KR20130073832A - 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판과, 각 축이 서로 수직으로 배치된 측정 축(X-축), 감지 축(Y-축) 및 구동 축(Z-축)과, 상기 기판에 평행한 X-Y평면에 배치된 제 1 및 2 구동 매스(2)를 포함하는 회전율을 감지하기 위한 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서에 관한 것이다. 각 구동 매스(2)는 중앙 서스펜션에 의해 상기 기판과 회동가능하도록 연결된다. 상기 2개의 중앙 서스펜션은 Y축을 따라 배치된다. 각 중앙 서스펜션에서 상기 구동 축(Z)에 대하여 상기 구동 매스(2)들의 회전 오실레이션을 발생시키기 위해 구동 요소가 사용된다. 적어도 하나의 탄성 연결 요소(5)가 상기 Y축의 양 사이드에 있는 상기 각 구동 매스(2)들에 배치되고, 상호 동조된 방식으로 상기 2개의 구동 매스를 연결하면서 오실레이팅하기 위해 상기 Y축으로부터 이격되어 배치된다.

Description

마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서 {Micromechanical Coriolis Rate of Rotation Sensor}
본 발명은 기판과, 각 축이 서로 수직으로 배치된 측정 축(X-축), 감지 축(Y-축) 및 구동 축(Z-축)과, 상기 기판에 평행한 X-Y평면에 배치된 제 1 및 2 구동 매스(2)를 포함하는 회전율을 감지하기 위한 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서(MEMS 회전율 센서)에 관한 것이다. 여기서, 각 구동 매스는 중앙 서스펜션(central suspension)에 의해 상기 기판과 회전 가능하게 결합된다. 상기 2개의 중앙 서스펜션은 Y축에 따라 배치된다. 상기 구동 축에 대하여 상기 구동 매스들의 회전 진동을 발생시키기 위한 구동 수단이 각 중앙 서스펜션에 더 제공될 수 있다.
MEMS 기술을 사용하고, 2개의 구동 매스를 포함하는 일반적인 회전율 센서는 미국 특허 US 제5,635,640호에 공지된다. 2개의 구동 매스 모두는 기판에 부착되고, 상기 기판에 대해서 변위가능하게 배치된다. 상기 2개의 구동 매스는 스프링에 의해 서로 결합된다. 그에 의해, 상기 2개의 구동 매스들의 대응하는 회전의 중심들에 대하여 상기 2개의 구동매스의 회전 거동이 수행된다.
상기 2개의 구동 매스는 상기 대응하는 구동 수단들에 의해 이동하도록 구동된다. 여기서, 상기 2개의 구동 매스는 상기 중앙 스프링에 기인하여 이상적 그리고 일반적으로 역위상으로(in antiphase) 이동한다. 상기 기판이 측정 축에 대하여 회전한다면, 회전 진동하는 구동 매스들에 작용하는 코리올리 힘이 상기 2개의 구동매스들을 동일 또는 반대 방식으로 감지 축에 대하여 회전 또는 틸팅하도록 작용한다.
예를 들어, 운송수단에서 또는 다른 장치에서 사용되는 종래의 코리올리 회전율 센서는 충격에 쉽게 영향을 받을 수 있다. 상기 회전율 센서의 단점은 상기 센서가 그러한 외부 힘 영향에 상당히 민감하는 것이다. 따라서, 부정확한 측정이 얻어지거나, 심지어 상기 센서가 손상될 수 있는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 기계적 구조에 기인한 외부 영향에 민감하지 않고, 오측정을 방지하기 위해 충격 효과를 감지할 수 있는 높은 내충격성을 가지는 회전율 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서는 측정 축(X-축)에 대하여 회전율을 감지하기 위해 제공된다. 상기 회전율 센서는 기판과 제 1 및 2 구동 매스를 포함한다. 상기 측정 축(X-축), 감지 축(Y축) 및 구동 축(Z-축)은 각각 서로 수직으로 배치된다. 상기 제 1 및 2 구동 매스는 상기 기판에 평행한 X-Y평면에 배치된다. 각 구동 매스는 중앙 서스펜션에 의해 상기 기판에 회전가능하게 연결된다. 상기 2개의 중앙 서스펜션이 Y축을 따라 배치되고, 그 결과 상기 2개의 구동 매스가 서로 대체적으로 평행하게 정렬된다. 상기 구동 축에 대하여 상기 구동 매스들의 회전 진동을 발생시키기 위한 구동 수단이 각 중앙 서스펜션에 더 구비된다. 상기 구동 수단들은 극성을 변경함으로써 상기 중앙 서스펜션에 대하여 상기 구동 매스들의 진동 구동을 발생하는 전극들이다.
특히, 충격에 무감한(insenstive) 회전율 센서를 제조하기 위해, 적어도 하나의 탄성 연결 요소는 상기 감지 축(Y축)의 양 사이드에 있는 상기 구동 매스들에 배치되고, 상기 Y축으로부터 이격되어 배치된다.
상기 2개의 구동 매스는 서로 연결되고, 그에 따라 상기 2개의 구동 매스들의 상호 동조된(tuned) 오실레이팅이 가능하다. 상기 연결 요소들은 상기 회전율 센서 상의 충격이 발생한 경우 상기 2개의 구동 매스들이 역 위상(in antiphase)이라기 보다는 정 위상으로(in phase) 변위(deflection)가 발생되게 한다. 따라서, 상기 구동 매스들이 정상 동작에서 정 반대로 변위되는 데 반하여, 상기 두 개의 구동 매스들이 충격에 기인하여 같은 방향으로 변위된다.
