專利名稱：角速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個角速度傳感器，它用在諸如攝像機的無意識運動的檢測，虛擬現實裝置的操作檢測，汽車導航系統的方向檢測，和其它類似情況。
一個角速度傳感器以預定諧振頻率振動一個振動器從而通過一個壓電元件或類似元件檢測由角速度的作用而產生的互補力。
傳統上有兩種方法通過單個壓電元件來驅動一個振動回轉儀一種方法利用外部振動型驅動電路，另一種利用自振動型驅動電路。然而，利用外部振動型驅動電路的方法存在一個問題，即由于振動器，壓電元件，電路或其它類似部分的溫度特性，振動器和振動頻率在諧振頻率上產生不同，這顯著降低了互補力檢測靈敏度，這種傳感器還未得以實用。
如
圖1、圖2，目前使用的是利用自振動型驅動電路的角速度傳感器，它在相振動電路回路中使用一個內置振動器。在這種角速度傳感器中，由于自振動是由振動器的諧振頻率得到，因此檢測靈敏度也不過多受溫度特性的影響，能夠在很寬的溫度范圍中得到穩定的檢測靈敏度。
圖1所示的一個角速度傳感器，包括一個由恒定彈性的金屬振動器100制成的振動器104，它是一個三角形柱體，其面上有由電極101a和壓電體101b構成的第一壓電元件101，由電極102a和壓電體102b構成的第二壓電元件102，由電極103a和壓電體103b構成的第三壓電元件103。而且，這個角速度傳感器還包括與第一壓電元件101連接的放大器105；與放大器105連接的相轉換器106；與第二壓電元件102和第三壓電元件103連接的差動放大器107；與差動放大器107連接的同步檢測器108；以及連接同步檢測器108的低通濾波器109。
這樣的一個使用三角柱形振動器的角速度傳感器目前具有最高的靈敏度，并且被廣泛使用。在這個角速度傳感器中，為了產生自振動，第二壓電元件102和第三壓電元件103檢測振動器104的振動，以及在振動器104中產生的互補力。即，在這個角速度傳感器中，同一壓電元件具有兩種作用檢測振動器104的振動以產生自振動，和檢測互補力。為此，在這個角速度傳感器中，用于檢測互補力的電壓受限于振動器104的驅動電壓和電源電壓，而且也不可能充分利用壓電元件的檢測性能。
另一方面，圖2所示的一個角速度傳感器，包括一個由恒定彈性的金屬振動器110制成的振動器115，它是一個正方形柱體，其面上有由電極111a和壓電體111b構成的第一壓電元件111，由電極112a和壓電體112b構成的第二壓電元件112，由電極113a和壓電體113b構成的第三壓電元件113，由電極114a和壓電體114b構成的第四壓電元件114。而且，這個角速度傳感器還包括放大器106；與第一壓電元件111和第二壓電元件112連接的相轉換器116；與第三壓電元件113和第四壓電元件114連接的差動放大器119；與差動放大器118連接的同步檢測器119；以及連接同步檢測器119的低通濾波器120。
在使用這樣的正方柱形振動器115的角速度傳感器中，第一壓電元件111產生振動器115的振動；第二壓電元件112檢測振動器115的振動，用于產生自振動；第三壓電元件113和第四壓電元件114用于檢測振動器115產生的互補力。即，在這個角速度傳感器中，每個壓電元件用于一個作用用于產生振動器115的振動的壓電元件，用于檢測振動器115的振動而產生自振動的壓電元件，和用于檢測互補力的壓電元件。結果，就有可能充分利用每個壓電元件的性能。
