KR101087018B1 - 마이크로메카니컬 운동 센서 - Google Patents

마이크로메카니컬 운동 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진동 가능하게 지지되며, 주기적 구동 전압이 제공되는 정전형 진동 구동 장치(KA1, KI1, KA2, KI2)에 의해 영구 주기적 진동(γ(t))을 여기하는 캔틸레버 스프링 부재(1, 2)에 가해지는 변위를 검출할 수 있는 마이크로메카니컬 운동 센서에 관한 것이다. 캔틸레버 스프링 부재(1, 2)의 공진 주파수 응답에서 발생하는 비선형성을 보상하기 위해, 기존의 코움 구동 장치(KA1, KI1, KA2, KI2)에는 정상 구동 전압 신호 및 보상 구동 신호의 합(UPKA , Ges, UPK1 , Ges)이 제공된다. 대안적인 실시예에서 별도의 보상 코움 구동 유닛이 진동 구동을 위해 사용된 코움 구동 유닛(KA1, KI1, KA2, KI2)에 대해 추가로 제공될 수 있고, 상기 별도의 구동 코움 구동 유닛들에는 비선형성을 보상하는 보상 전압 신호가 제공된다.
마이크로메카니컬 운동 센서, 진동 구동 장치, 캔틸레버 스프링 부재, 코움 구동 장치, 구동 전압 신호, 보상 구동 신호.

Description

마이크로메카니컬 운동 센서{Micromechanical motion sensor}
본 발명은 주기적 구동 전압이 제공되는 정전형 진동 구동 장치에 의해 영구 주기적 진동을 하도록 여기되는, 진동 지지식 캔틸레버(cantilever) 스프링 부재에 가해지는 변위를 검출할 수 있는 마이크로메카니컬 운동 센서에 관한 것이다. 특히, 캔틸레버 스프링 및 코움 드라이브(comb-drive)를 사용하는 이러한 마이크로메카니컬 운동 센서가 US 특허 5 025 346에 기술되어 있다.
캔틸레버 스프링은 변위가 큰 경우 비선형 효과를 나타낸다. 출원인에 의해 제조된 마이크로메카니컬 회전 속도 센서(로베르트 보쉬 게엠베하 타입명 : MM2R)에서 회전자는 회전점에서 X-스프링에 걸린다(첨부된 도 3 참조). ±4°의 변위에서도 상기 비선형 효과가 분명히 감지될 수 있다. 이러한 비선형 효과는 시스템의 공진 주파수의 이동에 의해 나타난다. 추가로, 비선형성에 의해 다수의 안정된 구동 상태를 가진 영역이 발생할 수 있다. 실제 구동시 예컨대 작은 방해에 의해 안정화된 상태들 간의 갑작스러운 전이가 이루어지는 경우, 회전 속도 센서의 기능이 현저하게 저하될 수 있다.
도 3에 개략적으로 도시된, 본 출원인에 의해 제조된 회전 속도 센서(타입 MM2R)에서, 캔틸레버 스프링 부재는 중심에 배치된 X-스프링(2)에 의해 중심에 지지된 중심 대칭의 진동 질량체(1)를 포함하고, 상기 진동 질량체는, 측방 평면 x,y 에서 정지 위치 0 를 중심으로 동일한 크기의 포지티브 및 네가티브 변위(i, a)로 주기적인 회전 진동을 하도록, 대칭으로 작용하는 코움 구동 장치에 의해 여기된다(각γ은 포지티브 방향 i의 편각을 나타낸다). 제 1 코움 구동 장치 쌍은 서로 마주 놓인 2 개의 코움 구동 유닛들 KI1 및 KA1 을 포함하고, 상기 코움 구동 유닛들은 진동 질량체(1)의 원호형 주변 섹션에 놓인 제 1 작용점(P1)에 작용한다. 각각 포지티브 방향(i)의 변위 및 네가티브 방향(a)의 변위에 대해 제공된 상기 2 개의 제 1 코움 구동 유닛들 KI1 및 KA1 은 X-스프링(2)의 중심을 진동 질량체(1)의 정지 위치에 연결시키는 가상 직선에 대해 평행하게 배치된다. 제 1 코움 구동 유닛쌍(KI1, KA1)에 대해 중심 대칭으로, 각각 포지티브 변위(i) 및 네가티브 변위(a)에 대한 제 2 코움 구동 유닛 쌍(KI2, KA2)이 진동 질량체(1)의 제 1 작용점(P1)에 직경으로 대향 배치된 제 2 작용점(P2)에 작용한다. 또한 상기 2 개의 제 2 코움 구동 유닛들 KI2, KA2 은 진동 질량체(1)의 중심을 정지 위치를 나타내는 점 0 에 연결시키는 가상의 직선에 대해 평행하게 배치된다.
제어 유닛(3)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 각각 (포지티브 변위 방향(i)으로의 여기를 위한) 코움 구동 유닛들 KI1 및 KI2 및 (네가티브 변위 방향(a)으로의 여기를 위한) 코움 구동 유닛 KA1 및 KA2 용 구동 전압 UPKI, DRIVE 및 UPKA, DRIVE 을 발생시킨다. 도 4의 상부 부분 A에는 진동 질량체(1)의 주기적이며 이상적인 경우 조화된 여기 함수γ(t)가 포지티브 방향(i) 및 네가티브 방향(a)으로 도시되며, 상기 함수는 주기 2π를 가진다.
