KR20160093561A - 요레이트 센서 및 요레이트 센서의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 주 연장 평면을 가진 기판과 코리올리 부재를 구비한 요레이트 센서에 관한 것으로, 상기 요레이트 센서는, 코리올리 부재가 여기 수단에 의해 제1 방향을 따라 주 연장 평면에 대해 평행하게 여기 진동에 여기될 수 있도록 구성되며, 상기 요레이트 센서는 보상력을 가하기 위한 보상 부재를 포함하고, 상기 보상력은 여기 진동에 대한 비선형 의존성을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

요레이트 센서 및 요레이트 센서의 작동 방법{YAW RATE SENSOR AND METHOD FOR OPERATING A YAW RATE SENSOR}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 요레이트 센서에 관한 것이다.
상기 유형의 요레이트 센서는 일반적으로 공지되었다. 상기 요레이트 센서들은 주 연장 평면을 구비한 기판과, 하나 이상의 코리올리 부재(Coriolis element)를 포함하며, 코리올리 부재는 여기 수단(excitation means)에 의해 주 연장 평면에 대해 평행하게 제1 방향을 따라 연장되는 여기 방향으로 여기 진동에 여기될 수 있으며, 그럼으로써 코리올리 부재는 여기 방향으로 편향된다. 회전 운동의 경우, 코리올리 부재에 작용하는 검출될 힘에 따라, 예컨대 제1 방향에 대해 수직인 제2 방향을 따르는 코리올리 부재의 추가 편향의 형태로 검출 신호가 검출된다. 센서 구성에서 제조로 인한 결함으로 인해, 코리올리 부재의 여기 진동은 제2 방향을 따르는 진동 성분들을 가질 수 있다. 이러한 의도하지 않은 힘 작용을 하기에서는 직교력(quadrature force)이라 지칭된다. 직교력의 힘 작용이 여기 진동과 동일한 주파수를 가질 경우, 상기 힘 작용을 1f-직교력이라 칭한다. 그 밖에도, 그 힘 작용이 여기 진동의 2배인 주파수를 갖는 2f-직교력도 존재한다. 1f-직교력의 보상을 위한 보상 구조들은 이미 공지되어 있다. 또한, 여기 방향으로의 편향에 대한 보상력의 선형 의존성을 갖는 2f-직교력의 보상을 위한 구조들도 공지되어 있다. 그러나 여기 진동에 대한 보상력의 비선형 의존성을 갖는 2f-직교력의 보상을 위한 구조들은 아직 공지되지 않았다.
대등의 청구항들에 청구된, 본 발명에 따른 요레이트 센서 및 상기 요레이트 센서를 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 종래 기술에 비해, 여기 방향으로의 편향에 대한 비선형 의존성을 갖는 2f-직교력이 보상될 수 있고, 그리고/또는 의도적인 잡음 신호의 발생을 통해 요레이트 센서의 듀티 사이클(duty cycle)이 최적의 조건으로 매칭될 수 있다는 장점을 갖는다. 따라서 바람직한 방식으로, 2f-직교력의 비선형 의존성을 보상하고 그에 따라 신호 품질을 계속하여 개선할 수 있다. 특히 잡음 신호를 의도적으로 발생시킴으로써, 검출 신호의 평가를 위해 이용되는 응용 주문형 집적 회로 내에서 AD 컨버터의 충분히 큰 듀티 사이클의 설정이 가능해진다. 이는, 본 발명에 따른 요레이트 센서가 종래 기술과 달리 보상력을 가하기 위한 보상 부재(compensation element)를 포함하고, 보상력은 여기 방향으로의 편향에 대한 비선형 의존성을 갖는 것을 통해 달성된다. 본 발명에 따르는 요레이트 센서는 하나 이상의 코리올리 부재를 포함하며, 다시 말하면 하나의 코리올리 부재를 포함하는 실시예들 또는 개선예들이 가능할 뿐만 아니라, 복수의 코리올리 부재를 포함하는 실시예들 또는 개선예들, 특히 2개의 코리올리 부재를 포함하는 실시예들 또는 개선예들도 가능하다.
본 발명의 바람직한 구현예들 및 개선예들은 종속 청구항들에서뿐만 아니라 도면들과 관련한 기재내용에서 제시될 수 있다.
