專利名稱：音片型振子以及使用了該音片型振子的振動陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及音片型振子以及使用了該音片型振子的振動陀螺儀，尤其 涉及例如利用了彎曲振動的音片型振子和使用了該音片型振子的振動陀 螺儀。
背景技術：
圖12是表示現(xiàn)有的音片型振子的一個例子的立體圖。音片型振子1 包括狹條狀的兩個壓電體基板2a、 2b。這些壓電體基板2a、 2b隔著電極 3進行層疊。這些壓電體基板2a、 2b，如圖12的箭頭所示，相互反向地 極化。在一方的壓電體基板2a的主面上形成兩個分割電極4、 4。這些分 割電極4、 4形成為在壓電體基板2a的寬度方向的中央部分割，沿壓電體 基板2a的縱長方向延伸。此外，在另一方的壓電體基板2b的主面上，在 其整個面上形成公共電極5。該音片型振子1通過在分割電極4、 4和公共 電極5之間連接振蕩電路，在與壓電體基板2a、 2b的主面正交的方向上 彎曲振動，在其彎曲振動的節(jié)點部形成支撐部件6、 6。
該音片型振子l作為例如振動陀螺儀來使用。在該情況下，在分割電 極4、 4和公共電極5之間連接振蕩電路。此外，分割電極4、 4連接到差 動電路，檢測分割電極4、 4的輸出信號的差。根據(jù)振蕩電路的驅動信號， 音片型振子1在與壓電體基板2a、 2b的主面正交的方向上彎曲振動。這 里，音片型振子l通過以其諧振頻率進行振動的自激振蕩驅動來彎曲振動。 在該狀態(tài)下，如果以音片型振子1的中心軸為中心施加旋轉角速度，則在 與無旋轉時的彎曲振動的方向正交的方向上科里奧利力(Coriolis force) 起作用。因此，音片型振子l的彎曲振動的方向發(fā)生改變，從兩個分割電 極4、 4輸出與科里奧利力對應的反相信號，從差動電路輸出這些信號的 差。因此，通過測定差動電路的輸出信號，能夠檢測對音片型振子1所施 加的旋轉角速度(參照專利文獻1)。專利文獻l:特開平7-332988號公報
伴隨著安裝有振動陀螺儀的攝像機等的小型化，振動陀螺儀也需要進
一步小型化及小尺寸化。這里，如上所述的音片型振子的諧振頻率"r如 下式所示，其中，設音片型振子的長度為L，厚度為H，密度為p，楊氏 模量為E，轉動慣量為I。 [數(shù)學式1]
根據(jù)上式可知，當音片型振子小型化時，其諧振頻率變高。另一方面， 如果音片型振子的諧振頻率變高，則該諧振頻率與施加給攝像機等的手抖 頻率的差變大，旋轉角速度的檢測靈敏度降低。 一般的振動陀螺儀的諧振 頻率為50kHz以下，例如，在一般的壓電陶瓷雙壓電晶片振子中，其厚度 為0.4mm，長度為7mm，諧振頻率大致是30kHz。
這樣，如果使音片型振子小型化，則旋轉角速度的檢測靈敏度降低， 如果為了提高旋轉角速度的檢測靈敏度而降低諧振頻率，則音片型諧振子 成為大型化。此外，在層疊了壓電體的音片型振子中，壓電體需要具有一 定的厚度，振動陀螺儀的小尺寸化也有極限。
由此，本發(fā)明的主要目的是提供一種小型的、能夠小尺寸化的、能夠 作為檢測靈敏度良好的振動陀螺儀來使用的音片型振子和使用了該音片 型振子的振動陀螺儀。
本發(fā)明的音片型振子包括具有一個主面以及另一個主面的蜿蜒形狀 的振動體；形成為從振動體的一個主面的縱長方向一端側向中央部延伸， 并且在振動體的寬度方向上分割而成的兩個驅動電極；檢測電極，形成為 從振動體的一個主面的縱長方向另一端側向中央部延伸；金屬膜，形成在 振動體的另一個主面上；和支撐部，形成在成為振動體彎曲振動時的節(jié)點 的部分，用于中空地支撐振動體。
