KR20120129650A - 각속도 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서는 고정부와 진동부를 연결하는 가요부; 상기 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 상기 진동부를 진동시키는 구동부; 상기 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 각속도 입력에 따라 상기 진동부의 변위를 감지하는 감지부; 상기 가요부에 형성되어 상기 진동부의 움직임의 강성을 제어하는 제어 압전소자; 및 상기 제어 압전소자와 전기적으로 연결되어 상기 제어 압전소자에 임피던스를 부가하는 임피던스 소자;를 포함할 수 있다.

Description

각속도 센서{Angular velocity sensor}
본 발명은 각속도 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동모드와 감지모드의 공진주파수를 제어하여 감도 특성을 향상시키도록 하는 각속도 센서에 관한 것이다.
MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)는 실리콘 공정을 이용하여 시스템의 특정 부위를 마이크로미터 단위의 정교한 형상으로 제조하는 기술로 기계부품, 센서, 액츄에이터 또는 전자 회로를 하나의 실리콘 기판 위에 집적화한 장치를 의미한다.
현재 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)기술이 적용되는 분야로 센서가 대표적이며, 센서 중에 각속도를 측정하도록 하는 각속도 센서에 많이 사용되고 있다.
여기서, 각속도 센서는 가전, 자동차, 로봇 또는 군수 등의 다양한 산업 분야에 널리 적용되어 물체의 운동, 자세 및 위치를 파악하는데 사용되고 있으며, MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 기술의 발전에 따라 저가화와 소형화가 진행되어 적용 제품이 크게 늘어나는 추세이다.
이러한 각속도 센서의 감도는 공진주파수에 의존하게 되며, 공진주파수는 각속도 센서의 제조산포와 환경변화 및 시간경과에 따라 설계치에서 벗어나는 경향을 보이게 된다.
이러한 현상으로 인하여 각속도 센서의 감도 특성은 저하되게 되며, 감도 특성을 향상시키기 위해 공진주파수를 보정하는 방안이 요구된다.
종래에는 직류바이어스 전압을 인가하여 발생되는 정전기력에 해당하는 만큼 공진주파수를 변화시켜 각속도 센서의 감도를 향상시키고 있으나, 이는 고전압을 필요로 하고 소모 전력이 증가한다는 문제로 인하여 소형의 모바일 기기에 적용하는데는 한계가 있다.
따라서, 각속도 센서에 있어서, 추가적인 전력소모나 고전압의 인가가 필요 없으면서도 양산 시의 제조 산포 또는 환경에 따른 공진주파수의 오차를 보정하여 감도 특성을 향상시키도록 하는 연구가 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은 구동모드와 감지모드의 공진주파수를 보정하여 감도 특성을 향상시키고, 상기 공진주파수를 수동적으로 튜닝할 수 있도록 하여 추가적인 전력소모나 고전압의 인가가 요구되지 않도록 하는 각속도 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서는 고정부와 진동부를 연결하는 가요부; 상기 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 상기 진동부를 진동시키는 구동부; 상기 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 각속도 입력에 따라 상기 진동부의 변위를 감지하는 감지부; 상기 가요부에 형성되어 상기 진동부의 움직임의 강성을 제어하는 제어 압전소자; 및 상기 제어 압전소자와 전기적으로 연결되어 상기 제어 압전소자에 임피던스를 부가하는 임피던스 소자;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 임피던스 소자의 임피던스는 기설정되거나 가변적일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 임피던스 소자는 포텐쇼미터(Potentiometer), 배리어블 레지스터(Varistor) 및 트리머블 레지스터(Trimmable resistor) 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 구동부는 상기 가요부에 형성되고 외부의 교류 전압에 의해 상기 가요부를 변형시키도록 하는 압전체를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 고정부는 고정전극을 구비하며, 상기 구동부는 상기 고정전극과 정전용량소자를 형성하여 외부의 교류 전압 인가시 상기 고정전극과의 정전기력에 의해 상기 가요부를 변형시키도록 하는 이동전극일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 감지부는 상기 가요부에 형성되어 상기 가요부의 변형에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 압전체 또는 압저항 소자를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 고정부는 고정전극을 구비하며, 상기 감지부는 상기 고정전극과 정전용량소자를 형성하여 상기 진동부의 변위에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 이동전극일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 제어 압전소자는 상부전극, 상기 가요부에 결합하는 하부전극 및 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 위치하는 압전체를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 임피던스 제어부는 상기 상부전극 및 상기 하부전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 구동부 또는 상기 감지부 중 적어도 하나는 상부전극, 상기 가요부에 결합하는 하부전극 및 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 위치하는 압전체를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 구동부 또는 상기 감지부의 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 상기 압전체 중 적어도 하나는 상기 제어 압전소자의 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 압전체 중 적어도 하나와 각각 연결되거나 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서는 고정부와 진동부를 연결하는 제1 및 제2 가요부; 상기 제1 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 상기 진동부를 진동시키는 구동부; 상기 제2 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 각속도 입력에 따라 상기 진동부의 변위를 감지하는 감지부; 상기 제1 가요부 및 제2 가요부 중 적어도 하나에 형성되어 상기 구동부 또는 상기 감지부의 강성을 제어하는 제어 압전소자; 및 상기 제어 압전소자와 전기적으로 연결되어 상기 제어 압전소자에 임피던스를 부가하는 임피던스 소자;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 임피던스 소자의 임피던스는 기설정되거나 가변적일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 임피던스 소자는 포텐쇼미터(Potentiometer), 배리어블 레지스터(Varistor) 및 트리머블 레지스터(Trimmable resistor) 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 구동부는 상기 진동부를 제1 방향으로 진동시키고, 상기 감지부는 제2 방향의 각속도 입력에 따라 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향의 외적 방향인 제3 방향으로 발생하는 상기 진동부의 변위를 감지할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 제1 및 제2 가요부, 상기 구동부, 상기 감지부, 상기 제어 압전소자 및 상기 임피던스 소자는 복수개일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 구동부는 상기 제1 가요부에 형성되고 외부의 교류 전압에 의해 상기 제1 가요부를 변형시키도록 하는 압전체로 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 고정부는 고정전극을 구비하며, 상기 구동부는 상기 고정전극과 정전용량소자를 형성하여 외부의 교류 전압 인가시 상기 고정전극과의 정전기력에 의해 상기 제1 가요부를 변형시키도록 하는 이동전극일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 감지부는 상기 제2 가요부에 형성되어 상기 제2 가요부의 변형에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 압전체 또는 압저항 소자를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 고정부는 고정전극을 구비하며, 상기 감지부는 상기 고정전극과 정전용량소자를 형성하여 상기 진동부의 변위에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 이동전극일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 제어 압전소자는 상부전극, 상기 가요부에 결합하는 하부전극 및 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 위치하는 압전체를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 구동부 또는 상기 감지부 중 적어도 하나는 상부전극, 상기 가요부에 결합하는 하부전극 및 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 위치하는 압전체를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 각속도 센서의 상기 구동부 또는 상기 감지부의 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 상기 압전체 중 적어도 하나는 상기 제어 압전소자의 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 압전체 중 적어도 하나와 각각 연결되거나 일체로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 각속도 센서에 의하면, 추가적인 전력 소모나 고전압의 인가 없이 구동모드 및 감지모드의 공진주파수의 오차를 보정할 수 있으므로 감도 특성을 극대화할 수 있다.
