JPH10197254A - 振動子の支持装置 - Google Patents

振動子の支持装置

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JPH10197254A
JPH10197254A JP9000560A JP56097A JPH10197254A JP H10197254 A JPH10197254 A JP H10197254A JP 9000560 A JP9000560 A JP 9000560A JP 56097 A JP56097 A JP 56097A JP H10197254 A JPH10197254 A JP H10197254A
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vibrator
electrodes
support
plate portion
vibrating
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JP9000560A
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Koichi Naito
浩一 内藤
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Alps Alpine Co Ltd
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Alps Electric Co Ltd
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5607Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 三脚音叉型の振動子を支持する場合に、支持
構造が複雑になり、また各電極の配線本数も多くなって
いる。 【解決手段】 振動腕1a,1b,1cを有する圧電材
料製の振動子1の基端部1Bが、支持部材6の固定板部
6に面接合されて導電性接着剤で接着され、振動子1に
設けられた全ての駆動電極が支持部材6と導通する。支
持部材6の支持脚6bが回路基板7に嵌合して半田付け
され、前記駆動電極が回路基板7のパターンに導通す
る。よって、配線は、アース電極4用のリード線10a
と、検出電極5a,5b用のリード線10b1,10b2
の3本のみとなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロスコープ
などに使用される振動子に係り、特に振動子を安定して
支持できるとともに振動子から基板までの空間配線を無
くし、また音叉型振動子であっても確実に支持できるよ
うにした振動子の支持装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図8は、三脚音叉型の振動子を用いた振
動型ジャイロスコープを示す斜視図である。図8に示す
振動型ジャイロスコープにおいて、符号12は振動子、
符号13は支持台を示している。 振動子12は、基端
部12dが支持台13に剛体支持された片持ち梁構造で
ある。振動子12の先部には、振動腕12a,12b,
12cが分岐形成されている。振動子12は、例えばエ
リンバなどの恒弾性金属板の表裏両面に圧電材料が積層
されたもの、または全体が圧電材料により形成されたも
のである。各振動腕12a,12b,12cには、X方
向へ振動させるための駆動電極、およびY方向の振動成
分を検出する検出電極が設けられている。
【0003】振動子12に設けられた振動腕のうちの両
側の振動腕12bおよび12cの駆動電極には、同位相
の交流駆動電圧が印加され、中央の振動腕12aの駆動
電極には、振動腕12b,12cと逆位相の交流駆動電
圧が印加される。その結果、両側の振動腕12bおよび
12cと、中央の振動腕12aは、X方向へ互いに逆の
位相(180度相違する位相)で振動させられる。上記
の振動が生じている振動型ジャイロスコープが、Z軸回
りの回転系に置かれると、振動腕12a,12b,12
cに対し、X方向への速度に比例した大きさのY方向へ
のコリオリ力が作用し、各振動腕12a,12b,12
cがY方向への振動成分を持つようになる。このY方向
の振動においても、両側の振動腕12bおよび12c
