KR20120092211A

KR20120092211A - 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프

Info

Publication number: KR20120092211A
Application number: KR1020110007841A
Authority: KR
Inventors: 박규연
Original assignee: 주식회사 유비트로닉스
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-08-21
Also published as: KR101306877B1

Abstract

본 발명의 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프는 중앙에 고정 배치되는 앵커부; 인가되는 전압에 의해 정전력을 발생시키는 구동부; 상기 앵커부에 다수개의 탄성부재에 의해 연결되어 상기 구동부에서 발생된 정전력에 의해 서로 반대 방향으로 진동하는 제1 질량체와 제2 질량체를 포함하는 질량부; 상기 앵커부와 상기 회전진동부의 사이에 배치되며 일측면에 다수개의 빗살 모양의 고정전극이 소정 간격으로 형성된 고정전극부; 및 상기 질량부와 상기 다수개의 탄성부재를 통해 연결되어 외부회전운동에 의한 코리올리 힘이 상기 진동하는 질량부에 인가되는 경우 상기 코리올리 힘에 의해 회전진동하여 회전진동에 의해 변화되는 정전용량을 상기 고정전극부의 다수개의 고정전극과 소정 간격을 두고 형성된 다수개의 빗살 모양의 감지전극에 의해 검지하는 회전진동부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 감지구조물의 외부에 두 개의 대칭되는 질량체가 마주보는 방향의 진동모드 즉, 튜닝포크모드의 진동을 유발하여 외부의 진동에 의한 외란을 최소화함으로써 상대적으로 외부의 진동이 상쇄되어 정확한 각속도 출력을 얻을 수 있다.

Description

내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프{TUNING FORK TYPE GYROSCOPE HAVING INTERNAL SENSING ELECTRODE}

본 발명은 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감지구조물의 외부에 두 개의 대칭되는 질량체가 마주보는 방향의 진동모드 즉, 튜닝포크모드의 진동을 유발하여 외부의 진동에 의한 외란을 최소화하는 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 진동 자이로스코프에 관한 것이다.

일반적으로, 자이로스코프(Gyroscope)는 이동체의 회전에 따른 각속도를 감지하기 위한 센서로 이용되고 있는데, 이러한 자이로스코프의 종류에는, 작용하는 힘의 종류에 따라 기계식 자이로(mechanical Gyro)와 진동식 자이로(vibrating Gyro)로 구분될 수 있고, 또한, 상기 진동식 자이로는 제조공정에 따라 세라믹 자이로(Ceramic Gyro)와, 반도체 제조공정 이용하는 MEMS(Micro Electro-Mechanical System)형 자이로가 있다. 그리고, 진동식 자이로 중에서 작용하는 힘의 방향에 따라 수평 자이로(Lateral Gyro)와 수직 자이로(Vertical Gyro)로 구분되는데, 상기 수평 자이로는 속도의 수평면과 수평 방향으로 코리올리힘을 이용하고, 상기 수직 자이로는 속도의 수평면과 수직 방향으로 코리올리힘을 이용한다.

상기 진동식 자이로에 이용되는 코리올리힘(Koriolri-force)은 "Fc = 2mΩ?V "식에 의해 구해질 수 있으며, 여기서, "m"은 이동체의 무게이고, "Ω"는 각속도이며, "V"는 속도이다. 상기 코리올리힘(Fc)의 방향은 속도(V)축 및 각속도(Ω)의 회전축에 의해 결정된다.

한편, 이러한 진동식 자이로는 고정 구조물과 진동 구조물로 크게 이루어지는데, 여기서 진동 구조물은 가진을 위한 구조 및 감지를 위한 구조를 포함하며, 상기 가진 구조는 가진모드에서 감지조건을 형성하기 위해 진동 구조물을 자력 발진으로 공진시키기 위한 구조이고, 상기 감지 구조는 이동체의 흔들림에 해당하는 각가속도에 수직하는 방향으로 작용하는 코리올리힘(F)에 의해 진동 구조물을 공진시키기 위한 구조이다. 여기서, 가진모드의 공진과 감지모드의 공진은 서로 수직방향으로 이루어지며, 상기 코리올리힘(Fc)의 크기에 따라 커패시터의 크기를 측정한다. 이러한 진동식 자이로에서 감지능력을 향상시키기 위해서, 가진모드에서의 움직임을 크도록 하고, 감지모드에서의 감도를 양호하게 하여야 한다.

