A widely uniform and highly ambient robust DC magnetic field generator for precise motion sensors using inertial measurement units (IMUs) is newly proposed in this paper. Chronic problems such as low uniformity of magnetic field and geomagnetic disturbance of conventional Helmholtz, Merritt, Rubens, Lee-Whiting, and Tetra coils can be significantly mitigated by the proposed uniform DC magnetic field generator (UFG). Different from the previous air coils, the proposed UFG adopts a core-cage so that a strong and uniform DC magnetic field distribution can be generated inside the cage and that the UFG may be quite magnetically robust to ambient changes such as geomagnetic field and ferromagnetic objects. Furthermore, the shape of uniform magnetic field area could be arbitrary, so it can be made of a cylinder or rectangular parallelepiped, which was not possible before. A dedicated power supply was developed for providing not only a DC current to generate the required magnetic field but also an exponentially decaying AC current to demagnetize the residual magnetic field in the core-cage. Design procedures for the UFG are fully established, considering the manufacturing cost, performance, and mechanical robustness for commercialization. Detailed designs of the UFG for magnetic field generation, enhancing uniformity, geomagnetic cancellation, and demagnetizing of the UFG are provided. Experiments for a prototype UFG of 30 cm x 30 cm x 30 cm size showed that the geomagnetic field inside the UFG was significantly attenuated by 21 dB while the DC magnetic field uniformity (< 10°) was achieved over 81 % of the total volume of 27,000 cm3.
본 논문에서는 정밀자세측정에 사용되는 관성센서를 위해 외부환경에 강인한 균일 DC 자기장 발생장치를 새롭게 제안하였다. 기존의 헬름홀츠코일, 메리츠코일, 루벤스코일, 리화이팅코일, 테트라코일들은 지구 자기장으로부터 외란이 발생하고 동시에 코일 내부의 낮은 자기장 균일도를 지니는 문제가 있다. 이전의 공심코일 구조와는 다르게 제안하는 균일 DC 자기장 발생장치 (UFG) 는 내부에 강인하고 균일한 DC 자기장이 생성될 수 있도록 코어 케이지 (Core-cage) 형태를 채택하였으며, 그 결과균일 DC 자기장 발생장치는 지자기 변화나 자성체 존재에 의한 주변환경 변화에 강인한 특성을 나타낸다. 게다가, 이전 방식으로는 균일 자기장 공간을 임의로 제작하기는 불가능 했으나 제안하는 장치를 이용하여 원기둥이나 직육면체형태로 제작할 수 있다. 요구되는 자기장을 생성하기 위한 DC 전류뿐만아니라 코어 케이지 내부의 잔류자기를 탈자하기 위한 AC 전류를 공급할 수 있는 전원부가 개발되었다. 제조단가, 성능, 상용화를 위한 기계적 구조 등이 고려된 균일 DC 자기장 발생장치 설계절차와 자기장 생성, 균일도 향상, 지구 자기장 제거, 균일 DC 자기장 발생장치 탈자를 위한 세부 내용이 기술되었다. 30 cm x 30 cm x 30 cm 크기의 균일 DC 자기장 발생장치 시제품 제작을 통해 균일 DC 자기장 발생장치 내부의 지구 자기장은 21dB 감소하였으며, 전체 부피 27,000 cm3 중 81% 이상의 영역에서 균일함(< 10°)을 달성했다.
