專利名稱：振動陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種振動陀螺儀，本發(fā)明尤其涉及一種用于例如檢測角速度以防止照相機晃動的振動陀螺儀。


圖11是傳統(tǒng)振動陀螺儀的一個例子的透視圖。振動陀螺儀包含例如正三角形的振動體2。如圖11和12所示，振動體2的三個外部表面分別具有壓電元件3a、3b和3c。為了使用振動陀螺儀1，如圖12所示，例如將振蕩電路4連接在壓電元件3a和3b與壓電元件3c之間。還有，壓電元件3a和3b連接到檢測電路5。檢測電路5包含例如差動電路、同步檢測電路、平滑電路和DC放大電路。
在振動陀螺儀1中，從壓電元件3C輸出的信號返回到振蕩電路4。振蕩電路4放大返回的信號，并對放大的信號進行相位補償，由此形成激勵信號。由此得到的激勵信號被饋送到壓電元件3a和3b。這引起振動體2沿垂直于形成壓電元件3c的表面執(zhí)行彎曲振動。在這種情況下，壓電元件3a和3b的彎曲狀態(tài)是相同的，并且從那里輸出的信號也是相同的。
因此，在檢測電路5中，沒有信號從差動電路輸出。在振動體2處于彎曲振動的狀態(tài)下，繞振動體的軸的中心的旋轉產(chǎn)生科里奧利力，由此改變振動體2的振動方向。這引起了從壓電元件3a和3b輸出的信號增加的差異，并引起差動電路輸出信號。然后，輸出的信號在平滑電路中平滑，并且被平滑的信號在DC放大電路中放大。由此，測量從檢測電路5輸出的信號允許轉角速度得到檢測。
對于圖13所示的振動陀螺儀1，可以通過結合兩個壓電基片6a和6b制造振動體2。如由圖13的箭頭表示的，極化壓電基片，以便使它們相對。在這種情況下，電極7a和7b(每一個都沿長度方向延伸)形成在振動體2的相對的表面中的一個表面上，并且電極8形成在另外的相對表面的整個表面上。使用如圖12所示的電路，上述振動陀螺儀1還允許檢測角速度。
然而，通過上述的每一種振動陀螺儀，只能檢測繞振動體的軸的中心的角速度，并且只能檢測相對于單個方向的角速度。由此，振動陀螺儀的兩個單元需要沿兩個方向檢測角速度，并且需要兩個振蕩電路激勵這些振動陀螺儀。振蕩電路是昂貴的，由此，增加了沿多個方向檢測角速度的成本。
考慮到上述原因，已經(jīng)需要一種能夠通過使用一單個的元件相對于兩個方向檢測角速度的振動陀螺儀。
本發(fā)明針對滿足這種需要的振動陀螺儀。振動陀螺儀包含兩個相對設置的平面振動板。這兩個振動板在屈曲振動模式和與屈曲振動模式退化或接近它的二階彎曲振動振動。振動陀螺儀通過檢測在提供平行于振動板表面的軸的角速度時產(chǎn)生的二階彎曲振動的幅值平衡中的偏移，檢測科里奧利力。
上述振動陀螺儀可以包含形成在兩個振動板之間的中間部件，以在兩個振動板之間形成分開的部分，以及多個形成在振動板上的激勵和檢測元件，以使振動板振動，并輸出由振動板的振動產(chǎn)生的信號，其中，對應于兩個相鄰的激勵和檢測元件的組合形成第一檢測部分，對應于兩個相鄰的激勵和檢測元件的另一個組合形成第二檢測部分，并且第一檢測部分和第二檢測部分設置得相互垂直。在這種情況下，較好地，激勵和檢測元件不形成在與中間部件相對的部分，而形成在與空開的部分相對的位置。
還有，分開的激勵和檢測元件由壓電基片形成，并且十字形交叉為四個的電極形成在壓電基片上，由此，可以使用電極和壓電基片形成激勵和檢測元件。
還有，振動板可以是金屬板，并且交叉成四個部分，并形成在振動板上的壓電元件可以用于形成激勵和檢測元件。
另外，中間部件可以由其中心部分形成有穿口的框部件形成。
