JPH10206273A - 角速度センサの気密性確認方法及び装置 - Google Patents

角速度センサの気密性確認方法及び装置

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JPH10206273A
JPH10206273A JP9008710A JP871097A JPH10206273A JP H10206273 A JPH10206273 A JP H10206273A JP 9008710 A JP9008710 A JP 9008710A JP 871097 A JP871097 A JP 871097A JP H10206273 A JPH10206273 A JP H10206273A
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package
airtightness
angular velocity
vibration
velocity sensor
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Application number
JP9008710A
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English (en)
Inventor
Seiya Sato
誠也 佐藤
Original Assignee
Toyota Motor Corp
トヨタ自動車株式会社
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 気密性が低い場合においても角速度センサの
気密性を確認可能な気密性確認方法及び装置を提供す
る。 【解決手段】 減圧環境を提供するチャンバ4内に角速
度センサVSを配置し、振動子12を振動させると、振
動子12の振動状態がパッケージ14の気密性に応じて
変化する。測定器10は、振動子12の振動状態を示す
信号を表示するので、角速度センサVSの気密性を確認
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検出体の角速度
を検出する角速度センサの気密性確認方法及び装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】振動子をパッケージ内に密閉封止してな
る従来の角速度センサは、特開平2−306110号公
報に記載されている。この角速度センサのパッケージ内
には窒素等が充填されており、パッケージ内の圧力は1
気圧未満に保持されている。パッケージの気密性を確認
するための方法として、角速度センサをHe充填チャン
バ内に配置した後、当該チャンバ内から取り出し、He
リーク検出器を用いて角速度センサからのHeの漏れを
検出するものが考えられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パッケ
ージの気密性が極めて低い場合にはパッケージ内に充填
した気体がリーク検出器によって気体漏れを検出する前
に漏れてしまい、リーク検出器によって気体漏れを検出
することは困難である。本発明は、このような課題に基
づいてなされたものであり、パッケージの気密性が低い
場合においても、その気密性を確認することができる角
速度センサの気密性確認方法及び装置を提供することを
目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、周囲の圧力に
応じて振動状態が変化可能な振動部分を有する部材、及
び、この部材が配置される密閉空間を提供するパッケー
ジを備えた角速度センサの気密性確認方法において、角
速度センサをパッケージ内の圧力とは異なる圧力の空間
内に配置した状態で、上記振動部分の振動状態を検出す
る工程を備えることを特徴とする。
【0005】角速度センサの配置された空間の圧力とパ
ッケージ内の圧力とは異なっているので、パッケージの
気密性が保持されていない場合、角速度センサの配置さ
れた空間の圧力とパッケージ内の圧力との差圧によっ
て、上記振動部分の周囲の圧力が変化する。パッケージ
の気密性が保持されていないために、振動部分の周囲の
圧力が変化すると、振動部分の振動状態は変化する。し
たがって、この振動状態を検出することにより、角速度
センサのパッケージの気密性を確認することができる。
なお、振動部分の振動状態とは、振動部分の共振周波
数、又は振動の振幅、位相若しくはモード等を示すもの
と規定する。
