KR101283374B1

KR101283374B1 - 교정가능한 센서, 센서교정장치 및 센서교정방법

Info

Publication number: KR101283374B1
Application number: KR1020110111893A
Authority: KR
Inventors: 유시복; 김문식
Original assignee: 자동차부품연구원
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-07-08
Also published as: KR20130047089A

Abstract

물리량을 감지하여 출력하는 센서모듈을 포함하는 측정장치를 교정하는 방법으로서, 미리 결정된 상기 물리량을 측정장치에 제공함으로써 센서모듈이 제1 측정량을 출력하도록 하는 단계, 출력된 제1 측정량과 제공된 물리량의 차이값을 기초로 측정장치를 교정하기 위한 보정정보를 생성하는 단계, 및 센서모듈이 제공된 물리량과 동일한 값을 갖는 측정량을 출력하도록, 생성된 보정정보를 이용하여 측정장치를 교정하는 단계를 포함하는 측정장치 교정방법이 공개된다.

Description

교정가능한 센서, 센서교정장치 및 센서교정방법{Sensor capable of calibration, sensor calibrating apparatus, and sensor calibration method}

본 발명은 공간에서 직교하는 축에 관한 물리량을 측정하는 센서에 관한 것으로서, 특히 교정가능한 센서, 그리고 교정가능한 센서를 교정하기 위한 교정장치 및 교정방법에 관한 것이다.

일반적으로 관성측정장치(IMU: Inertia Measurement Unit) 및 관성항법시스템(INS: Inertial Navigation System)은 가속도 센서, 자이로 센서를 포함하며, 최근 지자기 센서를 포함하는 경우도 있다. 그러나 각각의 센서는 센서제품 생산 시에 발생하는 생산 오차, PCB에 조립할 때에 발생하는 조립오차를 가지고 있다. 예컨대, 측정하고자 하는 축과 센서축이 서로 부정합되어 있을 수 있다. 따라서 이러한 오차들에 대한 특성을 고려하지 않고 센서 측정값을 그대로 사용하게 되면 측정값의 부정확 및 누적오차 생성 등의 문제를 야기할 수 있다.

본 발명에서는 센서제품 생산 시에 발생하는 생산오차 및/또는 센서제품을 PCB에 조립할 때에 발생하는 조립오차에 의해 발생할 수 있는 측정값의 부정확 및 누적오차의 발생을 방지하기 위한 센서교정기술을 제공하고자 한다. 본 발명의 범위가 상술한 과제에 의해 제한되는 것은 아니다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 측정장치 교정방법이 제공된다. 이 교정방법은, 물리량을 감지하여 출력하는 센서모듈을 포함하는 측정장치를 교정하는 방법으로서, 미리 결정된 위의 물리량을 위의 측정장치에 제공함으로써 위의 센서모듈이 제1 측정량을 출력하도록 하는 단계, 위의 출력된 제1 측정량과 위의 제공된 물리량의 차이값을 기초로 위의 측정장치를 교정하기 위한 보정정보를 생성하는 단계, 및 위의 센서모듈이 위의 제공된 물리량과 동일한 값을 갖는 측정량을 출력하도록, 위의 생성된 보정정보를 이용하여 위의 측정장치를 교정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 관점에 따른 센서가 제공된다. 이 센서는, 물리량을 감지하여 출력하는 측정장치에 위의 물리량의 측정정보를 제공하는 센서로서, 위의 센서가 위의 측정장치에 장착되었을 때에, 위의 센서가 감지할 수 있는 물리량이 위의 측정장치에 제공되면 위의 물리량에 대한 제1 측정량을 출력하도록 되어 있는 출력단자, 위의 센서를 교정하는데 사용되는 보정정보를 입력받도록 되어 있는 입력단자, 및 위의 센서가 위의 제공된 물리량과 동일한 값을 갖는 측정량을 생성하도록, 위의 보정정보를 이용하여 위의 센서를 재프로그래밍하는 보정부를 포함한다. 이때, 위의 보정정보는 위의 출력된 제1 측정량과 위의 제공된 물리량의 차이값을 기초로 생성된 것임을 특징으로 한다. 이 센서는 하나의 칩으로 제공되거나 또는 두 개 이상의 칩이 결합된 모듈 형태로 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 관점에 따른 센서 교정장치가 제공된다. 이 교정장치는, 물리량을 감지하여 출력하는 센서모듈을 포함하는 측정장치를 교정하기 위한 교정장치로서, 위의 측정장치의 축과 위의 교정장치의 축을 일치시키도록 위의 측정장치를 장착하는데 사용되는 마운트, 위의 물리량을 위의 측정장치에 제공하기 위한 물리량 제공수단, 및 위의 제공된 물리량에 대한 위의 센서모듈의 제1 측정량을 입력받고, 위의 제1 측정량과 위의 제공된 물리량의 차이값을 기초로 위의 측정장치를 교정하기 위한 보정정보를 생성하며, 위의 생성된 보정정보를 위의 측정장치에게 전달하도록 되어 있는 보정정보 생성부를 포함한다.

