KR100224311B1 - 마이크로 자이로스코프용 구동회로 - Google Patents
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Abstract
1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 마이크로 자이로스코프를 구동하기 위한 구동회로에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 마이크로 자이로스코프의 공진 특성을 이용하여 마이크로 자이로스코프를 구동하기 위한 구동회로를 제공하고자 함.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은 마이크로 자이로스코프의 양단에 입/출력단이 연결되어, 상기 마이크로 자이로스코프의 일측단으로부터 입력되는 신호를 증폭하고, 상기 증폭된 신호가 상기 마이크로 자이로스코프의 타측단으로 입력되도록 함으로써, 상기 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수에 해당하는 에너지를 공급하는 증폭수단; 상기 증폭수단의 출력단과 상기 마이크로 자이로스코프의 타측단 사이에 연결되어, 상기 마이크로 자이로스코프가 과도하게 움직이는 것을 방지하고 안정된 진폭으로 진동할 수 있도록 제어하기 위해 상기 제1 증폭수단의 출력을 스위칭하는 스위칭수단; 및 상기 증폭수단의 입/출력단에 양단이 연결되어, 상기 증폭수단의 입력단에 임의로 조정할 수 있는 바이어스 전압을 공급하는 바이어스전압공급수단을 포함한다.
Description
본 발명은 마이크로 자이로스코프의 공진 특성을 이용하여 마이크로 자이로스코프를 구동하기 위한 구동회로에 관한 것이다.
마이크로 자이로스코프는 캠코더의 떨림 방지, 자동차 항법, 가상현실(virtual reality) 장치 등에서 물체의 위치추적에 필요한 각속도 센서로서, 좌우로 진동하는 미소 구조체가 회전될 때, 각속도에 비례하는 코리올리 힘(Coriolis force)에 의하여 구조체가 수직방향으로 진동하는 크기를 측정하는 원리를 이용한다.
반도체 공정을 사용하여 제작되는 마이크로 자이로스코프는 크기가 기존의 기계식 자이로스코프보다 아주 작다는 장점과 함께 대량 생산에 대단히 유리하다는 특징을 가지고 있다.
마이크로 자이로스코프 구조체의 구동은 일반적으로 전기적인 방법을 이용하여 일정한 주파수로 진동시키며, 마이크로 자이로스코프 구조체는 댐핑(damping)이 적은 진공(vacuum)에서 동작하기 때문에 첨예한 주파수 특성을 보인다. 따라서, 공진 주파수에 대하여 수 헤르츠(Hz) 이내의 정확도로 마이크로 자이로스코프 구조체를 구동하지 않으면 진동의 크기가 큰 변화를 보이므로, 센서의 감도(sensitivity)가 불안정해진다. 또한, 센서의 감도를 극대화하기 위해서는 마이크로 자이로스코프 구조체의 수평방향과 수직방향의 공진 주파수를 일치시켜야 한다.
종래의 마이크로 자이로스코프용 구동회로에서는 위상고정루프(Phase Locked Loop)를 이용하여 마이크로 자이로스코프 구조체의 공진 주파수를 정확하게 찾아 마이크로 자이로스코프를 구동시켰다.
그러나, 위상고정루프를 이용한 종래의 마이크로 자이로스코프용 구동회로(J.D. Johnson, 1995)에서는 구동의 크기를 계속 감지하여야 하는데, 이 부분이 잡음에 민감하고, 또한 상당히 복잡한 회로 구조를 가지며, 이에 따라 설계가 용이하지 않은 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 마이크로 자이로스코프 구조체의 노화나 온도변화 등 주변상황의 변동에 따른 동작점의 변화를 추적함으로써, 안정적으로 작동되며, 구동부의 직류 전위를 조정하여 마이크로 자이로스코프 구조체의 구동방향과 검출방향의 공진 주파수를 일치시킴으로써, 각속도 검출 감도를 증가시킬 수 있으며, 또한 증폭기의 동작점을 확보하기 위해 저항을 사용하는 방법 이외에 보조 증폭기를 사용함으로써, 종래의 회로에 비해 간단하고 집적화가 용이하며, 신뢰도가 높은 마이크로 자이로스코프용 구동회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 일반적인 마이크로 자이로스코프의 구조도.
도 2A 내지 2C 는 마이크로 자이로스코프의 등가 회로도.
