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JP2008058066A - 振動センサ - Google Patents

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JP2008058066A JP2006233434A JP2006233434A JP2008058066A JP 2008058066 A JP2008058066 A JP 2008058066A JP 2006233434 A JP2006233434 A JP 2006233434A JP 2006233434 A JP2006233434 A JP 2006233434A JP 2008058066 A JP2008058066 A JP 2008058066A
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Takayuki Yamaji
隆行 山地
Hiroshi Ishikawa
寛 石川
Takashi Katsuki
隆史 勝木
Yuji Takahashi
勇治 高橋
Fumihiko Nakazawa
文彦 中澤
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Fujitsu Ltd
Fujitsu Media Devices Ltd
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Fujitsu Ltd
Fujitsu Media Devices Ltd
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Abstract

【課題】高感度化することが可能な振動センサを提供すること。
【解決手段】本発明は、ベース部とベース部から延びる複数のアーム部(11、12)を有する音叉型振動子(10)と、音叉型振動子を実装する実装部(20)と、音叉型振動子(10)を実装部(20)に実装させる複数の支持部(32)と、を具備することを特徴とする振動センサである。本発明によれば、音叉型振動子(10)のインピーダンスを低減し、振動センサを高感度化することができる。
【選択図】図6

Description

本発明は振動センサに関し、特に音叉型振動子を有する振動センサに関する。
音叉型振動子を有する加速度センサや角速度センサ等の振動センサは、音叉型振動子の振動を検知することにより、加速度や角速度を検知するセンサである。例えば、角速度センサは、カーナビゲーションシステムやデジタルカメラの手振れ防止等に用いられている。特許文献1には水晶からなる音叉型振動子を基板やパッケージ等の実装部に1つの支持部で実装する場合が開示されている。支持部としては例えばバンプを用いることが開示されている。
特開2005−49306号公報
振動センサを高感度化するためには、音叉型振動子を実装部に実装する際の実装方法が重要である。特許文献1においては、はんだ、導電性接着剤またはバンプを用い一箇所で音叉型振動子を実装している。しかしながら、このような実装方法では、振動センサを高感度化することが難しいことがわかった。本発明は、上記課題に鑑み、高感度化することが可能な振動センサを提供することを目的とする。
本発明は、ベース部と該ベース部から延びる複数のアーム部を有する音叉型振動子と、前記音叉型振動子を実装する実装部と、前記音叉型振動子を前記実装部に実装させる複数の支持部と、を具備することを特徴とする振動センサである。本発明によれば、音叉型振動子のインピーダンスを低減し、振動センサを高感度化することができる。
上記構成において、前記複数の支持部は複数のバンプである構成とすることができる。また上記構成において、前記複数の支持部は前記音叉型振動子と前記実装部とを電気的に接続する構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の支持部は前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、面垂直振動モードのツイスト振動を妨げることなく、かつノードの上下運動を抑制することができる。
上記構成において、前記複数の支持部は前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線に対し略対称に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、音叉型振動子の振動の対称性を確保することができる。
