CN1091515C

CN1091515C - 振动陀螺仪

Info

Publication number: CN1091515C
Application number: CN98119169A
Authority: CN
Inventors: 森章; 久万田明; 河合义男
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2002-09-25
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: CN1211725A; JPH1194557A; DE69837512D1; EP0902253B1; US6035713A; EP0902253A2; EP0902253A3

Abstract

一种振动陀螺仪包括一杆状的振子和一支承件。杆状振子包括一用于使杆状振子振动的驱动元件和一用于检测杆状振子之振动的检测元件。所述杆状振子内有两个凹槽，它们分别在杆状振子的振动结点附近沿着垂直于杆状振子纵向的方向延伸。支承件的形状是：两个保持在非水平方向上的拱门部分借助两个连接部分在拱门部分的两端连接起来。支承件的拱门部分在凹槽的底部连接于所述杆状振子。

Description

振动陀螺仪

本发明涉及一种振动陀螺仪，更具体地说，涉及一种用于摄像机或类似物的振动陀螺仪，它可以通过检测一旋转角速度来检测例如手晃动之类的外界振动，并且根据该检测到的信息来消除振动。本发明还涉及一种用于调节上述类型的振动陀螺仪的方法。

图18是一传统振动陀螺仪的一个例子的立体图。该振动陀螺仪100包括一大致呈正三角形杆状的振子101。该振子101是由一振动本体102和压电元件103a、103b和103c构成，前者大致呈正三角形杆状并由永久弹性的金属制成，后者大致呈矩形并附连在振动本体102的三个侧面的近中心处。

压电元件103c是用于输入一驱动信号，而压电元件103a和103b是用于检测和反馈。在压电元件103a、103b和103c的两个表面上形成有电极(未示)，其中的一个电极与振动本体102结合，而另一个电极则通过焊接等手段连接于导线106a、106b和106c的一端。延伸至振动本体102的结点的导线106a、106b和106c的端部借助弹性粘合剂107固定在那儿，导线106a、106b和106c的另一端被引至安装基座105的表面并连接于一电路(未示)。

还有，在振子101的振动本体102的边缘线部分102d上的、处在一阶振动模式的结点附近，通过例如焊接等手段连接了金属支承件104和104，它们呈方形的字母“C”形状，并由高弹性的细金属丝制成。支承件104、104的端部连接于由玻璃环氧材料等制成的安装基座105的一个主表面，振动本体102借助支承件104、104而由安装基座105支承。

虽然没有特别示出，但在用于输入驱动信号的压电元件103c和用于检测和反馈的压电元件103a和103b之间连接了一个用作振动本体102自振荡的反馈回路的驱动电路，由于该驱动电路的缘故，振子102可在相对于设置有压电元件103c的那一表面成直角的方向上产生挠曲振动。这种挠曲振动在本文中将被称作驱动模式(fx模式)。而当在驱动模式发生挠曲振动时，沿垂直于驱动模式方向的挠曲振动是由于当加上绕振动本体102的轴线旋转时所产生的复合向心力(Coriolis force)所引发的。在下文中，这种挠曲振动被称作检测模式(fy模式)。检测模式的挠曲振动可在压电元件103a和103b之间导致一个与角速度成正比的输出差，利用一个检测电路检测该输出差，就可以检测角速度。

在传统的振动陀螺仪100中，有一个问题在于，振子101的振动可通过支承件104、104的四个腿部泄漏到安装基座105上。此外，当例如冲击、振动、温度变化等外界条件发生变化而影响振动陀螺仪100时，从支承件104、104的四个腿部泄漏的振动是不同的。这将导致振子101的振动变得不平衡，从而难于检测到精确的角速度。还有，该振动陀螺仪100的另一个问题在于，由于支承件104、104是用细金属丝材料制成，所以在受冲击时会显得比较薄弱。

