專(zhuān)利名稱(chēng)：振動(dòng)陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用振動(dòng)器振動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的科里奧利力對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行檢測(cè)的振動(dòng)陀螺儀，更確切地說(shuō)，涉及一種尺寸小、能夠大批量生產(chǎn)和能夠穩(wěn)定地進(jìn)行角速度檢測(cè)的振動(dòng)陀螺儀。
雖然在例如飛機(jī)或輪船的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中已經(jīng)使用陀螺儀來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，但是近年來(lái)，陀螺儀已越來(lái)越多地用于交通導(dǎo)航系統(tǒng)或機(jī)器人或非手動(dòng)操作裝置的姿態(tài)控制，電視機(jī)或錄像機(jī)的防振裝置和與娛樂(lè)活動(dòng)有關(guān)的裝置中。
為了使陀螺儀適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合，要求它們具有小的尺寸，由此把注意力集中到了振動(dòng)陀螺儀上。


圖13表示振動(dòng)陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)。
該振動(dòng)陀螺儀具有壓電驅(qū)動(dòng)元件2和壓電檢測(cè)元件3，元件2和3均粘貼在由彈性合金(鐵鎳鉻合金)構(gòu)成的柱形振動(dòng)器1上。
當(dāng)通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)元件2沿X軸方向?qū)φ駝?dòng)器1施加彎曲振動(dòng)而使得振動(dòng)器1繞軸0轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，科里奧利力沿Y軸方向作用在振動(dòng)器1上。通過(guò)壓電元件3檢測(cè)由科里奧利力沿Y軸方向施加到振動(dòng)器1上的彎曲振動(dòng)而產(chǎn)生的電壓。
如果把振動(dòng)器1的質(zhì)量定為m，把通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)元件2沿X軸方向加到振動(dòng)器1上的振動(dòng)速度定為V(矢量值)，把繞0軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度定為ω(矢量值)，則由公式1可確定互補(bǔ)力F(矢量值)F＝2m(Vxω) (矢量值)該公式表明科里奧利力正比于角速度ω。通過(guò)壓電檢測(cè)元件3把由互補(bǔ)力F引起的振動(dòng)器1沿Y軸方向的變形振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓并根據(jù)測(cè)得的電壓來(lái)確定角速度。
然而，在圖13所示的陀螺儀中，要把非常昂貴的彈性合金加工成柱形，從而使得材料來(lái)源極其缺乏。此外，由于需要把材料加互成具有高精度的柱形，所以導(dǎo)致了較高的加工費(fèi)。而且，在這種陀螺儀中，當(dāng)壓電驅(qū)動(dòng)元件2把彎曲振動(dòng)加到振動(dòng)器1上時(shí)，需要將柱形振動(dòng)器1部分切除才能對(duì)諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，這使得調(diào)色操作十分麻煩。
為了克服這些缺陷，本發(fā)明的發(fā)明者對(duì)采用由彈性合金制成的板形振動(dòng)器4的傳統(tǒng)音叉型振動(dòng)器進(jìn)行了研究，這種振動(dòng)器示于圖14中。在這種陀螺儀中，振動(dòng)器4的中部形成縫隙4a，該縫隙將板分成兩個(gè)彈性片4b和4c。如圖15A所示，在驅(qū)動(dòng)元件作用下，彈性片4b和4c以其各自固有的諧振頻率沿板的方向產(chǎn)生振動(dòng)。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，彈性片4b和4c的振動(dòng)分別產(chǎn)生在+X方向和-X方向，從而使它們的相位相反。如圖15B所示，當(dāng)振動(dòng)器4在施加到其上的振動(dòng)的作用下圍繞0軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于科里奧利力的作用而分別在-Y和+Y的方向上產(chǎn)生變形。該變形可用壓電檢測(cè)元件進(jìn)行檢測(cè)，并將測(cè)得的畸變轉(zhuǎn)換成電壓以便確定角速度ω。
如圖14和15所示的板形傳統(tǒng)音叉型振動(dòng)器4具有以下缺點(diǎn)(1)彈性片4b和4c產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，這會(huì)在整個(gè)振動(dòng)器上產(chǎn)生扭曲應(yīng)力，這樣無(wú)法獲得穩(wěn)定的角速度檢測(cè)。此外，在驅(qū)動(dòng)期間對(duì)諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)需要分別對(duì)彈性片4b和4c進(jìn)行微調(diào)，這使諧振頻率的調(diào)色操作變得麻煩。此外，在調(diào)節(jié)期間，可能會(huì)使彈性片4b和4c處于不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，這會(huì)使精度降低。
(2)當(dāng)在科里奧利力的作用下使每個(gè)彈性片4b和4c沿Y方向產(chǎn)生變形振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)節(jié)點(diǎn)線位于圖14所示振動(dòng)器的區(qū)域(a)和(b)中。因此，需要通過(guò)例如位于振動(dòng)器后端中部處的支撐桿以懸臂梁的形式來(lái)支撐振動(dòng)器4，這限制了支撐結(jié)構(gòu)。在通過(guò)支撐桿5的懸臂梁的形式支撐振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)中，機(jī)械支撐強(qiáng)度不太穩(wěn)定，這使得振動(dòng)器4更容易受外部振動(dòng)的影響。
為了克服已有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種振動(dòng)陀螺儀，這種陀螺儀采用了價(jià)格低廉的板形振動(dòng)器而且容易制造并能進(jìn)行穩(wěn)定的角速度檢測(cè)和容易進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，而且其允許使用穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明，所提供的振動(dòng)陀螺儀的主要部分包括具有三個(gè)彈性片的振動(dòng)器，三個(gè)彈性片由兩個(gè)在板形彈性件上形成的縫隙分隔形成；第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置能夠借助壓電效應(yīng)使彈性片產(chǎn)生沿板表面分向的變形，或能夠根據(jù)彈性片沿板表面方向的變形進(jìn)行電壓檢測(cè)；第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置能夠借助壓電效應(yīng)使彈性片產(chǎn)生沿板厚方向的變形或者能夠根據(jù)所說(shuō)彈性片沿板厚度方向的變形進(jìn)行電壓檢測(cè)，其中振動(dòng)器的角速度是由用其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置測(cè)得的電壓確定的，所說(shuō)的電壓是從由科里奧利力引起的彈性片的變形振動(dòng)中產(chǎn)生的，當(dāng)另一個(gè)驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置使彈性片產(chǎn)生變形振動(dòng)并使振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生科里奧利力。
按照本發(fā)明的上述振動(dòng)陀螺儀，三個(gè)彈性片和兩個(gè)縫隙加在一起的總寬度小于振動(dòng)器上未形成彈性片的基部的寬度。
為了使上述寬度不同，例如使彈性片和基部形成在振動(dòng)器的不同平面上，使左彈性片的外端與基部的左邊外端處于不同平面，并使右彈性片的外端與基部的右邊外端處于不同平面。
