KR100224123B1 - 진동 자이로스코프 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 진동 자이로스코프(10)은 두께 방향에서 대향하여 분극되는 압전체 기판(14)를 포함한다. 두 분할 전극(16a) 및 (16b)는 압전체 기판(14)의 한주면에 설치되고, 공통 전극(18)은 압전체 기판(14)의 또 다른 주면에 설치된다.
발진 회로(30)은 단일 압전체 기판(14)가 굴곡 모드로 진동되도록 두 분할 전극(16a) 및 (16b)와 공통 전극(18) 사이에 구동 신호를 가하고, 차동 증폭 회로(36)은 두 분할 전극(16a) 및 (16b) 사이에서 발생된 신호를 검출한다.

Description

진동 자이로스코프
제 1도는 본 발명의 양태에 따른 진동 자이로스코프를 보여주는 도면이다.
제 2도는 제 1도에 도시된 진동 자이로스코프에 사용되는 진동자의 사시도이다.
제 3도는 제 2도에 도시된 진동자의 굴곡 진동 상태를 도시하는 측면도이다.
제 4(a)~ 제 4(c)도는 제 2도에 도시된 진동자의 제조 과정을 보여주는 도면이다.
제 5도는 본 발명에 따른 진동 자이로스코프의 압전체 기판에 설치된 분할 전극의 다른 예를 보여주는 평면도이다.
제 6(a)도 및 6(b)도는 압전체 기판에 설치된 분할 전극의 또 다른 예를 보여주는 평면도이다.
제 7도는 본 발명에 따른 진동 자이로스코프에 사용되는 진동자의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
제 8도는 종래 진동 자이로스코프의 한 예를 보여주는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명
10 : 진동 자이로스코프 14 : 압전체 기판
16 : 분할 전극 18 : 공통 전극
본 발명은 진동 자이로스코프(gyroscope)에 관한 것으로, 특히 회전 각속도를 감지함으로써 이동 물체의 위치가 검출되는 적절한 유도를 제공하는 항행 시스템에 사용하거나, 카메라-흔들림처럼 외적 진동으로 인한 회전 각속도를 감지함으로써 흔들림에 의한 역효과를 방지시켜 주는 카메라-흔들림 방지 장치같이 반진동 시스템에도 사용될 수 있는 진동 자이로스코프에 관한 것이다.
제 8도는 진동자(2)를 포함하는 종래 진동 자이로스코프의 예를 보여주는 도면이다.
진동자(2)는 정삼각주 모양을 지닌 Ni-합금 진동체(3)을 포함한다. 진동체(3)의 세측면의 대략 중앙에는 세 개의 압전 소자(4a), (4b) 및 (4c)가 각각 형성된다. 진동자(2)의 압전 소자(4c)는 구동 수단으로서 작용하는 발진 회로(5)의 입력 터미널(terminal)에 접속된다. 이 발진 회로(5)의 출력 터미널은 두 개의 저항체(resistor : 6a) 및 (6b) 각각의 한 단에 접속된다. 이 저항체(6a) 및 (6b)의 다른 단은 두 개의 압전 소자(4a) 및 (4b) 각각에 접속된다. 압전 소자(4a) 및 (4b) 각각은 또한 저항체(8a) 및 (8b)를 통해서 검출 수단으로서 작용하는 차동(差動 : differential) 증폭 회로(7)의 비반전 입력 터미널(＋) 및 반전 입력 터미널(-)에 접속된다. 차동 증폭 회로(7)의 출력 터미널과 반전 입력 터미널(-) 사이에는 저항체(8c)가 접속된다.
진동자(2)에서, 동일한 구동 신호를 두 개의 압전 소자(4a) 및 (4b)에 가하는 경우에, 예를 들면 진동체(3)은 압전 소자(4c)의 주면에 수직한 방향으로 굴곡 모드로 진동한다. 진동자(2)가 회전하지 않을 때에는 압전 소자(4a) 및 (4b)로부터 동일한 검출 신호를 얻게 된다. 진동체(3)의 중앙축을 중심으로 회전하여 발생된 각속도가 진동자(2)에 가해지면, 진동체(3)의 진동 방향은 코리올리력(Corioli force) 때문에 변한다. 회전 각속도에 따른 검출 신호는 두 개의 압전 소자(4a) 및 (4b) 각각으로부터 얻는다. 이 경우에, 예를 들면 회전 각속도에 반응하여 한 압전 소자(4a)로부터 얻어진 검출 신호의 전압은 커지고, 다른 압전 소자(4b)로부터 얻어진 검출 신호의 전압은 작아진다.
