KR101729184B1 - 회전각가속도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

특정 회전각가속도 외의 가속도가 노이즈로서 문제가 될 뿐만 아니라 저렴하게 제작해야 하는 경우에, 특정 회전 방향 외의 방향으로의 운동을 대폭 억제할 수 있는 스프링 구조로 진동자를 지지함으로써, 특정 회전각가속도 외의 가속도에 의한 노이즈를 저감한 회전각가속도의 측정 장치를 제공한다. 회전축을 중심으로 회전하는 진동체; 회전축으로부터 반경 r의 점에 진동체를 지지하기 위한 복수의 절점(node); 진동체를 지지하기 위한 절점을, 회전축을 중심으로 원운동시키기 위한 아암의 길이가 r인 복수의 평행사변형 링크; 평행사변형 링크의 고정절(fixed node)을 지지하기 위한 지지부; 회전각을 검출하는 회전각 검출 수단; 회전각으로부터 회전각가속도를 산출하기 위한 연산 수단;을 포함하고, 반도체 미세 가공 기술에 의해 일체 제작된 회전각가속도 측정 장치이다.

Description

회전각가속도 측정 장치{Device for Measuring Rotation Angle Acceleration}

본 발명은 회전각가속도를 측정하는 자이로스코프(gyroscope)에 관한 것으로서, 특히, 특정 회전각가속도 외의 가속도가 노이즈로서 문제가 될 뿐만 아니라 저렴하게 제작해야 하는 경우에, 특정 회전 방향 외의 방향으로의 운동을 대폭 억제할 수 있는 스프링 구조로 진동자를 지지함으로써, 특정 회전각가속도 외의 가속도에 의한 노이즈를 저감한 회전각가속도의 측정 장치를 제공한다.

종래, 회전각가속도를 측정하는 자이로스코프로는, 고속 회전하는 회전체를 짐벌 기구로 유지한 것, 링 레이저 간섭계를 이용한 것, 또는 평면 스프링을 실리콘 웨이퍼 상에 형성한 자이로센서 등이 알려져 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 출원 2010-286838호 특허문헌 2: 국제 출원 PCT/JP2012/062789호

상기 종래 기술 가운데, 고속 회전하는 회전체를 짐벌 기구로 유지한 것은, 회전축을 유지하기 위한 베어링 등 유지 기구의 마찰이 측정에 악영향을 주는 것으로 알려져 있다. 또한, 기구가 복잡하고 고가라는 문제가 있다는 것도 알려져 있다. 링 레이저 간섭계를 이용한 자이로스코프 역시, 기구가 복잡하고 고가인 것으로 알려져 있다. 평면 스프링을 실리콘 웨이퍼 상에 형성한 자이로센서에 대해서는, 회전축의 유지가 불완전하다는 점에서 특정 회전각가속도 외의 방향으로의 가속도에 의해 진동체가 운동하여, 결과적으로 회전각가속도 신호의 노이즈로서 중첩되는 현상이 있었다. 이 현상은 크로스토크(crosstalk)라는 이름으로 알려져 있다. 크로스토크를 감소시키기 위해, 많은 자이로센서에서는 복수의 진동자를 배치하고, 그 상대적인 운동을 측정해 회전각가속도 외의 성분을 제거하는 기구를 갖거나, 진동자의 주위에 복수의 변위 센서를 배치해 회전각가속도 외의 가속도에 의해 생기는 운동에 의한 변위를 제거하는 기구를 갖고 있었다. 그러나, 이들 기구로는 완전하게 크로스토크를 제거하기 어려웠다. 또한, 구조가 복잡해져서 비용 상승으로 이어졌다.

반면, 본 출원인은 먼저, 고정밀도의 회전축을 필요로 하는 기구 중에서 회전을 거의 하지 않는 것에 대해, 스프링의 변형에 의해 필요한 유한 각도 범위 내의 회전을 담보할 수 있는 구조를 개발하여, 종래에 없는 신규한 회전축 유지 기구로서 출원했다(특허문헌 1, 2 참조).

