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KR20160114139A - 개선된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프 - Google Patents

개선된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프 Download PDF

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KR20160114139A
KR20160114139A KR1020167023454A KR20167023454A KR20160114139A KR 20160114139 A KR20160114139 A KR 20160114139A KR 1020167023454 A KR1020167023454 A KR 1020167023454A KR 20167023454 A KR20167023454 A KR 20167023454A KR 20160114139 A KR20160114139 A KR 20160114139A
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

매우 제한적인 표면 면적에서 더 큰 스케일의 구동 및 감지 구조체들의 직교로 향한 운동들을 허용하는 구동 및 감지 구조체들 및 연결 스프링 구조체들의 특정 배열을 갖는 자이로스코프 구조체.

Description

개선된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프{IMPROVED GYROSCOPE STRUCTURE AND GYROSCOPE}
본 발명은 마이크로전기기계 디바이스들에 관한 것이고, 특히 독립 청구항들의 전제부들에 규정된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프에 관한 것이다.
마이크로-전기-기계 시스템들, 즉 MEMS는 적어도 일부 소자들이 기계적 기능을 갖춘 소형화된 기계 및 전기-기계 시스템들로서 규정될 수 있다. MEMS 디바이스들이 집적 회로들을 만들기 위해 사용되는 동일한 도구들로 만들어지기 때문에, 마이크로기계들 및 마이크로전자부품들은 동일 조각의 실리콘 상에서 제작되어 발달된 기계들을 가능하게 할 수 있다.
MEMS 구조체들은 물리적 특성들의 매우 작은 변화들을 신속하고 정확하게 검출하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들면, 마이크로전기기계 자이로스코프는 매우 작은 각도 변위들을 신속하고 정확하게 검출하기 위해 적용될 수 있다. 운동은 6개의 자유도들을 가진다: 3개의 직교 방향들의 병진운동들 및 3개의 직교 축들 둘레의 회전운동들. 후자의 3 개는 자이로스코프로도 알려져 있는 각 속도 센서에 의해 측정될 수 있다. MEMS 자이로스코프는 코리올리 효과(Coriolis Effect)를 이용하여 각 속도를 측정한다. 질량이 한 방향으로 움직이고 회전 각 속도가 인가될 때, 질량은 코리올리력의 결과로서 직교 방향의 힘을 겪는다. 코리올리력에 의해 야기된 결과적인 물리적 변위는 이후 예로서, 용량적으로, 압전적으로, 또는 압전저항적 감지 구조체로부터 판독될 수 있다.
MEMS 자이로들에서, 1차 운동은 적절한 베어링들의 부족으로 인해 종래의 것들에서와 같이 연속 회전이 될 수 없다. 대신, 기계적 진동이 1차 운동으로 사용될 수 있다. 진동하는 자이로스코프가 1차 운동의 방향에 직교하는 각 운동을 겪을 때, 파동 코리올리력이 결과로서 일어난다. 1차 진동의 주파수에서, 이것은 1차 운동에 및 각 운동의 축에 직교하는 2차 진동을 생성한다. 이러한 결합된 진동의 진폭은 각 속도의 측정으로서 사용될 수 있다.
자이로스코프들은 매우 복잡한 관성 MEMS 센서들이며, 여전히 경향은 점점 더 소형 구조체들을 향한다. 자이로스코프 설계들에서의 기본적인 도전과제는 코리올리력이 매우 작으므로, 생성된 신호들이 자이로스코프에 존재하는 다른 전기 신호들에 비해 극소한 경향이 있다는 것이다. 잘못된 응답들(Spurious responses) 및 바이브레이션(vibration)에 대한 민감성은 종래의 튜닝 포크 구조체들(fork structures)과 같은, 많은 소형 MEMS 자이로 설계들을 성가시게 한다.
외부 바이브레이션들에 대한 민감도를 줄이는 하나의 알려진 접근법은 공통 축(common axis) 둘레에서 연장하는 내부 또는 외부 주변들(peripheries)을 갖는 구조체와 같은 링 또는 후프(hoop)를 갖는 평면 진동성 공진기(planar vibratory resonator)를 포함하는 균형잡힌 링 구조체이다. 평면 공진기들은 전형적으로 45o의 상호각도에서, 진동 모드들의 하나의 퇴화 쌍으로 존재하는 cos2θ 공진 모드로 여기된다(excited). 이들 모드들 중 하나는 반송파 모드로서 여기된다. 구조체가 링의 평면에 수직인(normal) 축 둘레에서 회전될 때, 코리올리력들은 에너지를 응답모드로 연결한다(couple). 응답모드의 운동의 진폭은 적용된 회전 속도를 직접 측정한다.
링 구조체의 단점은 단면 진동 질량들(seismic masses) 및 그들의 변위들이 상대적으로 작고 이는 낮은 신호 레벨들을 야기한다는 것이다. 또한, 단면 작동 및 감지 구조체들의 크기들은 기능들을 구별할 수 없게 하고 따라서 기능들을 손상되게 한다.
본 발명의 목적은 외부 충격들에 영향을 받지 않는 소형 자이로스코프 구조체를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적들은 독립 청구항들의 특징부들에 따른 자이로스코프 구조체로 성취된다.
