KR100397105B1 - 자이로스코프의 구동검출장치 - Google Patents

자이로스코프의 구동검출장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진동자(1Ou, 1Ov 및 1Ow)의 표면 및 이면에 한 쌍의 전극을 길이 방향으로 형성하고 유전분극을 표면으로부터 이면방향으로 실시하는 것이다. 중앙의 진동자(1Ov)의 검출전극(11c, 11d)에 연산증폭기로 이루어지는 I/V 변환수단(20, 21)을 접속하면 검출전극(11c, 11d)은 I/V 변환수단(20, 21)의 가상단락을 거쳐 기준전위(Vref)에 접지할 수 있기 때문에 종래의 어스전극없이 자이로스코프를 진동시킬 수 있다. 따라서 진동자의 전극의 수를 줄일 수 있어 구동전극사이 또는 검출전극사이의 간격치수를 확보할 수 있기 때문에 고전압을 인가하였을 때 충분한 유전분극을 실시할 수 있다.

Description

자이로스코프의 구동검출장치{DRIVE DETECTING DEVICE FOR GYROSCOPE}
본 발명은 내비게이션시스템 등에 사용되는 자이로스코프 및 그 구동검출장치에 관한 것으로, 특히 전극수의 감소와 유전분극의 간소화를 도모하여 제조를 용이게 할 수 있는 압전진동자를 사용한 자이로스코프의 구동검출장치에 관한 것이다.
도 4는 종래의 진동형 자이로스코프의 일례로서 삼각음차형의 압전진동자를 나타내는 사시도이며, 예를 들어 일본국 특개평9-101156호 공보에 개시되어 있는 것과 같은 종류의 것이다. 도 5a는 도 4에 나타내는 압전진동자를 5화살표방향에서 보았을 때의 정면도, b는 구동상태를 나타내는 정면도이다.
도 4에 나타내는 압전진동자는 전체가 압전세라믹 등 압전재료로 형성된 탄성판의 앞부분에 서로 평행하게 분리된 3개의 진동자가 형성되어 있다. 이 압전진동자에서는 양측의 진동자가 같은 위상으로 진동하기 때문에 이 양측의 진동자를 동일한 부호"1"로 나타내고 있다. 또 중앙의 진동자는 양측의 진동자와 다른 위상으로 진동하기 때문에 양측의 진동자(1)와는 다른 부호"2"로 나타내고 있다.
도 5a, b에 나타내는 바와 같이 좌우양측의 진동자(1)의 표면(1a)에는 전극 (5a, 5b, 5c)이, 이면(1b)에는 전극(6a, 6b, 6c)이 형성되어 있다. 중앙의 진동자(2)에서는 표면(2a)에 전극(7a, 7b, 7c)이 형성되고, 이면(2b)에 전극(8a, 8b, 8c)이 형성되어 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이 각 전극은 Z축방향을 따라 각 진동자(1, 2)의 장축방향의 전체길이에 걸쳐 연장되어 있다.
각 진동자(1, 2)의 진동구동방향은 X 방향(제 1 방향)이다. 각 진동자(1, 2)에 있어서 진동구동방향인 X 방향(제 1 방향)을 폭방향으로 하였을 때, 전극(5a, 5c, 6a, 6c, 7a, 7c, 8a, 8c)는 각각 진동자(1, 2)의 폭방향의 양 가장자리부에 설치되어 있다. 또 전극(5b, 6b, 7b, 8b)은 각 진동자(1, 2)의 폭방향(X 방향)의 중앙에 위치하고 있다.
도 5a는 압전재료에 유전분극을 실시할 때의 인가전계의 극성을 나타내고 있다. 각 전극에 인가되는 직류전압을 +와 -로 나타내고, 그라운드전위를 G로 나타내고 있다. 양측의 진동자(1)에서는 표리양면에서 폭방향의 중심에 위치하는 전극 (5b, 6b)이 그라운드전위이다. 표면(1a)에서는 폭방향 양 가장자리부에 위치하는 전극(5a, 5c)에 음의 전압이 인가되고, 이면(1b)에서는 폭방향 양 가장자리부에 위치하는 전극(6a, 6c)에 양의 전압이 인가된다. 중앙의 진동자(2)에서는 중앙에 위치하는 전극(7b, 8b)이 그라운드전위이다. 표면(2a)에서는 폭방향의 양 가장자리부에 위치하는 전극(7a, 7c)에 음의 전압이 인가되고, 이면(2b)에서는 폭방향의 양 가장자리부에 위치하는 전극(8a, 8c)에 양의 전압이 인가된다. 도 5a에 나타내는 화살표는 이 때의 전극사이에 주어지는 전계의 방향으로, 이 전계방향을 따라 유전분극이 실시된다.
이 압전진동자에서는 각 진동자(1, 2)의 전극(6b, 8b)이 검출전극으로서 사용된다. 이 검출전극(6b, 8b)은 진동자(1, 2)에 있어서 X 방향(제 1 방향)으로 연장되는 면(lb, 2b)에 형성되며, 또한 X 방향의 폭방향의 중심위치에 형성되어 있다. 그리고 진동자(1)에서는 검출전극(6b)의 부분을 중심으로 하여 X 방향의 좌우에서의 유전분극방향이 대칭이다. 마찬가지로 진동자(2)에서는 검출전극(8b)이 형성되어 있는 부분을 중심으로 하여 X 방향의 좌우에서 유전분극방향이 대칭이다.
