KR100349549B1 - 요레이트센서의 진동수 교정 장치 - Google Patents

요레이트센서의 진동수 교정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 요레이트센서의 진동수 교정 장치에 관한 것으로, 진동체(13)가 기준진동할 경우 기준진동수를 검출하는 기준진동수검출부(20)와; 진동체(13)가 코울리진동할 경우 코울리진동수를 검출하는 코울리진동수검출부(21)와; 그 코울리진동수검출부(21)에 의하여 검출된 코울리진동수와 상기 기준진동수검출부(20)에 의하여 검출된 기준진동수를 비교하여 그 진동수차이를 계산하고, 진동체(13)가 좌/우측으로 기준진동할 때의 탄성계수와 진동체(13)가 상/하측으로 코울리진동할 때의 탄성계수의 차이를 계산하는 비교연산부(22)와; 그 비교연산부(22)의 제어에 따라, 기준진동시와 코울리진동시의 진동체(13)의 탄성계수가 코울리진동 방향의 각 지점에서 같아지도록 정현파의 교류전압을 상기 검지전극(15'),(16')에 인가하는 교류전원공급부(23);를 포함한다. 본 발명은 진동체(13)의 기준진동수와 코울리진동수 사이의 차이를 검출하고, 그 검출된 차이로써 기준진동수와 코울리진동수간의 탄성계수 차이를 계산한 후, 그 탄성계수 차이가 교정될 수 있도록 위상조절된 정현파의 교류전압을 상기 검지전극에 인가함으로써, 기준진동와 코울리진동간의 진동수 차이를 교정하여 각속도에 대한 감도를 향상시킬 수 있다.

Description

요레이트센서의 진동수 교정 장치
본 발명은 요레이트센서의 진동수 교정 장치에 관한 것으로, 특히 진동체의 기준진동수와 코울리진동수 사이의 차이를 검출하고, 그 검출된 차이로써 기준진동수와 코울리진동수간의 탄성계수 차이를 계산한 후, 그 탄성계수 차이가 교정될 수 있도록 위상조절된 정현파의 교류전압을 상기 검지전극에 인가함으로써, 기준진동와 코울리진동간의 진동수 차이를 교정하여 각속도에 대한 감도를 향상시킬 수 있는 요레이트센서의 진동수 교정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 요레이트센서는 차량의 수직축 방향의 회전각속도(요레이트)를 검출하는 센서로서, 선박이나 항공기 또는 차량의 항법시스템에서 사용되고, 또한 자동제동시스템 등에서 널리 사용되고 있다.
이러한 요레이트센서에는 레이져 자이로스코프 또는 광섬유 자이로스코프 등이 있으나, 제작이 보다 간편하고 비교적 저가의 진동형 요레이트센서가 많이 사용되고 있다.
일반적인 진동형 요레이트센서는 도 1에 도시된 바와같이, 하부 유리기판(10)상에 형성된 고정전극(11),(12)과, 상기 유리기판(10) 및 상부 유리기판(14)에 각각 형성되고 발생되는 각속도를 검출하는 검지전극(15),(16)과, 공급되는 전류에 의하여 상기 고정전극(11),(12)측의 방향으로 기준진동하고, 외부에서 발생된 각속도에 따른 코울리(Coriolis)력에 의하여 상기 검지전극(15),(16)측으로 코울리진동하도록 형성된 진동체(13)로 구성된다.
상기 고정전극(11),(12)및 상기 검지전극(15),(16)과 상기 진동체(13)사이에는 소정의 간격이 각각 존재한다.
또한, 상기 검지전극(15)의 상측과 상기 검지전극(16)의 하측에는 미도시된 영구자석이 배치되는데, 이러한 영구자석은 상기 진동체(13)에 서로 다른 자계가 가해지도록 배치된다.
이와같이 구성되는 일반적인 요레이트센서의 동작을 설명하면 다음과 같다.
진동체(13)에 교류전류가 흐르게 되면, 진동체(13)에 작용하는 자계의 영향으로 진동체(13)는 좌/우측 방향으로 로렌쯔힘(Lorenz force)을 받게 된다. 이에 따라 진동체(13)는 좌/우측 방향, 즉 고정전극(11),(12) 방향으로 진동하는 기준진동을 하게 된다.
