KR100363781B1 - 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로 - Google Patents

마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로에 관한 것으로, 본 발명에서는 마이크로 자이로스코프의 가진검출용 전극으로부터의 커패시턴스에 해당하는 전압의 위상을 360。로 이동시켜 가진구동용 전극으로 피드백 루프를 형성한 가진용 발진회로부와, 마이크로 자이로스코프로부터 감지되는 커패시턴스에 해당하는 감지전압에 포함된 가진모드에 연성되어 나타나는 전압의 직류성분을 검출하고, 이 검출된 직류성분에 비례하는 바이어스전압을 상기 C/V 증폭기로 공급하는 감지용 검출회로부를 구비하여, 가진모드에서 마이크로 자이로스코프의 고유진동수를 발진시키는 구동용 자기발진회로부를 간단화시키고, 가진모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수를 환경의 변화에 관계없이 항상 자동적으로 일치시키도록 함으로써, 간단한 회로구현으로 제작비를 절감할 수 있으며, 환경변화에 관계없이 감지성능을 최적화시킬 수 있다.

Description

마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로{CIRCUIT FOR SELF-OSCILLATION AND SELF-TUNING OF MICROGYROSCOPE}
본 발명은 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로에 관한 것으로, 특히 가진모드에서 마이크로 자이로스코프의 고유진동수를 발진시키는 구동용 자기발진회로부를 간단화시킴과 동시에, 가진모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수를 환경의 변화에 관계없이 자동적으로 일치시키는 자동튜닝을 구현시킴으로써, 제작비를 절감할 수 있으며, 환경변화에 관계없이 감지성능을 최적화시키는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 알려져 있는 관성체의 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서 장치는 이미 오래전부터 선박, 항공기등에서 항법장치용 핵심부품으로 사용되어 왔으며, 현재는 자동차의 항법장치나, 또는 고배율 비데오 카메라의 손떨림을 검출하여 이를 보상하는 장치에 사용되고 있다.
그러나, 종래 군사용이나 항공기용으로 사용되는 각속도 감지용 자이로스코프는 다수의 복잡한 부품이 정밀가공 및 조립공정등을 통하여 제작되므로 정밀한 성능을 얻을 수 있으나, 제작비용이 많이 들게 되고, 부피가 대형화되어 일반 산업용이나, 민생용 가전제품에는 적용이 불가능한 실정인 것이다.
최근에는 삼각 프리즘 형태의 비임(Beam)에 압전소자를 부착한 소형 자이로스코프를 개발하여 소형 비데오 카메라의 손떨림 감지용 센서로서 사용하고 있는 것이다. 또한, 상기와 같은 압전소자를 부착한 자이로스코프의 제작에 따른 난점을 극복할 수 있도록 개선된 원통형 비임 구조를 갖는 소형 자이로스코프를 개발한바 있다.
그러나, 이와같은 두가지 형태의 소형 자이로스코프는 모두 정밀가공을 필요로하는 소형부품으로 이루어진 관계로, 제작이 어렵게 됨은 물론, 고가의 비용이 소요되는 단점이 있으며, 특히 상기와 같은 자이로스코프는 다수의 기계부품으로 이루어져 있기 때문에, 회로 일체형으로 적용하기가 곤란하게 되는 문제점이 있는 것이다.
기존의 자이로스코프에 있어서, 진동구조물의 상부와 하부가 각각 상하방향의 불안정한 운동을 하는 단점과, 진동감지요소에서 감지되는 진동신호에 부정적인 간섭영향을 초래하게 되는 단점을 해결하기 위해서, 도1에 도시한 바와같은 마이크로 자이로스코프를 발명하여 특허출원(특허출원번호 : 1999년 제20651호)한 바 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 마이크로 자이로스코프의 평면 구조도로서, 도1을 참조하면, 도1에 도시된 마이크로 자이로스코프에 대한 구조 및 동작은 한국특허 출원번호 1999년 제20651호에 상세하게 기재되어 있으며, 이 마이크로 자이로스코프의 구조에 대해서 간단히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 적용될 마이크로 자이로스코프는 사각에 4개로 고정설치된 접지 고정부(20)에 가진용 스프링(23)을 통해 제1 방향(가진방향)으로 가진하도록 설치된 질량(Mo)의 외부 프레임(12)과, 이 외부 프레임(12)의 내측에 상기 외부프레임(12)에 비임 스프링(13)을 통해 제1 방향과 수직방향인 제3 방향(감지방향)으로 가진도록 설치된 질량(m)의 내부 프레임(110)이 설치되어 있다.
