CN1918452B - 振动陀螺仪电路、振动陀螺仪单元、以及振动陀螺仪输出检测方法 - Google Patents

Abstract

一种振动陀螺仪输出检测方法、振动陀螺仪单元、以及振动陀螺仪电路，用来以高灵敏度检测旋转角速度，包含：差分放大器电路(4)，用来输出根据振动陀螺仪(31)的两个检测部件的输出信号之间差异(Vgl-Vgr)的信号(Vda)；同步检测电路(5)，用来对差分放大器电路(4)的输出信号(Vda)进行同步检测；以及移相电路(3)，用来向同步检测电路(5)提供信号作为用于同步检测的时序信号(Vck)，该时序信号(Vck)相对于提供到振动陀螺仪(31)的驱动信号(Vsa)(相加电路(1)的输出信号)进行了移相；其中根据对于差分放大器电路(4)的输出信号(Vda)的检测灵敏度(S)的相位差特性，设置驱动信号(Vsa)与时序信号(Vck)之间的相位差(θps)，该相位差特性已在通过驱动振动陀螺仪(31)而施加旋转角速度的状态下获得。

Description

振动陀螺仪电路、振动陀螺仪单元、以及振动陀螺仪输出检测方法

技术领域

本发明涉及振动陀螺仪电路、振动陀螺仪单元、以及振动陀螺仪输出检测方法，用来检测与当一旋转角速度施加于振动装状态下的振动器时所生成的科里奥利力(地球自转偏向力)对应的信号，从而检测所施加的旋转角速度。具体地，本发明涉及振动陀螺仪电路、振动陀螺仪单元、以及振动陀螺仪输出检测的方法，其中根据振动陀螺仪的特性最优地设置对应于科里奥利力的信号的检测时序。

背景技术

陀螺仪作为检测旋转角速度的传感器为大家所知。具体地，使用振动器的陀螺仪被称为振动陀螺仪，并且被广泛用于多种用途，例如检测施加于摄像机或数字照相机的无意的手部颤抖、车载导航系统中的方向检测、以及诸如交通工具等可移动物体的姿态控制。

已投入实际使用的振动陀螺仪包含：其上附接压电元件的三棱柱形或四棱柱形振动器，以及由其上印制电极的压电陶瓷形成的柱形振动器(例如参见日本未审专利申请，公开号2000-337883)。

图13显示说明公知振动陀螺仪的配置方框图的例子。振动陀螺仪31由振动器32以及附接于振动器32的压电元件33a、33b构成，其连接到振动陀螺仪电路。振动陀螺仪电路包含：相加电路1、振荡电路2、差分放大器电路4、同步检测电路5、移相电路13、以及直流放大器电路6。振动陀螺仪31、相加电路1、以及振荡电路2构成自激振荡电路7a，用来造成振动陀螺仪31的、在振动陀螺仪31的弯曲(bending)振动的谐振频率上的自激振荡。

振荡电路2的输出信号输入到振动器32，并且通过振动器32表面上的导电板施加到压电元件33a和33b。压电元件33b的输出信号以及压电元件33a的输出信号输入到相加电路1，并且一起相加。相加电路1的输出信号输入到振荡电路2以及移相电路13。

压电元件33b的输出信号以及压电元件33a的输出信号还输入到差分放大器电路4。差分放大器电路4输出对应于压电元件33b的输出信号以及压电元件33a的输出信号之间差异的信号。同步检测电路5与从移相电路13输出的时序信号同步地检测差分放大器电路4的输出信号。直流放大器电路6放大由同步检测电路5同步检测的直流信号。

振动陀螺仪31由自激振荡电路7a驱动，并且进行相对于其纵向方向的正交方向上的弯曲振动。当围绕振动陀螺仪31的纵向中心轴没有施加旋转角速度时，以严格相同的方式生成压电元件33a中的应力(strain)与压电元件33b中的应力。由此，压电元件33b的输出信号以及压电元件33a的输出信号在幅度与相位上相同，从而导致从差分放大器电路4输出为零。

当进行上述弯曲振动的同时围绕振动陀螺仪31的纵向中心轴向振动陀螺仪31施加旋转角速度时，在与纵向方向以及弯曲振动的方向以直角交叉的方向上生成科里奥利力。所生成的科里奥利力造成弯曲振动方向的改变、以及来自两个检测元件(压电元件33a与压电元件33b)的输出之间的差异。由此，可以从差分放大器电路4获得与两个检测元件输出差异成比例的输出信号。

当施加旋转角速度时，压电元件33b输出一信号，其中叠加了对应于提供到振动陀螺仪31的驱动信号的输出信号、以及对应于科里奥利力的输出信号。类似地，当施加旋转角速度时，压电元件33a输出一信号，其中叠加了对应于提供到振动陀螺仪31的驱动信号的输出信号、以及对应于科里奥利力的输出信号。

对应于驱动信号的压电元件33b的输出信号以及压电元件33a的输出信号在幅度与相位上相同，并且由此在差分放大器电路4中相互抵消。相反，对应于科里奥利力的压电元件33b以及压电元件33a的输出信号在相位上相反、幅度上相同。由此，差分放大器电路4的输出信号与压电元件33b的输出信号以及压电元件33a的输出信号之间的差异成比例，并且从差分放大器电路4只输出对应于旋转角速度的幅度的信号。用来驱动振动陀螺仪31的驱动信号以及相加电路1的输出信号同相，并且在幅度上成比例。

