산업용 애플리케이션을 위한 Micronas의 2세대 홀 센서
Micronas는 3D 홀 기술을 기반으로 한 2세대 센서를 개발했다. 이 새로운 HAL 37xy 센서 제품군은 탁월한 온도 안정성, 에어갭과 자석 수명 변화에서의 높은 수준의 저항성, 광범위한 진단기능 및 매우 효과적인 보호 회로를 자랑한다.
글/서홍규 부장, Micronas 한국 지사, FAE Manger
Micronas는 3D 홀 기술을 기반으로 한 2세대 센서를 개발했다. 이 새로운 HAL 37xy 센서 제품군은 탁월한 온도 안정성, 에어갭과 자석 수명 변화에서의 높은 수준의 저항성, 광범위한 진단기능 및 매우 효과적인 보호 회로를 자랑한다. 이 센서들은 회전 동작 및 위치 감지가 필요한 자동차, 산업 분야에서 동시에 사용될 수 있으며 가변저항기, 저항기반의 선형 위치 센서와 고르지 않은 대기 조건에서의 광학 선형 인코더로 사용될 수 있다. 이 센서들은 비 접촉식 이며 고도의 신뢰성과 측정 정확도를 수행하며 또한 확실한 위치 감지를 옵션으로 제공한다.
Micronas의 2세대 3D HAL 센서
기존의 홀 이펙트 센서들은 칩 표면에서 수직으로 움직이는 자기장 성분만을 감지한다. 반면에 HAL 37xy 제품군의 센서들은 X,Y 그리고 Z축의 자기장 성분을 감지하기 위해 옵셋 보상 기능 내장의 2개의 수직 홀 소자와 1개의 수평 홀 소자를 갖고 있다. 신호 변환기와 신호 처리기는 최대 40mm 길이의 선형 위치에 대한 절대값을 계산하기 위해 3개의 센서 감지 소자 중 2개를 사용하며 360도 범위 내에서의 각도 위치를 결정한다.
교정 기능이 탑재 되어 있기 때문에 시스템 설계자들은 EEPROM 안에 저장되는 교정 값들로 특정 시스템에 대한 동작을 최적화 할 수 있다. HAL 37xy 제품군의 모든 센서들은 센서의 출력단을 통한 전압 변조 방식으로 프로그램이 가능하며 추가적인 프로그래밍 핀이 불 필요하다. Z축 방향에서 자기장을 측정하는 홀 소자에 더하여 수직 방향의 자기장 성분을 측정할 수 있도록 수직 구조의 X와 Y축 방향의 홀 소자가 추가 되었다. Micronas의 제품은 추가적인 자속 유도기(Magnetic Concentrator)를 사용함으로써 발생 될 수 있는 자기장의 왜곡 현상을 피할 수 있으며 동작 범위와 센서 성능을 개선할 수 있다. 또한 수직홀 소자 최적화는 개선된 편차 보정과 보다 높은 전반적인 정확성, 동시에 전력 소모 감소의 결과를 가져온다.
3D-HAL 원리에 의한 측정 솔루션
(1)각도측정
HAL 37xy 제품군의 센서들은 360도 범위 내에서 각도 변위에 대한 위치를 측정하기에도 적합하다. 센서는 축의 종단 또는 측면에서 동작할 수 있다(그림 2). 하나의 360도 회전은‘Bx 와 By’또는‘Bx 와 Bz’성분을 위한 사인과 코사인 신호를 발생한다(그림 3). 센서 내에 집적된 디지털 신호 처리기를 이용하여 각도는 아크 탄젠트 함수 값으로 측정될 수 있다. 출력 전압은 측정된 각도에 직접 비례한다.
