KR100203315B1 - 2축 내비게이션 그레이드 마이크로머신드 회전 센서 시스템 - Google Patents

Abstract

디지털 델타 쎄타 출력 신호를 제공하는 2축 폐루프 각도 레이트 센서(two axis closed loop angular rate sensor).

구동 부재(drive member)는 한쌍의 서로 마주하는 평면 표면(planar surface)을 갖는 단일의 실리콘 웨이퍼로 형성된다.

구동부재는 프레임과, 프레임에 연결되어 있고 프레임과 중심부 사이에서 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 축을 중심으로 하여 회전 유연성(rotational compliance)을 갖도록 되어 있는 구동 부재 중심부를 포함하고 있다.

구동 신호는 중심부 상의 복수의 전극들에 인가되어 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 구동축을 중심으로한 구동 부재 중심부의 회전 발전(rotational oscillation)을 일으키게 한다.

실리콘 감지 부재(silicon sensing member)는 구동 부재에 연결되어 있다.

감지 부재는 구동 부재 중심부의 회전 발진이 감지 부재 중심부에 전달되도록 구동 부재 중심부에 연결된 중심지지 부재를 가지고 있다.

감지부는 감지 부재 중심 지지부재에 연결되어 감지부가 구동축을 중심으로 하여 발진할 수 있게 되고 구동축에 수직인 축을 중심으로 한 입력 회전 레이트(input rotation rate)가 감지부의 평면외 발진(out-of-plane oscillation)을 일으킬 수 있게 된다.

신호 처리 장치는 감지부에 연결되어 입력 회전 레이트를 나타내는 신호를 감지부의 평면의 발진의 진폭의 함수로서 생성하게 된다.

Description

[발명의 명칭]

2축 내비게이션 그레이드 마이크로머신드 회전 센서 시스템

[발명의 배경]

본 발명은 일반적으로 내비게이션 등의 응용 분야에 사용하기 위한 회전 센서(rotation sensor)에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 재진입 운행체(reentry vehicle)등의 G가 높고 진동이 심한 환경(high G, high vibration enveronment)에서 동작하는 동안 높은 정확성을 제공하는 회전 센서 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 2개의 직교 감지축을 중심으로 한 회전 레이트(rotation rate)를 측정하기 위한 코리올리 가속도 센서(Coriolis acceleration sensor)를 포함하는 실리콘 칩에 근거한 회전 센서 시스템에 관한 것이다.

이미 공지된 마이크로머신드 코리올리 회전 센서 시스템(micromachined Coriolis rotation sensor system)은 10°내지 1000°/시간 범위에서 바이어스 반복성(bias repeatability)을 나타내었다.

이들 개념들의 분석을 근거로 볼 때, 그들의 성능이 고정확도 내비게이션 그레이드 장치(high-accuracy navigation grade device)를 만들어내기 위해 3 내지 5배만큼 개선되면서 본 발명의 회전 센서 시스템에 대해 기술될 저단가 및 고 신뢰성을 충족시킬 수는 없는 것 같다.

[발명의 요약]

본 발명에 따른 회전 센서 설계는 동조 회전자 자이로(tuned rotor gyro)의 많은 성능 잇점을 가지면서 마이크로머시닝(micromachining)의 저단가 및 신뢰성잇점들을 활용한다.

본질적으로 회전 센서는 회전자가 일정하게 스핀축(spinaxis)을 중심으로 회전하지 않고 스핀축츨 중심으로 진동하는 것을 제외하면 2축동조 회전자 자이로스코프(tow-axis tuned rotor gyroscope)로서 볼 수 있다.

각 모멘트 벡터(angular moment vector)는 항상 일정하지 않고 사인파적으로 발진한다.

회전자는 관성 동조 감지 소자(inertiallly tuned sensing element)이며, 스핀 속도가 아닌 발진 주파수로 그의 출력축을 중심으로 동조되어 공진하게 된다.

회전 센서는 디지털 델타 쎄타 출력 신호를 제공하는 2축 폐루프 각도 레이트 센서이다.

본 발명에 따른 마이크로-관성 회전 센서(micro-inertial rotation sensor)는 양력-대-항력비가 큰 재진입 운행체(high lift-to-drag reentry vehicle) 및 극초음속 무기(hypersonic submunition)와 관련된 G가 높고 진동이 심한 환경(high G, high vibration environment)에서 동작하는 동안 1nm/시간 내비게이션 시스템을 지원하도록 설계되어 있다.

본 발명에 따른 회전 센서는 적어도 하나의 고체 마이크로머신드 감지 소자(solid state, micromachined sensing element)를 구비하고 있다.

본 발명은 또한 소형 경량, 저단가, 저전력, 고신뢰성을 갖도록 또한 상용 및 군용 모두에 사용하도록 설계되어 있다.

본 발명에 따른 회전 센서는 베이스(base)와 상기 베이스에 탑재되고 한쌍의 마주 대하는 평면 표면(planar surface)을 갖는 단일의 실리콘 웨이펄로 형성되어 있고 구동 부재(drive member)를 구비하고 있다.

구동 부재는 프레임, 및 프레임과 중심부 사이에서 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 축을 중심으로 한 회전 유연성(rotational compliance)을 갖도록 되어 있는 프레임에 연결된 구동 부재 중심부를 포함한다.

구동 부재는 또한 중심부의 적어도 한 측면상에 형성된 복수의 전극과 복수의 전극에 구동 신호를 인가하기 위한 구동 장치를 구비한다.

전극들은 구동신호가 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 구동축을 중심으로 구동 부재 중심부의 회전 발진을 일으키도록 배열되어 있다.

본 발명에 따른 회전 센서는 또한 구동 부재 중심부의 회전 발진이 감지 부재 중심부에 전달되도록 구동 부재 중심부에 연결된 감지 부재 중심 지지 부재를 포함하는 실리콘 감지 부재를 구비한다.

감지부는 감지 부재 중심 지지 부재에 연결되어 감지부가 구동축을 중심으로 발진할 수 있고 구동축에 수직인 축을 중심으로 한 입력 회전 레이트(input rotation rate)가 감지부의 평면외 발진(out-of-plane oscillation)을 생성할 수 있도록 되어 있다.

신호 처리 장치는 입력 회전 레이트를 나타내는 신호를 감지부의 평면외 발진의 주파수의 함수로서 생성하기 위해 감지부에 접속되어 있다.

본 발명에 따른 회전 센서는 양호하게는 프레임과 구동 부재 중심부 사이에 연결된 복수의 휨 비임(flexure beams)을 더 구비하고 있다.

본 발명에 따른 회전 센서는 양호하게는 감지 부재 중심 지지 부재 중심 지지 부재와 감지부 사이에 연결된 복수의 일반적으로 평면인 리프 스프링 부재(generally planar leaf spring member)를 더 구비하여, 감지부에서의 평면외 발진이 리프 스프링 부재의 평면에 수직이 되도록 하고 있다.

용량성 픽오프(capacitive pickoff)는 감지부상에 형성되어, 감지부의 평면외 발진이 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 되어 있다.

본 발명에 따른 회전 센서는 베이스와 구동 부재의 프레임 사이에 연결된 복수의 베이스 마운트(base mount)를 더 구비한다.

각각의 베이스 마운트는 양호하게는 회전 센서에서의 단일의 기계적 공진 주파수(single mechanical resonant frequency)를 제공하고 외부 진동 입력을 감쇄(attenuate)시키기 위해 감쇄 유연 소자(damped compliant element)를 구비하도록 형성되어 있다.

신호 처리 장치는 용량성 픽오프에 접속되고 입력 회전 레이트를 나타내는 신호를 수신하도록 되어 있는 제1 합산 회로를 구비할 수도 있다.

제1 변조 회로는 제1 합산 장치에 접속되고 입력 회전 레이트 신호를 구동 신호 주파수의 코사인(cosine)을 나타내는 신호로 변조하도록 되어 있다.

제2 변조 회로는 직각 위상 다이나믹 에러(quadrature dynamic errors)를 구동 신호 주파수의 사인(sine)을 나타내는 신호로 변조하도록 되어 있다.

제2 합산 회로는 제1 및 제2 변조 회로들로부터 출력된 신호들을 가산하여 구동 부재에 피드백 신호들을 제공하도록 접속되어 있다.

제1 복조기 회로는 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 코사인으로 복조하기 위하여 용량성 픽오프에 접속될 수도 있다.

