KR100361118B1 - 2축 각속도 검출용 진동자 및 이를 구비한 진동 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명의 진동자는 평판상의 진동체 및 진동체 외주의 대략 등간격의 4부분에서 진동체의 중심방향을 향해 형성되고 상기 진동체의 한쪽 주면으로부터 마주보는 주면으로 연장되는 4개의 노치를 구비한다. 또한 본 발명의 진동 자이로스코프는 상기 진동자를 포함하며, 더욱이 구동장치 및 검출장치를 포함한다.

Description

2축 각속도 검출용 진동자 및 이를 구비한 진동 자이로스코프{Vibrator for detecting angular velocities about two axes and vibrating gyroscope having the same}

본 발명은 진동 자이로스코프에 이용되는 진동자 및 그 진동자를 이용한 진동 자이로스코프에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 평행하지 않는 두 개의 축을 중심으로 하는 회전각속도를 검출할 수 있고, 비디오 카메라의 떨림 방지, 자동차의 항법 시스템(navigation system), 포인팅 디바이스(pointing device) 등에 이용되는 진동 자이로스코프에 이용되는 진동자 및 그 진동자를 이용한 진동 자이로스코프에 관한 것이다.

종래, 일반적으로 알려져 있는 음차형(tuning-fork type) 진동자 혹은 음편형(sound-piece type)의 진동자를 가지는 진동 자이로스코프는 단 하나의 1축 회전각속도 밖에 검출할 수 없다. 그러나, 최근, 고감도 및 고정밀도를 제공하기 위해, 2축 회전각속도를 검출할 수 있는 진동 자이로스코프가 요구되고 있다.

이 요구를 달성하기 위해, 본 발명의 출원인은 이미 이하에 설명하는 두 유형의 진동 자이로스코프를 제안하고 있다.

도 8은 일본국 무심사 특허공보 7-19878호에 공고된 진동 자이로스코프의 제 1 종래예를 도시한다.

이 진동 자이로스코프(100)는 삼각기둥 형상의 제 1 진동자(101) 및 삼각기둥 형상의 제 2 진동자(102)를 구비한다. 제 1 진동자(101)는 제 1 진동체(103)를 구비하며, 제 1 진동체(103)의 두 측면에는 2개의 제 1 압전소자(105)가 형성된다. 두개의 제 1 압전소자(105)중 하나만 도면상에 나타난다. 제 2 진동자(102)는 제 2 진동체(104)를 구비하며, 제 2 진동체(104)의 두 측면에는 두개의 제 2 압전소자(106)가 형성된다. 두개의 제 2 압전소자(106)중 하나만이 도면상에 나타난다.

제 1 진동자(101)는, 압전소자가 형성되어 있지 않은 제 1 진동체(103) 및 제 2 진동체(104) 각 표면의 거의 중앙 부근에서, 제 1 진동자(101)와 제 2 진동자(102)가 거의 직교하도록, 제 2 진동자(102)에 접합된다.

그러한 구조를 갖는 진동 자이로스코프(100)에서, 2개의 제 1 압전소자(105)와 2개의 제 2 압전소자(106)가 구동회로(도시안함)의 출력단에 접속된다. 또한, 2개의 제 1 압전소자(105)는 제 1 검출회로(도시안함)의 입력단에 접속된다. 더욱이, 2개의 제 2 압전소자(106)는 제 2 검출회로(도시안함)의 입력단에 접속된다.

이 진동 자이로스코프(100)에서, 동일한 구동신호가, 구동회로로부터 두개의 제 1 압전소자(105) 및 두개의 제 2 압전소자(106)로 입력되고, 제 1 진동자(101)및 제 2 진동자(102)는, 제 1 진동체(103) 및 제 2 진동체(104)의 접합면에 직교하는 방향으로 각각 굽힘진동한다.

이 상태에서, 제 1 진동자(101)의 축을 중심으로 하여 회전각속도가 가해진 경우, 진동방향과 직교하는 방향으로 코리올리힘(Coriolis force)이 발생한다. 이 코리올리힘에 의해, 제 1 진동자(101)의 진동방향이 변하고, 따라서 2개의 제 1 압전소자(105) 사이에 회전각속도에 따른 신호가 발생한다. 이 신호는 검출회로에서 검출하고, 제 1 진동자의 축을 중심으로 한 회전각 속도에 상당하는 검출신호를 출력한다.

마찬가지로, 제 2 진동자(102)의 축을 중심으로 하여 회전각속도가 가해진 경우, 2개의 제 2 압전소자(106) 사이에 회전각속도에 따른 신호가 발생한다. 이 신호를 검출회로에서 검출하고, 제 2 진동자의 축을 중심으로 한 회전각속도에 상당하는 검출신호를 출력한다.

