KR100363782B1 - Automatic gain control circuit of excitation driving voltage of microgyroscope - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로에 관한 것으로, 본 발명은 마이크로 자이로스코프(10)의 변위변동에 해당하는 전압에 기초하여 가진방향의 구동전압을 비례 제어하는 자동이득제어회로를 구비하여, 온도변화에 따라 구동전압의 직류전압인 직류바이어스전압의 이득을 자동으로 조절하여 온도변화에도 가진방향의 변위를 항상 일정하도록 함으로써, 온도변화에 관계없이 항상 일정한 감도를 유지할 수 있어 보다 안정된 품질을 확보할 수 있는 것이다.The present invention relates to an automatic gain control circuit for an excitation drive voltage of a micro gyroscope. The present invention relates to an automatic gain control circuit for proportionally controlling a driving voltage in an excitation direction based on a voltage corresponding to a displacement variation of the micro gyroscope (10). By automatically adjusting the gain of the DC bias voltage, which is the DC voltage of the driving voltage, according to the temperature change, the displacement in the direction of the excitation is always constant even when the temperature changes, so that a constant sensitivity can be maintained at all times regardless of the temperature change. It is possible to secure stable quality.
Description
본 발명은 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로에 관한 것으로, 특히 온도변화에 따라 구동전압의 직류전압 또는 교류전압의 이득을 자동으로 조절하여 온도변화에도 가진방향의 변위를 항상 일정하도록 함으로써, 온도변화에 관계없이 항상 일정한 감도를 유지할 수 있어 보다 안정된 품질을 확보할 수 있도록한 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로에 관한 것이다.The present invention relates to an excitation drive voltage automatic gain control circuit of a micro gyroscope. In particular, by automatically adjusting the gain of a DC voltage or an AC voltage of a drive voltage according to a temperature change, the displacement of the excitation direction is always constant by changing the temperature. The present invention relates to an automatic gain control circuit with excitation drive voltage of a micro gyroscope that can maintain a constant sensitivity regardless of temperature change.
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.In general, the angular velocity sensor device for detecting the angular velocity of an inertial body has been used as a key component for navigation devices in ships and aircrafts for a long time. It is used in the device to compensate for this. However, the conventional angular velocity sensing gyroscope used for military or aircraft can obtain precise performance because many complicated parts are manufactured through precision machining and assembly process, but the manufacturing cost is high. And, it is a situation that is not applicable to general industrial or consumer electronics because the volume is enlarged.
최근에는 삼각 프리즘 형태의 비임(Beam)에 압전소자를 부착한 소형 자이로스코프를 개발하여 소형 비데오 카메라의 손떨림 감지용 센서로서 사용하고 있으며, 또한, 상기와 같은 압전소자를 부착한 자이로스코프의 제작에 따른 난점을 극복할 수 있도록 개선된 원통형 비임 구조를 갖는 소형 자이로스코프를 개발되고 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.Recently, a small gyroscope with a piezoelectric element attached to a triangular prism-shaped beam has been developed and used as a sensor for detecting hand shake of a small video camera, and also used in the manufacture of a gyroscope with the piezoelectric element as described above. Miniature gyroscopes with improved cylindrical beam structures have been developed to overcome the difficulties. However, since these two types of small gyroscopes are made of small parts that require precision processing, they are difficult to manufacture and have a high cost. In particular, such gyroscopes have many Since it consists of mechanical parts, there is a problem that it is difficult to apply the integrated circuit.
이와같은 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.In such a conventional gyroscope, in order to solve the disadvantage that the upper and lower portions of the vibration structure is unstable movement in the vertical direction, respectively, and the disadvantage that the negative interference effect on the vibration signal detected by the vibration sensing element, FIG. Invented a micro gyroscope as shown in Fig. 1 and filed a patent (Patent Application No .: 1999, 20651).
도 1은 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, 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 외부 프레임(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.1 is a planar structural diagram of a micro gyroscope. Referring to FIG. 1, the structure and operation of the micro gyroscope shown in FIG. 1 are described in detail in Korean Patent Application No. 1999, No. 20651. Briefly describing the structure of the scope, the micro gyroscope has a mass (Mo) installed so as to excite in the first direction (vibration direction) through the spring 23 to the ground fixing portion 20 fixed to four squares. Mass provided so as to have the outer frame 12 and the inside of the outer frame 12 in the third direction (sensing direction) perpendicular to the first direction through the beam spring 13 to the outer frame 12 ( m) an inner frame 110 is provided.
