CN1174221C

CN1174221C - 振动陀螺仪

Info

Publication number: CN1174221C
Application number: CNB001070541A
Authority: CN
Inventors: 石床信行; 藤本克已
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 2000-04-24
Publication date: 2004-11-03
Anticipated expiration: 2020-04-24
Also published as: CN1271848A; KR100364968B1; JP3407689B2; EP1046883A3; US6281618B1; JP2000304546A; EP1046883A2; KR20010007012A

Abstract

本发明提供了一种振动陀螺仪，包含两个相对设置的平面振动板。两个振动板以压曲振动模式和与压曲振动模式退化或接近于压曲振动模式的二阶弯曲振动模式振动。振动陀螺仪通过检测二阶弯曲振动模式的幅值平衡中的偏移检测科里奥利力，它是当施加绕平行于振动板表面的轴的角速度时产生的。

Description

振动陀螺仪

本发明涉及一种振动陀螺仪，本发明尤其涉及一种用于例如检测角速度以防止照相机晃动的振动陀螺仪。

图11是传统振动陀螺仪的一个例子的透视图。振动陀螺仪包含例如正三角形的振动体2。如图11和12所示，振动体2的三个外部表面分别具有压电元件3a、3b和3c。为了使用振动陀螺仪1，如图12所示，例如将振荡电路4连接在压电元件3a和3b与压电元件3c之间。还有，压电元件3a和3b连接到检测电路5。检测电路5包含例如差动电路、同步检测电路、平滑电路和DC放大电路。

在振动陀螺仪1中，从压电元件3C输出的信号返回到振荡电路4。振荡电路4放大返回的信号，并对放大的信号进行相位补偿，由此形成激励信号。由此得到的激励信号被馈送到压电元件3a和3b。这引起振动体2沿垂直于形成压电元件3c的表面执行弯曲振动。在这种情况下，压电元件3a和3b的弯曲状态是相同的，并且从那里输出的信号也是相同的。

因此，在检测电路5中，没有信号从差动电路输出。在振动体2处于弯曲振动的状态下，绕振动体的轴的中心的旋转产生科里奥利力，由此改变振动体2的振动方向。这引起了从压电元件3a和3b输出的信号增加的差异，并引起差动电路输出信号。然后，输出的信号在平滑电路中平滑，并且被平滑的信号在DC放大电路中放大。由此，测量从检测电路5输出的信号允许转角速度得到检测。

对于图13所示的振动陀螺仪1，可以通过结合两个压电基片6a和6b制造振动体2。如由图13的箭头表示的，极化压电基片，以便使它们相对。在这种情况下，电极7a和7b(每一个都沿长度方向延伸)形成在振动体2的相对的表面中的一个表面上，并且电极8形成在另外的相对表面的整个表面上。使用如图12所示的电路，上述振动陀螺仪1还允许检测角速度。

然而，通过上述的每一种振动陀螺仪，只能检测绕振动体的轴的中心的角速度，并且只能检测相对于单个方向的角速度。由此，振动陀螺仪的两个单元需要沿两个方向检测角速度，并且需要两个振荡电路激励这些振动陀螺仪。振荡电路是昂贵的，由此，增加了沿多个方向检测角速度的成本。

考虑到上述原因，已经需要一种能够通过使用一单个的元件相对于两个方向检测角速度的振动陀螺仪。

本发明针对满足这种需要的振动陀螺仪。振动陀螺仪包含两个相对设置的平面振动板。这两个振动板在压曲振动模式和与压曲振动模式退化或接近它的二阶弯曲振动振动。振动陀螺仪通过检测在提供平行于振动板表面的轴的角速度时产生的二阶弯曲振动的幅值平衡中的偏移，检测科里奥利力。

依据本发明的一个方面，提供了一种振动陀螺仪，包含：两个相对设置的平面振动板，其中形成在两个振动板之间的中间部件，以在所述两个振动板之间形成空开部分；形成在一个振动板上的第一组多个激励和检测元件以及形成在另一个振动板上的第二组多个激励和检测元件；相应于所述第一组激励和检测元件的第一平面电极以及相应于所述第二组激励和检测元件的第二平面电极；其中，第一检测部分由所述第一组中的两个相邻激励和检测元件形成，第二检测部分由所述第二组中的两个相邻激励和检测元件形成，并且所述第一检测部分和所述第二检测部分设置得相互垂直；所述振动陀螺仪的特征在于，所述两个振动板的外形尺寸大于所述第一和第二检测部分的外形尺寸，从而所述两个振动板在压曲振动模式和二阶弯曲振动模式下振动，所述二阶弯曲振动模式与所述压曲振动模式退化或与其接近，并且所述振动陀螺仪通过检测在施加绕平行于振动板表面的轴的旋转角速度时产生的二阶弯曲振动模式的幅值平衡中的偏移来检测科里奥利力。