따라서, 이 진동 자이로스코프(100)는 2개의 축을 중심으로 하는 두 회전각속도 즉, 제 1 진동자(101)의 축을 중심으로 하는 회전각속도와, 제 2 진동자(102)의 축을 중심으로 하는 회전각속도를 검출할 수 있다.

하지만, 상기 진동 자이로스코프(100)는 다음과 같은 문제점이 있었다. 먼저, 두 진동자의 공진주파수가 근접하여 있는 경우, 방해(맥놀이)가 일어난다. 따라서, 각각의 진동자로부터 가짜 각속도신호를 발생시킬 우려가 있다. 이는 각 진동자의 형상 등을 다르게 하는 등의 대책을 실행하여, 각각의 진동자로부터 구동 방향 및 검출방향으로 공진주파수를 충분히 분리하고, 그 차이를 성분으로 하는 맥놀이 주파수를, 예를 들면 저역필터 등을 이용함으로써 완전히 감쇠시키는 것을 필요로 한다.

두 종류의 진동자에 대해, 각각의 구동회로 및 검출회로가 요구되고, 1축 자이로스코프와 비교하여 2배의 회로가 필요하므로, 비용을 2배로 증가시키게 된다.

동일주파수 및 동일위상에서 진동자를 두 방향으로 여진시킴으로써 맥놀이를 해소할 수 있다. 즉, 구동방향에서 두 진동자의 두 공진주파수가 서로 완전히 일치하면 맥놀이가 해소될 수 있다. 하지만, 온도특성 등을 고려하여 두 공진주파수를 완전히 일치시키는 것은 불가능하다.

도 9는 일본국 무심사 특허공보 6-3153호에 공고된 진동 자이로스코프의 제 2 종래예를 도시한다.

진동 자이로스코프(110)는 원판 형상의 진동체(112)를 포함한다. 진동체(112)의 한쪽 주면에는 중심각이 약 45°인 선형의 압전소자(114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f, 114g, 114h)가 형성되고, 이들 압전소자(114a∼114h)는 회전각속도에 대응하는 신호를 얻기 위한 검출용으로 사용된다.

진동체(112)의 다른쪽 주면에는 원판형의 압전소자(116)가 형성되고, 진동체(112)를 굽힘진동시키기 위한 구동용으로 사용된다.

압전소자(114a, 114d) 및 압전소자(114e, 114h)는 제 1 검출회로(도시안함)에 접속되고, 압전소자(114b, 114g) 및 압전소자(114c, 114f)가 제 2 검출회로(도시안함)에 접속된다.

여기서, 진동체(112)의 주면에 직교하는 방향을 x축방향; x축방향과 직교하고 아울러 압전소자(114a, 114b, 114g, 114h)와 압전소자(114c, 114d, 114e, 114f)의 사이를 통과하는 방향을 y축방향; x축방향과 직교하고 아울러 압전소자(114a, 114b, 114c, 114d)와 압전소자(114e, 114f, 114g, 114h)의 사이를 통과하는 방향을 z축방향; 이라 정의한다.

압전소자(116)에, 구동회로(도시안함)로부터의 구동신호가 인가될 때, 진동체(112)는 원판형의 중심부가 x축방향으로 왕복운동하도록 진동하는 이른바 동심원모드로 진동한다.

이 상태에서 z축을 중심으로 회전각속도가 가해지면 y축방향으로 코리올리힘이 작용한다. 이에 따라, 압전소자(114a, 114d)에 발생한 전압과 압전소자(114e, 114h)에 발생한 전압 사이에 차이가 생기고, 이 차이를 제 1 검출회로에 의해 검출함으로써 z축을 중심으로 가해진 회전각속도를 얻을 수 있다.

마찬가지로, y축을 중심으로 회전각속도가 가해지면 z축방향으로 향해 코리올리힘이 작용한다. 이에 따라, 압전소자(114b, 114g)에 발생한 전압과 압전소자(114c, 114f)에 발생한 전압의 사이에 차이가 생기고, 이 차이를 제 2 검출회로에 의해 검출함으로써, y축을 중심으로 가해진 회전각속도를 얻을 수 있다.

따라서, 이 진동 자이로스코프(110)는, 두 방향의 축을 중심으로 한 두 회전각속도 즉, 진동체(112)의 y축을 중심으로 한 회전각속도와, z축을 중심으로 한 회전각속도를 검출할 수 있다.

