JP4310455B2 - 静電駆動型振動ジャイロ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばカーナビゲーション装置や、自動車の姿勢制御用センサ装置などに使用される静電駆動型振動ジャイロ装置に関するものである。
【0002】
【背景技術】
図5には静電駆動型振動ジャイロ装置の一構成例が簡略化されて示されている。この静電駆動型振動ジャイロ装置1は、振動体2と、駆動信号発生部3と、C/V変換部4とを有して構成されている。
【0003】
振動体2は振動が可能に形成されているものであり、その構成には様々な形態があるが、その一例を簡単に述べる。例えば、振動体2は、図5に示すx方向とy方向に振動が可能に形成されており、当該振動体2には、駆動用の可動電極6が設けられている。その駆動用の可動電極6と間隔を介して駆動用の固定電極7が配設されている。
【0004】
駆動信号発生部3は、図6(a)に示すような直流バイアスVbに交流信号Vsが重畳されて成る駆動信号を作り出し、当該駆動信号を駆動用の固定電極7に向けて出力する構成を備えている。駆動用の固定電極7に駆動信号発生部3からの駆動信号が加えられると、その信号の大きさに応じた静電力が、振動体2の駆動用の可動電極6と、駆動用の固定電極7との間に発生し、この静電力によって、振動体2は、例えばx方向に振動する。ここでは、その静電力によるx方向の振動体2の振動を駆動振動と言う。
【0005】
このように、振動体2が駆動振動しているときに、例えば、z方向を中心軸として静電駆動型振動ジャイロ装置1が回転すると、振動体2には、y方向のコリオリ力が発生し、このコリオリ力によって、振動体2はy方向にも振動する。ここでは、そのコリオリ力によるy方向の振動体2の振動を検出振動と言う。その振動体2の検出振動を例えば静電容量の変化として検出する検出手段とC/V変換部4が設けられている。その検出手段により検出される静電容量の変化をC/V変換部4によって電圧に変換して検出信号として出力する。さらに、この検出信号を信号処理することにより、例えば角速度の大きさ等が検出される。なお、C/V変換部4は、例えば、FET、オペアンプ、あるいは、チャージアンプ等を備えている。
【0006】
また、振動体2にはモニタ用の可動電極8が設けられ、このモニタ用の可動電極8と間隔を介してモニタ用の固定電極9が配設されている。これらモニタ用の可動電極8と固定電極9は、振動体2の駆動振動によって、それら電極8,9間の静電容量が変化するように構成されている。C/V変換部4は、そのモニタ用の可動電極8と固定電極9間の静電容量(C)を電圧(V)に変換して、振動体2の駆動振動のモニタ信号として出力する構成を有している。
【0007】
この例では、駆動信号発生部3は自励振回路を構成するものであり、当該駆動信号発生部3は、C/V変換部4から出力されたモニタ信号を利用して、振動体2が共振周波数でもって振動できるような駆動信号を作り出して駆動用の固定電極7に供給する。
【0008】
【特許文献1】
特開2001−116553号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、静電駆動型振動ジャイロ装置1の検出感度を高めるためには、振動体2の検出振動の振幅が大きくなることが好ましい。振動体2の検出振動を大きくするためには、振動体2の駆動振動の振幅を大きくすればよく、そのためには、振動体2の駆動用の可動電極6と、固定電極7との間に作用する静電力を大きくすればよい。その静電力は、駆動信号発生部3から出力される駆動信号の直流バイアス値Vbに、交流信号Vsの振幅hを乗算した値に比例するものであることから、当該静電力を高めるためには、直流バイアス値Vbを高めると共に、交流信号Vsの振幅hを大きくすればよいと考えられる。
【0010】
しかしながら、駆動信号発生部3は、ICやオペアンプ等の能動素子を利用して駆動信号を作り出しており、その能動素子は予め定められた上限電圧値よりも大きい電圧の信号を出力することはできない。すなわち、駆動信号発生部3から出力する駆動信号の上限電圧値Vmaxが定まっている。このため、例えば、直流バイアスVbを、図6(a)に示すような値Vαから、上限電圧値Vmaxに近い図6(b)に示すような値Vβに高めると、直流バイアスVbは高くなるが、駆動信号の上限電圧値Vmaxの規制によって、図6(b)に示されるように、交流信号Vsの振幅h’は図6(a)の交流信号Vsの振幅hよりも小さくなってしまう。また、交流信号Vsの振幅hを大きくしようとすると、直流バイアスVbが小さくなってしまう。このように、駆動信号発生部3の能動素子の性質によって、駆動信号の直流バイアス値Vbと、交流信号Vsの振幅hとを両方共に大きくすることは難しい。よって、駆動信号に基づいた静電力の最大値が駆動信号発生部3の能動素子の出力の上限電圧値Vmaxによって定まってしまって、静電駆動型振動ジャイロ装置1の検出感度の向上は難しかった。
