KR100613822B1 - 진동형 마이크로 자이로 센서 - Google Patents

진동형 마이크로 자이로 센서 Download PDF

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KR100613822B1
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Abstract

2개의 진동자가 장착되는 진동형 마이크로 자이로 센서가 제공된다. 자이로 센서는 2개의 진동자에 부착되는 모니터링 전극, 신호 처리기 및 구동 전극을 포함한다. 모니터링 전극은 2개의 진동자 중 하나의 진동을 모니터링하여, 모니터링된 진동을 나타내는 신호를 출력한다. 신호 처리기는 모니터링 전극으로부터의 신호를 이용하여 2개의 진동자를 서로 역상으로 구동한다. 구동 전극은 2개의 구동 신호에 기반하여 2개의 구동자를 구동한다.
센서, 자이로 센서, 진동자, 각속도, 발진기

Description

진동형 마이크로 자이로 센서{VIBRATION TYPE OF MICRO GYRO SENSOR}
도1은 종래 2-진동자형 마이크로 자이로 센서의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 2-진동자형 마이크로 자이로 센서의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도3은 2-진동자형 마이크로 자이로 센서에서 사용되는 진동자의 주파수 특성을 도시한 도면.
도4는 본 발명의 장점을 설명하기 위하여, 종래 2-진동자형 마이크로 자이로 센서의 진폭의 주파수 특성을 도시한 도면.
도5는 본 발명의 장점을 설명하기 위하여, 종래 2-진동자형 마이크로 자이로 센서의 위상의 주파수 특성을 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 센서 11, 21 : 진동자
11a, 21a : 가동 전극 13A, 13B, 23A, 23B : 모니터링 전극
14A, 14B, 24A, 24B : 구동 전극 30 : 자력 발진기
31 : 인버터 32: 차동 증폭기
본 발명은 2개의 진동자가 장착된 진동형 마이크로 자이로 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 자이로 센서는 자세 제어 시스템 등과 같은 여러 애플리케이션에 사용되고 있다. 자이로 센서는 진동자가 장착된 진동형 마이크로 자이로 센서를 포함한 많은 형태로 분류된다.
진동형 자이로 센서를 구동하기 위해, 일반적으로 진동자는 그 공진 주파수에서 진동하게 된다. 그 이유는 각속도를 감지하기 위한 감도를 향상시키는데 있다. 공진 주파수에서 진동하면, 진동자는 진동자의 Q값만큼 승산된 진폭을 나타내어, Q값에 따라 진동자의 진동 속도가 상승된다. 진동자 속도에서의 상승은 각속도에 대한 감도를 향상시킬 수 있다.
선형 진동형 마이크로 자이로 센서는 진동형 마이크로 자이로 센서에 포함된다. 이러한 선형 센서에서는 일반적으로 2개의 진동자가 사용된다. 상세히 말하면, 내가속도(anti-acceleration) 감도를 감소시키기 위해, 2개의 진동자가 서로 역상으로 진동하도록 구동되고, 2개의 진동자로부터의 2개의 가속도 신호는 이들 2개의 가속도 신호 사이의 차분을 취하게 되어, 가속도 성분이 상쇄된다. 이러한 상쇄 효 과를 얻기 위해, 2개의 진동자는 동일한 진동 주파수에서 진동되어야 한다.
도1에서, 선형 진동형 마이크로 자이로 센서로 분류되는 종래의 2-진동자형 마이크로 자이로 센서가 예시되어 있다. 도1에 도시된 자이로 센서(1)는 2개의 진동자(11),(21)를 포함하는데, 각각의 진동자는 구동 빔(12),(22)에 의해 지지되어, 각 진동자가 도1에 정의된 X축 방향으로 쉽게 진동할 수 있다. 각 진동자(11),(21)에 대해, 진동자(11),(21)의 진동을 모니터링하기 위한 모니터링 전극(13),(23)과 가동 전극(11a),(21a)이 구동 전극(14, 15),(24, 25)에 대향하여 빗살 형태로 형성된다. 도1에 도시된 참조번호(16a, 16b),(26a, 26b)는 센서(1)로부터의 신호를 검출하기 위한 검출 전극이다.
