KR19990026664A - 요레이트 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 요레이트 센서(Yaw-rate Sensor)에 관한 것으로, 상세하게는 요레이트 센서에서 진동자(Shuttle mass)의 좌우 및 상하운동에 의하여 발생하는 정전 가진력과 용량변화를 최소화한 요레이트 센서(Yaw-rate Sensor)에 관한 것이다.

본 발명에 따른 요레이트 센서에 의하여, 진동자가 기준진동을 하는 방향에 반하게 움직이더라도 가동전극이 인가하는 정전가진력의 범위를 벗어나지 않게 된다. 또한, 진동자가 움직이더라도, 진동자가 검지전극의 면적의 범위를 벗어나지 않거나 검지전극이 진동자의 면적의 범위를 벗어나지 않으므로 정전용량변화가 정확하게 감지된다. 그리하여 각속도 오메가(

Description

요레이트 센서

본 발명은 요레이트 센서(Yaw-rate Sensor)에 관한 것으로, 상세하게는 요레이트 센서에서 진동자(Shuttle mass)의 좌우 및 상하운동에 의하여 발생하는 정전 가진력과 용량변화를 최소화한 요레이트 센서(Yaw-rate Sensor)에 관한 것이다.

일반적으로 회전 각속도를 검출하는 요레이트 센서는 선박이나 항공기의 항법장치뿐만 아니라 자동차나 캠코더(Camcoder)에 까지 광범위하게 사용되고 있다. 요레이트 센서는 각속도 센서(Angular Rate Sensor)라고도 하며 본 발명에서는 요레이트 센서(Yaw-Rate Sensor)로 통일하여 지칭 하겠다. 요레이트 센서에는 감도 및 정밀도가 우수한 레이져 자이로스코프, 광섬유 자이로스코프등이 있으나 부피가 크고 제작이 힘들며 가격이 높은 단점이 있다. 그래서 등장한 것이 마이크로 머신 기술을 이용한 진동형 요레이트 센서이다.

요레이트 센서는 차량의 수직축 방향의 각속도(Yaw-rate)를 검출하는 것이다. 진동형 요레이트 센서는 운동하는 질량에 발생하는 코리올리(Coriolis)력을 검출하는 개념을 이용한다.

도1을 참조하여 종래의 진동형 요레이트 센서를 살펴보면 다음과 같다.

실리콘기판(Si-Substrate)(10)이 있고 기판(10)에는 기준진동과 검지진동을 동시에 수행하는 진동자(Shuttle mass)(40)가 마련된다. 진동자(40)의 양측에는 정전기력을 인가하여 진동자(40)를 기준진동시키는 가동전극(20)이 있다. 또한, 진동자(40)의 상·하측에는 가동전극(20)에 의하여 진동하는 진동자(40)가 코리올리력에 의하여 힘을 받을 때 그 정도를 검출하는 검지전극(30)이 있다. 진동자(40)의 두께는 가동전극(20)의 두께와 같으며, 검지전극(30)의 면적과 진동자(40)의 면적 또한 같다. 진동자(40)는 검지전극(30)과 가동전극(20) 사이의 공간에 각각의 전극과 일정거리 이격된 상태로 공간에 떠 있는 형상이다. 진동자(40)는 길이방향으로 양끝단이 고정되어 있다.

도2는 종래의 요레이트센서의 동작도이다. 도2를 참조하면 다음과 같다.

진동자(40)를 기준 진동시키기 위하여 진동자(40)의 양측에 있는 가동전극(20)에 전압을 인가하여 진동자(40)에 정전기력 인가한다. 그러면 진동자(40)는 양측의 가동전극(20)의 방향(가)으로 진동을 한다. 그럴 때 외부에서 각속도가 발생하면 진동자(40)는 힘을 받게 된다. 진동자(40)는 좌우방향의 기준진동(가)을 하는 것과 동시에 상하방향(나)의 검지진동(나)을 하게된다. 진동자(40)가 검지진동(나)을 하게되면 진동자(40)와 검지전극(30) 사이의 용량변화가 일어나게 된다. 검지전극(30)은 진동자(40)와 검지전극(30) 사이의 용량변화를 감지하여 각속도를 검출해 낸다.

