KR20110130452A - 마이크로 기계 각속도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로기계 공진기를 제공하고, 이는 스프링 구조가 적어도 질량체들에 연결된 제1 바아와 운동 축 방향으로 연장하는 제2 바아를 결합하는 스프링을 포함하도록 스프링 구조에 의해 공통 축의 방향으로 결합된 두 개의 질량체들을 포함하고, 상기 스프링은 운동 축의 운동 방향에 수직인 방향으로 굴곡되도록 배열된다. 또한, 본 발명은 마이크로기계 공진기 매트릭스, 센서 및 네비게이션 장치에 관한 것이다.

Description

마이크로 기계 각속도 센서{MICRO-MECHANICAL SENSOR OF ANGULAR VELOCITY}

본 발명은 각속도 센서에 관한 것으로, 특히, 진동식 마이크로기계 각속도 센서에 관한 것이다.

각속도 센서들에 필요한 핵심 특징은 진동 및 충격에 대한 내성이다. 특히, 예로서, 구동 안정성 제어 시스템들 같은 자동차 산업의 용례들에서, 이들 요건들은 극도로 엄격하다. 예를 들어, 돌멩이로부터의 격렬한 외부적 타격 또는 카 스테레오에 의해 유발되는 진동은 각속도 센서의 출력과 간섭하지 않아야 한다.

예를 들어, 각속도 센서들 같은 다수의 마이크로기계 공진기들에서, 질량체들의 반대 위상 운동을 가능하게 하여야 하고, 동시에, 질량체들의 공통 모드 운동을 저지하는, 가동 질량체들 사이의 결합 스프링을 설계하는 것이 바람직하다. 이런 배열은 특히 기계적 충격의 예들 같은 실제 신호로부터의 다양한 교란들을 구별할 필요가 있다. 일반적으로, 질량체들로부터 검출된 신호는 차이가 있는 반면, 이들에 영향을 주는 가속은 균등하게 공통 모드 변위를 유발한다.

도 1에는 결합 스프링(J)이 동일한 일차원 스프링 같은 다른 스프링들인 종래 기술의 단순 결합 공진기의 도면이 도시되어 있다. 따라서, 단순 결합 공진기는 두 개의 질량체들(m1, m2)과 세 개의 동일한 일차원 스프링(J)으로 구성된다. 도 1에 따른 구조는 차등 모드로부터 질량체들의 공통 모드 운동을 유효하게 분리시킨다. 그러나, 이 구조는 가속 감도의 견지에서는 부적합하며, 그 이유는 결합 스프링이 동일 위상의 운동에 참여하지 않기 때문에 질량체들이 대향 위상에서보다 동일 위상에서(모드의 주파수가 더 낮음) 더 쉽게 변위되기 때문이다.

특히, 미국 특허 공보 US 6,752,017 B2호에는 검출 운동이 운동의 공통 축 상에서의 질량체들의 반대 위상들의 진동인 Z-축 자이로(gyro)를 위한 결합 스프링 구조가 예시되어 있다. 이들 스프링 구조의 공통적 특징은 이들이 1차 모드와 2차 모드 주파수들 양자의 형성에 참여하며, 이 특허 공보에 따르면, 이들은 결합된 질량체들 사이에 위치되며, 이들은 서로 인접하게 위치된다.

그러나, 상기 특허 공보에 개시된 스프링 구조체들은 몇몇 단점들, 예로서, 선형 가속에 대한 감도의 단점을 가지며, 그 이유는 상술한 단순 결합 공진기 같이, 이들은 대향 위상 운동을 위한 것보다 공통 모드를 위해 더 많은 이완을 갖기 때문이다. 따라서, 타격들 및 진동은 대향 위상들에서의 진동 모드를 위해 요구되는 원하는 여기(excitation)가 그러한 것보다 더욱 쉽게 질량체들을 변위시킨다. 또한, 1차 모드에서의 비선형성은 제어가 어려우며, 그 이유는 스프링 구조들이 양쪽 모드들에 참여하기 때문이다. 사실, 1차 모드 현수 장치의 비선형성이 2차 현수 장치와 독립적으로 치수설정될 수 있도록 서로 다른 모드들을 위해 결합 스프링 구조들을 완전히 분리시키는 것이 바람직하다.

