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专利名称：压电陀螺元件和压电陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测2轴方向上的角速度的压电陀螺元件和采用该压电陀螺元件的压电陀螺仪。
背景技术：
以往，作为船舶、飞机、汽车等的姿势控制或导航系统、摄像机等的手部抖动防止和检测等的旋转角速度传感器，以及在3维立体鼠标等的旋转方向传感器等中，广泛地利用了压电陀螺仪。以往的许多的压电陀螺传感器具有检测一个平面内的旋转即一轴方向上的角速度的结构，为了检测2轴方向上的角速度，必须使用2个压电陀螺传感器、且沿正交的方向上配置而使用。
因此，人们开发并提出了可通过1个压电陀螺传感器来检测2轴方向上的角速度的各种结构。例如，公知有下述的振动陀螺包括具有相互正交的2个轴的十字型振动弹性体，具有在该2轴方向上按照相位相反的弯曲振动模式激振的振子(参照专利文献1)。这样的结构的振动陀螺的装置整体也较大，成本较高。
另外，提出了下述的角速度传感器可通过固定振动检测用的振动部件的一端、且使另一端旋转运动，由简单结构的1个传感器来同时检测2个轴的角速度(参照专利文献2)。该角速度传感器的构成为在具有挠性的柱体状的振动部件的各侧面上分别以1对为一组贴附压电体和电极，通过使错开90°相位的驱动输出信号振动，使振动部件的自由端做旋转运动即圆周运动，利用此时作用的外力所产生的科里奥利(Coriolis)力来检测角速度。
专利文献1日本特开平8-271256号公报专利文献2日本特许第3368006号公报(日本特开平7-92175)
但是，上述专利文献2所述的现有技术的角速度传感器具有下述弊端由于不是使振动部件自身收缩，而是通过使贴附于其侧面上的片状压电体收缩来实现振动，所以由压电体的贴附状态导致振动损失，驱动效率降低。还具有下述弊端在以较高的频率振动时，压电体与振动部件表面剥离，检测灵敏度大幅降低，或丧失。如果将振动部件更换为压电材料，则可解决这些问题，但是根据该现有的角速度传感器的驱动电极结构，无法使由压电材料构成的振动部件同样地做圆周运动。

发明内容
因此，本发明是鉴于上述的现有问题点而提出的，其目的在于提供可通过具有由压电材料构成的棱柱状振动体的比较简单的结构来实现小型化、低成本化，可同时且以较高的驱动效率高精度地检测2轴方向上的角速度的压电陀螺元件和压电陀螺仪。
按照本发明，为了达成上述目的，提供了下述压电陀螺元件，其具有压电振动体，其呈截面为矩形的棱柱状，其一端被固定；在上述压电振动体的相对的第1侧面上形成的第1驱动电极；在上述压电振动体的相对的第2侧面上沿其宽度方向分离地形成的第2和第3驱动电极；在上述压电振动体的相对的上述第1侧面上形成的第1检测电极；以及，在上述压电振动体的相对的上述第2侧面上形成的第2检测电极，通过带有相位差地向上述各驱动电极施加驱动电流，使上述压电振动体振动，使得其另一端做圆周运动，从上述检测电极输出由于在与该振动的旋转中心轴正交的方向上作用的扭矩而产生的上述压电振动体的挠度。
可通过向第1～第3驱动电极分别施加相位不同的3相的驱动信号，使压电振动体自身产生所期望的圆周运动，可以以较高的驱动效率进行高精度的检测。而且，结构简单且减少了部件数量，可实现低成本化，并可实现采用其的压电陀螺仪的小型化。另外，即使提高振荡频率，也不产生现有技术那样的剥离问题，所以获得了较高的设计自由度。特别是在压电振动体由石英形成的情况下，其外形可通过湿蚀刻而加工，并且，各电极可通过蒸镀方式成膜，可以以较高的加工精度制造。
在某实施例中，在压电振动体的相对的第2侧面上还具有沿其宽度方向与第2和第3驱动电极分离地形成的第4驱动电极。在这种情况下，压电振动体通过将相位不同的4相的驱动信号分别施加到第1～第4驱动电极上，可以以更高的精度控制其振动，产生所期望的圆周运动。
