KR20060077468A

KR20060077468A - 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로

Info

Publication number: KR20060077468A
Application number: KR1020040116335A
Authority: KR
Inventors: 이기봉
Original assignee: 이기봉
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-07-05
Also published as: KR100681420B1

Abstract

휴대폰에 적용될 수 있는 플럭스게이트형 지자기센서의 개선된 구동회로가 개시된다. 지자기센서부는 x, y, z 세 방향으로 적어도 하나씩 배치된 플럭스게이트형 지자기센서들을 포함하며, 각 지자기센서는 구동신호가 입력되면 자신의 놓여진 방위에 대응하는 간격으로 검출신호들을 출력한다. 타이밍마크부는 각 지자기센서가 생성하는 검출신호들을 입력받아 그 검출신호들간의 간격의 시작시점과 종료시점을 식별할 수 있는 타이밍마크신호를 생성한다. 시간-디지털 변환기(TDC)는 타이밍마크신호를 입력받아 그의 시작시점과 종료시점 간의 시간을 측정하고 그 값을 디지털 값으로 변환한다. 메모리에는 휴대폰을 이용하여 실측하여 얻은, TDC 출력데이터와 방위각 간의 관계를 정의하는 제1 및 제2 룩업테이블이 저장된다. DSP는 제1 및 제2 룩업테이블에 조회하여 TDC의 출력데이터에 대응하는 방위각을 산출한다. 메모리와 DSP는 휴대폰의 메모리와 CPU를 활용할 수도 있다.

Description

플럭스게이트형 지자기센서 구동회로 {Driving circuit for fluxgate type Earth Magnetic Sensor}

도 1은 휴대폰의 경사각도에 따른 지자기센서의 표시각도의 오차량을 나타내는 그래프이다.

도 2는 특정 휴대폰용 인쇄회로기판(PCB) 상의 위치에 따른 자계분포도를 나타낸다.

도 3은 외부 자계의 충격에 의한 휴대폰 내부의 자장변동으로 인해 지자기센서의 방위오차가 일어나는 현상을 설명하는 도면이다.

도 4는 종래의 대표적인 플럭스게이트 지자기센서의 구동회로의 블록도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 것으로서, 플럭스게이트형 지자기센서의 디지털방식 구동회로의 블록도이다.

도 6은 지자기센서가 장착된 기기의 방위각에 따라 달라지는 플럭스게이트형 지자기센서의 검출신호의 모습을 나타내는 그래프이다.

도 7은 지자기센서가 장착된 기기의 경사각에 따라 영향을 받는 플럭스게이트형 지자기센서의 검출신호의 모습을 나타내는 그래프이다.

도 8과 도 9는 각각 삼각파와 사인파를 플럭스게이트형 지자기센서의 구동 신호로서 이용했을 경우의 차이점을 설명하기 위한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100: 플럭스게이트형 지자기센서의 구동회로

102: 플럭스게이트형 지자기센서부

102a: x방향 플럭스게이트형 지자기센서

102b: y방향 플럭스게이트형 지자기센서

102c: z방향 플럭스게이트형 지자기센서

104: 멀티플렉서 106: 증폭기

108: 타이밍마크부 110: 시간-디지털 변환기(TDC)

112: 신호발생기 114: 인터페이스로직

116: 타이밍로직 118: 디지털신호처리기(DSP)

120: 메모리

본 발명은 전자나침반에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 플럭스게이트형 지자기센서를 지자기센서로 채용한 경우의 구동회로에 관한 것이다.

전자나침반은 목적지의 방향으로 지도를 실시간으로 회전시켜주는 헤딩업(Heading-up) 기능과 정밀도가 높은 길 안내를 제공해주는 루트안내기능을 제공한 다. 그래서 전자나침반은 이러한 기능을 필요로 하는 분야에 널러 채용되고 있다. 기술의 발달에 힘입어 최근에는 플럭스게이트형 지자기센서의 경우 그 크기가 5mm 이하의 크기로 만들 수 있게 되었고, 따라서 휴대폰에 탑재되어 사용되고 있다. 전자나침반을 채용한 휴대폰 모델이 많아지고 그에 따라 휴대폰의 기능을 더욱 다양하게 변모시켜주고 있다.

전자나침반은 지구자계 측정을 통하여 얻은 절대 방위(true bearing) 정보를 제공한다. 그런데 전자나침반은 수평면을 기준으로 하여 그것과 이루는 경사각도가 변함에 따라서 방위각에 오차(경사오차)가 발생한다. 전자나침반이 휴대전화에 적용된 경우를 생각하자. 휴대전화의 자세가 변하면 전자나침반이 제공하는 방위각은 변한다. 도 1의 그래프는 휴대전화의 경사각도에 따른 전자나침반의 표시각도의 오차를 나타낸다. 전자나침반이 내장된 휴대전화가 수평면을 기준으로 하여 위나 아래로 기울어지면 전자나침반이 표시하는 방위각에는 오차가 생기는데, 경사각도가 커질수록 오차도 증가하는 경향을 보인다.

전자나침반의 다른 오차발생원인으로는 휴대폰의 내부자장의 변동에 의한 오차를 들 수 있다. 외부로부터 강한 자석 충격이 휴대폰에 가해지면 휴대폰 내부의 자장이 변동해서 방위오차를 일으킬 수도 있다. 도 2는 휴대폰의 인쇄회로기판(PCB) 상의 자기장 분포의 일예를 나타낸다. 자기장의 측정 방향은 X 방향이고, 측정 위치는 PCB 위 2mm 높이이다. 전자나침반을 휴대폰에 배치함에 있어서, 이러한 자기장 분포를 미리 분석하여 전자나침반의 배치 위치를 정하고 자기장 분포의 그 배치 위치에 대한 영향을 분석하여 예상 오차량을 미리 반영하는 방식을 적용한 다. PCB에 장착되는 각종 전자부품들 중에는 전자나침반의 지자기센서에 영향을 줄 수 있고 이로 인해 도 3에 도식화 된 것처럼 전자나침반이 측정한 방위각 값은 실제 방위각을 나타내지 못하고 오차를 포함한 방위각을 나타내게 된다.

