KR100271345B1 - 진동보 자이로스코프식 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 장치는 속도 자이로 또는 자이로스코프로서 사용될 수 있다. 장치는 공통 사각 베이스에 합체된 4개의 상호 평행한 보로 구성되며 사각의 각 모서리에서 상기 베이스로부터 보호하는 공진기로 구성된다. 보는 사각의 2개의 측면에 대해 평행한 2개의 방향에서 동일한 공진 주파수를 갖는다. 더욱이, 보에 수직한 제1방향 내에서 각 보를 진동시키며, 구동 회로에 연결되는 제1변환기와, 제2방향에 있으며 제1방향에 수직한 보의 진동의 진폭을 검출하는 제2변환기를 구비하고 있다.

Description

진동보 자이로스코프식 측정 장치

제1도는 본 발명의 실시예를 구성하는 속도 자이로(rate gyro)의 진동 또는 구성부의 입면도.

제2도 및 제3도는 제1도의 II-II선에 의한 단면도로서, 회로가 “홀수”모드에서 작동 상태에 있을 때, 회전(Ω)이 공진기의 축을 중심으로 진행중에 코리올리력과 구동 요소에 의해 발생된 운동 방향을 각각 보여주는 도면.

제4도는 제1도 내지 제3도에 따른 자이로에 대한 개방 루프 여기와 측정 회로에 관한 블록 선도.

제5도는 제1도에 도시한 속도 자이로에 대한 폐쇄 루프 여기 및 측정 회로에 대한 블록 선도.

제6도 및 제7도는 제1도의 II-II선에 따른 단면도로서, 입력 모드(실선)와 출력 모드(점선)에서의 운동의 방향을 “짝수”모드와 “혼합”모드에서 각각 보여주는 도면.

제8도는 공진기의 보와 기저에서의 개략적인 단면으로서, 접선 모드에서의 진동 주파수(f_T)와 직경 모드에서의 진동 주파수(f_R)가 어떻게 같아질 수 있는가를 보여주는 도면.

제9도는 개략적인 단면으로서, 어떻게 인버터에 상이한 극을 갖는 압전기 요소와 “홀수” 모드가 누락될 수 있는가를 보여주는 도면.

제10도는 “혼합” 또는 “혼성” 모드를 사용하는 제9도와 유사한 도면.

제11도는 폐쇄 루프 전압 및 측정 회로를 구비한 본 발명에 따른 장치를 보여주는 개략선도.

제12도는 개방 루프 전기적 감쇄 측정 회로를 구비한 장치를 보여주는 제9도와 유사한 개략선도.

제13도는 공진기 상에서 정전기적 변환기의 가능한 배치의 사시도.

제14도는 정전기적 변환기를 구비한 공진기에서 사용하기에 적합한 측정 회로의 가능한 구조를 설명하는 도면.

제15도는 정전기적 변환기의 다른 배치를 개략적으로 도시한 도면.

제16도는 제15도에 도시한 형태의 공진기에 적용된 전압과 인력 및 간격의 시간 진동을 나타내는 도면.

제17도는 자이로스코프로서 사용하기에 적합한 장치의 가능한 구조의 단순화된 블록 선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 베이스 12a,12b,12c,12d : 진동보

14 : 스탠드 16 : 봉

18 : 하우징 20ab : 압전 요소

21 : 여기 회로 24 : 측정 회로

30 : 감산기 32 : 증폭기

34 : 곱셈기

본 발명은 진동체가 회전할 때 진동체에 작용하며 그 방향이 회전 속도와 진동 방향에 대해 수직한 코리올리 가속도를 사용하는 진동보 자이로스코프식 장치에 관한 것이다. 특히, 속도 자이로(rate gyro)로서 사용하기에 적합하고 회전 속도보다 회전각을 나타내는 신호를 유도할 수 있도록 배치될 수 있다.

수많은 진동보 속도 자이로는 이미 제안되어 왔다. 예를 들면, H형상의 공진기를 갖춘 진동 자이로는 EP-A-0 309 963에 기재되어 있다. 이 자이로는 4개의 금속보를 갖추고 있는데 이는 진동보용 압전 요소를 제1 방향으로 구동하고 측정 진동용 압전요소를 제2방향으로 구동한다. 4개의 보가 H형상의 가지를 형상하기 때문에, 자이로는 진동 노드를 구성하는 H형상의 교착보를 형성하는 접합하는 방식으로 구성되는 2개의 회전 포크 사이의 접합을 통하여 완전해진다.

이러한 배치는 결점이 있다. 자이로가 회전 운동하고 있을 때 2개의 회전 포크 사이에 꼬인 쌍이 나타난다. 이는 H형상의 교착보에 의해 진동 유닛를 지지하기에 기계적으로 수월치 않다. 실제로, 전체 길이에 대하여 사각형의 단면을 이루는 것은 살이나 보에 있어서는 불가능하며, 따라서 구동 요소(입력 방향)에 의한 진동 방향에서의 검출 방향(출력 방향)에서의 동일한 공진 주파수를 얻기는 불가능하다.

