JP2002181549A - リング型振動式角速度センサ - Google Patents

リング型振動式角速度センサ

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JP2002181549A
JP2002181549A JP2000376078A JP2000376078A JP2002181549A JP 2002181549 A JP2002181549 A JP 2002181549A JP 2000376078 A JP2000376078 A JP 2000376078A JP 2000376078 A JP2000376078 A JP 2000376078A JP 2002181549 A JP2002181549 A JP 2002181549A
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vibrating
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Hisashi Yabe
久 矢部
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リング振動部を径方向の振動モードの定在波
に電磁的に励振するリング型振動式角速度センサを提供
する。 【解決手段】 振動体8のリング振動部80を径方向の
定在波に駆動励振し、入力角速度が印加されることによ
るコリオリ力により生ずる共振周波数より90°位相を
異にする出力振動成分を検出するリング型振動式角速度
センサにおいて、リング振動部80は巻枠802とこれ
に巻回される駆動巻線801より成り、リング振動部8
0の共振周波数に等しい周波数を有する交流の電圧信号
を発生する励振器4を具備し、リング振動部80の定在
波の少なくとも1個の振動の腹の位置に対応して駆動巻
線801の軸方向に平行な定常磁界を発生する磁界発生
器を具備するリング型振動式角速度センサ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、リング型振動式
角速度センサに関し、特に、振動体のリング振動部を径
方向の振動モードの定在波に電磁的に励振し、入力角速
度が印加されることによるコリオリ力により生ずる定在
波より90°位相を異にする出力振動成分を検出するリ
ング型振動式角速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】振動体のリング振動部を径方向の振動モ
ードの定在波に励振し、入力角速度が印加されることに
よるコリオリ力により生ずる定在波より90°位相を異
にする出力振動成分を検出するリング型振動式角速度セ
ンサの動作原理を圧電駆動の先行例を参照して説明す
る。図4はリング型振動式角速度センサのリング型の振
動体8を示す図である。リング型の振動体8としては、
リング振動部80が薄肉円筒、薄肉半球或いは薄肉円環
より成る振動体が使用される。83は円筒フレクチュア
部であり、リング振動部80を支える支持部を構成して
いる。82は円筒フレクチュア部83が取り付けられる
台座である。この先行例はリング型の振動体8を構成す
る原材料として、以下の通り圧電セラミックスを使用し
ている。
【0003】図5をも参照するに、圧電セラミックスよ
り成る薄肉円筒のリング振動部80のA点の外表面およ
び内表面に対向して電極を形成し、これら両電極間に交
流電圧を印加して圧電駆動することにより、リング振動
部80に振動モード1の振動を生起することができる。
即ち、リング振動部80の中心軸を構成する円筒フレク
チュア部83に直交すると共に互いに直交する2方向に
リング振動部80を屈曲振動させることができる。リン
グ振動部80の振動モード1の振動状態において、リン
グ振動部80に円筒フレクチュア部83を入力軸とする
円周方向の角速度が入力されると、振動モード1を生起
する力と直交する方向にコリオリ力が作用し、振動モー
ド1の方向から45°回転したB点の位置において振動
モード2の矢印方向の振動が発生する。その結果、鎖線
で示される振動モード1の定在波が入力角速度の向きお
よび大きさに応じて円弧の矢印で示される方向に変位
し、結局、これが振動モード2の振動である。即ち、振
動モード2の振動の腹および節の位置は、それぞれ、振
動モード1の振動の腹および節の位置から変位する。振
動モード2の方向の力の大きさ、即ち振動モード1の振
