KR20130116457A - 관성센서 및 이를 이용한 각속도 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 관성센서는 판상의 멤브레인, 상기 멤브레인 하부에 구비된 질량체, 상기 멤브레인의 외측단 하부에 구비되어 상기 질량체를 감싸는 포스트, 상기 멤브레인상에 형성되는 압전체, 상기 압전체상에 형성되는 감지전극, 상기 감지전극 외측둘레상에 이격되어 형성되는 구동전극을 포함하며, 상기 구동전극에 90도의 위상차를 갖는 AC(Alternating voltage)구동전압인 제1 구동전압 및 제2 구동전압을 지속적으로 인가하는 구동제어부를 통해, 시분할 없이 3축의 각속도를 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

관성센서 및 이를 이용한 각속도 측정방법{Inertial Sensor and measuring method for angular velocity using the same}

본 발명은 관성센서 및 이를 이용한 각속도 측정방법에 관한 것이다.

최근, 관성센서는 인공위성, 미사일, 무인 항공기 등의 군수용으로부터 에어백(Air Bag), ESC(Electronic Stability Control), 차량용 블랙박스(Black Box) 등 차량용, 캠코더의 손떨림 방지용, 핸드폰이나 게임기의 모션 센싱용, 네비게이션용 등 다양한 용도로 사용되고 있다.

이러한 관성센서는 가속도와 각속도를 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 관성센서는 질량체에 인가되는 관성력을 측정하여 가속도를 산출하거나, 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출할 수 있는 것이다.

구체적으로, 관성센서를 이용하여 가속도와 각속도를 측정하는 과정을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 가속도는 뉴톤의 운동법칙 "F=ma" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서, "F"는 질량체에 작용하는 관성력, "m"은 질량체의 질량, "a"는 측정하고자 하는 가속도이다. 이중, 질량체에 작용하는 관성력(F)을 감지하여 일정값인 질량체의 질량(m)으로 나누면, 가속도(a)를 구할 수 있다. 또한, 각속도는 코리올리힘(Coriolis Force) "F=2mΩ·v" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서 "F"는 질량체에 작용하는 코리올리힘, "m"은 질량체의 질량, "Ω"는 측정하고자 하는 각속도, "v"는 질량체의 운동속도이다. 이중, 질량체의 운동속도(v)와 질량체의 질량(m)은 이미 인지하고 있는 값이므로, 질량체에 작용하는 코리올리힘(F)을 감지하면 각속도(Ω)를 구할 수 있다.

종래의 3축의 각속도를 측정하기 위해서는 1개의 매스(Mass) 사용시에 시분할을 통하거나, 일본공개공보 제2010-117292호에서 설명된 바와 같이 2개의 매스(Mass)를 활용하여 가능하였다. 특히, 시분할을 이용하여 3축의 각속도를 측정하는 경우에는, X축구동-> 정지-> Y축구동-> 정지를 반복함으로써 축을 변환시키는 구간에서 크로스톡(crosstalk)이 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 크로스톡을 방지하기 위해서는 두 축간 구동의 시차가 충분히 넓어야 하지만, 이렇게 하게 되면 센서의 샘플링레이트(Sampling rate) 저하가 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 일측면은 3축 각속도를 측정하기 위한 X축 및 Y축의 구동을 위상차를 두어 동시에 진행함으로써 하나의 질량체를 통해 3축의 각속도를 측정할 수 있는 관성센서 및 이를 이용한 각속도 측정방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 관성센서는 판상의 멤브레인, 상기 멤브레인 하부에 구비된 질량체, 상기 멤브레인의 외측단 하부에 구비되어 상기 질량체를 감싸는 포스트, 상기 멤브레인상에 형성되는 압전체, 상기 압전체상에 형성되는 감지전극, 상기 감지전극 외측둘레상에 이격되어 형성되는 구동전극; 및 상기 질량체의 X축방향 진동을 위한 제1 구동전압 및 Y축방향 진동을 위한 제2 구동전압을 인가하는 구동제어부;를 포함하며, 상기 제1 구동전압과 상기 제2 구동전압은 90도의 위상차를 갖도록 상기 구동전극에 동시에 인가되는 AC구동전압인 것을 특징으로 한다.