입력 방향과 출력 방향에서의 다른 주파수를 제공하는 사각형의 다수의 살을 갖는 다른 속도 자이로는 US-A-3 127 775에 기재되어 있다.

본 발명은 개선된 진동보 자이로스코프식 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 특별한 목적은 구조상 간단하고 조밀하며 진동 노드에서 쉽게 고정되는 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 위하여,

공통의 사각 베이스에 합체되어 있는 상호 평행한 보로 구성되고, 실질적인 사각 모서리에서 상기 베이스를 보호하며, 상기 보는 상기 사각의 2개의 측면에 대하여 2개의 평행한 방향에서의 동일한 공진 주파수를 갖도록 구성되는 공진기와,

상기 보에 대하여 수직한 제1방향에 있는 상기 보의 각각을 진동시키며 구동 회로에 연결된 제1변환기와,

상기 제1방향에 대하여 각각 수직한 제2방향에 있는 상기 보의 진동 폭을 검출하는 제2변환기로 구성되는 자이로스코프식 측정 장치를 제공한다.

보는 전형적으로 전체 길이를 따라 일정한 단면을 가질 것이다. 그러나, 국부적으로 평평하거나 경사질 수 있는데 단부에서 특히 그렇다. 예를 들면, 공진 주파수를 조절하기 위하여 위의 단면을 만들 수 있다. 일반적으로, 각각의 보는 2개의 상호 수직한 방향에서 동일한 관성 모우멘트를 갖는 단면을 가진다. 사각단면이 주로 사용된다.

보는 독립적으로 진동하지 않는다. 베이스를 거친 기계적인 커플링은 하나의 보가 다른 보를 진동시킬 수 있는 진동을 전달할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 여러 개의 보에 구동 변환기를 제공하는 이점이 있다.

베이스보 유닛은 금속으로 가공될 수 있는데, 이는 “엘린바”로 알려진 합금과 같이 온도에 의한 변화가 적다.

본 발명의 제1실시예에서, 제1변환기와 구동 회로는 상호 평행한 방향(입력 또는 구동 모드)에 있는 모든 보를 진동할 수 있도록 설치된다. 입력 모드와 출력 모드는 모든 보가 동일하고, 동일한 사각 단면을 갖고 사각의 4각에서 설치된다면 위상수학적으로 동일하다. 입력 모드의 공진 주파수(f_E)와 출력 모드의 공진 주파수(f_S)는 본질적으로 같다.

이러한 배치 상태에서, 입력 및 출력 모드는 종래 기술에 의한 장치보다 느슨하게 연결된다. 그러나, 커플링은 제1변환기와 구동 회로가 입력 모드에 있는 다른 2개의 보의 진동 방향에 대해 수직한 방향에 있는 상기 2개의 보를 진동시키도록 배치된다면 계속해서 줄어들 수 있다.

제2실시예에서, 구동 회로는 입력 모드를 발생시키도록 배치되는데, 입력 모드는 “짝수”로 규정되고 출력 모드가 접선(또는 직경 방향) 방향에 있을 때 보를 직경(또는 접선 방향) 방향 으로 진동시킬 수 있다.

제3실시예에서, 입력 모드는 “혼합”" 모드가 될 수 있으며, “짝수”모드의 선형 조합의 결과로서 일어날 수 있다.

전형적으로, 변환기는 압전 요소가 된다. 변환기는 금속 평판 세라믹, 예를 들면 보에 부착되는 ZrO₃-pb Ti세라믹의 박판으로 이루어질 수 있다. 이는 또 회로 내에서 인버터 및/또는 감산 유닛의 제공을 피하기 위하여 분극(polaried)시킬 수 있다. 어떤 면에서는, 이들은 보에 의해 전달되고 공진기와 Q인자를 감소시킨다. 이는 종래의 결점을 극복하기 위한 본 발명의 다른 목적이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 변환기는 정전기적이 될 수 있으며, 구조적인 보를 갖춘 축전기를 구성하는 안정된 요소로 구성된다. 예를 들면, 그 요소는 보를 분리하는 슬롯에 위치할 수 있다.

정전기 변환기가 선형이 아니므로, 큰 Q인자를 필요로 하는 고품질의 장치에 사용될 수 있을 것이다. 한편, 압전 변환기는 감소된 Q인자와 시간 편차를 묵과할 수 있는 낮은 수준의 장치에 사용될 수 있다.

장치는 속도 자이로보다 회전양을 측정하는 자이로스코프로서 사용될 수 있을 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 장치는 다시 앞에서 정의한 공진기로 구성된다. 본 발명의 장치는 상기 보에 대해 수직한 제1방향에 있는 상기 보의 각각을 진동시키며 제1회로에 연결된 제1변환기와, 상기 제1방향에 대해 수직한 제2방향에 있는 상기 보의 각각을 진동시키며 제2회로에 연결된 제2변환기로 추가적으로 구성되며, 제1회로와 제2회로는 전압 신호를 상기 제1 및 제2변환기에 공급하여 손실과 삼각 측정 기능을 수행하며 상기 신호와 기준 방향으로부터 유래된 힘의 벡터합 사이의 각에 대한 보상을 한다.