上記構成において、音叉型振動子の実装部への実装を補強するための樹脂部を具備する構成とすることができる。この構成によれば、耐衝撃性を向上させることができる。
上記構成において、前記樹脂部は、前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線に対し略対称に設けられている構成とすることができる。また、上記構成において、前記樹脂部の前記音叉型振動子のノードに垂直な断面形状が、前記ノードを含み前記音叉型振動子の面内振動面に垂直な面に対し略対称である構成とすることができる。これらの構成によれば、音叉型振動子の振動の実装部への漏れの増大を抑制しつつ外部からの耐衝撃性を向上させることができる。
上記構成において、前記樹脂部は、前記音叉型振動子と前記実装部との間に略一様に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、樹脂部をノードに対し略対称に設けることができる。
上記構成において、前記実装部の前記支持部が実装される領域から前記音叉型振動子の外側の前記実装部に渡り凹部が設けられている構成とすることができる。この構成によれば、樹脂部を形成する際に音叉型振動子の下面に押された樹脂が凹部を通り音叉型振動子10の両側に浸み出すことができる。
上記構成において、前記実装部の前記支持部が実装された領域の前記実装部の上面は、前記音叉型振動子の前記アーム部側の前記実装部の上面に対し高い構成とすることができる。この構成によれば、樹脂部を形成する際に、余分な樹脂はアーム側の実装部上面に流れ出す。このため、不要な場所に樹脂が付着することを抑制することができる。
本発明によれば、高感度化することが可能な振動センサを提供することが可能な角速度センサを提供することができる。
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
実施例1は、2つの音叉型振動子をパッケージ上に実装した角速度センサの例である。図1は実施例1に係る角速度センサの斜視図であり、図2は音叉型振動子10の斜視図である。図1を参照に、2本のアーム部を有する音叉型振動子10aおよび10bがキャビティタイプのパッケージ30のそれぞれ実装部20aおよび20bに固着され実装されている。実装部20aおよび20bにはボンディングパッド22aおよび22bが設けられている。音叉型振動子10aおよび10bの電極並びに音叉型振動子10aおよび10bとパッド22aおよび22bとを接続するボンディングワイヤは図示していない。音叉型振動子10aおよび10bは互いに直交しており、それぞれ各長手方向(アーム部の方向)を検知軸1および検知軸2とし、検知軸1および検知軸2を中心とした角速度を検知する。パッケージ30には例えば基板に電子部品が実装された制御回路42が実装されている。制御回路42は、音叉型振動子10aおよび10bを制御する回路であり、音叉型振動子10aおよび10bに駆動信号を供給し、音叉型振動子10aおよび10bより検出信号が入力する。パッケージ30にはキャップ(図示せず)により蓋がされる。
図2を参照に、音叉型振動子10はベース部13とベース部13から延びる2本(複数)のアーム部11および12を有する。音叉型振動子10は例えばLiNbO(ニオブ酸リチウム)またはLiTaO(タンタル酸リチウム)等の圧電性材料より形成されている。例えばLiNbO(ニオブ酸リチウム)またはLiTaO(タンタル酸リチウム)を用いる場合は、130°から140°Y板を用いることにより、高k23電気機械結合係数を得ることができる。音叉型振動子10の表面にはAu(金)、Al(アルミニウム)またはCu(銅)等の金属膜を用いた電極パターン(不図示)が形成されている。
図3(a)は音叉型振動子10の表側の電極パターンの例を示し、図3(b)は裏側の電極パターンの例を示す。アーム部11には検出電極11a、11b、11cが設けられている。検出電極11aと11bとは電極11dで接続されている。検出電極11aには引き出し電極11fが設けられている。電極11cは、引き出し電極11eに接続されている。同様に、アーム部12には、検出電極12a、12b、12cが設けられている。検出電極12aと12bとは電極12dで接続されている。検出電極12aには引き出し電極12fが設けられている。検出電極12cは、引き出し電極12eに接続されている。音叉型振動子10の表面には駆動電極14aが設けられ、引き出し電極14bに接続されている。同様に、裏面には駆動電極15aが設けられ、引き出し電極15bに接続されている。
