KR19990088073A - 각속도센서및그의제조방법 - Google Patents

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KR19990088073A
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모리시타 요이찌
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Abstract

일체형 바이모르프 각속도센서는 두께 방향으로 두개의 소리굽쇠 부재들을 직접접합하여 형성됨으로써, 속도 센서의 검출감도를 향상시킨다. 압전현상을 발생시키기 위하여, 개개의 소리굽쇠 부재들은 수정과 같은 단결정 압전재료로 형성되고, 결정축방향으로 접합되며, 접합된 소리굽쇠 부재들의 압전재료들은 폭방향 또는 두께방향에서 역극성들을 가진다.

Description

각속도 센서 및 그의 제조방법{ANGULAR VELOCITY SENSOR AND PROCESS FOR MAUNFACTRUING THE SAME}
본 발명은 예를 들면, 자동차의 내비게이션 시스템이나, 자동차의 제어시스템 또는 보통사진 또는 비디오 카메라용 수동 버어 교정 시스템(manual blur correcting system)등에 사용되는 각속도 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 주요한 각속도센서는, 항공기 또는 선박에 아주 종종 사용되는 고가이고 대형의 탑-식 자이로스코프(top-type gyroscope)이다. 그러나, 근년에는 염가의 진동형 각속도센서가 개발되었으며, 그의 용도는 비디오 또는 정지 사진 카메라용 수동 버어 교정 시스템뿐만 아니라, 자동차 제어 시스템, 자동차의 내비게이션 시스템으로 확장되었다. 이들 확장된 새로운 용도의 결과, 더 작고 덜 비싼 각속도센서에 대한 요구가 크게 증가되었다.
따라서, 최근에 수정 또는 탄탈산 리튬으로 이루어지는 단결정 압전 요소를 사용하는 각속도가 제안되어, 더 작고 덜 비싼 각속도를 제공할 수 있었다.
단결정 압전 요소를 이용하는 공지의 각속도 센서에서는, 한 쌍의 암이 결합되고 그것들의 개개의 부분들에 루트 부재에 의해 고정되어,소리굽쇠 발진기 (tuning fork oscillator)를 형성한다. 이 소리굽쇠 발진기는 예를 들면, 수정판으로부터 절단된 일체형 구조체이다. 한 세트의 구동전극이, 공진 주파수에서 주면방향으로 소리굽쇠 발진기를 압전구동하기 위한 소리굽쇠 발진기의 암들중 하나의 암에 설치된다. 구동전극들은 외부 발진회로에 의해 전기적으로 구동된다. 모니터와 접지 전극은 발진회로에 의해 발생된 진동진폭을 검출하기 위한 다른 하나의 암에 설치된다. 센스 전극들은, 또한 소리굽쇠상에 작용하는 코리올리의 힘(Coriolis force)에 의한 응력을 압전검출하기 위한 모니터전극과 동일한 암에 설치된다.
공지의 센서에서, 모니터전극에서 발생된 전하는 외부회로에 의해 증폭된 후, AGC(auto gain control; 자동 이득 제어기)에 의해 미리 설정된 기준 신호와 비교하여, 소리굽쇠 발진기의 진동진폭이 일정하게 되도록 상기 발진 회로를 제어한다. 한편, 센스 전극은 코리올리의 힘에 의해 신호를 검출한다. 여기서 신호는 모니터 전극에 의해 검출된 신호와 동기적으로 외부 증폭기 회로에 의해 증폭된다. 그리고나서, 피변조 검출신호는 복조되며 원하지 않는 주파수 밴드는 저역 필터 (LPF)에 의해 필터링된다.
이러한 타입의 각속도 센서들은 많은 이유때문에 효과적이지 않았다. 예를 들면, 수정은 SiO2가 배열된 단결정으로 이루어진 전형적으로 단결정 압전재료이다. Si는 양의 극성을 가지고 O2는 음의 극성을 가지고 있기 때문에,Si와 O2를 대칭적으로 배열함으로써,전기적으로 중화된다. 그러나, SiO2압전재료에 응력이 가해지면, 전기적 대칭이 무너지고 전하가 발생한다.
도30A는 수정결정의 개개의 축들을 나타내는 다이어그램이다. 보여진 바와 같이, 가장자리들을 연결하는 축을 X-축(또는 전기축)이라 하고, X-X축에 의해 만들어진 면에 수직인 축을 Z-축(또는 광축)을 Z축이라 한다. 도30B는 극성들이 보여진 X-Y평면상의 단면을 나타낸다. 위에서 설명한 바와 같이, 수정과 같은 단결정 압전재료는 특정한 압전특성을 나타내며, 결정질 압전재료의 분자배열에 의존하는 결정축에 대한 특정 극성들을 가진다.
