KR100219198B1 - Yawrating sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차의 요레이트 검출장치에 관한 것으로, 특히 자동항법시스템이나 차체제어시스템 등에 사용되어 차체의 일축방향의 요레이트를 검출하는 자동차의 요레이트 검출장치에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 반도체 기판(20)과, 상기 반도체 기판(20)상에 형성된 링형상의 진동체(21)와, 상기 진동체(21)의 외주면과 소정 간격이격되어 다수개 설치된 전극(25)을 구비하여 상기 진동체(21)의 타원진동패턴에서 차량의 회전각속도에 의해 상기 진동체(21)에 가해지는 코리올리의 힘을 검출할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for detecting yaw rate of an automobile, and more particularly, to an apparatus for detecting yaw rate of an automobile, which is used for an automatic navigation system, a vehicle body control system, or the like to detect yaw rate in the uniaxial direction of a vehicle body. To this end, the present invention provides a semiconductor substrate 20, a ring-shaped vibrator 21 formed on the semiconductor substrate 20, and a plurality of electrodes 25 spaced apart from the outer peripheral surface of the vibrator 21 by a predetermined interval. It is characterized in that it is possible to detect the force of the Coriolis applied to the vibrating body 21 by the rotational angular velocity of the vehicle in the elliptic vibration pattern of the vibrating body 21.
Description
본 발명은 자동차의 요레이트 검출장치에 관한 것으로, 특히 자동항법시스템이나 차체제어시스템 등에 사용되어 차체의 일축방향의 요레이트를 검출하는 자동차의 요레이트 검출장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for detecting yaw rate of an automobile, and more particularly, to an apparatus for detecting yaw rate of an automobile, which is used for an automatic navigation system, a vehicle body control system, or the like to detect yaw rate in the uniaxial direction of a vehicle body.
차체제어시스템(vehicle dynamic system)이나 자동항법시스템에는 차체의 일축방향에 대한 다양한 회전각속도, 즉 요레이트(Yaw rate)를 검출하는 요레이트 검출장치가 사용되고 있는 바, 도 1은 종래의 자동차의 요레이트 검출장치의 개략적인 구조를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 요레이트 검출장치의 전기적인 블럭구성도이다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 자동차의 요레이트 검출장치는 진동실린더의 원리를 이용하는 바, 이러한 진동실린더의 원리는 잘 알려진 바와 같은 진동식 자이로스코프에 기초를 두고 있다. 먼저, 축대칭으로 이루어진 금속실린더(1)는 그 일단이 폐쇄된 채로 베이스 플레이트(4)에 탑재되는 데 이에 따라 금속 실린더(1)의 타단은 자유롭게 진동할 수 있게 된다. 실린더(1) 벽의 외주면에는 상호 45°각도로 배열된 8개의 동일한 압전변환기(2)가 설치되어 실린더(1)의 벽을 진동시킨다. 4개의 압전변환기(2) 각각은 도 2에 도시한 바와 같이 정대향하는 압전변환기(2)에 전기적으로 연결된다. 2쌍의 압전변환기(A,A':D,D')는 진동을 발생시키기 위한 엑튜에이터로서 사용되고, 나머지의 다른 2쌍의 압전변환기(B,B':C,C')는 진동의 응답 및 요레이트(즉, 실린더(1)의 중심축 주위의 각속도)를 검출하기 위한 센서로서 사용된다. 미설명부호 5는 접촉핀을 나타내고, 3은 상기 접촉핀(5)과 압전변환기(5)를 연결하는 구리선을 나타낸다.In a vehicle dynamic system or an automatic navigation system, a yaw rate detection device for detecting various rotational angular velocities, i.e., yaw rate, in the uniaxial direction of a vehicle body is used. Fig. 2 is a perspective view showing a schematic structure of a rate detecting device, and Fig. 2 is an electrical block diagram of the yaw rate detecting device shown in Fig. 1. As shown in Fig. 1 and Fig. 2, the yaw rate detection device of a conventional vehicle uses the principle of a vibration cylinder, which principle is based on a vibrating gyroscope as is well known. First, the metal cylinder 1 made of axisymmetric is mounted on the base plate 4 with its one end closed so that the other end of the metal cylinder 1 can vibrate freely. On the outer circumferential surface of the wall of the cylinder 1, eight identical piezoelectric transducers 2 arranged at 45 ° to each other are provided to vibrate the wall of the cylinder 1. Each of the four piezoelectric transducers 2 is electrically connected to the opposing piezoelectric transducers 2, as shown in FIG. Two pairs of piezoelectric transducers (A, A ': D, D') are used as actuators for generating vibration, and the other two pairs of piezoelectric transducers (B, B ': C, C') respond to vibration. And a sensor for detecting the yaw rate (i.e., the angular velocity around the central axis of the cylinder 1). Reference numeral 5 denotes a contact pin, and 3 denotes a copper wire connecting the contact pin 5 and the piezoelectric transducer 5.