전자나침반이 표시하는 방위각 값에 오차가 내포되어 있는지는 사용자가 알기 어렵다. 사용자는 오차값이 큼에도 그 사실을 모르고 표시된 방위각 값을 신뢰하면 틀린 루트로 안내받을 위험이 있다. 이러한 과오 안내에 따른 문제의 발생을 예방하기 위해서는, 전자나침반에서 발생하는 오차를 자동으로 판단하고, 그것에 대한 적절한 보정을 하는 기능을 제공할 필요가 있다.

전자나침반은 지자기센서와 이의 구동회로로 구성된다. 도 4는 종래에 대표적인 지자기센서의 구동회로의 구성을 나타내는 블록도이다. 이 전자나침반은 플럭스게이트형의 지자기센서(12)를 채용하고, 그 후단에 증폭기(14), 대역통과필터(16), 위상차검출기(18), 그리고 적분회로(20)가 차례로 종속연결 되고, 지자기센서(12)와 위상차검출기(18)는 각각 주파수 f와 2f의 신호를 신호발생부(22)로부터 제공받도록 구성된다. 이 전자나침반 구동회로는 지자기센서(12)로부터 제공되는 검출 신호와 신호발생부(22)로부터 제공되는 기준신호와의 위상을 비교하고 그 차이만큼의 출력을 얻고 이를 적분하면 직류(DC) 전압을 얻게 되는 방식으로 지자기센서(12)를 쌍으로 배치하거나 또는 원형의 센서 구조를 가져야 한다.

그런데 기존의 전자나침반 구동회로는 구조가 간단하나 정확도에 있어서 그 오차 범위가 큰 ( ± 5도 ) 문제를 갖고 있다. 또한 기존의 구동회로는 그 구동 전원을 정현파 및 구형파를 사용하기 때문에 직선성이 좋지 않다. 나아가 기존 의 구동회로는 아날로그방식의 회로이므로 회로의 소형화에 한계를 가지며, 측정된 방위각 값을 디지털 소자들(예컨대, 메모리, CPU 등)에서 곧바로 사용할 수 없는 제약을 가진다.

본 발명의 목적은 나침반의 핵심적인 사항인 방위각의 정확도를 대폭 개선할 수 있으며, 불편한 아날로그 출력이 아닌 디지털 출력을 하여 실제 사용이 쉽고, AD컨버터 등 주변회로를 삭감하고, 방위각 오차에 대한 보정을 추가 비용이 들지 않는 소프트웨어적으로 용이하게 할 수 있게 하여 시스템 구성에 원가 절감의 효과도 가져올 수 있는 플럭스게이트형 지자기센서의 구동회로를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 소정의 기기에 장착되어 그 기기가 현재 지향하고 있는 방위각을 검출되는 지자기의 크기를 이용하여 산출해주기 위한 지자기센서 구동회로로서, x, y, z 세 방향으로 적어도 하나씩 배치된 플럭스게이트형 지자기센서들을 포함하며, 각 지자기센서는 구동신호가 입력되면 자신의 놓여진 방위에 대응하는 간격으로 검출신호들을 출력하도록 구성된 지자기센서부; 상기 각 지자기센서가 생성하는 검출신호들을 입력받아 그 검출신호들간의 간격의 시작시점과 종료시점을 식별할 수 있는 타이밍마크신호를 생성하는 타이밍마크부; 상기 타이밍마크신호를 입력받아 상기 시작시점과 상기 종료시점 간의 시간을 측정하고 그 값을 디지털 값으로 변환하여 출력하는 시간-디지털 변환기; 및 제공되는 타이밍펄스를 이용하여 교류의 구동신호를 만들어 상기 각 지자기센서의 구동코일에 제공하는 신호발생기를 구비하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로가 제공된다.

상기 구동회로는, 상기 기기를 xy-평면상에서 1도 이하의 단위로 방위각 D_xy을 변경시키면서 각 방위각마다 실측을 하여 얻은, x방향 지자기센서와 y방향 지자기센서의 출력신호에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력 데이터와 그에 대응하는 방위각 데이터의 관계를 제1 룩업테이블로 저장하고, 상기 기기를 상기 xy-평면에 대해 법선방향인 z축 방향에 대하여 1도 이하의 단위로 기울이면서 각 경사각마다 실측을 하여 얻은, z방향 지자기센서의 출력신호에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력데이터와 그에 대응하는 방위각 데이터의 관계를 제2 룩업테이블로 저장하는 불휘발성 메모리부; 및 x방향 및 y방향 지자기센서의 출력신호 쌍에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력데이터 쌍을 상기 메모리부의 상기 제1 룩업테이블에 조회하여 가장 근접한 데이터 쌍에 대응하는 방위각 D_xy를 읽어내고, z방향 지자기센서의 출력신호에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력데이터를 상기 메모리부의 상기 제2 룩업테이블에 조회하여 가장 근접한 데이터에 대응하는 방위각 D_z를 읽어내고, 상기 방위각 D_xy와 방위각 D_z를 합산한 값을 제오차가 보상된 현재위치의 방위각 값으로 산출하는 디지털신호처리부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 구동회로는 또한, 상기 시간-디지털 변환기의 출력 데이터를 이용하여 방위각을 측정할 수 있는 외부의 소정자원에 제공하기 위한 인터페이스로직부를 더 구비하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 외부의 소정자원은 메모리부와 중앙연산처리기(CPU)를 포함한다. 이 경우, 메모리부는 상기 불휘발성 메모리에 저장되는 데이터를 동일하게 저장하고, 상기 CPU는 상기 DSP가 하는 역할을 동일하게 수행하도록 구성된다.

