KR20010040141A

KR20010040141A - 각속도 검출 방법 및 진동 자이로스코프

Info

Publication number: KR20010040141A
Application number: KR1020000061867A
Authority: KR
Inventors: 후지모토가츠미
Original assignee: 무라타 야스타카; 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2001-05-15
Also published as: EP1094297B1; EP1094297A2; US6467347B1; KR100415076B1; DE60021499D1; EP1094297A3

Abstract

본 발명은 한쌍의 검출 신호로부터 차동 신호를 발생시키고, 각각의 검출 신호는 진동기의 진동에 해당하는 성분 및 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘에 해당하는 성분을 포함하고; 검출 신호의 합에 근거하여 시간 신호를 발생시키고; 시간 신호에 근거하여 차동 신호를 각속도에 비례하는 듀티 사이클을 갖는 펄스 트레인으로 변환하는 전압-시간 컨버터에 차동 신호를 인가하는 각속도 검출 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 자이로스코프와 같은 각속도 검출기에 의해 실행된다.

Description

각속도 검출 방법 및 진동 자이로스코프{Method of detecting angular velocity and vibrating gyroscope}

본 발명은 진동 자이로스코프에 있어서 각속도를 검출하는 방법, 예를 들어, 카메라 흔들림(camera-shake), 내비게이션 시스템(navigation system) 등을 보정하는데 이용되는 바이모르프(bimorph) 진동기를 포함하는 진동 자이로스코프의 발진 출력에 근거하여 각속도를 검출하는 방법 및 진동 자이로스코프에 관한 것이다.

도 11은 진동 자이로스코프에 이용되는 종래의 바이모르프 진동기의 예를 도식적으로 보여주는 사시도이다. 도 11에 있어서, 바이모르프 진동기 1은 서로 반대의 분극 방향(마주 보고 있는 화살표에 의해 알 수 있는 바와 같이)을 갖는 두개의 압전 소자 시트에 의해 형성되고. 그 압전 소자 시트들은 진동기 1이 사각형 단면을 갖도록 서로 결합되어 있다. 진동기 1이 세로 모드(longitudinal mode)로 진동할 때, 즉, X축 방향으로 진동할 때, 그리고 진동기가 Z축 방향에 대해서 각 (Ω)으로 회전할 때, 코리올리 힘(Coriolis force)때문에 가로 진동 모드(transeverse vibrating mode), 즉, 수직 Y축 방향으로 진동이 발생한다.

이러한 진동의 진폭은 각속도에 비례한다. 그러므로, 각속도는 이 비례관계를 이용함으로써 검출될 수 있다. 진동기 1에는 각각 좌우 전극 1L 및 1R, 그리고 공통(common) 전극(도시되지 않음)이 제공된다. 진동기 1의 진동은 각각 좌우 전극 1L 및 1R 에 의해 검출된다. 상술한 진동기 1에 대하여, 평형(balance), 영 전압(또한 오프셋(offset) 전압 또는 중성점(neutral point) 전압이라고 부른다), 감도(sensitivity) 등을 개별적으로 조정할 필요가 있다.

도 12는 도 11에 나타낸 진동기 1의 출력을 얻기 위한 각속도 검출 회로의 블록도이다. 도 12에 있어서, 진동기 1의 차동 출력(differential output) 신호는 차동 증폭 회로 21에서 증폭된다. 증폭된 파형은 동기 검파 회로(synchronous detection circuit) 22에서 검파되고 평활 회로(smoothing circuit) 23에서 부드러워진다. 얻어진 DC 전압은 DC 증폭기 24에서 직류 증폭된다. 신호가 DC 증폭기 24에서 증폭될 때, 영 전압은 또한 직류 증폭된다. 따라서, DC 성분은 예를 들어 필터로 구성된 DC 차단 회로 25에서 차단된다. 신호는 증폭 회로 26에서 더욱 증폭되어 아날로그 신호로서 출력되고, 이 아날로그 신호는 A/D 컨버터 27에서 디지털 신호로 변환된다. 그 후에, 각속도 방향 신호가 마이크로컴퓨터 28에 공급되고, 그 결과, 카메라 진동 흔들림은 억제되고, 또는 내비게이션 제어가 수행된다.

일반적으로, 종래의 자이로스코프 칩은 진동기 1에서부터 증폭기 26까지를 포함하고 있다. 결과적으로, 종래의 진동 자이로스코프 칩은 크기면에서 대형화되는 경향이 있다. 아울러, 진동 자이로스코프가 설치된 장치가 A/D 컨버터를 이용하는 것이 필요하다. 검출된 각속도에 해당하는 디지털 신호를 출력할 수 있는 진동 자이로스코프에 대한 수요는 대단히 크고, 그로 인해, 진동 자이로스코프가 내장된 장치의 전체적인 비용 절감뿐만 아니라, 진동 자이로스코프의 비용 절감이 가능해진다.

종래의 자이로스코프는 추가적인 결점들을 가지고 있다. 구체적으로, 도 12에서 보는 바와 같이, 신호 성분이 각속도 검출 회로의 DC 증폭기 24에서 증폭될 때, 영 전압 또한 증폭된다. 만일 DC 증폭기의 이득이 크다면, 온도 변화에 대한 영 전압의 변동이 너무 커서 각속도를 나타내는 신호의 검출에 영향을 끼칠 정도로 커진다. 이러한 이유로, DC 증폭기 24의 이득은 매우 클 수 없다.

