JPH08338729A

JPH08338729A - 自励振回路及びこれを用いた圧電振動角速度計

Info

Publication number: JPH08338729A
Application number: JP7170152A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Sango; 貴敬三五; Toru Fujii; 藤井　　透; Tetsuo Hattori; 徹夫服部
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-06-13
Filing date: 1995-06-13
Publication date: 1996-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】振動子の機械的及び電気的な不安定性にもか
かわらず、振動子の自励振動時の振幅を安定させるとと
もに、振動子の共振周波数以外の周波数での異常発振を
防止する。【構成】電流電圧変換器４０が、振動子２０の電極３
３からの信号を電流として受けて電圧に変換する。この
電圧は、振動子２０の振動状態を示す正弦波電圧であ
り、ゼロクロスコンパレータ４１及びアッテネータ４２
により所定レベルの方形波電圧に変換される。バンドパ
スフィルタ４３は、前記方形波電圧から前記正弦波電圧
と同一周波数の正弦波電圧を濾波する。移相器４４は、
振動子２０の振動の振幅が略最大となるように、濾波さ
れた正弦波電圧の位相を調整し、その出力を駆動電圧と
して振動子２０の電極３５に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電振動角速度計等の
振動子を自励振駆動する自励振回路及びこれを用いた圧
電振動角速度計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１５は、本発明の背景になった圧電振
動角速度計に用いられている自励振回路の従来例を示
す。

【０００３】この従来の自励振回路は、振動子１の上部
の信号検出用圧電素子２からの信号を反転増幅する反転
増幅器４と、該反転増幅器４の出力信号の位相を調整す
るローパスフィルタ５とから構成されている。ローパス
フィルタ５の出力側が振動子１の駆動用圧電素子３に接
続されている。

【０００４】反転増幅器４は、オペアンプ６と、抵抗器
７，８，９とから構成されている。ローパスフィルタ５
は、抵抗器１０，１１及びコンデンサ１２，１３で構成
され、２段のＲＣフィルタから構成されている。

【０００５】なお、振動子１は、金属製の三角柱の２つ
の側面にそれぞれ圧電素子が接合された構成となってい
る。これらの圧電素子は、圧電層と、その両面に電極が
形成された構成となっている。一方の圧電素子が前記検
出用圧電素子２となり、他方の圧電素子が前記駆動用圧
電素子３となっている。また、前記三角柱がアース接続
されている。

【０００６】この従来の自励振回路によれば、検出用電
極２からの信号出力が反転増幅器４により反転増幅さ
れ、その増幅された電圧がローパスフィルタ５により位
相調整され、ローパスフィルタ５の出力が駆動電圧とし
て振動子１の駆動用電極３に供給される。これにより、
ループゲインが１以上となるように正帰還がかけられ、
振動子１が自励振駆動される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】振動子の機械的及び電
気的な不安定性は免れないものであるが、前述したよう
構成の従来の自励振回路では、振動子の機械的及び電気
的な不安定性により、正帰還される電圧（駆動電圧）に
不安定性が生じる。このため、振動子が自励振動したと
きの振幅が安定しなかったり、振動子の共振周波数以外
の周波数で異常発振するといった問題を避け得なかっ
た。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、振動子の機械的及び電気的な不安定性にもか
かわらず駆動電圧を安定させることができ、振動子の自
励振動時の振幅を安定させることができるとともに、振
動子の共振周波数以外の周波数での異常発振を防止する
ことができる自励振回路及びこれを用いた圧電振動角速
度計を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による自励振回路は、振動子を
自励振駆動する自励振回路において、前記振動子の振動
状態を示す第１の正弦波電圧を、当該第１の正弦波電圧
が所定の基準レベルより大きいときに第１の所定レベル
となるとともに当該第１の正弦波電圧が前記基準レベル
より小さいときに第２の所定レベルとなる方形波電圧に
変換する変換手段と、前記方形波電圧から前記第１の正
弦波電圧と同一周波数の第２の正弦波電圧を濾波するフ
ィルタと、前記振動子の振動の振幅が略最大となるよう
に、前記フィルタにより濾波された第２の正弦波電圧の
位相を調整する移相器と、を備えたものである。

【００１０】本発明の第２の態様による自励振回路は、
前記第１の態様による自励振回路において、前記振動子
からの１つの入力信号を電流信号として受けて該電流信
号を電圧信号に変換する電流電圧変換器を備え、前記変
換手段は、該電流電圧変換器の出力を前記第１の正弦波
電圧として前記方形波電圧に変換するものである。

【００１１】本発明の第３の態様による自励振回路は、
前記第１の態様による自励振回路において、前記振動子
からの１つの入力信号を電圧信号として受ける手段を備
え、前記変換手段は、該電圧信号を前記第１の正弦波電
圧として前記方形波電圧に変換するものである。

【００１２】本発明の第４の態様による自励振回路は、
前記第１の態様による自励振回路において、前記振動子
からの複数の入力信号を受けて該複数の入力信号の和に
相当する電圧信号を得る手段を備え、前記変換手段は、
前記複数の入力信号の和に相当する前記電圧信号を前記
第１の正弦波電圧として前記方形波電圧に変換するこも
のである。

【００１３】本発明の第５の態様による自励振回路は、
前記第４の態様による自励振回路において、前記複数の
入力信号の和に相当する電圧信号を得る前記手段は、前
記複数の入力信号をそれぞれ電流信号として受けて該電
流信号をそれぞれ電圧信号に変換する複数の電流電圧変
換器を有するものである。

【００１４】本発明の第６の態様による自励振回路は、
前記第４の態様による自励振回路において、前記複数の
入力信号の和に相当する電圧信号を得る前記手段は、前
記複数の入力信号をそれぞれ電圧信号として受ける手段
を有するものである。

【００１５】本発明の第７の態様による自励振回路は、
前記第１乃至第６のいずれかの態様による自励振回路に
おいて、前記変換手段が、ゼロクロスコンパレータを含
むものである。

【００１６】本発明の第８の態様による自励振回路は、
前記第７の態様による自励振回路において、前記変換手
段が、前記ゼロクロスコンパレータの出力を減衰させる
アッテネータを更に含むものである。

