KR100585893B1 - 미세 각속도계 및 그의 큐 팩터를 튜닝하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Q 팩터를 튜닝할 수 있도록 제1검지전극 및 제2검지전극 사이에 귀환 회로부가 구비되어 있는 미세 각속도계 및 미세 각속도계의 Q 팩터를 튜닝하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 미세 각속도계에는 튜닝전극이 사용되지 아니하면서도 그의 Q 팩터가 용이하게 튜닝될 수 있다.

Description

미세 각속도계 및 그의 큐 팩터를 튜닝하는 방법 {A micro gyroscope and a method for tuning the Q-factor thereof}

도 1은 통상의 진동형 미세 각속도계의 전극 배치도이고,

도 2는 튜닝 전극이 구비되어 있는 진동형 미세 각속도계의 전극 배치도이며,

도 3은 본 발명에 따른 진동형 미세 각속도계 및 그의 귀환 회로부를 도시한 것이고,

도 4는 본 발명에 따른 미세 각속도계의 주파수 응답을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 1' : 구동전극 2 : 기준전극

3, 3' : 구동콤 4 : 구동 스프링

5 : 외부 질량체 6 : 검지 스프링

7, 7' : 구동검지콤 8 : 내부 질량체

9, 9' : 검지콤 10 : 제1검지전극

10' : 제2검지전극 11, 11' : 구동검지전극

12, 12' : 튜닝 전극 30 : 귀환 회로부

31 : 검출부 32 : 제2증폭기

33 : 필터 34 : 미분기

35 : 제1증폭기 36 : 위상조절기

본 발명은 Q 팩터를 튜닝할 수 있도록 제1검지전극 및 제2검지전극 사이에 귀환 회로부가 구비되어 있는 미세 각속도계 및 미세 각속도계의 Q 팩터를 튜닝하는 방법에 관한 것이다.

미세 각속도계(micro gyroscope)는 진동하는 물체에 각속도가 인가될 때 발생하는 코리올리 힘을 이용하여 각속도를 측정한다. 진동형 미세 각속도계는 바깥쪽의 구동용 질량체와 안쪽의 검지용 질량체의 두 질량체를 포함하며, 이들 질량체가 각각 서로 수직 방향으로 배치되어 있는 스프링에 의하여 지지되어 있다.

도 1은 통상의 진동형 미세 각속도계의 전극 배치도이다. 상기 미세 각속도계는 기준전극(2), 구동전극(1, 1'), 구동검지전극(11, 11'), 검지전극(10, 10'), 외부질량체(5) 및 내부질량체(8)를 포함한다.

상기 도 1에서 기준전극(2), 구동전극(1, 1'), 구동검지전극(11, 11'), 및 검지전극(10, 10')은 미세 각속도계의 기판에 고정되어 형성되므로, 가동할 수 없는 고정구조이다.

반면, 외부질량체(5), 내부질량체(8), 구동스프링(4), 및 검지스프링(6)은 가동할 수 있는 구조이다. 상기 외부질량체(5), 내부질량체(8), 구동스프링(4) 및 검지스프링(6)은 상기 미세 각속도계 구조물의 바닥면으로부터 소정 거리 떨어져 있도록 부유되어 있다. 또한, 외부질량체(5)는 구동스프링(4)에 의하여 상기 기준전극(2)과 연결되고, 상기 내부질량체(8)는 검지스프링(6)에 의하여 상기 외부질량체(5)와 연결되어 있다. 따라서, 상기 외부질량체(5)는 좌우 방향으로 진동할 수 있으며, 상기 내부질량체(8)는 상하 방향으로 진동할 수 있다.

상기 구동전극(1, 1'), 구동검지전극(11, 11'), 검지전극(10, 10'), 외부질량체(5) 및 내부질량체(8)는 각각 콤 구조를 포함한다.