另外，中間部件可以由設置在振動板的多個端部的多個部件形成。
例如，通過將激勵信號饋送給所有激勵和檢測元件，產(chǎn)生屈曲振動，從而振動的每一個中心部分的幅值達到最大值。當將角速度提供給平行于振動板表面的軸的中心時，科里奧利力改變了以二階彎曲振動模式振動的振動板的振動。當屈曲振動和二階彎曲振動的振動退化或設置地類似時，振動板幅值達到最大值的點偏離振動板的中心部分地振動。為此，在兩個構成第一和第二檢測部分中的一個檢測部分的兩個激勵和檢測元件的彎曲狀態(tài)之間產(chǎn)生差異，并且從第一和第二檢測部分中的一個檢測部分輸出對應于科里奧利力的信號。由于第一和第二檢測部分設置得相互垂直，可以得到對應于相對于相互垂直的兩個方向的角速度的信號。
由于振動板和中間部件是固定不動的，故激勵和檢測元件較好地安排在與可靠部分相對的位置處。這種安排引起屈曲振動，從而振動板的中心部分的幅值達到最大值。
在上述振動陀螺儀中，壓電基片可以用于振動板，并且壓電基片和在其上交叉形成為四部分的電極可以用于形成激勵和檢測元件。
還有，金屬板可以用于每一個振動板。在這種情況下，激勵和檢測元件由交叉成四個部分并形成在振動板上的四個壓電元件形成。
另外，將中間部件設置得在兩個相對的振動板之間形成空開的部分。由此，中間部件可以由其中形成有穿口的框或設置在振動板的多個端部處的多個部件形成。
根據(jù)本發(fā)明，可以通過單個的振動陀螺儀檢測對于沿兩個方向的軸的角速度。另外，由于振動陀螺儀可以由單個振動激勵，故和使用兩個振動陀螺儀的傳統(tǒng)方法相比，可以減小成本。
為了說明本發(fā)明，在附圖中示出了幾種形式，它們是目前較好的，但是應該知道，本發(fā)明不限于這里示出的精確的安排和手段。
從下面參照附圖對本發(fā)明的描述，本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點是顯然的。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的振動陀螺儀的例子的透視圖；圖2是圖1中的振動陀螺儀的不同角度的透視圖；圖3是圖1的振動陀螺儀的分解透視圖；圖4是用于圖1的振動陀螺儀的電路的概圖；圖5A是示出振動陀螺儀在屈曲振動模式下的振動(它未旋轉時)的有限元法分析圖；圖5B是該振動的截面圖；圖6A是示出振動陀螺儀在二階彎曲振動下的振動(旋轉)的有限元法分析圖；圖6B是沿圖6A中一點連線取得的振動狀態(tài)的截面圖；圖7A是示出當振動陀螺儀旋轉時，振動陀螺儀振動上腭的振動。
圖7B是說明當施加了科里奧利力時的振動狀態(tài)的截面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的振動陀螺儀的另一個例子的分解透視圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的振動陀螺儀的另一個例子的分解透視圖；圖10是用于修改過的電極配置的電路的概圖；圖11是傳統(tǒng)的振動陀螺儀的例子的透視圖12用于圖11所示的傳統(tǒng)振動陀螺儀的電路的概圖；圖13是另一個傳統(tǒng)的振動陀螺儀的例子的透視圖；下面，參照附圖，詳細解釋本發(fā)明的較佳實施例。
圖1是示出本發(fā)明的振動陀螺儀的一個例子的透視圖。圖2是圖1的振動陀螺儀取一個不同的角度的透視圖；圖3是其分解透視圖。振動陀螺儀10包含中間部分12。如圖3所示，中間部分形成為框形，其中心部分具有穿口。在中間部分12的相對側面中的一個側面上形成振動板14。振動板14通過例如藉合壓電基片16和18形成。如由圖3中的箭頭表示的，極化壓電基片16和18，以便使它們沿厚度方向相對。
