KR100261357B1 - 각속도 검출 장치 - Google Patents

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KR100261357B1
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노부요시 수기타니
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와다 아끼히로
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Abstract

본 발명의 진동형 각속도 검출장치에 있어서, 검출감도의 환경온도 변화에 따른 불균일을 억제하는 것으로서, 진동자와, 이 진동자를 여진하는 여진수단과, 이 여진수단에 의해 여진된 진동자가 회전함에 따라 발생하는 코리올리의 험(Coriolis force)에 의해 진동의 진폭을 검출하는 검출수단과, 이 검출수단에 의해 검출된 진폭의 크기에서 회전의 각속도를 연산하는 각속도 연산수단을 구비한 각속도 검출장치에 있어서, 진동자는 XYZ 삼차원 좌표공간에서, XY 평면상의 X 방향으로 연장되는 진동자 베이스부와, 이 진동자 베이스부의 중앙부를 통과하는 Y 방향의 축에 대하여 거의 대칭인 위치에서 진동자 배이스부로부터 +Y의 방향으로 돌출하는 2개의 제1 진동편과, X 방향의 위치가 각각 2개의 제1 진동자와 같이 진동자 베이스부로에서 -Y 방향으로 돌출하는 2개의 제2 진동편과, 원하는 비틀림 강성을 갖는 진동자 베이스부의 중앙부에서 들출하여 그 앞단부가 피검출체에 고정되는 단일의 지지막대를 갖는다.

Description

각속도 검출장치
본 발명은 자동차의 항법 시스템이나 자세 제어 등에 사용되는 각속도 검출장치에 관한 것으로, 특히, 진동형의 각속도 검출장치에 관한 것이다.
종전에는 진동체에 회전을 가하면 코리올리 힘에 의해 회전 각속도에 따른 새로운 진동이 발생되는 것을 이용한 진동형 각속도 검출장치가 공지되어 있다.
이러한 각속도 검출장치의 일례로서, 예를 들면, 특개평 7-55479호 공보에 기재된 회전속도 센서가 있다. 이 회전속도 센서에서 사용되고 있는 진동자는 XY 평면에 있어서, 직사각형 프레임의 한변에서 +Y 방향으로 2개의 여진지가 들출되어 있고, 그 프레임이 대향하는 부근에서 -Y 방향으로 2개의 픽업기가 돌출된 구조를 가지고 있다. 이 구조에 있어서, 여진지가 X 방향으로 여진되면, 진동자의 회전에 따라 발생한 코리올리의 힘에 의해 여진지가 Z 방향으로도 진동하고, 이 Z 방향(XY 평면에 수직인 방향)의 진동은 픽업지로 전달된다. 픽업지측에서는 이 전달된 Z 방향의 진동을 검출하여, 검출결과로부터 진동자의 회전각속도를 이끌어낸다.
이 종래의 기술에서의 진동자는 프레임의 내측에 부착베이스부를 구비하여, 여진기 및 픽업지가 장착되어 있는 프레임의 각변과 부착베이스부 사이에 크로스 브릿지가 걸쳐짐으로써 프레임과 부착베이스부가 연결되어 있다. 이 진동자는 부착베이스부가 피검출체에 고정되어 있는 고정자에 설치됨으로써, 피검출체에 고정 된다. 진동편의 일부가 고정되면 진동편의 진동이 감소된다. 이것은 고정자로 진동이 전파되기 때문에, 이 진동전파를 진동의 누설이라 칭한다. 진동편과 고정자의 고정강도가 높을수록 진동의 누설이 커지지만, 상기 종래 기술의 회전속도 센서는 진동자를 상술된 바와 같은 구조로 함으로써, 고정강도에 유연성을 갖게 하여, 진동편의 Z 방향의 진동 에너지가 프레임을 통해 고정자에 누설되는 것을 억제하고 있다. 진동의 누설에 의한 검출 정밀도의 저하를 억제하는 것이다.
그러나, 이 종래 기술의 진동자에 의하면, 부착베이스부와 프레임이 2개의 크로스 브릿지로, 즉 2곳에 고정되어 있기 때문에, 온도변화에 따라 프레임, 크로스 브릿지 및 부착베이스부의 각각에 인장응력이나 압축응력이 가해진다. 이 응력에 의해, 프래임과 부착베이스부 사이의 고정 강도가 변동되기 때문에, 진동의 누설량도 변동되며, 결과적으로 각속도 검출의 감도가 환경온도 변화에 따라 불균일 하게 되는 문제가 있었다.
본 발명의 각속도 검출장치는 이러한 문제를 해결차기 위한 것으로, 그 진동자는 XYZ 삼차원 직교 좌표 공간에서, XY 평면상의 X 방향으로 연장되는 진동자 베이스부와, 이 진동자 베이스부의 중앙부를 통과하는 Y 방향 축에 대하여 거의 대칭인 위치에서 진동자 베이스부로부터 +Y 방향에 돌출되는 2개의 제1 진동편과. X 방향의 위치가 각각 2개의 제1 진동자와 같이 진동자 베이스부로부터 -Y의 방향으로 돌출되는 2개의 제2 진동편과, 원하는 비틀림 강성을 갖는 진동자 베이스부의 중앙부에서 돌출되어 그 앞끝부분이 피검출체에 고정되는 하나의 지지막대를 갖는 것이다.
