KR950005388B1 - 3차원 압전회전각센서 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

3차원 압전회전각센서

제1도는 본 발명의 3차원 압전회전각센서의 사시도.

제2도는 본 발명의 3차원 압전회전각센서의 정면도.

제3도는 본 발명의 3차원 압전회전각센서의 평면도.

제4도는 본 발명의 센서를 이용한 센싱회로구성도.

제5도는 본 발명의 다른 실시예시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11-13,11'-13' : 압전필름 14 : 금속고정대

15 : 베이스 41 : 신호발생기

42 : 제1차동증폭기 43 : 제2차자동증폭기

44 : 검출기

본 발명은 물체의 회전각을 3차원적으로 측정할 수 있는 압전물질을 이용한 3차원 압전회전각센서에 관한 것이다.

회전각센서는 항공기, 자동차, 무비카메라, 로보트 등과 같은 이동물체에 장착되어 해당기기의 이동회전각을 측정함으로써, 항법장치에 위치판별 및 보정신호와 진동방지 신호를 제공하게 된다.

이와 같은 회전각센서에는 광센서, 자기센서, 압전센서 등이 있으며, 이들 중 압전센서는 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 측정의 정밀성 및 정확성을 가지고 있기 때문에 회전각센서로서 각광을 받고 있다.

그러나 지금까지 보고된 압전회전각센서는 단일 평면내에서 회전속도에 비례하고 진행중인 선속도에 직각인 방향으로 생기는 코리올리스 힘(Coriollis Force)을 측정하는 2차원 센서였기 때문에, 예를 들어 항공기의 항법장치에 적용되는 경우, 출발점으로 부터 수평각도의 변화와 함께 수직각도의 변화도 같이 측정하여야 하는데 하나의 2차원 회전각센서로는 만족시킬 수 없어 별도의 고도측정용센서가 필요하게 된다.

마찬가지로 무비카메라, 로보트, 미래형 차량운행장치 등에서도 상기와 같은 어려움이 존재한다.

특히 앞에서 예로든 압전회전각센서는 압전소자 고유의 성질에 의해 음압, 온도, 습도 등의 변화와 같은 주위환경변화에 민감하게 반응하기 때문에, 센서로 검출되는 값에는 외부 환경조건 변화에 따른 불특정값이 포함되어 있어 센서의 출력값에 오차가 존재하게 된다.

본 발명은 하나의 회전각센서로써 수평 및 수직 회전각도를 동시에 측정할 수 있고 외부변화에 영향하는 값을 구분 제거하여 센서의 출력값의 신뢰성을 높일 수 있는 3차원 압전회전각센서를 제안한다.

본 발명의 특징은 베이스상에서 고속금정대를 사이에 두고 한 쌍의 구동용 압전필름을 Z축방향으로 Z-Y평면에 평행하게 배치하고, 상기 각 구동용 압전필름위에는 한 쌍의 Y축방향 회전각 센싱용 압전필름을 Y축방향으로 X-Y평면에 평행하게 배치하고, 상기 각 Y축방향 회전각 센싱용 압전필름위에는 한 쌍의 Z축방향 회전각 센싱용 압전필름을 Z축방향으로 Z-Y평면에 평행하게 배치하여 물체의 3차원적 이동을 동시에 센싱한다는데 있다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

제1도 내지 제3도에 참조되는 바와 같이, 베이스(15)상에 X축방향으로 X-Y평면에 평행하게 금속고정대(14)를 배치하고, 이 금속고정대(14)의 길이방향 양쪽에 압전필름(11,11')을 Z방향으로 세워 Z-Y평면에 평행하게 배치한다.

상기 압전필름(11,11')은 금속고정대(14)에 접착제로 부착되어 사인파 또는 펄스파의 신호를 받는 구동부로 마련된다.

상기 압전필름(11,11')위에는 각각 Y축방향으로 X-Y평면에 평행한 압전필름(13,13')을 배치한다.

이 압전필름(13,13')은 Y축방향 회전속도 Ωy로 부터 회전각을 센싱하게 된다.

상기 압전필름(13,13')상에는 Z축방향으로 Z-X평면에 평행한 압전필름((12,12')을 배치한다.

이 압전필름(12,12')은 Z축방향 회전속도 Ωx로 부터 회전각을 센싱하게 된다.

이들 3쌍부분의 압전필름은 동일한 형태와 크기 및 물성을 갖는 압전세라믹으로써 PZT, BaTiO₃, LiNbO₃, Quartz 등을 이용할 수 있다.

특히 이들 압전필름의 길이는 갈수록 고감도응 얻을 수 있으나 센서의 크기가 증가하므로 사용용도에 적합한 크기로 제작된다.

압전필름의 폭은 작을수록 표면상에서의 앵귤러모멘트분포가 균일하므로 그 폭이 작을수록 유리하다.

그러나 가공상의 어려움이 따르므로 내구성을 고려할때 최대길이의 1/5정도로 가져가는 것이 적합하다.

또한 압전필름의 두께는 얇을수록 진동모드의 선택성과 감도가 향상되나 가공 및 내구성을 고려할때 최대 길이의 1/10정도로 가져가는 것이 적합하다.

또한, 압전필름의 배치는 정확히 90°를 이루도록 배치되어야 하며 동일한 분극방향으로 감쇄성이 적은 비전도성 접착제로 상호 부착하여 기계적 결합만이 이루어지도록 한다.