【００１７】本発明の第９の態様による自励振回路は、
前記第８の態様による自励振回路において、前記アッテ
ネータが、可変抵抗器を含む分圧回路からなるものであ
る。

【００１８】本発明の第１０の態様による圧電振動角速
度計は、振動子と、該振動子を自励振駆動する自励振回
路とを備え、前記自励振回路が請求項１乃至９のいずれ
かに記載の自励振回路であるものである。

【００１９】本発明の第１１の態様による圧電振動角速
度計は、前記第１０の態様による圧電振動角速度計にお
いて、前記振動子が、直方体形状の圧電材料からなる第
１及び第２の部材と、前記第１の部材の第１の側面と前
記第２の部材の第１の側面との間に挟んで形成された第
１の電極と、前記第１の部材の前記第１の側面に相対す
る前記第１の部材の第２の側面における両側位置にそれ
ぞれ形成されるか、あるいは、前記第１の部材の前記第
１の側面と隣合う前記第１の部材の第３及び第４の側面
にそれぞれ形成された第２及び第３の電極と、前記第２
の部材の前記第１の側面に相対する前記第２の部材の第
２の側面に形成された第４の電極と、を備えたものであ
る。

【００２０】本発明の第１２の態様による圧電振動角速
度計は、前記第１１の態様による圧電振動角速度計にお
いて、前記振動子が、前記第１の部材の前記第２の側面
の略中央の位置に形成された第５の電極を更に備えたも
のである。

【００２１】本発明の第１３の態様による圧電振動角速
度計は、前記第１０の態様による圧電振動角速度計にお
いて、前記振動子が、直方体形状の圧電材料からなる第
１の部材と、直方体形状の第２の部材と、前記第１の部
材の第１の側面と前記第２の部材の第１の側面との間に
挟んで形成された第１の電極と、前記第１の部材の前記
第１の側面に相対する前記第１の部材の第２の側面にお
ける両側位置にそれぞれ形成されるか、あるいは、前記
第１の部材の前記第１の側面と隣合う前記第１の部材の
第３及び第４の側面にそれぞれ形成された第２及び第３
の電極と、前記第１の部材の前記第２の側面の略中央の
位置に形成された第４の電極と、を備えたものである。

【００２２】本発明の第１４の態様による圧電振動角速
度計は、前記第１０の態様による圧電振動角速度計にお
いて、前記振動子が、円柱形状の圧電材料からなる部材
と、該部材の外周面上に軸方向に形成された複数の帯状
電極と、を備えたものである。

【００２３】本発明の第１５の態様による圧電振動角速
度計は、前記第１０の態様による圧電振動角速度計にお
いて、前記振動子が、多角柱（三角柱以上）形状の金属
からなる部材と、該部材の複数の側面にそれぞれ接合さ
れた複数の圧電素子と、を備えたものである。

【００２４】

【作用】本発明によれば、振動子の振動状態を示す第１
の正弦波電圧が変換手段により所定レベルの方形波電圧
に変換される。第１の正弦波電圧は、振動子からの１つ
又は複数の入力信号に基づいて得られ、その振幅は、振
動子の機械的及び電気的な不安定性により変動するが、
方形波電圧のレベルは常に前記所定レベルに保たれる。
フィルタにより該方形波電圧から前記第１の正弦波電圧
と同一周波数の第２の正弦波電圧が濾波される。したが
って、第１の正弦波電圧の振幅の変動にかかわらず、す
なわち、振動子の機械的及び電気的な不安定性にかかわ
らず、第２の正弦波電圧の振幅は所定レベルに保証され
る。そして、第２の正弦波電圧の位相は、移相器によっ
て、振動子の振動の振幅が略最大となるように調整され
る。移相器の出力が駆動電圧として振動子に供給されて
正帰還がかけられる。これにより振動子が自励振駆動さ
れる。

【００２５】したがって、本発明によれば、振動子に供
給される駆動電圧の振幅は、振動子の機械的及び電気的
な不安定性にかかわらず、所定レベルに保持されて安定
する。よって、振動子の自励振動時の振幅が安定し、振
動子の共振周波数以外の周波数での異常発振が防止され
る。

【００２６】なお、振動子として、前記第１１乃至第１
３の態様の構造の振動子を採用すれば、両面に電極パタ
ーンが形成された圧電板２枚を接合して切断するなどす
ることによって、一度に大量の振動子を製造することが
できるとともに、反応性エッチング等による電極パター
ン形成、精密切断機等による接合板の切断を行うことに
よって、小型の振動子を再現性良く製造することができ
る。

【００２７】

【実施例】以下、本発明による自励振回路及びこれを用
いた圧電振動角速度計について、図面を参照して説明す
る。

【００２８】まず、本発明の第１の実施例による圧電振
動角速度計について、図１乃至図３を参照して説明す
る。

【００２９】図１は、本実施例による圧電振動角速度計
を示す回路図である。

【００３０】本実施例による圧電振動角速度計は、図１
に示すように、振動子２０と、該振動子２０を自励振駆
動する自励振回路２１と、振動子２０からの入力信号に
基づいて振動子２０に作用するコリオリ力に相当する検
出信号を得る検出回路２２と、を備えている。

【００３１】まず、振動子２０について、図２を参照し
て説明する。図２は、振動子２０を示す図であり、図２
（ａ）はその斜視図、図２（ｂ）はその正面図である。

【００３２】図２に示すように、振動子２０は、直方体
形状（厳密に直方体でなくてもよい）の圧電材料からな
る第１及び第２の部材３０，３１と、第１の部材３０の
第１の側面（図２では下面）と第２の部材３１の第１の
側面（図２では上面）との間に挟んで形成された電極３
２と、第１の部材３０の前記第１の側面に相対する第１
の部材３０の第２の側面（図２では上面）における両側
位置にそれぞれ形成された電極３３，３４と、第２の部
材３１の前記第１の側面に相対する第２の部材３１の第
２の側面（図２では下面）に形成された電極３５と、を
備えている。