此外，图18所示的振动陀螺仪有一个问题在于，当由于外界条件的变化而导致频率特性(共振特性)变得不同时，检测角速度的灵敏度将如图21所示的曲线图那样发生很大的改变。也就是说，由于这些振动陀螺仪是形成为能使fx模式的共振频率与fy模式的共振频率相一致，所以它们具有较佳的检测灵敏度。然而，由于表示fy模式的共振特性的曲线斜坡是陡峭的，所以当相应于fx模式的共振频率的fy模式的共振频率随外界条件的变化而发生变化时，检测的灵敏度将发生很大变化。

鉴于以上原因，需要有一种几乎不受外界条件变化的影响、能精确检测角速度的振动陀螺仪。

本发明涉及一种能满足上述需要的振动陀螺仪。该振动陀螺仪包括一杆状的振子和一支承件。杆状振子包括一用于使杆状振子振动的驱动元件和一用于检测杆状振子之振动的检测元件，所述杆状振子内有两个凹槽，它们分别在杆状振子的振动结点附近沿着垂直于杆状振子纵向的方向延伸。支承件具有分别在所述两凹槽内延伸的、用以支承所述杆状振子的两个部分。

较佳的是，支承件的形状是：两个保持在非水平方向上的拱门部分借助两个连接部分在拱门部分的两端连接起来。支承件的拱门部分在凹槽的底部连接于所述杆状振子。

较佳的是，所述支承件的拱门部分和连接部分是形成一体的。

拱门部分和连接部分可以是金属丝状的。或者拱门部分和连接部分可以是条状的。

支承件可以包括另一个连接部分，它连接在所述连接部分的中部之间。

此外，所述支承件可以是这样形成的，即，将一方环形平板的两端沿同一方向弯折，从而形成方的倒“U”形拱门部分。

所述杆状振子可以具有多边形横截面，每个凹槽均设置在杆状振子的两个相邻的侧面上。或者，杆状振子具有多边形横截面，每个凹槽均设置在杆状振子的一个侧面上。

所述各凹槽的深度是可以调整的，从而使沿两个相互垂直方向的两个共振频率之间有一个预定的频率差。预定的频率差最好是在大约50至150Hz的范围内。

为了描述本发明，附图中示出若干个较佳的形式。但应该理解，本发明并不限于所示的这些精确的配置或手段。

图1是根据本发明一实施例的一个振动陀螺仪的立体图；

图2是沿图1中的线II-II剖取的剖视图；

图3是沿图1和图2中的线III-III剖取的剖视图；

图4是一驱动用压电元件的一个例子的立体图；

图5是一检测用压电元件的一个例子的立体图；

图6是图1中所示的振动陀螺仪的电路图；

图7A是用于图1所示之振动陀螺仪的一个振动本体的实施例的示意性侧视图，而图7B是其示意性前视图；

图8是说明共振频率差与图1中的振动陀螺仪内的狭凹槽宽度之间关系的曲线图；

图9是说明共振频率差与图1中的振动陀螺仪内的狭凹槽深度之间关系的曲线图；

图10是说明灵敏度的变化率与图1中的振动陀螺仪内的温度之间关系的曲线图；

图11是说明因外界条件变化而造成的在匆模式的共振频率特性的改变与用来检测旋转角速度的灵敏度之间关系的曲线图；

图12是图1所示之振动陀螺仪的一个改进实施例的立体图；

图13是沿图12中的线XIII-XIII剖取的剖视图；

图14是根据本发明另一实施例的一个振动陀螺仪的立体图；

图15A是沿图14中的线XV(A)-XV(A)剖取的剖视图，图15B是沿图14中的线XV(B)-XV(B)剖取的剖视图；

图16是一曲线图，用于比较当狭凹槽是由边缘线形成时狭凹槽深度与共振频率差之间的关系以及当狭凹槽是由侧面形成时狭凹槽深度与共振频率差之间的关系；

图17是图14所示之振动陀螺仪的一个改进型实施例的立体图；

图18是一传统振动陀螺仪的一个例子的立体图；

图19是一曲线图，用来说明在一传统的振动陀螺仪中，因外界条件变化而造成的在fy模式的共振频率特性的改变与用来检测旋转角速度的灵敏度之间的关系。

下面将结合附图来详细描述本发明的各较佳实施例。

图1是根据本发明第一实施例的一振动陀螺仪10的立体图。图2是沿陀螺仪10上的线II-II剖取的剖视图，而图3是沿线III-III剖取的剖视图。图1所示的振动陀螺仪10包括一振子12。振子12是由一振动本体14、一驱动用压电元件18、以及一检测用压电元件20组成。

