JP2000329560A - Angular velocity sensor and its detection circuit - Google Patents

Angular velocity sensor and its detection circuit

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JP2000329560A
JP2000329560A JP11137292A JP13729299A JP2000329560A JP 2000329560 A JP2000329560 A JP 2000329560A JP 11137292 A JP11137292 A JP 11137292A JP 13729299 A JP13729299 A JP 13729299A JP 2000329560 A JP2000329560 A JP 2000329560A
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JP
Japan
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angular velocity
detecting
vibrator
detection
signal
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JP11137292A
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Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Isono
仁志 磯野
Hisashi Ogaki
久志 大垣
Tomohisa Komoda
智久 薦田
Toru Kira
徹 吉良
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an angular velocity sensor by which an angular velocity can be detected with good efficiency even when a deviation is generated in the phase of an output signal due to the Coriolis force and in the phase of a signal to be used as the gate signal of a synchronous detection. SOLUTION: Since, by setting the inclination state of a vibrator 1 to an elliptical motion before an angular velicity is given, the null output of a detection means agrees with the phase of an output due to the Coriolis force, the output due to the Coriolis force can be detected by a detection signal itself. Consequently, since the phase of a null voltage does not differ from the phase of the output due to the Coriolis force, it is not required to set the null voltage at an apparent zero by using a differential circuit and to synchronously detect the null voltage by a driving signal or a signal for feedback.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、運動している物体
に角速度が加わると物体の運動方向と直交する方向に働
くコリオリの力を検出することで、角速度の大きさを検
出する角速度センサおよびその検出回路に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor for detecting the magnitude of an angular velocity by detecting a Coriolis force acting in a direction perpendicular to the direction of motion of the moving object when the angular velocity is applied to the object. It relates to the detection circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】角速度センサは、カーナビゲーションシ
ステムの自律航法センサや、ビデオムービーの手振れ防
止センサとして広く用いられている。中でも、圧電体を
振動子の駆動、コリオリ力の検出に用いた圧電ジャイロ
は小型で、安価な角速度センサとして広く用いられてい
る。たとえば、文献「圧電ジャイロ・センサ技術の基
礎」エレクトロニク・セラミクス、1991年10月
号,pp.27−35には、このような圧電ジャイロが
開示されている。
2. Description of the Related Art An angular velocity sensor is widely used as an autonomous navigation sensor for a car navigation system and a camera shake prevention sensor for a video movie. Above all, a piezoelectric gyro using a piezoelectric body for driving a vibrator and detecting Coriolis force is widely used as a small and inexpensive angular velocity sensor. For example, see the document “Basics of Piezoelectric Gyroscope Sensor Technology”, Electronic Ceramics, October 1991, pp. 146-64. 27-35 discloses such a piezoelectric gyro.

【0003】図10は、このような第1の従来の圧電ジ
ャイロからなる角速度センサの構成を示す概略ブロック
図である。
FIG. 10 is a schematic block diagram showing the configuration of an angular velocity sensor comprising such a first conventional piezoelectric gyro.

【0004】図10においては、圧電ジャイロ部分は平
面図で示している。図10を参照して、圧電ジャイロに
おいて、横断面が四角形の振動子1は、駆動用圧電体2
0と帰還用圧電体21とを用いた自励発振回路30によ
り、x軸方向に所定の自励振動を行なう。そして、この
ような振動の下に、z軸まわりの角速度Ωが加わると、
自励振動と直交するy軸方向に振動が励起され、このy
軸方向の振動により検出用圧電体22および23に電圧
が発生する。
[0004] In FIG. 10, a piezoelectric gyro part is shown in a plan view. Referring to FIG. 10, in a piezoelectric gyro, a vibrator 1 having a rectangular cross section is provided with a driving piezoelectric body 2.
A predetermined self-excited oscillation is performed in the x-axis direction by a self-excited oscillation circuit 30 using 0 and the feedback piezoelectric body 21. Then, when an angular velocity Ω about the z-axis is applied under such vibration,
Vibration is excited in the y-axis direction orthogonal to the self-excited vibration.
A voltage is generated in the detection piezoelectric bodies 22 and 23 by the axial vibration.

【0005】これらの電圧を、差動回路31、同期検波
回路32、平滑回路33を通過させることにより、角速
度Ωに比例する直流電圧出力として、角速度センサは出
力する。
By passing these voltages through a differential circuit 31, a synchronous detection circuit 32, and a smoothing circuit 33, the angular velocity sensor outputs a DC voltage output proportional to the angular velocity Ω.

【0006】このような圧電ジャイロの場合、コリオリ
の力により検出用圧電体22および23に生じる電圧
は、自励発振回路30の駆動信号と位相が一致するの
で、駆動信号でコリオリの力による圧力信号の位相を検
波することで、コリオリの力による信号のみを取出すこ
とができる。
In the case of such a piezoelectric gyro, the voltage generated in the detecting piezoelectric members 22 and 23 by the Coriolis force coincides in phase with the drive signal of the self-excited oscillation circuit 30. By detecting the phase of the signal, only the signal due to the Coriolis force can be extracted.

【0007】しかしながら、振動子1のx軸方向の振動
とy軸方向の振動の間に機械的な漏れ結合が生じる場合
には、振動子1は、角速度が加わっていないときにも、
x軸方向の振動によりy軸方向にも振動してしまい、こ
れがヌル電圧として検出用圧電体22および23から出
力される。
However, when mechanical leakage coupling occurs between the vibration in the x-axis direction and the vibration in the y-axis direction of the vibrator 1, the vibrator 1 can operate even when no angular velocity is applied.
Vibration in the x-axis direction also causes vibration in the y-axis direction, which is output from the detecting piezoelectric bodies 22 and 23 as a null voltage.

【0008】検出用圧電体22および23の和動をとる
と、ヌル電圧は見かけ上ゼロにすることができるが、角
速度が加わったときのコリオリの力による電圧信号も相
殺されてしまい検出できなくなる。
When the summation of the detecting piezoelectric members 22 and 23 is performed, the null voltage can be apparently reduced to zero, but the voltage signal due to the Coriolis force when the angular velocity is applied is canceled out, and the detection becomes impossible. .

【0009】そこで、ヌル電圧が生じている場合には、
帰還用圧電体21から出力される電圧と、検出用圧電体
22あるいは23から出力されるヌル電圧の位相が一致
することを利用して、帰還用圧電体21の出力と、検出
用圧電体22あるいは23の出力との差動をとること
で、見かけ上ヌル電圧をゼロにすることができ、駆動信
号でコリオリの力による電圧信号の位相を検波すること
で、コリオリの力による信号のみを取出す方法がとられ
ている。
Therefore, when a null voltage is generated,
Using the fact that the phase of the voltage output from the feedback piezoelectric element 21 and the phase of the null voltage output from the detection piezoelectric element 22 or 23 match, the output of the feedback piezoelectric element 21 and the detection piezoelectric element 22 are used. Alternatively, by taking the differential with the output of 23, the null voltage can be apparently reduced to zero, and only the signal due to the Coriolis force is extracted by detecting the phase of the voltage signal due to the Coriolis force with the drive signal. The method has been taken.

【0010】上述したヌル電圧の問題を解決する方法
が、文献「小形ジャイロとその応用」、日本機械学会
誌、11月号、1993年、pp.14−17に示され
ている。
A method for solving the problem of the null voltage described above is described in the document “Small Gyro and Its Application”, Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, November, 1993, pp. 14-17.

【0011】図11は、圧電ジャイロにおいて振動子の
断面が三角形である場合の構成の例を示す概略ブロック
図である。
FIG. 11 is a schematic block diagram showing an example of the configuration of a piezoelectric gyro in the case where the cross section of the vibrator is triangular.

【0012】図11を参照して、従来の圧電ジャイロ
は、横断面が三角形である振動子1と、駆動用圧電体2
4および25と、帰還用圧電体21とを用いた自励発振
回路30により、x軸方向に所定の自励振動を行なう。
そして、このような振動の下に、z軸まわりの角速度Ω
が加わると、自励発振と直交するy軸方向に振動が励起
される。
Referring to FIG. 11, a conventional piezoelectric gyro includes a vibrator 1 having a triangular cross section and a driving piezoelectric body 2.
A predetermined self-excited oscillation is performed in the x-axis direction by a self-excited oscillation circuit 30 using 4 and 25 and the feedback piezoelectric body 21.
Then, under such vibration, the angular velocity Ω around the z-axis
Is added, vibration is excited in the y-axis direction orthogonal to the self-excited oscillation.

【0013】ここでは、y軸方向の振動を検出用圧電体
を兼ねた駆動用圧電体24および25に発生する電圧
を、差動回路31、同期検波回路32、平滑回路33を
通過させることにより、角速度Ωに比例する直流電圧出
力として出力する。
Here, the voltage generated on the driving piezoelectric elements 24 and 25 which also serves as the piezoelectric element for detecting the vibration in the y-axis direction is passed through a differential circuit 31, a synchronous detection circuit 32 and a smoothing circuit 33. , And output as a DC voltage output proportional to the angular velocity Ω.

