KR20140009434A - 스프링 구조물, 공명기, 공명기 어레이 및 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스프링 구조물을 제공하며, 스프링 구조물은 질량체들(Ma, Mb)에 연결된 스프링들(Sh1, Sh2)에 의하여 역상 진동기로서 제1 방향에서, 루프들의 커플링 지점들에 연결된 상기 스프링들(Sh1, Sh2) 사이의 루프(L, E)를 경유하여 커플링된 적어도 2개의 질량체들(Ma, Mb)을 가지며, 경사 스프링들(Sl45, Sr45)은 루프(L)의 상기 커플링 지점들로부터 베이스의 앵커들(A)에 연결되어 있어서, 루프(L)의 길이방향 운동이 상기 제1 방향에 대해 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 발생하도록 배열되어 있으며, 따라서 질량체들(Ma, Mb)의 진동 이외에 역상 진동을 감쇠시킨다. 본 발명은 또한 공명기 및/또는 공명기 어레이뿐만 아니라 센서 또는 센서 포함 시스템에서 스프링 구조물의 사용을 제시한다.

Description

스프링 구조물, 공명기, 공명기 어레이 및 센서{SPRING STRUCTURE, RESONATOR, RESONATOR ARRAY AND SENSOR}

본 발명은 일반적으로 공명기 기술에 관한 것이다. 특히 본 발명은 센서에 관한 것으로서, 센서에서, 특히 스프링 구조물과 관련된 독립항의 전제부에 제시된 바와 같이 그러한 스프링 구조물에 의하여 오류 제거에 관한 것이다. 또한 본 발명은 공명기와 관련된 독립항의 전제부에 설명한 바와 같은 공명기에 관한 것이다. 또한 본 발명은 공명기 어레이와 관련된 독립항의 전제부에 설명한 바와 같은 공명기 어레이에 관한 것이다. 또한 본 발명은 센서와 관련된 독립항의 전제부에 설명한 바와 같은 센서에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 적어도 하나의 공명기를 갖는 센서 시스템에 관한 것이다.

진동 및 충돌 저항은 각속도 센서에서 요구하는 중요한 특성들이다. 특히, 주행 안정성 제어 시스템과 같이 공지된 기술의 자동차 산업 응용분야에서, 이러한 필요조건들은 극도로 엄격하다. 예를 들어 바위 또는 자동차 운전자에 의해 초래된 진동으로 인한 심한 외부 충격이라도 각속도 센서의 출력에 영향을 주지 않아야 한다.

예를 들어 각속도 센서에서와 같이 공지된 기술에 따른 마이크로기계 공명기에서는, 이동 질량체들 사이에 커플링 스프링을 설계하고, 이 스프링이 그들의 역상(opposite-phase) 운동을 허용하며 동시에 질량체들의 공통 모드 운동에 저항하도록 하는 것이 바람직한 것으로 생각되고 있다. 그러한 배열은 특히 실제 신호로부터 기계적 충격을 분리하는데 사실상 사용되고 있다. 이 경우에, 질량체로부터 검출되어야 할 신호는 차별(differential)이 있는 반면에, 그들에 공통으로 영향을 주는 가속도는 공통 모드 편향을 초래한다.

단순한 커플링 공명기는 도 1에 따라 2개의 질량체(m1, m2)와 2개의 유사한 일차원 스프링(S1, S2, S3)으로 이루어진다. 그러한 구조는 모드의 차별로부터 질량체(m1, m2)의 공통 모드 운동을 효율적으로 분리한다. 그러나, 가속도에 대한 민감성의 관점에서는 그러한 구조는, 커플링 스프링이 동위상(in-phase) 운동에 참여하지 않아, 질량체들이 역상보다 동위상에서 더 쉽게 편향하기 때문에(상기 모드의 주파수가 낮다) 바람직하지 않다. 도 1에서 간단한 커플링된 공명기의 개략도에서, 그 스프링 커플링 질량체는 다른 것과 같이 유사한 일차원 스프링이다.

특히, Bosch는 Z-축의 자이로와 같은 것을 위해 커플링된 스프링 구조물을 설명한 US 6,752,017 B2를 가지고 있으며, 여기서 검출 운동은 공통의 운동축에서 질량체들의 역상 진동이다. 공지된 기술의 이러한 스프링 구조물에서 흔한 것은, 그들이 스프링 구조물이 커플링될 인접한 질량체들 사이에 배치되어 있는 팩터(factor)와 일차 모드 및 이차 모드 모두의 주파수들을 형성하는데 참여한다는 것이다.

그러나, 공지된 기술에서 설명하는 스프링 구조물의 약점은 선형 가속도에 대한 감도이며, 그들이 상술한 단순 커플링된 공명기에서와 같이 역상보다는 공통 모드 운동에 대해 더 많이 벗어나기 때문이며, 여기서 충격 및 진동이 질량체(m1, m2)를 필요한 역상 여기(excitation)보다 더 용이하게 편향시킨다. 추가로, 일차모드의 비선형성은 스프링 구조물이 양쪽 모드에 참여하기 때문에 제어하기가 어렵다. 따라서, 다른 모드들을 커플링하는 스프링 구조물들을 전체적으로 분리하는 것이 바람직하며, 즉 일차 운동의 서스펜션의 비선형성은 이차 서스펜션과는 별개로 구성될 수 있다.

