CN101308022A - 检测装置、检测方法和电子装置 - Google Patents
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Abstract
一种检测装置，包括：悬臂振动陀螺，其包括具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔夹在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极，所述悬臂振动陀螺由在所述驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该检测电极生成对应于科里奥利力的一对检测信号；偏置施加部分，用于施加偏置电压到该检测电极；加法部分，用于将该对检测信号相加；第一相位延迟部分，用于将通过相加获得的检测信号的相位延迟大于45°而小于90°的范围；以及振幅控制部分，用于控制延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出为驱动信号。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测目标的角速度的检测装置和方法，以及装备有该检测装置的电子装置。
背景技术
迄今，所谓的陀螺检测装置已经被广泛用作消费者使用的角速度传感器。陀螺检测装置是通过允许悬臂振动器以预定谐振频率振动并且检测由于角速度影响产生的科里奥利(Coriolis)力，由压电元件等检测角速度的传感器。
陀螺检测装置具有优势在于：传感器具有简单的机制、激活所需的时间短并且能够以低成本制造。陀螺检测装置被安装到例如如摄像机、虚拟现实装置和汽车导航系统的电子装置，并且分别被用作振动检测、运动检测和方向检测中的传感器。
近年来，由于安装陀螺检测装置的电子装置小型化以及性能改进，陀螺检测装置需要小型化并改进性能。例如，因为电子装置的多功能化，产生了将陀螺检测装置与用于其它目的的各种传感器组合安装到衬底的需求，从而减少其尺寸。通常用于实现这种尺寸减少的技术被称作为MEMS(微型电机系统)，其涉及使用硅衬底并且使用用在形成半导体中的薄膜工艺和光刻技术形成结构性主体。
附带地，振动系统随着陀螺检测装置的小型化而变轻。然而，因为科里奥利力与振动系统的重量成比例，所以检测灵敏度劣化(deteriorate)这么多。而且，因为振动器的振幅在电源电压由于减少陀螺检测装置的小型化而减小时变小，所以检测灵敏度也由此劣化。检测输出信号的S/N由于检测灵敏度的劣化而降低(degrade)。
因此，为了解决如上所述的问题，公开了一种技术：其中具有相同相位和振幅并且从两个检测电极输出的驱动信号在加法电路中被相加，并且其相位已经在反相电路中被反相的信号被输入到两个检测电极(参见例如，日本专利申请公开No.2000-205861(第(0005)、(0016)段和图1))。
发明内容
然而，近来，要求进一步小型化和降低振动陀螺的电压。因此，存在进一步改进振动陀螺的检测灵敏度的需要、以及抑制噪声以获得比以前更高的S/N的需要。
鉴于上述情况，存在对一种能够稳定振动陀螺的自激振荡以抑制噪声并且实现高S/N的检测装置和方法、以及装备有该检测装置的电子装置的需要。
根据本发明的实施例，提供了一种检测装置，包括：悬臂振动陀螺、偏置施加装置、加法装置、第一相位延迟装置和振幅控制装置。该悬臂振动陀螺包括：具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极。所述悬臂振动陀螺由在所述驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极生成对应于科里奥利力的一对检测信号。偏置施加装置施加偏置电压到该对检测电极。加法装置将该对检测信号相加。第一相位延迟装置将由加法装置相加的检测信号的相位延迟大于45°小于90°的范围。振幅控制装置控制由第一相位延迟装置延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号。
根据本发明的发明人的发现，在如此构成的振动陀螺中，寄生电容在该驱动电极和该对检测电极之间产生。该寄生电容的输入/输出相位差基本上为0°，而寄生电容的分量因此影响该驱动电极和该对检测电极之间的原始相位差90°。因此，在本发明的实施例中，通过将检测信号的相位延迟大于45°而小于90°的范围，该相位补偿了寄生电容的量。相应地，振动陀螺的自激振荡变得稳定，导致噪声的抑制和高S/N。
