KR20080090340A - 관성 센서 및 전기 전자 기기 - Google Patents

관성 센서 및 전기 전자 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 관성 센서는, 베이스부에 대하여 부유하는 상태로 단일 축을 따라 변위 가능하게 탄성 지지 부재에 의해 지지되는 진동자와, 진동자의 변위를 검출하는 변위 검출부를 포함한다. 진동자의 진동은 Z축 방향의 단진동이다. 진동자의 진동 좌표계의 기준 축으로 작용하는 직교 좌표계의 X축, Y축 및 Z축은, 새로운 진동 좌표계의 기준 축으로 작용할 x축, y축 및 z축을 제공하도록 이동된다. x축, y축, 및 z축의 진동자의 위치 좌표가, 진동자의 1주기 중에 2개 이상의 지점에서 결정된다. 결정된 위치 좌표에 기초하여 차분 벡터(Δx, Δy, Δz)가 산출된다. 차분 벡터에 기초하여 각속도 또는 가속도를 얻을 수 있다.

Description

관성 센서 및 전기 전자 기기{INERTIAL SENSOR AND ELECTRICAL OR ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은, 3축의 각속도 및 3축의 가속도를 측정하는 관성 센서, 및 이러한 관성 센서를 포함하는 전기 전자 기기에 관한 것이다.
자동차 산업이나 기계 관련 산업에서는, 가속도(acceleration)나 각속도(angular velocity)라는 물리량을 정확하게 측정할 수 있는 센서의 수요가 증가하고 있다. 일반적으로, 3차원 공간 내에서 자유 운동을 하는 물체에는, 임의 방향의 가속도 및 임의의 회전 방향의 각속도가 작용한다. 그러므로, 이러한 물체의 운동을 정확하게 파악하기 위해서는, XYZ 3차원 좌표계에서의 각 좌표 축에 따른 가속도와 각 좌표 축 주위의 각속도를 측정할 필요가 있다. 그러므로, 소형이며 정밀도가 높고, 또한 제조 비용이 저렴한 다차원(multi-dimensional) 가속도 센서 및 다축(multi-axial) 각속도 센서의 수요가 높아지고 있다.
종래부터 다차원의 가속도 센서가 제안되고 있다. 예를 들면, 국제 특허(PCT) 공개 번호 WO88/08522, WO91/10118, 및 WO92/17759에는, 적용된 가속도를 각 좌표 축을 따라 측정하기 위한 가속도 센서가 개시되어 있다. 이러한 가속도 센서의 특징은, 저항 소자, 커패시턴스 소자, 및 압전 소자를, 각 센서의 가요성을 가진 기판의 소정 위치에 배치한 것이다. 각 저항 소자의 저항값의 변화, 각 커패시턴스 소자의 커패시턴스값의 변화, 및 각 압전 소자에 의해 발생된 전압의 변화에 따라, 적용된 가속도가 측정된다. 가요성을 가진 기판에는 무게 추(weight)가 배치된다. 가속도가 센서에 작용하면, 무게 추에 힘이 가해져, 가요성 기판이 변형된다. 이러한 변형은, 저항값의 변화, 커패시턴스값의 변화, 발생된 전압의 변화에 기초하여 검출되기 때문에, 각 축을 따라 가속도 성분을 얻을 수 있다.
이에 대하여, 다축의 각속도 센서에 대한 기술은 지금까지의 문헌에는 보고되지 않았으며, 실용화되지도 않고 있다. 통상적인 각속도 센서는 차량의 동력 축에 대한 각속도를 측정하기 위해 사용된다. 따라서, 이들 각속도 센서는 어느 특정의 축을 중심으로 하는 각속도를 측정하는 기능을 갖는다. 1차원의 각속도 센서는 동력 축의 회전 속도를 구하는데 충분하다. 3차원 공간 내에서 자유 운동하는 물체에 대한 각속도를 검출하기 위해서는, XYZ 3차원 좌표계에서의 X축, Y축, 및 Z축(이하, "3축"이라고 함)의 각속도를 각각 독립적으로 측정할 필요가 있다. 종래의 1차원 각속도 센서를 사용하여 3축의 각각의 각속도를 측정하기 위해서는, 종래의 센서를 3개 준비하고, 이러한 센서가 3축 주위의 각속도를 측정하도록 특정의 방향으로 배치할 필요가 있었다. 그러므로, 3축 주위의 각속도를 얻기 위한 장치의 전체적인 구조가 복잡하게 되어, 비용도 높아지게 된다.
3축 주위의 각속도를 측정할 수 있는 각속도 센서가, 일본 특허 공개 번호 2004-294450호 공보에 개시되어 있다. 상기 문헌에 개시된 센서는, 3축 주위의 각 속도, 즉 원의 접선에 수직인 2개의 방향과 축에 따른 하나의 방향에서의 각속도를 측정하기 위해 무게 추를 원형으로 이동시키는 방법을 사용한다. 이러한 각속도 센서에서 무게 추를 원형으로 안정적으로 이동시키기 위해서는, 2-DOF(degree of freedom) 구조에서의 편차를 제어하고 센서를 전기적으로 제어하는 것이 필요하다. 즉, 종래 기술에 의하면, 원심력의 분리(centrifugal separation)와 외란 가속도(disturbance acceleration)에 의한 노이즈를 기술적으로 억제하는 것이 곤란하다. 또한, 종래의 각속도 센서가 갖는 S/N 비와 균등한 S/N 비를 얻는 것이 어렵다는 문제점이 있다.
