭방향의 양측 가장자리를 맞대도록 통형상으로 둥글리고, 도 11B에 나타낸 바와 같이, 맞댄 양측가장자리끼리를 스폿용접으로 연결하고, 내경 0.8㎜, 길이 8㎜의 원통형을 이룬 코어(3)를 만들고, 이것에 도 11C에 나타낸 바와 같이 1100℃에서 3시간정도 열처리(소둔)를 실시한다.

다음에 Cu제로서, 코어(3)를 사이에 두고 서로 대향하는 한 쌍의 평행도체를 길이방향의 양 끝에 각각 끝판(10c, 10d)으로 폐쇄하고, 양쪽의 끝판(10c, 10d)의 중앙에 둥근 구멍을 뚫어서 이루어진 외부도체(10)를 제작하고, 이 내측에 코어(3)를 수용하고, 도 11D에 나타낸 바와 같이 코어(3)의 양끝의 구멍을 외부도체(10)의 끝판(10c, 10d)의 구멍(10f, 10g)에 그 내측에서 대향시키고, 이 상태에서 외부도체(10)의 한쪽 끝에서 막대형상 내부도체(1)를 구멍(10f), 코어(3), 구멍(10g)의 순서로 관통시키고, 선단을 도 11E에 나타낸 바와 같이 구멍(10g)의 둘레가장자리부에 납땜 또는 용접으로 일체적으로 고정한다. 또, 내부도체(1)의 코어(3)와의 접촉부분은 전기적으로 절연시키는 수단이 처리되어 있다. 이 상태에서는 내부도체 (1)의 기단부는 구멍(10f)의 앞쪽으로 소정 길이에 걸쳐 연장하고 있는 상태로 한다.

다음에, 중간부가 가로세로 3㎜, 길이 8㎜로 단면이 4각형을 이루고, 양단의 외주에 날밑가장자리(collar edge)(19a, 19b)를 구비한 도 11G에 나타낸 바와 같이 절연재료제의 보빈(19)을 준비하고, 이 외주면에 직경 90㎛의 도선을 100번 감아 검출코일(4)을 부착하고, 이것을 도 11F에 나타낸 바와 같이 코어(3), 내부도체(1)를 부착한 외부도체(10)에 외측에서 끼워 고정한다. 이것에 의해 원리적으로 제3실시예에 나타낸 것과 마찬가지로 자기센서를 제조할 수 있게 된다.

(제5실시예)

도 12A∼도 12E는 본 발명에 따른 자기센서를 양산하는 데에 적합한 자기센서의 제조방법의 주요제조공정을 나타낸 공정설명도이다. 먼저 도 12A에 나타낸 바와 같이 퍼멀로이제 튜브(30)를 제작한다. 튜브(30)의 소재재질은 Ni; 80wt%, Mo; 5wt%, Fe이다. 튜브(30)의 제작순서는 상기 조성으로 이루어진 두께 0.18㎜, 폭 12.8㎜의 길이의 띠형상물을 그 일단측에서 폭방향으로 둥글리듯이 절곡하고, 폭방향 양끝을 맞대면서 맞댄부분을 용접해서 퍼멀로이제 전봉관(電縫管)을 얻고, 이것에 플러그(plug) 및 다이(die)를 이용해서 인발가공(draw machining)을 실시한다. 얻어진 튜브(30)에 대해서 다른 가공이 용이한 것 같이, 연화소둔(800℃ 내지 1000℃에서 1 내지 5분간정도, 수소 내에 유지)하고, 다시 신선가공(wire drawing)을 실시하고, 그런 후, 필요한 길이로 절단해서 소정의 연자기특성을 구비한 튜브(31)를 얻는다. 그후, 도 12B에 나타낸 바와 같이, 연자기특성을 향상시키기 위해 열처리(자성소둔)를 실시한다.

상기 열처리(자성소둔)은 Ar 또는 기타 불활성가스 분위기 내에서 1000℃ 내지 1200℃(바람직하게는 1100℃ 내지 1150℃)의 범위내에서 1∼4시간(바람직하게는 3시간)처리한다. 튜브(31)의 열처리조건과 그 결과인 자기특성은 표 1에 나타낸 바와 같다.