と、中央の振動腕12aとでは、位相が逆である(位相
が180度相違している)。各振動腕12a,12b,
12cのY方向の振動成分が、検出電極から取り出さ
れ、この検出出力からZ軸回りの角速度ωが算出され
る。
【0004】上記に示した振動腕の質量をm、振動腕の
X軸方向の振動速度をv(ベクトル値)、回転系でのZ
軸回りの角速度をω0 (ベクトル値)とすると、コリオ
リ力F(ベクトル値)は、
【0005】
【数1】F=2m(v×ω0 )(×はベクトル積)
【0006】で表わされ、コリオリ力Fは角速度ω0 に
比例する。よって、振動腕のY軸方向への変形振動が検
出電極により検出されることにより、角速度ω0 が求め
られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図8に示す振動子12
では、両側の振動腕12cおよび12bと、中央の振動
腕12aとが逆の位相で振動するために、振動子12全
体の振動のバランスがよく、よって振動子12の基端部
12dを支持台13で剛体支持することが可能である。
しかし、前記基端部12dを支持台13により単に剛体
支持したものでは、基端部12dを支持台13に隙間な
く差し込んだり、あるいは基端部12dに樹脂材料をモ
ールドして支持台13を形成することが必要になる。振
動子12の基端部12dを支持台13に差し込む構造で
は、基端部12dと支持台13とを隙間なく確実に固定
することが困難である。また樹脂モールドで支持台13
を形成する構造は、溶融樹脂の熱が振動子12に悪影響
を及ぼすために現実的でない。
【0008】また、支持台13を剛体で形成し、この支
持台13を基板に固定する支持構造では、外部衝撃や外
部振動が、基板から支持台13を経て振動子12に直接
に作用することになって緩衝領域がなくなり、振動子1
2が外部衝撃や外部振動による悪影響を受けやすい。ま
た、この振動子12では、3個の振動腕12a,12
b,12cのそれぞれを駆動するために多数の駆動電極
が設けられ、さらにコリオリ力による振動成分を検出す
るために検出電極も設けられるため、電極数が多くな
る。これらの総ての電極と、回路基板上の回路部とをリ
ード線により接続しようとすると、振動子12から回路
基板に至る空間配線の本数が多くなる。よって配線作業
が非常に繁雑であるのみならず、空間を通過するリード
線が各振動腕の振動を阻害するおそれもある。
【0009】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、振動子の基端部を簡単な構造で確実に支持できる
ようにし、また弾性的な支持も可能とした振動子の支持
装置を提供することを目的としている。
【0010】また本発明は、振動子に形成された電極か
らの配線経路を集約し、且つ支持部材を介して基板の回
路部に導通させることができるようにして、空間配線の
本数を減らすことを可能とした振動子の支持装置を提供
することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、先端部が自由
端となって片持ち状態で振動する振動腕を有する振動子
と、この振動子の基端部を支持する支持部材とを有する
振動子の支持装置であって、前記支持部材は、振動子の
基端部の少なくとも一面が面合わせされて固定される固
定板部と、この固定板部から延びる支持脚とを有し、前
記支持脚が基板に固定されることを特徴とするものであ
る。
【0012】上記において、前記固定板部および支持脚
は導電性材料で形成されており、前記振動腕を振動させ
る駆動手段または検出手段の複数の電極のうちの同電位
となるものが前記固定板部に導電接続されており、同電
位となる前記電極が、固定板部および支持脚を介して基
板の回路部に導通されているものとすることが可能であ
る。
【0013】この場合に、振動子は圧電材料または圧電
材料と弾性材料とが接合された板状のもので、前記振動
子に複数の振動腕が分岐形成されており、この振動子に
は前記圧電材料に駆動電力を与える駆動電極と、駆動電
力が与えられて振動する振動腕にコリオリ力による変位
が発生したときにこの変位を検出する検出電極とが設け
られ、前記駆動電極のうちの同電位となるものが固定板
部に導通接続されているものとすることができる。
【0014】さらに、振動子の電極が形成されている部