제1 보상 회로(compensation circuit)는 제1 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하도록 접속될 수도 있고, 제2 복조기 회로는 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 사인으로 복조하기 위해 용량성 픽오프에 접속될 수도 있다.

제2 보상 회로는 제2 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하도록 접속될 수도 있다.

제1 토오킹 변조기 회로(torquing modulator circuit)는 제1 보상 회로에 접속될 수도 있고, 제2 토이킹 변조기 회로는 제2 보상 회로에 접속될 수도 있다.

상기 신호 처리 장치는 제1 및 제2 토오킹 변조기 회로로부터 출력된 신호들을 가산하여 구동 부재의 복수의 전극들에 입력되는 피드백 신호를 생성하는 제3 합산 회로를 더 구비할 수도 있다.

본 발명에 따른 2축 회전 센서는 또한 서로 대면하게 함께 장착된 한쌍의 동일한 구동 부재/감지부 조합(drive member/sensing portion combinations)를 구비할 수도 있다.

각 구동 부재 및 감지부는 상기한 방식으로 형성된다.

구동 신호는 감지부가 정반대 방향으로 발진하도록 한다.

신호 처리 방치는 양호하게는 감지부상에 형성된 제1 용량성 픽오프(capacitive pickoff)를 포함하여, 제1 감지부의 평면외 발진이 제1 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 하고, 감지부상에 형성된 제2 용량성 픽오프(capacitive pickoff)를 포함하여, 제2 감지부의 평면외 발진이 제2 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 하고 있다.

신호 처리 장치는 또한 제1 감지부에 접속되어 그로부터 출력된 회전 응답 신호들을 증폭하는 제1 증폭기와 제2 감지부에 접속되어 그로부터 출력된 회전 응답 신호들을 증폭하는 제2 증폭기를 더 구비하고 있다.

제1 합산 회로는 제1 및 제2 증폭기에 접속되어 증폭된 회전 신호의 합산을 나타내는 합산 신호를 생성하도록 되어 있다.

제2 합산 회로는 제1 및 제2 증폭기에 접속되어 증폭된 회전 신호의 차분을 나타내는 차분 신호를 생성하도록 되어 있다.

변조 회로는 제1 및 제2 합산 회로에 접속되어 합산 및 차분 신호의 동상 및 직각 위상 변조를 제공한다.

서보보상 회로는 변조 회로에 접속되어 동상 및 직각 위상 변조된 합산 및 차분 신호를 수신하고 제1 축을 중심으로 한 입력 회전에 대한 레이트 신호 측정값을 생성한다.

동상 및 직각 위상 토오크 변조 및 합산 회로는 서보 보상 회로에 접속되어 그로부터 신호들을 수신한다.

발진기 서보는 동상 및 직각 위상 토오크 변조 및 합산 회로와 동상 및 직각 위상 복조 회로에 접속되어 자동 이득 제어를 제공한다.

제3 합산 회로는 동상 및 직각 위상 토오크 변조 및 합산 회로에 접속되어 그로부터 변조된 신호를 수신한다.

양호한 실시예의 이하의 설명을 연구하고 첨부된 도면을 참조함으로써 본 발명의 목적을 알 수 있고 그의 구조 및 조작 방법의 보다 완전한 이해할 수 있을 것이다.

[도면의 간단한 설명]

도 1A는 본 발명에 따른 고체 이축 회전 센서(solid state two axis rotation sensor)의 분해 사시도.

도 1B는 도 1A의 회전 센서에 포함될 수도 있는 레이트 감지 소자(rate sensing element)의 사시도.

도 2는 도 1의 장치에 포함될 수도 있는 구동 부재(drive member)의 일부분의 사시도.

도 3은 도2의 장치에 포함될 수도 있는 휨 비임(flexure beam)의 단면도.

도 4는 도 1의 장치에 포함될 수도 있는 구동 부재와 센서 픽오프 및 토오킹 전극(sensor pickoff and torquing electrodes)의 저면도.

도 5는 도 1 및 도 4의 구동 부재의 상면도.

도 6은 도 1의 장치에 포함될 수도 있는 용량성 신호 픽오프(capacitive signal pickoff)를 포함하는 회전 센서 어셈블리를 도 4의 선 6-6을 따라 절취한 단면도.

도 7은 도 6의 장치에 대한 바이어싱 및 전기 신호 픽오프(biasing and electrical signal pickoff)의 개략 설명도.

도 8은 각 축에 대해 독립적으로 캡쳐(capture)된 각각의 감지 소자를 갖는 코리올리 회전 센서(Coriolis rotation sensor)로부터 출력된 신호들을 처리하기 위한 회로를 나타낸 도면.

도 9는 도 8의 회로의 부가 특징들을 설명하는 블럭선도.

도 10은 2개의 감지 소자들 모두가 각 축에 대해 한 캡쳐 루프(one capture loop)에 결합되어 있는 코리올리 회전 센서로부터 출력된 신호들을 처리하기 위한 회로를 일반화시킨 블럭선도.

[양호한 실시예의 상세한 설명]

도 1A를 참조하면, 본 발명에 따른 회전 센서(20)은 하부 덮개(bottom cover; 23) 및 양호하게는 하부 덮개(23)와 본질적으로 동일한 상부 덮개(도시안됨)를 갖는 베이스(base; 22)를 포함하고 있다.

베이스(22)는 일반적인 직사각형의 단면을 갖는다.

베이스(22)는 베이스(22)내부의 모서리(28-31)에 각각 탑재된 베이스 마운트(base mount; 24-27)를 가지고 있다.

회전 센서(20)은 양호하게는 동일한 한쌍의 레이트 감지 부재(rate sensing member; 34, 36)을 구비하고 있다.

레이트 감지 부재(34, 36) 각각은 양호하게는 마이크로머시닝 프로세스(micromachining process)에 의해 단일의 실리콘 결정(asingle silicon crystal)으로부터 형성된다.

회전 센서(20)은 또한 동일하고 각각이 단일의 실리콘 결정으로부터 형성된 한쌍의 구동 부재(38, 40)도 포함하고 있다.

도 1A는 레이트 감지 부재(34, 36)의 반대쪽의 표면(42, 44)를 각각 도시하고 있다.

회전 센서(20)가 조립될 때, 레이트 감지 부재(34)의 표면(42)는 도 1에서 보는 바와 같이 구동 부재(38)에 접합되어 있다.

마찬가지로, 레이트 감지 부재(36)의 하부 표면은 구동 부재(40)에 접합되어 있다.

구동 부재(38)은 설명의 편의상 일반적인 사각형으로 도시되어 있는 주변 프레임(peripheral frame; 50)을 포함하고 있다.

이 프레임(50)은 따른 구성을 가질 수도 있다.

도 2를 참조하면, 구동 부재(38)의 상부 표면(54)의 중심부(52)는 프레임(50)보다 얇게 되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 이 중심부(52)는 휨 비임(60-63)에 의해 프레임(50)에 연결된 측면 모서리(side edges; 55-58)를 가지고 있다.

휨 비임(60-63)은 양호하게는 측면 모서리(55-58)의 중심으로부터 프레임(50)으로 뻗어 있다.

도 2에서는, 중심부(52)와 휨 비임(60-63)을 보다 명확히 도시하기 위하여 구동 부재(38)의 일부가 생략되어 있다.

도 3은 실리콘 결정을 에칭하여 형성된 휨 비임(60)의 단면을 도시한 것이다.

휨 비임(60-63)은 양호하게는 동일하며, 도 1-3 및 도 6에서 보는 바와 같이 수직면에서는 강한 내굽힘성(high resistance to bending)을 갖는다.

휨 비임(60-63)은 중심부(52)가 작은 진폭의 회전 모멘트로 그의 기하학적 중심을 통해 수직축으로 발진할 수 있도록 수평면에서는 약한 내굽힘성(low resistance to bending)을 가진다.

도 1A 및 도 5를 참조하면, 4 그룹의 전극 어셈블리(70-73)이 구동 부재(38)을 형성하는 결정의 일부를 적절히 도핑함으로써 구동 부재(38)상에 형성된다.

이 전극 어셈블리는 휨 비임(60-63)들사이의 중심부(52)에 연결되어 있다.

도 5를 참조하면, 전극 어셈블리(70)의 대각 행칭부는 예를 들어 별개의 전극(80-88)을 가리킨다.

