KR19990031118A - 2-axis piezoelectric gyroscope - Google Patents

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KR19990031118A
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gyroscope
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이종진
노용래
최상윤
류혜옥
이종면
이영진
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이재복
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Abstract

물체의 회전각을 2축 방향으로 동시에 측정할 수 있는 2축형 압전 자이로스코프가 개시된다. 일실시예에 따르면, 박스형 금속의 밑면에 z축 방향 선속도용 구동 소자가 부착되고, 각 회전 방향에 대한 감지를 위하여 압전 소자 4개의 박편이 금속 박스의 각 측면에 부착된다. 몸체가 박스 형태이므로 압전 소자들은 자연적으로 서로 직교하게 배치되는 형태를 갖는다. 이 때, 접착제로는 몰론 통전이 가능한 접착제를 사용한다. 이러한 구조의 경우, 금속 박스 전체가 전기적 접지 역할을 동시에 수행한다. 다른 실시예에 따르면, 십자형 구조에 있어서, z축 방향의 선속도를 주기 위하여 구동용 압전 소자가 지지대 위에 통전 접착제로 부착된다. 이 위에 접지를 잡기 위한 것으로 얇은 퍼멀로이(permalloy) 박편이 부착된 이후, 두 가지의 회전 방향에 감지용의 압전 소자 4개의 박편이 서로 직교하도록 배치 및 접착된다.A biaxial piezoelectric gyroscope capable of simultaneously measuring the rotation angle of an object in the biaxial direction is disclosed. According to one embodiment, a driving element for the linear velocity in the z-axis direction is attached to the bottom of the box-shaped metal, four pieces of piezoelectric elements are attached to each side of the metal box for sensing for each rotation direction. Since the body is in the form of a box, the piezoelectric elements are naturally arranged to be orthogonal to each other. At this time, as the adhesive, an adhesive capable of conducting electricity alone is used. In this structure, the entire metal box simultaneously serves as an electrical ground. According to another embodiment, in the cross-shaped structure, a piezoelectric element for driving is attached with a conductive adhesive on a support to give a linear velocity in the z-axis direction. After the thin permalloy flakes are attached to hold the ground thereon, the flakes of the four piezoelectric elements for detection are placed and bonded to each other at right angles to the two rotation directions.

Description

2축형 압전 자이로스코프2-axis piezoelectric gyroscope

본 발명은 물체의 회전각을 2축 방향으로 동시에 측정할 수 있는 2축형 압전 자이로스코프에 관한 것이다.The present invention relates to a biaxial piezoelectric gyroscope capable of simultaneously measuring the rotation angle of the object in the biaxial direction.

회전각 센서(gyroscope)는 관성체가 나타내는 회전을 기준이 되는 임의의 축에 대한 회전각의 형태로 측정하는 장치로서 항공기, 미사일 등에 널리 사용되어져 왔다. 자이로스코프의 형태에는 여러 가지가 있는데 종래에 주로 사용된 형태는 빠르게 회전하는 휠에 작용하는 토오크를 측정하는 방식이었으나, 현재는 압전형 및 광학형 등이 개발되고 있다. 종래에 사용되던 기계식 자이로스코프의 경우는 모터 및 베어링이 필요하고 기계적 마모 및 충격에 약한 단점을 가지고 있는 반면, 현재 가장 정밀도가 높다고 알려진 광학식 링레이저 자이로의 경우는 너무 고가여서 저렴한 시스템에 사용하기는 곤란한 점이 있다.The rotation angle sensor (gyroscope) has been widely used in aircraft, missiles, etc. as a device for measuring the rotation of the inertial body in the form of a rotation angle about any axis as a reference. There are many types of gyroscopes. The conventionally used type was a method of measuring torque acting on a rapidly rotating wheel, but now piezoelectric and optical types have been developed. Conventional mechanical gyroscopes require motors and bearings and have weak disadvantages for mechanical wear and impact, while optical ring laser gyros, now known for their highest precision, are too expensive to be used in inexpensive systems. There is a problem.

이 양자의 단점을 극복하고 적절한 가격과 정밀도를 갖는 압전 물질로 이루어진 압전식 자이로스코프가 최근 각광을 받으면서 캠코더, 차량용 네비게이션 시스템 등에 상용화되고 있다.Piezoelectric gyroscopes made of piezoelectric materials with overcoming these shortcomings and having an appropriate price and precision have recently been commercialized in camcorders and car navigation systems.

압전 물질이란, 그에 가해지는 기계적 에너지와 전기적 에너지를 서로간에 변환시킬 수 있는 특성을 갖는 재료를 말하며, 압전 효과는 재료에 가해지는 응력, 전계, 변형, 그리고 전기적 변위로 표현된다. 이들 변수의 관계에 압전 계수가 따르게 되며, 재료의 압전 효과는 전기 기계 결합 계수 K를 사용하여 나타낸다. 여기서, K는 재료에 가한 전기적 에너지에 대한 기계적 에너지로 변환된 에너지 양의 분율 또는 그 역으로 정의된다. 따라서 우수한 전기 기계 결합 계수를 갖는 압전 소자에 전기적인 에너지를 가하면, 초음파 신호를 발진시킬 수 있다. 역으로, 외부로부터의 초음파 신호는 압전 소자에 의해 전기적 신호로 변환된다. 이러한 압전 재료들의 장점을 들어보면, 우선 전기, 기계 에너지간의 선형적 변환이 가능하다. 그러므로, 나타나는 기계적 변환량, 예를 들면 진동의 경우, 진폭을 가해 주는 전압의 크기를 조절함으로서 정확히 제어가 가능하다. 역으로, 외부의 진동 신호를 정확히 선형적인 전기 신호로 받을 수 있다는 점이다. 나아가 이러한 변환이 아무런 외부적 기구의 도움 없이 전적으로 재료 자체의 특성으로 인해 나타난다는 점이다. 즉 종래의 복잡한 모터나 터빈이 하던 일들을 압전 재료 시편으로 대체함으로서 간단히 이루어 낼 수 있는 것이다.The piezoelectric material refers to a material having a property capable of converting mechanical energy and electrical energy applied thereto, and the piezoelectric effect is expressed by stress, electric field, deformation, and electrical displacement applied to the material. The relationship between these variables is followed by the piezoelectric coefficient, and the piezoelectric effect of the material is represented using the electromechanical coupling coefficient K. Where K is defined as the fraction of the amount of energy converted into mechanical energy relative to the electrical energy applied to the material, or vice versa. Therefore, when electrical energy is applied to the piezoelectric element having a good electromechanical coupling coefficient, the ultrasonic signal can be oscillated. Conversely, the ultrasonic signal from the outside is converted into an electrical signal by the piezoelectric element. Taking advantage of these piezoelectric materials, first, a linear conversion between electrical and mechanical energy is possible. Therefore, in the case of the mechanical conversion amount, for example, vibration, it is possible to precisely control by adjusting the magnitude of the voltage to apply the amplitude. Conversely, external vibration signals can be received as precisely linear electrical signals. Furthermore, this transformation occurs entirely due to the properties of the material itself without the aid of any external mechanism. In other words, by simply replacing the piezoelectric material specimens of the conventional complex motor or turbine can be achieved.

