JPH0735554A - 検出回路 - Google Patents

検出回路

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JPH0735554A
JPH0735554A JP5202590A JP20259093A JPH0735554A JP H0735554 A JPH0735554 A JP H0735554A JP 5202590 A JP5202590 A JP 5202590A JP 20259093 A JP20259093 A JP 20259093A JP H0735554 A JPH0735554 A JP H0735554A
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Takeshi Nakamura
村 武 中
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Murata Manufacturing Co Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5642Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
    • G01C19/5649Signal processing

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  • Remote Sensing (AREA)
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 雰囲気温度の変化や経時変化によって振動ジ
ャイロに生じるドリフト信号を抑制して、正確な回転角
速度を検出することができる検出回路を得る。 【構成】 振動ジャイロ12の駆動用および検出用に用
いられる圧電素子16a,16bと帰還用の圧電素子1
6cとの間に発振回路30を接続する。抵抗32,3
6,38,コンデンサ34および圧電素子16a,16
bの静電容量などで。発振回路30の出力信号と圧電素
子16a,16bに入力する駆動信号との間に90°の
位相差を形成する。圧電素子16a,16bを差動回路
40の入力端に接続する。差動回路40の出力信号をF
ET46で同期検波する。同期検波のための同期信号と
して、発振回路30の出力信号を用いる。検波した信号
を平滑回路52で平滑する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は検出回路に関し、特に
たとえば、屈曲振動を利用した柱状の振動ジャイロの出
力を測定するための検出回路に関する。
【0002】
【従来の技術】図14はこの発明の背景となる従来の検
出回路の一例を示すブロック図である。この検出回路1
は、たとえば3角柱状の振動ジャイロ2の出力を検出す
るために用いられる。振動ジャイロ2の2つの圧電素子
3と他の圧電素子4との間には、発振回路5が接続され
る。この場合、振動ジャイロ2の2つの圧電素子3に
は、それぞれ抵抗6を介して、発振回路5が接続され
る。さらに、これらの圧電素子3の出力は、差動増幅回
路7に入力される。差動増幅回路7の出力は、同期検波
回路8を介して平滑回路9で直流出力に変換される。
【0003】振動ジャイロ2は、発振回路5によって、
他の圧電素子4の主面に直交する方向に屈曲振動させら
れる。このとき、2つの圧電素子3からの出力信号は同
じであり、差動増幅回路7からの出力は0となる。振動
ジャイロ2がその軸を中心として回転した場合、振動ジ
ャイロ2の振動方向と直交する方向にコリオリ力が働
く。そのため、振動ジャイロ2の振動方向は、無回転時
の振動方向からずれる。そのため、2つの圧電素子3間
に出力の差が生じ、差動増幅回路7から出力が得られ
る。この出力は、回転角速度の大きさに応じた値とな
る。したがって、この出力を同期検波回路8を介して平
滑回路9で平滑した出力を測定することによって、振動
ジャイロ2に加わった回転角速度を測定することができ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電素
子の静電容量は雰囲気温度や経時変化などによって変動
し、無回転時においても差動増幅回路からドリフト信号
