JPH0783670A - 圧電振動子の駆動・検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で、しかも、圧電振動子の圧電素
子のインピーダンスが変化しても、駆動信号が変動しに
くくかつ圧電素子から検出される出力信号が変動しにく
い、圧電振動子の駆動・検出回路を提供する。 【構成】 駆動・検出回路２０は、駆動信号を発生させ
るためのたとえば増幅器２２を含む。この増幅器２２の
入力端には、圧電振動子１２の帰還用の圧電素子１６ｃ
が接続される。また、増幅器２２の出力端は、位相補正
回路２４を介して、駆動部および検出部としての第１の
エミッタホロワ２６ａおよび第２のエミッタホロワ２６
ｂの入力端に接続される。第１のエミッタホロワ２６ａ
および第２のエミッタホロワ２６ｂの出力端は、抵抗３
４ａおよび３４ｂを介して、駆動用かつ検出用の圧電素
子１６ａおよび１６ｂに接続される。また、第１のエミ
ッタホロワ２６ａおよび第２のエミッタホロワ２６ｂの
出力端は、差動増幅回路４０の非反転入力端および反転
入力端にそれぞれ接続される。

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、振動体およびその表面に形成され
る圧電素子を有する圧電振動子の圧電素子に駆動信号を
印加しかつその圧電振動子の圧電素子からの出力信号を
検出する、圧電振動子の駆動・検出回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５はこの発明の背景となる従来の振動
ジャイロの一例を示す回路図である。この振動ジャイロ
１は、圧電振動子２を含む。

【０００３】圧電振動子２は、正３角柱状の振動体３を
含み、振動体３の３つの側面のほぼ中央には、３つの圧
電素子４ａ，４ｂおよび４ｃがそれぞれ形成される。こ
の圧電振動子２では、たとえば２つの圧電素子４ａおよ
び４ｂに同様の駆動信号を印加すれば、振動体３が圧電
素子４ｃの主面に直交する方向に屈曲振動する。この状
態では、圧電素子４ａおよび４ｂから同様の出力信号が
得られる。そして、この状態で、圧電振動子２に振動体
３の中心軸を中心とする回転角速度を与えれば、コリオ
リ力によって振動体３の屈曲振動の方向が変わり、２つ
の圧電素子４ａおよび４ｂからその回転角速度に応じた
出力信号がそれぞれ得られる。この場合、その回転角速
度に応じて、たとえば、一方の圧電素子４ａからの出力
信号の電圧が大きくなり、他方の圧電素子４ｂからの出
力信号の電圧が小さくなる。

【０００４】そのため、この圧電振動子２の圧電素子４
ｃは、たとえば増幅器からなる発振回路５の入力端に接
続される。この発振回路５の出力端は、２つの抵抗６ａ
および６ｂの一端に接続され、それらの抵抗６ａおよび
６ｂの他端は、２つの圧電素子４ａおよび４ｂにそれぞ
れ接続される。また、圧電素子４ａおよび４ｂは、差動
増幅回路７の非反転入力端および反転入力端にそれぞれ
接続される。

【０００５】したがって、この振動ジャイロ１では、そ
れに回転角速度が与えられていないことや与えられてい
る回転角速度を差動増幅回路７からの出力信号によって
検出することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この振動ジ
ャイロ１では、図６に示すように、抵抗６ａと圧電素子
４ａとが直列に接続されかつ抵抗６ｂと圧電素子４ｂと
が直列に接続されているので、周囲の温度変化などによ
って圧電素子４ａおよび４ｂのインピーダンスが変化し
て互いに異なると、圧電素子４ａおよび４ｂに印加され
る駆動信号が変動して互いに異なってしまう。

【０００７】このように圧電素子４ａおよび４ｂに印加
される駆動信号が異なると、特に振動ジャイロ１に回転
角速度が与えられていないときにおいて、圧電素子４ａ
および４ｂからの出力信号が異なり、差動増幅回路７か
ら０でない出力信号が得られ、差動増幅回路７からの出
力信号では振動ジャイロ１に回転角速度が与えられてい
ないことを検出することができなくなってしまうという
問題を有する。

【０００８】また、振動ジャイロ１に回転角速度が与え
られているときにおいて、圧電素子４ａおよび４ｂに印
加される駆動信号が変動すると、圧電素子４ａおよび４
ｂや差動増幅回路７からの出力信号も変動し、その回転
角速度を正確に検出することができなくなってしまうと
いう問題を有する。