장치가 자이로스코프로 사용되었을 때, 이와 연결된 회로는 2개의 진동 모드에서의 에너지 손실을 계속적으로 보상한다.

보의 치수는 측정될 회전 속도로 약분되는 공진기 주파수를 얻도록 선택하였다. 100°/s를 넘지않는 회전 속도에 대하여, 20nm×20mm보다 작은 단면적을 가지며 길이가 50mm를 초과하지 않는 속도 자이로를 만드는 것은 가능하다. 조립은 매우 간단한데 이는 베이스가 진동 모드를 구성하는데 유효적절하기 때문이다. 모든 힘과 발생가능한 토오크는 베이스 내에서 상효 보상된다. 따라서, 자이로는 외부 진동에 대하여 비교적 민감하다.

본 발명은 예로서 주어진 특정 실시예에 대한 다음의 설명을 통하여 보다 이해하기 쉬울 것이다. 이하 본 명세서에 첨부한 도면을 통하여 설명한다.

제1도는 본 발명을 실시하기에 적합한 진동보 속도 자이로용 공진기의 일반적인 구조를 보여주는 것이다. 공진기는 4개의 진동보(12a, 12b, 12c, 12d)를 합체한 사각 단면의 베이스(10)로 구성된다. 아래에 설명하고 있듯이, 베이스는 진동 노드를 구성한다. 이는 스탠드(14)와 봉(16)을 화고하게 한다. 덮개 도는 하우징(18)은 스탠드(14)에 고정되어 공진기의 구조적인 Q인자를 증가시킬 수 있는 봉인 또는 가스가 통하지 않는 봉인물을 정의한다.

제2도 및 제3도에 도시한 실시예에서, 보는 반대 위상에 놓이는 2개의 회전 포크를 구성하고 “홀수”모드에서 작동되는 것으로 생각할 수 있다.

공진기 전체를 압전 재료로 만드는 것은 어려울 것이다. 결과적으로, 양호한 기계적인 성질을 가지며 온도에 따라 탄성의 변화가 적은 금속 블록으로부터 가공하는 것이 적절하다. 이러한 환경에서는, 진동은 몇몇 또는 모든 보에 고정된 압전 요소에 의해 발생될 수 있으며, 코리올리력에 의해 발생된 진동은 보에 고정된 압전 요소에 의해 유사하게 검출될 것이다. 이러한 요소는 일반적으로 사각형의 알약의 형태를 취하고 있는데, 각각의 면의 하나에 금속이 코팅되어 있으며, 다른 면은 전기적 접지를 구성하는 보에 고정된다. 압전 요소의 일부는 구동 요소이며 보를 진동시키는데 필요한 에너지 및 손실 보상을 위한 에너지를 제공하는 여기 및 구동 요소에 연결된다. 다른 요소는 코리올리력에 의해 발생되는 진동을 검출하는 검출 회로에 연결된다.

여기 회로는 일반적으로 폐쇄 회로가 되며, 구동 진동에 일정한 진폭과 공진기의 공진 주파수와 같은 각주파수를 제공하기 위한 것이며 이는 필수적이다. 검출 회로는 개방 회로 또는 폐쇄 루프 회로가 될 수 있다.

압전 요소의 최소의 수는 구동 회로와 검출 회로의 성질에 따라 달라진다. 실제로, 최소한 8개의 요소가 필요하다. 제1도 내지 제3도에 도시한 예에서, 모든 요소는 보의 외측면에 놓이게 되어 진동을 방해하는 것을 피하기에 충분한 폭을 갖고 있으며 단지 보 사이에 폭이 좁은 슬롯을 둘 수 있다. 8개의 요소는 제2도에서 18ab 내지 18db로 부호가 기입되어 있다.

이러한 공진기가 개방 루프 모드에서 작동될 때, 즉 진동 진폭(y)의 측정이 진폭(x)로 진동하는 보에 코리올리 가속가 작용하고 있을 때, 공진기의 축(z)에 대한 회전 속도(Ω)는 다음의 식으로 주어진다.

y=2 ×QΩ/ω

여기서 ω는 공진 상태에서의 각주파수(보가 사각이므로 구동모드나 검출 모드에서 동일하다)이고, Q는 공진기의 성질 인자로서 제조되는 재료에 따라 변한다.

개방 루프 측정에서의 작동은 여기 또는 구동 회로 및 제4도에 도시한 압전 요소에 연결된 검출 회로로 얻을 수 있다. 여기 회로(2l)는 한 쌍의 압전 요소(18ab, 18ba)에 연결되며 직접적으로 회전하는 포크를 공진시키고, 커플링에 의해 다른 것을 공진시킨다. 보의 진동 진폭은 z와 같은 레벨에 놓여 있으며 다른 회전 포크에는 없는 한 쌍의 제2압전 요소(18cd, 18dc)에 의해 측정된다.

