KR20000050760A - Laterally driving gimbal type gyroscope having unbalanced inner torsional gimbal - Google Patents
Laterally driving gimbal type gyroscope having unbalanced inner torsional gimbal Download PDFInfo
- Publication number
- KR20000050760A KR20000050760A KR1019990000842A KR19990000842A KR20000050760A KR 20000050760 A KR20000050760 A KR 20000050760A KR 1019990000842 A KR1019990000842 A KR 1019990000842A KR 19990000842 A KR19990000842 A KR 19990000842A KR 20000050760 A KR20000050760 A KR 20000050760A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- gimbal
- substrate
- gyroscope
- asymmetric
- torsion
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 34
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 13
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 230000026058 directional locomotion Effects 0.000 claims description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000007665 sagging Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
- G01C19/5656—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams the devices involving a micromechanical structure
-
- G01P9/04—
Abstract
Description
본 발명은 관성체의 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서(자이로스코프;Gyroscope 또는 자이로;Gyro)에 관한 것으로, 특히 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor (Gyroscope or Gyro) for detecting the angular velocity of an inertial body, and more particularly to a lateral drive gimbal type gyroscope with an asymmetric internal torsional gimbal.
일반적으로 관성체의 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서(자이로스코프;Gyroscope 또는 자이로;Gyro)는 오래전부터 미사일, 선박, 항공기 등에서 항법장치용 핵심 부품으로 널리 사용되어 왔다. 이러한 자이로스코프는 다수의 복잡한 부품이 정밀 가공 및 조립 공정 등을 통하여 제작되므로 정밀한 성능을 얻을 수 있으나, 제작 비용이 많이 들고 부피가 커 일반 산업, 가정용으로 사용하기에는 부적합하다. 이 때문에 그 사용 범위가 제한되어 왔으나, 90년대 초 일본의 무라다(Murata)사나 토킨(Tokin)사가 압전재료를 이용한 저가의 소형 진동형 자이로스코프를 개발하면서 사용 범위가 자동차, 가전 제품, 멸티미디어 제품 등으로 확대되고 있는 실정이다.In general, an angular velocity sensor (Gyroscope or Gyro) for detecting the angular velocity of an inertial body has been widely used as a core component for navigation devices in missiles, ships, and aircrafts for a long time. Such a gyroscope can obtain precise performance because a large number of complex parts are manufactured through precision machining and assembly processes, but are not suitable for general industrial and home use because they are expensive and bulky. As a result, its range of use has been limited, but in the early 1990s, Murata and Tokin of Japan developed small, low-cost vibrating gyroscopes using piezoelectric materials. The situation is expanding.
그러나 이러한 압전 진동형 자이로스코프는 기존의 항공기나 군사용 자이로스코프에 비해서 가격이나 크기가 혁신적으로 낮아졌지만 정밀기계가공을 이용해서 제작해야 하기 때문에 그 크기나 가격에서 한계를 가지고 있다. 최근들어 자이로의 가격과 크기를 더욱더 낮추기 위해서 반도체 제작기술을 이용한 가공방식(MEMS; Micro ElectroMechanical System)으로 실리콘 진동형 자이로스코프를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.However, these piezoelectric vibratory gyroscopes have a lower price or size than conventional aircraft or military gyroscopes, but they have limitations in size and price because they must be manufactured using precision machining. Recently, in order to further reduce the price and size of the gyro, researches to develop a silicon vibration type gyroscope with a micro electromechanical system (MEMS) using semiconductor fabrication technology have been actively conducted.
도 1a 및 도 1b는 종래의 정전용량형 진동형 마이크로자이로의 동작원리를 설명하기 위한 도면들이다. 도시된 바와 같이, 관성체(1; 관성질량)이 가진수단에 의해서 x방향으로 진동하고 있다. 이 때 외부에서 y방향의 각속도가 인가되면 관성체(1)에는 각속도에 비례하는 코리올리스 힘이 z방향으로 작용하게 된다. 이 힘에 의해 관성체(1)는 z방향으로 진동하게 된다. 이 진동을 전극(2)과 관성체(1)사이의 정전용량 변화를 통해 측정함으로써 각속도를 측정하게 된다. 코리올리스 힘에 의한 z방향 변위는 다음 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.1A and 1B are diagrams for describing an operating principle of a conventional capacitive vibrating microgyro. As shown, the inertial body 1 (inertial mass) vibrates in the x direction by means of excitation. At this time, when the angular velocity in the y direction is applied from the outside, the Coriolis force proportional to the angular velocity acts on the inertia 1 in the z direction. This force causes the inertial body 1 to vibrate in the z direction. The angular velocity is measured by measuring this vibration through the change in capacitance between the electrode 2 and the inertial body 1. The z-direction displacement due to the Coriolis force may be expressed by Equation 1 below.
