KR101593451B1 - 미세역학 회전율 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이하에서 X-축으로 표기된 측정축을 중심으로 회전율을 검출하기 위한 미세역학 코리올리 회전율 센서에 관한 것으로, 상기 센서는 기판, 진동 구조물 및 상기 측정축에 직교하는 여기축(Z-축)을 중심으로 회전 진동을 발생시키기 위한 수단을 갖는다. 이 경우, 상기 진동 구조물은 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단에 의해 상기 기판에 회전 가능하게 연결되고, 그 결과 상기 진동 구조물은 상기 기판과 관련된 지지부(fulcrum)를 중심으로 회전 진동을 실행할 수 있다. 그 외에도 제 2 서스펜션 수단들의 적어도 하나의 쌍은 상기 진동 구조물을 상기 기판에 연결하고 상기 지점의 서로 마주 놓인 측면들 위에 배치된다. 이 경우, 하나 이상의 회전 방향을 중심으로 회전율에 대한 충분한 감도와 더불어 회전축에 특정적으로 형성될 수 있는 응답 작용을 갖는 미세역학 코리올리 회전율 센서를 제공하기 위해, 제 2 서스펜션 수단들의 상기 적어도 하나의 쌍은 상기 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 상기 중앙 서스펜션 수단보다 상기 지점으로부터 더 큰 방사 방향 간격으로 배치된다. 동시에, 상기 센서는 전자 신호 처리에 대한 요구들을 가능한 충족시키고, 특히 기판에서의 진동 구조물의 교착(sticking) 위험을 방지하기 위해 (검출축을 중심으로) 측정 방향(들)으로 외부 충격 또는 진동에 대해 충분한 강건성을 가진다.

Description

미세역학 회전율 센서{MICROMECHANICAL RATE-OF-ROTATION SENSOR}

본 발명은 이하에서 X-축으로 표기된 측정축을 중심으로 회전율을 검출하기 위한 미세역학 코리올리 회전율 센서에 관한 것이다. 상기 센서는 기판, 진동 구조물 및 상기 측정축에 직교하는 여기축(Z-축)(excitation axis)을 중심으로 회전 진동을 발생시키기 위한 수단을 갖는다. 상기 진동 구조물은 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단에 의해 상기 기판에 회전 가능하게 연결되고, 그 결과 상기 진동 구조물은 상기 기판과 관련된 지점(fulcrum)을 중심으로 회전 진동을 실행할 수 있다.

종래 기술에 공지된 미세역학 회전율 센서들은 일반적으로 결합 해제된 센서들과 결합된 센서들로 구분할 수 있다. 결합 해제된 센서들의 경우 진동 구조물은 구동 부재 및 상기 구동 부재로부터 기계적으로 분리된 검출 부재를 갖는다. 상기 구동 부재는 대개 정상 작동, 즉 진동 구동된다. 검출 부재쪽으로의 진동 구동의 확산은 구동 부재를 검출 부재에 결합하는 완충기들(shock absorber)을 적절히 배열함으로써 방지된다. 외부에서 회전율이 센서에 작용할 경우, 구동 부재는 진동 구동 외에 추가의 동작, 즉 검출 동작을 야기한다. 그 후에 이러한 동작은 완충기들을 통해 검출 부재에 전달되고, 도량형으로 측정되어 평가된다.

결합된 센서들의 경우 진동 구조물은 구동 부재뿐만 아니라 검출 부재로 작용한다. 그럼에도, 상기 진동 구조물은 일체형 또는 여러 부분으로 형성될 수 있으며, 진동 구동을 야기하고 외부 회전율 작용시 진동 구동 외에 검출 동작도 실행한다.

DE 103 20 725 A1호 및 DE 199 15 257 A1호에는 결합된 미세역학 동작 센서들이 공지되어 있으며, 상기 센서들은 블레이드 모양으로 형성된 검출 유닛을 포함한다. 상기 검출 유닛은 기판 중앙에서 지지된다. 중앙 지지는 검출되는 경사 방향을 횡단하여 각각 방향 설정된, 방사 방향으로 분할된 다수의 서스펜션 바에 의해 이루어지며, 상기 다수의 서스펜션 바는 기판의 중앙 또는 다수의 국부적인 지점에서 지지된다.

검출 유닛은 센서 내부에서 발생된 여진으로 인해 기판에 평행하게 중앙 지지에 일치하는 회전 중점을 중심으로 구동 동작으로서 회전 진동을 야기한다. 검출 유닛은 센서에 작용하는 외부 회전율(측정축 방향으로 또는 측정축을 중심으로) 및 그로 인해 형성된 코리올리 힘에 의해 회전 펄스를 변동시키고, 상기 회전펄스 변동은 회전 진동축/여기축 및 외부 회전율에 수직인 축(검출축)을 중심으로 상기 검출 유닛의 경사 동작을 야기한다. 상기 경사 동작은 용량성 센서 장치에 의해 검출되며, 상기 센서 장치는 한편으로는 검출 유닛에 의해 그리고 다른 한편으로는 기판상에서 상기 검출 유닛에 마주 놓인 커패시터들에 의해 형성된다. 상기 센서 장치는 회전율 방향에 따른 측정을 구현하기 위해 분할 배치된 다수의 커패시터들로 형성된다.

상이한 방향들에서 응답 작용의 감도를 조절하기 위해 DE 199 15 257 A1호는 검출 유닛의 서스펜션 스프링들 또는 서스펜션 바들의 종횡비를 적절하게 치수 설계하는 내용을 기술한다. 특정 공간 방향들로 배치된 서스펜션 바의 종횡비가 목적한 바와 같이 형성됨으로써 예컨대 여기축을 중심으로 검출 유닛의 회전 진동(여진 진동) 그리고 여기축에 수직인 검출축을 중심으로 한 틸팅(tilting)이 구현될 수 있는 반면, 상기 축들에 수직인 측정축을 중심으로 한 틸팅은 실제로 방지되거나 또는 원하는 방식으로 제한될 수 있다.