이러한 특성을 가지는 압전 재료에는 여러 가지 종류가 있는데 크게 나누어 압전 세라믹과 압전 폴리머를 들 수 있다. 압전 폴리머는 PVDF를 대표로 하는 고분자 재료로서 세라믹과는 달리 낮은 음향 임피던스와 높은 압전 전압 상수를 특징으로 하지만, 압전 변위 상수가 세라믹에 비해 상당히 작다는 단점을 가지고 있다. 아직까지는 폴리머 제작상의 기술적 한계로 인해 국산화가 전혀 이루어지지 않았고, 그 응용 사례 또한 고주파 초음파 소자 등 몇몇 사례에 국한되고 있다. 그러나 그 유연성, 센서로서의 높은 감도, 형상 변화의 용이성 등 많은 장점들로 인해 응용 분야가 증가할 것으로 기대되는 재료이다.There are various kinds of piezoelectric materials having such characteristics, and there are broadly classified piezoelectric ceramics and piezoelectric polymers. Piezoelectric polymer is a high-density polymer material of PVDF. Unlike ceramic, it has low acoustic impedance and high piezoelectric voltage constant. However, piezoelectric polymer has a disadvantage that piezoelectric displacement constant is considerably smaller than ceramic. Up to now, due to technical limitations in polymer manufacturing, no localization has been achieved, and the application cases are limited to a few cases such as high frequency ultrasonic devices. However, due to its flexibility, high sensitivity as a sensor, and ease of shape change, it is expected that the application field will increase.

압전 세라믹은 다시 압전 단결정과 압전 다결정으로 나뉘어 지는데 압전 단결정은 높은 순도, 재료 특성의 균일성, 낮은 온도 계수, 높은 주파수 특성 등의 장점들을 가지고 있으나, 낮은 압전 효율성, 높은 가격 등의 한계로 인해 비교적 소형의 정밀한 수동 소자나 센서 등의 응용에 한정되고 있는 편이다. 반면에, 압전 다결정은순도나 온도 안정성, 특성의 균일성 등이 상대적으로 떨어지나 높은 압전 특성, 가격의 저렴성, 그리고 무엇보다도 필요에 따라 그 특성을 어느 정도까지는 임의로 변화시킬 수 있다는 장점으로 인해 광범위하게 응용이 되고 있다. 대표적인 압전 다결정 재료들로는 PZT, BaTiO3, LiNbO3, LiTaO3등을 들 수 있는데 최근의 고출력용 압전 재료로는 PZT가 대부분을 차지하고 있다.Piezoelectric ceramics are divided into piezoelectric single crystals and piezoelectric polycrystals. Piezoelectric single crystals have advantages such as high purity, uniformity of material properties, low temperature coefficient, and high frequency characteristics, but due to limitations of low piezoelectric efficiency and high price, It is limited to applications such as small, precise passive elements and sensors. On the other hand, piezoelectric polycrystals are widely used due to their relatively low purity, temperature stability, and uniformity of properties, but with high piezoelectric properties, low cost, and above all, their characteristics can be arbitrarily changed to some extent as necessary. It is becoming an application. Representative piezoelectric polycrystalline materials include PZT, BaTiO 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3, etc. PZT is the most recent high-power piezoelectric material.

압전식 자이로스코프가 회전을 감지하는 원리는 도 1에 도시된 바와 같이 z축 주위로 회전이 가해질 때 물체(1)에 대해 x축 방향으로 선속도가 가해지면 y축 방향으로 코리올리스 힘이 발생하게 된다. 압전식 자이로스코프는 가해지는 회전에 대해 이미 알고 있는 선속도를 압전계를 이용해 x축 방향으로 인가하고, 그 때 y축 방향으로 발생하는 코리올리스 힘을 압전체를 이용해 감지하는 센서인 것이다.The principle that the piezoelectric gyroscope detects rotation is that when a linear velocity is applied in the x-axis direction with respect to the object 1 as the rotation is applied around the z-axis, a Coriolis force is generated in the y-axis direction. Done. A piezoelectric gyroscope is a sensor that applies a linear velocity, which is already known about the applied rotation, in the x-axis direction using a piezoelectric system, and then detects Coriolis force generated in the y-axis direction using a piezoelectric body.

이러한 압전형 회전각 센서는 소형화가 가능하고 제작 단가가 낮으며, 정밀한 특성을 가지고 있어 최근 많이 사용되고 있다. 이러한 압전형 회전각 센서는 주로 압전 물질이 가지는 공진점을 이용하여 발진회로를 구성하여 발진된 신호의 크기를 비교하는 방법을 많이 사용하지만, 회로 구조가 복잡한 단점을 갖는다.Such piezoelectric rotation angle sensors are miniaturized, have low manufacturing costs, and have a precise characteristic, and thus are widely used. The piezoelectric rotation angle sensor mainly uses a method of comparing the magnitude of the oscillated signal by configuring the oscillation circuit using the resonance point of the piezoelectric material, but the circuit structure has a disadvantage.

