KR20030090649A - 평면에 수직인 축선을 따라 감응하는 평면 기계식 공진기 - Google Patents

평면에 수직인 축선을 따라 감응하는 평면 기계식 공진기 Download PDF

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KR20030090649A
KR20030090649A KR10-2003-7011118A KR20037011118A KR20030090649A KR 20030090649 A KR20030090649 A KR 20030090649A KR 20037011118 A KR20037011118 A KR 20037011118A KR 20030090649 A KR20030090649 A KR 20030090649A
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베이티아호세
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사겜 에스에이
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Abstract

본 발명은 폐쇄된 외형을 따라 형성된 평면 모놀리식 진동 구조체와 상기 구조의 평면에 실질적으로 수직인 감응 축선을 구비한 기계식 공진기에 관한 것이다. 본 발명은 평면의 구조체(1)가 4k 정점(3)(k는 공진기가 진동 설정되어 있을 때에 실시된 진동 모드의 차수이다)들을 갖춘 볼록한 정다각형이고 실질적으로 대칭적으로 배치된 반경 방향 연장부를 갖춘 n개의 서스펜션 암(2)들을 통해 고정된 베이스(4, 5)에 매달려 있는 것을 특징으로 한다.

Description

평면에 수직인 축선을 따라 감응하는 평면 기계식 공진기{PLANAR MECHANICAL RESONATOR SENSITIVE ALONG AN AXIS PERPENDICULAR TO ITS PLANE}
현재에는 평면형의 기계식 공진기의 실시예들이 많이 있다. 이에 따라, 공진기의 평면 내에 포함된 축선을 따라 감응하는 공진기(예를 들어 프랑스 특허 공보 제2 685 964호)가 개시되어 있고, 공진기의 평면 내에 포함된 두 직교 축선들을 따라 감응하는 공진기(예를 들어 프랑스 특허 공보 제2 741 151호)가 또한 개시되어 있다.
폐쇄된 환상 외형 또는 정사각형 외형을 따라 형성된 진동 구조체를 갖추고 공진기의 평면에 수직인 축선을 따라 감응하는 기계식 공진기(예를 들어 유럽 특허 공보 제0 461 761호)가 또한 개시되어 있다. 그러나, 이러한 개시된 공진기는 주파수에 관하여 이방성을 나타내므로, 자이로스코프 모드의 작동에 적용되지 못하고자이로메트릭 모드의 작동에 한정되어 사용된다.
현재, 자이로스코프 모드에서 작동할 수 있는 수직 축선 상에 감응하는 평면 모놀리식 기계 공진기가 사용자들에 의해 요구되고 있다.
공진기의 평면에 포함된 두 개의 축선(X 및 Y)들과 공진기의 평면에 수직인 제 3의 축선(Z)으로 이루어진 세 개의 상호 직교 축선을 따라 감응하는 평면 모놀리식 공진기(영국 특허 공보 제2 318 184호)가 또한 개시되어 있다. 그러나, 이러한 장치는 매우 작은 감응도를 나타낸다.
따라서, 특히 자이로스코프 센서에 있어서 정확히 고립되고 쉽게 이용 가능한 신호들을 가지며 또한 세 개의 상호 직교 축선을 따라 감응하는 평면 모놀리식 공진기는 현재 알려져 있지 않다. 실제로, 세 개의 기준 축선들을 따라 감응하는 장치의 구현은, 하나 또는 두 개의 축선들을 따라 각각 감응하고 적절한 상대 공간의 위치에 배치된 여러 개의 공진기들의 조립으로 실시된다. 현재 부득이 필요로 해서 만들어진 이러한 형태의 구성은 값비싸고 부피가 커지는 단점이 알려져 있다.
현재, 특히 센서들이 단일 용도(예를 들어 미사일 또는 유도 포탄을 장착하기 위해서)에 사용되기 위한 것이라면 가능한 한 저가이고, 사용 공간이 매우 비좁은 환경(예를 들어 유도 포탄의 탄두)에서 수용될 수 있도록 가능한 한 부피가 작은 세 개의 직교 축선 상에 감응하는 모놀리식 센서들의 상용화가 사용자들로부터 화급히 요구되고 있다.
본 발명은 일반적으로 자이로메트릭 또는 자이로스코프 관성 센서에 사용될 수 있는 기계식 공진기에 관한 것이고, 특히 기판에 의해 지지된 적당한 재료로 만들어진 평면 모놀리식 진동 구조체를 구비하고 이에 따라 미세 구조체의 제작에 통상 사용되는 화학적 에칭, 레이저 에칭 등의 종래 기술에 의해 제작될 수 있는 기계식 공진기에 관한 것이다.
본 발명은 단지 예시적인 것일 뿐 제한적이지 않은 바람직한 실시예에 따른 상세한 설명으로 보다 잘 이해될 수 있다. 이하에서는 본 발명을 다음과 같은 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1A 내지 도 1C는 본 발명에 따른, 기하학적으로 등방성인 폐쇄된 다각형 외형과 내부 서스펜션을 갖춘 공진기의 3개의 다른 실시예를 각각 도시하여 설명한다.
도 2A 및 도 2B는 본 발명에 따른, 기하학적으로 등방성인 폐쇄된 다각형 외형과 외부 서스펜션을 갖춘 공진기의 2개의 다른 실시예를 각각 도시하여 설명한다.
도 3A 내지 도 3F는 본 발명에 따른, 서스펜션이 등방성인 폐쇄된 다각형 외형을 구비하거나 외부 수단에 의해 보정된 서스펜션의 이방성을 가진 공진기의 선택적인 다른 실시예를 도시하여 설명한다.
도 4A 및 도 4B는 본 발명에 따른, 폐쇄된 다각형 외형을 갖춘 공진기 내의 부가 질량체(extra mass)의 2개의 다른 설계를 도시하여 설명한다.
도 5A 내지 도 5C는 본 발명에 따른, 재료에 있어서 등방성이거나 등방성으로 되도록 보정된 폐쇄된 다각형 외형을 구비하는 공진기의 3개의 다른 실시예를 도시하여 설명한다.
도 6A 및 도 6B는 본 발명에 따른, 3개의 직교 축선들을 따라 감응하는 평면 공진기의 2개의 예시적인 실시예들을 도시하여 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른, 횡단 축선(Z)을 따라 감응하는 가속도계 공진기를 통합한 X, Y 및 Z에 관하여 회전 가속도계인 평면 모놀리식 관성 센서의 평면도이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 평면형 모놀리식 구조를 유지하면서 여러 실용적요건을 만족시킬 수 있는 개선된 구조를 실질적으로 제안하는 것이며, 평면형 모놀리식 구조가 특히 바람직한 이유는, 상기 구조로 인하여 소형 장치의 제조가 가능하기 때문이며, 또한 비교적 단순한 제조 공정에 의해 대량 생산이 가능하거나 형상의 고정밀도가 달성되는 신뢰성 있는 수단을 병행하여 보다 대량 생산이 가능하기 때문이다.
본 발명은, 자이로스코프 기능을 제공할 수 있는 관성 센서들의 구현을 위해서는, 진동하는 공진기가 특히 진동수 및 자이로스코프 결합에 관하여 등방성일 필요가 있다는 사실에 기초를 두고 있다. 일반적으로, 실시된 진동 모드의 차수 (order) k에 관계없이, 자이로스코프 결합의 이방성뿐만 아니라 진동수의 이방성은 공진기의 형상의 결함(defect) 및/또는 공진기의 서스펜션의 결함(공진기는, 바깥쪽으로의 진동 에너지의 손실을 제한하지만 구조의 강성에 관여하고 자이로스코프 기능에 유용한 두 모드의 변형 곡선을 교란하는 상호 연결된 암들의 다소 복잡한 어셈블리에 의해 고정된다) 및/또는 재료의 결함(평면 미세 구조들을 만드는 데 통상적으로 사용된 재료들은 본래 이방성인 결정성 재료이다)에 기인한다.
