KR100363786B1 - 마이크로 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 구조물로 구성되는 자이로스코프에서 진동하는 질량을 3부분으로 분할 구성하여 진동시킴으로써, 외부의 진동에 의한 영향을 극소화 시킬수 있는 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로 그 기술적인 구성은, 외부 프레임(120)의 내측으로 보 탄성체를 개재하여 Y축 방향에 다수의 코움(150)이 형성되는 내부 질량부(110)인 내부 프레임(140)의 내측에, 상기 코움(150)들 사이에 이격되는 상태로 전극 지지부(160)에 고정 지지되는 수직방향 감지전극(170)이 배치되며, 상기 내부 질량부(110)의 양측 2군데에 탄성체를 개재하여 가진 가능토록 외부 질량부(210) (210')가 설치되는 것이다.

이에따라서, 외부 진동의 영향을 극소화 시킬수 있도록 하며, 지지부에서 발생하는 마찰손실을 최소화하여 자이로스코프의 분해능을 향상시킬 수 있는 것이다.

Description

마이크로 자이로스코프{Microgyrocrope}

본 발명은 마이크로 구조물로 구성되는 자이로스코프에서 진동하는 질량을 3부분으로 분할 구성하여 진동시키며, 상기 진동하는 질량들에서 서로 반대방향으로 진동하는 질량의 합을 서로 같게하여 외부의 진동에 의해 전달되는 힘을 최소화 시킴과 아울러, 외부 진동의 영향을 극소화 시킬수 있도록한 마이크로 자이로스코프에 관한 것이다.

일반적으로 알려져 있는 관성체의 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서 장치는 이미 오래전부터 선박, 항공기등에서 항법장치용 핵심부품으로 사용되어 왔으며, 현재는 자동차의 항법장치나, 또는 고배율 비데오 카메라의 손떨림을 검출하여 이를 보상하는 장치에 사용되고 있다.

그러나, 종래 군사용이나 항공기용으로 사용되는 각속도 감지용 자이로스코프는 다수의 복잡한 부품이 정밀가공 및 조립공정등을 통하여 제작되므로 정밀한 성능을 얻을수 있으나, 제작비용이 많이들게 되고, 부피가 대형화되어 일반 산업용이나, 민생용 가전제품에는 적용이 불가능한 실정인 것이다.

최근에는 삼각 프리즘 형태의 비임(Beam)에 압전소자를 부착한 소형 자이로스코프를 개발하여 소형 비데오 카메라의 손떨림 감지용 센서로서 사용하고 있다. 또한, 상기와같은 압전소자를 부착한 자이로스코프의 제작에 따른 난점을 극복할 수 있도록 개선된 원통형 비임 구조를 갖는 소형 자이로스코프가 개발된바 있다.

그라나, 이와같은 두가지 형태의 소형 자이로스코프는 모두 정밀가공을 필요로하는 소형부품으로 이루어진 관계로, 제작이 어렵게 됨은 물론, 고가의 비용이 소요되는 단점이 있으며, 특히 상기와같은 자이로스코프는 다수의 기계부품으로 이루어져 있기 때문에, 회로 일체형으로 적용하기가 곤란하게 되는 문제점이 있는 것이다.

한편, 상기와같은 자이로스코프의 원리는 제1 축방향으로 일정하게 진동하거나, 회전하는 관성체가 상기 제1 축방향에 대하여 직각인 제2 축방향에서의 회전에 의한 각속도의 입력을 받을때, 상기 두개의 축에 대하여 직교하는 제3 축방향으로 발생하는 코리올리힘(Coriolis force)을 검출함으로써 회전 각속도를 검출하는 것이다.

이때, 관성체에 가해지는 힘을 평형시키면 각속도 검출의 정확성이 높아진다. 특히 신호의 선형성과 대역폭을 넓히려면 힘의 평형방법을 이용한 구조가 바람직하다.

