KR100363784B1

KR100363784B1 - 마이크로 자이로스코프

Info

Publication number: KR100363784B1
Application number: KR1019990047400A
Authority: KR
Inventors: 정호섭
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2002-12-11
Also published as: JP2000337886A; KR20000075418A

Abstract

본 발명은 가진진동 프레임과 감지 진동 프레임을 각각 분리 구성하여 주파수의 튜닝시 나타나는 왜곡(Veering) 현상을 극소화 할수 있는 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로 그 기술적인 구성은, 외부 프레임(120)의 내측으로 비임 탄성체(130)를 개재하여 내부 프레임(110)이 설치되며, 상기 외부 프레임(120)의 각 모서리부에는 가진방향(X축방향) 가진 가능토록 가진 탄성체(230)가 탄설되고, 상기 외부 프레임의 코움(220) 사이에 배치되어 가진용 구동기(250)(250')를 통해 그 사이에 발생되는 정전 용량의 차이로 부터 가진 상태를 검출할 수 있도록 전극(260)을 설치하는 것을 요지로 한다.

Description

마이크로 자이로스코프{Microgyrocrope}

본 발명은 마이크로 구조물로 구성되는 자이로스코프(Microgyrocrope)에서 가진 진동 프레임과 감지 진동 프레임을 각각 분리 구성하여 주파수의 튜닝시 나타나는 왜곡(Veering) 현상을 극소화 할수 있도록한 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로 이는 특히, 외부 프레임의 내측으로 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 내부 프레임이 설치되고, 상기 내부 프레임의 외측에 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 설치되는 외부 프레임에는 가진방향 탄성체를 탄설하여 가진 및 감지모드의 진동을 분리토록 하며, 이에따라 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화하고, 마이크로자이로의 성능을 극대화시킬 수 있도록한 마이크로 자이로스코프에 관한 것이다.

일반적으로 알려져 있는 관성체의 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서 장치는 이미 오래전부터 선박, 항공기등에서 항법장치용 핵심부품으로 사용되어 왔으며, 현재는 자동차의 항법장치나, 또는 고배율 비데오 카메라의 손떨림을 검출하여 이를 보상하는 장치에 사용되고 있다.

그러나, 종래 군사용이나 항공기용으로 사용되는 각속도 감지용 자이로스코프는 다수의 복잡한 부품이 정밀가공 및 조립공정등을 통하여 제작되므로 정밀한 성능을 얻을수 있으나, 제작비용이 많이들게 되고, 부피가 대형화되어 일반 산업용이나, 민생용 가전제품에는 적용이 불가능한 실정인 것이다.

최근에는 삼각 프리즘 형태의 비임(Beam)에 압전소자를 부착한 소형 자이로스코프를 개발하여 소형 비데오 카메라의 손떨림 감지용 센서로서 사용하고 있는 것이다. 또한, 상기와같은 압전소자를 부착한 자이로스코프의 제작에 따른 난점을 극복할 수 있도록 개선된 원통형 비임 구조를 갖는 소형 자이로스코프를 개발한바 있다.

그라나, 이와같은 두가지 형태의 소형 자이로스코프는 모두 정밀가공을 필요로하는 소형부품으로 이루어진 관계로, 제작이 어렵게 됨은 물론, 고가의 비용이 소요되는 단점이 있으며, 특히 상기와같은 자이로스코프는 다수의 기계부품으로 이루어져 있기 때문에, 회로 일체형으로 적용하기가 곤란하게 되는 문제점이 있는 것이다.

한편, 상기와같은 자이로스코프의 원리는 제1 축방향으로 일정하게 진동하거나, 회전하는 관성체가 상기 제1 축방향에 대하여 직각인 제2 축방향에서의 회전에 의한 각속도의 입력을 받을때, 상기 두개의 축에 대하여 직교하는 제3 축방향으로 발생하는 코리올리의 힘(Coriolis force)을 검출함으로써 회전 각속도를 검출하는 것이다.

이때, 관성체에 가해지는 힘을 평형시키면 각속도 검출의 정확성이 높아진다. 특히, 신호의 선형성과 대역폭을 넓히려면 힘의 평형방법을 이용한 구조가 바람직하다.

