專利名稱：壓電陀螺元件和壓電陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測2軸方向上的角速度的壓電陀螺元件和采用該壓電陀螺元件的壓電陀螺儀。
背景技術(shù)：
以往，作為船舶、飛機、汽車等的姿勢控制或?qū)Ш较到y(tǒng)、攝像機等的手部抖動防止和檢測等的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器，以及在3維立體鼠標(biāo)等的旋轉(zhuǎn)方向傳感器等中，廣泛地利用了壓電陀螺儀。以往的許多的壓電陀螺傳感器具有檢測一個平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)即一軸方向上的角速度的結(jié)構(gòu)，為了檢測2軸方向上的角速度，必須使用2個壓電陀螺傳感器、且沿正交的方向上配置而使用。
因此，人們開發(fā)并提出了可通過1個壓電陀螺傳感器來檢測2軸方向上的角速度的各種結(jié)構(gòu)。例如，公知有下述的振動陀螺包括具有相互正交的2個軸的十字型振動彈性體，具有在該2軸方向上按照相位相反的彎曲振動模式激振的振子(參照專利文獻(xiàn)1)。這樣的結(jié)構(gòu)的振動陀螺的裝置整體也較大，成本較高。
另外，提出了下述的角速度傳感器可通過固定振動檢測用的振動部件的一端、且使另一端旋轉(zhuǎn)運動，由簡單結(jié)構(gòu)的1個傳感器來同時檢測2個軸的角速度(參照專利文獻(xiàn)2)。該角速度傳感器的構(gòu)成為在具有撓性的柱體狀的振動部件的各側(cè)面上分別以1對為一組貼附壓電體和電極，通過使錯開90°相位的驅(qū)動輸出信號振動，使振動部件的自由端做旋轉(zhuǎn)運動即圓周運動，利用此時作用的外力所產(chǎn)生的科里奧利(Coriolis)力來檢測角速度。
專利文獻(xiàn)1日本特開平8-271256號公報專利文獻(xiàn)2日本特許第3368006號公報(日本特開平7-92175)
但是，上述專利文獻(xiàn)2所述的現(xiàn)有技術(shù)的角速度傳感器具有下述弊端由于不是使振動部件自身收縮，而是通過使貼附于其側(cè)面上的片狀壓電體收縮來實現(xiàn)振動，所以由壓電體的貼附狀態(tài)導(dǎo)致振動損失，驅(qū)動效率降低。還具有下述弊端在以較高的頻率振動時，壓電體與振動部件表面剝離，檢測靈敏度大幅降低，或喪失。如果將振動部件更換為壓電材料，則可解決這些問題，但是根據(jù)該現(xiàn)有的角速度傳感器的驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)，無法使由壓電材料構(gòu)成的振動部件同樣地做圓周運動。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明是鑒于上述的現(xiàn)有問題點而提出的，其目的在于提供可通過具有由壓電材料構(gòu)成的棱柱狀振動體的比較簡單的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)小型化、低成本化，可同時且以較高的驅(qū)動效率高精度地檢測2軸方向上的角速度的壓電陀螺元件和壓電陀螺儀。
按照本發(fā)明，為了達(dá)成上述目的，提供了下述壓電陀螺元件，其具有壓電振動體，其呈截面為矩形的棱柱狀，其一端被固定；在上述壓電振動體的相對的第1側(cè)面上形成的第1驅(qū)動電極；在上述壓電振動體的相對的第2側(cè)面上沿其寬度方向分離地形成的第2和第3驅(qū)動電極；在上述壓電振動體的相對的上述第1側(cè)面上形成的第1檢測電極；以及，在上述壓電振動體的相對的上述第2側(cè)面上形成的第2檢測電極，通過帶有相位差地向上述各驅(qū)動電極施加驅(qū)動電流，使上述壓電振動體振動，使得其另一端做圓周運動，從上述檢測電極輸出由于在與該振動的旋轉(zhuǎn)中心軸正交的方向上作用的扭矩而產(chǎn)生的上述壓電振動體的撓度。
