KR100243078B1 - 압전진동형 회전각센서시스템 및 압전진동형 회전각센서의 출력계측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전진동형 회전각센서시스템 및 압전진동형 회전각센서의 출력계측방법에 관한 것으로서, 한 쌍의 압전소자의 출력측에 각각 설치되어 있는 한 쌍의 임피던스변환용 소자와; 상기 각 임피던스변환용 소자의 출력측에 마련되는 발진주파수소거부와; 상기 발진주파수소거부로 부터의 출력을 차동증폭시키는 차동증폭부와; 상기 차동증폭된 출력을 소정 비율로 증폭시키는 비례증폭부와; 상기 비례증폭부로 부터의 출력신호값에 기초하여 회전량을 판단하는 판단부를 포함한다. 이에 의해 압전진동형 회전각센서에 인가되는 외부 진동에 비례하는 출력을 매우 정확하고 신뢰성 있게 측정할 수 있게 된다.

Description

압전진동형 회전각센서시스템 및 압전진동형 회전각센서의 출력계측방법

본 발명은 압전진동형 회전각센서시스템 및 압전진동형 회전각센서의 출력계측방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 캠코더 등의 내부에 설치되는 압전진동형 회전각센서에 인가되는 예를 들어, 사용자의 손떨림 등에 의한 진동량을 측정하는 압전진동형 회전각센서시스템의 구성을 개선하고, 이를 통해 보다 정확하고 신뢰성 있는 진동량을 얻도록 한 압전진동형 회전각센서의 출력계측방법에 관한 것이다.

종래의 압전진동형 회전각센서(30)는, 도 9 및 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 탄성재료로 제작된 삼각 또는 다각형의 프리즘 모양을 한 진동체(31)의 면 중앙부에 압전소자(32, 33, 34)가 도전성 접착제에 의해 부착되어 있고, PCB 기판등과 같은 베이스부(38)에 강철선(36)을 사용하여 공간상에 진동가능하도록 고정되어 있다. 이때, 압전소자(32, 33, 34)의 외면 전극은 리드선에 의해 베이스부(38)과 접속되어 있고, 베이스부(38)에 접속된 리드선으로부터 필요한 신호가 압전소자(32, 33, 34)로 입출력된다.

압전소자(32, 33, 34)는, 한 쌍의 센싱용 압전소자(33, 34)와 가진용 압진소자(32)로 구성되어 있다. 가진용 압진소자(32)에 입력되는 발진신호에 의해 진동체가 굽힘진동하게 되며, 센싱용 압전소자(33, 34)는 발진주파수에 비례한 출력을 발생시키게 된다. 이 때, 외부의 진동에 따른 회전각속도가 인가되면, 센싱용 압전소자(33, 34)는 이에 비례하는 출력을 추가로 발생시키게 되고, 이러한 출력은 후술할 압전진동형 회전각센서시스템을 통해 감지되게 된다.

도 11은 종래의 압전진동형 회전각센서 및 이 압전진동형 회전각센서로 부터의 출력을 감지하는 감지회로를 갖는 압전진동형 회전각센서시스템의 블록도이다. 이 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 발진회로(43)와 위상보정부(45)가 압전진동형 회전각센서(30)의 한 쌍의 센싱용 압전소자(33, 34)와 가진용 압전소자(32) 사이에 연결되어 있다. 한 쌍의 센싱용 압전소자(33, 34)로 부터의 출력은 차동증폭부(47)로 보내지고, 차동증폭부(47)를 거친 출력은 동기검파부(49)에 의해 동기적으로 검파된다. 검파된 신호는, 직류증폭부(51)에 의해 증폭된 후 판단부(53)에 입력되게 된다.

이러한 구성에 의해, 위상보정부(45)를 거친 발진회로(43)로 부터의 발진신호가 압전진동형 회전각센서(30)의 가진용 압전소자(32)에 인가 되면, 진동체(31)에는 굽힘진동이 발생하게 된다. 이 때, 외부로부터 가해지는 각속도가 없으면 굽힘진동방향과 각속도입력방향에 수직으로 발생하는 코리올리스힘(Coriolis)이 발생하지 않으므로 센싱용 압전소자(33, 34)의 출력전압의 차이는 없게 된다. 그러나, 굽힘진동중 각속도가 주어지면 코리올리스힘이 발생하게 되고, 이 힘에 의해 센싱용 압전소자(33, 34)에는 인장 또는 압축응력이 가해져서 출력전압에 차이가 생기게 된다.

