JPH10227643A - Vibration gyro - Google Patents

Vibration gyro

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JPH10227643A
JPH10227643A JP9032191A JP3219197A JPH10227643A JP H10227643 A JPH10227643 A JP H10227643A JP 9032191 A JP9032191 A JP 9032191A JP 3219197 A JP3219197 A JP 3219197A JP H10227643 A JPH10227643 A JP H10227643A
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offset
vibrating
vibrating body
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Takashi Yamada
隆 山田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration gyro for obtaining a rectangular wave output with a stable 50% duty cycle from a comparator for oscillation output for the fluctuation of the offset voltage of voltage output of a piezoelectric element for detection and that of an addition circuit. SOLUTION: In a vibration gyro that has a vibrator 1 being constituted in one piece at a frame part via a support part by forming an elastic metal or a semiconductor in a polygonal shape and detects an angular velocity by driving and vibrating the vibrator 1 by a feedback type in self-excited oscillation circuit 10 that operates with a single power supply by forming a piezoelectric element 2 for drive and a pair of piezoelectric elements 3a and 3b for detection, a feedback type self-excited oscillation circuit 11 generates a rectangular wave based on an output voltage obtained as a result of the phase adjustment of an addition output 4 of the piezoelectric elements 3a and 3b for detection and the offset of the addition output 4.

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】この発明は、振動ジャイロに
関し、特に、振動体を自励発振駆動する帰還型自励発振
回路を具備する振動ジャイロに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibrating gyroscope, and more particularly to a vibrating gyroscope having a feedback type self-excited oscillation circuit for driving a vibrating body by self-excited oscillation.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来例を図2および図3を参照して説明
する。図2において、1は弾性金属或は半導体により構
成される振動ジャイロの振動体を示す。この振動体1
は、図3に示される如く6角柱状に構成され、支持部4
0を介してフレーム部30に一体に構成されている。こ
の振動体1の上面の中央部には駆動用圧電素子2が形成
される。この駆動用圧電素子2はジルコンチタン酸鉛
(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)その他の圧電材料を、
振動体1の上面の中央部に直接にスパッタリング或は蒸
着することにより被着形成される。振動体1の下側の斜
面の中央部には検出用圧電素子3aおよび検出用圧電素
子3bが形成される。この検出用圧電素子3aおよび検
出用圧電素子3bも、駆動用圧電素子2と同様に、ジル
コンチタン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)その他
の圧電材料を振動体1の下側の斜面の中央部に直接にス
パッタリング或は蒸着することにより形成される。これ
らの圧電素子にはそれぞれ圧電素子電極被膜が成膜され
る。
2. Description of the Related Art A conventional example will be described with reference to FIGS. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a vibrating gyroscope made of an elastic metal or a semiconductor. This vibrator 1
Is formed in a hexagonal prism shape as shown in FIG.
0 and is integrally formed with the frame unit 30. A driving piezoelectric element 2 is formed at the center of the upper surface of the vibrating body 1. The driving piezoelectric element 2 is made of lead zircon titanate (PZT), zinc oxide (ZnO), or another piezoelectric material.
The vibrating body 1 is formed by direct sputtering or vapor deposition on the center of the upper surface. A piezoelectric element for detection 3a and a piezoelectric element for detection 3b are formed at the center of the lower slope of the vibrating body 1. Like the driving piezoelectric element 2, the detecting piezoelectric element 3a and the detecting piezoelectric element 3b are made of lead zircon titanate (PZT), zinc oxide (ZnO), or another piezoelectric material on the lower slope of the vibrating body 1. It is formed by sputtering or vapor deposition directly on the center. On each of these piezoelectric elements, a piezoelectric element electrode film is formed.

