CN101287961B - 振动型惯性力检测传感器的检测信号处理方法及振动型惯性力检测传感器 - Google Patents

振动型惯性力检测传感器的检测信号处理方法及振动型惯性力检测传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及振动型惯性力检测传感器的检测信号处理方法及采用此方法的振动型惯性力检测传感器，且提供提高了振动型惯性力检测传感器的检测精度的检测信号处理方法。由此，在振动型惯性力检测传感器的检测类电路中从经同步检波的信号中除去高次谐波分量，将除去了此高次谐波分量的信号放大，且使此经放大的信号平滑。

Description

振动型惯性力检测传感器的检测信号处理方法及振动型惯性力检测传感器 
技术领域
本发明涉及振动型惯性力检测传感器的检测信号处理方法、及采用此方法的振动型惯性力检测传感器。 
背景技术
例如，作为现有的振动型惯性力检测传感器的一例，振动型角度传感器如图6中的框图所示，具有：传感器元件203，其设置有驱动部201和检测部202；驱动控制电路204，其对驱动部201施加控制电压，使传感器元件203振动，并且对此振动进行控制；检测类电路205，其对从检测部202输出的检测信号进行处理。在检测类电路205中，使用差分放大器206将从检测部202输出的检测信号差分放大，且对此经差分放大的信号、和使用反相放大器207使此检测信号反相而成的信号，使用同步检波器208进行同步检波。然后，众所周知的方法是，使用低通滤波器209使经上述同步检波后的信号平滑，由此，输出抑制了外部冲击等干扰噪声的信号。 
而且，现有的低通滤波器209首先用作为前置放大器的反相放大器220放大同步检波后的信号，接着使用平滑电路221使其平滑，或者使用有源滤波器(active filter)(未图示)同时进行放大和平滑。 
另外，此现有的振动型惯性力检测传感器的一例揭示在例如日本专利特开2002-267448号公报中。 
然而，在此现有的振动型惯性力检测传感器中，经同步检波器208进行同步检波后的信号形成如图7的同步检波输出208a所示的锯齿状波形。由此，在此波形的切换部分210，作为低通滤波器209的前置放大器的反相放大器220或有源滤波器等的放大处理能力未能完全跟上，其波形成为如图7的反相放大器输出220a所示的那样。另外，图7中，横轴表示时间，纵轴表示各输出信号的电位。 
如图7所示，此放大处理后的反相放大器输出220a包含波形误差212，此波形误差212导致平滑后的传感器输出205a产生偏移211。由此，低通滤 波器209的平滑电路221不能进行高精度的平滑处理，结果有如下问题：因检测类电路205的内部处理而导致振动型惯性力检测传感器的性能降低。 
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供使振动型惯性力检测传感器的检测精度得以提高的检测信号处理方法、及采用此方法的振动型惯性力检测传感器。 
为了实现上述目标，本发明特别在振动型惯性力检测传感器的检测类电路中从经同步检波的信号中除去高次谐波分量，将此除去了高次谐波分量的信号放大，并使此放大的信号平滑。通过使用此方法，可提高振动型惯性力检测传感器的检测精度。 
本发明提供振动型惯性力检测传感器的检测信号处理方法。所述振动型惯性力检测传感器包括：驱动臂；驱动部，设置在所述驱动臂上，使所述驱动臂振动；检测部，通过对所述驱动臂施加惯性力而产生的挠曲来产生检测信号；监测部，对所述驱动臂的振动进行监测；驱动控制电路，对所述驱动臂的振动量进行控制；以及检测类电路，对所述检测信号进行处理。在该方法中，在所述检测类电路中，对所述检测部检测出的相位相差180度的两个检测信号进行差分放大，使用从所述监测部输出的监测信号对所述差分放大的信号进行同步检波，通过无源滤波器从所述经同步检波的信号中去除高次谐波分量，对去除了所述高次谐波分量的信号进行放大，并使所述放大的信号平滑。 
本发明的振动型惯性力检测传感器包括：驱动臂；驱动部，设置在所述驱动臂上，使所述驱动臂振动；检测部，通过对所述驱动臂施加惯性力而产生的挠曲来产生检测信号；监测部，对所述驱动臂的振动进行监测；驱动控制电路，对所述驱动臂的振动量进行控制；以及检测类电路，对所述检测信号进行处理。所述检测类电路，对所述检测部检测出的相位相差180度的两个检测信号进行差分放大，使用从所述监测部输出的监测信号对所述差分放大的信号进行同步检波，通过无源滤波器从所述经同步检波的信号中去除高次谐波分量，对去除了所述高次谐波分量的信号进行放大，并使所述放大的信号平滑。 
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式中的振动型惯性力检测传感器的框图。 
图2是表示振动型惯性力检测传感器中所使用的传感器元件的俯视图。 
图3是表示振动型惯性力检测传感器的检测波形的转变的波形图。 
图4是表示振动型惯性力检测传感器的同步检波后的处理检测波形的转变的波形图。 
图5是表示同步检波后的波形分量的示意图。 
图6是作为现有的振动型惯性力检测传感器的一例的振动型角度传感器的框图。 
图7是表示现有的振动型惯性力检测传感器的同步检波后的波形的转变的波形图。 
附图标记说明 
101    驱动部 
102    检测部 
103    传感器元件 
104    驱动控制电路 
105    检测类电路 
114    驱动臂 
115    监测部 
