KR19990009637A

KR19990009637A - 진동자이로스코프의 가진검출장치

Info

Publication number: KR19990009637A
Application number: KR1019970032104A
Authority: KR
Inventors: 오준호; 박성욱
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 1997-07-10
Filing date: 1997-07-10
Publication date: 1999-02-05
Also published as: KR100223977B1; US6076402A

Abstract

본 발명은 진동자를 한주기동안 가진하고, 다른 한주기동안 측정할 수 있는 폐회로방식의 진동자이로스코프의 가진검출장치를 제공하려는 것이다.

본 발명에 따르면, 진동자(20)의 기준진동과 상기 기준진동(20)의 외부각속도에 의해 형성된 수직진동을 이용하여 외부각속도의 정보를 측정할 수 있는 진동자이로스코프의 가진검출장치에 있어서, 상기 진동자(20)를 공진주파수로 가진하는 가진수단(100)과, 상기 진동자(20)의 외부각속도에 따른 상기 압전소자(22,23)의 압전출력신호를 차동증폭하는 차동증폭수단(30)과, 상기 차동증폭수단(30)에서 차동증폭된 신호를 상기 가진수단(100)에서의 위상에 대한 정보로 정류하는 정류수단(60)과, 상기 정류수단(60)의 출력신호를 증폭하는 직류증폭수단(40)과, 상기 직류증폭수단(40)에서 출력된 신호를 제어하는 제어수단(80)과, 상기 제어수단(80)에서 출력된 신호와 상기 가진수단(100)에서 출력된 신호를 연산하는 연산수단(70,71) 및, 상기 연산수단(70,71)에서 출력된 신호를 한주기의 가진신호로 주기적으로 만들기 위해 선택적으로 스위칭하는 스위칭수단(SW1∼SW4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동자이로스코프의 가진검출장치가 제공된다.

Description

진동자이로스코프의 가진검출장치

본 발명은 진동자이로스코프의 가진검출장치에 관한 것이며, 특히, 비디오 캠코더와 같은 전자제품의 영상보정회로나 자동차의 항법장치에 사용되는 위치제어장치에 부착되어 사용되는 진동자이로스코프의 가진검출장치에 관한 것이다.

근래 들어 진동자이로스코프는 전자적인 회로와 제어기술의 도움으로 높은 감도의 정확한 출력신호를 검출해 낼 수 있는 기술의 발전을 가져왔다.

특히, 진동자이로의 변위에 따른 각속도의 정보를 선형화시켜 보다 더 높은 정확성을 갖는 진동자이로스코프에 대한 연구가 활발하게 진행중이다.

도 1에 보이듯이, 당업계에 공지된 통상의 진동자이로스코프에 사용되는 진동자(20)는 삼각주의 형상으로 형성되어 있다. 이런 진동자(20)는 변위에 따른 진동의 발생이 비교적 용이하게 발생되는 단결정체인 진동체(21)와, 이런 진동체(21)의 주축방향의 면을 제외한 삼 주면에 접합된 통상의 압전소자(22,23,24)로 구성된다.

여기에서 진동자(20)의 축심인 좌표의 원점(O)을 기둥방향으로 통과하는 축을 X축이라 하고, 이런 좌표 원점(O)을 제3압전소자(24)의 평행한 방향으로 통과하는 축을 Y축이라 하며, 또한 좌표 원점(O)을 제3압전소자(24)의 수직한 방향으로 통과하는 축을 Z축이라 하겠다. 또한, 제1 및 제2압전소자(22,23)가 진동체(21)를 공진주파수로 가진함으로써 형성되어 Z축 방향으로 진행하는 진동을 기준진동이라 하고, 진동체(21)가 Z축 방향으로 기준진동을 하고 있으며 이런 진동체(21)를 포함하는 진동자(20)의 X축 방향의 변위에 따른 외부각속도의 유입으로 발생된 코리홀리힘에 의해 Y축 방향으로 진행하는 진동을 수직진동이라 하겠다.