【0014】この場合、検出用圧電体を兼ねる駆動用圧
電体24および25には、角速度が加わっていないとき
にもx軸方向の振動により電圧が発生する。しかしなが
ら、それら電圧の位相が一致するので、差動をとること
で見かけ上ゼロにすることができる。
In this case, a voltage is generated in the driving piezoelectric members 24 and 25 also serving as the detecting piezoelectric members by vibration in the x-axis direction even when no angular velocity is applied. However, since the phases of the voltages match, the difference can be apparently reduced to zero.

【0015】しかも、角速度が加わったときには、検出
用圧電体を兼ねる駆動用圧電体24および25にはコリ
オリの力により電圧が逆位相に生じることになるので、
両者の差動をとることで、見かけ上のヌル電圧を相殺す
るとともに、駆動信号で位相を検波することにより、コ
リオリの力による電圧だけを取出すことができる。
In addition, when an angular velocity is applied, voltages are generated in opposite phases by the Coriolis force on the driving piezoelectric elements 24 and 25 which also serve as detecting piezoelectric elements.
By taking the difference between the two, it is possible to cancel the apparent null voltage and to detect only the voltage due to the Coriolis force by detecting the phase with the drive signal.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】図10に示すような第
1の従来の圧電ジャイロは、ヌル電圧がゼロの場合に
は、コリオリの力による出力だけが検出用圧電体から出
力されるので、駆動信号と同期検波することにより、角
速度の大きさを検出出力の大きさによって、角速度の方
向成分を検出出力の正負によって検出することができ
る。
In the first conventional piezoelectric gyro as shown in FIG. 10, when the null voltage is zero, only the output by the Coriolis force is output from the detecting piezoelectric body. By performing synchronous detection with the drive signal, the magnitude of the angular velocity can be detected by the magnitude of the detection output, and the directional component of the angular velocity can be detected by the sign of the detection output.

【0017】ところが、振動子を理想的に駆動方向であ
るx軸方向にのみ変位成分を持つ振動状態にすることは
困難であり、何らかの方法でヌル電圧を相殺しないと、
同期検波によりコリオリの力による出力だけを抜き出す
ことができない。
However, it is difficult to make the vibrator ideally a vibration state having a displacement component only in the x-axis direction, which is the driving direction, and if the null voltage is not canceled by any method,
Synchronous detection cannot extract only the output due to the Coriolis force.

【0018】そこで、ヌル電圧を、位相の等しいあるい
は逆位相となる帰還用の圧電体信号と差動をとることで
見かけ上ゼロにしている。
Therefore, the null voltage is apparently reduced to zero by taking the differential from the feedback piezoelectric signal having the same or opposite phase.

【0019】しかしながら、差動回路に入力される信号
の振幅を正確に一致させる必要があり、また、差動回路
に入力される信号の位相関係は、振動子の振動バランス
が崩れると、同位相あるいは逆位相からずれるので、ヌ
ル電圧を見かけ上ゼロにすることができず、同期検波し
てもコリオリの力による出力のみを抜き出すことができ
ないという問題を有していた。
However, it is necessary to exactly match the amplitudes of the signals input to the differential circuit, and the phase relationship of the signals input to the differential circuit may be the same if the vibration balance of the oscillator is lost. Alternatively, since the phase shifts from the opposite phase, the null voltage cannot be apparently reduced to zero, and there is a problem that only the output due to the Coriolis force cannot be extracted even with synchronous detection.

【0020】また、図11に示すような第2の従来の圧
電ジャイロは、駆動用圧電体を兼ねた2個の検出用圧電
体からの出力の差動をとることで、見かけ上のヌル電圧
をゼロにしている。しかしながら、この場合も差動回路
に入力される2個の検出信号の振幅を正確に一致させる
必要があり、また、差動回路に入力される2個の検出信
号の位相関係は、振動子の振動バランスが崩れると、同
位相からずれるので、ヌル電圧を見かけ上ゼロにするこ
とはできない。したがって、同期検波してもコリオリの
力による出力のみを抜き出すことが必ずしもできないと
いう問題を有していた。
A second conventional piezoelectric gyro as shown in FIG. 11 obtains an apparent null voltage by taking a difference between outputs from two detecting piezoelectric bodies which also serve as driving piezoelectric bodies. Is set to zero. However, also in this case, it is necessary to exactly match the amplitudes of the two detection signals input to the differential circuit, and the phase relationship between the two detection signals input to the differential circuit depends on the vibrator. If the vibration balance is lost, the phase is shifted from the same phase, so that the null voltage cannot be apparently reduced to zero. Therefore, there is a problem that it is not always possible to extract only the output due to the Coriolis force even with synchronous detection.

【0021】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであって、その目的は、差動回路によ
りヌル電圧を見かけ上ゼロにする必要がなく、また、同
期検波のために検出手段以外の信号を用いる必要のない
角速度センサを提供することである。
The present invention has been made in order to solve such a problem, and an object of the present invention is to eliminate the necessity of making a null voltage seemingly zero by a differential circuit, and to realize a synchronous detection. It is an object of the present invention to provide an angular velocity sensor which does not need to use a signal other than the detection means.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の角速度セ
ンサは、振動子と、振動子を励振する駆動手段と、励振
状態を検出し、駆動手段の励振動作を制御するための帰
還用の第1の検出手段と、振動子の中心軸と平行な軸を
中心軸として外部から作用する角速度に応じたコリオリ
の力による振動成分を検出する第2の検出手段とを備
え、角速度が角速度センサに加わる前において、駆動手
段により励振された振動子の振動が、振動子の中心軸と
直交する面内で円運動または楕円運動をする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an angular velocity sensor for driving a vibrator, a driving means for exciting the vibrator, and a feedback for detecting an excitation state and controlling an excitation operation of the driving means. A first detecting means, and a second detecting means for detecting a vibration component caused by Coriolis force corresponding to an angular velocity acting from outside with an axis parallel to the central axis of the vibrator as a central axis, wherein the angular velocity is an angular velocity sensor Before the vibration, the vibration of the vibrator excited by the driving means makes a circular motion or an elliptical motion in a plane orthogonal to the central axis of the vibrator.

【0023】請求項2記載の角速度センサは、請求項1
記載の角速度センサの構成に加えて、第2の検出手段の
出力信号に基づいて、第2の検出手段からの信号の絶対
値の時間平均に比例する角速度検出信号を生成する信号
変換手段をさらに備える。
The angular velocity sensor according to the second aspect is the first aspect.
In addition to the configuration of the angular velocity sensor described above, a signal conversion unit that generates an angular velocity detection signal proportional to a time average of the absolute value of the signal from the second detection unit based on the output signal of the second detection unit is further provided. Prepare.

【0024】請求項3記載の角速度センサは、請求項1
記載の角速度センサの構成に加えて、コリオリの力によ
る振動成分を検出する第2の検出手段は、圧電体を含
む。
According to a third aspect of the present invention, there is provided an angular velocity sensor.
In addition to the configuration of the angular velocity sensor described above, the second detection unit that detects a vibration component due to Coriolis force includes a piezoelectric body.

【0025】請求項4記載の角速度センサは、請求項1
記載の角速度センサの構成に加えて、コリオリの力によ
る振動成分を検出する第2の検出手段は、振動子の自由
端に設けられる少なくとも1個の永久磁石と、永久磁石
の位置変化により誘起される誘導電流を検出するコイル
とを含む。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an angular velocity sensor.
In addition to the configuration of the angular velocity sensor described above, the second detection means for detecting a vibration component due to Coriolis force is at least one permanent magnet provided at a free end of the vibrator and is induced by a change in position of the permanent magnet. And a coil for detecting an induced current.

【0026】請求項5記載の角速度センサは、請求項4
記載の角速度センサの構成に加えて、自由端近傍に少な
くとも1個の永久磁石が設けられた振動子が、第2の検
出手段のコイル面と直交する方向に磁化された磁性体で
ある。
According to the fifth aspect of the present invention, there is provided an angular velocity sensor according to the fourth aspect.
In addition to the configuration of the angular velocity sensor described above, the vibrator provided with at least one permanent magnet near the free end is a magnetic body magnetized in a direction orthogonal to the coil surface of the second detection means.

【0027】請求項6記載の角速度センサは、請求項4
または5記載の角速度センサの構成に加えて、コリオリ
の力による振動成分を検出する第2の検出手段が含むコ
イルが、中心軸とコイル面とを平行に保ちながら回転移
動可能である。
According to the sixth aspect of the present invention, there is provided an angular velocity sensor according to the fourth aspect.
Alternatively, in addition to the configuration of the angular velocity sensor described in 5, the coil included in the second detection means for detecting a vibration component caused by Coriolis force is rotatable while keeping the center axis and the coil surface parallel.

