KR20000029967A - 각속도검출장치 - Google Patents

Abstract

XYZ 3차원 좌표공간에 있어서, XY평면상의 X방향으로 연재하고 각속도를 검출해야할 피검출체에 고정되는 진동자 기체와, 이 진동자 기체로부터 +Y방향으로 돌출하고 X방향의 제 1고유진동수를 갖는 제 1진동편과, 진동자 기체로부터 -Y방향으로 돌출하고 제 1고유진동수와 상이한 X방향의 제 2고유진동수를 갖는 제 2진동편을 갖는 진동자와, 제 1 또는 제 2진동편중 어느 하나를 Z방향 또는 X방향으로 여진하는 여진수단과, 제 1 또는 제 2진동편에 있어서의 여진수단에 의한 진동의 여진방향과 Y방향과의 쌍방에 직교하는 진동의 진폭을 검출하는 검출수단과, 검출수단에 의해 검출된 진폭의 크기로부터 Y방향을 축으로 하는 회전각속도를 연산하는 각속도 연산수단을 구비하고, 여진수단에 의해 제 1 또는 제 2진동편을 여진했을 때에 진동자 기체가 Z방향으로 진동하지 않도록 제 1 및 제 2진동편의 형상치수가 결정되어 있다. 이와같이 구성되어 있으므로 높은 정밀도로 각속도를 검출할 수 있다.

Description

각속도검출장치{ANGULAR VELOCITY DETECTOR}

종래, 진동체에 회전을 가하면 코리올리의 힘에 따라 회전각 속도에 응한 새로운 진동이 발생하는 것을 이용한 진동형 각속도검출장치가 알려져 있다. 이 같은 각속도검출장치의 1예로서, 가령, 특개평 7-55479호공보 기재의 회전속도 센서가 있다. 이 회전속도센서에 있어서 사용되고 있는 진동자는 XY평면에 있어서, 직사각형의 한 변으로부터 +Y방향으로 2개의 여동지(勵動枝)가 돌출해 있고, 그 프레임의 대향하는 변으로부터 -Y방향으로 2개의 픽업지(枝)가 돌출한 구조를 가지고 있다. 이 구조에 있어서, 여동지를 X방향으로 여진하면 진동자의 회전에 따라 발생한 코리올리의 힘에 의해 여진지가 Z방향으로도 진동하고, 이 Z방향의 진동은 픽업지에 전달된다. 픽업지측에서는 이 전달된 Z방향의 진동을 검출하여, 검출결과에서 진동자의 회전각속도를 유도한다.

그런데, 이 종류의 회전속도센서에 있어서는 여진지를 X방향으로 여진하여도 그 진동에너지의 일부는 Z방향으로 치환되어 버려 Z방향으로 진동하는 누출진동이 생긴다. 그리고, 이 누출진동도 코리올리의 힘에 의거한 Z방향 진동과 동일하게 픽업지에 전달된다. 즉 픽업지에는 누출진동과 코리올리의 힘에 의거한 진동이 합성된 Z방향진동이 전달된다.

이 누출진동의 진폭은 코리올리의 힘에 의거한 Z방향진동의 진폭보다 훨씬 크고, 코리올리의 힘에 의거한 진동에 있어 누출진동은 큰 노이즈가 된다. 그러나, 누출진동과 코리올리의 힘에 의거한 진동은 위상이 서로 90도 엇갈려 있으므로 어느쪽의 Z방향진동도 서로 독립해서 검출할 수 있다.

이같은 진동지와 픽업지의 Z방향진동은, 누출진동인지 코리올리의 힘에 의거한 진동인지에 불구하고 프레임 중심부를 지점으로 하여 서로 역상(逆相)이 된다. 즉, 여진지가 상향 즉 +Z방향으로 진동할 때는 픽업지가 하향 즉 -Z방향으로 진동한다.

이같은 Z방향진동에 관하여는 상기한 종래의 회전속도센서에서는 여진지와 픽업지의 진동밸런스에 대하여 아무런 고려도 하고 있지 않기 때문에 양 지(兩枝)의 지점이 되는 프레임이 양 지의 진동에 응하여 Z방향으로 요동한다. 이 요동은 여진지로부터 픽업지로의 Z방향 진동의 전달을 방해하고, 픽업지에서의 진동의 검출정밀도를 저하시킨다. 특히, 2개의 여진지의 여진위상이 역상일 경우는 프레임에 비틀림이 생겨 검출정밀도의 저하는 한층 커진다.

본 발명은 자동차 내비게이션 시스템이나 자세제어등에 사용되는 각속도검출장치에 관한 것이며, 특히 진동형 각속도 검출장치에 관한 것이다.

도 1A는 본 발명의 제 1실시형태인 각속도검출장치의 진동자를 도시하는 평면도,

도 1B는 도 1A에 있어서의 B-B단면도,

도 1C는 도 1A에 있어서의 C-C단면도,

도 2는 제 1실시형태의 각속도검출장치에 사용되는 여진회로(50), 검출회로(60) 및 각속도연산회로(70)를 도시하는 동시에, 이들 회로와 진동편(12∼15)에 설치된 전극(21∼28 및 31∼38)과의 접속관계를 도시하는 블록도,

도 3A는 제 1진동편(12,13)에 있어서의 역압전 효과를 설명하기 위한 단면도,

도 3B는 제 1진동편(12,13)에 있어서의 역압전 효과를 설명하기 위한 사시도,

도 4A는 제 2진동편(14,15)에 있어서의 역압전 효과를 설명하기 위한 단면도,

도 4B는 제 2진동편(14,15)에 있어서의 역압전 효과를 설명하기 위한 사시도,

도 5A는 본 실시형태의 진동자(10)의 움직임을 도시하는 도면,

도 5B는 본 실시형태의 진동자(10)의 움직임을 도시하는 도면,

도 6A는 본 실시형태의 진동자(10)와 비교하기 위하여 진동자(10) 대신 제 1진동편과 제 2진동편의 회전관성력이 일치하지 않는 진동자(10a)를 상정하여 그 움직임을 도시하는 도면,

도 6B는 본 실시형태의 진동자(10)와 비교하기 위하여 진동자(10) 대신 제 1진동편과 제 2진동편의 회전관성력이 일치하지 않는 진동자(10a)를 상정하여 그 움직임을 도시하는 상면도,

도 7은 본 실시형태의 진동자의 치수가 표기된 평면도,

도 8은 A/B 값과 Z방향진동의 Q값과의 관계를 도시하는 특성도,

도 9는 진동편 두께(D)와 폭(W)의 비 W/D와, X방향여진일 때의 Z방향성분의 비율 H/C과의 관계를 도시하는 그래프,

도 10은 제 1 및 제 2진동편의 길이비 L1/L2와 폭비 W1/W2와의 관계에 있어서, 제 1진동편과 제 2진동편과의 회전관성력이 일치하는 조건을 도시하는 특성도,

도 11은 본 발명의 제 2실시형태의 진동편을 도시하는 평면도,

도 12는 제 1 또는 제 2실시형태의 진동편의 변형예를 도시하는 평면도,

도 13은 본 발명의 제 3실시형태의 진동편을 도시하는 평면도,

도 14A는 제 3실시형태의 진동편의 전극을 도시하는 단면도,

도 14B는 제 3실시형태의 진동편의 다른 전극을 도시하는 단면도,

도 15는 제 3실시형태의 신호처리회로를 도시하는 회로도,

도 16A는 제 4실시형태의 진동자를 도시하는 도면,

도 16B는 그 진동의 상태를 도시하는 동작도,

도 17은 회전관성력을 설명하기 위한 원리도,

도 18은 회전관성력을 설명하기 위한 원리도.

본 발명의 각속도검출장치는 이같은 문제를 해결하기 위하여 행해진 것으로, XYZ 3차원 좌표공간에 있어서, XY평면상의 X방향으로 연재하여 각속도를 검출해야 할 피검출체에 고정된 진동자 기체(基體)와, 이 진동자 기체로부터 +Y방향으로 돌출하여 X방향의 제 1고유진동수를 갖는 제 1진동편과, 진동자 기체로부터 -Y방향으로 돌출하여 제 1고유진동수와 상이한 X방향의 제 2고유진동수를 갖는 제 2진동편을 갖는 진동자와, 제 1 또는 제 2진동편중 어느 하나를 Z방향 또는 X방향으로 여진하는 여진수단과, 제 1 또는 제 2진동편에 있어서의 여진수단에 의한 진동의 여진방향과 Y방향 쌍방에 직교하는 진동의 진폭을 검출하는 검출수단과, 검출수단에 의해 검출된 진폭의 크기로부터 Y방향을 축으로 하는 회전각속도를 연산하는 각속도연산수단을 구비하고, 여진수단에 의해 제 1 또는 제 2진동편을 여진했을 때 진동자 기체가 Z방향으로 진동하지 않도록 제 1 및 제 2진동편의 형상치수가 결정되어 있다.

즉, 제 1 및 제 2진동편의 형상치수는 여진수단에 의해 제 1 또는 제 2진동편을 여진했을 때의 제 1진동편의 Z방향 진동에 의한 진동자 기체와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력과, 제 2진동편의 Z방향진동에 의한 진동자 기체와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력이 대략 같게 되도록 결정되어 있다.

여기에서, 진동편의 회전관성력이란, 진동편을 미소부분(질점;質點)으로 나누어, 각 질점에 있어서의 질량과 진폭의 자승과의 곱을 진동편과 진동자 기체와의 결합점으로부터 그 질점까지의 거리로 나눈 값의 총계를 말한다.

이같이 구성하면, X방향의 제 1고유진동수와 제 2고유진동수가 다른 값이므로 제 1진동편과 제 2진동편 사이의 X방향의 진동전달은 거의 이루어지지 않는다. 그리고, 진동자를 1매의 얇은 기판으로 구성하면, Z방향의 진동만이 서로 역상으로 전달된다. 즉, 제 1진동편과 제 2진동편은 Z방향 진동에 대하여는 연성(連成)한다. 게다가, 여진수단에서 제 1 및 제 2진동편을 여진했을 때의 제 1진동편의 회전관성력과 제 2진동편의 회전관성력이 대략 같으므로 양 진동편이 Z방향에 있어서 서로 역상으로 진동할 경우, 양 진동편의 Z방향 진동의 지점이 되는 진동자 기체가 Z방향으로 요동(진동)하는 일이 없다. 그 때문에 진동자 기체의 Z방향 진동에 기인하는 제 1 및 제 2진동편의 Z방향진동의 손실이 거의 없다.

