KR100359238B1 - 압전형 진동 센서용 임피던스 변환기의 자동 검사 장치 및방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동측정장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 자동측정장치는, 상기 임피던스 변환기의 출력단의 임피던스를 측정하는 임피던스검사 유닛(10); 상기 임피던스 변환기의 입력단과 출력단의 저항값을 측정하는 절연검사 유닛(20); 상기 임피던스 변환기의 출력단의 전압을 측정하는 전압측정 유닛(30); 및 상기 각 유닛으로부터의 측정 결과에 기초하여 측정되는 임피던스 변환기의 정상여부를 판정하여 상기 각 유닛의 작동을 제어하는 제어부(40)를 구비하고 있어서, 진동센서의 핵심 부품인 임피던스 변환기의 전수검사 과정에서 전문인력 없이 측정이 가능하며, 측정시간 및 측정에 따른 측정결과의 편차를 최소화 할 수 있다. 또한, 각각의 임피던스 변환기의 측정 결과를 상위 컴퓨터로 전송하여 저장시켜 각각의 특성 측정 결과를 관리할 수 있어 제품 경향 분석 등의 과정을 자동화 할 수 있으므로 보다 정확한 센서의 이력관리와 제조과정의 분석 등이 가능하다는 장점이 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 압전형 진동센서에서 임피던스 변환을 목적으로 하는 임피던스 변환기의 제조 공정에서 정상 및 불량을 쉽게 판단하기 위해 전체 시험 항목을 일괄적으로 자동적인 시험과정을 통해 결과를 알려주는 기능을 갖춘 자동검사장치 및 이와 관련된 작동 알고리즘에 관한 것이다.
일반적으로 임피던스 변환기는 진동 센서의 내부에 장착되어 진동에 따라 발생하는 미소한 전하량의 변화를 전기적인 신호로 변환하여 외부로 전송하는 기능을 가지고 있다. 이러한 전하량의 변화를 전기적인 신호로 변환하는 기능은 결과적으로 센서의 출력 특성에 직접적인 영향을 미치게 되므로 각각의 임피던스 변환기의 특성은 중요하게 다루어져야 한다.
현재, 이러한 임피던스 변환기의 제조공정에서는 상기 언급한 기기 특성의 경향관리를 위해 제조되는 전체의 수량을 전수검사를 통해 특성을 확인하고 정상/불량 판정을 하고 있다. 이러한 전수검사 과정은 모두 숙련된 검사원을 통해 이루어지므로 많은 시간 및 인력이 요구되는 불편함이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 임피던스 변환기의 전수과정에서 특별히 숙련된 전문 검사원을 통하지 않고도 측정시간 및 측정결과의 편차를 줄일 수 있고, 그 측정 과정을 자동화 처리하여 컴퓨터에 저장함으로써, 각각의 특성 측정 결과를 통해 보다 정확한 센서의 이력관리와 제조과정 분석이 가능한 압전형 진동센서의 임피던스 변환기의 자동 검사장치 및 검사방법을 제공하는 것이다.
도 1은 진동 센서의 일반적인 내부 구성도;
도 2는 본 발명에 따른 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동 측정 알고리즘; 및
도 3은 본 발명에 따른 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동 검사장치의 구성도이다.
*도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명
1 : 임피던스 변환기 2 : 임피던스 측정 지그
3 : 정전류원 10 : 임피던스 검사 유닛
20 : 절연 검사 유닛 30 : 전압 측정 유닛
40 : 제어부 50 : 아날로그 소프트웨어 IC
60 : A/D 컨버터 70 : LCD 디스플레이
본 발명에 따른 하이브리드 IC의 자동 검사장치는,
상기 임피던스 변환기의 출력단의 임피던스를 측정하는 임피던스검사 유닛(10); 상기 임피던스 변환기의 입력단과 출력단의 저항값을 측정하는 절연검사 유닛(20); 상기 임피던스 변환기의 출력단의 전압을 측정하는 전압측정 유닛(30); 및 상기 각 유닛으로부터의 측정 결과에 기초하여 측정되는 임피던스 변환기의 정상여부를 판정하여 상기 각 유닛의 작동을 제어하는 제어부(40)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동검사방법은, 상기 임피던스 변환기의 출력단을 통해 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 단계: 상기 임피던스 변환기의 입력단 및 출력단을 통해 저항값을 측정하는 절연 측정 단계; 상기 임피던스 변환기의 출력단을 통해 출력전압을 측정하는 출력특성 측정단계; 및 상기 출력특성 측정단계 결과에 기초하여 상기 임피던스 변환기의 정상여부를 판정하는 단계를 구비하고, 상기 각 단계는 소정의 기준값에 따라 순서대로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 양호한 실시예에 대한 설명을 하겠다.