한편, 진동형 각속도 센서는 진동방향에 대하여 직각으로 작용하는 코리올리의 힘을 검출함으로써 물체의 회전을 검출한다. 그러므로, 각속도센서는 2 방위에 대하여 압전특성을 가져야 하며, 또한 진동을 인가하는 수단 및, 인가된 진동의 직각방향의 힘 또는 진동을 검출하는 수단을 가져야 한다. 일반적으로, 소리굽쇠 발진기는 도31에 보여진 바와 같은 방향으로 압전재료가 절단된다.도31에 보여진 방향으로 절단되어진 소리굽쇠 발진기에 구동진동을 인가하는 것은 용이하지만, 검출된 코리올리의 힘(수직방향의 진동)의 감도는 극히 낮다.
따라서, 본 발명의 목적은 센스 전극에 의한 높은 검출감도를 갖는 각속도센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적에 따라, 예를 들면 포토리소그라피 방법에 의해 형성될 수 있는 단순한 전극 구조를 갖는 각속도 센서가 제공된다.
도1은 본 발명의 실시예1에 따른 각속도 센서의 소리굽쇠 발진기의 구성도
도2는 도1의 소리굽쇠 발진기의 좌측면도.
도3은 도1의 소리굽쇠 발진기의 정면도.
도4는 도1의 소리굽쇠 발진기의 우측면도.
도5는 도1의 소리굽쇠 발진기의 배면도.
도6A은 도1의 소리굽쇠 발진기의 구동모드동안에 전하의 흐름을 보여주는 설명도.
도6B는 도1의 소리굽쇠 발진기의 구동모드동안에 진동의 응력과 방향을 보여주는 설명도.
도7A는 도1의 소리굽쇠 발진기의 검출모드동안에 전하의 흐름을 보여주는 설명도.
도8은 본 발명의 각속도 센서용 회로 블록 다이어그램.
도9는 본 발명의 소리굽쇠 발진기용 회로 다이어그램.
도10은 본 발명의 소리굽쇠 발진기를 제조하는 다른 변형예의 공정에 대한 공정 다이어그램.
도11은 도1에서 보여진 소리굽쇠 발진기용 구동전극의 다른 변형예의 배열체를 보여주는 다이어그램.
도12는 도1에서 보여진 소리굽쇠 발진기용 센스 전극의 다른 변형예의 배열체를 보여주는 다이어그램.
도13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 각속도 센서의 소리굽쇠 발진기의 다이어그램.
도14는 전극들을 보여주는 도13의 소리굽쇠 발진기의 좌측면도.
도15는 도1의 소리굽쇠 발진기의 정면도.
도16은 도1의 소리굽쇠 발진기의 우측면도.
도17은 도1의 소리굽쇠 발진기의 배면도.
도18A는 도1의 소리굽쇠 발진기의 구동모드동안에 전하의 흐름을 보여주는 설명도.
도18B는 도1의 소리굽쇠 발진기의 구동모드동안에 진동의 응력과 방향을 보여주는 설명도.
도19A는 도1의 소리굽쇠 발진기의 검출모드동안에 전하의 흐름을 보여주는 설명도.
도19B는 도1의 소리굽쇠 발진기의 검출모드동안에 진동의 응력과 방향을 보여주는 설명도.
도20은 도13에 보여진 소리굽쇠 발진기용 구동전극들의 다른 변형예의 배열체를 보여주는 다이어그램.
도21은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 각속도 센서의 소리굽쇠 발진기의 다이어그램.
도22는 전극들을 보여주는 도21의 소리굽쇠 발진기의 좌측면도.
도23은 도22의 소리굽쇠 발진기의 정면도.
도24는 도22의 소리굽쇠 발진기의 우측면도.
도25는 도22의 소리굽쇠 발진기의 배면도.
도26A는 도22의 소리굽쇠 발진기의 구동모드동안에 전하의 흐름을 보여주는 설명도.
도26B는 도22의 소리굽쇠 발진기의 구동모드동안에 진동의 응력과 방향을 보여주는 설명도.
도27A는 도22의 소리굽쇠 발진기의 검출모드동안에 전하의 흐름을 보여주는 설명도.
도27B는 도22의 소리굽쇠 발진기의 검출모드동안에 진동의 응력과 방향을 보여주는 설명도.
도28은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 각속도 센서의 소리굽쇠 발진기의 다이어그램.
도29A-29G는 본 발명에 따른 소리굽쇠 발진기의 다른 변형예들을 보여주는 도면.
도30A는 수정의 개개의 축들을 설명하기 위하여 사용된 다이어그램.
도30B는 수정의 X-Y 평면으로 자른 단면을 보여주는 다이어그램.
