KR101157709B1

KR101157709B1 - 진동 자이로

Info

Publication number: KR101157709B1
Application number: KR1020090055833A
Authority: KR
Inventors: 히데아키 스기바야시; 케이이치 오카노
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2012-07-20
Also published as: JP4678427B2; US20090314084A1; JP2010002361A; US8342026B2; KR20090133096A

Abstract

각 압전진동자의 구동주파수의 차에 따른 간섭 노이즈 문제, 간섭주파수 성분을 제거하는 로우 패스 필터(low-pass filter)를 형성함에 따른 응답성 악화 문제, 주파수를 다르게 함에 따른 각 축의 검지(檢知) 특성의 어긋남 문제를 해소한다.

입력버퍼(21, 31)는 압전진동자(11, 12)의 검출용 전극(Ed)에 나타나는 전압신호를 입력한다. 가산회로(22)는 입력버퍼(21, 31)의 출력전압을 각각 가산하고, 진폭제어회로(23)는 가산회로(22)의 출력전압이 일정 진폭이 되도록 하여 루프 게인(loop gain)을 자동이득제어한다. 이상회로(移相回路;phase-shift circuit)(24)는 정(正)귀환에 의해 발진 동작하도록 압전진동자(11, 12)에 부여하는 구동전압의 위상을 제어한다. 차동증폭회로(25, 35)는 축 주위의 각속도에 따라서 나타나는 전압차를 증폭하고, 동기(同期)검파회로(28, 38)는 발진신호로부터 생성된 동기신호로 검파를 행하여, 각속도에 따른 전압신호를 검출한다.

진동 자이로, 압전진동자, 입력버퍼, 가산회로, 차동증폭회로, 동기검파회로

Description

진동 자이로{VIBRATING GYROSCOPE}

본 발명은 압전진동자를 이용한 진동 자이로에 관한 것이다.

예를 들어 디지털 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라에 있어서는, 손떨림 보정을 위해 카메라의 손떨림을 검출하는 각속도 센서가 이용되고 있다.

이러한 각속도 센서는, 압전진동자를 구동함과 함께, 코리올리 힘(Coriolis force)에 기인하는 압전진동자의 진동에 의해 발생하는 기(起)전압을 검출하여, 각속도에 따른 전압신호를 출력하는 것이다.

상술한 바와 같이 손떨림 보정을 위해 각속도를 검출하는 경우에는, 연직축 주위의 각속도(가로 진동)와 수평축 주위의 각속도(세로 진동)를 검출할 필요가 있으며, 그 때문에 단일 센서에 의해 검출하는 경우에는 서로 직교하는 2개의 검지축을 구비하게 된다.

종래, 이러한 소위 2축의 진동 자이로는 소리굽쇠형 압전진동자, 구동회로(발진부), 및 신호처리회로(검출부)를 2조 형성하여, 각 축에서 독립적으로 자려(自勵) 발진구동을 행하고 있다.

소리굽쇠형 압전진동자 자체는 기계적인 면 내 진동을 행하고 있기 때문에, 1개의 모듈 기판에 실장했을 경우에, 진동의 기계적인 전파, 공중 전파, 전기적인 전파 등에 의해 2개의 발진주파수의 차분 주파수(difference frequency)가 각각의 압전진동자의 발진주파수에 영향을 미친다. 차분의 주파수 성분이 중첩된 신호를 각 축의 검출회로로 동기검파하면, 진동 자이로의 출력에도 차분의 주파수 성분인 간섭파가 나타난다. 예를 들어 첫번째 축의 발진주파수가 25kHz, 두번째 축의 발진주파수가 31kHz일 경우, 각 축의 자이로 출력에는 차분의 6kHz가 간섭파로서 나타난다.

도 1(A)(B)는 이 간섭의 예에 대하여 나타내고 있다. 도 1(A)에 있어서, 가로축은 주파수, 세로축은 진동 자이로의 출력신호 레벨이다. 이 도 1(A)의 예에서는 상기 차분의 6kHz의 간섭신호가 나타난다. 또한 도 1(B)에 있어서, 가로축은 시간, 세로축은 각 축의 진동 자이로의 출력신호 레벨이다. 이 도 1(B)의 예에서는 발진주파수 차가 11Hz인 경우의 변동 성분이 2개 축의 진동 자이로의 출력신호에 나타나 있다.