【００３３】本実施例では、第１及び第２の部材３０，
３１は、圧電セラミック（例えば、チタン酸ジルコン酸
鉛（ＰＺＴ））からなり、それらの厚みは０.５ｍｍ、
幅は１.０ｍｍ、長さは９.０ｍｍとされている。もっと
も、本発明では、このような寸法に限定されるものでは
ない。第１の部材３０の分極方向は図２中の上方向、第
２の部材３１の分極方向は図２中の下方向である。電極
３３，３４は、第１の部材３０の上面の両側位置に、第
１の部材３０の長さ方向に銀ペーストで形成され、それ
ぞれの幅が０.３ｍｍとされている。電極３５は、第２
の部材３１の下面の全面に銀ペーストで形成されてい
る。電極３２は、第１の部材３０の下面の全面に予め形
成された銀ペーストと第２の部材３１の上面の全面に予
め形成された銀ペーストとを、エポキシ性接着剤等の接
着剤（図示せず）により接合した構造とされている。前
記接着剤による振動子の振動への影響を極力なくすため
に、前記接着剤として粘度の低いものを用いることが好
ましい。なお、前記接着剤自体が導電性を有していなく
ても、接着の際に適当に圧力を加えることにより、第１
の部材３０の下面に形成された銀ペーストと第２の部材
３１の上面に形成された銀ペーストとの間には接着剤が
介在せずに直接接触する多くの微小領域が存在し、両者
は電気的に接続されることになる。もっとも、前記接着
剤として導電性接着剤を用いてもよい。

【００３４】振動子２０は、このような構造を有してい
るので、一度に大量に製造することができる。すなわ
ち、電極３３，３４の電極パターン及び電極３２の一部
を構成する電極パターンを予め多数の振動子２０の分形
成した圧電板と、電極３５の電極パターン及び電極３２
の他の一部を構成する電極パターンを予め多数の振動子
２０の分形成した圧電板とを前記接着剤にて接合し、こ
の接合板を個々の振動子２０に切断することによって、
一度に大量の振動子２０を製造することができる。ま
た、反応性エッチング等による電極パターン形成、精密
切断機等による接合板の切断を行うことによって、小型
の振動子２０を再現性良く製造することができる。

【００３５】この振動子２０では、例えば、電極３２が
基準電極（アース電極）、電極３３，３４がコリオリ力
検出用電極、電極３５が振動子励振用電極（駆動電極）
として、用いられる。また、電極３３，３４のうちの一
方又は両方が、自励振回路の入力信号を取り出すために
用いられる、すなわち、振動子２０の振動状態を示す電
圧を得るための信号を自励振用として取り出すために、
用いられる。電極３２を基準電極として、電極３５に励
振用電圧（駆動電圧）を印加すると、第２の部材３１が
電極３２，３５の面と垂直な方向（図２中の上下方向）
に屈曲振動し、したがって、振動子２０の全体がこの方
向に屈曲振動する。部材３０，３１の長さ方向に延びた
任意の軸を中心として振動子２０が回転したとすると、
部材３０，３１の幅方向にコリオリ力が発生し、このコ
リオリ力により振動子２０がこの方向に屈折振動が発生
する。この屈折振動により、コリオリ力に相当する信号
が逆位相でそれぞれ電極３３，３４に発生する。電極３
３，３４に発生する信号には、この信号のみならず、電
極３２，３５の面と垂直な方向の振動子２０の屈曲振動
（励振）による信号も含まれるが、電極３３の信号と電
極３４の信号との差動をとって励振による成分をキャン
セルすることにより、コリオリ力に相当する信号のみを
得ることができ、したがって、振動子２０の回転速度
（角速度）を測定することができる。

【００３６】なお、部材３０，３１の材料としては、駆
動電圧印加により効果的に振動子２０が振動するため
と、振動子２０の振動による発生電圧が大きく取れるよ
うに、それぞれＱの大きい圧電材料が選択される。ま
た、振動子２０の厚み方向の共振周波数と幅方向の共振
周波数をほぼ一致させることが好ましい。両者を一致さ
せると、振動子２０の断面は、略正方形になる。この周
波数合わせは、例えば、振動子２０を振動させながら側
面をレーザー等で削ることにより共振周波数を調整する
ことによって、行われる。

【００３７】次に、図１及び図３を参照して、自励振回
路２１について説明する。図３は、図１中のａ〜ｅ点の
波形を示す波形図である。

【００３８】自励振回路２１は、図１に示すように、電
流電圧変換器（Ｉ−Ｖ変換器）４０と、ゼロクロスコン
パレータ４１と、アッテネータ４２と、バンドパスフィ
ルタ４３と、移相器４４とを備えている。

【００３９】電流電圧変換器４０の入力側が、自励振回
路２１の入力端となっており、振動子２０の電極３３
（勿論、電極３４でもよい。）に接続される。電極３５
と電極３２との間に振動子２０の共振周波数の正弦波の
交流電圧が印加される（後述するように、オペアンプ７
２からなる電圧ホロワにより印加される）と、振動子２
０が電極３２，３５の面に垂直な方向に振動する。この
振動により、電極３３，３４からは、圧電効果により振
動子２０の共振周波数の正弦波が発生する。

【００４０】図１に示すように、電流電圧変換器４０
は、オペアンプ５１、抵抗器５２及びコンデンサ５３で
構成されている。電流電圧変換器４０は、その入力側が
振動子２０の電極３３に接続され、振動子２０からの１
つの入力信号（本実施例では、電極３３からの信号）を
電流信号として受けて該電流信号を電圧信号に変換して
出力する。すなわち、本実施例では、振動子２０が振動
すると、その圧電効果により発生した電荷が電極３３を
介して電流としてオペアンプ５１の仮想接地点に流れ込
み、その電流が電圧に変換される。このように、本実施
例では、振動子２０からの圧電信号を電流信号として取
り出しているので、圧電信号をロスすることなく取り出
すことができる。なお、本実施例では、入力電流と出力
電圧の位相は反転する。また、抵抗器５２とコンデンサ
５３によりローパスフィルタが構成され、これにより高
周波成分がカットされるようになっている。もっとも、
コンデンサ５３を削除してもよい。

