JP3265840B2 - 圧電振動子の駆動検出回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は圧電振動子の駆動検出
回路に関し、特にたとえば、圧電振動子を駆動し、かつ
圧電振動子の振動状態を検出するための圧電振動子の駆
動検出回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電体とその両面に形成された電
極とからなる圧電振動子を振動させるために、たとえば
増幅回路と位相回路とからなる発振回路が用いられてい
た。この発振回路は、圧電振動子の２つの電極間に接続
される。そして、一方の電極からの出力信号が増幅回路
に帰還され、増幅回路の出力信号が位相回路で位相調整
されて他方の電極に与えられる。このようにして、圧電
振動子は自励振駆動される。このように圧電振動子に振
動を与えることによって慣性が働き、その振動状態が保
たれる。この状態で外力が働くと、圧電振動子の振動状
態が変わり、外力に対応した出力信号が発生する。した
がって、この出力信号を測定することにより、圧電振動
子に与えられた外力を検出することができる。

【０００３】従来の圧電振動子では、一般的に、外力を
検出するための出力信号を得るために、駆動用の電極と
別に検出用の電極が圧電体上に形成されている。また、
駆動用の電極と検出用の電極とを兼用し、同じ電極に駆
動信号を与えるとともに、同じ電極から検出信号を取り
出す回路も知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、駆動用
の電極と検出用の電極とを有する圧電振動子では、その
構造が複雑となる。また、駆動および検出を同じ電極を
用いて行う場合、駆動回路と検出回路とを独立したもの
にしなければならない。しかも、検出回路には外力に対
応した出力信号とともに駆動信号も入力されるため、外
力を検出するためには、駆動信号成分を除去する必要が
ある。そのため、検出回路が複雑となる。

【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、簡
単な構造の圧電振動子を使用することができ、かつ駆動
および検出を１つの回路で行うことができ、しかも検出
信号のみを取り出すことができる、圧電振動子の駆動検
出回路を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、圧電振動子
を駆動し、かつその出力信号を検出するための圧電振動
子の駆動検出回路であって、入力側が圧電振動子の１つ
の電極に接続されるとともに、出力側から圧電振動子に
与える駆動信号を発生する自励振駆動用の発振回路と、
発振回路の出力信号が非反転入力端に入力され、かつ反
転入力端が圧電振動子の別の電極に接続されるオペアン
プと、オペアンプの反転入力端と出力端との間に形成さ
れる負帰還回路と、オペアンプの出力信号と発振回路の
出力信号の差を得るための差動回路とを含む、圧電振動
子の駆動検出回路である。

【０００７】

【作用】オペアンプに負帰還回路が形成されているた
め、オペアンプの非反転入力端に発振回路の出力信号が
与えられると、反転入力端も非反転入力端と同じ電位と
なる。したがって、発振回路の出力信号をオペアンプの
非反転入力端に与えることによって、反転入力端に接続
された圧電振動子にも駆動信号が与えられる。

【０００８】負帰還回路を有するオペアンプは反転増幅
器として働くから、オペアンプの出力端からは、圧電振
動子の振動状態に対応した信号と駆動信号との合成信号
が出力される。このオペアンプの出力信号と発振回路の
出力信号との差が、差動回路から出力される。

【０００９】

【発明の効果】この発明によれば、駆動用の電極と検出
用の電極とを兼用できるため、簡単な構造の圧電振動子
を使用することができる。また、この発明の回路を用い
れば、圧電振動子の駆動と出力信号の検出とを１つの回
路で行うことができる。しかも、差動回路から圧電振動
子の振動状態に対応した信号のみを取り出すことができ
るため、簡単な回路で振動状態の検出を行うことができ
る。

【００１０】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１１】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す回路図であ
る。この駆動検出回路１０は、圧電振動子１２を駆動
し、その出力信号を検出するために用いられる。圧電振
動子１２は、図２に示すように、磁器などからなる圧電
板１４を含み、その両面に電極１６ａ，１６ｂが形成さ
れている。

