KR19980043510A - 자동차용 반도체 요레이트센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 반도체 요레이트센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일방향의 자기장내에서 진동체의 로렌쯔힘 및 코리올리 힘에 의해 차량의 회전각속도를 검출할 수 있도록 된 반도체 요레이트 센서에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 일정 질량을 가지는 적어도 하나이상의 진동체(5)(6)와, 상기 진동체(5)(6)를 상호 연결시키도록 상기 진동체(5)(6)의 양단에 접속되며 그 일측은 상기 진동체(5)(6)에 서로 다른 방향의 전류를 인가하도록 전류단자(1)(2)에 연결되는 빔(4)과, 상기 각 진동체(5)(6)의 상측 및 하측에 각각 마련되어 외부로부터 작용되는 요레이트에 의한 상기 진동체(5)(6)의 수직진동을 검출하는 전극(15a,15b)(16a,16b)과, 상호 다른 방향의 전류를 인가받는 각 진동체(5)(6)에 동일한 방향의 자계를 발생시켜 상기 진동체(5)(6)를 좌우진동시키도록 마련된 영구자석(41-44)을 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

자동차용 반도체 요레이트센서

본 발명은 자동차용 반도체 요레이트센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일방향의 자기장내에서 진동체의 로렌쯔힘 및 코리올리 힘에 의해 차량의 회전각속도를 검출할 수 있도록 된 반도체 요레이트 센서에 관한 것이다.

일반적으로 요레이트센서는 차량의 수직축 방향의 회전각속도(요레이트)를 검출하는 것으로 이는 차량항법시스템과 자동제동시스템(automatic brake system)등에 사용되어지고 있다.

도 1은 종래 자동차용 반도체 요레이트센서의 구성을 보인 사시도이고, 도 2는 종래 자동차용 반도체 요레이트센서의 일부단면도를 나타낸 것이다. 종래의 자동차용 반도체 요레이트센서는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 두개의 진동체(5)(6)는 토션바(3)를 개재하여 각각 두개의 전류단자(1)(2)에 접속되어지며, 상기 진동체(5)(6)의 상하측에는 각각 소정 간격이격되어 전극(15)(16)이 마련되게 된다. 또한, 상기 전극의 상측 및 하측에는 각각 영구자석(21-24)이 마련되게 되는 데, 이때 상기 영구자석(21-24)은 각 진동체(5)(6)에 상호 다른 방향의 자계가 가해지도록 배치되어진다.

이러한 구성의 종래 반도체 요레이트센서의 동작을 설명하면 먼저, 일 전류단자(1)를 통해 도 1에 도시한 바와 같이 각 진동체(5)(6)에 전류가 흐르게 되면 각 진동체에 작용하는 자계의 영향으로 진동체(5)(6)는 바깥방향으로의 로렌쯔힘(Lorenz force:F_L)을 받게 된다. 이때 로렌쯔힘은 F_L=I1*B1WL이다. 따라서, 각 진동체(5)(6)는 서로 바깥방향으로의 힘을 받게 되어 왼쪽의 진동체(6)는 왼쪽으로 오른쪽의 진동체(5)는 오른쪽으로 힘을 받게 되며, 전류단자에 교류전류가 인가되게 되면 상기 각 진동체(5)(6)는 좌우로 진동하게 된다.

한편, 두 진동체(5)(6)가 Y축방향으로의 진동을 계속하고 있는 상태에서 외부로부터 X축방향의 회전각속도(Ω)가 작용하면 각 진동체에는 도 1에 도시한 바와 같이 Z축방향으로 서로 반대방향의 코리올리힘(corioli's force:F_C)이 발생되며, 코리올리 힘 Fc= 2mv1*Ω이다.

결론적으로 각 진동체에 전류,자기장이 인가된 상태에서 외부로부터의 각속도가 작용하면 Z축방향의 위아래로 발생되는 코리올리힘에 의해 각 진동체(5)(6)는 Z축 방향의 위아래로 진동하게 된다. 따라서, 코리올리힘에 의한 각 진동체의 진동을 그 상하측에 부착된 전극(15a:15b)(16a:16b)들에 의해 캐패시턴스값으로 환산하여 검출하고, 이렇게 검출된 캐패시턴스값을 그에 상응하는 전압값으로 변환시킴으로서 차량의 회전각속도를 검출하게 되는 것이다.