따라서, 이러한 출력의 차이는, 차동증폭부(47) 및 동기검파부(49), 그리고, 직류증폭부(51)를 거쳐 판단부(53)에 입력되게 되며, 판단부(53)은 이러한 출력전압의 차이를 검출함으로써, 외부로부터 인가된 진동량을 측정할 수 있게 된다.

그런데, 이러한 종래의 압전진동형 회전각센서시스템(41)에서는, 외부의 진동에 따른 코리올리스힘에 비례하는 압전진동형 회전각센서(30)의 출력에, 예를 들어 외부의 온도변화 등에 의해, 비교적 쉽게 잔류편차가 포함되게 된다. 그래서, 출력신호의 위상 및 레벨이 다소 변화될 수 있으며, 이에 따라 측정되는 진동량의 정확도 및 신뢰성이 떨어지게 된다는 문제가 있다. 또한, 압전진동형 회전각센서(30)의 출력에는 진동에 따른 외란토오크가 부가되게 되어, 진동량을 정확하게 측정하기가 곤란하다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 문제점을 고려하여, 압전진동형 회전각센서에 인가되는 외부 진동에 비례하는 출력을 감지하여, 매우 정확하고 신뢰성 있는 진동량을 측정할 수 있도록 한 압전진동형 회전각센서시스템 및 압전진동형 회전각센서의 출력감지방법을 제공하는 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 압전진동형 회전각센서의 구성도로서, 도 1은 정면도이고, 도 2는 측면도이며,

도 3은 본 발명에 다른 압전진동형 회전각센서시스템의 구성블록도,

도 4는 도 3의 회로도,

도 5는 본 발명에 따른 임피던스변환된 출력의 파형을 나타낸 다이어그램,

도 6은 본 발명에 따른 발진주파수제거된 출력의 파형을 나타낸 다이어그램,

도 7 및 도 8은 각각 최종 출력된 파형을 나타낸 다이어그램으로서, 도 7은 손떨림발생이 없을 때의 파형이고, 도 8은 손떨림발생이 있을 때의 파형이며;

도 9 및 도 10은 각각 종래의 압전진동형 회전각센서의 정면도 및 측면도,

도 11은 종래의 압전진동형 회전각센서의 출력계측시스템의 블록도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 압전진동형 회전각센서 5 : 진동체

7 : 가진용 지지부재 9 : 압전소자

13 : 발진회로 15 : 판단부

21 : 출력감지회로 23 : 임피던스변환소자

25 : 발진주파수소거부 27 : 차동증폭부

29 : 비례증폭부

상기 목적은, 본 발명에 따라, 발진신호에 의해 굽힘진동하는 진동체 및 상기 진동체의 외면에 부착되어 인가되는 회전각에 비례하는 출력을 발생시키는 한 쌍의 압전소자를 갖는 압전진동형 회전각센서를 구비한 압전진동형 회전각센서시스템에 있어서, 상기 한 쌍의 압전소자의 출력측에 각기 연결되는 한 쌍의 임피던스변환용 소자와; 상기 각 임피던스변환용 소자의 출력측에 마련되는 발진주파수소거부와; 상기 발진주파수소거부로 부터의 출력을 차동증폭시키는 차동증폭부와; 상기 차동증폭된 출력을 소정 비율로 증폭시키는 비례증폭부와; 상기 비례증폭부로 부터의 출력신호에 기초하여 상기 회전각을 판단하는 판단부을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전진동형 회전각센서시스템에 의하여 달성된다.