【0028】請求項7記載の角速度センサは、請求項1
ないし6のいずれかに記載の角速度センサの構成に加え
て、振動子を励振する駆動手段は、圧電体を含む。
According to the seventh aspect of the present invention, there is provided an angular velocity sensor according to the first aspect.
In addition to the configuration of the angular velocity sensor according to any one of the first to sixth aspects, the driving unit that excites the vibrator includes a piezoelectric body.

【0029】請求項8記載の角速度センサは、請求項1
ないし6のいずれかに記載の角速度センサの構成に加え
て、振動子を励振する駆動手段は、コイルを含む。
The angular velocity sensor according to claim 8 is the first embodiment.
In addition to the configuration of the angular velocity sensor according to any one of (6) to (6), the driving unit for exciting the vibrator includes a coil.

【0030】請求項9記載の角速度センサは、請求項3
記載の角速度センサの構成に加えて、コリオリの力によ
る振動成分を検出する第2の検出手段が含む圧電体の出
力信号の位相が、駆動手段の駆動信号の位相と同位相あ
るいは逆位相である。
The angular velocity sensor according to the ninth aspect is the third aspect.
In addition to the configuration of the angular velocity sensor described above, the phase of the output signal of the piezoelectric body included in the second detection unit that detects the vibration component due to the Coriolis force is the same or opposite to the phase of the drive signal of the drive unit. .

【0031】請求項10記載の角速度センサは、請求項
4ないし6のいずれかに記載の角速度センサの構成に加
えて、コリオリの力による振動成分を検出する第2の検
出手段の含むコイルの出力信号の位相が、駆動手段の駆
動信号の位相に対して90°の位相差を有する。
According to a tenth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the angular velocity sensor according to any one of the fourth to sixth aspects, the output of the coil included in the second detecting means for detecting a vibration component due to Coriolis force is provided. The phase of the signal has a phase difference of 90 ° with respect to the phase of the drive signal of the drive means.

【0032】請求項11記載の角速度センサは、請求項
1ないし10のいずれかに記載の角速度センサの構成に
加えて、励振状態を検出する帰還用の第1の検出手段
は、圧電体を含む。
According to an eleventh aspect of the present invention, in addition to the configuration of the angular velocity sensor according to any one of the first to tenth aspects, the feedback first detecting means for detecting the excitation state includes a piezoelectric body. .

【0033】請求項12記載の角速度センサは、請求項
1ないし10のいずれかに記載の角速度センサの構成に
加えて、励振状態を検出する帰還用の第1の検出手段
は、コイルを含む。
According to a twelfth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the angular velocity sensor according to any one of the first to tenth aspects, the feedback first detecting means for detecting the excitation state includes a coil.

【0034】請求項13記載の角速度センサは、請求項
2記載の角速度センサの構成に加えて、信号変換手段
は、第2の検出手段の出力信号に基づいて、同期検波制
御信号を発生する検波制御手段と、同期検波制御手段に
基づいて、第2の検出手段の出力信号を同期検波し、角
速度検出信号を生成する同期検波手段をさらに備える。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the angular velocity sensor according to the second aspect, the signal conversion means includes a detection means for generating a synchronous detection control signal based on an output signal of the second detection means. The control device further includes a synchronous detection unit that synchronously detects the output signal of the second detection unit and generates an angular velocity detection signal based on the synchronous detection control unit.

【0035】請求項14記載の角速度センサは、請求項
2記載の角速度センサの構成に加えて、信号変換手段
は、第2の検出手段の出力信号を受けて、包絡線検波を
行い、角速度検出信号を生成する包絡線検波手段を含
む。
According to a fourteenth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the angular velocity sensor of the second aspect, the signal conversion means receives an output signal of the second detection means and performs envelope detection to detect the angular velocity. An envelope detection means for generating a signal is included.

【0036】請求項15記載の角速度センサの検出回路
は、振動子と、振動子を励振する駆動手段と、励振状態
を検出する帰還用の第1の検出手段と、振動子の中心軸
と平行な軸を中心軸として外部から作用する角速度に応
じたコリオリの力による振動成分を検出する第2の検出
手段とを備える角速度センサの検出回路であって、第2
の検出手段の出力信号に基づいて、同期検波制御信号を
発生する検波制御手段と、同期検波制御手段に基づい
て、第2の検出手段の出力信号を同期検波する同期検波
手段とを備える。
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided a detection circuit for an angular velocity sensor, comprising: a vibrator; driving means for exciting the vibrator; first detecting means for feedback for detecting an excited state; A second detecting means for detecting a vibration component caused by Coriolis force according to an angular velocity acting from the outside with a central axis as a central axis, the second circuit comprising:
A detection control means for generating a synchronous detection control signal based on the output signal of the detection means, and a synchronous detection means for synchronously detecting the output signal of the second detection means based on the synchronous detection control means.

【0037】請求項16記載の角速度センサの検出回路
は、振動子と、振動子を励振する駆動手段と、励振状態
を検出する帰還用の第1の検出手段と、振動子の中心軸
と平行な軸を中心軸として外部から作用する角速度に応
じたコリオリの力による振動成分を検出する第2の検出
手段とを備える角速度センサの検出回路であって、第2
の検出手段からの信号を入力する包絡線検波回路とを備
える。
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a detection circuit for an angular velocity sensor, comprising: a vibrator; driving means for exciting the vibrator; first detecting means for feedback for detecting an excited state; A second detecting means for detecting a vibration component caused by Coriolis force according to an angular velocity acting from the outside with a central axis as a central axis, the second circuit comprising:
And an envelope detection circuit for inputting a signal from the detecting means.

【0038】[0038]

【発明の実施の形態】以下、図1〜図9を参照して、本
発明の実施例について詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to FIGS.

【0039】[実施の形態1]本発明の実施の形態1の
角速度センサ部10の斜視図を図1に、平面図とブロッ
ク線図を図2に示す。図1および図2において、角速度
センサ部10は、振動子1、駆動用圧電体2、帰還用圧
電体3、検出用圧電体4で構成されている。
[Embodiment 1] FIG. 1 is a perspective view of an angular velocity sensor unit 10 according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view and a block diagram thereof. 1 and 2, the angular velocity sensor unit 10 includes a vibrator 1, a driving piezoelectric body 2, a feedback piezoelectric body 3, and a detecting piezoelectric body 4.

【0040】振動子1としては、周囲温度の変化に対し
て振動特性が変化しないように、恒弾性金属(住友特殊
金属製、EL−3)を用いることができる。他のエリン
バー合金等の恒弾性金属も用いることが可能である。圧
電体2、3、4としては、PZT(Pb(Zr,Ti)
3 )を用いることが可能であり、BaTiO3 等の圧
電セラミックスを用いることも可能である。
The vibrator 1 can be made of a constant elastic metal (manufactured by Sumitomo Special Metals, EL-3) so that the vibration characteristics do not change with changes in the ambient temperature. It is also possible to use a constant elastic metal such as another Elinvar alloy. As the piezoelectric bodies 2, 3, and 4, PZT (Pb (Zr, Ti)
O 3 ) can be used, and piezoelectric ceramics such as BaTiO 3 can also be used.

【0041】振動子1として圧電体を使用した場合に
は、圧電体2、3、4の代わりに電極を設ける構成とす
ることもできる。
When a piezoelectric body is used as the vibrator 1, an arrangement may be made in which electrodes are provided instead of the piezoelectric bodies 2, 3, and 4.

【0042】実施の形態1においては、振動子1は駆動
用圧電体2により励振される。このとき、振動子のx軸
方向の共振周波数とy軸方向の共振周波数が近いと、振
動子にはx軸方向とy軸方向の振動モードに機械的な結
合が生じ、振動子は図2の矢印DAで示すような楕円運
動の振動状態となる。すなわち、振動子1がx方向に駆
動されたとしても、上記のような機械的結合が生じるて
いると、x方向に振動している振動のエネルギーが、y
方向に振動を生じるように漏れていく。このような機械
的結合が存在する限り、エネルギーはy方向の振動に漏
れるので、振動子1の運動は、円もしくは楕円運動にな
る。この機械的な結合は、x方向、y方向の共振周波数
が近づけば近づくほど、大きくなる傾向にある。
In the first embodiment, the vibrator 1 is excited by the driving piezoelectric body 2. At this time, if the resonance frequency in the x-axis direction and the resonance frequency in the y-axis direction of the vibrator are close to each other, mechanical coupling occurs in the vibrator in vibration modes in the x-axis direction and the y-axis direction. The vibration state of the elliptical motion as shown by the arrow DA of FIG. That is, even if the vibrator 1 is driven in the x direction, if the above mechanical coupling occurs, the energy of the vibration vibrating in the x direction becomes y.
It leaks to generate vibration in the direction. As long as such a mechanical coupling exists, energy leaks into vibration in the y direction, so that the motion of the vibrator 1 is circular or elliptical. This mechanical coupling tends to increase as the resonance frequency in the x and y directions approaches.