检测装置还可以包括：差分放大器装置、第二相位延迟装置和同步检测装置。差分放大器装置差分放大该对检测信号。第二相位延迟装置将由加法装置相加的检测信号的相位延迟90°。同步检测装置基于由第二相位延迟装置延迟的检测信号，同步地检测由差分放大器装置差分放大的信号。因此，检测灵敏度可以被提高。
第一相位延迟装置优选地将加法装置相加的检测信号的相位延迟75°。这是基于本发明的发明人的发现进行的实验获得的最优化的数字值。
振动陀螺优选地在高于该振动陀螺的谐振频率的频率被引起自激振荡。因此，振动陀螺的自激振荡变得更稳定，导致噪声的抑制和高S/N。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种检测装置，包括：悬臂振动陀螺、偏置施加装置、加法装置、第一相位延迟装置、振幅控制装置、差分放大器装置、第二相位延迟装置和同步检测装置。悬臂振动陀螺包括：具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极。所述悬臂振动陀螺由该驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极产生对应于科里奥利力的一对检测信号。偏置施加装置施加偏置电压到该对检测电极。加法装置将该对检测信号相加。第一相位延迟装置将由加法装置相加的检测信号的相位延迟第一相位量。振幅控制装置控制由第一相位延迟装置延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号。差分放大器装置差分放大该对检测信号。第二相位延迟装置将由加法装置相加的检测信号的相位延迟不同于第一相位量的第二相位量。同步检测装置基于由第二相位延迟装置延迟的检测信号，同步地检测由差分放大器装置差分放大的信号。
根据本发明的发明人的发现，用于自激振荡和同步检测的相位延迟量被设置为不同值。根据本发明的实施例，补偿寄生电容量的相位变得可能。因此，振动陀螺的自激振荡变得更稳定，导致噪声的抑制和高S/N。
优选地，第一相位量具有大于45°而小于90°的范围，而第二相位量是90°。更优选地，第一相位量是75°，而第二相位量是90°。这些是基于本发明的发明人的发现进行的实验获得的最优化的数字值。
振动陀螺优选地在高于该振动陀螺的谐振频率的频率被引起自激振荡。因此，振动陀螺的自激振荡变得更稳定，导致噪声的抑制和高S/N。
仍根据本发明的另一个实施例，提供一种利用悬臂振动陀螺检测角速度的方法，该悬臂振动陀螺包括：具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极。所述悬臂振动陀螺由在该驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极产生对应于科里奥利力的一对检测信号。所述方法包括：施加偏置电压到该对检测电极；将该对检测信号相加；将通过相加获得的检测信号的相位延迟大于45°而小于90°的范围；以及控制延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号。
在本发明的实施例中，通过将检测信号的相位延迟大于45°而小于90°的范围，该相位补偿了寄生电容的量。相应地，振动陀螺的自激振荡变得更稳定，导致噪声的抑制和高S/N。
差分放大该对检测信号、将通过相加获得的检测信号的相位延迟90°、并且基于相位已经延迟90°的检测信号同步地检测差分放大的信号是优选的。因此，检测灵敏度可以被改进。
作为驱动信号输出的检测信号的相位优选地延迟75°。这是通过基于本发明的发明人的发现进行的实验获得的最优化的数字值。
振动陀螺优选地在高于该振动陀螺的谐振频率的频率被引起自激振荡。因此，振动陀螺的自激振荡变得更稳定，导致噪声的抑制和高S/N。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种利用悬臂振动陀螺检测角速度的方法。该悬臂振动陀螺包括：具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极。所述悬臂振动陀螺由在该驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极产生对应于科里奥利力的一对检测信号。该检测方法包括：施加偏置电压到该对检测电极；将该对检测信号相加；将通过相加获得的检测信号的相位延迟第一相位量；控制由第一相位量延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号；差分放大该对检测信号；将通过相加获得的检测信号的相位延迟不同于第一相位量的第二相位量；以及基于延迟第二相位量的检测信号，同步地检测被差分放大的信号。