分と固定板部とが、導電性接着剤を介して接合されてい
ることが好ましい。
【0015】本発明の振動子は、図1以下に示す三脚音
叉型、または二脚音叉型などであり、回転系内でのコリ
オリ力による振動成分を発生させて角速度を検出するジ
ャイロスコープ、または圧電トランス、加振装置などに
用いられる。
【0016】振動子はエリンバなどの恒弾性材料の表面
に駆動手段および検出手段となる圧電材料が積層された
板状のもの、または全体が駆動手段および検出手段とし
ての圧電材料で形成された板状のものなどであり、圧電
材料の表面には、各振動腕を駆動するための駆動電極、
および振動検出用の検出電極が形成される。
【0017】振動子の基端部は、支持部材により支持さ
れる。支持部材は固定板部と支持脚とから成るものであ
り、例えば固定板部と支持脚は導電性の金属板により一
体に曲げ形成される。または導電性金属の固定板部に同
じく導電性金属の軸状の脚部が固着されたものであって
もよい。
【0018】振動子の基部は固定板部に面合わせされて
接合される。振動子に形成された電極を固定板部に導通
させるときには、同じ電位の電極を、前記固定板部に対
し、導電性接着剤などで接着し且つ導通させる。ただ
し、振動子の同電位の電極と導電性の固定板部とをワイ
ヤボンディングで導通させてもよい。
【0019】または、固定板部にフレキシブル基板が接
着固定されて、このフレキシブル基板上の導電パターン
と、振動子の各電極とが面合わせされて、導電パターン
と電極とが導通接続され、このフレキシブル基板から一
体に延びるリード部が、支持脚に沿って、または支持脚
とは別に回路基板まで延びて、フレキシブル基板上の導
電パターンと基板の回路部とが導通されてもよい。ただ
し、固定板部と支持脚とを導電性金属で形成し、固定板
部と振動子の同電位の電極とを導通させ、支持脚を介し
て回路基板の回路部に導通させる構造にすると、配線部
材を少なくでき、配線構造を簡単にできる。
【0020】いずれにせよ、振動子の電極を、支持部材
を介して回路基板の回路部に導通させることにより、空
中配線の量を減らすことができ、配線構造を簡略化で
き、また空中配線の断線の可能性も少なくなる。
【0021】また、支持脚を弾性変形可能に構成する
と、振動子が基板上にて弾性的に支持されることにな
り、前記支持脚が緩衝領域となり、回路基板から振動子
に直接に外部衝撃や振動が作用しなくなる。
【0022】なお、支持脚は基板に半田などの溶融金属
により固定され、またはネジ止めや圧入により固定され
る。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して説明する。図1は、本発明の振動子の支持装置の第
1の実施の形態を示す分解斜視図、図2は振動子の支持
装置の側面図、図3(A)は振動子を表面側を上にして
示す斜視図、図3(B)は振動子を裏面側を上にして示
す斜視図、図4は振動子の電極の形成状態を示す図1お
よび図3(A)のIV矢視端面図である。図1におい
て、符号1は三脚音叉型の振動子であり、振動型ジャイ
ロスコープとして使用される。
【0024】振動子1は、板状の圧電セラミックなどの
圧電材料で形成されたものであり、その先部は溝1A,
1Aで分離されて3個の振動腕1a,1b,1cが一体
に形成されている。各振動腕1a,1b,1cでの圧電
材料の誘電分極方向は図4に示す通りであり、左右両側
の振動腕1bと1cとで誘電分極方向が同じであり、中
央の振動腕1aでは、左右の振動腕1bおよび1cと誘
電分極方向が左右および上下に対称である。各振動腕1
a,1b,1cでは下面側にそれぞれ一対の駆動電極
2,2,…が導電性材料により形成されており、この駆
動電極2,2,…は、図3(B)に示すように、振動子
1の基端部1Bまで延びている。上記駆動電極2,2,
…は後述する導電経路により、交流駆動電源3に導通
し、交流駆動電源3から各駆動電極2,2,…に同電位
の駆動電圧が与えられる。
【0025】振動子1の上面では、左右の振動腕1b,
1cに一対のアース電極4,4…が、中央の振動腕1a
に1本のアース電極4が形成されている。図1および図
3(A)に示すように、各アース電極4,4,…は、振
動子1の基端部1Bに延びている。振動子1の表面では
基端部1Bに集約パターン4aが形成されて、全てのア
ース電極4は集約パターン4aに接続されている。後述
