KR20090016960A - Gyroscope using surface acoustic wave - Google Patents

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KR20090016960A
KR20090016960A KR1020070081329A KR20070081329A KR20090016960A KR 20090016960 A KR20090016960 A KR 20090016960A KR 1020070081329 A KR1020070081329 A KR 1020070081329A KR 20070081329 A KR20070081329 A KR 20070081329A KR 20090016960 A KR20090016960 A KR 20090016960A
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surface acoustic
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piezoelectric material
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이상우
임재욱
문홍기
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국방과학연구소
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Abstract

A gyroscope using surface acoustic waves is provided to satisfy extreme conditions such as high impact-resistance and high mobility by eliminating a moving structure to change a next generation intelligent ammunition system operating concept. A gyroscope(100) includes a piezoelectric material(111), an oscillating IDT(Interdigital Transducer)(112a,112b), a receiving IDT(113a,113b), and a feedback loop electronic circuit(120a,120b). The oscillating IDT is formed on the surface of the piezoelectric material and generates surface acoustic waves using piezoelectric phenomenon of the piezoelectric material. The receiving IDT converts the surface acoustic waves into an electric signal. The feedback loop electronic circuit is connected between the oscillating IDT and the receiving IDT to form a feedback loop such that the oscillating IDT oscillates through the output of the receiving IDT.

Description

표면 탄성파를 이용한 자이로스코프{GYROSCOPE USING SURFACE ACOUSTIC WAVE}Gyroscope using surface acoustic wave {GYROSCOPE USING SURFACE ACOUSTIC WAVE}

본 발명은 자이로스코프(gyroscope)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 이용한 자이로스코프에 관한 것이다.The present invention relates to a gyroscope, and more particularly to a gyroscope using a surface acoustic wave.

자이로스코프를 지능형 정밀 타격 무기체계의 신관 및 유도 조종에 적용하기 위해서는, 특성상 고내충격성, 초소형성 그리고 고 기동성 등의 극한조건을 만족시켜야 하기 때문에, 기존의 기계식이나 광학식 관성 센서 기술로는 구현이 불가능하다. 이러한 이유로 미세가공기술을 이용한 MEMS 센서와 표면탄성파 센서에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. In order to apply the gyroscope to the fuse and guided control of the intelligent precision strike weapon system, it is impossible to implement it with the existing mechanical or optical inertial sensor technology because it has to meet extreme conditions such as high impact resistance, micro formability and high maneuverability. Do. For this reason, researches on MEMS sensors and surface acoustic wave sensors using microfabrication techniques have been actively conducted.

MEMS 자이로스코프의 경우 국내외적으로 장기간의 인적/물적 투자를 통하여, 차량이나 휴대폰과 같은 민수용뿐만 아니라 기존의 군수용 저급 관성측정기를 대체할 수 있을 만큼의 성능을 내고 있으나, 진동구조를 갖는 MEMS 구조체의 특성상 피로도에 의한 성능저하를 피할 수 없고, 고성능 센서의 개발을 위해서는 고정밀의 3차원 가공기술이 요구되는 등 경제적/기술적 문제점을 내포하고 있다. MEMS gyroscopes are capable of replacing low-grade inertial measuring instruments for military as well as civilian vehicles such as vehicles and mobile phones through long-term human and material investments at home and abroad, Due to its characteristics, performance degradation due to fatigue is inevitable, and high-performance three-dimensional processing technology is required for the development of a high-performance sensor.

이에 반해 표면탄성파 센서는 움직이는 구조체가 없고 단지 압전물질의 표면 을 따라 진행하는 탄성파를 이용하기 때문에 강인한 내구성과 초소형성의 특성을 갖고 있으며 2차원 평면가공 기술만으로도 쉽게 제작할 수 있다. On the other hand, the surface acoustic wave sensor does not have a moving structure and uses only elastic waves traveling along the surface of the piezoelectric material. Therefore, the surface acoustic wave sensor has strong durability and micro formability and can be easily manufactured using only two-dimensional planar processing technology.

지금까지 발표된 대부분의 표면탄성파형 자이로스코프는 정재파를 이용한 형태이다. IDT(Interdigital Transducer) 공진기에서 생성된 정재파의 입자들이 비절점 위치에서 수직운동을 하므로 회전이 인가될 경우, 코리올리 힘을 받게되고, 이에 따라 교차축으로 새로운 표면탄성파가 유도된다. 이때, 유도된 표면탄성파의 진폭을 감지하여 인가된 회전을 유추한다. 따라서, 기존의 방식은 정재파의 진폭을 늘리기 위해 압전효과가 큰 물질을 사용한다.Most surface acoustic wave gyroscopes published so far use standing waves. Particles of the standing wave generated in the interdigital transducer (IDT) resonator are vertically moved at the non-node position, and when rotation is applied, they receive a Coriolis force, thereby inducing a new surface acoustic wave along the cross axis. At this time, the induced rotation is sensed by sensing the amplitude of the induced surface acoustic wave. Therefore, the conventional method uses a material with a large piezoelectric effect to increase the amplitude of the standing wave.

그러나, 압전 효과가 큰 물질은 온도변화에 매우 민감하여 자이로스코프의 온도특성에 불리하게 작용한다. 아울러 코리올리 힘에 의하여 유도된 표면탄성파가 매우 미세하기 때문에, 외란에 취약하고 정밀한 전압검출 회로가 요구되는 등 기술적 문제점을 내포하고 있어 현재까지 기초연구 수준에 머물고 있는 실정이다.However, materials with high piezoelectric effects are very sensitive to temperature changes, which adversely affects the temperature characteristics of the gyroscope. In addition, since the surface acoustic wave induced by Coriolis force is very fine, it is technically vulnerable to disturbance and requires a precise voltage detection circuit.

따라서, 본 발명은 고내충격성, 초소형성 그리고 고 기동성 등의 극한조건을 만족시킬 수 있는 자이로스코프를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a gyroscope capable of satisfying extreme conditions such as high impact resistance, ultra-small formability and high maneuverability.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 파동의 자이로스코픽 현상에서 착안하여 고안된 자이로스코프를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a gyroscope devised in view of the gyroscope phenomenon of the wave.

