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KR101299731B1 - 각속도 센서 - Google Patents

각속도 센서 Download PDF

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KR101299731B1
KR101299731B1 KR1020120056905A KR20120056905A KR101299731B1 KR 101299731 B1 KR101299731 B1 KR 101299731B1 KR 1020120056905 A KR1020120056905 A KR 1020120056905A KR 20120056905 A KR20120056905 A KR 20120056905A KR 101299731 B1 KR101299731 B1 KR 101299731B1
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KR
South Korea
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frame
axis direction
flexible part
axis
angular velocity
Prior art date
Application number
KR1020120056905A
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English (en)
Inventor
김종운
이정원
신승주
정원규
Original Assignee
삼성전기주식회사
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Publication date
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    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
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Abstract

본 발명은 각속도 센서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 각속도 센서(100)는 질량체(110), 질량체(110)와 이격되도록 질량체(110)의 외측에 구비된 제1 프레임(120), X축 방향으로 질량체(110)와 제1 프레임(120)을 연결하는 제1 가요부(130), Y축 방향으로 질량체(110)와 제1 프레임(120)을 연결하는 제2 가요부(140), 제1 프레임(120)과 이격되도록 제1 프레임(120)의 외측에 구비된 제2 프레임(150), X축 방향으로 제1 프레임(120)과 제2 프레임(150)을 연결하는 제3 가요부(160) 및 Y축 방향으로 제1 프레임(120)과 제2 프레임(150)을 연결하는 제4 가요부(170)를 포함하는 구성이다. 여기서, 제1 가요부(130)는 Y축 방향의 폭(w1)이 Z축 방향의 두께(t1)보다 크고, 제2 가요부(140)는 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 크다. 또한, 제3 가요부(160)는 Z축방향의 두께(t3)가 Y축 방향의 폭(w3)보다 크고, 제4 가요부(170)는 X축 방향의 폭(w4)이 Z축 방향의 두께(t4)보다 크다.

Description

각속도 센서{Angular Velocity Sensor}
본 발명은 각속도 센서에 관한 것이다.
최근, 각속도 센서는 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 각속도 센서는 각속도를 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 각속도 센서는 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출한다.
구체적으로, 각속도 센서를 이용하여 각속도를 측정하는 방식을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 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.
한편, 종래기술에 따른 각속도 센서는 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 질량체를 구동시키거나 질량체의 변위를 감지하기 위해서 멤브레인(다이어프램)의 상부에 압전체가 구비된다. 이러한 각속도 센서로 각속도를 측정하기 위해서는 구동모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수를 거의 일치시키는 것이 바람직하다. 하지만, 형상/응력/물성 등으로 인한 미세한 제작오차에 의해서 구동모드와 감지모드 사이에 간섭이 매우 크게 발생한다. 따라서, 각속도 신호보다 훨씬 큰 노이즈(Noise) 신호가 출력되므로, 각속도 신호의 회로증폭이 제한되어, 각속도 센서의 감도가 저하되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 프레임을 2개 구비하여 질량체의 구동변위와 감지변위를 개별적으로 발생시키고, 특정 방향에 대해서만 질량체가 운동가능하도록 가요부를 형성함으로써, 구동모드와 감지모드 사이의 간섭을 제거하고, 제작오차에 따른 영향을 저감시킬 수 있는 각속도 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서는 질량체, 상기 질량체와 이격되도록 상기 질량체의 외측에 구비된 제1 프레임, X축 방향으로 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제1 가요부, Y축 방향으로 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제2 가요부, 상기 제1 프레임과 이격되도록 상기 제1 프레임의 외측에 구비된 제2 프레임, X축 방향으로 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제3 가요부 및 Y축 방향으로 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고, 상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고, 상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 크고, 상기 제3 가요부는 Z축방향의 두께가 Y축 방향의 폭보다 크고, 상기 제4 가요부는 X축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 