振动陀螺仪 本发明涉及一种振动陀螺仪。特别地，涉及一种在汽车等的导航等中使用的振动陀螺仪。
图11所示，是现有振动陀螺仪结构的斜视图。该振动陀螺仪的构造是：在有方形横断面的恒弹性金属音片型振动子1上粘贴激振用压电瓷片3和检测用压电瓷片4。该恒弹性金属音片型振动子1的主轴方向为Z轴方向，相对的一组平面的法线方向是X轴，另一组的法线方向是Y轴。上述振动子1被支撑钉2a、2b、2c、2d支撑着。
下面说明这种结构的振动陀螺仪的动作。由发自驱动信号源(图中未示出)的电信号激励激振用压电瓷片3，在该振动子的X轴面内产生弯曲振动。这时，如果加上以Z轴为中心的旋转角速度，就在与X轴面垂直的方向产生复合向心力，并在Y轴方向产生振动。这时，由上述检测用压电瓷片4检测出Y轴方向的振动，就可以测定旋转角速度。
在现有的振动陀螺仪中，由于要把恒弹性金属和压电瓷片粘合起来，就出现了制造成本高地问题。
而且，由于沿旋转轴(Z轴)方向成为长的形状，使得装配在电子设备内时，难以满足设备小型化，薄型化的要求。
因此，本发明的主要目的，是提供一种不需要粘合，从而使制造成本降低的振动陀螺仪。
本发明的另一个目的是，提供一种可以实现薄型化和窄幅化的振动陀螺仪。
本发明人的研究结果是：在压电元件组成的振动子上设置激振电极，由该激振电极激起沿长度方向的振动，由以上述振动子的厚度方向为旋转轴的角速度产生的复合向心力(科里奥利力)激起与上述旋转轴垂直的面内的弯曲振动，并通过设置在上述振动子上的检测电极检测出上述弯曲振动，由此求出旋转角速度，可以看出这种结构有着优良的特性。
另外，相反地，当激起弯曲振动时，由沿上述旋转轴的角速度产生的复合向心力激起振动子沿长度方向的振动，并通过设置在上述振动子上的检测电极检出，同样的道理，也可测出旋转角速度。
向激振电极输入振动子长度方向的共振频率的电信号，振动子就产生纵向振动。在这种状态下，如果加上以振动子的厚度方向为旋转轴的旋转角速度，就在与旋转轴和纵向振动方向两方向都垂直的方向上产生复合向心力。通过产生的复合向心力和纵向振动，在由复合向心方向和纵向振动方向决定的平面内产生弯曲振动。把只检测这种弯曲振动的检测电极设置在上述振动体的一部分上，就可以测出旋转角速度。
根据上述构成的振动陀螺仪，仅仅通过在压电元件等上形成激振电极和检测电极实现旋转角速度传感器时，与现有的振动陀螺仪相比，结构简单，制造成本大幅度降低。
另外，上述结构中，以振动子的厚度方向作旋转轴，通过设置在振动子上的检测电极检测与该旋转轴垂直面内的弯曲振动，可以使形状变窄，变薄，与现有的三维结构的振动陀螺仪相比，可以实现传感器的小型化。
基于以上观点，根据本发明的第1实施例，提供一种振动陀螺仪，其特征在于包括：
由压电元件组成的振动子、固定在上述振动子上能激起上述振动子在纵向振动和弯曲振动中一种振动的激振电极、和固定在上述振动子上能检测上述振动子在纵向振动和弯曲振动中的另一种振动的检测电极。
最好是上述纵向振动是纵向一次振动模式，上述弯曲振动是弯曲二次振动模式。
根据本发明的第2实施例，提供一种振动陀螺仪，其特征在于包括：
压电元件组成的具有相互垂直的长、宽、厚度方向的振动子、固定在上述振动子上能激起上述振动子的长度方向振动和弯曲振动中一种振动的激振电极、和固定在上述振动子上能检测上述振动子的纵向振动和弯曲振动中的另一种振动的检测电极。
最好是上述长度方向的振动为纵向振动，振动子的旋转轴在厚度方向上，弯曲振动在与厚度方向垂直的平面内振动。
最好是上述纵向振动为纵向一次振动模式，上述弯曲振动为弯曲二次振动模式。
更进一步最好是上述振动子具有、激起振动子的激振部分和检测振动子的在上述长度方向的振动和上述弯曲振动中的上述另一种振动的检测部分，并且激振电极固定在上述激振部分上，检测电极固定在上述检测部分上，上述激振部分和检测部分在厚度方向上层叠。
或者，上述振动体有激起振动子的激振部分和检测振动子在上述长度方向的振动或者弯曲振动的另一种振动的检测部分，并且上述激振电极固定在上述激振部分上，检测电极固定在上述检测部分上，激振部分和检测部分可以在包含上述长方体的长度方向或宽度方向的面内方向并行设置。