또한, 현재까지 상용화된 이러한 압전식 자이로스코프는 모두 1축형 자이로스코프로써 한 평면상에서 회전하는 물체의 회전각을 측정할 수 있는 센서이다. 이러한 1축형 자이로스코프는 캠코더나 다관절 로봇과 같이 공간상에서 2축 이상의 기준축에 대해 회전하는 물체의 회전각을 측정하기 위해서는 2 내지 3개를 직교하도록 설치하여야 한다.In addition, all of these piezoelectric gyroscopes commercially available so far are single-axis gyroscopes that can measure the rotation angle of an object rotating on one plane. Such one-axis gyroscopes should be installed to be orthogonal to two or three in order to measure the rotation angle of a rotating object about two or more reference axes in space, such as a camcorder or a articulated robot.

2축 이상의 회전을 동시에 감지할 수 있는 압전 자이로스코프가 국내 특허 제95-5388호 및 제95-5389호 공보에 개시되어 있다.Piezoelectric gyroscopes capable of simultaneously detecting two or more rotations are disclosed in Korean Patent Nos. 95-5388 and 95-5389.

제95-5388호 공보에 개시된 압전 자이로스코프에 있어서, 도 2를 참조하면, 베이스(15)상에 배치되는 금속 고정대(14)를 사이에 두고 구동용 압전 필름(11, 11')을 z축 방향으로 z-y 평면에 평행하게 배치하고, 상기 압전 필름(11, 11')위에 y축 방향 회전각 센싱용 압전 필름(13, 13')을 y축 방향으로 x-y 평면에 평행하게 배치하고, 상기 압전 필름(13, 13')위에 z축 방향 회전각 센싱용 필름(12, 12')을 z축 방향으로 x-z 평면에 평행하게 배치한다.In the piezoelectric gyroscope disclosed in Japanese Patent No. 95-5388, referring to FIG. 2, the z-axis of the piezoelectric films 11 and 11 ′ for driving is provided with a metal holder 14 disposed on the base 15. Direction in parallel to the zy plane, and the y-axis rotation angle sensing piezoelectric films 13 and 13 'on the piezoelectric films 11 and 11' in parallel to the xy plane in the y-axis direction, and the piezoelectric The z-axis rotation angle sensing films 12 and 12 'are disposed on the films 13 and 13' in parallel to the xz plane in the z-axis direction.

그리고 제95-5389호 공보에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 압전 센서 구조물을 사각뿔 형태의 5면체로 형성하고, 금속 구조물의 측면 사방과 밑면에 각각 정삼각형 압전 소자가 부착된 압전 자이로스코프가 개시되어 있다.Further, as shown in FIG. 3, a piezoelectric gyroscope is disclosed in which a piezoelectric sensor structure is formed into a tetrahedron in the form of a quadrangular pyramid, and an equilateral triangular piezoelectric element is attached to each side and bottom of the metal structure. It is.

상기 공보에 개시된 압전 자이로스코프는 개념적인 접근에 의해 조잡한 구조를 가진 형태(도 2 참조)를 갖거나, 구조가 안정적이지만, 표면에 부착된 압전체도 삼각형이어서 상당히 제작이 까다롭고 가공시에 오차를 동반할 수 밖에 없는 피라미드 형태(도 3참조)를 갖는다.The piezoelectric gyroscope disclosed in the above publication has a shape having a coarse structure by a conceptual approach (see FIG. 2), or the structure is stable, but the piezoelectric body attached to the surface is also triangular, which is quite difficult to manufacture and error in processing. It has a pyramid shape (see FIG. 3) that can only be accompanied.

또한, 본원의 발명자는 실험을 통해 PZT의 두께와 폭은 공진 주파수에 큰 영향을 주지 않으나, 그 길이는 공진 주파수에 상당한 영향을 끼치는 것을 발견하였다. 환언하면, 압전 자이로스코프의 크기가 클수록 센싱 감도가 높아진다. 그러나, 상기 공보에 개시된 압전 자이로스코프는 PZT의 길이를 크게 하면, 자이로스코프의 높이가 증가하기 때문에, 전체 구조가 대형화되는 문제점이 있다.In addition, the inventors of the present application found that the thickness and width of the PZT does not significantly affect the resonant frequency, but the length has a significant effect on the resonant frequency. In other words, the larger the size of the piezoelectric gyroscope, the higher the sensing sensitivity. However, in the piezoelectric gyroscope disclosed in the above publication, when the length of the PZT is increased, the height of the gyroscope increases, which causes a problem in that the entire structure is enlarged.

본 발명은 상술한 3차원 압전 자이로스코프에 비해 구조적으로 안정할 뿐만 아니라 제작시 오차를 동반하지 않고 용이하게 제작할 수 있는 2축형 압전 자이로스코프에 관하여 제안한다.The present invention proposes a biaxial piezoelectric gyroscope that is not only structurally stable compared to the above-described three-dimensional piezoelectric gyroscope, but also can be easily manufactured without accompanying errors in manufacturing.

본 발명의 목적은 상술한 단점을 해결하기 위한 것으로, 한 개의 센서를 이용하여 2축에 대한 회전을 동시에 측정할 수 있는 압전 자이로스코프를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages, and to provide a piezoelectric gyroscope capable of simultaneously measuring rotation about two axes using one sensor.

본 발명의 다른 목적은 압전체의 크기를 증가시켜도 그 높이가 증가하지 않는 압전 자이로스코프를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a piezoelectric gyroscope whose height does not increase even when the size of the piezoelectric body is increased.

도 1은 압전 자이로스코프의 작동 원리를 설명하는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The figure explaining the principle of operation of a piezoelectric gyroscope.

도 2 및 도 3은 종래 3차원 압전 자이로스코프의 사시도.2 and 3 are perspective views of a conventional three-dimensional piezoelectric gyroscope.