구체적으로, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 압전 물질과; 상기 압전 물질의 표면에 형성되어, 상기 압전 물질의 압전 현상을 이용하여 표면탄성파를 생성하는 발진 IDT와; 상기 압전 물질의 표면에 상기 발진 IDT와 소정 거리로 이격되어 형성되고, 상기 발진 IDT로부터의 상기 표면탄성파를 전기적 신호로 다시 변환하여 출력하는 수신 IDT와; 그리고 상기 발진 IDT와 상기 수신 IDT 사이에 연결되어 궤한 루프를 형성함으로써, 상기 수신 IDT의 출력을 통해 상기 발진 IDT가 자체 발진할 수 있도록 하는 궤한 루프 전자 회로를 포함하고, 여기서 상기 발진 IDT에서 생성된 상기 표면탄성파가 상기 압전 물질에 의해 특정 속도로 상기 수신 IDT로 진행할 때, 상기 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 축으로 임의의 회전이 인가되면, 코리올리 힘에 의해 상기 표면탄성파의 진행속도가 변화되고, 상기 진행속도의 변화로 인해 상기 수신 IDT에서의 출력 주파수가 변화됨을 감지함으로써, 인가된 회전을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 자이로스코프를 제공한다.Specifically, in order to achieve the above object, the present invention is a piezoelectric material; An oscillation IDT formed on the surface of the piezoelectric material and generating surface acoustic waves using the piezoelectric phenomenon of the piezoelectric material; A reception IDT formed on the surface of the piezoelectric material and spaced apart from the oscillation IDT by a predetermined distance, and converting the surface acoustic wave from the oscillation IDT back into an electrical signal and outputting the electrical signal; And a closed loop electronic circuit connected between the oscillating IDT and the receiving IDT to form a closed loop, such that the oscillating IDT can oscillate through an output of the receiving IDT, wherein the oscillating IDT is generated in the oscillating IDT. When the surface acoustic wave propagates to the receiving IDT at a specific speed by the piezoelectric material, if any rotation is applied on an axis perpendicular to the direction of travel of the surface acoustic wave, the traveling speed of the surface acoustic wave is changed by Coriolis force. The present invention provides a gyroscope that can detect an applied rotation by detecting that an output frequency of the received IDT changes due to a change in the traveling speed.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 제 1 표면탄성파를 생성하는 제 1 자체 발진기와; 상기 제 1 자체 발진기의 반대방향으로 배치되어, 상기 제 1 표면 탄성파의 진행 방향과 반대 방향으로 제 2 표면 탄성파를 생성하는 제 2 자체 발진기를 포함하고, 여기서, 상기 제 1 및 제 2 발진기에서 생성된 상기 제 1 및 제 2 표면탄성파가 특정 속도로 각기 진행할 때, 상기 제 1 및 제 2 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 축으로 임의의 회전이 인가되면, 코리올리 힘에 의해 상기 제 1 및 제 2 표면탄성파의 진행속도는 각기 반대로 변화되고, 상기 진행속도의 변화로 인해 상기 제 1 및 제 2 자체 발진기의 출력 주파수는 각기 증가/감소하게 되어, 상기 제 1 자체 발진기의 출력주파수와 제 2 자체 발진기의 출력 주파수의 차를 감지함으로써, 인가된 회전을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 자이로스코프를 제공한다.In addition, the present invention in order to achieve the above object: a first self-oscillator for generating a first surface acoustic wave; A second self oscillator disposed in a direction opposite to the first self oscillator and generating a second surface acoustic wave in a direction opposite to a traveling direction of the first surface acoustic wave, wherein the first self oscillator is generated in the first and second oscillators When the first and second surface acoustic waves each proceed at a specific speed, if any rotation is applied in an axis perpendicular to the direction of travel of the first and second surface acoustic waves, the first and second are caused by a Coriolis force. The traveling speeds of the surface acoustic waves are reversed, respectively, and the output frequencies of the first and second self-oscillators are increased / decreased, respectively, due to the change of the traveling speeds. By detecting the difference in the output frequency of the gyroscope, characterized in that the applied rotation can be detected.

본 발명에서 제안하는 자이로스코프는 기존의 기계식이나 MEMS 센서와는 달리 움직이는 구조체가 없어 고내충격성 및 고기동성의 극한조건을 만족시킬 수 있어, 차세대 지능형 탄약체계의 운용개념을 획기적으로 변화시킬 수 있다.Unlike conventional mechanical or MEMS sensors, the gyroscope proposed in the present invention does not have a moving structure to satisfy the extreme conditions of high impact resistance and high dynamics, thereby significantly changing the operation concept of the next-generation intelligent ammunition system.

또한, 압전 물질 표면에 형성된 금속전극만으로 구성되므로, 저가/초소형으로 생산가능하며, 수백 MHz 대의 주파수에서 동작할 수 있어, 무선 인터페이스가 가능하기 때문에, 무인로봇, 초소형 무인항공기(MAV) 및 가상현실 게임기 등의 자세 안정화용 센서로 활용 가치가 매우 높다. In addition, since only the metal electrode formed on the surface of the piezoelectric material is possible, it can be produced at low cost / miniature and can operate at a frequency of several hundred MHz, so that the wireless interface is possible. It is very useful as a posture stabilization sensor for game machines.

아울러, 본 발명은 표면탄성파의 자이로스코픽 현상을 이용하므로, 기존의 정재파를 이용한 자이로스코프와 달리 물질의 압전효과를 고려할 필요가 없어, 압 전효과는 작지만 온도특성이 우수한 물질을 기판재료로 사용할 수 있게 한다. In addition, since the present invention uses the gyroscopic phenomenon of surface acoustic waves, it is not necessary to consider the piezoelectric effect of the material, unlike the conventional gyroscope using a standing wave, a material having a small piezoelectric effect but excellent temperature characteristics can be used as the substrate material. To be.

또한, 진폭이 아닌 주파수 변화를 감지하기 때문에 미세 진폭을 감지할 필요가 없으며, 차동방식으로 동작하게 함으로써, 감도를 증가시키고 온도편류와 같은 공통오차요인을 상쇄시킬 수 있는 특징이 있다.In addition, it does not need to detect the fine amplitude because it detects a change in frequency rather than amplitude, and by operating in a differential manner, it is possible to increase the sensitivity and cancel common error factors such as temperature drift.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to the drawings, the present invention will be described in detail.

도 1은 표면탄성파의 자이로스코픽 효과에 대한 개념도이다.1 is a conceptual diagram for the gyroscopic effect of surface acoustic waves.

도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 매체가 관성공간에서 회전할 때 표면탄성파에 발생하는 자이로스코픽 효과가 도시되어 있다. 이하, 본 발명의 이해를 돕고자, 표면탄성파의 자이로스코픽 효과와 그 이론적 증명에 대해서, 수식을 통하여 상세하게 설명하기로 한다. As can be seen with reference to FIG. 1, the gyroscopic effect of surface acoustic waves as the medium rotates in the inertial space is shown. Hereinafter, to help the understanding of the present invention, the gyroscopic effect of the surface acoustic wave and the theoretical proof thereof will be described in detail with reference to the following equation.

(1). 표면탄성파의 (One). Surface acoustic wave 자이로스코픽Gyroscopic 효과 effect

도 1에서 표면탄성파(10)가 X축 방향으로 진행하면 절점에 위치한 입자(11)들은 압축과 인장력을 받아 수평방향(21)으로 진동하고, 비절점에 위치한 입자(12)들은 수직방향으로 진동(22)한다. 따라서, 표면탄성파의 입자들은 타원궤적(23)으로 운동하게 된다. In FIG. 1, when the surface acoustic wave 10 proceeds in the X-axis direction, the particles 11 located at the nodes vibrate in the horizontal direction 21 under compression and tension, and the particles 12 located at the non-nodes vibrate in the vertical direction. (22) Therefore, particles of surface acoustic waves move in the elliptic trajectory 23.

이때, Y축으로 회전이 인가되면, 입자들은 원심력과 코리올리 힘을 추가적으로 받게 된다. 원심력의 경우 탄성파의 주파수가 매우 높기 때문에 코리올리 힘보다 상대적으로 매우 작아 무시된다. At this time, when the rotation is applied to the Y axis, the particles are additionally subjected to centrifugal force and Coriolis force. Centrifugal force is negligibly smaller than Coriolis force because the frequency of the seismic wave is very high.

탄성파의 절점에서는 수직방향의 코리올리 힘(31)이 생성되고 비절점에서는 수평방향의 코리올리 힘(32)이 생성된다. 이러한 코리올리 힘(31, 32)은 파장의 1/4 만큼의 위상차를 갖는 또 다른 탄성파(40)를 유도하게 된다. 입자들의 움직임이 평면적으로 분포되어 있기 때문에 표면에 형성된 두 개의 탄성파는 서로 중첩되게 되고 입자들의 움직임 궤적을 확장시켜서 파동의 진행속도를 변화시킨다. 파동의 진행속도는 주파수에 비례하므로 주파수 변화를 통해서 인가된 회전을 감지할 수 있다. 이러한 현상을 표면탄성파에 대한 자이로스코픽 효과라고 명명하며 섭동법을 통하여 이론적으로 도출할 수 있다.At the node of the acoustic wave, the vertical Coriolis force 31 is generated, and at the non-node point, the horizontal Coriolis force 32 is generated. These Coriolis forces 31 and 32 will induce another acoustic wave 40 having a phase difference of 1/4 of the wavelength. Since the motion of the particles is distributed in a plane, the two seismic waves formed on the surface overlap each other and expand the motion trajectory of the particles, thereby changing the wave propagation speed. Since the propagation speed of the wave is proportional to the frequency, the applied rotation can be detected through the frequency change. This phenomenon is called gyroscopic effect on surface acoustic waves and can be theoretically derived through perturbation.

