KR20160100088A - 자이로센서의 구동장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서의 구동장치는 자이로센서에서 출력되는 구동변위신호에 기초하여 제 1 클럭신호를 생성하는 구동회로, 상기 자이로센서의 초기 구동을 위해 스타트신호를 생성하는 오실레이터, 상기 자이로센서의 구동상태를 판단하고 상기 구동상태 판단에 따라 셀렉트신호를 생성하는 공진판단기 및 상기 셀렉트신호에 따라 상기 제 1 클럭신호 또는 상기 스타트신호 중 어느 하나를 선택적으로 상기 구동회로에 전송하는 신호전달기를 포함하며, 상기 구동회로는 상기 신호전달기의 전송신호에 기초하여 상기 자이로센서의 구동을 위한 구동신호를 생성한다.

Description

자이로센서의 구동장치 및 그 제어방법{Apparatus and Method for driving gyro sensor}

본 발명은 자이로센서의 구동장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

최근 개발되고 있는 모바일 기기에는 외부로부터 인가되는 관성 입력을 이용한 관성 센서(가속도센서, 자이로센서 또는 지자기 센서등)들이 탑재되어 출시되는 것이 일반적이며, 자이로센서는 물체의 회전력이 인가되는 양을 검출하여 해당 각속도를 측정할 수 있는 센서이다. 각속도는 코리올리 힘 "F = 2mΩV"에 의해서 구해질 수 있으며 여기서 m은 센서 Mass의 질량이고, Ω는 측정하고자 하는 각속도이며 V는 센서 Mass의 운동 속도이다.

도 1은 자이로센서의 각속도 검출 원리를 나타내고 있는바, X 방향으로 센서의 Mass가 공진을 하고 Z 방향으로 회전력이 인가될 때 Y 방향으로 코리올리 힘이 발생하여 해당 신호를 전기적 신호로 변환하며, 상기 변환된 신호는 자이로센서의 제어회로로부터 소정의 신호처리 과정을 통해, 각속도에 대한 관성력을 검출하는바, 안정적인 관성입력을 검출하기 위해서는 자이로센서의 Mass를 항상 안정적으로 공진 시키는 것이 매우 중요하다.

그리고, 자이로센서의 Mass를 안정적으로 공진하기 위해서는 Mass 공진 진폭 제어와 위상 제어가 중요하다. Mass 공진 진폭 제어는 Mass가 항상 일정한 진폭으로 공진을 할 수 있도록 제어하는 것이다. 또한, 위상 제어는 제어회로에서 Mass를 공진 시키기 위해 생성하는 구동신호와 Mass를 통해 생성되는 구동변위신호의 위상차가 항상 일정하게 유지될 수 있도록 제어하는 것이다.

JP 2004212111 A

본 발명의 일실시예는 자이로센서의 구동매스를 신속하게 공진시키기 위한 것으로, 오실레이터 및 공진판단기를 통해 초기구동시 스타트신호를 기초로 하는 구동신호를 자이로센서의 구동매스에 인가함으로써, 정지상태에서 공진상태로 도달하는 시간을 단축함과 동시에 안정적으로 초기구동할 수 있는 자이로센서의 구동장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서의 구동장치는 자이로센서에서 출력되는 구동변위신호에 기초하여 제 1 클럭신호를 생성하는 구동회로, 상기 자이로센서의 초기 구동을 위해 주파수가 가변되는 스타트신호를 생성하는 오실레이터, 상기 구동변위신호에 기초로 생성된 제 2 클럭신호의 주파수 또는 진폭을 이용하여 상기 자이로센서의 구동상태를 판단하고 상기 구동상태 판단에 따라 셀렉트신호를 생성하는 공진판단기 및 상기 셀렉트신호에 따라 상기 제 1 클럭신호 또는 상기 스타트신호 중 어느 하나를 선택적으로 상기 구동회로에 전송하는 신호전달기를 포함하며, 상기 구동회로는 상기 신호전달기의 전송신호에 기초하여 상기 자이로센서의 구동을 위한 구동신호를 생성한다.

본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서의 제어방법은 자이로센서의 초기구동을 위해 생성된 스타트신호를 선택하는 셀렉트신호의 제어에 따라 신호전달기를 통해 구동회로로 전송하는 단계, 상기 신호전달기의 출력신호를 기초로 생성된 구동신호를 상기 자이로센서에 인가하며 상기 자이로센서에서 출력되는 구동변위신호에 기초하여 제 1 클럭신호를 생성하는 단계 및 상기 구동변위신호에 기초로 생성된 제 2 클럭신호의 주파수 또는 진폭을 이용하여 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는지 판단하며 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는 경우 상기 제1 클럭신호를 기초로 상기 구동신호를 생성하는 단계를 포함한다.