이러한 방식으로 회전율 검출은 회전율 방향에 특정적으로 구현될 수 있지만, 전술한 종래 기술에 공지된 센서들은 그들의 중앙 서스펜션 수단 때문에 충돌 가속도 또는 진동과 같은 외부 방해 변수들에 대해 쉽게 고장을 일으키거나 때때로 충분한 강건성(robustness)을 갖지 않는다. 따라서, 검출 유닛과 기판 간의 큰 상대 위치 변동이 발생될 수 있으며, 상기 위치 변동들은 다시 소위 교착을 발생시켜 센서를 사용할 수 없게 만든다.

전술한 선행 기술로부터 본 발명은 하나 이상의 회전 방향을 중심으로 회전율에 대한 충분한 감도와 더불어 회전축에 특정적으로 형성될 수 있는 응답 작용을 갖는 미세역학 코리올리 회전축 센서를 제공하는 것을 기초로 하며, 동시에 상기 센서는 전자 신호 처리에 대한 요구들을 가능한 광범위하게 충족시키고, 특히 기판에서의 진동 구조물의 교착에 대한 위험을 방지하기 위해 (검출축을 중심으로) 측정 방향(들)으로 외부 충격 및 진동에 대해 충분한 강건성을 갖는다.

일반적으로 기계적 장애 변수에 대한 강건성이 달성됨으로써, 이동 가능한 센서 구조물의 공진 진동(주파)수들이 전반적으로 음파 스펙트럼 밖의 레벨로 증가되고, 그로 인해 센서가 충격 및 진동에 대해 비교적 덜 민감하게 된다. 그러나 상기와 같은 조치는 일반적으로 검출 부재의 관성 모멘트가 감소함에 따라 검출되는 센서 면적의 감소가 함께 나타날 수 있으며, 그 결과 비교적 낮은 센서 감도로 증가된 강건성을 얻게 된다. 따라서, 요점은 기계적 장애 변수들에 대해 최대한 높은 둔감성을 나타내는 동시에 현재의 선행 기술에 상응하는 다른 유형의 감도에 도달하거나 또는 상기 감도를 가능한 능가하는 센서를 고안하는 것이다.

전술한 목적의 해결책은 제 2 서스펜션 수단들의 적어도 하나의 쌍이 진동 구조물을 기판에 연결하고 서로 마주보는 지점의 측면들 상에 배치되며, 제 2 서스펜션 수단들의 상기 적어도 하나의 쌍이 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단보다 지점으로부터 더 큰 방사 방향 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 청구항 1의 전제부에 따른 미세역학 코리올리 회전율 센서이다.

본 발명에 따른 회전율 센서를 설명하기 위해 이하에서는 센서 기판 방향으로 고정된 직각 좌표계(cartesian coordinate system)가 예시적으로 사용된다. 상기 좌표계의 원점은 기판에 배치된 진동 구조물의 지점에 일치한다. 센서에 대한 좌표계의 방위는 단지 예일 뿐 주어진 실례로 제한되는 것은 아니다. 기준계의 X-축 및 Y-축은 정지한 (검출 동작을 실행하지 않는) 진동 구조물의 평면 내에서 기판평면에 평행하게 배치된다. 여기축으로서 Z-축이 기판 평면에 직교 방식으로 연장됨으로써, Z-축을 중심으로 회전 진동을 실시하기 위한 진동 구조물이 여기된다(여진 동작). 측정되는 회전율은 (가벡터 각속도로서) X-Y 평면 내에서, 예컨대 이 경우에는 센서의 회전축 또는 측정축인 X-축에 평행하게 놓인다. 이러한 경우 측정동작은, 이 경우에는 검출축인 Y-축을 중심으로 진동 구조물의 경사 진동이다. 측정 방향으로 제한되지 않은 센서의 경우 X-축 및 Y-축은 각각 측정축과 검출축으로 작용한다. 회전율이 Y-축 또는 X-축에 평행하지 않게 설정된 경우 상기 회전율의 가속도 비율은 각각 상기 축들 중 하나의 축 방향으로 작용하고 각각 다른 축을 중심으로 편향됨으로써, 동시에 X-축 및 Y-축은 측정축 및 검출축일 수 있다.

본 발명에서는 결합된 회전율 센서뿐만 아니라 결합 해제된 회전율 센서들에 대해서도 논의되지만, 특히 바람직하게는 결합된 센서들에 적용될 수 있다. 진동 구조물은 결합된 센서들에서 검출 유닛으로 작용하고 여진 동작뿐만 아니라 검출 동작도 발생시킨다. 결합 해제된 센서의 경우 진동 구조물은 대개 검출 유닛뿐만 아니라 여진 유닛을 포함하고, 이 경우 여진 유닛은 여진 동작을 실시하게 되고 검출 유닛은 확인되어야 할 검출 동작을 실행한다.

본 발명에 따르면, 전술한 두 경우에 진동 구조물은 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단 및 제 2 외부 서스펜션 수단들의 적어도 하나의 쌍을 통해 기판에 결합되고, 이 경우 제 2 서스펜션 수단들의 상기 적어도 하나의 쌍은 제 1 내부 서스펜션 수단보다 지점으로부터 더 큰 방사 방향 간격으로 배치된다. 제 1 내부 서스펜션 수단들 대신 중앙 서스펜션 수단을 사용할 경우 지점으로부터 더 큰 방사 방향 간격이 필연적으로 발생되며, 그 이유는 중앙 서스펜션 수단이 지점 내에 배치되어 상기 지점으로부터 제로인 방사 방향 간격을 갖기 때문이다.