따라서, 제 1진동편을 X방향으로 여진할 경우에, 진동자가 Y축으로 평행인 축을 중심으로 회전하면 제 1진동편 및 제 2진동편이 회전각속도에 응한 진폭으로 서로 역상으로 Z방향으로 진동하나, 그 Z방향 진동은 거의 감쇠하지 않으므로, 이 Z방향진동을 감동좋게 검출할 수 있다.

또, 제 2진동편이 제 1진동편 보다도 가늘고 길고, 제 1진동편과 상기 제 2진동편의 쌍이 진동자 기체에 대하여 2조(組) 설치되고, 진동자 기체는 지지봉을 통하여 피검출체에 고정되어 있고, 이 지지봉은 2조의 진동편 쌍의 한쪽의 진동편 쌍과 다른쪽의 진동편 쌍과의 사이에 있어서 진동자 기체로부터 Y방향으로 뻗어 그 선단이 피검출체에 고정되고, 2개의 제 1진동편을 서로 역상으로 여진시키는 것이 바람직하다.

이렇게 구성하면 X방향의 진동을 한쪽의 진동편 쌍과 다른쪽의 진동편 쌍으로 서로 상쇄하기 때문에 진동자 기체의 X방향 요동도 없어진다.

또한, 제 1진동편의 X방향 폭(W)을 Z방향 두께(D)의 0.7배 이하로 함으로써 제 1진동편의 X방향진동이 Z방향 진동으로 누출하는 양을 급격히 감소시킬 수 있다. Z방향의 누출진동이 적어지면 상대적으로 코리올리의 힘에 의거한 Z방향의 진동성분이 증대하여 검출정밀도가 향상한다.

또, 여진의 진동방향을 X방향 대신 Z방향으로 할 경우는 자(自)여진에서는 제 1진동편과 제 2진동편이 동상(同相)이고 Z방향으로 연성진동하기 쉬우나, 여진수단에 가령 피드백 기능을 설치함으로써 여진의 위상을 조절하면 제 1진동편과 제 2진동편을 서로 역상이고 Z방향으로 진동시킬 수 있다. 제 1진동편과 제 2진동편을 서로 역상이고 Z방향으로 진동시킬 수 있다면, 제 1진동편의 Z방향의 진동에 의한 진동자 기체와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력과, 제 2진동편의 Z방향의 진동에 의한 진동자 기체와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력을 대략 같게 하고 있으므로 진동자 기체가 Z방향으로 요동하지 않는다.

또한, 여진수단에 의한 여진의 주파수를 제 1 또는 제 2진동편의 Z방향의 고차원의 고유진동수와 일치시키면 Z방향의 중심이동이 적어져서 진동자 기체의 Z방향요동이 한층 억제되어 검출정밀도가 높아진다.

도 1A는 본 발명의 1실시형태에 있어서의 진동자(10)를 도시하는 평면도이다. 이 도면에 있어서, 좌우방향을 X축으로 하여, 오른쪽방향을 정(正)방향으로 하고, 상하방향을 Y축으로 하여 위쪽방향을 정방향으로 하고, 지면에 수직방향을 Z축으로 하여 앞방향을 정방향으로 하고 있다. 진동자(10)는 X축방향으로 연재하는 진동자 기체(11)와, 진동자 기체(11)로부터 +Y방향으로 뻗는 진동용의 제 1진동편(12,13)과, 진동자 기체(11)로부터 각각 제 1진동편(12,13)과 동축상에서 -Y방향으로 뻗는 검출용의 제 2진동편(14,15)과, 제 2진동편(14,15) 사이에 있어서 진동자 기체(11)로부터 -Y방향으로 뻗는 지지봉(16)과, 지지봉(16)의 단부에 설치된 고정판(17)이 수정의 단결정기판으로 일체로 구성되어 있다.

여기서, 수정의 결정축에 대하여 간단히 설명한다. 천연수정은 일반적으로 기둥형상 결정이고, 이 기둥형상 결정의 수직방향 중심축 즉 ＜1＞결정축은 Z축 또는 광축(光軸)이라 규정되고, Z축을 지나 기둥형상 결정의 각 표면에 수직으로 교차하는 선은 Y축 또는 기계축이라 규정된다. 또, Z축을 지나 이 기둥형상 결정의 종방향 능선과 직교하는 선은 X축 또는 전기축이라 규정된다.

진동자(10)에 사용되고 있는 단결정 기판은 Z판이라 불리우는 기판으로, Z축에 수직 내지 대략 수직인 면으로 잘라낸 단결정기판이다. 따라서, 본 실시형태에 있어서는 결정방위의 Z축과, 도면상의 진동자(10)의 배치방향을 나타내는 상기 Z축과는 일치하고 있다. 또, 수정은 Z축에 대하여 3회 대칭인 결정구조를 갖기 때문에 수정의 X축 및 Y축은 서로 직교하는 것이 3조 있고, 그 중의 1조와 도면상의 진동자(10)의 배치방향을 나타내는 X축 및 Y축이 일치하고 있다. 또한, 이 결정방위와 진동자(10)의 방향관계는 후기의 다른 실시형태에서도 동일하다. 또, 진동자(10)에 사용되는 수정은 인공수정이지만 그 구조는 천연수정과 동일하다.

제 1진동편(12,13)은 서로 동일치수이고, 본 실시형태에서는 함께 여진용 진동편으로서 사용된다. 또, 제 2진동편(14,15)도 서로 동일치수이고, 함께 검출용 진동편으로서 사용된다. 제 2진동편(14,15)은 제 1진동편(12,13)에 비하여 가늘고 길며, 그 때문에, 제 1진동편(12,13)의 X방향 고유진동수(f_x1)와 제 2진동편(14,15)의 X방향 고유진동수(f_x2)가 서로 다르다. Z방향의 고유진동수도 제 1진동편과 제 2진동편에서는 서로 다르게 되어 있으나, Z방향 진동에 대해서는 제 1진동편과 제 2진동편이 연성하여 진동하기 때문에 연성의 고유진동수(fz)가 존재한다. X방향의 진동에 대해서는 제 1진동편과 제 2진동편 사이의 진동전달률이 매우 낮기 때문에 연성진동은 거의 없다. 이와 같이, X방향의 진동에 대해서는 제 1진동편과 제 2진동편이 연성되지 않고, Z방향의 진동에 대해서는 제 1진동편과 제 2진동편이 연성하는 것은 진동자(10) 전체가 매우 얇은 수정기판으로 일체로 형성되어 있고, 진동자 기체(11)의 Y방향 폭이 수정기판의 두께에 비해 충분히 넓다고 하는 형상에 기인하고 있다. 본 실시형태에서는 제 1진동편(12,13)의 X방향 고유진동수(f_x1)와 연성의 고유진동수(fz)의 값이 매우 가까운 값이 되도록 조정되어 있다.

또, 후기의 여진수단에 의해 제 1 또는 제 2진동편을 여진했을 때의 제 1진동편(12)의 Z방향 진동에 의한 진동자 기체(11)와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력과, 제 2진동편(14)의 Z방향 진동에 의한 진동자 기체(11)와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력이 대략 같게 되어 있다. 마찬가지로, 제 1진동편(13)의 Z방향진동에 의한 진동자 기체(11)와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력과, 제 2진동편(15)의 Z방향진동에 의한 진동자 기체(11)와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력이 대략 같게 되어 있다. 이와 같이, 동일축상에서 서로 한쌍이 되어 있는 제 1진동편과 제 2진동편의 여진시의 Z방향진동에 있어서의 회전관성력이 대략 같으므로 제 1진동편과 제 2진동편이 연성하여 서로 역상으로 진동했을 때에 이 진동에 의거하여 진동자 기체(11)가 Z방향으로 요동하는 일이 없다.

본 발명에 있어서의 진동편의 회전관성력이라는 것은 상기와 같이, 진동편을 미소부분(질점)으로 나뉘어, 각 질점에 있어서의 질량과 진폭의 제곱과의 곱을 진동편과 진동자 기체와의 결합점으로부터 그 질점까지의 거리로 나눈 값의 총계를 말하고, 그 상세를 여기서 설명한다.

도 17에 도시된 바와 같은 질점(M1,M2)이 지점으로부터 거리(R1,R2) 떨어져 결합되고, 일정각속도(Ω)로 질점(M1,M2)이 지점을 중심으로 하여 회전하고 있을 경우를 생각한다. 이때, 지점이 움직이지 않고 일정회전이 지속되기 위해서는 양 질점(M1,M2)에 각각 작용하는 원심력(F1,F2)이 지점에서 밸런스되어 있을 필요가 있다. 이것을 식으로 표시하면, 질점(M1)에 작용하는 원심력(F1)은

F1=M1R1Ω²…(1)

질점(M2)에 작용하는 원심력(F2)은,

F2=M2R2Ω²…(2)

가 되고, F1과 F2는 부호가 반대이고 같은 값이 되기 때문에 다음식(3)의 관계가 도출된다.

M1R1Ω²=M2R2Ω²…(3)

여기서, 회전의 각속도(Ω)는 같으므로 식(3)은

M1R1=M2R2…(4)

가 된다.

그러나, 도 17에서는 진동에 따른 휨이 고려되지 않았다. 도 1에 도시된 바와 같은 실제 진동편의 진동은 가령 도 18에 도시된 바와 같이 변형된다. 즉, 진동편의 구성재료는 탄성체이기 때문에 강체로 볼 수는 없고, 도 18과 같이 진동에 따른 휨이 발생한다. 이 휨이 있기 때문에 질점(M1,M2)에서의 각속도(Ω₁,Ω₂)에 어긋남이 생긴다. 이 도 18의 질점(M1,M2)은 각각 도 1의 제 1진동편(12) 및 제 2진동편(14)을 각각 미소부분으로 나누었을 때의 하나의 질점에 상당한다.

여기서, 각 질점(M1,M2)의 진동중점(中点)에서의 각속도(Ω₁,Ω₂)를 각 질점의 진폭(A1,A2)을 사용하여 표시한다. 우선 진동방향의 변위(Z1,Z2)는 진동수(Ω₀)에 의해 각각 다음식(5),(6)이 된다.

Z1=A1 sinΩ₀t…(5)

Z2=A2 sinΩ₀t…(6)

따라서, 진동속도(R1Ω1, R2Ω2)는 식(5),(6)을 미분하여,

R1Ω₁=A1Ω₀cosΩ₀t…(7)

R2Ω₂=A2Ω₀cosΩ₀t…(8)

이 된다. 이 식(7),(8)을 사용한 원심력(F1,F2)의 균형의 식은,

M1R1(A1Ω₀cos Ω₀t/R1)²

=M2R2(A2Ω_Ocos Ω₀t/R2)²…(9)

가 되고,

M1A1²/R1=M2A2²/R2…(10)

가 도출된다.

