KR100374804B1

KR100374804B1 - 진동형자이로스코프

Info

Publication number: KR100374804B1
Application number: KR1019950013258A
Authority: KR
Inventors: 강명석; 조영호; 송기무; 윤성기
Original assignee: 삼성전자주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 1995-05-25
Filing date: 1995-05-25
Publication date: 2003-05-09
Also published as: DE19620009A1; JPH09119837A; JP3814016B2; US5780739A; DE19620009B4; KR960042014A

Abstract

진동형 자이로스코프를 개시한다. 이 진동형 자이로스코프는 상호 소정간격 이격되는 복수개의 진동판 부재와, 상기 각 진동판 부재의 양측에 설치되어 상기 진동판부를 가진시키는 구동수단과, 상기 각 진동판부재를 지지하는 현수수단과, 상기 진동판부재와 소정간격 이격되도록 진동판 부재의 하부에 위치되는 전극부재를 구비하여 된 것으로, 상기 현수수단이 상기 각 진동판 부재와 지지부에 의해 연결된 바(bar)와, 상기 바의 양 단부에 길이 방향으로의 인장력을 줄이기 위한 고정수단과, 상기 바의 진동에 따른 응답모드의 노드점에 설치된 지지수단을 구비하여 된 것에 그 특징이 있으며, 이는 응답모드의 진동폭을 크게 할 수 있는 이점을 가진다.

Description

진동형 자이로스코프

본 발명은 튜닝 포크(tuning fork)형 자이로스코프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관성체의 가진력과 각속도의 곱으로 얻어지는 코리올리 힘(coriolis force)을 신호 처리하여 각속도를 검출하는데 있어 힘의 평형(force balancing)이 이루어지는 튜닝 포크형 자이로스코프에 관한 것이다.

통상적으로, 관성체의 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서는 이미 오래전부터 미사일이나 선박, 항공기등에서 항법 장치용 핵심 부품으로 사용되어왔고, 현재는 자동차의 항법 장치나 고배율 캠코더의 손떨림을 검출하여 이를 보정하는 장치에 적용되는등 군사용 및 민수용으로 사용영역이 확대되고 있는 실정이다. 그러나, 종래 군사용이나 항공기용으로 사용되는 각속도 감지용 자이로스코프는 수만개의 부품이 정밀 가공 및 조립 공정 등을 통하여 제작되므로 정밀한 성능을 얻을 수 있으나, 제작비용이 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 캠코더에 손떨림 감지용 센서로 사용하고 있다. 그리고, 토킨(Tokin)사에서는 상기한 자이로스코프의 제작상에 있어서 난점을 극복할 수 있도록 개선한 원통형 빔구조를 가지는 소형 자이로스코프를 개발한 바 있다.

그러나 상기한 바와 같은 두 형태의 소형 자이로스코프는 모두 정밀 가공에 의한 소형 부품으로 이루어져 있기 때문에, 제작이 어려운 것은 물론이고 고가의 비용이 소요된다는 단점이 있다. 그리고, 이와 동시에 근본적으로는 상기 자이로스코프들이 기계적 부품의 구성을 이루고 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 지이로스코프를 개발하려는 노력을 경주하고 있는 실정이다.

