CN1091514C - 振动陀螺仪及其调节方法 - Google Patents

Abstract

一种振动陀螺仪包括柱状振动器、驱动器和检测器。振动器包括第一和第二压电基片，两者沿厚度方向极化，方向相反。在第一和第二压电基片的主表面上分别形成分隔电极和共用电极。驱动器沿基片的厚度方向驱动振动器，并且连接在分隔电极和共用电极之间。检测器检测由振动器的弯曲振动引起的位移，并且连接至分隔电极。沿两条对角地连接振动器沿纵向延伸的四条边的对角线方向，振动器具有大体上相等的谐振频率。

Description

振动陀螺仪及其调节方法

发明领域

本发明涉及一种振动陀螺仪，尤其涉及用于摄像机等的振动陀螺仪，用以通过检测转动角速度来检测诸如手抖动等外部振动，并根据检测得到的信息抵消这些振动。本发明还涉及调节上述类型的振动陀螺仪的方法。

背景技术

图9示出在第7-332988号日本专利公开公报中揭示的振动陀螺仪的一个例子。下面参见附图来说明这种陀螺仪。

参见图9，振动陀螺仪100包括振动器101。振动器101包括振动件102。振动件102是通过层叠第一压电基片103和第二压电基片104并使中间电极105位于其间而整体形成的。以这样的方式沿第一压电基片103的纵向在第一压电基片103的主表面上形成分隔电极106a和106b，即，它们被互相隔开。在第二压电基片104的整个主表面设置共用电极107。

共用电极107起着使振动器101振动的驱动电极的作用，而分隔电极106a和106b起着检测电极的作用。

在结构如上所述的振动陀螺仪100中，振动器101沿与第一压电基片103和第二压电基片104正交的方向(下面称为“驱动方向DX”)以弯曲模式振动。绕振动器101的中心轴0施加转动角速度ω导致沿与驱动方向DX正交的方向(下面称为“检测方向DY”)的科里奥利力。

众所周知，一般，当沿驱动方向的谐振频率大体上与沿检测方向的谐振频率一致时，陀螺仪的灵敏度变得最高。如在第2-298812号和第9-178487日本专利公开公报中所揭示的，达到上述要求的通常做法是去除振动件的一部分。

例如，在第9-178487号日本专利公开公报中，去除第一压电基片103的横向部分S1和第二压电基片104的横向部分S2，以偏移(降低)沿检测方向DY的谐振频率，由此使得在振动陀螺仪100中，沿驱动方向DX的谐振频率fx与沿检测方向DY的谐振频率fy匹配。

然而，上述已知类型的振动陀螺仪及其调节方法存在下述的问题。

具体而言，在振动陀螺仪100中，沿驱动方向DX的谐振频率fx是不稳定的。这是由于沿驱动方向DX的谐振点是分裂的，导致离散的振荡频率。于是振动器的振动变得不稳定，并且振动陀螺仪的S/N比变坏。

因此，沿驱动方向DX的谐振频率fx是如此的不稳定，以致当沿驱动方向DX的谐振频率fx与沿检测方向DY的谐振频率fy一致时，灵敏度降低或偏离。结果，不能得到由科里奥利力引起的稳定的信号。

特别是，如果仅仅通过偏移谐振频率fy而使沿驱动方向DX的谐振频率fx与沿检测方向DY的谐振频率fy匹配，则沿驱动方向DX的谐振频率fx完全不变。因此，此方法不能解决上述问题。

还有，在传统的陀螺仪中，由于沿驱动方向DX的谐振频率fx大体上与沿检测方向DY的谐振频率fy匹配，所以沿检测方向的Q值较高。因此，在这个振动陀螺仪100中，在检测信号中有很大的相位延迟，于是导致低的输出响应特性。

就刻蚀振动器101的横向表面的方法而论，完全没有考虑固定振动器101的基座。在实践中，难以根据基座的形状来刻蚀横向表面。

发明内容

考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种振动陀螺仪及其调节方法，其中，能够检测出稳定的角速度信号，并且能够获得正确的角速度信号。