【０００９】上述の各問題を解決するために、信号処理
回路や学習機能回路を設けて圧電素子や差動増幅回路か
らの出力信号を補正する方法があるが、この方法では、
回路の規模が大きくなるとともに回路の構成が複雑とな
り、また、特性的にも特定の条件に回路を調整する必要
があって十分なものではなかった。

【００１０】それゆえに、この発明の主たる目的は、簡
単な構成で、しかも、圧電振動子の圧電素子をインピー
ダンスが変化しても、駆動信号が変動しにくくかつ圧電
素子から検出される出力信号が変動しにくい、圧電振動
子の駆動・検出回路を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、振動体およ
びその振動体の表面に形成される圧電素子を有する圧電
振動子の圧電素子に駆動信号を印加するための駆動部
と、その圧電振動子の圧電素子からの出力信号を検出す
るための検出部とを有する圧電振動子の駆動・検出回路
であって、駆動部は、圧電素子のインピーダンスより小
さい出力インピーダンスを有し、検出部は、圧電素子か
らの出力信号が印加される所定のインピーダンスを有す
る、圧電振動子の駆動・検出回路である。

【００１２】なお、駆動部および検出部としてエミッタ
ホロワが用いられてもよい。

【００１３】

【作用】この発明にかかる圧電振動子の駆動・検出回路
では、圧電振動子の圧電素子に駆動信号を印加するため
の駆動部が、圧電素子のインピーダンスより小さい出力
インピーダンスを有するので、圧電素子のインピーダン
スが変化しても、駆動信号はほとんど変動しない。

【００１４】また、この発明にかかる圧電振動子の駆動
・検出回路では、圧電振動子の圧電素子からの出力信号
を検出するための検出部が、圧電素子からの出力信号が
印加される所定のインピーダンスを有するので、圧電素
子のインピーダンスが変化しても、圧電素子から検出さ
れる出力信号はほとんど変動しない。

【００１５】

【発明の効果】この発明によれば、圧電振動子の圧電素
子のインピーダンスが変化しても、駆動信号が変動しに
くくかつ圧電素子から検出される出力信号も変動しにく
い、圧電振動子の駆動・検出回路が得られる。そのた
め、この発明にかかる圧電振動子の駆動・検出回路で
は、それを圧電素子を有するたとえば振動ジャイロに用
いれば、圧電素子のインピーダンスが変化しても、振動
ジャイロに回転角速度が与えられていないことや振動ジ
ャイロに与えられている回転角速度を正確に検出するこ
とができる。

【００１６】また、この発明にかかる圧電振動子の駆動
・検出回路では、出力インピーダンスが圧電素子のイン
ピーダンスより小さい駆動部と、圧電素子からの出力信
号が印加される所定のインピーダンスを有する検出部と
を設ければよく、たとえば駆動部および検出部としてエ
ミッタホロワを用いればよく、信号処理回路や学習機能
回路を設ける必要がないので、簡単な構成となる。

【００１７】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。

【００１８】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す回路図であ
る。この発明は圧電振動子の駆動・検出回路に関する
が、この実施例では、圧電振動子およびその駆動・検出
回路などを有する振動ジャイロについて説明する。この
振動ジャイロ１０は、図５に示す圧電振動子２と同様の
圧電振動子１２を含む。

【００１９】すなわち、圧電振動子１２は、たとえば正
３角柱状の振動体１４を含む。振動体１４は、たとえば
たとえばエリンバ，鉄−ニッケル合金，石英，ガラス，
水晶，セラミックなどの一般的に機械的な振動を生じる
材料で形成される。この振動体１４の３つの側面にほぼ
中央には、３つの圧電素子１６ａ，１６ｂおよび１６ｃ
がそれぞれ形成される。

【００２０】この実施例では、たとえば、圧電振動子１
２の２つの圧電素子１６ａおよび１６ｂが駆動用かつ検
出用として用いられ、他の１の圧電素子１６ｃが帰還用
として用いられる。

【００２１】この圧電振動子１２の３つの圧電素子１６
ａ，１６ｂおよび１６ｃには、駆動・検出回路２０が接
続される。

【００２２】駆動・検出回路２０は、駆動信号を発生さ
せるためのたとえば増幅器２２を含む。この増幅器２２
の入力端には、帰還用の圧電素子１６ｃが接続される。
また、増幅器２２の出力端は、位相補正回路２４の入力
端に接続される。この位相補正回路２４は、駆動信号の
位相を補正するためのものである。

