KR20070040727A - 각속도 센서 - Google Patents

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KR20070040727A
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히로후미 히구치
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가부시키가이샤 덴소
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Abstract

본 발명에 따른 각속도 센서는 베이스로서 제공되는 베이스부재(10), 진동부재(21)를 구비한 각속도 검출소자(20), 및 유연한 전기절연 테이프부(31)와 전기 배선부(32)를 구비한 배선부재(30)를 포함한다. 상기 배선부재(30)는 베이스부재(10)에 고정되는 단부(33) 및 상기 단부(33) 사이에서 위치결정되는 중간부(35)를 포함한다. 상기 중간부(35)는 베이스부재(10)로부터 분리되며, 상기 검출소자(20)는 중간부(35)에 설치된다. 이에 따라, 상기 배선부재(30)의 탄성으로 인하여, 상기 검출소자(20)는 외부진동으로부터 방진될 수 있다.
각속도 센서, 베이스부재, 진동부재, 검출소자, 배선부재, 중간부

Description

각속도 센서{ANGULAR RATE SENSOR}
도1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 각속도 센서를 나타낸 단면도.
도1b는 도1a에 나타낸 각속도 센서의 평면도.
도2는 본 발명의 제2실시예에 따른 각속도 센서를 나타낸 단면도.
도3은 본 발명의 제3실시예에 따른 각속도 센서를 나타낸 단면도.
도4는 본 발명의 제4실시예에 따른 각속도 센서의 배선부재를 나타낸 평면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 베이스부재 20: 검출소자
21: 진동부재 30: 배선부재
31: 테이프부 32: 전기 배선부
33: 단부 50: 보강부재
60: 스토퍼부 70: 접합부재
본 발명은 각속도 센서에 관한 것이다.
종래의 진동형(vibration-based) 각속도 센서는 진동부재를 갖는 검출소자를 포함하고, 상기 검출소자는 진동부재의 진동에 기초해서 각속도를 검출한다. 상기 검출소자는 배선부재를 통해 회로기판 같은 베이스 또는 케이스에 고정된다.
상기 진동부재는 소정 방향으로 통상의 진동을 가한다. 상기 진동부재가 회전되는 경우, 상기 진동부재는 코리올리력의 영향을 받는다. 상기 코리올리력은 본래의 진동(original vibration)과 다른 방향으로의 제2진동(부가진동; secondary vibration)을 발생시킨다. 이와 같은 제2진동을 검출함으로써, 상기 각속도는 검출될 수 있다. 일반적으로, 상기 두 진동(즉, 본래의 진동 및 제2진동)은 수천헤르쯔(Hz)의 고주파 진동이다.
상기 각속도 센서는 방진부재(vibration isolator)를 구비하고, 상기 방진부재는 구조공진주파수(structural resonant frequency)가 제2진동 주파수와 동일하게 되는 것을 방지하기 위하여 검출소자의 구조공진주파수를 감소시킨다. 예를 들어, 상기 구조공진주파수 값은 수십Hz에서 수백Hz의 범위로 감소된다.
이러한 진동형 각속도 센서는 미국특허 제6,880,399호에 제안되어 있고, 여기에서 스프링 형상의 금속재 리드선은 배선부재로서 이용된다. 이와 같은 스프링 형상으로 인하여, 상기 리드선은 방진부재로서 작용한다. 이 경우, 상기 리드선은 구조공진주파수를 감소시킬 수 있을 만큼 유연해야 한다(즉, 가요성(유연성; flexibility)을 가져야 한다). 이러한 가요성은 리드선의 길이를 증가시킴으로써 증대될 수 있다. 그러나, 상기 리드선의 길이가 증가되면 센서의 크기가 커질 수 있고 리드선의 기계적 강도가 저하될 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 상기 센서는 크기가 커지게 되며 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 방진부재로서 리드선이 아닌 배선부재를 이용하며 상기 배선부재를 구비한 각속도 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 각속도 센서는 회로기판으로서의 베이스부재, 진동부재를 구비한 각속도 검출소자, 및 유연한 전기절연 테이프부와 전기 배선부를 구비한 배선부재를 포함한다. 상기 배선부재는 베이스부재에 고정되는 단부 및 상기 단부 사이에서 위치결정되는 중간부를 포함한다. 상기 중간부는 베이스부재로부터 분리되며, 상기 검출소자는 중간부에 설치된다. 이에 따라, 상기 배선부재의 탄성으로 인하여, 상기 검출소자는 외부진동으로부터 방진될 수 있다.