도 4의 중간 부분 B에는 네가티브 방향(a)의 변위에 대한 코움 구동 유닛 KA1 및 KA2 용 구형파 펄스형 구동 전압 UPKA, DRIVE 이 파선으로 도시되는 한편, 하부 부분 C에는 구동 전압 UPKA, DRIVE 에 대해 역위상인, 포지티브 변위에 대한 코움 구동 유닛 KI1, KI2 용 구동 전압 UPKI, DRIVE 이 도시되며, 상기 구동 전압 UPKI, DRIVE 도 마찬가지로 도 4의 A에 도시된 주기적 여기 진동γ(t)의 주기를 가진 구형파 펄스를 가진다.
또한 도 4에는, 도 4의 C에 따른 포지티브 변위(i)에 대한 구동 전압 UPKI, DRIVE 의 펄스가 진동 질량체(1)의 주기적 진동γ(t)의 포지티브 영교차(zero crossing)에 대해 대칭으로 발생되는 한편, 도 4의 B에서 발생된, 네가티브 변위에 대한 구동 전압 UPKA, DRIVE 의 펄스는 도 4의 A에 따른 주기적 여기 진동 γ(t)의 네가티브 영교차에 대해 대칭으로 발생되는 것이 도시된다. 도 3에 개략적으로 도시된 코움 구동 장치(KI 및 KA)는 각각 한 방향으로만 힘을 가할 수 있기 때문에, 회전자를 진동 운동시키기 위해서는 다수의 코움 구동 유닛이 필요하다.
제어 유닛(3)에 의해 인가된 구동 전압에 대해, 실용성의 이유로 사인파형 곡선 대신 구형파 전압이 각각 발생된다. 이것은 제어 유닛(3) 내 제어 로직 및 전압 펌프에 의해 구현될 수 있다. 기본적으로 전압 펌프는 충전된 커패시터로 이루어진다. 따라서 단시간 동안 작동 전압보다 높은 전압이 발생될 수 있다. 필요한 경우 이 전압이 사용된다.
비선형 빔 벤딩은 더핑(Duffing) 미분 방정식에 의해 기술될 수 있다. 상기 방정식은 알려진 미분 방정식이기 때문에, 다이나믹 특성의 상세한 분석은 생략될 수 있다. 그 대신 추가로 하기에서 첨부된 도 1 및 도 2에 의해 2 개의 주요 효과(주파수 편이 및 불안정성)가 간단하게 설명된다. 더핑 미분 방정식
MDRIVE = Jz·γ + bt ,z·γ+ ktz ,0·(1 + ktz , NL γ2)γ(1)
또는
MDRIVE = Jz·γ + bt ,z·γ+ ktz ,0·γ+ ktz ,0 ktz , NL γ3 (2)
에 의해 X-스프링의 기계적 비선형성이 기술될 수 있다. 매개 변수화(parameterization)는 상응하는 유한 요소법(finite element method)에 의해 이루어진다.
방정식 2 에 나타나는 바와 같이, 이는 선형 감쇠항 bt,z(속도비례 감쇠)을 가진 2차 진동 미분 방정식이다. γ에 의해 회전자의 변위를 나타내는 각도가 표시된다. "표준-진동 미분 방정식"과의 유일한 차이는 비선형 첨가항 ktz,0 ktz,NL γ3 이다. 항 ktz,0 은 선형 스프링 상수(토션(Torsion))이다. 항 ktz,NL 은 비선형성을 나타낸다. z-축을 중심으로 나타나는 회전자의 관성 모멘트는 Jz로 표시된다. 회전자 진동의 여기는 구동 모멘트 MDRIVE에 의해 이루어진다.
도 1에는 감쇠가 있는 선형의 경우 증폭의 공진 곡선이 도시된다. 증폭 팩터는 시스템의 고유 주파수가 여기되는 경우 정확하게 최대치가 된다. 비선형의 경우 공진 곡선의 최대치가 우측으로 이동된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공진 곡선은 추가로 우측으로 경사진다. 따라서 증폭과 여기 주파수 사이의 명확한 할당이 상실된다. 개별적인 경우에 어떤 증폭이 존재하는가는 히스토리(history)에 따라 좌우된다. 여기 주파수가 부드럽게 상승하는 경우 예컨대 영역 I으로부터 영역 II으로 천천히 이동되어 도 2의 점 1에 도달한다. 초임계적 여기 및 구동 주파수의 느린 감소시, 작동 상태는 영역 III으로부터 영역 II의 점 2로 이동한다. 따라서 하나의 동일한 작동 주파수에서 2 개의 상이한 상태들이 가능하다. 이것은 일반적으로 바람직하지 않은 작용인데, 그 이유는 예컨대 방해 펄스에 의해 점 1에서 점 2로의 갑작스러운 전이가 이루어질 수 있기 때문이다. 갑작스러운 변화의 위험은 전체 영역 II 내에 있다(도 2에서 빗금친 부분).
코움 구동장치에 의한 구동 원리에 대해 간단하게 기본적인 분석적 관계식이 주어진다:
Figure 112005064136672-pct00001
(3)
방정식 3 으로부터 하기의 관계가 나타난다 :
- 코움 구동 장치의 커패시터 플레이트들에서의 전압차 ΔU 가 클수록, 구동력 Fx 이 커지고,
- 코움 구동 구조물의 높이 h가 클수록, 구동력 Fx 이 커지고,
- 코움 구동 장치의 커패시터 플레이트들의 간격 d0 이 작을수록, 구동력 Fx 이 커진다.
이것은 단지 기본적인 관계이다. 상세한 고찰시, 힘의 원인은 포유 전자계의 형성에 있는 것이 나타난다. 따라서 정확한 고찰시 힘을 계산하기 위한 곡선이 사용되어야 한다. 복잡한 구조에서 상기 관계는 유한 요소법에 의해 계산된다.
