WO2015167066A1 - 링 스프링을 가지는 3축 마이크로 자이로스코프 - Google Patents

링 스프링을 가지는 3축 마이크로 자이로스코프 Download PDF

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WO2015167066A1
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axis direction
axis
main spring
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PCT/KR2014/004693
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김성욱
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주식회사 티엘아이
김성욱
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    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
    • G—PHYSICS
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    • G01C19/5783—Mountings or housings not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Definitions

  • the present invention relates to a micro gyroscope, and more particularly, to a three-axis micro gyroscope for detecting rotational movement about three spatial axes perpendicular to each other.
  • a gyroscope is a device that detects rotational movement about a specific axis by detecting a Coriolis force generated when an angular velocity due to external force acts on a mass body vibrated at a predetermined movement speed.
  • the turning force is proportional to the product of the angular velocity caused by the external force and the moving velocity of the mass. Therefore, the angular velocity can be obtained from the measured turning force and the speed of movement of the known mass.
  • Gyroscopes are mounted in electronic devices, such as a video camera, a virtual reality device, and a car navigation system, for example, and are utilized as sensors, such as a hand shake detection, a motion detection, and a direction detection, respectively.
  • the gyroscope needs to be downsized for convenience of use. Accordingly, micro gyroscopes based on MEMS technology are widely used.
  • micro gyroscopes are used to measure rotational movement about an axis.
  • One aspect of the present invention for achieving the above object relates to a three-axis micro gyroscope for measuring the rotational movement about the x-axis, y-axis and z-axis perpendicular to each other passing through the virtual reference point.
  • Three-axis micro gyroscope of the present invention is disposed in the form of a closed curve containing the reference point on the x-y plane, the main spring portion having an elastic;
  • a driving part configured to contract and expand the main spring part complementarily with respect to the x-axis direction and the y-axis direction;
  • An x mass portion coupled to the main spring portion, the x mass portion being movable in the y-axis direction as the main spring portion contracts and expands, and capable of vibrating in the z-axis direction;
  • a z mass portion comprising x vibration mass means and y vibration mass means, wherein the x vibration mass means moves in the y-axis direction according to the contraction and expansion of the main spring portion, and vibrates in the x-axis direction.
  • the y vibration mass means comprises: the z mass portion moving in the x-axis direction as the main spring portion contracts and expands, and capable of vibrating in the y-axis direction; And a sensing unit for detecting vibration shaking of the x mass unit, the y mass unit, and the z mass unit.
  • the three-axis micro gyroscope of the present invention having the above structure, it is possible to effectively measure the rotational movement of all three axes of x, y, and z.
  • FIG. 1 is a view showing a three-axis micro gyroscope according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a form of contraction and expansion of the main spring part of FIG. 1.
  • 3A and 3B are diagrams for explaining the operation of the x mass part and the y mass part of FIG. 1, respectively.
  • FIG. 4 is a view for explaining the operation of the z mass part in FIG.
  • FIG. 5 is a view for explaining an arrangement of the anchor unit of FIG. 1.
  • FIG. 1 is a view showing a three-axis micro gyroscope according to an embodiment of the present invention.
  • the three-axis micro gyroscope of the present invention is for measuring rotational movement about the x-axis, y-axis and z-axis.
  • the x-axis, y-axis and z-axis are disposed perpendicular to each other passing through the virtual reference point (PREF)
  • the three-axis micro gyroscope of the present invention the main spring portion (GRG), driving portion (GDR), x mass portion (GXM), y mass portion (GYM), z mass portion (GZM) and sensing It has a part GDE.
  • the main spring portion GRG is elastic and is disposed in the form of a closed curve containing the reference point PREF on the x-y plane.
  • the driving portion GDR contracts and expands the main spring portion GRG complementarily with respect to the x-axis direction and the y-axis direction, as shown in FIG. 2.
  • the main spring portion GRG when the main spring portion GRG is contracted in the x-axis direction, it extends in the y-axis direction.
  • the main spring portion GRG when the main spring portion GRG is contracted in the y-axis direction, it extends in the x-axis direction.
  • the main spring portion GRG is disposed in the form of an ellipse containing the reference point PREF. And, more preferably, the main spring portion GRG is disposed in the form of a circle centered on the reference point PREF.
  • the main spring portion GRG includes an outer ring spring ETRG and an inner ring spring INRG.
  • the outer ring spring ETRG is contracted and expanded complementarily with respect to the x-axis direction and the y-axis direction by the driving part GDR.
  • the inner ring spring INRG is included in the outer ring spring ETRG and includes the reference point PREF. At this time, the inner ring spring INRG is coupled to the outer ring spring ETRG. Accordingly, the inner ring spring INRG also contracts and expands complementarily with respect to the x-axis direction and the y-axis direction, similarly to the outer ring spring ETRG.
  • the driving unit GDR includes x driving means MXD and y driving means MYD.
  • the x driving means MXD exerts a force in the x-axis direction on the outer ring spring ETRG
  • the y driving means MYD exerts a force in the y-axis direction on the outer ring spring ETRG.
