JP2008089308A

JP2008089308A - Oscillator drive circuit

Info

Publication number: JP2008089308A
Application number: JP2006266973A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Chiba; 光晴千葉; Koichi Okamoto; 幸一岡本; Akiko Oshima; 亜希子大島; Koichi Shuda; 浩一習田; Takeshi Mizuno; 豪水野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP5041465B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oscillator drive circuit suitable for compactifying a product and for saving an electric power consumption, and capable of enhancing mass productivity. <P>SOLUTION: This oscillator drive circuit is an oscillator drive circuit for self-excitation-oscillating a piezoelectric bimorphic oscillator 1 at a resonance frequency thereof, and has a loop for imparting drive signals reverse-phased each other to an electrode 2 and an electrode 3 of the oscillator 1, for detecting a current or a charge appearing in the electrode 3 due to the impression of the drive signal, by a current detecting circuit 9 comprising a computation amplifier 4, a resistor 5 and a differential amplification circuit 6, and for signal-processing a detection signal therein by an AGC circuit 7 to be fed back as the drive signal to the electrode 2. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電振動ジャイロ用などの電気的な振動子をその共振周波数で自励発振させるための駆動信号を生成する振動子駆動回路に関わり、特に、小型で、大きな振幅、速い振動速度を得られるようにした振動子駆動回路に関するものである。 The present invention relates to a vibrator drive circuit that generates a drive signal for self-oscillating an electric vibrator such as a piezoelectric vibratory gyro at its resonance frequency, and in particular, has a small size, a large amplitude, and a high vibration speed. The present invention relates to a vibrator driving circuit obtained.

圧電振動ジャイロ等の共振状態での振動を利用するデバイスにおいては、常に振動子の共振条件で発振させるための駆動回路が必要不可欠である。一般に、このようなデバイスの性能は、振動子の振動振幅、振動速度に依存する場合が多いからである。例えば、圧電振動ジャイロは、振動子の振動速度に感度が比例する。このため、効率良く感度を得るためには、常に共振条件で発振させるのが常套手段である。また、電池駆動等を考慮して、低消費電力化の技術開発が進められている。そのためには、電源電圧の低電圧化が必要であるが、低電圧で回路を動作させる場合、振動子の駆動信号の振幅は、駆動電圧以上の振幅にすることはできないので、トランス等による昇圧も考えられるが、回路が大きくなり過ぎるため、現実的ではない。こうした理由から、低振幅の駆動信号で、効率良く感度を得るためには、振動子を常に共振条件で発振させる必要がある。 In a device that uses vibration in a resonance state, such as a piezoelectric vibration gyro, a drive circuit that always oscillates under the resonance condition of the vibrator is indispensable. This is because the performance of such devices generally depends on the vibration amplitude and vibration speed of the vibrator. For example, the sensitivity of a piezoelectric vibration gyro is proportional to the vibration speed of the vibrator. For this reason, in order to obtain sensitivity efficiently, it is usual practice to always oscillate under resonance conditions. In addition, taking into account battery driving and the like, technological development for reducing power consumption is being promoted. To that end, it is necessary to lower the power supply voltage. However, when operating the circuit at a low voltage, the amplitude of the drive signal of the vibrator cannot be greater than the drive voltage. However, it is not realistic because the circuit becomes too large. For these reasons, it is necessary to always oscillate the vibrator under resonance conditions in order to obtain sensitivity efficiently with a low amplitude drive signal.

こうした観点から既に提案されている先行文献がある（例えば、特許文献１参照）。図４は、その従来例１の振動子の断面図および回路構成を示している。圧電セラミクスの四角柱の振動子１０１に帯状の３つの電極１１３−１〜１１３−３が形成されており、電極１１３−２と１１３−１および１１３−３との間で分極処理が施されている。電極１１３−２に駆動信号を印加し、電極１１３−１および１１３−３を接地すれば、振動子１０１は上下方向に屈曲振動する（駆動モード）。この状態で、紙面に垂直な軸周りに角速度が加わると、コリオリの力により、振動子１０１には、左右方向の屈曲振動が発生する（検出モード）。この検出モードの振動の振幅は、角速度、駆動モードの振動速度に比例する。また、この検出モードに対しては、電極１１３−１と電極１１３−３に逆位相の電気信号が発生し、この電気信号の振幅から角速度を測定することができる。また、電極１１３−１および１１３−３は、駆動モードに対して対称に配置されているため、駆動モードを励振した状態では、同位相の出力が得られる。 There is a prior literature that has already been proposed from this point of view (see, for example, Patent Document 1). FIG. 4 shows a cross-sectional view and a circuit configuration of the vibrator of Conventional Example 1. Three strip-shaped electrodes 113-1 to 113-3 are formed on a piezoelectric ceramic rectangular column vibrator 101, and a polarization process is performed between the electrodes 113-2, 113-1, and 113-3. Yes. When a drive signal is applied to the electrode 113-2 and the electrodes 113-1 and 113-3 are grounded, the vibrator 101 bends and vibrates in the vertical direction (drive mode). In this state, when an angular velocity is applied around an axis perpendicular to the paper surface, lateral vibrations are generated in the vibrator 101 by the Coriolis force (detection mode). The amplitude of vibration in this detection mode is proportional to the angular velocity and the vibration velocity in the drive mode. In this detection mode, electrical signals having opposite phases are generated at the electrodes 113-1 and 113-3, and the angular velocity can be measured from the amplitude of the electrical signals. In addition, since the electrodes 113-1 and 113-3 are arranged symmetrically with respect to the drive mode, an output having the same phase can be obtained when the drive mode is excited.