회로(21)는 여러가지 형태로 배치될 수 있는데 아래에 설명하고 있듯이, 진동 진폭(x)가 일정하게 하며, 제2도의 화살표 방향과 그 반대 방향으로 일어나게 한다.

제4도에 도시하였듯이, 개방 루프 검출은 구별된다. 2쌍의 압전 요소에 의해 유도된 출력 신호는 그 출력이 복조기 또는 각속도(Ω)을 나타내는 출력(26)을 갖는 정류기에 출력으로 적용되는 2개의 감산기 입력으로 주어진다. 측정 압전 요소의 쌍이 선택되어 제3도에서 반원에 대하여 화살표로 지시하고 있듯이 진동 운동에서의 반대 위상을 계수하게 된다.

개방 루프 속도 자이로의 통로 밴드는 ω/4πQ와 같다. 이러한 통과 밴드가 증가한다고 생각될 때, 폐쇄 루프 측정 회로는 코리올리력에 의한 진동 진폭이 영(零)의 값으로 유지한데 사용될 수 있다. 이러한 환경에서, 이득과 통과 밴드는 기계적인 공진기의 성질 인자의 그것보다 서보 제어의 성질에 따라서 더 많아진다. 폐쇄 루프 작동은 수많은 압전 요소가 필요하다. 제1도에 도시한 예에서, 8개의 추가적인 압전 요소(20ab ... 20dc)는 링이나 원주열에 그리고 상기 요소(18ab ... 18dc)에 직접적으로 분포될 수 있다. 2개의 지지 요소는 위상 및 진포 서보 제어의 가능한 형상과 폐쇄 루프 측정 회로의 가능한 배치를 보여주는 제5도에서 동일 부호가 주어진다. 이는 자이로가 16개의 압전 요소를 가질 때 사용하기에 적합하지만, 16개보다 많은 수도 가능하다.

제5도에 도시한 여기 회로는 회로의 입력 신호가 보(2개 대신에)의 어느 하나에 의해 각각 운반된 4개의 압전 요소로부터 얻어지고 출력 신호가 4개의 요소(2개 대신에)에 적용되는 제4도의 그것과는 다르다.

4개의 압전 요소(18ab, 18ba, 18cd, 19dc)는 출력 신호를 각각 각각의 보에 대한 운동의 양을 갖는 방향으로 제공하고, 이러한 신호는 위상 및 진폭 서보 제어된 여기 회로(21)로 입력 신호를 제공하는 감산기(30) 내에서 조합된다. 예로서 도시된 회로는 위상 조절 시스템에 의해 구동된 여과기(26)을 통하여 곱셈기(34)에 공급하는 증폭기(32)로 구성된다. 감쇠 곱셈기(34)의 이득은 증폭기(32)로부터의 출력 신호와 유지되는 진폭을 나타내는 기준 신호(REF) 모두를 수신하는 진폭 조절 시스템(38)에 의해 제어된다.

여과기(36, 일반적으로 활성 여과기)는 증폭기(32)의 출력 신호와 전체 회로에서, 곱셈기(34)로부터 유래된 출력 신호를 수신하는 위상 비교기(40)에 의해 제어되고, 일반적으로 0이 되는 일정한 값에서의 위상 편이를 유지하는 여과기를 제어한다.

회로(21)의 출력 신호는 직접적으로 압전 요소(20cd, 20dc)로 공급되고, 인버터(42)를 통하여 압전 요소(20bd, 20ab)로 공급된다. 위에서 언급했듯이, 2개의 요소에만 전압을 가하기에 충분할 것이다.

4개의 압전 요소(18db, 18bd, 18ca, 18ac)는 폐쇄 루프 측정 회로(24)의 입력 신호를 구성하는 감산기(28) 내에서 조합되는 신호를 제공한다.

회로(24)는 전통적인 구조이다. 도시하였듯이, 회로는 회로(21)의 출력 신호에 의해 구성된 기준 신호를 수신하는 동기 복조기(46)에 이은 입력 증폭기(44)로 구성된다. 복조된 신호는 각 속도(Ω)를 나타내는 출력(25)을 갖는 저통과 여과기(48)에 적용된다. 루프는 증폭기(44)의 출력과 압전 요소(20ac, ... 20b)사이의 연결에 의해 폐쇄된다. 인버터(50)는 요소(20bd, 20db)에 적용되는 신호의 극성을 반전시킨다. 감산기(28, 30)와 인버터(42, 50)는 이후에 알 수 있듯이, 압전 펠릿의 극성 벡터를 다른 것에 대해 적절하게 방향을 짓는다면 빼버릴 수 있다.

