KR19980054782A - 반도체 각속도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 각속도센서에 관한 것으로 본 발명의 반도체 각속도 센서는 일정질량을 가지는 적어도 하나이상의 진동판과 진동판을 상호 연결시키도록 진동판의 양단에 접속되며 그 일측은 진동판에 서로 다른 방향의 전류를 인가하도록 전류단자와 연결되는 빔과 빔의 각각의 적소에 결합되어 외부로 부터 작용하는 각속도에 의한 진동판에 의한 빔의 응력변화에 의한 압저항의 크기를 검출하도록 된 다수개의 압전소자를 구비하고, 진동판에 동일한 방향의 자계를 발생시켜 진동판을 좌우진동시키도록 마련된 영구자석을 구비한 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 반도체 각속도센서는 압저항검출방식으로 회전각속도를 검출함으로서 이의 신호처리 간단해지게 된다. 이에 따라 각속도센서의 회로구성이 간단하여 지고 제작비용과 시간이 절약됨으로 해서 보다 저렴한 가격의 반도체 각속도센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 각속도 센서

본 발명은 반도체 각속도 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일방향의 자기장내에서 정전인력구동하는 진동판의 로렌쯔힘 및 코리올리 힘에 의해 차량의 회전각속도를 검출할 수 있도록 한 차량용 반도체 각속도 센서에 관한 것이다.

일반적으로 각속도 센서는 선박이나 항공기의 항법장치뿐만 아니라 자동차나 캠코드에 까지 그 응용범위가 굉장히 광범위하게 사용되고 있는 것으로 자동차에서는 일반적으로 요레이트 센서라고도 한다.

이러한 반도체 각속도 센서에서 레이져 자이로스크프나 광섬유 자이로스코프는 감도 및 정밀도에서 성능이 우수한 반면 부피가 크고 제작이 힘들며 가격이 너무 높다는 단점이 있다. 이로인해 고감도, 저가격, 소형화에의 해결을 위한 소형 각속도 센서가 개발되었다.

이러한 각속도 센서는 정전인력으로 구동하며 정전용량검출방식을 채택하고 있는데, 자동차에 적용에 있어서는 차량의 회전각속도를 검출하는 것으로 이는 차량항법시스템과 자동제동시스템 등에 사용되어지고 있다.

도 1은 종래의 반도체 각속도 센서의 구성을 보인 도면이고, 도 2는 종래의 반도체 각속도 센서의 일부 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 진동형 각속도 센서는 두개의 진동판(10)이 마련되고, 진동판(10)의 상하측에는 소정 간격 이격된 전극(11)이 설치된다. 그리고 전극(11)의 상측과 하측에는 각각 영구자석(12)이 설치된다. 이 영구자석(12)은 각 진동판(10)에 상호 다른 방향의 자계가 가해지도록 배치되어 진다.

이러한 종래의 각속도 센서에서 진동판는 정전인력에 의한 빗살 전극으로 구동하며, 센서의 회전시에 발생하는 코리올리력에 의해 진동판(10)의 진동을 그 상하측에 부착된 전극(11)들에 의해 정전용량값으로 환산하여 검출하고, 이렇게 검출된 정전용량값을 그에 상응하는 전압값으로 변환시킴으로서 차량의 회전각속도를 검출하게 된다.

보다 구체적으로는 두개의 진동판은 탄성력을 가진 빔(13)(beam)에 의하여 지지되어 전류단자에 접속되어 있고, 진동판(10)에 소정간격 이격되어 진동판(10)의 상하에 전극(11)이 설치되어 있다. 이에 따라 각 진동판(10)과 전극(11)에 전류가 흐르게 되면 각 진동판(10)에 작용하는 자계의 영향으로 진동판(10)는 바깥방향으로의 로렌쯔힘을 받게 된다. 따라서 각 진동판(10)은 서로 바깥방향으로 힘을 받게 되어 왼쪽의 진동판(10)는 왼쪽으로 오른쪽의 진동판(10)은 오른쪽으로 힘을 받게 되며, 전류단자에 교류전류가 인가되게 뫼면 상기 각 진동판(10)은 좌우로 진동하게 된다.