평행 축을 갖는 진동 질량체들을 가질 때 기계적 간섭의 견지로부터 명백하게 더 양호한 해법은 시소형(seesaw type) 결합 스프링이며, 그 이유는 이것이 대향 위상들의 변위를 위한 것보다 동일 위상의 변위에 대해 더 강성적이기 때문이다. 이런 결합 현수 장치는 예로서, 그에 대한 우선권을 주장하고 있는, 여기 프레임의 y 방향으로 1차 운동에 대한 특허 출원 FI 20095201에 구현되어 있으며, 그리고 또한 본 출원의 도 2에는 Z 축을 위한 각속도 센서를 도시하고 있으며, y 축 방향으로 상단 및 저부 단부의 시소형 결합 스프링 구조의 일 예가 도시되어 있다.

그러나, 도 2의 각속도 센서 구조는 프레임들 내부의 질량체들 사이의 결합이 완전히 결여되어 있으며, x-축 방향으로, 질량체들은 거의 독립적 가속 센서로서 동작한다. 결합해제된 상태에서, 이들은 이들이 임의의 대향 위상에 대해 코리올리 힘(Coriolis force)을 검출하기 때문에 (공통 모드) 기계적 간섭에 대해 기계적으로 거의 감지할 수 있다. 따라서, 동일 위상의 그 운동을 방해하는 질량체들을 위한 결합 현수 장치를 설계하는 것이 왜 바람직한지에 대해 의문이 남아 있지만, 여전히 y 축 방향으로 1차 운동에 참여하지는 않는다.

상술된 것과 유사한 시소 현수 장치는 병렬적인 및 나란히 위치된 축들을 따라 이동하는 질량체들을 갖는 작동 해법을 구성하지만, 긴밀하게 팩킹된 구조를 고려하는 것은 오히려 많은 공간을 취하게 된다. 이런 구조는 공통 축 상에서 서로 반대로 이동하는 질량체들을 구비하며, 이 방식은 매우 낭비적이며, 도 3에 대략적으로 예시되어 있다. 도 3으로부터 이런 구조는 이전에 1차 운동의 여기 빗살 구조를 위해 사용되던 질량체들 사이에 거의 전체 공간을 점유한다는 것을 명백히 볼 수 있다.

따라서, 동시에, 소형이면서 여전히 동일 위상에서보다 반대 위상의 진동 모드에서 더욱 의도적으로 동작할 수 있는 구조를 어떻게 구현하는가 및 이때, 반대 위상 모드의 결과로서, 예를 들어, 간섭을 제거하기 위해 반대 위상에 의해 제공되는 장점들을 사용할 수 있는 방식에 대한 문제점이 해결되지 않고 남아있다.

본 발명의 실시예들에 따른 기술에서, 앞서 제시된 문제점에 대해, 그리고, 또한, 다른 관련 문제점들에 대해 해법이 얻어지며, 완전히 해결되지는 않더라도, 문제점들의 영향은 적어도 완화될 것이다.

본 발명에 따른 마이크로기계 공진기는 마이크로기계 공진기에 관한 독립 청구항의 특징부에서 언급되는 바를 특징으로 한다.

본 발명에 따른 센서는 센서에 관한 독립 청구항의 특징부에 언급된 바를 특징으로 한다.

본 발명에 따른 차량은 차량에 관한 독립 청구항의 특징부에 언급된 바를 특징으로 한다.

본 발명에 따른 네비게이터는 네비게이터에 관한 독립 청구항의 특징부에 언급된 바를 특징으로 한다.

