專利名稱：振動陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及檢測物體旋轉的角速度的振動陀螺儀。
背景技術：
振動陀螺儀用于圖像攝影裝置的手抖檢測、汽車導航系統(tǒng)的方向檢 測等。近年來，這種需求擴展到各種領域，并提出提高角速度的檢測性 能及小型化等的要求。
在振動陀螺儀中，采用驅動模式和檢測模式分別正交的振動模式。 例如，專利文獻1公開了在由產生機械振動的材料組成的、截面為四方 形的振子中安裝有驅動用及檢測用壓電元件的振動陀螺儀。在該振動陀 螺儀中，可用壓電元件使振子大幅振動且高靈敏度地檢測角速度。
專利文獻1日本特開平8-35841號公報
但是，在傳統(tǒng)的振動陀螺儀中，通過驅動用壓電元件來驅動振子需 要較大的功率，電力消耗大。另外，需要在振子的4個面上安裝壓電元 件，隨著振子的小型化，存在壓電元件的安裝困難、花費工時的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明為解決上述問題的至少一部分而提出，可以作為以下的方式 或適用例而實現。 [適用例1]
本適用例是一種振動陀螺儀，其采用單晶壓電材料并具有從基部延 伸出來的多個振動臂，其特征在于，上述振動陀螺儀具備使上述振動臂 振動的驅動電極，上述驅動電極形成在至少一個上述振動臂的表面上， 壓電元件至少安裝在上述振動臂或上述基部的表面，當角速度作用于上 述振動陀螺儀時，上述壓電元件檢測科里奧利力所引起的振動分量，該
科里奧利力與由上述驅動電極使其振動的上述振動臂的振動方向正交。
根據該結構，通過在由單晶壓電材料構成的振動臂上設置驅動電極，
而成為低阻抗，可實現低電壓驅動、低消耗功率的振動陀螺儀。
另外，由于僅僅在角速度的檢測用途中采用壓電元件，因此與在單
晶壓電材料中形成檢測電極的情況相比，可提高角速度的檢測精度。而
且，在振動陀螺儀的一個面上安裝壓電元件即可，壓電元件的安裝變得容易。
在上述適用例的振動陀螺儀中，優(yōu)選形成于上述振動臂或上述基部 的表面的第1金屬膜與形成于上述壓電元件表面的第2金屬膜接合，上 述第1金屬膜及上述第2金屬膜是從金、鉑、鈀中選擇的同種金屬膜。
根據該結構，所接合的雙方金屬膜是由從金、鉑、鈀中選擇的同一 金屬形成的金屬膜，因此可通過壓接來接合，壓電元件的安裝容易。
在上述適用例的振動陀螺儀中，優(yōu)選在形成于上述振動臂或上述基 部的表面的上述第1金屬膜或形成于上述壓電元件表面的上述第2金屬 膜中的至少一方的金屬膜表面形成有凹凸，上述第1金屬膜與上述第2 金屬膜接合。
根據該結構，所接合的雙方金屬膜是由同一金屬形成的金屬膜。并 且，由于在所壓接的至少一方的面上形成凹凸，因此，由表面的凸部承 受壓接力，即使降低壓接力也可可靠地進行二者的接合。
在上述適用例的振動陀螺儀中，優(yōu)選在形成于上述振動臂或上述基
部的表面的上述第1金屬膜或形成于上述壓電元件表面的上述第2金屬 膜中的至少一方的金屬膜表面形成有突起，上述突起由與上述第1金屬 膜及上述第2金屬膜同種的金屬形成，上述第1金屬膜和上述第2金屬 膜借助上述突起而接合。
根據該結構，所接合的雙方金屬膜是由同一金屬形成的金屬膜。并 且，在所壓接的至少一方的面上形成由與上述的金屬膜相同的金屬形成 的突起。因此，由突起承受壓接力，即使降低壓接力也可可靠地進行二 者的接合。
在上述適用例的振動陀螺儀中，優(yōu)選上述壓電元件利用合金接合在 上述振動臂或上述基部的表面。
根據該結構，利用合金將振動臂和壓電元件接合。由于利用合金進 行接合，可將接合溫度抑制得較低，可不損害單晶壓電材料及壓電元件 的特性地進行接合。特別是，當使用共晶合金接合振動臂和壓電元件時， 可將接合溫度抑制得較低。


圖1是說明本實施方式中的音叉型振動陀螺儀的結構的概況的立體圖。
圖2是表示本實施方式中的音叉型振動陀螺儀的驅動檢測電路例的 說明圖。
