KR101731830B1

KR101731830B1 - 물리량 계측 장치 및 그의 처리 방법

Info

Publication number: KR101731830B1
Application number: KR1020150073569A
Authority: KR
Inventors: 김동호; 김상경
Original assignee: 주식회사 해치텍
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2017-05-24
Also published as: US10288642B2; US20160349285A1; KR20160141017A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치는 측정하고자 하는 물리량의 X 성분(Hx), Y 성분(Hy) 및 Z 성분(Hz)을 포함하는 3축 성분의 값 가운데 2축 성분 값을 측정하는 복수의 센서들을 포함하는 신호 측정부, 상기 신호 측정부에 포함된 복수의 센서들 가운데 하나를 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 출력하도록 제어하는 센서 제어부, 상기 센서 제어부에 의해 선택되어 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부 및 상기 A/D 변환부로부터 디지털 신호를 수신하고, 수신된 복수의 디지털 신호들 가운데 적어도 하나 이상 조합하여 자기장의 X, Y 또는 Z 성분 값을 산출하는 신호 처리부를 포함한다.

Description

물리량 계측 장치 및 그의 처리 방법 {PHYSICAL QUANTITY MEASURING APPARATUS AND SIGNAL PROCESSING METHOD THEREOF}

본 발명은 물리량 계측 장치 및 그의 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 자기장 및 가속도 계측 기술에 관한 것으로, 계측된 신호를 제어하고 연산하여 자기장 및 가속도의 X, Y 및 Z 성분을 계산하는 자기장 및 가속도 계측 장치에 관한 것이다.

최근 자기장 또는 가속도 등의 물리량 계측 기능을 포함하는 기기에 대한 수요가 증가하고 있다. 물리량 계측 장치는 소형으로 제작되면서도 자기장 또는 가속도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있어야 한다. 즉, 물리량 계측 장치는 정해진 하드웨어 및 시간 대비 효율적이면서도 정밀한 계측 기술을 요구한다. 정밀한 계측을 위해 가장 요구되는 사항은 계측 장치의 SNR(Signal to Noise Ratio, 신호대 잡음 비)를 개선하는 것이다. 계측 장치의 SNR은 Noise(잡음) 성분의 감소를 통해 개선될 수 있다. Noise 성분의 감소 정도는 센서가 센싱한 신호의 제어 및 연산방법에 따라 달라질 수 있다.

미국등록특허 제8,150,657호는 물리량 측정 장치와 신호 처리 방식과 관련된 기술로, 보다 구체적으로는, SNR을 개선하기 위해 직교하는 2개 이상의 센서소자를 선형 연결하는 제어 및 신호처리 방법과 관련된 기술이다.그러나 종래 기술은 여전히 작은 SNR을 가지고 전류 소비가 크다는 문제점을 가지고 있다.

미국등록특허 제8,150,657호

본 발명의 일 실시예는 신호 측정부의 복수의 센서들을 통해 측정된 물리량에 기초한 복수의 신호들을 처리하여 물리량의 X축, Y축 또는 Z축 성분 값을 계산하는 물리량 계측 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 계측된 물리량의 X축, Y축 및 Z축 성분의 SNR(Signal to Noise Ratio)를 개선하여 장치의 오작동 확률을 감소시키는 물리량 계측 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 신호 측정부에 포함된 복수의 센서들 가운데 하나를 선택하여 신호 측정부에 흐르는 전류를 감소시키고 장치의 전력 사용량을 감소시킬 수 있는 물리량 계측 장치를 제공하고자 한다.

실시예들 중에서, 물리량 계측 장치는 측정하고자 하는 물리량의 X 성분(Hx), Y 성분(Hy) 및 Z 성분(Hz)을 포함하는 3축 성분의 값 가운데 2축 성분 값을 측정하는 복수의 센서들을 포함하는 신호 측정부, 상기 신호 측정부에 포함된 복수의 센서들 가운데 하나를 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 출력하도록 제어하는 센서 제어부, 상기 센서 제어부에 의해 선택되어 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부 및 상기 A/D 변환부로부터 디지털 신호를 수신하고, 수신된 복수의 디지털 신호들 가운데 적어도 하나 이상 조합하여 자기장의 X, Y 또는 Z 성분 값을 산출하는 신호 처리부를 포함한다. 물리량 계측 장치는 상기 센서 제어부에 의해 선택되어 출력된 신호를 증폭하는 증폭부를 더 포함할 수 있고, 상기 증폭부에서 출력되는 각각의 물리양은 2축 성분의 물리량만 포함할 수 있다.

상기 복수의 센서들은 상기 Hx 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hx+Hz)을 출력하는 제1 센서, 상기 Hx 및 상기 Hz을 측정하여 음의 X 성분(-Hx) 및 상기 Hz을 더한 값(-Hx+Hz)을 출력하는 제2 센서, 상기 Hy 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hy+Hz)을 출력하는 제3 센서, 상기 Hy 및 상기 Hz를 측정하여 음의 Y 성분(-Hy) 및 Z 성분(Hz)을 더한 값(-Hy+Hz)을 출력하는 제4 센서를 포함할 수 있다.