그런데, 전술한 종래의 진동형 요레이트 센서는 정전 가진력을 인가하는 가동전극(20)의 두께가 진동자(40)의 두께와 같다. 그리고 용량을 검지하는 검지전극(30) 또한 가동전극(20)의 면적과 같다. 그래서, 기준진동(가)과 검지진동(나)을 동시에 수행하는 진동자(40)의 경우 검지전극(30)의 범위를 벗어남에 의한 특성 열화가 발생 하였다. 또한, 가속도의 영향에 의하여 진동자(40)가 가동전극(20)이 인가하는 정전가진력의 범위와 어긋남이 발생하여 가진 및 검지 특성에 영향을 주는 단점이 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여, 진동자 혹은 전극의 크기를 크게하여 기준진동 과 검지진동을 동시에 수행하더라도 가진 및 검지 특성의 열화가 일어나지 않는 요레이트 센서를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 요레이트 센서의 구조도이다.

도 2는 종래의 요레이트 센서의 동작도이다.

도 3은 본 발명에 따른 요레이트 센서의 제1구조도이다.

도 4는 본 발명에 따른 요레이트 센서의 제1동작도이다.

도 5는 본 발명에 따른 요레이트 센서의 제2구조도이다.

도 6은 본 발명에 따른 요레이트 센서의 제2동작도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10:기판 21,22:가동전극

31,32:검지전극 41,42:진동자

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기준진동과 검지진동을 행하는 진동자, 진동자가 기준진동을 하도록 정전가진력을 인가하는 가동전극, 진동자의 검지진동을 검출하는 검지전극에 있어서, 가동전극과 검지전극이 진동자에 비하여 두껍거나 얇은 것을 특징으로 하는 구성이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 양호한 실시 예를 상세하게 설명하겠다.

도3은 본 발명에 따른 요레이트 센서의 구조를 나타내는 구조도이다. 도3을 참조하면, 실리콘기판(Si-Substrate)(10)이 있고 기판(10)에는 기준진동과 검지진동을 동시에 수행하는 진동자(Shuttle mass)(41)가 마련된다. 진동자(41)의 양측에는 정전기력을 인가하여 진동자(41)를 기준진동시키는 가동전극(21)이 있다. 또한, 진동자(41)의 상·하측에는 가동전극(21)에 의하여 진동하는 진동자(41)가 코리올리력에 의하여 힘을 받을 때 그 정도를 검출하는 검지전극(31)이 있다. 진동자(41)의 두께는 진동자(41)가 진동을 하더라도 가동전극(21)과 검지전극(31)의 범위를 벗어나지 않게 가동전극(21)과 검지전극(31)에 비하여 얇다. 진동자(41)는 검지전극(31)과 가동전극(21) 사이의 공간에 각각의 전극과 일정거리 이격된 상태로 공간에 떠 있는 형상이다. 진동자(41)는 길이방향으로 양끝단이 고정되어 있다.

도4는 본 발명에 따른 요레이트 센서의 동작도이다.

