JPS61102512A - ジヤイロ装置 - Google Patents

ジヤイロ装置

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Publication number
JPS61102512A
JPS61102512A JP59224753A JP22475384A JPS61102512A JP S61102512 A JPS61102512 A JP S61102512A JP 59224753 A JP59224753 A JP 59224753A JP 22475384 A JP22475384 A JP 22475384A JP S61102512 A JPS61102512 A JP S61102512A
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JP
Japan
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tuning fork
legs
vibration
vibrator
power source
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Pending
Application number
JP59224753A
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English (en)
Inventor
Michio Fukano
深野 道雄
Shinichi Kawada
河田 伸一
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Tokyo Keiki Inc
Original Assignee
Tokyo Keiki Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ジャイロ装置、特に振動型或いは音叉型ジャ
イロ装置のうち、電磁駆動型のジャイロ装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、この種の振動型ジャイロ装置としては、例えば第
8図に示すようなものがある。この第8図に示す従来の
ジャイロ装置では、音叉(1)を、撓みh(3)を介し
て基台(2)に取り付ける。音叉(1)の右脚(11)
及び左脚(IIA)の振動端には、強磁性体より成る駆
動体(12) 、  (12A)が図の如(装着されて
いる。一方、基台(2)と一体をなす円筒状の外筺(5
)には、駆動コイル(4)があり、このコイル(4)に
電流を通じたとき生ずる磁界の中心線が、はぼ駆動体(
12) 、  (12A )の配列と一致するように、
駆動コイル(4)が位置ぎめされている。駆動コイル(
4)に交流電源(16)から電路(25)を経て交流電
流を通じると、これによって駆動コイル(4)に生じた
磁界により駆動体(12) 、  (12A)はそれぞ
れコイル(4)内に引込まれるような電磁力をうける。
このとき、駆動体(12) 、  (12A)が磁性的
に互いに引合う力も重畳して生ずる。交流電流の流れる
方向が逆転しても、駆動体(12) 、  (12A)
は駆動コイル(4)内に引込まれるので、音叉(1)は
、駆動コイル(4)に流す交流電流、すなわち電源(1
6)の周波数の2倍の周波数で振動する。駆動コイル(
4)に流す電流の周波数と振幅をほぼ一定に保つと、音
叉(1)も、はぼ一定の周波数と振幅で振動を持続する
。音叉(1)の撓み軸(3)の軸(Z −Z)のまわり
に、角速度Ωが入力されると、音叉(1)の振動速度V
、入力角速度Ωに対応したコリオリの力FCが音叉(1
)に発生し、これにより、音叉(1)全体が軸<2−2
>のまわりに交番的に回転する。すなわち捩り振動が、
音叉(1)に発生し、その振幅はΩに正しく比例するの
で、これを撓み軸(3)から、振幅または応力変化を測
定して検出すると、装置全体をΩの検出器、すなわち回
転レートセンサーとして使うことができる。第8図の従
来の例では、撓み軸(3)の角振動検出器は、(17)
で概念的に示されている。角振動検出器(17)は、撓
み軸(3)の上下の偏角を直接求めるよう配置された差
動変圧器等の電磁式ピックアップや光電式ピックアップ
