CN1190182A

CN1190182A - 角速度传感器

Info

Publication number: CN1190182A
Application number: CN98103615A
Authority: CN
Inventors: 小林宏彰
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-01-10
Filing date: 1998-01-09
Publication date: 1998-08-12
Also published as: JPH10197255A; KR19980070417A; US6049157A

Abstract

本发明提供一种角速度传感器,其具有简单的结构,通过充分利用压电元件的性能而带来的优良的检测灵敏度。多片压电元件3、4和5固定在恒定弹性的金属振动器2上。压电元件3、4和5其中之一被用作柯匹兹振动电路的阻抗元件,构成一个自振动型驱动电路6。当驱动该自振动型驱动电路6而振动恒定弹性的金属振动器2时,在恒定弹性的金属振动器2中产生的互补力被其它压电元件4和5检测得到。

Description

角速度传感器

本发明涉及一个角速度传感器，它用在诸如摄像机的无意识运动的检测，虚拟现实装置的操作检测，汽车导航系统的方向检测，和其它类似情况。

一个角速度传感器以预定谐振频率振动一个振动器从而通过一个压电元件或类似元件检测由角速度的作用而产生的互补力。

传统上有两种方法通过单个压电元件来驱动一个振动回转仪：一种方法利用外部振动型驱动电路，另一种利用自振动型驱动电路。然而，利用外部振动型驱动电路的方法存在一个问题，即由于振动器，压电元件，电路或其它类似部分的温度特性，振动器和振动频率在谐振频率上产生不同，这显著降低了互补力检测灵敏度，这种传感器还未得以实用。

如图1、图2，目前使用的是利用自振动型驱动电路的角速度传感器，它在相振动电路回路中使用一个内置振动器。在这种角速度传感器中，由于自振动是由振动器的谐振频率得到，因此检测灵敏度也不过多受温度特性的影响，能够在很宽的温度范围中得到稳定的检测灵敏度。

图1所示的一个角速度传感器，包括一个由恒定弹性的金属振动器100制成的振动器104，它是一个三角形柱体，其面上有由电极101a和压电体101b构成的第一压电元件101，由电极102a和压电体102b构成的第二压电元件102，由电极103a和压电体103b构成的第三压电元件103。而且，这个角速度传感器还包括：与第一压电元件101连接的放大器105；与放大器105连接的相转换器106；与第二压电元件102和第三压电元件103连接的差动放大器107；与差动放大器107连接的同步检测器108；以及连接同步检测器108的低通滤波器109。

这样的一个使用三角柱形振动器的角速度传感器目前具有最高的灵敏度，并且被广泛使用。在这个角速度传感器中，为了产生自振动，第二压电元件102和第三压电元件103检测振动器104的振动，以及在振动器104中产生的互补力。即，在这个角速度传感器中，同一压电元件具有两种作用：检测振动器104的振动以产生自振动，和检测互补力。为此，在这个角速度传感器中，用于检测互补力的电压受限于振动器104的驱动电压和电源电压，而且也不可能充分利用压电元件的检测性能。

另一方面，图2所示的一个角速度传感器，包括一个由恒定弹性的金属振动器110制成的振动器115，它是一个正方形柱体，其面上有由电极111a和压电体111b构成的第一压电元件111，由电极112a和压电体112b构成的第二压电元件112，由电极113a和压电体113b构成的第三压电元件113，由电极114a和压电体114b构成的第四压电元件114。而且，这个角速度传感器还包括：放大器106；与第一压电元件111和第二压电元件112连接的相转换器116；与第三压电元件113和第四压电元件114连接的差动放大器119；与差动放大器118连接的同步检测器119；以及连接同步检测器119的低通滤波器120。

在使用这样的正方柱形振动器115的角速度传感器中，第一压电元件111产生振动器115的振动；第二压电元件112检测振动器115的振动，用于产生自振动；第三压电元件113和第四压电元件114用于检测振动器115产生的互补力。即，在这个角速度传感器中，每个压电元件用于一个作用：用于产生振动器115的振动的压电元件，用于检测振动器115的振动而产生自振动的压电元件，和用于检测互补力的压电元件。结果，就有可能充分利用每个压电元件的性能。

然而，该角速度传感器至少要用两个压电元件来驱动振动器，而且，如果包括用于检测互补力的压电元件，则至少要用四个压电元件。这带来了生产成本的不利因素。而且，如果用这么多的压电元件，调整振动器115的振动频率也比较困难。因此，使用正方柱形振动器115的角速度传感器也存在各种问题，也仍然未得以实用。