  • the inner ring spring INRG and the outer ring spring ETRG are contracted and expanded complementarily with respect to the x axis direction and the y axis direction.
  • the x driving means MXD is disposed on the x axis of the outside of the outer ring spring ETRG, and is disposed on the opposite side with respect to the reference point PREF. And a second x driver XDR2.
  • the y driving means MYD is disposed on the y axis of the outer side of the outer ring spring ETRG, and is disposed opposite to each other with respect to the reference point PREF.
  • y driver YDR2 is provided.
  • the force can be applied to the outer ring spring ETRG on the left and right of the x axis and on the top and bottom of the y axis.
  • the x mass portion GXM is coupled to the main spring portion GRG.
  • the x mass part GXM moves in the y-axis direction as the main spring part GRG contracts and expands.
  • the x mass part GXM may vibrate in the z-axis direction.
  • the x mass part GXM includes a first x external mass XMAE1 and a second x external mass XMAE2.
  • the first x outer mass XMAE1 and the second x outer mass XMAE2 are disposed on the y axis between the outer ring spring ETRG and the inner ring spring INRG.
  • the first x external mass XMAE1 and the second x external mass XMAE2 are disposed opposite to each other with respect to the reference point PREF.
  • the first x external mass XMAE1 and the second x external mass XMAE2 move in the y-axis direction as the main spring portion GRG contracts and expands.
  • the first x external mass XMAE1 and the second x external mass XMAE2 may vibrate in the z-axis direction.
  • the first x external mass XMAE1 and the second x external mass XMAE2 do not generate meaningful movements in the x-axis direction.
  • the first x external mass XMAE1 and the second x external mass XMAE2 are in the z-axis direction, that is, above and below the xy plane. Vibration shakes in the direction.
  • the y mass part GYM is coupled to the main spring part GRG.
  • the y mass part GYM moves in the x-axis direction as the main spring part GRG contracts and expands.
  • the y mass part GYM may vibrate in the z-axis direction.
  • the y mass part GYM includes a first y external mass YMAE1 and a second y external mass YMAE2.
  • the first y outer mass YMAE1 and the second y outer mass YMAE2 are disposed on the x axis between the outer ring spring ETRG and the inner ring spring INRG.
  • the first y external mass YMAE1 and the second y external mass YMAE2 are disposed opposite to each other with respect to the reference point PREF.
  • the first y external mass YMAE1 and the second y external mass YMAE2 move in the x-axis direction as the main spring portion GRG contracts and expands.
  • the first y external mass YMAE1 and the second y external mass YMAE2 may vibrate in the z-axis direction.
  • the first y external mass YMAE1 and the second y external mass YMAE2 do not generate significant movement in the y-axis direction.
  • the first y external mass XMAE1 and the second y external mass XMAE2 are in the z-axis direction, that is, above and below the xy plane. Vibration shakes in the direction.
  • the z mass portion GZM specifically includes x vibration mass means MXM and y vibration mass means MYM.
  • the x vibration mass means MXM moves in the y-axis direction as the main spring portion GRG contracts and expands, and vibration oscillation is possible in the x-axis direction.
  • the y vibration mass means MYM moves in the x-axis direction according to the contraction and expansion of the main spring portion GRG, and vibrates in the y-axis direction.
  • the x vibration mass means MXM includes a first x internal mass XMAN1 and a second x internal mass XMAN2.
  • the first x inner mass XMAN1 and the second x inner mass XMAN2 are disposed on the y axis inside the inner ring spring INRG, and are disposed opposite to each other with respect to the reference point PREF. .
  • the first x internal mass XMAN1 and the second x internal mass XMAN2 move in the y-axis direction as the main spring portion GRG contracts and expands.
  • the first x internal mass XMAN1 and the second x internal mass XMAN2 may vibrate in the x-axis direction.
  • the first x internal mass XMAN1 and the second x internal mass XMAN2 are in the x-axis direction (right and left in FIG. 4).
  • Direction vibration shakes occur.
  • vibration shaking in the x-axis direction of the first x internal mass XMAN1 and the second x internal mass XMAN2 is indicated by an arrow ⁇ .
  • the y vibration mass means MYY specifically includes a first y internal mass YMAN1 and a second y internal mass YMAN2.
  • the first y inner mass YMAN1 and the second y inner mass YMAN2 are disposed on the x axis inside the inner ring spring INRG.
  • the first y internal mass YMAN1 and the second y internal mass YMAN2 are disposed opposite to each other with respect to the reference point PREF.
  • the first y internal mass YMAN1 and the second y internal mass YMAN2 move in the x-axis direction as the main spring portion GRG contracts and expands, and vibrates in the y-axis direction. Shaking is possible.
  • the first y internal mass YMAN1 and the second y internal mass YMAN2 are in the y-axis direction (up and down directions in FIG. 4). Vibration oscillation occurs.
  • vibration shaking in the y-axis direction of the first y internal mass YMAN1 and the second y internal mass YMAN2 is indicated by an arrow ⁇ .
