KR19980018149A - 에너지-트래핑 진동 모드를 이용하는 압전 진동성 자이로스코프 - Google Patents
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Abstract
에너지-구속 진동 모드를 이용하는 압전 진동성 자이로스코프는 주표면을 갖으며 두께 방향으로 분극화된 압전 판을 포함하며, 일반적으로 n 각을 갖는( n 은 3 이상의 정수임)다각형의 제 1 내지 n 번째 정점에 대응하는 위치의 주 표면의 중심 영역에 형성되는 제 1 내지 n 번째 전극을 포함한다. 상기 압전 판이 1차 진동의 에너지-트래핑 진동 모드에서 여기될 때, 상기 압전 판의 주 표면에 수직인 축 주위에서 압전 판의 회전은 상기 제 1 내지 n 번째 전극에서 전기 전압을 야기하는 2차 진동을 여기시키기 위한 코리올리의 힘을 발생한다. 전압차는 제 1 내지 n 번째 전극중 적어도 두 개에 대해 검출된다.
Description
본 발명은 회전 각속도를 검출하기 위한 자이로스코프에 관한 것으로, 특히, 에너지-트래핑(trapping) 진동 모드에서 진동하는 압전 진동기를 포함하는 압전 진동성 자이로스코프에 관한 것이다.
종래에는, 상기 자이로스코프는 자동차의 항법 시스템을 위한 방향 센서와 휴대용 카메라 장치를 위한 이미지 안정화 장치의 진동 센서에 자주 사용되었다.
압전 진동성 자이로스코프는 코리올리의 힘(Coriolis force)에 관한 기계적인 현상을 이용한다. 특히, 진동 방향으로 진동하는 물체가 회전 각속도에 잡힐 때, 상기 코리올리의 힘이 상기 진동 방향에 수직인 방향으로 발생한다.
진동이 각각에 대해 수직인 제 1 및 제 2 방향으로 여기되는 합성 압전 진동 시스템에서, 압전 진동기가 회전하며 이때 상기 진동은 제 1 방향으로 여기된다. 이 경우, 전술된 코리올리의 힘은 제 2 방향으로 진동을 여기시키기 위해 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 발생된다. 압전 효과에 의해서, 제 2 방향으로 진동은 기전력이 출력 전압을 발생시키게 한다. 여기서 제 2 방향으로의 진동 크기는 제 1 방향으로의 진동 크기와 회전 각속도에 비례한다는 것을 알 수 있다. 제 1 방향으로의 진동의 크기가 일정하게 유지되면, 상기 압전 진동기에 인가된 회전 각속도는 출력 전압으로 부터 계산될 수 있다.
전술된 형태인 종래의 압전 진동성 자이로스코프 구조는 진동 바디(body)로서 사각형 금속 빔과 상기 진동 바디의 여러 표면상에 장착된 압전 진동 소자를 포함하는 압전 진동기의 벤딩 진동 모드를 이용한다. 상기 압전 진동기는 상기 진동의 노드 점에서 지지 또는 고정되어야 한다. 또한, 구동 및 검출 회로는 리드 와이어를 사용하여 상기 압전 진동 소자이 전극에 접속되어야 한다. 상기 리드 와이어의 접속이 자이로스코스의 특성에 영향을 주므로, 일정한 특징을 갖는 자이로스코프를 안정적으로 제조하는 것은 어렵다. 더욱이, 상기 압전 진동기는 홀더에 의해서 지지되어야 하고 구동 및 검출 회로가 제공되는 기판상에 장착된다. 이러한 구조로, 압전 진동성 자이로스코프의 크기 및 두께를 결정하는 것은 어렵다.
한편, 에너지-트래핑(energy-trapping) 진동을 실행하는 압전 진동기는 FM 라디오 또는 텔레비젼용 중간-주파수 필터에서 광범위하게 사용된다. 상기 에너지-트래핑 진동에서, 진동 에너지는 구동 전극의 인근에 집중된다. 상기 에너지-트래핑 진동은 압전 판의 두께 방향이나 두께 방향으로 연장 또는 쏠림(shear) 진동과 같은 여러 진동 모드를 포함한다. 여기서 상기 두께 방향으로 연장 진동은, 진동의 전파 방향과 진동에 의한 변위가 압전 판의 두께 방향에 평행한 진동 모드임을 알 수 있다. 다른 한편, 상기 두께 방향으로의 쏠림 진동은 상기 전파 방향이 상기 두께 방향에 평행하며 상기 변위가 상기 전파 방향에 수직인 진동 모드이다. 다음으로, 상기 후자는 간단히 두께-쏠림 진동이라고 부를 수 있다. 전술된 압전 진동기에서, 리드 단자가 지지 구조에 의해서 영향을 받지않고 소정의 위치에서 형성될 수 있다.