이 진동자에 있어서는 진동자의 피검출체로의 고정강도는 지지막대의 비틀림강성에 의해서 결정된다. 이 진동자에 의하면, 지지막대의 비틀림 강성이 원하는 값으로 조정되어 있기 때문에, 지지막대로부터의 진동누설이 조정되어 있고. 검출감도가 조정되어 있다. 또한, 진동자 베이스부가 펴검출체에 고정된 지지막대와 1곳에서 연결되어 있기 때문에, 환경온도 변화에 따라 진동자의 각 요소가 팽창 또는 수축되어도 지지막대로부터 진동자 베이스부에 가해지는 응력은 발생하지 않는다. 따라서, 지지막대의 비틀림 강성이 변화하지 않기 때문에, 진동자 베이스부를 거쳐서 지지막대에 이르는 진동의 누설이 온도변화의 영향을 받지 않는다.
본 발명의 각속도 검출장치는 진동자의 지지막대를 진동자 베이스부로부터 -Y 방향으로 돌출시키어, 여진수단으로 제1 진동편을 X 방향으로 여진하는 것으로 할 수 있다. 이와 같이 구성하면, 여진에 의해 진동자 베이스부의 제1 진동편측의 양 제1 진동편간에 응력집중부가 되지만, 지지막대는 진동자 베이스부의 제2 진동편측에 마련되어 있기 때문에 응력 집중부와 지지막대가 이격된다. 그 때문에, 제1 진동편의 여진의 진동응력이 지지막대와 양 재1 진동편의 위치 어긋남 등에 의해 지지막대를 X 방향으로 진동하는 현상이 생기지 않는다. 또한, 2개의 제1 진동편간의 진동의 전달을 지지막대가 방해하지 않기 때문에, Q값이 저하되지 않는다. 또한, 지지막대에서 진동누설이 여진에 의한 응력의 영향을 받지 않기 때문에, 검출정밀도가 안정된다.
진동자 베이스부와 제1 및 제2 진동편을 1장의 동일 두께 기판으로 형성하면, 제1 진동편과 제2 진동편 각각의 X 방향의 푹을 조정함으로써, 기판에 수직인 방향 즉, Z 방향의 진동에 관해서는 제1 진동편과 제2 진동편을 달성시키면서, X방향에 대해서는 연결이 성립되지 않도록 할 수 있다. 또한, 기판을 수정 단결정판으로 하면, 자체가 압전재료이기 때문에, 극성이 주기적으로 변화하는 전압을 소정의 방향으로 인가하는 것만으로 여진할 수 있어, 진동에 따라 발생하는 분극의 변화를 검출하는 것만으로 진동을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 각속도 검출장치의 하나의 형태로서, 여진수단의 회로부와 제1 또는 제2 진동편에 설치된 여진용 전극을 접속하는 배선 및 검출수단의 회로부와 상기 제1 또는 제2 진동편에 설치된 검출용 전극을 접속하는 배선을 구비한 금속 기판을 구비하고, 지지막대의 선단은 금속 기판에 용착되어, 이 금속 기판이 피검출체에 고정되어 있는 것이 있다.
금속 기판의 배선은 소성되어 있기 때문에 지지막대를 용착하여도 배선이 손상되지 않는다.
또한, 진동자를 동전위의 전도재로 둘러싸면, 전자 노이즈의 영향을 받지 않는다.
제1도는 본 발명의 일실시예인 각속도 검출장치의 진동자를 도시한 도면.
제2도는 제1도의 진동자가 금속 기판에 탑재되어 패킹된 상태를 도시한 도면.
제3도는 제1 실시예의 각속도 검출장치에서 사용되는 여진회로, 검출회로 및 각속도 연산회로를 도시함과 동시에, 이들의 회로와 진동편에 설치된 전극과의 접속관계를 도시한 블럭도.
제4도는 제1 진동편에 있어서의 역 압전효과를 설명하기 위한 도면.
제5도는 제2 진동편에서의 압전효과를 설명하기위한 도면.
제6도는 진동자의 다른 실시예를 도시한 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 200 : 진동자 11 : 진동자 베이스부
12, 13 : 제1 진동편 14, 15 : 제2 진동편
16, 201 : 지지막대 17 : 고정판
21, 28, 31, 38 : 전극 50 : 여진회로
60 : 검출회로 70 : 각속도 연산회로
100 : 금속 기판
제1(a)도는 본 발명의 각속도 검출장치의 일실시예에서의 진동자(10)를 도시한 평면도이다. 이 도면에 있어서, 좌우방향을 X축으로 해서 오른쪽방향을 양의 방향으로 잡고, 상하방향을 Y 축으로 하여 상향을 양의 방향으로 잡고, 지면에 수직인 방향을 Z 축으로 하여 표면상을 양의 방향으로 잡고 있다. 진동자(10)는 X축방향으로 연장되는 진동자 베이스부(11)와, 진동자 배이스부(11)로부터 +Y 방향으로 연장되는 여진용 제1 진동편(12, 13)과, 진동자 베이스부(11)로부터 각각 제1진동편(12, 13)과 동축상에서 -Y 방향으로 연장되는 검출용 제2 진동편(14, 15)과 제2 진동편(14, 15)사이에 있어서 진동자 베이스부(11)로부터 -Y 방향으로 연장되는 지지막대(16)와, 지지막대(16)의 단부에 설치된 고정판(17)이 수정의 단결정 기판으로 일체로 구성되어 있다.
여기에서 수정의 결정축에 대하여 간단히 설명한다. 천연의 수정은 일반적으로 기둥형상 결정이고, 이 기둥형상 결정의 세로방향의 중심축 즉<1>결정축은 Z 축 또는 광축으로 규정되고, Z 축을 통해 기둥형상 결정의 각 표면에 수직으로 교차하는 선은 Y 축 또는 기계축으로 규정된다. 또한, Z 축을 통해 이 기둥형상 결정의 세로방향의 능선과 직교하는 선은 X축 또는 전기축으로 규정된다.