図4(a)および図4(b)は音叉型振動子10の駆動モードと検出モードを説明するための図である。図4(a)を参照に、音叉型振動子10の駆動電極(図3(a)および図3(b)参照)に駆動信号を印加することによりアーム部11および12が互いに開閉するような振動モードを発生させる。この振動はアーム部11および12方向の面に平行な振動であり、これを面内振動モードという。また、面内振動モードの振動方向の面を面内振動面という。ここで検知軸に対し角速度が加わると、コリオリ力により図4(b)のようなアーム部11および12が前後に振動する振動モードが現れる。この振動はアーム部11および12方向の面に垂直なツイスト振動であり、これを面垂直振動モードという。検出電極(図3(a)および図3(b)参照)がこの振動モードを検出することにより検知軸を中心とした角速度を検知することができる。駆動に用いる振動モードを駆動モード、検知に用いる振動モードを検出モードという。各振動モードにおいて、振動しない領域をノードという。図3(a)においては、音叉型振動子10の対称面がノードAとなる。図3(b)においては、音叉型振動子10の中心軸がノードBとなる。
図5は、音叉型振動子10を裏面よりみた図である。ベース部13のノード線R1はノードAとノードBの共通のノード(すなわちノードB)を、面S1(後述するように支持部が設けられる面)に投影した線である。
図6(a)は、実装部20の上視図、図6(b)は音叉型振動子10を実装した実装部20の上視図、図6(c)は図6(b)のA−A断面図である。図6(a)を参照に、実装部20は、例えば、セラミックからなり、音叉型振動子10からのボンディングワイヤ34を接続するボンディングパッド22を有するワイヤパッド部28、音叉型振動子10を支持する振動子支持部27および本体部26からなる。振動子支持部27には、支持部32である金バンプを用い音叉型振動子10を接続するパッド25が設けられている。パッド25は音叉型振動子10の真下から外側にかけて延在し、パッド25間にはパッド25が形成されていないため凹部24となっている。パッド22および25は、例えば金メッキ法を用い形成される。
図6(b)を参照に、引き出し電極11e,11f、12e、12f、14bおよび15bとボンディングパッド22とがボンディングワイヤ34で接続されている。ボンディングパッド22は制御回路42と接続されている。なお、引き出し電極14b、15bのパターンは図3(a)および図3(b)とは一部異なっている。図6(c)を参照に、ワイヤパッド部28の上面は、音叉型振動子10からのボンディングを容易に行うため、音叉型振動子10と略同じ高さを有している。振動子支持部27の上面に対し、本体部26の上面は高さh低く形成されている。パッド25上には例えば金バンプである支持部32を用い音叉型振動子10がフリップチップ実装されている。支持部32を覆うように、支持部32による実装を補強するための樹脂部36が設けられている。樹脂部36は例えばシリコン樹脂やエポキシ樹脂からなる接着剤である。
図7(a)は音叉型振動子10の実装方法を示す図である。実装部20のパッド25および凹部24上に例えばシリコン樹脂やエポキシ樹脂からなる接着剤37を配置する。接着剤37上に支持部32を有する音叉型振動子10をフリップチップ実装する。接着剤37は支持部32に押し退けられ支持部32とパッド25とが電気的に接続される。また、実装部20の支持部32が実装される領域から音叉型振動子10の外側の実装部20に渡り凹部24が設けられている。このため、音叉型振動子10の下面に押された接着剤37は凹部24を通り音叉型振動子10の両側に浸み出すことができる。さらに、図7(b)を参照に、音叉型振動子10の外側にパッド25が設けられているため、接着剤37がパッド25の外側まで浸み出すことを抑制することができる。さらに、図7(c)を参照に、振動子支持部27(つまり実装部20の支持部32が実装された領域の実装部20)の上面は、本体部26(つまり音叉型振動子10のアーム部側の実装部20)の上面に対し高さが高い。このため、余分な接着剤37は本体部26上面に流れ出す。よって、本体部26上の音叉型振動子10の下面や振動子支持部27の音叉型振動子10の上面等の不要な場所に接着剤37が付着することを抑制することができる。
外部からの耐衝撃性を高めるためには樹脂部36が設けられていることが好ましいが、樹脂部36は設けられていなくともよい。支持部32は、バッド25に接続し、音叉型振動子10と実装部20とを電気的に接続している。これにより、ボンディングワイヤ34の本数を削減することができる。しかしながら、支持部32は電気的な接続を目的とせず機械的な接続だけを目的としてもよい。
