KR100363784B1 - Microgyrocrope - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가진진동 프레임과 감지 진동 프레임을 각각 분리 구성하여 주파수의 튜닝시 나타나는 왜곡(Veering) 현상을 극소화 할수 있는 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로 그 기술적인 구성은, 외부 프레임(120)의 내측으로 비임 탄성체(130)를 개재하여 내부 프레임(110)이 설치되며, 상기 외부 프레임(120)의 각 모서리부에는 가진방향(X축방향) 가진 가능토록 가진 탄성체(230)가 탄설되고, 상기 외부 프레임의 코움(220) 사이에 배치되어 가진용 구동기(250)(250')를 통해 그 사이에 발생되는 정전 용량의 차이로 부터 가진 상태를 검출할 수 있도록 전극(260)을 설치하는 것을 요지로 한다.The present invention relates to a micro gyroscope capable of minimizing a distortion phenomenon appearing when tuning a frequency by separately configuring an excitation vibration frame and a sensing vibration frame. The technical configuration of the present invention is a beam inside the outer frame 120. An inner frame 110 is installed through the elastic body 130, and an elastic body 230 having an excitation direction (X-axis direction) is installed at each corner of the outer frame 120, and the outer frame 120 is installed. The electrode 260 is provided to detect the excitation state from the difference in capacitance generated between the excitation drivers 250 and 250 ′ disposed between the combs 220.

Description

마이크로 자이로스코프{Microgyrocrope}Micro Gyroscope {Microgyrocrope}

본 발명은 마이크로 구조물로 구성되는 자이로스코프(Microgyrocrope)에서 가진 진동 프레임과 감지 진동 프레임을 각각 분리 구성하여 주파수의 튜닝시 나타나는 왜곡(Veering) 현상을 극소화 할수 있도록한 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로 이는 특히, 외부 프레임의 내측으로 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 내부 프레임이 설치되고, 상기 내부 프레임의 외측에 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 설치되는 외부 프레임에는 가진방향 탄성체를 탄설하여 가진 및 감지모드의 진동을 분리토록 하며, 이에따라 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화하고, 마이크로자이로의 성능을 극대화시킬 수 있도록한 마이크로 자이로스코프에 관한 것이다.The present invention relates to a micro gyroscope that minimizes the distortion phenomenon that occurs when tuning the frequency by separately configuring the vibration frame and the sensing vibration frame in the gyroscope (Microgyrocrope) consisting of a microstructure, in particular, The inner frame is installed inside the outer frame via the sensing direction beam elastic body, and the outer frame installed through the sensing direction beam elastic body outside the inner frame is installed with an excitation elastic body to separate the vibration of the excitation and sensing mode. Accordingly, the present invention relates to a micro gyroscope that minimizes the phenomena generated during frequency tuning of the excitation direction and the sensing direction, and maximizes the performance of the microgyro.

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.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, and is currently used to detect hand shake of a car navigation device or a high magnification video camera. It is used in devices that compensate for this.

그러나, 종래 군사용이나 항공기용으로 사용되는 각속도 감지용 자이로스코프는 다수의 복잡한 부품이 정밀가공 및 조립공정등을 통하여 제작되므로 정밀한 성능을 얻을수 있으나, 제작비용이 많이들게 되고, 부피가 대형화되어 일반 산업용이나, 민생용 가전제품에는 적용이 불가능한 실정인 것이다.However, the conventional angular velocity sensing gyroscope used for military or aircraft can obtain precise performance because many complicated parts are manufactured through precision processing and assembly process, but the manufacturing cost is high, and the volume is enlarged to general industrial use. However, the situation is not applicable to consumer electronics.

최근에는 삼각 프리즘 형태의 비임(Beam)에 압전소자를 부착한 소형 자이로스코프를 개발하여 소형 비데오 카메라의 손떨림 감지용 센서로서 사용하고 있는 것이다. 또한, 상기와같은 압전소자를 부착한 자이로스코프의 제작에 따른 난점을 극복할 수 있도록 개선된 원통형 비임 구조를 갖는 소형 자이로스코프를 개발한바 있다.Recently, a small gyroscope having 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. In addition, there has been developed a small gyroscope having an improved cylindrical beam structure to overcome the difficulties caused by the manufacturing of the gyroscope attached to the piezoelectric element as described above.

그라나, 이와같은 두가지 형태의 소형 자이로스코프는 모두 정밀가공을 필요로하는 소형부품으로 이루어진 관계로, 제작이 어렵게 됨은 물론, 고가의 비용이 소요되는 단점이 있으며, 특히 상기와같은 자이로스코프는 다수의 기계부품으로 이루어져 있기 때문에, 회로 일체형으로 적용하기가 곤란하게 되는 문제점이 있는 것이다.However, since both types of small gyroscopes are made of small parts that require precision machining, they are difficult to manufacture and costly. 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.

