专利名称：音片型振子以及使用了该音片型振子的振动陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及音片型振子以及使用了该音片型振子的振动陀螺仪，尤其 涉及例如利用了弯曲振动的音片型振子和使用了该音片型振子的振动陀 螺仪。
背景技术：
图12是表示现有的音片型振子的一个例子的立体图。音片型振子1 包括狭条状的两个压电体基板2a、 2b。这些压电体基板2a、 2b隔着电极 3进行层叠。这些压电体基板2a、 2b，如图12的箭头所示，相互反向地 极化。在一方的压电体基板2a的主面上形成两个分割电极4、 4。这些分 割电极4、 4形成为在压电体基板2a的宽度方向的中央部分割，沿压电体 基板2a的纵长方向延伸。此外，在另一方的压电体基板2b的主面上，在 其整个面上形成公共电极5。该音片型振子1通过在分割电极4、 4和公共 电极5之间连接振荡电路，在与压电体基板2a、 2b的主面正交的方向上 弯曲振动，在其弯曲振动的节点部形成支撑部件6、 6。
该音片型振子l作为例如振动陀螺仪来使用。在该情况下，在分割电 极4、 4和公共电极5之间连接振荡电路。此外，分割电极4、 4连接到差 动电路，检测分割电极4、 4的输出信号的差。根据振荡电路的驱动信号， 音片型振子1在与压电体基板2a、 2b的主面正交的方向上弯曲振动。这 里，音片型振子l通过以其谐振频率进行振动的自激振荡驱动来弯曲振动。 在该状态下，如果以音片型振子1的中心轴为中心施加旋转角速度，则在 与无旋转时的弯曲振动的方向正交的方向上科里奥利力(Coriolis force) 起作用。因此，音片型振子l的弯曲振动的方向发生改变，从两个分割电 极4、 4输出与科里奥利力对应的反相信号，从差动电路输出这些信号的 差。因此，通过测定差动电路的输出信号，能够检测对音片型振子1所施 加的旋转角速度(参照专利文献1)。专利文献l:特开平7-332988号公报
伴随着安装有振动陀螺仪的摄像机等的小型化，振动陀螺仪也需要进
一步小型化及小尺寸化。这里，如上所述的音片型振子的谐振频率"r如 下式所示，其中，设音片型振子的长度为L，厚度为H，密度为p，杨氏 模量为E，转动惯量为I。 [数学式1]
根据上式可知，当音片型振子小型化时，其谐振频率变高。另一方面， 如果音片型振子的谐振频率变高，则该谐振频率与施加给摄像机等的手抖 频率的差变大，旋转角速度的检测灵敏度降低。 一般的振动陀螺仪的谐振 频率为50kHz以下，例如，在一般的压电陶瓷双压电晶片振子中，其厚度 为0.4mm，长度为7mm，谐振频率大致是30kHz。
这样，如果使音片型振子小型化，则旋转角速度的检测灵敏度降低， 如果为了提高旋转角速度的检测灵敏度而降低谐振频率，则音片型谐振子 成为大型化。此外，在层叠了压电体的音片型振子中，压电体需要具有一 定的厚度，振动陀螺仪的小尺寸化也有极限。
由此，本发明的主要目的是提供一种小型的、能够小尺寸化的、能够 作为检测灵敏度良好的振动陀螺仪来使用的音片型振子和使用了该音片 型振子的振动陀螺仪。
本发明的音片型振子包括具有一个主面以及另一个主面的蜿蜒形状 的振动体；形成为从振动体的一个主面的纵长方向一端侧向中央部延伸， 并且在振动体的宽度方向上分割而成的两个驱动电极；检测电极，形成为 从振动体的一个主面的纵长方向另一端侧向中央部延伸；金属膜，形成在 振动体的另一个主面上；和支撑部，形成在成为振动体弯曲振动时的节点 的部分，用于中空地支撑振动体。
通过对驱动电极施加驱动信号，能够在振动体中激发弯曲振动。这里，
发明内容通过将振动体形成为蜿蜒形状，即使音片型振子整体小型化，也能够确保 保持低谐振频率所需的振子长度。因此，即使音片型振子整体小型化，也 能够防止其谐振频率变高。
另外，驱动电极形成为从振动体的纵长方向的一端侧向中央部延伸， 检测电极形成为从振动体的纵长方向的另一端侧向中央部延伸，但是，这 里所说的一端侧以及另一端侧是表示与振动体的中央部相对的纵长方向 的一端侧以及另一端侧的方向，不是振动体的端部的意思。因此，并不是 表示了从振动体的两侧中的端部到中央部，整体性的形成有驱动电极和检 测电极。