動の節の位置の変位を知ることにより入力角速度の値を
検出することができる。以下、図6を参照してこの検出
の仕方を更に詳しく説明する。
【0004】図6において、励振器4から供給される駆
動信号Vd はリング振動部80の共振周波数に等しい周
波数を有する交流の電圧信号であり、リング振動部80
のA点の位置に設置される駆動電極Ea に印加される。
その結果、リング振動部80は、先に述べた振動モード
1で振動するに到る。なお、10は励振器4の発振周波
数を規定する発振回路である。A点と丁度180°回転
したC点の位置の両面に設置される振幅検知素子Ec は
静電容量式振幅検出器2の一部を構成するモニタ電極で
あり、振動モード1を検出するる。この振幅検知素子E
c から得られる振動情報は直流信号Vp に変換され、差
動増幅器3において基準信号源52の出力する基準信号
Vr と比較される。差動増幅器3より得られる差信号V
e は積分器により構成されたループフイルタ31に入力
される。ループフイルタ31より得られる出力Vcontは
励振器4に供給され、静電容量式振幅検出器2から出力
される直流信号Vp が基準信号Vr と等しくなり差動増
幅器3の差信号Ve をゼロとすべく、駆動信号Vd の振
幅を制御する。即ち、リング振動部80の駆動信号Vd
を一定に制御することによりリング振動部80の振動振
幅を常時一定に保持している。
【0005】A点から45°回転した位置であるB点に
設置される信号検知素子Eb は入力角速度ωにより発生
する振動モード2を検出する出力信号振幅検出器5の一
部を構成し、この検出器5から得られる振動情報は、同
期検波回路6により振動の大きさに対応した直流信号に
変換される。同期検波回路6の出力をそのまま振動の大
きさの検出出力として使用すればオープンループ信号処
理の角速度センサが形成され、その出力はVO1になる。
一方、クローズドループ信号処理の角速度センサは、点
線で示される回路を付加することにより構成される。
【0006】即ち、同期検波回路6の出力は、積分器に
より構成されるループフイルタ32に供給され、第2ル
ープフイルタ32から得られる出力はフィードバック信
号発生回路61に供給される。フィードバック信号発生
回路61は、第2ループフイルタ32から得られる信号
と発信回路10から供給されるクロックCKが入力さ
れ、出力信号振幅検出器5から得られる振動モード2の
振動とは周波数が同一で極性が逆の信号を発生する回路
である。このフィードバック信号発生回路61の出力
は、B点に対して180°回転した位置に設置されるフ
イードバック電極Edに印加され、振動モード2の動き
を逆向きに抑制する。その結果、角速度センサに角速度
が入力され、振動モード2が発生しても振動モード2は
実質的にゼロに抑制されるクローズドループ信号処理を
していることになる。このクローズドループ信号処理に
おける角速度センサ出力としては、電圧Vf と比例関係
にあるループフイルタ32の直流出力を角速度センサ出
力VO2として使用する。
【0007】図4の先行例はリング振動部80を圧電セ
ラミックスにより構成し、これを交流の電圧信号により
圧電駆動する先行例である。なお、リング振動部80を
比重の大きい金属材料により構成し、これに圧電素子を
貼り付ける。そして、この圧電素子に交流の電圧信号を
印加して圧電効果によりリング振動部80を駆動励振す
ることができる。リング型振動式角速度センサにおい
て、リング振動部80を駆動励振する仕方としては、圧
電駆動する例の他に電磁石駆動するものが知られてい
る。これは、磁性材料により構成されたリング振動部の
腹の部分に僅かの間隙を設けて巻線を配置し、この巻線
に交流電流を流通して電磁石的にリング振動部を駆動励
振するものである(詳細は、国際公開番号 WO97/
12204号 参照)。
【0008】更なる従来例として、シリコンウェハに微
細加工技術を適用して微細なリング振動部を形成し、こ
の微細リング振動部の表面に金属蒸着技術により電流路
を形成する。この微細リング振動部を永久磁石により形
成される磁界内に配置し、電流路に交流電流を流通して
電磁的にリング振動部を駆動励振するものである(詳細
は、特許第2872213号明細書 参照)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、先のリング
振動部を圧電駆動するリング型振動式角速度センサはリ
ング振動部の振動の腹および節のところに電極或いは圧
電素子を貼り付ける構成を採用しているが、この貼り付