도 2에 도시된 바와같이, 도 1에 도시된 삼각주 형상의 진동자(20)를 사용하는 종래기술에 따른 진동자이로스코프의 가진검출장치는 일정 주파수로 진동신호를 만들어 내는 가진부(10)와, 상기 진동자(20)에서 발생하는 기준진동과 수직진동에 의해 합진동이 발생하며 이런 합진동에 의해 제1 및 제2압전소자(22,23)에서 각각 발생되는 압전류를 차동증폭시키는 차동증폭부(30)와, 상기 차동증폭부(30)에서 차동증폭된 신호를 또다시 증폭시키는 직류증폭부(40)로 구성되어 있다.

아래에서, 도 1내지 도 3을 참조로 하여 진동자이로스코프의 가진검출장치에서 외부각속도에 대한 정보를 검출하는 과정을 설명하겠다.

먼저, 가진부(10)는 가진단자(11,12)들을 통해 일정 주파수를 갖는 신호를 진동자(20)의 제1 및 제2압전소자(22,23)에 제공하여 정현파형태의 공진주파수로 가진시킨다(단계10). 이럴 경우 기준진동이 진동자(20)에서 Z축 방향으로 발생된다(단계11). 이렇게 발생된 기준진동은 진동자(20)의 제3전압소자(24)를 통하여 다시 가진부(10)로 궤환하게 되어 기준진동을 공진주파수로 가진시키게 된다. 만일, 단계12에서 진동자(20)의 변위가 변동되어 X축 방향으로 외부각속도가 입력될 경우, 단계13에서 코리홀리힘에 의해 Y축 방향으로 수직진동이 발생한다. 이렇게 발생된 수직진동은 기준진동과 합하여 합진동의 형태를 취하며, 다시 진동자(20)의 제1 및 제2압전소자(22,23)에 압전류로 각각 측정되어 출력된다(단계14). 이렇게 각각 측정된 두 압전신호는 단계15에서 압전출력단자(31,32)를 통하여 차동증폭부(30)에서 차동증폭되고, 다시 직류증폭부(40)에서 직류증폭되어 출력되면, 단계16에서 외부각속도에 대한 정보(50)를 검출하게 된다.

그러나, 종래의 진동자이로스코프의 가진검출장치는 삼각주 형상의 진동자가 기준진동과 수직진동에 의한 합진동 형태를 갖고 진동하게 되고, 이런 합진동의 진동방향이 기준진동의 방향과 다른 방향이며, 또한 기준진동과 합진동의 공진주파수가 일치하기 어렵기 때문에 합진동의 위상이 변화하게 된다. 따라서, 합진동의 위상이 비선형적으로 변화하기 때문에 출력되는 외부각속도의 정보가 비선형으로 나타나게 되는 단점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전자스위치의 개폐로 한주기동안 가진하고, 다른 한주기동안 진동자의 압전출력신호를 측정함으로써, 가진신호를 외부각속도에 따라 조정하여, 진동자의 변위에 따른 외부각속도의 정보를 선형적으로 검출할 수 있는 진동자이로스코프의 가진검출장치를 제공하려는 것이다.

도 1은 진동자이로스코프의 가진검출장치의 중요부위를 설명하기 위한 사시도.

도 2는 종래 기술에 따른 진동자이로스코프의 가진검출장치의 구성을 개략적으로 도시한 개략도.

도 3은 도 2에 도시된 진동자이로스코프의 가진검출장치의 작동을 설명하기 위한 흐름도.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 진동자이로스코프의 가진검출장치의 구성을 개략적으로 도시한 개략도.

도 5는 도 4에 도시된 진동자이로스코프의 가진검출장치의 작동을 설명하기 위한 흐름도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 진동자30 : 차동증폭부