按照本发明的另一方面，提供了下述压电陀螺仪，其包括上述的本发明的压电陀螺元件；驱动电路，其用于向该压电陀螺元件的各驱动电极施加驱动信号；以及检测电路，其检测来自各检测电极的输出，结构更加简单，且可实现小型化，低成本。


图1(a)为表示本发明的压电陀螺元件的第1实施例的概略立体图，图1(b)为表示做圆周运动的压电振动体的自由端的轨迹的说明图。
图2为表示图1的压电陀螺元件的压电振动体及其驱动电路的方框图。
图3(a)为表示从图2的驱动电路施加的驱动信号的曲线图，图3(b1)～(b4)为按照时间变化来表示由图3(a)的驱动信号引起振荡的压电振动体的振动的说明图。
图4(a)为表示图1的压电陀螺元件的另一种驱动电路的方框图，图4(b)为表示其驱动信号的曲线图。
图5(a)为表示图1的压电陀螺元件的又一种驱动电路的方框图，图5(b)为表示其驱动信号的曲线图。
图6(a)为表示本发明的第2实施例的压电陀螺元件的压电振动体及其驱动电路的方框图，图6(b)为表示其驱动信号的曲线图。
图7(a)为表示第2实施例的压电陀螺元件的另一种驱动电路的方框图，图7(b)为表示其驱动信号的曲线图。
图8为表示本发明的压电陀螺元件的不同状态的概略立体图。
图9为表示本发明的压电陀螺元件的另一种不同状态的概略立体图。
具体实施例方式
下面参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。
图1(a)概略地示出了本发明的压电陀螺元件的第1实施例。该压电陀螺元件1具有呈截面为正方形的棱柱状的压电振动体2、和与其一端形成一体的基部3。在使用时，压电陀螺元件1在基部3处进行固定，压电振动体2的另一端作为自由端而保持可振动状态。
本实施例的压电陀螺元件1由石英构成，例如，可通过对适当厚度的石英片进行湿蚀刻，容易地加工成所期望的外形形状。特别是在本实施例中，使用在石英晶轴的z轴所正交的面上切出的称作所谓的z板的石英片，使压电振动体2的中心轴与石英晶轴的y轴一致。
在作为与z轴正交的z面的压电振动体2的相对的侧面21上，沿其长度方向在上述自由端侧的相对的位置上形成有1对第1驱动电极4A。在作为与x轴正交的x面的压电振动体2的相对的侧面22上，沿其长度方向在上述自由端侧形成有各1对的第2～第4驱动电极4B～4D。第2～第4驱动电极4B～4D配置成在各侧面22的宽度方向上相互稍稍地隔开，中央的第2驱动电极4B相互相对，在其两侧，第3驱动电极4C和第4驱动电极4D相互相对。
此外，在压电振动体2的相对的侧面21上，沿其长度方向在基部3侧的相对的位置上形成有1对第1检测电极5A。同样，在压电振动体2的相对的侧面22上，沿其长度方向在基部3侧的相对的位置上形成有1对第2检测电极5B。
在压电陀螺元件1的上述各驱动电极上连接后述的驱动电路，在上述检测电极上连接检测电路。由此，得到了本发明的压电陀螺仪。
图2例示了图1的压电陀螺元件所使用的驱动电路的结构。本实施例的驱动电路6具有振荡/驱动电路7和移相电路8。第1驱动电极4A与振荡/驱动电路7直接连接。第3和第4驱动电极4D通过移相电路8与振荡/驱动电路7连接。第2驱动电极4B接地。
在本实施例中，采用图2的驱动电路，将图3(a)所示那样的驱动信号施加到上述各驱动电极上，使压电振动体2振动。如该图所示，第3驱动电极4C和第4驱动电极4D的驱动信号相互将相位错开180°。第1驱动电极4A的驱动信号相对于第3驱动电极4C相位错开90°。由于第2驱动电极4B的驱动信号如上述那样接地，因此总为0。
在这样施加各驱动信号时，在图3(a)的时刻t1，在压电振动体2上，如图3(b1)中的箭头所示的那样，产生从各第2～第4驱动电极4B～4D朝向相邻的第1驱动电极4A的电场。由此，由于图中左侧的侧面22收缩，右侧的侧面22伸长，因此压电振动体2向图中左侧挠曲。在时刻t2，仅产生从第4驱动电极4D朝向第3驱动电极4C的电场。由此，由于图中上侧的侧面21收缩，下侧的侧面21伸长，因此压电振动体2向图中上侧挠曲。在时刻t3，产生从第1驱动电极4A朝向相邻的第2～第4驱动电极4B～4D的电场。由此，由于图中右侧的侧面22收缩，左侧的侧面22伸长，因此压电振动体2向图中右侧挠曲。在时刻t4，仅产生从第3驱动电极4C朝向第4驱动电极4D的电场。由此，由于图中下侧的侧面21收缩，上侧的侧面21伸长，因此压电振动体2向图中下侧挠曲。
