KR20040038702A - 진동 자이로스코프 및 각속도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높이를 낮추는 것을 실현하는 것이 가능한 진동 자이로스코프와, 이 진동 자이로스코프를 구비하여 구성된 각속도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 구성에 따르면, 본 발명에 따른 진동 자이로스코프(1)는 길이 방향의 양 단부가 중간 부재(2)를 통하여 두께 방향으로 고정된 한 쌍의 직사각형 판형상의 진동체(3)로 이루어지며, 전체적으로는 상기 진동체(3)의 두께 방향으로의 양단 개방의 2차 굴곡 진동이 가능한 구성으로 하여 지지된 진동자(4)와, 상기 진동체(3)의 각각을 반대 방향으로 좌굴 진동시키는 구동 수단(12, 13)과, 상기 진동자(4)의 2차 굴곡 진동의 크기를 검출하는 검출 수단(14, 15, 16)을 구비하고 있으며, 상기 2차 굴곡 진동의 공진 주파수는 상기 좌굴 진동의 주파수와 근접시켜져 있는 것을 특징으로 한다.

Description

진동 자이로스코프 및 각속도 센서{Vibrating gyroscope and angular velocity sensor}

본 발명은 진동 자이로스코프 및 각속도 센서에 관한 것으로, 상세하게는, 높이를 낮추는 것이 가능한 진동 자이로스코프의 구조와, 이 진동 자이로스코프를 구비하여 이루어지는 각속도 센서의 구조에 관한 것이다.

종래부터, 자동차에 있어서의 네비게이션(navigation) 시스템이나 차체 제어 시스템에서는, 자동차의 요잉 방향, 다시 말하면, 차체 선회 방향을 확인할 필요가 있기 때문에, 주행면(지면)과 직교하는 수직축을 중심으로 한 회전 각속도를 검출하는 것이 행해진다. 그리고, 회전 각속도를 검출하는 경우에는 진동 자이로스코프를 구비한 각속도 센서가 이용되고 있으며, 이와 같은 진동 자이로스코프로서는, 음편형(音片型)이나 음차형(音叉型)이라고 일컬어지는 진동자를 구비한 것이 일반적이다(예를 들면, 일본국 특허공개공보 평8-292033호, 일본국 특허공개공보 평10-307029호를 참조).

또한, 회전 각속도를 검출하는 진동 자이로스코프를 구비하여 구성된 각속도 센서는 비디오 카메라의 떨림을 보정하기 위해서도 이용되고 있으며, 이 때에 있어서의 진동 자이로스코프에 의해서는, CCD면과 평행한 면 상에서 서로 직교하는 2축의 각각을 중심으로 한 회전 각속도가 검출되게 되어 있다.

그런데, 상기 종래의 형태에 따른 각속도 센서는 자동차의 내부에서 주행면과 평행하게 되도록 배치되는 것이 일반적이며, 그 때문에, 진동 자이로스코프를 탑재하는 실장 기판도 주행면과 평행한 상태로 배치되어 있다. 한편, 진동 자이로스코프가 구비하고 있는 음편형이나 음차형이라고 일컬어지는 진동자는 그 길이 방향과 일치하는 축(검출축)을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도를 검출하는 것이 가능하게 되어 있다.

따라서, 주행면과 평행한 상태로 배치된 실장 기판에 대하여 종래의 진동 자이로스코프를 탑재하는 경우는, 진동자의 길이 방향이 실장 기판의 수직 방향과 합치하도록 하여 탑재하는 것이 필요해진다. 그러나, 이와 같은 구성으로 했을 때에는, 전체 길이가 긴 진동자를 구비한 진동 자이로스코프만이 다른 부품보다도 실장 기판의 상측까지 돌출한다고 하는 문제가 발생한다. 한편, 이 때, 진동자의 길이 방향을 따르는 전체 길이를 짧게 하는 것도 고려되지만, 진동자의 전체 길이를 짧게 하면, 공진 주파수가 상승하여 감도 및 S/N이 열화하기 때문에, 회전 각속도를 정밀도 좋게 검출할 수 없게 된다.

또한, 종래의 진동 자이로스코프를 이용하여 비디오 카메라의 떨림 보정을행할 때에도, 메인 기판의 탑재면이 CCD면과 직교하고 있는 경우에는, 진동 자이로스코프가 구비하는 1개의 진동자의 길이 방향을 카메라 본체의 메인 기판과 직교하는 방향으로 일치시켜 둘 필요가 있기 때문에, 진동 자이로스코프가 다른 부품보다도 돌출한다. 한편, 이 때에는, 진동 자이로스코프가 탑재되는 기판을 메인 기판과는 별체(別體)로 하고, 플렉시블 기판 등을 사용하여 배선하는 것도 고려되지만, 이와 같은 구성으로 한 것에서는, 부품수가 증가하여 복잡화하는 결과, 비용 상승을 초래하는 것을 피할 수 없다.

본 발명은 이들 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 높이를 낮추는 것을 실현하는 것이 가능한 구성으로 된 진동 자이로스코프의 제공과, 이 진동 자이로스코프를 구비하여 이루어지는 각속도 센서의 제공을 목적으로 하고 있다.

도 1은 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.

도 2는 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프가 구비하고 있는 진동자의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.