ここで、演算増幅器１０４−１および１０４−２はそれぞれ抵抗器１０５−１および１０５−２で負帰還されており、演算増幅器１０４−１および１０４−２の非反転入力端子は、基準電位に接続され、それぞれ電流検出回路を構成している。電極１１３−１、１１３−３は、演算増幅器１０４−１、１０４−２の反転入力端子にそれぞれ接続され、電極１１３−１、１１３−３の電位は、演算増幅器の仮想接地機能により、基準電位に固定されている。電極１１３−２は駆動回路１１１に接続される。電極１１３−２に、振動子１０１の共振周波数の駆動信号を印加すると、上下方向に駆動モードが励振される。電極１１３−１および電極１１３−３の出力電流は、電流検出回路によって電圧に変換され、差動回路１０６に入力される。差動回路１０６の出力は、同相成分が除去されるため、検出モードの振幅に比例した交流電圧が得られる。差動回路１０６の出力は同期検波回路１０７およびローパスフィルタ１０８で同期検波され、角速度に比例した直流電圧を得ることができる。また、演算増幅器１０４−１および１０４−２の出力は、加算回路１０９に接続されており、逆位相成分が除去され、駆動モードの振幅に比例した出力が得られる。加算回路１０９の出力は、発振回路１１０および駆動回路１１１を通して電極１１３−２に接続されており、振動子１０１の駆動モードの共振周波数で発振する自励発振回路を構成している。 Here, the operational amplifiers 104-1 and 104-2 are negatively fed back by resistors 105-1 and 105-2, respectively, and the non-inverting input terminals of the operational amplifiers 104-1 and 104-2 are connected to the reference potential. Each constitutes a current detection circuit. The electrodes 113-1 and 113-3 are connected to the inverting input terminals of the operational amplifiers 104-1 and 104-2, respectively. The potentials of the electrodes 113-1 and 113-3 are set to the reference potential by the virtual ground function of the operational amplifier. It is fixed to. The electrode 113-2 is connected to the drive circuit 111. When a drive signal having the resonance frequency of the vibrator 101 is applied to the electrode 113-2, the drive mode is excited in the vertical direction. Output currents of the electrode 113-1 and the electrode 113-3 are converted into a voltage by the current detection circuit and input to the differential circuit 106. Since the in-phase component is removed from the output of the differential circuit 106, an AC voltage proportional to the amplitude of the detection mode is obtained. The output of the differential circuit 106 is synchronously detected by the synchronous detection circuit 107 and the low-pass filter 108, and a DC voltage proportional to the angular velocity can be obtained. Further, the outputs of the operational amplifiers 104-1 and 104-2 are connected to the adder circuit 109, the antiphase component is removed, and an output proportional to the amplitude of the drive mode is obtained. The output of the adder circuit 109 is connected to the electrode 113-2 through the oscillation circuit 110 and the drive circuit 111, and constitutes a self-excited oscillation circuit that oscillates at the resonance frequency in the drive mode of the vibrator 101.

この構成によれば、駆動モードの振動成分を入力に帰還して駆動回路を構成しているため、温度変化等により振動子の共振周波数が変化しても、常に駆動モードの共振条件で発振させることが可能である。したがって、環境等の変化があっても、常に効率良く感度が得られる。 According to this configuration, the drive mode vibration component is fed back to the input to configure the drive circuit. Therefore, even if the resonance frequency of the vibrator changes due to a temperature change or the like, oscillation is always performed under the drive mode resonance conditions. It is possible. Therefore, even if there is a change in the environment or the like, the sensitivity can always be obtained efficiently.

また、同様な観点から提案されている先行文献がある（例えば、特許文献２参照）。図５は、その従来例２の振動子の断面図および回路構成を示している。振動子は、水晶を用いた音叉形状で構成されている。図５では、音叉アーム２５０、２５１の断面のみが示されている。音叉アーム２５０、２５１は、バイモルフ構造をしており、図中の矢印の通り、上下の領域で、材料の結晶軸が左右反転している。音叉アーム２５０、２５１の側面には、駆動電極２０１および２０２、接地電極２２３、モニター電極２２４、検出電極２０５〜２０８が配置されている。 Further, there is a prior document proposed from the same viewpoint (for example, see Patent Document 2). FIG. 5 shows a cross-sectional view and a circuit configuration of the vibrator according to the second conventional example. The vibrator has a tuning fork shape using quartz. In FIG. 5, only the cross section of the tuning fork arms 250 and 251 is shown. The tuning fork arms 250 and 251 have a bimorph structure, and the crystal axes of the material are horizontally reversed in the upper and lower regions as indicated by the arrows in the figure. Drive electrodes 201 and 202, a ground electrode 223, a monitor electrode 224, and detection electrodes 205 to 208 are disposed on the side surfaces of the tuning fork arms 250 and 251.

駆動電極２０１には、ＡＧＣ回路（自動利得制御回路）２４２が接続され、駆動電極２０２には、反転増幅回路２４３が接続されている。これにより、駆動電極２０１および２０２には、互いに逆位相の駆動電圧が印加される。また、駆動電極２０１および２０２の左右の領域では、印加電界の方向が逆向きとなる。音叉アーム２５０および２５１を構成する水晶の結晶軸は、横方向の電界に対して、大きな圧電効果が得られる。したがって、音叉アーム２５０、２５１は、左右逆向きに屈曲振動し、音叉振動の駆動モードを励振することができる。 An AGC circuit (automatic gain control circuit) 242 is connected to the drive electrode 201, and an inverting amplifier circuit 243 is connected to the drive electrode 202. As a result, drive voltages having opposite phases to each other are applied to the drive electrodes 201 and 202. Further, in the left and right regions of the drive electrodes 201 and 202, the direction of the applied electric field is reversed. The crystal axis of the quartz constituting the tuning fork arms 250 and 251 can obtain a large piezoelectric effect with respect to the electric field in the lateral direction. Therefore, the tuning fork arms 250 and 251 can bend and vibrate in opposite directions, and can excite the driving mode of the tuning fork vibration.

その駆動回路は、電流検出回路２４０と、比較回路２４１と、ＡＧＣ回路２４２と、反転増幅回路２４３で構成されている。駆動モードを励振した状態では、駆動モードの振幅に応じた電荷がモニター電極２２４に発生する。この電荷を電流検出回路２４０で検出し、比較回路２４１とＡＧＣ回路２４２によって、電流検出回路２４０の出力が一定になるように、ＡＧＣ回路の出力振幅を自動調整する。これにより、常に駆動モードの共振周波数で発振し、駆動モードの振幅は、安定した、ある一定の振幅となる。 The drive circuit includes a current detection circuit 240, a comparison circuit 241, an AGC circuit 242, and an inverting amplification circuit 243. In the state where the drive mode is excited, a charge corresponding to the amplitude of the drive mode is generated on the monitor electrode 224. This electric charge is detected by the current detection circuit 240, and the output amplitude of the AGC circuit is automatically adjusted by the comparison circuit 241 and the AGC circuit 242 so that the output of the current detection circuit 240 becomes constant. As a result, the oscillation always occurs at the resonance frequency of the drive mode, and the amplitude of the drive mode becomes a stable and constant amplitude.