상기한 바와같은 마이크로 자이로스코프에 있어서, 마이크로 자이로스코프의 성능은 입력전압과 패키지내부의 진공도에 따라 결정되는데, 특히 외부온도에 따라 패키지 내부의 진공도가 변화하게 됨에 따라 마이크로 자이로스코프의 Q값을 변하게 되고, 이 경우 입력전압이 일정하다면 마이크로 자이로스코프의 가진변위를 작게 하여 결국 마이크로 자이로스코프의 감도는 이 가진변위에 비례해서 나타나므로 감도는 떨어지게 된다.In the micro gyroscope as described above, the performance of the micro gyroscope is determined by the input voltage and the degree of vacuum inside the package. In particular, the Q value of the micro gyroscope changes as the degree of vacuum inside the package changes according to the external temperature. In this case, if the input voltage is constant, the excitation displacement of the micro gyroscope is made small, so that the sensitivity of the micro gyroscope is proportional to the excitation displacement, and thus the sensitivity is inferior.
다시말해, 온도가 상승하면 마이크로 자이로스코프 패키지 내부의 압력이 상승되고 이에따라 Q값을 떨어뜨려 일정한 가진 구동전압에 의한 가진변위의 크기를 줄어들게 한다. 결과적으로 가진변위의 감소는 마이크로 자이로스코프의 검출감도를 떨어뜨려 마이크로 자이로스코프 전체 감소를 감소시키게 된다. 따라서, 양산시에 제품의 품질산포를 줄이기 위해서는 온도에 따른 진공도의 변화가 있더라도 가진변위를 일정하게 유지할 수 있도록 가진 구동전압의 크기를 조절해야 할 필요가 있다.In other words, as the temperature rises, the pressure inside the micro gyroscope package rises, thereby reducing the Q value, reducing the magnitude of the excitation displacement due to a constant excitation drive voltage. As a result, the reduction of the excitation displacement decreases the sensitivity of the micro gyroscope and thus reduces the overall decrease in the micro gyroscope. Therefore, in order to reduce the quality distribution of the product during mass production, it is necessary to adjust the magnitude of the driving voltage so that the excitation displacement can be kept constant even if the degree of vacuum changes with temperature.
이와같은 가진 구동전압을 조절하는 종래 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로는 도2에 도시된 바와같으며, 도2를 참조하면, 종래 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로는 마이크로 자이로스코프(10)의 가진신호를 반파정류하는 반파정류회로(34)와, 이 반파정류회로(34)의 출력신호를 스무드하게 처리하는 스무팅회로(35)와, 이 스무팅회로(35)의 출력신호에 기초해서 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 검출되어 차동증폭회로(31)를 통한 검출회로(32)의 출력신호에 대한 이득을 조절하는 자동이득제어회로(36)로 이루어져 있다.Excitation drive voltage automatic gain control circuit of a conventional micro gyroscope for controlling such excitation drive voltage is shown in Figure 2, referring to Figure 2, the excitation drive voltage automatic gain control circuit of a conventional micro gyroscope is a micro A half-wave rectifier circuit 34 for half-wave rectifying the excitation signal of the gyroscope 10, a smoothing circuit 35 for smoothly processing the output signal of the half-wave rectifier circuit 34, and the smoothing circuit 35 It consists of an automatic gain control circuit 36 which detects the micro gyroscope 10 and adjusts the gain of the output signal of the detection circuit 32 through the differential amplification circuit 31 based on the output signal.
이와같이 이루어진 종래의 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로는 온도변화등의 환경변화에 따라서 마이크로 자이로스코프의 감도가 달라지기 때문에 이를 일정하게 유지하기 위해서 진동하고 있는 마이크로 자이로스코프의 가진신호를 측정하여 이에 비례하는 신호로 마이크로 자이로스코프의 출력, 즉 감지회로의 출력이득을 조절한다.The excitation drive voltage automatic gain control circuit of the conventional micro gyroscope made as described above measures the excitation signal of the vibrating micro gyroscope in order to maintain the constant since the sensitivity of the micro gyroscope varies according to environmental changes such as temperature changes. As a proportional signal, the output of the micro gyroscope, that is, the output gain of the sensing circuit is controlled.