도31은 공지의 소리굽쇠 발진기의 다이어그램.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1, 2: 소리굽쇠 부재 1a, 1b, 2a, 2b: 암
3a, 3b: 구동전극 5: 모니터 전극
6: 접지 전극 7a, 7b, 7c, 7d: 센스 전극
8, 9, 13, 14: 웨이퍼
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따라, 단결정 압전재료를 되어 있는 적어도 2 개의 암과 상기 암들을 연결하는 적어도 하나의 루트 부재를 포함하는 제 1 소리굽쇠 부재와; 상기 제 1 부재의 형상과 전체적으로 유사한 형상을 가지며 또한 단결정 압전재료를 만들어지는 제 2 소리굽쇠 부재를 포함하는 바이모르프 구조(bimorph structure)로 이루어지는 각속도센서가 제공된다. 제 1 소리굽쇠 부재와 제 2 소리굽쇠 부재는, 상기 두 소리굽쇠 부재들의 압전재료는 그의 결정축방향에서 폭방향으로 서로 반대극성을 가지면서, 두께방향으로 직접적으로 결합되어 일체형 바이모르프 소리굽쇠 발진기 구조를 이룬다.
보다 상세하게는, 제 1 소리굽쇠 부재와 제 2 소리굽쇠 부재는 전기적으로 작용하는 X-방향에서 서로 역극성을 가진다. 그러므로, 소리굽쇠 발진기의 암들중 하나의 암의 서로 대향하는 주면들상에 형성된 단지 한 세트의 센스 전극들을 제공할 필요가 있다. 전기장이 X-축 방향으로 인가된다면, 전기장 방향과 극성화된 방향들은 암의 하나의 표면측상에 배열되지만, 다른 표면상에서는 역이며, 또한, 대향하는 방향들에서의 신축력들은 진동에 대향하도록 작용하며, 신축력들은 X-축 방향에 수축인 평면에 평행하게 작용한다. 대조적으로 공지 장치들에서는, 코리올리의 힘에 의한 전하성분은 암의 단면 중앙부근에서 소실된다. 기술된 바와 같이, 압전재료의 극성을 반대로 함으로써, 코리올리의 힘에 의해 생기는 전하들의 방향이, 암의 단면에서, 각속도센서의 효율을 크게 향상시킨다. 그러므로, 공지 각속도 센서들의 전기장의 세기를 약화시키거나 감소시키는 인자는 감소되어, 본 발명의 각속도센서의 검출감도를 향상시킨다. 이 배열에 의해, 본 발명의 바이모르프 구조는 공지센서와 두 배 정도로 높은 코리올리의 힘의 검출감도를 가진다. 그래서, 코리올리의 힘이 검출될 축방향이, 압전특성이 높은 축방향이기 때문에, 결과적으로 각속도센서는 높은 감도와 우수한 총 S/N 비를 가진다.
더우기, 본 발명의 각속도센서에서는, 소리굽쇠 발진기의 주면과 평행한 진동을 일으키기 위한 구동전극들은 바람직하게는 소리굽쇠의 두 암들중 하나의 외부 주변면들상에 형성되고, 소리굽쇠 발진기의 주면에 수직인 진동에 의해 발생된 전하를 검출하기 위한 센스 전극들은 바람직하게는 소리굽쇠의 다른 암의 대향하는 측면들상에 형성되어, 공지기술에 비하여 전극 구조를 단순화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일 면에 있어서, 단결정 압전재료로 이루어진 제 1 및 2 암들과, 상기 제 1 및 2 암들을 연결시키는 적어도 하나의 루트 부재를 포함하는 소리굽쇠 발진기로 이루어지는 각속도 센서가 제공된다. 제 1 및 2 암들은, 상기 제 1 및 2 암들의 결정축들의 극성들이 소리굽쇠 발진기의 두께방향에서 반대가 되도록, 접합된다. 본 발명의 바이모르프 소리굽쇠의 두 암들에서 압전재료의 극성들은 반대로되기 때문에, 두 암들로부터 검출된 바와 같이, 코리올리의 힘에 의한 전하성분들은 서로 동위상이지만, 가속성분에 대하여는 반대위상이다. 이 때문에 증폭기의 증폭단계들이 단순화될 수 있도록 센스 전극들과 공통전극을 용이하게 연결시킬 수 있다. 이러한 구성의 다른 하나의 장점은 공지의 두 독립된 증폭기의 위상 변이 및 온도특성에 의한 중간 전압의 드리프트의 문제가 해결될 수 있다는 점이다.
본 발명의 다른 또 하나의 장점은, 소리굽쇠의 두 암들사이에서(두 암들의 중앙에서)다른 압전재료들의 극성에서, 하나의 암은 바람직하게는 소리굽쇠를 구동하기 위하여 또한 구동동작을 모니터링하기 위하여 사용되며, 다른 하나의 암은 코리올리의 힘을 감지하고 감지동작을 모니터링하거나, 또는 코리올리의 힘을 단지 감지하기 위하여 사용된다. 그 결과, 직교하는 두 진동들을 압전적으로 효율이 양호하게 처리할 수 있다. 즉 소리굽쇠 발진기의 구동 및 코리올리의 힘에 의한 응력의 검출을 효율이 양호하게 처리할 수 있다.
