KR101694586B1 - 안내 질량 시스템을 포함하는 미세가공된 자이로스코프 - Google Patents

안내 질량 시스템을 포함하는 미세가공된 자이로스코프 Download PDF

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Abstract

자이로스코프는 기재 및 안내 질량 시스템을 포함한다. 안내 질량 시스템은 기재와 평행한 평면 내에 배치된 검증 질량들 및 안내 암들을 포함한다. 검증 질량들은 스프링들에 의해 안내 암들에 결합된다. 안내 암은 스프링들에 의해 기재에 결합된다. 적어도 하나의 검증 질량은 스프링 시스템을 경유하여 적어도 하나의 고정대에 의해 기재에 직접 결합된다. 자이로스코프는 제1 방향으로 하나의 검증 질량들 중 하나를 진동시켜서, 다른 검증 질량이 평면 내에서 회전하도록 하는 구동기를 또한 포함한다. 마지막으로, 자이로스코프는 1축 또는 다수의 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 안내 질량 시스템의 움직임을 감지하기 위한 변환기들도 포함한다.

Description

안내 질량 시스템을 포함하는 미세가공된 자이로스코프{MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A GUIDED MASS SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 각속도 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안내 질량 시스템을 포함하는 각속도 센서에 관한 것이다.
관련출원의 상호참조
본 출원은 "안내 질량 시스템을 포함하는 미세가공된 자이로스코프(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A GUIDED MASS SYSTEM)"라는 제목으로 2011년 9월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/235296호의 일부 계속 출원이며, 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.
각속도의 감지는 종종 진동 속도 자이로스코프를 사용하여 수행된다. 진동 속도 자이로스코프는 제1 움직임으로 센서를 구동시킴으로써 그리고 제1 움직임 및 감지될 각속도 모두에 반응하는 센서의 제2 움직임을 측정함으로써 광범위하게 기능한다.
종종, 통상적으로 검증 질량(proof mass)으로 지칭되는, 센서 내의 질량이 구동기(actuator)에 의하여 진동하게 된다. 센서의 회전은 각속도(또는 회전속도)에 비례하는 진동 질량에 코리올리 힘(Coriolis force)을 부여하며, 검증 질량의 속도 벡터에 대한 각속도 벡터의 방향에 의존한다. 코리올리 힘, 각속도 벡터, 및 검증 질량 속도 벡터는 상호 직교한다. 예를 들면, Y-축에 대하여 회전하는 센서 내에서 X-방향으로 이동하는 검증 질량은 Z 방향 코리 올리 힘을 겪는다. 유사하게, Z-축에 대하여 회전하는 센서 내에서 X-방향으로 이동하는 검증 질량은 Y 방향 코리올리 힘을 겪는다. 마지막으로, X-축에 대하여 회전하는 센서 내에서 X-방향으로 이동하는 검증 질량은 코리올리 힘을 겪지 않는다. 검증 질량에 부여되는 코리올리 힘은 통상적으로 코리올리 힘에 반응하는 센서 내의 이동들을 측정함으로써 간접적으로 감지된다.
평면 내 축(즉, X-축 또는 Y-축)에 대하여 각속도를 감지하는 종래의 자이로스코프들은 평면 외로 구동될 수 있고, 코리올리 반응은 평면에서 감지되며 또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 평면 외 구동은 평면 내 구동보다 덜 효율적인 경향이 있으며, 부가적인 가공 단계들이 요구되고, 비선형성들에 의하여 제한된다. 예를 들면, 검증 질량을 평면 외로 구동시키는 것은 검증 질량이 진동하기 위한 충분한 공간을 제공하도록 검증 질량 아래에 큰 수직 간극 또는 공동을 필요로 할 수 있다. 검증 질량 아래에 공동을 형성하는 것은 부가적인 가공 단계들을 필요로 하며 비용을 증가시킨다. 통상적으로 평행 판형의 정전(electrostatic) 구동기들이 검증 질량을 평면 외로 구동시키는데 사용된다. 구동기들은 검증 질량과 기재 사이에 형성된다. 정전력(electrostatic force)은 검증 질량과 기재 간의 간극에 좌우된다. 검증 질량이 평면 외로 진동하기 때문에, 정전력은 비선형으로, 이는 장치 성능을 제한하는 경향이 있다. 또한, 정전력은 검증 질량 아래에 큰 수직 간극 또는 공동을 구비하기 위한 요구 사항으로 인해 감소된다. 큰 진폭 진동을 달성하기 위해서는 큰 힘이 필요하며 고전압 구동이 필요할 수 있다. 고전압 구동을 부가하는 것은 가공 비용 및 직접 회로들의 복잡성을 증가시킨다.
또한, 종래의 다축 자이로스코프는 각속도를 감지하기 위하여 독립적인 주파수들로 진동하는 다중 구조물들을 사용할 수 있다. 각 구조물은 각각의 검증 질량을 진동시키기 위하여 별도의 구동 회로를 필요로 한다. 하나 보다 많은 구동 회로를 구비함으로써 비용 및 전력 소비를 증가시킨다.
따라서, 필요한 것은 상기 문제들을 극복하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 그러한 필요성을 다룬다.
자이로스코프는 기재 및 안내 질량 시스템을 포함한다. 안내 질량 시스템은 제1 검증 질량, 제2 검증 질량 및 안내 암(guide arm)을 포함한다. 제1 검증 질량, 제2 검증 질량 및 안내 암은 기재에 평행한 면에 배치된다. 제1 검증 질량은 제1 스프링을 통해 안내 암에 연결되고; 제2 검증 질량은 제2 스프링을 통해 제1 검증 질량에 연결된다. 안내 암은 제3 스프링을 통해 기재에 연결된다. 제2 검증 질량은 고정대(anchor) 및 스프링 시스템에 의해 기재에 연결된다. 자이로스코프는 또한 제1 검증 질량을 제1 방향으로 진동시켜 제2 검증 질량이 면 내에서 회전하도록 하는 구동기를 포함한다. 마지막으로, 자이로스코프는 면 내에 있는 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 면 외 방향으로 안내 질량 시스템의 일부분의 움직임을 감지하기 위한 적어도 하나의 변환기(transducer)를 포함한다.
실시예의 자이로스코프는 기재, 안내 질량 시스템, 구동기 및 변환기를 포함할 수 있다.
상기 안내 질량 시스템은, 적어도 하나의 제1 검증 질량, 적어도 하나의 제2 검증 질량, 및 적어도 하나의 안내 암을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 검증 질량, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량, 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 상기 기재에 평행한 평면 내에 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 검증 질량은 적어도 하나의 제1 스프링을 통하여 상기 적어도 하나의 안내 암에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제2 검증 질량은 적어도 하나의 제2 스프링을 통하여 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 안내 암은 적어도 하나의 제3 스프링을 통하여 상기 기재에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제2 검증 질량은 적어도 하나의 제4 스프링을 통하여 상기 기재에 결합될 수 있다.
상기 구동기는, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량이 제1 방향으로 진동하도록 하고 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암이 평면 내에서 회전할 수 있다.
상기 변환기는 적어도 하나 구비될 수 있고, 상기 평면 내에 있는 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 안내 질량 시스템의 일부의 평면 외 움직임을 감지할 수 있다.
