KR20130093779A - 표면탄성파를 이용한 무전원 자이로스코프 및 유무선 각속도 측정 방법 - Google Patents

표면탄성파를 이용한 무전원 자이로스코프 및 유무선 각속도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

표면탄성파를 이용한 자이로스코프 및 각속도 측정 방법이 개시된다. 상기 표면탄성파를 이용한 자이로스코프는 제 1 표면탄성파를 발생시키고, 소정 위치에 놓인 금속 점 층(Metallic dot layer)에서 상기 제 1 표면탄성파의 속도성분과 인가된 각속도의 상호작용으로 코리올리힘(Coriolis force)을 발생시키며, 상기 코리올리힘에 의해 제 2 표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파공진기, 제 3 표면탄성파를 발생시키며, 상기 제 3 표면탄성파가 상기 제 2 표면탄성파에 의해 간섭을 일으킨 후 반사되어 돌아온 제 4 표면탄성파를 수신하는 표면탄성파센싱발진기 및 상기 제 4 표면탄성파가 수신되는 시간의 변화량을 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 측정장치를 포함할 수 있다.

Description

표면탄성파를 이용한 무전원 자이로스코프 및 유무선 각속도 측정 방법{Passive gyroscope with surface acoustic wave and wire and wireless angular velocity measuring method}
본 발명은 자이로스코프 및 각속도 측정 방법에 관한 것으로서, 특히 무전원, 무선으로 구동 가능한 표면 탄성파 (SAW: Surface Acoustic Wave)를 이용한 무전원 자이로스코프 및 유무선 각속도 측정 방법에 관한 것이다.
자이로스코프는 관성공간에서 회전율 혹은 회전각을 측정하는 센서이다. 지난 수십 년 동안 기계식, 광학식 자이로스코프에 대한 광범위한 연구 개발이 이루어졌던 반면 최근에는 미소기전시스템(MEMS)기술을 기반으로 한 저가의 초소형 자이로스코프 개발에 관심이 모아지고 있다.
마이크로 자이로스코프 개발의 주 목적은 단순히 유도, 조종, GPS 보정 항법을 위한 기존 자이로의 대체뿐만 아니라, 지능탄, 초소형 무인기, 마이크로 로봇 등과 같이 MEMS 기술이 아니면 불가능한 혁신적인 무기체계를 실현하기 위해서이다.
특히 포발사 유도포탄이나 전차 지능탄과 같은 정밀타격 무기체계의 핵심부품인 자이로스코프 센서는 적용 체계의 특성상 초소형 (50㎣), 고내충격성(20,000~50,000g), 고기동성 (10000deg/sec) 등의 극한 조건을 만족시켜야 하기 때문에 기존의 크기가 크고, 고가인 기계식이나 광학식 자이로스코프 기술로는 구현이 불가능하다.
이로 인해 최근에 표면 탄성파 (SAW: Surface Acoustic Wave) 기반의 자이로스코프의 필요성이 증가하고 있다. 표면 탄성파 기반의 자이로스코프의 일 예는 본 출원인의 등록특허 10-1017822에 개시되어 있다. 그러나, 이와 같은 자이로스코프는 무선으로 신호를 송수신할 수 없고 반드시 전원이 필요하였으며, 복잡한 측정장치를 이용하여여 각속도를 측정할 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전원이 연결되지 않아도 무선으로 수신된 신호를 이용하여 각속도를 측정할 수 있으며 복잡한 구조의 측정장치를 필요로 하지 않는 표면탄성파를 이용한 무전원 자이로스코프를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 자이로스코프를 이용하여 인가된 각속도를 측정하는 유무선 각속도 측정 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 표면탄성파를 이용한 자이로스코프는 제 1 표면탄성파를 발생시키고, 소정 위치에 놓인 금속 점 층(Metallic dot layer)에서 상기 제 1 표면탄성파의 속도성분과 인가된 각속도의 상호작용으로 코리올리힘(Coriolis force)을 발생시키며, 상기 코리올리힘에 의해 제 2 표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파공진기, 제 3 표면탄성파를 발생시키며, 상기 제 3 표면탄성파가 상기 제 2 표면탄성파에 의해 간섭을 일으킨 후 반사되어 돌아온 제 4 표면탄성파를 수신하는 표면탄성파센싱발진기 및 상기 제 4 표면탄성파가 수신되는 시간의 변화량을 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 측정장치를 포함할 수 있다.