优选地，第一相位量具有大于45°而小于90°的范围，而第二相位量是90°。因此该相位补偿了寄生电容的量，并且振动陀螺的自激振荡变得更稳定，导致噪声的抑制和高S/N。
更优选地，第一相位量是75°，而第二相位量是90°。这些是通过基于本发明的发明人的发现进行的实验获得的最优化的数字值。
振动陀螺优选地在高于该振动陀螺的谐振频率的频率被引起自激振荡。因此，振动陀螺的自激振荡变得更稳定，导致噪声的抑制和高S/N。
仍根据本发明的另一个实施例，提供了一种电子装置，该电子装置包括检测装置和控制装置。该检测装置包括：悬臂振动陀螺、偏置施加装置、加法装置、第一相位延迟装置、振幅控制装置、差分放大器装置、第二相位延迟装置和同步检测装置。悬臂振动陀螺包括：具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极。所述悬臂振动陀螺由在该驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极产生对应于科里奥利力的一对检测信号。偏置施加装置施加偏置电压到该对检测电极。加法装置将该对检测信号相加。第一相位延迟装置将由加法装置相加的检测信号的相位延迟大于45°而小于90°的范围。振幅控制装置控制由第一相位延迟装置延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号。差分放大器装置差分放大该对检测信号。第二相位延迟装置将加法装置相加的检测信号的相位延迟90°。同步检测装置基于由第二相位延迟装置延迟的检测信号，同步地检测由差分放大器装置差分放大的信号。控制装置基于同步检测装置的输出执行预定的控制。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种包括检测装置和控制装置的电子装置。该检测装置包括：悬臂振动陀螺、偏置施加装置、加法装置、第一相位延迟装置、振幅控制装置、差分放大器装置、第二相位延迟装置和同步检测装置。悬臂振动陀螺包括：具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极。所述悬臂振动陀螺由在该驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极产生对应于科里奥利力的一对检测信号。偏置施加装置施加偏置电压到该对检测电极。加法装置将该对检测信号相加。第一相位延迟装置将由加法装置相加的检测信号的相位延迟第一相位量。振幅控制装置控制由第一相位延迟装置延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号。差分放大器装置差分放大该对检测信号。第二相位延迟装置将由加法装置相加的检测信号的相位延迟不同于第一相位量的第二相位量。同步检测装置基于由第二相位延迟装置延迟的检测信号，同步地检测由差分放大器装置差分放大的信号。控制装置基于同步检测装置的输出执行预定的控制。
在本发明的实施例中，振动陀螺的自激振荡变得更稳定，从而抑制噪声并且获得了高S/N。因此，该控制装置能够更精确地执行控制。
这里，该电子装置的示例是配备有震动校正机制的数字相机，并且该控制装置控制所述震动校正机制的校正量。因此，更精确的震动校正变得可能。
如上所述，根据本发明的实施例，振动陀螺的自激振荡变得更稳定，由此抑制噪声并且获得高S/N。
本发明的这些和其它目的、特征和优点根据如在附图中图示的本发明的以下优选实施例的详细描述，将变得更清楚。
附图说明
图1是显示根据本发明的实施例的陀螺检测装置的结构的电路方块图；
图2是显示在图1中示出的振动陀螺的示例的透视图；
图3是在图2中示出的振动陀螺的振动臂的剖面图；
图4是用于图示在图2中示出的振动陀螺的工作原理的电路图；
图5是在动力学方面显示图4的工作原理的示意图；
图6是显示在图2中示出的振动陀螺的理想的输入/输出特性的图；
图7是显示作为比较示例的陀螺检测装置的结构的电路方块图；
图8是显示在图2中示出的振动陀螺的实际的输入/输出特性的图；
图9是图示在图8中示出的输入/输出特性的原因的图；
图10显示用于更明确地图示在图8中示出的输入/输出特性的原因的图(1)；