상기 적어도 하나의 제4 스프링은 상기 평면 내에서 순응하여 상기 평면 내 회전을 허용하고, 상기 평면 외에서 순응하여 제2 감지 축을 중심으로 회전을 허용하며, 상기 제2 감지 축은 상기 평면 내이고 상기 제1 방향과 직교할 수 있다.
상기 제2 검증 질량은 적어도 하나의 제5 스프링과 연결되고, 상기 적어도 하나의 제5 스프링은 적어도 하나의 강성 요소와 연결될 수 있다. 상기 적어도 하나의 강성 요소는 상기 제4 스프링에 연결되고, 상기 적어도 하나의 제5 스프링은 제1 감지 축을 중심으로 순응할 수 있다.
상기 적어도 하나의 안내 암 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 고정대에 의해서 기재에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제2 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 같은 방향으로 회전될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제2 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 반대 방향으로 회전될 수 있다.
상기 적어도 하나의 변환기는, 상기 제1 방향과 평행한 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지할 수 있다.
상기 적어도 하나의 안내 암 및 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량은 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향에 평행한 상기 제1 감지 축을 중심으로 상기 평면 외 회전할 수 있다.
상기 적어도 하나의 변환기는 상기 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하는 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지하고, 상기 제1 입력축은 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향에 직교할 수 있다.
실시예는 상기 제1 방향과 평행한 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지하는 제2 변환기를 더 포함할 수 있다.
상기 안내 질량 시스템은, 적어도 하나의 제1 검증 질량, 적어도 하나의 제2 검증 질량, 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 적어도 하나의 안내 암을 포함하는 안내 질량 시스템일 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 검증 질량, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 상기 기재에 평행한 평면에 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 검증 질량이 적어도 하나의 제1 스프링을 통해 상기 적어도 하나의 안내 암에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 적어도 하나의 제2 스프링을 통해 상기 적어도 하나의 안내 암에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 적어도 하나의 제3 스프링을 통해 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 적어도 하나의 제4 스프링을 통해 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량과 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 안내 암이 적어도 하나의 제5 스프링을 통해 상기 기재에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 적어도 하나의 제6 스프링을 통해 적어도 하나의 고정대에 의해 상기 기재에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 안내 암이 제1 방향으로 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량의 평면 내 역위상 동작을 허용할 수 있다.
상기 구동기는, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 상기 제1 방향으로 역위상으로 진동하도록 할 수 있다. 또한 상기 구동기는, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암이 평면 내 회전하도록 할 수 있다.
상기 변환기는 적어도 하나 구비되며, 상기 평면 내에 있는 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 안내 질량 시스템의 일부의 평면 외 움직임을 감지할 수 있다.
실시예는 상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 적어도 하나의 제5 스프링을 경유하여 결합되는 응력 제거 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 응력 제거 프레임은 상기 고정대를 통하여 상기 기재에 결합되고, 상기 구동기에 반응하여 실질적으로 진동하지 않을 수 있다.
상기 적어도 하나의 안내 암, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량은 제1 감지축을 중심으로 상기 평면 외 회전할 수 있다.
상기 적어도 하나의 제6 스프링은 상기 평면 내에서 순응하여 상기 평면 내 회전을 허용하고, 상기 평면 외에서 순응하여 제2 감지 축을 중심으로 하는 회전을 허용할 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량은 적어도 하나의 제7 스프링에 연결될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제7 스프링은 적어도 하나의 강성 요소와 연결될 수 있다.
상기 적어도 하나의 강성 요소가 상기 제6 스프링과 연결될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제7 스프링이 제1 감지 축을 중심으로 순응할 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 변환기는 상기 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지하고, 상기 제1 입력축은 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향과 직교할 수 있다.
실시예는 상기 제1 방향에 평행한 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지하는 적어도 하나의 제2 변환기를 더 포함할 수 있다.
실시예의 자이로스코프는, 기재, 제1 및 제2 안내 질량 시스템들, 연결 스프링, 구동기 및 적어도 하나의 변환기를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템들 각각은 적어도 하나의 제1 검증 질량, 적어도 하나의 제2 검증 질량, 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 적어도 하나의 안내 암을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 검증 질량, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 상기 기재에 평행하게 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 상기 적어도 하나의 안내 암에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 기재에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 기재에 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량은 평면 내에 있고 제1 방향에 직교하는 감지 축을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 제1 방향으로 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량의 상기 평면 내 역위상 동작을 허용할 수 있다.
상기 연결 스프림은 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템을 결합할 수 있다.
상기 구동기는, 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템들을 진동시켜서 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 상기 제1 방향을 따라 역위상으로 움직이도록 할 수 있다.
상기 구동기는, 상기 제1 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 제2 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 평면에 수직한 축을 중심으로 역위상 회전하도록 할 수 있다.
상기 적어도 하나의 변환기는, 상기 평면 내에 있는 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템들의 일부의 상기 평면 외 움직임을 감지할 수 있다.
상기 연결 스프링은 상기 제1 안내 질량 시스템의 상기 제1 검증 질량 및 상기 제2 안내 질량 시스템의 상기 제2 검증 질량을 결합할 수 있다.
상기 제1 안내 질량 시스템의 상기 제1 검증 질량 및 상기 제2 안내 질량 시스템의 상기 제1 검증 질량은 역위상 동작을 가질 수 있다.
상기 제1 안내 질량 시스템은 제1 축을 중심으로 회전하고, 상기 제2 안내 질량 시스템은 제2 축을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템은 상기 제1 및 제2 축을 중심으로서 역위상 회전하고, 상기 제1 및 제2 축은 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향에 평행할 수 있다.
상기 적어도 하나의 변환기는 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향에 평행한 축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량의 움직임을 감지할 수 있다.
실시예는 상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 직교하는 축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템의 상기 제1 및 제2 검증 질량의 움직임을 감지하기 위한 적어도 하나의 제2 변환기를 더 포함할 수 있다.
상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 평행한 축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량과 상기 제2 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 그들 각각의 감지 축을 중심으로 역위상으로 회전할 수 있다.
실시예의 자이로스코프는, 기재, 안내 질량 시스템, 제1 변환기, 제2 변환기, 제3 변환기를 포함할 수 있다.
상기 안내 질량 시스템은 적어도 하나의 제1 및 제2 검증 질량, 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 적어도 하나의 안내 암을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1, 제2 검증 질량, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 기재에 평행하게 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 검증 질량이 상기 적어도 하나의 안내 암과 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량과 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 제1 검증 질량 및 상기 기재와 결합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 기재에 결합될 수 있다.
상기 구동기는 상기 안내 질량 시스템을 진동할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 안내 암은 평면 내 회전하여 상기 기재에 평행한 평면 내의 제1 방향을 따라 상기 적어도 하나의 제1 및 제2 검증 질량의 움직임을 허용할 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 평면에 수직인 축을 중심으로 회전하고, 상기 적어도 하나의 안내 암 및 상기 적어도 하나의 제1 및 제2 검증 질량은 상기 평면 내이고 상기 제1 방향과 직교하는 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 제1 감지축을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 제1 감지축은 상기 평면 내이고 상기 제1 방향과 평행하고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 평행한 제2 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 직교하는 축을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 제2 검증 질량이 상기 평면에 수직한 제3 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 방향에 직교하는 방향으로 상기 평면 내 움직일 수 있다.