결합된 센서의 경우 진동 구조물을 형성하는 검출 유닛이 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단 및 제 2 외부 서스펜션 수단들을 통해 기판에 연결된다. 결합 해제된 센서의 검출 유닛에서도 이러한 과정은 동일하게 적용될 수 있지만, 대안적으로 또는 추가적으로 전술된 바와 같이, 결합 해제된 센서의 경우에 검출 유닛과 함께 진동 구조물을 형성하는 여진 유닛이 전술한 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단 및 제 2 외부 서스펜션 수단들에 의해 기판에 연결될 수 있다.

제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단 및 제 2 외부 서스펜션 수단들은 각각 고유한 서스펜션 포인트 또는 다수의 서스펜션 포인트를 통해 기판에 직접 연결되거나 또는 서스펜션 구조물 또는 서스펜션 부재(핀, 바 등)에 의해 기판에 간접적으로 연결될 수 있다. 서스펜션 포인트, 서스펜션 구조물 또는 서스펜션 부재는 이하에서 커플링 구조물로 표시된다. 진동 구조물은 상기 커플링 구조물에 탄성적으로 연결되며, 이는 기판과 관련하여 전술한 진동 구조물 동작들을 구현한다.

기본적으로 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단 그리고 제 2 외부 서스펜션 수단들은 임의로 형성될 수 있다. 중요한 것은, 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단이 여진 동작을 (Z-축을 중심으로 하는 회전 진동) 구현하는 동시에 검출 동작(들)을 (X-축 및/또는 Y-축을 중심으로 하는 틸팅) 구현한다는 사실이다. 상기 서스펜션 수단들은 제 1 방향으로는 여진 동작만을 구현하고 또 다른 방향으로 검출 동작을 (단 하나의 측정 방향을 갖는 센서) 구현하는 방식으로 형성될 수 있다. 바람직하게 이러한 동작은 제 1 내부 서스펜션 수단들에 축 대칭적인 형성 또는 배치에 의해 이루어짐으로써, 예컨대 상기 제 1 내부 서스펜션 수단들은 쌍으로 이루어져서 지점의 양 측면에 서로 마주 놓이도록 배치된다. 그러나 검출 동작들도 2개의 공간 방향으로 구현 가능함으로써, 예컨대 상기 방향들과 관련하여 제 1 내부 서스펜션 수단들은 지점으로부터 포인트 대칭적으로 배치되어 최대한 지점에 근접하게 배치되거나 또는 중앙 서스펜션 수단이 적용된다. 이러한 경우 센서는 방향에 종속되거나 또는 회전축에 비특이한 응답 작용을 갖는다. 특정한 값의 회전율은 추가의 제 2 외부 서스펜션 수단들 없이도 센서와 관련한 상기 회전율의 회전 방향과 무관하게 항상 일치하는, 동일한 크기의 검출 동작을 야기하게 된다. 이 경우, 진동 구조물의 편심 방향은 센서에 대한 회전율의 방위에만 관련된다.

제 2 외부 서스펜션 수단들은 제 1 내부 서스펜션 수단들 또는 중앙 서스펜션 수단의 특징적인 형상에 관계없이 센서의 응답 작용 및 측정 감도를 제조 기술적 측면에서 간단한 방법으로 회전축 특성에 맞게 형성하고자하는 목적으로 사용된다. 제 2 외부 서스펜션 수단들은 진동 구조물의 여진 동작에 바람직하게 영향을 미치지 않거나 또는 단지 적은 영향만을 미친다. 상기 제 2 외부 서스펜션 수단들의 작용은 바람직하게 측정 방향(들)으로 볼 때 검출 동작(들)을 제한한다. 제 2 외부 서스펜션 수단들의 개수 및 형성의 상응하는 매칭 및 지점과 관련된 상기 서스펜션 수단들의 배치 위치를 통해 진동 구조물과 기판 사이의 상대 운동성이 방향을 기준으로 개별적으로 조절될 수 있다. 이 때문에 센서의 측정 감도가 방향에 특정적으로 형성되고, 그 결과 상기 센서는 회전축에 특정적인 응답 작용을 갖는다. 또한, 센서의 공진 진동수는 방향에 특정적으로 형성될 수 있는데, 즉 관성 모멘트의 감소로 인한 감도의 감소와 더불어 진동 구조물의 이러한 관성 모멘트가 변동됨 없이 증가되거나 감소될 수 있다. 예컨대, 제 2 외부 서스펜션 수단들의 배치에 의해 진동 구조물의 공진 진동수들이 Z-축 및 Y-축을 중심으로 이루어지는 동작시 조절 방식으로 영향을 미칠 수 있는 반면, X-축을 중심으로 하는 동작은 내부 서스펜션 수단들의 배치에 의해 지속적으로 제한되며, 그로 인해 자유도 값이 2로 감소된다. 상응하는 치수 설계화를 통해서는 진동 구조물의 기생 공진 및 작동 진동수가 큰 감도 손실 없이 영향을 미치게 되며, 그로 인해 센서는 충분한 감도에서 특히 측정 방향으로 기계적 장애 변수에 대해 민감하지 않다.