일차원 축들 상에서 진동 질량체들을 장착한 시소형(seesaw-like) 커플링 스프링을 사용하기 위해 개선이 사실상 제시되었으며, 이 스프링을 기계적 간섭에 관하여 명백히 더 양호한 해법이며, 왜냐하면 스프링이 역상 편향보다는 동위상에 대해 더 큰 스티프(stiff)를 갖기 때문이다. 그러한 스프링 서스펜션은 예를 들어, 상부단과 하부단에서 y-축 방향으로 시소형 커플링된 스프링 구조물을 가지며 공지된 기술에 따라 Z-축 각속도 센서를 도시하는 도 2에서 여자기 프레임의 y-방향 일차 운동을 위해 실시되어 있다.

그러나, 도 2의 각속도 센서 구조물에서 전적으로 놓치고 있는 것은 프레임 내에서 질량체들(M1, M2) 사이의 커플링으로서, 여기서 x-축 방향에서 질량체들은 거의 독립적인 가속도 센서들로서 기능한다는 점이다. 커플링이 없으면 질량체들은 검출될 역상 코리올리 힘(Coriolis force)에 대하여 기계적으로 거의 (공통 모드) 기계적 간섭에 민감하다. 질량체들을 위해 커플링된 서스펜션을 어떻게 설계하는 것이 바람직한가 하는 의문이 여전히 열려진 채로 남아 있으며, 이 서스펜션은 그들의 동위상 운동을 방지하지만 그러나 y-축 방향에서 일차 운동에 참여하지 않는다.

상술한 바와 같은 시소 서스펜션은 단일방향의 평행한 축들상에서 이동하는 질량체들에서와 같이 작업가능한 해법을 형성하지만, 타이트하게 적층된 구조물에 대해 생각하면 그것은 더 많은 공간을 차지한다. 공통축에서 이동하는 질량체들을 장착한 어떤 의미로 낭비하는 그러한 대향 구조물은 도 3에 대략 도시되어 있다. 도 3에서 그러한 구조물은 질량체들 사이에서 거의 전체 공간을 차지하며, 이것은 초기에는 일차 운동의 여기 콤(excitation comb) 구조물에 사용되었다.

공지된 기술에 따른 해법은 사실상 질량체들을 위해, 그들의 동위상 운동을 방지하지만 그러나 y-축 방향에서 일차 운동에 참여하지 않는 커플링 서스펜션을 어떻게 설계하는가 하는 문제를 해결하는데 목표를 두고 있었다.

Bosch 특허 문서 WO 2010/034556 A3호는 또한 각속도 센서의 이차모드 커플링에도 역시 응용될 수 있는 4개의 코너 요소로 구성된 서스펜션을 개시하고 있다. 베이스에의 부착 지점들이 그 외부 코너들에 구성되어 있기 때문에, 그 결과 예를 들어 온도 변화로 인한 변형을 초래하며, 이것은 스트레인을 일으키며 구조물의 공명 주파수를 변화시킨다. 코너 요소들 사이에 첨가된 텐션 제거 구조물은 스트레인을 감소시키지만, 큰 공간을 차지한다.

따라서, 위에서 제시된 공지된 기술의 해법에서는, 동시에 소형 구조물이지만 동위상에서보다 역상 진동 모드에서 더 용이하게 기능을 발휘할 수 있는 소형 구조물을 어떻게 구체화하고, 역상 모드의 결과로서 예를 들어 간섭을 제거하기 위해 역상에 의해 제공된 장점들을 어떻게 사용할 수 있는가 하는 문제를 해결하지 못한 채로 남아있다.

발명자들은 사실상, 2개의 질량체를 커플링하는 스프링 구조물은 2개의 스티프 빔(stiff beam)뿐만 아니라 상기 빔들을 함께 커플링하는 편향 스프링으로 구성되는 스프링 구조물로 구체화될 수 있다는 것을 인식하였다. 상기 빔들은 한 단부에 위치된 지지점 둘레에서 피벗될 수 있도록 현수된다. 다른 단부에서, 상기 빔들은 커플링될 상기 질량체들에 연결된다. 도 4는 공지된 기술에 따른 단순 스프링 구조물을 도시한다.

도 4는 간단한 예로서 역상 진동에 대해 공통 축에서 진동하는 질량체들(M1, M2)을 커플링하도록 배열된 공지된 기술에 따른 그러한 스프링 구조물을 도시한다. 이 경우에, 스프링 구조물은 2개의 질량체를 커플링하는 스프링 구조물(401, 402, 403, 404a, 404b, 404c)을 가지며, 이 스프링 구조물은 2개의 스티프 빔(402)뿐만 아니라 상기 빔(402)들을 함께 커플링하는 편향 스프링(404a, 404b, 404c)으로 이루어진다. 빔들은 현수되어 있어서(403) 단부에 위치한 지지점에 대해 빔들이 피봇할 수 있다. 다른 단부에서 빔들은 커플링될 질량체들(M1, M2)에 연결되어 있다(401).

위에서 상기 서스펜션 해법은 명백히 더 소형이며 공간 활용면에서 Bosch가 제시한 것보다 더 양호하지만, 명백히 성능면에서 떨어진다. 실제적인 치수를 이용하면, 서스펜션은 동일 모드의 편차에 대해 대략 4배 더 스티프를 가지는 반면, 코너들로부터 부착된 해법을 사용하여 심지어 6배 이상의 큰 스티프니스(stiffness)에 도달할 수 있다.

