KR19980018247A - 각속도 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정밀도로 각속도를 검출할 수 있는 각속도 검출장치를 제공하는 것으로서, 상기 각속도 검출장치는 압전성 결정으로 이루어지는 제 1 압전성 결정부(4p), 제 1 압전성 결정부(4p)에 설치된 제 1 및 제 2 전극(4m, 4u), 압전성 결정으로 이루어져서 제 1 압전성 결정부(4p)에 기계적으로 결합한 제 2 압전성 결정부(6p) 및 제 2 압전성 결정부(6p)에 설치된 별도의 전극( 6a, 6c)을 가지는 진동자(102)와, 소정의 주기로 변동하는 전위(V_A) 를 제 1 전극(4m)에 주는 여진수단(103a), 제 2 전극(4u)의 전위를 소정치에 고정하는 전위 일정화 수단(2) 및 다른 전극(6a, 6c) 간에 발생하는 전위차에 대응한 신호성분을 가지는 교류 전압 신호(V_K)를 검출하는 검출수단(103b)을 가지는 회로(103)를 구비한다.

Description

각속도 검출장치

본 발명은 코리올리의 힘을 검출함에 의해 운동중의 피검출체의 각속도를 검출하는 각속도 검출장치에 관한 것으로, 특히, 고정밀도로 각속도를 검출하는 기술에 관한 것이다. 본 발명의 각속도 검출장치는 차량, 항공기 혹은 선박 등의 이동체의 네비게이션 시스템 혹은 자세 제어 또는 촬영기기의 손 떨림 보정 등에 적용될 수 있다.

압전 진동자를 구비한 소위 압전 진동 자이로콥터는 각속도 검출장치의 일종이다. 이러한 압전 진동자에 전압을 인가하면, 압전 진동자는 역압전 효과에 의거하여 변형하고, 인가전압이 소정의 발진조건을 만족하는 경우에는 압전 진동자는 진동한다.

압전 진동자를 피검출체에 고정하고, 이 압전 진동자를 진동시키면서 피검출체를 회전시키면, 압전 진동자의 진동속도 및 피검출체의 회전 각속도에 근거하는 코리올리의 힘이 압전 진동자에 작용한다. 압전 진동자는 코리올이의 힘에 의해서 변형되므로, 이 변형량을 압전 진동자의 압전 효과에 근거하여 검출하면, 코리올리의 힘을 검지할 수 있다. 압전 진동자의 진동이 일정한 경우, 코리올리의 힘은 이동체의 회전 각속도에 비례한다. 따라서, 피검출체의 회전 각속도는 검지된 코리올리의 힘으로부터 검출할 수 있다.

이러한 압전 진동 자이로콥터는 일본 특허공개 평5-118857호 공보에 기재되어 있다. 상기 공고에는 예를 들면 금속으로 구성되는 사각주 부재, 이 사각주 부재의 4측면을 덮는 박막압전재, 압전재의 일측면에 붙여진 한 쌍의 구동용 전극 및 다른 측면에 붙여진 한 쌍의 검출용 전극을 구비한 진동자가 개시되어 있다.

이러한 진동자를 진동시키기 위해서는 구동용 전극의 한쪽의 전위를 소정치로부터 다른 값으로 변화시키면서, 이 전위를 인버터에 입력하여 반전시키고, 반전시킨 전위를 다른쪽의 전극에 인가함으로써, 진동차를 발진시키는 방법이 고려된다.

그러나, 이와 같이 인버터를 사용하여 발진회로를 구성함으로써, 쌍방 전극의 전위를 변동시켜서 진동자를 발진시키면, 쌍방 전극의 전위가 변동하기 때문에, 진동자의 진동의 진폭이 변동하기 쉽다. 진동자의 진동의 진폭이 변화하면, 진동속도도 변화하므로, 이 변동에 따라, 진동자의 진동속도와 피검출체의 각속도에 의존하여 진동자에 작용하는 코리올리의 힘이, 각속도가 일정하더라도 변화한다. 각속도 검출장치는 코리올리의 힘에 의한 진동자의 변형량을 검출함에 의해, 그 코리올리의 힘의 크기를 측정하고 있기 때문에, 전극간에 이와 같이 전위를 인가하는 각속도 검출장치에 의해서 검출되는 각속도의 검출정밀도는 충분하다고는 할 수 없다.

본 발명은 이러한 과제에 근거하여 행해진 것으로, 고정밀도의 각속도 검출이 가능한 각속도 검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술의 과제를 해결하기 위한 각속도 검출장치를 제공한다. 본 장치는 압전성 결정으로 이루어지는 제 1 압전성 결정부, 제 1 압전성 결정부에 설치된 제 1 및 제 2 전극, 및 제 1 압전성 결정부에 기계적으로 결합한 검출용 진동편을 가지는 진동자와, 소정의 주기로 변동하는 전위를 제 1 전극에 주는 여진수단, 제 2 전극의 전위를 소정치에 고정하는 전위 일정화 수단 및 검출용 진동편에 발생하는 변형량을 검출하는 검출수단을 가지는 회로를 구비한다.

본 장치는 이동체 또는 전자정보 기기 등의 피검출체에 설치되고, 피검출체의 각속도를 검출한다. 여진수단은 제 1 전극에 소정의 주기로 변동하는 전위를 주고, 전위 일정화 수단은 제 2 전극의 전위를 소정치에 고정하므로, 제 1 및 제 2 전극간에는 소정의 주기로 변동하는 전위차, 즉, 교류전압이 주어진다. 제 1 및 제 2 전극은 제 1 압전성 결정부에 설치되어 있으므로, 제 1 압전성 결정부는 역압전효과에 근거하여 소정방향으로 진동한다.

제 1 압전성 결정부가 진동하고 있는 상태에서, 피검출체가 소정의 각속도로 운동하면, 제 1 압전성 결정부에는 제 1 압전성 결정부의 진동속도 및 피검출체의 각속도에 의존한 코리올리의 힘이 작용하며, 제 1 압전성 결정부는 소정 방향과 다른 방향으로 진동한다. 검출용 진동편은 제 1 압전성 결정부에 기계적으로 결합하고 있으므로, 제 1 압전성 결정부의 코리올리의 힘에 의한 진동은 검출용 진동편에 전달되고, 검출용 진동편은 상기 소정 방향과 다른 진동 성분을 가지는 진동을 행한다.

또, 제 1 압전성 결정부와 검출용 진동편을 동일부이어도 되며, 이 경우는 제 1 압전성 결정부의 코리올리의 힘에 의한 진동은 검출용 진동편에 전달되므로, 이들은 기계적으로 결합하고 있는 것으로 규정한다.

검출용 진동편의 진동은 제 1 압전성 결정부의 코리올리의 힘에 근거하는 진동 등이 검출용 진동편에 전달됨에 따라 발생하고 있으므로, 이 검출용 진동편의 진동에 의한 변형량을 검출함으로써, 코리올리의 힘의 크기가 검지되고, 따라서, 피검출체의 각소도의 크기를 검출할 수 있다. 본 장치에 의하면, 제 2 전극의 전위는 전위 일정화 수단에 의해서 소정치에 고정되어 있기 때문에, 제 1 압전성 결정부의 진동이 안정하고, 제 1 압전성 결정부에 기계적으로 결합한 검출용 진동편의 진동도 안정한다.

또한, 본 장치의 전위 일정화 수단은 반전 입력단자. 비반전 입력단자 및 출력단자를 가지는 오버 앰프와, 상기 오버 앰프의 출력단자와 반전 입력단자의 사이에 접속되어, 소정의 저항값을 가지는 저항을 가지며, 제 2 전극은 상기 오버 앰프의 입력단자의 한쪽에 전기적으로 접속되며, 오버 앰프의 입력단자의 다른쪽의 전위는 소정치에 고정되는 것이 바람직하다. 오버 앰프의 반전 입력단자 및 비반전 입력단자는 이미지날 쇼트의 상태에 있고, 반전 입력단자의 전위는 비반전 입력단자의 전위와 같다. 제 2 전극은 오버 앰프의 입력단자의 한쪽에 전기적으로 접속되고, 입력단자의 다른쪽의 전위는 소정치에 고정되어 있으므로, 제 2 전극의 전위는 소정치에 고정된다. 제 2 전극으로부터 입력단자의 한쪽으로 흘러 들어 오는 전류는 이 저항을 통해 출력단자로 흐르기 때문에, 이 전류는 저항에 의해 생긴 전압강하에 의해서 전류전압 변환된다.

또한, 검출용 진동편은 압전성 결정으로 이루어지는 제 2 압전성 결정부와, 제 2 압전성 결정부에 설치된 상기 제 1 및 제 2 전극과는 다른 복수의 전극을 가지며, 여진수단은 이 여진수단이 오버 앰프의 출력신호로부터 소정의 주기로 변동하는 전위를 생성하도록 오버 앰프에 전기적으로 접속되며, 검출수단은 다른 전극간에 발생하는 전위차에 대응한 신호성분을 가지는 교류 전압 신호를 검출함으로써, 이 검출수단이 오버 앰프의 출력신호에 동기한 신호로 교류 전압 신호를 동기 검파하도록 여진수단에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.

제 2 압전성 결정부가 진동하면, 압전 효과에 근거하여, 제 2 압전성 결정부에 설치된 전극간에 전위차가 발생한다. 이 전위차는 파형정형, 증폭 또는 위상변환 등이 행해지는 것에 의해, 이 전위차에 대응한 신호성분을 가지는 교류 전압 신호로 변환된다. 또, 이 교류 전압 신호는 상술한 전위차 그 자체라도 된다. 또한, 이 전위차에 근거하여 흐르는 전류를 전압으로 변환한 전압도, 이 전위차에 대응한 신호성분으로 규정한다.

이 경우, 오버 앰프는 제 2 전극의 전위를 소정치에 고정하면서, 제 1 압전성 결정부의 진동에 동기한 신호를 출력한다. 여진수단은 이 오버 앰프의 출력신호로부터 소정의 주기로 변동하는 전위를 제 1 전극에 준다. 따라서, 여진수단, 제 1 압전성 결정부 및 오버 앰프는 루프를 구성하고, 제 2 전극의 전위가 소정치에 고정된 상태에서, 여진수단은 제 1 압전성 결정부의 진동에 동기한 전위를 제 1 전극에 줄 수 있으며, 제 1 압전성 결정부를 안정시켜서 진동시킬 수 있다. 검출수단은 오버 앰프의 출력신호에 동기한 신호로 상기 교류 전압 신호를 동기 검파한다.

교류 전압 신호 및 오버 앰프의 출력신호에 동기한 신호는 여진수단으로부터 출력되고, 소정의 주기로 변동하는 전위에 기인하여 발생하고 있기 때문에, 각각의 신호는 주기는 거의 일치한다. 따라서, 이 교류 전압 신호는 오버 앰프의 출력신호에 동기한 신호로써 동기 검파된다. 이 교류 전압 신호는 제 1 압전성 결정부에 작용한 코리올리의 힘에 기인하여 발생하고 있기 때문에, 동기 검파된 신호의 직류성분의 크기는 코리올리의 힘의 크기에 의존한다. 따라서, 예를 들면, 적분회로를 사용하여 동기 검파된 신호를 평활화하면, 피검출체의 각속도를 검출할 수 있다. 이장치에 의하면 1개의 오버 앰프의 출력신호를 이용하여, 여진수단이 제 1 압전성 결정부를 진동시키는 동시에, 검출수단이 상기 교류 전압 신호를 동기 검파할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 각속도 검출장치의 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 진동자를 A-A선 화살표를 따라서 절단한 단면도.

도 3은 도 1에 도시된 진동자를 B-B선 화살표를 따라서 절단한 단면도.

