JPH0814941A - 静電駆動振動式センサ回路 - Google Patents

静電駆動振動式センサ回路

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JPH0814941A
JPH0814941A JP15195494A JP15195494A JPH0814941A JP H0814941 A JPH0814941 A JP H0814941A JP 15195494 A JP15195494 A JP 15195494A JP 15195494 A JP15195494 A JP 15195494A JP H0814941 A JPH0814941 A JP H0814941A
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JP
Japan
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voltage
sensor
output
amplitude
circuit
Prior art date
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JP15195494A
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English (en)
Inventor
Shojiro Toyoda
昌二郎 豊田
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】励振交流電圧の振幅を制御することなくセンサ
の出力信号の振幅制御が行える回路構成の簡単な静電駆
動振動式センサ回路を実現することにある。 【構成】振動子とベースの間に印加される電圧の大きさ
に応じて発生する静電吸引力に従って振動子を変位させ
る静電駆動振動式センサと、励振ループが励振可能なよ
うに静電駆動振動式センサの出力信号の位相を補正して
静電駆動振動式センサに帰還する位相補正ブロックと、
静電駆動振動式センサの出力信号の振幅が一定になるよ
うに静電駆動振動式センサの出力信号を整流して静電駆
動振動式センサに帰還する整流帰還ブロック、とで構成
されたことを特徴とするもの。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は静電駆動振動式センサ回
路に関し、詳しくは、その励振回路の改善に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】図5は静電駆動振動式センサ(以下セン
サという)の概念図である。図において、1は振動子で
あり、ベース2に対して振動可能にばね3で支持されて
いる。4は振動子1とベース2間に直流バイアス電圧V
Bを印加する直流電源、5は振動子1とベース2間に励
振交流電圧viを印加する交流電源であり、これら直流
電源4と交流電源5は振動子1とベース2間に直列接続
されている。
【0003】このようなセンサとしては、例えば振動ゲ
ート形素子(Resonant Gate Trnsistor,以下RGTと
いう)がある。これは、半導体集積回路技術を用いてF
ETのゲート電極を振動子として形成したものであり、
これに関する基礎的な文献としては、例えばIEEE TRANS
ACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.ED-14,NO.3,MARCH 1
967の117頁から132頁の「The Resonant Gate Trnsisto
r」が知られている。
【0004】図6は従来の図5のセンサの励振回路のブ
ロック図である。センサ6には直流バイアス電圧VB
励振交流電圧viが加算されて印加され、振動子とベー
スの間にはこれらの電圧の大きさに応じた静電吸引力が
発生する。センサ6の振動子はベースの方向に静電吸引
力の大きさに応じて変位し、この振動子の変位量に応じ
た出力信号として例えば電圧voが出力される。この出
力電圧voは整流回路7に加えられて整流されるととも
に、位相補正回路8に加えられてその位相が所望の値に
補正された交流電圧v1として出力される。整流回路7
の整流出力はエラーアンプとして機能する演算増幅器9
の反転入力端子に加えられている。この演算増幅器9の
非反転入力端子には出力振幅を設定するための設定電圧
Aが加えられていて、演算増幅器9の出力信号は利得
制御回路10に利得制御信号として加えられている。位
相補正回路8の出力電圧v1は利得制御回路10に加え
られている。この利得制御回路10は演算増幅器9から
加えられる利得制御信号に従って位相補正回路8の出力
電圧v1の振幅を所定の値に制御し、その出力を励振交
流電圧viとしてセンサ6に帰還する。
【0005】このように構成することにより、センサ6
は所定の比較的小さな励振振幅に制御された状態で自励
発振を行う。ここで、センサ6の励振振幅が大きくなら
ないように制限しているのは、センサ6の出力信号の周
波数の変化率が励振振幅の大きさに応じて非線形的に大
