KR19980035714A - Angular velocity measuring device using gyro sensor and gyro sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자이로센서에 관한 것으로서, 기둥상의 제1지지바와, 상기 제1지지바의 일단부에 상호 소정의 각도를 두고 절곡연장된 기둥상의 제2지지바와, 상기 제1지지바 및 상기 제2지지바의 외표면에 상기 각 지지바의 종축선에 대해 상호 소정의 각도로 각도전위되어 있는 적어도 한쌍의 압전소자군을 포함한다. 이에 의해, 2축 방향에서 인가되는 각속도를 동시에 측정할 수 있는 자이로센서가 제공된다.The present invention relates to a gyro sensor, a first support bar on a column, a second support bar on a column extending at a predetermined angle to one end of the first support bar, and the first support bar and the second support bar. At least one pair of piezoelectric element groups that are angularly displaced at a predetermined angle with respect to the longitudinal axis of the support bar on the outer surface of the support bar. Thereby, a gyro sensor capable of simultaneously measuring the angular velocity applied in the two axis directions is provided.
Description
본 발명은 두 개의 직교하는 축방향에서 인가되는 각속도를 동시에 측정할 수 있는 자이로센서와, 이 자이로센서를 이용한 각속도측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a gyro sensor capable of simultaneously measuring the angular velocity applied in two orthogonal axial directions, and an angular velocity measuring device using the gyro sensor.
자이로센서는 이동체의 각속도를 검출하는 센서로서, 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 탄성재료로 제작된 삼각 또는 다각형의 프리즘 모양을 한 지지부(21)의 면 중앙부에 압전소자(22,23,24)가 도전성 접착제에 의해 부착되어 있고, PCB 기판등과 같은 지지층(28)에 강철선(26)을 사용하여 공간상에 진동가능하도록 고정되어 있다. 이때, 압전소자(22,23,24)의 외면 전극은 리드선(27)에 의해 지지층(28)과 접속되어 있고, 지지층(28)에 접속된 리드선(27)으로부터 필요한 신호가 압전소자(22,23,24)로 입출력된다.Gyro sensor is a sensor for detecting the angular velocity of the moving body, as shown in Figs. 7 to 9, the piezoelectric elements (22, 23, the center of the surface of the support portion 21 of the triangular or polygonal prism shape made of an elastic material) 24 is attached by a conductive adhesive, and is secured to the support layer 28 such as a PCB substrate by vibrating in space using a steel wire 26. At this time, the outer surface electrodes of the piezoelectric elements 22, 23, 24 are connected to the support layer 28 by the lead wires 27, and the necessary signals from the lead wires 27 connected to the support layer 28 are applied to the piezoelectric elements 22, 22; 23, 24).
이러한 종래의 자이로센서에서는, 압전소자(22,23,24)중에 하나의 압전소자(22)에 발진회로를 접속하여 발진시킴으로써 굽힘진동이 일어나도록 하고, 나머지를 수신용 압전소자(23,24)로 사용하여 출력되는 전압을 측정함으로써 각속도를 검출하게 된다. 즉, 외부로부터 가해지는 각속도가 없으면 굽힘진동방향과 각속도입력방향에 수직으로 발생하는 코리올리스힘(Coriolis)이 발생하지 않으므로 수신용 압전소자(23,24)의 출력전압의 차이는 없게 된다.In such a conventional gyro sensor, bending oscillation occurs by connecting an oscillation circuit to one piezoelectric element 22 among the piezoelectric elements 22, 23, 24 so as to oscillate, and the rest of the piezoelectric elements 23, 24 for receiving. The angular velocity is detected by measuring the output voltage using the. That is, if there is no angular velocity applied from the outside, the Coriolis force generated perpendicular to the bending vibration direction and the angular velocity input direction does not occur, and thus there is no difference in output voltages of the receiving piezoelectric elements 23 and 24.