通過對驅動電極施加驅動信號，能夠在振動體中激發(fā)彎曲振動。這里，
發(fā)明內容通過將振動體形成為蜿蜒形狀，即使音片型振子整體小型化，也能夠確保 保持低諧振頻率所需的振子長度。因此，即使音片型振子整體小型化，也 能夠防止其諧振頻率變高。
另外，驅動電極形成為從振動體的縱長方向的一端側向中央部延伸， 檢測電極形成為從振動體的縱長方向的另一端側向中央部延伸，但是，這 里所說的一端側以及另一端側是表示與振動體的中央部相對的縱長方向 的一端側以及另一端側的方向，不是振動體的端部的意思。因此，并不是 表示了從振動體的兩側中的端部到中央部，整體性的形成有驅動電極和檢 測電極。
在這樣的音片型振子中，也可以構成為，在振動體的縱長方向的大致 中央部，形成有沿與振動體的縱長方向交叉的方向延伸的長條狀的第一檢 測部，在第一檢測部的一個主面上形成有檢測電極。
通過在振動體的縱長方向的大致中央部形成沿與振動體的縱長方向 交叉的方向延伸的長條狀的第一檢測部，在對彎曲振動的音片型振子施加 了旋轉角速度時，在第一檢測部科里奧利力起作用。由此，與科里奧利力 對應，第一檢測部發(fā)生變形，在第一檢測部產生與科里奧利力對應的信號， 從檢測電極輸出該信號。
此外，也可以構成為包括第二檢測部，該第二檢測部形成為與第一檢 測部的端部連結，并且形成為在振動體的寬度方向的兩側沿振動體的縱長 方向延伸。
通過在第一檢測部的端部形成第二檢測部，能夠使科里奧利力引起的 第一檢測部的變形變大，能夠從檢測電極輸出與科里奧利力對應的更大的 信號。
也可以構成為振動體通過將兩個壓電體基板貼合而形成，在振動體 的一個主面?zhèn)群土硪粋€主面?zhèn)?，兩個壓電體基板沿厚度方向相互反向地極 化。
此外，振動體能夠通過將在厚度方向上極化了的壓電體基板和非壓電 體基板貼合而形成。
進而，振動體能夠由包括壓電膜的薄膜形成。
振動體只要采用根據(jù)驅動信號而進行彎曲振動的結構即可。因此，可
6使兩個壓電體基板貼合以形成振動體，還可使壓電體基板和非壓電體基板
貼合以形成振動體。
進而，通過將振動體形成為薄膜結構，能夠使音片型振子的小尺寸化。 另外，本發(fā)明的振動陀螺儀包括上述的任一項所述的音片型振子；
驅動單元，用于在音片型振子的驅動電極間施加驅動信號；和檢測單元，
用于檢測在檢測電極與金屬膜之間產生的信號。
根據(jù)由驅動單元施加的驅動信號，音片型振子彎曲振動，并通過施加
旋轉角速度，從檢測電極輸出與科里奧利力對應的檢測信號，利用檢測單
元檢測該檢測信號。因此，利用檢測單元所檢測的與科里奧利力對應的檢
測信號，可知施加給音片型振子的旋轉角速度。 (發(fā)明效果)
根據(jù)本發(fā)明，即使音片型振子小型化也能夠防止其諧振頻率變高。因 此，通過采用這樣的音片型振子，可獲得小型的、具有良好靈敏度的振動 陀螺儀。而且，通過將音片型振子的振動體作成薄膜結構，可使音片型振 子小尺寸化。因此，通過采用這樣的音片型振子，可獲得小尺寸化的振動 陀螺儀。
根據(jù)參照附圖進行的用于實施以下發(fā)明的優(yōu)選實施方式的說明，使本 發(fā)明的上述目的、其他目的、特征以及優(yōu)點更加清楚。


圖1是表示本發(fā)明的音片型振子的一例的俯視圖。
圖2是表示圖1所示的音片型振子中使用的振動體的立體圖。
圖3是圖1所示的音片型振子的用單點劃線表示的支持部的剖視圖。
圖4是表示使用了圖1所示的音片型振子的振動陀螺儀的一例的圖解圖。
圖5是表示振動體的彎曲振動的狀態(tài)的圖解圖。 圖6是表示具有第二檢測部的振動體的振動狀態(tài)的圖解圖。 圖7是表示本發(fā)明的音片型振子的另一例的俯視圖。 圖8是表示使用了圖7所示的音片型振子的振動陀螺儀中的振動體的 振動狀態(tài)的圖解圖。圖9是表示構成振動體的振動片的連接部位的一例的立體圖。