따라서, 상기 중간-주파수 필터에서 사용되는 전술된 압전 진동기가 상기 빔 진동 바디를 갖는 압전 진동기 대신에 압전 진동성 자이로스코프에 적용될 수 있으면, 전술된 단점은 제거될 것이다.
본 발명의 목적은, 압전 진동기가 간단한 구조를 갖으며 리드 와이어가 입/출력 접속으로 사용되지 않는 압전 진동성 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 압전 진동기를 구동하기 위한 구동 회로와 상기 압전 진동기의 출력을 검출하기 위한 검출 회로가 압전 진동기가 장착되는 기판상에 형성되는 압전 진동성 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 크기와 두께가 작은 압전 진동성 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 지지 구조에 의존하는 특성 파동이 압축되는 압전 진동성 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 에너지-트래핑 진동 모드를 이용하는 압전 진동성 자이로스코프가 제공되는데, 주표면을 갖으며 두께 방향으로 극성화된 압전판과, 상기 압전판의 에너지-트래핑 진동을 여기시키기 위해서 여기 전압을 수용하도록 압전 판상에 형성된 구동 전극 수단과, 압전 판의 에너지-트래핑 진동이 여기되는 동안 압전 판의 주 표면에 수직인 축 주위로 압전 판을 회전시킴으로 발생하는 코리올리의 힘에 의해서 유도되는 출력 전압을 검출하기 위해서 상기 주 표면상에 형성된 출력 전극 수단과, 출력 전극 수단을 제공하며, n 각을 갖는 다각형의 제 1 내지 n 번째 정점에 대응하는 위치에서 일반적으로 주 표면의 중앙 영역에 형성된, 제 1 내지 3 이상의 n 번째 전극을 포함한다.
바람직하게는, 정수 n 은 3 또는 4이다.
바람직하게는, 상기 압전 판은 압전 세라믹 물질로 되어있으며 제 1 내지 n 번째 전극이 형성되는 영역의 주변에서만 두께 방향으로 극성화된다.
도 1은 종래의 압전 진동성 자이로스코프의 사시도.
도 2a는 종래의 에너지-트래핑 진동기의 평면도.
도 2b는 도 2A의 2B-2B 라인을 따라서 절취된 단면도.
도 3은 도 2A의 에너지-트래핑 진동기의 지지 구조를 도시하는 측면도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압전 진동성 자이로스코프의 에너지-트래핑 진동기에 대한 사시도.
도 5a는 병렬-필드-여기 두께-쏠림 지동 모드에서 에너지-트래핑 진동의 원리를 설명하기 위한 평면도.
도 5b는 도 5a의 5b-5b 라인을 따라서 절취된 단면도.
도 6은 도 5a 및 5b와 관련하여 설명된 에너지-트래핑 진동에서 변위 분포를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 제 2 실시예에 따른 압전 진동성 자이로스코프의 에너지-트래핑 진동기의 사시도.
도 8은 도 7의 압전 진동기에 접속된 전기 회로의 블록도.
도 9는 도 8에 도시된 전기 회로에서 각각의 전류 검출 회로에 대한 회로도.
도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 압전 진동성 자이로스코프의 에너지-트래핑 진동기의 사시도.
도 11은 도 10의 압전 진동기에 접속된 전기 회로의 블록도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
53: 압전 판55a,55b: 제 1 전극쌍
57a,57b: 제 2 전극쌍59a,59b: 제 3 전극쌍
73,75: 전류 검출 회로77: 차동 증폭기 회로
본 발명의 이해를 돕기위해서, 도 1 내지 3을 참조하여 종래의 압전 진동성 자이로스코프에 대해 먼저 설명한다.