(2)(2) 자이로스코픽Gyroscopic 이득상수를 통한 이론적 증명 Theoretical proof through gain constants

자이로스코픽 이득상수는 회전입력에 따른 속도와 주파수의 변화량을 정의하며 다음과 같이 유도될 수 있다. 우선, 계산상의 편의를 위하여 등방성 물질로 한정하여 자이로스코픽 이득상수를 유도한다. The gyroscopic gain constant defines the amount of change in speed and frequency according to the rotation input and can be derived as follows. First, the gyroscopic gain constant is derived by limiting it to an isotropic material for computational convenience.

매체가 관성공간에서 회전할 때의 운동방정식은 다음과 같이 주어진다.The equation of motion when the medium rotates in inertial space is given by

Figure 112007058572536-PAT00001
Figure 112007058572536-PAT00001

여기에서 C ijkl 는 탄성텐서, ε ijk 는 Levi-Civita 순열 텐서 (permutation tensor), 그리고 Ω i 는 각속도 벡터의 i방향 성분이다.Where C ijkl is the elastic tensor, ε ijk is the Levi-Civita permutation tensor, and Ω i is the i- direction component of the angular velocity vector.

상기 수학식 (1)의 좌변에서 세 번째 항은 코리올리의 힘을 나타내고 네 번째 항은 원심력을 나타낸다. 표면탄성파의 주파수 ω는 각속도 Ω보다 훨씬 크기 때문에 (δ=Ω/ω<<1) 원심력에 의한 항은 무시할 수 있다. 상기 수학식 (1)의 해를 다음과 같이 가정하자.In the left side of Equation (1), the third term represents the Coriolis force and the fourth term represents the centrifugal force. Since the frequency ω of the surface acoustic wave is much larger than the angular velocity Ω (δ = Ω / ω <<1), the term due to the centrifugal force can be ignored. Assume the solution of equation (1) as follows.

Figure 112007058572536-PAT00002
Figure 112007058572536-PAT00002

여기서, 파동수

Figure 112007058572536-PAT00003
이다. 이를 상기 수학식(1)에 대입하고 원심력 항을 무시하면 아래와 같은 결과를 얻는다.Where wave number
Figure 112007058572536-PAT00003
to be. Substituting this in Equation (1) and ignoring the centrifugal force term, the following results are obtained.

Figure 112007058572536-PAT00004
Figure 112007058572536-PAT00004

표면탄성파의 자이로스코픽 효과는 상기 수학식(2)의 해를 구함으로써 해석할 수 있다.The gyroscopic effect of the surface acoustic wave can be analyzed by solving the above equation (2).

매체가 등방성일 경우 표면파의 진행방향은 임의로 정할 수 있으므로, n1=1, n2=0, n3=n으로 가정한다. 매체의 x 3방향으로 파동의 변위는 지수적으로 감소하므로 n은 복소수임을 미리 예측할 수 있다. Ω1=Ω3=0, Ω2=Ω 라 하면 등방성 매체에 대해 Γ ik 는 다음과 같이 표현될 수 있다.Since the traveling direction of the surface wave can be arbitrarily determined when the medium is isotropic, it is assumed that n 1 = 1, n 2 = 0, and n 3 = n. Since the displacement of the wave in the x 3 direction of the medium decreases exponentially, it is possible to predict in advance that n is a complex number. If 1 = 등 3 = 0, Ω 2 = Ω, Γ ik can be expressed as follows for an isotropic medium.

Figure 112007058572536-PAT00005
Figure 112007058572536-PAT00005

이를 상기 수학식 (2)에 적용하면 그 결과는 아래와 같이 정리할 수 있다.Applying this to Equation (2), the result can be summarized as follows.

Figure 112007058572536-PAT00006
Figure 112007058572536-PAT00006

여기에서 υ L 은 파동방향과 입자의 분극방향이 동일한 종축파동속도로

Figure 112007058572536-PAT00007
이고, υ T 는 파동방향과 분극방향이 수직인 전단파동속도로
Figure 112007058572536-PAT00008
이고,
Figure 112007058572536-PAT00009
이다.Where υ L is the longitudinal wave velocity with the same wave direction and polarization direction
Figure 112007058572536-PAT00007
Υ T is the shear wave velocity perpendicular to the wave direction and the polarization direction.
Figure 112007058572536-PAT00008
ego,
Figure 112007058572536-PAT00009
to be.

먼저, x3->∞일때, ui->0 이므로 n의 허수부는 음수이어야 한다. 여기서, 본 발명에서 다루고자 하는 표면탄성파는 평면파(plane wave)라 가정하자. 즉, a2=0이라 하면 상기 수학식 (3)은First, when x 3- > ∞, u i- > 0, so the imaginary part of n must be negative. Here, assume that the surface acoustic wave to be dealt with in the present invention is a plane wave. That is, if a 2 = 0, Equation (3)

Figure 112007058572536-PAT00010
Figure 112007058572536-PAT00010

로 단순화되며, 그 특성방정식을 구하면 다음과 같다.It is simplified to, and its characteristic equation is as follows.

Figure 112007058572536-PAT00011
Figure 112007058572536-PAT00011

이 식의 해석적인 엄밀 해는 매우 복잡하므로, 섭동법(perturbation method)을 이용하여 근사해를 구하면, 감쇠상수 n은 다음과 표면탄성파의 속도(V)의 함수로 나타낼 수 있다.Since the analytical rigor of this equation is very complex, the approximate solution can be obtained using the perturbation method, and the damping constant n can be expressed as a function of the velocity of the surface acoustic wave ( V ):

Figure 112007058572536-PAT00012
Figure 112007058572536-PAT00012

Figure 112007058572536-PAT00013
Figure 112007058572536-PAT00013

n(1), n(2)를 식 (4)에 대입하면, 고유벡터는 다음과 같이 근사할 수 있다.Substituting n (1) , n (2) into equation (4), the eigenvectors can be approximated as follows.

Figure 112007058572536-PAT00014
Figure 112007058572536-PAT00014

Figure 112007058572536-PAT00015
Figure 112007058572536-PAT00015

매체가 x3>0, 이고 x1과 x2방향으로는 경계가 없는 반무한(semi-infinite half space)이므로, 평면 x3=0상에는 외력이 작용하지 않는 다음과 같은 경계조건을 갖는다.Since the medium is x 3 > 0, and there is no semi-infinite half space in the x 1 and x 2 directions, it has the following boundary condition where no external force is applied on the plane x 3 = 0.

Figure 112007058572536-PAT00016
Figure 112007058572536-PAT00016

이제 구하고자 하는 표면탄성파는 아래와 같이 두 개의 파동의 합으로 나타낼 수 있다.The surface acoustic wave to be obtained can be expressed as the sum of two waves as shown below.

Figure 112007058572536-PAT00017
Figure 112007058572536-PAT00017

이를 자유표면 x3=0에서의 경계조건 상기 수학식 (5)에 대입하면Substituting this into the equation (5) above the boundary condition at free surface x 3 = 0

Figure 112007058572536-PAT00018
Figure 112007058572536-PAT00018

으로 표현할 수 있다. It can be expressed as

여기서,

Figure 112007058572536-PAT00019
이다. here,
Figure 112007058572536-PAT00019
to be.

상기 수학식 (6)을 각 성분으로 표현하면 다음과 같다.If Equation (6) is expressed by each component, it is as follows.

