KR20140128040A - 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 검출대상의 각속도에 대응하여 진동상태가 변화하는 링진동자를 구비한 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프에 관한 것으로, 상기 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프는 상기 링진동자의 외주변 및 내주변을 따라 각각 배치되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비하고, 상기 제1 전극이 상기 링진동자의 구동 및 감지를 위한 구동 및 감지용 전극인 경우 상기 제2 전극은 상기 링진동자의 진동 주파수를 조절하기 위한 주파수 조정용 전극으로 구현되고, 상기 제1 전극이 상기 주파수 조정용 전극인 경우 상기 제2 전극은 상기 구동 및 감지용 전극으로 구현되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 상기 링진동자와의 각각의 간극이 중앙영역에서 양단영역으로 갈수록 넓어지도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 본 발명은 전극 양단영역과 링진동자와의 간극이 넓어지면서 정전기장의 크기가 매우 작아지기 때문에 인접한 전극과 전극 사이에 중첩되는 영역에서 발생하는 간섭문제를 현저히 줄일 수 있다.

Description

정전기장 방식의 진동형 자이로스코프{Vibratory gyroscope by electrostatic field}
본 발명은 코리올리 효과를 이용하는 진동형 자이로스코프에 관한 것으로, 구체적으로는 검출대상의 각속도에 대응하여 진동상태가 변화하는 링진동자를 구비한 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프에 관한 것이다.
진동형 자이로스코프는 회전하는 좌표계에서 움직이는 물체가 받는 코리올리 힘을 이용하여 회전속도를 측정하는 각속도 센서로서, 튜닝포크(tuning fork), 디스크(disk), 실린더(cylinder), 링(ring), 반구(hemi-sphere) 등의 형상을 가진 진동자를 사용하여 제작되고 있으며, 최근에는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용한 초소형, 저가의 자이로스코프 제품이 많이 사용되고 있다.
여러 가지 형상의 진동자 중에서 링 형상의 진동자를 이용하는 진동형 자이로스코프는 구조가 단순하고, 외부진동과 충격에 강할 뿐만 아니라 성능이 우수하기 때문에 여러 응용분야에서 널리 사용되고 있다.
진동형 자이로스코프는 미국특허 5,932,804와 같이 전자기장을 이용해서 링진동자를 구동/감지하는 방식과 미국특허 5,616,864와 같이 정전기장을 이용해서 구동/감지하는 방식이 있다.
전자기장 방식의 진동형 자이로스코프는 자기장을 형성하기 위해서 자석을 사용해야 하기 때문에 크기가 크고, 자석의 경년변화 등의 문제를 갖고 있다.
하지만 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프는 링진동자 주변에 전극을 형성하여 구동과 감지를 하기 때문에 차지하는 공간이 매우 작고, 공기의 유전상수에 의해서 구동력과 감지만감도가 결정되기 때문에 경년변화 등의 문제가 없다.
이러한 이유로 최근에는 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프 개발이 활발히 진행되고 있다.
정전기장 방식의 진동형 자이로스코프는 링진동자를 구동하고, 링진동자의 변위를 감지하고, 링진동자의 강성오차를 제거하기 위해서 링진동자 주변에 전극을 배치한다.
링진동자와 전극 사이의 간극은 자이로스코프의 성능에 큰 영향을 미치는 설계변수로서 간극이 좁으면 감지민감도가 높아지는 장점이 있지만 온도드리프트와 공정오차가 커지는 단점이 있고, 반대로 간극이 넓으면 감지민감도는 떨어지지만 온도드리프트와 공정오차는 작아지는 장점이 있다.
따라서, 최적의 성능을 얻을 수 있는 간극을 설계하는 것이 중요하다. 한 예로써 상기 미국특허 6,282,958에서는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 링진동자 두께 t와 간극 W 의 비가 10:1 ~ 40:1 범위일 때 최적의 성능을 갖는다고 명시하였다.
일반적으로 링진동자와 전극사이의 간극은 일정하게 제작된다. 그래서 전극에 인가된 전압에 의해서 발생한 정전기장은 전극이 차지하는 영역에 동일하게 가해지게 된다.
