KR100401978B1 - 마이크로 자이로 센서의 자기발진회로 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 자이로 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 센싱 초단의 정전용량/전압 증폭기에서 향상된 신호대잡음비를 얻음으로써 저전압 발진이 가능하도록 된 마이크로 자이로 센서의 자기발진회로에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 마이크로 자이로센서의 자기발진회로는 마이크로 자이로센서의 자기발진회로에 있어서, 상기 마이크로자이로센서의 가진검출용 전극으로부터의 캐패시턴스값의 변화를 검출하여 검출된 캐패시턴스값에 대응하는 전압값으로 변환출력하는 캐패시턴스/전압증폭기를 구비하며, 상기 캐패시턴스/전압증폭기는 비반전입력단에 상기 가진검출용 전극의 출력신호와, 상기 출력신호와 병렬로 기설정된 기준전압이 인가되고, 그 반전입력단에는 직렬연결된 저항 및 캐패시턴스가 접속되며, 그 출력단과 반전입력단에는 귀환저항이 접속되어 구성된다.
Description
본 발명은 마이크로 자이로 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 센싱 초단의 정전용량/전압 증폭기에서 향상된 신호대잡음비를 얻음으로써 저전압 발진이이 용이하도록 한 마이크로 자이로 센서의 자기발진회로에 관한 것이다.
일반적으로 관성체의 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서 장치는 이미 오래전부터 선박, 항공기등에서 항법장치용 핵심부품으로 사용되어 왔으며, 현재는 자동차의 항법 장치나 또는 고배율 비디오 카메라의 손떨림을 검출하여 이를 보상하는 장치에 사용되고 있다.
도 1은 이러한 종래 정전용량식 마이크로 자이로센서의 개략적인 구성을 보인 것으로써, 상기 마이크로자이로센서(10)는 가진방향으로 진동이 있으면 외부 프레임(12)이 가진방향으로 진동하고 도 1에 도시한 방향으로 회전각속도가 입력되면 감지방향으로 코일리올리힘이 발생되어 상기 마이크로 자이로센서의 내부프레임(11)이 감지방향으로 진동을 하게 된다.
상기 외부프레임(12)이 가진 방향으로 진동하면 외부 프레임(12)과 가진검출용 전극고정부(27a)(27b) 사이에 설치된 가진검출용 전극(28)(29)간의 마주보는 빔의 길이가 변하게 되어 가진 검출용 전극(28)(29)에 의해 결정되는 캐패시턴스가 변하게 된다.
이와 같이 변하는 캐패시턴스는 도 2에 도시한 구동용 자기발진회로부(130)의 C/V증폭기(131)에서 전압으로 변환된 후 증폭되고, 그 출력전압은 다시증폭기(132)에서 사전에 설정된 이득으로 증폭된 후 위상시프터(133)에서 위상이 지연된다. 이와 같이 지연된 전압은 전압리미터(134)에서 사전에 설정된 레벨 이상이 제한되어 펄스파형의 전압이 출력되며, 이 펄스파형 전압은 상기 마이크로 자이로센서의 가진구동용 전극 고정부(25a)로 제공되고, 인버터(135)에 의해 반전된 펄스파형 전압은 상기 마이크로 자이로센서의 가진구동용 전극고정부(25b)로 제공된다.
상기 마이크로 자이로센서와 구동용 자기발진회로부에 의해 형성된 피드백 루프에서는 전체위상이 360°만큼 이동되는데, 예를 들어 상기 구동용 발진회로부에서 마이크로 자이로센서를 포함하여 피드백 루프 전체 위상 시프트를 360°로 설정한다. 이때, 피드백 루프에 포함되는 마이크로 자이로센서 자체에서 90°의 위상지연이 발생되고, C/V증폭기(131)에서 180°의 위상지연이 발생되므로, 상기 위상시프터(133)는 상기 C/V증폭기(131)의 출력신호의 위상을 90°만큼 지연시키도록 설정할 수 있다.
한편, 도 3은 종래 마이크로 자이로센서의 C/V증폭기의 상세 구성을 보인 회로도로써, 감지용 전극 고정부(27a)(27b)로부터 검출되는 캐패시턴스 검출값을 반전입력단에 입력받고 비반전단자에는 기설정된 기준전압이 입력되도록 구성된 연산 증폭기(OP1)로 이루어진다. 이러한 구성에 있어서, 종래의 C/V증폭기의 경우 자이로센서의 입력 임피던스가 매우 적기 때문에 캐패시턴스 변화로 생겨난 신호전압이 거의 대부분 감쇠된다. 물론 C/V 증폭기에서 대량 증폭을 실시하고는 있지만 이미 그전에 감쇠가 일어날때 이미 신호레벨은 연산증폭기(OP1)의 옵셋전압이나 입력 바이어스 전류의 레벨까지 저하되므로 신호대 잡음비가 저하될 수 밖에 없는 문제가 있다.