また、駆動モードを励振した状態で、紙面に垂直な軸周りに角速度を印加すると、コリオリの力によって、音叉アーム２５０、２５１は、上下逆向きに振動し、角速度に比例した振幅の検出モードが発生する。この状態において、音叉アーム２５０の上下の領域では、歪は逆向きとなり、それぞれ横方向に電界が発生する。しかし、結晶軸も逆向きとなるため、発生する電界は、上下の領域で同じ方向となる。音叉アーム２５１についても同様であるが、歪の方向が逆向きとなるため、発生する電界は、音叉アーム２５０の発生電界に対して、逆向きとなる。この電界によって、検出電極２０５と２０８および２０６と２０７に極性の異なる電荷がそれぞれ発生する。これらの電荷を差動増幅回路２４４で検出し、位相シフト回路２４５で９０°位相を進ませた後、同期検波器２４６およびローパスフィルタ２４７にて同期検波を行い、角速度に比例した直流電圧を得ている。 In addition, when an angular velocity is applied around an axis perpendicular to the paper surface with the drive mode excited, the tuning fork arms 250 and 251 vibrate upside down by the Coriolis force, and an amplitude detection mode proportional to the angular velocity is generated. appear. In this state, in the upper and lower regions of the tuning fork arm 250, the distortion is reversed, and an electric field is generated in each lateral direction. However, since the crystal axis is also reversed, the generated electric field is in the same direction in the upper and lower regions. The same applies to the tuning fork arm 251, but since the direction of distortion is reversed, the electric field generated is opposite to the electric field generated by the tuning fork arm 250. This electric field generates charges having different polarities in the detection electrodes 205 and 208 and 206 and 207, respectively. These charges are detected by the differential amplifier circuit 244, and the phase shift circuit 245 advances the phase by 90 °, and then the synchronous detector 246 and the low-pass filter 247 perform synchronous detection to obtain a DC voltage proportional to the angular velocity. ing.

この構成によれば、駆動モードの振動成分をモニター電極によって、入力に帰還し、駆動回路を構成しているため、温度変化等により振動子の共振周波数が変化しても、常に駆動モードの共振条件で発振させることが可能である。したがって、環境等の変化があっても、常に効率良く感度が得られる。また、モニター電極と検出電極が独立して存在するため、角速度の検出に不要な駆動モードの信号が検出電極に現れ難く、静止時出力の安定性が改善される。 According to this configuration, the vibration component of the drive mode is fed back to the input by the monitor electrode and the drive circuit is configured. Therefore, even if the resonance frequency of the vibrator changes due to a temperature change or the like, the drive mode resonance is always performed. It is possible to oscillate under conditions. Therefore, even if there is a change in the environment or the like, the sensitivity can always be obtained efficiently. In addition, since the monitor electrode and the detection electrode exist independently, a drive mode signal unnecessary for detecting the angular velocity hardly appears on the detection electrode, and the stability of the output at rest is improved.

特許第３１２２９２５号公報Japanese Patent No. 3122925 特開２００１−２０８５４６公報JP 2001-208546 A

しかしながら、利便性の追求から製品の小型化の要求も強く求められている。製品サイズを小型化するためには、振動子の小型化も必要となる。そのために、振動子を単純に小型化すれば、性能の低下が避けられない。それを避けるためには、回路の高増幅率化、振動子の設計変更、駆動信号の大振幅化が考えられる。しかし、回路の高増幅率化は、ＳＮ比の低下が懸念され、振動子の設計変更は容易でない場合がほとんどである。また、駆動信号の大振幅化は、回路の電源電圧以上の振幅にすることはできない。 However, there is a strong demand for miniaturization of products for the sake of convenience. In order to reduce the product size, it is necessary to reduce the size of the vibrator. Therefore, if the vibrator is simply downsized, the performance is unavoidable. In order to avoid this, it is conceivable to increase the amplification factor of the circuit, change the design of the vibrator, and increase the amplitude of the drive signal. However, increasing the amplification factor of the circuit is likely to cause a decrease in the S / N ratio, and in most cases it is not easy to change the design of the vibrator. Further, the drive signal cannot be increased in amplitude beyond the power supply voltage of the circuit.

前述の特許文献１についても、同様の問題があり、小型化に伴う性能の改善が必要となった場合、回路の高増幅率化には、ＳＮ比の低下が懸念される。振動子の設計変更は、電極の配置されていない側面を利用することで可能だが、生産性の低下は避けられない。また、駆動信号の大振幅化は、回路の電源電圧以上の振幅にすることはできない。 The above-mentioned patent document 1 also has the same problem, and when improvement in performance associated with downsizing is required, there is a concern that the SN ratio may be lowered in order to increase the circuit gain. Although it is possible to change the design of the resonator by using the side where the electrodes are not arranged, a reduction in productivity is inevitable. Further, the drive signal cannot be increased in amplitude beyond the power supply voltage of the circuit.

前述の特許文献２についても、小型化に伴う性能の改善が必要となった場合、回路の高増幅率化は、ＳＮ比の低下が懸念される。振動子の設計変更のみによる性能の改善は容易ではない。駆動信号の大振幅化は、回路の電源電圧以上の振幅にすることはできない。また、本来、駆動電極として使用できる電極をモニター電極としてのみ自励発振に利用しているので、駆動効率が良くない。このモニター電極も駆動モードの励振に使用することが可能ならば、実質的に駆動信号の大振幅化が実現できるはずである。 Also in the above-mentioned Patent Document 2, when it is necessary to improve the performance due to the downsizing, there is a concern that the increase in the amplification factor of the circuit may cause a decrease in the SN ratio. It is not easy to improve the performance only by changing the design of the resonator. The amplitude of the drive signal cannot be increased beyond the power supply voltage of the circuit. In addition, the drive efficiency is not good because the electrode that can be used as the drive electrode is originally used for the self-oscillation only as the monitor electrode. If this monitor electrode can also be used for driving mode excitation, it should be possible to substantially increase the amplitude of the driving signal.