실제의 진동편은 질점의 모임이므로, 제 1 및 제 2진동편을 각각 미소부분으로 분할했을 때의 각 질점의 질량(Mi,Mj)과 각 질점의 진폭 (Ai,Aj)의 제곱의 곱을 지점 즉 양 진동편과 진동자 기체의 결합점으로 부터의 거리(Ri,Rj)로 나눈 것의 총계가 대략 같아지게 한다.

따라서, 지점이 움직이지 않는 조건은

가 되고, 본 발명에서는 이것을「회전관성력이 대략 같다」고 일컫고 있다.

본 실시형태에서는 후기와 같이 제 1진동편(12,13)을 X방향으로 서로 역상으로 여진시키나, 그 진동의 에너지 일부는 Z방향의 진동으로 치환되어 버려, Z방향으로 진동하는 누출진동이 생긴다. 이 Z방향의 누출진동의 진폭값는 여진진폭값로 결정되고, 이 진폭값를 상기 (11)식의 진폭(Ai,Aj)으로 하여 제 1 및 제 2진동편의 회전관성력을 구하면 된다.

또한, Z방향의 진동에는 여진진동의 누출 이외에 후기와 같이 진동차의 회전에 따라 생기는 코리올리의 힘에 의한 진동이 있고, 이 코리올리의 힘에 의한 Z방향진동의 진폭값가 각속도검출에 필요한 것이나, 코리올리의 힘에 의한 Z방향 진동의 진폭은 여진의 누출에 의한 Z방향진동의 진폭에 비해 매우 작고, 제 1진동편과 제 2진동편의 회전관성력을 대략 같게 하기 위한 조건인(11)식의 진폭(Ai,Aj)으로는 무시할 수 있다.

그런데, 각 진동편에는 각각의 용도에 따라 전극이 설치되어 있다. 즉, 제 1진동편(12,13)에는 여진용 전극이, 제 2진동편(14,15)에는 검출용 전극이 각각 설치되어 있다. 전극의 배치에 대해서는 도면의 미세한 묘사를 피하기 위하여 도 1A에서는 생략되어 있고, 그 대신 도 1B 및 도 1C를 사용하여 표시되어 있다. 도 1B 및 도 1C는 각각 도 1A에 있어서의 B-B단면도 및 C-C단면도이다. 도시된 바와 같이 제 1진동편(13)에는 각각 상면, 하면 및 측면의 4개의 면에 전극(21∼24)이 진동자 기체(11)와의 결합부로부터 제 1진동편(13)의 선단부를 향하여, 즉 +Y방향으로 진동편 전장의 2/3∼3/4정도의 길이로 연재하고 있다. 제 1진동편(12)에도 마찬가지의 전극(31∼34; 도 2참조)이 설치되어 있다. 한편, 제 2진동편(15)에는 직사각형단면의 4개의 모서리부, 즉 능선부를 각각이 피복하듯이 4개의 전극(25∼28)이 진동자 기체(11)와의 결합부로부터 제 2진동편(15)의 선단부를 향하여, 즉 -Y방향으로 진동편 전장의 2/3∼3/4정도의 길이로 연재하고 있다. 또한, 제 2진동편(14)에도 마찬가지의 전극(35∼38; 도 2참조)이 설치되어 있다.

각 전극은 크롬과 금의 2층 구조로 되어 있고 진동자(10)의 표면에 이들 금속을 증착한 후에 포토리소그래피 기술을 사용하여 적절히 분리함과 동시에 소망 형상으로 패터닝함으로써 얻을 수 있다. 또, 각 전극은 고정판(17)에 설치되어 있는 본딩패드(81∼88)중 어느 하나와 전기적으로 접속되고 거기서 다시 후기의 신호처리회로에 접속된다. 진동편 상의 각 전극과 본딩패드 사이의 배선은 도시하지 않으나 지지봉(16)표면에 막형성기술에 의해 설치되어 있다.

도 2는 본 실시형태의 각속도검출장치에 사용되는 여진회로(50), 검출회로(60) 및 각속도 연산회로(70)를 나타냄과 동시에 이들 회로와 진동편(12∼15)에 설치된 전극(21∼28, 31∼38)과의 접속관계를 나타내는 블록도이다. 또, 도 3A와 도 3B는 제 1진동편(12,13)에 있어서의 역압전 효과를 설명하기 위한 도면이고, 도 4A와 도 4B는 제 2진동편(14,15)에 있어서의 압전효과를 설명하기 위한 도면이다.

여진회로(50)는 전류전압 변환회로(51)와 자동이득 제어회로(52)와 구동회로(53)를 구비하고 있으며, 검출회로(60)는 전류전압 변환회로(61,62)와 차동증폭회로(63)와 동기검파회로(64)를 구비하고 있다.

구동회로(53)는 자동이득 제어회로(52)의 출력전압치에 응한 진폭으로 소정의 반복주파수의 펄스파를 여진신호로서 출력함과 동시에 그 출력신호와 90도 위상의 엇갈린 신호를 동기검파회로(64)의 검출신호로서 출력하는 회로이고, 그 출력단자는 단자(54)를 통하여 제 1진동편(13) 측면의 전극(22,24)과 제 1진동편(12) 상하면의 전극(31,33)에 공통으로 접속되어 있다. 제 1진동편(12,13)의 나머지 전극(21,23,32,34)은 서로 공통으로 단자(55)를 통하여 전류전압 변환회로(51)의 입력단자에 접속됨으로써 구동회로(53)가 출력하는 펄스파의 중간전위에 고정된다.

도 3A 및 도 3B는 이 여진회로(50)에 의한 제 1진동편의 여진동작을 설명하는 것이고, 도 3A는 제 1 진동편(13)을 ZX평면으로 절단한 단면도이며, 도 1B와 동등한 도면이다. 또, 도 3B는 제 1진동편(13)의 굴곡동작을 도시한 사시도이다. 상기와 같이, 전극(21,23)이 공통으로 단자(55)에 접속되고, 전극(22,24)이 공통으로 단자(56)에 접속되어 있으므로 구동회로(53)의 출력펄스가 로레벨이면 도 3A에 도시된 바와 같은 전압, 즉 전극(22,24)에는 상대적으로 부(負)의 전압이, 전극(21,23)에는 정의 전압이 각각 각 전극에 주어진다. 구동회로(53)의 출력펄스가 하이레벨이면 그 역의 극성이 주어진다.

이제, 도 3A와 같은 전압이 인가되어 있는 상태를 생각하면, 진동편(13) 내부에는 화살표(91∼94)로 도시된 바와 같은 전계가 주어지게 된다. 한편, 수정의 전압효과는 Z축방향으로는 나타나지 않으므로 압전효과에 영향을 주는 유효전계는 화살표(95,96)가 된다. 수정의 결정은 역압전 효과에 의해 X축의 정방향으로 전계가 주어지면 Y축방향으로 신장하고, X축의 부의 방향으로 전계가 주어지면 Y축 방향으로 수축된다. 따라서, 도 3A 상태에서는 진동편(13)의 전극(24)측이 수축되고, 전극(22)측이 신장하기 때문에 진동편(13)은 전극(24)을 내측으로 하여 굴곡한다. 전극(21)로부터 전극(24)에 대한 인가전압의 극성이 역전하면, 동일 원리에 의해 진동편(13)은 전극(22)을 내측으로 하여 굴곡한다. 따라서, 진동편(13)의 일단을 고정하여 구동회로(53)로부터 소정주파수의 펄스신호를 전극(21,23)에 인가하면 진동편(13)은 도 3B에 도시된 바와 같이 X방향으로 진동한다.

또한, 본 실시형태에서는 도 2에 도시된 바와 같이 진동편(13)의 상하 전극(21,23)과 진동편(12)의 좌우 전극(32,34)을 공통으로 접속하고, 진동편(13)의 좌우 전극(22,24)과 진동편(12)의 상하전극(31,33)을 공통으로 접속하고 있으므로 진동편(12,13)은 X방향으로 서로 역상으로 진동한다.

제 1진동편(12,13)의 X방향의 진동정보는 전류전압변환회로(51) 및 자동이득 제어회로(52)를 통하여 피드백 된다. 전류전압변환회로(51)는 제 1진동편(12,13)의 굴곡에 따른 압전효과에 의해 전극(21,23,32,34)에 발생한 전하의 변화량을 전압치로 변환하는 회로이다.

자동이득제어회로(52)는 전류전압 변환회로(51)로부터 출력된 전압신호를 입력하고, 그 입력전압치가 커지면 출력전압치를 작게하고, 입력전압치가 작아지면 출력전압치가 커지도록 동작한다. 따라서 제 1진동편(12,13)의 진동진폭이 커지면 전극(21,23,32,34)에 발생하는 전하도 커지고, 전류전압변환회로(51)의 출력전압도 커진다. 이에 따라 자동이득제어회로(52)의 출력전압치는 낮아지고, 구동회로(53)의 출력펄스의 진폭은 작아진다. 이와 같이, 구동회로(53)로부터 출력되는 펄스신호의 진폭은 피드백제어되고, 제 1진동편(12,13)의 진동진폭은 항상 안정된다.

다음에, 도 4A, 4B에 도시된 바와 같은 제 2진동편의 Z방향 진동을 검출하는 검출회로(60)를 설명한다. 제 2진동편(15)이 도 4B에 도시된 바와 같이 Z방향으로 진동하여 +Z방향으로 굴곡하면, 진동편(15)의 상측 절반이 Y방향으로 수축되고, 하측 절반이 Y방향으로 신장한다. 수정의 압전효과에 의해 Y방향으로 수축되면 X방향의 유전분극이 생기고, Y방향으로 신장하면 역방향의 X방향 유전분극이 생긴다. 그리고, 유전분극의 강도는 신축 크기에 의존하므로 상면 또는 하면에 있어서 강하게 나타나고, 중간부로 향할수록 약하다. 따라서, 유전분극은 진동편(15)의 4개의 모서리부에 집중하여 나타내고, 이 유전분극에 의해 모서리부에 설치된 각 전극(25∼28)에는 도시된 바와 같은 정 또는 부의 전하가 모인다. 즉, 전극(25,27)이 같은 극성이 되고, 이들 극성이 전극(26,28)의 극성과 역이 된다. 진동편(15)이 하측으로 진동하면 동일 원리에 의거하여 상기의 것과 전혀 반대의 극성이 나타난다.

