CN1086806C - 利用集能振动模式的压电振动陀螺仪 - Google Patents

Abstract

利用集能振动的压电振动陀螺仪包括：具有主平面并且在厚度方向极化的压电板；以及在所述主平面的大概中心区域对应于具有n个角的多边形的第一至第n个顶点的位置上形成的第一至第n个电极(n是不小于3的整数)。当激励压电板而产生集能振动模式的初级振动时，该压电板围绕垂直于其主表面的轴的旋转产生复合向心力、后者激励在第一至第n个电极感生电压的次级振动。检测第一至第n个电极中至少两个的电压差。

Description

利用集能振动模式 的压电振动陀螺仪

本发明涉及用来检测旋转角速度的陀螺仪，更具体地说，涉及包括以集能振动模式振动的压电振子的压电振动陀螺仪。

在先有技术中，陀螺仪已经经常用于汽车引导***的方向传感器和摄像机-录像机组合装置的图像稳定***的振动传感器中。

压电振动陀螺仪利用涉及复合向心力的机械现象。更具体地说，当以某一振动方向振动的物体承受旋转角速度时，在垂直于所述振动方向的方向上产生复合向心力。

在可以在彼此垂直的第一和第二方向上激励振动的复合压电振动***中，假定在第一方向上激励振动的同时使压电振子旋转。在这种情况下，在垂直于第一方向的第二方向上产生上述复合向心力，从而在第二方向上激励振动。由于压电效应，在第二方向上的振动引起电动势，从而产生输出电压。这里应当指出，在第二方向上的振动幅度正比于第一方向上的振动幅度和所述旋转角速度。如果使第一方向上的振动幅度保持不变，那么，可以根据所述输出电压计算施加在所述压电振子上的旋转角速度。

所述类型的压电振动陀螺仪的传统结构利用压电振子的挠曲振动模式，所述压电振子包括作为振动体的矩形金属柱体和安装在该振动体的不同表面上的压电振动元件。必须把所述压电振子支撑或者固定在振动节点上。此外，必须用金属引线把激励和检测电路连接到压电振动元件的电极上。由于金属引线的连接影响陀螺仪的性能，所以，难于稳定地生产具有不变的性能的陀螺仪。此外，必须用夹具支撑所述压电振子，并且把它们安装在其上备有激励和检测电路的基片上。使用这种结构，难于减小压电振动陀螺仪的尺寸和厚度。

另一方面，进行集能振动的压电振子广泛地应用于调频无线电或者电视的中频滤波器中。在集能振动中，振动能量集中在激励电极附近。集能振动包括各种振动模式，例如，在压电板的厚度方向或宽度方向的扩展振动或者剪切振动。应当指出，厚度方向上的扩展振动是这样一种振动模式，即，振动的传播方向和由振动引起的移动的方向两者都平行于压电板的厚度方向。另一方面，厚度方向上的剪切振动是这样一种振动模式，即，传播方向平行于厚度方向，而移动方向垂直于所述传播方向。下文中，把后者简称为厚度剪切振动。在上述压电振子中，可以在不受支撑结构的影响的所希望的位置上形成引线端子。

因此，如果可以把上述用于中频滤波器中的压电振子用于压电振动陀螺仪中代替具有柱形振动体的压电振子，那么，将能够消除上述缺点。

本发明的目的是提供一种压电振动陀螺仪，其中，压电振子具有简单的结构，并且，不用金属引线作为输入/输出连接线。

本发明的另一个目的是提供一种压电振动陀螺仪，其中，在安装着压电振子的基片上形成用来激励压电振子的驱动电路和用来检测压电振子的输出的检测电路。

本发明的再一个目的是提供一种具有小的尺寸和厚度的压电振动陀螺仪。

本发明还有一个目的是提供一种能够抑制与支撑结构有关的特征振动的压电振动陀螺仪。

根据本发明，提供一种利用集能振动的压电振动陀螺仪，所述压电振动陀螺仪包括：具有主平面并且在厚度方向极化的压电板；在所述压电板上形成的、用来接收激励电压以便激励所述压电板的集能振动模式的激励电极装置；在所述主平面上形成的输出电极装置，用来检测由所述复合向心力感生的输出电压，所述复合向心力是在压电板的集能振动被激励期间该压电板围绕垂直于该压电板的主平面的轴旋转而产生的；在所述主平面的大概中心区域、在对应于具有n个角的多边形的第一至第n个顶角的位置上形成的第一至第n个电极，其中，n是不小于3的整数，该第一至第n个电极形成所述输出电极装置。