한편, 상기와같은 자이로스코프의 원리는 제1 축방향으로 일정하게 진동하거나, 회전하는 관성체가 상기 제1 축방향에 대하여 직각인 제2 축방향에서의 회전에 의한 각속도의 입력을 받을때, 상기 두개의 축에 대하여 직교하는 제3 축방향으로 발생하는 코리올리의 힘(Coriolis force)을 검출함으로써 회전 각속도를 검출하는 것이다.On the other hand, the principle of such a gyroscope is that when the oscillating body is constantly vibrating in the first axial direction, or the rotating inertial body receives an input of the angular velocity by the rotation in the second axial direction perpendicular to the first axial direction, The rotational angular velocity is detected by detecting the Coriolis force occurring in the third axial direction orthogonal to the two axes.

이때, 관성체에 가해지는 힘을 평형시키면 각속도 검출의 정확성이 높아진다. 특히, 신호의 선형성과 대역폭을 넓히려면 힘의 평형방법을 이용한 구조가 바람직하다.At this time, balancing the force applied to the inertial body increases the accuracy of the angular velocity detection. In particular, in order to increase the linearity and bandwidth of a signal, a structure using a force balancing method is preferable.

이와같은 기술과 관련된 종래의 마이크로 자이로스코프의 구성에 있어서는 도 1에 나타낸 바와같이, 프레임(10)의 내부에 코움(20)들이 횡설되는 상태로 감지방향(Y축 방향)으로 다수개 설치되는 한편, 상기 각각의 코움(20) 사이에 + 및 -전극 지지부(30)(30')에 고정되어 지지되는 감지방향(Y축 방향) 감지전극(40)이 상기 코움(20)들 사이에 상호 일정간격 이격 설치되며, 상기 프레임(10)은 그 상하 양측 4군데에 연설되는 감지방향 탄성체(50)를 개재하여, 폭 방향으로 신장되는 진동 구조물(60)과 탄설토록 되고, 상기 진동구조물(60)은 가진용 구동기(70)의 전압의 인가에 의해 가진 작동토록 되며, 이때 상기 진동 구조물의 각 모서리부에는 가진방향 탄성체(80)가 탄설되는 구성으로 이루어진다.In the configuration of a conventional micro gyroscope related to such a technique, as shown in FIG. 1, a plurality of combs 20 are arranged in the sensing direction (Y-axis direction) in a state in which the combs 20 are stowed inside the frame 10. A sensing direction (Y-axis direction) sensing electrode 40 fixed to and supported by the + and − electrode supports 30 and 30 ′ between each comb 20 is mutually constant between the combs 20. Is spaced apart from each other, the frame 10 intersects with the vibration structure 60 extending in the width direction through the sensing direction elastic body 50 that is spoken to the four places on both sides of the upper and lower sides, the vibration structure 60 Silver causes the excitation to operate by the application of the voltage of the excitation driver (70), wherein each corner portion of the vibration structure is made of a configuration in which the excitation elastic body 80 is coalesced.

상기와같은 종래의 자이로스코프는, 가진용 구동기(70)의 교류전압 인가에 의해 진동 구조물(60)이 가진모드(X축 방향)으로 진동하고 있을 때, 상기 자이로스코프의 평면에 수직인 방향(Y축 방향)으로 각속도 입력이 들어오면 감지방향으로 코리올리의 힘(coriolis force)이 발생하여 프레임(10) 내부 구조물을 감지방향으로 움직이고, 이 움직임은 감지빔의 정전용량(capacitance)을 변화시키게 됨으로써, 상기 변화된 정전용량을 측정하여 각속도양을 측정하게 되는 것이다.The conventional gyroscope is a direction perpendicular to the plane of the gyroscope when the vibration structure 60 vibrates in the excitation mode (X-axis direction) by the application of an alternating voltage of the excitation driver 70 ( When the angular velocity input is entered in the Y-axis direction, a Coriolis force is generated in the sensing direction to move the internal structure of the frame 10 in the sensing direction, and this movement changes the capacitance of the sensing beam. In addition, the amount of angular velocity is measured by measuring the changed capacitance.

그러나, 상기와같은 경우 자이로스코프의 프레임(10)에 설치되는 감지방향 탄성체(50)와 가진방향 탄성체(80)를 각각 분리함으로 인한, 감지 및 가진 진동은 줄일수 있는 반면에, 상기 가진 및 감지 방향 탄성체(80)(50)가 한 개의 프레임(10)에 일체로 설치되어, 가진 및 감지의 두방향 모드 주파수 튜닝시 도 2에서와 같이 왜곡(Veering)현상이 발생하게 되는 단점이 있는 것이다.However, in such a case, the sensing and the vibration of vibration caused by separating the sensing directional elastic body 50 and the directional elastic body 80 respectively installed on the frame 10 of the gyroscope can be reduced, while the excitation and sensing Since the directional elastic bodies 80 and 50 are integrally installed in one frame 10, there is a disadvantage in that a phenomena occur in the two-way frequency tuning of excitation and sensing as shown in FIG.