Figure 112007058572536-PAT00020
Figure 112007058572536-PAT00020

Figure 112007058572536-PAT00021
Figure 112007058572536-PAT00021

Figure 112007058572536-PAT00022
를 이용하여 간략화하면 다음과 같은 결과를 얻는다.
Figure 112007058572536-PAT00022
Simplify using to get the following results.

Figure 112007058572536-PAT00023
Figure 112007058572536-PAT00023

Figure 112007058572536-PAT00024
Figure 112007058572536-PAT00024

Figure 112007058572536-PAT00025
Figure 112007058572536-PAT00025

상기 수학식 (6)이 유효해를 가지기 위해서는 H ij 의 행렬식이 영이 되어야만 한다. In order for Equation (6) to have a valid solution, the determinant of H ij must be zero.

상기 수학식 (6)의 ni (j) 와 nj을 종축파동속도(υ L )와 전단파동속도(υ T )로 치환하면, 파동속도의 함수인 H(V)로 표현가능하다. H(V)를 H ij 의 행렬식이라고 하면, 아래와 같이 δ대해 1차로 근사할 수 있다.When n i (j) and n j in Equation (6) are substituted by the longitudinal wave velocity ν L and the shear wave velocity ν T , it can be expressed as H (V) which is a function of the wave velocity. If H (V) is a determinant of H ij , it can be approximated linearly with respect to δ as follows.

Figure 112007058572536-PAT00026
Figure 112007058572536-PAT00026

여기서, H 0 (V)는 회전이 없을 때의 (δ=0) 행렬식으로 잘 알려진 Rayleigh 방정식이다.Here, H 0 (V) is a Rayleigh equation well known as the determinant ( δ = 0) in the absence of rotation.

Figure 112007058572536-PAT00027
Figure 112007058572536-PAT00027

δ의 계수 h(V)는 다음과 같다. The coefficient h (V) of δ is as follows.

Figure 112007058572536-PAT00028
Figure 112007058572536-PAT00028

δ=0일 때의 해를 V 0 라 하자. Let V 0 be the solution when δ = 0.

그리고, V=V 0 +ΔV라 하면 Taylor 전개에 의해 상기 수학식 (7)은 다음과 같이 표현할 수 있다.If V = V 0 + ΔV , the equation (7) can be expressed as follows by Taylor expansion.

Figure 112007058572536-PAT00029
Figure 112007058572536-PAT00029

위 식에서 H 0 ( V 0 )=0이고 δΔV는 다른 항에 비해서 작으므로 무시하면 최종적으로 아래와 같은 결과를 얻을 수 있다.Since H 0 ( V 0 ) = 0 and δΔV are smaller than other terms, the negligible results can be obtained as follows.

Figure 112007058572536-PAT00030
Figure 112007058572536-PAT00030

양변을 V 0 로 나누고 정리하면 다음과 같이 쓸 수 있고,Divide and divide both sides by V 0 , we can write

Figure 112007058572536-PAT00031
Figure 112007058572536-PAT00031

여기에서 β는 아래와 같이 무차원의 환산계수로 자이로스코픽 이득상수를 의미한다. Β is a dimensionless conversion factor as below and means a gyroscopic gain constant.

Figure 112007058572536-PAT00032
Figure 112007058572536-PAT00032

결론적으로 상기 수학식 (8)은 표면탄성파의 속도변화는 회전속도에 비례함을 보여주고 있으며 , ξ=υ T /υ L , η=V0/υ정의하면 β=β(ξ,η)임을 알 수 있다. 종축파동속도와 전단파동속도는 기판 물질의 특성인 탄성계수와 밀접한 관계가 있으므로, 자이로스코픽 이득상수는 재료의 결정방향에 지배된다. 일반적으로 등방성 물질의 경우, ξ의 최대값이 0.5이고 0.87≤η≤0.96이므로 최대의 자이로스코픽 이득상수는 약 0.48이다. 반면, 압전특성은 적으나 온도특성이 우수한 ST-cut Quartz를 사용할 경우, -0.85의 값을 갖는다.In conclusion, Equation (8) shows that the velocity change of the surface acoustic wave is proportional to the rotational speed, and ξ = ν T / υ L and η = V 0 / υ , where β = β (ξ, η). Able to know. Since the longitudinal and shear wave velocities are closely related to the modulus of elasticity, which is the property of the substrate material, the gyroscopic gain constant is governed by the crystal direction of the material. In general, for isotropic materials, the maximum gyroscopic gain constant is about 0.48 because the maximum value of ξ is 0.5 and 0.87≤η≤0.96. On the other hand, when using ST-cut quartz with low piezoelectric properties but good temperature characteristics, it has a value of -0.85.

지금까진, 표면탄성파의 자이로스코픽 효과와 그 이론적 증명에 대해서 상세하게 설명하였다. 이하에서는, 이러한 자이로스코픽 효과를 이용한 본 발명에 따른 자이로스코프에 대해서 설명하기로 한다.So far, the gyroscopic effects of surface acoustic waves and their theoretical proofs have been described in detail. Hereinafter, a gyroscope according to the present invention using such a gyroscopic effect will be described.

도 2는 본 발명에 따른 표면탄성파 자이로스코프의 구성도이다.2 is a block diagram of a surface acoustic wave gyroscope according to the present invention.

도 2를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 자이로스코프(100)는 반대 방향으로 배치된 두 개의 자체 발진기(101, 102) 형태로 구성될 수 있으며, 상기 각각의 자체 발진기(101, 102)는 IDT(Interdigital Transducer) 지연선 구조체(110a, 110b)와 궤환루프 전자회로(120a, 120b)를 포함하여 구성된다. As can be seen with reference to Figure 2, the gyroscope 100 according to the present invention may be configured in the form of two self-oscillator (101, 102) disposed in the opposite direction, each of the self-oscillator (101, 102 includes an interdigital transducer (IDT) delay line structure (110a, 110b) and a feedback loop electronic circuit (120a, 120b).

상기 IDT 지연선 구조체(110a, 110b) 각각은 압전 물질(111)의 표면에 형성 된 발진IDT(112a, 112b)와 수신 IDT(113a, 113b)로 이루어진다. Each of the IDT delay line structures 110a and 110b includes oscillation IDTs 112a and 112b and reception IDTs 113a and 113b formed on the surface of the piezoelectric material 111.

상기 발진IDT(112a, 112b)는 물질의 압전 현상을 이용하여 표면탄성파(10)를 생성하며, 상기 수신IDT(113a, 113b)는 진행해온 표면탄성파(10)를 전기적 신호로 다시 변환한다. 상기 IDT 지연선 구조체(110a, 110b)의 절단된 가장자리에는 흡음재(119)를 배치하여 절단면에서 반사되는 표면탄성파의 영향을 최소화한다. The oscillation IDTs 112a and 112b generate surface acoustic waves 10 using piezoelectric phenomena of the material, and the received IDTs 113a and 113b convert the surface acoustic waves 10 that have been advanced back into electrical signals. The sound absorbing material 119 is disposed at the cut edges of the IDT delay line structures 110a and 110b to minimize the influence of surface acoustic waves reflected from the cut surface.

상기 궤환루프 전자회로(120a, 120b)는 궤환 루프의 자체발진을 위한 회로로서, 궤환증폭기(121a, 121b)와 위상변조기(122a, 122b)가 배치된다.The feedback loop electronic circuits 120a and 120b are circuits for self-oscillation of the feedback loop, and the feedback amplifiers 121a and 121b and the phase modulators 122a and 122b are disposed.