전술한 구성에서, 요레이트의 입력이 없는 경우에 실린더(1)의 진동은 상호 대칭되는 4개의 노드(A,A':D,D') 및 이들 사이에 위치하는 4개의 반노드(antinode:B,B':C,C')에 의하여 정재파를 형성하는 데, 이때의 진동패턴은 실린더(1)의 고유 공진주파수를 가지는 정현파 전압을 한쌍의 압전변환기(A,A')에 인가하는 것에 의해 확립된다. 구동신호의 주파수는 PLL(Phase Lock Loop) 회로부(11)를 포함하여 이루어지는 정궤환회로(즉, PLL회로부(11) 및 대역통과필터(12))에 의해 실린더(1)의 상기 공진주파수에서 안정적으로 제어된다.In the above configuration, in the absence of the input of the yaw rate, the vibration of the cylinder 1 is divided into four nodes A, A ': D, D' which are symmetrical with each other, and four antinodes located between them. B, B ': C, C') forms a standing wave, and the vibration pattern at this time is to apply a sinusoidal voltage having a natural resonance frequency of the cylinder 1 to a pair of piezoelectric transducers A and A '. Is established. The frequency of the drive signal is stable at the resonance frequency of the cylinder 1 by a positive feedback circuit (that is, the PLL circuit portion 11 and the band pass filter 12) including a phase lock loop (PLL) circuit portion 11. Is controlled.
이 상태에서 요레이트의 입력이 존재하는 경우에 상기 노드들 및 반노드들의 위치는 실린더(1)의 벽주위에서 회전의 방향과 반대가 되는 방향으로 이동한다. 만약 요레이트 입력이나 각속도(Ω)가 발생하면, 코리올리의 힘 즉 코리올리 가속도는 점(A,A')에서 최대가 되면서 실린더(1)의 벽에 정접하는 방향으로, 또한 점(B,B')에서는 최소가 되는 방향으로 발생하며, 이때 노드들(C,C':D,D')에서의 코리올리의 힘의 접선성분은 제로가 된다. 나아가, 직선운동을 가정하면 이론적인 코리올리 효과는 -aC= 2Ω 1*ν2이다.이때 aC는 코리올리 가속도(m/s2)를 나타내고,Ω는 요레이트(s-1)를 나타내며, v는 실린더(1)의 진동속도를 나타낸다.In this state, when there is an input of yaw rate, the positions of the nodes and the half nodes move in a direction opposite to the direction of rotation around the wall of the cylinder 1. If yaw rate input or angular velocity occurs, the Coriolis force, that is, the Coriolis acceleration is at the maximum at points A and A ', in the direction tangent to the wall of cylinder 1, and also at points B and B'. ) Occurs in the direction of minimization, where the tangent component of the Coriolis force at the nodes C, C ': D, D' is zero. Furthermore, assuming linear motion, the theoretical Coriolis effect is -a C = 2Ω 1 * ν 2, where a C represents Coriolis acceleration (m / s 2 ), and Ω represents yaw rate (s -1 ), v represents the vibration speed of the cylinder 1.