더욱이, 영 전압은 좌측 신호와 우측 신호사이의 불평형때문에 0V가 될 수 없다. 결과적으로, DC 증폭기 24의 이득은, 영 전압이 영 전압의 변동에 상관없이 전원 전압(power voltage) 또는 접지 전위(ground potential)에서 포화되지 않도록 작아야 한다.

아울러, 적어도 0.1Hz의 주파수를 갖는 신호를 통과시키는 고역 통과 필터(high pass filter)가 형성되어 DC 차단 회로 25에서 DC 성분을 차단한다면, 고역 통과 필터에 20㎌의 대용량 커패시터와 1㏁ 저항기의 조합을 제공할 필요가 있다. 그러므로, 대형 장치가 요구된다.

더욱이, 도 12에 도시된 회로에 있어서, 출력 신호는 차동 증폭 회로 21로부터 출력되고, 이 차동 증폭 회로 21에서 어떤 경우에는 좌우 신호 성분에 위상차가 생기고, 다른 경우에는 좌우 신호 성분의 진폭이 이동한다. 진폭이 서로로부터 이동되는 경우에는, 좌우 신호 성분이 사인(sin)파이기 때문에 차동 출력의 진폭이 간단히 변화된다. 한편, 좌우 신호 성분에 위상차가 생길 때, 출력 신호는 기준 신호와 위상차가 생긴다.

다른 종래의 예로서, 일본 심사 특허출원 공개 공보 제 6-13970호에는 진동기가 회전할 때 각속도에 의해 발생된 출력 전압의 벡터와 진동기가 정지할 때 영 전압의 벡터사이의 위상차 각도가 90°가 되는 방식으로 구동 신호(drive signal)가 진동기의 검출측면에 인가되는 것이 기재되어 있다. 상기 각속도는 조합된 벡터의 위상차에 근거하여 검출된다.

이 예에서, 진동기의 출력 진폭은 선형성을 가지고 있다. 한편, 위상차와 감도사이의 관계는 비선형이고, 비선형성은 영 전압에 따라서 변화하는 경향이 있다. 이러한 이유로, 코리올리스 힘의 진폭을 디지털화하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 일본 무심사 공개 공보 제 62-150116호에는 발진 구동에 의해 발생된 각속도가 최대, 최소가 되는 시점에 표본 유지(sample hold)가 수행되는 것이 기재되어 있다.

더욱이, 일본 공개 공보 제 7-260493에는, 압전 장치를 관통하는 전류의 차이가 검출되고, 그 차이를 검출하는 진동기의 변위 속도가 0이 되는 시점에 표본 유지가 수행되는 것이 설명되어져 있다. 그러나, 표본 유지된 신호를 디지털화하는 방법에 대해서는 설명되어 있지 않다.

일본 공개 공보 제 8-146056에는 자이로스코프용 위상차 검출 회로가 기재되어 있다. 상기 회로가 마이크로컴퓨터에 의해 직접 처리될 수 있는 신호를 출력한다고 할지라도, 검출된 신호의 위상차는 온도 변화에 의해 악영향을 받는다. 즉, 위상차 검출 회로는 각속도를 정확하고 안정하게 검출하기가 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 주요 목적은, 진동 자이로스코프에 대하여 검출된 각속도에 해당하는 디지털 신호를 출력할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 또한 본 발명은 그러한 진동 자이로스코프를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 각속도 검출 회로의 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시된 V-T 변환 회로의 시간(timing)과 비교기 레벨과의 관계를 설명한다.

도 3은 도 1에 도시된 각속도 검출 회로의 각각의 부분에서 얻어진 파형 차트로 구성되어 있다.

도 4는 도 1에 도시된 각속도 검출 회로의 각각의 부분에서 얻어진 파형 차트로 구성되어 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각속도 검출 회로를 도시한 블록도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 사용된 표본 유지 회로의 도면이다.

도 7은 도 6에 도시된 표본 유지 회로의 동작을 설명하는 파형 차트로 구성되어 있다.

도 8은 도 6에 도시된 표본 유지 회로의 동작을 설명하는 파형 차트로 구성되어 있다.

도 9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각속도 검출 회로를 도시한 블록도이다.

도 9b는 도 9a에 도시된 실시예의 편차에 따른 각속도 검출 회로를 도시한 블록도이다.

도 10은 도 9에 도시된 실시예의 동작을 설명하는 파형 차트로 구성되어 있다.

도 11은 본 발명의 배경을 구성하고 본 발명이 적용된 바이모르프 진동기의 모습을 도시한 사시도이다.

도 12는 종래의 각속도 검출 회로의 블록도이다.

본 발명의 첫번째 측면에 따라, 각속도를 검출하는 방법은, 진동기로부터 차동 신호를 발생시키고, 한쌍의 검출 신호로부터 차동 신호를 검출하는 것을 포함하고, 각각의 검출 신호는 진동기의 진동에 해당하는 성분 및 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘에 해당하는 성분을 포함하고 있다. 또한 검출 신호들의 합에 근거하여 시간 신호(timing signal)를 발생시키고; 시간 신호에 근거하여, 차동 신호를 각속도에 비례하는 듀티 사이클(duty cycle)를 갖는 펄스 트레인(pulse train)으로 변환하는 전압-시간 컨버터에 차동 신호를 인가하는 것을 포함한다.