振动陀螺仪包括柱状振动器、驱动器和检测器。柱状振动器包括第一和第二压电基片，它们沿厚度方向相互以相反的方向极化，并互相叠合；两个分隔电极，它们在第一压电基片的一个主表面上形成，并且沿与第一压电基片的纵向垂直的方向隔开；以及一个共用电极，它在第二压电基片的一个主表面上形成。把驱动器接在分隔电极和共用电极之间，并且沿第一和第二压电基片的厚度方向驱动振动器。检测器与分隔电极相接，并检测由振动器的弯曲振动引起的位移。振动器沿两条对角线方向具有大体上相同的谐振频率，这两条对角线方向对角地连接沿振动器的纵向延伸的四条边。

沿振动器的驱动方向的谐振频率和沿振动器的检测方向(它大体上与振动器的驱动方向正交)的谐振频率之间的差值最好是一个预定值。具体而言，该预定值在20至50Hz的范围内，并且沿振动器的驱动方向的谐振频率低于沿振动器的检测方向的谐振频率。

调节振动陀螺仪的方法包括刻蚀分隔电极和共用电极之中的至少一个电极的一部分的步骤，从而振动器沿两条对角线方向具有大体上相同的谐振频率，这两条对角线方向对角地连接沿振动器的纵向延伸的四条边。

调节振动陀螺仪的方法还包括把振动器的驱动方向的谐振频率与沿检测方向(该方向大体上与驱动方向正交)的谐振频率之间的差值调节在预定值的步骤，其做法是进一步刻蚀分隔电极和共用电极的至少一个电极的一部分。预定值最好在20至50Hz的范围内选择，并且使沿振动器的驱动方向的谐振频率低于沿振动器的检测方向的谐振频率。

在刻蚀步骤之前，调节振动陀螺仪的方法还包括下述步骤：在放置分隔电极和共用电极的至少一个电极的位置上向振动器提供支承件，该位置在振动器振动期间产生的一个节点附近；并且藉助于该支承件，通过将支承件的一段附着于基座的办法将振动器固定于框状基座。

按照本发明的振动陀螺仪，使沿两条对角线的谐振频率互相适应大体上匹配。因此，能够稳定沿振动陀螺仪的驱动方向的谐振频率，进而稳定振动器的振动。这样做就可以稳定检测信号，以获得正确的角速度信号。

此外，由于在沿驱动方向的谐振频率和沿检测方向的谐振频率之间有一个差值，因此显著地降低了沿检测方向的Q值。于是改善了输出响应特性，由此加快了与外部振动(诸如抖动的手)相应的角速度信号的检测，并且缩短了校正抖动的手所需的时间。还增强了响应于温度变化的漂移特性。

还有，在调节振动陀螺仪时，切割在振动器的顶面上形成的分隔电极或在振动器的底面上形成的共用电极。因此，即使以使用框状基座来支承的方式构造振动陀螺仪，也能够容易地切割振动器，在框状部件的上表面或下表面上无障碍的影响，由此使特性调节更为简易。

为了说明本发明，在附图中示出了数个目前较佳的形式，然而，应该明白，本发明不限于所示的精确安排和手段。

附图概述

图1是说明按照本发明一个实施例的振动陀螺仪的结构透视图。

图2是说明安装按照本发明实施例的振动陀螺仪的状况的透视图。

图3说明按照本发明实施例的振动陀螺仪的电路结构。

图4是说明按照本发明实施例的振动陀螺仪的振动方向的正视图。

图5是说明调节按照本发明实施例的振动陀螺仪的一种方法的底视图。

图6是说明按照本发明实施例的振动陀螺仪的阻抗特性的曲线图。

图7是说明已知振动陀螺仪的阻抗特性的曲线图。

图8是说明调节按照本发明实施例的振动陀螺仪的另一种方法的平面图。

图9是说明已知的振动陀螺仪及其调节方法的透视图。

较佳实施例的详细描述

下面，参照附图详细说明本发明的较佳实施例。

图1说明按照本发明第一实施例的振动陀螺仪。振动陀螺仪10包括一个振动器11。振动器11具有一个振动件12，它具有普通的正方棱柱的形状。振动件12具有第一压电基片13和第二压电基片14，这两块基片都由PZT(锆钛酸铅)制成，并且叠合在一起，其间插有中间电极15。如图1中的箭头所指出的那样，第一压电基片13和第二压电基片14沿它们的厚度方向以相互相反的方向极化。