圖io是表示構成振動體的振動片的連接部位的另一例的立體圖。
圖11是表示構成振動體的振動片的連接部位的又一例的立體圖。 圖12是表示現(xiàn)有的音片型振子的一例的立體圖。
符號說明10音片型振子
12基板
14振動體
16、18驅動電極
20檢測電極
22公共電極
34空洞部
36Si。2膜
38壓電膜
50振動陀螺儀
52振蕩電路
54差動電路
56同步檢波電路
58平滑電路
60DC放大器
62第一檢測部
64第二檢測部
具體實施例方式
圖1是表示本發(fā)明的音片型振子的一例的俯視圖。音片型振子10被 中空地支撐在例如矩形板狀的基板12上。音片型振子10包括振動體14。 振動體14形成為由例如Si02膜和壓電膜構成的薄膜結構。振動體14如圖 2所示，形成為整體上成為蜿蜒狀。也就是說，平行地配置多個長方形狀 的振動片，中央部的振動片和與其鄰接的振動片在中央部連接。此外，在 連接的三個振動片的兩側，各振動片交替地在不同的端部連接，形成為彎
8彎曲曲的蜿蜒形狀。在中央部的振動片的兩側，在相互相反的端部鄰接的 振動片連接，形成為對于中央部的振動片的中心點旋轉對稱。
在振動體14中激勵彎曲振動，在成為該彎曲振動的節(jié)點的兩處，振
動體14被支撐在基板12上。按照從振動體14的一方的支撐部14a延伸 到與中央部的振動片鄰接的振動片的方式，形成兩個驅動電極16、 18。這 些驅動電極16、 18在各振動片的寬度方向進行分割，相互平行地形成為 蜿蜒形狀。此外，在中央部的振動片的一個主面上，在其寬度方向的兩側， 即振動體14整體的縱長方向的兩側進行分割，形成檢測電極20和公共電 極22。檢測電極20形成為在與驅動電極16、 18相反側的振動片側蜿蜒形 狀地延伸到另一方的支撐部14b。另外，支撐部14a、 14b由金屬或樹脂等 形成為柱狀。
在振動體14的另一主面上，由金屬膜形成公共電極22。而且，在振 動體14的中央部的振動片上形成通孔24，通過該通孔24，連接振動體14 的另一方主面上的公共電極22和中央部的支撐片的一方主面上所形成的 公共電極22。
在振動體14的一方的支撐部14a上，兩個驅動電極16、 18與引出到 基板12上的引出電極26、 28連接。引出電極26、 28分別配置在振動體 14的寬度方向的兩側，引出到振動體14的縱長方向的一端側。此外，在 振動體14的另一方的支撐部14b上，檢測電極20與引出到基板12上的 引出電極30連接。此外，在振動體14的另一方的支撐部14b上，振動體 14的另一方主面上所形成的公共電極22與引出到基板12上的引出電極 32連接。引出電極30、 32分別配置在振動體14的寬度方向的兩側，引出 到振動體14的縱長方向的另一端側。
如圖1的單點劃線所示，圖3是表示振動體14的另一方的支撐部14b 處的音片型振子10的基板12的縱長方向的剖面的圖解圖。在基板12上， 通過具有例如梯形的剖面形狀的空洞部34，形成音片型振子10。為此， 在基板12上，形成公共電極22。公共電極22形成為從基板12向斜上方 上升，進而與基板12的主面幾乎平行地延伸。該公共電極22的與基板12 接觸的部分形成為與引出電極32連續(xù)。
在公共電極22上形成Si02膜36。 Si02膜36為了覆蓋空洞部34，形成為覆蓋公共電極22的從上升部分到與基板12的主面幾乎平行的部分，