【0006】振動部分の共振周波数は、パッケージ内の
圧力が低くなるほど高くなるため、振動部分の振動状態
として振動部分の共振周波数を検出すれば、その気密性
を容易に確認することができる。また、振動部分の振動
の振幅は、パッケージ内の圧力が低くなるほど大きくな
り、且つ、圧力に応じて振動部分の共振周波数よりも顕
著に変化するため、振動部分の振動状態として振動部分
の振動の振幅の大きさを検出すれば、角速度センサのパ
ッケージの気密性を高精度に確認することができる。
【0007】また、このような方法を行うための気密性
確認装置は、パッケージ内の圧力とは異なる圧力の空間
を提供する密閉容器と、振動部分の振動状態に応じた情
報を表示する測定手段とを備えることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る角速度セ
ンサの気密性確認方法及び装置について説明する。な
お、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する
説明は省略する。
【0009】図1は、実施の形態に係る角速度センサの
気密性確認装置及び本装置内に配置された角速度センサ
を示す説明図である。本形態に係る気密性確認装置は、
排気口1を有する基体2及び基体2上に配置されるベル
型の包囲体3から構成されるチャンバ(密閉容器)4
と、排気口1及びバルブ5を介してチャンバ4内部の気
体を吸引する真空ポンプ6と、チャンバ4内に配置さ
れ、角速度センサVSを支持する支持機構7と、チャン
バ4の外壁との絶縁を保持しつつ、この外壁を貫通する
導体8,9と、導体8,9に接続された測定器(測定手
段)10とを備える。
【0010】角速度センサVSは、基板11と、基板1
1上に一端が固定された水晶振動子(振動部分を有する
部材)12と、振動子12を覆うように、その開口端が
基板11上に固定された上蓋13とを備える。基板11
及び上蓋13は、振動子12を気密封止するパッケージ
14を構成し、したがって、振動子12はパッケージ1
4によって提供される密閉空間内に配置されている。パ
ッケージ14内には窒素が封入されており、その圧力は
0.1MPa(1気圧)である。ここで、振動子12の
振動状態は、パッケージ14内の圧力によって変化す
る。
【0011】一方、チャンバ4内の気体はポンプ6によ
って排気されるので、チャンバ4内の圧力は1気圧未満
に保持され、したがって、チャンバ4はパッケージ14
内の圧力とは異なる圧力の空間をその内部に提供する。
パッケージ14の気密性が十分に保持されていない場合
は、チャンバ4内の圧力とパッケージ14内の圧力との
差圧によって、パッケージ14内の気体がパッケージ1
4外へ流出する。この流出が生じると、パッケージ14
内の圧力が変化するので、振動子12の振動状態が変化
する。
【0012】角速度センサVSは、振動子12の振動状
態に応じた信号を出力する信号取出用電極15,16を
パッケージ14外部に有する。測定器10は、導体8,
9を介して電極15,16に接続されており、振動子1
2の振動状態に応じた信号をチャンバ4の外部において
観察できるように表示する。したがって、測定器10に
よって表示される信号が変化した場合は、気密性が保持
されていないと判断し、信号が変化しない場合は、気密
性が保持されていると判断することができる。
【0013】次に、角速度センサVSについてさらに詳
しく説明する。図2は、図1に示した気密確認装置内に
配置される角速度センサVSのA−A矢印断面図であ
る。本角速度センサVSの振動子12は、上蓋13側に
突出した基板11の突出部11aの表面に固定された固
定部12aと、固定部12aの一端からパッケージ14
の長手方向に沿って延びた支持部12bと、支持部12
bによって固定部12aに接続され、前記長手方向に直
交する方向に延びた基部12cと、基部12cの両端か
ら固定部12aに近付く方向に延びた励振用振動片(振
動部分)12d,12eと、固定部12aから離れる方
向に基部12cの両端から延びた検出用振動片(振動部
分)12f,12gとを備える。
【0014】各振動片12d〜12gは、水晶等の圧電
性結晶及び当該圧電性結晶の側面に固定された電極から
構成される。支持部12b及び振動片12d〜12gの
長手方向は、水晶のY軸方向に略一致するとともに、基
部12cの長手方向は、水晶のX軸方向に略一致し、こ
れらの要素12b〜12gに共通の表面(紙面)は、水
晶のZ軸方向に略垂直である。
【0015】励振用振動片12d及び12eの長手方向
