KR101412877B1 - 기생모드 감쇠를 갖춘 진동식 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

향상된 성능을 얻기 위해 진동의 면내 기생모드(in-plane parasitic mode)를 가진 평면 공진기 자이로스코프(planar resonator gyroscope)의 동작이 기재되어 있다. 디스크 공진기 자이로스코프와 같은 평면 공진기 자이로스코프는 매립전극(embedded electrode)으로 동작될 수 있다. 매립전극은 평면 공진기에 인접하여 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드(anti-node) 가까이에 배치될 수 있다. 기생모드의 감지된 진폭은 자이로스코프를 동작시키는데 이용되는 차분신호로 인가된다. 기생모드를 감쇠하기 위한 피드백 제어기는 비례전압으로부터 생성된 구동전압을 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드 가까이에 배치된 평면 공진기에 인접한 하나 이상의 구동전극에 인가한다. 따라서 기생 면내 모드는 아날로그 동작 증폭기 또는 디지탈 피드백을 통해 인가된 능동 감쇠로 자이로스코프를 동작시킬 때에 감쇠될 수 있다.

Description

기생모드 감쇠를 갖춘 진동식 자이로스코프 {VIBRATORY GYROSCOPE WITH PARASITIC MODE DAMPING}

본 발명은 자이로스코프에 관한 것으로, 특히 기생모드 감쇠를 갖춘 진동식 자이로스코프에 관한 것이다.

기계식 자이로스코프(mechanical gyroscope)는 내부적으로 이동하는 프루프 질량체(proof mass)의 감지된 관성 반응에 기초해서 이동 플랫폼의 방향을 정하기 위해 사용된다. 전형적인 전자기계식 자이로스코프는 지지식 프루프 질량체(suspend proof mass), 자이로스코프 케이스, 픽오프(pickoff), 토커(torquer) 및 독출 전자기기(readout electronics)를 구비한다. 관성 프루프 질량체는 자이로스코프 케이스로부터 내부적으로 지지되고, 자이로스코프 케이스는 플랫폼에 단단하게 장착되어 플랫폼의 관성 이동을 전달하지만 그렇지 않은 경우는 프루프 질량체를 외란으로부터 격리한다. 프루프 질량체의 내부 이동을 감지하는 픽오프, 이 이동을 유지 또는 조절하는 토커, 및 프루프 질량체에 근접하지 않으면 안되는 독출 전자기기는, 플랫폼 전자기기 및 전원공급장치에 전기적인 관통형 접 속(feedthrough connection)을 제공하는 케이스에 내부적으로 장착되어 있다. 또한, 케이스는 자이로스코프를 이동체 플랫폼(vehicle platform)에 부착 및 정합시키기 위한 표준 기계 인터페이스도 제공한다. 각종 형태에 있어서, 자이로스코프는 항공기 및 우주선과 같은 이동체용의 임계 센서로서 종종 이용된다. 항법(navigation) 또는 자유 물체(free object)의 방향을 자율적으로 정하는 것이 필요한 경우는 언제든지 자이로스코프가 일반적으로 유용하다.

비교적 큰 스피닝 질량체(spinning mass)을 이용하는 보다 오래된 통상의 기계식 자이로스코프는, 현재의 기준으로는 아주 무거운 기구였다. 다수의 최신 기술에 의해, 레이저 자이로스코프 및 광섬유 자이로스코프 등과 같은 광학식 자이로스코프뿐만 아니라 기계식 진동식 자이로스코프를 포함하는 새로운 형태의 자이로스코프가 생겨나고 있다.

우주선은 일반적으로 자세 제어(attitude control)를 보충하기 위해 관성속도(inertial rate) 감지기기에 의존하고 있다. 현재, 이것은 고가의 통상의 스피닝 질량체 자이로(예컨대, 키어포트(Kearfott) 관성기준장치(inertial reference unit: IRU)) 또는 통상적으로 기계화된 진동식 자이로스코프(예컨대, 리톤 반구상(Litton hemispherical) 공진기 자이로스코프 관성기준장치)에 의해 종종 수행된다. 그렇지만, 이들 양자 모두 매우 고가이며 크고 또한 무겁다.

더욱이, 몇몇 종래의 대칭형 진동식 자이로스코프도 제작되었지만, 그들의 진동 운동량(vibratory momentum)은 케이스를 통해 이동체 플랫폼으로 직접 전송된다. 이러한 전송 또는 결합은, 관성속도 입력과 구별가능하지 않은 외란 및 에너 지 손실을 수용할 수 있고, 이로써 감지 에러 및 드리프트로 이어지게 된다. 이러한 진동식 자이로스코프의 일례는, 네 잎 클로버모양의 대칭형 진동식 자이로스코프 설계에 대해 기재하고 있는 탕(Tang) 등에 의한 미국 특허 제5,894,090에서 발견할 수 있다. 다른 평면 동조 포크(planar tuning fork) 자이로스코프는 베이스플레이트(baseplate: 기저판)로부터의 진동의 격리를 어느 정도 얻을 수 있지만, 이들 자이로스코프는 동조된 조작에 바람직한 진동 대칭을 필요로 한다.

더욱이, 반구상 공진기 자이로스코프 및 진동하는 박형 링 자이로스코프 등과 같은 쉘 모드(shell mode) 자이로스코프는, 일부 소망하는 격리 및 진동 대칭 속성을 갖는 것이 알려져 있다. 그렇지만, 이들 설계는 얇은 평면 실리콘 미세제작에는 적합하지 않거나 미세제작에 상당한 제한을 갖는다. 반구상 공진기는 반구체의 광대한 원통 측면(extensive cylindrical side)을 고감도 정전 센서(sensitive electrostatic sensor) 및 유효 동작기(effective actuator)용으로 사용한다. 그렇지만, 그 높은 애스펙트비(aspect ratio: 종횡비) 및 3차원 만곡 외형(curved geometry)은 저가의 얇은 평면 실리콘 미세제작에는 적당하지 않다. 박형 링 자이로스코프(예컨대, 미국 특허 제6,282,958호)는 평면 실리콘 미세제작에 적합하지만, 장치의 광대한 평면 영역을 이용하는 정전 센서 및 동작기를 필요로 한다. 더욱이, 이 자이로스코프용의 케이스는 공진기 프루프 질량체와 같은 재료의 것이 아니므로, 공진기 프루프 질량체에 대한 픽오프 및 토커의 정렬이 온도와 함께 변화하고, 결과적으로 자이로스코프 드리프트를 일으킨다.

케이스 또는 케이스 내부의 공진기의 저주파 지진 지지체(low-frequency seismic support)를 이용한 진동 격리도 알려져 있다(예컨대, 미국 특허 제6,009,751호). 그렇지만, 이러한 격리의 증대는 비례해서 무거워지는 지진 중량체(seismic mass) 및/또는 보다 낮은 지지 주파수라고 하는 희생에 의해 성립하는 것이다. 이러한 효과는, 가속 조건 하의 프루프 질량체 정렬불량으로 인해 컴팩트한 전술적 IMU(inertial measurement unit: 관성 측정 장치) 응용에는 바람직하지 않다.

더욱이, 이전의 실리콘 마이크로자이로스코프(예컨대, 미국 특허 제5,894,090호)의 규모는 네비게이션 및 위치지시 성능을 위해 최적화될 수 없고, 그 결과 소망하는 것보다 노이즈 및 드리프트가 높아진다. 이러한 문제는, 0.1%의 두께 정밀도로 한정되는 임계 진동 주파수를 규정하는 얇은 에피택셜 성장 실리콘 만곡부의 면외 구부러짐(out of plane bending)으로의 의존(dependence)으로부터 생긴다. 그 결과, 장치 사이즈는 수 ㎜(millimeter)로 한정된다. 이러한 설계는, 진동 비대칭 또는 불평형에 의한 높은 드리프트와, 열적 기계 노이즈(thermal mechanical noise)를 증가시키는 보다 낮은 질량 및 센서 전자기기 노이즈에 의한 레이트 에러(rate error)를 증가시키는 보다 낮은 캐패시턴스 센서(capacitance sensor) 영역에 의한 높은 레이트의 노이즈를 나타낸다.