  • the detector GDE detects vibration shaking of the x mass part GXM, the y mass part GYM, and the z mass part GZM.
  • the sensing unit GDE includes a first x external mass XMAE1, a second x external mass XMAE2, a first y external mass YMAE1, a second y external mass YMAE2, and a first x internal mass XMAN1. ), A second x internal mass XMAN2, a first y internal mass YMAN1, and sensor elements 101 to 108 capable of sensing a displacement of the second y internal mass YMAN2.
  • the sensor elements 101 to 108 may be implemented in various forms such as plate electrodes and comb electrodes. At this time, it is apparent to those skilled in the art that some of the electrodes of the sensor elements 101 to 108 may be attached to a substrate, and the rest may be disposed on a mass. Therefore, in this specification, a detailed description thereof is omitted.
  • the triaxial micro gyroscope of the present invention according to a preferred embodiment further includes a substrate SUB and an anchor portion GAK.
  • the main spring portion GRG, the x mass portion GXM, the y mass portion GYM and the z mass portion GZM are disposed on the substrate SUB.
  • the anchor part GAK is fixed to the substrate SUB and includes first to fourth anchors AK1 to AK4 to which portions of the main spring part GRG are connected.
  • each of the first to fourth anchors AK1 to AK4 is disposed on the first to fourth symmetry lines LC1 to LC4, as shown in FIG. 5.
  • each of the first to fourth symmetry lines LC1 to LC4 is an imaginary straight line passing through the reference point and bisecting the first to fourth quadrants of the xy plane divided by the x-axis and the y-axis. .
  • the first to fourth symmetry lines LC1 to LC4 are straight lines of 45 ° with respect to the x and y axes on the first to fourth quadrants of the x-y plane, respectively.
  • the first to fourth anchors AK1 to AK4 are connected to the main spring parts GRG, specifically, the stable points PST1 to PST4 (see FIG. 2) of the outer ring spring ETRG.
  • the stable points PST1 to PST4 are points at which the displacement is minimized when the main spring portion GRG, specifically, the outer ring spring ETRG contracts and expands.
  • the stable points PST1 to PST4 of the outer ring spring ETRG are the x-axis and the y-axis from the reference point PREF. It will be located at 45 ° to.
  • the main spring portion GRG is driven in both the x-axis direction and the y-axis direction. Accordingly, the main spring portion GRG may be driven with a large driving force.
  • a driving force acts on the main spring GRG in directions perpendicular to the x and y axes.
  • the main spring GRG moves symmetrically with respect to the reference point PREF. Accordingly, according to the present invention, the accuracy of the rotational angular velocity measurement with respect to the x-axis and the y-axis is improved.
  • the z-mass portion GZM for detecting the rotational movement around the z-axis includes a first x internal mass XMAN1, a second x internal mass XMAN2, and a first y inner mass YMAN1 and second y inner mass YMAN2. Accordingly, according to the three-axis micro gyroscope of the present invention, the effect of widening the gyro band for rotational movement in the z-axis is generated.
  • the present invention is applicable to the field of micro gyroscopes.

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Abstract

링 스프링을 가지는 3축 마이크로 자이로스코프가 게시된다. 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프는 x-y 평면상에 상기 기준점을 내포하는 폐곡선의 형태로 배치되며, 탄성을 지니는 메인 스프링부; 상기 메인 스프링부를 상기 x축 방향과 상기 y축 방향에 대하여 서로 상보적으로 수축 및 확장시키는 드라이빙부; 상기 메인 스프링부에 커플링되는 x 질량부로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직이되, 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 x 질량부; 상기 메인 스프링부에 커플링되는 y 질량부로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이되, 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 y 질량부; x 진동 질량수단 및 y 진동 질량수단을 포함하는 z 질량부로서, 상기 x 진동 질량수단은 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직이되, 상기 x축 방향으로 진동 흔들림이 가능하며, 상기 y 진동 질량수단은 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이되, 상기 y축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 z 질량부; 및 상기 x 질량부, 상기 y 질량부 및 상기 z 질량부의 진동 흔들림을 감지하는 감지부를 구비한다. 상기와 같은 구조의 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프에 의하면, x, y,z의 3축 모두에 대한 회전 움직임의 효과적인 측정이 가능하게 된다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 29.05.2014]　링 스프링을 가지는 3축 마이크로 자이로스코프
본 발명은 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로서, 특히, 서로 수직한 세 공간축에 대한 회전 움직임을 감지하는 3축 마이크로 자이로스코프에 관한 것이다.
자이로스코프는 소정의 이동 속도로 진동되는 질량체(mass body) 상에 외력으로 인한 각속도가 작용할 때 발생되는 전향력(Coriolis force)을 감지함으로써, 특정한 축에 대한 회전 움직임을 감지하는 장치이다.
이때, 전향력은 외력에 의해 야기된 각속도와 질량체의 이동 속도의 외적(vector product)에 비례한다. 그러므로, 각속도는 측정된 전향력과 알려진 질량체의 이동 속도로부터 구해질 수 있다.