설치처인 카메라 세트측에서는 진동 자이로의 출력신호를 증폭하고, AD 컨버터 경유로 이산치(離散値)화하여 마이크로 컴퓨터에 보낸 후에 손떨림 보정량을 연산하는데, 간섭파 성분이 노이즈가 되고, 이 노이즈 레벨이 AD 컨버터의 분해능을 일탈할 정도로 크면 각속도가 오검출될 우려가 있다.

이러한 간섭 노이즈를 경감하기 위한 방법으로서, 2개의 진동자의 발진주파수를 크게 격리하는 방법이나, 필터의 삽입에 의해 간섭파를 감쇠시키는 방법이 있다.

그러나 진동자의 각속도 감도는 발진주파수의 차에 반비례하여 저하한다. 예를 들어 2축의 주파수의 차가 5kHz이면 약 25%의 감도 차가 생긴다. 그 때문에, 2개의 진동자의 발진주파수를 크게 격리하면, 2축의 진동 자이로의 감도가 동떨어져버려, 발진주파수가 높은 쪽의 진동자의 S/N비가 악화된다.

또한 간섭파를 감쇠시키는 필터를 삽입할 경우, 간섭파의 주파수(2축의 차의 주파수)는 2축의 발진주파수의 1/5~1/15 정도로 낮아지기 때문에, 컷오프(cutoff) 주파수(fc)가 예를 들어 300Hz 정도로 낮은 로우 패스 필터가 몇 단(段) 필요하게 된다. 그러나 로우 패스 필터를 겹쳐 쌓으면 진동 자이로의 주 감도대(DC~50Hz)에의 영향이 있어, 진동 자이로의 응답성이 악화하고 인가 각속도에 대한 위상 지연이 커진다.

도 2는 상기 로우 패스 필터의 유무에 따른 진동 자이로의 응답 특성의 예를 나타내고 있다. 도 2에 있어서, 가로축은 각속도의 변동주파수, 즉 로우 패스 필터에의 입력신호의 주파수, 세로축은 위상 지연이다. 로우 패스 필터를 형성함으로 인해, 이 예에서는 주파수 30Hz에서 약 5deg의 위상 지연이 증대하고 있다.

한편 특허문헌 1의 진동 자이로는, 복수의 압전진동자와 발진구동회로, 검출회로로 구성되는 복수 축의 진동 자이로에 있어서, 임의의 첫번째 축의 진동자를 자려 발진시키는 1개의 발진회로를 가지며, 나머지 축의 진동자에 대해서는 첫번째 축의 발진신호를 이용하여 타려진(他勵振)에 의해 발진시키도록 구성되어 있다.

도 3은 그 진동 자이로에 이용되는 구동검출부의 예를 나타내는 블록도이다. 이 진동 자이로는 구동검출회로(41) 및 검출회로(42)를 구비하고 있고, 이들 구동 검출회로(41) 및 검출회로(42)는 압전진동자에 접속된다. 그 압전진동자는 2개가 별도의 개체로 이간되어 배치된다.

구동검출회로(41)는 발진회로(41a), 차동회로(41b), 동기검파회로(41c), 및 정류(整流)회로(41d)를 구비하고 있고, 검출회로(42)는 차동회로(42a), 동기검파회로(42b), 및 정류회로(42c)를 구비하고 있다.

구동검출회로(41)의 단자(7, 8, 9, 10)에는 제1 압전진동자가 접속되고, 검출회로(42)의 단자(7', 8', 9', 10')에는 제2 압전진동자가 접속된다.

구동검출회로(41)에 있어서, 발진회로(41a)는 제1 압전진동자의 검출용 전극에 접속됨과 함께, 제1 압전진동자의 구동용 전극 및 동기검파회로(41c)에 접속되고, 발진회로(41a)는 자려 발진회로를 구성하고 있다. 또한 발진회로(41a)는 제2 압전진동자의 구동전극에 접속됨과 함께, 동기검파회로(42b)에 접속되어 있다. 이러한 구성으로 인해, 발진회로(41a)로부터의 발진신호가 구동신호로서 제1, 제2 압전진동자에 부여되어 구동된다.

제1 압전진동자로부터의 검출신호는 차동회로(41b)에 부여되어 차동증폭된다.

