KR100374431B1 - 진동식자이로미터의마이크로미케니칼리조네이터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의하면 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터에 있어서, 연결범위를 통해 서로 결합되어 있어 역위상으로 진동하는 2개의 공진 질량체를 적어도 1개의 서스펜션 스프링을 써서 매다는 것이 제안된다. 이 경우 서스펜션 스프링은 진동 방향으로는 부드럽고 그 밖의 모든 자유도에 있어서는 현저히 견고하게 구성이 되어 있다. 이에 따라 요 레이트(절대 각속도)의 회전 모멘트가 공진 질량체에 전달이 가능하다. 코리올리력의 측정시에 있어서 방해 신호는 감산에 의해 억제된다. 리조네이터는 반도체 재료로 구성이 되어 있고 또한 정전장 또는 전자장에 있어서 상응한 전류 공급에 의해 진동을 여기시킨다.

Description

진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터

독일연방공화국 특허출원 공개 제4022495호 명세서를 기초로 실리콘 반도체 결정으로부터 제조되는 2개의 공진하는 질량체{resonating(vibrating) mass}를 포함하는 진동식 자이로미터(vibration gyrometer)가 공지되어 있다. 상기 공지된 진동식 자이로미터에는 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 이 경우 진동식 자이로미터의 양쪽의 진동 질량체의 역위상 진동이 예를 들면 온도 변화시에는 위상 안정적이 아니다. 각운동량(角運動量)의 발생시에 생기는 코리올리력(Coriolis force)은 이 경우 항상 충분한 정밀도로 측정할 수가 없고, 그 결과 센서의 신뢰성은 예를 들자면 자동차와 같이 높은 신뢰성을 요구되는 곳에 사용되는 경우에 만족될 수 없다.

별도의 진동식 자이로미터는 간행물 「A micromachined comb-drive tuning fork rate gyroscope」, IEEEE, Feb. 93, 제 143 페이지∼148 페이지에 공지되어 있다. 이 다른 진동식 자이로미터에서는, 지지체 평면 내에서 서로 역방향으로 진동하는 2개의 진동 질량체는 양 진동 질량체가 코리올리력의 영향 아래에서 지지체에 대해 수직인 방향으로 운동할 수 있도록 매달려(suspended) 있다. 그래서 양 진동 질량체의 운동은 지지체에 설치된 고정된 대응 전극을 사용하여 정전기적으로(electrostatically) 검출된다. 그러나 상기 공지의 자이로미터의 사용은 진동이 많은 환경(예컨대, 자동차)에서는 그다지 적합하지 않다. 왜냐하면, 이 경우 진동 구조체는 진동 구조체의 여기 진동만을 수행하는 것은 아니고, 잔여 자유도(degree of freedom)와 연결된 운동도 받아들이기 때문이다. 이에 따라 측정 결과는 나빠질 우려가 있다.

본 발명은 청구의 범위 제 1 항의 상위 개념에 기재된 요 레이트(yaw rate: 절대 각속도)를 검출하기 위한 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터에 관한 것이다.

도 1은 제 1 의 기계적인 개략도.

도 2는 제 2 의 기계적인 개략도.

도 3은 제 3 의 기계적인 개략도.

도 4는 제 1 실시예를 도시하는 도면.

도 5는 제 2 실시예를 도시하는 도면.

도 6은 제 3 실시예를 도시하는 도면.

도 7은 제 4 실시예를 도시하는 도면.

