KR20220036478A - 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체 - Google Patents

진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체에 관한 것으로 진동형 자이로스코프에 포함되어 가진되고, 하부의 중앙에 지지 돌기부가 돌출된 반구형 공진기부, 상면에 반구형 공진기부와 이격되는 전극이 위치되는 기판부를 포함하고, 상기 기판부에는 상기 지지 돌기부가 삽입되는 정렬홈부가 위치되고, 상기 반구형 공진기부는 상기 지지 돌기부가 상기 정렬홈부에 삽입되는 깊이에 따라 상기 전극과의 간격이 조절되어 기판 상의 전극과 반구형 공진기의 간격을 별도의 치구 없이 용이하게 정렬함으로써 자이로스코프 제작 시 편의성을 크게 증대시키고, 반구형 공진기의 위치를 정렬하기 위한 별도의 치구를 제작할 필요가 없어 자이로스코프 제작 시 소요되는 비용을 크게 절감하고 제작 시간을 크게 단축시키며 진동형 자이로스코프의 대량생산을 효율적으로 할 수 있다.

Description

진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체 및 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법{RESONATORS ELECTRODE STRUCTURE OF GYROSCOPE AND ALIGNMENT METHOD FOR RESONATORS ELECTRODE}
본 발명은 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체 및 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자이로스코프는 회전효과를 측정하는 센서를 의미하며 각운동량 보존, 삭냑(Sagnac) 효과 또는 코리올리(Coriolis) 효과 등의 기본원리에 이론적 바탕을 두고 있다.
링 레이저 자이로스코프(Ring Laser Gyroscope)나 광섬유 자이로스코프(Fiber Optic Gyroscope)와 같이 현재 널리 이용되고 있는 광학식 자이로스코프는 삭냑효과에 이론적 기반을 두고 있어 센서의 크기에 비례하여 성능이 향상되어 센서의 소형화에 한계를 가진다.
이와는 달리 코리올리 효과를 이용하는 진동형 자이로스코프의 척도인자(Scale factor)는 센서의 크기와 무관하기 때문에 센서의 소형화에 유리한 장점이 있다.
또한 미세가공기술의 발달로 마이크로 칩 규모의 진동형 자이로스코프 제작에 관한 연구가 보고되고 있어 광학식 센서 기술이 칩 규모의 초소형 진동형 센서 기술로 발전되고 있다. 본 기술은 초소형 진동형 자이로스코프의 핵심 구성품인 쉘 공진기 제작에 관한 것이다.
코리올리(Coriolis) 효과를 이용하는 진동형 자이로스코프의 주요 구성품은 공진기, 전극, 진공 프레임으로 나누어 볼 수 있다.
그 중 공진기는 자이로스코프의 성능을 결정하는 주요 요소로, 공진기의 Q 값을 높이기 위하여 반구 형태나 반 토로이달 형태로 제작되어 오고 있다.
공진기는 진동형 자이로스코프를 구성하는 핵심 부품 중 하나로, 공진기의 운동이 외부 회전에 따라 변하는 특징이 있다.
진동형 자이로스코프는 핵심 부품인 공진기의 형태에 따라 링 공진기 자이로, 원판 공진기 자이로, 2중 질량 자이로, 4중 질량 자이로, 원통형 공진기 자이로 및 3차원 쉘 자이로로 나눌 수 있다.
이 중 3차원 쉘 자이로의 공진기는 다른 공진기 보다 높은 품질인자 (Q factor)를 가지기 때문에 가장 높은 자이로 성능을 보여주고 있다.
진동형 자이로스코프의 전극은 공진기의 운동에 따른 전극과 공진기와의 간격변화를 측정하여 공진기의 운동상태를 측정하고 이를 제어하는 역할을 한다.
따라서, 공진기와 전극과의 간격 오차는 자이로의 성능 저하의 원인이 되며 공진기와 전극 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 자이로를 제작해야 한다.
3차원 쉘 공진기와 전극의 간격을 균일하게 유지하기 위해 두 물체 사이의 정교한 정렬과정이 필요하며, 종래의 3차원 쉘 공진형 자이로스코프는 주변 치구를 이용한 정렬방법을 이용하고 있다.
도 1은 종래 3차원 쉘 공진기를 기판 상에 장착시키는 예를 도시한 개략도이고, 도 1의 (a)은 기판(1) 상에 위치된 구형 전극(1a)을 포함한 진동형 자이로스코프의 공진기(2)와 구형 전극(1a)을 정렬한 예를 도시한 것이고, 도 1의 (b)는 기판 (1)상에 위치된 판형 전극(1b)을 포함한 진동형 자이로스코프의 공진기(2)와 판형 전극(1b)을 정렬한 예를 도시한 것이다.