청구항들은 제 1 쌍의 구동 구조체들, 제 2 쌍의 구동 구조체들, 제 1 쌍의 감지 구조체들, 및 제 2 쌍의 감지 구조체들을 포함하는 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체를 규정한다. 구동 구조체는 진동 질량에 연결되고, 진동 질량의 1차 진동을 야기하도록 구성된 변환기를 포함한다. 한 쌍의 구동 구조체들의 진동 질량들은 역위상으로 진동하도록 연결되고 1차 진동의 공통 축으로 정렬된다. 제 1 쌍의 구동 구조체들의 1차 진동 축 및 제 2 쌍의 구동 구조체들의 1차 진동 축은 진동 평면을 따라 직교하여 연장한다. 반면, 감지 구조체는 감지 디바이스 및 연결 스프링 구조체를 포함한다. 연결 스프링 구조체는 감지 디바이스를 제 1 쌍의 구동 구조체들의 진동 질량 및 제 2 쌍의 구동 구조체들의 진동 질량에 연결한다. 연결 스프링 구조체는, 1차 진동의 그들의 축에 수직인 방향에서 각 진동 질량들의 운동의 성분을 감지 디바이스에 전달하고, 1차 진동의 그들의 축의 방향에서 각 진동 질량들의 운동의 성분을 흡수하도록 구성된다. 감지 디바이스는 제 1 쌍의 구동 구조체들의 1차 운동의 축에 대각인 및 제 2 쌍의 구동 구조체들의 1차 운동의 축에 대각 방향으로 진동하도록 구성된다.
청구항들은 또한 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체를 포함하는 자이로스코프를 규정한다. 본 발명의 유리한 실시예들이 종속 청구항들에 개시된다.
본 발명은, 매우 제한적인 표면 면적에서 더 큰 스케일의 구동 및 감지 구조체들의 직교로 향한 운동들을 허용하는 구동 및 감지 구조체들 및 연결 스프링 구조체들의 특정 배열을 기초로 한다.
본 발명의 추가 장점들은 다음 실시 예들을 통해 더욱 상세히 논의된다.
다음에서 본 발명은, 바람직한 실시예들과 관련하여 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세히 논의될 것이다.
도 1은 자이로스코프 구조체의 일 실시예를 도시한 도면;
도 2는 예시적인 구동 구조체를 도시한 도면;
도 3은 예시적인 중앙 스프링 구조체를 도시한 도면;
도 4는 자이로스코프 구조체의 구동 모드 운동을 도시한 도면;
도 5는 예시적인 감지 구조체를 도시한 도면;
도 6은 자이로스코프 구조체의 감지 모드 운동을 도시한 도면;
도 7은 추가 예시적인 감지 구조체를 도시한 도면;
도 8은 자이로스코프의 소자들을 도시한 도면.
다음의 실시예들은 예시적이다. 명세서가 "하나의", 또는 "일부" 실시예(들)를 참조할 수 있지만, 이것은 반드시 이러한 각각의 참조가 동일 실시예(들)에 대한 것이거나, 또는 특징부가 단일 실시예에만 적용되는 것을 의미하는 것은 아니다. 상이한 실시예들의 단일 특징부들은 조합되어 다른 실시예들을 제공할 수 있다.
다음에서, 본 발명의 특징부들은 본 발명의 다양한 실시예들이 구현될 수 있는 디바이스 아키텍처의 간단한 예와 함께 기술될 것이다. 실시예들을 예시하는데 관련된 요소들만 상세히 기술된다. 당업자에게 일반적으로 알려진 자이로스코프 구조체들의 다양한 구현들은 본 명세서에 구체적으로 기술되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자이로스코프 구조체의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도시된 구조체는 네 개의 진동 질량들(100, 102, 104, 106), 구동 구조체들(120, 122, 124, 126), 및 감지 구조체들(170, 172, 174, 176)을 포함한다. 두 개의 구동 구조체들(120, 122)은 제 1 쌍의 구동 구조체들을 형성하고, 다른 두 개의 구동 구조체들(124, 126)은 제 2 쌍의 구동 구조체들을 형성한다. 도 2는 도 1의 예시적인 구동 구조체(120)를 더 상세히 도시한다.
구동 구조체(200)는 본 명세서에서 진동 질량(202)을 매달고, 진동 질량이 구동 모드 1차 진동을 하게 하는 소자들의 조합을 언급한다. 용어 진동 질량은 내부 움직임을 제공하기 위해 정적 지지대(static support)에 매달릴 수 있는 질량체(mass body)를 본 명세서에서 언급한다. 진동 질량(202)은 평면 형태를 가질 수 있다. 이것은 적어도 진동 질량의 체적의 부분이 두 개의 차원들(길이, 너비)에서 평면을 따라 연장하고, 거기에 평면을 형성한다는 것을 의미한다. 허용 범위 내에서, 진동 질량의 평면은 그 위에 임의의 두 개의 포인트들을 연결하는 직선들을 포함하는 것으로 여겨질 수 있다. 그러나, 표면이 진동 질량 상에 패터닝된 돌출부들을 포함하거나 진동 질량 안으로 패터닝된 오목한 곳을 포함할 수 있는 것으로 이해된다.