도 5b에서는 각 전극에 인가되는 교류구동전압의 위상을 +와 -로 나타내고 있다. 한쪽 전극에 +의 표시가, 다른 전극에 -의 표시가 이루어져 있는 경우, 이 두개의 전극에는 180도(π) 위상차의 교류구동전압이 각각 인가되는 것을 의미하고 있다. 또 도 5b에 있어서의표는 압전효과에 의한 +의 왜곡(신장)를 나타내고, × 표는 -의 왜곡(수축)을 나타내고 있다.
도 5b의 구동방법에서는 전극(5b, 6a, 6c, 7b, 8a, 8c)을 그라운드 전위로 하고 있다. 또 각 진동자(1, 2)의 표면(1a, 2a)에 위치하는 전극(5a, 5c, 7a, 7c)이 구동전극이며, 이면(1b, 2b)의 중앙에 위치하는 전극(6b, 8b)이 검출전극이다.
교류구동전력으로서는 전극(5c, 7a)에 동위상의 전압이 인가되고, 전극(5a, 7c)에 동위상(상기와 역위상)의 전압이 인가된다. 그 결과 좌우양쪽의 진동자(1)의 표면(1a)에서는 어느 시점에 전극(5a, 5b)의 사이에서는 +의 왜곡()이 되고, 전극(5b, 5c)의 사이에서는 -의 왜곡(×)이 된다. 중앙의 진동자(2)에서는 표면(2a)에 있어서, 전극(7a, 7b)사이에서는 -의 왜곡(×)이 되고, 전극(7b, 7c)의 사이에서는 +의 왜곡()이 된다. 따라서 도 5b에 나타내는 어느 시점에서는 양쪽의 진동자 (1, 1)의 진폭방향이 +X 방향이 되고, 중앙의 진동자(2)의 진폭은 -X 방향이 되도록 굽힘진동을 발생한다. 즉, 양쪽의 진동자(1, 1)와 중앙의 진동자(2)는 서로 역위상으로 X 방향으로 진동하게 된다.
이 압전진동자가 Z축 주위의 회전계내에 놓여지면, 코리올리력에 의해 진동방향과 직교하는 Y 방향(제 2 방향)으로의 힘이 작용한다. 좌우의 진동자(1, 1)와 중앙의 진동자(2)는 X 방향으로 역위상으로 진동구동되어 있기 때문에 코리올리력에 의한 진동성분은 양쪽의 진동자(1, 1)와 중앙의 진동자(2)로 역위상이 되고, 예를 들어 양쪽의 진동자(1, 1)의 어느 시점에서의 진폭방향이 +Y 방향일 때, 중앙의 진동자(2)의 진폭방향은 -Y 방향이다.
상기 코리올리력에 의한 진동성분은 각 진동자(1, 2)의 이면(1b, 2b)의 폭방향의 중앙에 설치된 검출전극(6b, 8b)으로부터 얻어진다.
코리올리력에 의한 각 진동자의 진동성분에 있어서는 어느 시점에서 진동자 (1, 1)의 진폭방향이 +Y 방향인 경우, 검출전극(6b, 6b) 부분에서의 압전재료는「신장」이 되고, 중앙의 진동자(2)의 진폭방향은 -Y 방향이 되어 검출전극(8b)의 부분에서 압전재료는「수축」이 된다. 각 검출전극(6b, 8b, 6b)이 형성되어 있는 부분의 유전분극방향은 모두 동일하기 때문에 진동자의 Y 방향으로의 진동성분으로서 전극(6b, 6b)의 전류출력(I1, I2)이 같은 위상이 된다. 이것에 대하여 전극(8b)의 전류출력(I3)은 상기 전류출력(I1, I2)과는 역위상으로서 검출된다.
그러나 상기 종래의 압전진동자에서는 각 진동자(1, 1, 2)의 표면(1a, 2a)및 이면(1b, 2b)의 각각에 한 쌍의 구동용 전극(5a, 5c, 7a, 7c) 및 출력전극(6a, 6c) 및 출력전극(8a, 8c)을 설치하고, 또 상기 각 한 쌍의 구동전극사이에 그라운드용 전극(5b, 7b) 및 검출전극(6b, 8b)을 설치한 구성으로, 1개의 진동자에는 표리양면에서 6개의 전극을 필요로 하는 것이었다. 따라서 유전분극 및 전극의 제조공정이 번거롭고, 또한 각 전극에 대한 배선도 복잡하게 되어 있었다.
또 각 진동자의 표면(1a, 2a) 및 이면(1b, 2b)에 형성된 각 전극사이의 간격치수(연면거리)가 매우 접근한 구조로 된다.
그런데 상기 도 5a에 나타내는 바와 같이, 각 진동자내의 유전분극은 각 전극사이에 고전압을 인가하여 생성되나, 상기한 바와 같이 각 전극사이의 간격치수가 가깝고 전극의 형상이 균일하지 않을 경우에는, 고전압을 인가하였을 때 상기 균일하지 않은 부분에 절연파괴에 의한 방전이 생겨 전극이 파괴된다는 제조상의 문제가 존재한다. 또는 이와 같은 전극파괴를 방지하기 위하여 저전압으로 유전분극을 생성하면 유전분극이 충분히 행하여지지 않는다는 문제가 생긴다.