본 발명은 상기 신규한 회전축 유지 기구를 회전각가속도 측정 장치용으로 개량해 상기 문제점을 해결하고, 특히, 저렴하게 특정 회전각가속도 외의 가속도가 노이즈로서 중첩되는 것을 회피할 수 있는 회전각가속도의 측정 장치를 실현하는 것을 목표로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 회전각가속도 측정 장치는 회전축을 중심으로 회전하는 진동체; 회전축으로부터 반경 r의 점에 진동체를 지지하기 위한 복수의 절점(node); 진동체를 지지하기 위한 절점을, 회전축을 중심으로 원운동시키기 위한 아암의 길이가 r인 복수의 평행사변형 링크; 평행사변형 링크의 고정절(fixed node)을 지지하기 위한 지지부; 회전각을 검출하는 회전각 검출 수단; 회전각으로부터 회전각가속도를 산출하기 위한 연산 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 회전각가속도 측정 장치에 있어서, 진동체의 변위각이 0(제로)이 되도록 힘을 가하기 위한 액추에이터; 변위각의 측정 신호를 기초로 변위각이 0이 되도록 액추에이터에 인가하는 입력 신호를 제어하기 위한 피드백 제어 수단; 액추에이터에 인가한 입력 신호로부터 회전각가속도를 산출하기 위한 연산 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 회전각가속도 측정 장치에 있어서, 회전축의 지지 기구를 평면상으로 형성한 힌지 구조로 함으로써, 반도체 미세 가공 기술을 이용하여 회전축 지지 기구, 회전각 검출 센서, 액추에이터, 제어 수단 및 연산 수단을 일체 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 크로스토크가 문제가 되는 경우에도 회전각가속도 외의 가속도에 영향을 받지 않는 자이로센서를 저렴하게 실현할 수 있다. 또한, 회전각가속도를 산출하는 연산 수단 역시, 반도체 미세 가공 기술에 의해 일체 제작하면 보다 저비용화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 회전각가속도 측정 장치의 회전축 유지 기구의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 회전각가속도 측정 장치를 반도체 미세 가공 기술로 실현하기 위한 힌지 구조의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 회전각가속도 측정 장치를 반도체 미세 가공 기술로 실현하기 위한 힌지 구조와 금속 변형 게이지 패턴의 모식도이다.

본 발명은 회전각가속도를 검출하기 위한 진동자를 지지하는 스프링 구조로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 회전축(O)을 중심으로 복수의 평행사변형 힌지를 배치한 평면적인 링크 기구를 갖는 것을 특징으로 한다. 평행사변형 힌지의 아암(2)은 고정된 절점(1) 및 절점(4)에 의해 운동이 억제되어, 일정 각도 범위 내의 회전 운동이 되도록 되어 있다. 또한, 회전축(O)으로부터 아암(1)의 길이 r과 동일한 거리만큼 떨어진 위치에 아암(2)과 진동체의 절점(5)을 배치해, 절점(5)의 운동이 회전축(O)을 중심으로 한 회전 운동이 되도록 한다. 이러한 평행사변형 힌지를, 회전축을 중심으로 꽃잎 형상으로 복수 배치함으로써, 진동체를 지지하는 절점(5), 절점(10), 절점(15) 모두가 회전축을 중심으로 하는 회전 운동이 되도록 되어 있다.

이에 따라, 진동체의 운동은 회전축을 중심으로 하는 일정 각도 범위 내의 회전 운동으로 한정된다. 이러한 회전축 유지 기구를 가짐으로써, 진동체에 회전 방향 외의 방향으로의 가속도가 가해져도 진동체가 운동하지 않는다. 이 때문에, 자이로센서에서의 크로스토크를 대폭 억제할 수 있다.

