JP5050448B2 - 角速度センサおよび電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、Z軸回転系の角速度とY軸回転系の角速度の両方に反応して検出信号を出力する角速度センサと、この角速度センサを搭載する電子機器に関する。
回転角速度を検出する角速度センサ(ジャイロスコープと呼称することがある)は、ナビゲーションシステム、航空機や船舶の姿勢制御システム、ロボット等の姿勢制御システム、ビデオカメラやデジタルカメラの手振れ防止装置等に採用されている。これらの電子機器は小型化が要求され、それに伴い角速度センサも小型化と構成の簡素化が要求されてきている。
従来、圧電材料により形成された弾性体に3個の振動体が一体に形成されており、両側の振動体と中央の振動体とが互いに逆位相で振動駆動される角速度センサが提案されている。この角速度センサは、Z軸回りの回転系に置かれると、Y方向のコリオリ力により両側の振動体が逆の位相でX方向に振動し、Y軸回りの回転系においては、両側の振動体と中央の振動体とが互いに逆の位相でZ方向に振動する。そして、両側の振動体からX方向の振動成分を検出し、中央の振動体でZ方向の振動成分を検出することにより、Z軸とY軸の2軸回りの回転出力を個別に検出する角速度センサというものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平8−327362号公報(第11頁、第13図〜第15図)
このような特許文献1では、3個の振動体それぞれに駆動用電極と検出用電極とアース電極(GND電極)とを備え、さらに、Z軸回転系の検出とY軸回転系の検出に対応した検出手段を設けているので、電極の形成が複雑になること、2系列の検出回路によりシステム構成が複雑になるという課題を有している。
本発明の目的は、上述した課題を解決することを要旨とし、1軸の回転系の角速度を検出する圧電振動片を用いて1系列の検出手段でZ軸回転系とY軸回転系の角速度検出を実現する簡単な構造で小型の角速度センサを提供することである。
本発明の角速度センサは、基部と、前記基部または前記基部に接続された連結腕からY軸に平行に延出されY軸に直交するX軸方向に屈曲振動をする駆動腕と、前記駆動腕に平行な検出腕と、がXY平面に形成される圧電振動片と、Y軸回りの回転により与えられるコリオリ力により前記検出腕に発生する捩じれ振動成分と、前記XY平面に対し垂直なZ軸回りの回転により与えられるコリオリ力により前記検出腕に発生する屈曲振動成分とを、ひとつの合成された検出信号として前記検出腕に形成された検出電極から検出する検出手段と、を備え、前記捩れ振動成分の検出感度と前記屈曲振動成分の検出感度との感度比率が1:1となるように離調周波数が設定されることを特徴とする。
この発明によれば、上述した圧電振動片の構造は1軸の回転系の角速度センサに用いられるもので、しかもY軸回転系の振動成分とZ軸回転系の振動成分とが検出腕に発生し、検出腕に形成される検出電極と、外部に設けられる検出回路とを共通な1系列で構成することができるので、簡単な構成の2軸の回転系の角速度を検出可能な角速度センサを提供することができる。
特に、Y軸回転系とZ軸回転系の異なる振動モードが発生し、それらを角速度として検出することから、1軸の回転系と共通な駆動腕(駆動電極含む)と検出腕(検出電極含む)で、角速度センサを構成することができる。また、Z軸回転系とY軸回転系それぞれの検出感度を同じにしていることから、Z軸回転系とY軸回転系ともにバランスがとれた角速度の検出を行うことができる。
また、前記圧電振動片が、前記基部からY軸方向およびマイナスY軸方向にに延出される検出腕と、前記基部からX軸方向に延出された第1の連結腕と、前記基部からマイナスX軸方向に延出された第2の連結腕と、前記第1の連結腕に連結され、Y軸方向およびマイナスY軸方向に延出される駆動腕と、前記第2の連結腕に連結され、Y軸方向およびマイナスY軸方向に延出される駆動腕と、を備えて構成されていることが好ましい。