きく変化することを防止するためである。すなわち、セ
ンサ6の出力信号の周波数の変化率は、図7に示すよう
に、励振振幅の大きさに応じて非線形的に大きく変化す
ることが知られている。図7において、曲線Aは振動子
の取付け構造などの機械的要因に支配されるハードスプ
リング効果に起因するものであって励振振幅が大きくな
るのに従って周波数の変化率が非線形的にプラスの方向
に変化することを示し、曲線Bは静電吸引力によって支
配されるソフトスプリング効果に起因するものであって
励振振幅が大きくなるのに従って周波数の変化率が非線
形的にマイナスの方向に変化することを示している。
【0006】そこで、これらの不都合を防止して安定し
た測定動作を得るために、センサ6を所定の比較的小さ
な励振振幅に制御された状態で自励発振させている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の回路では、センサ6の出力信号voの振幅制御をセ
ンサ6に帰還する励振交流電圧viの振幅を制御するこ
とによって行っているので利得制御回路9が必要にな
り、全体としての回路構成が複雑になるという問題があ
る。
【0008】本発明は、このような従来の問題点を解決
するものであって、その目的は、励振交流電圧の振幅を
制御することなくセンサの出力信号の振幅制御が行える
回路構成の簡単な静電駆動振動式センサ回路を実現する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の静電駆動振動式
センサ回路は、振動子とベースの間に印加される電圧の
大きさに応じて発生する静電吸引力に従って振動子を変
位させる静電駆動振動式センサと、励振ループが励振可
能なように静電駆動振動式センサの出力信号の位相を補
正して静電駆動振動式センサに帰還する位相補正ブロッ
クと、静電駆動振動式センサの出力信号の振幅が一定に
なるように静電駆動振動式センサの出力信号を整流して
静電駆動振動式センサに帰還する整流帰還ブロック、と
で構成されたことを特徴とする。
【0010】
【作用】静電駆動振動式センサの励振振幅は、整流帰還
ブロックから帰還入力される直流電圧の大きさによって
制御される。これにより、励振交流電圧の振幅を制御す
るための利得制御回路は必要なくなり、装置全体の回路
の簡素化が図れる。
【0011】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図1は本発明の一実施例を示すブロック図であり、
図6と共通する部分には同一の符号を付けている。図1
と図6の異なる点は、静電駆動振動式センサ6の直流バ
イアス電圧VBを一定の値ではなく整流回路7の整流出
力が設定電圧VAと等しくなるように制御するエラーア
ンプとして機能する演算増幅器9を帰還入力しているこ
とと、利得制御回路を省いて位相補正回路8の出力電圧
を励振電圧viとして直接帰還入力していることであ
る。なお、図1では、整流回路7の出力電圧は演算増幅
器9の非反転入力端子に加えられ、出力振幅を設定する
ための設定電圧VAは演算増幅器9の反転入力端子に加
えられているが、これらの接続極性は帰還ループの極性
に応じて変更される。
【0012】このように構成することにより、静電駆動
振動式センサ6の励振振幅は、演算増幅器9の出力電圧
が大きくなるのに従って小さくなるように制御されるこ
とになる。図2は図1の具体例を示す回路図であり、静
電駆動振動式センサとしてRGTを用いる例を示してい
る。図において、RGTのソースSは電圧+VCCの直流
電源ラインに接続され、ドレインDは電流電圧変換器と
して機能する演算増幅器11の反転入力端子に接続さ
れ、ゲートGは直流電位を固定するための抵抗R1を介
して直流電源ラインに接続されるとともに直流分をカッ
トするためのコンデンサCを介して位相補正回路8の出
力端子に接続されている。演算増幅器11の反転入力端
子と出力端子間には抵抗R2が接続され、非反転入力端
子には演算増幅器9の出力端子が接続されている。
【0013】このように構成された回路の動作を説明す
る。RGTは、励振電圧viに対して共振点で位相が9
0°進んだ電流ioを出力する。演算増幅器11で形成
される電流電圧変換器は、交流電流ioを交流電圧vo
変換して整流回路7および位相補正回路8に出力する。
整流回路7は、交流電圧voを整流して演算増幅器9の
非反転入力端子に出力する。位相補正回路8は、励振ル
ープの一巡開ループ位相が0°になるように交流電圧v
oの位相を補正し、コンデンサCを介してRGTのゲー
トGに帰還する。演算増幅器9は、励振ループの一巡開
ループ利得が1になって交流電圧voの振幅が一定にな
るように整流回路7の出力電圧と設定電圧VAとの差を
増幅し、直流バイアス電圧として演算増幅器11の非反
転入力端子に出力する。
【0014】ここで、RGTを図5に置き換えると、ゲ
ートG,ソースS,ドレインDの各端子に印加される交
流電圧vG,vS,vDおよび直流電圧VG,VS,VDと励
振電圧viおよび直流バイアス電圧VBとの関係は次式で
