KR100408494B1 - 마이크로 자이로스코프 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 기판, 스트라이프 형상인 다수의 양극과 음극이 상호 교대하여 평행하게 배열된 제 1 감지 수단(31), 스트라이프 형상인 다수의 양극과 음극이 상호 교대하여 평행하게 배열된 구동 수단(32), 상기 제 1 감지 수단(31) 및 상기 구동 수단(32)의 평면으로부터 수직 상방으로 소정의 높이로 이격되어 있으며 다수의 제 1 홈(35) 및, 다수의 제 2 홈(36)을 지니는 진동 구조물(34), 상기 진동 구조물(34)을 상기 기판으로부터 소정의 높이로 유지시킬 수 있도록 상기 기판위에 형성된 지지부(39) 및, 진동 구조물(34)과 지지부(39) 사이를 연결시키는 탄성 부재(38)를 구비하는 마이크로 자이로스코프가 제공된다. 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프는 전체적인 구성이 매우 단순화되었으므로 제작이 용이할뿐만 아니라 사용도중에 고장이 발생할 가능성이 거의 없는 우수한 성능을 발휘한다.

Description

마이크로 자이로스코프
본 발명은 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진동 구조물을 가진시키는 구동 전극이 진동 구조물의 평면에 대하여 수직 하방에 배치되고, 코리올리의 힘에 의한 진동 구조물의 변위가 진동 구조물의 평면 방향으로 발생하는 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 소자를 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 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 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 구조물의(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 스프링의두께를 가공하는 공정과 폭을 가공하는 공정은 분리되어 있으므로 양 방향에 대한 고유 진동수를 일치시키는 작업이 상당히 곤란하다. 가공 공정에서 고유 진동수를 일치시키지 못할경우에는 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 불량헤진다. 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 접근하는 현상을 방지하기 위하여 토크 전극(23)을 진동 구조물(11)의 하부에 대각선 상으로 2 군데 설치한다. 그런데 이러한 형태의 정위치 재어 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 신규한 형태의 구동 전극 및 감지 전극을 구비한 마이크로 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구동 전극 및 감지 전극이 진동 구조물의 평면 수직 하방에 배치되는 마이크로 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 진동 구조물을 가진시키는 구동력이 진동 구조물에 대하여 수직 방향 및 수평 방향의 합성력으로 작용하는 경사 구동형 마이크로 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 코리올리의 힘에 의한 진동 구조물의 변위가 진동 구조물의 평면의 일 방향으로 발생하는 마이크로 자이로스코프를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 기판, 상기 기판상에서 스트라이프 형상인 다수의 양극과 음극이 상호 교대하여 평행하게 배열된 제 1 감지 수단, 상기 기판상에서 상기 제 1 감지 수단의 스트라이프 길이 방향과 직각 방향으로 배치되며, 스트라이프 형상인 다수의 양극과 음극이 상호 교대하여 평행하게 배열된 구동 수단, 상기 제 1 감지 수단 및 상기 구동 수단의 평면으로부터 수직 상방으로 소정의 높이로 이격되어 있으며, 상기 제 1 감지 수단의 스트라이프 길이 방향과 일치하는 방향으로 형성된 스트라이프 형상의 다수의 제 1 홈 및, 상기 구동 수단의 스트라이프 길이 방향과 일치하는 방향으로 형성된 스트라이프 형상의 다수의 제 2 홈을 지니는 진동 구조물, 상기 진동 구조물을 상기 기판으로부터 소정의 높이로 유지시킬 수 있도록 상기 기판위에 형성된 지지부 및, 상기 진동 구조물과 상기 지지부 사이를 탄성적으로 연결시키는 탄성 부재를 구비하는 마이크로 자이로스코프가 제공된다.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 진동 구조물의 초기 진동 상태를 검출하여 고유 진동수로 진동할 수 있도록, 상기 구동 수단의 스트라이프 전극 형상과 동일한 형상으로 상기 구동 수단의 양측에 배치된 제 2 감지 수단을 더 구비한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 감지 수단은 상기 기판상에 평행하게 2 군데에 배치되며, 상기 구동 수단은 상기 감지 수단들의 사이에 배치된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제 1 감지 수단의 스트라이프 형상은 상기 구동 수단 및 상기 제 2 감지 수단의 스트라이프 형상보다 폭이 좁고 길이가 긴 형태로 형성되고, 상기 진동 구조물의 상기 제 1 홈의 스트라이프 형상은 상기 제 2 홈의 스트라이프 형상보다 폭이 좁고 길이가 긴 형태로 형성된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제 1 감지 수단의 수직 상부에 상기 제1 홈이 형성된 진동 구조물의 부분이 대응되고, 상기 구동 수단 및 상기 제 2 감지 수단의 수직 상부에 상기 제 2 홈이 형성된 진동 구조물의 부분이 대응된다.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 보다 상세히 설명하기로 한다.