각 지자기센서의 구동코일에 제공되는 상기 구동신호는 삼각파 신호인 것이 바람직하다.

상기 지자기센서부는, 일 구성예로서, 서로 직교 배치된 x방향, y방향, z방향의 지구자기의 크기를 상기 검출신호로 출력하는 적어도 세 개의 플럭스게이트 센서들; 제어신호에 따라서 상기 x방향, y방향 및 z방향의 지자기센서의 출력신호를 스위칭하는 멀티플렉서; 및 상기 멀티플렉서를 통해 전달되는 상기 지자기센서부의 검출신호를 증폭하는 증폭기를 구비한 구성일 수 있다.

상기 타이밍마크부는, 일 구성예로서, 상기 각 지자기센서가 생성하는 연속되는 두 검출신호들을 샘플링하여 그 샘플링 된 값들로부터 상기 두 검출신호의 최대치 지점과 최소치 지점을 찾아내는 피크검출기; 및 상기 최대치 지점과 상기 최소치 지점간의 간격을 폭으로 하는 구형파를 생성하여 상기 시간-디지털 변환기에 상기 타이밍마크신호로서 제공하는 펄스발생기를 구비하는 구성일 수 있다. 다른 구성예로서, 상기 타이밍마크부는, 상기 각 지자기센서가 생성하는 연속되는 두 검출신호의 크기의 절대값이 소정크기의 문턱값과 같아지는 제1 시점과 제2 시점을 찾아내는 엣지검출기; 및 상기 제1 시점과 제2 시점에 대응하여 제1 펄스와 제2 펄스를 각각 상기 시간-디지털 변환기로 제공하는 펄스발생기를 구비할 수 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 지자기센서 구동회로(100)를 도시한다. 도 5를 참조하면, 구동회로(100)는 지자기센서부(102)를 갖는다. 지자기센서부(102)는 적어도 3개의 플럭스게이트형 지자기센서(102a, 102b, 102c)를 포함한다. 세 개의 플럭스게이트형 지자기센서(102a, 102b, 102c)는 각각 지구자기의 x축, y축, z축 방향의 성분 Hx, Hy, Hz를 검출하기 위한 것으로서, 서로 직교되도록 배치된다.

플럭스게이트형 지자기센서는 자기유도와 자기이력(hysteresis)을 이용하여 방위각을 산출하기 위한 센서수단이다. 플럭스게이트 센서의 종류는 다양하고 최근에는 예컨대 설치공간의 제약을 크게 받는 휴대폰과 같은 소형의 기기에 적용할 수 있기 위해 반도체 기판 위에 박막기술을 이용하여 만들어지는 집적형 평판 플럭스게이트 센서도 알려진 바 있다. 본 발명은 플럭스게이트 센서의 종류에는 특별한 제한을 받지 않는다. 다만, 휴대폰에 대한 적용을 예로 하여 설명하므로 그에 적합한 플럭스게이트 센서가 바람직하다.

하나의 플럭스게이트 센서의 구조에 따르면, 구동코일과 픽업코일이 상호유도를 일으킬 수 있도록 배치되고 그 구동코일 안에 자기코어가 배치된다. 구동코일에는 여기전류 즉, 구동신호가 공급된다. 도 6은 지자기센서가 장착된 기기의 방위 각에 따라 달라지는 플럭스게이트형 지자기센서의 검출신호의 모습을 나타내는 그래프이다. 각 지자기센서(102a, 102, 103)의 구동코일에 제공되는 구동신호는 주파수 f의 교류전류로서, 본 발명은 특히 도 6의 (a)에 나타낸 것과 같이, 삼각파 교류전류(200)를 이용한다. 구동코일에 삼각파 교류전류(200)를 흘리면 동일주파수의 자계가 자기코어 주변에 생성된다. 그 자계는 자기코어의 비선형적 B-H 특성과 같이 포화된다. 외부자장 즉, 지구자기가 없는 경우에는 B-H 히스테리시스 특성곡선이 도 6의 (b)와 (d)에 도시된 210번 루프처럼 나타난다. 픽업코일에 나타나는 검출신호는 자계의 변화가 있을 때에만 나타나고 자계가 포화상태인 경우에는 나타나지 않는다. 따라서 구동코일에 삼각파 교류전류(200)를 흘릴 때, 픽업코일에 나타나는 검출신호는 도 6의 (c)와 (e)에 점선으로 표시된 파형 (230a, 230b)이 된다.

지자기센서의 구동코일에 교류전류를 흘리면 자기포화가 되고 그 구동코일 공간에서는 유효 투자율이 시간에 따라 변한다. 투자율의 시간변화량은 그 구동코일 근처의 정적인 주변 자계에 있어서 시간변화를 유발한다. 그리고 그 정적인 주변 자계에 비례하는 시변 전압이 픽업코일에 의해 유도될 수 있다. 즉, 자기코어의 비선형 투자율 때문에 픽업코일에 의해 검출된 전압은 여기 주파수 f의 고조파들을 포함하는데, 그 고조파들 중에서 특히 2배의 고조파만이 관심이 있다. 왜냐하면 그 2배의 고조파가 측정되어야 할 외부 자계 H_ex에 비례하기 때문이다.

일반적으로 검출은 주파수 2f에 관해서 행해진다. 왜냐하면 픽업코일에 유 도되는 전압 E_2f는 아래 식과 같이 외부자계 H_ex에 정비례하기 때문이다.

