JP4968741B2 - 角速度センサー用振動体 - Google Patents

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Description

本発明は、角速度センサー用振動体に関し、特に、振動子を実装基材に取り付けるための構成に関する。
角速度センサー(ジャイロ装置)は、航空機、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に用いられ、角速度に応じたコリオリ信号を検出することによって移動体の角速度を検出する。
ナビゲーション装置では、このナビゲーション装置を備えた車両等の移動体の現在位置を検出する際に、GPS(Global Positioning System)を用いて測位する方法の他に、予め設定された位置からの移動体の移動方向や移動距離を測位する方法が知られている。この移動方向や移動距離に基づいて測位する方法では、角速度センサー及び加速度センサーを用いて移動体の現在位置、移動方向あるいは速度変化を検出することが知られている。
このとき、加速度等の方向や大きさを検出する際に基準として、当該各センサーに対して検出軸を設定し、この検出軸が移動方向(例えば路面)と平行であることを前提として各センサーの各パラメータを設定し、ナビゲーション装置内に設置し固定している。通常、ナビゲーション装置を車両に設ける場合には、車両内において、水平面(地面)に対して平行となるように設置固定している。
また、ナビゲーション装置は、一般に、車両内において例えばセンターコンソール等のフロントパネル面に設けられる。ナビゲーション装置をセンターコンソール等のフロントパネル面に設ける場合、ナビゲーション装置が備えるディスプレイ面の視認性を向上させるため、あるいは、ボタンやスイッチ類の操作性を向上させるために、これらディスプレイ面やボタンやスイッチ類を含む面を鉛直方向に対して、当該面がわずかに上向きとなるような角度位置としている。
そのため、ナビゲーション装置は、ナビゲーション装置の後部(車両の前方側)が鉛直方向で下方位置となるようにフロントパネル面に取り付けることで、ナビゲーション装置を車両のフロントパネル面に対して傾斜させた状態で取り付けることになる。
このナビゲーション装置のフロントパネル面における取り付け位置は、車種や利用者のオプション等によって異なり、センターコンソールにおいて上方や下方等の種々の位置となる場合がある。このナビゲーション装置のフロントパネル面への取り付け位置によって、ナビゲーション装置の取り付け角度(水平方向に対する角度)が異なることなる。例えば、センターコンソールにおいて下方位置に取り付ける場合には、視認性を高めるためにナビゲーション装置はフロントパネル面に対して上方位置に取り付ける場合よりも、より傾斜させて取り付けることになる。
このように、ナビゲーション装置の車両に対する取り付け角度によっては、角速度センサーに設定される許容角度を超えて傾斜する場合も生じる。
このような場合には、ナビゲーション装置の各センサーに設定された検出軸の方向と、実際の検出時に各センサーに加わる加速度等の方向(水平方向)とが大きく異なる為、各センサー自体の感度のオフセット等の誤差が含まれることになり、その結果、車両の現在位置の測位精度や速度の測定精度が低下するという問題点がある。
例えば特許文献1は、上記問題点を指摘すると共に、この課題を解決する構成が示されている。図18は、ナビゲーション装置をセンターコンソールに取り付けた状態の断面図を示している。上記文献の説明によれば、ナビゲーション装置100をセンターコンソール110に取り付ける前の水平状態(図18(a))から水平方向に対して傾斜させ、ディスプレイ面102をセンターコンソール110の傾きに合わせて上向きに設置させると、加速度センサー101の検出軸103はナビゲーション装置100の取り付け角度θに応じて水平方向に対してθだけ傾くことになる(図18(b)、(c))。
このとき、車両が前進すると(図18中の右方向)、ナビゲーション装置100には前進方向と反対方向に加速度Axが加わる。また、加速度センサー101には、車両の振動や路面からの衝撃により垂直方向に加速度Azが加わっている。
図18(a)に示すように、ナビゲーション装置が水平状態にある場合には、加速度センサー101は、水平方向の加速度Axと鉛直方向の加速度Azをそれぞれの方向の加速度として受けるが、図18(b)、(c)に示すように、ナビゲーション装置が傾斜状態にある場合には、角速度センサー101は、水平方向の加速度Axと鉛直方向の加速度Azの水平方向の加速度を、傾きに応じたベクトル和At(=Gx+Gz=cosθ×Ax+sinθ×Az)として検出する。
この検出される加速度Atは検出されるべき加速度Axと相違するため、この誤差は結果として車両位置の測位精度等の低下として現れる。この誤差は、ナビゲーション装置100の取り付け角度θが大きくなるほど、車両の移動方向の加速度Axの成分が低下し、垂直方向の加速度Azから受ける影響が増加し、誤差が大きくなる。
角速度センサーにおいても、上記加速度センサーと同様、車両に対する取り付け角度により誤差が生じ測位精度の低下が現れる。
この誤差をソフトウエア上で補正する方法では、初期状態で充分な補償が得られないという問題や、取り付け角度が大きい場合には補償が困難であるという問題がある他、製造コスト等の問題があることから、文献では、センサー部を固定支持する取付部材に対して、取付スリットを取付角度を傾斜して形成し、この取付スリットにセンサー部を噛み合わせる構成が提案されている。
特開2003−227844号公報
取付部材に取付角度を傾斜して取付スリットを形成し、この取付スリットにセンサー部を噛み合わせることで固定支持する構成では、補償される傾きはスリットの傾斜角度に限定されるという問題がある他、複数の傾きを補正するには、各傾きに応じてスリットの傾斜角度の異なる複数の取付部材を揃えておく必要があるという問題がある。
一般に、ナビゲーション装置の取り付け角度は、ナビゲーション装置の設置状況に応じて種々異なる。一方、このナビゲーション装置は、角速度センサーがナビゲーション装置に取り付けられると、取り付け後においてはこの角速度センサーの取り付け角度を変更することは困難な状況にある。
そこで、ナビゲーション装置の供給元では、種々の取り付け角度に応じた角速度センサーを用意し、ナビゲーション装置の取り付け角度に応じた角速度センサーを供給する。この種々の取り付け角度に応じた角速度センサーを構成するには、センサー部を取付部材に取り付ける際に、取り付け角度を高い自由度で設定することができる構成が求められる。