도 1은 자이로센서의 구동원리를 도시한 도면이다.
도 2은 공진주파수지점에서 자이로센서의 출력을 나타낸 그래프이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서 구동장치를 도시한 블록도이다.
도 4은 본 발명의 일실시예의 제 2 클럭신호가 생성되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 오실레이터를 도시한 회로도이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일실시예에서 가변전류원과 바이어스전압의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 6의 (b)는 바이어스전압과 스타트신호 주파수의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서의 제어방법을 도시한 도면이다.

본 발명의 일실시예는 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 구동변위신호등은 전압 또는 전류의 형태로 표현될 수 있다.

자이로센서(10)는 구동매스(미도시)를 포함하여, 공간상에 위치한 3개의 축 방향의 각속도를 검출할 수 있는 센서이다. 자이로센서(10)는 여러 가지 타입이 있는데, 회전형, 진동형, 유체식, 광학식 등이 있으며, 모바일 제품으로는 진동형이 현재 많이 쓰이고 있다. 진동형 센서는 압전 방식과 정전 용량 방식으로 크게 두 가지 종류로 나눌 수 있다.

구동회로(100)로부터 인가된 구동신호(펄스파)는 자이로센서(10)의 구동매스(미도시)을 진동시키고, 상기 진동에 의해, 구동변위신호(사인파)가 발생한다. 여기서, 상기 구동신호에 의해 구동매스(미도시)가 공진하기 위한 조건은 구동신호와 구동변위신호의 위상차가 90°이어야 한다.

도 2 에 도시된 바와 같이 자이로센서(10)의 구동매스에 인가되는 구동신호의 공진주파수에서는 작은 구동신호의 크기에도 상기 구동매스(미도시)에 큰 움직임이 발생하여, 크기가 큰 구동변위신호를 얻을 수 있다. 따라서, 자이로센서(10)로 부터 큰 출력을 얻기 위해서는 상기 구동매스를 신속하고 안정적으로 공진 시키는 것이 중요하다.

더욱 상세하게 공진상태를 설명하면, 공진은 특정 주파수에서 큰 진폭으로 진동하는 현상을 의미하며, 이때의 주파수를 공진주파수라고 한다. 자이로센서(10)에서 두 평행한 전극에 전압을 인가할 경우, 압전 방식은 압전물질의 스트레스가 발생되어 두 전극의 간격을 움직이게 되고, 정전용량 방식은 + 전하와 - 전하가 서로 밀거나 끌어당기는 힘에 의해 전극이 움직인다.

하지만, 전압을 인가하여도 무조건적으로 자이로센서(10)의 구동매스가 크게 움직이는 것은 아니며, 자이로센서(10)의 전극에 인가되는 구동전압의 주파수와 자이로센서(10)의 매스(mass)의 주파수가 일치하는 경우, 구동매스가 진동하여 자이로센서(10)의 구동이 공진상태에 도달하게 된다. 이때, 자이로센서(10)는 코리올리 출력을 발생하게 되고, 자이로센서(10)의 구동변위신호는 차지앰프(110,Charge Amp) 및 위상변환기(120,Phase Shifter)를 거쳐 제 1 클럭신호로 변환되고, 자이로센서(10)의 구동신호로 인가되면서 폐루프(Close Loop)를 형성하게 된다.

다만, 폐루프가 형성되었다고 해서 반드시 자이로센서(10)가 공진하는 것은 아니며, 공진할 수 있는 신호, 즉 구동매스를 진동시키는 신호가 인가되어야 공진할 수 있는 루프가 만들어진다. 자이로센서(10)를 포함하는 회로는 이상적인 것이 아니기 때문에, 각 부분별로 오프셋(Offset)이 존재한다. 따라서 이러한 오프셋(Offset)을 넘는 수준의 신호가 인가되어야 공진 루프가 형성되고, 자이로센서(10)의 구동이 공진상태에 도달하게 된다.

자이로센서(10)는 회로의 노이즈나 처음 VDD를 인가 시 발생하는 신호에 의해 공진되지만, 회로의 오프셋이 큰 경우 자이로센서(10)는 공진을 못할 수도 있다. 또한, 자이로센서(10)가 구동하지 않는 슬립 모드(Sleep mode)에서 구동하는 액티브 모드(Active mode)로 변환될 때, 자이로센서(10)의 구동이 공진상태에 도달하기까지 많은 시간을 필요로 하는 경우가 생길 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시예의 자이로센서(10) 구동장치는 공진이 불가능한 경우 또는 공진상태에 도달하기까지 많은 시간이 소요되는 경우에, 구동회로(100) 및 스타트회로(200)를 통하여 자이로센서(10)의 구동이 신속하고 안정적으로 공진상태에 도달할 수 있게 도와주는 기능을 수행한다.

도 3 는 본 발명의 일실시예의 전체 시스템에 대한 블록도를 도시한 도면이다. 본 발명의 일실시예의 자이로센서(10)의 구동장치는 자이로센서(10), 구동회로(100), 스타트회로(200) 및 신호전달기(300)를 포함한다.