图11显示用于更明确地图示在图8中示出的输入/输出特性的原因的图(2)；
图12是显示根据本发明的另一个实施例的振动陀螺的结构的平面图；
图13是在图12中示出的振动陀螺的剖面图；
图14是显示作为装配有陀螺检测装置的电子装置的示例的数字相机的示意性透视图；以及
图15是显示数字相机的结构的方块图。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述本发明的各实施例。
图1是显示根据本发明的实施例的陀螺检测装置的示例的电路方块图。
如图1中所示，陀螺检测装置100包括：振动陀螺1、电阻器11a和11b、作为偏置施加装置的DC电源12、电压跟随器21a和21b、作为加法装置的加法电路22、作为第一和第二相位延迟装置的相移电路23a和23b、作为振幅控制装置的GCA(增益控制放大器)24和检测电路25、作为差分放大器装置的差分放大器电路31、以及作为同步检测装置的同步检测电路32。
在陀螺检测装置100中，振动陀螺1、电阻器11a和11b、DC电源12、电压跟随器21a和21b、加法电路22、相移电路23a和23b、GCA 24和检测电路25构成自激振荡电路110。
在描述陀螺检测装置100的总体操作之前，将首先给出关于振动陀螺1的示例和其工作原理的示例。
图2是显示振动陀螺1的示例的透视图。
如图2中所示，振动陀螺1包括基体2和从该基体2延伸的振动臂3。图3是沿着垂直于其纵向轴(Z轴)的平面截取的振动臂3的剖面图。
振动臂1可由MEMS(微型电机系统)产生。如图3中所示，例如，作为公共电极6d的导电膜形成在硅衬底4上，而压电膜5形成在该导电膜上。接着，驱动电极6c和每个具有预定伸长形状的第一和第二检测电极6a和6b利用光刻技术形成在压电膜5上。压电膜5、导电膜6d、驱动电极6c和第一和第二检测电极6a和6b构成压电元件。具体来说，压电膜5的第一侧提供有驱动电极6c和该对第一和第二检测电极6a和6b，而其与该第一侧相对的第二侧提供有公共电极6d。
包括导线7、电极焊盘8和凸起(bump)9a至9d的导线电极形成在基体2。导线电极还可以利用光刻技术形成。凸起9a至9d分别连接到第一和第二检测电极6a和6b。而且，凸起9c连接到驱动电极6c，而凸起9d连接到公共电极6d。导线电极经由这些凸起9a至9d连接到如IC的检测电路。凸起9a至9d由例如但不限于金形成。
在如上所述形成驱动电极6c、第一和第二检测电极6a和6b、导线7等之后，具有如图2中所示的形状的振动陀螺1从硅晶片被切除。
图4是显示图2中示出的振动陀螺1的工作原理的图；
如图4中所示，振动陀螺1的公共电极6d连接到DC电源12。AC电源13连接在驱动电极6c和公共电极6d之间。电阻器11a连接在第一检测电极6a和公共电极6d之间，而电阻器11b连接在第二检测电极6b和公共电极6d之间。此外，检测电极6a和6b连接到差分放大器电路31。
驱动电极6c和公共电极6d通过DC电源12偏置到电压值VreF。此外，第一和第二检测电极6a和6b分别经由电阻器11a和11b被偏置到电压值Vref。换句话说，在压电膜5的第一侧和与该第一侧相对的其第二侧之间的DC电压差变为0。而且，驱动电压信号vd由连接在驱动电极6c和公共电极6d之间的AC电源13在压电膜5的第一侧和与该第一侧相对的其第二侧之间被输入。具有作为参考的DC电压值Vref的驱动电压信号vd在压电膜5中被机械地转换，而振动臂3的主体因此在Y轴方向产生弯曲运动。
弯曲运动在压电膜5中被电子地转换以分别从检测电极6a和6b作为AC电压信号Va和Vb输出。当围绕振动臂3的纵向轴(Z轴)没有施加角速度ωo时，检测电极6a和6b的输出是具有相同相位和幅度的信号。因此，该信号在差分放大器电路31中被抵消。随后，当围绕振动臂3的纵向轴(Z轴)施加角速度ωo时，弯曲运动的方向由于在X轴方向产生的科里奥利力而改变。相应地，在检测电极6a和6b的输出之间产生差，然后其通过差分放大器电路31传递，从而获得差分信号Vo。这就是检测信号。
如图5中所示，假设振动臂3的质量是m，其弯曲运动的振动速度是v，而围绕振动臂3的纵向轴的角速度是ωo，则科里奥利力Fc能够由表达式(1)表示。应该注意到，在下面的表达式中，符号″*″表示乘法。
Fc＝2*m*v*ωo (1)
科里奥利力Fc与在差分放大器电路31中获得的差分信号Vo成比例。假设比例常数是k1，则差分信号Vo可以由表达式(2)表示。
Vo＝k1*2*m*v*ωo (2)
这里，再次参照图1，将给出对陀螺检测装置100的总体操作的描述。