前記した文献で提案される取付部材にスリットを設ける構成では、各取り付け角度に応じたスリットを設けた取付部材を用意する必要があり、用意したスリットの取付角度に限定され、取り付け角度の自由度は低くなる。
振動子をパッケージ等の実装基材に取り付けることで振動体を構成する際、実装基材に対する振動子の設置は、実装基材の面積内に振動子が収まる範囲内であれば任意の位置とすることができる。
しかしながら、振動子を備える振動体では、振動子が自由に振動することが必要であり、振動子は実装基材に対して接触しないように取り付ける必要がある。振動子が実装基材と接触すると、振動子は角速度に応じた振動とならず、このような振動体を用いると角速度センサーの検出精度が低下することになる。
振動子を実装基材に取り付ける際には、振動子が振動した際に実装基材と接触しないように、振動子については、一方の端部に基部を設け、さらにこの基部にくびれ部を挟んで支持部を設けた構成とし、この振動子を取り付ける部材としては、実装基材上の段差を有して台座部を設けた構成とし、この台座部上に支持部を取り付けている。
このような台座部上に振動子の支持部を取り付ける構成では、以下に説明するように、台座部と支持部との取り付け位置における制限によって、実装基材上で任意の位置に振動子を取り付けることができない。
図19は、振動子の支持部と台座部との位置関係を説明するための図である。なお、図19は、振動子の支持部と台座部とが理想的な位置関係を示している。
図19において、振動子は、図示していない複数の振動片7が基部3によって連接され、くびれ部4によって支持部5に対して振動自在に支持されている。
この振動子2の台座部13への取り付けでは、くびれ部及び支持部と台座部との位置関係で以下の2つの点が求められる。
くびれ部と台座部との位置関係で求められる点は、振動片の振動を妨げることなく支持することであり、支持部5のみを台座部13に固定し、振動するくびれ部4は台座部13に接触しないように取り付けることが求められる。くびれ部4が台座部13と接触した場合にはくびれ部4の振動が妨げられ、振動片の振動に誤差が生じることになるため、くびれ部4は台座部13に接触することなく取り付けられることが求められる。
一方、支持部と台座部との位置関係で求められる点は、振動子を安定して固定することであり、支持部5と台座部13との接触面積を大きくすることが求められる。支持部5の面積は振動子2によって定まるため、支持部5の面積を余すことなく台座部13に接触することが求められる。
図19(b)〜図19(d)は、支持部5の端部5aが台座部13の縁部14から外れた状態を示している。図19(b)は、端部5aが縁部14から外れることにより、支持部5の一部が台座部13からはずれて領域RAが接触していない状態を示している。この状態では領域RAだけ接触面積が減るため、その分振動子2の固定状態が不安定となる。
また、図19(c)は、端部5aが縁部14から外れることにより、支持部5の一部が台座部13からはずれて領域RBが接触しなくなると共に、くびれ部4の一部の領域RCが台座部13と接触した状態を示している。この状態では領域RBだけ接触面積が減るため、その分振動子2の固定状態が不安定となり、また、領域RCが台座部13と接触することで振動子の振動状態に影響が生じる。
また、図19(d)は、くびれ部4と台座部13とが領域RDの部分で接触している状態を示している。この状態では、くびれ部4の振動が台座部13で制限を受け、振動片の振動に支障が生じる。
上記したように、振動子の支持部と台座部との位置関係では、支持部の端部と台座部の縁部が一致するように配置されることが求められる。
特に、限られた面積の実装基材内において、上記した条件を満足すると共に、振動子の取り付け角度を一つの角度に限らず、所定角度範囲内の任意の角度で設定できることが求められる。
ここで、振動子は水晶結晶で形成されるため、曲線状の加工はコスト高を招く。そのため、通常、支持部5の端部5aは直線状に加工される。振動子の取り付けにおいて、くびれ部と台座部との位置関係を良好なものとするには、台座部の構成によって上記要求を満足させる必要がある。
そこで、本発明は従来の問題を解決し、角速度センサー用振動体が備える振動子の取り付けにおいて、振動子の振動を妨げることなく、かつ、振動子の固定を良好なものとすると共に、所定角度範囲内の任意の角度で設定できることを目的とする。
より詳細には、振動子の複数の取り付け角度位置において、振動子の支持部の端部と振動子を支持する台座部の縁部とを一致させることができる台座部を構成することを目的とする。
本発明の角速度センサー用振動体は、振動子の実装基材への取り付けにおいて、振動子を固定する台座部と振動子の支持部との位置関係が、振動子の取り付け角度にかかわらず一定となるように台座部の形状を形成することによって、振動子の振動を妨げることなく、かつ、振動子の固定を良好なものとすると共に、所定角度範囲内の任意の角度での設定を可能とする。
本発明の角速度センサー用振動体は、振動片とこの振動片を支持する支持部とを有する振動子と、この振動子を実装する実装基材とを備える。
本発明の第1の態様は、実装基材は、振動子の支持部を固定することで振動子を支持する台座部と基底部とを有する。台座部は、基底部から少なくとも振動片の振動幅より大きな高さに段差を有すると共に、曲線形状の縁部を備え、この縁部の各位置における法線方向は実装基材に定める基準方向に対して同方向又は少なくとも一つの異なる角度を有する。
そして、振動子の台座部に対する取り付けにおいて、台座部の曲線形状の縁部から選択した取り付け位置において、支持部の振動片側の端部と台座の縁部との両接線方向が一致し、この端部と縁部との位置合わせにより振動子の実装基材に対する取り付け角度を台座部の縁部の法線方向で定める。
台座部の曲線形状の縁部は、その各位置における法線方向が振動子の取り付け角度を定めているため、この台座部の縁部に合わせて振動子を取り付けることによって、振動子の振動を妨げることなく、かつ、振動子の固定を良好なものとすると共に、所定角度範囲内の任意の角度で取り付けることができる。
上記第1の態様において、本発明は以下の2つの形態をとることができる。第1の形態は、振動子を実装基材上に取り付けることができる複数の角度位置が、これらの振動子を仮想的に定めた回転中心の回りで回転させた位置となる形態である。