더욱 상세하게는 양산 시의 제조 산포, 환경 및 시간 경과에 따른 공진주파수의 변화를 보정하여 수율을 향상시키고 안정성(stability) 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 동작 원리를 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 구동부와 감지부의 공진을 일으키는 기계적 시스템 및 주파수 응답 특성을 설명하기 위한 기본 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서를 도시한 기본 구조도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서에 제공되는 제어 압전소자의 작동원리를 도시한 기본 구조도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서에 제공되는 제어 압전소자와 임피던스 소자와의 관계를 도시한 회로도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 구동부 또는 감지부와 제어 압전소자와의 구조를 도시한 개략 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서를 도시한 개략 단면도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서를 도시한 개략 평면도.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 구동부에 의해 진동부가 진동하는 원리를 설명한 개략 단면도.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 변형 가능한 실시예에 따른 각속도 센서를 도시한 개략 단면도.
도 17은 제어 압전소자 및 임피던스 소자가 정전용량방식을 이용한 각속도 센서에 적용되는 것을 도시한 개략 평면도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 동작 원리를 도시한 개념도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 구동부와 감지부의 공진을 일으키는 기계적 시스템 및 주파수 응답 특성을 설명하기 위한 기본 개념도이다.
도 1를 참조하면, 각속도 센서의 동작 원리는 물체(m)가 Vd 라는 속도로 움직일 때, 코리올리 힘(Fc)에 따른 상기 물체(m)의 변위를 감지하여 각속도(Ω)를 검출하는 것이다.
다시 말하면, 각속도 센서의 기본 원리는 회전하는 물체(m)에 작용하는 관성력인 코리올리 힘(Fc)을 검출하여 그에 해당하는 각속도(Ω)를 얻는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 질량 m을 가진 물체가 제1의 방향(1)으로 속도 Vd로 움직이고 제2의 방향(2)의 각속도 Ω을 가질 때, 상기 제1의 방향(1)과 상기 제2의 방향(2) 벡터의 외적의 방향(3)으로 코리올리 힘
Figure pat00001
이 물체(m)에 작용한다.
이때, 물체(m)의 속도를 Vd로 구동시키고 코리올리 힘 Fc에 따른 상기 물체(m)의 변위를 감지하면, 상기 물체(m)의 변위에 비례하는 각속도 Ω를 측정하는 것이 가능할 수 있다.
도 2를 참조하면, 각속도 센서에 있어서 감도에 대한 특성을 향상시키기 위해서는 진동자(10)의 구동속도 및 감지변위를 크게 해야 한다.
이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 스프링의 역할을 하는 가요부(20, 30)와 질량 m을 가진 진동자(10)로 2 자유도 시스템을 구성하여 구동모드와 감지모드의 기계적 공진을 일으키도록 설계된다.
구동모드의 운동을 결정하는 제1의 가요부(20)의 스프링 상수를 Kd라 하고, 감지모드의 운동을 결정하는 제2의 가요부(30)의 스프링 상수를 Ks라 하며, 감쇠(damping)의 영향을 무시하면, 구동모드의 공진주파수
Figure pat00002
이고, 감지모드의 공진주파수는
Figure pat00003
일 수 있다.
이때 구동모드의 공진주파수 fd와 감지모드의 공진주파수 fs가 서로 근접할수록 각속도 센서의 감도 특성은 향상되게 된다.
즉, 구동모드와 감지모드의 공진주파수 차이인 △f의 미세한 변화에 따라 각속도 센서의 특성은 변하게 되는 것이다.
따라서, 감도 특성이 우수한 각속도 센서를 제조하기 위해서는 구동모드 및 감지모드의 공진주파수의 차이△f를 미리 결정하고 그에 따른 스프링 상수(Kd, Ks)를 가지는 가요부(20, 30)를 선택하여 제조하게 된다.
그러나, 가요부(20, 30)의 스프링 상수(Kd, Ks)는 구조의 치수와 재료의 강성 및 잔류응력에 따라 결정되는데, 이는 제조 산포를 가질 뿐만 아니라 온도나 습도와 같은 주변 환경에 따라 변화되며, 제품의 동작이나 보관 시에 경시변화를 일으키는 성질을 갖는다.
상기와 같은 성질로 인해 상기 △f를 최적치로 제조하고 유지하기 어렵기 때문에 각속도 센서의 감도 특성이 저하될 수 있다.
따라서, 후술할 제어 압전소자(A, B, C, D, 도 3 참조) 및 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)를 포함하는 임피던스 제어부(180, 도 7 참조)에 의해 구동모드 및 감지모드의 공진주파수(fd, fs)를 보정하면 감도 특성이 극대화된 각속도 센서를 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서를 도시한 기본 구조도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서(100)는 고정부(110)와 진동부(120)를 연결하는 제1 가요부(130) 및 제2 가요부(140), 구동부(E, F), 감지부(G, H), 제어 압전소자(A, B, C, D) 및 임피던스 소자(A', B', C', D')를 포함할 수 있다.
여기서, 방향에 대한 용어를 정의하면, 도 3의 좌우측 방향을 x축, 위아래 방향을 y축 및 지면에 수직인 방향을 z축이라고 정의한다.
진동부(120)는 비어있는 고정부(110)의 내부에 위치하고, 각각 두개의 제1 및 제2 가요부(130, 140)에 의해 연결되어 상기 고정부(110)를 기준으로 진동할 수 있는 구성요소로 구동부(E, F)에 의해 x축, y축 또는 z축 방향으로 진동할 수 있다.
이렇게 x, y, z축 방향으로 진동할 수 있는 각속도 센서(100)를 다축 각속도 센서(100)라고 하며, 이에 대한 동작원리에 대해서는 도 9 내지 17을 참조로 후술하기로 한다.
