JP5966461B2 - ジャイロセンサーおよび電子機器 - Google Patents
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特許文献1のジャイロ素子は、基部と、基部から両側へY軸方向に延出する第1、第2検出振動腕と、基部から両側へX軸方向に延出する第1、第2連結腕と、第1連結腕の先端部から両側へY軸方向に延出する第1、第2駆動振動腕と、第2連結腕の先端部から両側へY軸方向に延出する第3、第4駆動振動腕とを有している。また、第1〜第4駆動振動腕には駆動電極が形成されており、第1、第2検出振動腕には、検出電極が形成されている。
[適用例1]
本発明のジャイロセンサーは、互いに交差する3つの軸を第1軸、第2軸および第3軸としたとき、
基部と、
前記基部から前記第1軸に沿って互いに反対に延びる第1連結腕および第2連結腕と、
前記第1連結腕から前記第2軸に沿って延びる第1駆動振動腕と、
前記第2連結腕から前記第2軸に沿って延びる第2駆動振動腕と、
前記基部の一端から前記第1軸および前記第2軸の両方に交差する方向へ、かつ互いに第1軸方向の反対側へ延びる第1検出振動腕および第2検出振動腕と、
前記基部の他端から前記第1軸および前記第2軸の両方に交差する方向へ、かつ互いに第1軸方向の反対側へ延びる第3検出振動腕および第4検出振動腕と、を備え、
前記第1検出振動腕および前記第2検出振動腕と、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕とは、前記第2軸方向の反対側へ延びており、
前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕のそれぞれは、前記第1軸および前記第3軸の方向の振動成分を含み、
前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕の出力信号に基づいて、前記第1軸まわりの角速度、前記第2軸まわりの角速度および前記第3軸まわりの角速度をそれぞれ独立して検出することを特徴とする。
これにより、互いに交差する3軸の各軸まわりの角速度を検出することのできるジャイロセンサーを提供することができる。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1検出振動腕および前記第2検出振動腕と、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕とは、前記第1軸および前記第3軸により規定される平面に関して対称的に設けられており、
前記第1検出振動腕および前記第3検出振動腕と、前記第2検出振動腕および前記第4検出振動腕とは、前記第2軸および前記第3軸により規定される平面に関して対称的に設けられていることが好ましい。
これにより、振動漏れを効果的に防止または抑制することができ、検出精度が向上する。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕は、駆動振動時の前記第3軸の振動成分が同じ方向であることが好ましい。
これにより、バランスよく、第1、第2駆動振動腕を振動させることができる。
[適用例4]
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕は、駆動振動時の前記第1軸の振動成分が反対方向であることが好ましい。
これにより、バランスよく、第1、第2駆動振動腕を振動させることができる。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕の各々は、前記第1軸方向の中心線および前記第3軸方向の中心線に対し前記第2軸方向の断面形状が非対称である部分を含むことが好ましい。
これにより、より確実に、第1、第2駆動振動腕が前記第1軸および前記第3軸の方向の振動成分を含む腕となる。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕の各々は、互いに表裏関係にある第1面および第2面と、前記第1面に設けられた第1溝と、前記第2面に設けられた第2溝と、を備え、
前記第1面の法線方向からの平面視において、前記第1溝および前記第2溝が前記第1軸の方向に配列されていることが好ましい。
これにより、第1、第2駆動振動腕の形状を簡単なものとすることができる。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕の各々は、互いに表裏関係にある第1面および第2面と、前記第1面および前記第2面を接続する第1側面および第2側面と、を含み、
前記第1側面および前記第2側面の少なくとも一方は、段差部を備えていることが好ましい。
これにより、第1、第2駆動振動腕の形状を簡単なものとすることができる。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1駆動振動腕が延出する方向とは反対の方向に延出する第3駆動振動腕と、
前記第2駆動振動腕が延出する方向とは反対の方向に延出する第4駆動振動腕と、を含むことが好ましい。
これにより、駆動振動腕の数が増え、角速度の検出精度が向上する。また、第1〜第4駆動振動腕をバランスよく振動させることができる。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕の各々の出力信号の加算または減算に基づいて、前記第1軸まわりの角速度、前記第2軸まわりの角速度および前記第3軸まわりの角速度をそれぞれ独立して検出することが好ましい。
これにより、簡単な計算によって、第1軸まわりの角速度、第2軸まわりの角速度および第3軸まわりの角速度をそれぞれ独立して検出することができる。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕は、圧電体材料で構成され、