【００４１】電流電圧変換器４０から出力される電圧信
号（正弦波電圧）を図３（ａ）に示す。電流電圧変換器
４０の出力の振幅は、図３（ａ）中に実線と点線に示す
ように、例えば振動子２０に角速度が加わってコリオリ
力が発生した場合にこれに応じて必然的に変化する。ま
た、電流電圧変換器４０の出力の振幅は、振動子２０の
機械的及び電気的な不安定性により変動する。

【００４２】ゼロクロスコンパレータ４１は、オペアン
プ５４を用いて構成されており、電流電圧変換器４０の
出力（本実施例では、この出力が振動子２０の振動状態
を示す正弦波電圧に相当する）を、電流電圧変換器４０
の出力がゼロレベル（電極３２の電位）より大きいとき
に正の電源電圧レベル（例えば、＋３Ｖ）となるととも
に電流電圧変換器４０の出力がゼロレベルより小さいと
きに負の電源電圧レベル（例えば、−３Ｖ）となる方形
波電圧に変換する。この際、入力波形の振幅に関係な
く、ゼロクロスコンパレータ４１によって、電源電圧で
決定される出力振幅に保証され、出力される。図３
（ｂ）にゼロクロスコンパレータ４１の出力を示す。な
お、本実施例では、ゼロクロスコンパレータ４１が用い
られ、ゼロレベルを基準レベルとし、前記方形波電圧が
直流成分を持たないが、前記方形波電圧が直流成分を持
つようにしてもよい。

【００４３】アッテネータ４２は、抵抗器５５及び可変
抵抗器５６からなる分圧回路で構成されており、ゼロク
ロスコンパレータ４１の出力（方形波電圧）の振幅をそ
の分圧比に応じて減衰させて出力する。アッテネータ４
２から出力される方形波電圧の振幅は、可変抵抗器５６
を調整することにより任意に設定することができる。ア
ッテネータ４２の出力を図３（ｃ）に示す。アッテネー
タ４２内の可変抵抗器５６によりその出力電圧の振幅を
減少調節することにより、以下で述べる、電極３５に正
帰還をかける電圧（駆動電圧）が一定となり、振動子２
０を一定の振幅で自励振させることが可能になる。な
お、ゼロクロスコンパレータ４１から出力される方形波
電圧の振幅が適当なものであれば、アッテネータ４２を
削除してもよい。

【００４４】バンドパスフィルタ４３は、オペアンプ５
７〜５９、抵抗器６０〜６５及びコンデンサ６６により
構成された状態変数型のフィルタであり、振動子２０の
共振周波数付近のみを通過させる。すなわち、バンドパ
スフィルタ４３は、アッテネータ４２の出力の方形波電
圧から、電流電圧変換器４０の出力電圧と同一周波数の
正弦波電圧を濾波する。本実施例では、バンドパスフィ
ルタ４３は、入力されたアッテネータ４２の出力の方形
波電圧に対し、位相反転した（位相反転させるのは、電
流電圧変換器４０で入力電流と出力電圧の位相が反転し
ていることによる。）振幅一定の、振動子２０の共振周
波数の正弦波電圧を出力する。図３（ｄ）にその出力波
形を示す。バンドパスフィルタ４３に代えて、ローパス
フィルタを用いてもよい。なお、バンドパスフィルタ４
３の通過帯域は、抵抗器６０〜６５の抵抗値により決定
される。

【００４５】図３（ｄ）に示すように、バンドパスフィ
ルタ４３から出力される正弦波電圧の位相は、振動子２
０の振動の振幅が略最大となるような位相からずれ、少
し遅れるのが一般的である。

【００４６】移相器４４は、振動子２０の振動の振幅が
略最大となるように、バンドパスフィルタ４３により濾
波された正弦波電圧の位相を調整する。図３（ｅ）にそ
の出力波形を示す。本実施例では、バンドパスフィルタ
４３は、オペアンプ６７、抵抗器６８，６９、可変抵抗
器７０及びコンデンサ７５で構成され、可変抵抗器７０
の抵抗値を調節することにより、出力波形の位相を微調
節できるようになっている。なお、本実施例では、バン
ドパスフィルタ４３の出力側と移相器４４の入力側との
間には、オペアンプ７１からなる電圧ホロワが設けられ
ているが、これは削除することもできる。

【００４７】移相器４４の出力側には、オペアンプ７２
からなる電圧ホロワの入力側が接続され、この電圧ホロ
ワの出力側が自励振回路２１の出力端となっており、こ
の出力端は振動子２０の電極３５に接続される。これに
より、移相器４４の出力が電圧ホロワを介して電極３５
に供給されて振動子２０の共振周波数の正帰還がかか
り、振動子２０を共振周波数で効率よく、正確に自励振
駆動させることが可能になる。なお、オペアンプ７２か
らなる電圧ホロワも削除して、移相器４４の出力側を自
励振回路２１の出力端としてもよい。

【００４８】なお、電流電圧変換器４０、ゼロクロスコ
ンパレータ４１、アッテネータ４２、フィルタ４３及び
移相器４４の構成は、前述した構成に限定されるもので
はない。

【００４９】以上説明した自励振回路２１によれば、電
流電圧変換器４０の出力である振動子２０の振動状態を
示す正弦波電圧（図３（ａ））の振幅の変動にかかわら
ず、すなわち、振動子の機械的及び電気的な不安定性や
コリオリ力の影響にかかわらず、駆動電圧とされる移相
器４４の出力である正弦波電圧（駆動電圧）の振幅は、
所定レベルに保証されて安定する。よって、振動子２０
の自励振動時の振幅が安定し、振動子２０の共振周波数
以外の周波数での異常発振が防止される。