상기 배선부재는 가요성이 크기 때문에, 상기 배선부재의 길이는 리드선에 비해 작아질 수 있다. 이와 같이, 상기 배선부재의 길이는 작아질 수 있기 때문에, 상기 배선부재의 파단은 방지될 수 있다. 따라서, 상기 각속도 센서는 소형이면서 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도1a 및 도1b에 나타낸 바와 같이, 각속도 센서(100)는 인쇄회로기판(베이스부재)(10), 각속도(angular velocity(rate)) 검출용 검출소자(20), 및 배선부재(30)를 포함한다. 예를 들어, 상기 각속도 센서(100)는 차량의 각속도를 측정하기 위하여 차량에 설치될 수 있다.
상기 검출소자(20)는 인쇄회로기판(10)에 기계적 및 전기적으로 접속되고, 상기 배선부재(30)에 의해 인쇄회로기판(10)의 표면(11)에 지지된다.
상기 인쇄회로기판(10)은 베이스판(베이스부재)으로서 작용한다. 또한, 세라믹회로기판, 케이스 등이 베이스판으로서 이용될 수 있다.
상기 검출소자(20)는 진동부재(21)를 포함하는 반도체칩 제품으로 이루어진다. 상기 진동부재(21)는 탄성빔에 의해 지지되는 빗 형상(comb-shape)의 전극을 구비한다. 따라서, 상기 검출소자(20)에 각속도가 인가되는 경우, 상기 진동부재(21)는 이동될 수 있다. 또한, 압전음차(piezoelectric tuning fork) 같은 여러 종류의 소자가 검출소자(20)로서 이용될 수 있다.
도1a에 나타낸 바와 같이, 상기 진동부재(21)는 통상적으로 x축 방향으로 진 동한다. 상기 검출소자(20)에 z축 주위의 각속도(Ω)가 인가되는 경우, 상기 진동부재(21)는 코리올리력의 영향을 받는다. 상기 코리올리력은 x축에 직교하는 y축 방향의 제2진동(부가진동; secondary vibration)을 발생시킨다. 상기 제2진동은 전기신호로 변환되며, 상기 전기신호를 검출함으로써 상기 각속도(Ω)가 검출된다.
예를 들어, 상기 배선부재(30)는 연성인쇄회로기판으로 이루어질 수 있으며, 상기 배선부재(30)는 유연한 전기절연 테이프부(31) 및 상기 테이프부(31)의 제1 및 제2표면(37, 39) 중 적어도 하나에 배치되는 전기 배선부(32)를 포함한다. 예를 들어, 상기 테이프부(31)는 전기절연성을 갖는 폴리이미드(polyimide) 수지재 또는 폴리에스테르(polyester) 수지재로 이루어지고, 상기 전기 배선부(32)는 구리박(cupper foil) 같은 금속박으로 이루어진다. 상기 테이프부(31)는 얇으며 직사각형 같은 테이프로 이루어지며, 상기 전기 배선부(32)는 테이프부(31)의 길이에 따라 스트립 패턴으로 배치된다. 상기 테이프부(31)가 수지재로 이루어지기 때문에, 상기 배선부재(30)는 금속재로 이루어지는 배선부재에 비해 큰 가요성(유연성; flexibility)을 갖는다.
상기 배선부재(30)는 그 길이에 따라 두 단부(33)를 갖는다. 상기 단부(33)는 솔더나 도전성 접착제 같은 도전성 접합부재(40)를 통해서 인쇄회로기판(10)의 표면(11)에 고정된다. 상기 배선부재(30)의 전기 배선부(32)는 접합부재(40)를 통해서 인쇄회로기판(10)의 도전체부(미도시)에 전기적으로 접속된다. 상기 단부(33)와 인쇄회로기판(10) 사이의 기계적 접속은 접착제 또는 몰딩수지 같은 보강부재(50)에 의해 보강된다. 이에 따라, 상기 배선부재(30)는 인쇄회로기판(10)에 기 계적 및 전기적으로 접속된다. 또한, 상기 인쇄회로기판(10)과 배선부재(30)는 용접, 크램핑(cramping) 등에 의해 서로 기계적 및 전기적으로 접속된다.
