KR100223687B1

KR100223687B1 - 정전형 변환수단의 용량성분 저감회로 및 정전형 변환수단의 구동장치 및 검출장치

Info

Publication number: KR100223687B1
Application number: KR1019960000361A
Authority: KR
Inventors: 도미까와요시로우
Original assignee: .; 도미까와 요시로우
Priority date: 1995-01-11
Filing date: 1996-01-10
Publication date: 1999-10-15
Also published as: KR960029673A; US5675296A; JPH08307199A; DE19600689C2; DE19600689A1

Abstract

[목적] 정전형변환수단의 일예인 압전진동자의 구동장치에 있어서 압전진동자의 제동용량에 의한 전류소비를 등가적으로 저감하여 효과적인 구동이 될 수 있도록 한다. 또 제동용량의 저감효과에 주파수의존성이 없는 것으로 한다.

[구성] 압전진동자(2)에 교류구동전원(5)으로부터 구동전압(V)이 가해진다. 압전진동자(2)의 전극(C)에는 (N + 1)배의 전압증폭율을 가지는 증폭기(7)와, 정전용량(Cs)이 직렬로 접속된 루프회로(8)가 설치되어 있다. 정전용량(Cs)을 압전진동자(2) 제동용량(Cd)의 1/N로 설정하면 제동용량(Cd)에 흐르는 전류(i3)가 정전용량(Cs)으로 부터의 전류(i1)에 의하여 치환되어 부담되어, 구동전류(I)가 제동용량(Cd)에 의하여 소비되지 않게 된다. 제동용량(Cd)을 저감하는 조건은 정전용량(Cs)의 용량치와 증폭기(7)의 증폭율에만 의존하는 것이 되어 주파수 의존성이 없다.

Description

정전형 변환수단의 용량성분 저감회로 및 정전형 변환수단의 구동장치 및 검출장치

제 1도는 본 발명의 압전진동자의 구동장치의 일실시예를 나타낸 등가회로도,

제 2도는 제 1도에 있어서, 압전진동자의 제동용량성분이 등가적으로 소거했을 때의 상태를 나타낸 등가회로도,

제 3도의 (a)와 (b)는 제 1도에 있어서의 압전진동자에 주어지는 전류의 게인 및 위상의 주파수특성을 나타낸 선도,

제 4도는 종래의 압전진동자의 구동장치의 실험에 사용한 등가회로도,

제 5도는 종래의 압전진동자의 구동장치의 실험결과를 나타내는 선도,

제 6도는 본 발명의 압전진동자의 구동장치의 실험에 사용한 등가회로도,

제 7도는 본 발명의 압전진동자의 구동장치의 실험결과를 나타낸 선도,

제 8도는 본 발명의 실험에 사용한 압전진동자의 구조를 나타낸 측면도,

제 9도는 본 발명의 자려발진형의 압전진동자의 구동장치의 일실시에를 나타낸 등가회로도,

제 10도(a)(b)는 제 9도에 있어서의 압전진동자의 공진점 부근에 있어서의 등가회로도,

제 11도는 자려발진형의 압전진동자의 구동장치의 다른 실시예를 나타낸 등가회로도,

제 12도(a)(b)는 제 11도에 있어서의 압전진동자의 반 공진점부근에 있어서의 등가회로도,

제 13도는 본 발명의 공진추적형의 압전진동자의 구동장치의 일실시예를 나타낸 등가회로도,

제 14도(a)(b)는 제 13도에 있어서의 압전진동자에의 공급전류의 게인 및 위상의 주파수특성을 나타낸 선도,

제 15도는 본 발명의 압전진동자의 검출장치의 일실시예를 나타낸 등가회로도,

제 16도는 제 15도에 있어서 압전진동자의 제동용량성분이 등가적으로 소거되었을 때의 상태를 나타낸 등가회로도,

제 17도는 종래의 압전진동자의 검출장치의 실험에 사용한 등가회로도,

제 18도는 종래의 압전진동자의 검출장치의 실험결과를 나타낸 그래프,

제 19도는 본 발명의 압전진동자의 검출장치의 실험에 사용한 등가회로도,

제 20도는 본 발명의 압전진동자의 검출장치의 실험결과를 나타낸 그래프,

제 21도는 본 발명의 다른 구성의 압전진동자의 구동장치를 나타낸 등가회로도,

제 22도는 제 21도에 나타낸 압전진동자의 구동장치를 개량한 더욱 바람직한 예를 나타낸 등가회로도,

제 23도는 제 22도에 나타낸 것을 제 13도의 공진추적형의 구동장치에 적용한 예를 나타낸 등가회로도,

제 24도 (a)는 정전변환기의 구동장치의 구성도, (b)는 그 등가회로도,

제 25도 (a)는 정전변환기를 사용한 검출장치의 구성도, (b)는 그 등가회로도,

제 26도 (a)는 압전진동자의 회로도, (b)는 압전진동자의 공진점에 있어서의 등가회로도,

제 27도는 압전진동자의 어드미턴스의 주파수특성을 나타낸 선도,

제 28도는 종래의 압전진동자의 구동회로에 있어서 압전진동자의 제동용량성분이 등가적으로 소거되는 수단을 설치한 등가회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 압전진동자 3 : 직렬공진변

4 : 병렬공진변 7 : 증폭기

8 : 루프회로(용량성분 저감회로)

22, 32 : 정귀환회로 블록 23,33 : 부귀환회로 블록

27,37 : 증폭기(오페앰프)

41 : 전압폴로어 57 : 증폭기

58 : 루프회로(용량성분 저감회로)

60 : 정전변환기 61 : 고정측 평면전극

62 : 가동측 평면전극 Ca : 정전변환기의 용량성분

Cd : 압전진동자의제동용량 Cs,Cs2 : 정전용량

본 발명은 압전왜곡을 사용한 압전진동자나 공극을 두고 마주보는 전극을 가지는 정전변환기 등의 정전형 변환수단에 있어서, 압전진동자의 제동용량이나 정전변환기의 용량성분을 저감하고 또는 상쇄하여 효율적인 구동 또는 고감도의 진동검출 등을 가능하게 한 정전형 변환수단의 용량성분 저감회로 및 정전형 변환수단의 구동장치 또는 검출장치에 관한 것이다.

정전형 변환수단은 각종 분야에 사용된다. 정전형 변환수단중, 압전변환기인 예를 들면, 압전진동자는 압전트랜스와 같이 전기적으로 파워를 인출하는 장치, 압전모터 또는 압전액츄에이터 등과 같이 역학적으로 파워를 인출하는 장치, 압전자이로스코프, 가속도센서, 초음파센서 및 적외선센서 등과 같이 주로 신호를 인출하는 장치, 주파수원으로서의 발진소자 등과 같이 신호를 만들어 내는 장치, 필터 등과 같이 신호를 선택하는 장치에 사용된다. 마찬가지로 정전변환기도 진동형 자이로스코프, 가속도센서, 초음파센서 또는 적외선센서 등에 사용이 가능하다.

제 26도 이하는 정전형 변환수단의 일예인 압전진동자의 구동의 종래예를 나타내고 있다. 제 26도(a)는 압전진동자(1)를 나타내고, 제 26도(b)의 등가회로에서는 공진점부근에서 진동하고 있을 때의 압전진동자를 부호 2로 나타내고 있다.

여기에서 Rm, Cm, Lm으로 이루어지는 직렬공진변(3)은 압전진동자(2)의 공진을 등가적으로 나타내고 있다. 상기 직렬공진변(3)을 포함하는 병렬공진변(4) 내에서의 Cd는 압전진동자의 제동용량성분이다. 제 27도는 압전진동자(2)의 어드미턴스의 주파수특성을 나타낸 것이고, fa는 공진점(공진주파수, 직렬공진점), fb는 반공진점(반공진주파수, 병렬공진점)을 나타내고 있다.

압전진동자를 구동할 때, 제동용량(Cd)에 흐르는 전류는 압전진동자의 진동에 기여하지 않고 있는 무효전류이다. 이 제동용량(Cd)에 전류를 공급하고 있기 때문에 구동전원은 압전진동자를 공진시키기 위하여 필요한 전력에 더하여 제동용량(Cd)에서 소비하는 전력을 공급하게 되어 그 만큼 구동전원의 용량을 크게 할 필요가 있다.

제 28도는 압전진동자를 공진점(fa)에서 진동시킬 때에, 제동용량(Cd)에 흐르는 전류를 등가적으로 소거하기 위한 종래의 회로예를 나타내고 있다.

이 종래예에서는 인덕턴스(Ld)를 가지는 코일(6)이 압전진동자(2)에 병렬로 접속되어 있다. 여기서 직렬 공진변(3)의 임피던스(Zm)는 1로 표시된다.

제 28도에 있어서의 교류구동전원(5)은 정전압원이고, 압전진동자(2)와 코일(6)에 인가되는 전압을 V라 하면, 압전진동자 (2)와 코일(6)에 흘러드는 전류(I)는 식 2로 표시된다.