따라서 진동수의 이방성(Δf)은 형상의 이방성(Δfg), 서스펜션의 이방성( Δfs) 및 재료의 이방성(Δfm)으로 분해될 수 있다.
Δf = Δfg+ Δfs+ Δfm
각각의 항(Δfg, Δfs, Δfm)들이 0이면, 진동수의 이방성(Δf)은 0이 된다.만약 항(Δfg, Δfs, Δfm)들의 대수학적 합계가 0이 된다면, 다시 말하면 개별적으로 0이 아닌 두 항들의 대수학적 합계가 0이 되고 제 3의 항이 0이 되거나(예를 들어 Δfg≠ 0, Δfs≠ 0, Δfm= 0 이고 Δfg+ Δfs= 0), 또는 개별적으로 0이 아닌 항(Δfg≠ 0, Δfs≠ 0, Δfm≠0)들의 대수학적 합계가 0이 된다면, 진동수의 이방성이 0이 될 수 있다.
동일한 방식으로, 자이로스코프 연결의 이방성(Δα)은 형상의 이방성 (Δαg), 서스펜션의 이방성(Δαs) 및 재료의 이방성(Δαm)으로 분해될 수 있다.
Δα = Δαg+ Δαs+ Δαm
각각의 항(Δαg, Δαs, Δαm)들이 0이면, 자이로스코프 연결의 이방성(Δα)은 0이 된다. 만약 항(Δαg, Δαs, Δαm)들의 대수학적 합계가 0이 되면 항들 중 적어도 일부가 0이 아니더라도, 자이로스코프 연결의 이방성(Δα)이 0이 될 수 있다.
본 발명은 자이로메트릭 기능뿐만 아니라 자이로스코프 기능을 제공할 수 있는 센서를 제안하기 위해서 이들 조건들에 기초를 둔다(기본적으로 0인 이방성: Δf= 0, 즉 Δfg= Δfs= Δfm= 0 또는 Δfg+ Δfs+ Δfm= 0이고, Δα= 0, 즉 Δαg= Δαs= Δαm= 0 또는 Δαg+ Δαs+ Δαm= 0).
이들 목적을 위하여, 본 발명은 폐쇄된 외형을 따라 형성된 평면 모놀리식진동 구조체와 상기 구조체의 평면에 실질적으로 수직인 감응 축선을 구비한 기계식 공진기를 제안하며, 본 발명에 의하여 구성된 공진기는, 평면 구조가 4k 정점 (vertices)(k는 공진기가 진동 설정되어 있을 때에 실시된 진동 모드의 차수이다)들을 갖는 볼록한 정다각형이고 실질적으로 대칭적으로 배치된 반경 방향 연장부의 n개의 서스펜션 암들에 의해 고정된 마운트(mount)로부터 매달려 진다.
바람직한 제 1 실시예에서, 4k 정점들을 갖는 볼록한 정다각형 진동 구조체는 π/2k의 각도 간격으로 반복되는 동일한 패턴들을 가지며, 그러한 패턴에 의해 상기 다각형 진동 구조체는 형상의 등방성(Δfg= 0, Δαs= 0)을 나타낸다.
따라서 본 발명의 배치에 의하여, 진동 구조체는 차수 k의 진동 모드에 대하여 횡축선(Z 축선)을 중심으로 한 회전 하에 완전히 일정하게 한정된다. 각도의 간격이 π/2k인 4k 정점들을 갖는 볼록한 정다각형은 차수 k의 진동 모드에 대하여 일정하다. 이러한 공진기는 차수들 k-1 및 k+1의 형상의 결함을 나타내지 않으므로 상기 구조체가 자연스럽게 균형을 잡는다(외부적인 진동 혼란에 대한 둔감도). 이에 따라 k = 2인 경우에, 다각형은 횡 중심 축선(Z 축선)에 대한 회전에 감응하는 평면 구조로 구성된 정8각형이고, 형상에 관하여 기하학적으로 균형이 잡히고 등방성이며, 링 공진기와 같이 거동한다.
평면 공진기의 새로운 그룹은 이렇게 한정되고, 그들의 변형 곡선들은 공진기의 평면 내에 실질적으로 포함된다. 따라서 그러한 공진기의 감응 축선은 폐쇄된 구조의 평면에 직교한다.
재료의 이방성에 관하여 말하자면, 진동수 및 자이로스코프 연결의 이방성은 공진기의 구성 재료가 본래 등방성인 경우에 0이다. 이러한 분야에서 결정성 재료의 특성(화학적 에칭에 의한 미세 가공의 가능성, 감소된 내부 손실 및 이에 따른 높은 Q 요소들) 때문에 통상적으로 사용된 결정성 재료들(이른바 석영 및 실리콘)은, 이러한 재료가 등방성임이 입증된 결정성 재료의 대칭 및 웨이퍼의 절단 각도와 관련하여 특정된 소정의 검출된 진동 모드의 차수 k를 제외하고는 이방성이다.
이들 조건하에서의 다른 바람직한 실시예에 따라서, 차수 2(k = 2)의 진동 모드의 경우에, 평면 공진 구조는, 8각형 형상이고, 절단 평면의 OZ 축선, 또는 OX 축선, 또는 OY 축선을 포함하는 입방 구조의 결정성 재료, 특히 실리콘으로 만들어져야 하며, 이에 따라 진동 구조체는 차수가 k = 2인 경우에 재료의 등방성(Δfm= 0, Δαm= 0)을 나타낸다.
마찬가지로, 차수 3(k = 3)의 진동 모드의 경우에, 평면 공진 구조체는, 12각형 형상이고, 절단 평면의 OZ 축선, 또는 OX 축선, 또는 OY 축선을 포함하는 입방 구조의 결정성 재료, 특히 실리콘으로 만들어져야 하며, 이에 따라 진동 구조체는 차수가 k = 3인 경우에 재료의 등방성(Δfm= 0, Δαm= 0)을 나타낸다.
다른 바람직한 실시예에서, 수에 있어서 n = 4k가 되도록 그리고 각도의 간격이 π/2k에 의해 각으로 이격되도록 서스펜션 암들이 설치되고, 이에 따라 진동 구조는 서스펜션의 등방성(Δfs= 0, Δαs= 0)을 나타낸다.
또 다른 가장 바람직한 실시예에 따라서, 만약 공진기가 위에서 설명한 배치에 따라 형상의 등방성(Δfs= 0, Δαs= 0), 재료의 등방성(Δfm= 0, Δαm= 0) 및 서스펜션의 등방성(Δfs= 0, Δαs= 0)을 동시에 나타내는 진동 구조로 본 발명에 따라 구성된다면, 이러한 공진기는 진동수 및 연결 계수에 관해서 완전히 등방성이고 자이로메트릭 모드에서뿐만 아니라 자이로스코프 모드에서도 작동될 수 있다. 따라서, 이와 같은 공진기는 사용자들의 일부 요구 사항들을 충족시킨다.
그러나, 의도적으로 도입된 이방성(형상 및/또는 서스펜션)이 사용된 결정성 재료의 본래 이방성을 보정하도록 공진기의 형상(형상의 이방성) 및/또는 서스펜션 (서스펜션의 이방성)의 국한된 변형을 도입함으로써, 재료로 인한 이방성을 보정하는 것이 또한 가능하다. 이에 따라 바람직한 실시예에 있어서, 4k 정점들을 갖는 다각형 진동 구조체는 k = 2의 경우에 비삼각형 구조 또는 k = 3의 경우에 비입방형 구조의 결정성 재료로 만들어지고, 따라서 기본적으로 재료의 이방성(Δfm≠ 0, Δαm≠ 0)을 나타낸다. 상기 다각형 진동 구조체는 본 발명에 따라 형상의 적어도 하나의 국부적 변형을 또한 나타내도록 구성되고, 및/또는 서스펜션은 적어도 하나의 국부적 변형을 나타내고, 따라서 상기 다각형 진동 구조체는 재료의 이방성을 보정할 수 있는 형상의 이방성(Δfg≠ 0, Δαg≠ 0) 및/또는 서스펜션의 이방성(Δfs≠ 0, Δαs≠ 0)을 각각 나타내며, 이에 따라 상기 다각형 진동 구조체는 진동수(Δf= 0) 및 연결(Δα = 0)에 관하여 등방성을 나타내며, 공진기는 자이로메트릭 모드 또는 자이로스코프 모드에서 작동할 수 있다. 이러한 공진기는 또한 사용자들의 일부 요구 사항들을 충족시킨다.