상기 감지모드에서, 자이로스코프의 전압 검출 방식으로는 코리올리힘에 해당하는 커패시턴스를 측정하여 전압으로 변화는 방식과, 코리올리힘에 의한 움직임을 억제하는데 필요한 전압을 측정하는 리밸런스(rebalance) 방식이 있다.

이러한 진동식 자이로는 디지털 영상기기의 화면 안정화, 자동차용 에어백(Roll-over airbag) 장치, 자동차 항법장치, 단거리 유도탄의 항법장치 등에 적용된다.

다른 한편, 진동형 자이로를 구성함에 있어서, 자이로는 일정방향의 각속도를 측정하는 센서이므로 측정하고자 하는 방향 이외의 각속도나 운동에 대하여 반응이 둔감하여야 하는데, 이러한 측정하고자 하는 방향 이외의 운동에 대한 민감도를 크로스 토크(Cross Talk) 혹은 크로스 센시티비티(Cross Sensitivity)라고 정의하며, 물리량을 측정하는 센서에서 그 값을 최소화하여 제품의 사양에서 어느 일정한 값 이하로 규제하고 있다.

이하, 종래의 마이크로 자이로스코프에 대해서 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 수평형 마이크로 자이로스코프의 평면도로서, 도 1을 참조하면, 종래의 수평형 마이크로 자이로스코프(10)는 기판과, 서로 병렬로 배치되는 제1 및 제2 스트라이프 포션(stripe portion)(15,15')을 포함하고 이들 스트라이프 포션(15,15')의 일측에 각각 형성된 제1 및 제2 코움(combs)(20,21)을 포함하며 상기 제1 및 제2 스트라이프 포션(15,15')을 연결하기 위한 연결 포션(16)을 포함하는 진동구조(30)와, 상기 기판으로부터 설정 갭만큼 이격되도록 상기 진동수단(30)을 탄성적으로 지지하는 탄성수단(11,12,12')과, 탄성력에 기인하는 일 방향으로 상기 진동수단(30)을 적용하기 위해 상기 제1 스트라이프 포션(15)의 제1 코움(20) 사이에 삽입된 제3 코움(19)을 포함하는 구동수단(13)과, 커패시턴스의 변화를 통해 상기 구동수단(13)에 의해 구동되는 상기 진동구조(30)의 움직임을 감지하기 위해, 상기 제2 스트라이프(15')의 제2 코움(22) 사이에 삽입된 제4 코움(21)을 포함하는 감지수단(14)과, 커패시턴스의 변화를 통해 코리올리힘에 기인하는 상기 진동구조(30)의 위치변경을 감지하기 위해, 설정된 갭만큼 상기 진동구조(30)로부터 이격되도록 된 상기 진동구조(30)와 동일한 면상에 상기 진동구조(30)의 연결 포션(16) 사이에 배치된 복수의 감지전극(18)으로 이루어져 있다. 이에 대한 상세한 설명은 US특허 제5747690A호에 기재되어 있다.