여기서, 제1 및 제2 가요부(130, 140)는 스프링 상수를 가지는 빔 형태의 탄성부재로 상기 제1 및 제2 가요부(130, 140)의 상면에는 구동부(E, F)와 감지부(G, H)가 각각 위치할 수 있다.
다만, 상기 구동부(E, F) 및 감지부(G, H)는 상기 제1 및 제2 가요부(130, 140)에 위치하는 것에 한정되지 않으며, 진동부(120)에 위치할 수도 있음을 밝혀둔다.
x축을 따라 위치하는 두개의 제1 가요부(130)의 각각에는 구동부(E, F)와 공진주파수 제어를 위한 제어 압전소자(A, B)가 형성되어 있으며, 주파수 f로 교류의 전기적 구동신호를 상기 구동부(E, F)에 위상차를 두어 인가하면 상기 제1 가요부(130)가 변형되어 진동부(120)가 x축 방향으로 진동하게 된다.
이때, 상기 x축 방향으로 진동하는 구동모드의 공진주파수 fd와 구동신호의 주파수 f가 가까울수록 공진에 의해 진동부(120)의 진폭이 커질 수 있다.
또한, z축 방향의 각속도가 입력되면 상기 진동부(120)에 y축 방향의 코리올리 힘이 주파수 f로 작용할 수 있다.
y축을 따라 위치하는 두 개의 제2 가요부(140)에는 감지부(G, H)와 공진주파수 제어를 위한 제어 압전소자(C, D)가 형성되어 있으며, 상기 제2 가요부(140)는 각속도 입력에 따른 코리올리 힘에 의해 변형하게 된다.
이때, 상기 감지부(G, H)에 발생되는 전기적 신호를 검출하여 입력된 각속도의 크기를 얻게 되며, y축 방향으로 진동하는 감지모드의 공진주파수 fs와 구동신호의 주파수 f가 가까울수록 공진에 의해 제2의 가요부(140)의 변형이 커지고 출력 신호도 증폭되게 된다.
상기 구동부(E, F)는 상기 진동부(120)를 진동시키는 장치로 외부의 교류 전압에 의해 상기 제1 가요부(130)를 변형시키도록 압전체로 이루어질 수 있다.
다시 말하면, 상기 구동부(E, F)는 상부전극(150a, 도 8 참조), 상기 제1 가요부(130)의 상면에 결합하는 하부전극(150c, 도 8 참조) 및 상기 상부전극(150a)과 상기 하부전극(150c) 사이에 위치하는 압전체(150b, 도 8 참조)를 포함할 수 있다.
여기서, 외부의 교류 전압을 인가하면 상기 압전체(150b)가 팽창과 수축을 반복하여 상기 제1 가요부(130)는 볼록하고 오목하게 반복되는 방식으로 굽힘 변형이 발생되고, 이에 따라 상기 진동부(120)는 진동하게 된다.
이때, 상기 상부전극(150a), 하부전극(150c) 및 압전체(150b) 중 적어도 하나는 후술할 제어 압전소자(A, B)의 일 구성과 대응되도록 연결되거나 일체로 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 도 8을 참조로 후술하기로 한다.
또한, 상기 구동부(E, F)는 압전체가 아닌 정전용량소자로도 구현될 수 있으며, 이때, 상기 고정부(110)는 고정전극(310', 도 17 참조)을 구비하고 상기 구동부(E, F)는 상기 고정전극(310')과 정전용량소자를 형성하기 위해 외부의 교류 전압 인가시 상기 고정전극(310')과의 정전기력에 의해 상기 제1 가요부(130)를 변형시키도록 하는 이동전극(330', 도 17 참조)으로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 정전용량소자를 이용한 상기 구동부(E, F)에 대해서는 도 17을 참조로 후술하기로 한다.
감지부(G, H)는 상기 구동부(E, F)에 의해 진동이 형성된 상기 진동부(120)가 외부의 각속도 입력에 따라 다른 방향으로 진동하는 변위를 감지하는 구성요소로 상기 구동부(E, F)의 구조와 마찬가지로 압전체(150b, 도 8 참조)를 포함할 수 있다.
다시 말하면, 상기 감지부(G, H)는 상기 제2 가요부(140)에 형성되어 상기 제2 가요부(140)의 변형에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 압전체(150b)를 포함할 수 있다.
즉, 상기 감지부(G, H)는 상부전극(150a, 도 8 참조), 상기 제2 가요부(140)의 상면에 결합하는 하부전극(150c, 도 8 참조) 및 상기 상부전극(150a)과 상기 하부전극(150c) 사이에 위치하는 압전체(150b, 도 8 참조)를 포함할 수 있으며, 압저항 소자로 이루어져도 무방하다.
이때, 상기 상부전극(150a), 하부전극(150c) 및 압전체(150b) 중 적어도 하나는 후술할 제어 압전소자(C, D)의 일 구성과 대응되도록 연결되거나 일체로 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 도 8을 참조로 후술하기로 한다.
또한, 상기 감지부(G, H)는 압전체가 아닌 정전용량소자로도 구현될 수 있으며, 이때, 상기 감지부(G, H)는 고정전극(310', 도 17 참조)과 정전용량소자를 형성하여 상기 진동부(320(제1 질량체(320a) 및 제2 질량체(320b)))의 변위에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 이동전극(340a', 340b')일 수 있다.
상기와 같은 정전용량소자를 이용한 상기 감지부(G, H)에 대해서는 도 17을 참조로 후술하기로 한다.
여기서, 상기 구동부(E, F)는 외부의 교류 전압에 의해 상기 진동부(120)를 제1 방향으로 진동시키고, 상기 감지부(E, F)는 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 각속도 입력에 따라 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향의 외적 방향인 제3 방향으로 발생하는 변위를 감지하여, 상기 각속도 입력값을 추출할 수 있다.
제어 압전소자(A, B, C, D)는 상기 진동부(120)의 움직임의 강성을 제어하는 구성요소로, 상기 제1 가요부(130) 및 제2 가요부(140) 중 적어도 하나에 형성될 수 있다.
다시 말하면, 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)는 상기 진동부(120)의 제1 방향 움직임 또는 제3 방향 움직임에 해당하는 구동모드와 감지모드의 공진주파수를 제어하는 구성요소일 수 있다.
상기 제어 압전소자(A, B, C, D)는 앞서 언급한 바와 같이 구동모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수가 서로 근접할수록 감도 특성이 극대화된 각속도 센서를 얻을 수 있으므로, 이러한 목적을 위해 상기 공진주파수들을 보정하는 소자일 수 있다.