可通過向第1～第3驅(qū)動電極分別施加相位不同的3相的驅(qū)動信號，使壓電振動體自身產(chǎn)生所期望的圓周運動，可以以較高的驅(qū)動效率進(jìn)行高精度的檢測。而且，結(jié)構(gòu)簡單且減少了部件數(shù)量，可實現(xiàn)低成本化，并可實現(xiàn)采用其的壓電陀螺儀的小型化。另外，即使提高振蕩頻率，也不產(chǎn)生現(xiàn)有技術(shù)那樣的剝離問題，所以獲得了較高的設(shè)計自由度。特別是在壓電振動體由石英形成的情況下，其外形可通過濕蝕刻而加工，并且，各電極可通過蒸鍍方式成膜，可以以較高的加工精度制造。
在某實施例中，在壓電振動體的相對的第2側(cè)面上還具有沿其寬度方向與第2和第3驅(qū)動電極分離地形成的第4驅(qū)動電極。在這種情況下，壓電振動體通過將相位不同的4相的驅(qū)動信號分別施加到第1～第4驅(qū)動電極上，可以以更高的精度控制其振動，產(chǎn)生所期望的圓周運動。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了下述壓電陀螺儀，其包括上述的本發(fā)明的壓電陀螺元件；驅(qū)動電路，其用于向該壓電陀螺元件的各驅(qū)動電極施加驅(qū)動信號；以及檢測電路，其檢測來自各檢測電極的輸出，結(jié)構(gòu)更加簡單，且可實現(xiàn)小型化，低成本。


圖1(a)為表示本發(fā)明的壓電陀螺元件的第1實施例的概略立體圖，圖1(b)為表示做圓周運動的壓電振動體的自由端的軌跡的說明圖。
圖2為表示圖1的壓電陀螺元件的壓電振動體及其驅(qū)動電路的方框圖。
圖3(a)為表示從圖2的驅(qū)動電路施加的驅(qū)動信號的曲線圖，圖3(b1)～(b4)為按照時間變化來表示由圖3(a)的驅(qū)動信號引起振蕩的壓電振動體的振動的說明圖。
圖4(a)為表示圖1的壓電陀螺元件的另一種驅(qū)動電路的方框圖，圖4(b)為表示其驅(qū)動信號的曲線圖。
圖5(a)為表示圖1的壓電陀螺元件的又一種驅(qū)動電路的方框圖，圖5(b)為表示其驅(qū)動信號的曲線圖。
圖6(a)為表示本發(fā)明的第2實施例的壓電陀螺元件的壓電振動體及其驅(qū)動電路的方框圖，圖6(b)為表示其驅(qū)動信號的曲線圖。
圖7(a)為表示第2實施例的壓電陀螺元件的另一種驅(qū)動電路的方框圖，圖7(b)為表示其驅(qū)動信號的曲線圖。
圖8為表示本發(fā)明的壓電陀螺元件的不同狀態(tài)的概略立體圖。
圖9為表示本發(fā)明的壓電陀螺元件的另一種不同狀態(tài)的概略立體圖。
具體實施例方式
下面參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1(a)概略地示出了本發(fā)明的壓電陀螺元件的第1實施例。該壓電陀螺元件1具有呈截面為正方形的棱柱狀的壓電振動體2、和與其一端形成一體的基部3。在使用時，壓電陀螺元件1在基部3處進(jìn)行固定，壓電振動體2的另一端作為自由端而保持可振動狀態(tài)。
本實施例的壓電陀螺元件1由石英構(gòu)成，例如，可通過對適當(dāng)厚度的石英片進(jìn)行濕蝕刻，容易地加工成所期望的外形形狀。特別是在本實施例中，使用在石英晶軸的z軸所正交的面上切出的稱作所謂的z板的石英片，使壓電振動體2的中心軸與石英晶軸的y軸一致。
在作為與z軸正交的z面的壓電振動體2的相對的側(cè)面21上，沿其長度方向在上述自由端側(cè)的相對的位置上形成有1對第1驅(qū)動電極4A。在作為與x軸正交的x面的壓電振動體2的相對的側(cè)面22上，沿其長度方向在上述自由端側(cè)形成有各1對的第2～第4驅(qū)動電極4B～4D。第2～第4驅(qū)動電極4B～4D配置成在各側(cè)面22的寬度方向上相互稍稍地隔開，中央的第2驅(qū)動電極4B相互相對，在其兩側(cè)，第3驅(qū)動電極4C和第4驅(qū)動電極4D相互相對。
此外，在壓電振動體2的相對的側(cè)面21上，沿其長度方向在基部3側(cè)的相對的位置上形成有1對第1檢測電極5A。同樣，在壓電振動體2的相對的側(cè)面22上，沿其長度方向在基部3側(cè)的相對的位置上形成有1對第2檢測電極5B。
