KR101659207B1 - 각속도 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 각속도 센서는 질량체와, 상기 질량체의 외측에 구비된 제1 프레임과, 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제1 가요부와, 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제2 가요부와, 상기 제1 프레임의 외측에 구비된 제2 프레임과, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제3 가요부과, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고, 상기 질량체는 회전 및 병진변위가 가능하도록 상기 제2 가요부에 의해 상기 제1 프레임에 고정되고, 상기 제1 프레임은 회전변위 가능하도록 상기 제4 가요부에 의해 제2 프레임에 연결된다.

Description

각속도 센서 {Angular Velocity Sensor}
본 발명은 각속도 센서에 관한 것이다.
최근, 각속도 센서는 인공위성, 미사일, 무인 항공기 등의 군수용으로부터 에어백(Air Bag), ESC(Electronic Stability Control), 차량용 블랙박스(Black Box) 등 차량용, 캠코더의 손떨림 방지용, 핸드폰이나 게임기의 모션 센싱용, 네비게이션용 등 다양한 용도로 사용되고 있다.
이러한 각속도 센서는 각속도를 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 각속도 센서는 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출한다.
구체적으로, 각속도 센서를 이용하여 각속도를 측정하는 방식을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 각속도는 코리올리힘(Coriolis Force) "F=2mΩv" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서 "F"는 질량체에 작용하는 코리올리힘, "m"은 질량체의 질량, "Ω"는 측정하고자 하는 각속도, "v"는 질량체의 운동속도이다. 이중, 질량체의 운동속도(v)와 질량체의 질량(m)은 이미 인지하고 있는 값이므로, 질량체에 작용하는 코리올리힘(F)을 감지하면 각속도(Ω)를 구할 수 있다.
한편, 종래기술에 따른 각속도 센서는 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 질량체를 구동시키거나 질량체의 변위를 감지하기 위해서 멤브레인(다이어프램)의 상부에 압전체 또는 압저항체가 구비된다.
본 발명의 관점은 하나 이상의 질량체를 회전 및 병진변위 가능하도록 제1 프레임에 연결하고, 상기 제1 프레임을 회전변위 가능하도록 제2 프레임에 연결함에 따라 1축 내지 3축 각속도 검출이 가능하고, 소형화가 가능하고 기계적 전기적 잡음이 제거될 뿐만 아니라, 저전력화 및 패키지의 단순화가 가능한 각속도 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 각속도 센서는 질량체와, 상기 질량체의 외측에 구비된 제1 프레임과, 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제1 가요부와, 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제2 가요부와, 상기 제1 프레임의 외측에 구비된 제2 프레임과, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제3 가요부와, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고, 상기 질량체는 회전 및 병진변위가 가능하도록 상기 제2 가요부에 의해 상기 제1 프레임에 고정되고, 상기 제1 프레임은 회전변위 가능하도록 상기 제4 가요부에 의해 제2 프레임에 연결된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 각속도 센서는 제1 질량체, 제2 질량체 및 제3 질량체를 포함하는 질량체부와, 상기 질량체부의 외측에 구비된 제1 프레임과, 상기 질량체부와 상기 제1 프레임을 연결하는 제1 가요부와, 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제2 가요부와, 상기 제1 프레임의 외측에 구비된 제2 프레임과, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제3 가요부와, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고, 상기 제2 가요부는 상기 제1 질량체를 회전 및 병진변위가 가능하도록 상기 제1 프레임에 연결하는 링크 가요부와, 상기 제2 질량체 및 제3 질량체를 회전가능하도록 상기 제1 프레임에 연결하는 힌지 가요부로 이루어지고, 상기 제1 프레임은 회전변위 가능하도록 상기 제4 가요부에 의해 상기 제2 프레임에 연결된다.
본 발명의 일실시예의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서를 개략적으로 도시한 평면도.
도 2는 도 1에 도시한 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 개략적인 A-A 단면도.
도 3은 도 1에 도시한 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 개략적인 B-B 단면도.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시한 각속도 센서의 운동가능방향 및 운동상태를 개략적으로 도시한 단면도.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 1에 도시한 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 의한 각속도 검출원리를 개략적으로 도시한 평면도.
도 6은 도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 실제 레이아웃을 개략적으로 도시한 평면도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서를 개략적으로 도시한 평면도.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 도 7에 도시한 제2 실시예에 따른 각속도 센서에 의한 각속도 검출원리를 개략적으로 도시한 평면도.
도 9는 도 7에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서의 실제 레이아웃을 개략적으로 도시한 평면도.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 각속도 센서를 개략적으로 도시한 평면도.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 도 10에 도시한 제3 실시예에 따른 각속도 센서에 의한 각속도 검출원리를 개략적으로 도시한 평면도.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 각속도 센서를 개략적으로 도시한 평면도.
본 발명의 일실시예의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 각속도 센서(100)는 질량체(110), 제1 프레임(120), 제2 프레임(130), 제1 가요부(140), 제2 가요부(150), 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)를 포함한다.
그리고 상기 제1 가요부(140) 및 제2 가요부(150)에는 감지수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있고, 상기 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)에는 구동수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있다.
다음으로, 상기 질량체(110)는 코리올리힘에 의해서 변위가 발생된다.
또한, 상기 질량체(110)는 제1 가요부(140)와 제2 가요부(150)에 의해 상기 제1 프레임(120)에 연결된다.
그리고 상기 질량체(110)는 코리올리힘이 작용할 때 제1 가요부(140)는 굽힘변위가 발생되고, 상기 제2 가요부(150)의 비틀림에 의해서 회전변위가 발생한다. 이때, 상기 질량체(110)는 회전 및 병진운동되고, 이에 관련한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
그리고 상기 제1 프레임(120)은 상기 질량체(110)를 지지한다. 보다 구체적으로 상기 제1 프레임(120)에는 상기 질량체(110)가 내재될 수 있고, 상기 제1 가요부(140) 및 제2 가요부(150)에 의해 상기 질량체(110)와 연결된다.
즉, 상기 제1 프레임(120)은 상기 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 상기 질량체(110)가 변위를 일으킬 때 기준이 된다.
또한, 상기 제1 프레임(120)은 상기 질량체(110)의 일부만을 커버하도록 형성될 수도 있다.
다음으로 상기 제2 프레임(130)은 상기 제1 프레임(120)을 지지한다. 보다 구체적으로, 상기 제2 프레임(130)은 상기 제1 프레임(120)이 이격되도록 상기 제1 프레임(120)의 외측에 구비되고, 상기 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)에 의해 상기 제1 프레임(120)과 연결된다. 이에 따라 상기 제1 프레임(120)과 이에 연결된 상기 질량체(110)는 변위가능하도록 부유상태로 상기 제2 프레임(130)에 의해 지지된다. 또한, 상기 제2 프레임(130)은 상기 제1 프레임(120)의 일부만을 커버하도록 형성될 수도 있다.
이하, 도 1에 더하여 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서(100)의 각 구성요소의 구성적 특징, 형상 및 유기적 결합에 대하여 보다 자세히 기술한다.
도 2는 도 1에 도시한 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 개략적인 A-A 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 개략적인 B-B 단면도이다.
우선, 상기 질량체(110)는 X축 방향으로 상기 제1 가요부(140)에 의해 상기 제1 프레임(120)에 연결된다.
그리고 상기 제1 가요부(140)는 Z축 방향으로 소정두께를 갖고, X축 및 Y축에 의해 형성된 면으로 이루어진 빔이다. 즉, 상기 제1 가요부(140)는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크게 형성된다.