검출회로(60)는 이같이 하여 발생한 진동편(15)의 각 전극에 있어서의 전하의 변화량을 검출하고 제 2진동편의 진동진폭에 응한 신호를 출력한다. 본 실시형태에서는 제 1진동편(12,13)을 X방향으로 상호 역상으로 여진시키고, 제 1진동편과 제 2진동편을 Z방향에 대하여 상호 역상으로 진동시키는 것이므로, 제 2진동편(14,15)은 Z방향에 관하여 상호 역상으로 진동한다. 이 제 2진동편(14,15)의 Z방향 진동은 제 1진동편(12,13)의 X방향 여진진동이 Y방향 진동으로서 누출한 것과, 진동자(10)가 회전할 때 생기는 코리올리의 힘에 의거하여 발생한 것과의 합성진동이나, 어느 성분에 대해서도 상호 역상이 된다. 코리올리의 힘에 의거한 Z방향진동의 발생메카니즘의 상세에 대해서는 후기하지만, 어느쪽이든 Z방향에 관하여 상호 역상의 진동이 발생하므로, 도 2에 도시된 바와 같이 제 2진동편(15)의 전극(25,28)에 대하여 이들과 면대칭의 위치에 있는 제 2진동편(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 전압치로 변환하는 회로이고, 전류전압변환회로(62)는 전극(26,27,35,38)에서의 전하의 변화량을 전압치로 변환하는 회로이다. 차동증폭회로(63)는 전류전압 변환회로(61,62)의 각 출력신호를 입력하고, 양 신호의 전위차를 증폭하는 회로이고, 이 출력신호의 진폭은 제 2진동편(14,15)의 진동진폭에 대응하고 있다.

동기 검파회로(64)는 차동증폭회로(63)로부터 출력된 교류전압신호를 구동회로(53)로 부터의 여진신호에 대하여 90도 위상이 엇갈린 펄스신호를 검파신호로서 사용하여 동기검파를 행한 후, 적분처리를 행하는 것으로, 통상의 동기 검파회로에 적분회로가 부가된 회로이다. X여진의 누출에 의한 Z방향진동은 여진과 동상(同相)이고, 코리올리의 힘에 따른 Z방향진동은 여진에 대하여 90도 위상이 엇갈려 있기 때문에 동기검파 및 적분에 의해, 전자는 항상 제로의 값이 되고, 후자는 전파(全波)정류의 적분치가 된다. 즉, 동기검파회로(64)의 출력신호전압은 제 2진동편(14,15)의 코리올리의 힘에 의한 Z방향의 진동진폭을 나타내고 있다.

각속도 연산회로(70)는 제 2진동편(14,15)의 진동진폭을 나타내는 검출회로(60)의 출력신호에 의거하여 진동자(10)의 Y축에 평행한 축을 중심으로 하는 회전각속도를 후술하는 각속도와 코리올리의 힘과의 관계식을 기초로 하여 산출하는 회로이다.

다음에, 이상과 같이 구성된 각속도검출장치의 동작을 설명한다. 여진회로(50)는 제 1진동편(12,13)의 X방향의 고유진동수(f_x1; 이것을 제 1고유진동수라 함)에 일치한 주파수의 여진신호를 구동회로(53)로부터 출력한다. 이에 따라 제 1진동편(12,13)은 역압전효과에 의해 X방향으로 고유진동수(f_x1)로 진동한다. 진동편(12)과 진동편(13)의 위상은 상기와 같이 상호 역상이다.

이 상태로, 진동자(10)가 Y축에 평행인 축(Y축포함)을 중심으로하여 각속도(Ω)로 회전하면, 제 1진동편(12,13)에는 F=2mV·Ω으로 표시되는 코리올리의 힘(F)이 Z방향으로 발생한다. 여기서, m은 진동편의 질량, V는 진동속도이다. 이 코리올리의 힘(F)의 발생에 의해 제 1진동편(12,13)은 X방향의 진동에 대하여 90도 위상이 엇갈려 Z방향으로 진동한다. 즉, 제 1진동편(12,13)은 Z방향에 대해서도, 여진주파수(제 1고유진동수)로 상호 역상으로 진동한다. 이 주파수는 Z방향의 제 1및 제 2진동편의 연성고유진동수와 거의 일치하고 있으므로 제 2진동편(14,15)에 효율좋게 전달된다.

한편, 제 1진동편(12,13)에 부여되는 X방향여진이, 동상의 Z방향의 여진으로서 누출하고, 이 진동도 연성에 의해 제 2진동편(14,15)에 전달된다. 진동에너지는 누출진동쪽이 코리올리의 힘에 의한 진동보다 훨씬 크기 때문에 제 2진동편의 Z방향진동은 누출진동 상(上)에 90도 위상이 엇갈린 코리올리의 힘에 의한 진동이 중첩해 있는 것이 된다.

여기서, Z방향의 진동에 따른 진동자(10)의 움직임은 도 5A, 5B, 6A 및 6B를 사용하여 설명한다. 도 5A, 5B는 본 실시형태의 진동자(10)의 움직임을 나타내는 것이고, 도 6A, 6B는 본 실시형태의 진동자(10)와 비교하기 위하여 진동자(10) 대신 제 1진동편과 제 2진동편의 회전관성력이 일치하지 않는 진동자(10a)를 상정하고, 그 움직임을 나타내는 것이다. 도 5A, 6A는 진동자(10,10a)를 간략하게 표시한 평면도이고, 흑색표시 진동편(12∼15, 12a∼15a)은 진동편이 상하좌우 역상으로 진동할 때의 상태를 도시하고 있으며, 점선으로 도시한 4개의 진동편은 진동하지 않을 때의 상태를 나타내고 있다. 단, X방향진동의 동작은 무시하고 있다. 또, 여기에서의 좌표계는 도 1A와 같다. 도 5B, 6B는 진동자(10,10a)를 선단(Y방향)에서 본 정면도이다.

도 5A, 5B, 6A 및 6B에 있어서, 제 1진동편(12,12a)은 -Z방향으로 진동하고, 제 2진동편(14,14a)은 +Z방향으로 진동하고 있다. 또, 제 1진동편(13,13a)은 +Z방향으로 진동하고, 제 2진동편(15,15a)은 -Z방향으로 진동하고 있다. 이때, 본 실시형태의 진동자(10)의 경우는 제 1진동편(12)과 제 2진동편(14)의 회전관성력이 일치하고 있으므로 양 진동편(12,14)이 진동자 기체(11)와의 결합부에 대하여 주어지는 Z방향의 힘은 서로 상쇄되고, 실질적으로 Z방향에는 힘이 가해지지 않는다. 이 사실은, 제 1진동편(13,15)에 의한 우측 진동편쌍에 대해서도 말할 수 있다. 따라서, 도 5B에 도시된 바와 같이, 각 진동편(12∼15)이 Z방향으로 진동하더라도 진동자 기체(11)는 Z방향으로 전혀 진동하지 않는다.

한편, 도 6A, 6B에 도시한 진동자(10a)에서는 제 1진동편(12a)과 제 2진동편(14a)의 회전관성력이 일치해 있지 않기 때문에 진동자 기체(11)는 회전관성력이 작은 쪽과 동방향으로 진동한다. 이 예에서는 제 1진동편 쪽을 제 2진동편 보다 회전관성력을 작게 하고 있기 때문에, 제 1진동편(12a)이 -Z방향으로 진동할 때는 진동체기체(11)도 -Z방향으로 진동해 버린다. 이때, 제 1진동편(13a) 및 제 2진동편(15a)에 의한 우측 진동편 쌍에 대해서는 좌우 역상으로 진동하고 있으므로 진동자 기체(11)는 +Z방향으로 진동한다. 이와 같이, 진동자 기체(11)의 좌측은 -Z방향으로 진동하고, 우측은 +Z방향으로 진동하기 때문에 진동편의 진동에 따라 지지봉(16)을 비트는 힘이 가해진다. 이 비틀림 운동은 진동의 누출을 증가시키고, 안정된 진동을 방해한다.

도 5A, 5B를 사용하여 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 진동자(10)이 경우는 이같은 비틀림이 생기지 않기 때문에 진동누출이 적고, 안정된 진동을 유지할 수 있다. 이 사실은 양호한 감도의 유지, 온도변화 및 경년변화에 대한 안정성을 가져온다.

또, 본 실시형태에서는 진동자 기체(11)를 그 중앙부에 연결하는 지지봉(16)으로 지지하고 있으나, 상기와 같이 지지봉으로 부터의 진동누출이 적기 때문에 진동자 기체(11)의 지지방법의 제약이 적어지고, 다른 지지방법으로도 충분히 양호한 검출감도를 얻을 수 있다. 가령, 지지봉(16) 대신 진동자 기체(11)로부터 +X 또는 -X방향으로 뻗어 그 선단에 고정판이 있는 지지봉을 사용하여도 된다. 물론, +X와 -X의 두 방향으로 지지봉을 뻗고 각 선단에 고정판을 설치하여 2개소에서 고정하여도 된다. 그 외에도 진동자 기체(11)의 중앙부로부터 +Y 및 -Y의 두 방향으로 지지봉을 뻗고 각 선단에 고정판이 있는 것이라도 되고, 본 발명의 종래기술로서 거론한 특개평 7-55479호에 기재된 것과 같이 진동자 기체가 프레임형상으로 되어 있고 그 내측에 고정판을 배치하여 고정판과 프레임을 지지봉으로 연결한 구성이라도 된다. 또한, 이들 갖가지 변형예에 있어서 지지봉 길이를 적절히 선택할 수 있다.

이같이 하여, 제 1진동편(12,13)에 발생한 Z방향 진동은 양호하게 제 2진동편(14,15)에 전달된다. 제 2진동편(14,15)의 Z방향진동은 전극(25∼28,35∼38)에 전하의 변화를 생성하고 이것에 의거하여 검출회로(60)에서 제 2진동편(14,15)의 코리올리의 힘에 의한 Z방향의 진동진폭이 검출된다. 각속도연산회로(70)는 검출회로(60)가 출력하는 제 2진동편(14,15)의 진동진폭정보로부터 제 1진동편(12,13)에 생긴 코리올리의 힘(F)을 구하고, 또한 상기 F=2mV·Ω의 관계에 의거하여 진동자(10)의 Z축에 평행한 축을 중심으로 하는 회전각속도(Ω)를 산출한다.

다음에, 제 1진동편과 제 2진동편의 회전관성력이 일치한 진동자의 설계방법을 설명한다. 도 7은 이 설계방법에 의거하여 결정된 치수결과를 나타낸 것이다. 우선, 제 1진동편 보다 가늘고 긴 제 2진동편의 Z방향의 고유진동수(fn)를 구한다. 고유진동수(fn)는 다음 식에 의거하여 결정된다.

여기서, E는 수정의 종탄성계수, r은 수정의 밀도, λn은 1차진동의 정수, g는 중력가속도, L2는 제 2진동편의 길이, h는 진동편 두께(진동자 두께)이다.