따라서, 상기 연결 요소에 의해 상기 2개의 구동 매스들을 연결함으로써, 상기 회전율 센서에 작용하는 충격에 의해 상기 2개의 구동 매스의 이상적인 변위(deflection)가 발생된다.
상기 회전율 센서 상의 충격의 효과는 상기 기판과 구동 매스들 사이에 배치된 감지 요소들이 Y축의 좌측과 같이, Y축과 동일한 측에 배치된 상기 감지 요소들이 동일한 신호를 발생시키는 반면, 상기 기판이 회전될 때의 정상 동작에서는 정반대 신호를 발생시킬 것이다. 그러한 경우가 발생하자 마자, 전기 신호의 분석은 상기 센서 상에 충격이 발생하고, 실제 측정된 회전율 값이 왜곡되었다는 결과를 이끈다.
뿐만 아니라, 동일한 방향에 있는 Y축에 대하여 변위하는 경우에 상기 2개의 구동 매스가 서로 상호적으로 작용하기 때문에 상기 연결 요소는 상기 시스템이 더욱 안정적이고, 이에 따라 상기 회전율 센서 상의 충격 상태에 대하여 민감성을 상당히 감소시킨다는 것을 더욱 보장할 수 있다.
상기 구동 매스들은 상기 X축(측정 축)의 방향에 있는 신장부(elongation)를 더 포함한다. 상기 X축 방향에서 보여지는 것 처럼, 상기 연결 요소는 상기 구동 매스의 상기 실시예를 위해 상기 구동 매스의 최외측단에 최적으로 부착된다. 따라서, 상기 구동 매스들이 상기 구동 축에 대하여 진동할 때 상기 연결 요소의 상당히 좋은 변위(deflection)가 얻어진다. 충격 상태가 발생한 경우, 상기 중앙 서스펜션과 구동 매스들의 회전 축에 대하여 큰 레버 암(lever arm)이 얻어지기 때문에, 상기 2개의 구동 매스 상호에 대해 작용된 힘 또한 가장 효과적이다.
상기 연결 요소의 바람직한 실시예에서, 상기 요소는 캔틸레버들과 탄성 연결 스프링들을 포함한다. 여기서, 상기 상호 작용은 목표된 방식으로 영향받을 수 있다. 특히, 상기 연결 스프링들과 캔틸레버들의 디자인은 서로에 대해 역위상인 상기 2개의 구동 매스의 진동에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 서로를 향하여 이동하는 구동 매스의 끝단에서 압축되고, 상기 2개의 구동 매스가 동시에 서로로부터 멀어지도록 이동하는 반대단으로 신장되도록, 상기 연결 스프링들이 최적 배치된다.
상기 스프링들은 대응 디자인에서 X-Y평면에서 매우 탄성적이도록 구현된다. Z방향에서 변위(deflection)에 대하여, 상기 스프링들은 정상 동작에 대해서 정반대인 상기 2개의 구동 매스의 변위를 허용한다. 그러나, 또한, 상기 회전율 센서 상의 충격의 효과에 기인하여 발생할 수 있는 것 처럼, 동일한 방향에서 변위(deflection)의 경우에 상기 2개의 구동 매스 상에 특정 미는 힘을 초래한다.
상기 연결 스프링들의 특성들이 분명하게 작용하게 하고, 상기 회전율 센서의 장착된 공간을 가능한 작게 유지하기 위해, 상기 연결 스프링들은 상기 2개의 구동 매스 사이에 제공된 중간 공간으로 돌출된다. 따라서, 바람직한 방법으로 탄성(elasticity)과 강성(rigidity)을 발생시킬 수 있도록, 상기 연결 스프링들은 구불구불한 형태(serpentine, 사형)인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 연결 요소는 2개의 구동 매스 사이에 배치된다. 그에 따라, 상기 2개의 구동 매스의 연결은 서로를 향하는 그리고 반대로 향하는 상기 구동 매스들의 다른 거동에 대하여 더욱 안정적이 될 수 있기 때문에, 심지어 상기 회전율 센서의 더 좋은 견고성이 얻어진다.
특별히 바람직한 실시예에서, 상기 연결 요소는 스프링들에 의해 상기 2개의 구동 매스에 연결된 제 1 매스이다. 상기 센서의 충격 상태를 감지하기 위해 또는 회전율을 측정하기 위해서든 간에, 전극들 처럼, 대응 감지 요소들이 제공된다면, X-Y평면으로부터 벗어나는 상기 구동 매스들의 움직임이 상기 제 1 매스에 의해 감지될 수 있다. 따라서, 상기 연결 요소는 스프링들에 의해 상기 구동 매스들에 최적으로 부착된다.