상기 제어 압전소자(A, B, C, D)는 상부전극(160a, 도 4 참조), 상기 제1 및 제2 가요부(130, 140) 중 적어도 하나의 상면에 결합하는 하부전극(160c, 도 4 참조) 및 상기 상부전극(160a)과 상기 하부전극(160c) 사이에 위치하는 압전체(160b, 도 4 참조)로 구성될 수 있으며, 상기 구성 중 적어도 하나는 구동부(E, F) 또는 감지부(G, H)의 상부전극(150a), 압전체(150b) 및 하부전극(150c) 중 적어도 하나와 대응되도록 연결되거나 일체로 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 도 8을 참조로 후술하기로 한다.
임피던스 소자(A', B', C', D')는 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)와 전기적으로 연결되어 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)에 임피던스를 부가하는 구성요소로 도 3에서는 편의상 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)와 동일하게 도시하였다.
상기 임피던스 소자(A', B', C', D')는 구동모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수를 근접하게 할 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')와 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)와 더불어 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')의 임피던스 값을 제어하는 제어부(170, 도 7 참조) 및 상기 구성을 전기적으로 연결하는 배선을 포함하여 전체적으로 임피던스 제어부(180, 도 7 참조)라고 정의할 수 있다.
다시 말하면, 상기 임피던스 제어부(180)는 임피던스 소자(A', B', C', D')를 포함할 수 있으며, 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')의 임피던스는 기설정되거나 가변적일 수 있다.
즉, 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')를 포함하는 상기 임피던스 제어부(180)는 구동모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수를 결정하는 상기 제1 및 제2 가요부(130, 140)의 스프링 상수를 각속도 센서 제조 후에 보정할 수 있도록 하거나 동작 중에 제어할 수 있도록 하여 감도특성이 향상된 각속도 센서(100)를 구현할 수 있는 것이다.
이에 대해서는 도 4 내지 도 7을 참조로 후술하기로 한다.
또한, 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')는 포텐쇼미터(Potentiometer), 배리어블 레지스터(Varistor) 및 트리머블 레지스터(Trimmable resistor) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
추가적으로, 앞서 언급한 상기 제1 및 제2 가요부(130, 140), 상기 구동부(E, F), 상기 감지부(G, H), 상기 제어 압전소자(A, B, C, D) 및 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')는 복수개로 형성되어 공진주파수를 제어할 수 있음을 밝혀둔다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서에 제공되는 제어 압전소자의 작동원리를 도시한 기본 구조도이며, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서에 제공되는 제어 압전소자와 임피던스 소자와의 관계를 도시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 도 3에서 도시된 빔 형태의 제1 및 제2 가요부(130, 140) 중 적어도 하나에는 제어 압전소자(A, B, C, D)가 형성될 수 있으며, 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)는 상부전극(160a), 상기 제1 및 제2 가요부(130, 140) 중 적어도 하나의 상면에 결합하는 하부전극(160c) 및 상기 상부전극(160a)과 상기 하부전극(160c) 사이에 형성되는 압전체(160b)를 포함할 수 있다.
상기 상부전극(160a)과 상기 하부전극(160c)은 임피던스 제어부(180, 도 7 참조)의 임피던스 소자(A', B', C', D')와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')에 의해 구동모드와 감지모드의 공진주파수를 제어할 수 있다.
여기서, 도 5는 제어 압전소자(A, B, C, D)의 양 전극인 상부 및 하부전극(160a, 160c)이 전기적으로 개방(open) 및 단락(short)된 상태에서 상기 제1 또는 제2 가요부(130, 140)가 굽힘 변형되어 상기 압전체(160b)에 인장응력 또는 압축응력이 가해지는 상황을 설명하기 위한 도면이다.
압전체(160b)는 정방향 압전효과에 의해 기계적 응력을 받으면 전하와 같은 전기적 응답을 형성하게 되며, 역방향 압전효과에 의해 상기 압전체(160b)의 전극이 개방된 경우 전하가 상기 압전체(160b)로부터 외부로 배출되지 못하여 응력에 대한 저항력을 생성하게 된다.
이는 결국 압전체(160b)의 강성을 증대시키는 결과가 되므로 상기 압전체(160b)가 결합된 상기 제1 및 제2 가요부(130, 140)의 스프링 상수를 변화시키게 된다.
반면에, 상기 압전체(160b)의 전극이 단락된 경우에는 상술한 효과가 발생되지 않아 상기 압전체(160b)는 본래의 강성을 유지할 수 있다.
상술한 효과는 제1 또는 제2 가요부(130, 140)가 비틀림 변형하고 압전체(160b)에 전단응력이 가해지는 상황에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 임피던스 제어부(180)는 임피던스 소자(A', B', C', D'), 제어 압전소자(A, B, C, D), 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')의 임피던스 값을 제어하는 제어부(170) 및 상기 구성을 전기적으로 연결하는 배선을 포함할 수 있다.
상기 제어 압전소자(A, B, C, D)는 제1 및 제2 가요부(130, 140)의 스프링 상수를 제어하기 위해 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')와 전기적으로 연결될 수 있다.
이는, 앞서 설명한 바와 같이 제어 압전소자(A, B, C, D)의 압전체(160b)의 강성을 변화시키기 위한 수단으로 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)와 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')를 전기적으로 연결한 것이다.
여기서, 임피던스 제어부(180)의 임피던스 소자(A', B', C', D')의 임피던스 값을 변화시키기 위해 개방(open)과 단락(short)을 이용할 수 있다.
즉, 상기 임피던스 제어부(180)는 임피던스 값인 저항값이나 정전용량값을 가변할 수 있는 임피던스 소자(A', B', C', D')를 포함할 수 있으며, 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')의 임피던스 값을 0에서 무한대까지 변화시킴으로써 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)의 전극의 개방(open) 및 단락(short)의 정도를 단계적으로 제어할 수 있다.
이렇게 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')의 임피던스를 조절함으로써 제1 및 제2 가요부(130, 140)의 스프링 상수를 보정할 수 있으며, 결과적으로 감도 특성이 극대화된 각속도 센서(100)를 구현할 수 있다.
다음의 표 1은 제1 가요부(130)와 제2 가요부(140)의 각각에 두 개씩의 제어 압전소자(A, B, C, D)가 위치할 때 상기 임피던스 소자(A', B', C', D')의 임피던스 제어를 통해 상기 제어 압전소자(A, B, C, D)의 개방(open) 또는 단락(short) 상태에 따른 구동모드와 감지모드의 공진주파수를 기계전기연성 유한요소법(Mechanical-electrical coupled finite element method)으로 시뮬레이션한 결과이다.