또한, 격리되지 않은 실리콘 마이크로자이로의 확대(scaling up)도, 외부 에너지 손실이 증대되는 한편으로, 공진기 Q가 향상되지 않고 또한 케이스 센시티브(case-sensitive) 드리프트가 감소하지 않기 때문에, 문제가 있다. 아주 낮은 노이즈의 위치지시 또는 네비게이션 성능을 위해서는, 3차원 제조 정밀도의 많은 단위의 크기만큼 향상된 격리형의 ㎝ 규모의 공진기가 필요하다.

통상적으로, 수정 반구상 또는 쉘 자이로 등과 같은 기계화된 네비게이션 그레이드 공진기는, 예컨대 30㎜라고 하는 큰 규모이고 최적의 노이즈 및 드리프트 성능과 3차원 제조 정밀도를 갖지만, 이러한 자이로는 고가이고 제조하는 것이 느리다. 미세 기계화된 실리콘 진동식 자이로스코프는, 보다 작은 규모이고 손실이 보다 작아지고 또한 드리프트 성능이 보다 양호하게 되지만, 규모가 작아지면 픽업 노이즈가 증가하고, 기계적인 정밀도가 낮아져서 통상의 실리콘 설계에서는 규모를 축소하는데 제한이 있다. 기계식 공진기의 통상의 레이저 트리밍(laser trimming)은 어느 정도 제조 정밀도를 더 향상시킬 수 있다. 그렇지만, 이 프로세스는 좁은 기계적 갭을 갖는 마이크로자이로에는 적당하지 않고, 제한된 분해능(resolution)을 갖기 때문에, 최종적인 동조 프로세스에서 보다 큰 정전 바이어스 조절이 필요하게 된다.

최근, 실질적으로 솔리드 평면 공진기(soild planar resonator)의 면내(in-plane) 진동모드의 여기 및 감지를 통해 동작하는 (디스크 공진기 자이로스코프와 같은) 몇몇 평면 공진기 자이로스코프 장치가 개발되었다. 이들 평면 공진기는, 보다 쉽게 제작되고 패키지되는 컴팩트한 패키지에 있어서 보다 큰 구동 및 감지 영역을 가능하게 함으로써 구상 또는 쉘 공진기와 같은 설계에 걸쳐 강화된 특성을 얻는다. 예컨대, 2005년 9월 20일 발행된 "INTEGRAL RESONATOR GYROSCOPE(일체식 공진기 자이로스코프)"라는 명칭이 붙여진 쉬체글로프(Shcheglov) 등에 의한 미국 특허 제6,944,931 및 2006년 5월 9일 발행된 "ISOLATED PLANAR GYROSCOPE WITH INTERNAL RADIAL SENSING AND ACTUATION(내부 반경방향의 감지 및 액츄에이션을 갖춘 분리형 공진기 자이로스코프)"라는 명칭이 붙여진 쉬체글로프 등에 의한 미국 특허 제7,040,163 참조.

상술한 점을 고려하여, 네비게이션, 우주선 페이로드 포인팅(payload pointing) 및 다른 응용의 성능이 크게 향상된 소형이고 저가이며 보다 용이하게 제조되는 평면 자이로스코프에 대한 필요성이 이 기술분야에서 존재한다. 이 때문에, 그들의 성능을 개선시키도록 이러한 자이로스코프를 동작시키는 시스템 및 방법에 대한 필요성도 존재한다.

향상된 성능을 얻기 위한 평면 자이로스코프의 동작이 기재되어 있다. 고품질 평면 공진기는, 격리된 축퇴(縮退) 진동모드쌍, 또는 관성속도 감지를 위해 이용되는 차동모드쌍 및 여기될 수도 있고 레이트 감지 에러를 생성하는 다른 기생 진동모드를 가진다. 용량전극(capacitive electrode)을 위한 것으로 광대한 수직 및 수평 표면이 있는 공진기를 갖는 디스크 공진기 자이로스코프와 같은 평면 공진기 자이로스코프는, 진동의 하나 이상의 면내(in-plane) 또는 면외(out-of-plane) 기생 모드를 능동적으로 감쇠시키도록 동작해도 좋다. 전극은 기생모드의 안티-노드에서 공진기에 인접한 구동 및 감지전극의 분명한 세트 내에 배열된다. 가장 낮은 주파수 면내 기생모드 또는 공통모드의 경우, 전극 세트는 공진기의 중앙 실장점의 반대측의 대향하는 쌍을 구비해도 좋다. 그 때문에, 그 쌍의 한 전극은 공통모드의 포지티브 안티-노드에 가깝다고 말하고, 반면에 그 쌍의 두번째 전극은 네가티브 안티-노드에 가깝다. 레이트 감지를 위해 이용되는 면내 차동모드는 각 전극에 인접한 안티-노드를 가질 수 있지만, 그들은 항상 같은 극성의 것이다. 구동용 차분신호는 구동전극의 대향하는 쌍에 인가되고, 감지용 차분신호는 감지전극의 대향하는 쌍 사이에서 결정된다. 따라서, 공통모드에 관한 차분신호를 기생 공통모드를 능동적으로 감쇠시키도록 자이로스코프를 동작시키기 위해 이용함으로써, 감지용 차분신호에 기초를 두고 있는 차분 구동전극의 세트에 인가되는 관성속도 감지 피드백 제어신호용으로 이용되는 진동의 2가지 차동모드의 감쇠나 장애가 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 기생 면내 모드는 아날로그 차동 증폭기 및 디지탈 피드백을 통해 인가되는 능동 감쇠로 자이로스코프를 동작시킬 때에 감쇠되어도 좋다.

본 발명의 전형적인 방법 실시예는, 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드에 가깝게 배치된 평면 공진기에 인접한 복수의 용량전극의 하나 이상의 감지전극으로 평면 공진기의 기생 진동모드의 진폭을 감지하는 단계와, 기생 진동모드의 진폭에 비례하는 전압을 생성하는 단계 및, 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드에 가깝게 배치된 평면 공진기에 인접한 복수의 용량전극의 적어도 하나 이상의 구동전극에 비례하는 전압으로부터 생성된 구동전압을 인가함으로써 기생모드를 감쇠시키는 단계를 포함하는 평면 공진기의 동작방법으로 이루어진다. 평면 공진기는 디스크 공진기로 이루어져도 좋다. 더욱이, 디스크 공진기는 중심에 실장되고 주변으로 배열(slot)되는 디스크를 갖추고, 복수의 용량전극은 디스크 공진기 내에 매립형 전극을 갖추어도 좋다. 하나 이상의 감지전극은 디스크 공진기 주위의 하나 이상의 구동전극 주변에 배치되어도 좋다. 전형적으로, 평면 공진기는 이 평면 공진기의 회전을 측정하기 위해 자이로스코프로서 동작한다. 공진기의 제어는 이날로그 또는 디지탈 제어회로의 어느 하나에 의해 생성되는 비례전압으로 발전(develop)되어도 좋다. 구동전압을 인가하는 것은, 광대역 DC 캐패시티브 센싱(capacitive sensing: 용량성 감지)을 이용해서 공통모드 위치 및 속도를 능동적으로 제어하는 것을 갖추어도 좋다.

일부 실시예에서는, 하나 이상의 감지전극이 기생 진동모드의 진폭을 감지하기 위한 차분 감지신호를 공급하도록 복수의 분할된 감지전극을 갖추어도 좋다. 이 경우, 평면 공진기는 중앙 실장점을 갖는 디스크 공진기를 구비해도 좋고, 기생 진동모드의 진폭을 감지하는 복수의 분할된 감지전극은 하나 이상의 인보드(inboard: 보드내) 감지전극과 하나 이상의 아웃보드(outboard: 보드외) 감지전극 사이에 분할되어 있다.

마찬가지로, 본 발명의 센서 실시예는, 평면 공진기 및 이 평면 공진기에 인접하여 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드 가까이에 배치된 복수의 용량전극을 구비해도 좋다. 복수의 용량전극은, 평면 공진기의 기생 진동모드의 진폭을 감지하기 위해 하나 이상의 감지전극을 포함해도 좋다. 감지회로는 비례전압을 기생 진동모드의 진폭으로 생성하기 위해 이용되고, 피드백 컨트롤러는 비례전압으로부터 생성된 구동전압을 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드 가까이에 배치된 평면 공진기에 인접한 복수의 용량전극의 적어도 하나 이상의 구동전극에 인가함으로써 기생모드를 감쇠시키기 위해 이용된다. 본 발명의 센서 실시예는, 평면 공진기를 동작시키기 위해 여기에서 설명되는 방법 실시예에 맞추어 더 변형되어도 좋다.

