CN1880915B

CN1880915B - 静电驱动和电容检测型陀螺传感器

Info

Publication number: CN1880915B
Application number: CN2006100926621A
Authority: CN
Inventors: 沓名勇二
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2026-06-13
Also published as: CN1880915A; US7322237B2; DE102006024474A1; US20060277995A1; JP2006349409A

Abstract

具有振动器和起动电路的陀螺传感器产生振荡激励信号，其通过响应从所述起动电路发送的起动频率的起动信号将第一电压升高到所述信号的电压来实现。所述振动器响应所述振荡激励信号而振动。当所述振动器自激时，所述振动器输出指示所述振动器的振动中的振荡幅度和振荡频率的第一检测信号。所述传感器响应第一检测信号将第一电压升高到第二电压并且产生驱动频率和第二电压的驱动信号。响应所述驱动信号继续所述振动器的自激。所述振动器输出指示加入到所述振动器的偏航角的第二检测信号。所述传感器从第二检测信号产生对应于偏航角的传感器信号。

Description

静电驱动和电容检测型陀螺传感器

相关申请的交叉引用

该申请以2005年6月14日提交的在先日本专利申请2005-173710为基础并且要求其优先权，因此上述申请的内容被结合于此以作参考。

技术领域

本发明涉及陀螺传感器(或者偏航角速度传感器)，其中当振动器响应从所述振动器发送的驱动信号自激振动时基于从所述振动器发送的检测信号检测诸如偏航角(yaw)这样的加入到所述传感器的物理量。

背景技术

传统的陀螺传感器例如安装在车辆中以检测指示车辆角速度的偏航角速度。在该传感器中，由振动器和驱动电路形成反馈回路以在其固有频率自激所述振动器，并且在偏航角检测电路中检测加入到所述振动器的偏航角的速度。作为陀螺传感器的一种类型，静电驱动和电容检测型的微型陀螺传感器已经在日本专利二次公开No.2084567中被公开。

在该微型传感器的振动器中，靠近活动元件并留有空隙的固定驱动元件被布置为驱动传感器元件，靠近所述活动元件并留有空隙的一对固定检测元件被作为一对检测传感器元件布置在所述振动器的左右两侧上。当将从所述传感器的驱动电路发送的驱动信号加入到所述驱动元件时，所述活动元件沿驱动方向自激振动。当将偏航角加入到所述传感器时，所述活动元件进一步沿垂直于所述驱动方向的检测方向振动，并且每个检测元件和所述活动元件之间的电容被振荡。每个检测元件输出指示所述振荡电容的检测信号。在所述传感器的偏航角检测电路中，每个检测信号在电荷放大器中被转变为电压信号。从差动放大器中的电压信号获得差动输出。该输出通过同步相位检测电路、低通滤波器以及零点和温度依赖性灵敏度调节电路，并且最终输出指示偏航角的速度的传感器输出。

在该微型传感器中，使用正常设置在5伏并且布置在传感器外部的电源时从所述驱动元件输出的振动检测信号获得所述驱动信号。然而，尽管设置在5V的所述驱动信号被提供给所述振动器以继续所述振动器的自激，但是所述振动器并不响应5V的所述驱动信号连续地自激。所以，不能充分获得正确指示偏航角速度的传感器输出。为了可靠地继续所述振动器的自激，需要将所述驱动信号的电压升高到不小于5V的高电压。

此外，在除了所述微型陀螺传感器之外的传统陀螺传感器中，当开始向传感器供电时，响应5V电源中产生的噪声开始振动器的自激。相反地，在所述微型传感器中，不能响应5V电源中产生的噪声开始振动器的自激。所以，为了在所述微型传感器中可靠地开始振动器的自激，需要将从电源获得的信号的5V升高到高电压并且将所述高电压的信号提供到振动器。

