CN101339031A - 振动陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供低消耗功率且角速度的检测灵敏度佳的振动陀螺仪。作为解决手段，在由石英构成且具有从基部(11)延伸出来的振动臂(10a、10b)的音叉型振动陀螺仪(1)中，具备在振动臂(10a、10b)的表面形成的使振动臂(10a、10b)振动的驱动电极，压电元件(12)安装在振动臂(10a、10b)的表面，当角速度作用于音叉型振动陀螺仪(1)时，检测与在由驱动电极使其振动的振动臂(10a、10b)的振动方向正交的方向上振动的振动臂(10a、10b)的科里奥利力产生的振动分量。

Description

振动陀螺仪

技术领域

本发明涉及检测物体旋转的角速度的振动陀螺仪。

背景技术

振动陀螺仪用于图像摄影装置的手抖检测、汽车导航系统的方向检测等。近年来，这种需求扩展到各种领域，并提出提高角速度的检测性能及小型化等的要求。

在振动陀螺仪中，采用驱动模式和检测模式分别正交的振动模式。例如，专利文献1公开了在由产生机械振动的材料组成的、截面为四方形的振子中安装有驱动用及检测用压电元件的振动陀螺仪。在该振动陀螺仪中，可用压电元件使振子大幅振动且高灵敏度地检测角速度。

【专利文献1】日本特开平8-35841号公报

但是，在传统的振动陀螺仪中，通过驱动用压电元件来驱动振子需要较大的功率，电力消耗大。另外，需要在振子的4个面上安装压电元件，随着振子的小型化，存在压电元件的安装困难、花费工时的问题。

发明内容

本发明为解决上述问题的至少一部分而提出，可以作为以下的方式或适用例而实现。

[适用例1]

本适用例是一种振动陀螺仪，其采用单晶压电材料并具有从基部延伸出来的多个振动臂，其特征在于，上述振动陀螺仪具备使上述振动臂振动的驱动电极，上述驱动电极形成在至少一个上述振动臂的表面上，压电元件至少安装在上述振动臂或上述基部的表面，当角速度作用于上述振动陀螺仪时，上述压电元件检测科里奥利力所引起的振动分量，该科里奥利力与由上述驱动电极使其振动的上述振动臂的振动方向正交。

根据该结构，通过在由单晶压电材料构成的振动臂上设置驱动电极，而成为低阻抗，可实现低电压驱动、低消耗功率的振动陀螺仪。

另外，由于仅仅在角速度的检测用途中采用压电元件，因此与在单晶压电材料中形成检测电极的情况相比，可提高角速度的检测精度。而且，在振动陀螺仪的一个面上安装压电元件即可，压电元件的安装变得容易。

[适用例2]

在上述适用例的振动陀螺仪中，优选上述单晶压电材料是石英。

根据该结构，由于采用石英作为单晶压电材料，因此可提供频率温度特性佳且角速度的检测精度高的振动陀螺仪。另外，采用光刻技术易于对石英进行外形加工、电极形成，可获得量产性佳的振动陀螺仪。

[适用例3]

在上述适用例的振动陀螺仪中，优选上述压电元件是压电陶瓷或高分子压电膜。

根据该结构，可采用压电陶瓷或高分子压电膜作为压电元件。压电陶瓷或高分子压电膜与石英相比压电常数较大，可提供角速度的检测灵敏度高的振动陀螺仪。

[适用例4]

在上述适用例的振动陀螺仪中，优选形成于上述振动臂或上述基部的表面的第1金属膜与形成于上述压电元件表面的第2金属膜接合，上述第1金属膜及上述第2金属膜是从金、铂、钯中选择的同种金属膜。

根据该结构，所接合的双方金属膜是由从金、铂、钯中选择的同一金属形成的金属膜，因此可通过压接来接合，压电元件的安装容易。

[适用例5]

在上述适用例的振动陀螺仪中，优选在形成于上述振动臂或上述基部的表面的上述第1金属膜或形成于上述压电元件表面的上述第2金属膜中的至少一方的金属膜表面形成有凹凸，上述第1金属膜与上述第2金属膜接合。

根据该结构，所接合的双方金属膜是由同一金属形成的金属膜。并且，由于在所压接的至少一方的面上形成凹凸，因此，由表面的凸部承受压接力，即使降低压接力也可可靠地进行二者的接合。

