JP5041465B2 - 振動子駆動回路 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特許第３１２２９２５号公報 特開２００１−２０８５４６公報

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。

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。

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。

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。

上記目的を達成するため、第１の発明は、分極された振動子に少なくとも２つの端子を有し、前記振動子の対向する両面または片面に、前記端子のうち、第１の端子及び第２の端子が形成され、前記第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、前記第１の端子に駆動信号を入力し、前記演算増幅器の非反転入力端子には、前記駆動信号を反転した信号を入力し、前記駆動信号の入力により前記第１の端子または前記第２の端子に現れる電流もしくは電荷を検出し、前記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。また、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。

第２の発明は、第１の発明において、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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施例１の振動子駆動回路と振動子断面の図。 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。 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。 従来例１の振動子の断面および回路構成の図。 従来例２の振動子の断面および回路構成の図。

符号の説明

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
７ ＡＧＣ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
２４２ ＡＧＣ回路
２４５ 位相シフト回路
２４６ 同期検波器
２５０，２５１ 音叉アーム

Claims (3)

1. 分極された振動子に少なくとも２つの端子を有し、前記振動子の対向する両面または片面に、前記端子のうち、第１の端子及び第２の端子が形成され、
   前記第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、
   前記第１の端子に駆動信号を入力し、
   前記演算増幅器の非反転入力端子には、前記駆動信号を反転した信号を入力し、
   前記駆動信号の入力により前記第１の端子または前記第２の端子に現れる電流もしくは電荷を検出し、前記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。
2. 請求項１に記載の振動子駆動回路において、
   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。
3. 請求項１または２に記載の振動子駆動回路において、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。

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