그러나, 종래 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로는 세라믹 자이로스코프에서는 적당하지만, 진공패키지 되어 있는 마이크로 자이로스코프는 온도변화에 따라 진공패키지의 진공도가 달라지는 이유로, 종래의 방법처럼 감지회로의 출력이득만을 조정하여서는 온도변화에 대응할 수 없으며, 따라서 진공패키지된 마이크로 자이로스코프는 온도변화에 따른 성능을 보상하기 위해서는 자이로가 일정하게 가진되도록 하는 부분과 감지된 전압이 온도에 따른 변동이 작도록 구현되어야 할 필요성이 있으며, 또한 자이로의 가진변위가 일정하게 유지하되 간단하고 쉬운 방법을 구현하여야 할 필요성이 있지만, 종래 마이크로 자이로스코프의 각속도출력 보상회로는 구현상의 어려움이 있는 문제점이 있었다.However, while the automatic gain control circuit of a conventional micro gyroscope is suitable for a ceramic gyroscope, a vacuum packaged micro gyroscope has a different vacuum degree of a vacuum package according to temperature change. It is not possible to adjust the gain alone to respond to temperature changes. Therefore, in order to compensate for the performance due to temperature change, a vacuum packaged micro gyroscope needs to be implemented so that the gyro part has a constant excitation and the sensed voltage changes little with temperature. In addition, there is a need to implement a simple and easy method while maintaining a constant displacement of the gyro, but the angular velocity output compensation circuit of the conventional micro gyroscope has a problem in that it is difficult to implement.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 따라서, 본 발명의 목적은 온도변화에 따라 구동전압의 직류전압 또는 교류전압의 이득을 자동으로 조절하여 온도변화에도 가진방향의 변위를 항상 일정하도록 함으로써, 온도변화에 관계없이 항상 일정한 감도를 유지할 수 있어 보다 안정된 품질을 확보할 수 있도록한 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로를 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and therefore, the object of the present invention is to automatically adjust the gain of the DC voltage or the AC voltage of the driving voltage according to the temperature change, so that the displacement of the excitation direction is always constant even in the temperature change. The present invention provides an automatic drive voltage gain control circuit of a micro gyroscope that can maintain a constant sensitivity regardless of a temperature change to ensure more stable quality.
도 1은 마이크로 자이로스코프의 평면 구조도이다.1 is a planar structural diagram of a micro gyroscope.
도 2는 종래 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어 회로도이다.2 is a circuit diagram of a driving voltage automatic gain control of a conventional micro gyroscope.
도 3은 본 발명의 제1실시예인 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어 회로도이다.3 is an excitation drive voltage automatic gain control circuit diagram of a micro gyroscope according to a first embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제2실시예인 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어 회로도이다.4 is an excitation drive voltage automatic gain control circuit diagram of a micro gyroscope according to a second embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 마이크로 자이로스코프 11 : 내부 프레임10 micro gyroscope 11: internal frame
12 : 외부프레임 13 : 비임 스프링12: outer frame 13: beam spring
14,16 : 감지용 전극고정부 15,17 : 감지용 전극14,16: detection electrode fixing part 15,17: detection electrode
18 : 스토퍼 23 : 가진용 스프링18: stopper 23: spring for excitation
25a,25b : 가진구동용 전극고정부 22,26 : 가진구동용 전극25a, 25b: excitation driving electrode fixing part 22,26: excitation driving electrode
27a,27b : 가진검출용 전극고정부 28,29 : 가진검출용 전극27a, 27b: excitation detection electrode fixing part 28, 29: excitation detection electrode
131 : C/V증폭기 132 : 이득증폭기131: C / V amplifier 132: gain amplifier
133 : 위상시프터 134 : 전압리미터133: phase shifter 134: voltage limiter
135 : 버퍼 136 : 인버터135 buffer 136 inverter
137 : 피크검출기 138 : 감산기137: peak detector 138: subtractor
139 : 자동이득제어기139: automatic gain controller
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로써, 본 발명의 제1 실시예에 해당하는 자동이득제어회로는 마이크로 자이로스코프의 가진검출용 전극고정부의 커패시턴스를 전압으로 변환하여 증폭하는 C/V증폭기; 상기 C/V증폭기의 출력전압의 피크치를 검출하는 피크치검출기; 상기 피크치검출기의 피크치전압과 기준전압과 감산하는 감산기; 상기 감산기의 출력전압에 따라 가진방향에서의 구동전압중 직류전압인 직류 바이어스전압을 비례 제어하는 자동이득제어기;를 구비함을 특징으로 한다.As a technical means for achieving the above object of the present invention, the automatic gain control circuit according to the first embodiment of the present invention is a C for converting the capacitance of the excitation detection electrode fixing part of the micro gyroscope into a voltage to amplify it. / V amplifier; A peak value detector for detecting a peak value of the output voltage of the C / V amplifier; A subtractor subtracting the peak value voltage and the reference voltage of the peak value detector; And an automatic gain controller for proportionally controlling the DC bias voltage, which is a DC voltage, among the driving voltages in the excitation direction according to the output voltage of the subtractor.