마이크로기계 공진기들의 시스템은 운동에 수직으로 편향하는 비임들을 결합하는 운동 축에 평행인 스프링 현수 장치(404a, 404b, 404c)와 질량체들에 연결된 적어도 두 개의 비임(402)을 포함하는 스프링 구조(401, 402, 403, 404a, 404b, 404c)와 그 공통 운동 축의 방향으로 결합되는 두 개의 질량체들(M1, M2)을 포함하는 적어도 하나의 마이크로기계 공진기를 포함한다.

종속 청구항에서, 본 발명의 다른 바람직한 실시예들에서 제공된다.

도 1 내지 도 3에서, 본 출원을 처리하기 위한 출원일에 본 출원인에게 공지된 바 있으며, 다른 곳에서 제시된 기술이나 또는 도 1과 같은 종래 기술에 대해 참조되었다(도 2 및 도 3 및 특허 문헌 FI 20095201).
도 1은 종래 기술에 따른 단순 결합식 공진기의 도면을 예시한다.
도 2는 시소형 결합 스프링 구조를 나타내는 Z 축 각속도 센서 자체를 예시한다.
도 3은 시소형 스프링 구조 자체의 공간 활용의 도면을 예시한다.
상술한 바와 같이, 도 1 내지 도 3은 다른 곳에 제시된 기술을 참조하며, 이하에서, 본 출원에 제공된 본 발명의 실시예를 예시하기 위해 도 4 내지 도 9를 참조로 실예들이 제공되어 있다. 따라서, 본 발명은 실시예들을 제시된 예들에 따른 실시예들에 전적으로 한정하지도 않으며, 그들 이내로 제한하지도 않으며, 전적으로 도면들에 개시된 비율들에 따르는 것도 아니다. 본 발명의 실시예들은 적용가능하다면, 서로 조합될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링 구조의 도면을 예시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Z 축 각속도 센서 구조를 예시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Z 축 각속도 센서 구조의 1차 모드를 예시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 Z 축 각속도 센서 구조의 검출 모드를 예시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 Z 축 각속도 센서의 검출 방향의 선형 가속도의 영향을 예시한다.
도 9는 2차 결합을 갖는 본 발명의 일 실시예를 예시한다.

도 4에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링 구조가 예로서 예시되어 있으며, 이 구조는 공통 축 상에서 진동하는 질량체들(M1, M2)을 대향 위상 진동에 결합시키도록 배열된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조에서, 두 개의 질량체들을 결합시키는 스프링 구조(401, 402, 403, 404a, 404b, 404c)가 존재하며, 이 스프링 구조는 두 개의 강성 바아(402) 및 두 개의 바아들(402)을 연결시키는 굴곡 스프링(404a, 404b, 404c)으로 구성된다. 바아들은 일 단부에 위치된 지지점을 중심으로 이들이 회전할 수 있도록 현수된다(403). 다른 단부에서, 바아들은 결합되는 질량체들(M1, M2)에 연결된다(401). 도 4에는 본 발명의 실시예에 따른 스프링 구조체의 간단한 예가 제시되어 있다.

도 5에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링 구조가 예로서 예시되어 있으며, 이 구조는 도 2의 것과 유사한 각속도 센서에 대한 도면을 갖도록 배열되어 있으며, 질량체들(M1, M2)을 위한 검출 축의 Y 방향의 결합은 본 발명의 실시예에 따른 구조에 의해 형성되어 있다. 도 5에서, Z 축 각속도 센서 구조에서, 본 발명의 실시예에 따라 위치된 두 개의 스프링들(404a, 404b, 404c)이 도시되어 있으며, 이들은 단부들에서, 질량체들을 검출 축 상의 대향 위상 진동 모드에 결합한다.