본 발명의 더욱 다른 실시예는, 적어도 한 세트의 구동전극을 평면 공진기의 중앙 실장점의 반대측의 대향하는 구동쌍으로 분할하는 단계와, 적어도 한 세트의 감지전극을 평면 공진기의 중앙 실장점의 반대측의 대향하는 감지쌍으로 분할하는 단계, 상기 구동전극의 대향하는 구동쌍 사이에서 구동 차분신호를 결정하는 단계, 상기 감지전극의 대향하는 감지쌍 사이에서 구동 차분신호를 결정하는 단계 및, 상기 구동 차분신호 및 상기 감지 차분신호에 기초해서 피드백 제어신호를 구동전극의 세트로 인가하는 단계를 포함하는 평면 공진기를 동작시키는 방법으로 이루어져도 좋다. 평면 공진기는 디스크 공진기여도 좋고, 평면 공진기의 회전을 측정하기 위해 자이로스코프로서 동작해도 좋다. 기생모드 감쇠를 위해 선택된 전극은, 레이트 감지를 위해 이용되는 차동 모드(differential mode) 또는 코리올리 모드(Coriolis mode)가 관측가능하지도 제어가능하지도 않도록 감지 및 구동신호를 산출하기 위해 결합되어도 좋다.

피드백 제어신호를 구동전극의 세트로 인가하는 것은, 평면 공진기의 적어도 하나의 기생 진동모드를 능동적으로 감쇠시키는 것을 구비해도 좋다. 평면 공진기의 적어도 하나의 기생 진동모드를 능동적으로 감쇠시키는 것은, 감지 차분신호로 인가되는 비례 컨트롤러에 의해 적용되어도 좋다. 예컨대, 공진기 모션이 매립된 차분 감지전극에 접속된 한 쌍의 상호임피던스 증폭기(transimpedance amplifier)에 의해 감지되면, 그 때 출력전압 차분신호는 공진기 속도에 비례하고 고정된 네가티브 피드백 이득은 대응하는 차분 제어전극에 전압 구동을 형성하기 위해 이용된다. 비례 컨트롤러는 아날로그 또는 디지탈 제어회로로 실현해도 좋다.

일부 실시예에서는, 구동전극의 제1 세트가 평면 공진기의 제1 진동모드의 제1 축을 따라 배치되고, 감지전극의 제1 세트가 제1 축에 대해 수직으로 배치되어도 좋다. 피드백 제어신호를 인가하는 것은, 제1 진동모드를 구동 및 감지하는 것을 구비해도 좋다. 더욱이, 구동전극의 제2 세트는 평면 공진기의 제2 진동모드의 제2 축을 따라 배치되고, 감지전극의 제2 세트는 제2 축에 대해 수직으로 배치되어도 좋다. 피드백 제어신호를 인가하는 것은, 제2 진동모드를 구동 및 감지하는 것을 구비해도 좋다.

일부 실시예에 있어서, 피드백 제어신호를 인가하는 것은 기생모드 모션에 민감한 차동 전극에서의 불평형(unbalance)으로 인해 레이트 감지를 위해 이용되는 코리올리 모드에 대한 임의의 장애를 방지하도록 기생모드 주파수 주위의 신호를 제1 협대역으로 필터링하는 것을 구비해도 좋다. 또한, 안티-노드 모션에 비례한 신호를 산출하기 위해 차동쌍을 형성하는 일없이 접속되어 있는 기생 진동모드의 안티-노드에서 평면 공진기에 인접한 하나 이상의 전극에는, 레이트 감지를 교란하는 일없이 기생모드를 능동적으로 감쇠시키기 위해 평면 공진기를 제어하기 위한 협대역 필터링이 행해져도 좋다.

광대한 수직 및 수평 표면을 가진 디스크 공진기와 같은 평면 공진기는, 수많은 다른 전극 구성이 능동형 기생모드 감쇠를 위해 이용되는 것을 허용한다. 예컨대, 레이트 감지전극을 위해 수직 링 표면에 인접한 분리된 매립 전극은 면내 기생모드 감쇠를 위해 이용되어도 좋고, 베이스(base) 또는 캡 표면(cap surface)의 링 아래 또는 위에 위치된 전극은 디스크 공진기의 제1 축 모드 또는 2개의 제1 로킹 모드(rocking mode: 진동 모드)와 같은 면외 기생모드 감쇠를 위해 이용되어도 좋다.

마찬가지로, 본 발명의 다른 센서 실시예는, 평면 공진기의 중앙 실장점의 반대측의 대향하는 구동쌍으로 분할된 적어도 한 세트의 구동전극 및 평면 공진기의 중앙 실장점의 반대측의 대향하는 감지쌍으로 분할된 적어도 한 세트의 감지전극을 가진 평면 공진기와, 상기 구동전극의 대향하는 구동쌍 사이에서 구동 차분신호를 결정하고 상기 감지전극의 대향하는 감지쌍 사이에서 구동 차분신호를 결정하며 상기 구동 차분신호 및 상기 감지 차분신호에 기초해서 피드백 제어신호를 구동전극의 세트로 인가하기 위한 제어회로를 구비한다. 더욱이, 본 발명의 센서 실시예는 평면 공진기를 동작시키기 위해 여기에서 설명되는 방법 실시예에 맞추어 더 변형되어도 좋다.

여기서 도면을 참조하지만, 동일한 참조부호는 전체를 통해 대응 부분을 나타내고 있다:

도 1a는 본 발명의 실시예에 따라 동작될 수 있는 자이로스코프 또는 관성 센서용의 격리된 공진기의 개략적인 평면도를 나타낸다.

도 1b는 도 1a의 예시적인 평면 공진기 자이로스코프의 측면도를 나타낸다.

도 1c는 본 발명의 실시예에 의해 동작가능한 예시적인 평면 공진기 구조에 대한 패턴을 도시한 도면이다.

도 1d는 예시적인 공진기의 제1 차동모드에 대한 통상의 전극 동작을 도시한 도면이다.

도 2a는 예시적인 디스크 공진기 자이로스코프의 동작의 원리를 도시한 도면이다.

도 2b는 예시적인 디스크 공진기 자이로스코프의 제1 면내 차동 축퇴 진동모드를 도시한 도면이다.

도 3a 및 도 3b는 질량 모션의 중심이 있는 2개의 제1 면내 공통 축퇴 진동모드를 도시한 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 질량 모션의 중심이 없는 2개의 제1 면내 공통 축퇴 진동모드를 도시한 도면이다.

도 5는 일반적인 차동모드 동작 하에 이용되는 감지 및 제어 전극을 갖춘 모델을 도시한 도면이다.

도 6a는 본 발명에 따른 동작 하에 이용되는 광대한 감지 및 제어 전극을 갖춘 예시적인 모델을 도시한 도면이다.

도 6b는 본 발명에 따른 동작 하에 이용되는 감지 및 제어 전극을 갖춘 제2의 예시적인 모델을 도시한 도면이다.

도 6c는 본 발명의 실시예를 위한 예시적인 제어회로의 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 평면 공진기를 동작시키는 예시적인 방법의 플로우차트이다.

1. 개요

이하의 바람직한 실시예의 설명에서는, 발명의 일부를 형성하는 첨부의 도면을 참조하고, 본 발명을 실시할 수 있는 특정의 실시예를 예시적으로 나타낸다. 다른 실시예를 이용해도 좋고, 본 발명의 범위로부터 이탈하는 일없이 구조적인 변경을 행해도 좋음을 이해해야 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는, 바람직한 공진기 내부 모션의 측정을 위해 충분히 더 많은 감지의 통합을 허용하는 실질적으로 이용가능한 내부 공진기 체적(volume)을 갖는 짧은 솔리드 원통 공진기 또는 디스크를 이용함으로써 중심이 단단한 봉(central rigid stem) 상에 지지되면서 실질적으로 증가된 감지 용량을 갖는 평면 공진기에 적용될 수 있다. 쉘(shell)이나 링이 아니라 디스크와 같은 평면 소자의 이러한 이용은, 추가적인 센서를 실장하기 위한 실질적인 상부 및 하부 표면영역 및 커다란 내부 체적으로 연결된다. 디스크는 원통형 쉘과 같은 호의적인 방사방향 모드(radial mode: 경진동 모드)를 제공한다.