상기 복수의 센서들은 제1, 제2, 제3 및 제4 센서를 포함하고, 상기 센서 제어부는 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 센서를 기 설정된 주기 동안 한번씩 순차적으로 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 순차적으로 출력하도록 제어할 수 있다.

상기 센서 제어부는 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 센서를 한번씩 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 출력하도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 센서 제어부는 기 설정된 주기 동안 상기 복수의 센서들을 순차적으로 한번씩 선택할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 상기 센서 제어부는 상기 복수의 센서들을 상기 제1, 제3, 제4 및 제2 센서 순서, 상기 제1, 제4, 제3 및 제2 센서 순서, 상기 제2, 제3, 제4 및 제1 센서 순서, 상기 제2, 제4, 제3 및 제1 센서 순서, 상기 제3, 제1, 제2 및 제4 센서 순서, 상기 제3, 제2, 제1 및 제4 센서 순서, 상기 제4, 제1, 제2 및 제3 센서 순서, 또는 상기 제4, 제2, 제1 및 제3 센서 순서 가운데 하나의 순서로 선택할 수 있다.

상기 신호 처리부는 하기의 수학식을 이용하여 상기 물리량의 X, Y 또는 Z 성분 값을 산출할 수 있다.

[수학식]

상기 복수의 센서들은 적어도 2개 이상의 센서를 포함하고, 물리량 계측 장치는 상기 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 1개의 센서만을 선택하고, 상기 센서를 동작시켜 물리량을 측정하며, 상기 물리량을 상기 증폭부에 입력할 수 있다. 여기에서, 상기 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 나머지 선택되지 않은 센서는 동작하지 않을 수 있다.

상기 A/D변환부는 하나의 ADC (Analog to Digital Converter) Data를 출력하기 위해 상기 복수의 센서들 가운데 하나의 센서만 사용할 수 있다.

실시예들 중에서, 물리량계측 방법은 신호 측정부의 복수의 센서들이 물리량의 X 성분(Hx), Y 성분(Hy) 및 Z 성분(Hz)를 포함하는 3축 성분 값 가운데 2축 성분 값을 측정하는 단계, 센서 제어부가 상기 신호 측정부에 포함된 복수의 센서들 가운데 하나를 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 출력하는 단계, A/D 변환부가 상기 센서 제어부에 의해 선택되어 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계 및 신호 처리부가 상기 A/D 변환부로부터 디지털 신호를 수신하고, 수신된 복수의 디지털 신호들 가운데 적어도 하나 이상 조합하여 물리량의 X축, Y축 또는 Z축 성분 값을 산출하는 단계를 포함한다.

상기 측정하는 단계는 제1 센서가 상기 Hx 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hx+Hz)을 출력하는 단계,제2 센서가 상기 Hx 및 상기 Hz을 측정하여 음의 X 성분(-Hx) 및 상기 Hz을 더한 값(-Hx+Hz)을 출력하는 단계,제3 센서가 상기 Hy 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hy+Hz)을 출력하는 단계 및 제4 센서가 상기 Hy및 상기 Hz를 측정하여 음의 Y 성분(-Hy) 및 Z 성분(Hz)을 더한 값(-Hy+Hz)을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 출력하는 단계는 기 설정된 주기 동안 상기 복수의 센서들 가운데 어느 하나를 한번씩 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 순차적으로 출력하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 산출하는 단계는 하기의 수학식을 이용하여 상기 자기장의 X, Y 또는 Z 성분 값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

[수학식]

상기 복수의 센서들은 적어도 2개 이상의 센서를 포함하고, 물리량 계측 장치는 상기 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 1개의 센서만 선택하고, 상기 센서를 동작시켜 물리량을 측정하며, 상기 물리량을 상기 증폭부에 입력할 수 있다. 여기에서, 상기 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 나머지 선택되지 않은 센서는 동작하지 않을 수 있다.

상기 A/D 변환부는 하나의 ADC Data를 출력하기 위해 상기 복수의 센서들 가운데 하나의 센서만 사용할 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치는 신호 측정부의 복수의 센서들을 통해 측정된 물리량에 기초한 복수의 신호들을 처리하여 물리량의 X축, Y축 또는 Z축 성분 값을 계산할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치는 계측된 물리량의 X축, Y축 및 Z축 성분의 SNR(Signal to Noise Ratio)를 개선하여 장치의 오작동 확률을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치는 신호 측정부에 포함된 복수의 센서들 가운데 하나를 선택하여 신호 측정부에 흐르는 전류를 감소시키고 장치의 전력 사용량을 감소시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 물리량 계측 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 있는 제어부의 센서소자 선택 방법에 따른 신호 및 노이즈 성분을 나타내는 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 3 또는 도 4에 있는 시간에 따른 센서 제어부의 출력 및 신호 처리부의 입력을 설명하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치와 일반적인 기술의 A/D 변환부 출력의 차이를 설명하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 계측된 물리량의 X 및 Y 성분 값의 종래 기술대비 SNR(Signal to Noise Ratio) 변동폭을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리량을 계측 방법을 설명하는 흐름도이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

“및/또는”의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, “제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목”의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 1은 일반적인 물리량 계측 장치를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 물리량 계측 창지는 각 축을 자기 및 가속 성분을 전기적 신호로 변환해주는 복수의 센서소자, 복수의 센서소자를 제어하는 센서 제어부, 복수의 입력을 받는 증폭부, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 A/D 변환부와 A/D 변환부에서 출력된 디지털 신호들을 연산하는 신호 처리부를 포함한다.