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的一实施方式进行说明。 
图1是表示作为本发明的振动型惯性力检测传感器的一例的振动型角速度传感器的框图。其基本结构包括：传感器元件103；对此传感器元件103的振动进行控制的驱动控制电路104；对从传感器元件103输出的信号进行处理的检测类电路105。 
图2是表示本实施方式的振动型角速度传感器中所使用的传感器元件103的详细结构的俯视图。 
如图2所示，传感器元件103中，在从由硅衬底构成的音叉振子113延伸出的一对驱动臂114上，分别设置着作为驱动部101的驱动电极101a及作为检测部102的检测电极102a，此驱动电极101a用电极夹持由PZT(钛锆酸铅：lead zirconium titanate)构成的压电薄膜的上下面。在驱动臂114的根部分还设置着与监测部115连接的监测电极115a，此监测电极115a用电极夹持由PZT构成的压电薄膜的上下面。由图1所示的驱动控制电路104向驱动电极101a施加驱动电力，这样，使驱动臂114如箭头116所示的那样向侧面振动。在此振动状态下围绕检测轴来施加角速度，由此，利用科里奥利力(Coriolis force)使驱动臂114沿图2中的前后方向产生挠曲，通过此挠曲，将检测信号从检测电极102a输出到图1所示的检测类电路105。 
而且，图2所示的监测电极115a对驱动臂114的振幅量进行检测，并将此信息经由监测部115反馈给驱动控制电路104，由此对从驱动控制电路104施加到驱动电极101a的驱动电力进行调节，以使前述振幅量达到规定状态。 
图3是表示本实施方式的各振动型速度传感器的各信号的波形的转变。图3中，横轴表示时间，纵轴表示各信号的电位。在图4与图5中也相同。 
图1所示的检测类电路105中，首先使用由电流放大器或电荷放大器等构成的放大器110，将从设置在传感器元件103内的两个检测电极102a输出的检测信号(图3所示的检测输出102b、102c)进行放大。其次，使用差分放大器106将此两个放大信号差分放大，且对此经差分放大的信号(图3中的差分放大器输出106a)使用移相器117使其相位延迟90度。使此相位延迟信号(图3中的移相器输出117a)产生分支，将一个信号直接输入到同步检波器108，并且使用反相放大器107使另一个信号的相位反转，将此信号(图3中的反相放大器输出107a)输入到同步检波器108。 
另外，检波时钟部118将从监测部115输出的监测信号115b转换成脉冲波形即图3中的检波CLK输出(检波时钟输出)118a。 
而且，在同步检波器108中，对这两个输入信号(图3中的移相器输出117a与反相放大器输出107a)，利用从检波时钟部118输出的检波CLK输出118a进行检波，形成图3所示的锯齿状的同步检波输出108a。 
而且，在此振动型角速度传感器中，使锯齿状的同步检波输出108a平滑的图1所示的低通滤波器109的构成是：通过用于将同步检波输出108a的高次谐波分量去除的无源滤波器119之后，利用放大器120进行放大，其后，使用积分器等平滑电路121进行平滑。由此，与图7所示的现有的将同步检波输出208a先放大后再进行平滑的情况相比，可抑制检测类电路105的检测精度的降低。其结果，可提高振动型惯性力检测传感器的检测精度。另外，所谓无源滤波器是指，仅由电容器或电阻等无源元件构成的滤波器。 
也就是，如现有的前置放大器或有源滤波器那样，首先将同步检波输出208a放大，然后再进行平滑，如图7所示，因利用前置放大器或有源滤波器将锯齿状的同步检波输出208a放大，所以，因放大器的跟随性而导致在波形的切换部分210产生时滞210a。其结果，在实测波形与放大波形之间产生波形误差212，在包含此波形误差212的状态下进行平滑，由此会导致在其输出中产生偏移211。 
然而，图1所示的同步检波器108或图6所示的同步检波器208所输出的同步检波输出108a或208a，原本是如图5所示的在基波成分219a上合成二次谐波分量219b或三次谐波分量219c等高次谐波分量的信号。因此，如图4所示，将同步检波输出108a输入到用于除去高次谐波分量的无源滤波器119，输出无源滤波器输出119a，该无源滤波器输出119a仅包含通过此无源滤波器119而去除了高次谐波分量后所残存的、作为正弦波的且平滑的基波成分219a。而且，如图4所示的那样，利用放大器120将此无源滤波器输出119a放大，且利用平滑电路121使此经放大的放大器输出120a平滑。由此，此振动型角速度传感器的输出，变为如图4所示的传感器输出105a那样，不包含图6所示的波形误差212，所以可抑制输出偏移211的产生。其结果，就可抑制检测类电路105的检测精度的降低，进而，可提高振动型惯性力检测传感器的检测精度。 
另外，关于用于去除检测信号的高次谐波分量的无源滤波器119的结构， 并没有特别图示，但可使用以下结构来实现：在检测信号路径上串联配置电阻元件，且在此电阻元件的至少一端与基准电位之间配置电容器元件，这种普通的高次谐波抑制电路。 
另外，上述的一实施方式中，将振动型角速度传感器作为振动型惯性力检测传感器的一例进行了说明，但本发明并不限定于此，在通过使驱动臂振动来检测惯性力、例如加速度等的结构中，也可发挥相同的作用、效果。 
工业利用可能性 
本发明的振动型惯性力检测传感器可具有更高的检测精度，尤其是可有效地用于对惯性力要求高检测精度的电子设备。由此，本发明在工业上的可利用性极高。 