도1a에 나타낸 바와 같이, 상기 단부(33)를 봉쇄하기 위하여 상기 표면(11)으로부터 상측 방향으로 스토퍼(스토퍼부)(60)가 돌출된다. 이에 따라, 상기 스토퍼(60)는 단부(33)의 위치가 어긋나는 것을 방지한다. 즉, 상기 스토퍼(60)는 표면(11)의 정확한 위치(어긋나지 않은 위치)에 배선부재(30)를 유지시킨다. 상기 스토퍼(60)는 인쇄회로기판(10)과 일체로 형성되거나 또는 인쇄회로기판(10)에 접합된다. 또한, 상기 스토퍼(60)는 인쇄회로기판(10)에 오목하게 형성되는 오목부로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 단부(33)는 스토퍼(60)에 삽입된다. 이에 따라, 상기 스토퍼(60)는 표면(11)의 정확한 위치에 배선부재(30)를 유지시킨다.
상기 배선부재(30)는 단부(33) 사이에 중간부(35)를 갖는다. 도1a에 나타낸 바와 같이, 상기 배선부재(30)는 중간부(35)에서 상측 방향으로 만곡되어 상기 중간부(35)는 인쇄회로기판(10)에서 분리된다. 이에 따라, 상기 배선부재(30)는 인쇄회로기판(10)에서 돔(dome)과 같은 유사한 형상을 가지며, 상기 중간부(35)와 인쇄회로기판(10) 사이에 자유공간(free space)이 형성된다.
상기 검출소자(20)는 중간부(35)의 제1표면(37)에 설치된다. 따라서, 상기 배선부재(30)는 검출소자(20)와 인쇄회로기판(10) 사이에 위치된다. 상기 검출소자(20)는 솔더나 도전성 접착제 같은 도전성 접합부재(70)를 통해서 배선부재(30)의 전기 배선부(32)에 기계적 및 전기적으로 접속된다. 상기 검출소자(20)는 배선부재(30) 및 인쇄회로기판(10)을 통해서 전기신호를 외부장치로 및 외부장치로부터 전달 및 수용한다.
상기 테이프부(31)의 탄성으로 인하여, 상기 배선부재(30)는 도1a에 나타낸 바와 같은 z축 방향으로, 즉 인쇄회로기판(10)의 표면(11)에 직교하는 방향으로 탄성적으로 변형될 수 있다. 또한, 상기 배선부재(30)는 도1a에 나타낸 바와 같은 y축 방향으로, 즉 진동부재(21)의 제2진동 방향으로 탄성 변형될 수 있다. 따라서, 상기 배선부재(30)는 y축 및 z축 방향으로 검출소자(20)에 인가되는 원치 않는(바람직하지 않은) 외부진동을 감소시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 배선부재(30)는 중간부(35)에서 상측 방향으로 만곡되어 상기 중간부(35)는 인쇄회로기판(10)에서 분리된다. 이에 따라, 상기 배선부재(30)는 z축 방향으로 쉽게 탄성 변형될 수 있다. 상기 검출소자(20)는 중간부(35)에 설치된다. 이에 의해, 상기 검출소자(20)에 z축 방향으로, 즉 진동부재(21)의 본래의 진동(original vibration) 및 제2진동(secondary vibration) 방향에 직교하는 방향으로 인가되는 외부진동을 효율적으로 감소시킬 수 있다.
상기 배선부재(30)는 x축 방향으로, 즉 본래의 진동 방향으로의 폭을 갖고 있기 때문에, 상기 배선부재(30)는 x축 방향으로 적게 변형된다. 따라서, 본래의 진동의 손실은 방지될 수 있다.
상기 각속도 센서(100)에서, 상기 배선부재(30)의 스프링상수 및 검출소자(20)와 배선부재(30)의 질량은 소정의 구조공진주파수(structural resonant frequency)를 갖는 스프링-질량 시스템(spring-mass system)을 구성한다. 상기 스프링-질량 시스템이 진동부재(21)의 본래의 진동 및 제2진동의 각 공진주파수(예를 들어, 수천Hz)보다 낮은 구조공진주파수(예를 들어, 수십Hz에서 수백Hz)를 갖도록 상기 배선부재(30)의 스프링상수는 설정된다.
전술한 바와 같이, 상기 배선부재(30)는 가요성 및 전기절연성을 갖는 테이프부(31)를 포함한다. 상기 배선부재(30)의 단부(33)는 인쇄회로기판(10)에 고정되고, 상기 단부(33) 사이의 중간부(35)는 인쇄회로기판(10)으로부터 분리된다. 상기 검출소자(20)는 중간부(35)에 설치된다. 상기 배선부재(30)의 탄성으로 인하여, 상기 검출소자(20)는 원치 않는(바람직하지 않은) 외부진동으로부터 방진될 수 있다.