在這種情況下，沿寬度方向平面差的深度小于每個(gè)彈性片寬度的0.8倍。
可以這樣設(shè)置本發(fā)明振動(dòng)陀螺儀的上述主要部分，即使得第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置帶有一對(duì)能提供變形力的電極，所施加的變形力是一對(duì)作用方向相反的力，該力能使彈性片圍繞著在板厚度方向上延伸的中軸線產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而且第二驅(qū)動(dòng)/檢則裝置具有一對(duì)能夠施加變形力的電極，所施加的變形力是一對(duì)作用方向相反的力，該力能使彈性片在板厚度的范圍內(nèi)圍繞著沿板表面方向延伸的中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
可以這樣設(shè)置本發(fā)明振動(dòng)陀螺儀的上述主要部分，即當(dāng)彈性片沿板厚方向以次級(jí)或高次諧振模式振動(dòng)時(shí)，第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置分別檢測(cè)彈性片表面上的壓縮部分和拉伸部分。
按照本發(fā)明，第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置可以由壓電材料層和形成在壓電材料層上的電極層構(gòu)成，壓電材料層在每個(gè)彈性片以次級(jí)或較高次諧振動(dòng)模式沿板厚度方向振動(dòng)時(shí)，使每個(gè)彈性片表面上的壓縮部分和拉伸部分處有不同的極化方向，或者是第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置可以由壓電材料層和形成在每個(gè)壓電材料層的壓縮部分和拉伸部分上的分離電極層構(gòu)成，所說(shuō)的壓電材料層在每個(gè)彈性片沿板厚度方向以次級(jí)或較高次諧振模式振動(dòng)時(shí)，在每個(gè)彈性片表面上的壓縮部分和拉伸部分處有相同的極化方向。
按照上述振動(dòng)陀螺儀，當(dāng)每個(gè)彈性片沿板厚方向以次級(jí)諧振模式振動(dòng)時(shí)，最好是使主要部分側(cè)上每個(gè)彈性片的檢測(cè)區(qū)長(zhǎng)度位于小于彈性片全長(zhǎng)0.5倍的范圍內(nèi)。
按照本發(fā)明，上述振動(dòng)器帶有層壓在彈性件前面和背面上的壓電材料層和形成在壓電材料層上的電極層，電極層和壓電材料層共同形成所說(shuō)的第一和第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置。
在前面的所有描述中，用變形振動(dòng)模式來(lái)驅(qū)動(dòng)三個(gè)彈性地，其中在相同的方向上驅(qū)動(dòng)側(cè)面的彈性片，同時(shí)在相反的方向上驅(qū)動(dòng)中間的彈性片。
雖然不是唯一的，但是本發(fā)明的振動(dòng)陀螺儀可以包括與上述有關(guān)的所有特征。
正如從以上描述中可以清楚認(rèn)識(shí)到的那樣，按照本發(fā)明的振動(dòng)陀螺儀，振動(dòng)器是板形的，這樣就可以用低成本進(jìn)行大批量生產(chǎn)。此外，由于可以使用剛性體的支撐結(jié)構(gòu)，所以支撐狀態(tài)是穩(wěn)定的。而且，通過(guò)對(duì)中間的彈性片進(jìn)行微調(diào)就可簡(jiǎn)單地調(diào)整諧振頻率，由此可以容易地設(shè)置頻率。
使所形成的彈性片最外側(cè)端和振動(dòng)器基部的側(cè)端處于不同平面中的防止扭曲應(yīng)力作用在基部上，這使得振動(dòng)器能穩(wěn)定地諧振。
通過(guò)設(shè)置能借助于為偶以H模式和V模式驅(qū)動(dòng)彈性片的電極可以用H模式式V模式對(duì)彈性片進(jìn)行有效的和良好的驅(qū)動(dòng)，和對(duì)由科里奧利力引起的振動(dòng)器變形進(jìn)行高精度檢測(cè)。
當(dāng)彈性片沿板厚方向以次級(jí)或更高次諧振動(dòng)模式產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，分別檢測(cè)壓縮部分和拉伸部分，以便用附加的輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)彈性片沿Y方向的變形。
由于有壓電效應(yīng)，所以通過(guò)在彈性件的前面和背面上層壓壓電材料層而形成的振動(dòng)器結(jié)構(gòu)允許較大的變形力作用在彈性片上，由此可以高精度地檢測(cè)彈性片中的應(yīng)變。通過(guò)沖制層壓結(jié)構(gòu)而形成的振動(dòng)器不需定位和粘貼各壓電材料層，所以容易生產(chǎn)出具有較高精度的陀螺儀。
圖1是振動(dòng)器基本形狀和互作狀態(tài)的透視圖；圖2是振動(dòng)器支撐結(jié)構(gòu)的透視圖；圖3A是振動(dòng)器優(yōu)選的平面形狀的平面圖，而圖3B是它的側(cè)視圖；圖4是表示采用圖3所示形狀的振動(dòng)器的振動(dòng)陀螺儀檢測(cè)精度的曲線圖；圖5是測(cè)得的振動(dòng)陀螺儀衰減電壓的矢量圖；圖6是表示圖3中不同平面位置13和諧振動(dòng)頻率之間關(guān)系的曲線圖；圖7是振動(dòng)器另一個(gè)實(shí)施例的平面圖；圖8A是每個(gè)彈性片上電極層的放大端視圖，而圖8B是彈性片上不同電極層的放大端視圖；圖9是表示彈性片沿板厚方向以次級(jí)諧振動(dòng)模式產(chǎn)生的變形；圖10A和10B是能夠有效地檢測(cè)圖9所示變形的檢測(cè)部分結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖11是表示圖10中L1部分的長(zhǎng)度和等效電容之間關(guān)系的曲線圖；圖12A、12B和12C是振動(dòng)器的平面圖、側(cè)視圖和底視圖，其表示形成在振動(dòng)器中的電極層的具體實(shí)例；圖13是傳統(tǒng)振動(dòng)陀螺儀中振動(dòng)器的透視圖；圖14是用板片制成的傳統(tǒng)音叉型振動(dòng)器的透視圖；和圖15A是表示在驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)下圖14中振動(dòng)器振動(dòng)狀態(tài)的視圖，而圖15B是表示因科里奧利力而引起的振動(dòng)器變形的視圖。
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。
圖1是表示用于本發(fā)明振動(dòng)陀螺儀中的振動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)如工作狀態(tài)的透視圖，而圖2是圖1中振動(dòng)器支撐結(jié)構(gòu)的透視圖。
參照附圖，板形振動(dòng)器10主要由彈性合金(鐵鎳鉻合金)構(gòu)成。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將壓電材料層整體層壓到彈性合金板材的兩面上，并在壓電材料層上形成電極層。
上述彈性合金(鐵鎳鉻合金)是一種當(dāng)溫度在室溫左右變化時(shí)其楊氏模量變化很小的材料。這種合金的實(shí)例包括Fe(鐵)、Ni(鎳)、Cr(鉻)和Ti(鈦)合金，這些合金中加有Co(鈷)。
在下面的描述中，將板形振動(dòng)器上每個(gè)彈性片的板厚方向設(shè)為“Y”，而將垂直于板厚方向的板表面方向設(shè)為“X”。如圖1所示，用ω表示振動(dòng)器沿X和Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。
如圖1所示，振動(dòng)器10上具有兩個(gè)在其上形成的縫隙11，當(dāng)從板材的前端測(cè)量時(shí)，這兩個(gè)縫隙的長(zhǎng)度相同?？p隙11是這樣形成的，那沿著板厚度方向(Y方向)將振動(dòng)器10切開(kāi)，其中三個(gè)分離的彈性片全部都沿X方向構(gòu)成，即中間彈性片10a，和中間彈性片兩側(cè)的左、右彈性片10b和10c。
第一和第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置由整體形成在彈性合金件兩面上的壓電材料層和形成在彈性合金件上的電極層構(gòu)成。下面將對(duì)電極層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。借助壓電效應(yīng)，第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置能夠沿板表面的方向(X方向)驅(qū)動(dòng)每個(gè)彈性片10a、10b和10c。當(dāng)每個(gè)彈性片沿板表面方向(X方向)產(chǎn)生變形時(shí)，可以通過(guò)固壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電壓來(lái)檢測(cè)變形。借助壓電效應(yīng)，第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置能夠沿板厚方向(Y方向)驅(qū)動(dòng)每個(gè)彈性片10a、10b和10c。當(dāng)彈性片沿板厚方向(Y方向)產(chǎn)生變形時(shí)，可以通過(guò)固壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電壓來(lái)檢測(cè)彈性片的變形。