前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕の断面形状は略矩形であり、各々の面に電極が設けられていることが好ましい。
これにより、簡単な構成で、第1検出振動腕、第2検出振動腕、第3検出振動腕および第4検出振動腕の出力信号を取り出すことができる。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕は、圧電体材料で構成され、
前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕は、互いに表裏関係にある一対の主面と前記主面同士を接続する一対の側面とを備え、前記一対の主面の少なくとも一方には溝が設けられ、前記溝の内壁および該内壁と反対側の前記側面には電極が設けられていることが好ましい。
これにより、角速度の検出感度が向上する。
本発明のジャイロセンサーでは、前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕は、主面に第1電極と第2電極の間に圧電膜を配置した圧電素子が設けられていることが好ましい。
これにより、簡単な構成で、第1検出振動腕、第2検出振動腕、第3検出振動腕および第4検出振動腕の出力信号を取り出すことができる。
[適用例13]
本発明の電子機器は、本発明のジャイロセンサーを備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性に優れる電子機器が得られる。
<第1実施形態>
まず、本発明のジャイロセンサーの第1実施形態について説明する。
図1は、本発明のジャイロセンサーの第1実施形態を示す平面図、図2は、図1中のA−A線断面図およびB−B線断面図、図3は、図1中のC−C線断面図、図4および図5は、図3に示す駆動振動腕の変形例を示す断面図、図6は、図1に示すジャイロセンサーの駆動を説明する平面図、図7は、Z軸まわりの角速度が加わった際のジャイロセンサーの振動を示す平面図、図8は、Y軸まわりの角速度が加わった際のジャイロセンサーの振動を示す平面図、図9は、X軸まわりの角速度が加わった際のジャイロセンサーの振動を示す平面図である。
振動片3は、圧電体材料で構成されている。圧電体材料としては、例えば、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウム、チタン酸バリウム等が挙げられる。特に、振動片3を構成する圧電体材料としては、水晶が好ましい。水晶で振動片3を構成すると、振動片3の振動特性(特に周波数温度特性)を優れたものとすることができる。また、エッチングにより高い寸法精度で振動片3を形成することができる。
基部41は、振動片3の中央部に位置している。また、第1、第2検出振動腕421、422と第3、第4検出振動腕423、424は、基部41からY軸方向に互いに反対に延出している。また、第1連結腕44および第2連結腕45は、基部41からX軸方向に互いに反対に延出している。また、第1駆動振動腕46および第3駆動振動腕48は、第1連結腕44の先端部からY軸方向に互いに反対に延出している。また、第2、第4駆動振動腕47、49は、第2連結腕45の先端部からY軸方向に互いに反対に延出している。
ここで、振動片3を水晶で構成した場合、第1〜第4検出振動腕421〜422の延在方向は、水晶の分極方向と垂直な方向に一致するのが好ましい。これにより、優れた検出精度を発揮することができる。
図3に示すように、基端部46bは、第1駆動振動腕46のX軸方向の中心線L’およびZ軸方向の中心線L”の両線に関して非対称な横断面形状(Y軸方向の断面形状)を有している。基端部46bをこのような非対称な形状とすることにより、第1駆動振動腕46をX軸方向およびZ軸方向の両方向成分を有する方向、言い換えればX軸およびZ軸の両軸に対して傾斜した方向に屈曲振動(以下、説明の便宜上、単に「斜め振動」とも言う。)させることができる。
一方、第2段差部466は、中心線L’に対して第1検出振動腕42と反対側(他方側)に形成されている。このような第2段差部466は、YZ平面で構成され、下面462に接続された第3段差面466aと、XY平面で構成され、第3段差面466aと側面464とに接続された第4段差面466bとを有している。
このような形状とすることにより、第1駆動振動腕46を、斜め振動成分を有する駆動腕とすることができる。
ここで、本実施形態の第1駆動振動腕46では、第1段差部465の第2段差面465bは、第2段差部466の第4段差面466bに対して、Z軸方向において等しい位置に設けられている。
このような構成とすることにより、第1段差部465と第2段差部466とに挟まれた領域S1の機械的強度を十分に確保することができる。そのため、第1駆動振動腕46を安定的に斜め振動させることができる。また、強度を確保することにより第1駆動振動腕46の捩じれを効果的に防止することができ、不要な振動の発生を効果的に防止することができる。
図5(d)に示す第1駆動振動腕46では、第1段差部465の第2段差面465bは、第2段差部466の第4段差面466bに対して、Z軸方向の上面461側に離間して設けられている。また、第1段差部465の第1段差面465aは、第2段差部466の第3段差面466aに対して、X軸方向の第1検出振動腕42と反対側に離間して設けられている。
以上、図5(a)〜(d)に示すような構成によっても、簡単な構成にて、第1駆動振動腕46を斜め振動させることができる。
図2(b)に示すように、第3駆動振動腕48には、一対の駆動信号電極730と一対の駆動接地電極740とが形成されている。一対の駆動信号電極730の一方は、上面481に形成されており、他方は、下面482に形成されている。また、一対の駆動接地電極740の一方は、第1段差面485a、第2段差面485bおよび側面483に跨って形成されており、他方は、側面484、第4段差面486bおよび第3段差面486aに跨って形成されている。