한편, 진동체(13)가 상기 좌/우측 방향인 Y축방향으로 기준진동을 계속하고 있는 상태에서 외부로부터 X축방향의 회전각속도가 작용하면, 진동체(13)에는 Z축방향으로 서로 반대방향의 코울리력이 발생된다. 이때 진동체(13)는 Z축방향의 코울리력에 의하여 도 1에 도시된 진동체(13)의 상/하측 방향, 즉 검지전극(15),(16) 방향으로 코울리진동을 하게 된다.
상기와 같이 진동체(13)가 코울리진동을 하게 되면, 진동체(13)와 검지전극(15),(16) 사이에는 캐패시턴스(capacitance)의 변화(△C)가 일어나게 된다. 이때, 검지전극(15),(16)은 그 캐패시턴스의 변화(△C)를 검출하고 그 검출된 캐패시턴스의 변화(△C)는 전압값으로 환산됨으로써 회전각속도가 검출된다.
즉, 검지전극(15),(16)에는 상기 캐패시턴스의 변화(△C)에 따라 구동되어 펄스형태의 전압신호를 발생하는 트랜지스터가 구비되는데, 그 트랜지스터로부터의 전압신호에 따라 회전각속도가 판단되게 된다.
이러한 각속도는 기준진동과 코울리진동의 고유진동수가 동일할 경우 가장 이상적으로 검출될 수 있으나, 실제적으로는 기준진동과 코울리진동의 고유진동수는 서로 달라지게 되어, 각속도 검출에 대한 감도가 저하될 수 있다. 이러한 고유진동수의 어긋남은 공정상의 오차, 또는 고정전극(11),(12) 및 검지전극(15),(16)의 폴리실리콘 물성이 방향에 의존하기 때문에 발생된다. 상기같은 고유진동수 어긋남으로 인하여 각속도센서의 성능이 서로 달라지고 센서의 수율이 낮아지는 문제점이 있었다. 그러므로 기준진동과 코울리진동의 진동수 차이를 보다 감소시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 진동체가 고정전극방향으로 진동할 때의 진동수, 즉 기준진동수와 검지전극방향으로 진동할 때의 진동수, 즉 코울리진동수 사이의 차이를 검출하고, 그 검출된 차이로써 상기 두 진동수간의 탄성계수 차이를 계산한 후, 기준진동시와 코울리진동시의 상기 진동체의 탄성계수가 코울리진동 방향의 각 지점에서 같아지도록 위상조절된 정현파의 교류전압을 상기 검지전극에 인가함으로써, 기준진동와 코울리진동간의 진동수 차이를 교정할 수 있도록 한 요레이트센서의 진동수 교정 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하부 유리기판상에 형성된 고정전극과, 상기 하부 유리기판 및 상부 유리기판에 각각 형성된 검지전극과, 상기 고정전극과 상기 검지전극사이에 형성되고 상기 고정전극측으로 기준진동하며 상기 검지전극측으로 코울리진동하도록 형성된 진동체를 포함하는 요레이트센서에 있어서,
상기 진동체가 기준진동할 경우 기준진동수를 검출하는 기준진동수검출부와; 상기 진동체가 코울리진동할 경우 코울리진동수를 검출하는 코울리진동수검출부와; 그 코울리진동수검출부에 의하여 검출된 코울리진동수와 상기 기준진동수검출부에 의하여 검출된 기준진동수를 비교하여 그 진동수차이를 계산하고, 상기 진동체가 좌/우측으로 기준진동할 때의 탄성계수와 상기 진동체가 상/하측으로 코울리진동할 때의 탄성계수의 차이를 계산하는 비교연산부와; 그 비교연산부의 제어에 따라, 기준진동시와 코울리진동시의 상기 진동체의 탄성계수가 코울리진동 방향의 각 지점에서 같아지도록 정현파의 교류전압을 상기 검지전극에 인가하는 교류전원공급부;로 구성됨을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 요레이트센서의 구성을 보인 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 요레이트센서의 진동수 교정 장치의 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10,14 : 유리기판 11.12 : 고정전극
13 : 가동전극 15,15',16,16' : 검지전극
20 : 기준진동수검출부 21 : 코울리진동수검출부
22 : 비교연산부 23 : 교류전원공급부