振動(dòng)器10上彈性片10a、10b和10c的振動(dòng)模式包括沿板表面的振動(dòng)模式，在該模式中每個(gè)彈性片都沿板表面方向(X方向)振動(dòng)(以下稱(chēng)為“ H模式”，和沿板厚方向的振動(dòng)模式，其中每個(gè)彈性片都沿板厚方向(Y方向)振動(dòng)(以下稱(chēng)為“V模式”)。
在用于檢測(cè)角速度(ω)的方法中，由于壓電效應(yīng)，第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置驅(qū)動(dòng)中間彈性片兩側(cè)的彈性片10b和10c使其振幅方向在某個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)上都處于+X方向，同時(shí)該驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置驅(qū)動(dòng)中間彈性片10a使它的振幅方向在某個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)上處于-X方向(H模式振動(dòng))。當(dāng)振動(dòng)的振動(dòng)器10以某個(gè)角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生科里奧利力，該力使彈性片10b和10c產(chǎn)生振幅方向?yàn)?Y方向的變形振動(dòng)并使中間彈性片10a產(chǎn)生振幅方向相反或?yàn)?Y方向的變形振動(dòng)(V模式振動(dòng))。通過(guò)第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置利用科里奧利效應(yīng)檢測(cè)因振動(dòng)而引起的每個(gè)彈性片沿Y方向的變形電壓。根據(jù)上述公式1，由于科里奧利力正比了角度速度ω，所以例如通過(guò)檢測(cè)因振動(dòng)引起的每個(gè)彈性片沿Y方向的變形量電壓可以確定角速度ω。
在另一種檢測(cè)角速度ω的方法中，用第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置產(chǎn)生振動(dòng)并以相同的相位只驅(qū)動(dòng)側(cè)邊彈性片10b和10c使其振動(dòng)幅在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上處于+X方向。彈性片10b和10c在+X方向上的振動(dòng)可產(chǎn)生使中間彈性片10a在-X方向上形成與上述彈性片10b和10c相反相位的振動(dòng)的反作用力。振動(dòng)著的振動(dòng)器的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)而形成能使彈性片10b、10c和10a振動(dòng)的科里奧利力。彈性片10b和10c以這樣的方式振動(dòng)，即在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上它們的振幅都在+Y方向。另一方面，中間彈性片10a的振動(dòng)方式是，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上它的振幅處在相反的或-Y方向。用第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置檢測(cè)每個(gè)彈性片沿Y方向的變形以便確定角速度ω。
在另一種檢測(cè)角速度的方法中，用第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置沿Y方向驅(qū)動(dòng)每個(gè)彈性片(V模式)。在這種情況下，使所有彈性片10a、10b和10c振動(dòng)并以預(yù)定的頻率對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以便如圖1所示，使彈性片10b和10c在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上產(chǎn)生+Y方向的變形而使中間彈性片10a產(chǎn)生-Y方向的變形。當(dāng)使振動(dòng)的振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生能使彈性片10a、10b和10c沿板表面方向(X方向)變形并形成諧振的科里奧利力(H模式)。用第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置以電壓的形式測(cè)出因彈性片以圖1所示相位產(chǎn)生振動(dòng)而引起的變形以便確定角速度ω。
還可以沿Y方向只驅(qū)動(dòng)中間彈性片兩側(cè)上的彈性片10b和10c。在這種情況下，反向力使中間彈性片10a產(chǎn)生振動(dòng)并在與彈性片10b和10c位移方向相反的方向上產(chǎn)生移動(dòng)。肌箍梢匝剄方向只驅(qū)動(dòng)中間彈性片10a。在這種情況下，反向力使中間彈性片兩側(cè)的彈性片10b和10c產(chǎn)生變形并在與中間彈性片10a的變形方向相反的方向上產(chǎn)生位移。在這兩種情況下，當(dāng)振動(dòng)的振動(dòng)器10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如圖1所示，由此而產(chǎn)生的科里奧利力使彈性片10a、10b和10c沿X方向形成變形。用第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置對(duì)該變形振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。
如美國(guó)序列號(hào)08/278776中所公開(kāi)的本申請(qǐng)的在先申請(qǐng)中所描述的那樣，當(dāng)左、右彈性片10b和10c以及中間彈性片10a以相反相位沿Y方向振動(dòng)時(shí)，只需改變中間彈性片10a的長(zhǎng)度就可完成對(duì)諧振頻率的調(diào)節(jié)操作。在僅通過(guò)改變中間彈性件10a的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)頻率時(shí)，振動(dòng)器10的結(jié)構(gòu)保持對(duì)稱(chēng)，這樣在進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)不會(huì)使振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，從而消除了扭曲振動(dòng)。在沿Y方向?qū)χC振頻率進(jìn)行上述調(diào)節(jié)時(shí)，改變中間彈性片的長(zhǎng)度不影響彈性片10a、10b和10c中任一個(gè)沿X方向的諧振頻率。因此，能夠容易地將每個(gè)彈性片10a、10b和10c沿Y方向的次級(jí)諧振調(diào)節(jié)成沿X方向的接近初級(jí)的諧振頻率。
換句話說(shuō)，通過(guò)調(diào)節(jié)彈性片10a的長(zhǎng)度使每個(gè)彈性片以初級(jí)諧振模式沿X方向振動(dòng)并以次級(jí)諧振動(dòng)模式產(chǎn)生沿Y方向的諧振，可以使兩種諧振模式下沿X和Y方向的振動(dòng)量幾乎相同。
在振動(dòng)動(dòng)器10中，當(dāng)振動(dòng)發(fā)生在Y方向時(shí)，中間彈性片10a和中間彈性片兩側(cè)的彈性片10b和10c產(chǎn)生相位相反的振動(dòng)，因此在未形成縫隙11的基部10d的端部處振幅極小。此外，在基部10d處很少產(chǎn)生扭曲振動(dòng)。因此，如圖2所示，可以采用這樣的支撐結(jié)構(gòu)，即用剛性體12a和12b來(lái)夾持振動(dòng)器10基部10d的端部。采用這種用剛性體構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu)，不會(huì)對(duì)振動(dòng)器的振動(dòng)模式產(chǎn)生影響。
