KR100368719B1 - 압전진동자 및 이것을 이용한 신호검출장치 - Google Patents

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Abstract

삼각음차형　압전진동자의 각 진동각(11u, 11v 및 11w)의 한쪽 면의 전극(구동전극)(c1, dl, c, d, c2 및 d2)에 구동신호를 부여한다. 다른쪽 면의 전극(출력전극)(al, bl, a, b, a2 및 b2)중, 출력전극(a 및 b)을 I/V 변환수단(12, 13)에 각각 접속한다. 출력전극(a 및 b)은 I/V 변환수단(12, 13)에 있어서 가상단락되기 때문에 출력전극(a와 b)의 사이에 어스전극을 설치할 필요가 없어진다. 이에 따라 전극제조공정을 간소화할 수 있다.

Description

압전진동자 및 이것을 이용한 신호검출장치{PIEZOELECTRIC VIBRATOR AND SIGNAL DETECTION DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 자이로스코프 등에 사용되는 압전진동자에 관한 것으로, 특히 전극을 없앤 압전진동자 및 이것을 이용한 신호검출장치에 관한 것이다.
도 15A는 종래의 삼각음차형 압전진동자의 한쪽 면을 나타내는 사시도, 도 15B는 다른쪽 면을 나타내는 사시도, 도 16은 도 15A를 화살표(16)방향에서 본 압전진동자의 정면도이다.
진동체(1)는 전체가 판형상의 압전세라믹 또는 수정 등의 압전재료로 형성된 것으로, 그 앞부분은 홈(1A, lA)으로 분리되어 3개의 진동각(1a, lb, 1c)이 일체로 형성되어 있다. 각 진동각(振動脚)(1a, lb, 1c)에서의 압전재료의 유전분극방향은 도 16에 있어서 화살표로 나타내는 바와 같으며, 좌우양측의 진동각(1b 와 1c)으로 유전분극방향이 동일하며, 중앙의 진동각(la)에서는 좌우의 진동각(1b 및 1c)에 대하여 유전분극방향이 좌우 및 상하로 대칭인 방향이다.
각 진동각(1a, lb, 1c)에서는 하면측에 각각 한 쌍의 구동전극(2, 2, …)이 도전성재료에 의해 형성되어 있고, 이 구동전극(2, 2, …)은 도 15B에 나타내는 바와 같이 진동체(1)의 기초끝부(基端部)(1B)까지 연장되어 있다. 상기 구동전극(2, 2, …)은 도시 생략한 배선에 의해 교류구동전원(3)에 접속되고, 교류구동전원(3)으로부터 각 구동전극(2, 2, …)에 동일전위의 구동전압이 인가된다.
구동체(1)의 상면에서는 좌우의 진동각(1b, 1c)에 한 쌍의 어스전극(4, 4, …)이, 중앙의 진동각(la)에 1개의 어스전극(4)이 형성되어 있다. 각 어스전극(4, 4, …)은 진동체(1)의 기초끝부(lB)에 연장되어 있다. 도 l5A에 나타내는 진동체 (1)의 표면에서는 기초끝부(1B)에 집약패턴(4a)이 형성되어 모든 어스전극(4)은 집약패턴(4a)에 접속되어 있다. 도시 생략한 배선경로에 의하여 각 어스전극(4, 4, …)은 접지전위가 되어 있다.
상기 구동전극(2, 2, …)과 어스전극(4, 4, …)으로 구동수단인 압전재료에 대하여 구동전압이 가해진다. 도 16에 나타내는 유전분극구조에 따라 좌우의 진동각(1b과 1c)은 X방향으로 동위상으로 진동구동되고, 중앙의 진동각(1a)은 좌우의 진동각(1b, 1c)과 반대의 위상(180도 상위하는 위상)에 의하여 마찬가지로 X방향으로 진동구동된다. 즉, 어느 시점에 있어서 좌우의 진동각(1b, 1c)의 X방향으로의 진폭과 진동각(1a)의 X방향으로의 진폭과는 반대방향이다.
중앙의 진동각(1a)의 상면에는 한 쌍의 검출전극(5a와 5b)이 형성되어 있다. 각 검출전극(5a와 5b)은 진동체(l)의 후방으로부터 기초끝부(1B)보다도 바로 앞의 위치까지 연장되어 있고, 각각의 검출전극(5a 및 5b)에는 랜드부(5a1와 5b1)가 일체로 형성되어 있다.
진동각(1a, lb, 1c)이 X 방향으로 구동되어 있는 상태에서 진동체(1)가 Z축주위의 각속도(ω)를 가지는 회전계내에 놓이면, 코리올리력에 의해 각 진동각(1a, lb, lc)이 Y 방향의 진동성분을 가진다. 양쪽의 진동각(lb 및 1c)과 중앙의 진동각(1a)에서는 구동전압에 의한 진동의 위상이 반대이기 때문에, 코리올리력에 의한 진동의 위상도 진동각(1b, 1c)과 진동각(1a)에서 반대이다. 즉 어느 시점에 있어서, 진동각(1b와 1c)의 코리올리력에 의한 Y축에서의 진폭성분의 방향이 동일하고, 중앙의 진동각(1a)의 Y축에서의 진폭성분의 방향은 진동각(1b, lc)과 반대방향이다.
검출전극(5a와 5b)은 중앙의 진동각(1a)과 동일면(동일진동면)에 형성되어 있고, 중앙의 진동각(1a)의 압전재료가 코리올리력의 검출수단으로서 기능한다. 이 검출전극(5a와 5b)이 형성되어 있는 부분의 압전재료의 유전분극방향이 서로 반대이다. 따라서 교류구동전원(3)으로부터의 구동신호에 의해 각 진동각(1a, lb, 1c)이 X 방향으로 진동구동되고, 또한 각속도(ω)가 주어지면 코리올리력에 의한 Y 방향으로의 진동에 의한 코리올리출력성분이 검출전극(5a)으로부터의 검출출력(C)과 검출전극(5b)으로부터의 검출출력(D)의 사이에 위상차(Φ)가 생긴다.