第2駆動振動腕47は、重心Gと交わるYZ平面に関して第1駆動振動腕46と対照的に形成されている以外は、第1駆動振動腕46と同様の構成である。したがって、第2駆動振動腕47の構成については、その説明を省略する。
図2(a)に示すように、第4駆動振動腕49には、一対の駆動信号電極730と一対の駆動接地電極740とが形成されている。一対の駆動信号電極730の一方は、第1段差面495a、第2段差面495bおよび側面493に跨って形成されており、他方は、側面494、第4段差面496bおよび第3段差面496aに跨って形成されている。また、一対の駆動接地電極740の一方は、上面491に形成されており、他方は、下面492に形成されている。
なお、以上説明した各電極は、それぞれ、例えば、振動片3の表面に形成され、クロムで構成される下地層に、金メッキを施したものを用いることができる。これにより、電極と振動片3との密着性が向上し、ジャイロセンサー2の信頼性が向上する。
具体的に説明すると、角速度ωyが加わったときに、第1検出信号電極710aと第1検出接地電極720aとから取り出される信号V1は、角速度ωyに起因した信号+Vyであり、第2検出信号電極710bと第2検出接地電極720bとから取り出される信号V2は、角速度ωyに起因した信号+Vyであり、第3検出信号電極710cと第3検出接地電極720cとから取り出される信号V3は、角速度ωyに起因した信号+Vyであり、第4検出信号電極710dと第4検出接地電極720dとから取り出される信号V4は、角速度ωyに起因した信号+Vyである。すなわち、V1=+Vy、V2=+Vy、V3=+Vy、V4=+Vyである。
V1=Vx+Vy+Vz・・・・(1)
V2=−Vx+Vy+Vz・・・・(2)
V3=−Vx+Vy−Vz・・・・(3)
V4=Vx+Vy−Vz・・・・・(4)
同様に、V2+V4=2Vyとなり、角速度ωxおよび角速度ωzに起因する信号Vx、Vzを排除することができる。これにより、Y軸まわりの角速度ωyが分離されるとともに、角速度ωyが求まる。
このように、ジャイロセンサー2によれば、簡単に、X軸まわりの角速度ωx、Y軸まわりの角速度ωyおよびZ軸まわりの角速度ωzをそれぞれ独立して検出することができる。このような計算は、ジャイロセンサー2に接続された図示しないICチップ等により行うことができる。
また、上記では、ジャイロセンサー2にX軸、Y軸およびZ軸の各軸に対して傾斜した軸まわりの角速度ωxyzが加わった場合について説明したが、ジャイロセンサー2に加わる角速度の軸については、どのような傾きの軸であってもよい。すなわち、X軸まわりの角速度であってもよいし、Y軸まわりの角速度であってもよいし、Z軸まわりの角速度であってもよい。また、XY平面に含まれる軸まわりの角速度であってもよいし、YZ平面に含まれる軸まわりの角速度であってもよいし、XZ平面に含まれる軸まわりの角速度であってもよい。これらの場合には、「Vx」、「Vy」、「Vz」のうちの1つか2つの値が0となる(すなわち、検出されない)だけなので、上記と同様にして角速度を検出することができる。
次に、本発明のジャイロセンサーの第2実施形態について説明する。
図10は、本発明の第2実施形態にかかるジャイロセンサーの平面図、図11は、図10中のD−D線断面およびE−E線断面である。
以下、第2実施形態のジャイロセンサーについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図10および図11に示すように、本実施形態のジャイロセンサー2では、第1検出振動腕421の上面(主面)に、圧電素子11、12がX軸方向に並んで形成されている。圧電素子11は、第1電極111、圧電膜112、第2電極113がこの順で積層されて構成されている。また、圧電素子12は、第1電極121、圧電膜122、第2電極123がこの順で積層されて構成されている。また、圧電膜112、122は、一体的に形成されている。なお、圧電膜112、122は、一体的に形成しなくてもよい。
なお、圧電素子11〜18を用いることにより、簡単な構成で、より確実に第1〜第4検出振動腕421〜424の歪みを信号として取り出すことができる。
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
図12は、本発明のジャイロセンサーを備える電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100にはジャイロセンサー2が内蔵されている。
ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
このようなディジタルスチルカメラ1300には、ジャイロセンサー2が内蔵されている。
また、前述した実施形態では、なお、振動片を圧電性を有する材料で構成したものについて説明したが、これに限定されず、振動片を、例えばシリコン基板で構成してもよい。この場合には、各駆動振動腕を、例えば圧電膜を用いて振動させることができる。
また、前述した実施形態では、X軸、Y軸およびZ軸が互いに直交する場合について説明したが、X軸、Y軸およびZ軸は、互いに交差していればよく、必ずしも直交していなくてもよい。
また、第1、第2、第3、第4駆動振動腕46、47、48、49の形状としては、中心線L’、L”の両線に対して非対称な横断面形状を有していれば、前述したものに限定されず、例えば、次のような形状であってもよい。なお、以下では、第1駆動振動腕46について代表して説明する。
図15(b)に示す第1駆動振動腕46の基端部46bには、上面461と側面464との間に位置する段差部469が形成されている。
Claims (13)
- 互いに交差する3つの軸を第1軸、第2軸および第3軸としたとき、
基部と、
前記基部から前記第1軸に沿って互いに反対に延びる第1連結腕および第2連結腕と、
