CN101490506A - 音叉型振动器以及使用了该音叉型振动器的振动陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供可作为小型、检测灵敏度良好的振动陀螺仪使用的音叉型振动器和采用该音叉型振动器的振动陀螺仪。音叉型振动器(10)作为整体包含音叉型振动器(12)。振动体(12)包含蜿蜒形状的脚部(14、16)和与这些的一端侧连结的基座部(18)。形成有支撑部(20)，其从基体部(18)向脚部(14、16)之间延伸。在脚部(14、16)上分别形成有在宽幅方向上分割的电极(28、30)以及电极(32、34)。外侧的电极(28、34)与在基座部(18)上形成的连接电极(36)连接，连接电极(36)形成为向支撑部(20)延伸。另外，内侧电极(30、32)形成为经由基座部(18)向支撑部(20)延伸。在振动体(12)的另一主面上形成有共用电极。

Description

音叉型振动器以及使用了该音叉型振动器的振动陀螺仪

技术领域

本发明涉及音叉型振动器以及采用了该音叉型振动器的振动陀螺仪，尤其涉及如利用了脚部开合振动的音叉型振动器和采用了该音叉型振动的振动陀螺仪。

背景技术

图8是从一侧观察现有的音叉型压电振动器的立体图，图9是从另一侧观察该音叉型压电振动器的立体图。压电振动器1包含音叉型振动体2。振动体2是通过接合两片音叉型压电体基板而形成的。这些压电体基板朝着其厚度方向相互反向地进行极化。在振动体2的一个主面上形成有两个驱动用电极3a、3b。驱动用电极3a、3b形成为在两个脚部的宽幅方向上进行分割，并在振动体2的基部连结形成到两脚部的彼此间的驱动用电极3a以及驱动用电极3b。另外，在振动体2的另一主面上形成有两个检测用电极4a、4b。这些检测用电极4a、4b分别形成在振动体2的两个脚部。

当将该压电振动器1作为振动陀螺仪使用时，在两个驱动用电极3a、3b之间连接振荡电路。利用该振荡电路进行振动，以使振动体2的两个脚部开合。此时，压电振动器1以其共振频率进行自激振荡驱动。另外，两个检测用电极4a、4b与差动电路连接。在为了使振动体2的脚部开合而进行振动的状态下，当以与振动体2的两个脚部平行的轴为中心进行旋转时，通过科里奥利力(Coriolis force)来改变脚部的振动方向。因此，从两个检测用电极4a、4b输出与科里奥利力对应的反相信号，从差动电路输出检测电极4a、4b的输出信号的差。因此，通过测定差动电路的信号，可检测对振动体1所施加的旋转角速度(参照专利文献1)。

另外，还有如图10(a)(b)所示的压电振动器5。该压电振动器5包括两个脚部6a、6b。这些脚部6a、6b分别由振动部形成，该振动部贴合了两个长尺状的压电体基板。并且，在各自的振动部中，贴合的压电体基板在相互反向的厚度方向上进行极化。在振动部的一个主面上形成有在其宽幅方向分割的两个电极7a、7b以及电极7c、7d。然后，两个脚部6a、6b相互平行地进行配置，在其一端侧的另一主面上形成有基座部8，并整体上形成为音叉型。而且，在构成脚部6a、6b的振动部的另一主面侧形成电极9，使该电极9从基座部8的侧面延伸。

当将该压电振动器5作为振动陀螺仪使用时，在邻接的脚部6a、6b的内侧邻接的电极7b、7c和外侧的电极7a、7d之间连接振荡电路。另外，外侧的电极7a、7d与差动电路连接。由此，与图8、图9所示的压电振动器相同，通过振荡电路进行振动，以使脚部6a、6b开合。并且，在以与两个脚部6a、6b平行的轴为中心进行旋转时，通过科里奥利力脚部6a、6b振动方向发生变化，从差动电路输出与科里奥利力对应的信号。因此，通过测定来自差动电路的信号，可检测对压电振动器5所施加的旋转角速度(参照专利文献2)。

专利文献1：特开平10-111132号公报

专利文献2：特开2004-61486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低背化。这里，如上所述的音叉型振动器的共振频率ωr如下式所示，其中，设音叉型振动器的有效长度为L，厚度为H，密度为ρ，杨氏模量(Young′s modulus)为E，转动惯量(moment of inertia)为I。