する配線経路により、各アース電極4,4,…は接地電
位となっている。前記駆動電極2,2,…とアース電極
4,4,…とで、駆動手段である圧電材料に対して駆動
電圧が与えられる。図4に示す誘電分極構造にしたがっ
て、左右の振動腕1bと1cは、X方向へ同位相で振動
駆動され、中央の振動腕1aは、左右の振動腕1b,1
cと逆の位相(180度相違する位相)により同じくX
方向へ振動駆動される。すなわち、ある時点において、
左右の振動腕1b,1cのX方向への振幅と振動腕1a
のX方向への振幅とは逆方向である。
【0026】中央の振動腕1aの上面には、一対の検出
電極5aと5bが形成されている。各検出電極5aと5
bは、振動子1の後方にて基端部1Bよりも手前の位置
まで延びており、それぞれの検出電極5aおよび5bに
はランド部5a1と5b1が一体に形成されている。振動
子1がZ軸回りの角速度を有する回転系内に置かれる
と、前記数1に示したコリオリ力により、各振動腕1
a,1b,1cがY方向の振動成分を持つ。両側の振動
腕1bおよび1cと、中央の振動腕1aとでは、駆動電
圧による振動の位相が逆であるため、コリオリ力による
振動の位相も、振動腕1b,1cと、振動腕1aとで逆
である。すなわち、ある時点において、振動腕1bと1
cのコリオリ力によるY軸での振幅方向が同じであり、
中央の振動腕1aのY軸での振幅方向は振動腕1b,1
cと逆方向である。
【0027】検出電極5aと5bは、中央の振動腕1a
の同じ面に形成されており、中央の振動腕1aの圧電材
料がコリオリ力の検出手段として機能する。この検出電
極5aと5bが形成されている部分の圧電材料の誘電分
極方向が互いに逆であるため、コリオリ力によるY方向
の振動成分に関して、検出電極5aと検出電極5bとで
180度位相の相違する圧電作用による検出出力が得ら
れる。両検出電極5aと5bからの検出出力の差を取る
ことにより、各検出電極5aと5bからの検出出力の絶
対値が加算される。この検出出力からZ軸回りの角速度
ω成分を算出することが可能になる。
【0028】図1に示すように、振動子1の基端部1B
は支持部材6により支持される。支持部材6は、導電性
の金属板により曲げ形成されたものであり、固定板部6
aと支持脚6bとから成る。支持部材6は、例えば圧延
剛板の表面に金メッキが施されたもの、または銅板など
の電気抵抗の小さい材料により形成されている。また支
持脚6bは弾性変形可能な断面寸法である。振動子1の
基端部1Bの下面は、支持部材6の固定板部6aに面接
合され、図2に示すように導電性接着剤17により接着
固定される。振動子1の基端部1Bにおいて、全ての駆
動電極2,2,…が導電性接着剤17を介して支持部材
6の固定板部6aに導通されている。導電性接着剤17
は、熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂または紫外線硬
化性樹脂に、導電性金属フィラーが混合されたものであ
る。あるいは導電性接着剤17の代わりに半田などの導
電性溶融金属により、駆動電極2,2,…と固定板部6
aとが導通されて固定されてもよい。
【0029】前記支持部材6が固定される回路基板7に
は、支持穴7aが開口しており、支持部材6の支持脚6
bはこの支持穴7a内に嵌合されている。回路基板7の
裏面には、導電パターンが形成されており、図2に示す
ように、支持脚6bは、回路基板7の裏面の前記導電パ
ターンに半田8により固定されている。よって、図2に
示すように、振動子1は基端部1Bが支持部材6に支持
された状態で、片持ちにて支持され、各振動腕1a,1
b,1cは、回路基板7の表面と平行となる。また、回
路基板7には切欠部7bが形成されており、各振動腕1
a,1b,1cは、切欠部7b上に位置する。振動子1
に形成された各駆動電極2,2,…は、前記導電性接着
剤17および支持部材6を介して、回路基板7の導電パ
ターンに導通されており、この導電パターンを介して図
4に示した交流駆動電源3に導通されている。
【0030】回路基板7の表面には、アースパターンと
一体のランド部9aが形成されており、振動子1の基端
部1Bの表面に形成されている前記集約パターン4aと
ランド部9aとはリード線10aで接続されている。振
動子1に形成されている各アース電極4,4,…は、集
約パターン4a、1本のリード線10aおよびランド部