1차 진동에 대해, 구동 구조체(200)는, 진동 질량(202)에 진동의 평면에서 두 개의 자유도들을 허용하는 제 1 스프링 구조체(206, 220)에 의해, 진동 질량(202)을 자이로스코프의 다른 본체 소자에 매달 수 있다. 제 1 스프링 구조체는 제 1 자유도에 대한 1차 소자(206) 및 제 2 자유도에 대한 2차 소자(220)를 포함할 수 있다. 1차 소자(206)는 고정 소자(208) 및 서스펜션(suspension) 스프링(210)을 포함할 수 있다. 고정 소자(208)는 정적(비-진동) 지지대, 전형적으로 다른 본체 소자에 대한 연결(connection)을 제공할 수 있다. 자이로스코프 구조체가 MEMS 구조체 웨이퍼라면, 다른 본체 소자는 예를 들어, 자이로스코프 다이의 아래에 놓이는 핸들 웨이퍼, 또는 커버링 캡 웨이퍼(covering cap wafer)에 의해 제공될 수 있다. 서스펜션 스프링(210)은 서스펜션 스프링(202)이 한 방향에서 매우 탄성적이고, 그에 수직인 다른 방향에서 강성이도록 한 방향 방식으로 진동 질량(202) 및 고정 소자(208) 사이에서 연장할 수 있다. 이것은 서스펜션 스프링(210)이 한 방향으로의 스프링의 변위에 대해 가하는 힘이, 서스펜션 스프링(210)이 그에 수직인 방향으로의 스프링의 변위에 대해 가하는 힘에 비해 크다는 것을 의미한다. 서스펜션 스프링(210), 및 그게 의한 1차 소자(206)가 탄성인 방향은 제 1 자유도, 즉 진동질량(202)의 1차 진동의 방향에 상응할 수 있다. 1차 진동은 진동 질량(202)의 여기로 생긴 방향성 왕복 운동(directional reciprocating motion)을 본 명세서에서 언급한다.
2차 소자(220)는 진동 질량(202)과 1차 소자(206) 사이에서, 2차 소자가 탄성인 방향이 제 2 자유도, 즉 진동 질량(202)의 2차 진동의 방향에 상응할 수 있도록, 방향성 방식(in a directional manner)으로 및 직교로 배열될 수 있다. 2차 진동은, 자이로스코프 구조체에 유도 되는 각 운동으로부터 야기된 코리올리력으로부터 야기되는 방향성 왕복 운동을 본 명세서에서 언급한다. 2차 소자는, 벤딩 빔의 세로 치수가 초기에 진동 질량(202)의 1차 진동의 방향이고, 진동 질량(202) 내의 측면 포인트 및 1차 소자(206)의 측면 포인트를 직접 또는 간접적으로 연결하도록 위치한 벤딩 빔을 포함할 수 있다. 도 2는 진동의 평면에서 연결된 포인트들을 옵셋시키는 강성의 경사 연장부를 포함하는 간접 연결을 도시한다. 방향성 진동을 배열하기 위한 다른 스프링 구조체들이 본 범주 내에서 적용될 수 있다. 1차 소자(206)와 2차 소자(220)를 결합하는 것의 결과로서, 진동 질량(202)은 1차 진동 방향 및 2차 진동 방향에서 자유도를 가진다.
구동 구조체(200)는 또한 입력 전기 에너지를 진동 질량의 기계 에너지로 변환하는 변환기(204)를 또한 포함할 수 있다. 도 2의 예시적인 구동 구조체는 고정자 빗살형(212)과 회전자 빗살형(214) 쌍들 사이의 커패시턴스들이 회전자 빗살형의 변위로 선형으로 변화하는 빗살형 드라이브로 정전 작동을 적용한다. 용량성 작동의 다른 형태들이 본 범주 내에서 적용될 수 있다. 예를 들어, 평행 판 및 길이 방향 커패시터들의 특징들을 결합하는 평행 판 빗살형들 또는 하이브리드 빗살형이 사용될 수 있다. 또한, 압전 여기가 적용될 수 있다. 대응 여기 방법들은 당업자에게 잘 알려져있고, 본 명세서에서 상세히 논의되지 않을 것이다.
도 1로 되돌아 가면, 제 1 쌍의 구동 구조체들(120, 122) 및 제 2 쌍의 구동 구조체들(124, 126)에서, 진동 질량들은 1차 진동의 공통 축(128, 130)의 방향에서 역위상 1차 진동을 위해 각각 연결된다. 1차 진동의 축은 1차 진동의 방향으로 정렬되고, 진동 질량과 일치하는 축을 본 명세서에서 언급한다. 유리하게, 진동 질량은 대칭축을 가지고, 1차 진동의 축은 진동 질량의 대칭축과 일치한다. 구동 구조체들의 쌍(120, 122 또는 124, 126)에 연결된 두 개의 진동 질량들(100, 102 또는 104, 106)의 1차 진동은 1차 진동의 공통 축(128 또는 130)의 방향으로 각각 발생하도록 구성된다.
도 1의 구성은 수평 수직 방향들로 본 명세서에서 지칭될 방향들 X 및 Y와 연관되어 도시된다. 제 1 쌍의 구동 구조체들 중 하나의 구동 구조체는 제 1 수직 구동 구조체(120)로 불릴 수 있고, 제 1 쌍의 구동 구조체들 중 반대의 구조체는 제 2 수직 구동 구조체(122)로 불릴 수 있다. 상응하게, 제 2 쌍의 구동 구조체들은 제 1 수평 구동 구조체(124) 및 제 2 수평 구동 구조체(126)를 포함할 수 있다. 1차 운동에서, 각 수직 구동 구조체들(120, 122)에서 진동 질량은 1차 진동의 수직 축(128) 방향으로 상호적으로 진동한다. 상응하게, 각 수평 구동 구조체들(124, 126)에서 진동 질량은 1차 진동의 수평 축(130) 방향으로 상호적으로 진동한다.