【００１２】圧電振動子１２の一方の電極１６ｂは、発
振回路１８に接続される。発振回路１８は、増幅回路２
０と位相回路２２とで構成される。電極１６ｂは増幅回
路２０に接続され、増幅回路２０の出力信号が位相回路
２２で位相調整される。そして、位相回路２２の出力信
号は、オペアンプ２４の非反転入力端に接続される。圧
電振動子１２の他方の電極１６ａは、抵抗２６を介して
オペアンプ２４の反転入力端に接続される。さらに、オ
ペアンプ２４の反転入力端と出力端との間に抵抗２８が
接続され、負帰還回路が形成される。また、オペアンプ
２４の出力端と発振回路１８とが、差動回路３０の２つ
の入力端に接続される。

【００１３】この駆動検出回路１０を用いれば、発振回
路１８の出力信号によって圧電振動子１２を振動させる
ことができる。このとき、圧電振動子１２の電極１６ｂ
の出力信号は、増幅回路２０によって増幅され、さらに
位相回路２２によって位相調整される。位相調整された
信号は、オペアンプ２４の非反転入力端に入力される。
オペアンプ２４には負帰還回路が形成されているため、
反転入力端の電位も非反転入力端の電位と同じになる。
したがって、圧電振動子１２の電極１６ａには、発振回
路１８で得られる駆動信号が与えられる。このようにし
て、圧電振動子１２は自励振駆動される。

【００１４】圧電振動子１２が振動すると、圧電振動子
１２には振動に対応した信号が発生する。この信号が、
オペアンプ２４の反転入力端に入力される。負帰還回路
が形成されたオペアンプ２４は反転増幅器として働き、
オペアンプ２４の出力端から圧電振動子１２の出力信号
を反転増幅した信号が出力される。ただし、オペアンプ
２４の出力信号には、圧電振動子１２を駆動するための
駆動信号成分も含まれている。この駆動信号成分を除去
するために、差動回路３０が用いられる。差動回路３０
の２つの入力端には、オペアンプ２４の出力信号と発振
回路１８の出力信号とが入力される。したがって、差動
回路３０でオペアンプ２４の出力信号から駆動信号成分
が除去され、圧電振動子１２の振動状態に対応した信号
のみを出力させることができる。

【００１５】なお、図３に示すように、差動回路３０に
入力される信号のレベルを合わせるために、抵抗３２お
よび３４を用いることができる。この場合、発振回路１
８が、抵抗３２を介してオペアンプ２４の非反転入力端
に接続される。さらに、オペアンプ２４の非反転入力端
は、抵抗３４を介して、電源電圧の中間点に接続され
る。これらの抵抗３２，３４によって、差動回路３０に
入力される信号のレベル調整が行われ、オペアンプ２４
の出力信号から駆動信号成分を完全に除去することがで
きる。

【００１６】この駆動検出回路１０を用いれば、圧電振
動子１２を振動させることができ、それによって圧電振
動子１２に慣性を与えることができる。この状態で圧電
振動子１２に外力などが加わった場合、圧電振動子１２
の振動状態が変わり、変化した振動状態に対応した出力
信号を得ることができる。しかも、差動回路３０から
は、圧電振動子１２の振動状態に対応した信号のみを出
力させることができるため、差動回路３０の出力信号を
測定することにより、圧電振動子１２に加わった外力を
検出することができる。このように、この駆動検出回路
１０を用いれば、圧電振動子１２の駆動および出力信号
の検出を１つの回路で行うことができ、回路を簡単にす
ることができる。しかも、駆動用の電極と検出用の電極
とが別個に形成された複雑な構造の圧電振動子を使用す
る必要がなく、簡単な構造の圧電振動子を使用すること
ができる。

【００１７】この駆動検出回路１０は、たとえば回転角
速度を検出するための振動ジャイロなどに応用すること
ができる。このような例として、図４および図５に示す
ような振動ジャイロ５０が考えられる。振動ジャイロ５
０は、たとえば正３角柱状の振動体５２を含む。振動体
５２は、たとえばエリンバ，鉄−ニッケル合金，石英，
ガラス，水晶，セラミックなど、一般的に機械的な振動
を生じる材料で形成される。振動体５２の３つの側面に
は、圧電素子５４ａ，５４ｂ，５４ｃが形成される。圧
電素子５４ａは圧電板５６ａを含み、圧電板５６ａの両
面に電極５８ａ，６０ａが形成される。そして、一方の
電極６０ａが振動体５２に接着される。同様に、圧電素
子５４ｂ，５４ｃは圧電板５６ｂ，５６ｃを含み、これ
らの圧電板５６ｂ，５６ｃの両面に電極５８ｂ，６０ｂ
および電極５８ｃ，６０ｃが形成される。そして、一方
の電極６０ｂ，６０ｃが、振動体５２に接着される。