도 1에서, 21로 표시된 압전 진동성 자이로스코프는 사각 단면을 갖는 금속 빔 바디(23)와, 그 중앙 영역 근방에서 금속 빔 바디(23)의 두 인접 표면에 접속된 제 1 및 제 2 압전 진동 소자(25,27)를 포함한다. 제 1 및 제 2 압전 진동 소자(25,27) 각각은 두께 방향으로 극성화된 압전 세라믹의 얇은 판과, 그 반대 표면상에 형성된 전극과, 상기 압전 세라믹의 얇은 판(25,27)의 전극중 하나에 접속된 리드 와이어(29,31)를 포함한다. 금속 빔 바디와 제 1 및 제 2 압전 진동 소자(25,27)의 결합은 빔 진동기를 형성한다.
종래 기술에서 공지되었드시, 사각 단면의 금속 빔 바디(23)는, 서로 수직인 제 1 및 제 2 굴곡 진동 모드를 갖는다. 상기 금속 빔 바디(23)가 균일한 금속 물질로 이루어지는한 제 1 및 제 2의 굴곡 진동 모드는 서로 대체로 같은 공진 주파수를 갖는다. 따라서, 제 1 압전 진동 소자(25)에 전술된 금속 빔 바디(23)의 공진 주파수와 대체로 같은 주파수를 갖는 여기 전압이 인가되면, 상기 금속 빔 바디(23)는, 제 1 압전 진동 소자(25)가 접속되는 표면으로 파동을 전달하기 위해 1차 굴곡 진동으로서 y 축으로 진동한다. 이러한 상태에서, 상기 금속 빔 바디(23)는, 상기 금속 빔 바디(23)의 연장 방향에 수평인 z 방향 주위에서 회전 각속도(Ω)로 회전된다. 그후, 코리올리 힘의 작용으로, 상기 빔 바디(23)는, 제 2 압전 진동 수단(27)이 결합되는 표면으로 파동을 전달하기 위해 x-방향으로 제 2 굴곡 진동으로서 진동한다. 결국, 전기 전압은 압전 효과하에서 제 2 압전 진동 소자(27)의 전극상에서 발생된다. 그처럼 발생된 전기 전압의 크기는 제 1 압전 진동 소자(25)와 금속 빔 바디(23)를 회전시키기 위해 인가된 회전 각속도에 의해서 여기된 1차 굴곡 진동의 크기에 비례한다.
그러므로, 상기 제 1 압전 진동 소자(25)에 인가된 여기 유효 전압이 일정하면, 상기 제 2 압전 진동 소자(27)에서 발생된 유효 전압은 금속 빔 바디(23)의 회전 각속도에 비례한다.
도 2a 및 2b 에서, 에너지-트래핑 진동을 수행하는 압전 진동기(45)는 FM 라디오 또는 텔레비젼의 중간-주파수 필터에서 널리 사용된다. 상기 에너지-트래핑 진동은, 구동 전극의 근방에 집중되며 압전 판(33)의 두께 방향 또는 폭 방향으로 연장 또는 쏠림 진동과 같은 여러 진동 모드를 포함하는 진동 모드이다.
예를들어, 압전 판(33)이 크기가 6mm x 6mm 이며 두께가 0.2mm 라고 가정한다. 상기 구동 전극(35,37)은 직경이 1.5mm 인 중앙 영역 근방내의 압전 판(33)상에서 형성된다. 따라서, FM 라디오에 대한 10.7 MFz 가 얻어진다. 도 3 에 도시된 바와같이, 공동부(41)가 상기 구동 전극(35,37,39)근방에서 직경이 약 3mm 인 영역내의 압전 판(33)의 양 표면상에 형성되며, 나머지 부분은 수지층(43)에 의해서 고정된다. 이러한 구조로, 진동기 특성은 대체로 영향을 받지 않는다. 이것은, 에너지-트래핑 진동에서, 진동 에너지가 전술된 바와같이 구동 전극의 근방으로 집중되기 때문이다. 따라서, 상기 압전 진동기(45)에서, 리드 단자는 소정의 위치에서 형성될 수 있으며 상기 지지 구조에 의해서 영향을 받지 않는다.
이제, 여러 바람직한 실시예를 통해서 본 발명에 대해 설명된다.
