근접센서(Proximity sensor)의 종류와 응용 기술

개요

스위치의 검출면에 접근하는 물체, 혹은 근방에 존재하는 물체의 유무를 전자계의 힘을
이용하여 기계적 접촉이 없이 검출하는 스위치를 근접 스위치라고 한다.

종류

1.자기형

구조, 동작

자기형근접스위치는 그림 1과 같은 모양의 구조를 하고 Conductor 소자와 Magnet 소자로 분리되고, Conductor 소자의 가운데에는 리드 Switch,Magnet 소자의 가운데에 영구자석이 내장되어 있다.리드스위치는 Glass관의 중간에 2본의 자성합금으로 만들어진 리드가 있고, Glass관은
기밀구조로 되어있다. 외부자계가 존재하고 2본의 리드는 자기를 가져 리드의 선단은 서로 반대의 자극이 되어 서로 흡인한다.이 원리를 이용한 거리의 스위치가 자기형 근접 스위치이다. 이 흡인력은 거리의 2승에 반비례하고 Magnet 소자가 접근하면 리드 스위치의 접점이 ON되고 접점이 OFF가 된다. 이 원리로 검출체의 유무를 무접촉 으로 검출하고,  그것에 의해 부하를 직접 개폐할 능력을 갖고 있다.

리드 스위치

리드스위치는, 1936년 미국 BELL 연구소에서 개발되어 1940년대에 항공기나 병기에,1956년 전화교환기에 사용되어, 리드스위치가 갖는 특성인 응답속도가 빠를고 유리에 봉입되어있기 때문에, 외부환경의 영향을 받기 어렵고, 접촉 신뢰성이 높은 등의 장점이 인식되어, 현재 전자 제어장치, 기계 제어장치등 자동기기의 스위칭 소자로서 수요가 많아지고 있다. 리드스위치는 코일 혹은 마그네트(영구자석)등에 의해 외부자계를 받으면, 리드편의 양단이 자화되고, 이것에 따라 상대하는 접점부에 반자력이 발생 하고,이 자기 흡인력이 리드편의 탄성력에 이기면 접점이 닫힌다. 감동후, 마그네트를 리드스위치에서 멀리하면,리드편이 탄성력이 자기 흡인력보다 상회하기 때문에, 접점이 열린다.(개방)이 감동과 개방 사이에 차가 있다. 이것을 히스테리시스(응차)라고 부른다.

사용상의 주의사항

자성체의 영향

센서와 마그네트에 의해 자기회로를 구성하고 있기 때문에 자기회로를 어지럽히는 자성체  혹은 자계를 발생하는 것을 가까이 두지 말것. 대책으로는, 자성체를 자계외로 이동시킨다. 비자성체의 재질로 변형 시킨다. 자성체의 영향을 포함한 동작거리의 설정을 하는 등이 있다.

Bounce 대책

그림 3의 회로를 삽입하든가, 수은 봉입 센서를 사용한다. 그림3에서 R1과 c는 IC의 정수에  따라 결정되는 값으로 R2는 C에 의한 Impact 전류방지 저항이다.

보호회로

Transistor, IC등 저전류 부하에서는 문제없지만 릴레이, 모터 등의 유도성 부하에는 부하측에 다이오드 혹은 CR을 넣고 컨덴서, 케이블 등의 용량성 부하에는 부하와 센서 사이에 쵸크  혹은 C를 넣고, 램프부하에는, 부하와 센서사이에 저항을 넣으면 각각 효과가 있다.

[2] 자기 포화형(인덕턴스 검출형)

특징

core에 코일을 감으면 Inductandce가 형성되고, 이 Inductance는 Core의 (투자율)가 저하하는 성질이 있다. 여기서 u가 저하하면 Inductance도 저하하기 때문에, 전압E도 이것에 대응하여 저하하게 된다. 이 원리를 이용해 자계의 변화를 잡을 수 있다.

구성

자기포화소자를 사용하는 경우, 여러 종류의 회로기술이 필요하다.그림 7은 검출회로의 기본구성이다. 자기포화 소자를 작동 시키기 위해서는 고주파발진기, 검파회로,  그리고 증폭회로를 필요로 한다.  여기서 고주파 발진기 OSE는 자기포화 소자의 전원으로서 사용되고 검파회로 D는 코일 a-b간에 발생하는 교류전압이 검파장치로서 사용하며   그리고 증폭기 A는 검파출력의 증폭수단으로서 각각 사용된다.

검출회로의 예

자기포화 소자를 이용함에 의해, +_0.1mm 정도의 위치결정 제어가 가능하다. 그ㅓ리고 특수한
것으로는 micro 단위의 위치결정제어도 실현할 수가 있다. 이러한 것들은 검출대상   그밖의 상
황에도 달려있지만, 중요한 것은 회로기술에 의한 점이 크다.  예를 들면 고감도의 Comparator
또는 Linear-izer 회로를 이용하면 그출력 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.

[3] 고주파 발진형 근접 스위치

검출면은 발진회로에 접속되고 Ferrite Core에 감겨져 있는 코일이 배치되어 있다. 그리고 검출
면을 제외한 Ferrite core의 주변을 금속으로 둘러싸 주위 금속의 영향을 받지 않는 구조로 되어
있다.  검출력을 일정 전압치로 검출하여 수위칭 출력으로서 얻어낸 것이 근접스위치이고, 검출
출력을 직접 혹은 Linearizer를 통해 출력한 것이 근접센서이다. 근접스위치에서는 검출해야 할
위치가 1점이기 때문에, 발진회로나 검파회로는 매우 간단하게 된다. 그러나 발진회로는 검출해
야할 위치의 전범위에 걸쳐 예민해야만 하기 때문에 구성은 다소 복잡하게 돈다.