【0003】4は加算回路であり、10は位相調整用フ
ィルタ6およびコンパレータ7より成る帰還型自励発振
回路である。駆動用圧電素子2の電極は発振回路10に
接続し、検出用圧電素子3aおよび検出用圧電素子3b
の電極は加算回路4に接続している。なお、弾性金属或
は半導体より成る振動体1のこれら圧電素子の形成され
る表面自体は、これら圧電素子それぞれの他方の電極を
構成している。回路を単一電源で駆動させる必要上、振
動体1に定電圧素子8から基準電圧が付与されている。
Reference numeral 4 denotes an adder circuit, and reference numeral 10 denotes a feedback type self-excited oscillation circuit including a phase adjusting filter 6 and a comparator 7. The electrodes of the driving piezoelectric element 2 are connected to the oscillation circuit 10, and the detecting piezoelectric element 3a and the detecting piezoelectric element 3b
Are connected to the addition circuit 4. The surface itself of the vibrating body 1 made of an elastic metal or a semiconductor on which these piezoelectric elements are formed constitutes the other electrode of each of these piezoelectric elements. Since the circuit needs to be driven by a single power supply, a reference voltage is applied to the vibrating body 1 from the constant voltage element 8.

【0004】発振回路10の発振振動数は振動体1の駆
動方向の固有振動数と同一の振動数の駆動信号を発生す
る。この駆動信号が駆動用圧電素子2に印加され、これ
により振動体1は図2において上下方向に屈曲振動せし
めらる。そして、振動体1はその上下方向の歪みの大き
さおよび振動数に対応して図2における左右方向にも屈
曲振動し、検出用圧電素子3aおよび検出用圧電素子3
bはそれぞれこの屈曲振動に対応する電圧出力を発生す
る。
The oscillation frequency of the oscillation circuit 10 generates a drive signal having the same frequency as the natural frequency of the vibrating body 1 in the driving direction. This driving signal is applied to the driving piezoelectric element 2, whereby the vibrating body 1 is caused to vibrate vertically in FIG. The vibrating body 1 also bends and vibrates in the horizontal direction in FIG. 2 in accordance with the magnitude and frequency of the distortion in the vertical direction, and the piezoelectric element for detection 3a and the piezoelectric element for detection 3
b generate a voltage output corresponding to this bending vibration.

【0005】振動体1を上下方向に駆動振動している時
に入力軸である振動体の軸回りの角速度が入力される
と、左右方向にコリオリ力が生じて振動体1には左右方
向の力が作用する。このコリオリ力により振動体1の振
動方向がずれるところから検出用圧電素子3の出力電圧
は変化する。この場合、検出用圧電素子3aおよび検出
用圧電素子3bの内の一方の出力は増加するのに対し
て、他方の検出用圧電素子の出力は減少する。何れか一
方の検出用圧電素子3の出力の変化量、或は両者の出力
の差動出力の変化量を加算回路4により加算出力する。
When an angular velocity about the axis of the vibrating body, which is an input shaft, is input while the vibrating body 1 is being driven and vibrated in the vertical direction, a Coriolis force is generated in the left and right directions, and a lateral force is applied to the vibrating body 1. Works. The output voltage of the detecting piezoelectric element 3 changes from the point where the vibration direction of the vibrating body 1 shifts due to the Coriolis force. In this case, while the output of one of the detecting piezoelectric elements 3a and the detecting piezoelectric elements 3b increases, the output of the other detecting piezoelectric element decreases. The change amount of the output of one of the detection piezoelectric elements 3 or the change amount of the differential output of both outputs is added and output by the adder circuit 4.