또한, 상기 제1 가요부(140)는 X축 방향에 대하여 일단이 상기 질량체(110)에 연결되고 타단이 상기 제1 프레임(120)에 연결되고, 이를 위해 상기 제1 가요부(140)는 X축 방향으로 연장되도록 형성된다
또한, 상기 제1 가요부는 X축 방향으로 상기 질량체(110)의 양측에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 가요부(140)에는 감지수단이 형성될 수 있다. 즉, XY 평면을 기준으로 보았을 때, 제1 가요부(140)는 제2 가요부(150)에 비하여 상대적으로 넓으므로, 제1 가요부(140)에는 상기 질량체(110)의 변위를 감지하는 감지수단이 구비될 수 있다.
또한, 상기 감지수단은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 압전 방식, 압저항 방식, 정전용량 방식, 광학 방식 등을 이용하도록 형성할 수 있다.
또한, 상기 질량체(110)는 상기 제2 가요부(150)에 의해 회전가능하도록 상기 제1 프레임(120)에 연결된다.
그리고 상기 제2 가요부(150)는 상기 질량체(110)를 상기 제1 프레임(120)에 회전 및 병진변위가 발생가능하도록 연결한 링크구조로서, 제1 힌지(151), 암(152), 제2 힌지(153) 및 고정암(154)을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 제1 힌지(151)는 상기 질량체(110)가 회전변위 가능하도록 상기 질량체(110)의 양측에 연결된 것이고, 상기 암(152), 제2 힌지(153) 및 고정암(154)은 상기 질량체(110)가 병진변위 가능하도록 연결된 것이다.
또한, 상기 암(152)은 일단이 상기 질량체(110)에 연결된 상기 제1 힌지(151)의 타단이 연결되고, 상기 암(152)의 연장방향은 상기 제1 힌지(151)가 상기 질량체(110)에 연결되는 방향과 상이하도록 연결된다.
또한, 상기 제2 힌지(153)는 일측에 상기 제1 힌지(151)가 연결된 상기 암(152)의 타측에 상기 암(152)이 회전변위 가능하도록 연결된다.
또한, 상기 고정암(154)은 일측이 암(152)에 연결된 상기 제2 힌지(153)의 타측이 연결되고, 상기 제1 프레임(120)에 연결된다.
또한, 상기 제1 힌지(151)와 상기 제2 힌지(153)는 평행하도록 배치되고, 상기 암(152)은 상기 제1 힌지(151) 및 제2 힌지(153)와 직교하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 힌지(151)는 상기 질량체(110)가 회전변위 가능하도록 상기 질량체(110)의 양측에 연결될 수 있다.
그리고 상기 재1 힌지(151)와 제2 힌지(153)는 Y축 방향으로 소정 두께를 갖고 X축 및 Z축에 의해 형성된 면으로 이루어진다. 즉, 상기 제1 힌지(151)와 제2 힌지(153)는 Z축 방향의 폭이 Y축 방향의 두께보다 크게 형성될 수 있다.
그리고 상기 제1 힌지(151)와 제2 힌지(153)는 X축 방향으로 연장되도록 위치되고, 상기 암(152)은 Y축 방향으로 연장되도록 위치된다.
그리고, X축 방향으로 연장된 상기 제1 힌지(151)의 일단은 상기 질량체(110)에 연결되고, 타단은 상기 암(152)에 연결되고, X축 방향으로 연장된 상기 제2 힌지(153)의 일단은 상기 제1 프레임(120)에 결합된 고정암(154)에 연결되고, 타단은 암(152)에 연결된다.
또한, 상기 제1 가요부(140)의 연결방향은 제2 가요부(150)의 제1 힌지(151)와 제2 힌지(153)의 연결방향과 평행하도록 배치된다. 즉, 상기 제1 가요부(140)는 상기 질량체(110) 및 상기 제1 프레임(120)에 X축 방향으로 연결되고, 상기 제2 가요부(150)의 제1 힌지(151)와 제2 힌지(153)도 상기 질량체(110) 및 상기 제1 프레임(120)에 X축 방향으로 연결된다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 상기 질량체(110)는 X축을 기준으로 회전변위가가능한 반면, Y축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전변위가 발생할 수 없다.
또한, 상기 제2 가요부(150)의 제1 힌지(151) 및 상기 제2 힌지(153)는 Y축으로 연장된 암(152)의 양측에 연결되고, 일단이 암(152)에 연결된 상기 제2 힌지(153)의 타단은 고정암(154)에 연결되고, Y축 방향으로 상기 제1 프레임(120)에 연결됨에 따라, 상기 질량체(110)는 상기 제2 가요부의 링크구조에 의해 X축 방향으로 회전변위가 가능함과 더하여 Z축 방향으로 병진변위의 발생이 가능하게 된다.
또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 제1 가요부(140)는 상기 질량체(110)의 중심부에 연결되고, 상기 제2 가요부(150)는 상기 질량체(110)의 양측으로 즉, Y축 방향에 대하여 상기 제1 가요부(140)를 중심으로 양측으로 연결된다.
다음으로 상기 제3 가요부(160)는 Z축 방향으로 소정두께를 갖고, X축 및 Y축에 의해 형성된 면으로 이루어진 빔이다. 즉, 상기 제3 가요부(160)는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크게 형성된다. 또한, 상기 제3 가요부(160)는 Y축 방향에 대하여 일단이 제1 프레임(120)에 연결되고 타단이 제2 프레임(130)에 연결되고, 이를 위해 상기 제3 가요부(160)는 X축 방향으로 연장되도록 형성된다.
전술한 바와 같이, 상기 제1 가요부가 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 방향과 제3 가요부가 상기 제1 프레임과 제2 프레임을 연결하는 방향은 동축방향으로 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 제3 가요부(160)와 제1 가요부(140)는 X축 방향으로 연장되도록 형성되고, 평행하게 배치된다.
그리고 상기 제4 가요부(170)는 X축 방향으로 소정 두께를 갖고 Y축 및 Z축에 의해 면이 형성된 힌지이다. 즉, 제4 가요부(170)는 Z축 방향의 폭이 X축 방향의 두께보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 제1 프레임(120)은 X축을 기준으로 회전하거나, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, Y축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전할 수 있다. 즉, 상기 제1 프레임(120)은 제2 프레임(130)에 고정되어 Y축 방향을 기준으로 회전운동되고, 상기 제4 가요부(170)는 이를 위한 힌지 역할을 한다.
또한, 상기 제4 가요부(170)는 상기 제1 프레임의 중앙부에 연결되고, 상기 제1 프레임(120)은 상기 제4 가요부(170)를 중심으로 대칭변위가 발생되도록 회전된다.
또한, 상기 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)는 연장방향 즉, 상기 제1 프레임(120)과 상기 제2 프레임(130)을 연결하는 방향이 서로 직교되도록 배치될 수 있다.
즉, 상기 제3 가요부(160)는 상기 제1 프레임(120) 및 상기 제2 프레임(130)에 X축 방향으로 연결되고, 상기 제4 가요부(170)는 상기 제1 프레임(120) 및 상기 제2 프레임(130)에 Y축 방향으로 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 프레임(120)은 제3, 4 가요부(160, 170)에 의해 제2 프레임(130)에 지지되고, 상기 제4 가요부(170)를 기준으로 회전변위가 발생가능하게 연결된다.