上述振动陀螺仪可以包含形成在两个振动板之间的中间部件，以在两个振动板之间形成分开的部分，以及多个形成在振动板上的激励和检测元件，以使振动板振动，并输出由振动板的振动产生的信号，其中，对应于两个相邻的激励和检测元件的组合形成第一检测部分，对应于两个相邻的激励和检测元件的另一个组合形成第二检测部分，并且第一检测部分和第二检测部分设置得相互垂直。在这种情况下，较好地，激励和检测元件不形成在与中间部件相对的部分，而形成在与空开的部分相对的位置。

还有，分开的激励和检测元件由压电基片形成，并且十字形交叉为四个的电极形成在压电基片上，由此，可以使用电极和压电基片形成激励和检测元件。

还有，振动板可以是金属板，并且交叉成四个部分，并形成在振动板上的压电元件可以用于形成激励和检测元件。

另外，中间部件可以由其中心部分形成有穿口的框部件形成。

另外，中间部件可以由设置在振动板的多个端部的多个部件形成。

例如，通过将激励信号馈送给所有激励和检测元件，产生压曲振动，从而振动的每一个中心部分的幅值达到最大值。当将角速度提供给平行于振动板表面的轴的中心时，科里奥利力改变了以二阶弯曲振动模式振动的振动板的振动。当压曲振动和二阶弯曲振动的振动退化或设置地类似时，振动板幅值达到最大值的点偏离振动板的中心部分地振动。为此，在两个构成第一和第二检测部分中的一个检测部分的两个激励和检测元件的弯曲状态之间产生差异，并且从第一和第二检测部分中的一个检测部分输出对应于科里奥利力的信号。由于第一和第二检测部分设置得相互垂直，可以得到对应于相对于相互垂直的两个方向的角速度的信号。

由于振动板和中间部件是固定不动的，故激励和检测元件较好地安排在与可靠部分相对的位置处。这种安排引起压曲振动，从而振动板的中心部分的幅值达到最大值。

在上述振动陀螺仪中，压电基片可以用于振动板，并且压电基片和在其上交叉形成为四部分的电极可以用于形成激励和检测元件。

还有，金属板可以用于每一个振动板。在这种情况下，激励和检测元件由交叉成四个部分并形成在振动板上的四个压电元件形成。

另外，将中间部件设置得在两个相对的振动板之间形成空开的部分。由此，中间部件可以由其中形成有穿口的框或设置在振动板的多个端部处的多个部件形成。

根据本发明，可以通过单个的振动陀螺仪检测对于沿两个方向的轴的角速度。另外，由于振动陀螺仪可以由单个振动激励，故和使用两个振动陀螺仪的传统方法相比，可以减小成本。

为了说明本发明，在附图中示出了几种形式，它们是目前较好的，但是应该知道，本发明不限于这里示出的精确的安排和手段。

从下面参照附图对本发明的描述，本发明的其它特点和优点是显然的。

图1是根据本发明的振动陀螺仪的例子的透视图；

图2是图1中的振动陀螺仪的不同角度的透视图；

图3是图1的振动陀螺仪的分解透视图；

图4是用于图1的振动陀螺仪的电路的概图；

图5A是示出振动陀螺仪在压曲振动模式下的振动(它未旋转时)的有限元法分析图；

图5B是该振动的截面图；

图6A是示出振动陀螺仪在二阶弯曲振动下的振动(旋转)的有限元法分析图；

图6B是沿图6A中一点连线取得的振动状态的截面图；

图7A是示出当振动陀螺仪旋转时，振动陀螺仪振动上腭的振动。

图7B是说明当施加了科里奥利力时的振动状态的截面图；

图8是根据本发明的振动陀螺仪的另一个例子的分解透视图。

图9是根据本发明的振动陀螺仪的另一个例子的分解透视图；

图10是用于修改过的电极配置的电路的概图；

图11是传统的振动陀螺仪的例子的透视图；

图12用于图11所示的传统振动陀螺仪的电路的概图；

图13是另一个传统的振动陀螺仪的例子的透视图；

下面，参照附图，详细解释本发明的较佳实施例。

图1是示出本发明的振动陀螺仪的一个例子的透视图。图2是图1的振动陀螺仪取一个不同的角度的透视图；图3是其分解透视图。振动陀螺仪10包含中间部分12。如图3所示，中间部分形成为框形，其中心部分具有穿口。在中间部分12的相对侧面中的一个侧面上形成振动板14。振动板14通过例如藉合压电基片16和18形成。如由图3中的箭头表示的，极化压电基片16和18，以便使它们沿厚度方向相对。