이와 같은 구조의 본 발명 센서에 의한 회전각 센싱회로구성은 제5도와 같이 구동부로 마련된 압전필름(11,11')에 신호발생기(41)의 펄스파 또는 사인파가 인가되게 연결하고, Y축 압전필름(13,13')에서 센싱된 회전력 Ωy에 따른 전하는 제1차동증폭기(42)로 차동증폭되고, Z축 압전필름(12,12')에서 센싱된 회전력 Ωz에 따른 전하는 제2차동증폭기(43)로 차동증폭되게 연결하고, 이들 제1,2차동증폭기(42,43)출력의 벡터합이 검출기(44)에서 최종 회전각신호로 출력되게 연결하여 구성한다.

이에 대한 동작설명을 상세히 기술하면 다음과 같다.

구동용 압전필름(11,11')에 외부 발진 신호가 입력되면, 압전필름(11,11')의 공진주파수와 일치된 외부신호에 의해 상기 압전필름은 인장 및 수축작용을 하게 된다.

이에 따라 압전필름(12,12')(13,13')은 X축방향의 선운동 Vx를 하게 되는데, 이때 Xy 평면상의 회전속도 Ωz가 가해지면 압전필름(12,12')에는 -2mVxΩz(m :압전필름의 질량)로 주어지는 코리올리스힘(Corillis Force)이 나타나고, XZ평면상의 회전속도 Ωy가 가해지면 압전필름(13,13')에는 -2mVxΩy로 주어지는 코리올리스 힘이 나타난다.

즉, 한 개의 회전각센서로서 XY평면과 XZ평면으로 이루어지는 3차원상에서의 회전각 측정이 가능하게 된다.

또한 외부에서 주어지는 회전속도가 정확히 Ωy 또는 Ωz로 구분되지 않을 경우 각 압전필름(12,12')(13,13')에 의해 측정된 XY,XZ평면방향의 성분의 벡터합을 통하여 전체 회전속도 및 회전각도를 구하게 된다.

이와 같이 압전필름들에 의해 검출되는 3차원 회전각성분은 차동증폭회로와 벡터합검출회로를 통하여 이동물체의 제어를 위한 최종 소오스로 출력되는데, 구동용 압전필름(11,11')의 휨 진동의 공진주파수에 일치된 신호발생기(41)의 정현파와 펄스파신호가 상기 압전필름(11,11')에 인가될때, 두 쌍의 압전필름(12,12')(13,13')들에는 휨진동에 따른 X축 선운동과 외부에서 주어지는 회전속도의 벡터곱에 해당하는 전하가 각각 발생된다.

이들 전하량들은 제1,2차동증폭기(42, 43)에서 차동증폭하게 되는데, 이들 압전필름(12, 12'), (13, 13')들을 완전동일하고 분극방향도 동일하기 때문에 회전속도가 주어질때 두 개의 압전필름쌍에서는 각각 서로 반대부호의 전하가 발생되고 음압, 온도, 습도변화에 따른 전하성분은 같은 부호로 발생된다.

따라서 각각의 차동증폭기(42,43)에서 차동증폭하게 되는데, 이들 압전필름(12,12')(13,13')들을 완전동일하고 분극방향도 동일하기 때문에 회전속도가 주어질때 두 개의 압전필름쌍에서는 각각 서로 반대 부호의 전하가 발생되고 음압, 온도, 습도변화에 따른 전하성분은 같은 부호로 발생된다.

따라서 각각의 차동증폭기(42,43)에서는 음압, 온도, 습도 등에 기인하는 전하성분은 서로 상쇄되고 순수한 회전속도에 대한 전하성분만 2배증폭되어 출력된다.

이러한 제1,2차동증폭기(42,43)의 센싱출력은 검출기(44)에서 벡터합되어 최종 제어신호 소오스로 출력된다.

한편 제4도는 본 발명의 다른 실시예를 보인 것으로 구동용 압전센서를 두 장의 압전필름(21,31),(21',31')을 겹쳐서 구성하고, Y축방향 회전각 센싱용 압전센서를 각각두 장의 압전필름(23,33),(23',33')을 겹처서 구성하고 또한 Z축방향 회전각 센싱용 압전센서를 각각 두 장의 압전필름(22,32),(22',32')을 겹쳐서 구성하고 있다.

이는 구동력의 증가와 센싱감도를 증가시킬 수 있게 된다. 이때 두 장의 압전필름을 겹쳐서 배치함에 있어 각 필름의 분극방향은 양 바깥쪽면이 -분극면이 되고 서로 마주하는 안쪽면이 +분극면이 되도록 배치한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하나의 회전각 센서를 모든 3차원 이동물체의 수직 및 수평방향 회전각을 동시에 측정할 수 있으며 주위 환경요소에 의한 영향이 배제된 정밀하고 정확한 3차원 회전각 센싱을 가능하게 한다.

Claims (2)

1. 압전센서를 이용한 회전각센서에 있어서, 베이스(15)상에 배치되는 금속고정대(14)를 사이에 두고 구동용 압전필름(11,11')을 Z축방향으로 Z-Y평면에 평행하게 배치하고, 상기 압전필름(11,11')위에 Y축방향 회전각 센싱용 압전필름(13,13')을 y축방향으로 X-Y평면에 평행하게 배치하고, 상기 압전필름(13,13')위에 Z축방향회전각 센싱용 압전필름(12,12')을 Z축방향으로 X-Z평면에 평행하게 배치하여 구성하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전각센서.
2. 제1항에 있어서, 압전센서의 구동력 및 감도증가를 위해 각 압전필름마다 두 장의 압전필름을 +분극이 마주하도록 겹쳐서 배치하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전각센서.