도 2 내지 도 4에 따른 스프링 해법을 사용하여 공지된 기술의 많은 문제를 성공적으로 해결하였지만, 그러나 넓게 변하는 간섭 성질로 인하여 모든 문제에 대해 일반적으로 효과적인 해법을 발견하기가 매우 어렵다. 위의 초기에 설명한 상황에서, 공지된 기술의 한가지 문제는 간섭에 관한 것으로서, 기계적 간섭이 선형 가속도를 경유하여 공명기에 연결된다. 이 경우에, 본 발명에 따른 스프링 구조물에 의하여, 공지된 기술의 문제들이 해결될 수 있고 또는 적어도 그들의 영향이 경감될 수 있다. 본 발명의 목적은 사실상 선형 가속도에 의해 초래된 기계적 간섭을 제거하기 위해 또한 디퍼렌셜(differential) 선형 공명기에서 사용될 순수(pure) 모드에서 진동하는 새로운 스프링 해법을 제시하는 것이다.

본 발명에 따른 스프링 구조물은 이에 관한 독립항의 특징부에 제시되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 공명기는 이에 관한 독립항의 특징부에 제시되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 공명기 어레이는 이에 관한 독립항의 특징부에 제시되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 센서는 이에 관한 독립항의 특징부에 제시되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 센서 시스템은 이에 관한 독립항의 특징부에 제시되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 스프링 구조물은 질량체들에 연결된 스프링들에 의하여 역상 진동기로서 제1 방향에서, 루프들의 커플링 지점들에 연결된 상기 스프링들 사이에 연결된 루프를 경유하여 커플링된 2개의 질량체를 가지며, 여기서 경사 스프링들은 루프의 상기 커플링 지점들로부터 베이스의 앵커들에 연결되어 있어서, 루프의 운동이 상기 제1 방향을 향하여 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 발생하도록 배열되어 있으며, 따라서 질량체(Ma, Mb)들의 진동 이외에 역상 진동을 감쇠시킨다.

본 발명의 실시예에 따른 스프링 구조물에서, 경사 스프링들은 상기 루프에 대하여 대칭으로 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스프링 구조물에서, 경사 스프링들은 동일한 스프링 상수를 갖는다. 그러나 실시예의 변경에 따라, 커플링된 구조물은 이중 디퍼렌셜 구조물에서 그 유닛 내의 다른 유닛들 사이에 다른 스프링 상수들을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스프링 구조물에서, 경사 스프링들은 동일한 성분을 가진다.

본 발명의 실시예에 따른 스프링 구조물에서, 경사 스프링들은 공통으로 길이, 폭 및 두께의 치수들 중 적어도 하나를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 이중 디퍼렌셜 스프링 구조물에서, 본 발명의 실시예 따른 2개의 스프링 구조물이 연결용 스티프 부재를 역상 진동기로서 사용하여 커플링되며, 양쪽은 모두 역상 진동기로 커플링된 2개의 질량체를 갖는다.

본 발명에 따른 공명기에서, 본 발명의 실시예에 따른 적어도 하나의 스프링 구조물이 있다.

본 발명에 따른 공명기 어레이에서, 본 발명의 실시예에 따른 적어도 하나의 공명기가 있다.

본 발명에 따른 센서는 본 발명에 따른 공명기를 사용하여 구체화될 수 있다.

본 발명에 따른 센서 시스템에서, 본 발명의 실시예에 따른 적어도 하나의 센서가 있다.

본 발명의 다른 실시예들은 종속항에 제시되어 있다. 본 발명의 실시예들은 적절하게 조합될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 실례들은 상세한 설명뿐만 아니라 이에 관한 도면들에서 설명되어 있다. 도면들에서, 서로 반드시 동일하지는 않지만 유사한 타입의 부품들에 대해 동일한 도면부호를 사용하고 있다. 이 경우에, 기술에 숙련된 자는 제시되어 있는 것을 그것에 기초하여 잠재적 차이를 알 것이다. 부품들 및 그들의 치수 또는 범위는 변할 수 있으며, 그들이 반드시 서로의 크기대로는 아니다.

도 1 내지 도 4는 그 자체로 알려진 기술 또는 아래와 같이 다른 곳에 제시되며 본원의 출원일에 출원인에게 알려진 기술을 언급한다.
도 1은 공지된 기술에 따라 단순한 커플링된 공명기의 개략도.
도 2는 Z-축 각속도 센서로서 공지된 기술에 다른 해법을 도시한다.
도 3은 질량체들 사이에 시소형 커플링 서스펜션을 갖는, 공지된 기술에 따른 공명기 해법의 공간 조건을 도시한다.
도 4는 공지된 기술에 따른 구조물로서, 스프링 구조물이 공통 축에서 진동하는 질량체들을 커플링하는 도면을 도시한다.
도 1 내지 도 4는 위에서 말한 바와 같이 그 자체로 알려진 기술을 언급하기 때문에, 이하에서 본원에 제시된 본 발명의 실시예들을 도시하기 위해 도 5 내지 도 12를 참고하여 실례들이 제시되어 있다. 이 경우에, 이 실시예들을 제시된 실례에 따른 실시예들로만 제한하기를 바라지 않으며, 또한 도면에 도시된 상대적 치수들에 따라 제한하기를 바라지도 않는다. 본 발명의 실시예들은 적절한 대로 서로 조합될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스프링 구조물을 도시한다.
도 6은 역상 모드에서 본 발명에 따른 실시예의 기능을 도시한다.
도 7은 동위상 모드를 제거하는데 있어서 본 발명의 실시예의 기능을 도시한다.
도 8은 각속도 센서의 이차 공명기에서 본 발명의 실시예에 따른 서스펜션을 도시한다.
도 9는 본 발명의 대안 실시예에 따른 이중 디퍼렌셜 커플링된 스프링 구조물을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 용량성 신호의 형성을 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 공명기 어레이를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 센서 시스템을 도시한다.