在这样的音片型振子中，也可以构成为，在振动体的纵长方向的大致 中央部，形成有沿与振动体的纵长方向交叉的方向延伸的长条状的第一检 测部，在第一检测部的一个主面上形成有检测电极。
通过在振动体的纵长方向的大致中央部形成沿与振动体的纵长方向 交叉的方向延伸的长条状的第一检测部，在对弯曲振动的音片型振子施加 了旋转角速度时，在第一检测部科里奥利力起作用。由此，与科里奥利力 对应，第一检测部发生变形，在第一检测部产生与科里奥利力对应的信号， 从检测电极输出该信号。
此外，也可以构成为包括第二检测部，该第二检测部形成为与第一检 测部的端部连结，并且形成为在振动体的宽度方向的两侧沿振动体的纵长 方向延伸。
通过在第一检测部的端部形成第二检测部，能够使科里奥利力引起的 第一检测部的变形变大，能够从检测电极输出与科里奥利力对应的更大的 信号。
也可以构成为振动体通过将两个压电体基板贴合而形成，在振动体 的一个主面侧和另一个主面侧，两个压电体基板沿厚度方向相互反向地极 化。
此外，振动体能够通过将在厚度方向上极化了的压电体基板和非压电 体基板贴合而形成。
进而，振动体能够由包括压电膜的薄膜形成。
振动体只要采用根据驱动信号而进行弯曲振动的结构即可。因此，可
6使两个压电体基板贴合以形成振动体，还可使压电体基板和非压电体基板
贴合以形成振动体。
进而，通过将振动体形成为薄膜结构，能够使音片型振子的小尺寸化。 另外，本发明的振动陀螺仪包括上述的任一项所述的音片型振子；
驱动单元，用于在音片型振子的驱动电极间施加驱动信号；和检测单元，
用于检测在检测电极与金属膜之间产生的信号。
根据由驱动单元施加的驱动信号，音片型振子弯曲振动，并通过施加
旋转角速度，从检测电极输出与科里奥利力对应的检测信号，利用检测单
元检测该检测信号。因此，利用检测单元所检测的与科里奥利力对应的检
测信号，可知施加给音片型振子的旋转角速度。 (发明效果)
根据本发明，即使音片型振子小型化也能够防止其谐振频率变高。因 此，通过采用这样的音片型振子，可获得小型的、具有良好灵敏度的振动 陀螺仪。而且，通过将音片型振子的振动体作成薄膜结构，可使音片型振 子小尺寸化。因此，通过采用这样的音片型振子，可获得小尺寸化的振动 陀螺仪。
根据参照附图进行的用于实施以下发明的优选实施方式的说明，使本 发明的上述目的、其他目的、特征以及优点更加清楚。
图1是表示本发明的音片型振子的一例的俯视图。
图2是表示图1所示的音片型振子中使用的振动体的立体图。
图3是图1所示的音片型振子的用单点划线表示的支持部的剖视图。
图4是表示使用了图1所示的音片型振子的振动陀螺仪的一例的图解图。
图5是表示振动体的弯曲振动的状态的图解图。 图6是表示具有第二检测部的振动体的振动状态的图解图。 图7是表示本发明的音片型振子的另一例的俯视图。 图8是表示使用了图7所示的音片型振子的振动陀螺仪中的振动体的 振动状态的图解图。图9是表示构成振动体的振动片的连接部位的一例的立体图。
图io是表示构成振动体的振动片的连接部位的另一例的立体图。
图11是表示构成振动体的振动片的连接部位的又一例的立体图。 图12是表示现有的音片型振子的一例的立体图。
符号说明10音片型振子
12基板
14振动体
16、18驱动电极
20检测电极
22公共电极
34空洞部
36Si。2膜
38压电膜
50振动陀螺仪
52振荡电路
54差动电路
56同步检波电路
58平滑电路
60DC放大器
62第一检测部
64第二检测部
具体实施例方式
图1是表示本发明的音片型振子的一例的俯视图。音片型振子10被 中空地支撑在例如矩形板状的基板12上。音片型振子10包括振动体14。 振动体14形成为由例如Si02膜和压电膜构成的薄膜结构。振动体14如图 2所示，形成为整体上成为蜿蜒状。也就是说，平行地配置多个长方形状 的振动片，中央部的振动片和与其邻接的振动片在中央部连接。此外，在 连接的三个振动片的两侧，各振动片交替地在不同的端部连接，形成为弯
8弯曲曲的蜿蜒形状。在中央部的振动片的两侧，在相互相反的端部邻接的 振动片连接，形成为对于中央部的振动片的中心点旋转对称。
在振动体14中激励弯曲振动，在成为该弯曲振动的节点的两处，振