[数学式1]

$\mathrm{\ωr}={\left(\frac{1.875}{L}\right)}^2\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{{\mathrm{\ρH}}^2}}$

根据上式可知，当音叉型振动器小型化时，其共振频率变高。另外，在音片型振动器的情况下，上式的“1.875”变为“3.927”，所以如果是相同长度，则音片型振动器为比音叉型振动器高4.4倍共振频率的振动器。相反，音叉型振动器如果是音片型振动器的1/2长度，则能够获得相同的共振频率。另一方面，当振动陀螺仪所采用的音叉型振动器的共振频率变高时，该共振频率与施加给摄像机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共振频率为50kHz以下，例如，在一般的压电陶瓷双压电晶片振动器(piezoelectric ceramic bimorph vibrator)中，其厚度为0.4mm，长度为7mm，共振频率大约是30kHz。

如果将振动陀螺仪这样的角速度传感器使用于便携式设备，则需要尺寸为3mm以下的角速度传感器。因此，在将音片型微小振动器作为振动陀螺仪使用时有如下的问题，振动器的宽幅变窄，且无法形成用于在音片型振动器上激励弯曲振动的分割电极。因此，如上所述，通过采用音叉型振动器，可选择音片型振动器一半左右的长度，不过将来还需要制作利用了压电薄膜等的超小型振动器。但是，在制作这样的超小型振动器时，即使采用了音叉型振动器，共振频率也会过高，从而无法获得良好的灵敏度。

发明内容

由此，本发明的主要目的是提供可作为小型、检测灵敏度良好的振动陀螺仪使用的音叉型振动器、和采用了该音叉型振动器的振动陀螺仪。

本发明涉及一种音叉型振动器，该音叉型振动器包括：多个蜿蜒(meandering)形状的脚部，其具有一个主面以及另一个主面；基座部，其设置在多个脚部的纵向的一端侧，并连接多个脚部中的至少两个脚部，使其在纵向沿相同的方向延伸；以及两个电极，其在多个脚部的一个主面上沿宽幅方向进行分割而形成。

通过对在脚部上形成的电极施加驱动信号，可激励如使音叉型振动体的脚部开合的振动。这里，将各脚部做成蜿蜒形状，由此即使音叉型振动器整体小型化，也能够确保保持低共振频率所需的脚部长度。因此，即使音叉型振动器整体小型化，也能够防止其共振频率变高。

在这样的音叉型振动器中，可形成为多个脚部对于基座部对称。

通过形成多个脚部对于基座部对称，可获得在基座部两侧脚部延伸的音叉型振动器。因此，通过在基座部的两侧使脚部振动，可获得更大的检测信号。

另外，从上述基座部进行延伸，在多个上述脚部之间形成有用于中空地支撑上述振动体的长尺状的支撑部。

通过利用支撑部来中空地支撑振动体，可在以开合的方式振动的脚部的结点(node)处支撑振动体。

此外，脚部包含振动体，该振动体形成为使两个压电体基板贴合，两个压电体基板的极化方向被配置成相互反向。

另外，脚部可形成为使在厚度方向上极化的压电体基板和非压电体基板贴合。

进而，脚部由非压电体基板和在非压电体基板的一个主面上形成的、在厚度方向上极化的压电膜构成。

压电振动器可构成为利用驱动信号来进行振动，以使脚部开合。因此，可使两个压电体基板贴合以形成脚部，还可使压电体基板和非压电体基板贴合以形成脚部。

此外，还通过将压电体做成薄膜构造，来实现音叉型振动器的低背化。

另外，本发明涉及一种振动陀螺仪，该振动陀螺仪包括：上述的任一项所述的音叉型振动器；驱动单元，其用于对在音叉型振动器的脚部形成的电极施加驱动信号；以及检测单元，其用于检测在音叉型振动器的脚部形成的电极所产生的信号。

根据由驱动单元施加的驱动信号进行振动，以使音叉型振动器的脚部开合，并通过施加旋转角速度，利用检测单元来检测从脚部所形成的电极输出的与科里奥利力对应的检测信号。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，可知施加给音叉型振动器的旋转角速度。