여기서, H_ex는 외부자계의 세기, N은 검출코일의 권선 수, H_m은 구동코일에 전류 I_f를 흘렸을 때 픽업코일의 자계의 값, S는 코어의 단면적, N_dem은 코어의 길이 방향의 반자계 계수, μ'은 코어의 비투자율을 각각 나타낸다.

외부자계 H_ex의 대부분은 지구자계의 성분이다. 그러므로 픽업코일로부터 유도되는 구동전압의 2배의 주파수성분의 전압의 크기를 측정하면 지구자계를 알 수 있다. 지구자계의 세기는 플럭스게이트 센서가 놓인 방위각에 따라 달라지므로 결국 픽업코일의 유도전압 E_2f로부터 방위각 정보를 얻을 수 있다. 플럭스게이트 센서는 자계의 제2 고조파를 사용하기 때문에 감도가 상당히 좋아 자계 검출 범위는 10^-6 ~ 10⁰ G이다.

지자기센서 주변에 외부자장이 존재하면, 지자기센서의 히스테리시스 곡선은 수평으로 이동하게 된다. 하나의 지자기센서를 정북 방향에서 출발하여 360도 회전을 시키면 그 과정에서 지자기센서는 지자계의 크기가 최대값에서 영인 값을 거쳐 최소값까지 변하는 것을 경험하게 된다. 지자기센서가 정남 방향을 향할 때에는 B-H 히스테리시스 특성곡선(220)은 도 6의 (b)에 도시된 것처럼 외부자장(지구자기)이 없을 때에 비해 좌측으로 이동하고, 이에 따라 자계의 변화가 있는 구간(②~③ 구간, ⑤~⑥ 구간)도 우측으로 이동한다. 그리고 이 경우 픽업코일로부터 얻어지는 검출신호(240a와 240b)의 간격은 도 6의 (c)에서 알 수 있듯이 외부자장이 없을 때 픽업코일로부터 얻어지는 검출신호(230a, 230b)의 간격에 비해 더 넓어진다. 이에 비해, 지자기센서가 정북 방향을 향할 때에는 B-H 히스테리시스 특성곡선(250)은 도 6의 (d)에 도시된 것처럼 외부자장(지구자기)이 없을 때에 비해 우측으로 이동한다. 이에 따라 자계의 변화가 있는 구간(②~③ 구간, ⑤~⑥ 구간)은 우측으로 이동하게 되고, 그 결과 도 6의 (e)에 표시된 파형도에서 알 수 있듯이 이 경우 지자기센서의 픽업코일로부터 얻어지는 검출신호(260a, 260b)는 외부자장이 없을 때 픽업코일로부터 얻어지는 검출신호(230a, 230b)의 간격에 비해 더 좁아진다.

도 7은 지자기센서가 장착된 기기의 경사각에 따라 영향을 받는 플럭스게이트형 지자기센서의 검출신호의 모습을 나타내는 그래프이다. 도 6의 (c)와 (e)에 나타낸 x방향과 y방향 지자기센서(102a, 102b)의 검출신호의 간격은 지자기센서가 장착된 휴대폰이 xy 평면에 수평인 상태인 경우일 때의 것으로서, 만약 그 휴대폰이 xy 평면을 기준으로 기울어진 경우에는 도 7에 도시된 것처럼 x방향과 y방향 지자기센서(102a, 102b)의 검출신호의 간격은 좁아지거나 넓어진다. 검출신호의 간격의 변동량은 휴대폰의 경사각도에 대응된다.

이로부터, 지자기센서의 픽업코일로부터 얻어지는 검출신호의 간격은 히스테리시스 곡선(B-H 특성곡선)이 왼쪽으로 이동함에 따라 점점 넓어지는 반면, 오른쪽으로 이동하게 되면 점점 좁아진다. 히스테리시스 곡선의 이동은 외부자장인 지자계의 크기에 따른 것이고, 지자계의 크기는 지자기센서가 놓이는 방위각에 따라 결 정되는 것이므로 결국 픽업코일의 검출신호의 간격은 지자기센서가 놓이는 방위각에 대응되는 값이다. 그러므로 xy 평면에 수직되게 배치된 x방향 지자기센서(102a)와 y방향 지자기센서(102b)는 그 어느 하나가 정북 방향을 향하면 나머지 하나는 정동 방향을 향하는 관계가 될 것이고 이들 두 지자기센서(102a, 102b)의 픽업코일로부터 얻어지는 검출신호의 간격의 조합은 하나의 방위각과 일 대 일로 대응된다. 나아가 z방향 지자기센서(102c)의 픽업코일로부터 얻어지는 검출신호의 간격은 지자기센서의 xy 평면의 법선방향에 대한 경사각과 일 대 일로 대응된다. 그러므로 세 방향의 플럭스게이트형 지자기센서(102a, 102b, 102c)가 제공하는 검출신호는 세 개의 지자기센서들이 장착된 기기 예컨대 휴대폰의 방위각 정보와 경사각 정보를 제공해줄 수 있다.

지자기센서부(102)는 또한 세 방향의 지자기센서(102a, 102b, 102c)의 각 검출신호를 외부에서 제공되는 선택신호에 의해 스위칭하기 위한 멀티플렉서(104)와, 이 멀티플렉서(104)를 통해 출력되는 각 지자기센서들의 검출신호를 증폭하는 증폭기(106)를 갖는다.