또한, 상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로써, 본 발명의 제2 실시예에 해당하는 자동이득제어회로는 마이크로 자이로스코프의 가진검출용 전극고정부의 커패시턴스를 전압으로 변환하여 증폭하는 C/V증폭기; 상기 C/V증폭기의 출력전압의 피크치를 검출하는 피크치검출기; 상기 피크치검출기의 피크치전압과 기준전압과 감산하는 감산기; 상기 감산기의 출력전압을 비례 제어하여 리미터레벨을 조절하는 자동이득제어기; 상기 자동이득제어기의 리미터 레벨전압에 따라 위상시프터의 출력전압을 제한하여 상기 버퍼 및 인버터에 교류전압을 제공하는 전압리미터를 구비함을 특징으로 한다.In addition, as a technical means for achieving the above object of the present invention, the automatic gain control circuit according to the second embodiment of the present invention is amplified by converting the capacitance of the excitation detection electrode fixing part of the micro gyroscope into a voltage A C / V amplifier; A peak value detector for detecting a peak value of the output voltage of the C / V amplifier; A subtractor subtracting the peak value voltage and the reference voltage of the peak value detector; An automatic gain controller controlling the limiter level by proportionally controlling the output voltage of the subtractor; And a voltage limiter for providing an AC voltage to the buffer and the inverter by limiting the output voltage of the phase shifter according to the limiter level voltage of the automatic gain controller.
이하, 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.Hereinafter, an excitation driving voltage automatic gain control circuit of a micro gyroscope according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings referred to in the present invention, components having substantially the same configuration and function will use the same reference numerals.
도 3은 본 발명의 제1실시예인 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어 회로도로서, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 해당하는 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로는 마이크로 자이로스코프(10)의 변위변동을 일정하게 유지시키는 가진전압의 직류성분에 기초하여 가진방향의 구동전압중 직류전압인 직류 바이어스전압을 비례 제어하여 가진방향에서의 온도에 의한 변동을 보상하는 자동이득제어회로를 구비한다.FIG. 3 is an excitation drive voltage automatic gain control circuit diagram of a micro gyroscope according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, an excitation drive voltage automatic gain control circuit of a micro gyroscope according to a first embodiment of the present invention. Based on the direct current component of the excitation voltage for maintaining the displacement variation of the micro gyroscope 10, the proportional control of the direct current bias voltage, which is the direct current voltage, of the driving voltage in the excitation direction to compensate for the fluctuation caused by the temperature in the excitation direction An automatic gain control circuit is provided.
상기 자동이득제어회로는 마이크로 자이로스코프(10)의 가진검출용 전극고정부(27a)의 커패시턴스(Cx)를 전압(Vx)으로 변환하여 증폭하는 C/V증폭기(131)와, 상기 C/V증폭기(131)의 출력전압(Vx)의 피크치(Vp)를 검출하는 피크치검출기(137)와, 상기 피크치검출기(10)의 피크치전압(Vp)과 기준전압(Vref)과 감산하는 감산기(138)와, 상기 감산기(138)의 출력전압(Vref-Vp)에 따라 가진방향에서의 구동전압중 직류전압인 직류 바이어스전압을 비례 제어하는 자동이득제어기(139)를 포함한다.The automatic gain control circuit includes a C / V amplifier 131 for converting and amplifying the capacitance Cx of the excitation detecting electrode fixing part 27a of the micro gyroscope 10 to voltage Vx, and the C / V. A peak value detector 137 that detects the peak value Vp of the output voltage Vx of the amplifier 131, and a subtractor 138 that subtracts the peak value voltage Vp and the reference voltage Vref of the peak value detector 10. And an automatic gain controller 139 for proportionally controlling the DC bias voltage which is the DC voltage among the driving voltages in the excitation direction according to the output voltage Vref-Vp of the subtractor 138.
상기 C/V증폭기(131)는 바람직하게는 차지(charge)증폭기(전하증폭기)로 구성하고, 그리고, 상기 피크치검출기(137)는 바람직하게는 자승-평균-평방근(Root-Mean-Square:RMS) 검출기로 구성한다. 또한, 상기 자동이득제어기(139)는 비례 제어기, 비례-적분 제어기, 비례-미적분 제어기중 하나를 사용하여 구성할 수 있다.The C / V amplifier 131 is preferably configured as a charge amplifier (charge amplifier), and the peak value detector 137 is preferably a root-mean-square (RMS). ) It consists of a detector. In addition, the automatic gain controller 139 may be configured using one of a proportional controller, a proportional-integral controller and a proportional-integral controller.