この第1の形態では、台座部の縁部の曲線形状は円弧形状であり、この円弧の中心及び半径は、振動子を実装基材に対して異なる取り付け角度で取り付けるために仮想的に定めた回転中心及びこの回転中心から振動子の支持部の端部までの距離である。
これによって、台座部の縁部の異なる位置に振動子を取り付けると、各振動子は、仮想的に定まるある点を回転中心として回転した位置をとる。振動子を実装基材上でこのように配置することで、限られた面積の実装基材上において様々な角度で振動子を取り付けることができる。
上記した回転中心は、振動子の輪郭上またはその内側とする他に、振動子の輪郭外としてもよい。
また、第2の形態は、振動子を実装基材上に取り付けることができる複数の角度位置が、これらの振動子が仮想的に定まる回転中心が一点ではなく、連続する曲線上に配列されたと見なせる形態である。
この第2の形態では、縁部の曲線の形状は、振動子が実装基材上で取り得る複数の取り付け位置の内で、連続して取り得る取り付け位置をつないで形成される軌跡に対応して振動子の支持部の端部が形成する曲線形状であり、この曲線の各位置の曲率の中心及び半径は、連続する取り付け位置における振動子によって仮想的に定まる回転中心及びこの回転中心から支持部の端部までの距離である。
これによって、台座部の縁部の異なる位置に振動子を取り付けると、各振動子に位置は、仮想的に定めた回転中心の軌跡である。連続する曲線上の回転中心の回りの回転運動の結果と見なせる。振動子を実装基材上でこのように配置することで、限られた面積の実装基材上において様々な角度で振動子を取り付けることができる。
第1の態様において、振動子の実装基材に対する取り付け角度の範囲は、少なくとも30度とし、台座部の法線方向の範囲は、この取り付け角度に合わせて少なくとも30度とする。
また、第1の態様において、振動子を所定角度で取り付けたときの振動子の輪郭の一部と整列するマーカーを少なくとも一つ備える。
実装基材に対して振動子を取り付ける際に、このマーカーと振動子の一部とが整列しているか否かを確認することで、所定の取り付け角度で取り付けられているか否かを確認することができる。
この振動子の取り付け角度の位置合わせの指標として用いるマーカーは、実装基材の基底部の面に設ける他に、この基底部に設ける回路基板に設けることができる。
角速度センサー用振動体は、振動片の検出信号を信号処理する回路基板を備えることができ、この回路基板は基底部に設ける構成とすることができる。所定角度で取り付けたときの振動子の輪郭の一部と整列するマーカーを回路基板に設けておき、この回路基板を基底部に設置することで、マーカーを振動子の取り付け角度の指標として用いることができる。マーカーは、回路基板に設けた開口部によって形成することができ、この開口部はポリイミド等の表面保護膜に設けた端子接続用の開口部とともに形成することができる。回路基板はICチップとすることができる。
また、台座部は、曲線形状の縁部に対応し、この曲面形状と類似の壁部を備える。この壁部は、振動子の支持部の端部と係合して、この振動子の長手方向の位置決めを行うことができる。
また、壁部は、振動子の支持部の端部が備える突出部に対応する凹部を、振動子の所定取り付け角に応じて少なくとも一つ備えてもよい。この凹部によれば、振動子に支持部に製造時等で形成されるバリと呼ばれる突起した部分が壁部と接触して、位置合わせに支障が生じることを避けることができる。
本発明の第2の態様は、第1の態様と同様に、振動片と当該振動片を支持する支持部とを有する振動子と、この振動子を実装する実装基材とを備える角速度センサー用振動体である。
第2の態様において、振動子はその支持部を円形の一部からなる形状とし、実装基材においてこの支持部を固定して振動子を支持する台座部は、実装基材の基底部から少なくとも振動片の振動幅より大きな高さの段差を有すると共に、振動子の支持部の円形と同径の円形形状とする。
振動子の台座部に対する取り付けにおいて、台座部の円形形状の中心は、振動子を実装基材に対して異なる取り付け角度で取り付けた際に各振動子によって仮想的に定まる回転中心とする。
この第2の態様によれば、振動子の支持部及び実装基材の台座部は共に円形形状であり、この円形形状の台座部を中心として、複数の取り付け角度で振動子を取り付けることができる。
第2の態様の台座部は、円形形状と同一中心で、円形形状の径に許容量を付加した径で、円形形状の一部を囲む円弧形状の壁部を備える。この壁部は、振動子の支持部の円形形状部分と係合して、この振動子の支持部の位置決めを行う。
また、第2の態様の壁部は、振動子の支持部の端部が備える突出部に対応する凹部を、振動子の所定取り付け角に応じて少なくとも一つ備える。この凹部によれば、第1の態様と同様に、振動子の支持部に製造時等で形成されるバリと呼ばれる突起した部分が壁部と接触して、位置合わせに支障が生じることを避けることができる。
本発明の第2の態様は、第1の態様と同様に、振動片と当該振動片を支持する支持部とを有する振動子と、この振動子を実装する実装基材とを備える角速度センサー用振動体である。
本発明の第3の態様は、第1の態様において、台座部の縁部の形状を複数の直線の組み合わせからなる形状とするものであり、この縁部の各位置における法線方向を実装基材に定める基準方向に対して同方向又は少なくとも一つの異なる角度とする。
第3の態様によれば、第1の態様のように取り付け角度を連続的に選択することはできないものの、縁部に予め定めておいた取り付け角度に応じた直線部分を複数個用意しておき、この中から所望とする取り付け角度に対応した直線部分を選択し、この直線部分に合わせて振動子の端部を合わせることで、振動子を選択した取り付け角度に取り付けることができる。
本発明によれば、角速度センサー用振動体が備える振動子の取り付けにおいて、振動子の振動を妨げることなく、かつ、振動子の固定を良好なものとすると共に、所定角度範囲内の任意の角度で設定することができる。
また、本発明によれば、種々の態様によって、振動子の複数の取り付け角度位置において、振動子の支持部の端部と振動子を支持する台座部の縁部とを一致させることができる台座部を構成することができ、この台座部を用いることで、振動子を実装基材に対して所望の取り付け角度で取り付けることができる。