센서소자 A는 Hx + Hz, 센서소자 B는 -Hx + Hz, 센서소자 C는 Hy + Hz, 센서소자 D는 -Hy + Hz에 해당하는 전압 값을 출력하게 된다. Hx는 X축 자기장 또는 가속 성분, Hy는 Y축 자기장 또는 가속 성분, Hz은 Z축 자기장 또는 가속 성분이다. 여기서 자기장은 자기장 세기를 말한다.

도 2는 도 1에 있는 제어부의 센서소자 선택 방법에 따른 신호 및 노이즈 성분을 나타내는 타이밍도이다.

도 2에서 제어부는 4개의 센서 소자들 가운데 2개를 선택한다.제어부가 선택할 수 있는 상태는 A_C, A_D, B_D 및 B_C의 총 4개의 상태이다. 하나의 주기에 4개의 상태들 가운데 하나의 상태가 순차적으로 선택된다.즉, 일반적인 기술은 동시에 직교하는 2 개의 센서소자를 사용하거나 또는 이웃한 2개의 센서소자를 사용한다.

제어부가 A_C, A_D, B_D 및 B_C 상태를 선택한 경우 각각에 대한 A/D 변환부의 출력은 하기의 수학식1과 같다.

[수학식1]

A_C 선택 시 A/D 변환부 출력(R1) =

A_D 선택 시 A/D 변환부 출력(R2) =

B_D 선택 시 A/D 변환부 출력(R3) =

B_C 선택 시 A/D 변환부 출력(R4) =

신호 처리부는 상기의 A/D 변환부 출력을 수신하고 하기의 수학식2를 이용해 물리량의 X, Y 및 Z 성분 값을 연산한다.

[수학식2]

X축 성분 값 = R1 + R2 - R3 - R4 =

Y축 성분 값 = R1 - R2 - R3 + R4 =

Z축 성분 값 = R1 + R2 + R3 + R4 =

여기에서,

은 센서소자에 의한 측정 값의 노이즈, 2N은 증폭부에 의한 측정값의 노이즈에 해당한다.

상기의 일반적인 기술은 노이즈 감소 효과가 있으나, 제어부에서 4개의 센서소자들 가운데 2개의 센서소자를 선택함으로 말미암아, 전류소비가 크다는 단점이 있다. 센서소자 2개를 동시에 선택하게 되면 전류를 2개의 소자에 모두 인가하기 때문에 전류 소비 및 전력 소비가 그만큼 커지는 것이다. 이러한 단점을 개선하기 위해서 본 발명은 센서 제어부에서 하나의 센서소자만 선택하는 방식을 사용한다. 그렇게 함으로써, 본 발명의 물리량 계측 장치는 하나의 센서 소자에만 전류를 흘려주면 되므로 물리량 계측 시 요구되는 전류 소비를 줄일 수 있다. 즉,본 발명은 1 개의 센서소자를 사용하기 때문에, 센서소자에 공급되는 전류의 양을 일반적인 기술 대비 1/2로 감소시킬 수 있다. 또한 본 발명은 신호 처리 후에 출력되는 자기 성분에 대한 노이즈 감소 효과도 크다는 장점을 가진다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치를 나타내는 블록도이다. 여기에서, 물리량은 자기장 또는 가속도에 해당한다.

도 3을 참조하면, 물리량 계측 장치(100)는 신호 측정부(110), 센서 제어부(120), 증폭부(130), A/D 변환부(140) 및 신호 처리부(150)를 포함한다.

신호 측정부(110)는 측정하고자 하는 물리량의 X 성분(Hx), Y 성분(Hy) 및 Z 성분(Hz)을 포함하는 3축 성분의 값 가운데 2축 성분 값을 측정하는 복수의 센서들(112,114,116 및 118)을 포함한다. 예를 들어, 신호 측정부(110)는 Hx 및 Hz를 측정하는 제1 센서(112), Hx 및 Hz를 측정하는 제2 센서(114), Hy 및 Hz를 측정하는 제3 센서(116) 및 Hy 및 Hz를 측정하는 제4 센서(118)를 포함할 수 있다.

복수의 센서들(112,114,116 및 118)은 물리량의 3축 성분 값(X 성분(Hx), Y 성분(Hy) 및 Z 성분(Hz)) 가운데 2축 성분 값을 출력한다. 예를 들어, 제1센서(112)는 물리량의 X 성분 및 Z 성분을 전기적 신호로 바꾸어 Hx 와 Hz를 더한 값인 Hx+Hz를 출력하고, 제2 센서(114)는 물리량의 X 성분 및 Z 성분을 전기적 신호로 바꾸어 음의 Hx와 Hz를 더한 값인 -Hx+Hz를 출력하며, 제3 센서(116)는 물리량의 Y 성분 및 Z 성분을 전기적 신호로 바꾸어 Hy 와 Hz를 더한 값인 Hy+Hz를 출력하고, 제4 센서(118)은 물리량의Y 성분 및 Z 성분을 전기적 신호로 바꾸어 음의 Hy와 Hz를 더한 값인 -Hy+Hz를 출력할 수 있다. 여기에서 Hx는 물리량의 X 성분이 전기적 신호로 변환된 전압값, Hy는 물리량의 Y 성분이 전기적 신호로 변환된 전압값 및 Hz는 물리량의 Z 성분이 전기적 신호로 변환된 전압값에 해당할 수 있다. 다만, 복수의 센서들(112,114,116 및 118) 각각은 센서 노이즈 n(210)를 발생시키는 요소를 포함하므로, 센서 노이즈 n(210)가 부가된 측정 값을 최종적으로 출력한다.