제 2 서스펜션 수단들은 바람직하게 진동 구조물의 무게 중심을 통과하여 진행되는 직선들 상에서 서로 직경으로 마주 놓인다. 쌍으로 이루어진 제 2 서스펜션 수단들의 경우 이러한 직선은 바람직하게 센서에 고정된 기준계의 축들 중 하나의 축에 일치한다. 또한, 하나 이상의 쌍으로 이루어진 제 2 서스펜션 수단들이 적용될 수 있으며, 이 경우 상기 서스펜션 수단들은 바람직하게 X-축과 관련해서뿐만 아니라 Y-축과 관련하여서도 대칭적으로 배치된다. 일반적으로 제 2 서스펜션 수단들은 아래로 나란히(핀 또는 그와 유사한 것에 의해) 연결되는 것이 아니라, 각각 기판에 대해 탄성적으로 직접 연결된다. 특히, 바람직하게는 진동 구조물 내의 고유한 리세스들 내에 서로 독립적으로 배치되고 상술한 회전 중심과 관련해서는 대칭적으로 배치된다. 그러나 진동 구조물의 외부 영역에도 배치될 수 있다. 진동 구조물의 표면 내에 배치된 제 2의 외부 서스펜션 구조물들은 바람직하게 충분히 넓은 활동 범위를 갖는 개별 서스펜션 수단을 수용하는 진동 구조물 내의 리세스와 결부되어 있으며, 이는 센서 구조물의 기능에 따른 회전 진동이 차단되지 않도록 하기 위해서이다. 바람직하게 진동 구조물의 회전 중심은 무게 중심에 일치한다.

본 발명의 추가의 제안에 따르면, 개개의 제 1 내부 서스펜션 수단 또는 제 2 외부 서스펜션 수단은 적어도 하나의 완충기, 바람직하게 바 모양의 완충기 또는 밴딩 바를 가지며, 상기 완충기는 한편으로는 진동 구조물에 부착되고 다른 한편으로는 기판 또는 상기 기판에 고정 연결된 커플링 구조물에 직접부착된다. 또 다른 제안에 따르면, 제 1 내부 및/또는 제 2 외부 서스펜션 수단의 완충기들은 진동 구조물 그리고 기판 또는 상기 기판의 커플링 구조물들의 부착물 영역 내에서 분기되며, 특히 다수의 암을 형성한다. 바람직하게 부착 위치들은 특히 타원형으로 처리될 수 있는 챔퍼링부(chamfering)를 가진다. 이러한 방식으로 완충기들의 부착 영역들은 최대한 크게 형성되고, 그로 인해 내부 응력이 최소화된다. 동시에 분기에 의해서는 소량의 재료가 필요하고, 그 결과 최대한 적은 중량에서 높은 하중 용량이 달성될 수 있다. 바람직하게는 진동 구조물의 회전 중심으로부터 떨어진 완충기들의 단부들이 진동 구조물에 연결되는 반면, 그로 인해 마주 놓인 내부 완충기들의 단부들은 기판 또는 상기 기판의 커플링 구조물에 연결된다.

따라서, 기판에서의 검출 유닛 또는 진동 구조물의 3중 또는 다중의 위치 고정으로 인해 예컨대 온도와 관련된 변형부들에서는 최대한 센서 특성 곡선이 변경되지 않으며, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면 제 2 외부 서스펜션 수단들의 완충기들은 자신들의 길이 방향으로 변형부들을 보정하는 각각 하나의 영역을 갖는다. 기판 및/또는 검출 유닛 또는 진동 구조물의 만곡 또는 비틀림은 상기와 같은 영역들 없이 제 1 내부 서스펜션 수단에 관련된 완충기들의 고정점의 위치들을 변경할 수 있음으로써, 스프링 특성 곡선들이 변경될 수 있고 그리고/또는 기판과 관련된 검출 유닛 또는 진동 구조물의 휴지 위치가 변경될 수 있으며, 그로 인해 센서의 템퍼링 과정에 부정적인 영향을 미치게 된다. 본 발명에서 제안된 변형부들을 완충기들의 길이 방향으로 보정하는 영역들을 통해서는 위치 고정점들의 상대 이동으로 인해 완충기들 내부로 리드된 응력이 감소하거나 심지어 완전히 중화된다. 영역들은 응력을 완화하거나 흡수하는 버퍼로서 작용한다. 밝혀진 바에 따르면, 완충기들은 영역들 내에서 특히 바람직하게 곡류형, U-형, C-형 또는 링형으로 형성되며, 그외에 위치 고정점들의 상대 이동에 의해 야기된 응력을 분해하는 다른 형상들도 가능하다. 상기와 같은 유형의 영역들을 사용함으로써 상대 이동에 의해 야기된, 센서의 공진 진동수의 변동은 순수 바 스프링에 비해 약 10 팩터 정도 감소될 수 있다.

바람직한 한 실시예에 따르면 진동 구조물은 실질적으로 강성의 플레이트로 이루어지고, 상기 플레이트는 결합된 센서의 경우에 구동 부재의 기능뿐만 아니라 검출 부재의 기능을 결합한다. 특히, 바람직한 한 실시예에서 진동 구조물은 2개의 블레이드 모양의 형상을 갖는다. 상기 형상들은 회전율 검출시 센서의 감도를 상승시키기 위해 제공된다. 예컨대, 주어진 시각에 위치 고정된 센서 시스템과 축 평행한 관성 시스템의 X-축을 중심으로 센서의 회전이 검출되어야 한다면, 블레이드 모양의 형상들은 X-축 방향으로, 바람직하게는 Y-축의 양 측면에 형성된다.