제 3(가) 도는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프 장치의 웨이퍼 기판에 형성되는 구동 전극 및 감지 전극의 평면도이며, 제 3(나) 도는 진동 구조물에 대한 평면도이다.
제 3(가) 도를 참조하면, 기판위에는 폭이 좁고 길이가 긴 스트라이프 (stripe) 형상의 양극과 음극이 상호 교대하여 평행하게 배열된 제 1 감지 전극(31)이 배치된다. 제 1 감지 전극(31)은 2 군데에 배치되며, 그 사이에 구동 전극(32)이 배치된다. 구동 전극(32)도 스트라이프 형상의 양극과 음극이 상호 교대하여 평행하게 배열됨으로써 형성되며, 제 1 감지 전극(31)에 직각인 방향으로 배치된다. 구동 전극(32)의 스트라이프 형상은 상기 제 1 감지 전극(31)의 스트라이프 형상보다 폭이 넓고 길이가 짧다. 제 1 감지 전극(31)은 코리올리 힘에 의한 진동 구조물의 변위를 검출하는 기능을 지니며, 구동 전극(32)은 진동 구조물을 가진시키는 기능을 지닌다.
구동 전극(32)의 양단에는 제 2 감지 전극(33)이 배치된다. 제 2 감지 전극 (33)도 구동 전극(32)의 개별적인 스트라이프의 형상과 동일한 형상을 지닌다. 제 2 감지 전극(33)은 진동 구조물이 고유 진동수로 연속적으로 진동할 수 있도록 진동 구조물의 진동을 감지하여 불안정 발진 제어 조건(limit cycle)을 만족시키는전압을 구동 전극에 인가시키는 기능을 지닌다. 구동 전극(32)과 제 2 감지 전극(33)의 스트라이프 길이 방향은 제 1 감지 전극(31)의 스트라이프 길이 방향과 서로 직각을 형성한다.
제 2(나) 도에는 제 2(가) 도에 도시된 기판상의 전극(31,32,33)들로부터 소정의 간격으로 이격되어 그 상부에 배치되는 진동 구조물(34)이 도시되어 있다. 진동 구조물(34)은 감지 전극(31,33)과 구동 전극(32)의 상부에 형성되는 평면 공간에 대응하는 면적을 지닌 평판에 스트라이프 형상의 제 1 및 제 2 홈(35,36)을 형성한 것이다. 진동 구조물에 형성된 스프라이프 형상의 제 1 및 제 2 홈(35,36)은 2 방향을 지니는데, 각각의 홈의 방향은 진동 구조물의 수직 하부에 배치된 개별적인 전극 스트라이프의 길이 방향과 일치한다. 즉, 제 1 감지 전극(31)의 상부에 해당하는 위치에 형성된 진동 구조물의 제 1 홈(35)은 제 1 감지 전극(31)의 스트라이프 길이 방향과 같은 방향이다. 마찬가지로 구동 전극(32)과 제 2 감지 전극(33)의 상부에 해당하는 위치에 형성된 진동 구조물의 제 2 홈(36)은 이들 전극(32,33)의 스트라이프 길이 방향과 일치한다.
진동 구조물(34)에는 스프링(38)이 연결되며, 스프링(38)은 기판으로부터 소정의 높이로 형성된 지지부(39)에 연결된다. 사각형인 진동 구조물(34)의 4 꼭지점에 연결된 스프링(38)은 진동 구조물의 양측에 배치된 지지부(39)에 연결됨으로써 진동 구조물(34)이 구동력을 받을때 진동할 수 있도록 한다.
제 4 도는 제 3(가) 도에 도시된 기판상의 전극들과 제 3(나) 도에 도시된 진동 구조물이 조립된 상태에서 제 3(나) 도의 A-A 선을 따라 절단한 단면도를 도시한 것이다. 기판위에는 양극과 음극이 교대로 배열된 구동 전극(32)의 스트라이프가 배치되고, 기판으로부터 수직 방향으로 소정의 높이로 이격된 위치에는 진동 구조물(34)이 그 사이에 형성된 제 2 홈(36)과 함께 배치되어 있다.
