KR101348841B1 - Reverse vibration dual mass elements typed micro gyroscope and control method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명의 2개의 질량소자(1,2)가 장착된 진동형 마이크로 자이로스코프는 각각 구동 전극(5,6)을 통해 진동되는 제1·2질량소자(1,2)간 공진 진동 시, 제2질량소자(2)의 구동이 제1질량소자(1)의 검출신호를 그대로 이용하는지 않고 제1질량소자(1)의 검출신호와 더불어 제2질량소자(2) 자신의 검출신호를 이용하여 구동하함에 따라, 제1·2질량소자(1,2) 중 한쪽 질량소자를 기준으로 고유진동수를 일치할 수 있어 제조 시 고유 공진 주파수가 다른 경우라도, 제1·2질량소자(1,2)를 동일한 공진 주파수와 진폭을 가지면서 역상으로 진동시켜, 2개의 제1·2질량소자(1,2)에 인가된 각 속도에 대한 감도 향상을 통한 자이로스코프 성능이 강화될 수 있는 특징이 있게 된다.The vibration type micro gyroscope equipped with two mass elements (1, 2) of the present invention has a second resonant vibration between the first and second mass elements (1, 2), which are vibrated through the driving electrodes (5, 6), respectively. The driving of the mass element 2 is driven by using the detection signal of the second mass element 2 itself together with the detection signal of the first mass element 1 without using the detection signal of the first mass element 1 as it is. According to the following, the natural frequency can be matched based on one mass element among the first and second mass elements 1 and 2, and the first and second mass elements 1 and 2 may be used even when the inherent resonance frequency is different at the time of manufacture. By vibrating in reverse phase with the same resonant frequency and amplitude, the gyroscope performance can be enhanced by improving the sensitivity for each speed applied to the two first and second mass elements (1,2). .

질량소자, 진동, 자이로스코프 Mass Element, Vibration, Gyroscope

Description

역상 진동 이중 질량 소자 타입 마이크로 자이로스코프 및 그 제어 방법{Reverse vibration dual mass elements typed micro gyroscope and control method thereof} Reverse vibration dual mass elements type micro gyroscope and control method

본 발명은 진동형 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로, 특히 2개의 질량 소자가 서로 동일한 공진 주파수와 진폭을 갖고 역상으로 진동하는 마이크로 자이로스코프 및 그 제어방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration type micro gyroscope, and more particularly, to a micro gyroscope in which two mass elements oscillate in reverse phase with the same resonance frequency and amplitude as each other, and a control method thereof.

일반적으로 진동형 마이크로 자이로스코프의 질량소자는 인가된 각 속도에 대한 감도를 향상시키는 증폭된 진폭을 적은 구동력으로 얻을 수 있도록, 공진 주파수에서 진동시키게 된다.In general, a mass element of a vibrating microgyroscope oscillates at a resonance frequency so that an amplified amplitude that improves sensitivity to each applied speed can be obtained with a small driving force.

이러한 진동형 마이크로 자이로스코프는 자이로스코프의 성능을 높이도록 통상, 2개의 질량소자를 이용해 동일한 진폭으로 진동시키도록 구성되는데 이는, 2개의 질량소자가 상이한 진폭으로 진동하는 경우, 비록 인가된 관성력의 상쇄에는 영향을 미치지 않지만, 인가된 각 속도에 대한 상이한 감도를 갖음에 따라, 자이로스코프의 성능이 만족스럽지 못하게 되는 것을 방지하기 위함이다. Such a vibrating micro gyroscope is generally configured to vibrate at the same amplitude using two mass elements to increase the performance of the gyroscope, even if the two mass elements vibrate at different amplitudes, even if offset of applied inertia force This is to prevent the gyroscope's performance from becoming unsatisfactory, although it does not affect it, but with different sensitivity for each applied speed.

이와 같은 2개의 질량소자를 장착한 진동형 마이크로 자이로스코프는 통상적 으로, 질량소자는 각각 구동 빔에 의해 지지되면서 머리핀 형태의 연결 빔에 의해 서로 연결되어져 X축 방향으로 진동하며, 상기 질량소자를 진동시키기 위한 구동전극과 더불어 질량소자의 진동을 검출하기 위한 검출전극은 빗살형태로 형성되고, 자이로스코프 센서로부터의 신호를 검출하기 위한 검출전극이 평판형태로 형성되어 진다.In the vibration type micro gyroscope equipped with two mass elements as described above, the mass elements are each supported by a driving beam and are connected to each other by a hairpin-type connecting beam to vibrate in the X-axis direction, thereby vibrating the mass elements. In addition to the drive electrode for detecting the detection electrode for detecting the vibration of the mass element is formed in the shape of a comb, the detection electrode for detecting a signal from the gyroscope sensor is formed in the form of a flat plate.

이에 따라 각각의 질량소자가 X방향으로 진동할 때, 질량소자의 전극 사이에 형성되는 대향면적이 변화되고, 이는 전극 사이의 커패시턴스(capacitance)를 변화시키므로, 이를 대응하는 전압 값으로 변환하여 페이즈 락 루프(PLL, phase lock loop)와 자동 게인 제어기(AGC, automatic gain control)로 피드백(Feed Back)시켜, 진폭이 일정한 고유진동수로 진동시키게 되는데, 이때 구동전극에는 구동력을 서로 반대로 작용시켜 질량소자가 서로 역상으로 진동하도록 하는 방식으로 구현하게 된다. Accordingly, when each mass element vibrates in the X direction, the opposing area formed between the electrodes of the mass element changes, which changes the capacitance between the electrodes, and thus converts it to a corresponding voltage value to phase lock. It feeds back with a PLL (phase lock loop) and automatic gain control (AGC) and vibrates at a natural frequency with a constant amplitude. It is implemented in such a way as to vibrate in reverse with each other.