상기 표면탄성파센싱발진기는, 전원이 연결되지 않고, 상기 측정장치와 무선으로 송수신할 수 있다.
상기 표면탄성파센싱발진기는, 상기 각속도가 인가되지 않은 경우 상기 제 3 표면탄성파를 반사시켜 입출력 전극으로 기준표면탄성파를 전달하고, 상기 각속도가 인가된 경우 상기 제 2 표면탄성파에 의해 간섭을 일으킨 상기 제 3 표면탄성파를 반사시켜 상기 입출력 전극으로 상기 제 4 표면탄성파를 전달하는 복수의 리플렉터들 및 무선으로 수신된 RF 신호를 이용하여 상기 제 3 표면탄성파를 발생시키고, 상기 기준표면탄성파 또는 상기 제 4 표면탄성파를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 상기 입출력 전극을 구비할 수 있다.
상기 측정장치는, 상기 리플렉터들 중 동일한 리플렉터에서 반사된 상기 기준표면탄성파와 상기 제 4 표면탄성파가 상기 입출력전극에 수신된 시간차를 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정할 수 있다.
상기 표면탄성파공진기는, 상기 리플렉터들 중 인접한 두 개의 리플렉터들 사이 영역으로 상기 제 3 표면탄성파와 수평하지 않은 방향으로 상기 제 2 표면탄성파를 전달할 수 있다.
상기 제 3 표면탄성파 진행 방향으로 위치한 상기 리플렉터들 중 상기 제 2 표면탄성파가 전달되는 영역 이후에 위치한 적어도 하나의 리플렉터는 온도에 의한 오차를 보상할 수 있다.
상기 입출력 전극은, 단일위상 한방향 변환기(SPUDT : Single phase unidirectional transducer)일 수 있다.
상기 표면탄성파센싱발진기는, 상기 RF 신호를 무선으로 수신하고, 상기 기준표면탄성파 또는 상기 제 4 표면탄성파가 변환된 전기적 신호를 상기 측정장치로 무선으로 송신하는 무선 송수신부를 더 구비할 수 있다.
상기 금속 점 층(Metallic dot layer)은 상기 제1표면탄성파의 파복(antinode) 위치에 놓일 수 있다.
상기 표면탄성파공진기는 일단에 입력 전극(IDT : Inter Digital Transducer)을 두고 타단에 출력 전극(IDT : Inter Digital Transducer)을 포함하는 2포트 방식이며, 상기 입력 전극과 상기 출력 전극 사이에 상기 금속 점 층(Metallic dot layer)이 배치될 수 있다.
상기 표면탄성파 공진기는 VCO(Voltage-controlled oscillator)로부터 구동에너지를 공급받을 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 표면탄성파를 이용한 각속도 측정 방법은 제 1 표면탄성파 및 제 3 표면탄성파를 각각 생성하는 표면탄성파 생성단계, 소정 위치에 놓인 금속 점 층(Metallic dot layer)에서 상기 제 1 표면탄성파의 속도성분과 인가된 각속도의 상호작용으로 코리올리힘(Coriolis force)을 발생시키는 코리올리힘 생성단계, 상기 코리올리힘에 의해 제 2 표면탄성파를 생성하는 제 2 표면탄성파 생성단계, 상기 제 3 표면탄성파가 상기 제 2 표면탄성파에 의해 간섭을 일으킨 후 반사되어 돌아오는 제 4 표면탄성파를 수신하는 제 4 표면탄성파 수신단계 및 상기 제 4 표면탄성파가 수신되는 시간의 변화량을 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 각속도 측정 단계를 포함할 수 있다.
