72 C &I 2007. 1
기 획 특 집 제어계측 각 분야별 기술동향과 전망
머리말
센서(Sensor)는, 물리량을 신호(주로 전기신호) 로 변환하는 전기 회로 구성요소이다. 계측기의 심 장부로서 사용되는 것 외, 각종 전자기기에 조립되 어지거나 상태 검출이나 자동 제어에 이용된다.
대부분의 센서는, 예외도 있지만, 전기적∙전자 적으로 만들게 되어 있다. 센서는 일종의 트랜스 듀서이다. 센서에 의한 측정은 측정된 값이 직접 읽을 수 있는 것(Direct Indicator, 예를 들어 수 은 온도계나 전기 미터 등)과 측정된 값이 인간이 읽을 수 있도록 변환하는 것으로 판독 가능해지는 것(AD변환기를 사용하거나 컴퓨터 및 디스플레 이를 통해 측정 결과를 읽는 등)으로 나눌 수 있 다. 센서는 특히 의학, 산업 및 로봇 공학으로 많 이 사용된다. 기술적 진보는 더욱 더 많은 센서가 MEMS 기술로 제조하는 것을 가능하게 한다. 이 것에 의해 많은 경우, 종래보다는 훨씬 높은 감도 에 이를 가능성이 있다.
이러한 센서들은 오늘날 힘, 변위, 위치, 속도, 가속도, 각속도, 회전수, 거리, 광, 자기, 온도, 화
학 등 너무나도 다양한 종류로 개발되어왔다. 본 문에서는 그 중에서도 각속도 센서에 해당되는 자 이로스코프에 대해서 간단히 살펴 보도록 한다.
정의
자이로스코프(Gyroscope) 물체의 각속도를 검 출하는 계측기로 자이로라고 불려지기도 한다. 배 혹은 항공기나 로켓의 자율 항법으로 사용되었으 며 최근에는 자동차 내비게이션 시스템이나 자동 운전 시스템, 로봇, 디지탈카메라, 무인 정찰기 등 에서도 이용되고 있다. 자이로는 희랍어 Gyros 로, 대응하는 영어는 Circle이다. 발명한 것은 1817년 독일의 Johan Herr Bohnenburger로, 1831년 W.R.Johnsonso가 로타스코프라고 이름 을 붙였다. 그 후 1836년 영국의 Edward Sang 가 지구의 자전에 사용할 수 있는 것을 제언했고, 1852년 프랑스의 레옹∙후코가 지구의 자전을 증 명하려고 실험했을 때 자이로스코프라고 부른 이 름이 일반적으로 퍼져, 후코의 발명품이라고 하는 기술도 있지만, 그가 발명한 것은 "명칭"인 것이
자이로스코프와 그 응용
박 규 성 / 대윤계기산업(주)기술연구소 parkguo@hanmail.net
다. 지구의 자전 검출은 제작 기술의 부족으로 실 패에 끝났으며 1865년 경의 실험 기구 카탈로그 에 기재를 볼 수 있지만, 지구의 자전에 대해서 안 정에 성공하고 Gyrocompass가 생긴 것은 1908 년이다.
각 속도를 검출하는 방법은 크게 2가지로 나눌 수 있는데 다음과 같다.
�역학적인 관성을 이용하는 방법 -회전 관성과 프리셋션（회전형）
-코리올리력（진동형, 가스형）
�광학적인 간섭을 이용하는 방법 -사난크 효과（광학식）
자이로스코프의 종류
자이로스코프의 종류로서는 코리올리력을 이용 하는 기계식과 유체식, 또 사난크 효과를 이용하 는 광학식이 있다.