特别地，在所述微型传感器中，当驱动信号的频率与固有频率匹配时响应驱动信号在其固有频率继续振动器的自激，并且从自激的振动器输出的时钟信号也用作升压时钟信号，需要所述升压时钟信号来通过将从电源获得的5V信号升高到高电压来产生高电压的驱动信号。所以，直到振动器起动的自激开始以在传感器电路的反馈回路中产生时钟信号时，才能获得高电压的驱动信号，并且不能快速地开始振动器的自激，除非未快速地获得高电压的驱动信号。

发明内容

考虑到传统陀螺传感器的缺陷，本发明的目标是提供一种陀螺传感器，其中快速地开始将要响应高电压的驱动信号而振动的振动器的自激以从时钟信号快速产生所述高电压的驱动信号，所述时钟信号从所述自激的振动器获得并且设置在小于所述高电压的预定电压。

根据该发明的一个方面，通过提供一种陀螺传感器实现了所述目标，所述陀螺传感器具有振动器、驱动电路和偏航角检测电路。所述振动器有可能自激振动，当所述振动器设置在自激条件下时，输出指示所述振动器的振动中的振荡幅度和振荡频率的第一检测信号，以及输出指示加入到所述振动器的偏航角的第二检测信号。所述驱动电路产生第一电压，根据从所述振动器输出的第一检测信号产生控制信号，响应所述控制信号将第一电压升高到第二电压以根据所述控制信号产生设置在第二电压和驱动频率的驱动信号，并且将所述驱动信号发送到所述振动器以响应所述驱动信号继续所述振动器的自激。所述偏航角检测电路根据所述自激的振动器的第二检测信号产生对应于偏航角的传感器信号并且输出所述传感器信号。

所述传感器还具有起动电路，该起动电路向所述驱动电路提供起动频率的起动信号并且通过将第一电压升高到振荡激励信号的电压以使所述驱动电路响应所述起动信号产生振荡激励信号，从而响应所述振荡激励信号开始所述振动器的自激。

在该配置中，当所述振动器尚未自激时，所述起动电路向所述驱动电路提供起动频率的起动信号作为升压时钟信号。所述驱动电路根据所述起动信号升高第一电压以产生具有升高的电压的振荡激励信号。响应所述振荡激励信号开始所述振动器的振动。当稳定地振动所述振动器时，开始所述振动器的自激。然后，自激的振动器向所述驱动电路输出第一检测信号以及向所述偏航角检测电路输出第二检测信号。所述驱动电路根据第一检测信号产生控制信号并根据所述控制信号通过将第一电压升高到第二电压来从所述控制信号产生设置在第二电压和驱动频率的驱动信号。所以，响应所述驱动信号所述振动器的自激继续。所述偏航角检测电路根据第二检测信号产生对应于加入到所述传感器的偏航角的传感器信号并且输出所述传感器信号。

因此，因为所述起动电路提供了用于所述驱动电路的起动信号作为升压时钟信号以在所述驱动电路中产生所述振荡激励信号，所以可以响应于升高的电压的所述振荡激励信号可靠地和快速地开始所述振动器的自激。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的陀螺传感器的方框图；

图2是根据第一实施例的变形的陀螺传感器的方框图；以及

图3是根据本发明的第二实施例的陀螺传感器的方框图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中除非另外指出，在通篇说明书中相同的参考数字表示相同的部分、部件或元件。

实施例1

在图1中显示了根据第一实施例的静电驱动和电容检测型的陀螺传感器。

如图1中所示，布置在车辆上的陀螺传感器(或偏航角速度传感器)具有振动器10、驱动电路20和偏航角检测电路30。振动器10具有驱动传感器元件(未示出)和一对偏航角检测传感器元件(未示出)。在所述驱动传感器元件振动的情况下，振动器10向电路20输出振动检测信号。当在所述驱动传感器元件振动期间将偏航角加入到振动器10时，所述偏航角检测传感器元件因科里奥利力(Corioli’s force)而振动，并且振动器10的偏航角检测传感器元件向电路30分别输出第一和第二偏航角检测信号。

