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KR102821570B1 - 자이로 센서 및 이의 제어 방법 - Google Patents

자이로 센서 및 이의 제어 방법 Download PDF

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KR102821570B1
KR102821570B1 KR1020190061473A KR20190061473A KR102821570B1 KR 102821570 B1 KR102821570 B1 KR 102821570B1 KR 1020190061473 A KR1020190061473 A KR 1020190061473A KR 20190061473 A KR20190061473 A KR 20190061473A KR 102821570 B1 KR102821570 B1 KR 102821570B1
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South Korea
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liquid
sensor
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capacitance
angular velocity
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서은성
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시 예에 따른 자이로 센서는 회전체를 포함하는 센서부; 상기 센서부의 상기 회전체를 회전시키기 위한 구동 전압을 인가하는 센서 구동부; 상기 센서부의 상태 정보를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부를 통해 측정된 상태 정보를 이용하여 각속도 정보를 획득하는 제어부를 포함하고, 상기 센서부의 회전체는, 제1액체; 및 상기 제1 액체 아래에 배치된 제2 액체를 포함하고, 상기 상태 정보는, 상기 센서부 내의 상기 구동 전압이 인가되는 전극 상의 절연층과 상기 제1액체 사이의 경계 영역의 면적의 크기를 포함한다.

Description

자이로 센서 및 이의 제어 방법{GYRO SENSOR AND AND METHOD FOR DRIVING GYRO SENSOR}
실시 예는 자이로 센서 및 이의 제어 방법에 관한 것이다. 특히, 실시 예는 멤스(MEMS) 구조물이 아닌 액체로 구성된 회전체를 이용하여 각속도를 측정하는 자이로 센서 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
자이로 센서는 각속도를 검출하는 센서로서, 항공기 및 로켓, 로봇 등의 자세 제어 및 카메라, 쌍안경 등의 손떨림 보정, 자동차 미끄럼 및 회전 방지 시스템, 내비게이션 등에 많이 쓰이고 있으며, 최근에는 스마트 폰에도 장착되어 활용도가 매우 크다.
자이로 센서는 여러 가지 타입이 있는데, 회전형, 진동형, 유체식, 광학식 등이 있으며, 모바일 제품으로는 진동형이 현재 많이 쓰이고 있다. 진동형 센서는 크게 두 가지 타입으로 나눌 수 있는데, 하나는 압전 방식과 정전 용량 방식으로 나눌 수 있다. 현재 사용되는 진동형 센서로는 정전용량 방식의 컴(Comb)구조가 대부분을 차지하며, 압전 방식도 일부분 활용되는 추세이다.
진동형 자이로 센서는 코리올리의 힘에 의해 각속도 크기를 탐지할 수 있다. 이때, 코리올리력은 다음의 식과 같은 관계를 가진다.
F = 2mVΩ
이때, F는 코리올리력이고, m은 질량이고, V는 속도이고, Ω는 각속도이다.
각속도 Ω= 2mV/F 로 표현되므로, 물체에 일정한 속도 V 를 줄 때, F 를 측정함으로써 Ω를 구할 수 있다.
이때, F, V, Ω는 상호간 수직방향의 벡터이므로, 예를 들어 z방향의 Ω를 구하기 위해서 x방향으로 V를 주고 y방향의 F를 측정한다.
즉, 이와 같은 종래의 자이로 센서는 멤스 구조를 가지며, 구동부와 센싱부로 이루어져 있다. 구동부는 빠른 속도를 가지고 상하 운동을 하게 된다. 이때, 회전 감지축을 중심으로 회전 각속도가 발생하였을 때, 구동부의 움직임과 회전 각속도 사이의 간섭으로 구동부가 센싱부 방향으로 코리올리힘이 발생한다. 그리고, 상기 코리올리 힘에 의해 센싱부가 이동하게 되고, 상기 센싱부의 이동에 의해 캐패시턴스 값이 변하게 된다. 그리고, 상기와 같이 변화하는 캐패시턴스 값을 기초로 회전 각속도를 유추할 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 자이로 센서는 구동부 및 센서부의 구성이 멤스 구조를 가지고 있으며, 이에 따라 외부 충격에 취약하거나 제조 공정이 상당히 복잡한 문제가 있다.
실시 예에서는 새로운 구조의 자이로 센서 및 이의 제어 방법을 제공하도록 한다.
또한, 실시 예에서는 멤스(MEMS) 구조물이 아닌 액체로 구성된 회전체를 이용하여 각속도를 측정하는 자이로 센서 및 이의 제어 방법을 제공하도록 한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 자이로 센서는 회전체를 포함하는 센서부; 상기 센서부의 상기 회전체를 회전시키기 위한 구동 전압을 인가하는 센서 구동부; 상기 센서부의 상태 정보를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부를 통해 측정된 상태 정보를 이용하여 각속도 정보를 획득하는 제어부를 포함하고, 상기 센서부의 회전체는, 제1액체; 및 상기 제1 액체 아래에 배치된 제2 액체를 포함하고, 상기 상태 정보는, 상기 센서부 내의 상기 구동 전압이 인가되는 전극 상의 절연층과 상기 제1액체 사이의 경계 영역의 면적의 크기를 포함한다.
또한, 상기 제1 액체는, 전도성 액체이고, 상기 제2 액체는, 비전도성 액체이며, 상기 센서부 내에서의 상기 제1 액체의 비중은 상기 제2 액체의 비중과 다르다.
또한, 상기 제1 액체의 비중은, 상기 제2 액체의 비중보다 크다.
또한, 상기 측정부는, 상기 센서부 내의 상기 전극 상의 절연층과 상기 제1액체 사이의 경계 영역의 면적의 크기에 대응하여, 상기 전극과 상기 제1 액체가 형성하는 캐패시턴스를 측정한다.
또한, 상기 센서부는, 상기 제1 및 상기 제2 액체가 수용되는 캐비티를 포함하는 제1 플레이트; 상기 제1 플레이트 위의 공통 전극; 상기 제1 플레이트 아래의 복수의 개별 전극; 및 상기 복수의 개별 전극 상에 각각 배치된 복수의 절연층을 포함하며, 상기 측정부는, 상기 복수의 개별 전극의 각각에 대응하는 캐패시턴스를 측정한다.
또한, 상기 복수의 개별 전극은, 상기 센서부의 중심을 기준으로 원주 방향을 따라 순차적으로 배치되며, 상기 센서 구동부는, 상기 제1 액체의 회전 방향에 대응되게 상기 복수의 개별 전극에 인가되는 구동 전압을 순차적으로 변경한다.
또한, 상기 복수의 개별 전극의 각각의 캐패시턴스에 대응하는 각속도 정보가 저장된 메모리를 포함한다.
또한, 상기 복수의 개별 전극의 각각의 캐패시턴스는, 외부의 각속도에 의해 발생하는 힘에 의해 증가 또는 감소한다.
한편, 자이로 센서의 제어 방법은 제1 액체 및 제2 액체를 포함하는 센서부에 구동 전압을 인가하여, 상기 제2 액체에 대해 상기 제1 액체를 회전시키는 단계; 상기 회전되는 제1 액체와 제2 액체 사이의 계면의 상태 정보를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 상태 정보를 이용하여 각속도 정보를 획득하는 단계를 포함하고, 상기 상태 정보를 측정하는 단계는, 상기 구동 전압이 인가되는 전극 상의 절연층과 상기 제1액체 사이의 경계 영역의 면적의 크기를 측정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제1 액체는, 전도성 액체이고, 상기 제2 액체는, 비전도성 액체이며, 상기 센서부 내에서의 상기 제1 액체의 비중은 상기 제2 액체의 비중과 다르다.
또한, 상기 측정하는 단계는, 상기 센서부 내의 상기 전극 상의 절연층과 상기 제1액체 사이의 경계 영역의 면적의 크기에 대응하여, 상기 전극과 상기 제1 액체가 형성하는 캐패시턴스를 측정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 회전시키는 단계는, 상기 제1 액체의 회전 방향에 대응되게, 복수의 전극에 인가되는 구동 전압을 순차적으로 변경하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 복수의 전극의 각각의 캐패시턴스는, 외부의 각속도에 의해 발생하는 힘에 의해 증가 또는 감소한다.
실시 예에 의하면, 제1 액체 및 제2 액체를 포함하는 센서부를 구성하고 상기 제1 액체 및 제2 액체의 비중을 서로 다르게 한다. 그리고, 실시 예에서는 상기 제2 액체를 중심으로 상기 제1 액체를 회전시키고, 외부로부터 발생되는 각속도에 기반한 상기 제1 액체와 절연층 사이의 접촉 면적 변화를 통해 각속도를 측정할 수 있도록 한다. 이에 따르면, 자이로 센서의 센서부가 멤스 구조물이 아닌 회전하는 액체로 구성되기 때문에 구조가 간단하고 이에 따른 제조 공정을 간소화할 수 있을 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면, 액체와 절연층 사이의 접촉 면적에 따른 캐패시턴스 값의 변화를 이용하여 각속도를 측정하기 때문에, 보다 정학한 각속도를 측정할 수 있으며, 이에 따른 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 자이로 센서의 개략적인 블록도를 나타낸 도면이다.
도2는 구동 전압에 대응하여 회전하는 센서부를 설명한다.
도3은 실시 예에 따른 센서부의 구조를 설명한다.
도 4는 도3의 센서부의 상면도를 도시한 것이다.
도 5는 도3의 센서부의 하면도를 도시한 것이다.
도6는 실시 예에 따른 센서부 내 회전체의 계면의 변화를 설명한다.
도 7 내지 도 9는 각속도에 따른 경계 영역의 면적 크기를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도1의 측정부의 예를 설명한다.
도11 제어 회로의 제1예를 설명한다.
도12는 도11의 제어 회로의 동작을 설명한다.
도13은 제어 회로의 제2예를 설명한다.
도14은 도13의 제어 회로의 동작을 설명한다.
도15는 센서부와 제어 회로의 연결을 설명한다.
