JP4449383B2 - 発振回路 - Google Patents

Description

本発明は、ジャイロ振動子のような圧電振動子を駆動するための発振回路に関する。

ジャイロ振動子のような圧電振動子を駆動するための発振回路にあっては、圧電振動子の機械的な振動振幅を可能な限り大きくすることが要求される。そのためには、発振回路の動作周波数を圧電振動子の機械的直列共振周波数ｆ_sと一致させることが望ましい。なぜならば、圧電振動子の機械的な振動振幅を一定量以上得ようとした場合、圧電振動子に加えるべきエネルギー量は、機械的直列共振周波数ｆ_sにおいて最小となるためである。
上記の目的に添って構成された従来の発振回路の一つとして、下記の特許文献１に記載された圧電振動子の振動制御装置がある。同特許文献に記載の図３及び図１１に示されるように、当該振動制御装置は、振動子の自励振動を制御するための駆動装置及び帰還増幅器を有していた。

特開平７−２４３８５８号公報（図３及び図１１）

しかしながら、上記した従来の発振回路では、上記した駆動装置及び帰還増幅器を構成すべく多数の増幅器を用いることから、その回路構成が複雑であるという問題があった。

本発明に係る発振回路は、上記した課題を解決すべく、等価直列抵抗Ｒ₁、等価直列インダクタンスＬ₁、等価直列容量Ｃ₁、及び並列容量Ｃ₀で表される電気的等価回路を有する圧電振動子と、非反転入力端子が所定の電圧に接続され、反転入力端子が前記圧電振動子の一方の端子に接続された演算増幅器、並びに、当該演算増幅器の反転入力端子及び出力端子間に並列接続された抵抗器及びコンデンサからなり、当該抵抗器の抵抗Ｒと当該コンデンサの容量Ｃとの積が前記等価直列抵抗Ｒ₁と前記並列容量Ｃ₀との積に実質的に等しい電流−電圧変換回路と、前記電流−電圧変換回路から出力される電圧を前記所定の電圧を基準として反転増幅し、当該反転増幅された電圧を前記圧電振動子の他方の端子に出力する反転増幅回路とを含む。

本発明に係る発振回路によれば、電流−電圧変換回路における抵抗器の抵抗Ｒとコンデンサの容量Ｃとの積が、圧電振動子の電気的等価回路における等価直列抵抗Ｒ₁と並列容量Ｃ₀との積に等しい。この結果、圧電振動子の機械的直列共振周波数ｆ_sにおいて、発振回路の一巡周波数伝達関数の位相変化が０になることから、発振回路は、上記した機械的直列共振周波数ｆ_sで自励発振することができる。

また、本発明に係る発振回路によれば、電流−電圧変換回路及び反転増幅回路は、それぞれ、演算増幅器を１つしか有していないことから、上記の特許文献１に記載された、多数の演算増幅器を備えた振動子の振動制御装置に比して、その回路構成を簡易にすることが可能になる。

本発明に係る発振回路の実施例について、図面を参照して説明する。

図１は、実施例の発振回路の構成を示すブロック図である。実施例の発振回路１は、自励発振すべく、図１に示されるように、圧電振動子２と、電流−電圧変換回路３と、反転増幅回路４とが環状に従属接続されている。圧電振動子２としては、例えば、ジャイロ振動子が挙げられる。ジャイロ振動子では、例えば、ジャイロ振動子を構成するジャイロ振動片がＸ軸方向に沿って振動しているときに、Ｙ軸を中心軸とする回転が加えられると、Ｚ軸方向に沿ってコリオリ力が生起される。コリオリ力の発生量は、振動片の質量と振動速度、及び加わった回転の角速度に比例する。従って、例えば、ジャイロ振動片を支持する梁の変形量など、前記コリオリ力に起因する何らかの機械的変位の発生量に基づいて、前記回転の角速度を検出することができる。

ここで、前述のＸ軸方向に沿った振動振幅が大きいほど振動片の最大振動速度が増加するため、前記コリオリ力の発生量は大きくなる。よって、回転の角速度に対する感度を高めて、精度の高い検出を行なうためには、前記振動振幅はより大きいことが望まれる。