도 4는 본 발명에 따른 박스형 압전 자이로스코프의 사시도.4 is a perspective view of a box-type piezoelectric gyroscope according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 십자형 압전 자이로스코프의 사시도.5 is a perspective view of a cruciform piezoelectric gyroscope according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 압전 자이로스코프의 회로도.6 is a circuit diagram of a piezoelectric gyroscope according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

2, 2', 102, 102' : 압전 물질2, 2 ', 102, 102': piezoelectric material

3, 3', 102, 103' : 압전 물질3, 3 ', 102, 103': piezoelectric material

4, 4', 104, 104' : 금속 지지대4, 4 ', 104, 104': metal support

5, 105 : 압전 물질5, 105: piezoelectric material

50 : 신호 발생기50: signal generator

52 : 자이로스코프52: gyroscope

54, 56 : 전하 증폭기54, 56: charge amplifier

58, 60 : 전압 증폭기58, 60: voltage amplifier

62, 64 : 피크 검출기62, 64: peak detector

66 : 차동 증폭기66: differential amplifier

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 특징에 따르면, 다수의 압전 물질을 이용하는 2축형 자이로스코프에 있어서, 접지용의 직육면체 금속 베이스; 상기 금속 베이스의 하부면에 전도성 접착제에 의하여 부착된 구동용 압전 물질로서, 상기 구동 압전 물질의 선속도 방향이 구동 압전 물질의 두께 방향이 되도록 비도전성 접착제에 의하여 부착된, 상기 구동용 압전 물질; 및 2축의 기준축에 대하여 회전각을 감지하기 위하여, 상기 선속도 방향과 각각 직각이 되도록 금속 베이스의 4 측면에 부착된 다수의 감지용 압전 물질을 포함하는 2축형 압전 자이로스코프가 제공된다.In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a biaxial gyroscope using a plurality of piezoelectric materials, comprising: a rectangular metal base for grounding; A drive piezoelectric material attached to a lower surface of the metal base by a conductive adhesive, the drive piezoelectric material attached by a nonconductive adhesive such that a linear velocity direction of the drive piezoelectric material becomes a thickness direction of the drive piezoelectric material; And a plurality of sensing piezoelectric materials attached to four sides of the metal base so as to be perpendicular to the linear velocity direction to sense the rotation angle with respect to the reference axis of the two axes.

본 발명의 제2 특징에 따르면, 다수의 압전 물질을 이용하는 2축형 자이로스코프에 에 있어서, 접지용의 금속 플레이트; 상기 금속 플레이트의 어느 한 측면에 전도성 접착제에 의하여 부착된 구동용 압전 물질로서, 상기 구동 압전 물질의 선속도 방향이 구동 압전 물질의 두께 방향이 되도록 부착된, 상기 구동용 압전 물질; 및 2축의 기준축에 대하여 회전각을 감지하기 위하여, 상기 선속도 방향과 각각 직각이 되도록 금속 플레이트의 다른 측면에 각각의 모서리가 비전도성 접착제로 접착된 적어도 4개의 감지용 압전 물질을 포함하는 2축형 압전 자이로스코프가 제공된다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a biaxial gyroscope using a plurality of piezoelectric materials, comprising: a metal plate for grounding; A driving piezoelectric material attached to either side of the metal plate by a conductive adhesive, the driving piezoelectric material being attached such that a linear velocity direction of the driving piezoelectric material becomes a thickness direction of the driving piezoelectric material; And at least four piezoelectric materials for sensing, each edge being bonded with a non-conductive adhesive to the other side of the metal plate so as to be perpendicular to the linear velocity direction so as to sense a rotation angle with respect to a reference axis on two axes. An axial piezoelectric gyroscope is provided.

본 발명에 따른 2축형 압전 자이로스코프는 상기 구동용 압전 물질에 선속도를 인가하기 위한 파형 발생기; 상기 감지용 압전 물질에서 발생된 전하를 증폭하기 위한 증폭기; 상기 증폭기에서 발생된 신호에서 구동 신호의 주파수 성분을 제거하여 회전 각속도에 대한 신호만을 출력하기 위한 검출기; 및 상기 검출기에서 발생된 신호의 차이값에 기초하여 최종 회전 각속도에 비례하는 신호를 구하는 차동 증폭기를 또한 포함한다.A biaxial piezoelectric gyroscope according to the present invention includes a waveform generator for applying a linear velocity to the piezoelectric material for driving; An amplifier for amplifying the charge generated in the piezoelectric material for sensing; A detector for removing a frequency component of a drive signal from the signal generated by the amplifier and outputting only a signal for a rotational angular velocity; And a differential amplifier that obtains a signal proportional to the final rotational angular velocity based on the difference value of the signal generated at the detector.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 2축형 압전 자이로스코프의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of a biaxial piezoelectric gyroscope according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 출원의 발명자는 코리올리스 원리를 이용한 1축형 모델에서 이 원리에 입각하여 다시 1축을 추가하여 2축형 자이로스코프를 설계하였다. 본 설계에서는 센서 구동 역할을 하는 압전 소자를 z축 방향으로 배치하여 선속도를 가해 주었다. 가해진 선속도로 운동을 받고 있는 압전 소자에 x축 회전에 대한 코리올리스 힘을 감지하기 위한 감지 소자를 y축에 배치하고, y축 회전에 대한 코리올리스 힘을 감지하기 위한 감지 소자를 x축에 배치하였다. 그리고 압전 소자의 성질 중에는 초전도성도 포함되어 있다. 이 초전 특성에 의한 반응도 자이로스코프의 주가되는 압전 특성에 섞여 나오는데, 이 초전 특성에 의한 신호는 본 자이로스코프에서 원하지 않는 잡음 성분으로서 작용하기 때문에 이에 대한 보상이 필요하다. 이러한 열보상을 위해 감지 소자의 극성을 반대로 처리, 쌍으로 배치하여 그 차이값이 회로에서 서로 상쇄되게 처리하였다.The inventor of the present application designed a two-axis gyroscope by adding one more axis based on this principle in the one-axis model using the Coriolis principle. In this design, the piezoelectric element acting as a sensor driving is arranged in the z-axis direction to apply a linear velocity. In the piezoelectric element under motion at the applied linear velocity, a sensing element for sensing the Coriolis force on the x-axis rotation is placed on the y axis, and a sensing element for sensing the Coriolis force on the y-axis rotation is placed on the x-axis. Placed. The piezoelectric element also contains superconductivity. Responsiveness due to this pyroelectric property is mixed with piezoelectric properties, which are the mainstay of the gyroscope, and the signal due to this pyroelectric property acts as an unwanted noise component in the present gyroscope and needs to be compensated for. For this thermal compensation, the polarities of the sensing elements were reversed and arranged in pairs so that the difference values were canceled out in the circuit.