질량체는 상기 제1 프레임에 대해서 Y축을 기준으로 회전하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 프레임은 상기 제2 프레임에 대해서 X축을 기준으로 회전하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 가요부에는 굽힘응력이 발생하고, 상기 제2 가요부에는 비틀림응력이 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제3 가요부에는 비틀림응력이 발생하고, 상기 제4 가요부에는 굽힘응력이 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제2 가요부는 Z축 방향을 기준으로 상기 질량체의 무게중심보다 상측에 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제2 가요부는 Y축 방향을 기준으로 상기 질량체의 무게중심에 대응되는 위치에 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 가요부는 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 양쪽 또는 한쪽에서 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제2 가요부는 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 양쪽 또는 한쪽에서 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제3 가요부는 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 양쪽 또는 한쪽에서 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제4 가요부는 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 양쪽 또는 한쪽에서 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 가요부에 구비되어 상기 질량체의 변위를 감지하는 감지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 감지수단은 상기 질량체가 Y축을 기준으로 회전할 때 발생하는 변위를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제4 가요부에 구비되어 상기 제1 프레임을 구동시키는 구동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 구동수단은 상기 제1 프레임을 X축을 기준으로 회전하도록 구동시키는 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 아니되며, 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, 프레임을 2개 구비하여 질량체의 구동변위와 감지변위를 개별적으로 발생시키고, 특정 방향에 대해서만 질량체가 운동가능하도록 가요부를 형성한다. 따라서, 구동모드와 감지모드 사이의 간섭을 제거하여 회로증폭비 상승으로 인한 감도 향상을 구현할 수 있고, 제작오차에 따른 영향을 저감시켜 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 각속도 센서의 평면도,
도 3은 도 2에 도시된 A-A'선에 따른 각속도 센서의 단면도,
도 4는 도 2에 도시된 B-B'선에 따른 각속도 센서의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서의 변형예를 도시한 사시도,
도 6은 도 2에 도시된 질량체의 운동가능한 방향을 도시한 평면도,
도 7은 도 3에 도시된 질량체의 운동가능한 방향을 도시한 단면도,
도 8a 내지 도 8b는 도 3에 도시된 질량체가 제1 프레임에 대해서 Y축을 기준으로 회전하는 과정을 도시한 단면도,
도 9는 도 2에 도시된 제1 프레임의 운동가능한 방향을 도시한 평면도,
도 10은 도 4에 도시된 제1 프레임의 운동가능한 방향을 도시한 단면도,
도 11a 내지 도 11b는 도 4에 도시된 제1 프레임이 제2 프레임에 대해서 X축을 기준으로 회전하는 과정을 도시한 단면도,
도 12 내지 도 13은 본 실시예에 따른 각속도 센서가 각속도를 측정하는 과정을 도시한 단면도, 및
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서의 또 다른 변형예를 도시한 사시도이다.
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, "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 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 각속도 센서의 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 A-A'선에 따른 각속도 센서의 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 B-B'선에 따른 각속도 센서의 단면도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서의 변형예를 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 각속도 센서(100)는 질량체(110), 질량체(110)와 이격되도록 질량체(110)의 외측에 구비된 제1 프레임(120), X축 방향으로 질량체(110)와 제1 프레임(120)을 연결하는 제1 가요부(130), Y축 방향으로 질량체(110)와 제1 프레임(120)을 연결하는 제2 가요부(140), 제1 프레임(120)과 이격되도록 제1 프레임(120)의 외측에 구비된 제2 프레임(150), X축 방향으로 제1 프레임(120)과 제2 프레임(150)을 연결하는 제3 가요부(160) 및 Y축 방향으로 제1 프레임(120)과 제2 프레임(150)을 연결하는 제4 가요부(170)를 포함하는 구성이다. 여기서, 제1 가요부(130)는 Y축 방향의 폭(w1)이 Z축 방향의 두께(t1)보다 크고, 제2 가요부(140)는 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 크다. 또한, 제3 가요부(160)는 Z축방향의 두께(t3)가 Y축 방향의 폭(w3)보다 크고, 제4 가요부(170)는 X축 방향의 폭(w4)이 Z축 방향의 두께(t4)보다 크다.