所述整数N最好等于3或者4。

所述压电板最好由压电陶瓷材料构成、并且仅仅在形成所述第一至第n个电极的区域附近、在其厚度方向上被极化。

图1是传统的压电振动陀螺仪的透视图；

图2A是传统的压电振动陀螺仪的平面图；

图2B是沿着图2A中2B-2B线所取的剖面图；

图3是显示图2A中集能振子的支撑结构的侧视图；

图4是根据本发明的第一实施例的压电振动陀螺仪的集能振子的透视图；

图5A是用来描述平行场激励厚度剪切振动模式的集能振动的原理的平面图；

图5B是沿着图5A中5B-5B线所取的剖面图；

图6是用来描述结合图5A和5B说明的集能振动的移动分布的视图；

图7是根据本发明的第二实施例的压电振动陀螺仪的集能振子的透视图；

图8是连接到图7中压电振子的电路的方块图；

图9是图8中所示的电路的各电流检测电路的电路图；

图10是根据本发明的第三实施例的压电振动陀螺仪的集能振子的透视图；

图11是连接到图10中压电振子的电路的方块图。

为了便于理解本发明，首先将参考图1至3描述传统的压电振动陀螺仪。

参考图1，用标号21标明的压电振动陀螺仪包括：具有方形截面的金属柱体23；以及第一和第二压电振动元件25和27，它们分别被焊接到金属柱体23的两个相邻的表面的大致的中心区域。第一和第二压电振动元件25和27中的每一个包括：在厚度方向上极化的压电陶瓷薄板；在该压电陶瓷薄板的相反的表面上形成的电极；以及连接到压电陶瓷薄板25和27的电极之一的金属引线29和31。金属柱体23和第一及第二压电振动元件25、27的组合形成柱形振子。

如先有技术中已知的，方形截面的金属柱体23具有第一和第二挠曲振动模式，后者具有相互垂直的第一和第二振动方向。就由均一的金属材料制成的金属柱体23而言，第一和第二挠曲振动模式具有彼此基本上相等的谐振频率。因此，如果第一压电振动元件25加有其频率基本上等于上述金属柱体23的谐振频率的激励电压，那么，金属柱体23以主挠曲振动的形式在y轴方向上振动，从而使其上焊有第一压电振动元件25的表面波动。在这种情况下，金属柱体23以旋转角速度(Ω)围绕平行于金属柱体23的纵轴方向的z轴方向旋转。然后，由于复合向心力的作用，金属柱体23还以次挠曲振动的形式在x方向上振动，从而使其上焊有第二压电振动元件27的表面波动。结果，借助压电效应，在第二压电振动元件27的电极的两端产生电压。这样产生的电压的幅度正比于由第一压电振动元件25激励的主挠曲振动的幅度和所施加的使金属柱体23旋转的旋转角速度。

因此，如果加在第一压电振动元件25的有效激励电压是不变的，则在第二压电振动元件27中产生的有效电压正比于金属柱体23的旋转角速度。

参考图2A和2B，进行集能振动的压电振子45广泛地应用于调频无线电或者电视的中频滤波器中。集能振动是这样一种振动模式，其中，振动能量集中在激励电极附近，并且它包括各种振动模式，例如，在压电板33的厚度方向或宽度方向的扩展振动或者剪切振动。

作为例子，假定压电板33具有6毫米×6毫米的尺寸和0.2毫米的厚度。在压电板33上直径为1.5毫米的大致中心区域范围内形成激励电极35、37和39。这样就得到用于调频无线电的10.7兆赫兹的陶瓷滤波器。如图3中所示，在压电板33的两个表面大约3毫米直径的区域范围内、围绕激励电极35、37和39形成空心部分41，同时，用树脂层43将其余部分固定。借助于这种结构，振子的特性基本上不受影响。这是因为，如上所述，在集能振动中振动能量集中在激励电极附近。这样，在压电振子45中，可以在任何希望的位置上形成引线端子，并且，所述支撑结构不产生任何影响。