동기검파회로(41c)에는 발진회로(41a)로부터의 발진신호가 동기검파용 신호로서 부여되고, 동기검파회로(41c)는 동기검파용 신호에 동기하여 차동증폭신호를 검파하여 검파신호로서 출력한다. 이 검파신호는 정류회로(41d)로 정류되어 제1 검출전압신호로서 출력단자(41e)로부터 출력된다.

마찬가지로, 제2 압전진동자로부터의 검출신호는 단자(8', 9')를 통해 차동 회로(42a)에 부여된다. 동기검파회로(42b)는 동기검파용 신호에 동기하고 차동회로(42a)의 출력을 검파하여 검파신호로서 출력한다. 이 검파신호는 정류회로(42c)로 정류되어 제2 검출전압신호로서 출력단자(42d)로부터 출력된다.

또한 특허문헌 2에는, 복수의 소리굽쇠형 진동자를 이용한 복수 축의 각속도 센서에 있어서, 각 진동자의 공진주파수의 차(f1-f2)가 각 진동자의 공진주파수의 평균(f avg)의 2% 이상이 되도록 2개의 소리굽쇠형 진동자의 구동주파수(발진주파수)를 격리시키는 것이 나타나 있다. 이와 같이 2개의 소리굽쇠형 진동자의 발진주파수를 규정값 이상 격리함으로써, 2개의 소리굽쇠형 진동자를 이용한 회로간의 간섭 노이즈의 경감을 꾀하고 있다.

또한 특허문헌 3에는, 복수의 소리굽쇠형 진동자를 이용한 복수 축의 진동 자이로에 있어서, 소리굽쇠 진동자의 팔 길이만을 가변하여 발진주파수의 차를 1kHz 이상으로 격리시켜, 축 사이의 간섭 노이즈의 경감을 꾀하는 것이 나타나 있다.

[특허문헌 1] 일본국 특허공보 제3698787호

[특허문헌 2] 일본국 공개특허공보 2007-285977호

[특허문헌 3] 일본국 공개특허공보 2006-322874호

그런데 특허문헌 1에 나타나 있는 구성에 의하면, 제1 압전진동자는 자려 발진에 의해 구동되므로 압전진동자의 공진주파수에 합치한 자이로 특성을 얻기 쉽지만, 제2 압전진동자는 타려진에 의해 구동되므로 비(非)공진점에서 여진되게 되어 본래의 자이로 특성을 끌어내는 것이 곤란하다. 또한 제1과 제2 압전진동자에 의한 자이로 특성이 동떨어져 버려, 회로측에서 대폭적인 특성 보정이 필요하게 된다.

또한 특허문헌 2·특허문헌 3에 나타나 있는 구성에 의하면, 각 진동자의 공진주파수를 격리하더라도 약간의 간섭 노이즈는 발생하고, 주파수를 떨어뜨릴수록 각 축의 자이로 감도가 괴리되어 버린다.

또한 특허문헌 3에 나타나 있는 바와 같이 검출회로측에 로우 패스 필터를 형성한 경우, 상술한 대로, 필터의 컷오프 주파수를 내림에 따라 간섭 노이즈는 감쇠하지만, 동시에 자이로의 응답성(각속도에 대한 센서 출력신호의 지연)도 악화해 버린다.

따라서 이 발명의 목적은, 각 압전진동자의 구동주파수의 차에 따른 간섭 노이즈 문제가 없고, 간섭주파수 성분을 제거하는 로우 패스 필터를 형성함에 따른 응답성 악화 문제도 없고, 어느 압전진동자를 이용한 각속도의 검지 특성에 대해서도 고감도이면서 감도 특성이 일치된 진동 자이로를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 이 발명은 다음과 같이 구성된다.