먼저, 도 1a 및 도 1b을 참고하면, 일반적인 압전형 진동센서의 내부 구성도가 도시되어 있다. 도 1a에 도시된 바와 같은 임피던스 변환기는 외부의 진동값에 비례하여 압전 세라믹 소자에서 발생하는 수십 pC 정도의 미세한 전하량의 변화를수십 mV 정도의 전압 신호로 변환시키는 기능을 하는 전하증폭기이다. 이러한 전하증폭기는 압전소자에서 발생한 미세한 전하량을 손실없이 입력신호로 사용하기 위해 높은 입력 임피던스가 가능하도록 일반적으로 MOSFET를 사용하는 회로로 구성된다.
또한, 압전소자에서 발생하는 전하량은 진동에 의한 비례성분이므로 교류 신호의 형태를 지니는데, 이 때의 출력 신호의 AC 응답이 가능하도록 임피던스 변환기가 필요하게 된다. 기존의 임피던스 변환기는 질량에 의한 관성력으로 압전 세라믹 소자에서 발생하는 전하량을 변환 및 증폭하는 변환장치로서, 얻어진 출력에는 전하강도, 진동정도, 증폭기의 이득 등이 포함되는 함수의 형태로 나타나게 된다.
도 1a에 도시된 임피던스 변환기의 동작을 설명하면 다음과 같다.
입력단자에는 도시하지 않은 압전체가 부착되어 진동값에 대해 전하량을 발생시키는 역할을 하며 출력단에는 역시 도시하지 않은 정전류원이 연결되어 임피던스변환기에 동작 전류를 공급한다. 일반적으로 상기 압전체로는 세라믹 소자가 사용된다. 상기 입력단자에 부착된 압전체는 외부에서 인가되는 진동에 비례하는 전하량을 발생하게 되는데, 이 때 발생하는 전하량을 외부로 인출하여 신호로 사용하기에는 매우 작아 거리에 따른 신호의 감쇄 및 인출선의 용량성분 차이 등으로 인해 직접 사용하는 데에는 무리가 있다. 따라서, 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 임피던스 변환기가 사용되며, 임피던스 변환기는 전하량의 값을 전류 변화로 변환시키는 기능을 가지고 있다.
지금부터 이러한 전류 변화과정을 설명하도록 한다.
상기 압전체를 통해 발생한 전하량은 MOSFET의 게이트 단자로 연결되는데, 이 때 발생한 전하량은 게이트에 축적되어 드레인 소스 단자 사이의 채널 형성을 변화시킨다. 즉, MOSFET의 드레인과 소스 사이에 발생한 전기 저항성분을 변화시켜 도 1b에 도시한 등가회로와 같이 1/gm의 저항성분을 변화시키게 된다. 이에 따라, 드레인과 소스 사이를 흐르는 전류의 값, 즉 도 1b 등가회로상의 gmVgs값이 변동된다. 결과적으로, 입력단자에 연결된 압전체에서 발생한 전하량의 변화가 MOSFET를 흐르는 전류량의 변화로 나타나게 된다.
도 1a에 도시되어 있는 입력단자에 병렬로 연결된 저항(RG)은 입력 임피던스를 유지하기 위해 사용되는 것이고, 두 개의 JFET로 구성된 블로킹 다이오드는 전체 하이브리드 IC 보호용으로 사용되는 것이다.