然而，該角速度傳感器至少要用兩個壓電元件來驅動振動器，而且，如果包括用于檢測互補力的壓電元件，則至少要用四個壓電元件。這帶來了生產成本的不利因素。而且，如果用這么多的壓電元件，調整振動器115的振動頻率也比較困難。因此，使用正方柱形振動器115的角速度傳感器也存在各種問題，也仍然未得以實用。
所以，正如前面所述，利用外部振動型驅動電路的方法存在由于溫度特性造成靈敏度改變的問題，這一問題可以由使用相振動電路的自振動型驅動電路來解決。但是，如圖1所示的角速度傳感器，由于同一壓電元件同時驅動振動器104和檢測互補力，因而犧牲了靈敏度。另一方面，圖2所示的角速度傳感器有生產成本的不利因素和難于調整頻率的問題，也不能得以實用。
而且，在圖1和圖2所示的傳統的角速度傳感器中，放大器105和111，相轉換器106和115及其它類似部分的電路都相對比較復雜，因此有必要開發一種具有簡單電路的角速度傳感器。
因此，本發明的一個目的是提供一種具有簡單結構的角速度傳感器，能充分利用壓電元件的性能，并具有優良的檢測靈敏度。
根據本發明的角速度傳感器包括一個固定在恒定彈性的金屬振動器上的壓電元件；一個用于檢測恒定彈性的金屬振動器振動的檢測單元；一個自振動型驅動電路，其中壓電元件作為柯匹茲振動電路的阻抗元件。
在上述角速度傳感器中，只有一個壓電元件構成自振動型驅動電路。而且，檢測單元最好包括有固定在恒定彈性的金屬振動器上的角速度檢測壓電元件，這樣就可以檢測在恒定彈性的金屬振動器中產生的互補力。
而且，根據本發明另一目的的角速度傳感器包括一個固定有多個電極的壓電體振動器；一個用于檢測壓電體振動器振動的檢測單元；一個自振動型驅動電路，其中壓電體振動器作為柯匹茲振動電路的阻抗元件。
在上述角速度傳感器中，阻抗元件可以由例如壓電體振動器和固定其上的一對電極構成。而且，在上述角速度傳感器中，比如，壓電體振動器包括至少一對與自振動型驅動電路連接的電極，一對與檢測單元連接的電極，檢測單元檢測至少一對電極之間的電壓變化，以此檢測壓電體振動器產生的互補力。
根據本發明的角速度傳感器是一個自振動型的角速度傳感器，沒有象外部振動型角速度傳感器中因溫度特性影響而引起靈敏度惡化的危險。而且，根據本發明的角速度傳感器，固定在恒定彈性的金屬振動器上的壓電元件，或固定有多個電極的壓電體振動器作為柯匹茲振動電路的阻抗元件，構成一個自振動型驅動電路。因此，有可能利用振動振動器的元件來作為檢測振動器振動以產生自振動的元件。而且，將可能很容易調整頻率。再者，這個自振動型驅動電路可以由明顯簡化的電路構成。
圖1是傳統角速度傳感器的一個實例。圖1A是傳統角速度傳感器的整體結構，圖1B是振動器的透視圖，圖1C是振動器中心部分的剖面圖。
圖2是傳統角速度傳感器的另一個實例。圖2A是傳統角速度傳感器的整體結構，圖2B是振動器的透視圖，圖2C是振動器中心部分的剖面圖。
圖3是根據本發明一個實施例的角速度傳感器。
圖4是圖3所示角速度傳感器中振動器的透視圖。
圖5是圖3所示角速度傳感器中振動器中心部分的剖面圖。
圖6是圖3所示角速度傳感器中的自振動型驅動電路。
圖7是圖3所示角速度傳感器中使用的振動器中構成自振動型驅動電路的部分的透視圖。
圖8是圖3所示角速度傳感器中使用的振動器中構成自振動型驅動電路的中心部分的剖面圖。