본 발명의 실시예들은 예를 들어 각속도 센서와 같은, 진동 마이크로기계식 공명기에 관한 것이다. 그러나 본 문서에서는, 제시된 스프링 구조물을 공명기 구조물로만 제한하지 않으며, 또한 디퍼렌셜 선형 공명기에서 선형 가속도에 의해 초래된 기계적 간섭을 제거하는 것만으로 제한하지도 않으며, 오히려 해법은 청구항들의 특징적 구성에 따라 다른 공명기들의 간섭을 제거하는 것에도 적용될 수 있게 의도되어 있다.

아래 설명에서, 도시된 바와 같이 사용된 방향들, 좌측, 우측, 상향 및/및 하향은 제시된 매체를 기준으로 단지 예를 든 것이며, 그들은 예를 들어 지구의 표면에서 중력장의 방향에 관한 부품들의 방위에 관하여 제한하는 어떠한 종류를 의미하지는 않는다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 커플링 서스펜션의 도면을 나타낸다. 이 서스펜션은 공명기들의 운동축에 대하여 경사각으로 휘어지는, 다른 단부에 고정된 2개의 스프링(Sl45, Sr45)를 갖는다. 예시의 목적으로 명칭이 이들에 사용되었는데, 45는 번호에 따라 경사각을 언급하지만, 본 발명의 실시예에 사용된 각도를 전적으로 45°각도로 제한하기를 원하지 않는다. 또한 본 발명의 실시예를 그러한 타입으로만 제한하기를 원하지 않으며, 스프링 구조물의 좌측 스프링(Sl45)의 각도는 우측에 있는 스프링(Sr45)의 각도에 대하여 대칭이 될 것이다. 또한 상기 각도들 중 어느 것을 수평의 좌측 스프링(Shl)의 길이방향에 대하여 또는 수평의 우측 스프링(Sh2)의 길이방향에 대하여 측정하였을 때 스프링들 사이의 각도로 제한하기를 원하지 않는다. 본 발명의 비대칭 실시예에 따라서, 다른 각도의 영향은 그러한 실시예들에서 그 자체로 공지된 기술에 따른 방법으로 그들의 치수 및/또는 재료 선택을 통해 스프링들의 스프링 상수에 영향을 미치게 함으로써 보상될 수 있으며, 여기서 경사각의 공간 조건을 고려하여 비대칭 각도 해법을 위한 원인에 따라 스프링들(Sh1, Sl45) 사이의 각도 또는 스프링들(Sh2, Sr45) 사이의 각도를 부여한다. 경사 스프링들(Sl45, Sr45)은 그 고정점(A)들에서 다른 단부로부터 베이스에 연결되어 있다.

본 발명의 실시예에 따라서, 스프링들(Sh1, Sh2, L, E, Sl45, Sr45) 중 적어도 하나는 길이방향에 대하여 스티프가 되도록 배열되어 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 스프링들 중 적어도 하나는 길이방향 축에 대하여 수직 방향으로 휘어지도록 배열되며, 여기서 화살표를 사용하여 도 5 및 도 6에 도시된 스프링들의 운동들이 달성된다.

본 발명의 실시예에 따라서, 적어도 하나의 스프링은 플랫-모델(flat-model)로 만들어지는데, 다시 말하면 실질적으로 직사각형 프리즘이며, 여기서 길이가 길이방향에 대해 수직인 방향에서 최소 치수보다 적어도 1.5배, 양호하게는 적어도 5배, 더 양호하게는 적어도 8배이다. 상기 수직 방향은 서로에 대하여 수직 방향의 치수들인, 폭 및 두께를 갖는다. 두께 및 폭을 상기 다른 것보다 더 작은 치수로 제작함으로써, 스프링은 다른 방향에서보다 더 얇은 치수의 방향에서 더 용이하게 휘어지도록 만들어질 수 있다. 플랫-모델형 스프링에 의하여 주어진 방향에서 휘어짐이 달성될 수 있다. 몇개의 대응하는 실시예들에 따라서, 스티프하게 거동하는 부재는 단면 형태가 삼각형, 정다각형 또는 원형이 될 수 있다.

도 6의 실례에서 지적된 방법에서, 스프링들(Sh1, Sh2)의 다른 단부는 양호하게 다른 방향들로 휘어지는 스티프 구조물들에 의하여 운동축의 방향에서 질량체들(Ma, Mb)에 연결되어 있다. 질량체들(Ma, Mb)이 역상으로 이동함에 따라, 서스펜션은 그러한 위상의 운동을 위해 가장 소프트한 상태에 있는데, 왜냐하면 루프가 하향으로 이동할 수 있고, 구조물의 가지(branch)들이 휘어지기 때문이다. 스프링들(Sh1, Sh2)은 스프링 구조물들(Sl45, L, E, Sr45)에 의해 서로 연결되며, 이 구조물은 단부들이 스프링들의 운동 방향에서 역상(도 6)으로 이동하도록 허용하지만, 실질적으로 동위상(도 7)에 있지 않다. 이 경우에, 스프링들을 연결하는 서스펜션은 동위상 편차에 대하여 극도로 스티프하며, 왜냐하면 루프(L)의 양쪽 가지들은, 좌측뿐만 아니라 우측은 모두 역방향으로 이탈하는 경향이 있고, 단부(E)는 짧을 때 스티프하다.