상기 궤환루프 전자회로(120a, 120b) 내의 모든 소자들, 즉, 상기 IDT 지연선 구조체(110a, 110b), 상기 궤한 증폭기(121a, 121b), 및 상기 위상변환기(120a, 120b)의 이득의 합이 1보다 크고 위상의 합이 360°의 배수가 되면, 상기 모든 소자들의 발열잡음으로 인하여 자체발진이 이루어진다.Sum of the gains of all the elements in the feedback loop electronics 120a, 120b, i.e., the IDT delay line structures 110a, 110b, the feedback amplifiers 121a, 121b, and the phase shifters 120a, 120b. When the sum is greater than 1 and the sum of phases is a multiple of 360 °, self-oscillation is performed due to the heat generation noise of all the elements.

상기 자체 발진기(101, 102)(또는, 자이로스코프)의 출력 신호는 수십 MHz 이상의 정현파 신호로서, 상기 IDT 지연선 구조체(110)와 상기 압전 물질(111)의 특성에 따라 작동주파수가 정의된다. 상기 표면 탄성파(10)가 진행하는 방향의 수직축으로 회전이 인가되면, 상기 표면 탄성파(10)의 자이로스코픽 현상에 의하여, 상기 표면 탄성파(10)의 진행속도가 변하게 되고, 이에 따라 상기 자체 발진의 출력주파수가 변화한다. 따라서, 본 발명은 자체 발진기의 출력주파수 변화를 검출하여, 인가된 회전을 감지하는 특성을 갖는 자이로스코프로 동작하게 한다.The output signals of the self-oscillators 101 and 102 (or gyroscopes) are sinusoidal signals of several tens of MHz or more, and an operating frequency is defined according to the characteristics of the IDT delay line structure 110 and the piezoelectric material 111. When rotation is applied to the vertical axis in the direction in which the surface acoustic wave 10 travels, the traveling speed of the surface acoustic wave 10 is changed by the gyroscopic phenomenon of the surface acoustic wave 10, thereby The output frequency changes. Therefore, the present invention detects a change in the output frequency of the self-oscillator and operates as a gyroscope having a characteristic of sensing an applied rotation.

도 3은 도 2에 도시된 IDT(Interdigital Transducer) 지연선 구조체(110)의 구조도이다.FIG. 3 is a structural diagram of the interdigital transducer (IDT) delay line structure 110 shown in FIG. 2.

상기 IDT 지연선 구조체(110)는 표면 탄성파를 생성시키는 상기 발진 IDT(112)와 전기적 신호로 변환시키는 상기 수신 IDT(113)로 구성됨은 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같다. 다만, 도 3에서는 도 2와 다르게 설명의 편의상 상기 발진 IDT(112)를 좌측에 배치하였고, 상기 수신 IDT(113)를 우측에 배치하였다.The IDT delay line structure 110 is composed of the oscillation IDT 112 for generating surface acoustic waves and the reception IDT 113 for converting into an electrical signal, as described above with reference to FIG. 2. However, in FIG. 3, the oscillation IDT 112 is disposed at the left side and the reception IDT 113 is disposed at the right side for convenience of explanation, unlike FIG. 2.

본 발명에서는 IDT 전극으로 단일 전극을 사용하지 않고 Split 형태의 전극을 사용한다. 전극의 개수가 많을 경우, 단일전극 형태의 IDT보다 Split 형태의 전극을 사용한다. 단일전극 형태의 IDT는 이웃 전극에서 반사된 표면탄성파가 적층되어, 특성 임피던스와 같은 성질을 변화시키는 문제점이 있는 반면, Split 형태의 전극은 반파장 간격으로 배치할 때 반사파를 서로 상쇄시켜 이러한 왜곡현상이 없기 때문에, Split 형태의 전극을 사용하는 것이다.In the present invention, a split type electrode is used instead of a single electrode as an IDT electrode. If the number of electrodes is large, Split type electrodes are used rather than single electrode type IDT. IDT in the form of single electrode has a problem that the surface acoustic waves reflected from the neighboring electrodes are stacked, thereby changing properties such as characteristic impedance, while split type electrodes cancel the reflected waves from each other when arranged at half-wavelength intervals. Since there is no, a split electrode is used.

상기 표면 탄성파(10)의 파장(13)은 상기 발진 IDT(112)의 전극의 간극 d(1121)와 압전 물질(111)의 탄성파속도(υ o )에 의하여 정의된다.The wavelength 13 of the surface acoustic wave 10 is defined by the gap d 1121 of the electrode of the oscillation IDT 112 and the elastic wave velocity v o of the piezoelectric material 111.

Figure 112007058572536-PAT00033
Figure 112007058572536-PAT00033

여기서, 주파수(f 0 )는 신호의 작동주파수로 자체발진기의 출력주파수이다. IDT 전극의 개수는 주파수 영역에서 SAW의 대역폭을 결정하기 때문에, 전체 센서의 크기를 고려하여 선정된다. Here, the frequency f 0 is the operating frequency of the signal, which is the output frequency of the self-oscillator. Since the number of IDT electrodes determines the bandwidth of the SAW in the frequency domain, it is selected in consideration of the size of the entire sensor.

상기 IDT 지연선 구조체(110)를 갖는 자체발진기의 안정성을 위해서는, 가능한 긴 시간의 지연구조를 가지면 유리하나, 상기 IDT 지연선 구조체(110) 크기의 제한과 다중모드 발진의 문제가 있다. 따라서, 단일모드로 발진하기 위해서는, 상기 발진 IDT(112)와 상기 수신 IDT(113) 사이의 지연선 Ldl(114) 길이를 상기 발진 IDT(112)의 길이와 동일하게 설계한다.For the stability of the self oscillator having the IDT delay line structure 110, it is advantageous to have a delay structure as long as possible, but there is a problem of the limitation of the size of the IDT delay line structure 110 and the multi-mode oscillation. Therefore, in order to oscillate in a single mode, the length of the delay line L dl 114 between the oscillation IDT 112 and the reception IDT 113 is designed to be equal to the length of the oscillation IDT 112.

Figure 112007058572536-PAT00034
Figure 112007058572536-PAT00034

그리고, 상기 발진 IDT의 폭 W(112b)는 탄성파 회절의 영향을 최소화하기 위하여 다음과 같이 파장의 수십 배 이상으로 설계한다.In addition, the width W 112b of the oscillation IDT is designed to be several tens or more times the wavelength as follows to minimize the influence of the acoustic wave diffraction.

Figure 112007058572536-PAT00035
Figure 112007058572536-PAT00035

한편, 상기 수신 IDT(113)의 감지 전극 IDT의 길이(1131)는 자체발진기에서 발생하는 부조화 진동을 억제하기 위해 다음과 같이 정의한다.On the other hand, the length 1131 of the sensing electrode IDT of the receiving IDT 113 is defined as follows to suppress the discordant vibration generated in the self-oscillator.

Figure 112007058572536-PAT00036
Figure 112007058572536-PAT00036

상기와 같이 설계된 IDT 지연선 구조체(110)는 금속증착공정과 U.V 리소그래피 공정을 이용하여 제작될 수 있다.The IDT delay line structure 110 designed as described above may be manufactured using a metal deposition process and a U.V lithography process.

도 4는 도 2에 도시된 표면탄성파 자이로스코프의 사용례에 대한 예시도이며, 도 5는 도 2에 도시된 표면탄성파 자이로스코프의 사용례에 대한 다른 예시도이다.4 is an exemplary view of a use example of the surface acoustic wave gyroscope shown in FIG. 2, and FIG. 5 is another exemplary view of a use example of the surface acoustic wave gyroscope shown in FIG. 2.

먼저, 도 4에서 도시된 바와 같이, 상기 표면탄성파 자이로스코프(100)는 반대방향으로 배치된 상기 두 개의 자체발진기(101, 102)(즉, 두 개의 IDT 지연선 구조체(110a, 110b) 및 두 개의 궤환루프 전자회로(120a, 120b))와, 검출전자회 로(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이 구성하면, 감도를 증가시키고 온도편류와 같은 공통오차요인을 제거할 수 있는 차동방식으로 동작할 수 있다.First, as shown in FIG. 4, the surface acoustic wave gyroscope 100 includes two self-oscillators 101 and 102 (ie, two IDT delay line structures 110a and 110b) and two disposed in opposite directions. Two feedback loop electronic circuits (120a, 120b) and the detection electronic circuit (130). This configuration can operate in a differential manner to increase sensitivity and eliminate common error factors such as temperature drift.