전극들(80-88)은 동일 구동 부재(40)에서 대응하는 전극들이 서로에 대해서 각도상 어긋나도록 전극 어셈블리(70)의 구석(90)에 대해 배치되어 있다.

동일 구동 부재(40)이 뒤집혀 그 다음에 전극 어셈블리들이 서로 마주하도록 배열됨에 따라 대응하는 전극들간에 변위가 발생한다.

이 2개의 구동 부재(38, 40)에서의 전극들의 각 변위로 인해 전극들은 인가된 주파수의 2배의 주파수로 발진하면서 소로 반발하게 되며, 이에 따라 전극들 및 구동 부재의 대응하는 중심부들에 서로 반대 방향의 회전 발진을 야기하게 된다.

전기 신호원이 이 2개의 구동 부재에 접속되어 구동신호를 전극들에 인가하게 된다.

구동 신호들은 양호하게는 각 구동 부재를 그의 공진 주파수로 구동하게 된다.

양호하게는 구동 부재(38, 40)의 공진 주파수는 동일하며 일반적으로 약 5kHz이다.

2개의 중심 구동 부재(center driving member; 38, 40)은 역회전 비틀림 공진 기계식 발진기(counter-rotational torsionally resonant mechanical oscillator)를 형성한다.

2개의 외부 레이트 감지 부재(outer rate sensing member; 34, 36)는 2축 동조 관성 레이트 감지 소자(two axis tuned inertial rate sensing element)를 형성한다.

도 1A, 도 1B 및 도 6을 참조하면, 구동 부재(38)의 중심부(52)는 프레임(50)의 두께보다 작은 두께를 갖는다.

구동 부재(40)의 중심부(150)도 또한 그의 프레임(100)보다 얇다.

중심부와 프레임의 두께차로 인해 구동 부재(38)의 프레임(50)과 구동 부재(40)의 프레임(100)이 서로 접합될 때 중심부들 사이에 작은 공극(gap)이 존재하게 된다.

도 1A, 도 1B 및 도 6을 참조하면, 레이트 감지 부재(34, 36)은 감지 부재(110, 112)를 각각 갖는다.

레이트 감지 부재(34)는 중심부(120) 및 중심부(120)으로부터 감지 소자(110)으로 뻗어 있는 복수의 유연한 리프 스프링(compliant leaf spring; 122-125)을 포함하고 있다.

마찬가지로, 레이트 감지 부재(36)도 그의 중심부(121)로부터 감지 소자(112)로 뻗어 있는 리프 스프링(130-133)을 가지고 있다.

감지 소자(112)는 양호하게는 일반적인 직사각형의 중심 개구(113)을 갖는 일반적인 얇은 직사각형의 구조로서 형성된다.

중심부(121)은 감지 소자(112)보다 더 두꺼우며, 감지 소자(112)는 도 1B 및 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 리프 스프링(130-133)보다 더 두껍다.

도 6은 구동 부재(38, 40)을 접합한 다음에 레이트 감지 부재(34, 36)을 구동 부재(38, 40)의 배면(back surface)의 중심부에 각각 접합한 결과 생긴 구조를 나타낸 것이다.

레이트 감지 부재(34, 36)의 가장 두꺼운 중심부(120, 121)만이 대응하는 구동 부재(38, 40)에 접합된다.

리프 스프링(121-125, 130-133)은 이와 같이 도 1A 및 도 1B에서 보는 바와 같이 Z-축을 따라서 또한 도 6에서 보는 바와 같이 지면에서 작은 진폭을 가지고 자유 발진을 하게 된다.

도 1 및 도 6을 참조하면, 구동 부재(38, 40)과 레이트 감지 부재(34, 36)이 접합된 후에, 구동 부재(38, 40)의 구석들이 베이스 마운트(24-27)에 접촉하도록 베이스(22)에 배치된다.

베이스 마운트(24-27) 각각은 양호하게는 기계식 발진기 지지베이스(22)와 구동 부재(38)의 프레임(50) 사이에 감쇄 유연 소자(damped compliant element)를 구비하도록 형성되어 있다.

이 유연 소자는 역회전 기계식 발진기가 단일의 공진 주파수를 갖도록 하기 위해 필요한 것이다.

유연 소자는 또한 외부 진동 입력(external vibration input)을 감쇄시키는 부가적인 잇점도 제공한다.

회전 센서(20)이 완전히 조립되고 구동 전압이 구동 부재(38, 40) 모두의 전극 어셈블리에 인가되면, 회전 센서(20)은 도 1A에서 X와 Y로 표기된 평면내 축들(in-plane axes)을 중심으로 한 회전을 검출하는데 곧바로 사용된다.

X 또는 Y 축을 중심으로 한 회전 입력은 레이트 감지 소자(110, 112)에 평면외 발진(out-of-plane oscillation)을 발생한다.

이들 평면외 발진은 평면내의 축을 중심으로 한 물체의 회전에 의해 평면에서 발진하는 물체에 발생된 평면외 코리올리 힘에 의해 야기되어진다.

리프 스프링(122-125, 130-133)은 입력 회전에 응답하여 평면내 축을 중심으로 한 적당량의 평면외 발진을 허용한다.

2개의 레이트 감지 부재(34, 36)은 양호하게는 실질적으로 같은 X축 공진 주파수를 가진다.

마찬가지로, 레이트 감지부재(34, 36)의 Y축 공진 주파수도 양호하게는 동일하다.

이들 공진 주파수는 양호하게는 구동 부재의 발진 주파수와 같다.

X 또는 Y 축을 중심으로 한 입력 회전 레이트에 의해 야기된 평면외 발진은 구동 부재(38, 40)과 대응하는 레이트 감지 부재(34, 36)간의 상대 변위를 변하게 한다.

이 변위 변화는 커패시턴스의 변화로 보여지며, 이후에 설명하게 되는 용량성 픽오프(capacitive pickoff)를 제공한다.

도 1A 및 도 6에서, 구동 부재(40)의 중심부는 참조 번호 150으로 나타내어져 있다.

구동 부재(40)은 또한 구동 부재(38)의 휨 비임(61, 63)에 각각 대응하는 휨 비임(152, 154)를 갖는 것을 나타내어져 있다.

도 7은 용량성 신호 픽오프를 개략적으로 설명한 것이다.

발진기(60)은 레이트 감지 부재(34, 36)에 기준 여기 신호(reference excitation signal)를 제공한다.

기준 여기는 약 10볼트의 전압과 약 250kHz의 주파수를 가질 수도 있다.

커패시터(162, 164)는 구동 부재(38)과 레이트 감지 부재(34) 사이에 형성되어 있다.

커패시터(166, 168)은 구동 부재(40)과 레이트 감지 부재(36) 사이에 형성되어 있다.

약 +10볼트의 구동 전압이 커패시터(162, 166)에 인가된다.

약 -10볼트의 구동 전압이 커패시터(164, 168)에 인가된다.

전기 리드(electrical lead; 170-173)은 이하에서 논의되는 신호 처리 회로에 회전 레이트를 나타내는 발진 신호를 전달한다.

도 8을 참조하면, 그의 기본적인 형태에 있어서, 신호 처리는 레이트 감지 부재(34, 36) 양자에 대하여 X 및 Y 축을 중심으로 한 회전 레이트를 나타내는 신호로 이루어진 센서 입력을 수신한다.

센서 입력은 제1 및 제2 X 축 센서 캡 쳐 루프 회로(sensor capture loop circuit; 200, 202) 각각에, 또한 제1 및 제2 Y 축 센서 캡쳐루프 회로(204, 206) 각각에 제공된다.

제1 및 제2 X 축 센서 캡쳐 루프 회로(200, 202)의 출력은 각각 합산기(208)에 입력된다.

마찬가지로, 제1 및 제2 Y 축 센서 캡쳐 루프 회로(204, 206)의 출력은 각각 합산기(210)에 입력된다.

합산기(208, 210)은 그 다음에 X 및 Y축 회전 신호를 양자화기(212)에 제공한다.

센서 회로(200-206)은 동일한 수도 있다.

4개의 센서 회로(200-206) 각각에 대한 구조가 도 9에 도시되어 있다.

각도 레이트 입력 신호(angular rate input signal)와 동상 다이나믹 에러(in-phase dynamic error)를 나타내는 신호가 합산기(220)에서 결합된다.

합산기(220)의 출력은 주파수 ω_D의 역회전 구동 발진으로부터 발생된 코리올리 힘에 의해 동적으로 변조되는 입력을 나타낸다.