한 쌍의 구동 구조체들에서 진동 질량들의 1차 진동은 역위상 운동이다. 이것은, 예를 들어, 제 1 수직 구동 구조체(120)의 진동 질량의 진동이 동일 주파수를 가지며, 제 2 수직 구동 구조체(122)의 진동 질량과 시잔적으로 동일한 지점으로 언급되지만, 그들 사이의 위상 차이는 180도(n 라디안)인 것을 의미한다. 따라서, 진동 질량들은 서로를 향해 또는 서로로부터 멀어지는 방향으로 동일한 속도로 움직인다. 수평 구동 구조체들의 진동 질량들의 1차 진동은 유사하지만, 수평 방향이다.
진동 질량의 1차 진동의 방향은 구동 구조체의 외형에 의존한다. 방향은 주파수 및 역위상 구동 운동 방향의 정확도를 개선하는 구동 연결 스프링 구조체로 또한 구체화될 수 있다. 도 3은 이러한 구동 연결에 대해 도 1의 예시적인 중앙 스프링 구조체(300)를 상세히 도시한다. 스프링 구조체(300)는, 그들의 세로 치수 방향에서 움직임을 엄격하게 전달하지만, 그들의 세로 치수에 수직인 방향에서 구부러지는 것으로 여겨질 수 있는 다수의 기다란 빔들을 포함한다. 스프링 구조체는 네 개의 대각선 빔들(302, 304, 306, 308)을 포함할 수 있다. 각 대각선 빔들(302, 304, 306, 308)의 일단은 제 1 쌍의 구동 구조체들의 진동 질량과 제 2 쌍의 구동 구조체들의 진동 질량 사이의 고정 점(310, 312, 314, 316) 내의 정적 지지대에 고정될 수 있다. 대각선 빔들(302, 304, 306, 308)은 그들의 각각의 고정 점들로부터 내부를 향해, 즉 1차 진동의 수직 축(128) 및 1차 진동의 수평 축(130)이 교차하는 자이로스코프 구조체 내의 중앙 점(318)을 향하여 연장할 수 있다. 대각선 빔들(302, 304, 306, 308)의 다른 단은 연결의 점으로부터 구동 구조체들을 통해 이웃 진동 질량들로 연장하는 두 개의 연결 빔들에 연결될 수 있다.
예를 들어, 도 3의 대각선 빔(302)은 고정 점(310)에 지지되고 거기서부터 내부를 향해 연장한다. 중앙 점(318) 앞에 연결 점(320)에서, 대각선 빔(302)은 두 개의 연결 빔들(322, 324)에 연결된다. 제 1 연결 빔(322)의 일단은 제 2 연결 빔(324)의 일단 및 대각선 빔(302)의 일단에 연결되고, 제 1 연결 빔(322)의 다른 단은 제 1 수직 구동 구조체(120)의 1차 진동을 따라 움직이도록 연결된다. 제 1 연결 빔(322)의 다른 단은 제 1 수직 구동 구조체(120)의 이동부에, 유리하게 1차 진동(128)의 그것의 축 내의 한-점 포인트에 연결될 수 있다. 제 2 연결 빔(324)의 일단은 제 1 연결 빔(322)의 일단 및 대각선 빔(302)의 일단에 연결되고, 제 2 연결 빔의 다른 단(324)은 제 1 수평 구동 구조체(124)를 따라 움직이도록 연결된다. 제 2 연결 빔(324)의 다른 단은 제 1 수평 구동 구조체(124)의 1차 진동의 축 내의 한 점에 유사하게 연결될 수 있다.
유사한 연결 빔 쌍들이 도 3에 도시된 바와 같이 각 대각선 빔들(302, 304, 306, 308)의 각각의 내부를 가르키는 단부들을 연결하도록 배열될 수 있다. 대각선 빔(302) 및 대각선 빔의 두 개의 연결 빔들(322, 324)의 연결 포인트(320)는 중앙 점(318) 앞에 위치하고, 제 1 수직 구동 구조체(120)에 연결된 연결 빔들(322, 324)은 1차 진동의 축(128)과 작은 예각을 초기에 형성한다. 연결 빔들의 동일한 방위는 모든 구동 구조체들에 대해 반복할 수 있다.
도 4는 구조체가 작동중일 때 1차 운동 동안 도 1의 구동 구조체 구성들의 작동을 도시한다. 제 1 수직 구동 구조체(120)가 1차 운동에서 축(128)의 방향으로 외부를 향해 움직일 때, 연결 빔들(322, 326)은 1차 진동을 따라 움직이고, 축(128)을 향해 구부러진다. 또한, 대각선 빔들(302, 306)의 연결된 단부들은 1차 진동을 따라 축(128)을 향해 구부러지며, 제 1 수직 구동 구조체(120)의 1차 진동의 축(128)과 연결 빔들(322, 326)의 예각은 감소한다. 상응하는 연결 빔들과 축(128) 사이의 상응하는 구부러짐과 예각의 감소는 제 2 수직 구동 구조체(122)에서 반대로 일어난다. 그러나, 동시에, 이웃 수평 구동 구조체들(124, 126) 내의 상응하는 연결 빔들과 축(130) 사이의 예각은 증가한다.
반면, 수직 구동 구조체들(120, 122)은 내부를 향해 움직이고(도시되지 않음), 이웃 구동 구조체들(124, 126)은 외부를 향한 움직임이다. 제 1 수직 구동 구조체(120)의 연결 빔들(322, 326) 사이의 예각은 증가한다. 상응하는 연결 빔들과 축(128) 사이의 상응하는 구부러짐과 예각의 감소는 제 2 수직 구동 구조체(122)의 반대측에서 일어난다. 대각선 빔들(302, 306)의 연결된 단부들은 1차 진동을 따라 축(128)으로부터 멀어지는 방향으로 구부러진다. 수평 구동 구조체들(124, 126)의 상응하는 연결 빔들과 축(130) 사이의 예각은 감소하며, 그들의 대각선 빔들의 연결된 단부들은 축(130)을 향해 구부러진다.
