CN103363976A - 振动片、振动片的制造方法、传感器单元、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供振动片、振动片的制造方法、传感器单元、电子设备,该振动片能够抑制泄漏信号。振动陀螺元件(10)具备:基部(20);从基部(20)起延伸的驱动用振动臂(21、22)及检测用振动臂(31、32);从基部(20)起延伸并伴随于驱动用振动臂(21、22)的驱动振动而振动的第一调节用振动臂(51、52)及第二调节用振动臂(61、62),至少第一调节用振动臂(51、52)的输出信号相对于检测用振动臂(31、32)的泄漏振动的输出信号为反相,第一调节用振动臂的输出信号的振幅大于第二调节用振动臂。由此,在通过对第一调节用振动臂的调节用电极的电极长(L1)进行调节而进行泄漏振动的粗调之后,通过对第二调节用振动臂的调节用电极的电极长(L2)进行调节而进行泄漏振动的微调,从而可抑制泄漏振动。
Description
技术领域
本发明涉及振动片、振动片的制造方法、使用了该振动片的传感器单元及电子设备。
背景技术
作为传感器元件,例如,已知一种角速度传感器(振动陀螺传感器)等,所述角速度传感器被使用于车辆中的车身控制、车辆导航系统的本车位置检测、数码照相机或摄像机等的振动控制补偿(所谓的手振补偿)等,并对角速度、加速度等的物理量进行检测(例如,专利文献1参照)。
专利文献1所记载的角速度传感器具有,由两个臂、和对这两个臂的一端的彼此间进行连接的基部所构成的音叉。另外,在专利文献1所记载的角速度传感器中,音叉由非压电体材料构成,在各个臂上,分别设置有在一对电极间插入压电薄膜而形成的驱动部和检测部。
在这种角速度传感器中,通过向驱动部的一对电极间施加电压,从而使臂进行弯曲振动(驱动)。而且,在该驱动状态下,当臂受到围绕沿其延伸方向的轴线的角速度时,将通过科里奥利力,从而使检测部的臂在与前文所述的驱动方向正交的方向上发生挠曲,根据该挠曲量而产生的电荷将从检测部的电极被检测出。根据该被检测出的电荷,能够对角速度进行检测。
可是,如前文所述的这种具有两个臂的音叉一般通过对基板进行蚀刻加工而形成。此时,由于该基板的蚀刻各向异性或加工工艺的差异等,难以使音叉的尺寸与所设计的一样。因此,有时会出现如下情况,即,音叉变为预期之外的形状,从而即使在未受到角速度的状态下,检测部的臂也会在与弯曲振动方向不同的方向上发生挠曲。当检测出伴随于这种臂的挠曲的、从检测部的一对电极产生的电荷时,将导致检测精度的降低。
因此,在专利文献1所记载的角速度传感器中,通过对检测部的一对电极进行部分去除,从而对在臂未受到角速度的状态下从检测部输出的电荷量进行了调节。
但是,在通过部分去除检测部的一对电极而对电荷量进行调节的方法中,在调节量较大的情况下,必须增大相对于去除量的电荷量变化,从而难以进行精密的电荷量的调节。另外,当减小相对于去除量的电荷量变化时,存在调节范围变小从而无法完全调节的课题。
专利文献1:日本特开2008-14887号公报
发明内容
本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而实施的,其能够作为以下的方式或者应用例而实现。
应用例1
本应用例所涉及的振动片的特征在于,具备:基部;驱动用振动臂及检测用振动臂,其从所述基部起延伸;第一调节用振动臂及第二调节用振动臂,其从所述基部起延伸,并伴随于所述驱动用振动臂的驱动振动而进行振动,至少所述第一调节用振动臂的输出信号相对于所述检测用振动臂的泄漏振动的输出信号为反相,所述第一调节用振动臂的输出信号的振幅大于所述第二调节用振动臂的输出信号的振幅。
根据本应用例,通过使第一调节用振动臂及第二调节用振动臂的输出信号相对于由于驱动用振动臂的泄漏振动而在检测用振动臂上产生的输出信号为反相,从而能够消除并抑制驱动用振动臂的泄漏输出。
另外,通过使第一调节用振动臂的输出信号的振幅大于第二调节用振动臂的输出信号的振幅,从而能够在第一调节用振动臂中进行所谓的粗调,而在第二调节用振动臂中进行所谓的微调。其结果为,能够在较宽的范围内且高精度地抑制驱动用振动臂的泄漏信号。
应用例2
在上述应用例所涉及的振动片中,优选为,当将所述第一调节用振动臂的振动频率设为ftu1,将所述第二调节用振动臂的振动频率设为ftu2,将所述驱动用振动臂的振动频率设为fk,并表示为△f1=|fk-ftu1|、△f2=|fk-ftu2|时,
△f1<△f2。
如此,如果使△f1<△f2,则ftu1将比ftu2更接近fk。因此,能够将第一调节用振动臂作为粗调用的振动臂而使用,将第二调节用振动臂作为微调用的振动臂而使用。
应用例3
在上述应用例所涉及的振动片中,优选为,在所述检测用振动臂上设置有检测电极,所述检测电极对根据所述驱动用振动臂的驱动时被施加的物理量而产生的振动进行电气检测,在所述第一调节用振动臂及所述第二调节用振动臂上,设置有与所述检测电极电连接的调节用电极。
根据该结构,当振动片上被施加了角速度或加速度等的物理量时,能够使用检测电极来对物理量进行检测,从而能够实现小型且具有高灵敏度的特性的物理量传感器。
应用例4
在上述应用例所涉及的振动片中,优选为,所述驱动用振动臂从所述基部的一端起延伸,所述检测用振动臂从与所述基部为相反侧的另一端起延伸,所述第一调节用振动臂沿着所述驱动用振动臂的延伸方向延伸,所述第二调节用振动臂沿着所述检测用振动臂的延伸方向延伸。
在这种结构的振动片中,由于驱动系统的振动臂及检测系统的振动臂、与调节系统的振动臂被分离,因此,降低了驱动系统的振动臂及检测系统的振动臂、与调节系统的振动臂的电极之间或者布线之间的电容耦合,从而能够抑制伴随于设置调节系统的振动臂的情况而产生的检测灵敏度的劣化。
应用例5