상기 외부 프레임(12)의 외측중 가진방향의 외측, 즉 도1상에 좌우 측면에서 소정거리 떨어진 위치에 가진검출용 전극고정부(27a,27b)가 고정 설치되며, 이 가진검출용 전극고정부(27a,27b)와 외부 프레임(12) 사이에는 가진정도를 검출하기 위한 가진검출용 전극(28,29)이 설치되며, 또한 상기 외부 프레임(12)의 외측중 감지방향의 외측, 즉 도1상에서 상하 외측에는 일정거리를 두고 가진검출용 전극고정부(25a,25b)가 각각 설치되고, 이 가진검출용 전극고정부(25a,25b)와 외부 프레임(12) 사이에 가진정도를 증대시키기 위해 구동전압을 인가하기 위한 가진구동용 전극(22,26)이 각각 도1에 도시된 바와같이 설치되어 있다.
그리고, 상기 내부 프레임(11)의 내측에는 감지용 전극고정부(14,16)가 고정설치되고, 이 감지용 전극고정부(14,16)와 내부 프레임(11) 사이에는 도1에 도시된 바와같이 감지용 전극(15,17)이 설치되어 있다.
이와같이 이루어진 마이크로 자이로스코프(10)가 제1 축방향, 즉 가진방향으로 관성체가 일정하게 진동하고 있는 상태에서, 상기 제1 축방향에 대하여 직각인 제2 축방향, 즉 도1에 도시된 바와같은 방향으로 회전에 의한 각속도 입력이 있는 경우에는, 상기 두개의 축에 대하여 직교하는 제3 축방향, 즉 감지방향으로 코리올리힘(Coriolis force)이 발생하게 되는데, 이 코리올리힘을 검출하면 회전 각속도를 검출할 수 있게 되는 것이다.
이와같이 동작하는 수평형 자이로스코프(Lateral gyroscope)는 도1과 같이 제1축 방향인 가진방향의 가진모드와 제3축 방향인 감지방향의 감지모드, 즉 2개의 모드가 존재한다.
먼저, 상기 가진모드는 마이크로 자이로스코프의 외부 프레임(12)이 도3a에 도시한 바와같이 가진방향으로 진동하는 동작모드로서, 이 가진모드에서는 도1에 도시한 마이크로 자이로스코프(10)가 접지 고정부(20)에 가진용 스프링(23)을 통해 일체로 설치된 외부 프레임(12)이 가진방향으로 진동한다.
그리고 상기 감지모드는 가진방향으로 진동하는 마이크로 자이로스코프(10)가 제2축 방향으로 회전 각속도를 받으면, 제1축 방향(가진방향)의 진동과 제2축 방향의 회전 각속도에 의해서 제3축 방향으로 코리올리힘이 발생되는데, 이 코리올리힘에 의해서 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 내부 프레임(11)이 감지방향으로 진동하는 동작모드이다. 여기서, 가진모드에서 외측 프레임(12)의 진동이 크면 감지모드에서 내부 프레임의 진동이 크게 되어, 결국 감지기능이 향상된다.
한편, 외측 프레임(12)의 진동을 크게 하기 위해서 마이크로자이로스코프(10)의 고유진동수를 발진시켜 이 발진주파수를 갖는 구동전압을 가진구동용 전극고정부(25a,25b)로 공급하여야 하는데, 이를 위해서 종래에는 도 2에 도시한 바와같은 구동용 발진회로부(30)를 사용하고 있으며, 그리고, 감지모드에서 감지능력을 향상시키기 위해서는 감지모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수를 일치시켜야 하는데, 이를 위해서 종래에는 도4에 도시한 바와같은 검출용 C/V 증폭기(41,42)의 직류전압을 수동으로 조정하는 방법을 사용하고 있다.
도 2는 마이크로 자이로스코프의 종래 구동용 발진회로부의 구성도로서, 도2를 참조하면, 마이크로 자이로스코프의 종래 구동용 발진회로부(30)는 마이크로 자이로스코프(10)의 가진검출용 전극고정부(27a,27b)를 통한 커패시턴스(C)를 전압으로 변환하여 증폭하는 C/V증폭기(31)와, 이 C/V증폭기(31)에서 출력되는 전압의 주파수를 발진시켜 위상동기시키는 PLL(32)과, 이 PLL(32)의 출력을 증폭하여 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25a)로 공급하는 증폭기(33)와, 이 증폭기(33)의 출력을 위상반전시켜 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25b)로 제공하는 인버터(34)로 이루어져 있다.