図8(a)から図8(e)は支持部32の数を変えた音叉型振動子10の裏面の図である。図8(a)から図8(e)のように、ノード線R1上にそれぞれ支持部32を1個から5個設けている。図9は図8(a)から図8(e)の音叉型振動子10を実装部20に実装した後、共振周波数における駆動電極または検出電極の共振周波数でのインピーダンスZを測定した結果である。なお、駆動電極および検出電極のインピーダンスはボンディングワイヤを介し測定しており、バンプ(支持部32)を介しては測定していない。図9より、駆動電極のインピーダンスはバンプ(支持部32)の個数が増えてもインピーダンスは余り減少しないが、検出電極のインピーダンスは支持部32が2個以上で支持部32が1個の場合の半分以下となる。
振動センサの感度は共振先鋭度Qが大きくなれば大きくなる。Qは、
Q=1/(4πZC(fa−fr))
で表される。ここで、Zは共振周波数でのインピーダンス、Cは直列容量、faは共振周波数、frは反共振周波数である。上式より、Zが小さくなればQが大きくなり高感度となることがわかる。よって、検出電極の感度は支持部32の個数が2個以上で高くなる。
音叉型振動子10は圧電性材料であり誘電体のためインピーダンスは非常に大きいが共振周波数においては音叉型振動子10が振動し、インピーダンスが小さくなる。しかしながら、音叉型振動子10の振動が妨げられるとインピーダンスは大きくなってしまう。図4(a)を参照に、面内振動モード(実施例1では駆動モード)においては、アーム部11、12の振動が主であり、面垂直振動モード(実施例1では検出モード)に比べベース部13は振動しない。よって、ベース部13を支持する方法によるインピーダンスの変化は大きくない。一方、面垂直振動モードにおいては、アーム部11、12がツイスト振動するため、ベース部13もツイスト振動する。よって、ベース部13の支持方法によって、インピーダンスが大きく変化する。
図8(a)のように、ノード線R1に形成された1個の支持部32で音叉型振動子10を保持する場合、支持部32を支点にノードBが上下方向に振動し易くなる。これにより、インピーダンスが高くなるものと考えられる。一方、図8(b)のように、ノード線R1に形成された2個の支持部32で音叉型振動子10を保持する場合、ノードBが上下方向に振動し難い。よって、インピーダンスが減少したと考えられる。
このように、面垂直振動モードで振動する場合のインピーダンスを低減するためには、2個以上の支持部32で音叉型振動子10を支持する。図8(b)から図8(e)のように、複数の支持部32はノード線R1上に設けられることが好ましい。これにより、面垂直振動モードのツイスト振動を妨げることなく、かつノードBの上下運動を抑制することができる。図10(a)のように、支持部32の距離を短くすることもできるが、ノードBの上下運動を抑制するためには、図8(b)のように、支持部32の間隔は長い方が好ましい。
図10(b)から図12(c)は、耐衝撃性の向上のため、ノード線R1以外に支持部32を設けた例である。音叉型振動子10の振動の対称性を確保するためには、図10(b)から図12(c)のように、支持部32はノード線R1に対し略対称に設けられていることが好ましい。また、ノードBの上下運動を抑制するためには、複数の支持部32は少なくともノード線R1方向の異なる位置に設けられることが好ましい。
図10(b)から図10(e)のようにノード線R1に複数の支持部32を設け、ノード線R1以外にも支持部32を設けることもできる。面垂直振動モードのツイスト振動を妨げないためには、支持部32は図10(b)のように、ベース部13の後方(アーム部11、12の反対方向)に設けることが好ましい。図10(d)、図10(e)、図11(a)、図11(b)のように、異なる引き出し電極11f、12fおよび15bに支持部32を設けることもできる。これにより、ボンディングワイヤ34の本数を削減することができる。また、図10(d)、図10(e)、図11(b)のように、音叉型振動子10の裏面に形成された電極は支持部32から電気信号を入出力し、音叉型振動子10の表面に形成された電極はボンディングワイヤ34から電気信号を入出力することができる。これにより、音叉型振動子10の表面の電極と裏面の電極とを側面を介し接続する必要がなくなる。よって、音叉型振動子10の側面に電極を形成する必要がなく製造工程を短縮させることができる。
