KR20020093054A - 회전 속도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 기판(1)의 표면 상에 배치되는 코리올리 요소(100)를 갖는 회전 속도 센서가 제안된다. 코리올리 요소(100)는 제1 축(X)에 평행하게 진동하도록 자극된다. 코리올리 힘을 통하여 코리올리 요소(100)는 제1 축(X)에 대해 수직인 제2 축(Y)에서 편향된다. 편향의 검출을 위하여 검출 요소(140)가 제공된다.

Description

회전 속도 센서{ROTATIONAL SPEED SENSOR}

미국 특허 제6067858호에는 코리올리 요소의 기판 표면에 배치된 회전 속도 센서가 공지되어 있다. 코리올리 요소는 제1 축에서 진동하도록 자극된다. 코리올리 요소의 편향은 코리올리 힘을 기초로 하여 기판에 평행한 제2 축에서 검출된다.

본 발명은 독립항의 전제부에 따른 회전 속도 센서에 관한 것이다.

본 발명의 실시예는 도면에 도시되고 이하의 설명에서 자세히 설명된다.

도1은 본 발명에 따른 제1 회전 속도 센서의 개략도이다.

도2는 도1의 회전 속도 센서의 상세도이다.

도3은 도2의 횡단면도이다.

도4는 회전 속도 센서의 다른 실시예의 개략도이다.

독립항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 회전 속도 센서는 검출 요소 및 진동 요소를 제공하는 장점을 갖는다. 이로써, 검출은 검출 방향으로만 움직이는 검출 요소에서 수행된다. 자극은 자극 방향으로 움직이는 요소에 의해 수행된다. 각 방향의 진동의 주파수는 상기 유형의 시스템에서 특히 간단하게 각 방향에 구성될 수 있다.

다른 장점 및 개선 사항은 종속항의 수단을 통해 달성된다. 코리올리 요소의 진동 자극은 스프링을 통해 구동력을 전달하는 구동 요소에 의해 특히 간단하게 수행된다. 코리올리 요소는 이 구동 요소에서 완전히 현수될 수 있다. 자극 수단으로써 정전기적인 빗 형상 구동부가 구동 요소에 제공될 수 있다. 특히 간단하게코리올리 힘 방향으로만 움직임이 수행되도록 검출 요소가 기판에 현수된다. 이로써, 검출 방향이 아닌 이동 전극의 움직임에 의한 방해 효과는 억제된다. 검출 방향으로 발생하는 선 가속도를 억제하기 위해, 다른 코리올리 요소가 제공될 수 있다. 두 코리올리 요소의 역류 진동을 보장하려면, 역류 진동이 주파수에 따라서 동류 진동과 분명히 구별되어야 한다. 구동 요소 및/또는 코리올리 요소 사이 또는 구동 요소와 검출 요소 사이의 연결 스프링이 제공될 수 있다.

도1 내지 도3에는 본 발명의 제1 실시예가 설명된다. 도1에는 전체 회전 속도 센서의 개략도가 도시되고, 도2에는 회전 속도 센서의 부분 상세도가 도시되고, 도3에는 도2의 측방향 단면도가 도시된다.

도1에는 코리올리 요소(100)가 배치된 도1에 도시되지 않은 기판의 개략도가 도시된다. 코리올리 요소(100)는 장방형의 프레임형 구조로 구성되어 있다. 프레임형의 코리올리 요소(100)는 검출 요소(140)를 둘러싸고 있다. 프레임형의 코리올리 요소(100)는 장방형의 프레임형 구동 요소(102)에 의해 둘러싸여 있다. 구동요소(102)와 코리올리 요소(100) 사이의 연결은 나선 스프링에 의해 제공된다. 나선 스프링은 Y 방향으로는 탄력적으로 구성되고 X 방향으로는 비탄력적으로 구성된다. 구동 요소(102)에는 빗 형상으로 고정 전극(105)에 연결된 이동 전극(104)이 고정된다. 고정 전극(105)은 베어링 블록(106)을 통해 기판(1)에 고정 연결된다. 또한, 구동 요소(102)는 스프링(107)에 의해, 마찬가지로 기판(1)에 고정 연결된 다른 베어링 블록에 연결된다. 스프링(107)은 X 방향으로 탄력적이고, Y 방향으로는 비탄력적이다.

