KR100327481B1 - 마이크로 자이로스코프 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 기판(44)과; 스트라이프 형상 부분(35,35'), 다수의 연결 부분(36) 및, 코움(40,42)을 구비한 진동 구조물(35,35',36')과; 상기 진동 구조물(35, 35',36)을 탄성적으로 유지시키는 탄성 부재(32,32')와; 상기 진동 구조물(35,35',36)을 가진시킬 수 있는 구동 수단(33)과; 상기 진동 구조물(35,35',36)의 일방향 운동을 감지할 수 있는감지 수단(34)과; 상기 진동 구조물(35,35',36)에 코리올리의 힘에 의한 변위를 감지하도록 배치된 배치된 다수의 감지 전극(38);을 구비한 마이크로 자이로스코프가 제공된다. 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프는 신규한 진동 구조물과 감지 전극을 도입함으로써, 종래 기술에 따른 진동 구조물의 가공상 문제점을 해결하는 동시에 성능을 향상시킬 수 있는 장점을 지닌다.

Description

마이크로 자이로스코프
본 발명은 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신규한 형태의 진동 구조물을 구비하며 코리올리 힘에 의한 진동 구조물의 변위를 진동 구조물과 동일 평면상에 있는 감지 전극을 통해 감지할 수 있는 마이크로 자이로스코프에 관한 것이다.
관성체의 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서 장치는 이미 오래전부터 미사일이나 선박, 항공기등에서 항법 장치용 핵심 부품으로 사용되어왔고, 현재는 자동차의 항법 장치나 고배율 비데오 카메라의 손떨림을 검출하여 이를 보정하는 장치에 적용되는등 군사용 및 민수용으로 사용 영역이 확대되고 있는 실정이다. 그러나, 종래 군사용이나 항공기용으로 사용되는 각속도 감지용 자이로스코프는 다수의 복잡한 부품이 정밀 가공 및 조립 공정 등을 통하여 제작되므로 정밀한 성능을 얻을 수 있으나, 제작 비용이 많이 들고 부피가 큰 대형의 구조를 지니게 되므로 일반 산업용이나 민생용 가전 제품에 적용되기에는 적합하지 못한 것이었다.
최근에 들어 일본의 무라다(Murata)사에서는 삼각 프리즘 형태의 빔(beam)에 압전 소자를 부착한 소형 자이로스코프를 개발하여, 소니사나 마쓰시다 전기등과 같은 가전 메이커에서 제작한 소형 비데오 카메라에 손떨림 감지용 센서로 사용하고 있다. 그리고, 토킨(Tokin)사에서는 위와 같은 압전 소저를 부착한 자이로스코프의 제작에 따르는 난점을 극복할 수 있도록 개선된 원통형 빔구조를 가지는 소형 자이로스코프를 개발한 바 있다.
그러나 상기한 바와 같은 두가지 형태의 소형 자이로스코프는 모두 정밀 가공을 필요로 하는 소형 부품으로 이루어져 있기때문에, 제작이 어려운 것은 물론이고 고가의 비용이 소요된다는 단점이 있다. 더군다나, 근본적으로 상기 자이로스코프들은 다수의 기계 부품으로 이루어져 있기 때문에, 회로 일체형으로 개발되기가 곤란하다는 문제가 있다.
한편, 세계 각국에서는 상기한 바와 같은 자이로스코프들의 단점들을 개선하기 위해서, 최근 신기술로 대두되고 있는 초정밀 가공(Micro Machining) 기술을 활용하여 보다 경제적이고 정밀한 소형의 자이로스코프를 개발하려는 노력을 경주하고 있는 실정이다.
통상적으로 각속도 센서, 즉 자이로스코프의 원리는 제 1 축 방향으로 일정하게 진동하거나 회전하는 관성체가 상기 제 1 축 방향에 대하여 직각인 제 2 축 방향에서의 회전에 의한 각속도의 입력을 받을때, 상기 두개의 축에 대하여 직교하는 제 3 축 방향으로 발생하는 코리올리 힘(Coriolis force)을 검출함으로써 회전 각속도를 검출하는 것이다. 이때 관성체에 가해지는 힘을 평형시키면 각속도 검출의 정확성이 높아진다. 특히 신호의 선형성과 대역폭을 넓히려면 힘의 평형 방법을 이용한 구조가 바람직스럽다.