这样，压电振动体2按照上述驱动信号的变化在x方向和z方向上连续伸缩地振动。通过将其振幅控制到一定程度，压电振动体2的上述自由端的中心O描绘出图1(b)中的实线所示的轨迹，以y轴为中心做圆周运动。
在以该y轴为中心旋转的状态下，在垂直于y轴即旋转中心轴的方向上有扭矩作用到压电振动体2上时，产生旋转中心轴在与该力的方向相差90°的方向上旋转的进动(precession)。其结果是，在压电振动体2的上述自由端如图1(b)中的虚线所示的那样，其中心O的轨迹发生移位。本发明的陀螺仪可通过将由于该圆周运动的移位所产生的压电振动体2的伸缩的变化作为电压的变化而从第1和第2检测电极5A、5B输出，从而检测角速度。
图4(a)示出了图1的压电陀螺元件所使用的另一种驱动电路的结构。该实施例的驱动电路6的第1驱动电极4A和第2驱动电极4B与振荡/驱动电路7直接连接。第3和第4驱动电极4D同样地通过移相电路8与振荡/驱动电路7连接。
在这样的结构的驱动电路6中，将图4(b)所示那样的驱动信号施加到上述各驱动电极上，使压电振动体2振动。如该图所示，第1驱动电极4A和第2驱动电极4B的驱动信号相互相位错开180°。第3驱动电极4C和第4驱动电极4D的驱动信号同样地相互相位错开180°。第1驱动电极4A和第3驱动电极4C相位错开90°。
可通过施加这样的驱动信号，同样使压电振动体2振动，使其自由端做圆周运动。在本实施例中，与将第2驱动电极4B接地的图2的情况相比，可以以更小的驱动电流且高效地使压电振动体2振荡。
图5示出了图1的压电陀螺元件所使用的又一种驱动电路的结构。该实施例的驱动电路6具有移相激励驱动电路9以代替图2的驱动电路的移相电路8，还具有振幅检测电路10和AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)电路11。第1驱动电极4A同样地与振荡/驱动电路7直接连接。第2驱动电极4B通过振幅检测电路10和AGC电路11与振荡/驱动电路7连接。第3驱动电极4C通过移相激励驱动电路9与振荡/驱动电路7连接。第4驱动电极4D通过振幅检测电路10、AGC电路11和移相激励驱动电路9与振荡/驱动电路7连接。
在这样的结构的驱动电路6中，如图5(b)所示那样，将驱动信号施加到上述各驱动电极上，使压电振动体2振动。该图中的驱动信号可与图4(b)的情况相同，同样地使压电振动体2振动，使其自由端做圆周运动。在本实施例中，可通过设置AGC电路11，稳定各驱动信号的强度。
图6(a)示出了本发明的第2实施例的压电陀螺元件的压电振动体及其驱动电路。第2实施例的压电振动体2省略了第1实施例中的第4驱动电极4D，简化了驱动电极的结构和其所使用的驱动电路的结构。第2实施例的驱动电路6与图2中的驱动电路相同，第1驱动电极4A与振荡/驱动电路7直接连接。第3和第4驱动电极4D通过移相电路8与振荡/驱动电路7连接，第2驱动电极4B接地。
在本实施例中，将图6(b)所示那样的驱动信号施加到上述各驱动电极上，使压电振动体2振动。如该图所示，第1驱动电极4A的驱动信号与第3驱动电极4C相比相位错开90°。由于第2驱动电极4B的驱动信号接地，所以总为0。由此，可以使压电振动体2产生与以上参照图3所述的情况同样的振动，使其自由端做圆周运动。
另外，在第2实施例中，可使第1驱动电极4A和第3驱动电极4C的连接线反过来。在本实施例中，基本地优选为将谐振Q值较大一方的驱动电极与振荡/驱动电路连接，使其振荡，对谐振Q值较小一方的驱动电极以错开90°的相位激励。这是由于谐振Q值较大的一方可获得更加稳定的振荡，其结果是获得良好的温度特性和频率特性。