예를 들면, 다음의 특징은 속도 자이로의 그것은 초당 100°의 회전 속도를 측정할 수 있도록 설계될 수 있다. 기계적인 공진기는 6mm×6mm의 단면과 30 내지 35mm의 길이를 갖는 4개의 보로 구성된다. 압전 요소는 1mm의 수십배에 해당하는 두께를 가지며 양면에 금속 코팅되어 있고 보에 부착되는 PZT 펠릿에 의해 구성된다.

제6도를 보면(제2도의 그것과 유사한 요소가 갖은 부호를 갖는다), “짝수”모드에서의 진동의 방향은 화살표로 지시되어 있다. 여기 회로는 직경 방향의 입력 모드(실선 화살표)를 발생하는 변환기를 구동하며 출력 모드는 접선 방향(점선화살표)이 된다.

결국, 입력 모드에서의 공진 주파수(fo= f 직경 방향)는 출력 모드의 공진 주파수(f_S=접선 방향)와 본질적으로 동일하다. 계산하면, 슬롯의 폭(h)가 보의 길이(l)와 단면(a.a)에 따라 변하는 특정값을 가질 때 같다. 그러나, 제조상의 부정확성 때문에 동질성을 달성하기는 어렵다. 결과적으로 f_R(직경 방향의 주파수)가 f_T보다 약간큰 h값을 선택하는 것이 적절하다. f_R은 길이를 통하여 또는 그 근저에서 보의 말단을 따라 모따기(19)에 의해 조절될 수 있다. 한편, f_T가 초기에 f_R보다 크다면, 21에 있는 내부 말단을 따라 모따기를 함으로써 조절되어야 한다.

“짝수”모드에서 작동되는 동안, 동일 순환 열의 모든 변환기는 입력 모드의 전압 강화와 출력 모드의 검출 모두에 제공하고, 결과적으로 연결된 회로는 “홀수”모드에서보다 더욱 복잡해진다. 이러한 결점은 2개의 가능한 “짝수” 모드의 선형 조합에 의해 얻을 수 있는 “혼합”모드를 사용할 때 제거된다. 제7도에 설명된 실시예에서, 입력 모드는 직경 또는 접선 모드의 합과 일치한다. 출력 모드는 직경 과 접선 모드 사이의 차이와 일치한다. 우연하게도, 비제로 구적 신호는 f_R과 f_T가 다를 때 측정 회로에서 나타난다. 이는 주파수 차이를 검출하고 보다 용이하게 쪼개어 조절할 수 있다.

제7도를 참조하면, 개방 루프 구동 및 측정 회로의 가능한 구성은 혼합 모드에 대하여 전통적인 압전 요소를 사용한 작동이 설명된다. 제4도의 것과 일치하는 요소는 동일한 참조부호를 사용하였다. 전압 강화 회로는 압전 요소(18ca, 18bd)를 직접 구동하고 인버터를 통하여 압전 요소(18ab, 18dc)를 직접적으로 구동한다. 측정 회로(24)는 요소(18ac, 18db)의 출력 신호를 직접 수신하고 요소(18bc, 18cd)의 출력 신호를 인버터를 통하여 수신한다.

인버터는 요소가 제조하는 동안 고전압에 의해 분극되는데 사용된다면 빼버릴 수 있다. 최초 전극(한면에 금속 코딩을 하고 다른 면에는 보)을 지나는 적용된 전압은 수축의 확장을 가져온다.

다른 방향에서 변환기를 사용함으로써, 회로는 제7도에서 필요한 전압 감산기 및/또는 인버터를 빼버리므로써 단순하게 될 수 있다. 제9도 및 제10도를 보면, 변환기의 극성은 각 +, -로 지시되고, “홀수” 모드 및 “혼합”모드에서의 작동하는 개방 루프 회로가 설명된다.

회로의 각각은 개방 루프 작동은 물론이고 폐쇄 루프에 대하여도 실행될 수 있다. 전형적으로, 구동 회로는 폐쇄 루프에서 작동 상태로 배치될 수 있으므로 입력 보드의 진폭은 소정의 값으로 유지된다. 개방 루프 또는 폐쇄 루프 측정 회로 사이의 선택은 장치에 대한 적절한 성질에 따르게 될 것이다.

예를 들어 만약 정밀하게 제어되고 안정한 척도의 인자와 넓은 통과 밴드가 필요하다면, 폐쇄 루프 장치는 적절히 사용될 수 있을 것이다. 변환기의 수가 증가할 필요가 있다. 제1도의 실시예에서처럼, 8개의 추가적인 압전 요소(2ab, ... 20dc)는 원주열에서 상기 요소(18ab ... 18dc)에 직접적으로 본포된다. 제11도는 제5도에서 설명하는 것과 유사한 폐쇄 루프에서 작동되는 입력 및 출력 회로를 개략적으로 나타낸다. 보다 명확성을 기하기 위하여, 공진기는 제11도에서 입력 공진기(28)와 출력 공진기(35)로서 구조적으로 동일한 성분(베이스와 보)로 이루어진 기능적으로 설명되어 있다. 변환기는 기능적으로 나타나 있는데, 단일 변환기(26)는 입력 모드 진동의 진폭을 측정할 수 있도록 배치되고, 전압 강화 회로(30)에 입력 공진기(28)의 운동을 확장하는 직접적인 관계가 있는 값을 갖는 다른 신호를 유도한다. 회로(30)는 공진 주파수(f_E)에서 구동 변환기(32)를 구동한다. 코리올리력은 공진기(28, 38)를 연결하는 오퍼레이터(36)으로 기능적으로 설명된다.