구동회로(100)는 자이로센서(10)에서 출력되는 구동변위신호를 변환하여 제 1 클럭신호를 생성하며, 상기 자이로센서(10)에 인가되는 구동신호를 생성한다. 구체적으로 구동변위신호를 전압신호 형태로 변환하고 위상을 90°쉬프트(Shift)한다. 90° 쉬프트된 구동변위신호를 이용하여 제 1 클럭신호를 생성한 뒤 스타트회로(200)로 전송한다. 다음으로 신호전달기(300)로부터 전송되는 신호의 주파수를 기초로 구동신호를 생성하여 자이로센서(10)에 인가한다. 여기서, 구동회로(100)는 차지앰프(110), 위상변환기(120), 제 1 비교기(130), 진폭제어기(140) 및 펄스생성기(150)를 포함하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.

차지앰프(110)는 자이로센서(10)로부터 출력된 상기 구동변위신호를 전압신호형태로 변환한 후, 증폭하여 위상변환기(120) 및 스타트회로(200)로 전송한다. 상세하게는 자이로센서(10)로부터 구동변위 전극에서 발생하는 전하량의 변화를 전압신호 형태로 변환한 후 이를 증폭한다.

위상변환기(120)는 차지앰프(110)의 출력신호의 위상을 90°쉬프트(Shift)한다. 이는 구동변위신호와 구동신호의 위상차를 90° 만큼 차이를 가지게 하여 자이로센서(10)의 구동매스가 안정적으로 공진하기 위한 것이다.

제 1 비교기(130)는 위상변환기(120)의 출력신호를 기준전압과 비교하여 제 1 클럭신호를 생성한다. 상세하게는, 90° 쉬프트된 구동변위신호가 제 1 비교기(130)의 비반전단자에 연결되며, 기준전압은 제 1 비교기(130)의 반전단자에 연결된다. 90° 쉬프트된 구동변위신호가 기준전압보다 큰 경우 1의 값(High)을, 기준전압보다 작은 경우에는 0의 값(Low)을 가지는 구형파 형태의 제 1 클럭신호를 생성한다. 생성된 제 1 클럭신호는 신호전달기(300)로 전송된다.

진폭제어기(140)는 자이로센서(10)에 인가될 상기 구동신호에 대한 진폭을 결정한다. 구체적으로 구동변위신호를 기초로 구동신호의 진폭이 항상 일정한 값에 수렴하도록 하기 위한 것이며, PID 컨트롤러등을 이용한 연산을 통해 구동신호의 진폭을 결정한다.

펄스생성기(150)는 제 1 클럭신호 또는 스타트신호를 신호전달기(300)로부터 선택적으로 입력받아 구동신호를 생성한다. 펄스생성기(150)는 스타트회로(200)의 신호전달기(300)로부터 전송되는 신호의 주기와 동일한 주기를 가지는 펄스파형태의 구동신호를 생성하고 생성된 구동신호를 자이로센서(10)에 전송한다. 구동신호는 상술한 바와 같이 자이로센서(10)의 구동매스가 공진하는 과정에서 이용된다.

스타트회로(200)는 자이로센서(10)의 초기구동을 위한 스타트신호를 생성하며, 구동변위신호를 기초로 자이로센서(10)의 구동상태를 판단한다. 구체적으로는 자이로센서(10)의 구동이 공진상태에 해당하는지 판단하고, 상기 제 1 클럭신호 또는 상기 스타트신호를 선택하는 셀렉트신호를 생성한다.

더욱 구체적으로 구동회로(100)에서 전송받은 전압신호의 형태의 구동변위신호를 제 2 클럭신호로 변환한 후 이를 이용하여 자이로센서(10)의 공진상태 여부를 판단한다. 그리고, 공진여부에 따라 셀렉트신호를 생성하여 신호전달기(300)를 제어한다. 여기에서, 스타트회로(200)는 제 2 비교기(210), 오실레이터(230,Oscillator) 및 공진판단기(220)를 포함하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.

제 2 비교기(210)는 구동회로(100)의 차지앰프(110)의 출력신호를 기준전압과 비교하여 제 2 클럭신호를 생성한다. 상술한 제 1 클럭신호를 생성하는 것과 같이 전압신호 형태의 구동변위신호를 기준전압과 비교하여 전압신호 형태의 구동변위신호가 기준전압보다 큰 경우 하이값(High)을 기준전압보다 작은 경우 로우값(Low)을 가지는 구형파 형태의 제 2 클럭신호를 생성하여 공진판단기(220)로 전송한다.

공진판단기(220)는 제 2 클럭신호를 이용하여 자이로센서(10)의 공진여부를 판단 한다. 이때, 제 2 클럭신호를 이용하여 다양한 방식으로 자이로센서(10)의 공진을 판단할 수 있다.