상기 연결 요소들 중의 2개는 Y축의 반대 측에 있도록 배치된다. 역위상으로 구동 매스들의 구동 거동을 위해, 상기 연결 요소가 상기 2개의 구동 매스들 사이에 움직임 없이 유지하는 동안, 상기 스프링들은 압축되거나 신장된다. 회전율을 감지하기 위해 역위상으로 구동 매스들의 변위(deflection)를 위해, 단독으로 또는 상기 구동 매스들의 위치 변화와 함께 상기 전기 전압을 변화시킴으로서 상기 감지 요소들에 의해 움직임이 또한 감지되도록 상기 연결 요소는 기울어져 있다. 같은 Z방향으로 상기 2개의 구동 매스의 변위를 위해, 상기 2개의 연결 요소는 상기 구동 매스들과 함께 이동된다. 전기적 감지 요소들에 의해 상기 거동에 대응하는 감지에 의해 상기 상태가 매우 명확하게 결정되고 분석된다.
특히, 상기 구동 매스들과 연결 요소의 안정적인 가이딩을 얻기 위해, 제 1 매스는 스프링들에 의해 연결되도록 프레임 형상으로 제 2 매스를 둘러싸도록 제공되는 것이 바람직하다. 그에 따라, 상기 연결 요소들의 추가적인 안정성이 얻어지고, 상기 구동 매스들과 프레임 형상의 제 1 매스 모두, 선택적으로 제 2 매스의 변위가 감지될 수 있다.
상기 연결 요소를 안정화하기 위해, 상기 제 2 매스는 앵커에 의해 상기 기판에 X축에 대하여 회전 가능하게 부착되는 것이 바람직하다. 상기 실장(mounting) 들과 스프링들의 대응하는 디자인을 위해, 상기 케이스에서 상기 구동 매스들이 상기 제 2 매스의 지지에 대하여 또는 X축에 대하여 상기 연결 요소와 제 1 및 2 매스의 틸팅 움직임을 일으키는 코리올리 힘에 의해 정반대로 변위되기 때문에, 상기 연결 요소의 상기 구동 매스들과 제 1 및 2 매스 모두 X축에 대하여 회전율을 감지하도록 변위된다.
그러나, 상기 센서에 대해 충격이 발생한다면, 상기 2개의 구동 매스는 같은 방향으로 변위되고, 그에 따라 특히 상기 프레임 형상의 제 1 매스가 상기 구동 매스와 함께 Z방향으로 이동되게 한다. 오로지 상기 앵커 상의 X축에 대하여 이동할 수 있는 상기 연결 요소의 제2 매스는 주로 정적으로 유지하고, 상기 프레임 형상의 제 1 매스를 상기 구동 매스들과 함께 X-Y평면으로 상기 초기 위치로 되돌려 이동시키게 한다. 그에 따라, 충격 효과 후에 상기 센서는 매우 빠르고, 신뢰할수 있도록 안정화된다.
감지 요소들이 상기 기판과 구동매스들 및/또는 상기 제 1 매스 및/또는 제 2 매스 사이에 배치된다면, 그 후 상기 X-Y평면으로부터 벗어나는 상기 구성들의 거동이 감지되고 분석 장치로 피드된다. 특히, 상기 기판 상의 일측과 상기 기판과 면한 상기 구성들의 일측 상의 타측에 배치된 전극들의 형태인 상기 감지 수단들의 실시예에서, 상기 두 전극 사이의 거리가 변할 때 마다 전기 전압를 변화함으로써 상기 감지가 발생한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 구동 매스들은 구동 요소들, 특히 빗살 전극들 (comb electrodes)에 의해 구동된다. 상기 구동 요소들에 인가된 교류 전압은 상기 회전율 센서의 Z축에 대하여 또는 대응하는 지지(support)에 대하여 상기 구동 매스의 오실레이팅 진동을 초래한다.
상기 구동 매스들의 동기화와 정확한 진동을 달성하기 위해, 상기 구동 매스들의 오실레이팅 회전 움직임을 감지하고, 대응 신호를 구동 컨트롤러에 포워딩하는 피드백 요소들이 제공된다. 따라서, 상기 구동 요소들에 적용된 상기 교류 전압에서 변화가 생성될 수 있으며, 상기 구동 매스의 오실레이션이 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 구동 매스는 복수 개의 앵커 스프링에 의해 중앙 서스펜션 상에 배치된다. 따라서, 상기 구동 매스들은 X-Y평면에서 구동을 위해 안정화된다. 그러나, 충격 상태를 저항하고 감지하는 것 뿐만 아니라, 회전율을 감지하기 위해 상기 구동 매스들의 목표되고 균일한 변위 또한 발생된다.
상기 개별 이동된 부분들의 손상을 방지하기 위해, 다양한 스토퍼들이 제공될 수 있다. 스토퍼들은 상기 매스들의 이동능력을 제한하기 위해 구동 매스들 및/또는 상기 연결 요소의 제 1 매스 및/또는 제 2 매스 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 스토퍼들은 전형적으로 손상 없이 상기 인접 매스로부터 충격을 흡수할 수 있는 요철들(embossments) 또는 돌기들(protrusions)로 구현된다.
스토퍼들은 또한 상기 중앙 서스펜션과 구동 매스 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 스토퍼들이 상기 기판 및/또는 구동 매스 및/또는 연결 스프링들 사이에 제공되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 스토퍼들은 상기 기판에 매우 강하게 부착되어야 하고, 상기 구동 매스 및/또는 연결 또는 앵커 스프링들의 변위를 제한해야 한다.