그후, 본 발명의 실 실시예에 따라서, 결합 스프링 구조는 어떠한 본질적 방식으로도 1차 운동에 참여하지 않으며, 그 이유는 이들 상기 바아들(402)이 스프링들로 질량체들(M1, M2)에 부착되며, 이들은 x 방향으로 느슨하지만(y 방향으로의 스프링에 대하여), y 방향으로는 강성적이다(x 방향으로의 스프링에 대하여). 도 6에서, 구조의 1차 모드가 예시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라서, 질량체들의 단부들의 결합 스프링 구조들은 가능하게는 1차 모드에 참여하지 않거나 거의 참여하지 않는다. 1차 모드로 진동하는 구조가 표면 평면에 수직인 축(Z)을 중심으로 회전할 때, 강도가 동일하지만 방향이 반대인 코리올리 힘(Coriolis force)들은 y 축의 방향으로 이동하는 질량체들 상에 작용한다. 도 7에서, z축 각속도 센서 구조의 검출 모드가 예시되어 있다. 본 발명의 실시예에 따른, 질량체들(M1, M2)의 단부들에서 결합 스프링 구조들(404a, 404b, 404c)은 질량체들의 이동들을 서로 결합시키며, 이들을 대향 위상으로 동기화시킨다.

질량체들이 서로를 향해 변위될 때, 이들은 바아들(402)을 서로를 향해 회전시키며, 이 바아들은 도 7에 따라 이동 방향에 수직인 방향으로 이들 사이에서 결합 스프링(404a, 404b, 404c)을 굴곡시킨다. 이는 바아들을 연결하는 중심에 위치된 스프링의 가장 약한 굴곡 모드이다.

검출 축의 방향으로의 타격 또는 외부적 선형 가속 성분은 동일 위상으로 양 질량체들의 변위를 유발한다. 질량체들이 동일 방향으로 변위될 때, 바아들은 동일 방향으로 회전하며, 이는 결합 스프링을 도 8에 따른 S형 굴곡 상태가 되게 한다. 이 S-모드에서, 스프링은 상술한 경우보다 현저히 강성적이다. 적절한 치수설정에 의해, 결합 스프링 구조는 대향 위상 변위에 대한 것보다 동일 방향으로의 질량체들의 변위에 대해 균등하게 동일하거나 4배 더 강성적일 수 있다. 일 실시예에서, 스프링은 반위상(anti-phase) 편향에 비해 위상내(in-phase) 편향에 대해 심지어 10배 더 강성적이 되도록 설계될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라서, 마이크로기계 공진기들의 시스템은 질량체들에 연결된 적어도 두 개의 비임(402)을 포함하는 스프링 구조(401, 402, 403, 404a, 404b, 404c)와 그 공통 운동 축의 방향으로 결합되는 두 개의 질량체들(M1, M2)과, 운동을 수직으로 편향되는 비임들을 결합하는 운동 축에 평행한 스프링 현수 장치(404a, 404b, 404c)를 포함하는 적어도 하나의 마이크로기계 공진기를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이에 따른 구조는 제1 부분과 제2 부분 사이에 용량성 구조를 제공하고, 스프링 구조의 진동에 따른 운동이 상기 제1 및 제2 부분들 사이의 거리를 변화시키고, 이에 따라, 커패시턴스를 변화시킬 때, 용량적으로 판독가능한 신호를 생성하기 위해 사용되는 공진기의 제1 부분과 제2 부분 사이에 전기 전압을 연결하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따라서, 신호의 크기를 생성하는데 사용되는 상기 연결 수단의 크기가 존재한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 일 단부에서 바아들 중 적어도 하나가 여기 구조를 제공하기 위한 압전 효과에 관하여 배열된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단부 바아들 중 하나는 이에 적용되는 전기 신호에 응답하여 그 형태를 변화시키도록 배열된다. 본 발명의 일 실시예에 따라서, 상기 바아들 중 하나는 그 굴곡에 대응하는 압전 전압이 간섭 및/또는 다른 신호 처리를 필터링하는 데 사용되도록 바아의 특정 부분에서 측정될 수 있도록 배열된다.