외부에서 가동전극(21)에 전압을 인가하면, 가동전극(21)에서 정전가진력이 발생하여 진동자(41)에 인가되고 그에 따라 진동자(41)는 기준진동(가)을 한다. 진동자(41)를 기준진동(가)시킬 때 원하는 진동수에 따라 가동전극(21)에 외부에서 전압을 인가한다. 진동자(41)가 기준진동(가)을 하면 가동전극(21)의 방향으로 진동을 한다. 진동자(41)가 진동을 할 때 요레이트 센서의 외부에서 각속도가 인가되면 진동자(41)는 코리올리력에 의하여 힘을 받게 된다. 기준진동(가)을 하는 진동자(41)가 힘을 받게 되면 기준진동(가)을 하면서 검지진동(나)을 한다. 진동자(41)가 움직이게 되면 진동자(41)와 검지전극(31)사이의 정전용량이 변화하게 되는데 그 변화를 감지하면 각속도를 검출할 수 있다. 진동자가 각속도에 의하여 힘을 받아 움직이게 되면 종래에는 진동자가 가동전극이 인가하는 정전가진력의 범위를 벗어나게되어 인가되는 정전가진력의 특성열화가 일어났다. 하지만 본 발명에 따른 요레이트 센서는 진동자(41)의 두께가 가동전극(21)의 두께보다 얇다. 그래서 진동자(41)가 기준진동(가)을 하는 방향에 반하게 움직이더라도 가동전극(21)이 인가하는 정전가진력의 범위를 벗어나지 않게 된다.

진동자가 각속도에 의하여 힘을 받아 변화되는 진동자(41)와 검지전극(31) 사이의 정전용량은, 진동자(41)와 검지전극(31)사이의 거리와 진동자(41)와 검지전극(31)의 면적과 관계가 있다. 그래서 진동자(41)가 상하측 검지전극(31)의 면적의 범위안에서 검지진동(나)을 하여야 검지전극(31)에 의하여 정전용량변화가 정확하게 검출된다. 종래에는 진동자가 검지전극의 면적의 범위를 벗어나서 검지전극이 정전용량을 감지 하는데 있어서 정전용량의 왜곡이 일어났다. 본 발명에 따른 요레이트 센서는 진동자(41)가 움직이더라도 검지전극(31)의 범위를 벗어나지 않으므로 정전용량의 왜곡이 일어나지 않는다. 검지전극(31)이 정전용량의 변화를 검출하면 각속도를 검출할 수 있다.

이하에서는 또 다른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명 하겠다.

도5는 본 발명에 따른 요레이트 센서의 구조를 나타내는 구조도이다. 도4를 참조하면, 실리콘기판(Si-Substrate)(10)이 있고 기판(10)에는 기준진동과 검지진동을 동시에 수행하는 진동자(Shuttle mass)(42)가 마련된다. 진동자(42)의 양측에는 정전기력을 인가하여 진동자(42)를 기준진동시키는 가동전극(22)이 있다. 또한, 진동자(42)의 상·하측에는 가동전극(22)에 의하여 진동하는 진동자(42)가 외부에서 발생한 각속도에 의한 코리올리력에 의하여 힘을 받을 때 그 정도를 검출하는 검지전극(32)이 있다. 진동자(42)의 두께는 진동자(42)가 진동을 하더라도 가동전극(22)과 검지전극(32)이 진동자(42)의 범위를 벗어나지 않게 가동전극(22)과 검지전극(32)에 비하여 충분히 두껍게 한다. 그리고 상대적으로 가동전극(22)과 검지전극(32)은 진동자(42)에 비하여 얇게한다. 진동자(42)는 검지전극(32)과 가동전극(22) 사이의 공간에 가동전극(22)과 검지전극(32)과 일정거리 이격된 상태로 공간에 떠 있는 형상이다. 진동자(42)는 길이방향으로 양끝단이 고정되어 있다.