도 3은 구동 검출 회로를 포함한 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

도 4는 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프의 동작을 모식화하여 나타내는 평면도이다.

도 5는 진동자에 있어서의 좌굴 진동의 주파수와 2차 굴곡 진동의 공진 주파수의 관계를 나타내는 설명도이다.

도 6은 제 1 실시형태에 따른 진동자의 제 1 변형예 구성을 나타내는 사시도이다.

도 7은 제 1 실시형태에 따른 진동자의 제 2 변형예 구성을 나타내는 평면도이다.

도 8은 구동 검출 회로를 포함한 제 2 변형예 구성에 따른 진동 자이로스코프의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

도 9는 구동 검출 회로를 포함한 제 3 변형예 구성에 따른 진동 자이로스코프의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

도 10은 구동 검출 회로를 포함한 제 4 변형예 구성에 따른 진동 자이로스코프의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

도 11은 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프를 구비하여 구성된 각속도 센서의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

도 12는 제 2 실시형태에 따른 진동 자이로스코프의 구동 검출 회로를 포함한 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

도 13은 진동자의 제조 공정을 나타내는 설명도이다.

도 14는 제 2 실시형태에 따른 진동자의 제 1 변형예 구성을 나타내는 평면도이다.

도 15는 구동 검출 회로를 포함한 제 2 변형예 구성에 따른 진동 자이로스코프의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

도 16은 구동 검출 회로를 포함한 제 3 변형예 구성에 따른 진동 자이로스코프의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

도 17은 구동 검출 회로를 포함한 제 4 변형예 구성에 따른 진동 자이로스코프의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

도 18은 구동 검출 회로를 포함한 제 5 변형예 구성에 따른 진동 자이로스코프의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

1 : 진동 자이로스코프2 : 중간 부재

3 : 진동체4 : 진동자

12 : 가산 회로(구동 수단)13 : AGC 회로(구동 수단)

14 : 차동 회로(검출 수단)15 : 검파 회로(검출 수단)

16 : DC 증폭기(검출 수단)

본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 진동 자이로스코프는 길이 방향의 양 단부가 각각 중간 부재를 통하여 두께 방향으로 고정된 한 쌍의 직사각형 판형상의 진동체로 이루어지며, 전체적으로는 상기 진동체의 두께 방향으로의 양단 개방의 2차 굴곡 진동이 가능한 구성으로 하여 지지된 진동자와, 상기 진동체의 각각을 서로 반대 방향으로 좌굴 진동시키는 구동 수단과, 상기 진동자의 2차 굴곡 진동의 크기를 검출하는 검출 수단을 구비하고 있으며, 상기 2차 굴곡 진동의 공진 주파수는 상기 좌굴 진동의 주파수와 근접시켜져 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 진동 자이로스코프에 있어서, 상기 진동자의 길이 방향을 따라서는 상기 2차 굴곡 진동의 3개의 노드점이 존재하고 있으며, 상기 진동자는 상기 노드점 중의 양단측의 2개에서 지지되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 진동 자이로스코프에 있어서, 상기 진동체는 유니모르프(unimorph) 구조인 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명에 따른 진동 자이로스코프에 있어서, 상기 진동체는 바이모르프(bimorph) 구조인 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명에 따른 진동 자이로스코프에 있어서, 상기 진동체 각각의 외표면상에는 서로 대향하여 전극이 형성되어 있으며, 이들 전극을 통하여 상기 2차 굴곡 진동의 크기가 검출되는 구성인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 진동 자이로스코프에 있어서, 상기 진동체 중의 한쪽측의 외표면상에는 한 쌍의 전극이 길이 방향의 한 단부측과 다른 단부측에 이간하여 형성되어 있으며, 이들 전극을 통하여 상기 2차 굴곡 진동의 크기가 검출되는 구성인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 진동 자이로스코프에 있어서, 상기 진동체 각각의 외표면상에는 서로 대향하여 전극이 형성되어 있으며, 그 한쪽측의 전극을 통하여 상기 2차 굴곡 진동의 크기가 검출되는 구성인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 각속도 센서는 3개의 진동 자이로스코프가 동일한 평면상에 배치되어 이루어지는 것으로, 상기 평면과 직교하는 수직축을 회전축으로 하는 회전 각속도를 검출하는 진동 자이로스코프는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 진동 자이로스코프임을 특징으로 하고 있다.

<발명의 실시형태>

(제 1 실시형태)

도 1은 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프의 전체 구성을 나타내는 사시도, 도 2는 진동 자이로스코프가 구비하고 있는 진동자의 전체 구성을 나타내는 사시도이고, 도 3은 구동 검출 회로를 포함한 진동 자이로스코프의 요부 구성을 나타내는 설명도이다. 그리고, 도 4는 진동 자이로스코프의 동작을 모식화하여 나타내는 평면도이고, 도 5는 진동자에 있어서의 좌굴 진동의 공진 주파수와 2차 굴곡 진동의 공진 주파수의 관계를 나타내는 설명도이다.

또한, 도 6∼도 10의 각각은 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프의 제 1∼제 4 변형예 구성을 나타내는 설명도이다. 또한, 도 11은 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프를 구비하여 구성된 각속도 센서의 요부 구성을 나타내는 설명도이다.