このように構成される角度センサは、WT型角速度センサ(ダブルT型)と呼ばれる形態である。WT型角速度センサは検出感度が高いことが知られており、2軸の回転系の角速度の検出においても高い検出感度を実現する。
また、前記圧電振動片の形状が、前記駆動腕と前記検出腕のそれぞれ先端に錘部が形成され、前記検出腕の錘部の幅Dが、前記検出腕の検出腕部の幅dに対して、5d≦D≦10dの範囲に設定されていることが好ましい。
駆動腕及び検出腕の先端に錘部を形成することで、圧電振動片の小型化が図れる。さらに、本発明では、Y軸回転系の振動成分が捩れ振動成分であるため、錘部の幅を振動部の幅よりもはるかに大きくすることで捩れ振動を発生しやすくし、検出力を高めることができる。
また、前記Z軸回転系の屈曲振動成分の検出感度と前記Y軸回転系の捩れ振動成分の検出感度との感度比率を、離調周波数にて調整することが好ましい。
ここで、離調周波数とは、検出信号の周波数と駆動信号の周波数との差を表している。
詳しくは、後述する実施の形態で説明するが、離調周波数を調整することで、Y軸回転系とZ軸回転系との感度比率を変更することができる。従って、角速度センサの使用目的、使用アプリケーションによって、Y軸回転系またはZ軸回転系のどちらの検出を重要視するかによって、2軸の検出感度を設定することができる。
また、本発明の電子機器は、基部と、前記基部または前記基部に接続された連結腕からY軸に平行に延出されY軸に直交するX軸方向に屈曲振動をする駆動腕と、前記駆動腕に平行な検出腕と、がXY平面に形成される圧電振動片と、Y軸回りの回転により与えられるコリオリ力により前記検出腕に発生する捩じれ振動成分と、前記XY平面に対し垂直なZ軸回りの回転により与えられるコリオリ力により前記検出腕に発生する屈曲振動成分とを、ひとつの合成された検出信号として前記検出腕に形成された検出電極から検出する検出手段と、X軸方向を光軸に含むレンズと、を備え、前記捩れ振動成分の検出感度と前記屈曲振動成分の検出感度との感度比率を概ね1:1とすることを特徴とする。
ここで、電子機器としては、例えば、角速度センサを手振れ補正用として用いたデジタルカメラ、衝撃検出センサとして用いたHDD(Hard Disk Drive)等がある。
デジタルカメラの手振れ補正用としては、デジタルカメラの焦点深度に影響する2軸の回転系の角速度検出により、シャッタースピードを調整して画像のブレを抑制することができる。
また、HDDにおいては、搭載する電子機器等にHDDの水平方向以外の2方向に衝撃が加わった際に、衝撃をセンシングして、ピックアップ装置を退避させて破壊されることを防止することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1〜図7は本発明の角速度センサの構造及び2軸の検出形態を示している。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る角速度センサを示す斜視図である。図1において、本実施形態の角速度センサ1は圧電振動片10と図示しない検出手段としての検出回路と励振手段としての発振回路とから構成されている。なお、圧電振動片10は、周知の圧電材料から構成することが可能であるが、本実施形態では水晶振動片を例示して説明する。
圧電振動片10は、XY平面内に形成される。本実施形態では、圧電振動片10は水晶で形成され、電気軸と呼ばれるX軸、機械軸と呼ばれるY軸及び光学軸と呼ばれるZ軸のX軸とY軸を平面方向に切り出されたZカットの水晶基板から形成されている。
圧電振動片10の平面形状は、水晶の結晶軸に合わせてXY平面に展開され、重心位置Gに対して180°点対称の形状である。
圧電振動片10には、X軸方向とY軸方向にそれぞれ平行な端面をもつ矩形状の基部20が形成され、Y軸に平行な基部20の2端面の中央からX軸に平行な方向に延出される一対の駆動腕40,50と、X軸に平行な基部20の2端面の中央からY軸に平行な方向に延出される検出腕60とが形成されている。駆動腕40は、基部20の端面からX軸方向に延出される第1の連結腕31と、第1の連結腕31に対して直交しY軸方向及びマイナスY軸方向に延出される二つの振動部41,42で構成されている。同様に、駆動腕50は、基部20からマイナスX軸方向に延出される第2の連結腕32に直交しY軸方向及びマイナスY軸方向に延出される二つの振動部51,52で構成されている。