상기 검출전자회로(130)는 믹서(131)와 대역통과필터(132)를 포함할 수 있다. 이러한 검출전자회로(130)는 상기 두 개의 자체발진기 출력을 통하여 회전에 따른 주파수 변화를 검출한다. 자체발진기는 발진주파수(f o1 , f o2 )를 갖는 정현파 신호를 출력한다. 회전이 인가되면, 각각의 자체발진기에는 자이로스코픽 현상에 의하여 회전에 비례한 주파수 변화(Δf)가 발생한다. 즉, 두 개의 자체발진기가 반대방향으로 배치되어 있기 때문에 한쪽은 주파수가 증가하고 다른 쪽은 감소하게 된다. The detection electronic circuit 130 may include a mixer 131 and a band pass filter 132. The detection electronic circuit 130 detects a frequency change due to rotation through the two self-oscillator outputs. The self-oscillator outputs a sinusoidal signal having oscillation frequencies f o1 and f o2 . When rotation is applied, each self-oscillator generates a frequency change Δf proportional to the rotation by a gyroscopic phenomenon. That is, because two self-oscillators are arranged in opposite directions, the frequency increases on one side and decreases on the other.

따라서, 도 4에 도시된 사용예에서는 상기 믹서(131)와 상기 대역통과필터(132)를 사용하여 두 배의 주파수 변화량을 검출할 수 있으므로 감도가 향상된 표면탄성파 자이로스코프 특성을 보인다.Thus, in the use example shown in FIG. 4, since the frequency change amount of twice can be detected using the mixer 131 and the bandpass filter 132, the surface acoustic wave gyroscope has improved sensitivity.

한편, 도 5를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 본 발명에 따른 표면탄성파 자이로스코프(100)는 하나의 자체 발진기만을 포함하고, 무선 인터페이스가 가능할 수 있다.On the other hand, as can be seen with reference to Figure 5, the surface acoustic wave gyroscope 100 according to the present invention includes only one oscillator, it may be possible to wireless interface.

이를 위해, 상기 표면탄성파 자이로스코프(100)는 자체발진기(즉, IDT 지연선 구조체(110) 및 궤환루프 전자회로(120))와 수동 안테나(140)를 포함하여 구성될 수 있다. To this end, the surface acoustic wave gyroscope 100 may include a self-oscillator (that is, IDT delay line structure 110 and feedback loop electronic circuit 120) and a passive antenna 140.

상기 수동 안테나(140)는 상기 IDT 지연선 구조체(110)의 상기 수신 IDT(113)에 연결될 수 있다. 상기 자체 발진기의 동작주파수가 수백 MHz 대역이기 때문에, 상기 자체 발진기의 출력신호는 상기 수동 안테나(140)를 통하여 전자기파(141)의 형태로 변환될 수 있고, 수신기 시스템(150)으로 전송될 수 있다.The passive antenna 140 may be connected to the receiving IDT 113 of the IDT delay line structure 110. Since the operating frequency of the self-oscillator is in the hundreds of MHz band, the output signal of the self-oscillator may be converted into the form of electromagnetic wave 141 through the passive antenna 140, and may be transmitted to the receiver system 150. .

상기 수신기 시스템(150)은 수신 안테나(151)와, 저 잡음 증폭기(152)와, 국부발진기(153)와, 믹서(154)와, 대역 통과필터(155)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한, 상기 수신기 시스템(150)은 상기 수신 안테나(151)를 통하여, 상기 표면탄성파 자이로스코프(100)의 출력 신호를 전자기파(141)로 수신하고, 와 상기 저잡음 증폭기(152), 상기 국부 발진기(152)와 상기 믹서(154) 및 상기 대역통과필터(155)를 활용하여 인가된 회전에 비례한 주파수 변화량을 검출한다.The receiver system 150 may include a receiving antenna 151, a low noise amplifier 152, a local oscillator 153, a mixer 154, and a band pass filter 155. The receiver system 150 receives the output signal of the surface acoustic wave gyroscope 100 as an electromagnetic wave 141 through the receiving antenna 151, and the low noise amplifier 152 and the local oscillator ( 152, the mixer 154, and the bandpass filter 155 are used to detect an amount of frequency change proportional to the applied rotation.

한편, 도 6은 도 2에 도시된 표면탄성파 자이로스코프를 장착한 센서 패키지의 예시도이고, 도 7은 도 6에 도시된 센서 패키지를 나타낸 예시도이다. 6 is an exemplary view showing a sensor package equipped with the surface acoustic wave gyroscope shown in FIG. 2, and FIG. 7 is an exemplary view showing the sensor package shown in FIG. 6.

도 6을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 표면탄성파 자이로스코프(100)를 장착한 센서 패키지(200)는 RF 특성이 우수한 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)(210)와, 상기 표면탄성파 자이로스코프(100)를 보호하기 위한 유리판 덮개(230)를 포함한다. 상기 자이로스코프(100)의 전극과 상기 패키지(200)의 전극(220)은 와이어 본딩으로 전기적으로 결선될 수 있다. ST-cut Quartz로 제작된 상기 센서 패키지를 보호하기 위하여, 상기 유리판 덮개(230)를 접합할 수 있다. 한편, 도 7을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 표면탄성파 자이로스코프(100)를 장착한 센서 패키지(200)는 동전 크기만큼 작다.As can be seen with reference to FIG. 6, the sensor package 200 equipped with the surface acoustic wave gyroscope 100 includes a low temperature co-fired ceramic (LTCC) 210 having excellent RF characteristics, and the surface acoustic wave gyro. It includes a glass plate cover 230 to protect the scope (100). The electrode of the gyroscope 100 and the electrode 220 of the package 200 may be electrically connected by wire bonding. In order to protect the sensor package made of ST-cut quartz, the glass plate cover 230 may be bonded. On the other hand, as can be seen with reference to Figure 7, the sensor package 200 equipped with the surface acoustic wave gyroscope 100 is as small as the coin size.

한편, 도 8은 본 발명에 따른 표면탄성파 자이로스코프에 대한 주파수 응답 특성을 나타낸 예시도이다.On the other hand, Figure 8 is an exemplary view showing the frequency response characteristics for the surface acoustic wave gyroscope according to the present invention.

도 8을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 적용된 IDT 지연선의 주파수 응답특성이 이론값과 비교하여 도시되어 있다. 상기 이론 값은 IDT 지연선의 전기적 등가 모델을 통하여 유도되었으며, 상기 주파수 응답 특성은 네트워크 분석장비를 사용하여 측정되었다. 시험결과 IDT 지연선은 98.6 MHz에서 15.2 dB의 삽입손실을 갖고 있으며 품질계수(Q)는 약 240으로 측정되었다.As can be seen with reference to Fig. 8, the frequency response characteristic of the IDT delay line applied to the present invention is shown in comparison with the theoretical value. The theoretical value was derived through an electrical equivalent model of the IDT delay line, and the frequency response characteristic was measured using a network analyzer. The test results show that the IDT delay line has an insertion loss of 15.2 dB at 98.6 MHz and a quality factor (Q) of about 240.

도 9는 본 발명에 따른 표면탄성파 자이로스코프의 초기 자체발진 특성을 나타낸 예시도이다.9 is an exemplary view showing the initial self-oscillation characteristics of the surface acoustic wave gyroscope according to the present invention.