다른 측면에 따라, 본 발명은 진동 자이로스코프로 향해지는데, 상기 진동 자이로스코프는, 각각의 검출 신호가 진동기의 진동에 해당하는 성분 및 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘에 해당하는 성분을 포함하고 있는 한쌍의 검출 신호를 발생시키는 진동기; 또한, 한쌍의 검출 신호로부터 차동 신호를 검출하는 차동 회로; 한쌍의 검출 신호의 합에 근거하여 시간 신호를 발생시키는 시간 회로; 및 차동 회로에 의해 검출된 차동 신호에 의해 검출되는 차동 신호를 수신하고, 시간 신호에 근거하여, 차동 신호를 각속도에 비례하는 듀티 사이클을 갖는 펄스 트레인으로 변환하는 전압-시간 컨버터를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 각속도 검출 신호는, 진동기로부터의 검출 신호 출력의 합에 근거하여 기준 신호를 발생시키고 표본 유지 신호를 발생시키는 시간 신호에 근거하여 차동 신호를 표본 유지함으로써 검출될 수 있다. 차동 신호는 코리올리스 힘으로 인한 성분을 포함한다. 표본 유지 신호는 그 후에 적분되고각속도에 비례하는 듀티 사이클을 갖는 디지털 신호를 발생시키는 소정의 레벨(level)과 비교된다. 각속도는 그 후에 듀티 사이클에 근거하여 결정된다.

본 발명은, 또 다른 측면에 따라, 진동 자이로스코프를 제공하며, 그것은 한쌍의 검출 신호를 발생시키는 진동기를 포함하고, 각각의 검출 신호는 진동기의 진동에 해당하는 성분 및 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘에 해당하는 성분을 포함하고 있다; 또한, 한쌍의 검출 신호로부터 차동 신호를 검출하는 차동 회로를 포함하고, 그 차동 신호는 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘 및 영 전압을 가진다; 또한, 차동 신호의 합에 근거하여 기준 신호를 발생시키는 기준 신호 발생기; 기준 신호에 근거하여 시간 신호를 발생시키는 타이머(timer); 때때로 시간 신호에 근거하여 차동 회로에 의해 검출된 차동 신호를 표본 유지하여 표본 유지 신호를 발생시키는 표본 유지 회로; 표본 유지 신호를 적분하는 적분기(integrator); 적분된 표본 유지 신호와 각속도에 비례하는 듀티 사이클를 갖는 디지털 신호를 발생시키는 소정의 레벨(level)과 비교하는 비교기(comparator); 및 디지털 신호의 듀티 사이클로부터 각속도를 결정하는 수단을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 적분의 시간 영역이 확장되어 해상도(resolution) 레벨을 향상시킨다.

본 발명에 따라, 종래에 사용된, 동기 검출 등을 디지털화하는 이중 회로(duplicated circuit)들은 제거될 수 있다. 그러므로, 비용 절감이 실현될 수 있다.

게다가 V-T 변환 수단의 회로 배열이, 시간에 대해 선형적으로 감소하는 출력을 제공하는 표본 유지 회로를 사용함으로써 바람직하게 단순화될 수 있다.

더욱이, 영 전압이 어느 때라도 0이 될 수 있도록 제어될 수 있고, 영 전압에 대한 온도 변화의 효과는, 제 1 표본 기간에 특정 위상점 및 다른 표본 기간에 상기 위상점과 다른 위상점에서 표본 유지 값들을 비교하여 영 차동 전압을 측정하고, 측정된 영 차동 전압에 근거하여 비교 수단의 레벨을 제어함으로써 바람직하게 제거될 수 있다.

본 발명을 설명할 목적으로, 현재 선호되는 몇개의 형태들을 도면에 도시하였고, 그러나 본 발명은 도시된 정확한 배열 및 수단에 한정되지 않는다고 이해되어져야 한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점들은 하기하는 첨부 도면을 참고하는 발명의 설명으로부터 분명해 질 것이다.

하기에, 본 발명의 실시예들이 도면을 참고하여 상세하게 설명된다.

도 1은 마이크로컴퓨터 7을 갖는 진동 자이로스코프 101의 블록도이다. 진동 자이로스코프 101은 진동기 1, 각속도 검출 회로 102 및 구동 회로 103을 포함한다.

진동기 1에는 좌측 전극 1L, 우측 전극 1R 및 공통 전극 1C가 제공된다. 전압 V는 저항기 R1 및 R2를 경유하여 각각 좌측 전극 1L 및 우측 전극 1R에 인가된다. 회전 각속도가 진동기 1에 인가되는 경우에 코리올리스 힘(이하에서는 '코리올리스 신호 성분'이라고 한다)에 해당하는 신호 성분을 각각 포함하는 신호 검출의 L 및 R은, 좌우 전극 1L 및 1R로부터 출력되고, 각각 가산 회로(adding circuit) 및 차동 증폭 회로 3에 공급된다. L 및 R 신호는 또한 진동기 1의 진동에 대응하고 실질적으로 동일한 위상을 갖는 사인 신호 성분을 포함한다. L 신호 및 R신호의 코리올리스 신호 성분은 반대 위상을 가진다. 가산 회로 2는 L 신호 및 R 신호를 가산하여 L+R 신호를 출력한다. 코리올리스 힘은 가산 회로 2에서의 L 및 R 신호의 가산에 의해 서로 상쇄되므로, 가산 회로 2의 출력 신호는 안정한 기준 신호가 된다.