도 4는 도 1에 도시된 진동편을 C-C선 화살표를 따라서 절단한 단면도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 각속도 검출장치의 시스템을 나타내는 블럭도.

도 6은 도 5에 도시된 시스템의 각 절점에서의 전압 파형을 나타내는 타이밍챠트.

도 7은 전류 전압 변환회로의 저항값(MΩ)과 위상(각도)과의 관계를 나타내는 그래프.

도 8은 챠지 앰프의 용량(pF)과 지연각(각도, 과의 관계를 나타내는 그래프.

도 9는 다른 진동자의 평면도.

도 10은 도 9의 진동자의 단면 및 이 진동자에 접속된 처리회로를 나타내는 설명도.

도 11은 다른 진동자의 평면도.

도 12는 도 11의 진동자의 단면 및 이 진동자에 접속된 처리회로를 나타내는 설명도.

도 13은 다른 진동자의 평면도.

도 14는 도 13의 진동자의 단면 및 이 진동자에 접속된 처리회로를 나타내는 설명도.

도 15는 다른 진동자의 평면도.

도 16은 도 15의 진동자의 단면 및 이 진동자에 접속된 처리회로를 나타내는 설명도.

도 17은 다른 진동자의 평면도.

도 18은 도 17의 진동자의 단면 및 이 진동자에 접속된 처리회로를 나타내는 설명도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

2 : 전위 일정화 수단 4p : 제 1 압전성 결정부

4m : 제 1 전극4u : 제 2 전극

6 : 검출용 진동편6p : 제 2 압전성 결정부

6a,6c : 다른 전극21 : 반전 입력단자

22 : 비반전 입력단자102 : 진동자

103 : 회로103a : 여진수단

103b : 검출수단B : 출력단자

A2 : 오버 앰프R2 : 저항

이하, 본 발명과 관계되는 각속도 검출장치의 형태에 대하여, 첨부의 도면을 참조하여 설명한다. 또, 이하의 설명에 있어서, 동일 요소에는 동일 부호를 사용함으로써, 중복되는 설명은 생략한다.

도 1은 실시의 형태와 관계되는 각속도 검출장치를 나타낸다. 본 장치는 지지대(101)의 표면에 일단으로 고정된 진동자(102) 및 지지대 (101)의 이면에 설치된 처리회로(103)를 구비한다. 또 이하의 설명에 있어서, 지지대(101)의 이면에서 표면을 향하는 방향을 「상」방향으로 규정하여, 이것과 역방향의 방향을 「하」방향으로 규정한다.

지지대(101)는 주표면(S1) 및 주표면(S1)에 평행으로서 이 주표면(S1)으로부터 상방으로 소정 거리 격리한 설치표면(S2)을 가지며, 주표면(S1)과 설치표면(S2)은 그 경계에서 단차를 형성한다.

진동자(102)는 그 일단에 고정부(1)를 가지고, 고정부(1)는 지지대(101)의 설치표면(S2) 에 접착제 등으로 고정되어 있다. 진동자(102)는 이 고정부(1), 지지대(101)와 소정 간격을 유지하면서 설치표면(S2)으로부터 주표면(S1)을 향하는 방향으로 고정부(1)로부터 연장되는 지지봉(2), 지지봉(2)에 의해서 지지된 기체(3), 기체(3)로부터 고정부(1)에 대하여 떨어지는 방향으로 연장된 한 쌍의 여진용 진동편(4, 5) 및 기체(3)로부터 고정부(1)에 접근하는 방향으로 연장된 한 쌍의 검출용 진동편(6, 7)으로 구성된다.

또한, 고정부(1), 지지봉(2), 기체(3) 및 진동편(4∼7)은 일체의 압전성 결정부재 및 이 압전성 결정부재에 설치된 복수의 전극으로 구성된다. 본 실시의 형태와 관계되는 압전성 결정부재의 재료는 수정이다.

또, 천연 수정은 일반적으로 기둥상 결정이고, 이 기둥상결정의 세로 방향의 중심축은 Z축 또는 광축으로 규정되며, Z축을 통하여, 기둥상 결정의 각 표면에 수직으로 교차하는 선은 Y 축 또는 기계축으로 규정된다. 또한, Z축을 통하고, 이 기둥상 결정의 세로방향의 능선과 직교하는 선은 X축 또는 전기축으로 규정된다. 본 진동자(102)에 사용되는 수정은 인공 수정이지만, 그 구조는 천연 수정과 동일하므로, 설명에 있어서, 각각의 축의 방향은 상기 규정에 따른다. 즉, 진동자(102)의 두께 방향을 Z축으로 규정하고, 이 Z축과 직교하여, 상호 수직인 축을 각각 X축 및 Y축으로 규정한다.

이하, 이 규정에 근거하여, 진동자(102)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

고정부(1)는 설치대(101)의 설치표면(S2)에 고정되는 하면을 가진다. 하면은 그 긴쪽 방향이 X축을 따라서 내려오고, X축 및 Y 축에 의해서 각변(1)이 규정되는 장방형 형상을 가지고 있다. 하면에 대항하는 상면도 하면과 거의 동일 형상이다. 또, 상면과 하면의 사이에 위치하는 고정부(1)의 외표면을 고정부(1)의 측면으로 규정한다. 지지봉(2)의 일단은 고정부(1)의 일측면에 연속하여, 고정부(1)로부터 Y축을 따라서 연장되고 있다. 기체(3)는 지지봉(2)의 하단에 연속하고, X축을 따라서 연장되고 있다.

도 2는 도 1 에 나타낸 진동자(102)를 A-A선 화살표의 방향에서 본 진동자(102)의 단면도이다.

제 1 여진용 진동편(4)은 기체(베이스 ; 3)의 일단으로부터 Y축을 따라서 고정부(1)로부터 떨어지는 방향으로 연장되고, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 압전성 결정부(4p)와, 압전성 결정부(4p)의 각 측면에 고정된 상면 전극(4u), 하면 전극(4s), 우측면 전극(4m) 및 좌측면 전극(4h)으로써 구성된다.

압전성 결정부(4p)의 Y축에 수직인 단면은 사변에 의해서 규정되는 개략 장방형이다. 또, 설명에 있어서, 개략 장방형이란, 수학상으로 규정되는 엄밀한 장방형을 의미하지 않고, 압전성 결정부(4p) 제조시의 에칭에 기인하여 정확한 장방형이 형성될 수 없는 경우, 예를 들면, 사방중의 일변에 굴곡하여 오각형이 된 것도 개략 사각형으로 규정한다. 압전성 결정부(4p)는 이들 사방을 각각 포함하며, Y축에 평행한 사측면을 가진다. 이들 압전성 결정부(4p)의 측면중, 하면은 지지대(101)의 주표면(S1)에 공간을 통해 대향하며, 상면은 압전성 결정부(4p)의 하면에 대향한다. 또한, 압전성 결정부(4p)의 나머지의 이측면은 상면 및 하면에 수직이고 상호 대향하고 있다. 이들 이측면중, 진동편(4)의 선단 방향으로부터 보았을 때에 우측에 위치하는 것을 우측면, 좌측에 위치하는 것을 좌측면이라고 규정한다.

상면전극(4u)은 압전성 결정부(4p)의 상면에만 형성되고, 기체(3)와 이 진동편(4)의 경계 부근에서 진동편(4)의 선단방향으로 연장되고 있다. 하면 전극(4s)는 압전성 결정부(4p)의 하면에만 형성되고, 기체(3)와 이 진동편(4)의 경계 부근에서 진동편(4)의 선단방향으로 연장되고 있다. 우측면 전극(4m)은 압전성 결정부(4p)의 우측면에 일부를 덮고 있다.

우측면 전극(4m)은 상면 전극(4u)과 일정한 간격을 유지하면서, 이 상면 전극(4u)의 긴쪽 방향을 따라서, 기체(3)와 진동편(4)과의 경계부근에서 진동편(4)의 선단방향으로 연장되고 있고, 상면 전극(4u)와 물리적으로 분리되어 있다. 좌측면 전극(4h)은 압전성 결정부(4p)의 좌측면의 일부를 덮고 있다.

좌측면 전극(4h)도, 상면 전극(4u)과 일정한 간격을 유지하면서, 이 상면 전극(4u)의 긴쪽 방향을 따라서, 기체(3)와 진동편(4)의 경계 부근에서 진동편(4)의 선단방향으로 연장되고 있고, 상면 전극(4u)와 물리적으로 분리되어 있다. 또한, 좌우측면의 전극(4h, 4m)은 각각, 하면 전극(4s)과도 일정한 간격을 유지하여, 물리적으로 분리하고 있다.

이들 전극(4u, 4s, 4m, 4h)은 압전성 결정부(4p)의 전체 표면을 덮는 전극을 형성한 후, 각 전극간의 영역의 전극을 제거하는 것만으로, 이들 전극을 물리적으로 분리할 수 있다. 즉, 이들 전극은 포토리소그래피 기술의 에칭 공정을 사용함으로써 분리할 수 있다. 또, 좌우측면의 전극(4h 및 4m)의 각각은 상하면 전극(4u, 4s)의 사이에 전압을 인가함으로써, 압전성 결정부(4p)의 중심을 통하는 YZ 평면에 대하여 수직이며 상호 역방향의 방향 전계 성분을 압전성 결정부(4p) 내에 발생시키도록 배치되어 있다.

제 2 여진용 진동편(5)은 기체(3)의 일단으로부터 Y축을 따라서 고정부(1)로부터 떨어지는 방향으로 연장되어 있고, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 압전성 결정부(5p)와, 압전성 결정부(5p)의 각 측면에 고정된 상면 전극(5u), 하면 전극(5s), 우측면 전극(5m) 및 좌측면 전극(5h)으로써 구성된다. 지지봉(2)의 중심선(CL)을 포함하는 YZ면과 제 2 여진용 진동편(5)의 사이의 최단거리는 이 면과 제 1 여진용 진동편(4)의 사이의 최단 거리와 같다. 즉, 여진용 진동편(4 및 5)은 지지봉(2)에 대하여 대칭인 위치에 배치되어 있다.

또, 제 2 여진용 진동편(5)은 제 1 여진용 진동편(4)과 동일한 구조를 가지기 때문에, 그 구조의 상세에 관해서는 설명을 생략한다.

다음에, 검출용 진동편(6 및 7)에 대하여 설명한다.

도 3은 도 1에 나타낸 진동자(102)를 B-B 선 화살표의 방향에서 본 진동자(102)의 단면도이다.

제 1 검출용 진동편(6)은 기체(3)의 일단으로부터 Y축을 따라서 고정부(1)에 접근하는 방향으로 연장되어 있고, 도 1 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 압전성 결정부(6p)와, 압전성 결정부(6p)의 각 각부를 덮는 우상전단(6a) 우하전극(6b), 좌상전극(6c) 및 좌하전극(6d)으로써 구성된다. 제 1 검출용 진동편(6)의 긴쪽 방향은 제1 여진용 진동편(4)의 긴쪽 방향에 일치하고 있고, 또한, 이들 진동편(6) 및 4은 적어도 Z축 방향의 진동이 전달되도록 그 형상 및 중량 등이 조정되어 있다.

압전성 결정부(6p)의 Y축에 수직인 단면은 사방에 의해서 규정되는 개략 장방형이다. 압전성 결정부(6p)는 이들 사방을 각각 포함하며, Y축에 평행한 사측면을 가지며, 압전성 결정부(6p)의 4개의 각부는 각각의 사측면이 교차함에 의하여 규정된다. 이들 압전성 결정부(6p)의 측면중 하면은 지지대(101)의 주표면(S1)에 공간을 통해 대향하며, 상면은 압전성 결정부(6p)의 하면에 대향한다. 또한, 압전성 결정부(6p)의 나머지의 이측면은 상면 및 하면에 수직이고 상호 대향하고 있다. 이들 이측면중, 진동편(4)의 선단 방향에서 보았을 때에 우측에 위치하는 것을 우측면, 좌측에 위치하는 것을 좌측면으로 규정한다.