제 1 도에는 CSDL사에서 개발한 튜닝 포크 모드(tuning fork mode)를 이용하는 코움 구동형 마이크로 자이로스코프(comb motor type gyroscope)의 구조가 도시되어 있으며, 이것은 미국 특허 제 5,349,855 호에 개시된 바 있다. 상기의 초정밀 가공 기술을 이용하여 구성된 제 1 도의 자이로스코프는 평판 형태의 진동 구조물(11)과, 상기 진동 구조물(11)에 연결된 스프링(12,13)과, 상기 진동 구조물(11)에 정전력이 인가될 수 있게 하는 빗살 형태의 코움(14)등을 구비한다.진동 구조물(11)은 기판으로부터 소정의 간격으로 상부로 이격되어 있으며, 도면 번호 15 으로 지시된 부분에서 지지되어 있다. 제 1 도의 좌측에 지시된 바와 같이 자이로스코프의 각각의 부분은 기판에 부착된 표면 전극과, 기판으로부터 소정의 간격으로 이격된 현수 전극과, 상기 현수 전극을 지지하는 지지 영역으로 구분할 수 있다.
제 1 도에 도시된 마이크로 자이로스코프의 작동에 있어서는 진동 구조물(11)의 양단에 형성된 코움(14)에 대하여 우측 모터(17) 및 좌측 모터(16)를 이용하여 정전력을 가함으로써 일 방향으로 튜닝 포크 모드의 가진 운동을 일으킨다. 진동 구조물(11)의 일 방향 운동은 중앙에 위치한 코움(20)에서 정전 용량(capacitance)의 변화로써 감지되며, 감지된 신호는 피드백되어, 불안정 발진 제어 조건(limit cycle)을 만족하는 진동을 유발할 수 있는 전압이 좌측 모터(17) 및 우측 모터(18)에 인가되도록 하면 구조물은 고유 진동수로 연속적인 진동을 한다.
모터(16,17)에 의한 정전력으로 진동 운동이 발생하고 있는 상태에서 관성체가 상기 진동 운동 방향에 대하여 평면상에서 직교하는 방향으로 회전하면 상기 두 방향에 직교하는 방향(즉 평면에 수직인 방향)으로는 코리올리의 힘이 발생하며, 코리올리의 힘은 진동 구조물(11)을 제 1 도의 평면에 수직인 방향으로 변위시킨다. 이러한 변위는 진동 구조물(11)을 비트는 힘으로서 작용한다. 진동 구조물(11)의 비틀림은 구조물의 하부에 2 군데에 배치된 전극(22)에서 정전 용량(capacitance)의 변화로서 감지되며, 이로부터 코리올리의 힘이 측정될 수 있다. 진동 구조물은 위에 설명된 바와 같이 Z 방향으로의 변위, 즉 비틀림을 받게 되므로, 이를 상쇄시킬 수 있는 힘의 평형 방법으로서 토크 전극(23)을 통해 정전력을 발생시킨다. 토크 전극(23)은 진동 구조물(11)의 하부에 대각선 방향으로 2 군데에 배치되어서 비틀림의 힘을 평형시킨다.
제 1 도에 도시된 종래 기술의 자이로스코프는 다음과 같은 문제점을 지닌다.
