KR20060049823A

KR20060049823A - 진동 자이로의 구동회로

Info

Publication number: KR20060049823A
Application number: KR1020050059810A
Authority: KR
Inventors: 가즈오 구리하라; 요시노리 사토; 도시유키 가와무라; 도루 마츠나가
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2006-05-19
Also published as: CN1721819A; JP2006029901A; US7210349B2; SG119286A1; US20060011000A1

Abstract

본 발명은 발진기(oscillator)에 형성된 두 개의 압전소자를 포함하고, 두 개의 압전소자의 한쪽 표면에 구동신호를 공급하여 압전소자의 한쪽 면에 대하여 반대편의 다른 쪽 표면으로부터 얻어진 신호를 더하는 가산회로와, 가산회로에 의해 얻어진 가산출력신호가 피드백되는 발진회로를 포함하는 진동 자이로(oscillation gyro)의 구동회로를 제공하고, 발진회로의 발진출력으로서 얻어진 사인파신호가 구동신호로서 두 개의 압전소자의 한쪽 표면에 공급된다. 그러므로, 간단한 구성으로 안정된 출력을 얻는 진동 자이로(oscillation gyro)의 구동회로가 제공된다.

Description

진동 자이로의 구동회로{Drive circuit of oscillation gyro}

도 1은 종래의 진동 자이로의 구동회로의 구성예를 나타내는 블록도이다.

도 2는 종래의 진동 자이로의 구동회로의 각 부분의 전압파형의 타임 차트이다.

도 3은 본 발명에 따른 진동 자이로의 구동회로의 구성예를 나타내는 블록도이다.

도 4는 진동 자이로의 사시도이다.

도 5는 진동 자이로의 측면도이다.

도 6은 진동 자이로의 구동회로의 각 부분의 전압파형의 타임 차트이다.

본 발명은 발진기에 구성되는 2개의 압전소자를 포함하는 진동 자이로(oscillation gyro)의 구동회로에 관한 것이다.

비디오 카메라를 사용하여 이미지를 찍을 때 손의 의도하지 않은 움직임의 검출, 차량 내비게이션 시스템의 방향 검출, 차량과 같은 이동가능한 물체의 자세제어 등을 위해 사용되는 일반용 자이로(gyro)로서, 굴곡 진동(flexing oscillation)을 활용한 원주형의 진동 자이로가 사용되었다. 예를 들면 사각형의 프리즘형 발진기에 두 개의 압전소자가 설치된 진동 자이로가 실제로 사용된다(예를 들면, 특허문헌 1 : 일본 공개 특허 2000-304543호 공보).

종래, 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같은 구동회로(20)는, 사각형의 프리즘형 발진기(2), 압전소자(3a)와 압전소자(3b)를 포함하는 진동 자이로(1)를 구동하고, 압전소자(3a)와 압전소자(3b)가 발진기(2)의 첫번째 측면에 정렬되는 것과 같은 방법으로 구성된다. 발진기(2)의 표면은 도전(導電) 도금된다. 그 후, 검출신호는 두 개의 압전소자(3a, 3b)의 출력으로부터 출력된다.

도 1에 나타낸 종래의 진동 자이로(1)의 구동회로(20)에서는, 발진기(2)의 첫번째 측면에 반대하는 두 번째 측면은 기준전위(Vref)에 접속하고 있다. 이 기준전위(Vref)는 발진기(2)를 통하여 압전소자(3a)와 압전소자(3b)의 발진기(2)와 접촉하는 측면에 적용된다.

발진기(2)의 첫번째 측면에 설치되는 압전소자(3a)와 압전소자(3b)에, 가산회로(22)와 차동증폭기(26)가 각각 접속되고, 발진회로(24)는 저항(21a, 21b)과 커패시터(25)를 통하여 접속된다. 또한, 가산회로(22)는 비교회로(23)에 접속되고, 발진회로(24)에 접속된다.

차동증폭기(26)는 동기 검출기(27)와 접속되고, 검출신호(Vsd')는 이 동기 검출기(27)에 의해 DC 증폭기(28)를 통하여 검출신호로서 출력된다.

이러한 구성의 구동회로(20)에서, 발진회로(24)의 출력신호(Vgo')는 압전소자(3a, 3b)의 측면에, 커패시터(25)와 저항(21a, 21b)을 통하여, 발진기(2)에 인접 하는 압전소자(3a, 3b)의 다른 측면에 반대하여 공급된다.

압전소자(3a)의 출력신호(Vgl')와 압전소자(3b)의 출력신호(Vgr')는 가산회로(22)에 의해 더해지고, 그것의 가산신호(Vsa')는 비교회로(23)에 입력된다. 비교회로(23)는 가산회로(22)에 의한 가산신호(Vsa')와 발진회로(24)의 출력신호(Vgo')를 비교하고, 비교출력신호(Vcm)를 발진회로(24)에 공급한다. 또한, 압전소자(3a)의 출력신호(Vgl')와 압전소자(3b)의 출력신호(Vgr') 사이의 차이신호(Vda')는 차동증폭기(26)에 의해 출력되고, 동기검출기(27)에 의해 동시에 검출된다. 동기검출기(27)는 차이신호(Vda')를 발진회로(24)에 의해 형성된 클럭신호(Vck')를 이용하여 동시에 검출한다. 동기 검출기(27)에 의한 검출신호(Vsd)'는 DC 증폭기(28)에 의해 증폭되고, 검출신호로서 출력된다.

여기서, 도 2는 도 1에 나타낸 종래의 진동 자이로(1)의 구동회로(20)의 각 부분의 전압파형의 타임차트이다. 도 2에서, 진동 자이로(1)의 장축(長軸)을 중심으로 하여, 회전이 없는 경우는, 정지상태로 나타내고, 장축을 중심으로 하여 회전이 적용된 경우는, 회전 각속도가 가해졌을 때의 상태로 나타낸다.

발진(oscillation) 시스템은 진동 자이로(1), 저항(21a), 저항(21b), 커패시터(25), 가산회로(22), 비교회로(23)와 발진회로(24)를 포함하는 정귀환(positive feedback) 루프로 형성되고, 진동 자이로(1)의 공진 주파수에서 자가발진(self-oscillate)한다. 진동 자이로(1)는 이 진동에 의해 첫번째 측면과 두 번째 측면에 수직방향으로 굴곡진동(flexing oscillate)한다. 이 상태에서, 진동 자이로(1)의 장축을 중심으로 하여 회전되면, 굴곡진동의 방향은 코리올 리 힘(Corioli's force)에 의해 변화한다. 그러므로, 출력차(Vgl'-Vgr')는 압전소자(3a)와 압전소자(3b)의 사이에서 생성되고, 차이신호(Vda')는 차동증폭기(26)에서 얻어진다. 이때, 진동 자이로(1)를 구동하기 위한 신호는 정지상태에서의 압전소자(3a)의 출력과 압전소자(3b)의 출력이고, 압전소자(3a)와 압전소자(3b)에서 같은 위상과 진폭을 가지는 신호이다. 그러므로, 진동 자이로(1)를 구동하기 위한 신호는 차동증폭기(26)에 의해 제거된다. 그 다음, 코리올리(Corioli's) 힘에 대한 응답신호는 압전소자(3a)와 압전소자(3b)에 대하여 같은 진폭과 반대위상의 신호(Vcl')와 (VCR')이다. 그러므로, 차동증폭기(26)에 의해 얻어지는 차이신호(Vda')는 (Vcl'-Vcr')에 비례하는 신호이다.

차동증폭기(26)에 의해 얻어지는 차이신호(Vda')는 DC 검출신호(Vsd')로 바뀌기 위해 동기검파된다. 동기 검출기(27)는 차동증폭기(26)로부터의 차이신호(Vda')를 클럭신호(Vck')의 타이밍에서 전파정류(full-wave rectify)하여 신호(Vda')를 신호(Vfr')로 변환하고, 그 후 신호(Vfr')를, DC 검출신호(Vsd')를 얻기 위해 적분한다. 이 검출신호(Vsd')는 DC 증폭기(28)에 의해 소정의 진폭으로 증폭되고, 회전에 의해 생성되는 각속도신호만이 검출될 수 있다.

코리올리 힘(Corioli's force)에 대한 응답으로서의 신호는 가산회로(22)에 의해 얻어진 가산신호(Vsa')에서 제거되고, 정지상태에서의 압전소자(3a)와 압전소자(3b)의 출력의 합계에 비례하는 신호가 된다. 부호(Zgl)가 압전소자(3a)의 임피던스일 때, 부호(Zgr)는 압전소자(3b)의 임피던스이며, 부호(Rb)는 저항(21a)과 저항(21b)의 값이고, 2ㆍ(Rs)는 가산회로(22)의 입력 임피던스이고, 압전소자(3a) 의 출력신호(Vgl')와 압전소자(3b)의 출력신호(Vgr')는 아래와 같다.

Vgl'=[(Zgl//Rs)/｛(Zgl//Rs)+Rb｝]ㆍVgo'={1/(1+Rb/Rs+Rb/Zgl)｝ㆍVgo'

Vgr'=[(Zgr//Rs)/｛(Zrg//Rs)+Rb｝]ㆍVgo'={1/(1+Rb/Rs+Rb/Zgr)｝ㆍVgo'

진동 자이로(1)가 공진 주파수에서 발진(oscillate)할 때 압전소자(3a)의 임피던스(Zgl)와 압전소자(3b)의 임피던스(Zgr)가 최소값이 되므로, 압전소자(3a)의 출력전압(Vgl')과 압전소자(3b)의 출력전압(Vgr')의 전압진폭은 또한 최소값이 된다. 그러므로, 가산회로(22)에 의해 얻어진 가산신호(Vsa')의 전압진폭은 최소값이 된다. 가산회로(22)의 가산신호(Vsa')는 발진회로(24)의 출력신호(Vgo')와 비교되고, 비교회로(23)의 비교출력신호(Vcm')에서, 발진회로(24)가 공진 주파수에서 발진할 때의 전압진폭이 최대가 되고, 발진시스템을 구성하기 위한 정귀환(positive feedback) 루프가 이루어진다. 비교회로(23)의 비교출력신호(Vcm')는 (Vgo'-Vsa')에 비례하는 신호이다. 신호(Vcm')의 파형(waveform)이 왜곡되므로, 신호(Vcm')는 발진회로(24)에 의한 삼각파(triangular wave) 모양이고, 출력신호(Vgo')로서 출력된다.

신호(Vgo')의 DC 바이어스 전압이 종래의 구동회로(20)에서는 절단(cut)되므로, 커패시터(25)가 필요하다. 만일 커패시터(25)가 포함되지 않으면, 신호(Vgo')의 DC 바이어스 전압이 가산회로(22)를 통하여 비교회로(22)에 입력되고, DC 바이어스 전압이 비교회로(23)의 2개의 입력단말(input terminal)에 서 같은 값이 된다. 그리고 나서, 발진회로(24)의 출력신호(Vgo')는 포화되고, 그러므로 발진되지 않는다.

상술한 바와 같이 종래의 진동 자이로(1)는 구동부분과 검출부분을 위해 압전소자(3a)와 압전소자(3b)를 일반적으로 사용하고, 이는 매우 간단한 구조로 만들어질 수 있다. 그러나, 진동 자이로(1)를 구동하기 위한 구동회로가 복잡하게 되고, 저비용으로 실현되기 어렵다는 문제가 존재한다.

따라서, 상기의 종래기술의 문제의 관점에서, 간단한 구성과 감소된 비용으로 진동 자이로의 구동회로를 제공하는 것이 요구된다.

더욱이, 본 발명의 다른 목적과 본 발명에 따라 얻어지는 구체적인 이점은 아래 기술되는 실시예의 설명으로 더욱 분명해질 것이다.

본 발명에 따른 진동 자이로의 구동회로는 발진기에 형성된 두 개의 압전소자를 포함하고, 두 압전소자의 한쪽 표면에 구동신호를 공급하여 압전소자의 한쪽 표면에 반대하는 다른 쪽 측면에서 얻어진 신호를 합하는 가산회로와, 가산회로에 의해 얻어진 가산출력신호가 피드백되는 발진회로로 구성되고, 발진회로의 발진출력으로서 얻어진 사인파 신호는 구동신호로서 두 압전소자의 한쪽 표면에 공급된다.

본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 아래에 기술되는 구체화에 한정되지 않고, 본 발명의 취지에서 벗어나지 않은 범위 내에서 임의로 변화될 수 있는 것이다.

본 발명에서, 진동 자이로(oscillation gyro)(1)는, 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같은 구성을 가지는 구동회로(10)에 의해 구동된다.

이 진동 자이로(1)는 사각형의 프리즘 형태의 발진기(oscillator)(2), 압전소자(3a)와 압전소자(3b)로 구성되고, 도 4와 도 5에 나타낸 바와 같이, 압전소자(3a)와 압전소자(3b)가 발진기(2)의 첫번째 측면에 정렬하는 것과 같은 방법으로 구성된다. 발진기(2)의 표면은 도전(導電) 도금된다. 발진기(2)는 일반적으로 엘린버(elinvar), 철-니켈, 석영, 유리, 수정, 세라믹 등과 같은 기계적 진동을 발생하기 위한 소재로 형성된다.

진동 자이로(1)를 구동하기 위한 구동회로(10)는 2개의 압전소자(3a, 3b)의 한쪽 표면에 구동신호를 공급하여 압전소자(3a, 3b)의 한쪽 표면에 반대하는 다른 쪽 표면에서 얻어지는 신호를 합하는 가산회로(11)와, 그리고 가산회로(11)에 의해 얻어지는 가산출력신호가 피드백되기 위해 구성되는 발진회로(12)로 구성되고, 발진회로(12)의 발진출력으로서 얻어지는 사인파 신호가 2개의 압전소자(3a, 3b)의 한쪽 표면에 구동신호로서 공급된다. 차동증폭기(13)는 가산회로(11)와 함께 발진기(2)의 첫번째 측면에 설치된 압전소자(3a)와 압전소자(3b)에 접속되고, 차동증폭기(13)에 의해 얻어지는 차이신호(Vda)는 동기검출기(14)에 의해 동시에 검출되고, 검출신호(Vsd)는 DC 증폭기(15)를 통하여 검출신호로서 출력된다.

더 상세하게는, 진동 자이로(1)는 발진기(2)의 첫번째 측면에 정렬되는 압전소자(3a)와 압전소자(3b)를 가지고, 발진회로(12)의 출력신호(Vgo)는 발진기(2)의 첫번째 측면에 반대하는 두 번째 측면에 입력된다. 신호(Vgo)는 발진기(2)를 통하여 발진기(2)에 인접하는 압전소자(3a)와 압전소자(3b)의 측면에 가해진다. 압전소자(3a)의 출력신호(Vgl)와 발진기(2)에 인접하는 측면에 반대하는 측면에서 출력되는 압전소자(3b)의 출력신호(Vgr)는 가산회로(11)에 입력된다. 가산회로(11)의 가산출력신호(Vsa)는 발진회로(12)에 입력된다. 또한, 압전소자(3a)의 출력신호(Vgl)와 압전소자(3b)의 출력신호(Vgr)는 차동증폭기(13)에 입력된다. 차동증폭기(13)의 출력(Vda)은 동기검출기(14)에 의해 동시에 검출되나, 그 타이밍은 발진회로(12)에서 형성된 클럭신호(Vck)를 사용하는 것에 의해 처리된다. 동기검출기(14)의 출력신호(Vsd)는 DC 증폭기(15)에 의해 증폭된다.

여기서, 도 6은 도 3에 나타낸 진동 자이로(1)를 구동하기 위한 구동회로(10)의 각 부분의 전압파형의 타임 차트이다. 중심으로서 진동 자이로(1)의 장축에 회전이 없는 경우는, 정지상태로 나타내고, 중심으로서 진동 자이로(1)의 장축에 회전이 가해진 경우는, 회전각속도가 가해졌을 때의 상태로 나타낸다.

진동 시스템은 진동 자이로(1), 가산회로(11)와 발진회로(12)를 포함하는 정귀환 루프(positive feedback loop)로 구성되고, 진동 자이로(1)의 공진 주파수에서 자가-발진(self-oscillate)된다. 진동 자이로(1)는 이 진동에 의해 첫번째 측면과 두 번째 측면에 대해 수직방향으로 굴곡진동(flexing oscillate)된다. 이 상태에서, 진동 자이로(1)의 장축을 중심으로, 회전되었을 때, 굴곡진동의 방향 은 코리올리(Corioli's) 힘에 의해 변화한다. 그러므로, 출력차이(Vgl-Vgr)는 압전소자(3a)와 압전소자(3b) 사이에서 생성되고, 출력(Vda)은 차동증폭기(13)로부터 얻어진다. 이때, 진동 자이로(1)를 구동하기 위한 신호는 정지상태에서의 압전소자(3a)와 압전소자(3b)의 출력이고, 압전소자(3a)와 압전소자(3b)에 대하여 같은 위상과 진폭을 가지는 신호이다. 그러므로, 진동 자이로(1)를 구동하기 위한 신호는 차동증폭기(13) 에 의해 제거된다. 그 후, 코리올리(Corioli's) 힘의 응답으로서의 신호는 압전소자(3a)와 압전소자(3b)의 반대 위상과 같은 진폭의 신호(Vcl)과 신호(VCR)다. 그러므로, 차동증폭기(13)에 의해 얻어지는 차이신호(Vda)는 (Vgl-Vgr)에 비례하는 신호이다.