이들 검출출력(C, D)은 도시 생략한 위상차 검출수단에 있어서 위상차(Φ)에 상당하는 직류전압이 검출되고, 이 직류전압으로부터 각속도(ω)가 구해지고, 또한 이 각속도(ω)를 수치적분함으로써 각도가 구해진다.
그러나 상기 종래의 자이로스코프에 있어서의 신호검출방법에서는 이하에 나타내는 바와 같은 문제가 있다.
첫째로 중앙의 진동각(1a)에서는 그 좁은 표면상에 검출전극(5a)과 검출전극 (5b)이외에 어스전극(4)을 설치하는 구성이며, 또한 이 어스전극(4)은 진동각(1a)의 선단으로부터 기단부(1B)까지 검출전극(5a) 및 검출전극(5b)에 대하여 평행하게형성할 필요가 있다.
그러나 진동각의 선단으로부터 기초끝부(1B)까지의 사이에, 일률적으로 어스전극(4)을 검출전극(5a와 5b)의 양자로부터 등간격으로 형성하는 것이 어렵다. 따라서 어스전극(4)과 검출전극(5a)사이의 연면거리(Wa)와 어스전극(4)과 검출전극 (5b)사이의 연면거리(Wb)가 다르면, 어스전극(4)과 검출전극(5a)의 사이, 또는 어스전극(4)과 검출전극(5b)의 사이에 절연파괴가 일어나기 쉬워진다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하기 위한 것으로, 종래에는 필요했던 어스전극을 삭감하여 제조공정을 간소화할 수 있는 압전진동자를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
또 본 발명은 진공각위의 적합한 전극배치를 행하여 위상차를 확실하게 검출할 수 있는 압전진동자 및 이 압전진동자를 이용한 신호검출장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
도 1은 자이로스코프에 있어서의 압전진동자의 사시도,
도 2는 도 1을 화살표(2)방향에서 본 압전진동자의 정면도,
도 3은 다른 압전진동자의 분극상태를 나타내는 정면도,
도 4A는 압전진동자에 X 방향의 진동을 인가한 경우의 각 진동각의 정면도,
도 4B는 압전진동자를 회전계에 두었을 경우의 각 진동각의 정면도,
도 5A는 중앙의 진동각의 정면도,
도 5B는 A의 진동각에 X 방향의 진동을 인가한 경우의 중심축과 출력전극과의 상대거리의 관계를 나타내는 도,
도 6A는 중앙의 진동각의 끝단면을 나타내는 정면도,
도 6B는 A의 진동각에 X 방향의 진동을 인가하고 또한 회전계에 두었을 경우의 중심축과 출력전극의 상대거리의 관계를 나타내는 도,
도 7은 중앙의 진동각의 확대정면도,
도 8은 압전진동자가 회전계에 없는 경우의 수치계산결과를 나타내는 도로서, A는 중심축과 각 출력전극의 거리를 나타내는 도, B는 전압출력을 나타내는 도, C는 전류출력을 나타내는 도,
도 9는 타원궤도의 장축 α: 단축 β= 1 : 0.05으로 한 경우의 수치계산결과를 나타내는 것으로, A는 중심축과 각 출력전극의 거리를 나타내는 도, B는 전압출력을 나타내는 도, C는 전류출력을 나타내는 도,
도 10은 타원궤도의 장축 α: 단축 β= 1 : 0.1로 한 경우의 수치계산결과를 나타내는 것으로, A는 중심축과 각 출력전극의 거리를 나타내는 도, B는 전압출력을 나타내는 도, C는 전류출력을 나타내는 도,
도 11은 타원궤도의 장축 α: 단축 β= 1 : 0.5로 한 경우의 수치계산결과를 나타내는 것으로, A는 중심축과 각 출력전극의 거리를 나타내는 도, B는 전압출력을 나타내는 도, C은 전류출력을 나타내는 도,
도 12는 타원궤도의 장축 α: 단축 β= 1 : 1로 한 경우의 수치계산결과를 나타내는 것으로, A는 중심축과 각 출력전극의 거리를 나타내는 도, B는 전압출력을 나타내는 도, C는 전류출력을 나타내는 도,
도 13은 타원궤도의 장축 α: 단축 β= 200 : 0으로 한 경우의 수치계산결과를 나타내는 것으로, A는 중심축과 각 출력전극의 거리를 나타내는 도, B는 전압출력을 나타내는 도, C은 전류출력을 나타내는 도,
도 14는 진원(眞圓)궤도에 있어서, X 방향의 분극계수와 Y 방향의 분극계수의 비를 크게 바꾼 경우의 수치계산결과를 나타내는 것으로, A는 중심축과 각 출력전극의 거리를 나타내는 도, B는 전압출력을 나타내는 도, C는 전류출력을 나타내는 도,
도 15A는 종래의 삼각음차형 압전진동자의 한쪽 면을 나타내는 사시도,
도 15B는 다른쪽 면을 나타내는 사시도,
도 16은 도 15A를 화살표(16)방향에서 본 압전진동자의 정면도이다.