우측상부 전극(6a)은 압전성 결정부(6p)의 상면과 우측면이 교차함에 의하여 규정되는 각부만을 덮고 있고, 우측하부 전극(6b)은 압전성 결정부(6p)의 하면과 우측면이 교차함으로써 규정되는 각부만을 덮고 있다. 또한, 좌측상부 전극(6c)은 압전성 결정부(6p)의 상면과 좌측면이 교차함으로써 규정되는 각부만을 덮고 있고, 좌측하부 전극(6d)는 압전성 결정부(6p)의 하면과 좌측면이 교차함으로써 규정되는 각부만을 덮고 있다. 각각의 전극(6a∼6d)은 상호 소정 간격을 유지하면서, 기체(3)와 이 진동편(6)의 경계 부근에서 진동편(6)의 선단방향으로 연장되어 있고, 상호 물리적으로 분리되어 있다.

도 4는 도 1에 도시한 진동편(6)을 C-C선 화살표의 방향에서 본 진동편(6)의 단면도이다.

진동편(6)의 질량이 변화하면, 진동편의 고유 진동수는 변화한다. 진동편(6)의 선단측의 전극의 질량 및 형상변화는 근원측의 그것보다도 진동편(6)의 고유 진동수에 대한 영향이 크다. 또한, 선단측에 작용하는 응력은 근원측의 그것보다도 작기 때문에, 진동편(6)의 선단측의 전극의 질량 및 형상변화는 검출감도로의 영향이 근원측과 비교하여 작다. 따라서, 고유 진동수조정을 위해, 도 1 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 진동편(6)의 중심위치보다도 선단측의 우측상부 전극(6a) 및 좌측상부 전극(6c)은 그 일부분이 트리밍에 의해 제거된 영역(TR)을 가진다. 바꾸어 말하면, 진동편(6)의 선단의 우측상부 전극(6a)과 좌측상부 전극(6c)의 사이의 간격은 진동편(6)의 근원측의 간격보다도 넓다. 또, 이러한 전극의 제거는 레이저 가공기를 사용하여 행할 수 있다.

제 2 검출용 진동편(7)은 기체(3)의 일단으로부터 Y축을 따라서 고정부(1)에 접근하는 방향으로 연장되어 있고, 도 1 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 압전성 결정부(7p)와, 압전성 결정부(7p)의 각 각부를 덮는 우측상부 전극(7a), 우측하부전극(7b), 좌측상부 전극(7c) 및 좌측하부 전극(7d)으로써 구성된다. 지지봉(2)의 중심선(CL)을 포함하는 YZ 면과 제 2 검출용 진동편(7)의 사이의 최단 거리는 이면과 제 1 검출용 진동편(6)의 사이의 최단 거리와 같다. 즉, 이들 검출용 진동편(6 및 7)은 여진용 진동편(4 및 5)과 같이, 지지봉(2)에 대하여 대칭인 위치에 배치되어 있다.

또, 제 2 검출용 진동편(7)은 이 진동편(7)의 선단측의 전극이 제 1 검출용 진동편(6)과 같이 제거되어 있지 않다. 이 점을 제외하고, 제 2 검출용 진동편(7)은 제 1 검출용 진동편(6)과 동일한 구조를 가지기 때문에, 그 구조의 상세에 관해서는 설명을 생략한다. 또한, 각 진동편(4, 7)이 안정하여 진동하도록, 진동자(102)는 내부의 압력이 대기압보다도 낮게 설정된 밀폐용기내에 배치되는 것이 바람직하다.

다음에, 진동자(102)의 여진 및 각속도의 검출에 대하여 설명한다.

먼저, 각 전극의 접속관계에 대하여 설명한다. 도 5는 각진동편(4, 7)의 전극(4u, 4s, 4m, 4h, 5u, 5s, 5m, 5h, 6a, 6d, 7a∼7d)의 접속관계 및 이들 전극에 전기적으로 접속된 처리회로(103)를 나타낸다.

여진용 진동편(4)의 상하면 전극(4u, 4s) 및 여진용 진동편(5)의 좌우면 전극(5h, 5m)은 배선(W1)을 통해 단자(T1)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 여진용 진동편(4)의 좌우면 전극(4h, 4m) 및 여진용 진동편(5)의 상하면 전극(5u, 5s)은 배선(W2)을 통해 단자(T2)에 전기적으로 접속되어 있다.

또한, 검출용 진동편(6)의 우측상부 전극(6a), 좌측하부 전극(6d) 및 검출용 진동편(7)의 우측하부 전극(7b), 좌측상부 전극(7c)은 배선(W3)을 통해 단자(T3)에 접속되어 있다. 검출용 진동편(6)의 우측하부 전극(6b), 좌측상부 전극(6c) 및 검출용 진동편(7)의 우측상부 전극(7a), 좌측하부 전극(7d)은 배선(W4)을 통해 단자(T4)에 접속되어 있다. 또, 이들 배선(W1, W4)은 포토리소그래피 기술을 사용하여, 도 1 에 도시하는 진동자(102)의 지지봉(2)상의 영역을 통하여 고정부(1)에 이르도록 형성하는 것이 바람직하다.

다음에, 여진용 진동편(4 및 5)의 여진에 대하여 설명한다. 또, 도6은 처리회로(103)의 각 절점에서의 전압 파형을 나타내는 타이밍차트이다. 도 6의 (a)∼(r)는 각각, 도 5의 결점 A∼R의 전압 파형을 나타낸다. 이하, 도 6을 적당히 참조하면서 설명한다.

처리회로(회로)(103)는 단자(T2)에 주기적으로 변동하는 전위를 주는 여진 구동회로(여진수단)(103a), 단자(T1)로부터의 전류신호를 전압신호로 변환하는 전류전압 변환회로(전위 일정화 수단, 2x), 단자(T3, T4)로부터의 전류신호를 각각 전압신호로 변환하는 챠지 앰프(10x, 11x), 이들 챠지 앰프(10x, 11x)로부터 출력된 전압신호의 차분을 출력하는 차동증폭회로(12x) 및 차동증폭회로(12x)로부터 출력된 전압신호를 검출하는 검출회로(검출수단, 103b)로 이루어진다.

여진구동회로(103a)는 비교기(1x), 반전 증폭회로(3x,4x), 콘덴서(C31), 비교기(5x), 반전 증폭회로(6x), 인버터(7x), 반전 증폭회로(8x) 및 적분회로(9x)로 구성된다.

비교기(1x)는 반전 입력단자 및 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프로 구성되고, 비반전 입력단자는 소정의 전압레벨 2.5V에 고정되어 있다. 비교기(1x)는 이 전압레벨보다도 낮은 전압신호가 입력되었을 때에는 하이 레벨의 전압신호를 출력하고, 소정의 전압레벨보다도 높은 전압신호가 입력되었을 때에는 로우레벨의 전압신호를 출력한다.

비교기(1x)의 반전 입력단자에는 도 6(e)에 도시하는 2.5V를 진폭중심으로 하는 정현파 전압(V_E)이 입력되므로, 비교기(1x)에서는 이 정현파 전압(V_E)에 동기한 방형파 전압(V_A)이 출력된다. 도 6(a)는 방형파 전압(V_A)의 파형을 나타낸다. 즉, 비교기(1x)는 입력된 교류 전압에 동기한 소정의 주기로 변동하는 전위를 단자(T2)에 인가한다. 따라서, 여진용 진동편(4)의 좌우면 전극(4h, 4m) 및 여진용 진동편(5)의 상하면 전극(5u, 5s)에는 소정의 반복 주기로 변동하는 전위가 주어진다. 또, 방형파 전압(V_A)의 파고치는 A_H이다. 이 방형파 전압(V_A)의 파고치(A_H)는 소자(5x∼9x)로써 구성되는 진폭 일정 회로에 의해서 일정하게 되도록 귀환 제어된다. 여기에서, 파고치(A_H)는 2.5V이상에 설정된다.

전류전압 변환회로(2x)는 반전 입력단자(21), 비반전 입력단자(22) 및 절점(B)으로 나타나는 출력단자를 가지는 오버 앰프(A2)와, 반전 입력단자(21)와 출력단자(B)의 사이에 접속된 귀환저항(R2)과, 저항(R2)에 병렬 접속된 콘덴서(C2)로써 구성된다. 오버 앰프(A2)의 반전 입력단자(21)는 단자(T1)에 접속되어 있고, 비반전 입력단자(22)의 전위는 2.5V에 고정되어 있다. 반전 입력단자(21)와 비반전 입력단자(22)는, 이미지날 쇼트의 상태에 있고, 따라서, 반전 입력단자(21)의 전위는 비반전 입력단자(22)의 전위와 같다. 비반전 입력단자(22)의 전위는 2.5V에 고정되어 있기 때문에, 반전 입력단자(21)의 전위는 2.5V이다.

여진용 진동편(4)의 상하면 전극(4u, 4s) 및 여진용 진동편(5)의 좌우면 전극(5h, 5m)은 단자(T1)를 통해 오버 앰프(2)의 반전 입력단자(21)에 접속되어 있다. 따라서, 이들 전극군(4u, 4s, 5h, 5m)의 전위는 2.5V에 고정된다. 한편, 여진용 진동편(4 및 5)의 전극군(4h, 4m, 5u, 5s)에는 단자(T2)를 통해 비교기(1x)에서 방형파 전압(V_A), 즉, 2.5V에 대하여 상하로 변동하는 전위가 주어진다. 따라서, 전극군(4u, 4s, 5h, 5m)과 전극군(4h, 4m, 5u, 5s)의 사이에는 방형파 전압(V_A)과 2.5V의 사이의 전압, 즉, 2.5V에 대하여 전위가 상하로 변동하는 방형파 전압(V_A)이 인가된다. 바꾸어 말하면, 여진수단(103a)은 소정의 주기로 변동하는 전위를 전극군(4h, 4m, 5u, 5s)에 주고, 전위 일정화 수단(2x)은 전극군(4u, 4s, 5h, 5m)의 전위를 소정치에 고정한다.

전극군(4u, 4s, 5h, 5m)과 전극군(4h, 4m, 5u, 5s) 의 사이에 방형파 전압(V_A)이 인가되면, 역압전 효과에 의하여 여진용 진동편(4 및 5)은 도 1 의 화살표(V1 및 V2)에 나타낸 바와 같이, X축을 따라서 상호 역방향으로 굴곡한다. 굴곡에 따라 여진용 진동편(4 및 5)의 측면 중심 영역에 유기된 전하(Q1)는 전류전압변환회로(2x)에 의해서 전압신호로 변환된다. 즉, 전극군(4u, 4s, 5h, 5m)에서 반전 입력단자(21)로 흘러 들어 오는 전류는 이 저항(R2)을 통해 출력단자(B)로 흐르기 때문에, 이 전류는 저항(R2) 및 콘덴서(C2)에 의해 생긴 전압강하에 의해서 전류전압 변환된다.

시각(t)에서의 전하를 Q₁(t)로 하면, 전류전압 변환회로(2x)로부터 출력되는 전압(V_B)은 이하의 식에서 주어진다. 또, 교류전압(V_B)의 파형을 도 6(b)에 도시한다.

[수학식 1]

V_B= jωQ₁(t)·R2/(1+jωC2·R2) … (식1)

단, j는 허수단위, ω는 각주파수, R2 는 저항(R2)의 저항값, C2는 콘덴서(C2)의 용량이다. 여기에서, 용량C2=0이면, V_B의 위상은 Q₁(t)에 대하여 90°지연되고, 진폭은 저항값(R2)에 비례한다. 또, 전류전압 변환회로(2x)를 구성하는 배선간에는 1pF 이상의 부유 용량이 있다.