本発明の角速度センサーの取り付け状態を説明するための図である。 本発明の角速度センサー用振動体を説明するための図である。 本発明の角速度センサー用振動体の断面図である。 本発明の振動体の台座部と振動子との位置関係を説明するための図である。 本発明の振動体の台座部と振動子との各位置での取り付け状態を示す図である。 本発明の回路基板に設けたマーカーの概略図である。 本発明の回路基板の断面図である。 本発明のマーカーを用いた振動子の取り付け角度の位置合わせを説明するための図である。 本発明の振動子の支持部と台座部と重なり状態を説明するための図である。 本発明の仮想的な回転中心の位置を説明するための図である。 本発明の台座部と振動子との位置関係について仮想的な回転中心が振動子の輪郭外にある場合を説明するための図である。 本発明の仮想的な回転中心Pが振動子の支持部上にある場合を説明するための図である。 本発明の振動体の壁部に設ける凹部を説明するための図である。 本発明の振動体の壁部に設ける凹部を説明するための図である。 本発明の振動子の各取り付け角度において仮想的な回転中心が連続してつながる形態を説明するための図である。 本発明の振動体の台座部の縁部の形状が複数の直線をつなげた構成を説明するための図である。 本発明の振動体の台座部の縁部の形状が複数の直線をつなげた構成を説明するための図である。 ナビゲーション装置をセンターコンソールに取り付けた状態の断面図である。 振動子の支持部と台座部との位置関係を説明するための図である。
符号の説明
1 振動体
2 振動子
3 基部
4 くびれ部
5 支持部
5a 端部
5b 後端部
5c 突出部
6 端子
7 振動片
8 ワイヤボンディング
11 実装基材
12 基底部
13 台座部
14 縁部
15 配線部
16 壁部
16a 凹部
17 接点端子
18 配線
19 枠部
20 マーカー
30 回路基板
31 開口部
32 マーカー
33 配線
100 ナビゲーション装置
101 加速度センサー
102 ディスプレイ
103 検出軸
110 コンソール
111 操作パネル
以下、本発明の角速度センサー用振動体について図を用いて詳細に説明する。
図1は本発明の角速度センサー用振動体を用いた角速度センサーの取り付け状態を説明するための図である。図1において、角速度センサーを備えたナビゲーション装置100は、車両のコンソール110部分に取り付けている。コンソール110は、運転者の操作性を向上させるために操作パネル111が傾斜した状態で設けられる。操作パネル111には、この他にナビゲーション装置100が設けられる。ナビゲーション装置100についても、操作パネル111と同様に傾斜した状態で取り付けられ、運転者や同乗者によるディスプレイ102の視認性を向上させている。
なお、図1に示すナビゲーション装置100の取り付け状態は一例であって、この取り付け状態に限らず、操作パネル上に設けられたエアコン用の開口部や、コンソール110の上方位置や、助手席側のパネル部分等に設けることもできる。
何れの位置に設ける場合であっても、ナビゲーション装置100のディスプレイ102の視認性を向上させるために、ナビゲーション装置100自体を車両の垂直方向に対して角度を持たせて傾けて取り付けている。
ナビゲーション装置100は、予め設定された位置からの移動体の移動方向や移動距離を測位することによって、このナビゲーション装置100を備えた車両の現在位置を検出することができる。この測位においては、角速度センサーを用いて移動体の現在位置、移動方向あるいは速度変化を検出する。
このとき、加速度の方向や大きさを検出する際に基準として、角速度センサーに対して検出軸を設定し、この検出軸が移動方向(例えば路面)と平行であることを前提として角速度センサーの各パラメータを設定し、ナビゲーション装置内に設置し固定する。
通常、ナビゲーション装置を車両に設ける場合には、車両内において、水平面(地面)に対して平行となる位置を基準とするが、前記したように、ナビゲーション装置の設置位置によっては、水平面(地面)に対して平行とならず傾斜した状態で取り付けられる。また、ナビゲーション装置に設けられる角速度センサーも、ナビゲーション装置が水平面(地面)に対して平行となる位置であることを前提として取り付けられているため、ナビゲーション装置が傾斜した場合には、角速度センサーも傾斜することになり、検出誤差の要因となる。
本発明の角速度センサーは、この傾斜状態での取り付けに対して角速度センサーが備える振動子の取り付け角度を調整し、振動子の取り付け角度が水平面(地面)に対して垂直方向となるようにする。
図2は、本発明の角速度センサー用振動体の概略を説明するための図である。なお、図2では、通常、振動体1を覆っているカバー部分を省略して示している。
図2において、振動体1は、角速度を検出するセンサー部分を構成する振動子2と、この振動子2を実装し所定の角度に固定する実装基材11を備える。
振動子2は水晶振動子で形成され、複数本の振動片7と、この振動片7の固定端を束ねる基部3と、振動子2を実装基材11に支持させて固定するための支持部5と、基部3と支持部5との間をつなぐと共に、振動片7の振動によって振動するくびれ部4を備える。このくびれ部4の幅は、基部3や支持部5の幅よりも狭く形成され、良好な振動が得られるようにしている。
また、支持部5には、振動片7に設けられた駆動用電極に対して駆動電流を供給するための端子や、同じく振動片7に設けられた検出用電極からの検出信号を外部に出力するための端子が設けられ、後述する実装基材11側の配線部15に設けた接点端子との間をワイヤボンディング8で接続している。
実装基材11は、例えばセラミック材で形成され、ベース部分を構成する基底部12と、この基底部12上に設けた台座部13と、振動子2との間でワイヤボンディング8によって電気的に接続する接点端子17及び配線18を設けた配線部15と、枠部19を備える。
振動子2は、その支持部5を実装基材11の台座部13上に固定することによって取り付けられる。この取り付けにおいて、振動子2の支持部5の端部5aと台座部13に設けた縁部14と、振動子2の支持部5の端部5aとを合わせることによって、振動子2の取り付け角度が所定角度となるように定める。
台座部13は、基底部12の面から所定の高さの段差を有し縁部14を備える。この段差の高さは、振動片7の振動幅よりも大きく設定し、振動片7が振動した際に振動片7が基底部12の面と接触しないように定めている。
縁部14は振動子2の取り付け位置及び取り付け角度を定める。縁部14の接線方向は振動子2の取り付け角度を定め、縁部14の位置は振動子2の取り付け位置を定める。この縁部14による振動子2の取り付け位置及び取り付け角度については後述する。