본 발명은 회전계에 있어서의 코리올리력에 비례한 각속도를 출력하는 압전 진동자로서, 단면이 직사각형 또는 정사각형의 진동각과, 이 진동각의 구동방향으로 연장되는 면에 있어서, 상기 구동방향으로 간격을 두고 또한 진동각의 길이 방향에 연장설치된 한 쌍의 구동전극이 설치되고, 상기 진동각의 상기 구동전극이 형성된 면과 반대쪽의 면에는 상기 구동전극에 대향하는 한 쌍의 출력전극만이 진동각의 길이방향으로 연장설치되어 있으며, 상기 구동전극에 구동전력이 가해지면 압전효과에 의해 진동각이 진동구동되어, 상기 코리올리력에 비례한 각속도성분이 압전효과에 의해 상기 한 쌍의 출력전극으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는 진동각의 한쪽 면에 한 쌍의 구동전극, 다른쪽 면에 한 쌍의 출력전극을 각각 형성하면 되고, 출력전극과 출력전극의 사이에 어스전극을 설치할 필요가 없다. 따라서 양출력전극과 어스전극 사이의 연면거리를 균등하게 하지 않으면 안된다는 종래의 문제를 없앨 수 있다. 따라서 전극사이의 절연파괴의 문제를 해소할 수 있다.
또, 한 쌍의 출력전극의 사이에 설치되어 있던 접지용 어스전극을 불필요하게 하는 것이 가능해지기 때문에 전극을 형성하는 제조공정을 간소화할 수 있게 된다.
상기에 있어서, 진동자에는 분기형성된 3개의 진동각이 설치되고, 상기 구동전극 및 출력전극은 모든 진동각에 설치되어 있으며, 상기 구동전극과 출력전극의 사이에 구동신호가 가해져 상기 출력전극중 적어도 1세트의 출력전극으로부터 코리올리력에 비례한 각속도성분이 검출되는 것이 바람직하다.
도 2에 나타내는 압전진동자를 사용하여 설명하면, 상기 1세트의 출력전극은 중앙의 진동각(11v)에 설치된 한 쌍의 출력전극(a와 b)의 조합이 가장 바람직하나, 그외 예를 들어 왼쪽의 진동각(11 u)의 출력전극(al과 b1)의 조합이나, 오른쪽의 진동각(11w)의 출력전극(a2와 b2)의 조합이더라도 좋고, 또는 왼쪽의 진동각(11u)의 출력전극(a1)과 오른쪽의 진동각(11w)의 출력전극(b2)의 조합, 왼쪽의진동각(11u)의 출력전극(b1)과 오른쪽의 진동각(11w)의 출력전극(b2)의 조합이더라도 좋다. 또 출력전극(a1와 a2)의 출력과 출력전극(b1와 b2)의 출력으로 1세트의 출력전극으로 하는 것도 가능하다.
또 상기 1세트의 출력전극 이외의 출력전극이 불변전위에 고정되어 있는 것이 바람직하다.
예를 들어 상기 불변전위는 접지전위이고, 그외 변동하지 않는 전위이면 전원전압이나 중점전위(전원전압의 1/2)등이어도 좋다.
또 각 진동각의 폭방향의 중심을 지나 길이방향으로 연장되는 축을 각 진동각의 중심축으로 하였을 때, 상기 출력전극이 진동각의 면에 있어서 상기 중심축으로부터 가장 떨어진 위치에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
진동구동된 압전진동자가 회전계에 놓여지면, 각 진동각에 코리올리력이 작용하여 각 진동각의 운동은 타원운동이 된다. 따라서 코리올리력에 의한 진동자의 변위가 최대가 되는 위치가 각 진동각의 중심축으로부터 가장 떨어진 위치가 되기 때문에, 이 위치에 출력전극을 설치하여 둠으로써 코리올리력을 더욱 높은 감도로 검출하는 것이 가능하다.
또한, 상기 출력전극으로부터 얻어지는 전류출력을 전압출력으로 변환하는 I/V 변환수단을 가지고, 출력전극이 상기 I/V 변환수단에 있어서의 가상단락을 거쳐 각각 접지되어 있는 것이 바람직하며, 이것을 이용한 신호검출장치이다.
본 발명에서는 진동각의 한쪽 면에 한 쌍의 구동전극, 다른쪽 면에 한 쌍의 출력전극이 형성되고, 상기 구동전극에 교류구동신호를 인가하고, 다른쪽 면중 양쪽의 진동각에 배치된 각 한 쌍의 전극을 접지전위 또는 불변전위에 접속함으로써 양쪽의 진동각를 동상(同相)으로 진동구동시킬 수 있다. 또 중앙의 진동각에 배치된 전극은 연산증폭기 등으로 구성되는 I/V(전류/전압)변환수단에 접속되나, I/V 변환수단을 구성하는 연산증폭기의 반전단자와 비반전단자 사이는 가상단락에 의하여 반전단자가 접지전위가 되기 때문에, 종래와 같이 어스전극을 형성하지 않아도 중앙의 진동각를 진동구동시키는 것이 가능하게 된다.
이하, 본 발명에 관하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 자이로스코프에 있어서의 압전진동자의 사시도, 도 2는 도 1의 화살표(2)방향에서 본 압전진동자의 정면도, 도 3은 그외의 압전진동자의 분극상태를 나타내는 정면도, 도 4A는 압전진동자에 X방향의 진동을 준 경우의 각 진동각의 정면도, 도 4B는 압전전동자를 회전계에 놓았을 경우의 각 진동각의 정면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이 압전진동자(11)는 전체가 PZT나 수정 등으로 이루어지는 압전재료의 판재에 의하여 형성된 것으로, 압전진동자(11)의 선단에는 3개의 진동각(11u, 11v 및 11w)가 분기형성되어 있다.
각 진동각(11u, 11v 및 11w)에서의 압전재료의 유전분극방향은 도 2에 있어서 화살표로 나타내는 바와 같다. 즉 좌우 양쪽의 진동각(11u 와 11w)에서 유전분극방향이 동일하고, 중앙의 진동각(11v)에서는 좌우의 진동각(11u 및 11w)에 대하여 유전분극방향이 좌우 및 상하로 대칭인 방향이다.