예를 들어 실리콘으로 만들고 차수가 k = 2에서 작동하는 본 발명에 따른 공진기가, 균일하게 분포된 4개의 동일한 질량체들을 추가함으로써 및/또는 암들의 강성을 변형시킴으로써 등방성으로 만들어지는 것이 가능하다.
마찬가지로, 차수가 k = 3에서 작동하는 본 발명에 따른 석영 공진기가, 균일하게 분포된 6개의 동일한 질량체들을 추가함으로써 및/또는 암들의 강성을 변형시킴으로써 등방성으로 만들어지는 것이 가능하다.
또한, 선택될 서스펜션의 암들의 수가, 서스펜션의 등방성을 얻기 위해서 위에서 언급한 수(n = 4k)와 달라지는(더 낮게) 것이 가능하다. 이러한 이유는 특히 현재 개발하고 있는 소형화된 자이로스코프 장치의 경우에 n = 4k의 서스펜션 암들(k = 2인 경우에 n = 8의 서스펜션 암들 및 k = 3인 경우에 n = 12의 서스펜션 암들)을 수용하기에 부족한 자유 공간 때문일 수 있다.
이들 조건들 하에서, 다른 바람직한 실시예에 따라, 서스펜션 암들은 수에 있어서 n < 4k이고 n ≠ pk(p는 정수)이고 n≤k-2 또는 n≥k+2가 되도록 n이 선택되고 각도의 간격이 2π/n으로 이격되며, 이에 따라 다각형 진동 구조체는 기본적으로 서스펜션의 이방성(Δfs≠ 0, Δαs≠ 0)을 나타낸다. 상기 다각형 진동 구조체는, 각도 치수 π/k에 의해 편의되고, 서스펜션 암들의 부족한 수로 인하여 서스펜션의 이방성을 보정할 수 있는 형상에 관한 이방성(Δfg≠ 0, Δαg≠ 0)을 발생시키는 차수 2k의 질량체의 결함을 야기시킬 수 있는 형상의 국부적 결함을 나타내기 위해서 본 발명에 따라 구성되며, 이에 따라 상기 다각형 진동 구조체는 진동수(Δf= 0) 및 연결(Δα = 0)에 관하여 등방성을 나타내고, 공진기는 자이로메트릭 모드 또는 자이로스코프 모드에서 작동할 수 있으며, 따라서 사용자들의 일부 요구 사항들을 충족시킨다.
만약 n = pk이라면, 공진기는 자연적으로 균형을 이루면서 서스펜션의 이방성을 나타냄을 알 수 있다.
이러한 경우에 보정은, 서스펜션 암들이 진동 구조체에 연결되거나 진동 구조체 내에 설치되는 지점 부근에 형상의 국부적 결함(특히 질량체들의 추가)이 위치된다면 보다 효과적일 것이다.
전술한 배치에 따른 본 발명에 의하여 만들어진 공진기 모드의 경우에는 형상의 적어도 하나의 이방성(Δfg≠ 0, Δαg≠ 0), 또는 재료의 적어도 하나의 이방성(Δfm≠ 0, Δαm≠ 0), 또는 서스펜션의 적어도 하나의 이방성(Δfs≠ 0, Δαs≠ 0)을 나타내고, 따라서 이러한 공진기는 진동수 및/또는 연결 계수에 관하여 완전히 등방성인 것은 아니며 자이로메트릭 모드에서만 작동될 수 있는 반면에 자이로스코프 모드에서는 이용될 수 없다.
상술된 방법을 기초로 하여 채택한 방법에 상관없이 진동 구조체의 서스펜션에 관하여 말하자면, 마운트가 평면 진동 구조체를 둘러싸도록 그리고 서스펜션 암들이 진동 구조체 바깥쪽에 있도록 설계하는 것이 가능하며, 또한 마운트가 진동 구조체와 실질적으로 동심인 중앙 허브를 구비하고, 서스펜션 암들이 진동 구조체안쪽에 있도록 또한 설계하는 것이 가능하다. 그러나, 암들의 수가 4k와 같거나 근접하는 경우에, 암들이 차지하는 공간은 차수 k가 높을 수록 모두 더 커지며, 이에 따라 특히 폐쇄된 외형을 가진 진동 구조체 내부의 암들을 갖춘 중앙 허브의 경우에, 부착 지점과 기계적 분리를 작은 불균형의 경우에 얻을 수 있게 하는 암들의 강성을 최적화할 가능성이 거의 없게 된다. 이러한 관점에서 중앙 허브를 갖춘 공진기에 있어서, 4k의 값이 작도록 낮은 차수(특히 k = 2)의 모드를 선택하는 것이 유리하다.
본 발명에 의하여 횡축선(Z 축선)을 따라 감응하는 평면형의 모놀리식 기계 공진기의 실시에 의해 달성된 상술한 장점들에 더하여, 두 개의 축선(X, Z 또는 Y, Z)들을 따라 또는 3개의 축선(X, Y, Z)들을 따라 감응하는 평면 모놀리식 공진기를 얻도록 진동 구조체의 평면에 포함된 축선(X 또는 Y)을 따라 또는 두 개의 축선(X, Y)들을 따라 감응하는 평면형 공진기를 갖춘 본 발명에 따른 공진기를 기능적으로 결합할 수 있는 추가적인 장점들이 존재할 수 있다. 특히 위에서 설명한 바와 같이 구성된 기계식 공진기가, 상술한 프랑스 특허 공보 제2 741 150호에서 개시된 공진하는 빔과 같이, 폐쇄된 외형을 가진 진동 구조체와 실질적으로 동심인 중앙 허브에 의해 지지되고 폐쇄된 외형을 가진 진동 구조체의 평면에서 실질적으로 중앙 허브를 둘레에 방사상으로 위치된 공진 빔을 구비한 기계식 공진기와 조합되는 것을 고려할 수 있으며, 이에 따라 자이로메트릭 또는 자이로스코프 장치가 하나의 동일한 평면 내에 실질적으로 위치된 모든 장치의 진동 요소들을 구비하고(모놀리식 실시예의 가능성) 마운트에 주어진 회전율(Ω)의 3개의 구성 요소(Ωx, Ωy, Ωz)들을 검출할 수 있으며, 구성 요소(Ωx, Ωy)들은 공진 빔에 의해 검출되고 구성 요소(Ωz)는 폐쇄된 외형을 가진 진동 구조에 의해 검출된다.
따라서 본 발명에 따른 배치에 의해, 공진기들의 파라미터들을 적절히 선택함으로써, 3개의 상호 직교 축선 상에서 측정할 수 있는 평면 모놀리식 공진기를 만드는 것이 가능하고, 공진기의 평면에 위치된 축선(X, Y)들은 자이로메트릭 작동 모드로 제한되며 직교 축선(Z)은 자이로스코프 작동 모드로의 접근을 허용한다. 따라서 사용자들의 다른 요구 사항들이 본 발명의 구성 내에서 충족된다.
또한 보다 일반적으로, 본 발명에 따른 평면형의 모놀리식 공진기는 다양한 형태의 다수의 평면 센서들, 자이로메트릭 및/또는 자이로스코프 센서들뿐만 아니라 압력 센서, 온도 센서 등과 함께 조합되는 보다 광대한 응용 장치의 평면 모놀리식 구조 내로 통합될 수 있다. 특히, 본 발명은 2개의 직교 축선에 대하여 가속도계 검출의 기능과, 3개의 직교 축선에 대하여 자이로스코프 검출의 기능을 제공할 수 있는 평면 통합된 모놀리식 구조를 구현할 수 있게 하며, 그러한 구조는 평면형의 통합 모놀리식 관성 플랫폼의 코어를 구성한다.