열처리온도/시간	1hr	2hr	3hr	4hr
1000℃	Hc	700mOe	180mOe	55mOe	45mOe
	㎛	5,000	20,000	65,000	80,000
1100℃	Hc	100mOe	30mOe	10mOe	8mOe
	㎛	25,000	100,000	450,000	550,000
1200℃	Hc	70mOe	20mOe	8mOe	6mOe
	㎛	35,000	220,000	560,000	746,000

소재재질: Ni; 80wt%, Mo; 5wt%, Fe

열처리는 수소분위기 내에서, 열처리후 서냉

Hc: 보자력, ㎛: 최대비투자율

표 1에서 알 수 있듯이, 열처리온도, 열처리시간에 의해 여러 가지 자기특성이 얻어지고 있는 것으로부터, 필요한 자기특성인 보자력(Hc), 최대비투자율(㎛)에 따라 열처리온도, 열처리시간을 선정하면 좋은 것을 알 수 있다. 이것에 의해 얻어진 튜브(31)의 특성은 예를 들면 인장강도: 69.9kg/㎟, 신장율: 35.8%, 경도(Hv): 162(1kg)이다. 또한, 튜브(31)의 형상, 치수 예는 표 2에 나타낸 바와 같다.

가공방법	외경㎜	내경㎜	두께㎜	길이㎜
	0.40.3	0.240.14	0.080.08	1010

이러한 열처리에 의해 튜브(31)는 전체적으로 균일한 연자기특성을 구비한 것으로 된다. 다음에, 도 12C에 나타낸 바와 같이, 열처리한 튜브(31)의 내측에 내부도체인 Mo제의 선재(32)에 Al₂O₃로 이루어진 절연막(33)을 피복한 것을 일단측에서 삽입하고, 선단측으로 선재(32) 및 절연막(33)을 소정 길이로 돌출시킨 형태로 접착제 등으로 일체적으로 고정한다.

다음에, 도 12D에 나타낸 바와 같이, 내부도체를 내측에서 끼워 고정한 상태로 튜브(31)의 외주에 외부도체를 구성하는 두께 0.1㎜의 Cu제로 둘레방향의 한 부분에 축길이방향의 전체길이에 걸친 슬릿(34a)을 형성한 통체(34)를 외측에서 끼운다. 이 통체(34)의 내주면 또는 튜브(31)의 외주면에는 절연재료가 부착되어져 있고, 통체(34)는 튜브(31)의 외주면에 이것과의 사이에 절연재료를 개재시킨 상태로 접착고정된다. 통체(34)는 슬릿(34a)으로 분리된 상태로 고정된다. 그후는 도 12E에 나타낸 바와 같이 튜브(31)의 일단에서 돌출한 Mo제의 선재(32)를 되접어 꺾어서 통체(34)의 일단부 외주면에 납땜한다. 통체(34)의 외주면에 절연막을 피복한 검출코일(35)을 감고, 그 양끝은 검출출력단자로 한다. 또한, 통체(34)의 타단 외주면에는 단자(34b)를 납땜하고, 이 단자(34b)와 상기한 내부도체인 Mo제의 선재 (32)와의 사이에 고주파전원을 개재시킨다. 이상과 같이 해서, 원리적으로 제2실시예와 동일한 자기센서를 제조할 수 있다.

이하, 제4, 제5실시예에 따라 제조된 자기센서에 대해서 도 13, 도 14에 나타낸 바와 같이 시험회로 및 시험장치를 이용해서 행한 시험결과에 대해서 설명한다.

도 13은 시험회로의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 14에 나타낸 바와 같이, 헤름홀츠코일(14, 15)사이에 설치한 탑재대 상에 자기센서를 배치하고, 자기센서의 검출코일(4)을 검출부(50)에 접속한다. 검출부(50)에 있어서의 발진·분주회로(6)에서는 7kHz와 14kHz의 2종류의 고주파전력이 출력되고, 그 중 7kHz의 고주파는 정현파의 여자출력으로서 내부도체 및 외부도체로 인가하지만 중간 노이즈미터(41)에서 노이즈를 검출한다. 또한, 14kHz의 고주파는 위상검파기(8)로 부여된다.

한편, 검출코일(4)의 검출신호인 전압신호는 BPF(7)로 입력되고, 잡음이 제거되어 위상검파기(8)로 입력되고, 검파된 후, 평활필터(9)에서 평활화되고, 자장의 강도 및 방향에 대응한 검출출력이 검출회로(40)로 얻어진다. 그리고, 검출회로(40)에서 그 검출출력에 근거해서 검출결과(자장의 강도 및 방향)가 구해진다.