본 실시의 양태와 관계되는 전류전압 변환회로(2x)에서는 이 부유용량을 무시하고, 용량(C2=10pF)으로 한다. 또한, 여진용 진동편(4 및 5)의 X축 방향의 고유 진동수를 8500Hz으로 하고, 비교기(1x)로부터 출력되는 방형파 전압(V_A)의 반복 주파수는 이것에 일치하는 것으로 한다.

도 7은 저항값(R2)과 전압(V_B)의 위상의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 7로부터 명백한 바와 같이, 저항값(R2)이 10kΩ 이하일 때, 위상은 약 90°(적어도 89°이상)가 된다.

전류전압 변환회로(2x)로부터 출력된 전압신호는 반전 증폭회로(3x)에 입력된다. 반전 증폭회로(3x)는 반전 입력단자, 비반전 입력단자 및 절점(C)에서 나타나는 출력단자를 가지는 오버 앰프(A3)와, 반전 입력단자와 절점(B)의 사이에 접속된 저항(R31)과, 반전 입력단자와 출력단자(C)의 사이에 접속된 저항(R32)과, 저항(R32)에 병렬 접속된 콘덴서(C3)로써 구성된다. 또, 오버 앰프(A3)의 비반전 입력 단자의 전위는 2.5V에 고정되어 있다. 전류전압 변환회로(2x)에서는 90°위상이 지연된 정형파 전압(V_B)이 출력되어 있기 때문에, 반전 증폭회로(3x)에 이 전압(V_B)이 입력되면, 반전 증폭회로(3x)에서는 전압(V_B)에 대하여 위상이 반전한 정현파 전압(V_C)이 출력된다. 또, 교류전압(V_C)의 파형을 도 6(c)에 도시한다.

반전 증폭회로(3x)의 출력전압(V_C)은 콘덴서(C31)를 통해 절점(D)에 입력된다. 콘덴서(C31)는 교류전압(V_C)의 오프세트 성분을 제거한다. 절점(D)에서의 교류전압(V_D)의 파형을 도 6(d)에 나타낸다. 또, 교류전압(V_D)의 진폭은 V_C의 진폭과 동일하다. 처리회로(103)를 구성하는 각 오버 앰프에는 도시하지 않는 스위치를 통해 도시하지 않는 5V전원으로부터 전압이 공급되어 있다. 이 스위치를 투입하면 처리회로(103)는 동작하지만, 스위치의 투입시의 과도 현상에 의해 상기 오프세트성분이 증대하여, 비교기(1x)의 출력이 하이 레벨 또는 로우 레벨에 고정된다. 본 처리회로(103)에서는 콘덴서(C31)가 이 오프세트 성분을 제거하므로, 이러한 출력 고정 현상을 방지할 수 있다.

절점(D)에는 비교기(5x), 반전 증폭회로(6x), 인버터(7x), 반전 증폭회로(8x) 및 적분회로(9x)로 구성되는 진폭일정회로와, 반전 증폭회로(4x)가 접속되어 있다. 비교기(5x)는 절점(D)에 접속된 비반전 입력단자 및 2.5V로 전위가 고정된 반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A5)를 포함한다. 비교기(5x)는 2.5V 보다도 높은 전압신호가 입력되었을때에는 하이 레벨의 전압신호를 출력하고, 2.5V보다도 낮은 전압신호가 입력되었을때에는 로우 레벨의 전압신호를 출력한다. 비교기(5x)의 출력단자에는 인버터(7X)를 통해 스위치(S1)이 접속되어 있다. 스위치(S1)는 하이 레벨의 전압신호가 입력되었을 때에 통전하여, 로우 레벨의 전압신호가 입력되었을 때 절단된다. 이러한 스위치(S1)는 예를 들면, 그 게이트에 인가되는 전압에 의하여 통전/절단제어를 행하는 전계효과 트랜지스터를 사용한다. 절점(D)으로부터 출력된 정현파 전압이 2.5V보다 낮을 때, 비교기(5x)는 로우 레벨의 전압신호를 출력하므로, 인버터(7x)에서는 하이 레벨의 전압신호가 출력된다. 스위치(S1)에 하이 레벨의 전압신호가 입력되면, 이 스위치(S1)는 통전하여, 절점(D)의 전압신호(V_D)가 그대로 스위치(S1)를 통과한다.

반전 증폭회로(6x)는 저항(R61)과, 저항(R61)을 통해 절점(D)에 접속된 반전 입력단자 및 전위가 2.5V에 고정된 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A6)와, 오버 앰프(A6)의 반전 입력단자와 출력단자의 사이에 접속된 저항(R62)을 가진다. 절점(D)에서 반전 증폭회로(6x)에 정현판 전압(V_D)이 입력되면, 반전 증폭회로(6x)는 그 위상을 반전시켜서 출력한다. 반전 증폭회로(6x)의 출력단자에는 스위치(S1)와 동일 구조의 스위치(S2)가 접속되어 있다. 절점(D)으로부터 출력된 정현파 전압이 2.5V보다 높을 때, 비교기(5x)는 하이 레벨의 전압신호를 출력하기 때문에 인버터(7x)에서는 로우 레벨의 전압신호가 출력되고, 스위치(S1)는 절단된다. 이때, 스위치(S2)는 하이 레벨의 전압신호가 입력되므로, 스위치(S2)는 통전하고, 전압신호(V_D)의 위상이 반전한 전압신호가 스위치(S2)를 통과한다. 따라서, 스위치(S1, S2)를 통과한 전압신호는 각각, 저항(R81, R82)을 통과하여 절점(F)에서 합성되고, 정현파 전압(V_D)은 전파정류된다.

절점(F)에는 반전 증폭회로(8x)가 접속되어 있다. 반전 증폭회로(8x)는 절점(F)에 접속된 반전 입력단자 및 전위가 2.5V에 고정된 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A8)와, 오버 앰프(A8)의 반전 입력단자와 절점(G)으로 나타나는 출력단자간에 접속된 저항(R83)을 구비한다. 절점(F)의 전위는 이미지날 쇼트에 의해 2.5V이고, 이 전압(V_F)의 파형을 도 6(f)에 도시한다. 반전 증폭회로(8x)는 입력된 전압신호의 위상을 반전시켜서 출력한다. 따라서, 절점(G)에서는 전파정류된 정현파 전압(V_D)의 위상이 반전한 전압신호(V_C)가 출력된다. 이 전압(V_C)의 파형을 도 6(g)에 도시한다.

절점(G)에는 적분회로(9x)가 접속되어 있다. 적분회로(9x) 는 절점(G)에 접속된 저항(R91)과, 절점(G)에 저항(R91)을 통해 접속된 반전 입력단자 및 저항(R93)을 통해 그랜드 및 5V전원에 접속된 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A9)와, 오버 앰프(A9)의 반전 입력단자와 절점(H)으로 나타나는 출력단자의 사이에 접속된 저항(R92)과, 저항(R92)에 병렬로 접속된 콘덴서(C9)를 구비한다. 오버 앰프(A9)의 비반전 입력단자의 전위(V₁)는 2.5V보다도 높게 설정된다. 전압(V_G)의 교류성분의 실효치(V_g)가, 이 전위V 보다도 클 때, 즉, 여진용 진동편(4 및 5)의 진동의 진폭이 크게 된 경우, 적분회로(9x)는 V₁와 V_g와의 차분에 비례한 전압분만 V₁보다도 작은 전압신호(V_H)를 출력한다. 이 때 비교적 작은 저항값을 가지는 풀업저항(R1)을 통해, 절점(H)에 접속된 비교기(1x)의 출력단자(A)의 전위(V_A)의 파고치(A_H)는 낮게된다. 또, 풀업저항(R1)은 발진조건에 영향을 주지 않으므로, 그 저항값을 낮게 함에 의해, 진폭의 큰 전압(V_A)을 진동편(4 및 5)에 인가할 수 있다.

비교기(1x)의 반전 입력단자는 반전 증폭회로(4x)의 출력단자에 접속되어 있다. 반전 증폭회로(4x)는 저항(R41)과, 절점(D)에서 저항(R41) 을 통해 정현파 전압(V_D)이 입력되는 반전 입력단자 및 전위가 2.5V가 고정된 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A4)와, 오버 앰프(A4)의 출력단자와 반전 입력단자의 사이에 접속된 저항(R42) 및 콘덴서(C4)를 구비한다. 절점(D)에서 반전 증폭회로(4x)에 정현파전압(V_D)이 입력되면, 반전 증폭회로(4x)는 전압(V_D)의 위상이 반전한 정현파 전압(V_E)을 출력한다. 상술한 바와 같이, 비교기(1x)는 이 정형파 전압(V_E)에 동기한 방형파 전압(V_A)을 출력한다.

여진용 진동편(4 및 5)의 진동의 진폭은 파고치(A_H)에 거의 비례한다. 여진용 진동편(4 및 5)의 진동의 진폭이 커진 경우, 비교기(1x)의 출력단자(A)에서의 출력전압의 파고치(A_H)낮아진다. 따라서, 진동편(4 및 5)의 진동의 진폭이 커진 경우, 진동편(4 및 5)은 그 진폭이 작아지도록 귀환 제어된다. 마찬가지로, 여진용 진동편(4 및 5)의 진동의 진폭이 작게 된 경우, 비교기(1x)의 출력단자(A)의 파고치(A_H)는 높게 되며, 진동편(4 및 5)는 그 진폭이 커지ㅏ도록 귀환 제어된다.

이상과 같이, 전류전압 변환회로(2x) 및 여진구동 회로(103a)로 구성되는 회로에 의해, 여진용 진동편(4 및 5)은 안정하게 진동한다. 또, 방형파 전압(V_A)은 실제의 여진을 대표하는 전하로부터 생성되어 있으므로, 압전성 결정부(4p 및 5p)가 온도 등에 의해서 변화하더라도, 방형파 전압(V_A)은 이 변화에 따를 수 있다. 또 전압(V_A)의 파형은 정현파라도 되지만, 방형파라면 진동편(4 및 5)을 1차의 진동모드로 진동시킬 수 있다. 즉, 처리회로(103)의 전원을 투입하면, 전압(V_A)의 노이즈 성분으로부터 진동이 시작된다. 이 때, 높은 주파수로서는 임피던스가 낮기 때문에, 진동편(4 및 5)은 높은 주파수로 발진하기 쉽고, 따라서, 진동편(4 및 5)은 고차진동 모드로 발진하기 쉽다. V_A가 방형파 전압이 아닌 경우, 고차진동 모드로 진동편(4 및 5)이 발진하고, 진동편(4 및 5)의 진동이 Q 값이 높은 1차 진동 모드에 의해서 진동하기 쉬운데도 불구하고, 고차모드로 발진할 가능성이 있다. 방형파를 푸리에 급수 전개하면, 기본파에 복수의 고조파가 중첩된 것이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 진동편(4 및 5)은 방형파 전압의 고차고조파 성분에 유발되어 진동을 시작하지만, 그 진동모드는 기본파 성분과 고차 고조파의 사이의 고조파 성분에 대응하는 진동모드를 통해 가장 진도하기 쉬운 1차 모드로 이행할 수 있다.

다음에, 각속도의 검출에 대하여 설명한다. 여진용 진동편(4 및 5)이 속도(V)에서 X 축 방향을 따라서 진동하고 있는 상태에서, 도 1의 화살표(Ω)로 나타내는 방향으로 진동자(102)가 회전되면, 여진용 진동편(4 및 5)에는 Z 축방향을 따라서 V×Ω 에 비례한 코리올리의 힘이 작용하며, 여진용 진동편(4 및 5)은 각각 Z축을 따른 방향으로도 진동한다.