수정의 재료정수 등에서

E=7.99×10⁹kg/㎡

r=2.65×10³kg/㎥

λn=1.85

g=9.8

이다.

이제, h=0.3mm의 수정판을 채용하여 L2=4.14mm로 한다. 또한 진동편의 Z방향진동은 단일 진동자로 생각할 경우, 실제 두께의 5/6두께의 진동자로서 계산하면 계산결과와 실제의 고유진동수가 잘 합치한다는 것을 경험적으로 알고 있으므로 h는 0.25mm로 한다. 이들 수치를 상기 (12)식에 대입하면, fn=12.47kHz가 되고, 제 2진동편은 약 12.5kHz의 고유진동수를 갖게 된다. 그런데, 상기와 같이 본 실시형태는 Z방향의 진동에 대하여 제 1진동편과 제 2진동편이 연성진동한다. 그리고, 그 연성의 고유진동수는 상대적으로 굵고 짧은 제 1진동편의 고유진동수 보다 가늘고 긴 제 2진동편의 고유진동수에 가까운 값이 된다. 이것은 가늘고 긴 제 2진동편 쪽이 굵고 짧은 제 1진동편 보다 진폭 및 응력이 크기 때문이라고 생각된다. 따라서, Z방향에 관하여는 제 1진동편과 제 2진동편의 연성의 고유진동수는 제 2진동편의 고유진동수와 같은 것이라 가정할 수 있다.

다음에, 제 1진동편의 X방향의 고유진동수와 제 2진동편의 Z방향의 고유진동수(즉, 연성고유진동수)를 같게 하는 조건을 생각한다. 제 1진동편의 X방향의 폭을 W1, 길이를 L1, Z방향의 진동진폭을 Z1, 제 2진동편의 X방향의 폭을 W2, 길이를 L2, Z방향의 진동진폭을 Z2, 진동자의 두께를 h로 하면, 제 1진동편의 X방향의 고유진동수와 제 2진동편의 Z방향의 고유진동수가 같다는 것과, (12)식으로부터 W1/L1²=h/L2²가 도출된다. 이제, h=0.25, L2=4.14를 대입하면

W1=0.01459L1²…(13)

가 된다.

또한, 제 1진동편의 회전관성력과 제 2진동편의 회전관성력을 일치시키는 조건을 생각하면,

L1²·W1·h·Z1=L2²·W2·h·Z2를 만족시키면 된다. 이제, 제 1진동편과 제 2진동편의 Z방향 진폭의 비, 즉 Z1:Z2를 4:5로 하고, W2로써 0.12mm를 선택하면,

L1²·W1=4.14·0.12·5/4…(14)

가 된다.

상기 (13)식 및 (14)식을 풀면, W1=0.194, L1=3.64가 된다. 또한, 실제로는 여진과 검출의 주파수를 맞추기 위하여 FEM으로 해석을 행하고, W1=0.2, L1=3.69로 하였다. 도 7의 치수도는 이상의 결과를 나타낸 것이다.

이같이 하여 설계된 진동자를 제작하여 진동실험을 행하였던 바, 제 1진동편의 X방향 고유진동수와 제 2진동편의 Z방향 고유진동수의 차(△f)가 150Hz이고, 회전관성력의 맞춤정도를 표시하는 A/B의 값이 0.1 보다 작은 값으로 되었다. A/B는 진동편 선단의 Z방향 최대변위량(B)에 대한 진동편 근본부의 Z방향 최대변위량(A)의 비를 표시한 것으로, 작을수록 회전관성력의 맞춤정도가 높다고 할 수 있다.

도 8은 A/B값과 Z방향진동의 Q값과의 관계를 나타내는 특성도이다. 세로축은 A/B=0의 이상적인 진동자를 기준으로 했을 때의 Z방향진동의 Q값의 변화량을 백분율로 나타내고 있고, 가로축은 A/B값을 나타내고 있다. 또, 이때의 X방향 고유진동수와 Z방향 고유진동수의 차(△f)는 여진주파수의 1/100이다. 이 특성도로부터 A/B의 값이 크게 되면 외부로의 진동누출이 커지고, 수직진동의 Q값이 낮아지는 것을 알 수 있다. Q값의 저하는 각속도 검출장치로서의 감도를 저하시키게 된다. 그래서, 회전관성력 맞춤을 어느 정도까지 행할지, 즉 A/B의 값을 어는 정도까지 허용할지가 문제로 된다. 상기한 실시예에서는 A/B가 0.1이고, 도 8에서 판단하면 Q값이 이상적인 진동자의 Q값에 대하여 -10% 정도의 낮은 값이 되지만, 이것을 자동차의 자세제어를 위한 요레이트센서로서 사용하였던 바, 충분히 만족할 수 있는 감도를 얻을 수 있었다.

다음에, 여진용 진동편인 제 1진동편(12,13)에 있어서의 X방향진동의 Z방향 진동으로의 진동누출에 대하여 설명한다. 진동자(10)는 수정의 Z판을 에칭가공하여 제작하는 것인데, 각 진동편 측면에는 에칭의 이방성을 위하여 Y방향으로 뻗는 봉우리가 남아버린다. X방향 진동의 Z방향진동으로의 진동누출이 생기는 것은 이때문이다.

한편, 본 실시형태에서는 제 1진동편의 X방향 고유진동수와 제 1및 제 2진동편의 Z방향의 연성고유진동수가 가까운 값이 되도록 설계되어 있다. Z방향의 연성고유진동수는 진동응력이 비교적 큰 가늘고 긴 제 2진동편의 Z방향 고유진동수에 가깝다. 환언하면 제 1진동편의 Z방향 고유진동수와 X방향 고유진동수는 비교적 이격되어 있다. 그때문에, 제 1진동편에서의 X방향진동과 Z방향진동과의 커플링이 약하고, X방향 여진진동의 Z방향진동으로의 누출이 적다. 이 누출진동은 코리올리의 힘에 의한 진동의 검출을 고려하면 노이즈라고 할 수 있으며, 따라서 적으면 적을수록 검출감도를 높일 수 있다.

제 1진동편(12,13)의 X방향 고유진동수와 Z방향 고유진동수의 차는 진동편 두께(D)와 폭(W)과의 차에 기인한다. 도 9는 두께(D)와 폭(W)의 비 W/D와, X방향으로 여진했을 때의 Z방향성분 비율 H/C의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프는 두께 0.3mm의 수정기판과 길이가 같고 폭(W)이 다른 복수의 진동편을 설치하고, X방향으로 진동시켰을 때의 Z방향 진동성분을 측정한 것이다. 이 그래프로 알 수 있듯이, W/D를 0.7 이하로 하면 급격히 진동누출이 감소됨을 알 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서는 W가 0.2, D가 0.3이기 때문에 W/D가 0.67이 되고, 진동누출이 매우 적은 것을 알 수 있다.

다음에, 본 발명의 제 2실시형태를 설명한다. 제 2실시형태의 진동자의 기본구조는 도 1A에 도시된 제 1실시형태의 진동자(10)와 동일하다. 즉, X축방향으로 연재하는 진동자 기체와, 진동자 기체로부터 +Y방향으로 뻗고, 상대적으로 굵고 짧은 2개의 제 1진동편과, 진동자 기체로부터 각각 제 1진동편과 동축상에서 -Y방향으로 뻗는 상대적으로 가늘고 긴 2개의 제 2진동편과, 2개의 제 2진동편 사이에 있어서 진동자 기체로부터 -Y방향으로 뻗는 지지봉과, 지지봉 단부에 설치된 고정판이 수정의 단결정 기판으로 일체구성되어, 진동자를 형성하고 있다. 그리고, 제 1진동편의 Z방향 진동에 따른 진동자 기체와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력과, 제 2진동편의 Z방향진동에 따른 진동자 기체와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력을 대략 같게하고 있다.

이 제 2실시형태가 제 1실시형태와 상이한 것은 가늘고 긴 제 2진동편을 X방향으로 여진하는 점이다. 코리올리의 힘에 의해 발생한 Z방향 진동은 제 1실시형태와 동일하게 제 2진동편으로 검출한다. 즉, 이 진동자에서는 X방향여진과 Z방향진동검출을 동일 진동편으로 행한다. 그때문에 제 1실시형태에서 설명한 여진용 전극(21∼24, 31∼34)와 같은 것이 제 2진동편 선단측에 설치되고, 검출용전극(25∼27, 35∼37)과 같은 것이 제 2진동편의 근본측에 설치되어 있다.

이 실시형태에서는 제 2진동편의 X방향 고유진동수와 제 1 및 제 2진동편이 Z방향 연성고유진동수를 거의 일치시키도록 설계하게 되는데, Z방향 연성고유진동수는 제 1실시형태에서 설명한 바와 같이 가늘고 긴 제 2진동편의 Z방향 고유진동수에 가까운 값이다. 즉, 제 2진동편의 X방향 고유진동수와 Z방향 고유진동수가 가까운 값으로 되어 있다. 따라서, 제 2진동편 내에서의 커플링(진동의 전달성)이 강하고, Z방향의 진동에너지는 동일한 제 2진동편 내의 X방향진동으로부터 전달된 것이므로, 비교적 용이한 Z방향 고유진동수 해석에 의해 제 1진동편과 제 2진동편의 회전관성력을 일치시킬 수 있다. 또, 이 실시형태에 의하면, 여진 및 검출의 어느쪽에도 직접 사용되는 일이 없는 제 1진동편을 매스 조정함으로써 Z방향의 연성고유진동수를 조정할 수 있다. 또한, 여진과 검출이 다른 진동편의 경우는 양 진동편 사이에서 진동전달이 개재되기 때문에 전달의 온도특성 등의 영향을 받기 쉬우나, 본 실시형태의 진동자는 검출용 진동편과 여진용 진동편이 동일하기 때문에 온도변화등의 영향을 받기 어렵고, 검출의 신뢰성이 높다.

다음에, 구체적인 치수설계의 수순을 설명한다. 우선, 제 2진동편의 길이(L2)와 폭(W2)을 결정한다. 여기서는 L2=6mm, W2=0.25mm로 한다. 이것을 다음식(15)에 대입하여 X방향 고유진동수를 계산한다.

여기서, E는 수정의 종탄성계수, r은 수정의 밀도, λn은 1차진동의 정수, g은 중력가속도이고, 수정의 재료정수등에서 E=7.99×10⁹kg/㎡, r=2.65×10³kg/㎥, λn=1.85, g=9.8이다. 이들도 함께 대입하면 fn=5938.7Hz가 된다.