在第一压电基片13的一个主表面上(即，在不与第二压电基片14相邻的表面上)，沿振动件12的纵向相互平行地形成两个分隔电极16a和16b。根据振动件11振动期间产生的两个节点N，在振动件11的纵向的两端进一步分割分隔电极16a和16b的每个电极。共用电极17设置在第二压电基片14的一个主表面上(即，在不与第一压电基片13相邻的第二压电基片14的整个表面上)。

用诸如焊接等方法在两个节点N处(这些节点是振动器11在振动期间产生的)把支承件18固定至分隔电极16a和16b，这两个分隔电极位于振动器11的上面部分。类似地，在节点N处把支承件19固定至共用电极17，该共用电极位于振动器11的下面部分。支承件18和19用诸如镍铬恒弹性钢(elinvar)等恒弹性金属制成，一般做成Z形的狭金属板。

图2示出安装本发明的振动陀螺仪10的状况。为清楚起见，通过省略电极把振动器11简化成正方棱柱形。

用这样的方式把振动器11容纳在用金属或树脂做的框状基座20内，从而由支承件18和19将振动器悬挂起来，并且把支承件18的端部通过诸如焊接等方法固定至基座20的上表面。同样，把支承件19的端部通过诸如焊接等方法固定至基座20的下表面。采用这种结构，把振动器11支承在中空的基座20中。

振动陀螺仪10还包括示于图3的电路。具体而言，把振荡电路21(它用作驱动器)的一个输出端通过电阻器22a和22b分别连接至分隔电极16a和16b。把振荡电路21的另一个输出端连接至共用电极17。此外，把分隔电极16a和16b分别连接至差分放大器电路24(它用作检测器)的正相输入端(+)和反相输入端(-)。电阻器25连接在差分放大器电路24的输出端和差分放大器电路24的反相输入端(-)之间。

通过电阻器22a和22b，分别将从振荡电路21输出的驱动信号(诸如正弦波信号)施加至振动器11的分隔电极16a和16b，由此在第一压电基片13和第二压电基片14中，沿垂直于它们的主表面的方向DX(下面称为“驱动方向DX”)产生弯曲模式振动。然后，振动陀螺仪10绕振动器11的中心轴0转动以响应于转动角速度而产生科里奥利力。产生的科里奥利力沿方向DY(下面称为“检测方向DY”)作用，检测方向DY平行于第一压电基片13和第二压电基片14的主表面，并与振动器11的中心轴0正交。由于这个科里奥利力，振动器11改变了它的弯曲振动的方向，并且响应于转动角速度在分隔电极16a和16b之间产生一个信号。然后通过电阻器23a和23b由差分放大器电路24检测此信号。通过从差分放大器电路24输出的信号可进一步检测转动角速度。

参见图4，振动陀螺仪10的一个主要特性是，振动器11沿两条对角线方向D1和D2具有大体上相等的谐振频率，这两条对角线方向对角地连接沿振动器11纵向延伸的四条边。按照这种结构，成功地稳定了谐振频率fx，因为这种结构使沿D1方向的谐振和沿D2方向的谐振(它们构成沿驱动方向DX的谐振)大体上相同。

通过去除振动器11的一部分，从而使得沿两个有关的方向D1和D2(即，沿连接四条纵向边的振动器11的对角线)的谐振频率f1和谐振频率f2相互匹配，可以获得这种结构。在此情形下，必须在下述位置的至少一个位置上去除振动器11中的一部分：在分隔电极16a和16b和在相应于面对分隔电极16a和16b的位置的共用电极17处。在此实施例中，如图5所示，去除面对分隔电极16a和16b的共用电极17的位置S，S。注意，为清楚起见，未示出支承件18。