도 14는 시험장치의 구성을 나타낸 모식도이고, 지(地)자기의 영향을 피하기 위해 퍼멀로이제 판(두께 0.5㎜)으로 주위의 6면을 둘러싼, 한 변이 12㎝의 입방체형을 이룬 케이스(11)를 만들고, 그 내부의 중앙에 소정 간격(16㎜정도)을 벌려 한 쌍의 지지판(12, 13)을 평행하게 세워서 설치하고, 각각의 대향면에 직경 32㎜의 헤름홀츠코일(14, 15)을 서로 동심이 되도록 고정하고, 또한 두 헤름홀츠코일(14, 15)사이에 회전가능한 지주(16)의 상단에 고정한 시료대(17)를 배치해서 구성한다. 도면부호 18은 지주(16)에 부착한 회전각도 눈금판이다. 시료대(17)위에 도 13에 나타낸 바와 같이 자기센서를 배치하고, 검출부(50)에 접속해서 시험을 행한다.

시료대(17)위에는 제4실시예에서 제조된 자기센서를 탑재하고, 헤름홀츠코일 (14, 15)에 통전함으로써, 이들 사이에 자장을 그 강도를 바꾸어 형성하고, 또한 시료대(17)를 회전시킴으로써 자기센서의 방향(내부도체(1), 외부도체(2)의 축심선방향)과 자장의 방향이 이루는 각도(θ)를 바꾸고, 그때마다 자기센서의 검출신호를 샘플링했다.

도 15A, 도 15B는 제4실시예, 제5실시예에서 제조된 각각의 자기센서의 시험결과인 입출력특성을 나타내고 있고, 횡축에 인가자속밀도(mG)를, 또 종축에 검출신호인 출력전압(V)을 각각 샘플링하고 있다. 그래프 중, □표시와 ●표시는 자기센서에 대한 자계의 인가방향을 정(도 15A의 참조도에서 윗방향), 부(동일한 아랫방향) 역으로 한 경우를 나타내고 있다. 이 특성도에서 알 수 있듯이, 입출력비를 2V/G로 설정한 경우에 있어서, 인가자속밀도의 변화에 대해서 출력전압(V)은 1mG∼1G의 범위에서 대략 직선적으로 변화하고, 직선성이 우수한 것을 알 수 있다.

도 16A, 도 16B는, 제4실시예, 제5실시예에서 제조된 각각의 자기센서의 시험결과인 지향특성을 나타내고 있고, 자계의 인가방향(0°방향에서 인가자속밀도 0.5G를 인가)에 대한 자기센서의 내부도체(1), 외부도체(2)의 축심선방향의 각도(θ)를 변화시켜 출력전압(V)을 샘플링한 결과를 나타내고 있다. 이 지향특성도에서 알 수 있듯이 0°방향, 180°방향에서는 출력전압이 각각 가장 크고, 90°방향, 270°방향에서는 출력전압이 대략 제로로 되어 있고, 양호한 지향특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

도 17A, 도 17B는, 제4실시예, 제5실시예에서 제조된 각각의 자기센서의 분해능의 시험결과를 나타낸 그래프이고, 횡축에 시간(초)을, 종축에 출력전압(mV)을 나타내고 있다. 제4실시예에서 제조된 자기센서의 시험은 1mG의 단위로 자장의 강도를 계단형으로 변화시키고, 또, 제5실시예에서 제조된 자기센서의 시험은 0.5mG단위로 자장의 강도를 계단형으로 변화시켜, 각각에 대한 출력전압(mV)을 구한 결과를 나타내고 있다. 이 그래프에서 알 수 있듯이 1mG 및 0.5mG의 계단식 응답파형을 명료하게 식별할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 18은 제4실시예에서 제조된 자기센서의 잔류출력의 시험결과를 나타낸 특성도이고, 둘레방향에 각도를, 지름방향에 출력전압을 표시하고 있다. 이 시험은 도 14에 나타낸 시험장치에 있어서, 헤름홀츠코일(14, 15)에 통전하지 않는 상태에서 시료대(17)를 회전하고, 케이스(11)안에서의 코어(3)의 잔류자속밀도를 검출했다. 그 결과, 출력전압 2mV이하, 환언하면 코어(3)에 있어서의 잔류자속밀도는 1mG이하인 것을 확인할 수 있었다. 제5실시예에서 제조된 자기센서에 대해서도 거의 동일한 시험결과를 얻었다. 이들 결과로부터, 지자기 등의 외란요인을 완전하게 배제하고, 자기센서에 소정의 자장을 정확하게 인가할 수 있는 것이 확인되었다.