また、配線部15は、台座部13と面した部分に壁部16を備える。この壁部16は、振動子2の支持部5の端部と接触させることによって振動子2の位置を定める。
図3は、本発明の角速度センサー用振動体の断面図を示している。なお、図3(a)は支持部と配線部との間の配線がない部分を示し、図3(b)は支持部と配線部との間の配線がある部分を示している。
断面図において、基底部12を下方としたとき、下から上に向かって、基底部12、台座部13、配線部15、枠部19の上端の順となり、台座部13上に振動子2の支持部5が固定され、また、基底部12と台座部13との間には段差が形成され、台座部13と配線部15との間には壁部16が形成される。
なお、図3中において、振動片7と支持部5上の接点端子6との間を結ぶ配線はプリント配線等で形成することができ、ここでは省略している。
次に、台座部と振動子との位置関係について、図4を用いて説明する。なお、図4において、上下方向を実装基材に定めた基準方向とし、この基準方向が空間に対して傾斜配置されたときは、角速度センサーの振動子をこの基準方向に対して傾斜させて取り付ける。
図4において、Aは実装基材に定めて基準方向を示し、Bは台座部の縁部における接線方向を示し、Cは振動子の実装基材に対する取り付け方向を示している。
図4において、角速度センサーが垂直方向に取り付けられる場合には、実装基材の基準方向Aと垂直方向とが一致しているため、振動子2を基準方向Aと同方向に取り付けることによって、振動子2は垂直方向に取り付けられる。図4(a)はこの状態を示している。
これに対して、角速度センサーが垂直方向から傾いて取り付けられる場合には、実装基材の基準方向Aは垂直方向から傾斜しているため、振動子2を基準方向Aから所定角度θだけ傾けて取り付けることによって、振動子2は垂直方向に取り付けられる。図4(b)、(c)はこの状態を示している。
このとき、振動子2は、台座部13の縁部14に沿って配置することで、取り付け位置及び取り付け角度を定めることができる。
ここで、台座部13の縁部14は、その法線方向を振動子2の取り付け角度に合わせて設定する。これにより、縁部14の接線方向Bは、振動子2の取り付け角度と直交する。この直交する方向は、振動子2の支持部5のくびれ部4側の端部5aの方向と一致しているため、台座部13の縁部14の接線方向Bと振動子2の支持部5の端部5aの辺とを合わせることによって、振動子2の傾きを所定角度θに合わせることができる。
ここで、振動子2が取り得る種々の角度位置は、各振動子2を、任意に定めた仮想的に設定される回転中心(図中の点P)の回りで回転させて配置したものである。例えば、図4では、(a)、(b)、(c)の振動子の位置は、図中の点Pを中心として回転させた位置である。
これにより縁部14の各点での法線方向は仮想的な回転中心Pに向かい、その点の軌跡は仮想的な回転中心Pとする円弧状に配置されることになる。したがって、各振動子2の角度位置を定める縁部14は円弧形状により形成することができる。この円弧形状の各点における法線方向は、仮想的な回転中心Pに向かっている。この円弧形状において、支持部5の端部5aの辺を円弧の接線方向に合わせることで、振動子2の取り付け方向Cを仮想的な回転中心Pに向かわせ、実装基材の傾きに合わせた取り付け角度とし、振動子2の最終的な向きを垂直方向とすることができる。また、円弧形状の半径は、仮想的な回転中心Pと支持部5の端部5aとの距離により定めることができる。
また、台座部13の後方に設けた壁部16についても、縁部14と同じ点を回転中心とする円弧状とし、仮想的な回転中心Pと支持部5の後端部5bとの距離を半径とすることができる。
振動子2の台座部13上での位置決めにおいて、支持部5の端部5aの辺の方向を縁部14の接線方向に合わせると共に、支持部5の後端部5bをこの壁部16に当接させることによって、振動子2の位置を定めても良い。
図5は、図4における(a)〜(c)の各位置での取り付け状態を示している。図5(a)は図4中の(a)の角度位置に対応し、振動子2の取り付け方向Cと実装基材11の基準方向Aとが一致して取り付けた状態を示している。また、図5(b),図5(c)は図4中の(b),(c)の角度位置に対応し、振動子2の取り付け方向Cを実装基材11の基準方向Aに対して角度θの傾きで取り付けた状態を示している。
このとき、図5(b)、(c)における実装基材11は、垂直方向に対して角度θで傾斜しているため、振動子2はそれぞれ垂直方向に取り付けられることになる。
なお、図5において、実装基材11の基底部12の面上に設けたマーカー20に対して、振動子2の一部が整列しているか否かを判定することによって、振動子2の取り付け角度が所定角度であるか否かを確認することができる。
マーカー20は、振動子2が予め定められた角度に取り付けられた際に、振動子2の一部と整列する位置に設けられており、このマーカーとの整列状態によって振動子2の取り付け角度を目視あるいは画像認識により確認することができる。
振動子2の実装基材11への取り付けは、実装基材11を設置位置の位置データが予め取得されている場合には自動機構によって行うことができ、人手による操作を不要とすることができる。マーカーは、この自動機構により取り付けられた状態を確認する際の目安とすることができる。
なお、このマーカーは、予め定めた取り付け角度に応じた位置に設けておく。このマーカーは、例えば、アルミナコート(例えば、15μmの厚さ)で形成する他、プリントや凹部や凸部、マーカー部のみメッキ層を省くこと等より形成することができる。
振動子2で検出された検出信号は、角速度センサー用振動体1から外部に直接に出力する他、内部に設けた回路基板で検出信号を信号処理した後に出力することができる。この回路基板で行う信号処理としては、例えば、検出信号の信号レベルを増幅する信号増幅処理、検出信号を角速度信号に変換する信号処理、各種の補正処理等がある。
この回路基板は実装基材11の基底部12に設ける構成とすることができ、基底部12に取り付けられた回路基板は振動子2の下方に位置することになり、振動子2を重ねた状態で下方に回路基板を見ることができる。本発明は、この回路基板にマーカーを設け、このマーカーを指標として振動子の取り付け角度の位置合わせを行うことができる。
以下、図6〜図8を用いて、回路基板に設けたマーカーについて説明する。図6,図7は回路基板に設けたマーカーの概略図および断面であり、図8はマーカーを用いた振動子の取り付け角度の位置合わせを説明するための図である。