상술한 바와 같이 사용된 차수 k의 진동 모드에 관계없이, 기계식 공진기의 연결 계수의 이방성뿐만 아니라 진동수의 이방성을 3개의 항들로 분리시키는 것이 가능하다는 것이 먼저 상기될 것이다.
Δf= Δfm+Δfg+Δfs
및 Δα= Δαm+ Δαg+Δαs
여기서 첨자 m, g 및 s는 공진기의 재료, 형상 및 서스펜션의 결함을 나타낸다. 따라서 이방성(Δf, Δα)이 0이 되기 위해서, 이들 두 관계식들의 각각의 항이 0이 되거나 대수학적 총합(Δfm+Δfg+Δfs, Δαm+ Δαg+Δαs)이 0이 되어야 한다.
또한 기계적 균형 조건들에 관해 말하자면, 차수 k의 모드의 경우에 차수 k - 1 및 k + 1의 결함이 횡단 방향 여기(excitation)에 대한 감응을 일으키거나 차수 k가 축방향 각도의 가속에 대한 감응을 일으킨다. 그러나, 통상의 작동 환경에서, 축방향 각도의 가속에 의해 발생된 에러는 이들 각도 가속이 선형 가속과 비교하여 작고 공진기의 작은 치수에 의해 가중된 경우에는 무시될 수 있다. 이들 조건들 하에서, 차수 k의 결함은 고려될 필요가 없다.
이들 특성들은 본 발명에 따른 기계식 공진기의 설계를 위한 기초를 구성하며, 다음의 설계에 따라서 본 발명의 기계식 공진기의 형상, 서스펜션 및 재료의 선택(및 재료의 절단 평면의 선택)에 관하여 연속적으로 개시한다.
본 발명에 의하여, 폐쇄된 외형을 따라 형성된 평면 모놀리식 진동 구조체와상기 구조체의 평면에 실질적으로 수직인 감응 축선을 구비한 기계식 공진기는, 평면 구조가 4k 정점(k는 공진기가 진동 설정되어 있을 때에 실시된 진동 모드의 차수이다)들을 갖는 볼록한 정다각형이고 실질적으로 대칭적으로 배치된 반경 방향 연장부의 n개의 서스펜션 암들에 의해 고정된 마운트로부터 매달려 진다.
첫 번째로 공진기의 형상에 관하여 말하자면, 공진기의 형상의 완전한 이방성(즉 0인 형상의 이방성: Δfg= 0, Δαg= 0)의 획득은 상기 구조의 평면에 직교하는 횡 중앙 축선(Z 축선)에 대한 회전 하에 전체적으로 변형되지 않는 4k 정점들을 갖춘 상술된 평면 다각형 진동 구조체의 실시의 결과이며, 동일한 방식으로 각도의 편의가 π/2k로 반복된다. 이러한 형상을 가진 기계식 공진기는 차수 k-1, k+1 및 k의 결함을 나타내지 않는다.
예를 들어, 차수 2(k = 2)의 모드에서 사용된 기계식 공진기의 통상의 경우에, 공진기가 평면 정8각형의 형상을 갖고 횡 중앙 축선(Z 축선)에 대한 회전에 감응한다면 형상에 관하여 등방성이 된다. 이러한 공진기는, 형상에 관하여 본질적으로 등방성인 것으로 알려진 링 공진기와 같이 거동한다.
동일한 방식으로, 차수 k(k = 3)의 모드에서 사용된 기계식 공진기의 통상의 경우에, 공진기가 정12각형의 형상을 가진다면 형상에 관하여 등방성이 된다.
다른 한편으로, 종래 기술의 정사각형의 공진기는 형상에 관하여 0인 이방성을 나타낼 수 없으며, 따라서 본 발명의 구성 내에서 표현된 요구 사항들을 충족시킬 수 없다.
따라서, 본 발명은 공진기의 평면 내에 포함된 변형 곡선을 구비한 평면 기계식 공진기의 새로운 구성을 이끈다. 이들은 k≥2의 경우에 4k 정점들을 가진 볼록한 정다각형의 형상인 기계식 공진기들이며, 감응 축선(Z 축선)이 공진기의 평면에 직교한다.
이제 기계식 공진기의 서스펜션에 관하여 말하자면, 추구하려는 서스펜션은 공진기가 예를 들어 가공 정확도의 오차로 인한 불균형을 나타내는 경우에 공진기의 부착 지점으로 전달된 진동에 관하여 여과 역할을 충족시키기에 충분한 가요성이 있어야 한다. 반대로, 상기 장치는 공진 모드들이 진동수에 관하여 너무 낮게 되지 않도록 가요성이 너무 많아서는 안되고 센서의 작동 환경에 의해 활성화될 수 있다.
이들 요구 사항들을 충족시키는 가장 일반적인 장치는 n = 4k개의 여러 개의 서스펜션 암들을 요구한다. 이들 암들은 모두 동일하고, 각도 간격 π/2k인 상태로 균일하게 분포된다. 암들은 한 쪽이 공진기에 연결되고, 다른 한 쪽이 마운트 또는 외부 박스에 고정된 고정 부착 지점에 연결된다. 암들이 고정 부착 지점에 연결되는 경우에, 부착 지점은 공진기에 대해 중앙에 위치될 수 있어서(중앙 피벗 또는 중앙 허브) 서스펜션 암들이 공진기의 폐쇄된 외형 안쪽으로 연장되며, 또는 부착 지점이 공진기의 바깥쪽에 위치(예를 들면 공진기를 에워싸는 마운트)되어서 서스펜션 암들이 공진기의 폐쇄된 외형 바깥쪽으로 연장된다.
채택된 방법에 상관없이, 암들은 일반적인 반경 방향 연장부를 구비하고, 상술된 여과 및 강성의 특성들이 결합될 수 있도록 암들의 정확한 형상이 간단한 직선으로부터 벗어나서 복잡한 구성을 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 당업자는 이들 요건들을 만족시키는 데 적합한 다양한 구성을 알고 있다.
본 발명에 따라서 공진기가 4k 정점들과 4k 서스펜션 암들을 갖춘 볼록한 정다각형 형상인 경우에, 고정 지점들은 잔류 진동이 충분히 작은 곳, 즉 정점 또는 다각형 구조의 측면들의 중간에 정확히 위치된다.
이러한 장치는 차수 k - 1, k + 1 및 k의 결함을 나타내지 않는다.
과제를 해결하기 위한 방안으로, 도 1A는 예를 들어 8각형 구조체(1)의 정점(3)들과 중앙 허브(또는 피벗) 사이에 연장되고 내부에 위치된 8개의 서스펜션 암(2)들을 갖춘, 볼록한 정8각형 형상의 진동 구조체(1)를 구비한 기계식 공진기를 설명한다. 서스펜션이 요구된 가요성을 나타내기 위해서, 암(3)들은 보통 대략 반경 반향 연장부이지만 거의 Z자 형상을 구비한다.
도 1B에서 진동 구조체(1)를 구비한 8각형 공진기는, 거의 직선의 반경 방향 연장부를 나타내지만 너무 높은 강성을 주지 않기 위해서(마운트가 받을 수 있는 진동의 기계적 여과의 효과를 위해서) 약간 안쪽으로 휘어지는 8개의 내부 암(2)들의 도움으로 매달려진다.