[适用例6]

在上述适用例的振动陀螺仪中，优选在形成于上述振动臂或上述基部的表面的上述第1金属膜或形成于上述压电元件表面的上述第2金属膜中的至少一方的金属膜表面形成有突起，上述突起由与上述第1金属膜及上述第2金属膜同种的金属形成，上述第1金属膜和上述第2金属膜借助上述突起而接合。

根据该结构，所接合的双方金属膜是由同一金属形成的金属膜。并且，在所压接的至少一方的面上形成由与上述的金属膜相同的金属形成的突起。因此，由突起承受压接力，即使降低压接力也可可靠地进行二者的接合。

[适用例7]

在上述适用例的振动陀螺仪中，优选上述压电元件利用合金接合在上述振动臂或上述基部的表面。

根据该结构，利用合金将振动臂和压电元件接合。由于利用合金进行接合，可将接合温度抑制得较低，可不损害单晶压电材料及压电元件的特性地进行接合。特别是，当使用共晶合金接合振动臂和压电元件时，可将接合温度抑制得较低。

附图说明

图1是说明本实施方式中的音叉型振动陀螺仪的结构的概况的立体图。

图2是表示本实施方式中的音叉型振动陀螺仪的驱动检测电路例的说明图。

图3是表示本实施方式中的振动臂与压电元件的安装状态的示意说明图。

图4是表示本实施方式中的振动臂与压电元件的安装状态的示意说明图。

图5是表示变形例1中的音叉型振动陀螺仪的概略结构及驱动检测电路例的说明图。

图6是说明变形例2中的H型振动陀螺仪的形状和压电元件的安装位置的概略平面图。

图7是说明变形例3中的WT型振动陀螺仪的形状和压电元件的安装位置的概略平面图。

具体实施方式

以下，参照附图说明将本发明具体化的实施方式。

(实施方式)

图1是说明本实施方式中的音叉型振动陀螺仪的概略结构的立体图。

音叉型振动陀螺仪1是由作为单晶压电材料的石英基板采用光刻技术刻蚀而形成的。石英基板采用将以石英晶轴的X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)为平面的基板绕X轴旋转0～10度范围后的基板。并且，在本实施方式中，将绕X轴旋转而新生成的轴设为Y′轴、Z′轴。

在音叉型振动陀螺仪1中，具有：基部11；从基部11向Y′轴方向延伸的2条振动臂10a、10b；以及安装在振动臂10a、10b上的压电元件12。另外，对于压电元件12的安装位置，只要安装在振动臂10a、10b受到科里奥利力(Coriolis force)引起的应力作用的部分即可。在本实施方式的情况下，安装在振动臂10a、10b到基部11之间，但是可以仅安装在振动臂10a、10b的一部分上，也可以仅安装在基部11上。另外，虽然未图示，在振动臂10a、10b中形成使该振动臂10a、10b励振的驱动电极。

压电元件12由锆钛酸铅等的压电陶瓷形成。优选采用100μm以下的锆钛酸铅薄膜，由于是薄膜，所以质量轻，石英的振动稳定。另外，作为压电元件，也可使用偏氟乙烯(PVPF)、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物等的高分子压电膜。

图2是表示上述的音叉型振动陀螺仪的振动臂部分的截面、在振动臂表面上设置的电极结构及驱动检测电路例的说明图。

在与振动臂10a的Z′轴大致平行的相向的面上设置驱动电极21a，同样在与振动臂10b的Z′轴大致平行的相向的面上设置驱动电极21b。驱动电极21a、21b与振荡电路26连接，驱动电极21a和驱动电极21b构成为具有相反的极性。

另外，在与振动臂10a、10b的X轴大致平行的相向的面上分别设置接地电极22进行接地。另外，驱动电极21a、21b及接地电极22通过溅射或真空蒸镀等的方法，构成为在底层形成铬膜、并在其上形成金膜。

在与振动臂10a、10b的X轴大致平行的面的设置有接地电极22的一面上，分别安装有压电元件12。在压电元件12的相向的2个面上安装金膜，压电元件12的金膜和接地电极22的金膜被热压接而接合。