다음에, Z방향의 진동에 대하여 생각한다. 이 진동자에서는 기술한 바와 같이 제 2진동편의 X방향 고유진동수와 Z방향 고유진동수를 가깝게 하고 싶다. 이론적으로는 폭과 두께가 같은 진동편, 즉 단면형상이 정사각형인 진동편으로 하면 X방향 고유진동수와 Z방향 고유진동수가 일치하는데, 경험적으로 가령 진동자 기체로부터 2개의 진동편이 돌출하는 음차(音叉)형상일 때는 폭의 약 6/5로 두께를 설정하면 X방향고유진동수와 Z방향고유진동수가 일치한다는 것을 알고 있다. 따라서, 두께는 0.3mm가 된다.

이로서 제 2진동편 형상은 결정되고, 다음에 제 1진동편 형상을 결정한다. 진동자 전체를 단일 수정기판으로 구성하기 때문에 두께는 0.3mm로 이미 결정되어 있고, 길이(L1)와 폭(W1)을 결정할 필요가 있다. 도 10은 제 1 및 제 2진동편 길이비 L1/L2와 폭비 W1/W2의 관계에 있어서, 제 1진동편과 제 2진동편과의 회전관성력이 일치하는 조건을 표시한 것이다. 본 실시예에서는 가늘고 긴 제 2진동편의 길이(L2)를 6.0mm, 폭(W2)을 0.25mm로 설정했기 때문에 가령, 굵고 짧은 제 1진동편의 길이(L1)를 5.5mm로 했다고 하면 길이비 L1/L2는 5.5/6=0.917이 된다. 이것을 도 10에 끼워맞추면 회전관성력이 일치하는 것은 폭비 W1/W2가 2.05이고, W1은 0.51mm가 된다. 도 11은 이같이 하여 치수설계된 진동자의 치수가 표시된 평면도이다.

이 제 2실시형태에서는 제 2진동편을 X방향으로 여진하면서, 같은 제 2진동편의 Z방향 진동을 검출하고 있으나 그 변형예로서 검출전극을 제 1진동편에 그대로 이동하여 설치함으로써 제 2진동편 여진 및 제 1진동편 검출의 진동자를 사용한 각속도 검출장치를 제공할 수 있다.

이 변형예에 따르면, 제 1실시형태와 동일하게 여진용 진동편과 검출용 진동편이 다르기 때문에 여진용, 검출용 전극을 크게 취할 수 있다는 점에서 효율이 좋다. 또, 1개의 진동편 상의 배선수가 제 2실시형태의 기본형과 비교하면 적기 때문에 배선이 쉽고 소형화가 용이하다. 게다가 배선의 콘덴서 성분등의 영향에 따른 신호의 크로스토크를 적게할 수 있다. 또한, 검출용 전극은 이상적으로는 Z방향의 진동밖에 검출하지 않으나 실제는 X방향에도 약간의 감도가 있기 때문에 검출과 여진이 동일진동자인 제 2실시형태의 기본형과 비교하면 X방향 진동이 검출용 진동자에 얹혀 있지 않은 본 실시예 쪽이 전극감도의 점에서 S/N이 높다.

이상의 제 1실시형태 및 제 2실시형태의 어느쪽에 있어서도 제 1 또는 제 2진동편의 어느 하나를 X방향으로 여진하는 것이나, 그 X방향진동을 진동자 기체를 끼운 다른쪽 진동편에는 가급적 전달하지 않는 것이 바람직하다. 이같은 관점에서 진동자의 형상에 대하여 연구를 행한 결과, 진동자 기체 중앙부에 Z방향으로 관통하는 구멍을 형성하면 제 1진동편과 제 2진동편 사이의 X방향진동의 전달이 억제된다는 것이 분명해졌다. 한편, Z방향진동은 서로 대향하는 제 1진동편과 제 2진동편을 연성진동시킬 필요가 있기 때문에 제 1진동편과 제 2진동편은 진동자 기체를 개재시키면서도 일체화되어 있는 것이 바람직하다. 그래서, 이것을 달성하기 위하여 관통구멍의 X방향 폭은 2개의 제 1진동편의 내측벽 간격 및 2개의 제 2진동편의 내측간격의 어느 것보다도 좁은 것이 바람직하다. 관통구멍을 이같은 치수로 하여 그 중심을 진동자 기체 중심과 일치시키면 제 1진동편과 제 2진동편이 진동자 기체를 통하여 대략 직선적으로 연속하여 강한 연성이 얻어진다.

또, 제 1 및 제 2실시형태에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1진동편(12)과 제 2진동편(14)의 길이방향(Y방향)의 축이 대략 일치하고 있고, 제 1진동편(13)과 제 2진동편(15)의 길이방향(Y방향)의 축이 대략 일치하고 있으나, 도 12에 도시된 바와 같이 서로 대향하는 제 1진동편과 제 2진동편의 길이방향 축을 평행성을 유지한 채 XY평면상에서 엇갈리게 하여도 된다. 이와 같이 구성하면 X방향 진동의 전달을 더욱 강하게 저지할 수 있다. 도 12에서는 진동자 기체 중심에서 제 1진동편의 Y축까지의 거리를 A, 제 2진동편의 Y축까지의 거리를 B로 하면 A＞B로 한 것이나, 역으로 A＜B로 하여도 동일하게 X방향 진동을 강하게 저지할 수 있다.

또한, 제 1 및 제 2진동편의 관성질량을 각각 M1 및 M2, 제 1 및 제 2진동편의 진폭을 P1 및 P2로 하고, 진동자 중심축(Y방향 중심축)에서 회전하지 않도록 진동편의 관성질량을 설정하여 진동밸런스를 맞추고 A＞B로 하면, 제 2진동편의 진폭을 A=B일때 보다 크게 할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제 3실시형태를 설명한다. 진동자의 기본구성은 도 13에 도시된 바와 같이 제 1및 제 2실시형태와 동일하고, 진동자 기체(11)로부터 +Y방향으로 돌출하는 굵고 짧은 2개의 제 1진동편(12,13)과, -Y방향으로 돌출하는 가늘고 긴 2개의 제 2진동편(14,15)을 가지며, 제 1진동편(12,13)의 Z방향 진동에 의한 진동자 기체(11)와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력과, 제 2진동편(14,15)의 Z방향 진동에 의한 진동자 기체(11)와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력을 대략 같게한 것이다. 또, 지지봉(16)과 고정대(17)의 배치도 기본적으로는 제 1및 제 2실시형태와 같다.

제 1 및 제 2실시형태와의 상이점은 여진방향이고, 제 1 및 제 2실시형태에서는 여진은 항상 X방향이었으나 본 실시형태에서는 2개의 제 2진동편을 서로 역상으로 Z방향으로 여진하는 것이다. 이 좌우역상의 Z방향여진을 단순히 행할 경우, 즉 단순한 자(自)여진을 행하면 제 1진동편과 제 2진동편이 연성진동하나, X방향 여진일때의 Z방향 여진과는 다르고, 쌍이 된 제 1 및 제 2진동편의 위상이 동상이 되는 현상이 생긴다. 본 발명은 제 1진동편과 제 2진동편이 Z방향에 대하여 서로 역상으로 진동했을 때의 진동자 기체의 Z방향 요동을 회전관성력을 맞추는 것으로서 방지하고, 이에 의해 코리올리의 힘에 의한 진동누출을 방지하여 검출정밀도를 높이고자 하는 것이므로 제 1및 제 2진동편이 동상으로 진동할 경우는 본 발명은 유효하지 않다. 그래서, 본 실시형태에서는 여진수단에 위상에 관한 피드백방식을 채용하여 쌍이 된 제 1진동편과 제 2진동편이 역상이 되도록 여진한다.

이 실시형태에서는 제 2진동편을 Z방향으로 여진하고, 이 진동을 제 1진동편에 전달한다. 이 상태로 진동자가 Y축에 평행인 축을 중심으로 하여 회전하면 코리올리의 힘에 의해 제 1진동편에 X방향 진동이 발생하는 것으로 이 진폭을 검출하고, 검출결과로부터 회전각 속도를 연산에 의해 구하는 것이다.

도 14A 및 도 14B는 각각 제 1 및 제 2진동편에 설치된 전극을 도시한 도면이고, 도 15는 이들 전극에 접속된 여진 및 검출을 위한 회로를 도시하는 도면이다.

도 14B는 제 2진동편(14,15)을 Z방향으로 여진시키기 위한 전극을 나타내고, 제 1실시형태의 검출전극과 동일한 전극배치로 되어 있다. 동도면에 있어서, P+단자(101)에 정의 전위, P-단자(102)에 부의 전위가 인가되면 제 2진동편(14) 상반부에는 전극 110에서 112로 향하는 전계가 생기고, 하반부에는 전극 111에서 113으로 향하는 전계가 생긴다. 그리되면, 수정의 압전효과에 의해 상반부는 Y방향으로 신장하고 하반부는 Y방향으로 수축되기 때문에 제 2진동편(14)은 -Z방향(하향)으로 굴곡한다. 한편, 제 2진동편(15)에는 제 2진동편(14)과 역이 극성의 전압이 인가되기 때문에 +Z방향으로 굴곡한다. 따라서, 단자(101,102)의 극성을 번갈아 교체하면 제 2진동편(14,15)은 서로 역상으로 Z방향으로 진동한다.

도 14A는 제 1진동편(12,13)의 Z방향 및 X방향진동을 검출하기 위한 전극을 나타내며, 각 진동편에 각각 Y방향으로 연재하는 6개의 전극이 설치되어 있다. 즉 도시와 같이, 각 측면에 각각 1개씩 전극(121,122,131,132)이 설치되고, 각 상면 및 하면에 각각 2개씩 전극(123,125,124,126,133,135,134,136)이 설치되어 있다.

제 1진동편의 Z방향 굴곡(진동)은 전극(123∼126) 및 전극(133∼136)에 의해 검출한다. 제 1진동편(12)이 +Z방향으로 굴곡하면 상측반부가 Y방향으로 수축하고, 하측반부가 Y방향으로 신장한다. 수정의 압전효과에 의해 Y방향으로 수축하면 X방향의 유전분극이 생기고, Y방향으로 신장하면 역방향의 X방향의 유전분극이 생기고, 그 분극은 상면 및 하면에 집중한다. 이에 따라 전극(123,124)에 동극성 전하가 모이고, 전극(125,126)에는 그것과 반대 극성의 전하가 모인다. 이 전하량의 변화로부터 Z방향의 진동을 도 15에 도시된 신호처리회로에 의해 검출한다. 동일하게 제 1진동편(13)의 Z방향 진동은 전극(133∼136)의 전하량 변화로부터 Z방향 진동을 검출한다.