특징 부분에 기재된 구성을 포함한 본 발명에 의한 진동식 자이로미터의 마이크로 미케니칼 리조네이터는 공지의 것에 비해서 다음과 같은 이점을 갖고 있다. 즉, 본 발명에 의한 리조네이터에서는 서스펜션 스프링의 구성에 의해 연결 범위를 통해 기계적으로 연결되고, 또한 이에 따라 서로 역방향으로 여기되는 양 공진 질량체는 절대적으로 역위상으로 진동한다. 이에 따라 안정적인 위상 관계가 생기게 된다. 이는 온도 변화나 양 공진 질량체의 다른 질랑과 같은 파라미터 변화가 불합리한 영향을 미치는 일이 없기 때문이다. 이에 따라 다음과 같은 이점이 얻어진다. 즉, 이 경우 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터는 예를 들면 코리올리력을 측정하기 위해 정확하게 특수화된 별개의 센서를 포함할 수가 있다. 또한 리조네이터 제조시에는 제작 오차가 비교적 커도 좋고, 더욱이 특수한 조절 혹은 정합이 불필요하다는 별도의 이점이 있다. 따라서 본 발명에 의한 마이크로미케니칼 리조네이터의 제조 비용은 저렴하다.

제 2 항 이하에 기재된 구성에 의해 제 1 항에 기재된 마이크로 미케니칼 리조네이터의 다른 유리한 구성이 가능하다.

특히 유리한 구조적인 해결책은 연결 질량체와 공진 스프링(resonating spring)을 포함하는 연결범위 및 공진 질량체가 적어도 각 1개의 서스펜션 스프링을 통해 지지체와 결합됨으로써 이루어질 수 있다. 이와 같은 설치 형식은 특히 예를 들면 자동차에서 사용되는 경우 발생할 수 있는 높은 가속시에 있어서도 기계적으로 비교적 안정적이다.

서스펜션 스프링의 영향을 가능한 한 적게 유지하기 위해 서스펜션 스프링의 스프링 강성은 공진 스프링에 비해서 매우 부드럽다.

또한 구조적으로 단순한 해결책을 얻기 위해, 공진 질량체를 완전히 감싸거나 또는 적어도 부분적으로 감싸서 프레임을 형성하고, 이 프레임이 동시에 연결 질량체로서도 구성되어, 양 공진 질량체가 공진 스프링을 통해 프레임에 기계적으로 연결되어 있다. 이와 같은 구조체는 공지의 방법을 사용해서 예컨대 실리콘-웨이퍼로부터 간단하게 에칭 가공할 수가 있다.

연결 질량체로서 프레임을 사용하는 경우에는 프레임 부분이 적게 구성되어 있을 수록 유효한 연결 질량체는 보다 작아진다. 매우 작은 프레임 부분에서는 연결 질량체의 질량은 거의 0이고, 이 결과 양 공진 질량체의 위상 관계가 연결 질량체에 의해 영향을 받는 일은 없어진다.

요 레이트 센서가 규소 재료로 구성되어 있는 경우, 금속 피복된 상응한 전도체를 사용하여 공진 질량체를 통해 전류를 흐르게 할 수 있다. 공진 질량체가 진동 평면에 대해서 수직으로 작용하는 전자장에 위치하는 경우에는 전류에 의해 공진 질량체의 진동을 여기할 수가 있다.

별도의 무접촉식의 구동 가능성은 콤(comb) 구조(정전식, 리럭턴스 구동 장치)의 사용에 의해 부여되고 있다.

리조네이터는 상응한 가속 센서와 관련하여 여러 분야에서, 예를 들면, 자동차, 선박, 비행기, 로봇의 요 레이트 측정을 위해 또는 액체 혹은 기체에 있어서 난류를 측정하기 위해 사용될 수가 있다.

제 1 도에 도시된 기계적인 개략도에서는 2개의 공진 스프링(4, 5)을 통해 결합된 2개의 공진 질량체(1, 2)가 도시되어 있다. 공진 스프링(4, 5) 사이에는 연결 질량체와 공진 스프링을 포함하는 연결 범위(3)가 설치되어 있다. 연결 질량체(3)는 서스펜션 스프링을 사용해서 외측의 프레임 및 지지체(10, substrate)와 결합되어 있다. 상기 요 레이트 센서(Drehratensensor)를 위한 재료로서는 반도체 재료, 유리하게는 규소 또는 규소 화합물이 사용된다. 규소는 이 경우 마이크로미케니칼 기술에 의해 질량체와 스프링을 형성하도록 구성되어 있다. 이 개략도에서는 도면을 보기 쉽게 하기 위해 정전장 또는 전자장 내에서 질량을 진동시키기 위해 작용하는 금속 피복된 도전선은 생략되어 있다. 스프링(4, 5, 6)에 대해 평행하게 완충부재(7)가 설치되어 있는데, 이들 완충부재(7)는 진동계를 설계하는 때의 계산시에 고려된다.