、撓み軸(3)に装着したストレインゲージや圧電素子
、さらには撓み軸(3)の捩れを曲げとして感知するよ
う撓み軸(3)に装着された電歪素子などが用いられ得
る。すなわち、一体構造のものの一部が基台側にあるも
の等多岐に渉るので、概念的に示した。
角振動検出器(17)の出力は、電路(19)を経てデ
モシュレータ(21)で、電源(16)の交流電圧、ま
たは図示のとおり電路(20)を介して電源(16)と
同期し、これと一定の位相関係を有するよう倍周波発生
器(23)で作られた電路(20A)を介した2倍周波
交流電圧と、位相関係を比較して、同期整流され、その
出力は電路(22)を経て出力される。一般にはΩが方
向、大きさ共一定であれば、デモシュレータ(21)の
出力は一定の直流電圧であり、Ωの方向が逆となると、
出力の直流電圧の極性が反転し、出力電圧の絶対値はΩ
の大きさに比例する。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、このような従来の振動ジャイロにあって
は駆動体(12) 、  (12A)が互いに引き合う
力以外に、駆動□コイル(4)が直接、駆動体(12)
(12A)をコイル(4)内に引込もうとする強力な電
磁力が、駆動体(12) 、  (12A)に働いてい
るため、外筺(5)または基台(2)からのステー等(
図示せず)に固定されている駆動コイル(4)と、駆動
体(12) 、  (12A ) 、いいかえると音叉
(1)との位置関係が、音叉(1)の振動状況に影響を
もっという欠点をもっている。たとえば、駆動コイル(
4)が、紙面上、少し右へづれて支持されており、駆動
体(12)の方が駆動体(12A)よりコイル(4)に
少し深(入っていたとすると、同じ駆動電流に対し、駆
動体(12)のうける電磁力は駆動体(12A)の受け
るそれよりも大きく、このため右脚(11)の方が左脚
(IIA )より振幅が大きくなってしまい、このよう
な不平衡振動発生のため、Ω検出のスケールファクター
や零点に狂いを生ずることが知られている。
また、駆動コイル(4)の位置によっては、音叉(11
にはじめから(Z−Z)軸まゎりの捩り振動を与えてし
まい、零点の狂いの原因になったりする。
このような、駆動体(12) 、  (12A)に対す
る駆動コイル(4)の位置的不平衡は、微妙なことを言
えば、本来避は難いので、このため、第8図の公知の振
動ジャイロは駆動電源(16)の周波数、電圧の変動に
対しスケールファクターや零点の変化を生ずる欠点があ
った。
また、このような従来例においては、電源(16)の交
流電圧と、音叉(1)の力学的振動との間の位相関係が
、常に一定に保たれていないという問題がある。振動が
定常状態であれば、理論上は両者間には一定の位相関係
が成立する筈であるが、実際には力学的外乱にさらされ
ているため、力学的振動には、常に定常解の他に過渡現
象解が混在しているためであり、この過渡現象解の位相
は電源の位相と関係がないためである。このためにデモ
シュレータ(21)の出力は、精度低下と好ましくない
変動とを有している。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、少なくとも2個の脚を有する振動する音叉状
振動子と、該振動子に連続振動を与えるための駆動装置
と、上記振動子の中心をとおり該振動子の脚と平行な入
力軸の回りの上記振動子の角振動を検出する装置とを有
するジャイロ装置において、上記駆動装置は上記振動子
(1)と無接触にその外側に巻回されそれに交流電流を
通じたときのその発生磁界が上記入力軸(Z −Z)と
平行になるよう配置された巻線(14)と上記振動子の
脚部(11) 、  (IIA)又は(1−2) 、 
 (1−2A)に有する強磁性体(12) 、  (1
2A)とより成ることを特徴とするジャイロ装置を提供
するものである。
〔作用〕
駆動コイル(14)が電源(16)よりの交流電流によ
り駆動され、それよりの交流磁界により、振動子又は音
叉(1)の両脚、例えば(11) 、  (IIA)の
対向部に、両極性の磁界が交流の1サイクルに2回発生
し、両脚が互いに反発し合い、音叉(1)は交流の周波
数の2倍の周波数で振動する。この時、両脚(11) 
、  (IIA)の振動を検出し、この検出出力に基づ