3D HAL 원리는 다음과 같은 장점을 제공한다:
● 단일 IC를 사용한 실제의 360도 각 측정
● 전체 온도 범위에 걸쳐서 ±1.5°에 달하는 높은 정확성
● 다중 회전을 위한 확장 옵션
● 월등한 성능
● 자속 유도기로 인해 야기되는 자기장 간섭이 없음
● 전체 자기장 범위에 걸친 탁월한 선형 동작
● 에어갭 변화에 둔감함
센서는 반도체 접합 온도 범위 -40℃에서 170℃에 걸쳐 확실하고 정확하게 동작한다. 이것은 시스템 교정을 보다 쉽게 하거나 또는 교정 자체가 불필요 하다고 볼 수 있다.
(2) 선형 위치 측정
Micronas의 3D HAL 센서를 이용하여 선형 위치를 감지하는 원리는 기존의 홀 소자와 그에 상응하는 수직 홀플레이트의 2차원 자기장 값을 기초로 한다. 만약 동질이 아닌 자기장이 측정된다면 내부의 홀 소자에 의해 발생된 신호의 위상 변이는 더 이상 정확히 90도가 아니다. Micronas의 33포인트 선형화 알고리즘은 이러한 편차를 보상할 수 있고 40mm 길이에 걸쳐 1.5%의 높은 정확성을 수용한다. 사인과 코사인 신호의 변형은 완전한 직선이 아닌 곡선을 발생시킨다. 이러한 비 선형 요소들은 확장된 알고리즘에 의해 제거될 수 있다.
일반적인 홀 센서와 비교해서 새로운 Micronas의 3D HAL 제품군은 다음과 같은 이점을 제공한다.
● 온도 변화와 다른 주변 요소에 대한 낮은 민감성
● 에어갭 변화에 감소된 민감성
● 40% 더 작은 자석이 사용될 수 있음
대표적인 산업용 애플리케이션
3D HAL 센서들로 집적된 센서 모듈은 자동차와 일반산업분야에서 회전식 가변저항기, 선형 분압 센서와 광학인코더와 같이 다양한 용도로 사용될 수 있다.
(1) 비 접촉식 각 변위 센서
3D HAL 센서는 예를 들면 교통, 생산 설비, 공산품, 조이스틱, 페달과 스로틀 밸브, 키 스위치, 레버, 운전대 부품과 기계적 연동과 같은 다양한 일반 산업 응용분야에서 회전식 가변저항기를 대체하는 비 접촉식 각 위치 센서를 설계하는데 적합하다.
- 산업용 조이스틱
조이스틱은 컨베이어 기술과 무선 장비, 상용 및 특수목적 차량 그리고 안전 필수인 사람과 기계간 인터페이스를 위한 산업분야에서 사용된다. 가변저항기 기반 기술과 비교하면 비 접촉식 센서 기술은 조이스틱 응용분야에 막대한 이점을 갖는 3D 홀 센서를 기초로 한다: 시간이 지나면서 마모되는 움직이는 부품도 없고 온도 변화에 둔감하며 스며드는 먼지와 습기에 대하여 더 나은 보호성은 결국 신뢰성과 응용분야의 유용한 서비스 수명을 증대시킨다.
이 새로운 제품군은 역시 자석과 센서 사이의 온도 변화와 에어갭 변화에 둔감하다. 이 제품군은 기계적 편차를 보정하고 응용제품의 전체 비용을 절감키 위해 생산 공정의 마지막 단에서 교정된다.
- 상용 및 특수 목적 자동차에서의 스로틀 밸브 센서
스로틀 밸브 센서는 스로틀 밸브의 위치 또는 각을 감지하고 이 정보를 엔진 제어 유닛에 전송한다 이 정보는 연소 기관을 위한 정확한 공기-연료 비를 계산하기 위해 사용된다. 상용과 중장비 차량에서 HAL 37xy 제품군 센서들은 스로틀 밸브에서 기존에 사용하던 가변저항기를 대체한다. 센서의 보다 긴 동작 수명은 역시 제품의 신뢰성과 정확한 동작으로 인해 배기가스 감소에 보다 효과적이다. 다중 금속 기반의 가변저항기는 일정 시간 후에 저항 값의 변화를 초래하고 이상적인 공기-연료 혼합에서 결국 편차를 발생시키는 마모 현상을 보인다.