所以，正如前面所述，利用外部振动型驱动电路的方法存在由于温度特性造成灵敏度改变的问题，这一问题可以由使用相振动电路的自振动型驱动电路来解决。但是，如图1所示的角速度传感器，由于同一压电元件同时驱动振动器104和检测互补力，因而牺牲了灵敏度。另一方面，图2所示的角速度传感器有生产成本的不利因素和难于调整频率的问题，也不能得以实用。

而且，在图1和图2所示的传统的角速度传感器中，放大器105和111，相转换器106和115及其它类似部分的电路都相对比较复杂，因此有必要开发一种具有简单电路的角速度传感器。

因此，本发明的一个目的是提供一种具有简单结构的角速度传感器，能充分利用压电元件的性能，并具有优良的检测灵敏度。

根据本发明的角速度传感器包括：一个固定在恒定弹性的金属振动器上的压电元件；一个用于检测恒定弹性的金属振动器振动的检测单元；一个自振动型驱动电路，其中压电元件作为柯匹兹振动电路的阻抗元件。

在上述角速度传感器中，只有一个压电元件构成自振动型驱动电路。而且，检测单元最好包括有固定在恒定弹性的金属振动器上的角速度检测压电元件，这样就可以检测在恒定弹性的金属振动器中产生的互补力。

而且，根据本发明另一目的的角速度传感器包括：一个固定有多个电极的压电体振动器；一个用于检测压电体振动器振动的检测单元；一个自振动型驱动电路，其中压电体振动器作为柯匹兹振动电路的阻抗元件。

在上述角速度传感器中，阻抗元件可以由例如压电体振动器和固定其上的一对电极构成。而且，在上述角速度传感器中，比如，压电体振动器包括至少一对与自振动型驱动电路连接的电极，一对与检测单元连接的电极，检测单元检测至少一对电极之间的电压变化，以此检测压电体振动器产生的互补力。

根据本发明的角速度传感器是一个自振动型的角速度传感器，没有象外部振动型角速度传感器中因温度特性影响而引起灵敏度恶化的危险。而且，根据本发明的角速度传感器，固定在恒定弹性的金属振动器上的压电元件，或固定有多个电极的压电体振动器作为柯匹兹振动电路的阻抗元件，构成一个自振动型驱动电路。因此，有可能利用振动振动器的元件来作为检测振动器振动以产生自振动的元件。而且，将可能很容易调整频率。再者，这个自振动型驱动电路可以由明显简化的电路构成。

图1是传统角速度传感器的一个实例。图1A是传统角速度传感器的整体结构，图1B是振动器的透视图，图1C是振动器中心部分的剖面图。

图2是传统角速度传感器的另一个实例。图2A是传统角速度传感器的整体结构，图2B是振动器的透视图，图2C是振动器中心部分的剖面图。

图3是根据本发明一个实施例的角速度传感器。

图4是图3所示角速度传感器中振动器的透视图。

图5是图3所示角速度传感器中振动器中心部分的剖面图。

图6是图3所示角速度传感器中的自振动型驱动电路。

图7是图3所示角速度传感器中使用的振动器中构成自振动型驱动电路的部分的透视图。

图8是图3所示角速度传感器中使用的振动器中构成自振动型驱动电路的中心部分的剖面图。

图9是图3所示角速度传感器中使用的振动器的阻抗特性。

图10是图3所示角速度传感器中使用的振动器的等效电路。

图11比较了根据本发明的角速度传感器的输出和传统角速度传感器的输出。

图12是根据本发明另一个实施例的角速度传感器中使用的振动器的透视图。

图13是图12所示振动器中心部分的剖面图。

图14是根据本发明另一个实施例的角速度传感器中振动器的透视图。

图15是图12所示振动器中心部分的剖面图。

图16是根据本发明另一个实施例的角速度传感器中使用的振动器的透视图。

图17是图16所示振动器中心部分的剖面图。

图18是根据本发明另一个实施例的角速度传感器中使用的振动器的透视图。

图19是图18所示振动器中使用的双压电晶片的剖面图。

图20是根据本发明另一个实施例的角速度传感器中使用的振动器的透视图。

图21是图20所示振动器的剖面图。

参考附图，将直接描述本发明的优选实施例。需要注意的是，本发明并非局限于下面的实施例，而是在本革新范围内可以有各种方式的改变。

图3是根据本发明一个实施例的角速度传感器的基本结构。如图1所示，该角速度传感器包括一个在振动回转部分的振动器1。如图4、5所示的振动器1包括：一个正方柱形的恒定弹性的金属振动器2，固定在恒定弹性的金属振动器2一面的长方形第一压电元件3，固定在恒定弹性的金属振动器2另一面的长方形第二压电元件4，和固定在恒定弹性的金属振动器2再另一面的长方形第三压电元件5。