そこで、本発明は、上記問題を解決し、製品の小型化、低消費電力化に適した、量産性をより高める振動子駆動回路の提供を目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a vibrator driving circuit that solves the above-described problems and that is suitable for reducing the size of products and reducing power consumption, and further improves mass productivity.

上記目的を達成するため、第１の発明は、少なくとも２つの端子を有する電気的な振動子を、この振動子の共振周波数で自励発振させる振動子駆動回路であって、前記端子のうちの第１および第２の端子に互いに逆位相となる駆動信号を加え、前記駆動信号の印加により前記第１または第２の端子に現れる電流もしくは電荷を検出し、この電流もしくは電荷の検出信号に所定の信号処理を行い前記駆動信号として帰還するループを有することを特徴とする振動子駆動回路である。すなわち、振動子に、互いに逆位相となる駆動信号を与えることで、駆動信号の振幅は、実質的に電源電圧のほぼ２倍まで大きくすることが可能である。また、同時に、駆動信号による発生電流または電荷をモニターし、入力側へ帰還することで、自励発振を実現する。自励発振のために特別なモニター電極等を配置する必要がないため、より効率良い電極等の設計が可能となる。 In order to achieve the above object, a first invention is a vibrator driving circuit for causing an electric vibrator having at least two terminals to self-oscillate at a resonance frequency of the vibrator, and includes: A drive signal having an opposite phase is applied to the first and second terminals, the current or charge appearing at the first or second terminal is detected by the application of the drive signal, and the current or charge detection signal is predetermined. A vibrator drive circuit comprising a loop that performs the signal processing of (2) and feeds back as the drive signal. That is, by giving drive signals having opposite phases to the vibrator, the amplitude of the drive signal can be substantially increased to almost twice the power supply voltage. At the same time, the self-excited oscillation is realized by monitoring the current or charge generated by the drive signal and feeding back to the input side. Since it is not necessary to dispose a special monitor electrode or the like for self-excited oscillation, a more efficient electrode or the like can be designed.

第２の発明は、第１の発明において、前記振動子の第２の端子には、演算増幅器の反転入力端子が接続され、前記反転入力端子と前記演算増幅器の出力端子が抵抗器によって接続され、前記演算増幅器の非反転入力端子には、前記振動子の第１の端子に加えられる駆動信号を反転した信号が入力され、前記演算増幅器の出力端子信号と前記非反転入力端子に入力される信号とは差動増幅回路に入力され差動増幅された後、所定の信号処理を施され、前記第１の端子に帰還されることを特徴とする振動子駆動回路である。すなわち、演算増幅器の反転入力端子と出力端子を抵抗で接続して電流検出回路を構成し、反転入力端子に振動子の第２の端子を接続することで、振動子の駆動電流をモニターすることができる。さらに、振動子の第１の端子に接続した駆動信号を反転した信号を演算増幅器の非反転入力端子に接続する。演算増幅器の仮想接地機能により、振動子の第２の端子の電位は、演算増幅器の非反転入力端子と同電位となる。したがって、振動子の第１の端子と第２の端子は、互いに逆位相の駆動電圧を印加される。また、演算増幅回路の出力端子には、振動子の駆動電流による成分と、非反転入力端子の駆動電圧による成分とが含まれるが、演算増幅回路の出力と非反転入力端子の駆動電圧による成分を差動増幅することにより、振動子の駆動電流による成分のみの電圧を取り出すことが可能である。さらに、取り出した振動子の駆動電流による成分のみの電圧に所定の信号処理を行い、振動子の第１の端子に帰還することで、自励発振させる。 According to a second invention, in the first invention, an inverting input terminal of an operational amplifier is connected to the second terminal of the vibrator, and the inverting input terminal and an output terminal of the operational amplifier are connected by a resistor. The signal obtained by inverting the drive signal applied to the first terminal of the vibrator is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier and input to the output terminal signal of the operational amplifier and the non-inverting input terminal. The signal is a vibrator driving circuit that is input to a differential amplifier circuit, differentially amplified, subjected to predetermined signal processing, and fed back to the first terminal. That is, the current detection circuit is configured by connecting the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier with a resistor, and the driving current of the vibrator is monitored by connecting the second terminal of the vibrator to the inverting input terminal. Can do. Further, a signal obtained by inverting the drive signal connected to the first terminal of the vibrator is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier. Due to the virtual ground function of the operational amplifier, the potential of the second terminal of the vibrator becomes the same potential as the non-inverting input terminal of the operational amplifier. Therefore, drive voltages having opposite phases are applied to the first terminal and the second terminal of the vibrator. In addition, the output terminal of the operational amplifier circuit includes a component due to the drive current of the vibrator and a component due to the drive voltage of the non-inverting input terminal, but the component due to the output of the operational amplifier circuit and the drive voltage of the non-inverting input terminal. As a result of differential amplification, it is possible to extract only the voltage component due to the drive current of the vibrator. Further, predetermined signal processing is performed on the voltage of only the component due to the drive current of the vibrator that has been taken out, and feedback is made to the first terminal of the vibrator to cause self-excited oscillation.

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記振動子は振動ジャイロ用の圧電振動子であることを特徴とする振動子駆動回路である。すなわち、振動ジャイロの駆動信号を実質的に２倍とすることで、検出感度も、ほぼ２倍となる。また、特別なモニター電極等を用いることなく、自励発振が可能であるため、電極配置等を容易により効率的に設計できる。 A third invention is the vibrator drive circuit according to the first or second invention, wherein the vibrator is a piezoelectric vibrator for a vibration gyro. That is, by substantially doubling the drive signal of the vibration gyro, the detection sensitivity is also almost doubled. Moreover, since self-excited oscillation is possible without using a special monitor electrode or the like, the electrode arrangement and the like can be designed more easily and efficiently.