제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프(1)는 도 1에서 나타내는 바와 같이, 길이 방향(X)의 양 단부가 금속제의 중간 부재(2)를 통하여 고정되고, 그 중앙부끼리가 서로 대향하여 배치된 한 쌍의 직사각형 판형상의 진동체(3)로 이루어지는 진동자(4)를 구비하고 있다. 그리고, 이들 진동체(3)의 각각은 도 2에서 나타내는 바와 같이, 길이 방향(X)을 따르는 실질적으로 1/3씩의 범위내마다 분극 방향(도면 중, 화살표로 나타냄)이 반전시켜진 압전 세라믹판(5)과 금속 평판(6)이 대면 접합되어 이루어지는 유니모르프 구조를 갖고 있으며, 압전 세라믹판(5)의 각각은 진동자(4)의 외측 위치에 배치되어 있다.

이 진동자(4)를 구성하고 있는 진동체(3)의 각각은 그 길이 방향(X)의 양 단부가 중간 부재(2)를 통하여 서로 고정된 것으로, 진동자(4)의 내측 위치에 배치된 금속 평판(6)의 중앙부 사이에는, 진동체(3) 각각의 좌굴 진동, 다시 말하면, 그 두께 방향(Y)과 일치한 후에 서로 반대 방향으로 향하는 각 진동체(3)의 좌굴 진동을 가능하게 하는 중공부(中空部)(7)가 형성되어 있다. 또한, 이 때, 각 진동체(3)를 구성하고 있는 압전 세라믹판(5) 각각의 외표면상에는, 구동용 전극(8)과 검출용 전극(9)이 길이 방향(X)의 한 단부측과 다른 단부측에 이간한 상태로 형성되어 있다.

또한, 대향 배치된 한 쌍의 진동체(3)로 이루어지는 진동자(4)는 그 전체가 각 진동체(3)의 두께 방향(Y)으로의 양단 개방의 2차 굴곡 진동이 가능한 구성으로 되어 있으며, 구체적으로는, 길이 방향(X)을 따라서 존재하는 2차 굴곡 진동의 3개의 노드점 중의 양 단부에 위치하는 노드점 부근 각각이 도전성 및 스프링성을 갖는 한 쌍씩 합계 4개의 지지 부재(10)에 의해 지지되어 있다. 그리고, 이 때, 2차 굴곡 진동의 공진 주파수는 좌굴 진동의 주파수와 근접시켜져 있다.

즉, 이 때에 있어서의 진동자(4)는 각 진동체(3)의 폭방향(Z), 다시 말하면, 중공부(7) 내를 관통하는 축과 일치하고 있는 방향이 실장 기판(11)의 표면과 직교하는 방향이 되도록 하고, 또한, 그 하측 단부가장자리가 실장 기판(11)의 표면으로부터 약간 떠오른 상태가 되도록 한 후에 각 지지 부재(10)에 의해 지지되어 있다. 한편, 이들 지지 부재(10)는 구동용 전극(8) 및 검출용 전극(9)과 구동 수단 및 검출 수단(후술함)과의 접속용을 겸한 것이며, 단지 진동자(4)의 양 단부를 사이에 끼워 지지하여 도통(導通)했을 뿐인 상태, 또는, 솔더나 도전성 접착제 등을사용하여 접합된 후에 도통한 상태 중 어느 것이어도 된다.

또한, 실장 기판(11)의 표면상에는, 도 3에서 회로 구성을 나타내는 바와 같이, 진동자(4)의 구동 수단으로서 진동체(3)의 각각을 반대 방향으로 좌굴 진동시키는 가산 회로(12) 및 자동 이득 제어(automatic gain control;AGC) 회로(13)와, 2차 굴곡 진동의 크기를 검출하기 위한 검출 수단으로서 기능하는 차동 회로(14), 검파(檢波) 회로(15), 직류(DC) 증폭기(16)가 배치되어 있다. 그리고, 구동 수단인 AGC 회로(13)는 각 진동체(3)의 구동용 전극(8)과 접속되어 자려진(自勵振) 회로를 구성하는 한편, 가산 회로(12) 및 차동 회로(14)의 각각은 대향 배치된 진동체(3) 각각의 검출용 전극(9)과 각각 접속되어 있으며, DC 증폭기(16)로부터는 검출된 2차 굴곡 진동의 크기에 기초하는 신호가 출력되게 되어 있다.

한편, 유니모르프 구조의 진동체(3)로 이루어지는 진동자(4)에서는, 중간 부재(2)와 접하고 있는 진동체(3) 각각의 중간 전극(도시 생략)이 항상 2장 양측에서 동일 전위이도록 도통되어 있는 것이 필요하다. 물론, 기준 전위에 접속해 두어도 된다.

다음으로, 본 실시형태에 따른 진동 자이로스코프(1)의 동작 및 작용을 설명한다. 우선, 상기 구성으로 된 진동 자이로스코프(1)에서는, 진동자(4)를 구성하고 있는 진동체(3)의 각각이 서로 반대 방향으로 좌굴 진동시켜진다. 그리고, 이와 같은 상태하에 있어서, 도 4a에서 나타내는 바와 같이, 좌굴 진동하고 있는 진동자(4)의 진동체(3) 각각의 폭방향(Z)과 일치하는 축, 예를 들면, 진동자(4)의 중공부(7) 내를 관통하고 있는 축(검출축)(L)을 중심으로 한 회전 각속도(M)가 작용하면, 각 진동체(3)의 두께 방향(Y)으로 향하는 양단 개방의 2차 굴곡 진동으로 진동자(4)가 진동하기 시작한다.