제 2 도에 도시된 제 2 의 개략도는 2개의 진동 질량체(1, 2)와 연결 질량체(3) 사이에서 유사한 구성을 하고 있다. 그러나 이 실시예에서, 양편의 질량체(1, 2)는 서스펜션 스프링(6)을 통해 직접 지지체(10)와 결합되어 있다.

제 3 도에 도시된 제 3 의 개략도는 위에서 상술한 2개의 개략도를 조합시킨 형식이다. 이 실시예에서는 2개의 공진 질량체(1, 2)와 연결 질량체(3)를 포함하는 연결 범위가 서스펜션 스프링(6)을 통해 지지체(10)와 결합되어 있다.

다음에는 복수의 실시예를 참조하면서 이 장치의 작용 방식을 설명한다. 마이크로미케니칼 리조네이터는 기계식의 진동식 자이로미터라고도 하고 이 경우 그것의 공진 질량체(1, 2)에는 상응하는 센서, 예를 들면, 가속도 센서가 부착되어 있다. 부착된 가속도 센서는 특히 전기적인 회로를 갖추고 있고 이들 회로로의 전기 공급은 도체로를 통해 행해지고 이들 도체로는 서스펜션 스프링을 통해 바깥쪽을 향해 부설될 수가 있다. 전동식 자이로미터는 회전하고 진동하는 관성 질량체가 코리올리력에 의해 그의 진동 평면에 대해 수직인 방향으로 변위되는 효과를 이용한다. 코리올리력은 이 경우 여러 가지 형식으로 전기-기계적 변환 프로세스에 의해 검출할 수가 있다. 상응한 센서를 공진 질량체에 설치할 수가 있고 또는 상응한 센서를 사용해서 간접적으로 공진 질량체의 변위를 측정할 수가 있다. 진동수 f에 의해 변조된 신호가 얻어지고 이 신호는 이어서 행해지는 복조에 의해 요레이트 f에 대해 정비례하는 원하는 측정 신호를 발생시킨다. 코리올리력과 동일한 방향을 갖는 직선적인 방해가속(센서의 가로 방향 가속)은 가속-방해 신호를 발생시키지만, 이 방해 신호는 역위상으로 진동하는 공진 질량체에 의해 억제된다. 공진 질량체(1, 2)의 역위상 진동은 관성력을 상쇄한다. 또한, 코리올리력은 두 공진 질량체(1, 2)에 반대 방향으로 작용하지만, 방해-가속력은 동일한 방향으로 작용한다. 따라서, 2개의 동일한 이상적인 전기 기계적 변환기 사이의 신호 차이의 형성(Differenzbildung)에 의해, 방해 가속은 보상될 수가 있다.

이와 같은 센서는, 예를 들면, 자동차에서 특히 안전 장치를 제어하기 위해 또는 주행 동력학(Fahrdynamik)을 조정하기 위해 사용할 수 있다.