대각선 빔들과 연결 빔들의 기술된 조합은, 매우 효과적으로 구동 구조체들의 각 반대 쌍의 1차 진동이 역위상 모드가 되도록 하고, 구동 구조체들의 두 개의 쌍들의 1차 진동이 1차 진동의 공통 축들(128, 130)의 두 개의 직교 방향들이 되게 하는 구동 연결 스프링 구조체를 형성한다.
구동 구조체들은 자이로스코프 구조체에 의해 제공된 다른 특성들을 위해 추가 소자들을 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 수직 구동 구조체들(120, 122)은 구동 감지 신호들을 위한 추가 빗살형 구조체들(160, 162)을 포함하는 것으로 도시된다. 이러한 신호들은 구동 구조체 내의 조절된 힘의 피드백 동작들을 위해 적용될 수 있다. 또 다른 예로서, 도 1의 수평 구동 구조체들(124, 126)은 정전 직교 보상을 위한 추가 빗살형 구조체들(164, 166)을 포함할 수 있다.
감지 구조체는 적어도 하나의 진동 질량의 특정 운동을 감지하고, 감지된 운동과 상응하는 신호를 생성하도록 배열된 소자를 본 명세서에서 언급한다. 자이로스코프 구조체에서, 감지된 운동은 자이로스코프 구조체의 각 운동에 의해 생성된 고리올리력으로부터 발생한다. 자이로스코프 구조체는 제 1 쌍의 감지 구조체들(170, 172) 및 제 2 쌍의 감지 구조체들(174, 176)을 포함할 수 있다.
도 5는 도 1의 예시적인 감지 구조체(170)를 상세히 도시한다. 감지 구조체(500)는 감지 디바이스(502)와 감지 연결 스프링 구조체(504)를 포함할 수 있다. 감지 디바이스(502)는 입력 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환기를 포함할 수 있다. 입력 기계 에너지는 감지 디바이스가 연결된 하나 이상의 진동 질량들의 운동으로부터 야기된다. 변환기는 고정자(506)와 회전자(508)를 포함할 수 있다. 감지 디바이스(502)는 회전자를 정적 지지대에 매달도록 배열된 제 2 스프링 구조체(530)를 또한 포함할 수 있어서, 회전자는 구동 구조체들의 수직 쌍의 1차 진동의 축에 대각이고, 구동 구조체들의 수평 쌍의 축(130)에 대각 방향에서 진동할 수 있다. 이 문맥에서 대각 방향은 방향이 축과 45°(n/4)를 형성하는 것을 의미한다. 도 1의 구조체에서, 제 2 스프링 구조체(530)가 상기 대각 방향에서 매우 탄성이고, 대각 방향 외의 방향들에서 매우 강성이라는 것을 알 수 있다.
감지 연결 스프링 구조체(504)는 회전자(508)에 두 개의 진동 질량들, 구동 구조체들의 수직 쌍의 이웃 구동 구조체(120)의 진동 질량(100), 및 구동 구조체들의 수평 쌍의 이웃 구동 구조체(126)의 진동 질량(106)에 연결할 수 있다. 감지 연결 스프링 구조체(504)는 회전자(508)를, 1차 진동의 축(128)에 수직인 방향에서 수직 쌍의 구동 구조체들의 이웃 구동 구조체(120)의 진동 질량(100)의 운동의 성분을 전달하고, 1차 진동의 축(128)의 방향으로 편향되게 하도록 구성될 수 있다. 상응하게, 감지 연결 스프링 구조체(504)는 회전자(508)레, 1차 진동의 축(130)에 수직인 방향에서 수평 쌍의 구동 구조체들의 이웃 구동 구조체(126)의 진동 질량(106)의 운동의 성분을 전달하고, 1차 진동의 축(130)의 방향으로 편향되도록 구성될 수 있다.
도 5의 예시적인 구조체에서, 감지 연결 스프링 구조체(504)는 제 1 감지 빔(510) 및 제 2 감지 빔(512)을 포함할 수 있다. 회전자(508)는 연장 빔(514)을 통해 연결 포인트(516)로 연장할 수 있다. 제 1 감지 빔(510)은 연결 포인트(516)와 수직 구동 구조체(120)의 진동 질량(100) 사이에서 연장할 수 있고, 제 2 감지 빔(512)은 연결 포인트(516)와 수평 구동 구조체(126)의 진동 질량(106) 사이에서 연장할 수 있다. 감지 단계에서, 진동 질량들(100, 106)의 운동의 성분들을 축적되고, 도 5의 화살표로 도시된 대각선 방향에서 선형 진동을 야기한다. 소자들의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 모든 감지 구조체들(170, 172, 176, 174)에서 대칭으로 반복될 수 있다.