본 발명에 따른 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서는 기계적 구조(형상)에 기인한 외부 영향에 민감하지 않고, 오측정을 방지하기 위해 충격 효과를 감지할 수 있는 높은 내충격성 저항 회전율 센서를 제공할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
도 1은 구동 매스들 상 외부에 배치된 연결 요소들을 가지는 제 1 실시예이고,
도 2는 상기 구동 매스들 사이에 부분적으로 배치된 연결 요소들을 가지는 제 2실시예이고,
도 3은 도 1과 유사한 본 발명에 따른 회전율 센서이고,
도 4는 상기 2개의 구동 매스 사이에 배치된 연결 요소들을 가지는 본 발명의 또 다른 실시예이고,
도 5a는 역위상으로(in antiphase) 오실레이팅하는 상기 구동 매스들을 가진 도 4에 따른 실시예이고,
도 5b는 정위상(antiphase)에서 오실레이팅하는 상기 구동 매스들을 가진 도 4에 따른 실시예이고,
도 5c는 역위상으로 상기 구동 매스들과 연결 요소들의 변위(deflection)를 가지는 것을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 보다 바람직한 실시예에 대해 살펴보기로 한다.
도 1의 실시예는 2개의 구동 매스(2)를 가지는 본 발명에 따른 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서(1)의 평면도를 도시한 것이다. 상기 구동 매스(2)들은 상기 도면의 평면 내에 위치되어 도시되지는 않았지만, 기판에 평행하게 배치된다. 상기 구동 매스(2)들은 각각 앵커(3)와 그 위에 배치된 앵커 스프링(4)들에 의해 기판에 연결된다. 상기 앵커 스프링(4)들은 직교 좌표계에서 Z축에 대하여 회전을 허용한다. 상기 좌표계에서, 상기 X축이 상기 구동 매스(2)들의 수평 방향에 배치되고, Y축이 상기 구동 매스(2)들의 수직 방향으로 배치되는데 반하여, 상기 Z축은 상기 도면의 평면밖으로 돌출된다. 상기 X축은 상기 회전율 센서가 센서 또는 기판의 X축에 대한 회전을 결정할 수 있는 것을 의미하는 측정 축이다. 상기 Y축은 상기 X축과 같은 평면에서 수직방향으로 배치된 감지 축을 나타낸다 상기 기판이 측정 또는 X축에 대하여 회전될 때 상기 구동 매스(2)들은 X-Y평면에서부터 Y축에 따라 이동한다. 이는 상기 구동 매스(2)들이 구동 축 또는 Z축에 대하여 오실레이팅할 때 발생하는 코리올리 힘에 기인하여 발생한다. 앵커(3) 상의 상기 구동 매스(2)들의 중앙 서스펜션과 상기 구동 매스(2)들과 연결되고 상기 앵커(3) 상에 배치된 앵커 스프링(4)들에 의해 상기 변위들이 가능하게 된다. 따라서, 상기 앵커 스프링(4)들은 상기 Z축에 대하여 또는 논의가 되고 있는 앵커(3)에 대하여 상기 구동 매스(2)들의 회전 거동을 허용하고, 상기 Y축에 대하여 상기 구동 매스(2)들의 피봇을 허용하도록 구현된다. 이와 반대로, 상기 앵커 스프링(4)들은 어떤 변위도 일어나지 않도록 X축에 대해서는 일반적으로 강체(rigid)이다.
도면의 평편의 밖으로 향하는(out of the plane) 방향이 상기 설명에서 상기 Z축으로 표시된 것을 주목해야 한다. 상기 X축은 상기 도면의 평면에 대하여 가로 지르는 방향으로 표시되고, 상기 Y축은 상기 도면의 평면을 따르는 방향으로 표시된다. 이는 또한 상기 축들이 서로에 대하여 평행하게 이동되는 경우에도 적용된다.
상기 2개의 구동 매스(2)들은 연결 요소(5)와 연결 스프링(6)들에 의하여 서로 연결된다. 상기 연관된 연결 스프링(6)들을 구비한 하나의 연결요소(5)는 X축 방향에서 각 구동 매스의 각 끝단에 배치된다. 상기 연결 요소(5)와 연결 스프링(6)들은 상기 구동 매스(2)들의 회전 거동의 동기화를 유발한다. 이는 상기 2개의 구동 매스들이 역위상으로(in antiphase) 오실레이팅하는 경우, 다시 말해, 서로를 향하여 면하는 상기 구동 매스들의 2개의 끝단이 서로를 향하여 이동하거나 서로로부터 멀어지게 이동할 수 있도록 역 위상으로 오실레이팅하는 경우, 상기 매스들이 동일한 주파수에서 오실레이팅하고, 따라서 안정적인 시스템을 발생하는 것을 보장한다. 여기서, 상기 X축에 대하여 상기 센서의 회전율을 감지하는 경우에 상기 2개의 구동 매스의 변위(deflection)는 X-Y평면 밖으로 동일한 진폭(amplitude)으로 결과가 나타난다. 따라서, 상기 연결 스프링(6)들은 상기 Y축에 대한 상기 구동 매스(2)들의 피봇 움직임뿐만 아니라, X-Y평면에서 변위(deflection)을 허용하도록 구현된다. 여기서, 상기 X-Y평면 내에 있는 상기 구동 요소들(2)의 역 위상 거동을 위해 연결 요소의 양쪽 연결 스프링들의 거동은 동일한 방향으로 발생하는 반면, X-Y평면 밖으로 변위를 위해서는 반대 방향으로 발생한다.