본 발명에 따르면 센서제품 생산 시에 발생하는 생산 오차 및/또는 PCB에 조립할 때에 발생하는 조립 오차에 의해 발생할 수 있는 측정값의 부정확 및 누적오차의 발생을 방지하기 위한 센서 교정 기술을 제공할 수 있다. 본 발명의 범위가 상술한 효과에 의해 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 위해 사용될 수 있는 센서칩을 나타낸 것이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 센서칩을 포함하는 물리량 측정장치의 예를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 교정가능한 물리량 측정장치를 설명하기 위한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 짐벌장치를 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따라, 짐벌장치에 물리량 측정장치를 장착하여 물리량 측정장치를 교정하는 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 물리량 측정장치를 교정하는데 사용되는 보정변수값을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교정가능한 물리량 측정장치를 설명하기 위한 것이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 짐벌장치에 물리량 측정장치를 장착하여 물리량 측정장치를 교정하는 방법을 설명하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예들에 대하여 구체적인 참조 번호가 제공된다. 이 실시예들의 참조번호는 첨부된 도면에 도시되어 있다. 이하 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 발명의 상세한 설명은 본 발명의 실시예들을 설명하도록 의도된 것이며, 본 발명에 따라 구현될 수 있는 유일한 실시예들을 나타내기 위한 것은 아니다. 후술하는 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위한 구체적인 사항들을 포함한다. 그러나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 기술자라면 이러한 구체적인 사항들 없이도 이 기술을 실시할 수 있을 것이다. 예를 들어, 아래의 상세한 설명은 특정 용어로 표현되지만, 본 발명은 이러한 특정 용어의 표현에 의해 제한되는 것이 아니며, 동일한 의미를 갖는 다른 용어가 사용될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 위해 사용될 수 있는 센서칩(10)을 나타낸 것이다.

센서칩(10)은 예를 들어, 가속도 센서칩, 자이로 센서칩, 또는 지자기 센서칩일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 가속도 센서칩, 자이로 센서칩, 또는 지자기 센서칩은, 각각, 직교좌표계의 직교하는 세 개의 축, 즉 x축, y축, z축 방향의 가속도 값, 각속도 값, 또는 지자기 값을 출력할 수 있다. 센서칩(10)의 단자(101), 단자(102), 및 단자(103)를 통해 각각 x축, y축, 및 z축 방향의 물리값이 출력될 수 있고, 단자(104) 및 단자(105)는 각각 GND 및 VCC에 연결될 수 있다. 이 밖에 센서칩(10)에는 다른 단자가 더 포함될 수 있으나 여기에 자세히 설명하지는 않는다. 또한, 도 1에 나타낸 것과 달리, 센서칩(10)에서 검출한 x축, y축, 및 z축 방향의 물리값은 하나의 단자를 통해 연속적으로 전송될 수 있다. 본 명세서에서는 편의를 위해 도 1과 같이 세 개의 단자를 통해 병렬로 전송되는 것을 중심으로 설명한다.

예를 들어, 센서칩(10)이 가속도 센서칩인 경우에, 센서칩(10)이 x축, y축, 및 z축 방향 중 어느 하나 이상의 방향으로 가속된다면, 센서칩(10)은 가속되는 방향의 가속도 값을 단자(101), 단자(102), 및/또는 단자(103)를 통해 출력할 수 있다.

도 2a는 도 1의 센서칩을 포함하는 물리량 측정장치의 예를 나타낸다.

물리량 측정장치(100)는 센서칩(10), 및 출력장치(30)를 포함할 수 있다. 센서칩(10)은 출력장치(30)가 인식할 수 있는 형태의 값으로 물리량을 출력할 수 있다. 또는 도시하지는 않았지만, 센서칩(10)과 출력장치(30) 사이에 별도의 처리장치가 존재하여, 센서칩(10)의 출력신호를 출력장치(30)가 이해할 수 있는 신호로 변경할 수 있다.

예를 들어, 센서칩(10)이 가속도 센서칩인 경우에, 물리량 측정장치(100)가 x축, y축, 및 z축 방향 중 어느 하나 이상의 방향으로 가속된다면, 출력장치(30)는 가속되는 방향의 가속도 값을 시각적 또는 청각적으로 표시할 수 있다. 이때, 도 2a에서는 물리량 측정장치(100)의 몸체를 이루는 기판(110)의 x, y, z 축이 센서칩(10)의 x, y, z 축과 정확히 일치하여 정렬된 것으로 가정하였다. 또한, 센서칩(10)의 제조공정 오차도 없는 것으로 가정하였다. 따라서, 센서칩(10)이 출력하는 x, y, z 방향의 가속도 크기는 물리량 측정장치(100)의 x, y, z 방향의 가속도 크기와 일치한다. 도 2a에서는 물리량 측정장치(100)가 z 방향으로만 가속되는 것으로 가정하였다.

도 2b는 도 2a의 물리량 측정장치의 다른 실시예이다.

도 2a에서는, 도 2b와 달리, 센서칩(10)의 x, y, z 축이 기판(110)의 x, y, z 축과 어긋나 있다. 이는 기판(110)에 센서칩(10)을 납땜 또는 기타 방법으로 실장할 때에 공정 오차로 인해 축이 어긋날 수 있기 때문이다. 도 2b에서는 센서칩(10)이 x축을 중심으로 θ만큼 어긋나 있는 것으로 되어 있다. 더불어, 센서칩(10)과 기판(110)은 땜납의 두께 오차로 인해 y축 및/또는 z축을 중심으로 어긋나 있을 수 있다.

예를 들어, 센서칩(10)이 가속도 센서칩인 경우에, 물리량 측정장치(100)가 x축, y축, 및 z축 방향 중 어느 하나 이상의 방향으로 가속된다면, 센서칩(10)이 출력하는 x, y, z 방향의 가속도 크기는 물리량 측정장치(100)의 x, y, z 방향의 가속도 크기와 일치하지 않는다.