도 1A의 공진기의 더 높은 가요성을 주는 Z자 형상인 암들은 외부 프레임(1)을 경직시키지 않기 위해서 가늘게 되어야만 하는 도 1B의 암들보다 더 큰 단면을 구비할 수 있다. 이러한 점은 공진기 상에 위치된 여기 및 검출 전극을 연결하는 트랙들의 신호 처리 엘렉트로닉스로의 안내를 구현하기 위하여 특히 중요하다. 그러나, 암들의 수는 4k에 해당하므로 비교적 높고, 이들 암들이 차지하는 공간은 모드의 차수가 더 높을 수록 더 많은 공간을 필요로 하며, 따라서 이들 암들의 강성을 최적화할 가능성이 거의 없게 된다. 이러한 관점에서, 모드의 낮은 차수 예를 들어 차수 2는, 적산값 4k 즉 암들의 수가 작도록 선택된다.
물론, 상술된 바와 같이 암(2)들은, 도 1A 및 도 1B에서 예시된 바와 같은 구조의 정점들보다는 도 1C에서의 실시예로서 예시된 바와 같이 다각형 구조체의 측면들의 중간에 연결될 수 있다.
마찬가지로 서스펜션 암들은 도 2A 및 도 2B의 실시예로서 예시된 바와 같이 다각형 구조체의 바깥쪽에 있을 수 있고, 다각형 진동 구조체(1)와 상기 진동 구조체(1)를 둘러싸는 마운트(5) 사이에 배치되며, 상기 마운트(5)는 특히 원형(예를 들어 도 2A에서 암(2)들은 진동 구조체(1)의 정점들로부터 이탈) 또는 다각형(예를 들어 도 2B에서 암들은 두 개의 동심 다각형 외형을 각각의 중간부를 연결)일 수 있다.
마지막으로 기계식 공진기의 구성 재료에 관하여 말하자면, 진동수 및 자이로스코프 연결의 이방성은 사용된 재료가 본래 등방성이라면 0이 될 수 있다. 현재, 결정성의 특성으로 인하여 실리콘 결정과 석영 결정은 이방성이다. 이들 두 개의 결정성 재료는 극소 전자공학에서 주로 사용되는 방법과 같은 화학적 에칭에 의해 일반적으로 미세 가공되므로, 이러한 이방성은 상당히 문제가 된다. 또한, 이들 결정성 재료는, 예를 들어 감소된 내부 손실과 그로 인한 높은 Q 요소들과, 석영의 경우에 석영의 압전 특성으로 인하여 공진 모드의 여자 및 검출의 가능함과 같은 수많은 다른 장점들을 가지고 있다.
결과적으로, 재료에 관하여 제로(zero) 이방성을 위한 조사를 구실로 하여 이들 결정성 재료들의 사용을 배제시킬 수 없다.
그러나, 링 또는 4k 정점들을 갖춘 볼록한 정다각형의 형상의 공진기의 상술된 형상에 대하여, 재료의 이방성의 크기를 감소시키거나 또는 제로 이방성을 얻는 다른 해결 방법들을 얻을 수 있다.
사용된 모드의 차수 k가 재료의 대칭과 함께 결합될 수 있는 경우에 그리고 결정의 절단 평면이 정확히 선택된다는 조건으로 해결 방법을 정확하게 알 수 있을 것이다. 따라서, 이들 형상들이 석영에서 차수 2로 그리고 실리콘에서 차수 3으로 등방성임을 알 수 있다. 이러한 특성은 이들 재료들의 강성 배열의 특정한 구조에 기인한다. 일반적인 관점에서 재료에 관하여 말하자면, 4k 정점들을 갖춘 볼록한 정다각형의 형상의 공진기는, 차수 2의 모드(8각형 형상의 공진기)의 경우에 만약 재료의 절단 평면이 OXY 평면에 위치한 삼각형 구조를 가진다면(예를 들어 석영) 그리고 차수 3의 모드(12각형 형상의 공진기)의 경우에 만약 재료의 절단 평면이 OX 축선, OY 축선 또는 OZ 축선을 포함하는 입방 구조를 가진다면(예를 들어 실리콘) 진동수 및 연결 계수에 관하여 자연히 등방성이 된다. 차수 2는 더 높은 차수보다 방법이 덜 복잡하고, 석영의 볼록한 정8각형은 바람직하게 본질적으로 등방성 (Δfm= 0, Δαm= 0)으로 구성될 수 있다.
바람직하게, 개시된 3개의 배치들을 동시에 결합하는 진동 구조체를 만드는 것이 가능하다. 이러한 구조체는 형상의 등방성(Δfs= 0, Δαs= 0), 서스펜션의등방성(Δfs= 0, Δαs= 0) 및 재료의 등방성(Δfm= 0, Δαm= 0)으로 나타낸다. 기본적으로 완전하게 등방성(Δf= 0, Δα= 0)이 됨과 동시에, 이러한 구조체는 자이로메트릭 모드에서뿐만 아니라 자이로스코프 모드에서도 작동될 수 있다.
그러나, 형상, 서스펜션 및 재료의 3개의 등방성들을 동시에 얻는 것은 불가능하다. 이러한 경우에, 언급된 제 1의 이방성의 효과를 보정하기 위해서, 다른 형태의 이방성을 신중히 도입함으로써 다른 형태의 이방성의 효과를 통해 특정 형태의 이방성을 보정하는 것을 생각할 수 있다. 이러한 경우에, 만약 구조가 제 3 형태의 경우에 등방성이라면, 이러한 구조는 전체적으로 등방성을 나타낼 것이다. 예를 들어, 만약 구조가 서스펜션에 관하여 이방성(Δfs≠ 0, Δαs≠ 0)이라면, 형상의 이방성(Δfg≠ 0, Δαg≠ 0)은 Δfs+ Δαg= 0 및 Δαs+ Δαg= 0이 되도록 신중하게 도입될 수 있으며, 또한 구조가 재료에 관하여 등방성(Δfm= 0, Δαm= 0)이고 Δf= 0, Δα= 0이 실제로 얻어지면, 구조는 등방성이며 자이로스코프 모드에서 사용될 수 있다.
이하에서는 특정한 실시예들이 설명될 것이다.
서스펜션의 등방성을 얻는 데 필요한 수의 암들을, 특히 안쪽 암들의 경우에, 설치하는 어려움(이용 가능한 공간의 부족)을 개선하기 위해서, 암들의 수가 4k보다 적게 하는 다른 가능성이 고려될 수 있다. 그러나, 서스펜션 암들이 차수가 나쁘게 선택되는 경우에, 결함의 차수가 k의 정수배라면, 진동수의 이방성의 결함과 적절하게 일치될 수 없거나 또는 결함의 차수가 k ± 1과 동일하다면, 기계적 고립의 결함과 부적절히 일치하는 차수를 가진 결함을 도입한다.
암들은 수에 있어서 n이 4k보다 적고(n < 4k) 각도의 간격이 2π/n으로 이격되며, 차수 n의 강성의 결함이 도입된다. 따라서, 수용 가능한 경우들이 n ≠ pk(p는 정수)로서 n≤k - 2 및 n≥k + 2에 대응하며, 여기서 p는 정수(p ∈ N), 또는 N = pk이다. 후자의 경우에, 보여지는 진동수의 이방성은 차수 2k의 질량체 결함을 신중하게 도입함으로써 쉽게 보정될 수 있다. 차원적으로 진동수와 동등한 양은, 암들이 공진기 내로 설치되는 지점 부근에 위치된 최대의 질량체들과 함께, π/k 마다 동일한 질량체(m)를 추가함으로써 폐쇄된 외형의 전면에 일정하게 유지된다. 차수 k의 질량체 결함(재료의 제거)을 통한 보정이 또한 고려되지만, 이러한 경우에 감응 축선을 따라 각도 가속도에 대한 공진기의 감응도가 증가하며, 이에 따라 이러한 해결 방법은 포기된다.
실시예에 있어서, 120도 마다 분포된 3개의 동일한 암들을 갖춘 장치는 진동수에 관하여 등방성이고 사용된 모드가 차수 1 또는 5인 경우에 공진기를 불균형하게 하지 않는다. 다른 한편으로, 12각형의 구조를 이끄는 차수 3(k = 3)의 모드에서의 장치의 작동에는, 등방성을 유지시키기 위해서 암(2)들이 진동 구조체(1)에 설치되는 곳에 3개의 질량체(m)들을 추가하고 두 개의 연속적인 설치 지점들 사이의 중간에 질량체(m)를 추가할 필요가 있고, 질량체들은 각도 π/3으로 이격된다(도 3A).