상기 표면탄성파 생성단계는, 전원을 공급받지 않고 무선으로 수신된 RF 신호를 이용하여 상기 제 3 표면탄성파를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 각속도 측정 단계는, 상기 각속도 측정 단계를 수행하는 측정장치로 상기 제 4 표면탄성파가 변환된 전기적 신호를 무선으로 수신하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 각속도 측정 단계를 포함할 수 있다.
상기 각속도 측정 방법은, 상기 각속도가 인가되지 않은 경우 상기 제 3 표면탄성파가 반사되어 돌아오는 기준표면탄성파를 생성하는 기준표면탄성파 생성단계를 더 구비하고, 상기 각속도 측정 단계는, 상기 기준표면탄성파 또는 상기 제 4 표면탄성파를 반사하는 리플렉터들 중 동일한 리플렉터에서 반사된 상기 기준표면탄성파와 상기 제 4 표면탄성파가 수신된 시간차를 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 단계일 수 있다.
상기 제 3 표면탄성파를 생성하여 출력하는 출력단과 상기 제 4 표면탄성파를 수신하는 입력단은 동일할 수 있다.
본 발명에 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 표면탄성파를 이용한 무전원 자이로스코프 및 유무선 각속도 측정 방법은, 표면탄성파를 생성하여 출력하는 단자와 간섭을 일으킨 후 반사된 표면탄성파를 수신하는 단자를 동일하게 하여 전원이 인가되지 않아서 구동이 가능하며, 무선으로 수신된 RF 신호를 이용하여 표면탄성파를 생성하고 반사된 표면탄성파를 무선으로 측정장치로 전달할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 표면탄성파를 이용한 무전원 자이로스코프 및 유무선 각속도 측정 방법은, 반사된 표면탄성파가 수신된 시간의 변화량을 이용하여 각속도를 측정하므로 복잡한 형태의 측정장치가 필요없으며, 복수의 리플렉터들을 이용하여 온도에 의한 오차를 보상할 수 있는 장점이 있다. 그리고, 본 발명에 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 표면탄성파를 이용한 무전원 자이로스코프 및 유무선 각속도 측정 방법은, 자이로스코프에 움직이는 구조체가 없고 단지 압전 물질 표면에 따라 진행하는 탄성파를 이용하기 때문에 강인한 내구성과 고내충격성, 초소형의 특성을 갖고 있으며, 2차원의 평면 가공 기술만으로 쉽게 제작할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 자이로스코프의 개략적인 사시도이다.
도 2는 측정장치를 이용하여 인가된 각속도의 크기를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 자이로스코프의 제작 공정을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1의 자이로스코프의 구성요소별 사진을 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 자이로스코프를 이용한 측정결과 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 표면탄성파공진기에서 제 1 표면탄성파의 입출력 비를 도시한 도면이다.
도 7은 인가된 각속도에 따라 도 1의 자이로스코프의 측정결과 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 각속도에 따른 도 1의 자이로스코프의 감도 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 표면탄성파를 이용한 각속도 측정 방법이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 자이로스코프(100)의 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 자이로스코프(100)는 표면탄성파 공진기(Surface Acoustic Wave(SAW) resonator)(110), 표면탄성파 센싱 발진기(120) 및 측정장치(미도시)를 포함할 수 있다.
표면탄성파 공진기(SAW resonator)(110)는 두 개의 표면탄성파 지연선 구조(delay line)로 구성되어 있고, 표면탄성파 센싱 발진기(120)는 한 개의 표면탄성파 지연선 구조(delay line)로 구성되어 있을 수 있다.