振动陀螺1的公共电极6d连接到DC电源12。电阻器11a连接在检测电极6a和公共电极6d之间，而电阻器11b连接在检测电极6b和公共电极6d之间。检测电极6a的输出被输入到电压跟随器21a，而检测电极6b的输出被输入到电压跟随器21b。电压跟随器21a和21b的输出被输入到加法电路22和差分放大器电路31。
加法电路22的输出被输入到相移电路23a和23b以及检测电路25。相移电路23b的输出被输入到GCA(增益控制放大器)24。检测电路25的输出被输入到GCA 24。GCA 24的输出被输入到振动陀螺1的驱动电极6c。相移电路23b的输出被输入到同步检测电路32。
接下来，将描述电路操作。
如已经描述的，作为GCA 24的输出的驱动信号是被偏置到DC电压值Vref的AC电压信号，并且该驱动信号被输入到振动陀螺1的驱动电极6c。而且，公共电极6d由DC电源12偏置到电压值Vref。因此，在压电膜5的第一侧和与该第一侧相对的其第二侧之间的DC电压差变为0。驱动信号在压电膜5中被机械地转换，而振动臂3因此在Y轴方向产生弯曲运动。
弯曲运动在压电膜5中被电子地转换为从检测电极6a和6b输出的检测信号。该两个检测信号是分别经由电阻器11a和电阻11b被偏置到电压值Vref的AC电压信号。
两个检测信号被输入到电压跟随器21a和21b，用于根据阻抗分开振动陀螺1和所述电路。此后，检测信号被输入到加法电路22和差分放大器电路31。
当围绕振动臂3的纵向轴(Z轴)施加角速度ωo时，加法电路22被用来抵消检测信号中的变化。具体来说，当施加角速度ωo时，弯曲运动的方向由于在X轴方向产生的科里奥利力而改变。相应地，在两个检测信号之间产生输出差。然而，因为输出差由差分产生，所以在相加之后的输出没有改变。另一方面，从差分放大器电路31获得对应于科里奥利力的信号。
相移电路23a被用于将输出的相位从输入延迟75°。尽管加法电路22的输出的相位相对于驱动信号被提前75°，但是相移电路23a的输出的相位变为与该驱动信号相同的相位。输出信号由GCA 24放大到预定电压振幅Ad，因此被输出为驱动信号。GCA 24通过反馈加法电路22的输出控制放大程度，使得在加法电路22的输出的电压振幅被检测电路25检测到之后，输出具有恒定的电压振幅。
而且，当施加角速度ωo时，对应于科里奥利力的AC信号从差分放大器电路31获得。通过在由相移电路23b延迟所述信号90°的输出时刻执行同步检测，能够获得已经从其移除AC分量的对应于科里奥利力的信号，作为同步检测电路32的输出。
这是因为，关于同步检测的时刻，当在相对于作为来自检测电极6a和6b的输出的AC信号被延迟90°的相位处执行同步检测时，能够获得最大的灵敏度水平。
在低于谐振频率fo的频率处的振动陀螺1的输入/输出特性的特性曲线，更多地受到流过在振动陀螺1的驱动电极和检测电极之间的寄生电容的漏电压影响。因此，通过设置相移电路23a，使得振动陀螺1的输入/输出相位差变得小于90°，可以产生在振动陀螺1不受该漏电压影响的频率处产生自激振荡。换句话说，自激振荡的稳定抑制噪声并且实现高S/N。
要由相移电路23a延迟的相位量优选地在大于45°而小于90°的范围内。具有45°或更少的延迟相位量，自激振荡变得困难。
这里，将对为什么除了相移电路23b外还提供相移电路23a以相对于输入延迟输出相位75°的理由给出更详细的描述。
图6是显示图4中示出的振动陀螺1的理想的输入/输出特性的图。
作为振动陀螺1的输入的驱动信号vd的电压振幅Ad被固定在1.1Vp-p，并且检测电极6a的输出Va或检测电极6b的输出Vb被测量。横坐标轴表示驱动电压信号vd的谐振频率f，而纵坐标轴分别表示输出Va或Vb的电压振幅A和输出Va或Vb的相位θ。振动陀螺1被用在频率fo，在该频率获得最高输入/输出效率，并且电压振幅变为作为最大值的Ao。电压振幅在该频率fo处变为大约0.75Vp-p，而相位大约是90°。
假设地，假定振动陀螺1的输入/输出特性如图6中所示，则陀螺检测装置如图7中所示构成。具体地讲，单个相移电路23的输出可以变为GCA 24和同步检测电路32两者的输入。
然而，振动陀螺1的实际输入/输出特性如图8中所示。
具体地讲，如图8中所示，假定根据振动陀螺1的输入/输出特性，振动陀螺1在频率fo处使用，在该频率获得最高输入/输出效率，并且电压振幅变为作为最大值的Ao，电压振幅在该频率fo处变为大约0.75Vp-p，而相位大约是75°。
当振动陀螺1在如图7中所示的电路中操作时，自激振荡电路110不正常运行，并且观察到异常振荡。该异常振荡指包括在频率fo处的振荡和在大约300Hz的频率的振荡的双振荡。
