專利名稱：振動陀螺儀及其調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動陀螺儀，尤其涉及用于攝像機等的振動陀螺儀，用以通過檢測轉(zhuǎn)動角速度來檢測諸如手抖動等外部振動，并根據(jù)檢測得到的信息抵消這些振動。本發(fā)明還涉及調(diào)節(jié)上述類型的振動陀螺儀的方法。
圖9示出在第7-332988號日本專利公開公報中揭示的振動陀螺儀的一個例子。下面參見附圖來說明這種陀螺儀。
參見圖9，振動陀螺儀100包括振動器101。振動器101包括振動件102。振動件102是通過層疊第一壓電基片103和第二壓電基片104并使中間電極105位于其間而整體形成的。以這樣的方式沿第一壓電基片103的縱向在第一壓電基片103的主表面上形成分隔電極106a和106b，即，它們被互相隔開。在第二壓電基片104的整個主表面設(shè)置共用電極107。
共用電極107起著使振動器101振動的驅(qū)動電極的作用，而分隔電極106a和106b起著檢測電極的作用。
在結(jié)構(gòu)如上所述的振動陀螺儀100中，振動器101沿與第一壓電基片103和第二壓電基片104正交的方向(下面稱為“驅(qū)動方向DX”)以彎曲模式振動。繞振動器101的中心軸O施加轉(zhuǎn)動角速度ω導(dǎo)致沿與驅(qū)動方向DX正交的方向(下面稱為“檢測方向DY”)的科里奧利力。
眾所周知，一般，當(dāng)沿驅(qū)動方向的諧振頻率大體上與沿檢測方向的諧振頻率一致時，陀螺儀的靈敏度變得最高。如在第2-298812號和第9-178487日本專利公開公報中所揭示的，達到上述要求的通常做法是去除振動件的一部分。
例如，在第9-178487號日本專利公開公報中，去除第一壓電基片103的橫向部分S1和第二壓電基片104的橫向部分S2，以偏移(降低)沿檢測方向DY的諧振頻率，由此使得在振動陀螺儀100中，沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx與沿檢測方向DY的諧振頻率fy匹配。
然而，上述已知類型的振動陀螺儀及其調(diào)節(jié)方法存在下述的問題。
具體而言，在振動陀螺儀100中，沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx是不穩(wěn)定的。這是由于沿驅(qū)動方向DX的諧振點是分裂的，導(dǎo)致離散的振蕩頻率。于是振動器的振動變得不穩(wěn)定，并且振動陀螺儀的S/N比變壞。
因此，沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx是如此的不穩(wěn)定，以致當(dāng)沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx與沿檢測方向DY的諧振頻率fy一致時，靈敏度降低或偏離。結(jié)果，不能得到由科里奧利力引起的穩(wěn)定的信號。
特別是，如果僅僅通過偏移諧振頻率fy而使沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx與沿檢測方向DY的諧振頻率fy匹配，則沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx完全不變。因此，此方法不能解決上述問題。
還有，在傳統(tǒng)的陀螺儀中，由于沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx大體上與沿檢測方向DY的諧振頻率fy匹配，所以沿檢測方向的Q值較高。因此，在這個振動陀螺儀100中，在檢測信號中有很大的相位延遲，于是導(dǎo)致低的輸出響應(yīng)特性。