도 9를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 전원인가 후 18 ms 후에 신호를 출력하며, 각각의 자체 발진기는 98.0315 MHz와 98.5247 MHz의 신호를 출력한다.As can be seen with reference to FIG. 9, a signal is output 18 ms after power-up, and each self-oscillator outputs signals of 98.0315 MHz and 98.5247 MHz.

도 10은 본 발명에 따른 표면탄성파 자이로스코프의 출력특성을 나타낸 예시도이다.10 is an exemplary view showing the output characteristics of the surface acoustic wave gyroscope according to the present invention.

도 10을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 각속도 인가대 주파수 변화량을 도시되어 있다. 도 10에 도시된 바와 같이 2,000 deg/s의 각속도까지 인가하였으며, 약 0.431 Hz/deg/s의 민감도를 보였다.As can be seen with reference to FIG. 10, the angular velocity application band frequency variation according to the present invention is shown. As shown in FIG. 10, an angular velocity of 2,000 deg / s was applied and showed a sensitivity of about 0.431 Hz / deg / s.

이상에서 설명한 바와 같이, 표면탄성파의 자이로스코픽 효과를 이용한 새로운 형태의 마이크로 자이로스코프를 제작하였으며 그 성능은 표 1과 같다.As described above, a new type of micro gyroscope using a gyroscope effect of surface acoustic waves was fabricated and its performance is shown in Table 1.

성능 항목Performance items 표면 탄성파 자이로스코프 성능Surface Acoustic Wave Gyroscope Performance IDT 지연선의 발진 주파수Oscillation frequency of the IDT delay line 98.525 MHz98.525 MHz 표면탄성파 자이로스코프의 작동 주파수Operating frequency of surface acoustic wave gyroscope 493.283 kHz493.283 kHz 민감도responsiveness 0.431 Hz/deg/s0.431 Hz / deg / s 동작 영역Motion area > 2,000 deg/s> 2,000 deg / s 잡음 밀도Noise density 0.55 deg/s/rt-Hz0.55 deg / s / rt-Hz

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.

도 1은 표면탄성파의 자이로스코픽 효과에 대한 개념도이다.1 is a conceptual diagram for the gyroscopic effect of surface acoustic waves.

도 2는 본 발명에 따른 표면탄성파 자이로스코프의 구성도이다.2 is a block diagram of a surface acoustic wave gyroscope according to the present invention.

도 3은 도 2에 도시된 IDT(Interdigital Transducer) 지연선의 구조도이다.FIG. 3 is a structural diagram of an interdigital transducer (IDT) delay line shown in FIG. 2.

도 4는 도 2에 도시된 표면탄성파 자이로스코프의 사용례에 대한 예시도이다.4 is an exemplary diagram of an example of use of the surface acoustic wave gyroscope shown in FIG. 2.

도 5는 도 2에 도시된 표면탄성파 자이로스코프의 사용례에 대한 다른 예시도이다.5 is another exemplary diagram of a use example of the surface acoustic wave gyroscope shown in FIG. 2.

도 6은 도 2에 도시된 표면탄성파 자이로스코프를 장착한 센서의 예시도이다.6 is an exemplary view of a sensor equipped with the surface acoustic wave gyroscope shown in FIG. 2.

도 7은 도 6에 도시된 센서를 나타낸 예시도이다.FIG. 7 is an exemplary view illustrating a sensor illustrated in FIG. 6.

도 8은 본 발명에 따른 표면탄성파 자이로스코프에 대한 주파수 응답 특성을 나타낸 예시도이다.8 is an exemplary view showing frequency response characteristics of the surface acoustic wave gyroscope according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 표면탄성파 자이로스코프의 초기 자체발진 특성을 나타낸 예시도이다.9 is an exemplary view showing the initial self-oscillation characteristics of the surface acoustic wave gyroscope according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 표면탄성파 자이로스코프의 실시예에 대한 출력특성을 나타낸 예시도이다.10 is an exemplary view showing output characteristics of an embodiment of a surface acoustic wave gyroscope according to the present invention.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **** Explanation of symbols for main parts of drawings **

100 : 표면탄성파 자이로스코프 110: IDT 지연선 구조체100: surface acoustic wave gyroscope 110: IDT delay line structure

111: 압전 물질 112: 발진 IDT111: piezoelectric material 112: oscillation IDT

113: 수신 IDT 119: 흡음재113: reception IDT 119: sound absorbing material

120: 궤환루프 전자회로 121: 궤환 증폭기120: feedback loop electronic circuit 121: feedback amplifier

122 : 위상변환기 130: 검출전자회로122: phase shifter 130: detection electronic circuit

131: 믹서 132: 대역통과필터131: mixer 132: bandpass filter

140: 송신 안테나 150: 수신 시스템140: transmitting antenna 150: receiving system

151: 수신 안테나 152: 저잡음 증폭기151: receiving antenna 152: low noise amplifier

153: 발진기 154: 믹서153: oscillator 154: mixer

155: 대역통과 필터155: bandpass filter

Claims (10)