1축 및 2축의 각속도 센서로서 MEMS(microelectromechanical systems) 기술을 사용하는 방법이 실용화되고 있다. 이러한 센서를 2개 또는 3개 사용하여 3축 각속도 측정을 달성하는데 사용할 수 있다. 예를 들어, 3축의 각속도 검출 장치를 구성하기 위하여, 3축의 가속도 센서와 1축의 각속도 센서를 복수 개 배치하는 구성을 가정하면, 이들 센서의 구조를 고려하여, 각속도 검출 장치가 수 cm3 이상의 크기를 가져야 한다는 문제점이 있다. 또한, X 및 Y축 방향과 Z축 방향을 동시에 제공하는 것이 기술적으로 어렵다. 그러므로, 이러한 3축의 각속도 검출 장치가 구현되어 있지 않다.
종래의 각속도 센서는 각각의 축에 수직으로 작용하는 힘을 직접 측정하는 방법을 채택하고 있다. 따라서, 3축에 대한 각속도를 측정하기 위해 2개 이상의 단진동 진동자(simple harmonic oscillator)가 필요하다. 또한, 2차원적으로 진동하는 진동자가 하나 필요하다.
본 발명은, 각속도 인가에 의한 진동 벡터의 변화에 주목함으로써, 단일의 축을 따라 진동하며 단진동(simple harmonic motion)을 나타내는 하나 이상의 단진동 진동자를 사용하는 단순한 구조를 사용하여, 3축 주위의 각속도 또는 3축에 따른 가속도의 측정을 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 관성 센서는, 베이스부에 대하여 부유하는 상태로 1축 방향으로 변위 가능하게 탄성 지지 부재에 의해 지지된 진동자와, 진동자의 변위를 검출하는 변위 검출부를 포함한다. 진동자의 진동은 Z축에 따른 단진동이다. 진동자에 대한 진동 좌표계의 기준 축으로 작용하는 직교 좌표계의 X축, Y축 및 Z축은, 새로운 진동 좌표계의 기준 축으로서 작용할 x축, y축 및 z축을 제공하기 위해 이동된다. 진동자의 1 주기 중의 적어도 2개 지점에서 x축, y축 및 z 축에서의 진동자의 위치 좌표가 결정된다. 2개의 지점에서 결정된 x축, y축, 및 z축의 위치 좌표에 기초하여, 차분 벡터(Δx, Δy, Δz)가 산출된다. 이 차분 벡터에 기초하여, 각속도 또는 가속도가 얻어진다.
이러한 본 발명의 실시예에 의하면, 진동자의 진동 방향을 검출하는 기준 축으로서 X축, Y축 및 Z축이, 새로운 기준 축으로서 작용하는 x축, y축, 및 z축을 제공하도록 이동된다. 진동자의 진동은 z축에 따른 단진동이다. x축, y축, 및 z축의 진동자의 위치 좌표가, 진동자의 1주기 중에 적어도 2개 지점에서 결정된다. 결정된 위치 좌표에 기초하여 차분 벡터(Δx, Δy, Δz)가 산출된다. 이 차분 벡터에 기초하여 각속도 또는 가속도를 얻을 수 있다. 따라서, 3축 부위의 각속도 또는 3축에 따른 가속도를, 단일 축을 따라 진동하며 단진동을 나타내는 진동자를 이용하는 단순한 구조로 측정할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 전기 전자 기기는, 이 전기 전자 기기의 움직임에 의해 생기는 각속도 또는 가속도를 측정하는 관성 센서를 포함한다. 이 관성 센서는, 베이스부에 대하여 부유하는 상태로 1축 방향으로 변위 가능하게 탄성 지지 부재에 의해 지지된 진동자와, 진동자의 변위를 검출하는 변위 검출부를 포함한다. 진동자의 진동은 z축에 따른 단진동이다. 진동자에 대해 진동 좌표계의 기준 축으로 작용하는 직교 좌표계의 x축, y축, 및 z축은, 새로운 진동 좌표계의 기준 축으로 작용할 x축, y축, 및 z축을 제공하도록 이동된다. x축, y축, 및 z축의 진동자의 위치 좌표는 진동자의 1주기 중에 적어도 2개의 지점에서 결정된다. 2개의 지점에서 결정된 x축, y축, 및 z축의 위치 좌표에 기초하여 차분 벡터(Δx, Δy, Δz)가 산출된다. 이 차분 벡터에 기초하여 각속도 또는 가속도를 얻을 수 있다.
앞서 설명한 제1 실시예에 의하면, 단순한 구조, 즉 단일의 축에 따라 진동하며 단진동을 나타내는 진동자를 사용하여, 3축 주위의 각속도 또는 3축에 따른 가속도를 측정할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 복수 개의 각속도 검출기를 포함하는 종래의 관성 센서보다 소형의 관성 센서를 설치할 수 있다.