일실시예에 따른 관성센서로서, 상기 제1 구동전압은 사인(sine)파 형태의 AC구동전압이며, 상기 제2 구동전압은 코사인(cosine)파 형태의 AC구동전압인 것을 특징으로 한다.

일실시예에 따른 관성센서로서, 상기 제1 구동전압 및 상기 제2 구동전압은 상기 구동제어부에 의해 상기 구동전극에 시분할 없이 지속적으로 인가되는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 따른 관성센서로서, 상기 질량체는 단일의 질량체로 형성되는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 따른 관성센서로서, 상기 감지전극은 상기 구동전극에 비하여 상기 압전체의 중심으로부터 가까운 것을 특징으로 한다.

일실시예에 따른 관성센서로서, 상기 감지전극은 상기 구동전극에 비하여 상기 압전체의 중심으로부터 먼 것을 특징으로 한다.

일실시예에 따른 관성센서로서, 상기 감지전극은 상기 멤브레인상에 원호 형상으로 형성되며, 상기 구동전극은 상기 감지전극 외측둘레상에 대응되는 원호 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 각속도 측정방법은, 구동제어부가 구동전극에 AC구동전압인 제1 구동전압 및 상기 제1 구동전압과 90도의 위상차를 갖는 제2 구동전압을 동시에 인가하는 단계, 상기 제1 구동전압은 X축구동부에 인가되고, 상기 제2 구동전압은 Y축구동부에 인가되는 단계, 상기 X축구동부 및 Y축구동부에 의한 질량체의 X축 및 Y축 방향 진동을 기계적센서부가 감지하는 단계, 상기 기계적센서부를 통해 감지된 X축 방향 진동을 감지하여 Y축 또는 Z축의 각속도를 제1 감지부가 감지하며, 상기 Y축 방향 진동을 감지하여 X축 또는 Z축 각속도를 제2 감지부가 감지하는 단계; 및 상기 제1 감지부 및 제2 감지부의 감지신호를 복조하여 상기 제1 감지부에 의한 Y축 및 Z축 각속도를 추출하고, 상기 제2 감지부에 의한 X축 및 Z축의 각속도를 추출하여 각 축의 각속도 신호를 출력부가 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 각속도 측정방법으로서, 상기 제1 구동전압은 사인(sine)파 형태의 AC구동전압이며, 상기 제2 구동전압은 코사인(cosine)파 형태의 AC구동전압인 것을 특징으로 한다.

일실시예에 따른 각속도 측정방법으로서, 상기 기계적센서부는 상기 X축구동부에 의한 진동과 상기 Y축구동부에 의한 진동의 물리적인 힘의 크기 및 방향의 합을 산출하여 X축방향진동의 최대값 또는 Y축방향진동의 최대값 값을 센싱하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 따른 각속도 측정방법으로서, 상기 제1 구동전압 및 상기 제2 구동전압은 상기 구동전극에 시분할 없이 지속적으로 인가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 각속도 측정을 위한 시분할시에 발생하는 크로스톡을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 직진하는 사인파 및 코사인파의 X축 및 Y축의 구동전압을 동시에 인가함으로써, 신호처리를 단순화하여 관성센서의 각속도 측정의 신뢰성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 동시에 인가되는 두 축의 구동전압과 상기 구동전압에 따라 운동하는 질량체간의 동기화에 의한 샘플링레이트가 증가될 수 있는 효과가 있다.