电路20产生预定电压，根据从振动器10输出的第一检测信号产生控制信号，响应所述控制信号将所述预定电压升高到高电压以根据所述控制信号产生驱动信号，所述驱动信号设置在所述高电压和驱动频率fd，并且将所述驱动信号发送到振动器10以响应所述驱动信号继续振动器10的自激。更具体而言，电路20具有电荷放大器22、移相器23、幅度控制器24和包括5V的电源29的升压转换器21。放大器22从设置在自激条件下的振动器10接收振动检测信号。该信号指示振动器10的振动中的振荡电容和振荡频率。放大器22将所述电容转换为振荡电压并且放大所述振荡电压。转换器21响应从放大器22发送的振动检测信号升高在电源29中产生的预定信号的电压并且产生具有高电压的驱动信号。

移相器23根据所述振动检测信号产生相位校正信号以调节所述驱动信号的相位。用于产生所述驱动信号的所述振动检测信号的相位不同于希望稳定地振动所述驱动传感器元件的理想驱动信号的相位。所以，假设具有与所述振动检测信号相同的相位的驱动信号被发送到振动器10，那么所述驱动传感器元件就不能稳定地振动。为了防止该问题，转换器21根据所述相位校正信号调节所述驱动信号的相位，并且所述驱动信号具有在预定频率振动所述驱动传感器元件所需的驱动频率fd。

控制器24根据所述振动检测信号产生幅度控制信号以将所述驱动信号的幅度保持在恒定值。转换器21根据所述幅度控制信号调节所述驱动信号的幅度。

由于除了振动器10和转换器21之外反馈回路还由放大器22、移相器23和控制器24形成，所以转换器21可以根据所述振动检测信号产生驱动信号，所述振动检测信号指示响应所述驱动信号而振动的驱动传感器元件的振动。此外，由于转换器21基于控制信号(振动检测信号、相位校正信号和幅度控制信号)产生所述驱动信号，所以所述驱动传感器元件可以响应所述驱动信号在预定幅度和其固有频率继续振动。

所述传感器还具有振动起动电路28。当传感器未工作时，振动器10不振动。当传感器开始工作时，电路28向驱动电路20输入起动频率的起动信号并且通过将所述起动信号的电压升高到振荡激励信号的电压而使得驱动电路10根据所述起动信号产生振荡激励信号。响应所述振荡激励信号开始所述振动器的自激。更具体而言，电路28具有诸如CR振荡器的起动时钟发生器25和用作选择器的转换开关26。发生器25响应一预定时钟频率的低电压而振荡，从而发生器25稳定地产生所述预定时钟频率的起动时钟信号。所述预定时钟频率等于或高于自激的振动器10的振荡频率(或固有频率)。为了快速开始振动器10的自激，所述预定时钟频率优选地被设置成高于所述振荡频率。所述低电压低于电源29的5V。为了节省发生器25中的电力，所述低电压优选地被设置成低于4V。开关26选择从放大器22输出的信号或者发生器25的起动时钟信号，并且将所选择的信号作为升压时钟信号输出到转换器21。传感器开始工作之后开关26自动选择发生器25的信号直到经过预定时间段。然后，当所述预定时间段经过时，开关26自动将选择改变为放大器22的信号。

所述预定时间段由基于发生器25的起动时钟信号开始振动器10的自激所需的时间段来定义。例如，所述预定时间段等于响应所述起动时钟信号在转换器21中升压的开始时间到基于升高的电压的信号振动器10的自激的开始时间之间的时间段。通过实际上在该传感器中测量从升压时间到开始时间的时间段来确定该预定时间段。

电路30根据从振动器10输出的第一和第二偏航角检测信号产生传感器输出。所述传感器输出指示加入到振动器10的偏航角的速度。更具体而言，电路30具有一对电荷放大器31和32、差动放大器33、同步相位检测器34、低通滤波器(LPF)35，以及零点和温度依赖性敏感度调节电路36。

