KR20040086789A - 진동형 각속도 센서 - Google Patents

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Abstract

각속도 검출 방향(Y)에서 제1 및 제2 센서 유닛(100, 200)의 진동자(4a, 4b)에 작용하는 동상 성분을 상쇄하기 위하여, 차동 증폭 회로(22)는 제1 각속도 검출 파형(J1)과 제2 각속도 검출 파형(J2) 사이의 차분 파형을 획득한다. 또한, 획득된 차분 파형의 잔여 동상 성분을 감소시키기 위해, 이들 파형(J1, J2)이 차동 증폭 회로(22)로 입력되기 전에, 입력 이득 조정 회로(31, 32)는 제1 각속도 검출 파형(J1)의 입력 이득 및 제2 각속도 검출 파형(J2)의 입력 이득을 조정한다.

Description

진동형 각속도 센서{VIBRATION TYPE ANGULAR VELOCITY SENSOR}
본 발명은 진동형 각속도 센서에 관한 것이다.
각속도 센서(자이로 센서)는 주로 회전체의 세차(precession)를 이용하는 기계식, 케이싱 안에서 회전하는 레이저 빔의 회전에 따른 광 수신 타이밍 변화를 이용하는 광학식, 센싱 가스가 케이싱 안의 열선에 주사될 때, 케이싱의 회전에 따라 변하는 센싱 가스의 주사량을 나타내는 열선 온도를 검출하는 유체식, 및 그 밖의 유형들로 분류된다.
한편, 최근에 차량용 네비게이션 시스템 등에서 차량의 주행 방향을 검출하기 위해 각속도 센서의 요구가 증가하였다. 전술한 다른 유형에 비해 진동형 각속도 센서가 비용과 중량면에서 유리하기 때문에, 이러한 시스템에서 진동형 각속도 센서가 사용되는 것이 바람직하다. 진동형 각속도 센서는 소정의 기준 방향으로 진동하는 진동자를 가지며, 각속도가 이 진동자에 작용하면, 기준 진동 방향에 대해 수직인 검출 방향으로 발생하는 코리올리의 힘(Coriolis force)에 기반하여 새로운 진동 성분(이하, 각속도 진동 성분으로 언급함)을 검출하고, 검출된 진동 성분에 기반하여 각속도 정보를 출력한다. 예를 들어, 차량용 네비게이션 시스템에 따르면, GPS(Global Positioning System)에 기반하여 현재 위치를 모니터링하는 것은 차량의 대략의 진행 방향을 검출할 수는 있지만, 교차로 등에서 차량의 급격한 방향 변화를 검출할 수 없다. 따라서, 각속도에 기반하여 차량의 전환 동작을 검출할 필요가 있다. 이 경우에, 전환 방향 각도는 각속도의 순간값을 적분함으로써 계산된다.
그러나, 전술된 진동형 각속도 센서에 의해 검출되는 진동자의 운동 성분은 각속도로부터 유래되는 코리올리의 힘으로 항상 제한되는 것은 아니다. 이 센서가 차량 등에 설치되면, 진동자의 운동 성분은, 뜻밖의 충돌 또는 비-각속도 요인에 의해 야기되는 그 밖의 다른 진동과 같이, 코리올리의 힘 성분에 중첩되는 불필요한 가속도 성분을 포함할 것이다. 이러한 불필요한 가속도 성분은 검출될 각속도에 대해 노이즈로서 나타나고, 따라서, 이 센서가 차량의 주행 방향을 검출하는데 사용되면, 센서의 검출 정확도를 저하시킨다.
일본특허출원공보 제2001-153659호는 서로 역상(opposite-phase)으로 기준 진동 방향에서 진동하는 2개의 결합된 센서를 포함하고, 두 센서의 각속도 진동 성분 파형 사이의 차분에 대응하는 최종 각속도 파형을 출력하는 종래 각속도 센서를 개시하고 있다. 진동자가 서로 역상으로 진동하면, 이 진동자에 의해 검출되는 각속도 진동 성분도 역시 서로 역상 관계에 있다. 반면에, 전술한 불필요한 가속도 성분은 동상(in-phase) 성분으로 나타난다. 따라서, 차분 파형을 얻는 것은 이러한 동상 가속도 성분을 상쇄하고, 필요한 각속도 진동 성분만을 남길 수 있다.
그러나, 진동자(예로, 검출추(detection weight)) 이외에, 진동형 가속도 센서는 대개 진동자를 작동시키기 위한 진동자 구동부(예로, 전술된 종래 기술 문헌에 개시된 빗살형 전극 및 압전 소자), 및 각속도 진동 소자를 검출하는 검출부(예로, 정전용량식 변위 검출부)를 포함한다. 이 성분들은 불가피하게 그 각속도 검출 특성에서 센서별 차이를 야기할 수 있는 제조상 오류를 겪게된다. 센서별 차이는 전술한 역상 진동을 야기하는 2개의 결합된 센서에 의해 검출될 수 있는 동상 가속도 성분의 검출 정확도에서 차이를 야기한다. 따라서, 차분 파형을 얻기 위해 전술된 처리가 수행되더라도, 일부 동상 성분은 존재할 것이다. 이에 따라, 각속도 검출 정확도가 저하될 수 있다.
전술한 종래 기술 문헌은 정전용략식 변위 검출부, 상세히 말하면, 인가된각속도 진동 성분에 응답하여 전극 사이의 거리를 변화시킬 수 있는 진동 검출 커패시터를 개시하고 있다. 이 진동 검출 커패시터에는 일정한 바이어스 전압이 인가된다. 전극 사이의 거리의 변화에 따라 발생하는 진동 검출 커패시터의 전하량 변화가 전압 파형으로 변환되고, 각속도 검출 파형으로서 생성된다. 센서의 가속도 검출 정확도에서의 차이를 야기하는 요인은 진동 검출 커패시터에 인가되는 바이어스 전압의 진동 또는 변동을 포함한다. 이를 없애기 위해, 전술한 종래 기술 문헌은 다수의 센서 출력으로부터 차분 파형을 생성하는데 연산 증폭기의 가상 단락을 이용하고, 각 센서의 진동 검출 커패시터로 기준 전원 전압을 공급하는 것을 제안하고 있다. 이 시스템에 따르면, 바이어스 전압의 진동 또는 변동에 의해 발생되는 영향을 경감시킬 수 있다. 그러나, 이러한 시스템은 진동자(예로, 검출추)의 무게 및 크기, 진동자 구동부의 사양, 또는 진동 검출 커패시터의 전극 면적과 같은, 바이어스 전압 이외의 진동 요인들에 의해 발생되는 영향을 모두 경감하는데 효과적이지 않다.