마찬가지로, 90도마다 분포된 4개의 동일한 암들을 갖춘 장치는 진동수에 관하여 등방성이고 사용된 모드가 차수 6인 경우에 공진기를 불균형하게 하지 않는다. 그러나 차수가 2인 경우(8각형 구조)에는, 암들이 설치되는 지점에서 추가된 4개의 질량체(m)들을 준비하는 것이 필요하다. k = 4인 경우(16개의 측면들을 갖춘 다각형 구조)에는, 설치 지점에서 질량체(m)들에 대하여 45도로 이동된 4개의 추가적인 질량체(m)들을 준비하는 것이 또한 필요하다(도 3F).
다른 실시예에 있어서, 60도마다 분포된 6개의 동일한 암들을 갖춘 장치는 진동수에 관하여 등방성이고 사용된 모드가 차수 4인 경우에 공진기를 불균형하게 하지 않는다. 그러나 차수 2의 모드(8각형 구조)에서 작동하기 위해서는, 4개의 질량체(m)들이 90도마다 추가되어야만 하고(도 3C), 차수 3의 경우(12각형 구조)에는 6개의 질량체(m)들이 60도마다 암들이 설치되는 지점에 추가되어야만 한다(도 3D).
암들이 그들 사이에 2π/n과 다른 각도를 만들면서 암들의 수(n)가 4k보다 적은 경우에는, 도입된 결함이 모든 조화수(harmonics) 1, 2, 3 등등을 가진 강성의 결함이 된다. 이러한 경우에, 해결 방법은 사용된 모드의 차수에 따른 각각의 경우를 기초로 하여 연구되어야 한다. 이에 따라 k = 2인 경우(8각형 구조)에, 조화수 2 및 4의 강성의 결함을 만들어 해결할 수 있고, 이들 두 개의 결함은 진동수의 이방성의 관점에서 서로 상쇄된다. 4개의 암들은 이러한 목적을 위하여 45도-135도에서 배치된다(도 3E). k = 4인 경우에(도시되지 않음), 4개의 암들을 갖춘 동일한 구성이 또한 적절할 수 있다.
실용적인 관점에서 보면, 질량체의 추가는 반경 방향(도 4A), 축방향 또는 계단 형상(도 4B)일 수 있는 융기부 또는 돌출부(6)를 폐쇄된 다각형 구조 상에 설치하여 얻어진다. 반경 방향으로 또는 축방향으로 이용 가능한 공간에 따라 선택되어 진다. 이러한 융기부의 구성은 공진기의 구성으로 쉽게 통합될 수 있고 제작 공정(화학적 에칭, 레이저 에칭, 등등)의 행위에 결코 거스르지 않는다.
요약하여 보면, 3개 또는 4개의 암들을 갖춘 서스펜션들은 등방성이고 구조의 기계적 균형을 만족시킨다. 이들 서스펜션들은 4k 정점들을 갖춘 볼록한 정다각형의 형상의 공진기들에 유리하게 적용될 수 있다. 특히, 차수 2의 모드는 4개의 암의 서스펜션에 적합하고, 차수 3의 모드는 도 3A에서 예시된 형태에 따른 3개의 암의 서스펜션에 적합하다.
마찬가지로, 형상 및/또는 서스펜션의 이방성을 신중하게 도입함으로써, 예를 들어 다각형 공진기 및/또는 서스펜션 암들의 형상을 국부적으로 수정함으로써(서스펜션의 배치는 서스펜션에 관하여 상기에 이미 언급한 의견에 의해 상기된다), 형상 및/또는 서스펜션의 이방성이 재료의 이방성을 보정하도록 재료의 이방성을 위한 보정을 조사할 수 있다.
달리 표현하면, 4k 정점들을 갖춘 다각형 진동 구조체는 k = 2의 경우에 비삼각형 구조 또는 k = 3의 경우에 비입방형 구조로 된 결정성 재료로 만들어지고, 따라서 기본적으로 재료의 이방성(Δfm≠ 0, Δαm≠ 0)을 나타낸다. 상기 다각형 진동 구조체는 형상의 적어도 하나의 국부적 변형을 또한 나타내도록 고안되며, 및/또는 서스펜션은 적어도 하나의 국부적 변형을 나타내고, 따라서 상기 다각형 진동 구조체는 재료의 이방성을 보정할 수 있는 형상의 이방성(Δfg≠ 0, Δαg≠0) 및/또는 서스펜션의 이방성(Δfs≠ 0, Δαs≠ 0)을 각각 나타내고, 이에 따라 상기 다각형 진동 구조체는 진동수(Δf= 0) 및 연결(Δα = 0)에 관하여 등방성을 나타내며, 공진기는 자이로메트릭 모드 또는 자이로스코프 모드에서 작동할 수 있다.
예를 들어 본 발명에 따라 요구된 형상을 구비하고 차수가 2에서 작동하는 실리콘 공진기가 상술된 바와 같이 4개의 동일한 질량체들을 추가함으로써 및/또는 암들의 강성을 변형시킴으로써 등방성으로 만들어질 수 있다. 마찬가지로, 차수가 k = 3에서 작동하는 본 발명에 따라 기하학적으로 형상화된 석영 공진기가 상술된 바와 같이 6개의 동일한 질량체들을 추가함으로써 및/또는 암들의 강성을 변형시킴으로써 작동되도록 또한 만들어질 수 있다.
도 5A 내지 도 5C에서는 개시되어진 본 발명의 몇 개의 예시적인 실시예들을 설명하고 있다.
도 5A에서, 차수 2의 모드(8각형 구조)에서 작동되어야 하는 공진기(1)는 석영으로 만들어지고, 서스펜션은 중앙 허브(4)와 반대 방향으로 각각 짝을 이룬 대향면 및 인접면의 4개의 중간부 사이에 연장되는 4개의 Z자 형상인 암(2)들로 만들어지며 이에 따라 부족한 수의 암들을 보정하는 차수 2 및 4의 강성의 이방성을 준다.
도 5B에서, 동일한 설계에 따라 배치된 동일한 암(2)들을 갖춘 동일한 공진기(1)가 차수 2의 모드(8각형 구조)에서 작동하며 실리콘으로 만들어진다. 재료의이방성을 보정하기 위해서, 차수 4의 질량체의 이방성은, 두 개의 대향 암들이 설치되는 지점(8각형의 대응 면들의 중간)에 배치된 두 개의 질량체들과 상기 두 개의 대향 암들이 설치되는 지점에 수직인 두 개의 측면의 각각 중간에 배치된 두 개의 질량체들로서 90도로 상호 편의된 4개의 질량체(m)들을 추가함으로써 도입된다.
도 5C에서는 4개 중에서 하나의 측면의 중간에 설치되는 3개의 Z자 형상인 암(2)들이 제공된 12각형 공진기(k = 3)를 예시하고 있다. 6개의 균일하게 분포된 질량체(m)들이 두 개중 하나의 측면의 중간에 추가되고, 그들 중 3개는 암들이 설치되는 곳에 배치된다. 공진기는 실리콘 또는 석영으로 동등하게 잘 만들어질 수 있고, 질량체(m)들은 공진기가 실리콘으로 만들어지는 경우에 서스펜션의 이방성(부족한 수의 암들)을 보정하는 질량체에 관한 이방성을 도입하고 공진기가 석영으로 만들어지는 경우에 서스펜션의 이방성뿐만 아니라 재료의 이방성을 보정하는 질량체에 관한 이방성을 도입한다.