按照本發(fā)明，振動(dòng)陀螺儀具有作為重要部分的振動(dòng)器10，振動(dòng)器具有圖1所示的形態(tài)并能夠產(chǎn)生V振動(dòng)模式和H振動(dòng)模式的振動(dòng)。然而，圖3中振動(dòng)器10的形狀能使其更穩(wěn)定地振動(dòng)和以更高的精度檢測(cè)角速度(ω)。圖3A是振動(dòng)器10的平面圖，而圖3B是它的側(cè)視圖。
振動(dòng)器10是一種層壓件，層壓件具有用板形彈性合金制作的彈性件A(板厚為T(mén)a)構(gòu)成的中心層，彈性件A的前面和背面上整體地層壓有壓電材料層B(板厚為T(mén)b)。
圖3A中的振動(dòng)器10相對(duì)于中線01-01的左右側(cè)(圖中的頂側(cè)和底側(cè))是對(duì)稱(chēng)的。三個(gè)彈性片10a、10b和10c都具有相同的寬度(Wa)。將彈性片分開(kāi)的兩個(gè)縫隙11的尺寸為Wb。三個(gè)彈性片10a、10b和10c具有相同的長(zhǎng)度(La)，而且基部10d和彈性片起始邊之間的長(zhǎng)度(或基部10d的長(zhǎng)度)尺寸為L(zhǎng)b。
如圖8A所示，在彈性片10b和10c的左右外側(cè)端14b和基部10d的兩側(cè)編14a之間形成平面差部分13。呈直角的平面差部分13構(gòu)成凹進(jìn)的形狀。呈直角的平面差部分13和縫隙11的底部處于相同的線D上。平面差部分13沿寬度方向切下的深度為Ws。應(yīng)這樣確定該尺寸，即使得用公式3xWa＋2xWb表示的三個(gè)彈性片10a、10b及10c的寬度(或Wa)和兩個(gè)縫隙11的尺寸(或Wb)的總和比基部10d的寬度Wo小(2xWs)。
由于在振動(dòng)器10的彈性片10b和10c外側(cè)端14b和基部10d的側(cè)端14a之間存在平面差，所以當(dāng)彈性片10a、10b和10c沿X和Y方向振動(dòng)時(shí)，通過(guò)平面差部分13可消除側(cè)端14b處產(chǎn)生的應(yīng)力，這樣就使應(yīng)力很難達(dá)到由剛性支撐的基部10d的基部端。結(jié)果是，很少會(huì)發(fā)生因彈性片10a、10b和10c振動(dòng)而使基部10d產(chǎn)生沿扭曲方向的無(wú)益振動(dòng)，這使得彈性片能穩(wěn)定的振動(dòng)并能以較高精度檢測(cè)角速度。
圖4表示用帶有平面差部分13的振動(dòng)器10進(jìn)行的角速度測(cè)量。雖然在實(shí)驗(yàn)中使用的是圖12中所示的振動(dòng)體，但是其各部分的尺寸等示于圖3中。
在用于實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)體10上，Wa＝7mm，Wb＝0.6mm，Ws＝2.0mm，La＝20mm，Lb＝30mm，Ta＝0.6mm，而Tb＝0.25mm。在振動(dòng)器10中，第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置使彈性片10b和10c在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上以+X方向的振幅產(chǎn)生振動(dòng)而使中間彈性片10a在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)以-X方向的振幅產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)期間振動(dòng)器10產(chǎn)生角速度為ω的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1所示，這時(shí)在沿Y方向的振動(dòng)模式下，因振動(dòng)而產(chǎn)生的科里奧利力使彈性片產(chǎn)生變形，該變形通過(guò)第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置以電壓的形式測(cè)出。
在圖5中，矢量V0表示在帶有振動(dòng)器10的振動(dòng)陀螺儀中，根據(jù)因科里奧利力導(dǎo)致的彈性片沿Y方向的變形測(cè)出的電壓。V1表示在振動(dòng)器10不旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的漏輸電壓，而V2表示振動(dòng)器10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的與角速度ω成正比的電壓。表示V0和V1之間的相位差。圖4中設(shè)有用V0·Cos表示的橫軸和用V0·Sin表示的豎軸以便清楚地表示用具有圖3所示形狀的振動(dòng)器10檢測(cè)到的角速度ω和所獲得的穩(wěn)定電壓V2。圖4的曲線圖中向上和向下延伸的虛線表示測(cè)量值的變化，而每個(gè)黑點(diǎn)表示變化的平均值。圖4表示在兩種情況下測(cè)量值的變化不大。這表明用帶有平面差部分13的振動(dòng)器10可以實(shí)現(xiàn)很高精度的角速度檢測(cè)。
圖6表示上述平面差部分13深度Ws的變化范圍對(duì)諧振頻率的影響。
在該實(shí)驗(yàn)中使用的振動(dòng)器上，Wa＝2.6mm，Wb＝0.2mm，La＝6mm，Lb＝10mm，Ta＝0.2mm，和Tb＝0.1mm。制作多個(gè)具有不同深度Ws(由Wo變化而來(lái))的平面差部分13的振動(dòng)器10。針對(duì)每種振動(dòng)器類(lèi)型確定圖1中所示的沿X方向(H振動(dòng)模式)和沿Y方向(V振動(dòng)模式)的諧振頻率(KHz)。
在圖6中，橫軸表示W(wǎng)s/Wa，而縱軸表示諧振頻率(KHz)。參照該圖，在H振動(dòng)模式(用黑點(diǎn)表示)中諧振頻率不受Ws/Wa值的影響，其表示諧振頻率是穩(wěn)定的。另一方面，在V振動(dòng)模式中諧振頻率受Ws/Wa值的影響。然而，如果Ws/Wa小于0.8mm，那么既使是Ws/Wa發(fā)生變化，V振動(dòng)模式中的諧振頻率也只出現(xiàn)輕微的改變。
更具體地說(shuō)，如圖4所示，盡管平面差部分13能防止振動(dòng)器10出現(xiàn)扭曲振動(dòng)從而提高了角速度的檢測(cè)精度，但是當(dāng)例如Ws/Wa大于0.8時(shí)，由于制造誤差等因素會(huì)使Ws/Wa發(fā)生變化，由此可使V振動(dòng)模式中的諧振頻率發(fā)生變化。圖6中示出Ws/Wa優(yōu)選小于0.8或者是小于0.8但大于0.5，最好優(yōu)選小于0.75或者是小于0.75但大于0.5，或優(yōu)選小于0.65或者小于0.65但大于0.5。當(dāng)Ws/Wa落入上述任何范圍內(nèi)時(shí)，因制造誤差引起的Ws/Wa的改變幾乎不會(huì)導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生變化。借助于所設(shè)置的平面差部分13和將Ws/Wa設(shè)定在上述任何范圍值之內(nèi)，既使在以低精度生產(chǎn)產(chǎn)品和進(jìn)行粗加工的情況下也不會(huì)引起諧振量的改變，所以能夠恒定地獲得圖4中所示的穩(wěn)定的角速度檢測(cè)。應(yīng)注意到，在圖4的實(shí)例中使用的振動(dòng)器10的Ws/Wa是0.5。
通過(guò)在彈性片10b和10c的左右側(cè)端14b和基部10d的側(cè)端14a之間形成平面差部分13，使側(cè)端14b和14a不處于相同的平面上即可實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn)。平面差部分13不必一定為直角。側(cè)端14b和14a可以是曲線。如圖7所示，可使基部10d的邊界和彈性片起始點(diǎn)之間的寬度W1略大于W0以便在這個(gè)邊界和彈性片10b和10c之間形成平面差部分13。圖3和圖7中的整個(gè)振動(dòng)器10可用壓電材料制成。
圖8表示用于驅(qū)動(dòng)上述振動(dòng)器10的電極層。圖8A是圖3A中振動(dòng)器10的彈性片10a、10b和10c前端的放大視圖。圖8B是只表示彈性片10b端部的另一個(gè)放大視圖。
圖8A和8B中的振動(dòng)器10具有將壓電材料層B壓到彈性件A前面和背面上的層壓結(jié)構(gòu)。
假設(shè)圖8A和圖8B中的振動(dòng)器10以與圖1所示相同的振動(dòng)模式產(chǎn)生諧振。
驅(qū)動(dòng)每個(gè)彈性片10a、10b和10c使它們以初級(jí)諧振H模式產(chǎn)生沿板表面方向(x方向)的振動(dòng)，而且當(dāng)振動(dòng)器10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彈性片10a、10b和10c借助科里奧利力以次級(jí)諧振V模式產(chǎn)生沿板厚方向的振動(dòng)。