전술한 문제점의 관점에서, 본 발명은 2개의 진동형 센서 유닛 사이의 차분 파형을 출력하기 위한 각속도 센싱 장치에 적용될 수 있고, 각 센서 내의 각속도 검출 파형에 나타나는 동상 성분의 차분을 감소시키고, 변동 또는 노이즈를 야기하는 여러 요인들에 의한 영향없이 차분 파형에서의 잔여 동상 성분 노이즈 레벨을 감소시켜, 각속도 검출 정확도를 개선할 수 있는 진동형 각속도 센서를 제공하는것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소정의 기준 진동 방향으로 진동하는 진동자, 및 각속도가 상기 진동자에 인가되면, 상기 기준 진동 방향과는 상이한 각속도 검출 방향으로 발생하는 각속도 진동 성분을 검출하고, 상기 각속도 진동 성분에 기반하여 각속도 검출 파형을 생성하는 검출 파형 생성부를 각각 갖는 제1 및 제2 센서 유닛을 포함하는 진동형 각속도 센서를 제공한다. 상기 제1 및 제2 센서 유닛은, 각각의 검출 파형 생성부가 서로 역상인 제1 및 제2 각속도 검출 파형을 생성하도록 하기 위해, 각각의 진동자를 상기 기준 진동 방향에서 서로 역상으로 진동하도록 야기한다. 상기 각속도 검출 방향에서 상기 제1 및 제2 센서 유닛의 각 진동자에 작용하는 동상 성분을 상쇄하기 위해, 상기 제1 각속도 검출 파형과 상기 제2 각속도 검출 파형 사이의 차분 파형을 획득하기 위한 차분 파형 검출 수단이 제공된다. 그리고, 상기 차분 파형의 잔여 동상 성분을 감소시키기 위해, 상기 차분 파형 검출 수단으로 입력되는 상기 제1 각속도 검출 파형의 입력 이득과 상기 제2 각속도 검출 파형의 입력 이득 중 적어도 하나를 조정하기 위한 입력 이득 조정 수단이 제공된다.
본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 전술된 구성에 따르면, 차동 파형 검출 수단에 의해 2개의 센서 유닛 사이의 차분 파형을 검출하기 전에, 상기 제1 및 제2 각속도 검출 파형의 입력 이득 중 적어도 하나가 조정된다. 따라서, 차분 파형의 잔여 동상 성분이 확실히 감소될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 동상 성분을 야기하는 불필요한 가속도 성분에 대한 검출 특성이 각각의 센서 유닛에서 상이하더라도, 차분 파형에 잔존하는 동상 성분 노이즈 레벨을 효과적으로 저하시킨다. 또한, 본 발명은 차분 파형에 기반하여 검출시의 각속도 검출 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 각속도 검출 파형을 생성하는 과정에서, 본 발명에 따른 차분 파형을 생성하기 전에, 이득 조정을 실행하는 것은 다른 요인들로부터 발생하는 차이 또는 변동에 의해 야기되는 영향을 감소시키는데 효과적이다. 각속도 검출 반향은 코리올리의 힘의 방향(즉, 기준 진동 방향에 수직 방향)과 일치하는 것이 바람직하다. 그러나, 코리올리의 힘의 방출 성분이 확실해 생성될 수 있는 한, 각속도 검출 방향은 기준 진동 방향에 대해 수직이 아닌 방향으로 설정될 수 있다.
각속도 검출 정확도를 향상시키기 위해, 양쪽 센서 유닛으로부터 획득되는 각속도 검출 파형이 가속도 성분 레벨에서 서로 같아지도록, 즉, 동상 성분의 상쇄 효과를 최적화하기 위한 방식으로 전술된 이득 조정을 수행하는 것이 바람직하다. 이득 조정은 2개의 센서 모두에 대해 수행되거나 또는 둘 중 하나에 대해서만 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 차분 파형 검출 수단은 상기 제1 및 제2 각속도 검출 파형의 아날로그 데이터를 입력하는 차동 증폭 회로를 포함하고, 상기 이득 조정 수단은 상기 각속도 검출 파형의 아날로그 입력 이득을 조정하는 아날로그 입력 이득 조정 회로를 포함한다. 아날로그 차동 증폭 회로를 이용하는 것은 차분 파형을 처리하는데 필요한 회로 구성을 간략화할 수 있고, 또한 실시간 처리를 가능하게 한다. 전술된 이득 조정은 각속도 검출 파형에 대한 아날로그 입력 이득 조정으로서 간단히 수행될 수 있다.
상기 검출 파형 생성부는 상기 각속도 진동 성분에 따라 전극간 거리를 변화시키기 위한 진동 검출 커패시터, 상기 진동 검출 커패시터로 일정한 바이어스 전압을 인가하기 위한 바이어스 전원, 및 상기 바이어스 전압이 인가되면 상기 전극간 거리의 변화에 따라 상기 진동 검출 커패시터의 전하량 변화를 검출하기 위한 전하 증폭기를 포함한다. 전하 증폭기는 각 센서 유닛의 각속도 검출 파형을 전압 파형으로서 처리할 수 있다. 이 경우에, 상기 아날로그 입력 이득 조정 회로는 상기 전하 증폭기로부터 생성되어 상기 차동 증폭 회로로 입력되는 상기 각속도 검출 전압 파형의 입력 이득을 조정하기 위해, 상기 전하 증폭기와 상기 차동 증폭 회로 사이에 배치된다. 상기 각속도 검출 전압 파형은 저항을 이용하여 쉽게 조정할 수 있다. 따라서, 회로 구성이 간략화될 수 있다. 그리고, 회로 설계시의 자유도가 증가될 수 있다.
상세히 말하면, 상기 아날로그 입력 이득 조정 회로는 상기 각속도 검출 파형을 입력하는 상기 차동 증폭 회로의 입력 스테이지에 제공되는 버퍼 증폭기를 포함한다. 상기 버퍼 증폭기의 이득 결정 저항 중 적어도 일부는 가변 저항으로 구성된다. 그리고, 상기 가변 저항의 저항값 조정에 기반하여 이득 조정되는 상기 버퍼 증폭기의 출력은 아날로그 입력 이득 조정된 각속도 검출 파형으로서 상기 차동 증폭 회로로 입력된다. 이 구성에 따르면, 독립적인 버퍼 증폭기가 차동 증폭 회로의 입력측에 연결된다. 각 센서 유닛으로부터 생성된 각속도 검출 파형은 불필요한 가중 성분을 추가하지 않고 차동 증폭 회로로 입력될 수 있다. 또한, 입력 레벨 이득 조정이 넓은 범위에서 독립적으로 수행될 수 있다.
또한, 입력 레벨 이득 조정이 넓은 범위에서 수행될 필요가 없을 때에, 상기 아날로그 입력 이득 조정 회로는 상기 차동 증폭 회로의 이득 결정 저항 중 적어도 일부를 구성하는 가변 저항을 포함하고, 상기 아날로그 입력 이득 조정 회로는 상기 가변 저항의 저항값 조정에 기반하여 상기 차동 증폭 회로로 입력되는 상기 각속도 검출 파형의 아날로그 입력 이득을 조정한다.
또한, 아날로그 입력 이득 조정은, 예를 들면, 센서를 출하하기 전에 한번만 수행될 수 있다. 이 경우에, 일단 조정된 값의 변화를 막기 위해, 아날로그 입력 이득 조정에 사용되는 가변 저항은 소정 방향으로만 불가역적으로 조정할 수 있는 저항값을 갖는 것이 바람직하다. 상세히 말하면, 상기 가변 저항은 레이저 트리머블 저항이 바람직하다. 레이저 빔에 의해 처리되면, 이 레이저 트리머블 저항의 구성은 물리적으로 불가역적으로 변한다. 일단 처리된 레이저 트리머블 저항의 구성은, 레이저 트리밍 처리가 다시 인가될 때까지는 안정적이고, 변하지 않고 유지된다. 이것은 저항값과 조정된 아날로그 입력 이득값이 일정하게 유지할 수 있다는 점에서 유리하다.