도 1을 참고하면 쉘 형태의 공진기는 하부 중심에 장착용 기둥이 돌출되게 위치되고, 공진기(2)의 쉘부분과 전극(1a, 1b)을 기설정된 간격으로 유지하도록 정렬한 상태에서 장착용 기둥(2a)을 기판(1) 상에 고정시킴으로써 공진기(2)를 기판(1) 상에 장착시키고 있다.
즉, 쉘부분이 기설정된 위치에 정확하게 정렬된 상태에서 공진기(2)를 기판(1) 상에 장착시키기 위해 쉘 형태의 공진기(2)와 기판(1)을 각각의 치구(미도시)에 장착한 뒤 두 치구의 조립성을 이용하여 공진기(2)와 전극(1a, 1b)을 정렬하고, 정렬 뒤 공진기(2)를 기판(1) 상에 고정시켜 공진기(2)를 장착하는 방법을 이용하고 있다.
따라서 공진기(2)와 전극(1a, 1b) 사이의 정렬오차는 각 각의 부품을 치구에 장착할 때 발생하는 장착오차와 두 치구를 조립할 때 발생하는 조립오차에서 기인하여 두 가지의 독립적인 오차 요인이 존재한다.
또한, 종래의 방법은 자이로의 대량 생산을 위해선 그에 맞는 치구를 정밀하게 대량 생산해야 하는 어려움이 있다.
또는 LOT 형태로 조립이 가능할 수 있도록 큰 크기의 치구를 제작할 수 있으나, 치구의 규모가 커질수록 치구에서 발생하는 오차가 커질 수 있어 대량 생산을 위해선 종래의 기술과는 다른 정렬 방법이 필요하다.
0001)한국특허등록 제1184210호 "반구형 공진기의 금속박막 증착방법 및 그 장치"(2012.09.13.등록)
본 발명의 목적은 반구형 공진기의 지지 돌기부를 기판에 위치된 정렬홈부에 삽입하여 기판 상의 전극과 반구형 공진기의 간격을 기설정된 간격으로 별도의 치구 없이 용이하게 정렬할 수 있는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체 및 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기판의 전극과 기판 상의 정렬용 돌출부를 분리하여 구성함으로써 정렬용 돌출부의 높이와 전극의 높이를 독립적으로 최적화할 수 있는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체 및 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 정렬용 돌출부의 높이를 조절하여 원하지 않는 진동모드의 품질인자를 감소시킴과 동시에 전극의 높이를 최적화하고 다양한 특성을 가지는 진동형 자이로스코프를 용이하게 제작할 수 있는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체 및 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 일 실시예는, 진동형 자이로스코프에 포함되어 가진되고, 하부의 중앙에 지지 돌기부가 돌출된 반구형 공진기부, 상면에 반구형 공진기부와 이격되는 전극이 위치되는 기판부를 포함하고, 상기 기판부에는 상기 지지 돌기부가 삽입되는 정렬홈부가 위치되고, 상기 반구형 공진기부는 상기 지지 돌기부가 상기 정렬홈부에 삽입되는 깊이에 따라 상기 전극과의 간격이 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기판부의 상면에는 상기 정렬홈부가 위치되는 정렬용 돌출부가 돌출되게 위치될 수 있다.
본 발명에서 상기 정렬용 돌출부는 상기 기판부의 상면에 위치되는 상기 전극과 분리되어 위치될 수 있다.
본 발명에서 상기 전극은 상기 기판부의 상면에서 상기 정렬용 돌출부가 돌출된 부분을 제외한 평면에 위치될 수 있다.
본 발명에서 상기 정렬홈부는 상기 기판부의 상면을 기준으로 한 상기 정렬용 돌출부의 높이와 동일한 깊이로 형성되어 바닥면이 상기 기판부의 상면 높이와 일치될 수 있다.
본 발명에서 상기 정렬용 돌출부는 원통형상, 콘형상, 반구형상 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 정렬용 돌출부는 상기 기판부에 높이 조절 가능하게 위치되며, 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 일 실시예는, 상기 정렬용 돌출부의 높이를 조절하는 돌출 높이 조절부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 정렬용 돌출부는 길이 방향으로 상기 정렬홈부를 형성하는 중공부가 관통되어 위치되고, 상기 기판부에는 상기 정렬용 돌출부가 상, 하 이동 가능하게 위치되는 돌출 높이 조절용 삽입부가 위치될 수 있다.
본 발명에서 상기 돌출 높이 조절부는 상기 돌출 높이 조절용 삽입부의 바닥에 돌출되고, 상기 중공부 내로 삽입되어 상기 정렬용 돌출부의 상, 하 이동을 안내하는 승하강 안내용 돌기부 및 상기 승하강 안내용 돌기부를 상, 하 이동시키는 승하강 작동부를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 승하강 안내용 돌기부는 상면이 상기 기판부의 상면과 일치되는 높이를 가질 수 있다.