도 16은 실시 예에 따른 자이로 센서의 제어 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 또한, 실시예의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 실시예의 범위를 한정하는 것이 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
도 1은 실시 예에 따른 자이로 센서의 개략적인 블록도를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 자이로 센서는 센서부(100), 센서 구동부(200), 측정부(300), 메모리(400), 전원 공급부(500) 및 제어부(600)를 포함한다.
센서부(100)는 회전하는 회전체를 포함할 수 있다. 바람직하게, 센서부(100)는 회전체를 구성하는 액체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서부(100)는 두 가지 종류, 즉 도전성 액체와 비도전성 액체를 포함할 수 있고, 도전성 액체와 비도전성 액체는 서로 섞이지 않고 경계면을 이룰 수 있다.
이때, 센서부(100)는 상기 복수의 액체에 인가되는 구동 전압에 의해 어느 하나의 액체의 회전이 이루어질 수 있다. 또한, 센서부(100)는 상기 액체의 회전 중에 외부로부터 각속도로 인해 힘이 발생하면, 상기 두 액체 사이의 경계면이 변형되어 경계면의 곡률이 변화하게 된다. 이에 대해서는 하기에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
센서 구동부(200)는 상기 센서부(100)를 구동시키기 위한 구동 전압을 공급한다. 예를 들어, 센서부(100)는 상기 센서부(100)를 구성하는 회전체를 회전시키기 위한 구동 전압을 공급한다. 이를 위해, 센서 구동부(200)는 회전체와 연결된 복수의 전극에 인가되는 전압을 회전 방향에 대응하게 순차적으로 변경한다.
측정부(300)는 상기 센서부(100)의 회전체의 회전 중 외부로부터 발생한 각속도에 기반하여 상기 회전체에 특정 힘이 발생하는 경우, 상기 발생한 힘에 의해 변화되는 상기 계면의 곡률 변화를 감지할 수 있다. 이를 위해, 측정부(300)는 센서부(100)를 구성하는 회전체와 절연층(도 3의 118) 사이의 경계 영역의 면적의 크기 또는 면적의 변화를 감지한다. 즉, 상기 회전체의 회전 중 상기 각속도에 의한 힘이 발생하면, 상기 회전체에는 중심을 기준으로 외측 또는 내측으로의 추가적인 힘이 발생한다. 그리고, 상기 회전체를 구성하는 액체의 계면의 곡률 변화, 다시 말해서 절연층과 액체 사이의 경계 영역의 면적의 크기 또는 변적의 변화가 발생한다. 이에 따라, 측정부(300)는 상기 면적의 크기 또는 면적의 변화를 감지하고, 이에 대한 감지 값을 제어부(600)에 전달할 수 있다. 바람직하게, 측정부(300)는 상기 센서 구동부(200)에 의해 구동전압이 인가되는 전극 상의 절연층과 상기 회전체 사이의 경계 영역의 면적 크기 또는 면적 변화에 대응하는 캐패시턴스 값을 측정할 수 있다.
메모리(400)는 제어부(600)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수 있고, 입력되거나 출력되는 데이터들의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 메모리(400)는 측정부(300)로부터 측정된 캐패시턴스 값에 대응되는 각속도 정도가 저장될 수 있다. 이를 위해서는, 외부로부터 발생하는 각속도에 기반하여 발생하는 상기 경계 영역의 면적 크기 또는 면적 변화에 대응한 캐패시턴스 값에 대한 정보를 획득하고, 이를 메모리(400)에 저장하는 과정을 추가로 진행할 수도 있다.
전원 공급부(500)는 제어부(600)의 제어에 의해 이부의 전원 또는 내부의 전원을 인가받아 각 구성요소의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다. 센서 구동부(200)는 상기 전원 공급부(500)로부터 공급되는 전원을 이용하여 상기 센서부(100)를 구동시키기 위한 구동 전압을 발생할 수 있다.
제어부(600)는 통상적으로 상기 각부의 동작을 제어하여 자이로 센서의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(600)는 상기 센서 구동부(200)의 동작을 제어하여 상기 센서부(100)에 상기 회전체의 회전을 위한 구동 전압이 인가되도록 할 수 있다. 또한, 제어부(600)는 측정부(300)를 제어하여 특정 시점에 상기 면적의 크기 또는 면적의 변화에 대응하는 캐패시턴스 값이 측정되도록 할 수 있다.
또한, 제어부(600)는 측정부(300)를 통해 측정된 값과 상기 메모리(400)에 저장된 정보를 이용하여 상기 면적의 크기 또는 면적의 변화에 대응하는 각속도를 획득할 수 있다.
이하에서는, 상기 센서부(100)의 구성 및 이의 동작 원리에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도2는 구동 전압에 대응하여 회전하는 센서부를 설명한다. 구체적으로, (a)는 회전체를 포함하는 센서부(100)를 설명하고, (b)는 센서부(100)의 등가회로를 설명한다.
먼저 (a)를 참조하면, 구동 전압에 대응하여 회전하는 회전체를 포함한 센서부(100)는 동일한 각 거리를 가지고 4개의 서로 다른 방향에 배치된 개별 단자(L1, L2, L3, L4)를 통해서 전압을 인가 받을 수 있다. 개별 단자는 센서부(100)의 중심축을 기준으로 동일한 각 거리를 가지고 배치될 수 있고, 4개의 개별단자를 포함할 수 있다. 4개의 개별단자는 센서부(100)의 4개 코너에 각각 배치될 수 있다. 개별 단자(L1, L2, L3, L4)를 통해서 전압이 인가되면 인가된 전압은 후술할 공통 단자(C0)에 인가되는 전압과의 상호작용으로 형성되는 구동 전압에 의해 센싱영역(A)에 배치된 도전성 액체와 비도전성 액체의 경계면이 변형될 수 있다.
또한, (b)를 참조하면, 센서부(100)는 일측의 서로 다른 개별 단자(L1, L2, L3, L4)로부터 동작 전압을 인가 받고, 다른 일측은 공통 단자(C0)와 연결된 복수의 캐패시터(10)로 설명할 수 있다. 여기서, 등가회로에 포함된 복수의 캐패시터(10)는 약 수십 내지 200 피코패럿(pF) 이하의 작은 캐패시턴스를 가질 수 있다. 센서부(100)의 상술한 단자는 본 명세서에서 전극 섹터 또는 서브 전극으로 불릴 수도 있다.
도3은 실시 예에 따른 센서부(100)의 구조를 설명한다.
도시된 바와 같이, 센서부(100)는 액체, 제1 플레이트 및 전극을 포함할 수 있다. 센서부(100)에 포함되는 액체(122, 124)는 전도성 액체 및 비전도성 액체를 포함할 수 있다. 제1 플레이트는 전도성 액체 및 비전도성 액체가 배치되는 캐비티(cavity, 150) 또는 홀을 포함할 수 있다. 캐비티(150)는 경사면을 포함할 수 있다. 전극(132, 134)은 제1 플레이트(114) 상에 배치될 수 있으며, 제1 플레이트(114) 상부 또는 제1 플레이트(114) 하부에 배치될 수 있다.
센서부(100)는 전극(132, 134)의 상부(하부)에 배치될 수 있는 제2 플레이트(112)를 더 포함할 수 있다. 또한 센서부(100)는 전극(132, 134) 하부(상부)에 배치될 수 있는 제3 플레이트(116)를 더 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 센서부(100)의 일 실시예는 서로 다른 제1 및 제2 액체(122, 124)가 형성하는 계면(130)을 포함할 수 있다. 또한, 센서부(100)에 전압을 공급하는 적어도 하나의 기판(142, 144)을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 기판(142, 144)에는 제어부(600), 측정부(300) 및 센서 구동부(200)가 배치될 수 있다.
센서부(100)의 모서리(코너)는 센서부(100)의 중심부보다 두께가 얇을 수 있다. 센서부(100)의 상면에 제2 플레이트가 배치되고 센서부(100)의 하면에 제3 플레이트가 배치될 수 있으나, 센서부의 코너의 상면 또는 하면의 일부에는 제2 플레이트 또는 제3 플레이트가 배치되지 않아 센서부(100)의 코너의 두께가 중심부 보다 얇을 수 있다. 센서부(100)의 코너 상면 또는 하면에는 전극이 노출될 수 있다.
센서부(100)는 서로 다른 두 액체, 예를 들면 제1 액체(122)와 제2 액체(124)를 포함하고, 제1 및 제2 액체가 형성하는 계면(130)의 곡률, 형상은 센서부(100)에 공급되는 구동 전압에 의해 조정될 수 있다.
이때, 제1 액체(122)는 전도성 액체일 수 있다. 그리고, 제2 액체(124)는 비전도성 액체일 수 있다.
복수의 제1 및 제2 액체(122, 124)는 캐비티에 수용되며, 전도성을 갖는 제1 액체(122)와 비전도성을 갖는 제2 액체(또는, 절연 액체)(124)를 포함할 수 있다. 제1 액체(122)와 제2 액체(124)는 서로 섞이지 않으며, 제1 및 제2 액체(122, 124) 사이의 접하는 부분에 계면(130)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 액체(122) 위에 제2 액체(124)가 배치될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 도시된 바와는 다르게 제2 액체(124) 위에 제1 액체(122)가 배치될 수도 있을 것이다.
이때, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)는 상기 캐비티 내에 서로 다른 비중으로 가지고 수용될 수 있다.
즉, 센서부(100)의 경우, 전극의 전압을 이용하여 제2 액체(124) 위에 배치된 제1 액체(122)를 회전시키고, 외부로부터 발생하는 각속도에 의해 상기 회전되는 제1 액체(122)와 제2 액체(124) 사이의 계면(130)의 곡률, 위치, 형상 등을 변화시켜, 각속도를 측정할 수 있다.