또한, 상기 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)에는 선택적으로 구동수단이 형성되고, 상기 구동수단은 상기 제1 프레임(120)를 구동시키기 위한 것으로 압전방식, 정전용량 방식 등을 이용하도록 형성될 수 있다. 그리고 XY 평면을 기준으로 보았을 때, 제3 가요부(160)가 제4 가요부(170)에 비하여 상대적으로 넓으므로, 제3 가요부(160)에 제1 프레임(120)을 구동시키는 구동수단이 구비될 수 있다.
또한 전술한 바와 같이 제1 가요부(140), 제2 가요부(150), 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)가 배치됨에 따라, 상기 제2 가요부(150)의 제1 힌지(151) 및 제3 힌지(153)가 상기 질량체(110)와 상기 제1 프레임(120)을 연결하는 연결방향은 상기 제4 가요부(170)가 제1 프레임(120)과 상기 제2 프레임(130)을 연결하는 연결방향과 서로 직교된다. 따라서, 상기 제1 프레임(120)은 Y축을 기준으로 회전변위가 발생되고, 상기 질량체(110)는 X축을 기준으로 회전변위가 발생된다.
또한, 본 발명에 따른 각속도 센서의 제2 가요부(150)의 제1 힌지(151), 제2 힌지(153) 및 제4 가요부(170)는 단면상 사각형인 힌지(Hinge) 형상 또는 단면상 원형인 토션바(Torsion Bar) 형상 등 병진변위가 아닌 회전변위가 가능한 모든 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 질량체의 운동가능한 방향을 정리하면 하기 표 1과 같다.
질량체의 운동 방향 (제1 프레임 기준) 가능 여부
X축을 기준으로 회전 가능
Y축을 기준으로 회전 제한
Z축을 기준으로 회전 제한
X축 방향의 병진 제한
Y축 방향의 병진 제한
Z축 방향의 병진 가능
결국, 상기 질량체(110)는 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, X축 방향을 기준으로 회전변위가 발생가능하고, 제1 힌지(151), 암(152) 및 제2 힌지(153)의 링크구조에 의해 Z축 방향으로 병진변위가 발생가능하게 된다.
다음으로, 상기 제4 가요부(170)의 Z축 방향의 폭이 X축 방향의 두께보다 크므로, 제1 프레임(120)은 제2 프레임(130)에 대해서 X축을 기준으로 회전하거나 Y축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, Y축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전된다.
결국, 상술한 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)의 특성으로 인하여, 상기 제1 프레임(120)은 상기 제2 프레임(130)에 대해서 Y축을 기준으로 회전할 수 있지만, X축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 즉, 상기 제1 프레임(120)의 운동가능한 방향을 정리하면 하기 표 2와 같다.
제1 프레임의 운동 방향
(제2 프레임 기준) 		가능 여부
X축을 기준으로 회전 제한
Y축을 기준으로 회전 가능
Z축을 기준으로 회전 제한
X축 방향의 병진 제한
Y축 방향의 병진 제한
Z축 방향의 병진 제한
이와 같이, 상기 제1 프레임(120)은 상기 제2 프레임(130)에 대해서 Y축을 기준으로 회전하는 것이 가능한 반면, 나머지 방향으로 운동하는 것이 제한되므로, 상기 제1 프레임(120)의 변위를 원하는 방향(Y축을 기준으로 회전)의 힘에 대해서만 발생하게 할 수 있다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 1에 도시한 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 의한 각속도 검출원리를 개략적으로 도시한 평면도이다.
보다 구체적으로, 구동속도(V)×각속도(Ω)-> 코리올리힘(F)-> 코리올리토크(T)의 관계에서 본 발명의 일실시예에 따른 각속도 센서(100)는 구동속도는 Vx만이 존재하고, 질량체의 무게중심이 구동 회전축에 일치하기 때문에 Vz 성분은 발생하지 않는다.
도 5a에 도시한 바와 같이, Vx × Ωx = 0 이므로 X축 방향의 각속도인 Ωx에 대하여 질량체의 변위가 발생하지 않는다.
그리고 도 5b에 도시한 바와 같이, Vx × ΩY -> FZ 이므로 상기 질량체(110)는 Z축 방향으로 병진변위가 발생되고, 상기 제1 가요부(140)는 같은 방향의 굽힘이 발생되고, 상기 제1 가요부(140)에 형성된 감지수단은 +로 표시한 바와 같이 동일한 신호를 출력한다.
다음으로, 도 5c에 도시한 바와 같이, Vx × ΩZ -> FY -> Tx 이므로 상기 질량체(110)는 X축 방향을 기준으로 회전변위가 발생되고, X축을 기준으로 일측 및 타측이 서로 다른 굽힘이 발생한다. 또한, 감지수단이 상기 질량체(110)에 X축방향으로 연결된 상기 제1 가요부(140)의 중심부에 X축에 일치하도록 위치됨에 따라 하나의 멤브레인인 제1 가요부(140) 내에서 일측 및 타측에서 다른 방향의 굽힘이 발생되고, 서로 상쇄되며 결국 검출량은 0이 되어 ΩZ 에 대한 반응은 나타나지 않는다.
이에 따라, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서(100)는 특별한 연산없이 ΩY를 바로 검출 가능하게 된다.
도 6은 도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 실제 레이아웃을 개략적으로 도시한 평면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 각속도 센서(200)는 도 1에 도시한 각속도 센서(100)와 대응되는 구성요소의 기능 및 형상이 동일하고, 세부형상 및 유기적인 결합만이 상이하다. 따라서 이하 상이한 세부형상 및 유기적인 결합을 중심으로 기술하고, 동일한 사항은 전술한 바 생략한다.
보다 구체적으로, 상기 각속도 센서(200)는 질량체부(210a, 210b), 제1 프레임(220), 제2 프레임(230), 제1 가요부(240), 제2 가요부(250), 제3 가요부(260), 제4 가요부(270), 감지전극(280) 및 가진전극(290)을 포함한다.
그리고 상기 질량체부(210)는 제1 질량체(210a)와 제2 질량체(210b)를 포함한다.
그리고 상기 제1 질량체(210a)와 상기 제2 질량체(210b)는 동일한 크기로 형성되고, 서로 대칭되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 질량체(210a)와 제2 질량체(210b)는 제1 가요부(240)와 제2 가요부(250)에 의해 상기 제1 프레임(220)에 연결된다.
그리고 상기 제1 질량체(210a)와 제2 질량체(210b)는 코리올리힘이 작용할 때 제1 가요부(240)의 굽힘과 제2 가요부(250)의 비틀림에 의해서 변위가 발생한다. 이때, 상기 제1 질량체(210a)와 제2 질량체(210b)는 회전 및 병진운동된다.
또한, 상기 제1 가요부(240) 및 제2 가요부(250)에는 감지수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있고, 상기 제3 가요부(260) 및 제4 가요부(270)에는 구동수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있다.
이에 대한 일실시예로서 도 6은 상기 제1 가요부(240)에 감지전극(280)이 형성되고, 상기 제3 가요부(260)에 구동전극(290)이 형성된 것을 도시한 것이다.
또한, 상기 제2 가요부(250)는 상기 질량체부(210)를 상기 제1 프레임(220)에 회전 및 병진변위가 발생가능하도록 연결한 링크구조로서, 제1 힌지(251), 암(252), 제2 힌지(253) 및 고정암(254)을 포함한다.
또한, 상기 제2 힌지(253)는 힌지부(253a)와 빔부(253b)를 포함한다.