【0043】本実施の形態では、たとえば、x軸方向の
共振周波数とy軸方向の共振周波数の差を2Hzとし、
駆動用圧電体2をx軸方向の共振周波数で駆動してい
る。
In this embodiment, for example, the difference between the resonance frequency in the x-axis direction and the resonance frequency in the y-axis direction is 2 Hz,
The driving piezoelectric body 2 is driven at a resonance frequency in the x-axis direction.

【0044】しかしながら振動子1のx軸方向の共振周
波数とy軸方向の共振周波数、および駆動用圧電体2の
駆動周波数は、駆動振動状態が円運動あるいは楕円運動
の状態になるように設定すればよい、たとえば、共振周
波数が2〜8kHz程度の振動子では、x軸方向の共振
周波数とy軸方向の共振周波数の差が10Hz以下の範
囲になるように調整すれば、振動子を円運動あるいは楕
円運動で振動させることができる。このように設定する
ことで、円運動または楕円運動によるヌル出力が十分検
出可能なレベルとなり、後に説明するような同期検波が
可能となる。
However, the resonance frequency in the x-axis direction and the resonance frequency in the y-axis direction of the vibrator 1 and the driving frequency of the driving piezoelectric element 2 are set so that the driving vibration state is a circular motion or an elliptical motion. For example, in a vibrator having a resonance frequency of about 2 to 8 kHz, if the difference between the resonance frequency in the x-axis direction and the resonance frequency in the y-axis direction is adjusted to a range of 10 Hz or less, the vibrator moves in a circular motion. Alternatively, it can be vibrated by elliptical motion. With this setting, the null output due to the circular motion or the elliptical motion becomes a sufficiently detectable level, and the synchronous detection described later becomes possible.

【0045】従来は、このような機械的結合を如何に小
さくするかに努力が払われてきたが、本発明では、以下
に説明するように、このような機械的結合を角速度の検
出に利用する。
Conventionally, efforts have been made to reduce such a mechanical coupling. In the present invention, however, such a mechanical coupling is used for detecting an angular velocity as described below. I do.

【0046】また、駆動用圧電体2をy軸方向の共振周
波数で駆動する方法でも、振動子を円もしくは楕円の振
動状態で励振することができ、この場合には、x軸方向
の共振周波数とy軸方向の共振周波数の差は10Hz以
上あってもよい。
Also, by driving the driving piezoelectric body 2 at the resonance frequency in the y-axis direction, the vibrator can be excited in a circular or elliptical vibration state. In this case, the resonance frequency in the x-axis direction is increased. And the difference between the resonance frequencies in the y-axis direction may be 10 Hz or more.

【0047】これは、駆動方向(x方向)をy方向の共
振周波数で駆動することにより、本来y方向に非常に振
動しやすい周波数(y方向の共振周波数)でx方向に振
動するので、x、y方向の共振周波数が離れていても、
y方向の振動が容易に生じるためである。もともと、x
方向に駆動しているため、当然にx方向の振動成分をも
ち、結果として、共振周波数の差Δfが大きい場合で
も、振動子1は円または楕円運動をすることになる。
This is because, by driving the driving direction (x-direction) at the resonance frequency in the y-direction and vibrating in the x-direction at a frequency (resonance frequency in the y-direction) that is originally very easy to vibrate in the y-direction, x , Even if the resonance frequencies in the y direction are far apart,
This is because vibration in the y direction is easily generated. Originally, x
As a result, the vibrator 1 has a circular or elliptical motion even when the difference Δf between the resonance frequencies is large.

【0048】すなわち、いずれの方式でも、角速度セン
サに角速度が加わる前の初期状態において、振動子1は
すでに、円運動ないし楕円運動を行っていることにな
る。
That is, in any method, in the initial state before the angular velocity is applied to the angular velocity sensor, the vibrator 1 has already performed a circular motion or an elliptical motion.

【0049】帰還用圧電体3は、発信回路30中の制御
回路により振動子を所望の周波数で駆動するための帰還
信号を出力する。
The feedback piezoelectric element 3 outputs a feedback signal for driving the vibrator at a desired frequency by a control circuit in the transmission circuit 30.

【0050】z軸まわりの角速度Ωが加わると、角速度
Ωに比例したコリオリの力が振動子の運動方向と直交す
る方向に生じる。その結果、振動子1は、楕円運動の長
軸と短軸の半径が角速度の方向により大小する。そし
て、検出用圧電体4から出力される信号が大小するの
で、これにより角速度Ωを検出することができる。
When an angular velocity Ω about the z-axis is applied, Coriolis force proportional to the angular velocity Ω is generated in a direction orthogonal to the direction of motion of the vibrator. As a result, in the vibrator 1, the radii of the major axis and the minor axis of the elliptical motion increase or decrease in the direction of the angular velocity. Then, since the signal output from the detecting piezoelectric element 4 is large or small, the angular velocity Ω can be detected.

【0051】図3は、図2に示したゲート回路34およ
び同期検波回路32の動作を説明するためのタイミング
チャートである。
FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of gate circuit 34 and synchronous detection circuit 32 shown in FIG.

【0052】ゲート回路34は、検出用圧電体4からの
信号DSを受けて、この信号DSの正側のレベルに応じ
て、2値化されたゲート信号GS1を生成し、信号DS
の負側のレベルに応じて、2値化されたゲート信号GS
2を生成する。
The gate circuit 34 receives the signal DS from the detecting piezoelectric element 4 and generates a binarized gate signal GS1 according to the positive level of the signal DS.
Gate signal GS binarized according to the negative level of
Generate 2.

【0053】同期検波回路32では、信号DSを信号G
S1により検波することにより信号DM1を生成し、一
方、信号DSを信号GS2により検波することにより信
号DM2を生成する。同期検波回路32は、この信号D
M1と信号DM2の差分信号を同期検波後の信号とし
て、平滑回路33に出力する。
In the synchronous detection circuit 32, the signal DS is
The signal DM1 is generated by detecting the signal DS, and the signal DM2 is generated by detecting the signal DS by the signal GS2. The synchronous detection circuit 32 outputs the signal D
The difference signal between M1 and DM2 is output to the smoothing circuit 33 as a signal after synchronous detection.

【0054】図4は、実施の形態1の角速度センサの動
作を説明するためのタイミングチャートであり、図4
(a)は無回転時の、図4(b)は回転時の検出回路各
部での波形をそれぞれ示す。
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the angular velocity sensor according to the first embodiment.
FIG. 4A shows waveforms at each part of the detection circuit during non-rotation, and FIG.

【0055】図2の矢印Aの方向に楕円運動で振動して
いる振動子1の場合、無回転時の駆動信号、帰還用圧電
体信号、検出用圧電体のヌル電圧信号は、それぞれ図4
の(a)の(1)、(2)、(3)となる。
In the case of the vibrator 1 vibrating in an elliptical motion in the direction of arrow A in FIG. 2, the drive signal during non-rotation, the piezoelectric signal for feedback, and the null voltage signal of the piezoelectric element for detection are respectively shown in FIG.
(A) of (a), (2), and (3).

【0056】本実施の形態では、振動子1が楕円運動し
ているので、検出用圧電体のヌル電圧信号は、駆動信号
と同位相となる。
In the present embodiment, since the vibrator 1 performs an elliptical motion, the null voltage signal of the detecting piezoelectric element has the same phase as the drive signal.

【0057】次に、角速度センサ10が回転したときに
は、図4(b)の(3)に示すように、コリオリの力に
よる出力は、検出用圧電体のヌル電圧信号と同位相に発
生するので、図4(b)の(4)に示すように、検出用
圧電体信号DSをゲート回路34に入力し、ゲート回路
34からのゲート信号GS1、GS2を使って同期検波
回路32で同期検波し、平滑回路33で平滑化すること
で角速度を検出できる。
Next, when the angular velocity sensor 10 rotates, the output due to the Coriolis force is generated in the same phase as the null voltage signal of the detecting piezoelectric element as shown in (3) of FIG. 4 (b), the detection piezoelectric signal DS is input to the gate circuit 34, and synchronous detection is performed by the synchronous detection circuit 32 using the gate signals GS1 and GS2 from the gate circuit 34. The angular velocity can be detected by performing smoothing by the smoothing circuit 33.

【0058】以上、本実施の形態で示したように、振動
子1が楕円運動している場合、検出用圧電体のヌル電圧
の出力とコリオリの力による出力の位相が一致するの
で、従来のように、差動回路により見かけ上のヌル電圧
をゼロにする必要がない。しかも、駆動信号あるいは帰
還用圧電体信号により同期検波を行なう必要もないの
で、同期検波のときの位相のずれが生じず、効率よくコ
リオリの力を検出することができる。
As described above, when the vibrator 1 is in an elliptical motion as shown in the present embodiment, the output phase of the null voltage of the detecting piezoelectric body and the phase of the output due to the Coriolis force coincide with each other. Thus, it is not necessary to make the apparent null voltage zero by the differential circuit. In addition, since there is no need to perform synchronous detection using a drive signal or a feedback piezoelectric signal, a phase shift does not occur during synchronous detection, and Coriolis force can be detected efficiently.