도6은 본 발명에 따른 요레이트 센서의 동작도이다. 도6을 참조하면, 외부에서 가동전극(22)에 전압을 인가하면, 가동전극(22)에서 정전가진력이 발생하여 진동자(42)에 인가되고 그에 따라 진동자(42)는 기준진동(가)을 한다. 진동자(42)를 기준진동(가)시킬 때 원하는 진동수에 따라 가동전극(22)에 전압을 인가한다. 가동전극(22)이 인가하는 정전가진력에 의하여 진동자(42)가 기준진동(가)을 하면 가동전극(22)의 방향으로 진동을 한다. 진동자가 기준진동(가)을 할 때 외부에서 각속도가 발생하면 코리올리력에 의하여 진동자(42)는 힘을 받게 된다. 진동자(42)가 힘을 받게 되면 진동자(42)는 기준진동(가)을 하면서 검지진동(나)을 한다. 진동자(42)가 움직이게 되면 진동자(42)와 검지전극(32)사이의 정전용량이 변화하게 되는데 그 변화를 감지하면 각속도를 검출할 수 있다. 진동자(42)가 각속도에 의하여 힘을 받아 움직이게 되면 종래에는 진동자가 가동전극이 인가하는 정전가진력의 범위를 벗어나게되어 인가되는 정전가진력의 특성열화가 일어났다. 하지만 본 발명에 따른 요레이트 센서는 진동자(42)의 두께가 가동전극(22)의 두께보다 충분히 두껍다. 그래서 진동자(42)가 기준진동(가)을 하는 방향에 반하게 움직이더라도 가동전극(22)이 인가하는 정전가진력의 범위를 벗어나지 않게 된다.

진동자가 각속도에 의하여 힘을 받아 변화되는 진동자(42)와 검지전극(32) 사이의 정전용량은, 진동자(42)와 검지전극(32)사이의 거리와 진동자(42)와 검지전극(32)의 면적과 관계가 있다. 그래서 진동자(42)가 상하측 검지전극(32)의 면적의 범위안에서 검지진동(나)을 하여야 검지전극(32)에 의하여 정전용량변화이 정확하게 검출된다. 또는 검지전극(32)의 면적범위가 진동자(42)의 면적범위안에 있어야 한다.

종래에는 진동자가 검지전극의 면적의 범위를 벗어나서 검지전극이 정전용량을 감지 하는데 있어서 정전용량의 왜곡이 일어났다. 본 발명에 따른 요레이트 센서는 진동자(42)가 움직이더라도 검지전극(32)이 진동자(42)의 면적의 범위를 벗어나지 않으므로 검지전극(32)에 의하여 정전용량변화가 정확하게 감지된다. 그리하여 각속도를 검출할 수 있다.

본 발명에 따른 요레이트 센서에 의하여, 진동자가 기준진동을 하는 방향에 반하게 움직이더라도 가동전극이 인가하는 정전가진력의 범위를 벗어나지 않게 된다. 또한, 진동자가 움직이더라도, 진동자가 검지전극의 면적의 범위를 벗어나지 않거나 검지전극이 진동자의 면적의 범위를 벗어나지 않으므로 정전용량변화가 정확하게 감지된다. 그리하여 각속도를 정확하게 검출할 수 있다.

Claims (4)

1. 일정방향으로 진동하는 기준진동과 상기 기준진동에 수직인 방향으로 진동하는 검지진동을 행하는 진동자,

   상기 진동자가 기준진동을 하도록 정전가진력을 인가하는 가동전극,

   상기 진동자의 검지진동을 검출하는 검지전극에 있어서,

   상기 가동전극과 상기 검지전극이 상기 진동자에 비하여 두껍거나 얇은 것을 특징으로 하는 요레이트 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 진동자가 상기 가동전극이 인가하는 상기 정전가진력의 범위를 벗어나지 않으며 상기 검지전극의 검출범위를 벗어나지 않도록 상기 가동전극 과 상기 검지전극은 진동자에 비하여 얇은 것을 특징으로 하는 요레이트 센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 진동자가 상기 가동전극이 인가하는 상기 정전가진력의 범위를 벗어나지 않으며 상기 검지전극의 검출범위를 벗어나지 않도록 상기 가동전극 과 상기 검지전극은 진동자에 비하여 두꺼운 것을 특징으로 하는 요레이트 센서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 검지전극은 상기 진동자의 상기 검지진동에 의한 상기 진동자와 상기 검지전극 사이의 정전용량의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 요레이트 센서.