그러나, 이러한 종래의 반도체 요레이트센서에 있어서 각 진동체에 상호 다른 방향의 자계를 인가하기 위하여 그 상하측에 장착되는 영구자석은 각 전극의 상측 및 하측에 마련되는 글래스(glass)상에 접착시켜 형성하게 되는 데, 이때 영구자석은 각 진동체에 상호 다른 방향의 자계를 인가할 수 있도록 별도로 형성되게 되어 그 제조과정이 복잡해지고 양산성이 저하되는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 그 목적은 구조 및 제조공정을 단순화시키며 소형인 차량용 반도체 요레이트센서를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 종래 자동차용 반도체 요레이트센서의 개략사시도이다.

도 2는 종래 자동차용 반도체 요레이트센서의 일부단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 요레이트센서의 작동원리를 설명하기 위한 도이다.

도 4는 본 발명에 따른 자동차용 반도체 요레이트센서의 개략사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 반도체 요레이트센서의 일부단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 반도체 요레이트센서의 출력 및 회전각속도의 관계를 보인 도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1,2...전류단자, 3...토션바,

4...빔, 5,6...진동체,

15a,15b,16a,16b...전극, 31,32...유리층

41-44...영구자석.

이러한 목적을 실현하기 위하여 본 발명에 따른 자동차용 반도체 요레이트센서는 일정 질량을 가지는 적어도 하나이상의 진동체와, 상기 진동체를 상호 연결시키도록 상기 진동체의 양단에 접속되며 그 일측은 상기 진동체에 서로 다른 방향의 전류를 인가하도록 전류단자에 연결되는 빔과, 상기 각 진동체의 상측 및 하측에 각각 마련되어 외부로부터 작용되는 요레이트에 의한 상기 진동체의 수직진동을 검출하는 전극과,상호 다른 방향의 전류를 인가받는 각 진동체에 동일한 방향의 자계를 발생시켜 상기 진동체를 좌우진동시키도록 마련된 영구자석을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 반도체 요레이트센서를 설명하기 이전에 먼저 코리올리 힘에 대해 간단히 살펴보겠다. 코리올리의 힘은 회전하는 좌표계상을 이동하는 물체에 작용하는 외관상의 힘을 나타내며 이는 도 3(a)에 도시한 바와 같이 각속도 ω로 회전하는 원반상의 P점에 질량 m인 물체가 일정속도 v로 원반바깥쪽을 향해 이동하고 있다록 한다. 이 원반 이외의 좌표계에서 원반을 보면 물체는 원반의 접선방향에 γω의 속도에서도 움직이고 있으며, 물체는T시간 경과후에는 P'점에 도달하고 접선방향의 속도는 (γ+ ν·T)ω로 변환한다. 이때 속도변화의 차이에 대한 가속도가 물체에 주어지지 않으면 물체는 P'점에 도달하지 않으므로 물체에는 외관상의 힘이 작용되게 된다. 이것을 코리올리의 힘이라 하며, 각속도 및 속도의 방향과 발생하는 코리올리 힘의 방향에 대한 관계는 도 3(b)에 도시된 바와 같다. 요레이트센서는 이러한 코리올리힘의 원리를 이용한 것이다.

이하에는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 구성 및 작용효과를 상세하게 설명한다.