표면탄성파 지연선 구조라 함은 압전 물질의 전파속도를 통하여 신호를 지연시키는 구조를 말하는 것으로 표면탄성파 발진기의 입력단에 인가 된 전기 신호(EM : 3*108 m/s)가 입력단과 출력단 사이에서는 기계적 신호(3900 m/s : 사용되는 압전 기판에 따라 다름) 로 변형되어 진행되고, 출력단에서 다시 전기적 신호(EM : 3*108 m/s)로 변환되는 구조를 말한다.
표면탄성파 공진기(SAW resonator)(110)는 2-port 방식이며, 입력 전극(IDT: Interdigital transducer)(115_2) 과 출력 전극(IDT : Interdigital transducer)(115_1) 사이의 cavity에는 금속 점 층(Metallic dot array)(113)이 있다. 금속 점 층(Metallic dot array)(113)의 위치는 정상파(정재탄성파)(Standing wave)의 파복(Antinode)에 있다.
기판으로 사용된 128ㅀ YX LiNbO3 는 레일리 파(Rayleigh wave)를 발생시키며, 발생된 레일리 파는 진행방향을 포함한 연직면 내에 타원 진동의 형태인데 파복(Antinode)부분에서는 표면에 수직 방향의 입자 속도 (V : Z축 방향) 성분을 갖는다.
표면탄성파 공진기(SAW resonator)(110)의 외부로부터 X 축 방향의 각속도(Ω)가 인가되면, 질량이 m 인 금속 점층은 Y 축 방향의 코리올리 힘(F = 2*m*(v*Ω)을 발생한다. 여기서, m은 금속 점층의 질량, v는 표면탄성파의 속도, Ω는 외부각속도를 의미한다.
기존의 자이로스코프는 코리올리 힘을 만들기 위해 다층의 구조체로 설계되어 충격에 약한 반면, 본 발명에 따른 자이로스코프는 금속 점층만으로 코리올리 힘을 생성할 수 있어 구조체가 필요 없고, 충격에 강한 특성을 가진다.
발생된 코리올리힘에 의해 표면탄성파 공진기(SAW resonator)(110)는 제 2 표면탄성파(Secondary SAW)(SAW2)가 생성되어 리플렉터들(R1, R2, R3) 중 인접한 두 개의 리플렉터(R1, R2) 사이 영역(Interference region)(124)으로 흐르게 된다.
표면탄성파 공진기(110)는 VCO(Voltage-controlled oscillator)(130)로부터 구동에너지를 공급받을 수 있다. 즉, 표면 탄성파 공진기(110)의 수신부(117_1)와 송신부(117_2)는 VCO(130)의 양단과 연결될 수 있다.
표면탄성파 센싱 발진기(120)는 수신된 RF 신호(RF)를 이용하여 제 3 표면탄성파를 발생시키며, 상기 제 3 표면탄성파가 제 2 표면탄성파(SAW2)에 의해 간섭을 일으킨 후 리플렉터들(R2, R3)에 의하여 반사되어 돌아온 제 4 표면탄성파(SAW4)를 수신할 수 있다. 리플렉터들(R1, R2, R3)은 상기 각속도가 인가되지 않은 경우에는 상기 제 3 표면탄성파를 반사시켜 입출력 전극(125)으로 기준표면탄성파(SAW_REF)를 전달하고, 상기 각속도가 인가된 경우에는 상기 제 2 표면탄성파(SAW2)에 의하여 간섭을 일으킨 상기 제 3 표면탄성파를 반사시켜 입출력전극(125)으로 제 4 표면탄성파(SAW4)를 전달할 수 있다. 리플렉터들(R1, R2, R3)을 통하여 반사된 기준표면탄성파(SAW_REF) 또는 제 4 표면탄성파(SAW4)에 대하여는 도 2와 관련하여 보다 상세하게 설명한다. 또한, 상기 제 3 표면탄성파 진행 방향(도 1의 좌측에서 우측)으로 위치한 리플렉터들(R1, R2, R3) 중 제 2 표면탄성파(SAW2)가 진행되는 영역(124) 이후에 위치한 리플렉터들(R2, R3)은 온도에 의한 오차를 보상할 수 있는 리플렉터들이다. 도 1에는 3개의 리플렉터들이 있는 경우를 도시하고 있으나, 본 발명이 이 경우에 한정되는 것은 아니며 다른 개수의 리플렉터들을 구비할 수도 있다.