제5실시예에서 제조된 자기센서에 있어서의 인덕턴스의 직류중첩특성을 LC미터로 측정한 결과를 도 19에 나타낸다. 도 19는 여자도선의 인덕턴스의 직류중첩특성을 나타낸 그래프이고, 횡축에 중첩직류전류(mA)를, 또 종축에 인덕턴스(μH)를 나타내고 있다. 도 19에 있어서, □표시는 직경 0.3㎜, ●표시는 직경 0.4㎜의 경우를 나타내고 있다. 이 그래프에서 알 수 있듯이 튜브에 대해서는 지름이 작을수록, 작은 중첩전류에서도 인덕턴스의 저하가 발생하는 것을 알 수 있다. 즉, 코어를 자기포화시키는 데에 필요한 여자전류가 작아도 좋고, 여자전류의 절감이 가능하게 된다.

본 발명의 범위는 발명의 상세한 설명보다는 첨부한 청구범위에 의해 한정되며, 청구범위의 한계 및 범위에 속하거나, 또는 청구범위의 한계 및 범위와 균등한 모든 변경이 청구범위에 포함되므로, 본 발명은 그 본질적인 사상을 벗어나지 않는다면 여러 형태로 변경하여 실시할 수 있고, 따라서 본 실시예는 예시적인 것으로서, 본 발명이 실시예에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 의하면, 직교 플랙스 게이트형 소자로서의 본래의 특성을 손상시키지 않고, 구조의 간략화를 도모하고, 소형화 및 경량화를 가능하게 하는 직교 플럭스게이트형 자기센서 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 고정밀도의 자기센서를 정밀도가 불균일하지 않고 균일한 품질로 대량으로 저렴하게 제조할 수 있다.

Claims (13)

1. 연질자성재료로 이루어진 통형상 코어, 상기 코어내측에 설치되어 있는 내부도체, 상기 코어의 주위에 설치되어 있고 상기 내부도체와 전기적으로 접속되어 있는 외부도체, 및 상기 외부도체의 외측에 감긴 검출코일로 이루어지며,

   상기 내부도체에 교류를 통류시키고, 상기 검출코일의 주위의 피측정자장을 변화시켜, 상기 검출코일의 출력에 근거해서 피측정자장의 강도 및 방향을 검출하는 것을 특징으로 하는 자기센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부도체는 상기 코어를 사이에 두고 서로 대향하는 적어도 2위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서.
3. 제1항에 있어서, 채널재 양끝이 상기 내부도체를 통과하기 위한 구멍을 형성한 끝판으로 폐쇄되어 상기 외부도체가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 외부도체는 통형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 내부도체는 원주상으로 형성되어 있고, 또, 상기 외부도체 및 코어는 모두 원통형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서.
6. 제1항에 있어서, 상기 외부도체의 둘레벽에는 그 축길이방향으로 연장하는 1개 또는 복수개의 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서.
7. 제1항에 있어서, 상기 내부도체와 상기 외부도체는 그 동일측의 일단부끼리가 전기적으로 접속된 형태로 일체적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서.
8. 제1항에 있어서, 상기 코어가 퍼멀로이제 또는 센더스트제의 튜브로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서.
9. 연질자성재료로 이루어진 통형상 코어를 제작하는 단계, 상기 코어안에 이 코어와의 사이에 절연재료를 개재시킨 상태로 내부도체를 삽입해서 고정하는 단계, 상기 코어에 이 코어와의 사이에 절연재료를 개재시킨 상태로 통형상을 이루는 외부도체를 외측에서 끼워 고정하는 단계, 및 상기 외부도체의 외측주위에 검출코일을 감는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기센서의 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 외부도체는 그 축길이방향으로 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서의 제조방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 코어는 퍼멀로이제 튜브로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기센서의 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 퍼멀로이제 튜브에는 그 연자기특성을 향상시키기 위해 1000℃ 내지 1200℃의 범위에서 수시간에 걸쳐 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 자기센서의 제조방법.
13. 연질자성재료로 이루어진 통형상의 코어, 상기 코어내측에 이것과 동축으로 배치되어 있는 내부도체, 상기 코어의 외측주위에 감겨져 있는 검출코일, 상기 코어의 주위에 설치되어 있고 상기 내부도체와 전기적으로 접속되어 있는 외부도체를 구비한 자기센서;

    상기 검출코일에 쇄교하는 피측정자장의 자속을 변화시키기 위해 상기 내부도체에 교류를 통류시키는 전원; 및

    상기 검출코일의 검출신호에 근거해서 피측정자장의 강도 및 방향을 검출하는 검출부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서장치.