KR20050113668A - 자이로 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자이로 센서에 관한 것으로, 소형이고 간이한 구조이면서 동시에 각속도 변화의 검출감도가 높은 자이로 센서(10)는 초자왜소자로 이루어진 초자왜부재(12), 이에 인가하는 자계의 크기를 제어함으로써 초자왜부재(12)를 진동시키는 구동 코일(18), 및 초자왜부재(12)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하는 GMR 소자(검출수단)(20)을 구비하고 있고, 초자왜부재(12)의 진동방향에 대해서 수직인 방향을 회전축으로 하는 각속도 변화를 콜리올리힘에 기초하여 초자왜부재(12)의 변형에 의한 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화로서 검출하도록 한 것을 특징을 한다.

Description

자이로 센서{GYRO SENSOR}

본 발명은 비디오 카메라의 손떨림 보정이나 자동차의 네비게이션 시스템 등에 적용되는 자이로 센서에 관한 것이다.

종래, 진동하는 물체에 각속도가 가해지면, 그 진동방향에 대해서 수직인 방향으로 콜리올리의 힘(Coriolis force)이 발생하는 역학현상을 이용한 자이로 센서가 널리 알려져 있다(예를 들어, 일본 공개특허공보 2000-136933호 참조). 또한, 콜리올리의 힘(F)은 F=2·m·v·ω(m: 진동체의 질량, v: 진동속도, ω: 각속도)의 식으로 주어지고, 종래의 자이로 센서는 상기 콜리올리의 힘(F)에 기초하여 각속도(ω)의 변화를 검출하도록 한 것이다.

최근, 이와 같은 자이로 센서의 분야에서는 소형이고 고감도의 것이 요구되고 있다.

그러나, 일반적으로 각속도 변화의 검출감도를 향상시키기 위해서는 (콜리올리의 힘(F)을 크게 하는 데에는), 진동체의 진폭을 증대시키거나 질량을 크게 할 필요가 있으므로, 종래 공지의 자이로 센서로는 장치의 소형화에 한계가 있었다.

도 1은 본 발명의 실시형태의 예에 관한 자이로 센서를 모식적으로 도시한 사시도,

도 2는 도 1에서의 자이로 센서의 동작원리를 도시한 선도, 및

도 3은 본 발명의 실시형태의 다른 예에 관한 자이로 센서를 모식적으로 도시한 사시도이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로 소형이고 간인한 구조이면서 동시에 각속도 변화의 검출감도의 향상을 도모할 수 있는 자이로 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발명자는 연구결과, 각속도 변화를 콜리올리 힘에 기초하는 자왜부재의 변형에 의한 투자율 또는 잔류 자화량의 변화로서 검출함으로써, 소형이고 간이한 구조이면서 동시에 각속도 변화의 검출감도의 향상을 도모할 수 있는 자이로 센서를 발견했다.

즉, 다음과 같은 본 발명에 의해 상기 목적을 달성할 수 있다.

(1) 자왜소자로 이루어진 자왜부재와, 이에 인가되는 자계의 크기를 제어함으로써 상기 자왜부재를 진동시키는 구동코일과, 상기 자왜부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하는 검출수단을 구비하여 이루어지고, 상기 자왜부재의 진동방향에 대해서 수직인 방향을 회전축으로 하는 각속도 변화를, 콜리올리힘에 기초하는 상기 자왜부재의 변형에 의한 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화로서 검출하는 것을 특징으로 하는 자이로 센서.

(2) 상기 구동코일은 상기 자왜부재를 공진 주파수로 진동시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 자이로 센서.

(3) 상기 검출수단은 자기 저항 효과 소자를 포함하고 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 자기 저항 효과 소자의 기전력 변화로서 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 기재의 자이로 센서.

(4) 상기 검출수단은 상기 자왜부재를 둘러싸는 검출 코일을 포함하고, 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 검출 코일의 인덕턴스 변화로서 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 기재의 자이로 센서.

(5) 상기 자왜부재의 일단측에 자성을 갖는 바이어스 자석을 밀착 고정함과 동시에, 상기 일단측과 반대의 타단측에 상기 구동 코일을 주위에 배치한 연자성 부재를 밀착 고정한 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 자이로 센서.