另外，在本发明的第2实施例中，最好是上述激振电极在与上述厚度方向基本垂直的平面平行地设置，上述激振电极间的上述压电元件在上述厚度方向上极化；上述检测电极在与上述厚度方向基本垂直的平面平行设置，上述压电元件设置检测电极的部分在上述厚度方向上极化。
另外，在本发明的第2实施例中，最好是上述检测电极在上述厚度方向上彼此相对设置，在上述彼此相对的检测电极间的压电元件在厚度方向上极化。
另外，在本发明的第2实施例中，最好是上述检测电极或者激振电极在与上述宽度方向基本垂直的平面平行设置，检测电极间或者激振电极间的压电元件在上述长度方向上极化。
另外，在本发明的第2实施例中，最好是上述检测电极或者激振电极在上述宽度方向上对称设置。
另外，在本发明的第2实施例中，最好是上述振动子的旋转轴位于振动子的厚度方向上，上述检测电极相对于与含有旋转轴的上述宽度方向基本垂直的面对称设置。
根据本发明的第3实施例，提供一种振动陀螺仪，其特征在于包括：
由压电元件组成的具有相互垂直的长、宽、厚度方向的振动子，固定在上述振动子上的激励电极，和固定在上述振动子上的检测电极。
上述激励电极在与厚度方向基本垂直的平面平行设置，激励电极间的压电元件在厚度方向上极化。
上述振动子的旋转轴位于振动子的厚度方向上。
上述检测电极相对于含有上述旋转轴且与长度方向平行的面对称设置。
根据本发明的第4实施例，提供一种振动陀螺仪，其特征在于：
具有多个压电元件层在厚度方向上层叠构成的压电单元组成的振动子、该多个压电元件层在厚度方向上极化、在上述第一叠层压电电元件的厚度方向上插入构成激振电极和检测电极中的一种电极、在上述第二叠层压电元件的与厚度垂直的主面上设置的上述激振电极和检测电极中的另一种电极，即在弯曲振动的振动方向上分开设置的激振电极或检测电极。
根据本发明的第5实施例，提供一种振动陀螺仪，其特征在于：
具有板状压电元件组成的振动子；在与上述振动子厚度方向基本垂直的两个主面上，以上述振动子的长度方向大约1／3～2／3的大小，分别设置彼此相对的激振或检测沿长度方向振动的激振电极和检测电极中的一种电极；在上述振动子的长度方向的其它部分，设置上述激振电极和检测电极中的另一种电极，即在弯曲振动的振动方向上分开设置的弯曲振动的激振电极或检测电极。
根据本发明的第6实施例，提供一种振动陀螺仪，其特征在于：
具有板状的压电元件组成的振动子；在与上述振动子厚度方向基本垂直的主面上述振动子的宽度方向的中间部分，沿长度方向设置激振电极和检测电极中的一种电极；在上述激振电极的上述宽度方向的两侧设置上述激振电极和检测电极中的另一种电极、即弯曲振动的激振电极或检测电极。
最好上述压电元件构成的振动子的极化方向与其厚度方向平行。
根据本发明的第7实施例，提供一种振动陀螺仪，其特征在于：
具有板状的压电元件组成的振动子；在与上述振动子厚度方向基本垂直的第1两主面、上述振动子的长度方向的一侧，相对设置激振电极和检测电极中的一种电极，由上述压电元件的激振电极和检测电极中的上述一种电极夹持的部分的极化方向作为厚度方向；在上述振动子没有设置激振电极的部分与振动子宽度基本垂直的第2两主面上，分别相对设置激振电极和检测电极中的另一种电极，即弯曲振动的激振电极或检测电极，上述弯曲振动的激振电极和检测电极中的另一种电极间的上述压电元件的极化方向与上述长度方向平行。
根据本发明的第8实施例，提供一种振动陀螺仪，其特征在于包括：
振动子、能激起上述振动子的纵向振动和弯曲振动中的一种振动的激振装置、和能检测上述纵向振动和弯曲振动中的另一种振动的检测装置。
根据本发明的第9实施例，提供一种振动陀螺仪，其特征在于具有：
板状的振动子、能激起上述振动子的长度方向上振动或弯曲振动中的一种的激振装置、和能检测上述振动子的上述长度方向上的振动和弯曲振动中的另一种的检测装置。
最好是上述长度方向的振动为纵向振动、上述振动子的旋转轴在上述振动子的厚度方向上，上述弯曲振动在与上述厚度方向垂直的规定面内振动。
最好是上述纵向振动为纵向一次振动模式，上述弯曲振动为弯曲二次振动模式。