이 동상 신호는 구동 신호의 코사인(cosine) 함수로서 임의로 표기될 수 있다.

직각 위상 다이나믹 에러(quadrature dynamic error)를 나타내는 신호는 구동 신호의 사인 함수로서 묘사될 수 있다.

블럭(222, 224)는 발진 주파수로 입력 레이트 신호를 동적 변조하는 것을 나타낸다.

블럭(222, 224)로부터의 신호들의 합산은 합산기(226)으로 표현된다.

합산기(226)의 출력은 각도 레이트 입력에 대한 센서 소자 응답을 나타내는 블럭(228)로 나타내어진 회로에 입력된다.

블럭(228)의 출력은 증폭기(230)에 의해 증폭된다.

증폭기(230)은 신호를 cosω_Dt와 sinω_Dt로 각각 복조하는 한쌍의 복조기(232, 236)에 출력을 제공한다.

복조기(232, 236)의 출력은 대응하는 서보 보상 회로(servo compensation circuit; 234, 233)에 각각 입력된다.

서보 보상 회로(234)의 신호 출력은 도 8의 적당한 합산기(208 또는 210)으로 보내지는 각도 레이트 신호이다.

서보 보상 회로(234, 236)으로부터 출력된 신호는 자신에 입력된 신호들을 cosω_Dt와 sinω_Dt로 각각 변조하는 토오킹 변조기 회로(torquing modulator circuit; 238, 240)에 입력된다.

토오킹 변조기 회로(238, 240)으로부터 출력된 신호는 합산기(242)에 입력된다.

합산기(242)의 출력은 합산기(226)을 통해 감지 소자에 피드백 토오크를 제공하기 위해 감지 소자 토오킹 전극(sensing element torquing electrode; 227a-227b)로 피딩(feed)된다.

도 10은 양 감지 소자로부터의 신호들이 한 캡쳐 루프에서 결합되는 신호 처리 회로를 나타낸다.

블럭(252)로의 X 레이트 입력 신호는 구동 주파수 ω_D로 코리올리 힘으로 변조되는 것으로 도시되어 있다.

블럭(252)의 출력은 토오킹 합산기(250)으로의 입력으로 나타내어져 있다.

픽오프 회로(254, 256)은 주파수 ω_D로 제1 및 제2 레이트 감지 부재(34, 36)의 진폭 응답을 발생한다.

증폭기(260, 262)는 회로(254, 256)으로부터 각각 출력된 신호를 증폭한다.

합산기(264)는 회로(254, 256)으로부터 출력된 신호들의 합산을 나타내는 신호를 생성하고, 합산기(266)은 회로(254, 256)으로부터 출력된 신호들의 차분을 나타내는 신호를 생성한다.

합산과 차분 신호는 동상 및 직각 위상 복조를 수행하는 복조기(270)에 입력된다.

복조기(270)의 출력은 X 축을 중심으로 한 회전 레이트 측정값을 생성하는 서보 보상 회로(272)에 입력된다.

구동 부재의 서보 발진기(274)로부터의 신호는 복조기(270)와 동상과 직각 위상 토오크 변조 및 합산을 제공하는 변조 및 합산 회로(276)에 접속되어 있다.

변조 및 합산 회로(276)은 서보 보상 회로(272)로부터 신호를 수신하여 피드백 토오킹 신호를 합산기(250)에 제공한다.

도 10의 회로는 X축에 대하여 상기한 것과 동일한 성분을 갖는 Y축에 대한 또하나의 섹션(280)을 포함한다.

도 10에서, 양 부재로부터의 신호는 피드백 토오크가 인가되기 이전에 합산되고 차분이 구해진다.

이 방법은 출력 축 동조(output axis runing)의 Q를 향상시킨다.

각 감지 부재가 독립적으로 캡쳐되는 경우, 피드백 토오크는 각 부재에 대한 반작용 토오크(reaction torque)가 서로 비교되는 역발진 모드(counter-oscillating mode)로 위상 동기(phase-locked)될 수 없으므로 Q는 감쇄된다.

에너지는 각 부재가 독립적으로 캡쳐되는 경우에 베이스 마운트(base mount)에서 소실된다.

센서 편향(sensor deflection)을 완전히 캡쳐하기 위해서는, 합산 및 차분 신호 뿐만 아니라 동상 및 직각 위상 신호 양자를 무효화하여야 한다.

레이트를 나타내는 신호는 차분 신호의 동상 성분이다.

따른 피드백 토오크는 바람직하지 않은 교차-결합 입력(cross-coupled input) 및 각 가속도 입력(angular accelation input)으로부터의 공통 모드 및 직각 위상 토오크(common mode and quadrature torque)를 보정한다.

회전 센서(20)에 대한 상세한 성능 및 환경 요건들은 다음과 같다: 0.01°/시간의 바이어스 반복성(bias Repeatability); 20 PPM의 척도 인자 에러(Scale Factor Error); 0.001°/√시간의 각도 랜덤 워크(Angle Random Walk); 및 0.01°/시간/G이하의 감도.

진동 정류 에러(vibration rectification error)를 감소시키고 바이어스 반복성을 향상시키는 본 발명에 따른 회전 센서(20)에는 몇가지 중요하고도 독특한 특징들이 있다.

첫째로, 양축에 대한 선형 진동(linear vibration)의 공통 모드 반발(common mode rejection)은 감지 소자의 무게 중심을 서스펜션(suspension)의 중심과 일치하도록 함으로써 달성된다.

또한, 레이트 센서를 진동시키는 따른 기계 장치들(mechanizations)에 사용되는 독립적인 가속 센서의 위상 및 이득의 일치 및 트래킹과는 관계없다.

둘째로, 관성 레이트 감지 소자는 바이어스 에러를 가져오는 평면외 구동력으로부터 기계적으로 분리되어 있다.

셋째로, 구동 운동은 각 구동 부재와 그와 관련된 감지 소자가 단일 유닛으로서 함께 움직이기 때문에 관성 레이트 감지 소자와 그의 픽오프 사이에 어떤 상대 운동도 일어나게 하지 않는다.

넷째로, 비틀림 기계식 발진기 어셈블리는 평형을 이루고 있어서(counter balanced)바이어스 에러를 야기할 수도 있는 외부로부터의 기계적 임피던스의 변동에 대한 감도를 최소화하게 된다.

기계식 발진기는 2축 코리올리 각도 레이트 감지에 필요한 진동 속력 여기(vibratory velocity excitation)를 제공한다.

4개의 휨 소자(60-63)의 스프링 상수와 구동 부재(40)의 따른 4개의 휨 소자와 결합된 발진 소자(52, 34)의 관성과 발진 소자(36, 150)의 고나성이 발진기 공진 주파수를 결정하는 반면, 피크 속력 진폭은 발진기 픽오프에 의해 감지되고 발진 플레이트(oscillating paltes)의 반대쪽 표면상의 구동 전극에 신호를 인가하는 구동 전자 회로에 의해 제어된다.

발진 플레이트의 반대쪽 표면상에는 관성 레이트 감지 소자의 각 축을 강제로 리밸런스(force rebalance)시키는데 사용되는 픽오프.강제기 전극(pickoff/forcer electrode)이 있다.

모든 구동, 픽오프/강제기 전극들 및 전기 접촉점들은 기계식 발진기에만 한정됨을 알아야 한다.

기계식 발진기의 자연 주파수(natural frequency)는 전체 회전 센서 칩으 공진 주파수로서 5 킬로헤르쯔 정도이며, 베이스 마운트 유연 소자는 1 킬로헤르쯔도이다.

따라서, 500 헤르쯔의 소망의 대역폭은 용이하게 충족될 수 있다.

동작에 있어서, 상부 레이트 감지 부재(36)과 하부 레이트 감지 부재(34)는 기계식 발진기 소자(38, 40)에 의해 180°위상이 어긋나게 구동된다.

레이트 감지 소자의 상부 및 하부 레이트 감지 부재는 입력 축과 기계식 발진기 양자에 수직인 축을 중심으로 발진시킴으로써 기계식 발진기의 축에 중심으로 한 각도 레이트의 입력에 응답한다.

레이트 감지 소자의 이 코리올리 유도 발진의 성분들은 X 및 Y 축 용량성 픽오프에 의해 감지된다.

이들 픽오프 신호는 레이트 감지 소자를 정전기적으로 무효화시키기 위해 전압을 피드백시키는 회전 센서 서보 회로의 X와 Y 채널에 인가된다.