放大器31和32中的每一个从振动器10接收偏航角检测信号并且将所述信号的振荡电容转换为振荡电压。放大器33产生指示偏航角检测信号的电压之间的电压差的差动输出。电路34从所述差动输出提取与在移相器23中产生的频率fd的信号同步的分量。所提取的分量中预定频率或以下的分量通过LPF 35。由于通过LPF 35的分量具有输出偏差并且取决于温度依赖性敏感度，所以所述分量在调节电路36中被调节。从电路36输出传感器输出。

接着，描述传感器的工作。

当电池(未示出)响应点火开关(未示出)的接通开始向电路20和30供电时，传感器开始工作。此时，由于振动器10尚未振动，放大器22不输出信号。为了开始振动器10的自激，发生器25自动产生预定时钟频率的起动时钟信号并且通过开关26将所述信号发送到转换器21作为升压时钟信号。转换器21响应所述时钟信号将电源29的电压(例如5V)升高到高电压以产生恒定高电压的振荡激励信号。振动器10响应所述振荡激励信号开始振动。由于在发生器25中产生的时钟信号具有高于振动器10的振荡频率的预定时钟频率，所以与从所述振荡频率的信号产生的驱动信号相比可以快速地在转换器21中产生所述振荡激励信号。由于转换器21快速产生所述振荡激励信号，所以振动器10可以响应该信号快速开始振动。当所述时钟信号的频率升高时，基于所述起动时钟信号开始振动器10的振动所需的时间段缩短。

其后，当基于发生器25的起动时钟信号在转换器21中升压之后经过所述预定时间段时，振动器10稳定地振动，并且振动器10的自激开始。由于振动器10快速开始振动，所以可以快速开始振动器10的自激。在振动器10的自激之后，振动器10稳定地产生正确指示振动器10的振动中的振荡频率和振荡电容的振动检测信号。放大器22将该信号的振荡电容转换为振荡电压。进一步地，当经过所述预定时间段之后，开关26将选择改变为放大器22的信号。所以，放大器22将指示振荡电压的所述信号发送到转换器21、移相器23和控制器24。转换器21响应所述检测信号将电源29所施加的电压升高到高电压以产生所述高电压的驱动信号并且根据从移相器23和控制器24输出的将要设置在驱动频率fd的信号来校正所述驱动信号的相位。由于基于所述驱动信号产生的振动检测信号从振动器10反馈到转换器21，所以可以由移相器23和控制器24在转换器21中正确地调节所述驱动信号，使得所述驱动信号被设置在所述高电压和驱动频率fd。所以，响应所述驱动信号可靠地继续振动器10的自激。

在这种情况下，优选的是当经过所述预定时间段时停止发生器25中的CR振荡器。在这种情况下，在发生器25中由时钟信号引起的噪声可以被最小化，并且振动器10可以稳定地振动。

在偏航角检测电路30中，在放大器31和32中接收的第一和第二偏航角检测信号在放大器30、检测器34、LPF 35和调节电路36中进行处理。然后，从电路30输出传感器输出。当偏航角加入到传感器时，传感器输出指示加入的偏航角的速度。

如上所述，在该实施例中，当传感器开始工作以自激振动器10时，发生器25的时钟信号经由开关26自动输入到转换器21直到经过预定的时间段，也就是说，振动器10的自激开始。当振动器10的自激开始时，基于振动器10的自激产生的振动检测信号经由开关26自动输入到转换器21。因此，可以通过响应发生器25的时钟信号将电压快速升高到高电压而快速产生高电压的驱动信号，并且可以快速开始由所述驱动信号引起的振动器10的自激。进一步地，可以根据基于振动器10的自激产生的偏航角检测信号快速检测加入到传感器的偏航角的速度。