자이로스코프는, 예를 들어 비디오 카메라, 가상 현실 장치, 카 내비게이션 시스템 등의 전자 기기에 탑재되어, 각각 손 떨림 검지, 동작 검지, 방향 검지 등의 센서로서 활용되고 있다. 이 경우, 자이로스코프는 사용상의 편의 등을 위하여 소형화가 요구된다. 이에 따라, MEMS 기술을 기반으로 한 마이크로 자이로스코프가 널리 이용된다.
한편, x-y-z 좌표 시스템에서, 마이크로 자이로스코프는 축에 대한 회전 움직임을 측정하기 위해 사용된다. 이때, 3개의 축 각각의 회전을 측정하기 위해 3개의 마이크로 자이로스코프가 배치하는 방법이 있으나, 이는 비용 및 크기의 증가를 유발한다.
본 발명의 목적은 효과적으로 3개의 축 모두에 대한 회전 움직임을 측정할 수 있는 3축 마이크로 자이로스코프를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 가상의 기준점을 지나며, 서로 수직하게 배치된 x축, y축 및 z축에 대한 회전 움직임을 측정하기 위한 3축 마이크로 자이로스코프에 관한 것이다. 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프는 x-y 평면상에 상기 기준점을 내포하는 폐곡선의 형태로 배치되며, 탄성을 지니는 메인 스프링부; 상기 메인 스프링부를 상기 x축 방향과 상기 y축 방향에 대하여 서로 상보적으로 수축 및 확장시키는 드라이빙부; 상기 메인 스프링부에 커플링되는 x 질량부로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직이되, 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 x 질량부; 상기 메인 스프링부에 커플링되는 y 질량부로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이되, 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 y 질량부; x 진동 질량수단 및 y 진동 질량수단을 포함하는 z 질량부로서, 상기 x 진동 질량수단은 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직이되, 상기 x축 방향으로 진동 흔들림이 가능하며, 상기 y 진동 질량수단은 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이되, 상기 y축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 z 질량부; 및 상기 x 질량부, 상기 y 질량부 및 상기 z 질량부의 진동 흔들림을 감지하는 감지부를 구비한다.
상기와 같은 구조의 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프에 의하면, x, y,z의 3축 모두에 대한 회전 움직임의 효과적인 측정이 가능하게 된다.
본 발명에서 사용되는 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3축 마이크로 자이로스코프를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 메인 스프링부의 수축 및 확장의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1의 x 질량부 및 y 질량부의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 z 질량부의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의 앵커부의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 그리고, 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의해야 한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되어 지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어 지는 것이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3축 마이크로 자이로스코프를 나타내는 도면이다. 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프는 x축, y축 및 z축에 대한 회전 움직임을 측정하기 위한 것이다. 이때, 상기 x축, y축 및 z축은 가상의 기준점(PREF)을 지나며, 서로 수직하게 배치된다
도 1을 참조하면, 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프는 메인 스프링부(GRG), 드라이빙부(GDR), x 질량부(GXM), y 질량부(GYM), z 질량부(GZM) 및 감지부(GDE)를 구비한다.
상기 메인 스프링부(GRG)는 탄성을 지니며, x-y 평면상에 상기 기준점(PREF)을 내포하는 폐곡선의 형태로 배치된다.
그리고, 상기 드라이빙부(GDR)는, 상기 메인 스프링부(GRG)를, 도 2에 도시되는 바와 같이, 상기 x축 방향과 상기 y축 방향에 대하여 서로 상보적으로 수축 및 확장된다. 다시 기술하자면, 상기 메인 스프링부(GRG)는 x축 방향으로 수축될 때, y축 방향으로는 확장된다. 유사하게 상기 메인 스프링부(GRG)가 y축 방향으로 수축될 때는, x축 방향으로는 확장된다.
바람직하기로는, 상기 메인 스프링부(GRG)는 상기 기준점(PREF)을 내포하는 타원의 형태로 배치된다. 그리고, 더욱 바람직하기는, 상기 메인 스프링부(GRG)는 상기 기준점(PREF)을 중심으로 하는 원의 형태로 배치된다.
상기 메인 스프링부(GRG)는, 구체적으로, 외부 링스프링(ETRG) 및 내부 링스프링(INRG)을 구비한다.
상기 외부 링스프링(ETRG)은 상기 드라이빙부(GDR)에 의하여 상기 x축 방향과 상기 y축 방향에 대하여 서로 상보적으로 수축 및 확장된다.
상기 내부 링스프링(INRG)은 상기 외부 링스프링(ETRG)에 내포되며, 상기 기준점(PREF)을 내포한다. 이때, 상기 내부 링스프링(INRG)은 상기 외부 링스프링(ETRG)에 커플링된다. 이에 따라, 상기 내부 링스프링(INRG)도, 상기 외부 링스프링(ETRG)과 마찬가지로, 상기 x축 방향과 상기 y축 방향에 대하여 서로 상보적으로 수축 및 확장된다.