진동자(10)에 이용되고 있는 단결정 기판은 Z판이라고 하는 기판이고, 2 축에 수직 내지 대략 수직인 면에서 절취된 단결정 기판이다. 따라서, 본 실시예에 있어서는 결정방향의 Z 축과, 도면상의 진동자(10)의 배치방향을 나타내는 상술한 Z 축과는 일치하고 있다. 또한, 수정의 X 축 및 Y 축은 상호 직교하는 것이 3조이고, 그 중의 1조와 도면상의 진동자(10)의 배치방향을 나타내는 X 축 및 Y 축이 일치하고 있다. 또한 이 결정방향과 진동자(10)의 방향관계는 후술되는 다른 실시예도 마찬가지이다. 또한, 진동자(10)에 사용되는 수정은 인공 수정이지만 그 구조는 천연의 수정과 같다.
제1 진동편(12, 13)은 상호 동일 치수이고, 본 실시예에서는 모두 여진용 진동 부재로서 사용된다. 또한, 제2 진동편(14, 15)도 상호 동일 치수이고, 동시에 검출용 진동편으로서 사용된다. 제2 진동편(14, 15)은 제1 진동편(12, 13)에 대하여 가늘고 길기 때문에, 제1 진동편(12, 13)의 X 방향의 고유진동수 fx1과 제2 진동편(14, 15)의 X 방향의 고유진동수 fx2가 서로 다르다. Z 방향의 고유 진동수도 제1 진동편과 제2 진동편은 서로 다르지만, Z 방향의 진동에 관하여는 제1 진동편과 제2 진동편이 연성(連成)하여 진동하기 위한 연성의 고유 진동수 fz가 존재한다. X방향의 진동에 관해서는 제1 진동편과 제2 진동편 사이의 진동 전달율이 매우 낮기 때문에 연성 진동은 거의 없다. 이와 같이, X 방향의 진동에 관해서는 제1 진동편과 제2 진동편이 연성되지 않고, Z 방향의 진동에 관해서는 제1 진동편과 제2 진동편이 연성되는 것은 진동자(10) 전체가 매우 얇은 수정기판으로 일체로 형성되어 있고, 진동자 베이스부(11)의 Y 방향의 폭이 수정기판의 두께에 대하여 충분히 넓은 형상에 기인하고 있다. 본 실시예에서는 제1 진동편(12, 13)의 X 방향의 고유진동수 fx1와 연성의 고유 진동수 fz의 값이 매우 근사치로 되도록 조정되어 있다.
각 진동편에는 각각의 용도에 따른 전극이 마련되어 있다. 즉, 제1 진동편(12, 13)에는 여진용 전극이, 제2 진동편(14, 15)에는 검출용 전극이 각각 마련되어 있다. 전극의 배치에 관해서는 도면의 미세 묘사를 피하기 위해서, 제1(a)도에서는 생략되어 있고, 이것을 대신하여, 제1(b)도 및 제1(c)도를 사용하여 표시하고 있다. 제1(b)도 및 제1(c)도는 각각 제1(a)도에 있어서의 B-B 단면도 및 C-C 단면도이다. 도시하는 바와 같이, 제1 진동편(13)에는 각각 상면, 하면 및 측면의 4개의 면에 전극(21, 24)이 진동자 베이스부(11)의 결합부에서 제1 진동편(13)의 선단부를 향해, 즉 +Y 방향에, 진동편 전체 길이의 2/3, 3/4 정도의 길이로 연장되어 있다. 제1 진동편(12)에도 같은 전극(31 내지 34)(제3도 참조)이 마련되어 있다. 한편, 제2 진동편(15)에는 직사각형 단면의 4개의 각부 즉, 능선부를 각각이 덮어 지도록, 4개의 전극(25 내지 25)이 진동자 베이스부(11)의 결합부에서 제2 진동편(15)의 선단부를 향해, 즉 -Y 방향으로, 진동편 전체 길0이의 2/3, 3/4정도의 길이로 연장되어 있다. 또한, 제2 진동편(14)에도 마찬가지의 전극(35 내지 38)(제3도 참조)이 마련되어 있다.
각 전극은 크롬과 금의 2층 구조로 되어 있고, 진동자(10)의 표면에 이들의 금속을 증착한 후에, 포토리소그래피 기술을 이용하여 적당히 분리함과 동시에 원하는 형상으로 패터닝함으로써 얻어진다. 또한, 각 전극은 고정판(17)에 마련되어있는 본딩패드(81 내지 84)중 어느 하나와 전기적으로 접속되고, 거기에서 또한 후술하는 신호처리 회로에 접속된다. 진동편의 각 전극과 본딩 패드 사이의 배선은 도시하지 않았지만 지지막대(16)의 표면에 막형성 기술에 의해 설치되어 있다.
제2도는 이 진동자(10)가 4층의 금속 기판(100)상에 탑재되고, 또한 금속제의 뚜껑(110)으로 밀폐된 상태를 도시한 도면으로서, (a)는 평면도, (b)는 측면도이다.
금속 기판은 일반적으로 90% SiO2의 그린 시트에 배선이나 본딩 패드 등을 텅스텐이나 몰리브덴 등의 금속으로 인쇄하여 이것을 다층으로 쌓아 올려 프레스한후, 건조시키어 소성함으로써 제작되는 세라믹의 다층 배선기판인 것이다. 각층의 배선간은 비어홀이라 하는 접속구멍에 의해 접속된다. 이 금속 기판은 그린 시트 상태에서의 도려 내기 가공이 용이하기 때문에, 표면에 계단이 있는 기판을 용이하게 제작할 수 있다. 각 층은 프레스 가공으로 소성되어 있기 때문에, 또한, 비어홀은 텅스텐이나 몰리브덴 등의 금속으로 매립되어 있기 때문에, 각 층간의 공기밀폐성은 충분히 유지되고 있다. 또한, 배선에는 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 고융점 금속을 사용하고 있기 때문에, 이들의 배선에 영향을 주지 않는 여러가지 장치 부품을 고온으로 납땜할 수 있다.