본 발명의 목적은, 마이크로메카닉 운동 센서, 특히 코움 구동 유닛을 구비한 회전 속도 센서에서 또는 선형 진동기에서, 기계적 비선형성에 의해 발생하는 상기 문제를 방지하고, 비선형성이 보상되는 상기 형식의 마이크로메카닉 운동 센서를 제공하는 데 있다.
상기 목적은 청구항에 의해 달성된다.
중요한 관점에 따라, 상기 목적을 달성하는, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 마이크로메카닉 운동 센서는, 캔틸레버 스프링 부재에 작용하는 정전형 보상 구동 수단을 포함하고, 상기 수단에는 캔틸레버 스프링 부재의 공진 주파수 응답의 비선형성을 보상하는데 적합한 주기적 보상 전압이 제공되는 것을 특징으로 한다.
이러한 마이크로메카닉 운동 센서가 본 출원인에 의해 제조된 회전 속도 센서의 전술한 기본 구조를 기초로 하는 회전 속도 센서로서 설계되면, 캔틸레버 스프링 부재는 중심에 배치된 X-스프링에 의해 중심에 지지된 중심 대칭으로 설계된 진동 질량체(회전자)를 포함하고, 상기 진동 질량체는 측방 X-Y- 평면에서 정지 위치를 중심으로 동일한 크기의 포지티브 및 네가티브 변위로 회전 진동을 하도록 진동 구동 장치에 의해 여기된다; 상기 진동 구동 장치는 포지티브 및 네가티브 변위에 대해 진동 질량체를 여기하기 위해 제어 유닛에 의해 주기적 구동 전압으로 제어되는 적어도 하나의 코움 구동 유닛을 각각 포함하고, 상기 코움 구동 유닛의 구동력은 진동 질량체의 X-Y-평면에 놓인 적어도 하나의 제 1 작용점에, 진동 질량체가 정지 위치를 중심으로 대칭으로 여기 또는 구동되도록 접선으로 작용한다 ; 그리고 보상 구동 수단은 각각 포지티브 및 네가티브 변위 방향으로 비선형성을 보상하기 위해 적어도 하나의 코움 구동 유닛을 포함하고, 상기 코움 구동 유닛은 동일한 작용점에 작용하고 및/또는 상기 작용점에 대해 직경 방향으로, 진동 질량체의 중심에 대해 동일한 간격을 두고 마주 놓인 제 2 작용점에 작용한다.
하나의 실시예에서, 보상 코움 구동 유닛은 코움 구동 유닛 쌍들 중 적어도 하나와 동일할 수 있다. 다른 실시예에서는 정상적인 여기를 위해 사용되는 코움 구동 유닛 외에 보상을 위해 보상 코움 구동 유닛의 적어도 하나의 추가 쌍이 배치된다.
이러한 마이크로메카닉 운동 센서가 선형 진동기로서 설계되면, 캔틸레버 스프링 부재는, 중앙에 배치된 커플링 스프링에 의해 연결되며 대칭 스프링 걸이에 의해 선형으로 진동할 수 있도록 지지된, 다수의 진동 질량체들로 이루어진 시스템을 포함하고, 상기 시스템은 측방 평면에서 정지 위치를 중심으로 동일한 크기의 포지티브 및 네가티브 변위로 선형 진동을 하도록 구동 장치에 의해 여기된다 ; 상기 진동 구동 장치는 각각 포지티브 및 네가티브 변위에 대한 진동 질량체 시스템을 여기하기 위해 제어 유닛에 의해 제어되는 각각 적어도 하나의 코움 구동 유닛을 가지고, 상기 코움 구동 유닛의 구동력은 진동 질량체 시스템에서 동일한 측방 평면에서 시스템의 각 진동 질량체 상에 대향 배치된 다수의 작용점에, 상기 구동력이 각각의 정지 위치를 중심으로 시스템의 진동 질량체를 여기시키도록 작용한다; 그리고 보상 구동 수단은 시스템의 각 진동 질량체에 대해서 적어도 하나의 코움 구동 유닛을 포함하고, 상기 코움 구동 유닛은 각 진동 질량체의 적어도 하나의 작용점에 작용한다.
본 발명에 따라 비선형성을 보상하기 위해 코움 구동 유닛들을 사용함으로써, 캔틸레버 스프링 부재와 코움 구동 유닛들로 이루어진 전체 구조는 선형 특성을 갖는다. 따라서 비선형성을 야기하는 상기 문제점이 제거된다.
본 발명에 따른 마이크로메카닉 운동 센서, 특히 회전 속도 센서 및 선형 진동기의 상기 특징 및 다른 바람직한 특징은 하기의 바람직한 실시예의 설명에서 도면을 참조로 더 자세히 설명된다.
도 1은 감쇠가 있는 선형의 경우 증폭(공진 곡선)의 전술한 주파수 응답의 그래프이고;
도 2는 비선형인 경우 전술한 바와 같은 공진 곡선의 최대가 우측으로 기울어지는 증폭의 주파수 응답의 그래프이고;
도 3은 마이크로메카니컬 운동 센서로 설계된 전술한 회전 속도 센서의 개략적인 평면도이며, 동시에 본 발명에 따른 (보상된) 회전 속도 센서의 제 1 실시예이고;
도 4의 A,B 및 C는 각각 도 3에 따른 중심에 지지된 진동 질량체의 이상적인 진동 형태의 그래프이며, 도 3에 따른 제어 유닛에 의해 발생되는 네가티브 변위 방향에 대한 코움 구동 유닛용 구동 전압 및 포지티브 변위 방향에 대한 코움 구동 유닛용 구동 전압을 나타내고;
도 5는 비선형성의 보상을 위해 추가 보상 코움 구동 유닛이 제공되는, 본 발명에 따른 제 2 실시예의 개략적인 평면도이고;
도 6의 A-F는 도 4의 A-C에 이미 도시된, 도 6의 A, B 및 C의 시간 다이어그램에 추가해서, 네가티브 변위에 대한 보상 전압 신호의 진동 형태(도 6의 D), 포지티브 변위에 대한 보상 전압 신호의 진동 형태(도 6의 E) 및 각각 구동 전압 신호와 대응 보상 전압 신호의 합(도 6의 F)을 나타내는 그래프이고, 및
도 7은 비선형성을 보상하기 위해 추가의 보상 코움 구동 유닛이 제공되는, 선형 진동기 형태의 본 발명에 따른 마이크로메카닉 운동 센서의 제 3 실시예의 개략적인 평면도이다.