입출력전극(125)는 수신된 RF 신호(RF)를 이용하여 상기 제 3 표면탄성파를 발생시키고, 기준표면탄성파(SAW_REF) 또는 제 4 표면탄성파(SAW4)를 수신하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 즉, 표면탄성파 센싱 발진기(120)는 하나의 입출력 전극(125)을 가지고 있을 수 있으므로, 별도의 전원이 인가되지 않는 경우에도 RF 신호(RF)를 이용하여 상기 제 3 표면탄성파를 발생시킬 수 있다. 입출력 전극(125)은 단일위상 한방향 변환기(SPUDT : Single phase unidirectional transducer)일 수 있다.
송수신부(127)는 상기 측정장치 또는 소정의 장치로부터 RF 신호(RF)를 수신하거나 기준표면탄성파(SAW_REF) 또는 제 4 표면탄성파(SAW4)가 변환된 전기적 신호를 상기 측정장치로 전달할 수 있다. 송수신부(127)는 무선통신이 가능한 안테나 등일 수 있다.
상기 측정장치는 리플렉터들(R1, R2, R3) 각각으로부터 반사된 제 4 표면탄성파(SAW4)가 수신되는 시간의 변화량을 이용하여 상기 인가된 각속도의 크기를 측정할 수 있다. 예를 들어, 리플렉터(R2)로부터 반사된 기준표면탄성파(SAW_REF)와 제 4 표면탄성파(SAW4)의 시간차를 이용하여 상기 인가된 각속도의 크기를 측정할 수 있다. 즉, 입출력전극(125)으로부터 수신된 기준표면탄성파(SAW_REF)가 변환된 전기적 신호와 제 4 표면탄성파(SAW4)가 변환된 전기적 신호를 이용하여 상기 인가된 각속도의 크기를 측정할 수 있으며, 이와 같은 전기적 신호들의 일 실시예에 대하여는 도 2와 관련하여 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 의할 경우, 기준표면탄성파(SAW_REF)가 변환된 전기적 신호와 제 4 표면탄성파(SAW4)가 변환된 전기적 신호를 이용하여 상기 인가된 각속도의 크기를 측정할 수 있으므로 종래와 같이 복잡한 회로로 구성된 측정장치를 구비할 필요없이 간단하게 상기 인가된 각속도의 크기를 측정할 수 있다.
도 2는 측정장치(210)를 이용하여 인가된 각속도의 크기를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 입출력 전극(125)이 단일위상 한방향 변환기(SPUDT : Single phase unidirectional transducer)이고 도 1과 같이 3 개의 리플렉터들(R1, R2, R3)이 있는 경우를 가정하여 설명한다. 측정장치(210)의 파형들 중 왼쪽에 있는 기준표면탄성파(SAW_REF)와 제 4 표면탄성파(SAW4)는 리플렉터(R1)에서 반사된 기준표면탄성파(SAW_REF)와 제 4 표면탄성파(SAW4)가 변환된 전기적 신호이고, 도 2에 도시된 것과 같이 온도에 의하여 시간차가 발생한 것을 알 수 있다. 그리고, 측정장치(210)의 파형들 중 가운데에 있는 기준표면탄성파(SAW_REF)와 제 4 표면탄성파(SAW4)는 리플렉터(R2)에서 반사된 기준표면탄성파(SAW_REF)와 제 4 표면탄성파(SAW4)가 변환된 전기적 신호이며, 도 2에 도시된 것과 같이 간섭과 온도에 의하여 시간차가 발생한 것을 알 수 있다. 또한, 측정장치(210)의 파형들 중 오른쪽에 있는 기준표면탄성파(SAW_REF)와 제 4 표면탄성파(SAW4)는 리플렉터(R3)에서 반사된 기준표면탄성파(SAW_REF)와 제 4 표면탄성파(SAW4)가 변환된 전기적 신호이며, 도 2에 도시된 것과 같이 간섭과 온도에 의하여 시간차가 발생한 것을 알 수 있다.