도 2b와 같이 센서칩(10) 자체의 작동 불량이 아니라, 센서칩(10)의 축과 센서칩(10)이 실장되는 물리량 측정장치(100)의 축이 어긋남으로 인해 생기는 측정오류는 이하 제시하는 기술에 의해 교정될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 물리량 측정장치이다.

도 3a을 참조하면, 도 2와 달리, 물리량 측정장치(100)는 센서칩(10)과 출력장치(30) 사이에 보정부(20)를 더 포함할 뿐만 아니라, 센서칩(10)의 출력신호를 물리량 측정장치(100)의 외부에 제공하기 위한 원시값 출력단자(17, 18, 19)와, 물리량 측정장치(100)의 측정오류를 보정하는데 사용되는 보정변수값을 입력받기 위한 보정변수값 입력단자(16)를 더 포함할 수 있다. 이때, 도 3a에서는 센서칩(10)의 x, y, z 축은 물리량 측정장치(100)의 기판(110)의 x, y, z 축과 어긋난 것으로 되어 있으나, 어긋나지 않을 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 어긋난 정도와 상관없이 물리량 측정장치(100)의 측정오류를 보상할 수 있다. 측정오류를 보상하기 위해 필요한 다른 장치는 이하 도 4부터 설명한다.

우선 도 3b를 설명하면, 도 3b는 도 3a의 물리량 측정장치(100)에서 출력장치(30)를 제외한 다른 부분들로 구성된 센서모듈(1)을 나타낸 것이다. 센서모듈(1)은 전원(Vcc)과 접지(GND)에 연결하기 위한 전원단자(14) 및 접지단자(15)를 포함할 수 있다. 또한, 센서칩(10)의 출력값을 외부에 제공하기 위한 원시값 출력단자(17, 18, 19)를 포함할 수 있다. 또한, 센서칩(10)의 출력값을 보정하는데 필요한 보정변수값을 입력받기 위한 보정변수값 입력단자(16)을 포함할 수 있다. 마지막으로, 센서칩(10)의 출력값을 위의 보정변수값을 이용하여 보정하여 생성한 센서모듈출력을 센서모듈(1) 외부에 제공하기 위한 측정값 출력단자(11, 12, 13)를 포함할 수 있다.

도 3c는 도 3b의 센서모듈(1)의 내부구조를 생략하고 센서모듈(1)의 외부에 노출된 입출력 단자만을 나타낸 것이다. 센서모듈(1)은 도 3b와 같이 두 개 이상의 칩(즉, 센서칩(10)과 보정부(20))이 결합되어 제공되거나, 또는 도 3b와 동일한 기능을 제공하는 단일 칩으로서 제공될 수 있다.

도 3d는, 도 3a를 도 3c의 센서모듈(1)을 이용하여 재구성한 물리량 측정장치(100)를 나타낸 것이다. 도 3d에서 센서모듈(1)의 x, y, z 축은 기판(110)의 x, y, z 축과 일치하는 것으로 가정하였다.

도 3e는 도 3d의 물리량 측정장치(100)에서 센서모듈(1)의 x, y, z 축과 기판(110)의 x, y, z 축이 서로 일치하지 않는 경우를 나타낸 것이다.

이하, 도 4를 참조하여, 도 3a, 도 3d, 도 3e에 도시한 물리량 측정장치(100)가, 센서모듈(1)(또는 센서칩(10))과 기판(110) 간의 축 정렬 오차와 상관없이 올바른 물리량을 측정할 수 있도록 하는 방법을 설명한다.

도 4는 도 3의 물리량 측정장치(100)의 측정오차를 보정하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 짐벌(gimbal)장치를 도시한 것이다.

짐벌장치(2)는, 물리량 측정장치(100)를 장착하기 위한 장착대(21), 기판(210), 기판(210)에 결합된 센서칩(10'), 센서칩(10')과 연결되어 있고 물리량 측정장치(100)와 연결될 수 있도록 되어 있는 보정변수값 생성부(40)를 포함할 수 있다. 보정변수값 생성부(40)는 물리량 측정장치(100)의 원시값 출력단자(17, 18, 19)와 연결될 수 있는 입력단자(401)와, 물리량 측정장치(100)에게 보정변수값을 제공하기 위한 출력단자(402)를 포함할 수 있다.

도 3의 물리량 측정장치(100)는 대량생산을 위한 것일 수 있는데, 이때 대량생산의 공정오차에 의해 센서모듈(1)(또는 센서칩(10))의 축과 기판(110)의 축이 서로 정확히 정렬되지 않을 수 있다. 이에 비해, 짐벌장치(2)는 물리량 측정장치(100)의 측정오류를 교정하기 위하여 사용되는 정밀장치이기 때문에, 센서칩(10')의 x, y, z 축과 기판(210)의 x, y, z 축이 서로 정확히 일치되도록 조정되어 제공될 수 있다. 또한, 장착대(21)는 물리량 측정장치(100)가 짐벌장치(2)에 장착되었을 때에, 물리량 측정장치(100)의 기판(110)의 x, y, z 축과 짐벌장치(2)의 기판(210)의 x, y, z 축이 서로 일치될 수 있도록 배치될 수 있다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 3a의 물리량 측정장치(100)를 짐벌장치(2)에 장착한 것을 나타낸다. 도 5a에서는 설명의 편의를 위해 센서칩(10, 10')이 가속도 센서칩인 것으로 가정하는데, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에서, 물리량 측정장치(100)의 측정오차를 보정하기 위해서 짐벌장치(2)를 x, y, 및/또는 z 축 방향으로 가속하는 단계를 실행할 수 있다. 이때, 센서칩(10')의 출력신호(300)는 짐벌장치(2)의 각 축 방향의 가속도 값을 정확히 나타낼 수 있다. 또한, 기판(210)과 기판(110)은 서로 축 정렬된 상태이기 때문에, 센서칩(10')이 출력한 가속도 값(300)을 물리량 측정장치(100)(즉, 기판(110))의 가속도 값으로 간주할 수 있다.