상기 질량체(110)는 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 제1 가요부(130)와 제2 가요부(140)를 통해서 제1 프레임(120)에 연결된다. 여기서, 질량체(110)는 코리올리힘이 작용할 때 제1 가요부(130)의 굽힘과 제2 가요부(140)의 비틀림에 의해서 제1 프레임(120)을 기준으로 변위가 발생한다. 이때, 질량체(110)는 제1 프레임(120)에 대해서 Y축을 기준으로 회전하게 되는데, 이에 관련한 구체적인 내용은 후술하도록 한다. 한편, 질량체(110)는 사각기둥 형상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 질량체(110)는 원기둥 형상으로 형성될 수 있고, 이외에도 질량체(110)는 팬(Fan) 형상 등 당업계에 공지된 모든 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 프레임(120)은 제1 가요부(130)와 제2 가요부(140)를 지지하여 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 질량체(110)가 변위를 일으킬 때 기준이 된다. 여기서, 제1 프레임(120)은 질량체(110)와 이격되도록 질량체(110)의 외측에 구비된다. 이때, 제1 프레임(120)은 중심에 사각기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 프레임(120)은 중심에 원기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 원기둥 형상일 수 있다. 한편, 제1 프레임(120)은 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)를 통해서 제2 프레임(150)에 연결된다. 여기서, 제1 프레임(120)은 구동수단(190)에 의해서 구동될 때 제3 가요부(160)의 비틀림과 제4 가요부(170)의 굽힘에 의해서 제2 프레임(150)을 기준으로 변위가 발생한다. 이때, 제1 프레임(120)은 제2 프레임(150)에 대해서 X축을 기준으로 회전하게 되는데, 이에 관련한 구체적인 내용을 후술하도록 한다.
상기 제1,2 가요부(130, 140)는 제1 프레임(120)을 기준으로 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있도록 제1 프레임(120)과 질량체(110)를 연결하는 역할을 하는 것으로, 제1 가요부(130)과 제2 가요부(140)는 서로 수직으로 형성된다. 즉, 제1 가요부(130)는 X축 방향으로 질량체(110)와 제1 프레임(120)을 연결하고, 제2 가요부(140)는 Y축 방향으로 질량체(110)와 제1 프레임(120)을 연결한다. 이때, 제1 가요부(130)와 제2 가요부(140)는 각각 질량체(110)와 제1 프레임(120)을 양쪽에서 연결할 수 있다. 다만, 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 가요부(130)와 제2 가요부(140)는 필요에 따라 각각 질량체(110)와 제1 프레임(120)을 한쪽에서만 연결할 수도 있다.
한편, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 가요부(130)는 Y축 방향의 폭(w1)이 Z축 방향의 두께(t1)보다 크고, 제2 가요부(140)는 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 크다. 이러한 제1 가요부(130)와 제2 가요부(140)의 특성으로 인하여, 질량체(110)는 제1 프레임(120)을 기준으로 특정한 방향으로만 운동이 가능하다.
도 6은 도 2에 도시된 질량체의 운동가능한 방향을 도시한 평면도이며, 도 7은 도 3에 도시된 질량체의 운동가능한 방향을 도시한 단면도로, 이를 참조하여 질량체(110)의 운동가능한 방향을 살펴보도록 한다.
우선, 제2 가요부(140)의 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 크므로, 질량체(110)는 제1 프레임(120)에 대해서 X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, Y축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전할 수 있다(도 7 참조).
구체적으로, 제2 가요부(140)가 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서 X축을 기준으로 회전할 때의 강성이 클수록, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, X축을 기준으로 회전하는 것이 제한된다. 이와 유사하게, 제2 가요부(140)가 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서 Z축 방향으로 병진할 때의 강성이 클수록, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 따라서, 제2 가요부(140)의 (X축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값이 증가할수록, 질량체(110)는 제1 프레임(120)에 대해서 Y축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
도 2 내지 도 3을 참고하여, 제2 가요부(140)의 Z축 방향의 두께(t2), Y축 방향의 길이(L1) 및 X축 방향의 폭(w2)과 방향별 강성 사이의 관계를 정리하면 다음과 같다.