각 앵커(3) 또는 상기 Z축에 대하여 상기 구동 매스(2)들을 회전시킬 수 있도록, 구동 요소(7)들이 제공된다. 상기 구동 요소(7)들은 상기 구동 매스(2)들과 연관 되고, 예를 들어, 교류 전압이 공급되는 빗살 전극들로 구성된다. 그에 따라 상기 구동 매스(2)들이 상기 앵커(3)에 대하여 회전하는 것이 유도된다. 따라서, 상기 회전 거동은 상기 빗살 전극들의 극성에 따라 교번한다. 다시 말해, 상기 앵커(3)에 대하여 오실레이팅 거동이 발생하도록 오실레이팅한다.
감지 요소(8)들은 상기 기판과 구동 매스(2)들 사이에 배치된다. 예를 들어, 상기 감지 요소(8)들은 상기 기판 상에 배치될 그리고 그의 맞은편인, 상기 기판과 면하는 상기 구동 매스(2)들의 일 측 상에 배치될 전극들, 예를 들어, 평판 커패시터들(plate capacitors)이다. 상기 Y축에 대한 상기 구동 매스(2)들의 회전 거동에 대해, 상기 감지 요소(8)들의 상기 마주하는 전극들 사이의 거리가 변하고, 그에 따라, 변화된 전기적 신호가 발생된다. 상기 전기적 신호는 상기 구동 매스(2)들의 변위(deflection)에 대한 징후이고, 따라서 상기 X축에 대한 상기 기판의 회전 거동에 대한 징후이다. 따라서, 상기 감지 요소(8)들의 상기 전기적 신호를 분석함으로써 상기 회전율 센서의 회전율이 결정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 2에 도시된다. 상기 도 2는 도 1의 실시예와 유사하게 구성된 회전율 센서(1)를 보여준다. 상기 구동 매스(2)들은 도시되지 않았지만, Y축과 Z축에 대하여 회동 가능하도록 앵커(3)와 앵커 스프링(4)들에 의해 상기 기판에 부착된다. 상기 구동 매스(2)들은 구동 요소(7)들에 의해 구동되고, 상기 X-Y 평면 밖으로 그의 변위(deflection)가 감지 요소(8)들에 의해 감지된다.
도 1의 실시예와의 차이는 상기 연결 요소(5)의 형태이다. 도 2의 실시예에서, 상기 연결 요소(5')는 각 측 상에 2개로 세분된다. 상기 연결 요소(5')가 그 위에 배치된 상기 연결 스프링(6')들과 함께, 도 1의 상기 연결 요소(5)와 유사한 방식으로 상기 2개의 구동 매스(2)와 연결되는 동안, 추가적인 연결 요소(5'')가 제공된다. 상기 연결 요소(5'')는 연결 스프링(6'')들에 의해 상기 구동 매스(2)들 각각에 부착된다. 상기 연결 요소(5'')는 앵커(10)와 앵커 스프링(11)들에 의해 상기 기판에 추가로 부착된다. 상기 앵커 스프링(11)들은 상기 X축에 대하여 상기 연결 요소(5', 5'')들의 회전 거동뿐만 아니라 Z축에 대하여 회전 거동을 허용하도록 구현된다. 그러한 연결 요소(5', 5'')들의 배열은 상기 구동 매스(2)들이 역 위상(in antiphase)보다는 정 위상(in phase)으로 구동된다면 특히 바람직하다. 또한, 상기 구동 요소(2)들의 회전 거동은 X축에 대한 회전율의 경우에 Y축에 대한 틸팅 거동을 이끌면서 발생된다. 이 경우 상기 구동 매스(2)들의 각 앵커(3)에 대한 회전 오실레이션은 정 위상으로 발생하기 때문에, 코리올리 힘에 기인한 상기 구동 매스(2)들의 변위(deflection)는 정 위상으로 예측될 수 있다. 이는 양 구동 매스(2)들이 동시에 상기 Y축의 동일측 영역에서 상기 Y축에 대하여 상하로 틸팅하는 것을 의미한다. 상기 회전율 센서 상의 충격 감지와 상기 센서의 견고성(robustness)이 상기 구동 매스(2)들의 역 위상 거동에 대한 것 만큼 바람직하지 않다 하더라도, 본 발명에 따른 상기 회전율의 동작은 이 모드에서 또한 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 3에 도시된다. 상기 실시예는 결과적으로 상기 도 1의 실시예와 유사하다. 여러 가지 차이와 더불어, 특히 상세한 표현이 선택된다. 상기 구동 매스(2)들은 4개의 앵커 스프링(4)에 의해 상기 앵커(3)와 각각 부착된다. 이는 화살표 P를 따라 균일한 구동을 위해, 상기 앵커(3) 또는 Z축에 대한 상기 구동 매스(2)들의 균일한 회전 거동을 허용한다. 상기 구동 매스(2)들의 구동 거동(driving motion)이 X-Y평면에서 발생한다. 상기 구동 요소(7)들의 빗살 전극들(comb electrodes)은 상기 구동 매스(2)들의 구동을 제공한다. 상기 구동 전극(7)들은 상기 기판에 고정된 정적인 부분과 제 2 부분으로 구성된다. 여기서, 상기 빗살 전극들은 변위 가능한 구동 매스(2)들에 부착된다. 상기 구동 요소(7)들의 2개의 부분은 서로 맞물려있고, 상기 앵커(3)에 대한 상기 구동 매스(2)들의 회전 거동을 이끈다. 상기 구동 요소(7)들에 의해 초래된 상기 구동 매스(2)들의 회전 거동을 결정하고, 선택적으로 수정할 수 있기 위해, 피드백 요소(12)들이 제공된다. 상기 피드백 요소(12)들은 또한 빗살 전극들로 구성된다. 제 1 부분이 상기 기판에 부착되고, 제 2 부분이 상기 구동 매스(2)와 함께 변위 되도록 서로 맞물려 있는 상기 빗살 전극들은 전기적 전압에서 대응하는 변화에 의하여 상기 Z축에 대하여 상기 구동 매스(2)들을 오실레이팅하는 주파수를 결정한다. 따라서, 실제와 목표 주파수 사이의 차이가 결정된다면, 그 후 상기 구동 매스(2)들의 주파수는 상기 구동 요소(7)들에게 대응적으로 영향을 미침에 따라 변화될 수 있다. 상기 피드백 요소(12)들은 2개의 구동 요소(7) 사이에 각각 배치된다. 따라서, 상기 피드백 요소(12)들은 회전 축(Z)으로부터 거의 같은 거리로 구성되고, 이에 따라 상기 구동 요소(7)들 처럼 유사한 정확성으로 동작할 수 있다.