圖9是圖3所示角速度傳感器中使用的振動器的阻抗特性。
圖10是圖3所示角速度傳感器中使用的振動器的等效電路。
圖11比較了根據本發明的角速度傳感器的輸出和傳統角速度傳感器的輸出。
圖12是根據本發明另一個實施例的角速度傳感器中使用的振動器的透視圖。
圖13是圖12所示振動器中心部分的剖面圖。
圖14是根據本發明另一個實施例的角速度傳感器中振動器的透視圖。
圖15是圖12所示振動器中心部分的剖面圖。
圖16是根據本發明另一個實施例的角速度傳感器中使用的振動器的透視圖。
圖17是圖16所示振動器中心部分的剖面圖。
圖18是根據本發明另一個實施例的角速度傳感器中使用的振動器的透視圖。
圖19是圖18所示振動器中使用的雙壓電晶片的剖面圖。
圖20是根據本發明另一個實施例的角速度傳感器中使用的振動器的透視圖。
圖21是圖20所示振動器的剖面圖。
參考附圖，將直接描述本發明的優選實施例。需要注意的是，本發明并非局限于下面的實施例，而是在本革新范圍內可以有各種方式的改變。
圖3是根據本發明一個實施例的角速度傳感器的基本結構。如圖1所示，該角速度傳感器包括一個在振動回轉部分的振動器1。如圖4、5所示的振動器1包括一個正方柱形的恒定彈性的金屬振動器2，固定在恒定彈性的金屬振動器2一面的長方形第一壓電元件3，固定在恒定彈性的金屬振動器2另一面的長方形第二壓電元件4，和固定在恒定彈性的金屬振動器2再另一面的長方形第三壓電元件5。
其中，第一壓電元件3用于驅動恒定彈性的金屬振動器2，并且如圖5所示，由固定有電極3a的壓電體3b制成。該第一壓電元件3振動振動器1，并作為自振動型驅動電路6的一個阻抗元件，自振動型驅動電路6將在下面詳述。
另一方面，第二壓電元件4和第三壓電元件5用作檢測在振動器1中產生的互補力。如圖5所示，第二壓電元件4由固定有電極4a的壓電體4b構成，第三壓電元件5由固定有電極5a的壓電體5b構成。第二壓電元件4和第三壓電元件5固定在恒定彈性的金屬振動器2的相對面。
恒定彈性的金屬振動器2具有一端子C；第一壓電元件3具有一端子D；第二壓電元件4具有一端子S1；第三壓電元件5具有一端子S2。
而且，該角速度傳感器包括一個自振動型驅動電路6，在該電路結構中第一壓電元件3是作為柯匹茲振動電路的阻抗元件。當驅動這個角速度傳感器時，該自振動型驅動電路6產生自振動，因而振動振動器1。
圖6是自振動型驅動電路6部分。如圖6所示，該自振動型驅動電路6包括恒定彈性的金屬振動器2，第一壓電元件3，電阻7，反相器8，第一電容9，第二電容10。恒定彈性的金屬振動器2上的端子C與電阻7的一端、反相器8的輸入端和第一電容9的一端相連。第一壓電元件3上的端子D與電阻7的另一端、反相器8的輸出端和第二電容10的一端相連。電容9和第二電容的另一端接地。
在該自振動型驅動電路中，如圖7、8所示，電阻7的阻值R，第一電容9的容值C1和第二電容10的容值C2都是常數，由振動器1的材料結構決定，振動器1由固定有第一壓電元件3的恒定彈性的金屬振動器2制成。請注意第二壓電元件4和第三壓電元件5在圖7、8中省略了。