상기 드라이빙부(GDR)는 구체적으로 x 드라이빙 수단(MXD) 및 y 드라이빙 수단(MYD)을 구비한다.
상기 x 드라이빙 수단(MXD)은 상기 외부 링스프링(ETRG)에 상기 x축 방향으로 힘을 작용하며, 상기 y 드라이빙 수단(MYD)은 상기 외부 링스프링(ETRG)에 상기 y축 방향으로 힘을 작용한다. 이때, 상기 내부 링스프링(INRG)과 상기 외부 링스프링(ETRG)은 상기 x축 방향과 상기 y축 방향에 대하여 서로 상보적으로 수축 및 확장된다.
더욱 구체적으로, 상기 x 드라이빙 수단(MXD)은 상기 외부 링스프링(ETRG)의 외부의 상기 x축 상에 배치되되, 상기 기준점(PREF)에 대하여 서로 반대편에 배치되는 제1 x 드라이버(XDR1) 및 제2 x 드라이버(XDR2)를 구비한다.
그리고, 상기 y 드라이빙 수단(MYD)은 상기 외부 링스프링(ETRG)의 외부의 상기 y축 상에 배치되되, 상기 기준점(PREF)에 대하여 서로 반대편에 배치되는 제1 y 드라이버(YDR1) 및 제2 y 드라이버(YDR2)를 구비한다.
이에 따라, 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프에서는, 상기 외부 링스프링(ETRG)에 대하여 x축의 좌우 및 y축의 상하에서 힘의 작용이 가능하다.
상기 x 질량부(GXM)는 상기 메인 스프링부(GRG)에 커플링된다. 그리고, 상기 x 질량부(GXM)는 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직인다. 그리고, 상기 x 질량부(GXM)는 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능하다.
상기 x 질량부(GXM)는 구체적으로 제1 x 외부 질량체(XMAE1) 및 제2 x 외부 질량체(XMAE2)를 구비한다. 상기 제1 x 외부 질량체(XMAE1)와 상기 제2 x 외부 질량체(XMAE2)는 상기 외부 링스프링(ETRG)과 상기 내부 링스프링(INRG) 사이에 상기 y축 상에 배치된다. 이때, 상기 제1 x 외부 질량체(XMAE1)와 상기 제2 x 외부 질량체(XMAE2)는 상기 기준점(PREF)에 대하여 서로 반대편에 배치된다.
그리고, 상기 제1 x 외부 질량체(XMAE1)와 상기 제2 x 외부 질량체(XMAE2)는 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직인다. 그리고, 상기 제1 x 외부 질량체(XMAE1)와 상기 제2 x 외부 질량체(XMAE2)는 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능하다. 하지만, 상기 제1 x 외부 질량체(XMAE1)와 상기 제2 x 외부 질량체(XMAE2)는 x축 방향에 대해서는 의미있는 이동을 발생하지 않는다.
이에 따라, 도 3a에서와 같이, x축에 대하여 회전 움직임이 발생되는 경우, 상기 제1 x 외부 질량체(XMAE1)와 상기 제2 x 외부 질량체(XMAE2)는 z축 방향으로 즉, x-y 평면의 상하의 방향으로 진동 흔들림이 발생된다.
이때, 상기 제1 x 외부 질량체(XMAE1)와 상기 제2 x 외부 질량체(XMAE2)의 진동 흔들림의 위상 및 크기와 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축/확장의 위상 및 크기의 비교를 통하여, y축에 대하여 회전 움직임의 방향이 파악될 수 있음은 당업자에게는 자명하다.
계속 도 1을 참조하면, 상기 y 질량부(GYM)는 상기 메인 스프링부(GRG)에 커플링된다. 상기 y 질량부(GYM)는 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직인다. 그리고, 상기 y 질량부(GYM)는 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능하다.
상기 y 질량부(GYM)는 구체적으로 제1 y 외부 질량체(YMAE1) 및 제2 y 외부 질량체(YMAE2)를 구비한다. 상기 제1 y 외부 질량체(YMAE1)와 상기 제2 y 외부 질량체(YMAE2)는 상기 외부 링스프링(ETRG)과 상기 내부 링스프링(INRG) 사이에 상기 x축 상에 배치된다. 이때, 상기 제1 y 외부 질량체(YMAE1)와 상기 제2 y 외부 질량체(YMAE2)는 상기 기준점(PREF)에 대하여 서로 반대편에 배치된다.
그리고, 상기 제1 y 외부 질량체(YMAE1)와 상기 제2 y 외부 질량체(YMAE2)는 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직인다. 그리고, 상기 제1 y 외부 질량체(YMAE1)와 상기 제2 y 외부 질량체(YMAE2)는 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능하다. 그리고, 상기 제1 y 외부 질량체(YMAE1)와 상기 제2 y 외부 질량체(YMAE2)는 y축 방향에 대해서는 의미있는 이동을 발생하지 않는다.