코리올리 요소(100)의 편향 검출을 위해 프레임형의 검출 요소(140)가 프레임형의 코리올리 요소(100) 내에 제공된다. 검출 요소(140)는 베어링 블록(106)을 갖는 스프링 요소(141)를 통해 기판(1)과 연결되는 직사각형의 프레임 구조로 구성된다. 스프링 요소(141)는 Y 방향으로 탄력적이며 X 방향으로 비탄력적이고, 이로써 대체로 검출 프레임(140)이 Y 방향으로 편향될 수 있는 것을 허용한다. 검출 프레임(140)은 스프링 요소(142)를 통해 코리올리 요소(100)와 연결된다. 스프링 요소(142)는 X 방향으로 탄력적이고 Y 방향으로 비탄력적으로 구성되고 이로써 코리올리 힘이 Y 방향으로 잘 전달된다. 검출 프레임(140) 내에는 도1에만 도시되는 격자형 평가 수단(101)이 배치된다. 이 요소의 상세도는 도2 및 도3과 상응한다.

이로써, 회전 속도 센서는 베어링 블록(106)을 통해 기판(1)과 연결된다. 이로써, 구동 요소(102), 검출 요소(140) 및 코리올리 요소(100)가 기판(1)에 대해 상대적으로 움직일 수 있다. 이 요소의 움직임은 스프링 요소(103, 107, 141, 142)를 통해 결정된다.

스프링(107)은 X 방향으로는 탄력적으로, Y 방향으로는 비탄력적으로 구성되도록 설계된다. 이로써, 구동 요소(102)는 대체로 X 방향과 평행한 트랙을 따라 움직인다. 코리올리 요소(100)는 스프링(103)을 통해 구동 요소(102)와 연결된다. 이로써, 코리올리 요소(100)는 구동 요소(102)에 상대적으로 대략 Y 방향으로만 움직일 수 있다. 구동 요소(102)가 X 방향과 평행한 방향으로 움직일 때, 코리올리 요소(100)도 이 방향으로 움직인다. 따라서, 코리올리 요소(100)는 기판(1)에 대해 상대적으로 X 방향에 평행한 방향 뿐만 아니라 Y 방향으로도 움직일 수 있다. 검출 요소(140)는 스프링(141)을 통하여 기판(1)에 대해 상대적으로 Y 방향에 평행한 방향으로만 움직이는 것이 가능하다. 스프링(142)을 통하여 이 방향으로 코리올리 요소(100)에 작용하는 힘이 검출 요소(140)에 전달된다. 이로써, 검출 요소(140)는 코리올리 요소(100)의 움직임에서 Y 방향으로 상응하게 변위된다.

센서의 기능 설명을 위하여 코리올리 요소(100)의 중심점(110)이 제공된다. 중심점은 각각 프레임형 코리올리 요소(100)의 중심에 있다.

이동 전극(104)과 고정 전극(105) 사이에 전기 전압을 인가함으로써 구동 요소(102)는 진동하도록 자극된다. 이에 상응하게 코리올리 요소(100)도 진동하도록 자극된다. 코리올리 요소(100)의 중심점(110)은 X 축에 평행한 축에서 움직인다. 중심점은 코리올리 힘의 작용없이(즉, 기판(1)에 대한 수직으로 놓인 축주위를 기판의 회전 움직임 없이) 직선으로 움직인다. Z 축 주위로 즉, 기판에 수직으로 놓인 축 주위로 기판이 회전하면, 회전 축에 대해 수직이며 움직임 축에 수직인 코리올리 힘이 코리올리 요소(100)에 작용한다. 이 힘은 Y 방향으로 작용하고, 코리올리 요소의 변위는 Y 방향으로 작용한다. 코리올리 요소(100)의 변위는 Y 방향으로 비탄력적으로 구성된 스프링(142)을 통해 검출 요소(140)에 전달되고, 검출 수단(101)에 의해 검출되는 검출 요소(140)의 상응하는 변위가 작용한다.