【0011】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、検出感度の向上が容易な静電駆動型振動ジャイロ装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、この発明は、直流バイアスに交流信号を重畳して予め定められる上限電圧値以下の電圧の駆動信号を作り出す駆動信号発生部と、前記駆動信号に基づいた静電力によって振動する振動体とを有する静電駆動型振動ジャイロ装置において、前記駆動信号発生部から前記振動体に至る駆動信号の経路に駆動信号直流バイアス変換部が介設されており、該駆動信号直流バイアス変換部は、前記駆動信号発生部から供給される駆動信号を取り込む駆動信号の導入部と、前記駆動信号発生部とは別個の直流バイアス電源から供給される直流バイアスを取り込む直流バイアスの導入部と、前記駆動信号発生部から前記駆動信号の導入部に出力された駆動信号の直流バイアスをカットして駆動信号から交流信号を取り出し、この取り出した交流信号を前記直流バイアス電源から前記直流バイアスの導入部に供給された直流バイアスに重畳させ、この重畳信号を駆動信号として振動体に向けて出力する回路とを備え、前記直流バイアス電源は、前記駆動信号発生部の直流バイアスよりも高い直流バイアスを発生させる構成と成すか、又は直流バイアス電源から前記直流バイアスの導入部に至る電気経路に電圧の昇圧部を設けて、前記直流バイアスの導入部に導入される直流バイアスを前記駆動信号発生部から出力される直流バイアスよりも高くし、以て、前記駆動信号直流バイアス変換部は、前記交流信号を重畳する直流バイアスを前記駆動信号発生部の直流バイアスから前記直流バイアス電源を供給源とする直流バイアスに変換して、振動体に印加する重畳信号の電圧を前記駆動信号発生部が出力する重畳信号の電圧よりも高めることを特徴としている。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。なお、以下に述べる各実施形態例の説明において、図5に示す静電駆動型振動ジャイロ装置と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【0014】
第1実施形態例の静電駆動型振動ジャイロ装置では、図5に示したような構成に加えて、図1に示すように、駆動信号発生部3から駆動用の固定電極7に至るまでの駆動信号の経路上に、駆動信号直流バイアス変換部として機能するパッシブフィルター10が介設されている。このパッシブフィルター10には、直流電源接続部11を介して外部の直流バイアス電源12が接続されている。このパッシブフィルター10に関する構成以外の静電駆動型振動ジャイロ装置1の構成は、図5に示す静電駆動型振動ジャイロ装置1の構成とほぼ同様である。
【0015】
パッシブフィルター10は、図2に示すように、コンデンサ14と、抵抗体15とを有するハイパスフィルターにより構成されている。コンデンサ14の一端側は駆動信号発生部3に接続され、コンデンサ14の他端側は駆動用の固定電極7に接続されている。このコンデンサ14の他端側から駆動用の固定電極7に至るまでの信号経路上に抵抗体15の一端側が接続され、抵抗体15の他端側は直流電源接続部11を介して直流バイアス電源12に接続されている。
【0016】
このパッシブフィルター10において、コンデンサ14は、駆動信号発生部3から出力された駆動信号の直流バイアスVbをカットして駆動信号から交流信号Vsを取り出して出力する。抵抗体15は、直流バイアス電源12から直流電源接続部11を介して直流バイアスVeを取り込んで、この直流バイアスVeと、コンデンサ14により取り出された交流信号Vsとを重畳させる。その重畳信号が駆動信号としてパッシブフィルター10から駆動用の固定電極7に供給される。
【0017】