또한, 이와 연계되어 신호의 감쇠를 보상하기 위하여 연산증폭기(OP1)의 귀환경로에 고저항을 달아서 대량 증폭을 실현하고 있으나 연산증폭기(OP1)의 귀환경로에 고저항(일예로 수 ㏀ ~ 수백 ㏀)을 사용함으로써 차단주파수가 낮아지고 60Hz전원노이즈에 약하게 되어 DC바이어스가 불안해진다. 나아가, 센서에 올바른 기준전압이 인가되지 못하여(기준전압이 2.5V이어도 실제 비반전단자에 걸리는 DC전압은 0.9V를 넘지못함) 감도가 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써 그 목적은 입력임피던스의 저하에 따른 캐패시턴스 검출값의 감쇠를 방지하고, 그에 따라 신호대 잡음비가 증가하고 신호품질을 향상시킬 수 있도록 된 C/V증폭기를 구비한 마이크로 자이로센서의 자기 발진 회로를 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 종래 정전용량식 마이크로 자이로센서의 개략적인 구성을 보인 것이다.
도 2는 종래 구동용 자기발진회로부의 구성을 보인 것이다.
도 3은 도 3은 종래 마이크로 자이로센서의 C/V증폭기의 상세 구성을 보인 회로도이다.
도 4는 본 발명을 구현하기 위한 마이크로 자이로 센서의 C/V증폭기의 구성을 보인 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 자이로센서의 자기발진회로의 구성을 보인 회로도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
130...자기발진 회로부, 131...C/V 증폭기,
132...증폭기, 133...위상시프터,
134...전압리미터, 10...마이크로 자이로센서.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 자이로센서의 자기발진회로는 마이크로 자이로센서의 자기발진회로에 있어서,
상기 마이크로자이로센서의 가진검출용 전극으로부터의 캐패시턴스값의 변화를 검출하여 검출된 캐패시턴스값에 대응하는 전압값으로 변환출력하는 캐패시턴스/전압증폭기를 구비하며, 상기 캐패시턴스/전압증폭기는 오피앰프의 비반전입력단에 상기 가진검출용 전극과, 일단으로 기설정된 기준전압이 인가되는 저항을 공통으로 연결하고, 상기 오피앰프의 반전입력단을 직렬연결된 저항 및 캐패시턴스를 통해 접지시키며, 상기 오피앰프의 출력단과 반전입력단간을 귀환저항으로 접속하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하에는 본 발명에 따른 마이크로 자이로센서의 자기발진회로의 구성 및 작용효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명을 구현하기 위한 마이크로 자이로 센서의 C/V증폭기의 구성을 보인 회로도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 C/V증폭기(140)는 자이로 센서에 의해 검출된 캐패시턴스 변화값이 연산증폭기(OP2)의 비반전단자에 입력되고, 이때, 상기 자이로센서와 병렬로 저항(R3)을 개재하여 기준전압(Vref)이 상기 연산증폭기(OP2)의 비반전단자에 입력된다. 또한, 상기 연산증폭기(OP2)의 반전단자와 접지사이에는 직렬연결된 캐패시터(C3) 및 저항(R4)이 접속되고 상기 저항의 입력단측에는 연산증폭기의 출력단에 접속된 귀환 저항(R5)이 연결된다.
이러한 구성에 따른 C/V 증폭기(140)에 있어서, DC분석을 해보면 연산증폭기(OP2)의 출력 DC 레벨은 기준전압(Vref)가 되는 것을 알 수 있다. 또한, 입력 임피던스의 경우에는 연산증폭기(OP2)의 비반전단자로 입력되는 전류가 거의 0이므로 저항(R3)의 임피던스인 1㏁이 되기 때문에 입력 임피던스의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 마이크로 자이로센서의 가진구동용 전극고정부(25a)(25b)에 인가되는 DC전압도 연산증폭기(OP2)의 DC출력전압인 기준전압(Vref)을 따라 선형적으로 증가하는 특성을 보인다. 이는 감도의 향상을 의미하며 S/N비가 개선되어 자기발진이 더 쉽게 일어나도록 한다. 또한,연산증폭기(OP2)의 증폭이득을 10 정도로 하여 3V전원에서 자기발진을 시킴으로써 연산증폭기(OP2)의 귀환저항을 저저항으로 사용할 수 있는 이점이 있다. 즉, 일예로 100㏀을 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 자이로센서의 자기발진회로의 구성을 보인 회로도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 마이크로 자이로센서의 자기발진회로는 도 4에 도시한 C/V증폭기(140)와, 상기 C/V증폭기(140)에서 증폭출력된 신호의 위상을 시프트시키는 위상시프터(150)와, 상기 위상시프터(150)의 출력전압에 대한 레벨을 제한하여 상기 마이크로 자이로센서의 가진구동용 전극부(25a)(25b)에 가진용 구동전압으로 공급하는 전압리미터(160)를 구비하여 이루어진다. 한편, 상기 C/V증폭기(140)는 종래 반전증폭기를 사용하는 경우 위상지연이 180°가 발생되었으나, 본 발명의 경우에는 비반전증폭기를 사용하기 때문에 90°의 위상지연이 발생된다. 따라서, 상기 위상시프터(150) 및 전압리미터(160)에서의 위상 지연 정도도 자기발진 조건을 만족시키기 위해 가변된다.