각 축상의 전압 피드백의 크기는 입력 각도 레이트의 X 및 Y 성분에 선형 비례한다.

신호 처리 회로는 루프가 기계식 발진기 주파수 ω_D에서 정수 이득(integral gain)을 가질 수 있도록 하는 반면 각도 레이트에 비례한 DC 신호를 제공하는 방식으로 동상 및 직각 위상 신호 양자에 서보를 가한다.

도 8의 양자화기(212)를 참조하면, 고속 오버샘플링을 갖는 듀얼 레인지 변환방법(dual range conversion approach)이 이용된다.

높은 다이나믹 레인지, 4차 델타-시그마 변조기는 아날로그 레이트 신호를 직렬 비트 스트림으로 변환하며, 각 비트는 델타 쎄타(delta theta)를 나타낸다.

이 델타 쎄타는 그 다음에 합산되고 프로세서에 의해 대역폭의 10배 이상인 5kHz로 샘플링되며 고속 평균화(high speed averaging)가 수행된다.

신호는 노이즈를 포함하고 있기 때문에, 이 프로세스는 해상도를 향상시키게 된다.

1.5 아크-초의 오버샘플링 후에 해상도에서 180°/초의 미세 범위(fine range)가 달성된다.

거친 범위(coarse range)는 720°/초 및 6.0 아크-초 해상도로 4배만큼 증가된다.

이 회전 센서의 평가는 기본적으로 동일한 이론을 사용하며, 동조 회전자 자이로(tuned rotor gyro, TRG)와 동일한 전달 함수를 갖는다.

감지 소자 발진의 Q는 TRG 다이나믹 시간 상수와 유사하며, 구동 주파수와 센서 출력 자연 주파수 간의 차이는 TRG 스핀 속도(spin speed)와 등가이며 그의 동조 속도(tuned speed)와는 다르다.

본 발명의 중요한 몇가지 특징들을 이하에서 논의한다.

센서(20)은 감지 축들이 동조할 수 있도록 해주는 폐루프 모드로 동작하며, 따라서 랜덤 워크(random walk)를 개루프 장치보다 수배 크기만큼 감소시키게 된다.

개루프 동조-포크 자이로(open loop tuning-fork gyro)의 랜덤 워크는 예를 들면 그의 대역폭에 비례하여 열화되는데, 그 이유는 픽오프 감도가 더 높은 대역폭을 달성하기 위하여 포크의 진동 주파수로부터 멀리 떨어져 동조됨에 따라 계속하여 감소되기 때문이다.

구동력은 민감한 소자에 직접 작용하지 않는다.

민감한 소자를 직접 구동하는 것은 샤프트와 짐발 구조(shaft and gimbal stucture)를 통해 구동하지 않고 회전자 소자 상에 TRG의 모터를 직접 장착하는 것과 유사하다.

민감한 소자 자체가 구동되는 경우에는, 진동을 위한 구동력이 코리올리 감지 축 방향으로 아주 작은 량이라도 오정렬(misalign)되는 경우에는 직접적인 바이어스 에러 소오스(direct source of bias error)가 있게 된다.

이 교차 결합력의 위상은 레이트 입력에 의해 발생된 것과 동일하며, 따라서 실제의 레이트 입력과 구별할 수 없다.

이 힘은 압력, 정렬, 또는 히스테리시스 손실이 변하는 경우에는 시간 및 온도에 따라 변하게 된다.

센서가 서스펜션을 통해 구동되도록 설계한 경우에도, 이 감지 축 방향의 강도가 높지 않은 경우에는, 법선력(normal force)이 감지 소자들에 전달될 수 있다.

이것이, 교차 평면 방향으로 높은 강도를 주기 위하여 서스펜션에서 어떤 뎁쓰(depth)도 달성될 수 없기 때문에 표면마이크로머시닝 방법들을 적용하는 설계에 대한 경우이다.

발진 구동 운동, 또는 그 결과 생기는 응력(stress)은 픽오프에 나타나지 않는다.

가장 손상을 주는 에러 소오스들중 하나를 완전히 제거하는 일은 변위 픽오프의 베이스가 감지 소자와 함께 움직이도록 함으로써 달성된다.

이 특징은 감지 소자들이 픽오프 상에서 발진할 때 감지 소자들의 발진 표면상의 결함들의 코히런트 커플링(coherent coupling)을 완전히 제거한다.

마이크로머신드 실리콘의 표면 마무리(surface finish of the micromachined silicon)이 0.02 마이크로인치 정도일지라도, 여전히 그 크기는 0.01°/시간(deg/hr) 성능을 위해 분해(resolve)될 필요가 있는 운동의 진폭보다 상당히 크다.

이 이동 픽오프 기술(moving pickoff technique)은 또한 (micromachinin 동안 민감한 소자의 공칭 기울기(nominal tilt)로 인한 영향을 제거한다.

이러한 기울기로부터의 신호는 기울기와 각 발진 진폭의 곱에 비례하는 출력에 결합된다.

많은 따른 코리올리 감지 장치들에서, 픽오프는 코리올리 힘을 검출하기 위해 압저항(piezoresistive) 또는 압전 응력-감지 트랜듀서(piezoelectric stress-sensing transducer)를 사용한다.

불행하게도, 이들 픽오프는 0.01°/시간(deg/hr)으로 분해되어야 하는 응력보다 수십억배 더 큰 구동 발진의 전응력(full stress)을 분리(decouple)시켜야만 한다.

본 발명은 선형 진동의 본질적인 공통 모드 반발(ingerent common mode rejection of linear vibration)을 제공한다.

각 감지 소자는 본질적으로 그의 무게 중심이 그의 서스펜션의 중심이 되도록 평형을 이룬다.

그들은 대부분의 따른 설계에서와 같이 캔틸레버(cantilever)되지 않는다.

그 자체로는, 선형 진동 입력에 대해서 어떤 출력도 발생되지 않는다.

캔틸레버된 보증 질량(cantilevered proof mass)에 대해 진동에 대한 감도에 반발하도록 2개의 출력으로부터의 신호들의 차분이 구해진다.

이것은 매우 양호한 이득 및 위상 정합이 이러한 상쇄(cancellation)에 매우 중요하다는 것을 의미한다.

5000Hz의 공진 주파수와 .5 미터/초의 피크 속도에 대해, 피크 코리올리 가속도는 .01°/시간 입력 레이트에 대해 .005 마이크로-G이다.

5000Hz에서의 이 가속도에 대한 피크 출력 축 변위는 5.1×10^-11미크론이다.

출력 축을 중심으로 한 Q값이 어림잡아 500인 경우, 이 운동은 2.5×10^-8미크론으로 증폭된다.

10 미크론의 공칭 공극을 갖는 픽오프는 5 볼트 브리지 소오스(bridge source)에 대해 1.2nV를 발생하고, 공극 커패시턴스의 5배의 추정 표유 및 배면 커패시턴스(estimated stray and back-plane capacitance)를 나타낸다.

이것은 120nV/°/시간의 척도 인자를 산출한다.

4nV/√Hz 이상의 노이즈를 갖는 오늘날의 계기 증폭기(instrumentation amplifier)의 경우, 회전 센서 백색 노이즈는 RMS로의 변환 및 전파 복조(full wave demodulation)를 고려할 때 0.05°/시간/√Hz 이상이 된다.

이 노이즈는 0.001°/√시간 이상의 랜덤 워크로 변환된다.

더 높은 Q가 얻어지면, 이 수는 그에 비례하여 감소된다.

동작에 있어서, 발진축에 수직인 축을 중심으로 레이트가 인가될 때 발생된 코리올리 힘은 민감한 소자들이 각도상 평면외 진동을 하도록 한다.

이들 운동을 측정하는 감지 소자들에 인접한 플레이트 상에 탑재된 픽오프로부터의 신호들은 증폭된 다음에, 코리올리 힘의 효과를 상쇄시키기 위해 피드백 코오크를 발생하는데 사용된다.

감지 소자들을 널 상태로 유지(keep at null)하는데 필요한 토오크는 입력 레이트의 측정값이 된다.

센서를 외부 진동으로부터 격리시키기 위하여 베이스를 시스템에 유연하게 탑재하는 것이 요망되는 경우에, 2개의 민감한 소자들을 함께 동기 위상 루프에서 캡쳐함으로써 출력 축을 중심으로 한 Q를 높게 유지하는 것이 중요하다.