앞서 설명한 제2 실시예에 의하면, 본 발명의 기기는 제1 실시예에 따른 관성 센서를 포함한다. 따라서, 관성 센서를 소형화할 수 있으므로, 관성 센서를 설치하기 위한 공간을 절약할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관성 센서를, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 도 2의 라인 I-I을 포함하는 관성 센서의 종단면도이다. 도 2는 도 1의 라인 II-II를 포함하는 관성 센서의 횡단면도이다. 본 실시예에서, 단일 축을 따라 진동하는 정전 구동 방식(electrostatic driving type)의 진동자를 포함하는 관성 센서를 일례로서 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 프레임 베이스(111) 상에 지지부(113: 113-1~113-4)가 배치되어 있다. 프레임 베이스(111)는, 예컨대 실리콘 기판(101)으로 형성되어 있다. 지지부(113)는, 실리콘층(103)으로 구성되며, 프레임 베이스(111)의 각 코너부에 절연층(102)을 사이에 두고 배치되어 있다. 지지부(113)는, 진동자(117)가 z축을 따라 단진동(simple harmonic motion)을 할 수 있도록, 각각의 탄성 지지 부재(115: 115-1~115-4)를 통해 진동자(117)를 지지한다. 도 2에서, 탄성 지지 부재(115)는 개략적으로 도시되어 있다. 각 탄성 지지 부재(115) 의 폭 및 두께와 이들이 겹쳐진(fold) 수는, 탄성 지지 부재(115)가 자유도를 갖도록, 즉 탄성 지지 부재(115)가 Z축(진동 방향)을 따라 변위가능하고, X축과 Y축(검출을 위한 방향)으로 적절하게 변위가능한 자유도를 갖도록 조정된다. 진동이 속도를 갖는다면, 진동은 단진동에 한정되지 않는다. 일반적으로, 구조체의 공진 특성을 사용하는 단진동은 회로의 단순한 구조와 제조의 용이함에 의해 기준 진동(reference oscillation)으로서 사용된다. 본 실시예에서, 각 탄성 지지 부재(115)는, 예컨대 실리콘층(103)으로 이루어지며, 이러한 실리콘층(103)의 탄성을 이용하는 스프링으로 작용한다. 스프링은 어떠한 형태라도 가능하다. 진동자(117)는, 예컨대 실리콘 기판(101), 절연층(102), 및 실리콘층(103)을 포함하는 적층체로서 작용하는 소위 SOI(Silicon on insulator) 기판을 사용하여 형성되어 있다. 이하의 설명에서는, SOI 기판을 제1 기판(100)이라고 한다. 절연층(102)은, 통상적으로 매몰 산화층(BOX: buried oxide)이라 불리며, 산화 실리콘(SiO2)을 포함하여 이루어져 있다.
프레임 베이스(111)의 위에는, 절연층(102)을 사이에 두고 검출 전극(119: 119-1~119-4)이 배치되어 있다. 검출 전극(119)은 프레임 베이스(11)의 각각의 변 부분에 배치되는데, 검출 전극(119-1)이 지지부(113-1)와 지지부(113-2) 사이에 배치되고, 검출 전극(119-2)이 지지부(113-2)와 지지부(113-3) 사이에 배치되며, 검출 전극(119-3)이 지지부(113-3)와 지지부(113-4) 사이에 배치되고, 검출 전극(119-4)이 지지부(113-4) 및 지지부(113-1) 사이에 배치된다. 검출 전극은, 예 컨대 실리콘층(103)을 포함하여 이루어져 있다.
x축 및 y축에 따른 진동자(117)의 변위를 판정할 수 있도록, 진동자(117)와 각 검출 전극(119) 사이의 커패시턴스가 측정된다.
관성 센서(1)에서, 절연층(102)은 프레임 베이스(111)의 상부 표면상에 배치될 수 있다. 또한, 각 검출 전극(119)과 이에 이웃하는 지지부(113) 사이의 절연층(103)은 제거해도 된다.
진동자(117)는 오목부(recess)를 포함하고 있으며, 각 검출 전극(119)은 돌출부(projection)를 포함하고 있는데, 각각의 오목부가 이에 대응하는 돌출부에 대향하도록 되어 있다. 각 오목부와 이에 대응하는 돌출부 사이의 거리는, 진동자(117)가 진동할 때에, 진동자(117)가 어느 검출 전극(119)에도 접촉하지 않도록 유지된다.
이러한 구조를 형성하기 위하여, SOI 기판에 있는 실리콘층(103)이 에칭 처리되어, 프레임 베이스(111)의 프레임부, 검출 전극(119), 및 탄성 지지 부재(115)를 형성할 수 있다. 이 경우, 실리콘층(103)은 진동자(117)를 부분적으로 형성하도록 에칭된다. 또한, SOI 기판의 절연층(102)이 에칭 처리되고 실리콘 기판(101)이 에칭 처리되어, 프레임 부재로서 기능하는 프레임 베이스(111)와 SOI 기판으로 이루어지는 진동자(117)를 형성할 수 있다. 이러한 에칭 처리에는, 예컨대 실리콘의 심도 반응성 에칭(deep reactive etching)이나 TMAH 또는 KOH를 사용하는 습식 에칭(wet etching)을 사용한다.
또한, 실리콘층으로 이루어진 프레임(121)은 프레임 베이스(111) 상의 절연 층 상에 배치되어 있다.