に垂直な断面は、図3の点線によって囲まれた領域XB
及びXC内にそれぞれ示され、一方の励振用振動片12
dは断面長方形の圧電性結晶部120及び圧電性結晶部
120の各側面に固定された電極121〜124を有
し、他方の励振用振動片12eは断面長方形の圧電性結
晶部130及び圧電性結晶部130の各側面に固定され
た電極131〜134を有する。また、図2に示すよう
に、検出用振動片12f及び12gは、圧電性結晶部1
40及び150と、そのZ軸方向に振動によって電位差
が生じる位置に設けられた電極141,142及び15
1,152とをそれぞれ有している。
【0016】実際の角速度検出においては、角速度セン
サVSを被検出体に固定するとともに、所定の励振回路
(図示せず)から、これらの電極121〜124,13
1〜134に、圧電性結晶部120及び130が水晶の
X軸方向に沿って振動するような電圧を印加する。この
際、被検出体が振動子12の長手方向を回転軸とする回
転運動を行うと、励振用振動片12d,12eは、その
振動速度及び被検出体の角速度に比例するコリオリの力
によって、水晶のZ軸方向に沿って振動する。検出用振
動片12f,12gは、少なくとも励振用振動片12
d,12eのZ軸方向の振動が伝わるように励振用振動
片12d,12eに機械的に結合しており、検出用振動
片12f,12gの振動振幅の大きさは、コリオリの力
に略比例して変化する。
【0017】検出用振動片12f,12gの振動振幅又
は位相は、電極141,142,151,152に接続
された所定の検出回路(図示せず)によって検出され
る。したがって、この検出回路は被検出体の角速度に略
比例した信号を出力することができる。なお、各振動片
12d〜12gは、それぞれ、その共振周波数又は重心
位置を調整するための金属膜161〜164を先端部に
有しており、固定部12a上には、振動片12d〜12
gに設けられた電極121〜124、131〜134、
141,142,151,152を上記励振回路及び検
出回路に接続するため、これらに電気的に接続された端
子171〜178が固定されている。なお、電極121
〜124、131〜134、141,142,151,
152と、端子171〜178とは、振動子12の表面
にパターニングされた金属配線(図示せず)によって接
続されている。
【0018】次に、測定器10についてさらに詳しく説
明する。図3は、水晶振動子12の励振用振動片12
d,12eの断面及び測定器10の回路構成を示す説明
図である。励振用振動片12d,12eの電極121,
122,131,132は、図1に示したパッケージ1
4外部に設けられた信号取出用電極15を介して、回路
10a〜10e,C3から構成される励振回路の出力側
の端子10xに接続されており、励振用振動片12d,
12eの残りの電極123,124,133,134
は、パッケージ14外部に設けられた信号取出用電極1
6を介して励振回路の入力側の端子10yに接続されて
いる。
【0019】励振回路は、電流電圧変換回路10a、電
圧フォロア10b、反転増幅回路10c,10d、比較
器10e及びコンデンサC3から構成される。
【0020】電流電圧変換回路10aは、非反転入力端
子が所定電位に固定されたオペアンプA1、オペアンプ
A1の反転入力端子と出力端子との間に接続された10
0kΩの抵抗値を有する抵抗R1、抵抗R1に並列に接
続され33pFの容量を有するコンデンサC1から構成
される。電極123,124,133,134から信号
取出用電極16及び端子10yを介して電流電圧変換回
路10aに流れ込む電流信号は電圧信号に変換され、電
圧フォロア10bに入力される。
【0021】電圧フォロア10bは、単一のオペアンプ
A2から構成され、バッファとして機能する。電圧フォ
ロア10bの出力側には、ローパスフィルタ付反転増幅
回路10c、0.1μFのコンデンサC3及びローパス
フィルタ付反転増幅回路10dが順に接続されている。
【0022】反転増幅回路10cは、オペアンプA3、
オペアンプA3の入力側に接続された1kΩの抵抗R
2、入出力間に接続された10kΩの抵抗R3及び22
0pFのコンデンサC2から構成され、所定の周波数以
下の交流電圧信号を増幅して通過させる。
【0023】反転増幅回路10dは、オペアンプA4、
オペアンプA4の入力側に接続された10kΩの抵抗R
4、入出力間に接続された10kΩの抵抗R5及び22
0pFのコンデンサC4から構成され、反転増幅回路1
0cと略同一周波数の交流電圧信号を通過させる。な