下面将结合本发明的几个最佳实施例来描述本发明。

参考图4，根据本发明的第一实施例的利用集能振动模式的压电振动陀螺仪的压电振子51包括在厚度方向上极化的压电板53。在压电板53的一个主平面的大致中心位置上形成彼此相对的、彼此间有预定间隔的第一对电极55a和55b。同样，在角度上与第一对电极55a和55b偏离90度的位置上形成彼此相对的第二对电极57a和57b。在压电板53的另一个主平面上、在与形成第一对电极55a和55b以及第二对电极57a和57b的区域相对应的部分上形成第三对电极59a和59b。因此，由第一对对电极55a和55b限定的线与由第二对电极57a和57b限定的线形成了属于矩形的两条互相垂直的对角线，准确地说，在角度上与第一对电极55a和55b偏离45度的位置上形成延缓此相对的第三对电极59a和59b，如图中用虚线描绘的那样。

如下面将要详细描述的那样，把作为激励电压的交流电压加到第三对电极59a和59b之间。该激励电压的频率基本上等于压电板53的、在压电板53的厚度方向上剪切振动模式的谐振频率。在这种情况下，在第三对电极59a和59b之间的区域、在第三对电极59a和59b彼此相对的方向上产生集能振动模式的初级厚度剪切振动。在这种情况下，压电板53围绕垂直于所述主平面的轴旋转。然后，由于复合向心力的作用，在与已经激励的初级厚度剪切振动的方向垂直的方向上产生次级厚度剪切振动。由复合向心力产生的所述次级厚度剪切振动分别在第一对电极55a和55b之间以及第二对电极57a和57b之间感生第一和第二电压电位差。所述第一和第二电压电位差具有共同的幅度和彼此偏移180度的不同的相位。这是因为，对于初级厚度剪切振动，第一和第二电极对在角度上分别有±45度的偏移。

因此，通过检测第一和第二电压电位差之间的差动电压并且对该差动电压进行同步检波，就能够获得正比于所述旋转角速度的输出电压。

在第一实施例中，重要的是在每对电极彼此相对的区域中激励没有任何寄生振动的纯的集能振动。具体地说，如果压电板53包括压电陶瓷材料，那么，通过仅仅在形成第一至第三对电极中的每一个的区域附近使所述陶瓷在厚度方向上极化，就能够到达上述目的。

下面参考图5A、5B和6，利用具有简单结构的压电振子来描述集能振动的原理。

参考图5A、5B，所述压电振子具有部分电极61a和61b，后者形成在压电板53的一个主表面的在厚度方向或者z轴方向极化的中心区域。部分电极61a和61b在x轴方向上彼此相对。部分电极61a和61b之间的区段加有基本上平行于压电板53的一个主平面的电场。根据压电板53的压电材料的特性来适当地设计部分电极61a和61b的尺寸。由于所述电场和垂直于该电场的厚度方向上的极化之间的互作用，所述平行电场在上述区段激励厚度剪切振动模式的集能振动。

参考图6，图中示出厚度方向的位移分布，其中假定按照图5A和5B中压电振子的半波长产生谐振。图6中的x轴、y轴和z轴分别对应于图5A中的x轴、y轴和z轴方向。在所述厚度剪切振动中，传播方向平行于厚度方向，而所述位移垂直于传播方向，即，所述位移平行于压电板53的表面。

上述根据第一实施例的压电振动陀螺仪具有各种优点。具体地说，所述压电振动陀螺仪具有简单的结构，因而具有小的尺寸。可以在不使用金属引线的情况下连接输入和输出端子。陀螺仪特性基本上不受支撑和固定结构的影响。保证了牢固的和可靠的支撑，并且具有极好的抗振和抗冲击的特性。此外，可以在形成压电振子的同一个基片上形成压电振动陀螺仪的激励和检测电路。因此，进一步减小了压电振动陀螺仪的尺寸和厚度。

下面将描述本发明的第二实施例。

参考图7，根据第二实施例的利用集能振动模式的压电振动陀螺仪的压电振子63具有第一至第三电极65、67和69，后者形成在压电板53的一个主表面的在厚度方向极化的大致的中心区域。第一至第三电极65、67和69形成在对应于等边三角形的顶点的位置。

参考图8，压电振子63连接到该图中所示的电路。具体地说，第一电极65连接到交流电源71。第二和第三电极67和69分别连接到第一和第二电流检测电路73和75的输入端。第一和第二电流检测电路73和75的输出端连接到微分放大电路77。微分放大器77连接到用来产生压电振动陀螺仪的传感器输出的检测电路79。

如图9中所示，连接到图7中的压电振子63的第一和第二电流检测电路73和75中的每一个具有虚假接地功能。第一和第二电流检测电路73和75中的每一个具有这样的功能，使得输入阻抗基本上等于零，并且输出电压正比于输入电流。