就刻蝕振動器101的橫向表面的方法而論，完全沒有考慮固定振動器101的基座。在實踐中，依賴于基座的形狀，橫向表面難于刻蝕。
考慮到上述情況，本發(fā)明的目的是提供一種振動陀螺儀及其調(diào)節(jié)方法，其中，能夠檢測出穩(wěn)定的角速度信號，并且能夠獲得正確的角速度信號。
振動陀螺儀包括柱狀振動器、驅(qū)動器和檢測器。柱狀振動器包括第一和第二壓電基片，它們沿厚度方向相互以相反的方向極化，并互相疊合；兩個分隔電極，它們在第一壓電基片的一個主表面上形成，并且沿與第一壓電基片的縱向垂直的方向隔開；以及一個共用電極，它在第二壓電基片的一個主表面上形成。把驅(qū)動器接在分隔電極和共用電極之間，并且沿第一和第二壓電基片的厚度方向驅(qū)動振動器。檢測器與分隔電極相接，并檢測由振動器的彎曲振動引起的位移。振動器沿兩條對角線方向具有大體上相同的諧振頻率，這兩條對角線方向?qū)堑剡B接沿振動器的縱向延伸的四條邊。
沿振動器的驅(qū)動方向的諧振頻率和沿振動器的檢測方向(它大體上與振動器的驅(qū)動方向正交)的諧振頻率之間的差值最好是一個預(yù)定值。具體而言，該預(yù)定值在20至50Hz的范圍內(nèi)，并且沿振動器的驅(qū)動方向的諧振頻率低于沿振動器的檢測方向的諧振頻率。
調(diào)節(jié)振動陀螺儀的方法包括刻蝕分隔電極和共用電極之中的至少一個電極的一部分的步驟，從而振動器沿兩條對角線方向具有大體上相同的諧振頻率，這兩條對角線方向?qū)堑剡B接沿振動器的縱向延伸的四條邊。
調(diào)節(jié)振動陀螺儀的方法還包括把振動器的驅(qū)動方向的諧振頻率與沿檢測方向(該方向大體上與驅(qū)動方向正交)的諧振頻率之間的差值調(diào)節(jié)在預(yù)定值的步驟，其做法是進一步刻蝕分隔電極和共用電極的至少一個電極的一部分。預(yù)定值最好在20至50Hz的范圍內(nèi)選擇，并且使沿振動器的驅(qū)動方向的諧振頻率低于沿振動器的檢測方向的諧振頻率。
在刻蝕步驟之前，調(diào)節(jié)振動陀螺儀的方法還包括下述步驟在放置分隔電極和共用電極的至少一個電極的位置上向振動器提供支承件，該位置在振動器振動期間產(chǎn)生的一個節(jié)點附近；并且藉助于該支承件，通過將支承件的一段附著于基座的辦法將振動器固定于框狀基座。
按照本發(fā)明的振動陀螺儀，使沿兩條對角線的諧振頻率互相適應(yīng)大體上匹配。因此，能夠穩(wěn)定沿振動陀螺儀的驅(qū)動方向的諧振頻率，進而穩(wěn)定振動器的振動。這樣做就可以穩(wěn)定檢測信號，以獲得正確的角速度信號。
此外，由于在沿驅(qū)動方向的諧振頻率和沿檢測方向的諧振頻率之間有一個差值，因此顯著地降低了沿檢測方向的Q值。于是改善了輸出響應(yīng)特性，由此加快了與外部振動(諸如抖動的手)相應(yīng)的角速度信號的檢測，并且縮短了校正抖動的手所需的時間。還增強了響應(yīng)于溫度變化的漂移特性。
還有，在調(diào)節(jié)振動陀螺儀時，切割在振動器的頂面上形成的分隔電極或在振動器的底面上形成的共用電極。因此，即使以使用框狀基座來支承的方式構(gòu)造振動陀螺儀，也能夠容易地切割振動器，在框狀部件的上表面或下表面上無障礙的影響，由此使特性調(diào)節(jié)更為簡易。
為了說明本發(fā)明，在附圖中示出了數(shù)個目前較佳的形式，然而，應(yīng)該明白，本發(fā)明不限于所示的精確安排和手段。


圖1是說明按照本發(fā)明一個實施例的振動陀螺儀的結(jié)構(gòu)透視圖。