또한, 상기와같은 마이크로 자이로스코프에 있어서는, 한 개의 프레임(10)에 전달되는 가진 및 감지방향 진동에 의해 자이로스코프의 감도 상승에 부정적인 영향을 초래하게 됨은 물론, 각속도 크기에 따른 선형성이 불량해지고, 결과적으로 자이로스코프의 분해능 저하와, 상기 자이로스코프의 수명이 단축되는 등 많은 문제점이 있었던 것이다.In addition, in the micro gyroscope as described above, the excitation and sensing direction vibration transmitted to one frame 10 causes a negative effect on the sensitivity of the gyroscope, as well as poor linearity according to the angular velocity. As a result, there have been many problems such as a decrease in the resolution of the gyroscope and a shortening of the life of the gyroscope.

본 발명은 상기한 바와같은 종래의 여러 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 자이로스코프 외부 프레임의 내측으로 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 내부 프레임이 설치되고, 상기 내부 프레임의 외측에 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 설치되는 외부 프레임에는 가진방향 탄성체를 탄설하여 가진 및 감지모드의 진동을 분리토록 함으로써, 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화할 수 있도록 하며, 마이크로 자이로스코프의 분해능 및 감도 성능을 극대화 시키면서, 상기 자이로스코프의 수명을 가일층 연장시킬 수 있는 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is that an inner frame is installed in a gyroscope outer frame via a sensing direction beam elastic body, and a sensing direction outside the inner frame. In the outer frame installed through the beam elastic body, the excitation direction elastic body is installed to separate the vibration of the excitation and sensing mode, thereby minimizing the phenomena generated during the frequency tuning of the excitation direction and the sensing direction. It is to provide a micro gyroscope that can further extend the life of the gyroscope while maximizing the resolution and sensitivity performance of the micro gyroscope.

도 1은 종래의 마이크로 자이로스코프의 평면 구조도.1 is a plan view of a conventional micro gyroscope.

도 2는 종래의 주파수 튜닝시 발생하는 가진 및 감지모드 그래프도.Figure 2 is a graph of the excitation and detection mode occurring during conventional frequency tuning.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 개략 평면 구성도.3 is a schematic plan view of a micro gyroscope according to the present invention;

도 4는 본 발명의 내부 프레임 양측에 설치되는 스토퍼의 요부 확대 구조도.Figure 4 is an enlarged structural view of the main portion of the stopper provided on both sides of the inner frame of the present invention.

도 5는 본 발명의 주파수 튜닝시 발생하는 가진 및 감지모드 그래프도.5 is a graph showing the excitation and detection mode generated during the frequency tuning of the present invention.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 자이로스코프의 평면 구조도.Figure 6 is a plan view of a micro gyroscope according to another embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100...자이로스코프 장치 110...내부 프레임Gyroscope unit 110 Internal frame

120...외부 프레임 130...비임 탄성체120 ... outer frame 130 ... beam elastomer

140,160...전극 지지부 150...코움140,160 electrode support 150 comb

170...감지전극 180...스토퍼170 sensing electrode 180 stopper

220...코움 230,270...가진 탄성체220 ... comb 230,270 ... with elastomer

250,250'...가진용 구동기 260...전극250,250 '... Vibration driver 260 ... Electrode

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 외부 프레임의 내측으로 가진 가능토록 설치되는 내부 프레임;The present invention as a technical configuration for achieving the above object, the inner frame is installed so as to have an inner side of the outer frame;

상기 내부 프레임 내부 양측에 횡설되어 감지방향(Y축방향)으로 다수개 설치되는 코움;A comb that is installed on both sides of the inner frame and installed in a sensing direction (Y-axis direction);

상기 각각의 코움들 사이에 일정간격 이격되는 상태로 배치되어 상,하측 전극 지지부에 고정 지지되는 감지방향 감지전극;A sensing direction sensing electrode disposed to be spaced apart from each other by the combs to be fixed to the upper and lower electrode supporting parts;

상기 내부 프레임과 외부 프레임 사이에 감지방향 가진 가능토록 설치되는 비임 탄성체;A beam elastic body installed between the inner frame and the outer frame to have a sensing direction;

상기 외부 프레임의 모서리부에 탄설되어 가진방향(X축방향) 가진 가능토록 설치되는 가진 탄성체;An excitation elastic body installed in the corner portion of the outer frame so as to have an excitation direction (X-axis direction);

상기 외부 프레임의 양측에 다수개 설치되는 코움; 및Combs installed on both sides of the outer frame; And

전압의 인가에 의해 가진작동되는 가진용 구동기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프를 마련함에 의한다.By providing a micro gyroscope, characterized in that it comprises a drive for the excitation actuated by the application of voltage.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 개략 평면 구성도이고, 도 4는 본 발명의 내부 프레임 양측에 설치되는 스토퍼의 요부 확대 구조도로서, 본 발명의 자이로스코프 장치(100)에서 진동 구조물은 코리올리 감지부를 갖는 내부프레임(110)와, 외부 프레임(120) 및 상기 외부 프레임(120)의 양측에 설치되는 가진용 구동기(250) (250')로 구성된다.Figure 3 is a schematic plan view of the micro gyroscope according to the present invention, Figure 4 is an enlarged structural diagram of the main portion of the stopper installed on both sides of the inner frame of the present invention, the vibration structure in the gyroscope device 100 of the present invention is a Coriolis An inner frame 110 having a sensing unit, an outer frame 120 and an excitation driver 250 and 250 ′ installed on both sides of the outer frame 120.