개시된 배치에 의해, 형상의 적어도 하나의 이방성, 서스펜션의 적어도 하나의 이방성 또는 재료의 적어도 하나의 이방성을 나타냄에도 불구하고, 등방성(Δf= 0, Δα= 0)이 되도록 하기 위해서 보정될 수 있는 평면 다각형 공진기를 설계할 수 있다. 이러한 공진기는 상기에서 이해되는 바와 같이 본질적으로 등방성 공진기와 같은 방식으로 자이로메트릭 모드에서만큼 자이로스코프 모드에서도 동등하게 작동될 수 있다. 따라서 횡 축선(OZ)을 따라 감응하는 평면 자이로스코프 장치를 필요로 하는 사용자들의 요구 사항들이 충족된다.
본 발명에 의한 평면 공진기는, 동일한 평면에 위치된 감응 축선 또는 축선들을 가진 하나 이상의 다른 진동 구조와 결합될 수 있다는, 감응 축선을 가로지르는 공진기의 평면 구조 고유의 추가적인 장점을 제공하고, 상호 직교 축선을 따라 감응하는 모놀리식 평면 장치의 외관 내의 아주 동일한 기판에서 어셈블리를 제작할 수 있다.
가장 바람직한 실시예가, (도 5C에서 개시된 배치에 의한 6개의 보정 질량체 (m)들과 함께 3개의 Z자형인 서스펜션 암(2)들을 갖춘 12각형의 다각형의 형태로 도 6A에서 예시되어 있는) 본 발명의 다각형 진동 구조체(1)와 실질적으로 동심인 중앙 허브(8)에 의해 지지되는 공진 빔(7)들을 또한 구비하고, 횡 축선을 따라 감응하는 본 발명의 평면 공진기를 예시한다. 6개의 공진 빔(7)이 다각형 구조체(1)의 평면에 실질적으로 위치되는 상태로 중앙 허브(8)에 대하여 균일하게 방사상으로 위치된다. 서로에 대하여 120도로 배치된 3개의 암(2)들에 의한 12각형의 다각형 구조체(1)의 고정은 이들 암들이 중앙 허브(8)에 고정되는 공진 빔(7)들 사이에 삽입되도록 하기 위해서 가장 적합한 것이다. 차수 3의 모드에서 작동하는 공진 구조(1)는 실리콘이나 석영으로 구성될 수 있지만, 실리콘은 진동수의 어떠한 이방성도 도입하지 않는 이점을 나타낸다.
고정된 마운트 상으로의 어셈블리의 고정은 각각의 서스펜션 암(2) 상의 도면 부호 9에서 수행된다.
외부 다각형 고정 마운트에 고정된 6개의 방사상으로 위치된 빔을 갖춘 진동 구조는 프랑스 특허 공보 제2 741 151호로부터 개시되어 있고 구조체의 평면을 포함한 두 개의 직교 축선(X, Y)을 따라 감응하는 평면 기계식 공진기를 구성한다.
본 발명의 배치에 의하여, 모놀리식인 평면 기계식 공진기는 공진기를 지지하는 마운트에 주어진 회전율(Ω)의 3개의 구성 요소(Ωx, Ωy, Ωz)들을 검출할 수 있도록 구성되며, 구성 요소(Ωx, Ωy)들은 공진 빔에 의해 검출되고 구성 요소 (Ωz)는 폐쇄된 외형을 가진 링 형상 또는 다각형 진동 구조체에 의해 검출된다. 따라서, 공진기는 3개의 상호 직교 축선(X, Y, Z)들에서 자이로메트릭 모드 또는 자이로스코프 모드에서 작동될 수 있다.
도 6B에서는 차수 2(k = 2)의 모드에서 작동할 수 있는 3개의 감응 축선을 갖춘 평면 공진기의 다른 실시예를 예시한다. 본 발명의 배치의 적용에서, 폐쇄된 외형을 가진 공진 구조체(1)는 8각형이다. 서스펜션은 외부 8각형 공진 구조체(1)와 내부 별 모양 공진 구조체(7)의 허브(8) 사이에 배치된 4개의 암(2)들의 도움으로 제공된다. 비교적 작은 수의 서스펜션 암(2)들은 이용 가능한 공간이 부족할 경우에 유리하고, 8각형 구조체의 진동을 유지하고 검출하는 전극의 수를 감소시킬 수 있다. 다른 한편으로, 별 모양의 구조체(7)는 4개의 암들에 의해 매달려지고, 이에 따라 도 6A의 실시예의 3회 대칭성을 더 이상 허용하지 않는다.
본 발명에 의해 요구된 등방성 요건을 보장하기 위해서, 가장 좋은 해결 방법은 외부 다각형 구조의 서스펜션 암들의 쌍들의 이등분선 상에 별 모양의 구조의 두 대향 빔(7)들을 위치시키는 것이다. 따라서, 별 모양의 빔들과 다각형 구조의 서스펜션 암들 사이의 가장 작은 각도는 22.5도이다. 서스펜션 암들이 Z자 형상인방향으로 형성됨으로써, 서스펜션 암들이 두 개의 빔들의 이등분선에 연결될 수 있으며, 이에 따라 빔 구조체의 균형을 방해하지 않는다. 사용된 재료는 차수 k = 2인 경우에 진동수에 관한 등방성으로 인하여 석영인 것이 바람직하다.
지지 마운트로의 전체 구조의 고정은 서스펜션 암(2)들 상에 위치된 4개의 부착 지점(9)이 최선이며, 이러한 위치는 한편으로 다각형 외형을 가진 외부 진동 구조체를 위한 중앙 고정부와, 다른 한편으로 진동 빔(7)을 갖춘 별 모양 내부 구조체를 위한 프레임의 단부에의 고정부 사이에 가장 좋은 절충점을 찾아낼 수 있게 한다.
공진기가 3개의 측정 축선(X, Y, Z)을 따라 감응하는 구조를 얻고, 셀(cell)의 평면 내에 위치된 축선들은 자이로메트릭 모드의 작동에 한정되며 직교 축선은 자이로스코프 모드의 작동을 허용한다.
물론, 본 발명과 일치하는 공진기의 적용 분야는 3개의 직교 축선을 따라 감응하는 단일 센서의 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명에 따른 평면 공진기는 하나의 동일한 결정성 기판, 실리콘 또는 석영 상으로 다양한 물리량들을 위한 다수의 센서를 집합시키는 가능성을 열어 두고 있다. 이들 물리량들은 축선(X, Y, Z)들에 대한 각도 변화뿐 아니라 가속도, 온도, 압력 등등을 포함한다. 모든 이들 센서들은 아주 동일한 평면 모놀리식 결정성 기판 상에 제조될 수 있으며, 이에 따라 화학적 에칭, 레이저 에칭 등의 공지 기술에 의해 보다 적은 비용으로 제작할 수 있는 아주 치밀하고 소형화된 장치의 실시예를 허용한다.
특히, 아주 동일한 부분의 표면상에 X-식, Y-식 및 Z-식 자이로스코프 센서와 X-식, Y-식 및 Z-식 가속도계 센서를 함께 집합시키는 평면 모놀리식 형태의 자이로 가속도계 관성 센서를 제작할 수 있게 된다. 이러한 설계는 도 7에서 매우 도식적으로 예시되어 있다. 이러한 용도로 광범위하게 사용된 실리콘 또는 석영과 같은 적절한 결정성 재료로 만들어진 기판(10)은, 본 발명에 의하여 배치된 평면 Z-식 감응 공진기뿐만 아니라, 공진기의 평면 내에 감응하는, 프랑스 특허 공보 제2 741 151호의 개시되어 있는 형태의 평면 X-식 및 Y-식 감응 공진기를 통합하고, 이들 두 개의 공진기들은 X-식, Y-식 및 Z-식 자이로스코프 작동 모드를 갖춘 평면 단일 센서(11)의 형태로 도 6A 및 도 6B에 관하여 상기에 개시된 바와 같이 결합될 수 있다는 점이 또한 장점이다.