본 발명에 따른 2축형 압전 자이로스코프의 실시예는 몸체가 박스 형태로 된 금속에 압전 소자를 접착시킨 박스형 구조(도 4에 도시)와, 압전 소자로 감지 소자 부분을 십자형 형태로 제조한 십자형 구조(도 5에 도시)에 대한 것이다.An embodiment of a biaxial piezoelectric gyroscope according to the present invention has a box-shaped structure (shown in FIG. 4) in which a piezoelectric element is bonded to a metal whose body is box-shaped, and a cross-shaped structure in which a sensing element portion is manufactured in a cross-shaped form with a piezoelectric element. (Shown in Figure 5).

박스형 금속의 밑면에 z축 방향 선속도용 구동 소자가 부착되고, 각 회전 방향에 대한 감지를 위하여 압전 소자 4개의 박편이 금속 박스의 각 측면에 부착된다. 몸체가 박스 형태이므로 압전 소자들은 자연적으로 서로 직교하게 배치되는 형태를 갖는다. 이 때, 접착제로는 몰론 통전이 가능한 접착제를 사용한다. 이러한 구조의 경우, 금속 박스 전체가 전기적 접지 역할을 동시에 수행한다.A drive element for the z-axis linear speed is attached to the bottom of the box-shaped metal, and four pieces of piezoelectric elements are attached to each side of the metal box for sensing of each rotation direction. Since the body is in the form of a box, the piezoelectric elements are naturally arranged to be orthogonal to each other. At this time, as the adhesive, an adhesive capable of conducting electricity alone is used. In this structure, the entire metal box simultaneously serves as an electrical ground.

십자형 구조에 있어서, z축 방향의 선속도를 주기 위하여 구동용 압전 소자가 지지대 위에 통전 접착제로 부착된다. 이 위에 접지를 잡기 위한 것으로 얇은 퍼멀로이(permalloy) 박편이 부착된 이후, 두 가지의 회전 방향에 감지용의 압전 소자 4개의 박편이 서로 직교하도록 배치 및 접착된다.In the cruciform structure, a piezoelectric element for driving is attached with a conductive adhesive on a support to give a linear velocity in the z-axis direction. After the thin permalloy flakes are attached to hold the ground thereon, the flakes of the four piezoelectric elements for detection are placed and bonded to each other at right angles to the two rotation directions.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 박스형 및 십자형 압전 자이로스코프의 실시예에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the box-shaped and cross-shaped piezoelectric gyroscopes according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4에는 박스형 압전 자이로스코프가 개략적으로 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, x-y 평면에 평행하게 금속 지지대(4')를 배치하고, 이 금속 지지대 상방에 압전 물질(5)을 전도성 접착제를 사용하여 부착한다. 그리고 그 위에 금속 지지대(4)를 다시 보통 접착제를 이용하여 부착한다. 압전 물질(5)은 전술한 압전식 자이로스코프의 원리에서 물체에 선속도를 제공하는 구동부에 해당한다. 압전 물질(5)의 양 쪽 평면에 전극을 설치하고 사인파나 펄스파의 전자기적 신호를 인가해서 도 4의 z축 방향으로 선속도를 발생하게 된다.4 schematically shows a box-type piezoelectric gyroscope. Referring to FIG. 4, the metal support 4 'is disposed parallel to the x-y plane, and the piezoelectric material 5 is attached using the conductive adhesive above the metal support. And the metal support 4 is attached on it using a normal adhesive again. The piezoelectric material 5 corresponds to a drive for providing a linear velocity to an object in the principle of the piezoelectric gyroscope described above. Electrodes are provided on both planes of the piezoelectric material 5 and electromagnetic signals of a sine wave or pulse wave are applied to generate linear velocity in the z-axis direction of FIG. 4.

금속 지지대(4) 나머지 평면중 윗면을 제외한 x-z, y-z 평면에 해당하는 4개의 면에 압전 물질(2, 2') 및 (3, 3')을 전도성 접착제를 이용하여 부착한다. 이 때, 금속 지지대의 x-y 평면에 해당하는 면에 설치된 압전 물질(2, 2')은 x축 방향의 회전 속도 Ωx로부터 회전각을 감지하게 되고 금속 지지대(4')의 y-z 평면에 평행하게 부착된 압전 물질(3, 3')은 회전 속도 Ωy로부터 회전각을 감지하게 된다.Piezoelectric materials (2, 2 ') and (3, 3') are attached to four surfaces corresponding to the x-z and y-z planes except for the upper surface of the remaining metal plane (4) using a conductive adhesive. At this time, the piezoelectric materials 2 and 2 'installed on the surface corresponding to the xy plane of the metal support detect the rotation angle from the rotational speed? X in the x-axis direction and attach in parallel to the yz plane of the metal support 4'. The piezoelectric materials 3 and 3 'sense the rotation angle from the rotational speed? Y.

이와 같은 구조의 본 발명은 센서에 의해 회전각을 감지하기 위해서 구동부의 압전 물질(5)에 도 6의 신호 발생기(50)의 펄스파 또는 사인파가 인가되게 연결하고, x축의 압전 물질(2, 2')에서 감지한 회전력 Ωx 또는 y축의 압전 물질(3, 3')에서 감지한 회전력 Ωy에 따른 전하는 증폭기(54 내지 60)에 의하여 증폭되고, 그 출력이 검출기(62, 64)에서 최종 회전각 신호로 출력되게 연결하여 구성한다.In the present invention having the structure as described above, the pulse wave or the sine wave of the signal generator 50 of FIG. 6 is applied to the piezoelectric material 5 of the driving unit to detect the rotation angle by the sensor, and the piezoelectric material 2 of the x-axis is applied. The charge according to the rotational force Ωx detected at 2 ') or the piezoelectric materials 3, 3' at the y-axis is amplified by the amplifiers 54 to 60, and its output is finally rotated at the detectors 62 and 64. It is configured to be connected to each signal output.