【0006】ここで、図5を参照するに、加算回路4の
加算出力は(a)に示される通りの位相、振幅を有する
A’である。位相調整用フィルタ6はこの加算出力A’
に対して、定電圧素子8の基準電圧C’を基準にして駆
動用圧電素子2から駆動用のコンパレータ7までの位相
をほぼ0°にする位相調整を施し、出力する回路であ
る。この位相調整用フィルタ6の出力は(b)に示され
るB’であり、これとコンパレータの閾値として(c)
の基準電圧C’をコンパレータ7に入力する。これらの
比較結果である(d)の矩形波D’を駆動信号として振
動体1の駆動用圧電素子2に印加することにより振動体
1を自励発振駆動している。
Here, referring to FIG. 5, the addition output of the addition circuit 4 is A 'having a phase and an amplitude as shown in FIG. The phase adjustment filter 6 outputs the added output A '
Is a circuit for performing phase adjustment to make the phase from the driving piezoelectric element 2 to the driving comparator 7 substantially 0 ° with reference to the reference voltage C ′ of the constant voltage element 8 and outputting the same. The output of the phase adjustment filter 6 is B 'shown in (b), which is used as the threshold value of the comparator (c).
Is input to the comparator 7. By applying the rectangular wave D ′ of (d), which is the result of these comparisons, as a drive signal to the driving piezoelectric element 2 of the vibrating body 1, the vibrating body 1 is driven by self-excited oscillation.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】以上の振動ジャイロの
発振回路10は、検出用圧電素子3aおよび検出用圧電
素子3bの出力或は加算回路4の出力A’にオフセット
が含まれると、出力A’はオフセットの分だけ信号レベ
ルが変化する。従って、出力A’がコンパレータ7の基
準電圧C’を通過するタイミングは図5(b)に示され
る如くオフセットを通過するタイミングとは異なる。コ
ンパレータ7はこの基準電圧C’を閾値電圧C’とする
ものであり、図5(c)および図5(d)に示される如
く、コンパレータ7の出力D’のデューティサイクルは
50%から変動し、振動体1を安定して駆動することが
困難になる。これに起因して、検出角速度および出力バ
イアスが変動し、振動ジャイロの動作は正確性を欠くに
到る。
The oscillation circuit 10 of the above-mentioned vibrating gyroscope has an output A when the output of the detecting piezoelectric element 3a and the detecting piezoelectric element 3b or the output A 'of the adding circuit 4 includes an offset. 'Changes the signal level by the offset. Therefore, the timing at which the output A 'passes the reference voltage C' of the comparator 7 is different from the timing at which the output A 'passes the offset as shown in FIG. The comparator 7 uses the reference voltage C ′ as a threshold voltage C ′, and as shown in FIGS. 5C and 5D, the duty cycle of the output D ′ of the comparator 7 varies from 50%. In addition, it becomes difficult to drive the vibrator 1 stably. As a result, the detected angular velocity and the output bias fluctuate, and the operation of the vibrating gyroscope lacks accuracy.

【0008】この発明は、上述の問題を解消した振動体
を自励発振駆動する帰還型自励発振回路を具備する振動
ジャイロを提供するものである。
The present invention provides a vibration gyro having a feedback type self-excited oscillation circuit for self-oscillatingly driving a vibrating body which has solved the above-mentioned problem.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】弾性金属或は半導体を多
角柱状に形成して支持部40を介してフレーム部30に
一体に構成される振動体1を具備し、振動体1に駆動用
圧電素子2および1対の検出用圧電素子3aおよび3b
を形成して単一電源で動作する帰還型自励発振回路10
により振動体1を駆動振動させて角速度を検出する振動
ジャイロにおいて、帰還型自励発振回路は検出用圧電素
子の加算出力を位相調整した結果の出力電圧と加算出力
のオフセットとに基づいて矩形波を生成するものである
振動ジャイロを構成した。
Means for Solving the Problems A vibrating body 1 formed of an elastic metal or a semiconductor in a polygonal column shape and integrally formed with a frame portion 30 via a supporting portion 40 is provided. Element 2 and a pair of detecting piezoelectric elements 3a and 3b
Feedback type self-excited oscillation circuit 10 operating with a single power supply
In the vibrating gyroscope that detects the angular velocity by driving and vibrating the vibrating body 1, the feedback type self-excited oscillation circuit uses a rectangular wave based on an output voltage obtained as a result of phase adjustment of the added output of the detecting piezoelectric element and an offset of the added output. The vibrating gyroscope that generates the vibration was constructed.

【0010】そして、帰還型自励発振回路10は加算回
路4の出力を入力してそのオフセットを生成するオフセ
ット電圧用フィルタ5、加算回路4の出力を位相調整す
る位相調整用フィルタ6、オフセット電圧用フィルタ5
の生成するオフセット電圧C o と位相調整用フィルタ6
の位相調整出力電圧Bとを入力して矩形波を生成するコ
ンパレータ7より成るものである振動ジャイロを構成し
た。
The feedback type self-excited oscillation circuit 10
Offset for inputting the output of path 4 and generating its offset
The phase of the output of the cut-off voltage filter 5 and the addition circuit 4 is adjusted.
Phase adjustment filter 6, offset voltage filter 5
Offset voltage C generated by oAnd phase adjustment filter 6
To generate a square wave by inputting the phase adjustment output voltage B of
A vibrating gyroscope comprising the
Was.