(1) 제2 가요부(140)의 X축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성 ∝ w2×t2 3/L1 3
(2) 제2 가요부(140)의 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성 ∝ w2 3×t2/L1
상기 두 식에 따르면, 제2 가요부(140)의 (X축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 (t2/(w2L1))2 에 비례한다. 그런데, 본 실시예에 따른 제2 가요부(140)는 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 크므로 (t2/(w2L1))2 이 크고, 그에 따라 제2 가요부(140)의 (X축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 증가하게 된다. 이러한 제2 가요부(140)의 특성으로 인하여, 질량체(110)는 제1 프레임(120)에 대해서 Y축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
한편, 제1 가요부(130)는 길이방향(X축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 질량체(110)가 제1 프레임(120)에 대해서 Z축을 기준으로 회전하거나 X축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다(도 6 참조). 또한, 제2 가요부(140)는 길이방향(Y축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 질량체(110)가 제1 프레임(120)에 대해서 Y축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다(도 6 참조).
결국, 상술한 제1 가요부(130)와 제2 가요부(140)의 특성으로 인하여, 질량체(110)는 제1 프레임(120)에 대해서 Y축을 기준으로 회전할 수 있지만, X축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 즉, 질량체(110)의 운동가능한 방향을 정리하면 하기 표 1과 같다.
질량체의 운동 방향(제1 프레임 기준) 가능 여부
X축을 기준으로 회전 제한
Y축을 기준으로 회전 가능
Z축을 기준으로 회전 제한
X축 방향의 병진 제한
Y축 방향의 병진 제한
Z축 방향의 병진 제한
이와 같이, 질량체(110)는 제1 프레임(120)에 대해서 Y축을 기준으로 회전하는 것이 가능한 반면, 나머지 방향으로 운동하는 것이 제한되므로, 질량체(110)의 변위를 원하는 방향(Y축을 기준으로 회전)의 힘에 대해서만 발생하게 할 수 있다.
한편, 도 8a 내지 도 8b는 도 3에 도시된 질량체가 제1 프레임에 대해서 Y축을 기준으로 회전하는 과정을 도시한 단면도이다. 도 8a 내지 도 8b에 도시된 바와 같이, 질량체(110)가 제1 프레임(120)에 대해서 Y축을 회전축(R)으로 회전하므로, 제1 가요부(130)에는 압축응력과 인장응력이 조합된 굽힘응력이 발생하고, 제2 가요부(140)에는 Y축을 기준으로 비틀림응력이 발생한다. 이때, 질량체(110)에 토크(torque)를 발생시키기 위해서, 제2 가요부(140)는 Z축 방향을 기준으로 질량체(110)의 무게중심(C)보다 상측에 구비될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 질량체(110)가 Y축을 기준으로 정확히 회전되도록, 제2 가요부(140)는 Y축 방향을 기준으로 질량체(110)의 무게중심(C)에 대응되는 위치에 구비될 수 있다.
상기 제2 프레임(150)은 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)를 지지하여 제1 프레임(120)이 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 제1 프레임(120)이 변위를 일으킬 때 기준이 된다. 여기서, 제2 프레임(150)은 제1 프레임(120)과 이격되도록 제1 프레임(120)의 외측에 구비된다. 이때, 제2 프레임(150)은 중심에 사각기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 프레임(150)은 중심에 원기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상일 수 있다.
상기 제3,4 가요부(160, 170)는 제2 프레임(150)을 기준으로 제1 프레임(120)이 변위를 일으킬 수 있도록 제2 프레임(150)과 제1 프레임(120)을 연결하는 역할을 하는 것으로, 제3 가요부(160)과 제4 가요부(170)는 서로 수직으로 형성된다. 즉, 제3 가요부(160)는 X축 방향으로 제1 프레임(120)과 제2 프레임(150)을 연결하고, 제4 가요부(170)는 Y축 방향으로 제1 프레임(120)과 제2 프레임(150)을 연결한다. 이때, 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)는 각각 제1 프레임(120)와 제2 프레임(150)을 양쪽에서 연결할 수 있다. 다만, 도 14에 도시된 바와 같이, 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)는 필요에 따라 각각 제1 프레임(120)과 제2 프레임(150)을 한쪽에서만 연결할 수도 있다.