在上述应用例所涉及的振动片中,优选为,所述第一调节用振动臂的长度长于所述第二调节用振动臂的长度。
为了将第一调节用振动臂和第二调节用振动臂设为△f1<△f2,能够通过改变各调节用振动臂的截面形状或改变长度等来实现。在改变第一调节用振动臂和第二调节用振动臂的长度的情况下,当通过蚀刻法等而形成振动片的外形形状时,能够容易且高精度地形成振动片的外形形状。
应用例6
本应用例所涉及的传感器单元的特征在于,具备:上述应用例中的任一个应用例所述的振动片;电子部件,其包括:激励所述驱动用振动臂的驱动电路、和对在所述检测用振动臂上产生的检测信号进行检测的检测电路;封装件,其对所述振动片及所述电子部件进行收纳。
根据本应用例,能够提供一种传感器单元,该传感器单元具备,发挥上述应用例中的任一个应用例所述的效果的振动片。
而且,上述结构的这种封装型的传感器单元具有,有利于小型化和薄型化、且耐冲击性较高的特征。
应用例7
本应用例所涉及的电子设备的特征在于,具备上述应用例中的任一个应用例所述的振动片。
根据本应用例,由于具备上述应用例所述的、实施了抑制泄漏输出的调节的高灵敏度的振动片,因此,能够提供一种高功能且具有稳定的特性的电子设备。
应用例8
本应用例所涉及的振动片的制造方法的特征在于,所述振动片具备:基部;驱动用振动臂及检测用振动臂,其从所述基部起延伸;第一调节用振动臂及第二调节用振动臂,其从所述基部起延伸,并伴随于所述驱动用振动臂的驱动振动而进行振动,所述振动片的制造方法包括:形成所述振动片的外形形状的工序;对使所述检测用振动臂的泄漏信号和所述第一调节用振动臂及所述第二调节用振动臂的调谐信号叠加后的、表观上的泄漏信号的电流值进行检测的工序;去除或者附加所述第一调节用振动臂的调节部的一部分,从而对所述表观上的泄漏信号的电流值进行粗调,直到该电流值变为所述第二调节用振动臂的可变电流值以下的工序;去除或者附加所述第二调节用振动臂的调节部的一部分,从而将所述表观上的泄漏信号的电流值微调至规格值以下的工序。
根据本应用例的制造方法,对使检测用振动臂的泄漏信号与第一调节用振动臂及第二调节用振动臂的调谐信号叠加后的、表观上的泄漏信号的电流值进行检测,并去除或附加第一调节用振动臂的调节部的一部分,从而对表观上的泄漏信号的电流值进行粗调,直到该电流值变为第二调节用振动臂的可变电流值以下为止,且去除或附加第二调节用振动臂的调节部的一部分,从而将表观上的泄漏信号的电流值微调至规格值以下。
如果采用以上方式,则与对振动片的外形的一部分进行加工从而实施泄漏输出的抑制调节的现有方法相比,由于有利于小型化且能够进行精细的调节,因此能够制造出小型且高灵敏度的振动片。
另外,在粗调中拓宽了可调节范围,且在微调中能够进行精密的调节。因此,能够有效地抑制泄漏振动。
附图说明
图1为表示作为振动片的振动陀螺元件的概要结构的立体图。
图2为从第一主面侧目视确认振动陀螺元件时的电极配置说明图。
图3为从第二主面侧目视确认振动陀螺元件时的电极配置说明图。
图4为示意性地表示驱动用振动臂和第一调节用振动臂的关系的说明图。
图5为示意性地表示泄漏信号及调谐信号的输出波形的一个示例的说明图。
图6为表示第一调节用振动臂的电极长与产生电流的关系的曲线图。
图7为表示第二调节用振动臂的电极长与产生电流的关系的曲线图。
图8为示意性地表示泄漏振动抑制的一个示例的说明图。
图9为表示振动陀螺元件的制造所涉及的主要工序的工序说明图。
图10为表示陀螺传感器的概要结构的剖视图。
图11中,(a)为表示应用于数码摄像机中的应用例的立体图,(b)为表示作为电子设备的移动电话的立体图,(c)为表示应用于信息便携式终端(PDA:Personal Digital Assistants,个人数字助理)中的应用例的立体图。
具体实施方式
以下,参照附图,对本发明的实施方式进行说明。
并且,以下说明中所参照的图为,为了将各部件设为可识别的大小,从而使各部件或者一部分部件的纵向与横向的比例尺与实际状况不同的示意图。
振动片
首先,参照附图,对振动片的结构进行说明。在本实施方式中,作为振动片的一个具体示例,以振动陀螺元件为例进行说明。
图1为,表示作为振动片的振动陀螺元件的概要结构的立体图。如图1所示,振动陀螺元件10被构成为,具有通过利用湿式蚀刻或干式蚀刻等来对基材(构成主要部分的材料)进行加工从而被形成的基部20、从基部20起延伸的驱动用振动臂21、22和检测用振动臂31、32、作为调节用振动臂的两对第一调节用振动臂51、52和第二调节用振动臂61、62。
在本实施方式中,作为振动陀螺元件10的基材,对使用了作为压电体材料的水晶的示例进行说明。水晶具有被称为电轴的X轴、被称为机械轴的Y轴及被称为光学轴的Z轴。在本实施方式中,对以作为基材而使用了所谓的水晶Z板的示例进行说明,所述水晶Z板沿着由在水晶结晶轴中正交的X轴及Y轴规定的平面而被切出,且被加工为平板状,并在与平面正交的Z轴方向上具有预定的厚度。并且,此处所提及的预定的厚度根据振荡频率(共振频率)、外形尺寸、加工性等而被适当地设定。
另外,构成振动陀螺元件10的平板针对于X轴、Y轴及Z轴的各个轴,能够在少许的范围内容许从水晶中切出的切出角度的误差。例如,能够使用以X轴为中心在0度至2度的范围内旋转并切出的材料。关于Y轴及Z轴也为同样情况。
一对振动臂中的一方的驱动用振动臂21、22,从位于中心部分处的大致长方形形状的基部20的Y轴方向上的端部中的一侧端部(图中,为+Y方向端部)起沿着Y轴以并行的方式延伸。另外,一对振动臂中的另一方的检测用振动臂31、32,从基部20的另一侧的端部(图中,为-Y方向端部)起沿着Y轴以并行的方式延伸。
如此,从基部20的两端部的各个端部起,根据驱动用振动臂21、22和检测用振动臂31、32分别在同轴方向上延伸的形状,从而有时将振动陀螺元件10称为H型振动片(H型振动陀螺元件)。