이와같은 기술과 관련된 종래의 마이크로 자이로스코프에 있어서는 미국 특허 제 5,747,690호에 알려져 있으며, 그 구성은 도 1에 나타낸 바와같이, 수평방향(X)으로 코움(41)을 이용하여 가진하게 되고, 이와 마찬가지로수직방향(Y)으로 유발되는 부유질량(50)의 코리올리의 진동을 감지전극(38)을 통하여 감지할수 있도록 하는 것이다.

이때, 부유질량(50)의 양면에 위치한 코움(39)(40)(41)(42)에 교류의 전압을 인가하여 부유질량이 X축 방향으로 진동하고 있을경우, Z축 방향의 각속도가 인가되면, 코리올리의 힘에 의하여 질량은 진동하는 주파수로 Y축 방향으로 진동하게 되며, 이때 상기 진동범위는 인가된 각속도에 비례하여 질량의 Y축방향 진동을 감지전극(38)을 이용하여 진동 주파수로 검파함으로써 각속도 신호를 얻을 수 있는 것이다.

그러나, 상기와같은 경우 질량이 한쪽 방향으로 진동하게 되어 지지부(31)에는 진동에 의한 전달력이 과도하게 인가되어 기계적인 손실을 초래하게 됨은 물론, 외부 진동의 영향으로 가진 진폭에 영향을 받게되는 단점이 있는 것이다.

또한, 상기와같은 마이크로 자이로스코프에 있어서는, 상기 지지부(31)에 전달되는 진동에 의한 전달력에 의해 자이로스코프의 감도 상승에 부정적인 영향을 초래하게 됨은 물론, 각속도 크기에 따른 선형성이 불량해지고, 결과적으로 자이로스코프의 분해능 저하와, 상기 자이로스코프의 수명이 단축되는 등 많은 문제점이 있었던 것이다.

본 발명은 상기한 바와같은 종래의 여러 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 자이로스코프에서 진동하는 질량을 3부분으로 분할 구성하여 진동시키며, 진동하는 질량들에서 서로 반대방향으로 진동하는 질량의 합이 서로 같게하여 외부의 진동에 의해 전달되는 힘을 최소화 시킴과 아울러, 외부 진동의 영향을 극소화 시킬수 있도록 하며, 지지부에서 발생하는 마찰손실을 최소화하여 자이로스코프의 분해능을 향상시키고, 상기 자이로스코프의 수명을 가일층 연장시킬 수 있는 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 마이크로 자이로스코프의 평면 구조도.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 개략 평면 구성도.

도 3은 도 2의 A부 확대도.

도 4는 본 발명에 따른 자이로스코프의 내부 질량부의 양측 2군데에 설치되는 외부 질량부를 연결하는 탄성체를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 자이로스코프 진동상태를 개략적으로 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100...자이로스코프 장치 110...내부 질량부

120...외부 프레임 130...보 탄성체

140...내부 프레임 150...코움

160...전극 지지부 170...감지전극

210,210'...외부 질량부 220...진동 구조물

230...탄성체 240...코움

250...가진용 구동기 260...코움

270...탄성체 지지부

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 외부프레임의 내측으로 상기 외부프레임과 일체로 가진 가능토록 설치되는 내부질량부인 내부프레임과, 상기 내부프레임내부양측에 횡설되어 Y축방향으로 다수개 설치되는 코움과, 상기 각각의 코옴들 사이에 이격되는 상태로 배치되어 전극지지부에 고정지지되는 수직방향 감지전극과, 상기 내부질량부의 양측 2군데에 설치되는 외부질량부와, 상기 내부질량부의 외부프레임과 외부질량부사이에 가진가능토록 설치되는 탄성체와,상기 외부질량부의 폭방향으로 신장되는 진동구조물과, 상기 진동구조물의 일측에 다수개 설치되는 코움과,전압의 인가에 의해 가진작동되어 가진상태를 검출할수 있도록 코움이 설치되는 가진용 구동기를 포함하는 마이크로 자이로스코프에 있어서,상기 내부질량부는 외부프레임의 내측전후및 좌우측 4군데에 보탄성체를 개재하여 상기 외부프레임과 일체로 가진토록 내부프레임이 설치됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프를 마련함에 의한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 개략 평면 구성도이고, 도 3은 도 2의 A부 확대도로서, 본 발명의 자이로스코프 장치(100)에서 진동 구조물은 코리올리 감지부를 갖는 내부질량부(110)와, 그 양측에 설치되는 외부 질량부(210) (210')로 구성된다.