상기 저항(RG) 및 블로킹 다이오드의 역할에 대해 좀 더 자세히 살펴보면, 상기 저항(RG)은 임피던스 변환기의 입력 임피던스를 높게 유지하기 위해 사용되는데, 만일, 상기 저항(RG)이 없으면 압전체의 임피던스 보다 변환기 회로의 임피던스가 낮아지기 때문에 올바른 신호 전송이 될 수 없다. 또한, 두 개의 JFET로 구성된 블로킹 다이오드는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 서로 대칭으로 배치되어 있고 압전체의 취부시에 사용되는 납땜 등에 의해 발생하는 초전현상 또는 외부정전기 등의 순간 고압에 대해 회로부의 MOSFET 게이트 부분의 파손을 막아주는 기능을 한다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 압전형 진동센서용 임피던스 변환기(이하 '변환기'라 함)의 자동 검사 방법이 수행되는 흐름도가 도시되어 있는데, 본 발명에 따른 검사는 먼저 제1 임피던스 측정단계와 제2 임피던스 측정단계를 통해 임피던스를 측정하는 임피던스 측정단계를 수행하고, 상기 임피던스 측정결과 소정 기준에 따라 정상이라고 판정되는 경우, 다시 제1 절연측정단계 및 제2 절연측정단계로 저항값을 측정하는 절연측정단계를 수행하여, 그 결과 저항값이 무한대가 출력되어 정상이라고 판정되는 경우에, 출력 전압을 측정하는 출력특성단계를 수행하여 그 출력 전압값이 소정의 기준값에 해당하는 경우 최종적인 정상/불량 판정을 하게 된다.
이하 상기 검사 수행 과정을 도 2 및 도 3을 참고하여 보다 구체적으로 설명하도록 하겠다. 본 실시예에서는 상기 임피던스측정, 절연측정 및 출력특성을 DMM(Digital Multi-Meter)를 사용하여 측정하였다.
1. 임피던스 측정
임피던스 측정은 DMM을 변환기 출력의 (+)단과 출력의 그라운드(GND)단 사이에서 연결하여 수행한다.
1-1. 제1 임피던스 측정
DMM의 (+)프로브(probe)를 변환기 출력단의 (+)단에, DMM의 (-)프로브를 변환기 출력단의 GND단에 연결하여 제1 임피던스 측정단계를 수행한다. 이 경우, 측정치 임피던스가 무한대이면 정상으로 판정하고 아래 제1 절연 측정단계로 이동하고, 그렇지 않으면 불량으로 판정한다.
1-2. 제2 임피던스 측정
DMM의 (-)프로브를 변환기 출력단의 (+)단에, DMM의 (+)프로브를 변환기 출력단의 GND단에 연결하여 제2 임피던스 측정단계를 수행한다. 이 경우, 측정치 임피던스가 600-700을 표시하면 정상으로 판정하고 아래 제2 절연측정단계로 이동하고, 그렇지 않으면 불량으로 판정한다.
임피던스 값이 600-700 이 되도록 DMM를 연결한 경우 MOSFET의 다이오드 성분이 나타나기 때문에 약 600-700 정도의 임피던스 값을 기준으로 정상과 불량을 판정하게 되는 것이고, 이 측정값 이외의 값은 모두 불량으로 처리한다.
2. 절연 측정
절연측정단계는 변환기 출력단의 (+)단 및 입력단의 (+)단 사이를 DMM으로 측정하여 수행한다.
2-1. 제1 절연 측정
제1 절연 측정은 상기 제1 임피던스 측정에서 정상으로 판정된 변환기에 대한 측정으로서, DMM의 (+)프로브를 변환기 출력단의 (+)단에, DMM의 (-)프로브를변환기 입력단의 (+)단에 연결하여, 측정치 임피던스가 무한대가 출력되면 정상으로 판정하고 아래 출력특성 측정단계로 이동하고, 그렇지 않으면 불량으로 판정한다.
2-2. 제2 절연 측정
제2 절연측정단계는 상기 제2 임피던스 측정에서 정상으로 판정된 변환기에 대한 측정으로서, DMM의 (-)프로브를 변환기 출력단의 (+)단에, DMM의 (+)프로브를 변환기 입력단의 (+)단에 연결하여, 상기 제1 절연 측정단계에서와 마찬가지로, 측정치 임피던스는 무한대가 출력되면 정상으로 판정하고 아래 출력특성 측정단계로 이동하고, 그렇지 않으면 불량으로 판정한다.