제 1진동편(12,13)의 X방향 굴곡(진동)은 모든 전극(121∼126) 및 전극(131∼136)에 의해 검출한다. X방향으로 굴곡하면 도 3A, 3B를 사용하여 설명한 역압전효과의 역의 메카니즘에 의한 압전효과에 의해 상하면에 동극의 전하가 모이고, 좌우측면의 전극에 그것과는 역극성의 전하가 모인다. 이 전하의 변화로부터 X방향의 진동을 도 15의 회로에 의해 검출한다.

다음에, 도 15의 여진 및 검출회로를 설명한다. 여진회로(201)는 단자(101,102)에 진동자(10)의 Z방향 연성고유진동수와 대략 일치한 주파수의 여진신호를 서로 역상으로 인가한다. 이에 따라, 제 2진동편(14,15)은 역상으로 Z방향으로 진동하고, 그 진동은 각각 쌍이 된 제 1진동편(12,13)에 전달된다. 제 1진동편의 Z방향 진동은 단자(105,107)에 동상으로 나타나는 전하의 변화(파형(220))와 단자(106,108)에 동상으로 나타나는 전하의 변화(파형(221))와의 차를 취함으로써 합성되고(파형(222)), 펄스성형회로(202)에 입력된다.

펄스성형회로(202)에서는 이것을 직사각형펄스(223)로 변환하여 제 1진동편(12,13)의 진동위상 정보로서 여진회로(201)에 입력시킨다. 여진회로(201)에서는 펄스성형회로(202)로부터 피드백 되는 직사각형펄스(223)와 역상의 위상으로 구동신호를 출력한다. 이에 따라 쌍이 된 제 1진동편과 제 2진동편이 서로 역상으로 연성진동한다.

제 1진동편이 Z방향으로 진동한 상태로 진동자(10)가 Y축에 평행한 축에 회전하면, 그 회전각속도(Ω)에 응한 진폭으로 제 1진동편이 X방향으로 진동하므로 이 X방향진동을 검출한다. 그 때문에, 단자(105,106)의 신호가 가산된 후에 단자(103)의 신호와의 차가 채용되고 제 2진동자(12)의 X방향 진동을 나타내는 파형(230)이 된다. X방향진동은 실제는 거의가 여진진동의 누출성분이고, 거기에 각속도(Ω)에 응한 90도 위상이 엇갈린 코리올리의 힘에 의한 X진동이 중첩되어 있다. 동일하게, 단자(107,108)의 신호가 가산된 후에 단자(104)의 신호와의 차가 채용되는 제 2진동편(13)의 X방향 진동을 나타내는 파형(231)이 된다. 이 파형은 파형(230)과 180도 위상이 엇갈린 것이기 때문에 양 파형의 차를 취함으로써 제 2진동편(12,13)의 양쪽의 X방향진동을 맞춘 파형(232)이 얻어지고, 동기 검파회로(204)에 입력된다.

동기 검파회로(204)에서는 Z방향진동의 위상과 90도 위상이 엇갈린 펄스신호(224)를 위상변환회로(203)로부터 입력하고, 이 신호로 입력신호(232)를 동기검파하여 파형(233)을 얻는다. 입력신호(232)는 기술한 바와같이 여진의 누출성분과 코리올리의 힘에 의거한 성분과의 합성이고, 동기 검파회로(204)의 출력신호(232)는 코리올리의 힘에 의거한 성분이 전파정류된 것이다. 검출신호(232)의 대부분의 성분인 여진의 누출성분과 검파용 펄스(224)와는 위상이 90도 엇갈려 있으므로 파형(232)으로 표시한 바와같이 톱니형상 파형이 된다. 이 파형(233)을 적분회로(205)로 적분하면, 여진의 누출성분은 제로가 되고, 코리올리의 힘에 의한 X성분만 남는다. 이 신호는 오프셋 제거회로(206)로 오프셋성분이 제거되고, 증폭회로(207)로 증폭되어 단자(208)로부터 출력된다.

이같이 하여 단자(208)에서 얻어지는 코리올리의 힘에 의한 X방향의 진동진폭을 나타내는 신호는 다시 도시생략한 각속도 연산회로에 부여되고, Y축에 평행인 축을 중심으로 한 회전의 각속도(Ω)를 F=2mV·Ω의 관계에 의거하여 산출한다.

다음에, 본 실시형태의 각속도 검출장치에 사용되는 진동자(10)의 치수설계 방법을 설명한다.

우선, 제 2진동편(14,15)의 Z방향 고유진동수(fn)를 결정한다. 제 1실시형태의 설명에서 사용한 (12)식을 적용하면 되고, 여기서는 제 2진동편의 길이(L2)를 6mm로 하고, 수정기판의 두께(h)를 0.4mm로 한다. 또한, 진동편의 Z방향 진동은 단일 진동자라 생각할 경우, 실제 두께의 5/6의 두께의 진동자로서 계산하면 계산결과와 실제의 고유진동수가 잘 합치하는 것을 경험적으로 알고 있기 때문에 h는 0.33mm로 한다. 이 L2 및 h의 값과, 수정의 재료정수 등으로 결정되는 E=7.99×10⁹kg/㎡, r=2.65×10³kg/㎥, λn=1.85, g=9.8을 아울러 (12)식에 대입하면 fn=7839Hz가 얻어진다. 즉 제 2진동편은 약 7.8kHz의 고유진동수를 갖게 된다.

제 1 및 제 2진동편에 의한 Z방향의 연성고유진동수는 제 1진동편 보다 가늘고 길기 때문에 응력이 큰 제 2진동편의 고유진동수와 가까운 값이 된다. 그래서 다음에 제 1진동편의 X방향 고유진동수를 Z방향의 연성고유진동수 즉, 제 2진동편의 Z방향 고유진동수와 접근시킨다. 그것을 위하여는,

W1/L1²=h/L2²

를 만족시키면 된다. 여기서, W1, L1은 각각 제 1진동편의 폭 및 길이이다. h=0.33, L2=6을 대입하면

W1=0.00926L1²

이 된다. 여기서, L1이 L2보다 작다는 조건하에서 임의의 길이를 설정한다. 이제, L1=5.8로 하면 W1은 0.312가 된다.

다음에, 제 1 및 제 2진동편의 길이비 L1/L2와 폭비 W1/W2의 관계에 있어서, 제 1진동편과 제 2진동편과의 회전관성력이 일치하는 조건을 도시한 도 10의 그래프를 적용하여 제 2진동편의 폭(W2)을 구한다. L1/L2=5.8/6=0.967이기 때문에 이것을 도 10에 도시한 회전관성력 일치조건의 그래프에 적용시키면, W1/W2=1.75가 된다. 따라서, W2=0.312/1.75=0.178이 된다.

이상으로 제 1 및 제 2진동편의 길이, 폭, 두께가 결정되었다. 정리하면, W1=0.312, W2=0.178, L1=5.8, L2=6, h=0.33이 된다.

그런데, 이들 수치를 더 정밀하게 산출하기 위하여 일반적으로는 컴퓨터의 의한 FEM 해석에 의해 계산한다. 이 방법에 따르면 진동자 기체를 포함한 복잡한 형상의 진동자에 있어서도 정밀도 좋게 계산할 수 있다. L1=5.8, L2=6, h=0.3을 조건으로 하여 계산한 대로 W1=0.316, W2=0.207이 되었다. 도 13에는 FEM해석의 결과 얻어진 치수가 mm단위로 기입되어 있다.

본 실시형태는 진동편을 Z방향으로 여진하고, 코리올리의 힘에 의해 발생한 X방향 진동을 검출하는 것으로, 그것을 위하여 제 2진동편을 Z방향으로 여진하고, 제 1진동편의 X방향진동을 검출하고 있다. 그러나, 여진 및 검출의 진동편을 각각 제 2진동편 및 제 1진동편에 한정하는 것은 아니다. 즉, 제 2진동편을 Z방향으로 여진하고 같은 제 2진동편의 X방향 진동을 검출하는 것이라도 좋고, 제 1진동편을 Z방향으로 여진하고, 제 2진동편의 X방향진동을 검출하는 것이라도 좋다.

다음에, 본 발명의 제 4실시형태를 도 16A, 16B와 함께 설명한다. 도 16A는 진동자(10)의 평면도이고, 진동자(10)의 기본구조는 제 1 내지 제 3실시형태와 동일하다. 즉, 진동자 기체(11)로부터 +Y방향으로 돌출하는 굵고 짧은 2개의 제 1진동편(12,13)과, -Y방향으로 돌출하는 가늘고 긴 2개의 제 2진동편(14,15)을 가지며, 제 1진동편(12,13)의 Z방향 진동에 의한 진동자 기체(11)와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력과, 제 2진동편(14,15)의 Z방향 진동에 의한 진동자 기체(11)와의 결합부를 지점으로 한 후기하는 고차진동모드에서의 회전관성력을 대략 같게한 것이다. 또, 지지봉(16)과 고정대(17)의 배치도 기본적으로는 제 1 내지 제 3실시형태와 같다.

제 1 내지 제 3실시형태와의 상이점은 제 1진동편 보다 가늘고 긴 제 2진동편을 2차 진동모드로 진동시키는 점이다. 이 실시형태에서는 제 1진동편(12,13)을 X방향으로 서로 역상으로 여진시킨다. 그리하면 진동자의 회전에 따라 발생한 코리올리의 힘에 의해 제 1진동편에 Z방향의 진동이 생긴다. 이 코리올리의 힘에 의한 제 1진동편의 Z방향 진동은 쌍으로 된 제 1진동편과 제 2진동편이 Z방향의 진동에 대해서는 연성하는 것으로 제 2진동편에 전달된다. 또, 제 1진동편의 Z방향의 누출진동도 제 2진동편에 전달된다. 여진주파수 및 진동편 치수는 제 2진동편의 Z방향 진동이 2차의 진동모드가 되도록 결정되어 있으며, 따라서, 당연한 일이지만 제 2진동편은 2차진동모드로 Z방향으로 진동한다. 제 2진동편(14,15)의 Z방향 진동은 제 1진동편(12,13)에 대한 X방향 여진이 서로 역상이기 때문에 역상이 된다.