여기서, 상기 임피던스변환용 소자는 상기 각 압전소자로 부터의 출력에 대한 임피던스를 낮춰 적당한 출력을 제공하도록 구성하는 것이 바람직하고, 이 때, 상기 발진주파수소거부는, 상기 임피던스변환용 소자로 부터의 출력에 포함된 발진주파수를 제거하도록 구성할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 목적은, 발진신호에 의해 굽힘진동하는 진동체 및 상기 진동체의 외면에 부착되어 인가되는 회전각에 비례하는 출력을 발생시키는 한 쌍의 압전소자를 갖는 압전진동형 회전각센서와, 상기 압전소자로 부터의 출력을 감지하는 출력감지회로를 구비한 압전진동형 회전각센서의 출력계측방법에 있어서, 상기 한 쌍의 압전소자로 부터의 각 출력에 따른 임피던스를 각기 낮추는 단계와; 상기 임피던스가 낮아진 각 출력의 발진주파수를 소거하는 단계와; 상기 발진주파수가 소거된 각 출력을 차동증폭시키는 단계와; 상기 차동증폭된 출력을 소정 비율로 증폭시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전진동형 회전각센서의 출력계측방법에 의하여 달성된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 압전진동형 회전각센서의 구성도로서, 도 1은 정면도이고, 도 2는 측면도이다. 본 압전진동형 회전각센서(1)는, 판상의 베이스부(3)와, 베이스부상에 대향배치되어 있는 한 쌍의 가진용 지지부재(7)와, 이들 한 쌍의 지지부재상에 양측 단부가 각각 고정되어 있는 기둥형상의 진동체(5), 그리고, 진동체(5)의 외면에 부착된 압전소자(9)로 구성되어 있다. 한 쌍의 지지부재(7)는, 상호 동형상을 가지는 압전세라믹으로 구성되어 있다. 이들은 베이스부(3)와 도전성 접착제를 사용하여 접속되어 있고, 따라서, 베이스부(3)를 통해 발진신호가 인가되면, 각 지지부재(7)는 상하 방향으로 진동하게 된다.

진동체(5)는, 사각단면형상을 가지며, 일반적으로 엘린바(Elinvar: elastic invariable metal), 석영(Quartz), 유리(Grass), 크리스탈(Crystal), 세라믹(Ceramic) 들을 사용하여 제작되며, 본 발명에서는, 진동효율이 우수한 엘린바로 구성되어 있다. 그리고, 진동체(5)의 외면에는, 그 굽힘진동방향에 가로방향의 대향 외면에 각기 압전소자(9)가 부착되어 있다. 이들 압전소자(9)의 외면 전극은 도시않은 리드선을 통해 후술할 출력감지회로와 납땜에 의해 접속되게 된다.

압전소자(9)는 결정에 압력을 가할때 전기분극에 의해서 전압이 발생하는 피에조 효과(piezo effect)를 이용한 소자로, 재질은 주로 BaTiO₃세라믹스에서 Ba 이온을 Pb 또는 Ca 이온으로 치환하여 안정화시킨 PZT 세라믹스를 사용하여 제작된다. 이들 압전소자(9)는 도전성 접착제를 사용하여 진동체(5)에 부착되고, 균일한 굽힘진동과 진동크기를 위해 동일 크기를 가지며, 진동체(5)에서 서로 대칭인 위치에 부착된다.

이러한 구성의 압전진동형 회전각센서(1)는, 진동체(5)가 상하방향 즉, Z축방향으로 굽힘진동을 하고, Y축방향으로 회전각속도 ω가 인가되면, 진동방향 Z축과 회전각속도방향 Y축의 수직한 X축방향으로 다음의 수학식 1과 같이 표현되는 코리올리스힘이 발생하게 된다.

여기서,

은 질량,

은 Z축으로의 굽힘진동속도,

는 각속도를 나타낸다. 따라서 이러한 코리올리스힘에 의해 압전소자에 변형이 생기고, 이 변형에 의해 압전소자(9)로부터 출력되는 전압이 변화되면, 후술할 압전진동형 회전각센서시스템은 이 전압을 감지하여 판단부을 통해 외부로부터 인가되는 회전각속도에 비례하는 진동량을 측정하게 되는 것이다.