통상적으로 각속도 센서, 즉 자이로스코프의 원리는 제1축(X축) 방향으로 일정하게 진동하거나 회전하는 관성체가 상기 제1축 방향에 대하여 직각인 제2축(Y축) 방향에서의 회전에 의한 각속도의 입력을 받을때, 상기 두개의 축에 대하여 직교하는 제3축(Z축) 방향으로 발생하는 코리올리 힘(Coriolis force)을 검출함으로써 회전 각속도를 검출하는 것이다. 이때 관성체에 가해지는 힘을 평형시키면 각속도 검출의 정확성이 높아진다. 즉, 진동하는 관성체가 뒤틀림 없이 가진되어아 정확한 정확한 각속도 성분을 얻을 수 있는 것이다. 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 다른 구조가 도시되어 있다. 이것의 기본적인 작동 원리는 관성체가 X 축 방향으로 회전할때의 각속도(Ω)를 측정하려면, 자이로스코프의 양단에 배치된 코움(23, 23')에 대하여 우측 모터(21) 및 좌측 모터(26)를 이용하여 정전력을 가함으로써 Y 축 방향으로의 튜닝 포크 모드의 진동 운동을 일으킨다. 이때 중심부의 모터(29)는 좌측 및 우측모터(26)로부터 가해지는 정전력이 정확히 가해지고 있는가를 검출할 수 있도록 중앙에 위치한 코움에 연결된다. 모터(21,26)에 의한 정전력이 가해지는 상태에서 관성체가 X 축 방향으로 회전하면 Z 축 방향으로는 코리올리의 힘이 발생하며, 코리올리의 힘은 현수 구조물(112)을 Z 축 방향으로 변위시킨다. 이러한 변위는 현수 구조물(112)을 비트는 힘으로서 작용한다. 이러한 현수 구조물(112)의 비틀림은 구조물의 하부에 2 군데에 배치된 전극(114)에서 캐패시턴스의 변화로서 감지되며, 이로부터 코리올리의 힘이 측정된다. 현수 구조물은 위에 설명된 바와 같이 Z 방향으로의 변위, 즉 비틀림을 받게 되므로, 이를 상쇄시킬 수 있는 힘의 평형 방법으로서 토크 전극(116)을 통해 정전력을 발생시킨다. 토크 전극(116)은 현수 구조물(112)의 하부에 대각선 방향으로 2 군데에 배치되어서 비틀림의 힘을 평형시킨다. 그러나 위와 같은 자이로스코프에서는 현수 구조물(112)의 비틀림을 제어하는 힘 평형용 토크 전극(116)을 현수 구조물(112)의 하부에만 배치하는 방식을 취하므로 구조물(112)의 제어에 있어 효과적이지 못하고 응답성을 개선하는데 한계가 있다. 또한 상기한 바와 같은 자이로스코프는 상기와 같은 자이로스코프는 현수 구조물(112)은 중앙부 가장자리의 양측에서 지지되어 있으므로 현수 구조물의 회전성분이 큰 비중을 차지하여 현수구조물(112)과 전극(114)사이의 거리가 균일하지 않게되는 문제점이 있었다. 이와 같은 현상은 현수구조물(112)의 진폭과 측정량의 관계가 비선형이 되는 문제점이 있다.

그리고 종래 자이로스코프의 다른 실시예는 제2도에 도시된 바와 같이 양단부가 지지되며 상호 평행하게 설치된 한 쌍의 보(201)(201')와 이 보(201)(201')의사이에 연결부재(202)에 의해 설치되는 진동판(203)과, 진동판(203)의 양측에 설치된 빗살형 정전구조물(204)와, 상기 진동판(203)의 하부에 위치되는 전극(205)을 구비하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 마이크로 자이로스코프는 상기 정전구조물(204)에 의해 X방향으로 진동하고 동시에 Y방향의 회전에 의해 발생되는 콜리올리의 힘을 받아 진동판(203)이 Z방향으로 진동하게 된다. 이때에 진동판(203)의 바닥면에 설치된 전극(205)에 정전압을 걸어 진동판(203)과 전극(205) 사이의 간극이 변함에 따라 유발되는 축전량의 차를 측정하여 진폭을 구하고 Y방향의 회전에 대한 각속도를 얻는다.

그러나 상술한 바와 같은 자이로스코프 또한 진동판(203)과 전극(205)의 거리가 불균일하게 되는 근본적인 문제점을 해결할 수 없었으며, 제6도에 되시된 바와 같이 외부의 교란등에 의한 진동모드가 개입되어 잡음의 원인이 되는 문제점이 있다. 그리고 상기 보(201)(201)는 양단부가 단순히 지지되어 있으므로 외부의 조건에 따라 길이 방향의 인장력이 커지는 경우가 있어 진폭을 크게할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 질량평판이 코리올리 힘에 의해 비틀리는 현상을 효과적으로 줄일 수 있으며, 진폭을 상대적으로 크게 할 수 있는 평형화시킬 수 있는 개량된 진동형 자이로스코프를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 진동판의 회전성분에 대한 비선형성을 제거할 수 있는 진동형 자이로스코프를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상호 소정간격 이격되는 복수개의 진동판부재와, 상기 각 진동판부재의 양측에 설치되어 상기 진동판부를 가진시키는 구동수단과, 상기 각 진동판부재를 지지하는 현수수단과, 상기 진동판부재와 소정간격 이격되도록 진동판부재의 하부에 위치되는 전극부재를 구비하여된 진동형 자이로스코프에 있어서,

상기 현수수단이 상기 각 진동판 부재와 지지부에 의해 연결된 바(bar)와, 상기 바의 양 단부에 길이 방향으로의 인장력을 줄이기 위한 고정수단과, 상기 바의 진동에 따른 응답모드의 노드점에 설치된 지지수단을 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 지지부는 지지수단과 고정수단에 의해 지지된 바의 최대 진동동변위점에 설치된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제4도는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프이다. 제4도에 있어서, 그물상의 해칭으로 해칭된 영역은 표면 콘덕터를, 좌측으로 해칭된 영역은 전극과 구조물이 전기적으로 접속된 상태를 나타낸다.