상기 내부 질량부(110)는, 외부 프레임(120)의 내측 전후 및 좌우측 4군데에 보 탄성체(130)를 개재하여 상기 외부 프레임(120)과 일체로 가진 가능토록 내부 프레임(140)이 설치되며, 상기 내부 프레임(140) 내부에는 양측으로 코움(150)들이 횡설되는 상태로 Y축 방향으로 다수개 설치되는 한편, 상기 각각의 코움(150)들 사이에는 전극 지지부(160)에 고정되어 지지되는 수직방향(Y축 방향) 감지전극(170)이 소정의 간격으로 이격되는 상태로 각각 배치된다.

상기 진동 구조물인 외부 및 내부 프레임(120) (140) 사이에 설치되는 보 탄성체(130)는, 내부 프레임(140)의 양측에 설치된 전극 지지부(160)를 통한 전압의 인가시, 전극 지지부(160)에 빗살 형태로 설치되는 수직방향 감지전극(170)과 진동 구조물인 프레임의 코움(150)들 사이에서 발생되는 정전력에 의해 내부 프레임(140)이 가진될 경우, 이와 일체로 외부 프레임(120)이 상하 방향(수직방향)으로 가진될 수 있도록 하며, 이때 상기 내부 프레임의 코움(150)들과 전극 지지부(160)의 수직방향 감지전극(170) 사이에 발생되는 정전 용량의 차이로 부터 가진 상태를 검출할 수 있도록 하면서, 진동 구조물인 상기 내부 프레임(140) 및 이와 보 탄성체(130)를 개재하여 연설된 외부 프레임(120)이 코리올리의 힘에 의해서 Y축 방향(수직방향)으로 운동하는 것을 억제하는 역할을 한다.

또한, 상기 내부 질량부(110)의 양측 2군데에 설치되는 외부 질량부(210) (210')는, 폭 방향으로 신장되는 진동 구조물(220)의 양단부가 내부 질량부(110)의 외부 프레임(120)과 탄성체(230)를 통해 가진 가능토록 탄설되는 상태에서, 상기 진동 구조물(220)의 일측에는 다수의 코움(240)이 설치된다.

상기 진동 구조물(220)에 설치되는 코움(240)은, 전압의 인가에 의해 가진작동되는 가진용 구동기(250)에 형성되는 다른 코움(260)들 사이에 일정한 갭(gap)을 형성하면서 배치되며, 상기 진동 구조물(220)의 코움(240)과 가진용 구동기(250)에 형성된 코움(260) 사이에 발생되는 정전력에 의해 진동 구조물(220)이 가진 되거나, 진동 구조물의 코움(240)과 가진용 구동기(250)의 코움(260) 사이에 발생되는 정전 용량의 차이로 부터 가진 상태를 검출할 수 있도록 된다.

이때, 상기 진동 구조물(220)을 좌우 수평방향(X축 방향)으로 진동 시키는 가진용 구동기(250)는, 상기 진동 구조물(220)의 길이방향과 평행하게 배치되며,상기 가진용 구동기(250)에 형성되는 다수의 코움(260)들은 진동 구조물(220)의 코움(240) 사이에 배치된다.

한편, 도 4는 내부 질량부(110)의 양측 2군데에 설치되는 외부 질량부(210) (210')를 연결하는 탄성체(230)를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 자이로스코프 진동상태를 개략적으로 도시한 도면으로써, 판 탄성체로 구성되는 탄성체(230)는 탄성체 지지부(270)에 의해 고정토록 되며, 상기 외부 질량부(210) (210')의 가진용 구동기(250) 전압의 인가에 의해, 상기 외부 질량부(210)(210')와 내부 질량부(110)는 상기 탄성체(230)를 통하여 수평 방향(X축 방향)으로 서로 서로 반대방향으로 움직이게 되며, 이때 외부의 각속도가 인가되었을때 상기 내부 질량부(110)는 X축 방향으로 각속도의 크기에 비례하는 진동이 유발된다.