그러나, 굽힘진동중 각속도가 주어지면 코리올리스힘이 발생하게 되고, 이 힘에 의해 수신용 압전소자(23,24)에는 인장 또는 압축응력이 가해져서 출력전압에 차이가 생기게 된다. 따라서 이러한 출력전압의 차이를 검출하면 인가된 각속도를 측정할 수 있게 된다.However, when an angular velocity is given during bending vibration, a Coriolis force is generated, and a tensile or compressive stress is applied to the receiving piezoelectric elements 23 and 24 by this force, resulting in a difference in output voltage. Therefore, when the difference of the output voltage is detected, the applied angular velocity can be measured.
그런데, 종래의 자이로센서는 압전소자(22,23,24)가 모두 하나의 방향으로 굽힘진동을 할 수 있도록 되어 있으므로, 굽힘진동방향에 수직한 하나의 축 방향의 각속도만을 검출할 수 있다. 또한 강철선(26)을 사용하여 고정하는 구조로 제작되므로 제작이 어렵다는 문제점도 있다.However, in the conventional gyro sensor, since the piezoelectric elements 22, 23, and 24 are all capable of bending vibration in one direction, only the angular velocity in one axial direction perpendicular to the bending vibration direction can be detected. In addition, there is also a problem that the production is difficult because it is made of a structure to be fixed using a steel wire (26).
따라서 본 발명의 목적은, 두 개의 직교하는 축방향에서 동시에 인가되는 각속도를 동시에 측정할 수 있는 자이로센서를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a gyro sensor capable of simultaneously measuring the angular velocity applied simultaneously in two orthogonal axial directions.
도 1은 본 발명에 따른 자이로센서의 정면도,1 is a front view of a gyro sensor according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 자이로센서의 측면도,2 is a side view of the gyro sensor according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 각속도측정장치의 개략도,3 is a schematic diagram of an angular velocity measuring device according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 각속도측정장치의 동작상태도,4 is an operational state diagram of the angular velocity measuring apparatus according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 각속도측정장치의 다른 동작상태도,5 is another operational state diagram of the angular velocity measuring device according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 각속도측정장치의 또 다른 동작상태도,6 is yet another operation state of the angular velocity measuring apparatus according to the present invention,
도 7은 종래의 자이로센서의 부분사시도,7 is a partial perspective view of a conventional gyro sensor,
도 8은 종래의 자이로센서의 정면도,8 is a front view of a conventional gyro sensor,
도 9는 종래의 자이로센서의 측면도이다.9 is a side view of a conventional gyro sensor.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 : 압전소자 11 : 제1지지바1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 Piezoelectric element 11: First support bar
12 : 제2지지바 13 : 제3지지바12: second support bar 13: third support bar
14 : 지지층 20,21 : 발진회로14: support layer 20, 21: oscillation circuit
22,23,24 : 차동증폭기22,23,24: differential amplifier
상기 목적은, 본 발명에 따라, 자이로센서에 있어서, 기둥상의 제1지지바와,상기 제1지지바의 일단부에 상호 소정의 각도를 두고 절곡연장된 기둥상의 제2지지바와, 상기 제1지지바 및 상기 제2지지바의 외표면에 상기 각 지지바의 종축선에 대해 상호 소정의 각도로 각도전위되어 있는 적어도 한쌍의 압전소자군을 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로센서에 의해 달성된다.The object is, according to the present invention, in the gyro sensor, a columnar first support bar, a columnar second support bar bent to extend a predetermined angle to one end of the first support bar, and the first support It is achieved by a gyro sensor, characterized in that it comprises at least a pair of piezoelectric element groups angularly displaced at a predetermined angle with respect to the longitudinal axis of each support bar on the outer surface of the bar and the second support bar.
여기서, 상기 제1지지바와 상기 제2지지바는 상호직교하도록 하며, 상기 제1지지바의 타단부에 직교하며 상기 제2지지바에 평행하게 설치된 제3지지바와, 상기 제3지지바의 외표면에 설치되는 제3압전소자군을 포함하도록 구성하는 것이 바람직하다.Here, the first support bar and the second support bar are mutually orthogonal to each other, the third support bar perpendicular to the other end of the first support bar and installed in parallel to the second support bar, the outer surface of the third support bar It is preferable to comprise so that it may contain the 3rd piezoelectric element group provided in the.