하나의 진동자(11)의 구동 전극(14)과 다른 진동자(21)의 구동 전극(25) 모두에 대해, 그 구동 신호 주파수는 자력 발진기(30)에 인가되는 공진 주파수와 동일하다. 또한, 하나의 진동자(11)의 구동 전극(15)과 다른 진동자(21)의 구동 전극(24)에 대해, 상기 구동 신호에 대한 역상의 구동 신호가 자력 발진기(self-energizing oscillator)(30)에 의해 인버터(31)를 통해 인가된다.
각각의 진동자(11),(21)가 X축 방향으로 진동할 때, 각 진동자(11),(21)의 전극들 사이에 형성되는 대향 면적(S)이 변화되어, 전극 사이의 커패시터(C)는 C∝εㆍS/d (ε: 유전 상수, d: 전극간 거리)의 관계에 따라 각각 변화된다. 진동자(11),(21)의 진동이 모니터링 전극(13),(23)에 의해 각각 모니터링되어, 차동 증폭기(32)에 의해 서로 모니터링된 신호를 감산하게 된다. 결과로서 생성된 감산 신호가 자력 발진기(30)로 피드백되어, 동일한 주파수 신호로 2개의 진동자(11),(21)를 구동한다(그러나, 다른 진동자(21)에 대한 경로에 개입된 인버터(31)로 인해, 2개의 진동자(11),(21)에 인가된 신호는 서로 역상임).
그러나, 상기의 2-진동자형 마이크로 자이로 센서는 그 성능에서 여전히 만족스럽지 못하다. 이러한 센서를 제조하는 것은 종종 크기 또는 그 밖의 것들에서 불규칙성이 개입된다. 진동자의 질량 및 구동빔의 크기를 포함하는 이러한 불규칙성은 종종 진동자(11),(21)의 공진 주파수에서 차이를 야기한다. 이러한 차이가 야기되면, 2개의 진동자(11),(21)로부터의 모니터링 신호외에 결과로서 발생되는 신호를 2개의 진동자(11),(21)로 인가하는 것은, 2개의 진동자(11),(21)가 2개의 진동자(11),(21)에 주어진 2개의 공진 주파수 사이에 있는 주파수 신호로 자력 발진하도록 하는 결과를 초래할 것이다.
위에서, 각 진동자의 Q값이 높아서 2개의 공진 주파수 사이의 차이를 더 크게 만드는 경우에, 2개의 진동자(11),(21)는 2개의 공진 주파수 사이에 있는 주파수를 갖는 구동 신호를 수신할 때, 보다 작은 진폭으로 구동된다. 결과적으로, 이러한 경우에, 2개의 진동자는 자력 발진될 수 없다,
본 발명은 상기의 문제점을 고려하여 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은 2개의 진동자의 공진 주파수 사이에 상당히 큰 차이가 존재하더라도, 자력 발진을 계속해서 수행할 수 있는 진동형 마이크로 자이로 센서를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 2개의 진동자가 장착된 진동형 마이크로 자 이로 센서가 제공된다. 상기 자이로 센서는 2개의 진동자 중 하나의 진동을 모니터링하여, 모니터링된 진동을 나타내는 신호를 출력하는 모니터링 전극; 모니터링 전극으로부터의 신호를 이용하여, 2개의 진동자를 서로 역상으로 구동하도록 구성되는 신호 처리기; 및 2개의 진동자 모두에 부착되어, 2개의 구동 신호에 기반하여 상기 2개의 진동자를 구동하는 구동 전극을 포함한다.