상기 제1 변환기는, 상기 제1 입력축을 중심으로 하는 상기 각속도에 반응하여 상기 제1 검증 질량의 일부의 움직임을 감지할 수 있다.
상기 제2 변환기는, 상기 제2 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 안내 질량 시스템의 일부의 움직임을 감지할 수 있다.
상기 제3 변환기는, 상기 제3 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 안내 질량 시스템의 일부의 움직임을 감지할 수 있다.
상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량은 레버 암에 의해 상기 기재에 결합될 수 있다.
상기 구동기는 상기 레버 암이 상기 평면에 직교하는 축을 중심으로 회전되도록 할 수 있다.
상기 레버 암은, 상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 평행한 상기 제2 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 직교하는 축을 중심으로 회전할 수 있다.
도 1a는 응력 제거 프레임에 의해 둘러싸인 안내 질량 시스템을 포함하는 1축 자이로스코프의 일 구현예를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 1축 자이로스코프의 검증 질량을 X-축을 따라 절단한 횡단면도를 도시한다.
도 1c는 도 1a의 1축 자이로스코프에 외부 부하가 인가될 때 기재와 검증 질량의 형상을 도시한다.
도 2a는 본 발명에 따른 제1 1축 자이로스코프 구성의 일 구현예를 도시한다.
도 2b는 기재가 휘어질 때 도 2a의 자이로스코프를 도시한다.
도 3은 2축 자이로스코프를 구현하기 위한, 도 2a의 1축 자이로스코프의 변형예를 도시한다. 이 구현예에서, 검증 질량은 스프링 시스템을 통해 기재에 연결된다.
도 4a는 본 발명에 따른 안내 질량 시스템을 포함하는 1축 피치 자이로스코프의 일 구현예를 도시한다.
도 4b는 도 4a에 제시된 1축 자이로스코프의 다른 구현예를 나타낸다.
도 5는 2축 자이로스코프를 구현하기 위한, 도 4a에 나타낸 1축 자이로스코프의 변형예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 평형 안내 질량 시스템을 포함하는 2축 자이로스코프의 일 구현예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 다중 안내 질량 시스템을 포함하는 3축 자이로스코프의 일 구현예를 도시한다.
아래의 설명은 통상의 기술자가 본 발명을 만들어서 사용할 수 있도록 제시되며 특허 출원 및 특허 출원의 필수사항들의 맥락에서 제공된다. 바람직한 구현예에 대한 다양한 변형예들 및 본원에서 설명된 일반 원칙들 및 특징들은 통상의 기술자들에게는 용이하게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 도시된 구현예에 한정되도록 의도되지 않으며, 본원에서 설명된 원칙들 및 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 부합되어야 한다.
도 1a는 일 구현예에 따라 응력 제거 프레임(402)에 의해 둘러싸인 안내 질량 시스템(400)을 포함하는 1축 자이로스코프를 도시한다. 자이로스코프(400)는 2011년 9월 16일 "안내 질량 시스템을 포함하는 미세가공된 자이로스코프(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A GUIDED MASS SYSTEM)"라는 제목으로 출원되어 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함된 미국 특허 출원 제13/235,296호(IVS-147/5007P)에 기술되어 있다. 안내 질량 시스템(400)은 피치 검증 질량(650)에 연결된 대칭형 안내 질량 시스템(200)을 포함한다. 응력 제거 프레임(402)은 스프링들(108a 및 108b)을 경유하여 안내 암(104a 및 104b)에 연결되고 대칭형 안내 질량 시스템(200)을 둘러싼다. 응력 제거 프레임(402)은 응력 제거 스프링들(408a-d)을 경유하여 고정대들(anchors, 406a 및 406b)에 각각 연결된 두 개의 응력 제거 프레임 부재(404a 및 404b)를 포함한다. 고정대들(406a 및 406b)은 기재(101)에 부착되어 있다. 응력 제거 부재들(404a 및 404b)은 유연할 수 있다.
일 구현예에서, 대칭형 안내 질량 시스템(200)은 안내 암(104a 및 104b)을 포함한다. 두 개의 안내 암(104a 및 104b)은 스프링(103a-b 및 103c-d)을 경유하여 각각 검증 질량(102a) 및 검증 질량(102b)에 유연하게 연결된다. 안내 암(104a 및 104b), 검증 질량(102a 및 102b) 및 결합 스프링(103a-d)은 평면 4절 링크를 형성한다.
일 구현예에서, 대칭형 안내 질량 시스템(200)은 구동기(109a-d)에 연결된 구동 회로에 의해 특정 주파수에서 구동될 수 있다. 상기 구현예에서, 구동 회로는 단일 구동 회로이거나 다수의 구동 회로들일 수 있다. 안내 질량 시스템(200)이 구동될 때, 스프링들(103a, 103b, 103c, 103d, 108a 및 108b) 각각은 평면 내 휘어져서 4절 링크의 회전을 위한 피봇점(pivot point)처럼 작용하여 각각의 안내 암들(104a 및 104b)은 Z-방향에서 다른 축들을 중심으로 평면 내 회전할 수 있고 검증 질량들(102a 및 102b)이 X-방향을 따라 역위상(anti-phase)으로 병진운동한다. 본 명세서에서 역위상은 반대 방향에 있는 것을 의미하고, 동위상(in-phase)은 같은 방향에 있는 것을 의미한다.
피치 검증 질량(650)은 스프링들(652a 및 652b)을 경유하여 두 개의 검증 질량(102a 및 102b)에 유연하게 결합된다. 실시예에서 피치 검증 질량(pitch proof-mass)은 중앙 검증 질량(center proof-mass)으로 칭할 수 있다. 피치 검증 질량(650)이 Y-방향에서 피치 감지축을 중심으로 평면 외 회전할 수 있도록 스프링들(652a 및 652b)은 비틀어져 순응한다. 검증 질량(102a 및 102b)이 X-방향으로 역위상 구동될 때, 피치 검증 질량(650)은 Z-방향으로 특정 축을 중심으로 평면 내 회전하도록 스프링들(652a 및 652b)은 평면 내 순응한다. 검증 질량들(102a-b)의 역위상 동작과 Z축을 중심으로 하는 피치 검증 질량(650)의 평면 내 회전의 조합을 구동 동작(drive motion)이라 한다. 피치 검증 질량(650)은 도 1a에서 하나의 질량으로 도시되어 있지만, 다른 구현예에서 피치 검증 질량(650)은 유연한 요소들로 상호 연결된 많은 질량들과 플레이트들을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 피치 검증 질량(650)은 스프링들(652a 및 652b)을 경유하여 검증 질량들(102a 및 102b)에 연결되는 질량-스프링 시스템의 조합을 포함할 수 있다.
고정대들(406a 및 406b)은 열 응력, 패키징 응력 또는 기타 외부적으로 인가된 응력의 결과로서 병진운동, 팽창, 또는 전단과 같은 움직임을 경험할 수 있다. 고정대의 움직임은 대칭형 안내 질량 시스템에 장력과 같은 응력을 발생시켜 강성 및 공진 주파수의 변화와 같은 오류로 이어질 수 있다. 고정대의 움직임은 또한 대칭형 안내 질량 시스템의 원하지 않는 움직임을 발생시켜 오류로 이어질 수 있다. 응력 제거 프레임(402)은 응력 및 대칭형 안내 질량 시스템(200)의 원하지 않는 움직임을 감소시킨다. 더구나, 응력 제거 프레임(402)은 구동 동작 시 움직이지 않는다. 그 결과, 프레임에 적용되는 응력은 구동 동작에 영향을 미치는 스프링으로 전이되지 않는다.