즉, 각 전극을 형성할 때의 공차에 의해 각 전극이 X 방향으로의 어느 한 방향으로 치우쳐 형성되는 것을 피할 수 없으며, 각 전극의 양쪽의 유전분극을 완전히 대칭으로 하는 것이 곤란하다. 따라서 제조상의 오차에 의해 검출전극이 어느방향으로 치우치게 될지 예측할 수 없으며, 또 유전분극방향의 대칭성에 관해서도 그 오차를 예측할 수 없다.
따라서 각 검출전극으로부터 출력되는 X 방향으로의 진동성분의 극성은 랜덤 하며, 어떠한 극성으로 발생할지 예측할 수 없다. 따라서 검출전극으로부터의 전류출력(I1, I2, I3)이 상기한 검출회로에 인가된 경우, X 방향으로의 진동성분이 가산되어 증폭되는 일도 있으며, 또는 감산되어 작아지는 일도 있다. 즉, 검출전극의 형성위치에 오차가 있는 것 같은 경우에 실제로 동작시켜 보지 않으면 어느 정도의 X 방향으로의 진동성분이 검출출력에 포함되는 것인지 예측할 수 없다. 그 때문에 코리올리력의 검출정밀도가 낮아져 Z축 주위의 각속도(ω)의 검출감도도 낮아지게 된다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 전극수를 줄인 압전진동자를 구동할 수 있는 자이로스코프의 구동검출장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
또 본 발명은 유전분극을 용이하게 생성한 각 진동자를 구동시킬 수 있는 자이로스코프의 구동검출장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
또한 본 발명은 각 진동자의 전극수를 줄였을 때 진동자의 진폭방향으로의 진동성분을 상쇄할 수 있는 자이로스코프의 구동검출장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
도 1은 본 발명의 자이로스코프에 있어서의 압전진동자의 사시도,
도 2a는 본 발명에 있어서의 제 1 실시형태로서, 분극방향과 구동계의 전기배선을 나타내는 압전진동자의 정면도,
도 2b는 도 2a에 나타내는 중앙의 진동자와 검출계의 회로구성과의 접속도,
도 3a는 본 발명에 있어서의 제 2 실시형태로서, 분극방향과 구동계의 전기적 배선을 나타내는 압전진동자의 정면도,
도 3b는 도 3a에 나타내는 중앙의 진동자와 검출계의 회로구성과의 접속도,
도 4는 종래의 압전진동자의 일례를 나타내는 사시도,
도 5a는 도 4에 나타내는 압전진동자를 5화살표 방향에서 보았을 때의 정면도,
도 5b는 구동상태를 나타내는 정면도이다.
※도면의 주요부분에 있어서의 부호의 설명
10, 10B : 압전진동자 10u, 10v, 10w : 진동자
10a, 10b, 11a, 11b : 전극(구동전극)
10c, 10d, 11c, 11d : 전극(검출전극)
20, 21, 40, 41 : I/V(전류/전압)변환수단
E, E1, E2 : 교류구동신호원 Ic, Id : 전류출력
Vc, Vd : 전압출력
본 발명은 한쪽 면에 길이방향으로 연장설치된 한 쌍의 구동전극과 다른쪽 면에 길이방향으로 연장설치된 한 쌍의 검출전극을 가지며, 상기 한쪽 면과 다른쪽면의 사이에 있어서 일 방향으로 유전분극된 적어도 1개 이상의 진동자로 이루어지는 자이로스코프의 구동검출장치로서, 상기 한 쌍의 구동전극을 서로 역상이 되는 구동신호를 인가하는 구동계와, 상기 한 쌍의 검출전극으로부터 출력되는 각 전류출력을 전압출력으로 각각 변환하는 한 쌍의 I/V 변환수단 및 상기 각 I/V 변환수단의 각 전압출력끼리를 가산하는 가산수단을 구비한 검출계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는 진동자의 한쪽 면(표면)에 한 쌍의 검출전극을, 다른쪽 면(이면)에 2개의 검출전극을 생성한 구성이기 때문에 적어도 3개의 전극을 형성하는 종래와 비교하여 각 전극사이의 거리치수(연면거리)를 확보할 수 있게 된다. 따라서 전극사이에 고전압을 인가하여도 전극파괴가 생기기 어렵게 할 수 있으므로 설계대로 각 유전분극을 형성할 수 있게 된다.
또 1개의 진동자에 형성하는 전극의 수는 4개로 충분하게 된다. 또는 양쪽의 진동자의 검출전극을 직접 기준전위에 접속하는 것에서는 검출측의 전극이 1개로 충분하게 되기 때문에 이 경우 양쪽의 전극에 한하여 전극수를 적어도 3개 가지고 있으면 좋다. 이 때문에 종래와 비교하여 전극의 제조를 용이하게 할 수 있고, 각 전극의 배선처리가 복잡하게 되는 일이 없다.
또한 유전분극방향이 일 방향으로 좋은 것에서는 한쪽 면(표면측)으로부터 다른쪽 면(이면측)을 향하여 고전압을 인가함으로써 용이하게 유전분극을 생성하는 것이 가능하게 되고, 또 각 진동자사이의 유전분극의 상태를 균일화할 수 있다. 또는 이미 일 방향에 유전분극이 형성되어 있는 압전재료를 압전진동자로서 사용할 수 있다.
