자이로스코프는 회전하는 물체의 각운동량을 이용해 방향을 감지하거나 유지하는 장치다. 회전축은 외부 회전력이 없을 때 방향을 유지하려는 성질이 있어, 그 방향의 변화를 관찰하면 장치의 자세나 회전을 파악할 수 있다.[3][6]
1. 개요
2. 각운동량 보존과 작동 원리
회전하는 로터는 각운동량을 가지며, 외부에서 회전력이 작용하지 않으면 회전축의 방향이 쉽게 바뀌지 않는다. 이 성질을 이용하는 자이로스코프는 기준 방향과 현재 축 방향의 차이를 측정해 회전이나 자세 변화를 알아낸다.[3][6]
진동형 자이로스코프는 회전하는 로터 대신 진동하는 질량부의 움직임을 감지한다. 질량부가 한 축으로 진동할 때 센서에 각속도가 가해지면 코리올리 힘이 생겨 다른 축 방향의 움직임이 나타나며, 그 움직임으로 각속도를 측정한다.[2]
진동형 센서의 민감도를 높이기 위해 구동부와 검지부의 공진주파수를 맞추기도 한다. 제작오차로 두 주파수가 어긋난 경우에는 전기적 강성 변화를 이용해 조정할 수 있다.[2]
3. 기계식과 진동형 구조
기계식 자이로스코프는 회전 로터를 김벌 구조로 지지하는 형태로 만들 수 있다. 김벌은 로터의 회전축이 방향을 유지할 수 있도록 지지하며, 로터 축의 움직임을 관찰해 방향 변화를 알아내는 데 쓰인다.[6]
진동형 자이로스코프는 질량부를 구동 방향으로 진동시키고, 각속도가 인가될 때 검지 방향으로 생기는 움직임을 측정한다. 진동형 각속도계는 구조와 구동·검지 모드에 따라 짐벌형, 튜닝포크형, 선형구동형, 회전구동형, 링형 등으로 분류된다.[2]
센서가 진동하는 구조에서는 주파수·진폭·위상 등의 변화를 측정값으로 이용할 수 있다. 각속도계의 구동 방식과 검지 방식에도 여러 유형이 있으며, 정전용량 검지 방식 등이 소개되어 있다.[2]
4. 광학식과 MEMS 자이로스코프
광학식 자이로스코프는 빛이 닫힌 광로를 따라 움직일 때 생기는 사냑 효과를 이용한다. 링 레이저 자이로는 닫힌 광로 안에 레이저 광원을 두며, 광섬유 자이로는 광섬유로 닫힌 광로를 구성한다.[2]
링 레이저 자이로는 낮은 각속도 영역에서 록인 현상이 생길 수 있다. 이를 완화하는 방법으로 링을 미세하게 진동시키는 디더가 쓰이며, 이 진동은 광파가 록인 영역에 머무는 것을 줄인다.[7]
MEMS 자이로스코프는 반도체 미세가공 기술을 이용해 만든 소형 자이로스코프다. 미세가공 기술의 발전으로 진동 구조를 이용하는 센서를 더 작은 규모로 제작할 수 있게 되었고, MEMS 자이로스코프는 휴대 기기에 활용된다.[2][6]
5. 측정과 센서 결합
6. 활용 분야와 측정상 고려점
7. 관련 문서
- 각운동량 보존
- 가속도계
- 관성측정장치
- 관성항법장치
- 코리올리 힘