여기서, m은 관성체의 질량, ∂C/∂y는 가진 정전기력의 감도, Ω는 입력 각속도, ω는 가진 전압의 교류주파수, V는 가진 전압, Ky, Kz는 각각 가진방향과 측정방향의 강성, ry=ω/ωy, rz=ω/ωz(ωy, ωz는 각각 구조체의 가진방향 진동의 공진주파수와 측정방향 진동의 공진주파수), ξy,ξz는 각각 가진방향과 측정방향의 댐핑계수, Φy,Φz는 가진방향과 측정방향 진동의 위상차이다. 위의 식에서 알 수 있듯이 자이로스코프의 감도와 비례하는 z방향 변위는 ry와 rz가 1, 즉 ω=ωy=ωz이고, ξy,ξz가 최소일 때 그 값이 최대가 됨을 알 수 있다. 이러한 이유로 진동형 자이로스코프에서는 가진방향 진동의 공진주파수와 측정방향 진동의 공진주파수가 최대한 일치해야 하고 댐핑이 적어야 한다.Where m is the mass of the inertia, ∂C / ∂y is the sensitivity of the electrostatic force, Ω is the input angular velocity, ω is the alternating frequency of the excitation voltage, V is the excitation voltage, K y , and K z is the excitation direction and measurement direction, respectively. a rigid, r y = ω / ω y , r z = ω / ω z (ω y, ω z is the resonance frequency of the resonance frequency and the measurement direction vibration of the direction vibration with each structure), ξ y, ξ z are each The damping coefficients Φ y and Φ z between the excitation direction and the measurement direction are phase differences between the vibrations of the excitation direction and the measurement direction. As can be seen from the above equation, the z-direction displacement proportional to the sensitivity of the gyroscope is the maximum value when r y and r z are 1, that is, ω = ω y = ω z , and ξ y , ξ z is minimum. Able to know. For this reason, in the vibration type gyroscope, the resonance frequency of the excitation vibration and the resonance frequency of the vibration in the measurement direction should be as close as possible and the damping should be small.
그러나, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 구조에서는 외부 각속도가 인가되면 지지빔(3)이 가진과 측정방향 진동을 동시에 받는다. 이러한 구조에서는 가진방향과 측정방향 진동의 공진주파수가 일치하게 되면 두 진동이 서로 간섭을 받게되어서 진동이 불안정해지므로 두 방향의 공진주파수의 차이를 약 5%정도 두게된다. 따라서, 성능에 한계가 있다. 또한 주파수 튜닝시 전극(4)에 전압을 인가하여 측정방향의 공진주파수를 가진 방향의 공진주파수와 일치시키는데, 이 때 가해준 전압에 의해 관성체(1)는 바닥쪽으로 처지게 된다. 이러한 처짐에 의해 측정 방향 쪽으로의 진동이 불안정해진다. 특히 두 공진주파수의 차가 심해서 전압을 많이 가할 경우 관성체(1)의 처짐이 매우 커져 측정 방향 진동이 불안정해지는 원인이 된다.However, in the structure as shown in Figs. 1A and 1B, when an external angular velocity is applied, the support beam 3 is subjected to both excitation and measurement direction vibration at the same time. In this structure, if the resonant frequencies of the vibrations in the excitation direction and the measurement direction coincide, the two vibrations interfere with each other and the vibration becomes unstable, thus leaving a difference of about 5% between the resonant frequencies in the two directions. Therefore, there is a limit on performance. In addition, during frequency tuning, a voltage is applied to the electrode 4 to coincide with a resonance frequency in a direction having a resonance frequency in the measurement direction. At this time, the inertial body 1 sags toward the bottom by the applied voltage. This deflection makes the vibration in the measuring direction unstable. In particular, when the difference between the two resonant frequencies is so great that a lot of voltage is applied, the sagging of the inertia 1 becomes very large, which causes the vibration in the measurement direction to become unstable.
또한, 단순 지지빔을 가진 경우 가진방향과 측정방향의 강성는 각각 다음과 수학식 2와 같이 표시된다.In addition, in the case of having a simple support beam, the stiffness of the excitation direction and the measurement direction is represented by Equation 2 below.
여기서, E는 탄성계수, L은 지지빔의 길이, b는 지지빔의 폭, h는 지지빔의 두께를 각각 나타낸다.Where E is the elastic modulus, L is the length of the support beam, b is the width of the support beam, and h is the thickness of the support beam.
위의 수학식 2에서 알 수 있듯이 측정방향 공진주파수가 두께에 대해 3승에 비례하므로 공정오차에 의해서 두께가 변하게 되면 가진방향과 측정방향의 공진주파수의 비의 변화는 크게 된다. 예를 들어 폭이 2μm이고 두께가 6μm에서 7μm로 변하게 되면 두 공진주파수의 차이는 16%가 되게 된다. 일반적으로 반도체 제작 공정에서 빔의 폭은 원하는 폭으로 쉽게 만들수 있으나 두꺼운 박막의 두께는 제어가 용이하지 않다. 따라서 공정 오차에 의해서 주파수 변화가 심하게 된다. 또한 높은 주파수 범위를 갖기 위해서는 관성체를 포스 밸런싱을 해야 하는데 이를 위해서는 윗면에도 전극이 설치되어야 하므로 구조가 복잡해진다. 이러한 단점에 비해서 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 형태의 자이로스코프는 구조가 간단하고 지면에 평행한 각속도를 측정할 수 있어 2축 측정용 자이로스코프 제작이 용이하다는 장점이 있다.As can be seen in Equation 2 above, since the measurement direction resonant frequency is proportional to the power of three, the change in the ratio of the resonant frequency in the excitation direction and the measurement direction is large when the thickness is changed by the process error. For example, if the width is 2 μm and the thickness changes from 6 μm to 7 μm, the difference between the two resonant frequencies is 16%. In general, the width of the beam can be easily made to the desired width in the semiconductor manufacturing process, but the thickness of the thick film is not easy to control. Therefore, the frequency change is severe due to the process error. In addition, in order to have a high frequency range, the inertia needs to be force balanced, and this requires complicated electrodes because an electrode must be installed on the top surface. Compared to these disadvantages, the gyroscope of the type shown in FIGS. 1A and 1B has an advantage in that the structure is simple and the angular velocity parallel to the ground can be measured, making it easy to manufacture a gyroscope for measuring two axes.