도 4에서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 에너지-트래핑 진동 모드를 이용하는 압전 진동성 자이로스코프의 압전 진동기(51)는 두께 방향으로 분극화화된 압전 판(53)을 포함한다. 상기 압전 판(53)의 하나의 주 표면상에서, 제 1 쌍의 전극(55a, 55b)는 선정된 공간을 갖고서 서로 반대가 되도록 대강 중심에서 형성된다. 그와같이, 제 2 쌍의 전극(57a,57b)는 제 1 쌍의 전극(55a,55b)로 부터 서로 90도의 각으로 옵셋되어 서로 반대로 형성된다. 압전 판(53)의 다른 주 표면상에서, 제 3 쌍의 전극(59a,59b)은, 제 1 쌍의 전극(55a,55b)과 제 2 쌍의 전극(59a,59b)이 형성되는 영역에 대응하는 영역에서 형성된다. 특히, 제 3 쌍의 전극(59a,59b)는, 도면에서 파선으로 표시된 바와같이, 45도의 각으로 옵셋된 위치에서 서로 반대로 형성된다.
후에 상세히 설명되드시, 여기 전압으로서 a.c 전압이 제 3 쌍의 전극(59a,59b) 사이로 인가된다. 상기 여기 전압은 압전 판(53)의 두께 방향의 쏠림 모드(이하 간단히 두께-쏠림 모드라 함) 에서 압전 판(53)의 공진 주파수와 대체로 같은 주파수를 갖는다. 이 경우에, 제 3 쌍의 전극(59a,59b) 사이의 영역에서, 에너지-트래핑 진동 모드의 1차 두께-쏠림 진동은, 제 3 쌍의 전극(59a,59b)이 서로 마주 보는 방향으로 발생된다. 이러한 상태에서, 상기 압전 판(53)은 주 표면에 대해 수직인 축 주위에서 회전된다. 그후, 코리올리 힘의 작용으로, 2차 두께-쏠림 진동이 이미 여기된 1차 두께-쏠림 진동 방향에 수직인 방향으로 발생된다. 상기 코리올리 힘에 의해서 발생된 2차 두께-쏠림 진동은 제 1 쌍의 전극(55a,55b) 사이와 제 2 쌍의 전극(57a,57b) 사이에서 제 1 및 제 2 전기 전압 전위차를 야기시킨다. 상기 제 1 및 제 2 전기 전압 전위차는 공통의 진폭과 서로 180도 쉬프트된 다른 위상을 갖는다. 이것은 제 1 및 제 2 전극 쌍이 1차 두께-쏠림 진동의 방향에 대해서 ±45도로 각이 옵셋되기 때문이다.
그러므로, 제 1 및 제 2 전기 전압 전위차 사이의 차동 전압을 검출하고 상기 차동 전압을 동시에 검출하므로, 회전 각속도에 비례하는 출력 전압이 얻어질 수 있다.
제 1 실시예에서, 각각의 전극쌍이 서로 마주보는 영역에서 의사 진동없이 순수한 에너지-트래핑 진동을 여기시키는 것이 중요하다. 특히, 상기 압전 판(53)이 압전 세라믹 물질을 포함하면, 전술된 물질은, 두께 방향으로 각각의 제 1 내지 제 3 쌍의 전극이 형성되는 영역이 근방만을 분극화하므로 부착된다.
다음에, 도 5a, 5b 및 6를 참조하여, 상기 에너지-트래핑 진동의 원리는 간단한 구조의 압전 진동기를 사용하여 설명될 수 있다.
도 5a, 5b를 참조하여, 상기 압전 진동기는 두께 방향으로 또는 z-축 방향으로 분극화된 압전 판(53)의 하나의 주 표면의 중앙 영역에서 형성된 부분 전극(61a,61b)을 갖는다. 상기 부분 전극(61a,61b)은 x-바향으로 서로 마주본다. 상기 부분 전극(61a,61b) 사이의 부분에는 상기 압전 판(53)의 하나의 주 표면에 대체로 평행한 전장이 인가된다. 상기 부분 전극(61a,61b)의 크기는 상기 압전 판(53)의 압전 물질의 특성에 의존하여 적당히 설계된다. 전장과 전장에 수직인 두께 방향으로 분극화 사이의 상호작용에 의해서, 두께-쏠림 진동 모드내의 에너지-트래핑 진동은 평행한 전장에 의해 전술된 부분에서 여기된다.
