KR20050031376A - 각속도 검출장치 - Google Patents

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Abstract

각속도 검출장치는 하나 이상의 지지빔에 의해 연결된 네 개의 질량부를 포함하고, 상기 질량부는 그 위에 배치된 각 개별 진동발생기를 갖는다. 상기 개별 진동발생기는 서로 인접한 질량부 쌍을 역위상으로 진동시킴으로써 정규 진동모드를 여기시킨다. 따라서, 상기 질량부는 정규 진동모드에서 강제적으로 진동된다. 내측 프레임이 진동방향으로 진동하면서 검출방향으로 변위될 때, 각속도 검출기는 중앙 질량부의 내측 프레임의 변위를, 진동방향과 검출방향에 수직한 축 주위의 각속도로서 검출한다.

Description

각속도 검출장치{ANGULAR-RATE DETECTING APPARATUS}
본 발명은 회전체의 각속도를 검출하는 각속도 검출장치에 관한 것이다.
공지된 각속도 검출장치는 주어진 방향으로 진동하는 질량부가 각속도에 따른 코리올리힘을 받는 법칙을 이용함으로써, 코리올리힘에 의한 질량부의 변위를 각속도로서 검출하는 각속도 센서이다. (예를 들면, 일본특허공개 2002-81939호 공보를 참조)
공지 기술에 따른 이러한 각속도 센서는 기판 상에 서로 병렬 배치된 3개 질량부를 포함하며, 이 질량부는 X축 방향으로 진동 가능하도록 지지빔에 의해 연결된다. 또한 각 지지빔은 기판에 지지빔의 중앙 장방향 부분을 고정하도록 두 질량부 사이에 각각 배치된 고정부를 갖는다.
또한, 중앙 질량부는 외부 구동신호(전압)가 발생기에 인가될 때, 기판과 질량부 사이에 정전력을 발생하는 그 위에 배치된 진동발생기를 포함한다. 이 경우, 진동발생기가 중앙 질량부를 X축 방향으로 정전력에 의해 진동시킬 때, 중앙 질량부에 인접한 외측 질량부는 역위상으로 진동된다. 이러한 구조로, 공지 기술에 의하면, 서로 인접한 두 질량부가 마디로 기능하는 고정부에 의해 역위상으로 진동하는 동안, 질량부는 일정한 공진상태로 유지된다.
예를 들면, 이 질량부가 진동하는 동한 Y축 주위의 토크가 센서에 적용될 때, 각 외측 질량부는 그 진동상태에 따른 코리올리힘을 받기 때문에 Z축 방향으로 변위된다. 이 경우, 외측 질량부는 기판과 외측 질량부 사이의 정전 용량이 Z축 방향으로의 변위에 의해 변하는 그 위에 배치된 각속도 검출부를 갖는다. 그러므로, 각속도 검출기는 정전용량의 변화와 같은 Y축 주위의 각속도로서 외측 질량부의 변위를 검출한다.
한편, 공지 기술에 의하면, 중앙 및 외측 질량부는 역위상으로 진동되면서 질량부는 일정한 공진상태로 유지된다. 그러나, 각 질량부는 서로 인접한 두 질량부가 역위상으로 진동하는 진동모드(이하, 이 진동모드를 정규 진동모드라고 함)를 가질 뿐만 아니라, 때로는 복수의 진동모드를 갖기도 한다. 예를 들면, 다수의 질량부가 연결되어 있을 때, 정규 진동모드 이외의 진동모드의 수(즉, 서로 인접한 두 질량부 모두 역위상으로 진동하지 않는 진동모드의 수)는 증가한다.
따라서, 공지 기술에서, 정규 진동모드 이외의 진동모드는, 예를 들면, 센서를 기동할 때에 여기되기 쉽고, 그 결과 센서의 기동부터 정규 진동모드의 여기까지의 시작 시간의 주기는 길어지거나, 높은 신호레벨(고전압)의 구동신호는 정규 진동모드를 유지 및 여기시키기 위해서 진동발생기에 입력될 필요가 있으며, 이것에 의해 기동 시간에서의 성능의 저하나 전력소비의 증가의 문제를 유발한다.
또한, 각 질량부가 정규 진동모드 이외의 진동모드에서 지속적으로 진동할 때, 진동의 진폭과 진동주파수는 의외로 불안정해지고, 이것에 의해 센서로서 요구되는 검출 정밀도나 신뢰성의 저하의 문제를 유발한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 서로 인접한 두 질량부를 역위상으로 진동시키고, 검출장치를 기동할 때에도 정규 진동모드를 유지하며, 검출 정밀도와 신뢰성의 향상을 달성할 수 있는 각속도 검출장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치는 기판, 상기 기판 상에 소정 방향으로 서로 병렬 배치되는 복수의 질량부, 상기 복수의 질량부가 서로 병렬 배치된 소정 방향에 대략 수직의 진동 방향으로 상기 복수의 질량부 각각이 진동할 수 있도록 상기 복수의 질량부를 연결하는 지지빔, 상기 기판에 상기 지지빔을 고정하는 고정부, 서로 인접한 상기 복수의 질량부 중 2개를 진동 방향으로 역위상으로 진동시키는 진동발생기 및 상기 질량부가 진동하는 상태에서 진동방향에 대략 수직의 검출방향으로 변위되는, 상기 질량부의 일부 변위를 각속도로서 검출하는 각속도 검출기를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 바람직하게는 상기 진동발생기가 서로 인접한 상기 두 질량부에 서로 반대 방향의 구동력을 가한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 바람직하게는 상기 진동발생기가 각 질량부에 대응하는 개별 진동발생기로서 개별적으로 배치되고, 서로 인접한 상기 두 개별 진동발생기가 서로 반대 방향의 구동력을 발생한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 바람직하게는 상기 복수의 질량부 사이에서, 상기 진동발생기에 의해 상기 각 질량부에 가해지는 구동력의 크기 간 비율을 대응하는 질량부의 구동진폭과 질량의 곱셈 간 비율과 거의 같게 설정된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치는 기판, 상기 기판 상에 소정 방향으로 서로 병렬 배치되는 복수의 질량부, 상기 복수의 질량부가 서로 병렬 배치된 소정 방향에 대략 수직의 진동 방향으로 상기 복수의 질량부 각각이 진동할 수 있도록 상기 복수의 질량부를 연결하는 지지빔, 상기 기판에 상기 지지빔을 고정하는 고정부 및 상기 질량부가 진동하는 상태에서 진동방향에 대략 수직의 검출방향으로 변위되는, 상기 질량부의 일부 변위를 각속도로서 검출하는 각속도 검출기를 포함하는 각속도 검출장치에 있어서, 상기 복수의 질량부 중 하나 이상이 그 위에 배치된 진동발생기를 갖고, 하나 이상의 상기 질량부에 인접한 다른 질량부가 그 사이에 진동모니터를 가지며, 이로 인해 서로 인접한 질량부가 진동방향으로 역위상으로 진동하도록 그 진동상태를 모니터링하고 진동발생기를 제어하기 위한 모니터 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 바람직하게는 하나 이상의 상기 질량부와 상기 다른 질량부가 역위상으로 진동할 때 상기 진동 모니터는 정규 모니터신호를 출력하고, 상기 진동발생기와 상기 진동모니터는 그들 사이에 배치된 제어회로를 가지며, 정규 모니터신호가 상기 진동모니터로부터 상기 제어회로에 입력될 때 상기 제어회로는 상기 복수의 질량부 각각을 진동발생기에 의해 공진 상태로 유지한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 바람직하게는 상기 복수의 질량부가 선형으로 서로 병렬 배치되는 네 개의 질량부를 포함한다.
본 발명의 형태, 요소, 단계, 특성 및 장점들은 첨부도면을 참조하여 이하에서 상술한 것으로부터 당업자들에게 명백해질 것이다.
(바람직한 실시예의 상세한 설명)
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1과 도 2는 바람직한 제 1실시예를 도시한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기판에 수직의 Z축 주위의 각속도를 검출하는 각속도 센서를 예를 들어 설명하기로 한다.