이와 같은 파형들 중, 리플렉터(R2)에서 반사된 기준표면탄성파(SAW_REF)와 제 4 표면탄성파(SAW4)가 변환된 전기적 신호들의 시간차 또는 리플렉터(R3)에서 반사된 기준표면탄성파(SAW_REF)와 제 4 표면탄성파(SAW4)가 변환된 전기적 신호들의 시간차를 이용하여 상기 인가된 각속도를 측정할 수 있다.
도 3은 도 1의 자이로스코프(100)의 제작 공정을 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 128ㅀ YX LiNbO3위에 알루미늄(Al)을 질량적재효과(Mass loading effect)를 고려하여 증착하고(b), 포토리소그래피(Photolithography)기법을 이용하여 표면탄성파 공진기와 리플렉터들을 포함한 표면탄성파 센싱 발진기를 제작한 후(c-1, c-2, d-1, d-2), 금속 점층은 밀도가 높은 Cr/Au를 lift-off 공정을 통해 증착할 수 있다(e, f).
도 4는 도 1의 자이로스코프(100)의 구성요소별 사진을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 도 4에는 표면탄성파 센싱 발진기(120)의 입출력 전극(125), 복수의 리플렉터들(R1, R2, R3), 제 2 표면탄성파(SAW2)가 진행되는 영역(124) 및 표면탄성파 공진기(110)의 입력 전극(115_1), 출력 전극(115_2)과 금속 점 층(113)의 사진을 도시하고 있다.
도 5는 도 1의 자이로스코프(100)를 이용한 측정결과 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, y축의 S11은 상기 제 3 표면탄성파와 반사된 제 4 표면탄성파(SAW4)의 비를 의미하고, x축은 시간을 의미한다. 도 5의 측정결과 또는 시뮬레이션 결과에서 S11이 피크값인 경우가 리플렉터(R1, R2 또는 R3)에서 반사된 제 4 표면탄성파(SAW4)가 표면탄성파센싱발진기(120)에 수신된 시간이 될 수 있다. 도 5에는, 대략 1.2 [μs]에서 리플렉터(R1)에서 반사된 제 4 표면탄성파(SAW4)가 표면탄성파센싱발진기(120)에 수신되고, 대략 2.6 [μs]에서 리플렉터(R2)에서 반사된 제 4 표면탄성파(SAW4)가 표면탄성파센싱발진기(120)에 수신되며, 대략 3.1 [μs]에서 리플렉터(R3)에서 반사된 제 4 표면탄성파(SAW4)가 표면탄성파센싱발진기(120)에 수신되는 경우가 도시되어 있다.
도 6은 도 1의 표면탄성파공진기(110)에서 제 1 표면탄성파의 입출력 비를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, y축의 S21은 표면탄성파공진기(110) 상에서 송신된 제 1 표면탄성파와 수신된 제 1 표면탄성파의 비를 의미하고, x축은 주파수를 의미한다. 도 6의 예에서 자이로스코프(100)는 주파수가 80 [MHz]인 경우에 효율적으로 동작함을 알 수 있다.