9aを介して、回路基板7上のアースパターンに導通さ
れている。回路基板7の表面には、検出パターンと一体
のランド部9b1および9b2が形成されており、検出電
極5a,5bのランド部5a1,5b1と、回路基板7上
のランド部9b1,9b2とは、リード線10b1および
10b2により接続されている。振動子1の各検出電極
5a,5bは、リード線10b1,10b2および回路基
板7上のランド部9b1,9b2および検出パターンを介
して回路基板7上の検出回路に導通している。
【0031】図1および図2に示す振動子の支持装置で
は、全ての駆動電極2,2,…が支持部材6を介して、
回路基板7上の導電パターンに導通され、さらにアース
電極4,4,…が1個の集約パターン4aに集約されて
いるため、振動子1から回路基板7に延びる空中配線
は、3本のリード線10a,10b1,10b2のみであ
り、配線本数が最少である。また、振動子1は1個の支
持部材6により片持ち支持されているために、固定のた
めの部品が最少ですむ。また振動子1の基端部1Bは、
支持部材6の固定板部6aに面接合されて固定されてい
るため、振動子1は支持部材6により安定して支持され
る。また支持部材6の支持脚6bを弾性変形可能な断面
寸法に設定しておくことにより、振動子1を回路基板7
上にて弾性的に支持することが可能であり、回路基板7
に与えられる外部衝撃や外部振動が支持脚6bにより緩
衝でき、振動子1に衝撃や振動が直接的に伝達されるの
を防止できる。
【0032】特に、図1以下に示す三脚音叉型の振動子
1では、左右の振動腕1b,1cと、中央の振動腕1a
とが、180度相違する位相で振動するため、振動子1
全体での振動バランスが良く、振動子1の基端部1B
に、振動に大きな影響を及ぼす曲げの節が形成されな
い。よって、基端部1Bが固定板部6aに面接合された
状態で、振動腕1a,1b,1cは支持による拘束を受
けることなく振動でき、固定板部6aに面接合で固定さ
れても、各振動腕の駆動感度および検出感度が低下する
ことがない。また、各振動腕1a,1b,1cは、回路
基板7の切欠部7bの上に位置しているため、振動子1
が回路基板7上に支持された状態で、切欠部7bの部分
で振動腕1a,1b,1cの先端部のトリミングが可能
であり、支持した状態でのトリミングにより振動数の調
整などが可能である。
【0033】図5は本発明の振動子の支持装置の第2の
実施の形態を示す斜視図である。図5に示す支持装置の
支持部材16は、固定板部16aと、支持脚16bが一
体に形成され、さらに支持基部16cが一体に形成され
ている。支持基部16cは平面がH型であり、固定板部
16aと平行である。この支持基部16cの4隅に、回
路基板7に嵌合する爪部16d,16d,…が一体に形
成されている。
【0034】図5に示すものでは、振動子1の基端部1
Bにおいて駆動電極2,2,…が形成されている面が固
定板部16aに面接合されて導電性接着剤により接着固
定される。また支持基部16cは、回路基板7の表面に
面接合され、爪部16d,16d,…が、回路基板7の
嵌合穴に嵌合し、駆動電力が供給される導電パターンに
半田で固定される。図5に示すものでは、支持部材16
の支持基部16cが、回路基板7に面接合されるため、
支持部材16が回路基板7に安定して固定される。また
支持部材16の固定板部16aと支持基部16cとを平
行に加工しておくことにより、回路基板7に対して振動
子1を確実に平行に設置することが可能である。
【0035】図6と図7は、本発明の振動子の支持装置
のさらに他の実施の形態を示している。図6に示すもの
では、支持部材26が平板形状であり、固定板部26a
と支持脚26bとが同一面となっている。図1に示した
のと同様に、固定板部26aは振動子1の基端部1Bに
面接合されて接着固定され、各駆動電極2,2,…(図
6では図示省略)が、導電性接着剤を介して固定板部2
6aに導通している。また支持脚26bは、回路基板の
嵌合穴に垂直に差し込まれて半田にて固定される。図6
では、振動子1が回路基板に対して垂直に支持され、回
路基板に対して垂直な軸回りの角速度を検出することが
できる。
【0036】図7では、振動子1の基端部1Bが、両面
側から支持部材36および支持部材37で支持される。
それぞれの支持部材36,37は、固定板部36a,3
7aと、これに垂直な支持脚36b,37bとから構成