제 5 도는 제 4 도와 마찬가지로 전극과 진동 구조물이 조립된 상태에서 제 3(나) 도의 B-B 선을 따라 절단한 단면도를 도시한 것이다. 기판위에는 양극과 음극이 교대로 배열된 제 1 감지 전극(31)의 스트라이프가 배치되고, 기판으로부터 수직 방향으로 소정의 높이로 이격된 위치에는 진동 구조물(34)이 그 사이에 형성된 제 1 홈(35)과 함께 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 x는 X 축 방향의 변위, Vx는 X 축 방향의 진동 구조물의 속도이다. 입력되는 각속도에 비례하여 발생되는 코리올리 힘에 의해 Y 축 방향으로 발생되는 변위는,
방향 및 Y 축 방향에 대한 Q 상수이며, Q 는 입력 각속도이다. 따라서 y 의 변위를 검출하면 관성체의 회전 각속도를 측정할 수 있다.
다시 제 3 도 내지 6 도를 참조하면, 본 발명의 마이크로 자이로스코프에서 질량(m)은 진동 구조물(34)의 질량에 해당하며, 구동 전극(32)에 대하여 진동 구조물의 고유 진동수에 해당하는 교류 전압을 인가하면 진동 구조물(34)은 진동 구조물의 평면상에서 상기 구동 전극(32)의 스트라이프 길이 방향에 직각인 방향으로 진동 운동한다. 진동 구조물(34)에 형성된 제 2 홈(36)의 길이 방향은 구동 전극 (32)의 길이 방향과 일치하므로 구동 전극(32)의 구동력에 의한 진동 구조물(34)의 진동 방향은 제 2 홈(36)의 길이 방향과 직각을 이룬다.
구동 전극(32)은 위에 설명된 바와 같이 양극과 음극이 교대로 평행하게 배열되어 있으므로, 교류 전압이 양의 전압일때 양극과 진동 구조물 사이에 발생되는 정전력의 방향과 교류 전압이 음의 전압일때 음극과 진동 구조물 사이에 발생되는 정전력의 방향은 상호 반대 방향이다. 따라서 진동 구조물은 교류 전압의 인가에 의해 진동 운동을 할 수 있다. 한편, 구동 전극(32)애 인가되는 전압은 진동 구조물(34)에 대하여 수직 방향에 배치되어 있으므로 정전력이 수직 방향으로도 작용하며, 따라서 실제로 진동 구조물에 작용하는 가진 구동력의 합성력은 경사 방향으로 작용한다.
구동 전극(32)에 교류 전압을 인가함으로써 발생하는 구동력은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
상기 식에서 f 는 구동력이며, ε은 공기의 유전 상수, Lx는 구동 전극의 길이, nx는 구동 전극의 쌍(雙)의 갯수, V 는 구동 전압, h 는 진동 구조물과 구동 전극 사이의 간격이다.
구동 전극(32)의 구동력에 의한 초기 진동은 진동 구조물(34)의 최외곽부 (37)와 제 2 감지 전극(33) 사이의 정전 용량 변화로서 검출된다. 이렇게 검출된 신호는 진동 구조물(34)이 고유 진동수로 연속적인 진동을 발생시킬 수 있도록 불안정 발진 제어 조건(limit cycle)을 만족시키는 전압을 구동 전극(32)에 인가한다.
진동 구조물(34)이 상기와 같은 구동력을 받고 있는 상태에서 기판의 평면에 대해 수직 방향으로 각속도가 입력되면 진동 구조물은 코리올리의 힘에 의한 변위를 일으킨다. 코리올리의 힘에 의한 변위의 방향은 진동 구조물(34)의 평면상에서 구동 전극(32)에 의한 가진 방향과 직각인 방향이다. 제 6(가) 도는 구동 전극(32)에 의한 구동 모드를 나타내며, 제 6(나) 도는 코리올리의 힘에 의한 진동 구조물의 변위를 도시한 것이다.