進而在公共電極22的相反側向基板12斜向下延伸。進而，在SK)2膜36 上，由例如A1N等形成壓電膜38。壓電膜38在與基板12的主面幾乎平 行的部分，形成在與公共電極22對置的位置。此外，在壓電膜38上形成 檢測電極20。檢測電極20形成為從壓電膜38上跨到SiOj莫36上，并在 公共電極22被引出的一側的相反側引出到基板12上。而且，引出到基板 12上的檢測電極20形成為與引出電極30連續(xù)。在圖3中，公共電極22、 SiOj莫36、壓電膜38以及檢測電極20重疊的區(qū)域構成振動體14。
此外，在振動體14的一方的支撐部14a上，在壓電膜38上，隔開間 隔形成兩個驅動電極16、 18，引出到Si02膜36的兩側。引出到SiCb膜 36的兩側的驅動電極16、 18，形成為與引出電極26、 28連續(xù)。振動體14 的兩個支撐部14a、 14b以外的部分形成為從基板12浮起的狀態(tài)，且形成 為公共電極22、 Si02膜36、壓電膜38、以及驅動電極16、 18或檢測電極 20層疊的狀態(tài)。因此，在這些部分中，振動體14和各電極不與基板12 接觸。
為了制作音片型振子10而準備基板12。在該基板12上形成ZnO薄 膜。ZnO薄膜在支撐部處中空地支撐音片型振子10，支撐部以外的部分成 為所謂的犧牲層，為了從基板12分離地形成音片型振子10而在以后的工 序中被去除。ZnO薄膜例如在基板12上利用外延生長法等來形成。該ZnO 薄膜通過反應性離子蝕刻(RIE)等圖案化為音片型振子10的形狀。
在ZnO薄膜上，通過利用例如RF磁控管濺射法、電鍍法、蒸鍍法等 薄膜技術形成Au等的金屬膜，從而形成公共電極22。此時，為了從公共 電極22引出到基板12上，還形成引出電極32。進而，在公共電極22上， 利用薄膜技術依次形成Si02膜36和壓電膜38。這些公共電極22、 Si02 膜36以及壓電膜38也利用R正等圖案化為規(guī)定的形狀。進而，在Si02 膜36和壓電膜38的中央部，形成用于連接上下的公共電極22的通孔24。 然后，在壓電膜38上利用薄膜技術由Au等形成金屬膜。該金屬膜被圖案 化為規(guī)定的形狀，形成驅動電極16、 18、檢測電極20以及振動體14的一 方主面上的公共電極22。此時，在通孔24中也形成金屬膜，連接上下的 公共電極22。進而，在形成金屬膜時，在基板12上還形成引出電極26、28、 30。最后，通過利用蝕刻等去除ZnO膜，制作音片型振子10。
該音片型振子10如圖4所示，作為例如振動陀螺儀50來使用。此時，在連接了驅動電極16、 18的引出電極26、 28上連接作為驅動單元的振蕩電路52。振蕩電路52包括AGC電路、相位修正電路、驅動用放大電路等。于是，由振動體14、驅動電極16、 18、引出電極26、 28、振蕩電路52形成自激振蕩回路。
而且，與檢測電極20和公共電極22連接的引出電極30、 32連接到差動放大電路54。差動放大電路54的輸出信號輸入到同步檢波電路56。在同步檢波電路56上連接振蕩電路52，與振蕩電路52的信號同步地對差動放大電路54的輸出信號進行檢波。進而，在同步檢波電路56中依次連接平滑電路58和DC放大器60。由這些差動放大電路54、同步檢波電路56、平滑電路58和DC放大器60等構成用于對與旋轉角速度對應的信號進行檢測的檢測單元。另外，與旋轉角速度對應的信號產生于形成了檢測電極20和公共電極22的中央部的振動片，所以該中央部的振動片成為用于檢測旋轉角速度的第一檢測部62。
在該振動陀螺儀50中，通過包括振蕩電路52的自激振蕩回路，在音片型振子10中激勵彎曲振動。如圖5所示，該彎曲振動是以振動體14的兩個節(jié)點為中心在與振動體14的主面平行的面內激勵的彎曲振動。此時，第一檢測部62的位置根據(jù)振動體14的彎曲振動而變位，但其形狀不變形。