(1) 기계식 1) 회전형
이른바「팽이」를 이용한 방식이다. 회전하는 물 체는 그 회전 상태를 유지한다(관성의 법칙, 각운동 량 보존의 법칙). 각 속도 등의 외력이 더해지면 원 상태를 유지하려고 하기 위해 관성력이 발생하는 데, 이 회전하는 팽이(물체)에 가해지는 관성력을 검출하는 것으로 물체에 작용하는 각속도를 검출한 다. 큰 사이즈의 팽이를 이용하는 것으로, 분해능을 향상해 안정성도 향상할 수 있다. 그러나 이 크기가 가장 중대한 결점이다. 큰 만큼 기동 시간이 길어져 팽이의 구동을 위해서 소비 전력이 커지며 베어링 의 마모 등 때문에 정기적인 유지보수가 필요하다.
이 방법은 가장 오래 전부터 사용되고 있으며 자이 로효과라고 하는 경우는 이 방식이 이용되고 있는 관성력의 효과를 일반적으로 말하는 것이다.
2) 진동형
팽이와 같은 회전대신에 봉이나 링의 진동을 이
용한 방식이다. 진동하는 물체에 전달되는 코리올 리력을 검출하며 회전형과 같은 모터나 베어링 등 의 복수의 부품을 필요로 하지 않기 때문에 매우 소형이고 염가의 자이로가 실현되고 있어 카메라 의 손 떨림 검출, 카 내비게이션(Car Navigation) 등에 이용되고 있다. 최근에는 MEMS 기술을 이 용하고 초소형의 자이로가 개발되고 있다.
�구조의 종류 -음차형 -음 편형 -링형
�구동 방식 -압전 효과 -정전 인력 -전자력 3) 유체식
�가스형（가스 유속 자이로）
유로 중에 기체(가스)를 흘리면 그 기체에 반응 하는 코리올리력에 의해 기체의 흐름이 변화하는 데 이 변화를 검출하는 것으로 각속도를 얻는다.
흐름의 변화를 검출하는 방법으로서는 구조가 간단한 열선식(유량계)이 이용되는 것이 많은데 구조가 간단하지만 분해능, 안정성 등이 다른 방 식에 비해 뒤떨어진다.
�광학식
사난크 효과를 이용하고 있으며 고정밀도의 자 세 제어를 필요로 하는 경우는 링 레이저 자이로 나 광섬유 자이로가 사용되는 것이 많다.
�광섬유 자이로(Fiber Optic Gyro, FOG) 광섬유를 감아 각각의 단면에 삽입하고 감은 면 과 수직인 축방향을 중심으로 각속도가 더해지면 상대론적 효과에 의해 분리된 빛에 광로차가 생긴 다(사난크 효과). 이 광로차에 의해 분리된 두 개 의 빛 사이에 위상차이가 생기면 정도상차를 검출 하는 것으로써 각속도를 얻을 수 있다.
자이로스코프와 그 응용
2007. 1 C&I 73
광섬유 자이로스코프는 기본적으로 광원과 광 섬유를 원형으로 감아놓은 광섬유 코일(회전 감지 부)로 구성되어 있다. 광원에서 나온 빛은 방향성 결합기를 지난 후 두 개의 빛으로 나뉘어서 광섬 유 코일을 지나게 되는데 서로 반대 방향으로 광 섬유 코일을 지난 두 빛은 다시 방향성 결합기에 서 만나서 간섭한다. 자이로스코프가 정지 상태에 있는 경우 두 빛은 광섬유 코일을 지나는 동안 똑 같은 위상 변화를 경험하므로 방향성 결합기에서 보강 간섭하고 광검출기의 출력은 최대가 된다.
반면, 자이로스코프가 회전하고 있는 경우, Sagnac 효과에 의하여 두 빛 사이에는 회전량에 비례하는 위상차가 발생하고 광검출기의 출력이 변화되므로 광검출기의 출력 세기 변화를 측정함 으로써 회전량을 검출할 수 있다. 이러한 광섬유 자이로스코프는 다른 형태의 자이로스코프에 비 하여 가격, 안정도, 내구성, 빠른 기동 시간 등에 서 큰 이점을 가지고 있다. 최근의 광섬유 자이로 스코프는 100년에 한 바퀴 회전하는 정도의 아주 느린 회전량도 측정할 수 있을 만큼 정밀한 측정 이 가능하다.