表される。 vi≒vG−(vS+vD)/2 …(1) VB≒VG−(VS+VD)/2 …(2) また、図4のモデルにおいて、印加電圧(VB+vi)と
静電吸引力fとの間には、VB>>viとすると、 f≒(εS/2d2)(VB 2+2VB・vi) …(3) ε:電極間の誘電率 S:電極(振動子)の面積 d:静電吸引力が0のときの電極間距離 になる。
【0015】この(3)式において、右辺の第1項(VB 2)は
直流分になる項を示し、第2項(2VB・vi)は励振力にな
る項を示している。すなわち、励振力は励振電圧vi
直流バイアス電圧VBの積に比例することになる。そこ
で、本発明では、従来の励振電圧viの振幅を制御する
代わりに直流バイアス電圧VBの振幅を制御している。
【0016】図3は図1の他の具体例図である。図2と
の相違点は、RGTのドレインDにバッファアンプとし
て機能する演算増幅器12を接続していることと、演算
増幅器9の出力電圧V1をインダクタLを介してRGT
のドレインDに帰還していることである。このような構
成において、インダクタLは、RGTから出力される交
流電流i oをこの交流電流ioに対して90°位相の進ん
だ交流電圧voに変換するように機能する。演算増幅器
12はこのようにして変換された交流電圧voを整流回
路7に入力するのにあたってバッファアンプとして機能
する。
【0017】図3の回路は図4のような「io→vo→f
→x→io」よりなる発振ループを形成する。そして、
このループにおける利得関係は、共振角振動数をωと
し、インダクタンスをLとし、RGTのコンダクタンス
をgmとすると、変数io→voの間の利得はωLにな
り、変数vo→f→x→ioの間の利得はgmになって、
一巡利得はωLgmになる。また、位相関係は、変数io
→voでは+90°、変数vo→fでは−180°、変数
f→xでは−90°(共振点)、変数vx→ioでは−
180°になり、一巡位相は−360°(0°)にな
る。
【0018】従って、図3の回路では、 ωLgm=1 …(4) の条件を満たすことによって発振条件を満足することに
なり、自励発振が可能になる。すなわち、図3の回路に
よれば、RGTのドレイン電圧VDを変えることで(4)式
の条件を満たすとともに、振幅制御も行える。
【0019】さらに、図3の回路によれば、励振電圧入
力端子と出力電圧端子を共通化できるので、センサ回路
をケースに収納してハーメチックシールされた端子を介
して外部と接続する場合にケース側の端子の数を減らす
ことができ、小型化にも有利である。なお、上記実施例
ではセンサとしてRGTを用いる例を説明したが、他の
振動式のセンサにも適用できる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
静電駆動振動式センサの振幅制御を直流バイアス電圧の
制御で行っているので、従来の回路では必要とされてい
た交流の利得制御回路が不用になり、全体回路の構成を
簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図2】図1の具体例を示す回路図である。
【図3】図1の他の具体例を示す回路図である。
【図4】図3の発振ループの説明図である。
【図5】静電駆動振動式センサの概念図である。
【図6】従来のセンサ回路の一例を示すブロック図であ
る。
【図7】静電駆動振動式センサの励振振幅と周波数の変
化率の特性例図である。
【符号の説明】
6 静電駆動振動式センサ 7 整流回路 8 位相補正回路 9 演算増幅器(エラーアンプ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】振動子とベースの間に印加される電圧の大
    きさに応じて発生する静電吸引力に従って振動子を変位
    させる静電駆動振動式センサと、 励振ループが励振可能なように静電駆動振動式センサの
    出力信号の位相を補正して静電駆動振動式センサに帰還
    する位相補正ブロックと、 静電駆動振動式センサの出力信号の振幅が一定になるよ
    うに静電駆動振動式センサの出力信号を整流して静電駆
    動振動式センサに帰還する整流帰還ブロック、とで構成
    されたことを特徴とする静電駆動振動式センサ回路。
JP15195494A 1994-07-04 1994-07-04 静電駆動振動式センサ回路 Pending JPH0814941A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006170620A (ja) * 2004-12-10 2006-06-29 Denso Corp ジャイロセンサ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006170620A (ja) * 2004-12-10 2006-06-29 Denso Corp ジャイロセンサ
JP4534741B2 (ja) * 2004-12-10 2010-09-01 株式会社デンソー ジャイロセンサ

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