在压电基片16上，形成有16个组合的电极，其中四个电极20a、20b、20c和20d用于允许输入和/或输出信号。

这些电极是通过用一个模型中的切丁器将平面的电极切割而形成的。这样，形成十字形交叉的电极20a、20b、20c和20d。在振动陀螺仪10中，由于以上述方式形成电极，故形成了16个电极。但是，振动陀螺仪10需要电极20a、20b、20c和20d，而不需要其它周边的电极。因此，当通过在压电基片16上进行印刷而形成电极20a、20b、20c和20d时，不需要形成周边的电极。当通过蚀刻形成电极20a、20b、20c和20d时，可以类似地去除周边的电极。还有，在压电基片18上形成平面电极22。这些压电基片16和18，电极20a、20b、20c和20d，以及平面电极22形成了激励和检测元件。

还有，在中间部件12的相对侧面的另一个侧面上形成另一个振动板24。该振动板24具有类似于振动板14的结构。振动板24包含藕合的压电基片26和28，并且对压电基片26和28极化，以使相对。如在图2中清楚地看见，在压电基片26上形成16个组合的电极，其中中心部分中的电极30a，30b，30c和30d用于允许输入和/或输出信号。还有，在压电基片28上形成平面电极32。压电基片26和28，电极30a，30b，30c和30d，以及平面电极32形成激励和检测元件。

以如此方式安排两个振动板14和24，以便夹住中间部分12；相应地，在振动板14和24之间形成空开的部分。电极20a、20b、20c和20d与电极30a、30b、30c和30d(构成激励和检测元件)安排在与空开的部分相对的位置。这样的安排允许振动板14和24相应于激励信号，有效地执行压曲振动。

连接图4所示的电路，用于振动陀螺仪。图4仅仅示出了电极20a、20b、20c和20d，电极30a、30b、30c，平面电极22和32，以及中间部分12，以示出在振动陀螺仪10中分开的电极和电路之间的连接关系。图中示出，分开的平面电极22和32，以及中间部分12的外部尺寸和每一个电极20a、20b、20c和20d相同。但是，实际上，它们具有和振动板14和24相同的外部尺寸，如图1所示。电极20a、20b、20c和20d分别连接到电阻器40a、40b、40c和40d。电极30a、30b、30c和30d分别连接到电阻器42a、42b、42c和42d。在电阻器40a、40b、40c和40d与电阻器42a、42b、42c和42d之间形成振荡电路44。

为了提供上述连接，将导电材料施加到中间部分12的部分区域或整个区域中。由此，将中间部分12电气连接到平面电极22和32；由此，通过中间部分12，将平面电极22和32连接到振荡电路44。作为中间部分12的材料，类似于用于振动板14和24的材料的材料是较好的，以便不干扰振动板14和24的振动。相应地，可以通过使用和压电基片16、18、26和28相同的材料，以及在这种材料上形成电极层而形成中间部件12。在这种情况下，将平面电极22和32电气连接到电极层。或者，可以使用高弹性材料形成中间部件12。

将相邻于振动板14的侧面的两个电极20b和20d连接到差动电路46。在与例如从振荡电路44输出的信号同步的同步检测电路48中检测到从差动电路46输出的信号。然后，在同步检测电路48中检测到的信号在平滑电路50中平滑，随后在DC放大电路52中放大。类似地，在振动板24的一个侧面上相邻的两个电极30和30d连接到差动电路54。在由例如从振荡电路44输出的信号同步的同步检测电路56中检测到从差动电路54输出的信号。在同步检测电路56中检测到的信号在平滑电路58中平滑，随后在DC放大电路60中放大。

在图4所示的电路中，相邻的两个电极20b和20d形成第一检测部分；两个相邻的电极30c和30d形成第二检测部分。虽然这些第一检测部分和第二检测部分中的每一个可以是相邻的任意两个电极的组合，构成第一检测部分和第二检测部分的电极都必须选择那些相互垂直的电极。

相应地，当为检测部分选择电极20b和20d时，电极30a和30b可以选择作为第二检测部分。或者，可以这样安排，从而选择电极20c和20d，并且由第一检测部分和第二检测部分共享电极20d。