그리고 상기 제1 프레임(220)과 상기 제2 프레임(230)에는 각각 상기 제3 가요부(260)가 연결되는 돌출결합부(221, 231)가 형성된다.
또한, 상기 제4 가요부(270)는 힌지부(271)와 빔부(272)를 포함한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도시한 바와 같이 제2 실시예에 따른 각속도 센서(300)는 도 1에 도시한 각속도 센서(100)와 비교하여 제1 가요부의 연결위치만이 상이하다.
즉, 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 구성요소에 각각 대응되는 제2 실시예에 따른 각속도 센서(300)의 구성요소의 기능 및 형상은 동일하고 이에 따른 구체적인 설명은 전술한 바 생략한다.
보다 구체적으로, 상기 각속도 센서(300)는 질량체(310), 제1 프레임(320), 제2 프레임(330), 제1 가요부(340), 제2 가요부(350), 제3 가요부(360) 및 제4 가요부(370)를 포함한다.
그리고 상기 제1 가요부(340) 및 제2 가요부(350)에는 감지수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있고, 상기 제3 가요부(360) 및 제4 가요부(370)에는 구동수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 제2 가요부(350)는 상기 질량체(310)를 상기 제1 프레임(320)에 회전 및 병진변위가 발생가능하도록 연결한 링크구조로서, 제1 힌지(351), 암(352), 제2 힌지(353) 및 고정암(354)을 포함한다.
또한, 상기 제1 가요부(340)는 상기 질량체(310)와 상기 제1 프레임(320)에 Y축 방향으로 결합된다. 이에 따라 상기 제2 가요부(350)에 의해 상기 질량체(310)가 회전변위 발생될 경우 상기 질량체(310)의 양측으로 결합된 상기 제1 가요부(340)은 서로 다른 굽힘응력이 발생된다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 도 7에 도시한 제2 실시예에 따른 각속도 센서에 의한 각속도 검출원리를 개략적으로 도시한 평면도이다.
보다 구체적으로, 구동속도(V)×각속도(Ω)-> 코리올리힘(F)-> 코리올리토크(T)의 관계에서 본 발명의 일실시예에 따른 각속도 센서(300)는 구동속도는 Vx만이 존재하고, 질량체의 무게중심이 구동 회전축에 일치하기 때문에 Vz 성분은 발생하지 않는다.
도 8a에 도시한 바와 같이, Vx > Ωx = 0 이므로 X축 방향의 각속도인 Ωx 에 대하여 질량체의 변위가 발생하지 않는다.
그리고 도 8b에 도시한 바와 같이, VX > ΩY -> FZ 이므로 상기 질량체(310)는 Z축 방향으로 병진변위가 발생되고, 상기 제1 가요부(340)는 같은 방향의 굽힘이 발생되고, 상기 제1 가요부(340)에 형성된 감지수단은 +로 표시한 바와 같이 동일한 신호를 출력한다.
다음으로, 도 8c에 도시한 바와 같이, VX > ΩZ -> FY -> TX 이므로 상기 질량체(310)는 X축 방향을 기준으로 회전변위가 발생되고, X축을 기준으로 상기 질량체(310)의 일측에 결합된 제1 가요부(340a)와 타측에 결합된 제1 가요부(340b)는 서로 다른 굽힘이 발생하고, 상기 제1 가요부(340a, 340b)에 각각 형성된 감지수단은 + 및 -로 도시한 바와 같이 서로 다른 신호를 출력한다.
이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서(300)는 하나의 질량체를 이용하여 ΩY 및 ΩZ를 검출 가능함과 동시에 크로스토크(crosstalk)가 제거되고 소형으로 구현된다.
도 9는 도 7에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서의 실제 레이아웃을 개략적으로 도시한 평면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 각속도 센서(400)는 도 7에 도시한 각속도 센서(300)와 대응되는 구성요소의 기능 및 형상이 동일하고, 세부형상 및 유기적인 결합만이 상이하다. 따라서 이하 상이한 세부형상 및 유기적인 결합을 중심으로 기술하고, 동일한 사항은 전술한 바 생략한다.
보다 구체적으로, 상기 각속도 센서(400)는 질량체부(410a, 410b), 제1 프레임(420), 제2 프레임(430), 제1 가요부(440), 제2 가요부(450), 제3 가요부(460), 제4 가요부(470), 감지전극(480) 및 가진전극(490)을 포함한다.
그리고 상기 질량체부(410)는 제1 질량체(410a)와 제2 질량체(410b)를 포함한다.
그리고 상기 제1 질량체(410a)와 상기 제2 질량체(410b)는 동일한 크기로 형성되고, 서로 대칭되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 질량체(410a)와 제2 질량체(410b)는 제1 가요부(440)와 제2 가요부(450)에 의해 상기 제1 프레임(420)에 연결된다.
그리고 상기 제1 질량체(410a)와 제2 질량체(410b)는 코리올리힘이 작용할 때 제1 가요부(440)의 굽힘과 제2 가요부(450)의 비틀림에 의해서 변위가 발생한다. 이때, 상기 제1 질량체(410a)와 제2 질량체(410b)는 회전 및 병진운동된다.
또한, 상기 제1 가요부(440) 및 제2 가요부(450)에는 감지수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있고, 상기 제3 가요부(460) 및 제4 가요부(470)에는 구동수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있다.
이에 대한 일실시예로서 도 9는 상기 제1 가요부(440)에 감지전극(480)이 형성되고, 상기 제3 가요부(460)에 구동전극(490)이 형성된 것을 도시한 것이다.
또한, 상기 제2 가요부(450)는 상기 질량체부(410)를 상기 제1 프레임(420)에 회전 및 병진변위가 발생가능하도록 연결한 링크구조로서, 제1 힌지(451), 암(452), 제2 힌지(453) 및 고정암(454)을 포함한다.
또한, 상기 제2 힌지(453)는 힌지부(453a)와 빔부(453b)를 포함한다.
그리고 상기 제1 프레임(420)과 상기 제2 프레임(430)에는 각각 상기 제3 가요부(460)가 연결되는 돌출결합부(421, 431)가 형성된다.
또한, 상기 제4 가요부(470)는 힌지부(471)와 빔부(472)를 포함한다.
또한, 상기 제1 가요부(440)는 상기 질량체부(410)와 상기 제1 프레임(420)에 Y축 방향으로 연결된다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 각속도 센서를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도시한 바와 같이, 제3 실시예에 따른 각속도 센서(500)는 도 1에 도시한 각속도 센서(100)와 비교하여 질량체부와 추가된 질량체의 유기적 결합 만이 상이하다.
보다 구체적으로, 상기 각속도 센서(500)는 질량체부(510), 제1 프레임(520), 제2 프레임(530), 제1 가요부(540a, 540b, 540c), 제2 가요부(550a, 550b, 550c), 제3 가요부(560) 및 제4 가요부(570)를 포함한다.
그리고 상기 질량체부(510)는 제1 질량체(510a), 제2 질량체(510b) 및 제3 질량체(510c)를 포함한다. 또한 상기 제2 질량체(510b)와 제3 질량체(510c)는 서로 동일한 크기와 형상으로 이루어지고, 상기 제1 질량체(510a)를 중심으로 양측에 서로 대칭되도록 배치될 수 있다.
그리고 상기 제1 가요부(540a, 540b, 540c) 및 제2 가요부(550a, 550b, 550c)에는 감지수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있고, 상기 제3 가요부(560) 및 제4 가요부(570)에는 구동수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1 가요부(540a, 540b, 540c)는 상기 제1, 2 및 3 질량체(510a, 510b, 510c)를 각각 상기 제1 프레임(520)에 연결한다.