그러므로, 진동 자이로스코프(1)은 차동 증폭 회로(7)의 출력 신호로부터 진동자(2)에 가해진 회전 각속도를 검출할 수 있다.
종래 진동 자이로스코프(1)은 다음과 같은 결점을 갖고 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 진동 자이로스코프(1)에서 진동자(2)의 진동체(3)에 Ni-합금이 사용되므로, 검출된 신호는 자기장의 영향으로 방해받기가 (disturbance) 용이하다.
또한, Ni이 고가이므로, 가격이 비싸다. 부가하여 일반적으로 진동체(3)이 에폭시(epoxy) 수지같은 접착제를 이용하여 압전 소자(4)에 접착되므로,접착 부분이 낮은 내열성을 갖는다. 또한, 압전 소자(4)에 사용되는 세라믹체 자체는 약 300℃의 큐리점(Curie point)을 가지므로, 전극이 약 230℃에서 땜납되더라도 압전 소자(4)가 변질되어 땜납 전후의 성능이 변화된다.
그러므로, 본 발명의 목적은 검출된 신호가 자기장의 영향을 쉽게 받지 않는 저가의 내열성이 우수한 진동 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적은, 두께 방향으로 대향하게 분극되는 압전체 기판 ; 압전체 기판의 한쪽 주면에 형성되는 두 개의 분할 전극 ; 압전체 기판의 다른쪽 주면에 형성되는 공통 전극 ; 상기 두 개의 분할 전극과 공통 전극 사이에 구동 신호를 가하는 구동 수단 ; 및 상기 두 개의 분할 전국 사이에서 발생된 신호를 검출하는 검출 수단을 포함하는 진동 자이로스코프의 제공을 통해서 달성된다. 압전체 기판은 바람직하게 LiNbO3또는 LiTaO3로 구성되며, 초전 효과(pyroelectric effect)로 인한 분극 반전 현상을 이용함으로써 분극되는 단결정판을 포함한다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 Ni-합금같은 고가의 금속 재료를 사용하지 않으므로, 가격을 내릴 수 있다. 또한, 검출된 신호가 자기장의 영향을 받지 않으므로 방해도 받지 않게 된다. 부가하여, 금속 재료와 압전 소자 사이에 접착제면이 존재하지 않고, LiNbO3단결정판 및 LiTaO3단결정판처럼 초전 효과로 인해 분극 반전 현상을 발생시키는 단결정판의 큐리점이 높으므로, 내열성이 우수한 진동 자이로스코프를 얻게 된다.
본 발명을 설명하기 위해서, 본 발명은 바람직한 여러 형태를 도면에 도시하지만, 본 발명이 도시된 배열 및 수단에만 제한되지 않는다는 것을 인지해야 한다.
본 발명에 따른 진동 자이로스코프의 양태는 도면을 참조하여 후술한다. 제 1도는 진동자(12)를 포함하는 본 발명의 진동 자이로스코르(10)의 양태를 보여주는 도면이다.
진동자(12)는 제 2도에 도시된 것처럼 예를 들면 정사각주의 모양을 갖게 되는 압전체 기판(14)를 포함한다. 압전체 기판(14)로서, LiNbO3단결정판 및 LiTaO3단결정판처럼 초전 효과로 인해 분극 반전 현상을 발생시키는 단결정판이 사용된다. 압전체 기판(14)는 단층이지만, 상단 및 하단으로 나누어진다. 상단은 하단을 향하여 분극되고, 하단은 상단을 향하여 분극된다. 따라서, 압전체 기판(14)는 상단 및 하단의 분극 방향이 제 1도의 화살표(P)로 도시된 것처럼 압전체 기판(14)의 두께 방향으로 중앙의 근방에서 서로 대향하도록 전체적으로 분극된다.
압전체 기판(14)는 열로 인한 국소적 분극 반전 현상을 이용하여 분극되며, 이는 본 발명에 사용되는 단결정판의 특징을 이룬다. 예를 들면, LiNbO3단결정판이 이 단결정판의 큐리점보다 약간 낮은 온도에서 열처리가 시행되는 경우에, 자발적인 분극이 반전되는 층(이하에서는 분극 반전층이라 명명한다)은 LiNbO3단결정판으로 형성된다. 초전 효과로 인해 분극 반전 현상을 발생시키는 또 다른 단결정판을 사용하는 경우에, 분극 반전층은 LiNbO3단결정판으로 형성된다.