이는, 개방 또는 단락 상태를 제어하면 구동모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수 차이인 △f를 세밀하게 제어할 수 있음을 보여준다.
제어 압전소자(A, B, C, D)의 개방(open) 및 단락(short) 상태 구동모드의 공진주파수
fd		 감지모드의 공진주파수
fs		 공진주파수 차이
△f
A B C D
단락(short) 단락(short) 단락(short) 단락(short) 100.626 100.731 0.105
개방(open) 단락(short) 단락(short) 단락(short) 100.626 100.802 0.176
개방(open) 개방(open) 단락(short) 단락(short) 100.626 100.918 0.292
단락(short) 단락(short) 개방(open) 단락(short) 100.699 100.735 0.035
단락(short) 단락(short) 개방(open) 개방(open) 100.731 100.813 0.082
개방(open) 단락(short) 개방(open) 단락(short) 100.700 100.810 0.110
개방(open) 개방(open) 개방(open) 개방(open) 100.813 100.919 0.106
상술한 임피던스 소자(A', B', C', D')를 포함하는 임피던스 제어부(180)에 의한 공진주파수 보정 방식은 종래의 정전용량소자에 직류 바이어스를 인가하여 공진주파수를 제어하는 방식과 달리, 추가적인 전력 소모나 고전압의 인가 없이 구동모드와 감지모드의 공진주파수의 차이(△f)를 보정할 수 있는 수동 튜닝 방식이라고 할 수 있다.
여기서, △f를 0으로 튜닝할 경우에 대한 제어 방법은 다음과 같다.
fd가 fs보다 큰 경우는 제어부(170)에 의해 A'와 B'의 임피던스값을 감소시켜 제1의 가요부(130)의 스프링상수를 감소시키거나, C'와 D'의 임피던스값을 증가시켜 제2의 가요부(140)의 스프링상수를 증가시킨다.
fs가 fd보다 큰 경우는 상기 제어부(170)에 의해 A'와 B'의 임피던스값을 증가시켜 제1의 가요부(130)의 스프링상수를 증가시키거나, C'와 D'의 임피던스값을 감소시켜 제2의 가요부(140)의 스프링상수를 감소시킨다.
여기서, 상술한 구조를 압전소자쌍 A-B와 압전소자쌍 C-D 중 어느 한쪽만 가진 구조로 구성해도 공진주파수 제어의 기능은 유효할 수 있다.
제1의 가요부(130)와 제2의 가요부(140)의 스프링상수가 연성(couple)된 구조의 경우에는, 제1의 가요부(130)에 형성된 제어 압전소자(A, B)로 제2의 가요부(140)의 스프링상수를 제어하거나, 그 반대의 경우도 가능할 수 있다.
여기서, 제어 압전소자(A, B, C, D)가 제1 및 제2 가요부(130, 140)에 형성된 구조는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 제1 및 제2 가요부(130, 140)의 변형이 압전체(160b)에 응력을 일으킬 수 있는 어떤 구조라도 본 발명의 적용이 가능하다.
또한, 공진주파수의 제조 산포를 보정하기 위한 경우, 앞선 언급한 바와 같이 가변임피던스 소자로서 트리머블 레지스터 (trimmable resistor)를 사용하여 원하는 △f를 구현하기 위한 저항값을 세팅할 수 있다.
동작 중의 공진주파수의 변동을 보상하기 위한 경우, 임피던스 제어부(180)의 가변 임피던스 소자(A', B', C', D')로서 포텐쇼미터 (potentiometer) 또는 배리어블 레지스터 (varistor)를 사용하여 공진주파수의 측정치를 피드백하여 원하는 △f를 구현하기 위한 저항값을 제어할 수 있다.
제품의 소형화를 위해서, 집적회로 (integrated circuit)에서 제어하는 방법도 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 구동부 또는 감지부와 제어 압전소자와의 구조를 도시한 개략 단면도이다.
구동부(E, F), 감지부(G, H) 및 제어 압전소자(A, B, C, D)는 상부전극(150a, 160a), 압전체(150b, 160b) 및 하부전극(150c, 160c)으로 이루어질 수 있으며, 구동부(E, F) 및 제어 압전소자(A, B)의 상부전극(150a, 160a), 압전체(150b, 160b) 및 하부전극(150c, 160c) 중 적어도 하나는 서로 연결되거나 일체로 형성될 수 있다.
마찬가지로 감지부(G, H) 및 제어 압전소자(C, D)의 관계도 동일할 수 있다.
여기서, 구동부(E, F) 또는 감지부(G, H)의 전극(150a, 150c)과 제어 압전소자(A, B, C, D)의 전극(160a, 160c) 사이의 거리가 소정거리 이상이 되면 서로 영향을 무시할 수 있으므로, 서로 연결되거나 일체로 형성되어도 무방한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서를 도시한 개략 단면도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서를 도시한 개략 평면도이며, 도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서의 구동부에 의해 진동부가 진동하는 원리를 설명한 개략 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서(200)는 x, y, z축 방향으로 진동할 수 있는 다축 각속도 센서일 수 있으며, 고정부(210), 가요부(220), 구동부(240), 감지부(250), 제어 압전소자(260) 및 임피던스 소자(미도시)를 포함할 수 있다.
가요부(220)는 가요성을 가지는 원반상의 기판이고, 상기 가요부(220)의 상면에서는 압전체(270b)로 이루어진 구동부(240) 및 감지부(250)가 형성될 수 있으며, 상기 구동부(240) 및 감지부(250)는 압전체(280b)로 이루어진 제어 압전소자(260)와 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 구동부(240)와 감지부(250)는 어느 하나로 정의되는 것이 아니라 진동부(230)의 진동 방향에 대하여 상대적으로 결정되는 구성일 수 있다.
또한, 상기 구동부(240)와 감지부(250)는 상부전극(270a), 압전체(270b) 및 하부전극(270c)으로 이루어진 압전소자일 수 있으며, 제어 압전소자(260)도 마찬가지일 수 있다.
여기서, 방향에 대한 용어를 정의하면, 도 9 및 도 11 내지 도 16의 단면도에 있어서 좌우측 방향이 x축, 위아래 방향이 z축, 지면에 수직인 방향이 y축이라고 정의한다.
이하 다축으로 구동될 수 있는 원리에 대해 설명하기로 한다.
도 11을 참조하면, x축 방향으로 배열된 상부전극(270a)과 하부전극(270c) 사이에 전압을 가하면, 도 11에 도시된 바와 같이 압전체(270b)의 성질에 의해 상기 구동부(240)는 xy평면으로 펴질 수 있고, 그에 따라 상기 가요부(220)에 휨이 발생될 수 있다.