如圖7、8所示，當振動器1有一本征輸入電容CL，本征輸入電容CL和第一電容9的容值C1和第二電容10的容值C2之間的關系由式1表達1/CL＝1/C1+1/C2……(1)另一方面，圖7、8所示的振動器在串聯諧振頻率fs和并聯諧振頻率fp的附近表現的阻抗特性如圖9中所示。圖10所示的等效電路，可以表示為一個等效并聯電容Cp，一個等效串聯電感Ls，一個等效串聯電容Cs，和一個等效串聯電阻Rs，與采用晶體振動器時的等效電路相同。因此，有可能利用在晶體振動電路中廣泛使用的柯匹茲振動電路，用于如圖7、8所示的振動器1中。即，有可能通過準備如圖6的電路來準備自振動電路，圖6的電路中，第一壓電元件3作為柯匹茲振動電路的阻抗元件。需要注意的是，圖6所示的自振動型驅動電路6是柯匹茲振動電路的一個實例，本發明并非局限于這樣的電路結構。
而且，如圖3所示，上述角速度傳感器包括一個差動放大器11，一個同步檢測器12，和一個低通濾波器13，這些與第二壓電元件4和第三壓電元件5共同構成一個檢測單元，用于檢測恒定彈性的金屬振動器2的振動。即，當上述自振動型驅動電路6振動振動器1時，振動器1旋轉，該檢測單元檢測由振動器1產生的互補力。該角速度傳感器檢測根據檢測到的互補力檢測角速度。
在上述檢測單元中，第二壓電元件4上的端子S1連接差動放大器11的正輸入端，而第三壓電元件5上的端子S2連接差動放大器11的負輸入端。即，第二壓電元件4和第三壓電元件5的輸出接入差動放大器11，由這些輸出得到一個差值。差動放大器11的輸出接入同步檢測器12，用于同步檢測。這里，用于同步檢測的自振動型驅動電路6的反相器8的輸出也接入同步檢測器12。然后，同步檢測器12的輸出經過低通濾波器后，其輸出就可作為在振動器1中產生的互補力的檢測結果了。
通過在角速度傳感器旋轉時，實際測量互補器件的靈敏度，將根據本發明的角速度傳感器與圖1所示的傳統上認為具有最高靈敏度的角速度傳感器比較。比較結果如圖11所示。從圖9能理解根據本發明的角速度傳感器能夠得到比傳統角速度傳感器高40倍的靈敏度。
也應該注意到，使用圖2所示的正方柱形振動器的角速度傳感器，至少需要壓電元件111和112作為構成自振動型驅動電路的壓電元件。與此相比，根據本發明的上述角速度傳感器，盡管使用了正方柱形的振動器1，但只需第一壓電元件3作為構成自振動型驅動電路6的壓電元件。即，在根據本發明的角速度傳感器中，其構成自振動型驅動電路6的壓電元件的數目要比傳統角速度傳感器的少。而且，只有第一壓電元件3用作構成自振動型驅動電路6的壓電元件，這將很容易調整振動器1的振動頻率。
而且，使用自振動型驅動電路6的上述角速度傳感器，基本上從以振動器1的諧振頻率振動。因此，沒有象在外部振動型角速度傳感器中因溫度特性影響而引起靈敏度惡化的危險。
再者，在上述角速度傳感器中，自振動型驅動電路6的結構相比于圖1和圖2所示傳統的角速度傳感器明顯簡化。因此，上述角速度傳感器明顯減少了構成電路所需器件的數目。在器件數目上的減少進而提高了生產量。
需注意的是，本發明并非局限于上述具有正方柱形振動器1的角速度傳感器，而是可以廣泛應用于采用具有圖9所示阻抗特性的振動器的角速度傳感器中。圖12至圖21是這樣振動器的幾個實例。注意圖12至圖21，用于檢測振動器中產生的互補力的元件被省略了。
圖12和13是一個由三角柱形的恒定彈性的金屬振動器21制成的振動器，其壓電元件22由電極22a和壓電體22b構成。根據本發明，有可能使用由固定有壓電元件的多邊柱形或圓柱形的恒定彈性的金屬振動器制成的振動器。