도 3A 및 3B 는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 공진 특성을 이용한 구동 회로도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
31 : 마이크로 자이로스코프 32 : 증폭기
33 : 차동 증폭기 34 : 바이어스 회로
35 : 스위치 36, 37 : 정전 용량
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 마이크로 자이로스코프용 구동회로에 있어서, 상기 마이크로 자이로스코프의 양단에 입/출력단이 연결되어, 상기 마이크로 자이로스코프의 일측단으로부터 입력되는 신호를 증폭하여 상기 마이크로 자이로스코프의 타측단으로 입력하고, 상기 마이크로 자이로스코프의 진동 특성에 의하여 다른 신호가 감쇄된 상기 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수 신호 성분을 상기 마이크로 자이로스코프의 일측단으로부터 다시 입력받아 증폭하여 상기 마이크로 자이로스코프의 타측단으로 입력하는 과정을 반복하여 상기 마이크로 자이로스코프의 양단에 상기 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수에 해당하는 에너지를 공급하여 상기 마이크로 자이로스코프를 상기 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수로 구동시키는 증폭 수단을 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 마이크로 자이로스코프가 과도하게 움직이는 것을 방지하고 안정된 진폭으로 진동할 수 있도록 제어하기 위하여 차동 증폭기의 출력단과 상기 마이크로 자이로스코프의 타측단 사이에 연결되어, 상기 차동 증폭기의 출력을 스위칭하여 상기 마이크로 자이로스코프에 공급되는 에너지를 조절하는 스위칭 수단; 상기 차동 증폭기의 입/출력단에 양단이 연결되어, 상기 차동 증폭기의 입력단에 임의로 조정할 수 있는 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전압 공급 수단; 및 상기 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수 이외에 발생되는 기생 공진을 방지하기 위하여 상기 마이크로 자이로스코프의 양단과 접지 사이에 연결되는 필터링 수단을 더 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예를 상세히 설명한다.
도1은 일반적인 마이크로 자이로스코프의 구조도이다.
이와 같은 형태의 마이크로 자이로스코프에서는 도1의 구조체 (a)를 (b)방향으로 움직여야 각속도 측정이 가능하다. (b)방향으로 구조체 (a)가 움직일 때, 외부에서 각속도가 작용하면 코리올리 힘(Coriolis force)에 의해 구조체 (a)가 (c)방향으로 움직이게 되고, 이에 따라 Cm이 바뀐다. 이 Cm 값을 알아내면 각속도를 측정할 수 있다.
마이크로 자이로스코프는 진공속에서 동작되기 때문에 공진 특성이 매우 첨예하다. 따라서, 낮은 전압과 전력으로 마이크로 자이로스코프의 구조체 (a)를 구동하려면 구동 전압이 마이크로 자이로스코프의 기계적 공진 주파수와 일치해야 한다. 마이크로 자이로스코프의 구조체는 대역 통과 전달 특성이 있으므로 구동회로의 출력이 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수와 일치할 때 효율적으로 마이크로 자이로스코프를 구동시킬 수 있다.
마이크로 자이로스코프는 기계적인 구조체이지만, 구동은 정전력(electrostatic force)을 이용하므로, 전기적 특성 해석을 용이하게 하기 위해서 전기적인 등가 회로가 필요하다.
도2A 내지 2C는 마이크로 자이로스코프의 등가 회로도로서, 도2A는 기계적 시스템(Mechanical System), 도2B는 전기적 시스템(Electrical System), 도2C는 전기적 등가 회로를 각각 나타낸다.
도2B와 같은 전기적인 등가 회로로 표현하기 위해서는 기계적 계수와 전기적 계수간의 변수 변환이 필요하다. 즉, 기계적 시스템에서의 힘(F), 속도, 컴플라이언스(탄성계수의 역수, 1/k), 댐핑(c), 질량(m)은 전기적 시스템의 전압(V), 전류(I), 정전 용량(C), 저항(R), 인덕턴스(L)와 대응되는 물리량이며, 기계적인 모델을 전기적인 등가회로로 변환시키려면 수학식 1과 같은 변환계수 η가 필요하다.
여기서, VD 는 구동전압의 직류 성분을 나타낸다.
이때, 전기적인 변수인 인덕턴스(L), 정전 용량(C), 저항(R)은 각각 수학식 2, 수학식 3, 수학식 4와 같다.
그리고, 마이크로 자이로스코프의 구조체는 수학식 5와 같은 주파수에서 공진을 하게 된다.