도 3은 본 발명에 다른 압전진동형 회전각센서시스템의 구성블록도이고, 도 4는 도 3의 회로도이다. 이들 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 압전진동형 회전각센서시스템(11)은, 압전진동형 회전각센서(1)와, 이 압전진동형 회전각센서(1)의 가진용 지지부재(3)에 연결되는 발진회로(13), 그리고, 압전진동형 회전각센서(1)의 센싱용 압전소자(9)의 출력측과 연결되는 출력감지회로(21)로 크게 구성되어 있다. 출력감지회로(21)에는, 압전진동형 회전각센서(1)의 양측 센싱용 압전소자(9)에 각각 연결되는 한 쌍의 임피던스변환소자(23)와, 역시 한 쌍의 발진주파수소거부(25), 그리고, 차동증폭부(27) 및 비례증폭부(29)가 마련되어, 순차적으로 연결되어 있다.

이하에서는 압전진동형 회전각센서시스템(11)의 구성을 보다 구체적으로 설명하면서, 동시에 압전진동형 회전각센서(1)로 부터의 출력감지방법을 설명하기로 한다.

발진회로(13)는, 연산증폭기(Op1)와, 한 쌍의 콘덴서(C1, C2), 그리고, 네 개의 저항(R1, R2, R3, R4)으로 구성되어 있다. 한 쌍의 콘덴서(C1, C2) 및 저항(R1, R2)에 의해 발진주파수가 결정되게 되며, 다른 한 쌍의 저항(R3, R4)은 피드백을 시켜주는 역할을 한다. 이에 따라 발진회로(13)에 연결된 가진용 지지부재(3)는 이 발진주파수에 비례하게 Z축방향으로 진동하게 된다. 이 때, 도 1 및 도 2와 관련하여 설명한 바와 같이, 외부의 진동에 따른 회전각이 이 압전진동형 회전각센서(1)에 인가되게 되면, 양측 센싱용 압전소자(9)에서는 상호 소정의 전압차를 가지는 출력이 발생하게 된다.

한편, 압전진동형 회전각센서(1)의 센싱용 압전소자(9)의 리드선은, 각각 출력감지회로(21)의 임피던스변환용 소자(23)의 게이트에 연결되게 된다. 이 임피던스변환용 소자(23)에서는, 게이트에 입력되는 전압에 따라 드레인과 소오스 간에 흐르는 전류가 변화되게 되며, 이에 따라 각 센싱용 압전소자(9)로 부터의 출력에 따른 임피던스가 낮아지게 된다. 도 5는 이러한 임피던스변환된 출력의 파형을 도시한 다이어그램으로서, 이렇듯 임피던스변환된 출력은 발진주파수소거부(25)에 제공되게 된다.

발진주파수소거부(Lowpass filter, 25)는, 임피던스변환용 소자(23)를 통해 변환된 값을 소오스를 통해 제공받게 되며, 이 때, 저항(R10, R11)과 콘덴서(C6, C7)의 역할에 의해 변환된 출력으로부터 발진주파수가 소거되게 된다. 도 6은 발진주파수가 제거된 발진주파수소거부(25)로 부터의 출력파형을 도시한 다이어그램이며, 이 다이어그램에 표시된 출력에는, 외부로부터 인가된 진동량에 해당하는 주파수값만이 존재하게 된다.

그리고, 발진주파수소거부(25)로 부터의 출력은, 차동증폭부(27)에 마련된 연산증폭기(Op2)의 반전단자와 비반전단자에 입력되게 된다. 이 연산증폭기(Op2)에서는, 양측 단자에 각각 입력되는 전압에 차이가 있으면 차동증폭을 하게 되며, 이 때, 그 차동증폭도는 저항(R12, R13)에 비례하는 값만큼 이루어지게 된다. 한편, 이렇듯 차동증폭된 출력은 그 크기가 비교적 크지 아니하기 때문에, 비례증폭부(29)에 마련된 연산증폭기(Op3)에 의해 다시 적당한 크기로 증폭되게 된다.