그런데, 만일 물리량 측정장치(100)에서 센서칩(10)의 x, y, z 축이 기판(110)의 x, y, z 축(즉, 기판(210) 및 센서칩(10')의 x, y, z 축)과 정확히 일치하여 정렬되지 않은 상태라면, 센서칩(10)의 출력신호(301)는 센서칩(10')의 출력신호(300)와 다른 값을 나타내게 된다. 이때, 출력신호(301)를 물리량 측정장치(100)의 측정값으로서 사용하면 측정오차가 발생하게 된다. 따라서 보정변수값 생성부(40)에서는 출력신호(300)와 출력신호(301)를 이용하여 보정변수값을 생성하고 그 값을 출력단자(402)를 통하여 보정부(20)에게 제공할 수 있다. 위의 보정변수값은 출력신호(301)를 출력신호(300)로 보정하는데 필요한 값이다.

보정부(20)는 보정변수값 생성부(40)로부터 전달받은 보정변수값을 이용하여 출력신호(301)를 출력신호(300)와 동일하게 되도록 보정한 후, 출력장치(30)에게 전달할 수 있다. 이를 위하여, 보정부(20)에는 보정변수값을 이용하여 출력신호(301)를 보정된 값으로 변경하는 프로그램이 포함되어 있을 수 있다.

보정부(20)는 보정변수값 생성부(40)로부터 전달받은 보정변수값을 반영구적으로 저장할 수 있다. 또는 보정변수값을 그대로 저장하지 않고, 출력신호(301)가 올바르게 보정될 수 있도록, 보정변수값을 위의 프로그램 코드의 특정 파라미터 값으로 변형하여 저장할 수 있다.

일단, 보정부(20)가 보정변수값을 반영구적으로 저장하였거나 또는 보정부(20)에 포함된 프로그램이 변경된 이후에는, 물리량 측정장치(100)를 짐벌장치(2)로부터 분리할 수 있다. 분리된 물리량 측정장치(100)는 짐벌장치(2)에 의한 보정과정을 거쳤기 때문에, 단독으로 사용되더라도 측정오차 없는 물리량을 측정할 수 있다.

도 5b 및 도 5c는 각각 도 3d 및 도 3e의 물리량 측정장치(100)를 짐벌장치(2)에 장착한 것을 나타낸다. 도 5b에서는 센서모듈(1)의 축이 기판(110)의 축과 일치되어 정렬되어 있지만, 도 5c에서는 정렬되어 있지 않다. 어떤 경우이든, 짐벌장치(2)를 이용한 보정작업을 거치지 않은 물리량 측정장치(100)는 물리량 측정오차를 가질 가능성이 있는데, 도 5a에서 설명한 보정과정을 통하여 물리량 측정장치(100)의 측정오차를 보정할 수 있다.

도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따라 물리량 측정장치(100)의 측정오차를 보정하는 방법을 설명하기 위한 것이다.

도 5d를 참조하면, 도 4, 도 5a, 도 5b, 및 도 5c에 도시한 것과 달리, 짐벌장치(2)에 센서칩(10')이 포함되어 있지 않다. 그 대신, 짐벌장치(2)에는 짐벌장치 제어부(3)가 연결되어 있다. 물리량 측정장치가 가속도, 또는 각속도를 검출하기 위한 것이라면, 짐벌장치 제어부(3)는 제어신호선(302)을 통해 짐벌장치(2)의 변위 및 운동을 제어할 수 있다. 다르게는, 물리량 측정장치가 지자기를 검출하기 위한 것이라면, 짐벌장치 제어부(3)는 제어신호선(302)을 이용하여 짐벌장치(2)에 가해지는 자기장을 제어할 수 있다.

이를 위하여 짐벌장치 사용자는 짐벌장치 제어부(3)에 짐벌장치(2)를 제어하기 위한 파라미터를 입력할 수 있다. 예를 들어, 짐벌장치 사용자는 짐벌장치(2)를 +x 방향으로 1m/s²의 속도로 가속하기 위하여, 'ax=+1m/s²'라는 값을 입력할 수 있다.

이하, 도 6에서는 도 5a에서 설명한 보정변수값으로서 사용될 수 있는 파라미터의 예를 설명한다.

도 6은 물리량 측정장치의 x, y, z 축과 센서모듈(또는 센서칩)의 x, y, z 축의 상대적인 정렬 오차를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 축(Xst. Yst, Zst)은 물리량 측정장치(100), 즉 기판(110)의 축을 나타내며, 축(Xsn. Ysn, Zsn)은 센서모듈(1) 또는 센서칩(10)의 축을 나타낸다. 센서모듈(1) 또는 센서칩(10)의 기판 상 장착상태에 따라, 축(Xst. Yst, Zst)과 축(Xsn. Ysn, Zsn)이 서로 완전히 일치될 수도 있지만, 도 6과 같이 어긋나 있을 수 있다.

어긋나 있는 축(Xst)과 축(Xsn)을 일치시키기 위해서는 적어도 두 가지 보정변수값을 측정해야한다. 첫째는 원뿔각(Corning angle)(Cx)이고 둘째는 방위각(azimuth angle)(Ax)이다. 원뿔각(Cx)은 축(Xst)와 축(Xsn) 사이의 각도로 정의될 수 있다. 방위각(Ax)은 다음과 같은 방법으로 정의할 수 있다.