在如圖1所示使用三角柱形振動器的傳統角速度傳感器中，同一壓電元件同時用于檢測振動器振動而產生自振動，和檢測互補力，因此，用于檢測互補力的電壓受限于驅動電壓和電源電壓。相反，根據本發明的角速度傳感器，用于自振動和檢測互補力的是不同的壓電元件，這有可能充分利用各自壓電元件的性能。因此，當本發明被應用于圖12和13所示的使用三角柱形振動器的角速度傳感器中時，檢測靈敏度顯著增強了。
圖14和15是一個由固定有一對電極24、25的正方柱形壓電振動器23制成的振動器。本發明含蓋了包括固定有一對電極的正方柱形的所有多邊柱形的壓電振動器。而且，如圖16、17所示，有可能使用由固定有一對電極27和28的圓柱形壓電振動器26制成的振動器。
而且，根據本發明，有可能使用圖18至21所示的音叉形振動器。圖18、19是一個合成音叉形振動器，包括一對通過連接件29相互連接的雙壓電晶片30和31，一對通過連接件32相互連接的雙壓電晶片33和34，兩對晶片都固定在座35上。其中，如圖19所示，固定有電極30a的壓電體30b和固定有電極30c的壓電體30d通過電極30e相連，構成雙壓電晶片30。其它的雙壓電晶片31、33和34都有相同的結構。而且，圖20和21所示是旋轉力型振動器，它由音叉形恒定彈性的金屬振動器制成，具有由電極37a和壓電體37b構成的壓電元件37。
正如所述，根據本發明，振動器的一部分用作柯匹茲振動電路的阻抗元件，因而構成自振動型驅動電路。這實現了具有優良檢測靈敏度和溫度特性的角速度傳感器的簡化結構。因此，本發明可以降低角速度傳感器的生產成本，減小尺寸，而且提高檢測靈敏度。這能夠滿足攝像機，虛擬現實裝置，汽車導航系統的和其它類似系統的高性能且低生產成本的要求。
權利要求
1，一個角速度傳感器包括一片固定在恒定彈性的金屬振動器上的壓電元件；一個用于檢測上述恒定彈性的金屬振動器的振動的檢測單元；一個自振動型驅動電路，其中上述壓電元件作為柯匹茲振動電路的阻抗元件。
2，權利要求1中要求的角速度傳感器，其中只有一個壓電元件構成上述自振動型驅動電路。
3，權利要求1中要求的角速度傳感器，其中上述檢測單元包括一個固定在上述恒定彈性的金屬振動器上的角速度檢測壓電元件；上述角速度檢測壓電元件檢測由恒定彈性的金屬振動器產生的互補力。
4，一個角速度傳感器包括一個固定有多個電極的壓電體振動器；一個用于檢測上述壓電體振動器的振動的檢測單元；一個自振動型驅動電路，其中上述壓電體振動器作為柯匹茲振動電路的阻抗元件。
5，權利要求4中要求的角速度傳感器，其中上述阻抗元件包括上述壓電體振動器和設在上述壓電振動器上的一對電極。
6，權利要求4中要求的角速度傳感器，其中上述壓電體振動器包括至少一對電極連接于上述自振動型驅動電路，以及一對電極連接上述檢測單元；上述檢測單元檢測上述至少一對電極之間的電壓變化，以此檢測上述壓電體振動器中產生的互補力。
全文摘要
本發明提供一種角速度傳感器,其具有簡單的結構,通過充分利用壓電元件的性能而帶來的優良的檢測靈敏度。多片壓電元件3、4和5固定在恒定彈性的金屬振動器2上。壓電元件3、4和5其中之一被用作柯匹茲振動電路的阻抗元件,構成一個自振動型驅動電路6。當驅動該自振動型驅動電路6而振動恒定彈性的金屬振動器2時,在恒定彈性的金屬振動器2中產生的互補力被其它壓電元件4和5檢測得到。
文檔編號G01P9/04GK1190182SQ9810361
公開日1998年8月12日 申請日期1998年1月9日 優先權日1997年1月10日
發明者小林宏彰 申請人:索尼株式會社