KR100907826B1

KR100907826B1 - 3차원 경사각 연산 회로

Info

Publication number: KR100907826B1
Application number: KR1020070087256A
Authority: KR
Inventors: 이성식; 이명래; 제창한; 황건; 최창억
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-07-14
Also published as: JP2010538257A; KR20090022152A; US8359758B2; WO2009028778A1; JP5362724B2; US20110192040A1

Abstract

본 발명은 3차원 경사각 연산 회로에 관한 것으로, 기준면에 대한 측정면의 3차원 위치에 따라 X,Y,Z축 각각에 대응되는 정전용량을 변화시키는 X,Y,Z축 진동 센서; 상기 X,Y,Z축 정전용량에 대응되는 X,Y,Z축 위치값을 획득하는 X,Y,Z축 위치값 획득부; 및 상기 X,Y,Z축 위치값으로부터 상기 기준면에 대한 상기 측정면의 경사각을 연산하는 경사각 연산부를 포함하여 구성되며, 이에 의하여 기존의 진동 센서를 이용하여 매우 용이하게 검출하고자 하는 장치의 3차원 위치에 따른 경사각을 연산할 수 있도록 한다.

MEMS, 진동센서, 경사각, 3차원 위치

Description

3차원 경사각 연산 회로{circuit for calculating an three-dimensional angle of inclination}

본 발명은 경사각 연산 회로에 관한 것으로, 특히 MEMS 기술로 구현된 진동 센서를 이용하여 3차원 경사각을 연산할 수 있도록 하는 경사각 연산 회로에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-054-02, 과제명: 유비쿼터스용 CMOS 기반 MEMS 복합 센터 기술 개발].

초소형전자정밀기계(Micro Electro Mechanical System, 이하 MEMS) 기술이란 반도체 칩에 내장된 센서, 밸브, 기어, 반사경, 그리고 구동기 등과 같은 아주 작은 기계장치와 컴퓨터를 결합하는 기술이다.

이러한 MEMS는 현재, 네비게이션 시스템, 비행기 날개 표면의 저항 변화에 따른 공기 흐름을 감지하는 비행기 날개 구조속에 장착되는 센서, 20ns의 속도로 별개의 경로에 광 신호를 교환할 수 있게 하는 광학 교환 장비, 센서구동형 냉난방 시스템, 대기 중의 압력 감지를 통해 재료 속성을 유연하게 바꿀 수 있도록 하기 위해 빌딩 토대에 내장되는 센서등에 이용되며, 가장 대표적인 것으로, 자동차 에어백 내의 진동 센서나 자기센서로 주로 사용된다.

도1은 MEMS을 이용한 진동 센서의 일예를 도시한 도면이다.

도1을 참조하면, 진동 센서(10)는 진동 센서의 진동 및 위치에 따라 자신의 위치가 변경되는 운동 구조물(M), 운동 구조물(M)의 양측에 위치하여 운동 구조물(M)과의 거리에 상응하는 정전 용량(Cs1,Cs2)을 획득하는 두 개의 고정 전극(Es1,Es2)을 구비한다.

이에 외부 환경에 의해 진동 센서(10)의 위치가 변경되면, 이에 따라 운동 구조물(M)의 위치가 변경되어 운동 구조물(M)과 두 개의 고정 전극(Es1,Es2)간의 거리 또한 변경된다. 그 결과 두 개의 고정 전극(Es1,Es2) 각각이 획득하는 정전용량(Cs1,Cs2) 또한 변경된다.

예를 들어, 진동 센서(10)가 도2의 (a)와 같이 기준면과 평행을 유지하면, 운동 구조물(M)과 두 개의 고정 전극(Es1,Es2)간의 간격이 동일해져(d1=d2), 고정 전극(Es1,Es2)이 획득하는 정전용량(Cs1,Cs2)가 동일해진다.

그러나 진동 센서(10)가 도2의 (b)와 같이 좌측으로 θ 만큼 기울여지면 운동 구조물(M)도 우측으로 기울여져, 운동 구조물(M)과 제2 고정 전극(Es2)의 간격(d2)이 운동 구조물(M)과 제1 고정 전극(Es1)의 간격(d1)보다 좁아진다. 이에 제2 고정 전극(Es2)이 획득하는 정전용량(Cs2)이 제1 고정 전극(Es1)이 획득하는 정전용량(Cs1) 보다 커지게 된다.