根据本发明，即使音叉型振动器小型化也能够防止其共振频率变高。因此，采用这样的音叉型振动器，可获得小型、具有良好灵敏度的振动陀螺仪。而且，通过将音叉型振动器的压电体做成薄膜构造，可使音叉型振动器低背化。因此，通过采用这样的音叉型振动器，可获得低背化的振动陀螺仪。

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。

附图说明

图1是表示本发明中音叉型振动器的一例的俯视图。

图2是图1中的线A-A处的剖面图。

图3是图1中的线B-B处的剖面图。

图4是图1所示的音叉型振动器脚部的剖面图。

图5是表示采用了图1所示的音叉型振动器的振动陀螺仪的一例的图解图。

图6是表示图1所示的音叉型振动器的振动状态的图解图。

图7是表示本发明中音叉型振动器的其他例的俯视图。

图8是从一侧观察现有音叉型振动器的一例的立体图。

图9是从另一侧观察图8所示的现有音叉型振动器的立体图。

图10(a)(b)是从不同方向观察现有音叉型振动器的其他例的立体图。

符号说明：

10 音叉型振动器

12 振动体

14、16 脚部

18 基座部

20、89 支撑部

22 基板

24 SiO₂膜

26 压电膜

28、30、32、34 电极

36 连接电极

38 共用电极

40 支撑基板

42 连接部

44a、44b、44c 电极

50 振动陀螺仪

R1、R2 电阻

52 自激振荡电路

54、56 缓冲电路

58 差动电路

60 同步检波电路

62 平滑电路

64 DC放大器

70 音叉型振动器

72 振动体

74、76 脚部

78、80、82、84 电极

具体实施方式

图1是表示本发明中音叉型振动器的一例的俯视图。另外，图2是图1中线A-A处的剖面图，图3是图1中B-B处的剖面图。音叉型振动器10包含振动体12。振动体12例如包含在相同方向上延伸的两个脚部14、16，其一端侧在基座部18连结，并整体上形成为音叉型。两个脚部14、16分别形成为蜿蜒形状。即，各个脚部14、16被配置为多个音片型振动片平行，该各个脚部14、16形成为交互地连接邻接的振动片不同侧的端部并蜿蜒。

两个脚部14、16的各个振动片在相互对应的位置上连接外侧端部，并且在相互对应的位置上连接内侧端部。因此，两个脚部14、16形成为针对这些之间的中间线相互线对称。另外，在两个脚部14、16之间形成支撑部20，使该支撑部20从基座部18向与脚部14、16相同的方向延伸。支撑部20形成为延伸到如下的位置，该位置是两个脚部14、16以开合的方式振动时的结点处。

图4示出脚部14的宽幅方向的剖面图，如该图所示，振动体12包含由非压电体材料形成的基板22。在基板22的一个主面上形成SiO₂膜24。此外，在SiO₂膜24上由A1N等形成压电膜26。由这些基板22、SiO₂膜24以及压电膜26来构成振动体12。另外，在脚部14、16的一个主面上、即压电膜26上形成在宽度方向上分割出的电极28、30以及电极32、34。并排形成的两个脚部14、16外侧的电极28、34与在基座部18上形成的连接电极36连接。并且，引出连接电极36，使其在支撑部20宽幅方向的中央部延伸。另外，经由基座部18引出在两个脚部14、16内侧形成的电极30、32，使其在支撑部20宽幅方向的两侧延伸。此外，在振动体12的另一主面上、即基板22上形成共用电极38。

该音叉型振动器10如图3所示被支撑在支撑基板40上。利用柱状连接部42将支撑部20安装到支撑基板40上，由此来向支撑基板40支撑音叉型振动器10。在该柱状连接部42的侧面上形成有电极44a、44b、44c，电极44a与一个脚部14的电极30连接，电极44b与连接电极36连接，电极44c与另一脚部16的电极32连接。因此，在两个脚部14、16上形成的电极28、34与电极44b连接。在连接部42上形成的电极44a、44b、44c与例如在支撑基板40上形成的电极46等连接。另外，连接有电极44a、44b、44c的电极46各不相同。