お、これらの反転増幅回路10c,10dの非反転入力
端子の電位は所定値に固定されている。反転増幅回路1
0dの出力端子には、オペアンプA5から構成される比
較器10eが接続されており、比較器10eの出力端子
は1kΩの抵抗R6を介して電源に接続されている。
【0024】励振回路の入力側の端子10yの電位は、
オペアンプA1の非反転入力端子の電位に固定され、励
振回路の出力側の端子10xの電位は、比較器10eの
出力によって変動する。したがって、励振回路の入力側
の端子10yと出力側の端子10xとの間には電位差が
発生し、この電位差によって励振用振動片12d,12
eの電極121,122,131,132と電極12
3,124,133,134との間には所定の電圧が印
加され、圧電性結晶部120,130の逆圧電効果に基
づいて、励振用振動片12d,12eは水晶のX軸方向
に沿って単振動する。
【0025】この振動によって電極123,124,1
33,134から信号取出用電極16及び端子10yを
介して電流電圧変換回路10aに流れ込む正弦波電流信
号(フィードバック信号)は、正弦波電圧信号に変換さ
れ、電圧フォロア10b及び反転増幅回路10c,10
dを通過し、比較器10eに入力される。比較器10e
に入力される正弦波電圧信号は、比較器10eによって
方形波電圧信号に変換されるので、励振用振動片12
d,12eの電極121,122,131,132と電
極123,124,133,134との間に方形波電圧
が印加され、励振用振動片12d,12eは、そのX軸
方向の共振周波数(固有振動数)で持続振動する。な
お、本形態における励振用振動片12d,12eの共振
周波数は100kHz以下であり、振動の振幅は1〜1
00μmである。
【0026】測定器10は、電圧フォロア10bの出力
端子に接続された振幅測定器10f及び比較器10eの
出力端子に接続された周波数カウンタ10gを備える。
振幅測定器10fは、電圧計やオシロスコープ等の交流
電圧の振幅を測定して表示する機器である。また、周波
数カウンタ10gは、比較器10eから出力される方形
波電圧のパルス数を測定して表示する。励振用振動片1
2d,12eの共振状態においては、このパルス数は励
振用振動片12d,12eの共振周波数に一致するの
で、周波数カウンタ10gは、励振用振動片12d,1
2eの共振周波数を表示する。
【0027】上述のように、本角速度センサVSを図1
に示したチャンバ4内に導入した後、チャンバ4内の圧
力をポンプ6によって減圧した場合は、パッケージ14
の気密性の度合いに応じて振動子12の振動状態が変化
する。すなわち、パッケージ14の気密性が低い場合
は、パッケージ14内の封入気体が外部に流出し、振動
子12の配置されたパッケージ14内の気体の圧力が低
下する。
【0028】図4は、パッケージ14内の気体の圧力
(MPa)と、振幅測定器10fの出力電圧(mV)で
表示される励振用振動片12d,12eの振動振幅の大
きさとの関係を示すグラフである。図4に示すように、
パッケージ14内の気体の圧力が低下すると、励振用振
動片12d,12eの振動の振幅は大きくなる。図3に
示した電圧フォロア10bから出力される交流電圧信号
の振幅は、励振用振動片12d,12eの振動の振幅、
すなわち、パッケージ14の気密性に対応して変化す
る。振幅測定器10fは、電圧フォロア10bから出力
される交流電圧信号の振幅の大きさを検出して表示する
ので、振幅測定器10fの表示に基づいて、パッケージ
14の気密性を確認することができる。
【0029】図5は、パッケージ14内の気体の圧力
(MPa)と、周波数カウンタ10gに表示される励振
用振動片12d,12eの共振周波数(Hz)との関係
を示すグラフである。図5に示すように、パッケージ1
4内の気体の圧力が低下すると、励振用振動片12d,
12eの共振周波数は高くなる。図3に示した比較器1
0eから出力される方形波電圧信号の単位時間あたりの
パルス数は、励振用振動片12d,12eの共振周波
数、すなわち、パッケージ14の気密性に対応して変化
する。周波数カウンタ10gは、比較器10eから出力
される方形波電圧信号の単位時間あたりのパルス数を検
出して表示するので、周波数カウンタ10gの表示に基
づいて、パッケージ14の気密性を確認することができ
る。
【0030】なお、本発明の気密性確認装置は上述のも
のに限られるものではなく、図1に示した測定器10と
して、図6に示すものを用いてもよい。図6に示す測定
器10は、振動子12の励振用振動片12d,12eに