以上の手段を用いる本発明によれば、互いに逆位相となる駆動信号を与えることで、駆動信号の振幅は、電源電圧のほぼ２倍まで大きくすることが可能である。また、同時に、駆動信号による発生電流または電荷をモニターし、入力側へ帰還することで、自励発振を実現する。自励発振のために特別なモニター電極等を配置する必要がないため、より効率良い電極等の設計が可能となる。したがって、振動子の小型化に伴う性能の低下を駆動信号の振幅の改善、設計自由度の改善により対応することができる。すなわち、本発明によれば、製品の小型化、低消費電力化に適した、量産性をより高める振動子駆動回路を提供することができる。 According to the present invention using the above means, it is possible to increase the amplitude of the drive signal to almost twice the power supply voltage by providing drive signals having opposite phases. At the same time, the self-excited oscillation is realized by monitoring the current or charge generated by the drive signal and feeding back to the input side. Since it is not necessary to dispose a special monitor electrode or the like for self-excited oscillation, a more efficient electrode or the like can be designed. Therefore, it is possible to cope with a decrease in performance due to the downsizing of the vibrator by improving the amplitude of the drive signal and improving the degree of design freedom. In other words, according to the present invention, it is possible to provide a vibrator driving circuit that is suitable for reducing the size and power consumption of a product and further improving mass productivity.

本発明による振動子駆動回路の実施の形態を、以下の実施例を基にして説明する。 An embodiment of a vibrator driving circuit according to the present invention will be described based on the following examples.

（実施例１）図１に本発明の実施例１の振動子駆動回路と振動子の断面を示す。振動子１は、圧電セラミクスの四角柱の振動子である。振動子１は、上下方向に分極されており、上下の領域で分極方向が反転しているバイモルフ構成となっている。振動子１の側面には、帯状の電極２および３が配置されている。この振動子１は、電極２と３の間に、振動子１の共振周波数の駆動電圧を印加することで、上下方向に屈曲振動する。 (Embodiment 1) FIG. 1 shows a cross section of a vibrator driving circuit and a vibrator according to a first embodiment of the present invention. The vibrator 1 is a piezoelectric ceramic quadrangular prism vibrator. The vibrator 1 is polarized in the vertical direction and has a bimorph configuration in which the polarization direction is reversed in the upper and lower regions. On the side surface of the vibrator 1, strip-like electrodes 2 and 3 are arranged. The vibrator 1 bends and vibrates in the vertical direction by applying a drive voltage having a resonance frequency of the vibrator 1 between the electrodes 2 and 3.

その駆動回路は、電流検出駆動回路９、ＡＧＣ回路７および反転増幅回路８で構成されている。電流検出駆動回路９は、演算増幅器４、抵抗器５および差動増幅回路６で構成されている。ＡＧＣ回路７の出力は、振動子１の電極２に接続され、上下方向に屈曲振動を励振する。演算増幅器４の反転入力端子と出力端子を抵抗器５で接続して電流検出回路を構成し、反転入力端子に振動子１の電極３を接続することで、振動子１の駆動電流をモニターすることができる。さらに、反転増幅回路８の出力を演算増幅器４の非反転入力端子に接続する。反転増幅回路８の出力は、ＡＧＣ回路７の出力に対して１８０度位相が異なり、同じ振幅の電圧である。演算増幅器４の仮想接地機能により、電極３の電位は、演算増幅器４の非反転入力端子と同電位となる。したがって、電極２と電極３には、互いに逆位相の駆動電圧が印加される。 The drive circuit includes a current detection drive circuit 9, an AGC circuit 7, and an inverting amplifier circuit 8. The current detection drive circuit 9 includes an operational amplifier 4, a resistor 5, and a differential amplifier circuit 6. The output of the AGC circuit 7 is connected to the electrode 2 of the vibrator 1 and excites bending vibration in the vertical direction. The inverting input terminal and output terminal of the operational amplifier 4 are connected by a resistor 5 to form a current detection circuit, and the driving current of the vibrator 1 is monitored by connecting the electrode 3 of the vibrator 1 to the inverting input terminal. be able to. Further, the output of the inverting amplifier circuit 8 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 4. The output of the inverting amplifier circuit 8 is a voltage having the same amplitude and a phase difference of 180 degrees with respect to the output of the AGC circuit 7. Due to the virtual ground function of the operational amplifier 4, the potential of the electrode 3 is the same as that of the non-inverting input terminal of the operational amplifier 4. Therefore, drive voltages having opposite phases are applied to the electrode 2 and the electrode 3.

また、演算増幅器４の出力端子には、振動子１の駆動電流成分の電圧と、非反転入力端子の駆動電圧の成分が含まれるが、演算増幅器４の出力と非反転入力端子の駆動電圧の成分を差動増幅回路６で差動増幅することにより、振動子１の駆動電流成分の電圧のみを取り出すことが可能である。さらに、取り出した振動子の駆動電流成分の電圧にＡＧＣ回路７で所定の信号処理を行い、振動子１の電極２に帰還することで、自励発振させる。 The output terminal of the operational amplifier 4 includes the voltage of the drive current component of the vibrator 1 and the drive voltage component of the non-inverting input terminal. Only the voltage of the drive current component of the vibrator 1 can be extracted by differentially amplifying the component with the differential amplifier circuit 6. Further, the AGC circuit 7 performs predetermined signal processing on the extracted drive current component voltage of the vibrator and feeds it back to the electrode 2 of the vibrator 1 for self-oscillation.

振動子１の２端子間に、互いに逆位相となる駆動信号を与えることで、駆動信号の振幅は、電源電圧のほぼ２倍まで大きくすることが可能である。また、同時に、振動子の２端子のみで、駆動信号による発生電流または電荷をモニターし、入力側へ帰還することで、自励発振を実現する。自励発振のために特別なモニター電極等を配置する必要がないため、より効率良い電極等の設計が可能となる。 By giving drive signals having opposite phases to each other between the two terminals of the vibrator 1, the amplitude of the drive signal can be increased to almost twice the power supply voltage. At the same time, self-excited oscillation is realized by monitoring the generated current or electric charge generated by the drive signal only with the two terminals of the vibrator and feeding back to the input side. Since it is not necessary to dispose a special monitor electrode or the like for self-excited oscillation, a more efficient electrode or the like can be designed.