지자기센서(102a, 102b, 102c)가 검출신호를 생성하기 위해서는 구동코일에 교류의 구동신호가 제공되어야 한다. 이를 위해 구동회로는 지자기센서(102a, 102b, 102c)의 각 구동코일에 구동신호를 제공하는 신호발생기(112)를 갖는다. 이 신호발생기(112)는 삼각파를 구동신호로서 제공한다. 삼각파가 정현파에 비해 직선성이 우수하기 때문에 본 발명은 종래와는 달리 삼각파를 구동신호로서 이용한다. 보다 구체적으로 설명하면, 신호발생기(112)는 일예로 20 KHz, 2V_pp의 삼각파신호를 발생한다. 플럭스게이트 센서의 구동코일에 제공하는 여기전류는 종래에는 정현파를 이용하였지만 본 발명은 삼각파를 이용한다. 삼각파를 이용하는 이유는 정현파에 비해 직선성이 좋기 때문이다. 종래의 지자기센서의 구동회로에서 출력은 대부분 적분회로를 사용하여 DC 전압의 변화로 지자기의 방위를 계산하는 데 사용되어 왔다. 따라서 정밀도가 높지 않았기 때문에 구동 신호로 정현파를 사용하는 데 별 문제가 없었다. 그러나 본 발명의 구동회로는 지자기센서에서 출력되는 피크를 적분하지 않고 시간-디지털 변환기(Time to Digital Converter: TDC) 회로(후술함)를 이용함으로써 정현파 보다 더 정밀하게 출력을 계산해 낼 수 있기 때문에 구동 신호로 정현파 보다는 삼각파를 사용하는 것이 더 알맞다. 도 8과 9를 참조하면, 도 8에서 삼각파는 피크의 이동이 전 구간에 걸쳐 등간격으로 출력하지만, 도 9에서 정현파는 파형이 변함에 따라 중간 정도의 진폭 구간에서는 간격이 넓어지고 상위 진폭 구간에서는 좁아지기 때문에 등간격이 되지 못하여 중간 값을 계산하는데 더 많은 시간이 필요하게 된다.

신호발생기(112)가 삼각파를 만드는 데 필요한 타이밍 펄스는 외부 시스템 예컨대 휴대폰의 타이밍로직으로부터 제공되거나 혹은 자체의 발진기가 제공하는 기준클럭을 이용하여 타이밍 펄스를 만드는 별도의 타이밍로직(116)을 구비할 수도 있다. 이러한 타이밍펄스는 신호발생기(112) 뿐만 아니라 멀티플렉서(104) 등 구동회로(100)의 다른 구성요소도 필요로 그 신호를 필요로 하는 요소에 제공될 수 있 도록 회로가 구성될 필요가 있다.

도 5를 다시 참조하면, 증폭기(106)의 출력단에는 타이밍마크부(108)와 시간-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter: TDC)(110)가 종속 연결된다. 타이밍마크부(108)는 지자기센서부(102)의 각 지자기센서(102a, 102b, 102c)가 생성하는 검출신호들을 순차적으로 입력받아 TDC(110)의 입력신호로 변환해준다. TDC(110)는 재고자 하는 두 시간정보를 가지고 있는 로직신호(이를 타이밍마크라 한다)를 필요로 한다. 즉, 기준시점과 원하는 사건이 발생한 시점을 정확히 나타내는 두 타이밍마크가 TDC(110)에 제공되어야 한다. 즉, 타이밍마크부(108)는 각 지자기센서의 검출신호들의 간격(예컨대 검출신호 240a와 240b의 간격 또는 검출신호 260a와 260b의 간격)의 시작시점과 종료시점을 식별할 수 있는 타이밍마크신호를 생성한다.

타이밍마크부(108)는, 예시적 구성으로서, 피크검출기(비도시)와 펄스발생기(비도시)로서 구성할 수 있다. 피크검출기는 증폭기(106)를 통해 전달받는 각 지자기센서(102a, 102b, 102c)의 두 검출신호(예컨대 검출신호 240a와 240b의 간격 또는 검출신호 260a와 260b)를 2MHz로 샘플링하고 샘플링하여 그 샘플링 된 값들로부터 상기 두 검출신호의 최대치 지점과 최소치 지점을 찾아내도록 구성한다. 그리고 펄스발생기는 피크발생기가 찾은 상기 최대치 지점과 상기 최소치 지점간의 간격을 폭으로 하는 구형파를 생성하여 TDC(110)에 타이밍마크신호로서 제공한다. 즉, 펄스발생기는 검출신호의 피크값에 따라서 구형파를 발생하는데, 플러스 피크가 올 때는 구형파의 상승엣지(rising edge)로 변환하고 마이너스 피크가 올 때 이를 하강엣지(falling edge)로 변환한다.

타이밍마크부(108)의 다른 예시적인 구성으로서, 타이밍마크부(108)는 엣지검출기(비도시)와 펄스발생기(비도시)를 이용하여 구성할 수 있다. 즉, 엣지검출기는 각 지자기센서가 생성하는 연속되는 두 검출신호(예컨대 검출신호 240a와 240b의 간격 또는 검출신호 260a와 260b)의 크기의 절대값이 소정크기의 문턱값과 같아지는 제1 시점과 제2 시점을 찾아내도록 구성하고, 펄스발생기는 그 찾아진 제1 시점과 제2 시점에 대응하여 제1 펄스와 제2 펄스를 각각 TDC(110)로 제공하도록 구성하면 된다. 또 다른 예로서, 증폭기(106)에서 출력크기를 TDC 회로에 알맞도록 적절히 조정하여 피크검출기를 두지 않고 그 출력 그대로 플러스 피크를 시작 시점으로 하고 마이너스 피크를 종료 시점으로 한다. TDC(110)는 그 최대값을 시작점으로 하고, 그 최소값을 종료점으로 하여 그 시작점과 종료점 사이의 시간을 정북일 때의 값( 최소 시간 간격 )부터 정남일 때의 값( 최대 시간 간격 ) 까지를 예컨대 360 등분한 디지털 데이터를 출력한다.

TDC(110)는 타이밍마크부(108)가 제공하는 두 개의 타이밍마크신호를 입력받아 그 신호의 시작시점과 종료시점 간의 시간을 측정하여 그 값을 디지털 값으로 변환하여 출력한다. 예컨대 타이밍마크신호가 구형파 형태로 제공되면 그 구형파의 상승엣지와 하강엣지 사이의 시간을 디지털값으로 변환하여 출력한다. 예컨대 타이밍마크신호가 양의 펄스신호와 음의 펄스신호 형태로 제공되면 양의 펄스신호의 입력시점부터 음의 펄스신호가 입력되는 시점까지 시간을 카운트하여 그 카운트된 시간에 대응하는 디지털 값을 출력한다. 따라서 지자기센서부(102)가 장착된 휴대폰을 어떤 방위각과 경사각으로 위치시키면, 그 상태의 지구자계의 x, y, z의 세 방 향의 크기에 대응 디지털 값 H_x, H_y, H_z이 TDC(110)로부터 얻어질 수 있다. 지금까지 알려진 TDC의 구현방식에는 클럭을 직접 세는 방식과 디지털 및 아날로그 보간법 등이 있다. 각각의 방식은 해상도와 측정범위 그리고 선형성 등에서 다른 특성을 갖고 있다. 알려진 TDC들 중에서 적절한 것을 선택하여 본 발명에 채용하면 되므로, 여기서는 TDC(110)의 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이제 TDC(110)의 출력 데이터 H_x, H_y, H_z로부터 지자기센서가 장착된 기기 예컨대 휴대폰의 현재 상태의 방위각을 산출하여야 한다. 방위각 산출을 위한 한 가지 방안으로서, 구동회로(100)가 직접 방위각을 산출하기 위한 구성요소들을 구비할 수도 있다. 이를 위해 구동회로(100)는 디지털신호처리기(118)와 불휘발성 메모리(120)를 더 갖는다. 불휘발성 메모리(120)에는 제1 룩업테이블과 제2 룩업테이블이 미리 구축될 필요가 있다. 이들 룩업테이블에 저장되는 데이터는 지자기센서가 장착된 기기인 예컨대 휴대폰을 가지고 실제로 측정한 데이터이다. 제1 룩업테이블은 x방향 지자기센서(102a)와 y방향 지자기센서(102b)의 출력신호에 대응하는 TDC(110)의 출력 데이터와 그에 대응하는 방위각 데이터의 관계를 아래 표 1과 같이 정의한다. 이를 위해, 휴대폰을 xy-평면상에서 1도 이하의 단위로 방위각 D_xy을 변경시키면서 각 방위각마다 x방향 지자기센서(102a)와 y방향 지자기센서(102b)의 출력신호에 대응하는 TDC(110)의 출력데이터를 실측하여 메모리(120)에 제1 룩업테이블 형태로 저장한다. 제2 룩업테이블은 z방향 지자기센서(102c)의 출력신호에 대응하는 TDC(110)의 출력데이터와 그에 대응하는 방위각 데이터의 관계를 아래 표 2 와 같이 정의한다. 이를 위해, 휴대폰을 xy-평면에 대해 법선방향인 z축 방향에 대하여 1도 이하의 단위로 기울이면서 각 경사각마다 z방향 지자기센서(102c)의 출력신호에 대응하는 TDC(110)의 출력데이터를 실측하여 메모리(120)에 제2 룩업테이블 형태로 저장한다. 참고로, 플래쉬메모리나 EEPROM과 같은 불휘발성 메모리를 메모리(120)로 사용할 수 있다.

룩업테이블의 데이터를 확보하는 절차를 좀 더 구체적으로 설명한다. 우선, 실측을 통하여 미리 방위각의 오차 보정량을 확보하는 작업을 하여야 한다. 방위각 보정량을 확보하기 위해, 요구되는 방위각 정밀도에 따라서 본 발명이 적용될 장치, 예컨대 특정 모델의 휴대폰에 대하여 실측한 방위각 데이터를 확보하여 룩업테이블(look up table)의 형태로 메모리(120)에 저장해둔다. 즉, 특정 모델의 휴대폰에 대하여 X 및 Y 축에 대해서는 수평을 유지한 채 360도 회전 하면서 예컨대 1도 또는 그 이상 또는 이하의 단위로 실측을 하여 그 모델의 휴대폰용의 제1 룩업테이블을 만들고(표 1 ), Z 축에 대해서는 예컨대 +45도에서 -45도 까지 기울기기를 주면서 예컨대 1도 이하의 단위로 실측하여 마찬가지로 그 모델의 휴대폰용의 제2 룩업테이블(표 2)을 만든다. 여기서, 경사각도 +45도 ~ -45도는 휴대폰의 통상적인 사용양태를 고려할 때 이 정도의 경사각을 벗어나서 방위각을 측정하지는 않을 것으로 볼 수 있기에 이 범위로 정한 것이므로, 필요에 따라서 경사각의 범위는 다르게 설정할 수 있다.

[표 1] XY축 룩업테이블

H'_x의 값	H'_y의 값	방위각 D_xy
9비트 데이터	9비트 데이터	0˚ (000000000)
9비트 데이터	9비트 데이터	1˚ (000000001)
9비트 데이터	9비트 데이터	2˚ (000000010)
9비트 데이터	9비트 데이터	3˚ (000000011)
9비트 데이터	9비트 데이터	4˚ (000000100)
		....
		....
9비트 데이터	9비트 데이터	359˚ (101100111)

표 1에서 H_x와 H_y 데이터의 값은 방위각의 정도에 따라 비트(bit) 수는 달라진다. 예컨대 360도의 방위를 256등분하면 8 bit로 표현될 수 있지만, 1도 단위의 360등분한다면 9 bit 가 필요하다. 또한 이 데이터 값은 구동회로로부터 읽혀지는 값으로 어떤 특정 모델의 휴대폰에 대하여 맨 처음에 한번은 측정하여 이렇게 룩업테이블의 형태로 만들어져야 한다.