40 : 직류증폭부 60 : 정류부

70,71 : 연산부 80 : 출력제어부

100 : 가진제어부 SW1∼SW4 : 전자스위치

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 압전소자를 포함하는 진동자를 공진주파수로 가진함으로써 형성된 기준진동과 상기 진동자의 외부각속도에 의해 형성된 수직진동을 이용하여 외부각속도의 정보를 측정할 수 있는 진동자이로스코프의 가진검출장치에 있어서, 상기 진동자를 공진주파수로 가진하는 가진수단과, 상기 진동자의 외부각속도에 따른 상기 압전소자의 압전출력신호를 차동증폭하는 차동증폭수단과, 상기 차동증폭수단에서 차동증폭된 신호를 상기 가진수단에서의 위상에 대한 정보로 정류하는 정류수단과, 상기 정류수단의 출력신호를 증폭하는 직류증폭수단과, 상기 직류증폭수단에서 출력된 신호를 제어하는 제어수단과, 상기 제어수단에서 출력된 신호와 상기 가진수단에서 출력된 신호를 연산하는 연산수단 및, 상기 연산수단에서 출력된 신호를 한주기의 가진신호로 주기적으로 만들기 위해 선택적으로 스위칭하는 스위칭수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동자이로스코프의 가진검출장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 스위칭수단은 상기 진동자를 공진주파수로 기준진동시키기 위해서 상기 연산수단에서 출력된 신호를 개방시키는 제1전자스위치와, 상기 제1전자스위치에 대해 상반되게 스위칭하는 제2전자스위치를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 가진수단에서 형성된 주파수를 상기 제1전자스위치를 사용하여 주기적으로 스위칭함으로써 상기 진동자에서 한주기의 기준진동을 발생시키는 단계와, 상기 진동자에 부여되는 외부각속도에 따라 상기 한주기의 기준진동에 수직한 수직진동이 상기 진동자에서 발생되는 단계와, 상기 진동자의 상기 한주기의 기준진동 및 상기 수직진동에 의한 압전신호를 상기 제2전자스위치를 사용하여 상기 제1전자스위치와 상반되게 스위칭함으로써 상기 진동자에서 측정하는 단계와, 상기 진동자에서 측정된 압전신호를 차동증폭수단에서 차동증폭하여 상기 가진수단의 위상에 대한 정보로 정류수단에서 정류하는 단계와, 상기 정류수단에서 정류된 출력신호를 직류증폭수단에서 직류증폭한 후 상기 연산수단에 궤환시켜 상기 가진수단의 상기 주파수에 연산하는 단계 및, 상기 출력제어부에서 외부각속도의 정보를 검출하는 단게를 포함하는 것이 바람직하다.

아래에서, 본 발명에 따른 진동자이로스코프의 가진검출장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 4는 진동자이로스코프의 가진검출장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 4에 있어서, 본 발명의 한 실시예에 따른 진동자이로스코프의 가진검출장치의 가진제어부(100)는 주파수 안정도가 좋은 위상동기루프(phase locked loop)회로이다. 이런, 가진제어부(100)의 가진출력단자(101,102)는 가진신호를 출력하기 위해 연산부(70,71)과 접속되어 있다. 이런 연산부(70,71)는 연산된 신호를 출력하기 위해 제1전자스위치(SW1,SW2)와 각각 접속되어 있다. 이렇게 연산된 각각의 출력신호를 개폐하는 제1전자스위치(SW1,SW2)는 진동자(20)를 기준진동으로 가진시키거나 진동자(20)의 수직진동을 측정하는 제1 및 제2압전소자(22,23)와 각각 접속되어 있다. 또한, 진동자(20)의 제3압전소자(24)는 가진입력단자(103)를 통하여 궤환될 수 있도록 가진제어부(100)에 접속되어 있다.

또한, 진동자(20)의 변위에 따른 진동을 각각 측정할 수 있는 제1 및 제2압전소자(22,23)는 다시 압전출력단자(41,42)를 통해 제2전자스위치(SW1,SW2)에 각각 접속되어 있다. 이렇게 접속된 제2전자스위치(SW3,SW4)는 진동자(20)의 변위에 따른 진동을 차동증폭하는 차동증폭부(30)에 각각 접속되어 있고, 이런 차동증폭부(30)는 차동증폭된 신호를 전달하기 위해 정류부(60)와 접속되어 있다.

이런 정류부(60)는 가진제어부(100)의 정류단자(104)를 통하여 접속되어 가진제어부(100)의 위상에 대한 정보로 차동증폭부(30)로 부터 전달받은 신호를 정류시킨다. 또한, 이런 정류부(60)는 정류된 신호를 전달하기 위해 직류증폭기(40)와 접속되어 있다. 이렇게 접속된 직류증폭부(40)는 출력제어부(80)과 접속되어 있다.