き、音叉(1)の出力軸の角振動を同期整流し、角速度
Ωを検出する。。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に基づいて説明する。第1図は、本
発明の一実施例を示す図である。
第1図に示す本発明の実施例では、第8図の例の駆動コ
イル(4)は除去され、同時に駆動体(12)。
(12A)も除去されているので、音叉(1)の左右の
脚・(11) 、  (IIA)は、従来例よりもっと
互いに近接してさしつかえないので、第1図に示すごと
く近接した配置となっている。このため外筺(5)も直
径を小さくすることができた。この外筺(5)の外周上
で、丁度音叉(1)の左右の脚(11) 、  (11
^)の上方端部に対応する位置に、新に、駆動コイル(
14)が撞かれている。第1図の例では、音叉(1)全
体が、例えば鉄系のような強磁性体でつくられている。
第1図の駆動コイル(14)に電流を流すと、その中心
磁場は軸<2−2> とほぼ一致するので、第8図の公
知例の中心磁場と、まさに直角方向である。尚、第1図
に於いて、第8図に対応する部分には同一符号を付して
それ等の詳細な説明は省略する。
以下、第2図A及びBを用いて、第1図の音叉(1)の
振動する原理を説明する。
第2図Aは、電源(16)より駆動コイル(14)に交
流を流した場合の成る半サイクルにおける磁界Hの状況
ををられした図で、磁界Hは第2図の紙面内で、実線矢
印の如く下から上に向かっている。このとき、音叉(1
)の右脚(11)も左脚(IIA)も共に、紙面の下側
にS極、上側にN極が誘導されて生じる。このため両脚
(11)と(IIA)とは、N極とN極、S極とS極が
互いに反撥するため、お互いに離れようとする力を生ず
る。交流が半サイクル後に逆極性になると、この時の磁
界H′は反転して第2図Bで実線矢印で示すとおりとな
り、誘導されて生じた両脚(11) 、  (IIA)
の磁極は、紙面上方がS極、下方がN極となり、やはり
右脚(11)と左脚(IIA)とは、互いに反撥しあう
ことになる。このため交流−サイクルの中で、2度反撥
力を生ずるので音叉(1)は駆動電源(16)の2倍の
周波数で振動することになる。
こ\で注目すべきことは、音叉(1)の振動を生ずる駆
動力は、音叉(1)の内力、すなわち脚(11) 。
(IIA)の反撥力のみであって、駆動コイル(14)
の位置と関係がないことである。すなわち、第8図の従
来例で問題としたような脚(11) 、  (IIA)
をコイル(4)内に引き込む力は、第1図の本発明の例
では脚(11) 、  (IIA)が第1図の(Z−Z
)軸方向の力であり今、必要とする駆動方向と直角だと
いうことである。このため、コイル(14)の音叉(1
)に対する位置は、全く音叉(1)の振動に影響を与え
ないので、駆動電源(16)の電圧や周波数の変化が、
振動ジャイロとしての出力のスケールファクターや、零
点に影響することは殆どなく、従来の振動ジャイロ、す
なわち第8図に示すものの持つ欠点を全(有しない振動
ジャイロを得ることができる。
また、第1図に示す本発明の例は、脚(11) 。
(IIA )が、駆動コイル(14)のほぼ中央にあり
コイル(14)が脚(11) 、  (IIA)を引き
込む力それ自身がすでに小さいようになっているので一
層、第8図のものの欠点の除去に役立っているが更に、
前記のとおりコイル(14)が脚(11) 。
(IIA)を吸い込む力は、振動ジャイロを振動せしめ
る力の方向と直角なので、駆動コイル(14)が外筐(
5)に沿い脚(11) 、  (IIA)に対し、紙面
上で上下する位置をとっても、実効上、問題となるよう
な欠点は生ぜず、この点でも設計の自由が大きくなると
いう長所をもっている。
また、振動ジャイロは、本来温度変化の影響の少ないこ
とが望まれてい名が、第1図の音叉(1)は、温度変化
に対し、振動特性の変化の少ない材料、すなわち熱恒弾
性且つ強磁性材で作られているので、この材料でできた
音叉(1)にそのま−通用してすぐれた振動ジャイロを
得ることができる。
こ−で第1図の本発明の実施例における角振動検出系に
ついて説明する。第1図においては、新たに音叉+1)
の振動を直接測定する振動検出器(18)。
(18A)が、音叉(1)のそれぞれの脚(11) 、
  (IIA)にもうけられている。この例では、振動
検出器(1B) 、  (18A)の総合出力が、電路
(20A)を解してデモシュレータ(21)に基準位相
信号として与えられているよう、概念的に画かれている
すなわち、本実施例の要点の−っは、デモシュレーク(
21)の基準信号が、電源(16)の位相を基準にして
おらず、変位検出器(18) 、  (18A)の出力
の位相を基準にしていることである。こうすることによ
り、第8図の従来例に示したような電源(16)に位相
基準を求めることについての、−切の欠点が解決する。
なぜならば振動検出器(18)。
(18A)の発生電圧は、力学的振動の位相をもってい
るのでこれと同じく力学系振動である撓み軸(3)のま
わりの角振動とは常に一定の位相関係があるため、力学
系が過渡現象を生じたときも、全く同じ位相関係が、音
叉(1)の振動と角振動との間に成立するからである。
振動検出器(1B) 、  (18A )は、音叉(1
)に直接装着した電歪素子やストレインゲージでよいが
、基台(2)との間の電磁ピックアップ、光電ピックア
ップ等の使用をさまたげるものではない、また振動検出
器(1B) 、  (18A)の出力は、シリースにし
て用いてもバラにして用いてもよいだけでなく、振動検
出器(1B) 、  (18A)のうち、どちらか一方
のみの使用でもさしつがえない、また、第1図の場合、
第8図の倍周波発生器(23)が不要となるメリットも
ある。
第3図は、本発明の他の実施例を示す、第3図の音叉(
1)は、第1図の例と異なり、音叉(1)の材料は、非
磁性弾性体であり、その代わりに右脚(11)、左脚(
IIA)の相対向する内側に強磁性材より成る駆動体(
12) 、  (12A)を図の如く装着したものであ
り、これを第1図の音叉(1)の代わりに用いても、全
く第1図と同じ効果が得られる。
第4図は、第3図と更に異なる本発明の一実施例を示し
たも゛のであり、音叉(1)の材料は強磁性体でこの第
4図の例は、音叉(1)が4脚(11) 。
(IIA) 、  (IIB) 、  (IIC)の場
合を示しているが、これを第1図の駆動コイル(14)
の中に音叉(1)の代わりに挿入すれば、駆動コイル(
14)ニ交流電流を加えることにた2対の脚(11) 
(IIA)及び(IIB) 、  (IIG)がその倍
周波数で互いに反撥し、すぐれた振動ジャイロを得るこ
とができる。第4図の例では、音叉(1)の脚は4脚(
11) 、  (IIA) 、  (IIB) 、  
(IIG) テあるが6脚以上の一般にn個の脚をもつ
振動ジャイロを得ることができるだけでなく、本発明に
よれば3脚、5脚、7脚以上の任意の奇数脚の振動ジャ
イロを偶数脚と全く同じ原理による反撥力で振動せしめ
ることができ、しかも、第8図に示す従来型ひもつ欠点
を一切持たない装置として実現することがでる。多数脚
の場合、2脚の場合と、振幅、周波数、捩り振動検出装
置が同一であれば、振動ジャイロとしての出力は、脚数
に比例して(すなわち4脚なら2倍)増加するので、高
感度となすことができる。
第3図及び第4図のどちらの実施例も、捩れ振動検出系
にっていは、第1図の実施例と全く同様なので、図示も
、説明も省略する。
第5図は本発明の更に他の実施例で、同一出願人による
特願昭58−45234号のジャイロ装置の音叉の駆動
に本発明の磁気駆動方式を適用したものである。尚、同
図に於いて、第1図と同一の機能を持つ部材は同一の番
号を付し一部説明を省略している。
第5図において、平板状の基台(2)上に、その上面と
略々垂直となる如く、短冊状バイモルフ圧電素子からな
る角振動検出器(17)を取りつける。
尚、この際必要に応じて取付部(30A)を用いても良
い。この例に於いては、高透磁率材製の音叉(1)を、
振動質量部(1−1”) 、  (1−LA)これ等の
それぞれに連結した撓み部(1−2) 、  (1−2
A)及び両撓み部(1−2) 、  (1−2A)の各
遊端を連結する基部(1−3)より構成する。基部(1
−3)の上面に、L字状取付部(1−4)の一方の脚(
1−4a)が略〜垂直上方に伸びる如く固定し、他方の
脚(1−4b)が両撓み部(1−2) 、  (1−2
A)と略\平行に伸びる如くなすと共に、基部(1−3
)の下面にカウンターウェイト部(1−5)を取りつけ
る。
上述の如く構成した音叉(1)を次の如く短冊状バイモ
ルフからなる角振動検出器(17)に固定する。
如く角振動検出器(17)の上端に、L字状取付部(1
−4)の脚(1−4b)を固定する。かくすれば、音叉
(1)はその振動面(音叉面)が第5図に示す如く、水
平に設置された基台(2)の板面と略\平行即ち角振動
検出器(17)の長手方向と直交する如く取付けられる
ことになる。尚、この場合両撓み部(1−2) 、  
(1−24)間の隙間は、角振動検出器”(17)が振
動し、音叉(1)の振動面が傾斜しても角振動検出器(
17)のバイモルフと両撓み部(1−2)。
(1−2A)とが接触しないような値に設定されている
と共に、音叉(1)の振動質量部(1−1) 、  (
1−1^)−及びカウンターウェイト部(1−5)等が
基台(2)の上面に接触しないように、角振動検出器(
17)の基台(2)上の高さは設定されている。
又、(1−6) 、  (1−6A)は、音叉(1)の
両撓み部(1−2) 、  (1−2A)に取付けた音
叉(1)の振動検出用の検出圧電素子、(14)は音叉
(1)の駆動コイルで基台(2)に固定されており、音
叉(1)の振動質量部(1−1) 、  (1,LA)
が、コイル(14)の内部を非接触的に貫通している。
駆動コイル(14)は交流電源(16)により、励磁さ
れ音叉(1)に同図、φで示す交番磁束を生ぜしめ、こ
れによって音叉(1)の振動質量部(1−1)。
(1−LA)は、交流電源(16)の電源周波数の2倍
の周波数で反撥され、振動質量部(1−1) 、  (
1−LA)に同図Vで示す方向反対の交番振動を励起さ
せる。
角振動検出器の(17)の出力は電路(19)により、
音叉(1)の検出圧電素子(1−6) 、  (1−6
A)からの音叉(1)の振動に対応した信号は電路(2
0)により、デモシュレータ(21)に入力され、同期
整流することにより同図(Z−Z)軸まわりに加えられ
た入力角速度Ωに対応した角速度信号が検出できる。尚
、(12) 、  (12A)は音叉(1)の振動質量
部(1−1) 、  (1−IA)に取付けた強磁気体
からなる駆動体であるが、音叉(1)が強磁性体で作ら
れている時には、これ等を省略することができる。
第6図に示す如く、本発明の第5図に示した構成の例で
は、音叉(1)、L字状取付は部(1−4’)及びカウ
ンターウェイト部(1−5)全体の重心(G)は、角振
動検出器(17)のバイモルフの長手方向(同図に於い
ては、上下方向)の長さの略%の位置に来るように設計
されている。今、速度Vで振動しつつある音叉(1)の
振動質量部(1−1) 、  (1−LA)に、角速度
Ωが作用し、コリオリの力FCが発生すると、音叉(1
)に偶力が働き、その振動面が前の状態(水平)より、
θで示す変角だけ傾斜し、角・振動検出器(17)のバ
ネ剛性と均りあう。ここで、角振動検出器(17)は、
第6図に示す如く、2枚の薄板状圧電素子(17−1)
 、  (17−2)を接合したバイモルフと称される
素子であるので、同図の如く変形した場合、一方の圧電
素子(17−2)には、圧縮応力が、又、他方の圧電素
子(174)には、引張り応力が発生し、従って、それ
ぞれに設けた電極(図示せず)間には、変形量に応じた
電圧が生ずる。即ち音叉(1)の振動質量部(1−1)
(1−IA)の振動振幅及び振動周波数が一定であれば
、圧電素子(17−1) 、  (17−2)間に発生
する上記電圧は、入力角速度Ωに比例するので、ジャイ
ロ装置を得ることが出来る。
第7図は、振動質量部(1−1) 、  (1−IA)
が振動速度Vで振動している音叉(1)に、その振動面
に平行な外部加速度αが作用した時の角振動検出器(1
7)の変形状態を示したものである。上述の如く、音叉
(11等の重心(G 、”)は、角振動検出器(17)
の長手方向の略中心に位置している為、角振動検小器(
17)は、音叉(11の水平を保持して、ΔXだけ横(
水平)方向に変位して、加速度αと均り合う。
即ち、角振動検出器(17)は、第7図に示す如く、S
字状に彎曲するため、その上半分と下半分とでは、その
曲率が逆転して、その電極間に電圧は発生しない。即ち
、音叉(1)の振動面と平行な、即ち水平方向の振動等
による加速度が、音叉(1)に加わっても、入力角速度
Ωの検出に影響を与えることはない。
上述の如く、第5図に示した例においては、音叉(1)
の基部(1−3>に、振動質量部(1−1)。
(1−IA)方向に向かってその一脚(1−4b)が伸
びるL字状取付部(1−4)を設け、基台(2)に垂直
に取付けた角振動検出器(エフ)を、音叉(1)等の略
重心(G)の位置を通ってその中央隙間を貫通させ、そ
の他端に、L字状取付部(1−4)の脚(1−4b)を
結合させるという極めて簡単な構造で、ジャイロ装置を
実現している。
尚、第5図に示した例においては、音叉+1)を交流電
源(16)にて励振させる構成を示したが、その代わり
に、同図の検出圧電素子(1−6) 、  (1−6A
)の出力を入力とした自励発振回路を用い、音叉(1)
をその自己共振周波数で振動させるような構造としても
差しつかえない。
〔発明の効果〕
以上説明してきたように、本発明によれば、以下に列挙
する効果が得られる。
(1)駆動電源(16)の周波数、電圧の変動などに対
応するスケールファクタの変化や零点の狂いを防止もし
くは著しく低減することができる。
(2)  駆動コイルは外筺の外側でよく、製作簡単で
ある。
(3)駆動コイル(14)の位置に関し、微妙な調整を
一切必要としない。
(4)構造が簡単となり、特に全体の容積を小さくコン
パクトにすることができる。
(5)第4図に示す如く、3脚以上の任意の多数脚の高
感度振動ジャイロを容易に実現できる。
(6)熱恒弾性材の音叉に通用して、特にすぐれた安定
性をもつ振動ジャイロを得ることができる。
(7)  撓み軸(3)のまわりの振動を角振動検出器
(17)で検出し、これを音叉(11の振動を検出する
検出器(18)、 、  (18A )の位相を基準と
して処理することにより従来より高精度かつ安定な振動
ジャイロ装置を得ることができる。
(8)  さらに倍周波発生器(23)は全(不必要で
取り去ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す構造説明図、第2図A
及びBは第1図の°例の原理説明図、第3及び第4図は
夫々本発明の他の実施例の部分説明図、第5図は本発明
の更に他の実施例の構造説明図、第6及び7図は夫々第
5図の例の動作説明用の路線図、第8図は従来のジャイ
ロ装置の一例を示す構造説明図である。。 回船いて、(1)は音叉、(11) 、  (IIA 
) 。 CIIB) 、  (IIG)はその脚、(1−1) 
、  (1−IA)はその振動質量部、(1−2) 、
  (1,−2A)はその撓み部、(2)は基台、(3
)は撓み軸、(5)は外筐、(14)は駆動コイル、(
工6)は電源、(エフ)は角振動検出器、(1B) 、
  (18A)は振動検出器、(21)はデモシュレー
タ、(1−6) 、  (1−6A)は圧電素子、(Z
−Z)は入力軸、(Ω)は入力角速度を夫々示す。 第2 第1図 手続1rfi Iヒ1−才  (方10昭f11641
年 3月2811 特許庁長官  志 負   学   殿昭和59年 特
 許 願 第224153号3、 Fili止をする考 ’B件との関係   特許出願人 住 所 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号名称(
33B)株式会社東京計器 代表取締役 廣 野 信 jQi 4、代理人

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 少なくとも2個の脚を有する振動する音叉状振動子と、
    該振動子に連続振動を与えるための駆動装置と、上記振
    動子の中心をとおり該振動子の脚と平行な入力軸のまわ
    りの上記振動子の角振動を検出する装置とを有するジャ
    イロ装置において、上記駆動装置は上記振動子と無接触
    にその外側に巻回されそれに交流電流通じたときのその
    発生磁界が上記入力軸と平行になるよう配置された巻線
    と上記振動子の脚部に有する強磁性体とより成ることを
    特徴とするジャイロ装置。
JP59224753A 1984-10-25 1984-10-25 ジヤイロ装置 Pending JPS61102512A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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