次に、本発明の実施例２、３を図面に基づいて説明する。これらの実施例は、本発明の振動子駆動回路を用い、角速度検出の回路と合わせて振動ジャイロを形成したときの例である。 Next, Embodiments 2 and 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. In these examples, the vibrator driving circuit of the present invention is used and a vibration gyro is formed together with an angular velocity detection circuit.

（実施例２）図２に、本発明の実施例２に係る振動ジャイロの振動子断面と回路構成を示す。圧電セラミクスの四角柱の振動子１０１に帯状の３つの電極１０３−１、１０３−２および１０３−３が形成されており、電極１０３−２と電極１０３−１および１０３−３間で分極処理が施されている。電極１０３−２に駆動信号を印加し、電極１０３−１および１０３−３を接地すれば、振動子１０１は上下方向に駆動モードを励振する。この状態で、紙面に垂直な軸周りに角速度が加わると、コリオリの力により、振動子１０１には、左右方向の検出モードが発生する。この振動に対しては、電極１０３−１と電極１０３−３に逆位相の電気信号が発生し、この電気信号の振幅から角速度を測定することができる。また、電極１０３−１および１０３−３は、駆動モードに対して対称に配置されているため、駆動モードを励振した状態では、同位相の出力が得られる。 (Embodiment 2) FIG. 2 shows a vibrator cross section and a circuit configuration of a vibrating gyroscope according to Embodiment 2 of the present invention. Three strips of electrodes 103-1, 103-2, and 103-3 are formed on a piezoelectric ceramic rectangular column vibrator 101, and polarization treatment is performed between the electrodes 103-2 and 103-1 and 103-3. It has been subjected. When a drive signal is applied to the electrode 103-2 and the electrodes 103-1 and 103-3 are grounded, the vibrator 101 excites the drive mode in the vertical direction. In this state, when an angular velocity is applied around an axis perpendicular to the paper surface, a left-right detection mode is generated in the vibrator 101 by the Coriolis force. In response to this vibration, electrical signals having opposite phases are generated at the electrodes 103-1 and 103-3, and the angular velocity can be measured from the amplitude of the electrical signals. In addition, since the electrodes 103-1 and 103-3 are arranged symmetrically with respect to the drive mode, an output having the same phase can be obtained when the drive mode is excited.

電流検出駆動回路９−１および９−２は、それぞれ電極１０３−１、１０３−３に接続され、実施例１と同様に、電流検出駆動回路９−１および９−２の演算増幅回路の非反転入力端子に反転増幅回路８の出力が接続されている。 The current detection drive circuits 9-1 and 9-2 are connected to the electrodes 103-1 and 103-3, respectively. Similarly to the first embodiment, the current detection drive circuits 9-1 and 9-2 are not connected to the operational amplification circuit. The output of the inverting amplifier circuit 8 is connected to the inverting input terminal.

電極１０３−２は駆動回路１１１に接続される。電極１０３−２に、振動子１０１の共振周波数の駆動信号を印加し、同時に、電流検出駆動回路９−１および９−２によって、駆動回路１１１の出力に対して逆位相の駆動信号が電極１０３−１および１０３−３に印加される。その結果、図４の回路構成（従来例１）に比べ、ほぼ２倍の駆動信号が印加され、駆動モードが励振される。 The electrode 103-2 is connected to the drive circuit 111. A drive signal having the resonance frequency of the vibrator 101 is applied to the electrode 103-2. At the same time, a drive signal having an opposite phase to the output of the drive circuit 111 is applied to the electrode 103 by the current detection drive circuits 9-1 and 9-2. -1 and 103-3. As a result, a drive signal almost twice that of the circuit configuration of FIG. 4 (conventional example 1) is applied, and the drive mode is excited.

電極１０３−１および電極１０３−３の出力電流は、電流検出駆動回路９−１および９−２によって、それぞれ電圧に変換され、差動回路１０６に入力される。差動回路１０６の出力は、同相成分が除去されるため、検出モードの振幅に比例した大きさの交流電圧が得られる。さらに差動回路１０６の出力は同期検波回路１０７およびローパスフィルタ１０８で、同期検波され、角速度に比例した直流電圧を得ることができる。また、電流検出駆動回路９−１および９−２の出力は、加算回路１０９に接続されており、逆位相成分が除去され、駆動モードの振幅に比例した出力が得られる。加算回路１０９の出力は、発振回路１１０および駆動回路１１１を通して電極１０３−２に接続されており、振動子１０１の駆動モードの共振周波数で発振する自励発振回路を構成している。 The output currents of the electrodes 103-1 and 103-3 are converted into voltages by the current detection drive circuits 9-1 and 9-2, respectively, and input to the differential circuit 106. Since the in-phase component is removed from the output of the differential circuit 106, an AC voltage having a magnitude proportional to the amplitude of the detection mode is obtained. Further, the output of the differential circuit 106 is synchronously detected by the synchronous detection circuit 107 and the low-pass filter 108, and a DC voltage proportional to the angular velocity can be obtained. Further, the outputs of the current detection drive circuits 9-1 and 9-2 are connected to the adder circuit 109, the antiphase component is removed, and an output proportional to the amplitude of the drive mode is obtained. The output of the adder circuit 109 is connected to the electrode 103-2 through the oscillation circuit 110 and the drive circuit 111, and constitutes a self-excited oscillation circuit that oscillates at the resonance frequency in the drive mode of the vibrator 101.