H型的振动陀螺元件10具有以下特征,即,由于驱动用振动臂21、22和检测用振动臂31、32从基部20的同轴方向的两端部起分别延伸,因而驱动系统的振动臂和检测系统的振动臂被分离,因此,降低了驱动系统和检测系统的电极之间或者布线之间的电容耦合,从而使检测灵敏度较为稳定。并且,虽然在本实施方式中,作为振动臂而驱动用振动臂及检测用振动臂各自被设置了两个,但是,振动臂各自的个数既可以为一个,也可以为三个以上。另外,也可以在一个振动臂上形成驱动电极和检测电极。
另外,作为在与水晶的结晶X轴(电轴)交叉的方向上延伸的两对调节用振动臂,振动陀螺元件10具有作为一侧的一对振动臂的第一调节用振动臂51、52、和作为另一侧的一对振动臂的第二调节用振动臂61、62。第一调节用振动臂51从自基部20向-X方向突出设置的第一连结部41的端部起,在+Y方向上以与驱动用振动臂21平行的方式延伸。第一调节用振动臂52从自基部20向+X方向突出设置的第二连结部42的端部起,在+Y方向上以与驱动用振动臂22平行的方式延伸。
另外,第二调节用振动臂61在第一调节用振动臂51的延长线上且在-Y方向(检测用振动臂31侧方向)上延伸。第二调节用振动臂62在第一调节用振动臂52的延长线上且在-Y方向(检测用振动臂32侧)上延伸。在本实施方式中,第二调节用振动臂61、62的长度短于第一调节用振动臂51、52的长度,且X方向上的切割面的截面形状与第一调节用振动臂51、52相同。
虽然详细情况将参照图2、图3在后文叙述,但是,在作为振动片的振动陀螺元件10中,在驱动用振动臂21、22上形成有驱动电极,在检测用振动臂31、32上形成有检测电极。通过对驱动电极施加驱动信号(激励信号),从而能够使驱动用振动臂21、22在X方向上进行弯曲振动。在通过对振动陀螺元件10施加驱动信号而使驱动用振动臂21、22弯曲振动时,如果使Y轴作为检测轴而进行旋转,则通过科里奥利力将使检测用振动臂31、32在与XY平面正交的Z方向上进行振动。检测用振动臂31、32的振幅由于与振动陀螺元件10的旋转速度成正比,因此能够作为角速度而进行检测。
接下来,对本实施方式的振动陀螺元件10的电极结构进行说明。
图2为,从第一主面11侧对振动陀螺元件10进行目视确认时的电极配置说明图,图3为,从第二主面12侧对振动陀螺元件10进行目视确认时的电极配置说明图。并且,在图2及图3中,在本实施方式的电极配置中主要对特征性的检测用振动臂31、32和第一调节用振动臂51、52和第二调节用振动臂61、62的电极的连接关系进行说明,由于设置于驱动用振动臂21、22上的驱动系统的电极(驱动电极)的连接关系与现有的振动陀螺元件的驱动系统的电极的连接关系相同,因此,省略图示和说明。
首先,对设置于驱动用振动臂21、22上的电极进行说明。
如图2所示,在驱动用振动臂21、22的第一主面11上,设置有驱动电极23a、24a。另外,在驱动用振动臂21、22的两个侧面中的一个侧面上,分别设置有驱动电极25b、26b。
另外,如图3所示,在各驱动用振动臂21、22的与第一主面11对置的第二主面12上,分别设置有驱动电极24b、23b。在驱动用振动臂21、22的与上述一个侧面对置的另一个侧面上,分别设置有驱动电极26a、25a。
在设置于驱动用振动臂21、22的两个主面及两个侧面上的驱动电极23a、24b、24a、23b、及驱动电极25a、25b、26a、26b中,对应的电极彼此通过未图示的连接布线而被连接在一起,从而使第一主面11、第二主面12、及位于这两个主面之间并对置的两个侧面(内侧面和外侧面)分别成为相同电位。在本实施方式中,在一侧的驱动用振动臂21中,被设置在两个主面上的驱动电极23a和驱动电极23b为相同电位,被设置在两个侧面上的驱动电极25a和驱动电极25b为相同电位。另外,在驱动用振动臂22中,被设置在两个主面上的驱动电极24a和驱动电极24b为相同电位,被设置在两个侧面上的驱动电极26a和驱动电极26b成为相同电位的电极。在此,在驱动用振动臂21、22中相同电位的对置的驱动电极中的一方,例如,被设置在驱动用振动臂21的两个主面上的驱动电极23a、23b、和被设置在驱动用振动臂22的两个侧面上的驱动电极26a、26b,成为了接地电极。
接下来,对被设置在检测用振动臂31、32上的电极进行说明。
如图2所示,在检测用振动臂31的两个侧面中的一个侧面上,设置有检测电极33a、35a,所述检测电极33a、35a为,用于对因振动而产生的基材(水晶)的变形进行检测的检测用的电极,在检测用振动臂32的一个侧面上,设置有检测电极34a、36a。具体而言,在一对检测用振动臂中,沿着检测用振动臂31的延伸方向而设置有电位互不相同的一对检测电极33a、35a,在检测用振动臂32的一个侧面上,在沿着检测用振动臂32的延伸方向的两端部附近,设置有电位互不相同的一对检测电极34a、36a。
另外,如图3所示,在检测用振动臂31、32的与上述一个侧面对置的另一个侧面上,设置有检测电极34b、36b及检测电极33b、35b。具体而言,在一对检测用振动臂31、32中,在检测用振动臂31的另一个侧面上,沿着检测用振动臂31的延伸方向,设置有电位互不相同的一对检测电极33b、35b,在检测用振动臂32的另一个侧面上,在沿着检测用振动臂32的延伸方向的两端部附近,设置有电位互不相同的一对检测电极34b、36b。
另外,在检测用振动臂31、32的两个侧面上对置的检测电极彼此成为相同电位。即,在检测用振动臂31的两个侧面上,对置的检测电极33a和检测电极33b为相同电位,并且,对置的检测电极35a和检测电极35b为相同电位,另外,在检测用振动臂32的两个侧面上,对置的检测电极34a和检测电极34b为相同电位,并且对置的检测电极36a和检测电极36b成为相同电位。在此,在检测用振动臂31、32中相同电位的对置的检测电极中的一方,例如,与检测用振动臂31的两个侧面对置设置的检测电极35a、35b、和与检测用振动臂32的两个侧面对置设置的检测电极36a、36b,成为了接地电极。