この第1実施形態例では、駆動信号発生部3から出力される駆動信号の交流信号Vsの振幅hが最も大きくなるように、駆動信号発生部3から出力される駆動信号の直流バイアスVbが定められている。例えば、駆動信号発生部3の出力の上限電圧値をVmaxとした場合に、その直流バイアスVbは、Vmax/2、又は、その近傍の値となっている。
【0018】
また、直流バイアス電源12からパッシブフィルター10に供給される直流バイアスVeは、駆動信号発生部3から出力された駆動信号の直流バイアスVbよりも高い値を有している。このため、この第1実施形態例では、駆動用の固定電極7に供給される駆動信号は、駆動信号発生部3から出力できる最大振幅を持つ交流信号Vsと、駆動信号発生部3の出力駆動信号の直流バイアスVbよりも高い直流バイアスVeとの重畳信号となっている。これにより、この第1実施形態例では、駆動信号発生部3から直接的に駆動信号がパッシブフィルター10に供給される場合に比べて、駆動信号の直流バイアスが駆動信号発生部3の直流バイアスVbから当該直流バイアスVbよりも高い直流バイアス電源12の直流バイアスVeに変換された分、駆動用の可動電極6と固定電極7間の静電力(つまり、駆動信号の直流バイアスVeと、交流信号Vsの振幅hとの積に応じた力)を大きくすることができる。
【0019】
すなわち、この第1実施形態例の構成では、駆動信号発生部3から出力できる交流信号Vsの最大振幅を維持したまま、駆動信号の直流バイアスを容易に高めることができるので、駆動信号に基づいた駆動用の可動電極6と固定電極7間の静電力を容易に大きくすることができる。これにより、静電駆動型振動ジャイロ装置1の検出感度を向上させることができる。
【0020】
以下に、第2実施形態例を説明する。この第2実施形態例では、図3に示されるように、直流バイアス電源12からパッシブフィルター10に至るまでの直流バイアス供給経路上に、昇圧部17が設けられている。この昇圧部17は、直流バイアス電源12から供給されてきた直流バイアスVeを昇圧してパッシブフィルター10に加える構成を有している。昇圧部17以外の構成は第1実施形態例と同様であり、この第2実施形態例の説明では、第1実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【0021】
例えば、直流バイアス電源12から出力される直流バイアスVeが、駆動信号の直流バイアスとして要求する電圧値よりも低い場合に、昇圧部17によって、その直流バイアス電源12の直流バイアスVeを要求の電圧値まで高めることができる。その昇圧部17の回路構成は簡単であることから、直流バイアス電源12の直流バイアスVeが、検出感度を高めるための電圧値よりも低い場合であっても、静電駆動型振動ジャイロ装置1の大型化を抑制しながら、検出感度を高めることができる高い直流バイアスを持つ駆動信号を作り出すことが可能である。
【0022】
以下に、第3実施形態例を説明する。
【0023】
この第3実施形態例では、外部の直流バイアス電源12から直流バイアスVeをパッシブフィルター10に供給するのではなく、図4に示すように、自動利得制御部18を設け当該自動利得制御部18を直流バイアス電源として機能させ、自動利得制御部18から直流バイアスVeをパッシブフィルター10に供給する構成としている。それ以外の構成は、第1実施形態例と同様である。この第3実施形態例では、第1実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【0024】
振動体2に設けられているモニタ用の可動電極8と、これに間隔を介して対向するモニタ用の固定電極9と、C/V変換部4とは、駆動振動モニタ手段を構成している。つまり、振動体2の駆動振動の振幅変化に応じて、モニタ用の可動電極8と固定電極9間の静電容量が変化し、この静電容量変化がC/V変換部4によって電圧に変換されてC/V変換部4から駆動振動の検出振幅のモニタ信号が出力される。
【0025】
自動利得制御部18は、直流バイアス発生部20と整流平滑部21を有して構成されている。整流平滑部21は、C/V変換部4から出力された交流のモニタ信号を整流平滑して直流のモニタ信号に変換する。
【0026】
直流バイアス発生部20には基準電源接続部22が接続されており、基準電源接続部22に接続される基準電源(図示せず)から予め定められた基準電圧が供給される。直流バイアス発生部20は、整流平滑部21から出力された直流のモニタ信号と、基準電源接続部22を介して供給される基準電圧とを比較し、基準電圧値に対する直流のモニタ信号の差分に応じた直流バイアスを作り出す。この直流バイアスVeがパッシブフィルター10に供給される。パッシブフィルター10は、駆動信号発生部3の駆動信号から取り出した交流信号Vsをその自動利得制御部18からの直流バイアスVeに重畳して駆動信号を作り出して駆動用の固定電極7に出力する。