对应于驱动信号在相对于弯曲振动的正交方向上形成科里奥利力。因此，在原理上，对应于科里奥利力的、从差分放大器电路4输出的信号在与驱动信号相关(同相)的、相加电路1的输出信号的最大幅度点上变为零，并且在相加电路1的输出信号的零交叉点上变为最大。这表示差分放大器电路4的输出信号与相加电路1的输出信号相移90°。相应地，同步检测电路5将按照相对于相加电路1的输出信号具有90度相位差的、移相电路13的输出信号的时序检测差分放大器电路4的输出信号。

发明内容

在公知技术中，根据以下预先条件进行信号处理：差分放大器电路4的输出信号相对于相加电路1的输出信号具有90度相位差。然而，由于可归因于振动陀螺仪31的结构、材料、以及大小的因素，差分放大器电路4的输出信号与相加电路1的输出信号之间的相位差不一定是90度。因此，在具有使得相位差不是90度的特性的振动陀螺仪中，如果与从相加电路1的输出信号相移90度的、移相电路13的时序信号同步地检测差分放大器电路4的输出信号，则差分放大器电路4的输出信号的检测灵敏度、即检测旋转角速度的灵敏度，无法被最大化。另外，因为噪声不随振动陀螺仪31的结构、材料、以及大小显著变化，所以检测旋转角速度中的S/N比减少。

考虑到上述缺点作出了本发明。相应地，需要使之能够以高灵敏度检测旋转角速度的振动陀螺仪电路、振动陀螺仪单元、以及振动陀螺仪输出检测的方法。

为此，本发明采用了下述配置。具体地，根据本发明的振动陀螺仪电路包含：差分放大器电路，用来输出对应于振动陀螺仪两个检测部件的输出信号之间差异的信号；同步检测电路，用来对差分放大器电路的输出信号进行同步检测；以及移相电路，用来向同步检测电路提供信号作为用于同步检测的时序信号，该时序信号相对于提供到振动陀螺仪的驱动信号进行了移相。根据对于差分放大器电路输出信号的检测灵敏度的相位差特性，设置驱动信号与时序信号之间的相位差。在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下预先获得该相位差特性。

根据本发明的振动陀螺仪单元包含：振动陀螺仪，具有两个检测部件；差分放大器电路，用来输出对应于所述检测部件的输出信号之间差异的信号；同步检测电路，用来对差分放大器电路的输出信号进行同步检测；以及移相电路，用来向同步检测电路提供信号作为用于同步检测的时序信号，该时序信号相对于提供到振动陀螺仪的驱动信号进行了移相。根据对于差分放大器电路输出信号的检测灵敏度的相位差特性，设置驱动信号与时序信号之间的相位差。在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下预先获得该相位差特性。

在没有向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下，振动陀螺仪单元两个检测部件的输出信号之间的差异为零。当向振动陀螺仪施加旋转角速度时，振动陀螺仪单元两个检测部件的输出信号之间的差异具有对应于所施加的旋转角速度的值。由此，在没有向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下，差分放大器电路的输出为零；并且在施加旋转角速度的条件下，差分放大器电路的输出具有对应于所施加的旋转角速度的值。该差分放大器电路的输出信号为交流信号。同步检测电路同步地检测差分放大器电路的输出信号，并且将该输出信号整流为直流。移相电路产生用于同步检测的时序信号。与该时序信号同步地整流差分放大器电路的输出信号。

该时序信号相对于提供到振动陀螺仪的驱动信号被移相。相移量(驱动信号与时序信号之间的相位差)根据对于差分放大器电路输出信号的检测灵敏度的相位差特性设置，该相位差特性在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下预先获得。对于差分放大器电路输出信号的检测灵敏度指在差分放大器电路输出信号的整流之后获得的直流信号的幅度，并且对应于对于施加到振动陀螺仪的旋转角速度的检测灵敏度。更具体地，在本发明中，可变地改变该相位差，从而预先获得每个改变后的相位差与对于旋转角速度的检测灵敏度之间的关系。根据所获得的关系，可以将带来高灵敏度的相位差设置为设置值。该相位差不是如现有技术所知地固定为90度，而是可以设置最优相位差，以符合振动陀螺仪的特性，从而使之能够以高灵敏度检测旋转角速度。

另外，可以配置移相电路，以包含积分电路，用来使输入的驱动信号延迟由电阻器与电容器的时间常数确定的相位差。利用该配置，通过调整所述电阻器的电阻(包括通过改变电阻器阶段的数目来调整电阻)，或者通过调整所述电容器的电容(包括通过改变电容器阶段的数目来调整电阻)，可以容易地设置所希望的相位差。该配置还有利于电路设计，从而以较低的成本实现具有上述功能的移相电路。

在根据本发明的检测振动陀螺仪输出的方法中，利用相对于施加到振动陀螺仪的驱动信号进行了移相的时序信号，对对应于振动陀螺仪的两个检测部件的输出信号之间的差异的信号进行同步检测，从而检测施加到振动陀螺仪的旋转角速度。根据对于与所述振动陀螺仪两个检测部件的输出信号之间的差异对应的信号的检测灵敏度的相位差特性，设置施加到振动陀螺仪的驱动信号与相对于驱动信号进行了相移的时序信号之间的相位差。在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下预先获得该检测灵敏度。与相对于驱动信号相移了所设置的相位差的时序信号同步地检测对应于所述两个检测部件的输出信号之间的差异的信号。