피치 입력축을 중심으로 하는 각속도는 피치 검증 질량(650)에 작용하는 코리올리 힘을 발생시켜 Y-축을 중심으로 피치 검증 질량(650)을 회전시키는 토크로 이어진다. 피치 검증 질량(650)의 회전 진폭은 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도에 비례한다. 일 구현예에서, 전극들(660a 및 660b)은 피치 검증 질량(650) 아래의 X-방향을 따라 기재의 반대 면에 배치된다. 일 구현예에서, 전극들(660a 및 660b)은 Y-축을 중심으로 피치 검증 질량의 회전을 검출하기 위한 용량성(capacitive) 변환기다. 피치 검증 질량(650)의 회전은 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도의 척도를 제공한다. 다른 구현예에서, 변환기는 압전식, 광학식, 또는 다른 형태가 될 수 있으며 변환기의 용도는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있을 것이다.
변환기 감도는 각속도 입력의 변화로 인한 커패시턴스 변화량이다. 피치 검증 질량(650)의 각속도에 대한 변환기 감도는 피치 검증 질량(650)과 전극(660a-b) 사이의 공칭 커패시턴스에 의존한다. 일 구현예에서, 공칭 커패시턴스는 피치 검증 질량(650)과 전극(660a 및 660b) 사이의 중첩 면적에 비례하고, 검증 질량(650)과 전극(660a-b) 사이의 간극에 반비례한다. 검증 질량(650)과 전극(660a-b) 사이의 간극을 수직 간극이라고 한다. 수직 간극은 검증 질량(650)의 X-축 방향 횡단면을 보여주는 도 1b에 도시되어 있다. 피치 검증 질량(650)과 전극(660a-b) 사이의 수직 간극은 자이로스코프의 변환기 감도에 영향을 미치는 주요 인자들 중 하나이다.
도 1a의 자이로스코프는 다양한 환경 속에서 효과적으로 작동되지만, 자이로스코프의 정상 작동 중에 수직 간극의 변화는 변환기 감도 변화를 초래하고, 이는 최종 출력에서 잘못된 결과로 이어질 수 있다. 수직 간극의 변화는 온도 변화 또는 자이로스코프에 가해지는 외부 부하와 같은 외부 영향들에 의해 발생할 수 있다. 온도 변화는 기재와 패키징 및 조립용 재료의 열 평창계수(CTE) 차이로 인해 기재의 뒤틀림으로 이어질 수 있다. 유사하게, 자이로스코프에 인가되는 외부 부하는 기재(101)의 뒤틀림으로 이어질 수 있다(도 1c 참조). 만약 자이로스코프가 기재가 뒤틀리는 만큼 뒤틀리지 않으면, 피치 검증 질량(650)과 전극(660a-b) 사이의 수직 간극은 변화한다. 결과적으로, 수직 간극의 변화는 변환기 감도 변화로 이어지고, 환경적 영향에 의한 자이로스코프의 잘못된 측정을 초래한다. 환경적 영향으로 인한 잘못된 결과의 심각도는 수직 간극의 변화량에 의존한다.
1축 자이로스코프 구성의 구현예가 도 2a에 도시되어 있다. 도 2a는 피치 검증 질량(650)을 제외하고는 도 1a의 모든 특징들을 포함한다. 피치 검증 질량(651)은 고정대(800)를 경유하여 스프링(710a-b)을 통해 기재(101)에 연결된다. 스프링(710a-b)은 피치 검증 질량(651)의 Z-축을 중심으로 하는 평면 내 회전과, Y-축을 중심으로 하는 평면 외 비틀림 회전에 순응한다. 다른 한편으로는, 스프링(710a-b)은 평면 외 병진운동(Z-방향 병진운동)에 대해서는 매우 강직하다. 그 결과, 평면 외 움직임 또는 기재(101)의 뒤틀림은 고정대(800)를 경유하여 스프링들(710a-b)을 통해서 피치 검증 질량(651)으로 전달될 수 있다.
휘어진 기재(101)의 Y-축 방향을 따라 취해진 횡단면의 구현예가 도 2b에 도시되어 있다. 도 2b에서 알 수 있듯이, 피치 검증 질량(651)은 고정대(800) 및 스프링(710a-b)을 통해 연결되어 있어서 기재(101)를 따라 움직인다. 그러므로, 피치 검증 질량(651)은 외부 부하 또는 온도 변화 하에서 기재가 수직방향으로 휜 양과 실질적으로 동일한 양만큼 휘어진다. 결과적으로, 전극(660a-b)과 피치 검증 질량(651) 사이의 수직 간극은 동일하게 유지되고, 외부 영향으로 인한 1축 자이로스코프의 각속도 감도의 변화가 제거된다.
도 3은 2축 자이로스코프(550)을 구현하기 위한, 도 2a에 도시된 1축 자이로스코프(400a)의 변형예를 예시한다. 이 구현예에서, 피치 검증 질량(653)은 스프링 시스템(730)을 경유하여 기재(101)에 결합된다. 스프링 시스템(730)은 세 개의 연성 요소들(731a-c) 및 한 개의 강성 요소(731d)를 포함한다. 강성 요소(731d)는 연성 요소(731c)를 경유하여 고정대(802)에 연결되고, 강성 요소(731d)는 스프링(731a-b)을 경유하여 피치 검증 질량(653)에 연결된다. 강성 요소(731d)는 스프링(731a-b)을 피치 검증 질량(653)의 회전 중심으로부터 떨어져서 배치하기 위해 사용된다. 그 결과, 스프링(731a-b)은 구동 동작 중에 최소로 휘어져서 피치 검증 질량(653)과 함께 움직일 정도로 충분히 강직하다. 더욱이, 스프링들(731a-b)은 X-축을 중심으로 비틀어져 순응하고 다른 모든 방향으로는 매우 강직한데, 이는 피치 검증 질량(653), 롤 검증 질량(102a-b) 및 안내 암(104a-b)들이 X-축을 중심으로 회전할 수 있도록 한다.
스프링(731c)은 평면 내 휘어지도록 순응하여 Z-축을 중심으로 회전하는 피치 검증 질량(653)의 피봇점처럼 작용한다. 스프링(731c)은 또한 Y-축 주위로 비틀어져 순응한다. 도 2a에 제시된 구현예와 유사하게, 피치 검증 질량(653)은 평면 외 방향으로 강직한 스프링 시스템(730)을 통해 고정대(802)를 경유하여 기재(101)에 연결되어 있기 때문에, 피치 검증 질량(653)은 기재(101)의 움직임을 따르고, 온도 변화나 외부적으로 인가된 힘과 같은 외부 영향 하에서 조차도 수직 간극은 동일하게 유지된다.
스프링 시스템(730)의 순응으로 인해, 피치 검증 질량(653)은 X 축 및 Y 축 모두를 중심으로 비틀어져서 평면 외 회전될 수 있다. 그 결과, 2축 자이로스코프는 피치 입력축을 중심으로 한 각속도뿐만 아니라 롤 입력축을 중심으로 한 각속도에도 반응할 수 있다.