한 바람직한 개선예에 따라, 회전 운동의 경우 코리올리 부재에 작용하는 검출될 힘에 따라 검출 신호가 검출된다. 예컨대 제1 방향에 대해 수직인 제2 방향을 따르는 코리올리 부재의 추가 편향의 형태로 코리올리 부재에 작용하는 검출될 힘을 통해, 요레이트의 측정은 바람직하게 가능해진다.
한 바람직한 개선예에 따라, 보상 부재는 고정 전극(fixed electrode)과, 코리올리 부재의 공동부(cavity)로 형성되며, 상기 고정 전극은 기판과 연결되고 공동부 내에 주 연장 평면에 대해 평행하게 배치된다. 그 결과, 바람직하게는, 고정 전극과 코리올리 부재 사이에 상응하는 전위차를 인가하는 것을 통해 보상 진동 성분이 여기될 수 있게 된다.
한 바람직한 개선예에 따라, 보상 부재는 보상 진동 성분을 여기하며, 이 보상 진동 성분은 여기 진동의 주파수의 실질적으로 2배인 주파수를 갖는다. 그 결과, 바람직하게는, 2f-직교력을 보상하고, 그리고/또는 잡음 신호를 의도적으로 발생시킴으로써 요레이트 센서의 듀티 사이클을 최적으로 매칭시킬 수 있게 된다.
한 바람직한 개선예에 따르면, 보상 부재는, 제2 방향, 및 주 연장 평면에 대해 수직으로 연장되는 제3 방향을 따라 공동부의 중심을 통과하여 연장되는 반사 대칭 평면을 갖는다. 그 결과, 바람직하게는, 여기 진동의 주파수의 실질적으로 2배인 주파수를 갖는 보상 진동 성분이 여기될 수 있게 된다.
한 바람직한 개선예에 따라, 요레이트 센서는 코리올리 부재와 실질적으로 동일한 구조의 추가 코리올리 부재를 포함하고, 이 추가 코리올리 부재는 스프링 부재를 통해 상기 코리올리 부재와 연결되며, 상기 추가 코리올리 부재는 추가 여기 수단에 의해 여기 진동에 대해 역평행으로 추가 여기 진동에 여기될 수 있고, 요레이트 센서는 추가 보상 진동 성분을 여기하기 위한 추가 보상 부재를 포함하고, 이 추가 보상 부재는 특히, 기판과 연결된 추가 고정 전극을 포함하며, 이 추가 고정 전극은 주 연장 평면에 대해 평행하게 추가 코리올리 부재의 추가 공동부 내에 배치된다. 따라서, 바람직한 방식으로, 요레이트의 차등적이고 그럼으로써 더 정확한 평가를 가능하게 하는 차동 요레이트 센서가 제공된다.
한 바람직한 개선예에 따라, 보상 부재 및 추가 보상 부재는 코리올리 부재와 추가 코리올리 부재 사이의 중간에서 제1 방향 및 제3 방향을 따라 연장되는 평면과 관련하여 바람직하게는 상호 반사 대칭으로 배치된다. 그 결과, 바람직하게는, 추가 보상 부재에 의해, 보상 부재를 통해 여기되는 보상 진동 부재에 대해 역평행한 추가 보상 진동 성분이 여기될 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 대상은 요레이트 센서를 작동하기 위한 방법이며, 이 방법에서 요레이트 센서는 하나 이상의 코리올리 부재와, 여기 수단과, 보상 부재를 포함하고, 코리올리 부재는 여기 수단에 의해 제1 방향을 따르는 여기 방향을 따라, 주 연장 평면에 대해 평행하게 여기 진동에 여기되며, 이는 코리올리 부재의 여기 방향으로의 편향을 초래하고, 이때 보상 부재에 의해 보상력이 가해지며, 상기 보상력은 여기 방향으로의 편향에 대한 비선형 의존성을 갖는다. 그 결과, 바람직하게는, 여기 방향으로의 편향에 대한 비선형 의존성을 갖는 2f-직교력이 보상될 수 있고, 그리고/또는 잡음 신호를 의도적으로 발생시킴으로써 요레이트 센서의 듀티 사이클이 최적으로 매칭될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르는 요레이트 센서를 개략적으로 도시한 상면도이다.