본 발명에서 상기 승하강 작동부는 상기 정렬용 돌출부가 관통되어 나사 결합되는 링기어부재, 상기 링기어부재에 맞물려 회전되는 제1작동 기어부재 및 상기 제1작동 기어부재를 회전시키는 회전부를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 회전부는 상기 제1작동 기어부재와 맞물려 회전되는 제2작동 기어부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 제2작동 기어부재는 일부가 상기 기판부의 측면으로 노출되게 구비되거나 기어축이 상기 기판부의 상면 또는 하면으로 노출될 수 있다.
본 발명에서 상기 기어축은 상기 기판부의 상면으로 노출된 부분에 회전 시 사용할 수 있는 공구가 삽입되는 공구홈이 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 돌출 높이 조절부는 높이 조절된 상기 정렬용 돌출부의 위치를 잠금하고, 잠금해제하여 상기 정렬용 돌출부를 다시 상, 하 이동 가능하게 하는 돌출 높이 고정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법의 일 실시예는 진동형 자이로스코프의 제작 시 제작된 반구형 공진기부를 전극이 제작된 기판부 상에 장착시켜 고정하기 전에 반구형 공진기부와 전극사이의 간격을 기설정된 간격으로 일정하게 유지하기 위한 정렬 방법이며, 반구형 공진기부를 기판부에 장착시켜 고정하기 전에 반구형 공진기부의 하부 측으로 돌출된 지지 돌기부를 기판부에 위치된 정렬홈부 내에 삽입시켜 반구형 공진기부와 전극사이의 간격을 기설정된 간격으로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기판부에는 상기 정렬홈부가 위치된 정렬용 돌출부가 위치되고, 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법의 일 실시예는 상기 정렬용 돌출부에 위치된 상기 정렬홈부에 상기 지지 돌기부를 결합시켜 상기 반구형 공진기부와 상기 전극 사이의 간격을 기설정된 간격으로 일정하게 유지시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 정렬용 돌출부는 상기 기판부의 상면에 위치되는 상기 전극과 분리되어 위치될 수 있다.
본 발명은 반구형 공진기의 지지 돌기부를 기판에 위치된 정렬홈부에 삽입하여 기판 상의 전극과 반구형 공진기의 간격을 기설정된 간격으로 별도의 치구 없이 용이하게 정렬할 수 있어 자이로스코프 제작 시 편의성을 크게 증대시키고, 반구형 공진기의 위치를 정렬하기 위한 별도의 치구를 제작할 필요가 없어 자이로스코프 제작 시 소요되는 비용을 크게 절감하고 제작 시간을 크게 단축시키며 진동형 자이로스코프의 대량생산을 효율적으로 하는 효과가 있다.
본 발명은 기판의 전극과 기판 상의 정렬용 돌출부를 분리하여 구성함으로써 정렬용 돌출부의 높이와 전극의 높이를 독립적으로 최적화할 수 있어 원하지 않는 진동모드의 품질인자를 감소시킴과 동시에 전극의 높이를 최적화하여 공진기 측정 신호 오차를 줄이는 효과가 있다.
본 발명은 정렬용 돌출부의 높이를 조절하여 자이로스코프의 설계 시 원하는 특성을 가지도록 정렬용 돌출부의 높이와 전극의 높이를 동시에 최적화하여 자이로스코프의 특성을 용이하게 설계 변경할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 3차원 쉘 공진기를 기판 상에 장착시키는 예를 도시한 개략도.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 일 실시예를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체에서 정렬홈부에 삽입되는 지지 돌기부의 깊이에 따른 공진기 품질인자(열탄성 손실) 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체에서 정렬홈부에 삽입되는 지지 돌기부의 깊이에 따른 앵커 손실을 비교한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체에서 정렬용 돌출부의 형상이 원뿔 형상 또는 반구형일 때 정렬홈부에 삽입되는 지지 돌기부의 깊이에 따른 앵커 손실을 비교한 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 비교예를 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 다른 실시예를 도시한 단면도.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 일 실시예를 도시한 단면도이고, 도 2의 (a), 도 3의 (a), 도 4의 (a)는 구형 전극(210)이 적용된 예이고, 도 2의 (b), 도 3의 (b), 도 4의 (b)는 평면형 전극(210)이 적용된 예이다.
도 2 내지 도 4를 참고하여 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 일 실시예를 하기에서 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 일 실시예는, 진동형 자이로스코프에 포함되어 가진되는 반구형 공진기부(100)를 포함한다.
반구형 공진기부(100)는 지속적으로 공진을 하면서 선속도(v)를 만들어 공진기와 기판부(200) 상의 전극(210) 간의 상대적인 회전(Ω)에 의한 Coriolis 가속도(2vΩ)를 측정하기 위한 기본 운동을 제공하는 역할을 하는 것으로 기존 진동형 자이로스코프에서 공지된 구조로 다양하게 변형하여 실시될 수 있는 바 더 상세한 설명은 생략함을 밝혀둔다.