动体14被支撑在基板12上。按照从振动体14的一方的支撑部14a延伸 到与中央部的振动片邻接的振动片的方式，形成两个驱动电极16、 18。这 些驱动电极16、 18在各振动片的宽度方向进行分割，相互平行地形成为 蜿蜒形状。此外，在中央部的振动片的一个主面上，在其宽度方向的两侧， 即振动体14整体的纵长方向的两侧进行分割，形成检测电极20和公共电 极22。检测电极20形成为在与驱动电极16、 18相反侧的振动片侧蜿蜒形 状地延伸到另一方的支撑部14b。另外，支撑部14a、 14b由金属或树脂等 形成为柱状。
在振动体14的另一主面上，由金属膜形成公共电极22。而且，在振 动体14的中央部的振动片上形成通孔24，通过该通孔24，连接振动体14 的另一方主面上的公共电极22和中央部的支撑片的一方主面上所形成的 公共电极22。
在振动体14的一方的支撑部14a上，两个驱动电极16、 18与引出到 基板12上的引出电极26、 28连接。引出电极26、 28分别配置在振动体 14的宽度方向的两侧，引出到振动体14的纵长方向的一端侧。此外，在 振动体14的另一方的支撑部14b上，检测电极20与引出到基板12上的 引出电极30连接。此外，在振动体14的另一方的支撑部14b上，振动体 14的另一方主面上所形成的公共电极22与引出到基板12上的引出电极 32连接。引出电极30、 32分别配置在振动体14的宽度方向的两侧，引出 到振动体14的纵长方向的另一端侧。
如图1的单点划线所示，图3是表示振动体14的另一方的支撑部14b 处的音片型振子10的基板12的纵长方向的剖面的图解图。在基板12上， 通过具有例如梯形的剖面形状的空洞部34，形成音片型振子10。为此， 在基板12上，形成公共电极22。公共电极22形成为从基板12向斜上方 上升，进而与基板12的主面几乎平行地延伸。该公共电极22的与基板12 接触的部分形成为与引出电极32连续。
在公共电极22上形成Si02膜36。 Si02膜36为了覆盖空洞部34，形成为覆盖公共电极22的从上升部分到与基板12的主面几乎平行的部分，
进而在公共电极22的相反侧向基板12斜向下延伸。进而，在SK)2膜36 上，由例如A1N等形成压电膜38。压电膜38在与基板12的主面几乎平 行的部分，形成在与公共电极22对置的位置。此外，在压电膜38上形成 检测电极20。检测电极20形成为从压电膜38上跨到SiOj莫36上，并在 公共电极22被引出的一侧的相反侧引出到基板12上。而且，引出到基板 12上的检测电极20形成为与引出电极30连续。在图3中，公共电极22、 SiOj莫36、压电膜38以及检测电极20重叠的区域构成振动体14。
此外，在振动体14的一方的支撑部14a上，在压电膜38上，隔开间 隔形成两个驱动电极16、 18，引出到Si02膜36的两侧。引出到SiCb膜 36的两侧的驱动电极16、 18，形成为与引出电极26、 28连续。振动体14 的两个支撑部14a、 14b以外的部分形成为从基板12浮起的状态，且形成 为公共电极22、 Si02膜36、压电膜38、以及驱动电极16、 18或检测电极 20层叠的状态。因此，在这些部分中，振动体14和各电极不与基板12 接触。
为了制作音片型振子10而准备基板12。在该基板12上形成ZnO薄 膜。ZnO薄膜在支撑部处中空地支撑音片型振子10，支撑部以外的部分成 为所谓的牺牲层，为了从基板12分离地形成音片型振子10而在以后的工 序中被去除。ZnO薄膜例如在基板12上利用外延生长法等来形成。该ZnO 薄膜通过反应性离子蚀刻(RIE)等图案化为音片型振子10的形状。
在ZnO薄膜上，通过利用例如RF磁控管溅射法、电镀法、蒸镀法等 薄膜技术形成Au等的金属膜，从而形成公共电极22。此时，为了从公共 电极22引出到基板12上，还形成引出电极32。进而，在公共电极22上， 利用薄膜技术依次形成Si02膜36和压电膜38。这些公共电极22、 Si02 膜36以及压电膜38也利用R正等图案化为规定的形状。进而，在Si02 膜36和压电膜38的中央部，形成用于连接上下的公共电极22的通孔24。 然后，在压电膜38上利用薄膜技术由Au等形成金属膜。该金属膜被图案 化为规定的形状，形成驱动电极16、 18、检测电极20以及振动体14的一 方主面上的公共电极22。此时，在通孔24中也形成金属膜，连接上下的 公共电极22。进而，在形成金属膜时，在基板12上还形成引出电极26、28、 30。最后，通过利用蚀刻等去除ZnO膜，制作音片型振子10。