각속도 센서(1)는 그 베이스를 형성하는 기판(2)을 포함한다. 바람직하게, 기판(2)은 실리콘, 유리, 또는 다른 적당한 재료 등으로 평판상으로 제조되며, 예를 들면, 서로 수직의 X,Y,Z축 중에서 X축과 Y축에 사실상 병렬로 확장되고 Z축에 사실상 수직하도록 배치된다.
기판(2)은 제 1, 제 2중앙 질량부(3,7)와, 제 1, 제 2외측 질량부(11,12)와, 내측 지지빔(6,10)과, 외측 지지빔(13)과, 고정부(15)와, 고정 구동전극(16,17)과, 가동 구동전극(18∼21)과, 고정 검출전극(26,27)과, 가동 검출전극(28,29)과, 진동 모니터(34) 및 예를 들면 전도성의 저저항 실리콘 재료에 에칭 공정을 적용함으로써 그 위에 제공된 후술하는 다른 적정 구성요소를 포함한다.
Y축 방향으로 서로 병렬 배치된 네 질량부(3,7,11,12) 중, 제 1중앙 질량부(3)는 제 2중앙 질량부(7)와 함께 기판(2)의 중앙 근처에 배치된다. 또한, 중앙 질량부(3)는 사각형의 외측 프레임(4)과, 외측 프레임(4)의 내부에 배치된 사각형의 내측 프레임(5)과, 예를 들면 외측 프레임(4)과 내측 프레임(5)의 네 모서리 사이에 배치된 네 개의 내측 지지빔(6)으로 이루어진다.
한편, 외측 프레임(4)은, 중앙 질량부(3)가 X축 방향(진동 방향)으로 진동할 때 후술하는 외측 지지빔(13)의 변위가 Y축 방향(검출 방향)으로 지속적으로 변위되고 변형되어 내측 프레임(5)에 전해지는 것을 방지한다. 또한, 내측 지지빔(6)은, X축 방향으로 연장되어 Y축 방향으로 변형될 수 있고, 내측 프레임(5)을 Y축 방향으로 변위될 수 있도록 지지하며, 내측 프레임(5)이 X축 방향으로 변위되는 것을 방지한다.
대체로 중앙 질량부(3)와 같은 방법으로, 제 2중앙 질량부(7)은 외측 프레임(8)과, 내측 프레임(9)과, 내측 지지빔(6)에 대응하는 내측 지지빔(10)으로 이루어진다. 내측 프레임(9)은 각 내측 지지빔(10)의 변형에 따라 Y축 방향으로 변위될 수 있다.
제 1, 제 2외측 질량부(11,12)는 Y축 방향에 대하여 각각 중앙 질량부(3,7)의 외측에 배치된다. 각 외측 질량부(11,12)는 X축 방향으로 연장되는 선형의 질량체를 형성하도록 배치되고, 길이 방향의 그 양단은 대응하는 외측 지지빔(13)에 연결된다.
좌ㆍ우의 외측 지지빔(13)은 질량부(3,7,11,12)를 끼우도록 기판의 양측에 X축 방향으로 배치되고, 각 외측 지지빔(13)은 탄성의 좁은 빔으로 이루어지며, X축 방향으로 변형 가능하도록 그리고 Y축 방향으로 선형으로 연장되도록 배치된다. 질량부(3,7)의 외측 프레임(4,8)은 그들 사이에 끼워지는 높은 강도의 넓은 연결부(14)를 갖는 외측 지지빔(13)의 길이 방향 중간부에 연결되고, 외측 지지빔(13)의 양단에는 길이 방향으로 외측 질량부(11,12)가 연결된다.
이 구조에 의해, 네 질량부(3,7,11,12)는 Y축 방향으로 서로 선형으로 병렬 배치되고 외측 지지빔(13)에 의해 X축 방향으로 진동 가능하게 지지된다. 또한, 이 질량부(3,7,11,12)는 대체로 전체 질량부의 중심(G)에 대해 대칭으로 배치된다.
따라서, 구동신호를 후술하는 개별 진동발생기(22∼25)에 인가할 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 인접한 질량부(3,11)와 서로 인접한 질량부(7,12)는 대략 일정한 위치에 전체 질량부의 중심(G)을 유지하면서 역위상(180˚벗어난 위상)으로 X축 방향으로 진동한다. 즉, 예를 들면 질량부(3,12)가 X축 방향의 화살표(a1) 방향으로 진동할 때, 질량부(7,11)는 상기 화살표(a1)와 반대 방향으로 나타낸 화살표(a2) 방향으로 진동한다.
서로 인접한 두 질량부가 역위상으로 진동하는 진동모드는 각속도 센서(1)가 작동 중일 때 미리 정규 진동모드로 정해진다. 이 진동모드에서, 질량부(3,11)와 질량부(7,12)는 중심(G)에 대해 대칭 방식으로 안정적으로 진동하고 양호하게 균형잡힌 방식으로 중심(G)의 주위에서 진동하므로, 각 질량부의 진동이 기판(2)에 전해지는 것을 방지한다. 또한, 정규 진동모드에서, 각 외측 지지빔(13)은 X축 방향으로 대략 S형으로 변형되면서 구불구불한 식으로 진동하고, 그 길이 방향 중간부에는 진동의 마디가 되어 대략 일정한 위치로 유지되는, 예를 들면 세 개의 마디부(13A)가 배치된다.
기판(2) 상에 배치된 고정부(15)는 질량부(3,7,11,12)를 둘러싸도록 기판(2) 상에 고정된 사각형의 마운트(15A)와, 기판(2)의 좌ㆍ우측에 배치되어 마운트(15A)의 내부에 일체로 형성되고 Y축방향으로 연장되어 대략 T형의 연장부(15B)와, 각 연장부(15B)에 배치되고 기판(2)으로부터 벗어나 위치해서 각 외측 지지빔(13)의 대응하는 마디부(13A)에 연결된, 예를 들면 세 개의 대략 C형 또는 U형의 탄성 암(15C,elastic arms)으로 이루어진다.
한편, 암(15C)은 질량부(3,7,11,12)와, 지지빔(6,10,13)과, 가동 전극(18∼21,28,29)을 기판(2)으로부터 벗어나 위치하도록 유지한다. 이 경우, 암(15C)은 각 질량부를 외측 지지빔(13)의 마디부(13A,진동의 마디)에서 지지하므로, 각 구성요소의 진동은 마디부(13A)에서 소멸되고, 따라서 기판(2)에 전해지는 것이 방지된다. 이 구조에 의해, Z축 주위의 각속도(Ω)에 의해 Y축 방향으로 변위되는 중앙 질량부(3,7)의 각 내측 프레임(5,9)의 변위가 각속도(Ω)로서 검출될 때, 기판(2)의 진동으로 인한 검출 정밀도의 저하는 효과적으로 방지된다.
이하, 질량부(3,7,11,12)를 구동하는 메카니즘을 설명하기로 한다. 예를 들면, 두 개의 고정 구동전극 즉, 두개의 고정 구동전극(16)은 기판(2) 상에 배치되고, 각 구동전극(16)은 예를 들면 빗 형태의 전극으로 이루어지고 복수의 전극판(16A,16B)을 포함하며, 이 구동전극(16)은 제 1중앙 질량부(3)와 외측 질량부(11) 사이에 X축 방향으로 간격을 가지면서 배치된다. 이 경우, 각 전극판(16A)은 중앙 질량부(3)에 면하도록 배치되고, 각 전극판(16B)은 외측 질량부(11)에 면하도록 배치된다. 또한, 이 전극판(16A,16B)은 빗 형태의 구성으로 차례로 배치되어 Y축 방향으로 간격을 가지면서 X축 방향으로 연장된다.
또한, 다른 두 개의 고정 구동전극 즉, 두개의 고정 구동전극(17)은 제 2중앙 질량부(7)와 외측 질량부(12) 사이에 X축 방향으로 간격을 가지면서 배치되고, 각 고정 구동전극(17)은 중앙 질량부(7)에 면하도록 배치된 복수의 전극판(17A)과 외측 질량부(12)에 면하도록 배치된 복수의 전극판(17B)를 포함한다.