그러나 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프 중에서 한국 공개 특허 10-2007-0083478은 도 3과 같이 전극이 링진동자의 내측과 외측에 배치된다. 이 경우, 전극 간 중첩되는 부분이 발생하게 되고, 중첩되는 영역에서의 링진동자는 두 개의 정전기장의 영향을 동시에 받기 때문에 간섭현상이 발생하게 된다. 그러면 각각의 전극이 독립적으로 고유의 기능을 수행하지 못하기 때문에 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프의 성능이 저하되는 문제가 있다.
US 5,932,804 B US 5,616,864 B US 6,282,958 B KR 10-2007-0083478 A
본 발명의 목적은 링진동자와 전극 사이의 간극을 좁게 유지하면서 온도드리프트 및 공정오차를 작게 하고 전극간의 간섭문제를 최소화할 수 있는 전극의 형상을 개발함으로써 종래 간섭현상에 따른 성능 저하를 줄일 수 있는 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프는 검출대상의 각속도에 대응하여 진동상태가 변화하는 링진동자를 구비한 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프에 관한 것이다.
본 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프는 상기 링진동자의 외주변 및 내주변을 따라 각각 배치되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비하고, 상기 제1 전극이 상기 링진동자의 구동 및 감지를 위한 구동 및 감지용 전극인 경우 상기 제2 전극은 상기 링진동자의 진동 주파수를 조절하기 위한 주파수 조정용 전극으로 구현되고, 상기 제1 전극이 주파수 조정용 전극인 경우 상기 제2 전극은 상기 구동 및 감지용 전극으로 구현되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 상기 링진동자와의 각각의 간극이 중앙영역에서 양단영역으로 갈수록 넓어지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전극의 중앙영역과 상기 링진동자의 외주변과의 제1 간극은 상기 제1 전극의 양단영역과 상기 링진동자의 외주변과의 제2 간극 보다 사전에 정해진 제1 비율만큼 크고, 상기 제2 전극의 중앙영역과 상기 링진동자의 내주변과의 제3 간극은 상기 제2 전극의 양단영역과 상기 링진동자의 외주변과의 제4 간극 보다 사전에 정해진 제2 비율만큼 크게 구현될 수 있다.
여기서, 상기 링진동자의 두께(t)와 상기 제1 간극 및 상기 제2 간극의 평균 값의 비는 상기 제1 비율을 충족하면서 10:1 ~ 40:1 범위 내에서 정해지고, 상기 링진동자의 두께(t)와 상기 제3 간극 및 상기 제4 간극의 평균 값의 비는 상기 제2 비율을 충족하면서 10:1 ~ 40:1 범위 내에서 정해질 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 각각 복수 개로 마련되고, 상기 링진동자의 외주변과 가장 좁은 간극을 가지는 상기 제1 전극의 중앙영역과, 상기 링진동자의 내주변과 가장 좁은 간극을 가지는 상기 제2 전극의 중앙영역이 상기 링진동자를 중심으로 서로 가장 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 상기 링진동자의 외주변과 가장 넓은 간극을 가지는 상기 제1 전극의 양단영역과, 상기 링진동자의 내주변과 가장 넓은 간극을 가지는 상기 제2 전극의 양단영역이 상기 링진동자를 중심으로 서로 가장 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 링진동자의 외주변을 따라 사전에 정해진 제1 간격으로 복수 개 배치되고, 상기 제2 전극은 상기 링진동자의 내주변을 따라 사전에 정해진 제2 간격으로 복수 개 배치되며, 상기 제1 간격 보다 상기 제2 간격이 작게 구현될 수 있다.
이에 의해 본 발명은 링진동자를 구동하거나 변위를 감지하는 것이 전극의 중심부에서 주로 이루어지기 때문에 구동력과 감지민감도가 떨어지는 문제를 최소화 할 수 있다.
또한 본 발명은 전극의 양단영역으로 갈수록 링진동자와의 간극이 넓어지기 때문에 링진동자가 진동할 때 공기댐핑의 영향을 적게 받아서 높은 Q값을 얻을 수 있고 온도 드리프트를 개선시킬 수 있다.