그러나, 이러한 진동형 마이크로 자이로스코프는 질량소자의 성능이 인가된 각 속도에 대한 감도로 좌우됨에 따라, 질량소자의 제조 특성이 우수해야 하지만 제조 시 여러 요인들과 온도변화 등으로 일정한 품질의 질량 소자를 얻기가 용이하지 않게 되며, 이러한 질량소자의 성능 차이는 일례로, 2개의 질량소자가 갖는 각각의 공진 주파수 사이에 차이가 존재하면, 제1질량소자보다 상대적으로 제2질량소자에서는 아주 작은 진폭을 나타냄에 따라, 결과적으로 인가된 각 속도에 대한 상이한 감도로 인해 자이로스코프 성능을 저하시키게 된다. However, such a vibrating micro gyroscope has to be excellent in the manufacturing characteristics of the mass element as the performance of the mass element depends on the sensitivity of each applied speed, but the mass element of a certain quality due to various factors and temperature changes during manufacturing It is not easy to obtain such a performance difference of the mass element, for example, if there is a difference between the respective resonant frequencies of the two mass elements, a relatively small amplitude in the second mass element relative to the first mass element As shown, the result is that the gyroscope performance is degraded due to the different sensitivity to each speed applied.

또한, 이와 같이 2개의 질량소자가 갖는 각각의 공진 주파수 사이에 차이가 있게 됨에 따라, 특히 제1질량소자에 비해 제2질량소자에 인가되는 각 속도에 대한 충분한 출력 신호의 크기가 얻어질 수 없는 한계가 있게 된다. Further, as there is a difference between the respective resonant frequencies of the two mass elements, in particular, the magnitude of the output signal sufficient for each speed applied to the second mass element compared to the first mass element cannot be obtained. There is a limit.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 2개의 질량소자 중 제2질량소자를 제1질량소자와 동일한 공진 주파수와 진폭을 가지면서 역상으로 진동시켜, 2개의 질량소자에 인가된 각 속도에 대한 감도 향상을 통해 자이로스코프 성능을 강화하는 2개의 질량소자가 장착된 진동형 마이크로 자이로스코프를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and the second mass element of the two mass elements is oscillated in the opposite phase while having the same resonance frequency and amplitude as the first mass element, and applied to the two mass elements. The objective is to provide a vibrating micro gyroscope with two mass elements that enhance the gyroscope performance by improving sensitivity for each speed.

또한, 본 발명은 2개의 질량소자의 실제 고유 공진 주파수가 다르게 제조되었더라도, 2개의 질량소자를 동일한 공진 주파수와 진폭을 가지면서 역상으로 진동시킬 수 있도록 제2질량소자의 고유진동수를 제1 질량소자의 고유진동수와 일치하도록 조정함에 그 목적이 있다.In addition, the present invention, even if the actual natural resonant frequency of the two mass elements are manufactured differently, the natural frequency of the second mass element is the first mass element so as to vibrate the two mass elements in the reverse phase with the same resonance frequency and amplitude The purpose is to adjust the frequency to match the natural frequency of.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 역상 진동 이중 질량 소자 타입 마이크로 자이로스코프가 서로간에 기계적으로 연결되지 않고, 각각 X축 방향으로 진동할 수 있는 제1·2질량소자와, The present invention for achieving the above object, the first and second mass elements that can be oscillated in the X-axis direction, respectively, without the reverse-phase vibration double mass element type micro gyroscope mechanically connected to each other,

상기 제1·2질량소자중 한쪽 질량소자가 진동할 때, 전극사이 대향 면적의 변화에 따라 변화된 전극 간 커패시턴스를 전압 값으로 변환하여 입력받는 PLL & AGC, When one of the first and second mass elements vibrates, PLL & AGC receives input by converting the inter-electrode capacitance changed according to the change of the opposing area between the electrodes into a voltage value.

상기 제1질량소자의 진동 주파수를 근거로 해 진동된 제2질량소자의 고유 공진 주파수가 진동주파수와 일치되도록 조정하는 공진 주파수 제어기,A resonance frequency controller for adjusting a natural resonance frequency of the second mass element vibrated on the basis of the vibration frequency of the first mass element to match the vibration frequency;

상기 제2질량소자의 진폭을 제1질량소자의 검출신호의 진폭과 일치하도록 조정하는 진폭제어기 및 An amplitude controller for adjusting the amplitude of the second mass element to match the amplitude of the detection signal of the first mass element;

각각 진동되어 진동 주파수를 발생한 제1·2질량소자의 진동 주파수 위상차가 90°되는 지를 비교하는 위상비교기로 구성되어진 것을 특징으로 한다.And a phase comparator for comparing whether or not the vibration frequency phase difference of the first and second mass elements, each of which is vibrated to generate a vibration frequency, is 90 degrees.

그리고, 상기 제1·2질량소자는 각각 X축 방향으로 진동할수 있도록 구동 빔에 의해 각각 지지되며, 각각 다수의 구동 전극과 검출 전극을 갖추고, 자이로스코프 센서로부터의 신호를 검출하기 위한 센서 검출 전극이 더 구비되어진다.The first and second mass elements are respectively supported by drive beams so as to vibrate in the X-axis direction, each having a plurality of drive electrodes and detection electrodes, and a sensor detection electrode for detecting a signal from a gyroscope sensor. This is further provided.