이와같은 기술과 관련된 종래의 마이크로 자이로스코프의 구성에 있어서는 도 1에 나타낸 바와같이, 프레임(10)의 내부에 코움(20)들이 횡설되는 상태로 감지방향(Y축 방향)으로 다수개 설치되는 한편, 상기 각각의 코움(20) 사이에 + 및 -전극 지지부(30)(30')에 고정되어 지지되는 감지방향(Y축 방향) 감지전극(40)이 상기 코움(20)들 사이에 상호 일정간격 이격 설치되며, 상기 프레임(10)은 그 상하 양측 4군데에 연설되는 감지방향 탄성체(50)를 개재하여, 폭 방향으로 신장되는 진동 구조물(60)과 탄설토록 되고, 상기 진동구조물(60)은 가진용 구동기(70)의 전압의 인가에 의해 가진 작동토록 되며, 이때 상기 진동 구조물의 각 모서리부에는 가진방향 탄성체(80)가 탄설되는 구성으로 이루어진다.

상기와같은 종래의 자이로스코프는, 가진용 구동기(70)의 교류전압 인가에 의해 진동 구조물(60)이 가진모드(X축 방향)으로 진동하고 있을 때, 상기 자이로스코프의 평면에 수직인 방향(Y축 방향)으로 각속도 입력이 들어오면 감지방향으로 코리올리의 힘(coriolis force)이 발생하여 프레임(10) 내부 구조물을 감지방향으로 움직이고, 이 움직임은 감지빔의 정전용량(capacitance)을 변화시키게 됨으로써, 상기 변화된 정전용량을 측정하여 각속도양을 측정하게 되는 것이다.

그러나, 상기와같은 경우 자이로스코프의 프레임(10)에 설치되는 감지방향 탄성체(50)와 가진방향 탄성체(80)를 각각 분리함으로 인한, 감지 및 가진 진동은 줄일수 있는 반면에, 상기 가진 및 감지 방향 탄성체(80)(50)가 한 개의 프레임(10)에 일체로 설치되어, 가진 및 감지의 두방향 모드 주파수 튜닝시 도 2에서와 같이 왜곡(Veering)현상이 발생하게 되는 단점이 있는 것이다.

또한, 상기와같은 마이크로 자이로스코프에 있어서는, 한 개의 프레임(10)에 전달되는 가진 및 감지방향 진동에 의해 자이로스코프의 감도 상승에 부정적인 영향을 초래하게 됨은 물론, 각속도 크기에 따른 선형성이 불량해지고, 결과적으로 자이로스코프의 분해능 저하와, 상기 자이로스코프의 수명이 단축되는 등 많은 문제점이 있었던 것이다.

본 발명은 상기한 바와같은 종래의 여러 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 자이로스코프 외부 프레임의 내측으로 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 내부 프레임이 설치되고, 상기 내부 프레임의 외측에 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 설치되는 외부 프레임에는 가진방향 탄성체를 탄설하여 가진 및 감지모드의 진동을 분리토록 함으로써, 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화할 수 있도록 하며, 마이크로 자이로스코프의 분해능 및 감도 성능을 극대화 시키면서, 상기 자이로스코프의 수명을 가일층 연장시킬 수 있는 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 마이크로 자이로스코프의 평면 구조도.

도 2는 종래의 주파수 튜닝시 발생하는 가진 및 감지모드 그래프도.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 개략 평면 구성도.

도 4는 본 발명의 내부 프레임 양측에 설치되는 스토퍼의 요부 확대 구조도.

도 5는 본 발명의 주파수 튜닝시 발생하는 가진 및 감지모드 그래프도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 자이로스코프의 평면 구조도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100...자이로스코프 장치 110...내부 프레임

120...외부 프레임 130...비임 탄성체

140,160...전극 지지부 150...코움

170...감지전극 180...스토퍼

220...코움 230,270...가진 탄성체

250,250'...가진용 구동기 260...전극

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 외부 프레임의 내측으로 가진 가능토록 설치되는 내부 프레임;

상기 내부 프레임 내부 양측에 횡설되어 감지방향(Y축방향)으로 다수개 설치되는 코움;

상기 각각의 코움들 사이에 일정간격 이격되는 상태로 배치되어 상,하측 전극 지지부에 고정 지지되는 감지방향 감지전극;

상기 내부 프레임과 외부 프레임 사이에 감지방향 가진 가능토록 설치되는 비임 탄성체;

상기 외부 프레임의 모서리부에 탄설되어 가진방향(X축방향) 가진 가능토록 설치되는 가진 탄성체;

상기 외부 프레임의 양측에 다수개 설치되는 코움; 및

전압의 인가에 의해 가진작동되는 가진용 구동기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프를 마련함에 의한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 개략 평면 구성도이고, 도 4는 본 발명의 내부 프레임 양측에 설치되는 스토퍼의 요부 확대 구조도로서, 본 발명의 자이로스코프 장치(100)에서 진동 구조물은 코리올리 감지부를 갖는 내부프레임(110)와, 외부 프레임(120) 및 상기 외부 프레임(120)의 양측에 설치되는 가진용 구동기(250) (250')로 구성된다.