이 구성에서, 2개의 진동자를 구동하기 위한 모니터링 신호는 2개의 전극 중 하나로부터 획득될 수 있다. 획득된 모니터링 신호를 이용하여, 서로 역상인 2개의 구동 신호가 생성되어, 양쪽 진동자를 구동하고, 이로써, 진동자 중 하나의 공진 주파수가 2개의 구동 신호에 반영된다. 2개의 구동 신호로 양쪽 진동자를 구동하는 것은 2개의 진동자를 진동시켜, 상이한 진동 진폭을 나타내게 한다. 그러나, 이 센서에 인가되는 가속도에 대한 감도는 진동 진폭 레벨에 의존하지 않기 때문에, 아무 문제가 없다. 따라서, 2개의 진동자의 공진 주파수 사이에 상당히 큰 차이가 존재하더라도, 2개의 진동자에서 안정적으로 자력 발진이 수행될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예가 설명될 것이다.
도2는 본 발명에 따른 2-진동자형 마이크로 자이로 센서(2)의 개략적인 구성을 도시하고 있다.
상기 2-진동자형 마이크로 자이로 센서(2)는, 자이로 센서(2)에서 야기되는 변위를 모니터링하기 위한 배선을 제외하고, 도1에 도시된 것과 거의 유사한 방식으로 형성된다. 그러나, 도1에 도시된 종래 센서(1)로부터의 차이를 비교 방식으로 이해할 수 있도록, 본 센서(2)의 구성요소는 도1에 도시된 것과 동일한 참조부호가 제공된다.
종래 센서와 같이, 본 발명의 마이크로 자이로 센서(2)는 2개의 진동자(11),(21)를 갖는 센싱 유닛(2A)이 장착된다. 2개의 진동자(11),(21)는 각각 다수의 가동 전극(11a),(21a)을 갖도록 형성된다. 가동 전극(11a),(21a)은 X축 방향으로 표시된 방향으로, 진동자 몸체보다 더 길게 확장되어, 전극(11a),(21a)의 양 끝이 X축 방향으로 빗살 형태로 돌출된다. 진동자(11),(21)는 구동빔(12),(22)을 이용하여 고정 부재 사이에 매달려서, 각각 X축 방향으로 진동이 가능하게 된다.
2개의 진동자(11),(21) 각각의 양 X-방향 상에, 한 쌍의 모니터링 전극(13A, 13B),(23A, 23B)이 배치된다. 실제로, 각 모니터링 전극(예로, 13A)의 전극판은 교번적인 방식으로, 전극판과 가동 전극 사이에 소정 간격을 두고, 둘 이상의 돌출된 가동 전극(11a),(21a)의 X-방향의 일측 끝에 면하도록 배치된다. 따라서, 각 모니터링 전극(예로, 13A)과 각 가동 전극(11a),(21a)의 각 끝 사이에 커패시터가 형성된다.
전술한 것과 유사한 방식으로, 2개의 진동자(11),(21) 각각의 양 X 방향측 상에, 한 쌍의 구동 전극(14A),(14B)이 배치된다. 실제로, 각 구동 전극(예로, 14A)의 전극판은 교번적인 방식으로, 전극판과 가동 전극 사이에 소정 간격을 두고, 나머지 돌출된 가동 전극(11a),(21a)의 X-방향의 일측 끝에 면하도록 배치된다.
본 발명의 2-진동자형 마이크로 자이로 센서(2)는 또한 연산 증폭기로 구성된 차동 증폭기(32), 자력 발진기(30) 및 인버터(31)를 포함하는 제어 유닛(2B)이 장착된다.
2개의 모니터링 전극(13A, 13B)만이 차동 증폭기(32)의 2개의 입력 단자에 연결된다. 차동 증폭기(32)의 출력 단자는 자력 발진기(30)의 입력 단자에 연결되는데, 그 출력은 2개의 경로로 갈라진다. 하나의 출력은 인버터(31)를 통해 진동자(11)의 일측 구동 전극(14B)과 다른 진동자(21)의 일측 구동 전극(24A) 양쪽으로 연결된다. 한편, 자력 발진기(30)로부터의 다른 출력은 진동자(11)의 나머지 구동 전극(14A)과 다른 진동자(21)의 나머지 구동 전극(24B) 양쪽으로 직접 연결된다. 진동자(21)에 부착되는 모니터링 전극(23A, 23B)과의 전기적인 접속은 존재하지 않는다.