반구형 공진기부(100)는 반구형상으로 형성된 공진기 몸체(110), 공진기 몸체(110)의 중심에서 하부 측으로 돌출되는 지지 돌기부(120)를 포함한다.
공진기 몸체(110)는 외측면이 반구형으로 형성됨과 아울러 내부에 하부로 개방된 반구형상의 공간이 구비된 형태로 공지의 반구형 공진기 형상으로 다양하게 변형되어 실시될 수 있음을 밝혀둔다.
지지 돌기부(120)는 공진기 몸체(110)와 일체로 제작되고, 내부에 상부 측으로 개방된 공간이 위치된다.
기판부(200) 상에는 반구형 공진기부(100)와 이격되게 위치되는 전극(210)이 위치되고, 지지 돌기부(120)의 일부분이 삽입되는 정렬홈부(200a)가 위치된다.
지지 돌기부(120)는 정렬홈부(200a)에 삽입되어 끼워져 결합됨으로써 공진기 몸체(110)의 위치를 지지한다.
지지 돌기부(120)는 공진기 몸체(110)의 하단부보다 아래로 길게 돌출되어 정렬홈부(200a)에 일부가 삽입된 상태에서 공진기 몸체(110)의 하단부가 기판부(200)의 상면에 위치된 전극(210)과 이격되도록 공진기 몸체(110)의 위치를 지지할 수 있다.
기판부(200)의 상면에는 정렬홈부(200a)가 위치되는 정렬용 돌출부(300)가 돌출되게 위치된다.
정렬용 돌출부(300)는 기판부(200)의 상면에 돌출되고 기판부(200)의 상면에 위치되는 전극(210)과 분리되어 위치된다.
즉, 정렬용 돌출부(300)에는 전극(210)이 위치되지 않고, 기판부(200)의 상면에서 정렬용 돌출부(300)가 돌출된 부분을 제외한 평면에 전극(210)이 위치된다.
도 2를 참고하면 정렬용 돌출부(300)는 원통형상을 가지고, 중앙에 정렬홈부(200a)가 위치될 수 있고, 도 3을 참고하면 정렬용 돌출부(300)는 콘형상을 가지고 중앙에 정렬홈부(200a)가 위치될 수 있고, 도 4를 참고하면 정렬용 돌출부(300)는 반구형상을 가지고 중앙에 정렬홈부(200a)가 위치될 수 있다.
정렬홈부(200a)는 기판부(200)의 상면을 기준으로 한 정렬용 돌출부(300)의 높이와 동일한 깊이로 형성되어 바닥면이 기판부(200)의 상면 높이와 일치되는 것을 일 예로 한다.
지지 돌기부(120)는 정렬홈부(200a)의 바닥면에 접촉되게 정렬홈부(200a) 내로 최대한 삽입될 수 있고, 정렬홈부(200a) 내에 최대한 삽입된 상태에서 하단부가 기판부(200)의 상면 높이와 일치되는 정렬홈부(200a)의 바닥면에 지지된다.
이에 지지돌기부가 공진기 몸체(110)의 하단부보다 돌출되는 길이에서 전극(210)의 높이를 빼면 공진기 몸체(110)의 하단부와 기판부(200)의 전극(210) 간의 간격이 된다.
이와 같은 원리로 반구형 공진기부(100)의 제작 시 지지 돌기부(120)의 길이를 조절하여 공진기 몸체(110)의 하단부와 기판부(200)의 전극(210) 간의 간격을 기설정된 간격으로 정확하게 설정할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체에서 정렬홈부(200a)에 삽입되는 지지 돌기부(120)의 깊이에 따른 공진기 품질인자(열탄성 손실) 변화를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체에서 정렬홈부(200a)에 삽입되는 지지 돌기부(120)의 깊이에 따른 앵커 손실을 비교한 그래프이며, 도 7은 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체에서 정렬용 돌출부(300)의 형상이 원뿔 형상 또는 반구형일 때 정렬홈부(200a)에 삽입되는 지지 돌기부(120)의 깊이에 따른 앵커 손실을 비교한 그래프이다.
본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체를 적용하는 경우 반구형 공진기부(100)와 전극(210)의 접합면적 변화에 따른 공진기 손실 값 변화이다.
종래의 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체는 공진기를 지지하는 기둥의 밑 부분만이 기판부(200)에 접합되어 공진기를 지지하는 반면, 본 기술은 지지 돌기부(120)의 밑면과 측면 일부분이 기판부(200)에 접합되어 반구형 공진기부(100) 즉, 공진기 몸체(110)를 지지하게 된다. 공진기 몸체(110)의 지지면적을 본 발명과 같이 변화시키게 되면, 공진기의 손실을 나타내는 품질인자의 변화가 변화되고, 이러한 품질인자의 변화는 도 5 내지 도 7과 같이 확인될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체에서 정렬홈부(200a)에 삽입되는 지지 돌기부(120)의 깊이에 따른 공진기 품질인자 변화를 나타낸 그래프로, 3차원 쉘 공진기 즉, 반구형 공진기부(100)의 운동에 따른 열 에너지 분포 차이에서 발생하는 열탄성 손실(Q_TED)에 관한 것이다.