さらに、図11(c)、図11(d)、図11(e)、図12(a)のように、引き出し電極11e、12e、14bを音叉型振動子10の裏面まで引き出し、全ての引き出し電極11e、11f、12e、12f、14bおよび15bに支持部32を接続することができる。これにより、音叉型振動子10の表面側からボンディングワイヤ34を用い電気信号を入出力する必要がない。よって、製造工程の削減、小型化が可能となる。図12(b)、図12(c)のように、引き出し電極11e、11f、12e、12fおよび15bは支持部32を介し電気信号を入出力し、引き出し電極14bはボンディングワイヤ34を介し電気信号を入出力することもできる。また、図11(c)図11(e)、図12(a)のように、支持部32はノード線R1上に設けられていなくとも良い。
実施例2は樹脂部36をノードBに対し対称に設けた例である。図13(a)から図13(e)は実施例2に係る実装部20および音叉型振動子10の上視図である。なお、樹脂部36bおよびノード線R1は音叉型振動子10を透視して図示している。また、ワイヤパッド部、パッド、ボンディングワイヤ等は図示していない。図13(a)は樹脂部36が音叉型振動子10のベース部13の後方側面に設けられている。図13(b)は図13(a)に加え音叉型振動子10と実装部20の振動子支持部27との間にも樹脂部36b(破線のハッチング)が設けられている。図13(c)は樹脂部36が音叉型振動子10のベース部13の両側面に設けられている。図13(d)は樹脂部36が音叉型振動子10のベース部13の後方側面および両側面に設けられている。図13(e)は樹脂部36が音叉型振動子10のベース部13の後方側面および両側面に連続的に設けられている。
樹脂部36がノード線R1に対し対称に設けられていない場合、樹脂部36が音叉型振動子10を非対称に拘束する。よって、音叉型振動子10の慣性モーメントにアンバランスが生じる。このため、音叉型振動子10から実装部20への振動の漏れが増大する。実施例2によれば、図13(a)から図13(e)のように、樹脂部36はノード線R1に対し略対称に設けられている。これにより、音叉型振動子10から実装部20への振動の漏れの増大を抑制しつつ外部からの耐衝撃性を向上させることができる。
樹脂部36bを図13(b)のように音叉型振動子10と実施部20との間に設けても良いし、図13(a)、図13(c)から図13(e)のように設けなくともよい。図7(a)で説明したように、実装部20に接着剤37を塗布した後音叉型振動子10を実装すると、樹脂部36bは音叉型振動子10と実装部20との間に形成される。一方、支持部32を用い実装部20に音叉型振動子10を実装した後に樹脂をベース部13の側面に塗布する場合、樹脂の粘性、音叉型振動子10および実装部20の表面との親和性、樹脂に混入されるフィラー等の条件を選択することにより、音叉型振動子10と実装部20との間に樹脂が毛細管現象により入り込み樹脂部36bを形成することができる。樹脂部36bを音叉型振動子10と実装部20との間に設ける場合は、図13(b)のように、略一様に設けることが好ましい。これにより、樹脂部36bをノード線R1に対し略対称に設けることができる。
図14(a)は図13(e)のC−C断面(つまり音叉型振動子10のノードBに垂直な断面)を示す図である。樹脂部36の音叉型振動子10のノードBに垂直な断面形状が、ノードBを含み音叉型振動子10の面内振動面に垂直な面Fに対し略対称である。図14(b)は図14(a)に対し、音叉型振動子10と実装部20との間に樹脂部36bが設けられている。図14(a)および図14(b)のように、樹脂部36の断面形状を面Fに対し略対称とすることにより、音叉型振動子10から実装部20への振動の漏れの増大を抑制しつつ外部からの耐衝撃性を向上させることができる。
実施例1および実施例2において、音叉型振動子10として2本のアーム部11、12を有する例を説明したがアーム部は複数設けられていれば良い。ノードとして、面内振動モードと面垂直振動モードの共通のノードBを例に説明したが、各振動モードのノードの少なくとも一方のノードであればよく、共通のノードであることがより好ましい。実装部20はパッケージ30の音叉型振動子10を実装する部分を例に説明した。実装部20は音叉型振動子10を実装する機能を有していれば良く、実装基板の音叉型振動子10を実装する部分、またはパッケージや実装基板とは別の部材であってもよい。支持部32は金バンプを例に説明した。支持部32は音叉型振動子10を実装部20に支持する機能を有していれば良い。樹脂部36は接着剤を例に説明したが、音叉型振動子を補強する機能を有していれば良い。支持部32は主に音叉型振動子10を保持する機能を有し、樹脂部36は耐衝撃性を確保する機能を有している。よって、樹脂部36は支持部32よりは柔らかい材料であることが好ましい。振動センサとして2つの音叉型振動子10を有する角速度センサを例に説明したが、音叉型振動子10の数は2つに限られない。また、角速度センサには限られず加速度センサ等であってもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