측정 회로는 검출 변환기로부터의 출력 신호를 수신하는 증폭기(44)로 구성되는데 이는 전압 강화 회로(30)으로부터 파생된 기준 신호를 수신하는 동기 복조기를 뒤따른다. 복조 신호는 장치의 통과 밴드를 정의하는 통과 밴드를 갖는 보정 네트워크(48, 일반적으로 RC 여과기)에 적용된다. 보정 네트워크(48)의 출력은 회전 속도(Ω)에 제공된다. 출력 신호는 복조기(50)와 증폭기(52)를 통하여 상대 피이드백 변환기에 되돌아 간다.

큰 척도의 인자가 적절하고, 공진기의 성질 인자(Qm)과 직접적인 관계가 있으면, 개방 루프에서의 측정 회로의 작동은 적당하게 된다. 그러나, 성질 인자(Qm)이 안정되지 못하거나, 손실의 수정이 되지 못할 뿐더러 작은 값일 때는 계수(Qm)를 상당히 수정하게 되는 결과를 가져올 것이다. 다른 한계는 f/2Qm과 같은 값인 통과 밴드(f가 공진 주파수일 때)는 좁고 다른 곳에 응용하기에 불충분하다.

제12도(제11도에 그것과 일치하는 성분들은 동일한 부호를 매겼다)를 참조하면, 앞에서 설명한 한계를 극복하는 개방 루프·측정 회로를 갖춘 장치가 설명된다. 이는 전기 감쇄 수단을 포함하며, 더욱이 제11도에 비해 더욱 단순하다. 출력 공진기(38)는 기계적인 공진기(38)의 검출된 회전 속도와 직접적인 관계가 있는 힘을 유도하는 이득(K(p))를 갖는 작동 증폭기(52)로 구성되는 루프에 의해 전기적으로 감쇄된다. 출력 신호()를 결정하는 성질 계수(Qt) 다음과 같다.

1/Qt=(1/Qm) + (1/Qθ)

전기적 성질 계수(Qt)가 Qm보다 훨씬 작다면, 결과적인 성질 계수(Qt)는 실질적으로 Qm에 대해 독립적일 것이며 아주 안정될 것이다. op 증폭기(52)는 가장 많이 발생하는 작동 주파수에 집중된 통과 밴드를 갖도록 선택될 것이며, 이송 기능(K(p))은 공진기의 진동의 다른 자연 모드에 전압을 강화하지 않도록 선택될 것이다.

초기에 언급하였듯이, 압전 요소는 변환기로서 자주 사용된다. 이들은 완전히 가역적이며 보통의 크기 모두에서 상업적으로 유용하고, 보의 평탄한 면에서 결합에 의해 용이하게 실행된다. 이와 반대로, 이들은 공진기의 기계적인 성질 인자를 상당히 감소시킨다. 예를 들면, 깨끗한 보에 약 25,00의 성질 인자를 갖는 알루미늄 합금의 공진기는 압전 요소를 운반할 때 약 2,500의 성질인자를 갖는다. 대부분의 응용에서는, 이러한 성질 계수와 초당 약 1/1O°의 시간 변이가 얻어지고, 압전 요소는 만족할만한 선택이 된다.

한편, 고품질의 장치에 대한 공진기의 기계적인 성징 인자에 결정적으로 영향을 주지 않는 변환기를 사용하는 것이 적절할 것이다. 이를 위해서는, 정전기적 변환기가 사용될 수 있다. 제13도는 이러한 변환기가 위에서 설명되는 보다 명확성을 기하기 위하여 보 사이에서보다 공진기를 설명하는 것이다. 변환기는 전기적으로 절연된 재료로 만든 교차판(54)으로 구성되는데, 그 표면은 일정한 전압에 있는 보를 갖춘 축전기를 구성하는 금속 전극(56)을 운반한다. 교차판(54)은 공진기를 포함하는 하우징(18)에 고정될 것이며 전극과 외부 회로 사이의 전기적 연결은 하우징의 바닥벽을 관통할 것이다. 다시 말하면, 제13도에 도시하였듯이, 압전 요소를 갖춘 것으로 변환기의 하나 또는 2개의 열을 제공하는 것은 가능하다.

정전기적 변환기에 사용된 입력 및 출력 회로는 압전 요소로서 사용된 것과 유사하다. 그러나, 정전기적 변환기의 특정 특징을 고려한 회로 배치를 사용하는 것이 적절하고 그러한 회로가 큰 주파수 운반자를 발생하지 않는 것이 적절하다. 정전기적 변환기의 특정 특징은 반력을 낼 수 없다는 것이며 그 응답은 선형이 아니라는 것이다.