図6において、角速度センサー用振動体1は、実装基材11の基底部12上に回路基板30を備え、この回路基板30にはマーカー32が設けられている。なお、図6に示す構成は、回路基板30の他は図2に示した構成と同様とすることができるため、ここでは回路基板30およびマーカー32についてのみ説明し、共通する構成についての説明は省略する。
回路基板30は、振動子2から得られた検出信号を信号処理するための回路を搭載する基板である。この回路基板30の上層面にはポリイミド等の表面保護膜が設けられている。表面保護膜の下層には接点パッドが設けられ、この接点パッドを外部に露出させるために表面保護膜には開口部31が形成される。回路基板30の接点パッド(図示していない)と基底部12の接点パッド(図示していない)との間は、配線33によって接続される。
回路基板30の表面保護膜には、接点パッド用の開口部31を形成するとともに、振動子2を所定角度で取り付ける際の指標となるマーカー32を形成しておく。マーカー32は開口部31と同時に形成することができる。
図8は、回路基板と振動子を実装基材に取り付ける状態を示している。図8(a)は、回路基板30を取り付ける前の状態を示し、図8(b)は基底部12上に回路基板30を取り付けた状態を示している。なお、基底部12上に回路基板30を取り付ける位置は予め設定されており、基底部12上において回路基板30は所定位置に位置決めされる。
回路基板30には、表面保護膜に開口部31とマーカー32が形成され、マーカー32の開口部を通して表面保護膜の下層部分を見通すことができ、これを振動子2と取り付ける指標とする。マーカー32は、振動子2を所定の取り付け角度に取り付けた際に、振動子2の振動片の縁部分と平行となる位置に、あるいは、振動片と一致して重なる位置に形成される。このマーカー32の角度および本数は、取り付け角度の角度および角度の種類に応じて定めることができる。
図8(c)、(d)は、マーカー32をガイドとして振動子2を所定の取り付け角度に取り付けた状態を示している。なお、図8(c)、(d)では、マーカー32の縁と振動子2の振動片の縁とを合わせることで取り付け角度を合わせているが、マーカー32の幅を振動子2の振動片の幅と同程度とし、振動子2とマーカー32とを重ねたときに、振動子2によってマーカー32が見えない位置に位置合わせすることによって、取り付け角度を合わせてもよい。
このときの振動子の支持部と台座部と重なり状態について、図9を用いて説明する。
図9(a)は、基準方向(ここでは垂直方向)Aと振動子2の取り付け方向Cとが一致している場合を示している。このとき、振動子2の支持部5の端部5aの辺と、台座部13の縁部14の接線方向とを合わせることで、くびれ部4と台座部13との重なり部分が生じないようにすると共に、支持部5の全面積を台座部13上に重ねることができる。これによって、くびれ部4と台座部13とが重なることにより振動への影響を避けることができると共に、支持部5の全面積を台座部13に無駄なく接触させることでき、固定を良好なものとすることができる。
一方、図9(b)は、基準方向(ここでは垂直方向)Aに対して振動子2の取り付け方向Cが傾斜している場合を示している。このとき、縁部14は円弧状に形成されているため、振動子2の支持部5の端部5aの辺と、台座部13の縁部14の接線方向とを合わせることができ、図9(a)と同様の位置関係とすることができる。これによって、同様に、くびれ部4と台座部13との重なり部分が生じないようにすると共に、支持部5の全面積を台座部13上に重ねることができ、くびれ部4と台座部13とが重なることにより振動への影響を避けることができると共に、支持部5の全面積を台座部13に無駄なく接触させることでき、固定を良好なものとすることができる。
図4〜図9で示した例では、仮想的な回転中心が振動子の輪郭内にある場合を示しているが、この仮想的な回転中心は振動子の輪郭内の任意の位置とする他に、輪郭外としてもよい。図10は、この仮想的な回転中心の位置を説明するための図である。
図10(a)は仮想的な回転中心Pが振動子2の基部3上にある場合を示し、図10(b)は仮想的な回転中心Pが振動子2の支持部5上にある場合を示し、図10(c)は仮想的な回転中心Pが振動子2の外側上にある場合を示している。なお、台座部の縁部の円弧形状の曲率は、回転中心Pの位置によって定まることになる。
次に、台座部と振動子との位置関係について、仮想的な回転中心が振動子の輪郭外にある場合について図11を用いて説明する。なお、図11において、上下方向を実装基材に定める基準方向とし、この基準方向を基準として傾斜配置されたときに、角速度センサーの振動体をこの基準方向に合わせて振動子を傾斜させて取り付ける。
図11において、図4と同様に、Aは実装基材に定めて基準方向を示し、Bは台座部の縁部における接線方向を示し、Cは振動子の実装基材に対する取り付け方向を示している。
図11において、角速度センサーが垂直方向に取り付けられる場合には、実装基材の基準方向Aと垂直方向とが一致しているため、振動子2を基準方向Aと同方向に取り付けることによって、振動子2は垂直方向に取り付けられる。図11(a)はこの状態を示している。
これに対して、角速度センサーが垂直方向から傾いて取り付けられる場合には、実装基材の基準方向Aは垂直方向から傾斜しているため、振動子2を基準方向Aから所定角度θだけ傾けて取り付けることによって、振動子2はナビゲーション装置100に搭載される際には垂直方向を向くように取り付けられる。図11(b)、(c)はこの状態を示している。
このとき、振動子2は、台座部13の縁部14に沿って配置することで、取り付け位置及び取り付け角度を定めることができる。ここで、台座部13の縁部14は、その法線方向を振動子2の取り付け角度に合わせて設定する。これにより、縁部14の接線方向Bは、振動子2の取り付け角度と直交する。この直交する方向は、振動子2の支持部5のくびれ部4側の端部5aの方向と一致しているため、台座部13の縁部14の接線方向Bと振動子2の支持部5の端部5aの辺とを合わせることによって、振動子2の傾きを所定角度θに合わせることができる。
ここで、振動子2が取り得る種々の角度位置において、各振動子2は、任意に定めた仮想的に設定される回転中心(図中の点P)の回りで回転させたと見なすことができるように配置することができる。例えば、図11では、(a)、(b)、(c)の各回転位置における振動子は、図中の点Pを中心として回転する位置と見なすことができる。