이와같이 이루어진 종래 구동용 발진회로부(30)는 마이크로 자이로스코프(10)의 고유진동수를 발진시켜 이 발진주파수를 갖는 전압과 위상 반전된 전압을 각각 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25a,25b)에 각각 공급하는데, 이에따라, 상기 마이크로 자이로스코프(10)는 도3a에 도시한 바와같은 제1축의 가진방향으로의 진동이 증가하게 되며, 이 가진방향으로 마이크로 자이로스코프(10)의 외부 프레임(12)이 크게 진동하는 상태에서, 도1에 도시한 바와같은 제2축 방향의 회전 각속도를 마이크로 자이로스코프(10)가 받으면, 도3b에 도시한 바와같이 제3축의 감지방향으로 가진방향의 진동크기에 비례해서 코리올리힘이 발생됨에 따라, 이 코리올리힘을 받아 내부 프레임(11)은 감지방향으로 크게 진동하게 된다.
따라서, 상기한 바와같이 마이크로 자이로스코프(10)의 가진검출용 전극고정부(28,29)를 통해 검출되는 고유진동수를 발진시켜 이 발진주파수를 갖는 구동전압을 가진구동용 전극고정부(25a,25b)로 공급함에 의해서, 가진방향으로의 진동이 증대되고, 이에따라 코리올리힘도 증대되며, 따라서 감지방향으로의 진동이 증가되도록 하여 마이크로 자이로스코프(10)의 감도향상을 꾀하고 있다.
도 4는 마이크로 자이로스코프의 종래 감지용 검출회로부의 구성도로서, 도 4를 참조하면, 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 두 모드를 튜닝하는 방법은 도4에 도시한 바와같이, 감지용 전극고정부(14,16)를 통한 커패시턴스의 변화를 감지용 C/V 증폭부(41,42)에서 전압의 변화로 변환시켜 증폭하며, 이 감지용 C/V 증폭부(41,42)의 출력전압을 차동증폭기(50)에서 차동 증폭하여 감지전압을 출력하는데, 이때 감지전압에 대한 감지능력을 향상시키기 위해서, 상기 C/V증폭기(41,42)의 직류(DC) 바이어스전압(Vdc)을 수동으로 조절하는 방법이다.
이와 같이 직류 바이어스를 인가하면, 빔양단에서 정전기력(electro-static force)이 발생되고 이 정전기력에 의해서 음의 강성이 발생되며, 이와같이 발생된 음성의 강성은 진동구조물의 기계적인 강성을 감소시켜 고유진동수를 낮추는 효과를 가진다.
상기한 음의 강성을 이용하여 두 모드의 고유진동수를 튜닝하는 방법은 이미 알려져 있을 뿐만 아니라, 널리 이용되고 있다. 그런데 튜닝과정은 전압을 변화시키면서 이와 동시에 마이크로 자이로스코프의 감지신호의 변화를 확인하면서 수동으로 튜닝하는 방법을 사용하고 있는 것이다.
이에 대해서 좀더 구체적으로 설명하면, 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 감지용 전극고정부(14,16)로부터의 커패시턴스의 변화를 전압의 변화로 변환하여 증폭하는 C/V 증폭회로(41,42)를 포함하고 있는데, 이와같은 종래의 C/V 증폭회로(41,42)에는 전원전압(Vcc)을 분할하여 바이어스전압으로 제공하는 저항회로를 포함하고 있으며, 이 저항회로 각각에 포함된 가변저항을 조절하여 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 직류 바이어스전압(Vdc)을 조절하여 감지능력의 향상을 꾀하고 있다. 즉, 종래에 사용하고 있는 방법에 의하면, 가진모드 및 감지모드에서의 공진주파수가 도 5에 도시한 바와같이, 서로 차이가 있게 되는데, 이때 상기 C/V 증폭기(41,42)의 가변저항을 통해서 직류 바이어스전압(Vdc)을 수동으로 조절하여 상기 두 공진주파수를 서로 근접시켜 감지능력의 향상을 도모하고 있다.
그러나, 이와같이 종래에 사용하고 있는 구동용 발진회로부는 내부에 전압제어발진기, 위상검출기, 위상비교기 및 루프필터등 복잡한 회로를 포함하는 PLL과 복수의 증폭기로 이루어지므로, 사용 부품수가 증가하고 회로가 복잡하여 양상공정의 증가, 재료비 증가시키는 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 상기한 C/V 증폭기의 직류 바이어스전압을 수동으로 조절하는 종래 방법은 실험실 수준에서는 가능하지만, 양산시에는 효과적일 수 없으며 양산공정이 늘어나고 공정 담당자의 능력에 따라 마이크로 자이로스코프의 감지능력이 크게 차이가 발생할 수 있고, 또한 구동 및 감지회로를 애직(ASIC)화 하기 때문에 외부에서 조정하는 방법은 수동소자가 불가피하게 요구된다.