在壓電陀螺元件1的上述各驅(qū)動電極上連接后述的驅(qū)動電路，在上述檢測電極上連接檢測電路。由此，得到了本發(fā)明的壓電陀螺儀。
圖2例示了圖1的壓電陀螺元件所使用的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。本實施例的驅(qū)動電路6具有振蕩/驅(qū)動電路7和移相電路8。第1驅(qū)動電極4A與振蕩/驅(qū)動電路7直接連接。第3和第4驅(qū)動電極4D通過移相電路8與振蕩/驅(qū)動電路7連接。第2驅(qū)動電極4B接地。
在本實施例中，采用圖2的驅(qū)動電路，將圖3(a)所示那樣的驅(qū)動信號施加到上述各驅(qū)動電極上，使壓電振動體2振動。如該圖所示，第3驅(qū)動電極4C和第4驅(qū)動電極4D的驅(qū)動信號相互將相位錯開180°。第1驅(qū)動電極4A的驅(qū)動信號相對于第3驅(qū)動電極4C相位錯開90°。由于第2驅(qū)動電極4B的驅(qū)動信號如上述那樣接地，因此總為0。
在這樣施加各驅(qū)動信號時，在圖3(a)的時刻t1，在壓電振動體2上，如圖3(b1)中的箭頭所示的那樣，產(chǎn)生從各第2～第4驅(qū)動電極4B～4D朝向相鄰的第1驅(qū)動電極4A的電場。由此，由于圖中左側(cè)的側(cè)面22收縮，右側(cè)的側(cè)面22伸長，因此壓電振動體2向圖中左側(cè)撓曲。在時刻t2，僅產(chǎn)生從第4驅(qū)動電極4D朝向第3驅(qū)動電極4C的電場。由此，由于圖中上側(cè)的側(cè)面21收縮，下側(cè)的側(cè)面21伸長，因此壓電振動體2向圖中上側(cè)撓曲。在時刻t3，產(chǎn)生從第1驅(qū)動電極4A朝向相鄰的第2～第4驅(qū)動電極4B～4D的電場。由此，由于圖中右側(cè)的側(cè)面22收縮，左側(cè)的側(cè)面22伸長，因此壓電振動體2向圖中右側(cè)撓曲。在時刻t4，僅產(chǎn)生從第3驅(qū)動電極4C朝向第4驅(qū)動電極4D的電場。由此，由于圖中下側(cè)的側(cè)面21收縮，上側(cè)的側(cè)面21伸長，因此壓電振動體2向圖中下側(cè)撓曲。
這樣，壓電振動體2按照上述驅(qū)動信號的變化在x方向和z方向上連續(xù)伸縮地振動。通過將其振幅控制到一定程度，壓電振動體2的上述自由端的中心O描繪出圖1(b)中的實線所示的軌跡，以y軸為中心做圓周運動。
在以該y軸為中心旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，在垂直于y軸即旋轉(zhuǎn)中心軸的方向上有扭矩作用到壓電振動體2上時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)中心軸在與該力的方向相差90°的方向上旋轉(zhuǎn)的進(jìn)動(precession)。其結(jié)果是，在壓電振動體2的上述自由端如圖1(b)中的虛線所示的那樣，其中心O的軌跡發(fā)生移位。本發(fā)明的陀螺儀可通過將由于該圓周運動的移位所產(chǎn)生的壓電振動體2的伸縮的變化作為電壓的變化而從第1和第2檢測電極5A、5B輸出，從而檢測角速度。
圖4(a)示出了圖1的壓電陀螺元件所使用的另一種驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。該實施例的驅(qū)動電路6的第1驅(qū)動電極4A和第2驅(qū)動電極4B與振蕩/驅(qū)動電路7直接連接。第3和第4驅(qū)動電極4D同樣地通過移相電路8與振蕩/驅(qū)動電路7連接。
在這樣的結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路6中，將圖4(b)所示那樣的驅(qū)動信號施加到上述各驅(qū)動電極上，使壓電振動體2振動。如該圖所示，第1驅(qū)動電極4A和第2驅(qū)動電極4B的驅(qū)動信號相互相位錯開180°。第3驅(qū)動電極4C和第4驅(qū)動電極4D的驅(qū)動信號同樣地相互相位錯開180°。第1驅(qū)動電極4A和第3驅(qū)動電極4C相位錯開90°。