상술한 기준 신호는 기준 신호로서 AGC 회로 4에 공급되어, AGC 회로 4는 일정한 레벨을 갖는 구동 전압을 출력한다. 구동 전압은 이상 회로(移相回路; phase shift circuit)를 경유하여 진동기 1의 공통 전극 1C에 공급된다. 이상 회로 5는 가산 회로 2의 출력의 위상을 조정하고, 특히, 가산 회로 2의 출력과 공통 전극 1C에 공급된 구동 전압사이의 위상차를 조정하여, 진동기 1은 높은 안정성을 가지고 원하는 주파수로 발진된다. 본 실시예에서, 위상차는 실질적으로 0이다. 진동기 1, 가산 회로 2, AGC 회로 4 및 이상 회로 5는 구동 회로 103을 구성한다.

가산 회로 2의 출력 신호인 기준 회로는 또한 구형파(rectangular wave)를 형성하는 구형파 형성 회로 6에 공급되고, 시간-표본 신호(timing-sampling signal)로서 마이크로컴퓨터 7에 공급된다. 이상 회로 5의 출력 신호인 구동 전압은 도 1의 점선으로 표시한 바와 같이 구형파 형성 회로 6에 공급될 수 있다.

마이크로컴퓨터 7은 시간-표본 신호의 선단(leading edge)과 말단(trailing edge)을 구별하고, 기준 펄스를 사용하여 시간-표본 신호의 선단에서부터 말단에 이르는 시간 영역을 계수(計數; count)한다. 마이크로컴퓨터 7은 상기 계수치에 근거하여 주파수를 결정한다. 따라서, 마이크로컴퓨터 7은 주파수와 가산 회로 2의 출력인 기준 신호의 위상과는 어떤 관계가 있는지 쉽게 결정할 수 있다. 더욱이, 마이크로컴퓨터 7은 표본 유지를 위한 시간 펄스를 전압-시간 변환형 A/D 컨버터(이하 V-T 변환 회로라고 한다) 8로 출력한다.

진동기 1로부터 출력된 L 및 R 신호가 공급되는 차동 증폭 회로 3은 차동 신호를 V-T 변환 회로 8로 출력한다. V-T 변환 회로 8은 전압 변화 △E를 큰 시간 영역 △T로 변환한다. V-T 변환 회로 8은 표본 유지 회로 81, 적분 회로 82 및 비교기 83을 포함한다. 표본 유지 회로 81은, 마이크로컴퓨터 7의 시간 펄스에 근거하여, 차동 증폭 회로 8의 차동 신호를 표본 유지하고, 그것을 적분 회로 82로 공급한다. 적분 회로 82는 표본 유지된 신호를 적분하고 그것을 비교기 83으로 출력한다. 비교기 83은 적분된 출력을 소정의 레벨과 비교하고, 디지털 신호를 마이크로컴퓨터 7로 출력한다.

다음으로, 진동기 1로부터 출력된 신호는 도 3을 참고하여 설명될 것이다. L 신호 (a)와 R 신호 (b)의 차이는 L-R (c)에서 보여진다. 그들의 합은 L+R (d)에서 보여진다.

상술한 바와 같이, L 신호 (a)와 R 신호 (b) 각각은 진동기 1의 진동에 해당하는 신호 성분 및 코리올리스 신호 성분을 포함한다. 설명할 필요도 없이, 코리올리스 신호 성분은 단지 각속도가 진동기 1에 인가될 때에만 나타난다. L 신호 (a) 및 R 신호 (b)에서 진동기 1의 진동에 해당하는 신호 성분은, 진동기 1이 이상적으로 대칭적이라면, 각각 동일한 진폭 및 위상을 가지고 있다. 그러나, 실제의 진동기 1은 일반적으로 불완전하고, L 신호 (a) 및 R 신호 (b)에서 진동기 1의 진동에 해당하는 신호 성분은 각각 진폭 및 위상에 있어서 약간 다르다.

L 신호 (a) 및 R 신호 (b)에서 코리올리스 신호 성분은 반대 위상을 가지므로, 코리올리스 신호 성분은 L+R 신호 (d)에서 상쇄되고, 그로 인해 L+R 신호 (d)는 L 또는 R 신호 성분의 진폭의 약 2배의 진폭을 가진다.

한편, L-R 신호 (c)는 L 및 R 신호에서의 코리올리스 신호 성분과 영 차동 전압의 합인 코리올리스 신호 성분을 포함한다. 영 차동 전압은 L 신호 (a) 및 R 신호 (b)에서 진동기 1의 진동에 해당하는 신호 성분들사이의 차이며, 이상적인 경우에는 그 값이 0이다. 영 차동 전압이 진동 자이로스코프를 둘러싼 주위 온도의 변화에 따라 변동한다는 사실은 주시되어야 한다.

코리올리스 신호는 그 본질 때문에 영 차동 전압으로부터 분리될 수 없다. 그러나, 코리올리스 신호 (e)는 L+R 신호 (d)와 실질적으로 동일한 위상을 가진다.