상기 구동전극(1, 1')에 정현파 전압이 인가되면 상기 외부질량체(5) 및 내부질량체(8)가 좌우 방향(x 방향, 도면에서 "구동방향"으로 표시함)으로 진동한다. 상기 구동전극(1, 1')에 인가되는 구동전압으로서, 180°의 위상차를 갖는 정현파 차동 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 상기 구동전극(1, 1')의 콤 구조와 상기 외부질량체(5)의 콤 구조(3, 3': 구동콤)는 서로 맞물려 있기 때문에, 상기 구동전극(1, 1')에 인가되는 구동전압에 의하여 외부질량체(5)가 진동할 수 있다.

한편, 상기 외부질량체(5)의 또다른 콤 구조(7, 7': 구동검지콤)가 상기 구동검지전극(11, 11')의 콤 구조와 서로 맞물려 있어서, 상기 외부질량체(5)의 진동을 상기 구동검지전극(11, 11')이 검지할 수 있다. 즉, 외부질량체(5)가 진동하는 경우, 구동검지전극(11)과 구동검지콤(7) 사이 및 구동검지전극(11')과 구동검지콤(7') 사이의 커패시턴스가 변화하며, 이를 외부에서 검출하여 외부질량체(5)의 진동을 검지할 수 있다.

이와 같이 상기 외부질량체(5)가 좌우 방향으로 진동하는 중에 상기 미세 각속도계에 z 방향의 각속도가 인가되는 경우, 상기 내부질량체는 구동 방향(x 방향) 및 인가된 각속도 방향(z 방향)에 대하여 모두 수직인 방향(즉, y 방향)으로 코리올리의 힘을 받기 때문에, 상기 외부질량체(5)의 진동 방향(즉, 좌우 방향)에 대하여 수직 방향(y 방향, 도면에서 "검지방향"으로 표시함)으로 진동하게 된다. 상기 내부질량체(8)의 콤 구조(9, 9': 검지 콤)가 상기 검지전극(10, 10')의 콤 구조와 서로 맞물려 있기 때문에, 상기 내부질량체(8)의 진동을 상기 검지전극(10, 10')이 검지할 수 있다. 즉, 내부질량체(8)가 진동하는 경우, 검지전극(10, 10')과 검지콤(9, 9') 사이의 커패시턴스가 변화하기 때문에, 이를 검지전극(10, 10')에서 검출할 수 있다.

이와 같이, 상기 검지전극(10, 10')을 통하여 내부질량체(5)의 진동을 검지함으로써, 상기 미세 각속도계는 z 방향으로 인가된 각속도를 측정할 수 있다.

가동할 수 있는 구조인 외부질량체(5)는 구동스프링에 의하여 기준전극(2)과 연결되어 있고, 상기 내부질량체(8)는 검지스프링(6)에 의하여 상기 외부질량체(5)에 연결되어 있으므로, 상기 기준전극(2), 구동스프링(4), 외부질량체(5), 검지스프링(6) 및 내부질량체(8)의 전위는 동일하다.

상기 구동전극(1, 1'), 구동검지전극(11, 11'), 및 검지전극(10, 10')은 서로 대향하는 두 종류의 전극으로 구성되어 있기 때문에, 차동구동 또는 차동검지가 가능하다.

상기 미세 각속도계는 진공 실장되어 사용되며, 진공 조건하에서 Q 팩터의 값 및 그 변동을 보상하기 위하여 귀환 회로를 이용하는 전기적 Q 튜닝을 수행하는 것이 바람직하다. 상기 미세 각속도계에서 구동방향(x축 방향)으로는 Q 팩터가 클수록 유리하지만, 검지방향(y축 방향)으로는 Q 팩터가 큰 것이 반드시 유리한 것만은 아니며, 최적의 Q 팩터 값을 갖게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 최적의 Q 팩터 값을 갖도록 튜닝하는 것이 바람직하다.

미세 각속도계의 Q 팩터를 튜닝하기 위해서, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 튜닝 전극(12, 12')이 추가로 배치된다. 도 2는 튜닝 전극이 구비되어 있는 진동형 미세 각속도계의 전극 배치도이다. 상기 튜닝 전극(12, 12')을 통하여 정전력을 피드백함으로써, Q 팩터를 튜닝할 수 있다.