도 6은 자이로스코프 구조체의 기술된 구조체들의 감지 모드 운동(2차 진동)을 도시한다. 1차 모드 운동이 도 4에서 기술된 바와 같이 발생할 때, 자이로스코프 구조체의 각운동은 그들의 1차 진동에 수직인 방향으로 자이로스코프 구조체의 진동 질량들에 가해지는 코리올리력을 생성할 수 있다. 예로서, 도 1의 구조체가 z-방향의 각운동을 나타낸다고 가정해보자. 도 6에 도시된 시간의 중심 포인트에서, 코리올리력은 제 1 수직 구동 구조체(120)에 연결된 진동 질량(100)을 양의 x-방향으로, 제 2 수직 구동 구조체(122)의 진동 질량(102)을 음의 x-방향으로, 제 1 수평 구동 구조체(124)의 진동 질량(104)을 양의 y-방향으로, 제 2 수평 구동 구조체(126)의 진동 질량(106)을 음의 y-방향으로 변위시키는 것으로 고려될 수 있다.
감지 연결 스프링 구조체(504)는 이들 변위들을 제 1 감지 구조체(170)의 연결 포인트(516)에 전달하고, 제 1 감지 구조체(170)의 회전자를 화살표로 도시된 방향의 선형 운동으로 야기한다. 도시된 방향은 제 1 수직 구동 구조체(120)의 1차 진동의 축(128) 및 제 2 수평 구동 구조체(126)의 1차 진동의 축(130)에 대각이다. 도 6의 특정 시점에서, 진동 질량들(100, 106)의 변위들은 중심 포인트(318)를 향해 대각으로 내부를 향해 제 1 감지 구조체(170)의 회전자를 움직이게 하는 것으로 여겨질 수 있다. 동시에, 진동 질량들(102, 104)의 변위들은 유사하게 대각으로 내부를 향해 제 1 쌍의 감지 구조체들의 제 2 감지 구조체(172)의 회전자를 움직이게 하는 것으로 여겨질 수 있다. 반면, 진동 질량들(100, 104)의 변위들은 제 2 쌍의 감지 구조체들의 제 1 감지 구조체(174)의 회전자로 전달되고, 그것을 중심 포인트(318)로부터 멀리, 대각으로 외부로 움직이게 한다. 유사하게, 진동 질량들(102, 106)은 제 2 쌍의 감지 구조체들 중 제 2 감지 구조체(176)의 회전자를 대각으로 외부를 향해 움직이게 하는 것으로 여겨질 수 있다.
진동 질량들의 변위의 방향이 거꾸로 될 때(도시되지 않음), 진동 질량들(100, 106)의 변위들은 제 1 감지 구조체(170)의 회전자를 대각으로 외부를 향해 움직이게 하고, 진동 질량들(102, 104)의 변위들을 제 1 쌍의 감지 구조체들의 제 2 감지 구조체(172)의 회전자를 대각으로 외부를 향해 당기고, 진동 질량들(100, 104)의 변위들을 제 2 쌍의 감지 구조체들의 제 1 감지 구조체(174)의 회전자를 대각으로 내부를 향해 밀고, 진동 질량들(102, 106)의 변위들을 제 2 쌍의 감지 구조체들의 제 2 감지 구조체(176)의 회전자를 대각으로 내부를 향해 미는 것으로 여겨질 수 있다. 따라서, 구조체의 각운동은 직교 방향 감지 구조체들(170, 172, 174, 176)의 회전자들의 대각 주기 진동을 야기한다. 이러한 진동은 자이로스코프 구조체에 의해 겪게되는 각운동을 나타내는 전기 신호로 변환될 수 있는 2차 진동이다.
진동 질량들(100, 102, 104, 106), 구동 구조체들(120, 122, 124, 126), 및 감지 구조체들(170, 172, 174, 176)의 기술된 대칭 및 직교 배열로 인해, 진동의 주기 동안 1차 진동 및 2차 진동으로 운동하는 소자들의 전체 선형 운동량 및 각 운동량은 실제 제로이다. 이는 구동 모드와 감지 모드가 선형 또는 각 가속에 결합되는 정도를 상당히 줄인다. 추가로, 소자들의 배열은 균형잡힌 관성 힘들을 야기한다. 이는 주변으로의 에너지의 누설을 줄이고, 이에 의해 이러한 구성으로 실행되는 공진기들에 대한 고품질 인자를 가능하게 한다. 균형잡힌 관성 힘들은 또한 외부 진동에 대한 견고성을 제공한다.
게다가, 기술된 구성에서, 구동 모드 및 감지 모드 공진 주파수들은 가장 낮은 것들이다. 모든 다른 모드들은 구동 모드 및 감지 모드보다 적어도 두 배 높은 주파수일 수 있다. 초소형 소자들에서, 제작 오차 허용도는 불가피하다. 종래 구조체들에서, 그러므로 외부 충격들 또는 진동들은 구동 또는 감지 운동에 연결되는 경향이 있는 공통 모드 운동을 야기할 수 있다. 이러한 모드들은 구동 운동의 주파수 또는 감지 모드 공진 주파수에 가깝고, 그들 둘 중 적어도 하나보다 낮은 주파수에서 전형적으로 발생할 수 있다. 이제 불필요한 공통 모드 주파수들은 매우 높고, 모드는 또한 강성이고, 외부 진동들에 의해 야기된 운동의 진폭은 작다. 청구된 드라이브의 구성 및 감지 구조체들은 강한 연결을 제공하고(즉, 공통 모드와 차동 모드의 주파수에서의 차이는 차동 모드 진동들의 주파수의 지수 배만큼 크다), 이는 자이로스코프 구조체를 예외적으로 외부 진동에 대해 강력하게 만든다.