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 형태의 자이로스코프의 단점을 보완하기 위해서 현재 주로 이용되고 있는 방법은 구조적으로 두 방향의 진동을 완전히 분리하고, 부가적인 방법으로 한 방향의 공진주파수를 두 번째 공진주파수와 일치시키는 방법이 사용되고 있다. 이러한 진동 분리형 자이로스코프의 대표적인 예(US 5,408,877)가 짐벌형 자이로스코프로 불려지는 도 2에 도시된 바와 같은 자이로스코프이다. 이 자이로스코프에서는 관성질량 위에 배열된 전극(11)을 통해서 내부짐벌(12)과 관성질량(13)을 Y축을 중심으로 회전 진동시킨다. 이 진동은 전극(14)을 통해서 모니터링된다. 이 때 외부짐벌(15)은 진동하지 않는 상태이다. 외부에서 z방향으로 각속도가 인가되면 내부짐벌(12), 관성질량(13), 외부짐벌(15)은 x축을 중심으로 회전진동한다. 이 진동을 바닥에 설치되어 있는 전극(16)을 통해서 측정하게된다. 또한 전극(17)을 통해서 외부짐벌(15)을 영점으로 포스 밸런싱하고 주파수를 튜닝하게 된다.In order to make up for the shortcomings of the gyroscope of the type shown in Figs. 1A and 1B, the method currently used mainly structurally completely separates vibrations in two directions, and additionally, resonant frequency in one direction is second. A method of matching the resonant frequency is used. A representative example of such a vibration-isolated gyroscope (US 5,408,877) is a gyroscope as shown in FIG. 2 called a gimbal type gyroscope. In this gyroscope, the inner gimbal 12 and the inertial mass 13 are rotated and oscillated about the Y axis through the electrodes 11 arranged on the inertial mass. This vibration is monitored through the electrode 14. At this time, the external gimbal 15 does not vibrate. When the angular velocity is applied in the z direction from the outside, the inner gimbal 12, the inertial mass 13, and the outer gimbal 15 rotate and rotate about the x axis. This vibration is measured through the electrode 16 installed on the floor. Also, the external gimbal 15 is force balanced to zero through the electrode 17 and the frequency is tuned.
이 자이로스코프는 비틀림 지지빔(18,19)을 통해 가진과 측정방향 진동이 분리되어 있어 두 방향 진동이 상호 영향을 받지 않으므로 전극(17)에 전압을 가해서 측정 방향 공진주파수를 가진 방향 공진주파수와 매우 근접하게 일치시킬 수 있다. 또한 외부 비틀림 지지빔(19)의 z방향 강성이 매우 크고, 전극이 좌우 대칭으로 배치되어 있으므로 주파수 튜닝시 전압이 인가되도 외부짐벌(15)의 처짐이 없다. 또한 가진과 측정방향 공진주파수의 비가 두께에 무관하고, 하부에 설치된 전극 만으로도 외부짐벌(15)을 포스 밸런싱할 수 있다는 장점이 있다.Since the gyroscope separates the excitation and measurement direction vibrations through the torsion support beams 18 and 19, and the two direction vibrations are not mutually influenced, the direction resonance frequency having the measurement direction resonance frequency is applied by applying a voltage to the electrode 17. Can match very closely. In addition, since the z-direction rigidity of the external torsional support beam 19 is very large and the electrodes are arranged symmetrically, there is no sagging of the external gimbal 15 even when a voltage is applied during frequency tuning. In addition, the ratio between the excitation and the measurement direction resonant frequency is independent of the thickness, there is an advantage that the force gimbal (15) can be balanced by the electrode installed in the lower portion.
반면에 자이로스코프의 형태가 매우 복잡한 3차원 형태이므로 만들기가 어렵고, 측정축이 z방향이므로 한 웨이퍼 상에 2개를 90도로 배치해서 2축 측정용 자이로 제작하기가 불가능하며, 가진 변위를 크게하기 위해서 전극(11)과 내부짐벌(12) 사이의 간격이 커야 하므로 큰 정전력을 얻기 위해서는 고전압을 가해야 하는 단점이 있다.On the other hand, because the gyroscope is a very complex three-dimensional shape, it is difficult to make it, and since the measuring axis is in the z direction, it is impossible to manufacture two-axis measuring gyros by placing two pieces on a wafer at 90 degrees, and to increase the excitation displacement. Since the distance between the electrode 11 and the internal gimbals 12 must be large, there is a disadvantage that a high voltage must be applied to obtain a large electrostatic force.
진동분리형 자이로스코프의 두 번째 형태는 도 3에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다. 이 자이로스코프("New Designs of Micromachined Vibrating Rate Gyroscope with Decoupled Oscillation Modes", Transducers‘97)는 빗살 구조(comb structure)(20)에 의해서 전체 관성질량(21)이 지지빔(22)에 의해서 x방향으로 진동하게 된다. 이 때 내부 빗살 구조(23)도 같이 진동하게 된다. z방향으로 각속도가 인가되면 내부 빗살 구조(23) y방향으로 진동하게 되어 각속도를 측정할 수 있다.The second type of vibration isolation gyroscope has a structure as shown in FIG. This gyroscope ("New Designs of Micromachined Vibrating Rate Gyroscope with Decoupled Oscillation Modes", Transducers'97) is characterized by a comb structure (20) so that the entire inertial mass (21) is supported by the support beam (22) in the x direction. Will vibrate. At this time, the internal comb structure 23 is also vibrated. When the angular velocity is applied in the z direction, the internal comb structure 23 vibrates in the y direction, thereby measuring the angular velocity.