추가의 한 실시예에 따르면, 외부로 방사 방향으로 설정된 리지 바들은 진동 구조물에 설치되며, 상기 리지 바들에는 전극이 설치되거나 또는 고정시켜 놓은 추가의 리지 바와 함께 커패시터들을 형성하는 것과 유사한 것이 형성된다. 이러한 리지 바들은 적합한 주파수의 전기 교류 전압에 의해 충전되고, 그로 인해 Z-축을 중심으로 진동 구조물의 구동-회전 진동이 여기된다. 회전율이 X-축과 일치할 경우, 전술한 바와 같이 검출 동작이 여기된다. 이 경우 진동 구조물은 기준계의 Y-축을 중심으로 경사 진동을 나타내고, 상기 경사 진동은 진동 구조물 전체 및 그 하부에 놓인 기판의 부분들로 형성되는 전극들에 의해 용량성으로 검출될 수 있다. 지점으로부터 위치 고정점들의 공간적 분리는 중요한 설계 파라미터이다: 블레이드 모양의 형상들로 인한 진동 구조물의 높은 관성 모멘트 효과는 ―본 발명의 예에서는 센서 기준계의 Y-축 및 Z-축을 중심으로― 상기 축들을 중심으로 하는 진동의 약간 낮은 공진 주파수와 같이, 외부에 배치된 제 2 서스펜션 수단들에 의해 조절 방식으로 보정될 수 있다. 그 외에도 회전 중심으로부터 외부 방향으로 떨어져서 배치된 서스펜션 수단들은 특히 중요한 진동 구조물의 탄성 변형부들에서 가동성 센서 구조물의 큰 규모의 편향을 저지한다. 기판에서의 진동 구조물의 접착식 점착(교착)으로 발생될 수 있는 경사 또한 이러한 방식으로 저지된다.

본 발명의 추가의 제안에 따르면, 제 2 서스펜션 수단들의 완충기들이 블레이드 모양의 형상들의 리세스들 내부에 배치될 경우, 특히 콤팩트하고 강건한 센서의 구현이 이루어진다. 이 경우, 바람직하게는 제 1 내부 서스펜션 수단으로부터 떨어진 완충기들의 단부가 진동 구조물에 연결되는 반면, 마주 놓인 단부는 기판에 연결된다. 상기와 같은 유형의 센서는 회전축 또는 측정축을 중심으로 회전율을 검출하기 위해 높은 감도를 가지는 반면, 완충기들을 통해 검출축을 중심으로 하는 진동 구조물의 과도한 편향을 방지한다. 동시에 시스템의 공진 주파수는 진동 구조물의 편향시 기판과 관련한 검출축을 중심으로 음파 스펙트럼 밖의 값, 적어도 10 kHz 이상의 값으로 상승될 수 있으며, 그로 인해 센서는 대개 음파 영역에 존재하는 충격 또는 진동과 같은 원치 않는 환경적 장애 변수들에 대해 비교적 민감하지 않게 된다. 그 외에 측정 동작시 그와 연관된 모든 부정적 결과를 갖는, 외부 충격으로 야기된 진동 구조물의 충돌을 저지한다.

본 발명의 추가의 장점들 및 실시예들은 도면들을 참고로 한 하기의 실시예들의 설명에 제시되며, 본 발명이 실시예들에 기초한 상기 설명에 의해 제한되는 것은 아니다.

도 1은 쌍으로 이루어진 제 1 내부 서스펜션 수단들을 구비한 센서의 바람직한 제 1 실시예를 도시한 개략적인 평면도이고,
도 2는 도 1의 라인 Ⅱ-Ⅱ을 따라서 절단한 개략적인 단면도이며,
도 3은 도 1의 센서의 Y-축을 따라서 배치된 제 1 내부 서스펜션 수단들을 도시한 확대 평면도이고,
도 4는 도 1의 센서의 오른쪽 블레이드 내의 X-축을 따라서 배치된, 서스펜션 포인트 및 곡류형 버퍼 구역을 갖는 완충기를 도시한 확대 평면도이며,
도 5는 중앙 서스펜션 수단을 구비한 센서의 바람직한 제 2 실시예를 도시한 개략적인 평면도이고,
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ라인을 따라서 절단한 개략적인 단면도이며,
도 7은 도 5의 센서의 Y-축을 따라서 배치된 중앙 서스펜션 수단을 도시한 확대 평면도이고,
도 8은 도 5의 센서의 오른쪽 블레이드 내의 X-축을 따라서 배치된 완충기를 도시한 확대 평면도이다.

후속되는 실시예들의 설명 및 도면들에서 동일한 또는 같은 작용을 하는 센서들의 구성 요소들은 각각 동일한 도면 부호 및 명칭을 갖는다. 도면들에 표시된 직교 좌표계는 본 발명의 일반적인 설명에서 참조되는 센서의 기준계이다. 상기 기준계의 Z-축(도 2 및 도 6의 6)은 관찰자 방향에서 볼 때 도 1 및 도 5에서 도면에서 수직으로 밖으로 연장된다. 좌표계 원점의 정확한 위치는 도 1 및 도 2 또는 도 5 및 도 6의 개관에 있어 중요하다. 이하에서 X-축(4)은 측정축(4), Y-축(5)은 검출축(5) 그리고 Z-축(6)은 구동축(6)으로 표시된다.

도 1에서 평면도로 도시된 제 1 실시예의 센서는 종래 기술에서 충분히 공지된 바와 같이 기본 요소로서 기판(1)을 포함한다. 기판(1)과 관련하여 진동 구조물(2)은 커플링 구조물로서 베어링 핀들(3a, 3b, 14a, 14b)의 형태로 쌍으로 서로 마주 놓인 서스펜션 포인트들에서 지지된다. 베어링 핀들(3a, 3b)은 완충기들(11a, 11b)과 함께 Y-축(5)을 따라서 제 1 내부 서스펜션 수단들(3a, 3b, 11a, 11b)을 형성하는 반면, 베어링 핀들(14a, 14b)은 완충기들(10a, 10b)과 함께 X-축(4)을 따라서 제 2 외부 서스펜션 수단들(14a, 14b, 10a, 10b)을 형성한다. 완충기들(10a, 10b, 11a, 11b)은 진동 구조물(2)을 베어링 핀들(3a, 3b, 14a, 14b)에 연결한다.