또한, 2개의 진동형 센서 유닛은 검출되는 동상 성분 뿐만 아니라 각속도 검출 파형의 위상에서의 차이를 야기할 수 있다. 예를 들면, 각속도 검출 방향에서의 진동자의 기계적 공진 특성(특히, 공진 고유 진동수)이 양쪽 센서 유닛에서 서로 상이한 경우, 진동 파형 위상은 진동자의 실제 진동수와 고유 진동수 사이의 차에 따라 변하는 탄성 진동 이론에서 알 수 있다. 이러한 공진 특성에서 나타나는 차이는 대개 진동자가 고정 지점에 대해 진동하도록 하는 2개의 탄성 지지 부재 사이의탄성 계수에서의 차에 의해 초래된다. 위상차가 2개의 각속도 검출 파형 사이에서 발생되는 경우, 동상 성분 레벨을 조정하기 위해 전술된 이득 조정이 수행된 후에도, 이러한 위상차로부터 유도되는 상당한 차분 성분이 남을 수 있다. 따라서, 각속도 검출 정확도가 저하된다. 그러므로, 차분 파형 검출 수단으로 입력되는 제1 각속도 검출 파형과 제2 각속도 검출 파형 중 적어도 하나에서 입력 파형 위상을 조정하기 위한 위상 조정 수단을 제공하는 것이 바람직하다. 상기 위상 조정 수단에 의해 수행되는 위상 조정은, 이러한 위상차가 두 파형 사이에서 생성되더라도, 차분 파형이 생성되기 전에, 위상차를 감소시킬 수 있다. 따라서, 차분 파형에 기반한 검출시의 각속도 검출 정확도가 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 진동형 각속도 센서에 따르면, 상기 진동자의 구동 진동수와는 상이한 진동수를 갖는 노이즈 성분을 제거하기 위해, 상기 제1 및 제2 센서의 각 출력에 신호 처리부가 제공되는 것이 바람직하다. 상기 신호 처리부는 구동 진동수로부터 먼 진동수 범위에 존재하는 전술된 불필요한 가속도 성분을 효과적으로 제거할 수 있다. 그러나, 상기 제1 및 제2 센서 유닛의 각 진동자에 작용하는 동상 성분이 상기 구동 진동수에 대해 ±50%인 진동수 범위(구동 진동수에 위치한 중심, 및 그 중심에 대해 ±50% 폭을 갖는 진동수 범위) 안에 근접 노이즈 진동 성분을 포함할 때에, 상기의 신호 처리부가 충분히 작동하지 않을 수 있다. 그러므로, 상기 입력 이득 조정 수단은, 상기 제1 및 제2 센서 유닛 중 적어도 하나에 대해, 상기 각속도 진동 성분과 상기 근접 노이즈 진동 성분의 합성 출력으로서 생성되는 센서 출력 파형에 대한 진폭 조정을 실행하는 것이 바람직하다. 결과적으로, 각각의 센서 유닛의 근접 노이즈 진동 성분 사이의 상대 진폭 차이를 감소시킬 수 있게 된다. 특히, 근접 노이즈 진동 성분이 구동 진동수에 대해 ±10%인 진동수 범위(즉, 구동 진동수에 위치한 중심, 및 그 중심에 대해 ±10% 폭을 갖는 진동수 범위) 안에 있을 때에는, 신호 처리부가 필터링 정확도를 향상시키더라도, 근접 노이즈 진동 성분을 제거하는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 상기의 구성은 현저한 효과를 제공한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 진동형 가속도 센서를 도시한 회로도.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 검출 파형 생성부의 구성을 도시한 회로도.
도3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 트리머블 저항(laser trimmable resistor)의 일례를 도시한 평면도.
도3b는 도3a에 도시된 레이저 트리머블 저항을 도시한 측면도.
도4a 내지 도4d는 레이저 트리머블 저항의 여러 예들을 도시한 도면.
도5는 진동형 가속도 센서에서 수행되는 동상 성분 상쇄 과정의 원리를 설명한 그래프(센서 대역외 잡음의 경우) .
도6은 본 발명에 따른 진동형 가속도 센서의 동작을 설명한 그래프.
도7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 진동형 가속도 센서를 도시한 회로도.
도8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 진동형 가속도 센서를 도시한 회로도.
도9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 진동형 가속도 센서를 도시한 회로도.
도10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 진동형 가속도 센서를 도시한 회로도.
도11은 진동형 가속도 센서에서 수행되는 동상 성분 상쇄 과정을 설명한 그래프(센서 대역내 잡음의 경우).
도12는 도11에서 센서 대역내에 존재하는 잡음을 설명한 그래프.
도13은 본 발명에 따른 진동형 가속도 센서의 동작을 설명한 그래프(센서 대역내 잡음의 경우).
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1, 150, 151, 152, 153 : 진동형 각속도 센서
4a, 4b : 진동자 5a, 5b : 진동 검출 커패시터
15, 16 : 검출 파형 생성부 20, 21 : 전하 증폭기
22 : 차동 증폭 회로 22a ~ 22d : 이득 결정 저항
31, 32 : 버퍼 증폭기 31t, 32t : 가변 저항
35, 36 : 위상 조정 회로 62 : 디지털 신호 처리기
100 : 제1 센서 유닛 200 : 제2 센서 유닛
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 설명될 것이다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진동형 각속도 센서(이하, 간단히 "각속도 센서"로 언급함)의 전체 구성을 도시한 회로도이다. 진동형 각속도 센서(1)는 제1 센서 유닛(100) 및 제2 센서 유닛(200)으로 구성되는 센싱부를 포함한다. 제1 센서 유닛(100)은 진동자(예로, 추)(4a) 및 검출 파형 생성부(15)를 포함하고, 제2 센서 유닛(200)은 진동자(예로, 추)(4b) 및 검출 파형 생성부(16)를 포함한다. 진동자(4a, 4b)는 소정의 기준 진동 방향(X)으로 진동한다. 각속도가 각 진동자(4a, 4b)에 인가되면, 각속도 진동 성분은 기준 진동 방향(X)과는 상이한 소정의 각속도 검출 방향(Y)에서 생성된다. 이 실시예에 따르면, 각속도 검출 방향(Y)은 기준 진동 방향(X)에 대해 수직이다. 각각의 검출 파형 생성부(15, 16)는 각속도 진동 성분을 검출하고, 각속도 진동 성분에 기반하여 각속도 검출 파형을 생성한다.
이 센서 유닛(100, 200)은 각 진동자(4a, 4b)가 기준 진동 방향(X)에서 서로 역상으로 진동하도록 하여, 각속도 검출 방향(Y)으로 나타나는 각속도 진동 성분은 서로 역상을 갖게 된다. 따라서, 각속도 검출 파형은 서로 역상을 갖는 제1 및 제2 각속도 검출 파형(W1, W2)으로서 생성된다.
검출 파형 생성부(15)는 진동 검출 커패시터(5a), 진동 검출 커패시터(5a)에 일정한 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원(4v)(도2 참조) 및 전하 증폭기(20)를 포함한다. 검출 파형 생성부(16)는 진동 검출 커패시터(5b), 진동 검출 커패시터(5b)에 일정한 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원(바이어스 전원(4v)과 유사함) 및 전하 증폭기(21)를 포함한다. 상세히 말하면, 각각의 진동자(4a, 4b)는 진동 지점(支點 : fulcrum)을 제공하는 빔(6)을 통해 구동 프레임(3)에 탄력적으로 고정되어, 각 진동자가 Y 방향으로 진동할 수 있게 된다. 또한, 구동 프레임(3)은 진동 지점을 제공하는 빔(2)을 통해 센서 프레임(10)에 탄력적으로 고정되어, 각 진동자가 X 방향으로 진동할 수 있게 된다. 따라서, 진동자(4a, 4b)는 X 방향에서 구동 프레임(3)과 일체적으로 진동할 수 있다.