接下来,对被设置在第一调节用振动臂51、52、及第二调节用振动臂61、62上的作为调节部的调节用电极进行说明。
如图2所示,在两对调节用振动臂中的、一对第一调节用振动臂51、52的第一主面11上,分别设置有调节用电极63a、64a。另外,在第一调节用振动臂51、52的两个侧面中的一个侧面上,分别设置有调节用电极65a、66a。
另外,如图3所示,在第一调节用振动臂51、52的第二主面12上,分别设置有调节用电极64b、63b。另外,在第一调节用振动臂51、52的与上述一个侧面对置的另一个侧面上,分别设置有调节用电极65b、66a。
在本实施方式中,检测用振动臂31、32的检测电极、和第一调节用振动臂51、52的对应的调节用电极被电连接在一起。
具体而言,如图2及图3所示,检测用振动臂31的检测电极33a和第一调节用振动臂51的调节用电极63a经由电极间布线43a而被连接在一起,检测电极35a和调节用电极65a经由电极间布线43b和其他未图示的电极间布线而被连接在一起,检测电极33b和调节用电极63b经由电极间布线46a而被连接在一起,检测电极35b和调节用电极65b经由电极间布线46b而被连接在一起。
另外,检测用振动臂32的检测电极34a和第一调节用振动臂52的调节用电极64a经由电极间布线44b而被连接在一起,检测电极36a和调节用电极66a经由电极间布线44a而被连接在一起,检测电极34b和调节用电极64b经由电极间布线45a而被连接在一起,检测电极36b和调节用电极66a经由未图示的电极间布线而被连接在一起。
接下来,对两对调节用振动臂中的另一方的一对第二调节用振动臂61、62的电极配置进行说明。
如图2所示,在第二调节用振动臂61、62的第一主面11上,设置有调节用电极63a、64a,在第二调节用振动臂61、62各自的一个侧面上,设置有调节用电极65c、66a。也就是说,被设置在第一主面11上的调节用电极63a、64a与第一调节用振动臂51、52的调节用电极是共用的,被设置在第一调节用振动臂51的侧面上的调节用电极65a和被设置在第二调节用振动臂61的侧面上的调节用电极65c通过未图示的电极间布线而被连接在一起。另一方面,被设置在第一调节用振动臂52的侧面上的调节用电极66a延伸至第二调节用振动臂62的侧面为止。
另外,如图3所示,在第二调节用振动臂61、62的第二主面12上,设置有调节用电极63b、64b,在第二调节用振动臂61、62各自的上述另一个侧面上,设置有调节用电极65b、66c。也就是说,被设置在第二主面12上的调节用电极63b、64b与第一调节用振动臂51、52的调节用电极是共用的,被设置在第一调节用振动臂51的侧面上的调节用电极65b延伸至第二调节用振动臂61的侧面。被设置在第二调节用振动臂62的侧面上的调节用电极66c通过未图示的电极间布线而与第一调节用振动臂52的侧面的调节用电极66a连接在一起。
因此,被设置在第二调节用振动臂61、62上的各个调节用电极和被设置在检测用振动臂31、32上的各个检测电极之间的连接关系为,以与被设置在第一调节用振动臂51、52上的各个调节用电极和被设置在检测用振动臂31、32上的各个检测电极相同的方式而被连接。
接下来,对由第一调节用振动臂51、52及第二调节用振动臂61、62所实施的、抑制泄漏振动的想法进行说明。
图4为,示意性地表示振动陀螺元件10的驱动用振动臂21、22、和第一调节用振动臂51、52之间的关系的说明图。驱动用振动臂21、22在进行了图4所示的这种运动时,如果驱动用振动臂具有面外振动成分(Z方向),则在检测用振动臂31、32上也将产生面外振动,从而即使在未施加角速度的情况下有时也会产生检测信号(振动泄漏)。为了消除这种振动泄漏,只要使第一调节用振动臂51、52的振动相对于驱动用振动臂21、22的振动而成为偏移了180度的反相即可。并且,第二调节用振动臂61、62与第一调节用振动臂51、52同相地进行振动。为了以成为这种相位关系的方式而进行振动,只要采用图2、图3所示的这种电极结构即可。
并且,本实施方式的振动陀螺元件10的驱动用振动臂21、22和第一调节用振动臂51、52及第二调节用振动臂61、62以如下方式被进行了规定。
将驱动用振动臂21、22的驱动频率设为fk。
将第一调节用振动臂51、52的面内音叉频率(振动频率)设为ftu1。
将第二调节用振动臂61、62的面内音叉频率(振动频率)设为ftu2。
而且,将驱动频率和各个面内音叉频率之差设为△f1、△f2,当以
△f1=|fk-ftu1|、△f2=|fk-ftu2|来表示时,设定为满足△f1<△f2。
也就是说,两对调节用振动臂中的第一调节用振动臂51、52将具有与第二调节用振动臂61、62相比更加接近驱动频率fk的面内音叉频率ftu1。这意味着,因泄漏振动而在在第一调节用振动臂51、52上产生的电荷量(电流)大于在第二调节用振动臂61、62上产生的电荷量(电流)。因此,如果对设置于第一调节用振动臂51、52上的各个调节用电极的长度进行调节,则能够对泄漏振动进行粗调,如果对设置于产生电荷量较小的第二调节用振动臂61、62上的各个调节用电极的长度进行调节,则能够对泄漏振动进行微调。
因此,对泄漏振动的抑制方法进行说明。
图5为,示意性地表示泄漏信号及调谐信号的输出波形的一个示例的说明图。横轴表示时间,纵轴表示电流值。(a)表示泄漏信号的输出波形,(b)表示将第一调节用振动臂51、52的调谐信号的电流波形(通过单点划线表示)及第二调节用振动臂61、62的电流波形(通过双点划线表示)相对于泄漏信号的电流波形而偏移了180度相位的情况。如图5所示,第一调节用振动臂51、52的调谐信号的振幅大于第二调节用振动臂61、62的调谐信号的振幅。