図1は実施例1係る角速度センサの斜視図である。 図2は音叉型振動子の斜視図である。 図3(a)および図3(b)は音叉型振動子の表面の電極パターンを示す図である 図4(a)および図4(b)は音叉型振動子の振動モードを示す図である。 図5は音叉型振動子のノード線を示す図である。 図6(a)は実装部の上視図、図6(b)は音叉型振動子を実装した実装部の上視図、図6(c)は図6(b)のA−A断面図である。 図7(a)は実装部に樹脂を配置した上視図、図7(b)の図6(b)のB−B断面図、図7(c)は樹脂が多い場合の例を示す図である。 図8(a)から図8(e)は音叉型振動子の裏面の例を示す図(その1)である。 図9は支持部個数に対する電極のインピーダンスを示した図である。 図10(a)から図10(e)は音叉型振動子の裏面の例を示す図(その2)である。 図11(a)から図11(e)は音叉型振動子の裏面の例を示す図(その3)である。 図12(a)から図12(c)は音叉型振動子の裏面の例を示す図(その4)である。 図13(a)から図13(e)は実施例2に係る角速度センサの音叉型振動子を実装した実装部の上視図である。 図14(a)および図14(b)は音叉型振動子を実装した実装部の断面図である。
符号の説明
10、10a、10b 音叉型振動子
11、12 アーム部
13 ベース部
20 実装部
22 パッド
24 凹部
25 パッド
26 本体部
27 振動子支持部
28 ワイヤパッド部
30 パッケージ
32 支持部
34 ボンディングワイヤ
36、36b 樹脂部
42 制御回路

Claims (11)

  1. ベース部と該ベース部から延びる複数のアーム部とを有する音叉型振動子と、
    前記音叉型振動子を実装する実装部と、
    前記音叉型振動子を前記実装部に実装させる複数の支持部と、を具備することを特徴とする振動センサ。
  2. 前記複数の支持部は複数のバンプであることを特徴とする請求項1記載の振動センサ。
  3. 前記複数の支持部は前記音叉型振動子と前記実装部とを電気的に接続することを特徴とする請求項1記載の振動センサ。
  4. 前記複数の支持部は前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線に設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の振動センサ。
  5. 前記複数の支持部は前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線に対し略対称に設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の振動センサ。
  6. 前記音叉型振動子の実装部への実装を補強するための樹脂部を具備することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の振動センサ。
  7. 前記樹脂部は、前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線に対し略対称に設けられていることを特徴とする請求項6記載の振動センサ。
  8. 前記樹脂部の前記音叉型振動子のノードに垂直な断面形状が、前記ノードを含み前記音叉型振動子の面内振動面に垂直な面に対し略対称であることを特徴とする請求項6記載の振動センサ。
  9. 前記樹脂部は、前記音叉型振動子と前記実装部との間に略一様に設けられていることを特徴とする請求項6記載の振動センサ。
  10. 前記実装部の前記支持部が実装される領域から前記音叉型振動子の外側の前記実装部に渡り凹部が設けられていることを特徴とする請求項6記載の振動センサ。
  11. 前記実装部の前記支持部が実装された領域の前記実装部の上面は、前記音叉型振動子の前記アーム部側の前記実装部の上面に対し高いことを特徴とする請求項6記載の振動センサ。
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