【００５０】次に、再び図１を参照して、検出回路２２
について説明する。本実施例では、検出回路２２は、電
流電圧変換器８０と、差動回路８１とを備えている他、
前記電流電圧変換器４０も検出回路２２の一部として共
用されている。電流電圧変換器８０は、前記電流電圧変
換器４０と同様に、オペアンプ８２、抵抗器８３及びコ
ンデンサ８４で構成されている。電流電圧変換器８０の
入力側は、振動子２０の電極３４に接続される。差動回
路８１は、電流電圧変換器４０，８０の出力の差動をと
って出力する。既に振動子２０に関して説明した所から
明らかなように、差動回路８１の出力が、コリオリ力に
相当する信号、すなわち、検出信号となる。

【００５１】次に、本発明の第２の実施例による圧電振
動角速度計について、図４を参照して説明する。図４
は、本実施例による圧電振動角速度計を示す回路図であ
る。図４において、図１に示す構成要素と同一又は対応
する構成要素には同一符号を付し、その説明は省略す
る。

【００５２】図４に示す圧電振動角速度計が前述した図
１に示す圧電振動角速度計と異なる所は、次の点のみで
ある。すなわち、図１に示す圧電振動角速度計の自励振
回路２１では、振動子２０の電極３３，３４のうち一方
の電極３３のみから電流電圧変換器４０で電流信号を取
り出し電圧信号に変換してゼロクロスコンパレータ４１
に直接入力させていたのに対して、図４に示す圧電振動
角速度計の自励振回路１００では、検出回路２２の電流
電圧変換器８０を共用し、振動子２０の電極３３，３４
の両方から電流電圧変換器４０，８０でそれぞれ電流信
号を取り出しそれぞれ電圧信号に変換し、加算器９０で
それらの電圧信号の和をとり、その和（本実施例では、
この和が振動子２０の振動状態を示す正弦波電圧に相当
する）をゼロクロスコンパレータ４１に入力させてい
る。本実施例では、加算器９０は、抵抗器９１，９２で
構成されているが、これに限定されるものではない。

【００５３】電極３３，３４から得られるコリオリ力に
係る信号は互いに逆位相で発生するため、個々の電流電
圧変換器４０，８０から出力される電圧信号はコリオリ
力により逆位相に振幅が変化する正弦波であり、これら
出力の和を加算器９０でとることにより、この変化が相
殺されコリオリ力と無関係に一定になるはずである。し
かし、現実には、電極３３，３４の面積の微妙な違いや
ＰＺＴの局所的な、場所的な特性の違いや、振動子２０
のその他の機械的及び電気的な不安定性により、加算器
９０の出力（和の出力）が一定にならず、加算器９０の
出力の振幅が変動してしまう。

【００５４】しかし、この振幅変化した正弦波電圧信号
はゼロクロスコンパレータ４１に入力され、その出力
は、電源電圧で決定される振幅の矩形電圧に変換され、
その入力の振幅出力には依存しなくなる。その後のアッ
テネータ４２、バンドパスフィルタ４３、移相器４４の
機能は図１に示す自励振回路２１の場合と同じである。

【００５５】したがって、本実施例によっても、振動子
２０の自励振動時の振幅が安定し、振動子２０の共振周
波数以外の周波数での異常発振が防止される。

【００５６】次に、本発明の第３の実施例による圧電振
動角速度計について、図５を参照して説明する。図５
は、本実施例による圧電振動角速度計を示す回路図であ
る。図５において、図１に示す構成要素と同一又は対応
する構成要素には同一符号を付し、その説明は省略す
る。

【００５７】図５に示す圧電振動角速度計が前述した図
１に示す圧電振動角速度計と異なる所は、次の点のみで
ある。すなわち、図１に示す圧電振動角速度計の自励振
回路２１では、電流電圧変換器４０を用いて振動子２０
の電極３３からの入力信号を電流信号として取り出して
電圧信号に変換していたのに対し、図５に示す圧電振動
角速度計の自励振回路１１０では、振動子２０の電極３
３からの入力信号を抵抗器１０５を経由して電圧信号と
して取り出し、これをゼロクロスコンパレータ４１に入
力させている。また、これに合わせて、図５中の検出回
路１２０では、振動子２０の電極３４からの入力信号を
抵抗器１０６を経由して電圧信号として取り出してい
る。差動回路８１は、抵抗器１０５，１０６からのそれ
ぞれの電圧信号の差動をとる。なお、図１に示す圧電振
動角速度計の自励振回路２１では、電流電圧変換器４０
の入力電流と出力電圧の位相が反転していたのに対し、
図５に示す圧電振動角速度計の自励振回路１１０では、
このような位相の反転がないので、図５中の移相器４４
の位相の調整量は図１中の移相器４４の位相の調整量と
異なる。

【００５８】本実施例によっても、図１に示す圧電振動
角速度計と同様に、振動子２０の自励振動時の振幅が安
定し、振動子２０の共振周波数以外の周波数での異常発
振が防止される。

【００５９】次に、本発明の第４の実施例による圧電振
動角速度計について、図６を参照して説明する。図６
は、本実施例による圧電振動角速度計を示す回路図であ
る。図６において、図４に示す構成要素と同一又は対応
する構成要素には同一符号を付し、その説明は省略す
る。

【００６０】図６に示す圧電振動角速度計が前述した図
４に示す圧電振動角速度計と異なる所は、次の点のみで
ある。すなわち、図４に示す圧電振動角速度計の自励振
回路１００では、電流電圧変換器４０，８０を用いて振
動子２０の電極３３，３４からの入力信号をそれぞれ電
流信号として取り出してそれぞれ電圧信号に変換し、加
算器９０でそれらの電圧信号の和をゼロクロスコンパレ
ータ４１に入力させていたのに対し、図６に示す圧電振
動角速度計の自励振回路１３０では、加算器１３１を用
いて振動子２０の電極３３，３４からの入力信号を電圧
信号として取り出してそれらの電圧信号の和をゼロクロ
スコンパレータ４１に入力させている。また、これに合
わせて、図６中の検出回路１４０では、振動子２０の電
極３３，３４からの入力信号を抵抗１４１，１４２をそ
れぞれ経由して電圧信号として取り出し、差動回路８１
は、抵抗器１４１，１４２からのそれぞれの電圧信号の
差動をとる。本実施例では、加算器１３１は、オペアン
プ１３２及び抵抗器１３３〜１３５で構成されている
が、これに限定されるものではない。この加算器１３１
では、入力電圧と出力電圧の位相は反転する。