상기 자이로스코프 장치(100)의 내부 질량부인 내부 프레임(110)은, 외부 프레임(120)의 내측 전후 및 좌우측 4군데에 비임 탄성체(130)를 상기 외부 프레임(120)과 일체로 감지방향(Y축방향) 가진 가능토록 평행하게 탄설하며, 이때 상기 내부 프레임(110)은, 그 내부에 양측으로 코움(150)들이 횡설되는 상태로 Y축 방향으로 다수개 설치되는 한편, 상기 각각의 코움(150)들 사이에는 + 및 - 전극으로 구성되는 상,하측 전극 지지부(140)(160)에 고정되어 지지토록 감지방향(Y축 방향) 감지전극(170)이 소정의 간격으로 이격되는 상태로 각각 배치된다.The inner frame 110, which is an inner mass part of the gyroscope apparatus 100, detects the beam elastic body 130 integrally with the outer frame 120 at four inner, front, rear, and left and right sides of the outer frame 120. Axial direction) and as far as possible in parallel, wherein the inner frame 110, a plurality of combs 150 are installed in the Y-axis direction while the combs 150 on both sides therein, while each of the combs 150 ) Is fixed to the upper and lower electrode support parts 140 and 160 composed of + and − electrodes, and the sensing electrodes 170 are spaced at predetermined intervals so as to support the sensing direction (Y-axis direction). do.

상기 진동 구조물인 외부 및 내부 프레임(120) (110) 사이의 4군데에 설치되는 비임 탄성체(130)는, 상기 내부 프레임(110)의 양측에 설치된 + 및 - 전극 지지부(140)(160)를 통한 전압의 인가시, 전극 지지부(140)(160)에 빗살 형태로 설치되는 수직방향 감지전극(170)과 진동 구조물인 프레임의 코움(150)들 사이에서 발생되는 정전력에 의해, 상기 내부 프레임(110)이 가진될 경우, 감지방향의 연성을 최소화할 수 있도록 하며, 이때 상기 내부 프레임(110)의 코움(150)들과 + 및 - 전극 지지부(140)(160)의 감지방향 감지전극(170) 사이에 발생되는 정전 용량의 차이로 부터 가진 상태를 검출할 수 있도록 하면서, 진동 구조물인 상기 내부 프레임(110) 및 이와 비임 탄성체(130)를 개재하여 연설된 외부 프레임(120)이 코리올리의 힘에 의해서 감지 방향(수직방향)으로 운동하는 것을 억제하는 역할을 한다.The beam elastic body 130 installed at four positions between the outer and inner frames 120 and 110 which are the vibration structures has + and − electrode support parts 140 and 160 installed at both sides of the inner frame 110. When the voltage is applied, the inner frame is formed by the electrostatic force generated between the vertical sensing electrode 170 installed in the shape of the comb in the electrode support unit 140 and 160 and the combs 150 of the frame which is a vibration structure. When the 110 is excited, it is possible to minimize the ductility of the sensing direction, wherein the comb 150 of the inner frame 110 and the sensing direction sensing electrode of the + and − electrode supports 140 and 160 ( 170, the outer frame 120, which is communicated via the inner frame 110 and the beam elastic body 130, which is a vibration structure, can be detected from the difference in capacitance generated between the coriolis. Movement in the sensing direction (vertical direction) It acts as a deterrent.

한편, 상기 내부 프레임(110)의 양측 중앙에는 도3 및 도 4에서와 같은 스토퍼(180)가 설치되어, 상기 내부 프레임(110)의 코움(150)들과 + 및 - 전극 지지부(140)(160)의 감지방향 감지전극(170) 사이에서 발생되는 진동에 의해코움(150)과 감지전극(170)이 접촉되는 현상을 방지하게 되며, 이때 상기 스토퍼(180)의 간격(t)은 내부 프레임(110)의 코움(150)과, 전극 지지부(140)(160)의 감지전극(170) 사이의 이격거리 이하로 설정한다.Meanwhile, stoppers 180 as shown in FIGS. 3 and 4 are installed at the centers of both sides of the inner frame 110, and the combs 150 and the + and − electrode support parts 140 of the inner frame 110 are installed. The contact between the comb 150 and the sensing electrode 170 is prevented by the vibration generated between the sensing direction sensing electrodes 170 of the 160. In this case, the interval t of the stopper 180 is an internal frame. The distance between the comb 150 of the 110 and the sensing electrode 170 of the electrode support 140 and 160 is set to be equal to or less than a distance.