단 하나의 진동체가 존재하고, 구동방향 및 검출방향의 공진주파수가 2축을 중심으로 서로 완전히 일치하는 모드에서 진동되기 때문에, 제 1 종래예에서 문제가 되었던 2축 공진주파수가 맥놀이한다는 점이 해결된다.

또한, 단지 하나의 구동회로로 충분하며, 제 1 종래예와 비교하여 회로의 비용이 절감된다.

제 2 종래예는 평판으로 이루어지는 평면구조이기 때문에, 제 1 종래예와 같은 3차원적 배치를 갖는 구조와 비교하여 가동성이 우수하다.

하지만, 제 2 종래예에서는, 평판상의 진동체의 수평 방향으로 발생하는 코리올리힘에 의해 압전소자의 굽힘변위의 변화가 검출된다. 일반적으로, 평판에 수평방향의 힘이 가해진 경우, 그 힘에 의한 평판의 변형은 매우 작고, 평판상의 진동체에 힘이 가해져도 평판의 변위는 작고, 따라서, 얻어지는 검출신호가 작은 것처럼, 압전소자의 굽힘변위 역시 작다. 따라서 저감도의 진동 자이로스코프밖에 얻을 수 없다.

따라서 본발명의 목적은, 상술한 종래예의 문제점들을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 고감도 및 고정밀도를 갖는 2축 각속도를 검출할 수 있는 진동 자이로스코프를 제공하는데 있다.

본 발명의 진동자는, 평판상의 진동체와, 진동체 외주의 4부분에서 대략 등간격의 진동체의 중심방향을 향해 형성되는 4개의 노치를 포함한다. 이 노치는 진동체의 한쪽 주면으로부터 마주보는 주면으로 연장된다.

본 발명의 진동 자이로스코프에는, 평판상의 진동체와, 진동체 외주의 대략 등간격의 4부분에서 진동체의 중심방향을 향해 형성되는 4개의 노치를 포함한 진동자를 이용하는 것으로, 이 노치는 진동체의 한쪽 주면으로부터 마주보는 주면으로 연장된다. 더욱이 진동 자이로스코프는 진동자를 2개의 노드축을 중심으로 진동시키기 위한 구동장치와, 진동자에 가해지는 제 1 회전각속도에 기인하는 코리올리힘에 의한 제 1 변위를 검출하기 위한 제 1 검출장치를 포함한다.

또한, 상기 진동 자이로스코프는 진동자에 가해지는 제 2 회전각속도에 기인하는 제 2 코리올리힘을 검출하기 위한 제 2 검출장치를 포함한다.

진동자의 평면내에서 서로 직교하는 두 방향으로 제 1 각속도 및 제 2 각속도가 인가되는 것이 유리하다.

더욱이, 4개의 노치들 중에서 서로 마주보는 두 노치 사이로 연장되는 두 축을 노드축으로 할 수 있다.

유리하게는, 4개의 노치들 중에서 서로 마주보는 두 노치 사이로 연장되는 축으로부터, 약 45°회전되는 2개의 축을 2개의 노드축으로 할 수 있다.

게다가, 진동자의 중심점 부근에서 진동자가 지지될 수 있다.

노치가 진동자 주위의 4방향에서 형성되기 때문에, 진동자는 면외방향 및 면내방향의 어느쪽에서도 쉽게 굴곡되고, 따라서 큰 진폭을 얻을 수 있게 되어, 진동 자이로스코프의 감도가 향상한다.

더욱이, 1개의 진동자에서 2축 각속도가 검출되기 때문에, 진동방향의 공진주파수가 두 진동방향의 공진주파수와 완전히 일치하는 진동모드를 이용할 수 있고, 2개의 축을 중심으로 한 공진주파수가 불일치한다는 문제는 발생하지 않는다. 따라서, 한 개의 진동자에서 2개의 축이 검출되기 때문에, 보다 우수한 정밀도의진동 자이로스코프가 형성된다.

진동자의 중심이 두 노드축의 교점이 되기 때문에, 진동자의 노드점은 진동자 중심부의 단지 한 점이 되고, 진동자의 중심 부근에서 진동자가 지지되면, 진동자의 진동을 저해하지 않고 안정된 진동자의 진동을 얻을 수 있고, 그 지지구조는 간소화된다.