방위각(Ax)을 정의하기 위하여, 우선 원점(O)과 축(Xsn) 상의 임의의 점(501)을 잇는 벡터(503)를, 축(Yst)과 축(Zst)에 의해 정의되는 기준평면(reference plane)에 수직으로 투사(project)한다. 위의 임의의 점(501)은 기준평면 상의 점(502)으로 투사된다. 원점(O)과 투사된 점(502)을 잇는 투사벡터(504)와 기준벡터 사이의 각을 방위각(Ax)으로 정의할 수 있다. 도 6에서 기준벡터는 축(Yst) 방향의 벡터로 설정하였으나, 상술한 기준평면 상의 임의의 벡터를 기준벡터로 정의할 수도 있다.

축(Xsn)을 위의 원뿔각(Cx)과 방위각(Ax)만큼 이동시키면 축(Xst)과 축(Xsn)을 일치시킬 수 있다. 그러나 축(Xst)과 축(Xsn)을 일치시켰다고 하여, 축(Yst)과 축(Ysn) 그리고 축(Zst)과 축(Zsn)이 함께 일치되는 것은 아니다. 따라서, 축(Yst)과 축(Ysn) 사이의 원뿔각(Cy)과 방위각(Ay) 뿐만 아니라 축(Zst)과 축(Zsn) 사이의 원뿔각(Zy)과 방위각(Zy)을 모두 알아내야 한다. 이는 위에서 설명한 것과 동일한 방식으로 정의할 수 있다.

상술한 바와 같이 보정변수로서 아래의 두 가지 파라미터를 제시할 수 있다.

식 (1): 원뿔각 보정변수: {Cx, Cy, Cz}

식 (2): 방위각 보정변수: {Ax, Ay, Az}

한편, 센서모듈(1) 또는 센서칩(10)이 기판(110)과 정확히 축 정렬이 되었다고 하더라도 다음의 두 가지 측면에서 측정오차가 발생할 수 있다.

첫째, 각 축에 대한 측정변수의 바이아스(Bias)가 존재할 수 있다. 이를 설명하기 위하여, 센서모듈(1) 또는 센서칩(10)이 가속도를 측정하기 위한 센서인 경우를 예를 든다. 도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 짐벌장치(2)가 정지한 경우에는 보정과정을 거치지 않은 센서모듈(1) 또는 센서칩(10)은 x, y, z 방향의 가속도 값으로서 모두 0(zero)을 출력해야 한다. 그러나, 센서모듈(1) 또는 센서칩(10)이 공정오차에 의해 x, y, z 축에 대하여 각각 (-Bx, -By, -Bz)라는 값을 출력할 수 있다. 이 값이 모두 0이 되도록 보정해주어야 한다. 이때, 짐벌장치(2)에 있는 센서칩(10')으로서 바이아스 오차가 0인 정밀한 것을 사용하면, 센서칩(10)의 출력신호(301)와 센서칩(10')의 출력신호(300)를 비교하여 그 차이값을 측정할 수 있다. 이러한 비교는 짐벌장치(2)가 가속되지 않을 때에 측정할 수 있으며, 또한 가속될 때에도 수행될 수 있다. 이 차이값을 보정부(20)에게 제공함으로써 물리량 측정장치(100)의 측정오차를 없앨 수 있다. 따라서 다음과 같은 보정변수를 더 제시할 수 있다.

식 (3): 바이아스 보정변수: {Bx, By, Bz}

센서모듈(1) 또는 센서칩(10)의 축과 기판(110)의 축의 정렬을 위한 보정이 완료된 상태라면 짐벌장치(2)의 가속여부와 상관없이 바이아스 오차를 측정할 수 있다. 센서모듈(1) 또는 센서칩(10)의 축과 기판(110)의 축의 정렬을 위한 보정이 완료되지 않은 상태라면, 짐벌장치(2)의 가속이 이루어지지 않는 상태에서 바이아스 오차를 측정하는 것이 좋다.

또한, 다음과 같은 추가 보정변수를 더 제시할 수 있다.

식 (4): 감도(sensitivity) 보정변수: {Sx, Sy, Sz}

센서모듈(1) 또는 물리량 측정장치(100)에 포함된 센서칩(10)은 가속도 센서칩, 자이로 센서칩, 또는 지자기 센서칩일 수 있다. 센서모듈(1) 또는 물리량 측정장치(100)가 장착된 전자기기는 가속도 측정용 센서칩, 자이로 값 측정용 센서칩, 및 자지기 측정용 센서칩 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 가속도, 자이로, 지자기 센서의 오차 변수를 도 6의 X,Y,Z 각 축에 대해 Corning angle(C), Azimuth angle(A), Bias(B), Sensitivity(S)로 정의할 수 있다. 각 센서와 각 축의 오차 변수 테이블은 아래 [표 1]과 같이 주어질 수 있다.