도 16B는, 도 16A의 진동자(10)를 X방향에서 본 측면도로서, 진동편의 Z방향의 진동상태를 나타내는 것이다. 동도면에서는 좌측에 쌍이 된 제 1진동편(12) 및 제 2진동편(14)을 실선으로 도시하고, 우측에 쌍이 된 제 1진동편(13) 및 제 2진동편(15)을 파선으로 도시하고 있으며, 제 1진동편(12)이 +Z방향으로 진동하고, 제 1진동편(13)이 -Z방향으로 진동하고 있을 때의 상태를 도시하고 있다. 이때, 제 2진동편(14,15)은 2차 진동모드로 진동하고 있기 때문에, 제 2진동편(14)은 선단이 +Z방향으로, 중앙부근이 -Z방향으로 진동하고 있다. 제 2진동편(15)은 반대로 선단이 -Z방향으로, 중앙부근이 +Z방향으로 진동하고 있다.

진동자(10)의 제 1진동편(12,13)에 설치하는 X방향 여진용 전극을 제 1실시형태의 여진용 전극과 동일하게 배치하면 된다. 또, 제 2진동편(14,15)에 설치하는 Z방향 진동의 검출용 전극은 제 1실시형태와 동일한 전극을 Y방향에 있어서 엇갈리게 배치한다. 즉, 검출용 전극은 진동에 의한 내부응력이 강하게 나타나는 위치에 설치하는 것이 바람직하므로 제 1실시형태에서는 근본측에 설치하였으나 본 실시형태에서는 그것을 중앙부근으로 엇갈리게 하여 2차진동의 복부부분에 위치하도록 설치하고 있다.

다음에, 본 실시형태의 진동자(10)의 치수설계방법을 설명한다. 우선, 제 2진동편의 Z방향의 2차 고유진동수(fn2)를 결정한다. 고유진동수(fn2)는 제 1실시형태에서 사용한 (12)식의 1차 진동정수(λn)를 2차진동정수(λn2)로 치환한 다음식에 의거하여 결정된다.

여기서, E는 수정의 종탄성계수, r은 수정의 밀도, λn2는 2차진동의 정수, g은 중력가속도, L2는 제 2진동편의 길이, h는 진동편의 두께(진동자의 두께)이다.

수정의 재료정수에서

E=7.99×10⁹kg/㎡

r=2.65×10³kg/㎥

λn=4.694

g=9.8

이다. 이들 수치와 적당히 선택한 h 및 L2의 수치를 상기 (16)식에 대입하면 제 2진동편의 Z방향의 2차고유진동수(fn2)가 정해진다.

다음에 이 Z방향의 2차고유진동수(fn2)와 제 1진동편의 X방향 고유진동수(fn)를 같게 하는 조건을 생각한다. 제 1진동편의 X방향 고유진동수(fn)는,

로 부여된다. 여기서 W1 및 L1은 제 1진동편의 X방향 폭 및 길이이다.

헌데, fn2=fn을 계산하면,

W1/L1²=(λn2²/λn²)·h/L2²=6.267 h/L2²

가 얻어진다.

h 및 L2는 모두 적당한 값이 선택되어 있으므로, W1/L1²의 값은 정수가 된다.

최후로, 제 1진동편의 회전관성력과 제 2진동편의 회전관성력을 일치시키는 조건을 부여하여 W1 및 L1을 결정하면 된다.

이 제 4실시형태에 따르면, 1차진동모드의 경우(제 1실시형태)와 비교하여 제 1진동편과 제 2진동편의 길이비가 커지기 때문에 제 1진동편과 제 2진동편의 X방향 고유진동수 차가 커지고, 양 진동편간의 진동전달이 한층 강하게 차단된다. 그 때문에, 제 2진동편은 순수하게 Z방향만의 진동이 되어 검출정밀도가 높다.

또, 2차진동의 내부응력 집중부가 진동편 중앙부가 되기 때문에 검출전극이 진동편 중앙부가 된다. 중앙부에의 전극형성은 근본부에의 형성과 비교하여 용이하다. 이것은, 진동자는 기판을 에칭가공하여 제작하는 것이지만, 결정방위의 관계로부터 진동편의 근본부 형상은 불안정한데 비해, 중앙부는 안정되기 때문이다. 이 제 4실시형태에서는 제 2진동편의 2차진동모드를 이용하였으나 3차이상의 고차의 진동모드를 이용하여도 된다. 제 4실시형태는 제 1진동편을 X방향으로 1차진동모드로 여진하고 제 2진동편의 Z방향의 2차진동모드에서의 진동을 검출하는 것이나, 제 2진동편을 X방향으로 1차진동모드로 여진하는 동시에 제 2진동편의 Z방향 진동을 2차진동 모드로 할 수도 있다. 그 경우, 제 2진동편의 폭을 2단계로 하여, 근본측을 선단측 보다 넓게 하고, 여진용 전극을 선단측의 폭이 좁은 부분에 설치하고, 검출용 전극을 근본측의 폭이 넓은 부분, 또는 제 1진동편에 설치하는 것이 고려된다. 진동자를 이같은 구조로 하면, X방향 진동(여진)에 대해서는 폭이 좁은 부분의 Y방향 길이가 제 2진동편의 실질적인 길이가 되고, Z방향의 진동에 대해서는 제 2진동편 전체 길이가 실질적인 길이가 되므로 동일진동편으로 X방향 진동을 1차진동모드, Z방향 진동을 2차 진동모드로 할 수 있다.

이 제 4실시형태의 변형예에 따르면, 폭의 비를 바꿈으로써 두께와 횡폭의 비를 어느 정도 자유롭게 선택할 수 있다. 따라서, 에칭가공이 용이한 얇은 수정기판을 채용할 수 있다.

상술한 제 1∼제 4실시형태는 모두 2개의 제 1진동편과 2개의 제 2진동편을 갖는 진동자 즉, 진동자 기체를 끼우고 대략 동축상에서 돌출한 제 1진동편과 제 2진동편의 쌍을 2조 구비한 것이다. 그러나, 본 발명은 여기에 한정되는 것은 아니고, 제 1진동편 및 제 2진동편으로 되는 진동편 쌍이 최저 1조 있으면 진동자로서의 기능을 발휘할 수 있고, 제 1진동편의 Z방향 회전관성력과 제 2진동편의 Z방향 회전관성력이 일치해 있으면 진동자 기체가 Z방향으로 진동하지 않는다고 하는 본 발명 특유의 작용을 나타낸다.

또, 진동자로서 수정의 단결정 기판이 사용되었으나 다른 압전재료, 가령 티탄산질콘산 합금(PZT), 니옵산리튬, 탄탈산리튬 등이라도 관계없다. 또한, 진동자를 스텐레스와 같은 단순한 진동자로 하고 전극 대신 압전체에 의한 여진수단을 사용하여 진동시켜도 좋다.

이상과 같이, 본 발명의 각속도 검출장치에 따르면 제 1진동편의 회전관성력과 제 2진동편의 회전관성력이 대략 같기 대문에, 양 진동편이 Z방향에 있어서 서로 역상으로 진동할 경우, 양 진동편의 Z방향의 진동의 지점이 되어 있는 진동자 기체가 Z방향으로 요동하는 일이 없다. 따라서, 진동자 기체로 부터의 진동누출이 적고, 코리올리의 힘에 의해 생긴 진동진폭이 감쇠되지 않기 때문에 그 진동을 고감도로 검출할 수 있다. 즉, 각속도(Ω)의 검출정밀도가 높아진다.

Claims (11)

1. XYZ 3차원 좌표공간에 있어서, XY평면상의 X방향으로 연재하고 각속도를 검출해야할 피검출체에 고정되는 진동자 기체와, 이 진동자 기체로부터 +Y방향으로 돌출하고 X방향의 제 1고유진동수를 갖는 제 1진동편과, 상기 진동자 기체로부터 -Y방향으로 돌출하고 상기 제 1고유진동수와 상이한 X방향의 제 2고유진동수를 갖는 제 2진동편을 갖는 진동자와, 상기 제 1 또는 제 2진동편중 어느 하나를 Z방향 또는 X방향으로 여진하는 여진수단과, 상기 제 1 또는 제 2진동편에 있어서의 상기 여진수단에 의한 진동의 여진방향과 Y방향과의 쌍방에 직교하는 진동의 진폭을 검출하는 검출수단과, 상기 검출수단에 의해 검출된 진폭의 크기로부터 Y방향을 축으로 하는 회전각속도를 연산하는 각속도 연산수단을 구비하고,

   상기 여진수단에 의해 상기 제 1 또는 제 2진동편을 여진했을 때에 상기 진동자 기체가 Z방향으로 진동하지 않도록 상기 제 1 및 제 2진동편의 형상치수가 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2진동편의 형상치수는 상기 여진수단에 의해 상기 제 1 또는 제 2진동편을 여진했을 때의 상기 제 1진동편의 Z방향진동에 의한 상기 진동자 기체와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력과, 상기 제 2진동편의 Z방향 진동에 의한 상기 진동자 기체와의 결합부를 지점으로 한 회전관성력이 대략 같아지도록 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1진동편과 상기 제 2진동편의 쌍이 상기 진동자 기체에 대하여 2조 설치되어 있고, 상기 진동자 기체는 지지봉을 통하여 상기 피검출체에 고정되어 있고, 이 지지봉은 상기 2조의 진동편 쌍의 한쪽 진동편 쌍과 다른쪽 진동편 쌍 사이에 있어서 상기 진동자 기체로부터 Y방향으로 뻗어 그 선단이 상기 피검출체에 고정되는 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 상기 제 2진동편은 상기 제 1진동편 보다 가늘고 긴 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 상기 여진수단은 상기 제 1진동편을 X방향으로 여진시키는 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 여진수단은 상기 2개의 제 1진동편을 X방향으로 서로 역위상으로 여진시키는 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
7. 제 3 항에 있어서, 제 1진동편의 X방향의 폭(W)은 Z방향 두께(D)의 0.7배 이하인 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
8. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 상기 여진수단은 상기 제 1진동편 또는 제 2진동편중의 어느 하나를 Z방향으로 여진시키는 것이고, 상기 제 1진동편의 Z방향 진동과 상기 제 2진동편의 Z방향진동이 서로 역상이 되도록 상기 여진의 위상을 조정하는 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
9. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 상기 쌍으로 된 상기 제 1진동편과 제 2진동편의 각각의 길이방향 중심축이 서로 엇갈려 있고, 상기 여진수단에 의해 상기 제 1 또는 제 2진동편을 여진했을 때의 상기 진동자 기체의 상기 피검출체에 대한 고정부를 지점으로 하는 상기 제 1진동편의 회전관성력과 상기 제 2진동편의 회전관성력이 동일한 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
10. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 여진수단에 의한 여진주파수를 상기 제 1진동편 또는 제 2진동편중 어느 하나의 Z방향의 고차진동모드의 고유진동수와 일치시킨 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한항에 있어서, 상기 진동자를 구성하는 상기 진동자 기체와 상기 제 1및 제 2진동편이 1매의 같은 두께의 기판으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각속도검출장치.