可通過施加這樣的驅(qū)動信號，同樣使壓電振動體2振動，使其自由端做圓周運動。在本實施例中，與將第2驅(qū)動電極4B接地的圖2的情況相比，可以以更小的驅(qū)動電流且高效地使壓電振動體2振蕩。
圖5示出了圖1的壓電陀螺元件所使用的又一種驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。該實施例的驅(qū)動電路6具有移相激勵驅(qū)動電路9以代替圖2的驅(qū)動電路的移相電路8，還具有振幅檢測電路10和AGC(Automatic Gain Control，自動增益控制)電路11。第1驅(qū)動電極4A同樣地與振蕩/驅(qū)動電路7直接連接。第2驅(qū)動電極4B通過振幅檢測電路10和AGC電路11與振蕩/驅(qū)動電路7連接。第3驅(qū)動電極4C通過移相激勵驅(qū)動電路9與振蕩/驅(qū)動電路7連接。第4驅(qū)動電極4D通過振幅檢測電路10、AGC電路11和移相激勵驅(qū)動電路9與振蕩/驅(qū)動電路7連接。
在這樣的結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路6中，如圖5(b)所示那樣，將驅(qū)動信號施加到上述各驅(qū)動電極上，使壓電振動體2振動。該圖中的驅(qū)動信號可與圖4(b)的情況相同，同樣地使壓電振動體2振動，使其自由端做圓周運動。在本實施例中，可通過設(shè)置AGC電路11，穩(wěn)定各驅(qū)動信號的強度。
圖6(a)示出了本發(fā)明的第2實施例的壓電陀螺元件的壓電振動體及其驅(qū)動電路。第2實施例的壓電振動體2省略了第1實施例中的第4驅(qū)動電極4D，簡化了驅(qū)動電極的結(jié)構(gòu)和其所使用的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。第2實施例的驅(qū)動電路6與圖2中的驅(qū)動電路相同，第1驅(qū)動電極4A與振蕩/驅(qū)動電路7直接連接。第3和第4驅(qū)動電極4D通過移相電路8與振蕩/驅(qū)動電路7連接，第2驅(qū)動電極4B接地。
在本實施例中，將圖6(b)所示那樣的驅(qū)動信號施加到上述各驅(qū)動電極上，使壓電振動體2振動。如該圖所示，第1驅(qū)動電極4A的驅(qū)動信號與第3驅(qū)動電極4C相比相位錯開90°。由于第2驅(qū)動電極4B的驅(qū)動信號接地，所以總為0。由此，可以使壓電振動體2產(chǎn)生與以上參照圖3所述的情況同樣的振動，使其自由端做圓周運動。
另外，在第2實施例中，可使第1驅(qū)動電極4A和第3驅(qū)動電極4C的連接線反過來。在本實施例中，基本地優(yōu)選為將諧振Q值較大一方的驅(qū)動電極與振蕩/驅(qū)動電路連接，使其振蕩，對諧振Q值較小一方的驅(qū)動電極以錯開90°的相位激勵。這是由于諧振Q值較大的一方可獲得更加穩(wěn)定的振蕩，其結(jié)果是獲得良好的溫度特性和頻率特性。
圖7示出了第2實施例中的壓電陀螺元件所使用的另一種驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。該實施例的驅(qū)動電路6還具有振幅檢測電路10、AGC電路11和同步檢波電路12。第1驅(qū)動電極4A同樣地與振蕩/驅(qū)動電路7直接連接。第2驅(qū)動電極4B通過振幅檢測電路10、同步檢波電路12和AGC電路11與振蕩/驅(qū)動電路7連接。第3驅(qū)動電極4C通過移相電路8、AGC電路11和同步檢波電路12與振蕩/驅(qū)動電路7連接。
通過該驅(qū)動電路6，將與圖6(b)相同的驅(qū)動信號施加到上述各驅(qū)動電極上，使壓電振動體2振動，由此，可使壓電振動體2在其自由端做圓周運動的狀態(tài)下振動。在本實施例中，可通過設(shè)置AGC電路11，穩(wěn)定各驅(qū)動信號的強度。