열 탄성 손실은 도 2 내지 도 4와 같이 정렬용 돌출부(300)의 형상이 원통형, 콘형, 반구형에 따라 영향을 크게 받지 않으며 도 5의 기둥 높이 0에 해당하는 종래의 방법의 열 탄성 손실을 나타낸다.
본 발명의 방법에 따라 1의 공진기와 2의 기판부(200)를 9, 11, 12의 기둥을 이용하여 정렬하고 접합하면 자이로에 이용되는 n=2 모드의 열탄성 손실은 일정하게 유지되는 반면, 자이로 동작과 관련없는 n=1 모드는 품질인자가 감소되어 공진기의 자이로 모드 운동을 방해하는 다른 모드의 운동을 감쇠 시키는 효과가 있다.
공진기 진동의 또 다른 에너지 손실 요소인 앵커손실(Q_anchor)을 정렬 구멍의 깊이와 형태에 따라 나타낸 것이다. 앵커손실은 반구형 공진기부(100)의 진동 즉, 공진기 몸체(110)의 진동이 지지 돌기부(120)와 기판부(200)에 전달되어 발생하는 에너지 손실 과정으로, 열탄성 손실과는 달리 정렬 구멍의 구조에 따라 손실값이 다르게 나타난다.
도 6은 도 2의 원통형 정렬용 돌출부(300)의 정렬홈부(200a)의 깊이에 따른 앵커손실값 변화를 공진기 몸체(110)의 반지름 대비 원통형 정렬용 돌출부(300)에서 원통의 지름 크기별로 나타낸 것이다.
도 7은 도 3의 원뿔형 정렬용 돌출부(300)와 도 4의 반구형 정렬용 돌출부(300)에서 정렬홈부(200a)의 깊이 즉, 정렬홈부(200a) 내로 삽입되는 지지돌기부의 길이에 따른 앵커 손실을 나타낸 것이다.
앵커 손실 역시 열탄성 손실과 마찬가지로 n=1 모드를 수 십 %대로 감소시키고 n=2 모드의 품질인자를 1 % 미만 영역에서 소폭 상승시켜 n=2 모드 운동을 이용하는 자이로의 성능향상에 도움을 줄 수 있다.
특히, 반구형 정렬용 돌출부(300)인 경우 n=1 모드의 앵커손실에 관한 품질인자가 가장 많이 감소되어 자이로의 성능을 위해선 반구형 정렬용 돌출부(300)를 이용하거나, 도 2의 원통형 정렬용 돌출부(300)에서 원통의 지름을 최대한 증가시키는 것이 유리하다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 비교예를 도시한 도면이고, 도 8의 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 비교예는 정렬용 돌출부(300)의 표면에 전극(210)이 위치된다.
비교예는 정렬홈부(200a)의 내주면과 정렬용 돌출부(300)의 표면에 전극(210)이 위치될 수 있다.
다시 도 2 내지 도 4를 참고하면 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 일 실시예는 도 8에서 도시된 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 비교예와 다르게 정렬용 돌출부(300)는 기판부(200)의 상면에 돌출되고 기판부(200)의 상면에 위치되는 전극(210)과 분리되어 위치된다.
즉, 정렬용 돌출부(300)에는 전극(210)이 위치되지 않고, 기판부(200)의 상면에서 정렬용 돌출부(300)가 돌출된 부분을 제외한 평면에 전극(210)이 위치된다.
전극(210)과 정렬용 돌출부(300)가 도 8의 비교예와 같이 일체형인 경우 일체형일 경우 다음과 같은 단점이 있다.
도 8의 비교예는 정렬용 돌출부(300)를 높이기 위해선 전극(210)도 높여야 하는 어려움이 있다. 보통 공진기와 전극(210)과의 간격 차이는 1 μm 수준의 오차로 이루어 져야 공진형 자이로의 성능을 보장할 수 있어, 선행문헌 3의 방법 적용을 위해선 높아진 전극(210)의 전면을 1 μm 수준 이하의 공차로 제작해야 하기 때문에 전극(210)을 높게 하는데 어려움이 있다.
그러나, 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 일 실시예는 정렬용 돌출부(300)와 기판부(200)의 전극(210)이 분리되어 정렬용 돌출부(300)의 높이를 높여 1차 모드의 품질인자를 저하시키는 방법을 제작에 적용하기 위해선 전극(210)을 수정할 필요가 없다.