在該狀態(tài)下，如果以與振動體14的主面正交的方向的軸為中心施加旋轉角速度，則在與振動體14的主面平行的面內，在與彎曲振動的方向正交的方向上科里奧利力起作用。利用該科里奧利力，第一檢測部62在振動體14的縱長方向上發(fā)生彎曲的變形。第一檢測部62的變形量與科里奧利力對應，所以在檢測電極20和公共電極22之間產生與科里奧利力對應的信號。因此，從差動電路54輸出與科里奧利力對應的信號。
基于該科里奧利力的信號在同步檢波電路56中被同步檢波，在平滑電路58中被平滑，進而在DC放大器60中被放大。因此，通過對DC放大器60的輸出信號進行測定，能夠檢測對音片型振子10施加的旋轉角速度。
在該音片型振子10中，振動體14的中央部存在的第一檢測部62的兩側部分形成為蜿蜒形狀，所以與作為振動體14整體的直線的長度相比， 能夠使作為振子的彎彎曲曲的長度變長。因此，即使音片型振子10小型 化，也能夠較長地保持作為振子的長度，能夠使音片型振子10的諧振頻 率不變高。
這樣，如果采用該音片型振子10，則即使小型化也能夠獲得諧振頻率 低的振動陀螺儀50。因此將振動陀螺儀50裝載到攝像機等中時，能夠以 與手抖頻率的差較小的諧振頻率激勵音片型振子10。因此，能夠獲得對于 手抖動等具有良好的靈敏度的小型的振動陀螺儀50。此外，通過采用由 SiOj莫36和壓電膜38構成的薄膜結構作為壓電體，能夠獲得音片型振子 10的小尺寸化。進而，通過采用SiOj莫和壓電膜38能夠利用薄膜工藝來 制作音片型振子，所以也容易使音片型振子10小型化。
在這樣的振動陀螺儀50中，如圖6所示，也可以在第一檢測部62的 兩端部形成第二檢測部64。第二檢測部64沿振動體14的寬度方向的兩側 形成。在科里奧利力起作用時，第二檢測部64作為使第一檢測部62的變 形變大的重物(weight)而起作用。因此，在對音片型振子10施加了旋轉 角速度時，由科里奧利力第一檢測部62產生大的變形，能夠從差動電路 54獲得較大的信號。因此，如果使用這樣的音片型振子10，則能夠獲得 靈敏度良好的振動陀螺儀50。另外，如上所述，第二檢測部64是作為重 物而起作用的單元，沒有必要在該部分形成電極。
此外，如圖7所示，也可以在第一檢測部62的一方主面的幾乎整個 面上形成檢測電極20，在另一方主面上形成公共電極。在使用了這樣的音 片型振子10的振動陀螺儀50中，檢測以沿音片型振子10的縱長方向延 伸的軸為中心的旋轉角速度。也就是說，音片型振子10在如圖5所示那 樣彎曲振動的狀態(tài)下，如果施加那樣的旋轉角速度，則在與音片型振子IO 的主面正交的方向科里奧利力起作用。由此，如圖8所示，第一檢測部62 在厚度方向彎曲，在第一檢測部62中，在對置的檢測電極20和公共電極 22之間產生信號。該信號從差動電路54被輸出，所以通過測定DC放大 器60的輸出信號，能夠檢出對音片型振子10施加的旋轉角速度。
另外，作為壓電膜38而形成的A1N其楊氏模量的溫度系數(shù)為負值， 所以根據(jù)溫度而檢測信號的頻率發(fā)生變化，有可能不能準確地檢測旋轉角速度。因此，通過與楊氏模量的溫度系數(shù)為正值的Si02膜36進行組合， 能夠使檢測信號的頻率的溫度特性穩(wěn)定。
作為振動體14，也可以不是利用薄膜工藝形成的Si02膜36和壓電膜 38。例如，也可以將振動體14的形狀的兩個壓電體基板進行層疊，這些 壓電體基板在相互反向的厚度方向上極化。此外，也可以將振動體14的 形狀的壓電體基板和非壓電體基板進行層疊。即使是使用了這樣的振動體 14的音片型振子10，通過將第一檢測部62的兩側部分形成為蜿蜒形狀， 也能夠較長地保持作為振子的長度，能夠形成小型、諧振頻率低的音片型 振子。