振动本体14通常是由能产生机械振动的材料制成，例如埃林瓦尔(elinvar)铁镍铬合金、铁镍合金、石英、玻璃、水晶、陶瓷等。在该实施例中，振动本体是由埃林瓦尔铁镍铬合金制成，并具有正三角形的棱柱形状。在相应于振动本体14的三条边缘线中的一条边缘线14a上的各结点的两个点上设置了两个凹槽16、16，它们在振动本体14的横剖方向上具有一定的深度。凹槽16、16在平行于振动本体14的横剖方向的方向上(图2)是三角形的，而在垂直于横剖方向的方向上(图3)是矩形的。此外，凹槽16、16沿着振动本体14的纵向具有一定的宽度，至少比下面将要详细描述的一支承件22的厚度来得宽。应注意的是，在本说明书中，振动本体14的横剖方向意味着与振动本体14的纵向成直角的横向。

参见图2，在振动本体14的横剖方向上与其边缘线14a相对的侧面14b上设置了一用来在振动本体14上以fx模式激发一挠曲振动的驱动用压电元件18，以及一用于检测振动本体14之变形的检测用压电元件20。在图1-图3所示的振动陀螺仪中，侧面14b意味着振子12的底面。接下来将结合图4和5来描述元件18和20。

图4是驱动用压电元件18的一个例子的立体图。该驱动用压电元件18包括一例如由压电陶瓷制成的压电板18a。在压电板18a的两个表面上设置有电极18b和18c。驱动用压电元件18附连在振动本体14的侧面14b上，因而驱动用压电元件18的一端沿其纵向与相应于图6所示的振动本体14内的两结点之一的位置重叠。这时，压电元件18的电极18b结合于振动本体14，从而与振动本体14构成电接触。

图5是检测用压电元件20的一个例子的立体图。该检测用压电元件20包括一例如由压电陶瓷制成的压电板20a。一电极20b形成在沿压电板20a的厚度方向彼此相对的两个表面之一的整个表面上。在压电板20a的另一个表面上布置了在垂直于压电板20之纵向的方向上相互间隔的两个电极20c和20d。检测用压电元件20附连在振动本体14的侧面14b上，使得检测用压电元件20的一端沿其纵向与相应于图6所示的振动本体14上的另一结点的位置重叠。这样，检测用压电元件20的一个电极20b就结合于振动本体14，从而与振动本体构成电接触。

接着将结合图1至图3来描述图1所示之振动陀螺仪10的振子12的支承结构。振动陀螺仪10包括一用于支承振子12以使其处于悬挂状态的支承件22。支承件22是由例如埃林瓦尔铁镍铬合金之类的金属制成，其形状是这样的：在非水平的方向(最好是基本垂直的方向)上保持着两个拱门部分22a、22a，拱门部分22a、22a的端部由两个连接部分22b、22b相互连接，因而在拱门部分22a、22a和连接部分22b、22b之间形成了一个立方形的空间。拱门部分22a、22a可以是矩形、三角形、长方形、圆形等形状。较佳的是，拱门部分22a、22a和连接部分22b、22b一体地形成为支承件22。拱门部分22a和连接部分可以是金属丝状或条状的，但考虑到机械强度，最好是采用条状的拱门部分22a和条状的连接部分22b。