상술한 바와 같이, 가산 회로 2로부터 출력된 L+R 신호 (d)는 기준 신호로서 사용되고, 이상 회로 5로 입력되어 진동기 1를 구동시킨다. L+R 신호 (d)는 또한 구형파 형성 회로 6으로 입력되어 마이크로컴퓨터 7에 기준 신호 구형파를 제공한다.

기준 신호는 이상 회로 5에서 임의로 조정될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 위상 및 주파수가 안정하다면, 기준 신호로서, L 신호 (a) 또는 R 신호 (b)가 단독으로 사용될 수 있다. 그러나, 코리올리스 힘이 L 신호 또는 R 신호에서 중복 발생된다. 그러므로, 각 신호가 구형파로 형성될 때, 각 신호는 "차동"으로 위상이 동일하거나 어긋나게 될 수 있고, 또는 듀티 사이클이 변동될 수 있다. 그러므로, L 신호 (a) 또는 R 신호 (b)의 단독 사용은 바람직하지 않다.

마이크로컴퓨터 7은 기준 신호 구형파 (f)의 선단 및 말단을 검출하고 마이크로컴퓨터 7에 발생된 기준 시계 신호 (g) 또는 상기 기준 시계 신호에 유사한 시계 신호를 사용하여 기준 신호의 1 주기 계수치를 계산한다. 수직선 (h)는 시간 펄스가 L-R 신호 (c)를 표본 유지하기 위해 출력되는 시간을 보여준다. 코리올리스 신호 (e)의 최고점에서 표본 유지가 수행되는데, 그 이유는 그것이 가장 효율적이기 때문이다. 그러나. 표본 유지는 최고점에서 수행될 필요는 없고, 최고점 부근에서 수행되어도 좋다.

차동 증폭 회로 3으로부터 출력된 L-R 신호는 V-T 변환 회로 8에 공급된다. L-R 신호는 표본 유지 회로 81에서 표본 유지된다. 도 4는 표본 유지 회로 81에 관계된 다양한 신호들을 보여준다. 도 4에서 기준 신호 구형파 (f)가 더 작은 펄스 폭을 가지고 있다는 사실을 주시하여야 한다. 표본 유지 회로 81은 시간 펄스 (i)에 근거하여 L-R 신호를 표본 유지한다. 표본 유지 전압은 코리올리스 신호, 즉, 각속도의 양에 의해 결정되고, 적분 신호 (k)에서 보는 바와 같이 적분 회로 82에서 적분된다. 적분 신호 (k)의 신호 파형은 시간이 경과함에 따라 선형적으로 감소하는 경향이 있다. 다음 시간 펄스에 근거하여, L-R 신호는 다시 표본 유지된다.

적분 회로 82로부터 출력된 적분 신호 (k)는 비교기 83에 공급되고, 적분 신호 (k)는 소정의 기준 신호와 비교된다. 비교기 83은 적분 신호 (k)가 소정의 기준 신호보다 더 높은 시간 주기 동안에 높은 레벨을 출력한다. 그로 인해, 각속도 검출 신호에 해당하는 디지털 신호로서 가변 듀티-비(duty-ratio) 신호를 마이크로컴퓨터 7로 출력한다. 마이크로컴퓨터 7은 마지막으로 기준 시계를 사용하여 디지털 신호를 계수한 후 각속도를 계산한다.

비교기 83에 사용된 기준 신호가 소정의 레벨로 설정되어 디지털 신호 (l)은 코리올리스 힘이 가해지지 않는 경우에 50%의 듀티 비를 가지는 것이 주시된다(즉, 디지털 신호는 각속도가 0임을 지시한다). 이러한 동작에 의해, 디지털 신호 (l)은 영 전압의 영향을 배제할 수 있고, 정확한 각속도를 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, V-T 변환 회로 8에 있어서, 적분 회로 83의 시간 상수(time constant)가 증가하고, 유지 시간(hold time)이 점점 길어질 때, 시간 영역 △T는 동일한 각속도 전압의 변화 △E에 대하여 증가하여,(즉, △T1부터 △T2까지), 결과적으로 해상도 또는 감도가 증가한다. 따라서, 표본 유지를 위한 시간에서부터 다음 표본 유지를 위한 시간까지 임의로 시간을 설정함으로써, 시간-영역은 임의적으로 증가할 수 있다.

이러한 경우에, 유지 시간이 진동기 1의 진동기의 1 주기를 초과하는 것이 가능하다. 이것은, 동기 검출, 적분 및 DC 증폭을 수행하는 종래의 자이로스코프는 동작 전압 레벨의 증폭으로 각속도를 검출하는 것에 반해, 본 실시예의 자이로스코프는 시간-축 레벨의 확장으로 각속도를 검출하는 것을 의미한다. 따라서, 이론적으로 무한대의 증폭도(amplification degree)를 얻는 것이 가능하다.