따라서, 상기 가요부(220)에 결합되어 있는 진동부(230)는 z축 양의 방향으로 변위하는 것이 된다.
이때, 상기 상부전극(270a)과 상기 하부전극(270c)에 가하던 전압의 극성을 반대로 하면 상기 구동부(240) 신축 상태는 역전하게 되며, 상기 진동부(230)는 z축 음의 방향으로 변위하게 된다.
따라서, 상기와 같은 전압 인가를 통해 상기 진동부(230)를 z축 상으로 진동하게 할 수 있으며, 이는 대향하는 상부전극(270a)과 하부전극(270c)간에 교류 전압을 인가함으로써 실현할 수 있다.
다음으로, x축 방향으로 진동하는 원리에 대해 살펴보기로 한다.
x축 방향으로의 진동은 x축 방향으로 배열된 전극(270a, 270c) 및 y축 방향으로 배열된 전극(270a, 270c) 중 적어도 하나를 이용할 수 있으며, 상부전극(270a)과 하부전극(270c)에 인가되는 전압의 성질에 따라 달라질 수 있다.
즉, 진동부(230)를 x축 방향으로 진동을 시키기 위해 상부전극(270a)과 하부전극(270c)에 인가되는 전압을 z축 방향으로 진동할 때와는 상이하게 하여 구현할 수 있다.
다시 말하면, 상기 진동부(230)를 x축으로 진동하게 하기 위해서 좌측에 위치하는 상부전극(270a) 및 하부전극(270c)에 각각 (+)전압과 (-)전압을 인가하고 우측에 위치하는 상부전극(270a) 및 하부전극(270c)에 동일한 성질의 전하를 인가하여 z축 변위를 구현하였다면, x축으로의 진동을 구현하기 위해서는 좌우측 중 하나를 반대의 전압을 인가할 수 있다.
즉, x축으로의 진동을 좌우측의 상부전극(270a)에 상이한 전압을 인가하여 구현하였다면, z축으로의 진동은 좌우측의 상부전극(270a)에 동일한 전압을 인가하여 구현시킬 수 있다.
여기서, 진동부(230)에 대하여 y축 방향에 대한 변위를 얻는 방식도 x축 방향에 대한 변위를 얻는 방식과 동일할 수 있다.
즉, y축 방향으로 배열된 상부전극(270a)과 하부전극(270c)에 교류신호를 인가함으로써 상기 진동부(230)는 y축 방향으로 진동할 수 있다.
이러한 성질은 압전체(270b)의 성질에 기인한 것으로 상부전극(270a)과 하부전극(270c)에 인가되는 전위차의 부호에 따라 상기 압전체(270b)가 다른 신축 특성을 보이는 것으로 x축, y축 및 z축의 진동을 위해 자유롭게 선택할 수 있다.
이상으로 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서(200)는 x축, y축 및 z축으로의 진동을 구현할 수 있으며, 이하 각속도를 검출하는 감지부(250)에 대하여 설명하기로 한다.
도 12를 참조하면, 진동부(230)의 중심 G에 대하여 x축 방향의 코리올리 힘 Fx가 작용한 경우를 가정한다.
상기 코리올리 힘 Fx의 측정은 y축 방향의 진동을 주는 상태로 행해지기 때문에 상기 진동부(230)는 지면에 수직인 방향으로 진동하고 있는 것이 되지만, 이와 같은 y축 방향으로의 진동 현상은 x축 방향으로의 코리올리 힘 Fx의 측정에는 아무런 영향을 주지 않는다.
상기 코리올리 힘 Fx에 의해 상기 가요부(220)는 휨이 생기고 도 12와 같은 변형이 일어날 수 있다.
이 결과, x축 방향에 배치되는 압전체(270b)의 분극 특성에 의해 상부전극(270a) 및 하부전극(270c)에는 (+) 또는 (-) 극성의 전하가 발생한다.
따라서, 상기 상부전극(270a) 및 하부전극(270c)에 발생되는 전하의 검출에 의해 각속도를 측정할 수 있다.
또한, y축 방향으로의 코리올리 힘이 작용하는 경우에는 y축을 따라 배치되는 상부전극(270a) 및 하부전극(270c)에 발생되는 전하에 의해 각속도를 측정할 수 있다.
다음으로, z축 방향으로의 코리올리 힘 Fz가 작용하는 경우에도 x축 또는 y축에 배치되는 상부전극(270a) 및 하부전극(270c)에 의해 발생되는 전하에 의해 각속도를 측정할 수 있다.
이상의 각속도 검출 원리를 종합하면, 가요부(220)의 상면에 배치되는 상부전극(270a) 및 하부전극(270c)에 교류 신호를 인가하여 진동부(230)를 x축, y축 및 z축 중 어느 하나의 방향으로 진동시킬 수 있으며, 그때에 발생되는 각 축방향의 코리올리 힘 Fx, Fy 및 Fz 중 어느 하나에 의해 발생되는 전하에 의한 전압 측정으로 각 축방향의 각속도를 측정할 수 있다.
여기서, x축 및 y축 방향으로 배치되는 상부전극(270a), 압전체(270b) 및 하부전극(270c)과 이웃하게 제어 압전소자(260)를 배치할 수 있으며, 상기 제어 압전소자(260)와 전기적으로 연결되는 임피던스 소자(미도시)를 형성할 수 있다.
따라서, 앞서 언급한 바와 같이 임피던스 소자(미도시)의 임피던스 조절을 통해 상기 가요부(220)의 방향별 강성을 조절할 수 있으며, 결과적으로 구동모드와 감지모드의 공진주파수를 제어할 수 있다.
결국 구동모드의 공진주파수와의 감지모드의 공진주파수가 서로 근접하도록 상기 임피던스 소자(미도시)의 임피던스 조절을 통해 감도 특성이 향상된 본 발명의 일 실시예에 따른 각속도 센서(200)를 구현할 수 있다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 변형 가능한 실시예에 따른 각속도 센서를 도시한 개략 단면도이다.
도 13을 참조하면, 구동부(240) 또는 감지부(250)의 기능을 하는 상부전극(270a), 압전체(270b) 및 하부전극(270c)으로 이루어진 압전소자는 이웃하는 제어 압전소자(260)의 압전체(280b)와 연결되거나 일체로 형성될 수 있다.