그리고 진동 센서(10)가 도2의 (c)와 같이 우측으로 θ 만큼 기울여지면 운 동 구조물(M)도 좌측으로 기울여져, 운동 구조물(M)과 제1 고정 전극(Es1)의 간격(d1)이 운동 구조물(M)과 제2 고정 전극(Es2)의 간격(d2) 보다 좁아진다. 이에 제1 고정 전극(Es1)이 획득하는 정전용량(Cs1)이 제2 고정 전극(Es2)이 획득하는 정전용량(Cs2) 보다 커지게 된다.

이와 같이 도1의 진동 센서(10)는 자신의 위치에 따라 두 개의 정전용량(Cs1,Cs2)을 변경함으로써, 자신의 위치를 통보할 수 있게 된다.

그러나 최근에 들어 MEMS 기술을 필요로 하는 산업 분야가 다양해짐에 따라, MEMS 기술을 통해 구현된 센서를 통해 보다 다양한 정보를 제공받기를 요구하고 있으나, 현재에는 상기의 위치 정보와 같이 한정된 정보만을 제공할 수 있는 문제가 있었다.

본 발명의 제1 측면에 따르면 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로써, 3차원 경사각 연산 회로는 측정면상에 위치되어, 기준면에 대한 측정면의 3차원 위치에 따라 X,Y,Z축 각각에 대응되는 정전용량을 변화시키는 X,Y,Z축 진동 센서; 상기 X,Y,Z축 정전용량에 대응되는 X,Y,Z축 위치값을 획득하는 X,Y,Z축 위치값 획득부; 및 상기 X,Y,Z축 위치값으로부터 상기 기준면에 대한 상기 측정면의 경사각을 연산하는 경사각 연산부를 포함한다.

이때, 상기 경사각 연산부는

=

= cosθ의 수학식에 따라 상기 측정면의 경사각을 연산하며, 이를 위해 상기 X,Y,Z축 위치값 각각을 제곱하는 x,y,z값 제곱부; 상기 x,y,z 값 제곱부의 출력값을 모두 합하는 제곱값 합산부; 상기 제곱값 합산부의 출력값을 로그 함수를 이용하여 로그 변환하는 합산값 로그 변환부; 상기 X축 위치값 제곱부의 출력값을 상기 로그 함수를 이용하여 로그 변환하는 x 제곱값 로그 변환부; 상기 x 제곱값 로그 변환부의 출력값에서 상기 제곱값 합산부의 출력값을 감하는 로그값 감산부; 상기 로그값 감산부의 출력값을 1/2 만큼 감폭하는 감폭부; 및 상기 감폭부의 출력값을 지수 함수를 통해 지수 변환하여 상기 경사각의 코싸인 값을 획득하는 지수 변환부를 포함할 수 있다.

그리고 상기 X,Y,Z축 위치값 획득부 각각은 자신에 대응되는 진동 센서를 통해 획득된 정전용량에 상응하는 신호값을 가지는 신호를 생성하는 ROIC(Read Out IC); 및 상기 ROIC를 통해 생성된 신호의 고주파 성분을 필터링하여 위치값을 획득하는 로우 패스 필터를 포함할 수 있다.

그리고 상기 3차원 경사각 연산 회로는 상기 경사각 연산부의 출력 신호를 참조하여, 상기 측정면이 상기 기준면상에 위치하도록 상기 측정면의 경사각을 제어하는 경사각 제어부를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 3차원 경사각 연산 회로는 새로운 형태의 센서를 제작할 필요없이 기존의 진동 센서를 이용하여 기준면에 대한 측정면, 즉 측정하고자 하는 장치의 경사각을 매우 용이하게 검출할 수 있도록 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있 어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명에서 이용할 경사각 검출 원리를 먼저 설명하기로 한다.

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 경사각의 검출 원리를 설명하기 위한 도면으로, 도3에서 21은 기준면을, 22는 측정하고자 하는 장치의 측정면을 각각 나타낸다.