け作業は複雑であるのでこれを適切に実施するには多く
の困難を伴い、製造コストの増大につながる。特に、リ
ング振動部に対する圧電素子の貼り付けは、リング振動
部に質量分布、剛性の分布にバラツキを与える原因とな
り、リング型振動式角速度センサの性能、信頼性の向上
に不利を招きかねない。
【0010】そして、リング振動部を電磁石的に駆動す
るリング型振動式角速度センサは、特に、電磁石として
動作する巻線を複数個形成する場合、角速度センサの外
形寸法を電磁石により過大なものとされる。そして、電
磁石駆動の場合、リング振動部と電磁石巻線との間に作
用する力は吸引力のみで反発力は作用しないので、磁性
体のヒステリシスの影響を蒙り易く、高い性能要求を満
足するリング型振動式角速度センサを構成し難い。
【0011】また、微細リング振動部の表面に電流路を
形成する構成のリング型振動式角速度センサは、寸法上
の制約から電流路をリング振動部の一部にしか形成する
ことができず、発生する磁気力を大きくすることはでき
ない。この発明は、上述の問題を解消したリング型振動
式角速度センサを提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】請求項1:振動体8のリ
ング振動部80を径方向の定在波に駆動励振し、入力角
速度が印加されることによるコリオリ力により生ずる共
振周波数より90°位相を異にする出力振動成分を検出
するリング型振動式角速度センサにおいて、リング振動
部80は巻枠802とこれに巻回される駆動巻線801
より成り、リング振動部80の共振周波数に等しい周波
数を有する交流の電圧信号を発生する励振器4を具備
し、リング振動部80の定在波の少なくとも1個の振動
の腹の位置に対応して駆動巻線801の軸方向に平行な
定常磁界を発生する磁界発生器を具備するリング型振動
式角速度センサを構成した。
【0013】そして、請求項2:請求項1に記載される
リング型振動式角速度センサにおいて、リング振動部8
0の振動の腹の位置に対応して振動の振幅を検出する振
幅検出器2の一部を構成する振幅検知素子Ec を配置
し、振幅検出器2から出力される信号に基づいて励振器
4から出力される電圧信号の振幅を制御する励振制御回
路部を具備するリング型振動式角速度センサを構成し
た。また、請求項3:請求項1および請求項2の内の何
れかに記載されるリング型振動式角速度センサにおい
て、リング振動部80の振動の節の位置に対応して入力
角速度ωにより発生する振動を検出する出力信号振幅検
出器5の一部を構成する信号検知素子Eb を配置し、出
力信号振幅検出器5から得られる振動情報に基づいて入
力角速度ωを求めるリング型振動式角速度センサを構成
した。
【0014】更に、請求項4:求項3に記載されるリン
グ型振動式角速度センサにおいて、リング振動部80の
振動の節に対応する位置に電磁石921ないし924を
具備し、出力信号振幅検出器5から得られる振動情報を
電磁石921ないし924に印加して入力角速度ωによ
り発生する振動を逆向きに抑制するリング型振動式角速
度センサを構成した。そして、請求項5:請求項1ない
し請求項4の内の何れないし請求項4の内の何れかかに
記載されるリング型振動式角速度センサにおいて、磁界
発生器はヨーク90と、リング振動部80の振動の腹の
位置に対応して磁極を上下にしてヨーク90に取り付け
られた永久磁石911ないし914より成るものである
リング型振動式角速度センサを構成した。
【0015】また、請求項6:請求項4および請求項5
の内の何れかに記載されるリング型振動式角速度センサ
において、電磁石921ないし924をヨーク90に取
り付けたリング型振動式角速度センサを構成した。更
に、請求項7:請求項4ないし請求項6の内の何れかに
記載されるリング型振動式角速度センサにおいて、電磁
石921ないし924は非磁性材料より成る電磁石保持
板99を具備してこれに取り付けたリング型振動式角速
度センサを構成した。
【0016】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図1およ
び図2を参照して説明する。振動体8の薄肉円筒或いは
薄肉円環より成るリング振動部80は円筒フレクチュア
部83を介して台座82に一体結合している。円筒フレ
クチュア部83は、リング振動部80と比較して更に薄
く、リング振動部80および台座82と同一材料でリン
グ振動部80と台座82の間に一体に形成されている。