본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체는 반구형 공진기부(100)의 진동시 공진기 몸체(110)와 전극(210) 사이의 간격이 변하게 되며, 간격 변화에 따른 공진기 몸체(110)와 전극(210) 사이의 축전용량 값 변화를 측정하여 공진기 몸체(110)의 움직임을 읽어낸다.
따라서 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체는 반구형 공진기부(100)의 움직임에 의한 공진기 몸체(110)와 전극(210) 사이의 축전용량 변화를 극대화하는 방향으로 전극(210)을 제작해야 하며 이를 위해서 구형 전극 또는 평면형 전극의 높이를 최적화 해야 한다.
일반적으로 전극(210)의 최적 높이는 반구형 공진기부(100) 형태와 반구형 공진기부(100)의 움직임에 따라 달라지며 전극(210)의 높이가 낮을경우 반구형 공진기부(100)와 전극(210) 사이의 유효단면적이 줄어들어 축전용량이 작아지는 현상이 발생하며, 전극(210)이 최적값보다 높을 경우 축전용량의 변화값이 초기값 대비 작아지는 현상이 발생한다.
즉, 본 발명을 이용하면 반구형 공진기부(100)와 전극(210)을 정렬할 수 있을 뿐만 아니라 정렬용 돌출부(300)의 높이와 전극(210)의 높이를 독립적으로 최적화 할 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체는 정렬용 돌출부(300)의 높이를 높여 원하지 않는 진동모드의 품질인자를 감소시킴과 동시에 전극(210)의 높이를 최적화 하여 공진기 측정 신호 오차를 줄일 수 있으나, 본 발명의 비교예는 정렬용 돌출부(300)의 높이와 전극(210)의 높이를 동시에 최적화 할 수 없어 둘 사이의 최적값으로 제작을 해야하는 단점이 있다.
도 9는 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체의 다른 실시예를 도시한 단면도이고, 도 9를 참고하면 정렬용 돌출부(300)는 기판부(200)에 높이 조절 가능하게 위치될 수 있다. .
본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체는 정렬용 돌출부(300)의 높이를 조절하는 돌출 높이 조절부(400)를 더 포함한다.
정렬용 돌출부(300)는 길이 방향으로 정렬홈부(200a)를 형성하는 중공부(310)가 관통되어 위치되고, 기판부(200)에는 정렬용 돌출부(300)가 상, 하 이동 가능하게 위치되는 돌출 높이 조절용 삽입부(220)가 위치된다.
돌출 높이 조절부(400)는 돌출 높이 조절용 삽입부(220)의 바닥에 돌출되고 중공부(310) 내로 삽입되어 정렬용 돌출부(300)의 상, 하 이동을 안내하는 승하강 안내용 돌기부(410), 승하강 안내용 돌기부를 상, 하 이동시키는 승하강 작동부(420)를 포함한다.
승하강 안내용 돌기부(410)는 상면이 기판부(200)의 상면과 일치되는 높이를 가져 정렬용 돌출부(300)의 상, 하 이동과 관계 없이 중공부(310) 내에서 바닥면, 즉, 정렬홈부(200a)의 바닥면이 기판부(200)의 상면 높이와 일치되도록 유지될 수 있다.
승하강 안내용 돌기부(410)는 중공부(310) 내로 삽입되어 정렬용 돌출부(300)의 상, 하 이동을 안내한다.
승하강 작동부(420)는 정렬용 돌출부(300)가 관통되어 나사 결합되는 링기어부재(421), 링기어부재(421)에 맞물려 회전되는 제1작동 기어부재(422), 제1작동 기어부재(422)를 회전시키는 회전부(423)를 포함한다.
정렬용 돌출부(300)의 외주면에는 제1나사부(320), 링기어부재(421)의 내주면에는 제1나사부(320)가 나사결합되는 제2나사부(421a)가 위치된다.
링기어부재(421)는 기판부(200)의 내부에서 베어링에 의해 지지되어 원활하게 회전될 수 있다.
제1나사부(320)는 정렬용 돌출부(300)의 길이 방향으로 적어도 일부분 형성되어 링기어부재(421)의 회전 중심을 관통하여 링기어부재(421)의 내주면에 위치된 제2나사부(421a)에 나사결합되고, 링기어부재(421)는 제1작동 기어부재(422)의 회전 방향에 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 회전되어 정렬용 돌출부(300)를 상, 하 이동시킨다.
정렬용 돌출부(300)는 상, 하 이동되어 기판부(200)의 상면으로 돌출되는 높이가 조절될 수 있다.
회전부(423)는 링기어부재(421)에 맞물린 제1작동 기어부재(422)를 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시켜 제1작동 기어부재(422)에 맞물린 링기어부재(421)를 회전시키고, 링기어부재(421)가 회전됨으로써 링기어부재(421)를 관통하여 나사 결합된 정렬용 돌출부(300)가 상, 하 이동하게 된다.