在该实施例中，时钟发生器25布置在驱动电路20中。然而，发生器25可以布置在驱动电路20或传感器的外部。此外，不需要额外地在传感器中布置发生器25。例如，当传感器用作车辆上的惯性传感器时，如图2中所示，布置在车辆上的加速度传感器或微型计算机可以用作起动时钟发生器以代替发生器25。在这种情况下，可以减小传感器所占的面积，并且可以减小传感器的制造成本。

此外，本发明并不限于具有开关26的振动起动电路28。例如，放大器22的输出信号线可以总是与转换器21的输入端直接相连而不使用任何开关。在这种情况下，当振动器10未自激时，基本没有放大器22的信号发送到与放大器22直接相连的转换器21。此外，发生器25的输出信号线可以总是与转换器21的输入端直接相连而不使用任何开关。在这种情况下，当振动器10自激时，在发生器25中停止时钟信号的产生。所以，在振动器10的自激期间基本上没有发生器25的影响施加到与发生器25直接相连的转换器21上。

实施例2

图3是根据本发明的第二实施例的陀螺传感器的方框图。

图3中所示的传感器与图1中所示的传感器的区别在于所述传感器在振动起动电路28中另外具有监视器27。监视器27检测或判断振动器的自激是否开始。当振动器10的自激开始时，监视器27控制开关26以从转换器21与发生器25的连接转换到转换器21与放大器22的连接。

更具体而言，监视器27具有用于将参考电压Vref与从放大器22输出的振动检测信号的电压进行比较的比较器。预设参考电压Vref，使得稳定振动的所述检测信号的电压超过电压Vref。所以，当振动器10的自激开始时，所述检测信号的电压超过电压Vref。更具体而言，当振动器10的振动开始之后，振动器10的振荡幅度增加。当振动器10的振荡幅度基本达到稳定值时，振动器10的自激开始。假设或测量与尚未自激的振动器10的振荡幅度相对应的检测信号的过渡电压，并且假设或测量与自激的振动器10的振荡幅度相对应的检测信号的稳定电压。预设参考电压Vref，使得电压Vref变成高于所述过渡电压并且低于所述稳定电压。

因此，由于监视器27可以检测振动器10自激开始，所以当振动器10的自激开始时开关26可以可靠地改变连接。也就是说，当振动器10的自激开始时转换器21可以可靠地开始根据放大器22的信号产生驱动信号。

在该实施例中，当监视器27检测到振动器10开始自激时(第一条件)，监视器27控制开关26。相反，在第一实施例中，当从传感器工作的起动时间经过所述预定时间段之后(第二条件)，监视器27控制开关26。然而，当第一和第二条件中的一个或者第一和第二条件两者都满足时，监视器27可以控制开关26以改变连接。

此外，在该实施例中，监视器27检测放大器22的输出。然而，监视器27可以检测任何组成元件的输出，其中当振动器10的自激开始时所述输出改变。例如，监视器27可以检测移相器23、控制器24、放大器31或32、放大器33、检测器34、LPF 35或者调节电路36的输出。

而且，该实施例并不限于监视器27检测振动驱动信号的幅度。例如，监视器27可以检测和判断振动驱动信号的频率是否与振动器10开始自激时假设的频率基本相同。

Claims

1.一种陀螺传感器，包括：

振动器，其有可能自激振动，当所述振动器被设置在自激条件下时，输出指示所述振动器的振动中的振荡电容和振荡频率的第一检测信号，以及输出指示加入到所述振动器的偏航角的第二检测信号；

驱动电路，其产生第一电压，根据从所述振动器输出的所述第一检测信号产生控制信号，响应于所述控制信号而将所述第一电压升高到第二电压以根据所述控制信号产生被设置在所述第二电压和驱动频率的驱动信号，并且将所述驱动信号发送到所述振动器以响应于所述驱动信号而继续所述振动器的自激；和