【００２３】位相補正回路２４の出力端は、駆動部およ
び検出部としての第１のエミッタホロワ２６ａおよび第
２のエミッタホロワ２６ｂのそれぞれの入力端に接続さ
れる。すなわち、第１のエミッタホロワ２６ａは、トラ
ンジスタ２８ａを含み、そのトランジスタ２８ａのベー
スには、抵抗３０ａを介して、位相補正回路２４の出力
端が接続される。また、トランジスタ２８ａのコレクタ
には、バイアス電位として電源電圧Ｖccの電位が印加さ
れる。さらに、トランジスタ２８ａのエミッタは、抵抗
３２ａを介して接地される。第２のエミッタホロワ２６
ｂは、第１のエミッタホロワ２６ａと同一の回路構成で
あり、トランジスタ２８ｂ，抵抗３０ｂおよび３２ｂか
らなる。

【００２４】第１のエミッタホロワ２６ａの出力端すな
わちトランジスタ２８ａのエミッタは、抵抗３４ａを介
して、駆動用かつ検出用の一方の圧電素子１６ａに接続
される。同様に、第２のエミッタホロワ２６ｂの出力端
すなわちトランジスタ２８ｂのエミッタは、抵抗３４ｂ
を介して、駆動用かつ検出用の他方の圧電素子１６ｂに
接続される。

【００２５】なお、圧電振動子１２の振動体１４には、
電源電圧Ｖccの電位と接地電位との中間の電位たとえば
電源電圧Ｖccの２分の１の電位が与えられる。

【００２６】また、第１のエミッタホロワ２６ａおよび
第２のエミッタホロワ２６ｂの出力端は、差動増幅回路
４０の非反転入力端および反転入力端にそれぞれ接続さ
れる。この差動増幅回路４０は、第１のエミッタホロワ
２６ａおよび第２のエミッタホロワ２６ｂの出力端にお
ける圧電素子１６ａおよび圧電素子１６ｂからの出力信
号の差を検出するためのものである。

【００２７】差動増幅回路４０の出力端は、同期検波回
路４２の入力端に接続される。また、同期検波回路４２
の別の入力端には、増幅器２２の出力端が接続される。
この同期検波回路４２は、増幅器２２からの出力信号に
同期して差動増幅回路４０からの出力信号を検波するた
めのものである。

【００２８】同期検波回路４２の出力端は、平滑回路４
４の入力端に接続され、平滑回路４４の出力端は、ＤＣ
アンプ４６の入力端に接続される。平滑回路４４は、同
期検波回路４２からの出力信号を平滑にするためのもの
であり、ＤＣアンプ４６は、平滑回路４４からの出力信
号を増幅するためのものである。

【００２９】次に、この振動ジャイロ１０の動作につい
て説明する。まず、振動ジャイロ１０に回転角速度が与
えられていないときの振動ジャイロ１０の動作について
説明する。

【００３０】この振動ジャイロ１０では、増幅器２２で
発生した駆動信号が、位相補正回路２４を介して、第１
のエミッタホロワ２６ａおよび第２のエミッタホロワ２
６ｂに与えられる。この場合、安定した駆動信号が得ら
れるように、駆動信号の位相が位相補正回路２４で補正
される。

【００３１】その駆動信号は、駆動部として働く第１の
エミッタホロワ２６ａおよび第２のエミッタホロワ２６
ｂなどを介して、圧電振動子１２の圧電素子１６ａおよ
び１６ｂにそれぞれ印加される。この場合、第１のエミ
ッタホロワ２６ａおよび第２のエミッタホロワ２６ｂか
らは、同様な駆動信号が出力される。そのため、圧電振
動子１２は、その振動体１４が圧電素子１６ｃの主面に
直交する方向に屈曲振動する。