즉, 이 때에 있어서는, 좌굴 진동하고 있는 진동체(3)의 각각에 대하여 회전 각속도(M)의 작용에 따라 발생한 코리올리의 힘(Coriolis force)이 나타난다. 그리고, 나타난 코리올리의 힘은 좌굴 진동의 구동력과는 직교하는 방향, 구체적으로는, 진동체(3) 각각의 길이 방향(X)과 평행하면서도 각 진동체(3)마다 반대 방향이 되는 방향으로 각 진동체(3)에 작용한다.

따라서, 각 진동체(3)에 있어서의 좌굴 진동의 피크점(P)은 도 4b에서 나타내는 바와 같이, 코리올리의 힘의 영향으로 서로 상반되는 방향으로 위치가 어긋나게 되고, 좌굴 진동하고 있는 진동체(4)의 진동 형상은 코리올리의 힘의 영향을 받아서 변형된다. 이 때, 진동자(4)의 중심 위치는 각 진동체(3)의 길이 방향 및 두께 방향에 관하여 언밸런스한 상태가 된다. 그리고, 이 진동자(4)에 있어서는, 2차 굴곡 진동의 공진 주파수와 좌굴 진동의 주파수가 근접시켜져 있기 때문에, 코리올리의 힘의 영향을 받아서 변형시켜진 진동자(4)에는, 도 4c에서 나타내는 바와 같이, 2차 굴곡 진동 모드의 진동이 여진된다.

그 결과, 대향 배치된 진동체(3) 각각의 검출용 전극(9)으로부터는, 좌굴 진동에 의한 신호와 2차 굴곡 진동에 의한 신호가 출력되어 온다. 그러나, 이 때, 각 진동체(3)에 있어서의 압전 세라믹판(5) 각각의 분극 방향과 굴곡 방향이 동일하기 때문에, 좌굴 진동에 의한 신호는 동일 위상이 되는 것에 비하여, 분극 방향은 동일하지만, 굴곡 방향이 반대 방향이기 때문에, 2차 굴곡 진동에 의한 신호는 반대위상이 되고 있다.

그래서, 검출 수단을 구성하는 차동 회로(14)에 의해 각 진동체(3)의 검출용 전극(9)으로부터 출력되어 온 2차 굴곡 진동에 의한 신호의 반대 위상 성분을 검출하면, 그 크기, 나아가서는, 검출축(L)을 중심으로 하는 회전 각속도(M)의 작용에 따라 나타난 코리올리의 힘의 크기를 알 수 있다. 그 결과, 실장 기판(11)의 표면과 평행하게 배치된 진동 자이로스코프(1)가 구비하고 있는 진동자(4)를 구성하는 진동체(3) 각각의 폭방향(Z)을 따르는 축, 다시 말하면, 부착 평면과 직교하는 수직축을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도(M)의 크기를 알 수 있게 된다.

한편, 이 때, 구동 수단을 구성하고 있는 가산 회로(12)에서는, 각 진동체(3)의 검출용 전극(9)으로부터 출력되어 온 검출 신호가 가산된다. 그리고, 가산된 검출 신호는 AGC 회로(13)를 통하여 진동자(4)에 피드백된다.

그런데, 본 실시형태에 따른 진동자(4)에 있어서의 좌굴 진동의 공진 주파수와 2차 굴곡 진동의 공진 주파수의 관계는 도 5에서 나타내는 바와 같이 되고, 이 진동자(4)를 구성하고 있는 각 진동체(3)의 좌굴 진동 모드는 중공부(7)의 길이 방향(X)을 따르는 길이의 영향을 받음에도 불구하고, 진동자(4) 그 것의 2차 굴곡 진동 모드는 진동자(4) 자체의 길이 방향(X)을 따르는 길이에는 영향을 받지 않게 되어 있다. 그래서, 진동자(4)에 있어서의 좌굴 진동 및 2차 굴곡 진동 각각의 공진 주파수를 보다 근접시킬 필요가 있을 때에는, 진동자(4)의 길이 방향의 양 단부를 트리밍하여 전체 길이를 짧게 하고, 2차 굴곡 진동의 공진 주파수를 상승시킴으로써 좌굴 진동의 공진 주파수와 근접시키는 것이 행해진다.

또한, 본 실시형태에 따른 진동 자이로스코프(1)가 상기한 구성에만 한정되지 않고, 이하에 설명하는 제 1∼제 4와 같은 각종의 변형예 구성으로 된 것이어도 되는 것은 물론이다. 우선, 제 1 변형예 구성에 따른 진동자(20)에서는, 도 6에서 나타내는 바와 같이, 진동체(3)끼리의 단부 사이에 개재된 중간 부재(2) 각각으로부터 도전성의 지지 핀(21)을 연장하는 것으로 하고, 이것을 상하 반전시켜 지지 부재(10)를 사용하지 않은 채, 이들 지지 핀(21)에 의해 진동자(20)를 직립시키는 구성이 채용되고 있다. 이와 같은 구성일 때에는, 지지 핀(21)을 통하여 각 진동체(3)의 중간 전극을 기준 전위로 하는 것이 가능해진다.