이런 출력제어부(80)는 직류증폭부(40)로 부터 출력되는 신호를 제어출력단자(81,82)를 통하여 연산부(70,71)에 궤환시키고, 이렇게 궤환된 신호와 가진제어부(100)의 가진신호를 연산부(70,71)에서 연산하게 하여 상기 진동자(20)의 진동이 일정한 방향과 크기를 가질 수 있도록 한다. 또한, 출력제어부(80)의 외부각속도에 대한 정보(50)를 출력할 수 있게 구성되어 있다.

아래에서 진동자이로스코프의 가진검출장치의 전자스위치의 제어방법에 대해 설명하겠다.

먼저, 가진제어부(100)에 접속된 각각의 개폐단자(105,106)는 진동자(20)가 공진주파수를 갖는 진동의 한주기의 간격으로 서로 상반된 스위칭을 동시에 할 수 있도록 제1 및 제2전자스위치(SW1,SW2;SW3,SW4)들과 접속되어 있다. 이렇게 접속된 가진제어부(100)는 반복적으로 한주기동안 제1전자스위치(SW1,SW2)를 ON 하여 가진하고, 다른 한주기 동안은 제1전자스위치(SW1,SW2)를 OFF 하여 가진하지 않는다. 또한 가진제어부(100)는 제2전자스위치(SW3,SW4)들이 제1전자스위치(SW1,SW2)와 반대로 작동하게 하여 진동자(20)가 공진주파수로 한주기가진 및 다른 한주기측정을 할 수 있도록 제어한다.

아래에서, 앞서 상세히 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 진동자이로스코프의 가진검출장치의 작동방법에 대해 설명하겠다.

도 5는 도 4에 도시된 진동자이로스코프의 가진검출장치의 작동방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

먼저, 단계20에서, 가진제어부(100)는 진동자(20)의 일차 공진주파수를 만들기 위해 제1전자스위치(SW1,SW2)를 ON하고, 동시에 연산부(70,71)를 통하여 진동자(20)의 제1 및 제2압전소자(22,23)에 한주기의 공진주파수를 가진한 다음, 다시 제1전자스위치(SW1,SW2)를 OFF한다. 이럴 경우 단계21에서 기준진동이 진동자(20)에서 Z축방향으로 발생된다. 만일, 단계22에서 진동자(20)의 변위가 X축방향으로 이동하여 외부각속도가 입력되면, 단계23에서 진동자(20)에서 코리홀리힘에 의해 수직진동이 Y축방향으로 발생한다. 이때, 진동자(20)의 수직진동은 기준진동과 합하여 합진동이 되고, 또한 가진제어부(100)가 제2전자스위치(SW3,SW4)를 ON 하고 있기 때문에 진동자(20)의 제1 및 제2압전소자(22,23)에서 한주기의 압전신호로 각각 측정된다(단계24). 이렇게 각각 측정된 두 압전신호를 차동증폭부(30)에서 차동증폭하고(단계25), 다시 차동증폭된 신호를 단계26에서 가진제어부(100)의 위상정보로 정류부(60)에서 정류하며, 다시 정류된 신호를 직류증폭부(40)에서 증폭하고(단계27), 이렇게 증폭된 신호를 출력제어부(80)가 가진제어부(100)와 접속된 연산부(70,71)로 궤환시킨다(단계28), 이렇게 궤환된 외부각속도의 신호를 단계29에서 다시 연산부(70,71)에서 가진신호로 연산(단계29)하기 때문에 진동자(20)의 진동방향을 기준진동의 방향으로 일정하게 유지시켜주며, 진동자(20)의 진동크기도 외부각속도에 관계없이 일정하게 유지시킨다. 이렇게 상기의 출력제어부(80)에서 출력되는 신호를 상기 연산부(70,71)로 궤환시켜 분석함으로써, 단계30에서 진동자이로스코프의 외부각속도에 대한 정보(50)를 검출할 수 있게 된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 진동자이로스코프의 가진검출장치는 진동자를 전자스위치를 이용하여 주기적으로 가진하는 가진제어부와, 가진하지 않는 주기동안 진동자의 압전출력신호를 측정하여 가진신호로 궤환시킬수 있는 출력제어부로 진동자의 진동방향을 기준진동의 방향으로 일정하게 유지하고, 진동자의 진동크기 또한 일정하게 유지함으로써, 진동자의 기준진동과 수직진동의 합진동에 의한 위상의 변화를 작게 만들 수 있는 장점이 있다.