본 발명의 실시예는, 일반적으로 격리된 평면 공진기 자이로스코프를 기재한다. 일반적으로, 본 발명의 실시예는 매립된 감지 및 액츄에이션(actuation: 발동작용)을 이용해서, 단일의 중앙 노드 지지체(central nodal support)를 갖춘 소망 하는 축대칭 공진기, 통합형(및 분산형) 프루프 질량체, 총면적이 큰 굴곡 부유(flexural suspension) 및 광대한 용량전극을 갖는 미세 기계가공된 평면 실리콘 자이로스코프를 설치한다. 유리하게는, 본 발명의 공진기 전체, 매립 전극 및 통합 케이스 벽은 단일의 실리콘 웨이퍼로부터 제작할 수 있다.

실리콘 링 공진기(예컨대, 미국특허 제6,282,958호)는, 대면적 내부 용량 센서 및 액츄에이터를 가지고 있지 않고 유연성 지지비임(flexible support beam)을 필요로 한다. 그 밖의 수정 반구상 공진기 자이로스코프는 입체적이므로, 그들을 미세 기계가공할 수 없고, 매립전극을 가지지 않는다. 포스트 질량체(post mass) 타입의 공진기 자이로스코프는 각도 이득(angular gain)이 높고, 대면적의 감지요소를 가지는 바, 따라서 다른 설계와 비교해서 우수한 노이즈 성능을 가지지만, 그들은 단일의 중앙 노드 지지체의 최적화 공진기 격리 특성을 가지고 있지 않고, 이산적으로 조립된 포스트 프루프 질량체를 종종 이용하고 있다. 더욱이, 보다 우수한 열 및 진동성능에 바람직한 본 발명과 같이 통합적으로 만들어지고 충분히 차동적인 매립전극은 이산 포스트 프루프 질량체 공진기 자이로스코프 또는 면외 자이로스코프로는 불가능하다.

링 자이로스코프에 관한 주된 문제는, 박형 링 둘레의 본질적으로 작은 센서 영역과, 지지비임의 유연성 또는 상호작용이다. 3차원 반구상 자이로스코프는 대면적 캐패시티브 센싱을 위해 보다 높은 측면을 갖지만, 감지 및 여기를 위한 이산 원주방향 전극 실린더 또는 컵의 어셈블리를 여전히 필요로 한다. 중앙 지지체 및 원주방향 전극을 갖춘 높이가 높은 실린더도 이 문제에 직면한다. 중앙 지지체 및 디스크의 위면 또는 아래면에 장착되는 압전 및/또는 전자기 와이어 센서 및 액츄에이터를 갖춘 짧은 솔리드 실린더 또는 디스크는 소면적의 비매립 센서의 문제를 해결한다. 그렇지만, 이 발명의 바람직한 실시예는, 후술하는 예시적인 실시예에서 도시되는 복수의 용량성 슬롯을 설치한 디스크 공진기이다.

2. 예시적인 평면 공진기 자이로스코프

도 1a는 본 발명의 자이로스코프 또는 관성 센서 실시예를 위한 격리된 공진기의 개략적인 평면도이다. 자이로스코프는, 단단한 중앙 지지체(106)로 지지되고, 또한 면내 진동을 위해 설계된 유일한 평면 공진기(100)를 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 공진기(100)는 동심 원주방향 세그먼트(concentric circumferential segment; 104A∼104E)로부터 형성되는 (일반적으로 116으로서 참조되는) 다수의 슬롯, 예컨대 116A∼116D를 포함하는 디스크를 구비한다. 동심 원주방향 세그먼트(104A∼104E)는 방사방향 세그먼트(radial segment 102A∼102E)로 지지된다. 공진기 전체의 직경은 성능 요건에 의존하여 달라질 수 있다. 예컨대, 직경이 16㎜의 공진기는 비교적 높은 기계가공 정밀도 및 낮은 노이즈를 부여할 수 있다. 공진기를 더 정련(refinement)시키면, 상당히 절감된 비용으로 공진기의 직경을 겨우 4㎜로 할 수 있다.

도 1b는 베이스플레이트(112)에 조립된 본 발명의 예시적인 분리된 공진기(100)의 개략적인 측면도이다. 중앙 지지체(106)는 베이스플레이트(112) 상에 공진기(100)를 지지한다. 공진기(100) 내의 슬롯(116) 중 적어도 몇 개인가는 마찬가지로 베이스플레이트(112) 상의 기둥(114)에 지지되는 매립전극(108A∼108D)으 로의 액세스를 제공한다. 전극(108A∼108D)은 공진기(100)의 원주방향 세그먼트(104A∼104E) 중 적어도 몇 개와 더불어 용량성 갭(110A∼110H; 아웃보드 갭 110A, 110C, 110F, 110H, 및 인보드 갭 110B, 110D, 110E, 110G)을 형성한다. 이들 전극(108A∼108D)은 공진기(100)의 방사방향 여기와 공진기(100)의 감지 모션을 부여한다. 이것을 촉진시키기 위해, 전극(108A∼108D)의 각각은 공진기의 제어 및 감지를 향상시키도록 복수의 개별의 요소로 분할된다. 예컨대, 도시되는 환상 전극(108B)은 2개 이상의 요소로 분할될 수 있다. 즉, 아웃보드 갭(outboard gap; 110C)을 가로질러 작용하는 적어도 하나의 요소와, 인보드 갭(inboard gap; 110D)을 가로질러 작용하는 적어도 하나의 요소로 분할될 수 있다. 전극(108B) 위치에서 공진기(100)에 대해 바이어스된 반응을 발생하도록 요소를 별개로 여기함으로써, 공진기에 진동을 유도한다.

일반적으로, 여기전극(108B, 108C)은 감지를 향상시키기 위해 전극(108A, 108D)(즉, 공진기(100)의 외측 슬롯 내)보다도 중앙 지지체(106)(즉, 공진기(100)의 내부 슬롯 내)에 보다 가깝게 배설된다. 그렇지만, 소망에 따라 여기 및 감지 전극(108A∼108D)의 배치 및 분산을 변경할 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 부가적인 전극도 이용해서 정전 튜닝을 행하는 공진기(100)를 바이어스할 수 있다. 그러한 바이어스 전극은 여기 및 감지 전극으로서 복수의 개별의 요소를 포함할 수도 있다.

평면 공진기(100)에 인접해서 하나 이상의 추가 전극(140, 142)을 배치해도 좋다. 전극(140, 142)은 평면 공진기(100) 위 및 아래에 단일의 요소로서 나타내 고 있지만, 각 전극은 독립적으로 제어되어도 좋은 다수의 개별 요소를 구비할 수 있다. 상부 전극(140)은 공진기를 둘러싸는 하우징의 내부 표면에 배치되어도 좋은 반면, 하부 전극(142)은 베이스플레이트(112) 상에 배치되어도 좋다. 하부 전극(142)은 매립전극(108A∼108D)과 단단한 중앙 지지체(106) 사이의 이용가능한 영역에 한정되지 않는다. 추가 전극(140, 142)은 평면 공진기(100)의 제어를 향상시키기 위해 이용되어도 좋다. 이들 용량전극(140, 142)은, 디스크 공진기 자이로스코프의 축 및 로킹 모드의 능동 감쇠뿐만 아니라 축 또는 각 가속도 측정을 위해 이용되어도 좋다.

예컨대 자이로스코프의 부품으로서의 평면 공진기(100)의 동작은, 이하의 섹션에서 설명하기로 한다. 일반적으로, 각종 전극(공진기 내에 매립되거나 공진기에 인접한 전극)은 공진기의 이동에 대한 그들 모드에서의 감지반응뿐만 아니라 평면 공진기의 진동모드를 각 전극에 결합된 제어회로(144)로 구동하기 위해 이용되고 있다. 제어회로(144)의 설계는 여기에서의 개시내용에 따라 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 개발될 수도 있다.