상기 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자이로스코프를 살펴보면, 상호 소정간격 이격되는 복수개의 진동판부재(301)(301')와, 상기 각진동판부재(301)(301')의 양측에 설치되어 상기 진동판부재(301)(301')를 가진시키는 구동수단(400)과, 상기 각 진동판부재(301)(301')를 지지하는 현수수단(500)과, 상기 진동판부재와소정간격 이격되도록 진동판부재의 하부에 위치되는 전극부재(600)로 대별된다.

상기 현수수단(500)은 전극부재(600)의 수직 상부에 설치된 진동판부재(301)(301')를 상기 전극부재(600)와 소정간격 이격되도록 지지하는 것으로, 상기 각 진동판 부재(301)(301')와 연결되는 지지부(501)가 형성된 바(502)와, 이 바(502)의 양측에 설치되어 바(502)를 베이스(도시되지 않음)에 고정함과 아울러 길이 방향으로의 인장력을 줄일 수 있도록 길이 방향으로의 변형을 허용하는 고정수단(510)과, 진동판 부재(301)(301')의 응답모드 노드점 부위에서 상기 바(502)를 단순 지지하는 지지수단(520)를 구비하여 구성된다.

상기 고정수단(510)은 바(502)의 단부로부터 직각방향으로 연장되는 연장부(511)와, 이 연장부의 단부에 베이스에 고정되는 기부(512)가 마련된 것이다.

그리고 상기 고정수단의 다른 실시예는 제5도에 도시된 바와 같이 바(502)의 단부로부터 양측으로 분기되어 격자형상으로 형성된 완충부(513)가 형성되고 이 완충부(513)에 기부(514)가 형성된 것이다. 여기에서 상기 분기된 완충부(513)에는 제6도에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 U 자형 밴딩부(513a)를 형성하여 바(502)의 길이 방향 인장력의 인장력이 커지는 것을 방지할 수 있다.

그리고 상기 고정수단의 또 다른 실시예는 제7도에 도시된 바와 같이 바(502)의 단부와 연결되는 ㄹ 자형의 완충부(515)와 완충부(515)의 단부에 형성된 기부(516)로 이루어진다.

상기 지지수단(520)은 바(502)의 노드점 즉, 바의 진동시 상대적으로 진동이없는 부분인 노드점에 설치되어 바(502)를 단순 지지하는 것으로, 바(502)의 노드점 부위에서 바(502)에 수직한 방향 양측으로 연장되는 비틀림바(521)와, 이 바(521)의 단부에 마련되어 베이스에 고정되는 기부(522)를 구비하여 구성된다.

상기 지지수단의 다른 실시예는 제8도에 도시된 바와 같이 바(502)에 수직한 방향 양측으로 연장되는 제1연결부(523)와, 이 제1연결부(523)의 각 단부에 격자상의 형상을 가지며 제1기부(524)가 마련된 제1비틀림부 (525)로 이루어진다. 그리고 상기 지지수단의 또다른 실시예는 제9도에 도시된 바와 같이 바(502)에 수직한 방향양측으로 연장되는 제2연결부 (526)의 단부로부터 양측으로 분기되며 단부에 제2기부(527)가 마련된 제2비틀림부(528)를 구비하여 이루어진다. 상기 고정수단(510)과 지지수단(520)은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고 바의 인장력을 줄이고 비틀림력을 제공할 수 있는 구조이면 어느것이나 가능하다.

상기 진동판부재(301)(301')를 지지하는 지지부(501)은 상기 고정수단(510)과 지지수단(520)에 의해 지지되는 바(502)의 진동에 따른 최대 변위점에 설치함이 바람직하다.

상기 구동수단(400)은 진동판부재(301)(301')를 가진시키는 것으로, 상기 진동판부재(301)(301')의 양측으로부터 상호 소정간격 이격되도록 돌출된 돌출부(401)와, 돌출부(401) 사이사이에 끼워지며 소정의 전위가 인가되는 빗살형 정전부재(402)를 구비하여 구성된다.

미설명부호 700은 자이로스코프의 각 부재에 소정의 전위를 인가하기 위한 전극이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 진동형 자이로스코프는 상기 구동수단(400)의 정전부재(402)에 진동수 Wx의 교류전압이 가하여 짐에 따라 정전기력이 발생하여 진동판부재(301)(301')가 X방향으로 가진된다. 이때에 Y방향의 각속도 세타Y의 회전에 대해 2θY x Vx 의 콜리올리 힘이 발생하여 상기 진동판부재(301)(301')가 Z 방향으로 가진되고 진동판 부재(301)(301')의 바닥면에 부착된 전극부재(600)에 정전용량의 발생되는데, 이 정전용량의 차를 측정하여 응답모드의 진폭을 구하고, 이 응답모드의 진폭으로부터 Y방향의 각속도 세타 Y의 크기를 측정할 수 있다.