(2) 비 접촉식 선형 위치 센서
HAL 37xy 센서 제품군은 광범위한 일반 산업 응용분야에서 선형 가변저항기, 차등 변압기(LVDT) 와 광학 인코더를 만들기 위해 비 접촉식 선형 센서가 구현되도록 허용한다. 이것들은 수력발전용 비례제어밸브와 압축 실린더 위치 센서, OEM별 검사 장비, 유압 시스템의 레벨 측정과 냉난방 장치(HVAC)의 스로틀 밸브 위치 센서들이다.
- 수력발전용 비례제어 밸브에서의 비 접촉식 선형 위치센서
선형 위치 감지 모듈은 차등 변압기(LVDT) 또는 저항기반의 선형 센서를 대체한다. 예를 들어 이 모듈 들은 공작 기계류 또는 자동화 기술에서의 수력 발전 식 비례제어 밸브의 피스톤 위치를 감지하기 위해 사용된다. 측정 결과들은 응답 시간을 짧게 하고 제어 밸브의 이력 현상을 회피하기 위해 지속적으로 제어 피스톤의 위치를 수정하는 내부 폐쇄 회로에서 일반적으로 처리된다.
기존의 LVTD 솔루션과 비교하면 3D HAL 센서의 선형 센서 모듈은 다수의 이점을 제공한다. 이 모듈들은 더작은 구조의 크기에 프로그래밍 옵셋과 민감도를 옵션으로 제공한다. 이 모듈들은 또한 기계적 편차에 의한 에어갭 차이에 둔감하고 온도 보정의 특성을 갖는다. 전체 정확도는 -40℃에서 +150℃ 사이의 온도 범위에 걸쳐 1.5%이고 수압보다 낮다. HAL 37xy 제품군 센서들은 저항 기반의 선형센서와는 달리 마모로 인한 오작동이 발생하지 않는다.
- HVAC 시스템의 밸브 위치 측정을 위한 비 접촉식 선형센서
전력 구동 밸브는 날개의 위치가 제어될 수 있는 특징을 갖는다. 밸브를 통한 공기 흐름은 열림, 반 열림, 닫힘을 통해 조절될 수 있다.
비 접촉식 선형 위치 센서와 가변저항기는 종종 이러한 응용 분야에서 경쟁한다. 가변저항기는 측정 대상과 직접 접촉하므로 측정값의 반복 정밀도가 좋지 못함 등의 다수의 결점이 있고 보다 확연한 자기 이력 특성이 있다. 접촉으로 인한 마모 징후가 나타남으로 인해 출력 신호가 더 악화된다. 특히 영구적인 진동에 노출 된다면 강한 진동과 극단의 온도, 기계적 접촉과 같은 심각한 동작 조건하에서 회로의 파손을 초래할 수도 있다.
선형 위치 감지를 위한 HAL 37xy 센서는 접촉 없이 측정하며 사용이 쉽고 품질 면에서도 강건하며 거친 주위환경에서 신뢰성 있게 동작한다. 비 접촉식 동작은 측정값의 높은 수준의 반복 정밀도와 분해 능력을 허용하고 모터 구동 밸브의 전체 수명에 대한 유지보수와 시스템적용을 위한 비용을 절감케 한다.
요약
이 새로운 3D HAL 기반 센서 제품군인 HAL 37xy는 40mm에 이르는 선형 위치 감지와 360도 범위까지 각도 측정에 사용될 수 있다. 이 센서들은 비 접촉 측정 원리를 이용하여 회전식 가변저항기, 선형 저항 센서와 차등 변압기를 대체한다. 이 센서들의 탁월한 특성들로 인해 주변의 악조건에서도 신뢰성 있고 정밀한 측정을 보장하게 된다.
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