【0011】また、オフセット電圧用フィルタ5は抵抗
を入力端とする逆L型RCフィルタより成るものである
振動ジャイロを構成した。
The offset voltage filter 5 constitutes a vibrating gyroscope comprising an inverted L-type RC filter having a resistor as an input terminal.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図1を参
照して説明する。図1において、図2における参照数字
と共通する参照数字は互に共通する部材を意味するもの
とする。振動体1は、図2の従来例と同様に、6角柱状
に構成されている。この振動体1の上面の中央部には駆
動用圧電素子2が形成される。振動体1の下側の斜面の
中央部には検出用圧電素子3aおよび検出用圧電素子3
bが形成される。これらの圧電素子にはそれぞれ圧電素
子電極被膜が成膜される。駆動用圧電素子2の電極は帰
還型自励発振回路10に接続し、検出用圧電素子3aお
よび検出用圧電素子3bの電極は加算回路4に接続して
いる。なお、弾性金属或は半導体より成る振動体1のこ
れら圧電素子の形成される表面自体は、これら圧電素子
それぞれの他方の電極を構成している。回路を単一電源
で駆動させる必要上、振動体1に定電圧素子8から基準
電圧が付与されている。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, reference numerals common to those in FIG. 2 mean members common to each other. The vibrating body 1 is formed in a hexagonal column shape as in the conventional example of FIG. A driving piezoelectric element 2 is formed at the center of the upper surface of the vibrating body 1. The detecting piezoelectric element 3a and the detecting piezoelectric element 3
b is formed. On each of these piezoelectric elements, a piezoelectric element electrode film is formed. The electrodes of the driving piezoelectric element 2 are connected to the feedback type self-excited oscillation circuit 10, and the electrodes of the detecting piezoelectric element 3 a and the detecting piezoelectric element 3 b are connected to the adding circuit 4. The surface itself of the vibrating body 1 made of an elastic metal or a semiconductor on which these piezoelectric elements are formed constitutes the other electrode of each of these piezoelectric elements. Since the circuit needs to be driven by a single power supply, a reference voltage is applied to the vibrating body 1 from the constant voltage element 8.

【0013】帰還型自励発振回路10の発振振動数は振
動体1の駆動方向の固有振動数と同一の振動数の駆動信
号を発生する。この駆動信号が駆動用圧電素子2に印加
されてこれにより振動体1は図1において上下方向に屈
曲振動せしめらる。そして、振動体1はその上下方向の
歪みの大きさおよび振動数に対応して図1における左右
方向にも屈曲振動し、検出用圧電素子3aおよび検出用
圧電素子3bはそれぞれこの屈曲振動に対応する電圧出
力を発生する。
The oscillation frequency of the feedback type self-excited oscillation circuit 10 generates a driving signal having the same frequency as the natural frequency of the vibrating body 1 in the driving direction. This driving signal is applied to the driving piezoelectric element 2, whereby the vibrating body 1 is caused to vibrate vertically in FIG. The vibrating body 1 also bends and vibrates in the horizontal direction in FIG. 1 according to the magnitude and frequency of the distortion in the vertical direction, and the detecting piezoelectric element 3a and the detecting piezoelectric element 3b respectively correspond to the bending vibration. To generate a voltage output.

【0014】ここで、振動体1が上下方向に駆動振動し
ている時に入力軸である振動体の軸回りの角速度が入力
されると、左右方向にコリオリ力が生じて振動体1には
左右方向の力が作用する。このコリオリ力により振動体
1の振動方向がずれるところから検出用圧電素子3の出
力電圧は変化する。この場合、検出用圧電素子3aおよ
び検出用圧電素子3bの内の一方の出力は増加するのに
対して、他方の検出用圧電素子の出力は減少する。何れ
か一方の検出用圧電素子3の出力の変化量、或は両者の
出力の差動出力の変化量を加算回路4により加算出力す
る。
Here, when an angular velocity about the axis of the vibrating body, which is an input shaft, is input while the vibrating body 1 is drivingly vibrating in the vertical direction, Coriolis force is generated in the left-right direction, and the vibrating body 1 Directional force acts. The output voltage of the detecting piezoelectric element 3 changes from the point where the vibration direction of the vibrating body 1 shifts due to the Coriolis force. In this case, while the output of one of the detecting piezoelectric elements 3a and the detecting piezoelectric elements 3b increases, the output of the other detecting piezoelectric element decreases. The change amount of the output of one of the detection piezoelectric elements 3 or the change amount of the differential output of both outputs is added and output by the adder circuit 4.

【0015】図4を参照するに、加算回路4の加算出力
は図4(a)に示される通りのAである。この発明はこ
の加算出力Aをオフセット電圧用フィルタ5に入力し、
図4(c)のオフセット電圧Co を発生出力する。この
オフセット電圧Co を位相調整用フィルタ6に印加する
と共に、この位相調整用フィルタ6には加算回路4の加
算出力Aも印加し、位相調整用フィルタ6は加算出力A
に対してこのオフセット電圧Co を基準にして駆動用圧
電素子2から駆動用コンパレータ7までの位相をほぼ0
°にする位相調整を施して出力する。この位相調整用フ
ィルタ6の出力である図4(b)のBと先のオフセット
電圧用フィルタ5の出力するのオフセット電圧Co をコ
ンパレータ7に入力する。これらの比較結果である図4
(d)の矩形波Dを振動体1の駆動用圧電素子2に印加
することにより振動体1の自励発振駆動が行なわれる。
Referring to FIG. 4, the addition output of the addition circuit 4 is A as shown in FIG. According to the present invention, the addition output A is input to the offset voltage filter 5,
The offset voltage Co of FIG. 4C is generated and output. The offset voltage Co is applied to the phase adjustment filter 6, the addition output A of the addition circuit 4 is also applied to the phase adjustment filter 6, and the phase adjustment filter 6 outputs the addition output A.
Substantially phase from the offset voltage C o driving piezoelectric element 2 with respect to the to the driving comparator 7 against 0
° and output. Inputting the offset voltage C o to the output of FIG. 4 B and the previous offset voltage filter 5 (b) is the output of the phase adjustment filter 6 to the comparator 7. FIG. 4 shows the result of comparison.
The self-excited oscillation drive of the vibrating body 1 is performed by applying the rectangular wave D of (d) to the driving piezoelectric element 2 of the vibrating body 1.

【0016】ここで、加算出力Aのオフセットが変動し
た時、位相調整用フィルタ6の出力Bのオフセットと、
オフセット電圧用フィルタ5から出力されるオフセット
電圧は共に同様に変動するところから、コンパレータ7
においては常に入力の高低の中間の電圧を基準として矩
形波を出力することになる。その結果、波形のデューテ
ィサイクルは50%となり、振動体1を安定して駆動さ
せることになる。従って、動作状態の安定した振動ジャ
イロを得ることができる。
Here, when the offset of the addition output A fluctuates, the offset of the output B of the phase adjusting filter 6 is calculated as follows:
Since both the offset voltages output from the offset voltage filter 5 fluctuate similarly, the comparator 7
In this case, a rectangular wave is always output with reference to an intermediate voltage between high and low of the input. As a result, the duty cycle of the waveform becomes 50%, and the oscillator 1 is driven stably. Therefore, it is possible to obtain a vibrating gyroscope with a stable operation state.

【0017】[0017]

【発明の効果】以上の通りであって、この発明は、振動
ジャイロの帰還型自励発振回路において、振動体の検出
用圧電素子の電圧出力の加算結果の位相調整出力とその
オフセット電圧を比較することにより常に電圧出力の中
間電圧を基準にした比較をすることとなり、検出用圧電
素子の電圧出力および加算回路の電圧出力のオフセット
電圧の変動に対して発振出力用のコンパレータから安定
したデューティサイクル50%の矩形波出力が得られ
る。従って、振動状態が安定した振動ジャイロが得られ
る。
As described above, according to the present invention, in a feedback type self-excited oscillation circuit of a vibrating gyroscope, a phase adjustment output as a result of adding a voltage output of a piezoelectric element for detecting a vibrating body is compared with its offset voltage. By doing so, the comparison based on the intermediate voltage of the voltage output is always performed, and a stable duty cycle is obtained from the oscillation output comparator against the fluctuation of the offset voltage of the voltage output of the detecting piezoelectric element and the voltage output of the adding circuit. A rectangular wave output of 50% is obtained. Therefore, a vibration gyro with a stable vibration state can be obtained.

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

【図1】実施例を説明する図。FIG. 1 illustrates an embodiment.

【図2】従来例を説明する図。FIG. 2 illustrates a conventional example.

【図3】振動体を説明する図。FIG. 3 illustrates a vibrating body.

【図4】実施例の電圧波形を説明する図。FIG. 4 is a diagram illustrating a voltage waveform according to the embodiment.

【図5】従来例の電圧波形を説明する図。FIG. 5 is a diagram illustrating a voltage waveform of a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 振動体 2 駆動用圧電素子 3a、3b 検出用圧電素子 4 加算回路 5 オフセット電圧用フィルタ 6 位相調整用フィルタ 10 発振回路 30 フレーム部 40 支持部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oscillator 2 Driving piezoelectric element 3a, 3b Detection piezoelectric element 4 Addition circuit 5 Filter for offset voltage 6 Filter for phase adjustment 10 Oscillation circuit 30 Frame part 40 Support part

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 弾性金属或は半導体を多角柱状に形成し
て支持部を介してフレーム部に一体に構成される振動体
を具備し、振動体に駆動用圧電素子および1対の検出用
圧電素子を形成して単一電源で動作する帰還型自励発振
回路により振動体を駆動振動させて角速度を検出する振
動ジャイロにおいて、 帰還型自励発振回路は検出用圧電素子の加算出力を位相
調整した結果の出力電圧と加算出力のオフセットとに基
づいて矩形波を生成するものであることを特徴とする振
動ジャイロ。
1. A vibrating body formed of a resilient metal or a semiconductor in a polygonal column shape and integrally formed with a frame portion via a supporting portion, wherein the vibrating body includes a driving piezoelectric element and a pair of detecting piezoelectric elements. In a vibration gyro that detects an angular velocity by driving and vibrating a vibrating body using a feedback type self-excited oscillation circuit that operates with a single power supply and forms a device, the feedback type self-excited oscillation circuit adjusts the phase of the added output of the detection piezoelectric element. A vibrating gyroscope for generating a rectangular wave based on an output voltage obtained as a result and an offset of an added output.
【請求項2】 請求項1に記載される振動ジャイロにお
いて、 帰還型自励発振回路は加算回路の加算出力を入力してそ
のオフセットを生成するオフセット電圧用フィルタ、加
算回路の加算出力を位相調整する位相調整用フィルタ、
オフセット電圧用フィルタの生成するオフセット電圧と
位相調整用フィルタの位相調整出力電圧とを入力して矩
形波を生成するコンパレータより成るものであることを
特徴とする振動ジャイロ。
2. The oscillation gyro according to claim 1, wherein the feedback-type self-excited oscillation circuit receives an added output of the adding circuit, generates an offset thereof, and adjusts a phase of the added output of the adding circuit. Phase adjustment filter,
A vibrating gyroscope comprising a comparator that receives an offset voltage generated by an offset voltage filter and a phase adjustment output voltage of a phase adjustment filter and generates a rectangular wave.
【請求項3】 請求項2に記載される振動ジャイロにお
いて、 オフセット電圧用フィルタは抵抗を入力端とする逆L型
RCフィルタより成るものであることを特徴とする振動
ジャイロ。
3. The vibrating gyroscope according to claim 2, wherein the offset voltage filter comprises an inverted L-type RC filter having a resistor as an input terminal.
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