図２は、図１に示した実施例の発振回路の具体的な構成を示す回路図である。圧電振動子２は、図２に示されるように、等価直列抵抗Ｒ₁、等価直列インダクタンスＬ₁、等価直列容量Ｃ₁、及び並列容量Ｃ₀からなる電気的等価回路で等価的に表現することができる。

等価直列抵抗Ｒ₁、等価直列インダクタンスＬ₁、及び等価直列容量Ｃ₁の直列回路は、圧電振動子２の機械的な性質を示しており、その直列インピーダンスは、機械的インピーダンスと呼ばれる。後述する反転増幅回路４により印加される電圧ｖの下で、機械的インピーダンスにより規定されて前記直列回路に流れる電流ｉ₁は、圧電振動子２の振動の変位、即ち、上述した振動振幅に相当する。

並列容量Ｃ₀は、圧電振動子２の両端子間に存在する純粋に電気的な容量である。反転増幅回路４により印加される電圧ｖの下で、並列容量Ｃ₀に流れる電流ｉ₀は、圧電振動子２の振動の変位、即ち振動の振幅とは何ら関係無い。ここで、圧電振動子２に流れる全電流ｉは、電流ｉ₁と電流ｉ₀の和で表される。

電流−電圧変換回路３は、演算増幅器Ａ₁と、抵抗Ｒの抵抗器と、容量Ｃのコンデンサとからなる。抵抗Ｒの抵抗器及び容量Ｃのコンデンサは、演算増幅器Ａ₁の反転入力端子及び出力端子間に並列接続され、反転入力端子は、圧電振動子２に接続され、非反転入力端子は、基準電圧としての所定の電圧（接地電位を含む。以下、同じ。）に接続されている。また、抵抗Ｒと容量Ｃとの積は、圧電振動子２の電気的等価回路における等価直列抵抗Ｒ₁と並列容量Ｃ₀との積に等しい。

上記のような構成を有する電流−電圧変換回路３は、電流−電圧変換を行なうことにより、圧電振動子２から出力される電流ｉに対応する電圧ｖ₁を出力する。ここで、図２の図示及び上記の説明から明らかなように、電流−電圧変換回路３は、本質的には反転増幅器として機能することから、入力される電流ｉの極性と反対の極性を有する電圧ｖ₁を出力する。

反転増幅回路４は、演算増幅器Ａ₂と、抵抗Ｒ_aの抵抗器と、抵抗Ｒ_bの抵抗器とからなる。抵抗Ｒ_bの抵抗器は、演算増幅器Ａ₂の反転入力端子及び電流−電圧変換回路３の出力端子間に接続され、抵抗Ｒ_bの抵抗器は、演算増幅器Ａ₂の反転入力端子及び出力端子間に接続されている。また、演算増幅器Ａ₂は、その非反転入力端子が、基準となる所定の電圧に接続されており、出力端子が、圧電振動子２に接続されている。反転増幅回路４は、電流−電圧変換回路３から電圧ｖ₁を入力されると、前記所定の電圧を基準として上記の電圧利得を有する反転増幅を行なうことにより、電圧ｖを圧電振動子２に出力する。

圧電振動子２の発振周波数が、数式１に示されるような機械的直列共振周波数ｆ_sに一致するとき、圧電振動子２の機械的インピーダンスを構成する等価直列インダクタンスＬ₁及び等価直列容量Ｃ₁の直列インピーダンスは０になり、この結果、機械的インピーダンスは、見かけ上等価直列抵抗Ｒ₁のみから構成されることになる。このとき、電流ｉ₁は最大となり、これにより、圧電振動子２の振動振幅も最大となる。換言すれば、例えば、圧電振動子２であるジャイロ振動子が機械的直列共振周波数ｆ_sで発振するとき、回転の角速度を最も精度高く検出することができる。

圧電振動子２が上記した機械的直列共振周波数ｆ_sで振動しているとき、即ち、等価直列インダクタンスＬ₁及び等価直列容量Ｃ₁の直列インピーダンスが０であるときにおいて、図２に示した発振回路１の一巡周波数伝達関数Ｇ（ｊω_s）は、数式２のように表される。ここで、ω_sは機械的直列共振角周波数であり、ω_s＝２πｆ_sである。また、ｋは反転増幅回路４の電圧利得を表しており、回路が線形動作をする範囲ではｋ＝Ｒ_b／Ｒ_aであるが、出力振幅が拡大して飽和すると、徐々に低下する。