또한, 90도의 위상차를 갖는 두 축의 구동을 위한 AC(Alternating voltage)구동전압을 인가함으로써, 질량체의 안정적이고 지속적인 진동을 통해 3축의 각속도 측정의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 하나의 질량체를 통해서도 시분할 없이 원활한 3축 각속도를 측정함으로써, 구조의 단순화 및 관성센서를 포함한 모듈의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 관성센서의 단면도;
도 2는 도 1의 관성센서의 멤브레인의 변위가 발생하는 과정을 도시한 단면도;
도 3은 도 1의 관성센서의 평면도;
도 4(a) 및 4(b)는 본 발명의 구동전극에 인가되는 구동전압의 위상차 및 각 축의 변위를 나타내는 그래프;
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 관성센서의 각속도 측정에 따른 구동전극의 진동방향을 시간의 흐름방향으로 도시한 평면도; 및
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 관성센서의 각속도 측정방법의 흐름도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 관성센서의 단면도, 도 2는 도 1의 관성센서의 멤브레인의 변위가 발생하는 과정을 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1의 관성센서의 평면도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 관성센서(100)는 판상의 멤브레인(110), 상기 멤브레인(110) 하부에 구비된 질량체(120), 상기 멤브레인(110)의 외측단 하부에 구비되어 상기 질량체(120)를 감싸는 포스트(130), 상기 멤브레인(110)상에 형성되는 압전체(140), 상기 압전체(140)상에 형성되는 감지전극(150), 상기 감지전극(150) 외측둘레상에 이격되어 형성되는 구동전극(160); 및 상기 질량체의 X축방향 진동을 위한 제1 구동전압 및 Y축방향 진동을 위한 제2 구동전압을 인가하는 구동제어부(도면 미도시);를 포함하며, 상기 제1 구동전압과 상기 제2 구동전압은 90도의 위상차를 갖도록 상기 구동전극(160)에 동시에 인가되는 AC(Alternating voltage)구동전압인 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명의 관성센서(100)는 구동전극(160)에 전압을 인가하는 구동제어부(도면 미도시)를 통해 교류전압으로써, 90도의 위상차를 갖는 제1 구동전압 및 제2 구동전압을 동시에 인가함으로써, 시분할 없이 3축의 가속도를 측정하는 것을 특징으로 한다. 이하에서는, 일실시예에 따른 관성센서(100)의 구성에 따른 설명 및 그 관성센서(100)를 이용한 각속도의 측정방법에 대해 설명하기로 한다.

상기 멤브레인(110)은 판상으로 형성되어 질량체(120)가 진동할 수 있도록 탄성을 갖는다. 여기서, 멤브레인(110)의 경계는 정확히 구획되는 것은 아니지만, 멤브레인(110)의 중앙에 구비된 중앙부분(113)과 멤브레인(110)의 외곽을 따라 구비된 테두리(115)로 구획될 수 있다. 이때, 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에는 질량체(120)가 배치되므로, 멤브레인(110)의 중앙부분(113)은 질량체(120)의 움직임에 대응하는 변위가 발생한다. 또한, 멤브레인(110)의 테두리(115) 하부에는 포스트(130)가 배치되어, 멤브레인(110)의 중앙부분(113)을 지지하는 역할을 수행한다. 한편, 멤브레인(110)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 양면의 산화막(119)이 형성된 실리콘 기판(117)을 채용할 수 있다.

상기 질량체(120)는 관성력이나 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 멤브레인(110)의 외측단 하부에 구비된다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 멤브레인(110)의 중앙부 하부에 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 포스트(130)는 중공(中空)형으로 형성되어 멤브레인(110)을 지지함으로써 질량체(120)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주는 역할을 하는 것으로, 멤브레인(110)의 테두리(115) 하부에 구비된다. 여기서, 질량체(120)는 예를 들어 원기둥 형상으로 형성될 수 있고, 포스트(130)는 중심에 사각 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 횡단면을 기준으로 볼 때, 질량체(120)는 원형으로 형성되고, 포스트(130)는 중앙에 사각 개구가 구비된 사각형으로 형성되는 것이다. 다만, 전술한 질량체(120)와 포스트(130)의 형상은 예시적인 것으로, 반드시 이에 한정되지 않고 당업계에서 공지된 모든 형상의 질량체(120)와 포스트(130)를 사용할 수 있다. 한편, 상술한 멤브레인(110), 질량체(120) 및 포스트(160)는 SOI(Silicon On Insulator) 기판 등의 실리콘 기판(117)을 선택적으로 식각하여 형성할 수 있다.