또한 본 발명은 전극 양단영역과 링진동자와의 간극이 넓어지면서 정전기장의 크기가 매우 작아지기 때문에 인접한 전극과 전극 사이에 중첩되는 영역에서 발생하는 간섭문제를 현저히 줄일 수 있다.
그리고 본 발명은 전극의 형상 변경에 의해 실리콘 식각공정에서 발생할 수 있는 공정오차를 줄일 수 있어 공정수율을 개선시킬 수 있다.
도 1은 종래 발명의 일례에 따른 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프의 개략도이다.
도 2는 도 1의 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프에 대한 개략 단면도이다.
도 3은 종래 발명의 또 다른 일례에 따른 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프의 개략도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프를 나타내는 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프(1)는 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프로서, 링 형상의 링진동자(10) 및 링진동자(10)의 변위를 감지하고 주파수튜닝 수행하기 위해 링진동자(10) 내주변 및 외주변에 각각 배치되는 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)을 구비한다.
링진동자(10)는 검출대상의 각속도에 대응하여 진동상태가 변화하며, 내주변 및 외주변에 각각 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)이 배치된다.
제1 전극(20)은 복수 개로 마련되고, 사전에 정해진 제1 간격으로 링진동자(10)의 외주변을 따라 배치된다.
제2 전극(30)은 제1 전극(20)의 개수와 동일한 개수로 마련되어 사전에 정해진 제2 간격으로 링진동자(10)의 내주변을 따라 배치된다.
제1 전극(20)이 링진동자(10)의 구동 및 감지를 위한 구동 및 감지용 전극인 경우 제2 전극(30)은 링진동자(10)의 진동 주파수를 조절하기 위한 주파수 조정용 전극으로 구현되고, 반대로 제1 전극(20)이 링진동자(10)의 진동 주파수를 조절하기 위한 주파수 조정용 전극인 경우 제2 전극(30)은 링진동자(10)를 구동 및 감지하기 위한 구동 및 감지용 전극으로 구현될 수 있다.
제1 전극(20) 및 제2 전극(30)은 각각 복수 개로 마련되고, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)과 링진동자(10)와의 각각의 간극이 중앙영역에서 양단영역으로 갈수록 넓어지도록 형성된다.
즉, 제1 전극(20)의 중앙영역과 상기 링진동자(10)의 외주변과의 제1 간극(W1)은 제1 전극(20)의 양단영역과 상기 링진동자(10)의 외주변과의 제2 간극(W2) 보다 사전에 정해진 제1 비율만큼 크다.
또한, 제2 전극(30)의 중앙영역과 상기 링진동자(10)의 내주변과의 제3 간극(W3)은 제2 전극(30)의 양단영역과 상기 링진동자(10)의 외주변과의 제4 간극(W4) 보다 사전에 정해진 제2 비율만큼 크다.
또한 링진동자(10)의 두께(t)와 제1 간극(W1) 및 제2 간극(W2)의 평균 값의 비는 상기 제1 비율을 충족하면서 10:1 ~ 40:1 범위 내에서 정해지고, 링진동자(10)의 두께(t)와 제3 간극(W1) 및 제4 간극(W2)의 평균 값의 비는 상기 제2 비율을 충족하면서 10:1 ~ 40:1 범위 내에서 정해질 수 있다.
제1 전극(20) 및 제2 전극(30)은, 동일 개수로 마련될 수 있고, 링진동자(10)의 외주변과 가장 좁은 간극인 제1 간극(W1)을 가지는 제1 전극(20)의 중앙영역과, 링진동자(10)의 내주변과 가장 좁은 간극인 제3 간극(W3)을 가지는 제2 전극(30)의 중앙영역이 링진동자(10)를 중심으로 서로 가장 이격되도록 배치된다.
또한, 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)은, 링진동자(10)의 외주변과 가장 넓은 간극인 제2 간극(W2)을 가지는 제1 전극(20)의 양단영역과, 링진동자(10)의 내주변과 가장 넓은 간극인 제3 간극(W4)을 가지는 제2 전극(30)의 양단영역이 링진동자(10)를 중심으로 서로 가장 이격되도록 배치된다.