如圖1所示，用相同的相位驅(qū)動(dòng)中間彈性片左右側(cè)上的彈性片10b和10c，使其振幅在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上處于+x方向。因此，可用具有相同結(jié)構(gòu)的第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置沿x方向驅(qū)動(dòng)彈性片10b和10c。
在圖8A中，在每個(gè)彈性片的相同區(qū)域范圍內(nèi)層壓到彈性件A前面和背面上的壓電材料層B的極化方向是相同的。在圖8A中，沿厚度方向壓電材料層B的極化方向?yàn)橄喾吹姆较?，如白色箭頭所示，極化方向朝向壓電材料層的表面。
可以看出，在圖中的上側(cè)將一對(duì)電極層21a和22a層壓在壓電材料層B上而構(gòu)成了彈性片10b。向每個(gè)電極層21a和22a提供交流(ac)電壓，其中在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上將正(+)電壓提供給電極層21a，而將負(fù)電壓(-)提供給電極層22a。如圖3A所示，在提供這種電壓時(shí)，在形成電極層21a部分處的壓電材料層B上作用有拉伸力f1(沿拉伸方向的應(yīng)力)，而在形成電極層22a部分處作用有壓縮力f2(沿壓縮方向的應(yīng)力)。由于這對(duì)電極層21a和22a是在x平面內(nèi)形成的，所以作用在相反方向上的力f1和f2是一對(duì)作用在x平面內(nèi)的力。這些力f1和f2是能使彈性片繞中軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶，所述中軸是沿彈性片的板厚方向(y方向)伸延的虛線0y。當(dāng)向電極層21a施加負(fù)ac電壓(-)和向電極層22a施加正(+)ac電壓時(shí)，f1和f2作用在相反的方向上。
這種作用在形成有一對(duì)電極層21a和22a的壓電材料層B上且引起繞中軸0y轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶使彈性片10b產(chǎn)生±x方向的有效振動(dòng)。
在圖8A的實(shí)施例中，在圖中下部壓電材料層B上還形成一對(duì)電極層21b和22b。施加到每個(gè)電極層21b和22b上的電壓相位分別與施加到上述電極層21a和22a上的電壓相位相同。因此，當(dāng)把與施加到上部壓電材料B上的電壓相位相同的電壓相位施加到下部壓電材料層B上時(shí)，這種能引起繞虛線0y所示中軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶作用在圖8中下側(cè)的壓電材料層B上。所以，彈性片10b受到通過(guò)其前面和背面上形成的兩個(gè)壓電材料層B施加的方向相反的力f1和f2的作用，這樣使彈性片在±x方向上振動(dòng)和起動(dòng)。該力偶使彈性片10b總是在±x方向上起動(dòng)，這可以減少能量損失。
圖8中左手側(cè)所示的彈性片10c帶有與彈性片10b相同的電極層。更具體地說(shuō)，在彈性片10b中，在圖8A上部的壓電材料層B上形成有一對(duì)電極層21a和22a，而在下部的壓電材料層B上形成電極層21b和22b。用與彈性片10b相同的參考標(biāo)號(hào)表示的彈性片10c的電極層驅(qū)動(dòng)電壓與施加到其上的電壓相位和極性均相同。因此，與彈性片10b相同，彈性片10c由力偶驅(qū)動(dòng)，當(dāng)力f1和f2在彈性片的前面和背面作用于相反的方向上時(shí)，該力偶致使彈性片圍繞虛線0y所示的中軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
在圖8A中部的彈性片10a中，在上部壓電材料層B上沿x方向分離地形成一對(duì)電極層23a和24a，而在下部壓電材料層B上同樣沿x方向分離地形成一對(duì)電極層23b和24b。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上將不同極性的電壓施加到電極層23a和24a以及電極23b和24b上。因此，將力偶也施加到中間彈性片10a上，力偶會(huì)引起彈性片繞沿板厚方向(y方向)延伸的虛線0y轉(zhuǎn)動(dòng)。
在這個(gè)實(shí)施例中，第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置由壓電材料層B和在壓電材料B的前面和背面上形成的電極21a，21b，22a，22b，23a，23b，24a和24b構(gòu)成。第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置借助力偶沿板的方向驅(qū)動(dòng)彈性片10a，10b和10c，力偶使彈性片繞中軸轉(zhuǎn)動(dòng)，中軸是一條沿板厚方向(y)延伸的線0y，側(cè)邊的彈性片10b和10c在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上具有與中間彈性片的相位和振幅相反的相位和振幅(見(jiàn)圖1)。
其彈性臂10a，10b和10c以初級(jí)振動(dòng)模式(H模式)沿板表面(x方向)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)器10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生科里奧利力，該力在彈性片10a，10b和10c中形成沿y方向的力，如圖1所示，其中每個(gè)彈性片都產(chǎn)生沿y方向的振動(dòng)。該振動(dòng)由第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)。
為此，彈性片10b上帶有一對(duì)電極層25和26，每個(gè)電極層都沿板厚方向以一定的間隔分別形成在其各自的壓電材料層B上。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，如果在電極層25上施加正向(+)驅(qū)動(dòng)電壓而在電極層26上施加負(fù)向(-)電壓，那么彈性片10b將沿y方向產(chǎn)生彎曲。更具體地說(shuō)，如圖3B所示，當(dāng)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上向電極25施加正向電壓時(shí)，拉伸力fa將作用在圖中下部的壓電材料層B上，而當(dāng)向電極26施加負(fù)向電壓時(shí)，作用在圖中上部壓電材料層B上的是壓縮力fb。這兩個(gè)沿彈性片長(zhǎng)度方向作用在相反方向上的力是以力偶的形式施加的，該力偶使彈性片10b產(chǎn)生繞虛線0x的轉(zhuǎn)動(dòng)，虛線0x在彈性片10b的板厚范圍內(nèi)沿板表面(x方向)延伸。
然而，沿x方向驅(qū)動(dòng)彈性片10b時(shí)，借助電極層21a，21b，22a，和22b的作用，可以用電極層25和26來(lái)檢測(cè)當(dāng)力偶引起彈性片沿y方向振動(dòng)時(shí)彈性片10b產(chǎn)生的變形。當(dāng)科里奧利力使彈性片10b在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沿+y方向產(chǎn)生振動(dòng)和變形時(shí)，下部壓電材料層B上作用有拉伸力，而上部壓電材料層B上作用有壓縮力。因此，根據(jù)壓電效應(yīng)可測(cè)出電極層25兩端的正電壓，同時(shí)測(cè)出電極層26兩端的負(fù)電壓。當(dāng)彈性片10b產(chǎn)生沿-y方向的變形時(shí)，能分別測(cè)出電極層25和26兩端上相反極性的電壓。
例如，如果把通過(guò)電極26測(cè)得的電壓極性反向并把這個(gè)電壓加到用電極層25測(cè)得的電壓上時(shí)，就能夠檢測(cè)由科里奧利力引起的彈性片10b沿y方向產(chǎn)生的變形。
當(dāng)用包含有能形成使彈性片沿板厚方向(y方向)轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶的電極層25和26的結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)因科里奧利力而使彈性片產(chǎn)生的變形時(shí)，可用這一對(duì)電極檢測(cè)彈性片的拉伸和壓縮。取測(cè)得的電極25和26的電壓差來(lái)增加檢測(cè)電壓就能對(duì)角速度進(jìn)行高精度檢測(cè)。
如圖1所示，在科里奧利力作用下使彈性片10c產(chǎn)生與彈性片10b相同相位的振動(dòng)和變形。所以，彈性片10c具有用與彈性片10b相同方式構(gòu)成的電極層25和26。在檢測(cè)科里奧利力時(shí)，可以用電極層25和26來(lái)檢測(cè)彈性片的拉伸和壓縮，用這個(gè)增大的檢測(cè)輸出信號(hào)可以進(jìn)行較高精度的角速度檢測(cè)。