	가속도 센서			각속도 센서			지자기 센서
	x축	y축	z축	x축	y축	z축	x축	y축	z축
Corning Angle	aCx	aCy	aCz	gCx	gCy	gCz	mCx	mCy	mCz
Azimuth Angle	aAx	aAy	aAz	gAx	gAy	gAz	mAx	mAy	mAz
Bias	aBx	aBy	aBz	gBx	gBy	gBz	mBx	mBy	mBz
Sensitivity	aSx	aSy	aSz	gSx	gSy	gSz	mSx	mSy	mSz

감도 보정변수를 설명하기 위하여, 센서모듈(1) 또는 센서칩(10)이 가속도를 측정하기 위한 센서인 경우를 예를 든다. 도 5a에서 센서칩(10')은 공정오차가 없어서 정확한 측정값을 출력할 수 있는 센서칩인 것으로 가정한다. 예를 들어, 짐벌장치(2)를 +x 방향으로 1m/s² 및 2m/s²의 속도로 가속한다면, 센서칩(10')은 +x 방향에 대하여 각각 1m/s² 및 2m/s²의 가속도 값을 출력할 것이다. 그런데 이때 센서칩(10)이 +x 방향에 대하여 각각 0.9m/s² 및 1.8m/s²의 가속도 값을 출력한다면 센서칩(10)의 감도가 기준이 되는 센서칩인 센서칩(10')의 감도보다 낮다는 것을 의미한다. 따라서, 센서칩(10)의 +x 방향의 감도를 10/9 배만큼 높일 수 있도록 감도 보정변수 Sx=10/9를 보정부(20)에 제공할 수 있다. 위의 설명은 +y, +z 축에 대하여도 마찬가지이다.

위의 식 (1), (2), (3), (4)에 제시한 보정변수값은, 예컨대 Gauss-Newton Nonlinear 방법과 같이, 실험 데이터를 기반으로 하는 수치해석방법을 이용하여 구할 수 있다. 짐벌장치(2)가 위의 식 (1), (2), (3), (4)에 제시한 보정변수값을 보정부(20)에게 제공하면, 보정부(20)는 이 보정변수값을 이용하여 물리량 측정장치(100)가 측정오차 없이 측정할 수 있도록 내부 프로그램을 조절할 수 있다. 조절이 완료된 물리량 측정장치(100)는 짐벌장치(2)로부터 분리되어 단독으로 정확한 측정을 수행할 수 있다.

도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 물리량 측정장치를 설명하기 위한 것이다. 원시값 출력단자(17, 18, 19)가 생략되었다는 점을 제외하고는 도 3a 내지 도 3e에 나타낸 것과 동일하다.

도 8a 및 도 8b는 각각 도 7a 및 도 7d에 나타낸 물리량 측정장치(100)를 짐벌장치(2)에 장착한 예를 나타낸다. 도 8a 및 도 8b는 각각 도 5a 및 도 5c에 대응한다. 다만, 도 5a 및 도 5c에서는 입력단자(401)가 원시값 출력단자(17, 18, 19)에 연결되어 있던 것이, 도 8a 및 도 8b에서는 입력단자(401)가 측정값 출력단자(11, 12, 13)에 연결된다는 점이 다르다. 도 8c는 도 8b의 변형된 예로서, 도 5d에 대응된다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치 교정방법을 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 이 측정장치는 물리량 측정장치(100)일 수 있다. 이 교정방법은 미리 결정된 물리량을 감지하여 출력하는 센서모듈을 포함하는 측정장치를 교정하는 방법이다. 이때, 위의 미리 결정된 물리량은, 예컨대, 도 8c의 짐벌장치 제어부(3)에 입력한 값에 의해 짐벌장치(2)에 제공되는 물리량이거나, 또는 도 8b의 짐벌장치(2)에 제공되는 물리량일 수 있다. 그리고 센서모듈은, 예컨대 도 8b에 도시한 센서모듈(1)이거나, 또는 도 8a에 도시한 센서칩(10)과 보정부(20)를 포함하는 모듈일 수 있다. 이 교정방법은, 위의 미리 결정된 물리량을 위의 측정장치에 제공함으로써, 위의 센서모듈이 제1 측정량을 출력하도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 제1 측정량은, 예컨대, 도 5b의 센서모듈(1)의 원시값 출력단자(17, 18, 19)를 통해 보정변수값 생성부(40)에게 전달되는 신호이거나, 도는 도 8b의 센서모듈(1)의 측정값 출력단자(11, 12, 13)를 통해 보정변수값 생성부(40)에게 전달되는 신호일 수 있다. 그 다음, 이 교정방법은 위의 출력된 제1 측정량과 위의 제공된 물리량의 차이값을 기초로 위의 측정장치를 교정하기 위한 보정정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 보정정보는 상술한 보정변수값일 수 있다. 그 다음, 이 교정방법은 위의 센서모듈이 위에 제공된 물리량과 동일한 값을 갖는 측정량을 출력하도록, 위의 생성된 보정정보를 이용하여 위의 측정장치를 교정하는 단계를 포함할 수 있다. 상술한 '물리량과 동일한 값을 갖는 측정량'은, 예컨대, 도 5b의 센서모듈(1)의 측정값 출력단자(11, 12, 13)를 통해 출력장치(30)에게 출력되거나 또는 도 8b의 센서모듈(1)의 측정값 출력단자(11, 12, 13)를 통해 출력장치(30)에게 출력될 수 있다.

이때, 위의 보정정보는 위의 센서모듈의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축과(예컨대, 도 8b의 센서모듈(1)의 x, y, z 축), 위의 측정장치의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축(예컨대, 도 8b의 기판(110)의 x, y, z 축) 사이의 원뿔각(corning angle)에 관한 정보 및 방위각(azimuth angle)에 관한 정보 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이에 대하여는 도 6을 참조하여 설명하였다. 이때, 위의 보정정보는 위의 제공된 물리량에 대한 위의 출력된 제1 측정량의 바이아스(bias)에 관한 정보를 포함할 수 있다. 또한, 위의 보정정보는 위의 제공된 물리량에 대한 위의 출력된 제1 측정량의 감도(sensitivity)에 관한 정보를 포함할 수 있다.