从平面电极22和32输出的信号反馈到振荡电路44。反馈信号在振荡电路44中放大，并相位补偿，由此形成激励信号。这些激励信号馈送到电极20a、20b、20c和20d以及电极30a、30b、30c和30d。根据上述情况，如图5A和5B所示，振动板14和24沿相对的方向，以压曲振动模式振动，从而每一个振动板14和24都振动，在其中心部分产生最大幅值。注意，虚线N表示图5A中振动的节线。

这时，较好地，还激励了如图6A和6B所示的二阶弯曲振动，并且二阶弯曲振动和上述压曲振动退化，从而振动陀螺仪的检测灵敏度变为最大。注意，还激励了另一个二阶弯曲振动模式，它垂直于如图6A所示的二阶弯曲振动模式。通过使板的厚度、面积(外部尺寸)和空开部分的内部尺寸最优化，可以退化压曲振动模式和二阶弯曲振动模式。必然地，如果两个振动模式相互靠近，即，如果两个振动模式的谐振频率的差在谐振频率的大约1％以内，则可以得到足够高的灵敏度。上述振动在压电基片16和18上形成电极20a、20b、20c和20d的部分引起相同的振动状态，这使从电极20a、20b、20c和20d输出的信号相同。由此，没有信号从差动电路54输出。这证明没有角速度提供给振动陀螺仪10。

在上述振动状态中，当绕平行于振动板14和24，并在构成第一检测部分的电极20b和20d中间延伸的轴旋转时，由于沿与无旋转时的振动方向垂直的旋转角速度而产生科里奥利力，由此引起振动板14和24振动模式改变，如图7A所示。由于科里奥利力，振动板14的最大幅值位置偏离中心部分。同时，与中心对称的二阶弯曲振动模式受影响，并且解决了压曲振动和二阶弯曲振动的衰减。这引起压电基片16和18的振动状态之间的差异，使电极20b和20d输出不同信号。

压电基片16和18的振动状态中的偏移对应于科里奥利力的大小，从而从电极20b和20d输出的信号中的变化对应于科里奥利力。

如图7B中的虚线L所示，当压曲振动和二阶弯曲振动未退化或相互接近时，偏移变小。相反，如图7B中的线M所示，当压曲振动和二阶弯曲振动退化或相互接近时，偏移变大，从而从电极20b和20d输出的信号的变化也变大，由此增强了检测的灵敏度。

上述信号中间的差从差动电路46输出。由于从电极20b和20d输出的信号对应于科里奥利力，故可以从差动电路46得到对应于变化的大值信号，即科里奥利力。每一个从差动电路46输出的信号在与从振荡电路44输出的信号同步地检测。根据这种情况，只检测到输出信号的正面或反面，或正面或反面颠倒的信号的正面和反面中的一个。检测到的信号在平滑电路50中平滑，并在DC放大电路52中放大。

由于从差动电路46中输出的信号具有对应于科里奥利力的值，故从DC放大电路52输出的信号的值也对应于科里奥利力。在这种情况下，角速度的频率可以根据从DC放大电路52输出的信号的值检测到。还有，当施加给振动陀螺仪10的角速度的方向是相反时，则在同步检测电路48中检测到的信号的极性也是相反的。相应地，从DC放大电路52中输出的信号的极性也相反。从DC放大电路52输出的信号的极性用于检测角速度的方向。

如图7A所示，在偏移振动板24的振动时，沿相对于振动板14的方向施加科里奥利力。但是，由于振动状态在沿电极30b和30d中间的轴的两侧改变，从电极30c和30d输出的信号也改变。由此，没有信号从差动电路54输出。

当振动陀螺仪10绕平行于振动板14和24，并在电极30c和30d中间延伸的轴旋转时，类似于上述参照图5A、5B、6A、6B和6C的振动状态，压电基片26和28的振动状态对应于轴两侧上的科里奥利力改变。这引起从电极30c和30d输出的信号的中间的差异，由此使差动电路54检测从差动电路54输出的信号。然后，该信号在平滑电路58中平滑，并且然后，在DC放大电路60还放大，由此允许检测在中心内，绕在电极30c和30d中间延伸的轴的角速度。此时，由于压电基片16和18形成在这样的区域中，即振动板14的侧面上的电极20b和20d也偏移了(类似于上面的情况)。由此，没有信号从差动电路46输出。

通过这种方式，根据从DC放大电路52中输出的信号的测量结果，绕在电极20b和20d中间延伸的轴的中心的角速度是可以检测的。还有，根据从DC放大电路60输出的信号的测量结果，绕在电极30a、30b、30c和30d之间延伸的轴中心的角速度是可以检测的。即，根据其中电极20b和20d构成的第一检测部分垂直于由电极30c和30d构成的第二检测部分的安排，绕相互垂直的两个轴中心的角速度都是可以检测的。还有，通过信号振荡电路44，可以激励振动板14和24引起振动。和每一个使用两个振荡电路的传统方法相比，上述方法允许减小成本。