또한, 상기 제1 가요부(540a, 540b, 540c)는 상기 제1, 2 및 3 질량체(510a, 510b, 510c)의 양측에 연결될 수 있다. 즉, 상기 제1 가요부(540a)는 X축 방향으로 상기 제1 질량체(510a)의 양측에 연결되고, 상기 제1 가요부(540b, 540c)는 Y축 방향으로 상기 제2 및 3 질량체(510b, 510c)의 양측에 연결된다.
결국, 상기 제1, 2 및 3 질량체(510a, 510b, 510c)를 각각 상기 제1 프레임(520)에 연결하는 연결방향에 있어서, 상기 제1 가요부(540a)와 상기 제1 가요부(540b, 540c)는 서로 직교된다.
다시 말해, 상기 제2 및 3 질량체(510b, 510c)에 각각 연결된 상기 제1 가요부(540b)와 제1 가요부(540c)는 Y축 방향으로 상기 제2 및 3 질량체(510b, 510c)를 상기 제1 프레임(520)에 연결하고, 제1 질량체(510a)에 연결된 제1 가요부(540a)는 X축 방향으로 제1 질량체(510a)를 상기 제1 프레임(520)에 연결한다.
또한, 상기 제2 가요부(550a, 550b, 550c)는 링크 가요부(550a)와 힌지 가요부(550b, 550c)로 이루어진다.
그리고 상기 링크 가요부(550a)는 상기 제1 질량체(510a)를 상기 제1 프레임(520)에 회전 및 병진변위가 발생가능하도록 연결한 링크로서, 제1 힌지(551a), 암(552a), 제2 힌지(553a) 및 고정암(554a)을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 제1 힌지(551a)는 상기 질량체(510a)가 회전변위 가능하도록 상기 제1 질량체(510a)에 연결된 것이고, 상기 암(552a), 제2 힌지(553a) 및 고정암(554a)은 상기 제1 질량체(510a)가 병진변위가 발생가능하도록 연결된 것이다.
또한, 상기 암(552a)은 일단이 상기 제1 질량체(510a)에 연결된 상기 제1 힌지(551a)의 타단이 연결되고, 상기 암(552a)의 연장방향은 상기 제1 힌지(551a)가 상기 제1 질량체(510a)에 연결되는 방향과 상이하도록 연결된다.
또한, 상기 제2 힌지(553a)는 일측에 상기 제1 힌지(551a)가 연결된 상기 암(553a)의 타측에 상기 암(552a)이 회전변위 가능하도록 연결된다.
또한, 상기 고정암(554a)은 일측이 암(552a)에 연결된 상기 제2 힌지(553a)의 타측이 연결되고, 상기 제1 프레임(520)에 연결된다.
또한, 상기 제1 힌지(551a)와 상기 제2 힌지(553a)는 평행하도록 배치되고, 상기 암(552a)은 상기 제1 힌지(551a) 및 제2 힌지(553a)와 직교하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 힌지(551a)는 상기 제1 질량체(510a)가 회전변위 가능하도록 상기 제1 질량체(510a)의 양측에 연결될 수 있다.
그리고 상기 힌지 가요부(550b, 550c)는 상기 제2 및 3 질량체(510b, 510c)를 각각 상기 제1 프레임(520)에 회전변위가 발생가능하도록 연결한다.
이를 위해 상기 힌지 가요부(550b, 550c)는 도 1에 도시한 각속도 센서(100)의 제4 가요부(170)와 동일한 형상으로 이루어지고 연결방향만 달리하여 상기 제2 및 3 질량체(510b, 510c)를 제1 프레임(520)에 연결한다. 즉, 상기 힌지 가요부(550b, 550c)는 Y축 방향에 대한 상기 제2 및 3 질량체(510b, 510c)의 중앙부에 연결되고, X축 방향으로 상기 제2 및 3 질량체(510b, 510c)를 상기 제1 프레임(520)에 연결한다.
이에 따라, 상기 제2 및 3 질량체(510b, 510c)는 상기 힌지 가요부(550b, 550c)를 중심으로 양측이 서로 대칭되는 회전변위가 발생된다.
또한, 상기 힌지 가요부(550b, 550c)는 X축 방향으로 상기 제2 및 3 질량체(510b, 510c)와 상기 제1 프레임(520)을 연결할 수 있다.
또한, 상기 제3 가요부(560) 및 제4 가요부(570)는 도 1을 통해 전술한 제1 실시예에 따른 각속도 센서(100)의 상기 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)와 형상 및 유기적 결합에 있어 동일한 바, 구체적인 설명은 생략한다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 도 10에 도시한 제3 실시예에 따른 각속도 센서에 의한 각속도 검출원리를 개략적으로 도시한 평면도이다.
보다 구체적으로, 상기 제1 질량체(510a)는 도 11a에 도시한 바와 같이, Vx >Ωx = 0 이므로 X축 방향의 각속도인 Ωx에 대하여 상기 제1 질량체(510)의 변위가 발생하지 않고, 도 11b에 도시한 바와 같이, Vx >ΩY -> FZ 이므로 상기 제1 질량체(510a)는 Z축 방향으로 병진변위가 발생되고, 상기 제1 가요부(540a)는 같은 방향의 굽힘이 발생되고, 상기 제1 가요부(540a)에 형성된 감지수단은 +로 표시한 바와 같이 동일한 신호가 발생한다. 도 11c에 도시한 바와 같이, Vx >ΩZ -> FY -> TX 이므로 상기 제1 질량체(510a)는 X축 방향을 기준으로 회전변위가 발생되고, 상기 제1 가요부(540a)는 X축을 기준으로 일측 및 타측이 서로 다른 굽힘이 발생한다. 또한, 감지수단이 상기 제1 질량체(510a)에 X축 방향으로 연결된 상기 제1 가요부(540a)의 중심부에 X축에 일치하도록 위치됨에 따라 하나의 멤브레인인 제1 가요부(540a) 내에서 일측 및 타측에서 다른 방향의 굽힘이 발생되고, 서로 상쇄되며 결국 검출량은 0가 되어 ΩZ 에 대한 반응은 나타나지 않는다.
따라서, 상기 제1 질량체(540a)에 의해 ΩY를 검출 가능하게 된다.
다음으로, 상기 제1 프레임(520) 및 질량체부(510)가 Y축을 기준으로 회전운동하면, 상기 제2 질량체(510b)의 구동속도 성분은 +Z축 및 -X축 방향으로 발생하다가 -Z축 및 +X축 방향으로 발생하며, 상기 제3 질량체(510c)의 구동속도 성분은 -Z축 및 -X축 방향으로 발생하다가 +Z축 및 +X축 방향으로 발생한다. 상기 구동속도와 입력된 각속도의 외적 벡터 방향으로 상기 제2 질량체(510b)와 제3 질량체(510c)에 코리올리힘이 작용하게 되는데, 각속도 방향과 코리올리힘 방향의 구체적인 조합은 후술하도록 한다.
상기 X축을 기준으로 회전하는 각속도가 제2 질량체(510b) 및 제3 질량체(510c)에 인가되면 상기 제2 질량체(510b)에 코리올리힘이 -Y축 방향으로 발생하다가 +Y축 방향으로 발생하고, 제3 질량체(510c)에 코리올리힘이 +Y축 방향으로 발생하다가 -Y축 방향으로 발생한다.