도 2는 본 발명의 한 예시의 실시예에 따르는 요레이트 센서에서 좌측에는 보상 부재를 개략적으로 도시한 상면도이고 우측에는 (구동 방향으로의) 편향에 따르는 보상력의 특성곡선을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 3a, 3b 및 3c는 본 발명의 추가 예시의 실시예들에 따라서 보상 부재들을 각각 개략적으로 도시한 상면도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 추가 예시의 실시예들에 따라서 보상 부재들을 각각 개략적으로 도시한 상면도이다.
상이한 도면들에서, 동일한 부재들은 항상 동일한 도면부호를 가지며, 그로 인해 일반적으로 각각 한 번만 거명되거나 언급된다.
도 1에는, 요레이트 센서(1)가 본 발명의 한 시예에 따라 상면도로 개략적으로 도시되어 있다. 요레이트 센서(1)는 주 연장 평면(100)을 구비한 기판(2)과, 코리올리 부재(10)와, 추가 코리올리 부재(20)를 포함한다. 코리올리 부재(10)는 스프링 부재(3)를 통해 추가 코리올리 부재(20)와 연결된다. 또한, 코리올리 부재(10)는 미도시한 여기 수단에 의해, 주 연장 평면(100)에 대해 평행하게 제1 방향(X)을 따라 연장되는 여기 방향을 따라서 여기 진동(12)에 여기될 수 있다. 그 결과, 코리올리 부재(10)는 여기 방향으로 도 2에서 우측에 도시된 편향(33)을 하게 된다. 추가 코리올리 부재(20)는 미도시한 추가 여기 수단에 의해 여기 진동(12)에 대해 역평행으로 추가 여기 진동(22)에 여기될 수 있다.
제3 방향(Z)이 주 연장 평면(100)에 대해 수직으로 연장되는 조건에서, 제3 방향(Z)에 대해 평행한 회전축을 중심으로 하는 요레이트(4)의 경우, 코리올리 부재(10)에 작용하는 검출될 힘에 따라, 예컨대 제1 방향(X)에 대해 수직인 제2 방향(Y)을 따르는 코리올리 부재(10)의 추가 편향(13)의 형태로 검출 신호가 검출된다. 추가 코리올리 부재(20)는 유사하게 제2 방향(Y)에 대해 평행하게 추가 편향(13)에 대해 역팽행한 제3 편향(23)을 하게 된다. 추가 편향(13) 및 제3 편향(23)은 미도시한 검출 수단에 의해 검출될 수 있으며, 상응하는 검출 신호들의 차는 요레이트에 대한 척도이다.
요레이트 센서(1)는 보상력(30)을 가하기 위한 보상 부재(14)를 포함하며, 보상력(30)은 도 2에서 우측에 도시된 것처럼 여기 방향으로의 편향(33)에 대한 비선형 의존성을 갖는다. 보상 부재(14)는 고정 전극(15)과, 코리올리 부재(10)의 공동부(16)로 형성되며, 고정 전극(15)은 기판(2)과 연결되고 주 연장 평면(100)에 대해 평행하게 공동부(16) 내에 배치되며 제2 방향(Y)에 상대적으로 제1 방향(X)을 따라서 길쭉하게 형성된다. 고정 전극(15)과 코리올리 부재(10) 사이에 직류 전압을 인가하는 것을 통해, 보상 진동 성분이 여기될 수 있다. 보상 부재(14)는 반사 대칭 평면을 포함하고, 이 반사 대칭 평면은 제2 방향(Y) 및 제3 방향(Z)을 따라 공동부(16)의 중심을 통과하여 연장되며, 그럼으로써 여기 진동(12)의 주파수의 실질적으로 2배인 주파수를 갖는 보상 진동 성분이 여기될 수 있다. 보상 진동 성분은 직류 전압의 선택을 통해 임의대로 매칭될 수 있다.
요레이트 센서(1)는 유사하게 추가 보상 진동 성분을 여기하기 위한 추가 보상 부재(24)를 포함하고, 추가 보상 부재(24)는 특히 기판(2)과 연결된 추가 고정 전극(25)을 포함하며, 이 추가 고정 전극은 주 연장 평면(100)에 대해 평행하게 추가 코리올리 부재(20)의 추가 공동부(26) 내에 배치된다. 보상 부재(14)는, 제1 방향(X) 및 제3 방향(Z)을 따라서 중심에서 요레이트 센서(1)를 통과하여 연장되는 대칭 평면(101)과 관련하여 추가 보상 부재(24)에 대해 거울상으로 형성된다.