이 실시예에서, 위의 교정하는 단계는, 위의 센서모듈의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축과(예컨대, 도 8b의 센서모듈(1)의 x, y, z 축), 상기 측정장치의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축(예컨대, 도 8b의 기판(110)의 x, y, z 축) 사이에 존재하는 부정합을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 센서모듈의 축과 기판의 축을 일치시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 이 교정하는 단계는, 위의 제공된 물리량에 대한 위의 출력된 제1 측정량의 바이아스를 제거하는 단계를 포함할 수 있고, 위의 제공된 물리량에 대한 상기 출력된 제1 측정량의 감도의 오류를 교정하는 단계를 포함할 수 있다.

이 실시예에서, 위의 물리량은 가속도, 각속도, 또는 지자기 강도일 수 있다. 또한, 위의 물리량은 서로 직교하는 하나 이상의 축에 관한 물리량일 수 있다.

여기서 위의 측정장치를 교정하는 것은 위의 생성된 보정정보를 이용하여 위의 센서모듈을 교정하는 것을 의미할 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서를 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 이 센서는 물리량을 감지하여 출력하는 측정장치에 위의 물리량의 측정정보를 제공하는 센서이다. 이 센서는, 이 센서가 위의 측정장치에 장착되었을 때에, 위의 센서가 감지할 수 있는 물리량이 위의 측정장치에 제공되면 위의 물리량에 대한 제1 측정량을 출력하도록 되어 있는 출력단자를 포함할 수 있다. 이 출력단자는 예컨대, 도 3c의 단자(17, 18, 19)이거나 또는 도 7c의 단자(11, 12, 13)일 수 있다. 또한, 위의 센서는, 위의 센서를 교정하는데 사용되는 보정정보를 입력받도록 되어 있는 입력단자를 포함할 수 있다. 이 입력단자는 예컨대, 도 7c의 단자(16)일 수 있다. 또한, 위의 센서는, 위의 센서가 위의 제공된 물리량과 동일한 값을 갖는 측정량을 생성하도록, 위의 보정정보를 이용하여 위의 센서를 재프로그래밍하는 보정부를 포함할 수 있다. 위의 센서는, 예컨대, 도 7c에 도시된 센서모듈(1)일 수 있는데, 이 센서모듈(1)은 도 7a의 센서칩(10) 및 보정부(20)에 대응되는 기능부를 포함할 수 있다. 이때 위의 '센서를 재프로그래밍하는 보정부'는 도 7a의 보정부(20)에 대응된다. 이때, 위의 보정정보는 위의 출력된 제1 측정량과 위의 제공된 물리량의 차이값을 기초로 생성된 것일 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 교정장치를 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 이 교정장치는, 예컨대, 도 8b 또는 도 8c에 도시한 짐벌장치(2)일 수 있다. 이 교정장치는, 위의 측정장치의 x, y, z 축과 위의 교정장치의 x, y, z 축을 일치시키도록 위의 측정장치를 장착하는데 사용되는 마운트(21)를 포함할 수 있다. 또한, 이 교정장치는 위의 물리량을 상기 측정장치에 제공하기 위한 물리량 제공수단을 포함할 수 있다. 예컨대, 제공하는 물리량이 가속도인 경우에는 이 교정장치를 가속할 수 있는 로봇 암 또는 이에 대응하는 이송 장치가 물리량 제공수단으로제공될 수 있다. 다르게는, 제공하는 물리량이 각속도인 경우에는 이 교정장치를 x, y, z 방향으로 회전할 수 있는 로봇 장치 또는 이에 대응하는 회전 장치가 물리량 제공수단으로 제공될 수 있다. 또 다르게는, 제공하는 물리량이 지자기 양이라면, 측장장치를 포함하는 공간에 x, y, z 방향의 자기장을 형성할 수 있는 자기장 형성장치가 물리량 제공수단으로 제공될 수 있다. 또한, 이 교정장치는, 위의 제공된 물리량에 대한 위의 센서모듈의 제1 측정량을 입력받고, 위의 제1 측정량과 위의 제공된 물리량의 차이값을 기초로 위의 측정장치를 교정하기 위한 보정정보를 생성하며, 위의 생성된 보정정보를 위의 측정장치에게 전달하도록 되어 있는 보정정보 생성부를 포함할 수 있다.

상술한 보정변수값 또는 보정정보는, 교정되지 않은 센서모듈(1) 또는 센서칩(10)에서 출력된 측정데이터(예컨대, 각 축의 가속도 값)와, 센서칩(10') 또는 짐벌장치 제어부(3)로부터 출력되는 기준데이터(예컨대, 각 축의 가속도 값)를 이용하여, Gauss-Newton Nonlinear 방정식을 사용하여 생성할 수 있다.

상술한 센서 및/또는 센서모듈은 자동차 네비게이션 등의 항법장치 또는 블랙박스를 위해 사용될 수 있다.

본 명세서에서, 센서모듈(1)에서 검출한 x축, y축, 및 z축 방향의 물리값은 세 개의 단자를 통해 병렬로 출력되는 것으로 설명하였으나, 이와 달리 하나의 단자를 통해 직렬로 출력될 수도 있다.