한편, 검출용 진동편(6 및 7)은 각각 여진용 진동편(4 및 5)에 Z축 방향의 진동이 전달될 정도로 기계적으로 결합하고 있기 때문에, 여진용 진동편( 4 및 5)의 Z 축 방향의 진동에 따라 검출용 진동편(6 및 7) 이 Z축을 따라서 진동한다. 또, 도 1의 화살표(V3 및 V4)로 나타낸 바와 같이, 검출용 진동편(6 및 7)은 상호 역위상, 즉, 진동중의 임의의 시간에 있어서의 각 진동편(6 및 7)의 Z 축 방향의 속도 벡터가 상호 반대 방향이 되도록 진동한다.

검출용 진동편(6 및 7)이 코리올리의 힘에 기인하여 Z 축 방향으로 굴곡하여 진동하면, 압전 효과에 의해, 도 5에 도시하는 검출용 진동편(6, 7)의 압전성 결정부(6p, 7p)의 모든 각부에 전하가 발생한다. 이들 전하는 각부를 덮는 전극(6a∼6d 및 7a, 7d)에 의해서 효율적으로 검지된다.

상술한 바와 같이, 검출용 진동편(6 및 7)의 전극군(6a, 6d, 7b, 7c) 및 전극군(6b, 6c, 7a, 7d)은 각각, 단자(T3 및 T4)를 통해 챠지 앰프(10x 및 11x)에 접속되어 있다.

챠지 앰프(10x)는 단자(T3)에 접속된 반전 입력단자 및 전위가 2.5V에 고정된 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A10)와, 반전 입력단자와 절점(I)으로 나타나는 출력단자의 사이에 접속된 저항(R10)과, 저항(R10)에 병렬접속된 콘덴서(C10)로써 구성된다. 오버 앰프(A10)의 반전 입력단자는 단자(T3)에 접속되어 있고, 비반전 입력단자의 전위는 2.5V에 고정되어 있다.

챠지 앰프(11x)의 구조는 챠지 앰프(10x)의 구조와 동일하다. 챠지 앰프(11x)는 단자(T4)에 접속된 반전 입력단자 및 전위가 2.5V에 고정된 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A11)과, 반전 입력단자와 절점(J)로 나타나는 출력단자의 사이에 접속된 저항(R11), 저항(R11)에 병렬접속된 콘덴서(C11)로써 구성된다. 오버 앰프(A11)의 반전 입력단자는 단자(T4)에 접속되어 있고, 비반전 입력단자의 전위는 2.5V에 고정되어 있다.

검출용 진동편(6, 7)의 코리올리의 힘에 기인하여 Z 축 방향으로 진동함에 의해 그 압전성 결정부(6p, 7p)의 각부에 발생한 전하(Q2)는 이들 챠지 앰프(10x 및 11x)에 의해서 전압신호로 변환된다.

시각(t)에서의 전하를 Q₂(t)로 하면, 챠지 앰프(10x)로부터 출력되는 전압(V_I)은 이하의 식에서 주어진다. 또, 교류전압(V_I)의 파형을 도 6(i)에 나타낸다.

[수학식 2]

V_I= jωQ₂(t)·R2/(1+jωC10·R10) … (식2)

단지, R10은 저항(R10)의 저항값, C10은 콘덴서(C10)의 용량이다. 여기에서, 저항값R10=무한대이면, 식2는 이하의 식에서 주어진다.

[수학식 3]

V_I= Q₂(t)/C10

즉, 저항값R10=무한대이면, 전압V_I의 위상은 Q₂(t)와 일치한다. 또, 챠지 앰프(10x)가 구성되는 기판의 절연저항은 매우 크지만, 이 절연저항은 온도 등에 의해 변동한다. 이 변동의 영향을 작게 하기 위해서는 R10의 값은 작게 할 필요가 있지만, 저항값이 0인 경우는 오버 앰프(A10)의 입력단자의 전위가 불안정하게 된다. 따라서, 저항값(R10)은 가능한 한 높은 쪽이 좋으며, 30MΩ 정도가 적당하다. 따라서, 본실시의 양태와 관계되는 챠지 앰프(10x)에서는 예를 들면, 저항값R10=30MΩ으로 한다. 또한, 검출용 진동편(6 및 7)의 Z 축 방향의 고유 진동수를 8500Hz 로 한다. 본 실시예에서는 X 축 방향의 고유 진동수와 Z축 방향의 고유 진동수를 일치시키고 있지만, 이것은, 다르게 하더라도 좋다. 또, 챠지 앰프(10x 및 11x)의 저항 및 콘덴서(R10, C10, R11, C11)는 로퍼스필터로써도 기능하기 때문에 이들 앰프(10x 및 11x) 에 입력되는 신호의 고주파 노이즈 성분을 제거할 수 있다.

도 8은 용량(C10)과 전압(V_I)의 위상과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 8로부터 명백한 바와 같이, 용량(C10)이 70pF이상일 때, 위상은 약 0°(적어도 0.5이하)가 된다. 또, 챠지 앰프(10x)로 부터 출력되는 교류전압(V_I)의 진폭 중심은 저항값(R10)이 높으므로, 2.5V보다도 낮아진다. 또한, 챠지 앰프(11x)의 구조는 챠지 앰프(10x)의 구조와 동일하기 때문에, V_I의 위상만이 반전한 전압신호(V_J)가 출력된다. 교류전압(V_J)의 파형을 도 6(j)에 나타낸다.

코리올리의 힘의 크기는 여진용 진동편(4 및 5)의 진동의 속도에 거의 비례한다. 여진용 진동편(4 및 5)의 중립위치에서, 그 진동의 속도는 최대가 된다. 따라서, 여진용 진동편(4 및 5)의 진동의 속도가 최대로 되었을 때, 검출용 진동편(6 및 7)에는 가장 큰 코리올리의 힘에 의한 진동이 전달되며, 검출용 진동편(6 및 7)의 진동의 진폭은 최대가 된다. 즉, 여진용 진동편(4 및 5)이 중립위치에 있을 때, 검출용 진동편(6 및 7)은 그 중립위치에 가장 변위한다. 바꾸어 말하면, 여진용 진동편( 4 및 5)에 있어서 발생하는 전하 Q₁(t)의 위상은 코리오리의 힘에 근거하여 검출용 진동편(6 및 7)에 발생하는 전하 Q₂(t)의 위상고 90°어긋나 있다. 한편, 여진측의 전류전압 변환회로(2x)에서는 전하(Q₁)에 대하여 90°의 위상변환을 행하여, 검출측의 챠지 앰프(10x)에서는 전하(Q₂)에 대하여 위상변환을 행하지 않기 때문에,이들로부터 출력된 전압(V_B및 V_I)의 위상차는 180°이다. 또한, 전압(V_B)는 반전 증폭회로(3x)에 의해서 그 위상이 반전되고 있기 때문에, 반전 증폭회로(3x)의 출력전압(V_C)의 위상은 챠지 앰프(10x)의 출력전압(V_I)의 위상에 일치한다. 또, 검출용 진동편(6 및 7)은 X축 방향의 진동성분을 포함하지만, 각 전극(6a∼6d, 7a∼7d)은 X축 방향의 진동에 의해서 발생한 전하의 극성이 반대가 되도록 단자(T3 및 T4)에 접속되어 있기 때문에, X축 방향의 진동성분은 상쇄된다.

챠지 앰프(10x 및 11x)의 출력단자에는 저항(R120 및 R121)을 통해 차동증폭회로(12x)가 접속되어 있다. 차동증폭회로(12x)는 저항(R120)에 접속된 비반전 입력단자 및 저항(R121)에 접속된 반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A12)와, 오버 앰프(A12)의 반전 입력단자와 출력단자간에 접속된 저항(R12)을 구비한다. 또, 비반전 입력단자는 저항(R122)을 통해 2.5V의 전원에 접속되어 있다. 차동증폭회로(12x)는 입력된 전압신호(V_I및 V_J)의 차분을 출력한다. 전압신호(V_I및 V_J)는 위상이 반전하고 있기 때문에, 차동 증폭회로(12x)로 부터는 전압신호(V_I)와 위상이 같고 진폭이 증폭된 교류 전압 신호(V_K)가 출력된다. 전압신호(V_I및 V_J)는 동시에 정현파 전압신호이므로, 전압(V_K)의 파형도 정현파이다. 전압(V_K)의 파형을 도 6(k)에 도시한다.

차동 증폭회로(12x)의 출력단자에는 비교기(13x), 인버터(113), 반전 증폭회로(14x), 스위치(S3, S4) 및 저항(R151, R152)으로 구성되는 동기 검파회로가 접속되어 있다. 반전 증폭회로 (14x)는 저항(R141)과, 저항(R141)을 통해 절점(K)에 접속된 반전 입력단자 및 전위가 2.5V에 고정된 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A14)와, 오버 앰프(A14)의 반전 입력단자와 출력단자의 사이에 접속된 저항(R142)을 갖니다.

절점(K)으로부터 반전 증폭회로(14x)에 정현파 전압(V_K)이 입력되면, 반전 증폭회로(14x)는 그 위상을 반전시켜서 출력한다. 반전 증폭회로(14x)로부터 출력되는 저압(V_L)의 파형을 도 6(1)에 나타낸다.

반전 증폭회로(14x)의 출력단자에는 스위치(S1)와 동일구조의 스위치(S4)가 접속되어 있다. 또, 스위치(S3)의 구조도 스위치(S4)와 동일하다. 절점(D)으로부터 출력된 정현파 전압이 2.5V보다도 높을 때, 비교기(13x)는 하이 레벨이 전압 신호(V_M)를 출력하므로, 인버터(113)로부터는 로우레벨의 전압신호(V_N)가 출력되며, 스위치(S3)는 절단된다. 비교기(13x) 및 인버터(113)로부터 출력되는 전압신호(V_M및 V_N)를 각각 도 6(m) 및 도 6(n)에 도시한다.

이 때, 스위치(S4)에는 하이 레벨의 전압신호가 입력되기 때문에, 스위치(S4)는 통전하고, 저압신호(V_K)의 위상이 반전한 전압신호(V_L)가 스위치(S4)를 통과한다. 마찬가지로, 절점(D)으로부터 출력된 정현파 전압이 2.5V보다도 낮을 때에는 스위치(S4)가 절단되고,스위치(S3)가 통전하므로, 전압신호(V_K)는 그대로 스위치(S3)를 통과한다.

상술한 바와 같이, 여진측의 반전 증폭회로(3x)로부터 출력되는 전압신호(V_C)와 검출측의 차동 증폭회로(12x)로부터 출력되는 전압신호(V_K)의 위상은 일치하고 있기 때문에, 스위치(S3, S4)를 통과한 전압신호는 각각, 저항(R151, R152)을 통과하여 절점(O)에서 합성된다. 즉, 검출측의 차동 증폭회로(12x)로부터 출력된 전압신호(V_K)는 여진측의 반전 증폭회로(3x)로 부터 출력된 전압신호(V_C)에 동기한 방형파 전압신호(V_N)에서 동기 검파되고, 전압신호(V_K)의 위상이 반전한 전압신호(V_L)는 여진측의 반전 증폭회로(3x)로부터 출력된 전압신호(V_C)에 동기한 방현파 전압신호(V_M)에서 동기 검파된다. 환언하면, 정현파 전압(V_K)의 코리올리의 힘에 근거하여 발생한 전압성분은 전파정류된다. 또, 정현파 전압(V_K)중의 검출용 진동편(6 및 7)의 X 축 방향의 진동에 의한 전압 성분은 코리올리의 힘에 근거하여 발생한 전압성분과 위상이 90°어긋나고 있으므로, 이 동기 검파에 의해 그 적분치가 0이 된다.