이로써, 이동 전극(104)은 고정 전극(105)과 구동 요소(102)와 함께 수단을 형성하고, 이 형성 수단을 통하여 코리올리 요소(100)가 진동하도록 자극되며, 진동 시에 중심점(110)의 진동 축이 기판에 대해 평행하게 정렬된다.

도2에는 도1의 검출 요소(140)의 평가 수단(101)에 대한 확대된 상세도가 도시된다. 프레임형의 코리올리 요소(140)는 평가 수단(101)을 둘러싼다. 이는 격자형의 전극(121)으로 구성되고, 다수의 격자형 전극(121)이 검출 요소(140)의 프레임형 구조 내에 제공된다. 이 격자형 전극(121)은 안정을 위해 중심 빔(130)과 서로 연결된다. 각 전극(121)은 베어링(106)을 통해 기판(1)에 고정 전극들(122, 123) 사이에 배치된다. 이로써, 전극들(112, 123)은 기판(1)에 대해 상대적으로 움직이지 않는 고정 전극으로 구성된다.

도3에는 도2의 선 Ⅲ-Ⅲ을 따른 횡단면도가 도시된다. 도3에는 기판(1) 및 기판의 표면에 배치된 전도체(130)가 횡단면으로 도시된다. 전도체(130)에는 앵커(106)가 고정됨으로써 기판(1)과 확실하게 결합된다. 베어링(106)과 베어링에 고정 전극은 전기적으로 전도되고 전도체(130)에 의해 병렬로 연결된다. 각 이동 전극들(121)은 고정 전극(122)과 고정 전극(123) 사이에 배치된다. 한편으로는 이동 전극(121)과 전극(122)사이에, 다른 한편으로는 이동 전극(121)과 고정 전극(123)사이에 두 개의 콘덴서가 구성된다. 이 두 용량은 차동 용량으로 구성되는데, 즉, 하나의 용량의 증가 시 다른 하나의 용량이 상응하게 감소되도록 구성된다. 두 전극 그룹(122, 123)의 베어링 블록(106)에 대한 측방향 오프셋을 통해 상응하는 전도체(130)에 의해 각 상응하는 콘덴서가 서로 병렬 연결될 수 있다.

도3에는 검출 요소(140)가 기판 상에 배치되고, 검출 요소(140)와 연결된 전극(121)도 기판(1) 상에 장착된다는 것이 횡단면으로 잘 나타나 있다. 횡단면도에는 베어링 블록(106)을 통해 전도체(130) 상에 배치되어 기판과 확실하게 결합된 전극(122)의 베어링 블록(106)을 통한 단면이 도시된다. 도3의 횡단면도에서, 전극(123)은 마찬가지로 기판 상에 도시된다. 그러나, 상기 전극은 다른 위치에서 전극을 위한 상응하는 전도체(130)를 통해 기판(1)과 고정 연결된다.

평가 수단(101), 전극들, 특히 전극(122, 123)에 대해 상대적인 이동 전극(121)들 사이의 전기 용량의 측정을 통하여, 기판에 대해 상대적인 검출 요소(140)의 진폭이 결정될 수 있다. 발생하는 코리올리 힘 및 기판이 회전되는 회전율이 결정될 수 있다.

코리올리 요소(100), 구동 요소(102), 검출 요소(140), 스프링 및 전극과 같은 기판에 장착된 요소와 기판(1)의 재료로써 바람직하게는 상응하는 도핑에 의해 전도성으로 형성되는 실리콘이 사용된다. 기판은 절연된 층을 통해 요구되는 곳에 전기적으로 절연될 수 있다. 그러나, 세라믹, 유리 또는 센서용 금속과 같은 다른 재료가 사용될 수도 있다.