電気的に接続された信号取出用電極15,16間に接続
されたインバータI1、インバータI1に並列に接続さ
れた1MΩの抵抗R7及び信号取出用電極15とインバ
ータI1の出力端子との間に接続された抵抗R8から構
成される励振回路を備え、振動子12の励振用振動片1
2d、12eは、その共振周波数で振動する。インバー
タI1の出力端子にはインバータI2が接続さており、
入力された交流電圧信号を反転させて出力する。インバ
ータI2から出力される交流電圧信号の周波数は、励振
用振動片12d,12eの共振周波数に一致し、この共
振周波数は振動子12周囲の気体の圧力によって決定さ
れる。したがって、図6に示す周波数カウンタ10gか
らも、励振用振動片12d,12eの共振周波数に対応
した信号が出力表示され、パッケージ14の気密性を確
認することができる。
【0031】なお、上述の測定器10において、周波数
カウンタ10gの代わりに、インピーダンスアナライザ
又はネットワークアナライザを用いて共振周波数を測定
してもよい。
【0032】次に、上述の気密性確認装置を用いた気密
性確認方法について説明する。まず、図1に示した振動
子12を基板11上に固定し、しかる後、上蓋13の開
口端を基板11の表面に密着させて接着又は溶接する。
したがって、振動子12はパッケージ14内に密閉さ
れ、上述の励振回路及び検出回路が取付けられていない
角速度センサVSが製造される。なお、パッケージ14
は密閉空間を内部に提供しており、パッケージ14内部
の気体の圧力は1気圧(大気圧)である。
【0033】次に、大気圧中で、この角速度センサVS
をチャンバ4内の支持機構7に固定した後、ベル型の包
囲体3の下方開口端を基体2の上面に当接させる。ま
ず、角速度センサVSが大気圧中に配置された状態で、
測定器10によって振動子12を振動させ、その振動状
態に対応した信号を表示させる。さらに、ポンプ6によ
って、チャンバ4内の気体を排出し、チャンバ4内を減
圧状態とする。チャンバ4内が減圧されるにしたがっ
て、パッケージ14の気密性が十分でない場合は、振動
子12の振動状態が変化し、振動子12の振動状態変化
に応じた信号が測定器10に表示される。表示された信
号は、チャンバ4の外部において観察することができ
る。本形態に係る気密性確認方法においては、振動状態
として上述の共振周波数を測定する場合、減圧環境下
(10-5MPa以下の圧力)で測定した共振周波数が、
大気圧で測定した共振周波数よりも1Hz以上高い場合
に、気密性が十分でないと判断する。また、振動状態と
して上述の振動振幅の大きさを測定する場合、減圧環境
下(10-5MPa以下の圧力)で測定した上述の振動振
幅の大きさが、大気圧で測定した振動振幅の1.5倍を
越えた場合に、気密性が十分でないと判断する。
【0034】以上、説明したように、上記実施の形態に
係る角速度センサVSの気密性確認方法は、周囲の圧力
に応じて振動状態が変化可能な振動部分12d,12e
を有する部材12、及び、部材12が配置される密閉空
間を提供するパッケージ14を備えた角速度センサVS
の気密性確認方法を対象とするものであり、角速度セン
サVSをパッケージ14内の圧力とは異なる圧力の空間
内に配置した状態で、振動部分12d,12eの振動状
態を検出する工程を備える。さらに、上記実施の形態に
係る角速度センサVSの気密性確認装置は、パッケージ
14内の圧力とは異なる圧力の空間を提供する密閉容器
4と、振動部分12e,12eの振動状態に応じた信号
(情報)を密閉容器4の外部において観察できるように
表示する測定手段10とを備える。
【0035】本方法及び装置においては、振動部分12
d,12eの振動状態を検出することにより、角速度セ
ンサVSの気密性を確認するので、その気密性が低い場
合においても、これを確認することができる。
【0036】これらの振動状態は、振動部分12d,1
2eの共振周波数又は振動部分12d,12eの振動の
振幅の大きさであることが好ましい。すなわち、上記実
施の形態においては、振動部分12d,12eの振動状
態として、振動子12の励振用振動片12d,12eの
共振周波数及び振動の振幅について説明したが、振動状
態として、励振用振動片12d,12eの振動の位相又
は振動モード等を測定し、パッケージ14の気密性を確
認してもよい。さらに、振動部分の振動状態として、検
出用振動片12f,12gの共振周波数、又は、振動の
振幅、位相若しくはモード等を測定し、パッケージ14
の気密性を確認してもよい。
【0037】また、上記実施の形態においては、チャン