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 요레이트센서의 진동수 교정 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 유리기판(10)상에 형성된 고정전극(11),(12)과, 상기 유리기판(10) 및 상부 유리기판(14)에 각각 형성되고 발생되는 각속도를 검출하는 검지전극(15'),(16')과, 공급되는 전류에 의하여 상기 고정전극(11),(12)측의 방향으로 기준진동하고, 외부에서 발생된 각속도에 따른 코울리(Coriolis)력에 의하여 상기 검지전극(15'),(16')측으로 코울리진동하도록 형성된 진동체(13)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 요레이트센서의 진동수 교정 장치는 상기 진동체(13)가 기준진동할 경우 기준진동수를 검출하는 기준진동수검출부(20)와, 상기 진동체(13)가 코울리진동할 경우 코울리진동수를 검출하는 코울리진동수검출부(21)와, 그 코울리진동수검출부(21)에 의하여 검출된 코울리진동수와 상기 기준진동수검출부(20)에 의하여 검출된 기준진동수를 비교하여 그 진동수차이를 계산하고, 상기 진동체(13)가 좌/우측으로 기준진동할 때의 탄성계수(stiffness)와 상기 진동체(13)가 상/하측으로 코울리진동할 때의 탄성계수의 차이를 계산하는 비교연산부(22)와, 그 비교연산부(22)의 제어에 따라, 기준진동시와 코울리진동시의 상기 진동체(13)의 탄성계수가 코울리진동 방향의 각 지점에서 같아지도록 교류형태의 정전인력을 상기 검지전극(15'),(16')에 인가하는 교류전원공급부(23)로 구성된다.
상기 기준진동수검출부(20)는 상기 진동체(13)가 좌/우측, 즉 고정전극(11),(12)측으로 진동함에 따라 턴온/턴오프되어 펄스형태의 전압신호를 발생하고, 고정전극(11),(12)측에 설치되는 트랜지스터를 포함한다.
상기 교류전원공급부(23)는 기준진동시에 상기 진동체(13)의 탄성계수와 코울리진동시에 상기 진동체(13)의 탄성계수가 코울리진동 방향의 각 지점에서 같아지도록 위상조절된 정현파(sinwt)의 교류전압을 상기 검지전극(15'),(16')에 인가한다.
상기 교류전원공급부(23)로부터 상기 검지전극(15'),(16')에 각각 인가되는 정현파(sinwt)는 서로 반대의 위상을 가지고, 상기 검지전극(15'),(16')에 공급되는 정현파(sinwt)의 위상은 상기 교류전원공급부(23)는 상기 비교연산부(22)에 의하여 계산된 탄성계수 차이에 해당하도록 조정된다.
이와같이 구성되는 본 발명에 따른 요레이트센서의 진동수 교정 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
진동체(13)에 교류전류가 흐르게 되면, 전술한 바와 같이 진동체(13)는 좌/우측 방향, 즉 고정전극(11),(12) 방향으로 진동하는 기준진동을 하게 된다.
진동체(13)가 기준진동함에 따라 고정전극(11),(12)에는 정전용량이 가변되고, 이에 따라 기준진동수검출부(20)는 진동체(13)의 진동수에 해당하는 펄스신호를 비교기연산부(22)에 인가한다.
한편, 진동체(13)가 코울리진동을 할 경우, 코울리진동수검출부(21)는 전술한 바와같은 방식으로 코울리진동을 검출하여 펄스신호 형태의 전압신호를 비교기연산부(22)에 인가한다.
비교기연산부(22)는 기준진동수검출부(20)와 코울리진동수검출부(21)로부터 각각 인가되는 전압신호를 비교하여, 기준진동수와 코울리진동수간의 진동수차이를 계산한다.
상기와 같이 계산된 기준진동수와 코울리진동수간의 진동수차이를 근거로 하여, 비교기연산부(22)는 기준진동시 진동체(13)의 탄성계수와 코울리진동시 진동체(13)의 탄성계수간의 차이, 즉 스티프니스(stiffness)의 차이를 하기의 식(1)에 따라 계산한다.
Figure kpo00000
여기서, ω: 진동수
K : 탄성계수(stiffness)
m : 질량
이어서 비교기연산부(22)는 상기와 계산된 탄성계수 차이에 해당하는 제어신호를 교류전원공급부(22)에 인가한다.