각 고정 구동전극(16)에 대응하는 가동 구동전극(18)은 제 1중앙 질량부(3)의 외측 프레임(4) 상에 배치되고, 각 가동 구동전극(18)은 예를 들면 빗 형태의 전극으로 이루어지며, 각기 Y축 방향으로 틈을 가지면서, 고정 구동전극(16)의 대응하는 전극판(16A)과 맞물리는 복수의 전극판(18A)을 포함한다.
또한, 각 고정 구동전극(17)에 대응하는 가동 구동전극(19)은 대응하는 고정 구동전극(17)의 각 전극판(17A)과 맞물리는 전극판(19A)을 갖고, 제 2중앙 질량부(7)의 외측 프레임(8) 상에 배치된다. 또한, 가동 구동전극(20,21)은 마찬가지로, 각 쌍이 좌ㆍ우 방향으로 간격을 가지면서 외측 질량부(11,12) 상에 각각 배치된다. 각 가동 구동전극(20)은 대응하는 고정 구동전극(16)의 각 전극판(16B)에 맞물리는 전극판(20A)을 포함하고, 각 가동 구동전극(21)은 대응하는 고정 구동전극(17)의 각 전극판(17B)에 맞물리는 전극판(21A)을 포함한다.
좌ㆍ우의 개별 진동발생기(22)의 쌍은 둘 사이에 X축 방향으로 간격을 가지면서 제 1중앙 질량부(3) 상에 배치되고, 개별 진동발생기(22)는 대응하는 고정 구동전극(16)의 전극판(16A)과 대응하는 가동 구동전극(18)의 전극판(18A)으로 이루어진다.
좌ㆍ우의 개별 진동발생기(23)의 쌍은 제 2중앙 질량부(7) 상에 배치되고, 개별 진동발생기(23)는 대응하는 고정 구동전극(17)의 전극판(17A)과 대응하는 가동 구동전극(19)의 전극판(19A)으로 이루어진다. 또한, 좌ㆍ우의 개별 진동발생기(24)의 쌍은 제 1외측 질량부(11) 상에 배치되고, 개별 진동발생기(24)는 대응하는 고정 구동전극(16)의 전극판(16B)과 대응하는 가동 구동전극(20)의 전극판(20A)으로 이루어진다. 또한, 좌ㆍ우의 개별 진동발생기(25)의 쌍은 제 2외측 질량부(12) 상에 배치되고, 개별 진동발생기(25)는 대응하는 고정 구동전극(17)의 전극판(17B)과 대응하는 가동 구동전극(21)의 전극판(21A)으로 이루어진다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 질량부(3,7,11,12)가 그 위에 배치된 대응하는 개별 진동발생기(22∼25)를 갖고, 각 질량부를 진동하도록 대응하는 개별 진동발생기(22∼25)에 의해 발생된 정전력(F1∼F4,구동력)에 따라 진동된다.
이 경우, 역위상을 갖는 구동신호가 예를 들면 센서의 제어회로(미도시됨)로부터 좌ㆍ우의 개별 진동발생기(22)[좌ㆍ우의 고정 구동전극(16) 쌍]의 쌍에 인가될 때, 정전 구동력은 도 2에서의 좌ㆍ우의 고정 구동전극(16)[각 전극판(16A)]과 가동 구동전극(18)[각 전극판(18A)]에 발생되며, 이것에 의해 중앙 질량부(3)는 도 2에 도시된 화살표(a1,a2) 방향으로 진동하게 한다. 이 때, 좌ㆍ우의 개별 진동발생기(22)의 쌍에 인가된 것과 같은 위상의 구동신호가 좌ㆍ우의 개별 진동발생기(23)[좌ㆍ우의 고정 구동전극(17)]의 쌍에 인가된다. 이 배치에 의해, 질량부(3,7)에는 서로 반대 방향의 구동력[예를 들면, 도 2에 도시된 화살표(a1,a2) 방향으로 가해진 구동력(F1,F2)]이 가해진다.
한편, 개별 진동발생기(22,24)의 빗 형태의 전극은 X축 방향에 대해 서로 반대 방향으로 연장되도록 배치되고, 개별 진동발생기(23,25)의 빗 형태의 전극은 X축 방향에 대해 서로 반대 방향으로 연장되도록 배치된다. 즉, 개별 진동발생기(22∼25)를 이루는 전극판(16A,18A)과 전극판(17B,21A)은 각각 X축 방향에 대해, 개별 진동발생기(23,24)를 이루는 전극판(17A,19A)과 전극판(16B,20A)이 각각 연장되는 방향과 반대 방향으로 연장된다. 이 구조에 의해, 예를 들면 구동력(F1,F2)이 개별 진동발생기(22∼25)에 의해 도 2에 도시된 화살표(a1) 방향으로 각각 질량부(3,7,11,12)에 가해질 때, 구동력(F2,F3)은 개별 진동발생기(23,24)에 의해 도 2에 도시된 화살표(a2) 방향으로 각각 질량부(7,11)에 가해진다. 그 결과, 구동력(F1,F4)과 구동력(F2,F3)은 X축 방향에 대해 서로 반대 방향으로 작용한다(역위상으로 작용한다).
이 배치에 의해, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 질량부(3,7,11,12)의 위상은 개별 진동발생기(22∼25)에 의해 개별적으로 설정되어, 서로 인접한 두 질량부가 역위상으로 진동하는 정규 진동모드를 강제적으로 여기시킨다.
한편, 개별 진동발생기(22∼25)에 의해 발생된 구동력(F1∼F4)은 미리 설정되어, 질량부(3,7,11,12)의 질량(m1∼m4)과 진동하는 질량부의 구동진폭(A1∼A4)에 관한 아래에 나타낸 식 1을 만족한다.
식 1:
F1 : F2 : F3 : F4 = m1 × A1 : m2 × A2 : m3 × A3 : m4 × A4
즉, 대응하는 하나의 개별 진동발생기(22∼25)에 의해 질량부에 가해진 구동력(Fi)에 대한 질량부의 질량(mi)과 구동진폭(Ai)의 곱셈(mi×Ai)의 비율(mi×Ai/Fi)은 질량부(3,7,11,12) 사이에서 거의 같게 설정된다(여기에서, i=1,2,3,4). 그 결과, 정규 진동모드는 효과적으로 여기된다.
이하, 각속도를 검출하는 메카니즘을 설명하기로 한다. 고정 검출전극(26,27)은 기판(2) 상에 배치되고, 예를 들면 빗 형태의 전극으로 이루어진다. 고정 검출전극(26)은 Y축 방향에 대해 개별 간격을 가지면서 X축 방향으로 연장되는 복수의 전극판(26A)을 포함하고, 제 1중앙 질량부(3)의 내측 프레임(5) 내에 배치된다. 또한, 고정 검출전극(27)은 대략 검출전극(26)과 같이 전극판(27A)을 포함하고, 제 2중앙 질량부(7)의 내측 프레임(9) 내에 배치된다.
가동 검출전극(28)은 고정 검출전극(26)에 대응하도록 중앙 질량부(3)의 내측 프레임(5) 상에 배치된다. 가동 검출전극(28)은 각 쌍이 Y축 방향으로 틈을 가지면서, 고정 검출전극(26)의 각 전극판(26A)과 맞물리는 복수의 전극판(28A)을 포함한다. 또한, 가동 검출전극(29)은 고정 검출전극(27)에 대응하도록 중앙 질량부(7)의 내측 프레임(9) 상에 배치되고, 각 쌍이 Y축 방향으로 틈을 가지면서, 고정 검출전극(27)의 각 전극판(27A)과 맞물리는 전극판(29A)을 포함한다.
제 1각속도 검출기(30)는 중앙 질량부(3) 상에 배치되고, 고정 검출전극(26)과 가동 검출전극(28)으로 이루어지며, 그 전극판(26A,28A)은 평판 평행 캐패시터를 이루도록 배치된다.