【００３２】また、検出部としても働く第１のエミッタ
ホロワ２６ａおよび第２のエミッタホロワ２６ｂからの
出力信号は、差動増幅回路４０の非反転入力端および反
転入力端にそれぞれ与えられる。そして、第１のエミッ
タホロワ２６ａおよび第２のエミッタホロワ２６ｂから
の出力信号の差が、差動増幅回路４０で検出される。差
動増幅回路４０の出力信号は、同期検波回路４２によっ
て、増幅器２２からの出力信号に同期して検波される。
また、同期検波回路４２からの出力信号は、平滑回路４
４で平滑にされる。さらに、平滑回路４４からの出力信
号は、ＤＣアンプ４６で増幅される。したがって、ＤＣ
アンプ４６からの出力信号は、第１のエミッタホロワ２
６ａおよび第２のエミッタホロワ２６ｂからの出力信号
の差に比例した信号となる。この場合、第１のエミッタ
ホロワ２６ａおよび第２のエミッタホロワ２６ｂからの
出力信号がほぼ等しいので、差動増幅回路４０，同期検
波回路４２，平滑回路４４およびＤＣアンプ４６からの
出力信号は、それぞれほぼ０となる。そのため、それら
の出力信号によって、振動ジャイロ１０に回転角速度が
与えられていないことを検出することができる。

【００３３】ここで、周囲の温度変化などによって圧電
素子１６ａおよび１６ｂのインピーダンスが変化して互
いに異なった場合について説明する。

【００３４】圧電素子１６ａおよび１６ｂのインピーダ
ンスが変化して互いに異なっても、第１のエミッタホロ
ワ２６ａおよび２６ｂが、圧電素子１６ａおよび１６ｂ
のインピーダンスより小さい出力インピーダンスを有す
るので、第１のエミッタホロワ２６ａおよび第２のエミ
ッタホロワ２６ｂからの出力信号はほとんど変動しな
い。そのため、差動増幅回路４０の非反転入力端および
反転入力端に与えられる信号がほとんど変動せず、差動
増幅回路４０，同期検波回路４２，平滑回路４４および
ＤＣアンプ４６からの出力信号は、それぞれほぼ０とな
る。そのため、圧電素子１６ａおよび１６ｂのインピー
ダンスが変化して互いに異なっても、ＤＣアンプ４６な
どからの出力信号によって、振動ジャイロ１０に回転角
速度が与えられていないことを検出することができる。

【００３５】次に、この振動ジャイロ１０に回転角速度
が与えられているときの振動ジャイロ１０の動作につい
て説明する。

【００３６】振動ジャイロ１０の圧電振動子１２に振動
体１４の中心軸を中心とする回転角速度を与えれば、コ
リオリ力によって振動体１４の屈曲振動の方向が変わ
り、２つの圧電素子１６ａおよび１６ｂにその回転角速
度に応じた起電力がそれぞれ生じる。この場合、その回
転角速度の大きさに応じて、たとえば、一方の圧電素子
１６ａから正相の起電力が、他方の圧電素子１６ｂから
逆相の起電力が発生する。

【００３７】このような圧電素子１６ａ（１６ｂ）の起
電力は、図２に示すように圧電素子１６ａ（１６ｂ）に
並列に接続される定電流電源Ｖi 、または、図３に示す
ように圧電素子１６ａ（１６ｂ）に直列に接続される定
電圧電源Ｖv で表される。

【００３８】図２および図３の等価回路を参照して圧電
素子１６ａ（１６ｂ）の起電力などについて説明する
と、圧電素子１６ａ（１６ｂ）の起電力としての定電流
電源Ｖi または定電圧電源Ｖv によって、抵抗３２ａ
（３２ｂ）の両端には、信号が印加される。この場合、
圧電素子１６ａ（１６ｂ）のインピーダンスが大きいの
で、抵抗３２ａ（３２ｂ）の両端には、圧電素子１６ａ
（１６ｂ）の起電力にほぼ比例した信号が印加される。
そして、抵抗３２ａ（３２ｂ）の両端に印加された信号
は、差動増幅回路４０の非反転入力端（反転入力端）に
与えられる。したがって、差動増幅回路４０，同期検波
回路４２，平滑回路４４およびＤＣアンプ４６からの出
力信号は、振動ジャイロ１０に与えられている回転角速
度に比例した信号になる。そのため、ＤＣアンプ４６な
どからの出力信号によって振動ジャイロ１０に与えられ
ている回転角速度を正確に検出することができる。