상기 2개의 구동 매스(2)는 X방향에서 보여지는 것 처럼, 그의 각 끝단에 연결 요소(5''')와 연결된다. 상기 연결 요소들(5''')는 상기 구동 매스(2)상에 고정 배치된 캔틸레버(cantilever)의 형태로 구현된다. 연결 스프링(6''')은 상기 연결 요소(5''')들의 2개의 캔틸레버 사이에 배치된다. 상기 연결 스프링(6''')은 상기 2개의 구동 매스(2)들 사이의 중간 공간으로 돌출되고, 형태가 사형(구불구불한 형태, serpentine)이다. 상기 연결 스프링(6''')들과 함께 상기 연결 요소(5''')들은 회전율의 감지를 위한 X-Y평면 밖으로 상기 구동 매스(2)들의 변위(deflection)는 물론 X-Y평면 내에서 역위상으로 상기 구동 매스(2)들의 변위(displacement)를 허용한다. 이것은 역위상(antiphase)에서 발생한다. 상기 X-Y평면 밖으로 상기 구동 매스(2)들의 회전 거동이 화살표 기호 S로 도시된다. 상기 회전 거동은 또한 상기 구동 매스(2)들의 구동 거동과 유사하게 정위상으로 발생할 수 있다.
상기 구동 매스(2)들 또는 다른 요소들에 대한 손상을 방지하기 위해 스토퍼들이 제공된다. 도 3의 실시예에서, 스토퍼(13)들은 상기 기판에 부착되고, 상기 앵커 스프링(4)들의 영역으로 돌출된다. 상기 구동 매스(2)의 지나친 변위(deflection)의 경우 상기 앵커 스프링(4)들이 상기 스토퍼(13)들을 타격하게 되고, 그에 따라 지나친 벤딩에 의한 상기 구동 매스(2)들 또는 스프링(4)들에 대한 손상을 방지한다.
상기 Z축에 대한 상기 구동 매스(2)들의 바람직한 회전 거동에 더하여, 4개의 앵커 스프링(4)에 의해 상기 구동 매스(2)들을 상기 앵커(3)에 부착함으로써 바람직한 충격 안정성이 달성된다. 따라서, 상기 센서(1) 에 작용하는 대응하는 충격에 대해 상기 구동 매스(2)들이 X축과 Y축 모두에 대하여 틸팅할 수 있다. 충격의 경우에 상기 구동 매스(2)들이 같은 방향으로 거동하는 것이, 도시되지는 않았지만 도 1 및 2과 유사하게 구현된, 상기 감지 요소들에 의해 결정될 수 있다. 정상 동작에서 상기 감지 요소(8)들의 개별 전극들이 반대방향으로 분리 또는 접근하는 것이 예측되는 대신, 분리 또는 접근이 동일한 방향으로 발생하는 결정이 만들어진다. 그러한 것이 감지된다면, 충격 상태로 가정되고, 그 결과 상기 센서(1)의 회전율을 결정하기로 되어 있는 상기 측정 결과가 정제되거나 버려져야 된다.
또 다른 실시예가 도 4에 도시된다. 도 4의 실시예는 제거된 충격 상태가 가능하고, 손상에 대하여 상기센서(1)를 보호하기에 가장 바람직하다. 상기 실시예에서, 2개의 구동 매스(2)가 서로로부터 상당히 먼 거리에서 배치된다. 상기 2개의 앵커(3)는 Y축을 따라 위치하고, 이 전의 실시예와 동일한 방식으로 상기 구동 요소(7)들, 피드백 요소(12)들, 대응하는 앵커 스프링(4)들과 함께 상기 앵커(3)에 대한 회전 거동을 허용한다. 회전율에 기인하여 코리올리 힘이 발생하고 X축에 대해 상기 센서(1)가 동작할 때, 상기 구동 매스(2)들은 X-Y평면 밖으로 그리고 상기 Y축에 대해 변위가 발생된다.(deflected)
상기 X-Y평면 밖으로 상기 구동 매스(2)들의 회전 거동은 화살표 기호 S로 도시된다. 상기 회전 거동은 상기 구동 매스(2)들의 구동 움직임과 유사하게 역위상으로 발생한다.