본 발명의 다른 한 면에 따라, 압전현상과 압전역현상을 나타내며, 결정체의 전기적으로 작용하는 X-축 방향의 일단을 + 극성 및 타단을 - 극성으로 한 결정의 압전판으로 되어 있는 두 소리굽쇠 부재들; 및 소리굽쇠 루트부재로부터 연장되어 폭 또는 두께 방향에 X-축방향을 설정하는 한 쌍의 암들을 포함하는 각속도센서를 제공하며, 여기서 두 소리굽쇠 부재들은, X-선 방향의 극성들이 서로 반대가 되도록,직접적으로 접합된다.
본 발명의 다른 한 면에 따라서, 기술한 바와 같이, 각속도 센서들은, 검출감도가 향상될 수 있게 극성이 반대인 소리굽쇠 발진기의 개개의 암들에 인가되도록, 분리되지 않고 단일 구조로 형성된 센스 전극들을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 면에 있어서, 소리굽쇠 부재들은 단결정 압전재료의 적어도 두개의 판을 직접적으로 다른 결정축방향들으로 접합하여 만들어진 판상재료로부터 포토리소그라피에 의해 형성되는 각속도 센서를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 따라서, 발진기는 아주 저렴하게 다량으로 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 한 면에 있어서, 소리굽쇠 부재들이, 웨이퍼들상에 결정축들의 다른 방위각들로 직접 접합된 단결정 압전재료의 적어도 두 개의 웨이퍼들로부터 포토리소그라피에 의해 형성되는, 각속도 센서를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 접합전에 에칭된 소리굽쇠 부재들을 접합함으로써, 두꺼운 소리굽쇠 발진기도 포토리소그라피 방법에 의해 제조될 수 있다. 그러므로, 높은 정밀도와 높은 S/N 비가 요구되는 용도들에서도 상기의 기술이 이용될 수 있다.
본 발명의 이들 목적, 다른 목적, 특징 및 장점들, 구조 및 동작은 이하, 첨부도면에 의거한 설명에 의하여 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 소리굽쇠 발진기를 이용하는 각속도 센서의 구조도를 보여준다.
도면번호 1a 와 1b는 루트 부재(1c)에 의해 이어지는 암들을 나타내며, 암들(1a, 1b)과 루트부재(1c)는 제 1 소리굽쇠 부재(1)를 형성한다. 유사하게, 도면번호 2a, 2b는 루트 부재(2c)에 의해 이어지는 암들을 나타내며, 암들(2a, 2b)과 루트 부재(2c)는 제 2 소리굽쇠 부재(2)를 형성한다. 소리굽쇠 부재들(1 및 2)는 각각 수정과 같은 단결정 압전재료로 만들어지며, 서로 직접 접합되어 바이모르프 구조를 형성한다. 잘 알려진 바와 같이, 부재들의 표면들을 충분히 평활하게 하여 친수화처리후에, 부재들의 표면들에 수산기를 흡착시키고, 부재들을 중첩한 상태로 열처리를 실시함으로써, 계면으로부터 수산기나 수소가 이탈하여 부재들이 접합되어 일체구조와 동일한 접합상태를 얻을 수 있다.
도1에 보여진 바와 같이, 소리굽쇠 부재(1)는 1d로 표시된 바와 같이 결정축방향들을 가지며, 소리굽쇠 부재(1)에 접합되는 소리굽쇠 부재(2)는 2d로 표시된 바와 같이, 소리굽쇠 부재(2)의 X-축이 소리굽쇠 부재(1)의 X-축과 역방향이 되는 결정축방향을 가진다. 다시 말하면, 소리굽쇠 부재들(1 및 2)은, 그의 X-축 방향들이 그의 주면들의 방향에서 서로 반대가 되도록, 접합된다.
다음에, 이와 같이 하여 구성된 각속도 센서용 소리굽쇠 발진기를 도2 내지 도7을 참고하여 상세히 설명될 것이다. 도3, 5 및 6A에 보여진 바와 같이, 암들(1a 및 2a)의 A-B 평면측(즉, 정면측 및 배면측)에는 이 소리굽쇠 발진기를 공진주파수에서 A-B 평면으로 압전구동하기 위한 구동전극(3a 및 3b)이 설치되어 있다. 구동전극들은 아래에 기술될 외부 발진회로에 의해 전기적으로 구동된다. 도7A에 보여진 바와 같이, 암들(1b 및 2b)의 A-B 평면측에는, 소리굽쇠 발진기의 발진회로에 의해 발생된 진동의 진폭을 검출하기 위한 모니터 전극(5)과 접지전극(6)이 설치되어 있다. 한편, 암들(1a, 1b, 2a,및 2b)의 B-C평면측에는, 소리굽쇠 발진기의 B-축상에 각속도에 대응하여 발생된 코리올리의 힘을 압전적으로 검출하는 센스 전극들(7a, 7b, 7c,및 7d)이 설치되어 있다. 본 실시예에서, 센스 전극들(7a,및 7b)은 효율적으로 접지된 전극이고, 구동전극으로서의 기능도 한다.