멤브레인(110)에는 압전체(140)가 구비되어 질량체(120)를 구동시키거나 질량체(120)의 변위를 감지할 수 있다. 여기서, 압전체(140)는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO₃), 티탄산연(PbTiO₃), 니오브산리튬(LiNbO₃) 또는 수정(SiO₂) 등으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 압전체(140)에 전압이 인가되면, 압전체(140)가 팽창 및 축소되는 역압전효과가 발생하고, 이러한 역압전효과를 이용하여, 멤브레인(110)의 하부에 구비된 질량체(120)를 구동시킬 수 있다. 반대로, 압전체(140)에 응력이 가해지면, 전위차가 나타나는 압전효과가 발생하고, 이러한 압전효과를 이용하여, 멤브레인(110)의 하부에 구비된 질량체(120)의 변위를 감지할 수 있다. 또한, 압전체(140)의 역압전효과와 압전효과를 영역별로 이용하기 위해서, 압전체(140)는 복수개로 패터닝되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 감지전극(150)과 구동전극(160)에 대응되는 위치에 각각 패터닝되어 형성될 수 있는 것이다.

상기 감지전극(150)은 멤브레인(110)의 변위에 따라 전압이 발생되어, 제어부(도면 미도시)가 멤브레인(110)의 변위를 감지할 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 멤브레인(110)에 변위가 발생하면 압전체(140)에 전기적 분극이 일어나고, 그에 따라 감지전극(150)에는 전압이 발생한다. 따라서, 제어부에서는 감지전극(150)에 발생한 전압을 기초로 멤브레인(110)의 변위를 측정할 수 있다.

상기 구동전극(160)은 압전체(140)에 전압을 인가하여, 압전체(140)가 멤브레인(110)을 진동시킬 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 구체적으로, 구동전극(160)에 전압을 인가하면 압전체(140)에 전기적 에너지가 가해져 구동력이 발생되고, 그에 따라 멤브레인(110)을 진동시킬 수 있는 것이다. 특히, 본 발명에서는 구동제어부를 통해 구동전극(160)에 제1 구동전압과 제2 구동전압이 동시에 인가되는 것을 특징으로 한다. 제1 구동전압과 제2 구동전압은 90도의 위상차를 갖는 교류전압인 AC구동전압을 이용하는 것이 바람직하다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.

공통전극(170)은 상기 감지전극(150) 및 구동전극(160)에 대응되도록 압전체(140) 반대면에 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압전체(140)의 일면상의 전면에 배치될 수 있으나, 감지전극(150) 및 구동전극(160)에 대응되도록 패터닝되어 형성될 수 있다. 공통전극(170)은 감지전극(150) 또는 구동전극(160)에 포함되는 것으로, 전위차의 발생을 위해 형성된다. 그러므로, 공통전극(170)은 감지전극(150) 또는 구동전극(160)과 실질적으로 동일한 작용을 할 수 있다.

한편, 멤브레인(110)의 중앙부분(113)과 테두리(115) 사이가 탄성변형하므로, 감지전극(150)과 구동전극(160)은 멤브레인(110)의 중앙부분(113)과 테두리(115) 사이에 대응하는 부분에 구비되는 것이 바람직하다. 다만, 감지전극(150)과 구동전극(160)은 반드시 멤브레인(110)의 중앙부분(113)과 테두리(115) 사이에 대응하는 부분에 구비되어야 하는 것은 아니고, 일부가 멤브레인(110)의 중앙부분(113)이나 테두리(115)에 대응하는 부분에 구비될 수 있다. 여기서, 감지전극(150)과 구동전극(160)의 위치는 압전체(140)의 중심(C)을 기준으로 서로 변경될 수 있다. 즉, 감지전극(150)이 구동전극(160)에 비하여 압전체(140)의 중심(C)으로부터 가깝게 구비되거나(도 2 참조), 감지전극(150)이 구동전극(160)에 비하여 압전체(140)의 중심(C)으로부터 멀게 구비될 수 있다.