차동증폭기(13)에 의해 얻어지는 차이신호(Vda)는 동기 검출기(14)에 의해 동시에 검출되고, DC 신호(Vsd)로 변환된다. 동기 검출기(14)는 차이신호(Vda)를 신호(Vfr)로 변환하기 위해 클럭신호(Vck)의 타이밍에 차동증폭기(13)로부터 공급된 차이신호(Vda)를 전파(full-wave)정류하고, 그 다음 신호(Vfr)를 DC 신호(Vsd)를 얻기 위해 적분한다. 이 신호(Vsd)는 DC 증폭기(15)에 의해 소정의 진폭으로 증폭되고, 회전에 의해 생성된 각속도신호만이 검출될 수 있다.

코리올리(Corioli's) 힘에 대한 응답으로서의 신호는 가산회로(11)의 가산출력신호(Vsa)에서 제거되고, 정지상태에서의 압전소자(3a)와 압전소자(3b)의 출력의 합계에 비례하는 신호가 된다. 부호(Zgl)이 압전소자(3a)의 임피던스, 부호(Zgr)가 압전소자(3b)의 임피던스이고, 2ㆍRs이 가산회로(11)의 입력 임피던스일 때, 압전소자(3a)의 출력(Vgl)과 압전소자(3b)의 출력(Vgr)은 아래에 나타낸 바와 같다.

Vgl = {Rs/(Zgl+Rs)}ㆍVgo = {1/(1+Zgl/Rs)}ㆍVgo

Vgr = {Rs/(Zgr+Rs)}ㆍVgo = {1/(1+Zgr/Rs)}ㆍVgo

진동 자이로(1)가 공진 주파수에서 발진할 때 압전소자(3a)의 임피던스(Zgl)와 압전소자(3b)의 임피던스(Zgr)가 최소값이 되므로, 압전소자(3a)의 출력(Vgl)과 압전소자(3b)의 출력(Vgr)의 전압진폭은 최대가 된다. 그러므로, 가산회로의 가산출력신호(Vsa)의 전압진폭은 최대가 되고, 진동 시스템을 구성하기 위한 정귀환(positive feedback) 루프로서 기능한다. 더욱이, 이 신호의 증폭도는 발진회로(12)에 의해 조정되고, 따라서, 발진회로(12)는 사인파 신호로서 발진하고, 출력신호(Vgo)는 사인파 신호가 된다.

도 1에 나타낸 바와 같은 종래의 진동 자이로(1)의 구동회로(20)에서는, 저항(21a), 저항(21b), 커패시터(25)와 비교회로(23)가 필요하다. 더욱이, 파형은 발진회로(24)에서 삼각파형으로 다시 만들어진다(re-shaped). 반면에, 도 3에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 진동 자이로(1)의 구동회로(10)에서는, 저항(21a), 저항(21b), 커패시터(25)와 비교회로(23)에 대응하는 구성요소는 기능상 필요하지않다. 또한, 발진회로(24)에서 파형 형성(waveform shaping)도 필요하지 않다. 그러므로, 진동 자이로(1)는 매우 단순화된 구동회로(10)에 의해 구동되고, 자이로 출력이 검출될 수 있다.

본 발명은 첨부되는 청구의 범위 또는 그것과 동등한 범위 내에서 당업자에 의한 여러 가지 수정, 결합, 부분결합과 변경들이 설계상의 필요와 다른 요인에 따라 가능한 것은 당연한 것이다.

본 발명에 따르면, 구동신호를 진동 자이로의 발진기에 형성된 두 개의 압전소자의 한쪽 표면에 입력하고, 상기 한쪽 표면에 반대되는 다른 쪽 측면에서 출력된 신호를 가산회로에 입력하고, 가산회로의 출력신호를 발진회로에 입력하고, 발진회로의 발진출력으로서 얻어진 사인파 신호를 구동신호로서 두 개의 압전소자의 한쪽 표면에 공급하는 것으로서, 구성이 간단해지고, 비용이 감소된다.

Claims

발진기(oscillator)에 형성된 2개의 압전소자를 포함하는 진동 자이로(oscillation gyro)의 구동회로에 있어서,

상기 2개의 압전소자의 한쪽 측면에 구동신호를 공급하여 상기 압전소자의 한쪽 측면과 반대하는 다른 쪽 측면으로부터 얻어지는 신호를 가산하기 위한 가산회로(adding circuit)와,

상기 가산회로에 의해 얻어진 가산출력신호가 피드백되기 위해 적용되는 발진회로(oscillation circuit)로 구성되고,

상기 발진회로의 발진출력으로서 얻어진 사인파 신호가 상기 두 개의 압전소자의 한쪽 측면에 상기 구동신호로서 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 진동 자이로의 구동회로.
제 1항에 있어서,

상기 발진기의 전면(front surface)이 도전(導電) 도금(conductive plated)되어 있는 것을 특징으로 하는 진동 자이로의 구동회로.