각 센서 유닛(100, 200)의 구동 프레임은 그 측면에 부착된 가동 전극(1b)을 갖는다. 각각 X 방향으로 확장되는 단위 전극으로 구성되는 가동 전극(1b)은 Y 방향에서 빗살 형태로 일정 간격으로 배열된다. 또한, 센서 프레임(10)은 가동 전극(1a)과 결합되도록 하기 위해 각 측에 제공된 고정 전극(1a)을 갖는다. 각각 X 방향으로 확장되는 단위 전극으로 구성되는 고정 전극(1a)은 Y 방향에서 빗살 형태로 일정 간격으로 배열된다. 고정 전극(1a) 및 가동 전극(1b)은 그들의 반대 말단부에서 서로 교대로 오버랩된다.
구동 발진부(101)는 가동 전극(1b)과 고정 전극(1a) 사이에 일정 진동수(F)를 갖는 구동 전압을 인가한다. 가동 전극(1b)은 X 방향에서 진동수(F)로 고정 전극(1a)에 대한 진동을 시작한다. 이 진동력은 가동 전극(1b)과 일체된 구동 프레임(3)을 진동하도록 야기한다. 또한, 진동자(4a, 4b)는 X 방향(즉, 기준 진동 방향)으로 진동한다. 이 경우에, 각 센서 유닛(100, 200)에서 각 진동자(4a, 4b)에 인가된 구동 전압 방향은 X 방향에서 서로 대향된다. 결과적으로, 2개의 진동자(4a, 4b)는 X 방향으로 발생하는 서로 역상의 동기 발진을 야기한다. 이 조건하에서 센싱된 각속도가 진동자(4a, 4b)에 인가되면, 진동자(4a, 4b)가 인가된 각속도의 세기를 나타내는 진폭을 갖고, Y 방향에서 서로 역상을 갖는 코리올리의 힘에 따른 각속도 진동 성분을 생성한다.
진동 검출 커패시터(5a, 5b)는 각속도 진동 성분에 따라 전극간 거리(즉, 전극 사이의 거리)를 변화시킨다. 도2는 대표적인 진동자로서 제1 센서 유닛(즉, 진동자(4a))을 도시하고 있다. 도2에 도시된 회로 구성에 따르면, 진동 검출 커패시터(5a)는 진동자(4a)를 통해 바이어스 전원(4v)에 연결된다. 바이어스 전원(4v)으로부터 진동자(4a)를 통해 진동 검출 커패시터(5a)로 일정한 바이어스 전압이 인가된다. 진동 검출 커패시터(5a)에 축적될 전하량은 진동 검출 커패시터(5a)의 전극간 거리의 변화에 따라 변한다. 전하 증폭기(20)는 진동 검출 커패시터의 전하량을 전압으로 변환시켜, 각속도 검출 전압 파형을 출력한다. 전하 증폭기(20)는 종래 주지된 구성을 갖는다. 연산 증폭기(20p)에 연결된 네거티브 피드백 커패시터(20b)는 진동 검출 커패시터(5a)의 전하와 대응하는 전하를 축적한다. 네거티브 피드백 커패시터(20b)의 단자 전압은 전압 반전 전하 신호로서 연산 증폭기(20p)의 반전 입력 단자로 입력된다. 따라서, 연산 증폭기(20p)와 네거티브 피드백 커패시터(20b)는, 진동 검출 커패시터(5a)의 전하의 변화를 전압으로 증폭하여, 증폭된 전압 신호를 출력하는 전하 전압 변환 회로를 함께 구성한다. 네거티브 피드백 저항(20a)은, 진동 검출 커패시터(5a)의 발생 전하 레벨이 감소될 때, 네거티브 피드백 커패시터(20b)가 방전되도록 한다. 또한, 네거티브 피드백 저항(20a)은 연산 증폭기(20p)의 출력이 포화되는 것을 방지하는 기능을 갖는다. 기준 전원(20v)은 전하 증폭기(20)에 대한 증폭 기준 전압을 제공한다.
도1을 다시 참조하면, 차동 증폭 회로(22)는 각각의 전하 증폭기(20, 21)로부터 생성된 제1 및 제2 각속도 검출 파형의 아날로그 값이 입력된다. 차동 증폭 회로(22)는 연산 증폭기(22p)와 이득 결정 저항(22a, 22b, 22c, 22d)으로 구성된다. 저항(22a, 22b)은 동일한 저항값(R1)을 갖고, 저항(22c, 22d)은 동일한 저항값(R2)을 갖는다. 연산 증폭기(22p)에 전압(K1, K2)이 입력되면, 연산 증폭기(22p)는 출력 전압 (R2/R1)·(K1-K2)을 생성한다. 이 경우에, 설명을 간략히 하기 위해, K2는 기준 전원(22v)에 의해 제공된 기준 전압의 영향을 포함한다. 따라서, 차동 증폭 회로(22)는, 입력 전압(K1, K2)에 대한 가중 요인을 생성하지 않고, 2개의 입력 전압(K1, K2) 사이의 차분 성분을 이득(R2/R1)으로써 증폭시킬 수 있다.
또한, 차동 증폭 회로(22)는, 각각의 센서 유닛(100, 200)으로부터 제공된각속도 검출 전압 파형(J1, J2)을 수신하기 위해, 입력 단계로서 아날로그 입력 이득 조정 회로를 포함하는 버퍼 증폭기(31, 32)와 연결된다. 버퍼 증폭기(31)는 연산 증폭기(31p)와 이득 결정 저항(31t, 31a)으로 구성되는 반전 증폭 회로로서 구성된다. 유사하게, 버퍼 증폭기(32)는 연산 증폭기(32p)와 이득 결정 저항(32t, 32a)으로 구성되는 반전 증폭 회로로서 구성된다. 기준 전원(31v)은 저항(31c)을 통해 연산 증폭기(31p)의 비-반전 입력 단자로 증폭 기준 전압을 제공한다. 유사하게, 기준 전원(32v)은 저항(32c)을 통해 연산 증폭기(32p)의 비-반전 입력 단자로 증폭 기준 전압을 제공한다. 본 실시예에 따르면, 네거티브 피드백 저항(31t, 32t)은 가변 저항으로 구성된다. 다시 말해서, 각 버퍼 증폭기(31, 32)의 이득 결정 저항의 적어도 일부는 가변 저항이다. 이 회로 구성은 네거티브 피드백 저항(31t, 32t)의 저항값의 설정에 따라 각 버퍼 증폭기(31, 32)의 이득이 선형적으로 변화되게 한다.
전술된 회로 구성에 따르면, 센서 유닛(100, 200)으로부터 제공된 각속도 검출 전압 파형(J1, J2)은 가변 저항(31t, 32t)으로부터 출력되어, 아날로그 입력 이득 조정이 수행된 각속도 검출 파형으로서 차동 증폭 회로(22)로 입력된다. 전술한 바와 같이, 차동 증폭 회로(22)는 일정한 이득(R2/R1)을 갖는다. 따라서, 버퍼 증폭기(31)는 센서 유닛(100)으로부터 제공된 각속도 검출 전압 파형의 입력 이득의 조정을 독립적으로 수행할 수 있다. 버퍼 증폭기(32)는 센서 유닛(200)으로부터 제공된 각속도 검출 전압 파형의 입력 이득의 조정을 독립적으로 수행할 수 있다. 또한, 각 버퍼 증폭기(31, 32)에서 수행된 입력 이득 조정은 차동 증폭 회로(22)의이득에 실질적인 영향을 주지 않는다. 그러나, 버퍼 증폭기(31, 32) 중 하나만이 이득 조정을 실행할 수 있다. 이 경우에, 네거티브 피드백 저항(31t, 32t) 중 하나가 고정 저항으로 대체된다.