圖3是表示本實施方式中的振動臂與壓電元件的安裝狀態(tài)的示意說 明圖。
圖4是表示本實施方式中的振動臂與壓電元件的安裝狀態(tài)的示意說
明圖。
圖5是表示變形例1中的音叉型振動陀螺儀的概略結構及驅動檢測 電路例的說明圖。
圖6是說明變形例2中的H型振動陀螺儀的形狀和壓電元件的安裝 位置的概略平面圖。
圖7是說明變形例3中的WT型振動陀螺儀的形狀和壓電元件的安 裝位置的概略平面圖。
具體實施例方式
以下，參照

將本發(fā)明具體化的實施方式。 (實施方式)
圖1是說明本實施方式中的音叉型振動陀螺儀的概略結構的立體圖。
音叉型振動陀螺儀1是由作為單晶壓電材料的石英基板采用光刻技 術刻蝕而形成的。石英基板采用將以石英晶軸的X軸(電氣軸)、Y軸(機 械軸)為平面的基板繞X軸旋轉0 10度范圍后的基板。并且，在本實施 方式中，將繞X軸旋轉而新生成的軸設為Y'軸、Z'軸。
在音叉型振動陀螺儀1中，具有基部11;從基部11向Y'軸方向 延伸的2條振動臂10a、 10b;以及安裝在振動臂10a、 10b上的壓電元件 12。另外，對于壓電元件12的安裝位置，只要安裝在振動臂10a、 10b 受到科里奧利力(Coriolis force)引起的應力作用的部分即可。在本實施 方式的情況下，安裝在振動臂10a、 10b到基部11之間，但是可以僅安 裝在振動臂10a、 10b的一部分上，也可以僅安裝在基部11上。另外， 雖然未圖示，在振動臂10a、 10b中形成使該振動臂10a、 10b勵振的驅 動電極。
壓電元件12由鋯鈦酸鉛等的壓電陶瓷形成。優(yōu)選采用100,以下 的鋯鈦酸鉛薄膜，由于是薄膜，所以質量輕，石英的振動穩(wěn)定。另外， 作為壓電元件，也可使用偏氟乙烯(PVPF)、偏氟乙烯一三氟乙烯共聚物 等的高分子壓電膜。圖2是表示上述的音叉型振動陀螺儀的振動臂部分的截面、在振動 臂表面上設置的電極結構及驅動檢測電路例的說明圖。
在與振動臂10a的Z'軸大致平行的相向的面上設置驅動電極21a，同 樣在與振動臂10b的Z'軸大致平行的相向的面上設置驅動電極21b。驅動 電極21a、 21b與振蕩電路26連接，驅動電極21a和驅動電極21b構成 為具有相反的極性。
另外，在與振動臂10a、 10b的X軸大致平行的相向的面上分別設置 接地電極22進行接地。另外，驅動電極21a、 21b及接地電極22通過濺 射或真空蒸鍍等的方法，構成為在底層形成鉻膜、并在其上形成金膜。
在與振動臂10a、 10b的X軸大致平行的面的設置有接地電極22的 一面上，分別安裝有壓電元件12。在壓電元件12的相向的2個面上安裝 金膜，壓電元件12的金膜和接地電極22的金膜被熱壓接而接合。
然后，形成在壓電元件12表面的檢測電極24a、 24b與差動檢測器 27連接，而且，差動檢測器27與檢測電路28連接。
在這樣構成的振動陀螺儀中，當從振蕩電路26對驅動電極21a、 21b 交互施加相反極性的電壓時，振動臂10a、 10b在X軸方向(圖1中的箭 頭A方向)上彎曲振動。該彎曲振動是以靠近或遠離振動臂10a、 10b的 前端的方式反復振動(驅動振動)。
在該振動臂10a、 10b驅動振動時，當加上繞Y'軸的旋轉時，則科里 奧利力作用于與驅動振動正交的方向，振動臂10a、 10b在Z'軸方向(圖l 中的箭頭B方向)上振動(檢測振動)。此時，振動臂10a、 10b在彼此相反 的方向振動。然后，壓電元件12檢測由于檢測振動中的振動臂10a、 10b 的運動而受到的應力，該檢測信號通過差動檢測器27進行差動放大后輸 入檢測電路28。在檢測電路28中，處理檢測信號，獲得角速度信號。
接著，說明安裝在振動臂10a、 10b上的壓電元件12的安裝方法的 方式。
圖3是表示本實施方式中的振動臂與壓電元件的安裝狀態(tài)例的示意 說明圖。
在圖3(a)中，在振動臂10a的表面形成接地電極22。接地電極22構