상술한 바와 같이 시간-영역이 확장될 때, 시간-영역의 L-R 신호가 제거될 수 있다. 바이모르프 진동기의 구동 주파수는 수 kHz ~ 100kHz의 범위에 있다. 카메라-흔들림 또는 자동차 내비게이션 시스템에 있어서, 최대 50kHz의 각속도 신호를 검출하는 것은 실제적으로 충분하다. 이것은 본 실시예에서 시간-영역이 적어도 1000배로 확장될 수 있다는 것을 의미한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예의 블록도이다. 도 1에 도시된 상술한 실시예에 있어서, 기준 신호는 구형파 및 마이크로컴퓨터 7에서 처리된 소프트웨어로 변환되어, 표본 유지를 위한 시간 펄스가 발생된다. 도 5에 도시된 실시예에 있어서, 가산 회로 2의 출력인 기준 신호는 시간 신호 발생 회로(timing signal generation circuit) 9에 공급된다. 표본 유지를 위한 시간 펄스는 하드웨어 구성에 의해 발생되고, 표본 유지 회로 81로 공급된다. 즉, 시간 신호 발생 회로 9를 가지고, 도 1에 도시된 마이크로컴퓨터 7에서 처리된 소프트웨어는 하드웨어 배열을 사용하여 수행된다. 시간 신호 발생 회로 9는 기준 신호의 선단 및 말단을 검출하는 검출 회로, 선단에서부터 말단까지의 시간 영역동안 기준 시계 펄스로 계수하는 계수기 및 계수기에서 얻어진 계수치에 근거하여 시간 신호를 출력하는 논리 회로를 포함한다.

비교기 83의 디지털 출력은 마이크로컴퓨터 7 및 도 1의 경우와 유사하게 처리되는 소프트웨어로 입력될 수 있다. 그렇지 않으면, 디지털 신호는 하드웨어 회로에서 계수될 수 있어, 각속도 신호가 출력된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 사용되는 표본 유지 회로의 회로도이다. 도 1 및 5에 도시된 실시예에 있어서, V-T 변환 회로 8의 표본 유지 회로 81은 표본 유지를 수행하고, 표본화된 전압은 적분 회로 82에서 적분된다. 본 실시예에서, 적분 회로는 표본 유지 회로의 드루핑(drooping) 특성을 이용하여 불필요하게 된다.

따라서, 도 6에 도시된 표본 유지 회로 81은 입력 버퍼(buffer) BA1, 출력 버퍼 BA2, 트랜지스터 TR1, TR2 및 FET1, 저항기 R1 및 커패시터 C를 포함한다. 시간 펄스가 마이크로컴퓨터 7로부터 공급될 때, 트랜지스터 TR1, TR2 및 FET1은 순차적으로 도전하여, 입력 버퍼 BA1를 경유하는 신호 입력은 커패시터 C에 저장된다. 커패시터 C의 충전 전압은 전원(source)과 FET의 게이트(gate)사이에 접속된 저항기 R1을 경유하여 누설(leak)된다.

표본 유지 회로 81은 저항기 R1이 전원과 FET의 게이트사이에 접속되어 있다는 점에서 종래의 표본 유지 회로와 다르다. 종래의 표본 유지 회로에 있어서 커패시터 C의 누설 전류 i는 하기 식에 의해 표현된다.

△V/△T = i(누설)/C

한편, 저항기 R1을 제공함으로써, 감도-증폭도를 조정하는 것이 가능하고, 드루핑 특성 때문에, 적분 회로의 적분에 의해 얻어진 것과 유사한 선형 기울기(linear slope) 특성이 나타난다. 저항기 R1의 저항이 증가함에 따라 기울기는 완만해진다. 이러한 경우에, 표본 유지를 위한 시간 펄스 간격을 더 넓게 하는 것이 필요하다.

도 7 및 8은 도 6에 도시된 표본 유지 회로에 의해 발생된 표본 유지 신호 및 드루핑 특성을 보여준다. 도 7에 도시된 표본 유지 출력 신호 (o)를 도 1에 도시된 비교기 83의 기준 신호 레벨과 비교함으로써, 비교기의 출력인 디지털 신호 (l)이 출력될 수 있다.

도 8은 진동기 1이 회전하여 진동기 1에 인가된 코리올리스 힘이 변화할 때, 얻어진 파형 차트이다. 코리올리스 힘의 변화는 표본 유지 출력 신호 (o)가 변동하여 그 변화를 따르게 하고, 비교기의 디지털 출력 (l)이 변화한다. 도 8에 있어서,비교기의 디지털 출력 (l)의 말단은 위치 11과 12사이에서 변동하고, 그것은 각속도를 지시하는 시간 영역의 변화를 의미한다.

도 9a는 본 발명의 다른 예에 따른 각속도 검출 회로의 블록도이다. 도 9에 도시된 실시예에 있어서, 차동 증폭 회로 3의 차동 신호는 두개의 다른 위상에서 표본 유지되어, 영 차동 전압이 마이크로컴퓨터 7에서의 표본 유지값에 근거하여 계산된다. 상기 계산된 영 차동 전압이 마이크로컴퓨터 7에서 D/A 변환된 후에, 얻어진 아날로그 영 차동 전압은 비교기 83으로 입력된다. 비교기 83의 기준 신호를 계산된 영 차동 전압으로 설정함으로써, 검출된 각속도는 실시간(real time)에서 영 차동 전압의 영향을 받지 않는다.

도 10은 표본 유지 점들을 도시한 파형 차트이다. 도 10에서 보는 바와 같이, 제 1 표본 유지 시간 F1은 기준 신호로부터 90°만큼 이동된 점으로 조정된다. 상기의 실시예에 따라, 제 2 및 계속적인 표본 유지 시간 F2 등은 시간 F1과 동일한 위상으로 조정된다. 그러나, 다른 제 2 표본 유지 시간 F2′가 이 실시예에 사용된다. 더 구체적으로, 제 2 표본 유지 시간 F2′는 기준 신호로부터 90°만큼 더 이동된다.