한편, 센서부(100)는 물 계열과 기름 계열의 액체를 사용하고, 이를 토대로 서로 섞이지 않는 두 액체를 회전체로 사용하여 각속도를 측정하고 있다. 이때, 제1 액체(122)와 제2 액체(124)의 비중이 동일한 경우, 각속도나 중력에 영향을 받지 않고, 항상 같은 곡률을 만들게 된다.
이에 따라, 실시 예에서는 센서부(100)를 구성하는 제1 액체(122) 및 제2 비중을 서로 달리한다. 여기에서 비중이란 물질의 질량과 이것과 같은 부피를 가진 표준 물질의 질량과의 비율을 의미한다. 여기에서, 비중은 무차원수이며, 액체에 대해서는 그 값이 밀도와 유사하며, 이에 따라 비중은 밀도라고도 할 수 있다.
여기에서, 제1 액체(122)와 제2 액체(124)의 비중이 다르다는 것은, 제1 액체(122)의 비중이 제2 액체(124)의 비중보다 크다는 것을 의미할 수 있고, 이와 반대로 제2 액체(124)의 비중이 제1 액체(122)의 비중보다 크다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 실시 예에서는 제1 액체(122)의 비중을 제2 액체(124)의 비중보다 크게 하여 구성할 수 있다. 또한, 실시 예에서는 제2 액체(124)의 비중을 제1 액체(122)의 비중보다 크게하여 구성할 수도 있다.
이때, 상기 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)의 비중을 달리하는 것만으로도, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)의 구성을 위한 재료 선택의 폭을 넓힐 수 있으며, 이에 따른 센서부(100)의 기본 특성을 한 단계 끌어올릴 수 있다.
이때, 제1 액체(122)의 비중과 제2 액체(124)의 비중의 차이는 0.005보다 크도록 한다. 즉, 상기 제1 액체(122)의 비중과 제2 액체(124)의 비중의 차이가 0.005보다 작다는 것은 실질적으로 상기 제1 액체(122)의 비중과 제2 액체(124)의 비중이 동일하다는 것을 의미할 수 있으며, 이에 따른 재료 선택 범위가 좁아질 수 있다. 또한, 이때, 제1 액체(122)의 비중과 제2 액체(124)의 비중의 차이는 0.005보다 크고 0.3보다 작도록 한다.
한편, 센서부(100)에 공급되는 구동 전압은 연결부를 통해 전달될 수 있다. 연결부는 제1기판(142) 및 제2기판(144)중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 연결부가 제1기판(142) 및 제2기판(144)를 포함하는 경우 제2기판(144)은 복수의 개별 단자 각각에 전압을 전달할 수 있고, 제1기판(142)은 공통 단자에 전압을 전달할 수 있다. 복수의 개별 단자는 4개일 수 있고, 제2기판(144)은 4개의 개별 단자 각각에 전압을 전달할 수 있다. 제2기판(144)과 제1기판(142)을 통해 공급되는 전압은 센서부(100)의 각 모서리에 배치 또는 노출되는 복수의 전극(134, 132)에 인가될 수 있다.
또한, 센서부(100)는 투명한 재질을 포함하는 제3플레이트(116) 및 제2플레이트(112), 제3플레이트(116) 및 제2플레이트(112) 사이에 위치하며 기 설정된 경사면을 가지는 개구영역을 포함하는 제1플레이트(114)를 포함할 수 있다. 다만, 제1 내지 제3 플레이트의 재질은 이에 국한되지는 않는다.
또한, 센서부(100)는 제3플레이트(116), 제2플레이트(112) 및 제1플레이트(114)의 개구영역에 의해 결정되는 캐비티(150)를 포함할 수 있다. 여기서, 캐비티(150)는 상기 설명한 바와 같은 서로 다른 성질(예, 전도성 액체 및 비전도성 액체)의 제1 및 제2 액체(122, 124)가 충진될 수 있으며, 서로 다른 성질의 제1 및 제2 액체(122, 124) 사이에는 계면(130)이 형성될 수 있다.
또한, 센서부(100)에 포함되는 두 액체(122, 124) 중 적어도 하나는 전도성을 가지며, 센서부(100)는 제1플레이트(114) 상부 및 하부에 배치되는 두 전극(132, 134)을 포함할 수 있다. 제1플레이트(114)는 경사면을 포함하고 경사면에 배치되는 절연층(118)을 더 포함할 수 있다. 전도성을 가지는 액체는 절연층에 접촉할 수 있다. 여기서, 절연층(118)은 두 전극(132, 134) 중 하나의 전극(예, 제2전극(134))을 덮고, 다른 하나의 전극(예, 제1전극(132))의 일부를 덮거나 또는 노출시켜 전도성 액체(예, 122)에 전기 에너지가 인가되도록 할 수 있다. 여기서, 제1전극(132)은 적어도 하나 이상의 전극섹터(예, C0)를 포함하고, 제2전극(134)은 둘 이상의 전극섹터(예, 도4의 L1, L2, L3, L4)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2전극(134)은 회전축을 중심으로 시계방향을 따라 순차적으로 배치되는 복수의 전극섹터를 포함할 수 있다. 전극 섹터는 서브 전극 또는 센서부(100)의 단자로 불릴 수 있다.
센서부(100)에 포함된 두 전극(132, 134)에 전압을 전달하기 위한 하나 또는 두 개 이상의 기판(142, 144)이 연결될 수 있다. 구동 전압에 대응하여 회전하는 센서부(100)에 각속도에 의한 힘이 작용하는 경우, 센서부(100) 내 형성되는 계면(130)의 곡률, 굴곡, 또는 경사도 등이 변할 수 있다.
이하에서는 센서부(100)를 구성하는 전극부에 대해 설명하기로 한다
도 4는 센서부(100)의 상면도를 도시한 것이고, 도 5는 센서부(100)의 하면도를 도시한 것이다.
상기와 같은 두 전극(132, 134) 중 제1전극(132)은 공통전극(COM)이라고 할 수 있고, 제2전극(134)은 개별전극(L1, L2, L3, L4)라고 할 수 있으며, 이하에서는 이를 토대로 설명하기로 한다.
도면을 참조하면, 센서부(100)는 도 4와 같이 상부에 공통 전극(COM)(132)이 배치될 수 있다. 이때, 공통 전극(COM)(132)은, 튜브 형태로 배치될 수 있으며, 공통 전극(COM)(132)의 하부 영역에, 특히, 중공에 대응하는 영역에, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)가 배치될 수 있다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 공통 전극(COM)(132)의 절연을 위해, 공통 전극(COM)(132)과 리퀴드 사이에, 절연층(도3의 118)이 배치될 수 있다.
그리고, 도 5와 같이, 공통 전극(COM)(132)의 하부, 특히 제1 플레이트(114)의 하부에, 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)이 배치될 수 있다. 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)은 특히 제2 액체(124)를 둘러싸는 형태로 배치될 수 았다.
그리고, 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)과 제2 액체(124) 사이에, 절연을 위한 복수의 절연층(118)이 배치될 수 있다. 상기 절연층(118)은 제1개별전극(L1) 상에 배치되는 제1 절연층(118a)과, 제2개별전극(L2) 상에 배치되는 제2 절연층(118b)과, 제3개별전극(L3) 상에 배치되는 제3 절연층(118c)과, 제4개별전극(L4) 상에 배치되는 제4 절연층(118d)을 포함할 수 있다.
즉, 센서부(100)는 공통 전극(COM)(132), 상기 공통 전극(COM)(132)과 이격되어 배치되는 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)과, 상기 공통 전극(COM)(132)과 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d) 사이에 배치되는, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)는 센서부(100)에서 회전체로 기능할 수 있다.
한편, 실시 에에서, 공통 전극(COM)(132)에 펄스 형태의 전기 신호(구동 전압)가 인가된 이후, 소정 시간 후에, 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d) 중 특정 2개의 개별 전극에 펄스 신호의 전기 신호(구동 전압)가 인가되는 경우, 상기 2개의 개별 전극 사이의 전위차가 발생하며, 이에 따라 전기 전도성을 가지는 제1 액체(122)의 형상이 변하고, 상기 제1 액체(122)의 형상 변화에 대응하여 회전체 내부의 형상이 변하게 된다.
한편, 이하에서는 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)과 공통 전극(COM)(132)에 구동 전압이 인가됨에 따라 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)로 구성되는 회전체가 회전하고, 상기 회전체가 회전하는 중에 외부로부터 각속도에 의해 제1 액체(122)와 제2 액체(124) 사이의 계면의 곡률 변화가 발생하며, 상기 곡률 변화를 간편하고 신속하게 감지하여 이에 따른 각속도를 측정하는 방안을 제시한다.
이를 위해, 본 실시 예에서의 측정부(300)는 센서부(100) 내의 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d) 상의 절연층과 제1 액체(122) 사이의 경계 영역의 면적의 크기 또는 면적의 변화를 감지한다.
일단, 실시 예에서의 회전체의 회전 동작에 대해 설명하기로 한다.
도6는 실시 예에 따른 센서부(100) 내 회전체의 계면의 변화를 설명한다. 구체적으로, (a) 내지 (e)는 센서부(100)의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)에 전압이 인가되는 경우 발생할 수 있는 계면(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)의 움직임을 설명한다.
먼저 (a)를 참조하면, 센서부(100)의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)에 실질적으로 동일한 제1 구동전압(V1)을 인가한 경우, 계면(130a)은 원형에 가까운 형태를 유지할 수 있다. 상면에서 보았을 때, 중심(C)을 기준으로 계면의 제1수평거리(LH1), 제2수평거리(LH2), 제1수직거리(LV1) 및 제2 수직거리(LV2)는 실질적으로 동일하다. 여기에서, 제1수평거리(LH1)는 중심(C)으로부터 제1 개별전극(L1) 방향에 배치된 제1 절연층(118a)의 경계 영역까지의 거리를 의미하고, 제2수평거리(LH2)는 중심(C)으로부터 제3 개별전극(L3) 방향에 배치된 제3 절연층(118c)의 경계 영역까지의 거리를 의미하고, 제1수직거리(LV1)는 중심(C)으로부터 제2 개별전극(L2) 방향에 배치된 제2 절연층(118b)의 경계 영역까지의 거리를 의미하고, 제2수직거리(LV2)는 중심(C)으로부터 제4 개별전극(L4) 방향에 배치된 제4 절연층(118d)의 경계 영역까지의 거리를 의미한다.