(6) 상기 자왜부재를 초자왜소자를 재료로 하는 초자왜부재에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 자이로 센서.

이하, 본 발명의 실시형태의 예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시형태의 예에 관한 자이로 센서(10)는 도면에서 중앙에 배치된, 거의 직방체 형상의 부재로 이루어진 초자왜부재(12)와, 상기 초자왜부재(12)의 좌측에 배치된 바이어스 자석(14)과, 초자왜부재(12)의 우측에 배치된 연자성 부재(16)와, 상기 연자성 부재(16)의 주위를 둘러싸도록 배치된 구동 코일(18)과, 초자왜부재(12)의 상면(12A) 및 연자성 부재(16)의 측면(16A)에 각각 설치된 GMR소자(검출수단)(20A, 20B)에 의해 주로 구성되어 있다.

도면에서 중앙에 배치된 초자왜부재(12)의 양측에는 자성을 갖는 바이어스 자석(14)과, 연자성 부재(16)가 각각 밀착 고정되어 있다. 또한, 상기 연자성 부재(16)의 주위를 둘러싸도록 배치된 구동코일(18)에는 콘덴서(22)를 통하여 초자왜부재(12)의 구동전력 공급원이 되는 펄스 발진기(24)가 접속되어 있다. 이와 같이, 초자왜부재(12)에는 바이어스 자석(14)에 의한 도면 중 Z방향의 자석 자계에 더하여, 구동 코일(18)에 의한 교류자계를 인가할 수 있는 구조로 되어 있다.

초자왜부재(12)는 재료로서 초자왜소자를 사용하고 있다. 또한, 「초자왜소자」라는 것은 희토류 원소 및/또는 특정의 천이금속 등을 주성분(예를 들어, 테르븀, 디스프로슘, 철 등)으로 하는 분말 소결 합금 또는 단결정 합금으로 만들어진 자왜소자를 말하고, 상기 초자왜소자는 외부 응력을 받아 변형되면 큰 자화율의 변화를 발생시키는 특성을 갖고 있다. 초자왜부재(12)의 상면(12A) 및 연자성 부재(16)의 측면(16A)에 각각 설치된 GMR 소자(20A, 20B)는 이와 같은 초자왜부재(12)의 변형(신축)에 의해 발생하는 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 기전력의 변화로서 검출할 수 있다.

다음에, 도 2를 함께 참조하면서 자이로 센서(10)의 작용에 대해서 설명한다.

구동 코일(18)에 펄스 발진기(24)로부터의 펄스신호(P)가 공급되면, 상기 펄스신호(P)의 주파수에 따라서 초자왜부재(12)에 인가되는 교류자계의 크기가 변화된다. 그 결과, 초자왜부재(12)는 자왜효과에 의해 펄스신호(P)와 동일한 주파수로 진동(신축)하게 된다. 보다 구체적으로는 초자왜부재(12)가 Z방향으로 신장한 경우에는 X, Y방향으로 수축하고, 초자왜부재(12)가 Z방향으로 수축한 경우에는 X, Y 방향으로 신장한다. 이와 같이, 초자왜부재(12)는 X, Y, Z 방향에 대해서 각각 신축동작을 반복한다. 또한, 상기 예에서는 펄스 신호(P)로서 초자왜부재(12)의 공진 주파수의 신호를 공급하고 있고, 초자왜부재(12)는 공진 주파수로 진동한다.

다음에, 진동하고 있는 초자왜부재(12)에 Z방향을 회전축으로 하는 각속도(ω)가 가해진 경우에 대해서 생각한다. 초자왜부재(12)에 각속도(ω)가 가해지면 초자왜부재(12)의 진동방향(X) 및 각속도(ω)의 회전축(Z)의 쌍방과 직교하는 관계에 있는 Y방향으로 콜리올리의 힘(F)이 발생한다. 그리고, 상기 콜리올리의 힘(F)에 의해 초자왜부재(12)의 Y방향의 진동태양이 변화되는 결과, 초자왜부재(12)의 투자율 또는 잔류 자화율이 변화된다. 따라서, 상기 투자율 또는 잔류 자화율의 변화를, GMR소자(20A, 20B)의 기전력 변화로서 검출함으로써 Z방향을 회전축으로 하는 각속도(ω)의 변화를 검출할 수 있다. 또한, X, Y 방향을 회전축으로 하는 각속도의 변화에 대해서도 동일한 원리에 의해 검출할 수 있다.

