JP2016188809A - 角速度センサ - Google Patents

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弘之 藤井
Hiroyuki Fujii
弘之 藤井
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Abstract

【課題】電波障害に対しての信頼性の向上した角速度センサを提供する。【解決手段】角速度センサを搭載したケースの外底面を載置する中継部材94における4つ稜線の各々の近傍に位置して第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101を設け、ケースGND電極と第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101との間の並列の配線の作用により、配線抵抗を小さくする。【選択図】図7

Description

本発明は、特に航空機・車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に用いられる角速度センサに関するものである。
従来のこの種の角速度センサは、図13〜図17に示されるような構成を有していた。
図13は従来の角速度センサの分解斜視図、図14は同角速度センサの上面断面図、図15は同角速度センサにおける収納部を下側から見た斜視図、図16は同角速度センサにおけるケースを上側から見た斜視図、図17は同角速度センサにおけるケースを下側から見た斜視図である。
図13〜図17において、21は音叉形状の振動子である。30はセラミックからなるケースで、このケース30は内底面から外底面にわたってセラミックと配線用導体の層構造からなる多層回路基板31を設けており、そしてこの多層回路基板31の上面には、図16に示すように、第1の配線用電極32と第2の配線用電極33を設けている。また、多層回路基板31の上面には、前記第1の配線用電極32と金あるいはアルミニウムからなるワイヤー線34により電気的に接続されたIC35を設けるとともに、第2の配線用電極33と電気的に接続されたコンデンサ36を設けている。そして前記IC35はケース30の内側に収納されるとともに、振動子21から出力される出力信号を処理するものである。また、前記ケース30における多層回路基板31の外底面には図17に示すように、6つの銀からなるケース電極37を設けるとともに、図16に示すように、多層回路基板31の上面の外周にわたってセラミックからなる側壁38を設けており、そしてこの側壁38の上面にコバールからなる金属枠39を設けている。さらに、前記ケース30における内底面には図16に示すように、段差部40を設けており、かつこの段差部40には、振動子21を固着するとともに、第3の配線用電極41を設けており、そしてこの第3の配線用電極41は、ワイヤー線34を介して振動子21と電気的に接続している。42は金属製の蓋で、この蓋42はケース30の開口部をケース30の内側が真空雰囲気となるように封止している。43は樹脂で構成した収納部で、この収納部43は角速度の被測定物である相手側基板(図示せず)と垂直の方向を角速度の検知軸とする向きとなるように構成されている。またこの収納部43には、前記ケース30が収納されるとともに、一端が前記振動子21と電気的に接続される少なくとも3つの端子44の他端を一体に埋設している。45は前記収納部43の略中央に位置して収納部43における角速度の検知軸と略平行に設けられ、かつ前記ケース30を載置する載置部で、この載置部45には前記端子44の一端側を埋設するとともに、この載置部45から前記端子44の一端側の先端部44aを露出させている。
またケース30を収納部43における載置部45に載置することにより、ケース30におけるケース電極37が載置部45における端子44の一端側の先端部44aに電気的に接続される。そしてまた端子44の一端側の先端部44aはケース30とも機械的に接続されているため、ケース30は収納部43に他端が一体に埋設された端子44により周囲から支持される構成となっているものである。
また、収納部43の外底面には、図15に示すように、6つの電極用凹部46を設けており、そしてこの電極用凹部46に、収納部43に一体に埋設した端子44の他端側の先端部を露出させることにより、電源電極47、GND電極48、出力電極49および3つの固定用電極50を設けている。そしてまた、前記6つの端子44には、図14に示すよ
うに、略中央にそれぞれZ形状の屈曲部44bを設け、さらに、この屈曲部44bによりY軸方向延出部51およびZ軸方向延出部52を設けることにより、ケース30が収納部43に対してX軸方向に変位するように構成している。さらに、収納部43の外底面には、図15に示すように、3つの凹部53を設けている。54は金属製のカバーで、このカバー54は、開口部側に3つの係止爪56を設け、かつこの係止爪56を収納部43における凹部53でかしめ固定することにより、GND電位接続部55を収納部43の外底面に設けている。
以上のように構成された従来の角速度センサについて、次に、その動作を説明する。
従来の角速度センサをセラミック基板からなる相手側基板(図示せず)に半田付けした後、振動子21が固有振動数で屈曲運動させる。振動子21が長手方向の中心軸(検知軸)周りに角速度ωで回転すると、振動子21のアームにF=2mV×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、電荷からなる出力信号をワイヤー線34、第3の配線用電極41、多層回路基板31、第1の配線用電極32およびワイヤー線34を介してIC35に入力し、波形処理をした後、第2の配線用電極33、コンデンサ36、ケース電極37、端子44における一端側の先端部44a、端子44、出力電極49を介して、相手側のコンピューター(図示せず)に入力することにより、角速度を検出するものである。
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
国際公開第03/046479号
しかしながら、上記従来の構成においては、蓋42とGND電極48との接続を複数の接続端子の内1本のみで接続しているため、蓋42とGND電極48間に周囲から照射される電磁波の影響を受けやすく、図18に示すように、約1800[MHz]付近の電磁波に対して出力が変動するから、耐電波障害性が低くなってしまうという課題を有していた。
本発明は上記従来の課題を解決するもので、電波障害に対しての信頼性の向上した角速度センサを提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
本発明の請求項1に記載の発明は、駆動電極、検出電極およびGND電極を設けた振動子と、この振動子における駆動電極に駆動信号を入力するとともに検出電極から出力される出力信号を処理するICと、前記振動子およびICを内側に収納するとともにICと配線パターンを介して電気的に接続される電源電極、出力電極およびケースGND電極を外底面に設けたケースと、このケースの外底面を載置するとともに、ケースにおけるケースGND電極と電気的に接続された中継GND電極、電源電極と電気的に接続された中継電源電極および出力電極と電気的に接続された中継出力電極とを設けた中継部材とを備え、この中継部材における4つ稜線の各々の近傍に位置して少なくとも4つのGND電極を設け、このGND電極をケースにおけるケースGND電極と接続させたものである。この構成によれば、ケースGND電極と少なくとも4つのGND電極との間の並列の配線の作用
により、配線抵抗を小さくすることができるから、電波障害に対しての信頼性を向上させることができるという作用効果を有するものである。
本発明の請求項2に記載の発明は、特に、4つのGND電極のうちの一方の一対のGND電極を互いに接続するとともに、他方の一対のGND電極を互いに接続したものである。この構成によれば、ケースGND電極と4つのGND電極との間の配線抵抗をさらに小さくさせることができるという作用効果を有するものである。
本発明の請求項3に記載の発明は、特に、4つのGND電極を互いに接続したものである。この構成によれば、ケースGND電極と少なくとも4つのGND電極との間の接続面積を広くすることができるから、さらに配線抵抗を小さくすることができ、電波障害に対しての信頼性を向上させることができるという作用効果を有するものである。
本発明の角速度センサは、駆動電極、検出電極およびGND電極を設けた振動子と、この振動子における駆動電極に駆動信号を入力するとともに検出電極から出力される出力信号を処理するICと、前記振動子およびICを内側に収納するとともにICと配線パターンを介して電気的に接続される電源電極、出力電極およびケースGND電極を外底面に設けたケースと、このケースの外底面を載置するとともに、ケースにおけるケースGND電極と電気的に接続された中継GND電極、電源電極と電気的に接続された中継電源電極および出力電極と電気的に接続された中継出力電極とを設けた中継部材とを備え、この中継部材における4つ稜線の各々の近傍に位置して少なくとも4つのGND電極を設け、このGND電極をケースにおけるケースGND電極と接続させたものである。この構成によれば、ケースGND電極と少なくとも4つのGND電極との間の並列の配線の作用により、配線抵抗を小さくすることができるから、電波障害に対しての信頼性を向上した角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。
本発明の一実施の形態における角速度センサの分解斜視図 同角速度センサの上蓋を外した状態を示す上面図 同角速度センサの下面図 同角速度センサにおける振動子の斜視図 同角速度センサにおける振動子の側断面図 同角速度センサにおける載置部材に振動子および端子を固定した状態を示す斜視図 同角速度センサにおける中継部材の斜視図 同角速度センサにおける中継部材の上面図 (a)〜(f)同角速度センサにおける振動子の組立工程図 同角速度センサにおける電照試験での特性図 本発明の一実施の形態におけるなお書き記載の角速度センサの中継部材の上面図 本発明の一実施の形態におけるなお書き記載の角速度センサの中継部材の上面図 従来の角速度センサの分解斜視図 同角速度センサの上面断面図 同角速度センサにおける収納部を下側から見た斜視図 同角速度センサにおけるケースを上側から見た斜視図 同角速度センサにおけるケースを下側から見た斜視図 従来の角速度センサの電照試験での特性図
以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の一実施の形態における角速度センサの分解斜視図、図2は同角速度センサの上蓋を外した状態を示す上面図、図3は同角速度センサの下面図、図4は同角速度センサにおける振動子の斜視図、図5は同角速度センサにおける振動子の側断面図、図6は同角速度センサにおける載置部材に振動子および端子を固定した状態を示す斜視図、図7は同角速度センサにおける中継部材の斜視図、図8は同角速度センサにおける中継部材の上面図である。
図1〜図8において、61は音叉形状の振動子で、この振動子61は図4に示すように、第1の腕部61a、第2の腕部61bおよび第1の腕部61aと第2の腕部61bの一端を接続する支持部61cとにより構成されている。また、振動子61は図5に示すように、Siからなる基材62の上面の全面にわたってPtとTiの合金薄膜からなる共通GND電極63を設け、さらにこの共通GND電極63の上面にPZT薄膜からなる圧電層64を設けている。そしてまた、音叉形状の振動子61は、図4に示すように、上面の略中央の内側に位置して、圧電層64の上面に一対の第1の駆動電極65を設けるとともに、略中央の外側に位置して圧電層64の上面に一対の第2の駆動電極66を設けている。また、この振動子61は、上面の先端側に位置して、圧電層64の上面に一対の検出電極67を設けるとともに、第1の駆動電極65より根元側に位置して、圧電層64の上面にモニター電極68を設けている。そしてまた、振動子61における支持部61cの表面に位置して、圧電層64の表面にGND電極69を設けている。
70はセラミックからなるケースで、このケース70は内底面および内側面から外底面にわたってセラミックと配線用導体の層構造からなり、配線パターン(図示せず)を有する多層回路基板72を設けている。また、前記ケース70の側壁73の内側面に設けた第1の段差部74に端子電極75を設けるとともに、外底面に電源電極76、ケースGND電極77および出力電極78を設けており、前記端子電極75と、電源電極76、ケースGND電極77および出力電極78とを、配線パターン(図示せず)により電気的に接続している。そしてまた、前記ケース70における第1の段差部74と内底面との間に、第2の段差部79を設けている。そして、この第2の段差部79の上面に、電気めっき配線パターン80を設け、電気めっき配線パターン80を前記ケースGND電極77と電気的に接続している。そして、この電気めっき配線パターン80は、後述する電気めっき処理工程前は、第1の段差部74における端子電極75と電気的に接続されているが、電気めっき処理工程後は、電気的に接続しないように構成されている。前記ケース70における外底面の4隅の近傍に、前記ケースGND電極77と電気的に接続された4つのケースGND電極81を設けている。さらに、前記ケースGND電極81には、ケース70の外底面の4つの頂点近傍に位置して、フィレット部82を設けている。そして、また、ケース70における側壁73の上面にコバールからなる金属枠83を設けている。84は樹脂製の載置部材で、この載置部材84は前記振動子61における支持部61cを支持するとともに、前記ケース70における端子電極75と一端を電気的に接続された8つの端子85により周囲から支持されている。そして、前記端子85は、各々Y軸方向延出部86、Z軸方向延出部87およびX軸方向延出部88により構成されており、8つの端子85のうち、外側に配置された4つの端子85のX軸方向延出部88は表方向に延出され、一方、内側に配置された4つの端子85のX軸方向延出部88は裏方向に延出されている。すなわち、載置部材84の重心と8つの端子85をあわせた重心とが、互いに略一致するように構成されている。
そしてまた、前記振動子61における第1の駆動電極65、第2の駆動電極66、検出電極67およびGND電極69は端子85とワイヤー線89により電気的に接続されてい
る。90は樹脂製の補強部材で、この補強部材90は前記端子85とケース70における端子電極75との接続箇所を覆うように設けることにより、端子85をケース70に埋設している。
91は加速度センサ素子で、この加速度センサ素子91は前記ケース70の内底面に設けられるとともに、端子電極75とワイヤー線89により電気的に接続されている。92はICで、このIC92は前記ケース70の内底面に加速度センサ素子91と並設されるとともに、振動子61からの出力信号および加速度センサ素子91からの出力信号を処理している。93はコバールからなる上蓋で、この上蓋93は前記ケース70の開口部を閉塞している。
94は中継部材で、この中継部材94はケース70の外底面を載置するとともに、中継GND電極95、中継電源電極96および中継出力電極97を設けている。そして、中継部材94における中継GND電極95をケース70におけるケースGND電極77と電気的に接続させるとともに、中継電源電極96を電源電極76と電気的に接続させ、さらに、中継出力電極97を出力電極78と電気的に接続させている。そしてまた、前記中継部材94における4つの稜線の各々の近傍に位置して、第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101を設けている。
以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次に、その組立方法を説明する。
まず、予め準備した図9(a)に示すSiからなる基材62の上面に図9(b)に示すように、PtとTiの合金薄膜からなる共通GND電極63を蒸着により形成し、その後、図9(c)に示すように、共通GND電極63の上面にPZT薄膜からなる圧電層64を蒸着により形成する。
次に、図9(d)に示すように、圧電層64の上面にTiとAuの合金薄膜からなる形成途上電極65aを蒸着により形成し、その後、図9(e)に示すように、所定の形状になるように、共通GND電極63、圧電層64および形成途上電極65aの不要な箇所を除去し、圧電層64の上面に第1の駆動電極65、第2の駆動電極66、検出電極67、モニター電極68およびGND電極69を形成する。
次に、共通GND電極63側に電圧を印加するとともに、第1の駆動電極65、第2の駆動電極66、検出電極67、モニター電極68およびGND電極69を接地することにより、圧電層64を分極する。
次に、基材62における不要な箇所を除去することにより、図9(f)に示すように、個片の振動子61を形成する。
次に、予め準備したセラミックからなる絶縁体(図示せず)とWからなる配線用導体(図示せず)からなる多層回路基板72の上面の外周にわたって、セラミックからなる側壁73、第1の段差部74、第2の段差部79を形成する。
このとき、端子電極75、電源電極76、ケースGND電極77、出力電極78を設ける箇所および多層回路基板72に、Wからなる配線用導体(図示せず)を印刷により形成するものである。
次に、ケース70の第2の段差部79における電気めっき配線パターン(図示せず)により、端子電極75とケースGND電極77とが電気的に接続された状態で、Niめっき
槽(図示せず)内にケース70を搬送した後、ケースGND電極77に負電圧を給電することにより、端子電極75、電源電極76、ケースGND電極77、出力電極78にNiめっきを析出させる。
次に、Auめっき槽(図示せず)内にケース70を搬送した後、ケースGND電極77に負電圧を給電することにより、端子電極75、電源電極76、ケースGND電極77、出力電極78にAuめっきを析出させる。
次に、側壁73の上面にコバールからなる金属枠83を固着する。
次に、IC92をケース70における多層回路基板72の上面に実装し、その後、このIC92と多層回路基板72とを電気的に接続する。
次に、前記ケース70における多層回路基板72の上面に、IC92と並設するように、加速度センサ素子91を実装した後、加速度センサ素子91とケース70における端子電極75とをアルミニウムからなるワイヤー線89を介してワイヤーボンディングにより電気的に接続する。
次に、予め、8つの端子85を載置部材84にインサート成形した後、載置部材84に振動子61における支持部61cの下面を固着し、その後、振動子61の上面に形成された第1の駆動電極65、第2の駆動電極66、検出電極67、モニター電極68およびGND電極69と端子85とをアルミニウムからなるワイヤー線89を介してワイヤーボンディングにより電気的に接続する。
次に、8つの端子85をケース70における端子電極75に半田付けした後、樹脂製の補強部材90で覆うことにより、端子85をケース70に埋設する。
ケース70の開口部に、金属製の上蓋93をシーム溶接により窒素雰囲気中で固着する。
最後に、角速度センサにおけるケース70の底面に設けた電源電極76、ケースGND電極77、出力電極78およびケースGND電極77およびケースGND電極81にクリーム半田(図示せず)を塗布した後、中継部材94における中継GND電極95、中継電源電極96、中継出力電極97、第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101に半田付けする。
以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次に、その動作を説明する。
まず、角速度センサにおけるケース70の外底面に設けた電源電極76、ケースGND電極77、出力電極78およびケースGND電極81にクリーム半田(図示せず)を塗布した後、相手側基板(図示せず)に角速度センサを半田付けする。そして、振動子61における第1の腕部61aおよび第1の腕部61aに設けた第1の駆動電極65に正電圧を印加するとともに、第2の駆動電極66に負電圧を印加すると、第1の駆動電極65の下側に位置する圧電層64が伸びるとともに、第2の駆動電極66の下側に位置する圧電層64が縮むため、振動子61における第1の腕部61aおよび第2の腕部61bが外側に向かって開かれる。
次に、振動子61における第1の腕部61aおよび第1の腕部61aに設けた第1の駆動電極65に負電圧を印加するとともに、第2の駆動電極66に正電圧を印加すると、第
1の駆動電極65の下側に位置する圧電層64が縮むとともに、第2の駆動電極66の下側に位置する圧電層64が伸びるため、振動子61における第1の腕部61aおよび第2の腕部61bが内側に向かって閉じられる。すなわち、振動子61における第1の駆動電極65および第2の駆動電極66に交流電圧を印加すると、振動子61における第1の腕部61aおよび第2の腕部61bは面内方向の固有振動数で速度Vの屈曲運動をする。そして、振動子61の屈曲運動はモニター電極68から発生する出力信号が一定になるように、第1の駆動電極65および第2の駆動電極66に印加する電圧を調整することにより、屈曲振動の振幅を制御している。
そしてまた、振動子61における第1の腕部61aおよび第2の腕部61bが固有振動数で屈曲運動している状態において、振動子61が長手方向の中心軸(検知軸)周りに角速度ωで回転すると、振動子61における第1の腕部61aおよび第2の腕部61bのアームにF=2mV×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、検出電極67の下側に位置する圧電層64に発生する電荷からなる出力信号を検出電極67、ワイヤー線89、端子電極75、ケース70における配線パターン(図示せず)を介してIC92に入力し、波形処理をした後、ケース70における出力電極78から外部に角速度の出力信号として出力するものである。
ここで角速度センサの外部からノイズ信号が伝搬している場合を考える。本発明の一実施の形態における角速度センサにおいて中継部材94の4つの稜線の近傍に位置して、図7に示すように、第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101とを設けており、シールド効果にてノイズが抑制される。図18に示すように、従来の角速度センサにおいては、蓋42とGND電極48との接続を複数の接続端子の内1本のみ接続しているため、蓋42とGND電極48間に周囲から照射される電磁波の影響を受けやすく、図18に示すように、特に周囲から照射される電磁波の周波数が1800[MHz]付近で出力信号の変動が約―1.8[deg/s]となるものであった。
本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、中継部材94における4つ稜線の各々の近傍に位置して第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101を設け、各々、ケースGND電極81と接続させたため、ケースGND電極81と第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101との間の並列の配線の作用により、配線抵抗を小さくすることができるから、電磁波の各周波数において、図10に示すように、出力信号の変動が少なくなり、電波障害に対しての信頼性を向上させることができるという作用効果を有するものである。
なお、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては中継部材94における4つの稜線の各々の近傍に位置して第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101を設けるようにしたが、図11に示すように4つのGND電極のうち一方の一対のGND電極である第1のGND電極98と第2のGND電極99とを互いに接続する第5のGND電極102を設けるとともに、他方の一対のGND電極である第3のGND電極100と第4のGND電極101とを互いに接続する第6のGND電極103を設けても良いもので、この構成によれば、ケースGND電極81と第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101との間の配線抵抗をさらに小さくさせることができるという作用効果を有するものである。
また、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては中継部材94における4つの稜線の各々の近傍に位置して第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3の
GND電極100および第4のGND電極101を設けるようにしたが、図12に示すように、前記4つの第1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101を互いに接続してH型のGND電極104としても良いもので、この構成によれば、ケースGND電極81と1のGND電極98、第2のGND電極99、第3のGND電極100および第4のGND電極101との間の接続面積を広くすることができるから、さらに配線抵抗を小さくすることができ、電波障害に対しての信頼性を向上させることができるという作用効果を有するものである。
本発明の角速度センサは、電波障害に対しての信頼性の向上した角速度センサを提供することができるという効果を有し、特に航空機・車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に用いられる角速度センサとして有用である。
61 振動子
65、66 駆動電極
67 検出電極
69 GND電極
70 ケース
76 電源電極
77、81 ケースGND電極
78 出力電極
92 IC
94 中継部材
95 中継GND電極
98 第1のGND電極
99 第2のGND電極
100 第3のGND電極
101 第4のGND電極
102 第5のGND電極
103 第6のGND電極
104 H型のGND電極

Claims (3)

  1. 駆動電極、検出電極およびGND電極を設けた振動子と、この振動子における駆動電極に駆動信号を入力するとともに検出電極から出力される出力信号を処理するICと、前記振動子およびICを内側に収納するとともにICと配線パターンを介して電気的に接続される電源電極、出力電極およびケースGND電極を外底面に設けたケースと、このケースの外底面を載置するとともに、ケースにおけるケースGND電極と電気的に接続された中継GND電極、電源電極と電気的に接続された中継電源電極および出力電極と電気的に接続された中継出力電極とを設けた中継部材とを備え、この中継部材における4つ稜線の各々の近傍に位置して少なくとも4つのGND電極を設け、このGND電極をケースにおけるケースGND電極と接続させた角速度センサ。
  2. 前記4つのGND電極のうちの一方の一対のGND電極を互いに接続するとともに、他方の一対のGND電極を互いに接続した請求項1記載の角速度センサ。
  3. 前記4つのGND電極を互いに接続してH型のGND電極とした請求項1記載の角速度センサ。
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