�링 레이저 자이로(Ring Laser Gyro) 복수의 밀러에 의해서 링상태(실제로는 다각형 상)의 광로를 가지는 레이저 공진기를 구성해 회 전이 더해졌을 때에 생기는 사난크 효과를 이용하 고 각속도를 검출한다. 매우 정도가 높고 항공기 나 로켓의 위치 제어용으로는 거의 이 자이로가 사용되고 있다.
성능의 평가
① 분해능
② 노이즈
③ 안정성 -드리프트 -랜덤 워크
-온도 특성
④ 주파수 특성
⑤ 다이나믹 레인지
주된 응용
① 자세 제어 -항공기 -로켓 -인공위성 -잠수함 -로봇
② 안정화
-카메라의 손 치우침 보정 -쌍안경의 손 치우침 보정 -흔들림 방지
-자동차의 옆 미끄럼 방지 시스템 -자동차의 횡전 방지
-자동차의 사이드 에어백 시스템을 위한 횡전 검지
-철도의 흔들림 방지
③ 항법용
-카 내비게이션(car navigation) -gyrocompass
-어뢰
④ 운동 계측 -운동 계측기 -관성 측량기
⑤ 추적 장치 -차재 안테나
⑥ 공간 기준
-헤드 마운트 자세 센서 -자이로 마우스
일례
원운동형 마이크로 자이로스코프
74 C &I 2007. 1
기 획 특 집 제어계측 각 분야별 기술동향과 전망
각속도의 검출은 비디오 카메라의 손 치우침 보 상 등 여러 가지에 요망되고 있다. 거기서 소형 민 생 기기에 탑재 가능한 소형이고 고성능인 원운동 형 마이크로 자이로스코프의 연구가 활발했는데 일례를 드는 자이로스코프는 X축 혹은 Y축 회전 의 각속도가 주어졌을 경우에 발생하는 코리올리 력을 빔의 응력 변화로서 검출해 각 각속도를 측 정한다. 응력 변화를 이용하는 것으로 가진 진폭 을 크게 하면 S/N의 상대적 저하를 수반하는 일 없이 고감도화를 기대할 수 있다. 또, 검출 소자 로서 피에조 저항 소자를 이용했다. 게다가 원운 동시키는 것으로 각속도의 2축 검출을 가능하게 했다.<그림 1,2 참조>
맺음말
상기에서 설명했듯이 자이로스코프의 응용분야 로는 비행기, 미사일, 우주선, 잠수함 등에 사용 되는 항법장치, 카메라, 로봇, 무인 자동화 기기 등의 자세 제어, 그리고 자이로콤파스 등으로 매 우 넓다. 자이로스코프는 그 응용에 따라서 요구 되는 정밀도와 안정도가 다르다. 자동차용 항법 장치에 사용되는 광섬유 자이로스코프는 그다지 큰 정밀도나 안정도가 요구되지 않기 때문에 최
근 들어 응용이 활발한 편이며, 상품이 이미 실용 화되었다. 또한 방위각을 측정할 수 있는 자이로 콤파스도 이미 상품으로 나오고 있으며, 잠수함 이나 장거리 비행체 등에 사용할 높은 정밀도와 안정도를 갖는 광섬유 자이로스코프도 속속 개발 되고 있다. 이렇게 정밀도가 높은 광섬유 자이로 스코프로 만들기 위하여 광섬유 자이로스코프에 들어가는 여러 가지 광학 부품도 많이 연구되고 있다. 위상차를 정밀하게 측정할 수 있는 신호처 리 기법들도 연구되고 있으며 최근에는 광섬유 레이저를 이용한 광섬유 레이저 자이로스코프가 새로이 연구되고 있어 매우 관심이 집중되는 산 업 중에 하나이다.
문의: (02)858-6870
자이로스코프와 그 응용
2007. 1 C&I 75 그림 1. 원운동형 마이크로 자이로스코프
그림 2. 프로세스 플로우