우선, 진동 구조물(11)은 진동이 발생하는 각각의 방향에 대하여 고유 진동수를 일치시키는 작업이 매우 곤란하다. 즉, 통상적으로 평면형으로 형성된 진동 구조물은 제 2(가) 도에 도시된 바와 같은 평면에 평행한 일 방향으로의 진동과, 제 2(나) 도에 도시된 바와 같은 평면에 수직인 방향으로의 진동이 발생하는데, 이 양 방향의 고유 진동수가 일치하여야만 한다. 이를 조정하기 위하여 진동 구조물(11)을 유지하는 스프링(12,13)의 두께와 폭을 소정의 가공 오차내에서 가공하여야만 하며, 통상적으로 그 가공 오차는 수 내지 수십 오옴스트롬이다. 또한 스프링의 두께를 가공하는 공정과 폭을 가공하는 공정은 분리되어 있으므로 양 방향에 대한 고유 진동수를 일치시키는 작업이 상당히 곤란하다. 가공 공정에서 고유 진동수를 일치시키지 못할 경우에는 별도의 공정을 통해 고유 진동수 조정 작업이 수행될 수 있지만 이는 더욱 곤란한 작업이며, 결과적으로 제품의 표준화와 편차 관리를 어렵게 한다.
또한 제 1 도의 마이크로 자이로스코프에서는 코리올리 힘에 의한 진동 구조물의 변위를 측정하기 위하여 기판상에 부착된 전극(22,23)과 진동 구조물(11) 사이에는 소정의 간극이 유지되어야만 하는데, 이러한 간극의 결정에 상당한 제한이 따르며, 결과적으로 자이로스코프의 해상도, 사용 주파수 및, 선형성에 치명적인 제한을 초래한다. 자이로스코프의 감도는 상기 간극의 제곱에 반비례하므로 감도를 증가시키기 위하여 간극을 밀착시켜야 한다. 그러나, 진동 구조물의 변위를 감지하는 감지기를 구동하기 위하여 전극(22)에 일정한 직류 전압을 인가하게 되므로 간극이 너무 작을 경우 진동 구조물이 바닥면에 붙어버리는 불안정성을 유발한다. 또한 기판의 바닥면 전극과 진동 구조물 사이의 정전 용량의 변화는 간극의 제곱에 반비례하므로 출력값의 각속도 크기에 따르는 선형성이 불량해진다. 자이로스코프의 감도를 향상시키려면 동일한 각속도에 대하여 감지 방향으로 변위가 크게 발생할 수 있도록 설계하여야 하나, 변형이 크면 진동 구조물이 바닥 전극에 접촉하는 현상이 발생한다.
상술한 바와 같이, 제 1 도에 도시된 자이로스코프에서는 진동 구조물(11)이 기판의 바닥면에 접촉하는 현상을 방지하기 위하여 토크 전극(23)을 진동 구조물(11)의 하부에 대각선 상으로 2 군데 설치한다. 그런데 이러한 형태의 정위치 제어 방식은 전극(23)에 전압을 인가하였을 경우 대각선상의 반대편에 있는 진동 구조물과 기판 사이의 간극이 오히려 접근하는 경향을 나타내므로 결국 정위치 제어를 할 수 없는 상황이 되어버린다. 이러한 결점을 보완하기 위하여 스프링의 강성을 증강시키면 자이로스코프의 고유 진동수가 상승하는 결과를 초래하므로 자이로스코프의 감도 상승에는 부정적인 영향을 미친다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 신규한 형태의 진동 구조물을 구비한 마이크로 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 코리올리 힘에 의한 진동 구조물의 변위를 진동 구조물과 동일한 평면상에 배치된 감지 수단으로 감지할 수 있는 마이크로 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 진동 구조물의 정위치 제어를 진동 구조물과 동일한 평면상에 배치된 감지 수단으로 감지하는 마이크로 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 과다 진동 방지 수단이 구비된 마이크로 자이로스코프를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판과; 평행하게 배치된 2 개의 스트라이프 형상을 지닌 부분, 상기 스트라이프 형상 부분을 상호 연결하는 다수의 연결 부분 및, 상기 스트라이프 형상 부분의 일측에 형성된 코움을 구비한 진동 구조물과; 상기 진동 구조물을 상기 기판으로부터 소정의 간격으로 이격되게 탄성적으로 유지시키는 탄성 부재와; 상기 진동 구조물을 정전력에 의해 일 방향으로 가진시킬 수 있도록, 상기 하나의 스트라이프 형상 부분의 코움 사이에 배치되는 코움을 구비한 구동 수단과; 상기 구동 수단에 의한 상기 진동 구조물의 일 방향 운동을 정전 용량의 변화를 통해 감지할 수 있도록, 상기 다른 하나의 스트라이프 형상 부분의 코움 사이에 배치되는 코움을 구비한 감지 수단과; 상기 진동 구조물에 코리올리의 힘에 의한 변위가 발생하였을때 이를 정전 용량의 변화를통해 감지할 수 있도록, 상기 진동 구조물의 연결 부분들 사이에서 상기 기판으로부터 소정의 간격으로 이격되어 상기 진동 구조물과 동일 평면상에 배치된 다수의 감지 전극;을 구비한 마이크로 자이로스코프가 제공된다.