우선, 제 2 클럭신호의 진폭이 기 설정된 기준값 이상인 경우 상기 자이로센서(10)가 공진상태로 판단할 수 있다. 도 4는 제 2 클럭신호가 제 2 비교기(210)에서 생성되는 과정을 도시한 도면으로, 도 4의 (a)신호는 전압신호 형태의 구동변위신호를 나타낸 것이며, (b)신호는 제 2 클럭신호를 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, (a)신호 초기구간에서는 기준전압보다 작은 신호가 입력되므로 제 2 클럭신호(b)는 0(Low)의 값을 가지게 된다. 그러나 (a)신호가기준전압보다 큰 구간이 시작되는 지점부터는 0(Low)과 1(High)의 값을 가지는 구형파 신호가 생성된다. 즉, 제 2 클럭신호(b)의 진폭이 1의 값을 가지는 구간이 형성되었다면 자이로센서(10)의 구동이 공진상태에 도달한 것으로 볼 수 있다. 따라서 기 설정된 기준값은 1이 될 수 있으며, 제 2 클럭신호의 진폭이 1이상인 구간이 시작되었다면 자이로센서(10)가 공진되는 것으로 판단할 수 있다. 다만, 기준값은 반드시 1에 한정되는 것은 아니며, 사용자에 의해 다른 기준값에 도달하게끔 변경할 수 있다.

자이로센서(10)의 공진을 판단하는 다른 방법으로는 제 2 클럭신호의 주파수를 이용하는 것이 있다. 샘플링 구간 동안 제 2 클럭신호의 클럭을 카운터하여 제 2 클럭신호의 주파수를 측정할 수 있으며, 측정된 주파수를 기 설정된 기준주파수와 비교하여 동일한지 여부를 알 수 있다. 이때, 기 설정된 기준주파수는 사용자가 자이로센서(10)의 각 소자값 및 특성을 고려하여 연산된 공진주파수를 의미한다. 제 2 클럭신호가 생성되면서부터 주파수측정이 가능하므로 신속하게 자이로센서(10)의 공진여부를 판단할 수 있다.

공진판단기(220)는 자이로센서(10)가 초기구동 단계로서 아직 공진상태에 도달하지 못하였다면 스타트신호를 선택하는 셀렉트신호를 통해 자이로센서(10)의 구동을 공진상태로 유도한다 자이로센서(10)의 구동이 공진상태에 도달하였다면 폐루프가 형성되었으므로 더 이상 스타트신호가 불필요하다. 따라서 제1 클럭신호를 선택하는 셀렉트신호를 생성하여 신호전달기를(300) 제어한다.

신호전달기(300)는 셀렉트신호의 제어에 따라 자이로센서(10)의 구동이 공진상태로 판단되는 경우 상기 제 1 클럭신호를 전송하고, 상기 자이로센서(10)의 구동이 비공진상태로 판단되는 경우 스타트신호를 전송한다. 즉, 공진판단기(220)의 셀렉트신호에 따라 제 1 클럭신호 또는 스타트신호 중 어느 하나를 펄스생성기(150)로 전송한다. 신호 전달기는 스위치 또는 멀티플렉서(Multiplexer,MUX)일 수 있으며, 동일한 목적을 달성할 수 있는 것이라면 다른 장치도 적용가능하다.

오실레이터(230,Oscillator)는 주파수가 가변되는 스타트신호를 생성하여 신호전달기(300)로 전송한다. 오실레이터(230,Oscillator)는 전자관 또는 반도체등을 이용하여 전기적 진동을 발생시키는 장치를 의미한다. 오실레이터(230,Oscillator)는 신호생성기(250) 및 주파수컨트롤러(240)를 포함하며, 오실레이터(230,Oscillator)는 릴렉세이션 오실레이터(Relaxation Oscillator)일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 포함되는 오실레이터(230,Oscillator)는 고정된 발진주파수를 가지는 출력신호를 생성하는 모드와 가변되는 발진주파수를 가지는 출력신호를 생성하는 모드를 선택할 수 있다. 상술한 모드는 외부에서 사용자에 의해 입력되는 모드결정신호에 의하여 결정된다.

도 5 는 신호생성기(250)와 주파수컨트롤러(240)를 포함한 오실레이터(230,Oscillator)를 도시한 도면이며, 도 6의 (a)는 가변전류원(251)의 제어에 따라 바이어스전압(Vbias)과 관계를 나타낸 그래프이며 도 6의 (b)는 바이어스전압(Vbias)과 스타트신호의 주파수의 관계를 나타낸 그래프이다.

신호생성기(250)는 초기구동시 기 설정된 기준주파수보다 낮은 주파수를 가지는 상기 스타트신호를 생성한다. 신호생성기(250)는 플립플롭(251)을 포함하며 플립플롭(251)의 Q단자 및 Qn 단자를 통해 각각 Clk_a클럭 및 Clk_b클럭을 생성한다. 다음으로 생성된 Clk_a클럭 및 Clk_b클럭을 기초로 구형파형태의 스타트신호를 출력한다.

초기구동시 기준주파수보다 낮은 주파수를 가지는 스타트신호를 기초로 구동신호를 생성하여 자이로센서(10)에 인가하고, 이후 일정한 기울기를 가지도록 스타트신호의 주파수를 증가시킨다. 일정하게 증가하는 주파수를 가지는 스타트신호를 기초로 생성된 구동신호를 인가하는 과정을 수행하다 보면 스타트신호의 주파수는 자이로센서(10)가 공진하는 공진주파수와 일치하게 된다. 여기서 기준주파수는 공진판단에 이용되는 기준주파수와 동일한 주파수이다.

주파수컨트롤러(240)는 신호생성기(250)의 입력전류(I₂)를 통해 상기 스타트신호의 주파수를 제어한다. 스타트신호의 주파수는 주파수컨트롤러(240)를 통해 신호생성기(250)로 입력되는 전류(I₂)에 의해 조정되며, 입력전류(I₂)의 변화에 따라 스타트신호의 주파수가 일정하게 증가한다. 주파수컨트롤러(240)는 제 1 모스펫(241,MOSFET), 커런트미러회로(244,Current Mirror Circuit), 가변전류원(251) 및 스타트스위치(SW.1, SW.2)를 포함한다.

제 1 모스펫(241,MOSFET)은 게이트(Gate)에 인가되는 바이어스전압(Vbias)을 통해 드레인(Drain)에서 소스(Source)로 흐르는 전류(I₁)를 제어한다. 커런트미러회로(244,Current Mirror Circuit)는 드레인에 흐르는 전류(I₁)와 신호생성기(250)의 입력전류(I₂)의 크기를 동일하게 하며, 가변전류원(251)은 공급전류(Is)를 조정하여 상기 바이어스전압(Vbias)의 변화량을 결정한다. 스타트스위치는 스위칭 동작을 통해 상기 제 1 모스펫(241,MOSFET)의 게이트에 바이어스전압(Vbias)을 인가하는 기능을 수행하며 제 1 스위치(SW.1) 및 제 2 스위치(SW.2)를 포함한다.

가변전류원(251)에 연결된 제 1 스위치(SW.1)는 On상태로 동작시키고, 제 1 모스펫(241,MOSFET)의 게이트에 연결된 제 2 스위치(SW.2)는 Off상태로 동작을 시킨다. 이때 가변전류원(251)에서 공급되는 전류(Is)와 캐패시터(C)에 의하여 바이어스전압(Vbias)이 형성되고 캐패시터(C)와 전기적으로 연결된 제 1 모스펫(241,MOSFET)의 게이트에도 동일하게 바이어스전압(Vbias)이 인가된다. 이때 바이어스전압(Vbias)이 인가됨에 따라 제 1 모스펫(241,MOSFET)의 드레인에서 소스로 전류(I₁)가 흐르기 시작한다. 제 2 모스펫(242)과 제 3 모스펫(243)을 포함하는 커런트미러회로(244,Current Mirror Circuit)에 의하여 드레인에 흐르는 전류(I₁)와 동일한 전류가 신호생성기(250)로 입력된다.

따라서, 가변전류원(251)의 공급전류(Is)를 증가하게 되면 바이어스전압(Vbias)이 증가하게 된다. 또한, 바이어스전압(Vbias)이 증가됨에 따라 드레인에 흐르는 전류(I₁)도 동일하게 증가하며 커런트미러회로(244,Current Mirror Circuit)를 통해 신호생성기(250)의 입력전류(I₂)도 역시 증가한다. 입력전류(I₂)의 증가에 따라 스타신호의 주파수도 같이 증가한다. 상술한 바와 같이 고정된 주파수를 가지는 스타트신호를 생성하는 경우에는 가변전류원(251)의 공급전류(Is)를 일정하게 출력하도록 설정하면 된다.

도 6의 (a)에 도시된 ①,②,③의 그래프와 같이 시간에 따른 바이어스전압(Vbias)의 증가량은 가변전류원(251)의 공급전류(Is)에 따라 다양한 기울기를 가지며 증가한다. 이때 가변전류원(251)의 공급전류(Is)는 외부에서 입력되는 주파수제어신호에 의하여 제어된다.

따라서 도 6의 (a)에 도시된 ①그래프와 같이 사용자는 주파수제어신호를 통해 스타트신호의 주파수를 급격히 증가하도록 제어함으로써 자이로센서(10)의 구동이 공진상태에 도달하는 시간을 단축할 수 있다. 반대로, 도 6의 (a)에 도시된 ③그래프와 같이 스타트신호의 주파수를 완만하게 증가하도록 제어함으로써 자이로센서(10)의 구동이 안정적으로 공진상태에 도달할 수도 있다.