그런데 표 1의 방위각 값은 그 특정 모델 휴대폰 고유의 오차 예컨대 휴대폰 부품의 특성과 배치 등에 따른 자계영향으로 인한 오차는 보상되었지만 경사오차는 보상되지 않은 값이다. 즉, 표 1의 방위각 값은 휴대폰을 수평으로 위치시킨 경우에는 정확하지만 휴대폰을 수평이 아닌 위아래로 기울어지게 위치시킨 경우에는 오차가 포함될 수 있다. 따라서 경사오차를 보정하기 위한 데이터를 별도로 확보할 필요가 있다. 그것이 바로 표 2의 Z축 룩업테이블이다.

[표 2] Z축 룩업테이블

H'_z 값	방위각 D_z
7비트 데이터	-45˚ (1101101)
7비트 데이터	-44˚ (1101100)
7비트 데이터	-43˚ (1101011)
.....	.....
7비트 데이터	0˚ (0000000)
.....	.....
7비트 데이터	43˚ (0101011)
7비트 데이터	44˚ (0101100)
7비트 데이터	45˚ (0101101)

표 2에서, H_z 의 데이터는 본 발명의 전자나침반 구동회로(100)가 장착된 휴대폰을 상하로 예컨대 -45도에서 +45도까지 예컨대 1도 단위로 경사각도를 변경시키면서 그 때마다 Z의 값을 읽는다. 1도 단위로 측정할 경우 총 90가지이므로 7 bit 면 충분하며 첫 번째 비트는 부호 비트 ( 1은 마이너스, 0은 플러스 )로 활용한다. 이렇게 확보한 H'_x, H'_y, H'_z값에 대응되는 방위각 데이터는 내부 또는 외부 메모리(120)에 저장된다.

한편, TDC(110)에서 출력되는 디지털 데이터는 그 자체가 지자기센서부(102)가 장착된 기기인 휴대폰의 방위각 및 경사각은 아니고 방위각에 '대응하는' 값(H_x, H_y, H_z)이다. 실제 방위각 데이터는 DSP(118)가 메모리(120)에 저장된 룩업테이블을 참조하여 산출한 값이다. 즉, DSP(118)는 TDC(110)를 통해 세 방향의 플럭스게이트센서(102a, 102b, 102c)가 측정한 H_x, H_y, H_z값을 이용하여 그 값에 대응되는 방위각 값을 메모리(120)로부터 읽어내어 정확한 방위각을 산출한다. 좀더 구체적으로 설명하면, 사용자가 원하는 방향으로 휴대폰을 위치시키고 그 상태의 방위각을 알고자 하는 요청이 해오면, DSP(118)는 x축 방향 플럭스게이트센서(102a)와 y축 방향 플럭스게이트센서(102b)가 출력한 검출신호에 대응되는 TDC(110)의 출력데이터 H_x, H_y을 TDC(110)로부터 제공받고, 메모리(120)에 저장된 표 1의 룩업테이블에서 그 H_x, H_y 값에 가장 근접한 데이터쌍(H'_x, H'_y)에 대응되는 방위각 D_xy를 찾아낸다. 방위각 D_xy에는 휴대폰의 경사각에 의한 오차가 포함되어 있으므로 이를 보상한 값을 구할 필요가 있다. DSP(118)는 이를 위해 z축 방향 플럭스게이트센서(102c)가 출력한 검출신호에 대응되는 TDC(110)의 출력데이터 H_z을 TDC(110)로부터 제공받고, 메모리(120)에 저장된 표 2의 룩업테이블에서 그 값에 가장 가까운 H'_z값에 대응되는 방위각 D_z를 찾아서 읽어 들인다. 앞서 찾아낸 방위각 D_xy에 이 값 D_z를 더한 값 D_r (D_r = D_xy+ D_z)을 휴대폰의 현재상태의 방위각으로 산출한다. 이렇게 산출된 방위각은 실제로 원하는 정확한 방위각 즉, 오차가 보상된 방위각의 값이 된다. 왜냐하면, 메모리(120)에 저장된 제1 및 제2 룩업테이블의 TDC(110) 출력데이터(H_x, H_y, H_z)-방위각(D_xy,D_z)은 실측에 의해 얻어진 데이터이므로 모든 오차요소가 이미 반영되어 있기 때문이다.

TDC(110)의 출력 데이터 H_x, H_y, H_z를 이용하여 방위각을 산출하는 다른 방법으로서, 구동회로(100)는 메모리(120)와 DSP(118)를 구비하지 않는 대신에, 지자기센서부(102)가 장착되는 기기인 휴대폰의 메모리와 CPU를 활용하는 방법이 가능하다. 이 방법에 따르면, 구동회로(100)가 더 간단하게 구성되고 자원의 효율적인 활용이 가능하다. 이를 위해 휴대폰의 메모리에 위에서 설명한 제1 및 제2 룩업테이블을 미리 저장해두고, TDC(110)의 출력 데이터 H_x, H_y, H_z는 인터페이스로직(114)을 통해 예컨대 9~8 bit 디지털데이터의 형태로 지자기센서가 장착된 기기 예 컨대 휴대폰의 CPU(비도시)에 제공되도록 한다. 그리고 그 CPU는 앞서 설명한 DSP(118)가 하는 기능을 그대로 실행함으로써 원하는 방위각을 산출할 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전자나침반은 그 정확도가 ±1도 이내의 오차범위를 갖는다. 또한 디지털 출력을 함으로써 외부에 ADC 회로 등을 추가하지 않아도 되며, 사용의 편리함 뿐만아니라 기존의 구동회로보다 현저히 원가 절감을 가져올 수 있다.