상기와 같이, 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)에 각각 동일한 제1구동 전압(V1)이 인가되는 경우, 계면(130a)의 움직임(예, 경사각)이 균형을 이루는 형태를 가질 수 있다. 이 경우에는 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4)를 통해 측정한 제1 액체(122)와 각 절연층 사이의 경계영역의 면적의 크기(예를 들어, 캐패시턴스 값)는 실질적으로 동일하게 측정될 수 있다.
또한, (b)를 참조하면, 제1 개별전극(L1)에 인가되는 전압이 제2 내지 제4 개별 전극(L2, L3, L4)에 인가되는 전압보다 낮은 경우를 설명한다. 제1 개별전극(L1)에는 제2 구동전압(V2)이 인가될 수 있고, 제2 내지 제4 개별 전극(L2, L3, L4)에는 제2 구동전압보다 높은 제1 구동전압(V1)이 인가될 수 있다. 예를 들어, 제1 구동전압(V1)은 50V일 수 있고, 제2 구동전압(V2)은 40V일 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
이 경우, 중심(C)을 기준으로 계면(130b)을 당거거나 미는 힘이 수평 또는 수직에서 다르기 때문에, 상면에서 보았을 때의 계면의 제1 수평거리(LH1)가 상면에서 보았을 때의 계면의 제2 수평 거리(LH2), 제1 수직 거리(LV1) 및 제2 수직 거리(LV2)보다 길어질 수 있다. 제1 계별전극(L1)에 인가되는 전압이 제2 내지 제4 개별 전극(L2, L3, L4)에 인가되는 전압에 비하여 낮은 경우, 제1 개별전극(L1)에서의 계면(130b)의 경사각이 제 2 개별전극(L2), 제3 개별전극(L3) 및 제4개별전극(L4)에서서의 계면(130b)의 경사각보다 작기 때문에, 평면상에서는 동일해 보이지만 입체적으로는 제1 수평거리(LH1)가 제2 수평 거리(LH2), 제1 수직 거리(LV1) 및 제2 수직 거리(LV2)보다 길다. 즉, 이 경우, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)에는 제1개별전극(L1)이 위치한 방향으로 힘이 발생할 수 있다. 또한, 이 경우에는 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4) 상의 절연층의 경사 부분 중 제1 액체와 접촉하는 경계영역의 면적의 크기(또는 캐패시턴스 값)는 서로 다를 수 있다. 한편, 제2 개별전극(L2), 제3 개별전극(L3) 및 제4 개별전극(L4) 상의 절연층 중 제1 액체(122)와 접촉하는 경계영역의 면적의 크기(또는 캐패시턴스 값)는 서로 같을 수 있다.
또한, (c)를 참조하면, 제2 개별전극(L2)에 인가되는 전압이 제1, 제3 및 제4개별 전극(L1, L3, L4)에 인가되는 전압보다 낮은 경우를 설명한다. 제2 개별전극(L2)에는 제2 구동전압(V2)이 인가될 수 있고, 제1, 제3 및 제4 개별 전극(L1, L3, L4)에는 제2 구동전압보다 높은 제1 구동전압(V1)이 인가될 수 있다. 예를 들어, 제1 구동전압(V1)은 50V일 수 있고, 제2 구동전압(V2)은 40V일 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
이 경우, 중심(C)을 기준으로 계면(130c)을 당거거나 미는 힘이 수평 또는 수직에서 다르기 때문에, 상면에서 보았을 때의 계면의 제1 수직거리(LV1)가 상면에서 보았을 때의 계면의 제1 수평 거리(LH1), 제2 수평 거리(LH2) 및 제2 수직 거리(LV2)보다 길어질 수 있다. 제2 계별전극(L2)에 인가되는 전압이 제1, 제3 및 제4 개별 전극(L1, L3, L4)에 인가되는 전압에 비하여 낮은 경우, 제2 개별전극(L2)에서의 계면(130c)의 경사각이 제 1 개별전극(L1), 제3 개별전극(L3) 및 제4개별전극(L4)에서서의 계면(130c)의 경사각보다 작기 때문에, 평면상에서는 동일해 보이지만 입체적으로는 제1 수직거리(LV1)가 제1 수평 거리(LH1), 제2 수평 거리(LH2) 및 제2 수직 거리(LV2)보다 길다. 즉, 이 경우, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)에는 제2개별전극(L2)이 위치한 방향으로 힘이 발생할 수 있다. 또한, 이 경우에는 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4) 상의 절연층의 경사 부분 중 제1 액체와 접촉하는 경계영역의 면적의 크기(또는 캐패시턴스 값)는 서로 다를 수 있다. 한편, 제1 개별전극(L1), 제3 개별전극(L3) 및 제4 개별전극(L4) 상의 절연층 중 제1 액체(122)와 접촉하는 경계영역의 면적의 크기(또는 캐패시턴스 값)는 서로 같을 수 있다.
또한, (d)를 참조하면, 제3 개별전극(L3)에 인가되는 전압이 제1, 제2 및 제4개별 전극(L1, L2, L4)에 인가되는 전압보다 낮은 경우를 설명한다. 제3 개별전극(L3)에는 제2 구동전압(V2)이 인가될 수 있고, 제1, 제2 및 제4 개별 전극(L1, L2, L4)에는 제2 구동전압보다 높은 제1 구동전압(V1)이 인가될 수 있다. 예를 들어, 제1 구동전압(V1)은 50V일 수 있고, 제2 구동전압(V2)은 40V일 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
이 경우, 중심(C)을 기준으로 계면(130d)을 당거거나 미는 힘이 수평 또는 수직에서 다르기 때문에, 상면에서 보았을 때의 계면의 제2 수평거리(LH2)가 상면에서 보았을 때의 계면의 제1 수평 거리(LH1), 제1 수직 거리(LV1) 및 제2 수직 거리(LV2)보다 길어질 수 있다. 제3 계별전극(L3)에 인가되는 전압이 제1, 제2 및 제4 개별 전극(L1, L2, L4)에 인가되는 전압에 비하여 낮은 경우, 제3 개별전극(L3)에서의 계면(130d)의 경사각이 제 1 개별전극(L1), 제2 개별전극(L2) 및 제4개별전극(L4)에서서의 계면(130d)의 경사각보다 작기 때문에, 평면상에서는 동일해 보이지만 입체적으로는 제2 수평거리(LH2)가 제1 수평 거리(LH1), 제1 수직거리(LV1) 및 제2 수직 거리(LV2)보다 길다. 즉, 이 경우, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)에는 제3개별전극(L3)이 위치한 방향으로 힘이 발생할 수 있다. 또한, 이 경우에는 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4) 상의 절연층의 경사 부분 중 제1 액체와 접촉하는 경계영역의 면적의 크기(또는 캐패시턴스 값)는 서로 다를 수 있다. 한편, 제1 개별전극(L1), 제2 개별전극(L2) 및 제4 개별전극(L4) 상의 절연층 중 제1 액체(122)와 접촉하는 경계영역의 면적의 크기(또는 캐패시턴스 값)는 서로 같을 수 있다.
또한, (e)를 참조하면, 제4 개별전극(L4)에 인가되는 전압이 제1, 제2 및 제3개별 전극(L1, L2, L3)에 인가되는 전압보다 낮은 경우를 설명한다. 제4 개별전극(L4)에는 제2 구동전압(V2)이 인가될 수 있고, 제1, 제2 및 제3 개별 전극(L1, L2, L3)에는 제2 구동전압보다 높은 제1 구동전압(V1)이 인가될 수 있다. 예를 들어, 제1 구동전압(V1)은 50V일 수 있고, 제2 구동전압(V2)은 40V일 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
이 경우, 중심(C)을 기준으로 계면(130e)을 당거거나 미는 힘이 수평 또는 수직에서 다르기 때문에, 상면에서 보았을 때의 계면의 제2 수직거리(LV2)가 상면에서 보았을 때의 계면의 제1 수평 거리(LH1), 제1 수직 거리(LV1) 및 제2 수평 거리(LH2)보다 길어질 수 있다. 제4 계별전극(L4)에 인가되는 전압이 제1, 제2 및 제3 개별 전극(L1, L2, L3)에 인가되는 전압에 비하여 낮은 경우, 제4 개별전극(L4)에서의 계면(130e)의 경사각이 제 1 개별전극(L1), 제2 개별전극(L2) 및 제3개별전극(L3)에서서의 계면(130e)의 경사각보다 작기 때문에, 평면상에서는 동일해 보이지만 입체적으로는 제2 수직거리(LV2)가 제1 수평 거리(LH1), 제1 수직거리(LV1) 및 제2 수평 거리(LH2)보다 길다. 즉, 이 경우, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)에는 제4개별전극(L4)이 위치한 방향으로 힘이 발생할 수 있다. 또한, 이 경우에는 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4) 상의 절연층의 경사 부분 중 제1 액체와 접촉하는 경계영역의 면적의 크기(또는 캐패시턴스 값)는 서로 다를 수 있다. 한편, 제1 개별전극(L1), 제2 개별전극(L2) 및 제3 개별전극(L3) 상의 절연층 중 제1 액체(122)와 접촉하는 경계영역의 면적의 크기(또는 캐패시턴스 값)는 서로 같을 수 있다.