상기 자이로스코프 장치(100)의 내부 질량부인 내부 프레임(110)은, 외부 프레임(120)의 내측 전후 및 좌우측 4군데에 비임 탄성체(130)를 상기 외부 프레임(120)과 일체로 감지방향(Y축방향) 가진 가능토록 평행하게 탄설하며, 이때 상기 내부 프레임(110)은, 그 내부에 양측으로 코움(150)들이 횡설되는 상태로 Y축 방향으로 다수개 설치되는 한편, 상기 각각의 코움(150)들 사이에는 + 및 - 전극으로 구성되는 상,하측 전극 지지부(140)(160)에 고정되어 지지토록 감지방향(Y축 방향) 감지전극(170)이 소정의 간격으로 이격되는 상태로 각각 배치된다.

상기 진동 구조물인 외부 및 내부 프레임(120) (110) 사이의 4군데에 설치되는 비임 탄성체(130)는, 상기 내부 프레임(110)의 양측에 설치된 + 및 - 전극 지지부(140)(160)를 통한 전압의 인가시, 전극 지지부(140)(160)에 빗살 형태로 설치되는 수직방향 감지전극(170)과 진동 구조물인 프레임의 코움(150)들 사이에서 발생되는 정전력에 의해, 상기 내부 프레임(110)이 가진될 경우, 감지방향의 연성을 최소화할 수 있도록 하며, 이때 상기 내부 프레임(110)의 코움(150)들과 + 및 - 전극 지지부(140)(160)의 감지방향 감지전극(170) 사이에 발생되는 정전 용량의 차이로 부터 가진 상태를 검출할 수 있도록 하면서, 진동 구조물인 상기 내부 프레임(110) 및 이와 비임 탄성체(130)를 개재하여 연설된 외부 프레임(120)이 코리올리의 힘에 의해서 감지 방향(수직방향)으로 운동하는 것을 억제하는 역할을 한다.

한편, 상기 내부 프레임(110)의 양측 중앙에는 도3 및 도 4에서와 같은 스토퍼(180)가 설치되어, 상기 내부 프레임(110)의 코움(150)들과 + 및 - 전극 지지부(140)(160)의 감지방향 감지전극(170) 사이에서 발생되는 진동에 의해코움(150)과 감지전극(170)이 접촉되는 현상을 방지하게 되며, 이때 상기 스토퍼(180)의 간격(t)은 내부 프레임(110)의 코움(150)과, 전극 지지부(140)(160)의 감지전극(170) 사이의 이격거리 이하로 설정한다.

계속해서, 상기 감지방향 비임 탄성체(130)를 개재하여 내부 프레임(110)의 외측에 설치되는 외부 프레임(120)은, 각각의 모서리부에 가진 탄성체(230)를 통해 가진방향(X축방향)으로 가진 가능토록 탄설되는 상태에서, 상기 외부 프레임(120)의 양측에는 다수의 코움(220)이 설치된다.

상기 외부 프레임(120)에 설치되는 코움(220)은, 전압의 인가에 의해 가진작동되는 가진용 구동기(250)(250')에 형성되는 전극(260)들 사이에 소정의 갭(gap)을 형성하면서 배치되며, 상기 외부 프레임(120)의 코움(220)과 가진용 구동기(250)(250')에 형성된 코움(260) 사이에 발생되는 정전력에 의해 외부 프레임(120)이 가진 되거나, 외부 프레임의 코움(220)과 가진용 구동기(250)(250')의 전극(260) 사이에 발생되는 정전 용량의 차이로 부터 가진 상태를 검출할 수 있도록 된다.

이때, 상기 외부 프레임(120)을 좌우, 수평방향(X축 방향)으로 가진 시키는 가진용 구동기(250)(250')는, 상기 외부 프레임(120)의 폭방향과 평행하게 배치되며, 상기 가진용 구동기(250)(250')에 형성되는 다수의 전극(260)들은 외부 프레임(120)의 코움(220) 사이에 배치된다.