본 명세서에서, 센서칩(10) 또는 센서모듈(1)의 x축, y축, 및 z축이 기판(110)의 x축, y축, 및 z축과 일치하면 물리량 측정장치(100)가 정확하게 물리량을 측정할 수 있는 것으로 설명하였는데, 이는 물리량 측정장치(100) 내에 기판(110)이 올바르게 장착된 것을 전제로 한다. 센서칩(10) 또는 센서모듈(1)은 결국 물리량 측정장치(100)를 포함하는 완성품의 축과 정렬될 필요가 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.

본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상술한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

이상에서 실시예를 통해 설명한 본 발명의 기술적 범위는 상기 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 발명의 범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims

서로 직교하는 하나 이상의 축에 관한 물리량을 감지하여 출력하는 센서모듈을 포함하는 측정장치를 교정하는 방법으로서,
미리 결정된 상기 물리량을 상기 측정장치에 제공함으로써 상기 센서모듈이 제1 측정량을 출력하도록 하는 단계;
상기 출력된 제1 측정량과 상기 제공된 물리량의 차이값을 기초로 상기 측정장치를 교정하기 위한 보정정보를 생성하는 단계; 및
상기 센서모듈이 상기 제공된 물리량과 동일한 값을 갖는 측정량을 출력하도록, 상기 생성된 보정정보를 이용하여 상기 측정장치를 교정하는 단계
를 포함하는,
측정장치 교정방법.
제1항에 있어서, 상기 보정정보는 상기 센서모듈의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축과, 상기 측정장치의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축 사이의 원뿔각(corning angle)에 관한 정보 및 방위각(azimuth angle)에 관한 정보 중 하나 이상을 포함하는, 측정장치 교정방법.
제1항에 있어서, 상기 보정정보는 상기 제공된 물리량에 대한 상기 출력된 제1 측정량의 바이아스(bias)에 관한 정보를 포함하는, 측정장치 교정방법.
제1항에 있어서, 상기 보정정보는 상기 제공된 물리량에 대한 상기 출력된 제1 측정량의 감도(sensitivity)에 관한 정보를 포함하는, 측정장치 교정방법.
제1항에 있어서, 상기 교정하는 단계는, 상기 센서모듈의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축과, 상기 측정장치의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축 사이에 존재하는 부정합을 제거하는 단계를 포함하는, 측정장치 교정방법.
제1항에 있어서, 상기 교정하는 단계는, 상기 제공된 물리량에 대한 상기 출력된 제1 측정량의 바이아스를 제거하는 단계를 포함하는, 측정장치 교정방법.
제1항에 있어서, 상기 교정하는 단계는, 상기 제공된 물리량에 대한 상기 출력된 제1 측정량의 감도의 오류를 교정하는 단계를 포함하는, 측정장치 교정방법.
제1항에 있어서, 상기 물리량은 가속도, 각속도, 또는 지자기 강도인, 측정장치 교정방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 측정장치를 교정하는 것은 상기 생성된 보정정보를 이용하여 상기 센서모듈을 교정하는 것인, 측정장치 교정방법.
서로 직교하는 하나 이상의 축에 관한 물리량을 감지하여 출력하는 측정장치에 상기 물리량의 측정정보를 제공하는 센서로서,
상기 센서가 상기 측정장치에 장착되었을 때에, 상기 센서가 감지할 수 있는 물리량이 상기 측정장치에 제공되면 상기 물리량에 대한 제1 측정량을 출력하도록 되어 있는 출력단자;
상기 센서를 교정하는데 사용되는 보정정보를 입력받도록 되어 있는 입력단자; 및
상기 센서가 상기 제공된 물리량과 동일한 값을 갖는 측정량을 생성하도록, 상기 보정정보를 이용하여 상기 센서를 재프로그래밍하는 보정부
를 포함하며,
상기 보정정보는 상기 출력된 제1 측정량과 상기 제공된 물리량의 차이값을 기초로 생성된 것임을 특징으로 하는,
센서.
제11항에 있어서, 상기 생성된 측정량은 상기 출력단자를 통해 출력되도록 되어 있는, 센서.
제11항에 있어서, 상기 생성된 측정량은 상기 출력단자와는 다른 출력단자를 통해 출력되도록 되어 있는, 센서.
제11항에 있어서, 상기 보정정보는 상기 센서의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축과, 상기 측정장치의 측정 기준이 되는 서로 직교하는 하나 이상의 축 사이의 원뿔각(corning angle)에 관한 정보 및 방위각(azimuth angle)에 관한 정보 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서.
삭제
물리량을 감지하여 출력하는 센서모듈을 포함하는 측정장치를 교정하기 위한 교정장치로서,
상기 측정장치의 축과 상기 교정장치의 축을 일치시키도록 상기 측정장치를 장착하는데 사용되는 마운트;
상기 물리량을 상기 측정장치에 제공하기 위한 물리량 제공수단; 및
상기 제공된 물리량에 대한 상기 센서모듈의 제1 측정량을 입력받고, 상기 제1 측정량과 상기 제공된 물리량의 차이값을 기초로 상기 측정장치를 교정하기 위한 보정정보를 생성하며, 상기 생성된 보정정보를 상기 측정장치에게 전달하도록 되어 있는 보정정보 생성부
를 포함하는,
센서 교정장치.
제16항에 있어서, 상기 물리량은 가속도, 각속도, 또는 지자기 강도인, 센서 교정장치.
제16항에 있어서, 상기 물리량은 서로 직교하는 하나 이상의 축에 관한 물리량인, 센서 교정장치.
제11항의 센서를 포함하며, 상기 센서에서 생성된 측정량을 이용하여 경로 이동정보를 출력하는, 차량용 센서 장치.