상기와 같이, 4개의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d) 중 3개의 전극에는 동일 전압을 공급하고, 나머지 하나의 전극에만 다른 전압을 공급하는 경우, 상기 계면은 한쪽 방향으로 쏠린 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기와 같은 전압 변경 동작을 회전체의 회전 방향에 따라 순차적으로 진행하는 경우, 상기 계면이 쏠린 위치는 상기 회전 방향을 따라 순차적으로 변하게 되며, 이로 인해 상기 제1 액체(122)는 상기 계면을 중심으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 도6의 (b) 내지 (e) 동작을 순차적으로 반복하는 경우, 제2 액체(124)는 제1 액체(122) 상에서 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
한편, 이는 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 제1 액체(122)를 회전시키기 위한 전압 공급 방법은 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서는 회전 방향으로 특정 개별전극에 공급되는 전압이 다른 개별전극에 공급되는 전압보다 낮았지만 높을 수도 있을 것이다.
또한, 상기에서는 하나의 개별전극에만 나머지 다른 개별전극과 다른 전압이 공급되었지만, 복수의 개별전극에 공급되는 전압이 다른 개별전극에 공급되는 전압과 다를 수도 있을 것이다. 예를 들어, 제1 타이밍에 제1 개별전극(L1) 및 제2 개별전극(L2)에 제2 구동전압이 인가되고, 제3 개별전극(L3) 및 제4 개별전극(L4)에는 제1 구동 전압이 인가될 수 있다. 이후, 제2 타이밍에 제2 개별전극(L2) 및 제3 개별전극(L3)에 제2 구동전압이 인가되고, 제1 개별전극(L1) 및 제4 개별전극(L4)에는 제1 구동 전압이 인가될 수 있다. 이후, 제3 타이밍에 제3 개별전극(L3) 및 제4 개별전극(L4)에 제2 구동전압이 인가되고, 제1 개별전극(L1) 및 제2 개별전극(L2)에는 제1 구동 전압이 인가될 수 있다. 이후, 제4 타이밍에 제1 개별전극(L1) 및 제4 개별전극(L4)에 제2 구동전압이 인가되고, 제2 개별전극(L2) 및 제3 개별전극(L3)에는 제1 구동 전압이 인가될 수 있다. 그리고, 상기 제1 내지 제4 타이밍에 대응하는 구동전압을 반복하여 순차적으로 인가함에 따라 상기 제1 액체(122)는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
한편, 상기에서는 제1 액체(122)가 반시계 방향으로 회전하는 것으로 설명하였으나, 상기 전압 변경 동작을 시계 방향으로 함에 따라 상기 제1 액체(122)는 시계 방향으로 회전할 수도 있을 것이다.
한편, 전술한 예에서는 센서부(100)가 4개의 개별 전극을 포함하는 구조를 들어 설명하였으나, 센서부(100)가 8개, 12개, 16개 등의 더 많은 개별 전극을 가질 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 액체(122)의 움직임을 보다 정교하게 제어할 수 있고, 각속도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 각속도에 따른 경계 영역의 면적 크기를 설명하기 위한 도면이다.
실시 예에서는 각속도를 측정하기 위해, 측정부(300)는 센서부(100) 내의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d) 상의 절연층들(118a, 118b, 118c, 118d)와 제1 액체(122) 사이의 경계 영역(Aca, Acc)의 면적의 크기 또는 면적의 변화를 감지한다. 즉, 측정부(300)는 제1 개별전극(L1) 상의 제1 절연층(118a)과 제1 액체(122) 사이의 제1 경계 영역(Aca)의 면적의 크기 또는 면적의 변화를 감지한다. 또한, 측정부(300)는 제2 개별전극(L2) 상의 제2 절연층(118b)과 제1 액체(122) 사이의 제2 경계 영역(Acb, 도시하지 않음)의 면적의 크기 또는 면적의 변화를 감지한다. 또한, 측정부(300)는 제3 개별전극(L3) 상의 제1 절연층(118c)과 제1 액체(122) 사이의 제3 경계 영역(Acc)의 면적의 크기 또는 면적의 변화를 감지한다. 또한, 측정부(300)는 제4 개별전극(L4) 상의 제4 절연층(118d)과 제1 액체(122) 사이의 제4 경계 영역(Acd, 도시하지 않음)의 면적의 크기 또는 면적의 변화를 감지한다.
도 7에서는, 제1경계 영역(Aca)의 면적으로 AMa1를 예시하고, 제3 경계영역(Acc)의 면적으로 AMc1을 예시한다. 특히, 제1 개별전극(L1) 상의 제1 절연층(118a)의 경사 부분 중 제1 액체(122)와 접촉하는 경계 영역(Aca)의 면적이, AMa1인 것으로 예시하고, 제3 개별전극(L3) 상의 제3 절연층(118c)의 경사 부분 중 제1 액체(122)와 접촉하는 경계 영역(Acc)의 면적이, AMc1인 것으로 예시한다.
도 7에서는, 제1 액체(122)와 제2 액체(124) 사이의 계면(130)이 오목하거나 볼록하지 않고, 제1 플레이트(114) 등과 평행한 것을 예시한다. 이때의 계면의 곡률은, 예를 들어, 0 으로 정의할 수 있다. 즉, 상기 설명한 바와 같이 각속도가 발생하지 않은 상태에서, 일정 속도로 상기 제1 액체(122)가 회전하는 경우, 상기 계면은 오목하거나 볼록하지 않을 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 제1 액체(122)가 회전하는 상태에서 각속도가 발생하지 않아도 상기 계면은 일정 곡률을 가질 수도 있을 것이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 각속도가 발생하지 않은 상태에서의 계면은 제1 플레이트(114) 등가 평행한 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
한편, 도 7과 같이, 제1 개별전극(L1) 상의 제1 절연층(118a)의 경사 부분 중 제1 액체(122)와 접촉하는 제1 경계 영역(Aca)에 대해, 다음의 수학식 1에 의해, 캐패시턴스(C)가 형성될 수 있다.
Figure 112019053627232-pat00001
이때의 ε는 제1 절연층(118a)의 유전율, A는 제1 경계 영역(Aca)의 면적, d는, 제1 절연층(118a)의 두께를 나타낼 수 있다.
여기서, ε, d는, 고정값이라 가정하면, 캐패시턴스(C)에 큰 영향을 미치는 것은, 제1 경계 영역(Aca)의 면적일 수 있다.
즉, 제1 경계 영역(Aca)의 면적이 클수록, 제1 경계 영역(Aca)에 형성되는 캐패시턴스(C)가 커질수 있다.
또한, 이와 마찬가지로 제2 내지 제4 경계 영역(Acb, Acc, Acd)의 면적이 클수록, 제2 내지 제4 경계 영역(Acb, Acc, Acd)에 형성되는 캐패시턴스(C)가 커질수 있다.
한편, 제1 액체(122)와 제2 액체(124) 사이의 계면(130)의 곡률이 가변됨에 따라 제1 내지 제4경계 영역(Aca, Acb, Acc, Acd)의 면적이 가변되므로, 실시 예에서는 측정부(300)를 이용하여, 제1 내지 제4경계 영역(Aca, Acb, Acc, Acd)의 면적을 측정하거나, 또는 제1 내지 제4경계 영역(Aca, Acb, Acc, Acd)에 형성되는 캐패시턴스(C)를 측정하여 각속도를 유추할 수 있도록 한다. 즉, 각속도에 의한 외부의 힘이 상기 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)에 가해지지 않는 경우, 상기 제1 내지 제4경계 영역(Aca, Acb, Acc, Acd)은 회전하는 상태에 대응하는 일정한 면적 또는 커패시터를 유지할 것이다. 이에 반하여, 각속도에 의한 외부의 힘이 가해지는 경우, 상기 각속도에 대응하게 상기 제1 내지 제4경계 영역(Aca, Acb, Acc, Acd) 중 적어도 하나의 경계 영역의 면적이나 캐패시턴스는 증가할 것이고, 나머지 다른 경계 영역의 면적이나 캐패시턴스는 감소할 것이다. 이에 따라, 측정부(300)는 상기 제1 내지 제4경계 영역(Aca, Acb, Acc, Acd)의 면적이나 캐패시턴스를 측정하고, 이를 제어부(600)에 전달할 수 있도록 한다.
한편, 도 7에서의 제1 경계 영역(Aca)에서의 캐패시턴스는, CAca1 라 정의할 수 있고, 제3 경계 영역(Acc)에서의 캐패시턴스는, CAcc1 라 정의할 수 있다.
도 8은 실시 예에서 각속도에 의해 제1방향으로 힘이 가해지는 경우에 변화하는 곡률을 예시하는 도면이다.
먼저, 도 8은 제1 개별전극(L1)에서 제3개별전극(L3) 방향(제1방향)으로 각속도에 의한 추가적인 힘이 회전체인 제1 액체(122)에 가해지는 경우에서 계면이 형성하는 곡률을 예시한 것이다.
도 8에서는 제1방향으로 추가적인 힘이 제1 액체(122)에 작용함에 따라 계면의 곡률이 변화하고, 이에 따른 제1 경계 영역(Aca)의 면적으로 AMa2(<AMa1)을 예시한다. 특히, 제1 개별 전극(L1) 상의 제1 절연층(118a)의 경사 부분 중 제1 액체(122)와 접촉하는 제1 경계 영역(Aca)의 면적이, AMa2인 것을 예시한다.
또한, 제1방향으로 추가적인 힘이 제1 액체(122)에 작용함에 따라 계면의 곡률이 변화하고, 이에 따른 제3 경계 영역(Acc)의 면적으로 AMc2(>AMc1)을 예시한다. 특히, 제3 개별 전극(L3) 상의 제3 절연층(118c)의 경사 부분 중 제1 액체(122)와 접촉하는 제3 경계 영역(Acc)의 면적이, AMc2인 것을 예시한다.
수학식 1에 따르면, 도 7에 비해, 도 8에서의 제1 경계 영역(Aca)의 면적이 더 작아지므로, 제1 경계 영역(Aca)의 캐패시턴스가 더 작아지게 된다. 이에 반하여, 7에 비해 도 8에서의 제3 경계 영역(Acc)의 면적이 더 커짐으로, 제3 경계 영역(Acc)의 캐패시턴스가 더 커지게 된다.