한편, 도 5는 본 발명의 주파수 튜닝시 발생하는 가진 및 감지모드 그래프도로서, 판 탄성체로 구성되는 가진 탄성체(230)는, 상기 외부 프레임(120)의 가진용구동기(250)(250')의 + 및 - 전압의 인가에 의한 가진 모드에서 가진될때, 상기 가진 탄성체(230)에 의해 가진 모드에서의 연성이 흡수되며, 이에따라 감지방향의 변위를 거의 없앨수 있도록 하여 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화할 수 있는 것이다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 자이로 스코프의 평면 구성도로서, 가진 진동프레임인 외부 프레임(120)의 각각의 모서리부에 탄설되는 가진 탄성체(230)의 후방으로 이와 일체로 별도의 가진 탄성체(270)를 각각 탄설하여, 감지단에 가진방향의 변위 발생량을 최소화할 수 있도록 한다.

상기와같은 경우, 가진방향의 진동이 가진 탄성체(230)에서 1차 흡수된후, 그 후방에 일체로 설치되는 가진 탄성체(270)에서 재차 진동을 흡수하여, 가진방향의 변위발생량이 극소화 될 수 있도록 하며, 이에따라 판 스프링으로 구성되는 가진탄성체(230)(270)를 상호 평행하게 연결시킴으로 인하여, 가진 탄성체의 강성 조절이 용이하게 이루어지게 된다.

이하, 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

도 5에 도시한 바와같이, 질량 M을 갖는 진동 구조물인 내부 프레임(110)과, 그 양측에 질량 M/2을 갖는 진동 구조물인 2개의 외부 질량부를 갖는 외부 프레임(120)은, 가진방향(X축 방향)으로 가진 탄성체(230) 및 감지방향(Y축 방향)으로 비임 탄성체(130)가 각각 분리되어 있다. 상기와같은 진동계에서 X축 방향으로 진동 구조물을 가진시키는 외력(f)은 다음식으로 표시할 수 있다.

이때 진동 구조물의 X축 방향 운동의 변위(X) 및 속도(V)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

상기 식에서는 X축 방향의 변위,는 X축 방향의 진동 구조물의 속도이다.

입력되는 각속도에 비례하여 발생되는 코리올리의 힘에 의해 Y축 방향으로 발생되는 변위는,

로 계산된다.

상기 식에서,

및는 X축 방향 및 Y축 방향에 대한상수이며,는 입력 각속도이다.

따라서,의 변위를 검출하면 관성체의 회전 각속도를 측정할 수 있다.

본 발명의 자이로스코프 장치(100)에서 질량 M은 진동 구조물의 질량인 M 및 M/2에 각각 해당되며, 가진용 구동기(250)(250')에 고유 진동수에 해당하는 교류 전압을 인가하면, 코움간의 정전력에 의해 X축 방향으로의 진동이 발생하게 된다.

이러한 정전력에 의한 가진용 구동기(250)(250')의 정전력은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.

상기 식에서는 구동력이며, ε은 공기의 유전상수,는 코움의 두께,는 코움의 쌍의 갯수,는 구동전압,는 코움사이의 거리이다.

상기와 같은 구동력을 받는 진동 구조물은 고유 진동수에 따른 진동을 하게 되며, 이러한 고유 진동수의 진동을 유지하기 위하여 감지된 운동을 기준으로 불안정 발진 제어 조건을 만족하는 전압을 발생시켜 가진용 구동기(250)(250')를 작동시키는 것이다.

발진하는 진동 구조물에 회전 각속도가 입력되면 상기 진동 구조물은 X축 방향으로 진동 운동을 하면서, 동시에 Y축 방향으로 변위하게 된다. 이러한 변위는 + 및 - 전극 지지부(140)(160)의 감지전극(170)과 진동 구조물인 내부 프레임(110)의 코움(150)들 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 유발하게 된다.

상기 감지전극(170)은 도 3에서와 같이, 전극 지지부(140)(160)를 통해 양극과 음극으로 구성되며, 양극의 정전용량과 음극의 정전용량의 변화는 서로 반대로발생하므로, 상기 양극 및 음극 감지전극에서 발생하는 정전용량의 차이를 계산하면 Y축 방향으로의 진동 구조물의 변위를 감지할 수 있다.

양 전극 사이의 정전용량의 차이는 다음의 식으로 계산된다.

상기 식에서,는 감지전극(170)의 쌍의 수,은 공기의 유전 상수,는 감진전극의 길이, t는 진동 구조물인 내부 프레임(110)의 코움(150)과 전극 지지부(140)(160)의 감지전극(170)이 서로 마주보는 두께,는 감지전극과 진동 구조물의 간극이다.