교류전원공급부(22)는 비교기연산부(22)로부터 인가되는 제어신호에 해당하는 위상을 갖는 정현파의 교류전압신호를 검지전극(15'),(16')에 인가하여, 검지전극(15'),(16')에 부가적인 정전인력이 발생되도록 한다.
즉, 검지전극(15'),(16')에 교류전원을 공급하면, 검지전극(15'),(16')에서는 캐패시턴스가 발생되어 검지전극(15'),(16')와 진동체(13)사이에 정전인력이 생기게 된다. 여기서, 정전인력은 검지전극(15'),(16')와 진동체(13)사이의 거리제곱에 반비례한다.
상기와 같이 정전인력이 발생되도록 함으로써, 진동체(13)가 코울리진동이 보다 자연스럽게 이루어질 수 있도록 하고, 결과적으로 기준진동수와 코울리진동수가 서로 유사하도록 교정될 수 있다.
그리고, 검지전극(15'),(16')에 공급되는 교류전원의 위상은 비교기연산부(22)로부터 인가되는 제어신호, 즉 탄성계수 차이에 의하여 결정된다.
탄성계수 차이가 클수록 검지전극(15'),(16')에 교류전원이 공급되는 시간을 증가시켜서 보다 큰 정전인력이 검지전극(15'),(16')과 진동체(13)사이에 발생되도록 한다.
상기와 같이 본 발명은 기준진동수와 코울리진동수 사이의 차이를 검출하고, 그 검출된 차이로써 상기 두 진동수간의 탄성계수 차이를 계산한 후, 기준진동시와 코울리진동시의 진동체(13)의 탄성계수가 코울리진동 방향의 각 지점에서 같아지도록 위상조절된 정현파의 교류전압을 검지전극(15'),(16')에 인가함으로써, 기준진동와 코울리진동간의 진동수 차이를 교정한다.
그러므로, 본 발명에 의하면 요레이트센서의 수율을 높일 수 있고, 양산시에 요레이트센서의 성능을 균일하게 유지할 수 있으며, 각속도에 대한 감도를 보다 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 하부 유리기판(10)상에 형성된 고정전극(11),(12)과, 상기 유리기판(10) 및 상부 유리기판(14)에 각각 형성된 검지전극(15'),(16')과, 상기 고정전극(11),(12)과 상기 검지전극(15'),(16')사이에 형성되고 상기 고정전극(11),(12)측으로 기준진동하며 상기 검지전극(15'),(16')측으로 코울리진동하도록 형성된 진동체(13)를 포함하는 요레이트센서에 있어서,
    상기 진동체(13)가 기준진동할 경우 기준진동수를 검출하는 기준진동수검출부(20)와;
    상기 진동체(13)가 코울리진동할 경우 코울리진동수를 검출하는 코울리진동수검출부(21)와;
    그 코울리진동수검출부(21)에 의하여 검출된 코울리진동수와 상기 기준진동수검출부(20)에 의하여 검출된 기준진동수를 비교하여 그 진동수차이를 계산하고, 상기 진동체(13)가 좌/우측으로 기준진동할 때의 탄성계수와 상기 진동체(13)가 상/하측으로 코울리진동할 때의 탄성계수의 차이를 계산하는 비교연산부(22)와;
    그 비교연산부(22)의 제어에 따라, 기준진동시와 코울리진동시의 상기 진동체(13)의 탄성계수가 코울리진동 방향의 각 지점에서 같아지도록 정현파의 교류전압을 상기 검지전극(15'),(16')에 인가하는 교류전원공급부(23);로 구성되는 요레이트센서의 진동수 교정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 교류전원공급부(23)는 상기 비교연산부(22)에 의하여 계산된 탄성계수의 차이에 해당하도록 조정된 위상을 갖는 교류전압을 상기 검지전극(15'),(16')에 공급하는 것을 특징으로 하는 요레이트센서의 진동수 교정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 교류전원공급부(23)로부터 상기 검지전극(15')에 인가되는 교류전압의 위상과, 상기 교류전원공급부(23)로부터 상기 검지전극(16')에 인가되는 교류전압의 위상은 서로 반대의 위상인 것을 특징으호 하는 요레이트센서의 진동수 교정 장치.
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