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 진동 구조물(35,35',36)이 코리올리의 힘에 의해 과도하게 변위되는 것을 억제할 수 있도록, 상기 진동 구조물의 연결 부분중 최외곽의 것과 평행하게 상기 기판으로부터 소정의 간격으로 이격되어 상기 진동 구조물과 동일 평면상에 배치된 정위치 제어용 전극을 더 구비한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 진동 구조물이 코리올리의 힘에 의해 과도하게 변위되어 상기 감지 전극에 접촉하는 것을 방지할 수 있도록 과다 운동 방지 부재가 더 구비된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 탄성 부재의 한 부분은 상기 스트라이프 형상 부분의 길이 방향으로 연장되며, 상기 탄성 부재의 다른 부분은 상기 한 부분의 단부를 상호 연결하며, 상기 탄성 부재의 중간 부분에 지지부가 형성됨으로써 상기 진동 구조물을 상기 기판으로부터 소정의 간격으로 이격되게 탄성적으로 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 감지 전극은 상기 진동 구조물의 연결 부분들 사이에서 3 개의 부분이 2 열로 평행하게 배치되며, 상기 3 개의 부분중 길이가 긴 전극은 중간 부분이 지지되고, 상기 3 개의 부분중 길이가 짧은 전극은 일 단부가 지지된 상태로 일렬로 배치된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 감지 전극에 인가되는 전압을 변화시킴으로써 상기 진동 구조물의 고유 진동수가 조정될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 진동 구조물의 고유 진동수를 조정할 수 있도록 상기 진동 구조물의 연결 부분에 평행하게 배치된 고유 진동수 조정용 전극을 더 구비할 수 있다.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 보다 상세히 설명하기로 한다.
제 3 도에는 본 발명에 따른 자이로스코프 장치가 개략적인 평면도로서 도시되어 있다. 본 발명의 자이로스코프 장치(30)에서 진동 구조물은 평행하게 배치된 2 개의 스트라이프(stripe) 형상을 지닌 부분(35,35')과, 상기 스트라이프 형상 부분에 대해 직각으로 배치되며 상기 스트라이프 부분을 상호 연결시키는 다수의 다른 부분(36)을 구비한다. 진동 구조물(35,35',36)은 전체적으로 사다리의 형태를 지닌다. 진동 구조물은 스프링에 의해 연결되는데, 스프링은 진동 구조물(35,35')의 길이 방향으로 신장된 스프링(32)과, 그 단부에서 서로를 연결하는 연결 스프링(32')으로 구분될 수 있다. 연결 스프링(32')은 지지부(31)에 의해 지지되어 있다. 지지부(31)는 스프링(32,32')을 통해서 진동 구조물(35,35',36)을 기판으로부터 소정의 간격으로 이격된 상태로 지지하는 역할을 한다.
진동 구조물의 스트라이프 부분(35,35')의 일측에는 코움(comb,40,42)이 형성된다. 코움(40,42)은 스트라이프 부분(35,35')의 폭 방향으로 신장된 다수의 빗살 형태를 지닌다. 코움(40,42)은 진동 구조물 가진용 구동기 및 감지기에 형성된 다른 코움들의 사이에 배치되며, 진동 구조물의 코움과 구동기 코움 사이에 발생되는 정전력에 의해 진동 구조물이 가진되거나, 진동 구조물의 코움과 감지기의 코움 사이에 발생되는 정전 용량의 차이로부터 가진 상태를 검출할 수 있다.