본 발명이 사용되는 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수 f는 10 kHz 부근에 있으며, Q값은 진공중에서 10,000 정도이다. 도2A 내지 도2C의 등가회로와 Q 값을 미루어 보면 마이크로 자이로스코프의 특성이 수정 발진자와 유사함을 알 수 있으며, 따라서 수정 발진자와 동일한 방법으로 마이크로 자이로스코프를 구동할 수 있다. 여기서, 마이크로 자이로스코프의 구동회로가 수정 발진자의 발진 회로와 유사하다는 것에 착안하면 간단한 구동회로를 설계할 수 있다.
도3A 및 3B는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 공진 특성을 이용한 구동 회로도로서, 도면에서 31은 마이크로 자이로스코프, 32는 증폭기, 33은 차동 증폭기, 34는 바이어스 회로, 35는 스위치, 36,37은 정전 용량을 각각 나타낸다.
도3A는 마이크로 자이로스코프(31)의 양단에 증폭기(32)를 연결한 간단한 형태의 구동 회로이다.
이때, 증폭기(32)의 이득이 매우 크다면 증폭기 입력단의 작은 잡음은 매우 큰 값으로 증폭된다. 이 증폭된 잡음은 여러 가지 주파수 성분을 가지고 있는 데, 이 잡음이 마이크로 자이로스코프의 진동 특성을 거쳐 나오면 다른 잡음은 감쇄되고, 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수와 동일한 잡음 성분만이 출력된다. 이 출력 신호는 다시 증폭기(32)를 통과하게 되고, 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수와 동일한 주파수 신호는 계속해서 증폭된다. 이러한 과정을 통하여 마이크로 자이로스코프의 양단에는 공진 주파수에 해당하는 에너지가 공급되고, 마이크로 자이로스코프(31)는 공진 주파수로 구동을 시작하게 된다.
도3B는 차동 증폭기를 이용한 구동회로이다.
마이크로 자이로스코프(31)를 구동하기 위해 차동 증폭기(33)를 사용하면 구동과 더불어 마이크로 자이로스코프 구조체의 구동 방향과 수직 방향의 공진 주파수를 조정할 수 있다. 마이크로 자이로스코프의 구동 자체도 중요하지만, 각속도의 감도를 증가시키기 위해서는 마이크로 자이로스코프의 구동 방향 공진 주파수와 그의 수직 방향 공진 주파수를 일치시켜야 한다. 만약, 두 공진 주파수가 일치한다면 외부로부터의 회전이 작용하였을 때, 마이크로 자이로스코프 구조체의 수직 방향인 도1의 (c)방향으로의 움직임이 극대화되므로, 마이크로 자이로스코프의 각속도 검출 감도는 최대가 된다. 마이크로 자이로스코프 구조체를 설계할 때, 이 두 방향의 공진 주파수가 일치하도록 설계하지만, 제작상의 문제로 오차가 발생할 수 있다. 이 문제는 마이크로 자이로스코프의 수직 방향으로 직류 전위를 인가하여 해결할 수 있으며, 이의 구현 방법으로서 부궤환 구조에서 차동 증폭기(33)를 사용하고, 두 입력단을 가상 접지시키면 원하는 직류 전위로 맞출 수 있다.
이 구동 방식에서 차동 증폭기(33)는 항상 동작 가능 상태에 있어야 하므로 차동 증폭기 입력단의 바이어스 전위를 확보해 주어야 하며, 도3B의 바이어스 회로(34)가 차동 증폭기(33)의 바이어스 전위를 확보하여 준다. 바이어스 회로(34)는 일반적으로 큰 저항을 사용하며, 이 저항을 사용하면 직류(DC) 동작점을 맞출 수 있다. 그러나, 큰 저항을 사용할 경우에 집적화가 용이하지 않고, 집적화한다고 해도 큰 면적을 차지하므로, 기생 용량(parasitic capacitance)의 영향을 많이 받아 회로의 신뢰성이 떨어질 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 발명에서는 이 바이어스 회로(34)로서 증폭기를 사용하였다. 이 증폭기의 바이어스 전류가 작으면 출력 전류도 작기 때문에 마이크로 자이로스코프(31)의 특성이나 차동 증폭기(33)의 특성에 영향을 주지 않으면서 직류(DC) 증폭기의 직류(DC) 전위를 확보할 수 있다. 그러나, 바이어스를 잡아주는 증폭기의 동작 속도가 빠르게 되면 구동 출력에 영향을 주기 때문에 낮은 대역폭을 갖는 증폭기로 설계하여야 한다. 이러한 바이어스 보조 증폭기는 상보형 금속 산화 반도체 소자(CMOS) 제조 공정에서 금속 산화막 반도체(MOS) 트랜지스터의 게이트(gate)와 소스(source)를 문턱 전압 이하로 설계함으로써, 마이크로 자이로스코프용 구동회로에 바이어스를 공급할 수 있다.