한편, 본 실시형태에 있어서의 진동체(3) 각각의 압전 세라믹판(5)에서는, 실질적으로 1/3씩의 범위 내마다 분극 방향을 반전시킴과 아울러, 그 외표면상에 구동용 전극(8) 및 검출용 전극(9)을 이간하여 형성하는 것이 실행되고 있다. 그러나, 도 7a에서 나타내는 제 2 변형예 구성에 따른 진동자(22)와 같이, 실질적으로 1/3씩의 범위 내마다 분극 방향이 반전시켜진 압전 세라믹판(5)의 외표면상에 구동용 및 검출용인 전면 전극(23)을 형성해도 된다.

그리고, 도 7a에서 나타낸 제 2 변형예 구성으로 된 진동자(22)를 구비하여 이루어지는 진동 자이로스코프(1)의 구동 검출 회로를 포함한 요부 구성은 도 8에서 나타내는 바와 같이 된다. 또한, 이 경우에 있어서는, 도 7b에서 나타내는 바와 같이, 전체가 동일한 분극 방향으로 된 압전 세라믹판(5) 각각의 외표면상에 있어서의 중앙부에 대해서만, 구동용 및 검출용의 전면 전극(24)을 형성한 구성으로 하는 것도 가능하다.

또한, 본 실시형태에 따른 진동 자이로스코프(1)에서는, 한쪽측의 진동체(3)를 여진용으로 하고, 다른쪽측의 진동체(3)를 검출용으로 한 변형예 구성, 예를 들면, 도 9에서 나타내는 제 3 변형예 구성과 같이, 진동자(25)가 구비한 다른쪽측의 진동체(3)를 구성하는 압전 세라믹판(5)의 전체를 동일한 분극 방향으로 하고, 이 압전 세라믹판(5)의 외표면상에 한 쌍의 검출용 전극(26, 27)을 이간한 상태로 형성해 둔 후, 이들 검출용 전극(26, 27)으로부터 출력되어 오는 검출 신호의 차동을 취하도록 해도 된다. 한편, 이 때, 중간 부재(2)와 접하고 있는 진동체(3) 각각의 중간 전극(도시 생략)은 기준 전위여도 되고, 플로팅(floating) 상태여도 된다.

즉, 이 제 3 변형예 구성에 따른 진동자(25)에서는, 다른쪽측의 진동체(3)의 외표면상에 한 쌍의 검출용 전극(26, 27)이 길이 방향(X)의 한 단부측과 다른 단부측에 이간하여 형성되어 있다. 이 때, 검출용 전극(26, 27)으로부터 출력되어 오는 좌굴 진동에 의한 신호는 압전 세라믹판(5)의 분극 방향과 굴곡 방향이 동일하기 때문에 동일 위상이 된다. 이에 비하여, 검출용 전극(26, 27)으로부터 출력되어 오는 2차 굴곡 진동에 의한 신호는 분극 방향이 동일하지만, 굴곡 방향이 반대 방향이기 때문에 반대 위상이 되고, 이 2차 굴곡 진동에 의한 신호의 반대 위상 성분은 검출 수단을 구성하는 차동 회로(14)에 의해 검출된다.

또한, 한쪽측의 진동체(3)를 여진용으로 하고, 또한, 다른쪽측의 진동체(3)를 검출용으로 한 진동 자이로스코프(1)로서는, 도 10에서 나타내는 바와 같은 제 4 변형예 구성에 따른 진동자(30)를 구비한 것이 있으며, 이 진동자(30)에서는, 다른쪽측의 진동체(3)를 구성하고 있는 압전 세라믹판(5)의 길이 방향(X)을 따르는실질적으로 1/2씩의 범위 내마다에서 분극 방향이 반전시켜져 있다. 그리고, 이 다른쪽측의 압전 세라믹판(5)에 있어서의 외표면상에는 검출용의 전면 전극(31)이 형성되어 있으며, 이와 같은 변형예 구성이라면, 전극 구조가 간단하기 때문에, 비용 절감을 실현하기 쉬워진다.

이 진동자(30)에 있어서는, 다른쪽측의 진동체(3)를 구성하고 있는 압전 세라믹판(5)의 길이 방향(X)을 따르는 실질적으로 1/2씩의 범위 내마다에서 분극 방향이 반전하고 있으며, 또한, 그 외표면상의 한 단부측으로부터 다른 단부측에 걸쳐서 전면 전극(31)이 형성되어 있기 때문에, 좌굴 진동에 의한 신호는 진동자(30)의 한 단부측과 다른 단부측에서 반대 위상이 되어, 서로 상쇄되는 결과로서 출력되지 않는다. 그러나, 이 때에 있어서의 2차 굴곡 진동에 의한 신호는 진동자(30)의 한 단부측과 다른 단부측에서 굴곡 방향이 반대가 되기 때문에, 동일 위상이 되어 검출용의 전면 전극(31)으로부터 출력되어 온다.