도 6의 (b)는 바이어스전압과 스타트신호의 관계를 도시한 도면으로, 바이어스전압(Vbias)이 증가함에 따라 스타트신호의 주파수도 증가하는 것을 알 수 있다. 즉 바이어스전압(Vbias)이 증가하면 신호생성기(250)의 입력전류도 함께 증가하여 스타트신호의 주파수도 증가하므로, 바이어스전압과 스타트신호의 주파수 관계는 비례관계에 해당한다. 이때 스타트신호의 초기 주파수는 상술한 바와 같이 기준주파수보다 낮은값을 가진다.

이하에서는, 상기한 바와 같은 구성을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로센서(10)의 제어방법이 설명된다. 이하의 설명 중, 상기에서 설명된 내용과 동일하거나 유사한 설명은 생략되거나 또는 간단히 설명된다.

도 7을 참조하면, 처음 단계로 자이로센서(10)의 초기구동을 위한 스타트신호를 오실레이터(230,Oscillator)에서 생성한다. 구체적으로 스타트신호의 주파수가 기 설정된 기준주파수보다 낮은 주파수를 가지도록 설정한 다음, 주파수컨트롤러(240)의 제 1 스위치(SW.1)를 ON, 제 2 스위치(SW.2)를 OFF하여 제 1 모스펫(241,MOSFET)의 게이트에 바이어스전압(Vbias)을 인가한다. 바이어스전압이 게이트에 인가됨에 따라 스타트신호는 신호생성기(250)에서 생성되며(S100), 생성된 스타트신호는 신호전달기(300)로 전송된다. 이후, 스타트신호를 선택하는 셀렉트신호가 생성됨에 따라(S110), 스타트신호는 펄스생성기(150)로 전송되며, 주파수컨트롤러(240)를 통해 스타트신호의 주파수를 일정하게 증가시키는 단계를 수행한다.(S120)

스타트신호의 주파수를 증가시키는 단계(S120)를 구체적으로 설명한다. 가변전류원(251)의 공급전류(Is)를 증가하여 제 1 모스펫(241,MOSFET)의 게이트에 인가되는 바이어스(Vbias) 전압을 증가시키면, 상기 바이어스전압(Vbias)의 증가에 따라 상기 제 1 모스펫(241,MOSFET)의 드레인에 흐르는 전류(I₁)가 증가하게 된다. 커런트미러회로(244,Current Mirror Circuit)의 특성을 이용하면 신호생성기(250)의 입력전류(I₂)가 드레인에 흐르는 전류(I₁)와 동일하게 증가하므로 신호생성기(250)에서 출력되는 스타트신호의 주파수가 증가한다.

스타트신호의 주파수가 증가하는 단계 다음에는 스타트신호를 기초로 펄스생성기(150)에서 구동신호를 생성하여 자이로센서(10)에 인가하며 상기 자이로센서(10)로부터 구동변위신호를 검출한다.

더욱 상세하게는 스타트신호의 주파수 및 진폭제어기(140)의 제어에 따라 구동신호를 생성하여 상기 자이로센서(10)에 인가하며(S130), 자이로센서(10)에서 출력되는 구동변위신호를 전압신호형태로 변환한 후 증폭한다. 다음으로 전압신호형태의 구동변위신호의 위상을 90°쉬프트하고 제 1 비교기(130)에서 90°쉬프트된 구동변위신호를 기준전압과 비교하여 제1 클럭신호를 생성한다(S140). 상술한 바와 같이 제 1 클럭신호는 기준전압보다 큰 구간에서는 1의 값을 가지며, 기준전압보다 작은구간에서는 0의 값을 가지는 클럭신호이다.

제 1 클럭신호를 생성한 다음으로 구동변위신호를 이용하여 상기 자이로센서(10)의 공진여부를 판단하며(S150), 자이로센서(10)가 공진하는 경우 구동변위신호를 기초로 구동신호를 생성한다.

좀 더 구체적으로는 제 2 비교기(210)에서 전압신호형태의 구동변위신호를 기준전압과 비교하여 제 2 클럭신호를 생성한 후, 제 2 클럭신호를 기초로 자이로센서(10)의 구동이 공진상태에 해당하는지를 판단한다.

공진여부 판단은 제 2 클럭신호를 제 2 비교기(210)로부터 전송받아 제 2 클럭신호의 진폭을 측정하고, 제 2 클럭신호의 진폭이 기 설정된 기준값 이상인 경우 자이로센서(10)가 공진하는 것으로 판단한다. 여기서 기준값은 1이 될 수 있으며, 동일한 목적을 달성할 수 있다면 기준값은 다른값을 가질 수 있다.

또한, 공진상태를 판단하는 다른 방법으로는 제 2 클럭신호를 카운트하여 제2 클럭신호의 주파수를 측정한 다음, 제 2 클럭신호의 주파수를 기 설정된 기준주파수와 비교하여 판단한다. 이때 기준주파수는 사용자가 자이로센서(10)의 특성 및 사양을 고려하여 연산된 공진주파수를 의미한다.