在没有向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下，振动陀螺仪单元两个检测部件的输出信号之间的差异为零。当向振动陀螺仪施加旋转角速度时，振动陀螺仪单元两个检测部件的输出信号之间的差异具有对应于所施加的旋转角速度的值。由此，在没有施加旋转角速度的条件下，对应于所述两个检测部件的输出信号之间差异的信号为零；并且在施加旋转角速度的条件下，该信号具有对应于所施加的旋转角速度的值。对应于所述检测部件的输出信号之间差异的信号为交流信号。与相对于施加到振动陀螺仪的驱动信号进行移相的时序信号同步地检测该信号，并且将该信号整流为直流。

该相移量(驱动信号与时序信号之间的相位差)根据对于与所述检测部件的输出信号对应的信号的检测灵敏度的相位差特性设置。该相位差特性在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下预先获得。对于与所述检测部件的输出信号之间差异对应的信号的检测灵敏度指在对应于所述检测部件的输出信号之间差异的信号的整流之后获得的直流信号的幅度。该检测灵敏度对应于对于施加到振动陀螺仪的旋转角速度的检测灵敏度。更具体地，在本发明中，可变地改变相位差，从而预先获得每个改变后的相位差与对于旋转角速度的检测灵敏度之间的关系。根据所获得的关系，将带来高灵敏度的相位差设置为设置值。该相位差不是如现有技术所知地固定为90度，而是可以设置最优相位差，以符合振动陀螺仪的特性，从而使之能够以高灵敏度检测旋转角速度。

附图说明

图1为显示说明根据本发明第一实施例的振动陀螺仪单元的配置的方框图；

图2为图1所示振动陀螺仪的透视图；

图3为该振动陀螺仪的剖面图；

图4为说明图1所示振动陀螺仪电路中每个部件中电压波形的时序图；

图5为说明驱动信号与用于同步检测的时序信号之间相位差θ、与对于旋转角速度的检测灵敏度S之间关系的例子的曲线图；

图6为说明图1所示移相电路的例子的电路图；

图7为显示说明根据本发明第二实施例的振动陀螺仪单元的配置的方框图；

图8为图7所示振动陀螺仪的透视图；

图9为该振动陀螺仪的剖面图；

图10为显示说明根据本发明第三实施例的振动陀螺仪单元的配置的方框图；

图11为图10所示振动陀螺仪的透视图；

图12为该振动陀螺仪的剖面图；

图13为说明公知振动陀螺仪的配置的例子的方框图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述应用本发明的示范性实施例。然而，本发明不限于以下实施例，并且可以在本发明的技术概念的基础上进行各种修改。

第一实施例

图2为根据本发明第一实施例的振动陀螺仪31的透视图，图3为振动陀螺仪31的剖面图。振动陀螺仪31由表面上覆盖有导电材料的四棱柱形振动器32、以及附接于振动器32第一侧面32a的两个压电元件33a、33b构成。压电元件33a、33b作为驱动部件，用来提供驱动信号给振动陀螺仪31，并且还作为检测部件，用来检测对应于施加到振动陀螺仪31的旋转角速度的信号。

振动器32由可以生成机械弯曲振动的材料形成，例如无定形碳、镍铬恒弹性钢、铁镍合金、石英、玻璃、水晶、陶瓷等等。以长度等于振动器32长度的四棱柱形形成的两个压电元件33a、33b的每一个都沿振动器32的纵向方向延伸，并且与另一压电元件相对、在其间形成间隙。压电元件33a与压电元件33b相对于在宽度方向上二等分第一侧面32a的中心线对称。

振动陀螺仪31连接到振动陀螺仪电路。该电路与振动陀螺仪31构成振动陀螺仪单元。如图1所示，振动陀螺仪电路包含：相加电路1、振荡电路2、差分放大器电路4、同步检测电路5、移相电路3、以及直流放大器电路6。振动陀螺仪31、相加电路1、以及振荡电路2构成自激振荡电路7a，用来造成振动陀螺仪31的、在振动陀螺仪31的弯曲振动的谐振频率上的自激振荡。振动陀螺仪电路例如在利用一个半导体芯片的IC(集成电路)上形成。该半导体芯片以裸芯片或封装组件的形式在电路板上实现。该电路板还装备有振动陀螺仪31，从而构成振动陀螺仪单元。

振荡电路2的输出信号Vgo输入到与振动器32第一侧面32a相对的第二侧面32b，并且通过振动器32表面上的导电板被施加到附接于第一侧面32a的压电元件33a、33b。压电元件33b的输出信号Vgl以及压电元件33a的输出信号Vgr输入到相加电路1，并且一起相加。相加电路1的输出信号Vsa由振荡电路2在幅度与相位上进行调整，并且施加到振动陀螺仪31作为驱动信号。相加电路1的输出信号Vsa还输入到移相电路3。

压电元件33b的输出信号Vgl以及压电元件33a的输出信号Vgr还输入到差分放大器电路4。差分放大器电路4输出对应于Vgl以及Vgr之间差异的信号Vda。同步检测电路5与从移相电路3输出的时序信号Vck同步地检测信号Vda。直流放大器电路6放大由同步检测电路5同步检测的直流信号Vsd，并且输出信号S。

图4为显示上述各个信号的波形的时序图。该图左侧显示当没有向振动陀螺仪31施加旋转角速度时的每个信号波形。该图右侧显示当围绕振动陀螺仪31的纵向中心轴C(参看图1)施加旋转角速度时的每个信号波形。

振动陀螺仪31由自激振荡电路7a驱动，并且进行相对于第一与第二侧面32a、32b以及纵向方向(图1中y方向)的正交方向上的弯曲振动。在围绕振动陀螺仪31的纵向中心轴C没有施加旋转角速度的条件下，以严格相同的方式生成压电元件33a中的应力与压电元件33b中的应力。由此，压电元件33b的输出信号Vgl以及压电元件33a的输出信号Vgr在幅度与相位上相同，从而导致从差分放大器电路4的输出为零。