이하에는 이러한 구성에 따른 마이크로 자이로센서의 자기발진회로의 동작을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 5를 참조하여 가진모드에 대한 자기발진회로부(130)에 대해서 설명하면, 도1의 마이크로 자이로스코프(10)는 가진방향으로 진동이 있으면,마이크로 자이로스코프(10)의 외부 프레임(12)이 가진방향으로 진동을 하게 되며, 이 상태에서 도1에 도시한 바와 같은 방향으로 회전 각속도가 입력되면, 감지방향으로 코리올리힘이 발생되어 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 내부프레임(11)이 감지방향으로 진동을 하게 된다.
상기 외부 프레임(12)이 가진 방향으로 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 도 5에 도시된 자기발진회로부의 C/V 증폭기(140)에서 전압으로 변환된후 증폭되며, 이 C/V 증폭기(140)에서 증폭된 신호는 위상시프터(150)에서 위상이 지연된다. 이와 같이 위상지연된 전압은 전압 리미터(160)에서 사전에 설정된 레벨 이상이 제한되어 펄스 파형의 전압이 출력되며, 이 펄스파형 전압은 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25a)로 제공되고, 인버터(도면 미도시)에 의해 반전된 펄스파형 전압은 상기 마이크로 자이로스코프(10)의 가진구동용 전극고정부(25b)로 제공된다.
상기 자기발진회로부는 마이크로 자이로센서(10), C/V 증폭기(140), 위상시프터(150) 및 전압리미터(160)를 포함하여 피드백 루프를 형성한다. 상기 피드백루프에서는 전체 위상지연이 360°이고, 이득이 사전에 설정된 특정 이득이상으로 설정되어 특정이득 이상을 가지는 발진 조건을 만족하게 되어, 상기 마이크로 자이로센서(10)의 고유 진동수에 동기된 발진주파수를 갖는 전압이 전압 리미터(160)에서 마이크로 자이로센서(10)의 가진 구동용 전극 고정부(25a,25b)로 제공된다.
또한, 마이크로 자이로 센서의 가진전압에 대하여 90°의 자체 위상지연을 갖고, 상기 자기발진회로부의 C/V증폭기(140)에 의해 90°위상지연된 후 위상시프터에서 상기 C/V증폭기(140)에 의해 위상지연된 신호를 -90°위상시프트 한 후 전압리미터(160)에 의해 -180°위상전환을 하여 가진구동용전극에 인가하게 된다. 따라서, 피드백루프에서의 전체 위상지연은 360°가 되기 때문에 자기발진을 안정적으로 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 자이로센서의 자기발진회로는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로자이로센서의 자기발진회로에 따르면 마이크로 자이로 센서의 자기발진회로에서의 C/V증폭기의 입력임피던스를 증가시킴으로써 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있으며, 또한 귀환저항의 저항치가 낮아짐으로써 저저압의 가진전압을 이용하여 양호한 자기발진성능을 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
Claims (3)
- 마이크로 자이로센서의 자기발진회로에 있어서,상기 마이크로자이로센서의 가진검출용 전극에서의 캐패시턴스값의 변화를 검출하여 검출된 캐패시턴스값을 대응하는 전압값으로 변환출력하는 캐패시턴스/전압증폭기를 구비하며,상기 캐패시턴스/전압증폭기는 오피앰프의 비반전입력단을 상기 가진검출용 전극과, 일단으로 기설정된 기준전압이 인가되는 저항의 타단에 연결하고, 상기 오프앰프의 반전입력단을 직렬연결된 저항 및 캐패시턴스를 통해 접지시키며, 상기 오피앰프의 출력단과 반전입력단을 귀환저항을 통해 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로센서의 자기발진회로.
- 제 1 항에 있어서,상기 캐패시턴스/전압증폭기에서 증폭출력된 신호의 위상을 시프트시키는 위상시프터와,상기 위상시프터의 출력전압에 대한 레벨을 기설정된 레벨로 제한하여 상기 마이크로 자이로센서의 가진용 구동전압으로 공급하는 전압리미터를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 자이로센서의 자기발진회로.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 캐패시턴스/전압증폭기는 마이크로자이로센서의 검출신호의 위상을 90°위상지연시고, 상기 위상시프터에서 상기 캐패시턴스/전압증폭기에 의해 위상진연된 신호를 -90°위상시프트한 후 전압리미터에 의해 -180°위상전환하여 마이크로 자이로센서의 가진구동용 신호로서 인가하는 것을 특징으로 하는 마이크로자이로센서의 자기발진회로.
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Cited By (1)
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| KR101354808B1 (ko) | 2012-05-25 | 2014-01-22 | 삼성전기주식회사 | 자이로 센서 구동 장치 및 그에 이용되는 펄스 변환 장치 |
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2000
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| KR101354808B1 (ko) | 2012-05-25 | 2014-01-22 | 삼성전기주식회사 | 자이로 센서 구동 장치 및 그에 이용되는 펄스 변환 장치 |
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