图1A～1C，是说明本发明实施例1的振动陀螺仪的图，其中，图1A是斜视图，图1B、1C是平面简图。
图2是表示本发明实施例1的振动陀螺仪的角速度和输出电压之间关系的特性图。
图3是说明本发明实施例2的振动陀螺仪的斜视图。
图4是说明本发明实施例3的振动陀螺仪的斜视图。
图5是说明本发明实施例4的振动陀螺仪的斜视图。
图6是说明本发明实施例5的振动陀螺仪的斜视图。
图7是说明本发明实施例6的振动陀螺仪的斜视图。
图8A～8C，是说明本发明实施例7的振动陀螺仪的图，其中，图8A是从振动陀螺仪上方看的斜视图，图9B是从振动陀螺仪下方看的斜视图，图8C是从X8-X8方向看的侧视图。
图9A，9B，是说明本发明实施例8的振动陀螺仪的图。图9A是从振动陀螺仪上方看的斜视图，图8B是从振动陀螺仪下方看的斜视图。
图10A-10C是说明本发明实施例9的振动陀螺仪的图，其中，图10A是从振动陀螺仪上方看的斜视图，图10B是从振动陀螺仪下方看的斜视图，图10C是从X10-X10方向看的侧视图。
图11是说明现有振动陀螺仪的斜视图。
下面，参照附图说明本发明的实施例。(实施例1)
如图1A～1C所示，本实施例的振动陀螺仪100具有长方体的压电单元80，压电单元80由两个压电元件60和70在厚度方向T上层叠组成。
激振电极22设置在下面的压电元件60的下面62的整个底面上。在压电元件60的上面61和上面的压电元件70的底面72之间，设置接地的激振电极21、激振电极21和22与驱动信号源90相连。
在压电元件70的上面71上设置检测电极31～34，检测电极31～34的设置把压电元件70的上面71分割成四部分。检测电极31和33相对于以含有旋转轴Z、与长度方向L平行、与宽度方向W垂直的平面对称设置。检测电极32和34也相对于含有旋转轴Z、与长度方向L平行、与宽度方向W垂直的平面对称设置。检测电极31和34通过导线41相连，检测电极32和33通过导线42相连。检测电极32通过输出导线52与输出端50的一端相连，检测电极34通过输出导线51与输出端50的另一端相连。
压电单元80由压电陶瓷整体烧结而成。上面的压电元件70的极化方向沿厚度方向T向上，下面的压电元件60的极化方向沿厚度方向T向下。
由压电陀螺仪100的平面图可以看出，旋转轴Z设在长度方向L的中央和宽度方向W的中央。压电陀螺仪100的支撑可以用硅橡胶粘在中央部分固定。
下面，说明该压电陀螺仪100的动作。该压电陀螺仪开始动作时，首先，来自驱动信号源90的驱动信号加在激振电极21和22上，激励压电元件60，并由此激励与压电元件60形成整体的压电元件70。在本实施例中，在长度方向L上激起纵向一次振动。在压电陀螺仪100静止的场合，如图1B所示，在检测电极31～34上出现的电荷同相，从而电位相同，输出端50上的输出就表现为零。
当压电陀螺仪100沿旋转轴Z旋转时，如图1C所示，在与纵向振动垂直的方向(本实施例中为宽度方向W)和旋转轴Z垂直的方向上产生复合向心力，从而产生弯曲振动，特别是弯曲二次振动。例如，在图1C所示的某瞬间，设置了检测电极31、34的部分伸长，设置了检测电极32、33的部分收缩。结果使得检测电极31，34上出现的电荷和检测电极32、33上出现的电荷极性相反，从输出端50输出与复合向心力(旋转角速度)成正比的电压。
另外，这时，如果由纵向1次振动模激振压电体检测出弯曲二次振动模时，纵向1次振动和弯曲2次振动相结合可以获得很大的输出。另外，在纵向一次振动模式和弯曲二次振动模式结合时，压电单元80的宽长关系W／L=0．28时，效果特别好。这一点，对于下面叙述的实施例2～9中的压电元件10都是同样适用的。
下面试做这种振动陀螺仪100，并测定了它的特性。试做的振动陀螺仪100的尺寸为：长L=29mm，宽W=7．5mm，厚t=1．4mm。电极是Ag-Pd烧结形成。这样做出的振动陀螺仪100的角速度和输出电压的关系如图2所示。得到的输出电压和角速度大致成正比。(实施例2)