이를 위해 감지 소자 양자로부터의 픽오프 신호는 피드백 토오크가 인가되기 이전에 합산되고 차분이 구해진다.

각각의 감지 소자가 독립적으로 캡쳐된 경우에, 피드백 토오크는 각 소자에 대한 반작용 토오크(reaction torque)가 서로 비교되는 역평형 모드(counter-balancing mode)로 위상 동기(phase-locked)될 수 없으므로 Q는 감쇄된다.

이 기술은 2개의 감지 소자가 유연한 프레임 마운트를 통해 서로 결합됨으로써 한고유 발진 주파수로 구동되는 구동 메카니즘과 등가이다.

여기 개시된 구조 및 방법은 본 발명의 원리를 설명한 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 또는 본질적인 특징을 벗어나지 않고 따른 특정 형태로 구현될 수도 있다.

이상 설명한 실시예들은 모든 면에서 한정적인 것이 아니라 예시적이고 설명을 위한 것으로 간주되어야 한다.

따라서, 이상의 설명이 아닌 첨부된 특허 청구의 범위가 본 발명의 범위를 정의한다.

특허 청구의 범위의 등가물의 의미 및 범위내에 있는 여기 기술된 실시예들에 대한 모든 변형예는 본 발명의 범위내에 포함된다.

Claims (30)