【0059】なお、本実施の形態では、振動子1の振動
状態は楕円運動であるが、振動状態が円運動の場合も同
様の検出方法で角速度を検出することは可能である。。
In this embodiment, the vibration state of the vibrator 1 is an elliptical motion. However, even when the vibration state is a circular motion, the angular velocity can be detected by a similar detection method. .

【0060】また、本実施の形態では、振動子1として
片持ち針状の振動子を用いたが、音叉型、H型等の振動
子も用いることが可能である。
In this embodiment, a cantilevered vibrator is used as the vibrator 1, but a vibrator of a tuning fork type, an H type, or the like may be used.

【0061】また、本実施の形態では、駆動手段として
圧電体を用いたが、振動子の駆動振動側の辺に磁石と駆
動用のコイルを設け、電磁誘導により振動子を励振する
方法をとることもできる。
In the present embodiment, a piezoelectric body is used as the driving means. However, a method is employed in which a magnet and a driving coil are provided on the side of the vibrator on the side of the driving vibration, and the vibrator is excited by electromagnetic induction. You can also.

【0062】また、本実施の形態では、帰還用検出手段
に圧電体3を用いたが、帰還用検出手段として、振動子
に固定された永久磁石と、これに対向するコイルとの組
み合わせを用いることも可能である。
Further, in the present embodiment, the piezoelectric body 3 is used as the feedback detecting means. However, a combination of a permanent magnet fixed to the vibrator and a coil opposed to the permanent magnet is used as the feedback detecting means. It is also possible.

【0063】[実施の形態2]図5は、本発明の実施の
形態2の角速度センサの平面図およびブロック線図を示
す。本実施の形態において、検出回路の構成が異なる以
外は、振動子1の励振方法、振動状態についても、実施
の形態1と同様であるので、同一部分には同一符号を付
してその説明は繰返さない。
[Second Embodiment] FIG. 5 shows a plan view and a block diagram of an angular velocity sensor according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, except for the configuration of the detection circuit, the excitation method and the vibration state of the vibrator 1 are the same as those in the first embodiment. Do not repeat.

【0064】実施の形態2では、検出信号をゲート回路
からのゲート信号で同期検波する代わりに、包絡線検波
回路35を用いて、検出信号の振幅を検出している。
In the second embodiment, the amplitude of the detection signal is detected by using the envelope detection circuit 35 instead of performing synchronous detection of the detection signal with the gate signal from the gate circuit.

【0065】振動子1が楕円運動しているので、検出用
圧電体のヌル電圧の出力とコリオリの力による出力の位
相が一致するため、従来のように、差動回路により見か
け上のヌル電圧をゼロにして、コリオリの力による出力
成分のみを同期検波により取出す必要がない。
Since the vibrator 1 makes an elliptical motion, the output of the null voltage of the detecting piezoelectric element and the phase of the output due to the Coriolis force coincide with each other. And it is not necessary to extract only the output component due to the Coriolis force by synchronous detection.

【0066】したがって、包絡線検波回路35を用い
て、検出信号の振幅を検出するという簡単な回路構成で
効率よくコリオリの力を検出することができる。
Therefore, the Coriolis force can be efficiently detected with a simple circuit configuration using the envelope detection circuit 35 to detect the amplitude of the detection signal.

【0067】なお、本実施の形態では、振動子1の振動
状態は楕円運動であるが、振動状態が円運動の場合も、
同様の検出方法で角速度を検出することが可能である。
In the present embodiment, the vibrating state of the vibrator 1 is an elliptical motion.
It is possible to detect the angular velocity by a similar detection method.

【0068】また、本実施例では、振動子1として片持
ち針状の振動子を用いたが、音叉型、H型等の振動子も
好適に用いることができる。また、本実施例では、駆動
手段として圧電体を用いたが、振動子の駆動振動側の辺
に磁石と駆動用のコイルを設け、電磁誘導により振動子
を励振する方法をとることもできる。
In this embodiment, a cantilevered vibrator is used as the vibrator 1, but a vibrator of a tuning fork type, an H type, or the like can also be suitably used. In this embodiment, the piezoelectric body is used as the driving means. However, a method may be adopted in which a magnet and a driving coil are provided on the side of the vibrator on the driving vibration side, and the vibrator is excited by electromagnetic induction.

【0069】また、本実施の形態では、帰還用検出手段
に圧電体3を用いたが、帰還用検出手段としてコイルを
用いることも可能である。
In the present embodiment, the piezoelectric body 3 is used as the feedback detecting means. However, a coil may be used as the feedback detecting means.

【0070】[実施の形態3]図6は、本発明の実施の
形態3の角速度センサ部12の斜視図を示す。さらに、
図7は、本発明の実施の形態3の角速度センサの平面図
およびブロック線図を示す。
[Third Embodiment] FIG. 6 is a perspective view of an angular velocity sensor unit 12 according to a third embodiment of the present invention. further,
FIG. 7 shows a plan view and a block diagram of an angular velocity sensor according to Embodiment 3 of the present invention.

【0071】図6および図7を参照して、角速度センサ
部12は、振動子1、駆動用圧電体2、帰還用圧電体
3、永久磁石4、検出用コイル5で構成されている。
Referring to FIG. 6 and FIG. 7, the angular velocity sensor section 12 includes a vibrator 1, a driving piezoelectric body 2, a feedback piezoelectric body 3, a permanent magnet 4, and a detection coil 5.

【0072】永久磁石4としては、たとえば、希土類磁
石(住友特殊金属製、NEOMAX)を用いることが可
能であり、サマリウムコバルト磁石(SmCo磁石)あ
るいは希土類磁石以外の永久磁石も用いることが可能で
ある。
As the permanent magnet 4, for example, a rare earth magnet (manufactured by Sumitomo Special Metals, NEOMAX) can be used, and a samarium cobalt magnet (SmCo magnet) or a permanent magnet other than the rare earth magnet can be used. .

【0073】検出用コイル5としては、たとえば、線径
20μmの銅線を、直径5mmに円形に100ターン巻
いたものを使用することが可能であるが、材質、線径、
コイルの形状、ターン数は、検出感度、コスト等に応じ
て適宜選択すればよい。
The detection coil 5 may be, for example, a copper wire having a wire diameter of 20 μm, which is wound 100 turns in a circle with a diameter of 5 mm.
The shape and the number of turns of the coil may be appropriately selected according to the detection sensitivity, cost, and the like.

【0074】本実施の形態では、検出用コイル5の中心
は空洞であるが、センダスト、パーマロイ等の高透磁率
材料のコアを設けることで、検出用コイル5の感度を向
上させることができる。
In the present embodiment, the center of the detection coil 5 is hollow, but the sensitivity of the detection coil 5 can be improved by providing a core made of a high magnetic permeability material such as Sendust or Permalloy.

【0075】また、本実施の形態では、検出用コイル5
と対向する面の永久磁石4の磁極をN極としたが、これ
はS極でも構わない。
In the present embodiment, the detection coil 5
Although the magnetic pole of the permanent magnet 4 on the surface opposite to the N pole is an N pole, this may be an S pole.

【0076】検出用コイル5と永久磁石4との間隔は、
たとえば、0.1mmとすることができるが、0.05
〜3mm程度の範囲であればよい。
The distance between the detection coil 5 and the permanent magnet 4 is
For example, it can be 0.1 mm, but 0.05 mm
The range may be about 3 mm.

【0077】また、本実施の形態では、永久磁石の形状
として四角柱のものを用いたが、円柱状、多角形の柱状
等の他の形状のものを用いることも可能である。
In the present embodiment, a permanent magnet having a square pillar shape is used, but other shapes such as a columnar shape and a polygonal pillar shape may be used.

【0078】本実施の形態において、上述のように永久
磁石4と検出用コイル5が備えられていること以外は、
振動子1の励振方法、振動状態についても、実施の形態
1と同様であるので、同一部分には同一符号を付してそ
の説明は繰返さない。
In this embodiment, except that the permanent magnet 4 and the detection coil 5 are provided as described above,
Excitation method and vibration state of vibrator 1 are also the same as those in the first embodiment, and therefore, the same portions are denoted by the same reference characters and description thereof will not be repeated.

【0079】角速度センサに、z軸まわりの角速度Ωが
加わると、角速度Ωに比例したコリオリの力が振動子の
運動方向と直交する方向に生じる。その結果、振動子1
は、楕円運動の長軸と短軸の半径が角速度の方向により
大小する。そして、検出用コイル5から出力される信号
が大小するので、これにより角速度Ωを検出することが
可能である。
When an angular velocity Ω about the z-axis is applied to the angular velocity sensor, Coriolis force proportional to the angular velocity Ω is generated in a direction orthogonal to the direction of motion of the vibrator. As a result, the vibrator 1
In, the radii of the major axis and the minor axis of the elliptical motion are larger or smaller depending on the direction of the angular velocity. Then, since the signal output from the detection coil 5 is large or small, it is possible to detect the angular velocity Ω.