압전체 기판(14)의 한쪽 주면에는 두 개의 분할 전극(16a) 및 (16b)가 압전체 기판(14)의 폭 방향으로 간격을 두고 형성되어 있다. 압전체 기판(14)의 다른쪽 주면에는 공통 전극(18)이 형성되어 있다. 진동자(12)는 상부 및 하부의 분극 방향이 압전체 기판(14)의 두께 방향으로 중앙의 근방에서 서로 대향하도록 분극되므로, 사인파 신호와 같은 구동 신호를 두 개의 분할 전극(16a) 및 (16b)와 공통 전극(18) 사이에 가하면, 압전체 기판(14)는 중앙을 경계로 역으로 진동한다.
특히, 압전체 기판(14)의 세로 방향으로 중앙의 근방에 있는 상부가 두께 방향에서 한쪽 주면에 수직한 방향으로 중앙으로부터 떨어져서(away) 연장될 때, 압전체 기판(14)의 세로 방향에서 중앙의 근방에 있는 하부는 두께 방향에서 다른쪽 주면에 수직한 방향으로 중앙을 향하여 축소된다. 이것은 제 3도에서 점선(50)으로 도시된 것처럼 압전체 기판(14)의 변형을 일으키게 한다.
반대로, 압전체 기판(14)의 세로 방향으로 중앙의 근방에 있는 상부가 두께 방향에서 한쪽 주면에 수직한 방향으로 중앙으로부터 떨어져서 축소될 때, 압전체 기판(14)의 세로 방향으로 중앙의 근방에 있는 하부는 두께 방향에서 다른쪽 주면에 수직한 방향으로 중아으로부터 떨어져서 연장된다. 이것은 제 3도에서 점선(51)로 도시된 것처럼 압전체 기판(14)의 변형을 일으키게 한다.
그러므로, 압전체 기판(14)는 제 3도에 도시된 바와같이 세로 방향으로 양단부로부터 노드(node)로서 작용하는 약간의 내부에서의 점들과 같이 양 주면에 수직한 방향에서 굴곡 모드로 진동한다. 상기 이유로 인해, 진동자(12)의 노드의 근방에 있는 선 모양의 지지 부재(support member : 22)는, 제 2도에 도시된 것처럼 지지 부재(22)가 폭 방향을 따라 압전체 기판(14)의 상부와 하부 사이의 경계에 끼어있도록 각각이 위치된다. 진동자(12)는 이들 지지 부재(22)에 의해 지지된다. 지지 부재(22)가 진동자(12)의 한쪽 주면 또는 다른쪽 주면 상의 노드의 근방에 설치되는 경우에도 진동자(12)는 진동에 큰 영향을 받지 않고 지지될 수 있다.
상술된 것처럼 진동자(12)에 구동 신호를 가하기 위해, 구동 수단으로서 작용하는 발진 회로(30)의 출력 터미널은 제 1도에 도시된 바와같이 저항체(32a) 및 (32b)를 통해서 진동자(12)의 두 개의 분할 전극(16a) 및 (16b)에 접속된다. 발진 회로(30)의 또 다른 출력 터미널은 진동자(12)의 공통 전극(18)에 접속된다.
진동자(12)의 두개의 분할 전극(16a) 및 (16b) 각각도 또한 저항체(34a) 및 (34b)를 통해서 검출 수단으로서 작용하는 차동 증폭 회로 (36)의 비반전 입력 터미널(＋) 및 반전 입력 터미널(-)에 접속된다. 차종 증폭 회로(36)의 출력 터미널과 반전 입력 터미널(-) 사이에는 저항체(34c)가 접속된다.
상술한 바와같이 구성된 진동 자이로스코프(10)에 사용되는 진동자(12)의 제조 방법은 제 4(a)~(c)도를 참조하여 기술한다. 제 4(a)도에 도시된 것처럼, 균일하게 한 방향으로, 예를 들면 윗방향으로 분극되는 LiNbO3단결정판은 LiNbO3단결정판의 큐리점보다 약간 낮은 온도에서, 예를 들면 약 1100℃의 온도에서 열처리되어, LiNbO3단결정판의 상단에서 초전 효과로 인해 분극 반전층을 형성한다. 분극 반전층은 LiNbO3단결정판의 두께의 대략 반을 갖도록 충분한 열처리에 의해 형성된다. 따라서, 상부의 반과 하부의 반에 대해 대향하게 분극되는 압전체 기판(13)이 형성된다.