한편, 도 8의 제1 경계영역(Aca)의 캐패시턴스는, CAca2라 정의할 수 있고, 제3 경계영역(Acc)의 캐패시턴스는 CAcc2라 정의할 수 있다. 그리고, CAca2는 CAca1보다 작은 값을 가질 수 있고, CAcc2는 CAcc1보다 큰 값을 가지게 된다. 그리고, 상기 캐패시턴스의 작아지는 정도 및 커지는 정도는 상기 각속도에 의해 발생한 힘의 크기에 의해 결정된다. 따라서, 실시 예에서는 상기 캐패시턴스의 변화 및 변화 정도에 따라 각속도를 유추할 수 있다.
도 9은 실시 예에서 각속도에 의해 제2방향으로 힘이 가해지는 경우에 변화하는 곡률을 예시하는 도면이다.
먼저, 도 9는 제3 개별전극(L3)에서 제1개별전극(L1) 방향(제1방향과 반대되는 제2방향)으로 각속도에 의한 추가적인 힘이 회전체인 제1 액체(122)에 가해지는 경우에서 계면이 형성하는 곡률을 예시한 것이다.
도 9에서는 제2방향으로 추가적인 힘이 제1 액체(122)에 작용함에 따라 계면의 곡률이 변화하고, 이에 따른 제1 경계 영역(Aca)의 면적으로 AMa3(>AMa1)을 예시한다. 특히, 제1 개별 전극(L1) 상의 제1 절연층(118a)의 경사 부분 중 제1 액체(122)와 접촉하는 제1 경계 영역(Aca)의 면적이, AMa3인 것을 예시한다.
또한, 제2방향으로 추가적인 힘이 제1 액체(122)에 작용함에 따라 계면의 곡률이 변화하고, 이에 따른 제3 경계 영역(Acc)의 면적으로 AMc3(<AMc1)을 예시한다. 특히, 제3 개별 전극(L3) 상의 제3 절연층(118c)의 경사 부분 중 제1 액체(122)와 접촉하는 제3 경계 영역(Acc)의 면적이, AMc3인 것을 예시한다.
수학식 1에 따르면, 도 7에 비해, 도 9에서의 제1 경계 영역(Aca)의 면적이 더 커지므로, 제1 경계 영역(Aca)의 캐패시턴스가 더 커지게 된다. 이에 반하여, 7에 비해 도 9에서의 제3 경계 영역(Acc)의 면적이 더 작아지므로, 제3 경계 영역(Acc)의 캐패시턴스가 더 작아지게 된다.
한편, 도 9의 제1 경계영역(Aca)의 캐패시턴스는, CAca3라 정의할 수 있고, 제3 경계영역(Acc)의 캐패시턴스는 CAcc3라 정의할 수 있다. 그리고, CAca3는 CAca1보다 큰 값을 가질 수 있고, CAcc3는 CAcc1보다 작은 값을 가지게 된다. 그리고, 상기 캐패시턴스의 작아지는 정도 및 커지는 정도는 상기 각속도에 의해 발생한 힘의 크기에 의해 결정된다. 따라서, 실시 예에서는 상기 캐패시턴스의 변화 및 변화 정도에 따라 각속도를 유추할 수 있다.
이하에서는, 센서 구동부(200), 측정부(300) 및 제어부(600)의 동작에 대해 설명하기로 한다.
도10은 센서부(100)와 연동하는 측정부(300)를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 센서부(100)는 4개의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)과 하나의 공통전극(C0M)를 포함한다. 센서 구동부(200)는 4개의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)과 하나의 공통전극(C0)에 인가되는 전압을 생성하여 공급할 수 있다. 예를 들어, 센서 구동부(200)는 상기 센서부(100)의 제1 액체(122)를 회전시키기 위해, 이전에 설명한 바와 같이 센서부(100)의 중심을 기준으로 회전 방향으로 따라 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)에 인가되는 전압을 순차적으로 변경할 수 있다.
측정부(300)는 센서부(100) 내 계면(130)의 위치, 형상 또는 움직임을 측정 또는 산출하기 위한 것이다. 이에 따라, 측정부(300)는 정전용량 측정부라고도 할 수 있다.
즉, 측정부(300)는 외부의 각속도에 의해 발생하는 힘에 기반하여 변경되는 센서부(100)의 계면(130)의 위치, 형상 또는 움직임은 이전에 설명한 바와 같이 경계 영역의 면적의 크기 또는 변화에 대응된다고 할 수 있으며, 이는 캐패시턴스(정전용량, capacitance)를 이용하여 측정할 수 있다. 센서부(100)의 캐패시턴스를 측정하기 위해, 센서부(100)에 포함된 적어도 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)과 공통 전극을 이용할 수 있다.
센서 구동부(200)는 4개의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d) 및 공통 전극(C0M)에 인가되는 전압을 회전 방향에 따라 순차적으로 변경하여 센서부(100)의 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)로 구성되는 회전체의 회전이 이루어지도록 한다.
그리고, 외부의 각속도에 의한 힘이 상기 회전체에 작용하면, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)의 계면(130)의 움직임, 위치, 또는 형상의 변화가 발생하여 이에 따른 캐패시턴스의 변화가 발생할 수 있다. 이때, 센서부(100) 내 계면(130)의 변화에 따라 일어나는 캐패시턴스의 변화는 수 pF 내지 수십 pF의 작은 범위일 수 있다.
이때, 상기 각각의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)(134a, 134b, 134c, 134d)에 대응하는 캐패시턴스는 공통 전극(C0M)에 그라운드 전압(GND, 0V)가 인가한 후 공통 전극(C0M)을 플로팅(floating)시켜 측정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 공통 전극(C0M)을 플로팅(floating)되고 제1 내지 제4 개별 전극(L1, L2, L3, L4) 중 하나에 인가되는 구동 전압이 고전압(예, 10~80V)에서 그라운드 전압(0V)으로 떨어지는 폴링 에지(falling edge) 또는 라이징 에지일 때, 해당 전극에 인가되는 전압의 변화를 이용하여 캐패시턴스를 측정할 수 있다. (그라운드 플로팅 엣지 측정)
실시예에 따라, 측정부(300)는 다양한 구성 요소를 포함할 수 있다.
예를 들어, 수 pF 내지 수십 pF의 작은 캐패시턴스의 변화를 측정하기 위한 측정부(300)는 어떤 절댓 값의 캐패시턴스를 측정하는 것이 아니라 이미 값을 알고 있는 두 커패시터 중 하나 혹은 두 개 전부를 외부 변화에 노출시킬 때 발생하는 물리적 변화량의 차이를 통해 캐패시턴스를 측정하는 차동 비교를 통해 캐패시턴스의 변화를 측정할 수 있다.
또 다른 예로, 수 pF 내지 수십 pF의 작은 캐패시턴스를 측정하기 위한 측정부(300)는 이미 알려진 큰 값을 갖는 커패시터와 측정하고자 하는 작은 값을 갖는 커패시터와의 비율을 산정하여 그 값을 알아내는 방식을 통해 캐패시턴스를 측정할 수도 있다.
측정부(300)는 산출 또는 측정한 정보를 제어부(600)에 전달하고, 제어부(600)는 측정부(300)를 통해 산출 또는 측정된 정보를 이용하여 각속도 정보를 획득할 수 있다. 즉, 메모리(400)에는 상기 측정부(300)를 통해 산출 또는 측정된 정보에 대응하는 각속도 정보가 저장될 수 있으며, 제어부(600)는 이를 이용하여 각속도 정보를 획득할 수 있다.
즉, 제어부(600)는 4개의 개별 전극과 공통 전극 사이에서 측정된 캐패시턴스를 제공받을 수 있다. 이때, 상기 측정된 캐패시턴스는 각속도 발생 여부에 따른 계면의 상태 정보를 포함할 수 있다. 이때, 메모리(400)에는 각속도에 의한 추가적인 힘이 발생하지 않았을 경우에의 4개의 개별 전극과 공통 전극 사이의 기준 캐패시턴스가 저장될 수 있다.
제어부(600)는 상기 측정된 캐패시턴스와 상기 기준 캐패시턴스를 비교하여, 상기 각속도에 의한 추가적인 힘의 발생 여부를 판단할 수 있다.
또한, 제어부(600)는 상기 측정된 캐패시턴스와 상기 기준 캐패시턴스가 동일하면, 상기 각속도에 의한 추가적인 힘이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
또한, 제어부(600)는 상기 측정된 캐패시턴스와 상기 기준 캐패시턴스가 서로 다르면, 이의 차이값에 대응되게 상기 각속도에 의한 추가적인 힘이 제1 액체(122)에 작용한 것으로 판단할 수 있다.
그리고, 제어부(600)는 상기 측정된 캐패시턴스와 상기 기준 캐패시턴스가 서로 다른 경우, 이의 차이 값을 이용하여 상기 발생한 각속도에 대한 정보를 획득할 수 있다.
도 10은 측정부(300)의 예를 설명한다. 도 10에 도시된 측정부(300)는 하나의 예로서 제시된 것으로, 실시예에 따라 다양한 구성 요소를 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 측정부(300)는 구동 전압이 어느 하나의 개별전극(예를 들어, L1)에 인가되면, 다른 하나(C0M)와 연결된 측정부(300)가 두 전극(L1, C0M) 사이의 캐패시턴스를 측정하여 제어부(600)에 전달될 수 있다.
이때, 구동 전압이 인가되고, 측정부(300) 내의 제1스위치(SW1)를 연결하면 계면(130)에 전하(Q)의 양은 전압의 변화량(ΔL1)에 계면(130)의 캐패시턴스(C)를 곱한 것과 같을 수 있다. 제1스위치(SW1)가 연결되면 전하(Q)는 기준 캐패시터(Cap-m)으로 이동할 수 있다.