한편, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제3 가요부(160)는 Z축 방향의 두께(t3)가 Y축 방향의 폭(w3)보다 크고, 제4 가요부(170)는 X축 방향의 폭(w4)이 Z축 방향의 두께(t4)보다 크다. 이러한 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)의 특성으로 인하여, 제1 프레임(120)은 제2 프레임(150)을 기준으로 특정한 방향으로만 운동이 가능하다.
도 9는 도 2에 도시된 제1 프레임의 운동가능한 방향을 도시한 평면도이며, 도 10은 도 4에 도시된 제1 프레임의 운동가능한 방향을 도시한 단면도로, 이를 참조하여 제1 프레임(120)의 운동가능한 방향을 살펴보도록 한다.
우선, 제3 가요부(160)의 Z축 방향의 두께(t3)가 Y축 방향의 폭(w3)보다 크므로, 제1 프레임(120)은 제2 프레임(150)에 대해서 Y축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, X축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전할 수 있다(도 10 참조).
구체적으로, 제3 가요부(160)가 X축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성이 클수록, 제1 프레임(120)은 X축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, Y축을 기준으로 회전하는 것이 제한된다. 이와 유사하게, 제3 가요부(160)가 X축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서 Z축 방향으로 병진할 때의 강성이 클수록, 제1 프레임(120)은 X축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 따라서, 제3 가요부(160)의 (Y축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(X축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값이 증가할수록, 제2 프레임(150)은 제1 프레임(120)에 대해서 X축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, Y축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
도 2 내지 도 4를 참고하여, 제3 가요부(160)의 Z축 방향의 두께(t3), X축 방향의 길이(L2) 및 Y축 방향의 폭(w3)과 방향별 강성 사이의 관계를 정리하면 다음과 같다.
(1) 제3 가요부(160)의 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성 ∝ w3×t3 3/L2 3
(2) 제3 가요부(160)의 X축을 기준으로 회전할 때의 강성 ∝ w3 3×t3/L2
상기 두 식에 따르면, 제3 가요부(160)의 (Y축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(X축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 (t3/(w3L2))2 에 비례한다. 그런데, 본 실시예에 따른 제3 가요부(160)는 Z축 방향의 두께(t3)가 Y축 방향의 폭(w3)보다 크므로 (t3/(w3L2))2이 크고, 그에 따라 제3 가요부(160)의 (Y축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(X축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 증가하게 된다. 이러한 제3 가요부(160)의 특성으로 인하여, 제1 프레임(120)은 제2 프레임(150)에 대해서 X축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, Y축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
한편, 제4 가요부(170)는 길이방향(Y축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 제1 프레임(120)이 제2 프레임(150)에 대해서 Z축을 기준으로 회전하거나 Y축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다(도 9 참조). 또한, 제3 가요부(160)는 길이방향(X축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 제1 프레임(120)이 제2 프레임(150)에 대해서 X축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다(도 9 참조).
결국, 상술한 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)의 특성으로 인하여, 제1 프레임(120)은 제2 프레임(150)에 대해서 X축을 기준으로 회전할 수 있지만, Y축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 즉, 제1 프레임(120)의 운동가능한 방향을 정리하면 하기 표 2와 같다.
제1 프레임의 운동 방향(제2 프레임 기준) 가능 여부
X축을 기준으로 회전 가능
Y축을 기준으로 회전 제한
Z축을 기준으로 회전 제한
X축 방향의 병진 제한
Y축 방향의 병진 제한
Z축 방향의 병진 제한
이와 같이, 제1 프레임(120)은 제2 프레임(150)에 대해서 X축을 기준으로 회전하는 것이 가능한 반면, 나머지 방향으로 운동하는 것이 제한되므로, 제1 프레임(120)의 변위를 원하는 방향(X축을 기준으로 회전)의 힘에 대해서만 발생하게 할 수 있다.