따라서 각 검출전극으로부터 출력되는 전류출력도 진폭차가 적은 대략 균일한 출력을 얻을 수 있다. 따라서 코리올리력의 검출정밀도도 높아져 Z축 주위의각속도(ω)의 검출감도도 높은 것으로 할 수 있다.
또 본 발명은 한쪽 면에 길이방향으로 연장설치된 제 1 및 제 2 구동전극과다른쪽 면에 길이방향으로 연장설치된 제 1 및 제 2 검출전극을 가지며, 상기 한쪽면과 다른쪽 면의 사이에 유전분극이 실시된 적어도 1개 이상의 진동자로 이루어지는 자이로스코프의 구동검출장치로서, 상기 제 1 및 제 2 구동전극에 서로 동상의 구동신호를 인가하는 구동계의 회로와, 상기 제 1 및 제 2 검출전극으로부터 검출되는 각 전류출력을 전압출력으로 각각 변환하는 한 쌍의 I/V 변환수단 및 상기 각 I/V 변환수단의 각 전압출력끼리의 감산을 행하는 차동증폭수단을 구비한 검출계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기에 있어서 압전진동자가 상기 제 1 구동전극과 제 1 검출전극 사이의 유전분극방향과, 상기 제 2 구동전극과 제 2 검출전극 사이의 유전분극방향이 서로 역상으로 형성되고, 또 상기 제 1 구동전극과 제 2 구동전극 사이의 유전분극방향과, 상기 제 1 검출전극과 제 2 검출전극 사이의 유전분극방향이 서로 역상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또 인접하는 진동자의 유전분극방향이 서로 역상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 구성에서는 1개의 교류구동신호에 의해, 양쪽 끝의 진동자와 중앙의 진동자를 교대로 진동시키는 것이 가능하게 된다. 따라서 구동계의 회로구성을 간단하게 할 수 있다.
또한 각 진동자의 한쪽 면이 구동전극만으로 이루어지고, 다른쪽 면이 검출전극만으로 이루어지는 것이 바람직하다.
구동계와 검출계를 명확하게 나눌 수 있기 때문에 배선이 용이하게 됨과 동시에 리드선의 컬러표시에 의해 오배선을 바로 발견할 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 관하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 자이로스코프에 있어서의 압전진동자의 사시도, 도 2a는 본 발명에 있어서의 제 1 실시형태로서, 분극방향과 구동계의 전기배선을 나타내며, 도 1의 압전진동자의 2화살표방향의 정면도, 도 2b는 도 2a에 나타내는 중앙의 진동자와 검출계의 회로구성과의 접속도이다.
도 1에 나타내는 압전진동자(10)는 전체가 압전세라믹 등 압전재료로 형성된 탄성판의 앞부분(+Z측)에 서로 평행하게 분리된 3개의 진동자(10u, 10v, 1Ow)가 형성되어 있다.
도 1 및 도 2a에 나타내는 바와 같이 좌우양쪽의 진동자(10u, 10w)의 표면 (+Y 측)에는 구동전극(10a, 10b)이, 이면(-Y 측)에는 전극(10c, 1Od)이 각각 평행하게 형성되어 있다. 한편, 중앙의 진동자(1Ov)의 표면에는 전극(1la, 11b)이 평행하게 형성되고, 이면에는 전극(11c, 1ld)이 평행하게 형성되어 있다. 상기 각 전극은 압전진동자(10)의 길이방향(Z축 방향)을 따라 각 진동자(1Ou, 1Ov, 1Ow)의 전체 길이에 걸쳐 연장설치되어 있다.
또 도 2a에 나타내는 바와 같이, 압전진동자(10) 내부의 유전분극방향은 모든 진동자(10u, 10v, 10w)에 있어서 동일방향, 즉 표면(+Y 측)으로부터 이면(-Y 측)방향으로 형성되어 있다. 또한 이면(-Y 측)으로부터 표면(+Y 측)방향으로 형성되어 있어도 좋다.
도 2a에 나타내는 바와 같이 진동자(10u, 10v, 10w)의 표면측 전극(10a, 1lb)은 교류구동신호원(E1)에 접속되어 있다. 또 전극(10b, 11a)은 교류구동신호원(E2)에 접속되어 있다. 즉, 전극(1Oa, 10b, 11a, 1lb)은 구동측의 전극으로 되어 있다. 한편 진동자(1Ou, 1Ov, 1Ow)의 이면측 전극(1Oc, 1Od, 11c, 11d)은 모두 검출측의 전극으로서 사용된다.
도 2b에 나타내는 바와 같이, 구동계는 상기 교류구동신호원(E1, E2)으로 이루어지고, 서로 위상이 180도 다른 역상의 신호원이다. 한편 검출계는 2개의 I/V 변환수단(20, 21)과 1개의 가산수단(30)으로 구성되어 있다.