이러한 형태의 자이로스코프도 진동이 분리되어 있고, 주파수 튜닝시 전압이 대칭적으로 가해지므로 내부 관성질량이 한쪽으로 처지지 않고, 두 방향의 공진주파수의 비가 두께에 의존하지 않고, 포스밸런싱을 하기가 용이하다는 장점이 있는 반면에, 복잡한 3차원 형상은 아니지만 내부에 간격이 좁은 빗살 구조를 다수 포함하고 있는 구조를 가지고 있으므로 공정 수율이 나쁘고, 입력 각속도가 z축이므로 2축 자이로 제작이 불가능하고, 그 두께가 두껍지 않으면 고성능 자이로스코프의 제작이 용이하지 않다는 단점이 있다.In this type of gyroscope, the vibration is separated and the voltage is symmetrically applied during frequency tuning, so that the internal inertial mass does not sag to one side, and the ratio of the resonant frequencies in two directions does not depend on the thickness. While it has the advantage of being easy, it is not a complicated three-dimensional shape, but it has a structure that includes a large number of narrowly spaced comb structures inside, so that the process yield is bad, and the input angular velocity is z-axis, making it impossible to manufacture a two-axis gyro. If the thickness is not thick, there is a disadvantage in that it is not easy to manufacture a high performance gyroscope.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 가진진동과 측정진동이 분리되어 주파수 튜닝이 용이하도록 외부 짐벌 내에 비대칭 내부 비틀림 짐벌(gimbal)을 구비함으로써, 측면으로 구동되고 지면에 수직한 방향으로 측정하면서 z축 측정이 용이하며, 두 공진주파수의 두께에 대한 의존성이 적어 두 공진주파수의 비가 공정 오차에 의한 두께의 변화에 덜 민감하며, 한 면에 설치된 전극만으로 포스 밸런싱(Force Balancing)이 가능하며, 두 주파수를 일치시키기 위해서 전압을 인가할때 관성질량의 처짐이 적어 진동이 안정적인 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, by providing an asymmetric inner torsion gimbal in the outer gimbal to facilitate frequency tuning by separating the excitation vibration and the measurement vibration, it is driven sideways and perpendicular to the ground It is easy to measure the z-axis while measuring, and the dependency of the two resonant frequencies is less sensitive, so the ratio of the two resonant frequencies is less sensitive to the change of thickness due to process error. It is possible to provide a side drive gimbal type gyroscope with an asymmetric internal torsional gimbal with stable vibration due to low deflection of inertial mass when voltage is applied to match the two frequencies.
도 1a 및 도 1b는 종래의 정전용량형 진동형 마이크로자이로의 동작원리를 설명하기 위한 도면,1A and 1B are views for explaining the operation principle of a conventional capacitive vibrating microgyro,
도 2는 종래의 진동 분리형(짐벌형) 자이로스코프의 개략적 사시도,2 is a schematic perspective view of a conventional vibration separation (gimbal type) gyroscope,
도 3은 종래의 진동분리형 자이로스코프의 또 다른 형태를 보여주는 평면도,Figure 3 is a plan view showing another form of the conventional vibration separation gyroscope,
도 4는 본 발명에 따른 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프의 평면도,4 is a plan view of a side drive gimbal type gyroscope having an asymmetric internal torsional gimbal according to the present invention;
도 5는 도 4의 짐벌형 자이로스코프에서 외부짐벌과 내부짐벌의 결합관계를 설명하기 위한 도면,5 is a view for explaining the coupling relationship between the outer gimbal and the inner gimbal in the gimbal-type gyroscope of FIG.
그리고 도 6a 및 도 6b는 도 4의 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프을 이용하여 2축 자이로스코프를 구성하는 방식을 설명하기 위한 평면도들이다.6A and 6B are plan views illustrating a method of configuring a two-axis gyroscope using a gimbal type gyroscope having a side drive type having an asymmetric internal torsional gimbal of FIG. 4.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
1. 관성체(관성질량) 2. 전극1. Inertial Body (Inertial Mass) 2. Electrode
3. 지지빔 4. 전극3. Support Beam 4. Electrode
11. 전극 12. 내부짐벌11.electrode 12.internal gimbal
13. 관성질량 14. 전극13. Inertial Mass 14. Electrode
15. 외부짐벌 16. 전극15. External gimbal 16. Electrode
17. 전극 18. 비틀림 지지빔17. Electrode 18. Torsional Support Beam
19. 외부 비틀림 지지빔 20. 빗살 구조(comb structure)19. External torsional support beam 20. Comb structure
21. 관성질량 22. 지지빔21. Mass of inertia 22. Support beam
23. 내부 빗살 구조 30. 외부 짐벌23. Internal comb structure 30. External gimbal
31. 내부 짐벌 32. 구부러짐 지지빔31. Internal gimbal 32. Bending support beam
33. 비틀림 지지빔 34. 포스밸런싱용 전극33. Torsional support beam 34. Force balancing electrode
35. 가진판 36. 가진판35. With Plate 36. With Plate
37. 감지전극37. Detection electrode