中間彈性片10a以與中間彈性片兩側(cè)上彈性片10b和10c的相位相反的相位沿y方向產(chǎn)生變形，而且在其前面和背面上形成電極層27和28。通過(guò)該電極層27和28，可以將力偶施加到彈性片10a上使其繞虛線0x轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，可以用電極層27和28檢測(cè)兩個(gè)方向上的變形，即由科里奧利力引起的壓縮和拉伸。
用具有形成在壓電材料層B上的電極層25，26，27和28的形式構(gòu)成的第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置能夠借助分離的電極通過(guò)因壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓來(lái)檢測(cè)彈性片沿y方向的壓縮和拉伸。將測(cè)得的兩個(gè)電壓差相加使因科里奧利力引起的變形以高電壓值的形式輸出。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)彈性片10a，10b和10c使其振動(dòng)并產(chǎn)生沿y方向的變形，和使振動(dòng)器10轉(zhuǎn)動(dòng)以便檢測(cè)因科里奧利力引起的彈性片10a，10b和10c沿x方向產(chǎn)生的變形時(shí)，施加到上述電極層25，26，27和28上的驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生如圖3B所示的力偶fa和fb，而且該力偶有效地沿y方向驅(qū)動(dòng)彈性片。通過(guò)電極層21a，21b，22a，22b，23a，23b，24a和24b以電壓的形式測(cè)出因科里奧利力引起的沿x方向的變形。例如，當(dāng)科里奧利力使彈性片10b產(chǎn)生沿x方向的變形時(shí)，用一對(duì)電極層21a和22a檢測(cè)不同電極層的拉伸和壓縮，由此獲得高檢測(cè)輸出信號(hào)。
在圖8A中，層壓到彈性件A前表面上的整個(gè)壓電材料層B的極化方向是相同的。這對(duì)層壓到彈性件1背面上的整個(gè)壓電材料層B也適用。然而，如圖8B所示，也可以改變對(duì)著電極層的部分壓電材料B的極化方向。雖然圖8B中只示出了彈性片10b，但是也可以使彈性片10c和10a在與電極層相對(duì)的部分上具有不同的極化方向。
在圖8B所示的實(shí)例中，當(dāng)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上彈性片10b產(chǎn)生沿+x方向的變形時(shí)，將把相電壓施加到電極層21a，21b，22a和22b上。在這種情況下，借助力偶的作用使彈性片10b在+x方向上起動(dòng)。當(dāng)彈性片10b在例如+y方向產(chǎn)生變形時(shí)，通過(guò)電極層25和26以電壓的形式測(cè)出拉伸和壓縮，電極層25和26上帶有從電極25和26兩端的電壓中得到的相同相位(相同極性)的電壓。
圖9是彈性片處于以次級(jí)諧振模式沿y方向振動(dòng)狀態(tài)下的視圖。
例如，當(dāng)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上彈性片10b以次級(jí)諧振模式產(chǎn)生沿-y方向的變形時(shí)，圖中上側(cè)的層壓壓電材料層B受到拉伸并在部分(a)處被拉出。另一方面，在彈性片10b和基部10d之間的邊界(b)處產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。在下部壓電材料層B上出現(xiàn)相反的情況。壓應(yīng)力出現(xiàn)在(a)部，而拉應(yīng)力出現(xiàn)在(b)部。
假設(shè)在彈性片10b長(zhǎng)度方向上的全長(zhǎng)La范圍內(nèi)，相同的電極層25和26以及壓電材料層構(gòu)成第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置。當(dāng)彈性片10b處于如圖9所示的變形狀態(tài)時(shí)，雖然要檢測(cè)因壓電材料B受拉應(yīng)力而產(chǎn)生的上電極層26兩端的電壓，但是在(b)部分處的部分壓電材料層B中還產(chǎn)生壓應(yīng)力，所以因壓電效應(yīng)在(b)部分處產(chǎn)生的電勢(shì)與(a)部分處的電勢(shì)極性相反。換句話說(shuō)，測(cè)得的因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的(b)部分兩端的電壓能抵消在拉應(yīng)力下因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的(b)部分處的檢測(cè)電壓。因此，在檢測(cè)彈性片因科里奧利效應(yīng)沿y方向產(chǎn)生的變形時(shí)，測(cè)得的電壓輸出信號(hào)減小，從而會(huì)降低檢測(cè)精度。
為了避免這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)圖10A和10B的實(shí)施例，可以分別檢測(cè)彈性片10b在(a)部分(拉伸部分)和(b)部分(壓縮部分)的變形。
圖10A表示當(dāng)層壓到彈性件10b前面和背面上的壓電材料層具有完全相同的極性方向時(shí)的情況。在這種情況下，把構(gòu)成第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置的彈性件10b的電極25和26分別設(shè)置在(a)部和(b)部。在圖10A中，電極層25a和26a形成在(a)部，而較短的電極25b和26b則形成在(b)部。
參照?qǐng)D10A，當(dāng)彈性片10b以次級(jí)諧振模式振動(dòng)并在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上產(chǎn)生如圖9所示的變形時(shí)，在上部壓電材料層B上(a)部分處產(chǎn)生拉應(yīng)力，利用電極層26a兩端的正電壓(+)可以檢測(cè)該應(yīng)力，同時(shí)用電極層26b兩端的負(fù)電壓(-)來(lái)檢測(cè)(b)部分處產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力。另一方面，在下部壓電材料層上檢測(cè)電極層25a兩端的負(fù)電壓，同時(shí)檢測(cè)電極層25b兩端的正(+)電壓。例如，當(dāng)使測(cè)得的電極層25a和26b的電壓極性反向并將這些測(cè)得的電壓加到檢測(cè)到的電極層26a和25b的電壓上時(shí)，在(a)部分處的拉應(yīng)力和(b)部分處的壓應(yīng)力未相互抵消的情況下，檢測(cè)上述電壓的總和。
圖10B表示如圖8B中所示的相對(duì)于電極層的部分壓電材料層具有不同極化方向時(shí)的情況。
在圖10B中，在前面及后面部分上壓電材料層B的(a)部分和(b)部分的極化方向彼此相反。在這種情況下，電極層25以La的尺寸形成在壓電材料層B的整個(gè)背面上，而電極層26以La的尺寸形成在壓電材料層B的整個(gè)前面上。在圖10B中，當(dāng)彈性片10b產(chǎn)生如圖9所示的變形時(shí)，壓電材料B上的(a)部和(b)部的極化方向不同，因此，在電極層26的(a)部分上產(chǎn)生作用在壓電材料層上的拉應(yīng)力，該應(yīng)力形成負(fù)電壓(-)，而在電極層26的(b)部分上，產(chǎn)生能形成負(fù)(-)電壓的壓應(yīng)力。同樣的力也施加在下部壓電材料層上。出現(xiàn)在電極層25中(a)部分上的壓應(yīng)力產(chǎn)生負(fù)(-)電壓，而出現(xiàn)在電極層25中(b)部分上的拉應(yīng)力產(chǎn)生負(fù)(-)電壓。在圖10B中，雖然對(duì)拉伸部分和壓縮部分分別進(jìn)行檢測(cè)，但是電壓輸出信號(hào)是相同極性的信號(hào)，因此在拉應(yīng)力和壓力未相互抵消的情況下，通過(guò)加入檢測(cè)到的電極層25和26的電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)因以次級(jí)諧振模式振動(dòng)而導(dǎo)致的彈性片10b的變形進(jìn)行更精確的檢測(cè)。
然而，當(dāng)圖10A中所示電極層25b和26b的長(zhǎng)度L1或圖10B中具有不同極化方向部分的長(zhǎng)度L1太長(zhǎng)時(shí)，在L1的范圍內(nèi)以電壓形式測(cè)得的拉伸和壓縮相互抵消。
圖11表示上述長(zhǎng)度L1和彈性片長(zhǎng)度La之比與檢測(cè)精度有關(guān)。
圖11表示振動(dòng)器10上彈性片的等效電容隨L1/La變化的關(guān)系。等效電容越大，檢測(cè)的角速度就越精確。圖11還表示等效電容與不同壓電材料層B的厚度(Tb)/彈性片A的厚度(Ta)比值之間的關(guān)系。○表示Tb/(Ta/2)的值為1/3，□表示Tb/(Ta/2)的值為2/3，◇表示Tb/(Ta/2)的值為3/3，△表示Tb/(Ta/2)的值為4/3，而且x表示Tb/(Ta/2)的值為5/3。在圖11中，橫軸表示L1/La，而縱軸表示等效電容c。由于測(cè)量是在一層彈性件A和一層壓電材料層B上進(jìn)行的，所以圖11中的Ta值是一半。