成為以鉻膜13為底層，在其上形成作為第1金屬膜的金膜14。在壓電元 件12的相向的2個面上，形成作為第2金屬膜的金膜15、 16。
然后，通過加熱振動臂10a的金膜14和壓電元件12的金膜15并進
行壓接，可將二者接合。
這樣，由于在接合面上都形成金膜14、 15，通過壓接可將壓電元件 12接合到振動臂10a上，因此易于安裝。
在以下的說明中，對與圖3(a)同樣的結構附上相同標號，省略詳細 的說明。
在圖3(b)中，在形成于振動臂10a上的接地電極22的金膜14的表 面形成凹凸。該凹凸采用納米壓印技術(nanoimprinting technique)等形成。
然后，通過對振動臂10a的金膜14和壓電元件12的金膜15進行加 熱并進行壓接，可將二者接合。另外，設于金膜表面的凹凸可設置在壓 電元件12—側的金膜15上，也可設置在雙方的金膜14、 15上。
這樣，被壓接的振動臂10a和壓電元件12的接合面的金屬膜是由同 一金屬形成的金膜14、 15。而且，由于在所壓接的至少一方的面上形成 凹凸，所以由表面的凸部承受壓接力，因此即使降低壓接力，也可以可 靠地進行二者的接合。
在圖3(c)中，在形成于振動臂10a上的接地電極22的金膜14的表 面形成金突起17。
并且，通過借助金突起17對振動臂10a和壓電元件12進行加熱壓 接，可將二者接合。另外，設于金膜表面的金突起也可設置在壓電元件 12—側的金膜15上。
這樣，被壓接的振動臂10a和壓電元件12的接合面的金屬膜是由同 一金屬形成的金膜14、 15。并且，在所壓接的至少一方的面上形成有金 突起。因此，由突起承受壓接力，即使降低壓接力也可以可靠地進行二 者的接合。
在圖3(d)中，在形成于振動臂10a上的接地電極22的金膜14的表 面上涂布由亞微米的金粒子構成的金膏18。
然后，通過借助金膏18對振動臂10a和壓電元件12進行加熱壓接， 可將二者接合。另外，設于金膜表面的膏也可以設置在壓電元件12側的 金膜15上。
這樣，被壓接的振動臂10a和壓電元件12的接合面的金屬膜是由同 一金屬形成的金膜14、 15。在所壓接的至少一方的面上形成有金膏18。 因此，即使在金膜的厚度無法充分形成的情況下，通過用金膏18調節(jié)厚 度，從而可以可靠地進行二者的接合。
在用上述圖3說明的振動臂10a與壓電元件12的安裝狀態(tài)例中，使 用金作為同種金屬構成接合面，但是，也可以用鉑或鈀等的金屬代替金。 另外，這些金、鉑、鈀等的金屬也可以是以這些金屬為主成分的合金。 而且，在上述的方式中，加熱進行壓電元件12的壓接，但是也可以利用 超聲波或超聲波和加熱雙方進行壓接。
圖4是表示其他的振動臂與壓電元件的安裝狀態(tài)例的示意說明圖。
在圖4中，在振動臂10a的表面上形成接地電極22。接地電極22 構成為以鉻膜13為底層，并在其上形成作為第1金屬膜的金膜14。并且， 在金膜14表面的安裝有壓電元件12的部分涂布釬料膏19。另外，在壓 電元件12的相向的2個面上形成作為第2金屬膜的金膜15、 16。
然后，通過在振動臂10a的釬料膏19上載置壓電元件12并加熱， 可使釬料熔融，將二者接合。此時，若高精度地形成釬料膏的涂布位置， 則在釬料熔融時表面張力起到使壓電元件對準該涂布位置的作用，可提 高接合位置精度。
另外，設于金膜表面的釬料膏可以設置在壓電元件12 —側的金膜 15上，也可以設置在雙方的金膜14、 15上。另外，也可以取代釬料膏而 形成釬料薄膜。
這樣，在本實施方式中，借助共晶合金即釬料將振動臂10a和壓電 元件12接合在振動臂10a和壓電元件12的接合面上。由于是共晶合金 的接合，因此可將接合溫度抑制得較低，可在不損害石英及壓電元件的 特性的情況下進行接合。
另外，除了釬料，也可采用金/錫、金/鍺等共晶合金，通過在振動臂10a和壓電元件12之間配置這些共晶合金并加熱，可接合振動臂10a和 壓電元件12。
以上，根據本實施方式，通過在由石英構成的振動臂10a、 10b上設 置驅動電極21a、 21b，形成低阻抗，可實現低電壓驅動、低消耗功率的 振動陀螺儀1。
