CN101346601A - 角速度传感器 - Google Patents

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Abstract

角速度传感器包括进行振动的振动器、分别输出第1差分信号与第2差分信号的第1差分电路与第2差分电路、以及对第1差分信号与第2差分信号进行同步检波的同步检波电路。第1检测部与第2检测部根据因惯性力而产生的变形，分别输出第1检测信号与第2检测信号。第1检测信号的相位与第2检测信号的相位反相。第1差分信号与从第2检测信号减去第1检测信号所得的差对应。第2差分信号与从第1检测信号减去第2检测信号所得的差对应。该角速度传感器可以准确地检测出振动器的角速度。

Description

角速度传感器
技术领域
本发明涉及角速度传感器。
背景技术
图5是下述专利文献1所公开的现有的角速度传感器5001的框图。图6与图7表示角速度传感器5001的各部分的信号的波形。角速度传感器5001具有振动器2、用于使振动器2振动的驱动电路4、以及用于对振动器2中产生的变形(distortion)进行检测的检测电路6。振动器2有音叉形、H形、T形或簧片形等各种形状。如果使振动器2振动并旋转，则会产生科里奥利力(Coriolis force)(惯性力)，该科里奥利力导致振动器2产生变形，对所述变形进行电检测，以计算出振动器2的旋转角速度。
振动器2具有机械式振动的振动元件2A、和设置在振动元件2A上的驱动部8、监视部14以及检测部10、12。振动部8根据来自驱动电路4的驱动信号使振动器2(振动元件2A)振动。检测部10、12将因科里奥利力而产生的振动元件2A的变形作为电检测信号501H、501J分别输出到检测电路6中，其中所述科里奥利力是因振动元件2A的旋转而产生的。监视部14对振动元件2A的振动状态进行检测，将该振动状态作为监视信号501A输出。检波器16将监视信号501A整形成方形波输出整形信号501B。
通常，在检测信号501H、501J中包含变形成分与噪声成分，所述变形成分来自于振动器2中因科里奥利力而产生的变形。在角速度传感器5001中，从检测信号501H、501J中去除该噪声成分而仅提取变形成分，来计算出角速度。
图6表示信号501A、501B和对应于角速度传感器5001噪声成分的信号1501C～1501G的波形。图7表示信号501A、501B和对应于角速度传感器5001变形成分的信号2501C～2501G的波形。信号501C～信号501G分别是信号1501C～1501G与信号2501C～2501G的和。
从检测部10、12分别输出的检测信号501H、501J被输入到差分放大器18中，将检测信号501H、501J的差作为差分信号501C输出。移相器20形成通过使差分信号501C相位移相(延迟)90度而得到的移相信号501D。反相放大器22使移相信号501D反相而形成反相信号501E。
同步检波电路24根据整形信号501B，对移相信号501D与反相信号501E进行同步检波，以取出检波信号501F。处理电路26平滑检波信号501F，以获得输出信号501G。根据输出信号501G，计算出振动器2的旋转角速度。
反相放大器22使反相信号501E(信号1501E、2501E)相对于移相信号501D(信号1501D、2501D)产生相位延迟。即，反相信号501E(信号1501E、2501E)相对于移相信号501D(信号1501D、2501D)不是完全反相，而是相对于移相信号501D(信号1501D、2501D)反相信号501E(信号1501E、2501E)延迟了时间T。检波信号501F(信号1501F、2501F)被平滑，而获得输出信号501G(信号1501G、2501G)。由于输出信号501G中包含因时间T所引起的误差，即信号1501E(信号501E)，所以无法准确地检测出振动器2的旋转角速度。
专利文献1：日本专利特开2002-243451号公报
发明内容
角速度传感器具有进行振动的振动器、分别输出第1差分信号与第2差分信号的第1差分电路与第2差分电路、以及对第1差分信号与第2差分信号进行同步检波的同步检波电路。第1检测部与第2检测部根据因惯性力而产生的变形，分别输出第1检测信号与第2检测信号。第1检测信号的相位与第2检测信号的相位反相。第1差分信号对应于从第2检测信号减去第1检测信号所得的差。第2差分信号对应于从第1检测信号减去第2检测信号所得的差。
该角速度传感器可以准确地检测出振动器的角速度。
附图说明
图1是本发明的实施方式中的角速度传感器的框图。
图2A是实施方式中的角速度传感器的振动器的平面图。
图2B是实施方式中的角速度传感器的振动器的剖面图。
图3表示实施方式中的角速度传感器的信号的波形。
图4表示实施方式中的角速度传感器的信号的波形。
图5是现有的角速度传感器的框图。
图6表示现有的角速度传感器的信号的波形。
图7表示现有的角速度传感器的信号的波形。
附图标记说明
32     振动器
32A    振动元件
40     检测部(第1检测部)
41     固定基部
42     检测部(第2检测部)
43A    臂部(第1臂部)
43B    臂部(第2臂部)
44     监视部
48     差分电路(第1差分电路)