当在y方向上进行弯曲振动的同时围绕振动陀螺仪31的纵向中心轴C向振动陀螺仪31施加旋转角速度时，在与纵向及y方向二者以直角交叉的方向x上生成科里奥利力。该科里奥利力造成弯曲振动方向的改变、以及来自两个检测元件(压电元件)33a与压电元件33b之间的输出差异。

更具体地，来自压电元件33b的输出信号Vgl以及来自压电元件33a的输出信号Vgr产生差异(Vgl-Vgr)，并且可以从差分放大器电路4获得与差异(Vgl-Vgr)成比例的输出信号Vda。

当施加旋转角速度时，压电元件33b输出信号Vgl，其上叠加了对应于提供到振动陀螺仪31的驱动信号的输出信号(图4中点虚线)、以及对应于科里奥利力的输出信号Vcl(图4中点划虚线)。类似地，当施加旋转角速度时，压电元件33a输出信号Vgr，其上叠加了对应于提供到振动陀螺仪31的驱动信号的输出信号(图4中点虚线)、以及对应于科里奥利力的输出信号Vcr(图4中点划虚线)。

对应于驱动信号的压电元件33b的输出信号以及压电元件33a的输出信号在幅度与相位上相同，并且由此在差分放大器电路4中相互抵消。相反，对应于科里奥利力的压电元件33b的输出信号Vcl以及压电元件33a的输出信号Vcr在相位上相反、幅度上相同。由此，差分放大器电路4的输出信号Vda与差异(Vgl-Vgr)成比例，并且从差分放大器电路4只输出对应于旋转角速度的幅度的信号。

对应于科里奥利力的压电元件33b的输出信号以及压电元件33a的输出信号在相位上相反、幅度上相同，因此在相加电路1中彼此抵消。由此，振动陀螺仪31被提供有恒定的驱动信号而与所产生的科里奥利力无关。驱动信号和相加电路1的输出信号Vsa同相，并且在幅度上成比例。在原理上，对应于科里奥利力的、从差分放大器电路4输出的信号Vda在用于驱动振动陀螺仪31的驱动信号的最大幅度点、即与驱动信号同相的相加电路1的输出信号Vsa的最大幅度点上变为零，并且在输出信号Vsa的零交叉点上变为最大。这表示差分放大器电路4的输出信号Vda与相加电路1的输出信号Vsa具有90度的相位差。

然而，由于可归因于振动陀螺仪31的结构、材料、以及大小的因素，差分放大器电路4的输出信号Vda与相加电路1的输出信号Vsa之间的相位差不一定是90度。在图4中显示的例子中，生成了差分放大器电路4的输出信号Vda与相加电路1的输出信号Vsa之间的、大于90度的相位差θps。

相应地，在该实施例中，时序信号Vck距离相加电路1的输出信号Vsa的相移量不固定为90度，而是根据在Vsa与Vda之间实际生成的相差来设置。这样，按照相移了设置相位差θps的时序信号Vck的时序，进行差分放大器电路4的输出信号Vda的同步检测。这表示移相电路3产生方波形状的时序信号Vck，其从相加电路1的输出信号Vsa相移了θps，并且向同步检测电路5提供Vck作为用于同步检测的时序信号。

同步检测电路5与时序信号Vck同步地、对为交流信号的差分放大器电路4的输出信号Vda进行全波整流，从而将Vda转换为信号Vfr。然后，同步检测电路5积分(或者平滑)Vfr，并且输出直流信号Vsd。具体地，当时序信号Vck为低电平时，差分放大器电路4的输出信号Vda的负电压被转换为正电压，从而允许两个信号相加。另外，由于全波整流，所以与半波整流相比，可以获得对于信号Vda的更高的检测灵敏度，以及因此而得的信号Vsd的更高的值。

同步检测电路5的输出信号Vsd具有对应于施加到振动陀螺仪31的旋转角速度的方向的极性，并且与旋转角速度的幅度成比例。直流放大器电路6对信号Vsd进行至预定幅度的直流放大，并且输出信号S。

图5显示对于差分放大器电路4的输出信号Vda的检测灵敏度(即施加到振动陀螺仪的旋转角速度的检测灵敏度)的相位差特性的例子。纵标表示直流放大器电路6输出信号S的幅度、或者同步检测电路5的输出信号Vsd的幅度。横轴表示相对于相加电路1的输出信号Vsa的时序信号Vck的相移量θ。

图5中所示的特性显示利用振动陀螺仪31检测旋转角速度的结果，该振动陀螺仪31由以下构成：由无定形碳形成的具有长度7.5mm、宽度0.58mm、厚度0.6mm的振动器32；以及由PZT形成的压电元件33a与压电元件33b，如图2所示。在该检测中，围绕纵向轴C施加旋转角速度，同时驱动振动陀螺仪31、并且由此进行y方向上的弯曲振动。然后，在该驱动的条件以及所施加的旋转角速度的方向和幅度条件下，时序信号Vck的相移量θ被可变地改变、并且被设置来检测旋转角速度。

从图5中可以明显看出，当相对于相加电路1的输出信号Vsa的时序信号Vck的相移量θ在110度至150度的范围内时，可以获得高灵敏度(包含最大灵敏度)，并且可以稳定地保持高灵敏度。因此，对于具有图5所示特性的振动陀螺仪31，关于信号Vsa的时序信号Vck相移量的设置值θps被安排在110度至150度的范围内。这就使之能够增加对于与时序信号Vck同步检测的、差分放大器电路4的输出信号Vda的检测灵敏度，相应地这会增加对施加到振动陀螺仪31的旋转角速度的检测灵敏度。