따라서, 제2 질량체(510b)와 제3 질량체(510c)는 서로 반대 방향으로 X축을 기준으로 회전하게 되고, 상기 제1 가요부(510b, 510c)에 각각 형성된 감지수단이 제2 질량체(510b)와 제3 질량체(510c)의 변위를 감지함으로써, 코리올리힘을 산출할 수 있고, 이러한 코리올리힘을 통해서 X축을 기준으로 회전하는 각속도를 측정할 수 있다. 이때, 제2 질량체(510b)을 중심으로 양측에 각각 연결된 제1 가요부(540b)에서 각각 발생하는 신호를 SY1 및 SY2로 정의하고, 상기 제3 질량체(540c)을 중심으로 양측에 각각 연결된 제1 가요부(540c)에서 각각 발생하는 신호를 SY3 및 SY4로 정의한다면, X축을 기준으로 회전하는 각속도는 (SY1-SY2)-(SY3-SY4)로부터 산출할 수 있다. 이와 같이, 도 11a에 도시한 바와 같이 반대 방향으로 회전하는 제2 질량체(510b)와 제3 질량체(510c) 사이의 신호를 차동출력하므로, 가속도 잡음을 상쇄시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, Z축을 기준으로 회전하는 각속도가 제2, 3 질량체(510b, 510c)에 각각 인가되면, 제2 질량체(510b)에 코리올리힘이 -Y축 방향으로 발생하다가 +Y축 방향으로 발생하고, 제3 질량체(510c)에 코리올리힘이 -Y축 방향으로 발생하다가 +Y축 방향으로 발생한다. 따라서, 제2 질량체(510b)와 제3 질량체(510c)는 도 11c에 도시한 바와 같이 동일 방향으로 X축을 기준으로 회전하게 된다. 이때, 제2 질량체(510b)를 중심으로 양측에 각각 연결될 제1 가요부(540b)에서 각각 발생하는 신호를 SY1 및 SY2로 정의하고, 제3 질량체(510c)를 중심으로 양측에 각각 연결된 상기 제1 가요부(540c)에서 각각 발생하는 신호를 SY3 및 SY4로 정의한다면, Z축을 기준으로 회전하는 각속도는 (SY1-SY2)+(SY3-SY4)로부터 산출할 수 있다.
따라서, 상기 각속도 센서(500)는 상기 제2 질량체(510b) 및 제3 질량체(510c)에 의해 X축 또는 Z축을 기준으로 회전하는 각속도를 측정할 수 있다.
결국, 상기 제1 질량체(510a)에 의해 ΩY를 검출함과 동시에, 상기 제2 질량체(510b) 및 제3 질량체(510c)에 의해 ΩX 및 ΩZ 를 검출할 수 있어, 3축의 각속도를 얻을 수 있고, 이 경우 디지털 출력단의 연산이 필요없음에 따라 연산에 수반되는 잡음과 보정(calibration)의 부담이 제거된다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 각속도 센서를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 각속도 센서(600)는 도 10에 도시한 제3 실시예에 따른 각속도 센서(500)과 비교하여 제1 가요부의 유기적인 결합만이 상이하다.
즉, 상기 제3 실시예에 따른 각속도 센서(500)의 상기 제1 질량체(510a), 제1 가요부(540a) 및 링크 가요부(550a)는 도 1에 도시한 각속도 센서(100)의 질량체(110), 제1 가요부(140) 및 제2 가요부(150)를 적용한 것이고, 제4 실시예에 따른 각속도센서(600)의 제1 질량체, 제1 가요부 및 링크 가요부는 도 7에 도시한 제2 실시예에 따른 각속도 센서(300)의 질량체(310), 제1 가요부(340) 및 제2 가요부(350)를 적용한 것이다.
보다 구체적으로, 상기 각속도 센서(600)는 질량체부(610), 제1 프레임(620), 제2 프레임(630), 제1 가요부(640a, 640b, 640c), 제2 가요부(650a, 650b, 650c), 제3 가요부(660) 및 제4 가요부(670)를 포함한다.
그리고 상기 질량체부(610)는 제1 질량체(610a), 제2 질량체(610b) 및 제3 질량체(610c)를 포함한다. 또한 상기 제2 질량체(610b)와 제3 질량체(610c)는 서로 동일한 크기와 형상으로 이루어지고, 상기 제1 질량체(610a)를 중심으로 양측에 서로 대칭되도록 배치될 수 있다.
그리고 상기 제1 가요부(640a, 640b, 640c) 및 제2 가요부(650a, 650b, 650c)에는 감지수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있고, 상기 제3 가요부(660) 및 제4 가요부(670)에는 구동수단이 각각 또는 선택적으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1 가요부(640a, 640b, 640c)는 상기 제1, 2 및 3 질량체(610a, 610b, 610c)를 각각 상기 제1 프레임(620)에 연결한다.
그리고 상기 제1, 2 및 3 질량체(610a, 610b, 610c)를 각각 상기 제1 프레임(620)에 연결하는 연결방향에 있어서, 상기 제1 가요부(640a)와 상기 제1 가요부(640b, 640c)는 서로 평행하도록 이루어질 수 있다.
즉, 상기 제2 및 3 질량체(610b, 610c)에 각각 연결된 상기 제1 가요부(640b)와 제1 가요부(640c)는 Y축 방향으로 상기 제2 및 3 질량체(610b, 610c)를 상기 제1 프레임(620)에 연결하고, 제1 질량체(610a)에 연결된 제1 가요부(640a)는 역시 Y축 방향으로 제1 질량체(610a)를 각각 상기 제1 프레임(620)에 연결한다.
또한, 상기 제2 가요부(650a, 650b, 650c)는 링크 가요부(650a)와 힌지 가요부(650b, 650c)로 이루어진다.
그리고 상기 링크 가요부(650a)는 상기 제1 질량체(610a)를 상기 제1 프레임(620)에 회전 및 병진변위가 발생가능하도록 연결한 링크로서, 제1 힌지(651a), 암(652a), 제2 힌지(653a) 및 고정암(654a)을 포함한다.
그리고 상기 힌지 가요부(650b, 650c)는 상기 제2 및 3 질량체(610b, 610c)를 각각 상기 제1 프레임(620)에 회전변위가 발생가능하도록 연결한다.