센서 제어부(120)는 신호 측정부에 포함된 복수의 센서들 가운데 하나를 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 출력하도록 제어한다. 일 실시예에서, 센서 제어부(120)는 제1 센서(112), 제2 센서(114), 제3 센서(116) 또는 제4 센서(118)를 선택할 수 있다. 예를 들어, 센서 제어부(120)는 제1 입력단(122a)과 출력단(124)을 연결하여 제1 센서소자(112)를 선택할 수 있다.

실시예에서, 센서 제어부(120)는 기 설정된 주기 동안 복수의 센서들(112,114,116 및 118)을 순차적으로 한번씩 선택할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 센서 제어부(120)는 기 설정된 주기 동안 상기 복수의 센서들(112,114,116 및 118))을 상기 제1 센서(112), 제3 센서(116), 제4 센서(118) 및 제2 센서(114) 순서, 상기 제1 센서(112), 제4 센서(118), 제3 센서(116) 및 제2 센서(114) 순서, 상기 제2 센서(114), 제3 센서(116), 제4 센서(118) 및 제1 센서(112) 순서, 상기 제2 센서(114), 제4 센서(118), 제3 센서(116) 및 제1 센서(112) 순서, 상기 제3 센서(116), 제1 센서(112), 제2 센서(114) 및 제4 센서(118) 순서, 상기 제3 센서(116), 제2 센서(114), 제1 센서(112) 및 제4 센서(118) 순서, 상기 제4 센서(118), 제1 센서(112), 제2 센서(114) 및 제3 센서(116) 순서, 또는 상기 제4 센서(118), 제2 센서(114), 제1 센서(112) 및 제3 센서(116) 순서 가운데 하나의 순서로 선택할 수 있다.

센서 제어부(120)는 복수의 센서들(112,114,116 및 118) 가운데 하나의 센서만을 선택하여 동작(On)시킨다. 센어 제어부(120)에 의해 선택되지 않은 나머지 센서는 off 상태가 되고 전류를 소비하지 않으므로,본 발명은 신호 측정부(110)의 전류소비를 최소화할 수 있다. 예를 들어 제1 센서(112)가 선택되어 자기장 또는 가속도를 측정하면, 다른 제2 센서(114), 제3 센서(116), 제4 센서(118)는 off 상태로 동작을 하지 않는다. 선택된 제1 센서(112)가 동작하여 물리량, 여기서는 자기장 값을 측정하고, 그 값은 증폭부(130)에 입력된다. 마찬가지로, 제2 센서(114)가 동작될 때는 나머지 센서들(112,116, 118)이 오프 (Off) 상태로 동작하지 않게 된다.결론적으로 본 발명은 한번에 하나의 센서소자를 선택하는 방식을 통해 전류 소비를 감소시킬 수 있다. 전류 소비의 감소는 측정된 신호의 SNR을 향상시키고 계측 장치의 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 일반적 기술은 복수의 센서들 가운데 적어도 2개 이상을 선택하는 방식을 사용하므로 본 발명에 비해 소비 전류가 적어도 2배 크다는 단점을 가진다.

증폭부(130)는 센서 제어부(120)에 의해 선택되어 출력된 신호를 증폭하고 센서 제어부(120)의 출력을 수신하는 증폭부 입력단(132)를 포함한다.

증폭부 입력단(132)은 제1 입력단(132a) 및 제2 입력단(132b)를 포함하고, 제1 입력단(132a) 및 제2 입력단(132b)에 동시에 동일한 센서 제어부(120)의 출력을 입력할 수 있다. 여기에서, 증폭부(130)는 제1 입력단(132a) 및 제2 입력단(132b)에 입력된 신호를 합산하는 기능을 수행할 수 있다. 제1 입력단(132a) 및 제2 입력단(132b)에 입력된 신호는 동일한 값을 가지고 있다. 입력 신호가 동일한 값을 가지고 있기 때문에 2배의 값을 증폭해서 출력할 수 있다. 도 2를 참조하면, 일반적인 기술은 증폭부(7)에서 A/D 변환부(9)로 입력되는 성분이 물리량의 3축 성분 값 Hx, Hy 및 Hz를 모두 포함하고 있다. 이에 반해, 본 발명은 증폭부(130)에서 A/D 변환부(140)로 입력되는 성분은 물리량의 3축 성분 값 Hx, Hy 및 Hz 값을 모두 포함하지 않고 Hx 및Hz 또는 Hy 및 Hz 만을 포함한다. 즉, 본 발명의 증폭부(130)에서 출력되는 각각의 물리량은 Hx, Hz 또는 Hy, Hz 만을 포함하는 2축 성분의 물리량만을 포함하는 것이다. 증폭부(130)의 출력 값은 센서소자의 측정 노이즈인 센서 노이즈 n(210)를 포함할 수 있다.