예를 들면, 아날로그 입력 이득의 조정은 센서의 출하전에 한번만 수행될 수 있다. 이러한 환경을 고려해서, 본 실시예는 가변 저항(31t, 32t)을 형성하기 위해 레이저 트리머블 저항을 사용한다. 일례로서, 도3a 및 도3b는 (가변 저항(31t)만이 도시되었지만) 가변 저항으로 사용될 수 있는 표면 장착형의 레이저 트리머블 저항을 도시하고 있다. 기판(42)의 주표면에 두꺼운 저항막(41)이 형성되고, 기판(42)의 양 끝에 전극(40, 40)이 형성된다. 두꺼운 저항막(41)의 표면에 레이저 빔(LB)이 조사되어, 표면을 따라 전도를 억제하는 홈(41g)을 형성한다. 도4a 내지 도4d에 도시된 바와 같이, 홈(41g)의 형성은 임의적이고, 그 패턴과 길이는 다양하게 변화될 수 있다. 두꺼운 저항막(41)의 저항값은 불가역적으로 변화되고, 홈(41g)의 패턴과 길이에 따라 결정된다. 홈(41g)의 형성은 전극(40, 40) 사이에 연장되는 도전 경로의 실제 폭을 감소시키거나, 또는 도전 경로의 실제 길이를 확장한다. 따라서, 두꺼운 저항막(41)의 저항값 조정은, 초기 조건과 비교하면 저항값이 실질적으로 증가되는 방식으로 수행된다.
이후, 각속도 센서(1)의 동작이 설명된다. 도1을 참조하여 전술된 바와 같이, 진동자(4a, 4b)가 X 방향(즉, 기준 진동 방향)에서 서로 역상으로 진동하는 조건 하에서, 검출되는 각속도가 각각의 진동자(4a, 4b)에 인가되면, 서로 역상인 각속도 진동 성분이 Y 방향으로 생성된다. 이러한 각속도 진동 성분에 응답하여, 전하 증폭기(20, 21)는 진동 검출 커패시터(5a, 5b)로부터 생성된 전하량 변화 파형을 전압으로 변환하고, 제1 및 제2 각속도 검출 전압 파형(J1, J2)을 출력한다.
각속도가 도1에 도시된 센서 유닛(100, 200)에서 X 방향으로 진동하는 각 진동자(4a, 4b)에 작용하면, Y 방향으로 나타나는 코리올리의 힘이 각 진동자(4a, 4b)의 가속도에 따라 X 방향으로 방향을 변화시킨다. 각 센서 유닛(100, 200)의 X 방향 진동이 역상이기 때문에, 코리올리의 힘에 의해 발생되는 각 센서 유닛(100, 200)의 Y 방향 진동, 즉, 센서 출력 파형은 위상이 반대이다. 이후에, 제1 센서 유닛(100)의 출력 파형 위상은 제1 위상으로 언급하고, 제2 센서 유닛(200)이 출력 파형 위상은 제2 위상으로 언급된다. 센서 유닛(100, 200)이 후술되는 다양한 변화에 의한 영향없이, 서로 완전히 동일하게 구성되고, 다른 요인들에 의해 야기되는 불필요한 가속도 성분이 추가되지 않는다면, 각 센서 유닛(100, 200)으로부터 생성된 각속도 출력 파형은, 도5에서 실선으로 표시된 것과 같이, 그 진폭이 서로 실질적으로 동일하다.
불필요한 가속도 성분(δg1, δg2)이 각 진동자(4a, 4b)에 부가되는 경우, 이 불필요한 가속도 성분(δg1, δg2)은, 도5에 점선으로 표시된 것과 같이, 각속도 검출 전압 파형(J1, J2)에 중첩된다. 불필요한 가속도 성분(δg1, δg2)이 동일한 레벨인 경우, 이들 가속도 성분(δg1, δg2)은 차동 증폭 회로에서 완전히 상쇄될 수 있다. 그러나, 도1에 도시된 진동자(4a, 4b)는 그 무게 및 구성에서 약간 상이할 수 있다. 진동 검출 커패시터(5a, 5b)는 그 전극 면적 또는 진동 중심 위치에서의 전극 간격에서 약간 상이할 수 있다. 또한, X 방향 진동을 야기하기 위한 진동자(4a, 4b)의 구동부를 구성하는 각 구성요소(예로, 전극(1a, 1b))가 약간 상이할 수 있다. 이러한 경우에, 동상의 불필요한 가속도 성분(δg1, δg2)은 도6에 도시된 것과 같이 그 레벨에서 차이를 야기할 수 있다. 이 파형들이 차동 증폭 회로에 직접 인가되는 경우, 불필요한 가속도 성분(δg1, δg2)이 완전히 상쇄되지 않을 수 있고, 이에 따라 차분 파형의 일부로서 잔존할 수 있다. 다시 말하면, 각속도 검출 정확도가 악화될 수 있다.
그러므로, 본 실시예에 따르면, 도1에 도시된 바와 같이, 각속도 검출 전압 파형(J1, J2)이 먼저 버퍼 증폭기(31, 32)로 입력되어, 도6에 도시된 것과 같이, 가속도 성분(δg1, δg2) 사이의 차분을 없애기 위해 이득 조정이 실행된다. 이득 조정을 마친 후에, 버퍼 증폭기(31, 32)는 각속도 검출 전압 파형(K1, K2)을 차동 증폭 회로(22)(도1 참조)로 전송한다. 이 이득 조정은 전술된 여러 요인에 의한 영향으로부터 야기되는 가속도 성분(δg1, δg2) 사이의 고유의 차분을 유연하게 제거할 수 있다. 결과적으로, 가속도 성분(δg1, δg2)이 차분 파형에 남지 않는다. 따라서, 각속도 검출 정확도가 향상될 수 있다. 이득 조정 방법에 대해, 각각의 센서 유닛(100, 200)에 동상 가속도를 실험적으로 부가하기 위해 적합한 진동 장치가 사용될 수 있다. 그리고 나서, 각 센서 유닛(100, 200)에 가속도 성분이 부가되지 않았을 때 획득되는 블랭크(blank) 파형과 비교하여 가속도 성분(δg1, δg2)의 레벨 측정이 수행될 수 있다.
G1이 버퍼 증폭기(31)의 이득을 나타내고, G2가 버퍼 증폭기(32)의 이득을 나타내는 경우, G1/G2 = δg1/δg2 관계를 만족시키도록 이득 조정이 수행된다. 본실시예에 따르면, 도1에 도시된 각각의 가변 저항(31t, 32t)의 저항값(Rx, Ry)의 비율(Rx/Ry)이 δg1/δg2과 같게 된다. 이 때문에,각 가변 저항(31t, 32t)의 저항값이 도3에 도시된 것과 같이 레이저 트리밍에 의해 조정된다.
진동형 각속도 센서가 차량에 설치되는 경우, 차량의 주행 환경 동안의 여러 요인으로 인해 발생하는 노이즈 진동으로부터 전술된 불필요한 가속도 성분이 초래된다. 또한, 진동자(4a, 4b)의 구동 진동수(F)는 획득되는 각속도 신호의 진동수를 제공한다. 특히, 구동 진동수(F)가, 엔진 진동 및 타이어 진동 진동수와 같이, 차량 주행 환경에서 발생하는 노이즈 진동 진동수에 근접하면, 각속도 신호 파형이 이들 노이즈 성분에 완전히 포함될 수 있다. 이것은 센서 출력의 S/N비를 상당히 감소시킬 수 있다. 이러한 일정한 노이즈 진동의 진동수는 수백 헤르쯔(Hz) 레벨에 가깝고, 전술된 구동 진동수는 대개 2kHz 내지 10kHz의 비교적 높은 범위에서 설정된다.