例如，如图1所示，支承件22可以这样形成，即，将一方环形平板两端沿同一方向弯折，于是形成一个方的倒“U”形拱门部分22a、22a。在两支承件22的拱门部分22a、22a的中部一体地形成了例如接近矩形的突起24、24。支承件22的两拱门部分22a、22a分别插设在振子12的凹槽16、16中，突起24、24的端部与凹槽16、16的底部接触，并例如通过焊接而与之结合。除了突起24、24以外侧部22a、22a的其余部分不与凹槽16、16的内侧面接触。在这种方式下，支承件22结合在振子12的结点附近，并与振子12电连接。

振动陀螺仪10还包括一由金属等制成的板状安装基座26。在安装基座26上通过例如焊接之类的手段附连了两个安装块28、28。支承件22的连接部分22b的中部分别结合在安装块28、28上。于是，振子12就通过安装块28支承在安装基座26上，从而由支承件22悬挂起来。

下面将主要结合图6来说明振动陀螺仪10的电连接和操作情况。

如图6所示，电流-电压(I-V)转换电路30、30分别连接于振动陀螺仪10内的检测用压电元件20的分开的电极20c和20d。将来自两个I-V电路30、30的输出信号加起来，将合成的信号输入到一自动增益控制(AGC)电路32。在AGC电路32的输出侧连接于一个相修正电路34和一个同步检测电路38。相修正电路34的输出侧连接于驱动用压电元件18的电极18c。

当对驱动用压电元件18施加一驱动信号时，就在振动本体14内激发了一以fx模式的挠曲振动。fx模式的挠曲振动意味着沿垂直于设有驱动用压电元件的表面14b的方向上的挠曲振动。可以检测到因这种挠曲振动而造成的振动本体14的变形量，并将其作为一检测信号而分别从分开的电极20c、20c输出。输出的各检测信号的合成通过AGC电路32和相修正电路34被反馈给作为驱动件的驱动用压电元件18。于是，振动陀螺仪10内的振子12可产生机械稳定的自激发振动。

还有，I-V转换电路30、30的输出信号被分别输入差动放大器36。差动放大器36的输出信号被输入同步检测电路，并根据来自于AGC电路32的信号来进行同步检测。同步检测电路38的输出信号作为振动陀螺仪10的输出信号通过一平滑电路40和一DC放大器42输出。

在振动陀螺仪10以fx模式产生振动的同时，在振动本体14内因复合离心力的缘故而引发fy模式的挠曲振动，所述复合离心力是当施加一角速度并且转子12绕其轴线旋转时产生的。这里所谓的fy模式的挠曲振动意味着：在垂直于fy模式的振动方向的方向上的振动，如图7B所示。由此，在检测用压电元件20的分开的电极20c和分开的电极20d之间产生一电压差，该电压差从差动放大器36输出。由于来自差动放大器36的输出信号是由于振子12振动方向的变化所引起的，所以该输出信号是相应于施加给振动陀螺仪10的旋转角速度的检测信号。因此，当在同步检测电路38中对来自差动放大器36的输出信号进行了同步检测之后，通过平滑电路40的平滑和DC放大器42的放大，就可以获得一个按照施加给振动陀螺仪10的角速度的检测信号。

下面将结合图7至11来说明该实施例的振动陀螺仪10的工作情况。

图7A是用于图1所示振动陀螺仪10的振动本体14的一个专门实施例的侧面示意图，而图8是其前视示意图。这里所采用的振动本体14是三角形棱柱，其总长是35mm，高度是2mm，由埃林瓦尔铁镍铬合金制成。在以下描述中，凹槽16的深度意味着从边缘线14a至凹槽16底部的长度，而凹槽16的宽度意味着沿振动本体14纵向的长度。

当在振动陀螺仪10的振动本体14(如图7所示)中将凹槽16的深度和宽度分别设定成0.9mm和0.6mm时，图8的曲线图示出了fx模式的共振频率与fy模式的共振频率之差Δf(下文中将简单地称作共振频率差)。