제14도에 개략적으로 도시하였듯이, “홀수” 진동 모드에 상당하는 측정 회로는 대수적 덧셈기(60)의 입력을 구동하는 충전 증폭기(58)을 각각 갖는 2개의 가지(branch)로 구성된다. 공진기는 DC 바이어스 전압(Vo)에 있다.

코리올리 가속도에 의해 감소된 진동은 4개의 충전기의 간격을 조절하고, 진동 주파수에 있는 전압을 다르게 하는 결과를 가져온다. 이러한 전압은 진동의 진폭에 비례하는 진폭을 가지며, 입력 모드에 필요한 전압 강화에 사용되기도 한다.

측정 회로의 척도 인자는 DC 바이어스 전압(Vo)에 비례한다. 이러한 일정한 바이어스 전압은 다른 고성을 갖는 입력 회로의 작동시에 고려되기도 한다.

제5도를 참조하면, 장치의 선형 응답을 얻는 것이 가능한 특정 실시예가 도시되어 있다. 다시 보다 명확성을 기하기 위하여, 2개의 보에 의해 각각 구성된 2갱의 회전 포크는 각각의 측면을 나타낸다.

손실(입력 모드 또는 출력 모드에서)을 보상하기에 충분한 에너지를 공급하는 회로(62)는 전압(+V, -V; V는 Vo보다 작다)을 전극 또는 정전기적 변환기에 다르게 적용하도록 배치된다. 결과적으로 전극과 보 사이에 작용한 인력은 Vo²+ V²에 대한 Vo, V에 비례하는 힘을 변조하는 결과를 가져오는(Vo + V)²및 (Vo - V)²에 비례하는 값을 선택적으로 취한다.

변조는 보의 움직임이 없이 속도와 함께 동시에 발생하는 위상으로 적용되어야 한다. 시간에 대한 간격(h)의 진동 법칙은 h_O가 정지 상태의 간격을 나타내는 제16도에서의 가장 높은 선에 나타나 있다. 간격은 2쌍의 전극(한편은 B, B'이고 다른 한편은 D, D')에 대해 반해 위상에서 변한다. 회로(62)는 움직이는 센서(도시하지 않음)에 의해 제어되어 인력은 조의 속도가 인력 방향과 같은 때 최대가 된다.

회전 측정 장치는 공진기와 연결된 회로의 수정을 갖는 자이로스코프로서 사용될 수 있는데, 이는 각도를 측정하며 보가 계획된 대로 최고의 회전 속도에 대하여도 공간상에서 실질적으로 안정되게 유지하는 진동 평면에 대한 충분한 길이를 갖는 조건을 만족한다. 장치를 자이로스코프로 사용하기 위해서는, 입력 전압 강화 회로와 출력 회로는 상기한 것, 즉 입력 및 출력 공진기의 손실에 대한 보상을 하는 유사한 구성을 가질 수 있다.

만일 평면이나 진동이 내부 공간에서 안정된다면, 공진기의 회전(Θ)과 축에 대한 공진기의 하우징의 회전은 안정된 기준으로부터 측정되는데, 그 각도(Φ)는 상호 수직한 방향에서 진동하는 입력 및 출력 공진기의 진동 진폭에 비례하는 코사인과 사인을 갖는다.

각각의 장치가 자이로스코프로 사용되었을 때에 현존하는 자이로스코프와는 반대로 각도의 범위에 제한이 없는 장점이 있다.

제17도를 참조하면, 하우징 구조나 제1도에 도시한 형태의 공진기와 연결된 회로는 자이로스코프로서 작동한다. 보다 명확성을 기하기 위하여, Y방향에서의 진동의 양을 측정하고 손실을 보상하는 변환기(64)와 X방향에서의 진동의 양을 측정하고 손실에 해당하는 보상을 하는 변환기(66)은 각 측면에 나타나 있다.

제13도의 블록 선도는 다음과 같이 구성된다.

기준 위치로부터의 각도(Θ)의 계산값을 제공하며 그 구조가 추종 분해기와 유사한 부호기 회로와,

사인(Φ)과 코사인(Φ) 성분을 각각 보내주는 2개의 손실 보상 가지.

2개의 채널은 통일한 구조를 갖는다. 제17도에 나타나 있듯이, 코사인 채널의 입력 신호는 변환기(66) 중의 하나에서 나온 것으로서 증폭기(68)을 통하여 아날로그-디지틀 곱셈기(72)에 적용된다. 곱셈기는 추가적으로 계산된 각도()를 나타내는 신호를 수신하고 출력으로서 아날로그 형태로 입력 신호 및 코사인()의 곱을 제공한다.

제2곱셈기(74)는 출력으로서 변환기(66)에서 나온 신호와 코사인()의 곱을 나타내는 신호를 운반하도록 연결된다.