정전용량의 변화를 검출하는 일반적인 회로를 사용할 경우, 상기 정전용량의 변화에 비례하는 전압 신호를 검출할 수 있게 됨으로써, 결과적으로 각속도 신호를 검출할수 있게 된다.

다른한편, 자이로스코프의 성능을 결정하는 공통적인 중요 인자로서, 코리올리의 힘에 의한 Y축 방향으로의 변위를 최대화 하기 위하여, X축 방향과 Y축 방향의 고유 진동수를 일치시킬 필요가 있다.

본 발명에서는 상기 감지전극(170)에 의해서 발생되는 정전력에 의하여 Y축 방향의 강성이 영향을 받으므로, 그 정전력을 이용하여 고유 진동수를 조정할 수 있게 되며, Y축 방향의 고유 진동수는 다음의 식으로 표시한다.

상기 식에서,는 보 탄성체의 상수이고,은 감지전극과 진동 구조물인 코움 사이의 정전력에 의해 발생되는 탄성체 상수이다.

은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

상기 식에서는 감지전극에 인가되는 편류 전압(bias voltage)이다.

상기 편류 전압을 조정하여 Y축 방향의 고유 진동수를 X축 방향의 고유 진동수와 일치시킬 수 있다.

이때, 상기와 같은 방법으로 감지전극의 편류 전압을 변화시키면 자이로스코프의 출력변화를 야기하므로, 다른 방법에 의해 감지전극의 편류 전압은 고정시키고, 별도의 고유 진동수 조정용 전극을 사용하여 정확한 조정을 할 수 있는 것이다.

따라서, 가진용 구동기(250)(250')의 + 및 - 전압의 인가에 의한 가진 모드에서 가진될때, 상기 가진 탄성체(230)에 의해 가진 모드에서의 연성이 흡수되면서 그 후방의 가진 탄성체(270)에 의해 재차 진동에 의한 연성이 흡수되며, 이에따라 감지방향의 연성이 비연성이 되어 그 변위를 거의 없앨수 있게 되고, 따라서 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프에 의하면, 자이로스코프 외부 프레임의 내측으로 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 내부 프레임을 설치되고, 상기 내부 프레임의 외측에 설치되는 외부 프레임에는 가진방향 가진 탄성체를 탄설하여 가진 및 감지모드의 진동을 분리토록 하여, 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화할 수 있도록 하며, 마이크로 자이로스코프의 분해능 및 감도 성능을 극대화 시키면서, 상기 자이로스코프의 수명을 가일층 연장시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims

삭제
외부 프레임(120)의 내측에 일체로 가진 가능토록 설치되는 내부 프레임(110);

상기 내부 프레임(110) 내부 양측에 횡설되어 감지방향으로 다수개 설치되는 코움(150);

상기 각각의 코움(150)들 사이에 소정간격 이격되는 상태로 배치되어 상,하측 전극 지지부(140)(160)에 고정 지지되는 감지방향 감지전극(170);

상기 내부 프레임(110)과 외부 프레임(120) 사이에 감지방향 가진 가능토록 설치되는 비임 탄성체(130);

상기 외부 프레임(120)에 탄설되어 가진방향(X축방향) 가진 가능토록 설치되는 제1 가진 탄성체(230);

상기 외부 프레임의 양측에 다수개 설치되는 코움(220); 및

전압의 인가에 의해 가진작동되는 가진용 구동기(250)(250')를 포함하고,

상기 내부 프레임(110)에는 스토퍼(180)가 설치되어, 상기 내부 프레임(110)의 코움(150)들과 전극 지지부(140)(160)의 감지방향 감지전극(170) 이 접촉되는 현상을 방지토록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
제 2항에 있어서, 상기 스토퍼(180)의 간격(t)은, 내부 프레임(110)의 코움(150)과, 전극 지지부(140)(160)의 감지전극(170) 사이의 이격거리 이하로 설정됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
제 2항에 있어서, 상기 외부 프레임(120)에 설치된 가진 탄성체(230)는, 박스형 판 스프링으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
제 2항에 있어서, 상기 외부 프레임(120)에 탄설되어 가진방향(X축방향) 가진 가능토록 설치되는 가진 탄성체(230)의 후방에는, 별도의 가진 탄성체(270)가 연설되어 상기 가진 탄성체(230)의 진동을 재차 흡수토록 설치됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
제 5항에 있어서, 상기 외부 프레임(120)에 탄설되는 가진탄성체(230) 후방의 다른 가진 탄성체(270)는, 박스형 판 스프링으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.