본 발명의 이해를 돕기 위해, 도면을 참고하여, 바람직한 몇가지 형태를 제시하고, 본 발명의 다른 양태 및 이점을 설명하겠지만, 제시된 정확한 배열이나 수단으로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

도 1a는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 진동자 및 진동 자이로스코프를 위쪽에서 바라본 사시도,

도 1b는 도 1a의 진동자 및 진동 자이로스코프를 바닥쪽에서 바라본 사시도,

도 2는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 진동자 및 진동 자이로스코프의 평면도,

도 3은 도 2의 진동자 및 진동 자이로스코프의 x축방향 단면도,

도 4는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 진동 자이로스코프의 작용을 나타내는 회로설명도,

도 5는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 진동자 및 진동 자이로스코프를 위쪽에서 바라본 사시도,

도 6은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 진동자 및 진동 자이로스코프의 평면도,

도 7은 본 발명의 구현예에 따른 진동자 및 진동 자이로스코프의 지지 구조를 위쪽에서 바라본 사시도,

도 8은 진동 자이로스코프의 제 1 종래예를 나타내는 사시도,

도 9는 진동 자이로스코프의 제 2 종래예를 위쪽에서 바라본 사시도이다.

*주요부분에 대한 부호의 설명*

10, 20…진동 자이로스코프 11…진동자

12…진동체 13…검출용 압전소자

17…구동용 압전소자 21, 22, 23, 24…노치

N1, N2, N3, N4…노드축 80…지지부재

이하, 본 발명의 구현예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a, 도 1b, 도 2 및 도 3은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 진동자 및 그 진동자를 이용한 진동 자이로스코프를 나타낸다. 진동 자이로스코프(10)는 거의 정사각형의 판상 진동자(11)를 포함한다. 진동자(11)는 진동체(12), 압전소자(13) 및 압전소자(17)를 구비한다.

진동체(12)는 엘린버(elinvar)와 같은 항탄성금속재료로 이루어지는 거의 정사각형의 판상으로 형성된다. 진동체(12)의 4측면의 거의 중앙부분 즉, 진동체(12) 바깥 둘레의 4부분으로부터 진동체(12)의 중앙부분으로 거의 등간격으로 4개의 노치(21, 22, 23, 24)가 형성된다.

4개의 노체(21, 22, 23, 24)가 각각 연장되는 방향을 따라, 진동자(11)가 중앙선에 의해 4부분으로 분할된다. 말하자면, 노치(21, 22), 노치(22, 23), 노치(23, 24) 및 노치(24, 21)의 중앙선으로 둘러싸이는 부분은, 각각 제 1 영역(11a), 제 2 영역(11b), 제 3 영역(11c) 및 제 4 영역(11d)이라 정의한다. 제 1 영역(11a) 내지 제 4 영역(11d)의 각 영역은 큰 직사각형 부분과 작은 직사각형 부분 모양을 가지며, 공통되는 모서리에서 접속되고, 제 1 영역(11a) 내지 제 4 영역(11d)의 작은 직사각형 부분은, 노치(21, 23)의 사이와 노치(22, 24)의 사이에 개재된 중앙부분을 완전하게 형성한다.

압전소자(13)는 진동체(12)의 진동 검출용으로 사용되며, 진동체(12)의 한쪽 주면의 대체적인 중앙부분에 위치한다. 보다 상세하게는, 제 1 영역(11a) 내지 제 4 영역(11d)의 작은 직사각형 부분과 큰 직사각형 부분의 영역을 덮도록 압전소자(13)가 형성된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 압전소자(13)는 PZT와 같은 압전 세라믹으로 이루어진 압전판(14)을 가지며, 압전판(14)의 한쪽 주면에 전면전극(15)이 형성되고, 입전판(14)의 다른쪽 주면에 복수의 분할전극(16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f, 16g, 16h)이 형성된다. 도 1a 및 도 3을 보면, 분할전극(16a∼16h)은 도면부호 "16"으로 나타내고 있다. 분할전극(16a∼16h)의 상세한 배열은 뒤에서 설명될 것이다. 압전소자(13)는 전면전극(15)를 통하여 진동체(12)에 부착된다.

압전소자(17)는 진동체(12) 구동용으로 사용되며, 일반적으로 압전소자(13)가 형성된 진동체의 한 쪽 부분에 상응하는 진동체(12)의 다른쪽 주면의 중앙부분에 위치한다. 압전소자(17)는 압전판(18)을 구비하며, 압전판(18)의 모든 주면의 양쪽 모두에 한 쌍의 전면전극(19, 20)이 형성된다. 압전소자(17)는 전면전극(19)를 통하여 진동체(12)에 부착된다.

제 1 구현예의 진동 자이로스코프(10)는, 4개의 노치(21 22, 23, 24)중 서로 마주보는 것끼리를 접속시킨 2개의 축을 진동자(11)의 진동 노드축으로 하여, 축-대칭모드에서 진동된다. 노치(21)와 노치(23)를 통하여 연장되는 축을 노드축(N1)이라 정의하고, 노치(22)와 노치(24)를 통해 연장되는 축을 노드축(N2)이라 한다.