此外，作為構成振動體14的平行地配置的振動片的連結部位，如圖9 所示，能夠在振動片的端部進行連結。此外，如圖10所示，能夠在振動 片的端部和中央部之間進行連結，如圖11所示，也能夠在振動片的中央 部進行連結。在上述的音片型振子10中所使用的振動體14中，中央部的 振動片和與其鄰接的振動片，如圖11所示，在中央部進行連結，其兩側
的振動片，如圖9所示，在端部進行連結。但是，也可以將在振動片的端 部連結的部分，在如圖10所示的連結部位進行連結，即使在該情況下， 也能夠使作為振子的彎彎曲曲的長度變長。另外，如圖l所示的音片型振 子10那樣，通過將圖9和圖ll所示的振動片的連結進行組合，對于振動 體14的直線的長度，能夠將作為振子的彎彎曲曲的長度變得最長。
權利要求
1、一種音片型振子，包括具有一個主面以及另一個主面的蜿蜒形狀的振動體；形成為從所述振動體的一個主面的縱長方向一端側向中央部延伸，并且在所述振動體的寬度方向上分割而成的兩個驅動電極；檢測電極，形成為從所述振動體的一個主面的縱長方向另一端側向中央部延伸；金屬膜，形成在所述振動體的另一個主面上；和支撐部，形成在成為所述振動體彎曲振動時的節(jié)點的部分，用于中空地支撐所述振動體。
2、 根據(jù)權利要求l所述的音片型振子，其特征在于， 在所述振動體的縱長方向的大致中央部，形成有沿與所述振動體的縱長方向交叉的方向延伸的長條狀的第一檢測部，在所述第一檢測部的一個 主面上形成有所述檢測電極。
3、 根據(jù)權利要求2所述的音片型振子，其特征在于， 還包括第二檢測部，該第二檢測部形成為與所述第一檢測部的端部連結，并且形成為在所述振動體的寬度方向的兩側沿所述振動體的縱長方向 延伸。
4、 根據(jù)權利要求1 3中的任一項所述的音片型振子，其特征在于， 所述振動體通過將兩個壓電體基板貼合而形成，在所述振動體的一個主面?zhèn)群土硪粋€主面?zhèn)?，兩個所述壓電體基板沿 厚度方向相互反向地極化。
5、 根據(jù)權利要求1 3中的任一項所述的音片型振子，其特征在于， 所述振動體通過將在厚度方向上極化了的壓電體基板和非壓電體基板貼合而形成。
6、 根據(jù)權利要求1 3中的任一項所述的音片型振子，其特征在于， 所述振動體由包括壓電膜的薄膜形成。
7、 一種振動陀螺儀，包括權利要求1 6中的任一項所述的音片型振子；驅動單元，用于向所述音片型振子的所述驅動電極間施加驅動信號;
全文摘要
本發(fā)明提供一種小型的、能夠小尺寸化的、能夠作為檢測靈敏度良好的振動陀螺儀來使用的音片型振子，和使用了該音片型振子的振動陀螺儀。在基板(12)上所形成的音片型振子(10)包括振動體(14)。振動體(14)在整體上形成為蜿蜒狀，中央部的振動片作為第一檢測部(62)來使用。在振動體(14)的一側形成驅動電極(16、18)，連接到引出電極(26、28)。第一檢測部(62)的一個主面上形成檢測電極(20)和公共電極(22)。振動體(14)的另一個主面上形成公共電極(22)，通過通孔(24)連接到一個主面上的公共電極(22)。檢測電極(20)和公共電極(22)連接到引出電極(30、32)。
文檔編號G01C19/56GK101495836SQ200780027770
公開日2009年7月29日 申請日期2007年4月9日 優(yōu)先權日2006年7月21日
發(fā)明者小池雅人, 藤本克己 申請人:株式會社村田制作所