또한, 프레임(121) 상에는 제2 기판(200)이 배치된다. 제2 기판(200)은, 진동자(117)에 대향하는 내면 상에 상부 전극(211)을 포함한다. 상부 전극(211)과 진동자(117)는 자신들 사이에 적절한 공간을 형성하도록 배치되어, 진동자(117)가 진동할 때, 진동자가 상부 전극(211)에 접촉하지 못하도록 한다. 제2 기판(200)은, 예컨대 실리콘 기판으로 이루어진다. 실리콘 기판이 제2 기판(200)을 형성하도록 사용될 때, 제2 기판(200)과 상부 전극(211) 사이에는 절연층(도시 안 됨)이 배치되는 것이 바람직하다. 제2 기판(200)은 유리 기판 또는 세라믹 기판으로 이루어질 수 있다. 상부 전극(211)은 금(Au), 알루미늄(Al), 또는 구리(Cu) 등의 도전성을 갖는 재료이면 된다. 특성을 고려하면, 금(Au) 등과 같이 도전성이 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 앞서 설명한 절연층에는, 절연을 위한 산화 실리콘(SiO2)층 등과 같은 여러 가지 절연성 산화층을 사용할 수 있다.
상부 전극(211)은, 구동 전극부와 모니터 전극부를 포함한다. 탄성 지지 부재에 의해 진동가능하게 지지되는 진동자(117)의 Z축의 방향에서의 공진 주파수와 동등한 주파수를 갖는 전압이 구동 전극부에 인가되면, 진동자(117)는 공진 주파수 fz로 공진한다. 이 경우, 모니터 전극부와 진동자(117) 사이의 커패시턴스를 측정하면, Z축 방향에서의 진동 상태를 모니터링할 수 있다. 관성 센서(1)에서, Z축에 따른 진동자(117)의 변위(이하, "Z축 변위"라고 함)는, 상부 전극(211)에 의해 검출될 수 있다. X축 및 Y축에 따른 진동자(117)의 각각의 변위(이하, "X축 변위" 및 "Y축 변위"라고 함)가 검출 전극(119)에 의해 검출될 수 있다.
프레임(121)을 제2 기판(200)에 접합하기 위해서는, 유리 프릿(glass frit)을 사용한 접합, 땜납을 사용한 접합, 금(Au)이나 금 주석(AuSn)에 의한 금속 접합, 실리콘(Si)-실리콘(Si) 접합, 실리콘(Si)-산화 실리콘(SiO2) 접합 등의 각종의 접합 방법을 사용할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 관성 센서(1)에서, 진동자(117)의 진동은 Z축에 따른 단진동이다. 진동자(117)의 진동 좌표계에서의 기준 축으로 작용하는 직교 좌표계의 X축, Y축, 및 앞서 언급한 Z축은, 새로운 진동 좌표계의 기준 축으로 작용할 x축, y축, 및 z축으로 이동된다. x축, y축, 및 z축에서의 진동자(117)의 위치 좌표가, 진동자(117)의 1주기 중에 2개 이상의 지점에서 결정된다. 2개의 지점에서 결정된 x축, y축, 및 z축의 위치 좌표에 기초하여, 차분 벡터(Δx, Δy, Δz)가 산출된다. 이 차분 벡터를 사용하여 각속도 또는 가속도가 측정된다. 측정하는 방법에 대해서는 나중에 자세히 설명한다.
관성 센서(1)의 진동자(117)는, 단일 축 진동을 수행하도록 구동된다. 진동자(117)를 구동시키는 방법에 대해서는, 앞서 언급한 정전 구동, 전자기 구동, 및 압전 구동 등과 같은 다양한 구동 방법을 적용할 수 있다.
관성 센서(1)의 동작의 원리에 대하여 설명한다.
각속도를 측정하는 방법에 대하여 먼저 설명한다.
진동자(117)를 그 공진 주파수에서 구동시키기 위한 교류 전압이 진동 자(117)와 구동 전극부를 갖는 상부 전극(211) 사이에 3차원 좌표계에서의 Z축 방향으로 인가되어, 진동자(117)와 상부 전극(211) 사이에 정전력(electrostatic force)을 발생시킴으로써, 진동자(117)가 Z축을 따라 주기적으로 왕복 운동하도록 진동하게 된다.
이 경우, 예컨대 3차원 좌표계에서의 X축 주위에 각속도를 인가하면, 3차원 좌표계에서의 Y축 방향으로 코리올리 힘(Coriolis force) Fcoriolis가 발생한다. 이 코리올리 힘 Fcoriolis를 다음의 식으로 표현할 수 있다.
Fcoriolis = 2mvω
여기서 m은 진동자(117)의 질량을 나타내며, v는 구동 방향의 진동 속도를 나타내고, ω는 외부로부터 인가되는 각속도를 나타낸다. 진동자(117)가 Y축의 주위로 각속도 ω의 회전 운동을 하는 경우, 마찬가지로 X축 방향으로 코리올리 힘 F가 발생한다.
코리올리 힘은, 진동 방향에 대하여 수직(직각)인 방향으로 발생하기 때문에, 그 원리상, 진동 방향으로는 코리올리 힘이 발생하지 않는다. 따라서, 종래의 진동형 각속도 센서에서는, 1축 진동에 의해 최대 2축까지의 각속도 밖에 검출할 수 없거나, 2차원 진동(2축에 따른 동시 진동과 균등)에 의해 3축 방향으로 각속도의 검출만 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 관성 센서(1)에서는, 기준 진동 축이, 새로운 기준 축, 즉 진동 방향의 검출을 위한 3개의 좌표 축으로부터 각각 미리 정해진 각도로 의도적으로 이동된 x축, y축, 및 z축으로 설정된다. 따라서, 1축 기준 진동만으로, 3개의 축에 대한 각속도의 동시 측정이 가능하게 된다. 이러한 x축, y축, z축은 직교 좌표계로 하는 것이 바람직하다. 기준 진동 축과 검출 좌표 축 간의 관계에 대하여, 앞서 언급한 z축은 X축, Y축, 및 Z축의 직교 좌표계에서의 좌표 (1, 1, 1)를 통과하도록 설정되는 것이 가장 바람직하다. 이 경우, 각 축에 대하여 발생하는 코리올리 힘은 서로 균등하다. 각 축에 따른 코리올리 힘에 의해 생기는 변위를 결정하는 스프링 상수가 서로 동일하지 않다면, 몇몇 경우에는 좌표 (1, 1, 1)을 통과하기 위한 z축의 배치가 최적의 배치가 아닐 수 있다. 각각의 구조 또는 검출 시스템에 대해 최적의 각도가 선택될 수 있다.