振動部41,42,51,52の先端にはそれぞれ、他の部分より幅の広い略四角形の錘部43,44,53,54が形成されている。
また、検出腕60は、基部20の2端部からY軸方向及びマイナスY軸方向の直線状に延出される検出腕部61,62からなり、検出腕部61,62の先端にも、他の部分より幅の広い略四角形の錘部63,64が形成されている。
ここで、検出腕部61,62の先端に形成される錘部63,64の幅は、他の錘部43,44,53,54よりも大きく設定されており、錘部63,64の幅をD、検出腕部61,62の幅をdとしたとき、5d≦D≦10dとなるように設計される。つまり、錘部63,64の幅は、検出腕部61,62の幅dの5〜10倍に設計されている。
このように錘部63,64を設定する理由は、後述するY軸回転系の角速度検出において(図4〜6、参照)、検出腕60の捩れ振動を効率よく得るためである。
振動部41,42,51,52及び検出腕部61,62それぞれの幅方向中央には、厚み方向に凹形状の溝45,46,55,56,65,66が形成されている。
なお、前述の錘部43,44,53,54,63,64、及び溝45,46,55,56,65,66は、圧電振動片10を小型化するために設けられているが、本発明を特に限定するものではない。
駆動腕40,50は、所定の周波数の駆動振動が発生するように、振動部41,42,51,52の幅や長さ、錘部43,44,53,54の寸法、溝45,46,55,56の寸法が設定されている。また、検出腕60は、所定の検出振動が発生するように、検出腕部61,62の幅や長さ、錘部63,64の寸法、溝65,66の寸法が設定されている。
上述したような形状の圧電振動片10は、基本構造として一般にWT型(ダブルT型)圧電振動片と呼称され、小型化及び高精度化に有利であるとされており、検出腕部61,62の幅と錘部63,64の幅との関係以外は、既に提案されているWT型と同様な構成である。
なお、駆動腕40,50及び検出腕60にはそれぞれ図示しない駆動電極、検出電極とが形成されている。これら駆動電極及び検出電極は、WT型圧電振動片において既に提案されている構成でよく、基部20の裏面側に集約されて、図示しない検出回路、発振回路に接続されている。検出回路、発振回路も従来のWT型圧電振動片にて採用されているものと同じ構成のものが採用される。
続いて、上述した本実施形態の圧電振動片の動作、Z軸回転系及びY軸回りの回転系(以降、単にY軸回転系と表すことがある)の角速度の検出について説明する。
図2は、本実施形態の圧電振動片の動作を模式的に示す説明図、図3はZ軸回転系の動作を模式的に示す説明図である。図2,3は、振動形態を分かりやすく表現するために、駆動腕40,50及び検出腕60を簡略化して線で表している。図1と同じ構成部分を同じ符号で示し、構造の説明を省略する。
まず、圧電振動片10の静的な動作について説明する。図2において、駆動振動は、振動部41,42,51,52の矢印Aで示す屈曲振動であって、実線で示す振動姿態と、二点鎖線で示す振動姿態を所定の周波数で繰り返している。このとき、振動部41,42と振動部51,52とが、重心位置Gを通るY軸に対して線対称の振動を行っているので、基部20、連結腕31,32及び検出腕部61,62はほとんど振動しない。
次に、Z軸回りの回転角速度ωが加えられたときの動作について説明する。図3において、Z軸回転系において、検出振動は、実線で示す振動姿態と、二点鎖線で示す振動姿態を繰り返している。検出振動は、圧電振動片10が図2に示した駆動振動(屈曲振動)を行っている状態で、圧電振動片10にZ軸周りの回転角速度ωが加わったとき、駆動腕40,50に矢印Bで示す方向のコリオリ力が働くことによって発生する。
矢印B方向のコリオリ力が働くことにより、駆動腕40,50は重心位置Gに対して周方向の振動となる。また同時に、検出腕部61,62は、矢印Cに示すように、矢印Bの振動に呼応して矢印Bとは周方向反対向きの屈曲振動を行う。