본 실시예에서는, 모니터전극(5)에서 발생된 전하는, 도8에 보여진 바와 같이, 외부회로의 M 입력에 인가되고, 증폭기(20)에 의해 증폭된 후, AGC(자동 이득 제어기)에 의해 미리 설정된 기준신호와 비교기(22)에 의해 비교되고, 소리굽쇠 발진기의 진동진폭이 일정하게 되도록 상기 발진회로를 제어하여 구동신호들 D-와 D+을 제어한다. 한편, 센스 전극들(7a 내지 7d)은 코리올리의 힘에 의한 신호를 검출하고, 이 검출신호는 도8의 외부 회로의 센스 입력들(S1 와 S2)에 인가되고, 증폭된 후, 모니터 전극(5)으로부터의 신호와 동기화된다. 피변조신호는 복조기(24)에서 복조된다. 그리고나서, 불요대역은 저역필터(LPF)에 의해 필터링되어 센서 출력, Vout을 만든다.
도6A 및 6B는 암(1a)의 단면에서 생기는 변형 및 (A-B 평면 진동의)구동모드에서의 전하의 흐름을 보여준다. 구동시, 구동전극들(3a 및 3b)에는 반전된 구동신호을 인가함에 의하여 도시된 바와 같이 각 암을 폭방향으로 신축시켜, 전하흐름이 생긴다. 이 때, 암들(1a,및 2a)는 X-축이 반전되어 있기 때문에, 도6B에 도시된 바와 같이, 변형이 암들의 폭방향에서 반전되도록 응력이 발생된다. 이러한 방식으로, 암들(1a 및 2a)은 A-B 평면에서 진동될 수 있다. 모니터 전극(5)은 소리굽쇠 발진기의 진동에 의해 생기는 전하를 압전적으로 검출한다. 도7A 및 7B는, 암(1b)의 단면에서의 응력 및 코리올리의 힘의 검출모드에서의(또는 A-B 평면에서의) 전하를 보여준다. 코리올리의 힘은 B-C평면(도2참고) 방향의 진동이기 때문에, 도7B에 보여진 바와 같이, 암이 두께 방향으로 신축된다.이것에 의해 발생하는 전하는, 소리굽쇠 부재(1)과 소리굽쇠 부재(2)의 암들의 축이 반전하고 있기 때문에 도7A에 보여진 바와 같이, 동일한 방향으로 되어, 센스 전극들(7a, 7b, 7c,및 7d)에 의해 효율적으로 검출가능하게 된다.
도9는 본 발명의 실시예1에 따른 각속도센서의 제조방법을 보여준다. 도9에서, 도면부호 8 및 9는 수정과 같은 단결정 재료로 만들어진 웨이퍼들을 나타낸다. 웨이퍼들(8 및 9)의 각각은 최종적으로 완성되는 소리굽쇠 발진기(12)의 두께의 약 1/2인 두께를 갖는다. 또한, 웨이퍼들(8 및 9)은 그의 결정축방위가 다르다. 본 예에서는, 웨이퍼들(8 및 9)의 방위각은 그의 주면에서 서로 역방향의 관계에 있다. 웨이퍼들(8 및 9)은 접합방법에 의해 직접접합되어 단일 판(10)이 된다. 공지의 소리굽쇠 발진기등을 제조하는 데 사용되는 포토리소그라피 공정들과 유사한 종래의 포토리소그라피 공정에 의해, 11로 표시된 소리굽쇠 발진기들이 형성된다. 그리고나서, 전극들은 종래의 기술들을 사용하여 소리굽쇠 발진기상에 형성된다. 그 후, 소리굽쇠 발진기들은 개개의 소리굽쇠 발진기들(12)로 분할된다. 웨이퍼의 상태에서, 다른 결정축방향들을 갖는 단결정의 압전재료를 접합함으로써, 소리굽쇠 발진기들은, 통상의 소리굽쇠 발진기등의 공정과 유사한 공정을 사용하여 제조될 수 있다.
도10은 실시예1의 각속도센서를 제조하기 위한 변형 공정을 나타낸다. 도10에서, 웨이퍼들(13 및 14)은 수정과 같은 단결정의 압전재료의 박판이며, 소리굽쇠 발진기들은 포토리소그라피 공정에 의해 형성된다. 웨이퍼들(13 및 14)은 최종적으로 완성된 소리굽쇠 발진기(16)의 약 1/2의 두께를 갖는다. 앞에서와 같이, 소리굽쇠 발진기들은 그의 결정축방위를 달리 하고 있다. 웨이퍼들(13 및 14)은 어라인너 (aligner)에 의해 정확하게 위치결정되고나서, 도면번호 15로 표시된 바와 같이 바이모르프 구조로 직접접합된다. 그 후, 전극들은 소리굽쇠 발진기들상에 형성되고 나서, 전극들은 개개의 소리굽쇠 발진기들(16)으로 분할된다. 최종의 소리굽쇠 발진기들의 약 1/2의 치수를 갖는 재료를 에칭함으로써 소리굽쇠를 형성하는 이 기술을 사용함으로써, 에칭시간은 통상적으로 요구되는 에칭시간에 약 1/2 정도이다. 또한, 에칭된 단면의 평탄도는 용이하게 유지될 수 있으며, 두꺼운 발진기들은 쉽고 정확하게 형성될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 있어서는, 소리굽쇠 발진기들의 암들(1a 및 2a)은 구동전극으로의 기능을 또한 수행하는 센스 전극들(7a 및 7b)을 가진다. 그러나, 도면 11 및 12에 보여진 바와 같이, 전극들(7a 및 7b)은 구동전극들로만 사용될 수 있고 코리오리의 힘은 센스 전극들(7a 및 7b)에 의해 감지될 수 있다. 또한, 모니터 전극(5)과 접지전극(6)은 생략될 수 있다.