49     差分电路(第2差分电路)
50     移相器
54     同步检波电路
101D   差分信号(第1差分信号)
101E   差分信号(第2差分信号)
101H   检测信号(第1检测信号)
101J   检测信号(第2检测信号)
具体实施方式
图1是本发明的实施方式中的角速度传感器1001的框图。图2A与图2B分别是角速度传感器1001的振动器32的平面图与剖面图。图3与图4表示角速度传感器1001的信号波形。
角速度传感器1001具有振动器32、用于使振动器32振动的驱动电路34、以及用于对振动器32中产生的变形进行检测的检测电路36。振动器32有音叉形、H形、T形、簧片形等各种形状。如果振动器32一边振动一边旋转，则由于振动与旋转而产生惯性力，即科里奥利力，该科里奥利力导致振动器32产生变形。角速度传感器101用于对该变形进行电检测，以计算出振动器32的旋转角速度。
振动器32包括进行机械振动的振动元件32A、驱动部38、检测部40、42和监视部44，其中所述驱动部38根据从驱动电路34供给的驱动信号使振动元件32A振动，所述检测部40、42将因科里奥利力而产生的变形，作为检测信号101H、101J而分别输出到检测电路36中，监视部44输出与振动元件32A的振动相对应的监视信号101A。如图2A所示，由硅基板构成的振动元件32A具有固定基部41和与固定基部41连接的两根臂部43A、43B，呈音叉形。在振动元件32A上设置着驱动电极45与检测电极47，所述驱动电极45与检测电极47作为驱动部3 8和检测部40、42而发挥作用。如图2B所示，驱动电极45与检测电极47具有导电层201、压电层202和导电层203，其中所述导电层201设置在振动元件32A上，由Ag或Au等金属构成，所述压电层202设置在导电层201上，由钛锆酸铅(PZT)构成，所述导电层203设置在压电层202上，由Ag或Au等金属构成。监视部38也由电极构成，该电极的结构与驱动部38和检测部40、42的电极结构相同。驱动部38设置在臂部43A、43B上，使驱动器32在臂部43A、43B相互靠近或远离的方向上振动，即，在臂部43A、43B所排列的方向32B上振动。
驱动电路34由具有自动增益控制功能的放大器构成，对施加到驱动部38(驱动电极45)上的驱动电压进行控制，以使得振动器32(振动元件32A)以一定振幅振动。检测电路36由差分电路和积分电路等构成，对检测信号101H、101J进行处理，所述检测信号101H、101J是因为振动器32中因科里奥利力而产生的变形而从检测电极47电输出的信号。
监视部44对振动器32(振动元件32A)的振动状态进行监视，并对应振动器32的臂部43A、43B的位移而输出监视信号101A。移相器50使监视信号101A相位移相(延迟)90度，并输出移相信号101B。检波器46对移相信号101B进行检波，将移相信号101B整形成具有两个电平、即高电平与低电平的方形波，并输出整形信号101C。
检测部40、42分别配置在臂部43A、43B上，从检测部40、42输出的检测信号101H、101J相互具有逆相位，因而相互反相。将相互反相的检测信号101H、101J一同输入到差分电路48、49中。差分电路48将从检测信号101J减去检测信号101H所得的差作为差分信号101D输出。差分电路49将从检测信号101H减去检测信号101J所得的差作为差分信号101E输出。由此，使得差分信号101D与差分信号101E不存在相位偏差，而具有相互完全反相的波形。
同步检波电路54根据整形信号101C对差分信号101D、101E进行同步检波，以获得检波信号101F。在第一实施方式的角速度传感器1001中，当整形信号101C处于高电平时，同步检波电路54将差分信号1001D作为检波信号101F输出，当整形信号101C处于低电平时，同步检波电路54使差分信号101E反相并作为检波信号101F输出。处理电路56平滑检波信号101F，以获得输出信号101G。根据输出信号101G，计算出振动器32的旋转角速度。
检测信号101H、101J包含变形成分与噪声成分，所述变形成分来自于振荡器32中因科里奥利力而产生的变形。从检测信号101H、101J中去除该噪声成分，而仅根据变形成分来计算出角速度。
图3表示信号101A～101C和对应于角速度传感器1001噪声成分的信号1101D～1101G的波形。图4表示信号101A～101C和对应于角速度传感器1001变形成分的信号2101D～2101G的波形。信号101D～101G分别是信号1101D～1101G与信号2101D～2101G的和。
检测信号101H的相位与检测信号101J的相位相互反相。由从检测信号101J减去检测信号101H所得的差得到差分信号101D，由从检测信号101H减去检测信号101J所得的差得到差分信号101E。因此，差分信号101D与差分信号101E之间不存在相位偏差，而是相互反相。
通过根据整形信号101C对差分信号101D、101E进行同步检波，使得因相位偏差而引起的误差不会混入到输出信号101G中，从而可以根据输出信号101G来准确地计算出振动器32的旋转角速度。
工业利用可能性
本发明的角速度传感器可以准确地检测出振动器的旋转角速度，从而适用于需要检测角速度的各种电子设备。