该音片型振子10如图4所示，作为例如振动陀螺仪50来使用。此时，在连接了驱动电极16、 18的引出电极26、 28上连接作为驱动单元的振荡电路52。振荡电路52包括AGC电路、相位修正电路、驱动用放大电路等。于是，由振动体14、驱动电极16、 18、引出电极26、 28、振荡电路52形成自激振荡回路。
而且，与检测电极20和公共电极22连接的引出电极30、 32连接到差动放大电路54。差动放大电路54的输出信号输入到同步检波电路56。在同步检波电路56上连接振荡电路52，与振荡电路52的信号同步地对差动放大电路54的输出信号进行检波。进而，在同步检波电路56中依次连接平滑电路58和DC放大器60。由这些差动放大电路54、同步检波电路56、平滑电路58和DC放大器60等构成用于对与旋转角速度对应的信号进行检测的检测单元。另外，与旋转角速度对应的信号产生于形成了检测电极20和公共电极22的中央部的振动片，所以该中央部的振动片成为用于检测旋转角速度的第一检测部62。
在该振动陀螺仪50中，通过包括振荡电路52的自激振荡回路，在音片型振子10中激励弯曲振动。如图5所示，该弯曲振动是以振动体14的两个节点为中心在与振动体14的主面平行的面内激励的弯曲振动。此时，第一检测部62的位置根据振动体14的弯曲振动而变位，但其形状不变形。
在该状态下，如果以与振动体14的主面正交的方向的轴为中心施加旋转角速度，则在与振动体14的主面平行的面内，在与弯曲振动的方向正交的方向上科里奥利力起作用。利用该科里奥利力，第一检测部62在振动体14的纵长方向上发生弯曲的变形。第一检测部62的变形量与科里奥利力对应，所以在检测电极20和公共电极22之间产生与科里奥利力对应的信号。因此，从差动电路54输出与科里奥利力对应的信号。
基于该科里奥利力的信号在同步检波电路56中被同步检波，在平滑电路58中被平滑，进而在DC放大器60中被放大。因此，通过对DC放大器60的输出信号进行测定，能够检测对音片型振子10施加的旋转角速度。
在该音片型振子10中，振动体14的中央部存在的第一检测部62的两侧部分形成为蜿蜒形状，所以与作为振动体14整体的直线的长度相比， 能够使作为振子的弯弯曲曲的长度变长。因此，即使音片型振子10小型 化，也能够较长地保持作为振子的长度，能够使音片型振子10的谐振频 率不变高。
这样，如果采用该音片型振子10，则即使小型化也能够获得谐振频率 低的振动陀螺仪50。因此将振动陀螺仪50装载到摄像机等中时，能够以 与手抖频率的差较小的谐振频率激励音片型振子10。因此，能够获得对于 手抖动等具有良好的灵敏度的小型的振动陀螺仪50。此外，通过采用由 SiOj莫36和压电膜38构成的薄膜结构作为压电体，能够获得音片型振子 10的小尺寸化。进而，通过采用SiOj莫和压电膜38能够利用薄膜工艺来 制作音片型振子，所以也容易使音片型振子10小型化。
在这样的振动陀螺仪50中，如图6所示，也可以在第一检测部62的 两端部形成第二检测部64。第二检测部64沿振动体14的宽度方向的两侧 形成。在科里奥利力起作用时，第二检测部64作为使第一检测部62的变 形变大的重物(weight)而起作用。因此，在对音片型振子10施加了旋转 角速度时，由科里奥利力第一检测部62产生大的变形，能够从差动电路 54获得较大的信号。因此，如果使用这样的音片型振子10，则能够获得 灵敏度良好的振动陀螺仪50。另外，如上所述，第二检测部64是作为重 物而起作用的单元，没有必要在该部分形成电极。
此外，如图7所示，也可以在第一检测部62的一方主面的几乎整个 面上形成检测电极20，在另一方主面上形成公共电极。在使用了这样的音 片型振子10的振动陀螺仪50中，检测以沿音片型振子10的纵长方向延 伸的轴为中心的旋转角速度。也就是说，音片型振子10在如图5所示那 样弯曲振动的状态下，如果施加那样的旋转角速度，则在与音片型振子IO 的主面正交的方向科里奥利力起作用。由此，如图8所示，第一检测部62 在厚度方向弯曲，在第一检测部62中，在对置的检测电极20和公共电极 22之间产生信号。该信号从差动电路54被输出，所以通过测定DC放大 器60的输出信号，能够检出对音片型振子10施加的旋转角速度。