한편, 이들 제 3 및 제 4 변형예 구성에 있어서의 한쪽측의 진동체(3)를 구성하고 있는 압전 세라믹판(5)은 그 길이 방향(X)을 따르는 실질적으로 1/3씩의 범위 내마다에서 분극 방향이 반전시켜진 것이며, 그 외표면상에는 구동용의 전면 전극(28)이 형성되어 있다. 또한, 도 9중의 부호 14는 차동 회로를 나타내고 있고, 도 9 및 도 10중의 부호 32는 검파 회로 및 DC 증폭기, 또한, 부호 33은 발진 회로 및 AGC 회로를 각각 나타내고 있다.

또한, 본 실시형태에 따른 진동 자이로스코프(1)는 자동차에 있어서의 네비게이션 시스템이나 자체 제어 시스템, 또는, 비디오 카메라의 떨림 보정 등에서 이용되는 각속도 센서(35), 다시 말하면, 도 11에서 나타내는 바와 같이, 3개의 진동 자이로스코프(1, 36, 37)가 모두 동일한 평면상에 배치되어 이루어지는 각속도 센서(35)를 구성하는 경우에 사용된다. 즉, 이 각속도 센서(35)가 구비하고 있는 2개의 진동 자이로스코프(36, 37)는 종래의 형태와 마찬가지로, 배치된 평면상의 서로 직교하는 2축, 다시 말하면, 그 길이 방향과 일치하는 검출축의 각각을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도를 각각 검출하는 구성으로 되어 있다.

이에 비하여, 이들 진동 자이로스코프(36, 37)와 동일한 평면상에 배치되고, 이 평면과 직교하는 수직축을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도를 검출하는 진동 자이로스코프(1)는 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같은 구성을 갖는 것으로 되어 있다. 이와 같은 전체 구성으로 된 각속도 센서(35)에서는, 부착 평면과 직교하는 수직축을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도가 진동 자이로스코프(1)에 의해 검출되기 때문에, 길이 방향과 일치하는 검출축을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도를 검출하는 진동 자이로스코프(36, 37)와 동일한 진동 자이로스코프를 사용하지 않아도 되어, 높이를 낮추는 것이 가능해진다.

그런데, 본 발명의 발명자는 일본국 특허공개공보 2000-304546호에서 개시된 발명을 출원하고 있으며, 둘레 가장자리부끼리가 고정된 2개의 굴곡판을 중공 상태로 하여 겹쳐 맞춘 구성을 채용하면, 진동자와 평행하고 서로 직교한 2축을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도의 검출이 가능하다는 것을 이미 개시하고 있다. 그러나, 앞선 발명은 어디까지나 진동자와 평행하고 서로 직교하는 2개의 검출축 주위에 작용하는 회전 각속도 각각을 검출하는 것에 불과하며, 실장 기판(11)과 평행하게 배치된 진동 자이로스코프(1)의 진동자(4) 그 것과 직교하는 축, 다시 말하면, 부착 평면에 대한 수직축을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도를 검출하는 본 발명과는 구성 및 작용이 다르다.

(제 2 실시형태)

도 12는 제 2 실시형태에 따른 진동 자이로스코프의 구동 검출 회로를 포함한 요부 구성을 나타내는 설명도, 도 13은 진동자의 제조 공정을 나타내는 설명도이고, 도 14∼도 18의 각각은 제 2 실시형태에 따른 진동 자이로스코프의 제 1∼제 5 변형예 구성을 나타내는 설명도이다.

제 2 실시형태에 따른 진동 자이로스코프의 전체 구성은 진동자(40)를 구성하고 있는 진동체(41)의 각각이 바이모르프 구조로 되어 있는 점을 제외하면, 도 1에서 나타낸 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프(1)와 기본적으로 다르지 않으므로, 여기에서의 상세한 설명은 생략한다. 한편, 설명의 편의상 필요가 있는 경우에는, 도 12∼도 18에 있어서, 도 1∼도 11과 동일 또는 상당하는 부품, 부분에 동일 부호를 붙이는 것으로 한다.

본 실시형태에 따른 진동 자이로스코프는 길이 방향(X)의 양 단부가 금속제의 중간 부재(2)를 통하여 고정되고, 그 중앙부끼리가 서로 대향하여 배치된 한 쌍의 직사각형 판형상의 진동체(41)로 이루어지는 진동자(40)를 구비하고 있으며, 이 때에 있어서의 진동체(41)의 각각은 길이 방향(X)을 따르는 실질적으로 1/3씩의 범위 내마다의 분극 방향(도면 중, 화살표로 나타냄)이 반전시켜지고, 또한, 서로의 분극 방향이 반대 방향으로 된 한 쌍의 압전 세라믹판(42, 43)을 대면 접합하여 이루어지는 바이모르프 구조를 갖고 있다.

즉, 이들 진동체(41)의 각각은 그 길이 방향(X)의 양 단부가 중간 부재(2)를 통하여 서로 고정된 것으로, 진동자(40)의 외측 위치에 배치된 압전 세라믹판(42)의 외표면상에는 구동용 전극(44)과 검출용 전극(45)이 길이 방향(X)의 한 단부측과 다른 단부측에 이간한 상태로 형성되어 있다. 그 한편, 진동자(40)의 내측 위치에 배치된 압전 세라믹판(43)의 외표면상에는, 중간 전극이 되는 전면 전극(46)이 형성되어 있다. 한편, 이들 전면 전극(46)은 중간 부재(2)와 서로 접촉하고 있으며, 동일 전위이지만, 플로팅 상태로 되어 있다. 당연한 일이지만, 기준 전위와 접속되어 있어도 된다.