계속해서, 상기 감지방향 비임 탄성체(130)를 개재하여 내부 프레임(110)의 외측에 설치되는 외부 프레임(120)은, 각각의 모서리부에 가진 탄성체(230)를 통해 가진방향(X축방향)으로 가진 가능토록 탄설되는 상태에서, 상기 외부 프레임(120)의 양측에는 다수의 코움(220)이 설치된다.Subsequently, the outer frame 120 installed outside the inner frame 110 via the sensing direction beam elastic body 130 has an excitation direction (X-axis direction) through the elastic members 230 having respective corner portions. In such a state that it is possible to have a snow, a plurality of comb 220 is installed on both sides of the outer frame 120.

상기 외부 프레임(120)에 설치되는 코움(220)은, 전압의 인가에 의해 가진작동되는 가진용 구동기(250)(250')에 형성되는 전극(260)들 사이에 소정의 갭(gap)을 형성하면서 배치되며, 상기 외부 프레임(120)의 코움(220)과 가진용 구동기(250)(250')에 형성된 코움(260) 사이에 발생되는 정전력에 의해 외부 프레임(120)이 가진 되거나, 외부 프레임의 코움(220)과 가진용 구동기(250)(250')의 전극(260) 사이에 발생되는 정전 용량의 차이로 부터 가진 상태를 검출할 수 있도록 된다.The comb 220 installed in the outer frame 120 fills a gap between the electrodes 260 formed in the excitation driver 250 or 250 ′ which is operated by the application of a voltage. The outer frame 120 is excited by an electrostatic force generated between the comb 220 of the outer frame 120 and the comb 260 formed on the excitation driver 250, 250 ′, or The excitation state can be detected from the difference in capacitance generated between the comb 220 of the outer frame and the electrodes 260 of the excitation drivers 250 and 250 ′.

이때, 상기 외부 프레임(120)을 좌우, 수평방향(X축 방향)으로 가진 시키는 가진용 구동기(250)(250')는, 상기 외부 프레임(120)의 폭방향과 평행하게 배치되며, 상기 가진용 구동기(250)(250')에 형성되는 다수의 전극(260)들은 외부 프레임(120)의 코움(220) 사이에 배치된다.At this time, the excitation driver 250, 250 'to have the outer frame 120 in the left and right, horizontal direction (X-axis direction) is disposed in parallel with the width direction of the outer frame 120, the excitation The plurality of electrodes 260 formed in the dragon drivers 250 and 250 ′ are disposed between the combs 220 of the outer frame 120.

한편, 도 5는 본 발명의 주파수 튜닝시 발생하는 가진 및 감지모드 그래프도로서, 판 탄성체로 구성되는 가진 탄성체(230)는, 상기 외부 프레임(120)의 가진용구동기(250)(250')의 + 및 - 전압의 인가에 의한 가진 모드에서 가진될때, 상기 가진 탄성체(230)에 의해 가진 모드에서의 연성이 흡수되며, 이에따라 감지방향의 변위를 거의 없앨수 있도록 하여 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화할 수 있는 것이다.On the other hand, Figure 5 is a graph of the excitation and detection mode generated during the frequency tuning of the present invention, the excitation elastic body 230 is composed of a plate elastic body, the excitation actuators 250, 250 'of the outer frame 120 When excited in the excitation mode by the application of + and − voltages, the ductility in the excitation mode is absorbed by the excitation elastic body 230, and thus the frequency tuning of the excitation direction and the detection direction can be almost eliminated. It is possible to minimize the phenomenon of Peering (Veering) generated at the time.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 마이크로 자이로 스코프의 평면 구성도로서, 가진 진동프레임인 외부 프레임(120)의 각각의 모서리부에 탄설되는 가진 탄성체(230)의 후방으로 이와 일체로 별도의 가진 탄성체(270)를 각각 탄설하여, 감지단에 가진방향의 변위 발생량을 최소화할 수 있도록 한다.On the other hand, Figure 6 is a plan view of a micro gyroscope according to another embodiment of the present invention, it is integral with the rear of the excitation elastic body 230 which is installed in each corner of the outer frame 120 which is an oscillation frame Each of the separate excitation elastic body 270 is installed so as to minimize the amount of displacement in the excitation direction in the sensing end.

상기와같은 경우, 가진방향의 진동이 가진 탄성체(230)에서 1차 흡수된후, 그 후방에 일체로 설치되는 가진 탄성체(270)에서 재차 진동을 흡수하여, 가진방향의 변위발생량이 극소화 될 수 있도록 하며, 이에따라 판 스프링으로 구성되는 가진탄성체(230)(270)를 상호 평행하게 연결시킴으로 인하여, 가진 탄성체의 강성 조절이 용이하게 이루어지게 된다.In such a case, after the vibration in the excitation direction is first absorbed by the elastic body 230, the vibration is absorbed again by the excitation elastic body 270 integrally installed at the rear thereof, so that the amount of displacement in the excitation direction can be minimized. Accordingly, by connecting the excitation elastic body 230, 270 consisting of a leaf spring in parallel with each other, it is easy to control the stiffness of the excitation elastic body.