코리올리의 힘에 의한 진동 구조물의 변위는 제 1 감지 전극(31)과 진동 구조물(34) 사이에 정전 용량의 변화를 발생시킨다. 위에서 설명한 바와 같이 제 1감지 전극(31)은 좁고 긴 스트라이프 형상의 양극과 음극이 교대로 평행하게 배치된 형상이고, 제 1 감지 전극(31)의 수직 상방에 배치되는 진동 구조물(34)의 부분에도 좁고 긴 스트라이프 형상의 제 1 홈(35)이 형성되어 있으므로, 진동 구조물 (34)이 코리올리의 힘에 의해 제 1 감지 전극(31) 또는 진동 구조물(34)의 제 1 홈 (35)의 길이 방향에 직각인 방향으로 변위되면 그 사이의 정전 용량이 변화된다. 그에 따라 제 1 감지 전극(31)에서는 코리올리의 힘에 의한 진동 구조물(34)의 변위를 측정할 수 있다. 위에 설명한 바와 같이 제 1 감지 전극(31)은 양극과 음극이 상호 교대하여 평행하게 배치되므로, 양극에 대한 정전 용량의 변화와 음극에 대한 정전 용량의 변화는 반대로 발생한다. 양극 및 음극에 유발되는 정전 용량의 차이를 계산함으로써 코리올리의 힘에 의한 변위가 측정된다. 양 전극 사이의 정전 용량의 차이는 다음과 같이 표시할 수 있다.
위 식에서 ny는 감지 전극(38)의 쌍의 수, ε은 공기의 유전 상수, Ly는 제 1 감지 전극(31)의 길이, h 는 제 1 감지 전극(31)과 진동 구조물(34) 사이의 간극이다. 정전 용량의 변화를 검출하는 일반적인 회로를 사용하면 정전용량의 변화에 비례하는 전압 신호를 검출할 수 있으므로 결과적으로 각속도 신호를 검출할 수 있다.
한편, 위에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 진동 구조물을 기판위에 배치된 구동 전극에서 발생하는 정전력으로 구동하기 때문에 구동력이 진동 구조물의평면과 평행한 수평 성분과 상기 평면에 대해 수직인 성분으로 구분할 수 있다. 따라서 수직 성분의 정전력에 의해 진동 구조물이 기판에 접촉하는 현상을 방지할 수 있는 조건을 충족시켜야 한다.
구동 전극(32)에 대한 구동 전압이 최대로 인가되고 제 1 감지 전극(31)에 대한 편류 전압(bias voltage)이 인가되었을때 수직 방향의 정전력은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
상기 식에서 ε은 공기의 유전 상수, Aa는 구동 전극에 의해 정전력을 받는 진동 구조물의 투사 면적, Vp는 구동 전압의 최대값, As는 제 1 감지 전극에 의하여 정전력을 받는 진동 구조물의 투사 면적, Vb는 제 1 감지 전극에 인가되는 편류 전압, h 는 진동 구조물과 전극 사이의 간극이다.
진동 구조물에 정전력에 의한 일정 변형이 발생하면 스프링(38)에 의한 탄성적인 반발력이 반작용으로서 발생하는데, 이 스프링의 힘(fk)은 다음과 같이 표시할 수 있다.
위 식에서 kg는 구동 전극(32)의 스트라이프 길이 방향에 대한 스프링 상수, h0는 정전력을 받기전에 진동 구조물(34)과 구동 전극(32) 사이의 간극, h 는 변형후 진동 구조물(34)과 구동 전극(34) 사이의 간극이다.
진동 구조물은 정전력과 스프링의 탄성력이 평형을 이루는 위치에서 진동 운동을 하게 되는데 간극과 힘의 관계는 제 8 도의 그래프에 도시되어 있다. 제 8 도에서 직선으로 나타나는 스프링 힘의 그래프와 곡선으로 나타나는 정전력의 그래프는 점 P 에서 교차한다. 점 P 는 안정적인 힘의 평형점으로서 구동 전극에 최대 전압을 인가하였을때 운동부는 점 P 의 위치에서 힘의 평형을 이룬다는 것을 알 수 있다. 점 P 에서는 진동 구조물과 전극 사이의 간극이 충분히 넓으므로 진동 구조물은 전극면에 접촉하지 않으면서 일정 간격을 유지한 상태로 진동 운동을 한다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프는 전체적인 구성이 매우 단순화되었으므로 제작이 용이할뿐만 아니라 사용도중에 고장이 발생할 가능성이 거의 없는 우수한 성능을 발휘한다. 또한 2 축 진동 구조물을 이용하는 마이크로 자이로스코프의 성능을 결정짖는 각 축에 대한 고유 진동수 조정 작업이 진동 구조물의 구조상 단일의 공정에서 수행될 수 있으므로 공정이 단순화되고, 고유 진동수 조정의 정확도가 향상될 수 있다. 이외에도 구동 전극에 의한 정전력과 스프링의 힘을 조정함으로써 진동 구조물이 전극에 접근하지 않으면서 제품의 기능을 발휘할 수 있다. 특히 종래 기술에서는 진동 구조물이 그 수직 하방에 위치한 감지 전극에 대하여 접근하거나 이격될때 그 간격 변화에 따른 정전 용량의 변화로서 코리올리 힘에 의한 진동 구조물의 변위를 검출하므로 간극의 제곱에 반비례하는 비선형적인 출력이 검출되는 반면에, 본 발명에서는 진동 구조물이 수직 하방에 위치한 감지 전극에 대하여 평행한 방향으로 변위되면서 그 변위에 대한 정전 용량의 변화로부터 코리올리 힘에 의한 변위를 측정할 수 있으므로 출력의 선형성이 향상되는 장점이 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 다양한 실시예들중 하나에 불과한 것으로서, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 실시예에 내재된 기술적 사상으로부터 이탈하지 않고도 다양한 변형 및 균등예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
제 1 도는 종래 기술에 따른 마이크로 자이로스코프의 평면도.