另外，由于僅僅在角速度的檢測用途中采用壓電元件12，因此在振 動陀螺儀1的一個面上安裝壓電元件12即可，壓電元件12的安裝變得 容易。
另外，由于采用石英作為單晶壓電材料，因此可提供頻率溫度特性 佳且角速度的檢測精度高的振動陀螺儀l。另外，采用光刻技術容易進行 對石英的外形加工、電極形成，可獲得量產性佳的振動陀螺儀l。
而且，由于采用壓電陶瓷或高分子壓電膜作為壓電元件12，這些壓 電元件12與石英相比其壓電常數較大，因此，可提供角速度的檢測靈敏 度高的振動陀螺儀。
(變形例1)
接著，說明上述實施方式的變形例。
圖5是表示其他振動陀螺儀的概略結構及驅動檢測電路例的說明 圖。本變形例是在音叉型振動陀螺儀中僅在單方的振動臂上安裝壓電元 件的示例。
在與振動臂10a的X軸大致平行的相向的面上設置驅動電極31a， 同樣，在與振動臂10b的Z'軸大致平行的相向的面上設置驅動電極31b。 并且，驅動電極31a、 31b與振蕩電路26連接。
另外，在與振動臂10a的Z'軸大致平行的相向的面以及與振動臂10b 的X軸大致平行的相向的面上分別設置接地電極32進行接地。另外，驅 動電極31a、 31b及接地電極32通過濺射或真空蒸鍍等的方法構成為以 鉻膜為底層并在其上形成金膜。
在與振動臂10b的X軸大致平行的面的、設置有接地電極22的一面 上，安裝有壓電元件12。在壓電元件12相向的2個面上安裝有金膜，壓 電元件12的金膜和接地電極22的金膜被熱壓接而接合。
并且，在壓電元件12的表面上形成的檢測電極24b與檢測電路28 連接。
在這樣構成的振動陀螺儀中，若從振蕩電路26對驅動電極31a、 31b 交互施加電壓，則振動臂10a、 10b在X軸方向上彎曲振動。該彎曲振動 以靠近或遠離振動臂10a、 10b的前端的方式反復振動(驅動振動)。
該振動臂10a、 10b驅動振動時，若添加繞Y'軸的旋轉，則科里奧利 力作用于與驅動振動正交的方向，振動臂10a、 10b在Z'軸方向上振動(檢 測振動)。此時，振動臂10a、 10b在彼此相反的方向上振動。壓電元件 12檢測檢測振動中由振動臂10b的運動而承受的應力，并將該檢測信號 輸入檢測電路28。檢測電路28對檢測信號進行處理，獲得角速度信號。 這樣，在音叉型的振動陀螺儀中，即使是一個壓電元件12也可檢測角速 度。
C變形例2)
接著，作為本實施方式的變形例2，說明對其他形狀的振動陀螺儀 的應用。
圖6是說明變形例2中的H型振動陀螺儀的形狀和壓電元件的安裝 位置的概略平面圖。
H型振動陀螺儀2的形狀可通過對與本實施方式同樣的石英基板進 行刻蝕而獲得。在H型振動陀螺儀2中具有基部41;從基部41向Y' 方向延伸的2條驅動用振動臂40a、 40b;從基部41向與振動臂40a、 40b 的延伸方向相反的方向延伸的檢測用振動臂43a、 43b;以及安裝在檢測 用振動臂43a、 43b上的壓電陶瓷或高分子壓電膜的壓電元件42。對于一 條振動臂設置2個壓電元件42。
在驅動用振動臂40a、 40b上設置驅動電極(未圖示)，通過施加驅動 電極的電壓，驅動用振動臂40a、 40b在X軸方向上彎曲振動。與該驅動 用振動臂40a、 40b相呼應，檢測用振動臂43a、 43b也被激勵而在X軸 方向上振動，以取得平衡。此時，若施加繞Y'軸的旋轉，則由于在檢測 用振動臂43a、 43b處產生的科里奧利力，振動臂43a、 43b在Z'軸方向 上振動。壓電元件42檢測由于該振動臂43a、 43b的運動而受到的應力，
由此可檢測角速度。
這樣，在H型振動陀螺儀中也通過驅動電極使振動臂43a、43b振動， 可以用壓電元件42進行角速度的檢測，可實現與上述實施方式同樣的效果。
(變形例3)
接著，作為本實施方式的變形例3，說明對其他形狀的振動陀螺儀 的應用。
圖7是說明變形例3中的WT型振動陀螺儀的形狀和壓電元件的安 裝位置的概略平面圖。