또한, 온도변화, 주변회로에 의한 간섭등의 주위환경변화에 따라서 바이어스전압을 재조정하여야 하는 불편함이 있으며, 환경변화에 따라 바이어스를 수동으로 재조정하여야 하므로 제품의 신뢰성이 떨어지며, 또한 재조정을 위한 인력이 필요하게 되는데, 이와같이 마이크로 자이로스코프는 일반적으로 소형 이동체에 탑재되므로, 환경변화에 따라 감시능력을 적절하게 조절한다는 것은 불가능하게 되는등, 마이크로 스코프에 적용되는 종래의 감지회로는 상기한 바와같은 여러 가지 문제점이 있었던 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 따라서, 본 발명의 목적은 가진모드에서 마이크로 자이로스코프의 고유진동수를 발진시키는 구동용 자기발진회로부를 간단화시킴과 동시에, 가진모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수를 환경의 변환에 관계없이 자동적으로 일치시키는 자동튜닝을 구현시킴으로써, 제작비를 절감할 수 있으며, 환경변화에 관계없이 감지성능을 최적화시키는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 마이크로 자이로스코프의 평면 구조도이다.
도 2는 마이크로 자이로스코프의 종래 구동용 발진회로부의 구성도이다.
도3a는 가진모드에서의 마이크로 자이로스코프의 외부프레임 움직임도이고, 도3b는 감지모드에서의 마이크로 자이로스코프의 내부프레임 움직임도이다.
도 4는 마이크로 자이로스코프의 종래 검출용 C/V 증폭기의 구성도이다.
도 5는 종래의 주파수 튜닝시 발생하는 가진 및 감지모드 그래프도이다.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로의 전체구성도이다.
도 7은 도6의 구동용 자기발진회로부의 구성도이다.
도 8은 도6의 자기튜닝 회로부의 구성도이다.
도9는 본 발명에 따른 주파수 튜닝시 발생하는 가진 및 감지모드 그래프도이다.
도10은 감지모드에 연성되어 나타나는 감지전압과 바이어스전압과의 상관그래프도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 마이크로 자이로스코프 11 : 내부 프레임
12 : 외부프레임 13 : 비임 스프링
14,16 : 감지용 전극고정부 15,17 : 감지용 전극
18 : 스토퍼 23 : 가진용 스프링
25a,25b : 가진구동용 전극고정부 22,26 : 가진구동용 전극
27a,27b : 가진검출용 전극고정부 28,29 : 가진검출용 전극
41,44 : 감지용 C/V 증폭기 130 : 구동용 자기발진회로부
131 : 발진용 C/V증폭기 132 : 증폭기
133 : 위상시프터 134 : 전압리미터
135 : 인버터 140 : 자기튜닝 회로부
141 : 합성기 142 : 직류검출기
143 : 증폭기
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로써, 본 발명의 장치는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로에 있어서, 마이크로 자이로스코프의 가진검출용 전극으로부터의 커패시턴스에 해당하는 전압의 위상을 간단한 위상시프터를 이용하여 위상을 이동시켜 마이크로 자이로스코프의 가진구동용 전극고정부로 제공하도록 피드백 루프를 형성한 구동용 자기발진회로부; 마이크로 자이로스코프의 감지용 전극고정부 각각으로부터의 커패시턴스는 C/V 증폭기에서 전압으로 변환되고, 이 C/V증폭기의 출력을 차동증폭하는 차동증폭기로부터의 감지전압에 포함된 가진모드에 연성되어 나타나는 전압의 직류성분을 검출하고, 이 검출된 직류성분에 비례하는 바이어스전압을 상기 C/V 증폭기로 공급하는 감지용 검출회로부; 를 구비함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 자기발진 및 자기튜닝 회로의 전체회로도로서, 도6을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로는 마이크로 자이로스코프(10)의 가진검출용 전극(28)으로부터의 커패시턴스(C)에 해당하는 전압의 위상을 간단한 위상시프터(phase shifter)를 이용하여 위상을 이동시켜 마이크로 자이로스코프(10)의 감지용 전극고정부(14,16)로 제공하도록 피드백 루프를 형성한 구동용 자기발진회로부(130)와, 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 감지용 전극고정부(14,16)로부터의 커패시턴스를 C/V 증폭기(41,42)가 전압으로 변환하여 증폭하고, 이 C/V 증폭기(41,42)의 출력전압을 증폭하는 차동증폭기(50)로부터의 감지전압에 포함된 가진모드에 연성되어 나타나는 전압의 직류성분을 검출하고, 이 검출된 직류성분에 비례하는 바이어스전압을 상기 C/V 증폭기(41,42)로 공급하는 감지용 검출회로부(140)로 구성한다.