이와 같은 기술과 관련된 종래의 마이크로 자이로스코프는 도 1에 나타낸 바와 같이, 수평방향(X)으로 코움(21)을 이용하여 가진하게 되고, 이와 마찬가지로 수직방향(Y)으로 유발되는 진동구조(30)의 코리올리의 진동을 감지전극(18)을 통하여 감지할 수 있도록 하는데, 즉, 부유질량(30)의 양면에 위치한 코움(19)(20)(21)(22)에 교류의 전압을 인가하여 부유질량이 X축 방향으로 진동하고 있을 경우, Z축 방향의 각속도가 인가되면, 코리올리의 힘에 의하여 질량은 진동하는 주파수로 Y축 방향으로 진동하게 되며, 이때 상기 진동범위는 인가된 각속도에 비례하여 질량의 Y축 방향 진동을 감지전극(18)을 이용하여 진동 주파수로 검출함으로써 각속도 신호를 얻을 수 있는 것이다.

그러나, 종래의 멤스(MEMS) 기술로 제작되는 진동형 마이크로 자이로스코프는 실사용에 있어서 외부의 진동이나 소음에 민감하다. 특히, 외부의 진동에 의하여 자이로스코프가 간섭을 받을 경우 정확한 각속도의 측정이 난이해진다. 전술한 종래의 수평형 마이크로 자이로스코프에서, X방향 혹은 Y방향의 진동이 외부에서 인가될 경우 자이로스코프의 작동에 영향을 끼치게 되므로 자이로스코프의 출력에 감지하고자 하는 신호 이외에 외부의 진동의 해당되는 오차가 발생한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 서로 마주보는 동일한 질량체가 반대 방향의 튜닝포크모드로 진동함으로써 상대적으로 외부의 진동이 상쇄되어 정확한 각속도 출력을 얻을 수 있도록 한 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프를 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프의 일 측면에 따르면, 중앙에 고정 배치되는 앵커부; 인가되는 전압에 의해 정전력을 발생시키는 구동부; 상기 앵커부에 다수개의 탄성부재에 의해 연결되어 상기 구동부에서 발생된 정전력에 의해 서로 반대 방향으로 진동하는 제1 질량체와 제2 질량체를 포함하는 질량부; 상기 앵커부와 상기 회전진동부의 사이에 배치되며 일측면에 다수개의 빗살 모양의 고정전극이 소정 간격으로 형성된 고정전극부; 및 상기 질량부와 상기 다수개의 탄성부재를 통해 연결되어 외부회전운동에 의한 코리올리 힘이 상기 진동하는 질량부에 인가되는 경우 상기 코리올리 힘에 의해 회전진동하여 회전진동에 의해 변화되는 정전용량을 상기 고정전극부의 다수개의 고정전극과 소정 간격을 두고 형성된 다수개의 빗살 모양의 감지전극에 의해 검지하는 회전진동부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 감지구조물의 외부에 두 개의 대칭되는 질량체가 마주보는 방향의 진동모드 즉, 튜닝포크모드의 진동을 유발하여 외부의 진동에 의한 외란을 최소화함으로써 상대적으로 외부의 진동이 상쇄되어 정확한 각속도 출력을 얻을 수 있다.

또한, 감지방향의 진동모드도 회전모드를 사용하므로 감지방향으로는 직선적인 진동의 영향을 최소화할 수 있다.

도 1은 종래의 수평형 마이크로 자이로스코프의 평면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프를 나타내는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 중앙에 앵커(50)가 배치되고, 앵커(50)의 주변에는 일측면에 소정 간격으로 다수개의 빗살 모양의 감지전극(90)이 형성된 원형의 내부 프레임(70)이 배치된다.

앵커(50)와 내부 프레임(70)의 사이에는 부채꼴 형상으로 된 다수개의 내부감지 고정부(60)와 다수개의 내부감지 고정부(60)에 형성된 다수개의 빗살 모양의 내부고정전극(80)이 배치된다.

내부 프레임(70)에 형성된 다수개의 빗살 모양의 감지전극(90)은 내부감지 고정부(60)에 형성된 다수개의 빗살 모양의 내부감지 고정전극(80)과 소정 간격을 두고 배치된다.

내부 프레임(70)의 외부에는 상,하 방향에 각각 두 개의 대칭되는 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)가 내부 프레임(70)과 소정 간격을 두고 서로 마주보는 상태로 배치된다.