이에 따라, 도 3b에서와 같이, y축에 대하여 회전 움직임이 발생되는 경우, 상기 제1 y 외부 질량체(XMAE1)와 상기 제2 y 외부 질량체(XMAE2)는 z축 방향으로 즉, x-y 평면의 상하의 방향으로 진동 흔들림이 발생된다.
이때, 상기 제1 y 외부 질량체(YMAE1)와 상기 제2 y 외부 질량체(YMAE2)의 진동 흔들림의 위상 및 크기와 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축/확장의 위상 및 크기의 비교를 통하여, x축에 대하여 회전 움직임의 방향이 파악될 수 있음은 당업자에게는 자명하다.
계속 도 1을 참조하면, 상기 z 질량부(GZM)는 구체적으로 x 진동 질량수단(MXM) 및 y 진동 질량수단(MYM)을 포함한다.
이때, 상기 x 진동 질량수단(MXM)은 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직이며, 상기 x축 방향으로 진동 흔들림이 가능하다. 그리고, 상기 y 진동 질량수단(MYM)은 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이며, 상기 y축 방향으로 진동 흔들림이 가능하다.
상기 x 진동 질량수단(MXM)은 구체적으로 제1 x 내부 질량체(XMAN1) 및 제2 x 내부 질량체(XMAN2)를 구비한다. 상기 제1 x 내부 질량체(XMAN1)와 상기 제2 x 내부 질량체(XMAN2)는 상기 내부 링스프링(INRG)의 내부의 상기 y축 상에 배치되되, 상기 기준점(PREF)에 대하여 서로 반대편에 배치된다.
그리고, 상기 제1 x 내부 질량체(XMAN1)와 상기 제2 x 내부 질량체(XMAN2)는 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직인다. 그리고, 상기 제1 x 내부 질량체(XMAN1)와 상기 제2 x 내부 질량체(XMAN2)는 상기 x축 방향으로 진동 흔들림이 가능하다.
이에 따라, 도 4에서와 같이, z축에 대하여 회전 움직임이 발생되는 경우, 상기 제1 x 내부 질량체(XMAN1)와 상기 제2 x 내부 질량체(XMAN2)는 x축 방향으로(도 4에서는 좌우의 방향으로) 진동 흔들림이 발생된다. 도 4에서, 상기 제1 x 내부 질량체(XMAN1)와 상기 제2 x 내부 질량체(XMAN2)의 x축 방향의 진동 흔들림이 화살표(↔)로 표시된다.
그리고, 상기 y 진동 질량수단(MYM)은 구체적으로 제1 y 내부 질량체(YMAN1) 및 제2 y 내부 질량체(YMAN2)를 구비한다. 상기 제1 y 내부 질량체(YMAN1)와 상기 제2 y 내부 질량체(YMAN2)는 상기 내부 링스프링(INRG)의 내부의 상기 x축 상에 배치된다. 이때, 상기 제1 y 내부 질량체(YMAN1)와 상기 제2 y 내부 질량체(YMAN2)는 상기 기준점(PREF)에 대하여 서로 반대편에 배치된다.
그리고, 상기 제1 y 내부 질량체(YMAN1)와 상기 제2 y 내부 질량체(YMAN2)는 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이되, 상기 y축 방향으로 진동 흔들림이 가능하다.
이에 따라, 도 4에서와 같이, z축에 대하여 회전 움직임이 발생되는 경우, 상기 제1 y 내부 질량체(YMAN1)와 상기 제2 y 내부 질량체(YMAN2)는 y축 방향으로(도 4에서는 상하의 방향으로) 진동 흔들림이 발생된다. 도 4에서, 상기 제1 y 내부 질량체(YMAN1)와 상기 제2 y 내부 질량체(YMAN2)의 y축 방향의 진동 흔들림이 화살표(↔)로 표시된다.
이때, 상기 제1 x 내부 질량체(XMAN1), 상기 제2 x 내부 질량체(XMAN2), 상기 제1 y 내부 질량체(YMAN1) 및 상기 제2 y 내부 질량체(YMAN2)의 진동 흔들림의 위상 및 크기와 상기 메인 스프링부(GRG)의 수축/확장의 위상 및 크기의 비교를 통하여, z축에 대하여 회전 움직임의 방향이 파악될 수 있음은 당업자에게는 자명하다.
계속 도 1을 참조하면, 상기 감지부(GDE)는 상기 x 질량부(GXM), 상기 y 질량부(GYM) 및 상기 z 질량부(GZM)의 진동 흔들림을 감지한다.
상기 감지부(GDE)는 제1 x 외부 질량체(XMAE1), 제2 x 외부 질량체(XMAE2), 제1 y 외부 질량체(YMAE1), 제2 y 외부 질량체(YMAE2), 제1 x 내부 질량체(XMAN1), 제2 x 내부 질량체(XMAN2), 제1 y 내부 질량체(YMAN1) 및 상기 제2 y 내부 질량체(YMAN2)의 변위를 감지할 수 있는 센서 소자들(101~108)을 구비한다.