도 8은 각속도 센서 구조물(501,801)의 한 부품으로서 본 발명의 실시예에 따른 서스펜션을 도시한다. 구조물의 이러한 구체화에서, 서스펜션은 긴 빔 스프링들에 의해 질량체들에 연결되며, 긴 빔 스프링들은 일차운동(x) 방향으로 휘어지지만 이차운동(y)을 커플링 서스펜션으로 전달한다. 도 8은 예시적 목적을 위해, 아래 부품들(1-20)을 도시하며, 여기서 통상의 기술자는 실시예에 따른 스프링 구조물들의 기능을 더 잘 이해할 것이다. 상향, 하향, 측방향, 좌측, 우측과 같은 용어들은 기준을 만들기 위해 그 자체가 방향을 예시할 때 도면의 매체의 서쪽으로 읽는 방향에 따라 사용되며, 그러나 실시예들에 따른 구조물들의 사용방향을 그들에 따르는 것으로 제한하지 않는다.

도 8은 도 8에 도시되어 있는 하부 질량의 일차운동 용량성 검출 콤(comb)을 나타낸다. 도 8에서 또한 일차 앵커(7)는 일자 공명기의 구성부품을 프레임에 부착하기 위해, 기판 및/또는 구조물의 덮개에 부착되어 있다. 상부 질량체에 대응하는 방법으로서, 동일하게 도시된 마크에 의하여 대응 부품이 도시되어 있다. 다르게 구체화된 실시예에서, 도 9의 상부 부품(예로서, 901) 및 하부 부품(예로서, 902)의 검출 콤(1)들은 역상 모드에서 함께 기능할 수 있고, 여기서 신호를 노이즈 및 다른 유사한 간섭과 분리하는 것이 용이하다.

본 발명의 실시예에 따라서, 각속도 센서의 상부 부품 및 하부 부품은 좌측 루프 및 우측 루프에 의해 규정된 직선에 대하여 반사적으로 대칭이다. 본 발명의 실시예에 따라서, 이 경우에 적어도 하나의 부품은 2개의 검출 콤을 갖는다. 본 발명의 실시예에 따라서, 측면들, 좌측 또는 우측 중 적어도 어느 하나는 2개의 검출 콤을 갖는다. 검출 콤의 수, 대칭성 및/또는 그 자체의 위치는 제시된 실시예의 실례들에 따라서만 제한되는 것은 바람직하지 않다.

경사 가이드 스프링(2)은 하부 질량체의 이차(y) 운동의 방향을 수직(x)으로 변환하는 검출 스프링이다. 서스펜션을 커플링하는 루프(L, 3)는 질량체들에 대하여 수직방향으로 이동하도록 배열되며, 여기서 실시예에 따라서 암들은 경사 가이드 스프링들이 역상으로 이동할 때 휘어진다. 실시예에 따라서, 단부는 경사 가이드 스프링들이 동위상에서 이동할 때 휘어지지 않는다. 실시예에 따라서, 일차운동을 커플링하는 스프링(4)은 일차(x) 축의 방향에서 질량체들의 동위상 운동을 방해하도록 배열된다. 실시예에 따라서, 경사 가이드 스프링(5)은 상부 질량체의 이차(y) 운동의 방향을 수직(x)으로 변환하는 검출 스프링이다. 일차 앵커들(6, 8, 14)은 기판(베이스) 및/또는 덮개에 부착되어 있는, 본 발명에 따른 영역을 도시하는데 사용된다. 이 경우에, 일차 앵커는 일차 공명기의 구성부품을 프레임에 부착한다. 본 발명의 실시예에 따라서, 도 9의 부품들 L은 스티프 부재 C와 함께 커플링되고, 여기서 도 9의 상부-측면 및 하부-측면 구조물들은, 도 9에 지적된 디퍼렌셜 구조물의 부품들(901, 902)과 같이, 부품들(3, L)을 위에서 그리고 아래에서 서로 연결시킴으로써 역상으로 커플링될 수 있다.

도 8에 도시된 일차 스프링(9)은 일차축(x)의 방향에서 가능한 선형 방법으로 일차 운동을 현수하도록 의도되어 있다. 부품(9)은 그때 다른 방향들에서 가능한 스티프하도록 치수설정되어 있다. 일차 슬라이드(10)는 그 자체가 문자 C와 같이 형성된 스티프 구조물이며, 이는 본 발명의 실시예에 따라서, 일차축(x)의 방향에서만 이동할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 이차 콤의 회전자 핑거(11)는 질량체의 부분이다. 상기 부분(11)은 검출될 이차 용량의 이동 전극이다. 본 발명의 실시예에 따라서, 이차 콤의 고정자 앵커(12)는 검출될 이차 커패시턴스의 정적 전극이다.

도 8에서, 부재로서 질량체의 단부(13)를 참고로 하며, 이는 가능한 스티프하고 질량체의 운동을 커플링 서스펜션에 전달한다. 도 13에서 사실상 하나의 질량체 단부가 도면의 상단에 있는 것을 도시하지만, 본 발명의 실시예들을 도시된 것으로만 제한할 의도는 없다.

도 8에서, 일차 운동의 구동 콤(16)(고정자 및 회전자)을 사용함으로써, 일차 운동을 여기 및/또는 유지하도록 하기 위해 공통 전압을 사용하여 양쪽 질량체들에 대향한 정전기력을 발생시킬 수 있다.