본 구성은, 격자형의 전극(121)이 Y 방향으로만 움직일 수 있고, 이로써 고정 전극(122, 123)에 대해 상대적인 횡방향 움직임이 발생하지 않는 장점이 있다.X 방향으로의 움직임은 측정에 대해 바람직하지 못하고 가능한 오류 발생의 원인이 될 수 있다. 검출 프레임(140)과 앵커는 스프링(141)을 통해 기판(1)에 이동 전극(121)이 Y 방향으로 움직이도록 구성된다.

회전 속도 센서는 진동이 X 방향과 Y 방향으로 수행되는 진동 가능한 시스템이 중요하다. 그러나, 각 방향으로 동일한 질량과 스프링이 고려되지 않고, 특히, 고유 진동이 상이한 방향으로 구별된다. 인가된 신호의 주파수가 고유 진동의 주파수를 수용하면, 진동의 자극 시, 각 방향으로 최대 편향이 발생하기 때문에, 전극(104, 105)에 인가되는 자극 주파수가 Y 방향의 고유 진동과 일치하는 것은 강한 측정 신호에 유리하다. 각 방향으로의 고유 주파수는 질량과 스프링 상수로부터 발생한다. X 방향으로의 진동에 대해, X 방향으로의 스프링(107, 142)의 스프링 상수 및 구동 요소(102)와 코리올리 요소(100)의 질량이 고려된다. Y 방향으로의 고유 진동에 대해, Y 방향으로의 스프링(103 내지 141)의 스프링 상수와 코리올리 요소(100)와 검출 요소(140)의 질량이 고려된다. 스프링 상수와 질량은 X 방향과 Y 방향으로의 고유 진동의 주파수가 대체로 동일하도록 구성된다. Y 방향으로의 큰 편향에 대한 작은 회전율에서 상수는 쉽게 측정될 수 있다.

그러나, 대량 생산에서 양 방향으로의 주파수의 정확한 조정은 기계적 수단만으로는 보장될 수 없기 때문에 공정 변화가 회피되지 않을 수 있다. 그러나, 고정 전극(122, 123)에 대한 전기 직류 전압의 인가가 도움이 될 수 있다. 전기 직류 전압의 인가를 통하여 이동 전극(121)과 검출 요소(140)에 작용하는 Y 방향으로의 편향에 따른 힘이 발생될 수 있다. 이로써, 스프링(141)의 스프링 상수가 감소되기 때문에, Y 방향으로의 진동에 대한 주파수가 감소된다. 이로써, 스프링 상수와 질량은 Y 방향으로의 고유 진동의 주파수가 X 방향으로의 고유 진동의 주파수보다 약간 더 높게 구성되어야 한다. 상응하는 직류 전압의 선택을 통하여 생산 제한적인 양 방향으로의 주파수의 편차가 보상될 수 있다. 직류 전압은 측정 신호에 추가로 모든 전극에 인가되거나 또는 추가의 전극들이 직류 전압을 위해서만 제공될 수 있다.

도4에는 본 발명의 다른 실시예가 도시된다. 도1과의 차이는 도1에 도시된 코리올리 요소(100)에 추가로, 기판(1) 상에서 코리올리 요소(100)에 인접하여 배치된 다른 코리올리 요소(200)가 제공되는 것이다. 다른 코리올리 요소(200)는 프레임형의 구동 요소(202)에 의해 둘러싸이고, 스프링(203)에 의해 구동 요소에 연결된다. 다른 구동 요소(202)는 베어링 블록(206)을 갖는 스프링(207)에 의해 기판에 연결된다. 다른 코리올리 요소(200)는 베어링 블록(206)을 갖는 스프링(241)에 의해 기판(1)에 연결되는 다른 검출 요소(240)에 스프링(242)에 의해 연결된다. 다른 요소의 기능은 도1에 도시된 바와 같은 요소의 기능과 상응하고, 상응하게 기능하는 다른 요소는 도1의 부호에 100을 더하여 표시된다.