도 6 에서, 상기 두께 방향으로 변위 분포가 도시되는데 이 경우에 공진은 도 5a 및 5b 의 압전 진동기의 반파장에서 발생된다. 도 6의 x 축, y축 및 z 축은 도 5a 의 x-축, y-축 및 z-축에 대응한다. 상기 두께-쏠림 진동에서, 상기 전파 방향은 상기 두께 방향에 평행하며 상기 변위는 상기 전파 방향에 수직이다. 즉, 상기 변위는 상기 압전 판(53)의 표면에 평행하다.
전술된 제 1 실시예에 따른 압전 진동성 자이로스코프는 여러 장점이 있다. 특히, 상기 압전 진동성 자이로스코프는 구조가 간단하고 따라서 크기가 작다. 입력 및 출력 단자는 리드 와이어를 이용하지 않고 접속될 수 있다. 자이로 특성은 대체로 지지 및 고정 구조의 영향을 대체로 받지 않는다. 안전 및 신뢰성있는 지지가 보장되며 반진동 및 반충격 특성이 뛰어나다. 이에 더해서, 압전 진동성 자이로스코프의 구동 및 검출 회로가 압전 진동기가 형성되는 동일 기판에서 형성되기 때문이다. 그러므로, 상기 압전 진동성 자이로스코프는 크기 및 두께가 더 감소된다.
다음에, 본 발명의 제 2 실시예가 설명된다.
도 7 에서, 제 2 실시예에 따른 에너지-트래핑 진동 모드를 이용하는 압전 진동성 자이로스코프의 압전 진동기(63)는 두께 방향으로 분극화된 압전 판(53)의 하나의 주 표면의 거의 중심에 형성된 제 1 내지 제 3 전극(65,67,69)을 갖는다. 제 1 내지 제 3 전극(65,67,69)은 이등변 삼각형의 정점에 대응하는 부분에서 형성된다.
도 8 에서, 상기 압전 진동기(63)는 도면에 도시된 전기 회로에 접속된다. 특히, 제 1 전극(65)은 a.c 전원(71)에 접속된다. 제 2 및 제 3 전극(67,69)은 제 1 및 제 2 전류 검출 회로(73,75)의 입력 포트에 접속된다. 제 1 및 제 2 전류 검출 회로(73,75)는 차동 증폭기 회로(77)에 접속된 출력 포트를 갖는다. 상기 차동 증폭기(77)는 상기 압전 진동성 자이로스코프의 센서 출력을 발생하기 위해 검출기 회로(79)에 접속된다.
도 9 에 예시되었듯이, 도 7 의 상기 압전 진동기에 접속된 각각의 제 1 및 제 2 전류 검출 회로(73,75)는 실질적인 접지 기능을 갖는다. 각각의 제 1 및 제 2 전류 검출 회로(73,75)는 입력 임피던스가 대체로 제로이며 출력 전압이 입력 전류에 비례하는 기능을 갖는다.
제 2 실시예에 따른 압전 진동기(63)의 동작 원리는 제 1 실시예와 관련하여 설명된 것과 유사하여 더 이상 설명되지 않는다.
도 7 로 돌아가서, 제 1 전극(65)은 이등변 삼각형의 상부각에 대응하는 부분에 배치되며 제 2 및 제 3 전극(67,69)은 하부 각에 대응하는 위치에 배치된다. 상기 제 2 및 제 3 전극(67,69)은 실제의 접지 기능을 갖는 제 1 및 제 2 전류 검출 회로(73,75)에 접속된다. 따라서, 상기 제 2 및 제 3 전극(67,69)은 실제의 접지 회로에 접속되며 그 전위에서 접지 단자로서 작용한다.
제 1 전극(65)에 두께-쏠림 진동 모드에서 압전 판(53)의 공진 주파수와 대체로 같은 주파수를 갖는 여기 전압으로서 구동 전압이 인가될 때, 에너지-트래핑 진동 모드에서 1차 두께-쏠림 진동은, 제 1 전극(65)의 중심과 제 2 및 제 3 전극(67,69) 사이의 중점을 접속하는 직선을 따라서 제 1, 제 2 및 제 3 전극(65,67,69)에 의해서 에워싸인 영역에서 야기된다. 이 경우에, 상기 압전 판(53)은 상기 주 표면에 수직인 축의 주위에서 회전된다. 그후, 코리올리 힘의 작용에 의해서, 2차 두께-쏠림 진동이 1차 두께-쏠림 진동에 수직인 방향으로 발생된다. 상기 2차 두께-쏠림 진동은 제 1 및 제 2 전극(65,67)사이와, 제 1 및 제 3 전극(65,69) 사이의 임피던스를 변경시킨다. 그 결과, 제 1 및 제 2 전류 검출 회로(73,75) 각각에 공급된 전기 전류의 레벨이 변경된다.