도 1c는 이 발명의 예시적인 평면 공진기(100)의 패턴(120)을 도시한다. 이 패턴(120)은 다수의 동심 삽입형 원주방향 슬롯(concentric interleaved circumferential slot; 122)을 이용한다. 슬롯 중 몇 개, 예컨대 122A∼122E는 복수의 요소전극을 수용하기 위해 폭이 보다 넓게 되어 있다. 예컨대, 보다 폭이 넓은 슬롯(122A, 122B)의 외측 링 2개는 감지전극용이고, 보다 폭이 넓은 슬롯의 내측 링 3개는 구동전극용이다. 잔여의 슬롯(122)은 공진기(100)를 구조적으로 튜닝 하도록(예컨대 주파수를 낮추도록) 기능할 수 있고, 및/또는 동작 중에 공진기를 능동적으로 바이어스하는데 이용되는 바이어스 전극이 슬롯을 점해도 좋다. 공진기 및 모드 축(modal axes; 124)이 지시되는 바, 패턴(120)이 대칭이므로, 공진기의 동작이 그들을 식별한다.

예시적인 공진기(100)는 디스크로서 나타내고 있지만, 내부 감지 및 액츄에이션을 이용하는 이 발명의 원칙이 적용되는 그 밖의 평면 외형도 가능하다. 게다가 더욱이, 공진기의 완전한 격리를 부여하는 단일의 중앙 지지체(106)가 바람직하지만, 하나 이상의 부가적인 또는 대체적인 장착 지지체를 이용하는 그 밖의 장착 구성도 가능하다.

상술한 공진기(100)에서 이용되는 바와 같이, 중앙에서 지지되는 솔리드 실린더 또는 디스크는 코리올리 감지에 적당한 2가지의 축퇴 면내 모드를 이용하지만, 주파수는 대단히 높고(100㎑보다도 큼), 방사방향 캐패시턴스 감지영역은 실린더의 높이 또는 디스크의 두께와 더불어 감소한다. 그렇지만, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 복수의 슬롯을 설치한 디스크 공진기(100)는 이들 문제를 극복한다. 실린더 또는 디스크를 통해 복수의 환상 슬롯을 에칭함으로써, 2가지의 이점, 즉 저주파수(50㎑ 미만) 코리올리 감지에 적당한 2가지의 축퇴 모드와, 큰 감지, 바이어스 및 구동 캐패시턴스가 즉시 얻어진다. 저주파수는 슬롯에 의해 제공되는 증가된 방사방향 컴플라이언스(radial compliance)로부터 유도된다. 큰 감지, 바이어스 및 구동 캐패시턴스는 공진기 내에 기계가공 가능한 다수의 슬롯의 결과이다.

도 1d는 도 1c의 공진기의 제1 모드를 위한 전극동작을 도시한다. 패 턴(120)의 공진기(100)와 함께 동작하는 전극(124)이 좌측의 도면에 도시된다. 각각이 패턴의 원주 둘레에 90°의 간격을 이루는 전극(124)의 4개의 그룹이 이용된다. 여기전극의 쌍으로 된 요소인 정(正)의 여기요소(126) 및 부(負)의 여기요소(128)가 구동되어 공진기(100)를 여기한다. 이들 쌍으로 된 요소(126, 128)는 아웃보드 위치의 정의 요소(126) 및 인보드 위치의 부의 요소(128)와 슬롯을 공유한다. 도시된 바와 같이 쌍 중의 몇 개인가는 다른 개별 전극의 쌍과 공통의 슬롯을 공유하고, 따로따로 동작가능한 복수의 전극은 공통의 공진기 슬롯을 공유할 수 있는 것이 명백히 나타내어져 있음에도 유의해야 한다. 감지전극은 보다 크게 된 방사방향 위치(radial position)에 배설되고, 정의 감지요소(130) 및 부의 감지요소(132)를 포함한다. 이들은 함께 공진기(100)의 모션에 관한 출력을 부여한다.

슬롯(116, 122) 사이의 균일한 방사방향 스페이싱(radial spacing)을 이용할 수 있지만, 코리올리 감지에 적당한 2가지의 축퇴 면내 모드를 유지하는 것이면 그 밖의 스페이싱을 이용해도 좋다. 게다가, 또 다른 실시예에서는, 단일의 비임 세그먼트가 복수의 평행한 세그먼트를 포함하는 복합 세크먼트로 더 분할되도록, 세그먼트(104A∼104E) 중 몇 개 또는 전부에 슬롯을 더 설치할 수 있다. 이러한 경우, 세그먼트의 선택적인 작용에 의해, 공진기의 주파수를 조절함과 더불어, 드리프트 성능에 대한 유해한 열탄성 효과를 배제할 수 있다고 하는 것도 공진기의 동작 중에 세그먼트에 응력이 가해지기 때문이다. 일반적으로, 슬롯을 추가해서 원주방향 복합 세그먼트를 형성하면 공진기 주파수가 내려간다. 복수의 슬롯에 의해 기계가공 에러도 완화된다. 그러한 복합 세그먼트는 바람직하게는 원주방향 세그 먼트(104A∼104E)에 적용되지만, 이 기술을 방사방향 세그먼트(102A∼102E) 또는 다른 공진기 패턴의 다른 세그먼트를 갖추는 다른 설계에 적용할 수도 있다.

설명된 면내 설계를 이용하면, 본 발명의 실시예는 그 밖의 면외 자이로스코프에 대해 많은 이점을 얻는다. 예컨대, 중앙 지지체 결합부(bond)에는 진동성의 부하가 걸리지 않으므로, 임의의 마찰가능성 또는 앵커 손실 변동가능성(anchor loss variability)도 배제된다. 더욱이, 슬롯을 매개로 공진기 및 전극의 포토리소그래피 기계가공이 달성된다. 더욱이, 직경방향의 전극 캐패시턴스를 가산해서 진동 정류를 배제할 수 있고, 축방향 진동은 캐패시턴스를 제1차로 변경하지 않는다. 모드의 대칭성(modal symmetry)도, 다른 설계의 경우와 같이 웨이퍼의 두께가 아니라 포토리소그래피의 대칭성에 의해 주로 결정된다. (예컨대 외측 슬롯으로부터의) 감지 캐패시턴스(sense capacitance) 및 (예컨대 내측 슬롯으로부터의) 구동 캐패시턴스(drive capacitance)의 격리 및 최적화가 달성된다. 이 발명의 실시예는, 보다 작은 또는 보다 큰 직경 및 보다 얇은 또는 보다 두꺼운 웨이퍼로의 외형적으로 확대축소 가능한 설계도 달성한다. 더욱이, 기계가공의 균일성 및 대칭성을 위해, 이 발명의 실시예를 같은 폭의 슬롯으로 전체적으로 규정할 수 있다. 이 발명의 실시예는, 주파수 스플릿(split)을 생성하는 실리콘 이방성도 허용할 수 있다. 예컨대, <111> 실리콘 웨이퍼 및/또는 다른 슬릿폭을 이용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 열완화 공진에 근접하는 진동 주파수로 인한 높은 열탄성 감쇠의 결과, 공진감쇠시간이 짧아지고, 자이로 드리프트가 높아질 수 있다. 그렇지만, 슬롯의 방사방향 스페이싱을 조절해서 최적의 비임폭(beam width)을 규정할 수 있고, 또한 진동하는 비임폭을 더 저감시키기 위해 전극갭을 규정하는 슬롯 사이에 다수의 슬롯을 더 에칭할 수 있다.

3.0 평면 공진기 자이로스코프의 동작

이 발명의 실시예는 향상된 성능을 얻기 위해 평면 공진기 자이로스코프를 동작시키기 위한 새로운 기술에 관한 것이다. 이 기술은 평면 공진기 자이로스코프를 동작시키기 위한 원래의 기술을 본 발명의 기술과 비교하는 것에 의해 설명되어도 좋다. 이후, 이 발명의 실시예는 디스크 공진기 자이로스코프에 관하여 설명된다. 그렇지만, 이 발명의 실시예는 디스크 공진기 자이로스코프에 한정되는 것은 아니다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 이 발명의 실시예가 동일한 원리를 적용하는 다른 공진기 자이로스코프에 기초해서 자이로스코프의 동작에 마찬가지로 적용가능하다는 것을 인식할 것이다.