도 2의 좌측, 도 3a, 3b, 3c, 4a 및 4b에는, 보상 부재(14)만을 확대하여 도시한 요레이트 센서들(1)의 개략적 부분도들이 도시되어 있다. 도 3a, 3b, 3c, 4b에서, 그리고 도 2의 좌측에서, 공동부(16)는 코리올리 부재(10)의 돌출부(11)가 형성되도록 형성되며, 이 돌출부는 제2 방향(Y)을 따라 고정 전극(15)의 방향으로 연장되고 제1 방향(X)을 따라서는 공동부(16)와 관련하여 중심에 배치된다. 또한, 고정 전극(15)은 도 2의 좌측에서, 그리고 도 3a, 3b, 3c 및 4a에서 직육면체 형태로 형성되어 있다.
도 2의 좌측에서, 코리올리 부재(10)의 돌출부(11)는 경사 플랭크들(flank)을 포함한다. 도 2의 우측에는, 도 2의 좌측에 도시된 보상 부재(14)를 포함하는 요레이트 센서(1)의 보상력(30)의 특성곡선이 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 세로 좌표(31) 상에는 각각 보상력(30)이 표시되어 있고 가로 좌표(32) 상에는 코리올리 부재(10)의 여기 방향으로의 편향(33)이 표시되어 있다. 보상력(30)은 여기 방향으로의 편향(33)에 대한 비선형 의존성, 특히 여기 방향으로의 4차 편향(33)의 의존성을 갖는다.
여기 방향으로의 편향(33)에 대한 보상력(30)의 추가의 비선형 의존성은 공동부(16) 및 이 공동부와 결부된 돌출부(11)의 서로 상이한 형태들에 의해 달성될 수 있다. 도 3a에서 코리올리 부재(10)의 돌출부(11)는 만곡된 플랭크들을 포함한다. 도 3b에서 코리올리 부재(10)의 돌출부(11)는 계단형 플랭크들을 포함한다.
도 3c에서 코리올리 부재(10)의 돌출부(11)는 경사진 플랭크들을 포함하고, 이 플랭크들은 비직선형 패턴을 보유한다. 비직선형 패턴은 예컨대 추가로 삽입되는 첨단들, 모서리들 및/또는 치형부들(tooth)을 통해 달성된다. 비직선형 패턴을 통해, 의도적으로 잡음 신호가 발생한다. 잡음 신호는, 검출 신호의 평가를 위한 응용 주문형 집적 회로의 부품인 A/D 컨버터가 충분한 듀티 사이클을 갖는 점을 보장해야 한다. 본 실시예에 따라, 보상 부재(14)는 간섭력을 가하기 위해 이용되며, 그럼으로써 의도한 대로 잡음 신호가 발생한다. 따라서 보상 부재(14)는 간섭 부재(14)로서 지칭될 수 있고, 보상 진동 성분은 기생 진동 성분으로서도 지칭될 수 있다.
도 4a 및 4b에 도시된 보상 부재들(14)은, 도 3a, 3b, 3c에, 그리고 도 2의 좌측에 도시되어 있는 보상 부재들(14)의 힘 작용에 대해 역평행한 힘 작용을 나타낸다. 도 4a에 도시된 보상 부재(14)의 공동부(16)는 우측 측면에 경사 플랭크들을 포함한다. 도 4b에 도시된 보상 부재(14)의 공동부(16)는 C자 형태로 형성되고, 고정 전극(15)은 제2 방향(Y)으로 갈수록 점점 가늘어지면서 뾰족해지는 리세스(recess)를 포함하며, 이 리세스는 제1 방향(X)으로 고정 전극(15)의 전체 연장부에 걸쳐 연장된다.
추가의 바람직한 실시예에 따라, 요레이트 센서(1)는 4개의 1f-보상 부재(17)와 4개의 추가 1f-보상 부재(27)를 포함하며, 1f-보상 부재들(17)은 각각 코리올리 부재(10) 내의 1f-보상 공동부(19)와, 기판(2)과 고정 연결되어 제3 방향(Z)을 따라 1f-보상 공동부(19) 내로 맞물리는 1f-보상 전극(18)을 포함한다. 이 경우, 1f-보상 공동부들(19)은 각각 S자 형태로(그 대안으로 L자 형태로) 형성된다. 이와 유사하게, 추가 1f-보상 부재들(27)은 추가 코리올리 부재(20)의 영역 내에 구성된다. 1f-보상 부재들(17) 및 추가 1f-보상 부재들(27)은 1f-직교력을 억제하고 그에 따라 신호 품질을 개선하기 위해 제공된다.