【００１８】この振動ジャイロ５０を駆動するために、
図６に示すように、２つの駆動検出回路１０が用いられ
る。ここでは、圧電素子５４ａ，５４ｂに同じ駆動信号
が与えられるため、１つの発振回路１８が２つの駆動検
出回路１０に兼用されている。圧電素子５４ａ，５４ｂ
は、抵抗２６を介して、２つの駆動検出回路１０のオペ
アンプ２４の反転入力端に接続される。そして、圧電素
子５４ｃの出力信号が、増幅回路２０に帰還される。さ
らに、２つの駆動検出回路１０の差動回路３０は、別の
差動回路７０の入力端に接続される。

【００１９】振動ジャイロ５０の圧電素子５４ａ，５４
ｂには、２つの駆動検出回路１０によって、同じ駆動信
号が与えられる。したがって、振動体５２は、圧電素子
５４ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。このと
き、圧電素子５４ａ，５４ｂの屈曲状態は同じであり、
２つの差動回路３０から出力される信号は同じである。
したがって、振動ジャイロ５０に回転角速度が加わって
いないときには、差動回路７０の出力信号は０である。
この状態で、振動ジャイロ５０が振動体５２の軸を中心
として回転すると、コリオリ力によって振動方向が変わ
る。それによって圧電素子５４ａ，５４ｂの屈曲状態に
差が生じ、２つの差動回路３０から異なる信号が出力さ
れる。これらの信号の差が、差動回路７０から出力され
る。差動回路７０の出力信号は、コリオリ力に対応した
信号すなわち回転角速度に対応した信号である。したが
って、差動回路７０の出力信号を測定することにより、
振動ジャイロ５０に加わった回転角速度を検出すること
ができる。

【００２０】また、図７に示すように、振動ジャイロ５
０の駆動検出回路にも、差動回路３０に入力される信号
のレベル調整のために、抵抗３２，３４を用いることが
できる。これらの抵抗３２，３４を用いることによっ
て、オペアンプ２４の出力信号から完全に駆動信号成分
を除去することができ、正確に回転角速度を検出するこ
とができる。

【００２１】このように、この発明の駆動検出回路は、
圧電振動子に振動を与え、かつ外力による振動状態の変
化を検出するためなどに用いられる。上述のように、振
動ジャイロだけでなく、たとえば圧電振動子の振動を利
用した加速度センサなど、他の圧電振動子にも適用可能
である。この場合、圧電振動子の振動モードとしては、
長さ振動や拡がり振動など、あらゆる振動モードを利用
する圧電振動子に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す回路図である。

【図２】図１に示す回路が適用される圧電振動子の一例
を示す斜視図である。

【図３】図１に示す圧電振動子の駆動検出回路の変形例
を示す回路図である。

【図４】この発明の駆動検出回路が適用される振動ジャ
イロの一例を示す斜視図である。

【図５】図４に示す振動ジャイロの断面図である。

【図６】図４に示す振動ジャイロの駆動検出回路を示す
回路図である。

【図７】図６に示す振動ジャイロの駆動検出回路の変形
例を示す回路図である。

【符号の説明】

１０ 圧電振動子の駆動検出回路 １２ 圧電振動子 １８ 発振回路 ２０ 増幅回路 ２２ 位相回路 ２４ オペアンプ ２８ 負帰還回路用抵抗 ３０ 差動回路 ５０ 振動ジャイロ ５２ 振動体 ５４ａ，５４ｂ，５４ｃ 圧電素子 ７０ 差動回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04 H03H 9/00 - 9/76 G01P 15/09

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動子を駆動し、かつその出力信号
   を検出するための圧電振動子の駆動検出回路であって、入力側が前記圧電振動子の１つの電極に接続されるとと
   もに、出力側から 前記圧電振動子に与える駆動信号を発
   生する自励振駆動用の発振回路、 前記発振回路の出力信号が非反転入力端に入力され、か
   つ反転入力端が前記圧電振動子の別の電極に接続される
   オペアンプ、 前記オペアンプの反転入力端と出力端との間に形成され
   る負帰還回路、および前記オペアンプの出力信号と前記
   発振回路の出力信号の差を得るための差動回路を含む、
   圧電振動子の駆動検出回路。