금속 기판(100)은 4점 구조로 되어 있고, 최하층인 제1 층(101)의 이면에는 여진, 진동검출 및 각속도 검출연산 등을 행하기 위한 회로소자(111, 112)가 탑재되어 있다. 제1 층(101)상에는 순서대로 제2 층(102), 제3 층(103), 제4 충(104)이 적층되어 있다. 제2 충(102), 제3 층(103), 제4 층(104)은 모두 중앙부가 직사각형으로 도려 내여져 있고, 그 구멍의 길이방향(제2도의 좌우방향)의 길이가 순서대로 길게 되어 있어, 도시된 바와 같이 우측을 가지런하게 함으로써 좌측이 계단형상으로 되어 있다.
이 금속 기판(100)의 계단부의 제2 층(102) 상에는 진동자(10)의 고정판(17)이 납땜으로 용착 고정되어 있고, 제3 층(103)의 표면에는 본딩 패드(131, 134)가 마련되어 있다. 본딩 패드(131 내지 134)는 각각 도시를 생략한 각 층의 배선 및 비어홀을 통해 회로소자(111, 112)에 접속되어 있다. 진동자(17)의 고정판(17)이 제2 층(102)상에 용착되어 있기 때문에, 진동편(12 내지 15)을 제1 층(101)으로부터 뜬 상태로 유지할 수 있다. 금속 기판(100)측의 본딩패드(131 내지 134)를 제2층(102)상에 설치하지 않고 제3 층(103)상에 설치하기 때문에, 진동자(10)의 본딩 패드(81, 84)의 고저차가 완화되어 본딩 와이어(121, 124)의 결선작업이 용이하다.
금속제 덮개(110)의 하단은 전주에 걸쳐 밀봉용 수지로 제4 층(104)에 고착되어 있다. 밀봉용 수지에 의한 고착을 대신하여 납땜으로 고착하여도 무방하다.
이것에 의해, 진동자(10)가 체결되어 있는 공간이 완전히 외계로부터 차단된다.
이 내부공간은 진공당겨져 있고, 진동자(10)의 진동에너지가 공기를 매개로 하여 낭비되지 않도록 되어 있다.
제1 층(101)의 상면(140)은 전면이 금속막으로 덮어져 있고, 이 금속막과 금속성의 덮개(110)가 비어홀을 통해 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 진동자가 격납되어 있는 공간은 등전위의 금속으로 거의 덮여지고, 전자 실드되어 있다. 후술하는 검출회로 등에는 작동 증폭기가 사용되어, 고중폭율의 증폭이 행하여지지만, 일반적으로 고증폭율을 갖는 증폭회로는 전자 노이즈에 약하고, 특히 그 입력단인 소자부에서의 노이즈의 침입을 방지할 필요가 있다. 전자 실드는 이러한 노이즈의 침입방지에 유효하다. 또한, 각 진동편에 설치된 전극은 서로 대향하는 전극끼리로 콘덴서를 구성하고 있고, 후술하는 바와 같이 그 전하량의 변화로부터 각속도를 구하는 것이지만, 이 전하량은 외부에서의 전자 노이즈의 영향을 받기 때문에, 그 영향을 억제하기 위해서도 진동자(10)를 둘러싸는 전자 실드는 유효하다. 또한, 제1 층(101)의 표면(140)에 배선이 행해지고 있는 경우는 전자실드용 금속막이 그 배선과 접속하지 않도록, 그 부분을 제외하고 행해진다.
다음에, 회로소자(111, 112)에 탑재된 여진, 검출 및 각속도 연산을 행하는 처리회로에 대하여 설명한다. 제3도는 여진회로(50), 검출회로(60) 및 각속도 연산회로(70)를 나타냄과 동시에, 이들의 회로와 진동편(12, 15)에 설치된 전극(21~28, 31∼38)과의 접속관계를 나타내는 블럭도이다. 또한, 제4도는 제1 진동편(12,13)에 있어서의 역 전압효과를 설명하기 위한 도면이고, 제5도 제2 진동편(14,15)에서의 역 전압효과를 설명하기 위한 도면이다.
여진회로(50)는 전류전압 변환회로(51)와 자동이득 제어회로(52)와 구동회로(53)를 구비하고 있고, 검출회로(60)는 전류전압 변환회로(61, 62)와 작동 증폭회로(63)와 동기 검파회로(64)를 구비하고 있다.
구동회로(53)는 자동이득 제어회로(52)의 출력 전압값에 따른 진폭으로 소정의 반복주파수의 펄스파를 여진신호로서 출력함과 동시에, 그 출력신호와 90도 위상이 어긋난 신호를 동기검파회로(64)의 검파신호로서 출력하는 회로이고, 그 출력단자는 단자(54)를 통해 제1 진동편(13)의 측면의 전극(22, 24)과 제1 진동편(12)의 상하면의 전극(31, 33)에 공통으로 접속되어 있다. 제1 진동편(12, 13)의 나머지 전극(21, 23, 32, 34)은 서로 공통으로 단자(55)를 통해 전류전압 변환회로(51)의 입력단자에 접속됨으로써, 구동회로(53)가 출력하는 펄스파의 중간전위에 고정된다.