검출코일의 감도, 즉 검출체(금속)의 접근에 의해 변하는 Impedance의 비율은, 일반 금속체,척,
알루미늄, 황동, 스텐네스 등을 검출대상으로 하는 한, 저항분의 폭이 Inductance분 보다 크다.따라서 발진폭변화를 검출하는 것이, 발진주파수 변화를 검출하는 것보다는 유리하다.

이와같은 상황으로부터 발진폭형의 근접스위치가 주류를 이루며 이것으로 대응할 수 없는 곳에
만 다른 방식을 채용하게 된다.

[4] 차동 코일형

기본 구성

기본적으로는 발진회로에 접속된 여자코일과 이것에 대칭적인 배치로 되어있는 차동 코일에
유기된 전압을 중폭회로에서 증폭하도록 되어 있다.
금속을 센서에 근접시켰을 때 급속측에 발생하는 와류에 의하여 자속이 변화하기 때문에 검출
코일의 출력이 변화하는 것을 이용하는 것이다. 여기서는 아크용접용 로보트에 고정되어 있는
자기센서를 예를 들어 설명한다.
센서의 구성은 여자코일 C0와 검출코일 C1,C2로 되어 있다.검출코일 C1,C2를 동일 권선수, 차
동권선으로 하면 워크가 없는 경우는 구조의 대칭성에 의하여 출력이 사라진다. 한편, 워크를 센
서에 접근시킬 경우 와류에 의한 자속의 변화분만큼 거리 1에 비례한 Analog 전압이 발생한다.
자기 센서는 그 구조상 열, 빛, 대상물 표면의 영향을 잘 받지 않고 소형, 경량화가 가능하다.

[5] 정전 용량형

일반적으로 근접 스위치라 부르는 검출스위치(검출센세)는 보통 검출코일로부터 자계를 발생
시켜 검출물체에 와전류를 생성시켜 그 변화를 검출하는 것으로 검출물체는 도체(금속)에 한정
되어있다. 그렇지만 정전용량형 근접스위치(근접센서)의경우는 전계를 발생하는 전계중에 존재
하는 물체내의 전하의 이동, 분리에 따른 정전용량의 변화를 검출하는 것으로 플라스틱, 유리,
도자기, 목재와 같은 절연물(유전체) 그리고 물, 기름, 약물과 같은 액체도 검출이 가능하다.
같은 원리로써 정전용량의 변화를 이용한 검출 스위치로는 정전용양형 레벨 스위치가 있다.
원리

정전용량형 레벨 스위치는 레벨이라는 한정된 복적으로 사용하기 때문에 전계의 발생에 따른
변화를 감지하는 전극이 회로로부터 돌출하여 구성되어 있다.
이에 대해 정전 용량형 근접 스위치는 일반 스위치와 똑같은 원주형 또는 사각의 형태를 이루
고 있으며 전극은 케이스 내부에 함께 내장되어 있다.

검출원리가 같은 이유 때문에 당연히 정전용량형 근접수위치도 레벨검출이 가능하고, 실제의
사용예도 많다. 또한 정전용량형 근접스위치는 범용 목적으로서는 레벨스위치에 비해 일반적
으로 검출감도는 높고, 미소한 정전용량형의 변화도 검출한다.

계속해서 도체유전체를 분리하여 검출하는 점에서는 반사형 광전 스위치와 같지만, 광전스위
치의 검출거리가 수cm부터 수cm로 광범위한 것에 비하여 정전용량형 근접스위치의 경우는
수mm로 부터 겨우 10cm 정도로 소위 근접스위치의 범위에 있다. 광전스위치는 검출물체의
투명도, 색, 표면의 반사 상태 따위로 검출성능은 영향을 받을 수 있지만 정전용량형 근접스위
치의 경우에는 기본적으로 전계의 확산으로 분해능력을 기대할 수 있다.

일반 근접스위치와 같이 검출부는 고주파 발진회로로써 구성되어 있으나, 일반 근접스위치가
발진코일에 흐르는 전류에 의해 생성되는 전류를 이용하는데 대하여 정전용량형 근접스위치
는 전극에 인가되는 전압에 생성되는 전계를 이용하고 있다.

전계는 +전하에 의해 생긴 에네르기의 영역에 있고, 그림 12에 표시한 것은 전극(도체)에서
대지에 대하여 plus전압이 인가되어 전극과 대지간에 전계가 생성되어 있다.   이러한 경우
전극에서 충전된 전하의 양 Q는 V에 비례되고, 비례정수를 C라 한다면 Q=CV식이 성립된다.

정전용량 근접스위치에서는 발진회로의 각 단자를 전극으로 그 전극과 전원 LINE간의 정전
용량이 변화되면 발진상태가 변화하도록 구성되어 있다.전원 LINE과 대지간은 직접 도체에
접속되어 있지 않으면서도 배선에 따른 정전용량 Cs가 전극과 대지간의 정전용량에 비교하
여 크므로 회로전원 LINE은 접지되어 있는 것으로 가정할 수 있다.

발진상태의 변화는 발진 변화에 의해서이고 발진주파수의 변화에 의해서 그 변화를 스위칭
신호로 변화하여 출력으로 되어진다.