그리고, 상기 각 지지바는 사각형의 단면형상으로 하며, 그 중에서 정사각형의 단면형상으로 하는 것이 바람직하며, 상기 각 압전소자는 상기 각 지지바의 외표면에 각각 하나씩 배치되도록 하는 것이 바람직하다.In addition, each of the support bars has a rectangular cross-sectional shape, of which a square cross-sectional shape is preferable, and each of the piezoelectric elements is preferably arranged on the outer surface of each of the support bars.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기한 자이로센서를 구비하며, 상기 압전소자중 적어도 하나를 발진하는 발진회로와, 상기 발진회로를 구성하는 압전소자를 제외한 압전소자와 접속된 증폭회로와, 출력신호을 받아 처리하는 데이타처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 각속도측정장치가 제공된다.On the other hand, according to another field of the present invention, an amplification circuit having the gyro sensor, the oscillation circuit for oscillating at least one of the piezoelectric elements, and the piezoelectric elements other than the piezoelectric elements constituting the oscillation circuit; An angular velocity measuring device is provided, comprising a data processor for receiving and processing an output signal.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 자이로센서의 정면도이고, 도 2는 측면도이다. 본 자이로센서는, 제1지지바(11)와, 제1지지바(11)의 일단부에 절곡연장되어 있는 제2지지바(12)와, 제1지지바의 타단부에 절곡연장된 제3지지바(13)로 구성되며, 제1지지바(11)는 제2지지바(12) 및 제3지지바(13)와 서로 직교하며, 각 지지바(11,12,13)는 정사각형의 단면형상을 갖는다.1 is a front view of a gyro sensor according to the present invention, Figure 2 is a side view. The gyro sensor includes a first support bar 11, a second support bar 12 that is bent and extended at one end of the first support bar 11, and a second extension bar that is bent and extended at the other end of the first support bar. It is composed of three support bars 13, the first support bar 11 is orthogonal to each other and the second support bar 12 and the third support bar 13, each support bar (11, 12, 13) is square It has a cross-sectional shape of.
제1지지바(11)에는 제1 및 제2압전소자(1,2)가 상하면에 부착되어 있고, 제2지지바(12)의 각 면에는 제3 내지 제6압전소자(3,4,5,6)가, 제3지지바(13)의 각면에는 제7 내지 제10압전소자(7,8,9,10)가 부착되어 있고, 제2지지바(12)와 제3지지바(13)의 일단부는 지지층(14)에 부착되어 있다.The first and second piezoelectric elements 1 and 2 are attached to the upper and lower surfaces of the first support bar 11, and the third to sixth piezoelectric elements 3 and 4 are attached to each surface of the second support bar 12. 5 and 6 have seventh to tenth piezoelectric elements 7, 8, 9 and 10 attached to respective surfaces of the third support bar 13, and the second support bar 12 and the third support bar ( One end of 13 is attached to the support layer 14.
각 압전소자(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)의 외면 전극은 리드선에 의해 지지층(14)과 납땜에 의해 접속되어 있고, 지지층(14)에 접속된 리드선으로부터 필요한 신호가 입출력된다.The outer surface electrodes of the piezoelectric elements 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 10 are connected to the support layer 14 by soldering with lead wires and connected to the support layer 14 by soldering. The necessary signal is input and output from the lead wire.
압전소자(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)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 사용하고, 지지바(11,12,13)는 엘린바(elinvar: elastic invariable metal)를 사용하여 만든다.Piezoelectric elements (1,2,3,4,5,6,7,8,9,10) are elements using a piezo effect in which voltage is generated by electric polarization when pressure is applied to a crystal. Silver is mainly PZT ceramics stabilized by replacing Ba ions with Pb or Ca ions in BaTiO 3 ceramics, and the support bars 11, 12, 13 are made of elastic invariable metal (elinvar).