진동 구조물(2)은 검출축(5)과 마찬가지로 측정축(4)에 반사 대칭적으로 형성된다. 그 외에 상기 진동 구조물은 좌표계의 원점과 일치하는, 진동 구조물(2)의 회전 중심에 포인트 대칭적이다. 상기 진동 구조물은 실제로 원형의 기본 몸체(16)를 가지며, 상기 기본 몸체의 측면에는 이하에서 블레이드들(17a, 17b)로 표기되는 블레이드 모양의 형상들이 측정축(4) 방향으로 배치된다. 블레이드들(17a, 17b) 사이에는 진동 구조물(2)의 기본 몸체(16)의 양 측면에 개략적으로 도시된 구동 리지들(8)이 배치되며, 상기 구동 리지들을 통해 진동 구조물은 구동축을 중심으로 회전 진동된다.

도 3에는 검출축(5)을 따라서 배치된 베어링 핀들(3a, 3b)이 상기 베어링 핀들에 고정된 스프링들(11a, 11b)과 함께 확대 도시되어 있다. 베어링 핀들(3a, 3b)은 하부에 놓인 기판(1)에 단단히 연결되어 있으며 기판으로부터 포지티브 구동축(6) 방향으로 들어 올려진다. 완충기(11a, 11b)와 베어링 핀(3a, 3b)으로 이루어진 각 하나의 서스펜션 수단(3a, 11a 및 3b, 11b)을 위해 진동 구조물(2) 내에는 리세스들(9a, 9b)이 제공된다. 완충기들(11a, 11b)은 베어링핀들(3a, 3b)에 반대 방향의 단부들에서 진동 구조물(2)에 연결된다. 완충기들(11a, 11b)은 그들의 형상으로 인해 기판(1)과 관련된 구동축(6)(구동 동작)을 중심으로 진동 구조물(2)의 회전 진동을 구현하고 그리고 기판(1)과 관련된 검출축(5)(검출 동작)을 중심으로 진동 구조물(2)의 회전 진동을 구현하는 반면, 기판(1)과 관련된 진동 구조물(2)의 측정축(4)을 중심으로 하는 회전 진동은 저지되거나 또는 실제로 방지된다.

작동 중 진동 구조물(2)은 구동 리지들(8)에 의해 기판(1)과 관련된 구동축(6)을 중심으로 회전 진동된다. 측정축(4)을 중심으로 센서 전체가 회전될 경우, 도 2에서 F_C1 및 F_C2로 표시된 주기적인 코리올리 우력(coriolis force couples)이 부가적으로 발생한다. 이러한 힘은 이동 가능한 센서 구조물(2) 전체에 작용함과 동시에 구동축(6) 및 측정축(4)에 의해 형성된 평면 내의 블레이드(17a, 17b)의 영역에 가장 강하게 작용한다. 따라서, 코리올리 우력과 함께 나타나는 코리올리 모멘트(coriolis moment)는 검출축(5)을 중심으로 진동 구조물(2)의 측정 동작-회전 진동을 야기한다. 기판(1)과 관련하여 상기 코리올리 우력과 결부된 진동 구조물(2)의 길이 변동은 바람직하게 블레이드들(17a, 17b) 아래쪽 영역에 그리고 경우에 따라, 원반형의 내부 플레이트 아래쪽에 부분적으로 또는 전체적으로 위치하는 도면들에 도시되지 않은 측정 전극들에 의해 도량형으로 검출될 수 있다.

서스펜션 수단들(3a, 3b, 11a, 11b)을 통한 연결 외에도 진동 구조물(2)은 각각 베어링 핀들(14a, 14b) 및 상기 베어링 핀에 매달려 있는, C-형 버퍼 구역들(20a, 20b)을 갖는 수평 스프링들(10a, 10b)로 이루어진 2개의 추가의 외부 서스펜션 수단에 의해 기판(1)에 연결된다(도 4 참조). 수평 스프링들(10a, 10b)은 진동 구조물(2)의 블레이드들(17a, 17b) 영역 내에 배치된다. 블레이드들(17a, 17b)은 상기 목적을 위해 각각 고유한 리세스들(15a, 15b)을 가지며, 상기 리세스들 내에는 수평 스프링들(10a, 10b)이 버퍼 구역들(20a, 20b) 및 베어링 핀들(14a, 14b)과 함께 수용된다. 수평 스프링들(10a, 10b)은 바람직하게 베어링 핀들(14a, 14b)의 반대 방향에 위치한 자신들의 단부들(13a, 13b)에 의해 진동 구조물(2)에 연결되는 반면, 다른 단부들(12a, 12b)에 의해서는 베어링 핀들(14a, 14b)에 고정된다. 베어링 핀들(3a, 3b)과 유사하게 베어링 핀들(14a, 14b)은 기판(1)에 고정 연결된다.

수평 스프링들(10a, 10b)은 각각 밴딩 바(bending bar)의 형태로 형성된다. 상기 밴딩 바의 종횡비는 임의로 규정될 수 있지만, 바람직하게는 높게 형성된다. 도시된 실시예에서 수평 스프링들(10a, 10b)은 실제로 직사각형의 횡단면을 가지고, 검출축(5) 방향으로의 상기 횡단면의 폭은 구동축(6) 방향으로 상기 횡단면의 높이보다 작다.

블레이드들(17a, 17b) 내에 배치된, 베어링 핀들(14a, 14b)을 갖는 수평 스프링들(10a, 10b)은 일반적으로 개개의 공간축들을 중심으로 진동 구조물(2)의 높은 관성 모멘트 효과를 보정하기 위해 사용된다. 이러한 조치에 의해서는 2가지 효과들이 달성된다:

1) 이동된 센서 구조물의 미케니컬 (기능적으로뿐만 아니라 기생적인) 고유 진동수는 높은 값으로, 예컨대 10 kHz(스프링 치수 설계화가 적합할 경우 20 kHz 이상)를 초과하여 상승될 수 있으며, 그 결과 외부로부터 접근하는 기생 진동수는 음파 진동수 영역에서 단지 아주 약하게 진동 구조물의 측정 동작으로 연결되고;

2) 하부에 놓인 기판(1)에서 검출 유닛(2)의 접착식 부착("교착")에 의해 연결된, 내부 서스펜션 수단을 갖는 수평 스프링들은 전반적으로 외부 쇼크 임펄스에 의해 야기된 충격을 방지한다.