본 발명은 상기 회전축 유지 기구에 의해 지지된 진동체의 운동을 검출하기 위해, 변위 센서나 힘 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 변위 센서나 힘 센서의 출력 신호를 해석해, 회전각가속도로 변환하기 위한 연산 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 회전축 유지 기구, 진동체, 변위 센서 혹은 힘 센서를 포함하는 자이로센서를 특히 저렴하게 제작하기 위해, 회전축 유지 기구를 도 2에 나타내는 바와 같은 힌지 기구로 실현하고, 그 표면에 변위 센서나 힘 센서를 형성함으로써 반도체 미세 가공 수단에 의해 일괄 제작할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

[실시예]

본 발명의 회전각가속도 측정 장치에서의 회전축 유지 기구의 힌지 구조와 변위 센서의 관계를 도 2에 나타낸다. 회전축 유지 기구의 힌지 구조는 어느 정도 두께가 있는 평면상의 판에, 도 2에 흰색으로 나타낸 구멍을 관통시켜 구성된다. 구멍의 원호가 접근하여 가늘어진 부분이 특히 구부러지기 쉬워, 절점이 된다. 가늘어진 부분의 폭보다 판의 두께가 상대적으로 충분히 두꺼우면, 절점의 변형은 오로지 평면 위의 구부러짐에만 한정된다. 이들 절점을 조합하여, 도 1의 회전축 유지 기구의 링크 구조를 실현하도록 배치되어 있다.

도 3은, 도 2의 힌지 기구의 표면에 금속 변형 게이지의 패턴을 형성한 경우의 모식도이다. 절점이 변형되면, 한쪽은 압축되고 반대쪽은 인장된다. 절점 표면의 한쪽에만 금속선을 형성하면, 금속선이 압축 및 인장의 응력을 받아 변형되고, 저항값의 미약한 변화가 생긴다. 절점의 변형이 작은 경우에는, 저항값의 변화와 변형의 회전각이 비례한다. 저항값의 변화를 브릿지 회로 등 미세 저항 변화 검출 수단을 이용해 검출함으로써, 절점의 변형을 검출한다. 전극에서 시작한 금속 변형 게이지의 패턴은 절점의 한쪽을 교대로 통과해 다른 한쪽의 전극에 도달하게 되어, 각 절점의 압축 및 인장 중 어느 한쪽의 응력을 검출할 수 있다.

회전축에 일정한 회전각가속도를 가하면, 회전축 유지 기구의 힌지가 변형되고, 회전각 θ에 비례하는 토크 T가 발생한다. 회전각가속도에 의한 관성력과 힌지의 변형에 의한 토크가 평형을 이룬 위치에서 회전이 정지한다. 이 관계는 진동체의 회전 모멘트를 I, 회전의 스프링 상수를 k로 하여 다음 식으로 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1을 변형하면, 회전각가속도는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

따라서, 미리 스프링 상수 k나 관성 모멘트 I를 구해두면, 평형을 이루는 위치의 각도 θ를 측정함으로써 회전각가속도를 산출할 수 있다.

회전각가속도가 시간적으로 변동하는 경우에도, 수학식 1의 운동 방정식을 이용해 각도 θ의 시간변동으로부터, 입력된 회전각가속도를 구할 수 있다.

회전축 유지 기구의 힌지 구조와 변위 센서를 반도체 가공 기술을 이용해 일체 제작하는 방법으로는, 아래의 방법이 있다.

(1) 얇은 산화막이 부착되어 있는 실리콘 웨이퍼에 변형 게이지를 위한 금속막을 형성한다.

(2) 금속막에 레지스트를 도포해 변형 게이지의 패턴을 노광, 현상하여 금속막을 에칭한다.

(3) 이면에 레지스트를 도포하고, 힌지 구조의 패턴을 노광, 현상한다.

(4) 심도 반응성 이온 에칭(Deep Reactive Ion Etching) 장치로 이면으로부터 관통공을 형성한다.

(5) 전극에 배선을 한다.

이와 같이 하면, 단 2매의 포토마스크로 자이로센서의 기본 구조를 저비용으로 제작할 수 있다.