이하, 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operation of the micro gyroscope according to the present invention will be described.

도 5에 도시한 바와같이, 질량 M을 갖는 진동 구조물인 내부 프레임(110)과, 그 양측에 질량 M/2을 갖는 진동 구조물인 2개의 외부 질량부를 갖는 외부 프레임(120)은, 가진방향(X축 방향)으로 가진 탄성체(230) 및 감지방향(Y축 방향)으로 비임 탄성체(130)가 각각 분리되어 있다. 상기와같은 진동계에서 X축 방향으로 진동 구조물을 가진시키는 외력(f)은 다음식으로 표시할 수 있다.As shown in Fig. 5, the inner frame 110, which is a vibration structure having a mass M, and the outer frame 120, which has two outer mass parts, which are vibration structures having a mass M / 2 on both sides thereof, have an excitation direction ( The elastic body 230 in the X-axis direction) and the beam elastic body 130 are separated in the sensing direction (Y-axis direction), respectively. In the vibration system as described above, the external force f for exciting the vibration structure in the X-axis direction can be expressed by the following equation.

이때 진동 구조물의 X축 방향 운동의 변위(X) 및 속도(V)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.At this time, the displacement (X) and the speed (V) of the X-axis motion of the vibration structure can be expressed as follows.

상기 식에서는 X축 방향의 변위,는 X축 방향의 진동 구조물의 속도이다.In the above formula Is the displacement in the X axis direction, Is the velocity of the vibrating structure in the X axis direction.

입력되는 각속도에 비례하여 발생되는 코리올리의 힘에 의해 Y축 방향으로 발생되는 변위는,The displacement generated in the Y-axis direction by the Coriolis force generated in proportion to the input angular velocity,

로 계산된다.Is calculated.

상기 식에서,Where

는 X축 방향 및 Y축 방향에 대한상수이며,는 입력 각속도이다. And For the X-axis and Y-axis directions Constant Is the input angular velocity.

따라서,의 변위를 검출하면 관성체의 회전 각속도를 측정할 수 있다.therefore, The displacement angular velocity of the inertial body can be measured by detecting the displacement

본 발명의 자이로스코프 장치(100)에서 질량 M은 진동 구조물의 질량인 M 및 M/2에 각각 해당되며, 가진용 구동기(250)(250')에 고유 진동수에 해당하는 교류 전압을 인가하면, 코움간의 정전력에 의해 X축 방향으로의 진동이 발생하게 된다.In the gyroscope device 100 of the present invention, the mass M corresponds to M and M / 2, which are the mass of the vibration structure, respectively, and when an AC voltage corresponding to the natural frequency is applied to the excitation drivers 250 and 250 ′, The electrostatic force between the combs causes vibration in the X-axis direction.

이러한 정전력에 의한 가진용 구동기(250)(250')의 정전력은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.The constant power of the excitation drivers 250 and 250 ′ by the constant power may be expressed by the following equation.

상기 식에서는 구동력이며, ε은 공기의 유전상수,는 코움의 두께,는 코움의 쌍의 갯수,는 구동전압,는 코움사이의 거리이다.In the above formula Is the driving force, ε is the dielectric constant of air, Is the thickness of the comb, Is the number of pairs of combs, Is the driving voltage, Is the distance between the combs.

상기와 같은 구동력을 받는 진동 구조물은 고유 진동수에 따른 진동을 하게 되며, 이러한 고유 진동수의 진동을 유지하기 위하여 감지된 운동을 기준으로 불안정 발진 제어 조건을 만족하는 전압을 발생시켜 가진용 구동기(250)(250')를 작동시키는 것이다.The vibration structure receiving the driving force as described above is to vibrate according to the natural frequency, in order to maintain the vibration of the natural frequency by generating a voltage that satisfies the unstable oscillation control condition based on the detected motion 250 To operate 250 '.

발진하는 진동 구조물에 회전 각속도가 입력되면 상기 진동 구조물은 X축 방향으로 진동 운동을 하면서, 동시에 Y축 방향으로 변위하게 된다. 이러한 변위는 + 및 - 전극 지지부(140)(160)의 감지전극(170)과 진동 구조물인 내부 프레임(110)의 코움(150)들 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 유발하게 된다.When the rotational angular velocity is input to the oscillating oscillation structure, the oscillation structure vibrates in the X-axis direction and is simultaneously displaced in the Y-axis direction. This displacement causes a change in capacitance formed between the sensing electrodes 170 of the + and − electrode supports 140 and 160 and the combs 150 of the inner frame 110, which are vibration structures.