수평 스프링들(10a, 10b)은 실시예들의 센서들에서 동일한 횡단면을 관통하는 밴딩 바로 형성되지 않는다. 오히려 상기 수평 스프링들은 버퍼 역할을 하는 영역(20a, 20b)을 가지며, 상기 영역에는 스프링들 내부로 리드되는 응력이 상기 스프링들의 길이 방향으로 ―즉, 측정축(4) 방향으로― 감소될 수 있다. 도시된 바람직한 실시예들에서 이러한 영역(20a, 20b)은 스프링 길이 방향 축의 양 측면에 형성된, 대개 C-형 돌출부로 구현된다. 예컨대, 응력으로 유도된 기판의 변형부들에 의해 베어링 핀들(14a, 14b) 간의 상대 위치 변동이 발생될 경우, 이러한 위치 변동은 검출축(5)을 중심으로 발생되는 휨 및 구동축(6)을 중심으로 발생되는 휨 작용시 수평 스프링들(10a, 10b)의 스프링 특성을 실질적으로 변경하지 않으면서, 수평 스프링들(10a, 10b)의 탄성 변형부를 통해 영역들(20a, 20b) 내에서 보정될 수 있다. 스프링들 내에서 상기와 같은 유형의 버퍼 구역들을 사용함으로써 고정포인트들의 상대 이동에 의해 야기된 공진 진동수의 변동은 직선 바 스프링들을 갖는 센서에 비해 약 10 팩터 정도 감소될 수 있다. 바람직한 실시예에서 비교적 서로 가깝게 놓인 베어링 핀들(3a, 3b)로 인해 제 1 내부 서스펜션 수단들을 위한 상기와 같은 버퍼영역은 필요하지 않게 된다.

도 5에는 센서의 제 2 실시예가 개략적인 평면도로 도시되어 있으며, 상기 실시예에서 진동 구조물(2)은 제 1 내부 서스펜션 수단들(3a, 3b, 11a, 11b) 대신 중앙 서스펜션 수단(3, 11a, 11b)에 의해 지지된다. 중앙 서스펜션 수단은 진동 구조물(2)의 무게 중점에 일치하고 좌표계의 원점 내에 놓인다.

진동 구조물(2)은 제 1 실시예와 같이 검출축(5) 뿐만 아니라 측정축(4)에 반사 대칭적으로 형성된다. 또한, 상기 진동 구조물은 중앙 서스펜션 수단(3, 11a, 1b)에 포인트 대칭적이다. 그 외에도 상기 진동 구조물은 제 1 실시예의 설명에 인용된 상기 제 1 실시예의 진동 구조물(2)과 유사하다.

도 6에는 중앙 서스펜션 수단(3, 11a, 11b)이 확대 도시되어 있다. 상기 중앙 서스펜션 수단은 기판(1)에 단단히 연결된 앵커(3)(anchor)로 이루어지며, 상기 앵커는 기판(1)으로부터 여기축(6) 방향으로 들어 올려진다. 앵커(3)는 실질적으로 원형의 횡단면을 가지며, 이 경우 서로 마주 놓인 리세스들(18a, 18b)은 검출축(5) 방향으로 배치된다. 진동 구조물(2)은 중앙 관통 개구(7)를 포함한다. 마찬가지로, 상기 관통 개구는 실질적으로 검출축(5) 방향으로 배치된 리세스들(9a, 9b)에 의해 원형으로 형성된다. 진동 구조물(2)의 중앙 관통 개구(7)는 앵커(3)보다 큰 지름을 가짐으로써, 진동 구조물(2)은 지속적인 방해 없이 기판(1)과 관련된 앵커(3)를 중심으로 하는 회전진동을 실행할 수 있다. 진동 구조물(2)의 리세스들(9a, 9b) 및 앵커(3)의 리세스들(18a, 18b)은 서로 마주 놓여있다. 상기 리세스들 사이에는 앵커 스프링들(11a, 11b)이 배치되어 한편으로는 앵커(3)의 단부측에 연결되고 다른 한편으로는 진동구조물(2)의 단부측에 연결된다. 앵커 스프링들(11a, 11b)은 그들의 형상으로 인해 기판(1)과 관련된 여기축(6)을 중심으로 진동 구조물(2)의 회전 진동을 구현하고, 기판(1)과 관련된 검출축(5)을 중심으로 진동 구조물(2)의 회전 진동을 구현하는 반면, 기판(1)과 관련된 진동 구조물(2)의 측정축(4)을 중심으로 하는 회전 진동은 저지되거나 또는 실제로 억제된다.

제 2 실시예에서는 앵커 스프링들(11a, 11b)뿐만 아니라 수평 스프링들(10a, 10b)이 ―특히, 도 7 및 도 8에 인용된 바와 같이― 개개의 스프링 부착 위치들에서 분기부(19a, 19b, 19c, 19d; 21a, 21b, 21c, 21d)를 갖는다. 또한, 스프링 부착 위치들, 즉 스프링 단부 영역들은 타원형으로 챔퍼링된다. 이러한 방식으로 스프링들 내에 존재하는 응력, 특히 최대 응력은 스프링 강도를 지나치게 증가시키지 않으면서 부착 영역들 내의 비교적 큰 면적으로 분할 수용된다. 개별적으로 인접하는 검출 유닛(2)의 영역들 혹은 중앙 앵커(3)의 영역들 또는 외부 앵커(14a, 14b)의 영역들에서의 스프링들의 부착 위치는 라운딩 형태로 그들 내부에 서로 뒤섞여 설치되어 있으며, 이는 마찬가지로 스프링 부착물들 그리고 상기 스프링 부착물들에 인접한 구조물들 내의 응력을 감소한다. 전체적으로 이러한 스프링 단부 영역들의 형상에 의해 이러한 구역들 내에서는 파괴 위험이 감소되고, 이는 센서 전체의 내구성 향상으로 이어진다. 스프링 부착물들의 이러한 형상은 제 1 실시예에 따른 센서에도 적용될 수 있다.