另外,图5(c)表示仅将第一调节用振动臂51、52的调谐信号的电流波形(通过单点划线表示)相对于泄漏信号而偏移了180度相位的情况。在这种情况下,也能够进行泄漏振动的粗调及微调。
并且,调谐信号是指,对第一调节用振动臂51、52及第二调节用振动臂61、62的、作为调节部的各个调节用电极的电极长进行调节后的电流波形。
接下来,对第一调节用振动臂51、52及第二调节用振动臂61、62的、作为调节部的各个调节用电极的电极长和产生电流之间的关系进行说明。并且,在此,示出了一个实施例的测量结果。
图6为,表示第一调节用振动臂51、52的电极长L1(参照图2)和产生电流的关系的曲线图。并且,图6所示的纵轴表示,将在第一调节用振动臂51、52中产生的最大电流值设为100时的、第一调节用振动臂51、52的电流值比;横轴表示,将获得上述最大电流值时的第一调节用振动臂51、52的电极长设为1时的、第一调节用振动臂51、52的电极长比。
如图6所示,在将第一调节用振动臂51、52的电极长比设为0.6至0.25时,电流值大约变化35%。
图7为,表示第二调节用振动臂61、62的电极长L2(参照图2)和产生电流的关系的曲线图。纵轴表示,将在第一调节用振动臂51、52中产生的最大电流值设为100时的、第二调节用振动臂61、62中产生的电流值比;横轴表示,将获得上述最大电流值时的第一调节用振动臂51、52的电极长设为1时的、第二调节用振动臂的电极长比。
如图7所示,当将第二调节用振动臂61、62的电极长比设为0.5至0.15时,电流值大约变化3%。
如果对图6与图7进行比较,则使第一调节用振动臂51、52的调节用电极的电极长L1发生变化时的每单位长度的电流值,大于使第二调节用振动臂61、62的调节用电极的电极长L2发生变化时的每单位长度的电流值。因此,能够将第一调节用振动臂51、52设为粗调用的振动臂,将第二调节用振动臂61、62设为微调用的振动臂,从而能够以具有连续性的方式进行粗调和微调。
图8为,示意性地表示利用了上述想法的泄漏振动抑制的一个示例的说明图。(a)表示电极长L1、L2的电极长调节前的各个信号的输出波形,(b)表示对第一调节用振动臂51、52的电极长L1进行了调节时的各个输出波形,(c)表示对第二调节用振动臂61、62的电极长L1进行了调节时的各个输出波形。如图8(a)所示,第一调节用振动臂51、52及第二调节用振动臂61、62的输出信号(调谐信号)相对于检测用振动臂31、32的泄漏信号为反相(偏移180度),调谐信号的电流值将变得大于泄漏信号的电流值。此时,如图中最下层所示,将会输出使泄漏信号和调谐信号叠加后的表观上的泄漏信号。也就是说,表示了泄漏振动未被抑制的情况。
因此,首先对第一调节用振动臂51、52的电极长L1进行调节。于是,在调谐信号中,如图8(b)所示,输出值(电流值)以对应于所调节的量而变小,从而输出图中最下层所示的表观上的泄漏信号。也就是说,如果仅对第一调节用振动臂51、52进行调节,则会表现出泄漏振动未被充分抑制的情况。并且,在对第一调节用振动臂51、52的调节中,将调节至成为由对第二调节用振动臂的调节所实现的第二调节用振动臂61、62的可变电流值的上限以下为止。
接下来,实施对第二调节用振动臂61、62的电极长L2的调节。
如图8(c)所示,通过对第二调节用振动臂61、62的电极长L2进行调节,能够将表观上的泄漏振动抑制在振动陀螺元件10的检测中所容许的范围内。
下面,对作为根据这种泄漏振动抑制的想法而实现的振动片的、振动陀螺元件10的制造方法进行说明。
振动片的制造方法
图9为,表示作为振动片的振动陀螺元件10的制造所涉及的主要工序的工序说明图。在此,以泄漏振动的抑制方法为中心进行说明。
首先,形成以图1所示的方式而构成的、作为振动片的振动陀螺元件10(S10)。振动陀螺元件10通过湿式蚀刻或者干式蚀刻而形成图1所示的外形形状,并利用溅射法或蒸镀法从而形成图2及图3所示的各个驱动电极、各个检测电极、各个调节用电极,所述外形形状为,具有基部20、从基部20起延伸的驱动用振动臂21、22、检测用振动臂31、32、第一调节用振动臂51、52、和第二调节用振动臂61、62的形状。
接着,对使检测用振动臂31、32的泄漏信号和第一调节用振动臂51及第二调节用振动臂61的调谐信号叠加后的、表观上的泄漏信号的电流值进行检测(S20),并对表观上的泄漏信号的电流值与规格值进行比较(S30)。
在此,在表观上的泄漏信号小于规格值的情况下,由于无需进行调节因而结束工序。并且,作为规格值,是指对振动陀螺元件10的检测特性不产生影响的程度上的电流值。
在表观上的泄漏信号大于规格值的情况下,转移到下一工序。
接下来,对第一调节用振动臂51、52的调节用电极的电极长L1进行调节,从而对调谐信号进行粗调(S40)。对于电极长L1的调节,可以进一步附加电极从而使电极长L1延长,此外也可以通过激光等而去除调节用电极的顶端部从而使电极长L1缩短。
而且,判断表观上的泄漏信号的电流值是否在规格值以上、且在第二调节用振动臂61、62的可变电流值以下(S50)。如果表观上的泄漏信号的电流值在规格值以下,则由于无需进行接下来的微调,因此结束工序。另外,当表观上的泄漏信号的电流值在规格值以上、且在由第二调节用振动臂61、62的调节而实现的可变电流值以下时(是),转移到下一工序。
接着,通过第二调节用振动臂61、62的调节,而对调谐信号进行微调(S60),接下来,判断表观上的泄漏信号的电流值是否已变为规格值以下(S70),对第二调节用振动臂61、62进行调节,直到小于规格值为止,当电流值变为了规格值以下时(是),认为振动陀螺元件10的泄漏振动已被适当地抑制,从而结束工序。