상기 실시예의 구동 매스(2)들은 그들 사이에 연결 요소(5'''')들을 포함한다. 상기 연결 요소(5'''')는 연결 스프링(6'''')들에 의해 상기 구동 매스(2)들과 연결된다. 상기 연결 요소(5'''')는 제 1 매스(14)와 제 2 매스(15)로 구성된다. 상기 제 1 매스(14)는 프레임과 같은 방식으로 제 2 매스(15)를 둘러싸고, 상기 연결 스프링(6'''')들에 의해 상기 구동 매스(2)들과 연결된다. 상기 제 1 매스(14)는 또한 또 다른 연결 스프링들(16)에 의해 상기 제 2 매스(15)와 연결된다. 상기 연결 스프링들(16)은 상기 X-Y평면으로 상기 제 2 매스(15)에 대하여 상기 제 1 매스의 변위능력(displaceability)을 허용한다. 또한, 상기 Y방향으로 상기 제 1 매스의 변위능력이 가능하게 만들어진다. 상기 연결 스프링(6'''')들은 X방향과 Z방향으로 강체(rigid)이다. 그 결과, 상기 구동 매스(2)들의 거동이 상기 연결 스프링(16)들에 의해 상기 제 1 매스(14)와 제 2 매스(15)의 거동을 동시에 유발한다.
상기 제 2 매스(15)는 스프링(17)들에 의해 또 다른 앵커(19) 상에 배치된다. 상기 스프링(17)은 X축에 대하여 회전 거동이 가능하도록 설계된다. 따라서, X-Y평면 밖으로 상기 구동 매스(2)들의 변위(deflection)에 대해, 상기 앵커(18) 또는 X축에 대하여 상기 연결 요소(5'''')들의 틸팅이 발생할 수 있는 것이 보장된다. 상기 구동 매스(2)들과 연결 요소(5'''')들 사이, 특히 상기 제 1 매스(14)와 제 2 매스(15) 사이의 거리에서 변화를 감지할 수 있는 감지 수단들이 상기 구동 매스(2)들 및/또는 상기 연결 요소(5'''')들 및 상기 기판 사이에 배치된다. 상기 대응하는 회전 거동이 화살표 기호 S로 도시된다.
스토퍼(19)들은 지나친 변위(deflection)의 경우 상기 스프링 요소들 또는 상기 제 1 및 2 매스에 대한 손상을 방지하기 위해, 상기 제 1 매스(14)와 제 2 매스(15) 사이에 배치된다. 동일한 것이 상기 제 1 매스(14)의 외부 상에 배치된 스토퍼(20)들에 적용된다. 상기 스토퍼들은 상기 구동 매스(2)들과 제 1 매스(14), 및 그 사이에 배치된 상기 연결 스프링(6'''')들이 손상되는 것을 방지한다.
센서(1)에 충격 상태가 발생한다면, 상기 구동 요소(7)들에 기인하여 발생하면서, 상기 구동 매스(2)들이 반대 방향에서 상기 X-Y평면 밖으로 틸팅하지 않고, 오히려, 상기 2개의 구동 매스(2)들은 같은 방향에서 X-Y평면 밖으로 틸팅한다. 이런 경우가 발생하자 마자, 따라서 제공되는 상기 제 1 매스(14)는 상기 X-Y평면 밖으로 변위(displaced)된다. 반면,상기 스프링(17)의 스프링 특성에 기인하여 상기 제 2 매스(15)는 변화없이 유지한다. 따라서, 상기 제 1 매스(14)는 상기 X-Y평면에 대체적으로 평행한 상기 제 2 매스에 대하여 상기 연결 스프링(16)들에 의해 변위되고, 상기 기판에 접근하거나 벗어난다. 이는 상기 제 1 매스(14)와 기판 사이에 배치된 상기 감지 요소(8)들에 의한 전기적 신호 변화에 의해 결정될 수 있다.
도면에서 보여지는 바와 같이 상기 회전율 센서의 구성은 특히, 회전율 센서의 안정적이고 충격-저항 구성을 제공한다. 또한, 충격 상태를 rkawlgkadmfhTJ 유발되는 잘못된 측정이 매우 신뢰성 높게 방지될 수 있다.
도 4의 상기 회전율 센서의 다른 상태들이 도 5a 내지 도 5c에 도시된다. 도 5a는 상기 구동 매스(2)들의 역위상 거동을 나타낸다. 상기 구동 매스(2)들이 시계 또는 반시계 방향으로 상기 앵커(3)에 대하여 변위(displaced)되는 것이 명확하다. 상기 피드백 요소(12)들은 상기 앵커(3) 근처에 배치된다. 상기 연결 요소(5'''')들은 특히 정적인 상태를 유지한다.