도 8에서, 일차 운동 및 이차 운동을 커플링하는 서스펜션들을 위한 앵커 영역(17)이 또한 도시되어 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 일차 운동을 커플링하는 서스펜션은 이차 공명기를 커플링하는 서스펜션(18)에 의하여 구체화될 수 있다. 도 8은 x-방향에서의 편향 스프링의 일차측과 질량체들 사이에서 이차 스프링들(19a, 19b, 19c, 19d)을 도시한다. 본 발명의 실시예에 따라서, 이차 스프링들의 기능은 질량체들이 이차 축(y)의 방향에서만 일차 운동으로부터 편향되도록 허용하는 것이다. 이차 스프링들은 다른 방향들에서 가능한 스티프하다. 도 8에서 도면부호 (20)은 직각위상 보정 콤(quadrature compensation comb) 및 그 앵커를 칭한다.

파선으로 한정된 영역(901, 902)은 도 9에 따른 스프링 구조물에서 본 발명의 실시예에 따른 해법들을 예시한다. 부품들(901, 902)과 관련하여, 파선은 실시예의 주어진 대안 성질(alternative nature)을 예시하며, 이것은 현재 제시되어 있는 대향 방향에 관하여 좌측면, 우측면 또는 양측면의 루프들(3, L)의 방위의 대안 성질에 관한 것이다. 이 경우에, 스티프 부재(C)는 2개의 그러한 구조물들(801) 사이에 커플링될 수 있고, 이에 의하여 도 9에서 부품들(901, 902)에 의해 예시된 스프링 구조물과, 위상차를 설정하기 위해 그들 사이의 커플링이 달성될 수 있다. 이 경우에, 제시된 것에 근거하여, 이중 디퍼렌셜 구조물을 위한 쌍을 형성하기 위해 몇개는 상기 쌍의 부품들의 루프들(3, L)의 방위에 의존하여 반사적으로 대칭이 될 수 있다.

부품들(sh1, sh2)은 선으로 그려져 있는 것으로 나타나 있지만, 루프(3, L)를 경유하여 서로 연결되어 있다.

도 8에 도시된 실시예는 도면에 도시된 바와 같이 좌측면의 에지와 우측면의 에지 사이에 비대칭을 갖는다. 이것은 실시예에 따라서 역상에서 x-축의 방향으로 이동할 수 있게 배열되어 있는 질량체들 때문이며, 이것들로부터 일차 운동이 디퍼렌셜로서 검출되며, 여기서 콤들(1, 7)의 배치를 위해 질량체들을 동일한 측면에 있게 하는 것이 바람직하다.

부유 커패시턴스들(stray capacitances)에 의해 초래된 가능한 누화가 또한 외부 간섭들에서와 같이 디퍼렌셜 검출에서 대칭이 없는 것처럼(symmetrical out) 삭제되도록 하기 위하여, 그 자체의 역상 운동은 차례로 콤 시스템(16)에 대하여 단일입력 전압(single-end voltage)을 사용하여 실시예에 따라서 정전기적으로 여기될 수 있다.

본 발명의 대안 실시예에 따라서, 스프링 구조물은 또한 예를 들어 턴닝 포크형(turning fork-type) 센서의 일차 공명기에서 기능할 수 있으며, 이 경우 다만 또는 실질적으로 질량체들의 역상 일차 운동만을 허용하지만, 큰 가속도에서조차 센서의 오버로딩(overloading)을 방지한다.

이에 따라서, 본 발명은 간섭에 대한 그 저항을 향상시키기 위해 거의 어떤 종류의 역상 선형 공명기와 연결되는 것이 적절하다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 대안 해법을 도시하며, 여기서 본 발명의 실시예에 따른 2개의 스프링 구조물들(901, 902)이 사용되며, 이 스프링 구조물들은 역상으로 스티프 컴파운드 구조물(C)과 연결되어 있다. 이 경우에, 루프들(3, L)은 스티프 부재(C)와 연결될 수 있도록 서로를 향하여 배향되어 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 스티프 부재(C)는 균일한 두께를 가질 수 있지만, 그 두께 및 폭은 점진적 가요성의 기능을 달성하기 위해 그 길이방향을 따라 변할 수 있다. 실시예에 따라서, 이것은 두께 및/또는 폭의 방향에서 취약한 굴곡점들을 가지며, 이는 재료의 강도(strength)를 지역적으로 변화시킴으로써 달성된다. 진동들을 커플링하기 위해, C는 C와 서로에 대해 커플링하는 진동기들의 방향에 대하여 수직방향으로 또한 스티프되는 것이 바람직하다. 이 경우에 루프(L)가 적어도 길이방향(실시예에 따라 부품(E)의 길이방향을 향하여 수직으로)에서 스티프할 때, 그때 부품들(901, 902) 사이의 기계적 운동이 컴파운드 구조물(C)에 의하여 전달될 수 있다. 실시예에 따라서 루프(L)(부품(901)에서 및/또는 부품(902)에서) 및/또는 스티프 부재(C) 중 적어도 하나를 점진적이 되도록 배열함으로써, 부품들(901, 902) 사이의 진폭에 의존하여 커플링이 발생될 수도 있다. 실시예에 따라서, 이 경우에, 점진적 스티프니스가 길이방향 축에 대해 수직인 방향에서 달성될 수 있다. 부품들(901, 902) 사이에 표준 위상차를 커플링함으로써, 이것은 또한 파선 경계에 의해 도시된 부품들(901, 902)의 질량체들의 진동 위상들 사이에서 정보를 이용할 수 있으며, 이 정보는 상기 부품들에서 위상들의 대향성(oppositenss)에 관한 것이며, 여기서 부품들에 의해 형성된 시스템으로 커플링되는 간섭이 더 양호하게 제거될 수 있다.