如從圖11中所能看到的，對(duì)于用△和x表示的Tb/(Ta/2)值來(lái)說(shuō)，由于壓電材料層B的厚度Tb比彈性件A的厚度Ta更厚一些，所以等效電壓不穩(wěn)定。這意味著，當(dāng)壓電材料層B的厚度太大時(shí)，彈性件的質(zhì)量相對(duì)于彈性件的楊氏彈性模量將變得過(guò)大，這樣就不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的諧振。因此，對(duì)于將壓電材料層層壓到彈性件前后面上而形成的振動(dòng)器10來(lái)說(shuō)，最好使壓電材料層的層厚Tb等于或小于彈性件A的厚度Ta。
在圖11中，用C0表示L1＝0和L1/La＝1時(shí)的等效電容。更具體地說(shuō)，用C0表示由壓電材料層和長(zhǎng)度與彈性片全長(zhǎng)La相同的電極層構(gòu)成的彈性件的等效電容(即，在圖10中沒(méi)有L1部分的彈性件)。
當(dāng)所有等效電容大于上述C0時(shí)，圖10的L1部分能夠?qū)φ駝?dòng)變形進(jìn)行更精確的檢測(cè)。圖11表示L1/La優(yōu)選為小于0.5，最好是小于0.4，或等于或大于0.1并小于0.4。
如圖10A和10B所示，還分別檢測(cè)其它彈性件10c和10a上壓電材料層的拉伸部分和壓縮部分。
在圖9和10中，雖然示出了彈性件以次級(jí)諧振模式振動(dòng)時(shí)的變形，但是還可以在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力未相互抵消的情況下，高精度地測(cè)出彈性件以三次或更高次諧振模式振動(dòng)時(shí)的變形。如圖10所示，這是通過(guò)分別檢測(cè)壓電材料層的壓縮部分和拉伸部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
圖12表示在彈性件A的前后面上形成有壓電材料B的彈性件的整體結(jié)構(gòu)，其中如圖8和9所示，在壓電材料層B的前、后表面上形成電極圖案。圖12中給出的電極層的參考標(biāo)號(hào)與圖8和圖9中給出的電極層的標(biāo)號(hào)相對(duì)應(yīng)。
圖12A是從圖8和圖10的振動(dòng)器10頂部看到的平面圖，圖12B是振動(dòng)器10的側(cè)視圖，而圖12C是從圖8和圖10的振動(dòng)器10的底部看到的底視圖。
當(dāng)形成在彈性件A前后面上的壓電材料層B在整個(gè)振動(dòng)器上具有相同的極化方向時(shí)，更具體地說(shuō)，當(dāng)振動(dòng)器具有如圖8A和圖10A中所示的結(jié)構(gòu)時(shí)，圖12A和12C中用陰影線表示的那些電極的驅(qū)動(dòng)電壓或檢測(cè)電壓在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上是正電壓，而用空白電極表示的那些電極的驅(qū)動(dòng)電壓或檢測(cè)電壓在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上為負(fù)電壓。
如圖8B和圖10B所示，當(dāng)與電極層相對(duì)的壓電材料層部分具有不同的極化方向時(shí)，圖12A中用陰影線表示的形成在電極層之下的壓電材料層的極化方向朝向紙表面，而沒(méi)用陰影線表示的壓電材料層的極化方向離開(kāi)紙表面。在圖12C所示的底視圖中，陰影電極層部分的極化方向朝向紙表面，而空白電極層部分的極化方向離開(kāi)紙表面。
從上述說(shuō)明中可以看出，由于本發(fā)明振動(dòng)陀螺儀帶有板形振動(dòng)器，所以其容易以低價(jià)格大批量地生產(chǎn)。此外，用剛性體作為支撐結(jié)構(gòu)這使得支撐狀態(tài)變得更穩(wěn)定。而且，只需對(duì)中間彈性片進(jìn)行微調(diào)就能實(shí)現(xiàn)諧振頻率的調(diào)節(jié)，因此更容易完成頻率設(shè)定。
由于在振動(dòng)器的側(cè)邊彈性片的側(cè)端或外側(cè)與基部的側(cè)端之間存在平面差，通常在基部上不會(huì)作用有扭曲應(yīng)力，這使振動(dòng)器能產(chǎn)生穩(wěn)定的諧振。
含有能夠借助力偶以H模式和V模式驅(qū)動(dòng)彈性片的電極的結(jié)構(gòu)能夠用H模式和V模式有效地驅(qū)動(dòng)彈性片，并且能高精度地檢測(cè)因科里奧利力引起的變形。
當(dāng)彈性片以次級(jí)或高次諧振模式沿板厚方向振動(dòng)時(shí)，分別檢測(cè)壓縮部分和拉伸部分并將其加在一起，從而能夠高精度地檢測(cè)彈性片沿y方向的變形。
如果振動(dòng)器是將壓電材料層壓制到彈性件前后面上的層壓結(jié)構(gòu)，則可以向彈性件提供因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的較大應(yīng)力并能高精度地檢測(cè)彈性件的變形。通過(guò)沖壓出層壓結(jié)構(gòu)而形成的振動(dòng)器不再需要定位和粘接各壓電材料層，因此更容易用高精度來(lái)生產(chǎn)振動(dòng)器。
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)陀螺儀，包括振動(dòng)器，其具有三個(gè)彈性片，三個(gè)彈性片由在板形彈性件上形成的兩個(gè)縫隙所分隔；第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置，其能夠使彈性片在壓電效應(yīng)下產(chǎn)生沿板表面方向的變形或者能夠檢測(cè)因彈性片沿板表面方向變形而產(chǎn)生的電壓；和第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置，其能夠使彈性片在壓電效應(yīng)下產(chǎn)生沿板厚方向的變形或能夠檢測(cè)因所說(shuō)彈性片沿板厚方向變形而產(chǎn)生的電壓；用所說(shuō)的其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置測(cè)得的電壓來(lái)確定振動(dòng)器的角速度，所說(shuō)角速度是在科里奧利力引起彈性片產(chǎn)生變形振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，而科里奧利力是在振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)且彈性件在另一個(gè)驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置作用下產(chǎn)生變形振動(dòng)的情況下產(chǎn)生的，其中三個(gè)彈性片和兩個(gè)縫隙加在一起的總寬度小于振動(dòng)器上未形成彈性片的基部寬度。
2.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)陀螺儀，其中所說(shuō)的振動(dòng)器在彈性片和基部的交界處有平面差，左邊彈性片的外端與基部的左邊外端處于不同平面，右邊彈性片的外端與基部的右邊外端處于不同平面。
3.如權(quán)利要求2所述的振動(dòng)陀螺儀，其中在寬度方向上該平面差的深度小于每個(gè)彈性片寬度的0.8倍。
4.如權(quán)利要求3所述的振動(dòng)陀螺儀，其中用變形振動(dòng)模式來(lái)驅(qū)動(dòng)三個(gè)彈性片，而且使側(cè)邊的彈性片在相同的方向上起動(dòng)，而使中間的彈性片在相反的方向上起動(dòng)。