然后，形成在压电元件12表面的检测电极24a、24b与差动检测器27连接，而且，差动检测器27与检测电路28连接。

在这样构成的振动陀螺仪中，当从振荡电路26对驱动电极21a、21b交互施加相反极性的电压时，振动臂10a、10b在X轴方向(图1中的箭头A方向)上弯曲振动。该弯曲振动是以靠近或远离振动臂10a、10b的前端的方式反复振动(驱动振动)。

在该振动臂10a、10b驱动振动时，当加上绕Y′轴的旋转时，则科里奥利力作用于与驱动振动正交的方向，振动臂10a、10b在Z′轴方向(图1中的箭头B方向)上振动(检测振动)。此时，振动臂10a、10b在彼此相反的方向振动。然后，压电元件12检测由于检测振动中的振动臂10a、10b的运动而受到的应力，该检测信号通过差动检测器27进行差动放大后输入检测电路28。在检测电路28中，处理检测信号，获得角速度信号。

接着，说明安装在振动臂10a、10b上的压电元件12的安装方法的方式。

图3是表示本实施方式中的振动臂与压电元件的安装状态例的示意说明图。

在图3(a)中，在振动臂10a的表面形成接地电极22。接地电极22构成为以铬膜13为底层，在其上形成作为第1金属膜的金膜14。在压电元件12的相向的2个面上，形成作为第2金属膜的金膜15、16。

然后，通过加热振动臂10a的金膜14和压电元件12的金膜15并进行压接，可将二者接合。

这样，由于在接合面上都形成金膜14、15，通过压接可将压电元件12接合到振动臂10a上，因此易于安装。

在以下的说明中，对与图3(a)同样的结构附上相同标号，省略详细的说明。

在图3(b)中，在形成于振动臂10a上的接地电极22的金膜14的表面形成凹凸。该凹凸采用纳米压印技术(nanoimprinting technique)等形成。

然后，通过对振动臂10a的金膜14和压电元件12的金膜15进行加热并进行压接，可将二者接合。另外，设于金膜表面的凹凸可设置在压电元件12一侧的金膜15上，也可设置在双方的金膜14、15上。

这样，被压接的振动臂10a和压电元件12的接合面的金属膜是由同一金属形成的金膜14、15。而且，由于在所压接的至少一方的面上形成凹凸，所以由表面的凸部承受压接力，因此即使降低压接力，也可以可靠地进行二者的接合。

在图3(c)中，在形成于振动臂10a上的接地电极22的金膜14的表面形成金突起17。

并且，通过借助金突起17对振动臂10a和压电元件12进行加热压接，可将二者接合。另外，设于金膜表面的金突起也可设置在压电元件12一侧的金膜15上。

这样，被压接的振动臂10a和压电元件12的接合面的金属膜是由同一金属形成的金膜14、15。并且，在所压接的至少一方的面上形成有金突起。因此，由突起承受压接力，即使降低压接力也可以可靠地进行二者的接合。

在图3(d)中，在形成于振动臂10a上的接地电极22的金膜14的表面上涂布由亚微米的金粒子构成的金膏18。

然后，通过借助金膏18对振动臂10a和压电元件12进行加热压接，可将二者接合。另外，设于金膜表面的膏也可以设置在压电元件12侧的金膜15上。

这样，被压接的振动臂10a和压电元件12的接合面的金属膜是由同一金属形成的金膜14、15。在所压接的至少一方的面上形成有金膏18。因此，即使在金膜的厚度无法充分形成的情况下，通过用金膏18调节厚度，从而可以可靠地进行二者的接合。

在用上述图3说明的振动臂10a与压电元件12的安装状态例中，使用金作为同种金属构成接合面，但是，也可以用铂或钯等的金属代替金。另外，这些金、铂、钯等的金属也可以是以这些金属为主成分的合金。而且，在上述的方式中，加热进行压电元件12的压接，但是也可以利用超声波或超声波和加热双方进行压接。

图4是表示其他的振动臂与压电元件的安装状态例的示意说明图。

在图4中，在振动臂10a的表面上形成接地电极22。接地电极22构成为以铬膜13为底层，并在其上形成作为第1金属膜的金膜14。并且，在金膜14表面的安装有压电元件12的部分涂布钎料膏19。另外，在压电元件12的相向的2个面上形成作为第2金属膜的金膜15、16。