3. 출력특성 측정
출력특성 측정은 상기 제1 및 제2 절연 측정단계를 통해 정상으로 판정된 변환기에 대해, 변환기 출력단의 (+)단 및 GND단에 4mA 정전류원을 연결하여 수행되는데, DMM의 (+)프로브를 변환기 출력단의 (+)단에, DMM의 (-)프로브를 변환기 출력단의 GND단에 연결하여 측정한 경우, 5V 출력이 측정되면(변동치 1% 미만) 정상으로 판정하고, 그렇지 않으면 불량으로 판정한다.
진동센서의 압전체를 임피던스 변환기의 입력단에 연결하게 되면, 드레인과 소스사이의 저항 성분만큼 전압이 발생하게 되는데, 압전체와 FET를 연결한 후 저항성분이 약 1.2 ㏀ 정도가 되기 때문에, 정전류로 4mA 를 인가하는 경우 약 5V 의 전압이 나타나야 기기가 정상인 것으로 판정되는 것이다. 그리고, 이 값은 압전체에 진동이 가해지지 않은 경우이고, 압전체에 진동이 가해지는 경우에는 출력 전압이 5V 에서 다소 변화하기 때문에 약 1%의 변동치를 감안하여 정상/불량을 판정하게 된다.
도 2의 알고리즘은 앞서 언급한 변환기의 특성 시험 결과를 순차적으로 시험해가는 과정을 설명하고 있다. 이러한 일고리즘의 경우 반드시 도시된 시험 순서에 따라 진행해야 하는데, 이는 절연특성이 불량한 경우에도 계측기의 측정단 임피던스가 거의 무한대이므로 4mA 의 정전류원 인가시에 5V 출력이 나타날 수 있고, 이러한 경우 정상상태로 오인될 수 있기 때문이다. 즉, 변환기의 출력단의 (+) 및 출력단의 GND간의 임피던스 측정에서 원하는 특성이 얻어지지 않거나 출력단 및 입력단의 (+) 단간의 절연시험이 불량한 경우에는 소자의 동작여부와 관계없이 진동 센서의 적용이 불가능한 경우이므로 불량 판정을 내려야 한다.
이와같은 시험방법을 자동화 하기 위해 원-칩(one-chip) PLC(Programmable Logic Controller)를 이용하여 도 2와 같은 측정 알고리즘을 만족하는 동작 프로그램을 입력하고, 이 때 나타나는 특성을 검출하여 자동화된 출력 특성시험이 가능하도록 할 수 있다. 이러한 임피던스 변환기 자동검사장치의 구성도가 도 3에 도시되어 있다.
도 3을 참고하여 앞서 설명한 본 발명에 따른 도 2의 변환기 측정방법을 살펴보면, 임피던스 검사 유닛(10), 절연검사 유닛(20) 및 전압측정 유닛(30)은 각각앞서 설명한 임피던스측정, 저항측정 및 출력전압측정을 수행하는 유닛이며, 이들 각각의 유닛은 제어부(40)에 사전에 입력된 측정 알고리즘에 의해 동작되도록 한다. 본 발명에 따른 측정장치에서, 상기 제어부는 PLC 를 사용한다. 그리고, 상기 각 유닛에서 출력되는 값들 중 필요한 데이터는 아날로그 소프트웨어 IC(50)를 통해 선택한 후 A/D 변환기(60)를 거쳐 디지털값으로 변화되고 상기 PLC(40)로 입력되어 PLC에서 정상/불량을 판정을 한다. 이 때 나타나는 측정값 및 정상/불량 판정값은 PLC와 연결된 외부 디스플레이(70)를 통해 출력되며, 동일한 값이 직렬통신 방식으로 상위 컴퓨터(도시하지 않음)로 전송시킨다.
지금까지 본 발명을 양호한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이것으로 제한되는 것은 아니며 첨부한 특허청구범위로 제한되는 것이다. 따라서, 당업자는 첨부한 특허청구범위의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변형을 할 수 있음은 명백한 것이다.