식 2로부터 전류(I)를 최소로 하는 조건은 식 3의 조건을 만족할 때로서, 그 때 전류(I)는 식 4로 표시된다.

따라서 식 3을 인덕턴스(Ld)에 관하여 전개한 식 5로 표시되는 인덕턴스(Ld)를 가지는 코일을 압전진동자에 병렬로 접속함으로써 압전진동자의 제동용량(Cd)이 등가적으로 소거된다.

제동용량(Cd)에 흐르는 전류가 등가적으로 부정됨으로서 교류구동전원(5)의 전원용량을 그 만큼 저감할 수가 있다.

또 압전진동자를 공진상태에서 구동하기 위해서는 교류구동전원의 구동주파수는 공진점(fa)또는 반공진점(fb)에 가까울 것이 필요하다. 그러나 PZT계의 세라믹진동자 등에서는 외부환경의 온도변화나 진동자자체의 발열에 의하여 압전진동자의 탄성계수 등이 변화하여 공진주파수가 변동한다.

또 구동전압에 의해서도 그 공진주파수가 변동하는 것이 알려져 있다. 따라서 항상 공진점(fa)부근에서 압전진동자를 구동하기 위해서는 압전진동자의 공진주파수를 검지하여 그 주파수로 구동할 필요가 있다. 그러므로 최근의 압전모터 등에서는 압전진동자의 진동상태를 검지하기 위해 센서를 조립하여 구동전압 또는 구동전류와 상기 센서의 검출전압과의 위상차에 의거하여 압전진동자의 공진점의 변동을 추적하여, 항상 공진주파수에 가까운 주파수에서 구동하는 공진점추적형의 구동장치도 고려되고 있다.

한편 진동형자이로스코프 등과 같이 센서로서 압전진동자를 사용하는 경우에 있어서도 제동용량(Cd)의 영향에 의하여 압전진동자로부터 얻어지는 검출전압 또는 검출전류는 저감되어 압전진동자의 진동을 고감도로 검출할 수 없는 문제가 있다. 이 문제에 관해서도 압전진동자의 구동의 경우와 마찬가지로 종래부터 압전진동자에 병렬로 인덕턴스(Ld)를 접속하여 제동용량(Cd)을 등가적으로 소거하는 또는 저감함으로서 검출감도의 향상을 도모하고 있다.

또한 필터의 비(比)대역폭은 압전진동자에 고유한 전기.기계결합계수에 의하여 제한되기 때문에 비대역폭을 넓히기 위하여 인덕턴스(Ld)를 입력단자에 접속하고 있다.

그러나 제동용량(Cd)을 등가적으로 소거하는 인덕턴스(Ld)는 식 5에 나타낸 바와 같이(구동주파수(f))²×(제동용량(Cd))에 반비례한다. 특히 구동주파수(f)에 대해서는 2승으로 효과가 있기 때문에 온도변화 등에 의하여 공진주파수가 변동했을 경우에는 구동주파수와 공진주파수와의 차가 커짐에 따라 제동용량(Cd)을 등가적으로 소거하는 양은 가속도적으로 감소한다. 또 일반적으로 인덕턴스(Ld)는 다른 회로부품인 저항(R)이나 정전용량(C)에 비하여 형상이 커서 회로의 소형화가 어렵다. 또 등가적인 소거효과를 높히기 위해서는 압전진동자에 맞추어 인덕턴스를 가변하여 조정할 필요가 있으나, 저항(R)이나 정전용량(C)에 비하여 가변하는 것은 적합하지 않다.

또한 공진점추적형의 구동장치는 종래의 압전모터와 같이 압전진동자의 진동상태를 검지하는 센서를 사용함으로써 일부 실현되고 있으나, 그외의 모터에서는 진동상태를 가장 적합하게 검지할 수 있는 센서가 현상에서는 존재하지 않기 때문에, 센서를 사용하지 않고 구동전압이나 모터의 온도 등을 검지하여 구동주파수를 변동시키고 있으나, 공진점을 완전하게 추적하는 것은 곤란하다.

또 진동형자이로스코프 등과 같이 센서로서 압전진동자를 사용하는 경우, 검출에 사용되는 압전진동자의 제동용량(Cd)을 인덕턴스(Ld)를 사용하여 등가적으로 저감 또는 없앨 수가 있으나, 등가적으로 저감하는 효과는 주파수의 함수가 되기 때문에 구동주파수의 영향을 크게 받는다. 또한 상기와 같이 일반적으로 인덕턴스는 다른 전자부품에 비하여 조정이 어려움과 동시에 부품이 대형이 된다.