압전소자(17)에 구동신호를 인가함으로써 진동자(11)가 진동한다. 노드축(N1, N2)을 노드축으로 하는 축-대칭모드에서, 진동자(11)를 진동시키기 위해서는, 구동용 압전소자(17)내에서, 노드축(N1, N2)에 의한 경계에서 분극의 극성을 반전시킬 필요가 있다. 따라서, 압전소자(17)의 두께방향으로의 분극이 수행되어, 제 1 영역(11a)과 제 3 영역(11c)에 대응하는 압전소자(17) 부분 및 제 2 영역(11b)과 제 4 영역(11d)에 대응하는 구동용 압전소자(17)부분에서 분극 방향이 서로 대향한다. 도 1a 및 도 1b에서, 진동자(11)의 제 1 영역(11a) 및 제 3 영역(c)은 "+"로 나타내고, 제 2 영역(11b) 및 제 4 영역(11d)은 "-"로 나타낸다.

검출용 압전소자(13)는 전영역에서 두께방향으로 동일한 방향에서 분극된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 분할전극(16a∼16h)은, 분할전극(16a∼16h)의 각 쌍이 노드축(N1, N2)으로 정의되는 4 영역의 하나에 대응하도록 배치된다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 거의 정사각형 모양 진동자(11)의 두 대각선 방향에서, 제 1 영역(11a)에서 제 3 영역(11c)으로 연장되는 대각선방향을 x축방향이라 하고, 제 2 영역(11b)에서 제 4 영역(11d)으로 연장되는 대각선방향을 y축방향이라 한다. x축방향 및 y축방향은, 진동 자이로스코프(10)에 의해 검출되는 2개의 회전각속도의 축방향을 가리킨다. 분할전극(16a∼16h)은 x축 및 y축이 분할전극의 사이를 지나도록 형성된다. 보다 상세하게 설명하면, 분할전극(16a, 16b)은 x축이 그 사이로 지나도록 하여 제 1 영역(11a)에 형성되어 있다. 같은 방법으로, 분할전극(16e, 16f) 사이에 x축이 지나도록 형성되고, 분할전극(16c, 16d)의 사이 및 분할전극(16g, 16h)의 사이에 각각 y축이 지나도록, 제 2 영역(11b), 제 3 영역(11c) 및 제 4 영역(11d)에, 각각 분할전극(16c, 16d), 분할전극(16e, 16f) 및 분할전극(16g, 16h)을 배치한다.

이러한 구성을 갖는 진동자(11)를 이용한 진동 자이로스코프(10)는, 도 4에 도시한 바와 같이 회로에 접속된다.

구동용 압전소자(17 : 도시안함)에는 발진회로(30)의 출력단이 접속된다. 검출용 압전소자(13)에는, 발진회로(30)의 입력단이 접속된다. 보다 상세하게는, 발진회로(30)는 가산회로(32)를 포함하며, 분할전극(16g, 16h)에서 가져온 검출용 압전소자(13)의 출력신호가, 귀환(feedback) 신호로서 가산회로(32)에 입력된다. 가산회로(32)의 출력신호는 이상기(34)에서 위상보정되고, 더욱이 AGC회로(자동이득제어회로 : 36)에 의해 진폭이 조정된다. AGC회로(36)의 출력신호는, 구동신호로서 구동용 압전소자(17)에 주어진다.

검출용 압전소자(13)의 분할전극(16a, 16b)은 제 1 검출회로(40)의 입력단에 접속된다. 검출용 압전소자(13)의 분할전극(16e, 16f)도 역시 제 1 검출회로(40)의 입력단에 접속된다. 이들 분할전극(16a, 16b, 16e, 16f)은 x축방향 따르는 부분에 배열된다.

검출용 압전소자(13)의 분할전극(16c, 16d)은 제 2 검출회로(50)에 접속된다. 검출용 압전소자(13)의 분할전극(16g, 16h)도 역시 제 2 검출회로(50)에 접속된다. 이들 분할전극(16c, 16d, 16g, 16h)은, y축방향을 따르는 부분에 배열된다.

제 1 검출회로(40)는 차동회로(41, 42)를 포함한다. 분할전극(16a, 16b)로부터 출력되는 신호는 차동회로(41)에 입력되고, 출력신호의 차이가 검출된다. 마찬가지로, 분할전극(16e, 16f)으로부터 출력되는 신호는 차동회로(42)에 입력되고, 출력신호의 차이가 검출된다. 차동회로(41)의 출력신호와 차동회로(42)의 출력신호는, 가산회로(43)에 입력되고, 합성된다. 가산회로(43)의 출력신호는, 동기검파회로(44)에 입력되고, 발진회로(30)중의 위상회로(34)의 신호에 동기하여 검파된다. 그리고 동기검파회로(44)에 의해 검파된 신호는, 평활·직류증폭기(45)에 의해 평활·증폭되고, 제 1 검출회로(40)로부터의 출력신호로서 출력된다.