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프는, 기판; 상기 기판 상부에 제1방향으로 진동하도록 상기 기판으로부터 소정의 간격으로 이격되게 형성된 외부 짐벌; 상기 외부 짐벌의 내부에 상기 제1방향과 교차하는 제2방향으로의 진동하도록 형성된 내부 짐벌; 상기 기판 및 외부 짐벌에 결합되어 상기 외부짐벌이 상기 기판 상부에 형성된 현수 구조물로서 유지되도록 하면서 상기 제1방향 진동이 가능하도록 구부러짐 탄성을 갖는 구부러짐 지지빔; 상기 외부짐벌 및 내부짐벌에 결합되어 상기 내부짐벌의 비대칭축 역할을 하면서 상기 내부짐벌이 상기 제2방향으로 진동 가능하도록 비틀림 탄성을 갖는 비틀림 지지빔; 상기 외부짐벌 양측의 상기 기판 상에 고정되어 상기 외부짐벌의 빗살 구조물에 대응하는 빗살 구조물을 가지고 상기 외부짐벌 및 내부 짐벌을 상기 제1방향으로 가진시키는 가진판; 상기 내부짐벌 하부의 상기 기판 상면에 형성되어 상기 내부짐벌이 상기 기판으로부터 이격된 간격을 원점으로 제어하는 포스밸런싱용 전극; 및 상기 내부짐벌 하부의 상기 기판 상면에 형성되어 상기 내부짐벌의 상기 제2방향 운동을 감지하는 감지전극;을In order to achieve the above object, a gimbal type gyroscope of a side drive type having an asymmetric internal torsional gimbal according to the present invention comprises: a substrate; An external gimbal formed spaced apart from the substrate at a predetermined interval to vibrate in a first direction on the substrate; An inner gimbal formed inside the outer gimbal to vibrate in a second direction crossing the first direction; A bending support beam coupled to the substrate and an external gimbal, the bending gimbal having a bending elasticity to allow the first direction vibration while maintaining the external gimbal as a suspension structure formed on the substrate; A torsion support beam coupled to the outer gimbal and the inner gimbal and having a torsional elasticity such that the inner gimbal can vibrate in the second direction while serving as an asymmetric axis of the inner gimbal; An exciting plate fixed to the substrate on both sides of the outer gimbal to have the comb structure corresponding to the comb structure of the outer gimbal to excite the outer gimbal and the inner gimbal in the first direction; A force balancing electrode formed on an upper surface of the substrate below the inner gimbal to control the interval at which the inner gimbal is separated from the substrate as an origin; And a sensing electrode formed on an upper surface of the substrate below the inner gimbal to sense the second directional movement of the inner gimbal.
구비한 것을 특징으로 한다.Characterized in that provided.
본 발명에 있어서, 상기 제1방향은 지면에 평행한 방향이고, 상기 제2방향은 지면에 수직 방향이며, 상기 외부짐벌 양측의 가진판 중 일측 가진판에 상기 외부짐벌 및 내부짐벌의 가진동작을 모니터링할 수 있는 회로가 더 구비된 것이 바람직하며, 상기 포스밸런싱용 전극은 상기 비틀림 지지빔을 중심으로 대칭되게 형성되고, 상기 감지전극은 상기 비틀림 지지빔을 중심으로 대칭되게 형성된 상기 포스밸런싱용 전극의 외측 비대칭면 상에 형성된 것이 바람직하다.In the present invention, the first direction is a direction parallel to the ground, the second direction is a direction perpendicular to the ground, the excitation operation of the outer gimbal and the inner gimbal to one of the excitation plate of the outer gimbal both sides Preferably, the circuit for monitoring is further provided, wherein the force balancing electrode is symmetrically formed about the torsion support beam, and the sensing electrode is formed to be symmetrically about the torsion support beam. It is preferable that it is formed on the outer asymmetrical surface of.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a gimbal type gyroscope of a side drive type having an asymmetric internal torsional gimbal according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
본 발명에 따른 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프는 간단한 구조와 2축 측정용 자이로의 제작이 용이하다는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 자이로스코프의 장점과 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 자이로스코프의 장점인 진동 분리형 구조를 택함으로써 두 형태의 자이로스코프의 장점 만을 가질 수 있는 구조를 갖는다. 그 구체적인 구성은 도 4에 도시된 바와 같으며, MEMS 기술을 이용하여 제작된다. 이러한 구조의 자이로스코프는 특히 가진진동과 측정진동이 분리되어 있어 주파수 튜닝이 용이하고, 측면으로 구동되고 지면에 수직한 방향으로 측정하면서 z축 측정이 용이하다. 또한, 두 공진주파수의 두께에 대한 의존성이 적으므로 두 공진주파수의 비가 공정오차에 의한 두께의 변화에 덜 민감하며, 한 면에 설치된 전극만 가지고 포스 밸런싱(Force Balancing)이 가능하며, 두 주파수를 일치시키기 위해서 전압을 인가할 때 관성질량의 처짐이 적어 진동이 안정적인 자이로스코프이다. 이러한 장점들을 갖는 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프는 다음과 같이 구성된다.Side-driven gimbal type gyroscope with asymmetric internal torsional gimbal according to the present invention has the advantages of a gyroscope as shown in Figs. By adopting the vibration-separating structure that is an advantage of the gyroscope as shown in Figure 3 has a structure that can have only the advantages of the two types of gyroscope. The specific configuration is as shown in Figure 4, it is manufactured using MEMS technology. In particular, the gyroscope of this structure is separated from the excitation vibration and the measurement vibration, so it is easy to tune the frequency, and it is easy to measure the z-axis while lateral driving and measuring in the direction perpendicular to the ground. In addition, since there is little dependence on the thickness of the two resonant frequencies, the ratio of the two resonant frequencies is less sensitive to the change in thickness due to the process error.Force balancing can be achieved with only one electrode installed on one side. Gyroscopes with stable vibration due to less deflection of inertial mass when voltage is applied to match. A side drive gimbal gyroscope with an asymmetric internal torsion gimbal having these advantages is constructed as follows.