이를 위해 상기 힌지 가요부(650b, 650c)는 도 1에 도시한 각속도 센서(100)의 제4 가요부(170)와 동일한 형상으로 이루어지고 연결방향만 달리하여 상기 질량체를 제1 프레임(620)에 연결한다. 즉, 상기 힌지 가요부(650b, 650c)는 Y축 방향에 대한 상기 제2 및 3 질량체(610b, 610c)의 중앙부에 연결되고, X축 방향으로 상기 제2 및 3 질량체(610b, 610c)를 상기 제1 프레임(620)에 연결한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 특히, 본 발명은 "X축", "Y축" 및 "Z축"을 기준으로 설명하였지만, 이는 설명의 편의를 위하여 정의한 것에 불과하므로, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
100, 200, 300, 400, 500, 600 : 각속도 센서
110, 310 : 질량체
210, 410, 510, 610 : 질량체부
210a, 410a, 510a, 610a : 제1 질량체
210b, 410b, 510b, 610b : 제2 질량체
510c, 610c : 제3 질량체
120, 220, 320, 420, 520, 620 : 제1 프레임
130, 230, 330, 430, 530, 630 : 제2 프레임
140, 240, 340, 440, 540a, 540b, 540c, 640a, 640b, 640c : 제1 가요부
150, 250, 350, 450, 550a, 550b, 550c, 650a, 650b, 650c: 제2 가요부
151, 251, 351, 451, 551a, 651a : 제1 힌지
152, 252, 352, 452, 552a, 652a : 암
153, 253, 353, 453, 553a, 653a : 제2 힌지
253a, 271, 471 : 힌지부
253b, 272, 472 : 빔부
221, 231, 421, 431 : 돌출결합부
154, 254, 354, 454, 554a, 654a : 고정암
160, 260, 360, 460, 560, 660 : 제3 가요부
170, 270, 370, 470, 570, 670 : 제4 가요부
280, 480 : 감지전극
290, 490 : 구동전극

Claims (39)

  1. 질량체;
    상기 질량체의 외측에 구비된 제1 프레임;
    상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제1 가요부;
    상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제2 가요부;
    상기 제1 프레임의 외측에 구비된 제2 프레임;
    상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제3 가요부; 및
    상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고,
    상기 질량체는 회전 및 병진변위가 가능하도록 상기 제2 가요부에 의해 상기 제1 프레임에 고정되고,
    상기 제1 프레임은 회전변위 가능하도록 상기 제4 가요부에 의해 제2 프레임에 연결된 각속도 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 가요부는
    상기 질량체가 회전변위 가능하도록 상기 질량체에 연결된 제1 힌지;
    일단이 상기 질량체에 연결된 상기 제1 힌지의 타단이 연결되고, 연장방향이 상기 제1 힌지가 질량체에 연결되는 방향과 상이한 암;
    일측에 제1 힌지가 연결된 상기 암의 타측에 상기 암이 회전변위 가능하도록 일측이 연결되고, 타측이 제1 프레임에 연결된 제2 힌지를 포함하는 링크구조로 이루어진 각속도 센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 질량체를 중심으로 양측에 제1 힌지가 각각 연결되고, 상기 제1 힌지에 각각 암이 연결되고, 상기 암에 각각 제2 힌지가 연결되고, 제2 힌지에 각각 제1 프레임이 연결된 각속도 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 가요부는
    상기 질량체가 회전변위 가능하도록 상기 질량체에 연결된 제1 힌지;
    일단이 상기 질량체에 연결된 상기 제1 힌지의 타단이 연결되고, 연장방향이 상기 제1 힌지가 질량체에 연결되는 방향과 상이한 암;
    일측에 제1 힌지가 연결된 상기 암의 타측에 상기 암이 회전변위 가능하도록 연결된 제2 힌지; 및
    일측이 암에 연결된 제2 힌지의 타측이 연결되고, 제1 프레임에 연결된 고정암을 포함하는 링크구조로 이루어진 각속도 센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 질량체를 중심으로 양측에 제1 힌지가 각각 연결되고, 상기 제1 힌지에 각각 암이 연결되고, 상기 암에 각각 제2 힌지가 연결되고, 상기 제2 힌지에 각각 상기 고정암이 연결되고, 상기 고정암에 각각 제1 프레임이 연결된 각속도 센서.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 힌지와 제2 힌지는 평행하도록 배치되고, 상기 암은 상기 제1 힌지 및 제2 힌지와 직교하도록 배치된 각속도 센서.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 힌지가 상기 질량체에 연결되는 연결방향은 제4 가요부가 제1 프레임과 제2 프레임을 연결하는 방향과 직교되는 각속도 센서.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가요부 및 제3 가요부는 질량체의 변위에 의해 굽힘변위가 발생되는 빔으로 이루어진 각속도 센서.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 가요부가 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 방향과 제3 가요부가 상기 제1 프레임과 제2 프레임을 연결하는 방향은 동축방향인 각속도 센서.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 가요부가 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 방향은 제3 가요부가 상기 제1 프레임과 제2 프레임을 연결하는 방향과 직교하는 각속도 센서.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 가요부는 상기 질량체가 X축 방향을 기준으로 회전되고, Z축 방향으로 병진되도록 상기 질량체 및 제1 프레임에 연결되고,
    상기 제4 가요부는 상기 제1 프레임이 Y축 방향을 기준으로 회전되도록 상기 제1 프레임 및 제2 프레임에 연결되고,
    상기 질량체와 상기 제1 프레임은 상기 제1 가요부에 의해 X축 방향으로 연결되고, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임은 상기 제3 가요부에 의해 X축 방향으로 연결된 각속도 센서.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 가요부는
    상기 질량체의 일측에 X축 방향으로 연결된 제1 힌지;
    일단이 상기 질량체에 연결된 상기 제1 힌지의 타단이 연결되고, Y축 방향으로 연장된 암;
    일측에 제1 힌지가 연결된 상기 암의 타측에 X축 방향으로 일측이 연결되고, 타측이 제1 프레임에 연결된 제2 힌지를 포함하는 링크구조로 이루어진 각속도 센서.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 가요부는
    상기 질량체의 일측에 X축 방향으로 연결된 제1 힌지;
    일단이 상기 질량체에 연결된 상기 제1 힌지의 타단이 연결되고, Y축 방향으로 연장된 암;
    일측에 제1 힌지가 연결된 상기 암의 타측에 X축 방향으로 연결된 제2 힌지; 및
    일측이 암에 연결된 제2 힌지의 타측이 연결되고, 제1 프레임에 Y축 방향으로 연결된 고정암을 포함하는 링크구조로 이루어진 각속도 센서.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 가요부는 상기 질량체가 X축 방향을 기준으로 회전되고, Z축 방향으로 병진되도록 상기 질량체 및 제1 프레임에 연결되고,
    상기 제4 가요부는 상기 제1 프레임이 Y축 방향을 기준으로 회전되도록 상기 제1 프레임 및 제2 프레임에 연결되고,
    상기 질량체와 상기 제1 프레임은 상기 제1 가요부에 의해 Y축 방향으로 연결되고, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임은 상기 제3 가요부에 의해 X축 방향으로 연결된 각속도 센서.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 가요부는
    상기 질량체의 일측에 X축 방향으로 연결된 제1 힌지;
    일단이 상기 질량체에 연결된 상기 제1 힌지의 타단이 연결되고, Y축 방향으로 연장된 암;
    일측에 제1 힌지가 연결된 상기 암의 타측에 X축 방향으로 일측이 연결되고, 타측이 제1 프레임에 연결된 제2 힌지를 포함하는 링크구조로 이루어진 각속도 센서.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 가요부는
    상기 질량체의 일측에 X축 방향으로 연결된 제1 힌지;
    일단이 상기 질량체에 연결된 상기 제1 힌지의 타단이 연결되고, Y축 방향으로 연장된 암;
    일측에 제1 힌지가 연결된 상기 암의 타측에 X축 방향으로 연결된 제2 힌지; 및
    일측이 암에 연결된 제2 힌지의 타측이 연결되고, 제1 프레임에 Y축 방향으로 연결된 고정암을 포함하는 링크구조로 이루어진 각속도 센서.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가요부와 제2 가요부의 조합이 상기 제1 프레임에 대한 상기 질량체의 X축 및 Y축 병진운동과 Y축 및 Z축 기준의 회전운동을 제한하는 각속도 센서.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 가요부와 제4 가요부의 조합이 상기 제2 프레임에 대한 상기 제1 프레임의 X축, Y축 및 Z축 방향의 병진운동과 X축 및 Z축 기준의 회전운동을 제한하는 각속도 센서.