이어서, 압전체 기판(13)의 양 주면에 전극(15)를 형성하고, 압전체 기판(13)을 제 4(b)도에서 일점 쇄선으로 표시된 부분에서 절단하여 다수의 정사각주 모양의 소자(11)을 형성한다.
그 후에, 제 4(c)도에 도시된 것처럼 소자(11)의 한쪽 주면 상에 형성되는 전극(15)의 중앙에 폭 방향으로 홈(20)을 형성한다. 그 결과, 전극(15)의 일부분으로 이루어진 전극(18)과 분할 전극(16a) 및 (16b)가 LiNbO3단결정판의 일부분으로 이루어진 압전체 기판(14)상에 형성되게 되고, 이에 의해 진동자(12)가 대량 생산된다.
지지 부재(22)에는 상술한 것처럼 진동자(12)가 설치되고, 발진 회로(30), 저항체(32a), (32b),(34b) 및 (34c)와 차동 증폭 회로(36)을 접속시켜 진동 자이로스코프(10)을 얻는다.
상술한 바와 같이 구성된 진동 자이로스코프(10)에서, 구동 신호는 압전체 기판(14)가 굴곡 모드로 진동하도록 진동자(12)에 가해진다. 이 상태에서, 진동 자이로스코프(10)이 진동자(12)의 중앙측(0)을 중심으로 회전할 때(제 2도), 코리올리력은 회전 각속도에 따라서 압전체 기판(14)의 양 주면에 평행하고 진동자(12)의 중앙축(0)에 수직한 방향으로 작용된다. 그러므로, 진동자(12)가 진동하는 방향이 변한다. 상기 이유로 인해, 분할 전극(16a) 및 (16b) 사이에서 회전 각속도를 토대로 한 신호가 발생된다.
두 개의 분할 전극(16a) 및 (16b) 사이에서 발생된 신호는 저항체(34a) 및 (34b)를 통해서 차동 증폭 회로(36)에 의해 검출된다.
그러므로, 이 진동 자이로스코프(10)에서, 회전 각속도는 차동 증폭 회로(36)의 출력 신호로부터 얻을 수 있다.
상술한 양태에서, 분할 전극(16a) 및 (16b)는 압전체 기판(14)의 세로 방향으로 한 단에서부터 다른 단까지 I자 모양으로 형성된다. 또한, 분할 전극(16c) 및 (16d)는 압전체 기판(14)의 두 개의 노드 사이에서 실질적으로 L자 모양으로 형성되어 있어서, 제 5도에 도시된 것처럼 L자 모양의 두 개의 분할 전극(16c) 및 (16d)의 단축은 지지 부재(22)를 따라서 정렬되고, L자 모양의 두 개의 분할 전극(16c) 및 (16d)의 장축은 서로 대향하고 있다. 분할 전극(16c) 및 (16d)가 상기 방법처럼 압전체 기판(14)의 노드들 사이에 형성될 때, 발진 회로 및 차동 증폭 회로를 분할 전극에 접속시키는 리드(lead)의 본딩(bonding) 영역이 연장되고, 가느다란 진동자를 사용할 수 있다.
발생된 전압의 극성이 노드의 내부와 외부 사이에서 반전되는 것을 고려하면, 압전체 기판(14)의 세로 방향으로 한 단측에서부터 다른 단측까지 I자 모양으로 형성되는 분할 전극은 제 6(a)도에 도시된 것처럼 분할 전극(16e)~(16j)를 형성하도록 압전체 기판(14)의 두 노드에서 절단될 것이다. 전극이 이러한 방법으로 구성될 때, 압전체 기판의 진동에서의 효율 및 회전 각속도에 상응하는 신호의 검출에서의 효율이 향상된다. 제 6(b)도에 도시된 바와같이, 분할 전극(16e)~ (16j)는 전극들이 압전체 기판(14)의 두 노드에서 절단되어, 절단된 부분이 십자형으로 접속되도록, 즉 분할 전극(16h), (16f) 및 (16j)가 서로 전기적으로 접속되며, 분할 전극(16e), (16i) 및 (16g)도 서로 전기적으로 접속되는 전극 구성이 될 수 있다. 전극이 이러한 방법으로 구성될 때, 압전체 기판의 진동에서의 효율 및 회전 각속도에 상응하는 신호의 검출에서의 효율이 보다 향상된다.