또한 이하에서는 도 2에 나타내는 중앙의 진동각(11v)에 있어서 출력전극(b)으로부터 출력전극(a)을 향하는 분극을 Pxa, 구동전극(d)으로부터 구동전극(c)을 향하는 분극을 Pxb, 출력전극(b)으로부터 구동전극(c)을 향하는 분극을 Pya, 구동전극(d)으로부터 출력전극(a)을 향하는 분극을 Pyb로한다.
도 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이 각 진동각(11u, 11v 및 11w)의 한쪽 면(+ Y측)에는 각 진동각의 선단으로부터 기초끝방향에 은계열의 서밋 도전체나 구리피복 등의 도전성재료로 이루어지는 구동전극(c1, dl, c, d, c2, d2)이 각각 프린트형성(연달아 설치)되어 있다. 마찬가지로, 다른쪽 면(-Y측)에는 상기 각 구동전극에 대응하는 전극(bl, al, b, a, b2, a2)이 각각 프린트형성되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 상기 구동전극(c1, dl, c, d, c2, d2)은 교류 구동신호원(E)에 접속되어 있다. 또 양쪽의 진동각(11u 및 11w)의 출력전극(bl, al, b2, a2)은 접지전위(0 볼트)에 접속되어 있다. 또한 전극(bl, al, b2, a2)은 항상 일정한 전위(불변전위)에 고정되어 있어 있으며, 접지전위 이외의 전위, 예를 들어 중점전위에 접속되어 있어도 좋다.
또 중앙의 진동각(11v)의 전극(a 및 b)은 출력전극이다. 출력전극(a 및 b)은 전류출력을 전압출력으로 변환하기 위한 I/V 변환수단(12, 13)에 각각 접속되어 있다. I/V 변환수단(12, 13)은 오피앰프 등의 연산증폭기(12A, l3A)를 주체로 구성되어 있으며, 출력전극(a 및 b)의 전류출력(Ia및 Ib)을 전압출력(Va및 Vb)으로 각각 변환한다.
연산증폭기(12A, 13A)의 비반전단자(+단자)는 접지되어 있으며, 연산증폭기(12A, 13A) 자체의 입력임피던스는 매우 크나, I/V 변환수단(12, l3)으로부터의 입력임피던스는 매우 작아진다. 이로써 전류출력(Ia및 Ib)은 그 만큼 외부부착 저항(Rl, R2)에 각각 흐르기 때문에 전압출력(Va및 Vb)은 각각 Va= -Rl·la및 Vb= -R2·Ib로 되어 있다.
또 반전단자(-단자)와 비반전단자(+단자)사이가 가상단락(가상접지)됨으로써 반전단자의 전위는 대략 접지전위가 된다. 따라서 종래와 같이 출력전극(a와 b)의 사이에 어스전극(G)을 설치하고, 이 어스전극(G)과 접지전위를 직접 접속하지 않아도 전압출력(Va및 Vb)을 얻을 수 있다. 따라서 출력전극(a와 b)사이의 어스전극 (G)을 필요없게 할 수 있다.
또한 각 진동각(11u, 11v 및 11w)의 분극배치 및 교류구동전원과의 접속은 예를 들어 도 3에 나타내는 것 같은 것이어도 좋다. 즉, 각 진동각(1lu, 11v 및 11w)의 분극을 모두 동일방향으로 했을 경우에는 중앙의 진동각(11v)에 가하는 구동신호와 양쪽의 진동각(1lu, 11w)에 가하는 구동신호와는 서로 위상이 180도 다른 전원(E1및 E2)을 사용하면 좋다. 또는 하나의 교류구동전원(E)의 구동신호로부터 위상이 180도 다른 구동신호를 생성하여 이들을 상기와 마찬가지로 가하여도 좋다.
도 2에 있어서, 교류구동신호원(E)으로부터 상기 각 구동전극(c1, dl, c, d, c2 및 d2)에 정현파형상의 교류구동신호(S)(드라이브신호)가 인가되면, 진동각 (1lu, 11v 및 11w)은 압전효과에 의해 각 진동각의 나열방향이 되는 X 방향(+X 및 -X방향)으로 진동구동된다.
각 진동각(11u, 11v 및 11w)은 X 방향으로 1차 또는 수차 모드에 의한 구부림 변형진동을 생기게 한다. 또 양쪽의 진동각(11u 와 11w)이 같은 위상으로 구동되고, 중앙의 진동각(11v)은 양쪽의 진동각(11u 및 11w)과 위상이 π(180도) 상위하도록 구동된다. 즉, 도 4A에 나타내는 바와 같이 양쪽의 진동각(1lu 와 11w)의 어느 시점에서의 진폭의 방향이 +X방향일 때, 중앙의 진동각(11v)의 진폭방향은 -X방향 이다(점선의 화살표). 또 진동각(11u 와 1lw)이 모두 -X방향으로 진폭할 때, 중앙의 진동각(11v)의 진폭방향은 +X방향이다(실선의 화살표).
여기서 각 진동각(11u, 11v 및 11w)의 각 중심축을 Ou, 0v및 0w라 하면, 진동이 일어나지 않을 때에는 중앙의 진동각(11v)의 중심축(0v)과 압전진동자(11)의 중립축(O)이 일치한다. 그리고 진동이 X방향으로 생기면 중앙의 진동각(11v)의 중심축(Ov)은 중립축(O)을 중심으로 +X방향 및 -X방향으로 진동한다. 한편 양쪽의 진동각(11u 와 1lw)은 중립축(O)에 대하여 좌우대칭으로 X 방향으로 진동하기 때문에 중앙의 진동각(11v)이 좌우균등하게 진동하기 위한 균형자로서의 역할을 가지고 있다.