如图3所示，本实施例的振动陀螺仪100具有长方体形状的压电元件10。在压电元件10的整个底面12上设置接地侧的激振电极121，在压电元件10的上面11的左半侧设置激振电极122。激振电极121和122与驱动信号源90相连接。
在压电元件10的上面11右半部分，设置检测电极131和132。检测电极131和132在压电元件10的右半部分沿宽度方向二等分设置。而且检测电极131和132以含有旋转轴Z、与长度方向L平行、与宽度方向W垂直的平面为对称面对称设置。检测电极131通过输出导线51与输出端50的一端相连，检测电极132通过输出导线52与输出端50的另一端相连。
压电元件10采用压电陶瓷。压电元件10的极化方向为沿厚度方向T向上。试做的振动陀螺仪100的尺寸为：长L=29mm，宽W=7．5mm，厚t=1．4mm。电极是Ag-Pd烧结而成。由压电陀螺仪100的平面图可以看出，旋转轴Z设在长度方向L的中央和宽度方向W的中央。
当压电陀螺仪100沿旋转轴Z旋转时，同样地，产生复合向心力并从而产生弯曲二次振动。例如，在某瞬间，设置了检测电极131的部分伸长，设置了检测电极132的部分收缩。结果使得检测电极131上出现的电荷和检测电极132上出现的电荷极性相反，从输出端50输出与复合向心力(旋转角速度)成正比的电压。(实施例3)
如图4所示，本实施例的振动陀螺仪100具有长方体形状的压电元件10。在压电元件10的整个底面12上设置接地侧的激振电极221，在压电元件10的上面11的长度方向L中间部分设置激振电极222，其长度约为压电体10在长度方向的长度的1／3，且设置该电极部分的宽度就是压电元件10的宽度方向W的全部。激振电极221和222与驱动信号源90相连接。
在压电元件10的上面11沿长度方向左侧的1／3部分，设置检测电极231和233，右侧的1／3部分设置检测电极232和234。检测电极231和233以含有旋转轴Z、与长度方向L平行、与宽度方向W垂直的平面为对称面对称设置，检测电极232和234也是如此。检测电极231和234通过导线241相连，检测电极232和233通过导线242相连。检测电极232通过输出导线52与输出端50的一端相连，检测电极234通过输出导线51与输出端50的另一端相连。
压电元件10采用压电陶瓷。压电元件10的极化方向为沿厚度方向向上。由压电陀螺仪100的平面图可以看，旋转轴Z设在长度方向L的中央和宽度方向W的中央。其动作情况与实施例1中的振动陀螺仪相同。(实施例4)
如图5所示，本实施例的振动陀螺仪100具有长方体形状的压电元件10。在压电元件10的整个底面12上设置接地侧的激振电极321。在压电元件10的上面11的宽度方向W的中间部分设置激振电极322，具有约压电元件10宽度方向W的长短的1／3大小，且该电极部分的长度就是压电元件10的长度方向L的全部。激振电极321和322与驱动信号源90相连。
在压电元件10的上面11宽度方向W上向外的1／3部分上设置检测电极333和334，在向里的1／3部分上设置检测电极331和332。检测电极331和333以含有旋转轴Z，与长度L方向平行、与宽度W方向W垂直的平面为对称面对称设置，检测电极332和334也是如此。检测电极331和334通过导线341相连，检测电极332和333通过导线342相连。检测电极332通过导线52与输出端50的一端相连，检测电极334通过输出导线51与输出端50的另一端相连。
压电元件10采用压电陶瓷。压电元件10的极化方向为沿厚度方向向上，试做的振动陀螺仪100的尺寸为：长L=29mm，宽W=7．5mm，厚t=1．4mm。电极是Ag-Pd烧结而成。由压电陀螺仪100的平面图可以看出，旋转轴Z设在长度L方向的中央和宽度W方向的中央。其动作情况与实施例1中的振动陀螺仪相同。(实施例5)
如图6所示，本实例中的振动陀螺仪100具有长方体形状的压电元件10。在压电元件10的底面12的左半部分，设置接地侧的激振电极421，在压电元件10的上面11的左半部分，设置激振电极422。激振电极421和422在二者之间压电元件10的厚度方向T向上的方向极化。激振电极421和422与驱动信号源90相连。