검출 회로의 예에 대하여, 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 검출 회로의 블록도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 예컨대 검출 전극(119-1, 119-3)(도 2 참조)에 검출을 위한 캐리어 신호가 각각 인가된다. 이 캐리어 신호는 서로 위상이 180도 어긋나 있으며 전압은 동일하다. 진동자(117)(도 2 참조)의 변위에 기초하여 측정된 커패시턴스는, x축 캐리어 신호와 y축 캐리어 신호의 각각에 대해 커패시턴스 대 전압(C-V) 변환을 수행함으로써 증폭된다. x축 캐리어 신호는 x축에서의 캐리어 신호와 동기되고, 스위칭 신호 및 기준 커패시턴스를 포함한다. y축 캐리어 신호는, y축에서의 캐리어 신호와 동기되고, 스위칭 신호 및 기준 커패시턴스를 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이 해서 얻은 증폭 신호는, 출력 신호를 생성하기 위해, 진동자(117)의 진동을 모니터링함으로써 얻어진 신호(이하, "모니터 신호"라고 함) 를 사용하여 동기 검출된다. 출력 신호는 x축 데이터 및 y축 데이터를 생성하기 위하여 각각 저역통과 필터(LPF)를 통과하게 된다. 모니터 신호에 기초하여, z축 데이터가 얻어진다. x축, y축, 및 z축에 따른 변위가, x축, y축, 및 z축 데이터 블록에 기초하여 검출된다. 동기 검출을 위한 기준 신호의 위상이 변경될 때, 진동자(117)의 진동에서의 임의의 위상을 가진 신호가 검출될 수 있다. 신호들간의 차를 구함으로써, 1주기 중에 임의의 2개의 지점간의 변화를 검출할 수 있다.
각속도를 사용하여 차분 벡터를 구하는 것에 대하여 설명한다.
앞서 언급한 단일 축 진동에서는, 임의의 방향으로 힘을 인가하는 것에 의해 진동 방향이 변경된다. 샘플링 주기 간의 차를 구하기 위해 임의의 2개 이상의 샘플링 시간 t1, t2, t3, ...에서 위치 좌표가 결정되고, 이에 따라 진동에서의 변화가 벡터로서 측정될 수 있다. 특히, 주기적인 움직임을 나타내는 1주기 중에 2개의 지점 사이의 변화 벡터를 구하고, 힘을 인가할 때와 힘을 인가하지 않을 때 사이의 차를 구함으로써, 힘에 기인한 변위가 차분 벡터로서 구해진다.
이 경우, 단일 축 진동의 방향이 z축을 따라 설정되고, z축에 수직이고 서로에 대해 직각인, 즉 x축 및 y축이 90도로 교차하는 방향이 설정되며, 좌표계가 xyz 진동 좌표계로 설정된다. XYZ 검출 좌표계는, 앞서 언급한 진동 좌표계 및 3개의 축의 원점(origin point)과 동일한 원점을 갖도록, 즉 X축, Y축, 및 Z축이 앞서 언급한 x축, y축, 및 z축 상에 중첩되지 않도록 설정된다. x축과 X축 사이에 형성된 각도, y축과 Y축 사이에 형성된 각도, 및 z축과 Z축 사이에 형성된 각도를 각각 α, β, 및 θ로 한다.
단일 축 진동이 진동 좌표계에서 좌표 (0, 0, -z0)과 좌표 (0, 0, z0) 사이의 원점(0, 0, 0)을 통과하는 단진동인 것으로 가정하면, 임의의 각속도를 인가한 경우, 진동은 좌표 (0, 0, -z0)과 좌표 (0, 0, z0) 사이의 지점 (x0, y0, 0)을 통과하는 진동으로 바뀐다. 그 이유는 다음과 같다. 진동이 단진동에 대한 진동 좌표계에서의 z축에 따른 최대 진폭을 갖는 경우, 즉 위치가 (0, 0, -z0) 또는 (0, 0, z0)인 경우, 속도가 0인 것으로 측정된다. 이 경우, 코리올리 힘이 발생하지 않는다. z = 0일 때, 최대 속도 v0에 대응하는 코리올리 힘이 발생하고, 이 코리올리 힘에 의해 변위가 생긴다.
이러한 경우에, 진동 좌표계에서의 차분 벡터는 r→ = (x0, y0, 0)로 표현된다. "r→"는 r의 벡터를 나타낸다. 이하 마찬가지로 적용된다.
차분 벡터가 검출 좌표계의 차분 벡터로 변환되면, 각 좌표는 -α, -β, 및 -θ만큼 회전될 수 있다. 그 결과로서의 벡터를 다음과 같이 표현할 수 있다.
[식 1]
r→=(dX, dY, dZ)=(x0, y0, 0)Rz(-θ)Ry(-β)Rx(-α)
여기서, Rx, Ry, Rz는 각각의 축에 대한 회전 행렬을 나타낸다.