根据第二实施例的压电振子63的工作原理类似于结合第一实施例所描述的压电振子的工作原理，因此将不再描述。

回到图7，第一电极65设置在对应于等边三角形的顶角的位置，而第二和第三电极67和69设置在对应于底角的位置。第二和第三电极67和69分别连接到具有虚假接地功能的第一和第二电流检测电路73和75。这样，第二和第三电极67和69连接到虚假接地电路，并且起其电位的接地端子的作用。

当第一电极65加有作为激励电压的、其频率基本上等于压电板53的厚度剪切振动模式的谐振频率的驱动电压时，在第一、第二和第三电极65、67和69围绕的区域、沿着连接第一电极65的中心与第二和第三电极67和69的中心之间的中点的直线产生集能振动模式的初级厚度剪切振动。在这种情况下，压电板53围绕垂直于其主表面的轴旋转。然后，由于复合向心力的作用，在垂直于所述初级厚度剪切振动的方向上产生次级厚度剪切振动。所述次级厚度剪切振动改变了第一和第二电极65和67之间以及第一和第三电极65和69之间的阻抗。结果，改变了输送到第一和第二电流检测电路73和75中的每一个的电流量。

这里应当指出，第二和第三电极67和69是相对于初级厚度剪切振动的方向对称地设置的。因此，流入第一和第二电流检测电路73和75的电流的幅度彼此相等、而相位彼此相差180度。

因此，第一和第二电流检测电路73和75的输出电压的幅度相等、而相位彼此相差180度。按照预定的时序检测所述输出电压之间的差动电压、并且对该差动电压进行同步检波。这样就能够得到正比于施加在压电振子63上的旋转角速度的输出电压。

在第二实施例中，重要的也是在各电极彼此相对的区域中激励没有任何寄生振动的纯的集能振动。如果压电板53是由压电陶瓷材料制成的，那么，通过仅仅在形成第一至第三电极65、67和69的区域附近使所述陶瓷在厚度方向上极化，就能够到达上述目的。

上述根据第二实施例的压电振动陀螺仪具有各种优点。具体地说，所述压电振动陀螺仪具有简单的结构，因而具有小的尺寸。可以在不使用金属引线的情况下连接输入和输出端子。陀螺仪特性基本上不受支撑和固定结构的影响。保证了牢固的和可靠的支撑，并且具有极好的抗振和抗冲击的特性。

下面将描述本发明的第三实施例。

参考图10，根据第三实施例的利用集能振动模式的压电振动陀螺仪的压电振子81具有第一至第三电极83、85和87，后者形成在压电板53的一个主表面的在厚度方向极化的大致的中心区域。第一至第三电极83、85和87形成在对应于等边三角形的顶点的位置。

参考图11，压电振子81连接到该图中所示的电路。具体地说，第一电极83连接到接地端91，而第二和第三电极85和87分别通过电阻93和95连接到交流电源97。第二和第三电极85和87还连接到微分放大电路77的输入端。微分放大电路77的输出端连接到用来产生压电振动陀螺仪的传感器输出的检测电路79。

根据第三实施例的压电振子的工作原理类似于结合第一实施例所描述的压电振子的工作原理，因此将不再描述。

回到图10，第一电极83设置在对应于等边三角形的顶角的位置，而第二和第三电极85和87设置在对应于底角的位置。如上所述，第一电极83接地，而第二和第三电极85和87分别通过电阻93和95连接到交流电源97。第二和第三电极85和87通过电阻93和95加有作为激励电压的来自交流电源97的驱动电压，后者的频率基本上等于压电板53的厚度剪切振动模式的谐振频率。在这种情况下，在第一、第二和第三电极83、85和87围绕的区域、沿着连接第一和第二电极83和85的中心的直线产生集能振动模式的第一初级厚度剪切振动。同时，沿着连接第一和第三电极83和87的中心的另一条直线产生集能振动模式的第二初级厚度剪切振动。所述第一和第二初级厚度剪切振动组合成集能振动模式的最后组合初级厚度剪切振动，其方向是连接第一电极的中心和第二和第三电极85和87的中心之间的中点的直线(图10中用点划线表示)。在这种情况下，压电板53围绕垂直于其主表面的轴旋转。然后，由于复合向心力的作用，在垂直于所述组合的初级厚度剪切振动的方向上产生次级厚度剪切振动。所述次级厚度剪切振动改变了第一和第二电极83和85之间以及第一和第三电极83和87之间的阻抗。结果，改变了第二和第三电极85和87的端电压。在所述激励电压不变的情况下，所述阻抗与施加在压电振子81上的旋转角速度成比例地变化。