が出るようになる。このドリフト信号が測定誤差とな
り、正確な回転角速度を測定することができなくなる。
【0005】それゆえに、この発明の主たる目的は、雰
囲気温度の変化や経時変化によって生じるドリフト信号
を抑制して、正確な回転角速度を検出することができる
検出回路を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、多角柱状の
振動体と、振動体の2つの側面に形成されて振動体を振
動させるための駆動用および回転角速度に対応した出力
を得るための検出用を兼ねる駆動検出片とを含む振動ジ
ャイロの出力を検出するための検出回路であって、2つ
の駆動検出片から得られる信号の差を求めるための差動
回路と、差動回路の出力信号を同期検波するための同期
検波回路とを含み、駆動検出片に与えられる駆動信号と
同期検波回路に与えられる同期信号との位相差を90°
にした、検出回路である。この検出回路において、さら
に、駆動検出片から得られる信号の和を求めるための和
動回路と、和動回路の出力信号を差動回路の同期信号に
同期して検波するための別の同期検波回路と、2つの同
期検波回路の出力信号を平滑するための2つの平滑回路
と、2つの平滑回路の出力信号を合成するための合成回
路とを形成してもよい。また、駆動検出片から得られる
信号の和を求めるための和動回路と、差動回路の出力信
号と和動回路の出力信号とを合成するための合成回路と
を形成し、合成回路で合成された差動回路の出力信号と
和動回路の出力信号とが同期検波回路で検波されるよう
にしてもよい。さらに、駆動検出片から得られる信号の
和を求めるための和動回路と、和動回路の出力信号を差
動回路の2つの入力端に入力するための可変抵抗器とを
形成し、可変抵抗器の2つの固定端子が差動回路の2つ
の入力端に接続され、かつ可変抵抗器の可動端子に和動
回路の出力端が接続されるようにしてもよい。
【0007】
【作用】振動ジャイロの駆動信号と同期検波回路の同期
信号との位相差を90°にすることによって、差動回路
から出力されるドリフト信号のレベル成分は、同期検波
回路で相殺される。また、和動回路で振動ジャイロの駆
動検出片の出力の和が得られる。この和動回路から出力
されるドリフト信号のレベル成分も、振動ジャイロの駆
動信号と同期検波回路の同期信号との位相差を90°に
することによって、同期検波回路で相殺される。
【0008】差動回路および和動回路から出力されるド
リフト信号の位相成分を同期検波すれば、これらの2つ
の回路から得られる位相成分を相殺するように合成する
ことができる。また、差動回路の出力と和動回路の出力
とを合成して同期検波することにより、ドリフト信号の
位相成分を相殺することができる。さらに、和動回路の
出力信号を可変抵抗器を介して差動回路の入力端に入力
すれば、差動回路の出力の極性に応じて可変抵抗器を調
整することにより、差動回路の出力信号からドリフト信
号の位相成分を相殺することができる。
【0009】
【発明の効果】この発明によれば、振動ジャイロに発生
したドリフト信号のレベル成分を除去することができる
検出回路を得ることができる。さらに、ドリフト信号の
位相成分も除去することができる検出回路を得ることが
できる。したがって、雰囲気温度の変化や経時変化によ
って発生するドリフト信号による測定誤差を小さくする
ことができ、正確な回転角速度を検出することができ
る。
【0010】この発明の上述の目的,その他の目的,特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。
【0011】
【実施例】図1はこの発明の一実施例を示す回路図であ
る。この検出回路10は、振動ジャイロ12の出力信号
を検出するために用いられる。振動ジャイロ12は、図
2(A)および図2(B)に示すように、たとえば正3
角柱状の振動体14を含む。この振動体14は、たとえ
ばエリンバ,鉄−ニッケル合金,石英,ガラス,水晶,
セラミックなど、一般的に機械的な振動を生じる材料で
形成される。
【0012】この振動体14には、その3つの側面の中
央部にそれぞれ圧電素子16a,16bおよび16cが
形成される。圧電素子16aは、たとえば磁器からなる
圧電層18aを含み、圧電層18aの両主面にはそれぞ
れ電極20aおよび22aが形成される。なお、これら