【0080】なお、永久磁石4は励振されている状態で
は、x軸方向成分ももつので、厳密にはx軸方向の振動
成分によっても検出用コイル5を貫く磁束は変化する可
能性がある。しかしながら、y軸方向の振動成分による
磁束の変化に比較すると非常に小さいため、このような
可能性は無視できる程度である。
When the permanent magnet 4 is excited, it also has an x-axis component, so strictly speaking, the magnetic flux passing through the detection coil 5 may be changed by the vibration component in the x-axis direction. However, such a possibility is negligible because it is very small as compared with the change in magnetic flux due to the vibration component in the y-axis direction.

【0081】図8は、本発明の実施の形態3の角速度セ
ンサの動作を説明するためのタイミングチャートであ
り、図8(a)は無回転時の、図8(b)は回転時の検
出回路各部での波形をそれぞれ示す。
FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation of the angular velocity sensor according to the third embodiment of the present invention. FIG. 8 (a) shows the detection at the time of no rotation, and FIG. 8 (b) shows the detection at the time of rotation. The waveform at each part of the circuit is shown.

【0082】図7の矢印DAの方向に楕円運動で振動し
ている振動子1の場合、無回転時の駆動信号、帰還用圧
電体信号、検出用コイルのヌル電圧信号は、それぞれ図
8の(a)の(1)、(2)、(3)となる。
In the case of the vibrator 1 vibrating in an elliptical motion in the direction of the arrow DA in FIG. 7, the drive signal during non-rotation, the piezoelectric signal for feedback, and the null voltage signal of the detection coil are respectively shown in FIG. (A), (1), (2), and (3).

【0083】本実施の形態では、振動子1が楕円運動し
ているので、検出用コイルのヌル電圧信号は、帰還用圧
電体信号と同位相になる。
In this embodiment, since the vibrator 1 is performing an elliptical motion, the null voltage signal of the detection coil has the same phase as the feedback piezoelectric signal.

【0084】次に、角速度センサ10が回転したときに
は、図8(b)の(3)に示すように、コリオリの力に
よる出力は、検出用コイルのヌル電圧信号と同位相に発
生するので、図8(b)の(4)に示すように、検出用
圧電体信号をゲート回路34に入力し、ゲート回路34
からのゲート信号を使って同期検波回路32で同期検波
し、平滑回路33で平滑化することで、角速度を検出す
ることが可能である。
Next, when the angular velocity sensor 10 rotates, the output due to the Coriolis force is generated in the same phase as the null voltage signal of the detection coil as shown in (3) of FIG. As shown in (4) of FIG. 8B, the detection piezoelectric signal is input to the gate circuit 34, and the gate circuit 34
It is possible to detect the angular velocity by performing synchronous detection by the synchronous detection circuit 32 using the gate signal from the controller and smoothing by the smoothing circuit 33.

【0085】以上、本実施の形態で示すように、振動子
1が楕円運動しているため、検出用コイルのヌル電圧の
出力とコリオリの力による出力の位相が一致するので、
従来のように、差動回路により見かけ上のヌル電圧をゼ
ロにする必要がなく、しかも、駆動信号あるいは帰還用
圧電体信号により同期検波を行なう必要もないので、同
期検波のときの位相のずれが生じず、効率よくコリオリ
の力を検出することが可能である。
As described above, as shown in the present embodiment, since the vibrator 1 performs an elliptical motion, the output phase of the null voltage of the detection coil coincides with the phase of the output due to the Coriolis force.
Unlike the conventional case, there is no need to reduce the apparent null voltage to zero by a differential circuit, and there is no need to perform synchronous detection using a drive signal or a feedback piezoelectric signal. Does not occur, and the Coriolis force can be detected efficiently.

【0086】なお、本実施の形態では、振動子1の振動
状態は楕円運動であるが、振動状態が円運動の場合も同
様の検出方法で角速度を検出することが可能である。
In the present embodiment, the vibration state of the vibrator 1 is an elliptical motion. However, when the vibration state is a circular motion, the angular velocity can be detected by the same detection method.

【0087】また、本実施例では、振動子1として片持
ち針状の振動子を用いたが、音叉型、H型等の振動子も
用いることが可能である。
In this embodiment, a cantilevered vibrator is used as the vibrator 1, but a vibrator of a tuning fork type, an H type, or the like can be used.

【0088】また、本実施の形態では、自由端に磁石を
取付けた振動子を用いたが、振動子としては、駆動振動
方向と直交する方向に磁化方向をもつ磁性材料を用いる
こともできる。
In this embodiment, a vibrator having a magnet attached to a free end is used. However, as a vibrator, a magnetic material having a magnetization direction in a direction perpendicular to the driving vibration direction can be used.

【0089】また、本実施の形態では、駆動手段として
圧電体を用いたが、振動子の駆動振動側の辺に磁石と駆
動用のコイルを設け、電磁誘導により振動子を励振する
方法をとることもできる。
Further, in this embodiment, the piezoelectric body is used as the driving means. However, a method is adopted in which a magnet and a driving coil are provided on the side of the vibrator on the side of the driving vibration, and the vibrator is excited by electromagnetic induction. You can also.

【0090】さらに、本実施の形態では、帰還用検出手
段に圧電体3を用いる構成としたが、帰還用検出手段と
してコイルを用いることもできる。
Further, in the present embodiment, the piezoelectric body 3 is used as the feedback detecting means. However, a coil may be used as the feedback detecting means.

【0091】さらに、本実施の形態では、検出用コイル
信号をゲート回路34に入力し、ゲート回路34からの
ゲート信号を使って同期検波回路32で同期検波し、平
滑回路33で平滑化する構成としたが、実施の形態2で
説明したように、包絡線検波回路35を用いることも可
能である。
Further, in the present embodiment, the configuration is such that the detection coil signal is input to the gate circuit 34, the synchronous detection is performed by the synchronous detection circuit 32 using the gate signal from the gate circuit 34, and the smoothing is performed by the smoothing circuit 33. However, it is also possible to use the envelope detection circuit 35 as described in the second embodiment.

【0092】[実施の形態4]図9は、本発明の実施の
形態4の角速度センサ部の平面図を示す。図9を参照し
て、角速度センサ部14は、振動子1、駆動用圧電体
2、帰還用圧電体3、永久磁石4、検出用コイル5で構
成されている。
Fourth Embodiment FIG. 9 is a plan view of an angular velocity sensor according to a fourth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, the angular velocity sensor unit 14 includes a vibrator 1, a driving piezoelectric body 2, a feedback piezoelectric body 3, a permanent magnet 4, and a detection coil 5.

【0093】本実施の形態において、検出用コイル5が
図中矢印DBの方向に回転移動可能であること以外は、
実施の形態2の構成と同様であるので、同一部分には同
一符号を付してその説明は繰返さない。
In the present embodiment, except that the detection coil 5 is rotatable in the direction of arrow DB in the figure,
Since the configuration is the same as that of the second embodiment, the same portions are denoted by the same reference characters and description thereof will not be repeated.

【0094】本実施の形態では、振動子1は、図9の矢
印DAで示すような楕円運動の振動状態となっている。
ここでは、振動子1の振動バランスが悪く、実施の形態
3とは異なり、楕円の長軸の方向がx軸方向と角度θだ
け傾いている場合を示している。
In this embodiment, the vibrator 1 is in an elliptically oscillating state as indicated by an arrow DA in FIG.
Here, a case is shown where the vibration balance of the vibrator 1 is poor, and unlike the third embodiment, the direction of the major axis of the ellipse is inclined by an angle θ with respect to the x-axis direction.

【0095】この振動状態で検出用コイル5が図9中の
Cのようにその面をx軸と平行に一致している場合に
は、検出用コイル5からのヌル出力の位相は、コリオリ
の力による出力の位相と一致しなくなる。
In this vibration state, when the detection coil 5 has its surface parallel to the x-axis as shown by C in FIG. 9, the phase of the null output from the detection coil 5 becomes Coriolis It will not match the phase of the output due to force.

【0096】そこで、本実施の形態では、検出用コイル
5が矢印DBで示すように、回転移動可能となってい
る。
Therefore, in the present embodiment, the detection coil 5 is rotatable as indicated by the arrow DB.

【0097】検出用コイル5のコイル面が図9中のDの
ように、振動子1の楕円運動の長軸方向と平行になるよ
うに、矢印B方向に角度θだけ回転させると、検出用コ
イル5からのヌル出力の位相は、コリオリの力による出
力の位相と一致させることができる。
When the coil surface of the detection coil 5 is rotated by an angle θ in the direction of arrow B such that the coil surface is parallel to the major axis direction of the elliptical motion of the vibrator 1 as shown in D in FIG. The phase of the null output from the coil 5 can match the phase of the output due to Coriolis force.