진동 구조물(35,35',36)을 진동 운동시키는 구동기(33)는 진동 구조물(35)의 길이 방향과 평행하게 배치되며, 다수의 코움(39)을 지닌다. 상기에서 설명된 바와 같이 구동기(33)의 코움(39)은 진동 구조물(35)의 코움(40) 사이에 배치된다. 구동기(33)에 전압이 인가되면 코움 사이에 정전력이 발생하므로 진동 구조물(35,35')은 X 축 방향의 힘을 받아 가진될 수 있다.
구동기(33)에 의해서 가진된 진동 구조물(35,35',36)의 진동을 감지하는 감지기(34)는 진동 구조물(35')의 길이 방향과 평행하게 배치된다. 감지기(34)에는 다수의 코움(41)이 형성되어 있으며, 감지기(34)의 코움(41)은 진동 구조물(35')의 코움(42) 사이에 배치된다. 감지기(34)로부터 감지되는 진동 구조물(35,35',36)의 운동은 구동기(33)로 피드백되어, 불안정 발진 제어 조건(limit cycle)을 만족하는 진동을 유발할 수 있는 전압이 구동기(33)에 인가되도록 한다.
각속도의 입력 방향이 도면상의 평면에 수직인 Z 축 방향이라면, 코리올리 힘에 의한 진동 구조물의 변위는 도면상의 평면에서 Y 축 방향으로 발생된다. 이러한 변위를 감지할 수 있도록 감지 전극(38)이 배치된다. 감지 전극(38)은 제 3 도의 A 및 B 로 표시된 부분을 각각 확대 도시한 제 4 도 및 제 5 도에서 알 수 있는 바와 같이, 진동 구조물(35,35')을 상호 연결하는 근접한 한쌍의 진동 구조물(36) 사이에서 길이 방향을 따라 배치된다.
제 6 도는 제 5 도에서 C 로 표시된 선을 따라 절단한 단면도이며, 이로부터감지 전극(38)이 진동 구조물(35,35',36)과 동일한 높이로 기판(44)으로부터 이격되게 설치된 것을 알 수 있다. 따라서 감지 전극(38)은 진동 구조물(35,35',36)과 동일한 평면상에 배치된다. 감지 전극(38)은 도면에 도시된 실시예에서와 같이 한쌍의 진동 구조물(36) 사이에 3 개가 평행한 2 줄로 배치된다. 3 개의 감지 전극중 1 개의 길이는 진동 구조물(36)의 길이에 근접하고, 제 5 도의 부호 45 로 지시된 중간 부분에서 기판(44)상에 지지된다. 나머지 2 개의 감지 전극은 다른 감지 전극 길이의 절반에 근접하고, 부호 46 으로 지시된 단부에서 기판(44)상에 지지되며, 이들은 길이 방향으로 정렬되어 상기의 길이가 긴 감지 전극에 대하여 평행하게 배치된다.
진동 구조물의 정위치 제어용 전극(37)은 최외곽에 위치한 진동 구조물(36)과 평행하게 배치된다. 정위치 제어용 전극(37)도 제 6 도에 도시된 바와 같이 기판(44)으로부터 소정의 높이로 이격되게 설치되며, 따라서 진동 구조물(35,35',36)과 동일한 평면상에 배치된다. 정위치 제어용 전극(37)은 진동 구조물이 코리올리의 힘에 의해서 Y 축 방향으로 운동하는 것을 억제하는 역할을 한다.
정위치 제어용 전극(37)을 통해 정위치 제어를 수행하는 목적은 두가지이다.
첫째는 자이로스코프의 선형성을 보장하는 것이다. 코리올리의 힘에 의한 진동 구조물의 변위를 감지하는 감지기의 특성은 비선형의 특성을 지니고 있으므로, Y 축 방향으로의 변위가 너무 클 경우 자이로스코프의 출력의 선형성이 불량해진다. 따라서 코리올리 힘에 의한 변위를 억제함으로써 감지기의 선형성이 보장되는 구간에서 운동을 제한하여야만 자이로스코프의 선형성을 보장할 수 있다.