한편, 본 발명이 적용되는 마이크로 자이로스코프에 있어서, 이 마이크로 자이로스코프에 교류전압(Vac)과 직류전압(Vdc)을 포함하는 가진방향의구동전압(Vdc+Vac,Vdc-Vac)을 버퍼(135)와 인버터(136)에서 각각 제공하는데, 이때 본 발명의 제1 실시예에 해당하는 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득조절회로는 직류전압(Vdc), 즉 직류 바이어스전압에 대해 온도보상을 적용한 것이며, 이하 설명할 본 발명의 제2 실시예에 해당하는 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로는 교류전압(Vac)에 온도보상을 적용한 것이다.Meanwhile, in the micro gyroscope to which the present invention is applied, the excitation direction driving voltages Vdc + Vac and Vdc-Vac including the AC voltage Vac and the DC voltage Vdc are buffered in the microgyroscope. And an inverter 136, respectively, in which the driving voltage automatic gain control circuit of the micro gyroscope corresponding to the first embodiment of the present invention applies temperature compensation to a direct current voltage (Vdc), that is, a direct current bias voltage. The excitation drive voltage automatic gain control circuit of the micro gyroscope according to the second embodiment of the present invention will be described below by applying temperature compensation to the AC voltage Vac.
도 4는 본 발명의 제2실시예인 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어 회로도로서, 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 해당하는 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로는 마이크로 자이로스코프(10)의 변위변동에 해당하는 전압에 기초하여 리미터레벨을 조절하고, 이 조절된 리미터레벨에 따라 가진방향의 구동전압중 교류전압을 제어하여 가진방향에서의 온도에 의한 변동을 보상하는 자동이득제어회로를 구비한다.FIG. 4 is an excitation drive voltage automatic gain control circuit diagram of a micro gyroscope according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, an excitation drive voltage automatic gain control circuit of a micro gyroscope according to a second embodiment of the present invention. Adjusts the limiter level based on the voltage corresponding to the displacement variation of the micro gyroscope 10, and controls the AC voltage among the driving voltages of the excitation direction according to the adjusted limiter level to adjust the variation by temperature in the excitation direction. Compensating automatic gain control circuit.
상기 자동이득제어회로는 마이크로 자이로스코프(10)의 가진검출용 전극고정부(27a)의 커패시턴스(Cx)를 전압(Vx)으로 변환하여 증폭하는 C/V증폭기(131)와, 상기 C/V증폭기(131)의 출력전압(Vx)의 피크치(Vp)를 검출하는 피크치검출기(137)와, 상기 피크치검출기(10)의 피크치전압(Vp)과 기준전압(Vref)과 감산하는 감산기(138)와, 상기 감산기(138)의 출력전압(Vref-Vp)을 비례 제어하여 리미터레벨을 조절하는 자동이득제어기(139)와, 상기 자동이득제어기(139)의 리미터 레벨전압에 따라 위상시프터(133)의 출력전압을 제한하여 상기 버퍼(135) 및 인버터(136)에 교류전압을 제공하는 전압리미터(134)를 포함한다.The automatic gain control circuit includes a C / V amplifier 131 for converting and amplifying the capacitance Cx of the excitation detecting electrode fixing part 27a of the micro gyroscope 10 to voltage Vx, and the C / V. A peak value detector 137 that detects the peak value Vp of the output voltage Vx of the amplifier 131, and a subtractor 138 that subtracts the peak value voltage Vp and the reference voltage Vref of the peak value detector 10. And an automatic gain controller 139 for adjusting the limiter level by proportionally controlling the output voltage Vref-Vp of the subtractor 138, and the phase shifter 133 according to the limiter level voltage of the automatic gain controller 139. The voltage limiter 134 provides an AC voltage to the buffer 135 and the inverter 136 by limiting the output voltage.
상기 C/V증폭기(131)는 상기한 본 발명의 제1 실시예의 구성에서 설명한 바와 동일하게 구성되는 것으로서, 바람직하게는 차지증폭기로 구성하고, 그리고, 상기 피크치검출기(137)는 바람직하게는 자승-평균-평방근(Root-Mean-Square:RMS) 검출기로 구성한다. 또한, 상기 자동이득제어기(139)는 비례 제어기, 비례-적분 제어기, 비례-미적분 제어기중 하나를 사용하여 구성할 수 있다.The C / V amplifier 131 is configured in the same manner as described in the configuration of the first embodiment of the present invention. Preferably, the C / V amplifier 131 is configured of a charge amplifier, and the peak value detector 137 is preferably squared. It consists of a root-mean-square (RMS) detector. In addition, the automatic gain controller 139 may be configured using one of a proportional controller, a proportional-integral controller and a proportional-integral controller.
이와같이 본 발명에서는 온도변화에 대응하여 구동전압의 직류전압 또는 교류전압의 크기를 조절함으로써 가진방향의 변위가 항상 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.As described above, in the present invention, the displacement in the excitation direction can be kept constant at all times by adjusting the magnitude of the DC voltage or the AC voltage of the driving voltage in response to the temperature change.