도 5에는 십자형 압전 자이로스코프가 개략적으로 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, x-y 평면에 평행하게 금속 지지대(104')를 배치하고 이 금속 지지대 상방에 압전 물질(105)을 전도성 접착제를 사용하여 부착하고 그 위에 금속 지지대(104)를 다시 보통 접착제를 이용하여 부착한다. 이 때 압전 물질(105)은 전술한 압전식 자이로스코프의 원리에서 물체에 선속도를 제공하는 구동부에 해당하는데 양 쪽 평면에 전극을 설치하고 사인파나 펄스파의 전자기적 신호를 인가해서 도 5의 z축 방향으로 선속도를 발생하게 된다.Fig. 5 schematically shows a cruciform piezoelectric gyroscope. Referring to FIG. 5, the metal support 104 ′ is placed parallel to the xy plane and the piezoelectric material 105 is attached using a conductive adhesive on top of the metal support, and the metal support 104 is then placed on the normal adhesive again. Use to attach. At this time, the piezoelectric material 105 corresponds to a driving unit that provides linear velocity to an object in the above-described piezoelectric gyroscope principle, by installing electrodes on both planes and applying an electromagnetic signal of a sine wave or pulse wave to FIG. 5. Linear velocity is generated in the z-axis direction.

금속 지지대(104) 상방에는 각각 y축 방향으로 y-z 평면에 평행하게 압전 물질(103, 103')을 배치하고 x축 방향으로 x-z 평면에 평행하게 압전 물질(102, 102')을 배치한다. 이 때 압전 물질(103, 103')은 회전속도 Ωy로부터 회전각을 감지하게 되고 압전 물질(102, 102')은 x축 방향의 회전 속도 Ωx로부터 회전각을 감지하게 된다.Piezoelectric materials 103 and 103 'are disposed above the metal support 104 in the y-axis direction in parallel to the y-z plane, and piezoelectric materials 102 and 102' are disposed in the x-axis direction in parallel to the x-z plane. At this time, the piezoelectric materials 103 and 103 'sense the rotation angle from the rotational speed? Y and the piezoelectric materials 102 and 102' detect the rotational angle from the rotational speed? X in the x-axis direction.

전술한 바와 같은 구조를 갖는 십자형 자이로스코프에 의해 회전각을 감지하기 위해서 구동부의 압전 물질(105)에 도 6에 도시된 신호 발생기(50)의 펄스파 또는 사인파가 인가되게 연결하고, x축의 압전 물질(102, 102')에서 감지한 회전력 Ωx 또는 y축의 압전 물질(103, 103')에서 감지한 회전력 Ωy에 따른 전하는 증폭기(54 내지 60)에 의하여 증폭되고, 그 출력이 검출기(62, 64)에서 최종 회전각 신호로 출력되게 연결하여 구성한다.In order to detect the rotation angle by the cross-shaped gyroscope having the structure as described above, the pulse wave or sine wave of the signal generator 50 shown in FIG. 6 is applied to the piezoelectric material 105 of the driving unit, and the piezoelectric on the x-axis is applied. The electric charges corresponding to the rotational force Ωx sensed by the materials 102 and 102 'or the piezoelectric force Ωy sensed by the piezoelectric materials 103 and 103' on the y-axis are amplified by the amplifiers 54 to 60, and their outputs are detected by the detectors 62 and 64. ) To be output as the final rotation angle signal.

전술한 자이로스코프의 실시예에 사용되는 압전 물질은 동일한 형태와 물성을 갖는 압전 세라믹으로서 PZT, BaTiO3, LiNbO3, LiTaO3, 수정 등을 이용할 수 있다.As the piezoelectric material used in the above-described embodiment of the gyroscope, PZT, BaTiO 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , quartz, or the like may be used as the piezoelectric ceramic having the same shape and physical properties.

특히 이들 압전 물질의 길이는 길수록 고감도를 얻을 수 있으나, 센서의 크기가 증가하므로 사용 용도에 적합한 크기로 제작된다. 압전 물질의 폭은 작을수록 표면상에서의 각(angular) 모멘트 분포가 균일하므로 그 폭이 작을수록 유리한다.Particularly, the longer the length of the piezoelectric material is, the higher the sensitivity can be obtained. The smaller the width of the piezoelectric material, the more uniform the angular moment distribution on the surface.

그러나 가공상의 어려움이 따르므로 내구성을 고려할 때 최대 길이의 1/5 정도로 가져가는 것이 적합하다. 또한, 압전 물질의 두께는 얇을수록 진동 모드의 선택성과 감도가 향상되나 가공 및 내구성을 고려할 때 최대 길이의 1/10 정도로 가져가는 것이 적합하다.However, due to processing difficulties, it is appropriate to bring about 1/5 of the maximum length in consideration of durability. In addition, the thinner the thickness of the piezoelectric material, the better the selectivity and sensitivity of the vibration mode, but considering the processing and durability, it is appropriate to bring about 1/10 of the maximum length.

또한, 금속 지지대 상방에 배치된 압전 물질은 정확히 90°를 이루도록 배치되어야 하며 비전도성 접착제로 상호 부착하여 기계적 결합만이 이루어지도록 접착제 또는 구조물을 이용하여 고착되어야만 한다.In addition, the piezoelectric material disposed above the metal support must be positioned to achieve exactly 90 ° and must be secured using an adhesive or structure so that only mechanical bonding is achieved by mutually adhering with a nonconductive adhesive.

압전 자이로스코프의 회로를 도시하는 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 압전 자이로스코프가 코리올리스 힘을 이용하여 회전을 감지하는 작동에 대하여 설명하기로 한다.Referring to FIG. 6, which shows a circuit of a piezoelectric gyroscope, an operation in which a piezoelectric gyroscope according to the present invention detects rotation using a Coriolis force will be described.

선속도(U)를 가지며 진동하는 물체가 회전을 받을 경우, 회전각 속도에 비례하고 선속도(U)와 회전 방향(W)에 수직인 방향으로 힘(F)을 받게 된다. 이 때, 이 힘을 감지할 수 있는 압전 물질을 힘이 받는 면에 수직하게 배치함으로써 회전각에 비례하는 전하량의 변화를 도출할 수 있다. 여기서 하나의 감지부 대신 반대로 극성 처리된 두 개의 압전 감지부를 둠으로써, 그 전하량의 차이값을 최종적으로 차동 증폭기로 구하여 출력 전압의 크기를 두배로 높이며 또한 외부로부터의 열잡음을 서로 상쇄시켜 보상한다.When the object having a linear speed (U) and vibrating receives a rotation, the force (F) is received in a direction that is proportional to the rotation angle speed and perpendicular to the linear speed (U) and the rotation direction (W). At this time, by placing the piezoelectric material capable of sensing this force perpendicular to the plane of the force, a change in the amount of charge proportional to the rotation angle can be derived. Here, by having two oppositely polarized piezoelectric sensing units instead of one sensing unit, the difference in the amount of charge is finally obtained by using a differential amplifier to double the magnitude of the output voltage and compensate by thermal noise from the outside.

도 6에 도시된 회로는 회전에 비례하여 발생하는 코리올리스 힘을 전압의 형태로 유도하는 역할을 하며 파형 발생부와 신호 처리부로 구성되어 있다. 파형 발생부에서는 구형파 또는 정현파를 발생하며, 주파수를 가변할 수 있도록 하여 구동용 압전체가 가지는 공진점에서 정확히 구동(가진)할 수 있다. 파형 발생부는 구동용 압전체(5; 105)에 연결되어 수직 방향의 선속도를 발생시키는데 사용된다.The circuit shown in FIG. 6 serves to induce a Coriolis force generated in proportion to rotation in the form of a voltage, and is composed of a waveform generator and a signal processor. The waveform generator generates a square wave or a sinusoidal wave, and the frequency can be varied so that the waveform generator can be accurately driven at the resonance point of the driving piezoelectric body. The waveform generator is connected to the driving piezoelectric body 5; 105 and used to generate the linear velocity in the vertical direction.

어느 특정 주파수로 구동되는 물체에 회전이 가해질 때 발생하는 코리올리스 힘에 의해 감지 소자에서는 그 힘에 비례하는 전하가 발생하게 되고, 이것은 전하 증폭기(54, 56)에 연결되어 전압의 형태로 선형 변환 증폭된다. 이 때 증폭된 신호는 그 신호가 아주 미약하므로 다시 전압 증폭기(58, 60)을 거친다. 이렇게 증폭기에서 발생된 신호는 다음 식과 같이 구동 주파수 성분(ω1)과 회전 각속도의 주파수 성분(ω2)을 동시에 가진다.Due to the Coriolis force generated when a rotation is applied to an object driven at a certain frequency, a charge proportional to the force is generated in the sensing element, which is connected to the charge amplifiers 54 and 56 and linearly converted into a voltage form. Is amplified. In this case, the amplified signal passes through the voltage amplifiers 58 and 60 again because the signal is very weak. The signal generated by the amplifier has the driving frequency component (ω 1 ) and the frequency component of the rotational angular velocity (ω 2 ) as shown in the following equation.

V ∝ u × wV ∝ u × w

= U cos(ω1t) × W cos(ω2t + φ)= U cos (ω 1 t) × W cos (ω 2 t + φ)

여기서, U 및 ω1은 상수이다.Where U and ω 1 are constants.

특히, 구동 주파수 성분(ω1)은 회전각의 주파수 성분(ω2)보다 휠씬 큰 값을 가지게 되므로, 출력에서는 구동 주파수와 회전운동의 주파수 성분이 중첩되어 진폭 변조된 형태로 나타나게 된다. 따라서 출력에서 구동 주파수 성분을 제거하기 위하여 피크 검출기를 이용하여 직류 성분으로 평활하여 회전 속도에 대한 출력 성분만을 구한다. 이렇게 구해진 한 쪽의 신호와 다른 쪽의 신호의 차를 차동 증폭기(66)로 구하여 출력 전압의 크기를 두배로 높이며 결국 회전 속도에 비례하는 신호를 구할 수 있다.In particular, since the driving frequency component ω 1 has a much larger value than the frequency component ω 2 of the rotation angle, the driving frequency and the frequency component of the rotational motion overlap with each other and appear in amplitude modulated form. Therefore, in order to remove the driving frequency component from the output, the peak detector is used to smooth the DC component to obtain the output component only for the rotational speed. The difference between the signal obtained on one side and the signal on the other side is obtained by using the differential amplifier 66, thereby doubling the magnitude of the output voltage and eventually obtaining a signal proportional to the rotation speed.

도 4 및 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 구동용 압전 물질(5; 105)에 외부 발진 신호가 입력되면 압전 물질(5)의 공진 주파수와 일치하는 신호에 의해 상기 압전 물질이 인장 및 수축 작용을 하게 된다. 이에 따라 압전 물질(2, 2'; 102, 102')과 압전 물질(3, 3'; 103, 103')은 z축 방향의 선운동 Vz를 하게 된다. 이 때 xz 평면상의 회전 속도 Ωx나 yz 편면상의 Ωy가 가해지면 압전 물질 (2, 2' 및 3, 3'; 102, 102' 및 103, 103')에 각각 -2mVzΩX와 -2mVzΩY(m은 압전 물질의 질량)로 표시되는 코리올리스 힘이 나타나게 된다. 이 힘에 의해 각 압전 물질(2, 2' 또는 3, 3'; 102, 102' 또는 103, 103')에 인장 또는 수축이 걸리게 되고 압전 물질이 전하를 발생하게 된다. 이와 같이 압전 물질에 의해 검출되는 2축의 회전각 성분 신호는 차동 증폭기와 검출 회로를 통하여 최종 신호로 나타나게 된다. 여기에서 압전 물질을 서로 반재 방향으로 분극된 형태로 두 개씩 [예를 들면 (2, 2' 또는 3, 3'; 102, 102' 또는 103, 103')] 사용하고 있으므로 차동 증폭시 음압, 온도 습도 등에 기인한 전하 성분은 서로 상쇄되고 순수한 회전 속도에 의한 전하 성분만 2배로 증폭되어 출력된다. 이러한 증폭기(54 내지 60)의 센싱 출력은 검출기(62, 64)에서 벡터합되어 최종 제어 신호 소오스로 출력된다.4 and 5, when the external oscillation signal is inputted to the driving piezoelectric material 5; 105, the piezoelectric material is stretched and contracted by a signal corresponding to the resonance frequency of the piezoelectric material 5. It works. Accordingly, the piezoelectric materials 2, 2 '; 102, 102' and the piezoelectric materials 3, 3 '; 103, 103' have a linear movement Vz in the z-axis direction. At this time, if a rotational speed Ωx on the xz plane or Ωy on one side of yz is applied, the piezoelectric materials (2, 2 'and 3, 3'; 102, 102 'and 103, 103') are respectively -2mVzΩX and -2mVzΩY (m is a piezoelectric material). The Coriolis force, expressed as mass of matter). This force causes tension or contraction to each piezoelectric material 2, 2 'or 3, 3'; 102, 102 'or 103, 103' and causes the piezoelectric material to generate charge. As described above, the biaxial rotation angle component signal detected by the piezoelectric material is represented as a final signal through the differential amplifier and the detection circuit. Here, two piezoelectric materials are polarized in the opposite direction to each other (for example, (2, 2 'or 3, 3'; 102, 102 'or 103, 103')]. Charge components due to humidity and the like cancel each other, and only the charge components due to the pure rotational speed are amplified twice and output. The sensing outputs of these amplifiers 54 to 60 are vector summed at the detectors 62 and 64 and output to the final control signal source.