在壓電基片16上，形成有16個組合的電極，其中四個電極20a、20b、20c和20d用于允許輸入和/或輸出信號。
這些電極是通過用一個模型中的切丁器將平面的電極切割而形成的。這樣，形成十字形交叉的電極20a、20b、20c和20d。在振動陀螺儀10中，由于以上述方式形成電極，故形成了16個電極。但是，振動陀螺儀10需要電極20a、20b、20c和20d，而不需要其它周邊的電極。因此，當通過在壓電基片16上進行印刷而形成電極20a、20b、20c和20d時，不需要形成周邊的電極。當通過蝕刻形成電極20a、20b、20c和20d時，可以類似地去除周邊的電極。還有，在壓電基片18上形成平面電極22。這些壓電基片16和18。電極20a、20b、20c和20d，以及平面電極22形成了激勵和檢測元件。
還有，在中間部件12的相對側面的另一個側面上形成另一個振動板24。該振動板24具有類似于振動板14的結構。振動板24包含藕合的壓電基片26和28，并且對壓電基片26和28極化，以使相對。如在圖2中清楚地看見，在壓電基片26上形成16個組合的電極，其中中心部分中的電極30a，30b，30c和30d用于允許輸入和/或輸出信號。還有，在壓電基片28上形成平面電極32。壓電基片26和28，電極30a，30b，30c和30d，以及平面電極32形成激勵和檢測元件。
以如此方式安排兩個振動板14和24，以便夾住中間部分12；相應地，在振動板14和24之間形成空開的部分。電極20a、20b、20c和20d與電極30a、30b、30c和30d(構成激勵和檢測元件)安排在與空開的部分相對的位置。這樣的安排允許振動板14和24相應于激勵信號，有效地執(zhí)行屈曲振動。
連接圖4所示的電路，用于振動陀螺儀。圖4僅僅示出了電極20a、20b、20c和20d，電極30a、30b、30c，平面電極22和32，以及中間部分12，以示出在振動陀螺儀10中分開的電極和電路之間的連接關系。圖中示出，分開的平面電極22和32，以及中間部分12的外部尺寸和每一個電極20a、20b、20c和20d相同。但是，實際上，它們具有和振動板14和24相同的外部尺寸，如圖1所示。電極20a、20b、20c和20d分別連接到電阻器40a、40b、40c和40d。電極30a、30b、30c和30d分別連接到電阻器42a、42b、42c和42d。在電阻器40a、40b、40c和40d與電阻器42a、42b、42c和42d之間形成振蕩電路44。
為了提供上述連接，將導電材料施加到中間部分12的部分區(qū)域或整個區(qū)域中。由此，將中間部分12電氣連接到平面電極22和32；由此，通過中間部分12，將平面電極22和32連接到振蕩電路44。作為中間部分12的材料，類似于用于振動板14和24的材料的材料是較好的，以便不干擾振動板14和24的振動。相應地，可以通過使用和壓電基片16、18、26和28相同的材料，以及在這種材料上形成電極層而形成中間部件12。在這種情況下，將平面電極22和32電氣連接到電極層?；蛘?，可以使用高彈性材料形成中間部件12。
將相鄰于振動板14的側面的兩個電極20b和20d連接到差動電路46。在與例如從振蕩電路44輸出的信號同步的同步檢測電路48中檢測到從差動電路46輸出的信號。然后，在同步檢測電路48中檢測到的信號在平滑電路50中平滑，隨后在DC放大電路52中放大。類似地，在振動板24的一個側面上相鄰的兩個電極30和30d連接到差動電路54。在由例如從振蕩電路44輸出的信號同步的同步檢測電路56中檢測到從差動電路54輸出的信號。在同步檢測電路56中檢測到的信號在平滑電路58中平滑，隨后在DC放大電路60中放大。