(1)압전진동자와, 상기 압전진동자의 검출전압신호를 입력함과 함께 구동전압신호를 상기 압전진동자에 귀환하는 귀환신호 처리회로(입력버퍼(21, 31), 가산회로(22), 진폭제어회로(23), 이상회로(24))를 포함하여 발진회로가 구성되고,

코리올리 힘에 기인하는 상기 압전진동자의 진동에 의해 발생하는 기전압신호(차동신호)를 검출하는 검출회로(차동증폭회로(25, 35), 동기검파회로(28, 38))를 포함한 진동 자이로에 있어서,

상기 압전진동자는, 서로의 검지축이 다르도록 복수개 배치되고,

상기 검출회로는 상기 압전진동자마다 포함되며,

상기 귀환신호 처리회로는, 상기 복수의 압전진동자의 상기 검출전압신호를 입력하고, 상기 복수의 압전진동자에 대하여 공통의 구동전압신호를 인가하도록 형성된 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의해 각 압전진동자의 구동주파수가 동등하게 되어, 원리적으로 간섭 노이즈는 발생하지 않는다. 또한, 간섭 노이즈가 없기 때문에 여분의 필터가 불필요하고, 그 때문에 응답성의 악화도 없다. 나아가, 발진회로를 공통화함으로써, 이들의 신호처리회로를 구성하는 IC를 축소화할 수 있어 소형화·저비용화가 도모된다.

(2)상기 검출회로는, 상기 검출전압신호를 차동증폭하는 차동증폭회로와, 상기 차동증폭된 신호를 상기 발진회로의 발진주기에 동기하여 검파하는 동기검파회로를 포함하고,

상기 귀환신호 처리회로로부터 추출된 상기 발진회로의 발진신호의 위상에 따라 상기 동기검파의 기준위상신호를 생성하여 상기 동기검파회로에 각각 부여하는 기준위상신호 생성회로(검파 타이밍 생성회로(26), 위상시프트회로(27))를 형성한다.

이로 인해, 발진회로뿐만 아니라, 검지회로에 있어서 동기검파에 필요한 기준위상신호를 생성하는 회로에 대해서도 공통화할 수 있고, 이들의 신호처리회로를 구성하는 IC를 축소화할 수 있어 소형화·저비용화가 도모된다.

(3)상기 복수의 압전진동자는, 적어도 각 압전진동자의 공진주파수가 공진주파수와 반공진주파수의 차(ΔF값) 이내까지 근접하도록 트리밍 등으로 조정한다.

이로 인해, 발진회로의 발진주파수는 하나이며, 각 검지축의 S/N 특성이 근접하게 되어, 특성이 일치된 각속도 검지 특성이 얻어진다.

(4)상기 동기검파회로의 출력신호에 대하여, 각속도에 대한 출력전압의 특성 커브를 보정하는 직류증폭필터와, 상기 직류증폭필터에 대한 보정 데이터(감도, 오프셋, 감도 온도 특성, 오프셋 온도 특성 등의 자이로 특성의 보정 데이터)를 설정하는 특성보정회로를 상기 압전진동자마다 형성한다.

이러한 구성에 의해, 각 검지축의 자이로 특성(감도, 오프셋, 감도의 온도 특성, 오프셋의 온도 특성 등)을 동등하게 일치시킬 수 있다.

이 발명에 의하면, 어느 압전진동자에 대해서도 거의 동일한 공진주파수로 구동할 수 있어 고감도이면서 일치된 특성이 얻어진다. 또한 간섭 노이즈가 발생하지 않아, 간섭 노이즈를 제거하기 위한 로우 패스 필터가 불필요하며, 그 때문에 응답성의 악화가 없다. 나아가, 회로의 공통화에 의해 IC를 축소화할 수 있어 소형화·저비용화가 도모된다.

《제1 실시형태》

도 6은 압전진동자(11)의 사시도이다. 이 압전진동자(11)는 분극처리가 실시된 2장의 압전체 기판을 그 분극방향이 대향하도록 맞붙인 후 소리굽쇠형으로 형성한 압전진동자로서, 소리굽쇠형의 압전진동자(11)의, 쌍을 이루는 다리부의 도면에 나타내는 바닥면 부분에 전극(Ed, Ea)을 형성하고 있다. 또한, 압전진동자(11)는 두께방향의 내부에 금속막을 가지는 적층구조의 압전체를 일체 소성함으로써 형성해도 된다. 이 전극(Ed)과 전극(Ea) 사이에 구동전압을 인가함으로써, 압전진동자(11)의 쌍을 이루는 다리부는 좌우 개폐방향으로 기본 진동한다.

이 압전진동자(11)에 도면에 나타내는 R방향으로 각속도가 가해지면, 압전진동자(11)의 쌍을 이루는 다리부는 코리올리 힘에 의해, 도면에 있어서의 상하방향으로 서로 반대방향으로 진동하게 된다.