根据以上所说明的作为振动片的振动陀螺元件10、以及振动陀螺元件的制造方法,通过使第一调节用振动臂51、52及第二调节用振动臂61、62的调谐信号相对于检测用振动臂31、32的泄漏振动的输出信号(泄漏信号)而偏移180度相位,从而能够对检测用振动臂31、32的泄漏信号进行抑制。而且,通过去除或附加被设置在第一调节用振动臂51、52上的作为调节部的各个调节用电极的一部分,从而能够对泄漏振动进行抑制。由此,由于与通过对振动陀螺元件10的外形的一部分进行加工从而实施泄漏输出的抑制调节的现有方法相比,有利于小型化且能够实施精细的调节,因此,能够提供一种小型且机械强度较高、并具有高灵敏度的特性的振动片。
另外,通过对第一调节用振动臂51、52的作为调节部的调节用电极的电极长L1进行调节,从而将增大相对于调节量的、泄漏信号的电流值的变化,通过对第二调节用振动臂61、62的作为调节部的调节用电极的电极长L2进行调节,从而能够减小相对于调节量的、泄漏信号电流值的变化。由此,能够将第一调节用振动臂51、52设为粗调用的振动臂,将第二调节用振动臂61、62设为微調用的振动臂,从而在较宽的范围内且高精度地对泄漏振动进行抑制。
另外,在驱动用振动臂21、22上,设置有驱动电极23a、23b、24a、24b、25a、25b、26a、26b,在检测用振动臂31、32上,设置有检测电极33a、33b、34a、34b、35a、35b、36a、36b,所述检测电极33a、33b、34a、34b、35a、35b、36a、36b对根据驱动用振动臂21、22的驱动时被施加的物理量而产生的振动进行电气检测。根据该结构,当振动陀螺元件10上被施加有角速度或加速度等的物理量时,能够利用这些检测电极对物理量进行检测,从而能够实现小型且具有高灵敏度的特性的物理量传感器(例如,角速度传感器、加速度传感器等)。另外,在振动陀螺元件10中,由于驱动系统的驱动用振动臂21、22和检测系统的检测用振动臂31、32分离,因而降低了驱动系统的振动臂和检测系统的振动臂的电极之间或者布线之间的电容耦合,从而检测灵敏度较为稳定。
另外,由于使作为调节系统的振动臂的第一调节用振动臂51、52和第二调节用振动臂61、62,与驱动用振动臂21、22及检测用振动臂31、32分离,因而能够降低各自的电极之间或者布线之间的电容耦合,并抑制伴随于设置调节系统的振动臂的、检测灵敏度的劣化。
而且,被设置在各个第一调节用振动臂51、52及第二调节用振动臂61、62的各个振动臂上的调节用电极63a、63b、64a、64b、65a、65b、65c、66a、66b、66c、和检测电极33a、33b、34a、34b、35a、35b、36a、36b电连接。如果采用这种方式,例如通过利用激光照射来去除调节用电极63a、63b、64a、64b、65a、65b、65c、66a、66b、66c的一部分,或者利用蒸镀或溅射来附加金属膜,从而能够控制泄漏振动,并能够实现更加精细的泄漏输出的抑制调节。
陀螺传感器
接下来,对具备前文所述的振动陀螺元件10的、作为传感器单元的陀螺传感器进行说明。
图10为,表示陀螺传感器的概要结构的剖视图。陀螺传感器100具备:振动陀螺元件10、作为电子部件的IC芯片200、对振动陀螺元件10和IC芯片进行收纳的封装件70,其中,所述IC芯片200包括:对振动陀螺元件10的驱动用振动臂21、22进行激励的驱动电路、和对检测用振动臂31、32上所产生的检测信号进行检测的检测电路。
在封装件70中,例如,通过在平板状的第一层基板71上依次重叠设置开口部的大小不同的长方形环状的第二层基板72、第三层基板73、及第四层基板74,从而形成具有高低差或突起部的凹部,并能够将振动陀螺元件10及IC芯片200收纳在该凹部内。作为封装件70的材质,例如能够使用陶瓷、玻璃等。
在成为封装件70的凹部的凹底部分的第一层基板71上,设置有芯片座75,在所述芯片座75上,配置有IC芯片200。另外,在成为封装件70的外底面的第一层基板71的、与设置有芯片座75的面不同的面上,设置有用于与外部基板接合的外部安装端子78。
在封装件70的凹部处,在由第二层基板72以包围芯片座75的方式而形成的高低差上,设置有多个IC连接端子76,所述多个IC连接端子76与被设置在IC芯片200的有源面上的多个电极衬垫(未图示)对应地接合。
另外,在设置有多个IC连接端子76的第二层基板72上,在由第三层基板73以包围IC连接端子76的方式而形成的高低差上,设置有振动片连接端子77,所述多个IC连接端子76经由中继基板90而与振动陀螺元件10接合。
在设置于封装件70上的上述各种端子中,对应的端子彼此通过未图示的引导布线或通孔等的层内布线而被连接在一起。
IC芯片200具有作为激励单元的驱动电路和作为检测单元的检测电路,所述驱动电路用于对振动陀螺元件10进行驱动振动,所述检测电路对被施加了角速度时在振动陀螺元件10中产生的检测振动进行检测。具体而言,IC芯片200所具有的驱动电路向分别被形成在振动陀螺元件10的一对驱动用振动臂21、22上的驱动电极23a、23b、24a、24b、25a、25b、26a、26b(参照图2、图3)供给驱动信号。另外,IC芯片200所具有的检测电路通过对分别被形成在振动陀螺元件10的一对检测用振动臂31、32上的检测电极33a、33b、34a、34b、35a、35b、36a、36b中所产生的检测信号进行放大,从而生成放大信号,并根据该放大信号而对被施加在陀螺传感器100上的角速度进行检测。
IC芯片200例如通过钎料(芯片焊接材料)99而被粘接固定在芯片座75上,所述芯片座75被设置于封装件70的凹部的凹底部分上。另外,IC芯片200和封装件70利用引线接合法而被电连接。即,被设置在IC芯片200上的多个电极衬垫与封装件70的对应的IC连接端子76通过接合引线210而被连接在一起。