제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)는 각각 X축 방향으로 제1 스프링(150)과 제2 스프링(170)에 의해 내부 프레임(70)을 통해서 앵커(50)에 고정된다. 또한, 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130) 상호간은 제3 스프링(190)과 제4 스프링(210)에 의해 연결되고, 제3 스프링(190)과 제4 스프링(210)은 각각 Y축 방향으로 내부 프레임(70)을 통해서 앵커(50)에 고정된다.

제1 질량체(110)의 상부에는 빗살 구조의 구동부(230)가 형성되고, 제2 질량체(130)의 하부에는 빗살 구조의 구동 감지부(250)가 형성된다.

구동부(230)는 본 발명의 진동형 자이로스코프를 구동시키기 위한 전원을 인가한다. 구동부(230)에 전압이 인가되면 인가된 전압에 의해 정전력(Electrostatic Force)이 발생된다.

제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)는 구동부(230)에 전압이 인가되어 발생된 정전력에 의해 상하방향(X방향)으로 서로 반대방향으로 진동한다. 이러한 진동모드는 음쌍자(Tuning Fork)의 진동모드와 흡사하기 때문에 튜닝포크모드라고 한다. 여기서, 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)의 진동을 극대화하여 자이로스코프의 민감도를 확보하기 위하여 진동구조물의 공진주파수로 진동을 유발하며, 마찬가지로 감지 민감도를 극대화하기 위하여 회전 z방향의 공진주파수도 진동방향의 공진주파수와 비슷하거나 동일하게 조정한다.

내부 프레임(70)은 외부에 발생되는 회전운동(Ω)에 의하여 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)의 진동속도와 외부의 회전속도에 비례하는 Z회전방향의 코리올리(Coriolis) 힘이 튜닝포크모드로 진동하는 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)에 인가되어 전달되면 회전 모멘트가 발생되어 회전방향운동이 유발된다.

내부 프레임(70)에 형성된 다수개의 감지전극(90)은 내부감지 고정부(60)에 형성된 다수개의 내부고정전극(80)과 소정의 간격을 두고 설치된 다수의 캐패시턴스 측정용 감지전극으로서, 내부 프레임(70)의 회전진동에 의한 코리올리 운동을 감지한다. 여기서, 코리올리 운동은 외부에서 가해지는 각속도와 비례하므로 캐패시턴스의 변화를 전기적으로 측정하여 각속도를 측정한다. 즉, 코리올리 힘에 의해 발생된 내부 프레임(70)의 회전진동이 감지전극(90)의 정전용량(Capacitance)의 변화를 유발시키고, 감지전극(90)에 유발된 정전용량의 변화를 검지함으로써 외부회전운동의 회전속도를 감지한다.

구동 감지부(250)는 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)의 튜닝포크모드의 진동을 감지하여 감지된 진동에 의한 공진 주파수로 공진시켜 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)의 튜닝포크모드의 진동을 안정된 상태로 지속시킨다.

전술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 자이로스코프는 종래의 멤스(MEMS) 기술로 제작되는 진동형 마이크로 자이로스코프의 실사용에 있어서 외부의 진동이나 소음에 민감한 현상을 방지하며 성능을 향상시키기 위하여 외부의 진동을 상쇄시키는 진동모드를 적용하여 질량체와 스프링을 형성하고 진동을 유발하는 전극과 운동을 감지하는 전극을 배치하여 외부의 진동이나 음향의 간섭을 받는 환경에서 정확한 각속도를 측정한다.

하기에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 진동형 자이로스코프의 동작에 대해 설명하기로 한다.

구동부(230)에 전압이 인가되면 인가된 전압에 의해 정전력(Electrostatic Force)이 발생된다. 이에 따라, 서로 마주보며 위치한 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)는 발생된 정전력에 의해 상하방향(X방향)으로 서로 반대방향으로 진동한다. 이러한 진동모드는 음쌍자(Tuning Fork)의 진동모드와 흡사하기 때문에 튜닝포크모드라고 한다.