여기서 제 2 및 제 3 전극(67,69)은 1차 두께-쏠림 진동의 방향에 대해 대칭으로 배치된다. 그러므로, 제 1 및 제 2 전류 검출 회로(73,75)로 흐르는 전기 전류는 진폭이 같으며 서로 위상이 180도 달라진다.
그러므로, 제 1 및 제 2 전류 검출 회로(73,75)의 출력 전압은 진폭이 같으며 위상이 서로 달라진다. 출력 전압 사이의 차동 전압이 검출되어 선정된 시간에 동기로 검출된다. 따라서, 상기 압전 진동기(63)에 인가된 회전 각속도에 비례하는 출력 전압이 얻어진다.
또한, 제 2 실시예에서, 전극이 서로 마주보는 영역에서 의사 진동이 없이 순수한 에너지-트래핑 진동을 여기시키는 것이 중요하다. 이것은 두께 방향으로 제 1 내지 제 3 전극(65,67,69)이 형성되는 압전 판(53)의 영역의 인근만을 분극화하므로 얻어지며, 상기 압전 판(53)이 압전 세라믹 물질로 될 때 그러하다.
전술된 제 2 실시예에 따른 압전 진동성 자이로스코프는 여러 가지 장점이 있다. 특히, 상기 압전 진동성 자이로스코프는 구성이 간단하며 따라서 크기가 작다. 입력 및 출력 단자는 리드 와이어를 이용하지 않고 접속될 수 있다. 자이로 특성은 지지 및 고정 구조의 영향을 대체로 받지 않는다. 안전 지지가 보장되며 반진동 및 반충격 특성이 우수하다.
다음에, 본 발명의 제 3 실시예에 대해 설명된다.
도 10 에서, 제 3 실시예에 따른 에너지-트래핑 진동 모드를 이용하는 압전 진동성 자이로스코프의 압전 진동기(81)는, 그 두께 방향으로 분극화된 압전 판(53)의 하나의 주 표면의 대략 중앙에 형성되는 제 1 내지 제 3 전극(83,85,87)을 갖는다. 제 1 내지 제 3 전극(83,85,87)은 이등변 삼각형의 정점에 대응하는 위치에서 형성된다.
도 11 에서, 상기 압전 진동기(81)는 도면에 도시된 전기 전류에 접속된다. 특히, 제 1 전극(83)는 접지 단자(91)에 접속되며 제 2 및 제 3 전극(85,87)은 저항(93,95)를 통해서 a.c 전원(97)에 접속된다. 제 2 및 제 3 전극(85,87)은 또한 차동 증폭기 회로(77)의 입력 포트에 접속된다. 상기 차동 증폭기 회로(77)는 압전 진동성 자이로스코프의 센서 출력을 발생하기 위해서 검출 회로(79)에 접속된 출력 포트를 갖는다.
제 3 실시예에 따른 상기 압전 진동기의 동작 원리는 제 1 실시예와 관련하여 설명된 동작 원리와 유사하여 더이상 설명되지 않는다.