도 5A는 중앙의 진동각의 끝면을 나타내는 정면도, 도 5B는 도 5A의 진동각에 X방향의 진동을 인가한 경우의 중심축과 출력전극의 상대거리의 관계를 나타내는 도, 도 6A는 중앙의 진동각의 끝면을 나타내는 정면도, 도 6B는 도 6A의 진동각에 X 방향의 진동을 가하고, 또한 회전계에 두었을 경우의 중심축과 출력전극의 상대거리의 관계를 나타내는 도면이다.
5A에 나타내는 바와 같이, 중앙의 진동각(11v)에 주목하면 X 방향으로 진동을 생기게 하고 있는 상태에서는 진동각(11v)의 중심축(Ov)은 X축상의 좌표(α, O)와 (-α, O)사이를 왕복이동하는 궤적을 그린다. 여기서 한쪽의 출력전극(a)을 고정시켜 생각하고, 이 출력전극(a)과 궤적상의 중심축(Ov) 사이의 상대거리(L)를 구하면 도 5B에 나타내는 바와 같은 우견 하강의 직선으로서 표시된다. 단, 도 5A에 나타내는 바와 같이, 중앙의 진동각(11v)의 중심축(Ov)이 중립축(O)과 일치하였을 때의 중심축(Ov)과 출력전극(a)의 거리를 Lo, 진동각(11v)의 중심축(Ov)이 중립축 (O)에 대하여 가장 +X방향으로 이동한 좌표(α, O)에 있을 때의 중심축(Ov)과 출력전극(a)의 거리를 L2, 중심축(Ov)이 중립축(O)에 대하여 가장 -X방향으로 이동한 좌표(-α, O)에 있을 때의 중심축(Ov)과 출력전극(a)의 거리를 L1로 하고 있고, 진동각(11v)의 진폭은 2α(= α- (-α))이다.
상기한 바와 같이 X 방향으로 진동구동된 상태에서 압전진동자(11)를 Z축 주위의 회전계에 놓으면, 상기 압전진동자(11)는 Y축방향성분의 코리올리력이 작용한다. 즉, 도 4B에 나타내는 바와 같이 압전진동자(11)에 예를 들어 시계회전 방향의 회전을 가하면 X 방향으로의 진동에 코리올리력의 Y 방향성분이 합성되기 때문에 각 진동각(11u, 11v 및 11w)은 시계회전의 타원운동이 된다.
이때 중앙의 진동각(11v)에 주목하면 진동각(11v)의 중심축(Ov)은 도 6A에실선으로 나타내는 바와 같은 타원궤도를 그린다. 또 중심축(Ov)과 출력전극(a)사이의 거리는 변하지 않기 때문에, 각 출력전극(a, b)도 도시하는 점선으로 나타내는 바와 같은 타원궤도를 그린다. 여기서 상기와 마찬가지로 한쪽의 출력전극(a)을 고정하여 생각하고, 이 출력전극(a)과 타원궤적상의 중심축(Ov)사이의 상대거리(L)를 구하면 도 6B에 나타내는 바와 같이, 상기 도 5B에 나타낸 우견 하강의 직선을 장축으로 하는 타원궤도로서 표시된다.
이상의 설명으로부터 X축방향으로 진동구동되고 있는 압전진동자(11)를 Z축 주위의 회전계에 놓으면, 이 회전에 의하여 코리올리력이 X축방향과 수직이 되는 Y축방향으로 작용하나, 이 결과 진동각(llv)은 중립축(O)을 중심으로하는 타원궤도를 그리면서 진동구동되는 것을 알 수 있다. 따라서 회전계가 시계회전방향인 경우에는 진동각(11v)은 출력전극a →출력전극b →구동전극c →구동전극d →출력전극a의 순으로 타원운동한다.
따라서 출력전극(a)측이 압축상태에 있을 경우, 그 반대측에 위치하는 구동전극(c)측은 신장상태에 있다. 또 출력전극(b)측은 신장상태로부터 압축상태로 이행하는 상태에 있고, 구동전극(d)측은 압축상태로부터 신장상태로 이행하는 상태에 있다. 다음에 출력전극(b)측이 압축상태가 되면 구동전극(d)측은 신장상태에 있고, 출력전극(a)측은 압축상태로부터 신장상태로, 구동전극(c)측은 신장상태로부터 압축상태로 이행하는 상태에 있다. 이하 마찬가지로 압전진동자(11)의 압축 및 신장이 타원궤도에 따라 반복된다. 따라서 진동각(11v)이 시계회전방향으로 회전하면 각 전극에서는 a →b →c →d →a의 순으로 기전력이 발생한다.
또 압축상태가 출력전극(a)측으로부터 출력전극(b)측으로 이행할 때까지, 또는 신장상태가 출력전극(a)측으로부터 출력전극(b)측으로 이행하기 까지에는 약간의 시간이 걸리기 때문에 출력전극(a)에서 발생하는 기전력에 의한 출력신호와 출력전극(b)에서 발생하는 기전력에 의한 출력신호(전류출력)의 사이에도 약간의 시간적인 지연이 생긴다. 여기서 전극(c)과 전극(d)을 구동전극으로 하고, 또 전극 (a 및 b)을 출력전극으로 한 진동각(11v)을 회전계에 놓으면 출력전극(a)의 출력신호와 출력전극(b)의 출력신호와의 사이에 위상차를 검출할 수 있다. 그리고 이 위상차의 크기가 각속도에 비례한 것이 된다.