圧電振動片10に形成されている駆動電極と検出電極が、基部20に形成された接続電極を経由して、検出回路及び発振回路(共に半導体装置に搭載される)に電気的に接続されている。このことにより、圧電振動片10は、発振回路で屈曲振動され、検出腕60から角速度に応じた検出振動の信号を検出回路に出力する。そして、半導体装置により角速度に対応した電気信号を出力する。
続いて、Y軸回りの回転系(以降、単にY軸回転系を表すことがある)の検出動作について図面を参照して説明する。
図4〜図6は、Y軸回転系の検出動作を示し、図4は斜視図、図5,6は図4の上方(矢印A方向)から視認した状態を示す上側面図である。圧電振動片10は、駆動腕40,50が屈曲振動しているときにY軸回りに回転角速度ωが加えられたときに、駆動腕40,50は、図4に示すようにコリオリ力によりX方向の屈曲振動とZ軸方向の屈曲振動とを合成した振動モードで振動する。
つまり、コリオリ力によって、駆動腕40は連結腕31を振動の軸として、また駆動腕50は連結腕32を振動の軸にしてそれぞれが逆位相でZ方向に屈曲振動する。すると、検出腕60には、矢印T方向の捩れ振動が発生する。この捩れ振動を検出することにより角速度に応じた検出信号を検出回路に出力する。そして、半導体装置により角速度に対応した電気信号を出力する。
Y軸回転系におけるコリオリ力と捩れ振動(検出振動)との関係について図5,6を参照して説明する。図5は、駆動腕40,50が、外側方向(図中、矢印+Vで表す)に振動したときを表しており、駆動腕40はコリオリ力Fにより+Z方向に、駆動腕50は−Z方向に振動変形する。すると、検出腕60は、コリオリ力Fを打ち消す方向(+T方向)に捩れ振動変形する。
図6は、駆動腕40,50が、内側方向(図中、矢印−Vで表す)に振動したときを表しており、駆動腕40はコリオリ力Fにより−Z方向に、駆動腕50は+Z方向に振動変形する。すると、検出腕60は、コリオリ力Fを打ち消す方向(−T方向)に捩れ振動変形する。
このようにして、検出腕60は、コリオリ力Fにより図5,6に示すように捩れ振動を繰り返し、捩れ信号を検出信号として検出し、Y軸回転系の角速度を検出することができる。
なお、X軸回転系の場合にはコリオリ力が発生しないので検出腕60に検出信号が出力されない。
以上説明したように、Z軸回転系については検出腕60のX軸方向の屈曲振動を検出信号として検出可能であり、Y軸回転系については検出腕60の捩れ振動を検出信号として検出することができる。本実施形態では前述したように、Z軸回転系の検出電極と、Y軸回転系の検出電極は共通電極であり、検出回路も共通としていることから、Z軸回転系及びY軸回転系それぞれは、ひとつの合成された検出信号として検出される。従って、Z軸回転系及びY軸回転系それぞれの検出感度(以降、単に感度と表すことがある)を考慮する必要がある。
図7は、本実施形態のZ軸回転系及びY軸回転系それぞれの検出感度と離調周波数、感度比率についての1例を表すグラフである。横軸に離調周波数(Y軸回転系の検出周波数と駆動周波数の差、単位Hz)、一方の縦軸に検出感度(mV/dps)、他方の縦軸に感度比率(Z軸回転系の検出感度/Y軸回転系の検出感度、単位%)を表している。
このグラフは、Y軸回転系の離調周波数を基準にして表示している。
図7において、Z軸感度とY軸感度は、離調周波数に対して逆方向の傾きを有し、離調周波数−2000Hz近傍で交差している。この交差点が感度比率1:1、つまり感度比率100%であることを示している。従って、感度比率100%となるようにZ軸回転系とY軸回転系の検出周波数とを略等しい範囲となるように設計すれば、Z軸回転系とY軸回転系それぞれの角速度をほぼ同程度の検出感度で検出可能となる。
また、本実施形態による角速度センサ1の使用形態によっては、感度比率を100%以外の範囲に設定することがある。仮に、Y軸感度が重要な場合には離調周波数を0に近い方向に設定し、Z軸感度が重要視される場合には離調周波数をマイナス方向に設定する。