상술한 바와 같이 작동되는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프는 진동판 부재(301)(301')를 지지하는 현수수단(500)의 바(502)의 양단부에 고정수단(510)인 연장부(511) 또는 완충부(513)가 마련되어 있으므로 길이 방향으로의 인장력을 줄일 수 있다. 이러한 바(502)의 인장력을 줄이는 것은 응답모드의 변형에 따른 바(502)의 강성을 줄여 진동판부재(301) (301')의 진폭을 크게 할 수 있다. 따라서 진동판부재(301)(301')의 응답모드 외에 다른 모드의 진동이 개입될 여지가 줄어들게 된다. 그리고 상기 바(502)의 응답모드 노드점에는 지지수단(520)이 설치되어 있으므로 바(502)의 양측으로부터 연장되며 제1비틀림부(525)에 의해 지지되는 제1연결부(523)와 고정수단(510)에 의해 지지되는 바(502) 단부 사이의 중앙부가 진폭의 최대 변위점이 되어 상술한 바와 같은 응답모드의 진폭을 더욱 크게할 수 있다. 또한 바(502)의 노드점이 지지수단(520)에 의해 지지되어 있으므로 제7도에 도시된바와 같이 진동판부재(301)(301')와 전극부재(600)의 간격을 진동시 일정하게 유지할 수 있어 응답모드의 진폭과 축전량의 관계가 비선형이 되는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 진동형 자이로스코프는 바에 지지된 진동판부재가 각변위 없이 Z방향으로의 변위만 갖는 진동모드를 갖게되며 진동판 부재의 응답모드의 진폭을 크게 할 수 있으므로 각속도 측정에 따른 민감도를 향상시킬 수 있다.

그리고 본 발명은 도면에 도시된 바람직한 실시예만을 가지고 설명되었으나 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

제 1 도는 종래 기술에 따른 자이로스코프의 평면도.

제 2 도는 종래 기술에 따른 튜닝 포크형 자이로스코프의 다른 실시예에 대한 개략적인 평면도.

제 3 도는 제2도에 도시된 응답모드를 개략적으로 나타내 보인 도면.

제 4 도는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 개략적인 평면도.

제 5도 내지 제7도는 고정수단의 다른 실시예를 도시한 평면도,

제8도 내지 제9도는 지지수단의 다른 실시예를 도시한 평면도,

제10도는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 응답모드를 나타내 보인 도면,

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

301; 진동판부재 502; 바(bar)

510; 고정수단 520; 지지수단

600; 전극부재

Claims

상호 소정간격 이격되는 복수개의 진동판 부재와, 상기 각 진동판 부재의 양측에 설치되어 상기 진동판부를 가진시키는 구동수단과, 상기 각 진동판부재를 지지하는 현수수단과, 상기 진동판부재와 소정간격 이격되도록 진동판부재의 하부에 위치되는 전극부재를 구비하여된 진동형 자이로스코프에 있어서,

상기 현수수단이

상기 각 진동판 부재와 지지부에 의해 연결된 바(bar)와,

상기 바의 양 단부에 길이 방향으로의 인장력을 줄이기 위한 고정수단과,

상기 바의 진동에 따른 응답모드의 노드점에 설치된 지지수단을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
제1항에 있어서,

상기 고정 수단이

상기 바의 단부로부터 직각방향으로 연장되는 연장부와, 이 연장부의 단부에 베이스에 고정되는 기부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
제1항에 있어서,

상기 고정수단이

상기 바의 단부로부터 양측으로 분기되어 격자형상으로 형성된 완충부가 형성되고 이 완충부에 기부가 형성된 것을 특징으로 하는 전동형 자이로스코프.
제3항에 있어서,

상기 완충부에 적어도 하나의 U 자형 밴딩부가 형성된 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
제1항에 있어서,

상기 고정수단이

상기 바의 단부와 연결되는 ㄹ 자형의 완충부와, 이 완충부의 단부에 형성된 기부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프
제1항에 있어서,

상기 지지수단이

상기 바의 노드점 부위에서 양측으로 연장되는 비틀림 바와, 이 바의 단부에 마련되어 베이스에 고정되는 기부를 구비하여 구성 된 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프
제1항에 있어서,

상기 지지수단이

상기 바의 노드점으로부터 양측으로 연장되는 제1연결부와, 이 제1연결부의각 단부에 격자상의 형상을 가지며 제1기부가 마련된 제1비틀림부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
제1항에 있어서,

상기 지지부는 지지수단과 고정수단에 의해 지지된 바의 최대 진동 변위점에 설치된 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.