リング振動部80は駆動巻線801と巻枠802より成
る。駆動巻線801は巻枠802の周囲に多数回巻回さ
れ、交流電流により駆動されて強い磁束を発生する。
【0017】図1(b)はヨーク90を下から視たとこ
ろを示す図である。振動の腹に対応するヨーク90の下
面の0゜のところには定常磁界を発生する永久磁石91
1がN極を下、S極を上にして固定され、同様に振動の
腹に対応する180゜のところにも定常磁界を発生する
永久磁石913がN極を下、S極を上にして固定されて
いる。ここで、永久磁石911および永久磁石913は
磁束をリング振動部80内側において駆動巻線801の
軸方向下向きに出射している。振動の腹に対応するヨー
ク90の下面の90゜のところには定常磁界を発生する
永久磁石912がS極を下、N極を上にして固定され、
同様に振動の腹に対応する270゜のところにも定常磁
界を発生する永久磁石914がS極を下、N極を上にし
て固定されている。ここで、逆に、永久磁石912およ
び永久磁石914は磁束をリング振動部80内側におい
て駆動巻線801の軸方向上向きに入射している。な
お、図示説明の都合上、駆動巻線801の軸心方向の高
さを大きく拡大して図示しているが、実際はこれより低
く設計されているので、永久磁石911ないし永久磁石
914の発生する定常磁界は一方の磁極から駆動巻線8
01の内側を軸心方向に通過してそれぞれの他方の磁極
に回帰することができる。これら永久磁石911ないし
914は、リング振動部80の定在波共振による腹の部
分に非接触で僅かに間隙を設けた状態で、巻枠802の
上側および下側の一方或いは双方に配置する。図示され
る状態は、ヨーク90に担持されて巻枠802の上側に
配置された状態である。ここで、永久磁石は4箇所の振
動の腹の全てに対応して設置しているが、4箇所の振動
の腹の内の1箇所ないし3箇所を適宜に選択し、これに
対応して永久磁石を設置することによってもリング振動
部80を充分に駆動励振することができる。
【0018】振動の節に対応するヨーク90の下面の4
5゜のところにはトルカーとして動作する電磁石921
が形成され、同様に振動の節に対応する135゜、22
5゜および315゜のところにもトルカーとして動作す
る電磁石922、923、924が形成されている。こ
れら電磁石は軸心をリング振動部80の駆動巻線801
の軸心に平行に巻回されている。この場合、電磁石92
1と923は互いに同相で駆動されると共に、電磁石9
22と924は互いに同相で駆動される。そして、電磁
石921および923と、電磁石922および924と
は互いに逆相に駆動される。これら電磁石の駆動につい
ては後で更に説明する。電磁石についても、永久磁石の
場合と同様に、これら全てのところに設置することなし
に、設置箇所を適宜に選択し、これに対応して電磁石を
設置する。
【0019】以上において、リング振動部80を駆動す
る構成が説明されたが、リング振動部80には、更にリ
ング振動部80の振動振幅を検知する振幅検出器が具備
される。即ち、振動の腹の内の1箇所である270°の
位置の両面に設置される振幅検知素子Ec である電極は
振幅検出器2の一部を構成するモニタ電極であり、振動
モード1の振幅を検出する。リング振動部80の振動の
節に対応する45°の位置に設置される信号検知素子E
b は入力角速度ωにより発生する振動モード2を検出す
る出力信号振幅検出器5の一部を構成し、検出器5から
得られる振動情報は、同期検波回路6により振動の大き
さに対応した直流信号に変換される。
【0020】振動体8の駆動励振を図1および図2を参
照して説明するに、励振器4から供給される駆動信号V
d はリング振動部80の共振周波数に等しい周波数を有
する交流の電圧信号であり、リング振動部80に巻回さ
れる駆動巻線801に印加される。リング振動部80の
振動の腹に対応する位置には上述した通りの定常磁界が
永久磁石911ないし永久磁石914により駆動巻線8
01の軸方向に発生せしめられているので、駆動巻線8
01が駆動信号Vd により励磁された結果軸方向に発生
せしめられる磁束と永久磁石の定常磁界とが相互作用し
て駆動巻線801はローレンツ力により振動の腹の部分
において外側に反発、内側に吸引され、これに対応して
リング振動部80は振動モード1の定在波で振動するに
到る。なお、10は励振器4の発振周波数を規定する発
振回路である。振動の腹の内の1箇所である270°の
位置に設置される振幅検知素子Ec は振幅検出器2の一