대칭형 안내 질량 시스템(203)은 구동기(109a-d)에 결합된 구동회로에 의해 특정 주파수로 구동될 수 있다. 안내 질량 시스템(203)이 구동될 때, 안내 암들(104a 및 104b) 각각은 Z-방향으로 다른 축들을 중심으로 평면 내 회전하고, 롤 검증 질량들(102a 및 102b)은 X-방향을 따라 역위상으로 병진운동하고, 피치 검증 질량(653)은 Z-축을 중심으로 회전한다. 롤 입력축을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘이 Z-방향으로 역위상으로 롤 검증 질량들(102a 및 102b)에 작용하도록 할 것이다.
코리올리 힘은 안내 질량 시스템(203)이 X-축을 중심으로 평면 외 회전하도록 한다. 안내 질량 시스템(203)이 평면 외 회전할 때, 안내 암들(104a 및 104b)은 X-축을 중심으로 회전하고, 롤 검증 질량들(102a 및 102b)은 안내 암들(104a 및 104b)에 의해 평면 외 역위상으로 동작하도록 구속된다. 롤 검증 질량들(102a 및 102b)의 아래에 있는 전극들(112a 및 112b)은 각각 제1 롤-감지 축을 중심으로 안내 질량 시스템(200)의 회전을 검출하는 데 사용된다. 이 회전은 롤 입력축을 중심으로 하는 각속도의 척도를 제공한다.
피치 감지 축을 중심으로 각속도의 검출 메커니즘은 도 2a에 제시된 구성과 동일하다. 스프링(731c)이 Y 축을 중심으로 비틀어져서 순응하기 때문에, 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘이 피치 검증 질량(653)에 작용하도록 하여 결국 Y 축을 중심으로 피치 검증 질량(653)을 회전시키는 토크가 된다. 피치 검증 질량(653)의 진폭은 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도에 비례한다. 전극들(660a 및 660b)은 피치 검증 질량(653) 아래에서 X 축을 따라 기재의 반대 면에 배치되어 Y 축을 중심으로 하는 피치 검증 질량의 회전을 검출한다.
도 4a는 본 발명에 따른 안내 질량 시스템(150)을 포함하는 1축 피치 자이로스코프의 구현예를 예시한다. 안내 질량 시스템(150)은 스프링(108a 및 108b)과 함께 적어도 하나의 고정점(anchoring point, 106)을 경유하여 기재(101)에 유연하게 결합되는 안내 암들(104a 및 104b)을 포함한다. 이 두 개의 안내 암들(104a 및 104b)은 스프링들(103a 및 103b)을 경유하여 하나의 검증 질량(102a)과 유연하게 결합된다.
검증 질량(102a), 안내 암(104a 및 104b), 고정점(106) 및 스프링(103a, 103b, 108a 및 108b)은 평면 4절 링크를 형성한다. 검증 질량(102a)이 X-방향으로 병진운동하는 동안 안내 암들(104a 및 104b) 각각이 Z-방향으로 다른 축들을 중심으로 평면 내 회전할 수 있도록 각각의 스프링(103a, 103b, 108a 및 108b)들은 평면 내 휘어져서, 4절 링크의 회전을 위한 피봇점처럼 작용한다.
안내 질량 시스템(150)은 또한 피치 검증 질량(651)을 포함한다. 피치 검증 질량(651)은 스프링(652a)을 경유하여 검증 질량(102a)에 유연하게 결합되고, 고정대(800)를 경유하여 스프링들(710a-b)을 통하여 기재(101)에 연결된다. 검증 질량(102a)이 콤 핑거(comb fingers, 109a-b)에 의해 인가된 정전기력을 통해 X-방향으로 구동될 때, 구동 모드에서 피치 검증 질량(651)이 Z-방향으로 특정 축을 중심으로 평면 내 회전하도록 스프링(652a)과 스프링(710a-b)들은 평면 내 순응한다.
스프링들(710a-b)은 또한 Y 축을 중심으로 하는 피치 검증 질량의 평면 외 회전을 위해 순응한다. 다른 한편으로는, 스프링들(710a-b)은 평면 외 병진운동(Z-방향 병진운동)에 대해서는 매우 강직하다. 그 결과, 임의의 평면 외 움직임 또는 기재(101)의 휘어짐은 고정대(800)를 경유하여 스프링들(710a-b)을 통해 피치 검증 질량(651)으로 전달될 수 있다. 따라서, 외부 부하 또는 온도 변동 하에서 피치 검증 질량(651)은 기재의 수직 휨과 동일한 양의 수직 휨을 따를 수 있고, 이는 수직 간극의 변화를 감소시킨다.
피치 입력축을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘이 피치 검증 질량(651)에 대해 작용하도록 하여 결국 피치 입력축에 직교하는 피치 감지 축을 중심으로 피치 검증 질량(651)을 회전시키는 토크가 된다. 피치 검증 질량(651)의 회전 진폭은 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도에 비례한다. 전극들(660a 및 660b)은 피치 검증 질량(651) 아래의 X-방향을 따라 기재의 반대 면에 배치되어, Y 축을 중심으로 하는 피치 검증 질량의 회전을 검출한다. Y 축을 중심으로 하는 회전은 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도의 척도를 제공한다.
도 4b는 도 4a에 제시된 1축 자이로스코프의 다른 구현예를 나타낸다. 도 4b에서, 검증 질량(651)은 검증 질량(102a), 안내 암(104a 및 104b), 고정점(106) 및 스프링들(103a, 103b, 108a 및 108b)에 의해 정의된 4절 링크의 바깥쪽에 놓여진다. 만약 4절 링크로 둘러싸인 영역이 제한되거나, 가령 요 축(yaw-axis)을 중심으로 각속도를 감지하기 위한 추가적인 검증 질량 또는 추가적인 구동 전극과 같은, 어떤 다른 설계 목적들을 위한 경우라면, 도 4b에 제시된 구현예가 사용될 수 있다.
도 5는 2축 자이로스코프를 구현하기 위해 도 4a에 나타낸 1축 자이로스코프의 변형 구현예를 도시한다. 이 구현예에서, 피치 검증 질량(653)은 스프링 시스템(730)을 경유하여 기재(101)에 결합된다. 스프링 시스템(730)은 세 개의 유연 요소(731a-c) 및 한 개의 강성 요소(731d)를 포함한다. 강성 요소(731d)는 유연 요소(731c)를 경유하여 고정대(802)에 연결되고, 강성 요소(731d)는 스프링들(731a-b)을 경유하여 피치 검증 질량(653)에 연결된다.
스프링들(731a-b)은 X-축을 중심으로 비틀어져 순응하고 피치 검증 질량(653), 롤 검증 질량(102a) 및 안내 암(104a-b)이 X축을 중심으로 회전되도록 하는 다른 모든 방향으로는 강직하다. 스프링(731c)은 평면 내 휘어지도록 순응하여 Z 축을 중심으로 하는 검증 질량(653)의 회전을 위한 피봇점처럼 작용한다. 스프링(731c)은 또한 Y 축을 중심으로 비틀어져 순응한다.
도 2a에 제시된 구현예와 유사하게, 피치 검증 질량(653)은 평면 외 방향으로 강직한 스프링 시스템(730)을 통해 고정대(802)를 경유하여 기재에 연결되어 있기 때문에, 기재의 움직임을 따르고 심지어 온도 변화 및 외부 부하와 같은 외부적인 영향 하에서도 수직 간극은 동일하게 유지된다.
도 5에 제시된 피치 검증 질량(653)은 스프링 시스템(730)의 도움으로 X와 Y 양 축들을 중심으로 평면 외 비틀어져서 회전될 수 있다. 그 결과, 2축 자이로스코프는 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도뿐만 아니라 롤 입력축을 중심으로 하는 각속도에 대해서도 반응할 수 있다.
일 구현예에서, 안내 질량 시스템(300)은 구동기(109a-b)에 결합된 구동회로에 의해 특정 주파수에서 구동될 수 있다. 안내 질량 시스템(300)이 구동되면, 안내 암들(104a 및 104b) 각각은 Z-방향으로 다른 축들을 중심으로 평면 내 회전하고, 롤 검증 질량(102a)은 X-방향을 따라 병진운동하며, 검증 질량(653)은 Z 축을 중심으로 회전한다. 롤 입력축을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘이 Z-방향으로 롤 검증 질량(102a)에 작용하도록 한다. 코리올리 힘은 안내 질량 시스템(300)이 X 축을 중심으로 평면 외 회전하도록 한다. 안내 질량 시스템(300)이 평면 외 회전할 때, 안내 암들(104a 및 104b)은 X 축을 중심으로 회전하고, 롤 검증 질량(102a)은 안내 암들(104a 및 104b)에 의해 평면 외 움직이도록 구속된다. 롤 검증 질량(102a) 아래의 전극(112a)은 제1 롤 감지 축을 중심으로 하는 안내 질량 시스템(300)의 회전을 검출하는 데 사용된다. 이 회전은 롤 입력축을 중심으로 하는 각속도의 척도를 제공한다.
피치 감지 축을 중심으로 하는 안내 질량 시스템(300)의 각속도 검출 메커니즘은 도 4a에 제시된 구성과 동일하다. 스프링(731c)은 Y 축을 중심으로 비틀어져 순응하기 때문에, 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘이 피치 검증 질량(653)에 작용하도록 하여 결국 Y 축을 중심으로 피치 검증 질량(653)을 회전시키는 토크가 된다. 피치 검증 질량(653)의 회전 진폭은 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도에 비례한다. 전극들(660a 및 660b)은 피치 검증 질량(650)의 아래에서 X-방향을 따라 기재의 반대 면에 배치되고, Y 축을 중심으로 하는 피치 검증 질량의 회전을 검출한다.
도 6은 본 발명에 따라 평형 안내 질량 시스템(600)을 포함하는 2축 자이로스코프의 일 구현예를 도시한다. 안내 질량 시스템(600)은 결합 스프링(302a)에 의해 함께 결합된 두 개의 안내 질량 시스템들(600a 및 600b)을 포함한다. 안내 질량 시스템들(600a 및 600b)은 스프링들(108a-d)을 경유하여 고정대들(106a-d)에 연결된다.
대칭형 안내 질량 시스템(600a)은 제1 롤 감지 축을 중심으로 평면 외 회전한다. 대칭형 안내 질량 시스템(600b)은 평면 내이면서 제1 롤 감지 축과 평행한 제2 롤 감지 축을 중심으로 평면 외 회전한다. 결합 스프링(302a)은 롤 검증 질량(102b 및 102c)과 연결된다. 결합 스프링(302a)은 대칭형 안내 질량 시스템(600a 및 600b)들이 제1, 제2 롤 감지 축을 중심으로 역위상으로 평면 외 회전할 수 있도록 X-방향의 특정 축을 중심으로 비틀어져 순응한다. 결합 스프링(302a)은 Z-방향으로 강직한 데, 이는 대칭형 안내 질량 시스템(600a 및 600b)이 평면 외 동위상 회전하는 것을 방지한다.
일 구현예에서, 피치 검증 질량들(650a 및 650b) 각각은 스프링들(652a-d)을 경유하여 각기 4개의 롤 검증 질량들(102a-102d)에 유연하게 연결된다. 피치 검증 질량(650a)이 Y-방향으로 제1 피치 감지 축을 중심으로 평면 외 회전할 수 있도록 스프링들(652a 및 652b)은 비틀어져 순응하고, 피치 검증 질량(650b)이 Y-방향으로 제2 피치 감지 축을 중심으로 평면 외 회전할 수 있도록 스프링들(652c 및 652d)은 비틀어져 순응한다.
이 구현예에서, 검증 질량들(650a 및 650b)은 스프링 시스템들(831 및 832)을 경유하여 기재에도 각각 결합된다. 일 구현예에서, 스프링 시스템들(831 및 832)은 스프링 시스템(730)과 동일하다. 도 3에 제시된 구현예와 유사하게, 피치 검증 질량들(650a 및 650b)은 기재의 움직임을 따르고, 온도 변화 및 외부적으로 인가된 힘과 같은 외부 영향 하에서 기재와 검증 질량 사이의 수직 간극은 동일하게 유지된다.
이 두 개의 대칭형 안내 질량 시스템들(600a 및 600b)은 롤 검증 질량들(102a-d) 모두가 X-방향으로 움직이도록 배열된다. 롤 검증 질량들(102b 및 102c)이 X-방향으로 함께 이동하도록 결합 스프링(302a)은 X-방향으로 강직하다. 롤 검증 질량들(102a 및 102d)은 롤 검증 질량들(102b 및 102c)과 반대로 이동한다.
롤 검증 질량들(102a-d)이 구동될 때, 피치 검증 질량들(650a 및 650b)이 Z-방향으로 별도의 축들을 중심으로 평면 내 역위상으로 회전하도록 스프링들(652a-d)은 평면 내 순응한다. 안정된 안내 질량 시스템(600)을 구동하기 위해 콤 드라이브들(comb drives)과 같은 정전 구동기(109a-h)들은 롤 검증 질량들(102a-d)과 연결된다. 롤 검증 질량들(102a-d) 및 피치 검증 질량들(650a 및 650b)을 포함하는 두 개의 안내된 질량 시스템 (600a 및 600b)은 구동기들(109a-h)과 결합된 구동 회로에 의해 특정 주파수에서 함께 구동된다.
X-방향으로 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘이 각각 제1, 제2 피치 감지 축들을 중심으로 하는 피치 검증 질량(650a 및 650b)에 작용하도록 한다. 이 코리올리 힘은 피치 검증 질량들(650a 및 650b)이 제1 및 제2 피치 감지 축을 중심으로 역위상으로 평면 외 회전되도록 한다. 제1 및 제2 피치 감지 축을 중심으로 하는 피치 검증 질량들(650a 및 650b)의 회전 진폭은 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도에 비례한다.
일 구현예에서, 피치 검증 질량들(650a 및 650b) 아래에 있는 변환기들(660a-660d)은 제1 및 제2 피치 감지 축을 중심으로 하는 역위상 회전을 검출하는 데 사용된다. 롤 입력축을 중심으로 외부로부터 인가된 각 가속도는 피치 검증 질량들(650a 및 650b)에 대해 평면 외 관성 토크를 발생시켜 이들이 제1 및 제2 피치 감지 축을 중심으로 동위상으로 회전하도록 한다. 피치 검증 질량들(650a 및 650b)의 동위상 회전이 검출되는 것이 아니라 역위상 회전이 검출되도록, 변환기들(660a 및 660d)은 결합될 수 있다.
롤 입력축을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘이 Z-방향으로 롤 검증 질량들(102a-d)에 작용하도록 한다. 이 코리올리 힘은 대칭형 안내 질량 시스템들(600a 및 600b)이 제1 및 제2 롤 감지 축을 중심으로 평면 외 역위상으로 회전하도록 한다. 롤 검증 질량들(102a-d) 아래의 변환기들(112a-c)은 대칭형 안내 질량 시스템들(600a 및 600b)의 회전을 검출하는 데 사용된다. 피치 입력축을 중심으로 외부로부터 인가된 각 가속도는 대칭형 안내 질량 시스템들(600a 및 600b)에 대해 동위상의 관성 토크를 발생시킨다.
그러나, 결합 스프링(302a)이 제1 및 제2 롤 감지 축을 중심으로 하는 동위상 회전을 방지하므로 대칭형 안내 질량 시스템들(600a 및 600b)은 회전하지 않는다. 대칭형 안내 질량 시스템들(600a 및 600b)의 동위상 회전이 검출되는 것이 아니라 역위상 회전이 검출되도록, 변환기들(112a 및 112c)은 결합될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 다중 안내 질량 시스템(1200)을 포함하는 3축 자이로스코프의 일 구현예를 도시한다. 다중 안내 질량 시스템(1200)은 응력 제거 프레임(402)에 결합된 다중 안내 질량 시스템(1100)을 포함한다.
응력 제거 프레임(402)은 스프링들(108a-f)을 경유하여 안내 암(104a-f)에 각각 연결되고 다중 안내 질량 시스템(1100)을 둘러싼다. 안내 질량 시스템들(500a, 500b 및 600)은, 롤 검증 질량들(102a-d) 모두가 X-방향으로 움직일 때, 피치 검증 질량(653)이 Z-방향으로 특정 축을 중심으로 회전하고, 요(yaw) 검증 질량들(518a 및 518b)이 X-방향으로 역위상으로 움직이도록 배열된다. 안내 질량 시스템들(500a, 500b 및 600)은 구동기들(109a-h)에 결합된 구동 회로에 의해 특정 주파수에서 함께 구동된다.
일 구현예에서, 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘이 피치 검증 질량(653)에 작용하도록 하여, 결국 피치 감지 축을 중심으로 피치 검증 질량(653)을 회전시키는 토크가 된다. 피치 검증 질량(653)의 회전 진폭은 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도에 비례한다. 전극들(660a 및 660b)은 피치 검증 질량(653)의 아래에서 X-방향을 따라 반대 면에 배치되어, 피치 감지 축을 중심으로 하는 피치 검증 질량의 회전을 검출한다. 회전은 피치 입력축을 중심으로 하는 각속도의 척도를 제공한다. 도 5에 제시된 피치 검증 질량의 구성과 유사하게, 검증 질량(653)은 스프링 시스템(730)을 이용하여 고정대(802)를 경유하여 기재에 연결된다.
롤 입력축을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘들이 Z-방향으로 롤 검증 질량들(102a 및 102b) 및 Z-방향과 반대방향으로 롤 검증 질량들(102c 및 102d)에 작용하도록 한다. 이 코리올리 힘들은 안내 질량 시스템들(500a, 600 및 500b)이 각각 제1, 제2, 및 제3 롤 감지축들을 중심으로 평면 외 회전하도록 한다. 롤 검증 질량들(102a 및 102b) 아래의 전극(112a) 및 롤 검증 질량들(102c 및 102d) 아래의 전극(112b)은 안내 질량 시스템(1100)의 회전을 검출하는 데 사용된다. 이 회전은 롤 입력축을 중심으로 하는 각속도의 척도를 제공한다.
요 입력축(yaw-input axis)을 중심으로 하는 각속도는 코리올리 힘들이 요 검증 질량들(518a 및 518b)에 작용하도록 하여 결국 요 검증 질량들(518a 및 518b)은 Y-방향을 따라 역위상으로 움직이도록 한다. Y-방향을 따르는 요 검증 질량들의 동작 진폭은 각속도에 비례한다. 전극들(522a 및 522b)은 Y 축 방향을 따라 각각의 요 검증 질량들(518a 및 518b)의 움직임을 감지하는 데 사용된다.
비록 본 발명은 도시된 구현예들에 따라 설명되었지만, 본 기술에 통상의 지식을 가진 사람이라면 이러한 구현예들에 대한 변형이 가능하고, 이러한 변형이 본 발명의 사상 및 범위 내에 있을 것이라는 점을 쉽게 인식할 것이다. 따라서, 이 기술에 통상의 지식을 가진 자들은 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고서 많은 변형들을 만들 수 있다.

Claims (26)

  1. 기재;
    적어도 하나의 제1 검증 질량, 적어도 하나의 제2 검증 질량, 및 적어도 하나의 안내 암을 포함하는 안내 질량 시스템으로서, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량, 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 상기 기재에 평행한 평면 내에 배치되고, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량은 적어도 하나의 제1 스프링을 통하여 상기 적어도 하나의 안내 암에 결합되고, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량은 적어도 하나의 제2 스프링을 통하여 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량에 결합되고, 상기 적어도 하나의 안내 암은 적어도 하나의 제3 스프링을 통하여 상기 기재에 결합되고, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량은 적어도 하나의 제4 스프링을 통하여 상기 기재에 결합되는 것인, 안내 질량 시스템;
    상기 적어도 하나의 제1 검증 질량이 제1 방향으로 진동하도록 하고 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암이 평면 내에서 회전하도록 하는 구동기; 및
    상기 평면 내에 있는 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 안내 질량 시스템의 일부의 평면 외 움직임을 감지하기 위한 적어도 하나의 변환기를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 제4 스프링은 상기 평면 내에서 순응하여 상기 평면 내 회전을 허용하고, 상기 평면 외에서 순응하여 제2 감지 축을 중심으로 회전을 허용하며, 상기 제2 감지 축은 상기 평면 내이고 상기 제1 방향과 직교하며,
    상기 제2 검증 질량은 적어도 하나의 제5 스프링과 연결되고, 상기 적어도 하나의 제5 스프링은 적어도 하나의 강성 요소와 연결되고, 상기 적어도 하나의 강성 요소는 상기 제4 스프링에 연결되고, 상기 적어도 하나의 제5 스프링은 제1 감지 축을 중심으로 순응하는, 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 안내 암 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 고정대에 의해서 기재에 결합되는, 자이로스코프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 같은 방향으로 회전하는, 자이로스코프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 반대 방향으로 회전하는, 자이로스코프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 변환기는, 상기 제1 방향과 평행한 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지하는, 자이로스코프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 안내 암 및 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량은 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향에 평행한 상기 제1 감지 축을 중심으로 상기 평면 외 회전할 수 있는, 자이로스코프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 변환기는 상기 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하는 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지하고, 상기 제1 입력축은 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향에 직교하는, 자이로스코프.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향과 평행한 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지하는 제2 변환기를 더 포함하는, 자이로스코프.