이러한 접선방향의 코리올리 힘벡터의 합력은 구동력의 방향에 대하여 45도 각도를 가지는 방사상의 방향으로 실린더(1)의 벽에 작용하는 하나의 힘벡터를 발생시킨다. 나아가, 이러한 힘은 노드점(C,C':D,D')에서의 압전변환기(2)에 의해 측정되는 데 그 힘의 진폭은 요레이트 입력에 비례한다. 진동실린더(1)에 의하면 총체적으로 높은 감쇠손실이 줄어들기 때문에 고정밀도, 양질의 선형성 및 넓은 대역폭특성을 얻을 수가 없는데, 이것은 노드(D,D')에 위치한 압전변환기(2)에 부궤환을 인가함으로써 구현될 수가 있다. 이러한 부궤환은 요레이트 입력에 의해 생성된 진동의 힘벡터를 보상한다. 다음, 압전변환기(C,C')는 센서로서 기능하는 데, 노드점(D,D')에서의 구동력을 생성하기 위한 입력신호를 제공한다. 요레이트에 기인한 진동을 보상하기 위한 노드점(D.D')에서의 입력신호는 정확하게 요레이트 입력에 비례하고 나아가 센서 출력신호를 위한 근거로 제공된다.The force of the tangential Coriolis force vector generates a force vector acting on the wall of the cylinder 1 in a radial direction having an angle of 45 degrees with respect to the direction of the driving force. Furthermore, this force is measured by the piezoelectric transducer 2 at the node points C, C ': D, D' whose amplitude is proportional to the yaw rate input. According to the vibration cylinder 1, high attenuation loss is reduced as a whole, so that high precision, high-quality linearity, and wide bandwidth characteristics cannot be obtained. This causes negative feedback to the piezoelectric transducers 2 located at nodes D and D '. Can be implemented by authorization. This negative feedback compensates for the force vector of the vibration generated by the yaw rate input. The piezoelectric transducers C and C 'then function as sensors, providing an input signal for generating a driving force at the node points D and D'. The input signal at the node point D.D 'for compensating for vibration caused by the yaw rate is precisely proportional to the yaw rate input and further provided as a basis for the sensor output signal.
그러나, 전술한 구성을 가지는 종래의 요레이트 검출장치는 그 크기가 방대하고, 외부의 불필요한 진동으로부터 진동실린더가 영향을 받을 수 있다고 하는 문제점이 있었다. 나아가, 진동실린더가 외부의 진동에 의하여 영향을 받는 것을 방지하기 위해서는 진공상태에서 패킹을 해야 하는데, 이에 따라 제조비용이 상승되고 공정수가 증가하여 양산성이 저하되는 문제점이 있었다.However, the conventional yaw rate detection device having the above-described configuration has a problem that its size is enormous and that the vibration cylinder can be affected by external unnecessary vibration. Furthermore, in order to prevent the vibration cylinder from being affected by the external vibration, the vacuum cylinder should be packed in a vacuum state. Accordingly, the manufacturing cost is increased and the number of processes is increased, thereby decreasing the mass productivity.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써 그 목적은 소형의 간단한 구조를 가지며 외부의 진동등에 의한 영향으로부터 안정된 동작이 가능한 자동차의 요레이트 검출장치를 제공하고자 하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a yaw rate detection device for a vehicle having a small and simple structure and capable of stable operation from the influence of external vibration and the like.
도1은 종래의 자동차의 요레이트 검출장치의 개략적인 구조를 보인 사시도,1 is a perspective view showing a schematic structure of a conventional yaw rate detection apparatus of a vehicle;
도2는 도 1에 도시한 요레이트 검출장치의 전기적인 블럭구성도,FIG. 2 is an electrical block diagram of the yaw rate detecting apparatus shown in FIG. 1; FIG.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차의 요레이트 검출장치의 개략적인 구조를 보인 사시도,3 is a perspective view showing a schematic structure of a yaw rate detection apparatus for a vehicle according to an embodiment of the present invention;
도4는 본 발명의 타실시예에 따른 요레이트 검출장치의 구조를 보인 사시도,Figure 4 is a perspective view showing the structure of the yaw rate detection apparatus according to another embodiment of the present invention,
도5는 본 발명의 타실시예에 따른 요레이트 검출장치의 구조를 보인 사시도이다.5 is a perspective view showing the structure of the yaw rate detection apparatus according to another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
20 : 반도체 기판, 21 : 링,20: semiconductor substrate, 21: ring,
22,23 : 스포크, 25 : 전극22,23: spoke, 25: electrode
이러한 목적을 실현하기 위하여 본 발명에 따른 자동차의 요레이트 검출장치는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판상에 형성된 링형상의 진동체와, 상기 진동체의 외주면과 소정 간격이격되어 다수개 설치된 전극을 구비하여 상기 진동체의 타원진동패턴에서 차량의 회전각속도에 의해 상기 진동체에 가해지는 코리올리의 힘을 검출할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the yaw rate detecting apparatus for an automobile according to the present invention includes a semiconductor substrate, a ring-shaped vibrating body formed on the semiconductor substrate, and a plurality of electrodes spaced a predetermined distance from an outer circumferential surface of the vibrating body. The elliptic vibration pattern of the vibrating body may detect the force of Coriolis applied to the vibrating body by the rotational angular velocity of the vehicle.