또 회전계의 회전력이 클 수록 코리올리력이 크게 작용하여, 타원궤도는 둥근원궤도에 근접하게 되어 압축 또는 신장상태가 출력전극(a)으로부터 출력전극(b)으로 이행하기 까지의 시간이 길어진다. 또는 중심축(Ov)과 출력전극(a)까지의 거리, 중심축(Ov)과 출력전극(b)까지의 거리를 길게 하면 큰 타원운동이 되기 때문에, 압축 또는 신장상태가 출력전극(a)으로부터 출력전극(b)으로 이행하기 까지의 시간이 길어진다. 즉, 코리올리력이 클 수록 또는 중심축(Ov)과 출력전극(a 및 b)까지의 거리가 길 수록 출력전극(a)의 출력신호와 출력전극(b)의 출력신호사이의 위상차가 커지기 때문에 이 사이의 위상차를 높은 정밀도로 검출할 수 있다.
또 코리올리력을 구동전극(d)과 출력전극(a)의 사이 및/또는 구동전극(c)과 출력전극(b)사이의 전압출력(진폭)의 변화량으로서 검출하여 각속도를 구하는 것도가능하나, 이 경우 교류구동신호원의 전압의 변화나 압전재료의 온도변화 등에 의해 출력신호의 진폭이 변화하기 쉽다. 이 때문에 제어회로에 AGC 회로 등을 부가하여 진폭을 안정화할 필요가 있다. 그러나 상기의 경우 위상차에는 변화가 생기지 않기 때문에, AGC 회로 등을 불필요하게 할 수 있다.
또 상기에 있어서는 출력전극(a)과 출력전극(b)이 진동각의 동일면상에 형성되고, 종래와 같이 이 사이에 어스전극을 형성할 필요가 없기 때문에 제조공정을 간소화할 수 있다. 따라서 출력전극과 어스전극사이의 연면거리의 균일화를 도모할 필요가 없어 절연파괴의 문제도 생기지 않는다.
이하에 있어서는 진동각의 타원운동과 출력신호의 관계를 이론적으로 고찰한다.
도 7은 중앙의 진동각의 끝면의 확대도이다. 도 7에 있어서 중심축(Ov)이 그리는 타원의 장축의 길이를 2α, 단축의 길이를 2β(α≥β), 이심각을 θ라 하면, 타원궤도상의 임의의 점(Q)의 좌표(x, y)는 각각 x = αcosθ, y = βcosθ로 표시된다.
또 중심축(Ov)으로부터 출력전극(a)까지의 X축방향의 거리를 Lx라 하면, 점 (Q)과 출력전극(a)까지의 X축방향의 거리(Xa)는 Xa= Lx-x = Lx-αcosθ로 표시된다. 또 중심축(Ov)으로부터 출력전극(a)까지의 Y축방향의 거리를 Ly라 하면, 점 (Q)과 출력전극(a)까지의 Y축방향의 거리(Ya)는 Ya= Ly-y = Ly-βcosθ로 표시된다. 따라서 임의의 점(Q)으로부터 출력전극(a)까지의 거리(La)는 식 1과 같이 된다.
마찬가지로 임의의 점(Q)과 출력전극(b)까지의 X축방향의 거리(Xb)는 출력전극(a와 b)위치와의 대칭성보다 Ly= Lx가 되기 때문에, Xb= Ly+ X = Lx+ αcosθ로 표시되고, 점(Q)과 출력전극(b)까지의 Y축방향의 거리를 Yb(= Ya)라 하면 점 (Q)으로부터 출력전극(b)까지의 거리(Lb)는 식 2와 같이 된다.
다음에 진동각(llv)이 X 방향 및 Y 방향으로의 압축 및 신장되는 경우에 관하여 생각한다.
진동각(11v)이 +X방향으로 진동구동되면 출력전극(a) 및 구동출력(d)측이 줄어들고, 출력전극(b) 및 구동전극(c)측이 신장된다. 또 진동각(11v)이 -X 방향으로 진동구동되면 출력전극(a) 및 구동출력(d)측이 신장하고, 출력전극(b) 및 구동전극(c)측이 줄어든다. 이 형태는 진동각(11v)의 각 전극을 고정하여 생각하여,중심축(Ov)만이 +X방향 또는 -X방향으로 진동한 경우와 마찬가지로 생각할 수 있다.
따라서 진동각(llv)의 각 전극을 고정하고 중심축(Ov)만이 타원운동되어 진동각(11v)에 왜곡이 생긴 경우를 상정하면 X방향으로의 압축비(Px)는 Px= Lx/Xa로 표시할 수 있다. 또 증가분(ΔPx)만을 생각하면 ΔPx= 1-Px가 된다. 여기서 분극(Pxa)의 분극계수를 Kxa라 하면 X 방향으로의 왜곡에 의한 출력전극(a)에서의 기전력(Eax)은 Eax= Kxa·ΔPx로 표시할 수 있다. 마찬가지로 Y방향의 압축비를 Py라 하면 Py= Ly/Ya, 증가분을 ΔPy라 하면 ΔPy= 1-Py가 된다. 여기서 분극 (Pya)의 분극계수를 Kya라 하면, Y방향으로의 왜곡에 의한 출력전극(a)에서의 기전력(Eay)은 Eay= Kya·ΔPy로 표시된다. 따라서 출력전극(a)에 있어서의 전체의 기전력을 Ea라 하면 Ea= Eax+ Eay로 표시할 수 있다.
또한 출력전극(a)에 접속되는 외부회로를 생각하여, 출력전극(a)으로부터 외부회로로 흘러 나오는 전류를 Ia라 하면, 전류(Ia)는 상기 기전력(Ea)을 사용하여 Ia= dEa/dt로 표시할 수 있다. 편의상 분모의 dt를 Δdeg (degree :도)로 생각하면, 식 3과 같이 표시된다.