전술된 진동수 설정에 따르면, 엔진 진동 및 타이어 진동 등과 같은 비교적 낮은 진동수의 노이즈 진동으로부터 유래하는 불필요한 가속도 성분은 각속도 검출 파형에 비해 상당히 긴 주기를 갖는다. 따라서, 불필요한 가속도 성분은 변환 가속도 성분 중 하나로 간주될 수 있다. 도5 및 도6의 파형은 이러한 종류의 저주파 노이즈가 중첩된 경우를 도시하고 있다. Y 방향의 변환 가속도가 일정하게 중첩되면, 각속도 검출 파형은 부가된 변환 가속도에 대응하는 양만큼 진동 중심 레벨이 시프트된다. 또한, 이 변환 가속도는 상호 역상의 진동을 야기하는 2개의 진동자(4a, 4b)(도1)에 대해 동일한 방향으로 작용한다. 따라서, 가속도의 중첩으로 인한 진동중심 레벨의 시프트 방향은 2개의 센서 유닛(100, 200)의 각속도 검출 파형에서 동일하다.
도5 및 도6을 참조하여 설명된 바와 같이, 본 발명의 진동형 각속도 센서는 잔여 저주파 노이즈를 효과적으로 억제할 수 있다. 그러나, 검출되는 각속도 신호의 진동수(즉, 진동자의 구동 진동수) 레벨보다 충분히 낮은 진동수를 갖는 노이즈는 다른 방법에 의해 검출될 수 있다. 유사하게, 고조파 노이즈와 같은, 검출되는 각속도 신호의 진동수(즉, 진동자의 구동 진동수) 레벨보다 높은 진동수를 갖는 노이즈는 다른 방법에 의해 검출될 수 있다. 상세히 말하면, 전술된 이득 조정이 센서 유닛 사이에서 수행되지 않는 경우, 이런 종류의 저주파 또는 고주파 노이즈 성분(즉, 진동자의 구동 진동수와 상이한 진동수를 같은 노이즈 성분; 이후, "센서 대역외(out-of-band) 노이즈"로 언급함)은 서로 상쇄되지 않고, 차동 증폭 회로(22)의 출력에 남을 수 있다. 그러나, 도1에서 점선으로 표시된 것과 같이, 차동 증폭 회로(22)의 출력측에서 센서 대역외 노이즈를 선택적으로 제거하는 신호 처리부(45)를 제공하는 것이 바람직하다. 본 실시예에 따르면, 신호 처리부(45)는 동기 검출 회로 또는 대역-통과 필터이다. 예를 들면, 이들 종류의 센서 대역외 노이즈를 제거하기 위해, 고주파 노이즈를 제거하기 위한 저역통과 필터가 사용되거나, 저주파 노이즈를 제거하기 위한 고역통과 필터가 사용될 수 있다. 신호 처리부(45)는 기계적인 진동으로부터 유래하는 노이즈 외에, 교류발전기 등으로부터 발생하는 배경 노이즈, 스위칭 노이즈 등과, 고조파 노이즈 또는 전기적인 요인에 의해 발생하는 그 밖의 노이즈를 포함하는 여러 센서 대역외 노이즈를 제거하는기능을 갖는다. 도1은 차동 증폭 회로(22)의 출력 스테이지에 제공된 신호 처리부(45)를 도시하고 있지만, 이러한 신호 처리부가 버퍼 증폭기(31)과 차동 증폭 회로(22) 사이에 제공될 수 있고, 또한, 버퍼 증폭기(32)와 차동 증폭 회로(22) 사이에 다른 신호 처리부가 제공될 수도 있다.
한편, 차량이 주행할 때, 각속도 센서의 구동 진동수에 비교적 근접한 진동수를 갖는 노이즈 진동(이후, 근접 노이즈 진동으로 언급함)이 발생할 수 있다. 이 실시예는, 이들 노이즈 진동이 구동 진동수(F) 상에 위치된 중심과 이 중심에 대해 ±50%(특히, ±10%) 폭을 갖는 소정의 진동수 범위 안에 있을 때에, 그 노이즈 진동을 근접 노이즈 진동으로 정의한다. 신호 처리부(45)에 의해 커버되는 진동수 범위는 이 진동수 영역 밖이다. 예를 들면, 타이어로 요철 또는 다른 장애물을 넘을 때에, 금속성 차대(chassis) 또는 몸체와 충돌하거나, 날카로운 잡음이 갑자기 발생할 수 있다. 이러한 충돌 금속성 잡음은 전술된 센서 구동 진동수에 근접한 진동수를 갖는다.
또한, 회전에 의해 야기되는 진동은 비교적 낮은 기본 진동수를 갖는다. 차량이 거친 길에서 주행할 때에, 길의 기복에 대응하는 고주파 성분이 각속도 신호에 충첩될 수 있다. 이 고주파 성분도 역시 구동 진동수에 가깝다. 또한, 차량의 차체 구조는 다양한 기계적 공진 모드를 갖는다.
특히, 조임부(볼트, 너트 등), 브래킷(brackets) 또는 지지대(stays)와 같은 일부 소형 구성 부품의 고유 진동수는 각속도 센서의 구동 진동수에 가깝다.
이 경우, 근접 노이즈 진동의 중첩은 도5 및 도6에 도시된 파형 시프트처럼간단하지 않다. 일례로서, 도11은 각각의 센서 유닛의 출력 파형에서 나타나는 진폭의 변화를 보여준다. 이 경우에, 근접 노이즈 진동 성분(δg1)은 제1 위상으로 진동하는 제1 센서 유닛(100)의 출력 파형의 진폭을 증가시키고, 근접 노이즈 진동 성분(δg2)은 제2 위상(즉, 제1 위상과 반대 위상)으로 진동하는 제2 센서 유닛(200)의 출력 파형의 진폭을 감소시킨다. 또는 그 역도 성립한다. 이후에, 근접 노이즈 진동의 중첩이 간략히 설명될 것이다.
먼저, 현재 각속도 진동 성분이 다음의 수식과 같이 표현된다고 가정한다.
S = A·sin(2πft-φ)..........(i)
또한, 근접 노이즈 진동 성분은 다음의 수식으로 표현된다.
N = δg·sin(2πft-φn)..........(ii)
근접 노이즈 진동 성분(ii)이 각속도 진동 성분(i)에 중첩되면, 그 합성 파형(S)는 다음의 수식과 같이 표현될 수 있다.
S = As·sin(2πft-φs)..........(iii)
여기서, As 및 φs는 다음의 수식으로 표현된다.
As = [A2+δg2- 2A·δg·cos(φn-φ)]1/2..........(iv)
φs = φ+Tan-1[{δg·sin(φn-φ)}/{A+δg·cos(φn-φ)}]..........(v)
제1 센서 유닛(100)과 제2 센서 유닛(200)이 서로 역상 관계에 있기 때문에, 수식(i)에서의 위상(φ)과 제2 센서 유닛(200)의 위상(φ2)은 φ2 = φ1 - π 관계를 만족한다. 따라서, 수식(iv)을 고려하면, 각각의 센서 유닛(100, 200)의 중첩된파형(S1, S2)의 진폭은 다음의 수식으로 표현될 수 있다.
As1 = [A2+δg2- 2A·δg·cos(φn-φ1)]1/2..........(vi)
As2 = [A2+δg2- 2A·δg·cos(φn-φ1+π)]1/2
= [A2+δg2+ 2A·δg·cos(φn-φ1)]1/2..........(vii)
도6은 근접 노이즈 진동의 위상(φn)이 제2 센서 유닛(200)의 각속도 진동 성분의 위상(φ1-π)와 일치하는 경우를 도시하고 있다. 수식(vi) 및 (vii)는 다음의 방식으로 변형될 수 있다.