在压电元件10的上面11的右半部分，与宽度方向W垂直的侧面13、14上，分别设置检测电极431、432。检测电极431和432以含有旋转轴Z、与长度方向L平行、与宽度方向W垂直的平面为对称面对称设置。检测电极431和432沿二者之间的压电元件10的长度方向L向右的方向极化。检测电极431通过输出导线51和输出端50的一端相连，检测电极432通过输出导线52和输出端50的另一端相连。
压电元件10采用压电陶瓷。由压电陀螺仪100的平面图可以看出，旋转轴Z设在长度方向的中央和宽度方向的中央。
当压电陀螺仪100沿旋转轴Z旋转时，同样地，产生哥氏力，并从而产生弯曲二次振动。例如，在某瞬间，设置了检测电极431的部分伸长，设置了检测电极432的部分收缩。结果使得检测电极431上出现的电荷和检测电极432上出现的电荷极性相反，从输出端50输出与复合向心力(旋转角速度)成正比的电压。(实施例6)
如图7表示，本实施例的振动陀螺仪100，与上述实施例5的振动陀螺仪的结构基本相同，动作情况也相同。在本实施例的振动陀螺仪100中，为了防止，从激振电极421、422通过检测电极431、432上的分布电容泄漏驱动信号，在激振电极421、422和检测电极431、432之间设置了带状的保护电极423，保护电极423的电位与接地侧的激振电极421相同。(实施例7)
如图8A～8C所示，本实施例的振动陀螺仪100具有长方体形状的压电元件10，其极化方向沿厚度方向T向上。
在上述实施例2的振动陀螺仪100中，只在压电元件10的整个底面12上形成接地侧的激振电极121，而在本实施例的振动陀螺仪100中，压电元件10的上面11和底面12上，都形成与实施例2中的振动陀螺仪100的上面11相同的电极结构。与实施例2的振动陀螺仪100相比，由此得到的电荷量变大，功率增益高，信噪比也得到改善。(实施例8)
如图9A、9B所示，本实施例的振动陀螺仪100具有长方体形状的压电元件10，其极化方向沿厚度方向T向上。
在上述实施例3的振动陀螺仪100中，只在压电元件10的整个底面12上形成接地侧的激振电极221，而在本实施例的振动陀螺仪100中，压电元件10的上面11和底面12上，都形成与实施例3中的振动陀螺仪100的上面11相同的电极结构。与实施例3的振动陀螺仪100相比，由此得到的电荷量变大，功率增益高，信噪比也得到改善。(实施例9)
如图10A～10C所示，本实施例的振动陀螺仪100具有长方体形状的压电元件10，其极化方向沿厚度方向T向上。
在上述实施例4的振动陀螺仪100中，只在压电元件10的整个底面12上形成接地侧的激振电极321，而在本实施例的振动陀螺仪100中，压电元件10的上面11和底面12上，都形成与实施例4中的振动陀螺仪100的上面11相同的电极结构。与实施例4的振动陀螺仪100相比，由此得到的电荷量变大，功率增益高，信噪比也得到改善。
在上述各实施例中，虽然说明了激起纵向振动，检测弯曲振动的情况，也可使用同样结构的振动陀螺仪，激起弯曲振动，检测纵向振动的情况，动作原理与前者相同。
另外，在上述各实施例中，作为压电元件10、60、70虽然采用压电陶瓷，但是不限于压电陶瓷，LiNbO3、LiTaO3、水晶等单晶体都可采用。单晶在生长时可能会形成单磁畴，例如实施例1的压电元件60、70，实施例、3、4、7、8、9的压电元件10，只要各压电元件内的极化方向都是相同的，就设置把单晶体切割成电极为好，就变成不需要采用压电陶瓷时的不同的电极形成后的极化处理。另外，这种情况下的单结晶压电单元的极化方向若能够激振、检测上述纵向振动和弯曲振动，就不必限定在厚度方向上极化。
另外，激振电极、检测电极和保护电极最好采用Ag、Ag-Pd、Pt系金属烧结得到的电极。也可用采用Au、Al蒸镀或溅射形成的电极。
根据以上说明，本发明中，仅仅在压电元件上形成电极以实现角速度传感器，与现有的振动陀螺仪相比，结构简单，制造成本大幅度降低。
另外，由于形状变窄，变薄，与现有的三维结构的振动陀螺仪相比，可以实现传感器的小型化。
因此，本发明的振动陀螺仪，特别适用于汽车等导航上使用的振动陀螺仪。