도13 내지 도19는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 각속도 센서를 보여준다. 도13에서는, 도면번호(1a 및 1b)는 루트 부재(1c)에 의해 연결되어 제 1 소리굽쇠 부재(1)를 형성하는 한 쌍의 암들을 나타낸다. 유사하게, 도면번호(2a 및 2b)는 루트 부재(2c)에 의해 연결되어 제 2 소리굽쇠 부재(2)를 형성하는 한 쌍의 암들을 나타낸다. 소리굽쇠 부재들(1 및 2)은 각각 수정과 같은 단결정 압전재료로 이루어지며, 서로 직접접합되어 바이모르프 구조를 이룬다. 도13에 보여진 바와 같이, 소리굽쇠 부재(1)과 소리굽쇠 부재(2)의 개개의 암들의 X-축이 반전되도록, 소리굽쇠 부재(1)는 1d로 표시된 바와 같이, 결정축방향으로 접합되고, 소리굽쇠 부재(2)는 2d로 표시된 바와 같이, 결정축방향으로 접합된다. 다시 말하면, 제 1 소리굽쇠 부재(1)와 제 2 소리굽쇠 부재(2)는 접합되어 X-축 방향들이 그것들의 두께 방향에서 서로 반전된다.
도14 내지 도19는, 실시예2를 더 상세하게 보여준다. 도면번호 3a 및 3b는 구동전극들, 도면번호 5는 모니터 전극, 도면번호 6은 접지전극을 나타내며, 그의 모든걱은 소리굽쇠의 하나의 암상에 설치된다. 도면번호 7a 및 7b는 소리굽쇠의 다른 하나의 암상에 설치된다. 도18A에 보여진 바와 같이, 구동모드에서는, 전하흐름은 암들(1b 및 2b)상에 설치된 두개의 구동전극들(3a, 3a) 및 구동전극(3b)에 의해 형성된다. 암들(1b 및 2b)은 X축이 반전되어 있기 때문에, 암의 폭방향으로 반전되어 있는 응력 또는 변형이 발생되어 A-B평면으로 진동될 수 있다. 모니터 전극(5)은 소리굽쇠 발진기의 진동진폭을 검출한다. 도19A 및 19B에 보여진 바와 같이, 코리오리의 힘을 검출하기 위하여, X-축들은 암들(1a 및 2a)상에 반전되어, 전하흐름은 C-축 방향에서 균일하다. 따라서, 코리오리의 힘은 암들(1a 및 2a)의 A-B 평면에 설치되어 있는 센스 전극들(7a 및 7b)에 의해 검출될 수 있다. 변형예로서, 도20에 보여진 바와 같이, 구동전극들(3a 및 3b)은 단일전극들로서 암들(1b 및 2b)의 4 면들상에 형성될 수 있다.
도21은 본 발명의 실시예3에 따른 각속도센서를 보여준다. 도21에서, 도면번호 1은 수정과 같은 단결정 압전재료로 만들어지고 루트 부재(1c)에 의해 연결된 한 쌍의 암들(1a 및 1b)로 구성된 소리굽쇠 발진기를 나타낸다. 암들(1a 및 1b)은, X-축들의 결정축방위각들이 암들의 두께방향에서 반전되도록 루트 부재(1c)에 의해 연결된다. 도21에 보여진 대로, 암들(1a 및 1b)은, X-축들의 결정축방위각들이 암들의 두께 방향에서 반전되도록, 루트 부재(1c)에 의해 연결된다. 도21에 보여진 바와 같이, 암들(1a 및 2b)은 각각 1d 및 2d로 표시된 대로, 결정축방향들을 가지며, 암들(1b 및 2b)은 결정축방향들이 X-축 방향에서 반전되게 서로 직접접합되어 있다. 도22 내지 도27B에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예3에서, 센스 전극(7a)은 암(1a)의 제 1 주면상에 설치되고 접지전극(6)은 암(1a)의 반대쪽 주면에 설치되며, 구동전극들(3a 및 3b)은 암(1a)의 제 1 주면상에 설치된다. 모니터 전극들은 다른 암(1b)의 제 1 주면상에 설치된다. 센스 전극(7b)은 암(1b)의 동일 주면상에 설치되고, 접지전극(6)이 암(1b)의 반대쪽 주면상에 설치된다.