다음에 상기 고찰에 의거하여 타원궤도의 장축(α), 단축(β), 분극계수 (K)를 파라미터로 하고, 중심축(Ov)과 출력전극(a) 및 출력전극(b)의 거리(La, Lb), 출력전극(a 및 b)에 있어서의 전압출력 및 전류출력에 관하여 수치계산을 행하였기 때문에 이하에 제 1예 내지 제 7예를 사용하여 설명한다. 또한 각 예에 있어서의 파라미터의 값을 표 1에 나타내고, 타원궤도의 장축(α)과 단축(β)의 값은 중립축(O)으로부터 출력전극(a 및 b)의 거리(Lx및 Ly)를 Lx= Ly= 500으로 한 경우에 대한 비이다.
또 중앙의 진동각(lv)에 X 방향으로만 정현파형상의 진동을 가한 것으로, 진동각(1v)의 각 전극을 고정하고 생각하여, 중심축(0v)이 직선, 타원 또는 원궤도를 따라 이동한 경우에 각 분극이 압축 또는 신장되는 경우이다.
전극위치 전극위치 타원장축 타원단축 분극계수 분극계수 분극계수 분극계수 비고
Lx Ly α β Kxa Kya Kxb Kyb
제 1예 500 500 1 0 100 100 -100 -100 도 8
제 2예 500 500 1 0.05 100 100 -100 -100 도 9
제 3예 500 500 1 0.1 100 100 -100 -100 도 10
제 4예 500 500 1 0.5 100 100 -100 -100 도 11
제 5예 500 500 1 1 100 100 -100 -100 도 12
제 6예 500 500 200 0 100 100 -100 -100 도 13
제 7에 500 500 1 1 100 5 -100 -5 도 14
제 1예를 도 8A, B 및 C에 나타낸다. 제 1예는 타원궤도의 장축(α)과 단 축(β)의 비가 α: β= 1 : 0의 경우, 즉 압전진동자(11)가 회전계에 없는 경우에 있어서의 수치계산결과이다.
이 제 1예에서는 압전진동자(11)에 코리올리력이 생기지 않기 때문에 진동각 (11v)은 X방향으로만 직선적으로 진동구동된 경우를 나타내고 있다. 따라서 도 8A에 나타내는 바와 같이, 중심축(Ov)이 직선궤적상의 임의의 위치에 있는 경우에 있어서의 출력전극(a)과 중심축(Ov)의 거리(La) 및 출력전극(b)과 중심축(Ov)의 거리 (Lb)와의 관계는 서로 위상이 π(180도)만큼 어긋난 것이 된다. 이것은 +X방향으로 생기는 왜곡과 -X방향으로 생기는 왜곡은 서로 위상이 π(180도)만큼 어긋나 있는 것을 의미하고 있다.
또 출력전극(a)에 대한 분극(Pxa, Pyb)과 출력전극(b)에 대한 분극(Pxb, Pya)에서는 분극방향이 다르다. 이점을 고려하면 +X방향 및 -X방향으로 진동구동시키면 출력전극(a 및 b)의 출력으로서 도 8B에 나타내는 것 같은 동위상의 전압출력(기전력)(Va, Vb)을 얻는다.
단, 실제의 진동각(1lv)의 출력전극(a 및 b)의 출력은 전류출력이다(도 2참조). 따라서 도 8B에 나타내는 전압출력(Va, Vb)를 변환함으로써 도 8C에 나타내는 바와 같은 동위상의 전류출력(Ia, Ib)이 구해진다. 또한 전류파형을 전압파형으로 변환하면 그 출력은 반전하기 때문에 전압파형은 위상이 π만큼 지연된다.
도 9는 제 2예로서 타원궤도의 장축(α)과 단축(β)의 비를 α: β= 1 : 0.05로 한 경우, 도 10은 제 3예로서 α: β= 1 : 0.1로 한 경우, 도 11은 제 4예 로서 α: β= 1 : 0.5로 한 경우, 도 12는 제 5예로서 α: β= 1 : 1로 한 경우의 각 수치계산의 해석결과를 나타내고 있다. 도 9A, 도 10A, 도 11A 및 도 l2A는 중심축(Ov)이 타원 또는 원궤적상의 임의의 점에 위치하는 경우의 중립축(O)과 출력전극(a)의 거리(La) 및 중심축(Ov)과 출력전극(b)의 거리(Lb)의 관계를 나타내는 도, 도 9B, 도 10B, 도 11B 및 도 12B는 각 전압출력(Va및 Vb)을 나타내는 도, 도 9C, 도 10C, 도 11C 및 도 12C는 각 전류출력(Ia및 Ib)을 나타내는 도이다. 또한 도 9의 타원궤적이 가장 편평정도가 높고, 도 10, 도 11이 됨에 따라 원에 가까워지고도 12에서 완전원이 되어 있다.
도 8A, 도 9A, 도 10A, 도 11A 및 도 12A에 나타내는 바와 같이, 직선적인 진동구동보다도 편평한 타원궤도, 편평한 타원궤도보다도 완전원에 가까운 궤도, 완전원에 가까운 타원궤도보다도 완전원 궤도의 쪽이 거리(La)와 거리(Lb)사이의 위상차가 크게 나타남을 알 수 있다.
또 도 8B, 도 9B, 도 10B, 도 llB, 도 12B 및 도 8C, 도 9C, 도 10C, 도 11C, 도 12C에 나타내는 바와 같이, 거리(La)와 거리(Lb)사이의 위상차가 커지면 커질수록 전압출력(Va와 Vb)의 사이 및 전류출력(Ia와 Ib) 사이의 서로의 위상차가 커지는 것을 파형적으로 확인할 수 있다.