벤딩 빔의 기계적 비선형성을 보상하기 위해, 기존의 구동 신호에 추가해서 (도 4 참조) 보상 전압이 코움 구동 장치에 인가되고, 상기 보상 전압은 정확하게 미분 방정식 2에서 비선형 항을 보상한다. 코움 구동 장치는 작용 원리에 의해 한 방향으로만 힘을 제공할 수 있다. 따라서 포지티브 변위(i)의 경우 코움 구동 장치(KA)가 및 네가티브 변위(a)의 경우 코움 구동 장치(KI)가 보상을 실시한다.
보상 전압의 형태는 회전 속도 센서에서 분석적 관계식으로부터 얻어진다. 방정식 2로부터 보상될 모멘트가 얻어진다:
MComp = ktz,0 ktz, NL·γ3 (4)
상기 모멘트가 기존의 코움 구동 장치(KI1, KI2 및 KA1 및 KA2)를 통해 제공되어야 한다면, 하기의 방정식이 얻어진다:
Figure 112005064136672-pct00002
(5)
상기 식에서 kStreu는 포유 전자계 효과를 고려하기 위한 보정 팩터이고, nComb는 코움의 개수이며, reff는 구동 모멘트의 계산을 위해 얻어진 유효 반경이다. 모든 코움 구동 장치의 공통 기준 전위는 UPCM로 표시된다.
방정식 5는 전압 UPKI(코움 구동 장치 KI1, KI2에 인가된 전압) 또는 UPKA(코움 구동 장치 KA1, KA2에 인가된 전압)에 따라 풀리므로, 보상 전압이 얻어진다
Figure 112005064136672-pct00003
(6)
구동 전압 UPKI, PKA, DRIVE(도 4 참조) 및 방정식 6에서 계산된 보상 전압 UPKI,PKA, Comp의 가산으로부터 코움 구동 장치 UPKI, PKA, Ges 에서의 이상적인 전압 곡선이 얻어진다. 실제 용도에서 상기 곡선은 계단형 곡선에 의해 근사해져야 한다.
따라서 제 1 실시예에서, 각 구동 전압들 UPKA, DRIVE 및 UPKI, DRIVE(도 6의 B 및 C)과 도 6의 D 및 E의 대응 보상 전압들 UPKA, Comp및 UPKI, Comp의 합으로부터 형성된 도 6의 F에 따른 전체 전압UPKA, Ges 및 UPKI, Ges 이 비선형성의 보상을 위해 도 3에 따른 각 코움 구동 유닛 KA1, KA2 및 KI1, KI2에 공급된다. 이를 위해 제어 유닛(3)은 도 6의 F에 각각 파선 및 실선으로 도시된 전체 전압들 UPKA, Ges 및 UPKI, Ges(도 3에는 파선으로 도시됨)을 발생시키며, 상기 전체 전압을 대응하는 코움 구동 유닛들 KA1, KA2 및 KI1, KI2에 인가시킨다.
도 3에 도시된 본 발명에 따른 회전 속도 센서의 실시예에서, 진동 구동 장치는 4 개의 코움 구동 유닛들 KA1, KA2 및 KI1, KI2을 포함하고, 이들 중 제 1 및 제 2 코움 구동 유닛이 포지티브(i) 및 네가티브 변위(a)에 대해 제 1 쌍(KI1, KA1)을 형성하며, 상기 제 1 쌍은 진동 질량체(1)에 제 1 공통 작용점(P1)을 가진다. 제 3 및 4 코움 구동 유닛(KI1 및 KA2)은 제 2 쌍을 형성하고, 상기 제 2 쌍은 진동 질량체 상에 대응 배치된 공통 작용점에 작용한다. 2 개의 코움 구동 유닛들 KI1 및 KA1 또는 KI2 및 KA2은 서로 마주보게 놓이며, 더 정확하게 말하자면, 진동 질량체(1)의 정지 위치(0)를 규정하며 진동 질량체(l)의 중심을 통과하는 가상선에 대해 평행하게 놓인다. 이러한 방식으로 각각 포지티브 변위(i)에 대한 코움 구동 유닛들의 구동력과 네가티브 변위(a)에 대한 코움 구동 유닛의 구동력이 가산된다.
도 4 및 6의 부분 B 및 C 에 따라, 제어 유닛(3)에 의해 발생된 구동 전압 신호UPKA, DRIVE 및 UPKI, DRIVE 는 역위상 구형파 전압 펄스이고, 더 정확하게 말하자면, 제어 유닛(3)은 도 4의 A에 도시된 진동 형태 γ(t)의 포지티브 영교차에 대해 각각 대칭인 포지티브 변위(i)에 대한 구형파 전압 펄스 UPKI, DRIVE 및 진동 형태 γ(t)의 네가티브 영교차에 대해 각각 대칭인 네가티브 변위에 대한 코움 구동 유닛들 KA1 및 KA2 용 구형파 전압 펄스 UPKA, DRIVE 를 발생시킨다.
도 6의 D 및 E에 따른, 제어 유닛(3)에 의해 발생되는 보상 전압 신호 UPKA, Comp 및 UPKI, Comp도 마찬가지로 서로 역위상이지만, 변위 최대치에 대해 대칭으로 각각 진동 형태 γ(t)의 포지티브 및 네가티브 변위 방향으로 서로 역위상이다. 따라서 네가티브 변위에 대한 보상 전압 신호 UPKA, Comp 는 포지티브 변위에 대한 구동 전압 신호 UPKI, DRIVE에 대해 90°(π/2)만큼 지연되고, 도 6의 E에 따른 보상 전압 신호 UPKI, Comp 는 구동 전압 신호 UPKA, DRIVE 에 대해 마찬가지로 90°(π/2)만큼 지연된다.
이러한 방식으로 보상된 회전 속도 센서의 실제 유용성을 체크하기 위해, 상기 방정식 6이 시뮬링크-스탠다드 블록(simulink-standardblock)에 의해 시뮬레이션 모델로 변환될 수 있다. 상기 시뮬레이션 모델은 입력 신호로부터:
- 진동 질량체(1)의 편각 γ,
- 기준 전위 UPCM 및
- 구동 전압 UPKI, DRIVE' , UPKA, DRIVE , 전체 전압을 산출한다.
시뮬레이션 결과, 비선형성의 충분한 보상을 위해, 도 6의 F에 도시되며 도 3에는 파선으로 표시된 코움 구동 유닛의 전체 전압은, 매우 높은 전압 레벨을 가져야만 하고, 상기 높은 전압 레벨에서는 종래의 코움 구동 유닛이 더 이상 작동하지 않는 것으로 나타났다. 이러한 인식에 의해, 도 5에 도시된 제 2 실시예가 얻어지며, 제 2 실시예는 도 3에 도시된 4 개의 코움 구동 유닛들 KI1, KI2 및 KA1, KA2에 추가해서 4 개의 보상 코움 구동 유닛들 KIK1, KIK2 및 KAK1, KAK2 을 포함하고, 상기 보상 코움 구동 유닛들은 제어 유닛(3)에 의해 도 6의 E 및 D에 따른 각 보상 전압 신호 UPKI, Comp 및 UPKA, Comp 로만 제어된다. 이와는 달리 구동 수단의 코움 구동 유닛 KI1, KI2 및 KA1, KA2 이 제어 유닛(3)으로부터 도 6의 B 및 C에 도시된 구동 전압 신호 UPKI, DRIVE 및 UPKA, DRIVE' 만을 수신함으로써, 코움 구동 유닛에 너무 높은 전압이 인가되는 문제가 방지된다.
도 5에 도시된 실시예에서, 추가 보상 코움 구동 유닛 KIK1, KIK2 및 KAK1, KAK2 은 마찬가지로 쌍으로 배치되고, 진동 질량체의 직경으로 서로 반대 방향으로 놓인 동일한 2 개의 작용점 P1 및 P2 에 작용한다. 상기 실시예에서 사용된 4 개의 추가 보상 코움 구동 유닛들 KIK1, KIK2 및 KAK1, KAK2이 쌍으로 배치됨으로써 상기 회전 속도 센서의 구조가 완전히 대칭으로 설계된다. 물론 비선형성의 보상은 2 개의 추가 보상 코움 구동 유닛들로, 예컨대 보상 코움 구동 유닛들 KIK1 및 KAK1에 의해서만 구현될 수 있거나 또는 다른 한편으로는 보상 코움 구동 유닛들 KIK2 및 KAK2 에 의해서 구현될 수 있다. 마찬가지로 단 2 개의 보상 코움 구동 유닛들 KIK1와 KAK2 또는 KAK1와 KIK2로도 배치 가능하다.
또한 상기 시뮬레이션으로부터, 보상 전압 신호의 진폭이 편각 γ에 따라 거의 선형으로 증가하는 것으로 나타났기 때문에, 회전 속도 센서의 구동 장치의 설계시 가급적 작은 변위 진폭이 필요하다는 것에 주의해야 한다. 스프링 구조의 구성시 가급적 작은 비선형성에 주의해야 한다. 제 1 실시예에 비해, 제 2 실시예에 기술된 추가 보상 코움 구동 유닛은 현재 사용되는 회전 속도 센서의 기술에서 구동 수단용으로 제공되는 코움 구동 유닛이 낮은 전압 진폭용으로 설계될 수 있다는 장점을 제공한다.
도 7에는 선형 진동기 형태의 본 발명에 따른 마이크로메카니컬 운동 센서의 제 3 실시예가 개략적인 평면도로 도시되고, 상기 운동 센서에서 비선형성의 보상을 위해 추가 보상 코움 구동 유닛이 제공된다.
도 7에 따라 캔틸레버 스프링 부재는 중심에 배치된 커플링 스프링(FC)에 의해 연결되며 대칭 스프링 걸이(F1-F4)에 의해 선형으로 진동할 수 있도록 지지된, 이 경우 2 개의 진동 질량체(m1, m2)로 이루어진 시스템을 포함하고, 상기 시스템은 측방 x-y-평면에서 정지 위치(O1, O2)를 중심으로 동일한 크기의 포지티브 및 네가티브 변위(i1, i2 및 a1, a2)로 선형 진동하도록 각 코움 구동 유닛들 KI1, KA1, KI2, KA2 에 의해 여기된다. 따라서 상기 진동 구동 장치는 진동 질량체 시스템의 2 개의 진동 질량체들(m1, m2)의 여기를 위해, 제어 유닛(3)에 의해 제어되는 4 개의 코움 구동 유닛들을 가지고, 상기 코움 구동 유닛의 구동력은 양 진동 질량체에서 동일한 측방 x-y-평면에서 서로 마주보게 놓인 작용점들에, 각 정지 위치(O1, O2)를 중심으로 시스템의 진동 질량체들(m1, m2)을 여기시키도록 작용한다. 커플링 스프링(FC)과 스프링 걸이(F1-F4)는 진동의 비선형성을 야기하나, 이 비선형성은 본 발명에 따라 보상된다. 비선형성의 보상을 위해 시스템의 각 진동 질량체(m1, m2)용 보상 구동 수단은 2 개의 보상 코움 구동 유닛들 KIK1, KAK1 및 KIK2, KAK2 을 포함하고, 이들은 진동 구동 장치의 코움 구동 유닛과 동일한, 진동 질량체(m1 및 m2)의 작용점에 작용한다. 제어 유닛(3)에 의해 상기 진동 구동 장치의 코움 구동 유닛 및 보상 코움 구동 유닛에 제공된 구동 및 보상 전압 신호에 대해서도, 상기 도 5에 도시된 제 2 실시예에서 구현된 것과 동일한 것이 적용된다.
제어 유닛은 바람직하게 세밀한 단계를 가진 계단파 신호(staircase signal)에 의해 보상 전압 신호의 진동 형태에 근사해질 수 있다.
전압이 동일한 경우 더 큰 보상 모멘트를 달성하기 위해, 별도의 보상 코움 구동 유닛을 포함하는 실시예에서, 상기 보상 코움 구동 유닛의 유효 작용 반경 또는 유효 작용 간격이, 진동 구동 장치의 코움 구동 유닛의 유효 작용 반경 또는 유효 작용 간격보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

Claims (16)

  1. 주기적 구동 전압이 제공되는 정전형 진동 구동 장치에 의해 영구 주기적 진동(γ(t))을 하도록 여기되는 진동 지지식 캔틸레버(cantilever) 스프링 부재(1, 2)에 가해지는 변위를 검출할 수 있는 마이크로메카니컬 운동 센서에 있어서,
    상기 캔틸레버 스프링 부재(1, 2, m1, m2, F1-F4, FC)에 작용하는 정전식 보상 구동 수단이 제공되고, 상기 보상 구동 수단에는 상기 캔틸레버 스프링 부재(1, 2, m1, m2, F1-F4, FC)의 공진 주파수 응답의 비선형성을 보상에 적합한 주기적 보상 전압이 제공되는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로메카니컬 운동 센서는 선형 진동기로서 설계되고, 상기 선형 진동기에서 상기 캔틸레버 스프링 부재는 중심에 배치된 커플링 스프링(FC)에 의해 연결되며 대칭 스프링 걸이(F1-F4)에 의해 선형으로 진동할 수 있도록 지지되는, 다수의 진동 질량체들(m1, m2)로 이루어진 시스템을 포함하고, 상기 시스템은 측방 평면(x,y)에서 정지 위치(O1, O2)를 중심으로 동일한 크기의 포지티브(i1, i2) 및 네가티브 변위(a1, a2)로 선형 진동을 하도록 상기 진동 구동 장치(KI, KA)에 의해 여기되고,
    상기 진동 구동 장치는 포지티브(i1, i2) 및 네가티브 변위(a1, a2)에 대한 상기 진동 질량체 시스템(m1, m2)의 여기를 위해 제어 유닛(3)에 의해 제어되는 적어도 하나의 코움 구동 유닛(KIK1, KIK2, KAK1, KAK2)을 각각 가지고, 상기 코움 구동 유닛의 구동력은 상기 진동 질량체 시스템의 측방 평면(x, y)에서 상기 시스템의 각각의 상기 진동 질량체(m1, m2) 상에 서로 대향 배치된 다수의 작용점에, 각각의 정지 위치(O1, O2)를 중심으로 상기 시스템의 상기 진동 질량체(m1, m2)를 여기하도록 작용하고, 및
    상기 시스템의 상기 각 진동 질량체(m1, m2)용 상기 보상 구동 수단은 적어도 하나의 코움 구동 유닛(KIK1, KIK2, KAK1, KAK2)을 포함하고, 상기 코움 구동 유닛은 상기 시스템의 각각의 진동 질량체(m1, m2)의 적어도 하나의 작용점에 작용하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로메카니컬 운동 센서가 회전 속도 센서로서 설계되고, 상기 회전 속도 센서에서 상기 캔틸레버 스프링 부재(1, 2)는 중심에 배치된 X-스프링(2)에 의해 중심에 지지된 중심 대칭으로 설계된 진동 질량체(1)를 포함하고, 상기 진동 질량체는 측방 평면(x, y)에서 정지 위치(O)를 중심으로 동일한 크기의 포지티브 및 네가티브 변위(i, a)로 회전 진동하도록 진동 구동 장치(KI, KA)에 의해 여기되고,
    상기 진동 구동 장치는 각각 포지티브 및 네가티브 변위(i, a)에 대한 상기 진동 질량체(1)의 여기를 위해, 제어 유닛(3)에 의해 주기적 구동 전압으로 제어되는 적어도 하나의 코움 구동 유닛(KI1, KI2, KA1, KA2)을 포함하고, 상기 코움 구동 유닛의 구동력은 상기 진동 질량체의 측방 평면(x, y)에 놓인 적어도 하나의 제 1 작용점에, 상기 진동 질량체(1)를 정지 위치(O)를 중심으로 대칭으로 여기하도록 접선으로 작용하고, 및