其中，第一压电元件3用于驱动恒定弹性的金属振动器2，并且如图5所示，由固定有电极3a的压电体3b制成。该第一压电元件3振动振动器1，并作为自振动型驱动电路6的一个阻抗元件，自振动型驱动电路6将在下面详述。

另一方面，第二压电元件4和第三压电元件5用作检测在振动器1中产生的互补力。如图5所示，第二压电元件4由固定有电极4a的压电体4b构成，第三压电元件5由固定有电极5a的压电体5b构成。第二压电元件4和第三压电元件5固定在恒定弹性的金属振动器2的相对面。

恒定弹性的金属振动器2具有一端子C；第一压电元件3具有一端子D；第二压电元件4具有一端子S1；第三压电元件5具有一端子S2。

而且，该角速度传感器包括一个自振动型驱动电路6，在该电路结构中第一压电元件3是作为柯匹兹振动电路的阻抗元件。当驱动这个角速度传感器时，该自振动型驱动电路6产生自振动，因而振动振动器1。

图6是自振动型驱动电路6部分。如图6所示，该自振动型驱动电路6包括：恒定弹性的金属振动器2，第一压电元件3，电阻7，反相器8，第一电容9，第二电容10。恒定弹性的金属振动器2上的端子C与电阻7的一端、反相器8的输入端和第一电容9的一端相连。第一压电元件3上的端子D与电阻7的另一端、反相器8的输出端和第二电容10的一端相连。电容9和第二电容的另一端接地。

在该自振动型驱动电路中，如图7、8所示，电阻7的阻值R，第一电容9的容值C₁和第二电容10的容值C₂都是常数，由振动器1的材料结构决定，振动器1由固定有第一压电元件3的恒定弹性的金属振动器2制成。请注意第二压电元件4和第三压电元件5在图7、8中省略了。

如图7、8所示，当振动器1有一本征输入电容C_L，本征输入电容C_L和第一电容9的容值C₁和第二电容10的容值C₂之间的关系由式1表达：

1/C_L＝1/C₁+1/C₂ ……(1)

另一方面，图7、8所示的振动器在串联谐振频率fs和并联谐振频率fp的附近表现的阻抗特性如图9中所示。图10所示的等效电路，可以表示为一个等效并联电容Cp，一个等效串联电感Ls，一个等效串联电容Cs，和一个等效串联电阻Rs，与采用晶体振动器时的等效电路相同。因此，有可能利用在晶体振动电路中广泛使用的柯匹兹振动电路，用于如图7、8所示的振动器1中。即，有可能通过准备如图6的电路来准备自振动电路，图6的电路中，第一压电元件3作为柯匹兹振动电路的阻抗元件。需要注意的是，图6所示的自振动型驱动电路6是柯匹兹振动电路的一个实例，本发明并非局限于这样的电路结构。

而且，如图3所示，上述角速度传感器包括一个差动放大器11，一个同步检测器12，和一个低通滤波器13，这些与第二压电元件4和第三压电元件5共同构成一个检测单元，用于检测恒定弹性的金属振动器2的振动。即，当上述自振动型驱动电路6振动振动器1时，振动器1旋转，该检测单元检测由振动器1产生的互补力。该角速度传感器检测根据检测到的互补力检测角速度。

在上述检测单元中，第二压电元件4上的端子S1连接差动放大器11的正输入端，而第三压电元件5上的端子S2连接差动放大器11的负输入端。即，第二压电元件4和第三压电元件5的输出接入差动放大器11，由这些输出得到一个差值。差动放大器11的输出接入同步检测器12，用于同步检测。这里，用于同步检测的自振动型驱动电路6的反相器8的输出也接入同步检测器12。然后，同步检测器12的输出经过低通滤波器后，其输出就可作为在振动器1中产生的互补力的检测结果了。

通过在角速度传感器旋转时，实际测量互补器件的灵敏度，将根据本发明的角速度传感器与图1所示的传统上认为具有最高灵敏度的角速度传感器比较。比较结果如图11所示。从图9能理解根据本发明的角速度传感器能够得到比传统角速度传感器高40倍的灵敏度。