먼저, 도 4은 본 발명에 따른 반도체 요레이트센서의 구조를 보인 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 반도체 요레이트센서의 일부 단면도이다. 이는 도 4에 도시한 바와 같이, 두개의 진동체(5)(6)는 포크형상의 빔(4) 및 토션바(3)를 개재하여 일측은 고정단자(7)에 의해 고정되고, 타측은 상호 다른 방향의 전류를 인가받도록 두개의 전류단자(1)(2)에 접속된다. 상기 진동체(5)(6)의 상하측에는 각각 소정 간격이격되어 상기 진동체의 수직진동을 검출하기 위한 전극(15a,15b)(16a)(16b)이 마련되고, 상기 전극의 상측 및 하측에는 각 진동체에 동일한 방향의 자계가 가해지도록 유리층(31)(32)위에 접착형성된 4개의 영구자석(41-44)이 마련되게 된다. 이때 상기 영구자석(41-44)은 4개를 사용하는 것을 전제로 하였으나 이는 필요에 따라 각 진동체의 상측 및 하측에 2개의 영구자석을 사용하여 각 진동체에 동일한 방향의 자계를 형성시키도록 할 수도 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 자동차의 반도체 요레이트센서의 작용효과를 설명하면, 우선 각 진동체(5)(6)에는 그 상측 및 하측에 위치한 영구자석에 의해 -Z축에서 +Z축방향의 자계(B)가 형성된다. 이때 좌측의 진동체(6)에는 +I의 전류가 흐르고 우측의 진동체(5)에는 -I의 전류가 흐르는 상태이면, 로렌쯔의 힘(F_L)은 각각의 진동체에 대하여 바깥방향으로 작용하게 된다. 반면, 좌측의 진동체(6)에 -I의 전류가 흐르고, 우측의 진동체(5)에 +I의 전류가 흐르는 상태로 전류흐름의 방향이 바뀌게 되면, 각 진동체(5)(6)에는 안쪽으로 향하는 로렌쯔의 힘이 작용하게 된다. 따라서, 각 진동체는 교류전류가 인가된 상태에서 좌우로 진동하게 된다.

이때 외부로부터 X축방향의 회전각속도(Ω)가 발생되게 되면, 좌측의 진동체(6)에는 +Z축방향의 코리올리힘이 발생되고, 우측의 진동체(5)에는 -Z축방향의 코리올리힘이 발생되어 상하로 진동하게 된다. 즉, 좌측의 진동체(6)는 상측에 위치하는 전극(16a)에 가깝게 이동되게 되고, 우측의 진동체(5)는 하측에 위치하는 전극(15b)에 가깝게 이동되게 된다. 따라서, 각 진동체(5)(6)의 상하진동에 따라 전극(15a:15b)(16a:16b)에는 캐패시턴스의 변화가 생기게 되며, 이 캐패시턴스의 변화는 그에 상응하는 전압값으로 변환되어 출력되게 된다. 이때 출력된 전압신호를 도시되지 않은 신호처리부에서 입력받아 차체의 회전각속도를 판단하게 된다. 이러한 신호처리부는 일반적으로 진동체의 좌우진동을 위해 교류전원공급부, 교류-직류변환부, C(Capacitance)-V(Voltage)변환부, 증폭회로부등으로 이루어진다.

도 6은 본 발명에 따른 차량용 반도체 요레이트센서의 출력신호와 회전각속도의 관계를 보인 도로서, 요레이트센서로부터 출력된 전압은 외부로부터 가해지는 회전각속도(Ω)에 대해 선형적으로 증가됨을 알수 있다. 따라서, 요레이트센서로부터의 출력전압값을 알면 차체의 회전각속도를 검출할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 반도체 요레이트센서에 의하여 두개의 진동체에 동일방향의 자계 및 상호 다른 방향의 전류를 인가하여 회전각속도를 검출할 수 있도록 함으로써 상기 진동체에 일정 방향의 자계를 가하는 영구자석을 일체로 하여 그 사용갯수를 줄여 센서의 구조 및 제조공정을 단순화하고 양산성을 향상시킬 수 있으며 또한 소형제작이 가능한 이점을 제공하게 된다.

Claims (1)

1. 일정 질량을 가지는 적어도 하나이상의 진동체(5)(6)와,

   상기 진동체(5)(6)를 상호 연결시키도록 상기 진동체(5)(6)의 양단에 접속되며 그 일측은 상기 진동체(5)(6)에 서로 다른 방향의 전류를 인가하도록 전류단자(1)(2)에 연결되는 빔(4)과,

   상기 각 진동체(5)(6)의 상측 및 하측에 각각 마련되어 외부로부터 작용되는 요레이트에 의한 상기 진동체(5)(6)의 수직진동을 검출하는 전극(15a,15b)(16a,16b)과,

   상호 다른 방향의 전류를 인가받는 각 진동체(5)(6)에 동일한 방향의 자계를 발생시켜 상기 진동체(5)(6)를 좌우진동시키도록 마련된 영구자석(41-44)을 구비한 것을 특징으로 하는 차량용 반도체 요레이트센서.