1. 베이스(base); 상기 베이스에 탑재된 제1 프레임(frame)을 갖는 제1 구동 부재(drive member), -상기 제1 구동 부재는 제1의 한쌍의 마주 대하는 평면 표면(planar surface)을 갖는 단일의 실리콘 웨이퍼로 형성되어 있고, 제1 구동 부재는 또한 프레임과 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 축을 중심으로 한 중심부 사이에 회전 유연성(rotational compliance)이 있도록 프레임에 연결된 제1 구동 부재 중심부 및 제1 구동 부재 중심부의 적어도 한 측면상에 형성된 제1의 복수의 전극를 포함함,-와, 상기 제2 프레임에 탑재된 제2 프레임을 갖는 제2 구동 부재, -상기 제2구동 부재는 제1의 한쌍의 마주 대하는 평면 표면(oppositely-facing planar surfaces)을 갖는 단일의 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 축을 중심으로 한 중심부 사이에 회전 유연성(rotational compliance)이 있도록 프레임에 연결된 제2 구동 부재 중심부 및 제2 구동 부재 중심부의 적어도 한 측면상에 형성된 제2의 복수의 전극를 포함함,-를 포함하는 구동장치; 구동 신호 주파수를 갖는 구동 신호 주파수를 갖는 구동 신호를 복수의 전극에 인가흐는 구동 신호 장치, -상기 복수의 전극은 구동 신호들이 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 구동축(drive axis)을 중심으로 한 구동 부재 중심의 회전 발진(rotational oscillation)을 야기하도록 배열되어 있음-; 제2 구동 부재 중심부의 회전 발진이 감지 부재 중심부에 전달되도록 제2 구동 부재 중심부에 연결된 감지 부재 중심 지지 부재와, 감지부가 구동 축을 중심으로 발진할 수 있고 구동축에 수직인 축을 중심으로 한 입력 회전 레이트(input rotation rate)가 감지부의 평면외 발진(out-of-plane oscillation)을 생성할 수 있도록 하기 위해 감지 부재 중심 지지 부재에 연결된 감지부를 포함하는 실리콘 감지 부재(silicon sensing member); 및 입력 회전 레이트를 나타내는 신호를 감지부의 평면외 발진의 진폭의 함수로서 생성하기 위해 감지부에 접속된 신호 처리 장치를 구비하는 회전 센서(rotation sensor).
2. 제1항에 있어서, 프레임과 구동 부재 중심부 사이에 연결된 복수의 휨 비임(flexure beam)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
3. 제1항에 있어서, 감지 부재 중심 지지 부재와 감지부 사이에 연결된 복수의 일반적으로 평면인 리프 스프링 부재(generally planar leaf spring member)를 더 구비하여, 감지부에서의 평면외 발진이 리프 스프링 부재의 평면에 수직이 되도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
4. 제3항에 있어서, 감지부상에 형성된 용량성 픽오프(capacitive pickoff)를 더 구비하여, 감지부의 평면외 발진이 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
5. 제1항에 있어서, 감지 부재 중심 지지 부재와 감지부 사이에 연결된 복수의일반적으로 평면인 리프 스프링 부재(generally planar leaf spring member)를 더 구비하여, 감지부에서의 평면외 발진이 리프 스프링 부재의 평면에 수직이 되도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
6. 제5항에 있어서, 감지부와 복수의 전극들 사이에 형성된 용량성 픽오프를 더 구비하여, 감지 부의 평면외 발진이 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
7. 제5항에 있어서, 베이스와 구동 부재의 프레임 사이에 연결된 복수의 베이스 마운트(base mount)를 더 구비하되, 각각의 베이스 마운트는 회전 센서에서의 단일의 기계적 공진 주파수(single mechanical resonant frequency)를 제공하는 외부 진동 입력을 감쇄(attenuate)시키기 위해 감쇄 유연 소자(damped compliant element)를 구비하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
8. 제5항에 있어서, 상기 신호 처리 장치는, 용량성 픽오프에 접속되고 입력 회전 레이트를 나타내는 신호를 수신하도록 되어 있는 제1 합산 회로; 제1 합산 장치에 접속되고 입력 회전 레이트 신호를 구동 신호 주파수의 코사인(cosine)을 나타내는 신호로 변조하도록 되어 있는 제1 변조 회로; 직각 위상 다이나믹 에러(quadrature dynamic errors)를 구동 신호 주파수의 사인(sine)을 나타내는 신호로 변도하도록 되어 있는 제2 변조 회로; 제1 및 제2 변조 회로들로부터 출력된 신호들을 가산하여 구동 부재에 피드백 신호들을 제공하도록 접속된 제2 합산 회로; 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 코사인(cosine)으로 복조하기 위하여 용량성 픽오프에 접속된 제1 복조기 회로; 제1 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하도록 접속된 제1 보상 회로(compensation circuit); 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 사인으로 복조하기 위해 용량성 픽오프에 접속된 제2 복조기 회로; 제2 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하도록 접속된 제2 보상회로; 제1 보상 회로에 접속된 제1 토오킹 변조기 회로(torquing modulator circuit); 제2 보상 회로에 접속된 제2 토오킹 변조기 회로; 및 제1 및 제2 토오킹 변조기 회로로부터 출력된 신호들을 가산하여 구동 부재의 복수의 전극들에 입력되는 피드백 신호를 생성하는 제3 합산 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
9. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리 장치는, 입력 회전 레이트를 나타내는 신호를 수신하도록 되어 있는 제1 합산 회로; 제1 합산 장치에 접속되고 입력 회전 레이트 신호를 구동 신호 주파수의 코사인(cosine)을 나타내는 신호로 변조하도록 되어 있는 제1 변조 회로; 직각 위상 다이나믹 에러(quadrature dynamic errors)를 구동 신호 주파수의 사인(sine)을 나타내는 신호로 변조하도록 되어 있는 제2 변조 회로; 제1 및 제2 변조 회로들로부터 출력된 신호들을 가산하여 구동 부재에 피드백 신호들을 제공하도록 접속된 제2 합산 회로; 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 코사인(cosine)으로 복조하기 위하여 감지부에 접속된 제1 복조기 회로; 제1 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하도록 접속된 제1 보상 회로(compensation circuit); 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 사인으로 복조하기 위해 감지부에 접속된 제2 복조기 회로; 제2 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하도록 접속된 제2 보상 회로; 제1 보상 회로에 접속된 제1 토오킹 변조기 회로(torquing modulator circuit); 제2 보상 회로에 접속된 제2 토오킹 변조기 회로; 및 제1 및 제2 토오킹 변조기 회로로부터 출력된 신호들을 가산하여 구동 부재의 복수의 전극들에 입력되는 피드백 신호를 생성하는 제3 합산 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
10. 베이스(base); 베이스에 장착되고 제1의 한쌍의 서로마주하는 평면 표면을 갖는 제1의 단일의 실리콘 웨이퍼로 형성된 제1 구동 부재, -상기 제1 구동 부재는 제1 프레임과, 제1 프레임에 연결되고 제1 프레임과 제1 구동 부재 중심부 사이에서 제1 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 축을 중심으로 한 회전 유연성을 갖도록 되어 있는 제1 구동 부재 중심부와, 제1 중심부의 적어도 한 측면 상에 형성된 제1의 복수의 전극을 포함함-; 구동 신호주파수를 갖는 구동 신호들을 제1의 복수의 전극들에 인가하는 제1 구동 신호 장치, -상기 제1의 복수의 전극들은 구동 신호가 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 구동 축을 중심으로 하여 제1 구동 부재 중심부의 회전 발진을 야기하도록 되어 있음-: 제1 구동 부재 중심부의 회전 발진이 제1 감지 부재 중시부에 전달되도록 제1 구동 부재 중시부에 연결된 제1 감지 부재 중심 지지 부재와, 제1 감지부가 구동축을 중심으로 발진하고 구동축에 수직인 축을 중심으로 한 입력 회전 레이트가 제1 감지부의 평면의 발진을 생성할 수 있도록 하기 위해 제1 감지 부재 중심 지지 부재에 연결된 제1 감지부를 포함하는 제1 실리콘 감지 부재; 제1 구동 부재에 장착되고 제2의 한쌍의 서로 마주하는 평면 표면을 갖는 제2의 단일의 실리콘 웨이퍼로 형성된 제2 구동 부재, -상기 제2 구동 부재는 제2 프레임과, 제2 프레임에 연결되고 제2 프레임과 제2 구동 부재 중심부 사이에서 제2 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 축을 중심으로 한 회전 유연성을 갖도록 되어 있는 제2 구동 부재 중심부와, 제2 중심부의 적어도 한 측면 상에 형성된 제2의 복수의 전극을 포함함-; 구동 신호 주파수를 갖는 구동 신호들을 제2의 복수의 전극들에 인가하는 제2 구동 신호 장치, -상기 제2의 복수의 전극들은 구동 신호가 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 구동축을 중심으로 하여 제2 구동 부재 중심부의 회전 발진을 야기하도록 되어 있음-; 제2 구동 부재 중심부의 회전 발진이 제2 감지 부재 중심부에 전달되도록 제2 구동 부재 중심부에 연결된 제2 감지 부재 중심 지지 부재와, 제2 감지부가 구동축을 중심으로 발진하고 구동축에 수직인 축을 중심으로 한 입력 회전 레이트가 제2 감지부의 평면외 발진을 생성할 수 잇도록 하기 위해 제2 감지 부재 중심 지지 부재에 연결된 제2 감지부를 포함하는 제2 실리콘 감지 부재; 및 입력 회전 레이트를 감지부의 평면외 발진의 진폭의 함수로서 나타내는 신호를 생성하기 위해 제1 및 제2 감지부에 연결된 신호 처리 장치를 구비하는 회전 센서.
11. 제10항에 있어서, 제1 및 제2 감지부는 입력 회전 레이트에 응답하여 정반대 방향으로 발진하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
12. 제12항에 있어서, 제1 및 제2 구동 부재 각각은 프레임과 구동 부재 중심부 사이에 연결된 복수의 휨 비임을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
13. 제12항에 있어서, 제1 및 제2 감지부 각각은 감지 부재 중심 지지 부재와 감지부 사이에 연결된 복수의 일반적으로 평면인 리프 스프링 부재(generally planar leaf spring member)를 더 구비하여, 감지부에서의 평면외 발진이 리프 스프링 부재의 평면에 수직이 되도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
14. 제13항에 있어서, 감지부상에 형성된 제1 용량성 픽오프(capacitive pickoff)를 더 구비하여, 제1 감지부의 평면외 발진이 제1 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 하고, 감지부상에 형성된 제2 용량성 픽오프(capacitive pickoff)를 더 구비하여, 제2 감지부의 평면외 발진이 제2 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
15. 제10항에 있어서, 제1 감지 부재 중심 지지 부재와 제1 감지부 사이에 연결된 제1의 복수의 일반적으로 평면인 리프 스프링 부재(generally planar leaf spring member)를 더 구비하여, 제1 감지부에서의 평면외 발진이 제1 리프 스프링 부재의 수직이 되도록 하고, 제2 감지 부재 중심 지지 부재와 제2 감지부 사이에 연겨된 제2의 복수의 일반적으로 평면인 리프 스프링 부재(generally planar leaf spring member)를 더 구비하여, 제2 감지부에서의 평면외 발진이 제2 리프 스프링 부재의 평면에 수직이 되도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
16. 제15항에 있어서, 제1 감지부와 제1의 복수의 전극들 사이에 형성된 제1 용량성 픽오프를 더구비하여, 제1 가지부의 평면외 발진이 제1 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 하고, 제2 감지부와 제2의 복수의 전극들 사이에 형성된 제2 용량성 픽오프를 더구비하여, 제2 감지부의 평면외 발진이 제2 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서.