제 2 검출회로(50)는 차동회로(51, 52)를 포함한다. 분할전극(16c, 16d)으로부터 출력되는 신호는 차동회로(51)에 입력되고, 출력신호의 차이가 검출된다. 마찬가지로, 분할전극(16g, 16h)으로부터 출력되는 신호는 차동회로(52)에 입력되고, 출력신호의 차이가 검출된다. 차동회로(51)의 출력신호와 차동회로(52)의 출력신호는, 가산회로(53)에 입력되고, 합성된다. 가산회로(53)의 출력신호는, 동기검파회로(54)에 입력되고, 발진회로(30)중의 위상회로(34)의 신호에 동기하여 검파된다. 동기검파회로(54)에 의해 검파된 신호는, 평활·직류증폭기(55)에 의해 평활·증폭되고, 제 2 검출회로(50)로부터의 출력신호로서 출력된다.

이 진동 자이로스코프(10)에서, 구동용 압전소자(17)에 구동신호가 주어짐으로써, 그 분극방향에 대응하여 구동용 압전소자(17)가 팽창/수축한다. 즉, 도 1b에 도시한 바와 같이, "+"로 표시되는 제 1 영역(11a)과 제 3 영역(11c)에 대응하는 구동용 압전소자(17) 부분이 두께방향 위쪽으로 굴곡하면, "-"로 표시되는 제 2 영역(11b)과 제 4 영역(11d)에 대응하는 구동용 압전소자(17) 부분이 두께방향 하측으로 굴곡하고, 그에 따라 진동체(12) 역시 굴곡하고, 전체로서 진동자(11)의 제 1 영역(11a)과 제 3 영역(11c)이 두께방향 위쪽으로 굴곡하고, 진동자(11)의 제 2 영역(11b)과 제 4 영역(11d)이 두께방향 아래쪽으로 굴곡한다.

두께방향으로 실선 화살표로 나타낸 코리올리힘이 작용함에 의해, 진동자(11)의 제 1 영역(11a)과 제 3 영역(11c)이 굴곡하고, 면내 진동이 발생한다.

이에 의해, 검출용 압전소자(13) 역시 면내 진동하고, x축방향을 따라 배열되어 있는 분할전극(16a, 16b, 16e, 16f)으로부터, x축방향 주위의 회전각속도에 기인하는 코리올리 신호가 출력된다. x축방향 주위의 회전각속도에 기인하는 코리올리 신호는, 분할전극(16a, 16b, 16e, 16f)을 통하여 제 1 검출회로(40)에 입력되고, 검출된다.

y축방향 주위에 회전각속도가 가해지면, 진동자(11)에는 굴곡의 방향과 직교하는 방향으로 점선 화살표로 나타내는 코리올리힘이 작용한다.

이 코리올리힘에 의해, 진동자(11)의 제 2 영역(11b)과 제 4 영역(11d)이, 점선 화살표 방향으로 굴곡하고, 면내 진동을 발생시킨다.

따라서, 검출용 압전소자(13) 역시 면내 진동하고, y축 방향을 따라 배열되어 있는 분할전극(16c, 16d, 16g, 16h)으로부터, y축방향 주위의 회전각속도에 기인하는 코리올리 신호가 출력된다. y축방향 주위의 회전각속도에 기인하는 코리올리 신호는, 분할전극(16c, 16d, 16g, 16h)을 통하여 제 2 검출회로(50)에 입력되고, 검출된다.

이와 같이 구성된 진동 자이로스코프(10)에서, 진동자(11) 주위의 4방향으로 노치(21, 22, 23, 24)를 형성하였기 때문에, 구동용 압전소자(17)에 인가된 신호에 의해, 진동자(11)가 면외 방향으로 굴곡하기 쉬워지고, 따라서 코리올리힘도 커진다. 이 코리올리힘에 의해 진동자(11)가 면내방향으로 면내 진동하고, 노치(21∼24)가 존재함으로써, 진동자(11)가 면내 방향으로도 굴곡하기 쉬워지고, 코리올리힘에 기인하는 큰 진폭을 얻을 수 있고, 따라서 얻어지는 코리올리 신호도 커지고, 진동 자이로스코프의 감도가 향상한다.