또한, 본 발명에 있어서, 상호 대향하는 전극을 연결하는 연결선상에 상기 진동체를 지지하도록 그 내부에 다수개의 스포크가 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention, it is characterized in that a plurality of spokes are formed therein to support the vibrating body on a connection line connecting the opposite electrodes.
본 발명의 타실시예에 있어서, 상기 스포크는 탄성을 갖도록 스프링형상으로 구성된 것을 특징으로 한다.In another embodiment of the present invention, the spoke is characterized in that it is configured in a spring shape to have an elasticity.
이하에는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 구성 및 작용효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and effect according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
먼저, 본 발명에 따른 요레이트 검출장치는 1890년도에 G.H.Bryan에 의해 밝혀진 바와 같은 공명하는 와인 그라스의 원리에 기초를 두어 개발되었다. 브라이언은 와인 그라스를 회전시킬 때 공명소리가 울렸고 그 진동패턴이 와인그라스의 회전각도보다 늦어짐을 발견하였다.First, the yaw rate detection device according to the present invention was developed on the basis of the principle of the resonant wine glass as revealed by G.H.Bryan in 1890. Brian resonated when he rotated the wine glass and found that the vibration pattern was later than the rotation angle of the wine glass.
따라서, 본 발명의 요레이트 검출장치는 상기한 원리를 이용하는 것으로 브라이언의 와인그라스와 기능면에서 유사하다.Therefore, the yaw rate detection device of the present invention is similar in function to Brian's winegrass by using the above-described principle.
이러한 본 발명에 따른 요레이트 검출장치는 도 3에 도시한 일실시예에서 보는 바와 같이, 미세구조체의 링(21)을 반도체 기판(20)상에서 공명이 되도록 형성시키고, 링(21)의 외주면에는 링(21)과 소정 간격이격되어 소정 간격마다 압전변환물질로 이루어지는 다수개의 도전성 전극(25)을 설치한다. 또한, 상기 링(21)의 진동시 방사상의 치우침이 없는 링상의 상호 대향하는 4점을 노드(node)(c,c':d,d')로 하고, 노드들을 연결하는 선을 연결하는 X자형상의 스포크(22)를 형성시킨다.The yaw rate detection device according to the present invention, as shown in the embodiment shown in FIG. 3, forms a ring 21 of the microstructure to be resonant on the semiconductor substrate 20, the outer peripheral surface of the ring 21 A plurality of conductive electrodes 25 made of a piezoelectric conversion material are provided at predetermined intervals spaced apart from the ring 21. In addition, when the vibration of the ring 21, the four mutually opposite points on the ring without radial bias is a node (c, c ': d, d'), X for connecting the lines connecting the nodes The shaped spokes 22 are formed.
또한, 링상에서 최대의 반사편향을 가지는 4개의 점은 상기 노드들에 대해서 45도 떨어져서 위치하는 데 이들을 반노드(antinode)(a,a':b,b')라고 한다. 이러한 요레이트 검출장치는 전자제어회로에 종속하여 회전각도 혹은 회전각속도를 검출할 수 있다.Also, the four points with the largest reflection deflection on the ring are located 45 degrees away from the nodes, which are called antinodes (a, a ': b, b'). The yaw rate detection device can detect the rotation angle or rotation angle velocity in dependence on the electronic control circuit.
이러한 두가지의 동작모드를 전각도(whole angle)모드 및 재균형력(force to rebalance)모드라고 정의한다. 이때 전각도모드로 동작하는 경우에 코리올리의 힘은 타원진동패턴에서의 노드의 각 위치를 센서가 회전된 각 위치로 지연되도록 만든다. 따라서, 노드점들의 위치는 회전각도를 측정하는 데 사용되어 질 수 있다.These two modes of operation are defined as a whole angle mode and a force to rebalance mode. When operating in full-angle mode, the Coriolis force causes each node position in the elliptic vibration pattern to be delayed to the rotated position of the sensor. Thus, the position of the node points can be used to measure the rotation angle.