【００３９】ここで、周囲の温度変化などによって圧電
素子１６ａおよび１６ｂのインピーダンスが変化した場
合について説明する。

【００４０】この場合、圧電素子１６ａおよび１６ｂの
インピーダンスが大きいので、周囲の温度変化などによ
って圧電素子１６ａおよび１６ｂのインピーダンスが変
化しても、圧電素子１６ａおよび１６ｂの起電力によっ
て抵抗３２ａおよび３２ｂに流れ込む電流がほとんど変
わらず、抵抗３２ａおよび３２ｂの両端に印加される信
号はほとんど変動しない。そのため、差動増幅回路４０
の非反転入力端および反転入力端に与えられる信号やＤ
Ｃアンプ４６の出力信号は、ほとんど変動しない。した
がって、圧電素子１６ａおよび１６ｂのインピーダンス
が変化しても、振動ジャイロ１０に与えられている回転
角速度を正確に検出することができる。

【００４１】なお、上述の実施例において、抵抗３４ａ
および３４ｂは特に設けられなくてもよいが、これらの
抵抗３４ａおよび３４ｂを設けておけば、周囲の温度変
化などによって圧電素子１６ａおよび１６ｂのインピー
ダンスが変化しても、抵抗３２ａおよび３２ｂに流れ込
む電流の変化が緩和され、抵抗３２ａおよび３２ｂの両
端に印加される信号がさらに変動しにくくなる。

【００４２】図４は図１に示す実施例の変形例の要部を
示す回路図である。図４に示す実施例では、図１に示す
実施例と比べて、特に、差動増幅回路４０の非反転入力
端には、第１のエミッタホロワ２６ａのトランジスタ２
８ａのコレクタが接続され、そのトランジスタ２８ａの
コレクタには、抵抗３６ａを介して、電源電圧Ｖccの電
位が印加される。同様に、図４には図示していないが、
差動増幅回路４０の反転入力端には、第２のエミッタホ
ロワ２６ｂのトランジスタ２８ｂのコレクタが接続さ
れ、そのトランジスタ２８ｂのコレクタには、別の抵抗
を介して、電源電圧Ｖccの電位が印加される。図４に示
す実施例のように、エミッタホロワのトランジスタのコ
レクタに抵抗を介して電源電圧の電位を印加し、そのコ
レクタから圧電素子の出力信号を検出するようにして
も、所望の動作を確保することができる。

【００４３】なお、上述の各実施例では圧電振動子の駆
動・検出回路としてトランジスタなどが用いられている
が、この発明では、トランジスタに代えてオペアンプ，
ＦＥＴなどの他の能動素子が用いられてもよい。

【００４４】また、上述の各実施例では圧電振動子が正
３角柱状の振動体とその表面に形成される３つの圧電素
子とを有するが、この発明は他の圧電振動子のための駆
動・検出回路にも適用され得る。

【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に示す実施例の圧電素子の起電力の一例を
示す等価回路図である。

【図３】図１に示す実施例の圧電素子の起電力の他の例
を示す等価回路図である。

【図４】図１に示す実施例の変形例の要部を示す回路図
である。

【図５】この発明の背景となる従来の振動ジャイロの一
例を示す回路図である。

【図６】図５に示す振動ジャイロの要部を示す等価回路
図である。

【符号の説明】

１０ 振動ジャイロ １２ 圧電振動子 １４ 振動体 １６ａ，１６ｂ，１６ｃ 圧電素子 ２０ 駆動・検出回路 ２２ 増幅器 ２４ 位相補正回路 ２６ａ，２６ｂ エミッタホロワ ２８ａ，２８ｂ トランジスタ ３０ａ，３０ｂ，３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂ 抵
抗 ４０ 差動増幅回路 ４２ 同期検波回路 ４４ 平滑回路 ４６ ＤＣアンプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動体および前記振動体の表面に形成さ
   れる圧電素子を有する圧電振動子の前記圧電素子に駆動
   信号を印加するための駆動部と、前記圧電振動子の前記
   圧電素子からの出力信号を検出するための検出部とを有
   する圧電振動子の駆動・検出回路であって、 前記駆動部は、前記圧電素子のインピーダンスより小さ
   い出力インピーダンスを有し、 前記検出部は、前記圧電素子からの出力信号が印加され
   る所定のインピーダンスを有する、圧電振動子の駆動・
   検出回路。
2. 【請求項２】 前記駆動部および前記検出部としてエミ
   ッタホロワが用いられる、請求項１の圧電振動子の駆動
   ・検出回路。