이에따라, 상기 가진질량인 2개의 외부질량부(210)(210')와 내부 질량부(110)는 진동시, 서로 반대방향으로 진동하게 되고, 이때 서로 반대방향으로 작용하는 질량의 크기는 서로 같게 형성되는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

도 5에 도시한 바와같이, 질량 M을 갖는 진동 구조물인 내부 질량부(110)와, 그 양측에 질량 M/2을 갖는 진동 구조물인 2개의 외부 질량부(210)(210')는, X축 방향으로 탄성체(230) 및 Y축 방향으로 보 탄성체(130)로 각각 지지되어 있다. 상기와같은 진동계에서 X축 방향으로 진동 구조물을 가진시키는 외력(f)은 다음식으로 표시할 수 있다.

이때 진동 구조물의 X축 방향 운동의 변위(X) 및 속도(V)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

상기 식에서는 X축 방향의 변위,는 X축 방향의 진동 구조물의 속도이다.

입력되는 각속도에 비례하여 발생되는 코리올리의 힘에 의해 Y축 방향으로 발생되는 변위는,

로 계산된다.

상기 식에서,

및는 X축 방향 및 Y축 방향에 대한상수이며,는 입력 각속도이다.

따라서,의 변위를 검출하면 관성체의 회전 각속도를 측정할 수 있다.

본 발명의 자이로스코프 장치(100)에서 질량 M은 진동 구조물의 질량인 M 및M/2에 각각 해당되며, 가진용 구동기(250)에 고유 진동수에 해당하는 교류 전압을 인가하면, 코움간의 정전력에 의해 X축 방향으로의 진동이 발생하게 된다.

이러한 정전력에 의한 가진용 구동기(250)의 정전력은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.

상기 식에서는 구동력이며, ε은 공기의 유전상수,는 코움의 두께,는 코움의 쌍의 갯수,는 구동전압,는 코움사이의 거리이다.

상기와 같은 구동력을 받는 진동 구조물은 고유 진동수에 따른 진동을 하게 되며, 이러한 고유 진동수의 진동을 유지하기 위하여 감지된 운동을 기준으로 불안정 발진 제어 조건을 만족하는 전압을 발생시켜 가진용 구동기(250)를 작동시키는 것이다.

발진하는 진동 구조물에 회전 각속도가 입력되면 상기 진동 구조물은 X축 방향으로 진동 운동을 하면서, 동시에 Y축 방향으로 변위하게 된다. 이러한 변위는 감지전극(170)과 진동 구조물인 프레임의 코움(150)들 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 유발하게 된다.

상기 감지전극(170)은 도 2에서와 같이, 양극과 음극으로 구성되며, 양극의 정전용량과 음극의 정전용량의 변화는 서로 반대로 발생하므로, 상기 양극 및 음극 감지전극에서 발생하는 정전용량의 차이를 계산하면 Y축 방향으로의 진동 구조물의 변위를 감지할 수 있다.

양 전극 사이의 정전용량의 차이는 다음의 식으로 계산된다.

상기 식에서,는 감지전극(170)의 쌍의 수,은 공기의 유전 상수,는 감진전극의 길이, t는 진동 구조물인 프레임의 코움(150)과 감지전극(170)이 서로 마주보는 두께,는 감지전극과 진동 구조물의 간극이다.

정전용량의 변화를 검출하는 일반적인 회로를 사용할 경우, 상기 정전용량의 변화에 비례하는 전압 신호를 검출할 수 있게 됨으로써, 결과적으로 각속도 신호를 검출할수 있게 된다.

다른한편, 자이로스코프의 성능을 결정하는 공통적인 중요 인자로서, 코리올리의 힘에 의한 Y축 방향으로의 변위를 최대화 하기 위하여, X축 방향과 Y축 방향의 고유 진동수를 일치시킬 필요가 있다.