されている。この例では、支持脚36b,37bが、丸
棒形状である。この支持脚36b,37bも弾性変形可
能な断面形状および寸法である。
【0037】一方の支持部材36の固定板部36aは、
振動子1の基端部1Bにて、全ての駆動電極2,2,…
と導電性接着剤を介して接合されており、他方の支持部
材37の固定板部37aは、振動子1の集約パターン4
aに導電性接着剤で接合固定されている。各支持部材3
6,37の支持脚36b,37bは、回路基板に支持さ
れて導電パターンに導通される。よって、駆動電極2,
2,…とアース電極4,4,…は2個の支持部材36,
37により駆動回路および接地パターンに導通されるこ
とになるため、リード線は、検出電極5a,5bのラン
ド部5a1,5b1から回路基板に延びる2本だけでよ
く、空中配線の本数をさらに少なくできる。また、振動
子1の基端部1Bが両面側から支持されるため、振動子
1の支持が安定する。
【0038】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、三脚音叉
型または二脚音叉型などの振動子の基端部を、最小の部
品で安定して支持することが可能になる。また支持部材
を介して同じ電位の電極と基板上の導電パターンとを導
通させることにより、配線本数を減らすことが可能であ
る。また、支持部材の支持脚を弾性変形可能とすること
により、振動子をある程度の弾性をもって支持すること
が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の振動子の支持装置の第1の実施の形態
を示す分解斜視図、
【図2】図1に示す振動子の支持装置の側面図、
【図3】(A)(B)は振動子の表裏両面をそれぞれ示
す斜視図、
【図4】振動子の誘電分極方向を示す図1および図3
(A)のIV矢視端面図、
【図5】本発明の振動子の支持装置の第2の実施の形態
を示す分解斜視図、
【図6】振動子を垂直に配置する支持装置を示す斜視
図、
【図7】振動子を両面から支持する支持装置を示す斜視
図、
【図8】従来の課題を説明する振動子の支持構造を示す
斜視図、
【符号の説明】
1 振動子 1a,1b,1c 振動腕 1B 基端部 2 駆動電極 3 交流駆動電源 4 アース電極 5a,5b 駆動電極 6,16,26,36,37 支持部材 6a,16a,26a,36a,37a 固定板部 6b,16b,26b,36b,37b 支持脚 7 回路基板 9a,9b1,9b2 ランド部 10a,10b1,10b2 リード線

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 先端部が自由端となって片持ち状態で振
    動する振動腕を有する振動子と、この振動子の基端部を
    支持する支持部材とを有する振動子の支持装置であっ
    て、前記支持部材は、振動子の基端部の少なくとも一面
    が面合わせされて固定される固定板部と、この固定板部
    から延びる支持脚とを有し、前記支持脚が基板に固定さ
    れることを特徴とする振動子の支持装置。
  2. 【請求項2】 前記固定板部および支持脚は導電性材料
    で形成されており、前記振動腕を振動させる駆動手段ま
    たは検出手段の複数の電極のうちの同電位となるものが
    前記固定板部に導電接続されており、同電位となる前記
    電極が、固定板部および支持脚を介して基板の回路部に
    導通されている請求項1記載の振動子の支持装置。
  3. 【請求項3】 振動子は圧電材料または圧電材料と弾性
    材料とが接合された板状のもので、前記振動子に複数の
    振動腕が分岐形成されており、この振動子には前記圧電
    材料に駆動電力を与える駆動電極と、駆動電力が与えら
    れて振動する振動腕にコリオリ力による変位が発生した
    ときにこの変位を検出する検出電極とが設けられ、前記
    駆動電極のうちの同電位となるものが固定板部に導通接
    続されている請求項2記載の振動子の支持装置。
  4. 【請求項4】 振動子の電極が形成されている部分と固
    定板部とが、導電性接着剤を介して接合されている請求
    項1ないし3のいずれかに記載の振動子の支持装置。
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