차분 벡터를 사용하여 각 축에 대한 각 속도를 산출하는 예에 대하여 설명한다.
앞서 언급한 1축 진동을 수행하는 구성은, 검출을 위한 X, Y, 및 Z와 관련해서 상대적으로 미리 정해진 각도로 진동하도록 배치되며, 진동자는 이러한 좌표계에서 (1, 1, 1)의 지점을 통과하는 방향으로 진동하도록 배치되는 것이 바람직하 다. 이에 대해서는, 도 4에 도시되어 있다.
X, Y, Z축 방향의 스프링 상수를 각각 kx, ky, kz로 하고, 검출 좌표계에서 각 축에 인가되는 각속도를 Ω=(ωx, ωy, ωz)라고 하며, 구동 진동(driving oscillation)의 검출 좌표 축으로의 투영 벡터를 V=(Vx, Vy, Vz)로 한다.
진동 축에 가해지는 코리올리 힘은 다음의 등식으로 표현할 수 있다.
Fc=2mΩ×V=2m(ωyVz-ωzVy, ωzVx-ωxVz, ωxVy-ωyVx)
이하의 등식은 코리올리 힘에 기인한 변위와 식 1로부터 성립한다.
dX=2m/kx(ωyVz-ωzVy);
dY=2m/ky(ωzVx-ωxVz); 및
dZ=2m/kz(ωxVy-ωyVx)
구동 진동의 투영 벡터 V=(Vx, Vy, Vz)는 임의로 설정하는 것이 가능하므로, 각속도 Ω=(ωx, ωy, ωz)를 구할 수 있다.
진동자(117)의 질량을 m으로 하고, 이 진동자(117)에 소정 방향으로 가해지는 가속도를 α라고 한다. 가속도 α와 동일한 방향으로 진동자(117)에 힘 F=mα가 작용한다. 이러한 힘이 가해질 때의 각 탄성 지지 부재(115)의 변위 x는 F=kx로 표현된다. 따라서, x∝α이다. 진동자(117)에 적용되는 가속도는 변위를 검출함으로써 구할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 각속도를 측정하는 종래의 방법에서는, 각각의 축에 수직으로 가해지는 힘을 직접 구한다. 따라서, 3축에 대한 각속도의 측정은 2개 이상의 단진동 진동자를 필요로 하거나, 단일 진동자의 2차원 진동을 필요로 한다. 본 발명은, 각속도 인가에 의한 진동 벡터의 변화에 주목한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 관성 센서(1)는 단순한 구조, 즉 단일의 축을 따라 진동하며 단진동을 나타내는 하나 이상의 단진동 진동자를 사용하여 3축에 대해 각속도를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 앞서 설명한 관성 센서(1)는 다양한 전기 및 전자 기기에 적용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관성 센서(1)는 가속도를 측정할 수 있다. 예컨대, 관성 센서(1)는 휴대형 하드 디스크 구동 장치(이하, 간단히 "HDD"라고 함), 노트북형 퍼스널 컴퓨터, HDD 내장 휴대형 음악 재생 장치, HDD 내장 휴대형 음악 녹음/재생 장치, HDD 탑재형 비디오 카메라 등의 HDD를 탑재한 휴대형 전자 기기, 휴대 전화기 등의 휴대 단말기 장치 등에 적용될 수 있다.
앞서 언급한 관성 센서(1)는 자세 제어 및 움직임 검출에도 사용될 수 있다. 예를 들면, 비디오 카메라, 스틸 카메라, 카메라의 교환 렌즈 등의 휴대형 촬영기기, 휴대 전화기 등의 휴대 단말기 장치, 사용자 인터페이스, 게임 콘솔, 게임 컨트롤러 등에 적용될 수 있다.
관성 센서(1)는 진동 제어에도 사용된다. 예를 들면, 전자동 세탁기, 자동차, 진동 제어 장치 등에 적용될 수 있다.
관성 센서(1)는 움직임 검출에도 사용될 수 있다. 예를 들면, 보수계(pedometer), 방범 장치, 방재 장치, 도난 방지 장치 등에 적용될 수 있다.
관성 센서(1)는 충격(충돌) 검출에도 사용된다. 예를 들면, 차량용 에어백 장치, 차량, 선박, 항공기 등의 사고 기록 장치, HDD 등에 적용될 수 있고, 또한 휴대형 HDD, 노트북형 퍼스널 컴퓨터, HDD 내장 휴대형 음악 재생 장치, HDD 내장 휴대형 음악 녹음/재생 장치, HDD 탑재형 비디오 카메라 등의 HDD를 탑재한 휴대형 전자 기기, 휴대 전화기 등의 휴대 단말기 장치 등에 적용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 관성 센서(1)는 모든 분야의 전기 전자 기기에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전기 전자 기기에 대하여 설명한다. 여기서 설명하는 것은 관성 센서(1)의 적용에 관한 것이며, 관성 센서(1)는 앞서 설명한 전기 및 전자 기기에 적용할 수 있다.
본 발명의 실시예(제1 실시예)에 따른 전기 전자 기기에 대하여, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 비디오 카메라 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 관한 비디오 카메라(310)는, 본체(311), 전방을 향한 측면에 배치된 촬영용 렌즈(312), 촬영시의 스타트/스톱 스위치(313), 표시부(314), 파인더(315), 촬영한 화상을 기록하는 기록 장치(도시하지 않음), 고체 촬상 장치 등의 촬상 소자(316), 각속도 센서가 장착된 기판(317), 및 각속도 센서를 포함한다. 각 속도 센서는 기판(317) 상에 배치된다. 본 발명의 실시예에 따른 관성 센서(1)는 각속도 센서로서 사용된다.