前記第1連結腕から前記第2軸に沿って延びる第1駆動振動腕と、
前記第2連結腕から前記第2軸に沿って延びる第2駆動振動腕と、
前記基部の一端から前記第1軸および前記第2軸の両方に交差する方向へ、かつ互いに第1軸方向の反対側へ延びる第1検出振動腕および第2検出振動腕と、
前記基部の他端から前記第1軸および前記第2軸の両方に交差する方向へ、かつ互いに第1軸方向の反対側へ延びる第3検出振動腕および第4検出振動腕と、を備え、
前記第1検出振動腕および前記第2検出振動腕と、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕とは、前記第2軸方向の反対側へ延びており、
前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕のそれぞれは、前記第1軸および前記第3軸の方向の振動成分を含み、
前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕の出力信号に基づいて、前記第1軸まわりの角速度、前記第2軸まわりの角速度および前記第3軸まわりの角速度をそれぞれ独立して検出することを特徴とするジャイロセンサー。 - 前記第1検出振動腕および前記第2検出振動腕と、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕とは、前記第1軸および前記第3軸により規定される平面に関して対称的に設けられており、
前記第1検出振動腕および前記第3検出振動腕と、前記第2検出振動腕および前記第4検出振動腕とは、前記第2軸および前記第3軸により規定される平面に関して対称的に設けられている請求項1に記載のジャイロセンサー。 - 前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕は、駆動振動時の前記第3軸の振動成分が同じ方向である請求項1または2に記載のジャイロセンサー。
- 前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕は、駆動振動時の前記第1軸の振動成分が反対方向である請求項1ないし3のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
- 前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕の各々は、前記第1軸方向の中心線および前記第3軸方向の中心線に対し前記第2軸方向の断面形状が非対称である部分を含む請求項1ないし4のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
- 前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕の各々は、互いに表裏関係にある第1面および第2面と、前記第1面に設けられた第1溝と、前記第2面に設けられた第2溝と、を備え、
前記第1面の法線方向からの平面視において、前記第1溝および前記第2溝が前記第1軸の方向に配列されている請求項5に記載のジャイロセンサー。 - 前記第1駆動振動腕および前記第2駆動振動腕の各々は、互いに表裏関係にある第1面および第2面と、前記第1面および前記第2面を接続する第1側面および第2側面と、を含み、
前記第1側面および前記第2側面の少なくとも一方は、段差部を備えている請求項5に記載のジャイロセンサー。 - 前記第1駆動振動腕が延出する方向とは反対の方向に延出する第3駆動振動腕と、
前記第2駆動振動腕が延出する方向とは反対の方向に延出する第4駆動振動腕と、を含む請求項1ないし7のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。 - 前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕の各々の出力信号の加算または減算に基づいて、前記第1軸まわりの角速度、前記第2軸まわりの角速度および前記第3軸まわりの角速度をそれぞれ独立して検出する請求項1ないし8のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
- 前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕は、圧電体材料で構成され、
前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕の断面形状は略矩形であり、各々の面に電極が設けられている請求項1ないし9のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。 - 前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕は、圧電体材料で構成され、
前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕は、互いに表裏関係にある一対の主面と前記主面同士を接続する一対の側面とを備え、前記一対の主面の少なくとも一方には溝が設けられ、前記溝の内壁および該内壁と反対側の前記側面には電極が設けられている請求項1ないし9のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。 - 前記第1検出振動腕、前記第2検出振動腕、前記第3検出振動腕および前記第4検出振動腕は、主面に第1電極と第2電極の間に圧電膜を配置した圧電素子が設けられている請求項1ないし11のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
- 請求項1ないし12のいずれか一項に記載のジャイロセンサーを備えたことを特徴とする電子機器。
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