이와같이 구성된 본 발명의 회로에 따른 동작을 첨부도면에 의거하여 하기에 상세히 설명한다.Operation according to the circuit of the present invention configured as described above will be described in detail below based on the accompanying drawings.
보통, 마이크로 자이로스코프의 성능은 가진방향의 변위, 가진 및 감지모드의 튜닝정도, 진공도에 따라 좌우되는데, 이때 외부의 환경변화, 즉 온도변화에 따라 진공도가 변화될 수 있으며, 이에따라 진동구조물의 감쇠값을 변화시켜 마이크로 자이로스코프의 성능을 변화시키는데, 이때, 마이크로 자이로스코프의 안정된 성능을 보장하기 위해서는 환경변화에 대해 가진방향의 변위를 일정하게 유지하고튜닝정도를 유지시킬 수 있는 방법이 필요하게 되며, 본 발명은 이와같은 가진방향의 변위를 일정하게 유지하기 위한 것이다.In general, the performance of a micro gyroscope depends on the displacement of the excitation direction, the degree of tuning of the excitation and sensing modes, and the degree of vacuum. In this case, the degree of vacuum can be changed according to the external environmental change, that is, the temperature change. By changing the value, the performance of the micro gyroscope is changed. At this time, in order to ensure stable performance of the micro gyroscope, there is a need for a method capable of maintaining a constant displacement in the excitation direction and maintaining a tuning degree against environmental changes. The present invention is intended to maintain a constant displacement in such an excitation direction.
도 1에 도시한 마이크로 자이로스코프는 가진방향의 구동전압에 의해 변위가 발생하는데, 이때 구동전압에 의한 가진방향(X)의 변위(x)는 하기 수학식1에 보인 바와같이 가진방향의 구동전압의 직류전압(Vdc)과 교류전압(Vac)의 곱에 비례한다.In the micro gyroscope shown in FIG. 1, displacement occurs due to the driving voltage in the excitation direction, wherein the displacement x of the excitation direction X due to the driving voltage is the driving voltage in the excitation direction as shown in Equation 1 below. Is proportional to the product of DC voltage (Vdc) and AC voltage (Vac).
여기서, ε는 유전상수, t는 마주보는 빔의 두께, nx는 가진 코옴의 개수, qx는 코옴의 갭, kx는 가진방향의 기계적인 강성이다. 상기한 가진방향의 변위에 해당하는 전압변화는 하기 수학식2에 보인 바와같다.Where ε is the dielectric constant, t is the thickness of the beam facing each other, nx is the number of coils with excitation, qx is the gap of the coils, and kx is the mechanical stiffness in the excitation direction. The voltage change corresponding to the displacement in the excitation direction is as shown in Equation 2 below.
여기서, ncx는 가진 코옴센서의 갯수, gxs는 코옴센서의 갭, Vbx는 코옴센서의 기준전압, Cfx는 C/V증폭기의 피드백 커패시턴스이다.Where ncx is the number of como sensors, gxs is the gap of the comb sensor, Vbx is the reference voltage of the comb sensor, and Cfx is the feedback capacitance of the C / V amplifier.
이와같이, 가진 구동전압의 직류나 교류중 어느 하나를 고정하고 나머지 하나를 제어하면 가진방향의 변위를 일정하게 유지시킬 수 있음을 알 수 있으며, 본 발명의 제1 실시예에 해당하는 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득조절회로는 가진방향의 구동전압중 직류전압(Vdc), 즉 직류 바이어스전압에 대해 온도보상을 적용한 것이며, 그리고, 본발명의 제2 실시예에 해당하는 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득제어회로는 가진방향의 구동전압중 교류전압(Vac)에 온도보상을 적용한 것이다.In this way, it can be seen that by fixing either the direct current or the alternating current of the excitation drive voltage and controlling the other one, the displacement in the excitation direction can be kept constant, and according to the first embodiment of the present invention, The excitation drive voltage automatic gain control circuit is a temperature compensation applied to a direct current voltage (Vdc), that is, a direct current bias voltage among the drive voltages in the excitation direction, and the excitation drive of the micro gyroscope according to the second embodiment of the present invention. The voltage automatic gain control circuit applies temperature compensation to the AC voltage (Vac) among the driving voltages in the excitation direction.