还有，图9的曲线图示出了当把图7所示的振动本体14内的凹槽16的深度和宽度分别设定成1.0mm和0.7mm时的共振频率差Δf。

由图8和图9清楚可见，凹槽16深度的变化而不是宽度的变化会导致共振频率差Δf有较大的变化。

图10是一曲线图，示出了采用图7所示振动本体14的振动陀螺仪10内的共振频率差Δf、温度(℃)、灵敏度变化率(％)之间的关系。在此，灵敏度的变化率意味着以25℃温度下的灵敏度为基准的相对灵敏度。还有，温度意味着外界环境的温度。当共振频率差Δf是143Hz时，温度和灵敏度变化率之间的关系用一实线表示，而当共振频率差Δf是2Hz时，温度和灵敏度变化率之间的关系用一虚线表示。

从图10中清楚可见，当共振频率差较小时，因温度变化而造成的灵敏度变化率较大，另一方面，当共振频率差较大时，因温度变化而造成的灵敏度变化率较小。较佳的是，共振频率差Δf是在大约50至150Hz的范围内。

图11示出了在本发明的振动陀螺仪10中，因fy模式的共振频率特性的外界条件的变化而造成的偏移与用来检测角速度的灵敏度之间的关系。

该振动陀螺仪10是通过调整凹槽16的形状来预先形成的，从而使共振频率差Δf比较大，并使fx模式的共振频率对应于fy模式的共振频率特性曲线具有一平缓斜坡的底部区域附近的频率。因此，即使因外界条件的变化而导致fx模式偏移的共振频率，检测灵敏度的变化也是比较小的。

如上所述，图1所示的振动陀螺仪10很难受到外界冲击之类的影响，因为支承件22是形成为拱门部分由两个连接部分连接。特别是当支承件22是由一平的方环板制成时。此外，由于凹槽16形成在振子12的结点附近并且振子12是通过将支承件22的突起24的端头结合于凹槽16的底部来支承的，所以可将振子12支承在较靠近结点的部分上。因此，支承件22的刚性使得振子12的振动很难减弱，因而振动泄漏就非常小。

还有，由于在图1所示的振动陀螺仪10中凹槽16是形成为狭凹槽形状，其深度是从振子12的边缘线14a起朝着侧面14b方向延伸，通过控制凹槽16的宽度和深度，就可以将fx模式和fy模式之间的共振频率差Δf调整为一个所需的值。一旦将共振频率差Δf预先调整得比较大，就可以使因外界条件的变化而导致的检测灵敏度的波动程度降低。

图12是图1所示之振动陀螺仪的一个改进型例子的立体图，而图13是沿图12中的线XIII-XIII剖取的剖视图。应注意的是，与图1所示的陀螺仪10相同的元件都用相同的标号表示。

图12所示的振动陀螺仪在支承结构上不同于图1所示的振动陀螺仪10。该振动陀螺仪50包括一用来支承振子12以使其悬挂的支承件52。支承件52与图1所示的支承件22的不同之处在于，支承件52还包括一个将两个连接部分22b的中部连接起来的连接部分52c。

支承件52固定于安装块28，而安装块28固定在安装基座26上。

因此，振子12通过安装部分28支承在安装基座26上，并由支承件52向下悬吊。

图12所示的振动陀螺仪50也很难受到外界冲击等影响，并且可以获得与图1所示振动陀螺仪10相同的效果。

还有，图14是根据本发明另一实施例的振动陀螺仪的立体图。图15A是沿图14中的线XV(A)-XV(A)剖取的剖视图，而图15是沿图14中的线XV(B)-XV(B)剖取的剖视图。

图14所示的振动陀螺仪60在凹槽16和振子12的支承结构上不同于振动陀螺仪10。也就是说，在振动陀螺仪60中，垂直于振动本体14之纵向延伸的凹槽16是形成在振动本体的侧面14b上，并处在振动本体14的两个结点附近。振子12的边缘线14a布置在靠近安装基座26的那一侧，而侧面14b处在与安装基座26相反的一侧。因此，在振动陀螺仪60中，侧面14b位于上侧，振子12是以从前视图看呈倒三角形的方式支承并悬挂在安装基座26上。