상기 감지전극(170)은 도 3에서와 같이, 전극 지지부(140)(160)를 통해 양극과 음극으로 구성되며, 양극의 정전용량과 음극의 정전용량의 변화는 서로 반대로발생하므로, 상기 양극 및 음극 감지전극에서 발생하는 정전용량의 차이를 계산하면 Y축 방향으로의 진동 구조물의 변위를 감지할 수 있다.The sensing electrode 170 is composed of a positive electrode and a negative electrode through the electrode support portions 140 and 160 as shown in FIG. 3, and the change in the capacitance of the positive electrode and the negative electrode occurs opposite to each other. The displacement of the vibrating structure in the Y-axis direction can be detected by calculating the difference in capacitance generated from the cathode sensing electrode.

양 전극 사이의 정전용량의 차이는 다음의 식으로 계산된다.The difference in capacitance between the two electrodes Is calculated by the following equation.

상기 식에서,는 감지전극(170)의 쌍의 수,은 공기의 유전 상수,는 감진전극의 길이, t는 진동 구조물인 내부 프레임(110)의 코움(150)과 전극 지지부(140)(160)의 감지전극(170)이 서로 마주보는 두께,는 감지전극과 진동 구조물의 간극이다.Where Is the number of pairs of sensing electrodes 170, Is the dielectric constant of air, Is the length of the sensing electrode, t is the thickness of the comb 150 of the inner frame 110 and the sensing electrode 170 of the electrode support 140, 160 that is a vibrating structure facing each other, Is the gap between the sensing electrode and the vibrating structure.

정전용량의 변화를 검출하는 일반적인 회로를 사용할 경우, 상기 정전용량의 변화에 비례하는 전압 신호를 검출할 수 있게 됨으로써, 결과적으로 각속도 신호를 검출할수 있게 된다.When a general circuit for detecting a change in capacitance is used, it is possible to detect a voltage signal proportional to the change in capacitance, and as a result, an angular velocity signal can be detected.

다른한편, 자이로스코프의 성능을 결정하는 공통적인 중요 인자로서, 코리올리의 힘에 의한 Y축 방향으로의 변위를 최대화 하기 위하여, X축 방향과 Y축 방향의 고유 진동수를 일치시킬 필요가 있다.On the other hand, as a common important factor in determining the performance of the gyroscope, it is necessary to match the natural frequency in the X-axis direction and the Y-axis direction in order to maximize the displacement in the Y-axis direction by the Coriolis force.

본 발명에서는 상기 감지전극(170)에 의해서 발생되는 정전력에 의하여 Y축 방향의 강성이 영향을 받으므로, 그 정전력을 이용하여 고유 진동수를 조정할 수 있게 되며, Y축 방향의 고유 진동수는 다음의 식으로 표시한다.In the present invention, since the stiffness in the Y-axis direction is affected by the electrostatic force generated by the sensing electrode 170, it is possible to adjust the natural frequency by using the electrostatic force, the natural frequency in the Y-axis direction is It is expressed by the formula

상기 식에서,는 보 탄성체의 상수이고,은 감지전극과 진동 구조물인 코움 사이의 정전력에 의해 발생되는 탄성체 상수이다.Where Is the constant of the beam elastomer, Is the elastic constant generated by the electrostatic force between the sensing electrode and the comb which is the vibration structure.

은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다. Can be expressed as

상기 식에서는 감지전극에 인가되는 편류 전압(bias voltage)이다.In the above formula Is a bias voltage applied to the sensing electrode.

상기 편류 전압을 조정하여 Y축 방향의 고유 진동수를 X축 방향의 고유 진동수와 일치시킬 수 있다.The drift voltage may be adjusted to match the natural frequency in the Y-axis direction with the natural frequency in the X-axis direction.

이때, 상기와 같은 방법으로 감지전극의 편류 전압을 변화시키면 자이로스코프의 출력변화를 야기하므로, 다른 방법에 의해 감지전극의 편류 전압은 고정시키고, 별도의 고유 진동수 조정용 전극을 사용하여 정확한 조정을 할 수 있는 것이다.In this case, if the drift voltage of the sensing electrode is changed in the same manner as above, the output of the gyroscope is changed. Therefore, the drift voltage of the sensing electrode is fixed by another method, and an accurate adjustment can be performed by using a separate natural frequency adjusting electrode. It can be.

따라서, 가진용 구동기(250)(250')의 + 및 - 전압의 인가에 의한 가진 모드에서 가진될때, 상기 가진 탄성체(230)에 의해 가진 모드에서의 연성이 흡수되면서 그 후방의 가진 탄성체(270)에 의해 재차 진동에 의한 연성이 흡수되며, 이에따라 감지방향의 연성이 비연성이 되어 그 변위를 거의 없앨수 있게 되고, 따라서 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화할 수 있는 것이다.Thus, when excited in the excitation mode by the application of the + and − voltages of the excitation drivers 250 and 250 ', the ductility in the excitation mode by the excitation elastic body 230 is absorbed and the excitation elastic body 270 behind it. ), The ductility caused by the vibration is absorbed again, and thus the ductility of the sensing direction becomes non-combustible so that the displacement can be almost eliminated, thus minimizing the phenomena generated during the frequency tuning of the excitation direction and the sensing direction. It is.