As1 = A+δg..........(vi)'
As2 = A-δg..........(vii)'
따라서, 근접 노이즈 진동 성분(δg)은 하나의 센서 출력의 진폭을 증가시키고, 다른 센서 출력의 진폭을 감소시키는 기능을 갖는다는 것을 알 수 있다.
수식(vi)' 및 (vii)'로부터 알 수 있는 바와 같이, 양쪽 센서 유닛(100, 200)이 완전히 등가를 갖도록 구성되는 경우, 도6에 도시된 바와 같이, 근접 노이즈 진동으로부터 유래하는 제1 센서 유닛(100)의 불필요한 가속도 성분(δg1)은 근접 노이즈 진동으로부터 유래하는 제2 센서 유닛(200)의 불필요한 가속도 성분(δg2)과 완전히 일치될 것이다. 따라서, 두 파형 사이의 차분 진폭이 As1 + As2 식으로 획득되면, 이 불필요한 가속도 성분(δg1, δg2)은 완전히 상쇄된다. 한편, 도1에 도시된 신호 처리부(45)에 의해 수행되는 필터링 동작을 통해 근접 노이즈 진동 성분을 제거하는 것은 대체로 어렵다. 그러므로, 상호 역상의 진동을 야기하는 두 센서 유닛(100, 200) 사이의 근접 노이즈 진동 성분을 상쇄하는 것 이외의 방법은 없다.
그러나, 불필요한 가속도 성분(δg1, δg2)이 전술된 진동의 영향으로 인해 서로 일치하지 않는 경우, 이 성분(δg1, δg2) 사이의 차 성분(△δg)이 도12에 도시된 것처럼 남게 되고, 신호 처리부를 이용한 종래 방법에 의해 제거될 수 없다.
그러나, 본 발명은 전술한 이득 조정을 수행할 수 있게 한다. 상세히 말하면, 도13에 도시된 바와 같이, 제1 센서 유닛(100)과 제2 센서 유닛(200) 중 적어도 하나는 각속도 진동 성분과 근접 노이즈 진동 성분의 합성 출력으로서 생성된 센서 출력 파형의 진폭 조정이 이루어진다. 그 결과, 두 센서 유닛의 근접 노이즈 진동 파형 사이의 상대 진폭 차이는 감소될 수 있다. 따라서, 센서 구동 진동수(F)보다 더 낮은 진동수 범위에서 제공되는 신호 처리부(45)(도1)에 의해 제거될 수 있는 근접 노이즈 진동 파형 성분에 의해 초래되는 영향을 효과적으로 억제하거나 제거할 수 있게 된다.
이제, 본 발명에 따른 변형된 실시예를 갖는 각속도 센서가 설명될 것이다. 도1에 기재된 각속도 센서(1)와 동일한 부분 또는 구성요소는 동일한 참조번호로 표시되고, 이후에 설명되지 않을 것이다.
도7에 도시된 각속도 센서(150)에 따르면, 차동 증폭 회로(22)의 이득 결정 저항(31t, 32t, 22c. 22d) 중 적어도 일부, 예로, 본 실시예에 따른 입력 스테이지 저항(31t, 32t)이 가변 저항(예를 들면, 도3에 도시된 레이저 트리머블 저항)으로구성되는 방식으로 아날로그 입력 조정 회로가 구성된다.
R1, R2, R3, R4각 4개의 이득 결정 저항(31t, 22c, 32t, 22d)의 저항값을 나타낼 때, 차동 증폭 회로(22)는 다음의 수식으로 일반적으로 표현되는 출력(V)를 생성한다.
V = -((R1+R2)/R1)×[{R2/(R1+R2)}×J2-{R4/(R3+R4)}×J1]..........(1)
상기의 수식으로부터, 전체 증폭 이득은 (R1+R2)/R1 으로 표현되고, 가중 팩터 R2/(R1+R2) 및 R4/(R3+R4)가 각각의 입력(J2, J1)에 부가된다는 것을 알 수 있다. 가중 팩터에 있어서, 가중 저항(31t, 32t)의 저항값(R1, R3)은 각각의 가중 팩터에 독립적으로 포함된다는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 동상 성분을 상쇄하기 위한 입력 이득 조정이 실행될 수 있다. 또한, 이 실시예는 버퍼 증폭기를 필요로 하지 않고, 따라서, 회로 구성이 매우 간단하다.
그러나, 입력 이득 조정이 저항(31t, 32t)의 저항값(R1, R3)을 변화시킴으로써 수행되는 경우에, 차동 증폭 회로(22)의 전체 증폭 이득과 입력(J2, J1)의 가중 팩터 모두가 동시에 변화될 수 있다. 이 점에 있어서, 조정에서의 자유도가 도1의 구성에 비해 작다. 상세히 말하면, 조정은 상이한 증폭 회로(22)의 전체 증폭 이득에 영향을 주지 않도록 수행될 필요가 있다. 이 때문에, 가중 팩터 조정시, 즉, 입력 이득 조정시에, 저항값(R3)의 변화가 수식(1)로부터 알 수 있는 바와 같이 전체 증폭 이득에 영향을 주지 않기 때문에, 저항(32t)의 저항값(R3)이 변화되어 입력(J1)을 조정한다. 이 경우에, 가변 저항이 레이저 트리머블 저항으로 구성되면, 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 동상 성분의 기여도가입력(J1)에서 보다는 입력(J2)에서 크면, 입력(J1)의 입력 이득이 증가되어야 한다. 수식(1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 경우에 저항값(R3)은 감소될 필요가 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 레이저 트리머블 저항의 조정은 저항값 증가 방향으로만 실행될 수 있기 때문에, 레이저 트리머블 저항의 저항값을 감소시키는 것은 불가능하다. 따라서, 입력(J1)에 대해 큰 입력 이득을 설정하는 것은 전체 증폭 이득을 변화시키지 않고는 불가능하다.
반면에, 도1에 도시된 구성에 따르면, 2개의 가변 저항(31t, 32t)이 모두 변화될 때, (도7의 구성에서 전체 증폭 이득에 따른) 차동 증폭 회로(22)의 증폭 이득은 항상 일정하다. 따라서, 도1에 도시된 구성은 상기의 제한을 받지 않는다. 또한, 입력(J2)의 이득에 비해 입력(J1)의 큰 입력 이득을 설정하는 것은 용이하다.
다음으로, 도1에서 2개의 진동형 센서 유닛(100, 200)은 검출될 동상 성분 뿐만 아니라 각속도 검출 파형의 위상에서의 차이를 야기할 수 있다. 상세히 말하면, 각속도 검출 방향(Y)에서 진동자(4a, 4b)의 공진 고유 진동수가 서로 상이한 경우, 진동 파형의 위상은 진동자의 실제 진동수, 즉, 기준 진동 방향(X)에서의 진동수(F)와 전술된 특성 진동수 사이의 차에 따라 변할 것이다. 공진 고유 진동수에 영향을 주는 주요 요인은 도1에 도시된 구성에 따른 빔(2)의 탄성 계수에서의 변화이다. 2개의 각속도 검출 파형이 그 위상에서 상이한 경우, 차동 증폭 회로(22)에 대한 입력 이득 조정이 수행되어 동상 성분 레벨이 조정되더라도, 이러한 위상차로부터 유래하는 차분항이 상쇄될 수 없다. 따라서, 각속도 검출 정확도가 저하될 수 있다.
상기의 관점에서, 도8에 도시된 각속도 센서(151)는 도7에 도시된 각속도 센서(150)의 구성에 추가로, 위상 조정 회로(즉, 위상 조정 수단)(35, 36)를 포함한다. 위상 조정 회로(35)는 차동 증폭 회로(22)로 입력되는 제1 각속도 검출 전압 파형(J1)의 위상을 조정하고, 위상 조정 회로(36)는 차동 증폭 회로(22)로 입력되는 제2 각속도 검출 전압 파형(J2)의 위상을 조정한다. 따라서, 두 파형 사이에 위상차가 야기되더라도, 차분 파형이 생성되기 전에 위상차를 감소시키도록 위상 조정이 수행될 수 있다. 예를 들면, 각 위상 조정 회로를 구성하기 위해 아날로그 지연 조정 회로가 사용된다. 도8에 도시된 실시예에 따르면, 커패시터(35b) 및 방전 저항(35a)이 결합되어 이러한 지연 회로를 구성한다. 방전 저항(35a(은 가변 저항이다. 지연 시상수는 방전 저항(35a)의 저항값을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 파형의 위상도 역시 변화될 수 있다. 또한, 도9에 도시된 각속도 센서(152)는, 위상 조정 회로(35, 36)가 각 버퍼 증폭기(31, 32)의 입력 스테이지에 제공된다는 점에서 도1에 도시된 각속도 센서(1)와는 상이하다.
또한, 전술된 아날로그형 회로 구성은 도10에 도시된 디지털 회로로 대체될 수 있는데, 여기서, 각속도 센서(153)는 A/D 변환부(60, 61), 디지털 신호 처리기(DSP)(62), 및 D/A 변환부(63)를 포함한다. A/D 변환부(60, 61)는 각각의 전하 증폭기(20, 21)로부터 제공되는 아날로그 출력을 디지털 데이터로 변환한다. DSP(62)는 각 입력 파형의 이득 조정(또는 위상 조정) 및 파형차 검출에 필요한 디지털 처리를 실행한다. D/A 변환부(63)는 DSP(62)의 디지털 출력을 아날로그값으로 변환하여, 아날로그 출력을 생성한다. 이 경우에, DSP(62)는 차분 파형 검출 수단및 입력 이득 조정 수단(또는 위상 조정 수단)으로서의 역할을 한다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 각속도 센서 내의 각속도 검출 파형에 나타나는 동상 성분의 차분을 감소시키고, 변동 또는 노이즈를 야기하는 여러 요인들에 의한 영향없이 차분 파형에서의 잔여 동상 성분 노이즈 레벨을 감소시켜, 각속도 검출 정확도를 개선할 수 있는 진동형 각속도 센서를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 진동형 각속도 센서에 있어서,
    소정의 기준 진동 방향으로 진동하는 진동자, 및 각속도가 상기 진동자에 인가되면, 상기 기준 진동 방향과는 상이한 각속도 검출 방향으로 발생하는 각속도 진동 성분을 검출하고, 상기 각속도 진동 성분에 기반하여 각속도 검출 파형을 생성하는 검출 파형 생성부를 각각 갖는 제1 및 제2 센서 유닛 - 상기 제1 및 제2 센서 유닛은, 각각의 검출 파형 생성부가 서로 역상인 제1 및 제2 각속도 검출 파형을 생성하도록 하기 위해, 각각의 진동자를 상기 기준 진동 방향에서 서로 역상으로 진동하도록 야기함 -;
    상기 각속도 검출 방향에서 상기 제1 및 제2 센서 유닛의 각 진동자에 작용하는 동상 성분을 상쇄하기 위해, 상기 제1 각속도 검출 파형과 상기 제2 각속도 검출 파형 사이의 차분 파형을 획득하기 위한 차분 파형 검출 수단; 및
    상기 차분 파형의 잔여 동상 성분을 감소시키기 위해, 상기 차분 파형 검출 수단으로 입력되는 상기 제1 각속도 검출 파형의 입력 이득과 상기 제2 각속도 검출 파형의 입력 이득 중 적어도 하나를 조정하기 위한 입력 이득 조정 수단
    을 포함하는 진동형 각속도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차분 파형 검출 수단은 상기 제1 및 제2 각속도 검출 파형의 아날로그 데이터를 입력하는 차동 증폭 회로를 포함하고, 상기 이득 조정 수단은 상기 각속도 검출 파형의 아날로그 입력 이득을 조정하는 아날로그 입력 이득 조정 회로를 포함하는
    진동형 각속도 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 검출 파형 생성부는 상기 각속도 진동 성분에 따라 전극간 거리를 변화시키기 위한 진동 검출 커패시터, 상기 진동 검출 커패시터로 일정한 바이어스 전압을 인가하기 위한 바이어스 전원, 및 상기 바이어스 전압이 인가되면 상기 전극간 거리의 변화에 따라 상기 진동 검출 커패시터의 전하량 변화를 검출하기 위한 전하 증폭기를 포함하고,
    상기 아날로그 입력 이득 조정 회로는 상기 전하 증폭기로부터 생성되어 상기 차동 증폭 회로로 입력되는 상기 각속도 검출 전압 파형의 입력 이득을 조정하기 위해, 상기 전하 증폭기와 상기 차동 증폭 회로 사이에 배치되는
    진동형 각속도 센서.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 아날로그 입력 이득 조정 회로는 상기 각속도 검출 파형을 입력하는 상기 차동 증폭 회로의 입력 스테이지에 제공되는 버퍼 증폭기를 포함하고,
    상기 버퍼 증폭기의 이득 결정 저항 중 적어도 일부는 가변 저항으로 구성되며,
    상기 가변 저항의 저항값 조정에 기반하여 이득 조정되는 상기 버퍼 증폭기의 출력은 아날로그 입력 이득 조정된 각속도 검출 파형으로서 상기 차동 증폭 회로로 입력되는
    진동형 각속도 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 아날로그 입력 이득 조정 회로는 상기 차동 증폭 회로의 이득 결정 저항 중 적어도 일부를 구성하는 가변 저항을 포함하고, 상기 아날로그 입력 이득 조정 회로는 상기 가변 저항의 저항값 조정에 기반하여 상기 차동 증폭 회로로 입력되는 상기 각속도 검출 파형의 아날로그 입력 이득을 조정하는
    진동형 각속도 센서.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 가변 저항은 소정의 방향으로만 불가역적으로 조정할 수 있는 저항값을갖는
    진동형 각속도 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가변 저항은 레이저 트리머블 저항(laser trimmable resistor)인
    진동형 각속도 센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차분 파형 검출 수단으로 입력되는 상기 제1 각속도 검출 파형과 상기 제2 각속도 검출 파형 중 적어도 하나의 입력 파형 위상을 조정하기 위한 위상 조정 수단
    을 더 포함하는 진동형 각속도 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동자의 구동 진동수와는 상이한 진동수를 갖는 노이즈 성분을 제거하기 위해, 상기 제1 및 제2 센서의 각 출력에 신호 처리부가 제공되고,
    상기 제1 및 제2 센서 유닛의 각 진동자에 작용하는 동상 성분은 상기 구동진동수에 대해 ±50%인 진동수 범위 안에 근접 노이즈 진동 성분을 포함하고,
    상기 입력 이득 조정 수단은, 상기 제1 및 제2 센서 유닛 중 적어도 하나에 대해, 상기 각속도 진동 성분과 상기 근접 노이즈 진동 성분의 합성 출력으로서 생성되는 센서 출력 파형에 대한 진폭 조정을 실행하여, 각각의 센서 유닛의 근접 노이즈 진동 성분 사이의 상대 진폭 차이를 감소시키는
    진동형 각속도 센서.
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