JP2010538257A

JP2010538257A - ３次元傾斜角の演算回路

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Publication number: JP2010538257A
Application number: JP2010522782A
Authority: JP
Inventors: スンシクイ、; ミュンレイ、; チャンハンジェ、; グンファン、; チャンウクチェ、
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: WO2009028778A1; JP5362724B2; US8359758B2; KR20090022152A; KR100907826B1; US20110192040A1

Abstract

本発明は３次元傾斜角の演算回路に関し、基準面に対する測定面の３次元位置によりＸ、Ｙ、Ｚ軸のそれぞれに対応する静電容量を変えるＸ、Ｙ、Ｚ軸の振動センサと、上記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の静電容量に対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値を獲得するＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部と、上記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値から上記基準面に対する上記測定面の傾斜角を演算する傾斜角演算部を含んで構成され、これにより既存の振動センサを利用し非常に容易に検出しようとする装置の傾斜角が演算できるようにする。

Description

本発明は傾斜角の演算回路に関し、特にＭＥＭＳ技術で具現された振動センサを利用し３次元傾斜角を演算できるようにする傾斜角の演算回路に関する。

超小型電子精密機械（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ、以下ＭＥＭＳ）技術とは、半導体チップに内装されているセンサ、バルブ、ギア、反射鏡、駆動機などのような非常に小さい機械装置とコンピュータを組み合わせる技術である。

このようなＭＥＭＳは現在ナビゲーションシステム、飛行機の翼の表面の抵抗変化による空気の流れを感知する飛行機の翼の構造の中に装着されるセンサ、２０ｎｓの速度で別個の経路に光信号を交換できるようにする光学交換装備、センサ駆動型冷暖房システム、大気中の圧力感知を通じて材料の属性を柔軟に変えられるようにするためにビルの土台に内臓されるセンサ等に利用され、最も代表的には、車のエアバック内の振動センサや磁気センサとして主に使用される。

図１はＭＥＭＳを利用した振動センサの一例を図示した図面である。

図１を参照すると、振動センサ１０は振動センサの振動及び位置により自身の位置が変わる運動構造物Ｍ、運動構造物Ｍの両側に位置し運動構造物Ｍとの距離に相応する静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２を獲得する２つの固定電極Ｅｓ１、Ｅｓ２を備える。

よって、外部環境により振動センサ１０の位置が変わると、これにより運動構造物Ｍの位置が変わり、運動構造物Ｍと２つの固定電極Ｅｓ１、Ｅｓ２との距離も変わる。その結果、２つの固定電極Ｅｓ１、Ｅｓ２のそれぞれが獲得する静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２も変わる。

例えば、振動センサ１０が図２の（ａ）のように基準面と平行を保持すると、運動構造物Ｍと２つの固定電極Ｅｓ１、Ｅｓ２との間隔が等しくなり（ｄ１＝ｄ２）、固定電極Ｅｓ１、Ｅｓ２が獲得する静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２が等しくなる。

しかし、振動センサ１０が図２の（ｂ）のように左側にθほど傾くと、運動構造物Ｍも右側に傾き、運動構造物Ｍと第２固定電極Ｅｓ２との間隔ｄ２が運動構造物Ｍと第１固定電極Ｅｓ１との間隔ｄ１より狭くなる。よって、第２固定電極Ｅｓ２が獲得する静電容量Ｃｓ２が第１固定電極Ｅｓ１が獲得する静電容量Ｃｓ１より大きくなる。

また、振動センサ１０が図２の（ｃ）のように右側にθほど傾くと、運動構造物Ｍも左側に傾き、運動構造物Ｍと第１固定電極Ｅｓ１との間隔ｄ１が運動構造物Ｍと第２固定電極Ｅｓ２との間隔ｄ２より狭くなる。よって、第１固定電極Ｅｓ１が獲得する静電容量Ｃｓ１が第２固定電極Ｅｓ２が獲得する静電容量Ｃｓ２より大きくなる。

このように、図１の振動センサ１０は自身の位置により２つの静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２を変えることで、自身の位置を知らせることができるようになる。

韓国公開特許第２００１-００５５１７６号公報

しかし、最近、ＭＥＭＳ技術を必要とする産業分野が多様になるにつれ、ＭＥＭＳ技術を通じて具現されるセンサによりさらに様々な情報の提供を受けることが求められているが、現在は上記の位置情報のように限定された情報しか提供できないという問題がある。

本発明の第１側面によれば、上記のような問題点を解決するための手段として、３次元傾斜角の演算回路は測定面上に位置し、基準面に対する測定面の３次元位置によりＸ、Ｙ、Ｚ軸のそれぞれに対応する静電容量を変えるＸ、Ｙ、Ｚ軸の振動センサと、上記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の静電容量に対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値を獲得するＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部と、上記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値から上記基準面に対する上記測定面の傾斜角を演算する傾斜角演算部を含む。