압전진동자(11)의 두께방향의 중간층에는 회로에 접속하지 않는 중간 금속막을 형성하고 있으며, 그 중간 금속막과 오른쪽 전극(Ed)의 사이, 중간 금속막과 왼쪽 전극(Ed)의 사이에 각각 코리올리 힘에 따른 반대극성의 기전압이 발생한다. 한편, 압전진동자(11)의 전극(Ed, Ea)을 형성한 주면(主面)에 대향하는 다른쪽 주면측에는 금속막을 형성해도 되고 안 해도 된다.

도 4는 제1 실시형태에 따른 진동 자이로의 전체 구성을 나타내는 블록도이 다. 또한 도 5는 도 4에 있어서의 입력버퍼(21, 31), 가산회로(22), 차동증폭회로(25, 35) 부분을 구체적인 회로로 나타낸 도면이다.

도 4에 있어서, 압전진동자(11)에는 상술한 전극(Ed, Ea) 및 상기 중간 금속막(Es)을 각각 형성하고 있다. 다른 하나의 압전진동자(12)도 압전진동자(11)와 동일한 구성이다.

입력버퍼(21)는 압전진동자(11)의 검출용 전극(Ed)에 나타나는 검출전압신호를 고 임피던스로 입력해서 저 임피던스의 전압신호로서 출력하고, 입력버퍼(31)는 압전진동자(12)의 검출용 전극(Ed)에 나타나는 전압을 고 임피던스로 입력해서 저 임피던스의 전압신호로서 출력한다.

가산회로(22)는 입력버퍼(21, 31)의 출력전압을 각각 가산하고, 진폭제어회로(23)는 가산회로(22)의 출력전압이 일정 진폭이 되도록 진폭을 제어한다. 이로 인해 루프 게인을 자동이득제어한다.

이상회로(24)는, 입력버퍼(21, 31), 가산회로(22), 진폭제어회로(23), 이상회로(24), 및 압전진동자(11, 12)로 이루어지는 루프로 발진 동작하도록 압전진동자(11, 12)에 부여하는 구동전압신호의 위상을 제어한다.

상기, 압전진동자(11, 12), 입력버퍼(21, 31), 가산회로(22), 진폭제어회로(23), 및 이상회로(24)로 이루어지는 루프로 발진회로를 구성하고 있다.

상기 입력버퍼(21, 31), 가산회로(22), 진폭제어회로(23), 및 이상회로(24)에 의해, 이 발명에 따른 '귀환신호 처리회로'를 구성하고 있다.

이와 같이 하여 소리굽쇠형 압전진동자(11, 12)의 구동용 전극(Ea)과 2개의 검출용 전극(Ed) 사이에 전위차가 부여되고, 상술한 대로 압전진동자(11, 12)는 소리굽쇠형의 면 내에서 개폐 진동한다. 또한, 이 때의 발진주파수는 압전진동자(11, 12)의 고유 공진주파수로 일정 진폭으로 연속적으로 자려 발진한다.

압전진동자(11, 12)의 검지축의 축 주위에 각속도가 발생하면, 압전진동자(11, 12)는 면 외 진동이 여기되고, 2개의 검출용 전극(Ed)간에 전위차가 생긴다.

차동증폭회로(25, 35)는 이 전위차를 차동증폭하고, 코리올리 힘에 기인하는 상기 압전진동자의 진동에 의해 발생하는 기전압신호를 얻는다. 동기검파회로(28, 38)는 차동증폭된 전압신호를 상기 발진주파수의 발진주기에 동기하여 동기검파한다.

검파 타이밍 생성회로(26)는 진폭제어회로(23)의 입력측 또는 출력측에서 추출된 발진신호를 입력하고, 동기검파를 위한 기준위상신호를 생성한다. 위상시프트회로(27)는 이 기준위상신호를 동기검파에 필요한 위상분만큼 시프트시키고, 이것을 최종적인 동기검파의 기준위상신호로서 동기검파회로(28, 38)에 대하여 공통적으로 부여한다.

상기 검파 타이밍 생성회로(26) 및 위상시프트회로(27)에 의해, 이 발명에 따른 '기준위상신호 생성회로'를 구성하고 있다. 또한, 상기 차동증폭회로(25, 35), 동기검파회로(28, 38)에 의해, 이 발명에 따른 '검출회로'를 구성하고 있다.