在本实施例中，去除或刻蚀共用电极17的理由如下。刻蚀用作检测电极的分隔电极16a和16b会对被检测的信号产生种种负面影响。另一方面，刻蚀用作驱动电极的共用电极17，几乎不改变被检测的信号。由于这个原因，希望刻蚀共用电极17。

如上所述，沿两条有关的对角线方向D1和D2，谐振频率f1和f2适合于大体上彼此一致。然而，很难做到谐振频率的完全匹配，即，在谐振频率之间得不出差值，即，f1-f2＝0。于是，如果谐振频率之差不大于5Hz，即|f1-f2|≤5Hz，就认为谐振频率大体上彼此匹配。

如上所述，在按照本发明实施例的振动陀螺仪中，由于沿对角线方向D1和D2的谐振频率f1和f2大体上彼此一致，因此可稳定沿驱动方向DX的谐振频率fx。

参见示于图6和图7的表示阻抗一频率特性的曲线图更详细地讨论这一点。图6示出了按照本发明实施例的振动陀螺仪10的阻抗特性。图7示出了已知的振动陀螺仪100的阻抗特性。在这些曲线图中，水平轴代表频率，而垂直轴代表阻抗。在水平轴上的频率只表示谐振点附近的区域。

图6和图7显示出下述事实。在已知的振动陀螺仪100中，沿驱动方向DX的阻抗特性的谐振点分裂成两个点。这是因为沿倾斜方向D1和D2的阻抗特性曲线的谐振点彼此分开的缘故。相反，在本发明的振动陀螺仪10中，沿两个倾斜方向D1和D2的阻抗特性曲线的谐振点大体上彼此重合，于是导致沿驱动方向DX的阻抗特性的单个谐振点。这就可以克服这样一个传统的缺点，即，沿驱动方向DX的振动模式被破坏，而使振荡不稳定。于是振动陀螺仪产生稳定的振动，并且展现稳定的灵敏度和温度特性。

应该注意，然后如此调节振动陀螺仪10，从而使得沿驱动方向DX的谐振频率fx与沿检测方向DY的谐振频率fy之间的差值|fx-fy|为预定值。通过进一步刻蚀共用电极17的位置S，S，同时把沿对角线方向D1和D2的谐振频率保持在大体相等的值来完成这一步骤。

在此步骤中，根据振动陀螺仪10的用途，在20≤|fx-fy|≤50(Hz)的范围内选择预定值。然后如此调节振动陀螺仪10，从而满足|fx-fy|的值偏离预定值在3Hz之内。

例如，如果确定fx-fy的参考值为25Hz，则调节沿驱动方向DX的谐振频率fx和沿检测方向的DY谐振频率fy，从而谐振频率fx和fy满足表示式：

22≤fy-fx≤28Hz

这样，按照本发明的振动陀螺仪10，调节沿驱动方向DX的谐振频率fx和沿检测方向DY的谐振频率fy，即如图6中的曲线图所示，在两个谐振频率之间有一差值(在本实施例中，fy-fx＝25Hz)。

这样可以把振荡点移至低于沿检测方向DY的谐振频率fy的频率。于是，沿检测方向DY，Q值显著降低，并且，还在沿检测方向DY阻抗特性为线性的区域产生振荡。

一般，振动陀螺仪的输出响应特性由下面的表示式指明：

输出响应特性≈频率/Q。因此，由于Q值沿检测方向DY显著降低，因而改善了输出响应特性。

虽然在上述实施例中，通过刻蚀共用电极17来调节谐振频率，但是如图8所示，也可以刻蚀在分隔电极16a和16b的位置S，S′。

还有，按照上述实施例，在调节振动陀螺仪10的特性中，刻蚀置于振动器11的上表面上的分隔电极16a和16b或置于振动器11的下表面上的共用电极17。因此，即使通过使用图2所示的框状基座20来支承振动陀螺仪，也能够容易地刻蚀振动器11以调节其特性，因为在基座20的上表面或下表面上没有障碍物。