본 발명의 다른 실시예(제2 실시예)에 따른 전기 전자 기기에 대하여, 도 6의 (A) 및 (B)를 참조하여 설명한다. 도 6의 (A)는, 본 실시예에 따른 HDD를 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 6의 (B)는 HDD의 내부 구조를 나타내는 평면도이다.
도 6의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 HDD(330)는, 베이스 부재(331)와, 베이스 부재(331) 내에 배치된 구성 요소를 덮는 커버(332)를 포함한다. 본 실시예에 따른 HDD는 또한, 베이스 부재(331) 내에 배치된 베이스 기판(333), 자기 디스크(334), 자기 디스크(334)를 구동시키는 모터(335), 샤프트(336), 샤프트(336)에 회전가능하게 부착된 액추에이터 암(337), 헤드 서스펜션(338), 헤드 서스펜션(338)을 통해 액추에이터 암(337)의 단부에 배치된 자기 헤드(339), 베이스 기판(333) 상의 관성 센서(1)를 포함한다. 관성 센서(1)는 베이스 부재(331) 또는 커버(332) 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예(제3 실시예)에 따른 전기 전자 기기에 대하여, 도 7의 (A) 및 (B)를 참조하여 설명한다. 도 7의 (A)는 HDD를 포함하는 노트북형 퍼스널 컴퓨터를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 여기서, 컴퓨터는 표시부를 노출시키도록 개방되어 있다. 도 7의 (B)는 폐쇄된 상태의 노트북형 퍼스널 컴퓨터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 노트북형 퍼스널 컴퓨터(350)는, 본체(351), 사용자가 문자 등을 입력할 때 조작하는 키보드(352), 화상을 표시하기 위한 표시부(353), HDD 장치(354) 등을 포함한다. 본 발명의 앞서 언급한 실시예에 따른 관성 센서(1)가 탑재된 HDD(300)는 노트북형 퍼스널 컴퓨터(350)에서의 HDD(354)로서 사용된다. 관성 센서(1)는, 노트북형 퍼스널 컴퓨터(350)의 기판(도시 안 됨) 상에 배치될 수 있거나, 본체(351)와 표시부(353)를 구성하는 하우징 내의 이용가능한 공간 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예(제4 실시예)에 따른 전기 전자 기기에 대하여, 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은 HDD를 포함하는 게임 콘솔을 나타내는 평면도이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 관한 HDD 장치를 탑재한 게임 콘솔(370)은, 본체(371), 화면 등을 조작하는 제1 조작 버튼군(372) 및 제2 조작 버튼군(373), 화상을 표시하는 표시부(374), HDD 장치(375) 등을 포함한다. 본 발명의 앞서 언급한 실시예에 따른 관성 센서(1)가 탑재된 HDD(330)는 HDD(375)로서 사용된다. 관성 센서(1)는 게임 콘솔(370)의 기판(도시 안 됨) 상에 배치될 수 있거나, 본체(371)를 구성하는 하우징 내의 이용가능한 공간 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예(제5 실시예)에 따른 전기 전자 기기에 대하여, 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 HDD 장치를 탑재한 비디오 카메라를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 관한 HDD 장치를 탑재한 비디오 카메라(390)는, 본체(391), 전방을 향한 측면에 배치된 촬영용 렌즈(392), 촬영시의 스타트/스톱 스위치(393), 표시부(394), 파인더(395), 촬영한 화상을 기록하는 HDD 장치(396) 등을 포함한다. 본 발명의 앞서 언급한 실시예에 따른 관성 센서(1)를 포함하는 HDD(330)는 HDD(396)로 사용된다. 관성 센서(1)는 비디오 카메라(390)의 기판(도시 안 됨) 상에 배치될 수 있거나, 본체(391)를 구성하는 하우징 내의 이용가능한 공간 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예(제6 실시예)에 따른 전기 전자 기기에 대하여, 도 10의 (A) 내지 (G)를 참조하여 설명한다. 도 10의 (A)는 카메라가 탑재된 모바일 단 말, 예컨대 본 실시예에 따른 카메라가 탑재된 모바일 폰이 개방된 상태를 나타내는 정면도이고, 도 10의 (B)는 개방된 상태의 모바일 폰의 측면도이다. 도 10의 (C)는 폐쇄된 상태의 모바일 폰의 정면도이다. 도 10의 (D)는 폐쇄된 상태의 모바일 폰의 좌측면도, 도 10의 (E)는 우측면도, 도 10의 (F)는 상면도, 도 10의 (G)는 바닥면도이다.
도 10의 (A)~(G)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 모바일 폰(410)은, 상부 하우징(411), 하부 하우징(412), 연결부(여기서는 경첩부)(413), 디스플레이(414), 서브 디스플레이(415), 픽처 라이트(picture light)(416), 카메라(417), 및 각속도 센서(418) 등을 포함한다. 각속도 센서(418)로서는, 본 발명의 앞서 설명한 실시예에 따른 관성 센서(1)가 사용된다. 관성 센서(1)는 모바일 폰(410)의 상부 하우징(411)의 내부의 다른 위치에 배치되거나, 하부 하우징(412) 내부의 이용가능한 공간 내에 배치될 수 있다.