추가로, 필요하면, 감쇠를 위한 우측 위상에서 전압이 컨덴서들의 주어진 판들에 인가될 때, 주어진 모드들은 컨덴서의 판들 사이의 용량성 커플링 및 견인력의 영향에 의하여 전기적으로 감쇠될 수 있으며, 여기서 컨덴서의 판들 사이의 견인력은 감쇄 운동에 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 콘덴서들은 또한 전압의 인가가 감쇠에서보다 다른 방법으로 단계적으로 진행될 때 주어진 진동 모드의 유지(maintenance)를 위한 보조자로서 여기시키는데 이용될 수 있다.

도 10은 가변 커패시턴스들(Ca1, Cb1, Ca2, Cb2)에 의하여 용량성 신호들을 형성하기 위해 도 9의 실시예에 따른 실시예의 사용을 도시한다. 이 경우에, 커패시턴스들의 변화는 판들 사이의 거리의 변화, 및/또는 커패시턴스를 형성하는 컨덴서 판들 사이의 공통의 판 표면적의 변화에 기초할 수 있다. 도 10에서, 부품들(901, 902)의 진동들은 역상에 있도록 배열되며, 여기서 부품(901)에서의 커패시턴스들(Ca1, Cb1)이 증가할 때, 부품(902)에서의 대응하는 커패시턴스들(Ca2, Cb2)이 감소한다. 질량체들(Ma, Mb)의 컨덴서의 대응하는 판들은 각각 약간의 기준 전위, 예를 들어 지면(도면에 도시 안 됨)에 커플링될 수 있으며, 여기서 질량체들에서의 대응하는 판들은 이에 따른 전위를 수용한다. 전위들은 또한 대응하는 커패시턴스들에서의 변화에 기초한 신호가 0과 다른 주어진 바이어스를 갖는지 아니면 갖지 않는지(바이어스 0 V)에 의존하여 동일하거나 다른 전위가 될 수 있다. 예시적 목적을 위해, 커패시턴스의 변화에 기초하여 신호를 형성하는 회로(MC)에서, 도면에서 화살표들로 도시된 출력들을 지역적으로 참고함으로써 예 4 출력들(1,2,3,4)로서 제시되어 있는데, 그 자체로 그들의 수 및/또는 그 자체로 다른 신호 입력들 또는 출력들을 제한하지 않는다. 이중 디퍼렌셜 구조물이 도면에 제시되어 있지만, 본 발명의 실시예에 따라서, 이중 디퍼렌셜 구조물의 실시예(501)의 단순 신호가 예로서 부품(901)에 의해 형성된 진동들의 용량성 판독과 같이 동일한 방법으로 용량적으로 판독될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예의 변경에 따라서, 부품(902)의 여기 프레임 구조물은 제외될 수 있으므로 공간을 절약할 수 있다. 이 경우에, 대응 실시예에서는, 이들을 위한 보상으로서 부품(901)의 여기 프레임 구조물의 치수를 정함에 있어서 부품(902)을 위한 기계적 운동 저항 손실을 반드시 고려해야 하는 일이 또한 있을 수 있다. 이 경우에, 본 발명의 실시예에 따라서, 부품(901)에서의 루프(3, L)는 또한, 이들이 스티프 부재(C)와 서로 커플링될 수 있도록 하기 위해서, 부품(902)의 대응 루프를 향하여 배향되어야 한다. 이 경우에, 실시예에 따라서, 루프들의 배향은 도 8에 도시된 배향에 대해 반대인 것이 바람직하다. 실시예에 따라서, 부품들(901, 902)은 부품들 사이의 직선에 대하여 변경에 따라서 반사적으로 대칭이며, 직선의 지점에 대한 다른 변경에 따라서, 이것은 스티프 부재(C)를 수직방향으로 교차할 것이다. 실시예의 변경에 따라서, 부품들(901, 902)은 다른 방식에서는 유사하지만, 예를 들어, 부품(901)에서 좌측면 루프는 우측면의 것과 반대 방향으로 배향되며, 부품(902)에서는 그 반대로 배향된다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따라 공명기들의 제1 그룹을 갖는 공명기 어레이를 도시하며, 이들 중 적어도 몇 개는 함께 여기 신호에 의하여 동위상 진동으로 동기화될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 공명기 그룹에서 몇 개의 다른 공명기들은 상기 제1 그룹의 공명기들에 대하여 역상 진동으로 동기화될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 공명기 어레이는 어떤 다른 그룹의 공명기들과 동기화될 수 있도록 다른 위상들을 가질 수 있다. 그들 사이의 위상화에 대하여 공명기 그룹들의 다른 실시예 변경이 도 11에 작은 화살표로 도시되어 있다.