偏航角检测电路，其根据所述自激的振动器的第二检测信号产生对应于所述偏航角的传感器信号并且输出所述传感器信号，

其中所述传感器还包括起动电路，该起动电路向所述驱动电路提供起动频率的起动信号并且通过将所述第一电压升高到振荡激励信号的电压而使得所述驱动电路响应于所述起动信号而产生所述振荡激励信号，以使响应于所述振荡激励信号而开始所述振动器的自激。

2.根据权利要求1所述的陀螺传感器，其中所述起动电路用于使所述驱动电路响应于所述起动信号而产生所述振荡激励信号直到所述振动器的自激开始为止，以及当所述振动器已经自激时使所述驱动电路根据所述第一检测信号产生所述驱动信号。

3.根据权利要求1所述的陀螺传感器，其中所述起动电路用于使所述驱动电路根据所述起动信号产生所述振荡激励信号，一直到经过了预定时间段为止，以及当已经经过了所述预定时间段时使所述驱动电路根据所述第一检测信号产生所述驱动信号，其中所述预定时间段指的是从所述振荡激励信号的产生到所述振动器的所述自激的开始时间之间的时间段。

4.根据权利要求1所述的陀螺传感器，其中所述起动电路包括用于检测所述振动器是否自激的监视器，并且所述起动电路用于当所述监视器检测到所述振动器的自激时使所述驱动电路根据所述第一检测信号产生所述驱动信号。

5.根据权利要求1所述的陀螺传感器，其中所述驱动电路具有电荷放大器，该电荷放大器将所述振动器的所述第一检测信号所指示的检测到的电容转变为与所述检测到的电容相对应的检测到的电压，并且当所述振动器的自激开始时，所述起动电路使所述驱动电路根据指示所述检测到的电压的所述第一检测信号产生所述控制信号以及响应于所述控制信号而产生所述驱动信号。

6.根据权利要求1所述的陀螺传感器，其中所述起动电路包括起动时钟发生器和选择器，所述时钟发生器产生所述起动频率的起动时钟信号，所述选择器当所述传感器开始工作时选择所述起动时钟发生器的所述起动时钟信号，以使所述驱动电路响应于所述起动时钟信号而产生所述振荡激励信号，当所述振动器开始自激时，选择所述振动器的第一检测信号，以使所述驱动电路根据所述第一检测信号产生所述驱动信号。

7.根据权利要求6所述的陀螺传感器，其中所述起动时钟发生器是产生处于所述起动频率上的时钟脉冲的CR振荡器。

8.根据权利要求1所述的陀螺传感器，其中所述起动电路是选择器，当所述传感器开始工作时，所述选择器选择在所述传感器外部产生的所述起动信号，以使所述驱动电路响应于所述起动信号而产生所述振荡激励信号。

9.根据权利要求1所述的陀螺传感器，其中所述驱动电路具有产生用于调节所述驱动信号的相位的相位校正信号的移相器，产生用于将所述驱动信号的幅度保持在恒定值的幅度控制信号的幅度控制器，以及升压转换器，当所述起动电路向所述升压转换器提供所述起动信号时，所述升压转换器响应于所述起动信号而升高所述第一电压以产生所述振荡激励信号，当所述起动电路向所述升压转换器提供所述第一检测信号时，所述升压转换器响应于所述第一检测信号而升高所述第一电压以根据所述相位校正信号和所述幅度控制信号产生所述驱动信号。

10.根据权利要求1所述的陀螺传感器，其中所述起动信号的起动频率等于或高于所述振动器的振荡频率。

11.根据权利要求1所述的陀螺传感器，其中所述起动信号的电压小于所述第一电压。

12.一种惯性传感器，包括：

其中所述传感器从布置在所述惯性传感器外部的加速度传感器或微型计算机接收起动频率的起动时钟信号，向所述驱动电路提供所述起动时钟信号并且通过将所述第一电压升高到振荡激励信号的电压而使得所述驱动电路响应于所述起动时钟信号而产生所述振荡激励信号，以使响应于所述振荡激励信号而开始所述振动器的自激。