제4도는 이 여진회로(50)에 의한 제1 진동편의 여진동작를 설명하는 것으로, 제4(a)도는 제1 진동편(13)을 ZX 평면으로 절단한 단면도이고, 제1(b)도와 같은 도면이다. 또한, 제4(b)도는 제1 진동편(13)의 굴곡 동작을 도시한 사시도이다. 상술한 바와 같이, 전극(21, 23)이 공통으로 단자(55)에 접속되어, 전극(22, 24)이 공통으로 단자(56)에 접속되어 있기 때문에 구동회로(금)의 출력펄스가 저레벨이면, 제4(a)도에 도시된 바와 같은 전압, 즉 전극(22, 24)에는 상대적으로 음의 전압이, 전압(21, 23)에는 양의 전압이 각각 각 전극에 주어진다. 구동회로(53)의 출력 펄스가 고레벨이면, 그 반대의 극성이 주어진다.
이제, 제4(a)도와 같은 전압이 인가되어 있는 상태를 고려하면, 진동편(13)의 내부에는 화살표 91에서 94로 나타낸 바와 같은 전계가 주어지게 된다. 한편, 수정의 압전효과는 Z 축방향에는 나타나지 않기 때문에, 압전효과에 영향을 주는 유효전계는 화살표 95 및 96으로 된다. 수정의 결정은 역 압전효과에 의해, X축의 양의 방향에 전계가 주어지면 Y 축 방향으로 신장하고, X 축의 음의 방향에 전계가 주어지면 Y 축 방향으로 줄어든다. 따라서, 제4(a)도의 상태에서는 진동편(13)의 전극(24)측이 수축되고, 전극(22)측이 신장되기 때문에, 진동편(13)은 전극(24)을 안쪽으로 굴곡된다. 전극(21 내지 24)에 대한 인가전압의 극성이 역회전하면, 같은 원리에 의해 진동편(13)은 전극(22)을 안쪽으로 하여 굴곡된다. 따라서, 진동편(13)의 일단을 고정하여 구동회로(53)에서 소정 주파수의 펄스 신호를 전극(21, 23)에 인가하면, 진동편(13)은 제4(b)도에 도시된 바와 같이 X 방향으로 진동한다.
또한, 본 실시예에서는 제3도에 도시된 바와 같이 진동편(13)의 상하 전극(21, 23)과 진동편(12)의 좌우의 전극(32, 34)을 공통으로 접속하고, 진동편(13)의 좌우의 전극(22, 24)과 진동편(12)의 상하의 전극(31, 33)을 공통으로 접속하고 있기 때문에, 진동편(12, 13)은 X방향으로 서로 역상으로 진동한다.
제1 진동편(12, 13)의 X 방향의 진동정보는 전류전압 변환회로(51) 및 자동이득 제어회로(52)를 통해 피드백된다. 전류전압 변환회로(51)는 제1 진동편(12,13)의 굴곡에 따른 전압효과에 의해서 전극(21, 23, 32, 34)에서 발생한 전하의 변화를 전압값으로 변환하는 회로이다.
자동이득 제어회로(52)는 전류전압 변환회로(51)로부터 출력된 전압신호를 입력하고, 그 입력 전압값이 커지면 출력전압값을 작게 하고, 입력 전압값이 작아지면 출력 전압값이 커지도록 동작된다. 따라서, 제1 진동편(12, 13)의 진동진폭이 크게 되면, 전극(21, 23, 32 34)에 발생하는 전하도 커지고, 전류전압 변환회로(51)의 출력전압도 커진다. 이것에 의해서, 자동이득 제어회로(52)의 출력 전압값은 낮게 되고, 구동회로(53)의 출력펄스의 진폭은 작게 된다. 이와 같이, 구동회로(53)로부터 출력되는 펄스신호의 진폭은 펴드백 제어되어, 제1 진동편(12,13)의 진동진폭은 항상 안정된다.
다음에, 제5도에 도시된 바와 같은 제2 진동편의 Z 방향의 진동을 검출하는 검출회로(60)를 설명한다. 제2 진동편(15)이 제5(b)도에 도시된 바와 같이 Z 방향으로 진동하여, +Z의 방향으로 굴곡하면, 진동편(15)의 상측의 절반이 Y 방향으로 수축되고, 하측의 절반이 Y 방향으로 신장한다. 수정의 전압효과에 의해, Y 방향으로 줄어들면 X 방향의 유전분극이 발생하여, Y 방향으로 신장하면 역방향의 X방향의 유전분극이 생긴다. 그리고, 유전분극의 강함은 신축의 크기에 의존하기 때문에 상면 또는 하면에서 강하게 나타나고, 중간부를 향할수록 약하다. 따라서, 유전분극은 진동편(15)의 4개의 각부애 집중되어 나타나고, 상기의 유전분극에 의해서 각부에 설치된 각 전극(25 내지 28)에는 도시와 같은 정 또는 음의 전하가 모인다. 결국, 전극(25, 27)이 같은 극성으로 되어, 이들의 극성이 전극(26, 28)의 극성과 반대로 된다. 진동편(15)이 하측으로 진동하면, 같은 원리에 의해 상술한 것과는 완전히 반대의 극성이 나타난다.