증폭부(130)는 증폭부 노이즈 N(220)을 발생시키는 요소를 포함하므로, 증폭부 노이즈N(220)이 부가된 증폭 신호를 최종적으로 출력한다.

A/D 변환부(140)는 센서 제어부(120)에 의해 선택되어 출력된 신호를 디지털 신호로 변환한다. 즉, A/D 변환부(140)는 신호 측정부(110)의 복수의 센서들(112,114,116 및 118)이 측정한 아날로그 출력을 디지털 출력으로 변환할 수 있고 하나의 ADC Data를 출력하기 위해 상기 복수의 센서들 가운데 하나의 센서만 사용할 수 있다. 여기에서, A/D 변환부(140)의 디지털 출력은 복수의 센서들(112,114,116 및 118)의 센서 노이즈 n(210) 및 증폭부 노이즈 N(220)을 포함할 수 있다.

신호 처리부(150)는 A/D 변환부(140)로부터 디지털 신호를 수신하고, 수신된 복수의 디지털 신호들 가운데 적어도 하나 이상을 조합하여 물리량의 X, Y 또는 Z 성분 값을 산출한다. 일 실시예에서, 신호 처리부(150)은 수학식3을 이용하여 물리량의 X, Y 또는 Z 성분 값을 산출할 수 있다.

[수학식3]

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치를 나타내는 블록도이다. 여기에서, 물리량은 자기장 또는 가속도에 해당한다.

도 4를 참조하면, 증폭부(130)는 센서 제어부(120)의 출력을 수신하는 하나의 증폭부 입력단(132)을 갖는다. 이를 통해, 증폭부(130)는 단순한 구조를 가지면서도, 증폭부(130)의 게인(Gain)을 조절해 도 3의 물리량 계측 장치와 같은 강도의 증폭 신호를 출력할 수 있다.

도 5는 도 3 또는 도 4에 있는 시간에 따른 센서 제어부의 출력 및 신호 처리부의 입력을 설명하는 개략도이다.

도 5를 참조하면, 센서 제어부(120)는 기 설정된 주기(T) 동안 t1에서 제1 센서(112), t2에서 제2 센서(114), t3에서 제3 센서(116) 및 t4에서 제4 센서(118)을 선택하고, 신호 처리부(150)는 센서 제어부(120)의 센서 선택에 따라 다른 신호를 수신한다.

보다 구체적으로, t1에서 센서 제어부(120)은 제1 센서(112)를 선택하여 제1 센서(112) 노이즈 n(210)이 포함된 신호 값 Hx+Hz+n을 출력한다. 증폭부(130)는 출력된 신호 값 Hx+Hz+n을 2배로 증폭하고 증폭부 노이즈 N(220)을 부가하여 2Hx+2Hz+2n+N을 출력한다. A/D 변환부(140)는 증폭부(130)로부터 신호 값 2Hx+2Hz+2n+N를 수신하여 디지털 신호로 변환한다. 최종적으로, 신호 처리부(150)는 디지털 신호로 변환된 2Hx+2Hz+2n+N를 수신한다.

t2에서 센서 제어부(120)은 제2 센서(114)를 선택하여 제2 센서(114) 노이즈 n(210)이 포함된 신호 값 -Hx+Hz+n을 출력한다. 증폭부(130)는 출력된 신호 값 -Hx+Hz+n을 2배로 증폭하고 증폭부 노이즈 N(220)을 부가하여 -2Hx+2Hz+2n+N을 출력한다. A/D 변환부(140)는 증폭부(130)로부터 신호 값 -2Hx+2Hz+2n+N를 수신하여 디지털 신호로 변환한다. 최종적으로, 신호 처리부(150)는 디지털 신호로 변환된 -2Hx+2Hz+2n+N를 수신한다.

t3에서 센서 제어부(120)은 제3 센서(116)를 선택하여 제3 센서(116) 노이즈 n(210)이 포함된 신호 값 Hy+Hz+n을 출력한다. 증폭부(130)는 출력된 신호 값Hy+Hz+n을 2배로 증폭하고 증폭부 노이즈 N(220)을 부가하여 2Hx+2Hz+2n+N을 출력한다. A/D 변환부(140)는 증폭부(130)로부터 신호 값 2Hy+2Hz+2n+N를 수신하여 디지털 신호로 변환한다. 최종적으로, 신호 처리부(150)는 디지털 신호로 변환된 2Hy+2Hz+2n+N를 수신한다.

t4에서 센서 제어부(120)은 제4 센서(118)를 선택하여 제4 센서(118) 노이즈 n(210)이 포함된 신호 값 -Hy+Hz+n을 출력한다. 증폭부(130)는 출력된 신호 값 -Hy+Hz+n을 2배로 증폭하고 증폭부 노이즈 N(220)을 부가하여 -2Hy+2Hz+2n+N을 출력한다. A/D 변환부(140)는 증폭부(130)로부터 신호 값 -2Hy+2Hz+2n+N를 수신하여 디지털 신호로 변환한다. 최종적으로, 신호 처리부(150)는 디지털 신호로 변환된 -2Hy+2Hz+2n+N를 수신한다. 이를 정리하면 하기의 수학식4와 같다.