の電極20aおよび22aは、たとえば金,銀,アルミ
ニウム,ニッケル,銅−ニッケル合金(モネルメタル)
などの電極材料で、たとえばスパッタリング,蒸着など
の薄膜技術であるいはその材料によっては印刷技術で形
成される。同様に、他の圧電素子16b,16cも、そ
れぞれ、たとえば磁器からなる圧電層18b,18cを
含み、それらの圧電層18b,18cの両主面に、電極
20b,22bおよび電極20c,22cが形成され
る。そして、これらの圧電素子16a〜16cの一方の
電極22a〜22cが、たとえば導電接着剤で振動体1
4に接着される。
【0013】さらに、振動体14のノード点近傍は、た
とえば金属線からなる支持部材24および26で支持さ
れる。この支持部材24および26は、たとえば溶接す
ることによって、振動体14のノード点近傍に固着され
る。
【0014】振動ジャイロ12の圧電素子16a,16
bは、振動体14を屈曲振動させるための駆動用として
用いられる。さらに、圧電素子16a,16bは、振動
ジャイロ12に加わった回転角速度に対応した信号を検
出するための検出用としても用いられる。さらに、別の
圧電素子16cは、振動体14を屈曲振動させるとき
に、帰還用として用いられる。
【0015】この振動ジャイロ12を駆動するために、
駆動用の圧電素子16a,16bと帰還用の圧電素子1
6cとの間に、発振回路30が接続される。そして、発
振回路30には抵抗32の一端が接続され、抵抗32の
他端はコンデンサ34を介して電源電圧の中間点に接続
される。また、抵抗32の他端は、抵抗36および38
を介して圧電素子16a,16bに接続される。この実
施例では、たとえば抵抗32とコンデンサ34とで、発
振回路30の出力信号が45°移相される。また、抵抗
36と圧電素子16aの静電容量によって、その信号が
さらに45°移相される。同様に、抵抗38と圧電素子
16bの静電容量によっても、信号が45°移相され
る。したがって、発振回路30の出力信号と圧電素子1
6a,16bに入力される駆動信号の間には、90°の
位相差がある。
【0016】圧電素子16a,16bから得られる信号
は、差動回路40の入力端に接続される。この差動回路
40から、圧電素子16a,16bからの信号の差が出
力される。差動回路40の出力端は、結合用のコンデン
サ42および抵抗44を介して、同期検波回路として用
いられるFET46に接続される。このとき、FET4
6のソースが抵抗44に接続され、ドレインが電源電圧
の中間点に接続される。また、FET46のゲートに
は、発振回路30からダイオード48を介して同期信号
が与えられる。なお、FET46のゲートは、抵抗50
を介して電源電圧の中間点に接続される。さらに、FE
T46で検波された信号は、平滑回路52に入力され
る。平滑回路52は、たとえば2つの抵抗54,56と
2つのコンデンサ58,60とで形成される。
【0017】振動ジャイロ12の振動体14は、発振回
路30からの信号によって、圧電素子16c形成面に直
交する方向に屈曲振動する。このとき、圧電素子16a
と16bに入力される駆動信号のレベルおよび位相は同
じであり、差動回路40から駆動信号は出力されない。
この状態で、振動体14の軸を中心として回転すると、
コリオリ力によって振動体14の振動方向が変わる。そ
のため、圧電素子16a,16bの出力に差が生じ、こ
れらの信号の差が差動回路40から出力される。この差
動回路40の出力信号は、振動ジャイロ12に加わった
回転角速度に対応した値である。したがって、差動回路
40の出力信号を同期検波し、平滑することによって、
回転角速度を検出することができる。
【0018】しかしながら、雰囲気温度の変化などによ
って、圧電素子16a,16bの静電容量に差が生じ、
無回転時においても差動回路40から信号が出力される
場合がある。このように、雰囲気温度の変化などによ
り、回転角速度が加わっていないにもかかわらず、差動
回路40から信号が出力される。このようなドリフト信
号があると、正確な回転角速度を検出することができな
い。
【0019】この検出回路10では、圧電素子16a,
16bに与えられる駆動信号のレベルに差がある場合、
図3に示すように、そのレベル差が差動回路40から出
力される。この差動回路40の出力信号が、FET46