【0027】
この第3実施形態例では、自動利得制御部18から出力される直流バイアスVeは、振動体2の駆動振動の振幅が設定の振幅となるように調整された電圧値であり、また、駆動信号発生部3から出力される信号の直流バイアスVbよりも高い値まで調整することができる。この直流バイアスVeに交流信号Vsが重畳されて成る駆動信号が駆動用の固定電極7に供給されることによって、静電駆動型振動ジャイロ装置1の検出感度を高めることができるだけでなく、振動体2の駆動信号の振幅の安定化を図ることができる。
【0028】
なお、この発明は第1〜第3の各実施形態例の形態に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、第1実施形態例では、駆動信号発生部3から出力される交流信号Vsは、駆動信号発生部3から出力できる最大の振幅を持つものであったが、その交流信号Vsの振幅はその最大振幅に限定されるものではなく、最大振幅以外の振幅としてもよいものである。
【0029】
また、第3実施形態例では、自動利得制御部18から直接的に直流バイアスVeをパッシブフィルター10に供給していたが、例えば、自動利得制御部18からパッシブフィルター10に至るまでの信号経路上に、第2実施形態例に示したような昇圧部17を介設してもよい。
【0030】
【発明の効果】
この発明によれば、駆動信号発生部から振動体に向かう駆動信号経路上に、例えばパッシブフィルター等から成る駆動信号直流バイアス変換部を設け、この駆動信号直流バイアス変換部によって、駆動信号発生部の駆動信号から交流信号が取り出され、この取り出された交流信号が直流バイアス電源からの直流バイアスに重畳され当該重畳信号が駆動信号として振動体に向けて供給される構成とした。この構成によって、駆動信号発生部から出力された駆動信号の交流信号の振幅を維持したままの交流信号と、駆動信号発生部から出力された駆動信号の直流バイアスよりも高い直流バイアス電源の直流バイアスとの重畳信号である駆動信号を作り出すことができる。これにより、駆動信号発生部から直接的に駆動信号が振動体に供給される場合に比べて、駆動信号の直流バイアスが高くなる分、駆動信号に基づいた静電力(つまり、駆動信号の直流バイアスと、交流信号の振幅との積に応じた力)を大きくすることができる。
【0031】
駆動信号発生部は、通常、ICやオペアンプ等の能動素子を利用して駆動信号を作り出す構成を有しており、その能動素子の性質によって、駆動信号発生部から出力する駆動信号の上限電圧値は予め定まり、この上限電圧値の規制によって、駆動信号発生部の駆動信号の直流バイアスと、交流信号の振幅とを両方共に大きくすることは難しかった。今までは、その駆動信号発生部の駆動信号が直接的に振動体に供給されていたので、その駆動信号に基づいた静電力の増加は難しかった。
【0032】
これに対して、この発明では、振動体に供給される駆動信号は、駆動信号発生部により作り出された交流信号と、駆動信号発生部とは別個独立の直流バイアス電源からの直流バイアスとの重畳信号であることから、当該振動体に供給される駆動信号の交流信号の振幅と、直流バイアスとを別々に制御することができる。このため、駆動信号に基づいた静電力の増加が容易となる。この静電力の増加によって、静電駆動型振動ジャイロ装置の検出感度を向上させることが容易となる。
【0033】
また、直流バイアス電源から駆動信号直流バイアス変換部に至るまでの直流バイアス供給経路上に昇圧部が設けられているものにあっては、例えば、直流バイアス電源から出力する直流バイアスが、検出感度を高めるための要求の電圧値よりも低い場合に、昇圧部によって、その直流バイアス電源の直流バイアスを要求の電圧値に昇圧することで、検出感度を高めることができる直流バイアスを駆動信号直流バイアス変換部に供給することができて、静電駆動型振動ジャイロ装置の検出感度を向上させることができる。
【0034】
自動利得制御部を直流バイアス電源として機能させるものにあっては、自動利得制御部から出力される直流バイアスに交流信号が重畳されて駆動信号が作り出されて振動体に出力される。自動利得制御部から出力される直流バイアスは、振動体の駆動信号の振幅が設定の振幅となるように調整された電圧値であり、また、駆動信号発生部から出力される信号の直流バイアスよりも高い値まで調整することができるので、検出の高さを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態例の静電駆動型振動ジャイロ装置を説明するための図である。