회전부(423)는 제1작동 기어부재(422)와 맞물려 회전되는 제2작동 기어부재(423a)를 포함하고, 제2작동 기어부재(423a)는 일부가 기판부(200)의 측면으로 노출되게 구비되거나 기어축이 기판부(200)의 상면 또는 하면으로 노출되어 작업자의 조작 또는 회전모터의 작동을 통해 회전될 수 있다.
기어축은 기판부(200)의 상면으로 노출되고, 기판부(200)의 외측으로 노출된 부분에 공구홈이 형성되어 공구홈에 공구를 삽입하고 공구를 조작하여 회전시킬 수 있다.
승하강 작동부(420)는 제1작동 기어부재(422) 또는 제2작동 기어부재(423a)를 회전시키는 회전모터부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
돌출 높이 조절부(400)는 높이 조절된 정렬용 돌출부(300)의 위치를 잠금하고, 잠금해제하여 정렬용 돌출부(300)를 다시 상, 하 이동 가능하게 하는 돌출 높이 고정부(430)를 더 포함할 수 있다.
돌출 높이 고정부(430)는 도시되지 않았지만 기판부(200)에 체결되어 제2작동 기어부재(423a)의 기어축 또는 제1작동 기어부재(422)의 기어축을 가압하여 기어축의 회전을 제한하는 세트 스크류인 것을 일 예로 한다.
돌출 높이 고정부(430)는 회전부(423)의 작동을 제한하거나 승하강 되는 정렬용 돌출부(300)의 높이를 고정할 수 있는 공지의 다양한 구조로 변형되어 실시될 수 있는 바 더 상세한 설명은 생략함을 밝혀둔다.
정렬용 돌출부(300)는 승하강 작동부(420)에 의해 회전되는 링기어부재(421)를 통해 상, 하 이동되어 기판부(200) 상으로 돌출되는 높이가 조절되어 원하지 않는 진동모드의 품질인자를 감소시키고, 제작되는 진동형 자이로스코프의 특성을 다양하게 구현할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법은 진동형 자이로스코프의 제작 시 제작된 반구형 공진기부(100)를 전극(210)이 제작된 기판부(200) 상에 장착시켜 고정하기 전에 반구형 공진기부(100)와 전극(210)사이의 간격을 기설정된 간격으로 일정하게 유지하기 위한 정렬 방법이다.
일반적인 진동형 자이로스코프의 제조 방법은 도시되지 않았지만 반구형 공진기부(100) 및 기판부(200) 상에 전극(210)을 제작한 후 반구형 공진기부(100)와 전극(210)을 정렬하는 공진기 전극 정렬단계, 반구형 공진기부(100)를 기판부(200)에 장착시키는 공진기 고정단계, 전극(210)을 결선하는 결선단계 등을 포함한다.
본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법의 일 실시예는 반구형 공진기부(100)를 기판부(200)에 장착시켜 고정하기 전에 반구형 공진기부(100)의 하부 측으로 돌출된 지지 돌기부(120)를 기판부(200)에 위치된 정렬홈부(200a) 내에 삽입시켜 반구형 공진기부(100)와 전극(210)사이의 간격을 기설정된 간격으로 일정하게 유지한다.
기판부(200)에는 정렬홈부(200a)가 위치된 정렬용 돌출부(300)가 위치되고, 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법은 정렬용 돌출부(300)에 위치된 정렬홈부(200a)에 지지 돌기부(120)를 결합시켜 반구형 공진기부(100)와 전극(210)사이의 간격을 기설정된 간격으로 일정하게 유지시킬 수 있다.
본 발명은 반구형 공진기부(100)의 지지 돌기부(120)를 기판부(200)에 위치된 정렬홈부(200a)에 삽입하여 기판부(200) 상의 전극(210)과 반구형 공진기부(100)의 간격을 기설정된 간격으로 별도의 치구 없이 용이하게 정렬할 수 있어 자이로스코프 제작 시 편의성을 크게 증대시키고, 반구형 공진기부(100)의 위치를 정렬하기 위한 별도의 치구를 제작할 필요가 없어 자이로스코프 제작 시 소요되는 비용을 크게 절감하고 제작 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
본 발명은 기판부(200)의 전극(210)과 기판부(200) 상의 정렬용 돌출부(300)를 분리하여 구성함으로써 정렬용 돌출부(300)의 높이와 전극(210)의 높이를 독립적으로 최적화할 수 있어 원하지 않는 진동모드의 품질인자를 감소시킴과 동시에 전극(210)의 높이를 최적화하여 공진기 측정 신호 오차를 줄일 수 있다.
본 발명은 정렬용 돌출부(300)의 높이를 조절하여 자이로스코프의 설계 시 원하는 특성을 가지도록 정렬용 돌출부(300)의 높이와 전극(210)의 높이를 동시에 최적화하여 자이로스코프의 특성을 용이하게 설계 변경할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.