도26A 및 26B에 보여진 바와 같이, 구동모드에서 전하흐름은 구동전극(3a)으로부터 접지전극(6)을 거쳐 구동전극(3b)으로 형성되어 응력이 암(1a)의 폭방향으로 반전되는 반복적인 응력을 발생시킨다. 따라서, 암(1a)에서 신축력이 발생되어, 소리굽쇠 발진기를 진동시킨다. 다음에는, 모니터전극들(5)은, 접지전극(6)에 대해 소리굽쇠 발진기의 진동진폭에 비례하는 전하를 검출한다. 다음으로, 코리올리의 힘 검출 모드에서, 전하들은 도27A 및 27B에 보여진 바와 같이, 전하흐름에 의해 센스 전극들(7a 및 7b)에서 발생된다. 센스 전극들(7a 및 7b)은 코리올리의 힘을 검출하고, 가속성분은 센스 전극들을 공통으로 연결함으로써 소실되어, 외부회로는 미분 증폭기를 필요로 하지 않는다.
도28에 보여진 바와 같이, 실시예3의 구조는, 암들(1a 및 1b)이, 암들(1a 및 1b)의 결정축방위각들이 X-축방향들에 수직이 되게, 연결되도록 변경될 수 있다(도1d 및 2d 참고). 이 실시예3에서, 구동및 모니터 전극들(보여지지 않음)은 암(1a)에 설치되어 소리굽쇠 발진기를 구동 및 감지할 수 있으며, 센스 전극들(보여지지 않음)은 암(1b)상에 설치되어 코리올리의 힘을 검출한다.
본 발명의 소리굽쇠 발진기를 사용하는 각속도센서는 또한 도29A 및 도29D에 도시3된 바와 같이, 3 부분으로 갈라진 형의 소리굽쇠 발진기들로 구성될 수 있다. 변형예로서, 끝이 닫힌 형의 소리굽쇠 발진기는 도29B 및 도29E에 보여진 바와 같이, 구성될 수 있다. 마지막으로, H-형 소리굽쇠 발진기들은 또한 도29C 및 도29F에 보여진 바와 같이, 구성될 수도 있다. 또한, 유사한 효과들은, 도29G에 보여진 바와 같이, 소리굽쇠 발진기가 3 부분들로 분할되어 있을 때에도 얻어질 수 있다.
전술한 개개의 실시예들에서는 압전재료를 Z-방향 및 X-방향으로 직교하는 방향의 수정판으로서 설명하였지만, 수정이 전류각도를 가져서 소리굽쇠 발진기를 만들 수 있다면 어떠한 수정도 사용될 수 있다. 소리굽쇠 형상을 가지는 압전판은 탄탈산 리튬(LiTa2O3) 또는 니오븀산 리튬(LiNb2O5)가 같은, 다른 단결정 압전재료로 만들어 질 수 있다.
게다가, 압전재료는 단결정으로 기술되어 있지만, 압전재료는 세라믹과 같은 다결정 재료일 수 있다. 그러나, 이 다결정재료는 단결정의 결정립들을 응집함으로써, 예를 들면, 단결정들을 소결하여 결정립들이 균일한 극성을 갖도록 함으로써, 제조된다. 소위, "극성화처리(polarizing treatment)"는 고전압을 다결정재료에 인가하여 그의 결정립들을 적절한 극성상태로 배열함으로써 행하여진다. 또한, 이 경우의 분극방향은 전기적으로 작용하는 X-축으로 된다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 상세하게 보여지고 기술되었지만, 본 발명의 당업자는 본 발명의 기술적 범위를 일탈함이 없이 다양한 변경과 개량을 할 수 있다.
본 발명의 원리 및 범위는 크게 확장될 수 있으며, 전술한 명세서가 아니라 첨부한 청구항에 의해서만 제한될 것이다.
본 발명에 의하면, 압전재료의 극성을 반대로 함으로써, 코리올리의 힘에 의해 생기는 전하들의 방향이, 암의 단면에서 각속도센서의 효율을 크게 향상시킨다. 그러므로, 공지 각속도센서의 전기장의 세기를 약화시키거나 감소시키는 인자는 감소되어, 본 발명의 각속도센서의 검출감도를 향상시킨다. 본 발명에 의하면, 또한, 바이모르프 구조는 공지센서와 두 배 정도로 높은 코리올리의 힘의 검출감도를 가진다. 그러므로, 코리올리의 힘이 검출된 방향이, 압전특성이 높은 축방향이기 때문에,결과적으로 각속도센서는 높은 감도와 우수한 총 S/N 비를 가진다.
또한, 구동전극과 센스전극의 배열을 변경함으로써, 공지기술에 비하여 전극구조를 단순화시킬 수 있다.