然后，通过在振动臂10a的钎料膏19上载置压电元件12并加热，可使钎料熔融，将二者接合。此时，若高精度地形成钎料膏的涂布位置，则在钎料熔融时表面张力起到使压电元件对准该涂布位置的作用，可提高接合位置精度。

另外，设于金膜表面的钎料膏可以设置在压电元件12一侧的金膜15上，也可以设置在双方的金膜14、15上。另外，也可以取代钎料膏而形成钎料薄膜。

这样，在本实施方式中，借助共晶合金即钎料将振动臂10a和压电元件12接合在振动臂10a和压电元件12的接合面上。由于是共晶合金的接合，因此可将接合温度抑制得较低，可在不损害石英及压电元件的特性的情况下进行接合。

另外，除了钎料，也可采用金/锡、金/锗等共晶合金，通过在振动臂10a和压电元件12之间配置这些共晶合金并加热，可接合振动臂10a和压电元件12。

以上，根据本实施方式，通过在由石英构成的振动臂10a、10b上设置驱动电极21a、21b，形成低阻抗，可实现低电压驱动、低消耗功率的振动陀螺仪1。

另外，由于仅仅在角速度的检测用途中采用压电元件12，因此在振动陀螺仪1的一个面上安装压电元件12即可，压电元件12的安装变得容易。

另外，由于采用石英作为单晶压电材料，因此可提供频率温度特性佳且角速度的检测精度高的振动陀螺仪1。另外，采用光刻技术容易进行对石英的外形加工、电极形成，可获得量产性佳的振动陀螺仪1。

而且，由于采用压电陶瓷或高分子压电膜作为压电元件12，这些压电元件12与石英相比其压电常数较大，因此，可提供角速度的检测灵敏度高的振动陀螺仪。

(变形例1)

接着，说明上述实施方式的变形例。

图5是表示其他振动陀螺仪的概略结构及驱动检测电路例的说明图。本变形例是在音叉型振动陀螺仪中仅在单方的振动臂上安装压电元件的示例。

在与振动臂10a的X轴大致平行的相向的面上设置驱动电极31a，同样，在与振动臂10b的Z′轴大致平行的相向的面上设置驱动电极31b。并且，驱动电极31a、31b与振荡电路26连接。

另外，在与振动臂10a的Z′轴大致平行的相向的面以及与振动臂10b的X轴大致平行的相向的面上分别设置接地电极32进行接地。另外，驱动电极31a、31b及接地电极32通过溅射或真空蒸镀等的方法构成为以铬膜为底层并在其上形成金膜。

在与振动臂10b的X轴大致平行的面的、设置有接地电极22的一面上，安装有压电元件12。在压电元件12相向的2个面上安装有金膜，压电元件12的金膜和接地电极22的金膜被热压接而接合。

并且，在压电元件12的表面上形成的检测电极24b与检测电路28连接。

在这样构成的振动陀螺仪中，若从振荡电路26对驱动电极31a、31b交互施加电压，则振动臂10a、10b在X轴方向上弯曲振动。该弯曲振动以靠近或远离振动臂10a、10b的前端的方式反复振动(驱动振动)。

该振动臂10a、10b驱动振动时，若添加绕Y′轴的旋转，则科里奥利力作用于与驱动振动正交的方向，振动臂10a、10b在Z′轴方向上振动(检测振动)。此时，振动臂10a、10b在彼此相反的方向上振动。压电元件12检测检测振动中由振动臂10b的运动而承受的应力，并将该检测信号输入检测电路28。检测电路28对检测信号进行处理，获得角速度信号。这样，在音叉型的振动陀螺仪中，即使是一个压电元件12也可检测角速度。

(变形例2)

接着，作为本实施方式的变形例2，说明对其他形状的振动陀螺仪的应用。

图6是说明变形例2中的H型振动陀螺仪的形状和压电元件的安装位置的概略平面图。

H型振动陀螺仪2的形状可通过对与本实施方式同样的石英基板进行刻蚀而获得。在H型振动陀螺仪2中具有：基部41；从基部41向Y′方向延伸的2条驱动用振动臂40a、40b；从基部41向与振动臂40a、40b的延伸方向相反的方向延伸的检测用振动臂43a、43b；以及安装在检测用振动臂43a、43b上的压电陶瓷或高分子压电膜的压电元件42。对于一条振动臂设置2个压电元件42。