상기 설명한 바와 같이, 압전진동형 회전각센서(1)로 부터의 출력은 출력감지회로(21)에 순차적으로 마련된 임피던스변환용 소자(23)와, 발진주파수소거부(25), 차동증폭부(27), 그리고, 비례증폭부(29)를 거쳐 원하는 신호값으로 판단부(15)에 제공되게 된다. 도 7 및 도 8은 각각 판단부에 입력되는 최종 출력된 파형을 나타낸 다이어그램으로서, 도 7은 손떨림발생이 없을때의 파형이고, 도 8은 손떨림발생이 있을 때의 파형이다. 손떨림이 없을 때에는, 센싱용 압전소자(9)로부터의 출력에 단지 발진회로(13)로 부터의 발진주파수만이 포함되며, 이들 발진주파수는 발진주파수소거부(25)에서 제거되기 때문에, 그 출력에는, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 단지 저항 R7, R8에 의해서 분배된 기준전압만이 포함되게 된다.

한편, 손떨림이 있을 때에는, 그 인가되는 각속도에 비례하는 코리올리스힘에 의해 각 센싱용 압전소자(9)의 변형이 발생하고, 이에 따라 각 센싱용 압전소자(29)는 상호 다소 전압차가 있는 출력을 발생시키게 된다. 그래서, 출력감지회로(21)를 상기한 바와 같이 거쳐서, 최종적으로 도 8과 같은 파형을 가지는 출력으로써 제공되게 된다. 그러면, 판단부(15)은 이러한 최종적인 출력에 비례하는 회전각을 판단하여 기기에 적용시키게 된다.

즉, 도 7과 같은 기준전압이 인가되게 되면, 판단부(15)는 손떨림에 의한 진동이 발생하지 아니한 것으로 판단하고, 기준전압을 초과하는 전압이 인가되게 되면, 예를 들어오른쪽에서 떨림이 발생한 것으로 판단하여 화면을 오른쪽으로 돌리고, 반대의 경우에는, 화면을 왼쪽으로 돌리게 된다. 이에 따라 본 압전진동형 회전각센서시스템(11)이 설치된 캠코더 등의 기기에는, 최종적으로 흔들림이 없는 상태의 이미지가 구현될 수 있게 되는 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 회전각센서시스템 및 압전진동형 회전각센서의 출력계측방법을 따르면, 압전진동형 회전각센서에 인가되는 외부 진동에 비례하는 출력을 감지하여, 매우 정확하고 신뢰성 있는 진동량을 측정할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 발진신호에 의해 굽힘진동하는 진동체 및 상기 진동체의 외면에 부착되어 인가되는 회전각에 비례하는 출력을 발생시키는 한 쌍의 압전소자를 갖는 압전진동형 회전각센서를 구비한 압전진동형 회전각센서시스템에 있어서,

   상기 한 쌍의 압전소자의 출력측에 각기 연결되는 한 쌍의 임피던스변환용 소자와;

   상기 각 임피던스변환용 소자의 출력측에 마련되는 발진주파수소거부와;

   상기 발진주파수소거부로 부터의 출력을 차동증폭시키는 차동증폭부와;

   상기 차동증폭된 출력을 소정 비율로 증폭시키는 비례증폭부와;

   상기 증폭부로 부터의 출력신호값에 기초하여 회전각을 판단하는 판단부을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전진동형 회전각센서시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 임피던스변환용 소자는 상기 각 압전소자로 부터의 출력에 대한 임피던스를 낮추는 것을 특징으로 하는 압전진동형 회전각센서시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 발진주파수소거부는, 상기 임피던스변환용 소자로 부터의 출력에 포함된 발진주파수를 제거하는 것을 특징으로 하는 압전진동형 회전각센서시스템.
4. 발진신호에 의해 굽힘진동하는 진동체 및 상기 진동체의 외면에 부착되어 인가되는 회전각에 비례하는 출력을 발생시키는 한 쌍의 압전소자를 갖는 압전진동형 회전각센서와, 상기 압전소자로 부터의 출력을 감지하는 출력감지회로를 구비한 압전진동형 회전각센서시스템의 출력감지방법에 있어서,

   상기 한 쌍의 압전소자로 부터의 각 출력에 따른 임피던스를 각기 낮추는 단계와;

   상기 임피던스가 낮아진 각 출력의 발진주파수를 소거하는 단계와;

   상기 발진주파수가 소거된 각 출력을 차동증폭시키는 단계와;

   상기 차동증폭된 출력을 소정 비율로 증폭시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전진동형 회전각센서의 출력계측방법.

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