100 : 반구형 공진기부 110 : 공진기 몸체
120 : 지지 돌기부 200 : 기판부
200a : 정렬홈부 210 : 전극
220 : 돌출 높이 조절용 삽입부 300 : 정렬용 돌출부
310 : 중공부 320 : 제1나사부
400 : 돌출 높이 조절부 410 : 승하강 안내용 돌기부
420 : 승하강 작동부 421 : 링기어부재
421a : 제2나사부 422 : 제1작동 기어부재
423 : 회전부 423a : 제2작동 기어부재
430 : 돌출 높이 고정부

Claims (18)

  1. 진동형 자이로스코프에 포함되어 가진되고, 하부의 중앙에 지지 돌기부가 돌출된 반구형 공진기부;
    상면에 상기 반구형 공진기부와 이격되는 전극이 위치되는 기판부를 포함하고,
    상기 기판부에는 상기 지지 돌기부가 삽입되는 정렬홈부가 위치되고,
    상기 반구형 공진기부는 상기 지지 돌기부가 상기 정렬홈부에 삽입되는 깊이에 따라 상기 전극과의 간격이 조절되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판부의 상면에는 상기 정렬홈부가 위치되는 정렬용 돌출부가 돌출되게 위치되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 정렬용 돌출부는 상기 기판부의 상면에 위치되는 상기 전극과 분리되어 위치되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 전극은 상기 기판부의 상면에서 상기 정렬용 돌출부가 돌출된 부분을 제외한 평면에 위치되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 정렬홈부는 상기 기판부의 상면을 기준으로 한 상기 정렬용 돌출부의 높이와 동일한 깊이로 형성되어 바닥면이 상기 기판부의 상면 높이와 일치되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 정렬용 돌출부는 원통형상, 콘형상, 반구형상 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 정렬용 돌출부는 상기 기판부에 높이 조절 가능하게 위치되며,
    상기 정렬용 돌출부의 높이를 조절하는 돌출 높이 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 정렬용 돌출부는 길이 방향으로 상기 정렬홈부를 형성하는 중공부가 관통되어 위치되고,
    상기 기판부에는 상기 정렬용 돌출부가 상, 하 이동 가능하게 위치되는 돌출 높이 조절용 삽입부가 위치되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 돌출 높이 조절부는,
    상기 돌출 높이 조절용 삽입부의 바닥에 돌출되고, 상기 중공부 내로 삽입되어 상기 정렬용 돌출부의 상, 하 이동을 안내하는 승하강 안내용 돌기부; 및
    상기 승하강 안내용 돌기부를 상, 하 이동시키는 승하강 작동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 승하강 안내용 돌기부는 상면이 상기 기판부의 상면과 일치되는 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 승하강 작동부는,
    상기 정렬용 돌출부가 관통되어 나사 결합되는 링기어부재;
    상기 링기어부재에 맞물려 회전되는 제1작동 기어부재; 및
    상기 제1작동 기어부재를 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 회전부는 상기 제1작동 기어부재와 맞물려 회전되는 제2작동 기어부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2작동 기어부재는 일부가 상기 기판부의 측면으로 노출되게 구비되거나 기어축이 상기 기판부의 상면 또는 하면으로 노출되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 기어축은 상기 기판부의 상면으로 노출된 부분에 회전 시 사용할 수 있는 공구가 삽입되는 공구홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 돌출 높이 조절부는,
    높이 조절된 상기 정렬용 돌출부의 위치를 잠금하고, 잠금해제하여 상기 정렬용 돌출부를 다시 상, 하 이동 가능하게 하는 돌출 높이 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 구조체.
  16. 진동형 자이로스코프의 제작 시 제작된 반구형 공진기부를 전극이 제작된 기판부 상에 장착시켜 고정하기 전에 반구형 공진기부와 전극사이의 간격을 기설정된 간격으로 일정하게 유지하기 위한 정렬 방법이며,
    상기 반구형 공진기부를 상기 기판부에 장착시켜 고정하기 전에 상기 반구형 공진기부의 하부 측으로 돌출된 지지 돌기부를 상기 기판부에 위치된 정렬홈부 내에 삽입시켜 상기 반구형 공진기부와 상기 전극 사이의 간격을 기설정된 간격으로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 기판부에는 상기 정렬홈부가 위치된 정렬용 돌출부가 위치되고,
    상기 정렬용 돌출부에 위치된 상기 정렬홈부에 상기 지지 돌기부를 결합시켜 상기 반구형 공진기부와 상기 전극 사이의 간격을 기설정된 간격으로 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 정렬용 돌출부는 상기 기판부의 상면에 위치되는 상기 전극과 분리되어 위치되는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 공진기 전극 정렬 방법.
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