另外，作为压电膜38而形成的A1N其杨氏模量的温度系数为负值， 所以根据温度而检测信号的频率发生变化，有可能不能准确地检测旋转角速度。因此，通过与杨氏模量的温度系数为正值的Si02膜36进行组合， 能够使检测信号的频率的温度特性稳定。
作为振动体14，也可以不是利用薄膜工艺形成的Si02膜36和压电膜 38。例如，也可以将振动体14的形状的两个压电体基板进行层叠，这些 压电体基板在相互反向的厚度方向上极化。此外，也可以将振动体14的 形状的压电体基板和非压电体基板进行层叠。即使是使用了这样的振动体 14的音片型振子10，通过将第一检测部62的两侧部分形成为蜿蜒形状， 也能够较长地保持作为振子的长度，能够形成小型、谐振频率低的音片型 振子。
此外，作为构成振动体14的平行地配置的振动片的连结部位，如图9 所示，能够在振动片的端部进行连结。此外，如图10所示，能够在振动 片的端部和中央部之间进行连结，如图11所示，也能够在振动片的中央 部进行连结。在上述的音片型振子10中所使用的振动体14中，中央部的 振动片和与其邻接的振动片，如图11所示，在中央部进行连结，其两侧
的振动片，如图9所示，在端部进行连结。但是，也可以将在振动片的端 部连结的部分，在如图10所示的连结部位进行连结，即使在该情况下， 也能够使作为振子的弯弯曲曲的长度变长。另外，如图l所示的音片型振 子10那样，通过将图9和图ll所示的振动片的连结进行组合，对于振动 体14的直线的长度，能够将作为振子的弯弯曲曲的长度变得最长。
权利要求
1、一种音片型振子，包括具有一个主面以及另一个主面的蜿蜒形状的振动体；形成为从所述振动体的一个主面的纵长方向一端侧向中央部延伸，并且在所述振动体的宽度方向上分割而成的两个驱动电极；检测电极，形成为从所述振动体的一个主面的纵长方向另一端侧向中央部延伸；金属膜，形成在所述振动体的另一个主面上；和支撑部，形成在成为所述振动体弯曲振动时的节点的部分，用于中空地支撑所述振动体。
2、 根据权利要求l所述的音片型振子，其特征在于， 在所述振动体的纵长方向的大致中央部，形成有沿与所述振动体的纵长方向交叉的方向延伸的长条状的第一检测部，在所述第一检测部的一个 主面上形成有所述检测电极。
3、 根据权利要求2所述的音片型振子，其特征在于， 还包括第二检测部，该第二检测部形成为与所述第一检测部的端部连结，并且形成为在所述振动体的宽度方向的两侧沿所述振动体的纵长方向 延伸。
4、 根据权利要求1 3中的任一项所述的音片型振子，其特征在于， 所述振动体通过将两个压电体基板贴合而形成，在所述振动体的一个主面侧和另一个主面侧，两个所述压电体基板沿 厚度方向相互反向地极化。
5、 根据权利要求1 3中的任一项所述的音片型振子，其特征在于， 所述振动体通过将在厚度方向上极化了的压电体基板和非压电体基板贴合而形成。
6、 根据权利要求1 3中的任一项所述的音片型振子，其特征在于， 所述振动体由包括压电膜的薄膜形成。
7、 一种振动陀螺仪，包括权利要求1 6中的任一项所述的音片型振子；驱动单元，用于向所述音片型振子的所述驱动电极间施加驱动信号;
全文摘要
本发明提供一种小型的、能够小尺寸化的、能够作为检测灵敏度良好的振动陀螺仪来使用的音片型振子，和使用了该音片型振子的振动陀螺仪。在基板(12)上所形成的音片型振子(10)包括振动体(14)。振动体(14)在整体上形成为蜿蜒状，中央部的振动片作为第一检测部(62)来使用。在振动体(14)的一侧形成驱动电极(16、18)，连接到引出电极(26、28)。第一检测部(62)的一个主面上形成检测电极(20)和公共电极(22)。振动体(14)的另一个主面上形成公共电极(22)，通过通孔(24)连接到一个主面上的公共电极(22)。检测电极(20)和公共电极(22)连接到引出电极(30、32)。
文档编号G01C19/56GK101495836SQ200780027770
公开日2009年7月29日 申请日期2007年4月9日 优先权日2006年7月21日
发明者小池雅人, 藤本克己 申请人:株式会社村田制作所