그리고, 진동자(40)의 내측 위치에 배치된 압전 세라믹판(43)끼리의 중앙부 사이에는, 진동체(3) 각각의 좌굴 진동, 다시 말하면, 그 두께 방향(Y)과 일치한 후에 반대 방향을 향하여 좌굴 진동하는 각 진동체(41)의 좌굴 진동을 가능하게 하는 중공부(7)가 형성되어 있다.

그런데, 이와 같은 구성으로 된 진동자(40), 다시 말하면, 바이모르프 구조로 된 진동체(41)를 대향 배치하여 이루어지는 진동자(40)인 경우에는, 도 13에서 제조 공정의 도중 과정을 나타내는 바와 같이, 다수의 진동자(40)가 되는 반제품(48)을 준비해 둔 후, 이 반제품(48)을 컷트라인(C)을 따라서 절단함으로써 다수의 진동자(40)를 일괄적으로 제작할 수 있다는 이점이 확보된다. 한편, 이 때에 있어서의 중간 부재(49)는 한쪽측의 진동체(41)가 되는 부재의 한쪽측 부분을 깎아서 일체적으로 형성된 것이어도 된다.

또한, 바이모르프 구조의 진동체(41)가 대향 배치되어 이루어지는 진동자(40)는 그 전체가 각 진동체(41)의 두께 방향(Y)을 따르는 양단 개방의 2차 굴곡 진동이 가능한 구성, 다시 말하면, 각 진동체(41)의 폭방향(Z)과 일치하는 축(검출축)을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도를 검출하는 것이 가능하게 되어 있다. 이 때, 구체적으로는, 길이 방향(X)을 따라서 존재하는 2차 굴곡 진동의 3개의 노드점 중의 양 단부에 위치하는 노드점 부근 각각이 실장 기판상에서 지지된 구성을 갖고 있다. 또한, 이 때에 있어서의 2차 굴곡 진동의 공진 주파수는 좌굴 진동의 주파수와 서로 근접시켜져 있다.

또한, 진동자(40)가 탑재되는 실장 기판의 표면상에는, 이 진동자(40)의 구동 수단으로서 진동체(41)의 각각을 반대 방향으로 좌굴 진동시키는 가산 회로(12) 및 AGC 회로(13)와, 2차 굴곡 진동의 크기를 검출하는 검출 수단으로서 기능하는 차동 회로(14), 검파 회로(15), DC 증폭기(16)가 배치되어 있다. 그리고, 구동 수단인 AGC 회로(13)는 각 진동체(41)의 구동용 전극(44)과 접속되는 한편, 가산 회로(12) 및 차동 회로(14)의 각각은 각 진동체(41)의 검출용 전극(45)과 각각 접속되어 있으며, DC 증폭기(16)로부터는 검출된 2차 굴곡 진동의 크기에 기초하는 신호가 출력되게 되어 있다.

제 2 실시형태에 따른 진동 자이로스코프는 이상 설명한 바와 같은 구성이기 때문에, 제 1 실시형태에 따른 진동 자이로스코프(1)와 동일한 동작을 행하게 되어, 동일한 작용을 이룬다. 그런데, 본 실시형태에 따른 진동 자이로스코프가 이하에 설명하는 제 1∼제 5와 같은 각종의 변형예 구성으로 된 것이어도 된다.

우선, 본 실시형태에 있어서의 진동체(41)의 각각에서는, 외측 위치에 배치되는 압전 세라믹판(42)의 외표면상에 대하여 구동용 전극(44) 및 검출용 전극(45)을 형성하고 있으나, 도 14에서 나타내는 제 1 변형예 구성에 따른 진동자(50)와 같이, 구동용 및 검출용인 전면 전극(51)을 형성해도 된다. 또한, 도 15에서 나타내는 제 2 변형예 구성에 따른 진동자(55)와 같이, 내측 위치에 배치된 압전 세라믹판(43)의 외표면상에 형성된 중간 전극인 전면 전극(46)을, 외측 위치에 배치된 압전 세라믹판(42)의 외표면상에까지 돌아 들어가게 한 후, 기준 전위로 떨어뜨려 구동하는 구성으로 해도 된다.

또한, 도 16에서 나타내는 제 3 변형예 구성에 따른 진동자(56)와 같이, 외측에 위치하는 압전 세라믹판(42) 각각의 분극 방향을 동일하게 한 후, 한쪽측의 압전 세라믹판(42)의 외표면상에 한 쌍의 검출용 전극(57, 58)을 길이 방향(X)의 한 단부측과 다른 단부측에 이간한 상태로 형성하고, 또한, 다른쪽측의 압전 세라믹판(42)의 외표면상에 구동용의 전면 전극(59)을 형성해도 된다. 이 때, 중간 부재(2)와 접하고 있는 중간 전극(46)은 동일 전위의 도통 상태이면서도, 플로팅 상태가 된다.