【００６１】次に、本発明による圧電振動角速度計にお
いて用いられる振動子の他の例について、図７を参照し
て説明する。図７は、この振動子２００を示す図であ
り、図７（ａ）はその斜視図、図７（ｂ）はその正面図
である。図７において、図２中の構成要素と同一構成要
素には同一符号を付し、その説明は省略する。

【００６２】この振動子２００が図２に示す振動子２０
と異なる所は、振動子２００では、電極２０１が追加さ
れている点のみである。すなわち、振動子２００では、
第１の部材３０の第２の側面（図７では上面）における
略中央の位置に、電極３３，３４と独立して、電極２０
０が形成されている。本例では、電極２０１は、第１の
部材３０の上面の中央に第１の部材３０の長さ方向に銀
ペーストで形成され、その幅も０．３ｍｍとされてい
る。電極２００は、第１の部材３０の上面の中央に形成
されているので、コリオリ力による部材３０，３１の幅
方向の屈曲振動によっては電圧変動がなく、また、電極
３３，３４と独立しているので、検出回路と自励振回路
とを電気的に分離でき、両者の相互干渉を防止すること
ができる。

【００６３】この振動子２００は、例えば、図１や図５
に示す自励振回路２１，１１０と組み合わせることがで
きる。振動子２００を図１に示す自励振回路２１と組み
合わせる場合、例えば、振動子２００の電極２０１が電
流電圧変換器４０の入力側に接続され、振動子２００の
電極３５が電圧ホロワ７２の出力側に接続される。ま
た、振動子２００の電極３４が検出回路２２の電流電圧
変換器８０の入力側に接続され、検出回路２２に電流電
圧変換器８０と同様の電流電圧変換器（図示せず）が追
加され、振動子２００の電極３３が追加した電流電圧変
換器の入力側に接続され、差動回路８１は電流電圧変換
器８０の出力と追加した電流電圧変換器の出力との差動
をとる。振動子２００を図５に示す自励振回路１１０と
組み合わせる場合も、同様である。

【００６４】また、図１、図４、図５、図６に示す圧電
振動角速度計において、図２に示す振動子２０の代わり
に、図８に示す振動子２１０を用いてもよい。

【００６５】図８は振動子２１０を示し、図８（ａ）は
その斜視図、図８（ｂ）はその正面図である。図８にお
いて、図２中の構成要素と同一又は対応する構成要素に
は同一符号を付し、その説明は省略する。

【００６６】この振動子２００が前記振動子２０と異な
る所は、電極３３，３４が、第１の部材３０の上面（第
２の側面）にではなく、第１の部材３０の第１の側面
（下面）と隣合う第１の部材３０の第３及び第４の側面
にそれぞれ形成されている点のみである。しかしなが
ら、振動子２００が振動子２０と実質的に等価であるこ
とは、明白である。

【００６７】また、図７に示す振動子２００の場合と同
様にして、図９に示す振動子２２０を図１や図５に示す
自励振回路２１，１１０と組み合わせてもよい。

【００６８】図９は振動子２２０を示し、図９（ａ）は
その斜視図、図９（ｂ）はその正面図である。図９にお
いて、図７中の構成要素と同一又は対応する構成要素に
は同一符号を付し、その説明は省略する。

【００６９】この振動子２２０が図７に示す前記振動子
２００と異なる所は、電極３３，３４が、第１の部材３
０の上面（第２の側面）にではなく、第１の部材３０の
第１の側面（下面）と隣合う第１の部材３０の第３及び
第４の側面にそれぞれ形成されている点のみである。し
かしながら、振動子２２０が振動子２００と実質的に等
価であることは、明白である。

【００７０】また、図１、図４、図５、図６に示す圧電
振動角速度計において、図２に示す振動子２０の代わり
に、図１０に示す振動子２３０を用いてもよい。

【００７１】図１０は振動子２３０を示し、図１０
（ａ）はその斜視図、図１０（ｂ）はその正面図であ
る。図１０において、図２中の構成要素と同一構成要素
には同一符号を付し、その説明は省略する。

【００７２】この振動子２３０が前記振動子２０と異な
る所は、振動子２３０では、振動子２０で第２の部材３
１の第２の側面（図１０では下面）に形成されていた電
極３５が削除され、代わりに、電極２３１が追加されて
いる点である。電極２３１は、第１の部材３０の第２の
側面（図１０では上面）の略中央の位置に第１の部材３
０の長さ方向に銀ペーストで形成され、その幅は電極３
３，３４より広くされている。

【００７３】図２に示す振動子２０では、第２の部材３
１の圧電現象を利用して振動子２０全体を励振させてい
たのに対し、図１０に示す振動子２３０では、第２の部
材３１の圧電現象は全く利用せずに、第１の部材３０の
圧電現象のみを利用して振動子２３０の振動の検出のみ
ならず振動子２３０全体の励振を行う。しかし、振動子
２３０も振動子２０と同様である。

【００７４】なお、振動子２３０では、第２の部材３１
の圧電現象を全く利用せず、第２の部材３１は圧電的に
不活性であるので、第２の部材３１の材料としては、圧
電材料のみならず圧電的に本来不活性な材料、例えば、
アルミナやガラス等を用いてもよい。

【００７５】なお、この振動子２３０を、図１、図４、
図５、図６に示す圧電振動角速度計において図２に示す
振動子２０の代わりに用いる場合には、各自励振回路２
１，１００，１１０，１３０の出力端を振動子２３０の
電極２３１に接続する。

【００７６】また、図１、図４、図５、図６に示す圧電
振動角速度計において、図２に示す振動子２０の代わり
に、図１１に示す振動子２４０を用いてもよい。

【００７７】図１１は振動子２４０を示し、図１１
（ａ）はその斜視図、図１１（ｂ）はその正面図であ
る。図１１において、図１０中の構成要素と同一又は対
応する構成要素には同一符号を付し、その説明は省略す
る。