도3에서와 같이, 측정면(22)이 기준면(21)에 대해 소정의 경사각(θ)을 가지도록 3차원적으로 위치되면, 측정면(22)의 경사각(θ)은 기준면(21)의 위치 벡터(

)과 Z축이 이루는 각도와 동일해진다.

그러면 직교좌표계의 원점(0,0,0)을 기준으로 하는 위치 벡터(

)는 수학식1과 같이 표현되고, 경사각(θ)에 대한 코사인값은 수학식2에서와 같이 표현된다.

이때, x는 측정면(22)의 X 축 방향에 대한 경사 성분을, y는 측정면(22)의 Y 축 방향에 대한 경사 성분을, z는 측정면(22)의 Z 축 방향에 대한 경사 성분을 각각 나타내고,

은 위치 벡터의 단위 벡터이다.

따라서 측정면(22)의 X,Y,Z축 위치값만을 획득하게 되면, 측정면(22)의 cosθ은 용이하게 연산 가능하므로, 이로부터 경사각(θ)을 정확하게 파악할 수 있게 된다.

이에 본 발명에서는 MEMS 기술을 이용하여 측정면(22)의 3차원 위치값(x,y,x)을 획득한 후, 도3의 경사각 검출 원리를 통해 측정면(22)의 경사각(θ)을 획득하는 경사각 연산 회로를 제안하고자 한다.

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 경사각 연산 회로의 블록도를 도시한 도면이다.

도4를 참조하면, 경사각 연산 회로는 X,Y,Z축 진동 센서(110~130), X,Y,Z축 위치값 획득부(210~230), 및 경사각 연산부(300)를 구비한다.

X,Y,Z축 진동 센서(110~130)는 측정면(22)상에 위치되어, 기준면(21)에 대한 측정면(22)의 X,Y,Z축 경사 성분에 따라 X,Y,Z축 정전용량을 변화시킨다. 즉, X축 진동 센서(110)는 기준면(21)에 대한 측정면(22)의 3차원 위치에 대응되는 X축 정전용량을 발생한다.

X,Y,Z축 위치값 획득부(210~230)는 X,Y,Z축 정전용량을 감지하고, 이로부터 X,Y,Z축 위치값을 획득한다. 이때, X,Y,Z축 위치값은 전압, 전류, 주파수 중 하나로 획득될 수 있으며, 이하에서는 설명의 편이를 위해 전압을 신호값을 선택하여 설명하기로 한다.

경사각 연산부(300)는 X,Y,Z축 위치값을 수신하고 이하 수학식3 및 수학식4와 같은 함수 연산을 수행하여 경사각(θ)의 코싸인 값(cosθ)을 획득한다.

이때, x는 X축 위치값을, y는 Y축 위치값을, z는 Z축 위치값을 각각 나타낸다.

도5는 본 발명의 일실시예에 따른 X,Y,Z축 위치값 획득부(210~230) 중 하나를 보다 상세히 도시한 도면이다.

도5를 참조하면, X축 위치값 획득부(210)는 ROIC(Read Out IC)(211)와 LPF(Low Pass Filter)(212)로 구성된다.

ROIC(Read Out IC)(211)는 SC(Switched-Capacitor) 증폭기(SCA)로 구현되어, X축 진동 센서(110)를 통해 획득된 정전 용량(Csx1,Csx2)에 상응하는 전압값을 가지는 신호를 출력한다.

이때의 SC 증폭기(SCA)는, X축 진동 센서(110)를 통해 획득된 두 개의 정전 용량(Csx1,Csx2)이 병렬 연결되며 SC 증폭기(SCA)의 출력신호를 궤환시키는 캐패시턴스(Cint)와 리셋 스위치(SW)가 병렬 연결되는 (-)단과 접지에 연결되는 (+)단을 구비한다.

LPF(Low Pass Filter)(212)는 ROIC(211)의 출력 신호내에 포함된 고주파 성분을 필터링하여 저주파 성분만을 출력한다. 즉, 측정면(22)의 위치값 중 진동 성분 및 잡음 성분은 걸러내고 측정면(22)의 경사 성분만을 획득하도록 한다.

도6은 본 발명의 일실시예에 따른 경사각 연산부(300)를 보다 상세히 도시한 도면이다.