離調周波数は、検出信号の周波数と駆動周波数の差で表されることから、検出腕60の錘部63,64を大きくすればマイナス方向に寄り、小さくすれば0方向に寄る。検出腕60の錘部63,64の幅Dが、検出腕60の検出腕部61,62の幅dに対して、5d≦D≦10dの範囲に設定することにより、Z軸回転系とY軸回転系の2軸の角速度をバランスよく検出することができる。なお、錘部63,64の幅Dと検出腕部61,62の幅の関係は、図7のグラフにて表される検出感度を得るための範囲である。
従って、前述した実施形態によれば、圧電振動片10は従来のZ軸回転系1軸の角速度センサに用いられるものであって、Y軸回転系の振動成分とZ軸回転系の振動成分とが共通の検出腕60に発生する。さらに、検出腕60に形成される検出電極と、半導体装置に搭載される検出回路とが、共通な1系列で構成することができるので、簡単な構成のZ軸回転系とY軸回転系の2軸の角速度を検出可能な角速度センサ1を提供することができる。
また、Y軸回りの回転により与えられるコリオリ力Fにより検出腕60には捩れ振動が発生し、Z軸回りの回転では検出腕に屈曲振動が発生する。従って、Y軸回転系とZ軸回転系の異なる振動モードが発生し、それらを角速度として検出することから、1軸の回転系と共通な駆動腕40,50(駆動電極含む)と検出腕60(検出電極含む)で、2軸の回転系の角速度センサ1を構成することができる。
また、上述した圧電振動片10は、WT型と呼ばれる形態であり、WT型角速度センサは小型化でき、検出感度が高いことが知られており、本発明の2軸の回転系の角速度の検出センサにおいても小型で、しかも高い検出感度を実現する。
また、検出腕60の錘部の幅Dが、検出腕60の検出腕部61,62の幅dに対して、5d≦D≦10dの範囲に設定されている。駆動腕40,50が屈曲振動をする圧電振動片においては、Y軸回転系では検出腕60にコリオリ力によって検出振動は発生しにくい。しかし、本実施形態では、Y軸回転系の振動成分として捩れ振動成分を用い、錘部63,64の幅Dを検出腕部61,62の幅dよりもはるかに大きくすることで捩れ振動が発生しやすくし、検出力を高めることができる。
また、通常、Z軸回転系の屈曲振動成分の検出感度とY軸回転系の捩れ振動成分の検出感度との感度比率は異なるが、角速度センサの使用目的、使用アプリケーションによって、Y軸回転系またはZ軸回転系の検出のどちらを重要視するかによって、2軸それぞれの検出感度を適切に設定することができる。
なお、この際、Z軸回転系の検出感度とY軸回転系の検出感度との感度比率を概ね1:1(感度比率100%)とすれば、Z軸回転系とY軸回転系ともにほぼ同等なバランスがとれた角速度の検出を行うことができ、様々な機器に搭載しやすいという効果がある。
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述した実施形態では、WT型の圧電振動片を例示して説明したが、H型と呼ばれる圧電振動片、音叉型振動片や他の形態にも応用できる。これらは、2軸の回転系のうち、一方をコリオリ力により検出腕を屈曲振動、他方を捩れ振動するように設計することで実現可能である。
従って、本実施形態によれば、1軸の回転系の角速度を検出する圧電振動片と1系列の検出手段でZ軸回転系とY軸回転系の角速度検出を実現する小型で簡単な構造の角速度センサを提供することである。
なお、上述した本発明による角速度センサは、各種の電子機器に搭載することができる。例えば、デジタルカメラの手振れ補正用、HDD(Hard Disk Drive)等の衝撃検出センサ等に応用することができる。
例えば、デジタルカメラの手振れ補正用としては、デジタルカメラの焦点深度に影響する2軸の回転系の角速度検出により、シャッタースピードを調整して画像のブレを抑制することができる。