17. 제15항에 있어서, 베이스와 제1 구동 부재의 프레임 사이에 연결된 복수의 베이스 마운트(vase mount)를 더 구비하되, 각각의 베이스 마운트는 회전 센서에서의 단일의 기계적 공진 주파수(single mechanical resonant frequency)를 제공하고 외부 진동 입력을 감쇄(attenuate)시키기 위해 감쇄 유연 소자(damped compliant element)를 구비하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
18. 제10항에 있어서, 신호 처리 장치가, 제1 감지부에 접속되어 그로부터 출력된 회전 응답 신호들을 증폭하는 제1 증폭기; 제2 감지부에 접속되어 그로부터 출력된 회전 응답 신호들을 증폭하는 제2 증폭기; 제1 및 제2 증폭기에 접속되어 증폭된 회전 신호의 합산을 나타내는 합산 신호를 생성하도록 되어 있는 제1 합산 회로; 제1 및 제2 증폭기에 접속되어 증폭된 회전 신호의 차분을 나타내는 차분 신호를 생성하도록 되어 있는 제2 합산 회로; 제1 및 제2 합산 회로에 접속되어 합산 및 차분 신호의 동상 및 직각 위상 변조를 제공하는 변조 회로; 변조 회로에 접속되어 동상 및 직각 위상 변조된 합산 및 차분 신호를 수신하고 제1 축을 중심으로 한 입력 회전에 대한 레이트 신호 측정값을 생성하는 서보보상 회로; 서보 보상 회로에 접속되어 그로부터 신호들을 수신하는 동상 및 직각 위상 토오크 변조 및 합산 회로; 동상 및 직각 위상 토오크 변조 및 합산 회로와 동상 및 직각 위상 복조 회로에 접속되어 자동 이득 제어를 제공하는 발진기 서보; 및 동상 및 직각 위상 토오크 변조 및 합산 회로에 접속되어 그로부터 변조된 신호를 수신하는 제3 합산 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
19. 베이스(base)를 제공하는 단계; 상기 베이스에 탑재된 제1 프레임(frame)을 형성함으로써 제1의 한쌍의 마주 대하는 평면 표면(planar surface)을 갖는 단일의 실리콘 웨이퍼로 제1 구동 부재를 형성하고, 제1 구동 부재가 프레임과 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 축을 중심으로 한 중심부 사이에 회전 유연성(rotational compliance)이 있도록 프레임에 연결된 제1 구동 부재 중심부를 더 포함하도록 형성하며 제1 구동 부재 중심부의 적어도 한 측면상에 형성된 제1의 복수의 전극을 형성하는 단계와, 상기 베이스에 탑재된 제2 프레임(frame)을 형성함으로써 제2의 한쌍의 마주 대하는 평면 표면(planar surface)을 갖는 단일의 실리콘 웨이퍼로 제2 구동 부재를 형성하고, 제2 구동 부재가 프레임과 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 축을 중심으로 한 중심부 사이에 회전 유연성(rotational compliance)이 있도록 프레임에 연결된 제2 구동 부재 중심부를 더 포함하도록 형성하며 제2 구동 부재 중심부의 적어도 한 측면상에 형성된 제2의 복수의 전극을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 구동 장치를 형성하는 단계; 제2 구동 부재 프레임을 제1 구동 부재 프레임에 장착하는 단계; 구동 신호 주파수를 갖는 구동 신호를 복수의 전극에 인가하는 단계; 제1 및 제2 구동 부재의 전극들을 구동 신호들이 제1 및 제2 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 구동축(drive axis)을 중심으로 한 제1 및 제2 구동 부재 중 심부의 회전 발진(rotational oscillation)을 야기하도록 배열하는 단계; 구동 부재 중심부의 회전 발진이 감지 부재 중심부에 전달되도록 감지 부재 중심 지지 부재를 구동 부재 중심부에 연결하는 단계와, 감지부가 구동축을 중심으로 발진할 수 있고 구동축에 수직인 축을 중심으로 한 입력 회전 레이트(input rotation rate)가 감지부의 평면외 발진(out-of-plane oscillation)을 생성할 수 있도록 하기 위해 감지부를 감지 부재 중심 지지 부재에 연결하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 실리콘 감지 부재(silicon sensing member)를 제공하는 단계; 및 입력 회전 레이트를 감지부의 평면외 발진의 진폭의 함수로서 나타내는 신호를 생성하기 위해 신호 처리 장치를 감지부에 접속하는 단계를 포함하는 회전 센서(rotation sensor)형성 방법.
20. 제19항에 있어서, 프레임과 구동 부재 중심부 사이에 복수의 휨 비임(flexure beam)을 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 방법.
21. 제19항에 있어서, 감지 부재 중심 지지 부재와 감지부 사이에 복수의 일반적으로 평면인 리프 스프링 부재(generally planar leaf spring member)를 연결하는 단계를 더 포함하여, 감지부에서의 평면외 발진이 리프 스프링 부재의 평면에 수직이 되도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 방법.
22. 제3항에 있어서, 감지부상에 형성된 용량성 픽오프(capacitive pickoff)를 더 구비하여, 감지부의 평면외 발진이 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 방법.
23. 제19항에 있어서, 감지 부재 중심 지지 부재와 감지부 사이에 복수의 일반적으로 평면인 리프 스프링 부재(generally planar leaf spring member)를 연결하는 단계를 더 포함하여, 감지부에서의 평면외 발진이 리프 스프링 부재의 평면에 수직이 되도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 방법.
24. 제19항에 있어서, 감지부와 복수의 전극들 사이에 용량성 픽오프를 연결하는 단계를 더 포함하여, 감지부의 평면외 발진이 용량성 픽오프에서의 커패시턴스 변화(capacitance changes)를 일으키도록 한 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 방법.
25. 제19항에 있어서, 베이스와 구동 부재의 프레임 사이에 복수의 베이스 마운트(base mount)연결하는 단계; 및 회전 센서에서의 단일의 기계적 공진 주파수(single mechanical resonant frequency)를 제공하고 외부 진동 입력을 감쇄(attenuate)시키기 위해 감쇄 유연 소자(damped compliant element)를 구비하도록 각각의 베이스 마운트를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 방법.
26. 제6항에 있어서, 상기 신호 처리 단계는, 입력 회전 레이트를 나타내는 신호를 수신하도록 제1 합산 회로를 용량성 픽오프에 접속하는 단계; 입력 회전 레이트 신호를 구동 신호 주파수의 코사인(cosine)을 나타내는 신호로 변조하도록 제1 변조 회로를 제1 합산 회로에 접속하는 단계; 직각 위상 다이나믹 에러(quadrature dynamic errors)를 구동 신호 주파수의 사인(sine)을 나타내는 신호로 변조하기 위해 제2 변조 회로를 제공하는 단계; 제1 및 제2 변조 회로들로부터 출력된 신호들을 가산하여 구동 부재에 피드백 신호들을 제공하도록 제2 합산 회로를 제공하는 단계; 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 코사인으로 복조하기 위하여 제1 복조기 회로를 용량성 픽오프에 접속하는 단계; 제1 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하기 위해 제1 보상 회로(compensation circuit)를 제공하는 단계; 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 사인으로 복조하기 위해 제2 복조기 회로를 용량성 픽오프에 접속하는 단계; 제2 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하기 위해 제2 보상 회로를 제공 하는 단계; 제1 토오킹 변조기 회로(torquing modulator circuit)를 제1 보상 회로에 접속하는 단계; 제2 토오킹 변조기 회로를 제2 보상 회로에 접속하는 단계; 및 제1 및 제2 토오킹 변조기 회로로부터 출력된 신호들을 가산하여 구동 부재의 복수의 전극들에 입력되는 피드백 신호를 생성하기 위해 제3 합산 회로를 제공하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 단계.
27. 제19항에 있어서, 상기 신호 처리 단계는, 입력 회전 레이트를 나타내는 신호를 수신하기 수신하기 위해 제1 합산 회로를 용량성 픽오프에 접속하는 단계; 입력 회전 레이트 신호를 구동 신호 주파수의 코사인(cosine)을 나타내는 신호로 변조하기 위해 제1 변조 회로를 접속하는 단계; 직각 위상 다이나믹 에러(quadrature dynamic errors)를 구동 신호 주파수의 사인(sine)을 나타내는 신호로 변조하도록 되어 있는 제2 변조 회로를 제공하는 단계; 제1 및 제2 변조 회로들로부터 출려된 신호들을 가산하여 구동 부재에 피드백 신호들을 제공하기 위해 제2 합산 회로를 제공하는 단계; 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 코사인으로 복조하기 위하여 제1 복조기 회로를 용량성 픽오프에 접속하는 단계; 제1 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하기 위해 제1 보상 회로(compensation circuit)를 제공하는 단계; 센서 소자 응답 신호를 구동 주파수의 사인으로 복조하기 위해 제2 복조기 회로를 용량성 픽오프에 접속하는 단계; 제2 복조기 회로로부터 출력된 신호를 수신하기 위해 제2 보상 회로를 제공하는 단계; 제1 토오킹 변조기 회로(torquing modulator circuit)를 제1 보상 회로에 접속하는 단계; 제2 토오킹 변조기 회로를 제2 보상 회로에 접속하는 단계; 및 제1 및 제2 토오킹 변조기 회로로부터 출력된 신호들을 가산하여 구동 부재의 복수의 전극들에 입력되는 피드백 신호를 생성하는 제3 합산 회로를 제공하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 단계.
28. 베이스(base)를 제공하는 단계; 제1 프레임을 제공하는 단계와, 제1 구동 부재 중심부를 제1 프레임에 연결하는 단계와, 제1 구동 부재 중심부가 제1 프레임과 제1 구동 부재 중심부 사이에서 제1 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 축을 중심으로 한 회전 유연성을 갖도록 하는 단계와, 제1 중심부의 적어도 한 측면 상에 형성된 제1의 복수의 전극을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제1의 한쌍의 서로 마주하는 평면 표면을 갖는 제1의 단일의 실리콘 웨이퍼로 제1 구동 부재를 형성하는 단계; 제1 구동 부재를 베이스에 장착하는 단계; 구동 신호 주파수를 갖는 구동 신호들을 제1의 복수의 전극들에 인가하는 단계. -상기 제1의 복수의 전극들은 구동 신호가 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 구동축을 중심으로 하여 제1 구동 부재 중심부의 회전 발진을 야기하도록 되어 있음-; 제1 구동 부재 중심부의 회전 발진이 제1 감지 부재 중심부에 전달되도록 제1 감지 부재 중심 지지 부재를 제1 구동 부재 중심부에 연결하는 단계와, 제1 감지부가 구동축을 중심으로 발진하고 구동축에 수직인 축을 중심으로 한 입력 회전 레이트가 제1 감지부의 평면외 발진을 생성할 수 있도록 하기 위해 제1 감지부를 제1 감지 부재 중심 지지 부재에 연결하는 단계를 포함하는 제1 실리콘 감지 부재를 형성하는 단계; 제1 구동 부재상에 제1 구동 부재와 동일한 제2 구동 부재에 장착하는 단계; 실리콘 웨이퍼의 평면 표면에 수직인 구동축을 중심으로 한 발진을 일으키기 위해 신호 주파수를 갖는 구동 신호들을 제2 구동 부재에 인가하는 단계; 제2 구동 부재상에 제1 감지 부재와 동일한 제2 실리콘 감지 부재에 장착하는 단계; 및 입력 회전 레이트를 나타내는 신호를 감지부의 평면의 발진의 진폭의 함수로서 생성하기 위해 제1 및 제2 감지부로부터 출력된 신호를 처리하는 단계를 포함하는 회전 센서 형성 방법.
29. 제28항에 있어서, 입력 회전 레이트에 응답하여 정반대 방향으로 발진하도록 제1 및 제2 감지부를 정렬하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 방법.
30. 제29항에 있어서, 프레임과 구동 부재 중심부 사이에 복수의 휨 비임을 구비하도록 제1 및 제2 구동 부재를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 센서 형성 방법.

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