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(미도시)이 구비되고, 이 기판(미도시) 상부에 지면과 수평 방향(제1방향)으로 진동하도록 기판으로부터 소정의 간격으로 이격되게 외부 짐벌(30)이 구비된다. 이 외부짐벌(30)은 내부가 비어있는 사각형 구조이며 그 양 외측에는 가진을 위한 빗살 구조물이 형성된다. 이 외부 짐벌(30)의 내부에는 지면과 수직 방향(제2방향)으로 진동하도록 내부 짐벌(31)이 구비된다. 이 내부짐벌(31)은 실제 관성 각속도를 측정하기 위한 현수 구조물로서, 도 4 및 도5에 도시된 바와 같이, 비대칭축이 되는 비틀림 지지빔(33)에 의해 외부짐벌(30)과 결합되어 있다. 이 비틀림 지지빔(33)은 내부짐벌(31)이 지면과 수직하는 방향으로 진동할 수 있도록 적절한 비틀림 탄성을 갖는다. 비틀림 지지빔(33)에 의해 결합된 내부짐벌(31)과 외부짐벌(30)은 앞서 설명한 바와 같이 지면과 수평방향으로 진동할 수 있도록 외부 짐벌(30)을 기판(미도시)에 결합하는 구부러짐 지지빔(32)가 구비된다. 구부러짐 지지빔(32)은 외부짐벌(30)이 기판 상부에 형성된 현수 구조물로서 유지되도록 하면서 지면과 수평방향으로 진동할 수 있도록 하는 구부러짐 탄성을 갖는다. 이러한 수평 방향으로의 진동을 정전기력을 이용하여 가능하게 하는 가진판(35, 36)이 구비된다. 가진판(35, 36)은 외부짐벌(30) 양측의 기판 상에 고정되며, 외부짐벌의 빗살 구조물에 대응하는 빗살 구조물을 가지고 외부짐벌(30) 및 내부 짐벌(31)을 수평 방향으로 가진시키게 된다. 이 들 두 가진판(35, 36) 중 일측 가진판(36)에 외부짐벌(30) 및 내부짐벌(31)의 가진동작을 모니터링할 수 있는 회로를 구비하는 것이 바람직하다. 내부짐벌(31) 하부의 기판 상면에는 포스밸런싱용 전극(34)이 형성되는데, 이는 내부짐벌(31)이 진동에 의해 기판으로부터 이격되는 경우 기판으로부터 일정한 간격으로 이격된 원점으로 되돌아오도록 제어하게 된다. 이 포스밸런싱용 전극(34)은 비틀림 지지빔(33)을 중심으로 대칭되게 형성된다. 이와 같이 함으로써, 포스 밸런스를 위한 힘이 측정하고자하는 수직 방향의 운동에 영향을 미치지 않게되기 때문이다. 그리고, 내부짐벌(31) 하부의 기판 상면에는 포스밸런싱용 전극(34) 뿐 만 아니라 감지전극(37)도 형성된다. 이 감지전극(37)은 내부짐벌(31)이 지면과 수직 방향(제2방향)으로 진동을 감지하게 된다. 이 감지전극(37)은 비틀림 지지빔(33)을 중심으로 대칭되게 형성된 포스밸런싱용 전극(34)의 외측 비대칭면 상에 형성된다.First, as shown in FIG. 4, a substrate (not shown) is provided, and an external gimbal (spaced apart from the substrate at predetermined intervals so as to vibrate in a horizontal direction (first direction) with the ground above the substrate (not shown)). 30). The outer gimbal 30 is a rectangular structure with an empty inside and the comb teeth structure for the excitation is formed on both sides. The inner gimbal 31 is provided inside the outer gimbal 30 to vibrate in a vertical direction (second direction) with the ground. The inner gimbal 31 is a suspension structure for measuring the actual inertia angular velocity. As shown in FIGS. 4 and 5, the inner gimbal 31 is coupled to the outer gimbal 30 by a torsional support beam 33 serving as an asymmetric axis. . This torsion support beam 33 has an appropriate torsional elasticity so that the inner gimbal 31 can vibrate in a direction perpendicular to the ground. The inner gimbal 31 and the outer gimbal 30 coupled by the torsion support beam 33 are bent to couple the outer gimbal 30 to a substrate (not shown) so as to vibrate horizontally with the ground as described above. A support beam 32 is provided. The bending support beam 32 has a bending elasticity that allows the external gimbal 30 to be vibrated in the horizontal direction with the ground while maintaining the suspension structure formed on the substrate. Excitation plates 35 and 36 are provided to enable such vibration in the horizontal direction using electrostatic force. The excitation plates 35 and 36 are fixed on the substrates on both sides of the outer gimbal 30, and have the comb structure corresponding to the comb structure of the outer gimbal 30 to excite the outer gimbal 30 and the inner gimbal 31 in a horizontal direction. do. One of these two excitation plates 35 and 36 is preferably provided with a circuit capable of monitoring the excitation of the external gimbal 30 and the internal gimbal 31 on one side of the excitation plate 36. The force balancing electrode 34 is formed on the upper surface of the substrate below the inner gimbal 31, which controls the inner gimbal 31 to return to the origin spaced at a predetermined interval from the substrate when the inner gimbal 31 is separated from the substrate by vibration. . The force balancing electrode 34 is formed symmetrically about the torsion support beam 33. This is because the force for force balance does not affect the movement in the vertical direction to be measured. In addition, the sensing electrode 37 as well as the force balancing electrode 34 is formed on the upper surface of the substrate below the inner gimbal 31. The sensing electrode 37 detects the vibration of the internal gimbal 31 in a direction perpendicular to the ground (second direction). The sensing electrode 37 is formed on the outer asymmetrical surface of the force balancing electrode 34 formed symmetrically about the torsion support beam 33.