압전소자(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)는 도전성 접착제를 사용하여 지지바(11,12,13)에 부착되고, 균일한 굽힘진동과 진동크기를 위해 모두 같은 크기를 가지며, 같은 높이와 지지바(11,12,13)에서 서로 대칭인 위치에 부착된다.The piezoelectric elements 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, and 10 are attached to the support bars 11, 12, and 13 using a conductive adhesive, and have uniform bending vibration and vibration magnitudes. To the same height and symmetrical to each other at the same height and support bars (11, 12, 13).
이러한 구성에 의한 자이로센서에서, 자이로센서가 Z축방향으로 굽힘진동을 하면서 X축을 중심으로 회전하여 X축으로 각속도가 인가된다고 할 때, 코리올리스힘이 Y축방향으로 다음과 같은 식에 의해 나타난다.In the gyro sensor according to this configuration, when the gyro sensor rotates around the X axis while applying the angular velocity to the X axis while bending the vibration in the Z axis direction, the Coriolis force is expressed by the following equation in the Y axis direction.
여기서,은 질량,은 Z축으로의 굽힘진동속도,는 각속도를 나타낸다. 따라서 이러한 코리올리스힘에 의해 압전소자군에 변형이 생기고, 이 변형에 의해 압전소자군으로부터 출력되는 전압의 변화를 측정함으로써 인가되는 각속도의 측정이 가능해진다.here, Silver mass, Is the bending vibration velocity in the Z axis, Represents the angular velocity. Therefore, such a Coriolis force causes deformation in the piezoelectric element group, and by this deformation, the angular velocity applied can be measured by measuring the change in voltage output from the piezoelectric element group.
도 3은 본 발명에 따른 자이로센서를 이용한 가속도측정장치이다.3 is an acceleration measuring apparatus using a gyro sensor according to the present invention.
앞서 설명한 자이로센서의 이용하여 발진회로(20,21)를 제3 및 제4압전소자(3,4)와 제7 및 제8압전소자(7,8)에 연결하고, 제1 및 제2압전소자(1,2)와, 제5 및 제6압전소자(5,6), 제9 및 제10압전소자(9,10)에는 차동증폭기(22,23,24)를 연결한다.The oscillation circuits 20 and 21 are connected to the third and fourth piezoelectric elements 3 and 4 and the seventh and eighth piezoelectric elements 7, 8 using the gyro sensor described above, and the first and second piezoelectric elements are connected to each other. Differential amplifiers 22, 23, and 24 are connected to the elements 1 and 2, the fifth and sixth piezoelectric elements 5 and 6, and the ninth and tenth piezoelectric elements 9 and 10, respectively.
이러한 구성에서, 발진회로(20,21)를 통해 소정의 진동주파수를 갖는 신호가 입력되면 제3 및 제7압전소자(3,7)와, 제4 및 제8압전소자(4,8)는 반대의 위상을 가지고 있으므로 지지바(11,12,13)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, Z축방향으로 굽힘진동을 한다.In such a configuration, when a signal having a predetermined vibration frequency is input through the oscillation circuits 20 and 21, the third and seventh piezoelectric elements 3 and 7 and the fourth and eighth piezoelectric elements 4 and 8 As shown in FIG. 4, the support bars 11, 12, 13 have bending vibrations in the Z-axis direction because they have the opposite phase.
이러한 굽힘진동중에, X축이나 Y축으로 각속도가 인가되지 않으면 코리올리스힘에 의한 압전소자의 변형이 없으므로 제1및 제2압전소자(1,2)의 신호차, 제5 및 제6압전소자(5,6)의 신호차와, 제9 및 제10압전소자(9,10)의 신호차는 0이 된다.During the bending vibration, if the angular velocity is not applied to the X axis or the Y axis, there is no deformation of the piezoelectric elements due to the Coriolis force, so that the signal difference between the first and second piezoelectric elements 1 and 2, the fifth and sixth piezoelectric elements ( The signal difference between 5 and 6 and the signal difference between the ninth and tenth piezoelectric elements 9 and 10 are zero.