본 발명의 실시형태의 예에 관한 자이로 센서(10)에 의하면 진동체로서 진동량(변위량)이 크고, 응력에 대한 자화율의 변화가 큰 초자왜소자로 이루어진 초자왜부재(12)를 적용하고, 각속도 변화를 콜리올리력에 기초한 초자왜부재(12)의 변형에 의한 투자율 또는 잔류 변화량의 변화로서 검출하고 있으므로, 소형이고 간이한 구조이면서 동시에 각속도 변화의 검출감도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 초자왜소자는 응력에 대한 응답이 빠르므로, 단시간에 각속도 변화를 검출할 수 있고, 응답성의 향상을 도모할 수도 있다.

또한, 초자왜부재(12)를 공진주파수로 진동시키고 있으므로, 초자왜부재(12)의 진폭의 증대에 의해 검출감도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 종래의 자이로 센서에 널리 적용되고 있는 압전재료나 실리콘 등의 음속이 6000m/s 정도인데 비해, 본 발명에 적용되는 초자왜소자의 음속은 약 1/3에 상당하는 2000m/s 정도이므로, 종래의 자이로 센서에 비해 공진주파수를 낮게 할 수 있고 검출감도의 한층 더한 향상을 도모할 수 있는 측면에서 장치의 소형화도 실현할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 자이로 센서는 상기 실시형태의 예에 관한 자이로 센서(10)에서의 구조나 형상 등에 한정되는 것은 아니고, 초자왜소자로 이루어진 초자왜부재와, 이에 인가되는 자계의 크기를 제어함으로써 상기 초자왜부재를 진동시키는 구동코일과, 상기 초자왜부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하는 검출수단을 구비한 것이면 좋다.

상기 실시형태의 예에서는 초자왜부재(12)의 투자율 또는 잔류 자화율의 변화를, GMR 소자(20A, 20B)의 기전력 변화로서 검출했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 예를 들어 MR, TMR 소자 등의 다른 자기 저항 효과 소자를 적용해도 좋다. 또한, 도 3에 도시한 자이로 센서(30)와 같이, 초자왜부재(12)의 주위를 둘러싸도록 검출 코일(32)을 배치하고, 초자왜부재(12)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출 코일(32)의 인덕턴스 변화로서 검출해도 좋다. 물론, 그 밖의 검출수단에 의해 초자왜부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출해도 좋다.

상기 실시형태의 예에서는 자이로 센서(10)를 초자왜부재(12)에 의해 구성했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 자왜소자로 이루어진 자왜부재를 사용해도 좋다.

본 발명의 자이로 센서는 소형이고 간이한 구조이면서 동시에 각속도 변화의 검출감도의 향상을 도모할 수 있다는 우수한 효과를 갖는다.

Claims (6)

1. 자왜소자로 이루어진 자왜부재,

   상기 자왜부재에 인가하는 자계의 크기를 제어함으로써 상기 자왜부재를 진동시키는 구동 코일, 및

   상기 자왜부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하는 검출수단을 구비하여 이루어지고,

   상기 자왜부재의 진동방향에 대해서 수직인 방향을 회전축으로 하는 각속도 변화를, 콜리올리힘에 기초하는 상기 자왜부재의 변형에 의한 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화로서 검출하는 것을 특징으로 하는 자이로 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동코일은 상기 자왜부재를 공진 주파수로 진동시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로 센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 검출수단은 자기 저항 효과 소자를 포함하고, 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 자기 저항 효과 소자의 기전력 변화로서 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로 센서.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 검출수단은 상기 자왜부재를 둘러싸는 검출코일을 포함하고, 상기 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 상기 검출 코일의 인덕턴스 변화로서 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로 센서.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 자왜부재의 일단측에 자성을 갖는 바이어스 자석을 밀착 고정함과 동시에, 상기 일단측과 반대의 타단측에 상기 구동 코일을 주위에 배치한 연자성 부재를 밀착 고정한 것을 특징으로 하는 자이로 센서.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 자왜부재를 초자왜소자를 재료로 하는 초자왜부재에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 자이로 센서.