    상기 보상 구동 수단은 적어도 하나의 코움 구동 유닛을 포함하고, 상기 코움 구동 유닛은 동일한 작용점(P1, P2)에 작용하거나, 상기 작용점(P1, P2) 및 상기 진동 질량체(1)의 중심(Z)에 대해 동일한 간격을 두고 상기 작용점에 대해 직경 방향으로 서로 대향 배치된 제 2 작용점(P2, P1)에 작용하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 보상 구동 수단의 적어도 하나의 코움 구동 유닛이 상기 진동 구동 장치의 코움 구동 유닛들(KI1, KI2, KA1, KA2) 중 적어도 하나이고, 상기 제어 유닛(3)의 구동 전압(UPKA, DRIVE , UPKI, DRIVE')이 보상 전압(UPKA, Comp' , UPKI, Comp')과 중첩되어 전체 전압(UPKA, Ges , UPKI, Ges)을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 보상 구동 수단의 적어도 하나의 코움 구동 유닛이 추가 보상 코움 구동 유닛(KIK1, KIK2, KAK1, KAK2)이고, 상기 추가 보상 코움 구동 유닛에는 상기 제어 유닛(3)이 보상 전압(UPKA, Comp , UPKI, Comp')만을 별도로 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 진동 구동 장치는 4 개의 대칭 코움 구동 유닛들(KA1, KA2,KI1, KI2)을 포함하고, 이들 중 제 1 및 2 코움 구동 유닛(KI1, KA1)은 각각 포지티브 및 네가티브 변위(i, a)에 대해 제 1 쌍을 형성하며, 상기 제 1 쌍은 상기 진동 질량체(1)에 제 1 공통 작용점(P1)을 가지며, 제 3 및 4 코움 구동 유닛(KI2, KA2)은 각각 포지티브 및 네가티브 변위(i, a)에 대해 제 2 쌍을 형성하며, 상기 제 2 쌍은 상기 진동 질량체(1)에서 제 2 공통 작용점(P2)에 작용하고, 상기 각 쌍의 양 코움 구동 유닛들(KI1, KA1 및 KI2, KA2)은 서로 대향 배치되며 상기 진동 질량체의 정지 위치(0)를 규정하며 중심을 통과하는 가상선에 대해, 포지티브 변위(i)에 대한 코움 구동 유닛의 구동력과 네가티브 변위(a)에 대한 코움 구동 유닛의 구동력이 가산되도록 평행하게 배치되고, 상기 제어 유닛(3)은 네가티브 변위(a)에 대한 코움 구동 유닛(KA1, KA2)용 구동 전압(UPKA, DRIVE)에 대해 역위상으로 포지티브 변위(i)에 대한 코움 구동 유닛(KI1, KI2)에 구동 전압(UPKI, DRIVE)을 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 보상 구동 수단이 각각 포지티브(i) 및 네가티브 변위(a)에 대한 2 개의 추가 보상 코움 구동 유닛들(KIK1, KAK2)을 포함하고, 상기 보상 코움 구동 유닛들은 각각 상기 진동 질량체(1)의 제 1 및 제 2 공통 작용점(P1, P2)에 작용하고, 포지티브 변위(i)에 대한 작용력과 네가티브 변위(a)에 대한 작용력이 각각 가산되도록 배치되고, 상기 제어 유닛(3)은 네가티브 변위(a)에 대한 보상 코움 구동 유닛(KAK2)에 공급한 보상 전압(UPKA, Comp)에 대해 역위상으로 포지티브 변위(i)에 대한 보상 코움 구동 유닛(KIK1)에 보상 전압(UPKI, Comp)을 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 보상 구동 수단은 4 개의 추가 보상 코움 구동 유닛(KAK1, KAK2, KIK1, KIK2)을 포함하고, 이들 중 제 1 및 2 코움 구동 유닛(KIK1, KAK1)은 각각 포지티브(i) 및 네가티브 변위(a)에 대해 제 1 쌍을 형성하며, 상기 제 1 쌍은 상기 진동 질량체(1)에서 제 1 공통 작용점(P1)에 작용하며, 제 3 및 4 코움 구동 유닛(KIK2, KAK2)은 각각 포지티브(i) 및 네가티브 변위(a)에 대해 제 2 쌍을 형성하며, 상기 제 2 쌍은 상기 진동 질량체(1)에서 제 2 공통 작용점(P2)에 작용하고, 상기 각 쌍의 양 보상 코움 구동 유닛(KIK1, KAK1 및 KIK2, KAK2)은 서로 대향 배치되며 상기 진동 질량체(1)의 정지 위치(0)를 규정하며 중심을 통과하는 가상선에 대해, 포지티브 변위(i)에 대한 보상 코움 구동 유닛의 구동력과 네가티브 변위(a)에 대한 보상 코움 구동 유닛의 구동력이 가산되도록 평행하게 배치되고, 상기 제어 유닛(3)은 네가티브 변위(a)에 대한 보상 코움 구동 유닛(KAK1, KAK2)용 보상 전압에 대해 역위상으로 포지티브 변위(i)에 대한 보상 코움 구동 유닛(KIK1, KIK2)에 보상 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 진동 질량체 시스템은 제 1 (m1) 및 제 2 진동 질량체(m2)를 포함하고, 이들은 중심 커플링 스프링(FC)에 의해 스프링 탄성적으로 연결되며, 상기 진동 구동 장치는 4 개의 코움 구동 유닛들(KI1, KI2, KA1, KA2)을 포함하고, 이들 중 제 1 및 2 코움 구동 유닛들(KI1, KA1)은 각각 포지티브(i1) 및 네가티브 변위(a1)에 대해 제 1 쌍을 형성하며, 상기 제 1 쌍은 상기 제 1 진동 질량체(m1)에 작용하며, 제 3 및 4 코움 구동 유닛(KI2, KA2)은 각각 포지티브 및 네가티브 변위(i2, a2)에 대해 제 2 쌍을 형성하며, 상기 제 2 쌍은 상기 제 2 진동 질량체(m2)에 작용하고, 각각의 상기 쌍의 양 코움 구동 유닛들(KI1, KA1 및 