구동 및 감지 구조체들 및 연결 스프링 구조체들의 특정 배열로 인해, 감지 구조체들은 구동 모드에서 필수적으로 변위되는 것은 아니고, 구동 구조체들은 감지 모드에서 필수적으로 변위되는 것은 아니다. 구동 모드의 감지 구조체들의 변위는 효율적으로 최소화되고, 감지 구조체들의 쌍으로부터의 공통 모드 오류 신호들은 매우 작다. 게다가, 오류들은 당업자에게 잘려진 바와 같은 차동 측정 원리들을 적용함으로써 또한 감소될 수 있다.
마이크로전기기계 구조체들에서, 운동하는 소자들의 비선형 및/또는 회전 변위들에 의해 야기된 고조파 신호들과 같은 2-차 효과들이 존재할 수 있다. 기술된 구성에서, 구동 구조체들 및 감지 구조체들의 변위들은 심지어 10 마이크로 미터의 높은 진폭들에 대해서도 직선이고, 여전히 이를 유지한다.
도 7은 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체에서 적용할 수 있는 대안의 감지 구조체를 도시한다. 이 솔루션에서, 기계로부터 전기 도메인으로의 변이는 압전을 적용한다. 감지 구조체는 압전 감지 디바이스(702), 감지 디바이스(702)가 구동 구조체들의 수직 쌍의 1차 진동의 축에 대각이고, 구동 구조체들의 수평 쌍의 축에 대각 방향으로 움직일 수 있도록, 감지 디바이스(702)를 정적 지지대에 매달리도록 배열된 제 2 스프링 구조체(730)를 포함할 수 있다.
도 5에 기술된 바와 같이, 감지 연결 스프링 구조체(704)는 감지 디바이스(702)를 두 개의 진동 질량들에 연결할 수 있고, 감지 디바이스에 진동 질량들의 두 개의 운동의 성분을 전달할 수 있다. 감지 디바이스(702)는 연장 구조체(714)를 통해 연결 포인트(716)로 연장하여 연결 스프링 구조체(704)와 연결될 수 있다. 감지 단계에서, 진동 질량들의 운동의 성분들이 축적되고, 도 7의 화살표로 도시된 대각선 방향으로 선형 진동을 야기한다.
압전 감지 디바이스(702)는 적어도 하나의 검출 소자(740)를 포함할 수 있다. 검출 소자는 연결 포인트의 운동에 따라 편향되도록 배열된 검출 빔일 수 있다. 검출 빔(740)은 그것의 두 개의 단부들로부터 이동 연장 구조체(714)로 및, 그것의 중심으로부터 고정점, 또는 고정된 구조체로 연결될 수 있다. 도 7은 감지 디바이스가 제 1 빔(740), 및 제 2 빔(742)을 포함하는 예시를 도시한다. 제 1 빔(740)은 제 1 빔의 두 단부들로부터 이동 연장 구조체(714)에, 그리고 제 1 빔의 중심으로부터 제 2 빔(742)의 중심에 연결될 수 있다. 제 2 빔(742)은 제 2 빔의 단부들의 각각으로부터의 지지 구조체에 고정될 수 있다. 이런 식으로, 연결 빔들(740, 742)은 연결 포인트의 운동에 따라 편향되도록 배열된다. 검출 빔들(740, 742)은 검출 빔의 편향도에 따라 편향하는 압전 막을 포함할 수 있다. 생성된 전하는 감지된 운동을 나타내는 신호로서 판독되어 사용될 수 있다.
도 8은 제 1 부분(800)과 제 2 부분(802)을 포함하는 자이로스코프의 소자들을 도시한다. 제 1 부분(800)은 도 1의 자이로스코프 구조체를 포함할 수 있고, 제 2 부분(802)은 자이로스코프 구조체를 갖는 전기 신호들을 교환하도록 연결된 전기 회로를 포함할 수 잇다. 도 2에 도시된 바와 같이, 신호들(s1)은 감지 구조체들에서 전기 회로(802)로, 또는 전기 회로로부터 자이로스코프 구조체로 입력될 수 있다. 검출된 각운동에 상응하는 출력 신호(S)는 신호들(s1)로부터 계산될 수 있다.
자이로스코프는, 몇 가지를 예로 들자면, 다양한 센서 소자들, 유선 또는 휴대용 컴퓨팅, 게이밍 또는 통신 디바이스, 측정 디바이스, 렌더링 디바이스, 또는 차량 기능 조절 유닛을 포함하는 조합된 센서 소자에 포함될 수 있다.