제 1중앙 질량부(3)가 Z축 주위의 각속도(Ω)로 인해 Y축 방향으로 변위될 때, 각속도 검출기(30)는 검출전극(26,28) 사이의 정전 용량의 변화에 근거하여 각속도(Ω)로서 변위를 검출한다.
제 2각속도 검출기(31)는 중앙 질량부(7) 상에 배치되고 고정 검출전극(27)과 가동 검출전극(29)으로 이루어진다. 제 2중앙 질량부(7)가 그 각속도(Ω)로 인해 Y축 방향으로 변위될 때, 각속도 검출기(31)는 검출전극(27,29) 사이의 정전 용량의 변화에 근거하여 각속도(Ω)로서 변위를 검출한다.
한편, 제 1각속도 검출기(30)에서, 예를 들면 중앙 질량부(3)의 내측 프레임(5)이 Y축 방향에 대해 도 2에 도시된 화살표(b1 또는 b2)의 방향으로 변위될 때, 검출전극(26,28) 사이의 용량은 각각 증가하거나 감소한다. 반면에, 제 2각속도 검출기(31)에서, 예를 들면 중앙 질량부(7)의 내측 프레임(9)이 도 2에 도시된 화살표(b1 또는 b2)의 방향으로 변위될 때, 검출전극(27,29) 사이의 용량은 각각 감소하거나 증가한다.
고정 모니터 전극(32)은 외측 질량부(11,12)의 근처의 기판(2) 상에 배치된다. 각 고정 모니터 전극(32)은 예를 들면 빗 형태의 전극으로 이루어지고, 각 쌍이 그들 사이에 틈을 가지면서, 대응하는 하나의 외측 질량부(11,12) 상에 배치된 빗 형태의 가동 모니터 전극(33)에 맞물린다.
진동 모니터(34)는 각각 외측 질량부(11,12) 상에 배치된다. 각 진동 모니터(34)는 고정 모니터 전극(32)과 가동 모니터 전극(33)으로 이루어지고, 외측 질량부(11,12)의 진동 상태를 모니터해서, 센서의 제어회로에 의해 제어되는 구동신호를 피드백한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 상술한 구조를 갖는 각속도 센서(1)의 작동을 설명하기로 한다.
예를 들면, 역위상의 교류전류 구동신호가 센서의 제어회로로부터 직류전류 바이어스 전압과 함께 좌ㆍ우의 개별 진동발생기(22)[좌ㆍ우의 고정 구동전극(16)]의 쌍에 인가될 때, 정전 구동력은 좌ㆍ우의 고정 구동전극(16)[각 전극판(16A)]의 쌍과 가동 구동전극(18)[각 전극판(18A)]에 차례로 발생되고, 이것에 의해 중앙 질량부(3)는 도 2에 도시된 화살표(a1,a2)의 방향으로 진동한다. 이때, 좌ㆍ우의 개별 진동발생기(22)의 쌍에 인가된 것과 같은 위상의 구동신호가 각각 좌ㆍ우의 개별 진동발생기(23)[좌ㆍ우의 고정 구동전극(17)]의 쌍에 인가된다. 이 배치에 의해, 구동력[예를 들면, 도 2에 도시된 화살표(a1,a2) 방향으로의 구동력(F1,F2)]이 서로 반대 방향으로 질량부(3,7)에 가해진다.
한편, 개별 진동발생기(22,24)의 빗 형태의 전극은 X축 방향에 대해 서로 반대 방향으로 연장되도록 배치되고, 개별 진동발생기(23,25)의 빗 형태의 전극은 X축 방향에 대해 서로 반대 방향으로 연장되도록 배치된다. 이 구조에 의해, 구동력[예를 들면, 구동력(F1,F4)의 방향과 반대 방향으로의 구동력(F2,F3)]이 질량부(3,12)의 방향과 반대 방향으로 질량부(7,11)에 가해진다.
그 결과, 예를 들면 구동력(F1,F4)이 개별 진동발생기(22,25)에 의해 도 2에 도시된 화살표(a1)의 방향으로 각각 질량부(3,12)에 가해질 때, 구동력(F2,F3)은 개별 진동발생기(23,24)에 의해 반대 방향[도 2에 도시된 화살표(a2)의 방향]으로 각각 질량부(7,11)에 가해진다.
이 배치에 의해, 질량부(3,11)의 쌍과 질량부(7,12)의 쌍은 대략 일정한 위치에 이들 질량부의 중심(G)을 유지하면서 역위상으로 진동한다. 두 쌍의 질량부가 중심(G)에 대해 대칭으로 놓여진 채 진동하므로, 이 질량부는 양호하게 균형잡힌 방식으로 진동한다.
한편, 질량부(3,7,11,12)의 진동상태는, 도 2에 도시된 바와 같이 서로 인접한 두 질량부가 역위상으로 진동하는 정규 진동모드 뿐만 아니라, 예를 들면 도 3∼5에 도시된 바와 같이 정규 진동모드와 다른 비교예 1∼3의 진동모드도 포함한다. 정규 진동모드와 다른 진동상태의 경우, 비교예 1의 진동모드에서는, 예를 들면 질량부(3',11')의 쌍과 다른 질량부(7',12')의 쌍이 각각 서로 같은 위상으로 진동한다. 또한, 비교예 2의 진동모드에서는 중앙 질량부(3',7')의 쌍과 다른 외측 질량부(11',12')의 쌍이 각각 서로 같은 위상으로 진동한다. 또한, 비교예 3의 진동모드에서는 모든 질량부(3',7',11',12')가 같은 위상으로 진동한다.
이와 같이 정규 진동모드와 정규 진동모드 이외의 진동모드 중, 실제로 여기되기 쉬운 진동모드는 예를 들면, 질량부가 소정 외력(구동력)에 의해 정적으로 변위될 때의 각 질량부의 변위상태(이하, 정적 구동력으로 인한 질량부의 변위상태라고 함), 구동신호(Vd)의 크기와 위상, 질량부의 진동 특성의 Q값 등에 의해 결정된다.
이 경우, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 네 개의 질량부(3,7,11,12)는 그 위에 배치된 대응하는 개별 진동발생기(22∼25)를 가지므로, 서로 인접한 두 질량부가 이 개별 진동발생기(22∼25)에 의해 역위상으로 강제적으로 진동되고, 이것에 의해 질량부가 정규 진동모드 이외의 진동모드로 진동하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 정적 구동력으로 인한 각 질량부의 변위상태(변위형태)가 정규 진동모드의 질량부의 변위상태와 유사할 때 진동 에너지가 가장 효과적으로 전달되므로, 정규 진동모드는 효과적으로 여기된다.
그러므로, 예를 들면, 도 6에 도시된 비교예 4에서와 같이 진동발생기(24',25')에 의해 외측 질량부(11',12')만을 구동할 때, 정적 구동력으로 인한 질량부의 변위상태는 정규 진동모드의 질량부의 변위상태(도 2참조)와 다르고, 이것에 의해 정규 진동모드의 여기 효과는 감소된다.
즉, 이 비교예에서의 각 질량부의 정적 변위상태에 대해서 외측 질량부(11',12')의 변위는 증가하고, 중앙 질량부(3',7')의 변위는 감소하므로, 이러한 구조는 예를 들면, 센서(1)의 기동에서부터 정규 진동모드의 여기까지의 기동시간이 증가하거나, 구동신호의 신호 레벨(전압)이 낮을 때 정규 진동모드 이외의 진동모드가 여기되기 쉽다는 점에서 문제를 야기시킨다.
반면에, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 질량부(3,7,11,12)에 가해진 구동력(F1∼F4) 간의 비율은 전술한 식 1으로 주어진 바와 같이 적절하게 설정되므로, 정규 진동모드는 효과적으로 여기된다. 즉, 각 질량부가 진동 중일 때, 각 진동하는 질량부에 가해진 관성력(Pi)은 질량(mi)과 구동진폭(Ai)과 질량부의 각진동주파수(ω)를 사용하여 아래에 나타낸 식 2로 주어진다(여기에서, i=1,2,3,4).