これにより縁部14の各点での法線方向は、振動子2の輪郭外にある仮想的な回転中心Pに向かい、その点の軌跡は仮想的な回転中心Pとする円弧状に配置されることになる。したがって、各振動子2の角度位置を定める縁部14は、外側に湾曲した円弧形状により形成することができる。この円弧形状の各点における法線方向は、仮想的な回転中心Pに向かっている。この円弧形状において、支持部5の端部5aの辺を円弧の接線方向に合わせることで、振動子2の取り付け方向Cを仮想的な回転中心Pに向かわせ、実装基材の傾きに合わせた取り付け角度とし、振動子2の最終的な向きを垂直方向とすることができる。また、円弧形状の半径は、仮想的な回転中心Pと支持部5の端部5aとの距離により定めることができる。
また、台座部13の後方に設けた壁部16についても、縁部14と同じ点を回転中心とする円弧状とし、仮想的な回転中心Pと支持部5の後端部5bとの距離を半径とすることができる。
振動子2の台座部13上での位置決めにおいて、支持部5の端部5aの辺の方向を縁部14の接線方向に合わせると共に、支持部5の後端部5bをこの壁部16に当接させることによって、振動子2の位置を定めても良い。
また、図12は、図10(b)に示した例を示し、仮想的な回転中心Pが振動子の支持部上にある場合を示している。
この場合には、振動子2の支持部5の形状を、くびれ部4との連結部分を除いてほぼ円形とすると共に、台座部13の形状を、所定角度位置に設置した際に、少なくとも支持部5の円形形状部分と重なる部分を同じ径の円形形状とする。これによって、仮想的な回転中心Pが振動子の支持部5上にあるとき、台座部13に対して支持部5を、これらの円形形状の外周部分を合わせることで位置合わせを行い、所定角度に設置することができる。
また、図13,図14は、壁部に設ける凹部を説明するための図である。振動子2を形成する際、一般に一枚の結晶基板から複数個の振動子2を形成する。このような振動子の形成過程においては、枠部分に複数の振動子2が一部分でつながった状態から、各振動子2を枠部分から切り離すことで個々の振動子2を形成する。この際、振動子2には、枠部分とつながっていた部分が、バリと称される突出部5cとして残る場合がある。
通常、このバリ部分は振動片7の形成に支障がない支持部5に形成される。前記した構成において、台座部13の後方位置に設けられた壁部16に支持部5の後端部5bを当接することによって支持部5の位置を定め、これにより振動子2の位置を定める場合には、この支持部5が備えるバリ部分の突出部5cは位置決めを行う際の誤差要因となる。
そこで、本発明の角速度センサー用振動体の形態では、このバリ部分の突出部5cを避ける構成を備え、これにより、突出部5cが壁部16に当接することにより位置ずれを防ぐ。
図13,図14において、壁部16は、振動子2を所定角度位置に取り付けた際に、支持部5の突出部5cが当接する箇所に、この突出部5cを避ける凹部16aを形成する。これによって、支持部5の後端部5bが壁部16に当接した際に、突出部5cは凹部16a内に収納されるため、突出部5cが壁部16に当接することを避けることができる。
なお、凹部16aの配置位置は、予め定めた取り付け角度に応じた位置に設けておく。
本発明の角速度センサー用振動体において、上記した各例は、振動子の各取り付け角度において、仮想的な一つの回転中心が存在する場合について示しているが、振動子の各取り付け角度において、仮想的な回転中心が連続してつながる形態とすることもできる。
図15(a)は、仮想的な回転中心をつなげて形成される曲線Dが振動子2の振動片側にある場合を示し、図15(b)は、仮想的な回転中心をつなげて形成される曲線Eが振動子2の支持部5の延長上にある場合を示している。
台座部13の縁部14を構成する曲線は、前記した構成例では仮想的な回転中心が1点であるため円弧状の曲線を形成しているが、図15(a),図15(b)の例では、仮想的な回転中心は曲線Dあるいは曲線E上にあるため、この曲線D,Eに応じて形成される曲線D′,E′となる。
なお、この構成においても、曲線状の縁部14を用いた振動子2の取り付けは、前記した円弧状の縁部を用いた取り付けと同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。
さらに、前記した構成例は、台座部の縁部を単一中心の円弧形状あるいは、中心が一定せず、曲線上を移動する仮想的な回転中心を中心とする円弧を複数つなげて成る曲線形状とする例を示しているが、複数の直線をつなげた構成としてもよい。図16,図17は、台座部の縁部の形状が複数の直線をつなげた構成である場合について示している。
図16は、複数(図では3つ)の取り付け角度位置で振動子を取り付けることができる構成例である。台座部13の縁部14は、各取り付け角度位置において振動子2の支持部5の端部5aと同方向の直線を組み合わせることで構成されている。
この構成例では、台座部の縁部上の任意の位置で振動子の取り付け角度を定めることはできないが、予め定められた各取り付け角度の位置の中から選択することができる。
縁部の形状が曲線形状の場合には、振動子の支持部の端部との重ね合わせにおいて、くびれ部に台座部が重なる部分や、あるいは台座部において支持部と重ならないために固定に寄与しない部分等の望ましくない部分が僅かに生じるが、この構成によれば、台座部の縁部の形状が直線状であるため、振動子の支持部の端部と同じ形状とすることができ、上記した曲線形状による望ましくない部分の発生を解消することができる。
また、図17は、複数の(図では3つ)の取り付け角度位置で振動子を取り付けることができる構成例であり、各取り付ける角度位置は角速度センサー用振動体の厚さ方向に段状に設けられる例である。
図17(a)は正面図を示し、図17(b)は断面図を示している。この構成は、仮想的な回転中心を正面図17(a)のかなり左方に設けた実施例に相当し、台座部13の高さを異ならせて複数段に形成し、各段において取り付け角度を異ならせた台座部を形成する。
なお、この構成においても、直線状の縁部14を用いた振動子2の取り付けは、前記した円弧状の縁部を用いた取り付けと同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。

この構成によれば、振動子をほぼ基準方向(図中の縦方向)に並べることによって、実装基材において、基準方向と直交する方向(図中の横方向)の幅を狭めることができる。