圖8示出了本發(fā)明的壓電陀螺元件的不同形態(tài)。該圖中的壓電陀螺元件31具有從基部33向相同的方向平行地延伸出2個壓電振動體32的音叉型的結(jié)構(gòu)。各壓電振動體32分別具有與上述的圖1和圖6相同的結(jié)構(gòu)。在該實施例中，各壓電振動體32的自由端向互反的方向做圓周運動。其結(jié)果是，由于在基部3中產(chǎn)生抵消各個振動的作用，所以具有振動泄漏小的優(yōu)點。
圖9示出了本發(fā)明的壓電陀螺元件的另一種不同狀態(tài)。該圖中的壓電陀螺元件41具有從基部43向相反的方向以直線狀延伸出2個壓電振動體42、并且通過框架44支撐固定基部43的結(jié)構(gòu)。各壓電振動體42分別具有與上述的圖1和圖6相同的結(jié)構(gòu)。在該實施例中，各壓電振動體42的自由端向相同的方向做圓周運動。在這種情況下，也由于在基部43中產(chǎn)生抵消各個振動的作用，所以具有振動泄漏小的優(yōu)點。
以上，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本發(fā)明可通過對上述實施例進(jìn)行各種變形/變更而實施。例如，上述實施例均由石英形成壓電陀螺元件，但可同樣地采用現(xiàn)有的各種壓電器件所使用的壓電材料。另外，上述實施例的壓電振動體呈截面為正方形的棱柱狀，但在另一種實施例中，也可呈截面為長方形的棱柱狀。在這種情況下，當(dāng)調(diào)整施加到各驅(qū)動電極上的驅(qū)動信號的振幅以使x方向和y方向上的驅(qū)動力變得均等時，可獲得同樣的圓周運動。另外，如音叉型壓電振子那樣，可通過在壓電振動體的自由端附加重錘，增大其慣性力所致的振動振幅，提高檢測效率。
權(quán)利要求
1.一種壓電陀螺元件，其特征在于，具有壓電振動體，其呈截面為矩形的棱柱狀，其一端被固定；在上述壓電振動體的相對的第1側(cè)面上形成的第1驅(qū)動電極；在上述壓電振動體的相對的第2側(cè)面上沿其寬度方向分離地形成的第2和第3驅(qū)動電極；在上述壓電振動體的相對的上述第1側(cè)面上形成的第1檢測電極；以及，在上述壓電振動體的相對的上述第2側(cè)面上形成的第2檢測電極，通過帶有相位差地向上述各驅(qū)動電極施加驅(qū)動電流，使上述壓電振動體振動，使得其另一端做圓周運動，從上述檢測電極輸出由于在與該振動的旋轉(zhuǎn)中心軸正交的方向上作用的扭矩而產(chǎn)生的上述壓電振動體的撓度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陀螺元件，其特征在于，在上述壓電振動體的相對的第2側(cè)面上還具有沿其寬度方向與上述第2和第3驅(qū)動電極分離地形成的第4驅(qū)動電極。
3.一種壓電陀螺儀，其特征在于，具有權(quán)利要求1或2所述的壓電陀螺元件；驅(qū)動電路，其用于向上述壓電陀螺元件的上述各驅(qū)動電極施加驅(qū)動信號；以及檢測電路，其檢測來自上述各檢測電極的輸出。
全文摘要
壓電陀螺元件和壓電陀螺儀。本發(fā)明的課題是提供可以通過由壓電材料的棱柱狀振動體構(gòu)成的較簡單的結(jié)構(gòu)、同時以較高的驅(qū)動效率且高精度地檢測2軸方向上的角速度，可實現(xiàn)小型化、低成本化的壓電陀螺元件和壓電陀螺儀。作為解決手段，呈截面為矩形的棱柱狀的壓電振動體(2)在其一端固定，在壓電振動體的第1側(cè)面(21)上形成第1驅(qū)動電極(4A)，在壓電振動體的第2側(cè)面(22)上形成在其寬度方向上分離的第2～第4驅(qū)動電極(4B～4D)，帶相位差地向各驅(qū)動電極施加驅(qū)動電流，使壓電振動體振動，使其另一端做圓周運動。在與其振動的旋轉(zhuǎn)中心軸正交的方向上作用有扭矩時，從壓電振動體的第1側(cè)面上形成的第1檢測電極(5A)和第2側(cè)面上形成的第2檢測電極(5B)輸出由此產(chǎn)生的壓電振動體的撓度，從而檢測2軸方向上的角速度。
文檔編號G01P9/04GK1865850SQ20051013190
公開日2006年11月22日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者小倉誠一郎, 小林祥宏 申請人:精工愛普生株式會社