도 7은 인가된 각속도에 따라 도 1의 자이로스코프(100)의 측정결과 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 8은 각속도에 따른 도 1의 자이로스코프의 감도 결과를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 각속도가 0 [deg/s]인 경우 상기 각속도가 인가되지 않은 경우에 해당하며, 이 경우의 파형은 상기 제 3 표면탄성파와 반사된 기준표면탄성파(SAW_REF)의 비를 의미한다. 각속도가 900 [deg/s]인 경우의 파형은 상기 제 3 표면탄성파와 반사된 제 4 표면탄성파(SAW4)의 비를 의미하고, 각속도가 1800 [deg/s]인 경우의 파형은 상기 제 3 표면탄성파와 반사된 제 4 표면탄성파(SAW4)의 비를 의미한다. 도 7에서는 반사된 기준표면탄성파(SAW_REF)와 반사된 제 4 표면탄성파(SAW4)는 동일한 리플렉터(R1, R2 또는 R3)에서 반사된 탄성파를 의미한다. 도 8을 참조하면, x축의 각속도가 증가함에 따라 측정된 위상(상기 시간차에 대응)도 증가하고, 상기 시간차에 대응하는 각속도를 알 수 있다. 그러므로, 제 4 표면탄성파(SAW4)가 수신되는 시간의 변화량, 즉, 기준표면탄성파와 제 4 표면탄성파(SAW4)의 시간차를 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 표면탄성파를 이용한 각속도 측정 방법이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 표면탄성파 공진기(110)는 제 1 표면탄성파를 생성하고 표면탄성파 센싱발진기(120)는 제 3 표면탄성파를 생성할 수 있다(S910). 표면탄성파 공진기(110)의 소정 위치에 놓인 금속 점 층(Metallic dot layer)(113)에서 상기 제 1 표면탄성파의 속도성분과 인가된 각속도의 상호작용으로 코리올리힘(Coriolis force)이 발생될 수 있으며(S920), 상기 코리올리힘에 의해 제 2 표면탄성파(SAW2)가 생성될 수 있다(S930). 표면탄성파 센싱발진기(120)는 상기 제 3 표면탄성파가 상기 제 2 표면탄성파에 의해 간섭을 일으킨 후 상기 리플릭터에 의해 반사되어 돌아오는 제 4 표면탄성파(SAW4)를 수신할 수 있다(S920). 측정장치(210)는 상기 제 4 표면탄성파가 수신되는 시간의 변화량을 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정할 수 있다. 각 단계에 대하여는 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세하게 설명하였으므로, 이하 구체적인 설명은 도 1 내지 도 8의 설명으로 대체한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 제 1 표면탄성파를 발생시키고, 소정 위치에 놓인 금속 점 층(Metallic dot layer)에서 상기 제 1 표면탄성파의 속도성분과 인가된 각속도의 상호작용으로 코리올리힘(Coriolis force)을 발생시키며, 상기 코리올리힘에 의해 제 2 표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파공진기;
    제 3 표면탄성파를 발생시키며, 상기 제 3 표면탄성파가 상기 제 2 표면탄성파에 의해 간섭을 일으킨 후 반사되어 돌아온 제 4 표면탄성파를 수신하는 표면탄성파센싱발진기; 및
    상기 제 4 표면탄성파가 수신되는 시간의 변화량을 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 측정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면탄성파센싱발진기는,
    전원이 연결되지 않고, 상기 측정장치와 무선으로 송수신하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면탄성파센싱발진기는,
    상기 각속도가 인가되지 않은 경우 상기 제 3 표면탄성파를 반사시켜 입출력 전극으로 기준표면탄성파를 전달하고, 상기 각속도가 인가된 경우 상기 제 2 표면탄성파에 의해 간섭을 일으킨 상기 제 3 표면탄성파를 반사시켜 상기 입출력 전극으로 상기 제 4 표면탄성파를 전달하는 복수의 리플렉터들; 및
    무선으로 수신된 RF 신호를 이용하여 상기 제 3 표면탄성파를 발생시키고, 상기 기준표면탄성파 또는 상기 제 4 표면탄성파를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 상기 입출력 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  4. 제3항에 있어서, 상기 측정장치는,
    상기 리플렉터들 중 동일한 리플렉터에서 반사된 상기 기준표면탄성파와 상기 제 4 표면탄성파가 상기 입출력전극에 수신된 시간차를 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  5. 제3항에 있어서, 상기 표면탄성파공진기는,