接下来，将对为什么振动陀螺1变化这么多以及为什么振动陀螺1以图8中示出的特性结束的理由给出描述。
图9是图示振动陀螺1的输入/输出特性的电路图。
振动陀螺1的公共电极6d接地。AC电源13连接在驱动电极6c和公共电极6d之间。检测电极6a和6b电短路，因为目的只是测量输入/输出特性。而且，电阻器11a和11b分别连接在检测电极6a和6b和公共电极6d之间。
驱动电极6c和公共电极6d被偏置到电压值0。而且，第一和第二检测电极6a和6b分别经由电阻器11a和11b偏置到电压值0。换句话说，在压电膜5的第一侧和与第一侧相对的其第二侧之间的DC电压差变为0。而且，驱动电压信号vd由连接在驱动电极6c和公共电极6d之间的AC电源13在压电膜5的第一侧和与该第一侧相对的其第二侧之间输入。具有作为参考的DC电压值0的驱动电压信号vd在压电膜5中被机械地转换，而振动臂3的主体因此在Y轴方向产生弯曲运动。
弯曲运动在压电膜5中被电转换以作为AC电压信号从检测电极6a和6b输出。本发明的发明人已经发现，除了如上所述的系统外，还存在用于确定振动陀螺1的输入/输出特性的路径。这是由于在驱动电极6c和公共电极6d之间的寄生电容10a和在驱动电极6c和检测电极6a之间的寄生电容10b。换句话说，该路径是这样的路径，通过该路径，在驱动电极6c和公共电极6d之间输入的驱动电压信号vd穿过寄生电容10a和10b以作为AC电压信号从检测电极6a和6b被输出。通过将上述两个输出(通过弯曲运动和寄生电容获得的输出)相加获得的信号是AC电压信号Vg(见图9)。
图10和11是图示用于确定振动陀螺1的输入/输出特性的机制的图。
关于电压振幅，该图形示意性地显示了图8中示出的振动陀螺1的输入/输出特性，并且该电压振幅通过固定作为图9中示出的振动陀螺1的输入的驱动信号vd的电压振幅Ad为恒定值，并且测量检测电极6a和6b的输出Vg而获得。每个横坐标轴表示驱动电压信号vd的谐振频率，而纵坐标轴分别表示输出Vg的电压振幅A和输出Vg的电压相位θ。
通过在振动臂3的尖端部分测量机械振动获得振动振幅，其对应于电压振幅。每个横坐标轴表示驱动信号vd的谐振频率f，而纵坐标轴分别表示在在振动臂3的尖端部分处的振动振幅Av和振动相位θv。
驱动信号vd在压电膜5中被机械地转换，而振动臂3的主体因此在Y轴方向产生弯曲运动。由该弯曲运动引起的振动振幅Av在基于振动陀螺1的形状确定的谐振频率fo处变为最大值，而振动相位θv相对于驱动信号vd提前90°。在低于谐振频率fo的频率处，振动振幅Av变小，而振动振幅θv提前180°。在高于谐振频率fo的频率处，振动振幅Av变小，而振动振幅θv变为0°。
这样的弯曲运动在压电膜5中被电转换以输出，但是流过寄生电容10a和10b的漏电压也与之一起被输出。假定由弯曲运动获得的输出是Vgv，而由漏电压获得的输出是Vgl。由漏电压获得的输出Vgl具有恒定的振幅与频率无关，而相对于驱动信号vd的相位延迟/提前大约是0°。
接下来，将基于由弯曲运动获得的输出Vgv和由漏电压获得的输出Vgl之间的关系描述振动陀螺1的输入/输出特性。
在各自的频率区域1到5的输出Vgv和Vgl用矢量表示，而该矢量的相加得到输入/输出特性。该矢量以电压振幅和电压相位表示。
(1)在频率区域1，振幅是Vgv＜Vgl，并且Vgv的相位是大约180°。由相加获得的输出Vg具有小振幅，并且其相位约为0°。
(2)在频率区域2，振幅是Vgv≤Vgl，并且Vgv的相位大约180°。由相加获得的输出Vg具有最小振幅，并且其相位大约是75°。
(3)在频率区域3，振幅是Vgv＞Vgl，并且Vgv的相位是90°至180°。由相加获得的输出Vg具有中间振幅，并且其相位大约是90°至180°。
(4)在频率区域4，振幅是Vgv＞Vgl，并且Vgv的相位是90°。由相加获得的振幅具有最大振幅，其相位大约是75°。
(5)在频率区域5，振幅是Vgv＜Vgl，Vgv的相位大约是0°。由相加获得的输出Vg具有中间振幅，其相位大约是0°。
频率区域2看起来像是反谐振点，因为输出Vg的振幅变为最小值，而其相位变得几乎与谐振频率fo相同。然而，从上面的描述可见频率区域2是由于漏电压生成的点。没有漏电压，振动陀螺1的输入/输出特性将显示类似于振动振幅和振动相位的特性曲线的特性曲线。
当振动陀螺1在如图7中示出的电路中引起自激振荡时，相位在相移电路23被延迟90°，这意味着根据振动陀螺1的输入/输出特性，振动陀螺1操作在90°的电压相位θ。此时，频率f为fog，其小于实际的谐振频率fo。而且，在操作时电压振幅A是Aog，其在没有漏电压情形中小于振幅Ao。
在小于谐振频率fo的频率，可以看到漏电压显著影响了振动陀螺1的输入/输出特性曲线。由于该影响，振动陀螺1在小于谐振频率fo的频率的操作引起自激振荡电路的错误操作，导致双重振荡。
因此，在该实施例的陀螺检测装置100中，除了相移电路23b外还提供相移电路23a以相对于输入将输出相位延迟75°。相应地，变得可能在输入/输出特性不受漏电压影响的频率处引起自激振荡。换句话说，自激振荡的稳定抑制噪声并且实现了高S/N。
本发明不限于上述实施例，并且可以在本发明的技术精神内进行各种修改。
例如，在上面的实施例中提供单个振动臂给振动陀螺1。然而，本发明可应用于例如具有三个振动臂的振动陀螺。
图12是显示根据本发明的另一个实施例的振动元件示意图。图13是沿着图12的线A-A截取的剖面图；
振动元件41包括基体140和提供来以便从主体140延伸的三个振动臂141至143。振动元件41也可以由例如MEMS生产。如图13中所示，三个振动臂141至143分别包括由硅制成的基臂147a至147c。
压电膜148a在中间的振动臂141的基臂147a上形成，而第一电极145a和检测电极146a和146b在压电膜148a的第一侧提供。此外，公共电极144a在与所述第一侧相对的压电膜148a的第二侧提供。
压电膜148b在振动臂142的基臂147b上形成，而公共电极144b在压电膜148b的第一侧提供。此外，第二驱动电极145b在压电膜148b的第二侧提供。类似地，压电膜148c在振动臂143的基臂147c上形成，而公共电极144c在压电膜148c的第一侧提供。此外，第三驱动电极145c在压电膜148c的第二侧提供。
可以构成所述电路，使得输入到与图1中示出的公共电极6d相对应的公共电极144a的信号被输入到公共电极和144b和144c，而输入到与图1中示出的驱动电极6c相对应的驱动电极145a的信号被输入到第二和第三驱动电极145b和145c。
如上所述构成的振动陀螺被驱动，使得振动臂142和143在两侧以相同的相位和相同的振幅振动，而在中间的振动臂141以与两侧的振动臂142和143相反的相位和两倍的振幅振动。关注中间的振动臂141，因为振动臂141具有类似于在图2和3中示出的实施例中的结构，所以第一和第二检测电极146a和146b的检测灵敏度能被改善，而不增加电源电压，并且因此实现高S/N。
注意到，第二和第三驱动电极145b和145c不总是必须用驱动信号输入。在此情形中，在两侧的振动臂142和143由中间的振动臂141的振动引起的反弹而振动。
图14是作为安装有陀螺检测装置配置的电子装置的示例的数字相机的示意性透视图。图15是显示数字相机的结构的方块图。
数字相机260具有装置主体261，陀螺检测装置100安装到其上。该装置主体261是由例如金属或树脂制成的机架或机壳。陀螺检测装置100以例如几个平方毫米的尺寸封装。为了检测大约至少两个轴的角速度，要安装至少两个陀螺检测装置100。
如图15中所示，数字相机260包括：陀螺检测装置100、控制部分510、装配有透镜等的光学系统520、CCD 530、以及用于执行关于光学系统520的震动校正的震动校正机制540。
由两个陀螺检测装置100检测两个轴的科里奥利力。控制部分510基于检测的科里奥利力，使用震动校正机制540在光学系统520中执行震动校正。
安装有根据本发明的实施例的陀螺检测装置的电子装置不局限于数字相机。电子装置的示例包括：膝上型计算机、PDA(个人数字助理)、电子字典、音频/视频设备、投影仪、蜂窝电话、游戏设备、汽车导航设备、机器人设备和其它电器。
相关申请的交叉引用
本发明包含涉及于2007年5月16日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2007-130689的主题，在此通过引用并入其全部内容。
Claims (10)
1.一种检测装置，包括：
悬臂振动陀螺，其包括具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极，所述悬臂振动陀螺由在所述驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极生成对应于科里奥利力的一对检测信号；
偏置施加装置，用于施加偏置电压到该对检测电极；
加法装置，用于将该对检测信号相加；