압전 물질과;Piezoelectric materials; 상기 압전 물질의 표면에 형성되어, 상기 압전 물질의 압전 현상을 이용하여 표면탄성파를 생성하는 발진 IDT와; An oscillation IDT formed on the surface of the piezoelectric material and generating surface acoustic waves using the piezoelectric phenomenon of the piezoelectric material; 상기 압전 물질의 표면에 상기 발진 IDT와 소정 거리로 이격되어 형성되고, 상기 발진 IDT로부터의 상기 표면탄성파를 전기적 신호로 다시 변환하여 출력하는 수신 IDT와; 그리고A reception IDT formed on the surface of the piezoelectric material and spaced apart from the oscillation IDT by a predetermined distance, and converting the surface acoustic wave from the oscillation IDT back into an electrical signal and outputting the electrical signal; And 상기 발진 IDT와 상기 수신 IDT 사이에 연결되어 궤한 루프를 형성함으로써, 상기 수신 IDT의 출력을 통해 상기 발진 IDT가 자체 발진할 수 있도록 하는 궤한 루프 전자 회로를 포함하고,A feedback loop electronic circuit connected between the oscillation IDT and the reception IDT to form a feedback loop, such that the oscillation IDT can oscillate through an output of the reception IDT, and 여기서, 상기 발진 IDT에서 생성된 상기 표면탄성파가 상기 압전 물질에 의해 특정 속도로 상기 수신 IDT로 진행할 때, 상기 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 축으로 임의의 회전이 인가되면, 코리올리 힘에 의해 상기 표면탄성파의 진행속도가 변화되고, 상기 진행속도의 변화로 인해 상기 수신 IDT에서의 출력 주파수가 변화됨을 감지함으로써, 인가된 회전을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.Here, when the surface acoustic wave generated in the oscillation IDT advances to the receiving IDT at a specific speed by the piezoelectric material, if any rotation is applied in an axis perpendicular to the direction of travel of the surface acoustic wave, Gyroscope, characterized in that the applied rotation is detected by detecting that the traveling speed of the surface acoustic wave is changed and the output frequency at the received IDT is changed due to the change of the traveling speed. 제 1항에 있어서, 상기 궤한 루프 전자 회로는The loop loop electronic circuit of claim 1, wherein 증폭기와, 위상 변위기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로스 코프.A gyroscope comprising an amplifier and a phase shifter. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 발진 IDT 및 상기 수신 IDT는 분리된(Split) 전극들을 포함하여 이루어지고, The oscillating IDT and the receiving IDT comprise split electrodes, 여기서, 상기 분리된 전극들은 서로 상기 표면탄성파의 반파장 간격으로 배치함으로써, 상기 전극들에 의해 반사되는 상기 표면탄성파가 상쇄되도록 하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.Here, the separated electrodes are arranged at half-wavelength intervals of the surface acoustic waves, so that the surface acoustic waves reflected by the electrodes cancel each other. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 발진 IDT와 상기 수신 IDT 간의 소정 거리는 상기 발진 IDT의 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 자이로스코프.And a predetermined distance between the oscillation IDT and the reception IDT is equal to a length of the oscillation IDT. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 압전 물질의 양단에 형성되어, 상기 표면탄성파가 상기 압전 물질의 양단에서 반사되는 것을 방지하는 흡음제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.And a sound absorbing agent formed at both ends of the piezoelectric material to prevent the surface acoustic wave from being reflected at both ends of the piezoelectric material. 제 1 표면탄성파를 생성하는 제 1 자체 발진기와;A first self-oscillator for generating a first surface acoustic wave; 상기 제 1 자체 발진기의 반대방향으로 배치되어, 상기 제 1 표면 탄성파의 진행 방향과 반대 방향으로 제 2 표면 탄성파를 생성하는 제 2 자체 발진기를 포함하고,A second self oscillator disposed in a direction opposite to the first self oscillator, the second self oscillator generating a second surface acoustic wave in a direction opposite to a traveling direction of the first surface acoustic wave; 여기서, 상기 제 1 및 제 2 발진기에서 생성된 상기 제 1 및 제 2 표면탄성파가 특정 속도로 각기 진행할 때, 상기 제 1 및 제 2 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 축으로 임의의 회전이 인가되면, 코리올리 힘에 의해 상기 제 1 및 제 2 표면탄성파의 진행속도는 각기 반대로 변화되고, 상기 진행속도의 변화로 인해 상기 제 1 및 제 2 자체 발진기의 출력 주파수는 각기 증가 또는 감소하게 되어, 상기 제 1 자체 발진기의 출력주파수와 상기 제 2 자체 발진기의 출력 주사푸의 차를 감지함으로써, 인가된 회전을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.Here, when the first and second surface acoustic waves generated by the first and second oscillators respectively advance at a specific speed, if any rotation is applied in an axis perpendicular to the advancing direction of the first and second surface acoustic waves, The traveling speeds of the first and second surface acoustic waves are reversed by Coriolis forces, and the output frequencies of the first and second self-oscillators are increased or decreased, respectively, due to the change of the traveling speeds. A gyroscope, characterized in that the applied rotation can be detected by detecting the difference between the output frequency of the first self-oscillator and the output scan of the second self-oscillator. 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 제 1 자체 발진기는: The first self oscillator is: 압전 물질과; 압전 물질의 표면에 형성되어, 상기 압전 물질의 압전 현상을 이용하여 제 1 표면탄성파를 생성하는 제 1 발진 IDT와; 상기 압전 물질의 표면에 상기 발진 IDT와 소정 거리로 이격되어 형성되고, 상기 발진 IDT로부터의 상기 제 1 표면탄성파를 전기적 신호로 다시 변환하여 출력하는 제 1 수신 IDT와; 그리고 상기 제 1 발진 IDT와 상기 제 1 수신 IDT 사이에 연결되어 궤한 루프를 형성함으로써, 상기 제 1 수신 IDT의 출력을 통해 상기 제 1 발진 IDT가 자체 발진할 수 있도록 하는 제 1 궤한 루프 전자 회로를 포함하고,Piezoelectric materials; A first oscillation IDT formed on the surface of the piezoelectric material and generating a first surface acoustic wave using the piezoelectric phenomenon of the piezoelectric material; A first receiving IDT formed on a surface of the piezoelectric material spaced apart from the oscillating IDT by a predetermined distance, and converting the first surface acoustic wave from the oscillating IDT back into an electrical signal and outputting the electrical signal; And forming a closed loop connected between the first oscillating IDT and the first receiving IDT to allow the first oscillating IDT to oscillate through an output of the first receiving IDT. Including, 상기 제 2 자체 발진기는:The second self oscillator is: 상기 제 1 표면탄성파의 진행 방향에 대해 반대 방향의 제 2 표면탄성파를 생성하도록 상기 압전 물질의 표면에 형성된 제 2 발진 IDT와; 상기 압전 물질의 표면에 상기 제 2 발진 IDT와 소정 거리로 이격되도록 형성되어, 상기 제 2 발진 IDT로부터의 상기 제 2 표면탄성파를 전기적 신호로 다시 변환하여 출력하는 제 2 수신 IDT와; 상기 제 2 발진 IDT와 상기 제 2 수신 IDT 사이에 연결되어 궤한 루프를 형성함으로써, 상기 제 2 수신 IDT의 출력을 통해 상기 제 2 발진 IDT가 자체 발진할 수 있도록 하는 제 2 궤한 루프 전자 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.A second oscillation IDT formed on the surface of the piezoelectric material to generate a second surface acoustic wave in a direction opposite to the traveling direction of the first surface acoustic wave; A second receiving IDT formed on the surface of the piezoelectric material so as to be spaced apart from the second oscillating IDT by a predetermined distance, and converting the second surface acoustic wave from the second oscillating IDT back into an electrical signal and outputting the electrical signal; A second locked loop electronic circuit connected between the second oscillating IDT and the second receiving IDT to form a closed loop, thereby allowing the second oscillating IDT to self oscillate through an output of the second receiving IDT. Gyroscope, characterized in that. 제 7항에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 궤한 루프 전자 회로는8. The circuit of claim 7, wherein the first or second bin loop loop circuit 증폭기와, 위상 변위기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.A gyroscope comprising an amplifier and a phase shifter. 압전 물질과;Piezoelectric materials; 상기 압전 물질의 표면에 형성되어, 상기 압전 물질의 압전 현상을 이용하여 표면탄성파를 생성하는 발진 IDT와; An oscillation IDT formed on the surface of the piezoelectric material and generating surface acoustic waves using the piezoelectric phenomenon of the piezoelectric material; 상기 압전 물질의 표면에 상기 발진 IDT와 소정 거리로 이격되어 형성되고, 상기 발진 IDT로부터의 상기 표면탄성파를 전기적 신호로 다시 변환하여 출력하는 수신 IDT와; A reception IDT formed on the surface of the piezoelectric material and spaced apart from the oscillation IDT by a predetermined distance, and converting the surface acoustic wave from the oscillation IDT back into an electrical signal and outputting the electrical signal; 상기 발진 IDT와 상기 수신 IDT 사이에 연결되어 궤한 루프를 형성함으로써, 상기 수신 IDT의 출력을 통해 상기 발진 IDT가 자체 발진할 수 있도록 하는 궤한 루프 전자 회로와; 그리고A feedback loop electronic circuit connected between the oscillation IDT and the reception IDT to form a feedback loop such that the oscillation IDT can oscillate through an output of the reception IDT; And 상기 수신 IDT에 연결되어, 상기 수신 IDT의 출력 신호를 전자기파로 방사하는 송신 안테나를 포함하고,A transmission antenna connected to the reception IDT and radiating an output signal of the reception IDT to electromagnetic waves, 여기서, 상기 발진 IDT에서 생성된 상기 표면탄성파가 상기 압전 물질에 의해 특정 속도로 상기 수신 IDT로 진행할 때, 상기 표면 탄성파의 진행 방향에 수직한 축으로 임의의 회전이 인가되면, 코리올리 힘에 의해 상기 표면탄성파의 진행속도가 변화되고, 상기 진행속도의 변화로 인해, 상기 수신 IDT의 출력 신호의 주파수가 변화되는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.Here, when the surface acoustic wave generated in the oscillation IDT advances to the receiving IDT at a specific speed by the piezoelectric material, if any rotation is applied in an axis perpendicular to the direction of travel of the surface acoustic wave, Gyroscope, characterized in that the traveling speed of the surface acoustic wave is changed, the frequency of the output signal of the received IDT is changed by the change of the traveling speed. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 송신 안테나에 의해서 방사된 전자기파를 수신하는 수신 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.The gyroscope further comprises a receiving antenna for receiving the electromagnetic wave radiated by the transmitting antenna.
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