    상기 리플렉터들 중 인접한 두 개의 리플렉터들 사이 영역으로 상기 제 3 표면탄성파와 수평하지 않은 방향으로 상기 제 2 표면탄성파를 전달하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제 3 표면탄성파 진행 방향으로 위치한 상기 리플렉터들 중 상기 제 2 표면탄성파가 전달되는 영역 이후에 위치한 적어도 하나의 리플렉터는 온도에 의한 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  7. 제3항에 있어서, 상기 입출력 전극은,
    단일위상 한방향 변환기(SPUDT : Single phase unidirectional transducer)인 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  8. 제3항에 있어서, 상기 표면탄성파센싱발진기는,
    상기 RF 신호를 무선으로 수신하고, 상기 기준표면탄성파 또는 상기 제 4 표면탄성파가 변환된 전기적 신호를 상기 측정장치로 무선으로 송신하는 무선 송수신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 점 층(Metallic dot layer)은 상기 제1표면탄성파의 파복(antinode) 위치에 놓이는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 표면탄성파공진기는 일단에 입력 전극(IDT : Inter Digital Transducer)을 두고 타단에 출력 전극(IDT : Inter Digital Transducer)을 포함하는 2포트 방식이며, 상기 입력 전극과 상기 출력 전극 사이에 상기 금속 점 층(Metallic dot layer)이 배치되는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면탄성파 공진기는 VCO(Voltage-controlled oscillator)로부터 구동에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 자이로스코프.
  12. 제 1 표면탄성파 및 제 3 표면탄성파를 각각 생성하는 표면탄성파 생성단계;
    소정 위치에 놓인 금속 점 층(Metallic dot layer)에서 상기 제 1 표면탄성파의 속도성분과 인가된 각속도의 상호작용으로 코리올리힘(Coriolis force)을 발생시키는 코리올리힘 생성단계;
    상기 코리올리힘에 의해 제 2 표면탄성파를 생성하는 제 2 표면탄성파 생성단계;
    상기 제 3 표면탄성파가 상기 제 2 표면탄성파에 의해 간섭을 일으킨 후 반사되어 돌아오는 제 4 표면탄성파를 수신하는 제 4 표면탄성파 수신단계; 및
    상기 제 4 표면탄성파가 수신되는 시간의 변화량을 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 각속도 측정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 각속도 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 표면탄성파 생성단계는,
    전원을 공급받지 않고 무선으로 수신된 RF 신호를 이용하여 상기 제 3 표면탄성파를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 각속도 측정 단계는,
    상기 각속도 측정 단계를 수행하는 측정장치로 상기 제 4 표면탄성파가 변환된 전기적 신호를 무선으로 수신하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 각속도 측정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 각속도 측정 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 각속도 측정 방법은,
    상기 각속도가 인가되지 않은 경우 상기 제 3 표면탄성파가 반사되어 돌아오는 기준표면탄성파를 생성하는 기준표면탄성파 생성단계를 더 구비하고,
    상기 각속도 측정 단계는,
    상기 기준표면탄성파 또는 상기 제 4 표면탄성파를 반사하는 리플렉터들 중 동일한 리플렉터에서 반사된 상기 기준표면탄성파와 상기 제 4 표면탄성파가 수신된 시간차를 이용하여 상기 인가된 각속도 크기를 측정하는 단계인 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 각속도 측정 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제 3 표면탄성파를 생성하여 출력하는 출력단과 상기 제 4 표면탄성파를 수신하는 입력단은 동일한 것을 특징으로 하는 표면탄성파를 이용한 각속도 측정 방법.
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