この際、上記傾斜角演算部は

の数学式により上記測定面の傾斜角を演算し、そのために上記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値のそれぞれを二乗するｘ、ｙ、ｚ値の二乗部と、上記ｘ、ｙ、ｚ値の二乗部の出力値を全て足す二乗値の合算部と、上記二乗値の合算部の出力値をログ関数を利用しログ変換する合算値のログ変換部と、上記ｚ値の二乗部の出力値を上記ログ関数を利用しログ変換するｚ二乗値のログ変換部と、上記ｚ二乗値のログ変換部の出力値から上記二乗値の合算部の出力値を減ずるログ値の減算部と、上記ログ値の減算部の出力値を１／２ほど減幅する減幅部と、上記減幅部の出力値を指数関数を通じて指数変換し上記傾斜角のコサイン値を獲得する指数変換部を含むことができる。

また、上記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部のそれぞれは自身に対応する振動センサにより獲得した静電容量に相応する信号値を有する信号を生成するＲＯＩＣ（ＲｅａｄＯｕｔＩＣ）と、上記ＲＯＩＣにより生成された信号の高周波成分をフィルタリングし位置値を獲得するローパスフィルターを含むことができる。

また、上記３次元傾斜角の演算回路は、上記傾斜角演算部の出力信号を参照し、上記測定面が上記基準面上に位置するよう上記測定面の傾斜角を制御する傾斜角制御部をさらに含むことができる。

このように本発明の３次元傾斜角の演算回路は新たな形態のセンサを作製する必要がなく、既存の振動センサを利用して基準面に対する測定面、即ち、測定しようとする装置の傾斜角を非常に容易に検出することができる。

ＭＥＭＳを利用した振動センサの一例を図示した図面である。振動センサの位置と静電容量との相関関係を説明するための図面である。傾斜角の検出方法を説明するための図面である。本発明の一実施例による傾斜角の演算回路のブロック図を図示した図面である。本発明の一実施例によるＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部のいずれかをより詳細に図示した図面である。本発明の一実施例による傾斜角演算部をより詳細に図示した図面である。本発明の一実施例による傾斜角の検出方法を説明するための動作の流れ図である。本発明の他の実施例による傾斜角の演算回路のブロック図を図示した図面である。

以下、添付の図面を参照し本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できる好ましい実施例を詳細に説明する。但し、本発明の好ましい実施例に対する動作原理を詳細に説明することにおいて公知の機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不必要に不明確にすると判断される場合はその詳細な説明を省略する。

また、図面の全体にわたって類似する機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使用する。

本発明を説明するに先立って、本発明で利用する傾斜角の検出原理を先ず説明する。

図３は本発明の一実施例による３次元傾斜角の検出原理を説明するための図面であり、図３における２１は基準面を、２２は測定しようとする装置の測定面をそれぞれ示す。

図３でのように、測定面２２が基準面２１に対して所定の傾斜角θを有するように３次元的に位置すると、測定面２２の傾斜角θは基準面２１の位置ベクトル

とＺ軸が成す角度と等しくなる。

そうすると、直交座標系の原点（０、０、０）を基準とする位置ベクトル

は数４のように表現され、傾斜角θに対するコサイン値は数６のように表現される。

このとき、ｘは測定面２２のＸ軸方向に対する傾斜成分を、ｙは測定面２２のＹ軸方向に対する傾斜成分を、ｚは測定面２２のＺ軸方向に対する傾斜成分をそれぞれ表し、

は位置ベクトルの単位ベクトルである。

従って、測定面２２のＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値のみを獲得すると、測定面２２のｃｏｓθは容易に演算可能であり、これから傾斜角θを正確に把握することができる。

それで、本発明ではＭＥＭＳ技術を利用して測定面２２の３次元位置値ｘ、ｙ、ｘを獲得した後、図３の傾斜角の検出原理を通じて測定面２２の傾斜角θを獲得する傾斜角の演算回路を提案する。

図４は、本発明の一実施例による３次元傾斜角の演算回路のブロック図を図示した図面である。

図４を参照すると、傾斜角の演算回路はＸ、Ｙ、Ｚ軸の振動センサ１１０〜１３０と、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部２１０〜２３０と、傾斜角演算部３００を備える。

Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の振動センサ１１０〜１３０は測定面２２上に位置し、基準面２１に対する測定面２２のＸ、Ｙ、Ｚ軸の傾斜成分によりＸ、Ｙ、Ｚ軸の静電容量を変える。例えば、Ｘ軸の振動センサ１１０は基準面２１に対する測定面２２の３次元位置に対応するＸ軸の静電容量を発生させる。

Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部２１０〜２３０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の静電容量を感知し、それからＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値を獲得する。この際、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値は電圧、電流、周波数のいずれかで獲得することができ、以下では説明の便宜のために電圧を信号値として選択し説明する。

傾斜角演算部３００は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値を受信し、以下の数７及び数８のような関数演算を行い、傾斜角θのコサイン値ｃｏｓθを獲得する。

この際、ｘはＸ軸の位置値を、ｙはＹ軸の位置値を、ｚはＺ軸の位置値をそれぞれ表す。

図５は本発明の一実施例によるＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部２１０〜２３０の１つをより詳細に図示した図面である。

図５を参照すると、Ｘ軸の位置値獲得部２１０はＲＯＩＣ（ＲｅａｄＯｕｔＩＣ）２１１とＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）２１２で構成される。

ＲＯＩＣ（ＲｅａｄＯｕｔＩＣ）２１１は、ＳＣ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ−Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）増幅器ＳＣＡで具現され、Ｘ軸の振動センサ１１０により獲得した静電容量Ｃｓｘ１、Ｃｓｘ２に相応する電圧値を有する信号を出力する。

この際のＳＣ増幅器ＳＣＡは、Ｘ軸の振動センサ１１０により獲得した２つの静電容量Ｃｓｘ１、Ｃｓｘ２が並列に連結され、ＳＣ増幅器ＳＣＡの出力信号を帰還させるキャパシタンス（Ｃｉｎｔ）とリセットスイッチＳＷが並列に連結される−端と接地に連結される＋端を備える。

ＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）２１２は、ＲＯＩＣ２１１の出力信号内に含まれた高周波成分をフィルタリングし低周波成分のみを出力する。即ち、測定面２２の位置値から振動成分及び雑音成分は取り除き、測定面２２の傾斜成分のみを獲得する。

図６は本発明の一実施例による傾斜角演算部３００をより詳細に図示した図面である。

図６を参照すると、傾斜角演算部３００はｘ、ｙ、ｚ値の二乗部３１１〜３１３、二乗値の合算部３２０、ｚ二乗値のログ変換部３３１、合算値のログ変換部３３２、ログ値の減算部３４０、減幅部３５０及び指数変換部３６０を備える。

ｘ、ｙ、ｚ値の二乗部３１１〜３１３はＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部２１０〜２３０により獲得するＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値ｘ、ｙ、ｚを二乗する。

二乗値の合算部３２０は、ｘ、ｙ、ｚ値の二乗部３１１〜３１３により二乗したＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値ｘ^２，ｙ^２，ｚ^２を受信し合算する。

ｚ二乗値のログ変換部３３１は、ｚ値の二乗部３１１から出力される二乗されたＺ軸の位置値ｚ^２をログ関数を利用しログ変換する。

合算値のログ変換部３３２は、二乗値の合算部３２０から出力される合算値ｘ^２＋ｙ^２＋ｚ^２をログ関数を利用しログ変換する。

ログ値の減算部３４０は、ｚ二乗値のログ変換部３３１の出力値ｌｎｚ^２から合算値のログ変換部３３２の出力値ｌｎ（ｘ^２＋ｙ^２＋ｚ^２）を引く。

減幅部３５０は、ログ値の減算部３４０の出力値ｌｎｚ^２−ｌｎ（ｘ^２＋ｙ^２＋ｚ^２）を１／２に分ける。

指数変換部３６０は、減幅部３５０の出力値１／２｛ｌｎｚ^２−ｌｎ（ｘ^２＋ｙ^２＋ｚ^２）｝を指数関数を通じて指数変換し、上記の数８でのように傾斜角θのコサイン値ｃｏｓθを獲得し出力する。

図７は本発明の一実施例による３次元傾斜角の検出方法を説明するための動作の流れ図である。

先ず、測定面２２の３次元位置が変わる度にＸ、Ｙ、Ｚ軸の振動センサ１１０〜１３０のそれぞれは変わった３次元位置に相応するＸ、Ｙ、Ｚ軸の静電容量を獲得する（Ｓ１）。

次に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部２１０〜２３０はＸ、Ｙ、Ｚ軸の振動センサ１１０〜１３０により獲得したＸ、Ｙ、Ｚ軸の静電容量に相応するＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値を生成し出力する（Ｓ２）。

傾斜角演算部３００は、段階Ｓ２により生成されるＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値を数７により演算した後（Ｓ３）、これを再び数８により指数変換し（Ｓ４）、傾斜角θのコサイン値ｃｏｓθを獲得する（Ｓ５）。