이로써, 도4에는 도1에 따른 센서의 중복된 실시예가 도시되나, 두 구동 요소(102, 202)를 서로 연결시키는 연결 스프링(50)이 추가로 제공된다. 두 구동 요소(102, 202)가 역류하는 진동을 발생시키면, 상기 연결 스프링은 X 방향으로의 진동을 위해 고려되어야 한다. 동류의 진동에서 스프링(50)은 변형되지 않기 때문에, 진동 모드에서 스프링(50)은 고려되지 않는다. 이로써, 두 진동 모드는 각 주파수에 의해 구별되기 때문에, 진동 모드는 의도적으로 자극될 수 있다. 역류의 진동이 의도적으로 발생되어야 하는데, 이는 Y 방향으로 코리올리 요소(100, 200)와 검출 요소(104, 240)에 작용하는 선가속도에 대한 몫이 신호의 감산을 통하여 억제될 수 있기 때문이다. 구동 요소들(102, 202) 사이의 연결 스프링 대신에 코리올리 요소 및/또는 검출 요소(140, 240) 사이의 연결 스프링이 제공될 수 있다. 그러나, 둘러싸고 있는 각각의 프레임에는 연결 스프링에 의해 안내되는 절결부가 제공되어야 한다.

Claims (9)

1. 코리올리 요소(100)를 포함하고, 코리올리 요소(100)를 제1 축에 평행하게 진동하도록 자극할 수 있는 자극 수단(104, 105)이 제공되고, 제1 축에 수직인 제2 축에서 코리올리 힘에 의한 코리올리 요소(100)의 편향을 검출할 수 있는 검출 수단(101)이 제공되고, 제1 축과 제2 축(X, Y)이 기판(1)의 표면에 평행한 회전 속도 센서에 있어서,

   자극 요소(102)와 검출 요소(140)가 기판(1)의 표면 상에 제공되고, 제1 축에서는 비탄력적으로, 그리고 제2 축에서는 탄력적으로 구성된 스프링(103)에 의해 자극 요소(102)가 코리올리 요소(100)에 연결되고, 제1 방향에서는 비탄력적으로, 그리고 제2 방향에서는 탄력적으로 구성된 스프링(142)에 의해 검출 요소(140)가 코리올리 요소(100)에 연결되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
2. 제1항에 있어서, 구동 요소는 제1 축(X)에서는 탄력적으로, 그리고 제 2축(Y)에서는 비탄력적으로 구성된 스프링(107)에 의해 기판(1)에 연결되고, 발생 요소(104)는 구동 요소(102)에 연결되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
3. 제1항에 있어서, 발생 수단이 정전기적인 빗 형상 구동부(104, 105)로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 검출 수단에는 스프링(142)에 의해 코리올리 요소(100)에 연결된 검출 요소(140)가 제공되고, 상기 스프링은 제1 축(X)에서는 탄력적으로, 그리고 제2 축(Y)에서는 비탄력적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
5. 제4항에 있어서, 검출 요소(140)는, 기판(1)에 연결된 고정 전극(122, 123)에 대향하여 배치된 이동 전극(121)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 검출 요소(140, 240)는 제1 방향(X)에서는 비탄력적으로, 그리고 제2 방향(Y)에서는 탄력적으로 구성된 스프링(140, 141, 241)에 의해 기판(1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
7. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 코리올리 요소(100), 검출 요소(140) 및 구동 요소(102)의 질량과 스프링의 스프링 상수는, 제1 방향과 제2 방향에서 회전 속도 센서의 고유 진동 주파수가 양 방향에서 대체로 동일하게 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
8. 제7항에 있어서, 고유 진동 주파수가 제2 방향에서 약간 더 높게 선택되고, 제2 방향에서 추가적인 힘의 유입을 통하여 회전 속도 센서의 고유 진동 주파수가양 방향으로 동조되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
9. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 다른 코리올리 요소(200)가 제공되고, 연결 스프링(50)을 통하여 코리올리 요소(100)와 다른 코리올리 요소(200)가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.