다른 채널에서는, 사인 및 코사인 기능은 서로 바뀐다.

양채널의 곱셈기(74)로부터 나온 신호는 합산 회로(76) 안에서 더해지고, 합산 회로(76)의 AC출력 신호는 78에서 정류된다. 이렇게 구한 DC신호는 결과적인 진동(X 및 Y에 따른 진동의 조합)의 진폭을 나타내는 것이다. DC신호는 신호(Vo), 계속 유지되는 진동의 진폭을 고정한 값을 수신하는 감산기(80)에 적용된다.

진동을 유지하는데 필요한 전력은 진동 이득을 2조절하는 아날로그 곱셈기(82)의 분기와 고정된 이득을 갖는 증폭기(83)에 의해 각 채널을 통해 적용된다. 곱셈기는 감산기(80)의 출력 신호를 제1입력으로 수신하고 증폭기(68)에서 나온 신호를 수신하도록 연결되는데, 이는 다른 입력으로서 X방향을 따른 진동의 실제 진폭을 나타낸다.

부호기 회로는 곱셈기(70)와 동기 복조기(88)의 출력을 수신하는 감산기(86)으로 구성될 수 있다. 복조기는 출력 또는 합삼 회로(78)에서 나오는 기준 신호를 수신할 수 있다.

손실 보상 채널에서 아날로그-디지틀 곱셈기를 사용하는 실시예에서 설명하였듯이, 복조기(88)은 전압-주파수 컨버터(90) 뒤어 일어나는데, 컨버터는 내용이 유용한 신호를 구성하는 업다운(up-down) 계수기(92)에 적용되며 곱셈기(70)의 입력 신호가 되는 출력을 갖는다. 컨버터(90)의 출력은 연속적인 펄스로 이루어지는데, 이는 각각 회전의 증가를 나타낸다. 회전각은 펄스를 수신하는 각각의 업다운 계수기(94)에 의해 유도될 수 있다.

Claims (5)

1. 공통의 사각 베이스에 합체되어 있는 상호 평행한 4개의 보(12a, 12b, 12c, 12d)로 구성되고, 실질적인 사각 모서리에서 상기 베이스를 보호하며, 상기 보는 상기 사각의 2개의 측면에 대하여 2개의 평행한 방향에서 동일한 공진 주파수를 갖도록 구성되는 공진기와, 상기 보에 대하여 수직한 제1방향으로 상기 보 각각을 진동시키며, 구동 회로에 연결되는 제1변환기(18ab, 18ba)와, 상기 제1방향에 대하여 각각 수직한 제2방향으로의 상기 보의 진동 폭을 검출하며, 측정회로에 연결되는 제2변환기(18cd, 18dc)를 갖춘 것을 특징으로 하는 진동보 자이로스코프식 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 구동 회로(20)는 일정한 값으로 입력 모드에서 진동 진폭을 유지하는 폐쇄 루프 회로이며, 상기 2개의 보(12c, 12d)와 관계하는 상기 제1변환기(18cd, 18dc)로부터 나오는 입력 신호를 수신하며, 다른 2개의 보(12a, 12b)와 관계하는 상기 제1변환기(18ab, 18ba)의 다른 것에 구동 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 진동보 자이로스코프식 측정 장치.
3. 제2항에 있어서, 구동 회로(20)가 위상 조절 루프에 의해 제어되는 통과 밴드 여과기를 통하여 곱셈기(34)를 구동하는 증폭기(32)로 구성되고, 상기 곱셈기(34)의 이득이 증폭기(32)의 출력 신호와 기준 신호를 수신하는 진폭 조절 폐쇄 루프(38)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 진동보 자이로스코프식 측정 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 측정 회로는 폐쇄 루프 상태에 있으며 상기 4개의 보 모두에 의해 운반되는 제2변환기를 보상하는 코리올리력 균형 회로를 전달하고, 구동 회로(21)의 출력 신호를 구성하는 기준 신호를 수신함과 아울러 공진기의 회전 속도를 나타내는 출력 신호(26)을 전달하는 동기 복조기(46)에 뒤따르는 입력 증폭기(44)로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동보 자이로스코프식 측정 장치.
5. 공통의 사각 베이스에 합체되어 있는 상호 평행한 4개의 보로 구성되고, 실질적인 사각 모서리에서 상기 베이스를 보호하며, 상기 보 각각은 상기 사각의 2개의 측면에 대하여 2개의 평행한 방향에서 동일한 공진 주파수를 갖도록 구성되는 공진기와, 상기 보에 대하여 수직한 제1방향으로 상기 보 각각을 진동시키며, 구동 회로에 연결된 제1변환기, 및 상기 제1방향에 대하여 각각 수직한 제2방향으로 상기 보 각각을 진동시키며, 제2회로에 연결된 제2변환기를 갖춘 것을 특징으로 하는 회전의 양을 측정하는 진동보 자이로스코프식 측정 장치.