Claims (5)

1、一种角速度传感器，其具备：
振动器，其具有第1检测部和第2检测部，所述第1检测部根据因惯性力而产生的变形，输出第1检测信号，所述第2检测部根据因所述惯性力而产生的所述变形，输出相位与所述第1检测信号的相位反相的第2检测信号；
第1差分电路，其输出第1差分信号，所述第1差分信号与从所述第2检测信号减去所述第1检测信号所得的差对应；
第2差分电路，其输出第2差分信号，所述第2差分信号与从所述第1检测信号减去所述第2检测信号所得的差对应；以及，
同步检波电路，其对所述第1差分信号与所述第2差分信号进行同步检波。
2、根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，
所述振动器还具有：
进行振动的振动元件；以及，
监视部，其输出与所述振动元件的振动相对应的监视信号，
所述同步检波电路根据所述监视信号，对所述第1差分信号与所述第2差分信号进行同步检波。
3、根据权利要求2所述的角速度传感器，其中，
还具备移相器，其使所述监视信号的相位移相并输出移相信号，
所述同步检波电路根据所述移相信号，对所述第1差分信号与所述第2差分信号进行同步检波。
4、根据权利要求2所述的角速度传感器，其中，
所述振动元件还具有：
固定基部；
第1臂部，其设置有所述监视部与所述第1检测部，并且与所述固定基部连接；以及，
第2臂部，其设置有所述监视部与所述第2检测部，并且与所述固定基部连接，
所述振动元件呈音叉形。
5、根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述振动元件还具有：
固定基部；
第1臂部，其设置有所述第1检测部，并且与所述固定基部连接；以及，
第2臂部，其设置有所述第2检测部，并且与所述固定基部连接，所述振动元件呈音叉形。
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