2개의 검출 전극(16a, 16b),(26a, 26b)이 고정 배치되어, 검출 전극(16a, 16b),(26a, 26b)과 각각의 진동자(11),(21) 사이에 커패시터를 각각 형성한다.
그러므로, 본 발명에 따른 2-진동자형 마이크로 자이로 센서(2)에서, 신호들은 모니터링 전극(13A)을 통해 하나의 진동자(11)로부터 검출되고, 그후, 자력 발진기(30)로 피드백된다. 따라서, 자력 발진기(30)는 하나의 진동자(11)의 구동 전극(14A)과 다른 진동자(21)의 구동 전극(24B)에 대해 제1 구동 신호로서 (전압 신호 형식으로 생성되는) 동일한 구동 신호를 인가한다. 결과적으로, 인버터(31)는 자력 발진기(30)로부터 직접 제공된 구동 신호를 제2 구동 신호로 생성하는데, 이것은 제1 구동 신호와 반대 위상, 즉, 제1 구동 신호와 180도만큼 상이한 위상을 갖는다. 이 제2 구동 신호는 진동자(11)의 구동 전극(14B)과 다른 진동자(21)의 구동 전극(24A)으로 피드백된다.
가속도가 본 센서(2)에 인가되면, 2개의 진동자(11),(21)가 서로 역상으로 진동하기 때문에, 2개의 진동자(11),(21)가 동일한 방향에서 바뀌더라도, 2개의 진동자(11),(21)에서 야기되는 코리올리의 힘이 서로 상반된다. 그러므로, 연산 증폭기(32)에 의해 모니터링 전극(13A, 13B)의 출력 사이에 감산을 수행하는 것은 모니터링 전극(13A, 13B)의 출력 신호로부터 가속도 성분만을 제거할 수 있게 한다.
코리올리의 힘에 대한 진동에 따라 검출 전극(16a, 16b),(26a, 26b)에 의해 형성되는 커패시터의 커패시턴스에서의 변화는 검출 전극(16a, 16b),(26a, 26b)에 의해 검출된다. 변화를 나타내는 검출 신호는 신호 처리기(미도시)에 의해 대응하는 전압값으로 변환된다. 이 전압 신호는 각 가속도 신호와 같은 요구된 형태의 검출 신호로 처리된다.
이제, 본 발명에 따른 2-진동자형 마이크로 자이로 센서(2)의 동작 및 장점이 도1에 도시된 종래 자이로 센서(1)와 비교하여 설명될 것이다.
도1에 도시된 종래 센서(1)에서, 2개의 진동자(11),(21)가 서로 상이한 공진 주파수를 가지면, 2개의 진동자(11),(21)는 2개의 공진 주파수 사이에 중간 주파수에서 진동해야 한다. 일반적으로, 각속도에 대한 감도를 높이기 위해(즉, 가능한 한 큰 진폭을 얻기 위해), 각 진동자(11),(21)의 Q값은 큰 값으로 설계된다. 그러나, 제조시의 다른 정확도 또는 여러 요인들로 인해, 2개의 공진 주파수 사이에 차이가 존재하는 경우, 2개의 진동자(11),(21)는 중간 주파수에서 진동하게 되어, 보다 작은 진폭을 나타낸다. 결과적으로, 도1에 도시된 모니터링 전극(13, 23)에 의해 형성된 커패시턴스에서의 변화가 작아지고, 이에 따라 충분한 신호 크기가 얻어질 수 없게 된다. 일부 이러한 경우에 도1에 도시된 자력 발진기(30)의 동작에서 오류를 야기한다.
반면에, 도2에 도시된 본 발명에 따른 2-진동자형 마이크로 자이로 센서(2)에서는, 자력 발진이 보장될 수 있다. 이를 실현하기 위해, 도2에 도시된 바와 같이, 진동자(11),(21) 중 하나로부터 모니터링 신호가 획득된다. 본 실시예에서는, 하나의 진동자(11)만이 모니터링 전극(13A, 13B)으로부터의 모니터링 신호를 제공한다. 대안예로는 다른 진동자(21)가 모니터링 전극(23A, 23B)으로부터 모니터링 신호를 제공할 수 있다. 하나의 진동자(11)로부터의 모니터링 신호가 2개의 진동자(11),(21)를 진동시키기 위한 자력 발진에 사용된다.