제 2(가) 도 및 제 2(나) 도는 제 1 도 마이크로 자이로스코프의 진동 구조물이 진동하는 진동 모드를 도시한 평면 상태도.
제 3(가) 도는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 전극 구조에 대한 평면도.
제 3(나) 도는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 진동 구조물에 대한 평면도.
제 4 도는 본 발명의 마이크로 자이로스코프를 조립한 상태에서 제 3(나) 도의 A-A 선을 따라 절단한 단면도.
제 5 도는 본 발명의 마이크로 자이로스코프를 조립한 상태에서 제 3(나) 도의 B-B 선을 따라 절단한 단면도.
제 6(가) 도 및 제 6(나) 도는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코의 진동 구조물이 진동하는 진동 모드를 나타내는 평면 상태도.
제 7 도는 통상적인 진동계에 대한 구성도.
제 8 도는 진동 구조물과 구동 전극 사이의 간극에 대한 스프링의 힘 및 정전력의 관계를 도시한 그래프.
* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *
11. 진동 구조물 22.23. 전극
14. 코움(comb) 16.17. 모터
31. 제 1 감지 전극 32. 구동 전극
33. 제 2 감지 전극 34. 진동 구조물
35.36. 홈 38. 스프링

Claims (5)

  1. 기판,
    상기 기판상에서 스트라이프 형상인 다수의 양극과 음극이 상호 교대하여 평행하게 배열된 제 1 감지 수단(31),
    상기 기판상에서 상기 제 1 감지 수단(31)의 스프라이프 길이 방향과 직각 방향으로 배치되며, 스트라이프 형상인 다수의 양극과 음극이 상호 교대하여 평행하게 배열된 구동 수단(32),
    상기 제 1 감지 수단(31) 및 상기 구동 수단(32)의 평면으로부터 수직 상방으로 소정의 높이로 이격되어 있으며, 상기 제 1 감지 수단(31)의 스트라이프 길이 방향과 일치하는 방향으로 형성된 스트라이프 형상의 다수의 제 1 홈(35) 및, 상기 구동 수단(32)의 스트라이프 길이 방향과 일치하는 방향으로 형성된 스트라이프 형상의 다수의 제 2 홈(36)을 지니는 진동 구조물(34),
    상기 진동 구조물(34)을 상기 기판으로부터 소정의 높이로 유지시킬 수 있도록 상기 기판위에 형성된 지지부(39) 및,
    상기 진동 구조물(34)과 상기 지지부(39) 사이를 탄성적으로 연결시키는 탄성 부재(38)를 구비하는 마이크로 자이로스코프.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 진동 구조물(34)의 초기 진동 상태를 검출하여 고유 진동수로 진동할 수 있도록, 상기 구동 수단(32)의 스트라이프 전극 형상과 동일한형상으로 상기 구동 수단(32)의 양측에 배치된 제 2 감지 수단(33)을 더 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 감지 수단(31)은 상기 기판상에 평행하게 2 군데에 배치되며, 상기 구동 수단(33)은 상기 감지 수단(31)들의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 감지 수단(31)의 스트라이프 형상은 상기 구동 수단(32) 및 상기 제 2 감지 수단(33)의 스트라이프 형상보다 폭이 좁고 길이가 긴 형태로 형성되고, 상기 진동 구조물(34)의 상기 제 1 홈(35)의 스트라이프 형상은 상기 제 2 홈(36)의 스트라이프 형상보다 폭이 좁고 길이가 긴 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 감지 수단(31)의 수직 상부에 상기 제 1 홈(35)이 형성된 진동 구조물(34)의 부분이 대응되고, 상기 구동 수단(32) 및 상기 제 2 감지 수단(33)의 수직 상부에 상기 제 2 홈(36)이 형성된 진동 구조물(34)의 부분이 대응되는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
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