5.一種振動(dòng)陀螺儀，包括帶有三個(gè)彈性片的振動(dòng)器，三個(gè)彈性片由在板形彈性件上形成的兩個(gè)縫隙相分隔；第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置，其能夠使所說(shuō)彈性片在壓電效應(yīng)作用下產(chǎn)生沿板表面方向的變形或能夠檢測(cè)因彈性件沿板表面方向變形而產(chǎn)生的電壓；和第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置，其能夠使所說(shuō)彈性片在壓電效應(yīng)作用下產(chǎn)生沿板厚方向的變形或能夠檢測(cè)因所說(shuō)彈性片沿板厚方向變形而產(chǎn)生的電壓，通過(guò)由所說(shuō)驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置之一測(cè)得的電壓來(lái)確定振動(dòng)器的角速度，該角速度是在科里奧利力引起彈性件產(chǎn)生變形振動(dòng)時(shí)形成的，而科里奧利力是在振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)且彈性件在另一個(gè)驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置作用下產(chǎn)生變形振動(dòng)的情況下形成的，其中所說(shuō)的第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置帶有一對(duì)電極，其能夠以力偶的形式提供變形力，所說(shuō)的力偶作用在相反方向上，它能使彈性片繞著在板厚方向上延伸的中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，而且所說(shuō)的第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置也具有一對(duì)電極，其能夠提供力偶形成的變形力，該力偶作用在相反的方向上且能使彈性片在板厚的范圍內(nèi)繞著在板表面方向上延伸的中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
6.如權(quán)利要求5所述的振動(dòng)陀螺儀，其中用變形振動(dòng)模式來(lái)驅(qū)動(dòng)三個(gè)彈性片，而且使側(cè)邊的彈性片在相同的方向上起動(dòng)，而使中間彈性片在相反的方向上起動(dòng)。
7.一種振動(dòng)陀螺儀，包括帶有三個(gè)彈性片的振動(dòng)器，三個(gè)彈性片由在板形彈性件上形成的兩個(gè)縫隙相分隔；第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置，其能夠使所說(shuō)彈性片在壓電效應(yīng)作用下產(chǎn)生沿板表面方向的變形或者能夠檢測(cè)因所說(shuō)彈性片沿板表面方向變形而產(chǎn)生的電壓；和第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置，其能夠使所說(shuō)彈性片在壓電效應(yīng)作用下產(chǎn)生沿板厚方向的變形或者能夠檢測(cè)因所說(shuō)彈性片沿板厚方向變形而產(chǎn)生的電壓，通過(guò)用所說(shuō)驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置之一測(cè)得的電壓可確定振動(dòng)器的角速度，該角速度是在科里奧利力使彈性片產(chǎn)生變形振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，而科里奧利力是在振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)且彈性件在另一個(gè)驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置作用下產(chǎn)生變形振動(dòng)的情況下形成的，其中當(dāng)彈性片以次級(jí)或更高次諧振模式沿板厚方向振動(dòng)時(shí)，所說(shuō)第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置分別檢測(cè)彈性片表面上的壓縮和拉伸部分。
8.如權(quán)利要求7所述的振動(dòng)陀螺儀，其中第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置由壓電材料層和形成在壓電材料層上的電極層構(gòu)成，當(dāng)每個(gè)彈性片以次級(jí)或更高次諧振模式產(chǎn)生沿板厚方向的振動(dòng)時(shí)，壓電材料層在每個(gè)彈性片表面上的壓縮部分和拉伸部分處具有不同的極化方向。
9.如權(quán)利要求8所述的振動(dòng)陀螺儀，其中用變形振動(dòng)模式來(lái)驅(qū)動(dòng)所說(shuō)的三個(gè)彈性片，而且使側(cè)邊的彈性片在相同的方向上起動(dòng)，而使中間彈性片在相反的方向上起動(dòng)。
10.如權(quán)利要求8所述的振動(dòng)陀螺儀，其中所說(shuō)的彈性片以次級(jí)諧振模式產(chǎn)生沿板厚方向的振動(dòng)，在基部一側(cè)上每個(gè)彈性片的檢測(cè)區(qū)長(zhǎng)度小于彈性片總長(zhǎng)度的0.5倍。
11.如權(quán)利要求7所述的振動(dòng)陀螺儀，其中所說(shuō)的第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置由當(dāng)每個(gè)彈性片以次級(jí)或更高次諧振模式產(chǎn)生沿板厚方向的振動(dòng)時(shí)，在每個(gè)彈性片表面的壓縮部分和拉伸部分處具有相同極化方向的壓電材料層和形成在每個(gè)壓電材料層的壓縮部分上的分離電極層構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求11所述的振動(dòng)陀螺儀，其中以變形振動(dòng)模式來(lái)驅(qū)動(dòng)三個(gè)彈性片，而且使側(cè)邊的彈性片在相同的方向上起動(dòng)，而使中間的彈性片在相反的方向上起動(dòng)。
13.如權(quán)利要求11所述的振動(dòng)陀螺儀，其中所說(shuō)的彈性片以次級(jí)諧振模式沿板厚方向振動(dòng)，在基部側(cè)上每個(gè)彈性片的檢測(cè)區(qū)長(zhǎng)度小于彈性片總長(zhǎng)度的0.5倍。
14.一種振動(dòng)陀螺儀，包括帶有三個(gè)彈性片的振動(dòng)器，三個(gè)彈性片由在板形彈性件上形成的兩個(gè)縫隙相分隔；第一驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)器，其能夠使所說(shuō)彈性片在壓電效應(yīng)的作用下產(chǎn)生沿板表面方向的變形或能夠檢測(cè)因所說(shuō)彈性片沿板表面方向變形而產(chǎn)生的電壓；和第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置，其能夠使所說(shuō)彈性片在壓電效應(yīng)作用下產(chǎn)生沿板厚方向的變形或能夠檢測(cè)因所說(shuō)彈性片沿板厚方向變形而產(chǎn)生的電壓，用由所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置之一測(cè)得的電壓確定振動(dòng)器的角速度，該角速度是在科里奧利力使彈性片產(chǎn)生變形振動(dòng)時(shí)形成的，而科里奧利力是在振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)且彈性件在另一個(gè)驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置作用下產(chǎn)生變形振動(dòng)的情況下形成的，其中所說(shuō)的振動(dòng)器具有層壓到彈性件前后面上的壓電材料層和在壓電材料層上形成的電極層，電極層和壓電材料共同形成第一和第二驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的振動(dòng)陀螺儀，其中用變形振動(dòng)模式來(lái)驅(qū)動(dòng)三個(gè)彈性片，而且使側(cè)邊的彈性件以相同的方向起動(dòng)，而使中間彈性件在相反方向上起動(dòng)。
全文摘要
一振動(dòng)器，其具有形成在彈性件前面和背面上的壓電材料層。在振動(dòng)器上形成第一、第二和第三彈片。電極層產(chǎn)生施加到第二彈片上的第一和第二力偶，驅(qū)動(dòng)該彈片使其在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的+x方向上起動(dòng)，并同時(shí)使第三和第一彈片產(chǎn)生振動(dòng)，且分別在+x和-y方向產(chǎn)生變形。當(dāng)振動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二和第三彈片在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沿+y方向振動(dòng)，而第一彈片則在-y方向振動(dòng)。第二彈片與第三彈片的外側(cè)端和基部的側(cè)端之間形成平面差結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G01C19/56GK1119270SQ95116838
公開(kāi)日1996年3月27日 申請(qǐng)日期1995年9月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月20日
發(fā)明者富川義朗, 大西一正, 佐藤昭 申請(qǐng)人:阿爾卑斯電氣株式會(huì)社, 富川義朗