둘째는 자이로스코프의 분해능 및 측정 범위를 향상시키는데 있다. 자이로스코프의 분해능을 향상시키기 위해서는 코리올리 힘에 의한 변위가 크게 발생하도록 하여야 하나, 과도한 변위가 발생하는 경우 진동 구조물이 감지 전극에 충돌하게 되므로 측정 범위도 제한된다. 따라서 진동 구조물을 설계할때는 구조물 자체는 변위가 크게 일어날 수 있도록 하는 대신에 그 변위를 억제할 수 있는 정위치 제어를 하고, 그 제어 전압으로 코리올리의 힘에 의한 변위를 측정하는 것이 감지의 선형성 및 분해능 측면에서 효과적이다.
제 3 도 내지 제 5 도에서 도면 번호 43 으로 지시된 것은 과다 운동 방지용 부재이며, 이것은 정위치 제어용 전극(37)의 양 단부에 배치된다. 과다 운동 방지용 부재(43)는 진동 구조물(36)이 코리올리의 힘에 의해 Y 축 방향으로 과도하게 변위되어 감지 전극(38)에 접촉하기 전에 먼저 과다 운동 방지용 부재(43)에 접촉할 수 있도록 배치된다.
이하 본 발명에 따른 자이로스코프의 작동 및 구성 원리를 설명하기로 한다.
제 7 도는 자이로스코프와 같은 진동계를 모델링(modeling)하여 도시한 것으로서, 질량 m 을 지니는 진동 구조물은 X 축 방향 및 Y 축 방향에서 각각 스프링으로 지지되어 있다. 이와 같은 진동계에서 X 축 방향으로 진동 구조물을 가진시키는 외력(f)은 다음의 식으로 표시할 수 있다.
이때 진동 구조물의 X 축 방향 운동의 변위(X) 및 속도(V)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
위 식에서 χ는 X 축 방향의 변위, Vχ는 X 축 방향의 진동 구조물의 속도이다. 입력되는 각속도에 비례하여 발생되는 코리올리 힘에 의해 Y 축 방향으로 발생되는 변위는,
로 계산된다. 여기서 Qχ및 Qy는 X 축 방향 및 Y 축 방향에 대한 Q 상수이며, Ω는 입력 각속도이다. 따라서 y의 변위를 검출하면 관성체의 회전 각속도를 측정할 수 있다.
본 발명의 자이로스코프 장치(30)에서 질량(m)은 진동 구조물(35,35',36)의 질량에 해당하며, 구동기(33)에 고유 진동수에 해당하는 교류 전압을 인가하면 코움간의 정전력에 의해 X 방향으로의 진동이 발생한다. 이러한 정전력에 의한 구동기(33)의 정전력은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
상기 식에서 fx는 구동력이며, ε은 공기의 유전 상수, t 는 코움의 두께, nx는 코움의 쌍(雙)의 갯수, V 는 구동 전압, h 는 코움 사이의 거리이다.
위와 같은 구동력을 받는 진동 구조물은 고유 진동수에 따른 진동을 하게 되며, 이러한 고유 진동수의 진동 운동을 유지하기 위하여 감지기(34)로부터 진동을 감지하고, 감지된 운동을 기준으로 불안정 발진 제어 조건을 만족하는 전압을 발생시켜 구동기를 작동시킨다.
발진하는 진동 구조물(35,35',36)에 회전 각속도가 입력되면 진동 구조물은 제 3 도에서 X 축 방향으로는 진동 운동을 하면서, 동시에 Y 축 방향으로 변위하게 된다. 진동 구조물의 변위는 상기의 y 에 관한 식으로 나타낼 수 있다. 이러한 변위는 감지 전극(38)과 진동 구조물(36) 사이에 형성되는 정전 용량의 변화를 유발한다. 감지 전극(38)은 제 5 도를 참조하여 설명한 바와 같이 3 개가 평행한 2 줄로 형성되어 있으며, 이것은 양극과 음극으로 이루어진 쌍을 형성한다. 양극의 정전 용량과 음극의 정전 용량의 변화는 반대로 발생하므로 두 전극에 발생하는 정전 용량의 차이를 계산하면 Y 축 방향으로의 진동 구조물의 변위를 감지할 수 있다. 양 전극 사이의 정전 용량의 차이(△C)는 다음의 식으로 계산될 수 있다.
위 식에서 ns는 감지 전극(38)의 쌍의 수, ε은 공기의 유전 상수,는 감지 전극(38)의 길이, t 는 진동 구조물(36)과 감지 전극(38)이 마주보는 두께, hs는 감지 전극(38)과 진동 구조물(36)의 간극이다. 정전 용량의 변화를 검출하는 일반적인 회로를 사용하면 정전용량의 변화에 비례하는 전압 신호를 검출할 수 있으므로 결과적으로 각속도 신호를 검출할 수 있다.
한편, 마이크로 자이로스코프의 성능을 결정하는 공통적인 중요인자로서, 코리올리의 힘에 의한 Y 축 방향으로의 변위를 최대화하기 위하여 X 축 방향과 Y 축 방향의 고유 진동수를 일치시킬 필요가 있다. 본 발명에서는 감지 전극(38)에 의해서 발생되는 정전력에 의하여 Y 축 방향의 강성이 영향을 받으므로, 그 정전력을 이용하여 고유 진동수를 조정할 수 있다. Y 축 방향의 고유 진동수는 다음의 식으로 표시할 수 있다.
위의 식에서는 스프링(32,32')의 스프링 상수이고,은 감지 전극(38)과 진동 구조물 사이의 정전력에 의해 발생되는 스프링 상수이다.은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
위 식에서 Vb는 감지 전극(38)에 인가되는 편류 전압(bias voltage)이다. 편류 전압을 조정하여 Y 축 방향의 고유 진동수를 X 축 방향의 고유 진동수와 일치시킬 수 있다. 그러나 이와 같은 방법에서 감지 전극의 편류 전압을 변화시키면 자이로스코프의 출력 변화를 야기하므로, 다른 방법으로서 감지 전극(38)의 편류 전압은 고정하고 별도로 고유 진동수 조정용 전극을 설치하여 보다 정확한 조정을 할 수도 있다. 도시되지 아니한 고유 진동수 조정용 전극은 상기 감지 전극(38)과 유사한 형태로서 상기 진동 구조물의 연결 부분(36)에 평행하게 배치된다.
본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프는 신규한 진동 구조물과 감지 전극을 도입함으로써, 종래 기술에 따른 진동 구조물의 가공상 문제점을 해결하는 동시에 성능을 향상시킬 수 있는 장점을 지닌다. 또한 종래 기술에서는 진동 구조물의 고유 진동수를 2 방향에서 조정하는 작업이 상당히 곤란하였으나, 본 발명에서는 고유 진동수를 결정하는 각각의 요소들이 단일 공정에 의하여 결정되므로 성능을 안정화시킬 수 있다. 특히 고유 진동수를 일치시키는 작업이 진동 구조물의 기계적인 가공에만 의존하는 대신 감지 전극에 편류 전압을 인가하여 수행될 수 있으므로 매우 효과적이다. 이외에도 정위치 제어용 전극을 통해 효과적인 정위치 제어가 수행될 수 있으므로 선형성, 분해능 및 측정 범위가 향상되는 장점을 지닌다.
제 1 도는 종래 기술의 마이크로 자이로스코프에 대한 평면도.
제 2(가) 도 및 제 2(나) 도는 진동 구조물의 진동 모드를 도시하는 상태도.
제 3 도는 본 발명의 마이크로 자이로스코프에 대한 평면도.
제 4 도는 제 3 도의 A 로 표시된 부분의 확대도.
제 5 도는 제 3 도의 B 로 표시된 부분의 확대도.