在圖4所示的電路中，相鄰的兩個電極20b和20d形成第一檢測部分；兩個相鄰的電極30c和30d形成第二檢測部分。雖然這些第一檢測部分和第二檢測部分中的每一個可以是相鄰的任意兩個電極的組合，構成第一檢測部分和第二檢測部分的電極都必須選擇哪些相互垂直的電極。
相應地，當為檢測部分選擇電極20b和20d時，電極30a和30b可以選擇作為第二檢測部分。或者，可以這樣安排，從而選擇電極20c和20d，并且由第一檢測部分和第二檢測部分共享電極20d。
從平面電極22和32輸出的信號反饋到振蕩電路44。反饋信號在振蕩電路44中放大，并相位補償，由此形成激勵信號。這些激勵信號饋送到電極20a、20b、20c和20d以及電極30a、30b、30c和30d。根據(jù)上述情況，如圖5A和5B所示，振動板14和24沿相對的方向，以屈曲振動模式振動，從而每一個振動板14和24都振動，在其中心部分產(chǎn)生最大幅值。注意，虛線N表示圖5A中振動的節(jié)線。
這時，較好地，還激勵了如圖6A和6B所示的二階彎曲振動，并且二階彎曲振動和上述屈曲振動退化，從而振動陀螺儀的檢測靈敏度變?yōu)樽畲蟆Ｗ⒁?，還激勵了另一個二階彎曲振動模式，它垂直于如圖6A所示的二階彎曲振動模式。通過使板的厚度、面積(外部尺寸)和空開部分的內(nèi)部尺寸最優(yōu)化，可以退化屈曲振動模式和二階彎曲振動模式。必然地，如果兩個振動模式相互靠近，即，如果兩個振動模式的諧振頻率的差在諧振頻率的大約1％以內(nèi)，則可以得到足夠高的靈敏度。上述振動在壓電基片16和18上形成電極20a、20b、20c和20d的部分引起相同的振動狀態(tài)，這使從電極20a、20b、20c和20d輸出的信號相同。由此，沒有信號從差動電路54輸出。這證明沒有角速度提供給振動陀螺儀10。
在上述振動狀態(tài)中，當繞平行于振動板14和24，并在構成第一檢測部分的電極20b和20d中間延伸的軸旋轉時，由于沿垂直于振動方向的轉角速度，在它不旋轉時產(chǎn)生科里奧利力，由此引起振動板14和24振動模式改變，如圖7A所示。由于科里奧利力，振動板14的最大幅值位置由中心部分偏離。同時，與中心對稱的二階彎曲振動模式受影響，并且解決了屈曲振動和二階彎曲振動的衰減。這引起壓電基片16和18的振動狀態(tài)中間的差異，使電極20b和20d輸出不同信號。
壓電基片16和18的振動狀態(tài)中的偏移對應于科里奧利力的大小，從而從電極20b和20d輸出的信號中的變化對應于科里奧利力。
如圖7B中的虛線所示，當彎曲振動和二階彎曲振動未退化或相互接近時，偏移變小。相反，如圖7B中的線M所示，當壓曲振動和二階彎曲振動退化或相互接近時，偏移變大，從而從電極20b和20d輸出的信號的變化也變大，由此增強了檢測的靈敏度。
上述信號中間的差從差動電路46輸出。由于從電極20b和20d輸出的信號對應于科里奧利力，故可以從差動電路46得到對應于變化的大值信號，即科里奧利力。每一個從差動電路46輸出的信號在與從振蕩電路44輸出的信號同步地檢測。根據(jù)這種情況，只檢測到輸出信號的正面或反面，或正面或反面顛倒的信號的正面和反面中的一個。檢測到的信號在平滑電路50中平滑，并在DC放大電路52中放大。