也应该注意到，使用图2所示的正方柱形振动器的角速度传感器，至少需要压电元件111和112作为构成自振动型驱动电路的压电元件。与此相比，根据本发明的上述角速度传感器，尽管使用了正方柱形的振动器1，但只需第一压电元件3作为构成自振动型驱动电路6的压电元件。即，在根据本发明的角速度传感器中，其构成自振动型驱动电路6的压电元件的数目要比传统角速度传感器的少。而且，只有第一压电元件3用作构成自振动型驱动电路6的压电元件，这将很容易调整振动器1的振动频率。

而且，使用自振动型驱动电路6的上述角速度传感器，基本上从以振动器1的谐振频率振动。因此，没有象在外部振动型角速度传感器中因温度特性影响而引起灵敏度恶化的危险。

再者，在上述角速度传感器中，自振动型驱动电路6的结构相比于图1和图2所示传统的角速度传感器明显简化。因此，上述角速度传感器明显减少了构成电路所需器件的数目。在器件数目上的减少进而提高了生产量。

需注意的是，本发明并非局限于上述具有正方柱形振动器1的角速度传感器，而是可以广泛应用于采用具有图9所示阻抗特性的振动器的角速度传感器中。图12至图21是这样振动器的几个实例。注意图12至图21，用于检测振动器中产生的互补力的元件被省略了。

图12和13是一个由三角柱形的恒定弹性的金属振动器21制成的振动器，其压电元件22由电极22a和压电体22b构成。根据本发明，有可能使用由固定有压电元件的多边柱形或圆柱形的恒定弹性的金属振动器制成的振动器。

在如图1所示使用三角柱形振动器的传统角速度传感器中，同一压电元件同时用于检测振动器振动而产生自振动，和检测互补力，因此，用于检测互补力的电压受限于驱动电压和电源电压。相反，根据本发明的角速度传感器，用于自振动和检测互补力的是不同的压电元件，这有可能充分利用各自压电元件的性能。因此，当本发明被应用于图12和13所示的使用三角柱形振动器的角速度传感器中时，检测灵敏度显著增强了。

图14和15是一个由固定有一对电极24、25的正方柱形压电振动器23制成的振动器。本发明含盖了包括固定有一对电极的正方柱形的所有多边柱形的压电振动器。而且，如图16、17所示，有可能使用由固定有一对电极27和28的圆柱形压电振动器26制成的振动器。

而且，根据本发明，有可能使用图18至21所示的音叉形振动器。图18、19是一个合成音叉形振动器，包括一对通过连接件29相互连接的双压电晶片30和31，一对通过连接件32相互连接的双压电晶片33和34，两对晶片都固定在座35上。其中，如图19所示，固定有电极30a的压电体30b和固定有电极30c的压电体30d通过电极30e相连，构成双压电晶片30。其它的双压电晶片31、33和34都有相同的结构。而且，图20和21所示是旋转力型振动器，它由音叉形恒定弹性的金属振动器制成，具有由电极37a和压电体37b构成的压电元件37。

正如所述，根据本发明，振动器的一部分用作柯匹兹振动电路的阻抗元件，因而构成自振动型驱动电路。这实现了具有优良检测灵敏度和温度特性的角速度传感器的简化结构。因此，本发明可以降低角速度传感器的生产成本，减小尺寸，而且提高检测灵敏度。这能够满足摄像机，虚拟现实装置，汽车导航系统的和其它类似系统的高性能且低生产成本的要求。

Claims

1，一个角速度传感器包括：

一片固定在恒定弹性的金属振动器上的压电元件；

一个用于检测上述恒定弹性的金属振动器的振动的检测单元；

一个自振动型驱动电路，其中上述压电元件作为柯匹兹振动电路的阻抗元件。

2，权利要求1中要求的角速度传感器，其中只有一个压电元件构成上述自振动型驱动电路。

3，权利要求1中要求的角速度传感器，其中

上述检测单元包括一个固定在上述恒定弹性的金属振动器上的角速度检测压电元件；

上述角速度检测压电元件检测由恒定弹性的金属振动器产生的互补力。

4，一个角速度传感器包括：

一个固定有多个电极的压电体振动器；

一个用于检测上述压电体振动器的振动的检测单元；

一个自振动型驱动电路，其中上述压电体振动器作为柯匹兹振动电路的阻抗元件。

5，权利要求4中要求的角速度传感器，其中上述阻抗元件包括上述压电体振动器和设在上述压电振动器上的一对电极。

6，权利要求4中要求的角速度传感器，其中

上述压电体振动器包括至少一对电极连接于上述自振动型驱动电路，以及一对电极连接上述检测单元；

上述检测单元检测上述至少一对电极之间的电压变化，以此检测上述压电体振动器中产生的互补力。