도 5b에 따르면, 상기 회전율 센서(1)의 정위상으로 동작이 보여진다. 상기 2개의 구동 매스(2)들은 동일한 방향, 시계 또는 반시계 방향으로 피봇된다. 따라서, 상기 제 1 매스(14)에 힘이 작용된다. 그 결과, 상기 제 1 매스는 상기 제 2 매스에 대하여 변위된다(displaced). 상기 모든 요소들의 변위(displacement)는 X-Y평면 내에서 발생한다.
도 5c에 따르면, X축에 대하여 회전율이 발생하고, 그에 따라 상기 구동 매스(2)들에 작용하는 코리올리 힘이 발생한다. 도 5c에 따르면, 상기 변위(reflection)가 반대 방향으로 발생하고, 그로부터 상기 구동 매스(2)들 또한 역 위상으로 구동된다고 결론내려질 수 있다. 상기 Y축에 대하여 반대방향으로 상기 구동 매스(2)들의 틸팅은 상기 연결 요소들(5'''') 또한 틸팅하게 한다. 상기 요소들은 상기 앵커(18)들과 스프링들(17)에 기인하여 오로지 X축에 대하여 회동될 수 있기 때문에, 상기 연결 요소(5'''')들은 상기 2개의 앵커(18)을 따라 X축에 대하여 틸팅한다. 따라서, 상기 연결 요소(5'''')들로부터 거리의 변화가 하부에 위치하는 상기 기판에 대하여 발생한다. 도시되지 않았지만, 그 사이에 배치된 상기 감지 요소(8)들이 상기 전기적 신호 변화에 의하여 상기 거리의 변화를 감지할 수 있고, 그에 따라 X축에 대한 상기 회전율 센서의 대응하는 회전율이 감지된다.
본 발명은 도시된 실시예에 제한되지 않는다. 특히, 본 발명은 도시된 개별 구성요소들의 형태로 제한되지 않고, 상기 형태가 청구항로부터 유발되지 않을 정도까지 제한되지 않는다. 공지와 적용가능한 청구항의 범위의 변화가 언제라도 만들어질 수 있다.
2 : 구동 매스 3, 10, 18 : 앵커
4 : 앵커 스프링 5 : 연결 요소
6, 16 : 연결 스프링 7 : 구동 요소
8 : 감지 요소 11 : 앵커 스프링
12 : 피드백 요소 13, 19, 20 : 스토퍼
14 : 제 1 매스 15 : 제 2 매스
17 : 스프링

Claims (15)

  1. 기판과;
    각각은 서로에 대하여 수직으로 배치된, 측정 축(X-축), 감지 축(Y-축) 및 구동 축(Z-축)과;
    상기 기판에 평행한 X-Y평면에 배치된 제 1 및 2 구동 매스(2)와;
    여기서, 각 구동 매스는 중앙 서스펜션에 의해 상기 기판에 회동가능하도록 연결되고, 상기 2개의 중앙 서스펜션은 상기 Y축을 따라 배치되고,
    각 중앙 서스펜션에서 상기 구동 축(Z)에 대하여 상기 구동 매스(2)들의 회전 오실레이션을 발생시키기 위한 구동 수단들을 포함하고;
    적어도 하나의 탄성 연결 요소(5)가
    상기 Y축의 양 사이드에 있는 상기 구동 매스(2)들 각각에 배치되고, 상호 동조된 방식으로 상기 2개의 구동 매스를 연결하면서 오실레이팅하기 위해 상기 Y축으로부터 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 회전율을 감지하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연결 요소(5)는
    상기 X축 방향에서 상기 구동 매스(2)들의 최외단에 부착된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연결 요소(5)는
    캔틸레버들과 탄성 연결 스프링(6''')들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 선택된 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연결 스프링(6''')들은
    상기 2개의 구동 매스 사이의 중간 공간으로 돌출된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 연결 요소(5)는
    상기 2개의 구동 매스 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 연결 요소(5)는
    스프링(6''')들에 의해 상기 2개의 구동 매스(2)와 연결된 제 1 매스(14)인 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 제 1 매스(14)는
    프레임 형태로 제 2 매스(15)를 둘러 싸고, 연결 스프링(16)들에 의해 상기 제 2 매스(15)와 연결된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 연결 요소(5), 바람직하게는 상기 제 2 매스(15)는
    앵커링(anchoring)에 의해 상기 X축에 대하여 회전가능하도록 상기 기판과 연결된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 기판과 구동 매스(2), 제 1 매스(14) 및 제 2 매스(15) 중 선택된 적어도 하나의 매스 사이에 감지 요소(8)들이 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 구동 매스(2)들 상에 구동 요소(7)들이 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    피드백 요소(12)들이 상기 구동 요소(7)들과 연관된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 구동 매스(2)는
    복수 개의 앵커 스프링(4)에 의해 상기 중앙 서스펜션에 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 매스들(2, 14, 15)의 변위능력(displacebility)을 제한하기 위한 스토퍼(19,20)들이
    상기 구동 매스(2), 제 1 매스(14) 및 제 2 매스(15) 중 선택된 적어도 2개 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 중앙 서스펜션과 구동 매스(2) 사이에 스토퍼들(21)이 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 선택된 적어도 하나의 항에 있어서,
    상기 기판, 구동 매스(2)들 및 상기 연결 스프링(4)들 중 선택된 적어도 2개 사이에 스토퍼(13)들이 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 기계식 코리올리 회전율 센서.
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