이와 같이 하여 1계통의 발진 루프의 발진주파수를 동기검파의 참조신호로 하고, 2개의 압전진동자(11, 12)의 각각의 검출용 전극(Ed)의 차분신호에 대하여 동기검파를 행한다.

직류증폭필터(29, 39)는 동기검파회로(28, 38)로부터의 출력전압을 소정 게인으로 직류 증폭함과 함께 임피던스 변환하고, 저 임피던스에서 전압신호를 출력한다. 이 전압은 압전진동자(11, 12)의 검지축 주위의 각속도에 비례한 전압신호이다.

특성보정회로(30, 40)는 직류증폭필터(29, 39)의 게인 및 오프셋을 보정 함으로써, 각속도에 대한 출력전압의 게인, 오프셋, 온도 특성 등의 특성(특성 커브)을 보정한다.

기준전압회로(50)는 회로 각 부에 필요한 기준전압을 부여한다.

도 5에 있어서, 저항(R11, R12), 및 연산 증폭기(operational amplifier) (OP11, OP12)에 의해, 도 4에 나타낸 입력버퍼(21)를 구성하고 있다. 마찬가지로, 저항(R21, R22), 및 연산 증폭기(OP21, OP22)에 의해 도 4에 나타낸 입력버퍼(31)를 구성하고 있다.

또한, 도 5에 있어서의 저항(R31, R32, R41, R42, R1) 및 연산 증폭기(OP1)에 의해 도 4에 나타낸 가산회로(22)를 구성하고 있다.

나아가, 도 5에 있어서의 저항(R51, R52, R53, R2) 및 연산 증폭기(OP2)에 의해 차동증폭회로(25)를 구성하고 있다. 마찬가지로, 저항(R61, R62, R63, R3) 및 연산 증폭기(OP3)에 의해 차동증폭회로(35)를 구성하고 있다.

저항(R11, R12)은 압전진동자(11)의 검출용 전극(Ed)에 나타나는 전압을 검출하는 검출저항(부하저항)이며, 검출용 전극(Ed)의 전압이 연산 증폭기(OP11, OP12)의 비(非)반전 입력단자에 입력된다. 이 연산 증폭기(OP11, OP12)는 출력을 반전 입력단자에 직접 귀환시키고 있으므로, 전압 폴로어형(voltage-follower) 버퍼회로로서 작용한다.

마찬가지로, 저항(R21, R22)은 압전진동자(12)의 검출용 전극(Ed)에 나타나는 전압을 검출하는 검출저항이며, 검출용 전극(Ed)의 전압이 연산 증폭기(OP21, OP22)의 비반전 입력단자에 입력된다. 이 연산 증폭기(OP21, OP22)는 출력을 반전 입력단자에 직접 귀환시키고 있으므로, 전압 폴로어형 버퍼회로로서 작용한다.

저항(R31, R32, R41, R42)은 동일 저항값이며, 연산 증폭기(OP11, OP12, OP21, OP22)의 출력전압을 단순 가산한다.

검출용 전극(Ed)에 나타나는 전압은 검지축 주위의 각속도가 가해졌을 경우의 코리올리 힘에 의해 서로 반대방향으로 변화하므로, 각속도에 따른 전압신호가 연산 증폭기(OP11, OP12)로부터 출력되게 된다.

한편, 연산 증폭기(OP11, OP12)의 출력전압의 차동증폭전압이 연산 증폭기(OP2)로부터 출력되고, 연산 증폭기(OP21, OP22)의 출력전압의 차동증폭전압이 연산 증폭기(OP3)로부터 출력된다.

상기 코리올리 힘에 의해 검출용 전극(Ed)간의 전위차가 발생하더라도, 연산 증폭기(OP1)에 의한 가산 동작에 의해 변동이 캔슬되어 발진 루프는 일정 진폭으로 안정 동작한다.

압전진동자(11, 12)는, 그 구동용 전극(Ea)과 검출용 전극(Ed) 사이에 구동전압이 인가되고, 또한 검출용 전극과는 반대위상의 신호가 검출저항의 다른쪽 끝 에 부여되어 구동된다. 이 구동방법에 의해, 검출용 저항(R11, R12, R21, R22)에 흐르는 전류가 늘어나고, S/N비의 S(신호) 성분이 증강된다.