또한, 도 17에서 나타내는 제 4 변형예 구성에 따른 진동자(60)와 같이, 외측 위치에 배치되는 압전 세라믹판(42)의 외표면상에 구동용 전극(61)과 검출용 전극(62)을 길이 방향(X)의 한 단부측과 다른 단부측에 이간한 상태로 형성하고, 또한, 진동자(60)의 한쪽측의 단면상에 단면 전극(63)을 형성해도 된다. 또는, 도 18에서 나타내는 제 5 변형예 구성에 따른 진동자(65)와 같이, 한쪽측의 진동체(41)를 구성하는 압전 세라믹판(42)의 외표면상에 한 쌍의 검출용 전극(66, 67)을 이간한 상태로 형성하고, 또한, 다른쪽측의 진동체(41)를 구성하는 압전 세라믹판(42)의 외표면상에 구동용의 전면 전극(68)을 형성함과 아울러, 진동자(65)의 한쪽측의 단면상에 단면 전극(69)을 형성한 구성으로 하는 것도 가능하다.

이들 제 4 및 제 5 변형예 구성으로 된 진동 자이로스코프에 있어서는, 외측에 위치하는 압전 세라믹판(42) 각각의 분극 방향이 반대 방향으로 되어 있고, 중간 부재(2)와 접하고 있는 중간 전극(46)이 동일 전위의 도통 상태이며, 또한, 기준 전위로 떨어뜨려지던지, 구동 전압의 반전 신호가 공급되게 되어 있다. 한편, 이상 설명한 제 2 실시형태에 따른 진동 자이로스코프를 사용하는 것에 의해서도, 제 1 실시형태의 경우와 동일한 각속도 센서(35)가 구성된다.

본 발명에 따른 진동 자이로스코프는 좌굴 진동하는 한 쌍의 직사각형 판형상의 진동체로 이루어지며, 또한, 전체적으로는 진동체의 두께 방향으로 향하는 양단 개방의 2차 굴곡 진동이 가능한 진동자를 구비하고 있다. 그리고, 이 때에 있어서의 2차 굴곡 진동의 공진 주파수는 좌굴 진동의 주파수와 근접시켜져 있다.

이 진동 자이로스코프라면, 각 진동체의 폭방향과 일치하는 검출축, 다시 말하면, 진동자가 배치된 평면과 직교하는 검출축을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도의 검출이 가능해지고, 이 검출축과 일치하고 있는 방향에 있어서의 진동자의 높이는 낮아진다. 따라서, 진동 자이로스코프의 높이를 낮추는 것을 용이하게 실현할 수 있으며, 그 결과로서 평면상에 배치된 다른 부품보다도 진동 자이로스코프가돌출하는 것을 유효하게 방지할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 각속도 센서에서는, 동일 평면상에 배치된 3개의 진동 자이로스코프 중의 2개가 평면상의 서로 직교하는 2축, 다시 말하면, 그 길이 방향과 일치하는 검출축의 각각을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도를 검출하는 것이고, 다른 1개가 평면과 직교하는 수직축을 중심으로 하여 작용하는 회전 각속도를 검출하는 것으로 되어 있다. 그리고, 이 진동 자이로스코프가 높이가 낮아진 것이기 때문에, 각속도 센서 자체도 높이가 낮아지게 되어, 이 각속도 센서가 다른 부품보다도 돌출하는 것이 유효하게 방지된다는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 길이 방향의 양 단부가 각각 중간 부재를 통하여 두께 방향으로 고정된 한 쌍의 직사각형 판형상의 진동체로 이루어지며, 전체적으로는 상기 진동체의 두께 방향으로의 양단 개방의 2차 굴곡 진동이 가능한 구성으로 하여 지지된 진동자와, 상기 진동체의 각각을 서로 반대 방향으로 좌굴 진동시키는 구동 수단과, 상기 진동자의 2차 굴곡 진동의 크기를 검출하는 검출 수단을 구비하고 있으며, 상기 2차 굴곡 진동의 공진 주파수는 상기 좌굴 진동의 주파수와 근접시켜져 있는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 진동자의 길이 방향을 따라서는 상기 2차 굴곡 진동의 3개의 노드점이 존재하고 있으며, 상기 진동자는 상기 노드점 중의 양단측의 2개에서 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진동체는 유니모르프(unimorph) 구조인 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진동체는 바이모르프(bimorph) 구조인 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진동체 각각의 외표면상에는 서로 대향하여 전극이 형성되어 있으며, 이들 전극을 통하여 상기 2차 굴곡 진동의 크기가 검출되는 구성인 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진동체 중의 한쪽측의 외표면상에는 한 쌍의 전극이 길이 방향의 한 단부측과 다른 단부측에 이간하여 형성되어 있으며, 이들 전극을 통하여 상기 2차 굴곡 진동의 크기가 검출되는 구성인 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진동체 각각의 외표면상에는 서로 대향하여 전극이 형성되어 있으며, 그 한쪽측의 전극을 통하여 상기 2차 굴곡 진동의 크기가 검출되는 구성인 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
8. 3개의 진동 자이로스코프가 동일한 평면상에 배치되어 이루어지는 각속도 센서로서,

   상기 평면과 직교하는 수직축을 회전축으로 하는 회전 각속도를 검출하는 진동 자이로스코프는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재한 것임을 특징으로 하는 각속도 센서.