한편, 도3 및 도 4에 도시된 회로중, 마이크로 자이로스코프(10), C/V증폭기(131), 이득증폭기(132), 위상시프트(133), 전압리미터(134), 버퍼(135) 및 인버터(136)로 자기발진회로를 구성하는 것으로서, 이에 대한 구체적인 내용은 본 발명의 출원인에 의해 기출원된 한국 특허출원번호 1999년 제31070호(출원일:'99.7.29)호에 상세하게 설명되어 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 본 발명에서는 생략한다.Meanwhile, among the circuits shown in FIGS. 3 and 4, the micro gyroscope 10, the C / V amplifier 131, the gain amplifier 132, the phase shift 133, the voltage limiter 134, and the buffer 135. And an inverter 136, which constitute a self-oscillating circuit, the details of which are described in detail in Korean Patent Application No. 1999 No. 31070 (filed date: '99 .7.29) filed by the applicant of the present invention. The detailed description thereof is omitted in the present invention.
먼저, 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 해당하는 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득조절회로에 대해서 설명하면 다음과 같다.First, the excitation driving voltage automatic gain control circuit of the micro gyroscope corresponding to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.
도 3에 도시된 마이크로 자이로스코프(10)의 가진검출용 전극고정부(27a)에서 검출되는 가진방향의 변위에 해당하는 커패시터(Cx)는 C/V증폭기(131)에서 전압(Vx)으로 변환된후 증폭되는데, 이 C/V증폭기(131)의 출력전압(Vx)에 대한 피크치가 피크치검출기(137)에서 검출된다. 이후, 기준전압(Vref)과 피크치검출기(137)의 출력전압(Vp)을 감산기(138)가 감산하여 출력한다.The capacitor Cx corresponding to the displacement of the excitation direction detected by the excitation detection electrode fixing part 27a of the micro gyroscope 10 shown in FIG. 3 is converted from the C / V amplifier 131 to the voltage Vx. After amplification, the peak value for the output voltage Vx of the C / V amplifier 131 is detected by the peak value detector 137. Thereafter, the subtractor 138 subtracts and outputs the reference voltage Vref and the output voltage Vp of the peak value detector 137.
그리고, 도 3의 자동이득제어기(139)는 비례-제어기, 비례-적분 제어기 및 비례-미적분 제어기로 구성되는데, 이에따라 상기 자동이득제어기(139)는 구현되는 제어기에 따라 상기 감산기(138)의 출력전압(Vref-Vp)에 대한 비례제어, 비례적분제어, 또는 비례미적분제어를 수행한후 이 수행결과에 의한 직류전압(Vdc)을 직류바이어스전압으로 제공한다. 이와같이 상기 자동이득제어기(139)에 의해서 온도변화에 따른 가진방향의 변위변동을 보상할 수 있는 직류전압이 제공된다.In addition, the automatic gain controller 139 of FIG. 3 includes a proportional controller, a proportional-integral controller, and a proportional-integral controller. Accordingly, the automatic gain controller 139 outputs the subtractor 138 according to a controller implemented. After performing proportional control, proportional integral control, or proportional calculus control on the voltages Vref-Vp, the DC voltage Vdc is provided as the DC bias voltage. In this way, the automatic gain controller 139 is provided with a DC voltage capable of compensating for the displacement variation in the excitation direction according to the temperature change.
이때, 상기 버퍼(135)는 가진방향의 구동전압("Vdc+Vac")을 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25a)로 제공하고, 또한 인버터(136)는 상기 버퍼(135)에서 출력되는 구동전압("Vdc+Vac")에서 위상반전된 가진방향의 구동전압("Vdc-Vac")을 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25b)로 제공한다.At this time, the buffer 135 provides a driving voltage of the excitation direction ("Vdc + Vac") to the excitation drive electrode fixing portion 25a of the micro gyroscope 10, and the inverter 136 is the buffer ( The excitation direction driving voltage ("Vdc-Vac") inverted in phase from the driving voltage "Vdc + Vac" output from 135 is provided to the excitation driving electrode fixing part 25b of the micro gyroscope 10. .
상기한 바와같은 본 발명의 제1실시예에 해당하는 자동이득제어를 위한 피드백루프에 의해서, 최종 마이크로 자이로스코프(10)의 가진방향의 변위는 온도변화등의 환경변화에 관계없이 항상 일정하게 유지되게 되는 것이다.By the feedback loop for the automatic gain control according to the first embodiment of the present invention as described above, the displacement in the excitation direction of the final micro gyroscope 10 is always kept constant regardless of environmental changes such as temperature change. It will be.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 해당하는 마이크로 자이로스코프의 가진 구동전압 자동이득조절회로에 대해서 설명하면 다음과 같다.Next, the excitation drive voltage automatic gain control circuit of the micro gyroscope according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4.