さらに、数式２において、Ｃ・Ｒ＝Ｃ₀・Ｒ₁が満たされると、一巡周波数伝達関数Ｇ（ｊω_s）は、数式３のように表され、虚数部が消滅する。つまり、機械的直列共振周波数ｆ_sにおいて、一巡周波数伝達関数Ｇ（ｊω_s）は位相変化を発生しなくなる。これは、発振回路１が、機械的直列共振周波数ｆ_sで自励発振することができる条件を示している。ここで、発振回路１が自励発振するためのもう一つの条件として、一巡周波数伝達関数Ｇ（ｊω_s）のゲインが１を上回らなければならないという要件、即ち、ｋ・（Ｒ／Ｒ₁）＞１という要件が満たされていることを前提とする。

上述したように、実施例の発振回路１では、電流−電圧変換回路３における抵抗器の抵抗Ｒとコンデンサの容量Ｃとの積が、圧電振動子２の電気的等価回路における等価直列抵抗Ｒ₁と並列容量Ｃ₀との積に等しい。これにより、圧電振動子２の機械的直列共振周波数ｆ_sで発振回路１の一巡周波数伝達関数Ｇ（ｊω_s）の位相変化が０になることから、発振回路１は、上記した機械的直列共振周波数ｆ_sで自励発振することができる。

実施例の発振回路１では、加えて、電流−電圧変換回路３は、演算増幅器を１つしか有しておらず、また、反転増幅回路４も、演算増幅器を１つしか有していないことから、特許文献１に記載されたような、数多くの演算増幅器を備えた振動子の振動制御装置に比較して、その回路構成を簡易にすることができる。

実施例の発振回路の構成を示すブロック図。 実施例の発振回路の構成を示す回路図。

符号の説明

１ 発振回路
２ 圧電振動子
３ 電流−電圧変換回路
４ 反転増幅回路
Ｒ₁ 等価直列抵抗
Ｃ₀ 並列容量
Ｒ 抵抗
Ｃ 容量

Claims (2)

1. 等価直列抵抗Ｒ１、等価直列インダクタンスＬ１、等価直列容量Ｃ１、及び並列容量Ｃ0で表される電気的等価回路を有する圧電振動子と、
   非反転入力端子が所定の電圧に接続され、反転入力端子が前記圧電振動子の一方の端子に接続された演算増幅器、並びに、当該演算増幅器の反転入力端子及び出力端子間に並列接続された抵抗器及びコンデンサからなり、当該抵抗器の抵抗Ｒと当該コンデンサの容量Ｃとの積が前記等価直列抵抗Ｒ１と前記並列容量Ｃ0との積に実質的に等しい電流−電圧変換回路と、
   前記電流−電圧変換回路から出力される電圧を前記所定の電圧を基準として反転増幅し、当該反転増幅された電圧を前記圧電振動子の他方の端子に出力する反転増幅回路とを含むことを特徴とする発振回路。
2. 圧電振動子と、
   電流−電圧変換回路と、
   反転増幅回路と、を含み、
   前記電流−電圧変換回路は第１の抵抗及び第１のコンデンサとを含み、
   前記第１の抵抗及び前記第１のコンデンサは前記電流−電圧変換回路の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続され、
   前記電流−電圧変換回路は前記圧電振動子と前記反転増幅回路との間に接続され、
   前記圧電振動子の等価回路は第１の抵抗値、第１のインダクタンス、第１の容量値及び第２の容量値とで構成され、前記第１の抵抗値、前記第１のインダクタンス及び前記第１の容量値は直列接続の関係にあり、前記第２の容量値は前記第１の抵抗値、前記第１のインダクタンス及び前記第１の容量値と並列接続の関係にあり、
   前記抵抗Ｒの抵抗値と前記コンデンサＣの容量値との積が、前記第１の抵抗値と前記第２の容量値との積に実質的に等しいことを特徴とする発振回路。

Images