본 발명에서는 상기 감지전극(170)에 의해서 발생되는 정전력에 의하여 Y축 방향의 강성이 영향을 받으므로, 그 정전력을 이용하여 고유 진동수를 조정할 수 있게 되며, Y축 방향의 고유 진동수는 다음의 식으로 표시한다.

상기 식에서,는 보 탄성체의 상수이고,은 감지전극과 진동 구조물인 코움 사이의 정전력에 의해 발생되는 탄성체 상수이다.

은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

상기 식에서는 감지전극에 인가되는 편류 전압(bias voltage)이다.

상기 편류 전압을 조정하여 Y축 방향의 고유 진동수를 X축 방향의 고유 진동수와 일치시킬 수 있다.

이때, 상기와 같은 방법으로 감지전극의 편류 전압을 변화시키면 자이로스코프의 출력변화를 야기하므로, 다른 방법에 의해 감지전극의 편류 전압은 고정시키고, 별도의 고유 진동수 조정용 전극을 사용하여 정확한 조정을 할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프에 의하면, 자이로스코프에서 진동하는 질량을 3부분으로 분할 구성하여 진동시키며, 진동하는 질량들에서 서로 반대방향으로 진동하는 질량의 합이 서로 같게하여 외부의 진동에 의해 전달되는 힘을 최소화 시킴과 아울러, 외부 진동의 영향을 극소화 시킬수 있도록 하며, 지지부에서 발생하는 마찰손실을 최소화하여 자이로스코프의 분해능을 향상시키고, 상기 자이로스코프의 수명을 가일층 연장시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (8)

1. 외부프레임(120)의 내측으로 상기 외부프레임(120)과 일체로 가진 가능토록 설치되는 내부질량부(110)인 내부프레임(140)과, 상기 내부프레임(140)내부양측에 횡설되어 Y축방향으로 다수개 설치되는 코움(150)과, 상기 각각의 코옴(150)들 사이에 이격되는 상태로 배치되어 전극지지부(160)에 고정지지되는 수직방향 감지전극(170)과, 상기 내부질량부(110)의 양측 2군데에 설치되는 외부질량부(210)(210')와, 상기 내부질량부(110)의 외부프레임(120)과 외부질량부(210)(210')사이에 가진가능토록 설치되는 탄성체(230)와,상기 외부질량부(210)(210')의 폭방향으로 신장되는 진동구조물(220)과, 상기 진동구조물(220)의 일측에 다수개 설치되는 코움(240)과,전압의 인가에 의해 가진작동되어 가진상태를 검출할수 있도록 코움(260)이 설치되는 가진용 구동기(250)를 포함하는 마이크로 자이로스코프에 있어서,

   상기 내부질량부(110)는 외부프레임(120)의 내측전후및 좌우측 4군데에 보탄성체(130)를 개재하여 상기 외부프레임(120)과 일체로 가진토록 내부프레임(140)이 설치됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 내부 프레임(140)의 코움(150)들 사이에는, 전극 지지부(160)에 고정되어 지지되는 수직방향(Y축 방향) 감지전극(170)이 소정의 간격으로 이격되는 상태로 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
4. 제 1항에 있어서, 상기 진동 구조물(220)에 설치되는 코움(240)은, 전압의 인가에 의해 가진 작동되는 가진용 구동기(250)에 형성되는 다른 코움(260)들 사이에 소정의 갭을 형성하면서 배치 되는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
5. 제 1항에 있어서, 상기 내부 질량부(110)의 양측 2군데에 설치되는 외부 질량부(210) (210')를 연결하는 탄성체(230)는, 판 스프링으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
6. 제 5항에 있어서, 상기 탄성체(230)는, 탄성체 지지부(270)에 의해 고정토록 되는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
7. 제 1항에 있어서, 상기 외부 질량부(210) (210')와 내부 질량부(110)는, 상기 탄성체(230)를 통하여 수평 방향(X축 방향)으로 서로 반대방향으로 움직이게 되는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.
8. 제 7항에 있어서, 상기 가진질량인 2개의 외부질량부(210)(210')와 내부 질량부(110)는, 진동시 서로 반대방향으로 작용하는 질량의 크기는 서로 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.