또한, 본 발명은 역상 진동 이중 질량 소자 타입 마이크로 자이로스코프의 제어 방법이 2개의 질량소자중 제1질량소자를 일정 진폭을 갖는 공진 주파수로 진동시키는 제1 진동 단계; In addition, the present invention provides a control method of a reverse-phase oscillation dual mass device type micro gyroscope comprising: a first oscillation step of oscillating a first mass element of two mass elements at a resonance frequency having a constant amplitude;

상기 제1질량소자를 구동하는데 필요한 힘과 크기가 같고 위상이 반대인 힘을 제2질량소자에 가하는 제2 진동 단계; A second oscillating step of applying a force having the same magnitude and opposite phase to the second mass element as the force required to drive the first mass element;

상기 제2질량소자에 가해진 힘과 이로 인해 유발되는 제2질량소자의 진동 위상을 비교하는 위상 비교 단계;A phase comparison step of comparing the force applied to the second mass element with the vibration phase of the second mass element caused by the second mass element;

상기 제1·2질량소자의 위상 비교 결과를 바탕으로 제2질량소자의 공진주파수를 조정하여, 제1질량소자의 공진주파수와 일치시키는 제1 일치 단계; A first matching step of adjusting the resonance frequency of the second mass element based on the phase comparison result of the first and second mass elements to match the resonance frequency of the first mass element;

상기 제1질량소자의 진폭과 제2질량소자의 진폭을 일치시키는 제2 일치 단계; A second matching step of matching the amplitude of the first mass element with the amplitude of the second mass element;

로 구현되는 것을 특징으로 한다.Characterized in that implemented.

그리고, 상기 제2 일치 단계는 제1·2질량소자가 서로 일치된 진동 주파수를 형성한 후, 제2질량소자의 검출전극으로부터 측정된 제2질량소자의 검출신호와 곱해져 저주파 필터기를 거쳐 적분제어기로 전달된 후, 상기 적분제어기로부터 발생된 출력신호는 제2질량소자의 검출신호와 곱해진 다음, 다시 진폭이 조정된 제2질량소자의 구동신호와 합해져 조정된 구동신호를 형성하여, 제2질량소자의 구동전극을 통해 전달해 제2질량소자를 구동하는 방식으로 구현되어진다.In the second matching step, after the first and second mass elements form vibration frequencies coinciding with each other, the second coincidence step is multiplied by the detection signal of the second mass element measured from the detection electrode of the second mass element and integrated through the low frequency filter. After being delivered to the controller, the output signal generated from the integrating controller is multiplied by the detection signal of the second mass element, and then combined with the driving signal of the second mass element whose amplitude is adjusted to form an adjusted drive signal. It is implemented by the method of driving the second mass element by transferring it through the driving electrode of the 2 mass element.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 진동형 마이크로 자이로스코프를 이루는 2개의 질량소자가 그 제조 오류로 인해 실제 고유 공진 주파수가 서로 다르더라도, 2개의 질량소자를 동일한 공진 주파수와 진폭을 가지면서 역상으로 진동시킴에 따라, 2개의 질량소자에 인가된 각 속도에 대한 감도 향상과 자이로스코프 성능을 향상은 물론 신뢰성을 향상할 수 있는 효과가 있게 된다.As described above, according to the present invention, even if two mass elements constituting the vibration type micro gyroscope have different natural intrinsic resonance frequencies due to a manufacturing error, the two mass elements oscillate in reverse phase with the same resonance frequency and amplitude. As a result, the sensitivity and the gyroscope performance for each speed applied to the two mass elements can be improved as well as the reliability can be improved.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 2개의 질량소자를 장착한 진동형 마이크로 자이로스 코프의 구성도를 도시한 것인바, 본 발명의 진동형 마이크로 자이로스코프는 서로간에 기계적으로 연결되지 않고, 각각 X축 방향으로 진동할 수 있는 제1·2질량소자(1,2)와, 1 is a block diagram of a vibration type micro gyroscope equipped with two mass elements according to the present invention. The vibration type micro gyroscopes of the present invention are not mechanically connected to each other, and each oscillate in the X-axis direction. The first and second mass elements (1, 2),

상기 제1·2질량소자(1,2)중 한쪽 질량소자(1)가 진동할 때, 전극사이 대향 면적의 변화에 따라 변화된 전극 간 커패시턴스를 전압 값으로 변환하면서 진폭이 일정한 고유진동수로 진동시키는 PLL & AGC(20), When one of the mass elements 1 of the first and second mass elements 1 and 2 vibrates, the one-to-mass element 1 vibrates at a natural frequency with a constant amplitude while converting the inter-electrode capacitance changed according to the change of the opposing area between the electrodes into a voltage value. PLL & AGC (20),

상기 제1·2질량소자(1,2)중 진동하지 않은 질량 소자(2)를 공진 진동수로 진동시키는 공진 진동 수단 및 Resonant vibration means for vibrating the non-vibrating mass element 2 of the first and second mass elements 1 and 2 at a resonance frequency;

상기 제1·2질량소자(1,2)간 고유 공진 주파수가 진동주파수와 일치되도록 상기 공진 진동 수단이 조정하도록, 상기 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수 위상차가 90°되는 지를 비교하는 위상비교기(50)로 구성되어진다.The vibration frequency phase difference of the first and second mass elements 1 and 2 is 90 ° so that the resonance oscillation means adjusts the natural resonance frequency between the first and second mass elements 1 and 2 to match the vibration frequency. It is composed of a phase comparator 50 for comparing the edges.