도6을 참조하면, 경사각 연산부(300)는 x,y,z 값 제곱부(311~313), 제곱값 합산부(320), x축 제곱값 로그 변환부(331), 합산값 로그 변환부(332), 로그값 감산부(340), 감폭부(350), 및 지수 변환부(360)를 구비한다.

x,y,z 값 제곱부(311~313)는 X,Y,Z축 위치값 획득부(210~230)를 통해 획득되는 X,Y,Z축 위치값(x,y,z)을 제곱한다.

제곱값 합산부(320)는 x,y,z 값 제곱부(311~313)를 통해 제곱된 X,Y,Z축 위치값(x²,y²,z²)을 수신하여 합산한다.

z제곱값 로그 변환부(331)는 z값 제곱부(311)로부터 출력되는 제곱된 Z축 위치값(z²)을 로그 함수를 이용하여 로그 변환한다.

합산값 로그 변환부(332)는 제곱값 합산부(320)로부터 출력되는 합산 값(x²+y²+z²)을 로그 함수를 이용하여 로그 변환한다.

로그값 감산부(340)는 z제곱값 로그 변환부(331)의 출력값(lnz²)에서 합산값 로그 변환부(332)의 출력값(ln(x²+y²+z²))을 뺀다.

감폭부(350)는 로그값 감산부(340)의 출력값(

을 1/2로 나눈다.

지수 변환부(360)은 감폭부(350)의 출력값(

)을 지수 함수를 통해 지수 변환하여, 상기의 수학식4에서와 같이 경사각(θ)의 코싸인 값(cosθ)을 획득하여 출력한다.

도7은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 경사각 검출 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.

먼저, 측정면(22)의 3차원 위치가 변경될 때 마다, X,Y,Z축 진동 센서(110~130) 각각은 변경된 3차원 위치에 상응하는 X,Y,Z축 정전용량을 획득한다(S1).

그러면 X,Y,Z축 위치값 획득부(210~230)는 X,Y,Z축 진동 센서(110~130)를 통해 획득된 X,Y,Z축 정전용량에 상응하는 X,Y,Z축 위치값을 생성하여 출력한다(S2).

경사각 연산부(300)는 단계S2를 통해 생성되는 X,Y,Z축 위치값을 수학식 3에 따라 연산한 후(S3), 이를 다시 수학식4에 따라 지수 변환하여(S4), 경사각(θ)의 코싸인값(cosθ)을 획득한다(S5).

상기에서는 단순히 측정하고자 하는 장치의 경사각(θ)을 연산하는 회로 및 방법에 대해서만 설명하였으나, 필요한 경우에는 이하 도8에서와 같이 연산된 경사각(θ)을 이용하여 별도의 제어 동작을 수행하도록 할 수 도 있다.

도8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 경사각 연산 회로의 블록도를 도시한 도면이다.

도8을 참조하면, 경사각 연산 회로는 X,Y,Z축 진동 센서(110~130), X,Y,Z축 위치값 획득부(210~230), 및 경사각 연산부(300) 이외에 경사각 제어부(400)를 더 구비한다.

도8에서, 도4에서와 동일하게 구성 및 동작하는 구성요소에 대해서는 도3에서와 동일한 식별 번호를 부여하고, 이에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.

경사각 제어부(400)는 경사각 연산부(300)를 통해 획득된 경사각(θ)의 코싸인값(cosθ)으로부터 경사각 연산 회로가 측정하고자 하는 측정면(22)의 경사각(θ)을 연산한 후, 이를 이용하여 측정면(22)의 3차원 위치를 제어한다.

예를 들어, 경사각 제어부(400)는 경사각 연산부(300)를 통해 획득된 경사각(θ)에 응답하여 측정면(22)이 항상 기준면(21)에 위치되도록 제어할 수 있다.

또한, 필요한 경우에는 기준면(21)의 3차원 위치값을 능동적으로 가변하여, 측정면(22)이 3차원 위치 또한 능동적으로 가변시켜 줄 수 있다.

상기의 실시예에서는 두 개의 정전용량(Csx1,Csx2)을 획득하는 진동 센서를 일예로 들어 설명하였지만, 진동 센서가 하나의 정전용량(Csx1)을 획득하는 경우에도 본 발명은 동일하게 적용될 수 있음은 물론 당연하다.