상술한 구성에 의하면, 본 발명에 따른 2축형 압전 자이로스코프는 구조적으로 안정하며, 제작이 매우 용이하다. 그리고 압전체의 길이가 증가되어도, 자이로스코프 전체 크기가 증가하지 않는 장점을 제공한다.According to the above configuration, the biaxial piezoelectric gyroscope according to the present invention is structurally stable and very easy to manufacture. In addition, even if the length of the piezoelectric body is increased, the entire size of the gyroscope does not increase.

Claims (4)

다수의 압전 물질을 이용하는 2축형 자이로스코프에 있어서,In a biaxial gyroscope using a plurality of piezoelectric materials, 접지용의 직육면체 금속 베이스;A cuboid metal base for grounding; 상기 금속 베이스의 하부면에 전도성 접착제에 의하여 부착된 구동용 압전 물질로서, 상기 구동 압전 물질의 선속도 방향이 구동 압전 물질의 두께 방향이 되도록 비도전성 접착제에 의하여 부착된, 상기 구동용 압전 물질; 및A drive piezoelectric material attached to a lower surface of the metal base by a conductive adhesive, the drive piezoelectric material attached by a nonconductive adhesive such that a linear velocity direction of the drive piezoelectric material becomes a thickness direction of the drive piezoelectric material; And 2축의 기준축에 대하여 회전각을 감지하기 위하여, 상기 선속도 방향과 각각 직각이 되도록 금속 베이스의 4 측면에 부착된 다수의 감지용 압전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 2축형 압전 자이로스코프.And a plurality of sensing piezoelectric materials attached to four sides of the metal base so as to be perpendicular to the linear velocity direction to sense a rotation angle with respect to a reference axis of two axes. 제1항에 있어서, 상기 구동용 압전 물질에 선속도를 인가하기 위한 파형 발생기; 상기 감지용 압전 물질에서 발생된 전하를 증폭하기 위한 증폭기; 상기 증폭기에서 발생된 신호에서 구동 신호의 주파수 성분을 제거하여 회전 각속도에 대한 신호만을 출력하기 위한 검출기; 및 상기 검출기에서 발생된 신호의 차이값에 기초하여 최종 회전 각속도에 비례하는 신호를 구하는 차동 증폭기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 2축형 압전 자이로스코프.2. The apparatus of claim 1, further comprising: a waveform generator for applying a linear velocity to the drive piezoelectric material; An amplifier for amplifying the charge generated in the piezoelectric material for sensing; A detector for removing a frequency component of a drive signal from the signal generated by the amplifier and outputting only a signal for a rotational angular velocity; And a differential amplifier obtaining a signal proportional to the final rotational angular velocity based on the difference value of the signal generated by the detector. 다수의 압전 물질을 이용하는 2축형 자이로스코프에 있어서,In a biaxial gyroscope using a plurality of piezoelectric materials, 접지용의 금속 플레이트;Metal plates for grounding; 상기 금속 플레이트의 어느 한 측면에 전도성 접착제에 의하여 부착된 구동용 압전 물질로서, 상기 구동 압전 물질의 선속도 방향이 구동 압전 물질의 두께 방향이 되도록 부착된, 상기 구동용 압전 물질; 및A driving piezoelectric material attached to either side of the metal plate by a conductive adhesive, the driving piezoelectric material being attached such that a linear velocity direction of the driving piezoelectric material becomes a thickness direction of the driving piezoelectric material; And 2축의 기준축에 대하여 회전각을 감지하기 위하여, 상기 선속도 방향과 각각 직각이 되도록 금속 플레이트의 다른 측면에 각각의 모서리가 비전도성 접착제로 접착된 적어도 4개의 감지용 압전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 2축형 압전 자이로스코프.At least four sensing piezoelectric materials, each corner of which is bonded with a non-conductive adhesive to the other side of the metal plate so as to be perpendicular to the linear velocity direction to sense a rotation angle with respect to the biaxial reference axis. 2-axis piezoelectric gyroscope. 제1항에 있어서, 상기 구동용 압전 물질에 선속도를 인가하기 위한 파형 발생기; 상기 감지용 압전 물질에서 발생된 전하를 증폭하기 위한 증폭기; 상기 증폭기에서 발생된 신호에서 구동 신호의 주파수 성분을 제거하여 회전 각속도에 대한 신호만을 출력하기 위한 검출기; 및 상기 검출기에서 발생된 신호의 차이값에 기초하여 최종 회전 각속도에 비례하는 신호를 구하는 차동 증폭기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 2축형 압전 자이로스코프.2. The apparatus of claim 1, further comprising: a waveform generator for applying a linear velocity to the drive piezoelectric material; An amplifier for amplifying the charge generated in the piezoelectric material for sensing; A detector for removing a frequency component of a drive signal from the signal generated by the amplifier and outputting only a signal for a rotational angular velocity; And a differential amplifier obtaining a signal proportional to the final rotational angular velocity based on the difference value of the signal generated by the detector.
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