식 2:
Pi = -mi × Ai × ω2 × sinωt
질량부가 X축 방향으로 최대 변위(최대 진동)에 있을 때, 대응하는 질량부에 가해진 최대 관성력[Pi'(=-mi×Ai×ω2)]은 질량부에 가해진 외측 지지빔(13)의 탄성력과 같다. 따라서, 질량부(3,7,11,12)에 가해진 구동력(F1∼F4) 간의 비율을 각 질량부에 가해진 최대 관성력(Pi') 간의 비율과 같게 함으로써, 정적 구동력으로 인한 각 질량부의 변위상태와 정규 진동모드에서의 질량부의 변위상태를 서로 같게 설정하고, 이것에 의해 질량부(3,7,11,12)의 정규 진동모드의 여기 효과를 증가시킨다. 이 경우, 구동력(F1∼F4) 간의 비율은 예를 들면 구동전극(16∼21)의 개수, 형태, 상호 대향하는 전극의 대향 면적 등을 적절하게 조정함으로써 원하는 값으로 설정된다.
이하, 각속도를 검출하는 센서(1)의 작동을 설명하기로 한다. 질량부(3,7,11,12)가 진동하고 있는 상태에서 Z축 주위의 각속도(Ω)로 회전되도록 기판(2)에 토크를 인가할 때, 중앙 질량부(3,7) 중 하나의 질량부(3)는 아래에 나타낸 식 3으로 주어진 Y축 방향으로의 코리올리힘(Fc)을 받게 된다. 따라서, 내측 지지빔(6)이 변형되므로, 중앙 질량부(3)의 내측 프레임(5)은 예를 들면 코리올리힘(Fc)에 의해 도면에 도시된 화살표(b1) 방향으로 변위된다.
식 3:
Fc = 2 × m × Ω × v
여기에서, m은 내측 프레임(5)의 질량이고, Ω는 Z축 주위의 각속도이며, v는 X축 방향에서의 내측 프레임(5)의 속도이다.
또한, 중앙 질량부(3)와 역위상[중앙 질량부(3)와 반대 방향으로의 속도]으로 진동하고 있기 때문에, 다른 중앙 질량부(7)는 중앙 질량부(3)의 방향과 반대 방향으로 코리올리힘(Fc)을 받게 되고(즉, -Fc를 받게 되고), 중앙 질량부(7)의 내측 프레임(9)은 도 2에 도시된 화살표(b2)의 방향으로 변위된다. 결과적으로, 각속도 검출기(30,31)의 각 용량이 증가하므로, 이 용량의 변화는 Z축 주위의 각속도(Ω)로서 검출될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 개별 진동발생기(22∼25)는 각각 질량부(3,7,11,12) 상에 배치되어, 서로 인접한 질량부(3,11)에 서로 다른 방향으로 구동력(F1,F3)을 가하고, 서로 인접한 질량부(7,12)에 서로 다른 방향으로 구동력(F2,F4)을 가한다.
이 구동력(F1∼F4)에 의해, 개별 진동발생기(22∼25)는 서로 인접한 질량부(3,11)와 서로 인접한 질량부(7,12)를 역위상으로 강제적으로 진동하고, 이것에 의해 정규 진동모드는 확실하고 용이하게 여기된다. 그 결과, 예를 들면 각속도 센서(1)를 기동할 때의 구동력(F1∼F4,구동신호)의 크기를 과도하게 증가시키지 않으면서, 개별 진동발생기(22∼25)의 기동시에 정규 진동모드를 효과적으로 여기되게 하며, 센서(1)의 전력 소비를 억제하면서 장치의 기동 시간을 감소시킨다.
또한, 어떠한 진동의 정규 진동모드도 여기되지 않고 정규 진동모드 이외의 진동모드가 여기되는 문제는 확실하게 방지되며, 여기된 정규 진동모드는 용이하게 유지된다. 따라서, 센서(1)의 성능은 안정되므로 그 오작동이 방지되고, 이것에 의해 각속도를 정밀하게 검출할 수 있으며 검출 정밀도와 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이 경우, 전술한 식 1에 나타낸 바와 같이, 대응하는 질량부(3,7,11,12)에 가해진 구동력(F1∼F4) 간의 비율은 질량(mi)과 각 질량부의 구동진폭(Ai)의 곱셈(mi×Ai)의 비율과 같게 설정되고(여기에서 i=1,2,3,4), 정적 구동력에 의한 각 질량부(3,7,11,12)의 변위상태는 정규 진동모드에서의 질량부의 진동상태와 거의 같게 되며, 이것에 의해 정규 진동모드의 여기 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 구동력(F1∼F4)의 비율은 적절하게 설정되므로, 소정 구동신호(구동전압)는 예를 들면 소정 Q값을 갖는 각 질량부(3,7,11,12)가 큰 진폭을 생산하도록 하고, 이것에 의해 정규 진동모드의 여기 효과를 최대 레벨 부근까지 향상시킬 수 있으며, 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 정규 진동모드 이외의 진동모드의 여기를 억제함으로써, 진동모드(검출모드)는 예를 들면 검출방향(Y축 방향)으로 여기되는 것이 방지된다. 이 배치에 의해, 검출신호에 노이즈를 발생시키고 검출신호의 드리프트를 발생시키며 다른 분리한 상태들을 생기게 하는 질량부(3,7,11,12)가 각속도에 관계없이 검출방향으로 변위되는 것이 방지되어, 이것에 의해 검출동작을 안정시킬 수 있다.
한편, 네 개의 질량부(3,7,11,12)는 선형으로 서로 병렬 배치되므로, 이 질량부는 전체 질량부의 중심(G)에 대해 대칭으로 배치되고, 이것에 의해 각 질량부(3,7,11,12)는 전체 질량부의 중심(G)을 대략 일정한 위치에 유지하면서 거기에 인접한 질량부에 의해 역위상으로 안정적으로 진동할 수 있다. 또한, 각 질량부가 예를 들면 적은 치수 오차 또는 가공 오차를 갖는 경우에도, 오차에 의한 공진주파수의 차는 대칭 기하학에 의해 보상된다.
이 구조에 의해, 중앙 질량부(3,7)[또는 외측 질량부(11,12)의 쌍]를 양호하게 균형잡힌 방식으로 역위상으로 진동함으로써, 진동시의 그 반력은 서로 상쇄되고, 이것에 의해 그 진동이 기판(2)에 전해지는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 따라서, Y축 방향에서의 중앙 질량부(3,7)의 각 내측 프레임(5,9)의 변위가 각속도(Ω)로서 검출될 때, 기판(2)의 진동에 의한 검출 정밀도의 저하 발생이 방지되고, 그 결과 각속도는 정밀하게 검출된다.
도 7과 도 9는 본 발명의 바람직한 제 2실시예를 도시한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 그 위에 배치된 진동발생기를 갖는 질량부 일부를 포함하고, 이 질량부의 일부에 인접한 다른 질량부는 그 위에 배치된 진동 모니터를 갖는다. 한편, 본 실시예에서, 바람직한 제 1실시예에서와 동일한 요소는 동일한 참조부호로 정의하며, 그 설명은 생략한다.
각속도 센서(41)는 기판(2)과 질량부(3,7,11,12)와 지지빔(6,10,13)과 고정부(15)와 구동전극(20,21) 및 검출전극(26∼29)으로 이루어진다. 그러나, 중앙 질량부(3,7)는 그 위에 배치된 어떠한 진동발생기도 갖지 않고, 대신에 각각 그 위에 배치된 진동 모니터(50,51)를 가지며, 이를 이하에서 설명하기로 한다.
예를 들면, 두 개의 고정 구동전극(42)은 기판(2) 상에 배치된다. 각 고정 구동전극(42)은 제 1실시예와 거의 같은 방법으로 예를 들면 복수의 전극판(42A)을 포함하는 빗 형태의 전극으로 이루어지지만, 구동전극(42)은 중앙 질량부(3) 근처의 전극판(16A)이 제 1실시예에 배치된 고정 구동전극(16)에서 제거되도록 형성된다. 또한, 기판(2)은 그 위에 배치된 두 개의 추가 고정 구동전극(43)을 포함하며, 각 구동전극(43)은 복수의 전극판(43A)을 갖고 중앙 질량부(7)에 근접한 전극판(17A)이 제 1실시예에 배치된 고정 구동전극(17)에서 제거되도록 형성된다.