회전각 θ를 검출하는 방법으로는, 전술한 금속 변형 게이지 외에 반도체 변형 게이지, 압전체 변형 센서, 정전 용량 변위 센서, 전자 변위 센서 등을 이용할 수 있다.

회전축 유지 기구의 아암(2)에 액추에이터를 접속하고, 회전각가속도가 가해졌을 때 힌지 구조의 회전각이 0이 되도록 피드백 제어로 액추에이터에 힘을 가해, 이때 필요한 입력의 크기로부터 회전각가속도를 구할 수도 있다. 액추에이터에 이용하는 수단으로는, 빗살전극 액추에이터, 압전 소자 액추에이터, 전자력 액추에이터 등을 이용할 수 있다.

회전축 유지 기구의 아암(2)에 압전 소자나 음차형 힘 센서와 같이 거의 변형되지 않는 힘 센서를 부착한 경우, 회전축 유지 기구가 거의 회전하지 않기 때문에 진동체의 관성 모멘트 등에 영향을 받지 않고, 회전축에 가해지는 토크를 직접 측정할 수 있다.

상기와 같이 실리콘 웨이퍼를 이용하는 경우, 센서의 검출 회로나 연산 회로 등을 센서 표면에 일체적으로 실장할 수도 있다.

[산업상 이용가능성]

본 발명에 의해, 크로스토크가 적고 저렴한 자이로센서가 실현된다. 고성능이고 저렴한 자이로센서가 실현되면, 종래의 광섬유 자이로 등 고성능이지만 고가이고 무거운 자이로센서가 이용되던 분야에서 저렴하고 경량인 센서로 교체할 수 있다. 이에 따라, 예를 들어 로켓이나 인공위성 등 제어 장치가 경량·소형화되어, 성능 향상으로 연결될 가능성이 있다.

Claims (3)

1. 회전축을 중심으로 회전하는 진동체;
   상기 회전축의 주위에 마련되어, 상기 진동체를, 상기 회전축을 중심으로 회전가능하게 지지하기 위한 복수의 평행사변형 링크 기구;
   상기 진동체의 회전각을 검출하는 회전각 검출 수단; 및
   상기 회전각 검출 수단에 의해 검출된 회전각으로부터 회전각가속도를 산출하기 위한 연산 수단;을 포함하고,
   상기 복수의 평행사변형 링크 기구의 각각은,
   각각의 일단이 상기 회전축 주위에 마련되는 지지부에 고정되는 절점이 되고, 각각의 타단이 자유단의 절점이 되며, 각각의 길이가 r인, 서로 평행한 한 쌍의 아암과,
   상기 한 쌍의 아암의 타단끼리를 연결하는 연결 아암과,
   상기 진동체와 상기 연결 아암의 사이에서 상기 회전축으로부터 반경 r인 지점에, 상기 진동체와 상기 연결 아암을 연결하는 회전 절점을 포함하고,
   상기 연결 아암은, 상기 한 쌍의 아암의 타단에 연결되는 2개의 상기 절점과, 상기 진동체와 연결되는 회전 절점의 상대적인 위치 관계가 변화하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 회전각가속도 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 진동체의 변위각이 0이 되도록 힘을 가하기 위한 액추에이터;
   변위각의 측정 신호를 기초로, 변위각이 0이 되도록 액추에이터에 인가하는 입력 신호를 제어하기 위한 피드백 제어 수단;
   액추에이터에 인가한 입력 신호로부터 회전각가속도를 산출하기 위한 연산 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각가속도 측정 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 평행사변형 링크 기구를 평면상으로 형성한 힌지 구조로 함으로써, 반도체 미세 가공 기술을 이용해 상기 평행사변형 링크 기구, 상기 회전각 검출 수단, 상기 액추에이터, 상기 피드백 제어 수단 및 상기 연산 수단을 일체 형성하는 것을 특징으로 하는 회전각가속도 측정 장치.
   
   

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