도 2a는 동작의 원리를 도시하고, 도 2b는 (도 1a∼도 1c에 설명한 것과 같은) 예시적인 디스크 공진기 자이로스코프의 제1 면내 차동 축퇴 진동모드를 도시한다. 이 모드는 타원으로 형성되고 디스크 공진기(202)의 단단한 중앙 지지체에 관하여 무반응이다. 이 모드는 고정된 진동진폭에서 여기되고, 관성 회전이 도 2a에 나타낸 바와 같이 가해질 때 그 세차운동(precession: 歲差運動)은 디스크 공진기(202) 구조를 갖는 상호 접속된 링 내에 매립하거나 링에 인접하여 매립한 세그먼트화된 용량전극을 매개로 관측된다. 세차운동의 양은 관성 회전의 정확하게 기하학적으로 정의된 일부분(fraction)이다. 나타낸 예에 있어서, 정재파(standing wave) 진동패턴은 공진기(202)의 케이스가 회전되기 전 제1 위치(200A)에 나타내어 진다. 중앙에서 지지된 디스크 공진기(202)에 고정된 케이스가 표시된 바와 같이 90도 회전함에 따라, 세차운동은 정재파 진동패턴을 제2 위치(200B; 이 예에서는 시계방향으로 대략 36도)로 시프트시킨다. 도 2b의 예시적인 디스크 공진기 자이로스코프의 제1 면내 차동 축퇴 진동모드는 대략 k = 0.4의 코리올리 결합된 기계적 각도 이득을 나타낸다. 감지 및 제어를 위한 인접한 전극 세그먼트는 도 2b의 링 구조의 모델 상에 표시된다.

일반적으로, 진동 자이로스코프는 일정한 진폭에서 진동하도록 적어도 하나의 진동 코리올리 모드를 능동적으로 제어한다. 제2의 가까운 출력 코리올리 모드는, 진동의 평면에 수직한 축을 따라 제1 모드 진동 및 입력 관성 속도의 조합에 의해 생성되는 코리올리의 힘을 감지하기 위해 능동적으로 제로 진폭으로 되도록 강요하거나 또는 자유로이 진동하도록 해도 좋다. 폐루프는 진폭을 제로로 재평형 상태로 되도록 강요하거나 또는 개루프 세차운동은 입력 관성 속도를 나타낸다.

불균일성의 감쇠로 인한 잘못된 코리올리 속도 표시를 회피하기 위해 더 높은 품질 및/또는 더 부드럽게 감쇠된 진동을 구동하는 보다 높은 성능의 진동 자이로스코프에 대한 요구가 증대되고 있다. 대칭형으로 중앙이 지지된 디스크 공진기 자이로스코프는, 특별히 등온 만곡부(isothermal flexure)가 있는 ㎜ 스케일 실리콘 공진기 또는 단열 만곡부(adiabatic flexure)가 있는 ㎝ 스케일의 용융된 실리카 공진기에 대해 본래부터 고품질의 진동모드를 제공한다. 그렇지만, 보다 높은 기계적 품질에서의 진동동작의 현재의 방법이 갖는 어려움은, 진동의 기생모드도 보다 적게 감쇠되고 외부 진동 또는 가속으로 잠재적으로 강력하게 연결된다는 점 이다.

도 3a 및 도 3b는 질량 모션의 중심이 있는 2개의 제1 면내 공통 축퇴 진동모드를 도시하고 있다. 이들은 예시적인 디스크 공진기의 공통모드이고 예시적인 기생모드쌍을 나타낸다. 원리적인 모드의 축은 대략 90도로 분리되어 있다. 케이스의 횡방향 가속(lateral acceleration)은 이들 모드를 직접 여기해도 좋다. 이들은 차동모드와 대비될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 질량 모션의 중심이 없는 2개의 제1 면내 공통 축퇴 진동모드를 도시하고 있다. 이들은 예시적인 디스크 공진기의 차동모드이고 축퇴모드쌍을 나타낸다. 이들 모드는 진동 자이로스코프 동작을 위해 공통으로 제어되고 감지되며 케이스 가속에 의해 여기될 수 없다. 원리적인 모드의 축은 대략 45도로 분리되어 있다.

고성능의 자이로스코프의 경우는, 기생모드의 부드럽게 감쇠된 모션이 1차 코리올리 모드 판독 전자기기(readout electronics)에 의해 검출되어 증가된 속도 잡음 및 드리프트에 이르게 된다. 고성능의 진동 자이로스코프의 경우는, 이들 기생모드를 능동적으로 감쇠시키거나 제어하는 것이 바람직할 것이다. 이것은, 각 기생모드(예컨대, 도 3a 및 도 3b의 모드)의 안티-노드(anti-node)에 분리가능한 감지 및 제어전극이 존재하도록 예시적인 디스크 공진기 용량 구동 및 감지전극을 더 분할함으로써, 기생모드가 감쇠되거나 제어될 수 있다는 것을 나타낼 수 있다.

도 5는 전형적인 동작 하에 이용되는 감지 및 제어 전극을 갖춘 모델을 도시하고 있다. 유한요소 분석 모델(500)은 인접한 감지 또는 구동전극에 따라 표시된 세그먼트를 갖는 예시적인 디스크 공진기의 내부 링을 묘사하는 2440개의 노드를 구비한다. 도 5에 나타낸 8개의 캐패시턴스 감지전극 세그먼트 또는 세트는, 디스크 공진기 자이로스코프의 통상 동작에서 이용되는 바와 같은 4개의 캐패시턴스쌍, S1p, S1n, S2p, S2n으로 배선된다. 이 경우, 평면 공진기의 중앙 실장점의 반대측에 있는 전극의 각기 대향하는 감지쌍은 구별되지 않는 바, 전극쌍은 전기적으로 결합되어 있다. 마찬가지로, 제어전극 세그먼트 또는 세트는 4개의 캐패시턴스쌍, D1p, D1n, D2p, D2n으로 배선된다. 여기에서도, 평면 공진기의 중앙 실장점의 반대측에 있는 전극의 각기 대향하는 구동쌍은 구별되지 않는다. 전극은 (예컨대, 도 1b에 개략적으로 나타낸 바와 같은) 제어회로에 접속되어 있는 디스크 공진기를 지지하는 베이스플레이트 상에 배치된 전도성 패턴을 통해 배선되어도 좋음을 이해해야 한다. 공진기 모델의 개별 영역(distinct region)의 감지 및 구동전극은, "*" 또는 "+" 및 라벨링된 S1p, S1n, S2p, S2n, D1p, D1n, D2p 또는 D2n에 의해 표시되어 있다.

디스크 공진기 구조는 전압 VGB에 바이어스되어도 좋고, 그라운드로 언급되는 4개의 상호임피던스 캐패시턴스 감지버퍼는 출력전압 VS1p, VS1n, VS2p, VS2n을 산출하도록 전하를 측정하기 위해 이용되어도 좋다. 식별된 축 1 및 2에 관하여 첫번째 2개의 면내 차동모드의 감지 및 제어를 위해, 파라미터는 다음과 같이 정의되어도 좋다:

이 코리올리 센서 인터페이스는, 2002년 10월 22일 발행된 챌로너(Challoner) 등에 의한 미국 특허 제6,467,346호에 기재되어 있다. 대조적으로, 본 발명의 실시예는 기생모드를 감지 및 제어하고, 구동 및 감지전극쌍의 분할 및 후술하는 바와 같이 자이로스코프의 제어를 강화하고 성능을 향상시키기 위해 각 쌍 사이의 차분 신호를 사용하는 것 등을 이용해도 좋다.