如果与对应于固定为90度的相移θps的时序信号同步地检测差分放大器电路4的输出信号Vda，则与利用图4所示的时序进行同步检测的情况相比，在全波整流与积分之后获得的信号Vda的直流值会被降低。相应地，如从图5中的图示所能看出的，信号S的值，即对于旋转角速度的检测灵敏度会得到增加。在这种情况下，如果施加到振动陀螺仪的旋转角速度为低，则可能所施加的旋转角速度会与噪声混合，并且因此无法识别。另外，科里奥利力与振动陀螺仪的质量成比例。因此，因为差分放大器电路4的输出信号Vda小，尤其是在小型振动陀螺仪中，所以以高灵敏度检测信号Vda是重要的。

图5所示特性只是个例子，并且如果振动陀螺仪的结构、材料、大小等等改变，则其特性可能因此改变。显然，根据原理，对于某些振动陀螺仪，当相对于驱动信号的时序信号Vck的相位差为90度或者90度左右时，可以达到最大灵敏度。另外，在这种情况下，可以根据如图5所示的、预先获得的灵敏度S的相位差特性，将相位差θps设置为90度。

在图4所示的例子中，根据相对于相加电路1的输出信号Vsa的差分放大器电路4的输出信号Vda的相位差，设置相对于相加电路1的输出信号Vsa的时序信号Vck的相位差θps。然而，这些相位差不一定彼此一致。如从图5所示的特性图可以看出，在灵敏度水平恒定保持在最大灵敏度时的相位差的范围内，没有可归因于相位差差异的灵敏度差异，或者即使有的话，也是可以忽略的。因此，希望将相位差θps设置在该相位差范围内。

图6为显示相移电路3的例子的电路图。该相移电路3具有由电阻器63与电容器64构成的积分电路，其作为延迟电路，用来向输入的相加电路1的输出信号Vsa施加相位延迟。电阻器63的一端连接到相加电路1的输出侧，并且电阻器63的另一端连接到运算放大器65的正输入端。电容器64的一端连接到电阻器63的另一端，电容器64的的另一端接地。两个串联的电阻器61、62连接在电阻器63的一端与运算放大器65的输出端之间。运算放大器65的负输入端连接在电阻器61与电阻器62之间。运算放大器65的输出端连接到比较器66的输入端。

输出信号Vsa通过由电阻器63与电容器64构成的积分电路，然后输入到运算放大器65的正输入端。因为运算放大器65的负输入端的电势为在正输入端处的电势，所以跨越电阻器61的电压为积分电路的输出与相加电路1的输出Vsa之间的差异。跨越电阻器61的电压所导致的电流施加到电阻器62，并且运算放大器65的输出电压得到确定。该运算放大器65的输出通过比较器66，并且由此获得图4所示的移相电路3的输出信号(时序信号)Vck。

此处，电阻器63的电阻表示为Rps，电容器64的电容表示为Cps，并且相加电路1的输出信号Vsa的频率表示为f₀。此处，电阻器61的电阻假定等于电阻器62的电阻。在该条件下，移相电路3的输入与输出之间的相位差、即相对于相加电路1的输出信号的时序信号Vck的相位差θps由以下公式(1)确定：

θps＝2·tan^-1(2·π·Rps·Cps·f₀)(1)

这表示相位延迟量θps由时间常数(Rps·Cps)确定。由此，通过调整电阻器63的电阻Rps或者电容器64的电容Cps(包括对电阻器63与电容器64的阶数(the number of stages)的调整)，可以容易地设置所希望的相位差θps。

移相电路3不限于使用由延迟电路(积分电路)提供的相位延迟的移相电路，并且可以是使用由相位超前电路(差分电路)提供的相位超前的移相电路。

近年来，随着安装振动陀螺仪单元的装置的小型化与成本下降，存在对此类振动陀螺仪的小型化与成本下降的需求。振动陀螺仪电路实现在利用半导体芯片的集成电路上。在制造此类电路时，首先，在在集成电路上实现的阶段之前，获得如图5所示的相位差θ与灵敏度S之间的关系。根据所获得的关系，调整电阻器63的电阻Rps或者电容器64的电容Cps，从而确定可以带来高灵敏度的相位差的设置值θps。然后，使用所确定的设置值θps，来实现该集成电路。利用示波器来监控该集成电路的输出，以确认设置正确。

在该确认中，如果发现未获得所希望的灵敏度，则重新设置θps。例如，电阻器63具有以下配置，其中多个电阻器通过熔丝连接。通过施加激光或者高压到熔丝的选定部分来切断熔丝的选定部分而调整电阻器63的电阻Rps，来调整θps。

在确定设置值θps时，对于多个振动陀螺仪获得如图5所示的特性曲线图，然后这些所获得的特性曲线图的统计数据用于该确定。可替换地，可以利用一个振动陀螺仪的特性曲线图，确定设置值θps。然后在具有包括结构、大小、材料、制造条件等等的相同标准的振动陀螺仪中，共同使用该设置值θps。

第二实施例

现在描述本发明的第二实施例。与第一实施例中相同的组件具有相同的标记，并且省略其详细描述。

图8显示根据本发明第二实施例的振动陀螺仪41的透视图，图9显示振动陀螺仪41的剖面图。振动陀螺仪41由三角棱柱形振动器42构成，其具有三个压电元件43a、43b、43c，每个压电元件附接于振动器42的一个侧面。压电元件43c作为驱动部件，用来向振动陀螺仪41提供驱动信号。压电元件43a、43b作为检测部件，用来检测对应于施加到振动陀螺仪41的旋转角速度的信号。

振动器42由可以生成机械弯曲振动的材料形成，例如无定形碳、镍铬恒弹性钢、铁镍合金、石英、玻璃、水晶、陶瓷等等。相对于振动器42的纵向中心轴，对称地安排具有相同形状(矩形棱柱)与大小的三个压电元件43a、43b、43c。

振动陀螺仪41连接到图7所示的振动陀螺仪电路。该电路与振动陀螺仪41构成振动陀螺仪单元。与第一实施例类似，振动陀螺仪电路包含：相加电路1、振荡电路2、差分放大器电路4、同步检测电路5、移相电路3、以及直流放大器电路6。振动陀螺仪41、相加电路1、以及振荡电路2构成自激振荡电路7b，用来造成振动陀螺仪41的、在振动陀螺仪41的弯曲振动的谐振频率上的自激振荡。

振荡电路2的输出信号Vgo施加到为驱动部件的压电元件43c。压电元件43b的输出信号Vgl以及压电元件43a的输出信号Vgr输入到相加电路1，并且一起相加。相加电路1的输出信号Vsa输入到振荡电路2与移相电路3。

压电元件43b的输出信号Vgl以及压电元件43a的输出信号Vgr还输入到差分放大器电路4。差分放大器电路4输出对应于Vgl以及Vgr之间差异的信号Vda。同步检测电路5与从移相电路3输出的时序信号Vck同步地检测信号Vda。直流放大器电路6放大由同步检测电路5同步检测的直流信号Vsd，并且输出信号S。

振动陀螺仪41由自激振荡电路7b驱动，并且进行相对于附接压电元件43c的表面以及纵向方向(图7中y方向)的正交方向上的弯曲振动。在向振动陀螺仪41的纵向中心轴C没有施加旋转角速度的条件下，以严格相同的方式生成压电元件43a中的应力与压电元件43b中的应力。由此，压电元件43b的输出信号Vgl以及压电元件43a的输出信号Vgr在幅度与相位上相同，从而导致从差分放大器电路4的输出为零。

当在y方向上进行弯曲振动的同时围绕振动陀螺仪41的纵向中心轴C向振动陀螺仪41施加旋转角速度时，在与纵向及y方向二者以直角交叉的方向x上生成科里奥利力。该科里奥利力造成弯曲振动方向的改变、以及两个检测元件(压电元件)43a与压电元件43b之间的输出差异。

更具体地，来自压电元件43b的输出信号Vgl以及来自压电元件43a的输出信号Vgr产生差异(Vgl-Vgr)，并且可以从差分放大器电路4获得与差异(Vgl-Vgr)成比例的输出信号Vda。

当施加旋转角速度时，压电元件43b输出信号Vgl，其上叠加了对应于提供到振动陀螺仪41的驱动信号的输出信号、以及对应于科里奥利力的输出信号Vcl。类似地，当施加旋转角速度时，压电元件43a输出信号Vgr，其上叠加了对应于提供到振动陀螺仪41的驱动信号的输出信号、以及对应于科里奥利力的输出信号Vcr。

对应于驱动信号的压电元件43b的输出信号以及压电元件43a的输出信号在幅度与相位上相同，并且由此在差分放大器电路4中相互抵消。相反，对应于科里奥利力的压电元件43b的输出信号Vcl以及压电元件43a的输出信号Vcr在相位上相反、幅度上相同。由此，差分放大器电路4的输出信号Vda与差异(Vcl-Vcr)成比例，并且从差分放大器电路4只输出对应于旋转角速度的幅度的信号。

因为对应于科里奥利力的压电元件43b的输出信号Vcl以及压电元件43a的输出信号Vcr在相位上相反、幅度上相同，因此在相加电路1中相互抵消。因此，向振动陀螺仪41施加恒定驱动信号，而不管所生成的科里奥利力为何。相加电路1的输出信号Vsa与驱动信号同相，并且幅度相互成比例。

在第二实施例中，与第一实施例类似，时序信号Vck距离相加电路1的输出信号Vsa的相移量根据在Vsa与Vda之间实际生成的相差设置。这样，按照从相加电路1的输出信号Vsa相移了设置相位差θps的时序信号Vck的时序，进行差分放大器电路4的输出信号Vda的同步检测。这表示移相电路3产生方波形状的时序信号Vck，其从相加电路1的输出信号Vsa相移了θps，并且向同步检测电路5提供Vck作为用于同步检测的时序信号。

同步检测电路5与时序信号Vck同步地、对为交流信号的差分放大器电路4的输出信号Vda进行全波整流，从而将Vda转换为信号Vfr。然后，同步检测电路5积分(或者平滑)Vfr，并且输出直流信号Vsd。该信号Vsd具有对应于施加到振动陀螺仪41的旋转角速度的方向的极性，并且与所施加的旋转角速度的幅度成比例。直流放大器电路6放大信号Vsd至预定幅度，并且输出信号S。

另外，在该实施例中，预先获得对于差分放大器电路4的输出信号Vda的检测灵敏度(即对于施加到振动陀螺仪41的旋转角速度的检测灵敏度)与相对于相加电路1的输出信号Vsa的时序信号Vck的相位差量θ之间的关系。根据所获得的关系，设置相位差θps。因此，按照其相移量相对于相加电路1的输出信号Vsa设置为θps的时序信号Vck，同步检测差分放大器电路4的输出信号Vda。这可以增加对于输出信号Vda的检测灵敏度，这相应地增加对于施加到振动陀螺仪41的旋转角速度的检测灵敏度。