バ4は減圧環境を内部に提供するものとしたが、振動子
12の振動状態はチャンバ4内を加圧することによって
も変化可能であるので、チャンバ4はパッケージ14内
とは異なる圧力の空間を提供するものであれば、加圧環
境を内部に提供するものでもよい。
【0038】さらに、上記実施の形態においては、振動
子12の振動状態が所定の状態から別の状態に変化する
状態、又は、振動状態が変化しない状態を、電気的に検
出する方法について説明したが、これは、振動子12に
結合した部材の機械的動作を観察する等、機械的に検出
してもよく、また、振動子12にレーザビーム等を照射
しながらそのビーム位置を観察する等、光学的に検出し
てもよい。
【0039】さらに、上記実施の形態においては、振動
子12は、4つの振動片12d〜12gを備えることと
したが、これは、2つの振動片のみを用いたU字型の振
動子、平板型の振動子、棒状の振動子等、様々な形状の
振動子を代わりに用いることができる。
【0040】また、上記実施の形態に係る装置の測定手
段10は、振動部分12d,12eを振動させるための
励振回路10a〜10e,C3、(I1,R7,R8)
と、励振回路10a〜10e,C3、(I1,R7,R
8)内を流れる交流信号に対応した情報を表示する表示
手段10f,10gとを備えることが好ましい。
【0041】さらに、この表示手段10f,10gは、
励振回路10a〜10e,C3、(I1,R7,R8)
内を流れる交流電圧の振幅を表示する振幅測定器10
f、又は、励振回路10a〜10e,C3、(I1,R
7,R8)内を流れる交流電圧の共振周波数を表示する
周波数カウンタ10gを備えることが好ましい。
【0042】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係る角
速度センサの気密性確認方法及び装置によれば、振動部
分の振動状態を検出することによって、その気密性を確
認するので、パッケージの気密性が低い場合において
も、その気密性を確認することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】角速度センサ及び角速度センサの気密性確認装
置を示す説明図。
【図2】図1に示した角速度センサのA−A矢印断面
図。
【図3】振動片及び測定器を示す説明図。
【図4】圧力(Mpa)と振動振幅に対応する電圧(m
V)との関係を示すグラフ。
【図5】圧力(Mpa)と共振周波数(Hz)との関係
を示すグラフ。
【図6】角速度センサ及び測定器を示す説明図。
【符号の説明】
12…振動子、14…パッケージ、VS…角速度セン
サ、4…密閉容器、10…測定手段。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周囲の圧力に応じて振動状態が変化可能
    な振動部分を有する部材、及び、前記部材が配置される
    密閉空間を提供するパッケージを備えた角速度センサの
    気密性確認方法において、前記角速度センサを前記パッ
    ケージ内の圧力とは異なる圧力の空間内に配置した状態
    で、前記振動部分の振動状態を検出する工程を備えるこ
    とを特徴とする角速度センサの気密性確認方法。
  2. 【請求項2】 前記振動状態は、前記振動部分の共振周
    波数であることを特徴とする請求項1に記載の角速度セ
    ンサの気密性確認方法。
  3. 【請求項3】 前記振動状態は、前記振動部分の振動の
    振幅の大きさであることを特徴とする請求項1に記載の
    角速度センサの気密性確認方法。
  4. 【請求項4】 周囲の圧力に応じて振動状態が変化可能
    な振動部分を有する部材、及び、前記部材が配置される
    密閉空間を提供するパッケージを備えた角速度センサの
    気密性確認装置において、前記パッケージ内の圧力とは
    異なる圧力の空間を提供する密閉容器と、前記振動部分
    の振動状態に応じた情報を表示する測定手段と、を備え
    ることを特徴とする角速度センサの気密性確認装置。
  5. 【請求項5】 前記振動状態は、前記振動部分の共振周
    波数であることを特徴とする請求項4に記載の角速度セ
    ンサの気密性確認装置。
  6. 【請求項6】 前記振動状態は、前記振動部分の振動の
    振幅の大きさであることを特徴とする請求項4に記載の
    角速度センサの気密性確認装置。
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