在封装件70的凹部内,振动陀螺元件10经由中继基板90而被接合于IC芯片200的上方。
中继基板90为用于实现如下结构的布线基板,即,在未形成有于封装件70的凹部内对振动陀螺元件10进行支承的复杂的支承结构的条件下,在具有预定的弹性的同时对振动陀螺元件10进行支承,并且对振动陀螺元件10和封装件70之间的电连接进行中继。本实施方式的中继基板90具有绝缘性的基材、多个电极引线92、和连接电极93,其中,所述绝缘性的基材具有开口部(元件孔)91,该开口部91被设置在,该振动陀螺元件10中配置有支承部分的基部20所被配置的区域内;连接电极93通过基材的层内布线等而与所对应的电极引线92电连接。多个电极引线92的一端侧被设置在基材上,而另一端侧以朝向基材的开口部91的中央悬伸的状态而延伸。
电极引线92的在开口部91处悬伸的部分,在从基材上趋向于开口部91的中央的中途暂时向斜上方(盖80侧)弯曲之后,再次朝向开口部91的中央而水平地弯折。此各个电极引线92的另一端侧(顶端部)被配置在,与设置在振动陀螺元件10的基部20上的外部连接端子(未图示)相对应的位置上,并用于振动陀螺元件10的电连接、和机械性的接合。
在中继基板90中,例如能够使用过去已知的TAB(Tape AutomatedBonding,卷带自动接合)安装用的TAB基板。通过使用在环箍状的绝缘性基材上等间隔地形成有多个中继基板90的TAB基板,从而能够连续且高效地实施从中继基板90的制造至振动陀螺元件10的安装为止的工序。
并且,中继基板90不限于在本实施方式中所说明的TAB基板,例如,还能够采用由引脚框架等形成的结构。
振动陀螺元件10与中继基板90的接合可以通过如下方法来实施,该方法为,在电极引线92的表面上,通过电镀等而预先形成例如锡(Sn)或金(Au)等的接合用的金属层。而且,预先在设置于振动陀螺元件10的基部20上的未图示的外部连接电极上也形成接合用的金属层,并使该各个电极引线92、与对应的外部连接电极的位置对齐,且通过进行加热及加压来进行金属共晶或者金属接合。作为其他的接合方法,可以应用经由金属凸点或导电性粘合剂等的接合部件而进行接合的方法(倒装片接合)等。
在中继基板90的开口部91上以悬伸的状态而延伸、并经由多个电极引线92而被接合的振动陀螺元件10,通过被成形加工的电极引线92的弹性而被柔软地支承。由此,当陀螺传感器100上被施加了因下落等而造成的冲击时,由于冲击将被电极引线92缓和,从而能够避免振动陀螺元件10发生破损等的不良状况,因此,实现了提高陀螺传感器100的耐冲击性的效果。
接合有振动陀螺元件10的中继基板90在封装件70的凹部内,被接合在IC芯片200的上方。具体而言,与中继基板90的被连接在振动陀螺元件10上的多个电极引线92电连接、且被设置在中继基板90的与接合有振动陀螺元件10的面不同的面上的连接电极93,与被设置在由封装件70的第三层基板73的形成的高低差上的振动片连接端子77位置对齐,并且在通过例如导电性粘合剂等的接合部件95而实现了电连接的同时,被接合固定在振动片连接端子77上。
并且,虽然在本实施方式中,对经由中继基板90而将振动陀螺元件10接合在封装件70内的方式进行了说明,但并不限定于此,只要采用不会产生振动陀螺元件10的振动泄漏等的支承结构即可。例如,可以采用以下的结构,即,在封装件70的凹部内设置具有连接端子的支承部,并且在该支承部上形成对振动陀螺元件10进行接合、支承的支承结构。
在IC芯片200和接合有振动陀螺元件10的封装件70上,配置有作为盖体的盖80,所述盖80封闭了封装件70的开口。作为盖80的材质,例如能够使用42合金(铁中含有42%的镍的合金)或科瓦铁镍钴合金(铁、镍及钴的合金)等的金属、陶瓷或者玻璃等。例如,由金属构成的盖80经由将科瓦铁镍钴合金等起膜成矩形环状而形成的密封圈79并通过进行缝焊而与封装件70接合。由封装件70及盖80形成的凹部空间成为用于振动陀螺元件10进行动作的空间。
上述凹部空间能够形成为减压空间或者被密封或封闭于惰性气体环境中的空间(详细内容将在后文叙述)。
根据上述结构的陀螺传感器100,由于通过对设置于前文所述的振动陀螺元件10上的第一调节用振动臂51、52及第二调节用振动臂61、62各自的调节用电极63a、63b、64a、64b、65a、65b、65c、66a、66b、66c中的任意一个调节用电极进行调节(对电极长L1、L2进行调节),从而能够实施对泄漏输出进行抑制的调节,因此,能够提供检测灵敏度较高的陀螺传感器100。
电子设备
搭载了前文所述的陀螺传感器100的电子设备能够在实现小型化的同时,通过减少泄漏输出而实现灵敏度的提高。以下,在图11中,以搭载了陀螺传感器100的电子设备为示例来进行说明。
图11(a)为,表示应用于数码摄像机的应用例的立体图。数码摄像机240具备图像接收部241、操作部242、声音输入部243、及显示单元244。通过在这种数码摄像机240中搭载使用了前文所述的实施方式的振动陀螺元件10的陀螺传感器100,从而能够使其具备所谓的手抖补偿功能。
图11(b)为,表示作为电子设备的移动电话的立体图。移动电话3000具备多个操作按钮3001、滚动按钮3002、以及显示单元3003。通过对滚动按钮3002进行操作,从而能够使显示在显示单元3003上的画面进行滚动。
图11(c)为,表示应用于信息便携式终端(PDA:Personal DigitalAssistants,个人数字助理)中的应用例的立体图。PDA4000具备多个操作按钮4001、电源开关4002、以及显示单元4003。当对电源开关4002进行操作时,通讯录或记事簿等的各种信息将被显示在显示单元4003上。
在这种移动电话3000或PDA4000中,通过搭载前文所述的振动陀螺元件10、以及作为传感器单元的陀螺传感器100,从而能够赋予各种各样的功能。例如,在图11(b)所示的移动电话3000中附加了未图示的照相机功能的情况下,则能够与上述的数码摄像机240同样地进行手抖补偿。另外,在使移动电话3000或图11(c)所示的PDA4000具备作为GPS(Global Positioning System,全球定位系统)而被广泛周知的全球定位系统的情况下,通过搭载振动陀螺元件10或陀螺传感器100,从而在GPS中能够识别移动电话3000或PDA4000的位置和姿态。
并且,并不仅限于图11中所例示的电子设备,作为能够应用具备上述实施方式所记载的振动陀螺元件10的陀螺传感器100的电子设备,可以举出便携式个人计算机、汽车导航装置、电子记事本、台式计算器、工作站、可视电话、POS(Point of Sale:销售点)终端、游戏机等。
以上,对所说明的本发明的实施方式具体地进行了说明,但是,本发明并不限定于上述的实施方式,在不脱离本发明的主旨的范围内能够施加各种各样的变更。
例如,虽然在上述实施方式中,对作为振动片的振动陀螺元件10的形成材料而使用了水晶的示例进行了说明,但是,也可以使用水晶以外的压电体材料。例如,能够使用氮化铝(AlN)、或在铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、锆钛酸铅(PZT)、四硼酸锂(Li2B4O7)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)等的氧化物基板或玻璃基板上层压氮化铝或五氧化二钽(Ta2O5)等的压电体材料而构成的层压压电基板、或者压电陶瓷等。
另外,可以使用压电体材料以外的材料来形成振动片。例如,可以使用硅半导体材料等来形成振动片。
另外,振动片的振动(驱动)方式并不限定于压电驱动。在使用了压电基板的压电驱动型的振动片之外,在使用了静电力的静电驱动型、或利用了磁力的洛伦兹驱动型等的振动片中,也能够发挥本发明的结构及其效果。
符号说明
10…作为振动片的振动陀螺元件;20…基部;21、22…驱动用振动臂;31、32…检测用振动臂;51、52…第一调节用振动臂;61、62…第二调节用振动臂。
Claims (10)
1.一种振动片,其特征在于,
具备:
基部;
驱动用振动臂及检测用振动臂,其从所述基部起延伸;
第一调节用振动臂及第二调节用振动臂,其从所述基部起延伸,并伴随于所述驱动用振动臂的驱动振动而进行振动,
至少所述第一调节用振动臂的输出信号相对于所述检测用振动臂的泄漏振动的输出信号为反相,
所述第一调节用振动臂的输出信号的振幅大于所述第二调节用振动臂的输出信号的振幅。
2.如权利要求1所述的振动片,其特征在于,
当将所述第一调节用振动臂的振动频率设为ftu1,
将所述第二调节用振动臂的振动频率设为ftu2,
将所述驱动用振动臂的振动频率设为fk,
并表示为△f1=|fk-ftu1|、△f2=|fk-ftu2|时,
△f1<△f2。
3.如权利要求1所述的振动片,其特征在于,
在所述检测用振动臂上设置有检测电极,所述检测电极对根据所述驱动用振动臂的驱动时被施加的物理量而产生的振动进行电气检测,
在所述第一调节用振动臂及所述第二调节用振动臂上,设置有与所述检测电极电连接的调节用电极。
4.如权利要求2所述的振动片,其特征在于,
在所述检测用振动臂上设置有检测电极,所述检测电极对根据所述驱动用振动臂的驱动时被施加的物理量而产生的振动进行电气检测,
在所述第一调节用振动臂及所述第二调节用振动臂上,设置有与所述检测电极电连接的调节用电极。
5.如权利要求1所述的振动片,其特征在于,
所述驱动用振动臂从所述基部的一端起延伸,
所述检测用振动臂从与所述基部的所述一端为相反侧的另一端起延伸,
所述第一调节用振动臂沿着所述驱动用振动臂的延伸方向延伸,
所述第二调节用振动臂沿着所述检测用振动臂的延伸方向延伸。
6.如权利要求2所述的振动片,其特征在于,
所述驱动用振动臂从所述基部的一端起延伸,
所述检测用振动臂从与所述基部的所述一端为相反侧的另一端起延伸,
所述第一调节用振动臂沿着所述驱动用振动臂的延伸方向延伸,
所述第二调节用振动臂沿着所述检测用振动臂的延伸方向延伸。
7.如权利要求1至权利要求4中任一项所述的振动片,其特征在于,
所述第一调节用振动臂的长度长于所述第二调节用振动臂的长度。
8.一种传感器单元,其特征在于,具备:
权利要求1所述的振动片;
电子部件,其包括:对所述驱动用振动臂进行激励的驱动电路、和对所述检测用振动臂上产生的检测信号进行检测的检测电路;
封装件,其对所述振动片及所述电子部件进行收纳。
9.一种电子设备,其特征在于,具备:
权利要求1所述的振动片。
10.一种振动片的制造方法,其特征在于,
所述振动片具备:
基部;
驱动用振动臂及检测用振动臂,其从所述基部起延伸;
第一调节用振动臂及第二调节用振动臂,其从所述基部起延伸,并伴随于所述驱动用振动臂的驱动振动而进行振动,
所述振动片的制造方法包括:
形成所述振动片的外形形状的工序;
对将所述检测用振动臂的泄漏信号与所述第一调节用振动臂及所述第二调节用振动臂的调谐信号叠加后的、表观上的泄漏信号的电流值进行检测的工序;
去除或者附加所述第一调节用振动臂的调节部的一部分,从而对所述表观上的泄漏信号的电流值进行粗调,直到该电流值变为所述第二调节用振动臂的可变电流值以下的工序;
去除或者附加所述第二调节用振动臂的调节部的一部分,从而将所述表观上的泄漏信号的电流值微调至规格值以下的工序。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |