JP4206975B2 - 振動子、電子機器および振動子の周波数調整方法 - Google Patents

振動子、電子機器および振動子の周波数調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、ジャイロ振動子のような振動子、当該振動子を備えた電子機器および振動子の周波数調整方法に関する。
従来の振動子は、当該振動子の回転を検出すべく、下記の特許文献1に記載のように、前記回転に対応した振動を生起する腕部材に接続されたベース部が、当該ベース部の中央部分に突設された支持部材により基台に固定され、この支持部材でねじり振動を検出する振動子が提案されている。
さらに、振動子の周波数調整方法については、特許文献2の記載のように、励振用振動片と検出用振動片の一方の先端に質量を付加したり、前記付加した質量を除去したりすることで各振動片の質量を変更して、励振振動周波数と検出振動周波数を調整する周波数調整方法が提案されている。
特公平7−69180号公報 特開平10−160479号公報
しかしながら、上記の振動子では、前記腕部材の振動が、上記したような前記ベース部の中央部分に設けられた1箇所の支持部材に集中して基台に漏れ易く、振動を阻害して、前記振動子の回転を高精度に検出することが困難であるという問題があった。
また、振動片から離れた位置にある支持部材で角速度を検出するため、精度良くねじれ振動を検出できないという問題があった。
また、従来の周波数調整方法では、振動片の先端の質量を調整して駆動振動周波数と検出振動周波数の周波数差を所定範囲内に調整しようとしても、駆動振動周波数と検出振動周波数がお互いに影響しあうことに加え、調整範囲が狭いために、周波数を調整しきれない場合があり、歩留まりを低下させていた。
本発明は上記課題に対処するためになされたもので、振動子の回転を高精度に検出できる振動子を提供することおよび、振動子の回転を高精度に検出できる振動子を備えた電子機器を提供することを目的とする。
また、他の目的として、周波数調整を容易にし、歩留まりを向上できる振動子の周波数調整方法を提供することにある。
本発明に係る振動子は、上記課題を解決すべく、振動子の回転の中心軸となる第1の方向(Y方向)に沿って延在する棒状の音片であって前記回転に対応するコリオリ力を発生させるための第1の振動を行なう前記音片と、前記音片を含む仮想平面(XY平面)に平行でかつ前記第1の方向(Y方向)に垂直である第2の方向(X方向)に延在し前記音片に接続された梁と、前記梁に設けられ、前記コリオリ力に起因する前記音片の第2の振動による前記梁の形状の変化を検出する第1の検出部であって、前記仮想平面と平行な両面に設けられた第1の検出部と、前記梁を支持するための基台と、前記梁の一端と前記基台とを接続する第1の接続部と、前記梁の他端と前記基台とを接続する第2の接続部とを含むことを特徴とする。
本発明の振動子によれば、前記音片に接続された前記梁は、その一端が前記第一の接続部により前記基台に接続され、その他端が前記第2の接続部により前記基台に接続されていることから、前記コリオリ力による前記第2の振動が前記基台に漏れることを、本発明に係る振動子の構成を有しない従来の振動子と比較して低減することができる。これにより、前記従来の振動子に比して、前記第2の振動により生起される前記梁の形状の変化が大きくなり、前記振動子の回転を高精度に検出することが可能になる。
本発明に係る振動子は、上記した課題を解決すべく、振動子の回転の中心軸となる第1の方向(Y方向)に沿って延在する相互に平行な棒状の一対の音片であって前記回転に対応するコリオリ力を発生させるための第1の振動を行なう前記一対の音片と、前記一対の音片を含む仮想平面(XY平面)に平行でかつ前記第1の方向(Y方向)に垂直である第2の方向(X方向)に延在し、前記一対の音片に接続された梁と、前記梁に設けられ、前記コリオリ力に起因する前記一対の音片の第2の振動による前記梁の形状の変化を検出する第1の検出部と、前記梁を支持するための基台と、前記梁の一端と前記基台とを接続する第1の接続部と、前記梁の他端と前記基台とを接続する第2の接続部とを含む。
つまり、本発明に係る振動子では、前記音片は、振動子の回転の中心軸となる第1の方向に沿って延在する相互に平行な棒状の一対の音片であることを特徴とする。
本発明に係る振動子によれば、前記一対の音片に接続された前記梁は、その一端が前記第1の接続部により前記基台に接続され、その他端が前記第2の接続部により前記基台に接続されていることから、前記コリオリ力による前記第2の振動が前記基台に漏れることを、本発明に係る振動子の構成を有しない従来の振動子と比較して低減することができる。これにより、前記従来の振動子に比して、前記第2の振動により生起される前記梁の形状の変化が大きくなり、前記振動子の回転を高精度に検出することが可能になる。
上記した本発明に係る振動子では、前記梁は、一端が前記一対の音片のうちの一方の音片に接続され、他端が前記一対の音片のうちの他方の音片に接続されていることが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記第1の接続部は、前記梁の前記一端及び前記一方の音片間の前記接続の箇所と前記基台とを接続し、前記第2の接続部は、前記梁の前記他端及び前記他方の音片間の前記接続の箇所と前記基台とを接続することが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記梁は、一端及び他端が前記一対の音片間外にあることが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記第1の検出部は、前記一対の音片間内に設けられていることが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記梁の略中央の部位と前記基台とを接続する第3の接続部と、前記梁に設けられた第2の検出部であって、前記梁の形状の変化を検出する前記第2の検出部とを更に有し、前記第1の検出部及び前記第2の検出部は、協働して、前記仮想平面(XY平面)に垂直な第3の方向(Z方向)についての、前記振動子の回転にとっての外乱を除去するための検出を行なうことが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記第1の検出部は、前記一対の音片のうちの一方の音片と前記第3の接続部との間に設けられ、前記第2の検出部は、前記一対の音片のうちの他方の音片と前記第3の接続部との間に設けられていることが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記第1の検出部は、前記一対の音片のうちの一方の音片と前記第3の接続部との間に設けられ、前記第2の検出部は、前記一方の音片と、前記梁の前記一端及び前記他端のうち当該一方の音片により近い端との間に設けられていることが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記一対の音片のうちの一方の音片と、前記第3の接続部との間の距離が、前記一方の音片と、前記第1の接続部及び前記第2の接続部のうち前記一方の音片により近い接続部との間の距離より短いことが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記第1の検出部は、前記一対の音片間外における、前記梁の前記一端と、前記一対の音片のうち前記梁の前記一端により近い一方の音片との間に設けられていることが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記一対の音片間外における、前記梁の前記他端と、前記一対の音片のうちの他方の音片との間に設けられた第2の検出部であって、前記梁の形状の変化を検出する前記第2の検出部を更に有し、前記第1の検出部及び前記第2の検出部は、協働して、前記仮想平面(XY平面)に垂直な第3の方向(Z方向)についての、前記振動子の回転にとっての外乱を除去するための検出を行なうことが望ましい。
上記した本発明に係る振動子では、前記一対の音片、前記梁、前記第1の接続部、前記第2の接続部及び前記基台は、水晶からなることが望ましい。
本発明に係る電子機器は、上記した本発明に係る振動子を備える。
本発明の振動子の周波数調整方法は、振動子の回転の中心軸となる第1の方向に沿って延在する棒状の音片であって前記回転に対応するコリオリ力を発生させるための第1の振動を行なう前記音片と、前記音片を含む仮想平面に平行でかつ前記第1の方向に垂直である第2の方向に延在し前記音片に接続された梁と、前記梁に設けられ、前記コリオリ力に起因する前記音片の第2の振動による前記梁の形状の変化を検出する第1の検出部であって、前記仮想平面と平行な両面に設けられた第1の検出部と、前記梁を支持するための基台と、前記梁の一端と前記基台とを接続する第1の接続部と、前記梁の他端と前記基台とを接続する第2の接続部とを含む振動子であって、前記音片の端部の少なくとも一方の質量を調整して振動子の周波数を調整することを特徴とする。
このようにすれば、音片の端部の質量を調整することにより、音片の駆動振動周波数を調整でき、また、従来調整が困難であった駆動振動周波数と検出振動周波数との周波数差を、音片の他端の質量を調整することにより調整が可能となる。
また、本発明の振動子の周波数調整方法は、前記音片の前記梁から長く延在する第1延在部の先端の質量を調整して駆動振動周波数および検出振動周波数を調整し、前記音片の前記梁から短く延在する第2延在部の先端の質量を調整して、駆動振動周波数と検出振動周波数の差を調整することを特徴とする。
このようにすれば、第1延在部で駆動振動周波数および検出振動周波数を調整し、第2
延在部で駆動振動周波数と検出振動周波数の差を調整することができる。このことから、良好な特性を確保できる振動子を提供できる。
また、本発明の振動子の周波数調整方法は、前記第2延在部の先端はその基端より大きく形成された周波数調整部が設けられ、当該周波数調整部の質量を調整して振動子の周波数を調整することを特徴とする。
このように、第2延在部の先端をその基端より大きく形成したことにより、質量の調整量を大きくとれ、周波数の調整幅を広くすることができる。このことから、周波数の調整をしきれないことがなくなり、振動子の歩留まりを向上させることができる。
本発明に係る振動子の実施例について図面を参照して説明する。
図1(A)及び図1(B)は、実施例1の振動子の構成を示す正面図及び斜視図である。実施例1の振動子10は、図1(A)、(B)に図示のY軸を中心軸とする回転に対応するコリオリ力を発生させるための振動(以下、「駆動用振動」という。)、及び当該コリオリ力に起因する、前記回転を検出するための振動(以下、「検出用振動」という。)を行なう。即ち、振動子10は、駆動モードのとき前記駆動用振動を行い、他方で、検出モードのとき前記検出用振動を行なう。振動子10は、前記両モードでの振動を行なうべく、一対の音片1a、1bと、梁2と、第1の接続部(接続部材)3と、第2の接続部(接続部材)4と、基台5と、検出部6とから構成される。
一対の音片1a、1bは、Y軸に沿って延在し、相互に平行であり、所定長を有する水晶からなる棒状の部材である。
梁2は、一対の音片1a、1bを含む仮想平面(XY平面)に平行でありY軸に垂直なX軸方向に延在する、所定長を有する水晶からなる棒状の部材である。梁2は、一対の音片1a、1bと交差している。これにより、梁2の一端2a及び他端2bは、一対の音片1a、1b間の外側に位置し、他方で、一方の音片1aの下端1c及び他方の音片1bの下端1dは、梁2の下方に突出している。
第1の接続部3及び第2の接続部4は、Y軸方向に沿って延在する、所定長を有する水晶からなる棒状の部材である。第1の接続部3は、梁2の一端2aと基台5とを接続し、他方で、第2の接続部4は、梁2の他端2bと基台5とを接続している。
基台5は、横長の直方体の形状を有する水晶からなる部材であり、第1の接続部3及び第2の接続部4を介して、音片1a、1bを保持する梁2を支持する。
検出部6は、梁2の前記仮想平面(XY平面)に平行な2つの面(正面及び背面)の各々における略中央の部位に設けられた検出電極6a、6bからなり、上記した検出モードのとき、一対の音片1a、1bの検出用振動により生起する梁2の形状の変化を、従来知られた圧電の原理に従って検出する。
なお、一対の音片1a、1bは、駆動用振動を励起するための従来知られた駆動素子(図示せず)を有する。
図15(A)は振動子10を収容容器に収容した状態を示す斜視図であり、図15(B)は同図(A)のa−a断面図である。
セラミックスなどで形成された収容容器25は、一面が開放されて凹部が設けられている。この凹部に、振動子10の基台5と収容容器25の載置部27を接着することで、振動子10が収容容器25に固着されている。また、図示しないが、振動子に形成された配線と収容容器25に形成された配線をワイヤーボンディングにて接続することにより電気的接続がなされている。そして、収容容器25の上面を蓋体26で、内部を真空雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気に保持して封止され、パッケージされた振動子となる。
なお、上記の配線の接続においてワイヤーボンディングによらず、導電性接着剤にて接続することも可能である。
また、振動子10の基台5を設けず、第1の接続部3および第2の接続部4を延在させ、それぞれの終端部を収容容器25の載置部27に接着することにより、収容容器25の載置部27を振動子10の基台として作用させる実施も可能である。
図2(A)及び図2(B)は、実施例1の振動子の駆動モードを示す正面図及び斜視図である。駆動モードのとき、一対の音片1a、1bは、上記した駆動素子の助勢により、図2(A)及び(B)の矢印で示されるように、X軸方向に沿って相互に逆相関係で屈曲振動を行なう。より詳細には、図2(A)及び(B)に図示されたように、X軸方向について、音片1aが”(”形状に変形するとき、音片1bは、”)”形状に変形し、図2(A)、(B)の図示とは反対に、X軸方向について、音片1aが”)”形状に変形するとき、音片1bは、”(”形状に変形する。換言すれば、音片1a、1bは、その先端が相互に近づいたり遠ざかったりするように振動する。
なお、音片1aの下端1cおよび音片1bの下端1dは、音片1a、1bの振動に伴い僅かに振動するが、この振動は音片1a、1bの振動には殆ど影響を与えない。
図3(A)及び図3(B)は、実施例1の振動子の検出モードを示す斜視図及び側面図である。検出モードのとき、換言すれば、一対の音片1a、1bが駆動モードでの駆動用振動を行なっている場合に振動子10がY軸を中心軸として回転したとき、一対の音片1a、1bには、実線の矢印で図示のコリオリ力F及び点線で図示のコリオリ力Fが交互に生起される。一対の音片1a、1bは、当該コリオリ力Fにより、上記した仮想平面(XY平面)に垂直なZ軸方向に沿って相互に逆相関係で屈曲振動を行なう。より詳しくは、図3(A)及び(B)の図示のように、Z軸方向について、音片1aが”)”形状に変形するとき、音片1bは、”(”形状に変形し、図3(A)及び(B)の図示とは反対に、Z軸方向について、音片1aが”(”形状に変形するとき、音片1bは、”)”形状に変形する。
なお、音片1aの下端1cおよび音片1bの下端1dは、上記音片1a、1bの振動に伴い僅かに振動し、その振動は、それぞれの音片1a、1bの振動とバランスをとるように逆相に振動する。
一対の音片1a、1bが上記したZ軸方向に沿った検出用振動を行なうと、梁2には、当該検出用振動により形状の変化が生じ、特に、梁2の中央の部位に、梁2の両端2a、2bの近傍の部位のような他の部位に比して大きな形状の変化が生じる。この結果、梁2の略中央の部位に設けられた検出部6は、梁2の前記形状の変化を検出し、当該形状の変化を示す信号を演算回路(図示せず)に出力する。演算回路は、従来知られた方法に従って前記信号に演算を施すことにより、Y軸を中心軸とする振動子10の回転、例えば、回転の量、速度、加速度及び方向を算出する。
上述したように、実施例1の振動子10によれば、一対の音片1a、1bを保持する梁2は、一端2aが第1の接続部3を介して基台5に接続され、他端2bが第2の接続部4を介して基台5に接続されることにより、基台5に連結されていることから、コリオリ力Fにより生じる検出用振動が基台5に拡散すること、即ち漏れることを抑止することができる。これにより、一対の音片1a、1bの前記検出用振動が、実施例1のような構成を有しない従来の振動子に比して効率的に梁2に伝播することができることから、検出用振動に起因する梁2の形状の変化は従来に比して大きくなり、これにより、検出部6は、振動子10の回転を従来に比して高精度に検出することが可能になる。
実施例1の振動子10によれば、さらに、少なくとも一対の音片1a、1bが水晶から構成されることから、一対の音片1a、1bによる駆動用振動及び検出用振動の周波数を安定させることができる。
検出部6は、即ち検出電極6a、6bは、上記したように梁2の略中央の部位に設けることに代えて、図4に示されるように、梁2における一対の音片1a、1bの間の外側に、より正確には、梁2における一端2a及び一方の音片1aとの間に設けることにより、検出部6を梁2の略中央の部位に設けるほどに高精度ではないものの、振動子10の回転を少なくとも従来に比して高精度に検出することができる。
第1の接続部3及び第2の接続部4は、上記したようにY軸方向に沿って設ける、即ち、相互に平行な関係に設けることに代えて、平行でない関係になるように設けることによっても、上記したと同様な効果を得ることが可能である。
一対の音片1a、1bの下端1c、1dは、上記したように梁2の下方に突出することに代えて、梁2の下方に突出しないようにすることにより、一対の音片1a、1bの振動の慣性をやや劣化させるものの、上記したと同様な効果を得ることができる。
なお、上記実施例では振動子の材料として圧電材料の水晶にて説明をしたが、エリンバ材などの恒弾性材料や、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、リン酸ガリウム(GaPO4)などの圧電材料を用いても良い。
図5(A)、図5(B)及び図5(C)は、実施例2の振動子の構成を示す正面図、斜視図及び側面図である。実施例2の振動子20は、実施例1の振動子10と同様に、一対の音片1a、1bと、梁2と、第1の接続部3と、第2の接続部4と、基台5と、検出部6とを有し、他方で、実施例1の振動子10と異なり、更に検出部7を有する。検出部7は、実施例1の振動子10の検出電極6a、6bと同様な構成を有する検出電極7a、7bから構成されている。
検出部6、7は、梁2における一対の音片1a、1b間の外に設けられており、詳細には、検出部6は、梁2における、梁2の一端2a及び一方の音片1a間に設けられており、検出部7は、梁2における、梁2の他端2b及び他方の音片1b間に設けられている。
実施例2の振動子20では、検出部6、7の各々は、実施例1の振動子10の検出部6と同様に、一対の音片1a、1bによる図2に図示した駆動用振動及び図3に図示した検出用振動によって、Y軸を中心軸とする振動子20の回転を従来に比して高精度に検出することができる。当該回転の検出に加えて、実施例2の振動子20では、図5(A)、(B)及び(C)に示されるように、本来的に検出すべきY軸を中心軸とする回転にとって外乱として機能する、Z軸方向に沿った加速度Faが振動子20に加えられると、一対の音片1a、1bは、Z軸方向に沿って相互に同相関係で”)”形状に変形する。一対の音片1a、1bの前記形状の変化により、梁2における一端2aの近傍の部位及び梁2における他端2bの近傍の部位に、相互に逆相関係である形状の変化、即ち、検出部6が生成する信号と検出部7が生成する信号が相互に逆極性の関係になるような形状の変化が生じる。検出部6、7は、前記したような関係を有する信号を出力し、上述した演算回路が当該2つの信号を演算処理することにより、Z軸方向に加わった加速度Faによる影響を除去する。
上述したように、実施例2の振動子20によれば、実施例1の振動子10と同様にY軸を中心軸とする振動子20の回転を検出することに加えて、梁2における一対の音片1a、1b間外に設けられた検出部6、7が、協働して、Z軸方向の加速度Faに起因する、検出部6、7が設けられた梁2の部位に生じる相互に逆相関係にある形状の変化を検出することから、Y軸を中心軸とする回転にとって外乱であるZ軸方向の加速度Faを除去ことができ、これにより、Y軸を中心軸とする振動子20の回転を一層精度高く検出することが可能になる。
図6(A)及び図6(B)は、実施例3の振動子の構成を示す正面図及び斜視図である。実施例3の振動子30は、実施例1の振動子10と同様に、一対の音片1a、1bと、梁2と、第1の接続部3と、第2の接続部4と、基台5と、検出部6とを有する。振動子30は、他方で、振動子10と異なり、第3の接続部(接続部材)8を有する。
第3の接続部8は、Y軸方向に延在し所定長を有する水晶からなる棒状の部材であり、梁2の略中央の部位と基台5とを接続する。ここで、一方の音片1a及び第3の接続部8間の距離d1、並びに他方の音片1b及び第3の接続部8間の距離d2は、一方の音片1a及び梁2の一端2a間の距離d3、並びに他方の音片1b及び梁2の他端2b間の距離d4より短く設定されている。また、検出部6は、梁2における一方の音片1aと第3の接続部8との間に設けられている。
実施例3の振動子30では、検出部6は、一対の音片1a、1bによる図2及び図3に図示の駆動用振動及び検出用振動を行なうことによって、実施例1の振動子10と同様に、Y軸を中心軸とする振動子30の回転に対応して発生する、検出部6が設けられた梁2の部位における梁2の形状の変化を検出し、これにより、前記回転を検出することができる。当該回転の検出に加えて、上記した距離d1、d2が距離d3、d4より短く規定されていることから、即ち、音片1a、1bは、第1の接続部3及び第2の接続部4より第3の接続部8に近い位置に設けられていることから、一対の音片1a、1bによる前記検出用振動に起因する梁2の形状の変化は、第3の接続部8又はその近傍に集中する傾向になり、これにより、前記回転をより精度高く検出することが可能になる。
実施例3の振動子30では、また、梁2及び基台5を接続する第3の接続部8を有することから、梁2及び基台5間における配線の自由度を、第3の接続部8を有しない実施例1の振動子10よりも高めることができる。
実施例3の振動子30は、梁2における一方の音片1a及び第3の接続部8間に検出部6を設けることに加えて、図7(A)に示されるように、梁2における他方の音片1b及び第3の接続部8間に検出部7(検出電極7a等)を設けること、または、図7(B)に示されるように、梁2における一方の音片1a及び梁2の一端2a間に検出部7(検出電極7a等)を設けることが望ましい。検出部7が設けられた梁2の部位には、検出部6が設けられた梁2の部位に生じる梁2の形状の変化と逆相の関係にある形状の変化が生じることから、検出部6、7は、実施例2の振動子20での検出部6、7と同様に、協働して、Z軸方向に与えられる加速度Faを除去するための検出を行なうことができる。
図8(A)及び図8(B)は、実施例4の振動子の構成を示す正面図及び斜視図である。実施例4の振動子40は、実施例1の振動子10の一対の音片1a、1b、梁2、第1の接続部3、第2の接続部4、基台5、検出部6に対応する、一対の音片41a、41bと、梁42と、第1の接続部43と、第2の接続部44と、基台45と、検出部46とを備える。
一対の音片41a、41bは、梁42の一端42aが一方の音片41aに接続され、梁42の他端42bが他方の音片41bに接続され、これにより、梁42によって保持されている。
第1の接続部43は、梁42の一端42aと音片41aとの交点と、基台45とを接続し、他方で、第2の接続部44は、梁42の他端42bと音片41bとの交点と、基台45とを接続している。検出部46は、梁42の略中央の部位に設けられている。
実施例4の振動子40では、検出部46は、一対の音片41a、41bによる、図2に図示の駆動用振動及び図3に図示の検出用振動によって、Y軸を中心軸とする振動子40の回転を高精度に検出することができる。しかも、実施例1の振動振動子10に比較して、一対の音片41a、41bの駆動用振動及び検出用振動が、第1の接続部43及び第2の接続部44に逃げ難いことから、換言すれば、前記振動が、検出部46が設けられた梁42に集中し易いことから、Y軸を中心軸とする振動子40の回転を、実施例1の振動子10の回転よりも精度高く検出することができる。
検出部46を梁42の略中央の部位に設けることに代えて、図9に示されるように、梁42の略中央の部位と基台45とを、実施例3で説明した第3の接続部8と同様な第3の接続部48により接続しかつ検出部46を一方の音片41aと第3の接続部48との間に設けることにより、上記したと同様な効果を得ることができる。
また、図9に図示した梁42の部位に検出部46を設けることに加えて、図10に示されるように、実施例2で説明した検出部7と同様な検出部47を梁2における他方の音片41bと第3の接続部48との間に設けることにより、検出部46、47は、図7に示された実施例3の検出部6、7と同様に協働して、Z軸方向の加速度を取り消すための検出を行なうことができる。
[変形例]
図11は、変形例の振動子の構成を示す正面図である。変形例の振動子50は、実施例1の振動子10の一対の音片1a、1b、梁2、第1の接続部3、第2の接続部4、基台5、検出部6に対応する、一対の音片51a、51bと、梁52と、第1の接続部53と、第2の接続部54と、基台55と、検出部56(検出電極56a等)を有する。
梁52は、一端52aが一方の音片51aに接続され、これにより交点を形成し、同様にして、他端52bが他方の音片51bに接続され、これにより交点を形成する。第1の接続部53は、前者の交点と基台55とを接続し、また、第2の接続部54は、後者の交点と基台55とを接続している。さらに、検出部56は、梁52の略中央の部位に設けられている。
振動子50では、検出部56は、一対の音片51a、51bによる図2に図示の駆動用振動及び図3に図示の検出用振動によって、実施例1の振動子10での検出部6と同様に、Y軸を中心軸とする振動子50の回転を検出することができる。
図12は、他の変形例の振動子の構成を示す正面図である。他の変形例の振動子60は、実施例4の振動子40の一対の音片41a、41b、梁42、第1の接続部43、第2の接続部44、基台45、検出部46に対応する、一対の音片61a、61b、梁62、第1の接続部63、第2の接続部64、基台65、及び検出部66(検出電極66a等)を有する。
第1の接続部63及び第2の接続部64は、実施例4の振動子40での直線状に延在する第1の接続部43及び第2の接続部44と異なり、円及び楕円の弧のような曲線状に延在している。
振動子60では、検出部66は、一対の音片61a、61bによる図2に図示の駆動用振動及び図3に図示の検出用振動によって、実施例4の振動子40での検出部46と同様に、Y軸を中心軸とする振動子60の回転を検出することができる。
図13は、他の変形例の振動子を示す構成図である。図13(A)は振動子の構成を示す正面図、同図(B)はその斜視図である。
変形例の振動子80は、実施例1の振動子10における一対の音片のうち、一つの音片を備えた振動子である。
振動子80は、音片1aと、梁2と、第1の接続部3と、第2の接続部4と、基台5と、検出部6(6a、6b)を有する。梁2は、一端2aおよび他端2bが音片1aに接続され、これにより交点を形成する。第1の接続部3および第2の接続部4はそれぞれ梁の一端2aおよび他端2bと基台5とを接続している。さらに、検出部6は梁2における他端2bと音片1aの間に設けられている。
振動子80では、音片1aの駆動用振動および検出用振動は、実施例1で説明した振動子10の音片1aと同様の振動をする(図2、図3参照)。このように、振動子80の検出部6は音片1aの駆動用振動と検出用振動によって、Y軸を中心軸とする振動子80の回転を検出することができる。
さらに図14は、他の変形例の振動子の構成を示す正面図である。
変形例の振動子は、3つの音片を備えた振動子200である。
振動子200は、音片201a、201b、201c、梁202、第1の接続部203、第2の接続部204、基台205、検出部206(206aおよび、206aに対向して形成された206b(図示せず))を有する。
梁202は、音片201a、201b、201cを接続し、一端202aが音片201aに接続され、これにより交点を形成し、同様にして、他端202bが音片201cに接続され、これにより交点を形成する。第1の接続部203は、梁の一端202aと基台205とを接続し、また、第2の接続部204は、梁の他端202bと基台205とを接続している。また、音片201aの下端201d、音片201bの下端201e、音片201cの下端201fが梁202の下方に突出している。さらに、検出部206は、梁202の音片201bと201cの間に設けられている。
音片201a、201b、201cの駆動モードの駆動用振動は、X軸方向に沿って、それぞれ隣り合う音片が逆相関係で屈曲振動を行う。より詳細には、X軸方向について、音片201aが”(”形状に変形するとき、音片201bは”)”形状に変形し、音片201cは”(”形状に変形する。つまり、音片201a、201b、201cは隣り合う音片の先端が相互に近づいたり遠ざかったりするように振動する。
また、この駆動用振動は中央の音片201bを不動とし、音片201aおよび音片201cをそれぞれ逆相に駆動しても良い。
また、音片201a、201b、201cの検出モードの検出用振動は、仮想平面(XY平面)に垂直なZ軸方向に沿って相互に逆相関係で屈曲振動を行う。より詳細には、Z軸方向について、音片201aが”(”形状に変形するとき、音片201bは”)”形状に変形し、音片201cは”(”形状に変形する。
なお、駆動振動を中央の音片201bを不動とし、音片201aおよび音片201cをそれぞれ逆相に駆動した場合には、検出振動は音片201aおよび201cに励起される。つまり、音片201bは不動であり、Z軸方向について音片201aが”(”形状に変形するとき、音片201cは”)”形状に変形する。
このように、振動子200の検出部206は音片の駆動用振動と検出用振動によって、Y軸を中心軸とする振動子200の回転を検出することができる。
なお、上記実施例では音片が1つから3つの実施形態にて説明をしたが、音片の数は4つ以上形成しても実施が可能であり、同様の効果を生ずる。
[応用機器]
次に、本発明に係る電子機器の実施形態について説明する。
図16は電子機器の構成を示す概略構成図である。電子機器100には上記の実施例で説明した少なくとも一つの振動子を含む、振動子90を備えている。
上記した実施例の振動子を用いた応用機器として、その姿勢の変化を検出する必要がある携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ及びナビゲーションシステムのような電子機器が挙げられる。当該電子機器では、当該電子機器に設けられた上記した実施例の振動子が、当該電子機器の姿勢の変化を振動子の姿勢の変化として検出することにより、上述した効果を享受することができる。
次に、振動子の周波数調整方法の実施例について説明する。その説明に先立って、ジャイロ振動子のような振動子の周波数調整の必要性について説明する。
上記のようなジャイロ振動子の場合に、一つの音片に対して二つの振動が励起されるように構成されている。一つは音片を駆動させる駆動用振動で、もう一つは音片の回転に対応するコリオリ力に起因する検出用振動である。そして、これらの振動は振動の方向が異なっている。
理論上、この駆動用振動と検出用振動の周波数が等しくなったときに、回転の角速度の検出感度が最も向上する。しかしながら、角速度の検出感度は良好になるが、振動の振幅が大きくなることから、振動が最大振幅になって安定するまでに時間を必要とし、角速度の検出応答性は悪化する。また一方、駆動用振動と検出用振動の周波数差が大きくなると、検出応答性は良好になるが、音片の振動を電気信号に変換する際のS/N比が低下するので、角速度の検出感度は悪化する。
このため、振動子として良好な特性を得るために、これらの周波数差を所定の範囲に設定する必要がある。
通常、音片の駆動振動周波数(駆動振動の共振周波数)は、製造上の都合からバラツキがあり、狙いの周波数に調整する必要があり、また、駆動振動周波数(駆動振動の共振周波数)と検出振動周波数(検出振動の共振周波数)との周波数差が大きく、この差も調整する必要がある。
図17は振動子の周波数調整について説明をする構成図である。また、図18は周波数調整における、駆動振動周波数と検出振動周波数の変動の状態を説明する概略図である。図18(A)は駆動振動周波数を調整した場合の周波数の変動を示す図、同図(B)は検出振動周波数を調整した場合の周波数の変動を示す図である。
ここでは、実施例3で説明した振動子30を例にとり説明をする。振動子30の構成については、前述したため説明を省略する。
まず、梁2から長く延在する第1延在部としての音片1a、1bの駆動振動周波数を調整する場合には、音片1aの上端1eまたは音片1bの上端1fに質量を付加して周波数を下げる方向で周波数調整が行われる。具体的には、AuやAgなどの金属を音片の上端1e、1fに蒸着して、質量を付加する。このようにして、質量を制御することで駆動振動周波数を所定の周波数に調整が可能となる。
このとき、図18(A)に示すように、質量付加により駆動振動周波数が変化していくに従い、検出振動周波数もほぼ同様に変化し、駆動振動周波数と検出振動周波数との差には殆ど変化はない。このように、音片1aの上端1eや音片1bの上端1fの質量を変化させたときには、駆動振動周波数と検出振動周波数がお互いに影響をしあい周波数の変動がある。
次に、駆動振動周波数と検出振動周波数との差を調整するために、梁2から短く延在する第2延在部としての音片1aの下端1c、または音片1bの下端1dに質量を付加して検出振動周波数を下げる方向で周波数調整が行われる。具体的には、AuやAgなどの金属を音片の下端1c、1dに蒸着して、質量を付加する。
このときの周波数の変化は図18(B)に示すように、検出振動周波数は質量付加に伴い、周波数が下がって行く。これに対して、駆動振動周波数は僅かに周波数が下がっていく。このことから、駆動振動周波数と検出振動周波数との差を所定の範囲に調整することが可能である。このように、音片1aの下端1cや音片1bの下端1dの質量を変化させたときには、主に検出振動周波数に影響を与え、駆動振動周波数には殆ど影響を与えない。つまり、検出用振動において、音片の下端1c、1dが音片1a、1bの慣性を受けて振動することから、この音片の下端1c、1dに質量付加された振動は音片1a、1bの検出用振動に影響を与えることになる。
また、上記周波数調整において、駆動振動周波数と検出振動周波数との差を調整後、駆動振動周波数が所定の周波数から外れた場合には、音片の上端1e、1fに質量付加された金属をレーザビームにて照射して、金属の一部を除去することにより、周波数を上げて所定の周波数に調整することができる。
一方、周波数調整前に駆動振動周波数が所定の範囲内にあれば、検出振動周波数の調整、つまり、音片の下端1c、1dへの質量調整のみを行えばよく、また、駆動振動周波数と検出振動周波数との差が所定の範囲内にあれば、駆動振動周波数の調整、つまり、音片の上端1e、1fへの質量調整のみを行えばよい。
次に、周波数調整をさらに容易にする振動子の変形例の構成について説明する。
図19は、変形例の振動子の構成図である。
この変形例の振動子70は、実施例3の振動子30と同様に、梁72と、梁72から長く延在する第1延在部としての一対の音片71a、71bと、第1の接続部73と、第2の接続部74と、第3の接続部78と、基台75と、検出部76とを有する。また、振動子70は振動子30と異なり、音片71a、71bの下端には、梁72から短く延在する第2延在部としての周波数調整部71c、71dが形成されている。この周波数調整部71c、71dは先端が、その基端より大きな面積を有している。
音片71a、71bの周波数調整については、上記の方法と同様に、音片71aの上端71eあるいは音片71bの上端71fに質量を付加して、駆動振動周波数を調整する。その後、音片71aの下端の周波数調整部71cまたは音片71bの下端の周波数調整部71dに質量を付加して検出振動周波数の調整を行う。この振動子70では、大きな面積を有する周波数調整部71c、71dに質量を付加することができるため、振動子30に比べて、周波数調整幅を広く取ることができる。
このように、本実施例では主に、質量を付加することで周波数調整を行うこととしたが、先に質量を付加しておき、その後、質量の一部を除去することで質量を変化させ駆動振動周波数や検出振動周波数の調整をすることもできる。
以上のように、本実施例によれば、容易に駆動振動周波数と検出振動周波数とを所定の範囲に調整でき、従来において周波数の調整をしきれないという問題を解消し、歩留まりを向上できる周波数調整方法を得ることができる。
また、本実施形態の振動子の周波数調整方法はジャイロ振動子だけでなく共振子の周波数調整においても利用が可能である。
実施例1の振動子の構成を示す。 実施例1の振動子の駆動モードを示す。 実施例1の振動子の検出モードを示す。 実施例1の検出部の他の位置を示す。 実施例2の振動子の構成を示す。 実施例3の振動子の構成を示す。 実施例3の検出部の他の位置を示す。 実施例4の振動子の構成を示す。 実施例4の検出部の他の位置を示す。 実施例4の検出部の更に他の位置を示す。 変形例の振動子の構成を示す。 他の変形例の振動子の構成を示す。 他の変形例の振動子の構成を示す。 他の変形例の振動子の構成を示す。 実施例1のパッケージされた振動子の構成を示す。 実施例における応用機器の構成を示す。 実施例5の振動子の周波数調整方法を示す。 実施例5の振動子の周波数調整方法の周波数変化を示す。 変形例の振動子の構成を示す。
符号の説明
10…振動子、1a、1b…音片、1c、1d…音片の下端、1e、1f…音片の上端、2…梁、3…第1の接続部、4…第2の接続部、5…基台、6、7…検出部、8…第3の接続部、20、30、40、50、60、70、80、200…振動子、100…応用機器。

Claims (2)

  1. 振動子の回転の中心軸となる第1の方向に沿って延在する棒状の音片であって前記回転に対応するコリオリ力を発生させるための第1の振動を行なう前記音片と、前記音片を含む仮想平面に平行でかつ前記第1の方向に垂直である第2の方向に延在し前記音片に接続された梁と、前記梁に設けられ、前記コリオリ力に起因する前記音片の第2の振動による前記梁の形状の変化を検出する第1の検出部であって、前記仮想平面と平行な両面に設けられた第1の検出部と、前記梁を支持するための基台と、前記梁の一端と前記基台とを接続する第1の接続部と、前記梁の他端と前記基台とを接続する第2の接続部と、を含む振動子の、前記音片の端部の少なくとも一方の質量を調整する周波数調整方法であって、
    前記音片の前記梁から長く延在する第1延在部の先端の質量を調整して駆動振動周波数および検出振動周波数を調整し、前記音片の前記梁から短く延在する第2延在部の先端の質量を調整して、駆動振動周波数と検出振動周波数の差を調整することを特徴とする振動子の周波数調整方法。
  2. 前記第2延在部の先端はその基端より大きく形成された周波数調整部が設けられ、当該周波数調整部の質量を調整して振動子の周波数を調整することを特徴とする請求項記載の振動子の周波数調整方法。
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