[수학식 4]

신호 처리부(150)는 디지털 신호로 변환된 값 2Hx+2Hz+2n+N, -2Hx+2Hz+2n+N, 2Hy+2Hz+2n+N 및 -2Hy+2Hz+2n+N를 연산하여 물리량의 X, Y 또는 Z 성분 값을 계산할 수 있다. 이를 정리하면 하기의 수학식5과 같다.

[수학식5]

여기에서,

및 4n은 센서소자에 의한 측정 값의 노이즈,

및 2N은 증폭부에 의한 측정값의 노이즈에 해당한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리량 계측 장치와 일반적인 기술의 A/D 변환부 출력의 차이를 설명하는 개략도이다.

Ref 1은 일반적인 기술의 시간에 따른 A/D 변환부 출력을 나타낸다. Ref 1의 경우, 한 번의 측정 주기(One Measurement Cycle) 동안 세 개의 다른 신호가 A/D 변환부에서 출력된다. A/D 변환부에서 출력되는 세 개의 신호는 각각 Hx, Hy 및 Hz 가운데 하나의 성분만을 포함한다. 다시 말해, A/D 변환부에서 출력되는 세 개의 신호는 Hx만을, Hy만을 또는 Hz 만을 포함하고 있다.

Ref 2의 경우, 한 번의 측정 주기(One Measurement Cycle) 동안 네 개의 다른 신호가 A/D 변환부에서 출력된다. A/D 변환부에서 출력되는 네 개의 신호는 각각 Hx, Hy 및 Hz 성분을 모두 포함한다.

본 발명의 경우, Ref 2와 같이 한 번의 측정 주기(One Measurement Cycle) 동안 네 개의 다른 신호가 A/D 변환부(140)에서 출력되나 A/D 변환부(140)에서 출력되는 네 개의 신호는 Ref 2와 달리 물리량의 모든 성분, Hx, Hy 및 Hz 성분을 모두 포함하지 않는다. 다시 말해, A/D 변환부(140)에서 출력되는 네 개의 신호는 각각 Hx 및 Hz 만을 또는 Hy 및 Hz 만을 포함한다.본 발명은 신호 측정 시 한번에 한 개의 센서소자를 사용하기 때문이다.

본 발명을 통해 얻어진 물리량의 X 및 Y 성분 값([수학식5])은 아래의 수학식6와 같이 재정리될 수 있다.

[수학식6]

여기에서 상수 a는 증폭부 노이즈 N(220)을 센서 노이즈 n(210)으로 나눈 값에 해당한다.

아래 Table 1 은 일반 기술 대비 본 발명의 Hx, Hy, Hz 노이즈를 비교한 것이다. 일반 기술에 해당되는 노이즈는 도 1의 신호 처리부(10)을 통해 나오는 출력 값([수학식2])을 본 발명에 해당되는 노이즈는 상기의 [수학식5]를 참고하면 된다.

[Table 1] 일반 기술 대비 본 발명의 Hx, Hy, Hz 노이즈를 비교

상기의 Table 1을 참조하면, 본 발명은Hx, Hy 성분의 노이즈를 감소시킴을 알 수 있다. 즉,

이었던 Hx 및 Hy의 노이즈가

으로 감소하였다. 2N 값이

으로 증폭부 노이즈(N)가 감소한 것이다. 센서 측정에 의한 노이즈는 차이가 없으나, 증폭부에 의한 노이즈가 감소한 것이다. 다만 Hz성분의 노이즈는

에서 4n + 2N으로 증가하였다.

일반기술 대비 본 발명의 SNR의 변동폭(%)은 아래의 수학식7와 같이 정의될 수 있다.

[수학식7]

X 성분 값의 SNR 변동폭(%) 및 Y 성분 값의 변동폭(%) 및 Z 성분 값의 SNR 변동폭(%) 은 수학식7를 이용해 계산할 수 있다. 증폭부 노이즈 N(220)를 센서 노이즈 n(210)으로 나눈 값, 상수 “a”에 대한 X 성분 값의 SNR 변동폭(%) 및 Y 성분 값의 변동폭(%) 및 Z 성분 값의 변동폭(%)은 도 7과 같이 나타난다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 계측된 물리량의 X 및 Y 성분 값의 종래 기술대비 SNR(Signal to Noise Ratio) 변동폭을 나타내는 그래프이다. 여기에서, 물리량은 자기장 또는 가속도에 해당한다.

도 7을 참조하면, 본 발명을 통해 계측된 물리량 X 성분 값의 SNR 변동폭 및 Y 성분 값의 SNR 변동폭은 어떤 a 값에서도 100% 이상의 값을 가지고 a가 증가함에 따라 140%에 수렴한다는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 계측되는 물리량의 X 성분 값 및 Y 성분 값의 노이즈를 감소시키는 있는 효과를 가진다. 최종 출력의 SNR은 센서에 의한 노이즈와 증폭부에 의한 노이즈의 비에 의해서 가변 될 수 있다는 의미로, 증폭부에 의한 노이즈가 센서에 의한 노이즈보다 클수록 SNR이 향상된다. 즉, 센서에 의한 노이즈가 감소하거나 증폭부에 의한 노이즈가 증가되는 시스템에서 본 발명의 SNR 개선 효과가 증가된다고 할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리량을 계측 방법을 설명하는 흐름도이다. 여기에서, 물리량은 자기장 또는 가속도에 해당한다.

먼저, 신호 측정부(110)의 복수의 센서들(112,114,116 및 118)이 물리량의 X 성분(Hx), Y 성분(Hy) 및 Z 성분(Hz)를 포함하는 3축 성분 값 가운데 2축 성분 값을 측정한다(단계 S801). 여기에서, 물리량은 자기장 또는 가속도에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 센서(112)는 상기 Hx 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hx+Hz)을 출력하고 제2 센서(114)는 상기 Hx 및 상기 Hz을 측정하여 음의 X 성분(-Hx) 및 상기 Hz을 더한 값(-Hx+Hz)을 출력하며 제3 센서(116)는 상기 Hy 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hy+Hz)을 출력하고 제4 센서(118)는 상기 Hy 및 상기 Hz를 측정하여 음의 Y 성분(-Hy) 및 Z 성분(Hz)을 더한 값(-Hy+Hz)을 출력할 수 있다.

다음으로, 센서 제어부(120)가 기 설정된 주기 동안 신호 측정부(110)에 포함된 복수의 센서들(112,114,116 및 118) 가운데 어느 하나를 한번씩 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 순차적으로 출력한다(단계 S802). 일 실시예에서, 센서 제어부(120)는 기 설정된 주기 동안 상기 제1 센서(112), 제2 센서(114), 제3 센서(116) 및 제4 센서(118)를 한번씩 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 출력하도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 센서들(112,114,116 및 118)은 적어도 2개 이상의 센서들을 포함하고, 물리량 계측 장치(100)는 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 1개의 센서만을 선택하고 상기 센서를 동작시켜 물리량을 측정하며 측정된 물리량을 증폭부(130)에 입력할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 나머지 선택되지 않은 센서는 동작하지 않을 수 있다.

증폭부(130)는 센서 제어부(120)가 선택한 센서에서 측정된 값을 수신하여 증폭한다(단계 S803).

A/D 변환부(140)가 센서 제어부(120)에 의해 선택되어 출력 및 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환한다(단계 S804). A/D 변환부(140)는 하나의 ADC Data를 출력하기 위해 복수의 센서들(112,114,116 및 118) 가운데 하나의 센서만을 사용할 수 있다.

신호 처리부(150)는 A/D 변환부(140)로부터 디지털 신호를 수신하고, 수신된 복수의 디지털 신호들 가운데 적어도 하나 이상 조합하여 물리량의 X축, Y축 또는 Z축 성분 값을 산출한다(단계 S805). 일 실시예에서, 신호 처리부(150)은 수학식3을 이용하여 상기 물리량의 X, Y 또는 Z 성분 값을 산출할 수 있다.

상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 물리량 계측 장치 110: 신호 측정부
120: 센서 제어부 130: 증폭부
140: A/D 변환부 150: 신호 처리부