그러나, X축을 중심으로 하는 각속도가 인가된 경우에는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 진동방향(Z축)과 각속도방향(X축)에 수직한 Y축방향으로 압전소자군은 힘을 받게 된다. 이에 의해 제1 및 제2압전소자(1,2)에는 인장과 압축응력에 의해 출력전압에 차이가 생기게 되며, 이에 의해 차동증폭기(22)에서는 출력전압이 나오게 된다. 이 출력전압은 인가되는 각속도에 비례하므로 이를 측정하여 각속도을 측정할 수 있다.However, when an angular velocity about the X axis is applied, the piezoelectric element group receives a force in the Y axis direction perpendicular to the vibration direction (Z axis) and the angular velocity direction (X axis), as shown in FIG. As a result, the output voltages of the first and second piezoelectric elements 1 and 2 are different from each other by tension and compressive stress, thereby outputting the output voltage from the differential amplifier 22. Since this output voltage is proportional to the applied angular velocity, the angular velocity can be measured by measuring it.
만일 Y축을 중심으로 하는 각속도가 인가된 경우에는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 진동방향(Z축)과 각속도 방향(Y축)에 수직한 X축방향으로 압전소자군은 코리올리스힘을 받게 된다. 그러면 제5 및 제6압전소자(5,9)와 제9 및 제10압전소자(9,10)에는 인장과 압축응력에 의해 출력전압에 차이게 생기게 되고, 이에 의해 차동증폭기(23,24)에서는 출력전압이 나오게 된다. 이때, 출력되는 전압은 Y축에 인가된 각속도에 비례하므로 이를 측정하여 각속도를 측정한다.If an angular velocity about the Y axis is applied, as shown in Fig. 6, the piezoelectric element group is subjected to a Coriolis force in the X axis direction perpendicular to the vibration direction (Z axis) and the angular velocity direction (Y axis). Then, the fifth and sixth piezoelectric elements 5 and 9 and the ninth and tenth piezoelectric elements 9 and 10 have a difference in output voltage due to tensile and compressive stresses, whereby differential amplifiers 23 and 24 are used. In the output voltage comes out. At this time, since the output voltage is proportional to the angular velocity applied to the Y-axis, the angular velocity is measured by measuring it.
따라서, 이러한 각속도측정장치는 X축과 Y축으로 부터 입력되는 회전동작을 동시에 검지할 수 있으므로 직교하는 두 개의 축방향에서 인가되는 각속도 측정할 수 있으며, 필요에 따라 제2지지바(12)나 제3지지바(13)중에서 어느 하나에 부착되어 있는 압전소자군만을 이용할 수 있다.Therefore, since the angular velocity measuring device can detect the rotational motion input from the X and Y axes at the same time, it can measure the angular velocity applied in two orthogonal axial directions, and the second support bar 12 or Only the piezoelectric element group attached to any one of the third support bars 13 can be used.
또한, 종래의 자이로센서는 지지바를 공간상에 지지하기 위해 강철선을 이용한 용접에 의해 접합되므로 조립성이 떨어지나 본 발명에 따른 자이로센서는 지지바의 일단부가 지지층에 접속되는 구조를 사용함으로써 지지를 위한 추가구조물이 필요없게 되고 신뢰성을 증가시킨다.In addition, the conventional gyro sensor is bonded by welding using a steel wire in order to support the support bar in space, but the assembly is inferior, but the gyro sensor according to the present invention uses a structure in which one end of the support bar is connected to the support layer for support. No additional structures are needed and reliability is increased.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 직교하는 두 개의 축방향에서 인가되는 각속도를 동시에 측정할 수 있는 자이로센서가 제공된다.As described above, according to the present invention, a gyro sensor capable of simultaneously measuring an angular velocity applied in two orthogonal axial directions is provided.
또, 지지바를 지지층에 직접 부착시키므로 조립이 용이하고 신뢰성이 높은 자이로센서가 제공된다는 부가적 효과도 있다.In addition, since the support bar is directly attached to the support layer, there is an additional effect that an easy to assemble and reliable gyro sensor is provided.
Claims (7)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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| KR1019960054131A Ceased KR19980035714A (en) | 1996-11-14 | 1996-11-14 | Angular velocity measuring device using gyro sensor and gyro sensor |
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1996
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Patent event date: 20000127 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 19990830 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I Patent event date: 19990521 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I Patent event date: 19981221 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |