JPS6358111A - 音叉形圧電体角速度センサ− - Google Patents
音叉形圧電体角速度センサ−Info
- Publication number
- JPS6358111A JPS6358111A JP61202261A JP20226186A JPS6358111A JP S6358111 A JPS6358111 A JP S6358111A JP 61202261 A JP61202261 A JP 61202261A JP 20226186 A JP20226186 A JP 20226186A JP S6358111 A JPS6358111 A JP S6358111A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- angular velocity
- axis
- tuning fork
- frequency
- natural frequency
- Prior art date
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- Pending
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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。
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
本発明は圧電体を用いた角速曵ケンリーに関づるもので
ある。
ある。
従来の技術
角速度を測定するジャイロの種類には回転形ど振動形の
ジトイロがある。前者は高性能だが部品点数が多く、高
精度の加工が要求され高価である。
ジトイロがある。前者は高性能だが部品点数が多く、高
精度の加工が要求され高価である。
後者は形状1寸法9重闇等が小さく、構造が簡単で安価
だが要求性能の面ではまだまだ不十分であり、性能の向
上が望まれている。
だが要求性能の面ではまだまだ不十分であり、性能の向
上が望まれている。
振動形ジャイロは振動物体に角速度をIうえるとコリA
りの力を生じることを応用したものである。
りの力を生じることを応用したものである。
この種ジャイロの角速度廿ンリー主要部には各種形式の
振動子が用いられ、その種類や構造については種々のも
のが考案されている。例えば、米国特酌第2,544,
646号明細書のように、2枚の里根状の圧電体が互い
に直角をなすように端部で直交突合わせ接合した形の振
動子を用いるものヤ)、同じく第2,513,340号
明細書のJ、うに音叉形振動子を用いるもの等がある。
振動子が用いられ、その種類や構造については種々のも
のが考案されている。例えば、米国特酌第2,544,
646号明細書のように、2枚の里根状の圧電体が互い
に直角をなすように端部で直交突合わせ接合した形の振
動子を用いるものヤ)、同じく第2,513,340号
明細書のJ、うに音叉形振動子を用いるもの等がある。
一般に音叉形振動子は連成振動と呼ばれる現象によって
両アームとも比較的安定な共振周波数と振幅を保持しや
すく、振動形の角速度セン4ノーに使用づるには好都合
である。
両アームとも比較的安定な共振周波数と振幅を保持しや
すく、振動形の角速度セン4ノーに使用づるには好都合
である。
第4図は一般的な音叉形振動子の振動姿態な示寸概略図
で、同図(イ)、(ロ)、<ハ)の3通りの方法で振動
し1qる。
で、同図(イ)、(ロ)、<ハ)の3通りの方法で振動
し1qる。
このような音叉形振動子を角速度センサーに用いる場合
を同図に従って説明する。
を同図に従って説明する。
音叉のアーム部を適当な駆動手段、例えば側面(W而)
に駆動用圧電板を接着しく図示せず)、第4図(、イ)
に示寸如くX軸方向に両アームが互いに反対方向へ屈曲
するように励振させる。このときの駆vノ周波数はアー
ムの幅Wと長さaにJ:っ(決まる固有振動数と同じに
づる。この状態で7軸J、わりに回転角迷電Ωを与える
と、第4図(ロ)に示す如く、アーム部はコリオリの力
Fcを受けてY軸方向にも屈曲振動づる。この振動姿態
はア・−ムの厚さtど長さaによって決まる固有振動数
を右しているが、実際に角速度Ωを15えた場合のYi
1111方向への振動周波数は駆動周波数に等しくなる
。またアームのY軸方向への振幅は与えられた角速度Ω
に比例するから、適当な検知手段、例えばアーム部の前
面(1面)に圧電板を接着するなどして、Y軸方向の屈
曲振動の大きさを検知する。
に駆動用圧電板を接着しく図示せず)、第4図(、イ)
に示寸如くX軸方向に両アームが互いに反対方向へ屈曲
するように励振させる。このときの駆vノ周波数はアー
ムの幅Wと長さaにJ:っ(決まる固有振動数と同じに
づる。この状態で7軸J、わりに回転角迷電Ωを与える
と、第4図(ロ)に示す如く、アーム部はコリオリの力
Fcを受けてY軸方向にも屈曲振動づる。この振動姿態
はア・−ムの厚さtど長さaによって決まる固有振動数
を右しているが、実際に角速度Ωを15えた場合のYi
1111方向への振動周波数は駆動周波数に等しくなる
。またアームのY軸方向への振幅は与えられた角速度Ω
に比例するから、適当な検知手段、例えばアーム部の前
面(1面)に圧電板を接着するなどして、Y軸方向の屈
曲振動の大きさを検知する。
以上の如さγ1叉形振動子に限らず、振動形色速度セン
サー検知部からの出力信号波形は駆動周波数を搬送波と
し、角速度の変化を信号波とした被変調波の形で現われ
る。
サー検知部からの出力信号波形は駆動周波数を搬送波と
し、角速度の変化を信号波とした被変調波の形で現われ
る。
従って、出力インピーダンスの大きい圧電体を検知手段
に用いたセンサーの出力信号から角速度を知るための電
気回路としては、検知部からの出力信号をまず電荷増幅
してから帯域通過フィルターで雑音や高調波成分を除去
し、検波回路で復調してから低周波増幅するのが一般的
である。最終的には角速度の変化に対して直線関係を有
する出力特性が得られる。
に用いたセンサーの出力信号から角速度を知るための電
気回路としては、検知部からの出力信号をまず電荷増幅
してから帯域通過フィルターで雑音や高調波成分を除去
し、検波回路で復調してから低周波増幅するのが一般的
である。最終的には角速度の変化に対して直線関係を有
する出力特性が得られる。
発明が解決しようとする問題点
従来の音叉形振動子センサーに使用する音叉のアームの
幅Wと厚さtは同一」払とする場合が多かった。またw
>tやw<tの音叉も用いられるが、アームの長さaや
ベースの長さbを含め、いかなる寸法が角速度センサー
に適しているか不明であったため、最適寸法の音叉形振
動子とは言えなかった。これら従来の音叉形振動子を用
いに角速度センナ−の出力信号波形を第3図に示づ゛。
幅Wと厚さtは同一」払とする場合が多かった。またw
>tやw<tの音叉も用いられるが、アームの長さaや
ベースの長さbを含め、いかなる寸法が角速度センサー
に適しているか不明であったため、最適寸法の音叉形振
動子とは言えなかった。これら従来の音叉形振動子を用
いに角速度センナ−の出力信号波形を第3図に示づ゛。
この波形は前述の帯域フィルター通過後の波形である。
図中の△の範囲はセンサー静止時であり、振幅VI G
が出力される。Bの範囲は一定の角速度で回転した時の
出力を示し、lm5(1kH2)の搬送波に6m5(1
67H2)の低周波成分が重畳した波形の出力が得られ
、帯域通過フィルターだけでは低周波成分は除去できな
かった。
が出力される。Bの範囲は一定の角速度で回転した時の
出力を示し、lm5(1kH2)の搬送波に6m5(1
67H2)の低周波成分が重畳した波形の出力が得られ
、帯域通過フィルターだけでは低周波成分は除去できな
かった。
この波形を検波および低周波増幅しても正確な角速度は
91測できなかった。このような波形になる原因は、セ
ンサー静止状態においては第4図(イ)の如くX軸方向
にのみ撮動し、駆動周波数と同じ周波数で振幅V′Cの
雑音成分が現われるが、回転時には第4図(ロ)に示す
振動が生じるだ(プでなく、同図〈ハ)に示す如く、ア
ームの厚さ1ど6叉の全長lによって決まる固有振動数
で大きなtt振を生じ、その結果、これに相当する6m
sの低周波成分が出力されるためである。
91測できなかった。このような波形になる原因は、セ
ンサー静止状態においては第4図(イ)の如くX軸方向
にのみ撮動し、駆動周波数と同じ周波数で振幅V′Cの
雑音成分が現われるが、回転時には第4図(ロ)に示す
振動が生じるだ(プでなく、同図〈ハ)に示す如く、ア
ームの厚さ1ど6叉の全長lによって決まる固有振動数
で大きなtt振を生じ、その結果、これに相当する6m
sの低周波成分が出力されるためである。
問題点を解決するための手段
本発明はセンリー回転時にY軸方向の不要な低周波振動
が現れ0い検知部出力信号を得るため、音叉の各部首法
を調整して、第4図(ハ)に示づY軸方向の固有振動数
をX軸方向の駆動周波数より高くなるように設定するこ
とを特徴とするものである。
が現れ0い検知部出力信号を得るため、音叉の各部首法
を調整して、第4図(ハ)に示づY軸方向の固有振動数
をX軸方向の駆動周波数より高くなるように設定するこ
とを特徴とするものである。
この場合、搬送波より高い周波数の雑音成分が被変調波
に視れるが、帯域通過フィルターによって除去しやすく
、また簡単な復調回路によって角速度の信号波が容易に
検波できる。
に視れるが、帯域通過フィルターによって除去しやすく
、また簡単な復調回路によって角速度の信号波が容易に
検波できる。
実 施 例
本発明の角速度センサーの一実施例を第1図に示す。1
は2本の検知部(アーム部)2.2’とベース部3とか
らなる音叉形振動子で、該振動子はチタン酸ジルコン酸
鉛やチタン酸バリウムなどの圧電板2 a、 2 bを
接着剤で張合わけた層状のバイモルフ構造となっている
。すなわち、矢印Pの方向に分極処理された圧電板2a
のアーム部の表裏両表面には銀、金などの検知部電極4
,4′と中央部電極5.5′が設けられており、同じく
矢印P′に分極処理された圧電板2bも同様に5,5′
を中央部電極として検知部電極6,6′が股りられてい
−6= る1、中央部電極5 、5′は図rnjでは1層で示し
であるが、1細にμFF電板2aの電極層、接着剤層。
は2本の検知部(アーム部)2.2’とベース部3とか
らなる音叉形振動子で、該振動子はチタン酸ジルコン酸
鉛やチタン酸バリウムなどの圧電板2 a、 2 bを
接着剤で張合わけた層状のバイモルフ構造となっている
。すなわち、矢印Pの方向に分極処理された圧電板2a
のアーム部の表裏両表面には銀、金などの検知部電極4
,4′と中央部電極5.5′が設けられており、同じく
矢印P′に分極処理された圧電板2bも同様に5,5′
を中央部電極として検知部電極6,6′が股りられてい
−6= る1、中央部電極5 、5′は図rnjでは1層で示し
であるが、1細にμFF電板2aの電極層、接着剤層。
1[電tf< 2 bの電極層から成る3層構造であり
、接η剤層は数μR1程度の薄い層なので両電極層は電
気的に聯通し−(いる1、ベース部3は接着、締イ」(
プ。
、接η剤層は数μR1程度の薄い層なので両電極層は電
気的に聯通し−(いる1、ベース部3は接着、締イ」(
プ。
ぞの曲の方法で支持部7に固定れている。
8.8′は両表面に銀または金等の駆動電極8a。
E’+ b、8’a、3’bを設置Jた駆動用圧電板で
、音叉形振動子1の両側面に接着剤で張付りられ、駆動
部を形成している。
、音叉形振動子1の両側面に接着剤で張付りられ、駆動
部を形成している。
駆動電極8a、8’aとBb、B′bとの間に交流電圧
を印加りるど駆動用圧電板8および8′はZ軸方向に仲
81;づるから、検知部2.2′はX軸方向に屈曲振動
リ−ることになる。X軸方向の固有振動数と同じ周波数
で励振駆動しながら、Z軸まわりの回転角速度Ωを与え
ると、検知部2,2′はコリオリカを受4J(Y軸方向
にも111(曲振動する。すなわち、音叉のy)−ム部
先端の軌跡は楕円軌道を描くが、この肋、検知部電極4
と6の間、または4′と6′の間には珪雷坦象によって
電萄が発生する。その極性は検知部電極4が正電油Iの
どき6′−b正電伺となり、検知部電極4′と6は負電
夕■と<【る。従って、検知部電極4と6′および4′
と6をイれぞれ外部導線(図示しない)で並列に接続し
、検知信号を取り出1゜ 本発明角速度センサー用の音叉形振動子は、X軸方向の
固有振動数を、音叉の全長17J<Y軸方向に屈曲覆る
ときの固有振動数よりも小ざく覆ることを特徴どする。
を印加りるど駆動用圧電板8および8′はZ軸方向に仲
81;づるから、検知部2.2′はX軸方向に屈曲振動
リ−ることになる。X軸方向の固有振動数と同じ周波数
で励振駆動しながら、Z軸まわりの回転角速度Ωを与え
ると、検知部2,2′はコリオリカを受4J(Y軸方向
にも111(曲振動する。すなわち、音叉のy)−ム部
先端の軌跡は楕円軌道を描くが、この肋、検知部電極4
と6の間、または4′と6′の間には珪雷坦象によって
電萄が発生する。その極性は検知部電極4が正電油Iの
どき6′−b正電伺となり、検知部電極4′と6は負電
夕■と<【る。従って、検知部電極4と6′および4′
と6をイれぞれ外部導線(図示しない)で並列に接続し
、検知信号を取り出1゜ 本発明角速度センサー用の音叉形振動子は、X軸方向の
固有振動数を、音叉の全長17J<Y軸方向に屈曲覆る
ときの固有振動数よりも小ざく覆ることを特徴どする。
その−例を第5図に従って説明する。同図はアームの長
さと固有振動数の関係を割算によって求めた結果である
。同図の破線くイ)はアームの幅をw= 2mmとした
場合のX+11方向の固有振動数[f−△xw/a’l
(Δは常数、jス下同じ)を示し、直線(ロ)はアーム
のyワざをt−4mmどした場合にアームがY軸方向に
lllI曲づるとさの固有振動数[f =AX t、
/a 2 コをホ1J。
さと固有振動数の関係を割算によって求めた結果である
。同図の破線くイ)はアームの幅をw= 2mmとした
場合のX+11方向の固有振動数[f−△xw/a’l
(Δは常数、jス下同じ)を示し、直線(ロ)はアーム
のyワざをt−4mmどした場合にアームがY軸方向に
lllI曲づるとさの固有振動数[f =AX t、
/a 2 コをホ1J。
曲線(バー1)および(バー2)はアームの厚さがt=
4mmであって、ベースの長さをそれぞれ1)−8mm
および16mmとしだどきの固有振動数[f−・Δ×t
、/(a十b)2]を示す。
4mmであって、ベースの長さをそれぞれ1)−8mm
および16mmとしだどきの固有振動数[f−・Δ×t
、/(a十b)2]を示す。
本発明のr4叉形振動了を構成するためには、破線(イ
)=二重線(バー1〉または(バー2)となるようにア
ームの長さaを選択する必要があるが、第5i図に示づ
如く、ベースが長いほどY軸方向の固4111iQ t
h故が低くなるから、アームの長ざaもかなり人きく
シ’、l−4Jれば4fら4.Zいことが分る。そこで
ベースのfA aをb−8111mとした場合には、ア
ームの長さaを斜線で示す範囲内に選択すれば良い。
)=二重線(バー1〉または(バー2)となるようにア
ームの長さaを選択する必要があるが、第5i図に示づ
如く、ベースが長いほどY軸方向の固4111iQ t
h故が低くなるから、アームの長ざaもかなり人きく
シ’、l−4Jれば4fら4.Zいことが分る。そこで
ベースのfA aをb−8111mとした場合には、ア
ームの長さaを斜線で示す範囲内に選択すれば良い。
本発明の実施例ではアームの幅W−2.厚さ 1=4、
長さ a=−41,ベースの長ざb=8 (mm)の
音叉形振初子を(Q成した。第5図の一点鎖線で示づJ
、うに各振動姿態(第4図)の固有振動数は、それぞ゛
れ!1001−l /’、 7201−l Z、 H1
00H7になるものと想定され、実際に固有振動数を測
定したところ、これどよく 致し/C、。
長さ a=−41,ベースの長ざb=8 (mm)の
音叉形振初子を(Q成した。第5図の一点鎖線で示づJ
、うに各振動姿態(第4図)の固有振動数は、それぞ゛
れ!1001−l /’、 7201−l Z、 H1
00H7になるものと想定され、実際に固有振動数を測
定したところ、これどよく 致し/C、。
II iil、: XI法の高叉形振動了力冒ろ成る角
速瓜センリーの帯域フィルター通過後の出力波形を第2
図に承・jl、1)1′1述のq)3図と同じように、
図中のAの範囲il+、レンリー静止時であり、振幅V
cが出力され、定角速度を与えた[3の範囲では振幅■
の出力(5弓が1qられた。振幅V−Vcの大ささは、
与えられた角速度に対して正確な比例関係を右するもの
であった。また、出力信号波形は2 ms (500H
Z )のX軸方向の固有振動数、すなわち駆動周波数の
みが現われるから、次段の検波器によって角速度信号が
容易に復調され、良好な角速度セン→ノーが1qられた
。
速瓜センリーの帯域フィルター通過後の出力波形を第2
図に承・jl、1)1′1述のq)3図と同じように、
図中のAの範囲il+、レンリー静止時であり、振幅V
cが出力され、定角速度を与えた[3の範囲では振幅■
の出力(5弓が1qられた。振幅V−Vcの大ささは、
与えられた角速度に対して正確な比例関係を右するもの
であった。また、出力信号波形は2 ms (500H
Z )のX軸方向の固有振動数、すなわち駆動周波数の
みが現われるから、次段の検波器によって角速度信号が
容易に復調され、良好な角速度セン→ノーが1qられた
。
発明の効果
本発明の音叉形振動子を用いた角速度センリーでは、コ
リオリカの検知方向であるY軸方向の屈曲振動の固有振
動数をX軸方向の固tT振動数、づなわら駆動周波数よ
りも高くすることによって、低周波成分のイ1い出力信
号波形が4EJられるから容易に検波でき、低周波増幅
によって極めて精度の良い角速度信号が得られる。また
、音叉形振動子自体、極めて安定な周波数によって両ア
ームとも一定振幅で駆動できるため、音叉形以外の従来
の振動形角速度センサーに比べて非回転時の出力が小さ
く、従って、角速II信号とのSN比は大幅に改善され
た。さらに、角速度や外部振動の影胃を受()ても、検
知部の出力信号波形にはほとんど現われないため、極め
て高精瓜な角速度センサーを提供できる。
リオリカの検知方向であるY軸方向の屈曲振動の固有振
動数をX軸方向の固tT振動数、づなわら駆動周波数よ
りも高くすることによって、低周波成分のイ1い出力信
号波形が4EJられるから容易に検波でき、低周波増幅
によって極めて精度の良い角速度信号が得られる。また
、音叉形振動子自体、極めて安定な周波数によって両ア
ームとも一定振幅で駆動できるため、音叉形以外の従来
の振動形角速度センサーに比べて非回転時の出力が小さ
く、従って、角速II信号とのSN比は大幅に改善され
た。さらに、角速度や外部振動の影胃を受()ても、検
知部の出力信号波形にはほとんど現われないため、極め
て高精瓜な角速度センサーを提供できる。
第1図は本発明の音叉形振動子を用いた角速度上ン1ノ
ーの実施例を示す斜視図、第2図は本発明の音叉形色速
度センV−の検知部出力信号波形図、第3図は従来の音
叉形色速度センサーの検知部出力信号波形図、第4図は
音叉形振動子の振動姿態を示す概略図、第5図は音叉形
振動子のアームの長さと固有振動数の関係を示す図であ
る。 1・・・・・・音叉形振動子 2.2′・・・・・・検知部 昂1B アー 図面の浄書(内容に変更なし) :′X 7 固 2*5 ヤ ち 圓 館4−1凹 (1) (ロ)
(ハ)雪す Y] ■ 勿夕12 下−1へ(う千ざ0−(hn゛γlり 可「糸lx: ?13ilE t4H(方式〉1、事イ
′1の表示 昭和61(「 特 δ′1 願 第202261月2、
発明の名称 音叉膨圧電体角速度ピン番J− 〒601
ーの実施例を示す斜視図、第2図は本発明の音叉形色速
度センV−の検知部出力信号波形図、第3図は従来の音
叉形色速度センサーの検知部出力信号波形図、第4図は
音叉形振動子の振動姿態を示す概略図、第5図は音叉形
振動子のアームの長さと固有振動数の関係を示す図であ
る。 1・・・・・・音叉形振動子 2.2′・・・・・・検知部 昂1B アー 図面の浄書(内容に変更なし) :′X 7 固 2*5 ヤ ち 圓 館4−1凹 (1) (ロ)
(ハ)雪す Y] ■ 勿夕12 下−1へ(う千ざ0−(hn゛γlり 可「糸lx: ?13ilE t4H(方式〉1、事イ
′1の表示 昭和61(「 特 δ′1 願 第202261月2、
発明の名称 音叉膨圧電体角速度ピン番J− 〒601
Claims (1)
- 2枚の圧電板を接合してなるバイモルフ形状の音叉形振
動子の2本のアーム部分を検知部となし、バイモルフの
屈曲方向であるY軸方向に対して垂直なX軸方向に前記
アーム部が屈曲振動するように、四辺形断面を有するア
ーム部の側面に圧電体を固着して駆動部とした音叉形振
動子において、該アーム部分のX軸方向の屈曲振動の固
有振動数で駆動するとともに、該振動数より高周波側に
Y軸方向の固有振動数を設定することを特徴とする音叉
形圧電体角速度センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61202261A JPS6358111A (ja) | 1986-08-27 | 1986-08-27 | 音叉形圧電体角速度センサ− |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61202261A JPS6358111A (ja) | 1986-08-27 | 1986-08-27 | 音叉形圧電体角速度センサ− |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6358111A true JPS6358111A (ja) | 1988-03-12 |
Family
ID=16454612
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61202261A Pending JPS6358111A (ja) | 1986-08-27 | 1986-08-27 | 音叉形圧電体角速度センサ− |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6358111A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05256723A (ja) * | 1991-03-12 | 1993-10-05 | New Sd Inc | 一端閉鎖型音叉用慣性検出器 |
| WO1997009585A1 (en) * | 1995-09-08 | 1997-03-13 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Angular velocity sensor |
| JP2010505102A (ja) * | 2006-09-29 | 2010-02-18 | コンチネンタル オートモーティヴ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 振動センサを用いてヨーレートを測定するための装置 |
-
1986
- 1986-08-27 JP JP61202261A patent/JPS6358111A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US5522249A (en) * | 1991-03-12 | 1996-06-04 | New Sd Inc. | Single ended tuning fork inertial sensor and method |
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