이와 같이, 관성질량은 외부짐벌(30)과 내부짐벌(31)로 구성되어, 정전기력에 의해서 외부짐벌(30)과 내부짐벌(31)이 지지빔(32)의 구부러짐에 의해서 진동하게 된다. 측정 진동은 내부짐벌(31)이 지지빔(33)의 비틀림에 의해 상하로 회전 진동하게 된다. 따라서 가진과 측정 진동이 구부러짐 지지빔(32)과 비틀림 지지빔(33)에 의해서 분리되어 있으므로 주파수 튜닝이 용이하다. 또한, 측정원리가 지면과 내부짐벌(31)의 정전용량 변화를 측정하는 것이기 때문에 구조가 간단하고, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 배열을 통해 2축 측정용 자이로의 제작이 용이하다.In this way, the inertial mass is composed of the outer gimbal 30 and the inner gimbal 31, and the outer gimbal 30 and the inner gimbal 31 are vibrated by the bending of the support beam 32 by the electrostatic force. The measurement vibration causes the internal gimbal 31 to rotate up and down by the twisting of the support beam 33. Therefore, the excitation and measurement vibrations are separated by the bending support beam 32 and the torsion support beam 33, so that frequency tuning is easy. In addition, since the measuring principle is to measure the change in capacitance of the ground and the internal gimbal 31, the structure is simple, and it is easy to manufacture a biaxial measuring gyro through the arrangement as shown in Figs. 6A and 6B.
또한 구부러짐 지지빔(32)의 강성과 비틀림 지지빔(33)의 강성은 각각 다음 수학식과 같다.In addition, the stiffness of the bending support beam 32 and the stiffness of the torsion support beam 33 are as follows.
[수학식][Equation]
위의 수학식에서 알 수 있듯이 구부러짐 지지빔의 강성과 비틀림 지지빔의 강성의 비는 두께에 덜 민감하다. 예를 들어 빔폭이 2μm이고 두께가 6μm에서 7μm로 변하더라도 공진주파수 비의 변화는 1.3% 정도에 지나지 않는다. 따라서 두꺼운 박막의 두께에 대한 의존성이 매우 미미하다.As can be seen from the above equation, the ratio of the stiffness of the bending support beam to the stiffness of the torsion support beam is less sensitive to thickness. For example, even if the beam width is 2μm and the thickness is changed from 6μm to 7μm, the change in the resonance frequency ratio is only about 1.3%. Therefore, the dependence on the thickness of a thick thin film is very small.
또한 내부짐벌(31)의 비틀림 지지빔(33)의 z방향 강성은 회전방향의 강성에 비해 매우 크고, 전극(34)이 좌우 대칭으로 배열되어 있어 주파수 튜닝을 위해서 전극(34)에 전압을 인가하더라도 내부 짐벌(31)의 처짐은 매우 미미하다. 그리고 내부 짐벌(31)의 지지축을 비대칭으로 함으로서 바닥에 설치되어 있는 전극(34) 만 가지고도 내부짐벌(31)을 영점으로 포스밸런싱이 가능하다.In addition, the z-direction rigidity of the torsional support beam 33 of the inner gimbal 31 is much larger than that of the rotational direction, and the electrodes 34 are symmetrically arranged so that a voltage is applied to the electrode 34 for frequency tuning. Even if the deflection of the inner gimbal 31 is very small. The asymmetrical support shaft of the inner gimbal 31 enables force balancing to zero the inner gimbal 31 even with the electrode 34 installed on the floor.
이러한 구성의 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프는 다음과 같이 동작한다.The side drive gimbal gyroscope with asymmetric internal torsional gimbals of this configuration operates as follows.