상기 양태에서,압전체 기판(14)는 정사각주 모양으로 형성된다. 이것은 압전체 기판(14)가 구동 신호에 의한 굴곡 진동 및 회전 각속도에 상응하는 콜리올리력 또는 신호를 최대 효율로 얻기 위해서는 정사각주 모양을 갖는 것이 바람직하기 때문이다. 그러나, 압전체 기판(14)는 제 7도에 도시된 것처럼 정팔각주 모양으로도 형성되어도 된다. 또한, 압전체 기판(14)는 정다각형 모양 또는 원통 모양처럼 여러 가지 모양으로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 진동 자이로스코프에서 Ni-합금같은 고가의 금속 재료를 진동자에 사용하지 않으므로 가격이 저렴해지고, 검출된 신호는 신호가 자기장의 영향을 받지 않으므로 방해를 받지 않게 된다. 부가하여, 금속 재료와 압전 소자 사이에 접착제면이 존재하지 않고, LiNbO3단결정판 및 LiTaO3단결정판처럼 초전 효과로 인해 분극 반전 현상이 발생되는 단결정판의 큐리점이 높으므로, 진동 자이로스코프의 내열성이 우수하다. 또한, Ni-합금 등의 금속 재료를 사용한 종래 진동자의 Q값과 동일하게 높은 Q값(Q값은 공진의 첨예도 (尖銳度 : sharpness)를 나타낸다)을 갖은 진동자를 포함하는 진동 자이로스코프를 얻게 된다.
진동자의 노드의 근방에 위치한 지지 부재가 본 발명에 따른 진동 자이로스코프의 진동자를 지지하므로, 진동이 진동자로부터 외부로 전달되지 않는다. 따라서, 진동자는 효율적으로 진동한다.
이제까지, 본 발명의 바람직한 양태를 상술하였지만, 본 명세서에 기재된 원칙을 실시하기 위한 다양한 변형도 특허 청구의 범위 내에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 그러므로, 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 해석되어야 함을 인지해야 한다.

Claims (13)

  1. 두께 방향으로 대향하게 분극되며, 제 1및 제 2 주면을 가지고 있고, 서로 대향하는 방향으로 분극되는 상부 및 하부를 가지고 있는 단일층을 포함하고 있는 압전체 기판 ; 상기 압전체 기판의 상기 제 1주면에 설치되는 두 개의 분할 전극 ; 상기 압전체 기판의 상기 제 2주면에 설치되는 공통 전극 ; 상기 압전체 기판이 굴곡 모드로 진동하도록 구동 신호를 상기 두 개의 분할 전극과 상기 공통 전극 사이에 가하는 구동 수단 ; 및 상기 두개의 분할 전극들 사이에서 발생된 신호를 검출하는 검출 수단을 포함함을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 상부 및 하부의 분극 방향이 상기 압전체 기판의 두께 방향으로 중앙의 근방에서 서로 대향함을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 압전체 기판이 그 내부에 분극 반전층을 가지고 있는 단결정판임을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 단결정판이 LiNbO3단결정판 또는 LiTaO3단결정판을 포함함을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 압전체 기판이 정사각주 모양임을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 압전체 기판이 팔각주 모양임을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 제 1주면이 세로 중앙선을 가지고 있고, 상기 분할 전극이 상기 중앙선의 양측에 위치됨을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 각 분할 전극이 I자 모양임을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 각 분할 전극은 긴 부분과 짧은 부분이 있는 L자 모양으며, 상기 분할 전극의 상기 각 긴 부분은 상기 중앙선의 상기 양측에 위치됨을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 분할 전극은 상기 압전체 기판의 진동 노드(node)의 근방에서 상기 세로 중앙선을 횡단하여 위치된 횡형 갭(transversegap)에 의해 더 분할됨을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  11. 제 10항에 있어서, 두 개의 노드와 두 개의 횡형 갭이 있음을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 세로 중앙선의 어느 한쪽 측에서, 세 개의 전극, 상기 두 개의 횡형 갭의 각 제 1측들 사이에 위치된 중앙 전극, 및 상기 두 개의 횡형 갭의 각 제 2측들 사이에 위치된 단부(end) 전극이 있음을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 각 단부 전극이 상기 중앙선의 상기 대향하는 측에 있는 상기 중앙 전극에 전기적으로 접속됨을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
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