部を構成するモニタ電極であり、振動モード1の振幅を
検出する。ここで、振幅検出器2、基準信号源52、差
動増幅器3、ループフイルタ31は励振制御回路部を構
成している。振幅検知素子Ec から得られる振動情報は
直流信号Vp に変換され、差動増幅器3において基準信
号源52の出力する基準信号Vr と比較される。差動増
幅器3より得られる差信号Ve は積分器により構成され
たループフイルタ31に入力される。ループフイルタ3
1より得られる出力Vcontは励振器4に供給され、振幅
検出器2から出力される直流信号Vp が基準信号Vr と
等しくなり差動増幅器3の差信号Ve をゼロとすべく駆
動信号Vd の振幅を制御する。即ち、リング振動部80
の駆動信号Vd を一定に制御することによりリング振動
部80の振動振幅を常時一定に保持している。
【0021】リング振動部80の振動の節に対応する4
5°の位置に設置される信号検知素子Eb であるモニタ
電極は入力角速度ωにより発生する振動モード2を検出
する出力信号振幅検出器5の一部を構成し、この検出器
5から得られる振動情報は、同期検波回路6により振動
の大きさに対応した直流信号に変換される。同期検波回
路6の出力をそのまま振動の大きさの検出出力として使
用すればオープンループ信号処理の角速度センサが形成
され、その出力はVO1になる。一方、クローズドループ
信号処理の角速度センサは、点線で示される回路を付加
することにより構成される。
【0022】即ち、同期検波回路6の出力は、積分器に
より構成されるループフイルタ32に供給され、第2ル
ープフイルタ32から得られる出力はフィードバック信
号発生回路61に供給される。フィードバック信号発生
回路61は、第2ループフイルタ32から得られる信号
と発信回路10から供給されるクロックCKが入力さ
れ、出力信号振幅検出器5から得られる振動モード2の
振動とは周波数が同一で極性が逆の信号を発生する回路
である。このフィードバック信号発生回路61の出力
は、リング振動部80の振動の節に対応する位置に設置
される電磁石921ないし924に印加され、振動モー
ド2の動きを逆向きに抑制する。その結果、角速度セン
サに角速度が入力され、振動モード2が発生しても振動
モード2は実質的にゼロに抑制されるクローズドループ
信号処理がなされる。このクローズドループ信号処理に
おける角速度センサ出力としては、電圧Vf と比例関係
にあるループフイルタ32の直流出力を角速度センサ出
力VO2として使用する。
【0023】以上の説明において、振幅検知素子Ec お
よび信号検知素子Eb として電極が使用されているが、
この他に渦電流式の検知素子を使用することができる。
図3は他の実施例を説明する図である。この実施例は電
磁石921ないし924を担持する電磁石保持板99を
ヨーク90とは別に設けた。即ち、ヨーク90と同形状
の非磁性材料より成る十字状の電磁石保持板99をヨー
ク90の下面に接合固定し、十字状の先端下面に電磁石
921ないし924を取り付けた。これにより、永久磁
石911ないし914の形成する磁路、および電磁石9
21ないし924の形成する磁路を独立させ適正に形成
することができる。
【0024】
【発明の効果】以上の通りであって、この発明によれ
ば、リング振動部80の巻枠802を原材料としてアル
ムニウム合金或いはステンレス鋼を使用して構成し、こ
れに駆動巻線801として密度の高い銅線を巻回する。
即ち、密度の高い銅線を駆動巻線801として巻枠80
2に巻回してリング振動部80を構成することにより、
巻回された駆動巻線801の質量の分だけリング振動部
80の質量をに大きくすることができ、小型でありなが
ら角運動量の大きいの振動体8を構成することができ
る。
【0025】そして、以上のリング振動部80の構造
上、駆動巻線801の巻回数を充分に多く取ることがで
きるので、小電流で強い磁束を発生することができ、消
費電力の少ないリング型振動式角速度センサを構成する
ことができる。また、リング型振動式角速度センサとし
ての要求性能を達成するに重要な役割を果たすリング振
動部80は、巻枠802に駆動巻線801を巻回する単
純な構造で、2本の配線を介して励振器4から供給され
る駆動信号Vd により励磁されるものである。角速度セ
ンサは、リング振動部80に接続される配線の変形に起
因しての性能特性が変化するが、配線の本数は2本に過
ぎないのでこの恐れは小さい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例を説明する図。