빗살 구조(35)에 교류와 직류전압을 인가하면 외부짐벌(30)과 내부짐벌(31)는 x방향으로 진동하게 된다. 이 때 교류전압의 주파수를 측정방향 공진주파수와 일치시켜 그 변위를 최대로 한다. 가진진동은 빗살 구조(36)에 의해서 모니터링되어 항상 공진점에서 진동하게끔 교류전압의 주파수를 변화시킨다. 외부에서 y방향으로 각속도가 인가되면 외부짐벌(30)과 내부짐벌(31)은 z방향으로 코리올리스 힘을 받게된다. 외부짐벌(30)의 지지빔의 z방향 강성은 크므로 내부짐벌(31)만 z방향으로 가진 공진주파수로 회전 진동하게 된다. 이 때 가진 방향의 공진주파수를 측정방향의 공진주파수와 일치시키기 위해서 전극(34)에 직류전압을 인가해서 측정방향의 공진주파수를 가진 방향의 공진주파수와 일치시킨다. z방향의 진동은 전극(37)과 내부짐벌(31)의 정전용량 변화로 측정된다. 또한 측정진동은 전극(34)을 통해서 영점으로 포스 밸런싱된다.When the AC and DC voltages are applied to the comb structure 35, the external gimbal 30 and the internal gimbal 31 vibrate in the x direction. At this time, the frequency of AC voltage coincides with the resonant frequency in the measurement direction to maximize the displacement. The excitation vibration is monitored by the comb structure 36 to change the frequency of the alternating voltage so that it always vibrates at the resonance point. When the angular velocity is applied in the y direction from the outside, the outer gimbal 30 and the inner gimbal 31 are subjected to a Coriolis force in the z direction. Since the z-direction rigidity of the support beam of the outer gimbal 30 is large, the inner gimbal 31 is rotated and vibrated at a resonance frequency having only the z-direction. At this time, in order to match the resonant frequency in the excitation direction with the resonant frequency in the measurement direction, a DC voltage is applied to the electrode 34 to match the resonant frequency in the direction having the resonant frequency in the measurement direction. The vibration in the z direction is measured by the capacitance change of the electrode 37 and the internal gimbal 31. The measurement vibration is also force balanced to zero through the electrode 34.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프는 측면으로 구동하고 수직으로 측정하는 진동 분리형으로 제작함으로써 형태를 간단하게 하면서도 주파수 튜닝이 용이해서 자이로의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 지면에 평행한 각속도를 측정하므로 2축 측정용 자이로스코프로의 제작이 용이하며, 한 평면에 설치된 전극 만으로도 포스 밸런싱이 가능하다. 또한 정전력에 의한 주파수 튜닝시 관성질량의 처짐에 의한 진동체가 불안정하게 진동하는 것도 방지 할 수 있다.As described above, the gimbal type gyroscope of the side drive type having an asymmetric internal torsional gimbal according to the present invention is manufactured in a vibration-separated type that is driven sideways and measured vertically, thereby simplifying the shape and easily tuning the frequency, thereby allowing the performance of the gyro. Can improve. In addition, since the angular velocity parallel to the ground is measured, it is easy to manufacture a two-axis gyroscope, and force balancing is possible with only one electrode installed on one plane. In addition, it is also possible to prevent the vibrating body from unstable vibration due to deflection of the inertial mass during frequency tuning by the electrostatic force.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019990000842A KR100319920B1 (en) | 1999-01-14 | 1999-01-14 | Laterally driving gimbal type gyroscope having unbalanced inner torsional gimbal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019990000842A KR100319920B1 (en) | 1999-01-14 | 1999-01-14 | Laterally driving gimbal type gyroscope having unbalanced inner torsional gimbal |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20000050760A true KR20000050760A (en) | 2000-08-05 |
| KR100319920B1 KR100319920B1 (en) | 2002-01-09 |
Family
ID=19571285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019990000842A KR100319920B1 (en) | 1999-01-14 | 1999-01-14 | Laterally driving gimbal type gyroscope having unbalanced inner torsional gimbal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100319920B1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7043987B2 (en) | 2003-03-06 | 2006-05-16 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Rotary gyroscope |
| CN109387653A (en) * | 2017-08-07 | 2019-02-26 | 罗伯特·博世有限公司 | Speed probe, the method for manufacturing speed probe |
-
1999
- 1999-01-14 KR KR1019990000842A patent/KR100319920B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7043987B2 (en) | 2003-03-06 | 2006-05-16 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Rotary gyroscope |
| CN109387653A (en) * | 2017-08-07 | 2019-02-26 | 罗伯特·博世有限公司 | Speed probe, the method for manufacturing speed probe |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100319920B1 (en) | 2002-01-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5392650A (en) | Micromachined accelerometer gyroscope | |
| KR101100021B1 (en) | Z-axis angular rate sensor | |
| US6009751A (en) | Coriolis gyro sensor | |
| US7093486B2 (en) | Isolated resonator gyroscope with a drive and sense plate | |
| JP3834397B2 (en) | Rate sensor | |
| US6561029B2 (en) | Rotational rate gyroscope with decoupled orthogonal primary and secondary oscillations | |
| US9651376B2 (en) | Microelectromechanical gyroscopes and related apparatus and methods | |
| JP3973742B2 (en) | Vibrating gyroscope | |
| US6715352B2 (en) | Method of designing a flexure system for tuning the modal response of a decoupled micromachined gyroscope and a gyroscoped designed according to the method | |
| US7210347B2 (en) | Micromachined inertial sensor for measuring rotational movements | |
| JP3307906B2 (en) | Micro gyroscope | |
| EP0574143B1 (en) | Angular rate sensor and method of production thereof | |
| JP2004537733A (en) | Isolated resonator gyroscope | |
| JP2003510573A (en) | Microassembled tuning fork gyroscope and associated three-axis inertial measurement system for detecting out-of-plane rotation | |
| JPH11337345A (en) | Vibratory microgyrometer | |
| JP5773844B2 (en) | Vibration type gyro with excellent output stability | |
| US6990863B2 (en) | Isolated resonator gyroscope with isolation trimming using a secondary element | |
| EP1571417A2 (en) | Apparatus comprising a vibrating beam oscillating in a first direction for a first time period and in a second direction for a second time period to sense angular rate of the vibrating beam | |
| US20050193816A1 (en) | Oscillation of vibrating beam in a first direction for a first time period and a second direction for a second time period to sense angular rate of the vibrating beam | |
| JP2000074673A (en) | Compound movement sensor | |
| KR100319920B1 (en) | Laterally driving gimbal type gyroscope having unbalanced inner torsional gimbal | |
| US9303994B2 (en) | Planar Coriolis gyroscope | |
| KR100493149B1 (en) | Symmetrical Z-axis gyroscope and fabricating method thereof | |
| EP1571416B1 (en) | Support of vibrating beam near nodal point | |
| JP2000337886A (en) | Microgyroscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20121002 Year of fee payment: 12 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130916 Year of fee payment: 13 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20141001 Year of fee payment: 14 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |