KR970002217B1 - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 종래의 각속도 센서의 사시구조도1 is a perspective structure diagram of a conventional angular velocity sensor
제2도는 본 발명 센서의 사시구조도2 is a perspective structure diagram of the sensor of the present invention
제3도는 제2도의 A-A선 단면구조도3 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
제4도는 본 발명 센서의 신호출력 회로도4 is a signal output circuit diagram of the sensor of the present invention.
제5a-c도는 본 발명 센서에 의한 각속도 검출전압파형도5a-c are angular velocity detection voltage waveforms by the sensor of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 발신전극 12 : 제1수신전극11: outgoing electrode 12: first receiving electrode
13 : 제2수신전극 14 : 공통전극13: second receiving electrode 14: common electrode
15 : 압전체 16 : 발신기15: piezoelectric 16: transmitter
17 : 차동증폭기 18 : 동기검파기17: differential amplifier 18: synchronous detector
19 : 직류증폭기19: DC amplifier
본 발명은 캠코더, 자동화기기, 자동차등과 같이 진동이나 회전을 수반하는 장치에서의 각속도 변위를 전압 성분으로 정밀하게 검출할 수 있는 압전체를 이용한 각속도 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor using a piezoelectric element capable of accurately detecting angular velocity displacement as a voltage component in a device involving vibration or rotation, such as a camcorder, an automation device, or an automobile.
압전체는 기계적 에너지와 전기적 에너지를 상호 변환하는 특성을 가지는 물체의 통칭으로서, 압전체의 압전 상수를 d라하고 가해진 힘을 F라하고 그의 정전용량을 C라고 했을때, 압전체에 가해지는 힘 F에 의한 전하발생량 Q(t)×d가 되고, V=QC에 의해 이때의 전압가 된다.A piezoelectric body is a general name of an object having a characteristic of converting mechanical energy and electrical energy. When the piezoelectric constant of the piezoelectric body is d, the applied force is F and the capacitance thereof is C, The charge generation amount Q (t) x d, and the voltage at this time by V = QC Becomes
여기에서 힘 F는 코리올리힘(Fc)을 말하는데, 이는 원점을 축으로 회전하는 질량 m을 접선의 방향에 수직한 방향으로 속도 v로 이동시켰을 때 질량 m에 작용하는 힘으로써 Fc=3muω가 된다.Here, the force F refers to the Coriolis force (Fc), which is the force acting on the mass m when the mass m, which rotates its origin about its axis, at a speed v in a direction perpendicular to the direction of the tangent, becomes Fc = 3 muω.
또한 압전체는 압전체의 분극방향과 동일한 방향으로 전계를 가하면 압전체는 분극방향과 수직한 방향으로 공진하게 되는데 이를 횡진동 모드라고 한다.In addition, when the piezoelectric body applies an electric field in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric body, the piezoelectric body resonates in a direction perpendicular to the polarization direction, which is called a lateral vibration mode.
이러한 압체의 기계적-전기직 특성 및 그의 횡진동모드를 이용하면 회전체 또는 진동체의 회전 각속도를 검출해낼 수 있게 된다.By using the mechanical-electrical characteristics of the compact and its lateral vibration mode, it is possible to detect the rotational angular velocity of the rotating body or the vibrating body.
제1도는 종래의 회전각속도 센서의 구조도로서, 정삼각 봉 형태의 압전체(6)의 길이방향 면을 따라 각각 전극(7∼9)을 형성하고 있다. 상기 3개의 전극 중 하나에는 발신신호가 인가되게 하고 다른 2개의 전극에는 회전각속도 변위에 따른 기계적 신호가 인출되게 한다.FIG. 1 is a structural diagram of a conventional rotational angular velocity sensor, and the electrodes 7 to 9 are formed along the longitudinal surface of the piezoelectric body 6 in the form of an equilateral triangle rod. One of the three electrodes allows the outgoing signal to be applied, and the other two electrodes allow the mechanical signal according to the rotational angular velocity displacement to be drawn out.
가령 제1도에서 전극(9)을 발신전극이라 하고 전극(7,8)을 각각 제1, 2 수신전극이라 할때, 정삼각용 형태의 압전체(6)의 축방향을 중심으로 회전력이 가해지게 되면, 그의 회전 방향에 대해 직교하는 방향으로 작용하는 속도 v의 힘에 의해 제1,2수신전극(7,8)에 전기적 신호가 나타나게 된다. 이러한 제1,2수신전극(7,8)의 신호를 차동증폭하게 되면 회전각속도에 대한 전기적 신호를 전압성분으로 발생시킬 수 있게 된다.For example, in FIG. 1, when the electrode 9 is referred to as the outgoing electrode and the electrodes 7 and 8 are referred to as the first and second receiving electrodes, respectively, rotational force is applied about the axial direction of the piezoelectric body 6 of the equilateral triangle type. In this case, an electrical signal appears on the first and second receiving electrodes 7 and 8 by the force of the speed v acting in a direction orthogonal to the rotational direction thereof. When the signals of the first and second receiving electrodes 7 and 8 are differentially amplified, an electrical signal with respect to the rotational angular velocity can be generated as a voltage component.
그러나 상기한 바와같은 기존의 각속도 센서는 압전체를 정확한 정 삼각봉 형태로 가공해야 한다는 기술적 어려움이 따르게 되고 또한 나름대로의 높이를 가지게 되므로 센서의 사이즈 증가를 가져오게 된다.However, the conventional angular velocity sensor as described above is accompanied by a technical difficulty of processing the piezoelectric body in the form of an exact positive triangular bar and also has its own height, thereby bringing about an increase in the size of the sensor.
본 발명의 목적은 설계된 축방향 이외의 다른 방향에 대한 회전각속도 감지를 최소화하게 되며 기존의 센서에 비해 상대적으로 낮은 높이를 갖는 초정밀 소형 회전각속도 센서를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to minimize rotational angular velocity detection in a direction other than the designed axial direction, and to provide an ultra-precision small rotational angular velocity sensor having a relatively low height compared to a conventional sensor.
본 발명의 특징은 판형태의 압전체 표면 및 이면에 서로 대칭하는 발신전극과 제1,2수신전극을 평면상에 배치하고, 상기 압전체에는 전체적으로 동일방향으로 분극처리하여, 박판압전체의 길이방향 중심축을 중심으로 하는 회전각속도에 대한 압전변위만을 정확하게 검출되게 한다는 것으로 특징지울 수 있다.The present invention is characterized by disposing the outgoing electrode and the first and second receiving electrodes which are symmetrical with each other on the plate-shaped piezoelectric surface and the back surface on the plane, and the piezoelectric body is polarized in the same direction as a whole, so that the longitudinal center axis of the thin plate piezoelectric body is formed. It can be characterized by making it possible to accurately detect only the piezoelectric displacement with respect to the rotational angular velocity centered.
이러한 본 발명의 일실시예를 첨부도면에 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, an embodiment of the present invention will be described.
제2도 및 제3도는 본 발명을 달성하는 각속도 센서의 예시적인 사시구조도 및 수직단면도로서, 두께 tp를 가지는 직사각형 판형태의 압전체 (10) 표면에 그의 길이방향을 따라 길게 연장된 폭 Y1=(Y2), 길이 X2의 동일사이즈의 제1,2 수신전극(12,13)을 형성하고, 상기 제1,2 수신전극(12,13)의 한쪽 단부에는 압전체(10)의 폭방향으로 연장되는 폭 X1의 발신전극(11)을 형성한다.2 and 3 are exemplary perspective structural and vertical cross-sectional views of an angular velocity sensor in accordance with an embodiment of the present invention, wherein the width Y 1 extends along its longitudinal direction on the surface of the piezoelectric body 10 in the form of a rectangular plate having a thickness tp. = (Y 2 ), the first and second receiving electrodes 12 and 13 of the same size of length X 2 are formed, and the width of the piezoelectric body 10 is formed at one end of the first and second receiving electrodes 12 and 13. The outgoing electrode 11 having a width X 1 extending in the direction is formed.
이들 제1,2 수신전극(12,13) 및 발신전극(11)은 전기적으로 분리된 상태로 형성된다. 또한 상기 판형태의 압전체(10)의 이면에는 그의 표면상의 전극(11∼13)과 동일하게 접지전극(11'∼13')을 대응시켜 형성하고, 상기 압전체는 그의 길이방향 중심축을 직교하는 방향으로 분극처리한다.These first and second receiving electrodes 12 and 13 and outgoing electrode 11 are formed in an electrically separated state. Further, the back surface of the plate-shaped piezoelectric body 10 is formed to correspond to the ground electrodes 11 'to 13' in the same manner as the electrodes 11 to 13 on the surface thereof, and the piezoelectric body is a direction perpendicular to the longitudinal central axis thereof. To polarize.