为了制作音叉型振动器10，而准备例如矩形板状的硅基板等基板22。在该基板22的规定位置上形成有构成连接部42的柱状部。柱状部由例如压电体或电介质等绝缘性材料而形成。而且，在与基板22上形成有柱状部的主面相反一侧的主面上，利用热氧化、溅射法(sputtering)等成膜方法来形成SiO₂膜24。此外，在SiO₂膜24上还利用反应性RF磁控溅射法(reactive RF magnetron sputtering)、蒸镀法、CVD法(chemical-vapordeposition)等成膜方法来形成A1N构成的压电膜26。并且，这些SiO₂膜24以及压电膜26被图案形成为音叉型振动器的形状。

此外，在压电膜26上以及构成连接部42的柱状部的侧面，通过例如剥离(lift-off)蒸镀法等来堆积Au等电极材料，通过基于图案形成的成形来形成电极28、30、32、34、连接电极36以及电极44a、44b、44c。另外，在基板22的形成有构成连接部42的柱状部的面上，利用剥离蒸镀法等，以Au等电极材料来形成共用电极38。另外，为了形成共用电极38，可以在基板22上预先贴附薄的金属板。

最后，基板22被加工成音叉型振动器10的形状。作为加工方法考虑了如下的方法等，例如通过喷砂(sandblast)等方法去除不需要的部分，由此来形成音叉型振动器10的形状。这样，能够获得音叉型振动器10。

该音叉型振动器10如图5所示，例如作为振动陀螺仪50来使用。在此情况下，音叉型振动器10的共用电极38与地线连接。另外，在脚部14、16上形成的内侧的电极30、32与电阻R1、R2连接，在这些电阻R1、R2的中间部与连接电极36之间连接有作为驱动单元的自激振荡电路52。自激振荡电路52包含有AGC电路、相位补正电路、驱动用放大电路等。并且，利用电阻R1、R2来合成从电极30、32输出的信号，并进行相位补正及放大，然后施加给连接电极36即两个脚部14、16的电极28、34。

另外，电极30、32分别与缓冲电路54、56连接。缓冲电路54、56的输出信号输入到差动电路58，差动电路58的输出信号输入到同步检波电路60。在同步检波电路60上连接自激振荡电路52，与自激振荡电路52的信号同步，对差动电路58的输出信号进行检波。而且，同步检波电路60的输出信号输入到平滑电路62，平滑电路62的输出信号输入到DC放大器64。通过这些差动电路58、同步检波电路60、平滑电路62及DC放大器64等来构成检测单元，该检测单元用于检测在对振动陀螺仪50施加了旋转角速度时所产生的信号。另外，经由在连接部42上形成的电极44a、44b、44c来连接音叉型振动器10和各个电路。

在这样的振动陀螺仪50中，通过音叉型振动器10的脚部14、16、电极30、32、电阻R1、R2、自激振荡电路52、电极28、34来形成自激振荡环路。由此如图6所示，在音叉型振动器10上激励如进行开合的振动，使脚部14、16的开口端侧时而相离时而接近。此时，音叉型振动器10整体上的结点处是支撑部20的尖端部、即利用连接部42支撑到支撑基板40的部分。

在这样进行振动的状态下，当以与两个脚部14、16平行的轴为中心来施加旋转角速度时，两个脚部14、16通过科里奥利力在其厚度方向上弯曲振动。此时，在脚部14、16上发生相互反向的科里奥利力，所以脚部14、16向反方向弯曲振动。因此，从电极30、32输出基于无旋转时的脚部14、16的振动而产生的同相信号，还输出基于科里奥利力的振动而产生的反相信号。

来自电极30、32的输出信号分别由缓冲电路54、56放大，利用差动电路58仅取出相互反相的信号、即基于科里奥利力的信号。该基于科里奥利力的信号可通过同步检波电路60进行同步检波，并利用平滑电路62进行平滑，此外还经由DC放大器64放大。因此，通过测定DC放大器64的输出信号，可检测施加给音叉型振动器10的旋转角速度。

在该音叉型振动器10中，脚部14、16形成为蜿蜒形状，所以与从基座部18到脚部14、16的尖端部的直线距离相比，延长了作为振动器的蜿蜒的脚部14、16的长度。因此，即使音叉型振动器10小型化，也能够确保作为振动器的脚部14、16的长度延长，从而能够使音叉型振动器10的共振频率不变高。