图7示出了第2实施例中的压电陀螺元件所使用的另一种驱动电路的结构。该实施例的驱动电路6还具有振幅检测电路10、AGC电路11和同步检波电路12。第1驱动电极4A同样地与振荡/驱动电路7直接连接。第2驱动电极4B通过振幅检测电路10、同步检波电路12和AGC电路11与振荡/驱动电路7连接。第3驱动电极4C通过移相电路8、AGC电路11和同步检波电路12与振荡/驱动电路7连接。
通过该驱动电路6，将与图6(b)相同的驱动信号施加到上述各驱动电极上，使压电振动体2振动，由此，可使压电振动体2在其自由端做圆周运动的状态下振动。在本实施例中，可通过设置AGC电路11，稳定各驱动信号的强度。
图8示出了本发明的压电陀螺元件的不同形态。该图中的压电陀螺元件31具有从基部33向相同的方向平行地延伸出2个压电振动体32的音叉型的结构。各压电振动体32分别具有与上述的图1和图6相同的结构。在该实施例中，各压电振动体32的自由端向互反的方向做圆周运动。其结果是，由于在基部3中产生抵消各个振动的作用，所以具有振动泄漏小的优点。
图9示出了本发明的压电陀螺元件的另一种不同状态。该图中的压电陀螺元件41具有从基部43向相反的方向以直线状延伸出2个压电振动体42、并且通过框架44支撑固定基部43的结构。各压电振动体42分别具有与上述的图1和图6相同的结构。在该实施例中，各压电振动体42的自由端向相同的方向做圆周运动。在这种情况下，也由于在基部43中产生抵消各个振动的作用，所以具有振动泄漏小的优点。
以上，对本发明的优选实施例进行了详细说明，但本发明可通过对上述实施例进行各种变形/变更而实施。例如，上述实施例均由石英形成压电陀螺元件，但可同样地采用现有的各种压电器件所使用的压电材料。另外，上述实施例的压电振动体呈截面为正方形的棱柱状，但在另一种实施例中，也可呈截面为长方形的棱柱状。在这种情况下，当调整施加到各驱动电极上的驱动信号的振幅以使x方向和y方向上的驱动力变得均等时，可获得同样的圆周运动。另外，如音叉型压电振子那样，可通过在压电振动体的自由端附加重锤，增大其惯性力所致的振动振幅，提高检测效率。
权利要求
1.一种压电陀螺元件，其特征在于，具有压电振动体，其呈截面为矩形的棱柱状，其一端被固定；在上述压电振动体的相对的第1侧面上形成的第1驱动电极；在上述压电振动体的相对的第2侧面上沿其宽度方向分离地形成的第2和第3驱动电极；在上述压电振动体的相对的上述第1侧面上形成的第1检测电极；以及，在上述压电振动体的相对的上述第2侧面上形成的第2检测电极，通过带有相位差地向上述各驱动电极施加驱动电流，使上述压电振动体振动，使得其另一端做圆周运动，从上述检测电极输出由于在与该振动的旋转中心轴正交的方向上作用的扭矩而产生的上述压电振动体的挠度。
2.根据权利要求1所述的压电陀螺元件，其特征在于，在上述压电振动体的相对的第2侧面上还具有沿其宽度方向与上述第2和第3驱动电极分离地形成的第4驱动电极。
3.一种压电陀螺仪，其特征在于，具有权利要求1或2所述的压电陀螺元件；驱动电路，其用于向上述压电陀螺元件的上述各驱动电极施加驱动信号；以及检测电路，其检测来自上述各检测电极的输出。
全文摘要
压电陀螺元件和压电陀螺仪。本发明的课题是提供可以通过由压电材料的棱柱状振动体构成的较简单的结构、同时以较高的驱动效率且高精度地检测2轴方向上的角速度，可实现小型化、低成本化的压电陀螺元件和压电陀螺仪。作为解决手段，呈截面为矩形的棱柱状的压电振动体(2)在其一端固定，在压电振动体的第1侧面(21)上形成第1驱动电极(4A)，在压电振动体的第2侧面(22)上形成在其宽度方向上分离的第2～第4驱动电极(4B～4D)，带相位差地向各驱动电极施加驱动电流，使压电振动体振动，使其另一端做圆周运动。在与其振动的旋转中心轴正交的方向上作用有扭矩时，从压电振动体的第1侧面上形成的第1检测电极(5A)和第2侧面上形成的第2检测电极(5B)输出由此产生的压电振动体的挠度，从而检测2轴方向上的角速度。
文档编号G01P9/04GK1865850SQ20051013190
公开日2006年11月22日 申请日期2005年12月15日 优先权日2004年12月16日
发明者小仓诚一郎, 小林祥宏 申请人:精工爱普生株式会社