  19. 제1 질량체, 제2 질량체 및 제3 질량체를 포함하는 질량체부;
    상기 질량체부의 외측에 구비된 제1 프레임;
    상기 질량체부와 상기 제1 프레임을 연결하는 제1 가요부;
    상기 질량체부와 상기 제1 프레임을 연결하는 제2 가요부;
    상기 제1 프레임의 외측에 구비된 제2 프레임;
    상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제3 가요부; 및
    상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고,
    상기 제2 가요부는 상기 제1 질량체를 회전 및 병진변위가 가능하도록 상기 제1 프레임에 연결하는 링크 가요부와, 상기 제2 질량체 및 제3 질량체를 회전가능하도록 상기 제1 프레임에 연결하는 힌지 가요부로 이루어지고,
    상기 제1 프레임은 회전변위 가능하도록 상기 제4 가요부에 의해 상기 제2 프레임에 연결된 각속도 센서.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제2 질량체 및 제3 질량체는 동일한 크기 및 형상으로 이루어지고 상기 제1 질량체를 중심으로 양측에 위치된 각속도 센서.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 링크 가요부는
    상기 제1 질량체가 회전변위 가능하도록 상기 제1 질량체의 일측에 연결된 제1 힌지;
    일단이 상기 제1 질량체에 연결된 상기 제1 힌지의 타단이 연결되고, 연장방향이 상기 제1 힌지가 질량체에 연결되는 방향과 상이한 암;
    일측에 제1 힌지가 연결된 상기 암의 타측에 상기 암이 회전변위 가능하도록 일측이 연결되고, 타측이 제1 프레임에 연결된 제2 힌지를 포함하는 각속도 센서.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 링크 가요부는
    상기 제1 질량체가 회전변위 가능하도록 상기 제1 질량체의 일측에 연결된 제1 힌지;
    일단이 상기 제1 질량체에 연결된 상기 제1 힌지의 타단이 연결되고, 연장방향이 상기 제1 힌지가 질량체에 연결되는 방향과 상이한 암;
    일측에 제1 힌지가 연결된 상기 암의 타측에 상기 암이 회전변위 가능하도록 연결된 제2 힌지; 및
    일측이 암에 연결된 제2 힌지의 타측이 연결되고, 제1 프레임에 연결된 고정암을 포함하는 각속도 센서.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 제1 질량체를 중심으로 양측에 제1 힌지가 각각 연결되고, 상기 제1 힌지에 각각 암이 연결되고, 상기 암에 각각 제2 힌지가 연결되고, 상기 제2 힌지에 각각 제1 프레임이 연결된 각속도 센서.
  24. 청구항 22에 있어서,
    상기 제1 질량체를 중심으로 양측에 제1 힌지가 각각 연결되고, 상기 제1 힌지에 각각 암이 연결되고, 상기 암에 각각 제2 힌지가 연결되고, 상기 제2 힌지에 각각 상기 고정암이 연결되고, 상기 고정암에 각각 제1 프레임이 연결된 각속도 센서.
  25. 청구항 21에 있어서,
    상기 제1 힌지와 제2 힌지는 평행하도록 배치되고, 상기 암은 상기 제1 힌지 및 제2 힌지와 직교하도록 배치된 각속도 센서.
  26. 청구항 21에 있어서,
    상기 제1 힌지가 상기 제1 질량체에 연결되는 연결방향은 상기 제4 가요부가 제1 프레임과 제2 프레임을 연결하는 방향과 직교되는 각속도 센서.
  27. 청구항 19에 있어서,
    상기 힌지 가요부가 상기 제2 질량체 및 제3 질량체와 연결되는 방향은 상기 제4 가요부가 제1 프레임과 제2 프레임을 연결하는 방향과 직교되는 각속도 센서.
  28. 청구항 19에 있어서,
    상기 링크 가요부는 상기 제1 질량체가 X축 방향을 기준으로 회전되고, Z축 방향으로 병진되도록 상기 제1 질량체 및 제1 프레임에 연결되고,
    상기 제4 가요부는 상기 제1 프레임이 Y축 방향을 기준으로 회전되도록 상기 제1 프레임 및 제2 프레임에 연결되고,
    상기 힌지 가요부는 상기 제2 질량체와 제3 질량체가 X축 방향을 기준으로 회전되도록 상기 제1 프레임에 상기 제2 질량체와 제3 질량체가 각각 연결된 각속도 센서.
  29. 청구항 19에 있어서,
    상기 제2 가요부는 상기 제1 프레임에 대한 상기 질량체부의 X축 및 Y축 병진운동과 Y축 및 Z축 기준의 회전운동을 제한하는 각속도 센서.
  30. 청구항 19에 있어서,
    상기 제4 가요부는 상기 제2 프레임에 대한 상기 제1 프레임의 X축, Y축 및 Z축 방향의 병진운동과 X축 및 Z축 기준의 회전운동을 제한하는 각속도 센서.
  31. 질량체;
    상기 질량체의 외측에 구비된 제1 프레임;
    상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제1 가요부;
    상기 제1 프레임의 외측에 구비된 제2 프레임;
    상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제2 가요부; 및
    상기 질량체의 변위를 검출하는 감지수단과, 상기 제1 프레임을 구동시키는 구동수단을 포함하고,
    상기 구동수단은 상기 제1 프레임을 Y축을 기준으로 회전시키고,
    Z축 방향에 대하여 상기 Y축을 포함하는 면은 상기 질량체의 무게중심이 위치된 면과 상이하도록 위치되며,
    상기 제1 가요부는 상기 질량체를 상기 제1 프레임에 대하여 Z축 방향으로 병진운동 가능하도록 연결한 각속도 센서.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 제1 가요부는 힌지와 암을 포함하고, 상기 힌지는 XZ평면과 나란하게 배치되고, 상기 암은 Y축 방향의 길이를 갖는 각속도센서.
  33. 청구항 31에 있어서,
    상기 제1 가요부는 멤브레인을 포함하고, 상기 멤브레인은 XY평면과 나란하게 배치되고, XY평면에 인접하도록 위치된 각속도센서.
  34. 청구항 31에 있어서,
    상기 제2 가요부는 XY평면과 나란하게 배치되고 XY평면에 인접하도록 위치된 각속도 센서.
  35. 청구항 31에 있어서,
    상기 제2 가요부는 멤브레인을 포함하고, 상기 멤브레인은 XY평면과 나란하게 배치되고, XY평면에 인접하도록 위치된 각속도센서.
  36. 청구항 31에 있어서,
    상기 감지수단은 상기 질량체의 Y축 각속도를 검출하는 각속도 센서.
  37. 청구항 31에 있어서,
    상기 제1 가요부는 상기 질량체가 상기 제1 프레임에 대하여 X축 기준의 회전운동이 가능하도록 연결되고,
    상기 감지수단은 X축에 대해 반대의 위치에 각각 존재하여 검출신호의 합 또는 차로부터 Y축 각속도 또는 Z축 각속도를 검출하는 각속도 센서.
  38. 청구항 31에 있어서,
    상기 제1 가요부는 상기 제1 프레임에 대한 상기 질량체의 X축 및 Y축 병진운동과 Y축 및 Z축 기준의 회전운동을 제한하는 각속도 센서.
  39. 청구항 31에 있어서,
    상기 제2 가요부는 상기 제2 프레임에 대한 상기 제1 프레임의 X축, Y축 및 Z축 방향의 병진운동과 X축 및 Z축 기준의 회전운동을 제한하는 각속도 센서.
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