JPH06148231A - ヨーレートセンサの温度補償方法及び温度補償装置 - Google Patents

ヨーレートセンサの温度補償方法及び温度補償装置

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JPH06148231A
JPH06148231A JP4324626A JP32462692A JPH06148231A JP H06148231 A JPH06148231 A JP H06148231A JP 4324626 A JP4324626 A JP 4324626A JP 32462692 A JP32462692 A JP 32462692A JP H06148231 A JPH06148231 A JP H06148231A
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capacitance
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JP4324626A
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English (en)
Inventor
Masayuki Sato
雅之 佐藤
Toru Watanabe
徹 渡辺
Akihiro Kobayashi
聡宏 小林
Katsuyoshi Mizumoto
克芳 水元
Tadaichi Matsumoto
只一 松本
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Toyota Motor Corp
Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】圧電振動ジャイロを用いたヨーレートセンサの
温度補償方法及び温度補償装置の提供。 【構成】一端が固定された中空円筒状の圧電振動部材の
基部側一端の内周面と外周面に圧電体の容量を検出する
ための容量検出用電極を設けると共に、該電極をその遮
断周波数が圧電体の容量に依存して可変される瀘波回路
に接続し、所定の基準信号を前記瀘波回路に入力し、該
瀘波回路の出力電圧によりその利得が可変に制御される
増幅器に前記角速度検出回路の出力信号を入力し、温度
補正された利得を以て角速度検出回路の出力が増幅され
るようにしたヨーレートセンサの温度補償の方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、車両回転角(ヨー角)
の速度変化(ヨーレート)を検出するセンサの温度補償
方法及び温度補償装置に関する。
【0002】
【従来の技術】車両回転角(ヨー角)のヨーレートのセ
ンサとして、圧電体を用いて振動を印加し、ヨー角の速
度変化による振動の変動を検出する圧電振動ジャイロが
用いられている。
【0003】従来、圧電振動型ジャイロとしては、例え
ば一端が閉塞されて支持部材に固定されその軸中心に回
動自在とされた中空円筒状部材と、円筒部材に径方向に
所定の振動を与えるための圧電素子から成るトランスジ
ューサと、円筒部材のねじり振動を検出する圧電素子な
どから成るセンサとが円筒部材に配されたものが知られ
ている(英国特許2061502A及び米国特許第4,
655,081号など)。
【0004】図1には圧電振動ジャイロの動作原理が略
示されている。
【0005】図1(A)において、円筒部材1は、発振
器による交番信号により励振用電極2を介して所定の共
振周波数で径方向に振動され、振動検出用電極3を介し
て振動が検出される。
【0006】そして、図1(B)に示すように、回転運
動が生じると、円筒部材にはコリオリ力が働きねじり振
動により振動検出用電極3には、振動の変化、例えば逆
位相の信号が感知され、回転速度量を表わす信号は電圧
増幅器6により取り出される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、PZTなど圧
電セラミックを用いた圧電振動型ジャイロでは、圧電セ
ラミックの温度により特性が変化して共振周波数が変化
するなど、温度によりヨーレートセンサの感度または出
力電圧が変わるという問題があった。
【0008】また、圧電振動型ジャイロの温度補償を行
なうために、温度センサを圧電体に別途取り付けた場
合、圧電体とは温度が異なるという問題があった。
【0009】したがって、本発明の目的は、前記問題点
を解消し、PZTなどの圧電セラミックによる圧電振動
ジャイロを用いたヨーレートセンサの温度補償方法を提
供することにある。
【0010】また、本発明の目的は、PZTなどの圧電
セラミックによる圧電振動ジャイロを用いたヨーレート
センサの温度補償装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、一端が固定された中空円筒状の圧電振動部
材と、前記圧電振動部材に固着された電極であって前記
圧電振動部材を励振するための励振用電極と前記圧電振
動部材の振動を検出するための振動検出用電極と、前記
励振用電極に交番信号を供給する発振回路と、前記振動
検出用電極の信号から角速度を検出する角速度検出回路
と、から成るヨーレートセンサの出力信号を温度補償す
るための方法において、前記中空円筒状の圧電振動部材
の基部側一端の内周面と外周面に圧電体の容量を検出す
るための容量検出用電極を設けると共に、該容量検出用
電極をその遮断周波数が圧電体の容量に依存して可変さ
れる瀘波回路に接続し、所定の基準信号を前記瀘波回路
に入力し、該瀘波回路の出力電圧によりその利得が可変
に制御される増幅器に前記角速度検出回路の出力信号を
入力し、温度補正された利得を以て該角速度検出回路の
出力が増幅されるようにしたことを特徴とするヨーレー
トセンサの温度補償のための方法を提供する。
【0012】また、本発明は、一端が固定された中空円
筒状の圧電振動部材と、前記圧電振動部材に固着された
電極であって前記圧電振動部材を励振するための励振用
電極と前記圧電振動部材の振動を検出するための振動検
出用電極と、前記励振用電極に交番信号を供給する発振
回路と、前記振動検出用電極の信号から角速度を検出す
る角速度検出回路と、から成るヨーレートセンサにおい
て、前記中空円筒状の圧電振動部材の基部側一端の内周
面と外周面に圧電体の容量を検出するための容量検出用
電極が設けられると共に該容量検出用電極が容量検出回
路に接続されたことを特徴とするヨーレートセンサの温
度補償装置を提供する。
【0013】そして、本発明は、前記容量検出用電極が
前記中空円筒状の圧電振動部材の振動節点に配設された
ヨーレートセンサの温度補償装置を提供する。
【0014】さらに、本発明は、容量検出回路が、予め
定める基準信号を出力する発振回路と、その時定数が前
記圧電体の容量に依存して可変される積分回路とから成
ると共に、前記容量検出回路の出力が、利得が電圧によ
り可変に制御される増幅器の制御信号端子に入力される
ことを特徴とするヨーレートセンサの温度補償装置を提
供する。
【0015】さらにまた、本発明は、電圧により利得が
制御される増幅器が、容量検出回路の出力を入力とする
電圧入力電流出力型のバッファ増幅器と、該バッファ増
幅器の出力が反転入力端子に接続され、前記角速度検出
回路の出力が非反転入力端子にそれぞれ接続された演算
増幅器とから成るヨーレートセンサの温度補償装置を提
供する。
【0016】本発明は、中空円筒状の圧電振動部材が真
空容器に入れられたことを特徴とするヨーレートセンサ
を提供する。
【0017】
【作用】本発明の温度補償の方法によれば、PZT系の
圧電セラミックから成る圧電振動部材の温度特性の変化
を誘電率の変化として検出するための容量検出用の電極
を圧電体自体に設け、圧電体の容量の変化に依存してそ
の遮断周波数が可変にされる瀘波回路に所定の振幅、周
波数の基準信号を入力し、圧電振動型ジャイロの角速度
検出回路の出力信号を増幅する増幅器の利得を瀘波回路
の出力電圧レベルによって可変して制御することによ
り、圧電体の温度特性に原因する角速度検出回路の信号
レベルの変化の温度補正を行なうものである。
【0018】また、本発明の温度補償装置では、PZT
系の圧電振動型ジャイロにおいて中空円筒状の圧電振動
部材の基部側一端の内周面と外周面に電極を配置し、該
電極間において圧電体は一種のコンデンサとして容量を
有することになり、容量に対応した信号を取り出す容量
検出回路を設けることによって圧電体の温度特性による
変化を容量の変化に対応した電気信号として検出し、こ
の電気信号に基づき角速度検出回路の出力電圧の温度補
償が行なわれる。
【0019】容量検出用の電極を中空円筒状部材の基部
側の一端に設けたのは、該基部側一端において円筒の振
動が最も小さく、円筒の他の部位に配設した場合に比べ
円筒圧電振動部材の振動全体に及ぼす影響が少ないため
である。
【0020】また、本発明の温度補償装置においては、
容量検出用の電極を圧電振動部材の振動節点に配設され
ることにより該電極による圧電振動部材の振動に及ぼす
影響が極小化される。
【0021】本発明においては、前記中空円筒状の圧電
振動部材が真空容器に入れられたことにより、圧電振動
部材の振動音は外部に漏れない。
【0022】
【実施例】以下に、添付した図面を参照して本発明の実
施例について詳細に説明する。
【0023】図2には、本発明の構成略図が示されてい
る。同図に示すように、中空円筒状の圧電振動部材1は
PZT系の圧電セラミックから形成され、図示下端にお
いて支持部材5に固定されている。
【0024】圧電振動部材1の円筒外周面には複数個の
励振用電極2と、複数個の振動検出用電極3が蒸着ある
いは銀ペーストをスクリーン印刷したのち焼付けにより
取り付けられる。
【0025】圧電振動部材1は、角速度検出回路30に
設けられた発振回路(図示せず)によって出力される交
番信号により励振用電極2を介してその共振周波数で振
動される。
【0026】そして、振動検出用電極3を介して圧電振
動部材1の振動が電気信号として検出され、回転運動に
伴い円筒部材に誘起されたコリオリ力による振動の変化
に基づき回転角速度の変化が検出される。
【0027】図2に示すように、中空円筒状の圧電振動
部材1の基部側の一端には、圧電体の容量を検出するた
めの容量検出用電極4が円筒の内周面と外周面に設けら
れている。
【0028】容量検出用電極4は容量検出回路20の積
分回路(図示せず)に接続され、容量検出回路20の温
度補正信号出力端子11には、ヨーレートを検出するた
めの角速度検出回路30の出力信号の温度変化を補正す
るための温度補償信号が出力される。
【0029】なお、図2では、中空円筒状の圧電振動部
材1は真空容器12に封入されている。これは圧電振動
部材の振動音を外部に漏れなくするためである。
【0030】図3には、本発明の実施例の回路構成が略
示されている。
【0031】同図には本発明における圧電体の容量検出
回路20の構成と、温度補償されたセンサ出力10を出
力するため、容量検出回路20の出力電圧により利得が
可変される増幅器6の構成と、圧電振動部材1の角速度
検出回路30の構成が略示されている。
【0032】角速度検出回路30の発振回路31は、そ
の出力が圧電振動部材1の励振用電極2に接続され、圧
電振動部材1をその共振周波数で振動するために所定の
振幅と周波数の交番信号を出力する。
【0033】角速度検出回路30の振動検出回路32は
振動検出用電極3の出力信号を所定利得増幅して角速度
検出用の信号Vsを出力する。
【0034】圧電体の容量変化を検出するために、中空
円筒状の圧電振動部材1の基部側一端の外周面と内周面
に設けられた容量検出用電極3は、容量検出回路20に
おいて、図示の如く演算増幅器24の帰還抵抗22と並
列に接続される。このため、容量検出用電極4に挟まれ
た圧電体は等価的に容量Cのコンデンサ23として積分
回路を構成する。
【0035】容量検出回路20における発振回路21
は、圧電振動部材1を励振するための発振回路31とは
別途に例えばセラロック等で作られ、予め定める一定の
振幅且つ一定の周波数から成る基準信号を出力するもの
である。
【0036】発振回路21の出力基準信号は、その出力
に下限リミッタ用ダイオード26が接続され半波整流回
路を構成すると共に、ボルテージホロワ構成により低イ
ンピーダンスの電圧を出力する演算増幅器25の非反転
端子に入力され、半波整流された基準信号は前記した積
分回路を構成する演算増幅器24の反転入力端子に入力
される。
【0037】積分回路を構成する演算増幅器24の出力
信号は負極性の電圧としてFET7のゲート端子に給配
される。
【0038】前記した積分回路からは、その時定数に依
存して信号電圧レベルが可変する信号が出力される。
【0039】すなわち、コンデンサ23の容量Cが増大
すると積分回路の時定数は大きくなり、基準信号の積分
回路の出力信号の電圧レベルは低下する。
【0040】このため、温度が上昇し圧電体の容量が増
大すると、前記積分回路の時定数が増大するため、積分
回路の出力信号の電圧レベルは減少する。
【0041】なお、図5には前記積分回路の周波数特性
のうち、その振幅特性が示されている。
【0042】図3の積分回路は一次の低域通過瀘波回路
を構成し、その遮断周波数fcは1/2πRCで与えら
れる。但し、Rは図3に示した帰還抵抗22の抵抗値、
Cは同図に示す圧電体の容量である。
【0043】図5には、一次の低域通過瀘波回路の周波
数応答の振幅特性が図示されている。容量Cが大きくな
ると低域通過瀘波回路の遮断周波数はfc’へと減少
し、一定周波数から成る基準信号の積分回路による減衰
量が増大するため、積分回路の出力信号の電圧レベルは
低下する。
【0044】また、温度が下がると圧電体の容量は減少
し、積分回路の時定数が減少するため、基準信号の積分
回路の出力信号の電圧レベルは上昇する。
【0045】図3に示すように、容量検出回路20の積
分回路の出力信号は電圧入力電流出力型のFET7のゲ
ート端子に接続され、角速度検出回路30の出力信号V
sの温度補正を行なう。
【0046】後に説明されるように、FET7は演算増
幅器6と共に電圧により利得が制御される増幅器を構成
する。
【0047】FET7のドレイン端子は演算増幅器6の
反転入力端子に接続され、ソース端子は接地されてい
る。
【0048】図6には、FETにおけるドレイン・ソー
ス間抵抗RDSの電圧特性の一例が示されている。同図に
示すとおりFETのドレインソース間抵抗RDSは、負極
性のゲート・ソース間電圧VGSの減少に伴い減少する。
【0049】図3において、FET7をドレイン・ソー
ス間抵抗RDSで等価的に表わし、帰還抵抗8の抵抗値を
Rfとし、角速度検出回路30の出力端子34の出力電
圧をVsで表わすと、演算増幅器6の出力電圧Voは次式
(1)で与えられる。
【0050】 Vo = (1 + Rf/RDS) × Vs (1)
【0051】したがって、演算増幅器の利得Aは次式
(2)で与えられる。
【0052】 A = 1 + Rf/RDS (2)
【0053】前記式(2)において帰還抵抗Rfは定値
であるため、FET7のドレイン・ソース間抵抗RDSが
増大すると増幅器の利得Aは減少し、FET7のドレイ
ン・ソース間抵抗RDSが減少すると増幅器の利得Aは増
大する。
【0054】図4には、圧電体が所定の一定温度にある
場合の角速度の変化に対する角速度検出回路の30の出
力電圧レベルと、圧電体の温度が上昇した場合の角速度
検出回路30の出力電圧レベルの一例が示されている。
【0055】同図に示すように圧電体の温度が上昇した
場合に、角速度検出回路30の出力電圧の回転角速度に
対する傾きは減少し、したがって温度が上昇した時、同
一の回転角速度に対する出力電圧レベルは減少する。
【0056】したがって、圧電振動部材1の温度が上昇
した場合に、角速度検出回路30の出力電圧は減少する
が、同時に圧電体の容量Cが増加するため、積分回路の
時定数が増大し、すなわち一次の低域通過瀘波回路の遮
断周波数が減少することになる。
【0057】このため、発振回路21により生成される
基準信号の積分回路による減衰量は増大し、積分回路の
出力信号の電圧レベルは低下する。
【0058】積分回路の出力は負極性の電圧信号として
FET7のゲート端子に印加され、ゲート端子電圧が低
下するため、図6の電圧特性に従ってFET7のドレイ
ン・ソース間抵抗RDSが減少し、前記式(2)により演
算増幅器6の利得は増大することになる。
【0059】このようにして、圧電体の温度が上昇した
場合、演算増幅器6に入力される角速度検出回路30の
出力信号Vsは、圧電体の温度上昇に対応して増大され
た利得を以て増幅されるため、ヨーレートセンサ出力で
ある演算増幅器6の出力端子10には、角速度検出回路
30の出力信号Vsの温度上昇による出力レベルの減少
が相殺され、温度補正された信号がセンサ信号として出
力される。
【0060】圧電振動部材1の温度が下がった場合に
は、角速度検出回路30の出力電圧は増大するが、同時
に圧電体の容量Cが減少し、積分回路の時定数は減少
し、すなわち一次の低域通過瀘波回路の遮断周波数が大
きくなる。
【0061】したがって、発振回路21により生成され
た基準信号の積分回路による減衰量は小さくなり、FE
T7のゲート端子に加えられる電圧レベルが負極側に増
大するため、図6の電圧特性に従ってFET7のドレイ
ン・ソース間抵抗RDSが増大し、前記式(2)により演
算増幅器6の利得が減少するため、ヨーレートセンサ出
力である演算増幅器の出力端子10には、角速度検出回
路30の出力信号Vsの温度降下による出力レベルの増
大が相殺され、温度補正された信号がセンサ信号として
出力される。
【0062】図7には、圧電体の容量検出用の電極4が
圧電振動部材1の振動の節点に取り付けられた構成が略
示されている。圧電振動部材1の振動節点は共振時にも
振動せず、このため電極の取付けによる振動部材の振動
全体に及ぼす影響が極小化される。
【0063】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の温度補償
方法によれば、PZTなど圧電体を用いた中空円筒状の
圧電振動部材において、圧電体の温度特性の変化を誘電
率の変化として検出するための電極を円筒部材の基部側
一端に設け、該電極取付けによる圧電振動部材の振動自
体に及ぼす影響を回避し、且つ圧電体の容量の変化に依
存してその遮断周波数が可変とされる瀘波回路に所定の
基準信号を入力し、圧電振動部材の振動検出回路の出力
信号を増幅する増幅器を利得を瀘波回路の出力電圧レベ
ルによって可変に制御することにより、圧電体自体の温
度特性による角速度検出回路の信号の変化を良好な精度
を以て温度補正できるという利点を有する。
【0064】また、本発明の温度補償装置によれば、P
ZTなど圧電体を用いた中空円筒状の圧電振動部材にお
いて、圧電体の容量を検出するための電極を中空円筒状
の圧電振動部材の基部側一端に取り付け、該電極取付け
による圧電振動部材の振動自体に及ぼす影響を回避し、
且つ圧電体の温度特性による振動検出信号の変化を圧電
体の容量の変化に基づき補正するための容量検出器を設
けたことにより、圧電体自体の温度変化に基づきヨーレ
ートセンサの温度補正が行なえるという利点を有する。
【0065】また、本発明の温度補償装置においては、
容量検出用の電極を圧電振動部材の振動節点に配設され
ることにより、該電極を設けたことによる圧電振動部材
の振動に及ぼす影響が極小にできるという利点を有す
る。
【0066】さらに本発明の温度補償装置においては、
容量検出回路が、予め定める基準信号を出力する発振回
路と、圧電体を等価的に積分回路の時定数を定めるコン
デンサを構成するように接続したことにより、温度検出
用センサを別途設けることなく簡易な回路構成でありな
がら、圧電体の特性の温度変化が極めて良好な精度で検
出され温度補正用の信号として利用できるという利点を
有する。
【0067】さらにまた、本発明の温度補償装置におい
ては、圧電体自体の温度変化によりその利得が制御され
る電圧により利得が制御される増幅器により角速度検出
回路の信号が温度補正されるため、温度補正の精度が向
上するという利点を有する。
【0068】そして、本発明のヨーレートセンサにおい
ては圧電振動部材を真空容器に封入したことにより、圧
電振動部材の振動音が外部に漏れないという利点を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧電振動型ジャイロの動作原理を示す模式図。
【図2】本発明のヨレートセンサの一実施例を示す構成
概略図。
【図3】本発明におけるヨーレートセンサの温度補償装
置の実施例の回路の概略構成図。
【図4】ヨーレートセンサの出力信号の温度特性を示し
たグラフ。
【図5】本発明における容量検出回路の積分回路の周波
数特性の一例を示した図。
【図6】FETのドレイン・ソース間抵抗RDSの電圧特
性を示す図。
【図7】振動節点に容量検出用電極が設けられた円筒圧
電振動部材の振動動作原理の模式図。
【符号の説明】
1 圧電振動部材 2 励振用電極 3 振動検出用電極 4 容量検出用電極 5 支持部材 6 演算増幅器 7 FET 10 センサ出力 11 温度補正信号出力端子 12 真空容器 20 容量検出回路 30 角速度検出回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 聡宏 愛知県刈谷市朝日町2丁目1番地 アイシ ン精機株式会社内 (72)発明者 水元 克芳 愛知県刈谷市朝日町2丁目1番地 アイシ ン精機株式会社内 (72)発明者 松本 只一 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一端が固定された中空円筒状の圧電振動部
    材と、前記圧電振動部材に固着された電極であって前記
    圧電振動部材を励振するための励振用電極と前記圧電振
    動部材の振動を検出するための振動検出用電極と、前記
    励振用電極に交番信号を供給する発振回路と、前記振動
    検出用電極の信号から角速度を検出する角速度検出回路
    と、から成るヨーレートセンサの出力信号を温度補償す
    るための方法において、 前記中空円筒状の圧電振動部材の基部側一端の内周面と
    外周面に圧電体の容量を検出するための容量検出用電極
    を設けると共に、該容量検出用電極をその遮断周波数が
    圧電体の容量に依存して可変される瀘波回路に接続し、 所定の基準信号を前記瀘波回路に入力し、該瀘波回路の
    出力電圧によりその利得が可変に制御される増幅器に前
    記角速度検出回路の出力信号を入力し、温度補正された
    利得を以て該角速度検出回路の出力が増幅されるように
    したことを特徴とするヨーレートセンサの温度補償方
    法。
  2. 【請求項2】一端が固定された中空円筒状の圧電振動部
    材と、前記圧電振動部材に固着された電極であって前記
    圧電振動部材を励振するための励振用電極と前記圧電振
    動部材の振動を検出するための振動検出用電極と、前記
    励振用電極に交番信号を供給する発振回路と、前記振動
    検出用電極の信号から角速度を検出する角速度検出回路
    と、から成るヨーレートセンサにおいて、 前記中空円筒状の圧電振動部材の基部側一端の内周面と
    外周面に圧電体の容量を検出するための容量検出用電極
    が設けられると共に該容量検出用電極が容量検出回路に
    接続されたことを特徴とするヨーレートセンサの温度補
    償装置。
  3. 【請求項3】前記容量検出用電極が前記中空円筒状の圧
    電振動部材の振動節点に配設されたことを特徴とする請
    求項2記載のヨーレートセンサの温度補償装置。
  4. 【請求項4】前記容量検出回路が、予め定める基準信号
    を出力する発振回路と、その時定数が前記圧電体の容量
    に依存して可変される積分回路とから成ると共に、前記
    容量検出回路の出力が、利得が電圧により可変に制御さ
    れる増幅器の制御信号端子に入力されることを特徴とす
    る請求項2記載のヨーレートセンサの温度補償装置。
  5. 【請求項5】前記増幅器が、前記容量検出回路の出力を
    入力とする電圧入力電流出力型のバッファ増幅器と、該
    バッファ増幅器の出力が反転入力端子に接続され前記角
    速度検出回路の出力が非反転入力端子にそれぞれ接続さ
    れた演算増幅器とから成る請求項3記載のヨーレートセ
    ンサの温度補償装置。
  6. 【請求項6】請求項2において、前記圧電振動部材が真
    空容器に入れられたことを特徴とするヨーレートセン
    サ。
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