그러나, 이와 같이 튜닝 전극을 추가로 배치하는 경우, 미세 각속도계 소자 자체의 크기가 증가하고, 회로가 복잡해지며, 각 전극에서 피드백을 위한 기전력이 동일하여야 한다는 문제가 있다.

따라서, 미세 각속도계의 Q 팩터를 튜닝할 수 있는 새로운 방법이 필요하다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 미세 각속도계에서는 제2검지전극의 출력을 상기 제1검지전극의 입력으로 귀환시켜 Q 팩터를 튜닝한다.

따라서, 본 발명의 목적은 Q 팩터를 튜닝할 수 있도록 제1검지전극과 제2검지전극 사이에 귀환 회로부가 구비되어 있는 미세 각속도계를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 미세 각속도계의 Q 팩터를 튜닝하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은, 질량체의 진동을 검지하여 각속도를 측정하는 검지전극이 구비되어 있는 진동형 미세 각속도계로서, 상기 검지전극은 제1검지전극 및 제2검지전극으로 구성되고, Q 팩터를 튜닝할 수 있도록 상기 제2검지전극의 출력을 상기 제1검지전극의 입력으로 귀환시키는 회로부를 포함하는 미세 각속도계에 관한 것이다.

본 발명에 따른 미세 각속도계에 있어서, 상기 회로부는, 상기 제2검지전극의 출력 신호를 검출하는 검출부; 상기 검출부에서 검출된 신호를 시간에 대하여 미분하는 미분기; 및 상기 미분기에서 미분된 신호를 증폭하는 제1증폭기를 포함하며, 상기 제1증폭기에 의하여 증폭된 신호가 상기 제1검지전극으로 입력된다.

본 발명에 따른 미세 각속도계에 있어서, 상기 회로부는 상기 제1증폭기에서 증폭된 신호의 위상을 천이시키는 위상조절기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 검출부는 상기 제2검지전극에서 출력된 신호를 증폭시키는 제2증폭기, 및 필터를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 질량체의 진동을 검지하여 각속도를 측정하는 제1검지전극 및 제2검지전극이 구비되어 있는 미세 각속도계의 Q 팩터를 튜닝하는 방법으로서, 상기 제2검지전극의 출력을 상기 제1검지전극의 입력으로 귀환시킴으로써 상기 Q 팩터를 튜닝하는 방법에 관한 것이다.

상기 Q 팩터를 튜닝하는 방법은, 상기 제2검지전극의 출력신호를 검출하는 단계(a); 상기 검출된 신호를 시간에 대하여 미분하는 단계(b); 상기 미분된 신호를 증폭하는 단계(c); 및 상기 증폭된 신호를 상기 제1검지전극으로 입력하는 단계(d)를 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명에 따른 진동형 미세 각속도계 및 그의 귀환 회로부를 도시한 것이다.

상기 미세 각속도계에서 질량체의 진동을 검지하여 각속도를 측정하는 검지전극은 제1검지전극(10) 및 제2검지전극(10')으로 구성되며, 귀환 회로부(30)에 의하여 상기 제2검지전극(10')의 출력은 상기 제1검지전극(10)의 입력으로 귀환된다. 상기 진동형 미세 각속도계에는 별도의 튜닝 전극이 구비되어 있지 아니하다.

상기 귀환 회로부(30)는 상기 제2검지전극(10')의 출력 신호를 검출하는 검출부(31); 상기 검출부(31)에서 검출된 신호를 시간에 대하여 미분하는 미분기(34); 및 상기 미분기에서 미분된 신호를 증폭하는 제1증폭기(35)를 포함한다. 상기 귀환 회로부(30)는 피드백 신호의 위상차에 의한 출력신호의 왜곡을 방지하기 위하여 상기 제1증폭기(35)에서 증폭된 신호의 위상을 천이시키는 위상조절기(phase shifter)(36)를 더 포함한다. 상기 위상조절기(36)는 상기 제2검지전극 (10')의 신호가 상기 제1검지전극으로 입력될 때, 90°의 위상차를 갖도록 상기 위상조절기(36)의 앞단의 위상차를 보상하는 것이 바람직하다.