절점(0)에는 반전 증폭회로(15x)가 접속되어 있다. 반전 증폭회로(15_X)는 절점(0)에 접속된 반전 입력단자 및 전위가 2.5V에 고정된 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A15)와, 오버 앰프(A15)의 반전 입력단자와 출력단자의 사이에 접속된 저항(R153)을 가진다. 절점(0)에서 나타나는 반전 증푹회로(15x)의 반전 입력단자의 전압은 이미지날 쇼트에 의해 2.5V에 고정된다. 절점(0)의 전압의 파형을 도 6(o)에 도시한다. 반전 증폭회로(15x)는 정현파 전압(V_K) 및 그 반전전압(V_L)을 동기 검파한 전압 신호의 위상을 반전시켜서 출력한다. 절점(P)에서 나타나는 반전 증폭회로(15x)의 출력단자의 전압(V_P)의 파형을 도 6(p)에 도시한다.

절점(P)로 나타나는 반전 증폭회로(15x)의 출력단자에는 적분회로(16x)가 접속되어 있다. 적분회로(16x)는 절점(P)에 접속된 저항(R161)과, 절점(P)에 저항(R161)을 통해 접속된 반전 입력단자 및 전위가 2.5V에 고정된 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A16)와, 오버 앰프(A16)의 반전 입력단자와 절점(Q) 에서 나타나는 출력단자와의 사이에 접속된 저항(R162)과, 저항(R162)에 병렬로 접속된 콘덴서(C16)를 구비한다. 적분회로(16x)는 절점(P) 으로부터 출력된 전압(V_P)의 교류성분의 실효치를 반전 증폭시켜서 출력한다. 적분회로(16x)의 직류출력전압(V_Q)의 파형을 도 6(q)에 도시한다. 또, 동기 검파회로에 의해, 검출용 진동편(6 및 7)의 X축 방향의 진동 성분에 근거하는 신호성분은 적분치가 0 이 되도록 되어 있기 때문에, 적분회로(16x)의 직류출력전압(V_Q)에서는 이 신호성분이 제거된다.

절점(Q)으로 나타나는 적분회로(16x)의 출력단자에는 증폭회로(17x)가 접속되어 있다. 증폭회로(17x)는 저항(R171) 과 저항(R171)을 통해 절점(Q)에 접속된 반전 입력단자 및 비반전 입력단자를 가지는 오버 앰프(A17)와, 오버 앰프(A17)의 반전 입력단자와 출력단자의 사이에 접속된 저항(R17)을 가진다. 또한, 증폭회로(17x)의 비반전 입력단자는 저항(R172)을 통해 2.5V의 전원에 접속되어 있고, 또한, 이 비반전 입력단자는 저항(R173) 및 가변저항(R174)을 통해 그랜드 및 5V의 전원에 접속되어 있다. 증폭회로(17x)의 출력단자의 전압(V_R)의 파형을 도 6(r)에 도시한다. 또, 증폭회로(17x)의 가변저항(R174)을 조정함으로써, 직류출력전압(V_R)의 오프세트를 조정할 수 있다.

직류출력전압(V_R)의 크기는 진동자(102)에 작용한 코리올리의 힘으 크기에 비레한다. 즉, 검출용 진동편(6 및 7)이 코리올리의 힘에 기인하여 Z축 방향으로 진동하면, 진동에 의한 변형에 비례하여 압전성 결정부(6p, 7p)에 전하가 발생한다. 바꾸어 말하면, 압전성 결정부(6p, 7p)가 코리올리의 힘에 의해서 변형됨으로써, 압전 효과에 근거하는 전위차가 전극군(6a,6d,7b,7c)과 전극군(6b,6c,7a,7d)의 사이에 발생한다. 차동 증폭회로(12)로부터는 이 전위차에 대응하는 교류전압(V_K)이 출력되고, 교류전압(V_K)의 코리올리의 힘에 근거하는 성분은 동기 검파회로에 의해서 전파 정류되며, 적분회로(16x) 에 의해서 전파 정류된 신호(V_P)의 교류 성분의 실효치에 비례한 전압신호(V_Q)가 출력되므로, 직류출력전압(V_R)을 검출하면, 진동자(102)에 작용한 코리올리의 힘을 검출할 수 있다. 상기 각속도 검출장치는 자동차등의 피검출체에 탑재되고, 코리올리의 힘은 피검출체의 각속도에 비례하여 작용하기 때문에, 본 각속도 검출장치에 의하면 피검출체의 각속도를 검출할 수 있다.

또, 상기 각속도 검출장치를 자동차 등의 피검출체에 탑재한 경우에는 반드시 피검출체의 회전 중심축이 지지봉(2)의 중심선(CL)과 일치한다고는 한정하지 않지만, 피검출체의 운동에 지지봉(2)의 중심선(CL)을 중심으로 하는 회전 성분이 포함되면, 피검출체의 각속도는 검출할 수 있다.

또한, 본 장치의 진동차(102)는 4개의 진동편(4∼7)을 사용하였지만, 이것은 2개의 진동편만을 사용하여, 각각의 진동편에 여진용의 전극 및 검출용의 전극을 배치해도 된다.

도 9는 이러한 진동자(102A)의 평면도이고, 도 10은 도 9의 A-A선 화살표 및 B-B선 화살표로 진동자(102A)를 잘랐을 때의 진동자(102A)의 단면 및 이것에 접속된 처리회로(103)를 나타낸다. 이하, 이 진동자(102A)를 사용한 각속도 검출장치에 대하여 설명하지만, 동일 요소에는 동일 부호를 사용하고 있으므로, 중복하는 설명은 생략한다.

진동자(102A)는 고정부(1A) 및 소정 간격 격리하여 고정부(1A)에서 평행하게 연장된 1쌍의 진동편(L1 및 R1)울 구비한다. 본 각속도 검출장치는 도 1 에 도시하였다. 진동자(102)를 진동자(102A)로써 바꿔 놓은 것이며, 진동자(102A) 의 고정부(1A)는 도 1의 설치대(101)의 설치표면(S2)에 고정된다. 이 진동자(102A)는 수정에 설치된 복수의 전극(4u,4s,4m,4h,5u,5s,5m,6a∼6d,7a∼7d)으로 이루어진다. 진동편(R1 및 L1)은 여진용의 전극(4u,4s,4m,4h,5u,5s,5m,5h)에, 처리회로(103)로부터 교류전압을 인가하면 이 진동편(R1 및 L1)은 X축 방향을 따라서 진동한다. 이때, Y축에 평행한 중심축을 가지는 회전이 진동자(102A)에 가해지면, 진동편(R1 및 L 1)에 코리올리의 힘이 작용하고, 진동편(R1 및 L1)은 Z 축 방향을 따라서 진동한다. 압전성 결정부(4p,5p)는 압전성 결정부(6p,7p)에 기계적으로 결합하고 있기 때문에, 이 Z축 방향의 진동은 압전성 결정부(4p,5p)에서 6p,7p로 전달되고, 압전성 결정부(6p,7p)는 Z축 방향을 따라서 변형된다. 따라서, 처리회로(103)는 검출용의 전극(6a∼6d, 7a∼7d)을 통해, 이 변형량을 검지하기 때문에, 진동자(102A)에 작용한 코리올리의 힘을 검출할 수 있다.

또한, 상기 진동자(102 및 102A)에서는 여진용의 압전성 결정부(4p,5p) 및 검출용의 압전성 결정부(6p,7p)는 다른 부분이지만, 이들은 동일부라도 된다. 바꾸어 말하면, 진동편의 Y축에 수직인 단일의 단면내에, 여진용의 전극 및 검출용의 전극을 배치해도 된다.

도 11은 이러한 진동자(102B)의 평면도이고, 도 12는 도 11의 A-A선 화살표로 진동자(102B)를 절단했을 때의 진동자(102B)의 단면 및 이것에 접속된 처리회로(103)를 나타낸다. 이하, 이 진동자(102B)를 사용한 각속도 검출장치에 대하여 설명하지만, 동일 요소에는 동일 부호를 사용하고 있으므로, 중복하는 설명은 생략한다.

진동자(102B)는 고정부(1B) 및 소정 간격 격리하여 고정부(1B)로부터 평행하게 연장된 1쌍의 진동편(L2 및 R2)을 구비한다. 본 각속도 검출장치는 도 1에 도시한 진동자(102)를 진동자(102B)로써 바꿔 놓은 것이며, 진동자(102B)의 고정부(1B)는 도 1의 설치대(101)의 설치표면(S2)에 고정된다.

진동편(R2)은 압전성 결정으로 이루어지는 압전성 결정부(4p)와, 압전성 결정부(4p)의 각 측면에 고정된 상면 전극(4a, 4d), 하면 전극(4c, 4f), 우측면 전극(4b) 및 좌측면 전극(4e)으로써 구성된다.

상면 전극(4a, 4d)은 각각, 압전성 결정부(4p)의 상면에만 상호 물리적으로 분리하여 형성되고, 고정부(1B)와 이 진동편(R2)의 경계 부근에서 진동편(R2)의 선단 방향으로 연장되어 있다. 하면 전극(4c, 4f)은 압전성 결정부(4p)의 하면에만 상호 물리적으로 분리하여 형성되며, 고정부(1B)와 이 진동편(R2)과의 경계부근에서 진동편(R2)의 선단방향으로 연장되고 있다. 우측면 전극(4b)은 압전성 결정부(4p)의 우측면의 일부를 덮고 있다.

우측면 전극(4b)은 우측에 위치하는 상면 전극(4a)과 일정한 간격을 유지하면서, 이 상면 전극(4a)의 긴쪽 방향을 따라서, 고정부(1B)와 진동편(R2)와의 경계 부근에서 진동편(R2)의 선단 방향으로 연장되고 있으며, 상면 전극(4a)과 물리적으로 분리되어 있다. ,좌측면 전극(4e)은 압전성 결정부(4p)의 좌측면의 일부를 덮고 있다.

좌측면 전극(4e)도, 좌측에 위치하는 상면 전극(4d)과 일정한 간격을 유지하면서, 이 상면 전극(4d)의 긴쪽 방향을 따라서, 고정부(1B)와 진동편(R2)과의 경계부근에서 진동편(R2)의 선단방향으로 연장되고 있고, 상면 전극(4d)과 물리적으로 분리하고 있다. 또한, 좌우측면의 전극(4b, 4e)은 각각 ,하면 전극(4c, 4f)과도 일정한 간격을 유지하여, 물리적으로 분리되어 있다.

이들 전극(4a∼4f)은 압전성 결정부(4p)의 전표면을 덮는 전극을 형성한 후, 각 전극간의 영역의 전극을 제거하는 것만으로, 이들 전극을 물리적으로 분리할 수 있다. 즉, 이들 전극(4a∼4f)은 포토리소그래피 기술의 에칭 공정을 사용함으로써 분리할 수 있다.

진동편(L2)은 압전성 결정으로 이루어지는 압전성 결정부(5p)와, 압전성 결정부(5p)의 각 측면에 고정된 상면 전극(5a, 5d), 하면 전극(5c, 5f), 우측면 전극(5b) 및 좌측면 전극(5e)으로써 구성된다. 진동편(L2)은 진동편(R2)과 동일한 구조를 가지기 때문에, 그 구조의 상세에 관해서는 설명을 생략한다.