한편, 도 11a 내지 도 11b는 도 4에 도시된 제1 프레임이 제2 프레임에 대해서 X축을 기준으로 회전하는 과정을 도시한 단면도이다. 도 11a 내지 도 11b에 도시된 바와 같이, 제1 프레임(120)이 제2 프레임(150)에 대해서 X축을 기준으로 회전하므로, 제3 가요부(160)에는 X축을 기준으로 비틀림응력이 발생하고, 제4 가요부(170)에는 압축응력과 인장응력이 조합된 굽힘응력이 발생한다.
추가적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, XY 평면을 기준으로 보았을 때, 제1 가요부(130)는 상대적으로 넓은 반면, 제2 가요부(140)는 상대적으로 좁으므로, 제1 가요부(130)에는 질량체(110)의 변위를 감지하는 감지수단(180)이 구비될 수 있다. 여기서, 감지수단(180)은 Y축을 기준으로 회전하는 질량체(110)의 변위를 감지할 수 있다. 이때, 감지수단(180)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 압전 방식, 압저항 방식, 정전용량 방식, 광학 방식 등을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, XY 평면을 기준으로 보았을 때, 제4 가요부(170)는 상대적으로 넓은 반면, 제3 가요부(160)는 상대적으로 좁으므로, 제4 가요부(170)에는 제1 프레임(120)을 구동시키는 구동수단(190)이 구비될 수 있다. 여기서, 구동수단(190)은 제1 프레임(120)을 X축을 기준으로 회전하도록 구동시킬 수 있다. 이때, 구동수단(190)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 압전 방식, 정전용량 방식 등을 이용하여 형성할 수 있다.
한편, 상술한 구조적 특성을 이용하여, 본 실시예에 따른 각속도 센서(100)는 각속도를 측정할 수 있다. 도 12 내지 도 13은 본 실시예에 따른 각속도 센서가 각속도를 측정하는 과정을 도시한 단면도로, 이를 참조하여 각속도를 측정하는 과정을 살펴보도록 한다.
우선, 도 12a 내지 도 12b에 도시된 바와 같이, 구동수단(190)을 이용하여 제1 프레임(120)을 제2 프레임(150)에 대해서 X축을 기준으로 회전시킨다(구동모드). 여기서, 질량체(110)는 제1 프레임(120)과 함께 X축을 기준으로 회전되면서 진동하고, 진동에 따라 질량체(110)에는 Y축 방향으로 속도(VY)가 발생한다. 이때, Z축을 기준으로 하는 각속도(ΩZ)가 질량체(110)에 인가되면, X축 방향으로 코리올리힘(FX)이 발생한다.
이러한 코리올리힘(FX)에 의해서, 도 13a 내지 도 13b에 도시된 바와 같이, 질량체(110)는 제1 프레임(120)에 대해서 Y축을 기준으로 회전하면서 변위가 발생하고, 감지수단(180)이 질량체(110)의 변위를 감지한다(감지모드). 질량체(110)의 변위를 감지함으로써, 코리올리힘(FX)을 산출할 수 있고, 상기 코리올리힘(FX)을 통해서 Z축을 기준으로 하는 각속도(ΩZ)를 측정할 수 있다.