반면, 재균형력모드로 사용되는 경우에는 각속도 출력신호를 얻을 수 있는데, 이는 상기 링(21)이 회전함에 따라 노드점은 규정된 노드점에서의 진동의 진폭을 증가시키도록 회전되고, 이러한 진동신호는 진폭을 감소시키도록 궤환되며 이에 따라 규정된 위치에서의 노드점들을 가지는 정지패턴을 유지하게 된다. 이렇게 정지패턴을 유지하도록 궤환된 신호는 각속도에 비례하고 이는 출력값으로 사용된다.On the other hand, when used in the rebalancing force mode, an angular velocity output signal can be obtained. As the ring 21 rotates, the node point is rotated to increase the amplitude of the vibration at the defined node point. The signal is fed back to reduce the amplitude, thereby maintaining a stop pattern with nodal points at defined locations. The signal fed back to maintain the stop pattern is proportional to the angular velocity and used as an output value.
이러한 요레이트 검출장치의 제조공정은 미세구조체 가공기술에 의해 링(21)과 스포크(22)를 IC표면상에서 진동하는 것이 가능하도록 제작할 수 있는 데, 즉 LIGA나 이보다 고비용의 유사한 LIGA포토레지스터 방법과 같이 최근에 발전된 미세구조체 가공기술을 사용하여 링형태의 미세구조체의 요레이트 검출장치를 IC웨이퍼의 표면상에 제조할 수 있다. 이것을 실행하면 수백개의 소자들을 각각의 실리콘 웨이퍼상에 제조할 수 있으며, 나아가 한번에 10-25장의 웨이퍼를 배치하여 함께 제조공정을 진행시킬 수 있다. 요레이트 검출장치의 공정은 고용량의 1.5미크론의 2중 레벨 폴리실리콘에 대한 2중 레벨의 금속 CMOS공정에 의해 시작된다. 0.8미크론의 CMOS공정의 사용은 더 나아가 IC의 크기를 감소시킬 수가 있다.The manufacturing process of the yaw rate detection device can be manufactured by vibrating the ring 21 and the spoke 22 on the IC surface by the microstructure processing technology, that is, the LIGA or a more expensive similar LIGA photoresist method Similarly, the microstructure processing technology recently developed can be used to fabricate a ring-shaped microstructure yaw rate detection device on the surface of an IC wafer. By doing this, hundreds of devices can be fabricated on each silicon wafer, and furthermore, 10-25 wafers can be placed at a time to advance the manufacturing process together. The process of the yaw rate detection device is initiated by a double level metal CMOS process for a high capacity 1.5 micron double level polysilicon. The use of a 0.8-micron CMOS process can further reduce the size of the IC.
한편, 도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 타실시예에 따른 요레이트 검출장치를 도시한 것으로, 도 4에 도시한 요레이트 검출장치는 링(21)의 내부에 각 노드들을 연결하는 노드선상에 스포크를 구성시키지 않고 회전 및 진동구동력을 극대화시킬 수 있도록 한 구조이며, 도 5에 도시한 요레이트 검출장치는 스포크(23)의 구조를 스프링형상으로 설치하여 스포크(23) 자체가 탄성을 유지하도록 함으로써 링(21)의 진동력을 흡수하여 상하, 좌우로 일정량의 진동량을 유지시킬 수 있도록 한 것이다.4 and 5 illustrate a yaw rate detecting apparatus according to another embodiment of the present invention, and the yaw rate detecting apparatus shown in FIG. 4 has a node line connecting the nodes inside the ring 21. It is a structure to maximize the rotational and vibration driving force without configuring the spokes, the yaw rate detection device shown in Figure 5 to install the structure of the spokes 23 in the form of a spring to maintain the spokes 23 itself elasticity By absorbing the vibration force of the ring 21 to maintain a certain amount of vibration up and down, left and right.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 요레이트 검출장치에 의하여 링모양의 진동체를 마이크로머시닝(micromachining) 공정에 의해 제작함으로써 소형으로 제작할 수 있으며 양산성을 향상시킬 수 있는 이점을 제공하게 된다.As described above, by the micro-machining process of the ring-shaped vibrating body by the yaw rate detection device of the vehicle according to the present invention can be made compact and provide an advantage that can improve the mass productivity do.
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