상기 테이프부(31)가 수지재로 이루어지기 때문에, 상기 배선부재(30)는 금속재로 이루어진 리드선에 비해 큰 가요성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 배선부재(30)는 작은 스프링상수를 가질 수 있고, 이에 따라 상기 배선부재(30)는 리드선에 비해 작은 길이로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 상기 배선부재(30)는 작은 길이로 이루어질 수 있기 때문에, 상기 각속도 센서(100)의 크기는 감소될 수 있다. 또한, 상기 배선부재(30)는 작은 길이로 이루어질 수 있으므로, 상기 배선부재(30)의 파단이 방지될 수 있다. 이에 따라, 상기 각속도 센서(100)는 소형이면서도 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
상기 보강부재(50)와 스토퍼(60)는 선택적이다. 상기 보강부재(50)와 스토퍼(60)를 이용함으로써, 상기 배선부재(30)는 인쇄회로기판(10)에 견고하게 고정될 수 있으며, 보다 효율적인 방진부재(vibration insulator)로서 작용한다.
상기 각속도 센서(100)에서, 상기 배선부재(30)의 스프링상수 및 검출소자(20)와 배선부재(30)의 질량은 단부(33) 사이의 거리에 따라(종속되는) 소정의 구조공진주파수를 갖는 스프링-질량 시스템을 구성한다. 따라서, 상기 구조공진주파수는 단부(33) 사이의 거리를 조정함으로써 조정될 수 있다.
예를 들어, 상기 거리가 감소됨에 따라, 상기 배선부재(30)는 중간부(35)에서 보다 급격하게(날카롭게) 만곡되며, 상기 배선부재(30)는 z축 방향으로 보다 쉽게 탄성 변형될 수 있다. 다시 말해서, 상기 단부(33) 사이의 거리 감소는 스프링-질량 시스템의 구조공진주파수를 감소시킨다. 이에 따라, 상기 단부(33) 사이의 거리를 조정하여 원하는(바람직한) 구조공진주파수를 얻을 수 있다.
이하, 도2 내지 도4를 참조하여 본 발명의 제2 내지 제4실시예(제1실시예의 변형예)를 설명한다.
전술한 바와 같이, 상기 전기 배선부(32)는 배선부재(30)의 제1 및 제2표면(37, 39)의 각각에 배치될 수 있다. 도2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 변형실시예인 제2실시예에서, 상기 검출소자(20)는 제1표면(37) 대신에 제2표면(39)에 설치된다. 예를 들어, 상기 제1표면(37) 및 제2표면(39)은 관통홀에 의해 서로 전기적으로 접속될 수 있다.
도3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 변형실시예인 제3실시예에서, 상기 각속도 센서(100)는 도3에 나타낸 홀부(12)를 갖는 인쇄회로기판(10)을 포함한다. 이 경우, 상기 배선부재(30)는 홀부(12)에 걸쳐서 배치되며 단부(33)에서 인쇄회로기판(10)에 고정된다. 상기 중간부(35)는 홀부(12)의 상측에 위치결정되며, 상기 검출소자(20)는 중간부(35)에 설치된다. 이에 따라, 상기 배선부재(30)의 탄성으로 인하여, 상기 검출소자(20)는 원치 않는 외부진동으로부터 방진될 수 있다.
본 발명의 변형실시예인 제3실시예에서, 상기 각속도 센서(100)는 두 인쇄회로기판(10)을 포함하고, 상기 인쇄회로기판(10)은 그 사이에 갭을 형성하기 위하여 서로 떨어져 있다. 이 경우, 상기 배선부재(30)의 일단부(33)는 하나의 인쇄회로기판(10)에 고정되며, 상기 배선부재(30)의 타단부(33)는 다른 인쇄회로기판(10)에 고정된다. 따라서, 상기 배선부재(30)는 두 인쇄회로기판(10)을 가로질러 배치되고, 이에 따라 상기 중간부(35)는 두 인쇄회로기판(10) 사이의 갭의 상측에 위치결정된다. 상기 검출소자(20)는 중간부(35)에 설치된다. 따라서, 상기 배선부재(30)의 탄성으로 인하여, 상기 검출소자(20)는 원치 않는 외부진동으로부터 방진될 수 있다. 또한, 상기 두 인쇄회로기판(10) 사이의 거리를 조정함으로써 상기 구조공진주파수는 조정될 수 있다.