영 차동 전압은 주위 온도의 변화에 반응하여 변동된다. 이것은 대개 종래의 진동 자이로스코프에서, 검출된 각속도의 편차를 일으킨다. 이러한 실시예에 따라, 실제 영 차동 전압을 관측하는 것이 가능하다.

도 10의 F1 및 F2′는 하기식에 의해 표현될 수 있다:

F1 = A{(sin ωt + α) + (B sin ωt)}

F2′= A(cos ωt + α)

상기에서, 기호 A는 L-R 차동 신호의 진폭을 나타내고, 코리올리스 힘이 0일 때, 하기 식에 의해 표현된다.

F1²+ F2′²= A²

상기 식을 계산함으로써, 차동 신호의 진폭 A 및 위상 α을 알 수 있다. 이러한 값들에 근거하여, 영 차동 전압을 알 수 있고, 그 후, 영 차동 전압이 D/A 변환된다. 이러한 계산 및 변환은 마이크로컴퓨터 7에서 수행된다. 상기 계산된 영 차동 전압으로 비교기 83의 기준 레벨을 조정함으로써, 비교기의 출력 신호는 실시간에서 보상되어, 각속도를 나타내는 디지털 신호는 어떠한 영 차동 전압도 포함하지 않는다.

상기 실시예에 따라, 종래 기술에서는 구별할 수 없는, 일정한 각속도에서의 영 전압과 회전 변화를 구별하는 것이 가능하다.

도 9a에 도시된 각속도 검출 회로에 있어서, 실시간에서 계산된 영 차동 전압이 비교기 83에서 비교 레벨을 조정하는데 사용될지라도, 실시간에서 계산된 영 차동 전압은 차동 증폭 회로 3으로부터 차동 신호를 오프셋(offset)하는데 사용될 수 있다. 도 9b는 상기 동작을 수행하는 변동에 따른 각속도 검출 회로의 블록도이다. 도 9b에 도시된 각속도 검출 회로는 오프셋 조정 회로 10을 포함한다. 오프셋 조정 회로는 차동 증폭 회로 3으로부터의 차동 신호 및 실시간에서 마이크로컴퓨터 7로부터 계산된 영 차동 전압을 수신하고, 양자간의 차감 신호(subtract signal)를 표본 유지 회로로 출력한다. 그러므로, 표본 유지된 신호는 영 차동 전압을 배제하고, 그로 인해 실시간에서 정확한 각속도를 검출할 수 있다. 도 9a 및 9b의 실시예는 도 5의 실시예에 적용될 수 있다.

상술한 실시예에서는, 본 발명이 바이모르프 진동기에 적용되는 경우에 대해서 설명하였다. 본 발명은 바이모르프 진동기에 한정되지 않고, 압전 소자를 금속 사각 또는 삼각 기둥(column)에 접합함으로써 생산되는 진동기 및 기둥 압전 소자를 함유하는 음차형(tuning fork type) 진동기와 같이, L/R 신호를 출력하고, 기준 신호, 여진 전압(excitation voltage) 및 합계 전압(sum voltage)이 생산될 수 있는 어떠한 압전 진동 자이로스코프에도 적용될 수 있다.

여기에 기재된 실시예들은 어떠한 점에서도 제한적으로 설명된 것이 아님이 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 발명의 상세한 설명보다는 첨가되는 청구범위에 의해 정의되고, 청구범위내에서의 모든 변화 또는 그러한 범위의 균등물은 청구범위에 의해 포함될 것이다.

본 발명의 선택된 실시예들이 기재되었을 때, 여기에 기재된 원리들을 수행하는 다양한 모드는 하기하는 청구범위내로서 예상된다. 그러므로, 청구범위에 달리 기재된 바를 제외하고, 본 발명의 범위는 한정되지 않는다고 이해된다.

이제까지 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라, 종래에 사용된, 동기 검출 등을 디지털화하는 이중 회로들은 제거될 수 있다. 그러므로, 비용 절감이 실현될 수 있다.

Claims

한쌍의 검출 신호로부터 차동 신호를 발생시키고, 상기 각 검출 신호는 진동기의 진동에 해당하는 성분 및 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘에 해당하는 성분을 포함하고;

상기 검출 신호의 합에 근거하여 시간 신호를 발생시키고; 및

상기 시간 신호에 근거하여 차동 신호를 각속도에 비례하는 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 펄스 트레인(pulse train)으로 변환하는 전압-시간 컨버터에 차동 신호를 인가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출 방법.
한쌍의 검출 신호로부터 차동 신호를 발생시키고, 상기 각 검출 신호는 진동기의 진동에 해당하는 성분 및 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘에 해당하는 성분을 포함하고, 이에 의해 상기 차동 신호는 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘 및 영 값(null value)을 가지고;

상기 차동 신호의 합에 근거하여 기준 신호를 발생시키고;

상기 기준 신호에 근거하여 시간 신호를 발생시키고;

상기 시간 신호에 근거하여 때때로 차동 신호를 표본 유지하여 표본 유지 신호를 발생시키고;