좌ㆍ우의 진동발생기(44)는 제 1외측 질량부(11) 상에 배치된다. 제 1실시예와 거의 같은 방법으로, 각 진동발생기(44)는 고정 구동전극(42)의 전극판(42A)과 가동 구동전극(20)의 전극판(20A)으로 이루어진다. 또한, 좌ㆍ우의 진동발생기(45)는 제 2외측 질량부(12) 상에 배치된다. 각 진동발생기(45)는 고정 구동전극(43)의 전극판(43A)과 가동 구동전극(21)의 전극판(21A)으로 이루어진다.
진동발생기(44,45)는 후술하는 제어회로(52)로부터 구동신호(Vd)가 인가될 때 정전 구동력을 발생하고, 각각은 외측 질량부(11,12)를 이 구동력에 의해 X축 방향으로 진동시킨다. 이 경우, 예를 들면 진동발생기(44)가 도 7에 도시된 화살표(a2)의 방향으로 구동력(F3')을 발생할 때, 진동발생기(45)는 화살표(a2)의 방향과 반대인 도 7에 도시된 화살표(a1)의 방향으로 구동력(F4')을 발생한다.
고정 모니터 전극(46,47)은 각각 중앙 질량부(3,7)의 근처에서 기판(2) 상에 배치된다. 이 고정 모니터 전극(46,47)은 예를 들면 빗 형태의 전극으로 이루어지고, Y축 방향으로 각 간격을 가지면서, X축 방향으로 연장되는 복수의 전극판(46A,47A)을 포함한다.
고정 모니터 전극(46)의 전극판(46A)은 각 쌍이 Y축 방향으로 틈을 가지면서, 중앙 질량부(3) 상에 배치된 가동 구동전극(48)의 각 전극판(48A)에 맞물리고, 고정 모니터 전극(47)의 전극판(47A)은 중앙 질량부(7) 상에 배치된 가동 구동전극(49)의 각 전극판(49A)에 맞물린다.
제 1진동 모니터(50)는 중앙 질량부(3)의 진동상태를 모니터하고, 고정 모니터 전극(46)과 가동 모니터 전극(48)으로 이루어진다. 즉, 제 1진동 모니터(50)는 모니터 전극(46,48) 사이의 용량 변화에 근거하여 중앙 질량부(3)의 진동상태를 검출해서, 후술하는 C-V변환회로(53)를 통해 모니터신호(Vm)를 출력한다. 또한, 제 2진동 모니터(51)는 중앙 질량부(7)의 진동상태를 모니터하고, 고정 모니터 전극(47)과 가동 모니터 전극(49)으로 이루어진다. 중앙 질량부(7)의 진동상태를 검출해서, 제 2진동 모니터(51)는 후술하는 다른 C-V변환회로(53)를 통해 모니터 신호(Vm)를 출력한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 진동발생기(44,45)는 각각 외측 질량부(11,12) 상에 배치되고, 진동 모니터(50,51)는 각각 외측 질량부(11,12)에 인접한 중앙 질량부(3,7) 상에 배치된다. 따라서, 서로 인접한 두 질량부는 역위상으로 진동하고, 진동 모니터(50,51)는 후술하는 자려진동을 가능하게 하는 정규 모니터신호(Vm')[예를 들면 도 9참조)]를 출력한다. 이 경우, 정규 모니터 신호(Vm')는 예를 들면 모니터전극(46∼49)의 개수, 형태, 상호 대향하는 전극의 대향 면적 등을 조정함으로써 원하는 파형을 갖도록 설정된다.
각속도 센서(41)의 제어회로(52)는 진동모니터(50,51)로부터 정규 모니터신호(Vm')를 출력하도록 구동신호(Vd)가 피드백되도록 구성되고, 이 피드백 제어에 의해 각 질량부는 정규 진동모드에서 공진상태(자려진동상태)로 유지된다.
도 8을 참조하여, 각속도 센서(41)의 진동모니터(50,51)와 진동발생기(44,45) 사이에 배치된 제어회로(52)를 설명하기로 한다. 제어회로(52)는, 정규 모니터신호(Vm')가 진동모니터(50,51)로부터 입력될 때 각 질량부를 진동발생기(44,45)에 의해 공진상태로 유지하도록 구성되고, 후술하는 두 개의 C-V변환회로(53)와 위상시프트회로(55,phase-shift circuit)와 자동이득제어회로(56,automatic gain control circuit)로 이루어진다.
진동모니터(50,51)의 출력단자에 각각 연결된 두 개의 C-V(용량-전압)변환회로(53)는 대응하는 진동모니터(50,51)의 용량의 변화를 전압의 변화로 변환하고, 이 전압의 변화를 전압신호로 출력한다.
한편, 중앙 질량부(3,7)가 역위상으로 진동할 때, 이 두 개의 전압신호는 역위상을 갖는다. 차동증폭기(54)에 의해, 두 개의 전압신호 사이의 차는 계산되고 증폭되어, 위상시프트회로(55)에 모니터신호(Vm)로 출력된다. 이 경우, 진동모니터(50,51), C-V변환회로(53)와 차동증폭기(54)는 모니터신호(Vm)가 차동증폭된 후에 적절한 위상을 갖도록 설계된다.
위상시프트회로(55)는 예를 들면 모니터신호(Vm)에 대한 소정 차(예를 들면 90°)만큼 위상에 있어 앞서는 보정신호를 발생하고, 이 보정신호를 자동이득제어회로(56)에 출력한다.
위상시프트회로(55)의 출력단자에 연결된 자동이득제어회로(56)는 예컨대 좌ㆍ우의 진동발생기(44,45)에 증폭기(57,58)와 반전 증폭기(59)를 통해 역위상의 구동신호(Vd)를 출력해서, 질량부(3,7,11,12)를 X축 방향으로 진동시킨다.
한편, 질량부(3,7,11,12)가 공진상태로 진동할 때, 모니터신호(Vm)의 위상은 구동신호(Vd)에 대해 90°만큼 지연된다고 알려져 있다.
그러므로, 자동이득제어회로(56)는 위상시프트회로(55)에 의해 발생된 보정신호를 사용함으로써, 모니터신호(Vm)에 대해 90°만큼 위상에 있어 앞서는 구동신호(Vd)를 발생한다. 또한 자동이득제어회로(56)는 모니터신호(Vm)가 소정 신호레벨을 유지하도록 구동신호(Vd)의 신호레벨(진폭)을 증폭하고, 이 신호레벨을 진동발생기(44,45)에 출력한다.
이 배치에 의해, 자동이득제어회로(56)는 구동신호(Vd)를 피드백함으로써 구동신호(Vd)의 주파수를 질량부의 공진주파수와 일치시키고, 이것에 의해 각 질량부를 지속적으로 공진상태(이하, 자려진동 상태를 자려진동 동작이라고 함)로 진동할 수 있으며, 이러한 공진상태로 일정한 진폭을 유지하게 할 수 있다.
한편, 각속도 센서(41)가 작동 중일 때, 역위상의 구동력(F3',F4')은 각각 진동발생기(44,45)에 의해 외측 질량부(11,12)에 가해지고, 그 진동은 외측 지지빔(13)을 통해 중앙 질량부(3,7)에 전해지며, 이것에 의해 각 질량부(3,7,11,12)를 예를 들면 도 2에 도시된 제 1실시예에서의 정규 진동모드나 도 3에 도시된 비교예 1에서의 진동모드로 진동시킨다. 이 경우, 구동력(F3',F4')은 역위상에 있으므로, 비교예 2와 3의 진동모드는 여기되지 않는다.
정규 진동모드가 여기될 때, 중앙 질량부(3)[또는 중앙 질량부(7)]는 외측 질량부(11)[또는 외측 질량부(12)]와 역위상으로 진동하고, 자려동작을 가능하게 하는 정규 모니터신호(Vm')는 각 진동모니터(50,51)로부터 출력된다. 이 구조에 의해, 정규 모니터신호(Vm')를 통해 구동신호(Vd)를 피드백함으로써, 자동이득제어회로(56)는 정규 진동모드에서 자려진동 상태를 유지한다.