도 6a는 본 발명에 따른 동작 하에 이용되는 광대한 감지 및 제어 전극을 갖춘 예시적인 모델(600)을 도시하고 있다. 유한요소 분석 모델(600)은 인접한 감지 또는 구동전극에 따라 표시된 세그먼트를 갖는 예시적인 디스크 공진기의 내부 링을 묘사하는 2056개의 노드를 구비한다. 여기에서, 전극쌍은 전기적으로 구별되고 있는 "a" 및 "b" 요소로 분할되어 있다. 첫번째 2개의 면내 공통모드를 능동적으로 감쇠시키도록 감지 및 제어하기 위해, 마스크 배선(mask wiring)은 모두 8개의 용량성 감지전극(4개의 대향하는 전극쌍) S1pa, S1pb, S1na, S1nb, S2pa, S2pb, S2na, S2nb에 대해 개별 액세스가 유지되도록 도 5의 마스크 배선 전체에 걸쳐 변경되어도 좋다. 마찬가지로, 모두 8개의 구동전극 D1pa, D1pb, D1na, D1nb, D2pa, D2pb, D2na, D2nb에 대해 개별 액세스도 유지된다.

디스크 공진기 구조는 전압 VGB에 바이어스되어도 좋고, 그라운드로 언급되 는 4개의 상호임피던스 캐패시턴스 감지버퍼는 출력전압 VS1pa, VS1pb, VS1na, VS1nb, VS2pa, VS2pb, VS2na, VS2nb를 산출하도록 전하를 측정하기 위해 이용되어도 좋다. 8개의 상호임피던스 캐패시턴스 감지버퍼(상호임피던스 증폭기라고도 함)를 사용함으로써, 전극쌍 사이의 다음의 차분신호가 정의되어도 좋다. 미국 특허 제6,467,346호에 기재된 것과 마찬가지의 인터페이스를 한 예에 이용해도 좋다.

충분한 차동모드 관찰가능성(observability) 및 제어가 다음의 신호를 정의함으로써 유지될 수 있는 동안 충분한 공통모드 관찰가능성 및 제어를 제공한다.

능동 감쇠는, 기생 면내 공통모드의 각각의 감쇠를 제공하는 안티-노드 감지 및 제어 캐패시턴스 신호쌍, VS1', VD1' 및 VS2', VD2'로 실현되어도 좋다. 능동 감쇠는 간단히 다음의 예시적인 제어 법칙을 이용해서 아날로그 연산 증폭기 또는 디지탈 피드백으로 적용되어도 좋다.

피드백 이득은 감쇠 시정수를 정의하도록 선택되어도 좋다. 상호임피던스 증폭기 신호가 모델의 속도에 비례하고, 그에 따라 이 간단한 비례하는 용량성 힘 피드백은 충분하다.

상호임피던스 증폭기 대신에 고임피턴스 전압 플로워(voltage follower) 또는 부트스트랩 버퍼(bootstrap buffer) 등과 같은 다른 용량 모션 센서를 이용해도 좋다. 또한, 기생 공통모드 감쇠를 제공하기 위해 이용되는 차동전극의 근소한 오정합(slight mismatch)으로 인한 차동모드 감지 주파수에서의 임의의 장애를 방지하기 위해, 기생모드 주파수에 중심을 둔 협대역 필터(narrow bandpass filter)를 피드백 이득 K와 연속해서 이용해도 좋다.

또한, 예컨대 디스크 공진기 자이로스코프의 상호 접속된 링의 위 및/또는 아래의 평면 공진기에 인접한 캐패시턴스 전극을, 디스크 공진기 자이로스코프의 축 및 로킹 모드의 능동적인 감쇠를 위해 이용해도 좋다.

도 6b는 본 발명에 따른 동작 하에 이용되는 감지 및 제어 전극을 갖춘 제2의 예시적인 모델(620)을 도시하고 있다. 이 경우, 예시적인 8㎜ 직경의 디스크 공진기의 다수의 상호접속된 링이 모델(620) 내에 묘사되어 있다. 각종의 매립 전극은 명백하게 하기 위해 나타내고 있지 않으나, 결과로서 얻어진 감지 및 구동전극 캐패시턴스는 오히려 후술하는 각 8분 공간(octant)에 대해 지정된다.

DRG의 전형적인 세그먼트화된 전극(segmented electrode)은 도 1d에 묘시되 어 있는 바와 같고, 공진기 디스크의 다수의 상호접속된 링은 도 1c에 묘사된 바와 같다. 각 8분 공간의 감지 및 구동전극은 원주방향 슬롯 내에 매립되어 있고, 각 전극은 (도 1d에서 전술한 바와 같이) 인보드 및 아웃보드 세그먼트로 더 분할되어 있다. 매립 전극은 명백하게 하기 위해 도 6에는 나타내고 있지 않다. 인보드 및 아웃보드 전극은 각각 도 6b에서 그들의 인접한 링 세그먼트 상에 "+" 또는 "●"에 의해 표시되어 있다. 도 6b의 각 전극은 다음의 코딩에 의해 참조되어도 좋다. "s"는 감지전극을 가리키고, "d"는 구동전극을 가리킨다. 홀수, 1, 3, 5 및 7은 제1 축 및 그 직교에 관한 전극군을 식별한다. 마찬가지로, 짝수, 2, 4, 6 및 8은 제2 축 및 그 직교에 관한 전극군을 식별한다. 일례로서, 제1 축의 한 측면에 관한 감지전극은 아웃보드 감지전극(622)에 대해서는 "C1so"로서, 그리고 인보드 감지전극(624)에 대해서는 "C1si"로서 식별된다. 제1 축의 동일 측면에 관한 구동전극은 아웃보드 구동전극(626)에 대해서는 "C1do"이고, 인보드 구동전극에 대해서는 "C1di"이다. 각 8분 공간에서 각 전극은 마찬가지로 식별된다. ("C"는 모든 전극에 적용가능한 캐패시턴스를 가리킨다.) 각 8분 공간에 대한 인보드 및 아웃보드 전극은, 인보드 및 아웃보드 감지 및 구동 캐패시턴스를 생성하기 위해 전기적으로 접속되어 있다. 아웃보드 전극에 비례한 외측 링(outward ring) 모션은 보다 작게 생성되고, 이로써 아웃보드 캐패시턴스를 증가시킨다. 공진기의 주변 둘레의 감지전극이 2개의 슬롯에 설치되어 있음을 이해해야 한다. 이것은, 2개의 행이 특별한 감지전극마다 나타내어져 있음을 의미한다. 이 명명법(nomencalture)은 동작 설명 및 이후의 제어식에 적용가능하다.

2가지의 축퇴 차동모드를 이용하는 자이로스코프로서의 동작을 위해, 2가지 모드에 대한 감지 및 구동 캐패시턴스는 다음 식에 의해 표시되는 바와 같이 전기적으로 접속되어도 좋다.

공진기 바이어스 전압(VGB) 및 피드백 저항(Rf)을 갖는 상호임피던스 증폭기를 이용하면, 감지 캐패시터와 연관된 출력 감지전압이 다음과 같이 주어져도 좋다.

이 때, 차동모드 감지신호(VS1, VS2)는 다음과 같이 출력 감지전압의 조합으로 정의된다.

2가지 차동모드를 제어하기 위해 전압 VD1 및 VD2에 비례하는 정전 구동력을 생성하기 위해, 구동 캐패시턴스에 인가되는 전압, CD1p, CD1n, CD2p, CD2n은 다음과 같이 주어진다.

이 원래의 캐패시턴스 상호접속은 기생 공통모드의 직접 관찰가능성을 방지한다.

캐패시턴스 상호접속 배선에 대한 변화에 의해, 2가지 기생 공통모드의 안티-노드는 도 6b의 4개의 홀수 번호가 붙여진 8분 공간의 전극으로 충분히 감지되어 감쇠될 수 있다. 8개의 상호임피던스 증폭기를 이용함으로써, 8개의 감지 캐패시턴스가 공통모드와 제1 축을 따라 정렬된 차동모드의 독립된 관찰가능성을 다음과 같이 생성하기 위해 감지되어 결합될 수 있다.

제1 축에 대한 차동모드 감지전압은 다음 식에 의해 형성된다.

제1 축 차동모드를 제어하기 위해 전압 VD1에 비례하는 정전 구동력을 생성하기 위해, 홀수 번호가 붙여진 구동 캐패시턴스에 인가되는 전압은 다음과 같이 주어진다.

제2 축 차동모드는 식 (15)∼(30)에서 설명한 원래의 구성에서와 마찬가지로 감지되어 구동되어도 좋다.

2가지 기생 공통모드를 감지하여 감쇠시킬 목적으로 다음의 신호가 생성된다.