한편, 상술한 제1 가요부(130)와 제2 가요부(140)의 특성으로 인하여, 질량체(110)는 제1 프레임(120)에 대해서 Y축을 기준으로만 회전할 수 있다. 따라서, 도 12a 내지 도 12b에 도시된 바와 같이, 구동수단(190)을 이용하여 제1 프레임(120)을 제2 프레임(150)에 대해서 X축을 기준으로 회전시키더라도, 질량체(110)는 제1 프레임(120)에 대해서 X축을 기준으로 회전되지 않는다. 또한, 상술한 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)의 특성으로 인하여, 제1 프레임(120)은 제2 프레임(150)에 대해서 X축을 기준으로만 회전할 수 있다. 따라서, 도 13a 내지 도 13b에 도시된 바와 같이, 감지수단(180)을 이용하여 질량체(110)의 변위를 감지할 때 X축 방향의 코리올리힘(FX)이 작용하더라도, 제1 프레임(120)은 제2 프레임(150)에 대해서 Y축을 기준으로 회전하지 않고, 질량체(110)만 제1 프레임(120)에 대해서 Y축 방향으로 회전한다. 이와 같이, 본 실시예에 따른 각속도 센서(100)는 제1 프레임(120)과 제2 프레임(150)을 구비하여 질량체(110)의 구동변위와 감지변위를 개별적으로 발생시키고, 특정 방향에 대해서만 질량체(110)와 제1 프레임(120)이 운동가능하도록 제1,2,3,4 가요부(130, 140, 160, 170)를 형성한다. 따라서, 구동모드와 감지모드 사이의 간섭을 제거하여 회로증폭비 상승으로 인한 감도 향상을 구현할 수 있고, 제작오차에 따른 영향을 저감시켜 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 특히, 본 발명은 "X축", "Y축" 및 "Z축"을 기준으로 설명하였지만, 이는 설명의 편의를 위하여 정의한 것에 불과하므로, 본 발명의 권리범위에 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 각속도 센서 110: 질량체
120: 제1 프레임 130: 제1 가요부
140: 제2 가요부 150: 제2 프레임
160: 제3 가요부 170: 제4 가요부
180: 감지수단 190: 구동수단
C: 질량체의 무게중심 t1: 제1 가요부의 두께
w1: 제1 가요부의 폭 t2: 제2 가요부의 두께
L1: 제2 가요부의 길이 w2: 제2 가요부의 폭
R: 회전축 t3: 제3 가요부의 두께
w3: 제3 가요부의 폭 L2: 제3 가요부의 길이
t4: 제4 가요부의 두께 w4: 제4 가요부의 폭

Claims (15)

  1. 질량체;
    상기 질량체와 이격되도록 상기 질량체의 외측에 구비된 제1 프레임;
    X축 방향으로 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제1 가요부;
    Y축 방향으로 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 연결하는 제2 가요부;
    상기 제1 프레임과 이격되도록 상기 제1 프레임의 외측에 구비된 제2 프레임;
    X축 방향으로 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제3 가요부; 및
    Y축 방향으로 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 연결하는 제4 가요부;
    를 포함하고,
    상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고,
    상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 크고,
    상기 제3 가요부는 Z축방향의 두께가 Y축 방향의 폭보다 크고,
    상기 제4 가요부는 X축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체는 상기 제1 프레임에 대해서 Y축을 기준으로 회전하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 프레임은 상기 제2 프레임에 대해서 X축을 기준으로 회전하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 가요부에는 굽힘응력이 발생하고, 상기 제2 가요부에는 비틀림응력이 발생하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제3 가요부에는 비틀림응력이 발생하고, 상기 제4 가요부에는 굽힘응력이 발생하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 가요부는 Z축 방향을 기준으로 상기 질량체의 무게중심보다 상측에 구비된 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 가요부는 Y축 방향을 기준으로 상기 질량체의 무게중심에 대응되는 위치에 구비된 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가요부는 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 양쪽 또는 한쪽에서 연결하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 가요부는 상기 질량체와 상기 제1 프레임을 양쪽 또는 한쪽에서 연결하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 가요부는 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 양쪽 또는 한쪽에서 연결하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4 가요부는 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 양쪽 또는 한쪽에서 연결하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가요부에 구비되어 상기 질량체의 변위를 감지하는 감지수단;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 감지수단은 상기 질량체가 Y축을 기준으로 회전할 때 발생하는 변위를 감지하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4 가요부에 구비되어 상기 제1 프레임을 구동시키는 구동수단;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 구동수단은 상기 제1 프레임을 X축을 기준으로 회전하도록 구동시키는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
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