この実施例２は、図４の従来例１の構成を基にして、本発明の振動子駆動回路を用いることによって、従来例１に対し、ほぼ２倍の駆動信号を印加できるように回路構成を変え、ほぼ２倍の感度を得た例である。従来例１の図４と同様に、駆動モードの振動成分を入力に帰還して駆動回路を構成しているため、温度変化等により振動子の共振周波数が変化しても、常に駆動モードの共振条件で発振させることが可能である。 In the second embodiment, based on the configuration of the conventional example 1 of FIG. 4, by using the vibrator driving circuit of the present invention, the circuit configuration is such that a drive signal almost twice that of the conventional example 1 can be applied. In this example, the sensitivity is almost doubled. As in FIG. 4 of the conventional example 1, the drive mode vibration component is fed back to the input to configure the drive circuit. Therefore, even if the resonance frequency of the vibrator changes due to a temperature change or the like, the drive mode resonance is always performed. It is possible to oscillate under conditions.

（実施例３）図３に、本発明の実施例３に係る振動ジャイロの振動子断面および回路構成を示す。振動子は、水晶を用いた音叉形状で構成されている。図３では、音叉アームの断面２５０、２５１のみが示されている。音叉アーム２５０、２５１は、バイモルフ構造をしており、図中の矢印の通り、上下の領域で、材料の結晶軸が左右反転している。音叉アーム２５０、２５１の側面には、駆動電極２０１および２０２、駆動電極２０３（図５の接地電極２２３に対応）、駆動電極２０４（図５のモニター電極２２４に対応）、検出電極２０５、２０６、２０７、２０８が配置されている。 (Embodiment 3) FIG. 3 shows a vibrator cross section and a circuit configuration of a vibrating gyroscope according to Embodiment 3 of the present invention. The vibrator has a tuning fork shape using quartz. In FIG. 3, only the cross-sections 250 and 251 of the tuning fork arm are shown. The tuning fork arms 250 and 251 have a bimorph structure, and the crystal axes of the material are horizontally reversed in the upper and lower regions as indicated by the arrows in the figure. Driving electrodes 201 and 202, a driving electrode 203 (corresponding to the ground electrode 223 in FIG. 5), a driving electrode 204 (corresponding to the monitor electrode 224 in FIG. 5), detection electrodes 205, 206, 207 and 208 are arranged.

駆動電極２０１および２０４には、ＡＧＣ回路２４２が接続され、駆動電極２０２および２０３には、電流検出駆動回路９が接続されている。また、電流検出駆動回路９の演算増幅器の非反転入力には、実施例１と同様に、反転増幅回路２４３が接続されている。これにより、駆動電極２０１、２０４と、駆動電極２０２、２０３とには互いに逆位相の駆動電圧が印加される。 An AGC circuit 242 is connected to the drive electrodes 201 and 204, and a current detection drive circuit 9 is connected to the drive electrodes 202 and 203. Further, the inverting amplifier circuit 243 is connected to the non-inverting input of the operational amplifier of the current detection driving circuit 9 as in the first embodiment. As a result, drive voltages having opposite phases are applied to the drive electrodes 201 and 204 and the drive electrodes 202 and 203.

また、駆動電極２０１〜２０４の左右のそれぞれの領域では、印加電界の方向が逆向きとなる。音叉アーム２５０および２５１を構成する水晶の結晶軸は、横方向の電界に対して、大きな圧電効果が得られる。したがって、音叉アーム２５０、２５１は、左右逆向きに屈曲振動し、音叉振動の駆動モードを励振することができる。 In addition, in the left and right regions of the drive electrodes 201 to 204, the direction of the applied electric field is opposite. The crystal axis of the quartz constituting the tuning fork arms 250 and 251 can obtain a large piezoelectric effect with respect to the electric field in the lateral direction. Therefore, the tuning fork arms 250 and 251 can bend and vibrate in opposite directions, and can excite the driving mode of the tuning fork vibration.

その駆動回路は、電流検出駆動回路９と、比較回路２４１と、ＡＧＣ回路２４２と、反転増幅回路２４３で構成されている。駆動モードを励振した状態では、駆動モードの振幅に応じた電流が電流検出駆動回路９から出力される。この電流を比較回路２４１とＡＧＣ回路２４２によって、電流検出駆動回路９の出力が一定になるように、ＡＧＣ回路の出力振幅を自動調整する。これにより、常に駆動モードの共振周波数で発振し、駆動モードの振幅は、安定した、ある一定の振幅となる。 The drive circuit includes a current detection drive circuit 9, a comparison circuit 241, an AGC circuit 242, and an inverting amplification circuit 243. In a state where the drive mode is excited, a current corresponding to the amplitude of the drive mode is output from the current detection drive circuit 9. The output amplitude of the AGC circuit is automatically adjusted by the comparison circuit 241 and the AGC circuit 242 so that the output of the current detection drive circuit 9 becomes constant. As a result, the oscillation always occurs at the resonance frequency of the drive mode, and the amplitude of the drive mode becomes a stable and constant amplitude.

また、駆動モードを励振した状態で、紙面に垂直な軸周りに角速度を印加すると、コリオリの力によって、音叉アーム２５０、２５１は、上下逆向きに振動し、角速度に比例した振幅の検出モードが発生する。この状態において、音叉アーム２５０の上下の領域では、歪は逆向きとなり、それぞれ横方向に電界が発生する。しかし、結晶軸も逆向きとなるため、発生する電界は、上下の領域で同じ方向となる。音叉アーム２５１についても同様であるが、歪の方向が逆向きとなるため、発生する電界は、音叉アーム２５０の発生電界に対して、逆向きとなる。この電界によって、検出電極２０５、２０８および検出電極２０６、２０７に極性の異なる電荷がそれぞれ発生する。これらの電荷を差動増幅回路２４４で検出し、位相シフト回路２４５で９０°位相を進ませた後、同期検波器２４６およびローパスフィルタ２４７にて同期検波を行い、角速度に比例した直流電圧を得ている。 In addition, when an angular velocity is applied around an axis perpendicular to the paper surface with the drive mode excited, the tuning fork arms 250 and 251 vibrate upside down by the Coriolis force, and an amplitude detection mode proportional to the angular velocity is generated. appear. In this state, in the upper and lower regions of the tuning fork arm 250, the distortion is reversed, and an electric field is generated in each lateral direction. However, since the crystal axis is also reversed, the generated electric field is in the same direction in the upper and lower regions. The same applies to the tuning fork arm 251, but since the direction of distortion is reversed, the electric field generated is opposite to the electric field generated by the tuning fork arm 250. Due to this electric field, charges having different polarities are generated in the detection electrodes 205 and 208 and the detection electrodes 206 and 207, respectively. These charges are detected by the differential amplifier circuit 244, and the phase shift circuit 245 advances the phase by 90 °, and then the synchronous detector 246 and the low-pass filter 247 perform synchronous detection to obtain a DC voltage proportional to the angular velocity. ing.