第一相位延迟装置，用于将由加法装置相加的检测信号的相位延迟大于45°而小于90°的范围；以及
振幅控制装置，用于控制由第一相位延迟装置延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号。
2.如权利要求1所述的检测装置，其中振动陀螺在高于该振动陀螺的谐振频率的频率引起自激振荡。
3.一种检测装置，包括：
悬臂振动陀螺，其包括具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极，所述悬臂振动陀螺由在所述驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极生成对应于科里奥利力的一对检测信号；
偏置施加装置，用于施加偏置电压到该对检测电极；
加法装置，用于将该对检测信号相加；
第一相位延迟装置，用于将由加法装置相加的检测信号的相位延迟第一延迟量；
振幅控制装置，用于控制由第一相位延迟装置延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号；
差分放大器装置，用于差分放大该对检测信号；
第二相位延迟装置，用于将由加法装置相加的检测信号的相位延迟不同于第一相位量的第二相位量；以及
同步检测装置，用于基于由第二相位延迟装置延迟的检测信号，同步地检测由差分放大器装置差分放大的信号。
4.如权利要求3所述的检测装置，其中振动陀螺在高于该振动陀螺的谐振频率的频率引起自激振荡。
5.一种利用悬臂振动陀螺检测角速度的方法，该悬臂振动陀螺包括具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极，所述悬臂振动陀螺由在所述驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极生成对应于科里奥利力的一对检测信号，所述方法包括：
施加偏置电压到该对检测电极；
将该对检测信号相加；
将通过相加获得的检测信号的相位延迟大于45°而小于90°的范围；以及
控制延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号。
6.如权利要求5所述的检测装置，其中振动陀螺在高于该振动陀螺的谐振频率的频率引起自激振荡。
7.一种利用悬臂振动陀螺检测角速度的方法，该悬臂振动陀螺包括具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极，所述悬臂振动陀螺由在所述驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极生成对应于科里奥利力的一对检测信号，所述方法包括：
施加偏置电压到该对检测电极；
将该对检测信号相加；
将通过相加获得的检测信号的相位延迟第一相位量；
控制延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号；
差分放大该对检测信号；
将通过相加获得的检测信号的相位延迟不同于第一相位量的第二相位量；以及
基于延迟第二相位量的检测信号，同步地检测被差分放大的信号。
8.如权利要求7所述的检测方法，其中振动陀螺在高于该振动陀螺的谐振频率的频率引起自激振荡。
9.一种电子装置，包括：
检测装置，包括
悬臂振动陀螺，其包括具有第一侧和第二侧的压电元件，该第一侧提供有驱动电极和一对检测电极，该驱动电极以预定间隔布置在该对检测电极之间，该第二侧与该第一侧相对并且提供有公共电极，所述悬臂振动陀螺由在所述驱动电极和公共电极之间输入的驱动信号振动，并且从该对检测电极生成对应于科里奥利力的一对检测信号；
偏置施加装置，用于施加偏置电压到该对检测电极；
加法装置，用于将该对检测信号相加；
第一相位延迟装置，用于将由加法装置相加的检测信号的相位延迟第一延迟量；
振幅控制装置，用于控制由第一相位延迟装置延迟的检测信号到预定电压振幅，并且输出检测信号作为驱动信号；
差分放大器装置，用于差分放大该对检测信号；
第二相位延迟装置，用于将由加法装置相加的检测信号的相位延迟不同于第一相位量的第二相位量；以及
同步检测装置，用于基于由第二相位延迟装置延迟的检测信号，同步地检测由差分放大器装置差分放大的信号。
10.如权利要求9所述的电子装置，
其中该电子装置是配备有震动校正机制的数字相机，以及
其中该控制装置控制所述震动校正机制的校正量。
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