第三实施例

现在描述本发明的第三实施例。与第一实施例中相同的组件具有相同的标记，并且省略其详细描述。

图11显示根据本发明第三实施例的振动陀螺仪51的透视图，图12显示振动陀螺仪51的剖面图。振动陀螺仪51由圆柱形振动器52、以及在振动器52的外表面上形成的电极53a至53f构成。电极53a、53b、53c中的每一个为独立的，并且电极53d至53f连接到公共地。电极53c作为驱动部件，用来向振动陀螺仪51提供驱动信号。电极53a与53b作为检测部件，用来检测施加到振动陀螺仪51的旋转角速度。

振动器52由诸如压电陶瓷等压电材料形成。电极53a至53f中的每一个与振动器52的纵向方向平行地放置。电极53a至53f位于围绕振动器52的横剖面圆周的六个等距离的位置上。

振动陀螺仪51连接到图10所示的振动陀螺仪电路。该电路与振动陀螺仪51构成根据本发明第三实施例的振动陀螺仪单元。与第一实施例类似，振动陀螺仪电路包含：相加电路1、振荡电路2、差分放大器电路4、同步检测电路5、移相电路3、以及直流放大器电路6。振动陀螺仪51、相加电路1、以及振荡电路2构成自激振荡电路7c，用来造成振动陀螺仪51的、在振动陀螺仪51的弯曲振动的谐振频率上的自激振荡。

振荡电路2的输出信号Vgo施加到为驱动部件的电极53c。电极53a的输出信号Vgl以及电极53b的输出信号Vgr输入到相加电路1，并且一起相加。相加电路1的输出信号Vsa输入到振荡电路2与移相电路3。

电极53a的输出信号Vgl以及电极53b的输出信号Vgr还输入到差分放大器电路4。差分放大器电路4输出对应于Vgl以及Vgr之间差异的信号Vda。同步检测电路5与从移相电路3输出的时序信号Vck同步地检测信号Vda。直流放大器电路6放大由同步检测电路5同步检测的直流信号Vsd，并且输出信号S。

振动陀螺仪51由自激振荡电路7c驱动，并且进行相对于电极53的表面以及纵向方向(图10中y方向)的正交方向上的弯曲振动。在向振动陀螺仪51的纵向中心轴C没有施加旋转角速度的条件下，以严格相同的方式生成电极53a中的应力与电极53b中的应力。由此，电极53a的输出信号Vgl以及电极53b的输出信号Vgr在幅度与相位上相同，从而导致从差分放大器电路4的输出为零。

当在y方向上进行弯曲振动的同时围绕振动陀螺仪51的纵向中心轴C向振动陀螺仪51施加旋转角速度时，在与纵向及y方向二者以直角交叉的方向x上生成科里奥利力。该科里奥利力造成弯曲振动方向的改变、以及两个检测元件(电极53a与电极53b)之间的输出差异。

更具体地，来自电极53a的输出信号Vgl以及来自电极53b的输出信号Vgr产生差异(Vgl-Vgr)，并且可以从差分放大器电路4获得与差异(Vgl-Vgr)成比例的输出信号Vda。

当施加旋转角速度时，电极53a输出信号Vgl，其上叠加了根据提供到振动陀螺仪51的驱动信号的输出信号、以及对应于科里奥利力的输出信号Vcl。类似地，当施加旋转角速度时，电极53b输出信号Vgr，其上叠加了对应于提供到振动陀螺仪51的驱动信号的输出信号、以及对应于科里奥利力的输出信号Vcr。

对应于驱动信号的电极53a的输出信号以及电极53b的输出信号在幅度与相位上相同，并且由此在差分放大器电路4中相互抵消。相反，对应于科里奥利力的电极53a的输出信号Vcl以及电极53b的输出信号Vcr在相位上相反、幅度上相同。由此，差分放大器电路4的输出信号Vda与差异(Vcl-Vcr)成比例，并且从差分放大器电路4只输出对应于旋转角速度的幅度的信号。

因为对应于科里奥利力的电极53a的输出信号Vcl以及电极53b的输出信号Vcr在相位上相反、幅度上相同，因此在相加电路1中相互抵消。因此，向振动陀螺仪51施加恒定驱动信号，而不管所生成的科里奥利力为何。相加电路1的输出信号Vsa与驱动信号同相，并且幅度相互成比例。

在第三实施例中，与第一实施例类似，时序信号Vck距离相加电路1的输出信号Vsa的相移量根据在Vsa与Vda之间实际生成的相位差设置。这样，按照从相加电路1的输出信号Vsa相移了设置相位差θps的时序信号Vck的时序，进行差分放大器电路4的输出信号Vda的同步检测。这表示移相电路3产生方波形状的时序信号Vck，其从相加电路1的输出信号Vsa相移了θps，并且向同步检测电路5提供Vck作为用于同步检测的时序信号。

同步检测电路5与时序信号Vck同步地、对为交流信号的差分放大器电路4的输出信号Vda进行全波整流，从而将Vda转换为信号Vfr。然后，同步检测电路5积分(或者平滑)Vfr，并且输出直流信号Vsd。该信号Vsd具有对应于施加到振动陀螺仪51的旋转角速度的方向的极性，并且正比于所施加的旋转角速度的幅度。直流放大器电路6放大信号Vsd至预定幅度，并且输出信号S。