이러한 자이로스코프 단일 센서(11)는 평면 X, Y-식 감응 가속도계 센서 또는 X-식 감응 가속도계 센서와 Y-식 감응 가속도계 센서 각각과 관련되고, 동시에 Z 횡 축선을 따라 감응하는 평면 가속도계 센서가 제공된다. 이들과 같은 평면 가속도계 센서들은 당업자에게 알려져 있다.
실시예에 있어서, 서로에 대하여 120도의 각도로 편의된 3개의 단방향 감응도 센서들을 실행시킬 수 있으며, 그들 중 하나의 센서(12)는 X-축선을 따라 감응하고 다른 두 개의 센서(13, 14)는 X-식 및 Y-식에 감응한다. 이들 3개의 센서들로부터의 신호의 차별적인 처리는 가속도 구성 요소(γx, γy)를 얻을 수 있게 한다. 적절한 센서들이 프랑스 특허 제00 10675호에서 개시된 형태일 수 있다.
마찬가지로, 가속도 구성 요소(γz)는 프랑스 특허 공보 제2 685 964호에서개시된 형태일 수 있는 두 개의 센서(15, 16)들의 차별적인 실행에 의해 알 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 폐쇄된 외형을 따라 형성된 평면 모놀리식 진동 구조체와 상기 구조체의 평면에 실질적으로 수직인 감응 축선을 구비한 기계식 공진기에 있어서,
    평면 구조체(1)가 4k 정점(3)(k는 공진기가 진동 설정되어 있을 때에 실시된 진동 모드의 차수)들을 갖춘 볼록한 정다각형이고 실질적으로 대칭적으로 배치된 반경 방향 연장부의 n개의 서스펜션 암(2)들에 의해 고정된 마운트(4, 5)로부터 매달려지는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서, 4k 정점들로 된 볼록한 정다각형 진동 구조체는 π/2k의 각도 간격으로 반복되는 동일한 패턴을 가짐으로써, 상기 다각형 진동 구조체는 형상의 등방성(Δfg= 0, Δαs= 0)을 나타내는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 차수 2(k = 2)의 진동 모드의 경우에, 평면 진동 구조체(1)는 8각형 형상이고 절단 평면이 X, Y 평면에 만들어진 삼각형 구조로 된 결정성 재료로 제조됨으로써, 상기 진동 구조체는 차수가 2인 경우에 재료의 등방성(Δfm= 0, Δαm= 0)을 나타내는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  4. 제 3 항에 있어서, 8각형 진동 구조체는 석영으로 제조되는 것을 특징으로하는 기계식 공진기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 차수 3(k = 3)의 진동 모드의 경우에, 평면 진동 구조체(1)는 12각형 형상이고, 절단 평면이 X 축선, Y 축선 또는 Z 축선을 포함하는 평면에 만들어진 입방 구조로 된 결정성 재료로 제조됨으로써, 상기 진동 구조체는 차수가 3인 경우에 재료의 등방성(Δfm= 0, Δαm= 0)을 나타내는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  6. 제 5 항에 있어서, 12각형 진동 구조체는 실리콘으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 서스펜션 암(2)들은 수에서 n = 4k가 되고 각도의 간격이 π/2k에 의해 이격되며, 진동 구조체는 서스펜션의 등방성(Δfs= 0, Δαs= 0)을 나타내는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  8. 제 2 항, 제 3 항 내지 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 다각형 진동 구조체(1)는, 진동수 및 연결에 관하여 형상의 등방성(Δfg= 0, Δαg= 0), 재료의 등방성(Δfm= 0, Δαm= 0) 및 서스펜션의 등방성(Δfs= 0, Δαs= 0)을 동시에 나타내고, 자이로메트릭 모드 또는 자이로스코프 모드에서 작동될 수 있는것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  9. 제 1 항에 있어서, 4k 정점들로 된 다각형 진동 구조체(1)는 k = 2의 경우에 비삼각형 구조 또는 k = 3의 경우에 비입방형 구조로 된 결정성 재료로 제조됨으로써, 기본적으로 재료의 이방성(Δfm≠ 0, Δαm≠ 0)을 나타내고,
    상기 다각형 진동 구조체(1)는 형상의 적어도 하나의 국부적 변형을 나타내기 위해서 구성되고, 및/또는 서스펜션은 적어도 하나의 국부 변형을 나타냄으로써, 상기 다각형 진동 구조체가 재료의 이방성을 보정할 수 있는 형상의 이방성( Δfg≠ 0, Δαg≠ 0) 및/또는 서스펜션의 이방성(Δfs≠ 0, Δαs≠ 0)을 각각 나타내며,
    상기 다각형 진동 구조체는 진동수(Δf= 0) 및 연결(Δα = 0)에 관하여 등방성을 나타내고, 공진기는 자이로메트릭 모드 또는 자이로스코프 모드에서 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  10. 제 1 항에 있어서, 서스펜션 암(2)들은 수에서 n < 4k이고 n ≠ pk(p는 정수)인 n≤k-2 또는 n≥k+2가 되도록 n이 선택되고 각도의 간격이 2π/n으로 이격되며, 다각형 진동 구조체가 기본적으로 서스펜션의 이방성(Δfs≠ 0, Δαs≠ 0)을 나타내고,
    상기 다각형 진동 구조체(1)는, 각도 값 π/k에 의해 편의되고, 서스펜션 암들의 부족한 수로 인하여 서스펜션의 이방성을 보정하기 위해서 형상에 관한 이방성(Δfg≠ 0, Δαg≠ 0)을 발생시키는 차수 2k의 질량체의 결함을 야기하는, 형상의 국부적 결함을 나타내기 위해서 구성되며,
    상기 다각형 진동 구조체는 진동수(Δf= 0) 및 연결(Δα = 0)에 관하여 등방성을 나타내고, 공진기는 자이로메트릭 모드 또는 자이로스코프 모드에서 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  11. 제 10 항에 있어서, 서스펜션 암(2)들이 진동 구조체(1)에 연결되는 지점 부근에 형상의 국부적 결함이 위치되는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  12. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 진동 구조체(1)는, 형상의 적어도 하나의 이방성(Δfg≠ 0, Δαg≠ 0), 재료의 적어도 하나의 이방성 (Δfm≠ 0, Δαm≠ 0) 또는 서스펜션의 적어도 하나의 이방성(Δfs≠ 0, Δαs≠ 0)을 나타내며, 자이로메트릭 모드에서만 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  13. 전기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 마운트(5)는 평면 진동 구조체(1)를 둘러싸고, 서스펜션 암(2)들은 진동 구조(1)의 바깥쪽에 있는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  14. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 마운트는 진동 구조체(1)와 실질적으로 동심인 중앙 허브(4)이고, 서스펜션 암(2)들은 진동 구조체(1)의 안쪽에 있는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 폐쇄된 외형을 가진 진동 구조체(1)와 실질적으로 동심인 중앙 허브(8)에 의해 지지되고 폐쇄된 외형을 가진 진동 구조체 (1)의 평면에서 실질적으로 중앙 허브(8) 둘레에 방사상으로 위치된 공진 빔(7)을 또한 포함하고, 기계식 공진기가 하나의 동일한 평면 내에 실질적으로 위치된 모든 진동 요소(1, 7)들을 구비하고 마운트에 주어진 회전율(Ω)의 3개의 구성 요소(Ωx, Ωy, Ωz)들을 검출할 수 있으며, 구성 요소(Ωx, Ωy)들은 공진 빔에 의해 검출되고 구성 요소(Ωz)는 폐쇄된 외형을 가진 진동 구조에 의해 검출되며, 상기 기계식 공진기는 3개의 축선 상에서 자이로메트릭 모드 또는 자이로스코프 모드에서 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 기계식 공진기.
  16. 정보(Ωx, Ωy, Ωz및 γx, γy, γz)를 제공할 수 있는 평면 모놀리식 자이로 가속도계 관성 센서 내에서 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 자이로스코프 모드에서 작동하기 위해서 횡 축선을 따라 감응하는 평면 기계식 공진기의 용도.
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