  11. 기재:
    적어도 하나의 제1 검증 질량, 적어도 하나의 제2 검증 질량, 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 적어도 하나의 안내 암을 포함하는 안내 질량 시스템으로서, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 상기 기재에 평행한 평면에 배치되고, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량이 적어도 하나의 제1 스프링을 통해 상기 적어도 하나의 안내 암에 결합되고, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 적어도 하나의 제2 스프링을 통해 상기 적어도 하나의 안내 암에 결합되고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 적어도 하나의 제3 스프링을 통해 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량에 결합되고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 적어도 하나의 제4 스프링을 통해 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량과 결합하며, 상기 적어도 하나의 안내 암이 적어도 하나의 제5 스프링을 통해 상기 기재에 결합되고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 적어도 하나의 제6 스프링을 통해 적어도 하나의 고정대에 의해 상기 기재에 결합되고, 상기 적어도 하나의 안내 암이 제1 방향으로 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량의 평면 내 역위상 동작을 허용하는 것인, 안내 질량 시스템;
    상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 상기 제1 방향으로 역위상으로 진동하도록 하고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암이 평면 내 회전하도록 하는 구동기; 및
    상기 평면 내에 있는 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 안내 질량 시스템의 일부의 평면 외 움직임을 감지하기 위한 적어도 하나의 변환기를 포함하는, 자이로스코프.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 적어도 하나의 제5 스프링을 경유하여 결합되는 응력 제거 프레임을 더 포함하고, 상기 응력 제거 프레임은 상기 고정대를 통하여 상기 기재에 결합되고, 상기 구동기에 반응하여 실질적으로 진동하지 않는, 자이로스코프.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 안내 암, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량은 제1 감지축을 중심으로 상기 평면 외 회전할 수 있는, 자이로스코프.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제6 스프링은 상기 평면 내에서 순응하여 상기 평면 내 회전을 허용하고, 상기 평면 외에서 순응하여 제2 감지 축을 중심으로 하는 회전을 허용하는, 자이로스코프.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량은 적어도 하나의 제7 스프링에 연결되고, 상기 적어도 하나의 제7 스프링은 적어도 하나의 강성 요소와 연결되며, 상기 적어도 하나의 강성 요소가 상기 제6 스프링과 연결되고, 상기 적어도 하나의 제7 스프링이 제1 감지 축을 중심으로 순응하는, 자이로스코프.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 변환기는 상기 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지하고, 상기 제1 입력축은 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향과 직교하는, 자이로스코프.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 방향에 평행한 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량의 상기 평면 외 움직임을 감지하는 적어도 하나의 제2 변환기를 더 포함하는, 자이로스코프.
  18. 기재;
    제1 및 제2 안내 질량 시스템들로서, 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템들 각각은 적어도 하나의 제1 검증 질량, 적어도 하나의 제2 검증 질량, 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 적어도 하나의 안내 암을 포함하되, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암은 상기 기재에 평행하게 배치되고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량에 결합되고, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 상기 적어도 하나의 안내 암에 결합되고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 기재에 결합되고, 상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 기재에 결합되고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량은 평면 내에 있고 제1 방향에 직교하는 감지 축을 중심으로 회전할 수 있고, 상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 제1 방향으로 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량의 상기 평면 내 역위상 동작을 허용하는 것인, 제1 및 제2 안내 질량 시스템들;
    상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템을 결합하는 연결 스프링;
    상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템들을 진동시켜서 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 상기 제1 방향을 따라 역위상으로 움직이도록 하고, 상기 제1 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 제2 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 평면에 수직한 축을 중심으로 역위상 회전하도록 하는 구동기; 및
    상기 평면 내에 있는 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템들의 일부의 상기 평면 외 움직임을 감지하기 위한 적어도 하나의 변환기를 포함하는, 자이로스코프.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 연결 스프링은 상기 제1 안내 질량 시스템의 상기 제1 검증 질량 및 상기 제2 안내 질량 시스템의 상기 제2 검증 질량을 결합하는, 자이로스코프.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 안내 질량 시스템의 상기 제1 검증 질량 및 상기 제2 안내 질량 시스템의 상기 제1 검증 질량은 역위상 동작을 갖는, 자이로스코프.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1 안내 질량 시스템은 제1 축을 중심으로 회전하고, 상기 제2 안내 질량 시스템은 제2 축을 중심으로 회전하고, 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템은 상기 제1 및 제2 축을 중심으로서 역위상 회전하고, 상기 제1 및 제2 축은 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향에 평행한, 자이로스코프.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 변환기는 상기 평면 내에 있고 상기 제1 방향에 평행한 축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량의 움직임을 감지하는, 자이로스코프.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 직교하는 축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 및 제2 안내 질량 시스템의 상기 제1 및 제2 검증 질량의 움직임을 감지하기 위한 적어도 하나의 제2 변환기를 더 포함하는, 자이로스코프.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 평행한 축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량과 상기 제2 안내 질량 시스템의 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 그들 각각의 감지 축을 중심으로 역위상으로 회전하는, 자이로스코프.
  25. 기재;
    적어도 하나의 제1 및 제2 검증 질량, 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 적어도 하나의 안내 암을 포함하는 안내 질량 시스템으로서, 상기 적어도 하나의 제1, 제2 검증 질량, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량 및 상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 기재에 평행하게 배치되고, 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량이 상기 적어도 하나의 안내 암과 결합되고, 상기 적어도 하나의 제2 검증 질량이 상기 적어도 하나의 제1 검증 질량과 결합하고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 제1 검증 질량 및 상기 기재와 결합되고, 상기 적어도 하나의 안내 암이 상기 기재에 결합되는 것인, 안내 질량 시스템;
    상기 안내 질량 시스템을 진동하기 위한 구동기로서, 상기 적어도 하나의 안내 암은 평면 내 회전하여 상기 기재에 평행한 평면 내의 제1 방향을 따라 상기 적어도 하나의 제1 및 제2 검증 질량의 움직임을 허용하고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 평면에 수직인 축을 중심으로 회전하고, 상기 적어도 하나의 안내 암 및 상기 적어도 하나의 제1 및 제2 검증 질량은 상기 평면 내이고 상기 제1 방향과 직교하는 제1 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 제1 감지축을 중심으로 회전하고, 상기 제1 감지축은 상기 평면 내이고 상기 제1 방향과 평행하고, 상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량이 상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 평행한 제2 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 직교하는 축을 중심으로 회전하고, 상기 제2 검증 질량이 상기 평면에 수직한 제3 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 제1 방향에 직교하는 방향으로 상기 평면 내 움직일 수 있는 것인, 구동기;
    상기 제1 입력축을 중심으로 하는 상기 각속도에 반응하여 상기 제1 검증 질량의 일부의 움직임을 감지하기 위한 제1 변환기;
    상기 제2 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 안내 질량 시스템의 일부의 움직임을 감지하기 위한 제2 변환기; 및
    상기 제3 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 안내 질량 시스템의 일부의 움직임을 감지하기 위한 제3 변환기를 포함하는, 자이로스코프.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중앙 검증 질량은 레버 암에 의해 상기 기재에 결합되고, 상기 구동기는 상기 레버 암이 상기 평면에 직교하는 축을 중심으로 회전되도록 하고, 그리고 상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 평행한 상기 제2 입력축을 중심으로 하는 각속도에 반응하여 상기 평면 내이고 상기 제1 방향에 직교하는 축을 중심으로 상기 레버 암이 회전하는, 자이로스코프.
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