圖2是說明安裝按照本發(fā)明實施例的振動陀螺儀的狀況的透視圖。
圖3說明按照本發(fā)明實施例的振動陀螺儀的電路結(jié)構(gòu)。
圖4是說明按照本發(fā)明實施例的振動陀螺儀的振動方向的正視圖。
圖5是說明調(diào)節(jié)按照本發(fā)明實施例的振動陀螺儀的一種方法的底視圖。
圖6是說明按照本發(fā)明實施例的振動陀螺儀的阻抗特性的曲線圖。
圖7是說明已知振動陀螺儀的阻抗特性的曲線圖。
圖8是說明調(diào)節(jié)按照本發(fā)明實施例的振動陀螺儀的另一種方法的平面圖。
圖9是說明已知的振動陀螺儀及其調(diào)節(jié)方法的透視圖。
下面，參照附圖詳細說明本發(fā)明的較佳實施例。
圖1說明按照本發(fā)明第一實施例的振動陀螺儀。振動陀螺儀10包括一個振動器11。振動器11具有一個振動件12，它具有普通的正方棱柱的形狀。振動件12具有第一壓電基片13和第二壓電基片14，這兩塊基片都由PZT(鋯鈦酸鉛)制成，并且疊合在一起，其間插有中間電極16。如圖1中的箭頭所指出的那樣，第一壓電基片13和第二壓電基片14沿定們的厚度方向以相互相反的方向極化。
在第一壓電基片13的一個主表面上(即，在不與第二壓電基片14相鄰的表面上)，沿振動件12的縱向相互平行地形成兩個分隔電極16a和16b。根據(jù)振動件11振動期間產(chǎn)生的兩個節(jié)點N，在振動件11的縱向的兩端進一步分割分隔電極16a和16b的每個電極。共用電極17設(shè)置在第二壓電基片14的一個主表面上(即，在不與第一壓電基片13相鄰的第二壓電基片14的整個表面上)。
用諸如焊接等方法在兩個節(jié)點N處(這些節(jié)點是振動器11在振動期間產(chǎn)生的)把支承件18固定至分隔電極16a和16b，這兩個分隔電極位于振動器11的上面部分。類似地，在節(jié)點N處把支承件19固定至共用電極17，該共用電極位于振動器11的下面部分。支承件18和19用諸如鎳鉻恒彈性鋼(elinvar)等恒彈性金屬制成，一般做成Z形的狹金屬板。
圖2示出安裝本發(fā)明的振動陀螺儀10的狀況。為清楚起見，通過省略電極把振動器11簡化成正方棱柱形。
用這樣的方式把振動器11容納在用金屬或樹脂做的框狀基座20內(nèi)，從而由支承件18和19將振動器懸掛起來，并且把支承件18的端部通過諸如焊接等方法固定至基座20的上表面。同樣，把支承件19的端部通過諸如焊接等方法固定至基座20的下表面。采用這種結(jié)構(gòu)，把振動器11支承在中空的基座20中。
振動陀螺儀10還包括示于圖3的電路。具體而言，把振蕩電路21(它用作驅(qū)動器)的一個輸出端通過電阻器22a和22b分別連接至分隔電極16a和16b。把振蕩電路21的另一個輸出端連接至共用電極17。此外，把分隔電極16a和16b分別連接至差分放大器電路24(它用作檢測器)的正相輸入端(+)和反相輸入端(-)。電阻器25連接在差分放大器電路24的輸出端和差分放大器電路24的反相輸入端(-)之間。
通過電阻器22a和22b，分別將從振蕩電路21輸出的驅(qū)動信號(諸如正弦波信號)施加至振動器11的分隔電極16a和16b，由此在第一壓電基片13和第二壓電基片14中，沿垂直于它們的主表面的方向DX(下面稱為“驅(qū)動方向DX”)產(chǎn)生彎曲模式振動。然后，振動陀螺儀10繞振動器11的中心軸O轉(zhuǎn)動以響應(yīng)于轉(zhuǎn)動角速度而產(chǎn)生科里奧利力。產(chǎn)生的科里奧利力沿方向DY(下面稱為“檢測方向DY”)作用，檢測方向DY平行于第一壓電基片13和第二壓電基片14的主表面，面與振動器11的中心軸O正交。由于這個科里奧利力，振動器11改變了它的彎曲振動的方向，并且響應(yīng)于轉(zhuǎn)動角速度在分隔電極16a和16b之間產(chǎn)生一個信號。然后通過電阻器23a和23b由差分放大器電路24檢測此信號。通過從差分放大器電路24輸出的信號可進一步檢測轉(zhuǎn)動角速度。