진동편(R2 및 L2)은 여진용의 전극(4a∼4c, 5d∼5f)에, 처리회로(103)로부터 교류전압을 인가하면, 진동편(R1 및 L1)은 X축 방향을 따라서 진동한다. 이 때, Y축에 평행한 중심축을 가지는 회전이 진동자(102B)에 가해지면, 진동편(R2 및 L2)에 코리올리의 힘이 작용하고, 진동편(R2 및 L2)은 Z축 방향을 따라서 진동한다. 압전성 결정부(4p, 5p)는 Z축 방향을 따라서 변형된다. 따라서, 처리회로(103)는 검출용의 전극(4d∼4f, 5a∼5c)을 통해, 이 변형량을 감지하기 때문에, 진동자(102B)에 작용한 코리올리의 힘을 검출할 수 있다. 본 장치에서는 압전성 결정부(4p, 5p)의 Y 축에 수직인 단일의 단면내에, 여진 및 검출용의 전극이 설치되어 있으므로, 전극수를 줄일 수 있다.

또한, 다음과 같이 여진용의 전극 및 검출용의 전극을 배치해도 된다.

도 13은 이러한 진동자(102C)의 평면도이고, 도 14는 도 13의 A-A선 화살표로 진동자(102C)를 잘랐을 때의 진동자(102C)의 단면 및 이것에 접속된 처리회로(103)를 나타낸다. 이하, 이 진동자(102C)를 사용한 각속도 검출장치에 대하여 설명하지만, 동일 요소에는 동일 부호를 사용하고 있으므로, 중복되는 설명은 생략한다.

진동자(102C)는 고정부(1C) 및 소정 간격 격리하여 고정부(1C)에서 평행하게 연장된 1쌍의 진동편(L3 및 R3)을 구비한다. 본 각속도 검출장치는 도 1에 도시한 진동자(102)를 진동자(102q)로써 바꿔 놓은 것으로, 진동자(102C)의 고정부(1C)는 도 1의 설치대(101)의 설치표면(S2)에 고정된다.

진동편(R3)은 압전성 결정으로 이루어지는 압전성 결정부(4p)와, 압전성 결정부(4p)의 각 측면에 고정된 상면 전극(41), 하면 전극(42), 우측면 전극(43, 44) 및 좌측면 전극(45, 46)으로써 구성된다.

상면 전극(41)은 압전성 결정부(4p)의 상면에만 형성되고, 고정부(1C)와 이 진동편(R3)과의 경계 부근에서 진동편(R3)의 선단 방향으로 연장되어 있다. 하면 전극(42)은 압전성 결정부(4p)의 하면에만 형성되며, 고정부(1C)와 이 진동편(R3)과의 경계부근에서 진동편(R3)의 선단방향으로 연장되고 있다. 우측면 전극(43, 44)은 상호 물리적으로 분리되어 있고, 압전성 결정부(4p)의 우측면의 일부를 덮고 있다.

상측의 우측면 전극(43)은 상면 전극(41)과 일정한 간격을 유지하면서, 이위에 면 전극(41)의 긴쪽 방향을 따라서, 고정부(1C)와 진동편(R3)의 경계 부근에서 진동편(R3)의 선단 방향으로 연장되고 있고, 상면 전극(41)과 물리적으로 분리하고 있다. 좌측면 전극(45, 46)은 압전성 결정부(4p)의 좌측면의 일부를 덮고 있다.

상측의 좌측면 전극(45)도, 상면 전극(41)과 일정한 간격을 유지하면서, 이 상면 전극(41)의 긴쪽 방향을 따라서, 고정부(1C)와 진동편(R3)의 경계 부근에서 진동편(R3)의 선단 방향으로 연장되고 있고, 상면 전극(41)과 물리적으로 분리되어 있다. 좌측면 전극(45, 46)은 압전성 결정부(4p)의 좌측면의 일부를 덮고 있다.

상측의 좌측면 전극(45)도, 상면 전극(41)과 일정한 간격을 유지하면서, 이 상면 전극(41)의 긴쪽 방향을 따라서, 고정부(1C)와 진동편(R3)과의 경계부근에서 진동편(R3)의 선단 방향으로 연장되고 있고, 상면 전극(41)과 물리적으로 분리되어 있다. 또한, 하부측의 좌우측면의 전극(44, 46)은 각각, 하면 전극(43)과도 일정한 간격을 유지하여, 물리적으로 분리되어 있다.

진동편(L3)은 압전성 결정으로 이루어지는 압전성 결정부(5p)와, 압전성 결정부(5p)의 각 측면에 고정된 상면 전극(51), 하면 전극(52), 우측면 전극(53, 54) 및 좌측면 전극(55, 56)으로써 구성된다. 진동편(L3)은 진동편(R3)과 동일한 구조를 가지기 때문에, 그 구조의 상세세 관하여는 설명을 생략한다.

단자(T3 및 T4)는 도 5에 도시한 챠지 앰프(10x 및 11x)의 반전 입력단자에 접속되어 있고, 이미지날 쇼트에 의해, 이들 전위는 2.5V에 고정되어 있으므로, 단자(T2)를 통해 전극(51, 52)에 주기적으로 변동하는 전위를 주면, 전극군(51, 52)과 전극군(53∼56)의 사이에 전위차가 주어지며, 역압전 효과에 근거하여 압전성 결정부(5p)는 X축 방향을 따라서 진동한다. 압전성 결정부(4p)는 고정부(1C)를 통해 압전성 결정부(5p)에 기계적으로 결합하고 있으므로, 압전성 결정부(5p)의 진동에 따라 압전성 결정부(4p)가 X축 방향으로 진동한다. 압전성 결정부(4p)가 X축 방향으로 진동하면, 압전성 결정부(4p)부의 측면 중앙 영역에 전하가 발생한다. 이 전하는 단자(T1)를 통해 전류 전압 변환되므로, 진동편(R3 및 L3)은 지속 진동한다.

이 때, Y축에 평행한 중심축을 가지는 회전이 진동자(102C)에 가해지면, 진동편(R3 및 L3)에 코리올리의 힘이 작용하여, 진동편(R3 및 L3)은 Z축 방향을 따라서 진동하며, 압전성 결정부(4p, 5p)는 Z 축 방향을 따라서 변형된다. 전극(43∼46, 53, 56)은 각각, 도 5의 전극(6a∼6d, 7a∼7d)과 동일한 기능을 가진다. 따라서, 처리회로(103)는 검출용의 전극(43∼46, 53∼56)을 통해, 이 변형량을 검지하므로, 진동자(102C)에 작용한 코리올리의 힘을 검출할 수 있다.

또한, 다음과 같이 여진용의 전극 및 검출용의 전극을 배치해도 된다.

도 15는 이러한 진동자(102D)의 평면도이고, 도 16은 도 15의 A-A선 화살표로 진동자(102D)를 잘랐을 때의 진동자(102D)의 단면 및 이것에 접속된 처리회로(103)를 나타낸다. 이하, 이 진동자(102D)를 사용한 각속도 검출장치에 대하여 설명하지만, 동일 요소에는 동일 부호를 사용하고 있으므로, 중복되는 설명은 생략한다.

진동자(102D)는 고정부(1D) 및 소정 간격 격리하여 고정부(1D)로부터 평행하게 연장된 1쌍의 진동편(L4 및 R4)을 구비한다. 본 각속도 검출장치는 도 1에 도시한 진동자(102)를 진동자(102D)로써 바꿔 놓은 것으로, 진동자(102D)의 고정부(1D)는 도 1의 설치대(101)의 설치표면(S2)에 고정된다.

진동편(R4)은 압전성 결정으로 이루어지는 압전성 결정부(4p)와, 압전성 결정부(4p)의 각 측면에 고정된 상면 전극(141), 하면 전극(142), 우측면 전극(143) 및 좌측면 전극(144, 145)으로 구성된다.

상면 전극(141)은 압전성 결정부(4p)의 상면에만 형성되고, 고정부(1D)와 이 진동편(R4)과의 경계 부근에서 진동편(R4)의 선단 방향으로 연장되고 있다. 하면 전극(142)은 압전성 결정부(4p)의 하면에만 형성되며, 고정부(1D)와 이 진동편(R4)과의 경계 부근에서 진동편(R4)의 선단 방향으로 연장되고 있다. 우측면 전극(143)은 압전성 결정부(4p)의 우측면의 일부를 덮고 있다.

우측면 전극(143)은 상면 전극(141)과 일정한 간격을 유지하면서, 이 상면 전극(141)의 긴쪽 방향을 따라서, 고정부(1D)와 진동편(R4)의 경계 부근에서 진동편(R4)의 선단 방향으로 연장되고 있고, 상면 전극(141)과 물리적으로 분리되어 있다. 좌측면 전극(144, 145)은 상호 물리적으로 분리하고 있고, 압전성 결정부(4p)의 좌측면의 일부를 덮고 있다.

상측의 좌측면 전극(144)은 상면 전극(141)과 일정한 간격을 유지하면서, 이 상면 전극(141)의 긴쪽 방향을 따라서, 고정부(1D)와 진동편(R4)의 경계부근에서 진동편(R4) 의 선단방향으로 연장되어 있고, 상면 전극(141)과 물리적으로 분리되어 있다. 또한, 하부 측의 좌측면의 전극(145)은 하면 전극(142)과도 일정한 간격을 유지하고, 물리적으로 분리되어 있다. 또, 상면 전극(141)과 우측면 전극(143)의 사이의 최단거리는 상면 전극(141)과 상측의 좌측면 전극(144)의 사이의 최단 거리보다도 짧다. 또한, 하면 전극(142)와 우측면 전극(143)의 사이의 최단 거리도, 하면 전극(142)과 하부측의 좌측면 전극(145)의 사이의 최단 거리보다도 짧다.

진동편(L4)은 압전성 결정으로 이루어지는 압전성 결정부(5p)와, 압전성 결정부(5p)의 각 측면에 고정된 상면 전극(151), 하면 전극(152), 좌측면 전극(153) 및 우측면 전극(154, 155)으로 구성된다. 진동편(R4과 L4)은 이들 진동편(R4과 L4)의 중간위치에 위치하는 YZ 평면을 경계로서 거울상의 관계를 가진다. 따라서, 진동편(L4)은 진동편(R4)과 동일한 구조를 가지므로, 그 구조의 상세에 대해서는 설명을 생략한다.

본 장치에서는 단자(T1)를 통하여 여진용의 전극(141, 142, 153)에 주기적으로 변동하는 전위를 주면, 단자(T2∼T4)의 전위는 2.5V에 고정되어 있으므로, 전계군(141,142,153)과 전극군(143∼145, 151, 152∼155)의 사이에 전위차가 주어지며, 역압전 효과에 근거하여 진동편(R4 및 L4)은 X축 방향을 따라서 진동한다. 이 진동은 단자(T2)에 접속된 전극(143, 151, 152)을 통해서 검지되며, 이 진동은 지속한다.

이 때, Y축에 평행한 중심축을 가지는 회전이 진동자(102D)에 가해지면, 진동편(R4 및 L4)에 코리올리의 힘이 작용하고, 진동편(R4 및 L4)은 Z축 방향을 따라서 진동하고, 압전성 결정부(4p, 5p)는 Z 축 방향을 따라서 변형된다. 이 Z축 방향의 변형에 따라 발생한 전하는 검출용의 전극(144, 145, 154, 155)을 통해, 처리회로(103)내에 도입된다. 따라서, 처리회로(103)는 검출용의 전극(144,145,154,155)을 통해, 이 변형량을 검지하기 때문에, 진동자(102D)에 작용한 코리올리의 힘을 검출할 수 있다.

또한 다음과 같이 여진용의 전극 및 검출용의 전극을 배치해도 된다.

도 17은 이러한 진동자(102E)의 평면도이고, 도 18은 도 17의 A-A선 화살표로 진동자(102E)를 잘랐을 때의 진동자(102E)의 단면 및 이것에 접속된 처리회로(103)를 나타낸다. 이하, 이 진동자(102E)를 사용한 각속도 검출장치에 대하여 설명하지만, 동일 요소에는 동일 부호를 사용하고 있으므로, 중복하는 설명은 생략한다.