외부에 발생되는 회전운동(Ω)에 의하여 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)의 진동속도와 외부의 회전속도에 비례하는 Z회전방향의 코리올리(Coriolis) 힘이 튜닝포크모드로 진동하는 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)에 인가된다.

튜닝포크모드로 진동하는 제1 질량체(110)와 제2 질량체(130)에 인가된 코리올리 힘은 내부 프레임(70)으로 전달되어 회전 모멘트를 발생시켜 내부 프레임(70)의 회전방향운동을 유발시킨다.

이에 따라, 내부감지 고정부(60)에 형성된 다수개의 내부고정전극(80)과 소정의 간격을 두고 설치된 다수개의 캐패시턴스 측정용 감지전극(90)에 의해 코리올리 운동이 감지된다. 코리올리 운동은 외부에서 가해지는 각속도와 비례하므로 캐패시턴스의 변화를 전기적으로 측정하여 각속도를 측정한다. 즉, 코리올리 힘에 의해 발생된 내부 프레임(70)의 회전진동이 감지전극(90)의 정전용량(Capacitance)의 변화를 유발시키고, 감지전극(90)에 유발된 정전용량의 변화를 검지함으로써 외부회전운동의 회전속도를 감지한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

50 : 앵커 60 : 내부감지 고정부
70 : 내부 프레임 80 : 내부고정전극
90 : 감지전극 110,130 : 질량체
150 ~ 210 : 스프링 230 : 구동부
250 : 구동 감지부

Claims

내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프로서,
중앙에 고정 배치되는 앵커부;
인가되는 전압에 의해 정전력을 발생시키는 구동부;
상기 앵커부에 다수개의 탄성부재에 의해 연결되어 상기 구동부에서 발생된 정전력에 의해 서로 반대 방향으로 진동하는 제1 질량체와 제2 질량체를 포함하는 질량부;
상기 앵커부와 상기 회전진동부의 사이에 배치되며 일측면에 다수개의 빗살 모양의 고정전극이 소정 간격으로 형성된 고정전극부; 및
상기 질량부와 상기 다수개의 탄성부재를 통해 연결되어 외부회전운동에 의한 코리올리 힘이 상기 진동하는 질량부에 인가되는 경우 상기 코리올리 힘에 의해 회전진동하여 회전진동에 의해 변화되는 정전용량을 상기 고정전극부의 다수개의 고정전극과 소정 간격을 두고 형성된 다수개의 빗살 모양의 감지전극에 의해 검지하는 회전진동부를 포함하는 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프.
청구항 1에 있어서,
상기 질량부의 진동을 감지하여 감지된 진동에 의한 공진주파수로 공진시켜 상기 질량부의 진동을 안정된 상태로 지속시키는 구동 감지부를 더 포함하는
것을 특징으로 하는 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프.
청구항 2에 있어서,
상기 구동 감지부는 빗살 형상 구조인
것을 특징으로 하는 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프.
청구항 1에 있어서,
상기 구동부는 빗살 형상 구조인
것을 특징으로 하는 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프.
청구항 1에 있어서,
상기 질량부의 제1 질량체와 제2 질량체는 동일한 질량을 갖는 질량체로서, 서로 마주보며 반대 방향의 튜닝포크모드로 진동하는
것을 특징으로 하는 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프.
청구항 1에 있어서,
상기 회전진동부는 내측면에 소정 간격으로 다수개의 빗살 모양의 감지전극이 형성된 원형의 프레임으로 상기 고정전극부와 상기 질량부의 사이에 배치되는
것을 특징으로 하는 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프.
청구항 1에 있어서,
상기 회전진동부의 다수개의 감지전극은 상기 고정전극부의 다수개의 고정전극과의 사이에서 변화되는 정전용량을 검지하여 상기 외부회전운동의 각속도를 감지하는
것을 특징으로 하는 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프.