이러한 상기 센서 소자들(101~108)은 평판 전극(plate electrodes), 빗살 전극(comb electrodes) 등의 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이때, 상기 센서 소자들(101~108)의 전극들의 일부는 기판에 부착되고, 나머지는 질량체에 배치되는 방법으로 구현될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 그러므로, 본 명세서에서는, 이에 대한 구체적인 기술은 생략된다.
계속 도 1을 참조하면, 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프는 기판(SUB) 및 앵커부(GAK)를 더 구비한다.
상기 기판(SUB)에는, 상기 메인 스프링부(GRG), 상기 x 질량부(GXM), 상기 y 질량부(GYM) 및 상기 z 질량부(GZM)가 배치된다.
그리고, 상기 앵커부(GAK)는 상기 기판(SUB)에 대하여 고정되고, 상기 메인 스프링부(GRG)의 일부분들이 연결되는 제1 내지 제4 앵커(AK1 내지 AK4)를 포함한다.
이때, 상기 제1 내지 제4 앵커(AK1 내지 AK4) 각각은, 도 5에 도시되는 바와 같이, 제1 내지 제4 대칭선(LC1 내지 LC4) 상에 배치된다. 여기서, 상기 제1 내지 제4 대칭선(LC1 내지 LC4) 각각은 상기 기준점을 지나고, 상기 x축 및 상기 y축에 의하여 분할되는 상기 x-y 평면의 제1 내지 제4 사분면을 양분하는 가상의 직선이다.
바람직하기로는, 상기 제1 내지 제4 대칭선(LC1 내지 LC4)은 각각 상기 x-y 평면의 제1 내지 제4 사분면 상에서 상기 x축 및 상기 y축에 대하여 45°의 직선이다. 그리고, 상기 제1 내지 제4 앵커(AK1 내지 AK4)는 상기 메인 스프링부(GRG), 구체적으로는, 외부 링스프링(ETRG)의 안정점들(PST1 내지 PST4, 도 2 참조)과 연결된다.
여기서, 상기 안정점들(PST1 내지 PST4)은, 상기 메인 스프링부(GRG), 구체적으로는, 외부 링스프링(ETRG)이 수축 및 확장할 때, 그 변위가 최소화되는 일지점이다.
이상적으로는, 상기 외부 링스프링(ETRG)이 원형의 형태로 구현되는 경우, 상기 외부 링스프링(ETRG)의 안정점들(PST1 내지 PST4)은 상기 기준점(PREF)으로부터 상기 x축 및 상기 y축에 대하여 45°에 위치하게 될 것이다.
상기와 같은 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프에 의하면 x, y,z의 3축 모두에 대한 회전 움직임의 효과적인 측정이 가능하게 된다.
즉, 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프에서는, 메인 스프링부(GRG)가 x축 방향 및 y축 방향 모두로 구동된다. 이에 따라, 상기 메인 스프링부(GRG)는 큰 구동력으로 구동될 수 있다.
또한, 상기 메인 스프링(GRG)에는 직교하는 x축 및 y축 방향으로 구동력이 작용한다. 그리고, 상기 메인 스프링(GRG)은 상기 기준점(PREF)에 대하여 대칭적으로 움직인다. 이에 따라, 본 발명에 의하면, x축 및 y축에 대한 회전 각속도 측정의 정밀도가 향상된다.
그리고, 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프에서는, 상기 앵커들(AK1 내지 AK4)과 연결되는 외부 링스프링(ETRG)의 안정점들(PST1 내지 PST4)의 변위가 최소화된다. 이에 따라, 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프에 의하면, 에너지 손실이 감소되고, 메인 스프링의 공진 품질 계수(Q-factor)가 크게 개선된다.
또한, 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프에서, z축 중심의 회전 움직임을 감지하기 위한 z 질량부(GZM)는, 제1 x 내부 질량체(XMAN1), 제2 x 내부 질량체(XMAN2), 제1 y 내부 질량체(YMAN1) 및 제2 y 내부 질량체(YMAN2)를 포함한다. 이에 따라, 본 발명의 3축 마이크로 자이로스코프에 의하면, z축 중의 회전 움직임에 대한 자이로 밴드가 넓어지는 효과가 발생된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
예를 본 명세서에서는, 외부 스프링에 앵커들이 연결된 실시예가 도시되고 기술되었다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 외부 스프링이 아니라 내부 스프링에 앵커들이 연결되는 실시예 혹은 내부 스프링 및 외부 스프링 모두에 앵커들이 연결되는 실시예에 의해서도 구현될 수 있음은 당업자에게는 자명하다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은 마이크로 자이로스코프 분야에 이용가능하다.