デジタルカメラの場合、レンズの光軸と垂直な軸回りに手振れが生じたときに画像に大きく影響する。一方、光軸と垂直な軸回りの手振れに比べ、レンズの光軸回りの手振れは画像への影響が少ない。そこで、上述した本発明による角速度センサを、そのX軸方向をレンズの光軸に含まれるように配置する。このようにすれば、Y軸および/またはZ軸回りの角速度が生じた場合に、その角速度に応じて露光時間を短く調整することで画像には影響を与えない。また、露光不足が生じた場合は信号を増幅するなどして画像を調節することができる。一方、手振れによる影響が少ないZ軸回りの角速度には反応しないので、シャッタースピードを調整せず、適正な露光を確保できる。
また、HDDにおいては、搭載する電子機器等にHDDの水平方向以外の2方向に衝撃が加わった際に、衝撃をセンシングして、ピックアップ装置を退避させてHDD装置が破壊されることを防止する衝撃センサとして応用することができる。
本発明の実施形態に係る角速度センサを示す斜視図。 本発明の実施形態に係る圧電振動片の動作を模式的に示す説明図。 本発明の実施形態に係るZ軸回転系の動作を模式的に示す説明図。 本発明の実施形態に係るY軸回転系の検出動作を示す斜視図。 図4の上方(矢印A方向)から視認した状態を示す上側面図。 図4の上方(矢印A方向)から視認した状態を示す上側面図。 本発明の実施形態に係るZ軸回転系及びY軸回転系それぞれの検出感度と離調周波数、感度比率についての1例を表すグラフ。
符号の説明
1…角速度センサ、10…圧電振動片、20…基部、40,50…駆動腕、60…検出腕、61,62…検出腕部、63,64…錘部。

Claims (5)

  1. 基部と、前記基部または前記基部に接続された連結腕からY軸に平行に延出されY軸に直交するX軸方向に屈曲振動をする駆動腕と、前記駆動腕に平行な検出腕と、がXY平面に形成される圧電振動片と、
    Y軸回りの回転により与えられるコリオリ力により前記検出腕に発生する捩じれ振動成分と、前記XY平面に対し垂直なZ軸回りの回転により与えられるコリオリ力により前記検出腕に発生する屈曲振動成分とを、ひとつの合成された検出信号として前記検出腕に形成された検出電極から検出する検出手段と、を備え、
    前記捩れ振動成分の検出感度と前記屈曲振動成分の検出感度との感度比率が1:1となるように離調周波数が設定されることを特徴とする角速度センサ。
  2. 請求項1に記載の角速度センサにおいて、
    前記圧電振動片が、前記基部からY軸方向およびマイナスY軸方向に延出される検出腕と、
    前記基部からX軸方向に延出された第1の連結腕と、前記基部からマイナスX軸方向に延出された第2の連結腕と、
    前記第1の連結腕に連結され、Y軸方向およびマイナスY軸方向に延出される駆動腕と、前記第2の連結腕に連結され、Y軸方向およびマイナスY軸方向に延出される駆動腕と、を備えて構成されていることを特徴とする角速度センサ。
  3. 請求項1または請求項2に記載の角速度センサにおいて、
    前記駆動腕と前記検出腕のそれぞれ先端に錘部が形成され、
    前記検出腕の錘部の幅Dが、前記検出腕の検出腕部の幅dに対して、5d≦D≦10dの範囲に設定されていることを特徴とする角速度センサ。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の角速度センサにおいて、
    前記Z軸回転系の屈曲振動成分の検出感度と前記Y軸回転系の捩れ振動成分の検出感度との感度比率を、離調周波数にて調整することを特徴とする角速度センサ。
  5. 基部と、前記基部または前記基部に接続された連結腕からY軸に平行に延出されY軸に直交するX軸方向に屈曲振動をする駆動腕と、前記駆動腕に平行な検出腕と、がXY平面に形成される圧電振動片と、
    Y軸回りの回転により与えられるコリオリ力により前記検出腕に発生する捩じれ振動成分と、前記XY平面に対し垂直なZ軸回りの回転により与えられるコリオリ力により前記検出腕に発生する屈曲振動成分とを、ひとつの合成された検出信号として前記検出腕に形成された検出電極から検出する検出手段と、
    X軸方向を光軸に含むレンズと、を備え、
    前記捩れ振動成分の検出感度と前記屈曲振動成分の検出感度との感度比率を概ね1:1とすることを特徴とする電子機器。
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