微分放大电路77按照预定的时序检测第二和第三电极85和87的所述端电压之间的差动电压、并且对该差动电压进行同步检波。这样就能够得到正比于施加在压电振子81上的旋转角速度的输出电压。

在第三实施例中，重要的也是在各电极彼此相对的区域中激励没有任何寄生振动的纯的集能振动。如果压电板53是由压电陶瓷材料制成的，那么，通过仅仅在压电板53的形成第一至第三电极83、85和87的区域附近使所述陶瓷在厚度方向上极化，就能够到达上述目的。

上述根据第三实施例的压电振动陀螺仪具有各种优点。具体地说，所述压电振动陀螺仪具有简单的结构，因而具有小的尺寸。可以在不使用金属引线的情况下连接输入和输出端子。陀螺仪特性基本上不受支撑和固定结构的影响。保证了牢固的和可靠的支撑，并且具有极好的抗振和抗冲击的特性。

Claims (10)

1.一种利用集能振动模式的压电振动陀螺仪，其特征在于包括：

具有主平面并且在厚度方向极化的压电板；

在所述压电板上形成的、用来接收激励电压以便激励所述压电板的集能振动的激励电极装置，该激励电极装置包括在所述压电板的与所述主平面相对的另一表面上形成的一对激励电极；

在所述主平面上形成的输出电极装置，用来检测由所述复合向心力感生的输出电压，所述复合向心力是当所述压电板的集能振动被激励时所述压电板围绕垂直于所述压电板的主平面的轴旋转而产生的；和

在所述主平面的大概中心区域、在对应于具有n个角的多边形的第一至第n个顶角的位置上形成的第一至第n个电极，其中，n是不小于3的整数，所述第一至第n个电极形成所述输出电极装置。

2.如权利要求1所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：

n是4，使得所述多边形是两条对角线彼此垂直的矩形，沿着所述两条对角线之一的彼此相对的所述第一和所述第三电极称为第一电极对，沿着另一条对角线彼此相对的所述第二和所述第四电极称为第二电极对，以及

在所述压电板的另一个表面上、在对应于形成所述第一和所述第二电极对的区域的位置上形成所述激励电极，所述激励电极是这样配置的，使得它们沿着角度上偏离存在所述第一电极对的一条对角线45度的方向彼此相对，所述第二和所述第三电极对作为所述输出电极装置、用来检测作为它们之间的差动电压的所述输出电压。

3.如权利要求2所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：

所述压电板由压电陶瓷材料制成，所述压电板仅仅在包含所述第一电极对和所述激励电极的那些区域附近、在厚度方向上被极化。

4.如权利要求1所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：

所述第一至所述第n个电极中的至少一个被作为用来施加所述激励电压的所述激励电极装置。

5.如权利要求4所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：

n是3，使得所述多边形是包括等边三角形的等腰三角形，在对应于所述等腰三角形的顶角的位置上形成所述第一电极，而在对应于所述等腰三角形的底角的位置上形成所述第二和所述第三电极。

6.如权利要求5所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：

所述第二和第三电极通过电阻连接到公共连接点，

所述激励电极装置包括所述第一至所述第三电极、因此所述激励电压加到所述第一电极和所述公共连接点之间，以及

检测作为所述第二和所述第三电极之间的所述差动电压的所述输出电压。

7.如权利要求6所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：所述第一电极接地。

8.如权利要求7所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：

所述压电板由压电陶瓷材料制成，所述压电板仅仅在形成所述第一至所述第三电极的区域附近、在其厚度方向上被极化。

9.如权利要求5所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：

所述第一电极作为所述激励电极装置，

所述第二和第三电极作为获得所述第二和第三电极之间的所述差动电压的所述输出电极装置。

10.如权利要求9所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：

所述第一电极作为施加所述激励电压的激励电极，

所述第二和所述第三电极分别连接到具有虚假接地功能的第一和第二电流检测电路，所述激励电极激励所述压电板的振动、从而获得所述第一和所述第二电流检测电路的输出电压之间的差动电压，检测所述差动电压从而产生所述陀螺仪的输出。

11.如权利要求10所述的压电振动陀螺仪，其特征在于：

所述压电板由压电陶瓷材料制成，所述压电板仅仅在形成所述第一至所述第三电极的区域附近、在其厚度方向上被极化。

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