자이로센서(10)의 구동이 공진상태에 해당하는 것으로 판단되는 경우 제 1 클럭신호를 선택하는 셀렉트신호가 생성된다(S160). 이후 자이로센서(10)는 제1 클럭신호의 주파수를 기초로 구동신호를 생성하는 폐루프를 형성한다. 또한 제 1 스위치를 OFF, 제 2 스위치를 ON으로 하는 스위칭동작을 통해 오실레이터(230,Oscillator)의 동작을 정지한다. (S170)

그러나, 자이로센서(10)의 구동이 비공진상태로 판단되는 경우, 즉 제 2 클럭신호의 진폭이 기준값 미만이거나 제 2 클럭신호의 주파수가 기준주파수와 상이한 경우, 다시 스타트신호의 주파수를 증가하는 단계로 돌아가 상술한 단계를 다시 실시한다

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 자이로센서(10)의 구동장치 및 그 제어방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 일실시예의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10 : 자이로센서 100 : 구동회로
110 : 차지앰프 120 : 위상변환기
130 : 제 1 비교기 140 : 진폭제어기
150 : 펄스생성기 200 : 스타트회로
210 : 제 2 비교기 220 : 공진판단기
230 : 오실레이터 240 : 주파수컨트롤러
241 : 제 1 모스펫 242 : 제 2 모스펫
243 : 제 3 모스펫 244 : 커런트미러회로
245 : 가변전류원 250 : 신호생성기
251 : 플립플롭 Is : 가변전류원의 공급전류
I₁ : 드레인에 흐르는 전류 I₂: 신호생성기 입력전류
Vbias : 바이어스전압 SW.1 : 제 1 스위치
SW.2 : 제 2 스위치

Claims (18)

1. 자이로센서에서 출력되는 구동변위신호에 기초하여 제 1 클럭신호를 생성하는 구동회로;
   상기 자이로센서의 초기 구동을 위한 스타트신호를 생성하며, 상기 구동변위신호에 기초하여 상기 자이로센서의 구동상태를 판단하는 스타트회로; 및
   상기 자이로센서의 구동상태에 따라, 상기 제 1 클럭신호 또는 상기 스타트신호 중 어느 하나를 선택적으로 상기 구동회로에 전송하는 신호전달기를 포함하며,
   상기 구동회로는 상기 신호전달기의 전송신호에 기초하여 상기 자이로센서의 구동을 위한 구동신호를 생성하는 자이로센서 구동장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 구동회로는
   상기 자이로 센서로부터 출력된 상기 구동변위신호를 전압신호형태로 변환한 후, 증폭하여 출력하는 차지앰프;
   상기 차지앰프의 출력신호의 위상을 쉬프트(Shift)하는 위상변환기;
   상기 위상변환기의 출력신호를 기준전압과 비교하여 제 1 클럭신호를 생성하는 제 1 비교기;
   상기 구동변위신호를 기초로 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 수렴하도록 상기 구동신호의 진폭을 제어하는 진폭제어기; 및
   상기 신호전달기로부터 상기 제 1 클럭신호 또는 상기 스타트신호를 선택적으로 입력받아 상기 구동신호를 생성하는 펄스생성기를 포함하는 자이로센서 구동장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 스타트회로는
   상기 구동변위신호를 기초로 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는지 판단하고, 상기 판단에 따라 상기 제 1 클럭신호 또는 상기 스타트신호를 선택하는 셀렉트신호를 생성하여 상기 신호전달기를 제어하는 자이로센서 구동장치.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 스타트회로는
   전압신호형태의 상기 구동변위신호를 기준전압과 비교하여 제 2 클럭신호를 생성하는 제 2 비교기;
   상기 제 2 클럭신호를 이용하여 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는지 판단하며, 상기 판단에 따라 상기 셀렉트신호를 생성하여 상기 신호전달기를 제어하는 공진판단기; 및
   주파수가 가변되는 상기 스타트신호를 생성하여 상기 신호전달기로 전송하는 오실레이터를 포함하는 자이로센서 구동장치.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 공진판단기는
   상기 제 2 클럭신호의 진폭을 측정하여, 상기 제 2 클럭신호의 진폭을 기 설정된 기준값과 비교하여 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는지 판단하는 자이로센서 구동장치.
   
6. 청구항 4에 있어서
   상기 공진판단기는
   상기 제 2 클럭신호를 카운트하여 상기 제 2 클럭신호의 주파수를 측정하며, 측정된 상기 제 2 클럭신호의 주파수를 기 설정된 기준주파수와 비교하여 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는지 판단하는 자이로센서 구동장치.
   