종래 기술 자체에 비해, 본 발명의 실시예들의 장점은 극도로 온건한 공간 사용 요건 및 선형적 부착이다. 시소형(seesaw type) 현수 장치에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 해법은 대략 절반만큼의 공간을 취하며, 추가적으로, 본 발명의 실시예에 따른 구조의 장점은 그 긴 스프링에 기인하여, 구성요소의 에지를 따라 그에 위치설정할 수 있는 가능성이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 적시에 특정 지점에서 운동의 방향이 클록(clock)에 의해 그리고 네비게이터의 특정 센서에 의해 결정된 각속도에 의해 결정될 수 있는 기능을 포함하는 네비게이터가 제공될 수 있다. 실시예의 일 변형에 따라서, 위치 결정시 전적으로 평면형 시험에 구속될 필요가 없다.

본 발명의 일 실시예에 따른 현수 장치의 질량체들에 대한 부착 지점들은 운동 축들의 방향으로 연장하는 동일 직선 상에 위치된다. 이에 기인하여, 스프링의 반응력들은 예를 들어 시소 스프링 같은 질량체들 상에 모멘트를 유도하지 않는다. 또한, 현수 장치는 다른 축들의 방향으로 질량체들의 운동들에서 가능한, 어떠한 중요한 방식으로도 참여하지 않도록 설계될 수 있다.

Claims (11)

1. 마이크로기계 공진기로서,
   스프링 구조가 적어도 질량체들에 연결된 특정 제1 바아를 결합하는 스프링(404a, 404b, 404c)과 운동 축 방향으로 연장하는 특정 제2 바아를 포함하도록, 스프링 구조(401, 402, 403, 404a, 404b, 404c)에 의해 그 운동의 공통 운동 축의 방향으로 결합된 두 개의 질량체들(M1, M2)을 포함하고,
   상기 스프링은 상기 운동 축의 상기 운동 방향에 수직인 방향으로 굴곡되도록 배열되는 마이크로기계 공진기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링 구조는 동일 방향으로의 질량체들의 변위에 의해 s-형상으로 굴곡되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 공진기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링 구조는 상기 질량체들의 변위가 반대 위상으로의 변위보다 동일 위상으로의 변위에 대해 더 강성적이도록 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로기계 공진기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두 질량체들(M1, M2) 중 적어도 하나는 빗살형 구조를 갖는 마이크로기계 공진기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빗살형 구조는 특정 표면 영역을 달성하기 위해 제공되는 마이크로기계 공진기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빗살형 구조는 상기 공진기의 특정 부분과 상기 빗살 구조 이외의 일부 부분 사이에서 특정 커패시턴스를 달성하도록 제공되는 마이크로기계 공진기.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 마이크로기계 공진기를 포함하는 마이크로기계 공진기 매트릭스.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 마이크로기계 공진기를 포함하는 센서.
9. 제 8 항에 따른 센서를 포함하는 차량으로서,
   상기 차량은 장난감, 신발류의 부품(a piece of footwear), 자전거, 모터자전거, 모터사이클, 승용차, 열차, 선박 및 비행기 중 적어도 하나인 차량.
10. 제 8 항에 따른 센서를 포함하는 네비게이션 장치.
11. 마이크로기계 공진기의 시스템에 있어서,
    운동에 수직으로 편향하는 비임들을 결합하는 운동 축에 평행인 스프링 현수 장치(404a, 404b, 404c)와 질량체들에 연결된 적어도 두 개의 비임(402)을 포함하는 스프링 구조(401, 402, 403, 404a, 404b, 404c)와 공통 운동 축의 방향으로 결합되는 두 개의 질량체들(M1, M2)을 포함하는 적어도 하나의 마이크로기계 공진기를 포함하는 마이크로기계 공진기 시스템.
    

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