여기서, 구동부(240) 또는 감지부(250)의 전극(270a, 270c)과 제어 압전소자(260)의 전극(280a, 280c) 사이의 거리가 소정거리 이상이 되면 서로 영향을 무시할 수 있으므로, 서로 연결되거나 일체로 형성되어도 무방한 것이다.
도 14를 참조하면, 구동부(240) 또는 감지부(250)의 기능을 하는 상부전극(270a), 압전체(270b) 및 하부전극(270c)으로 이루어진 압전소자는 이웃하는 제어 압전소자(260)의 하부전극(280c)과 연결되거나 일체로 형성될 수 있다.
도 15를 참조하면, 구동부(240) 또는 감지부(250)의 기능을 하는 상부전극(270a), 압전체(270b) 및 하부전극(270c)으로 이루어진 압전소자는 이웃하는 제어 압전소자(260)의 압전체(280b) 및 하부전극(280c)과 연결되거나 일체로 형성될 수 있다.
도 16을 참조하면, 구동부(240) 또는 감지부(250)의 하부전극과 제어 압전소자(260)의 하부전극은 가요부(220)가 대신할 수 있다.
다만, 압전체(270b, 280b)는 서로 연결될 수도 있으며 별개로 구성되어도 무방하다.
도 17은 제어 압전소자 및 임피던스 제어부가 정전용량방식을 이용한 각속도 센서에 적용되는 것을 도시한 개략 평면도이다.
여기서, 방향에 대한 용어를 정의하면, 도 17에 있어서 좌우측 방향이 x축, 위아래 방향이 y축, 지면에 수직인 방향이 z축이라고 정의한다.
도 17을 참조하면, 본 발명에 따른 각속도 센서(300)는 고정부(310), 제1 질량체(320a) 및 제2 질량체(320b)로 구성되는 진동부(320), 상기 제1 질량체(320a)를 구동시키기 위한 구동부(330) 및 상기 제1 질량체(320a) 및 제2 질량체(320b)의 수직 및 수평 방향으로의 변위를 감지하는 감지부(340), 제어 압전소자(350) 및 임피던스 소자(360)로 이루어질 수 있다.
제1 질량체(320a)는 사각틀 형상을 가지며, 고정부(310) 상에서 요동가능하도록 부상될 수 있다.
상기 제1 질량체(320a)의 각 모서리에는 제1 가요부(370)가 위치하고 있으며, 상기 제1 가요부(370)에 의해 상기 제1 질량체(320a)는 고정부(310)와 연결이 될 수 있다.
제2 질량체(320b)는 제1 질량체(320a)보다 작은 크기의 사각틀 형상을 가지며, 또한 고정부(310) 상에서 요동가능하도록 부상될 수 있다.
여기서, 상기 제2 질량체(320b)는 상기 제1 질량체(320a)의 내측 공간에 배치될 수 있으며, 상기 제2 질량체(320b)는 제2 가요부(380)에 의해 상기 제1 질량체(320a)와 고정될 수 있다.
구동부(330)는 제1 질량체(320a)의 측방에 각각 설치될 수 있으며, 고정부(310)상에서 상기 제1 질량체(320a)와 동일 평면상에 형성될 수 있다.
이때 고정부(310)는 고정전극(310')을 구비할 수 있으며, 상기 구동부(330)는 상기 고정전극(310')과 정전용량소자를 형성하기 위해 외부의 교류 전압 인가시 상기 고정전극(310')과의 정전기력에 의해 상기 제1 가요부(370)를 변형시키도록 하는 이동전극(330')일 수 있다.
여기서, 상기 고정전극(310')과 상기 이동전극(330')은 손가락가지형(interdigitated) 구조에 의해 상호 결합될 수 있다.
감지부(340)는 수평감지부(340a) 또는 수직감지부(340b)를 포함할 수 있으며, 상기 수직감지부(340b)는 제1 질량체(320a)의 측방에 각각 설치될 수 있다.
상기 수직감지부(340b)는 고정부(310)에 구비된 고정전극(310')과 손가락가지형(interdigitated) 구조에 의해 상호 결합되는 이동전극(340b')일 수 있다.
상기 수평감지부(340a)는 상기 제2 질량체(320b)의 내측 공간에 설치될 수 있으며, 상기 수직감지부(340b)와 마찬가지로 고정부(310)에 구비된 고정전극(310')과 손가락가지형(interdigitated) 구조에 의해 상호 결합되는 이동전극(340a')일 수 있다.
여기서, 구동부(330)의 이동전극(330')과 고정부(310)의 고정전극(310')에 교류의 전압이 인가되면, 정전기력에 의해 상기 제1 질량체(320a)는 x축 방향으로 진동하게 된다.
이때 상기 제2 질량체(320b)는 제2 가요부(380)에 의해 x축 방향으로 제1 질량체(320a)에 대해 상대 고정되어 있으므로 상기 제1 질량체(320a)와 함께 x축으로 진동하게 된다.
여기서, 상기 제1 및 제2 질량체(320a, 320b)가 진동하는 동안 상기 제1 질량체(320a)에 z축 방향으로 각속도가 인가되면, 상기 제2 질량체(320b)에는 y축 방향의 코리올리 힘이 가해져 상기 제2 질량체(320b)는 y축 방향으로 이동된다.
이에 따라, 수평감지부(340a)의 이동전극(340a')과 고정부(310)의 고정전극(310')간의 거리의 변화가 발생하며, 이와 같은 거리 변화에 따라 수평감지부(340a)의 이동전극(340a')과 고정부(310)의 고정전극(310') 사이의 정전용량의 변화가 발생된다.
마찬가지로, 수직감지부(340b)에서 정전용량의 변화를 발생시킬 수도 있다.
따라서, 상기 정전용량의 변화를 측정함으로써 각속도의 크기를 산출할 수 있다.
이때, 제1 가요부(370) 및 제2 가요부(380) 중 적어도 하나에 제어 압전소자(350)를 형성하고, 상기 제어 압전소자(350)에 임피던스 소자(360)를 전기적으로 결합하여 강성을 제어할 수 있으므로, 구동모드와 감지모드의 공진주파수의 제어가 가능할 수 있다.
즉, 임피던스 소자(360)의 임피던스를 조절함으로써 구동모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수의 차이인 △f의 제어가 가능할 수 있는 것이다.
이상의 실시예로부터 본 발명에 따른 각속도 센서(100, 200, 300)는 공진주파수를 제어하는 제어 압전소자(A, B, C, D, 260, 350)와 상기 제어 압전소자(A, B, C, D, 260, 350)와 전기적으로 연결되어 상기 제어 압전소자(A, B, C, D, 260, 350)에 임피던스를 부가하는 임피던스 소자(A'. B', C', D', 360)로 인하여 추가적인 전력 소모나 고전압의 인가 없이 수동적으로 튜닝하여 구동모드와 감지모드의 공진주파수의 오차를 보정할 수 있으므로 감도 특성을 극대화할 수 있다.