반면에, 비교예 1의 진동모드가 여기될 때, 이 중앙 질량부(3)[또는 중앙 질량부(7)]와 외측 질량부(11)[또는 외측 질량부(12)]는 서로 같은 위상으로 진동하고, 정규 모니터신호(Vm')와 다른 파형을 갖는 신호는 각 진동모니터(50,51)로부터 출력된다. 따라서, 자려진동 상태가 비교예 1의 진동모드로 유지될 수 없으므로, 정규 진동모드는 상술한 진동모드 대신에 즉시 여기된다.
그 결과, 본 실시예에 의한 상술한 구조를 갖는 각속도 검출장치는 또한 제 1실시예에 의한 것과 거의 같은 효과를 제공한다. 특히, 본 실시예에 의한 각속도 검출장치는 진동발생기(44,45)가 각각 외측 질량부(11,12) 상에 배치되도록 구성되고, 진동모니터(50,51)는 외측 질량부(11,12)에 각각 인접한 중앙 질량부(3,7) 상에 배치된다.
이 구조에 의해, 외측 질량부(11,12)를 구동할 때, 외측 질량부(11,12)에 각각 인접한 중앙 질량부(3,7)의 진동상태는 각각 진동모니터(50,51)에 의해 모니터된다. 따라서, 각 진동모니터(50,51)로부터의 모니터신호(Vm)를 사용해서 구동신호(Vd)의 출력상태를 피드백함으로써, 제어회로(52)는 질량부(3,12)와 대응하는 질량부(7,11)를 역위상으로 진동시키고, 이것에 의해 정규 진동모드를 효과적으로 여기시킨다.
이 경우, 중앙 질량부(3,7)와 대응하는 외측 질량부(11,12)가 역위상으로 진동하고 정규 진동모드가 여기될 때, 각 진동모니터(50,51)는 정규 모니터신호(Vm')를 출력하며, 정규 진동모드 이외의 진동모드에서 진동모니터(50,51)는 정규 모니터신호(Vm')와 다른 파형을 갖는 모니터신호를 출력한다.
이 배치에 의해, 정규 모니터신호(Vm')가 각 진동모니터(50,51)로부터 입력될 때, 제어회로(52)는 각 질량부(3,7,11,12)를 진동발생기(44,45)에 의해 공진상태로 유지하고, 정규 모니터신호(Vm') 이외의 모니터신호가 입력될 때, 제어회로(52)는 정규 진동모드를 여기시키도록 진동발생기(44,45)에 출력되는 구동신호(Vd)를 피드백하므로, 정규 진동모드만이 안정적으로 여기된다.
또한, 진동모니터(50,51)는 역위상으로 진동하는 중앙 질량부(3,7) 상에 각각 배치되므로, 역위상에서의 두 개의 진동모니터(50,51)의 정전 용량의 변화는 차동증폭기(54)에 의해 차동증폭되고, 그 결과는 모니터신호(Vm)로 출력된다. 이 배치에 의해, 예를 들면 교란으로 인한 노이즈, 정전 용량의 변화에 포함된 제 2고조파 및 다른 노이즈는 차동증폭에 의해 제거되며, 이것에 의해 왜곡이 낮은, 고정밀의 모니터신호(Vm)를 얻는다.
한편, 전술한 각 실시예에서, 네 개의 질량부(3,7,11,12)는 예로써 외측 지지빔(13)에 의해 연결된다. 그러나, 본 발명은 상기 구조에 한정되지 않고, 대안으로 예를 들면 3개 이하 또는 5개 이상의 질량부를 연결해도 좋다.
제 1실시예에 의한 각속도 발생기는 모든 질량부(3,7,11,12)가 각각 그 위에 배치된 개별 진동발생기(22∼25)를 갖도록 구성되지만, 본 발명은 이 구조에 한정되지 않는다. 대안으로, 정규 진동모드가 여기될 수 있다면, 각속도 발생기는 예를 들면 질량부의 일부만이 그 위에 배치된 진동발생기를 갖고, 나머지 질량부가 그 위에 배치된 진동발생기를 갖지 않는 구성이어도 좋다.
또한, 제 2실시예에 의한 각속도 발생기는 질량부(3,7,11,12) 각각이 그 위에 배치된 진동발생기(44,45)와 진동모니터(50,51) 중 어느 하나를 갖도록 구성되지만, 본 발명은 이 구조에 한정되지 않는다. 대안으로, 각속도 발생기는 예컨대 중앙 질량부(3,7) 중 어느 하나가 그 위에 배치된 진동모니터를 갖고 다른 중앙 질량부가 그 위에 배치된 진동모니터를 갖지 않는 구성이어도 좋다. 이와 같이, 본 발명에 의한 각속도 발생기는, 예를 들면 질량부의 일부가 그 위에 배치된 진동발생기를 갖고, 질량부의 일부에 인접한 다른 질량부가 그 위에 배치된 진동모니터를 가지며, 나머지 질량부가 그 위에 배치된 진동발생기와 진동모니터를 모두 갖지 않는 구성이어도 좋다.
또한, 전술한 실시예에 의한 각 각속도 검출장치 각각은 Z축 주위의 각속도(Ω)를 검출하도록 구성되지만, 본 발명은 이 구조에 한정되지 않는다. 대안으로, 각속도 검출장치는 예를 들면 공지 기술에서와 같이, X축 방향으로 진동하는 질량부가 Y축 주위의 각속도(Ω)로 인해 Z축 방향으로 변위되고, 그 변위가 Y축 주위의 각속도(Ω)로서 검출되는 구성이어도 좋다.
전술한 설명은 단지 본 발명의 예시로만 이해되어야 한다. 본 발명으로부터 벗어남이 없이 다양한 대안과 수정이 당업자들에 의해 안출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 진동발생기는 서로 인접한 두 개별 질량부에 반대 방향으로 구동력을 가하도록 배치되므로, 서로 인접한 두 질량부는 진동발생기에 의해 가해진 구동력에 의해 역위상으로 강제적으로 진동될 수 있고, 이것에 의해 소정 진동모드(정규 진동모드)를 여기시킨다. 이 구조로 인해, 예를 들면 장치를 기동할 때에 구동력(구동신호)의 크기를 과도하게 증가시키지 않으면서, 진동발생기의 기동시에 정규 진동모드를 효과적으로 여기시키고, 그 전력 소비를 억제하면서 장치의 기동 시간을 감소시킬 수 있다.
또한, 정규 진동모드가 여기되지 않고 정규 진동모드 이외의 진동모드가 여기되는 문제를 확실히 방지할 수 있고, 정규 진동모드의 여기를 용이하게 유지할 수 있다. 따라서, 기동 시간을 포함하는 시간 동안 검출장치의 성능을 안정시킬 수 있고, 오작동을 방지할 수 있으며, 이것에 의해 각속도를 정확하게 검출할 수 있고, 검출 정밀도와 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 진동발생기는 각 질량부에 대응하는 개별 진동발생기로서 개별적으로 배치되고, 서로 인접한 개별 두 질량부는 서로 반대 방향으로 구동력을 발생하므로, 각 발생부는 서로 인접한 두 질량부에 서로 반대 방향으로 구동력을 가할 수 있으며, 이것에 의해 정규 진동모드를 용이하고 확실하게 여기할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 진동발생기에 의해 각 질량부에 가해지는 구동력의 크기 간 비율은 대응 질량부의 구동진폭과 질량의 곱셈값 간의 비율과 거의 같게 설정되므로, 소정 외력(구동력)에 의해 정적으로 변위된 각 질량부의 변위상태(즉, 정적인 구동력에 의한 질량부의 변위상태)는 거의 정규 진동모드에서의 각 질량부의 진동상태와 같게 함으로써 진동의 정규 모드의 여기 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 진동발생기에 의해 각 질량부에 가해지는 구동력 간의 비율은 적절하게 설정될 수 있으므로, 소정 구동 신호(구동 전압)는 예를 들면 소정 값(Q)을 갖는 각 질량부가 큰 진폭을 발생하게 하여, 이것에 의해 정규모드의 여기 효과를 최대레벨까지 향상시킬 수 있으며, 검출 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 정규 진동모드 이외의 진동모드의 여기를 억제함으로써, 진동모드(검출모드)가 예를 들면 검출 방향으로 여기되는 것을 방지할 수 있다. 이 배치에 의해, 질량부가 각속도와 관계없이 검출방향으로 변위되는 것을 방지할 수 있고, 이것에 의해 검출 신호에 노이즈가 발생되는 것을 방지할 수 있고, 검출신호의 드리프트가 발생되는 것을 방지할 수 있음으로써 검출동작을 안정시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 하나 이상의 질량부는 그 위에 배치된 진동발생기를 갖고, 하나 이상의 질량부에 인접한 다른 질량부는 그 위에 배치된 진동 모니터를 가지므로, 장치가 작동할 때 진동발생기에 의해 구동된 하나 이상의 질량부의 진동은 하나 이상의 지지빔을 통해 다른 질량부에 전해질 수 있으며, 이것에 의해 다른 질량부를 진동시킬 수 있다. 또한, 하나 이상의 질량부를 구동할 때, 다른 질량부의 진동상태는 진동 모니터에 의해 모니터할 수 있다. 그러므로, 모니터한 결과를 사용해서 구동력(구동신호)의 상태를 제어함으로써, 하나 이상의 질량부와 다른 질량부를 역위상으로 진동시킬 수 있다.