그러나, 실제에 있어서는 양쪽의 변환기는 완전히 동일하지도 완전히 방향 선택적(richtungsselektiv)이지도 않다는 것이 밝혀졌다. 변환기는 상기 변환기가 주검출 방향으로 변위하지 않는 경우, 특히 구동 방향으로 변위하는 경우에도 신호를 발생한다. 이 신호는 그때 그때마다의 구동 속도에 의해 변조되어 나타나고 복조후에 출력 오프셋(Ausgangsoffset)을 발생시켜 신호가 최소한 위상 안정이 되어 있는 경우 이외에는 보상되지 않는다. 따라서 구동을 위해서는 각 공진 질량체(1, 2)의 여기속도, 나아가 코리올리 유효 신호는 역위상으로 존재하여야 한다. 따라서본 발명에 의하면, 구조적인 조치에 의해, 역위상의 진동 특성에 불리한 영향을 주는 방해 효과를 적게 유지하는 것이 제안되고 있다. 이는 주로 다음과 같은 것에 의해 달성된다. 즉, 본 발명에서는 연결 질량체(3)가 공진 질량체(1, 2)의 질량보다도 매우 작으며, 이 경우 공진 질량체(1, 2)는 반드시 동일할 필요는 없다. 작은 연결 질량체의 이점은 서스펜션 스프링이 진동 방향으로 매우 부드럽다는 점에 의해 더욱 높아진다. 대응하는 횡단면비로 인해, 서스펜션 스프링(6)은 진동 평면에 대해 수직인 방향으로는 비교적 견고하게 구성되어 있다. 서로 연장되는 복수의 부분 스프링이 설치되어 있는 경우에는 또한 상응하는 많은 도체로를 외부로 향해서 연장시킬 수가 있다. 부드러운 서스펜션 스프링(6)에 의해, 온도의 영향이 큰 경우라도 양 공진 질량체(1, 2) 사이에 있어서 진폭 변환 및 위상 변화가 발생되지 않고, 그 결과 진동계는 방해 영향에 대해서 둔감해진다.

높은 감도를 얻기 위해 요 레이트 센서의 작업 진동수를 낮게 선택할 것이 요망되고 있으므로, 주어진 최소의 센서 표면에서, 공진 질량체(1, 2)는 가능한 한 크게 선택되고 스프링 길이는 가능한 한 길게 구성되며 또한 스프링 폭은 가능한한 가늘게 구성된다.

제 1 실시예는 제 4 도에 도시되어 있다. 연결 질량체(3)를 포함한 연결범위는 그 자체가 환상으로 닫혀져서 공진 질량체(1, 2)의 주위에 위치하는 프레임(3)으로 구성되어 있다. 각 공진 질량체(1, 2)는 공진 스프링(4, 5)을 통해 프레임(3)과 결합되어 있다. 프레임(3)은 서스펜션 스프링(6)을 통해 지지체(10)와 결합되어 있다. 공진 스프링(4, 5) 및 서스펜션 스프링(6)은, 그 길이를 증대시킬 목적으로,접혀진 구성으로 되어 있다. 공진 스프링(4, 5) 및 서스펜션 스프링(6)은 2개 또는 그 이상의 평행한 부분 스프링에 의해 구성될 수도 있다.

제 5 도에 도시된 제 2 실시예에서, 프레임(3)은 단지 2개의 서로 마주하는 쪽에만 구성되어 있다. 이에 따라, 연결 질량체(3)로서의 프레임은 제 1 실시예에 있어서 보다 작게 구성되어 있다. 이 제 2 실시예에서는 서로 마주 향하고 있는 2개의 방향에서 공진 질량체(1, 2)는 공진 스프링(4, 5)을 통해 프레임 부분(3)에 연결되어 있다. 프레임 부분(3)은 이 실시예에 있어서도 서스펜션 스프링(6)을 통해 지지체(10)와 결합되어 있다. 2개의 부분으로 되어 있는 프레임의 이점으로서는 비직선적인 진동 위험의 감소, 감소된 센서 표면, 및 z-방향으로의 모드 또는 y-축을 중심으로 한 모드의 보다 큰 간격을 들 수 있다. 이에 따라, 이러한 배치 형식은 코리올리 방향으로 보다 큰 강성을 얻을 수가 있다.