도 12는 본 발명의 그러한 실시예를 도시하며, 여기서 스프링 구조물은 그 실시예들 중 하나에 따라 이용된다. 약간의 대안 및 변경을 갖는 본 발명의 이전에 언급된 실시예들의 실례를 도시하기 위해 박스 안에 박스가 들어있는(nestled boxes) 도면이 사용되고 있다. 그외에 센서(801')는 센서(801)와 유사하지만, 그 구조물은 이것에서 801'은 2개의 공명기(501)를 가지는 점에서 부품들(901, 902)의 역상의 실시로 인하여 다르다. 이 경우에, 센서(801')의 부품들(901, 902) 각각은 적어도 하나의 루프(3, L)를 가지므로, 그들 사이에 스티프 부재(C)가 부품들(901,902)의 위상을 맞추기 위해 커플링될 수 있다. 부품들(901, 902)에 의하여 사실상 2개의 역상 부품들을 갖는 그러한 이중 디퍼렌셜 구조물을 도시하고 있지만, 본 발명의 실시예를 단지 2개의 부품들(901, 902)을 갖는, 그러한 실시예만으로 제한하기를 원하지 않으며, 단지 하나의 루프들(3, L)(좌측 또는 우측 에지로부터)은 센서(801')에서 상기 부품들(901,902)의 위상화에서 스티프 부재(C)를 사용하기 위해 서로를 향하여 배향되어 있다.

부품들(901 및/또는 902)을 사용하여 실시될 때 여러 개의 센서 부품(801')들을 갖는 본 발명의 그러한 실시예에서, 그 부품들 중에서 그러한 센서들이 될 수 있고, 여기서 좌측면 및 우측면 루프들(3,L)은 모두 도 8에 도시된 실례에 대하여 대향하여 배향되며, 여기서 센서 부품들은 센서들을 위상화 하기 위해 스티프 부재(C)들에 의해 체인(chain)될 수 있다. 이 경우에, 용량성 여기는 또한 필요한 부품들을 위한 공통의 위상을 달성 및/또는 유지하기 위하여 체인의 위상화에 따라 구성되어야 할 것이다.

박스 ADC를 도 12에 부착함에 의하여 그러한 실시예들이 도시되며, 여기서 본 발명의 실시예에 따른 스프링 구조물은, 본 발명의 실시예에 따른 공명기 또는 그러한 공명기들의 그룹을 사용하는 그러한 더 큰 독립체(entity)의 시스템의 부품으로서 따라가고 있다. ADC는 따라서 그러한 실시예들을 언급하며, 여기서 공명기로부터 얻어질 수 있는 신호가 디지털 형태로 변환되며, 그러나 단지 이것으로 제한하지 않는다. 이 도면에서 박스 아날로그를 사용하여 아날로그 신호 출력이 디지털 신호의 것과 평행하게 될 가능성을 도시하고 있지만, 본 발명을 단지 평행으로 제한하기를 원하지 않으며, 오히려 출력들 중 어느 하나만이 대응하는 실시예에 따라서 실시될 수도 있다.

공지된 기술에 비하여 본 발명의 장점들은 공간의 작은 사용뿐만 아니라 역상 편향에 대해 특별히 작은 스티프니스를 갖는 것이다. 본 발명에 따른 커플링을 센서 구조물에 추가하는 것은 따라서 그 기계적 감도를 크게 감소시키지 않는다.

본 발명에 따른 서스펜션의 질량체들의 부착점들은 운동축의 방향에서 동일한 직선상에 놓여 있다. 이 때문에 스프링의 반동력이 예를 들어 시소 스프링과 같은 질량체에 모멘트를 일으키지 않는다.

추가로, 서로 근접해 있는 고정점들의 위치는, 특히 예를 들어 코너에 부착된 해법에 비하여 예를 들어 외부 또는 온도 변화로 인한 비틀림에 대한 해법의 견고함(robustness)을 개선한다.

Claims (10)

1. 스프링 구조물(501)로서, 상기 스프링 구조물은 질량체들(Ma, Mb)에 연결된 스프링들(Sh1, Sh2)에 의하여 역상 진동기로서 제1 방향에서, 루프들의 커플링 지점들에 연결된 상기 스프링들(Sh1, Sh2) 사이의 루프(L, E)를 경유하여 커플링된 적어도 2개의 질량체들(Ma, Mb)을 가지며, 경사 스프링들(Sl45, Sr45)이 상기 루프(L)의 상기 커플링 지점들로부터 베이스의 앵커들(A)에 연결되어서, 상기 루프(L)의 길이방향 운동이 상기 제1 방향에 대해 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 발생하도록 배열되어 있으며, 따라서 상기 질량체들(Ma, Mb)의 진동 이외에 역상 진동을 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 스프링 구조물.
2. 제1항에 있어서, 상기 경사 스프링들(Sl45, Sr45)은 상기 루프(L)에 대하여 대칭으로 놓이는 것을 특징으로 하는 스프링 구조물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 경사 스프링들(Sl45, Sr45)은 동일한 스프링 상수를 갖는 것을 특징으로 하는 스프링 구조물.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경사 스프링들(Sl45, Sr45)은 동일한 화학 및/또는 구조적 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 스프링 구조물.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경사 스프링들(Sl45, Sr45)은 공통으로 길이, 폭 및 두께의 치수들 중 적어도 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 스프링 구조물.
6. 역상 진동기로서 연결용 스티프 부재(C)와 커플링된 제1항에 따른 2개의 스프링 구조물들(901, 902)을 갖는, 이중 디퍼렌셜(differential) 스프링 구조물.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 스프링 구조물을 갖는 것을 특징으로 하는 공명기.
8. 제7항에 따른 적어도 하나의 공명기를 갖는 것을 특징으로 하는 공명기 어레이.
9. 제7항 또는 제8항에 따른 적어도 하나의 공명기를 갖는 것을 특징으로 하는 센서.
10. 제9항에 따른 적어도 하나의 공명기를 갖는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
    

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