Claims (8)

  1. 주 연장 평면(100)을 가진 기판(2)과 코리올리 부재(10)를 구비한 요레이트 센서(1)로서, 상기 요레이트 센서(1)는, 코리올리 부재(10)가 여기 수단에 의해 제1 방향(X)을 따르는 여기 방향을 따라 주 연장 평면(100)에 대해 평행하게 여기 진동(12)으로 여기될 수 있도록 구성되며, 이로써 코리올리 부재(10)의 여기 방향으로의 편향(33)이 야기되고, 이 경우 요레이트 센서(1)는 보상력(30)을 가하기 위한 보상 부재(14)를 포함하는, 요레이트 센서에 있어서,
    상기 보상력(30)은 여기 방향으로의 편향(33)에 대한 비선형 의존성을 갖는 것을 특징으로 하는, 요레이트 센서(1).
  2. 제1항에 있어서, 회전 운동의 경우, 코리올리 부재(10)에 작용하는 검출될 힘에 따라 검출 신호가 검출되는 것을 특징으로 하는, 요레이트 센서(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보상 부재(14)는 고정 전극(15)과, 코리올리 부재(10)의 공동부(16)로 형성되며, 상기 고정 전극(15)은 기판(2)과 연결되고, 공동부(16) 내에 주 연장 평면(100)에 대해 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는, 요레이트 센서(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보상 부재(14)는 보상 진동 성분을 여기하며, 상기 보상 진동 성분은 여기 진동(12)의 주파수의 실질적으로 2배인 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는, 요레이트 센서(1).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보상 부재(14)는, 제2 방향(Y), 그리고 주 연장 평면(100)에 대해 수직으로 연장되는 제3 방향(Z)을 따라 공동부(16)의 중심을 통과하여 연장되는 반사 대칭 평면(102)을 갖는 것을 특징으로 하는, 요레이트 센서(1).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 요레이트 센서(1)는 코리올리 부재(10)와 실질적으로 동일한 구조의 추가 코리올리 부재(20)를 포함하고, 이 추가 코리올리 부재는 스프링 부재(3)를 통해 상기 코리올리 부재(10)와 연결되며, 상기 추가 코리올리 부재(20)는 추가 여기 수단에 의해 여기 진동(12)에 대해 역평행으로 추가 여기 진동(22)에 여기될 수 있고, 상기 요레이트 센서(1)는 추가 보상 진동 성분을 여기하기 위한 추가 보상 부재(24)를 포함하고, 상기 추가 보상 부재(24)는 기판(2)과 연결된 추가 고정 전극(25)을 포함하며, 이 추가 고정 전극은 주 연장 평면(100)에 대해 평행하게 추가 코리올리 부재(20)의 추가 공동부(26) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 요레이트 센서(1).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보상 부재(14) 및 추가 보상 부재(24)는, 코리올리 부재(10)와 추가 코리올리 부재(20) 사이의 중간에서 제1 방향(X) 및 제3 방향(Z)을 따라 연장되는 평면(101)과 관련하여 상호 반사 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 요레이트 센서(1).
  8. 요레이트 센서(1)를 작동하기 위한 방법으로서, 요레이트 센서(1)는 하나 이상의 코리올리 부재(10)와, 여기 수단과, 보상 부재(14)를 포함하며, 코리올리 부재(10)는 여기 수단에 의해 제1 방향(X)을 따르는 여기 방향을 따라, 주 연장 평면(100)에 대해 평행하게 여기 진동(12)에 여기될 수 있고, 이는 코리올리 부재(10)의 여기 방향으로의 편향(33)을 야기하며, 이때 보상 부재(14)에 의해 보상력(30)이 가해지는, 요레이트 센서의 작동 방법에 있어서,
    상기 보상력(30)은 여기 방향으로의 편향(33)에 대해 비선형 의존성을 갖는 것을 특징으로 하는, 요레이트 센서(1)의 작동 방법.
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