由于從差動電路46中輸出的信號具有對應于科里奧利力的值，故從DC放大電路52輸出的信號的值也對應于科里奧利力。在這種情況下，角速度的頻率可以根據(jù)從DC放大電路52輸出的信號的值檢測到。還有，當施加給振動陀螺儀10的角速度的方向是相反時，則在同步檢測電路48中檢測到的信號的極性也是相反的。相應地，從DC放大電路52中輸出的信號的極性也相反。從DC放大電路52輸出的信號的極性用于檢測角速度的方向。
如圖7A所示，在偏移振動板24的振動時，沿相對于振動板14的方向施加科里奧利力。但是，由于振動狀態(tài)在沿電極30b和30d中間的軸的兩側改變，從電極30c和30d輸出的信號也改變。由此，沒有信號從差動電路54輸出。
當振動陀螺儀10繞平行于振動板14和24，并在電極30c和30d中間延伸的軸旋轉時，類似于上述參照圖5A、5B、6A、6B和6C的振動狀態(tài)，壓電基片26和28的振動狀態(tài)對應于軸兩側上的科里奧利力改變。這引起從電極30c和30d輸出的信號的中間的差異，由此使差動電路54檢測從差動電路54輸出的信號。然后，該信號在平滑電路58中平滑，并且然后，在DC放大電路60還放大，由此允許檢測在中心內(nèi)，繞在電極30c和30d中間延伸的軸的角速度。此時，由于壓電基片16和18形成在這樣的區(qū)域中，即振動板14的側面上的電極20b和20d也偏移了(類似于上面的情況)。由此，沒有信號從差動電路46輸出。
通過這種方式，根據(jù)從DC放大電路52中輸出的信號的測量結果，繞在電極20b和20d中間延伸的軸的中心的角速度是可以檢測的。還有，根據(jù)從DC放大電路60輸出的信號的測量結果，繞在電極30a、30b、30c和30d之間延伸的軸中心的角速度是可以檢測的。即，根據(jù)其中電極20b和20d構成的第一檢測部分垂直于由電極30c和30d構成的第二檢測部分的安排，繞相互垂直的兩個軸中心的角速度都是可以檢測的。還有，通過信號振蕩電路44，可以激勵振動板14和24引起振動。和每一個使用兩個振蕩電路的傳統(tǒng)方法相比，上述方法允許減小成本。
如圖8所示，每一個振動板14和24都可以是圓盤形狀。在這種情況下，中間部件12形成為環(huán)形。還有，振動板14一側上的每一個電極20a、20b、20c和20d，以及振動板24一側上的每一個電極30a、30b、30c和30d形成為弓扇形。在這種情況下，電極20a、20b、20c和20d周圍的周邊電極和電極30a、30b、30c和30d周圍的周邊電極不用于振動陀螺儀10的工作，從而它們可以被去除。上述振動陀螺儀10還能夠通過如圖4所示的電路，由相互垂直的軸，檢測角速度。
如圖9所示，中間部分12不需要形成為其中心部分具有穿口的框材料，可以形成在振動板14和24的四個角的每一個角上。由此，本質(zhì)上需要的是對應于用于允許輸入和/或輸出信號的電極20a、20b、20c和20d以及電極30a、30b、30c和30d的空開部分。由此，可以按需要改變用于形成空開的中間部件12的形狀。
還有，如圖10所示，構成每一個激勵和檢測元件的電極可以是兩個組合的電極。形成在振動板14的一側上的電極62a和62b和形成在振動板24的一側上的電極64a和64b安排得相互垂直。在這種情況下，使用圖10所示的電路允許中間部件12被激勵，還允許檢測對應于相對于相互垂直的每一個軸的角速度的信號。在上述的電極的安排中，如在其它情況下，較好地，電極62a和62b以及電極64a和64b形成在對應于不存在中間部件12的空開部分。
