KR100777404B1 - 두 개의 가속도 센서를 이용한 각속도 측정방법 및 장치 - Google Patents
두 개의 가속도 센서를 이용한 각속도 측정방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 두 개의 가속도 센서를 이용한 각속도 측정방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 단결정 실리콘 MEMS(Microelectromechanical Systems) 기술로 제작된 2개의 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서를 이용하여 x축 가속도 및 y축 가속도 이외에 z축 각속도를 산출하는 것에 관한 것이다. 본 발명에서는 관성 센싱 장치의 x축 가속도와 y축 가속도를 측정할 뿐만 아니라 z축 각속도 센서를 사용하지 않고 가속도 센서만으로도 관성 센싱 장치의 z축 각속도를 산출할 수 있다. 이는 기존 장치에 비하여 부피가 작고 생산 원가가 낮은 장치를 구성할 수 있는 이점이 있다.
MEMS, 가속도 센서, 각속도 센서
Description
도1은 1축 관성 센서의 모식도,
도2는 2축 관성 센싱 장치의 배치도,
도3은 관성 센싱 장치의 얼라인먼트 오차 발생 개념도
도4는 관성 센싱 장치 신호의 연산 및 오차 보정 블록 다이어그램
본 발명은 두 개의 가속도 센서를 이용한 각속도 측정방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단결정 실리콘 MEMS(Microelectromechanical Systems) 기술로 제작된 2개의 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서를 이용하여 x축 가속도 및 y축 가속도 이외에 z축 각속도를 산출하는 것에 관한 것이다.
MEMS 기술은 박막 증착, 식각 기술, 사진 묘화 기술, 불순물 확산 및 주입 기술 등 반도체 소자 기술을 기반으로 하여 마이크로미터 단위의 정교한 형상을 갖는 소자를 제조하는 것이다.
관성 센서는 MEMS 기술로 제작된 대표적인 센서로서 병진 운동을 측정하는 가속도 센서와 회전 운동을 측정하는 각속도 센서로 구성된다. 관성 센서는 유도/항법, 휴대용 기기, 캠코더, 3차원 입력 장치, 게임 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 적용 분야 및 수요는 폭발적으로 증가할 것으로 예측된다.
SBM(Sacrificial Bulk Micromachining) 기술은 (111) 단결정 실리콘 기판을 이용하여 미세 구조물 형상을 제작하고 염기성 수용액으로 희생층을 식각하여 미세 구조물을 실리콘 기판과 부유시키는 기술이다.
종래에는 1축 가속도 센서 및 1축 각속도 센서를 각각 개별 제작하여 1축 가속도 센서로는 가속도만 측정하고 1축 각속도 센서로는 각속도만을 측정하였다. 한편, 각속도 센서는 가속도 센서에 비하여 생산 비용이 높고, 전력 소모가 많으며, 물리적으로 복잡한 어려움이 있다.
따라서, 다축 관성 센싱 장치에서 x,y,z축 가속도 센서와 x,y,z축 각속도 센서가 각각 내장되어야 하므로, 소형화가 매우 어렵고 장치가 복잡하여지고 생산 원가 또한 높아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서를 이용하여, z축 각속도 센서가 없이도 z축 각속도를 산출할 수 있는 두 개의 가속도 센서를 이용한 각속도 측정방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 레이트 테이블(rate table)과 같은 회전 물체를 구비하는 관성 센싱 장치에 있어서, 회전 물체의 중심으로부터 소정의 거리에 위치하며 x축 가속도 신호를 검출하기 위한 x축 가속도 센서부와, 회전 물체의 중심으로부터 소정의 거리에 위치하고 x축 가속도 센서부와 수직으로 배치되는 y축 가속도 신호를 검출하기 위한 y축 가속도 센서부와, x축 가속도 센서부 및 y축 가속도 센서부에서 검출되는 신호를 이용하여 z축 각속도 신호를 연산하는 z축 각속도 연산부를 구비한다.
또한, 본 발명의 관성 센싱 장치를 구성하는 x축 가속도 센서부 및 y축 가속도 센서부에서 검출되는 신호는 x축 가속도 센서부 및 y축 가속도 센서부를 수직으로 회전 물체에 배치할 때 발생하는 얼라인먼트 오차(θ)를 보상하도록 보정된다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 각속도 측정방법 및 장치에 대해 상세하게 설명하고자 한다.
도1은 1축 관성 센서의 모식도로서, SBM 공정으로 제작된 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서 소자의 모식도이다.
도2는 2축 관성 센싱 장치의 배치도로서, 회전 물체인 레이트 테이블의 회전 중심으로부터 거리 r만큼 떨어진 곳에 도1에 도시된 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서를 수직으로 위치시킨 그림을 보여준다.
도2에 도시된 바와 같이 레이트 테이블의 회전 중심으로부터 거리 r만큼 떨어진 위치에 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서를 수직으로 배치하고 레이트 테이블을 각속도 ω로 회전시키면 원심력에 의하여 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서에서 각각 다음의 수학식 1 및 수학식 2과 같은 신호가 발생되어 검출된다.
여기서, X 는 x축 가속도 센서에서 검출되는 신호, r 은 레이트 테이블의 회전 중심으로부터 x축 가속도 센서 및 y축 가속도 센서가 배치된 위치까지의 거리, ω 는 레이트 테이블의 각속도, i X 는 x축 가속도 센서의 관성모멘트이다.