기술 진보들로, 본 발명의 기본 개념이 다양한 방식들로 구현될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 본 발명 및 그 실시예들은 상기 예들에 제한되는 것이 아니라, 청구항들의 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (11)

  1. 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체로서:
    제 1 쌍의 구동 구조체들;
    제 2 쌍의 구동 구조체들;
    제 1 쌍의 감지 구조체들;
    제 2 쌍의 감지 구조체들을 포함하는 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체에 있어서,
    구동 구조체는 진동 질량(seismic mass)에 결합되고, 상기 진동 질량의 1차 진동을 야기하도록 구성된 변환기를 포함하고;
    한 쌍의 구동 구조체들의 진동 질량들은 반대 위상으로 진동하도록 결합되고, 1차 진동의 공통 축에 정렬되고;
    상기 제 1 쌍의 구동 구조체들의 1차 진동의 축 및 상기 제 2 쌍의 구동 구조체들의 1차 진동의 축은 진동의 평면을 따라 직교로 연장하고;
    감지 구조체는 감지 디바이스와 연결 스프링 구조체를 포함하고;
    상기 연결 스프링 구조체는 상기 감지 디바이스를 상기 제 1 쌍의 구동 구조체들의 진동 질량 및 상기 제 2 쌍의 구종 구조체들의 진동 질량에 연결하고;
    상기 연결 스프링 구조체는 상기 감지 디바이스에 1차 진동의 상기 진동 질량들의 축에 수직인 방향으로 상기 진동 질량들의 각각의 운동의 성분을 전달하고, 1차 진동의 상기 진동 질량들의 축의 방향으로 상기 진동 질량들의 각각의 운동의 성분을 흡수하도록 구성되고;
    상기 감지 디바이스는 정적 지지대에 매달리고, 상기 제 1 쌍의 구동 구조체들의 1차 진동의 상기 축에 대각이고, 상기 제 2 쌍의 구동 구조체들의 1차 운동의 상기 축에 대각 방향으로 진동하도록 구성되는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 쌍의 구동 구조체들은 제 1 진동 질량에 결합된 제 1 수직 구동 구조체 및 제 2 진동 질량에 결합된 제 2 수직 구동 구조체를 포함하고;
    상기 제 2 쌍의 구동 구조체들은 제 3 진동 질량에 결합된 제 1 수평 구동 구조체 및 제 4 진동 질량에 결합된 제 2 수평 구동 구조체를 포함하고;
    상기 제 1 쌍의 감지 구조체들은 제 1 감지 구조체 및 제 2 감지 구조체를 포함하고;
    상기 제 2 쌍의 감지 구조체들은 제 3 감지 구조체 및 제 4 감지 구조체를 포함하고;
    상기 제 1 감지 구조체는 상기 제 1 진동 질량 및 상기 제 4 진동 질량에 결합되고;
    상기 제 2 감지 구조체는 상기 제 2 진동 질량 및 상기 제 3 진동 질량에 결합되고;
    상기 제 3 감지 구조체는 상기 제 1 진동 질량 및 상기 제 3 진동 질량에 결합되고;
    상기 제 4 감지 구조체는 상기 제 2 진동 질량 및 상기 제 4 진동 질량에 결합되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    1차 진동의 축에 대각 방향은 상기 1차 진동의 축과 45°(n/4) 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 구조체들의 각각은 상기 결합된 진동 질량에 대해 두 개의 자유도들을 허용하는 제 1 스프링 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링 구조체는 상기 제 1 자유도에 대해 제 1 소자(206) 및 상기 제 2 자유도에 대해 제 2 소자(220)를 포함하고;
    상기 제 1 소자(206)는 고정 소자(208) 및 진동 질량(202)과 상기 고정 소자(208) 사이에서 연장하는 서스펜션 스프링(210)을 포함하고;
    상기 서스펜션 스프링(210)은 상기 진동 질량의 상기 1차 진동의 상기 방향의 상기 방향에서 탄성이고;
    상기 제 2 소자(220)는 상기 진동 질량(202)과 상기 제 1 소자(206)를 연결하고, 상기 진동 질량(202)의 상기 2차 진동의 방향에서 탄성이고, 상기 진동 질량(202)의 상기 2차 진동의 상기 방향은 상기 진동 질량(202)의 상기 1차 진동의 상기 방향에 직교하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 구동 구조체들 중 적어도 하나는 상기 구동 구조체(200)를 1차 진동으로 여기하기 위한 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체는 구동 구조체들의 반대 쌍들의 상기 1차 진동을 역위상 모드가 되도록 배열된 구동 연결 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 구동 연결 스프링은 네 개의 대각선 빔들(302, 304, 306, 308)을 포함하고;
    상기 대각선 빔들(302, 304, 306, 308)의 각각의 일단은 제 1 쌍의 구동 구조체들(120, 122)의 진동 질량 및 이웃하는 제 2 쌍의 구동 구조체들(124, 126)의 진동 질량 사이의 고정 포인트(310, 312, 314, 316)에 고정되고;
    상기 대각선 빔들(302, 304, 306, 308)은 상기 대각선 빔들의 각각의 고정 점들로부터 상기 자이로스코프 구조체 내의 중심 포인트(318)를 향해 연장하고;
    상기 대각선 빔들(302, 304, 306, 308)의 다른 단은 두 개의 연결 빔들에 대한 연결의 포인트에 연결되고, 상기 두 개의 연결 빔들 중 하나는 상기 연결의 포인트로부터 상기 제 1 쌍의 구동 구조체들(120, 122)의 진동 질량으로 연장하고, 상기 두 개의 연결 빔들 중 다른 하나는 연결의 상기 포인트로부터 상기 이웃하는 제 2 쌍의 구동 구조체들(124, 126)의 진동 질량으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 구조체들의 각각에서,
    상기 연결 스프링 구조체(504)는 제 1 감지 빔(510) 및 제 2 감지 빔(512)을 포함하고;
    상기 감지 디바이스는 연장 빔(514)을 통해 연결 포인트(516)로 연장하는 회전자(508)를 포함하고;
    상기 감지 빔(510)은 상기 연결 포인트(516)와 상기 제 1 쌍의 구동 구조체들의 상기 진동 질량(100) 사이에서 연장하고;
    상기 제 2 감지 빔(512)은 상기 제 2 쌍의 구동 구조체들의 상기 연결 포인트(516)와 상기 진동 질량(106) 사이에서 연장하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 디바이스는 연결 포인트에 결합되고 상기 연결 포인트의 운동에 따라 편향되도록 배열된 적어도 하나의 플렉시블 검출 소자를 포함하고,
    하나 이상의 플렉시블 검출 소자들은 상기 검출 소자의 편향도에 따라 편향하는 압전 막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  11. 마이크로전기기계 자이로스코프에 있어서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프.
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