또한, 진동자이로스코프의 가진검출장치는 한주기의 가진과 한주기의 압전신호 측정을 주기적으로 할 수 있도록 전자스위치를 제어하고, 또한 진동자의 기준 진동에 대한 수직진동의 신호의 보정값을 폐회로를 이용하여 궤환시키며, 이렇게 궤환된 보정값을 연산부에서 가진신호에 연산을 시키기 때문에 진동자에 발생되는 코리홀리힘에 대한 수직진동의 값을 보정시켜 진동자에 발생하는 합진동 형태에 의한 비선형성을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 진동자이로스코프의 가진검출장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

압전소자(22,23,24)를 포함하는 진동자(20)를 공진주파수로 가진함으로써 형성된 기준진동과 상기 진동자(20)의 외부각속도에 의해 형성된 수직진동을 이용하여 외부각속도의 정보를 측정할 수 있는 진동자이로스코프의 가진검출장치에 있어서,

상기 진동자(20)를 공진주파수로 가진하는 가진수단(100)과, 상기 진동자(20)의 외부각속도에 따른 상기 압전소자(22,23)의 압전출력신호를 차동증폭하는 차동증폭수단(30)과, 상기 차동증폭수단(30)에서 차동증폭된 신호를 상기 가진수단(100)에서의 위상에 대한 정보로 정류하는 정류수단(60)과, 상기 정류수단(60)의 출력신호를 증폭하는 직류증폭수단(40)과, 상기 직류증폭수단(40)에서 출력된 신호를 제어하는 제어수단(80)과, 상기 제어수단(80)에서 출력된 신호와 상기 가진수단(100)에서 출력된 신호를 연산하는 연산수단(70,71) 및, 상기 연산수단(70,71)에서 출력된 신호를 한주기의 가진신호로 주기적으로 만들기 위해 선택적으로 스위칭하는 스위칭수단(SW1∼SW4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동자이로스코프의 가진검출장치.
제1항에 있어서,

상기 스위칭수단(SW1∼SW4)은 상기 진동자(20)를 공진주파수로 기준진동시키기 위해서 상기 연산수단(70,71)에서 출력된 신호를 개방시키는 제1전자스위치(SW1,SW2)와, 상기 제1전자스위치(SW1,SW2)에 대해 상반되게 스위칭하는 제2전자스위치(SW3,SW4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동자이로스코프의 가진검출장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 가진수단(100)에서 형성된 주파수를 상기 제1전자스위치(SW1,SW2)를 사용하여 주기적으로 스위칭함으로써 상기 진동자(20)에서 한주기의 기준진동을 발생시키는 단계(단계20,단계21)와, 상기 진동자(20)에 부여되는 외부각속도에 따라 상기 한주기의 기준진동에 수직한 수직진동이 상기 진동자(20)에서 발생되는 단계(단계22,단계23)와, 상기 진동자(20)의 상기 한주기의 기준진동 및 상기 수직진동에 의한 압전신호를 상기 제2전자스위치(SW3,SW4)를 사용하여 상기 제1전자스위치(SW1,SW2)와 상반되게 스위칭함으로써 상기 진동자(20)에서 측정하는 단계(단계24)와, 상기 진동자(20)에서 측정된 압전신호를 차동증폭수단(30)에서 차동증폭하여 상기 가진수단(100)의 위상에 대한 정보로 정류수단(60)에서 정류하는 단계(단계25,단계26)와, 상기 정류수단(60)에서 정류된 출력신호를 직류증폭수단(40)에서 직류증폭한 후 상기 연산수단(70,71)에 궤환시켜 상기 가진수단(100)의 상기 주파수에 연사하는 단계(단계27,단계28,단계29) 및, 상기 출력제어부(80)에서 외부각속도의 정보를 검출하는 단계(단계30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동자이로스코프의 가진검출장치.