도 7은 도6의 구동용 자기발진회로부의 구성도로서, 도7을 참조하면, 상기 구동용 자기발진회로부(130)는 마이크로 자이로스코프의 가진검출용 전극고정부의커패시턴스를 전압으로 변환하여 증폭하는 C/V증폭기(131)와, 상기 C/V증폭기(131)의 출력신호를 소정레벨로 증폭하는 증폭기(132)와, 상기 증폭기(132)의 출력신호의 위상을 시프터시키는 위상시프터(133)와, 상기 위상시프터(133)의 출력전압에 대한 레벨을 제한하여 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25a,25b)에 가진용 구동전압으로 공급하는 전압리미터(134)와, 상기 전압리미터(134)의 주파수의 위상을 반전시켜 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25a,25b)로 공급하는 인버터(135)를 포함한다.
상기 마이크로 자이로스코프(10)와 구동용 자기발진회로부(130)에 의해 형성된 피드백루프에서는 전체위상이 360。만큼 이동되는데, 이에 대해서 예를들면, 상기 구동용 자기발진회로부(130)는 마이크로 자이로스코프를 포함하여 피드백 루프 전체 위상시프트를 360。로 설정하는데, 이때 피드백 루프에 포함되는 마이크로 자이로스코프(10) 자체에서 90°의 위상지연이 발생되고, C/V증폭기(131)에서 180° 위상지연이 발생되므로, 상기 위상시프터(133)는 상기 C/V증폭기(132)의 출력신호의 위상을 90。만큼 지연시키도록 설정할 수 있다.
그리고, 상기 구동용 자기발진회로부(130)는 피드백 루프의 전체이득이 소정레벨이상으로 설정하는데, 이때 피드백 루프의 전체이득이 특정이득이상이 되도록 상기 증폭기(132)는 특정 증폭이득 이상으로 설정한다.
도 8은 도6의 자기튜닝 회로부의 구성도로서, 도8을 참조하면, 상기 감지용 검출회로부(140)는 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 감지용 전극고정부(14,16)로부터의 커패시턴스를 C/V 증폭기(41,42)가 전압으로 변환하여 증폭하고, 이 C/V 증폭기(41,42)의 출력전압을 증폭하는 차동증폭기(50)에서 출력되는 감지전압과 가진전압을 합성하는 합성기(141)와, 상기 합성기(141)에서 출력되는 전압의 직류성분을 검출하는 직류검출기(142)를 포함한다.
상기 감지용 검출회로부(140)는 상기 직류검출기의 출력전압을 소정레벨로 증폭하여 상기 C/V증폭기(41,42)로 공급하는 증폭기(143)를 더 포함한다.
도9는 본 발명에 따른 주파수 튜닝시 발생하는 가진 및 감지모드 그래프도이고, 도10은 감지모드에 연성되어 나타나는 감지전압과 바이어스전압과의 상관그래프도이다.
이와같이 구성된 본 발명의 회로에 따른 동작을 첨부도면에 의거하여 하기에 상세히 설명한다.
본 발명은 마이크로 자이로스코프에 대해서 가진모드에서의 자기발진을 간단한 회로로서 구현하고, 이와 동시에 감지모드에서의 자기튜닝을 감지능력을 최적화시키는 방향으로 자동적으로 수행하는 회로를 구현시킴으로써, 양상공정의 감소,재료비 감소 및 마이크로 자이로스코프의 성능 균일화를 확보할 수 있게 되며, 이에 따라 마이크로 자이로스코프의 신뢰성이 확보되는 것이다. 이에 대해 이하 상세히 설명한다.
먼저, 도1, 도6 및 도7을 참조하여 가진모드에 대한 구동용 자기발진회로부(130)에 대해서 설명하면, 도1의 마이크로 자이로스코프(10)는 가진방향으로 진동이 있으면, 마이크로 자이로스코프(10)의 외부 프레임(12)이 가진방향으로 도3a에 도시한 바와같이 진동을 하게 되며, 이 상태에서 도1에 도시한 바와같은 방향으로 회전 각속도가 입력되면, 감지방향으로 코리올리힘이 발생되어 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 내부프레임(11)이 도3b에 도시한 비와같이 감지방향으로 진동을 하게 된다.