【0098】よって、検出用コイル信号をゲート回路3
4に入力し、ゲート回路34からのゲート信号を使って
同期検波回路32で同期検波し、平滑回路33で平滑化
することで、角速度を検出することができる。
Therefore, the detection coil signal is supplied to the gate circuit 3
4, synchronous detection is performed by the synchronous detection circuit 32 using the gate signal from the gate circuit 34, and smoothing is performed by the smoothing circuit 33, whereby the angular velocity can be detected.

【0099】以上、本実施例で示すように、検出用コイ
ル5が回転移動可能なように設置されているので、振動
子の振動バランスが悪く、振動状態が傾いた楕円運動に
なっている場合でも、検出用コイルのヌル電圧の出力と
コリオリの力による出力の位相を一致させることが可能
で、駆動信号あるいは帰還用圧電体信号により同期検波
をする必要がなくなる。このため、同期検波のときの位
相のずれが生じないので、効率よくコリオリの力を検出
することが可能である。
As described above, as shown in this embodiment, since the detection coil 5 is installed so as to be rotatable, the vibration balance of the vibrator is poor, and the vibration state is an elliptical motion with a tilt. However, the output of the null voltage of the detecting coil and the phase of the output due to the Coriolis force can be made to coincide with each other, and there is no need to perform synchronous detection using a drive signal or a piezoelectric signal for feedback. Therefore, there is no phase shift at the time of synchronous detection, so that the Coriolis force can be detected efficiently.

【0100】また、本実施の形態では、振動子1として
片持ち針状の振動子を用いたが、音叉型、H型等の振動
子も用いることが可能である。
In this embodiment, a cantilevered vibrator is used as the vibrator 1, but a vibrator of a tuning fork type, an H type, or the like can be used.

【0101】また、本実施の形態では、駆動手段として
圧電体を用いたが、振動子の駆動振動側の辺に磁石と駆
動用のコイルを設け、電磁誘導により振動子を励振する
方法をとることも可能である。
In the present embodiment, a piezoelectric body is used as the driving means. However, a method is employed in which a magnet and a driving coil are provided on the side of the vibrator on the side of the driving vibration, and the vibrator is excited by electromagnetic induction. It is also possible.

【0102】また、本実施の形態では、帰還用検出手段
に圧電体3を用いたが、帰還用検出手段としてコイルを
用いることもできる。
Further, in the present embodiment, the piezoelectric body 3 is used as the feedback detecting means, but a coil may be used as the feedback detecting means.

【0103】また、本実施の形態では、検出用圧電体信
号をゲート回路34に入力し、ゲート回路34からのゲ
ート信号を使って同期検波回路32で同期検波し、平滑
回路33で平滑化したが、実施の形態2で示したよう
に、包絡線検波回路35を用いることも可能である。
Further, in this embodiment, the piezoelectric signal for detection is input to the gate circuit 34, synchronously detected by the synchronous detection circuit 32 using the gate signal from the gate circuit 34, and smoothed by the smoothing circuit 33. However, as described in the second embodiment, the envelope detection circuit 35 can be used.

【0104】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
The embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

【0105】[0105]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る角速
度センサは、振動子が円運動または楕円運動しているの
で、検出手段が圧電体あるいはコイルの場合でも、検出
手段からのヌル電圧の出力とコリオリの力による出力の
位相が一致するので、従来のように、差動回路により見
かけ上のヌル電圧をゼロにする必要がない。しかも、駆
動信号あるいは帰還用圧電体信号等の検出信号以外の信
号により同期検波を行なう必要がないので、同期検波の
ときの位相のずれが生じず、効率よくコリオリの力を検
出することができる。
As described above, in the angular velocity sensor according to the present invention, since the vibrator makes a circular motion or an elliptical motion, even if the detecting means is a piezoelectric body or a coil, the null voltage of the detecting means can be reduced. Since the phase of the output coincides with the phase of the output due to the Coriolis force, there is no need to reduce the apparent null voltage to zero by a differential circuit as in the related art. In addition, since there is no need to perform synchronous detection using a signal other than a detection signal such as a drive signal or a piezoelectric signal for feedback, no phase shift occurs during synchronous detection, and Coriolis force can be detected efficiently. .

【0106】また、検出信号を包絡線検波すれば、同期
検出回路も不要となり、回路構成を簡単にすることがで
きる。
Further, if the detection signal is subjected to envelope detection, a synchronous detection circuit is not required, and the circuit configuration can be simplified.

【0107】さらに、検出手段として、検出用コイルが
回転移動可能なように設置されている場合には、振動子
の振動バランスが悪く、振動状態が傾いた楕円運動にな
っている場合でも、検出用コイルのヌル電圧の出力とコ
リオリの力による出力の位相を一致させることが可能
で、駆動信号あるいは帰還用圧電体信号により同期検波
する必要がなくなる。このため、同期検波のときの位相
のずれが生じないので、効率よくコリオリの力を検出す
ることが可能である。
Further, when the detecting coil is installed so as to be rotatable as a detecting means, even if the vibration balance of the vibrator is poor and the vibration state is an elliptical motion in which the vibration is inclined, the detection is performed. The output of the null voltage of the coil for use and the phase of the output by the Coriolis force can be made to coincide with each other, and there is no need to perform synchronous detection with a drive signal or a piezoelectric signal for feedback. Therefore, there is no phase shift at the time of synchronous detection, so that the Coriolis force can be detected efficiently.

【0108】また、検出信号を包絡線検波すれば、同期
検波回路も不要となり、回路構成を簡単にすることが可
能である。
Further, if the detection signal is subjected to envelope detection, a synchronous detection circuit is not required, and the circuit configuration can be simplified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態1の角速度センサの斜視図
である。
FIG. 1 is a perspective view of an angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態1の角速度センサの構成を
示す概略ブロック図である。
FIG. 2 is a schematic block diagram illustrating a configuration of an angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.

【図3】図2に示したゲート回路34および同期検波回
路32の動作を説明するためのタイミングチャートであ
る。
FIG. 3 is a timing chart for explaining operations of a gate circuit 34 and a synchronous detection circuit 32 shown in FIG. 2;

【図4】本発明の実施の形態1の角速度センサの動作を
説明するためのタイミングチャートであり、図4(a)
は無回転時の、図4(b)は回転時の検出波形をそれぞ
れ示す。
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG.
FIG. 4B shows a detection waveform at the time of rotation, and FIG. 4B shows a detection waveform at the time of rotation.

【図5】本発明の実施の形態2の角速度センサの構成を
示す概略ブロック図である。
FIG. 5 is a schematic block diagram illustrating a configuration of an angular velocity sensor according to Embodiment 2 of the present invention.

【図6】本発明の実施の形態3の角速度センサを示す斜
視図である。
FIG. 6 is a perspective view showing an angular velocity sensor according to Embodiment 3 of the present invention.

【図7】本発明の実施の形態3の角速度センサの構成を
示す概略ブロック図である。
FIG. 7 is a schematic block diagram illustrating a configuration of an angular velocity sensor according to Embodiment 3 of the present invention.

【図8】本発明の実施の形態3の角速度センサの動作を
説明するためのタイミングチャートであり、図8(a)
は無回転時の、図8(b)は回転時の検出波形をそれぞ
れ示す。
FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation of the angular velocity sensor according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 8B shows a detected waveform at the time of rotation, and FIG. 8B shows a detected waveform at the time of rotation.

【図9】本発明の実施の形態4の角速度センサの構成を
示す平面図である。
FIG. 9 is a plan view showing a configuration of an angular velocity sensor according to Embodiment 4 of the present invention.

【図10】第1の従来の角速度センサの構成を示す概略
ブロック図である。
FIG. 10 is a schematic block diagram showing a configuration of a first conventional angular velocity sensor.