这样，如果使用该音叉型振动器10，则即使小型化，也能够获得共振频率低的振动陀螺仪50。因此，在将振动陀螺仪50安装到摄像机等中时，可利用与手抖频率的差小的共振频率来激励音叉型振动器10。因此，针对手抖等，可获得具有良好灵敏度的小型振动陀螺仪50。另外，通过采用压电膜26来作为压电体，可使音叉型振动器10薄型化，从而实现音叉型振动器10的低背化。而且，可通过采用压电膜26，利用薄膜工艺来制作音叉型振动器10，所以也容易使音叉型振动器10小型化。

另外，作为压电膜26所形成的A1N由于杨氏模量的温度系数具有负值，所以检测信号的频率根据温度而变化，这样有可能无法正确地检测旋转角速度。因此，通过与杨氏模量的温度系数具有正值的SiO₂膜24组合，可稳定检测信号的频率温度特性。

作为振动体12可以不是在基板22上经由薄膜工艺来形成SiO₂膜24及压电膜26的部件。例如，可以是对振动体12的形状的两片压电体基板进行层叠、并将这些压电体基板在相互反向的厚度方向上极化的部件。另外，还可以是对振动体12的形状的压电体基板和非压电体基板进行层叠的部件。如果是采用了这样的振动体12的音叉型振动器10，则通过使脚部14、16成为蜿蜒形状，可以确保作为振动器的长度延长，从而能够成为小型且共振频率低的音叉型振动器10。另外，音叉型振动器10具有两个脚部14、16，不过也可以在与脚部14、16的纵向相同的方向上具有三个以上的脚部，通过这样的结构，可更正确地检测旋转角速度。另外，在音叉型振动器10中，在两个脚部14、16之间具有支撑部20，不过也可以将基座部18作为支撑部。

另外，如图7所示的音叉型振动器70那样，为了使多个脚部针对基座部18对称，可以采用整体上构成H字状的振动体72。在该振动体72中，在基座部18的两侧形成有脚部14、16及脚部74、76。在脚部14、16上与图1所示的音叉型振动器10同样地形成电极28、30、32、34。同样，在脚部74的一个主面上形成有在宽幅方向上分割的电极78、80，在脚部76的一个主面上形成有在宽幅方向上分割的电极82、84。

另外，在基座部18的一个主面上除了支撑脚部14、16以及脚部74、76的支撑部89之外，还在其两侧形成共用电极86、88。在一个共用电极86上连接有脚部14的电极28和脚部74的电极78。另外，在另一个共用电极88上连接有脚部16的电极34和脚部76的电极84。另外，脚部14、16的电极30、32和脚部74、76的电极80、82经由支撑部89在脚部14、16之间以及脚部74、76之间引出。另外，在振动体72的另一主面上形成有共用电极38。

在这样的音叉型振动器70中配置为两个音叉型振动器对于基座部18对称。因此，通过对该音叉型振动器70施加旋转角速度，使压电膜26上发生的电压的变化量变大，通过测定该电压变化可正确地检测旋转角速度。

Claims (7)

1.一种音叉型振动器，包括：

多个蜿蜒形状的脚部，其具有一个主面以及另一主面；

基座部，其设置在多个上述脚部的纵向的一端侧，并连接多个上述脚部中的至少两个脚部，使其在纵向沿相同的方向延伸；以及

两个电极，其在多个上述脚部的一个主面上沿宽幅方向进行分割而形成。

2.根据权利要求1所述的音叉型振动器，其中，

多个上述脚部被形成为相对于上述基座部对称。

3.根据权利要求1或2所述的音叉型振动器，其中，

从上述基座部进行延伸，在多个上述脚部之间形成有用于中空地支撑上述振动体的长尺状的支撑部。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的音叉型振动器，其中，

上述脚部包含振动体，该振动体形成为使在厚度方向上极化的两个压电体基板贴合，两个上述压电体基板的极化方向被配置成相互反向。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的音叉型振动器，其中，

上述脚部形成为使在厚度方向上极化的压电体基板和非压电体基板贴合。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的音叉型振动器，其中，

上述脚部由非压电体基板和在上述非压电体基板的一个主面上形成的、在厚度方向上极化的压电膜构成。

7.一种振动陀螺仪，包括：

权利要求1～6中任一项所述的音叉型振动器；

驱动单元，其用于对在上述音叉型振动器的脚部形成的电极施加驱动信号；以及

检测单元，其用于检测在上述音叉型振动器的脚部形成的电极所产生的信号。

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