在驱动用振动臂40a、40b上设置驱动电极(未图示)，通过施加驱动电极的电压，驱动用振动臂40a、40b在X轴方向上弯曲振动。与该驱动用振动臂40a、40b相呼应，检测用振动臂43a、43b也被激励而在X轴方向上振动，以取得平衡。此时，若施加绕Y′轴的旋转，则由于在检测用振动臂43a、43b处产生的科里奥利力，振动臂43a、43b在Z′轴方向上振动。压电元件42检测由于该振动臂43a、43b的运动而受到的应力，由此可检测角速度。

这样，在H型振动陀螺仪中也通过驱动电极使振动臂43a、43b振动，可以用压电元件42进行角速度的检测，可实现与上述实施方式同样的效果。

(变形例3)

接着，作为本实施方式的变形例3，说明对其他形状的振动陀螺仪的应用。

图7是说明变形例3中的WT型振动陀螺仪的形状和压电元件的安装位置的概略平面图。

WT型振动陀螺仪3的形状可通过对与本实施方式同样的石英基板进行刻蚀而获得。在WT型振动陀螺仪3中具有：基部51；从基部51向Y′方向延伸的2条检测用振动臂53a、53b；从基部51向X轴方向延伸的2条连结臂54；在连结臂54的前端部向Y′轴方向延伸的驱动用振动臂50a、50b、50c、50d；以及分别安装在检测用振动臂53a、53b上的压电陶瓷或高分子压电膜的压电元件52。

在驱动用振动臂50a、50b、50c、50d上设置驱动电极(未图示)，通过施加驱动电极的电压，驱动用振动臂在X轴方向上弯曲振动。此时，检测用振动臂53a、53b不振动。这里，当对WT型振动陀螺仪3施加绕Y′轴的旋转时，在驱动用振动臂50a、50b、50c、50d处产生科里奥利力，驱动用振动臂50a、50b、50c、50d在Z′轴方向上振动。与该振动相呼应，检测用振动臂53a、53b在Z′轴方向上振动。并且压电元件52检测由于该振动臂53a、53b的运动而受到的应力，由此可以检测角速度。

这样，在WT型振动陀螺仪3中也通过驱动电极使驱动用振动臂50a、50b、50c、50d振动，可用安装在检测用振动臂53a、53b上的压电元件52进行角速度的检测。因此，在本变形例中也可实现与上述实施方式同样的效果。

另外，本实施方式中，采用石英作为单晶压电材料，但是，也可采用钽酸锂、铌酸锂、硼酸锂、硅酸镓镧(Langasite)等。

Claims (7)

1.一种振动陀螺仪，其采用单晶压电材料并具有从基部延伸出来的多个振动臂，其特征在于，

上述振动陀螺仪具备使上述振动臂振动的驱动电极，上述驱动电极形成在至少一个上述振动臂的表面上，

压电元件至少安装在上述振动臂或上述基部的表面，其中，当角速度作用于上述振动陀螺仪时，上述压电元件检测科里奥利力所引起的振动分量，该科里奥利力与由上述驱动电极使其振动的上述振动臂的振动方向正交。

2.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，

上述单晶压电材料是石英。

3.根据权利要求1或2所述的振动陀螺仪，其特征在于，

上述压电元件是压电陶瓷或高分子压电膜。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的振动陀螺仪，其特征在于，

形成于上述振动臂或上述基部的表面的第1金属膜与形成于上述压电元件表面的第2金属膜接合，

上述第1金属膜及上述第2金属膜是从金、铂、钯中选择的同种金属膜。

5.根据权利要求4所述的振动陀螺仪，其特征在于，

在形成于上述振动臂或上述基部的表面的上述第1金属膜、或形成于上述压电元件表面的上述第2金属膜中的至少一方的金属膜表面上形成有凹凸，

上述第1金属膜与上述第2金属膜接合。

6.根据权利要求4所述的振动陀螺仪，其特征在于，

在形成于上述振动臂或上述基部的表面的上述第1金属膜、或形成于上述压电元件表面的上述第2金属膜中的至少一方的金属膜表面上形成有突起，

上述突起由与上述第1金属膜及上述第2金属膜同种的金属形成，上述第1金属膜和上述第2金属膜借助上述突起而接合。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的振动陀螺仪，其特征在于，

上述压电元件利用合金接合在上述振动臂或上述基部的表面上。

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