【図11】第2の従来の角速度センサの構成を示す概略
ブロック図である。
FIG. 11 is a schematic block diagram showing a configuration of a second conventional angular velocity sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 振動子 2 駆動用圧電体 3 帰還用圧電体 4 永久磁石 5 検出用コイル 30 自励発振回路 31 差動回路 32 同期検波回路 33 平滑回路 34 ゲート回路 35 包絡線検波回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibrator 2 Driving piezoelectric body 3 Feedback piezoelectric body 4 Permanent magnet 5 Detecting coil 30 Self-excited oscillation circuit 31 Differential circuit 32 Synchronous detection circuit 33 Smoothing circuit 34 Gate circuit 35 Envelope detection circuit

フロントページの続き (72)発明者 薦田 智久 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 吉良 徹 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Fターム(参考) 2F105 AA02 AA08 BB08 CC06 CD01 CD06 CD11 Continuing from the front page (72) Inventor Tomohisa Koda 22-22, Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside (72) Inventor Toru Kira 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka F term (reference) 2F105 AA02 AA08 BB08 CC06 CD01 CD06 CD11

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 角速度センサであって、 振動子と、 前記振動子を励振する駆動手段と、 前記励振状態を検出し、前記駆動手段の励振動作を制御
するための帰還用の第1の検出手段と、 前記振動子の中心軸と平行な軸を中心軸として外部から
作用する角速度に応じたコリオリの力による振動成分を
検出する第2の検出手段とを備え、 角速度が前記角速度センサに加わる前において、前記駆
動手段により励振された前記振動子の振動が、前記振動
子の前記中心軸と直交する面内で円運動または楕円運動
をする、角速度センサ。
1. An angular velocity sensor, comprising: a vibrator; driving means for exciting the vibrator; first detection for feedback for detecting the excited state and controlling an exciting operation of the driving means. Means, and second detecting means for detecting a vibration component due to Coriolis force according to an angular velocity acting from outside with an axis parallel to the central axis of the vibrator as a central axis, wherein the angular velocity is applied to the angular velocity sensor In the above, the vibration of the vibrator excited by the driving means makes a circular motion or an elliptical motion in a plane orthogonal to the central axis of the vibrator.
【請求項2】 前記第2の検出手段の出力信号に基づい
て、前記第2の検出手段からの信号の絶対値の時間平均
に比例する角速度検出信号を生成する信号変換手段をさ
らに備える、請求項1記載の角速度センサ。
2. The apparatus according to claim 1, further comprising: a signal conversion unit configured to generate an angular velocity detection signal proportional to a time average of an absolute value of a signal from the second detection unit based on an output signal of the second detection unit. Item 2. The angular velocity sensor according to Item 1.
【請求項3】 前記コリオリの力による振動成分を検出
する第2の検出手段は、圧電体を含む、請求項1記載の
角速度センサ。
3. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein said second detecting means for detecting a vibration component caused by the Coriolis force includes a piezoelectric body.
【請求項4】 前記コリオリの力による振動成分を検出
する第2の検出手段は、 前記振動子の自由端に設けられる少なくとも1個の永久
磁石と、 前記永久磁石の位置変化により誘起される誘導電流を検
出するコイルとを含む、請求項1記載の角速度センサ。
4. A second detecting means for detecting a vibration component due to the Coriolis force includes: at least one permanent magnet provided at a free end of the vibrator; and induction induced by a change in position of the permanent magnet. The angular velocity sensor according to claim 1, further comprising: a coil that detects a current.
【請求項5】 前記自由端近傍に少なくとも1個の永久
磁石が設けられた前記振動子が、前記第2の検出手段の
コイル面と直交する方向に磁化された磁性体である、請
求項4記載の角速度センサ。
5. The vibrator provided with at least one permanent magnet near the free end is a magnetic material magnetized in a direction orthogonal to a coil surface of the second detecting means. An angular velocity sensor as described.
【請求項6】 前記コリオリの力による振動成分を検出
する第2の検出手段が含むコイルが、前記中心軸とコイ
ル面とを平行に保ちながら回転移動可能である、請求項
4または5記載の角速度センサ。
6. The coil according to claim 4, wherein the coil included in the second detecting means for detecting a vibration component due to the Coriolis force is rotatable while keeping the center axis and the coil surface parallel. Angular velocity sensor.
【請求項7】 前記振動子を励振する前記駆動手段は、
圧電体を含む、請求項1ないし6のいずれかに記載の角
速度センサ。
7. The driving means for exciting the vibrator,
The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 6, further comprising a piezoelectric body.
【請求項8】 前記振動子を励振する前記駆動手段は、
コイルを含む、請求項1ないし6のいずれかに記載の角
速度センサ。
8. The driving means for exciting the vibrator,
The angular velocity sensor according to claim 1, further comprising a coil.
【請求項9】 前記コリオリの力による振動成分を検出
する第2の検出手段が含む圧電体の出力信号の位相が、
前記駆動手段の駆動信号の位相と同位相あるいは逆位相
である、請求項3記載の角速度センサ。
9. The phase of an output signal of a piezoelectric body included in a second detecting means for detecting a vibration component caused by the Coriolis force is:
4. The angular velocity sensor according to claim 3, wherein the phase of the driving signal of the driving unit is the same as or opposite to the phase of the driving signal.
【請求項10】 前記コリオリの力による振動成分を検
出する第2の検出手段の含むコイルの出力信号の位相
が、前記駆動手段の駆動信号の位相に対して90°の位
相差を有する、請求項4ないし6のいずれかに記載の角
速度センサ。
10. A phase of an output signal of a coil included in a second detecting means for detecting a vibration component caused by the Coriolis force has a phase difference of 90 ° with respect to a phase of a driving signal of the driving means. Item 7. An angular velocity sensor according to any one of Items 4 to 6.
【請求項11】 前記励振状態を検出する前記帰還用の
第1の検出手段は、圧電体を含む、請求項1ないし10
のいずれかに記載の角速度センサ。
11. The feedback first detecting means for detecting the excitation state includes a piezoelectric body.
The angular velocity sensor according to any one of the above.
【請求項12】 前記励振状態を検出する前記帰還用の
第1の検出手段は、コイルを含む、請求項1ないし10
のいずれかに記載の角速度センサ。
12. The feedback first detecting means for detecting the excitation state includes a coil.
The angular velocity sensor according to any one of the above.
【請求項13】 前記信号変換手段は、 前記第2の検出手段の出力信号に基づいて、同期検波制
御信号を発生する検波制御手段と、 前記同期検波制御手段に基づいて、前記第2の検出手段
の出力信号を同期検波し、前記角速度検出信号を生成す
る同期検波手段をさらに備える、請求項2記載の角速度
センサ。
13. The detection means for generating a synchronous detection control signal based on an output signal of the second detection means, and the second detection means based on the synchronous detection control means. 3. The angular velocity sensor according to claim 2, further comprising: synchronous detection means for synchronously detecting an output signal of the means and generating the angular velocity detection signal.
【請求項14】 前記信号変換手段は、 前記第2の検出手段の出力信号を受けて、包絡線検波を
行い、前記角速度検出信号を生成する包絡線検波手段を
含む、請求項2記載の角速度センサ。
14. The angular velocity according to claim 2, wherein the signal conversion unit includes an envelope detection unit that receives the output signal of the second detection unit, performs envelope detection, and generates the angular velocity detection signal. Sensor.
【請求項15】 振動子と、前記振動子を励振する駆動
手段と、前記励振状態を検出する帰還用の第1の検出手
段と、前記振動子の中心軸と平行な軸を中心軸として外
部から作用する角速度に応じたコリオリの力による振動
成分を検出する第2の検出手段とを備える角速度センサ
の検出回路であって、 前記第2の検出手段の出力信号に基づいて、同期検波制
御信号を発生する検波制御手段と、 前記同期検波制御手段に基づいて、前記第2の検出手段
の出力信号を同期検波する同期検波手段とを備える、角
速度センサの検出回路。
15. A vibrator, driving means for exciting the vibrator, first detecting means for feedback detecting the excited state, and an external device having a central axis parallel to the central axis of the vibrator. A second detection means for detecting a vibration component due to Coriolis force according to the angular velocity acting from the second detection means, wherein a synchronous detection control signal is provided based on an output signal of the second detection means. And a synchronous detection means for synchronously detecting the output signal of the second detection means based on the synchronous detection control means.
【請求項16】 振動子と、前記振動子を励振する駆動
手段と、前記励振状態を検出する帰還用の第1の検出手
段と、前記振動子の中心軸と平行な軸を中心軸として外
部から作用する角速度に応じたコリオリの力による振動
成分を検出する第2の検出手段とを備える角速度センサ
の検出回路であって、 前記第2の検出手段からの信号を入力する包絡線検波回
路とを備える、角速度センサの検出回路。
16. A vibrator, driving means for exciting the vibrator, first feedback detecting means for detecting the excited state, and an external device having a central axis parallel to the central axis of the vibrator. A detection circuit for an angular velocity sensor, comprising: a second detection means for detecting a vibration component caused by Coriolis force according to an angular velocity acting from an envelope detection circuit for inputting a signal from the second detection means; A detection circuit for an angular velocity sensor, comprising:
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006524344A (en) * 2003-04-23 2006-10-26 ノースロップ グラマン コーポレーション Pick-off sensor that obtains the value of a parameter from a hanging sensor component at a position where the net suppression torque is substantially zero
JP2010534823A (en) * 2008-01-25 2010-11-11 コンクク、ユニバーシティー、インダストリアル、コーオペレーション、コーポレーション Force balance control system and control method using automatic gain control loop
JP2011107086A (en) * 2009-11-20 2011-06-02 Asahi Kasei Electronics Co Ltd Capacitance detection circuit, pressure detector, acceleration detector and transducer for microphone

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