이와 같이 본 실시예에 따른 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프(1)는 전극 중앙영역의 간극은 좁고 전극양단으로 갈수록 간극이 넓어지는 특징을 갖는다.
즉 본 실시예에 따른 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프(1)는 링진동자를 구동하거나 변위를 감지하는 것은 전극의 중심부에서 주로 이루어지기 때문에 구동력과 감지민감도가 떨어지는 문제를 최소화 할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프(1)는 전극양단으로 갈수록 링진동자와의 간극이 넓어지기 때문에 링진동자가 진동할 때 공기댐핑의 영향을 적게 받아서 높은 Q값을 얻을 수 있고 온도 드리프트도 개선시킬 수 있다.
또한 전극 양단영역과 링진동자와의 간극이 넓어지면서 정전기장의 크기가 매우 작아지기 때문에 인접한 전극과 전극 사이에 중첩되는 영역에서 발생하는 간섭문제를 현저히 줄일 수 있다. 그리고 이와 같은 전극의 형상 변경에 의해 실리콘 식각공정에서 발생할 수 있는 공정오차를 줄일 수 있어 공정수율을 개선시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속함을 이해해야 할 것이다.
1: 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프
10: 링진동자
20: 제1 전극
30: 제2 전극

Claims (6)

  1. 검출대상의 각속도에 대응하여 진동상태가 변화하는 링진동자를 구비한 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프에 있어서,
    상기 링진동자의 외주변 및 내주변을 따라 각각 배치되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비하고,
    상기 제1 전극이 상기 링진동자의 구동 및 감지를 위한 구동 및 감지용 전극인 경우 상기 제2 전극은 상기 링진동자의 진동 주파수를 조절하기 위한 주파수 조정용 전극으로 구현되고, 상기 제1 전극이 상기 주파수 조정용 전극인 경우 상기 제2 전극은 상기 구동 및 감지용 전극으로 구현되며,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 상기 링진동자와의 각각의 간극이 중앙영역에서 양단영역으로 갈수록 넓어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 중앙영역과 상기 링진동자의 외주변과의 제1 간극은 상기 제1 전극의 양단영역과 상기 링진동자의 외주변과의 제2 간극 보다 사전에 정해진 제1 비율만큼 크고,
    상기 제2 전극의 중앙영역과 상기 링진동자의 내주변과의 제3 간극은 상기 제2 전극의 양단영역과 상기 링진동자의 외주변과의 제4 간극 보다 사전에 정해진 제2 비율만큼 큰 것을 특징으로 하는 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 링진동자의 두께(t)와 상기 제1 간극 및 상기 제2 간극의 평균 값의 비는 상기 제1 비율을 충족하면서 10:1 ~ 40:1 범위 내에서 정해지고, 상기 링진동자의 두께(t)와 상기 제3 간극 및 상기 제4 간극의 평균 값의 비는 상기 제2 비율을 충족하면서 10:1 ~ 40:1 범위 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 각각 복수 개로 마련되고, 상기 링진동자의 외주변과 가장 좁은 간극을 가지는 상기 제1 전극의 중앙영역과, 상기 링진동자의 내주변과 가장 좁은 간극을 가지는 상기 제2 전극의 중앙영역이 상기 링진동자를 중심으로 서로 가장 이격되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 상기 링진동자의 외주변과 가장 넓은 간극을 가지는 상기 제1 전극의 양단영역과, 상기 링진동자의 내주변과 가장 넓은 간극을 가지는 상기 제2 전극의 양단영역이 상기 링진동자를 중심으로 서로 가장 이격되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 링진동자의 외주변을 따라 사전에 정해진 제1 간격으로 복수 개 배치되고, 상기 제2 전극은 상기 링진동자의 내주변을 따라 사전에 정해진 제2 간격으로 복수 개 배치되며, 상기 제1 간격 보다 상기 제2 간격이 작은 것을 특징으로 하는 정전기장 방식의 진동형 자이로스코프.
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