KI2, KA2)은 상기 각각의 진동 질량체(m1, m2)에서, 포지티브 변위(i1, i2)에 대한 상기 코움 구동 유닛(KI1, KI2)의 구동력과 네가티브 변위(a1, a2)에 대한 상기 코움 구동 유닛(KA1, KA2)의 구동력이 가산되도록 서로 대향 배치되고, 상기 제어 유닛(3)은 네가티브 변위(a1, a2)에 대한 코움 구동 유닛들(KA1, KA2)용 구동 전압(UPKA, DRIVE)에 대해 역위상으로 포지티브 변위(i1, i2)에 대한 코움 구동 유닛들(KI1, KI2)에 구동 전압(UPKI, DRIVE)을 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 보상 구동 수단들은 4 개의 추가 보상 코움 구동 유닛들(KAK1, KAK2, KIK1, KIK2)을 포함하고, 이들 중 제 1 및 2 코움 구동 유닛은 각각 포지티브(i1) 및 네가티브 변위(a1)에 대해 제 1 쌍을 형성하며, 상기 제 1 쌍은 상기 제 1 진동 질량체(1)에 작용하며, 제 3 및 4 코움 구동 유닛은 각각 포지티브(i2) 및 네가티브 변위(a2)에 대해 제 2 쌍을 형성하며, 상기 제 2 쌍은 상기 제 2 진동 질량체(1)에 작용하고, 각각의 상기 쌍의 양 보상 코움 구동 유닛들(KIK1, KAK1 및 KIK2, KAK2)은 각각의 상기 진동 질량체(m1, m2) 상에, 포지티브 변위(i1, i2)에 대한 구동력과 네가티브 변위(a1, a2)에 대한 구동력이 가산되도록 서로 대향 배치되고, 상기 제어 유닛(3)은 네가티브 변위(a1, a2)에 대한 보상 코움 구동 유닛(KAK1, KAK2)용 보상 전압에 대해 역위상으로 포지티브 변위(i1, i2)에 대한 보상 코움 구동 유닛(KIK1, KIK2)에 보상 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  11. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제어 유닛(3)이 포지티브 변위(i; i1, i2)에 대한 코움 구동 유닛(KI1, KI2)용 구동 전압(UPKI, DRIVE)을 상기 진동 질량체(1; m1, m2)의 진동(γ(t))의 포지티브 영교차(zero crossing)에 대해 대칭으로 발생시키고, 네가티브 변위(a; a1, a2)에 대한 코움 구동 유닛(KA1, KA2)용 구동 전압(UPKA, DRIVE )을 상기 진동 질량체(1; m1, m2)의 진동(γ(t))의 네가티브 영교차에 대해 대칭으로 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 제어 유닛(3)은 상기 네가티브 변위(a; a1, a2)에 대한 코움 구동 유닛(KA1, KA2)용 구동 전압(UPKA, DRIVE )에 대해 상기 진동 질량체(1; m1, m2)의 진동(γ(t))의 진동 주기의 1/4(π/2)만큼 지연된 상기 포지티브 변위(i; i1, i2)에 대한 보상 코움 구동 유닛(KIK1, KIK2)용 보상 전압(UPKI,Comp)을 발생시키고, 포지티브 변위(i; i1, i2)에 대한 코움 구동 유닛(KI1, KI2)용 구동 전압(UPKI, DRIVE)에 대해 상기 진동 질량체(1)의 진동(γ(t))의 진동 주기의 1/4(π/2)만큼 지연된 네가티브 변위(a; a1, a2)에 대한 보상 코움 구동 유닛(KAK1, KAK2)용 보상 전압(UPKA, Comp)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  13. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제어 유닛(3)이 상기 진동 구동 장치의 상기 코움 구동 유닛들(KI1, KA1, KI2, KA2)용 구동 전압(UPKI, DRIVE' , UPKA, DRIVE)을 각각 구형파 펄스로서 발생시키고, 상기 펄스의 지속시간은 각각 상기 진동 질량체(1; m1, m2)의 진동(γ(t))의 진동 주기의 1/2 지속 기간(π)이며, 상기 보상 코움 구동 유닛(KAK1, KAK2, KIK1, KIK2)용 보상 전압(UPKI, Comp , UPKA, Comp)을 상기 진동 질량체(1; m1, m2)의 진동(γ(t))과 동일한 주기를 가진 조파의 반파로서 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제어 유닛(3)이 상기 구동 전압(UPKI, DRIVE' , UPKA, DRIVE)보다 큰 진폭을 가진 보상 전압(UPKI, Comp' , UPKA, Comp)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  15. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 보상 코움 구동 유닛들(KAK1, KAK2, KIK1, KIK2)의 유효 작용 반경 또는 유효 작용 간격이 상기 구동 수단의 코움 구동 유닛들(KI1, KI2, KA1, KA2)의 유효 작용 반경 또는 유효 작용 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
  16. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제어 유닛(3)은 계단파 신호(staircase signal)에 의해 이상적인 보상 전압 신호에 근사해지는 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로메카니컬 운동 센서.
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