在上述实施例中，振动器是通过层叠两块压电基片而形成的，这两块基片沿它们的厚度方向相互以相反的方向极化。然而，虽未特别示出，振动器也可以通过层叠两块沿相同方向极化的压电基片并将中间电极接地来形成。

按照振动陀螺仪的使用的目的或者特性，可以采用各种方法来去除或刻蚀振动器，诸如激光束、铣削(router)、喷砂等。

在上述实施例中，在沿驱动方向的谐振频率和沿检测方向的谐振频率之间有一差值。可以使两个谐振频率适于大体上彼此一致，在该情形下，提高了灵敏度。然而，如上面所讨论的。谐振频率之间的差值改善了诸如响应等各种特性。因此，通过考虑陀螺仪的总的性能，最好使谐振频率有差值，以调节陀螺仪。

要去除的形状不限于如图5或图8所示的沿振动器11纵向的两条平行的狭缝。可以只形成一条狭缝，而对要切割的形状不作特别限制。

虽然已经揭示了本发明的较佳实施例，但可以认为实现在这里揭示的原理的各种方式仍在下述的权利要求的范围内。因此，应该明白，本发明的范围只由 限制。

Claims (9)

1.一种振动陀螺仪，其特征在于，包括：

柱状振动器，该振动器包括第一和第二压电基片，它们沿各自的厚度方向以相互相反的方向极化，每个所述基片具有第一和第二主表面，并分别沿各自的第一主表面互相层叠；两个分隔电极，它们形成在所述第一压电基片的第二主表面上，并且沿垂直于所述第一压电基片纵向的方向隔开；以及共用电极，它形成在所述第二压电基片的第二主表面上；

驱动器，用于沿所述第一和第二压电基片的厚度方向驱动振动器，所述驱动器连接在所述分隔电极和所述共用电极之间；以及

检测器，用于检测由所述振动器的弯曲振动引起的位移，所述检测器连接至所述分隔电极；

其中，分隔电极和共用电极中至少有一个电极被去除一部分，致使所述振动器沿两条对角线方向具有大体上相等的谐振频率，所述两条对角线方向对角地连接所述振动器沿纵向延伸的四条边。

2.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，在沿所述振动器的驱动方向的谐振频率和沿检测方向的谐振频率之间的差值是一个预定值，所述检测方向大体上与所述振动器的驱动方向正交。

3.如权利要求2所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述预定值在20至50Hz的范围内。

4.如权利要求3所述的振动陀螺仪，其特征在于，沿所述振动器的驱动方向的谐振频率低于沿所述振动器的检测方向的谐振频率。

5.一种调节柱状振动器的方法，所述柱状振动器包括第一和第二压电基片，它们沿各自的厚度方向相互以相反的方向极化；每个所述基片具有第一和第二主表面，沿所述基片的各自所述第一主表面将所述基片互相层叠；两个分隔电极，它们形成在所述第一压电基片的第二主表面上，并且沿与所述第一压电基片的纵向垂直的方向隔开；以及共用电极，它形成在所述第二压电基片的第二主表面上；其特征在于，所述方法包括刻蚀所述分隔电极和所述共用电极的至少一个电极的一部分的步骤，从而所述振动器沿两条对角线方向具有大体上相等的谐振频率，所述两条对角线方向对角地连接所述振动器沿纵向延伸的四条边。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括通过进一步刻蚀所述分隔电极和所述共用电极的至少一个电极的一部分把沿所述振动器驱动方向的谐振频率和沿所述振动器检测方向的谐振频率之间的差值调节至一个预定值的步骤，所述检测方向大体上与所述驱动方向正交。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预定值在20至50Hz的范围内选择。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，沿所述振动器驱动方向的谐振频率低于沿所述振动器检测方向的谐振频率。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述刻蚀步骤之前，还包括下述步骤：

在设置所述分隔电极和所述共用电极的至少一个电极的位置上，向所述振动器提供支承件，所述位置在所述振动器振动时产生的节点附近；以及

藉助于所述支承件，通过将所述支承件的一端附着于框状基座，把所述振动器固定至所述基座。

Images