이후, 구동 전압이 그라운드 전압으로 떨어지는 폴링 에지(falling edge)에서 제1스위치(SW1)가 오프(OFF)되고 제2스위치(SW1)가 온(ON)되면, 기준 캐패시터(Cap-m)으로 이동했던 전하가 온칩 캐패시터(Cap-on)로 이동할 수 있다. 이때, 온칩 캐패시터(Cap-on)로 이동하는 전하(Q)의 양은 피드백 전압의 변화량(ΔL1)에 온칩 캐패시터(Cap-on)의 캐패시턴스를 곱한 것과 같을 수 있다.
기준 캐패시터(Cap-m)에 누적되는 전하의 총량이 0이 되도록 계면(130)의 캐패시턴스(C)에 의한 커플링 횟수와 온칩 캐패시터(Cap-on)에 의한 커플링 횟수의 비를 조정하여 그 비율로부터 두 캐패시턴스의 비를 구하게 된다. 온칩 캐패시터(Cap-on)의 캐패시턴스는 이미 알고 있는 값이므로, 해당 개별전극의 캐패시턴스(C)의 캐패시턴스를 측정할 수 있다.
전술한 측정부(300)의 구성은 실시예에 따라 달라질 수 있으며, 그에 따른 동작과 제어 방법도 차이가 날 수 있다. 여기서, 측정부(300)는 수 pF 내지 200 pF의 변화를 측정할 수 있도록 설계될 수 있다.
캐패시턴스를 측정하는 회로의 구성은 실시예에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 공통 전극에 LC 직렬 공진을 이용하여 공진 주파수를 바탕으로 캐패시턴스를 산출하는 회로가 사용될 수 있다. 다만, LC 직렬 공진을 이용하는 경우 공진 주파수를 찾기 위해서 각 주파수 별 파형을 인가해야 하기 때문에 캐패시턴스를 산출하는 데 시간이 소요될 수 있고, 이로 인해 센서부(100)의 계면이 영향 받을 수 있다. 하지만, 전술한 측정부(300)는 스위치드 캐패시터(switched capacitor)를 이용한 정전용량 측정회로이다. 스위치드 캐패시터는 2개의 스위치와 1개의 캐패시터를 포함할 수 있으며, 이를 이용해 흐르는 평균전류를 제어하는 장치로 평균저항이 커패시터 용량과 스위치 동작 주파수에 반비례할 수 있다. 스위치드 캐패시터를 이용하여 센서부(100)의 캐패시턴스를 측정하는 경우, 매우 빠른 속도(예, 수십 ns)로 캐패시턴스를 측정할 수 있다.
또한, 캐패시턴스를 측정하기 위한 회로로 저항, 인턱터, 캐패시터를 모두 포함해야 하는 LC 직렬 공진 회로보다는 캐패시터와 스위치만으로 구성될 수 있는 스위치드 캐패시터 회로가 직접도가 높아, 모바일 기기 등에 적용하기 용이할 수 있다. 제1 스위치의 일단은 센서부(100)와 센서 구동부(200)전압 제어 회로가 전기적으로 연결될 수 있다.
도11 제어 회로의 제1예를 설명한다. 설명의 편의를 위해, 복수의 개별 전극 중 하나(L1)를 예로 들어 설명한다. 그리고, 제어 회로는 센서 구동부(200), 측정부(300) 및 제어부(600)의 구성을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 제어 회로는 센서 구동부(200)와 측정부(300)를 포함하고, 센서부(100)에 연결될 수 있다. 센서 구동부(200)는 구동 전압(예, 제1 구동 전압 및 제2 구동 전압)과 그라운드 전압(GND) 중 하나를 선택적으로 센서부(100)에 포함된 개별 전극(L1)과 공통 전극(C0)에 전달할 수 있다.
측정부(300)는 공통 전극(C0M) 측에 연결될 수 있다. 측정부(300)는 센서부(100)의 캐패시턴스를 측정하기 위해 후술하는 제1스위치(SW1)을 연결하면, 센서부(100)의 캐패시터에 저장되었던 전하량이 측정부(300)로 전달될 수 있다. 측정부(300)는 비교기 외에도 캐패시터 등의 구성 요소들이 더 포함될 수 있어, 센서부(100)의 캐패시터로부터 전달되는 전하량을 측정할 수 있다.
제 1스위치는 측정부(300)와 센서부(100) 사이에 배치될 수 있다.
센서부(100)의 캐패시턴스를 측정하기 전에 공통 전극(C0M)에 접지전압(GND)을 인가한다. 이후, 제1스위치(SW1)를 연결(ON)할 때, 센서 구동부(200)의 제2스위치(SW0)를 오프(OFF)시켜 공통 전극(C0M)을 플로팅(floating) 상태로 만든다. 제2스위치(SW0)는 접지전압(GND)을 공통 전극(C0M)에 인가하기 위한 스위치이다. 이후, 제1스위치(SW1)을 연결하고, 측정하고자 하는 개별 전극(L1)에 인가되는 전압(VL1)을 변화시키면 센서부(100)의 캐패시터에 저장된 전하들(예, Q(전하량) = ΔL1 x C(센서부의 캐패시턴스))을 측정부(300)로 이동시킬 수 있다.
도12는 도11의 제어 회로의 동작을 설명한다.
도시된 바와 같이, 센서부(100)의 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4) 및 공통 전극(C0M)에는 시분할 제어의 방법으로 제어되는 타이밍에 맞추어 구동 전압과 그라운드 전압(예, 0V)이 인가될 수 있다.
공통 전극(C0M)에 그라운드 전압이 인가되는 시점, 즉 센서 구동부(200)의 제2스위치(SW0)을 연결한 시점 이후, 제2스위치(SW0)을 끄고 공통 전극(C0M)을 플로팅시킨 상태에서 측정부(300) 내 제1스위치(SW1)를 연결(ON)한 상태에서 개별 전극(L1, L2, L3, L4)에 인가되는 전압이 구동 전압에서 그라운드 전압으로 떨어지는 폴링 에지에서 캐패시턴스의 측정은 이루어질 수 있다.
제1스위치(SW1)가 첫번째로 연결되는 시점에서 제3개별 전극(L3)에 인가되는 전압(VL3)의 폴링 에지가 있어, 제3개별 전극(L3)과 공통 전극(C0M) 사이의 제3캐패시턴스(CL3)를 측정할 수 있다. 이후, 제1스위치(SW1)가 연결되는 시점에서, 제4개별 전극(L4)과 공통 전극(C0M) 사이의 제4캐패시턴스(CL4), 제2개별 전극(L2)과 공통 전극(C0M) 사이의 제2캐패시턴스(CL2), 제1개별 전극(L1)과 공통 전극(C0M) 사이의 제1캐패시턴스(CL1)를 순차적으로 측정할 수 있다. 제1스위치(SW1)가 온(ON)되는 구간 동안 센서 구동부(200)로부터 공통 전극(C0M)에 전압이 공급되지 않는다.
한편, 캐패시턴스의 측정을 위해, 센서 구동부(200)는 센서부(100)에 포함된 복수의 개별 전극에 인가되는 전압을 시계방향 또는 반 시계방향으로 로테이션시켜 서로 다른 시점에 전달할 수 있다.
도13은 제어 회로의 제2예를 설명한다. 설명의 편의를 위해, 복수의 개별 전극 중 하나(L1)를 예로 들어 설명한다.
도시된 바와 같이, 제어 회로는 센서 구동부(200)와 측정부(300)를 포함하고, 센서부(100)에 연결될 수 있다. 센서 구동부(200)는 구동 전압과 그라운드 전압(GND) 중 하나를 선택적으로 센서부(100)에 포함된 개별 전극(L1)과 공통 전극(C0M)에 전달할 수 있다.
측정부(300)는 공통 전극(C0M) 측에 연결될 수 있다. 측정부(300)는 센서부(100)의 캐패시턴스를 측정하기 위해 후술하는 제1스위치(SW1)을 연결하면, 센서부(100)의 캐패시터에 저장되었던 전하량이 측정부(300)로 전달될 수 있다. 측정부(300)는 비교기 외에도 캐패시터 등의 구성 요소들이 더 포함될 수 있어, 센서부(100)의 캐패시터로부터 전달되는 전하량을 측정할 수 있다.
제 1스위치는 측정부(300)와 센서부(100) 사이에 배치될 수 있다.
제어 회로는 센서 구동부(200)와 제1스위치의 사이 및/또는 센서 구동부(200)와 센서부(100) 사이에 배치되는 제3스위치(SW3)를 더 포함할 수 있다. 제3 스위치(SW3)의 일단은 센서 구동부(200)와 연결될 수 있고, 타단은 센서부(100) 및 제1스위치와 연결될 수 있다. 제3 스위치(SW3)는 공통 전극(C0M)에 연결된 측정부(300)가 캐패시턴스를 측정하는 과정에서 플로팅 상태를 제어할 수 있다. 또한, 센서 구동부(200) 내부의 스위치를 이용하여 플로팅 상태를 제어하는 것보다 독립적으로 연결되는 스위치부(SW3)는 스위칭 소자의 내압을 낮추는 데 효과적일 수 있다.
센서부(100)의 캐패시턴스를 측정하기 전에 제3스위치(SW3)를 연결하여 공통 전극(C0M)에 접지전압(GND)을 인가한다. 이후, 제3스위치(SW3)는 공통 전극(C0M)을 플로팅 시킨다. 제1스위치(SW1)를 연결(ON)할 때, 측정하고자 하는 개별 전극(L1)에 인가되는 전압(VL1)을 변화시키면 센서부(100)의 캐패시터에 저장된 전하들(예, Q(전하량) = ΔL1 x C(센서부의 캐패시턴스))을 측정부(300)으로 이동시킬 수 있다.
도14은 도13의 제어 회로의 동작을 설명한다.
도시된 바와 같이, 센서부(100)의 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4) 및 공통 전극(C0M)에는 시분할 제어의 방법으로 제어되는 타이밍에 맞추어 구동 전압과 그라운드 전압(예, 0V)이 인가될 수 있다.