도 10으로 돌아가서, 제 1 전극(83)은 이등변 삼각형의 상부 각에 대응하는 위치에 배치되며 제 2 및 제 3 전극(85,87)은 바닥 각에 대응하는 위치에 배치된다. 전술된 바와같이, 제 1 전극(83)은 접지되며 제 2 및 제 3 전극(85,87)은 저항(93,95)을 통해서 a.c 전원(97)으로 접속된다. 제 2 및 제 3 전극(85,87)에는 상기 a.c 전원(97)을 으로 부터 저항(93,95)를 통해서 두께-쏠림 진동 모드에서 압전 판(53)의 공진 주파수와 대체로 같은 주파수를 갖는 여기 전압이 인가된다. 이러한 경우에, 상기 에너지-트래핑 진동 모드의 제 1의 1차 두께-쏠림 진동은, 제 1, 제 2 전극(83,85)의 중심을 접속하는 직선을 따라서 제 1, 제 2 및 제 3 전극(83,85,87)에 의해서 에워싸인 영역에서 발생된다. 동시에, 상기 에너지-트래핑 진동 모드의 제 2의 1차 진동-쏠림 진동은 제 1 및 제 3 전극(83,87)의 중심을 접속하는 또다른 직선을 따라서 발생된다. 제 1 및 제 2의 1차 두께-쏠림 진동은, 제 1 전극(83)의 중심과 제 2 및 제 3 전극(85,87)의 중심들 사이의 중점 사이의 직선(도 10에서 쇄선으로 도시됨)을 따르는 방향으로 에너지-트래핑 진동 모드에서 결과로 나오는 결합된 1차 두께-쏠림 진동을 형성하기 위해서 결합된다. 이 경우에, 상기 압전 판(53)은 그 주 표면에 수직인 축 주위에서 회전된다. 그후, 코리올리 힘의 작용에 의해서, 2차 두께-쏠림 진동은 상기 결합된 1차 두께-쏠림 진동에 수직인 방향으로 발생된다. 상기 2차 두께-쏠림 진동은 제 1 및 제 2 전극(83,85)사이와 제 1 및 제 3 전극(83,87)사이의 임피던스를 변화시킨다. 결국, 제 2 및 제 3 전극(85,87)의 단자 전압은 변화된다. 상기 임피던스는 상기 여기 전압이 일정하게 유지되는한 압전 진동기(81)에 인가된 회전 각속도에 비례한다.
제 2 및 제 3 전극(85,87)의 단자 전압들 사이의 차동 전압은 차동 증폭기 회로(77)에 의해서 검출되며 선정된 시간에서 동시에 검출된다. 따라서, 상기 압전 진동기(81)에 인가된 인가 회전 각속도에 비례하는 출력 전압이 얻어질 수 있다.
또한 제 3 실시예에서, 전극들이 서로 마주보는 영역에서 어떤 외부의 진동이 없이 순수한 에너지-트래핑 진동을 여기시키는 것이 중요하다. 이것은 또한 두께 방향으로 압전 판(53)의 영역의 근방만을 분극화하므로 얻어질 수 있으며, 여기서 제 1 내지 제 3 전극(83,85,87)이 형성되는데, 상기 압전 판(53)이 압전 세라믹 물질로 되는 경우에 그렇다.
전술된 제 3 실시예에 따른 압전 진동성 자이로스코프는 여러가지 장점이 있다. 특히, 압전 진동성 자이로스코프는 구성이 간단하고 따라서 크기가 작다. 입출력 단자는 리드 와이어를 사용하지 않고 접속될 수 있다. 자이로 특성은 대체로 지지대 및 고정 구조의 영향을 받지 않는다. 안전 및 신뢰성 있는 지지가 보장되며 반진동 및 반충격 특성이 우수하다.
이와같이 본 발명을 실시하므로, 종래의 압전 진동성 자이로스코프 구조에서 발생되는 문제점 즉, 진동 바디(body)로서 사각형 금속 빔과 상기 진동 바디의 여러 표면상에 장착된 압전 진동 소자를 포함하는 압전 진동기의 벤딩 진동 모드를 이용해야 하고, 상기 진동의 노드 점에서 지지 또는 고정되어야 하는 문제점과, 구동 및 검출 회로는 리드 와이어를 사용하여 상기 압전 진동 소자이 전극에 접속되어야 하므로 리드 와이어의 접속이 자이로스코스의 특성에 영향을 주므로, 일정한 특징을 갖는 자이로스코프를 안정적으로 제조하는 것은 어려운 문제점이 있었는데, 상기 중간-주파수 필터에서 사용되는 전술된 압전 진동기가 상기 빔 진동 바디를 갖는 압전 진동기 대신에 압전 진동성 자이로스코프에 적용될 수 있어서 전술된 단점을 제거하게 되는 효과가 있다.