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 오실레이터는
   초기 구동시, 기 설정된 기준주파수보다 낮은 주파수를 가지는 상기 스타트신호를 생성하는 신호생성기; 및
   상기 신호생성기의 입력전류를 통해 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 수렴하게끔 상기 스타트신호의 주파수를 제어하는 주파수컨트롤러를 포함하는 자이로센서 구동장치
   
8. 청구항 7에 있어서
   상기 주파수컨트롤러는
   게이트에 인가되는 바이어스전압을 통해 드레인에 흐르는 전류 제어하는 제 1 모스펫;
   상기 드레인에 흐르는 전류와 상기 신호생성기의 입력전류의 크기를 동일하게 하는 커런트미러회로;
   공급전류를 조정하여 상기 바이어스전압의 변화량을 결정하는 가변전류원; 및
   스위칭 동작을 통해 상기 제 1 모스펫의 게이트에 바이어스전압을 인가하는 스타트스위치를 포함하는 자이로센서 구동장치.
   
9. 청구항 4에 있어서
   상기 오실레이터는 릴렉세이션 오실레이터(Relaxation Oscillator)인 자이로센서 구동장치.
   
10. 청구항 3에 있어서,
    상기 신호전달기는
    상기 셀렉트신호에 의하여, 상기 자이로센서의 구동이 공진상태로 판단되는 경우 상기 제 1 클럭신호를 전송하며, 상기 자이로센서의 구동이 비공진상태로 판단되는 경우 상기 스타트신호를 전송하는 자이로센서 구동장치.
    
11. 청구항 10에 있어서
    상기 신호전달기는 멀티플렉서(Multiplexer,MUX)인 자이로센서 구동장치.
    
12. 자이로센서의 초기구동을 위한 스타트신호를 생성하여 신호전달기를 통해 구동회로로 전송하는 스타트단계;
    상기 신호전달기의 출력신호를 기초로 생성된 구동신호를 상기 자이로센서에 인가하며, 상기 자이로센서에서 출력되는 구동변위신호에 기초하여 제 1 클럭신호를 생성하는 제 1 클럭신호생성단계; 및
    상기 구동변위신호에 기초하여 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는지 판단하며 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는 경우 제 1 클럭신호를 선택하는 셀렉트신호를 생성하는 공진구동단계를 포함하는 자이로센서 제어방법.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 스타트단계는
    기 설정된 기준주파수보다 낮은 주파수를 가지도록 설정된 상기 스타트신호를 생성하는 단계;
    상기 스타트신호를 선택하는 셀렉트신호를 생성하는 단계; 및
    주파수컨트롤러를 통해 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 수렴하게끔 상기 스타트신호의 주파수를 일정하게 증가시키는 주파수증가단계를 포함하는 자이로센서 제어방법.
    
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 주파수증가단계는
    가변전류원의 공급전류를 증가하여 제 1 모스펫의 게이트에 인가되는 바이어스 전압을 증가시키는 단계;
    바이어스전압의 증가에 따라 상기 제 1 모스펫의 드레인에 흐르는 전류가 증가하는 단계; 및
    커런트미러회로를 통해 신호생성기의 입력전류가 상기 드레인에 흐르는 전류와 동일하게 증가되어 상기 스타트신호의 주파수가 증가하는 단계를 포함하는 자이로센서 제어방법.
    
15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제 1 클럭신호생성단계는
    상기 신호전달기의 출력신호를 기초로 상기 구동신호를 생성하여 상기 자이로센서에 인가하는 단계;
    상기 자이로센서의 구동변위신호를 전압신호형태로 변환한 후 증폭하는 단계;
    전압신호형태의 상기 구동변위신호의 위상을 쉬프트하는 단계; 및
    쉬프트된 구동변위신호를 기준전압과 비교하여 제1 클럭신호를 생성하는 단계를 포함하는 자이로센서 제어방법.
    
16. 청구항 12에 있어서,
    상기 공진구동단계는
    제 2 비교기에서 전압신호형태의 상기 구동변위신호를 기준전압과 비교하여 제 2 클럭신호를 생성하는 단계;
    상기 제 2 클럭신호를 이용하여 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는지를 판단하는 공진판단단계;
    상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는 경우 상기 제 1 클럭신호를 선택하는 셀렉트신호를 생성하며, 상기 제 1 클럭신호에 기초하여 상기 구동신호를 생성하는 단계; 및
    오실레이터의 동작을 정지하는 단계를 포함하는 자이로센서 제어방법.
    
17. 청구항 16에 있어서
    상기 공진판단단계는
    상기 제 2 클럭신호의 진폭을 측정하는 단계; 및
    상기 제 2 클럭신호의 진폭을 기 설정된 기준값과 비교하여 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는지 판단하는 단계를 포함하는 자이로센서 제어방법.
    
18. 청구항 16에 있어서
    상기 공진판단단계는
    상기 제 2 클럭신호를 카운트하여 상기 제 2 클럭신호의 주파수를 측정하는 단계; 및
    상기 제 2 클럭신호의 주파수가 기 설정된 기준주파수와 비교하여 상기 자이로센서의 구동이 공진상태에 해당하는지 판단하는 단계를 포함하는 자이로센서 제어방법.

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