對于振動板，可以使用例如金屬板代替壓電基片。在這種情況下，對于激勵和檢測元件，可以使用兩個壓電層上都具有電極的壓電元件。這時，壓電元件安排得類似于電極20a、20b、20c和20d和電極30a、30b、30c和30d(如圖1所示)，或類似于電極62a和62b與電極64a和64b(如圖10所示)。必然地，沒有壓電元件需要形成在對應于上述電極周圍的周邊電極的位置。在這種情況下，中間部件12可以由用于振動板14和24相同的金屬材料形成。由此形成的中間部件12連接到振蕩電路44，由此允許將在每一個壓電元件一側上的電極連接到振蕩電路44。
雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明，實現(xiàn)這里所解釋的原理的各種模式都在下面的權利要求的范圍內(nèi)。由此，知道，本發(fā)明的范圍僅僅由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種振動陀螺儀，其特征在于包含兩個相對設置的平面振動板，其中所述兩個振動板在屈曲振動模式和二階彎曲振動模式下振動，所述二階彎曲振動模式與所述屈曲振動模式簡并，或與其接近，并且所述振動陀螺儀通過檢測在施加繞平行于振動板表面的軸的旋轉角速度時產(chǎn)生的二階彎曲振動模式的幅值平衡中的偏移，檢測科里奧利力
2.如權利要求1所述的振動陀螺儀，其特征在于包含形成在兩個振動板之間的中間部件，以便在所述兩個振動板之間形成空開部分，和多個激勵和檢測元件，形成在振動板上，以使所述振動板振動，并輸出由振動板振動產(chǎn)生的信號，其中，第一檢測部分包含兩個相鄰的激勵和檢測元件的組合，第二檢測部分包含另外兩個不同的相鄰的激勵和檢測元件的組合，并且所述第一檢測部分和所述第二檢測部分設置得相互垂直。
3.如權利要求2所述的振動陀螺儀，其特征在于激勵和檢測元件形成在與空開的部分相對，而不與中間部件相對的位置內(nèi)。
4.如權利要求2所述的振動陀螺儀，其特征在于分開的激勵和檢測元件壓電基片，所述壓電基片上具有十字形交叉的電極。
5.如權利要求2所述的振動陀螺儀，其特征在于每一個分開的激勵和檢測元件包含其上具有四個電極的壓電基片。
6.如權利要求2所述的振動陀螺儀，其特征在于每一個振動板由金屬板形成，并且激勵和檢測元件包含壓電元件，所述壓電元件形成在每一個金屬板上，分成交叉的四個部分。
7.如權利要求2所述的振動陀螺儀，其特征在于中間部件由其中心部分具有穿口的框部件形成。
8.如權利要求2所述的振動陀螺儀，其特征在于中間部件由多個設置在振動板的多個端部上的部件形成。
9.如權利要求7所述的振動陀螺儀，其特征在于分開的激勵和檢測元件形成在與穿口相對的位置。
10.如權利要求2所述的振動陀螺儀，其特征在于還包含用于將振蕩信號提供給激勵和檢測元件以使振動板振動的電路，和用于檢測來自第一和第二檢測部分的檢測信號的電路。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種振動陀螺儀,包含兩個相對設置的平面振動板。兩個振動板以屈曲振動模式和與屈曲振動模式退化或接近于屈曲振動模式的二階彎曲振動模式振動。振動陀螺儀通過檢測二階彎曲振動模式的幅值平衡中的偏移檢測科里奧利力,它是當施加繞平行于振動板表面的軸的角速度時產(chǎn)生的。
文檔編號G01C19/56GK1271848SQ0010705
公開日2000年11月1日 申請日期2000年4月24日 優(yōu)先權日1999年4月22日
發(fā)明者石床信行, 藤本克已 申請人:株式會社村田制作所