구동제어부(도면 미도시)는 질량체(120)의 X축방향 진동을 위한 제1 구동전압과 질량체(120)의 Y축방향의 진동을 위한 제2 구동전압을 구동전극(160)에 동시에 인가한다. 제1 구동전압과 제2 구동전압은 AC구동전압으로써, 90도의 위상차를 갖도를 인가하는 것이 바람직하다. 여기서, 제1 구동전압을 사인(sine)파 형태의 AC구동전압으로 하고, 제2 구동전압을 코사인(cosine)파 형태의 AC구동전압으로 하여 90도의 위상차를 갖는 교류전압을 인가할 수 있다. X축방향과 Y축방향의 진동을 위한 제1 구동전압과 제2 구동전압을 동시에 인가하더라도, 각 위상차에 의해 X축방향의 진동이 최대가 될 때, Y축방향의 진동이 거의 제로에 가깝게 되므로, 실질적으로는 각각의 축 구동을 위한 전압을 인가하고, 시분할을 통해 다른 축 구동을 위해 구동전압을 인가하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 시분할 없이 X축 및 Y축 진동을 통해 3축의 각속도를 측정함으로써, 축 변환 구간 사이에 발생될 수 있는 크로스톡(Crosstalk)의 발생을 방지할 수 있는 이점이 있다. 또한, 제1 구동전압과 제2 구동전압은 위상차를 통해 X축의 진동 및 Y축의 진동신호가 지속적으로 인가되며, 이러한 신호와 X축 및 Y축의 운동이 동기화됨에 따라 신호처리의 단순화가 가능하다. 또한, 상기와 같은 신호와 운동이 동기화에 의해 샘플링레이트(Sampling rate)가 증가되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, X축구동과 Y축구동에 따른 구동전압을 동시에 인가함으로써, 하나의 질량체(120)를 통하여서도 시분할 없이 3축의 각속도를 측정할 수 있는 것이다. 각속도 측정방법에 관한 자세한 내용은 후술하기로 한다.

도 4(a) 및 4(b)는 본 발명의 구동전극에 인가되는 구동전압의 위상차 및 각 축의 변위를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 관성센서의 각속도 측정에 따른 구동전극의 진동방향을 시간의 흐름방향으로 도시한 평면도이다.

도 4(a)에 도시된 것과 같이, 본 발명은 구동제어부를 통해 X축 구동전압인 제1 구동전압과 Y축 구동전압인 제2 구동전압을 90도의 위상차를 갖는 교류전압으로 동시에 인가하게 된다. 도 4(a)의 제1 구동전압과 제2 구동전압이 인가되는 최초 시점 A지점 에서는 제1구동전압은 제로가 되며, 90도의 위상차를 갖는 제2 구동전압은 최대전압을 인가하게 된다. 즉, 도 4(b)에서 X축변위는 상기 A지점에 대응되는 a지점에서 제로가 되며, Y축변위는 a지점에서 최대변위를 그리게 된다. 그러므로, Y축구동이 최대가 되며, X축구동은 거의 제로에 가까워 순수한 Y축구동에 따른 진동으로부터 X축이나 Z축의 각속도를 산출할 수 있다.

다음, 도 4(a)의 B지점으로 이동하게 되면, X축구동에 따른 제1 구동전압이 최대로 인가되며, Y축구동에 따른 제2 구동전압은 최소로 인가된다. 마찬가지로, 대응되는 도 4(b)의 X축변위는 b지점에서 최대값이 되고, Y축변위는 b지점에서 거의 제로에 가깝게 됨으로써, 이 경우에는 순수한 X축구동에 따른 진동을 감지하여 Y축이나 Z축의 각속도를 산출할 수 있는 것이다.

제1 구동전압과 제2 구동전압이 90도의 위상차를 갖도록 진동함으로써, 도 4(a)의 A, B, C, D 의 각 지점으로부터 도 4(b)의 a, b, c, d의 X축 또는 Y축의 최대변위가 교대로 나타나게 되어 각 축의 진동을 시분할 없이 측정할 수 있다.

도 5는 실질적으로 구동제어부에 의해 제1 구동전압과 제2 구동전압이 인가되는 경우에, 질량체(120)의 진동운동을 도식적으로 나타낸 그림이다. 도 4(a)의 A, B, C, D 지점 사이에서의 진동은 X축진동과 Y축진동이 공존하게 된다. 그러므로, 각 진동의 크기와 방향에 따른 벡터합에 따라 질량체(120)는 운동하게 되므로, 실질적으로는, 도 5에 도시된 바와 같이, 질량체(120)는 지속적으로 원운동을 하게 된다. 도 4(b)의 a지점에서는 도 5의 a'지점과 같이 Y축변위가 최대로 진동하게 되고, 도 4(b)의 b지점으로 가면서 Y축변위는 감소하고, X축변위가 증가되다가, b지점에서 X축변위가 최대로 되어, 도 5의 b'지점과 같이 X축변위가 최대로 진동하게 된다. 이러한 과정을 지속적으로 반복하게 됨으로써, 시분할에 따른 크로스톡을 발생시키지 않으면서, 안정적인 3축의 각속도를 측정할 수 있는 것이다. 결국, 제1 구동전압과 제2 구동전압을 지속적으로 인가함에 따라, 질량체는 도 5에 도시된 바와 같이, 회전운동을 하게 된다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 관성센서의 각속도 측정방법의 흐름도이다.

본 발명의 일시예에 따른 각속도 측정방법은, 구동제어부가 구동전극(160)에 AC구동전압인 제1 구동전압 및 상기 제1 구동전압과 90도의 위상차를 갖는 제2 구동전압을 동시에 인가하는 단계(S10), 상기 제1 구동전압은 X축구동부에 인가되고(S20), 상기 제2 구동전압은 Y축구동부에 인가되는 단계(S30), 상기 X축구동부 및 Y축구동부에 의한 질량체(120)의 X축 및 Y축 방향 진동을 기계적센서부가 감지하는 단계(S40), 상기 기계적센서부를 통해 감지된 X축 방향 진동을 감지하여 Y축 또는 Z축의 각속도를 제1 감지부가 감지하며(S50), 상기 Y축 방향 진동을 감지하여 X축 또는 Z축 각속도를 제2 감지부가 감지하는 단계(S60) 및 상기 제1 감지부 및 제2 감지부의 감지신호를 복조하여 상기 제1 감지부에 의한 Y축 및 Z축 각속도를 추출하고, 상기 제2 감지부에 의한 X축 및 Z축의 각속도를 추출하여 각 축의 각속도 신호를 출력부가 출력하는 단계(S70);를 포함할 수 있다.

먼저, 구동제어부가 구동전극(160)에 AC구동전압인 제1 구동전압 및 상기 제1 구동전압과 90도의 위상차를 갖는 제2 구동전압을 동시에 인가하는 단계(S10)이다. 여기서, 제1 구동전압 및 제2 구동전압은 상기에서 설명한 바와 같이, AC구동전압으로써, 제1 구동전압은 사인(sine)파 형태의 AC구동전압이며, 상기 제2 구동전압은 코사인(cosine)파 형태의 AC구동전압일 수 있다. 제1 구동전압과 제2 구동전압은 시분할 없이 구동전극(160)에 지속적으로 인가되는 것을 특징으로 한다.

다음, 상기 제1 구동전압은 X축구동부에 인가되고(S20), 상기 제2 구동전압은 Y축구동부에 인가되는 단계(S30)이다. 제1 구동전압 및 제2 구동전압이 X축구동부 및 Y축구동부에 인가되면, 상기 X축구동부 및 Y축구동부에 의한 질량체(120)의 X축 및 Y축 방향 진동을 기계적센서부가 감지하게 된다(S40). 질량체(120)의 변위가 발생하게 되면, 상기에서 설명한 바와 같이, 멤브레인(110)의 변위에 따라 압전체(140)의 전기적 분극이 일어나고, 그에 따라 감지전극(150)에는 전압이 발생한다. 이를 통해 후술하는 제1 감지부와 제2 감지부를 통해 3축의 각속도 신호를 감지할 수 있다. 기계적센서부는 X축구동부에 의한 진동과 상기 Y축구동부에 의한 진동의 물리적인 힘의 크기 및 방향의 합을 산출하여 X축방향진동의 최대값 또는 Y축방향진동의 최대값 값을 센싱하게 됨으로써, 후술하는 제1 감지부 및 제2 감지부를 통해 3축의 각속도를 산출할 수 있게 된다.

다음, 상기 기계적센서부를 통해 감지된 X축 방향 진동을 감지하여 Y축 또는 Z축의 각속도를 제1 감지부가 감지하며(S50), 상기 Y축 방향 진동을 감지하여 X축 또는 Z축 각속도를 제2 감지부가 감지하는 단계(S60)이다. 도 4(a) 및 도 4(b)의 그래프에서 알 수 있듯이, 제1 구동전압과 제2 구동전압이 90도의 위상차를 갖는 AC구동전압으로 인가됨에 따라, Y축변위가 최대일 때(Y축변위 그래프의 a지점), X축변위가 거의 제로에 가깝게 됨으로써(X축변위 그래프의 a지점) 시분할 없이 Y축의 진동 및 변위에 따라, X축과 Z축의 각속도를 산출할 수 있다. 마찬가지로, X축변위가 최대일 때(X축변위 그래프의 b지점), Y축변위는 거의 제로에 가깝게 되므로(Y축변위 그래프의 b지점) 시분할 없이 순수한 Y축을 구동시킴으로써, X축과 Z축의 각속도를 산출할 수 있다.

다음, 상기 제1 감지부 및 제2 감지부의 감지신호를 복조하여 상기 제1 감지부에 의한 Y축 및 Z축 각속도를 추출하고, 상기 제2 감지부에 의한 X축 및 Z축의 각속도를 추출하여 각 축의 각속도 신호를 출력부가 출력하는 단계(S70)이다. 제1 감지부와 제2 감지부로부터 3축의 각속도가 구해지면, 이를 3차원적으로 해석하여 최종적인 각속도를 종합하여 출력부를 통해 출력하게 된다. 이 과정에서, 제1 감지부와 제2 감지부를 통해 감지된 3축의 각속도를 추출할 때, 복조를 통해 각 축의 각속도를 추출할 수 있다. 복조는 일반적으로 변조되어 있는 고주파로부터 신호를 가려내는 것으로, 여기서는 제1 감지부와 제2 감지부에서 산출하는 각 축의 각속도를 각각 추출하고, 이를 종합하는 과정에서 복조의 과정을 거치게 된다.

여기서는 본 발명의 일실시예에 따른 각속도의 측정방법을 설명하였으며, 특히, 제1 구동부와 제2 구동부가 시분할 없이 지속적으로 인가되는 것은 앞서 설명한 일실시예에 따른 관성센서에서 설명한 내용과 중복되므로 자세한 설명은 생략하며, 각속도가 측정되는 각 단계의 구체적인 설명은 상기 일실시예에 따른 관성센서의 구성 및 작동설명과 중복되므로 여기서는 생략한다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 관성센서 및 이를 이용한 각속도 측정방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100: 관성센서 110: 멤브레인
113: 멤브레인의 중앙부분 115: 멤브레인의 테두리
117: 실리콘 기판 119: 산화막
120: 질량체 130: 포스트
140: 압전체 150: 감지전극
160: 구동전극 170: 공통전극
C: 압전체의 중심

Claims (11)

1. 판상의 멤브레인;
   상기 멤브레인 하부에 구비된 질량체;
   상기 멤브레인의 외측단 하부에 구비되어 상기 질량체를 감싸는 포스트;
   상기 멤브레인상에 형성되는 압전체;
   상기 압전체상에 형성되는 감지전극;
   상기 감지전극 외측둘레상에 이격되어 형성되는 구동전극; 및
   상기 질량체의 X축방향 진동을 위한 제1 구동전압 및 Y축방향 진동을 위한 제2 구동전압을 인가하는 구동제어부;를 포함하며,
   상기 제1 구동전압과 상기 제2 구동전압은 90도의 위상차를 갖도록 상기 구동전극에 동시에 인가되는 AC구동전압인 것을 특징으로 하는 관성센서.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 구동전압은 사인(sine)파 형태의 AC구동전압이며, 상기 제2 구동전압은 코사인(cosine)파 형태의 AC구동전압인 것을 특징으로 하는 관성센서.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 구동전압 및 상기 제2 구동전압은 상기 구동제어부에 의해 상기 구동전극에 시분할 없이 지속적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 관성센서.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 질량체는 단일의 질량체로 형성되는 것을 특징으로 하는 관성센서.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 감지전극은 상기 구동전극에 비하여 상기 압전체의 중심으로부터 가까운 것을 특징으로 하는 관성센서.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 감지전극은 상기 구동전극에 비하여 상기 압전체의 중심으로부터 먼 것을 특징으로 하는 관성센서.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 감지전극은 상기 멤브레인상에 원호 형상으로 형성되며, 상기 구동전극은 상기 감지전극 외측둘레상에 대응되는 원호 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 관성센서.
   
8. 구동제어부가 구동전극에 AC구동전압인 제1 구동전압 및 상기 제1 구동전압과 90도의 위상차를 갖는 제2 구동전압을 동시에 인가하는 단계;
   상기 제1 구동전압은 X축구동부에 인가되고, 상기 제2 구동전압은 Y축구동부에 인가되는 단계;
   상기 X축구동부 및 Y축구동부에 의한 질량체의 X축 및 Y축 방향 진동을 기계적센서부가 감지하는 단계;
   상기 기계적센서부를 통해 감지된 X축 방향 진동을 감지하여 Y축 또는 Z축의 각속도를 제1 감지부가 감지하며, 상기 Y축 방향 진동을 감지하여 X축 또는 Z축 각속도를 제2 감지부가 감지하는 단계; 및
   상기 제1 감지부 및 제2 감지부의 감지신호를 복조하여 상기 제1 감지부에 의한 Y축 및 Z축 각속도를 추출하고, 상기 제2 감지부에 의한 X축 및 Z축의 각속도를 추출하여 각 축의 각속도 신호를 출력부가 출력하는 단계;를 포함하는 각속도 측정방법.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제1 구동전압은 사인(sine)파 형태의 AC구동전압이며, 상기 제2 구동전압은 코사인(cosine)파 형태의 AC구동전압인 것을 특징으로 하는 각속도 측정방법.
   
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 기계적센서부는 상기 X축구동부에 의한 진동과 상기 Y축구동부에 의한 진동의 물리적인 힘의 크기 및 방향의 합을 산출하여 X축방향진동의 최대값 또는 Y축방향진동의 최대값 값을 센싱하는 것을 특징으로 하는 각속도 측정방법.
    
11. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 구동전압 및 상기 제2 구동전압은 상기 구동전극에 시분할 없이 지속적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 각속도 측정방법.
    
    

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