I/V 변환수단(20, 21)은 오피앰프 등의 연산증폭기(20A, 21A)를 주체로 구성되어 있다. 연산증폭기(20A, 21A)는 반전단자(- 단자)(20a, 21a), 비반전단자(+ 단자)(20b, 21b) 및 출력단자(20c, 21c)를 가지고 있으며, 상기 중앙의 진동자 (10v)의 전극(11d, 11c)이 연산증폭기(20A, 21A)의 반전단자(20a, 21a)에 각각 접속되어 있다.
연산증폭기(20A, 21A)의 반전단자(- 단자)(20a, 21a)와 출력단자(20c, 21c)의 사이에는 저항(Rl, R2)이 각각 삽입되어 있다. 또 비반전단자(+ 단자)(20b, 21b)는 그라운드 등의 기준전위(Vref)에 접속되어 있다. 단, 반드시 비반전단자(+ 단자)(20b, 21b)가 그라운드에 접속되어 있을 필요는 없으며, 불변적인 전위에 접속되어 있으면 된다.
상기 연산증폭기(20A, 21A)의 반전단자(20a)와 비반전단자(20b)의 사이 및 반전단자(21a)와 비반전단자(21b)의 사이는, 연산증폭기의 특성상 입력임피던스가 매우 높다. 그 한편 상기 반전단자(21a)와 비반전단자(20b)의 사이 및 반전단자 (21a)와 비반전단자(21b)의 사이에는 각각 가상접지(가상단락)상태가 되기 때문에 반전단자(20a, 21a)의 전위는 기준전위(Vref)로 설정된다. 즉, 전극(11C, 11d)과 기준전위(Vref)의 사이는 임피던스가 매우 높아 그 사이에 전류는 흐르기 어려우나, 서로의 전위는 동전위로 설정된 상태에 있다.
한편, 가산수단(30)은 반전단자(- 단자)(30a), 비반전단자(+ 단자)(30b) 및 출력단자(30c)를 가지는 오피앰프 등의 연산증폭기(30A)를 주체로 구성되어 있다. 상기 반전단자(30a)와 출력단자(30c)의 사이에는 저항(R5)이 설치되어 있다. 또 비반전단자(30b)는 기준전위(Vref)에 접속되어 있다.
그리고 상기 연산증폭기(20A)의 출력단자(20c)와 연산증폭기(30A)의 반전단자(30a)가 저항(R4)을 거쳐 접속되어 있다. 또 상기 연산증폭기(21A)의 출력단자 (21c)와 연산증폭기(30A)의 반전단자(30a)가 저항(R3)을 거쳐 접속되어 있다.
또한 양쪽의 진동자(1Ou, 1Ow)의 각 전극(1Oc, 1Od)은 상기 중앙의 진동자 (10v)와 같이 I/V 변환수단(20, 21) 및 가산수단(30)으로 이루어지는 검출계를 구성하더여도 좋고, 또는 각 전극(lOc, 1Od)을 기준전위(Vref)에 접속하여 두어도 좋다.
이하에 있어서는 양쪽의 진동자(1Ou, 1Ow)의 각 전극(1Oc, 1Od)은 기준전위(Vref)에 접속되어 있는 것으로 하고 자이로스코프의 구동검출장치에 관하여 설명한다.
상기 교류구동신호원(E1, E2)으로부터 교류구동신호(S1 및 S2)가 압전진동자 (10)의 전극(1Oa, 11b) 및 전극(1Ob, 11a)에 공급된다. 양쪽의 진동자(10u, 10w)에서는 교류구동신호원(El, E2)은 교류구동신호원(El, E2) →전극(10a, 10b) →진동자(10u, 10w) →전극(10c, 10d) →기준전위(Vref) →교류구동신호원(El, E2)의 루프를 각각 형성한다. 한편, 중앙의 진동자(10v)에서는 교류구동신호원(El, E2) →전극(11b, 11a) →진동자(10v) →전극(11d, 11c) →연산증폭기(20A)의 반전단자 (20a), 연산증폭기(21A)의 반전단자(21a) →연산증폭기(20A)의 비반전단자(20b), 연산증폭기(21A)의 반전단자(21b) →기준전위(Vref) →교류구동신호원(El, E2)의 루프가 된다.
여기서 어느 시점의 교류구동신호(S1, S2)의 위상을(+) 및 (-)로 나타내고, 이것을 구동측의 전극에 부착하기로 한다. 즉, 어느 전극에 (+)가 부착되어 잇는 경우에는 그 전극은 기준전위(Vref)와 비교하여 전위가 높은 것을 의미하며, 반대로 (-)가 부착되어 있는 경우에는 기준전위(Vref)와 비교하여 그 전극의 전위가 낮은 것을 의미하는 것으로 한다. 또 상기와 마찬가지로표를 압전효과에 의한 +의 왜곡(신장), ×표를 -의 왜곡(수축)을 나타내는 것으로 한다.
도 2a에 나타내는 바와 같이 어느 시점에 있어서 교류구동신호(S1)가 (+),S2가 (-)라고 하면, 전극(1Oa, 11b)이 (+)가 되고, 전극(1Ob, 11a)이 (-)가 된다.