상기 표본 유지 신호를 적분하고;

상기 적분된 표본 유지 신호를 소정의 레벨과 비교하여, 각속도에 비례하는 듀티 사이클을 갖는 디지털 신호를 발생시키고; 및

상기 디지털 신호의 듀티 사이클로부터 각속도를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출 방법.
제 2 항에 있어서, 제 1 표본 주기(sampling period)내에서 특정 위상점에서의 표본 유지 신호의 제 1 값과 또 다른 표본 주기내에서 제 1 위상점과 다른 위상점에서의 표본 유지 신호의 제 2 값을 비교하고;

상기 표본 유지 신호의 제 1 값과 제 2 값의 비교에 근거하여 진동기로부터 차동 신호 출력의 영 값을 예측하고; 및

상기 예측된 차동 신호의 영 값에 근거하여 소정의 레벨을 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 차동 신호를 표본 유지하기 전에 영 값이 차동 신호로부터 차감되는 것을 특징으로 하는 각속도 검출 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 표본 유지 신호의 적분 시간 주기는 원하는 해상도에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 각속도 검출 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 표본 유지 신호는 기준 신호의 주기에 해당하는 시간 주기에 대하여 적분되는 것을 특징으로 하는 각속도 검출 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 표본 유지 신호는 상기 기준 신호의 주기보다 더 긴 시간 주기에 대하여 적분되는 것을 특징으로 하는 각속도 검출 방법.
제 2 항에 있어서, 차동 회로에 의해 검출된 차동 신호의 표본 유지는 코리올리스 힘 성분(coriolis force component)의 값이 실질적으로 최고치에 있을 때, 때때로 발생하는 것을 특징으로 하는 각속도 검출 방법.
진동기의 진동에 해당하는 성분 및 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘에 해당하는 성분을 포함하는 한쌍의 검출 신호를 발생시키는 진동기;

상기 한쌍의 검출 신호로부터 차동 신호를 검출하는 차동 회로;

상기 한쌍의 검출 신호의 합에 근거하여 시간 신호를 발생시키는 시간 회로; 및

차동 회로에 의해 검출된 차동 신호를 수신하고, 시간 신호에 근거하여 차동 신호를 각속도에 비례하는 듀티 사이클을 갖는 펄스 트레인으로 변환하는 전압-시간 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
진동기의 진동에 해당하는 성분 및 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘에 해당하는 성분을 포함하는 한쌍의 검출 신호를 발생시키는 진동기;

상기 한쌍의 검출 신호로부터, 진동기가 회전한다면 각속도에 비례하는 코리올리스 힘 및 영 값을 갖는 차동 신호를 검출하는 차동 회로;

상기 차동 신호의 합에 근거하여 기준 신호를 발생시키는 기준 신호 발생기;

상기 기준 신호에 근거하여 시간 신호를 발생시키는 타이머(timer);

상기 시간 신호에 근거하여 때때로 차동 신호에 의해 검출된 차동 신호를 표본 유지하여 표본 유지 신호를 발생시키는 표본 유지 회로;

상기 표본 유지 신호를 적분하는 적분기;

적분된 표본 유지 신호를 소정의 레벨과 비교하여, 각속도에 비례하는 듀티 사이클을 갖는 디지털 신호를 발생시키는 비교기; 및

상기 디지털 신호의 듀티 사이클로부터 각속도를 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
제 10 항에 있어서, 소정의 레벨을 결정하는 결정 수단을 포함하는 진동 자이로스코프로서, 상기 결정 수단은:

제 1 표본 주기내에서 특정 위상점에서의 표본 유지 신호의 제 1 값과 또 다른 표본 주기내에서 제 1 위상점과 다른 위상점에서의 표본 유지 신호의 제 2 값을 비교하는 수단;

상기 표본 유지 신호의 제 1 값과 제 2 값의 비교에 근거하여 차동 회로에 의해 검출된 차동 신호의 영 값을 측정하는 수단; 및

상기 차동 회로에 의해 검출된 차동 신호의 측정된 영 값에 근거하여 소정의 레벨을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
제 10 항에 있어서, 차동 신호를 표본 유지하기 전에 차동 회로에 의해 검출된 차동 신호로부터 영 값을 제거하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
제 10 항에 있어서, 상기 적분기는 원하는 해상도에 따라 결정된 시간 주기에 대하여 표본 유지 신호를 적분하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
제 10 항에 있어서, 상기 적분기는 기준 신호의 주기에 해당하는 시간 주기에 대하여 표본 유지 신호를 적분하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
제 10 항에 있어서, 상기 적분기는 기준 신호의 주기보다 더 긴 시간 주기에 대하여 표본 유지 신호를 적분하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
제 9 항에 있어서, 상기 진동기는 차동 신호가 발생되는 각각의 신호를 발생시키는 제 1 및 제 2 전극을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
제 16 항에 있어서, 상기 기준 신호 발생기는 제 1 및 제 2 전극으로부터 신호를 부가하는 부가기(adder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
제 9 항에 있어서, 상기 표본 유지 회로는 시간에 대하여 선형 감소 출력(linear decreasing output)을 제공하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
제 10 항에 있어서, 상기 표본 유지 회로는 코리올리스 힘 성분 값이 실질적으로 최대치일 때, 때때로 차동 회로에 의해 검출된 차동 신호를 표본 유지하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.