상기 외부 프레임(12)이 가진방향으로 진동을 하면, 외부 프레임(12)과 가진검출용 전극고정부(27a,27b) 사이에 설치된 가진검출용 전극(28,29)간의 마주보는 빔의 길이가 변하게 되어 가진검출용 전극(28,29)에 의해 결정되는 커패시턴스가 변하게 된다.
이와같이 변하는 커패시턴스는 도6 및 도7에 도시된 구동용 자기발진회로부(130)의 C/V 증폭기(131)에서 전압으로 변환된후 증폭되며, 이 C/V 증폭기(131)의 출력전압은 다시 증폭기(132)에서 사전에 설정된 이득으로 증폭된후 위상시프터(133)에서 위상이 지연된다. 이와같이 위상지연된 전압은 전압리미터(134)에서 사전에 설정된 레벨 이상이 제한되어 펄스파형의 전압이 출력되며, 이 펄스파형 전압은 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25a)로 제공되고, 인버터(135)에 의해 반전된 펄스파형 전압은 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25b)로 제공된다.
상기 구동용 자기발진회로부(130)는 마이크로 자이로스코프(10), C/V 증폭기(131), 증폭기(132), 위상시프터(133) 및 전압리미터(134)를 포함하여 피드백 루프를 형성하는데, 이 피드백 루프에서는 위상지연이 360°이고, 이득이 사전에 설정된 특정이득이상으로서 설정되어 특정이득 이상을 가지는 발진조건을 만족하게 되어, 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 고유진동수에 동기된 발진주파수를 갖는 전압이 전압리미터(134)에서 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25a,25b)로 제공된다. 이와같이 본 발명의 구동용 자기발진회로부(130)에 의해서 마이크로 자이로스코프(10)가 가진방향으로 진동이 증가하게 되어 우선적으로 감지효율을 증가시킨다.
또한, 본 발명에 의한 구동용 자기발진회로부(130)는 종래의 발진회로부에 비해서, 회로가 간단하며, 이에따라 양상공정의 감소, 재료비 감소가 가능하게 된다.
다음으로, 도1, 도6, 도8 및 도9를 참조하여 감지모드에 대한 자기튜닝 회로부(140)에 대해서 설명하면, 상기 마이크로 자이로스코프(10)는 상기 설명한 바와같이 감지방향으로 발생된 코리올리힘에 의해서 감지방향으로 진동을 하게 되어, 마이크로 자이로스코프(10)의 내부 프레임(11)이 감지방향으로 도3b에 도시한 바와같이 진동을 하게 되며, 이에따라 내부 프레임(11)과 감지용 전극고정부(14,16) 사이에 설치된 감지용 전극(15,17)간의 거리(do)가 변하게 되어 상기 감지용 전극(15,17)에 의해 결정되는 커패시턴스가 가변된다.
이와같이 마이크로 자이로스코프(10)의 양측에서 가변되는 커패시턴스는 각각 해당 C/V 증폭기(41,42)에서 전압으로 변환된후 증폭되어 출력되는데, 이 C/V 증폭기(41,42)에서 출력되는 전압은 차동증폭기(50)에서 차동증폭된후 자기튜닝 회로부(140)의 합성기(141)로 제공된다.
그리고, 상기 차동증폭기(50)의 출력전압(Vy)에는 코리올리힘에 의해 발생되는 감지전압(Vyc)과 진동구조물의 식각상의 문제로 가진 및 감지모드의 연성에 의해 초래되는 전압(Vye)을 포함하고 있는데, 여기서 상기 감지전압(Vyc)과 가진모드에 연성되어 나타나는 전압(Vye)은 90°의 위상차가 있으며, 그리고 상기 가진모드에 연성되어 나타나는 전압(Vye)과 상기 위상시프터(133)에서 출력되는 가진용 구동전압(Vx)은 서로 동상이다. 따라서, 상기 감지전압(Vyc)과 가진용 구동전압(Vx)은 서로 위상차가 90°이다.
상기 자기튜닝 회로부(140)의 합성기(141)는 상기 구동용 자기발진회로부(130)의 위상시프터(133)에서 출력되는 가진용 구동전압(Vx)과 상기 차동증폭기(50)의 출력전압(Vy)을 합성하면, 상기 가진용 구동전압(Vx)과 상기 감지전압(Vyc)이 서로 상쇄되어 상기 합성기(141)에서는 직류(DC)성분과 상기 전압(Vye)을 포함하는 합성 결과전압(Vye*)만이 출력되어 직류검출기(142)로 제공된다. 이와같이 상기 합성기(141)는 결국 감지전압(Vyc)과 가진모드에 연성되어 나타나는 전압(Vye)을 분리하여 가진모드에 연성되어 나타나는 전압(Vye)만을 추출하게 되는 것이다.