Claims (20)

1. 측정축(4)(X-축)을 중심으로 회전율을 검출하기 위한 미세역학 회전율 센서로서, 상기 센서는,
   기판(1);
   검출 유닛(2); 및
   상기 측정축(4)에 직교하는 여기축(5)(Z-축)을 중심으로 상기 검출 유닛의 회전 진동을 발생시키기 위한 수단을 포함하며,
   상기 검출 유닛(2)은 상기 검출 유닛의 지지부(fulcrum) 내에 배치된 중앙 서스펜션 수단(3, 11a, 11b)에 의해 상기 기판(1)에 회전 가능하게 연결되고,
   그 결과 상기 검출 유닛(2)은, 상기 기판(1)과 관련된 상기 중앙 서스펜션 수단(3, 11a, 11b)을 중심으로 하는 회전 진동 형식으로, 상기 측정축에 직교하는 검출축(Y-축)을 중심으로 하는 회전 진동을 수행할 수 있으며,
   상기 검출 유닛(2) 및 상기 기판(1)은 회전축 특유의 반응 작용을 형성하기 위한 두 개 이상의 제 2 서스펜션 수단(10a, 10b; 14a, 14b)에 의해 서로 연결되고,
   상기 두 개 이상의 제 2 서스펜션 수단(10a, 10b; 14a, 14b)은 상기 두 개 이상의 제 2 서스펜션 수단(10a, 10b; 14a, 14b)의 단부(13a, 13b)에서 상기 검출 유닛(2)과 연결되고,
   상기 단부(13a, 13b)는 상기 중앙 서스펜션 수단(3, 11a, 11b) 또는 제 1 내부 서스펜션 수단들(3a, 3b, 11a, 11b)로부터 방사 방향으로 떨어진 것을 특징으로 하는,
   미세역학 회전율 센서.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 2개의 제 2 서스펜션 수단이 서로 마주 놓인 상기 지점의 측면들 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
3. 제 1항에 있어서,
   제 2 서스펜션 수단들(10a, 10b; 14a, 14b)이 상기 중앙 서스펜션 수단(3, 11a, 11b)을 통과하여 진행되는 직선들 상에 서로 직경으로 마주 놓이는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2 서스펜션 수단들(14a, 14b, 10a, 10b)이 각각 적어도 하나의 완충기(10a, 10b)(shock absorber)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 완충기(10a, 10b) 중 적어도 하나의 완충기가 밴딩 바(bending bar)로 형성되는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 완충기들(10a, 10b)이 자신들의 길이 방향으로 변형부들을 보정하는 각각 하나의 영역(20a, 20b)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 변형부들을 보정하는 영역(20a, 20b)이 곡류형, U-형, C-형 또는 링형으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
8. 제 4항에 있어서,
   상기 완충기들(10a, 10b) 중 적어도 하나의 완충기가 직교하는 방향보다 검출되는 회전율에 의해 야기된 편심 방향으로 더 높은 스프링 강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
9. 제 4항에 있어서,
   상기 완충기들(10a, 10b)이 높은 종횡비를 갖는 각각 하나의 실제로 직사각형인 횡단면을 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
10. 삭제
11. 제 4항에 있어서,
    상기 검출유닛(2)에 연결된 단부(13)에 마주 놓인 단부(12)를 갖는 상기 완충기들(10a, 10b)이 상기 기판(1)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
12. 제 4항에 있어서,
    상기 완충기들(10a, 10b)이 상기 검출 유닛(2) 및/또는 상기 기판(1)의 부착물들 영역 내에서 분기되는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
13. 제 4항에 있어서,
    상기 완충기들(10a, 10b)의 부착 위치들이 챔퍼링되는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
14. 제 1항에 있어서,
    상기 중앙 서스펜션 수단(3, 11a, 11b)의 상기 검출 유닛(2)이 적어도 하나의 밴딩 스프링(11a, 11b)에 의해 상기 기판(1)에 연결되고, 상기 밴딩 스프링은 상기 기판(1)과 관련한 상기 측정축(4)을 중심으로 상기 검출유닛(2)의 회전을 방지하되, 상기 검출 유닛(2)의 회전을 다른 공간 방향들로 허용하는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
15. 제 1항에 있어서,
    상기 검출 유닛(2)이 2개의 블레이드 모양의 형상(17a, 17b)을 갖는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
16. 제 6항에 있어서,
    상기 검출 유닛(2)이 2개의 블레이드 모양의 형상(17a, 17b)을 갖고,
    상기 블레이드 모양의 형상들(17a, 17b)이 상기 완충기들(10a, 10b) 및 변형부들을 보정하는 상기 완충기들의 영역들(20a, 20b)을 위한 리세스들(15a, 15b)을 갖는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
17. 제 1항 내지 제 9항 및 제 11항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 유닛(2) 상에 있는 구동 리지들(8)이 방사 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
18. 제 14항에 있어서,
    상기 밴딩 스프링들(11a, 11b)이 상기 검출 유닛(2) 및/또는 상기 중앙 서스펜션 수단의 중앙 앵커(3)의 부착물들 영역 내에서 분기되는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
19. 제 14항에 있어서,
    상기 밴딩 스프링들(11a, 11b)의 부착 위치들이 챔퍼링되는 것을 특징으로 하는, 미세역학 회전율 센서.
20. 삭제

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