本発明の振動体装置を備える角速度センサーは、航空機、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に適用することができる。

Claims (17)

  1. 振動片と当該振動片を支持する支持部とを有する振動子と、当該振動子を実装する実装基材とを備える角速度センサー用振動体において、
    前記実装基材は、前記支持部を固定して振動子を支持する台座部と基底部とを有し、
    前記台座部は、基底部から少なくとも振動片の振動幅より大きな高さの段差を有すると共に、曲線形状の縁部を備え、この縁部の各位置における法線方向は、実装する振動子の取付角度を定め、実装基材に定める基準方向に対して同方向又は少なくとも一つの異なる角度を有することを特徴とする、角速度センサー用振動体。
  2. 前記振動子の台座部に対する取り付けにおいて、前記縁部で選択した取り付け位置において支持部の振動片側の端部と台座の縁部との両接線方向が一致し、この端部と縁部との位置合わせにより振動子の実装基材に対する取り付け角度を台座部の縁部の法線方向で定めることを特徴とする請求項1に記載の角速度センサー用振動体。
  3. 前記縁部の曲線形状は円弧形状であり、この円弧の中心は、当該中心の回りに振動子を回転させた場合に振動子がとり得る複数の位置から一つの位置を実装基板に対する振動子の取り付け位置として選ぶために仮想的に定めた回転中心であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の角速度センサー用振動体。
  4. 前記回転中心は、振動子の輪郭上またはその内側にあることを特徴とする請求項3に記載の角速度センサー用振動体。
  5. 前記回転中心は、振動子の輪郭外にあることを特徴とする請求項3に記載の角速度センサー用振動体。
  6. 前記縁部の曲線の形状は、振動子が実装基材上で取り得る複数の取り付け位置の内で、連続して取り得る取り付け位置をつないで形成される軌跡に対応して振動子の支持部の振動片側の端部が形成する曲線形状であり、
    この曲線の各位置の曲率の中心及び半径は、前記連続する取り付け位置における振動子によって仮想的に定まる回転中心及びこの回転中心から支持部の端部までの距離であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の角速度センサー用振動体。
  7. 前記取り付け角度の範囲は、少なくとも30度であることを特徴とする、請求項1から請求項6の少なくとも何れか一つに記載の角速度センサー用振動体。
  8. 前記基底部は、振動子を取り付ける側の面に、振動子を所定角度で取り付けたときの振動子の輪郭の一部と整列するマーカーを少なくとも一つ備えることを特徴とする、請求項1から請求項7の少なくとも何れか一つに記載の角速度センサー用振動体。
  9. 前記基底部は回路基板を備え、当該回路基板は振動子を所定角度で取り付けたときの振動子の輪郭の一部と整列するマーカーを少なくとも一つ備えることを特徴とする、請求項1から請求項7の少なくとも何れか一つに記載の角速度センサー用振動体。
  10. 前記マーカーは、回路基板上の表面保護膜に設けた開口部により形成することを特徴とする、請求項9に記載の角速度センサー用振動体。
  11. 前記台座部は、振動子が実装基板上でとり得る複数の取り付け位置の内で、連続してとり得る取り付け位置をつないで形成される軌跡に対応して振動子の支持部の後端部が形成する曲線形状の壁部を備え、
    この壁部は、振動子の支持部の後端部に当接して、この振動子の長手方向の位置決めを行うことを特徴とする、請求項に記載の角速度センサー用振動体。
  12. 前記壁部は、振動子の支持部の端部が備える突出部に対応する凹部を、振動子の所定取り付け角に応じて少なくとも一つ備えることを特徴とする、請求項11に記載の角速度センサー用振動体。
  13. 振動片と当該振動片を支持する支持部とを有する振動子と、当該振動子を実装する実装基材とを備える角速度センサー用振動体において、
    前記振動子の支持部は円形の一部からなる形状であり、
    前記実装基材は、前記支持部を固定して振動子を支持する台座部と基底部とを有し、
    前記台座部は、基底部から少なくとも振動片の振動幅より大きな高さの段差を有し、前記支持部の円形と同径の円形形状であり、
    台座部の円形形状の中心は、振動子を実装基材に対して異なる取り付け角度で取り付けるために仮想的に定めた回転中心であることを特徴とする、角速度センサー用振動体。
  14. 前記台座部は、前記円形形状と同一中心で、前記円形形状の径に許容量を付加した径で、円形形状の一部を囲む円弧形状の壁部を備え、
    この壁部は、振動子の支持部の円形形状部分と係合して、この振動子の支持部の位置決めを行うことを特徴とする、請求項13に記載の角速度センサー用振動体。
  15. 前記壁部は、振動子の支持部の端部が備える突出部に対応する凹部を、振動子の所定取り付け角に応じて少なくとも一つ備えることを特徴とする、請求項14に記載の角速度センサー用振動体。
  16. 振動片と当該振動片を支持する支持部とを有する振動子と、当該振動子を実装する実装基板とを備える角速度センサー用振動体において、
    前記実装基材は基底部と、前記支持部を固定して振動子を支持する台座部とを有し、
    前記台座部は、基底部に対して、少なくとも振動片より大きな高さの段差を有し、方向が異なる複数の直線をつなげた形状の縁部、および、前記縁部に沿って連続した面であって、複数の箇所において前記振動子の支持部全面と接着する面を備え、
    前記縁部の各位置における法線方向は実装基材に定める基準方向に対して同方向又は少なくとも一つの異なる角度を有し、前記縁部の複数の直線から選択した一つの直線に前記振動子の支持部の振動片側の端部を合わせることによって振動子を取り付けることを特徴とする、角速度センサー用振動体。
  17. 前記振動子の台座部に対する取り付けにおいて、前記縁部で選択した取り付け位置において支持部の振動片側の端部と台座の縁部との両接線方向が一致し、この端部と縁部との位置合わせにより振動子の実装基材に対する取り付け角度を台座部の縁部の法線方向で定めることを特徴とする、請求項16に記載の角速度センサー用振動体。
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