그리고, 증폭기의 증폭단계들이 단순화될 수 있도록 센스전극들과 공통전극을 용이하게 연결시킬 수 있으며, 공지의 두 독립된 증폭기의 위상 변이 및 온도특성에 의한 중간전압의 드리프트의 문제가 해결될 수 있다.
또한, 발진기를 아주 저렴하게 대량으로 제조될 수 있으며, 높은 정밀도와 높은 S/N 비가 요구되는 용도에도 본 발명의 기술이 이용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 단결정의 압전재료로 이루어진 적어도 2 개의 암과, 상기 암들을 연결하는 적어도 하나의 루트부재를 포함하는 제 1 소리굽쇠 부재와;
    상기 제 1 소리굽쇠 부재의 형상과 유사한 형상을 가지는 제 2 소리굽쇠 부재를 포함하며,
    상기 제 1 소리굽쇠 부재와 상기 제 2 소리굽쇠 부재는 두께방향으로 직접접합되어, 일체형구조를 형성하며, 상기 제 1 소리굽쇠 부재와 상기 제 2 소리굽쇠 부재의 각각에 대한 압전재료의 극성은 그의 폭방향에서 서로 반전되는 것을 특징으로 하는 각속도센서.
  2. 단결정 압전재료로 이루어진 적어도 2개의 암들과 상기 암들을 연결하는 적어도 하나의 루트부재를 포함하는 제 1 소리굽쇠 부재; 및
    상기 제 1 소리굽쇠 부재의 형상과 유사한 형상을 가지며, 단결정 압전재료로 이루어지는 제 2 소리굽쇠 부재를 포함하며,
    상기 제 1 소리굽쇠 부재와 상기 제 2 소리굽쇠 부재는 두께방향으로 직접접합되어 일체형 구조를 형성하고, 또한 상기 제 1 소리굽쇠 부재와 상기 제 2 소리굽쇠 부재의 각각에 대한 압전재료의 극성은 그의 두께방향에서 서로 반전되는 것을 특징으로 하는 각속도센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 2 암들은 네개의 주변면으로 이루어지며, 상기 센서는 추가적으로 상기 제 1 암과 상기 제 2 암중 하나의 상기 네개의 주변면의 각각상에 형성된 구동전극들과 소리굽쇠 발진기의 주면에 수직인 진동에 의해 발생된 전하들을 검출하기 위한 상기 암들중 다른 하나의 암의 대향하는 측면들상에 형성된 센스 전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도센서.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 2 암들은 네개의 주변면으로 이루어지며, 상기 센서는 추가적으로 상기 제 1 및 2 암들중의 하나의 암의 상기 네개의 주변면들중 각각에 형성된 구동전극들과 소리굽쇠 발진기의 주면에 수직인 진동에 의해 발생될 전하들을 검출하기 위한 상기 암들중 다른 하나의 암의 대향하는 측면들상에 형성된 센스 전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도센서.
  5. 역극성의 압전현상을 생기게 하며 전기활성 X-축의 한 단에서 + 극성을 가지며 다른 한단에서 - 극성을 가지는 결정의 압전판으로 만들어진 두개의 소리굽쇠 부재들과;
    한쌍의 암과 상기 암들을 연결하는 루트부재를 포함하여, 상기 X-축방향을 폭 또는 두께방향으로 설정하는 각각의 소리굽쇠 진동부재를 포함하며,
    상기 두개의 소리굽쇠 부재는 상기 X-축방향의 극성들이 서로 반전되게 직접접합되는 것을 특징으로 하는 각속도센서.
  6. 각각 단결정 압전재료로 이루어지고, 상기 제 1 암과 제 2 암을 연결하는 적어도 하나의 루트부재는 가지는 제 1 암과 제 2 암을 포함하는 각속도센서로서, 상기 제 1 암과 제 2 암의 각각에 대한 단결정압전재료의 결정축방향들은 서로 수직이 되도록, 두께 방향으로 서로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 각속도센서.
  7. 소리굽쇠 발진기로 이루어진 각속도 센서를 제조하는 방법으로서,
    다른 결정축들을 갖도록 하기 위하여 적어도 두 판의 단결정 압전재료를 직접접합함으로써 판상재료를 형성하는 단계; 및
    상기 판상재료로부터 상기 소리굽쇠 발진기를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도센서.
  8. 단결정 압전재료의 제 1 웨이퍼로부터 제 1 소리굽쇠 부재들을 형성하는 단계;
    단결정 압전재료의 제 2 웨이퍼로부터 다수의 제 2 소리굽쇠 부재들을 형성하는 단계; 및
    접합된 제 1 소리굽쇠 부재와 제 2 소리굽쇠 부재들이 다른 결정축방위각을 갖도록 상기 제 1 및 2 소리굽쇠들을 포함하는 상기 제 1 및 2 웨이퍼들을 직접접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 2 항에 따른 각속도센서를 제조하는 방법.
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