Claims (12)

  1. 가상의 기준점을 지나며, 서로 수직하게 배치된 x축, y축 및 z축에 대한 회전 움직임을 측정하기 위한 3축 마이크로 자이로스코프에 있어서,
    x-y 평면상에 상기 기준점을 내포하는 폐곡선의 형태로 배치되며, 탄성을 지니는 메인 스프링부;
    상기 메인 스프링부를 상기 x축 방향과 상기 y축 방향에 대하여 서로 상보적으로 수축 및 확장시키는 드라이빙부;
    상기 메인 스프링부에 커플링되는 x 질량부로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직이되, 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 x 질량부;
    상기 메인 스프링부에 커플링되는 y 질량부로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이되, 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 y 질량부;
    x 진동 질량수단 및 y 진동 질량수단을 포함하는 z 질량부로서, 상기 x 진동 질량수단은 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직이되, 상기 x축 방향으로 진동 흔들림이 가능하며, 상기 y 진동 질량수단은 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이되, 상기 y축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 z 질량부; 및
    상기 x 질량부, 상기 y 질량부 및 상기 z 질량부의 진동 흔들림을 감지하는 감지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 메인 스프링부는
    상기 기준점을 내포하는 타원의 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 메인 스프링부는
    상기 기준점을 중심으로 하는 원의 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 메인 스프링부는
    상기 드라이빙부에 의하여 상기 x축 방향과 상기 y축 방향에 대하여 서로 상보적으로 수축 및 확장되는 상기 외부 링스프링; 및
    상기 외부 링스프링에 내포되며, 상기 기준점을 내포하는 내부 링스프링으로서, 상기 외부 링스프링에 커플링되는 상기 내부 링스프링을 구비하는 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 드라이빙부는
    상기 외부 링스프링에 상기 x축 방향으로 힘을 작용하는 x 드라이빙 수단; 및
    상기 외부 링스프링을 상기 y축 방향으로 힘을 작용하는 y 드라이빙 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 x 드라이빙 수단은
    상기 외부 링스프링의 외부의 상기 x축 상에 배치되되, 상기 기준점에 대하여 서로 반대편에 배치되는 제1 x 드라이버 및 제2 x 드라이버를 구비하며,
    상기 y 드라이빙 수단은
    상기 외부 링스프링의 외부의 상기 y축 상에 배치되되, 상기 기준점에 대하여 서로 반대편에 배치되는 제1 y 드라이버 및 제2 y 드라이버를 구비하는 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  7. 제4 항에 있어서, 상기 x 질량부는
    상기 외부 링스프링과 상기 내부 링스프링 사이에 상기 y축 상에 배치되되, 상기 기준점에 대하여 서로 반대편에 배치되는 제1 x 외부 질량체 및 제2 x 외부 질량체로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직이되, 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 제1 x 외부 질량체 및 상기 제2 x 외부 질량체를 구비하는 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  8. 제4 항에 있어서, 상기 y 질량부는
    상기 외부 링스프링과 상기 내부 링스프링 사이에 상기 x축 상에 배치되되, 상기 기준점에 대하여 서로 반대편에 배치되는 제1 y 외부 질량체 및 제2 y 외부 질량체로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이되, 상기 z축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 제1 y 외부 질량체 및 상기 제2 y 외부 질량체를 구비하는 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  9. 제4 항에 있어서, 상기 x 진동 질량수단은
    상기 내부 링스프링의 내부의 상기 y축 상에 배치되되, 상기 기준점에 대하여 서로 반대편에 배치되는 제1 x 내부 질량체 및 제2 x 내부 질량체로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 y축 방향으로 움직이되, 상기 x축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 제1 x 내부 질량체 및 상기 제2 x 내부 질량체를 구비하며,
    상기 y 진동 질량수단은
    상기 내부 링스프링의 내부의 상기 x축 상에 배치되되, 상기 기준점에 대하여 서로 반대편에 배치되는 제1 y 내부 질량체 및 제2 y 내부 질량체로서, 상기 메인 스프링부의 수축 및 확장에 따라 상기 x축 방향으로 움직이되, 상기 y축 방향으로 진동 흔들림이 가능한 상기 제1 y 내부 질량체 및 상기 제2 y 내부 질량체를 구비하는 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 3축 마이크로 자이로스코프는
    상기 메인 스프링부, 상기 x 질량부, 상기 y 질량부 및 상기 z 질량부가 배치되는 기판; 및
    상기 기판에 대하여 고정되고, 상기 메인 스프링부의 일부분들이 연결되며, 제1 내지 제4 대칭선 상에 배치되는 제1 내지 제4 앵커를 포함하는 앵커부를 구비하며,
    상기 제1 내지 제4 대칭선은 각각
    상기 기준점을 지나고, 상기 x축 및 상기 y축에 의하여 분할되는 상기 x-y 평면의 제1 내지 제4 사분면을 양분하는 가상의 직선인 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 대칭선은 각각
    상기 x-y 평면의 제1 내지 제4 사분면 상에서 상기 x축 및 상기 y축에 대하여 45°의 직선인 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 앵커는
    상기 x-y 평면의 제1 내지 제4 사분면 각각의 안정점에 연결되며,
    상기 제1 내지 제4 사분면 각각의 안정점은
    상기 메인 스프링부의 수축 및 확장시에, 변위가 최소화되는 상기 메인 스프링부의 일지점인 것을 특징으로 하는 3축 마이크로 자이로스코프.
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Shi et al. Design and System Level Simulation of Double-Mass Silicon Micro Gyroscope

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