도 4에 도시된 마이크로 자이로스코프(10)의 가진검출용 전극고정부(27a)에서 검출되는 가진방향의 변위에 해당하는 커패시터(Cx)는 C/V증폭기(131)에서 전압(Vx)으로 변환된후 증폭되는데, 이 C/V증폭기(131)의 출력전압(Vx)에 대한 피크치가 피크치검출기(137)에서 검출된다. 이후, 기준전압(Vref)과 피크치검출기(137)의 출력전압(Vp)을 감산기(138)가 감산하여 출력한다.The capacitor Cx corresponding to the displacement of the excitation direction detected by the excitation detection electrode fixing part 27a of the micro gyroscope 10 shown in FIG. 4 is converted from the C / V amplifier 131 to the voltage Vx. After amplification, the peak value for the output voltage Vx of the C / V amplifier 131 is detected by the peak value detector 137. Thereafter, the subtractor 138 subtracts and outputs the reference voltage Vref and the output voltage Vp of the peak value detector 137.
그리고, 도 3의 자동이득제어기(139)는 비례-제어기, 비례-적분 제어기 및 비례-미적분 제어기로 구성되는데, 이에따라 상기 자동이득제어기(139)는 구현되는 제어기에 따라 상기 감산기(138)의 출력전압(Vref-Vp)에 대한 비례제어, 비례적분제어, 또는 비례미적분제어를 수행한후 이 수행결과에 의한 직류전압(Vdc)을 전압리미터(134)에 리미터 레벨전압으로 제공한다. 이와같이 상기 자동이득제어기(139)에 의해서 온도변화에 따른 가진방향의 변위변동을 보상할 수 있는 레벨전압이 제공된다.In addition, the automatic gain controller 139 of FIG. 3 includes a proportional controller, a proportional-integral controller, and a proportional-integral controller. Accordingly, the automatic gain controller 139 outputs the subtractor 138 according to a controller implemented. After the proportional control, the proportional integral control, or the proportional calculus control with respect to the voltages Vref-Vp, the DC voltage Vdc according to this result is provided to the voltage limiter 134 as the limiter level voltage. In this way, the automatic gain controller 139 is provided with a level voltage capable of compensating displacement variation in the excitation direction due to temperature change.
이때, 상기 전압리미터(134)는 자동이득제어기(139)에서 제공되는 리미터 레벨전압에 따라 위상시프터(133)의 출력전압을 제한하여 버퍼(135) 및 인버터(136)에 교류전압(Vac)을 제공한다.At this time, the voltage limiter 134 limits the output voltage of the phase shifter 133 according to the limiter level voltage provided from the automatic gain controller 139 to supply the AC voltage Vac to the buffer 135 and the inverter 136. to provide.
상기 버퍼(135)는 가진방향의 구동전압("Vdc+Vac")을 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25a)로 제공하고, 또한 인버터(136)는 상기 버퍼(135)에서 출력되는 구동전압("Vdc+Vac")에서 위상반전된 가진방향의 구동전압("Vdc-Vac")을 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25b)로 제공한다.The buffer 135 provides a driving voltage ("Vdc + Vac") in the excitation direction to the excitation drive electrode fixing portion 25a of the micro gyroscope 10, and the inverter 136 is the buffer 135 The driving voltage "Vdc-Vac" of the phase direction reversed from the driving voltage "Vdc + Vac" output from the signal is provided to the excitation driving electrode fixing part 25b of the micro gyroscope 10.
상기한 바와같은 본 발명의 제2 실시예에 해당하는 자동이득제어를 위한 피드백루프에 의해서, 최종 마이크로 자이로스코프(10)의 가진방향의 변위는 온도변화등의 환경변화에 관계없이 항상 일정하게 유지되게 된다.By the feedback loop for the automatic gain control according to the second embodiment of the present invention as described above, the displacement in the excitation direction of the final micro gyroscope 10 is always kept constant regardless of environmental changes such as temperature change. Will be.
상술한 바와같은 본 발명에 따르면, 온도변화에 따른 가진방향의 변동을 보상하기 위해 구동전압의 직류전압 또는 교류전압의 이득을 자동으로 조절하여 온도변화에도 가진방향의 변위를 항상 일정하도록 함으로써, 온도변화에 관계없이 항상 일정한 감도를 유지할 수 있어 보다 안정된 품질을 확보할 수 있는 특별한 효과가 있는 것이다.According to the present invention as described above, in order to compensate for the fluctuation of the excitation direction due to the temperature change, by automatically adjusting the gain of the DC voltage or the AC voltage of the driving voltage, the displacement in the excitation direction is always constant even in the temperature change, Regardless of the change, it is possible to maintain a constant sensitivity at all times, which has a special effect of ensuring more stable quality.
이상의 설명은 본 발명의 일실시예에 대한 설명에 불과하며, 본 발명은 그 구성의 범위내에서 다양한 변경 및 개조가 가능하다.The above description is only a description of one embodiment of the present invention, the present invention is capable of various changes and modifications within the scope of the configuration.
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