另外，在该实施例中，预先获得对于差分放大器电路4的输出信号Vda的检测灵敏度(即对于施加到振动陀螺仪51的旋转角速度的检测灵敏度)与相对于相加电路1的输出信号Vsa的时序信号Vck的相位差量θ之间的关系。根据所获得的关系，设置相位差θps。因此，利用其相移量相对于相加电路1的输出信号Vsa设置为θps的时序信号Vck，进行差分放大器电路4的输出信号Vda的同步检测。这可以增加对于输出信号Vda的检测灵敏度，这相应地增加对于施加到振动陀螺仪51的旋转角速度的检测灵敏度。

在上述每个实施例中，提供相位差θps作为时序信号Vck相对于相加电路1的输出信号Vsa的相位差。然而，因为振荡电路2的输出信号Vgo与相加电路1的输出信号Vsa同相，并且在幅度上相互成比例，所以相位差θps可以是Vck相对于振荡电路2的输出信号Vgo的相位差。

工业实用性

在根据本发明的振动陀螺仪电路中，根据对于差分放大器电路输出信号的检测灵敏度的相位差特性，设置用于同步检测的时序信号相对于驱动信号的相位差。在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下，预先获得该相位差特性。相应地，即使可以带来高灵敏度的相位差随振动陀螺仪的类型或结构变化，也可以设置可以带来高灵敏度的相位差。相应地，这使之能够以高灵敏度检测旋转角速度，并且增加信噪比(S/N比)。

在根据本发明的振动陀螺仪单元中，根据对于差分放大器电路输出信号的检测灵敏度的相位差特性，设置用于同步检测的时序信号相对于驱动信号的相位差。在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下，预先获得该相位差特性。因此，即使可以带来高灵敏度的相位差随振动陀螺仪的类型或结构变化，也可以设置可以带来高灵敏度的相位差。相应地，这使之能够以高灵敏度检测旋转角速度，并且增加信噪比(S/N比)。另外，因为一般地当减少振动陀螺仪的大小时灵敏度减少，所以在进行振动陀螺仪小型化时，以高灵敏度检测旋转角速度是有利的。

在根据本发明的检测振动陀螺仪输出的方法中，根据对于与振动陀螺仪的两个检测部件输出之间差异对应的信号的检测灵敏度的相位差特性，设置用于同步检测的时序信号相对于驱动信号的相位差。在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下，预先获得该相位差特性。因此，即使可以带来高灵敏度的相位差随振动陀螺仪的类型或结构变化，也可以设置可以带来高灵敏度的相位差。相应地，这使之能够以高灵敏度检测旋转角速度，并且增加信噪比(S/N比)。

Claims (7)

1.一种振动陀螺仪电路，包含：

差分放大器电路，用来输出对应于振动陀螺仪两个检测部件的输出信号之间差异的信号；

同步检测电路，用来对差分放大器电路的输出信号进行同步检测；

以及移相电路，用来向同步检测电路提供信号作为用于同步检测的时序信号，该时序信号相对于提供到振动陀螺仪的驱动信号进行了移相，

其中，在该移相电路中，根据对于差分放大器电路输出信号的检测灵敏度的相位差特性，设置驱动信号与时序信号之间的相位差，在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下预先获得该相位差特性。

2.如权利要求1所述的振动陀螺仪电路，

其中移相电路包含具有电阻器与电容器的积分电路，向该积分电路输入驱动信号，并且该积分电路使驱动信号延迟由该电阻器与电容器的时间常数确定的相位差。

3.一种振动陀螺仪单元，包含

振动陀螺仪，具有两个检测部件；

差分放大器电路，用来输出对应于所述检测部件的输出之间差异的信号；

同步检测电路，用来对差分放大器电路的输出信号进行同步检测；以及

移相电路，用来向同步检测电路提供信号作为用于同步检测的时序信号，该时序信号相对于提供到振动陀螺仪的驱动信号进行了移相，

其中，在该移相电路中，根据对于差分放大器电路输出信号的检测灵敏度的相位差特性，设置驱动信号与时序信号之间的相位差，在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下预先获得该相位差特性。

4.如权利要求3所述的振动陀螺仪单元，

其中移相电路包含具有电阻器与电容器的积分电路，向该积分电路输入驱动信号，并且该积分电路使驱动信号延迟由该电阻器与电容器的时间常数确定的相位差。

5.一种检测振动陀螺仪输出的方法，其中利用相对于施加到振动陀螺仪的驱动信号进行了移相的时序信号，对对应于振动陀螺仪的两个检测部件的输出信号之间的差异的信号进行同步检测，从而检测施加到振动陀螺仪的旋转角速度，

其中根据对于与所述检测部件的输出信号之间的差异对应的信号的检测灵敏度的相位差特性，设置驱动信号与时序信号之间的相位差，并且利用相对于驱动信号相移了所设置的相位差的时序信号，进行所述同步检测，其中在驱动状态下向振动陀螺仪施加旋转角速度的条件下预先获得该相位差特性。

6.如权利要求5所述的检测振动陀螺仪输出的方法，

其中通过调整在具有电阻器与电容器的积分电路中包含的所述电阻器的电阻，设置所述相位差，向该积分电路输入驱动信号，并且该积分电路延迟该驱动信号。

7.如权利要求5所述的检测振动陀螺仪输出的方法，

其中通过调整在具有电阻器与电容器的积分电路中包含的所述电容器的电容，设置所述相位差，向该积分电路输入驱动信号，并且该积分电路延迟该驱动信号。

Images