제 6 도에 도시된 제 3 실시예 및 제 7 도에 도시된 제 4 실시예에서는 연결 질량체(3)가 더욱 감소되어 있다. 프레임 부분 대신에 이 경우 2개의 공진 질량체(1, 2) 사이에는 1개의 웨브(web)(3)(제 6 도) 또는 2개의 웨브(제 7 도)가 구성되어 있다. 이들 웨브(3)는 한쪽에는 공진 스프링(4, 5)을 통해 공진 질량체(1, 2)와 결합되어 있고, 다른 쪽에는 서스펜션 스프링(6)을 통해 지지체(10)와 결합되어 있다. 부가적으로 제 6 도의 실시예에서는 구조체(11)가 설치되어 있는데, 상기 구조체(11)는 손가락 형태의 구조체로 구성되어 있고, 용량성 구동 장치에 또는 기준 신호에 적합하다. 부가적인 서스펜션 스프링(6)에 의해 z-방향으로의 모드 또는 y-축을 중심으로 한 모드(코리올리 방향으로의 모드들)의 고유 진동수는 높아지는데 이는 완전한 중앙 매달림 방식에서는 불가능하다. 이 실시예에서 연결 질량체(3)는 그 질량을 무시할 수 있을 정도로 작다.

Claims (8)

1개의 지지체와 2개의 공진 질량체가 설치되어 있고, 상기 지지체와 공진 질량체는 가능한 한 작은 연결 질량체와 공진 스프링으로 구성된 연결 범위를 통해 공진 질량체가 한 평면 내에서 역위상으로 진동하도록 기계적으로 결합되어 있으며, 적어도 2개 이상의 서스펜션 스프링이 설치되어 있고, 상기 서스펜션 스프링은 각각 한쪽 끝에서 지지체와 결합되어 있으며, 또한 상기 서스펜션 스프링은 공진 질량체(1, 2)의 진동 방향으로는 부드럽고 그 밖의 모든 자유도에 있어서는 현저히 견고한 특성을 갖도록 구성되어 있는, 코리올리력(Coriolis force)을 이용하여 요 레이트(yaw rate)를 검출하기 위한 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터에 있어서,

상기 적어도 2개 이상의 서스펜션 스프링(6)의 각각의 다른 쪽 단부가 양 공진 질량체(1, 2)의 각각의 1개와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터.

제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 또 다른 서스펜션 스프링(6)이 설치되어 있어서, 이 서스펜션 스프링(6)이 연결범위(3)와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터.

제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 진동 방향에 있어서 상기 적어도 하나의 서스펜션 스프링(6)은 공진 스프링(4, 5)보다 부드러운 것을 특징으로 하는 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터.

제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 서스펜션 스프링(6)은 평행하게 연장되는 복수의 부분 스프링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터.

1개의 지지체와 2개의 공진 질량체가 설치되어 있고, 상기 지지체와 공진 질량체는 연결 질량체와 공진 스프링으로 구성된 연결 범위를 통해 공진 질량체가 한 평면 내에서 역위상으로 진동하도록 기계적으로 결합되어 있으며, 적어도 하나의 서스펜션 스프링이 설치되어 있고, 상기 서스펜션 스프링은 그의 한쪽 끝에서 지지체와 결합되어 있는, 코리올리력을 이용하여 요 레이트를 검출하기 위한 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터에 있어서,

상기 연결 질량체(3)가 프레임으로서 구성되어 있고, 양편의 공진 질량체(1, 2)가 공진 스프링(4, 5)을 통해 프레임과 결합되어 있으며, 또한 프레임(3)이 상기 프레임의 말단에 설치되어 있는 서스펜션 스프링(6)에 의해 지지체(10)와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터.

제 5 항에 있어서, 상기 프레임(3)이 공진 질량체(1, 2)를 완전하게 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터.

제 6 항에 있어서, 상기 프레임(3)이 직사각형으로 구성되어 있고 서스펜션 스프링(6)이 직사각형의 각 모서리에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터.

제 5 항에 있어서, 상기 프레임(3)이 공진 질량체(1, 2)의 서로 마주하고 있는 2개의 방향으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진동식 자이로미터의 마이크로미케니칼 리조네이터.