앞서 설명한 전기 전자 기기는 본 발명의 앞서 설명한 실시예에 따른 관성 센서(1)를 각각 포함하기 때문에, 전기 전자 기기는 관성 센서를 설치하기 위한 공간이 최소화될 수 있다. 이는 관성 센서를 소형화할 수 있기 때문이다. 특히 휴대형의 전기 전자 기기를 소형화할 수 있다는 장점이 있다.
당업자라면, 첨부된 청구범위 또는 이와 균등의 범위 내에 있는 한 설계 요건과 다른 요인에 따라 다양한 변형, 변경, 조합, 부분 조합이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 관성 센서를 개략적으로 나타내는 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관성 센서를 개략적으로 나타내는 종단면도이다.
도 3은 검출 회로의 블록도이다.
도 4는 좌표 축을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예(제1 실시예)에 따른 전기 전자 기기로서 작용하는 비디오 카메라를 개략적으로 나타내는 사시도로서, 비디오 카메라의 필수 부분을 나타내는 평면도를 포함하고 있다.
도 6의 (A)는 본 발명의 다른 실시예(제2 실시예)에 따른 전기 전자 기기로서 작용하는 하드 디스크 드라이브(HDD)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6의 (B)는 HDD의 내부 구조를 나타내는 평면도이다.
도 7의 (A) 및 (B)는 본 발명의 다른 실시예(제3 실시예)에 따른 전기 전자 기기로서 작용하는 노트북형 퍼스널 컴퓨터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예(제4 실시예)에 따른 전기 전자 기기로서 작용하는 게임 콘솔을 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예(제5 실시예)에 따른 전기 전자 기기로서 작용하는 비디오 카메라를 개략적으로 나타내는 사시도로서, 비디오 카메라의 필수 부분을 나타내는 평면도를 포함하고 있다.
도 10의 (A) 내지 (G)는 본 발명의 다른 실시예(제6 실시예)에 따른 전기 전자 기기로서 작용하는 모바일 폰을 나타내는 도면으로서, (A)는 모바일 폰이 개방된 상태를 정면도이며, (B)는 모바일 폰의 측면도이며, (C)는 모바일 폰이 폐쇄된 상태의 정면도이고, (D)는 모바일 폰의 좌측면도이며, (E)는 모바일 폰의 우측면도이고, (F)는 모바일 폰의 상면도이며, (G)는 바닥면도이다.

Claims (5)

  1. 베이스부에 대하여 부유하는 상태로 단일 축을 따라 변위 가능하게 탄성 지지 부재에 의해 지지되는 진동자(oscillator); 및
    상기 진동자의 변위를 검출하는 변위 검출부(displacement detection unit)
    를 포함하며,
    상기 진동자의 진동은 Z축 방향의 단진동(simple harmonic motion)이며,
    상기 진동자의 진동 좌표계의 기준 축으로 작용하는 직교 좌표계의 X축, Y축 및 상기 Z축은, 새로운 진동 좌표계의 기준 축으로 작용하는 x축, y축 및 z축을 제공하도록 이동되고,
    상기 진동자의 상기 x축, y축, 및 z축에서의 위치 좌표는, 상기 진동자의 1주기 중에 2개 이상의 지점에서 결정되며,
    상기 2개 지점에서 결정된 상기 x축, y축, 및 z축의 상기 위치 좌표에 기초하여, 차분 벡터(Δx, Δy, Δz)가 산출되고,
    상기 차분 벡터에 기초하여 각속도 또는 가속도를 구하는, 관성 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 새로운 기준 축으로 작용하는 상기 x축, y축 및 z축은, 상기 진동자의 진동 방향을 검출하는 상기 기준 축으로 작용하는 상기 X축, Y축 및 Z축을 각각 각도 α, 각도 β, 및 각도 θ만큼 이동시켜 얻어지는, 관성 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 x축, y축 및 z축은 직교 좌표계를 형성하는, 관성 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 z축은, 상기 X축, Y축 및 Z축의 상기 직교 좌표계에서의 좌표 (1, 1, 1)을 통과하도록 배치되는, 관성 센서.
  5. 전기 전자 기기에 있어서,
    상기 전기 전자 기기의 움직임에 의해 생기는 각속도 또는 가속도를 측정하는 관성 센서를 포함하며,
    상기 관성 센서는,
    베이스부에 대하여 부유하는 상태로 단일 축 방향으로 변위 가능하게 탄성 지지 부재에 의해 지지되는 진동자; 및
    상기 진동자의 변위를 검출하는 변위 검출부
    를 포함하며,
    상기 진동자의 진동은 Z축 방향의 단진동이며,
    상기 진동자의 진동 좌표계의 기준 축으로 작용하는 직교 좌표계의 X축, Y축 및 상기 Z축은, 새로운 진동 좌표계의 기준 축으로 작용하는 x축, y축 및 z축을 생성하도록 이동되고,
    상기 x축, y축, 및 z축의 상기 진동자의 위치 좌표는, 상기 진동자의 1주기 중에 2개 이상의 지점에서 결정되며,
    상기 2개 지점에서 결정된 상기 x축, y축, 및 z축의 상기 위치 좌표에 기초하여, 차분 벡터(Δx, Δy, Δz)가 산출되고,
    상기 차분 벡터에 기초하여 각속도 또는 가속도를 구하는, 전기 전자 기기.
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