이에 더해 본 발명의 진동형 마이크로 자이로스코프는 제2질량소자(2)를 구동할 때, 제1질량소자(1)의 검출신호를 그대로 이용하지 않고 제1질량소자(1)의 검출신호와 제2질량소자(2) 자신의 검출신호를 이용하여 구동되는데, 이는 상기 제1·2질량소자(1,2)중 진동하지 않은 질량 소자(2)를 공진 진동수로 진동시키는 공진 진동 수단과, 상기 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수 위상차를 비교하는 위상비교기(50)를 이용하여 구현되어진다. In addition, the vibration type micro gyroscope of the present invention, when driving the second mass element 2, does not use the detection signal of the first mass element 1 as it is and the detection signal of the first mass element 1 and the second. The mass element 2 is driven using its own detection signal, which includes resonance vibration means for vibrating the non-vibrating mass element 2 of the first and second mass elements 1 and 2 at a resonance frequency, The phase comparator 50 which compares the vibration frequency phase difference of the 1/2 mass elements 1 and 2 is implemented.

그리고, 상기 제1·2질량소자(1,2)는 각각 X축 방향으로 진동할 수 있도록 구동 빔(3,4)에 의해 각각 지지되며, 각각 다수의 구동 전극(5,6)과 검출 전극(7,8)을 갖추고, 자이로스코프 센서로부터의 신호를 검출하기 위한 센서 검출 전 극(9,10)이 더 구비되어진다.The first and second mass elements 1 and 2 are respectively supported by the driving beams 3 and 4 so as to vibrate in the X-axis direction, respectively, and the plurality of driving electrodes 5 and 6 and the detection electrode, respectively. (7,8), sensor detection electrodes 9,10 are further provided for detecting signals from gyroscope sensors.

또한, 상기 구동 전극(5,6)은 서로 대칭되게 전극을 배치시키는데 즉, 상기 제1질량소자(1)의 구동 전극(5)과 제2질량소자(2)의 구동 전극(6)을 서로 대칭되게 배치시킴에 따라, 상기 제2질량소자(2)에는 제1질량소자(1)의 역상인 구동력이 가해지게 된다. In addition, the driving electrodes 5 and 6 are arranged to be symmetrical with each other, that is, the driving electrode 5 of the first mass element 1 and the driving electrode 6 of the second mass element 2 are mutually arranged. By arranging them symmetrically, the second mass element 2 is subjected to the driving force which is the reverse phase of the first mass element 1.

이때, 제2질량소자(2)는 제1질량소자(1)와 동일한 진동주파수로 진동하게 되지만, 자신의 공진주파수로 진동하는 것은 아니며, 제1질량소자(1)와의 위상차도 반드시 역상으로 이루어지지 않게 된다.At this time, the second mass element 2 vibrates at the same vibration frequency as that of the first mass element 1, but does not vibrate at its own resonant frequency, and the phase difference with the first mass element 1 is also necessarily reversed. You won't lose.

여기서, 상기 제1·2질량소자(1,2)를 진동시키기 위한 구동 전극(5,6)과 질량소자의 진동을 검출하기 위한 검출전극(7,8)은 빗살형태로 형성되는 반면, 상기 센서 검출 전극(9,10)은 평판형태로 형성되어 진다. Here, the driving electrodes 5 and 6 for vibrating the first and second mass elements 1 and 2 and the detection electrodes 7 and 8 for detecting vibration of the mass element are formed in the shape of combs, while The sensor detection electrodes 9 and 10 are formed in a flat plate shape.

그리고, 상기 PLL & AGC(20)는 페이즈 락 루프(PLL, Phase Lock Loop)와 자동 게인 제어기(AGC, Automatic Gain Control)로서, 이들은 상기 제1·2질량소자(1,2)중 한쪽 질량소자(1)가 진동할 때, 전극사이 대향 면적의 변화에 따라 변화된 전극 간 커패시턴스를 피드백(Feedback)시키면서 전압 값으로 변환해, 진폭이 일정한 고유진동수로 진동시켜주는 작용을 하게 된다. The PLL & AGC 20 is a phase lock loop (PLL) and an automatic gain controller (AGC), which are one of the first and second mass elements (1, 2). When (1) vibrates, the interelectrode capacitance, which is changed according to the change in the opposing area between the electrodes, is converted into a voltage value while feeding back, thereby oscillating at a natural frequency with a constant amplitude.

또한, 상기 공진 진동 수단은 제2질량소자(2)가 자신의 고유진동수로 진동하면 구동신호와 90°위상차를 갖는 점을 이용하여, 위상비교기(50)의 결과를 바탕으로 제2질량소자(2)의 고유 공진 주파수가 진동주파수와 일치되도록 조정하는 공진 주파수 제어기(30)와, 제2질량소자(2)의 진폭을 제1질량소자(1)의 검출신호의 진폭 과 일치하도록 조정하는 진폭제어기(40)로 이루어진다.In addition, the resonant vibration means uses a point having a 90 ° phase difference with the driving signal when the second mass element 2 vibrates at its own frequency, and based on the result of the phase comparator 50, the second mass element ( A resonance frequency controller 30 which adjusts the natural resonance frequency of 2) to match the vibration frequency, and an amplitude which adjusts the amplitude of the second mass element 2 to match the amplitude of the detection signal of the first mass element 1. It consists of a controller 40.

이하 본 발명의 작동을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 2개의 질량소자(1,2)가 장착된 진동형 마이크로 자이로스코프는 각각 구동 전극(5,6)을 통해 진동되는 제1·2질량소자(1,2)간 공진 진동 시, 제2질량소자(2)의 구동이 제1질량소자(1)의 검출신호를 그대로 이용하지 않고 제1질량소자(1)의 검출신호와 더불어 제2질량소자(2) 자신의 검출신호를 이용하여 구동하함에 따라, 제1·2질량소자(1,2) 중 한쪽 질량소자를 기준으로 고유진동수를 일치할 수 있어 제조 시 고유 공진 주파수가 다른 경우라도, 제1·2질량소자(1,2)를 동일한 공진 주파수와 진폭을 가지면서 역상으로 진동시켜, 2개의 제1·2질량소자(1,2)에 인가된 각 속도에 대한 감도 향상을 통한 자이로스코프 성능이 강화될 수 있는 특징이 있게 된다.The vibration type micro gyroscope equipped with two mass elements (1, 2) of the present invention has a second resonant vibration between the first and second mass elements (1, 2), which are vibrated through the driving electrodes (5, 6), respectively. The driving of the mass element 2 is driven by using the detection signal of the second mass element 2 itself together with the detection signal of the first mass element 1 without using the detection signal of the first mass element 1 as it is. According to the following, the natural frequency can be matched based on one mass element among the first and second mass elements 1 and 2, and the first and second mass elements 1 and 2 may be used even when the inherent resonance frequency is different at the time of manufacture. By vibrating in reverse phase with the same resonant frequency and amplitude, the gyroscope performance can be enhanced by improving the sensitivity for each speed applied to the two first and second mass elements (1,2). .

이를 위해 본 발명은 진동형 마이크로 자이로스코프가 도 1에 도시된 바와 같이, 각각 다수의 구동 전극(5,6)과 검출 전극(7,8) 및 센서 검출 전극(9,10)등이 구비되면서, 구동 빔(3,4)에 의한 지지로 서로간에 기계적으로 연결되지 않고서도 각각 X축 방향으로 진동할 수 있는 2개의 제1·2질량소자(1,2)를 이용하게 된다.To this end, the present invention is a vibration type micro gyroscope, as shown in Figure 1, while being provided with a plurality of driving electrodes (5, 6), detection electrodes (7, 8) and sensor detection electrodes (9, 10), respectively, With the support by the drive beams 3 and 4, two first and second mass elements 1 and 2 capable of vibrating in the X-axis direction, respectively, without being mechanically connected to each other are used.

또한, 상기 제1·2질량소자(1,2)가 진폭이 일정한 고유진동수로 함께 공진되도록 제어하기 위하여, 상기 제1·2질량소자(1,2)중 진동되는 한쪽 질량소자(1)를 PLL & AGC(20)를 이용해 진폭이 일정한 고유진동수로 진동시킨 후, 다른 질량소자(2)를 먼저 진동시킨 질량소자(1)에 대해 90°위상차를 갖으면서 공진 진동수로 진동시키도록, 상기 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수를 제어하기 위해 위상비교기(50)와 공진 주파수 제어기(30) 및 진폭제어기(40)등을 이용하게 된다.In addition, in order to control the first and second mass elements 1 and 2 to resonate together at a natural frequency having a constant amplitude, one of the first and second mass elements 1 and 2 vibrates among the mass elements 1 and 2. After oscillating at a natural frequency with a constant amplitude using the PLL & AGC 20, the other mass element 2 is oscillated at a resonance frequency with a 90 ° phase difference with respect to the mass element 1 oscillated first. The phase comparator 50, the resonant frequency controller 30, the amplitude controller 40, and the like are used to control the vibration frequency of the 1/2 mass elements 1,2.

이와 같이 구성된 2개의 질량소자(1,2)가 장착된 진동형 마이크로 자이로스코프의 진동 제어방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 제1·2질량소자(1,2)중 기준이 되는 제1질량소자(1)를 구동 전극(5)과 구동 빔(3)을 통해 구동력을 가하여 X축 방향으로 진동시킨 다음, 상기 제1질량소자(1)의 진동을 검출 전극(7)을 거쳐 PLL & AGC(20)로 피드 백 되어져 진폭이 일정한 고유진동수로 진동여부를 확인하게 된다.As shown in FIG. 2, the vibration control method of the vibration type micro gyroscope equipped with the two mass elements 1 and 2 configured as described above is the first mass as a reference among the first and second mass elements 1 and 2. The device 1 vibrates in the X-axis direction by applying a driving force through the drive electrode 5 and the drive beam 3, and then vibrates the first mass device 1 via the detection electrode 7 through the PLL & AGC. It is fed back to (20) to check whether the vibration is constant at a constant natural frequency.

이때, 상기 제1질량소자(1)의 진동상태는 검출전극(6)으로부터의 신호에 기반하여 측정된다. At this time, the vibration state of the first mass element 1 is measured based on the signal from the detection electrode 6.

그리고, 상기 PLL & AGC(20)는 제1질량소자(1)의 진동 시 전극사이 대향 면적의 변화에 따라 변화된 전극 간 커패시턴스를 전압 값으로 변환해, 진폭이 일정한 고유진동수로 진동시켜주는 작용을 하게 된다. In addition, the PLL & AGC 20 converts the capacitance between electrodes changed according to the change of the opposing area between the electrodes during the vibration of the first mass element 1 into a voltage value, and vibrates at a natural frequency having a constant amplitude. Done.