1개의 진동자(11)로 두 검출방향(x축방향, y축방향)의 각속도가 검출되기 때문에, 구동방향의 진동주파수가 두 검출방향의 공진주파수와 완전히 일치하는 진동모드를 이용할 수 있다. 따라서, 두 검출방향에서 진동주파수가 불일치한다는 문제는 발생하지 않고, 1개의 진동자로 두 방향의 각속도를 검출하기 때문에, 보다 우수한 고정밀도의 진동 자이로스코프를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 2 구현예에 따른 진동 자이로스코프(20)를 도 5, 도 6에 도시한다. 제 1 구현예에서 도시한 진동 자이로스코프(10)와 동일한 구성 부분에 대해서는 동일번호를 붙이고, 그 자세한 설명을 생략한다.

이 진동 자이로스코프(20)가, 제 1 구현예의 진동 자이로스코프(10)와 다른 점은, 진동자(11)의 두 대각선, 즉, 4개의 노치(21∼24)를 개재하여 연장되는 축으로부터 약 45°회전된 두 축을 진동노드축으로 하고 있는 점이다.

진동자(11)의 제 1 영역(11a)에서 제 3 영역(11c)으로 연장되는 노드축을 N3, 제 2 영역(11b)에서 제 4 영역(11d)으로 연장되는 노드축을 N4라 하고, 2개의 노드축(N3, N4)을 진동노드축으로 한 축-대칭모드에서 진동자(11)를 진동시키기 위해, 구동용 압전소자(17)내에서, 노드축(N3, N4)을 경계로 분극의 극성을 반전할 필요가 있다. 따라서, 구동용 압전소자(17)의 두께방향으로의 분극은, 노드축(N3, N4)에 의해 구분되고, 노치(21, 23)를 가로지르는 영역과, 노치(22, 24)를 가로지르는 영역이, 분극방향으로 대향한다. 도 5 및 도 6에서는, 진동자(11)의 노치(21, 23)가 지나는 영역을 "+"라 하고, 노치(22, 24)가 지나는 영역을 "-"라 한다.

이 진동 자이로스코프(20)에서, 구동용 압전소자(17)에 구동신호가 주어짐으로써, 구동용 압전소자(17)가 그 분극방향에 대해 팽창/수축한다. 즉, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, "+"로 표시된 영역이 두께방향 위쪽으로 굴곡하면, "-"로 표시된 영역이 두께방향 아래쪽으로 굴곡하고, 그에 따라 진동체(12)도 굴곡하고, 전체로서 진동자(11)가 굽힘진동한다.

x축방향 주위에 회전각속도가 가해지면, 진동자(11)에는 굴곡 방향과 직교하는 방향으로 실선 화살표로 나타내는 코리올리힘이 작용한다.

진동자(11)의 제 2 영역(11b)과 제 4 영역(11d)은, 진동자(11)의 중심점을 회전축으로 하여 실선 화살표 방향으로 회전하도록 굴곡하고, 면내 진동을 발생시킨다.

따라서, 검출용 압전소자(13)도 면내 진동하고, 분할전극(16c, 16d, 16g,16h)으로부터 x축방향 주위의 회전각속도에 기인하는 코리올리 신호가 출력된다. x축방향 주위의 회전각속도에 기인하는 코리올리신호는, 제 1 검출회로(40)에 의해 입력되고, 신호가 검출된다.

마찬가지로, y축 주위에 회전각속도가 가해지면, 진동자(11)에는, 굴곡 방향과 직교하는 방향으로 점선 화살표로 나타내는 코리올리힘이 작용한다.

진동자(1)의 제 1 영역(11a)과 제 3 영역(11c)은, 진동자(11)의 중심점을 회전축으로 하여 점선 화살표 방향으로 회전하도록 굴곡하고, 면내 진동을 발생시킨다.

따라서, 검출용 압전소자(13)도 면내 진동하고, 분할전극(16a, 16b, 16e, 16f)으로부터, y축방향 주위의 회전각속도에 기인하는 코리올리 신호가 출력된다. y축방향 주위의 회전각속도에 기인하는 코리올리 신호는, 제 2 검출회로(50)에 의해 입력되고, 신호가 출력된다.

이와 같이 구성된 진동 자이로스코프(10)에서, 진동자(11) 주위의 4방향으로 노치(21, 22, 23, 24)를 형성하였기 때문에, 구동용 압전소자(17)에 인가된 신호에 의해, 진동자(11)가 면외 방향으로 굴곡하기 쉬워지고, 따라서 코리올리힘도 커진다. 이 코리올리힘에 의해 진동자(11)가 면내방향으로 면내 진동하고, 노치(21∼24)가 존재함으로써, 진동자(11)가 면내 방향으로도 굴록하기 쉬워지고, 코리올리힘에 기인하는 큰 진폭을 얻을 수 있고, 따라서 얻어지는 코리올리 신호도 커지고, 진동 자이로스코프의 감도가 향상한다.