검출회로(60)는 이렇게하여 발생한 진동편(15)의 각 전극에 있어서의 전하의변화량을 검출하여, 제2 진동편의 진동진폭에 따른 신호를 출력한다. 본 실시예에서는 제1 진동편(12, 13)을 X 방향으로 서로 역상으로 여진하고, 제1 진동편과 제2 진동편을 Z 방향에 대해서만 서로 역상으로 진동시키는 것이기 때문에, 제2 진동편(14, 15)은 Z 방향으로 서로 역상으로 진동한다. 이 제2 전동편(14, 15)의 Z 방향의 진동은 제1 진동편(12, 13)의 X 방향 여진진동이 Z 방향진동으로서 누설된 것과, 진동자(10)가 회전하였을 때에 생기는 코리올리의 험에 의해 발생한 것의 합성진동이지만, 어느쪽의 성분에 대하여도 제2 진동편(14, 15)에 대하여 서로 역상이 된다. 코리올리의 힘에 의한 Z 방향 진동의 발생 메카니즘의 상세에 관해서는 후술하지만, 어쩠든 Z 방향에 관해서 좌우 역상의 진동이 발생하기 때문에, 제3도에 도시된 바와 같이 제2 진동편(15)의 전극(25, 28)에 대하여 이 들과 면대칭 위치에있는 제2 진동편(14)의 전극(36, 37)이 공통으로 접속되고, 또한 검출회로(60)의 단자(65)에 접속되어 있다. 그리고, 나머지 전극(26, 27, 35, 38)이 공통으로 검출회로(60)의 단자(66)에 접속되어 있다.
전류전압 변환회로(61)는 전극(25, 28, 36, 37)에서의 전하의 변화량을 증폭하여 전압값으로 변환하는 회로이고, 전류전압변환회로(62)는 전극(26, 27, 35, 38)에서의 전하의 변화를 중폭하여 전압값으로 변환하는 회로이다. 작동증폭회로(63)는 전류전압변환회로(61, 62) 각각의 출력신호를 입력하여, 양 신호의 전위차를 증폭하는 회로이고, 이 출력신호의 진폭변화는 제2 진동편(14, 15)의 진동진폭변화에 비례하고 있다.
동기검파회로(64)는 작동증폭회로(63)로부터 출력된 교류전압신호를 구동회로(53)로부터의 여진신호에 대하여 90도 위상이 어긋난 펄스신호를 검파신호로서 사용하여 동기검파를 행한 후, 적분처리를 행하는 것으로, 통상의 동기검파회로에 적분회로가 부가된 회로이다. X 여진의 누설에 의한 Z 방향 진동은 여진과 동상이고, 코리올리의 힘에 의한 Z 방향의 진동은 여진에 대하여 90도 위상이 어긋나고 있기 때문에, 동기검파 및 적분에 의해, 전자는 항상 제로값이 되고, 후자는 전파정류의 적분치로 된다. 즉, 동기검파회로(64)의 출력신호전압은 제2 진동편(14,15)의 코리올리의 힘에 의한 Z 방향의 진동진폭을 나타내고 있다.
각속도 연산회로(70)는 제2 진동편(14, 15)의 진동진폭을 나타내는 검출회로(60)의 출력신호에 근거하여, 진동자(10)의 Y 축에 평행한 축을 중심으로 하는 회전각속도를 후술하는 각속도와 코리올리의 힘의 관계식을 기초로 하여 산출하는 회로이다.
다음에, 상기와 같이 구성된 각속도 검출장치의 동작을 설명한다. 여진회로(50)는 제1 진동편(12, 13)의 X 방향의 고유진동수 fx1(이것을 재1 고유 진동수라는)에 일치한 주파수의 여진신호를 구동회로(53)로부터 출력한다. 이것에 의해 제1 진동편(12, 13)은 역 전압효과에 의해, X 방향으로 고유진동수 fx1에서 진동한다. 진동편(12)과 진동편(13)의 위상은 상술한 바와 같이 서로 역상이다.
이 상태로, 진동자(10)가 Y 축에 평행한 축(Y 축을 포함한다)를 중심으로 하여 각속도 ω로 회전하면, 제1 진동편(12, 13)에는 F=2mV·ω로 나타나는 코리올리의 힘 F가 Z 방향으로 발생한다. 여기에, m은 진동편의 질량, V는 진동속도인 이 코리올리의 힘 F의 발생에 의해서, 제1 진동편(12, 13)은 X 방향의 진동에 대하여 90도 위상이 어긋나 Z 방향으로 진동한다. 결국, 제1 진동편(12, 13)은 Z 방향에 관해서도, 여진주파수(제1 고유진동수)로 서로 역상으로 진동한다. 상기의 주파수는 Z 방향의 제1 및 제2 진동편의 연성 고유 진동수와 거의 일치하고 있기 때문에, 제2 진동편(14, 15)에 효율성 있게 전달된다.
한편, 제1 진동편(12, 13)에 주어지는 X 방향 여진이 동상의 Z 방향의 여진으로서 누설되고, 이 진동도 연성에 의해 제2 진동편(14, 15)에 전달된다. 진동에너지는 누설 진동편이 코리올리의 힘에 의한 진동보다도 대단히 크기 때문에, 제2진동편의 Z 방향의 진동은 누설 진동상에 90도 위상이 어긋난 코리을리의 힘에 의한 진동이 중첩되어 있는 것으로 된다. 검출회로(60)에 의해서 제2 진동편의 Z 방향의 진동으로부터 코리을리의 힘에 의한 진동만을 선택적 검출하는 것은 상술한 바와 같다.