한편 두 진동판(10)이 Y축방향으로 진동을 계속하고 있는 상태에서 외부로부터 X축방향의 회전각속도(Ω)가 작용하면 각 진동판(10)에는 도 1에 도시한 바와 같이 Z축방향으로 서로 반대방향의 코리올리힘이 발생된다. 이 코리올리힘은 Fc=2mv*Ω 이다.

이와 같이 각 진동판(10)에 전류, 자기장이 인가된 상태에서 외부로부터의 각속도가 작용하면 Z축 방향의 위아래로 발생되는 코리올리힘에 의해 각 진동판(10)은 Z축 방향의 위아래로 진동하게 된다. 따라서, 코리올리힘에 의한 각 진동판(10)의 진동을 그 상하측에 부착된 전극(11)들에 의해 커패시턴스값으로 환산하여 검출하고, 이렇게 검출된 커패시터스값을 그에 상응하는 전압값으로 변환시킴으로서 차량의 회전각속도를 검출하게 되는 것이다.

이러한 종래의 각속도 센서는 정전인력구동과 정전용량검출방식을 채택하고 있으므로해서 정전용량을 검출하기 위하여 별도의 전극(11)을 진동판(10)의 상하측에 설치하여야 하고, 이에 따라 각각의 전극(11)을 접속하기 위한 별도의 회로구성과 전계효과 트랜지스터(FETs)를 구비하여야 함으로서 회로구성이 복잡해지게 된다. 그리고 이러한 복잡한 회로구성으로 인한 각속도 센서의 제조시간과 제조비용이 너무 과다하게 소모되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 차량의 회전 각속도를 검출하는 각속도 센서의 검출방식을 압저항 검출방식으로 구성하여 각속도 센서의 회로구성을 보다 단순하게 하여 그 제조비용과 제조시간을 절약할 수 있도록 한 차량용 반도체 각속도 센서를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 반도체 각속도 센서의 구성을 보인 도면이다.

도 2는 종래의 반도체 각속도 센서의 일부 단면도이다.

도 3의 (a)와 (b)는 일반적인 각속도 센서의 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 각속도 센서의 구성을 보인 도면이다.

도 5는 본 발명에 적용된 휘스톤 브릿지 회로를 보인 회로도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

20...진동판21...빔

22...압전소자30...휘스톤브릿지 회로

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 차량용 각속도 센서는 일정질량을 가지는 적어도 하나이상의 진동판과,

상기 진동판을 상호 연결시키도록 상기 진동판의 양단에 접속되며 그 일측은 상기 진동판에 서로 다른 방향의 전류를 인가하도록 전류단자와 연결되는 빔과,

상기 빔의 각각의 적소에 결합되어 외부로 부터 작용하는 각속도에 의한 상기 진동판에 의한 빔의 응력변화에 의한 압저항의 크기를 검출하도록 된 다수개의 압전소자와,

상기 진동판에 동일한 방향의 자계를 발생시켜 상기 진동판를 좌우진동시키도록 마련된 영구자석을 구비한 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저 코리올리힘에 대하여 간단히 살펴보면, 도 3의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이 코리올리힘은 회전하는 좌표계상을 이동하는 물체에 작용하는 외관상의 힘을 나타내며 이는 각속도 ω로 회전하는 원반상의 P점에 질량 m인 물체가 일정속도 v로 원반바깥을 향해 이동하고 있도록 한다. 이 원반 이외의 좌표계에서 원반을 보면 물체는 원반의 접선방향에 γω의 속도에서도 움직이고 있으며, 물체는 △T시간 경과후에는 P' 점에 도달하고 접선방향의 속도는 (γ+V1W △T)ω 로 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 3에 도시된 바와 같다. 각속도 센서는 이러한 코리올리힘의 원리를 이용한 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용효과를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 반도체 각속도 센서의 구조를 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 두개의 진동판(20)은 탄성력을 가진 빔(21)에 의하여 일측과 타측이 지지되어 있고, 이 빔(21)의 각각의 네단부에는 네개의 압전소자(22)(△R1,±△R2,△R3,±△R4)(Piezoresister)가 독립하여 결합되어 있다. 이 각각의 압전소자(22)는 도 5에 도시된 바와 같은 휘스톤브릿지 회로(30)(Wheastone bridge circuit)를 구성하도록 되어 있다. 이러한 압저항을 이루는 압전소자(22)는 반도체 결정에 압력을 가하면 전기저항이 변화하는 것으로 이것에는 압력에 의해 금제대(禁制帶)의 폭이 변화하여 그에 따라서 케리어 농도가 변화하는 등방적인 것, 및 결정의 등에너지면이 복잡한 형상을 가지고 있고, 전도 전자의 이동도에 방향성이 있으며, 적당한 방향으로 압력을 가하면 전자의 분포가 변화하는 이방적(異方的)인 것이 있다.