で同期検波される。FET46に与えられる同期信号
は、図4に示すように、圧電素子16a,16bに入力
される駆動信号と90°の位相差があるため、差動回路
40の出力信号の0点を中心として180°の範囲が検
波される。FET46で検波された信号は、正部分と負
部分とが同じ大きさであるため、平滑回路52で平滑す
ると正の部分と負の部分とが相殺される。したがって、
平滑回路52の出力信号は0となる。なお、振動ジャイ
ロ12に回転角速度が加わった場合、圧電素子16a,
16bには、駆動信号と90°の位相差のある信号が出
力されるため、回転角速度に対応した信号は相殺されな
い。
【0020】このように、図1に示す検出回路を用いれ
ば、駆動信号のレベル差によるドリフト信号を除去する
ことができる。したがって、振動ジャイロ10に加わっ
た回転角速度を正確に検出することができる。
【0021】ところが、この図1に示す検出回路では、
圧電素子16a,16bに入力される駆動信号に位相差
が生じた場合、ドリフト信号の位相成分を除去すること
ができない。そこで、位相成分を含むドリフト信号を除
去することができる検出回路が、図5に示される。この
検出回路10では、差動回路40以外に、和動回路62
が形成される。この実施例では、圧電素子16a,16
bの間に接続された2つの抵抗64,66によって、和
動回路62が形成されている。これらの抵抗64,66
の中間部から信号を取り出すことによって、圧電素子1
6a,16bの出力信号の和が求められる。
【0022】抵抗64,66からの信号は、増幅器68
に入力される。増幅器68の出力端は、結合用のコンデ
ンサ70および抵抗72を介して、同期検波回路として
のFET74に接続される。このFET74のゲートに
も、発振回路30の出力信号が同期信号として与えられ
る。さらに、検波された信号は、平滑回路76に入力さ
れる。この平滑回路76も、2つの抵抗78,80と2
つのコンデンサ82,84とで形成される。
【0023】差動回路40側の平滑回路52の出力端
は、直流増幅器86の非反転入力端に接続される。さら
に、直流増幅器86の2つの入力端間には、可変抵抗器
88の固定端子が接続される。そして、可変抵抗器88
の可変端子には、和動回路側の平滑回路76の出力端が
接続される。また、直流増幅器86の反転入力端と出力
端との間には抵抗90が接続され、さらに直流増幅器8
6の反転入力端は抵抗92を介して電源電圧の中間点に
接続される。
【0024】この検出回路10においても、圧電素子1
6a,16bに入力される駆動信号と発振回路30の出
力信号との間には90°の位相差があるため、ドリフト
信号のレベル成分は、FET46で同期検波されること
により相殺される。また、ドリフト信号の和のレベル成
分もドリフト信号の差のレベル成分と同位相であり、F
ET74で同期検波されることにより相殺される。さら
に、圧電素子16a,16bから出力されるドリフト信
号に位相差がある場合、差動回路40から位相差に応じ
て信号が出力される。このとき、図6に示すように、圧
電素子16a,16bのドリフト信号の位相関係によっ
て、その差の信号は位相差のない場合に比べて進んだり
遅れたりする。したがって、差動回路40の出力信号を
同期検波して平滑すると、図7に示すように、遅れ信号
は正の出力信号となり、進み信号は負の出力信号とな
る。
【0025】それに対して、図8に示すように、圧電素
子16a,16bのドリフト信号のどちらが遅れても、
増幅器68からの出力信号は位相差のない場合に比べて
遅れる。そのため、増幅器68の出力信号をFET74
で同期検波して平滑すると、図9に示すように、正の信
号が出力される。したがって、可変抵抗器88で2つの
平滑回路52,76の出力信号を合成することにより、
ドリフト信号の位相成分を相殺することができる。な
お、平滑回路52の出力信号が正の場合、可変抵抗器8
8の可変端子は直流増幅器86の反転入力端側に調整さ
れる。反対に、平滑回路52の出力信号が負の場合、可
変抵抗器88の可変端子は直流増幅器86の非反転入力
端側に調整される。このように、ドリフト信号の位相成
分を相殺するためには、圧電素子16a,16bのドリ
フト信号の位相関係によって、合成手段としての可変抵
抗器88を調整すればよい。このように、図5に示す検
出回路10では、ドリフト信号のレベル成分だけでな
く、位相成分も除去することができる。
【0026】しかしながら、図5に示す検出回路では、
2つの同期検波回路および2つの平滑回路が必要であ
り、回路が複雑になる。そこで、1つの同期検波回路お
よび1つの平滑回路を有する検出回路が、図10に示さ
れる。この検出回路10では、圧電素子16aは、バッ
ファ100および抵抗102を介して、差動回路40の
非反転入力端に接続されている。また、圧電素子16b
は、バッファ104および抵抗106を介して、差動回
路40の反転入力端に接続されている。さらに、差動回
路40の出力端と反転入力端との間に抵抗108が接続
され、差動回路40の非反転入力端が抵抗110を介し
て電源電圧の中間点に接続されている。そして、和動回
路62の出力信号が、コンデンサ112を介して和動合
成手段としての可変抵抗器114の可変端子に接続され
る。この可変抵抗器114の2つの固定端子は、FET
46のソースおよび電源電圧の中間点に接続される。し
たがって、この検出回路10では、差動回路40の出力
信号と和動回路62の出力信号との合成信号が同期検波
される。
【0027】この検出回路10においても、圧電素子1
6a,16bに入力される駆動信号と発振回路30の出
力信号との間に90°の位相差があるため、ドリフト信
号のレベル成分は、FET46で同期検波されることに
よって相殺される。なお、ドリフト信号のレベル成分と
しては、圧電素子16a,16bのドリフト信号のレベ
ルの差によって、図11に示すように、位相が反転する
ことがあるが、このような場合でもドリフト信号のレベ
ル成分は相殺される。
【0028】さらに、図11および図12に示すよう
に、ドリフト信号の位相成分は、差動回路40の出力信
号と和動回路62の出力信号とが逆位相となっているた
め、和動合成することによって相殺することができる。
このとき、差動回路40から出力されるドリフト信号の
位相成分と和動回路62から出力されるドリフト信号の
位相成分を除去するために、可変抵抗器114が調整さ
れる。なお、差動回路40の出力信号と和動回路62の
出力信号とが同位相となる場合、和動回路62の出力信
号を反転して合成することによって、ドリフト信号の位
相成分を相殺することができる。
【0029】しかしながら、図10に示す検出回路で
は、差動回路40の出力信号と和動回路62の出力信号
との関係により、和動回路62の出力信号を反転する必
要があり、回路が複雑になる。また、図11では、圧電
素子16a,16bのドリフト信号の差が遅れた場合に
ついて示されているが、このドリフト信号の差が進んだ
場合、完全にドリフト信号の位相成分を除去することが
困難である。そこで、図13に示す検出回路が考えられ
る。
【0030】この検出回路10では、差動回路40の2
つの入力端の間に可変抵抗器116の固定端子が接続さ
れる。そして、可変抵抗器116の可変端子に、和動回
路62の出力信号が入力される。この検出回路10で
も、圧電素子16a,16bに入力される駆動信号と発
振回路30の出力信号との間に90°の位相差があるた
め、差動回路40および和動回路62から出力されるド
リフト信号のレベル成分は、同期検波されることにより
相殺される。
【0031】また、ドリフト信号の位相成分の差は、図
6に示すのと同様に、進む場合と遅れる場合とがある。
このドリフト信号の位相成分を同期検波して平滑する
と、図7に示すのと同様に、正の出力信号になる場合と
負になる場合とがある。さらに、ドリフト信号の位相成
分の和は、図8に示すのと同様に、常に遅れた信号とな
る。したがって、このドリフト信号の位相成分を同期検
波して平滑すると、図9に示すのと同様に、常に正の信
号が得られる。
【0032】差動回路40から出力されるドリフト信号
の位相成分が遅れ信号の場合、平滑回路52の出力信号
は正の信号となるため、可変抵抗器108の可動端子を
差動回路40の反転入力端側に調整することによって、
圧電素子16a,16bのドリフト信号の位相成分が相
殺される。また、差動回路40から出力されるドリフト
信号の位相成分が進んだ場合、平滑回路52の出力信号
は負の信号となるため、可変抵抗器108の可変端子を
差動回路40の非反転入力端側に調整することによっ
て、圧電素子16a,16bから出力されるドリフト信
号の位相成分が相殺される。
【0033】このように、この検出回路10では、ドリ
フト信号の位相成分の差が進み信号であっても遅れ信号
であっても、可変抵抗器を調整することによって簡単に
除去することができる。したがって、和動回路62の出
力信号を反転させるための回路などを用いる必要がな
く、回路構成を簡単にすることができる。
【0034】なお、上述の各実施例では、金属材料など
で形成した振動体の側面に圧電素子を形成した振動ジャ
イロについて説明したが、この発明の検出回路は、たと
えば圧電材料で形成した振動体の側面に電極を形成した
振動ジャイロにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例を示す回路図である。
【図2】(A)は図1に示す検出回路に用いられる振動
ジャイロの斜視図であり、(B)はその断面図である。
【図3】図1に示す検出回路の同期検波回路としてのF
ETの出力信号を示す波形図である。
【図4】図1に示す検出回路のFETに入力される同期
信号を示す波形図である。
【図5】この発明の他の実施例を示す回路図である。
【図6】図5に示す検出回路の差動回路に接続されたF
ETの出力信号を示す波形図である。
【図7】図6に示す信号を平滑した波形図である。
【図8】図5に示す検出回路の和動回路に接続されたF
ETの出力信号を示す波形図である。
【図9】図8に示す信号を平滑した波形図である。
【図10】この発明のさらに他の実施例を示す回路図で
ある。
【図11】図8に示す検出回路の差動回路の出力信号を
示す波形図である。
【図12】図8に示す検出回路の和動回路の出力信号を
示す波形図である。
【図13】この発明の別の実施例を示す回路図である。
【図14】この発明の背景となる従来の検出回路の一例
を示すブロック図である。
【符号の説明】 10 検出回路 12 振動ジャイロ 14 振動体 16a,16b 駆動検出片としての圧電素子 40 差動回路 46 同期検波回路としてのFET 52 平滑回路 62 和動回路 74 同期検波回路としてのFET 76 平滑回路 88 合成回路としての可変抵抗器 114 合成回路としての可変抵抗器 116 合成回路としての可変抵抗器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多角柱状の振動体と、前記振動体の2つ
    の側面に形成されて前記振動体を振動させるための駆動
    用および回転角速度に対応した出力を得るための検出用
    を兼ねる駆動検出片とを含む振動ジャイロの出力を検出
    するための検出回路であって、 前記2つの駆動検出片から得られる信号の差を求めるた
    めの差動回路、および前記差動回路の出力信号を同期検
    波するための同期検波回路を含み、 前記駆動検出片に与えられる駆動信号と前記同期検波回
    路に与えられる同期信号との位相差を90°にした、検
    出回路。
  2. 【請求項2】 前記駆動検出片から得られる信号の和を
    求めるための和動回路、 前記和動回路の出力信号を前記差動回路の同期信号に同
    期して検波するための別の同期検波回路、 前記2つの同期検波回路の出力信号を平滑するための2
    つの平滑回路、および前記2つの平滑回路の出力信号を
    合成するための合成回路を含む、請求項1の検出回路。
  3. 【請求項3】 前記駆動検出片から得られる信号の和を
    求めるための和動回路、および前記差動回路の出力信号
    と前記和動回路の出力信号とを合成するための合成回路
    を含み、 前記合成回路で合成された前記差動回路の出力信号と前
    記和動回路の出力信号とが前記同期検波回路で検波され
    る、請求項1の検出回路。
  4. 【請求項4】 前記駆動検出片から得られる信号の和を
    求めるための和動回路、および 前記和動回路の出力信
    号を前記差動回路の2つの入力端に入力するための可変
    抵抗器を含み、 前記可変抵抗器の2つの固定端子が前記差動回路の2つ
    の入力端に接続され、かつ前記可変抵抗器の可動端子に
    前記和動回路の出力端が接続される、請求項1の検出回
    路。
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