캐패시턴스의 측정은 공통 전극(C0M)에 그라운드 전압이 인가되는 시점, 즉 센서 구동부(200)와 제3스위치(SW3)는 연결될 수 있다. 제3스위치(SW3)가 연결된 상태에서 공통 전극(C0M)에 그라운드 전압(GND)이 인가된 이후, 제3스위치(SW3)을 끄고 공통 전극(C0M)을 플로팅시킨다. 공통 전극(C0M)이 플로팅된 상태에서 측정부(300) 내 제1스위치(SW1)를 연결(ON)한 상태에서 개별 전극(L1, L2, L3, L4)에 인가되는 전압이 구동 전압에서 그라운드 전압으로 떨어지는 폴링 에지가 일어나면 전하량의 이동이 이루어질 수 있다.
제1스위치(SW1)가 첫번째로 연결되는 시점에서 제3개별 전극(L3)에 인가되는 전압(VL3)의 폴링 에지가 있어, 제3개별 전극(L3)과 공통 전극(C0M) 사이의 제3캐패시턴스(CL3)를 측정할 수 있다. 이후, 제2스위치(SW1)가 연결되는 시점에서, 제4개별 전극(L4)과 공통 전극(C0M) 사이의 제4캐패시턴스(CL4), 제2개별 전극(L2)과 공통 전극(C0M) 사이의 제2캐패시턴스(CL2), 제1개별 전극(L1)과 공통 전극(C0M) 사이의 제1캐패시턴스(CL1)를 순차적으로 측정할 수 있다.
도15는 센서부(100)와 제어 회로의 연결을 설명한다.
도시된 바와 같이, 센서부(100)는 개별 전극 및 공통 전극에 구동 전압을 공급하는 센서 구동부(200)와 연결되어 있고, 측정부(300)는 센서부(100)의 두 개의 전극 중 하나와 연결될 수 있다. 센서부(100) 내 캐패시턴스를 측정하고자 하는 위치, 즉 캐패시턴스를 가지는 양측인 두 개의 전극은 전술한 도11 내지 도14에서 설명한 것과 같이 선택될 수 있다.
한편, 센서 구동부(200)와 측정부(300)는 스위칭 소자(SW_V)를 통해 연결되어 있다. 센서부(100) 내 캐패시턴스를 측정하고자 하는 시점에 스위칭 소자(SW_V)는 온(ON)되어 센서 구동부(200)에서 부스트(boost)되기 전 입력전압(VIN)을 측정부(300)로 전달할 수 있다.
도 16은 실시 예에 따른 자이로 센서의 제어 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 자이로 센서의 제어 방법은 센서부(100)의 공통 전극과 개별전극에 구동 전압이 인가되어 센서부(100)의 회전체를 회전시키는 단계(S100), 상기 회전체의 회전 주에 절연층과 제1 액체(122) 사이의 복수의 경계 영역에서의 정전 용량을 측정하는 단계(S110), 상기 정전 용량의 변화가 발생하였는지를 판단하는 단계(S120), 그리고 상기 정전 용량의 변화가 발생하였다면 각각의 경계 영역에서의 정전 용량을 이용하여 각속도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다(S130). 그리고, 상기 정전 용량을 측정하는 단계(S110)는, 센서부(100)의 공통 전극은 그라운드와 연결하고, 개별 전극에는 구동 전압이 인가되어, 공통 전극과 개별 전극 사이에 전하가 축적되는 단계, 측정부(300)와 센서부(100) 사이에 배치되는 제1 스위치를 온(ON)하는 단계, 측정부(300)의 기준 캐패시터 양단의 전압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이후, 기준 캐패시터 양단의 전압의 측정값을 이용하여 공통 전극과 개별 전극 사이의 캐패시턴스를 산출할 수 있다.
실시 예에 의하면, 제1 액체 및 제2 액체를 포함하는 센서부를 구성하고 상기 제1 액체 및 제2 액체의 비중을 서로 다르게 한다. 그리고, 실시 예에서는 상기 제2 액체를 중심으로 상기 제1 액체를 회전시키고, 외부로부터 발생되는 각속도에 기반한 상기 제1 액체와 절연층 사이의 접촉 면적 변화를 통해 각속도를 측정할 수 있도록 한다. 이에 따르면, 자이로 센서의 센서부가 멤스 구조물이 아닌 회전하는 액체로 구성되기 때문에 구조가 간단하고 이에 따른 제조 공정을 간소화할 수 있을 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면, 액체와 절연층 사이의 접촉 면적에 따른 캐패시턴스 값의 변화를 이용하여 각속도를 측정하기 때문에, 보다 정학한 각속도를 측정할 수 있으며, 이에 따른 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
실시예와 관련하여 전술한 바와 같이 몇 가지만을 기술하였지만, 이외에도 다양한 형태의 실시가 가능하다. 앞서 설명한 실시예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시형태로 구현될 수도 있다.
전술한 자이로 센서는, 카메라 모듈에 적용될 수 있으며, 특히 카메라 모듈에서의 손떨림 방지(OIS)를 위한 각속도 정보를 획득할 수 있다. 또한, 상기와 같은 자이로 센서와 카메라 모듈을 광학 기기(Optical Device, Optical Instrument)를 구현할 수 있다. 여기서, 광학 기기는 광신호를 가공하거나 분석할 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 광학 기기의 예로는 카메라/비디오 장치, 망원경 장치, 현미경 장치, 간섭계 장치, 광도계 장치, 편광계 장치, 분광계 장치, 반사계 장치, 오토콜리메이터 장치, 렌즈미터 장치 등이 있을 수 있으며, 자이로 센서를 포함할 수 있는 광학 기기에 본 발명의 실시예를 적용할 수 있다. 또한, 광학 기기는 스마트폰, 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 휴대용 장치로 구현될 수 있다. 이러한 광학 기기는 카메라 모듈, 영상을 출력하는 디스플레이부, 카메라 모듈과 디스플레이부를 실장하는 본체 하우징을 포함할 수 있다. 광학기기는 본체 하우징에 타 기기와 통신할 수 있는 통신모듈이 실장될 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 메모리부를 더 포함할 수 있다.
상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 포함된다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (13)

  1. 제1 비중을 갖는 제1 액체와 상기 제1 비중보다 작은 제2 비중을 갖고 상기 제1 액체 아래에 배치된 제2 액체를 포함하고 구동 전압에 기초하여 상기 제2 액체를 기준으로 상기 제1 액체가 회전하도록 구비된 회전체를 포함하는 센서부;
    상기 센서부의 상기 회전체를 회전시키기 위한 상기 구동 전압을 인가하는 센서 구동부;
    상기 회전체가 회전하는 상태에서, 상기 센서부 내의 상기 구동 전압이 인가되는 전극 상의 절연층과 상기 제1 액체 사이의 경계 영역의 면적을 측정하는 측정부; 및
    상기 측정부를 통해 측정된 상기 경계 영역의 면적을 이용하여 각속도 정보를 획득하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 액체가 상기 제2 액체를 기준으로 회전하는 상태에서 외부의 각속도에 의해 발생하는 힘에 의해 변화하는 상기 경계 영역의 면적에 대응하는 상기 각속도 정보를 획득하는,
    자이로 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액체는, 전도성 액체이고,
    상기 제2 액체는, 비전도성 액체인,
    자이로 센서.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 경계 영역의 면적에 대응하는 상기 전극과 상기 제1 액체가 형성하는 캐패시턴스를 측정하는
    자이로 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 제1 및 상기 제2 액체가 수용되는 캐비티를 포함하는 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트 위의 공통 전극;
    상기 제1 플레이트 아래의 복수의 개별 전극; 및
    상기 복수의 개별 전극 상에 각각 배치된 복수의 절연층을 포함하며,
    상기 측정부는,
    상기 복수의 개별 전극의 각각에 대응하는 캐패시턴스를 측정하는
    자이로 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 개별 전극은,
    상기 센서부의 중심을 기준으로 원주 방향을 따라 순차적으로 배치되며,
    상기 센서 구동부는,
    상기 제1 액체의 회전 방향에 대응되게 상기 복수의 개별 전극에 인가되는 구동 전압을 순차적으로 변경하는
    자이로 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 개별 전극의 각각의 캐패시턴스에 대응하는 각속도 정보가 저장된 메모리를 포함하는
    자이로 센서.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 개별 전극의 각각의 캐패시턴스는,
    외부의 각속도에 의해 발생하는 힘에 의해 증가 또는 감소하는
    자이로 센서.
  9. 제1 비중을 갖는 제1 액체와 상기 제1 비중보다 작은 제2 비중을 갖고 상기 제1 액체 아래에 배치된 제2 액체를 포함 센서부에 구동 전압을 인가하여, 상기 제2 액체에 대해 상기 제1 액체를 회전시키는 단계;
    상기 회전되는 제1 액체와 제2 액체 사이의 계면의 상태 정보를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 상태 정보를 이용하여 각속도 정보를 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 상태 정보를 측정하는 단계는,
    상기 제1 액체가 상기 제2 액체에 대해 회전하는 상태에서 상기 구동 전압이 인가되는 전극 상의 절연층과 상기 제1 액체 사이의 경계 영역의 면적의 크기를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 각속도 정보를 획득하는 단계는, 상기 제1 액체가 상기 제2 액체를 기준으로 회전하는 상태에서 외부의 각속도에 의해 발생하는 힘에 의해 변화하는 상기 경계 영역의 면적에 대응하는 상기 각속도 정보를 획득하는 단계를 포함하는,
    자이로 센서의 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 측정하는 단계는,
    상기 센서부 내의 상기 경계 영역의 면적의 크기에 대응하여, 상기 전극과 상기 제1 액체가 형성하는 캐패시턴스를 측정하는 단계를 포함하는
    자이로 센서의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 회전시키는 단계는,
    상기 제1 액체의 회전 방향에 대응되게, 복수의 전극에 인가되는 구동 전압을 순차적으로 변경하는 단계를 포함하는
    자이로 센서의 제어 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 전극의 각각의 캐패시턴스는,
    외부의 각속도에 의해 발생하는 힘에 의해 증가 또는 감소하는
    자이로 센서의 제어 방법.
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