그 결과, 좌우양쪽의 진동자(1Ou, 1Ow）의 표면에서는 어느 시점에서 전극 (1Oa)측이 +의 왜곡()이 되고, 전극(1Ob)측이 -의 왜곡(×)이 된다. 중앙의 진동자(1Ov)의 표면에서는 전극(11a)측이 -의 왜곡(×)이 되고, 전극(11b)측이 +의 왜곡()이 된다. 따라서 도 2a에 나타내는 어느 시점에서는 양쪽의 진동자(10u, 1Ow)의 진폭방향이 +X 방향이 되고, 중앙의 진동자(1Ov)의 진폭은 -X 방향이 되도록 굽힘진동을 발생한다. 즉, 양쪽의 진동자(1Ou, 1Ow)와 중앙의 진동자(1Ov)는 서로 역위상으로 X 방향으로 진동시킬 수 있다.
또 이때 검출측의 전극(11c, 11d)에서는 전류출력(Ic, Id)이 검출된다. 즉, 어느 시점에서 중앙의 진동자(1Ov)의 진폭방향이 -X 방향으로 진동하면 전극(11c)측이 -의 왜곡(×)이 되고, 전극(11d)측이 +의 왜곡()이 되며, 또한 좌우에서 분극방향이 같기 때문에 전극(11c)의 전류출력(Ic)과 전극(11d)의 전류출력(Id)은 서로 역상이 된다.
또 전극(11c, 11d)은 같은 진동자(1Ov)에 설치되기 때문에 진동자(1Ov)가 X 방향으로 구동되면 전류출력(Ic, Id)에는 X 방향의 동상의 구동성분이 겹쳐진다.
이 자이로스코프가 Z축 주위의 회전계내에 놓여지면, 코리올리력이 진동방향 (X 방향)과 직교하는 Y 방향(제 2 방향)으로 작용한다. 양쪽의 진동자(10u, 1Ow)와 중앙의 진동자(1Ov)는 X 방향으로 역위상으로 진폭되어 있기 때문에 Y 방향에 생기는 코리올리력에 의한 진동성분은 양쪽의 진동자(10u, 10w)와 중앙의 진동자(1Ov)에 의해 역상이 된다. 따라서 예를 들어 어느 시점에서의 양쪽의 진동자 (10u, 10w)의 진폭방향이 +Y 방향일 때 중앙의 진동자(10v)의 진폭방향은 -Y 방향이 된다.
따라서 어느 회전계에 놓여진 압전진동자(10)에 +Y 방향으로 코리올리력이 작용하고 있는 시점에 있어서, 중앙의 진동자(1Ov)의 진폭방향이 -X 방향으로 진동하면 전극(11c)측에는 -X 방향으로의 수축에 의한 -의 왜곡(×)과 +Y 방향으로의 신장에 의한 +의 왜곡()이 생긴다. 한편, 전극(11d)측에는 -X 방향으로의 신장에 의한 +의 왜곡()과 +Y 방향으로의 신장에 의한 +의 왜곡()이 생긴다. 즉, 전류출력(Ic, Id)에는 X 방향으로의 진폭성분과 Y 방향으로의 코리올리력의 성분이 포함되어 있다.
상기 전극(11c, 11d)의 전류출력(Ic, Id)는 I/V 변환수단(20, 21)에 의해 전압출력(Vc, Vd)으로 변환된다. 연산증폭기(20A, 21A) 자체의 입력임피던스는 매우 높기 때문에 전류출력(Ic, Id)은 저항(R1, R2)으로 모두 흘러든다. 따라서 I/V 변환수단(20, 21)에서는 전류출력(Ic, Id)이 전압출력(Vc, Vd)으로 변환되어, Vc = -Ic·R2, Vd = -Id·R1로 표시된다. 또 R1 = R2 = R이라 하면, Vc = -Ic·R, Vd = - Id·R가 된다.
그리고 이들 전압출력(Vc, Vd)은 가산수단(30)에 있어서 가산증폭되나, 그 출력(Vout)은,
Vout = (Vc + Vd) ·R5/R4
= ((-Ic·R) + (-Id·R))·R5/R4
= -(Id + Ic) ·R·R5/R4
가 된다.
단, 전류출력(Id)과 전류출력(Ic)의 위상은 서로 위상이 180도 다르기 때문에 결국 출력(Vout)은 전류출력(Id)과 전류출력(Ic)의 차를 증폭((R·R5/R4)배) 한 것이 된다. 그리고 이 가산수단(30)으로 전류출력(Id)과 전류출력(Ic)을 가산함으로써 전류출력(Ic, Id)에 포함되어 있는 X 방향의 진동에 의한 동상의 구동성분을 상쇄할 수 있다.
또 압전진동자(10)의 유전분극방향은 일 방향에 모여 있으면 되기 때문에 예를 들어 수정 등의 자발분극을 가지는 재료를 그대로 진동자의 재료로서 사용하는 것이 가능하다.
도 3a는 본 발명에 있어서의 제 2 실시형태로서 분극방향과 구동계의 전기적배선을 나타내는 압전진동자의 정면도, 도 3b는 도 3a에 나타내는 중앙의 진동자와 검출계의 회로구성의 접속도이다.