상기 검출부(31)는 상기 제2검지전극(10')에서 출력된 신호를 증폭시키는 제2증폭기(32), 예를 들어, 전하증폭기; 및 필터(33)를 포함한다. 상기 필터(33)도 또한, 피드백 신호의 위상차에 의한 출력신호의 왜곡을 방지하기 위한 것으로서, 공진점 부근에서의 위상이 완만하게 변화되도록 상기 필터(33)의 주파수 특성을 조절하는 것이 바람직하다.

상기 검출부(31)에 의하여 검출된 상기 제2검지전극(10')의 출력신호는 상기 미분기(34)에 의하여 미분된다. 상기 미분된 신호는 상기 제1증폭기(35)에 의하여 증폭된 후, 상기 제1검지전극(10)으로 입력된다.

이때, 상기 제1증폭기(35)의 이득값을 조절함으로써, 상기 미세 각속도계의 Q 팩터를 용이하게 튜닝할 수 있다.

도 4는 상기 제1증폭기(35)의 이득값을 조절하면서 그 때의 주파수 응답을 그래프로 나타낸 것이다. 곡선 CS는 검지방향의 주파수 응답을 나타낸 것이며, 곡선 DR은 구동방향의 주파수 응답을 나타낸 것이다. 상기 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 제1증폭기(35)의 이득값을 조절함으로써 Q 팩터를 여러 가지 상이한 값으로 튜닝할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 미세 각속도계의 Q 팩터를 최적의 값으로 튜닝할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 미세 각속도계에서는 튜닝전극을 사용하지 아니하면서도 Q 팩터를 용이하게 튜닝할 수 있다.

Claims (8)

1. 질량체의 진동을 검지하여 각속도를 측정하는 검지전극이 구비되어 있는 진동형 미세 각속도계로서,

   상기 검지전극은 제1검지전극(10) 및 제2검지전극(10')으로 구성되고,

   Q 팩터를 튜닝할 수 있도록 상기 제2검지전극(10')의 출력을 상기 제1검지전극(10)의 입력으로 귀환시키는 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 각속도계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 회로부는,

   상기 제2검지전극(10')의 출력 신호를 검출하는 검출부;

   상기 검출부에서 검출된 신호를 시간에 대하여 미분하는 미분기; 및

   상기 미분기에서 미분된 신호를 증폭하는 제1증폭기를 포함하며,

   상기 제1증폭기에 의하여 증폭된 신호가 상기 제1검지전극(10)으로 입력되는 것을 특징으로 하는 미세 각속도계.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 회로부는 상기 제1증폭기에서 증폭된 신호의 위상을 천이시키는 위상조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 각속도계.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 검출부는 상기 제2검지전극(10')에서 출력된 신호를 증폭시키는 제2증폭기, 및 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 각속도계.
5. 질량체의 진동을 검지하여 각속도를 측정하는 제1검지전극(10) 및 제2검지전극(10')이 구비되어 있는 미세 각속도계의 Q 팩터를 튜닝하는 방법으로서,

   상기 제2검지전극(10')의 출력을 상기 제1검지전극(10)의 입력으로 귀환시킴으로써 상기 Q 팩터를 튜닝하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 방법은,

   상기 제2검지전극(10')의 출력신호를 검출하는 단계(a);

   상기 검출된 신호를 시간에 대하여 미분하는 단계(b);

   상기 미분된 신호를 증폭하는 단계(c); 및

   상기 증폭된 신호를 상기 제1검지전극(10)으로 입력하는 단계(d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 단계(c)에서 증폭기의 이득값을 조절하여 상기 미세 각속도계의 Q 팩터를 튜닝하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 단계(d)에서 상기 증폭된 신호의 위상이 상기 제1검지전극(10)에 대하여 90°의 위상차를 갖도록 그 위상을 천이시켜 상기 제1검지전극(10)으로 입력하는 것을 특징으로 하는 방법.

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