이어, 상기 제1질량소자(1)가 고유진동수로 진동되면 제2질량소자(2)도 구동 전극(6)과 구동 빔(4)을 통해 X축 방향으로 진동시켜 주는데, 이때 상기 제2질량소자(2)를 구동하는데 필요한 힘과 크기는 제1질량소자(1)에서 제공되었던 필요한 힘과 크기가 같고 위상이 반대이다.Subsequently, when the first mass element 1 vibrates with a natural frequency, the second mass element 2 also vibrates in the X-axis direction through the driving electrode 6 and the driving beam 4, where the second mass The force and magnitude required to drive the element 2 are equal in magnitude and opposite in phase to the force required in the first mass element 1.

이때, 상기 제2질량소자(2)의 진동상태는 검출전극(7)으로부터의 신호에 기반하여 측정된다. At this time, the vibration state of the second mass element 2 is measured based on the signal from the detection electrode 7.

또한, 상기 제2질량소자(2)의 운동 방정식은 X''+Cxxx'+W2xx=f2로 표현되느데, Wx는 공진주파수, Cxx는 감쇠(damping)계수, x는 X축 상에서의 질량소자의 변위이며, f2는 제 2 질량소자로의 제어입력을 의미한다. In addition, the equation of motion of the second mass element 2 is represented by X '' + Cxxx '+ W2xx = f 2 , where Wx is the resonance frequency, Cxx is the damping coefficient, and x is the mass on the X axis. The displacement of the element, f 2 means the control input to the second mass element.

이후, 상기 제1·2질량소자(1,2)에서 발생된 진동을 수거 즉, 상기 제1질량소자(1)의 고유진동수를 PLL & AGC(20)거쳐 진폭제어기(40)로 수집하고, 상기 제2질량소자(2)의 고유진동수를 진폭제어기(40)로 수집한 후, 상기 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수와 그 위상이 역상인가를 위상비교기(50)를 이용해 서로 비교하게 된다.Thereafter, the vibration generated by the first and second mass elements 1 and 2 is collected, that is, the natural frequency of the first mass element 1 is collected by the amplitude controller 40 via the PLL & AGC 20. After collecting the natural frequency of the second mass element 2 with the amplitude controller 40, the phase comparator 50 determines whether the vibration frequency and the phase of the first and second mass elements 1 and 2 are reversed. To compare with each other.

이어 상기 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수가 서로 일치하지 않는 경우 공진 주파수 제어기(30)와 진폭제어기(40)등을 이용해 조정하게 되는데, 이는 제2질량소자(2)의 공진주파수를 진동주파수와 일치시켜 제1질량소자(1)와 역상의 위상차를 보장하기 위해 다음과 같이 수행하게 된다.Subsequently, when the vibration frequencies of the first and second mass elements 1 and 2 do not coincide with each other, the resonance frequency controller 30 and the amplitude controller 40 may be adjusted. In order to ensure that the resonant frequency coincides with the oscillation frequency, the phase difference between the first mass element 1 and the reverse phase is performed as follows.

즉, 위상비교기(50)는 PLL & AGC(20)거친 제1질량소자(1)의 위상과 제2질량소자(2)의 위상을 비교하게 되며, 상기 위상비교기(50)의 결과를 입력받은 공진 주파수 제어기(30)는 제2질량소자(2)가 자신의 고유진동수로 진동하면 구동신호와의 위상차가 90도가 됨에 따라, 상기 위상비교기(50)의 결과를 바탕으로 제2질량소자(2)의 고유 공진주파수가 진동주파수와 일치되도록 조정한다. That is, the phase comparator 50 compares the phase of the first mass element 1 with the PLL & AGC 20 and the phase of the second mass element 2, and receives the result of the phase comparator 50. When the second mass element 2 vibrates at its own natural frequency, the resonant frequency controller 30 has a phase difference of 90 degrees from the driving signal, so that the second mass element 2 is based on the result of the phase comparator 50. Adjust the natural resonant frequency of c) to match the vibration frequency.

이때, 상기 공진 주파수 제어기(30)와 위상비교기(50)가 제2질량소자(2)의 고유 공진주파수가 진동주파수와 일치되도록 조정할 때 구현하는 방정식은 다음과 같다.In this case, the equation implemented when the resonance frequency controller 30 and the phase comparator 50 adjusts the intrinsic resonance frequency of the second mass element 2 to be consistent with the vibration frequency is as follows.

방정식

Figure 112013099549396-pat00004
equation
Figure 112013099549396-pat00004

여기서, K1는 적분제어기의 상수이며, LPF는 저주파통과필터(Low Pass Filter)이고, f1는 제1질량소자(1)의 구동전극(5)에 가해지는 구동신호이며, f21은 공진 주파수 제어기(30)의 출력을 의미하고, s는 방정식이 라플라스 변환임을 의미한다.Where K 1 is a constant of the integral controller, LPF is a low pass filter, f 1 is a drive signal applied to the drive electrode 5 of the first mass element 1, and f 21 is a resonance. Means the output of the frequency controller 30, and s means the equation is a Laplace transform.

이어 상기 제2질량소자의 주파수가 제1질량소자(1)의 주파수와 일치되는지 여부에 따라, 상기 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수가 일치될 때까지 반복 수행하게 된다.Subsequently, depending on whether the frequency of the second mass element coincides with the frequency of the first mass element 1, it is repeatedly performed until the vibration frequencies of the first and second mass elements 1 and 2 coincide.

이와 같이 진동된 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수를 서로 일치시키고 나면, 다시 제1질량소자(1)의 진폭과 제2질량소자(2)의 진폭을 서로 일치하도록 공진 주파수 제어기(30)가 제2질량소자(2)에 구동신호를 가하게 된다.After the vibration frequencies of the first and second mass elements 1 and 2 oscillated in this manner coincide with each other, the resonance frequency is made to match the amplitude of the first mass element 1 and the amplitude of the second mass element 2 again. The controller 30 applies a drive signal to the second mass element 2.

이때, 상기 제2질량소자(2)에 가해지는 구동신호는 제1질량소자(1)의 구동전극(5)에 가해지는 구동신호와 크기가 같게 된다.At this time, the driving signal applied to the second mass element 2 has the same magnitude as the driving signal applied to the driving electrode 5 of the first mass element 1.

이어, 상기 제2질량소자(2)에 가해지는 구동신호는 제2질량소자(2)의 검출전극(8)으로부터 측정된 제2질량소자(2)의 검출신호와 곱해져 저주파 필터기를 거쳐 적분제어기로 전달된 후, 상기 적분제어기로부터 발생된 출력신호는 제2질량소자(2)의 검출신호와 곱해지게 된다.Subsequently, the driving signal applied to the second mass element 2 is multiplied by the detection signal of the second mass element 2 measured from the detection electrode 8 of the second mass element 2 to be integrated through the low frequency filter. After being delivered to the controller, the output signal generated from the integrating controller is multiplied by the detection signal of the second mass element 2.

이후, 적분제어기 출력신호가 곱해진 제2질량소자(2)의 검출신호는 다시 진폭이 조정된 제2질량소자(2)의 구동신호와 합해진 다음, 이와 같이 조정된 구동신호가 제2질량소자의 구동전극(6)을 통해 전달되어 제2질량소자(2)를 구동하게 된다. Thereafter, the detection signal of the second mass element 2 multiplied by the integral controller output signal is again combined with the drive signal of the second mass element 2 whose amplitude is adjusted, and then the driving signal adjusted in this way is the second mass element. It is transmitted through the driving electrode 6 of the second mass device 2 to drive.

이때, 상기 진폭 제어기(40)가 제2질량소자(2)의 고유 공진 주파수 진폭이 일치되도록 조정할 때 구현하는 방정식은 다음과 같다.In this case, the equation implemented when the amplitude controller 40 adjusts the amplitude of the natural resonance frequency of the second mass element 2 is as follows.

방정식

Figure 112013099549396-pat00005
equation
Figure 112013099549396-pat00005

여기서 K2, K3 는 비례적분제어기의 상수이며, x1은 제 1 질량소자의 검출신호이며, f22는 진폭제어기의 출력이다. Where K 2 and K 3 are constants of the proportional integral controller, x 1 is the detection signal of the first mass element, and f 22 is the output of the amplitude controller.

또한, 제2질량소자(2)의 구동신호 방정식은 다음과 같다.The driving signal equation of the second mass element 2 is as follows.

방정식 f2= f21+f22 Equation f 2 = f 21 + f 22

이어 조정된 구동신호로 진동되어진 제2질량소자의 진폭이 제1질량소자(1)의 진폭과 일치되는지 여부에 따라, 상기 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수 진폭이 일치될 때까지 반복 수행하게 된다.Subsequently, depending on whether the amplitude of the second mass element vibrated with the adjusted drive signal coincides with the amplitude of the first mass element 1, the vibration frequency amplitudes of the first and second mass elements 1 and 2 may be matched. Until you repeat.

이와 같이 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수에 대한 주파수 일치와 더불어 진폭이 동일하게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수는 서로 동일한 공진 주파수와 진폭을 갖고 서로 90°역상으로 진동되어진다.As such, when the amplitudes are the same as those of the vibration frequencies of the first and second mass elements 1 and 2, the vibration frequencies of the first and second mass elements 1 and 2 are as shown in FIG. 3. Are oscillated 90 ° reverse phase with the same resonance frequency and amplitude.

도 1은 본 발명에 따른 2개의 질량소자를 장착한 진동형 마이크로 자이로스코프의 구성을 보인 개략도. 1 is a schematic view showing the configuration of a vibration type micro gyroscope equipped with two mass elements according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 역상 진동 이중 질량 소자 타입 마이크로 자이로스코프 제어 방법 흐름도2 is a flow chart of a reverse phase vibration dual mass device type micro gyroscope control method according to the present invention.

도 3은 본 발명의 실시에 따른 2개의 질량소자의 진동 선도3 is a vibration diagram of two mass elements according to an embodiment of the present invention;

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>    <Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1,2 : 제1·2질량소자 3,4 : 구동 빔1,2: first and second mass elements 3,4: driving beam