1개의 진동자(11)로 두 검출방향(x축방향, y축방향)의 각속도가 검출되기 때문에, 구동방향의 진동주파수가 두 검출방향의 공진주파수와 완전히 일치하는 진동모드를 이용할 수 있다. 따라서, 두 검출방향에서 진동주파수가 불일치한다는 문제는 발생하지 않고, 1개의 진동자로 두 방향의 각속도를 검출하기 때문에, 보다 우수한 고정밀도의 진동 자이로스코프를 얻을 수 있다.

제 1 구현예의 진동 자이로스코프(10) 및 제 2 구현예의 진동 자이로스코프(20)에서, 진동자(11)의 중심점을 두 노드축의 교점으로 함으로써, 진동자(11)의 노드점은 단지 하나의 점 즉, 도 7에 도시한 바와 같이, 진동자(11)의 중심점 부근에 기둥형상의 지지부재(80)를 실장하여 진동자(11)를 지지한다면, 진동자(11)의 진동을 저해하지 않고 안정된 진동자(11)의 진동을 얻을 수 있고, 지지구조 역시 간소화된다.

본 발명의 구현예들에서, 금속 재질의 진동체에 판형상의 압전소자가 부착된 구조도 나타내고 있는데, 이에 한정되는 것은 아니며, 진동체 자체를 판형상의 압전세라믹으로 구성하고, 진동체의 표면에 전극을 형성하여 적당한 분극처리를 시행함으로서 진동자를 얻을 수 있다.

거의 정사각형 모양의 진동자도 제시되고 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 원판형이나 다각형판상 등, 목적에 따라 여러가지로 선택할 수 있는 것이다.

본 명세서 및 도면에는 본 발명의 바람직한 구현예에 대해 개시하고 있으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 일반적이고 서술적인 의미에서 사용되었으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 구현예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 툰 다른 변형예들이 실시가능하다. 본 발명의 범위는 다음의 특허청구범위에 나타난다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 평판상의 진동체 및 상기 진동체 외주에서 대략 등간격으로 떨어진 네 부분으로부터 상기 진동체의 중심방향을 향해 형성되고 상기 진동체의 한쪽 주면으로부터 마주보는 주면으로 연장되는 네 개의 노치를 구비하는 진동자;

   상기한 네 개의 노치 중, 서로 마주보는 두 노치들 사이로 연장되는 두 개의 축을 두 개의 노드 축으로 하는 축 대칭 모드로 상기 진동자를 진동시키는 구동장치; 및

   상기 진동자에 가해지는 제 1 회전각속도에 의해 발생하는 제 1 코리올리힘 (Coriolis force)에 의한 제 1 변위를 검출하는 제 1 검출장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 진동자에 가해지는 제 2 회전각속도에 의해 발생하는 제 2 코리올리힘에 의한 제 2 변위를 검출하는 제 2 검출장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 회전각속도 및 제 2 회전각속도는, 상기 진동자의 평면내에서 서로 직교하는 두 방향으로 인가되는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 2 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 진동자는 상기 진동자의 중심점 부근에서 지지되는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
8. 평판상의 진동체 및 상기 진동체 외주에서 대략 등간격으로 떨어진 네 부분으로부터 상기 진동체의 중심방향을 향해 형성되고 상기 진동체의 한쪽 주면으로부터 마주보는 주면으로 연장되는 네 개의 노치를 구비하는 진동자;

   상기 네 개의 노치들 중에서 서로 마주보는 두 노치 사이로 연장되는 축으로부터 동일 평면 내에서 약 45˚회전되는 두 축을 두 개의 노드축으로 하는 축대칭 모드로 상기 진동자를 진동시키는 구동장치; 및

   상기 진동자에 가해지는 제 1 회전각속도에 의해 발생하는 제 1 코리올리힘 (Coriolis force)에 의한 제 1 변위를 검출하는 제 1 검출장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 진동자에 가해지는 제 2 회전각속도에 의해 발생하는 제 2 코리올리힘에 의한 제 2 변위를 검출하는 제 2 검출장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 회전각속도 및 제 2 회전각속도는, 상기 진동자의 평면내에서 서로 직교하는 두 방향으로 인가되는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.
11. 제 8 항 내지 제 10 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 진동자는 상기 진동자의 중심점 부근에서 지지되는 것을 특징으로 하는 진동 자이로스코프.