진동자(102E)는 고정부(11E) 및 소정 간격 격리하여 고정부(1E)에서 평행하게 연장된 1쌍의 진동편(L5 및 R5)을 구비한다. 본 각속도 검출장치는 도 1에 도시한 진동자(102)를 진동자(102E)로써 바꿔 놓은 것으로, 진동자(102E)의 고정부(1E)는 도 1의 설치대(101)의 설치표면(S2)에 고정된다. 진동자(102E)는 진동자(102B)에서 전극(4e 및 5b)을 제외함으로써, 다른 구조는 102B와 동일하므로, 설명을 생략한다.

또, 상기 실시의 양태와 관계되는 압전성 결정부의 재료는 수정을 사용하였지만, 이것은 LiTa0₃등의 압전성 결정을 대신 이용해도 된다. 또한, 압전성 결정의 재료로서, PZT (티타늄산지르콘산연) 등을 사용하여, 이 압전성 결정을 전극으로써 사이에 두고 금속 등에 붙여서 진동편으로 해도 된다.

진동자(102)를 사용한 각속도 검출장치에 있어서는 압전성 결정부(4p 및 5p) 의 진동에 따라, 압전성 결정부(4p 및 5p)에 설치된 전극(4a,4f,5a,5f)간에는 압전효과에 근거하는 전위차가 발생한다. 이 실시의 양태와 관계되는 각속도 검출장치에서는 이 전위차에 근거하여 흐르는 전류를 전압으로 변환하고, 변환된 전압을 차동증폭회로(12x)에서 증폭하며, 교류전압으로서 출력하였지만, 이 전위차는 파형정형, 증폭 또는 위상변환 등이 행해져도 되며, 또한, 교류 전압은 이 전위차 그 자체라도 된다.

또한, 제 2 압전성 결정부(6p)가 진동하면, 압전 효과에 근거하여, 적어도 제 2 압전성 결정부(6p)에 설치된 전극(6a)과 전극(6c)의 사이에 전위차가 발생한다. 이 전위차는 파형정형, 증폭 또는 위상변환 등이 행해짐으로써, 이 전위차에 대응한 신호성분을 가지는 교류 전압 신호(V_K)로 변환된다. 또, 이 교류 전압 신호(V_K)는 상술의 전위차 그 자체라도 된다. 또한, 이 전위차에 근거하여 흐르는 전류를 전압으로 변환한 전압도, 이 전위차에 대응한 신호 성분으로 규정한다.

또한, 각 실시의 양태와 관계되는 전류전압 변환회로(2_X)의 오버 앰프(A2)에는 그 반전 입력단자(21)를 통해 단자(T1)로부터의 신호를 입력시켰지만, 이것은 비반전 입력단자(22)에 입력해도 된다.

이상, 설명한 바와 같이, 상기 실시의 양태와 관계되는 각속도 검출장치는 압전성 결정으로 이루어지는 제 1 압전성 결정부(4p), 제 1 압전성 결정부(4p)에 설치된 제 1 및 제 2 전극(4m, 4u), 및 제 1 압전성 결정부(4p)에 기계적으로 결합한 검출용 진동편(6)을 가지는 진동자(102)와, 소정의 주기로 변동하는 전위(V_A)를 제 1 전극(4m)에 주는 여진수단(103a), 제 2 전극(4u)의 전위를 소정치에 고정하는 전위 일정화 수단(2_X) 및 검출용 진동편(6)에 발생하는 변형량을 검출하는 검출수단(103b)을 가지는 회로(103)를 구비한다.

검출용 진동편(6)에 발생하는 변형량, 즉, 교류 전압 신호(V_K)는 제 1 압전성 결정부(4p)의 코리올리의 힘에 근거하는 진동 등이 검출용 진동편(6)에 전달됨에 따라 발생하고 있으므로, 코리올리의 힘에 의한 전압 성분을 포함한다. 검출수단(103b)은 이 교류 전압 신호(V_K), 즉, 검출용 진동편(6)에 발생하는 변형량을 검출하기 때문에, 코리올리의 힘의 크기가 검지되며, 따라서, 피검출체의 각속도의 크기를 검출할 수 있다.

본 장치에 의하면, 제 2 전극(4u)의 전위는 전위 일정화 수단(2_X)에 의해서 소정치에 고정되어 있으므로, 제 1 압전성 결정부(4p)의 진동이 안정한다. 제 1 압전성 결정부(4p)의 진동이 안정하면, 이 진동 및 코리올리의 힘에 근거하는 진동이 안정한다. 따라서, 제 1 압전성 결정부(4p)에 기계적으로 결합한 검출용 진동편(6)의 진동이 안정하고, 검출수단(103b)에 의해서 검출되는 각속도의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 장치의 전위 일정화 수단(2_X)은 반전 입력단자(21), 비반전 입력단자(22) 및 출력단자(B)를 가지는 오버 앰프(A2)와, 오버 앰프(A2)의 출력단자(B)와 반전 입력단자(21)와의 사이에 접속되며, 소정의 저항값을 가지는 저항(R2)을 가지며, 제 2 전극(4u)는 오버 앰프(A2)의 입력단자의 한쪽(21)에 전기적으로 접속되며, 오버 앰프(A2)의 입력단자의 다른쪽(22)의 전위는 소정치에 고정되는 것이 바람직하다.

본 장치에 의하면, 반전 입력단자(21) 및 비반전 입력단자(22)는 이미지날쇼트의 상태에 있고, 반전 입력단자(21)의 전위는 비반전 입력단자(22)의 전위와 같다. 또한, 저항(R2)에 의한 전압강하에 의해서, 제 1 전극(4m) 및 제 2 전극(4u)간의 전위차에 대응하는 전류신호는 전압신호(V_B)로 변환된다.

또한, 검출용 진동편(6)은 압전성 결정으로 이루어지는 제 2 압전성 결정부(6p)와, 제 2 압전성 결정부(6p)에 설치된 상기 제 1 및 제 2 전극(4m, 4u)과는 별도의 복수의 전극과 6a, 6c를 가지며, 상기 여진수단(103a)은 이 여진수단(103a)가 오버 앰프(A2)의 출력신호(V_B)에서 상기 소정의 주기로 변동하는 전위(V_A)를 생성하도록 오버 앰프(A2)에 전기적으로 접속되며, 검출수단(103b)은 별도의 전극간(6a, 6c)에 발생하는 전위차에 대응한 신호성분을 가지는 교류 전압 신호(V_K)를 검출하는 것이고, 이 검출수단(103b)이 오버 앰프(A2)의 출력신호(V_B)에 동기한 신호(V_M, V_N)에서 상기 교류 전압 신호(V_K)를 동기 검파하도록 여진수단(103a)에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.

이 경우, 오버 앰프(A2)는 제 2 전극(4u)의 전위를 소정치에 고정하면서, 제 1 압전성 결정부(4p)의 진동에 동기한 신호(V_B)를 출력하고, 여진수단(103)이 오버 앰프(A2)의 출력신호(V_B)를 이용하여, 제 1 압전성 결정부(4p)를 진동시키는 전위(V_A)를 제 1 전극(4m)에 인가한다. 또한, 검출수단(103b)은 오버 앰프(A2)의 출력신호(V_B)에 동기한 신호(V_M, V_N)에서 교류 전압 신호(V_K)를 동기 검파한다. 따라서, 본 구성에 의하면, 이들 기능을 1개 오버 앰프(A2)에 근거하는 출력(V_B)를 사용하여 달성할 수 있다.

또한, 본 장치는 별도의 전극의 한쪽(6a)에 접속된 제 1 챠지 앰프(10x)와, 별도의 전극의 다른쪽(6c)에 접속된 제 2 챠지 앰프(11x)와, 상기 제 1 및 제 2 챠지 앰프(10x, 11x)의 출력단자에 접속된 차동증폭회로(12x)를 구비하며, 상기 교류 전압 신호(V_K)는 상기 차동증폭회로(12x)로부터 출력되며, 상기 제 1 및 제 2 챠지 앰프(10x, 11x)는 상기 차동증폭회로(12x)로부터 출력되는 교류 전압 신호(V_K)의 위상과, 상기 전위 일정화 수단(2x)으로부터 출력되는 교류 전압 신호(V_B)와 위상이 일치 또는 180°다르도록 설정되는 것이 바람직하다.

제 1 압전성 결정부(4p)의 진동 속도와 제 1 압전성 결정부(4p)에 작용하는 코리올리의 힘은 위상이 90°다르다. 이 코리올리의 힘에 근거하여 제 2 압전성 결정부(6p)는 진동하므로, 제 1 및 제 2 압전성 결정부의 진동속도의 위상은 90° 다르다, 따라서, 제 1 압전성 결정부(4p)에서의 신호(V_B)를 사용하고, 제 2 압전성 결정부(6p)에서의 신호(V_K)를 동기 검파하는 경우에는 한쪽의 위상을 90°변환하는 이상회로가 필요하다. 그러나, 본 장치에서는 차동증폭회로(12x)로부터 출력된 신호(V_K)의 위상은 교류 전압 신호(V_B)의 위상과 일치 또는 180°다르기 때문에, 90°이상 회로를 사용하지 않고서 동기 검파를 행할 수 있다.

또한, 도 1 내지 도 3에 도시한 제 1 및 제 2 압전성 결정부(4p, 6p)는 예를 들면 도 12에 도시하는 바와 같이, 동일부(4p)라도 된다. 이 경우, 제 1 전극(4b), 제 2 전극(4a) 및 다른 전극(4d, 4f)은 동일부에 형성되므로, 장치의 구성은 단순화된다.

상기와 같이, 본 발명과 관계되는 각속도 검출장치에 의하면, 제 2 전극의 전위는 전위 일정화 수단에 의해서 소정치에 고정되어 있으므로, 제 1 압전성 결정부의 진동이 안정하고, 검출수단에 의해서 검출되는 각속도의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 압전성 결정으로 이루어지는 제 1 압전성 결정부, 상기 제 1 압전성 결정부에 설치된 제 1 및 제 2 전극 및, 상기 제 1 압전성 결정부에 기계적으로 결합한 검출용 진동편을 가지는 진동자와,

   소정 주기로 변동하는 전위를 상기 제 1 전극에 부여하는 여진수단, 상기 제 2 전극의 전위를 소정치에 고정하는 전위 일정화 수단 및, 상기 검출용 진동편에서 발생하는 변형량을 검출하는 검출수단을 가지는 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전위 일정화 수단은 반전 입력단자, 비반전 입력단자 및 출력단자를 가지는 오버 앰프와, 상기 오버 앰프의 상기 출력단자와 상기 반전 입력단자의 사이에 접속되어 소정 저항값을 가지는 저항을 가지며, 상기 제 2 전극은 상기 오버 앰프의 상기 입력 단자중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 상기 오버 앰프의 상기 입력단자의 다른쪽의 전위는 상기 소정치에 고정되는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 검출용 진동편은 압전성 결정으로 이루어지는 제 2 압전성 결정부와, 상기 제 2 압전성 결정부에 설치된 상기 제 1 및 제 2 전극과는 다른 복수의 전극을 가지며,

   상기 여진수단은 이 여진수단이 상기 오버 앰프의 출력신호로부터 상기 소정주기로 변동하는 전위를 생성하도록 상기 오버 앰프에 전기적으로 접속되고,

   상기 검출수단은 상기 다른 전극간에 발생하는 전위차에 대응한 신호성분을 가지는 교류 전압 신호를 검출하는 것으로, 이 검출수단이 상기 오버 앰프의 상기 출력신호에 동기한 신호로 상기 교류 전압 신호를 동기 검파하도록 상기 여진수단에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.