그런데, 이 실시예에서는 Z 방향의 진동에 대하여, 좌우(X 방향)역상, 상하(Y 방향) 역상으로 진동한다. 이 진동 모드로서는 지지막대(16)를 통과하는 Y 축올 회전중심으로하여 여진과 역상으로 요동하는 힘이 진동자 베이스부(11)에 대하여 가해진다. 이것에 대하여, 지지막대(16)는 비틀림 강성이 조정되어 있고, 비틀림 힘에 대하여 적절한 유연성이 있기 때문에, 진동자 베이스부(11)에 작용하는 요동력을 잘 완충하여 진동 에너지의 누설을 방지하고 있다. 비틀림 강성은 비틀림 파괴라고도 불리고, 막대의 비틀림에 있어서의 비틀림 모멘트와 비틀림각과의 비의 것이고, 막대의 형상과 파괴에 의해서 결정된다. 본 실시예에서는 지지막대(16)의 길이를 조정함으로써 비틀림 강성의 조정이 가능하다. 본 실시예에서는 지지막대(16)의 길이를 제2 진동편(14, 15)보다도 길게 함으로써, 비틀림 강성에 유연성을 갖게 하고 있다.
또한, 동축으로 된 제1 및 제2 진동자의 관성 모멘트가 일치하고 있으면 진동자 베이스부(11)에 대한 요동의 에너지가 생기지 않은 것을 추측할 수 있다. 그러나, 현실에는 여러가지 조건때문에 관성 모멘트를 엄밀히 일치시키는 것이 곤란하고, 진동자 베이스부(11)에 대한 요동의 에너지를 완전히 제로로 하는 것은 용이하지 않다. 그리하여, 제1 및 제2 진동편의 관성모멘트의 일치성을 고려하면서도, 지지막대(16)가 비틀림 강성을 고려하는 것이 바람직하다.
또한, 진동자 베이스부(11)가 지지막대(16)와 1곳에서 연결되어 있기 때문에, 환경온도의 변화에 근거하여 진동자의 각 요소가 팽창 또는 수축하여도 지지막대(16)로부터 진동자 베이스부(11)에 가해지는 응력은 발생하지 않는다. 따라서, 진동자 베이스부(11)를 거쳐서 지지막대(16)에 이르는 진동의 누설량이 온도변화의 영향을 받지 않는다.
그런데, 여진회로(50)에서 제1 진동편(12, 13)을 서로 역상으로 X 방향에 여진하기 때문에, 진동자 베이스부(11)의 제1 진동편(12, 13)측의 양 제1 진동편간에 응력집중부(150)가 되는(제1(a)도 참조). 가령, 지지막대(16)가 응력집중부(150)로부터 +Y 방향으로 돌출한 것으로 하면, 지지박대(16)의 X 방향의 위치어긋남에 의해서, 지지막대(16)에 좌우(X 방향)에 진동하는 힘이 발생한다. 이 힘에 의해서, 지지막대(16)가 좌우로 진동하면, 제1 진동편(12, 13)의 여진 진폭에 차가 생기어, 검출 정밀도가 저하된다. 또한, 응력집중부(150)로부터 지지막대(16)가 돌출하고 있다고 하면, 응력집중부(150)가 지지막대(16)에 넓어지기 때문에, 불필요하게 응력이 분산되는 부분이 발생하고, 그 때문에 좌우의 진동편간의 전달효율이 내려 가고, Q치가 내려 간다. 또한, 지지막대(16)에 유연성을 갖게 하여 진동 누설을 억제하고 있지만, 진동누설을 완전히 없앨 수 있는 것이 아니고, 조금이지만 누설된다. 응력집중부(150)와 지지막대(16)가 연결하고 있으면, 이 누설이 여진에 의한 응력의, 영향을 받아, 검출정밀도가 불안정하여진다.
그러나, 본 실시예에서는 지지막대(16)가 진동자 베이스부(11)의 제2 진동편(14, 16)측에 마련되어 있기 때문에 응력집중부(150)와 지지막대(16)가 이격되어있고, 상술한 바와 같은 문제가 없다.
본 실시예에서는 제2 진동편(14,15)이 제1 진동편(12,13)보다도 가늘고 긴 형상이지만, 반대로, X 방향에 여진되는 제1 진동편(12, 13)을 제2 진동편(14, 15)보다도 가늘고 긴것으로 해도 된다. 그 경우에는 제2 진동편(14, 15)에 설치되어 있는 검지용 전극(25 내지 28, 35 내지 38)을 제1 진동편(12, 13)에 설치하는 것이 바람직하다.
제6도는 진동편의 다른 실시예를 도시한 평면도이다. 이 진동편(200)은 지지막대(201)에 축소부(202)가 마련되어 있는 점에 특징이 있다. 지지막대에는 진동편(12 내지 15)에 설치된 전극과 외부부착 처리회로를 접속하는 배선이 설치된 것은 이미 서술하였다. 이들의 배선은 크로스토크(cross torque)의 영향을 적게 하기 위해서 될 수 있는 한 선을 굵게 하여 임피던스를 내리고, 또한, 선사이를 떼는 것이 바람직하다. 이 관점에서 생각하면, 지지막대를 될 수 있는 한 폭이 넓은 것으로 하고자 한다. 그러나, 단지 폭을 넓히면, 비틀림 강성이 높게 되어 Q값의 저하를 초래한다. 그리하여, 제6도에 도시된 바와 같이, 지지막대(201)를 전체로서는 폭이 넓은 것으로 함과 동시에 축소부(202)를 설치함으로써, 비틀림 강성의 유연성을 유지하면서, 배선의 크로스토크를 될 수 있는 한 억제할 수 있다. 또한, 진동자(200)로서, 제1 실시예의 진동자(10)와 같은 수정의 Z 판을 사용하여. 진동자 베이스부 및 진동자를 같은 방향으로 형성하는 것이면, 도시와 같이 X 방향에 대하여 약 30도로 노치된 내킹부(202)가 있는 지지막대(201)를 갖는 진동자(200)를 매우 안정적으로 제작할 수 있다. 이것은 결정방향과 에칭방향의 관계에 기인한다.