진동판(20)에는 상호 다른 방향의 전류를 인가받도록 두개의 전류단자에 접속되게 된다. 이러한 진동판(20)의 상측 및 하측에는 도시되지 않았지만 각 진동판(20)에 동일한 방향의 자계가 가해지도록 된 4개의 영구자석이 마련되게 된다.

이러한 구성을 갖은 본 발명에 따른 반도체 각속도 센서는, 우선 각 진동판(20)에는 그 상측 및 하측에 위치한 영구자석에 의한 자계가 형성된다. 이때 좌측의 진동판(20)에는 +I의 전류가 흐르고 우측의 진동판(20)에는 -I의 전류가 흐르는 상태이면, 로렌쯔의 힘은 각각의 진동판(20)에 대하여 바깥방향으로 작용하게 된다. 반면 좌측의 진동판(20)에 -I의 전류가 흐르고, 우측의 진동판(20)에 +I의 전류가 흐르는 상태로 전류흐름의 방향이 바뀌게 되면, 각 진동판(20)에는 안쪽으로 향하는 로렌쯔의 힘이 작용하게 된다. 따라서, 각 진동판(20)은 교류전류가 인가된 상태에서 좌우로 진동하게 된다.

이때 외부에서 X축 방향으로 회전각속도(Ω)가 발생하게 되면, 좌측의 진동판(20)에는 +Z축 방향의 코리올리힘이 발생되고, 우측의 진동판(20)에는 -Z축 방향의 코리올리힘이 발생되어 진동판(20)은 서로 반대방향으로 진동하게 되고, 이에 따라 진동판(20)을 연결하는 빔(21)이 응력을 받게 된다. 이 응력변화는 압전소자(22)에서 빔(21)위에 확산된 각각의 압전소자의 압저항(△R1,±△R2,△R3,±△R4)의 크기를 변화시키게 되고, 이 압저항 변화는 휘스톤브릿지 회로(30)에 의해 전압으로 변화하게 되어 각속도에 비례한 전압을 얻게 된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 반도체 각속도센서는 압저항검출방식으로 회전각속도를 검출함으로서 이의 신호처리 간단해지게 된다. 이에 따라 각속도센서의 회로구성이 간단하여 지고 제작비용과 시간이 절약됨으로 해서 보다 저렴한 가격의 반도체 각속도센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 일정질량을 가지는 적어도 하나이상의 진동판(20)과,

   상기 진동판(20)을 상호 연결시키도록 상기 진동판(20)의 양단에 접속되며 그 일측은 상기 진동판(20)에 서로 다른 방향의 전류를 인가하도록 전류단자와 연결되는 빔(21)과,

   상기 빔(21)의 각각의 적소에 결합되어 외부로 부터 작용하는 각속도에 의한 상기 진동판(20)에 의한 빔(21)의 응력변화에 의한 압저항의 크기를 검출하도록 된 다수개의 압전소자(22)와,

   상기 진동판(20)에 동일한 방향의 자계를 발생시켜 상기 진동판(20)를 좌우진동시키도록 마련된 영구자석을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 각속도센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 압전소자(22)는 휘스톤브릿지 회로(30)를 구성하는 것을 특징으로 하는 반도체 각속도 센서.