이 경우에, 자신의 모니터링 신호를 수신하는 하나의 진동자(11)는, 자신의 모니터링 신호에 기반한 구동 신호에 의해 고유의 공진 주파수에서 진동할 수 있기 때문에, 큰 진폭으로 진동할 수 있고, 따라서, 자력 발진기(30)에 대해 충분한 진폭의 모니터링 출력을 제공할 수 있다.
또한, 진동자(11)로 피드백되는 것과 동일한 구동 신호가 나머지 진동자(21) 에도 피드백된다. 가속도에 대한 검출 감도는 진동 진폭에 의존하지 않기 때문에, 2개의 진동자(11),(21)가 상이한 진동 진폭으로 진동한다는 사실은 가속도 감도에 대한 상쇄 효과에 영향을 주지 않는다.
이제, 도3 내지 도5를 참조하여 상기의 비교 설명이 보다 상세히 설명될 것이다.
전술한 바와 같이, 자력 발진기(30)는 구동 신호와 진동자(11),(21)의 진동 사이에 90도의 위상차가 존재할 때에 구현되는 주파수에서 진동자(11),(21)에 대한 구동 신호를 생성한다. 그러므로, 진동자의 진동으로부터 모니터링 신호의 위상차가 90도가 될 필요가 있다.
도3은 2개의 곡선으로 도시된, 통상의 진동자의 진동 특성을 예시하고 있다. 하나의 곡선(CP)은 진동자의 진동 진폭을 나타내고, 다른 곡선(CA)은 진동자를 구동하기 위한 구동 신호로부터의 위상차를 나타낸다. 자력 발진기(30)는 진동자가 "fa [Hz]" 주파수, 즉, 진동자의 공진 주파수에서 진동하도록 하기 위해, 가능한 한 큰 진폭의 구동 신호를 제공하도록 발진할 필요가 있다. 위상차는 "fa" 주파수에서 90도이다. 따라서, 자력 발진기(30)는 "fa" 주파수에서 안정되도록 동작하고, 여기서 발진기가 구동 신호를 생성한다.
진동자의 진동 상태는 진동자에 부착된 모니터링 전극으로부터의 신호에 기반하여 측정된다. 종래의 2-진동자형 마이크로 자이로 센서(1)에서는, 2개의 진동자(11),(21)로부터의 모니터링 신호가 서로 결합되어, 자력 발진을 위한 구동 신호를 생성한다. 2개의 진동자(11),(21)의 각각의 공진 주파수가 완전히 동일한 경우, 각 진동자(11),(21)의 주파수 특성은 도3에 도시된 것과 같이 된다.
그러나, 2개의 진동자(11),(21)의 주파수 특성에서 불규칙성이 존재하는 경우, 그 공진 주파수 "fb", "fc"는, 도4에 도시된 것과 같이, 서로 상이하다. 이 경우에, 2개의 진동자(11),(21)의 각각의 주파수 특성(CFa, CFb)이 서로 결합되어, 결합된 주파수 특성(CFc)을 형성한다. 결합 주파수 특성은 진동자(11),(21)로부터 획득된 모니터링 신호로 반영된다. 유사하게, 도1에 도시된 종래 센서 구성에서, 위상 특성이 도5에 도시되었는데, 여기서, 곡선(CPa, CPb)은 각각 진동자(11),(21)의 위상 특성을 나타내고, 곡선(CPc)은 2개의 위상 특성(CPa, CPb)의 결합 위상 특성을 나타낸다. 따라서, 전체 센서(1)도 역시 결합 위상 특성에 따라 동작한다.
도3 내지 도5에 도시된 바와 같이, 2개의 진동자(11),(21)의 각 공진 주파수가 서로 상이하게 됨에 따라, 각각의 위상차가 90도가 되는 2개의 공진 피크가 명확하게 나타난다. 이러한 분리된 2개의 공진 피크는 발진기(30)가 공진되어야 하는 주파수에서 자력 발진기(30)를 혼란시켜, 공진 동작에서 오류가 발생한다.