この実施例３は、本発明の振動子駆動回路を用い、図５の従来例２の構成を基にして、それに対し、電極の総数を変えることなく、駆動端子を２端子から４端子に増加させ、駆動モードの振動速度を、ほぼ２倍とし、ほぼ２倍の感度を得た例である。従来例２の図５と同様に、駆動モードの振動成分を入力に帰還し、駆動回路を構成しているため、温度変化等により振動子の共振周波数が変化しても、常に駆動モードの共振条件で発振させることが可能である。 The third embodiment uses the vibrator driving circuit of the present invention and, based on the configuration of the conventional example 2 in FIG. 5, increases the number of driving terminals from two to four without changing the total number of electrodes. In this example, the vibration speed in the driving mode is almost doubled, and the sensitivity is almost doubled. As in FIG. 5 of the conventional example 2, the drive mode vibration component is fed back to the input and the drive circuit is configured. Therefore, even if the resonance frequency of the vibrator changes due to a temperature change or the like, the drive mode resonance always occurs. It is possible to oscillate under conditions.

以上の手段を用いる本発明によれば、互いに逆位相となる駆動信号を与えることで、駆動信号の振幅は、電源電圧のほぼ２倍まで大きくすることが可能である。また、同時に、駆動信号による発生電流または電荷をモニターし、入力側へ帰還することで、自励発振を実現する。このとき自励発振のために特別なモニター電極等を配置する必要がないため、より効率良い電極等の設計が可能となる。したがって、振動子の小型化に伴う性能の低下を、駆動信号の振幅の改善、設計自由度の改善により対策することができる。 According to the present invention using the above means, it is possible to increase the amplitude of the drive signal to almost twice the power supply voltage by providing drive signals having opposite phases. At the same time, the self-excited oscillation is realized by monitoring the current or charge generated by the drive signal and feeding back to the input side. At this time, since it is not necessary to arrange a special monitor electrode or the like for self-excited oscillation, it is possible to design a more efficient electrode or the like. Therefore, it is possible to take measures against a decrease in performance due to the downsizing of the vibrator by improving the amplitude of the drive signal and improving the degree of design freedom.

すなわち、本発明により、製品の小型化、低消費電力化に適した、量産性をより高める振動子駆動回路を提供できる。 That is, according to the present invention, it is possible to provide a vibrator driving circuit that is suitable for reducing the size of products and reducing power consumption, and further improves mass productivity.

ところで、上記の実施例では、圧電振動子用の駆動回路について説明したが、本発明の振動子駆動回路は静電型、電磁誘導型などの振動子にも用いることができる。 In the above embodiment, the drive circuit for the piezoelectric vibrator has been described. However, the vibrator drive circuit of the present invention can also be used for a vibrator of an electrostatic type or an electromagnetic induction type.

本発明の実施例１の振動子駆動回路と振動子断面の図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a vibrator driving circuit and a vibrator according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施例２に係る振動ジャイロの振動子断面と回路の図。FIG. 5 is a cross-sectional view of a vibrator and a circuit of a vibration gyro according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施例３に係る振動ジャイロの振動子断面と回路の図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a vibrator and a circuit of a vibration gyro according to a third embodiment of the present invention. 従来例１の振動子の断面および回路構成の図。The figure of the cross section of the vibrator of the prior art example 1, and a circuit structure. 従来例２の振動子の断面および回路構成の図。The figure of the cross section of the vibrator of the prior art example 2, and a circuit structure.

Explanation of symbols

１，１０１振動子
２，３，１０３−１，１０３−２，１０３−３電極
４演算増幅器
５抵抗器
６，２４４差動増幅回路
７ＡＧＣ回路
８，２４３反転増幅回路
９，９−１，９−２電流検出駆動回路
１０６差動回路
１０７同期検出回路
１０８，２４７ローパスフィルタ
１０９加算回路
１１０発振回路
１１１駆動回路
２０１，２０２，２０３，２０４駆動電極
２０５，２０６，２０７，２０８検出電極
２４１比較回路
２４２ＡＧＣ回路
２４５位相シフト回路
２４６同期検波器
２５０，２５１音叉アーム DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Vibrator 2,3,103-1,103-2,103-3 Electrode 4 Operational amplifier 5 Resistor 6,244 Differential amplifier circuit 7 AGC circuit 8,243 Inverting amplifier circuit 9,9-1,9 -2 current detection drive circuit 106 differential circuit 107 synchronization detection circuit 108, 247 low pass filter 109 addition circuit 110 oscillation circuit 111 drive circuit 201, 202, 203, 204 drive electrode 205, 206, 207, 208 detection electrode 241 comparison circuit 242 AGC circuit 245 Phase shift circuit 246 Synchronous detector 250, 251 Tuning fork arm

Claims

A vibrator driving circuit for causing an electric vibrator having at least two terminals to self-oscillate at a resonance frequency of the vibrator;
Add driving signals having opposite phases to the first and second terminals of the terminals,
It has a loop that detects current or charge appearing at the first or second terminal by applying the drive signal, performs predetermined signal processing on the detection signal of the current or charge, and feeds back as the drive signal. Vibrator drive circuit.

The vibrator driving circuit according to claim 1,
An inverting input terminal of an operational amplifier is connected to the second terminal of the vibrator,
The inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier are connected by a resistor,
A signal obtained by inverting the drive signal applied to the first terminal of the vibrator is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier.
The output terminal signal of the operational amplifier and the signal input to the non-inverting input terminal are input to the differential amplifier circuit and differentially amplified, and then subjected to predetermined signal processing and fed back to the first terminal. A vibrator driving circuit characterized by that.

3. The vibrator drive circuit according to claim 1, wherein the vibrator is a piezoelectric vibrator for a vibration gyro.