제4도는 본 발명 센서를 드라이브시키고 여기에서 얻어지는 회전각속도 변위성분을 전압성분으로 나타내기 위한 회로구성도로서, 발신전극(11)과 발신접지전극(11')에 의해 형성되는 발신자(11a)의 발신전극(11)에는 발신기(16)의 발신출력이 인가되게 연결하고, 제1,2 수신전극(12,13)과 제1,2 수신접지전극(12',13')에 의해 각각 형성되는 제1,2 수신자(12a, 13a)의 제1,2 수신전극(12,13)에 나타나는 각각의 전압신호( VL, VR는 차동증폭기 (17)에서 차동증폭되어 출력되게 연결하고, 상기 차동증폭기 (17)의 출력전압신호(Vt)는 동기검파기(18)와 직류증폭기 (19)를 거쳐 최종 각속도 검출출력 전안(V0)으로 나타나게 연결구성한다.4 is a circuit configuration diagram for driving the sensor of the present invention and expressing the rotational angular velocity displacement component as a voltage component. The transmitter 11a is formed by the transmitting electrode 11 and the transmitting ground electrode 11 '. The outgoing electrode 11 is connected so that the outgoing output of the transmitter 16 is applied, and is formed by the first and second receiving electrodes 12 and 13 and the first and second receiving ground electrodes 12 'and 13', respectively. The respective voltage signals V L and V R appearing on the first and second receiver electrodes 12 and 13 of the first and second receivers 12a and 13a are differentially amplified and output from the differential amplifier 17, and The output voltage signal Vt of the differential amplifier 17 is connected to the final angular velocity detection output front V 0 via the synchronous detector 18 and the DC amplifier 19.
이와같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation and effects of the present invention configured as described above are as follows.
먼저 발신자(11a)는 발신기(16)로부터 제공되는 발진신호를 받아 박판의 표면 및 이면에 형성된 발신전극(11) 및 발신접지전극(11')의 폭 y1에 비례하는 공진주파수로 진동을 하게 된다. 이러한 진동은 제1,2 수신자(12a, 13a)를 회전방향의 접선방향에 대해 수직으로 진동시키게 된다.First, the sender 11a receives the oscillation signal provided from the transmitter 16 and vibrates at a resonance frequency proportional to the width y1 of the outgoing electrode 11 and the outgoing ground electrode 11 'formed on the front and back surfaces of the thin plate. . This vibration causes the first and second receivers 12a and 13a to vibrate perpendicularly to the tangential direction of the rotational direction.
이때의 진동속도 u는 압전체의 횡진동 주파수 정수를 N31이라고 하면 v=K d31×Sin(2πf31.t)가 된다.The vibration velocity u at this time is v = K d 31 × Sin (2πf 31 .t) when the lateral vibration frequency constant of the piezoelectric body is N 31 .
여기에서이고 K는 상수이다.From here And K is a constant.
한편 수신자에 가해지는 코리올리힘(Fc)을 살펴보면 제1 수신자 질량 m1=P·tp(y1×x2=m2(제2수신자 질량)이므로 Fc=2muω==K'×Sin(2πf31.t)×ω가 된다.On the other hand, the Coriolishim (F c ) applied to the receiver shows that the first receiver mass m 1 = P · t p (y 1 × x 2 = m 2 (second receiver mass), so that F c = 2muω == K '× Sin (2πf 31 .t) x?
여기에서 K'는 상수이다.Where K 'is a constant.
따라서 제1,2 수신자(12a,13a)의 제 1,2 수신전극 (12,13)에서 나타나는 전압 V은가 된다.Therefore, the voltage V at the first and second receiver electrodes 12 and 13 of the first and second receivers 12a and 13a is Becomes
여기에서 K'는 상수이다.Where K 'is a constant.
이로부터 알 수 있는 바와같이 각 수신자에서 얻어지는 출력전압(VL, VR)은 각속도 ω에 비례하는 f31의 정현파 형태로 나타나게 된다.As can be seen from this, the output voltages V L and V R obtained at each receiver are represented by a sinusoidal wave form of f 31 proportional to the angular velocity ω.
제5도(a)는 각속도 센서의 정지시의 신호출력 파형도로서, 무회전시에는 코리올리힘과 각속도ω가 0이므로 제1,2수신자(12a,13a)에는 발신자(11)의 진동력에 대한 수신파 만이 압전체(10)의 분극방향에 수직한 방향으로 전달되므로, 제1,2 수신자(12a,13a)에서는 제5도(b)와 같이 동일위상의 정현파 성분인 전압 VL,VR이 나타나게 되고, 이러한 센싱전압 VL, VR파형은 차동증폭기 (17)에서 상쇄되므로 차동증폭기(17)의 출력전압 Vt은 제5도(c)와 같이 0으로 나타나게 된다.FIG. 5 (a) is a waveform diagram of the signal output when the angular velocity sensor is stopped. Since the Coriolis force and the angular velocity ω are zero when no rotation is performed, the first and second receivers 12a and 13a are provided with respect to the vibration force of the sender 11. the received wave only be passed in a direction perpendicular to the polarization direction of the piezoelectric body 10, the first and second receivers (12a, 13a) in FIG. 5 (b) equal to the sine wave component of the voltage V L, V R of a phase, such as the Since the waveforms of the sensing voltages V L and V R are canceled by the differential amplifier 17, the output voltage V t of the differential amplifier 17 is represented by 0 as shown in FIG. 5 (c).
한편 회전시에는 각속도 ω≠0, Fc≠0이므로, 코리올리힘(Fc)이 작용하는 방향과 같은 방향으로 분극된 해당수신자에서는 기준전압 파형보다 큰 전압파형이, 그리고 반대의 수신자에서는 기준전압 파형보다 작은 전압파형이 발생되게 된다.At the time of rotation, the angular velocity ω ≠ 0 and F c ≠ 0, so that the corresponding waveform polarized in the same direction as the direction of the Coriolis force (F c ) acts, the voltage waveform larger than the reference voltage waveform, and the reference voltage at the opposite receiver. The voltage waveform smaller than the waveform is generated.
가령 각속도센서가 좌회전하게 되면 제1 수신자(12a)에서는 출력되는 VL전압파형은 그 크기가 증가하고 제2 수신자(13a)에서 출력되는 VR전압파형은 그 크기가 감소하게 된다.For example, when the angular velocity sensor is turned to the left, the V L voltage waveform output from the first receiver 12a increases in magnitude and the V R voltage waveform output from the second receiver 13a decreases in magnitude.
따라서 이들을 차동(VL-VR) 증폭하는 차동증폭기 (17)의 Vt출력전압 파형은 제5도(b)와 같이 +, - 파형으로 나타나게 된다.Therefore, the V t output voltage waveforms of the differential amplifier 17 which differentially amplify them (V L -V R ) are represented by + and-waveforms as shown in FIG.
반대로 각속도 센서가 우회전하게 되면 제1 수신자(12a)에서 출력되는 VL전압파형은 그 크기가 감소하게 되고 제2 수신자(13a)에서 출력되는 VR전압파형은 그 크기가 증가하게 된다.On the contrary, when the angular velocity sensor is turned to the right, the magnitude of the V L voltage waveform output from the first receiver 12a is decreased and the magnitude of the V R voltage waveform output from the second receiver 13a is increased.
따라서 이들 전압파형 성분을 차동증폭하는 차동증폭기(17)의 Vt 출력전압 파형은 제5도(c)와 같이 -, + 파형으로 나타나게 된다.Therefore, the Vt output voltage waveform of the differential amplifier 17 which differentially amplifies these voltage waveform components is represented by-and + waveforms as shown in FIG.
이들 과정을 수식으로 정리하면 아래와 같다.These processes can be summarized as follows.
VL=KL''' ×Sin(2πf31.t)×ωV L = K L '''× Sin (2πf 31 .t) × ω
VR=KR''' ×Sin(2πf31.t)×ωV R = K R '''× Sin (2πf 31 .t) × ω
Vt=K''' ×Sin(2πf31.t)×ωVt = K '''× Sin (2πf 31 .t) × ω
이러한 차동증폭기 (17)의 Vt 출력전압파형은 동기검파기(18)에서 f31인 정현파 신호가 동기제거되므로, 직류증폭기(19)에서 증폭되어 출력되는 출력전압(V0)=K''' ×ω로 나타나게 된다.The Vt output voltage waveform of the differential amplifier 17 is synchronously canceled by the sinusoidal signal of f 31 in the synchronous detector 18, so that the output voltage (V 0 ) = K '''amplified by the DC amplifier 19 is output. It is represented by ω.
따라서 본 발명 각속도 센서로부터 각속도에 비례하는 아날로그 성분의 출력전압 V0을 얻을 수 있게 된다.Therefore, the output voltage V 0 of the analog component proportional to the angular velocity can be obtained from the angular velocity sensor of the present invention.
이상에서 설명한 바와같은 본 발명은 판상의 압전체 상에 대칭하는 한쌍의 진동자(수신자)와 이 진동자의 일측에 진동자의 대칭축에 직교하는 발신자를 형성하는 것으로, 코리올리효과에 의한 회전 각속도를 전압성분으로 검출할 수 있게 되므로, 간단한 구조로부터 정확한 회전각속도를 얻을 수 있게 된다.As described above, the present invention forms a pair of symmetrical vibrators (receivers) on a plate-like piezoelectric body and a transmitter orthogonal to the symmetry axis of the vibrator on one side of the vibrator, and detects the rotational angular velocity due to the Coriolis effect as a voltage component. As a result, accurate rotational angular velocity can be obtained from a simple structure.
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