이 구조에 의해, 구동력의 크기를 과도하게 증가시키지 않으면서 정규 진동모드를 효과적으로 여기할 수 있고, 그 전력 소비를 억제하면서 장치의 기동 시간을 감소시킬 수 있다. 또한, 어떠한 정규 진동모드도 여기되지 않고 정규 진동모드 이외의 진동모드가 여기되는 문제를 확실히 방지할 수 있고, 정규 진동모드의 여기를 용이하게 유지할 수 있다. 따라서, 검출장치의 성능을 안정시킬 수 있고, 각속도를 정확하게 검출할 수 있고, 검출 정밀도와 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 하나 이상의 질량부와 다른 질량부가 역위상으로 진동할 때 진동 모니터는 정규 모니터 신호를 출력하고, 정규 모니터 신호가 진동 모니터로부터 입력될 때 제어회로는 각 질량부를 진동발생기에 의해 공진 상태로 유지하므로, 정규 진동모드가 여기될 때 진동 모니터는 정규 모니터 신호를 출력할 수 있으며, 정규 진동모드 이외의 진동모드가 여기될 때 정규 모니터 신호와 파형이 다른 모니터 신호를 출력할 수 있다.
이 구조에 의해, 정규 모니터 신호가 입력될 때, 제어회로는 각 질량부를 진동발생기에 의해 공진상태로 유지할 수 있다. 또한, 정규 모니터 신호 이외의 모니터 신호가 진동 모니터로부터 제어회로에 입력될 때, 제어회로는 정규 진동모드가 여기되도록 진동발생기에 출력되는 구동신호를 피드백할 수 있으므로, 정규 진동모드만이 안정적으로 여기될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 각속도 검출장치에서, 질량부는 선형으로 서로 병렬로 배치된 네 개의 질량부로 이루어지므로, 네 질량부는 전체 질량부의 중심에 대해 대칭으로 배치될 수 있으며, 각 질량부는 전체 질량부의 중심(G)을 대략 일정한 위치에 유지하면서 거기에 인접한 질량부에 의해 역위상으로 안정적으로 진동할 수 있다. 또한, 예를 들면 각 질량부가 적은 치수 오차 또는 가공 오차를 갖는 경우에도, 상술한 오차에 의한 공진주파수의 차는 대칭 기하학에 의해 보상될 수 있다.
이 구조에 의해, 두 질량부를 양호하게 균형잡힌 방식으로 역위상으로 진동시킴으로써, 진동시의 반력을 서로 상쇄시킬 수 있음으로써 진동이 기판에 전해지는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 따라서, 예를 들면 각속도에 의해 검출 방향으로 변위된 질량부의 일부 변위가 각속도로서 검출될 때, 기판의 진동에 의한 검출 정밀도의 저하를 방지할 수 있으며, 그 결과 각속도를 정확하게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1실시예에 의한 각속도 센서의 평면도,
도 2는 질량부가 정규 진동모드에서 진동하는 상태를 도시한 도면,
도 3은 정규 진동모드와 다른 진동모드를 갖는 비교예 1을 도시한 도면,
도 4는 정규 진동모드와 다른 진동모드를 갖는 비교예 2를 도시한 도면,
도 5는 정규 진동모드와 다른 진동모드를 갖는 비교예 3을 도시한 도면,
도 6은 외측 질량부만을 구동할 때 각 질량부가 정적인 구동력에 의해 변위되는 비교예 4를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 바람직한 제 2실시예에 의한 각속도 센서의 평면도,
도 8은 각속도 센서의 제어회로의 구조를 도시한 도면,
도 9는 질량부가 정규 진동모드에서 진동할 때 구동신호와 정규 모니터 신호 사이의 관계를 도시하는 특성도.

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 소정 방향으로 서로 병렬 배치되는 복수의 질량부;
    상기 복수의 질량부가 서로 병렬 배치된 소정 방향에 대략 수직의 진동 방향으로 상기 복수의 질량부 각각이 진동할 수 있도록 상기 복수의 질량부를 연결하는 지지빔;
    상기 기판에 상기 지지빔을 고정하는 고정부;
    서로 인접한 상기 복수의 질량부 중 2개를 진동 방향으로 역위상으로 진동시키는 진동발생기; 및
    상기 질량부가 진동하는 상태에서 진동방향에 대략 수직의 검출방향으로 변위되는, 상기 질량부의 일부 변위를 각속도로서 검출하는 각속도 검출기를 포함하는 각속도 검출장치에 있어서:
    상기 진동발생기는 서로 인접한 상기 두 질량부에 서로 반대 방향의 구동력을 가하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동발생기는 각 질량부에 대응하는 개별 진동발생기로서 개별적으로 배치되고, 서로 인접한 상기 두 개별 진동발생기는 서로 반대 방향의 구동력을 발생하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 질량부 사이에서, 상기 진동발생기에 의해 상기 각 질량부에 가해지는 구동력의 크기 간 비율을 대응하는 질량부의 구동진폭과 질량의 곱셈 간 비율과 거의 같은 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
  4. 기판;
    상기 기판 상에 소정 방향으로 서로 병렬 배치되는 복수의 질량부;
    상기 복수의 질량부가 서로 병렬 배치된 소정 방향에 대략 수직의 진동 방향으로 상기 복수의 질량부 각각이 진동할 수 있도록 상기 복수의 질량부를 연결하는 지지빔;
    상기 기판에 상기 지지빔을 고정하는 고정부; 및
    상기 질량부가 진동하는 상태에서 진동방향에 대략 수직의 검출방향으로 변위되는, 상기 질량부의 일부 변위를 각속도로서 검출하는 각속도 검출기를 포함하는 각속도 검출장치에 있어서:
    상기 복수의 질량부 중 하나 이상이 그 위에 배치된 진동발생기를 갖고, 하나 이상의 상기 질량부에 인접한 다른 질량부가 그 사이에 진동모니터를 가지며, 이로 인해 서로 인접한 질량부가 진동방향으로 역위상으로 진동하도록 그 진동상태를 모니터링하고 진동발생기를 제어하기 위한 모니터 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    하나 이상의 상기 질량부와 상기 다른 질량부가 역위상으로 진동할 때 상기 진동 모니터는 정규 모니터신호를 출력하고, 상기 진동발생기와 상기 진동모니터는 그들 사이에 배치된 제어회로를 가지며, 정규 모니터신호가 상기 진동모니터로부터 상기 제어회로에 입력될 때 상기 제어회로는 상기 복수의 질량부 각각을 진동발생기에 의해 공진 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 질량부는 선형으로 서로 병렬 배치되는 네 개의 질량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
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