한편, 본 발명이 적용되는 마이크로 자이로스코프(10)는 도10에 보인 바와같이, 상기한 감지모드에 연성되어 나타나는 전압(Vye)과 상기 감지용 C/V 증폭기(41,42)의 직류 바이어스 전압(Vdc) 사이에는 특별한 상관성을 가짐을 확인하게 되었으며, 특히 상기 가진모드에 연성되어 나타나는 전압(Vye)의 피크치, 즉 합성기(141)에서 출력되는 합성 결과전압(Vye*)의 직류성분에 해당하는 직류 바이어스전압(Vdc)을 상기 감지용 C/V 증폭기(41,42)에 공급하는 경우, 도 9에 도시한 바와같이, 감지모드의 공진주파수와 가진모드의 공진주파수가 일치하는 튜닝점임을 확인하게 되었다.
이에 기초해서, 상기 직류검출기(142)는 상기 합성 결과전압(Vye*)의 직류성분을 직류검출기에서 검출하여, 이 직류성분에 비례하는 전압을 출력하며, 이 직류검출기(142)에서 출력되는 전압은 증폭기(143)에서 소정레벨로 증폭된후 상기 감지용 C/V 증폭기(41,42)의 직류 바이어스 전압(Vdc)으로 제공한다.
상기한 바와같이, 수평형 자이로스코프의 감도(sensitivity) 및 분해능(resolution)은 도9에서 보는 것처럼 두 모드의 주파수 튜닝이 정확하게 이루어졌을 경우에 가장 크게 나타나므로, 본 발명에 의하면, 마이크로 자이로스코프(10)의 감도와 분해능이 환경변화에 관계없이 최적화 되는 것이다.
이와같이 본 발명에서는 감지용 C/V 증폭기(41,42)의 직류 바이어스전압을 최적의 튜닝점에 해당하도록 자동적으로 조정하게 되는데, 이때 직류 바이어스 전압의 조정에 따라 가진모드 및 감지모드의 공진주파수가 튜닝되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 감지용 C/V 증폭기(41,42)의 직류 바이어스전압(Vdc)이 조정되면, 전극의 빔양단에서 하기 수학식1에 보인 정전기력이 변한다.
여기서, ε는 유전상수, Is는 마주보는 빔의 길이, t는 마주보는 빔의 두께, ns는 감지단 +와 -에서의 감지빔의 개수, V는 빔에 가해진 전압, d는 빔간의 거리이다.
도4에서 이동체가 미소변위 y만큼 움직이고 감지단에서 커패시턴스의 변화에 따른 전압의 변화를 Vy라 하면 차동증폭기로 구성된 감지단쪽의 변화는 하기 수학식2와 같다.
따라서, 감지단에 인가되는 힘은 상기 수학식1에 수학식2를 대입하여 선형화하면 하기 수학식3과 같이 된다.
상기 수학식3에서 보는 바와같이, 정전기력은 직류 바이어스전압(Vdc)에 의해 음의 강성을 나타낸다. 이 특성을 이용하면, 마이크로 자이로스코프에서 가진모드와 감지모드를 튜닝할 수 있다. 진동 구조물에 있는 빔스프링에 의해 발생하는 가진방향의 기계적 강성을 Kmx, 감지방향의 기계적인 강성을 Kmy라고 하면, 두 방향의 고유 진동수는 하기 수학식4 및 5와 같다.
상기 수학식 4와 5에서 보인 바와같이, fx는 식각후에 고정되지만, fy는 Ke에 의해 변화할 수 있으며, 따라서 기존의 방식은 마주보는 빔에 주어지는 직류 바이어스전압을 외부에서 조정하여 두 방향의 주파수를 튜닝할 수 있게 됨을 알 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로는 도1에 적용시켜 설명하였지만, 본 발명의 회로는 도 1과 같은 마이크로 자이로스코프에 적용되며, 또한 마이크로 자이로스코프의 진동구조물의 형태에 제한되지 않고 감지모드와 가진모드를 가지는 마이크로 자이로스코프에는 적용가능하다.