이상과 같이 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프에 의하면, 자이로스코프 외부 프레임의 내측으로 감지방향 비임 탄성체를 개재하여 내부 프레임을 설치되고, 상기 내부 프레임의 외측에 설치되는 외부 프레임에는 가진방향 가진 탄성체를 탄설하여 가진 및 감지모드의 진동을 분리토록 하여, 가진방향과 감지방향의 주파수 튜닝시 발생되는 왜곡(Veering) 현상을 극소화할 수 있도록 하며, 마이크로 자이로스코프의 분해능 및 감도 성능을 극대화 시키면서, 상기 자이로스코프의 수명을 가일층 연장시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.According to the micro gyroscope according to the present invention as described above, the inner frame is installed inside the gyroscope outer frame via the sensing direction beam elastic body, the outer frame is installed on the outer side of the inner frame, the excitation direction elastic body By separating the vibration of the excitation and sensing mode, it is possible to minimize the phenomena generated during the frequency tuning of the excitation direction and the detection direction, and to maximize the resolution and sensitivity performance of the micro gyroscope, the gyroscope There is an excellent effect that can further extend the life of.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.While the invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, it will be appreciated that various changes and modifications can be made in the art without departing from the spirit or scope of the invention as set forth in the following claims. Those of ordinary skill will want to know easily.

Claims (6)

삭제delete 외부 프레임(120)의 내측에 일체로 가진 가능토록 설치되는 내부 프레임(110);An inner frame 110 installed to be integrally provided inside the outer frame 120; 상기 내부 프레임(110) 내부 양측에 횡설되어 감지방향으로 다수개 설치되는 코움(150);A comb 150 which is installed on both sides of the inner frame 110 and installed in a sensing direction; 상기 각각의 코움(150)들 사이에 소정간격 이격되는 상태로 배치되어 상,하측 전극 지지부(140)(160)에 고정 지지되는 감지방향 감지전극(170);A sensing direction sensing electrode 170 disposed between the combs 150 at predetermined intervals and fixedly supported by the upper and lower electrode support parts 140 and 160; 상기 내부 프레임(110)과 외부 프레임(120) 사이에 감지방향 가진 가능토록 설치되는 비임 탄성체(130);A beam elastic body 130 installed between the inner frame 110 and the outer frame 120 to have a sensing direction; 상기 외부 프레임(120)에 탄설되어 가진방향(X축방향) 가진 가능토록 설치되는 제1 가진 탄성체(230);A first exciting elastic body 230 installed in the outer frame 120 so as to have an exciting direction (X-axis direction); 상기 외부 프레임의 양측에 다수개 설치되는 코움(220); 및A comb 220 installed on both sides of the outer frame; And 전압의 인가에 의해 가진작동되는 가진용 구동기(250)(250')를 포함하고,Excitation drivers 250 and 250 ′ actuated by application of a voltage, 상기 내부 프레임(110)에는 스토퍼(180)가 설치되어, 상기 내부 프레임(110)의 코움(150)들과 전극 지지부(140)(160)의 감지방향 감지전극(170) 이 접촉되는 현상을 방지토록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.A stopper 180 is installed in the inner frame 110 to prevent the comb 150 of the inner frame 110 and the sensing direction sensing electrode 170 of the electrode support 140 or 160 from contacting each other. Micro gyroscope, characterized in that. 제 2항에 있어서, 상기 스토퍼(180)의 간격(t)은, 내부 프레임(110)의 코움(150)과, 전극 지지부(140)(160)의 감지전극(170) 사이의 이격거리 이하로 설정됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.The distance t of the stopper 180 is equal to or less than a separation distance between the comb 150 of the inner frame 110 and the sensing electrode 170 of the electrode support 140 or 160. Micro gyroscope, characterized in that set. 제 2항에 있어서, 상기 외부 프레임(120)에 설치된 가진 탄성체(230)는, 박스형 판 스프링으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.The gyroscope according to claim 2, wherein the elastic body (230) provided in the outer frame (120) is composed of a box-shaped leaf spring. 제 2항에 있어서, 상기 외부 프레임(120)에 탄설되어 가진방향(X축방향) 가진 가능토록 설치되는 가진 탄성체(230)의 후방에는, 별도의 가진 탄성체(270)가 연설되어 상기 가진 탄성체(230)의 진동을 재차 흡수토록 설치됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.According to claim 2, in the rear of the excitation elastic body 230 which is installed in the outer frame 120 so as to have the excitation direction (X-axis direction) is possible, a separate excitation elastic body 270 is speeched to the excitation elastic body ( Micro gyroscope, characterized in that it is installed to absorb the vibration of 230 again. 제 5항에 있어서, 상기 외부 프레임(120)에 탄설되는 가진탄성체(230) 후방의 다른 가진 탄성체(270)는, 박스형 판 스프링으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 자이로스코프.6. The gyroscope according to claim 5, wherein the other excitation elastic body (270) behind the excitation elastic body (230) which is installed in the outer frame (120) is composed of a box-shaped leaf spring.
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