【００７８】この振動子２４０が図１０に示す振動子２
３０と異なる所は、電極３３，３４が、第１の部材３０
の上面（第２の側面）にではなく、第１の部材３０の第
１の側面（下面）と隣合う第１の部材３０の第３及び第
４の側面にそれぞれ形成されている点のみである。しか
しながら、振動子２４０が振動子２３０と実質的に等価
であることは、明白である。

【００７９】次に、本発明による圧電振動角速度計にお
いて用いられる振動子の更に他の例について、図１２を
参照して説明する。図１２は、この振動子３００を示す
図であり、図１２（ａ）はその斜視図、図１２（ｂ）は
その正面図である。

【００８０】この振動子３００は、断面が一辺２ｍｍの
正方形、長さ１５ｍｍのエリンバー合金の金属柱（支
柱）３１０の４側面に、両面に銀ペーストにより電極
（図示せず）を形成した縦１.６ｍｍ、横３ｍｍ、厚み
０.３ｍｍのＰＺＴ板（すなわち、圧電素子）３２０，
３３０，３４０，３５０を接着させたものである。な
お、各部の寸法は、これらの寸法に限定されるものでは
ない。

【００８１】ＰＺＴ板３２０は逆圧電効果による振動子
励起用、ＰＺＴ板３３０は圧電効果により振動子３００
の振動による電圧発生用、ＰＺＴ板３４０，３５０は長
さ方向に平行な軸の周りに回転し角速度を持った場合に
発生するコリオリ力感知用である。金属柱３１０はアー
ス電位として使用するため、各ＰＺＴ板３２０，３３
０，３４０，３５０の金属柱３１０に接触している面の
電極はアース電位になる。ＰＺＴ板３２０は印加される
正弦波電圧により振動し、その振動により金属柱３１０
がＰＺＴ板３２０の厚み方向に凹凸になるように振動す
る。ＰＺＴ板３３０は金属柱３１０にならって振動し、
電圧効果により振動と同じ周波数の電圧が発生する。コ
リオリ振動感知用電極３４０，３５０は、振動子と同じ
で且つ互いに同じ振動数で、コリオリ力分が逆位相で電
圧を発生する。

【００８２】この振動子３００の場合も、図１、図４、
図５、図６の自励振動回路を用いることができる。振動
子２０の電極３２として金属柱３１０を、電極３３，３
４としてＰＺＴ板３５０，３４０の外側の電極を、電極
３５としてＰＺＴ板３２０の外側の電極を使用すればよ
い。また、図１、図６の自励振回路の場合、すなわちＰ
ＺＴ板３４０，３５０の一方をコンパレータ入力に使用
する場合に、このＰＺＴ板の代わりにＰＺＴ板３３０の
出力を使用しても、同様の自励振駆動ができる。

【００８３】次に、本発明による圧電振動角速度計にお
いて用いられる振動子の更に他の例について、図１３を
参照して説明する。図１３は、この振動子４００を示す
図であり、図１３（ａ）はその斜視図、図１３（ｂ）は
その正面図である。

【００８４】この振動子４００は、断面が一辺２ｍｍの
正三角形、長さ１５ｍｍの金属柱４１０の３側面に、両
面に銀ペーストにより電極（図示せず）を形成した縦
１.４ｍｍ、横３ｍｍ、厚み０.３ｍｍのＰＺＴ板（すな
わち、圧電素子）４２０，４３０，４４０を接着させた
ものである。なお、各部の寸法は、これらの寸法に限定
されるものではない。金属柱４１０の材質は、図１２に
示す振動子３００の金属柱３１０と同様に、弾性係数の
温度変化が少ない金属材料が好ましい。

【００８５】この振動子４００の場合も、図１、図４、
図５、図６の自励振動回路を用いることができる。振動
子２０の電極３２として金属柱４１０を、電極３３，３
４としてＰＺＴ板４２０，４３０の外側の電極を、電極
３５としてＰＺＴ板４４０の外側の電極を使用すればよ
い。

【００８６】次に、本発明による圧電振動角速度計にお
いて用いられる振動子の更に他の例について、図１４を
参照して説明する。図１４は、この振動子５００を示す
図であり、図１４（ａ）はその斜視図、図１４（ｂ）は
その正面図である。

【００８７】この振動子５００は、直径２ｍｍ、長さ１
４ｍｍのＰＺＴ円柱５１０の側面に、長さ方向に個々に
平行に帯状の電極５２０，５３０，５４０，５５０，５
６０を図１４（ｂ）に示すように形成したものである。
なお、各部の寸法は、これらの寸法に限定されるもので
はない。

【００８８】この振動子５００の場合も、図１、図４、
図５、図６の自励振動回路を用いることができる。振動
子２０の電極３２として２つの電極５５０，５４０を、
電極３３，３４として電極５３０，５６０を、電極３５
として電極５２０を使用すればよい。

【００８９】以上、本発明の各実施例について説明した
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。

【００９０】例えば、本発明による圧電振動角速度計で
用いられる振動子は前述した各振動子に限定されるもの
ではない。また、前記実施例は、本発明による自励振回
路で圧電振動角速度計の振動子を自励振駆動する例であ
ったが、本発明の自励振回路は他の装置等の振動子を自
励振駆動する場合にも用いることができる。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
振動子の機械的及び電気的な不安定性にもかかわらず駆
動電圧を安定させることができ、振動子の自励振動時の
振幅を安定させることができるとともに、振動子の共振
周波数以外の周波数での異常発振を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による圧電振動角速度計を示
す回路図である。