상술한 바와같은 본 발명에 따르면, 가진모드에서 마이크로 자이로스코프의 고유진동수를 발진시키는 구동용 자기발진회로부를 간단화시키고, 가진모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수를 환경의 변환에 관계없이 항상 자동적으로 일치시키도록 함으로써, 간단한 회로구현으로 제작비를 절감할 수 있으며, 환경변화에 관계없이 감지성능을 최적화시키는 특별한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 다른 효과는 ASIC내에서 발생하는 신호를 이용하여 고유진동수를 자동적으로 튜닝할 수 있게 되어 양상공정의 감소, 재료비 감소 및 마이크로 자이로스코프의 성능 균일화를 확보할 수 있게 되며, 이에 따라 마이크로 자이로스코프의 신뢰성이 확보되는 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 일실시예에 대한 설명에 불과하며, 본 발명은 그 구성의 범위내에서 다양한 변경 및 개조가 가능하다.

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  7. 마이크로 자이로스코프의 감지용 전극고정부 각각으로부터의 커패시턴스를 전압으로 변환하여 증폭하는 C/V 증폭기와, 이 C/V증폭기의 출력을 차동증폭하는 차동증폭기를 포함하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로에 있어서,
    상기 차동증폭기로부터의 감지전압에 포함된 가진모드에 연성되어 나타나는 전압의 직류성분을 검출하고, 이 검출된 직류성분에 비례하는 바이어스전압을 상기 C/V 증폭기로 공급하는 감지용 검출회로부를 포함함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 감지용 검출회로부는
    상기 차동증폭기에서 출력되는 감지전압과 가진전압을 합성하는 합성기;
    합성기에서 출력되는 전압의 직류성분을 검출하여 이 직류전압에 비례하는 바이어스전압을 출력하는 직류검출기; 를 포함함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  9. 제7항에 있어서, 상기 감지용 검출회로부는
    상기 직류검출기의 출력전압을 소정레벨로 증폭하여 상기 C/V 증폭기로 공급하는 증폭기; 를 더 포함함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  10. 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로에 있어서,
    마이크로 자이로스코프의 가진검출용 전극으로부터의 커패시턴스에 해당하는 전압의 위상을 간단한 위상시프터를 이용하여 위상을 이동시켜 마이크로 자이로스코프의 가진구동용 전극고정부로 제공하도록 피드백 루프를 형성한 구동용 자기발진회로부;
    상기 차동증폭기로부터의 감지전압에 포함된 가진모드에 연성되어 나타나는 전압의 직류성분을 검출하고, 이 검출된 직류성분에 비례하는 바이어스전압을 상기 C/V 증폭기로 공급하는 감지용 검출회로부; 를 구비함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  11. 제10항에 있어서, 상기 구동용 자기발진회로부는
    마이크로 자이로스코프의 가진검출용 전극고정부의 커패시턴스를 전압으로 변환하여 증폭하는 C/V증폭기;
    상기 C/V증폭기의 출력신호를 소정레벨로 증폭하는 증폭기
    상기 증폭기의 출력신호의 위상을 시프트시키는 위상시프터;
    상기 위상시프터의 출력전압에 대한 레벨을 제한하여 상기 마이크로 자이로스코프의 가진구동용 전극고정부로 공급하는 전압리미터;
    상기 전압리미터의 주파수의 위상을 반전시켜 상기 마이크로 자이로스코프의 가진구동용 전극고정부로 공급하는 인버터; 를 포함함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  12. 제10항에 있어서, 상기 구동용 자기발진회로부는
    마이크로 자이로스코프를 포함하여 피드백 루프 전체 위상시프트를 360。로 설정함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 위상시프터는
    상기 C/V증폭기의 출력신호의 위상을 설정위상만큼 지연시킴을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  14. 제12항에 있어서, 상기 구동용 자기발진회로부는
    피드백 루프의 전체이득이 소정레벨이상으로 설정함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  15. 제12항에 있어서, 상기 증폭기는
    특정 증폭이득 이상으로 설정함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  16. 제10항에 있어서, 상기 감지용 검출회로부는
    상기 차동증폭기에서 출력되는 감지전압과 가진전압을 합성하는 합성기;
    상기 합성기에서 출력되는 전압의 직류성분을 검출하여 이 직류성분에 비례하는 바이어스전압을 출력하는 직류검출기; 를 포함함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
  17. 제10항에 있어서, 상기 감지용 검출회로부는
    상기 직류검출기의 출력전압을 소정레벨로 증폭하여 상기 C/V 증폭기로 공급하는 증폭기; 를 더 포함함을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프의 자기발진 및 자기튜닝 회로.
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