【図2】パッシブフィルターの一構成例を示す説明図である。
【図3】第2実施形態例を説明するための図である。
【図4】第3実施形態例を説明するための図である。
【図5】静電駆動型振動ジャイロ装置の一従来例を説明するための図である。
【図6】従来の課題を説明するための図である。
【符号の説明】
1 静電駆動型振動ジャイロ装置
2 振動体
3 駆動信号発生部
10 パッシブフィルター
12 直流バイアス電源
14 コンデンサ
15 抵抗体
17 昇圧部
18 自動利得制御部
20 直流バイアス発生部
21 整流平滑部
Claims (5)
- 直流バイアスに交流信号を重畳して予め定められる上限電圧値以下の電圧の駆動信号を作り出す駆動信号発生部と、前記駆動信号に基づいた静電力によって振動する振動体とを有する静電駆動型振動ジャイロ装置において、前記駆動信号発生部から前記振動体に至る駆動信号の経路に駆動信号直流バイアス変換部が介設されており、該駆動信号直流バイアス変換部は、前記駆動信号発生部から供給される駆動信号を取り込む駆動信号の導入部と、前記駆動信号発生部とは別個の直流バイアス電源から供給される直流バイアスを取り込む直流バイアスの導入部と、前記駆動信号発生部から前記駆動信号の導入部に出力された駆動信号の直流バイアスをカットして駆動信号から交流信号を取り出し、この取り出した交流信号を前記直流バイアス電源から前記直流バイアスの導入部に供給された直流バイアスに重畳させ、この重畳信号を駆動信号として振動体に向けて出力する回路とを備え、前記直流バイアス電源は、前記駆動信号発生部の直流バイアスよりも高い直流バイアスを発生させる構成と成すか、又は直流バイアス電源から前記直流バイアスの導入部に至る電気経路に電圧の昇圧部を設けて、前記直流バイアスの導入部に導入される直流バイアスを前記駆動信号発生部から出力される直流バイアスよりも高くし、以て、前記駆動信号直流バイアス変換部は、前記交流信号を重畳する直流バイアスを前記駆動信号発生部の直流バイアスから前記直流バイアス電源を供給源とする直流バイアスに変換して、振動体に印加する重畳信号の電圧を前記駆動信号発生部が出力する重畳信号の電圧よりも高めることを特徴とする静電駆動型振動ジャイロ装置。
- 直流バイアス電源は、外部の直流バイアス電源と成し、この外部の直流バイアス電源から電気経路を介して直流バイアスが駆動信号直流バイアス変換部の直流バイアスの導入部に供給されることを特徴とする請求項1記載の静電駆動型振動ジャイロ装置。
- 前記駆動信号直流バイアス変換部が受動部品だけで構成されたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の静電駆動型振動ジャイロ装置。
- 駆動信号に基づいた静電力による振動体の駆動振動の振幅を検出してその検出振幅のモニタ信号を出力する駆動振動モニタ手段が設けられ、また、そのモニタ信号に基づいて、振動体を予め定められた設定の振幅で駆動振動させるための直流バイアスを作り出して前記駆動信号直流バイアス変換部に供給する自動利得制御部が設けられ、この自動利得制御部が直流バイアス電源として機能することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の静電駆動型振動ジャイロ装置。
- 自動利得制御部は、駆動振動モニタ手段から出力された交流のモニタ信号を整流平滑して直流のモニタ信号に変換する整流平滑部と、その直流のモニタ信号の電圧値と、予め定められた基準電圧値とを比較して、基準電圧値に対する直流のモニタ信号の電圧値の差分に応じた直流バイアスを作り出して前記駆動信号直流バイアス変換部に向けて出力する直流バイアス発生部とを有していることを特徴とする請求項4記載の静電駆動型振動ジャイロ装置。
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JP2002380194A JP4310455B2 (ja) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | 静電駆動型振動ジャイロ装置 |
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