Claims

소정의 기기에 장착되어 그 기기가 현재 지향하고 있는 방위각을 검출되는 지자기의 크기를 이용하여 산출해주기 위한 지자기센서 구동회로로서,

x, y, z 세 방향으로 적어도 하나씩 배치된 플럭스게이트형 지자기센서들을 포함하며, 각 지자기센서는 구동신호가 입력되면 자신의 놓여진 방위에 대응하는 간격으로 검출신호들을 출력하도록 구성된 지자기센서부;

상기 각 지자기센서가 생성하는 검출신호들을 입력받아 그 검출신호들간의 간격의 시작시점과 종료시점을 식별할 수 있는 타이밍마크신호를 생성하는 타이밍마크부;

상기 타이밍마크신호를 입력받아 상기 시작시점과 상기 종료시점 간의 시간을 측정하고 그 값을 디지털 값으로 변환하여 출력하는 시간-디지털 변환기; 및

제공되는 타이밍펄스를 이용하여 교류의 구동신호를 만들어 상기 각 지자기센서의 구동코일에 제공하는 신호발생기를 구비하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로.
제 1항에 있어서,

상기 기기를 xy-평면상에서 1도 이하의 단위로 방위각 D_xy을 변경시키면서 각 방위각마다 실측을 하여 얻은, x방향 지자기센서와 y방향 지자기센서의 출력신 호에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력 데이터와 그에 대응하는 방위각 데이터의 관계를 제1 룩업테이블로 저장하고, 상기 기기를 상기 xy-평면에 대해 법선방향인 z축 방향에 대하여 1도 이하의 단위로 기울이면서 각 경사각마다 실측을 하여 얻은, z방향 지자기센서의 출력신호에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력데이터와 그에 대응하는 방위각 데이터의 관계를 제2 룩업테이블로 저장하는 불휘발성 메모리부; 및

x방향 및 y방향 지자기센서의 출력신호 쌍에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력데이터 쌍을 상기 메모리부의 상기 제1 룩업테이블에 조회하여 가장 근접한 데이터 쌍에 대응하는 방위각 D_xy를 읽어내고, z방향 지자기센서의 출력신호에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력데이터를 상기 메모리부의 상기 제2 룩업테이블에 조회하여 가장 근접한 데이터에 대응하는 방위각 D_z를 읽어내고, 상기 방위각 D_xy와 방위각 D_z를 합산한 값을 제오차가 보상된 현재위치의 방위각 값으로 산출하는 디지털신호처리부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로.
제 1항에 있어서, 상기 시간-디지털 변환기의 출력 데이터를 이용하여 방위각을 측정할 수 있는 외부의 소정자원에 제공하기 위한 인터페이스로직부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로.
제 3항에 있어서, 상기 외부의 소정자원은 불휘발성 메모리부와 중앙연산처리기(CPU)를 포함하며,

상기 불휘발성 메모리는 상기 기기를 xy-평면상에서 1도 이하의 단위로 방위각 D_xy을 변경시키면서 각 방위각마다 실측을 하여 얻은, x방향 지자기센서와 y방향 지자기센서의 출력신호에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력 데이터와 그에 대응하는 방위각 데이터의 관계를 제1 룩업테이블로 저장하고, 상기 기기를 상기 xy-평면에 대해 법선방향인 z축 방향에 대하여 1도 이하의 단위로 기울이면서 각 경사각마다 실측을 하여 얻은, z방향 지자기센서의 출력신호에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력데이터와 그에 대응하는 방위각 데이터의 관계를 제2 룩업테이블로 저장하며,

상기 중앙연산처리기는 x방향 및 y방향 지자기센서의 출력신호 쌍에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력데이터 쌍을 상기 메모리부의 상기 제1 룩업테이블에 조회하여 가장 근접한 데이터 쌍에 대응하는 방위각 D_xy를 읽어내고, z방향 지자기센서의 출력신호에 대응하는 상기 시간-디지털 변환기의 출력데이터를 상기 메모리부의 상기 제2 룩업테이블에 조회하여 가장 근접한 데이터에 대응하는 방위각 D_z를 읽어내고, 상기 방위각 D_xy와 방위각 D_z를 합산한 값을 제오차가 보상된 현재위치의 방위각 값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로.
제 1항에 있어서, 상기 구동신호는 삼각파 신호인 것을 특징으로 하는 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로.
제 1항에 있어서, 상기 지자기센서부는,

서로 직교 배치된 x방향, y방향, z방향의 지구자기의 크기를 상기 검출신호로 출력하는 적어도 세 개의 플럭스게이트 센서들;

제어신호에 따라서 상기 x방향, y방향 및 z방향의 지자기센서의 출력신호를 스위칭하는 멀티플렉서; 및

상기 멀티플렉서를 통해 전달되는 상기 지자기센서부의 검출신호를 증폭하는 증폭기를 구비하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로.
제 1항에 있어서, 상기 타이밍마크부는,

상기 각 지자기센서가 생성하는 연속되는 두 검출신호들을 샘플링하여 그 샘플링 된 값들로부터 상기 두 검출신호의 최대치 지점과 최소치 지점을 찾아내는 피크검출기; 및 상기 최대치 지점과 상기 최소치 지점간의 간격을 폭으로 하는 구형파를 생성하여 상기 시간-디지털 변환기에 상기 타이밍마크신호로서 제공하는 펄스발생기를 구비하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로.
제 1항에 있어서, 상기 타이밍마크부는,

상기 각 지자기센서가 생성하는 연속되는 두 검출신호의 크기의 절대값이 소 정크기의 문턱값과 같아지는 제1 시점과 제2 시점을 찾아내는 엣지검출기; 및 상기 제1 시점과 제2 시점에 대응하여 제1 펄스와 제2 펄스를 각각 상기 시간-디지털 변환기로 제공하는 펄스발생기를 구비하는 것을 특징을 하는 플럭스게이트형 지자기센서 구동회로.