上記では単に測定しようとする装置の傾斜角θを演算する回路及び方法に対してのみ説明したが、必要な場合には以下の図８でのように演算した傾斜角θを利用し別途の制御動作を行うようにすることもできる。

図８は、本発明の他の実施例による３次元傾斜角の演算回路のブロック図を図示した図面である。

図８を参照すると、傾斜角の演算回路はＸ、Ｙ、Ｚ軸の振動センサ１１０〜１３０、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部２１０〜２３０及び傾斜角演算部３００の他に傾斜角制御部４００をさらに備える。

図８において、図４と同様の構成及び動作する構成要素に対しては図３と同じ識別番号を付与し、これに対する詳細な説明は省略する。

傾斜角制御部４００は、傾斜角演算部３００により獲得した傾斜角θのコサイン値ｃｏｓθから傾斜角の演算回路が測定しようとする測定面２２の傾斜角θを演算した後、これらを利用し測定面２２の３次元位置を制御する。

例えば、傾斜角制御部４００は、傾斜角演算部３００により獲得した傾斜角θに応答し測定面２２が常に基準面２１に位置するよう制御することができる。

また、必要な場合は基準面２１の３次元位置値を能動的に可変し、測定面２２の３次元位置も能動的に可変させることができる。

上記の実施例では２つの静電容量Ｃｓｘ１、Ｃｓｘ２を獲得する振動センサを一例に挙げて説明したが、振動センサが１つの静電容量Ｃｓｘ１を獲得する場合にも本発明は同様に適用することができる。

その例として、振動センサの他に基準静電容量をさらに備え、振動センサにより獲得される静電容量Ｃｓｘ１は第１静電容量Ｃ１として採択し基準静電容量は第２静電容量Ｃ２として採択することで、本発明を同様に適用することができる。

以上で説明した本発明は上述の実施例及び添付の図面により限定されるものではなく、本発明の技術的思想から外れない範囲内で様々な置換、変形及び変更できるということは本発明が属する技術分野において通常の知識を有する当業者には明白である。

Claims

基準面に対する測定面の３次元位置によりＸ、Ｙ、Ｚ軸のそれぞれに対応する静電容量を変えるＸ、Ｙ、Ｚ軸の振動センサと、
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の静電容量に対応するＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値を獲得するＸ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部と、
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値から前記基準面に対する前記測定面の傾斜角を演算する傾斜角演算部を含む３次元傾斜角の演算回路。
前記傾斜角演算部は、
下記の数学式により前記測定面の傾斜角を演算することを特徴とする請求項１に記載の３次元傾斜角の演算回路。

前記ｘは前記Ｘ軸の位置値であり、前記ｙは前記Ｙ軸の位置値であり、前記ｚは前記Ｚ軸の位置値である。
前記傾斜角演算部は、
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値のそれぞれを二乗するｘ、ｙ、ｚ値の二乗部と、
前記ｘ、ｙ、ｚ値の二乗部の出力値を全て足す二乗値の合算部と、
前記二乗値の合算部の出力値をログ関数を利用しログ変換する合算値のログ変換部と、
前記ｚ値の二乗部の出力値を前記ログ関数を利用しログ変換するｚ二乗値のログ変換部と、
前記ｚ二乗値のログ変換部の出力値から前記二乗値の合算部の出力値を減ずるログ値の減算部と、
前記ログ値の減算部の出力値を１／２ほど減幅する減幅部と、
前記減幅部の出力値を指数関数を通じて指数変換し前記傾斜角のコサイン値を獲得する指数変換部を含むことを特徴とする請求項２に記載の３次元傾斜角の演算回路。
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置値獲得部のそれぞれは、
自身に対応する振動センサにより獲得した静電容量に相応する信号値を有する信号を生成するＲＯＩＣ（ＲｅａｄＯｕｔＩＣ）と、
前記ＲＯＩＣにより生成された信号の高周波成分をフィルタリングし位置値を獲得するローパスフィルターを含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元傾斜角の演算回路。
前記ＲＯＩＣは、
前記自身に対応する振動センサにより２つの静電容量が並列に連結され、出力信号を帰還させるキャパシタンスとリセットスイッチが並列に連結される−端と接地に連結される＋端を備えるＳＣ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ−Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）増幅器で具現されることを特徴とする請求項４に記載の３次元傾斜角の演算回路。
前記信号値は、
電圧、電流及び周波数のいずれか１つであることを特徴とする請求項４に記載の３次元傾斜角の演算回路。
前記傾斜角演算部の出力信号を参照し、前記測定面が前記基準面上に位置するよう前記測定面の傾斜角を制御する傾斜角制御部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元傾斜角の演算回路。
前記傾斜角制御部は、
前記基準面の３次元位置を設定及び変更することができることを特徴とする請求項７に記載の３次元傾斜角の演算回路。