예를들어, 상기 본 발명에 따른 자동검사 방법에서, 측정기로서 DMM을 사용하였으나, 측정기는 이것으로 한정되는 것은 아니며 저항과 전압을 측정할 수 있다면 어떠한 계측기를 사용하여도 좋다.
이상과 같이 본 발명에 따른 자동화된 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동 검사 알고리즘 및 장치를 사용하면, 진동센서의 핵심 부품인 임피던스 변환기의 전수검사 과정에서 전문인력 없이 측정이 가능하며, 측정시간 및 측정에 따른 측정결과의 편차를 최소화 할 수 있다. 또한, 각각의 임피던스 변환기의 측정 결과를 상위 컴퓨터로 전송하여 저장시켜 각각의 특성 측정 결과를 관리할 수 있어 제품 경향 분석 등의 과정을 자동화 할 수 있으므로 보다 정확한 센서의 이력관리와 제조과정의 분석 등이 가능하다는 장점이 있다.
Claims (6)
- 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동측정장치에 있어서,상기 임피던스 변환기의 출력단의 임피던스를 측정하는 임피던스검사 유닛(10);상기 임피던스 변환기의 입력단과 출력단의 저항값을 측정하는 절연검사 유닛(20);상기 임피던스 변환기의 출력단의 전압을 측정하는 전압측정 유닛(30); 및상기 각 유닛으로부터의 측정 결과에 기초하여 측정되는 임피던스 변환기의 정상여부를 판정하여 상기 각 유닛의 작동을 제어하는 제어부(40)를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동검사장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 각 유닛의 측정 결과 중 필요한 데이터를 선택적으로 수용하는 아날로그 소프트웨어 IC(50); 및상기 아날로그 소프트웨어 IC(50)로부터의 데이터를 디지털화하여 상기 제어부(40)로 공급하는 A/D 변환기(60)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동검사장치.
- 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동검사방법에 있어서,상기 임피던스 변환기의 출력단을 통해 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 단계:상기 임피던스 변환기의 입력단 및 출력단을 통해 저항값을 측정하는 절연 측정 단계;상기 임피던스 변환기의 출력단을 통해 출력전압을 측정하는 출력특성 측정단계; 및상기 출력특성 측정단계 결과에 기초하여 상기 임피던스 변환기의 정상여부를 판정하는 단계를 구비하고,상기 각 단계는 소정의 기준값에 따라 순서대로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동검사방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 임피던스 측정 단계는:측정기의 (+)단 및 (-)단을 각각 상기 임피던스 변환기의 출력 (+)단 및 출력 GND단과 연결하여 출력 임피던스를 측정하는 제1 임피던스 측정단계; 및측정기의 (+)단 및 (-)단을 각각 상기 임피던스 변환기의 출력 GND단 및 출력 (+)단에 연결하여 출력 임피던스를 측정하는 제2 임피던스 측정단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동검사방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 절연측정 단계는:상기 제1 임피던스 측정결과 임피던스가 무한대로 측정된 경우, 상기 측정기의 (+)단 및 (-)단을 각각 임피던스 변환기의 출력 (+)단 및 입력 (+)단과 연결하여 저항값을 측정하는 제1 절연 측정단계; 및상기 제2 임피던스 측정 단계 결과 임피던스 값이 600-700으로 측정된 경우, 상기 측정기의 (+)단 및 (-)단을 각각 임피던스 변환기의 입력 (+)단 및 출력 (+)단과 연결하여 저항값을 측정하는 제2 절연 측정단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동검사방법.
- 제 4 항 또는 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,상기 출력특성 측정단계는:상기 제1 및 제2 절연측정단계 결과 저항값이 무한대인 경우, 상기 임피던스 변환기 출력단의 (+)단 및 GND단에 4mA 정전류원을 연결하고, 측정기의 (+)단 및 (-)단을 각각 임피던스 변환기의 출력 (+)단 및 출력 GND단에 연결하여, 출력 전압이 5V(±1%)인지를 측정하는 것으로 수행되는 것을 특징으로 하는 압전형 진동센서용 임피던스 변환기의 자동검사방법.
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