【図２】振動子の一例を示す図であり、（ａ）はその斜
視図、（ｂ）はその正面図である。

【図３】図１中の回路各部の波形を示す波形図である。

【図４】本発明の他の実施例による圧電振動角速度計を
示す回路図である。

【図５】本発明の更に他の実施例による圧電振動角速度
計を示す回路図である。

【図６】本発明の更に他の実施例による圧電振動角速度
計を示す回路図である。

【図７】振動子の他の例を示す図であり、（ａ）はその
斜視図、（ｂ）はその正面図である。

【図８】振動子の更に他の例を示す図であり、（ａ）は
その斜視図、（ｂ）はその正面図である。

【図９】振動子の更に他の例を示す図であり、（ａ）は
その斜視図、（ｂ）はその正面図である。

【図１０】振動子の更に他の例を示す図であり、（ａ）
はその斜視図、（ｂ）はその正面図である。

【図１１】振動子の更に他の例を示す図であり、（ａ）
はその斜視図、（ｂ）はその正面図である。

【図１２】振動子の更に他の例を示す図であり、（ａ）
はその斜視図、（ｂ）はその正面図である。

【図１３】振動子の更に他の例を示す図であり、（ａ）
はその斜視図、（ｂ）はその正面図である。

【図１４】振動子の更に他の例を示す図であり、（ａ）
はその斜視図、（ｂ）はその正面図である。

【図１５】従来の自励振回路を示す図である。

【符号の説明】

２０，２００，２１０，２２０，２３０，２４０振動
子３００，４００，５００振動子２１，１００，１１０，１３０自励振回路２２，１２０，１４０検出回路４０電流電圧変換器４１ゼロクロスコンパレータ４２アッテネータ４３バンドパスフィルタ４４移相器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子を自励振駆動する自励振回路にお
いて、前記振動子の振動状態を示す第１の正弦波電圧を、当該
第１の正弦波電圧が所定の基準レベルより大きいときに
第１の所定レベルとなるとともに当該第１の正弦波電圧
が前記基準レベルより小さいときに第２の所定レベルと
なる方形波電圧に変換する変換手段と、前記方形波電圧から前記第１の正弦波電圧と同一周波数
の第２の正弦波電圧を濾波するフィルタと、前記振動子の振動の振幅が略最大となるように、前記フ
ィルタにより濾波された第２の正弦波電圧の位相を調整
する移相器と、を備えたことを特徴とする自励振回路。
【請求項２】前記振動子からの１つの入力信号を電流
信号として受けて該電流信号を電圧信号に変換する電流
電圧変換器を備え、前記変換手段は、該電流電圧変換器
の出力を前記第１の正弦波電圧として前記方形波電圧に
変換することを特徴とする請求項１記載の自励振回路。
【請求項３】前記振動子からの１つの入力信号を電圧
信号として受ける手段を備え、前記変換手段は、該電圧
信号を前記第１の正弦波電圧として前記方形波電圧に変
換することを特徴とする請求項１記載の自励振回路。
【請求項４】前記振動子からの複数の入力信号を受け
て該複数の入力信号の和に相当する電圧信号を得る手段
を備え、前記変換手段は、前記複数の入力信号の和に相
当する前記電圧信号を前記第１の正弦波電圧として前記
方形波電圧に変換することを特徴とする請求項１記載の
自励振回路。
【請求項５】前記複数の入力信号の和に相当する電圧
信号を得る前記手段は、前記複数の入力信号をそれぞれ
電流信号として受けて該電流信号をそれぞれ電圧信号に
変換する複数の電流電圧変換器を有することを特徴とす
る請求項４記載の自励振回路。
【請求項６】前記複数の入力信号の和に相当する電圧
信号を得る前記手段は、前記複数の入力信号をそれぞれ
電圧信号として受ける手段を有することを特徴とする請
求項４記載の自励振回路。
【請求項７】前記変換手段が、ゼロクロスコンパレー
タを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに
記載の自励振回路。
【請求項８】前記変換手段が、前記ゼロクロスコンパ
レータの出力を減衰させるアッテネータを更に含むこと
を特徴とする請求項７記載の自励振回路。
【請求項９】前記アッテネータが、可変抵抗器を含む
分圧回路からなることを特徴とする請求項８記載の自励
振回路。
【請求項１０】振動子と、該振動子を自励振駆動する
自励振回路とを備えた圧電振動角速度計において、前記
自励振回路が請求項１乃至９のいずれかに記載の自励振
回路であることを特徴とする圧電振動角速度計。
【請求項１１】前記振動子が、直方体形状の圧電材料
からなる第１及び第２の部材と、前記第１の部材の第１
の側面と前記第２の部材の第１の側面との間に挟んで形
成された第１の電極と、前記第１の部材の前記第１の側
面に相対する前記第１の部材の第２の側面における両側
位置にそれぞれ形成されるか、あるいは、前記第１の部
材の前記第１の側面と隣合う前記第１の部材の第３及び
第４の側面にそれぞれ形成された第２及び第３の電極
と、前記第２の部材の前記第１の側面に相対する前記第
２の部材の第２の側面に形成された第４の電極と、を備
えたことを特徴とする請求項１０記載の圧電振動角速度
計。
【請求項１２】前記振動子が、前記第１の部材の前記
第２の側面の略中央の位置に形成された第５の電極を更
に備えたことを特徴とする請求項１１記載の圧電振動角
速度計。
【請求項１３】前記振動子が、直方体形状の圧電材料
からなる第１の部材と、直方体形状の第２の部材と、前
記第１の部材の第１の側面と前記第２の部材の第１の側
面との間に挟んで形成された第１の電極と、前記第１の
部材の前記第１の側面に相対する前記第１の部材の第２
の側面における両側位置にそれぞれ形成されるか、ある
いは、前記第１の部材の前記第１の側面と隣合う前記第
１の部材の第３及び第４の側面にそれぞれ形成された第
２及び第３の電極と、前記第１の部材の前記第２の側面
の略中央の位置に形成された第４の電極と、を備えたこ
とを特徴とする請求項１０記載の圧電振動角速度計。
【請求項１４】前記振動子が、円柱形状の圧電材料か
らなる部材と、該部材の外周面上に軸方向に形成された
複数の帯状電極と、を備えたことを特徴とすることを特
徴とする請求項１０記載の圧電振動角速度計。
【請求項１５】前記振動子が、多角柱形状の金属から
なる部材と、該部材の複数の側面にそれぞれ接合された
複数の圧電素子と、を備えたことを特徴とする請求項１
０記載の圧電振動角速度計。