5,6 : 구동 전극 7,8 : 검출 전극5,6: drive electrode 7,8: detection electrode

9,10 : 센서 검출 전극 20 : PLL & AGC9,10: Sensor detection electrode 20: PLL & AGC

30 : 공진 주파수 제어기30: resonant frequency controller

40 : 진폭제어기 50 : 위상비교기 40: amplitude controller 50: phase comparator

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 2개의 질량소자(1,2)중 제1질량소자(1)를 일정 진폭을 갖는 공진 주파수로 진동시키는 제1 진동 단계; A first oscillating step of vibrating the first mass element (1) of the two mass elements (1, 2) at a resonant frequency having a constant amplitude; 상기 제1질량소자(1)를 구동하는데 필요한 힘과 크기가 같고 위상이 반대인 힘을 제2질량소자(2)에 가하는 제2 진동 단계; A second oscillating step of applying a force having the same magnitude and opposite phase to the second mass element 2 as the force required to drive the first mass element 1; 상기 제2질량소자(2)에 가해진 힘과 이로 인해 유발되는 제2질량소자(2)의 진동 위상을 비교하는 위상 비교 단계;A phase comparison step of comparing the force applied to the second mass element 2 with the oscillation phase of the second mass element 2 caused by the second mass element; 상기 제1·2질량소자(1,2)의 위상 비교 결과를 바탕으로 제2질량소자(2)의 공진주파수를 조정하여, 제1질량소자(1)의 공진주파수와 일치시키도록
Figure 112013099549396-pat00006
이 적용되는 제1 일치 단계; Based on the phase comparison result of the first and second mass elements 1 and 2, the resonance frequency of the second mass element 2 is adjusted to match the resonance frequency of the first mass element 1.
Figure 112013099549396-pat00006
This first matching step is applied; 상기 제1질량소자(1)의 진폭과 제2질량소자(2)의 진폭을 일치시키도록
Figure 112013099549396-pat00007
이 적용되는 제2 일치 단계; 로 구현되고, K1, K2, K3 는 적분제어기의 상수, LPF는 저주파통과필터(Low Pass Filter), f1는 제1질량소자(1)의 구동전극(5)에 가해지는 구동신호, f21은 공진 주파수 제어기(30)의 출력, f22는 진폭제어기의 출력, x1은 제 1 질량소자의 검출신호인 것을 특징으로 하는 역상진동 이중 질량 소자 타입 마이크로 자이로스코프 제어 방법.To match the amplitude of the first mass element 1 with the amplitude of the second mass element 2
Figure 112013099549396-pat00007
A second matching step to be applied; K 1 , K 2 , and K 3 are constants of the integral controller, LPF is a low pass filter, and f 1 is a driving signal applied to the driving electrode 5 of the first mass element 1. and f 21 is the output of the resonant frequency controller (30), f 22 is the output of the amplitude controller, x 1 is a detection signal of the first mass element, reverse phase vibration dual mass element type micro gyroscope control method. 청구항 6에 있어서, 상기 위상 비교 단계는 제1질량소자(1)의 고유진동수를 PLL & AGC(20)거쳐 진폭제어기(40)로 수집하고, 상기 제2질량소자(2)의 고유진동수를 진폭제어기(40)로 수집한 후, 상기 제1·2질량소자(1,2)의 진동 주파수와 그 위상이 역상인가를 위상비교기(50)를 이용해 서로 비교하여 판단되는 것을 특징으로 하는 역상 진동 이중 질량 소자 타입 마이크로 자이로스코프 제어 방법.The method of claim 6, wherein the phase comparison step comprises collecting the natural frequency of the first mass element 1 to the amplitude controller 40 via the PLL & AGC 20, and converting the natural frequency of the second mass element 2 to the amplitude. After collecting by the controller 40, it is determined that the vibration frequency and the phase of the first and second mass elements (1, 2) are reversed compared with each other using the phase comparator 50, characterized in that Mass element type micro gyroscope control method. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 일치 단계는 제1·2질량소자(1,2)의 위상을 비교하는 위상비교기(50)의 결과를 바탕으로, 공진 주파수 제어기(30)가 제2질량소자(2)의 고유 공진주파수가 진동주파수와 일치되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 역상 진동 이중 질량 소자 타입 마이크로 자이로스코프 제어 방법.The method according to claim 6, wherein the first matching step is based on the result of the phase comparator 50 for comparing the phase of the first and second mass elements (1, 2), the resonance frequency controller 30 is a second mass element ( A method for controlling a reverse phase double mass element type micro gyroscope, characterized in that the intrinsic resonance frequency of 2) is adjusted to match the vibration frequency. 청구항 6에 있어서, 상기 제2 일치 단계는 제1·2질량소자(1,2)가 서로 일치된 진동 주파수를 형성한 후, 제2질량소자(2)의 검출전극(8)으로부터 측정된 제2질량소자(2)의 검출신호와 곱해져 저주파 필터기를 거쳐 적분제어기로 전달된 후, 상기 적분제어기로부터 발생된 출력신호는 제2질량소자(2)의 검출신호와 곱해진 다음, 다시 진폭이 조정된 제2질량소자(2)의 구동신호와 합해져 조정된 구동신호를 형성하여, 제2질량소자의 구동전극(6)을 통해 전달해 제2질량소자(2)를 구동하는 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 역상 진동 이중 질량 소자 타입 마이크로 자이로스코프 제어 방법.The method according to claim 6, wherein the second coincidence step is performed by measuring the first and second mass elements 1,2 from the detection electrode 8 of the second mass element 2 after forming the oscillation frequencies that coincide with each other. After multiplying by the detection signal of the two mass elements 2 and passing it through the low frequency filter to the integral controller, the output signal generated from the integral controller is multiplied by the detection signal of the second mass element 2, and then the amplitude is again increased. The driving signal of the second mass element 2 is combined with the adjusted driving signal to form an adjusted driving signal, and is transmitted through the driving electrode 6 of the second mass element 2 to drive the second mass element 2. A method of controlling a reverse-phase vibration dual mass device type micro gyroscope.
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