이러한 것은 압전진동자(11)가 큰 타원운동을 그릴수록 즉, 진동각(11v)에 큰 코리올리력이 작용하여 진동각(11v) 타원궤도가 완전원에 근접할 수록 전압출력(Va와 Vb)의 사이 및 전류출력(Ia와 Ib)의 사이에 큰 위상차를 생기게 하는 것을 확인할 수 있고, 이것은 실측치와 일치하는 것이다.
도 13은 제 6예를 나타내며, 타원궤도의 장축(α)과 단축(β)의 비를 α:β= 200 : 0으로 한 경우이며, 상기 제 1예(회전계에 없는 경우)의 진폭을 1로 하였을 때 진동각(llv)의 진폭만을 200배한 것에 상당한다.
도 13A에 나타내는 바와 같이, 진동각(11v)의 진폭을 단지 X 방향으로 크게하면, 거리(La) 및 거리(Lb)가 커지나, 서로의 위상관계는 변하지 않는다. 이에 의하여 제 l예와 비교하여 전압출력(Va, Vb)의 출력 그 자체가 커지나, 전압출력(Va)은 양(+)방향으로, 전압출력(Vb)은 음(-)방향으로 각각 바이어스된 출력이 된다. 또 전류출력(Ia및 Ib)도 커지나, 그 한쪽 전류출력(Ia및 Ib)에 왜곡이 생기는 것을 확인할 수 있고, 이것은 실측치와 일치한다.
도 14는 제 7예를 나타내며, 타원궤도의 장축(α)과 단축(β)과의 비가 α: β= 1 : 1인 경우, 즉 압전진동자(11)가 완전원궤도를 그리는 경우이고, 또한 X 방향의 분극계수와 Y 방향의 분극계수의 비를 크게 바꾼 경우를 나타내고 있다.
도 14A에 나타내는 바와 같이, X 방향과 Y 방향의 분극계수의 비를 바꾸어도 거리(La와 Lb)사이의 위상차는 변하지 않는다. 그러나 도 12에 나타내는 제 5 예와 비교하면 전압출력(Va와 Vb)간의 위상차 및 전류출력(Ia와 1b)간의 위상차가 작아진다.
이로부터 전압출력(Va와 Vb)의 사이 및 전류출력(Ia와 Ib)사이의 위상차는 X 방향의 분극계수(Pxa, Pxb)과 Y 방향의 분극계수(Pya, Pyb)의 비가 1 : 1인 경우가 가장 크게 검출되고, 이 비가 무너짐에 따라 작게 검출되는 것을 알 수 있으며, 이것도 실측치와 일치한다.
이상의 수치계산에 의한 해석의 결과, 상기 고찰에서 나타낸 식 3은 디멘션은 다르나, 전류출력(Ia및 Ib)의 파형을 시각적으로 파악하기 위해서는 타당한 것이라 할 수 있다.
이상 상세히 설명한 본 발명에 의하면 진동각의 동일면상에 출력전극(a)과 출력전극(b)을 형성하는 것만으로 출력을 얻을 수 있기 때문에, 종래와 같이 어스전극을 형성할 필요가 없다. 따라서 전극의 제조공정을 간소화할 수 있다. 또 출력전극과 어스전극 사이의 연면거리의 균일화를 도모할 필요가 없어지기 때문에 절연파괴의 문제도 해결할 수 있다.
또한 중심축으로부터 멀리 떨어진 위치에 각 출력전극을 설치함으로써, 각 전류출력사이의 위상차를 확실하게 검출할 수 있다.

Claims (6)

  1. 회전계에 있어서의 코리올리력에 비례한 각속도를 출력하는 압전진동자로서,
    단면이 직사각형 또는 정사각형의 진동각과,
    이 진동각의 구동방향으로 연장되는 면에 있어서 상기 구동방향으로 간격을 두고 또한 진동각의 길이방향으로 연장설치된 한 쌍의 구동전극이 설치되고,
    상기 진동각의 상기 구동전극이 형성된 면과 반대쪽 면에는 상기 구동전극에 대향하는 한 쌍의 출력전극만이 진동각의 길이방향으로 연장설치되어 있고,
    상기 구동전극에 구동전력이 가해지면 압전효과에 의해 진동각이 진동구동되고, 상기 코리올리력에 비례한 각속도의 위상차 성분이 압전효과에 의해 상기 한 쌍의 출력전극으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 압전진동자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동자에는 분기형성된 3개의 진동각이 설치되고, 상기 구동전극 및 출력전극은 모든 진동각에 설치되어 있고, 상기 구동전극과 출력전극 사이에 구동신호가 가해져 상기 출력전극중 적어도 1세트의 출력전극으로부터 코리올리력에 비례한 각속도성분이 검출되는 것을 특징으로 하는 압전진동자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 1세트의 출력전극 이외의 출력전극이 불변전위에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전진동자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 불변전위가 접지전위인 것을 특징으로 하는 압전진동자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 각 진동각의 폭방향의 중심을 지나 길이방향으로 연장되는 축을 각 진동각의 중심축으로 하였을 때, 상기 출력전극이 진동각의 면에 있어서 상기 중심축으로부터 가장 떨어진 위치에 설치되어 있는 것을 특징을 하는 압전진동자.
  6. 상기 출력전극으로부터 얻어지는 전류출력을 전압출력으로 변환하는 1/V 변환수단을 가지고, 출력전극이 상기 I/V 변환수단에 있어서의 가상단락을 거쳐 각각 접지되어 있는 제 1항기재의 압전진동자를 이용한 것을 특징으로 하는 신호검출장치.
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