【図2】実施例の動作を説明する図。
【図3】他の実施例を説明する図。
【図4】先行例を説明する図。
【図5】リング振動部の振動を説明する図。
【図6】先行例の動作を説明する図。
【符号の説明】
10 発振回路 2 振幅検出器 3 差動増幅器 31 ループフイルタ 32 第2ループフイルタ 4 励振器 5 出力信号振幅検出器 52 基準信号源 6 同期検波回路 61 フィードバック信号発生回路 80 リング振動部 801 駆動巻線 802 巻枠 82 台座 83 円筒フレクチュア部 90 ヨーク 911ないし914 永久磁石 921ないし924 電磁石 Ec 振幅検知素子 Eb 信号検知素子 99 電磁石保持板

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 振動体のリング振動部を径方向の振動
    モードの定在波に駆動励振し、入力角速度が印加される
    ことによるコリオリ力により生ずる共振周波数より90
    °位相を異にする出力振動成分を検出するリング型振動
    式角速度センサにおいて、 リング振動部は巻枠とこれに巻回される駆動巻線より成
    り、 リング振動部の共振周波数に等しい周波数を有する交流
    の電圧信号を発生する励振器を具備し、 リング振動部の定在波の少なくとも1個の振動の腹の位
    置に対応して駆動巻線の軸方向に平行な定常磁界を発生
    する磁界発生器を具備することを特徴とするリング型振
    動式角速度センサ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載されるリング型振動式
    角速度センサにおいて、 リング振動部の振動の腹の位置に対応して振動の振幅を
    検出する振幅検出器の一部を構成する振幅検知素子を配
    置し、 振幅検出器から出力される信号に基づいて励振器から出
    力される電圧信号の振幅を制御する励振制御回路部を具
    備することを特徴とするリング型振動式角速度センサ。
  3. 【請求項3】 請求項1および請求項2の内の何れか
    に記載されるリング型振動式角速度センサにおいて、 リング振動部の振動の節の位置に対応して入力角速度に
    より発生する振動を検出する出力信号振幅検出器5の一
    部を構成する信号検知素子を配置し、出力信号振幅検出
    器から得られる振動情報に基づいて入力角速度を求める
    ことを特徴とするリング型振動式角速度センサ。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載されるリング型振動式
    角速度センサにおいて、 リング振動部の振動の節に対応する位置に電磁石を具備
    し、 出力信号振幅検出器から得られる振動情報を電磁石に印
    加して入力角速度により発生する振動を逆向きに抑制す
    ることを特徴とするリング型振動式角速度センサ。
  5. 【請求項5】 請求項1ないし請求項4の内の何れな
    いし請求項4の内の何れかかに記載されるリング型振動
    式角速度センサにおいて、 磁界発生器はヨークと、リング振動部の振動の腹の位置
    に対応して磁極を上下にしてヨークに取り付けられた永
    久磁石より成るものであることを特徴とするリング型振
    動式角速度センサ。
  6. 【請求項6】 請求項4および請求項5の内の何れか
    に記載されるリング型振動式角速度センサにおいて、 電磁石をヨークに取り付けたことを特徴とするリング型
    振動式角速度センサ。
  7. 【請求項7】 請求項4ないし請求項6の内の何れか
    に記載されるリング型振動式角速度センサにおいて、 電磁石は非磁性材料より成る電磁石保持板を具備してこ
    れに取り付けたことを特徴とするリング型振動式角速度
    センサ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106441263A (zh) * 2016-08-31 2017-02-22 武汉长盈通光电技术有限公司 一种减小光纤陀螺偏振误差的光纤环骨架及其绕制光纤环圈的方法
CN108571959A (zh) * 2017-03-10 2018-09-25 住友精密工业株式会社 振动型角速度传感器

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