상기 도 2a의 압전진동자와 도 3a의 압전진동자는 그 유전분극 방향만이 다르다. 즉, 도 3a에 나타내는 압전진동자(10B)의 각 진동자(10u, 10v, 10w)의 표면 (+Y 측)에는 전극(10a, 10b, 11a, 11b, 10a, 10b)이 설치되고, 이면(-Y 측)에 전극(10c, 10d, 11c, 11d, 1Oc, 1Od)이 각각 설치되어 있다. 양쪽의 진동자(1Ou, 1Ow)의 유전분극은 전극(1Oa)으로부터 전극(1Ob)방향, 전극(1Oa)으로부터 전극 (1Oc)방향, 전극(10d)으로부터 전극(10b)방향 및 전극(10d)으로부터 전극(10c)방향의 4방향으로 각각 실시되어 있다. 또 중앙의 진동자(1Ov)의 유전분극은 전극(11b)으로부터 전극(11a)방향, 전극(11b)으로부터 전극(11d)방향, 전극(11c)으로부터 전극(11d)방향 및 전극(11c)으로부터 전극(11a)방향의 4방향으로 각각 실시되고 있다.
도 3a 및 도 3b에 나타내는 바와 같이 구동계는 교류구동신호원(E)뿐이며, 각 진동자(10u, 10v, 10w) 표면(+Y 측)의 모든 전극(10a, 1Ob, 11a, 11b)에는 상기교류구동전원(E)으로부터 동일한 구동신호(S)가 공급되고 있다.
또 각 진동자(10u, 10v, 10w)의 이면(-Y 측)의 전극(10c, 10d, 11c, 11d)은 검출전극으로서 사용된다. 도 3b에서는 각 진동자(1Ou, 1Ov, 1Ow)중, 상기와 마찬가지로 중앙의 진동자(1Ov)만이 나타나고, 중앙의 진동자(1Ov)의 전극(11c, 11d)이 검출전극으로서 나타나 있다.
도 3b에 나타내는 바와 같이, 이 자이로스코프의 검출계는 2개의 I/V 변환수단(40, 41)과 1개의 차동증폭수단(50)으로 구성되어 있다.
상기 I/V 변환수단(40, 41)은 상기의 I/V 변환수단(20, 21)과 동일한 구성이다. 따라서 중앙의 진동자(1Ov)의 전극(11c, 11d)은 I/V 변환수단(40, 41)을 구성하는 연산증폭수단(40A, 41A)의 가상접지(가상단락)에 의해 기준전위(Vref)로 설정되어 있다.
또한 양쪽의 진동자(1Ou, 1Ow)의 출력측의 각 전극(1Oc, 1Od)에 있어서는 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 I/V 변환수단(40, 41) 및 차동증폭수단(50)으로 이루어지는 검출계를 구성하여도 좋고, 또는 각 전극(10c, 10d)를 기준전위(Vref)에 직접 접속하여 두어도 좋다.
차동증폭수단(50)은 오피앰프 등의 연산증폭기(50A)를 주체로 구성되어 있고, 연산증폭기(50A)의 반전단자(- 단자)(50a)와 출력단자(50c)의 사이에 저항(R5)이 설치되어 있다. 또 비반전단자(+ 단자)(50b)는 저항(R6)을 거쳐 기준전위(Vref)에 접속되어 있다. 그리고 I /V 변환수단(40)의 연산증폭기(40A)의 출력단자(40c)와 상기 연산증폭기(50A)의 반전단자(- 단자)(50a)의 사이가 저항(R3)을 거쳐 접속되어 있다. 또 I/V 변환수단(41)의 연산증폭기(41A)의 출력단자(41c)와 상기 연산증폭기(50A)의 비반전단자(50b)의 사이가 저항(R4)을 거쳐 접속되어 있다.
각 진동자(1Ou, 1Ov, 1Ow) 표면측의 전극(1Oa, 1Ob, 11a, 11b)에 구동신호 (S)가 공급되면 각 진동자(1Ou, 1Ov, 1Ow)가 진폭된다.
도 3a에 나타내는 바와 같이, 각 진동자(10u, 10v, 10w)에서는 유전분극방향이 전극[1Oa(11a)]측과 전극[1Ob(11b)]측에서는 반대이기 때문에, 어느 시점에서 (+)의 교류구동신호(S)가 각 전극에 인가되었을 때 진동자(1Ou, 1Ow)의 표면에서 전극(1Oa)측이 +의 왜곡()이 되면, 전극(1Ob)측은 -의 왜곡(×)이 된다. 또 중앙의 진동자(1Ov)의 표면에서는 전극(11a)측이 -의 왜곡(×)이 되고, 전극(11b)측이 +의 왜곡()이 된다. 따라서 도 3b에 나타내는 어느 시점에서는 양쪽의 진동자(1Ou, 1Ow)의 진폭방향이 +X 방향이 되고, 중앙의 진동자(1Ov)의 진폭은 -X 방향이 되도록 굽힘진동을 발생한다. 즉, 이 제 2 실시형태에 나타낸 압전진동자(10B) 에 있어서도 양쪽의 진동자(10u, 10w)와 중앙의 진동자(1Ov)는 서로 역위상으로 X방향으로 진동시킬 수 있다.
또 이때 검출측의 전극(11c, 11d)으로부터 전류출력(Ic, Id)을 검출할 수 있다. 단, 제 2 실시형태에서는 상기 제 1 실시형태와 달리 진동자(1Ov)에 있어서 유전분극방향이 전극[1Oa(11a)]측과 전극[1Ob(11b)]측에서는 반대이기 때문에 전극 (11c)의 전류출력(Ic)과 전극(11d)의 전류출력(Id)은 동상이 된다.