그 예로, 진동 센서 이외에 기준 정전 용량을 더 구비하고, 진동 센서를 통해 획득되는 정전용량(Csx1)은 제1 정전용량(C1)로 채택하고 기준 정전 용량은 제2 정전용량(C2)로 채택함으로써, 본 발명을 동일하게 적용시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.

도1은 MEMS을 이용한 진동 센서의 일예를 도시한 도면,

도2는 진동 센서의 위치와 정전용량간의 상관관계를 설명하기 위한 도면,

도3은 경사각의 검출 방법을 설명하기 위한 도면,

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 경사각 연산 회로의 블록도를 도시한 도면,

도5는 본 발명의 일실시예에 따른 X,Y,Z축 위치값 획득부 중 하나를 보다 상세히 도시한 도면,

도6은 본 발명의 일실시예에 따른 경사각 연산부를 보다 상세히 도시한 도면,

도7은 본 발명의 일실시예에 따른 경사각 검출 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도, 그리고

도8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 경사각 연산 회로의 블록도를 도시한 도면이다.

Claims

기준면에 대한 측정면의 3차원 위치에 따라 X,Y,Z축 각각에 대응되는 정전용량을 변화시키는 X,Y,Z축 진동 센서;

상기 X,Y,Z축 정전용량에 대응되는 X,Y,Z축 위치값을 획득하는 X,Y,Z축 위치값 획득부; 및

상기 X,Y,Z축 위치값으로부터 상기 기준면에 대한 상기 측정면의 경사각을 연산하는 경사각 연산부를 포함하며,

상기 X,Y,Z축 위치값 획득부 각각은

자신에 대응되는 진동 센서를 통해 획득된 두 개의 정전 용량이 병렬 연결됨과 동시에 출력신호를 궤환시키는 캐패시턴스와 리셋 스위치가 병렬 연결되는 -단과 접지에 연결되는 +단을 구비하는 SC(Switched-Capacitor) 증폭기로 구현되어, 상기 자신에 대응되는 진동 센서를 통해 획득된 두 개의 정전 용량에 상응하는 신호값을 가지는 신호를 생성하는 ROIC(Read Out IC); 및

상기 ROIC를 통해 생성된 신호의 고주파 성분을 필터링하여 위치값을 획득하는 로우 패스 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 경사각 연산 회로.
제1항에 있어서, 상기 경사각 연산부는

하기의 수학식에 따라 상기 측정면의 경사각을 연산하는 것을 특징으로 하는 3차원 경사각 연산 회로.

상기 x는 상기 X축 위치값이고, 상기 y는 상기 Y축 위치값이고, 상기 z는 상기 Z축 위치값임.
제2항에 있어서, 상기 경사각 연산부는

상기 X,Y,Z축 위치값 각각을 제곱하는 x,y,z값 제곱부;

상기 x,y,z 값 제곱부의 출력값을 모두 합하는 제곱값 합산부;

상기 제곱값 합산부의 출력값을 로그 함수를 이용하여 로그 변환하는 합산값 로그 변환부;

상기 X축 위치값 제곱부의 출력값을 상기 로그 함수를 이용하여 로그 변환하는 x 제곱값 로그 변환부;

상기 x 제곱값 로그 변환부의 출력값에서 상기 제곱값 합산부의 출력값을 감하는 로그값 감산부;

상기 로그값 감산부의 출력값을 1/2 만큼 감폭하는 감폭부; 및

상기 감폭부의 출력값을 지수 함수를 통해 지수 변환하여 상기 경사각의 코싸인 값을 획득하는 지수 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 경사각 연산 회로.
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제1항에 있어서, 상기 신호값은

전압, 전류, 및 주파수 중 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 경사각 연산 회로.
제1항에 있어서,

상기 경사각 연산부의 출력 신호를 참조하여, 상기 측정면이 상기 기준면상에 위치하도록 상기 측정면의 경사각을 제어하는 경사각 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 경사각 연산 회로.
제7항에 있어서, 상기 경사각 제어부는

상기 기준면의 3차원 위치를 설정 및 변경하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 경사각 연산 회로.