Claims (12)
- 에너지-트래핑 진동 모드를 이용하는 압전 진동성 자이로스코프에 있어서,주 표면을 갖으며 두께 방향으로 분극화된 압전 판과,상기 압전 판이 상기 에너지-트래핑 진동을 여기시키도록 여기 전압으로 인가되기 위한 상기 압전 판상에 형성된 구동 전극 수단과,상기 압전 판의 상기 에너지-트래핑 진동이 여기되는 동안 상기 압전 판의 주 표면에 수직인 축의 주변에서 상기 압전 판을 회전시키므로 야기되는 코리올리 힘에 의해서 유도된 출력 전압을 검출하기 위한 상기 주표면 상에 형성된 출력 전극 수단과,n 각(n 은 3 이상임)을 갖는 다각형의 제 1 내지 n-번째 정점에 대응하는 부분에서 보통은 상기 주 표면의 중앙 부위에 형성되며, 상기 출력 전극 수단을 제공하는 제 1 내지 n 번째 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 1 항에 있어서, 상기 구동 전극 수단은, 상기 주 표면에 반대인 상기 압전 판의 다른 표면에 형성된 한 쌍의 구동 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 2 항에 있어서, n 은 4 가 되어 상기 다각형은 서로 수직인 두개의 대각선을 갖는 사각형이며, 제 1 전극쌍은 상기 두개의 대각선중 하나를 따라서 서로 반대인 상기 제 1 및 제 3 전극에 의해서 한정되며, 제 2 전극쌍은 다른 대각선을 따라서 서로 반대인 상기 제 2 및 제 4 전극에 의해서 한정되며, 상기 구동 전극은, 상기 제 1 및 제 2 전극쌍이 형성되는 영역에 대응하는 위치에서 상기 압전 판의 다른 표면상에서 형성되며, 상기 제 1 전극쌍이 존재하는 하나의 대각선으로 부터 약 45도 만큼 각이 옵셋된 방향으로 서로 반대로 배치되며, 상기 제 2 및 상기 제 3 전극쌍은 차동 전압으로서 상기 출력 전압을 검출하기 위해 상기 출력 전극 수단으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 3 항에 있어서, 상기 압전 판은 압전 세라믹 물질로 되며, 상기 압전 판은, 상기 제 1 전극쌍 및 상기 구동 전극을 포함하는 그러한 영역의 인근에서만 두께 방향으로 분극화되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 내지 n 번째 전극중 적어도 하나가 상기 구동 전압을 인가하기 위해 상기 구동 전극 수단으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 5 항에 있어서, n 은 3 이 되어 상기 다각형이 등변 삼각형을 포함하는 이등변 삼각형이며, 상기 제 1 전극은 상기 이등변 삼각형의 상부 각에 대응하는 위치에서 형성되며 상기 제 2 및 상기 제 3 전극은 상기 이등변 삼각형의 바닥 각에 대응하는 위치에서 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 전극은 저항을 통해서 공통 접점에 접속되며, 상기 구동 전극 수단은 상기 제 1 내지 제 3 전극을 포함하여 상기 구동 전압이 상기 제 1 전극과 상기 공통 접점 사이에 인가되며, 상기 출력 전압은 상기 제 2 및 상기 제 3 전극 사이의 상기 차동 전압으로서 검출되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 접지되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 8 항에 있어서, 상기 압전 판은 압전 세라믹 물질로 되어 있으며, 상기 압전 판은 상기 제 1 내지 상기 제 3 전극이 형성되는 영역이 근방에서만 두께 방향으로 분극화되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 상기 구동 전극 수단으로 사용되며, 상기 제 2 및 제 3 전극은 상기 제 2 및 제 3 전극 사이의 상기 차동 전압을 얻기 위해서 상기 출력 전극 수단으로 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 상기 구동 전압을 인가하기 위해 구동 전극으로 사용되며, 상기 제 2 및 상기 제 3 전극은 실제로 접지 기능을 갖는 제 1 및 제 2 전류 검출 회로에 접속되며, 상기 구동 전극은 상기 제 1 및 상기 제 2 전류 검출 회로의 출력 전압들 사이이 차동 전압을 추출하기 위해 상기 압전 판의 진동을 여기시키며, 상기 차동 전압은 상기 자이로스코프의 출력을 발생하기 위해 검출되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
- 제 11 항에 있어서, 상기 압전 판은 압전 세라믹 물질로 되어 있으며, 상기 압전 판은 상기 제 1 내지 상기 제 3 전극이 형성되는 영역이 근방에서만 두께 방향으로 분극화되는 것을 특징으로 하는 압전 진동성 자이로스코프.
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