WT型振動陀螺儀3的形狀可通過對與本實施方式同樣的石英基板 進行刻蝕而獲得。在WT型振動陀螺儀3中具有基部51;從基部51 向Y'方向延伸的2條檢測用振動臂53a、 53b;從基部51向X軸方向延 伸的2條連結臂54;在連結臂54的前端部向Y'軸方向延伸的驅動用振 動臂50a、 50b、 50c、 50d;以及分別安裝在檢測用振動臂53a、 53b上的 壓電陶瓷或高分子壓電膜的壓電元件52。
在驅動用振動臂50a、 50b、 50c、 50d上設置驅動電極(未圖示)，通 過施加驅動電極的電壓，驅動用振動臂在X軸方向上彎曲振動。此時， 檢測用振動臂53a、 53b不振動。這里，當對WT型振動陀螺儀3施加繞 Y'軸的旋轉時，在驅動用振動臂50a、 50b、 50c、 50d處產生科里奧利力， 驅動用振動臂50a、 50b、 50c、 50d在Z'軸方向上振動。與該振動相呼應， 檢測用振動臂53a、 53b在Z'軸方向上振動。并且壓電元件52檢測由于 該振動臂53a、 53b的運動而受到的應力，由此可以檢測角速度。
這樣，在WT型振動陀螺儀3中也通過驅動電極使驅動用振動臂50a、 50b、 50c、 50d振動，可用安裝在檢測用振動臂53a、 53b上的壓電元件 52進行角速度的檢測。因此，在本變形例中也可實現與上述實施方式同 樣的效果。
另外，本實施方式中，采用石英作為單晶壓電材料，但是，也可釆 用鉭酸鋰、鈮酸鋰、硼酸鋰、硅酸鎵鑭(Langasite)等。
權利要求
1.一種振動陀螺儀，其采用單晶壓電材料并具有從基部延伸出來的多個振動臂，其特征在于，上述振動陀螺儀具備使上述振動臂振動的驅動電極，上述驅動電極形成在至少一個上述振動臂的表面上，壓電元件至少安裝在上述振動臂或上述基部的表面，其中，當角速度作用于上述振動陀螺儀時，上述壓電元件檢測科里奧利力所引起的振動分量，該科里奧利力與由上述驅動電極使其振動的上述振動臂的振動方向正交。
2. 根據權利要求1所述的振動陀螺儀，其特征在于， 上述單晶壓電材料是石英。
3. 根據權利要求1或2所述的振動陀螺儀，其特征在于， 上述壓電元件是壓電陶瓷或高分子壓電膜。
4. 根據權利要求1至3中任一項所述的振動陀螺儀，其特征在于， 形成于上述振動臂或上述基部的表面的第1金屬膜與形成于上述壓電元件表面的第2金屬膜接合，上述第1金屬膜及上述第2金屬膜是從金、鉑、鈀中選擇的同種金屬膜。
5. 根據權利要求4所述的振動陀螺儀，其特征在于， 在形成于上述振動臂或上述基部的表面的上述第1金屬膜、或形成于上述壓電元件表面的上述第2金屬膜中的至少一方的金屬膜表面上形 成有凹凸，上述第1金屬膜與上述第2金屬膜接合。
6. 根據權利要求4所述的振動陀螺儀，其特征在于， 在形成于上述振動臂或上述基部的表面的上述第1金屬膜、或形成于上述壓電元件表面的上述第2金屬膜中的至少一方的金屬膜表面上形 成有突起，上述突起由與上述第1金屬膜及上述第2金屬膜同種的金屬形成，上述第1金屬膜和上述第2金屬膜借助上述突起而接合。
7.根據權利要求1至3中任一項所述的振動陀螺儀，其特征在于， 上述壓電元件利用合金接合在上述振動臂或上述基部的表面上。
全文摘要
本發(fā)明提供低消耗功率且角速度的檢測靈敏度佳的振動陀螺儀。作為解決手段，在由石英構成且具有從基部(11)延伸出來的振動臂(10a、10b)的音叉型振動陀螺儀(1)中，具備在振動臂(10a、10b)的表面形成的使振動臂(10a、10b)振動的驅動電極，壓電元件(12)安裝在振動臂(10a、10b)的表面，當角速度作用于音叉型振動陀螺儀(1)時，檢測與在由驅動電極使其振動的振動臂(10a、10b)的振動方向正交的方向上振動的振動臂(10a、10b)的科里奧利力產生的振動分量。
文檔編號G01C19/56GK101339031SQ200810132000
公開日2009年1月7日 申請日期2008年7月4日 優(yōu)先權日2007年7月6日
發(fā)明者清水教史, 菊池尊行 申請人:愛普生拓優(yōu)科夢株式會社