또한, 이 전류출력(Ic, Id)에도 진동자(1Ov)가 X 방향으로 구동되는 것에 의한 X 방향의 동상 구동성분이 겹쳐져 있다.
상기 전극(11c, 11d)에서 검출되는 전류출력(Ic, Id)은 I/V 변환수단(40, 41)에 의해 전압출력(Vc, Vd)으로 변환된다.
여기서 변환후의 전압출력(Vc, Vd)은 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 각각 Vc = -Ic·R2, Vd = -Id·R1로 표시된다. 또 R1 = R2 = R 이라 하면, Vc = -Ic·R, Vd = -Id·R 이다.
그리고 이들 I/V 변환수단(40, 41)의 전압출력(Vc, Vd)은 차동증폭수단(50)에 있어서 감산되어 더욱 증폭되나, 그 출력(Vout)은,
Vout = (Vc-Vd) ·R5/R3
= - ((-Ic·R) - (-Id·R)) ·R5/R3
= (Ic-Id) ·R·R5/R3
이 된다.
그리고 전류출력(Ic)과 전류출력(Id)의 위상은 서로 동상이기 때문에 출력 (Vout)은 전류출력(Ic)과 전류출력(Id)의 차를 증폭((R·R5/R3)배)한 것이 되고,이것은 상기 제 1 실시형태와 동일한 결과이다.
즉, 이 차동증폭수단(50)에서는 전류출력(Id)과 전류출력(Ic)이 감산됨으로써 X 방향의 진동에 의한 동상의 구동성분을 상쇄할 수 있다.
따라서 코리올리력에 비례한 각속도를 높은 정밀도로 검출할 수 있다.
이상 상세히 설명한 본 발명에 의하면, 각 진동자의 표면 및 이면의 어스전극(중앙의 전극)을 제거하여도 진동시킬 수 있고, 또 코리올리력에 비례한 출력을 검출할 수 있다.
따라서 전극의 제조공정을 용이한 것으로 할 수 있다. 또 전극의 수를 줄일 수 있기 때문에 진동자에 대한 배선이 번잡해지는 일이 없다.
또 중앙의 전극을 제거할 수 있음으로써 각 전극사이의 간격치수(연면거리)를 충분히 확보할 수 있으므로, 전극사이의 절연내압을 높일 수 있다. 따라서 각 전극사이에 고전압을 인가할 수 있고, 또한 고전압을 인가하여도 방전이 일어나기 어렵게 되기 때문에 충분한 유전분극을 실시하는 것이 가능하게 된다.

Claims (7)

  1. 판형상 진동자의 한쪽 면에 길이방향으로 연장설치된 한 쌍의 구동전극과 다른쪽 면에 길이 방향으로 연장설치된 한 쌍의 검출전극을 가지고, 상기 한쪽 면과 다른쪽 면의 사이에 있어서 일 방향으로 유전분극된 적어도 1개이상의 진동자로 이루어지는 자이로스코프의 구동검출장치로서,
    상기 한 쌍의 구동전극에 서로 역상이 되는 구동신호를 인가하는 구동계와, 상기 한 쌍의 검출전극으로부터 검출되는 각 전류출력을 전압출력으로 각각 변환하는 한 쌍의 I/V 변환수단 및 상기 각 I/V 변환수단의 각 전압출력끼리를 가산하는 가산수단을 구비한 검출계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 구동검출장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    인접하는 진동자의 유전분극방향이 서로 역상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 구동검출장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 각 진동자의 한쪽 면이 구동전극만으로 이루어지고, 다른쪽 면이 검출전극만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 구동검출장치.
  4. 판형상 진동자의 한쪽 면에 길이방향으로 연장설치된 제 1 구동전극과 상기 제 1 구동전극과 평행하게 연장설치된 제 2 구동전극과, 다른쪽 면에 길이방향으로 연장설치된 제 l 검출전극과 상기 제 1 검출전극과 평행하게 연장설치된 제 2 검출전극을 가지고, 상기 한쪽 면과 다른쪽면의 사이에 유전분극이 실시된 적어도 1개 이상의 진동자로 이루어지는 자이로스코프의 구동검출장치로서,
    상기 제 1 및 제 2 구동전극에 서로 동상의 구동신호를 인가하는 구동계 회로와, 상기 제 1 및 제 2 검출전극으로부터 검출되는 각 전류출력을 전압출력으로 각각 변환하는 한 쌍의 I/V 변환수단 및 상기 각 I/V 변환수단의 각 전압출력끼리의 감산을 행하는 차동증폭수단을 구비한 검출계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 구동검출장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    압전진동자가, 상기 제 1 구동전극과 제 1 검출전극 사이의 유전분극방향과 상기 제 2 구동전극과 제 2 검출전극 사이의 유전분극방향이 서로 역상으로 형성되고, 또한 상기 제 1 구동전극과 제 2 구동전극 사이의 유전분극방향과 상기 제 1 검출전극과 제 2 검출전극 사이의 유전분극방향이 서로 역상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 구동검출장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    인접하는 진동자의 유전분극방향이 서로 역상으로 이루어지는 것을 특징으로하는 자이로스코프의 구동검출장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 각 진동자의 한쪽 면이 구동전극만으로 이루어지고, 다른쪽 면이 검출전극만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 구동검출장치.
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