如图8所示，每一个振动板14和24都可以是圆盘形状。在这种情况下，中间部件12形成为环形。还有，振动板14一侧上的每一个电极20a、20b、20c和20d，以及振动板24一侧上的每一个电极30a、30b、30c和30d形成为弓扇形。在这种情况下，电极20a、20b、20c和20d周围的周边电极和电极30a、30b、30c和30d周围的周边电极不用于振动陀螺仪10的工作，从而它们可以被去除。上述振动陀螺仪10还能够通过如图4所示的电路，由相互垂直的轴，检测角速度。

如图9所示，中间部分12不需要形成为其中心部分具有穿口的框材料，可以形成在振动板14和24的四个角的每一个角上。由此，本质上需要的是对应于用于允许输入和/或输出信号的电极20a、20b、20c和20d以及电极30a、30b、30c和30d的空开部分。由此，可以按需要改变用于形成空开的中间部件12的形状。

还有，如图10所示，构成每一个激励和检测元件的电极可以是两个组合的电极。形成在振动板14的一侧上的电极62a和62b和形成在振动板24的一侧上的电极64a和64b安排得相互垂直。在这种情况下，使用图10所示的电路允许中间部件12被激励，还允许检测对应于相对于相互垂直的每一个轴的角速度的信号。在上述的电极的安排中，如在其它情况下，较好地，电极62a和62b以及电极64a和64b形成在对应于不存在中间部件12的空开部分。

对于振动板，可以使用例如金属板代替压电基片。在这种情况下，对于激励和检测元件，可以使用两个压电层上都具有电极的压电元件。这时，压电元件安排得类似于电极20a、20b、20c和20d和电极30a、30b、30c和30d(如图1所示)，或类似于电极62a和62b与电极64a和64b(如图10所示)。必然地，没有压电元件需要形成在对应于上述电极周围的周边电极的位置。在这种情况下，中间部件12可以由用于振动板14和24相同的金属材料形成。由此形成的中间部件12连接到振荡电路44，由此允许将在每一个压电元件一侧上的电极连接到振荡电路44。

虽然已经描述了本发明，实现这里所解释的原理的各种模式都在下面的权利要求的范围内。由此，知道，本发明的范围仅仅由所附权利要求限定。

Claims

1.一种振动陀螺仪，包含：

两个相对设置的平面振动板，其中

形成在两个振动板之间的中间部件，以在所述两个振动板之间形成空开部分；

形成在一个振动板上的第一组多个激励和检测元件以及形成在另一个振动板上的第二组多个激励和检测元件；

相应于所述第一组激励和检测元件的第一平面电极以及相应于所述第二组激励和检测元件的第二平面电极；

其中，第一检测部分由所述第一组中的两个相邻激励和检测元件形成，第二检测部分由所述第二组中的两个相邻激励和检测元件形成，并且所述第一检测部分和所述第二检测部分设置得相互垂直；

所述振动陀螺仪的特征在于，所述两个振动板的外形尺寸大于所述第一和第二检测部分的外形尺寸，从而所述两个振动板在压曲振动模式和二阶弯曲振动模式下振动，所述二阶弯曲振动模式与所述压曲振动模式退化或与其接近，并且所述振动陀螺仪通过检测在施加绕平行于振动板表面的轴的旋转角速度时产生的二阶弯曲振动模式的幅值平衡中的偏移来检测科里奥利力。

2.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于激励和检测元件形成在与所述空开部分相对，而不与中间部件相对的位置内。

3.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于每个激励和检测元件包括压电基片，所述压电基片上具有十字形交叉的电极。

4.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于每一激励和检测元件包含其上具有四个电极的压电基片。

5.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于每个振动板由金属板形成，并且激励和检测元件包含压电元件，所述压电元件形成在每个金属板上，分成交叉的四个部分。

6.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于中间部件由框部件形成，所述框部件的中心部分具有相应于空开部分的穿口。

7.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于中间部件由设置在两个振动板的多个端部上的多个部件形成。

8.如权利要求6所述的振动陀螺仪，其特征在于每个激励和检测元件形成在与穿口相对的位置。

9.如权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于还包含用于将振荡信号提供给激励和检测元件以使两个振动板振动的电路，和用于检测来自第一和第二检测部分的检测信号的电路。