본 발명의 회로 구조는 5V 정도의 낮은 전원 환경에서 사용하기 때문에, 증폭기의 출력 전압이 작아서 마이크로 자이로스코프의 구조체가 일반적으로 과도하게 움직이지 않는다. 그러나, 마이크로 자이로스코프 구조체가 과도하게 움직이는 경우라도 이를 방지하는 동시에 자이로스코프가 안정된 진폭으로 진동할 수 있도록 제어하기 위하여 증폭기의 출력에 스위치 SW1을 설치하였다. 이 스위치를 켜고 끄는 시간을 제어함으로써, 자이로스코프에 공급되는 에너지를 조절할 수 있으므로, 마이크로 자이로스코프 구조체의 진동폭을 조절할 수 있다. 여기서, 만약 구조체의 노화나 외부의 요인에 의해서 구조체의 공진 주파수가 바뀌어도, 마이크로 자이로스코프의 구동은 구동회로의 부궤환 특성과 마이크로 자이로스코프의 기계적 특성에 의해서 자동으로 이루어지므로, 여기에 능동적으로 대처할 수 있다.
도3B에서는 공진 주파수 이외에서 발생되는 기생 공진을 방지하기 위하여 마이크로 자이로스코프의 양단과 접지 사이에 추가된 정전 용량 C1, C2를 보여주고 있으며, 보통 십 pF 정도를 사용한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 마이크로 자이로스코프 구조체의 노화나 온도변화 등 주변상황의 변동에 관계없이 안정적으로구동되고, 마이크로 자이로스코프 구조체의 구동방향과 검출방향의 공진 주파수를 일치시킴으로써 각속도 검출 감도를 증가시킬 수 있으며, 종래의 회로에 비하여 간단하고 집적화가 용이하며 구동의 신뢰도가 높은 효과가 있다.
Claims (9)
- (삭제)
- (삭제)
- (삭제)
- (정정)마이크로 자이로스코프용 구동회로에 있어서,상기 마이크로 자이로스코프의 양단에 입/출력단이 연결되어, 상기 마이크로 자이로스코프의 일측단으로부터 입력되는 신호를 증폭하고, 상기 증폭된 신호가 상기 마이크로 자이로스코프의 타측단으로 입력되도록 함으로써, 상기 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수에 해당하는 에너지를 공급하는 제1 증폭수단;상기 제1 증폭수단의 출력단과 상기 마이크로 자이로스코프의 타측단 사이에 연결되어, 상기 마이크로 자이로스코프가 과도하게 움직이는 것을 방지하고 안정된 진폭으로 진동할 수 있도록 제어하기 위해 상기 제1 증폭수단의 출력을 스위칭하는 스위칭수단; 및상기 제1 증폭수단의 입/출력단에 양단이 연결되어, 상기 제1 증폭수단의 입력단에 임의로 조정할 수 있는 바이어스 전압을 공급하는 바이어스전압공급수단을 포함하여 이루어진 마이크로 자이로스코프용 구동회로.
- (정정)제 4 항에 있어서,상기 마이크로 자이로스코프의 공진 주파수 이외에 발생되는 기생 공진을 방지하기 위하여 상기 마이크로 자이로스코프와 접지 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 필터링수단을 더 포함하여 이루어진 마이크로 자이로스코프용 구동회로.
- (정정)제 5 항에 있어서,상기 바이어스전압공급수단은,바이어스 전류가 작고 동작 주파수가 낮은 제2 증폭수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프용 구동회로.
- (정정)제 6 항에 있어서,상기 제2 증폭수단은,상보형 금속 산화 반도체 소자(CMOS) 제조 공정에서 금속 산화막 반도체(MOS) 트랜지스터의 게이트(gate) 전위 레벨과 소스(source) 전위 레벨이 문턱 전압 이하가 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프용 구동회로.
- (정정)제 5 항에 있어서,상기 바이어스전압공급수단은,저항소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프용 구동회로.
- (신설)제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 증폭수단은,상기 마이크로 자이로스코프의 구동 방향 공진 주파수와 수직 방향 공진 주파수를 조정하여 두 공진 주파수를 일치시키기 위해, 부단자에 상기 바이어스전압공급수단과 상기 마이크로 자이로스코프의 일측단의 접점이 연결되어, 상기 마이크로 자이로스코프의 수직 방향으로 임의 조정이 가능한 직류 전위를 인가하는 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프용 구동회로.
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