도 7은 진동 자이로(101) 전체의 사시도이다. 여기서, 기판(60)의 상면에는 2개의 압전진동자(11, 12)를 서로의 검지축이 기판(60)에 평행하면서 서로 직교하는 관계로 배치되어 있다. 또한 기판(60)의 상면에는 도 4·도 5에 나타낸 자이로 신호처리회로(100)를 구성하는 IC 칩(61) 및 칩 콘덴서나 칩 저항 등의 칩 부품(도시하지 않음)을 표면 실장하고 있다. 기판(60)의 상부에는 상면에 형성한 각 부품을 덮도록 캡(도시하지 않음)을 피복하고 있다. 전원단자전극 및 출력단자전극은 기판(60)의 하면에 형성되어 있고, 이 진동 자이로(101)는 설치처인 회로기판에 표면 실장되게 된다.

도 4·도 5에 나타낸 것과 같이, 2개의 압전진동자(11, 12)를 병렬로 접속하고, 1계통의 발진 루프로 구동한다. 2개의 압전진동자의 공진주파수는 근접해 있기 때문에, 합성된 1개의 진동자로서 작동하여, 1개의 발진주파수로 자려 발진한다. 실제로는 2개의 진동자의 공진주파수의 중간 주파수 부근에서 발진한다.

도 8은 압전진동자의 공진 특성과 발진점의 관계를 나타내는 도면이다. 압전진동자(11)(첫번째 축)와 압전진동자(12)(두번째 축)는 그들의 공진 임피던스 특성이 어긋나 있다. 도 8의 예에서는 압전진동자(11)의 공진주파수(fr1)와 압전진동자(12)의 공진주파수(fr2)의 차(Δfr)는 11Hz이다. 이 2개의 공진주파수(fr1, fr2)의 중간 주파수(fr1+fr2)/2 부근에서 자려 발진하게 된다.

상기 2개의 압전진동자(11, 12)는, 공진주파수, 공진저항, 이조주파 수(mistuned frequency)(구동 공진주파수와 검출 공진주파수의 차) 등의 공진 임피던스 특성이 근사(近似) 특성이 되도록 레이저 광조사에 의해 트리밍한다. 그 지표로서 양 압전진동자의 공진주파수를 ΔF값(어느 하나의 진동자의 공진주파수와 반공진주파수의 차) 이내에까지 근접시킨다.

도 8에 있어서 fa1, fa2는 제1·제2 압전진동자의 반공진주파수이다. 상술한 트리밍에 의해 fr1과 fr2의 차는 (fa1-fr1) 또는 (fa2-fr2)의 값보다 작게 되도록 한다.

상술한 대로, 제조 공정에서의 대량생산에서는 2개의 압전진동자를 완전히 동일한 특성으로 하는 것은 곤란하며, 공진주파수 및 이조주파수는 약간 다를 가능성이 있다. 그 결과, 2개의 진동자의 중간적인 주파수로 발진하고, 그 발진신호를 참조신호로서 동기검파하게 되기 때문에, 2개의 동기검파회로(28, 38)로 검파되는 각속도신호의 검파위상에는 차이가 있으며, 엄밀하게는 자이로 특성에 차이가 발생한다.

특성보정회로(30, 40)는 감도, 오프셋, 감도의 온도 특성, 오프셋의 온도 특성과 같은 자이로 특성의 차이를 없애는 보정을 행한다. 그 때문에, 제조 공정에서 상기 자이로 특성을 측정하고, 규정된 특성이 되도록 특성보정회로측에 보정 데이터를 보낸다.

도 9는 각 검지축의 각속도가 0, 소위 정지 상태일 때의 진동 자이로의 2개의 출력신호의 시간 파형을 나타내고 있다. 도 9에 있어서 가로축은 시간, 세로축은 각 축의 진동 자이로의 출력신호 레벨이다. 2개의 압전진동자는 동일 주파수로 구동되므로, 도 1(B)에 나타낸 것과 같은 간섭이 발생하는 일이 없다.

이와 같이 하여, 간섭의 문제가 없는 저렴하고 고성능인 2축의 진동 자이로를 구성할 수 있다.