2가지 공통모드 감지전압은 다음 관계식에 의해 주어진다.

2가지 차동모드를 제어하기 위해 전압 VD1' 및 VD2'에 비례하고 제1 축 차동모드를 제어하기 위해 VD1에 비례하는 정전 구동력을 생성하기 위해, 홀수 번호가 붙여진 구동 캐패시턴스에 인가되는 전압은 다음과 같이 주어진다.

VS1' 및 VS2'가 캐패시턴스의 변화의 레이트 또는 공진기 속도에 비례하기 때문에, 2가지 기생 공통모드의 능동적인 감쇠가 비례 네가티브 피드백에 의해 간단하게 실현된다.

K는 고정 이득이고 F(s)는 차동모드 주파수에서 임의의 피드백을 방지하기 위해 이용될 수 있는 공통모드 주파수에 중심을 둔 원래의 협대역 필터이다.

도 6c는 도 6b에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예를 위한 예시적인 제어회로(640)의 도면이다. 기생모드 감쇠를 위한 디스크 공진기(642), 전극(644, 646) 및 회로(640) 구성의 간단화된 도면에는, 디스크 공진기(642)의 2개의 공진기 링만이 기생모드 편차(parasitic mode deflection)를 따라 나타내어진 것이 도시되어 있다. 감지전극(646)의 하나의 아웃보드 감지 캐패시턴스(C1si) 및 구동전극(644)의 하나의 아웃보드 구동 캐패시턴스(C1di)만이 나타내어져 있다. 추가적인 감지 및 구동전극은, 예컨대 도 6b의 예에서 설명한 바와 같이 추가되어 전기적으로 접속되어도 좋다. 감지전극(646)은 중앙에 실장된 디스크 공진기(642) 상의 구동전극(644) 주변에 배치된다. 바이어스 전압(648; VGB)은 공진기(642)에 인가되고 있다. 감지전극(646)은 Rf 피드백 저항(652)을 통해 출력 감지전압(VS1')을 산출하는 상호임피던스 증폭기(650)에 결합되어 있다. 이 간단화된 경우에 있어서, 출력 감지전압(VS1')은 본질적으로 비례 네가티브 피드백을 갖는 구동전극(644)에 직접 인가되어도 좋다. 비례 네가티브 피드백을 제공하기 위해 고정이 득 증폭기(654)를 이용해도 좋다. 선택적으로, 차동모드 주파수에서 피드백을 최소화하기 위해 공통모드 주파수에 중심을 둔 협대역 필터(656)를 포함해도 좋다.

더욱이, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이 본 발명의 실시예에 마찬가지로 적용될 수 있는 디지탈 자이로 제어전극의 예는, 2005년 7월 5일 발행된 엠'클로스키(M'Closkey) 등에 의한 미국 특허 제6,915,215호에서 발견할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 평면 공진기를 동작시키는 예시적인 방법의 플로우차트이다. 이 방법(700)은, 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드 가까이에 배치된 평면 공진기에 인접한 복수의 용량전극의 하나 이상의 감지전극에 의해 평면 공진기의 기생 진동모드의 진폭을 감지하는 동작(702)으로 시작한다. 다음으로, 동작 704에서는, 기생 진동모드의 진폭에 비례하는 전압이 발생된다. 최후로, 동작 706에서는, 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드 가까이에 배치된 평면 공진기에 인접한 복수의 용량전극의 적어도 하나 이상의 구동전극에 비례전압으로부터 발생한 구동전압을 인가함으로써, 기생모드가 감쇠된다. 이 기본적인 방법(700)은, 예컨대 능동적인 감쇠 및/또는 위치 피드백을 달성하기 위해 상술한 바와 같이 더 변형되어도 좋다.

이 발명의 바람직한 실시예 이상의 설명은 도시 및 설명을 위해 이루어졌다. 망라적인 것 또는 개시된 바와 같은 형태에 이 발명을 한정하는 것을 의도하는 것은 아니다. 상기 개시내용에 비추어 다수의 변형례 및 수정례가 가능하다. 이 발명의 범위는 상세한 설명에 의해서가 아니라 이하의 청구의 범위에 의해 한정되는 것이 의도된다. 상기 명세서 및 데이터는 이 발명의 제조 및 사용의 완전한 설명을 제공한다. 이 발명의 범위로부터 이탈하는 일없이 이 발명의 다수의 실시예를 이룰 수 있으므로, 이 발명은 첨부의 청구의 범위에 속한다.

Claims (21)

1. 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드에 가깝게 배치된 평면 공진기에 인접한 복수의 용량전극의 하나 이상의 감지전극으로 평면 공진기의 기생 진동모드의 진폭을 감지하는 단계와,

   상기 기생 진동모드의 진폭에 비례하는 전압을 생성하는 단계 및,

   상기 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드에 가깝게 배치된 평면 공진기에 인접한 복수의 용량전극의 적어도 하나 이상의 구동전극에 비례하는 전압으로부터 생성된 구동전압을 인가함으로써 기생모드를 감쇠시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 평면 공진기의 동작방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 평면 공진기가 디스크 공진기로 이루어진 것을 특징으로 하는 평면 공진기의 동작방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 디스크 공진기가 중심에 실장되고 주변으로 배열되는 디스크를 갖추고, 상기 복수의 용량전극은 디스크 공진기 내에 매립형 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 평면 공진기의 동작방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 하나 이상의 감지전극이 상기 디스크 공진기 주위의 하나 이상의 구동전극 주변에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 평면 공진기의 동작방법.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평면 공진기가 이 평면 공진기의 회전을 측정하기 위해 자이로스코프로서 동작되는 것을 특징으로 하는 평면 공진기의 동작방법.
6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 감지전극이 기생 진동모드의 진폭을 감지하기 위한 차분 감지신호를 공급하도록 복수의 분할된 감지전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 평면 공진기의 동작방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 평면 공진기가 중앙 실장점을 갖는 디스크 공진기를 구비하고, 상기 기생 진동모드의 진폭을 감지하는 복수의 분할된 감지전극은 하나 이상의 인보드 감지전극과 하나 이상의 아웃보드 감지전극 사이에 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 평면 공진기의 동작방법.
8. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동전압을 인가하는 단계가, 광대역 DC 캐패시티브 센싱을 이용해서 공통모드 위치 및 속도를 능동적으로 제어하는 단계를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 평면 공진기의 동작방법.
9. 평면 공진기와,

   상기 평면 공진기에 인접하여 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드 가까이에 배치되되, 상기 평면 공진기의 기생 진동모드의 진폭을 감지하기 위해 하나 이상의 감지전극을 포함하는 복수의 용량전극,

   비례전압을 기생 진동모드의 진폭으로 생성하기 위한 감지회로 및,

   상기 비례전압으로부터 생성된 구동전압을 평면 공진기의 기생 진동모드의 하나 이상의 안티-노드 가까이에 배치된 평면 공진기에 인접한 복수의 용량전극의 적어도 하나의 구동전극에 인가함으로써 기생모드를 감쇠시키기 위한 피드백 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 하는 센서.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 평면 공진기가 디스크 공진기로 이루어진 것을 특징으로 하는 센서.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 디스크 공진기가 중심에 실장되고 주변으로 배열되는 디스크를 갖추고, 상기 복수의 용량전극은 디스크 공진기 내에 매립형 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 하나 이상의 감지전극이 상기 디스크 공진기 주위의 하나 이상의 구동전극 주변에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
13. 청구항 9 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평면 공진기가 이 평면 공진기의 회전을 측정하기 위해 자이로스코프로서 동작되는 것을 특징으로 하는 센서.
14. 청구항 9 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 감지전극이 기생 진동모드의 진폭을 감지하기 위한 차분 감지신호를 공급하도록 복수의 분할된 감지전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 평면 공진기가 중앙 실장점을 갖는 디스크 공진기를 구비하고, 상기 기생 진동모드의 진폭을 감지하는 복수의 분할된 감지전극은 하나 이상의 인보드 감지전극과 하나 이상의 아웃보드 감지전극 사이에 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
16. 청구항 9 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동전압을 인가하는 것이 광대역 DC 캐패시티브 센싱을 이용해서 공통모드 위치 및 속도를 능동적으로 제어하는 것을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 센서.
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