Claims

측정하고자 하는 물리량의X 성분(Hx), Y 성분(Hy) 및 Z 성분(Hz)을 포함하는 3축 성분의 값 가운데 2축 성분 값을 측정하는 복수의 센서들을 포함하는 신호 측정부;
상기 신호 측정부에 포함된 복수의 센서들 가운데 하나를 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 1개의 센서에서만 측정된 2축 성분의 물리량을 출력하도록 제어하는 센서 제어부;
상기 1개의 센서에서만 측정된 2축 성분의 물리량을 증폭하는 증폭부;
상기 증폭부에서 출력된 2축 성분의 물리량을 디지털 신호로 변환하고 출력하는 A/D 변환부; 및
상기 A/D 변환부로부터 디지털 신호를 수신하고, 수신된 복수의 디지털 신호들 가운데 적어도 하나 이상 조합하여 상기 물리량의 X, Y 또는 Z 성분 값을 각각 산출하는 신호 처리부;를 포함하고,
상기 증폭부는 제1 입력단 및 제2 입력단을 포함하고, 상기 1개의 센서에서만 측정된 2축 성분의 물리량이 상기 제1 및 제2 입력단에 동일하게 입력되는 물리량 계측 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 복수의 센서들은
상기 Hx 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hx+Hz)을 출력하는 제1 센서;
상기 Hx 및 상기 Hz을 측정하여 음의 X 성분(-Hx) 및 상기 Hz을 더한 값(-Hx+Hz)을 출력하는 제2 센서;
상기 Hy 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hy+Hz)을 출력하는 제3 센서; 및
상기 Hy 및 상기 Hz를 측정하여 음의 Y 성분(-Hy) 및 Z 성분(Hz)을더한 값(-Hy+Hz)을 출력하는 제4 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 장치.
제1항에 있어서, 상기 복수의 센서들은
제1, 제2, 제3 및 제4 센서를 포함하고,
상기 센서 제어부는
상기 제1, 제2, 제3 및 제4 센서를 기 설정된 주기 동안 한번씩 순차적으로 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 순차적으로 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 장치.
제4항에 있어서, 상기 센서 제어부는
상기 복수의 센서들을 상기 제1, 제3, 제4 및 제2센서순서, 상기 제1, 제4, 제3 및 제2 센서 순서, 상기 제2, 제3, 제4 및 제1 센서 순서, 상기 제2, 제4, 제3 및 제1 센서 순서, 상기 제3, 제1, 제2 및 제4 센서 순서, 상기 제3, 제2, 제1 및 제4 센서 순서, 상기 제4, 제1, 제2 및 제3 센서 순서, 또는 상기 제4, 제2, 제1 및 제3 센서 순서 가운데 하나의 순서로 선택하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 장치.
제1항에 있어서, 상기 신호 처리부는
하기의 수학식을 이용하여 상기 물리량의 X, Y 또는 Z 성분 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 장치.
[수학식]
X 성분 값 = (Hx+Hz) - (-Hx+Hz),
Y 성분 값 = (Hy+Hz) - (-Hy+Hz)
Z 성분 값 = (Hx+Hz) + (-Hx+Hz) + (Hy+Hz) + (-Hy+Hz)
제1항에 있어서, 상기 복수의 센서들은
적어도 2개 이상의 센서들을 포함하고, 상기 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 1개의 센서만을 선택하고, 상기 센서를 동작시켜 물리량을 측정하며, 상기 물리량을 상기 증폭부에 입력하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 장치.
제7항에 있어서, 상기 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 나머지 선택되지 않은 센서는 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 장치.
제1항에 있어서, 상기 A/D 변환부는
하나의 ADC Data를 출력하기 위해 상기 복수의 센서들 가운데 하나의 센서만 사용하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 장치.
신호 측정부의 복수의 센서들이 물리량의 X 성분(Hx), Y 성분(Hy) 및 Z 성분(Hz)를 포함하는 3축 성분 값 가운데 2축 성분 값을 측정하는 단계;
센서 제어부가 상기 신호 측정부에 포함된 복수의 센서들 가운데 1개의 센서에서만 측정된 2축 성분의 물리량을 하나를 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 출력하는 단계;
증폭부가 상기 1개의 센서에서만 측정된 2축 성분의 물리량을 증폭하는 단계;
A/D 변환부가 상기 센서 제어부에 의해 선택되어 증폭부에서 출력된 2축 성분의 물리량을 디지털 신호로 변환하고 출력하는 단계; 및
신호 처리부가 상기 A/D 변환부로부터 디지털 신호를 수신하고, 수신된 복수의 디지털 신호들 가운데 적어도 하나 이상 조합하여 상기 물리량의 X축, Y축 또는 Z축 성분 값을 각각 산출하는 단계를 포함하고,
상기 증폭부는 제1 입력단 및 제2 입력단을 포함하고, 상기 1개의 센서에서만 측정된 2축 성분의 물리량이 상기 제1 및 제2 입력단에 동일하게 입력되는 물리량 계측 방법.
제10항에 있어서, 상기 측정하는 단계는
제1 센서가 상기 Hx 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hx+Hz)을 출력하는 단계;
제2 센서가 상기 Hx 및 상기 Hz을 측정하여 음의 X 성분(-Hx) 및 상기 Hz을 더한 값(-Hx+Hz)을 출력하는 단계;
제3 센서가 상기 Hy 및 상기 Hz를 측정하여 더한 값(Hy+Hz)을 출력하는 단계; 및
제4 센서가 상기 Hy 및 상기 Hz를 측정하여 음의 Y 성분(-Hy) 및 Z 성분(Hz)을 더한 값(-Hy+Hz)을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 방법.
제10항에 있어서, 상기 출력하는 단계는
기 설정된 주기 동안 상기 복수의 센서들 가운데 어느 하나를 한번씩 선택하여 해당 센서에서 측정된 값을 순차적으로 출력하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 방법.
제10항에 있어서, 상기 산출하는 단계는
하기의 수학식을 이용하여 상기 물리량의 X, Y 또는 Z 성분 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 방법.
[수학식]
X 성분 = (Hx+Hz) - (-Hx+Hz),
Y 성분 = (Hy+Hz) - (-Hy+Hz),
Z 성분 = (Hx+Hz) + (-Hx+Hz) + (Hy+Hz) + (-Hy+Hz)
제10항에 있어서, 상기 복수의 센서들은
적어도 2개 이상의 센서들을 포함하고, 상기 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 1개의 센서만 선택하고, 상기 센서를 동작시켜 물리량을 측정하며, 상기 물리량을 상기 증폭부에 입력하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 방법.
제14항에 있어서, 상기 적어도 2개 이상의 센서들 가운데 나머지 선택되지 않은 센서는 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 방법.
제10항에 있어서, 상기 A/D 변환부는
하나의 ADC Data를 출력하기 위해 상기 복수의 센서들 가운데 하나의 센서만 사용하는 것을 특징으로 하는 물리량 계측 방법.
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