또한, 양산 시의 제조 산포, 환경 및 시간 경과에 따른 공진주파수의 변화를 보정하여 수율을 향상시키고 안정성(stability) 특성을 향상시킬 수 있다.
추가적으로 각속도 입력에 따른 코리올리 힘으로부터의 구동 주파수 f의 신호와, 가속도 입력에 따른 관성력으로부터의 직류 또는 저주파 신호를 복조 (demodulation)하여 각속도와 가속도를 동시에 측정할 경우에, 압전 방식으로 구동하면서 압저항 방식으로 감지하는 방법도 가능함으로 밝혀둔다.
100, 200, 300: 각속도 센서 110, 210, 310: 고정부
10: 진동자 120: 진동부
320a: 제1 질량체 320b: 제2 질량체
20, 30, 220: 가요부 130, 370: 제1 가요부
140, 380: 제2 가요부 E, F, 240, 330: 구동부
G, H, 250, 340: 감지부 340a: 수평감지부
340b: 수직감지부 A, B, C, D, 260, 350: 제어 압전소자
A'. B', C', D', 360: 임피던스 소자
150a, 160a, 270a, 280a: 상부전극
150b, 160b, 270b, 280b: 압전체 150c, 160c, 270c, 280c: 하부전극
170: 제어부 180: 임피던스 제어부
310': 고정전극 330', 340a', 340b': 이동전극

Claims (23)

  1. 고정부와 진동부를 연결하는 가요부;
    상기 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 상기 진동부를 진동시키는 구동부;
    상기 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 각속도 입력에 따라 상기 진동부의 변위를 감지하는 감지부;
    상기 가요부에 형성되어 상기 진동부의 움직임의 강성을 제어하는 제어 압전소자; 및
    상기 제어 압전소자와 전기적으로 연결되어 상기 제어 압전소자에 임피던스를 부가하는 임피던스 소자;를 포함하는 각속도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 소자의 임피던스는 기설정되거나 가변적인 각속도 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 소자는 포텐쇼미터(Potentiometer), 배리어블 레지스터(Varistor) 및 트리머블 레지스터(Trimmable resistor) 중 적어도 하나인 각속도 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 가요부에 형성되고 외부의 교류 전압에 의해 상기 가요부를 변형시키도록 하는 압전체를 구비하는 각속도 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정부는 고정전극을 구비하며,
    상기 구동부는 상기 고정전극과 정전용량소자를 형성하여 외부의 교류 전압 인가시 상기 고정전극과의 정전기력에 의해 상기 가요부를 변형시키도록 하는 이동전극인 각속도 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 가요부에 형성되어 상기 가요부의 변형에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 압전체 또는 압저항 소자를 구비하는 각속도 센서
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정부는 고정전극을 구비하며,
    상기 감지부는 상기 고정전극과 정전용량소자를 형성하여 상기 진동부의 변위에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 이동전극인 각속도 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어 압전소자는 상부전극, 상기 가요부에 결합하는 하부전극 및 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 위치하는 압전체를 구비하는 각속도 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 임피던스 소자는 상기 상부전극 및 상기 하부전극과 전기적으로 연결되는 각속도 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 구동부 또는 상기 감지부 중 적어도 하나는 상부전극, 상기 가요부에 결합하는 하부전극 및 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 위치하는 압전체를 구비하는 각속도 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구동부 또는 상기 감지부의 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 상기 압전체 중 적어도 하나는 상기 제어 압전소자의 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 압전체 중 적어도 하나와 대응되도록 연결되거나 일체로 형성되는 각속도 센서.
  12. 고정부와 진동부를 연결하는 제1 및 제2 가요부;
    상기 제1 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 상기 진동부를 진동시키는 구동부;
    상기 제2 가요부 또는 상기 진동부에 형성되어 각속도 입력에 따라 상기 진동부의 변위를 감지하는 감지부;
    상기 제1 가요부 및 제2 가요부 중 적어도 하나에 형성되어 상기 구동부 또는 상기 감지부의 강성을 제어하는 제어 압전소자; 및
    상기 제어 압전소자와 전기적으로 연결되어 상기 제어 압전소자에 임피던스를 부가하는 임피던스 소자;를 포함하는 각속도 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 임피던스 소자의 임피던스는 기설정되거나 가변적인 각속도 센서.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 임피던스 소자는 포텐쇼미터(Potentiometer), 배리어블 레지스터(Varistor) 및 트리머블 레지스터(Trimmable resistor) 중 적어도 하나인 각속도 센서.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 진동부를 제1 방향으로 진동시키고, 상기 감지부는 제2 방향의 각속도 입력에 따라 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향의 외적 방향인 제3 방향으로 발생하는 상기 진동부의 변위를 감지하는 각속도 센서.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가요부, 상기 구동부, 상기 감지부, 상기 제어 압전소자 및 상기 임피던스 소자는 복수개인 각속도 센서.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제1 가요부에 형성되고 외부의 교류 전압에 의해 상기 제1 가요부를 변형시키도록 하는 압전체를 구비하는 각속도 센서.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 고정부는 고정전극을 구비하며,
    상기 구동부는 상기 고정전극과 정전용량소자를 형성하여 외부의 교류 전압 인가시 상기 고정전극과의 정전기력에 의해 상기 제1 가요부를 변형시키도록 하는 이동전극인 각속도 센서.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 제2 가요부에 형성되어 상기 제2 가요부의 변형에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 압전체 또는 압저항 소자를 구비하는 각속도 센서.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 고정부는 고정전극을 구비하며,
    상기 감지부는 상기 고정전극과 정전용량소자를 형성하여 상기 진동부의 변위에 따른 전기신호를 출력하도록 하는 이동전극인 각속도 센서.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 제어 압전소자는 상부전극, 상기 가요부에 결합하는 하부전극 및 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 위치하는 압전체를 구비하는 각속도 센서.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 구동부 또는 상기 감지부 중 적어도 하나는 상부전극, 상기 가요부에 결합하는 하부전극 및 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에 위치하는 압전체를 구비하는 각속도 센서.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 구동부 또는 상기 감지부의 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 상기 압전체 중 적어도 하나는 상기 제어 압전소자의 상기 상부전극, 상기 하부전극 및 압전체 중 적어도 하나와 각각 연결되거나 일체로 형성되는 각속도 센서.
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