參見圖4，振動陀螺儀10的一個主要特性是，振動器11沿兩條對角線方向D1和D2具有大體上相等的諧振頻率，這兩條對角線方向?qū)堑剡B接沿振動器11縱向延伸的四條邊。按照這種結(jié)構(gòu)，成功地穩(wěn)定了諧振頻率fx，因為這種結(jié)構(gòu)使沿D1方向的諧振和沿D2方向的諧振(它們構(gòu)成沿驅(qū)動方向DX的諧振)大體上相同。
通過去除振動器11的一部分，從而使得沿兩個有關(guān)的方向D1和D2(即，沿連接四條縱向邊的振動器11的對角線)的諧振頻率f1和諧振頻率f2相互匹配，可以獲得這種結(jié)構(gòu)。在此情形下，必須在下述位置的至少一個位置上去除振動器11中的一部分在分隔電極16a和16b和在相應(yīng)于面對分隔電極16a和16b的位置的共用電極17處。在此實施例中，如圖5所示，去除面對分隔電極16a和16b的共用電極17的位置S,S。注意，為清楚起見，未示出支承件18。
在本實施例中，去除或刻蝕共用電極17的理由如下?？涛g用作檢測電極的分隔電極16a和16b會對被檢測的信號產(chǎn)生種種負面影響。另一方面，刻蝕用作驅(qū)動電極的共用電極17，幾乎不改變被檢測的信號。由于這個原因，希望刻蝕共用電極17。
如上所述，沿兩條有關(guān)的對角線方向D1和D2，諧振頻率f1和f2適合于大體上彼此一致。然而，很難做到諧振頻率的完全匹配，即，在諧振頻率之間得不出差值，即，f1-f2=0。于是，如果諧振頻率之差不大于5Hz，即｜f1-f2｜≤5Hz，就認為諧振頻率大體上彼此匹配。
如上所述，在按照本發(fā)明實施例的振動陀螺儀中，由于沿對角線方向D1和D2的諧振頻率f1和f2大體上彼此一致，因此可穩(wěn)定沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx。
參見示于圖6和圖7的表示阻抗-頻率特性的曲線圖更詳細地討論這一點。圖6示出了按照本發(fā)明實施例的振動陀螺儀10的阻抗特性。圖7示出了已知的振動陀螺儀100的阻抗特性。在這些曲線圖中，水平軸代表頻率，而垂直軸代表阻抗。在水平軸上的頻率只表示諧振點附近的區(qū)域。
圖6和圖7顯示出下述事實。在已知的振動陀螺儀100中，沿驅(qū)動方向DX的阻抗特性的諧振點分裂成兩個點。這是因為沿傾斜方向D1和D2的阻抗特性曲線的諧振點彼此分開的緣故。相反，在本發(fā)明的振動陀螺儀10中，沿兩個傾斜方向D1和D2的阻抗特性曲線的諧振點大體上彼此一點，于是導(dǎo)致沿驅(qū)動方向DX的阻抗特性的單個諧振點。這就可以克服這樣一個傳統(tǒng)的缺點，即，沿驅(qū)動方向DX，振動模式被破壞，而使振蕩不穩(wěn)定。于是振動陀螺儀產(chǎn)生穩(wěn)定的振動，并且展現(xiàn)穩(wěn)定的靈敏度和溫度特性。
應(yīng)該注意，然后如此調(diào)節(jié)振動陀螺儀10，從而使得沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx與沿檢測方向DY的諧振頻率fy之間的差值｜fx-fy｜為預(yù)定值。通過進一步刻蝕共用電極17的位置S,S，同時把沿對角線方向D1和D2的諧振頻率保持在大體相等的值來完成這一步驟。
在此步驟中，根據(jù)振動陀螺儀10的用途，在20≤｜fx-fy｜≤50(Hz)的范圍內(nèi)選擇預(yù)定值。然后如此調(diào)節(jié)振動陀螺儀10，從而滿足｜fx-fy｜的值偏離預(yù)定值在3Hz之內(nèi)。
例如，如果確定fx-fy的參考值為25Hz，則調(diào)節(jié)沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx和沿檢測方向的DY諧振頻率fy，從而諧振頻率fx和fy滿足表示式22≤fy-fx≤28Hz這樣，按照本發(fā)明的振動陀螺儀10，調(diào)節(jié)沿驅(qū)動方向DX的諧振頻率fx和沿檢測方向DY的諧振頻率fy，即如圖6中的曲線圖所示，在兩個諧振頻率之間有一差值(在本實施例中，fy-fx=25Hz)。
這樣可以把振蕩點移至低于沿檢測方向DY的諧振頻率fy的頻率。于是，沿檢測方向DY，Q值顯著降低，并且，還在沿檢測方向DY阻抗特性為線性的區(qū)域產(chǎn)生振蕩。
一般，振動陀螺儀的輸出響應(yīng)特性由下面的表示式指明輸出響應(yīng)特性≈頻率/Q。因此，由于Q值沿檢測方向DY顯著降低，因而改善了輸出響應(yīng)特性。
雖然在上述實施例中，通過刻蝕共用電極17來調(diào)節(jié)諧振頻率，但是如圖8所示，也可以刻蝕在分隔電極16a和16b的位置S,S′。
還有，按照上述實施例，在調(diào)節(jié)振動陀螺儀10的特性中，刻蝕置于振動器11的上表面上的分隔電極16a和16b或置于振動器11的下表面上的共用電極17。因此，即使通過使用圖2所示的框狀基座20來支承振動陀螺儀，也能夠容易地刻蝕振動器11以調(diào)節(jié)其特性，因為在基座20的上表面或下表面上沒有障礙物。
在上述實施例中，振動器是通過層疊兩塊壓電基片而形成的，這兩塊基片沿它們的厚度方向相互以相反的方向極化。然而，雖未特別示出，振動器也可以通過層疊兩塊沿相同方向極化的壓電基片并將中間電極接地來形成。
按照振動陀螺儀的使用的目的或者特性，可以采用各種方法來去除或刻蝕振動器，諸如激光束、銑削(router)、噴砂等。
在上述實施例中，在沿驅(qū)動方向的諧振頻率和沿檢測方向的諧振頻率之間有一差值?？梢允箖蓚€諧振頻率適于大體上彼此一致，在該情形下，提高了靈敏度。然而，如上面所討論的。諧振頻率之間的差值改善了諸如響應(yīng)等各種特性。因此，通過考慮陀螺儀的總的性能，最好使諧振頻率有差值，以調(diào)節(jié)陀螺儀。
要去除的形狀不限于如圖5或圖8所示的沿振動器11縱向的兩條平行的狹縫?？梢灾恍纬梢粭l狹縫，而對要切割的形狀不作特別限制。
雖然已經(jīng)揭示了本發(fā)明的較佳實施例，但可以認為實現(xiàn)在這里揭示的原理的各種方式仍在下述的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。因此，應(yīng)該明白，本發(fā)明的范圍只由權(quán)利要求書限制。
權(quán)利要求
1．一種振動陀螺儀，其特征在于包括柱狀振動器，包括第一和第二壓電基片，它們沿各自的厚度方向以相互相反的方向極化；每個所述基片具有第一和第二主表面，沿所述基片的各自的所述第一主表面將所述基片互相層疊；兩個分隔電極，它們形成在所述第一壓電基片的第二主表面上，并且沿與所述第一壓電基片的縱向垂直的方向隔開；以及共用電極，它形成在所述第二壓電基片的第二主表面上，如此構(gòu)造和安排所述基片、所述兩個分隔電極和所述共用電極，從而所述振動器沿兩條對角線方向具有大體上相等的諧振頻率，所述兩條對角線方向?qū)堑剡B接沿所述振動器的縱向延伸的四條邊；驅(qū)動器，用于沿所述第一和第二壓電基片的厚度方向驅(qū)動振動器，把所述驅(qū)動器連接在所述分隔電極和所述共用電極之間；以及檢測器，用于檢測由所述振動器的彎曲振動引起的位移，將所述檢測器連接至所述分隔電極。
2．如權(quán)利要求1所述的振動陀螺儀，其特征在于，去除所述分隔電極和所述共用電極的至少一個電極的一部分，從而所述振動器沿兩條對角線方向具有大體上相等的諧振頻率，所述兩條對角線方向?qū)堑剡B接所述振動器沿縱向延伸的四條邊。
3．如權(quán)利要求1所述的振動陀螺儀，其特征在于，在沿所述振動器的驅(qū)動方向的諧振頻率和沿檢測方向的諧振頻率之間的差值是一個預(yù)定值，所述檢測方向大體上與所述振動器的驅(qū)動方向正交。
4．如權(quán)利要求3所述的振動陀螺儀，其特征在于，所述預(yù)定值在20至50Hz的范圍內(nèi)。
5．如權(quán)利要求4所述的振動陀螺儀，其特征在于，沿所述振動器的驅(qū)動方向的諧振頻率低于沿所述振動器的檢測方向的諧振頻率。
6．一種調(diào)節(jié)柱狀振動器的方法，所述柱狀振動器包括第一和第二壓電基片，它們沿各自的厚度方向相互以相反的方向極化；每個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將所述基片互相層疊；兩個分隔電極，它們形成在所述第一壓電基片的第二主表面上，并且沿與所述第一壓電基片的縱向垂直的方向隔開；以及共用電極，它形成在所述第二壓電基片的第二主表面上；其特征在于，所述方法包括刻蝕所述分隔電極和所述共用電極的至少一個電極的一部分的步驟，從而所述振動器沿兩條對角線方向具有大體上相等的諧振頻率，所述兩條對角線方向?qū)堑剡B接所述振動器沿縱向延伸的四條邊。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括通過進一步刻蝕所述分隔電極和所述共用電極的至少一個電極的一部分把沿所述振動器驅(qū)動方向的諧振頻率和沿所述振動器檢測方向的諧振頻率之間的差值調(diào)節(jié)至一個預(yù)定值的步驟，所述檢測方向大體上與所述驅(qū)動方向正交。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定值在20至50Hz的范圍內(nèi)選擇。
9．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，沿所述振動器驅(qū)動方向的諧振頻率低于沿所述振動器檢測方向的諧振頻率。
10．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在所述刻蝕步驟之前，還包括下述步驟在設(shè)置所述分隔電極和所述共用電極的至少一個電極的位置上，向所述振動器提供支承件，所述位置在所述振動器振動時產(chǎn)生的節(jié)點附近；以及藉助于所述支承件，通過將所述支承件的一端附著于框狀基座，把所述振動器固定至所述基座。
全文摘要
一種振動陀螺儀包括柱狀振動器、驅(qū)動器和檢測器。振動器包括第一和第二壓電基片,兩者沿厚度方向極化,方向相反。在第一和第二壓電基片的主表面上分別形成分隔電極和共用電極。驅(qū)動器沿基片的厚度方向驅(qū)動振動器,并且連接在分隔電極和共用電極之間。檢測器檢測由振動器的彎曲振動引起的位移,并且連接至分隔電極。沿兩條對角地連接振動器沿縱向延伸的四條邊的對角線方向,振動器具有大體上相等的諧振頻率。
文檔編號G01C19/56GK1210255SQ9811910
公開日1999年3月10日 申請日期1998年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月4日
發(fā)明者家邊徹, 森田克彥, 巽哲夫, 石床信行, 竹中道彥 申請人:株式會社村田制作所