如图14和15所示，在图14所示的振动陀螺仪60中，一驱动用压电元件18附连在振动本体14的侧面14b的靠近中部位置。与驱动用压电元件18构造相同的、作为检测用压电元件的两个压电元件18附连在振动本体14之边缘线14a两侧的两个相邻侧面的近中部位置。这两个作为检测用压电元件的压电元件18连接于I-V转换电路30、30，代替了图6所示电路图中检测用压电元件20的两个分开的电极20c和20d。

图16是一曲线图，示出了共振频率差Δf(Hz)与凹槽的形成位置和凹槽深度(mm)之间的关系。在图16中，当凹槽16是形成在侧面14b上时，凹槽深度与共振频率差Δf之间的关系是由一虚线表示，而当凹槽16是形成在边缘线14a上时，凹槽深度与共振频率差Δf之间的关系是由一实线表示。应注意的是，该图中的数值不同于图9所示，因为用来获得图9所示结果的振动本体的形状不同于用来获得图16所示结果的振动本体的形状。

从图16中清楚可见，当振子12内的凹槽16形成在侧面16b上时，即使凹槽16的宽度改变，fx模式和fy模式的共振频率差Δf的变化也很小。

图14所示的振动陀螺仪60很难受到外界冲击等的影响，其原因如上所述。还有，在振动陀螺仪60中，由于fx模式和fy模式的共振频率差Δf变化很小，所以角速度的检测灵敏度非常高。

图17是图14所示之振动陀螺仪的一改进型实施例的立体图。图17所示之振动陀螺仪70只是在支承结构上不同于图14的振动陀螺仪60。

也就是说，在图17所示的振动陀螺仪70中，采用了图12所示的支承件52。此外，支承件52通过安装块28固定在安装基座26上。

虽然在上述各实施例中采用的都是大致呈正三角棱柱形状的振动本体14，但振动本体14可以是方棱柱形或其它多边棱柱形状，也可以形成为圆柱形。这时，通过控制凹槽的宽度和深度就可以自由地调整fx模式和fy模式之间的共振频率差Δf，一旦将共振频率差预先调整完毕，就可以减少因外界条件变化而引起的检测灵敏度的波动。

虽然以上描述了本发明的若干个较佳实施例，但在所附权利要求的范围内还可以构思出各种能体现本发明原理的执行方式。因此，应该理解，本发明的保护范围不限于以上的描述，而是应由所附权利要求限定。

Claims

1.一种振动陀螺仪，包括：

一杆状的振子，该振子包括一用于使所述杆状振子振动的驱动元件和一用于检测所述杆状振子之振动的检测元件，所述杆状振子内有两个凹槽，它们分别在杆状振子的两振动结点附近沿着垂直于杆状振子纵向的方向延伸；以及

一支承件，其形状是：两个保持在非水平方向上的拱门部分借助两个连接部分在拱门部分的两端连接起来，

其中，支承件的拱门部分在凹槽的底部直接连接于所述杆状振子，所述支承件的拱门部分和连接部分是形成一体的。

2.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述支承件的拱门部分和连接部分是丝状的。

3.如权利要求2所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述支承件的拱门部分和连接部分是条状的。

4.如权利要求3所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述支承件包括另一个连接部分，它连接在所述连接部分的中部之间。

5.如权利要求3所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述支承件是这样形成的，即，将一方环形平板的两端沿同一方向弯折，从而形成方的倒“U”形拱门部分。

6.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述杆状振子具有多边形横截面，每个凹槽均设置在所述杆状振子的一个侧面上。

7.如权利要求6所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述各凹槽的深度是可以调整的，从而使沿两个相互垂直方向的两个共振频率之间有一个预定的频率差。

8.如权利要求7所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述预定的频率差是在大约50至150Hz的范围内。