도4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 변형실시예인 제4실시예에서, 상기 각속도 센서(100)는 인쇄회로기판(10)에 고정되는 3 이상의 단부(33)를 갖는 방사상 배선부재(30)를 포함한다. 상기 배선부재(30)는 중간부(35)에서 상측 방향으로 만곡되고, 이에 따라 상기 중간부(35)는 인쇄회로기판(10)으로부터 분리된다.
전술한 실시예들은 여러 방식으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 상기 테이프부(31)는 가요성 및 전기절연성을 갖는 여러 재료로 이루어질 수 있다. 상기 배선부재(30)가 진동부재(21)의 본래의 진동 및 제2진동에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다면, 상기 배선부재(30)는 여러 방식으로 인쇄회로기판(10)에 고정될 수 있다. 상기 검출소자(20)와 배선부재(30)의 전기 배선부(32)는 접합부재(70) 대신에 본딩와이어에 의해 서로 접속될 수 있다. 단일 유닛으로서의 압전음차나 반도체칩 이 회로기판과 조합되도록 상기 검출소자(20)는 조합 유닛으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 검출소자(20)는 팩키지화된 조합 유닛으로 이루어질 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 각속도 센서는 소형이면서 높은 신뢰성을 가지는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 배선부재의 탄성으로 인하여 검출소자가 외부진동으로부터 방진될 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명에서 배선부재는 가요성이 크기 때문에 배선부재의 길이는 종래의 리드선에 비해 작아질 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명에서 배선부재는 길이가 작기 때문에 배선부재의 파단을 방지할 수 있는 효과도 있다.

Claims (10)

  1. 각속도 센서용 베이스로서 제공되는 베이스부재;
    상기 각속도를 검출하며, 소정 방향으로 통상적으로 진동하는 진동부재를 구비한 검출소자; 및
    상기 베이스부재와 검출소자를 접속하며, 유연한 전기절연 테이프부와 전기 배선부를 구비한 배선부재
    를 포함하며,
    상기 배선부재는 적어도 두개의 단부와 중간부를 구비하고, 상기 각 단부는 베이스부재의 소정 위치에 고정되며, 상기 중간부는 단부 사이에 위치결정되며 베이스부재로부터 분리되고;
    상기 검출소자는 중간부에 설치되어 배선부재의 전기 배선부에 전기적으로 접속되는
    각속도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간부와 베이스부재 사이에 자유공간이 형성되도록 상기 배선부재는 중간부에서 상측 방향으로 만곡되는
    각속도 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단부와 베이스부재 간의 접속강도를 증대시키기 위하여 상기 배선부재의 단부 주위에 제공되는 보강부재
    를 더 포함하는 각속도 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베이스부재는 배선부재의 단부를 소정 위치에서 유지하기 위한 스토퍼부를 포함하는
    각속도 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스부재는 홀부를 포함하고;
    상기 중간부가 홀부 상측에 위치결정되도록 상기 배선부재는 홀부에 걸쳐서 배치되는
    각속도 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배선부재는 연성인쇄회로기판으로 이루어지고;
    상기 테이프부는 수지재로 이루어지고;
    상기 전기 배선부는 금속박으로 이루어지는
    각속도 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배선부재는 얇으며 직사각형 형상으로 이루어지고;
    상기 단부는 배선부재의 길이에 따라 위치결정되고;
    상기 진동부재는 배선부재의 폭 방향과 평행한 방향으로 통상적으로 진동하는
    각속도 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배선부재의 스프링상수 및 검출소자와 배선부재의 질량은 상기 단부 사이의 거리에 따라 구조공진주파수를 갖는 스프링-질량 시스템을 구성하는
    각속도 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베이스부재는 그 사이에 갭이 형성되도록 서로 떨어져서 위치되는 두 베이스부재 중 하나로 이루어지고;
    상기 중간부가 갭의 상측에 위치결정되도록 상기 배선부재는 두 베이스부재에 걸쳐서 배치되는
    각속도 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배선부재의 스프링상수 및 검출소자와 배선부재의 질량은 상기 두 베이스부재 사이의 거리에 따라 구조공진주파수를 갖는 스프링-질량 시스템을 구성하는
    각속도 센서.
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