여기서, Y 는 y축 가속도 센서에서 검출되는 신호, r 은 레이트 테이블의 회전 중심으로부터 x축 가속도 센서 및 y축 가속도 센서가 배치된 위치까지의 거리, 
는 레이트 테이블의 각가속도, i Y 는 y축 가속도 센서의 관성모멘트이다.
다만, 가속도 센서를 배치하는 데에 있어서 얼라인먼트 오차가 발생할 수 있으므로, 이러한 오차를 보상할 수 있도록 하는 보정이 필요하게 된다.
도3은 관성 센싱 장치의 얼라인먼트 오차 발생 개념도로서, 레이트 테이블이 회전 중심으로부터 거리 r만큼 떨어진 위치에 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서 를 수직으로 레이트 테이블을 배치할 때 발생하는 얼라인먼트 오차 θ 를 고려하면 이때 x축 가속도 센서에서 발생된 신호 및 y축 가속도 센서에서 발생된 신호는 각각 다음의 수학식 3 및 수학식 4와 같다.
도4는 전술한 관성 센싱 장치 신호의 연산 및 오차 보정에 관한 블록 다이어그램으로서, 도3에서 나타낸 것과 같이 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서를 수직으로 배치하고 레이트 테이블의 회전 중심에서 r만큼 떨어진 곳에 위치시킬 때 θ만큼 얼라인먼트 오차가 발생하였을 경우 각속도 ω로 회전하는 레이트 테이블에서 발생하는 원심력과 회전력에 의해 발생되는 x축 가속도 센서 신호와 y축 가속도 센서 신호의 출력과 얼라인먼트 오차를 보정하는 과정을 보여주고 있다. 이 과정에서 y축 신호에 다음의 수학식 5를 곱하고 x축 신호에서 빼주면 다음의 수학식 6와 같은 결과가 얻어진다.
위 수학식 6은 원심력에 의한 x축 가속도 센서 신호와 회전력에 의한 y축 가속도 센서 신호의 연산을 통하여 보정된 x축 가속도 센서 신호이다.
결과적으로 각속도 신호 ω는 x축 가속도 신호와 y축 가속도 신호의 차에 루트 스퀘어(root square)를 취하여 다음과 같이 얻어질 수 있다.
본 발명에서는 2개의 가속도 센서를 이용하여 각속도를 측정하는 방법을 적용하여 z축 각속도 센서가 없이 x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서로 z축 각속도를 구현함으로써 기존의 x,y축 가속도 센서와 z축 각속도 센서로 구성된 관성 센싱 장치에 비해 적은 수의 관성 센서로 동일한 기능을 구현할 수 있고 소형화할 수 있으며, 기존 장치에 비하여 부피가 작고 생산 원가가 낮은 장치를 구성할 수 있는 효과가 있다.
Claims (6)
- 회전 물체를 구비하는 관성 센싱 장치에 있어서,상기 회전 물체의 중심으로부터 소정의 거리에 위치하며 x축 가속도 신호를 검출하기 위한 x축 가속도 센서부;상기 회전 물체의 중심으로부터 소정의 거리에 위치하고 상기 x축 가속도 센서부와 수직으로 배치되는 y축 가속도 신호를 검출하기 위한 y축 가속도 센서부; 및상기 x축 가속도 센서부 및 상기 y축 가속도 센서부에서 검출되는 신호를 이용하여 z축 각속도 신호를 연산하는 z축 각속도 연산부를 구비하고,상기 x축 가속도 센서부 및 상기 y축 가속도 센서부에서 검출되는 신호는 상기 x축 가속도 센서부 및 상기 y축 가속도 센서부를 수직으로 상기 회전 물체에 배치할 때 발생하는 얼라인먼트 오차(θ)를 보상하도록 보정되는 것을 특징으로 하는 관성 센싱 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 z축 각속도 연산부는 다음의 수학식을 이용하여 z축 각속도(ω)를 얻는 것을 특징으로 하는 관성 센싱 장치.
- 두 개의 가속도 센서를 이용하여 각속도를 측정하는 방법에 있어서,회전 물체의 중심으로부터 소정의 거리에 위치하는 x축 가속도 센서부에서 발생되는 x축 가속도 신호를 검출하는 단계;레이트 테이블의 중심으로부터 소정의 거리에 위치하며 상기 x축 가속도 센서부와 수직으로 배치되는 y축 가속도 센서부에서 발생되는 y축 가속도 신호를 검출하는 단계; 및상기 검출된 x축 가속도 신호 및 y축 가속도 신호를 이용하여 z축 각속도 연산부에서 z축 각속도 신호를 연산하는 단계를 포함하고,상기 x축 가속도 센서부 및 상기 y축 가속도 센서부에서 검출되는 신호는 상기 x축 가속도 센서부 및 상기 y축 가속도 센서부를 수직으로 상기 회전 물체에 배치할 때 발생하는 얼라인먼트 오차(θ)를 보상하도록 보정되는 것을 특징으로 하는 두 개의 가속도 센서를 이용한 각속도 측정 방법.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서,상기 z축 각속도 연산부는 다음의 수학식을 이용하여 z축 각속도(ω)를 얻는 것을 특징으로 하는 두 개의 가속도 센서를 이용한 각속도 측정 방법.
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