한편, 이상에 나타낸 예에서는 2개의 압전진동자를 이용하여, 2개의 검지축을 구비한 진동 자이로를 예로 들었지만, 3개 또는 3개 이상의 압전진동자를 이용하여, 서로 직교하는 3개의 검지축을 구비한 진동 자이로에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다. 즉, 3개의 검지축을 구비할 경우에는 도 4에 나타낸 예에서, 압전진동자(12), 입력버퍼(31), 차동증폭회로(35), 동기검파회로(38), 직류증폭필터(39), 및 특성보정회로(40)의 조를 1조 더 형성하여 세번째 축의 출력을 얻으면 된다.

도 1은 2개의 압전진동의 구동주파수의 차이에 의해 발생하는 간섭의 예를 나타내는 도면이다.

도 2는 로우 패스 필터의 유무에 따른 진동 자이로의 응답 특성의 예를 나타내고 있다.

도 3은 특허문헌 1의 진동 자이로에 이용되는 구동검출부의 예를 나타내는 블록도이다.

도 4는 제1 실시형태에 따른 진동 자이로의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.

도 5는 도 4에 있어서의 입력버퍼(21, 31), 가산회로(22), 차동증폭회로(25, 35) 부분을 구체적인 회로로 나타낸 도면이다.

도 6은 압전진동자(11)의 사시도이다.

도 7은 진동 자이로(101) 전체의 사시도이다.

도 8은 압전진동자의 공진 특성과 발진점의 관계를 나타내는 도면이다.

도 9는 각 검지축의 각속도가 0일 때의 진동 자이로의 2개의 출력신호의 시간 파형을 나타내는 도면이다.

<부호의 설명>

11,12 압전진동자

21,31 입력버퍼

22 가산회로

23 진폭제어회로

24 이상회로

25,35 차동증폭회로

25 차동증폭회로

25,35 차동증폭회로

26 검파 타이밍 생성회로

27 위상시프트회로

28, 38 동기검파회로

29,39 직류증폭필터

30,40 특성보정회로

50 기준전압회로

60 기판

61 IC 칩

62 칩 부품

63 캡

100 자이로 신호처리회로

101 진동 자이로

Ea 구동용 전극

Ed 검출용 전극

Es 중간 금속막

Claims

압전진동자와, 상기 압전진동자의 검출전압신호를 입력함과 함께 구동전압신호를 상기 압전진동자에 귀환하는 귀환신호 처리회로를 포함하여 발진회로가 구성되고,

코리올리 힘(Coriolis force)에 기인하는 상기 압전진동자의 진동에 의해 발생하는 기(起)전압신호를 검출하는 검출회로를 포함한 진동 자이로에 있어서,

상기 압전진동자는 서로의 검지축이 다르도록 복수개 배치되고,

상기 검출회로는 상기 압전진동자마다 포함되며,

상기 귀환신호 처리회로는, 상기 복수의 압전진동자의 상기 검출전압신호를 입력하고, 상기 복수의 압전진동자에 대하여 공통의 구동전압신호를 인가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제1항에 있어서,

상기 검출회로는, 상기 검출전압신호를 차동증폭하는 차동증폭회로와, 상기 차동증폭된 신호를 상기 발진회로의 발진주기에 동기(同期)하여 검파하는 동기검파회로를 포함하고,

상기 귀환신호 처리회로로부터 추출된 상기 발진회로의 발진신호의 위상에 따라 상기 동기검파의 기준위상신호를 생성하여 상기 동기검파회로에 각각 부여하는 기준위상신호 생성회로를 형성한 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제2항에 있어서,

상기 복수의 압전진동자의 공진주파수는, 어느 하나의 압전공진자의 공진주파수와 반공진주파수의 차(ΔF값) 이내에 근접하고 있는 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제2항에 있어서,

상기 동기검파회로의 출력신호에 대하여 각속도에 대한 출력전압의 특성 커브를 보정하는 직류증폭필터와, 상기 직류증폭필터에 대한 보정 데이터를 설정하는 특성보정회로를 상기 압전진동자마다 형성한 것을 특징으로 하는 진동 자이로.
제3항에 있어서,

상기 동기검파회로의 출력신호에 대하여 각속도에 대한 출력전압의 특성 커브를 보정하는 직류증폭필터와, 상기 직류증폭필터에 대한 보정 데이터를 설정하는 특성보정회로를 상기 압전진동자마다 형성한 것을 특징으로 하는 진동 자이로.