반면에, 본 발명에 따른 2-진동자형 마이크로 자이로 센서(2)는 이러한 문제점을 없앨 수 있다. 이를 위해, 센서(2)는 일측의 진동자(본 실시예에서는 진동자(11))로부터의 모니터링 신호를 항상 수신하여, 일측의 진동자로부터 검출된 모니터링 신호의 단일 응답 주파수에 따라 2개의 진동자(11),(21) 모두를 구동하도록 구성된다. 따라서, 자력 발진기(30)에 제공되는 공진 주파수는 항상 하나이므로, 이러한 일측 모니터링 구성은 발진기(30)가 자력 발진에 실패하는 것을 방지한다.
덧붙여 말하면, 모니터링과는 상관없는 나머지 진동자(본 실시예에서는 진동자(21))는 상이한 공진 주파수에서 진동하게 되기 때문에, 이 진동자의 진동 진폭은 낮다. 그러나, 이것은 2개의 진동자(11),(21)를 결합함으로써 발생하는 가속도 감도의 상쇄에는 영향을 주지 않는다.
상기의 명세서에서, 본 발명은 특정한 실시예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 첨부된 청구항에서 제시된 것과 같은 본 발명의 보다 넓은 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한, 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 이 명세서 및 도면은 제한적인 관점이라기 보다는 예시적인 관점으로 간주되어야 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 2개의 진동자의 공진 주파수 사이에 상당히 큰 차이가 존재하더라도, 자력 발진을 계속해서 수행할 수 있는 진동형 마이크로 자이로 센서가 제공된다.

Claims (4)

  1. 2개의 진동자가 장착된 진동형 마이크로 자이로 센서에 있어서,
    상기 2개의 진동자 중 하나의 진동을 모니터링하여, 모니터링된 진동을 나타내는 신호를 출력하는 모니터링 전극;
    상기 모니터링 전극으로부터의 신호를 이용함으로써, 서로 역상으로 2개의 진동자를 구동시키기 위한 2개의 구동신호를 발생시키도록 구성되는 신호 처리기; 및
    상기 2개의 진동자 모두에 각각 부착되고, 2개의 구동 신호에 응답하여 상기 2개의 진동자를 구동하는 구동 전극을 포함하는
    진동형 마이크로 자이로 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 진동자는 각 진동자의 양측으로부터 특정 방향으로 돌출된 다수의 가동 전극을 구비하고,
    상기 모니터링 전극은 상기 2개의 진동자 중 적어도 하나의 양측에, 상기 가동 전극에 일정 간격을 가지고 대향하도록 배치되는 모니터링 전극 쌍으로 구성되고, 여기서, 상기 간격은 그 변화가 상기 모니터링 전극으로부터의 신호로 반영되는 커패시턴스를 형성하며,
    상기 2개의 진동자 중 적어도 하나에 대향하도록 배치된 모니터링 전극 쌍은 상기 신호 처리기에 전기적으로 접속되어, 상기 신호를 상기 신호 처리기로 전송하는
    진동형 마이크로 자이로 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2개의 진동자 중 다른 하나는 상기 진동자의 양측에 상기 신호 처리기까지 전기적으로 비접속되는 제2모니터링 전극쌍을 구비하는
    진동형 마이크로 자이로 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 각각의 모니터링 전극 쌍으로부터의 신호를 수신하는 차동 증폭기, 상기 차동 증폭기로부터 출력된 신호에 기반하여 자력 발진하는 자력 발진기, 및 상기 자력 발진기로부터 출력된 발진 신호를, 상기 2개의 구동 신호 중 하나로 제공하는 반전 신호로 반전(인버팅)하는 인버터를 포함하고, 상기 2개의 구동 신호 중 다른 하나는 상기 자력 발진기로부터 출력된 발진 신호 자체로 구성되는
    진동형 마이크로 자이로 센서.
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