또한, 이 진동자(200)의 고정판(17)에는 관통구멍(203, 204)을 설치할 수 있고, 이 관통구멍(203, 204)의 측벽에는 금속이 증착되어 있다. 진동자의 상하면 사이에서의 배선에 유효하게 이용할 수 있다.
진동자(10)의 팩킹에 관해서도 여러가지 변형을 고려할 수 있다. 가령, 진동자(1초의 본딩패드(81 내지 84)와 금속 기판(100)의 본딩패드(131 내지 134)를 본딩 와이어(121, 124)로 접속하고 있지만, 이것을 대신하여, 진동자(10)의 본딩 패드(81 내지 84)를 고정판(17)의 이면에 설치하여, 고정판(17)을 금속 기판(100)에 용착했을 때에, 동시에, 본딩 패드(81, 84)를 금속 기판(170)의 본딩패드(131 내지 134)에 다이본딩해도 된다. 회로부품(111, 112)은 전체의 면적을 작게 하기 위해서, 금속 기판(100)의 제1 층(101)의 이면에 마련되어 있지만, 밀패공간의 외측에서 제1 층(101)의 면적을 넓히고, 그 상면에 탑재하여도 무방하다. 또한, 덮개(110)를 평평한 것으로 치환하여 비용 절감을 도모할 수 있다. 전자실드를 위해, 덮개(110)는 금속재료로 구성되어 있지만 이것을 대신하여, 세라믹과 같은 절연재료의 것을 사용하고, 전면에 금속막을 중작 등에 의해 형성한 것을 이용해도 된다. 또한, 진동자(10)를 제2 층(102)의 두께를 이용하여 제1 층(101)으로부터 띄우고 있지만, 이것을 대신하여, 제1 층의 배선패턴으로 볼록면을 형성하여, 그 위에 고정판(17)을 용착함으로써, 진동자(10)를 제1 층(101)으로부터 격리시켜도 된다.
본 실시예의 진동자(10)는 수정의 Z판을 패터닝한 것이지만, 그 밖의 압전재료, 가령, 티타늄산 지르콘산납(PZT)이나 니오브(niobium)산 리튬과 같은 그외의 압전재료를 이용해도 된다. 또한, 진동자(10)를 스테인리스와 같은 단순한 진동자로 하여, 전극을 대신하여 전극외곡 수단을 사용하여 진동시키더라도 좋다.
본 발명의 각속도 검출장치에 의하면, 진동자의 지지막대의 비틀림 강성이 원하는 값으로 조정되어 있기 때문에, 지지막대에서의 진동누설을 억제할 수 있다. 또한, 진동자 베이스부가 퍼검출체에 고정되는 지지막대와 1곳에서 연결되어 있기 때문에, 환경온도의 변화에 따라 진동자의 각 요소가 팽창 또는 수축하여도 지지막대로부터 진동자 배이스부에 가해지는 응력은 발생되지 않는다. 따라서, 진동자 베이스부를 거쳐서 지지막대에 이르는 진동의 누설이 온도변화의 영향을 받지 않는다. 그 때문에, 진동 손실이 적게 고감도로 코리올리의 힘에 의한 진동을 검출할 수 있고, 또한, 그 검출치가 환경습도와 같은 외부의 영향을 받지 않기 때문에, 고정밀도로 안정된 각속도 검출을 연성할 수 있다.

Claims (5)

  1. 진동자와, 이 진동자를 여진하는 여진수단과, 상기 여진 수단에 의해 여진된 상기 진동자가 회전함에 따라 발생하는 코리오리의 힘(Coriolis force)에 의거한 진동의 진폭을 검출하는 검출수단과, 이 검출수단으로 검출된 진폭의 크기로부터 상기 회전의 각속도를 연산하는 각 속도연산 수단을 구비한 각속도 검출장치에 있어서, 상기 진동자는, XYZ 삼차원 직교 좌표공간에서, XY 평면상의 X 방향으로 연장하는 진동자 바닥체와, 상기 진동자 바닥체의 중앙부를 통하는 Y 방향의 축에 대하여 거의 대칭의 위치에서 상기 진동자 바닥체로부터 +Y의 방향으로 들출하는 2개의 제1 진동편과, X 방향의 위치가 각각 상기 2개의 제1 진동자와 같고 상기 진동자 바닥체로부터 -Y의 방향으로 들출하는 2개의 제2 진동편과, 소망의 비틀림 강성을 가지어 상기 진동자 바닥체의 중앙부로부터 돌출되어 그 앞단부가 피검출체에 고정되는 단일의 지지막대를 갖는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지막대는 상기 진동자 바닥체로부터 -Y 방향으로 돌출하고, 상기 여진수단은 상기 제1 진동편을 X 방향으로 여진되는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 진동자를 구성하는 상기 진동자 바닥체와 상기 제1 및 제2 진동편이 1장의 동일 두께의 수정기판으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 여진수단의 회로부와 상기 제1 또는 제2 진동편에 설치된 여진용 전극을 접속하는 여진용 배선 및 상기 검출수단의 회로부와 상기 제1 또는 제2 진동편에 설치된 검출용 전극을 접속하는 검출용 배선과, 그 여진용 배선과 검출용 배선을 구비한 금속 기판을 구비하며, 상기 지지막대의 선단은 상기 금속 기판에 용착되어, 이 금속 기판이 피검출체에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치,
  5. 제4항에 있어서, 상기 진동자는 동일 전위의 전도재로 둘러쌓여 있는 것을 특징으로 하는 각속도 검출장치.
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