제 6 도는 제 3 도의 C 선을 따라 절단한 단면도.
제 7 도는 통상적인 진동계를 모델링 상태로 도시한 구성도.
* 도면의 주요 번호에 대한 간단한 설명 *
11. 진동 구조물 12. 13. 스프링
31. 지지부 32. 32'. 스프링
33. 구동기 34. 감지기
35.35'.36. 진동 구조물 36. 과다 운동 방지용 부재
37. 정위치 제어용 전극 38. 감지 전극

Claims (7)

  1. 기판(44)과;
    평행하게 배치된 2 개의 스트라이프 형상을 지닌 부분(35,35'), 상기 스트라이프 형상 부분(35,35')을 상호 연결하는 다수의 연결 부분(36) 및, 상기 스트라이프 형상 부분(35,35')의 일측에 형성된 코움(40,42)을 구비한 진동 구조물(35,35',36')과;
    상기 진동 구조물(35,35',36)을 상기 기판(44)으로부터 소정의 간격으로 이격되게 탄성적으로 유지시키는 탄성 부재(32,32')와;
    상기 진동 구조물(35,35',36)을 정전력에 의해 일 방향으로 가진시킬 수 있도록, 상기 하나의 스트라이프 형상 부분(35)의 코움(40) 사이에 배치되는 코움(39)을 구비한 구동 수단(33)과;
    상기 구동 수단(33)에 의한 상기 진동 구조물(35,35',36)의 일 방향 운동을 정전 용량의 변화를 통해 감지할 수 있도록, 상기 다른 하나의 스트라이프 형상 부분(36)의 코움(42) 사이에 배치되는 코움(41)을 구비한 감지 수단(34)과;
    상기 진동 구조물(35,35',36)에 코리올리의 힘에 의한 변위가 발생하였을때 이를 정전 용량의 변화를 통해 감지할 수 있도록, 상기 진동 구조물의 연결 부분(36)들 사이에서 상기 기판(44)으로부터 소정의 간격으로 이격되어 상기 진동 구조물(35,35,36)과 동일 평면상에 배치된 다수의 감지 전극(38);을 구비한 마이크로 자이로스코프.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 진동 구조물(35,35',36)이 코리올리의 힘에 의해 과도하게 변위되는 것을 억제할 수 있도록, 상기 진동 구조물의 연결 부분(36)중 최외곽의 것과 평행하게 상기 기판(44)으로부터 소정의 간격으로 이격되어 상기 진동 구조물(35,35',36)과 동일 평면상에 배치된 정위치 제어용 전극(37)을 더 구비하는 마이크로 자이로스코프.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 진동 구조물(35,35',36)이 코리올리의 힘에 의해 과도하게 변위되어 상기 감지 전극(38)에 접촉하는 것을 방지할 수 있도록 과다 운동 방지 부재를 더 구비하는 마이크로 자이로스코프.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 부재의 한 부분(32)는 상기 스트라이프 형상 부분의 길이 방향으로 연장되며, 상기 탄성 부재의 다른 부분(32')은 상기 한 부분(32)의 단부를 상호 연결하며, 상기 탄성 부재(32')의 중간 부분에 지지부(31)가 형성됨으로써 상기 진동 구조물(35,35',36)을 상기 기판(44)으로부터 소정의 간격으로 이격되게 탄성적으로 유지하는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 감지 전극(38)은 상기 진동 구조물의 연결 부분(36)들 사이에서 3 개의 부분이 2 열로 평행하게 배치되며, 상기 3 개의 부분중 길이가 긴 전극은 중간 부분(45)이 지지되고, 상기 3 개의 부분중 길이가 짧은 전극은 일단부(46)가 지지된 상태로 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 감지 전극(38)에 인가되는 전압을 변화시킴으로써 상기 진동 구조물의 고유 진동수가 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 진동 구조물의 고유 진동수를 조정할 수 있도록 상기 진동 구조물의 연결 부분(36)에 평행하게 배치된 고유 진동수 조정용 전극을 더 구비하는 마이크로 자이로스코프.
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