Claims (2)

1.一种振动型惯性力检测传感器的检测信号处理方法，所述振动型惯性力检测传感器包括：驱动臂；驱动部，设置在所述驱动臂上，使所述驱动臂振动；检测部，通过对所述驱动臂施加惯性力而产生的挠曲来产生检测信号；监测部，对所述驱动臂的振动进行监测；驱动控制电路，对所述驱动臂的振动量进行控制；以及检测类电路，对所述检测信号进行处理，其中，
在所述检测类电路中，对所述检测部检测出的相位相差180度的两个检测信号进行差分放大，使用从所述监测部输出的监测信号对所述差分放大的信号进行同步检波，通过无源滤波器从所述经同步检波的信号中去除高次谐波分量，对去除了所述高次谐波分量的信号进行放大，并使所述放大的信号平滑。
2.一种振动型惯性力检测传感器，其包括：驱动臂；驱动部，设置在所述驱动臂上，使所述驱动臂振动；检测部，通过对所述驱动臂施加惯性力而产生的挠曲来产生检测信号；监测部，对所述驱动臂的振动进行监测；驱动控制电路，对所述驱动臂的振动量进行控制；以及检测类电路，对所述检测信号进行处理，其中，
所述检测类电路，对所述检测部检测出的相位相差180度的两个检测信号进行差分放大，使用从所述监测部输出的监测信号对所述差分放大的信号进行同步检波，通过无源滤波器从所述经同步检波的信号中去除高次谐波分量，对去除了所述高次谐波分量的信号进行放大，并使所述放大的信号平滑。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: PANASONIC INDUSTRIAL DEVICES (TIANJIN) CO., LTD.

Assignor: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Contract record no.: 2012990000472

Denomination of invention: Method for processing detection signal of vibratory inertial force sensor and vibratory inertial force sensor

Granted publication date: 20110323

License type: Common License

Open date: 20081015

Record date: 20120703