또 필터로서 압전진동자를 사용할 경우, 광대역화를 도모하기 위하여, 인덕턴스(Ld)를 입출력단자에 접속하나, 인덕턴스는 소형화가 어려운 것과 인덕턴스의 효과가 특정주파수에서만 유효해진다고 하는 제약이 있다.

또한 압전진동자와 동일 정전형변환수단의 일종인 정전변환기는, 좁은간극을 두고 서로 마주보는 평면전극을 가지는 것이다. 이 전극간에 전압을 가하면, 상기 간극이 변화하도록 동작하고, 반대로 상기 간극이 변화하게 하는 외력을 가하면, 전극간의 전압이 변화한다. 이 정전 변환기의 구동 및 동작검지에서의 등가회로는, 압전진동자와 마찬가지이다. 따라서 이정전변환기에 있어서도 그 용량성분이 구동전력을 소비하고 또 검지장치에서는 용량성분이 검출감도를 저하시킨다고 하는 압전진동자와 완전 동일한 문제점이 존재한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하는 것으로, 인덕턴스를 사용하는 일 없이 정전형변환수단의 용량성분에 인가되는 전력을 저감시키고, 나아가서는 소거할 수 있는 용량성분저감회로를 제공하고, 또한 정전형변환수단을 절약전력으로 구동하는 구동장치 및 정전형변환수단의 진동을 고감도로 검출하는 검출장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

또 본 발명은 온도변화나 구동전압의 변화 등에 의하여 정전헝 변환수단의 공진주파수가 변동했을 경우, 항상 이 공진주파수를 추적하여 구동할 수 있게 한 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

또한 본 발명은 정전형변환수단을 포함하는 자려발진회로를 구성하여 정전형변환수단을 공진주파수 또는 반공진주파수로 구동할 수 있도록 한 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 용량성분저감회로는, 정전형변환수단의 한쪽측의 전압을 증폭하는 증폭기가 설치되고 이 증폭기의 증폭출력단으로부터 정전용량을 거쳐 정전형변환수단의 상기 한쪽측에 접속되는 경로가 설치되어 정전형변환수단의 용량성분이 저감되는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 정전형변환수단은, 예를 들면 전기왜곡변환기인 압전진동자, 또는 평면전극이 미소한 간극을 두고 대향하는 정전변환기 등이다. 상기 용량성분은 압전진동자의 경우에는 제동용량이고, 정전변환기의 경우는 대향전극간의 용량성분이다.

상기에 있어서 정전용량이 정전형변환수단의 용량성분의 대략 1/N일때에, 증폭기의 증폭도가 대략 (N+1)배인 것이 바람직하다.

이 경우, 정전형변환수단의 한쪽측의 전압을 V라 하면, 증폭기의 출력단의 전압 즉 서로 직렬이 되는 정전형변환수단 및 정전용량에 인가되는 전압이 V(N + 1)이 된다.

또, 정전형변환수단이 압전진동자인 경우에, 정전용량을 이 압전진동자를 구성하는 재료와 동일한 재료로 형성하는 것이 가능하다.

본 발명의 구동장치는, 정전형변환수단에 구동전력을 공급하는 경로와, 상기 용량성분저감회로를 포함하고, 이 용량성분저감회로의 증폭기가 상기 경로에서, 정전형변환수단에 가해지는 구동전력을 증폭하는 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

이 경우의 회로구성예에서는 먼저 제 1도에 나타낸 바와 같이 정전형변환수단의 일단(C)에 구동전력이 인가되고, 다시 상기 일단(C)으로부터 증폭기(7) 및 정전용량(Cs)을 거쳐 상기 일단(C)으로 리턴하는 루프회로가 구성된다. 또는 제 21도에 나타낸 바와 같이 정전형변환수단의 일단(C')에 구동전력이 가해지는 경로와, 증폭기(7)와 정전용량(Cs)을 거쳐 일단(C')에 이르는 경로가 병렬로 배치된다. 제 1도와 제 21도에 나타낸 회로는 실질적으로 같다. 단, 제 1도에 나타낸 바와 같은 루프회로가 구성되어 있으면, 사용주파수가 높고 또한 증폭기(7)의 증폭율이 높아진 경우에 발진이 생길 염려가 있다. 그러므로 제 22도에 나타낸 바와 같이, 정전형변환수단에 구동전력을 공급하는 경로와, 증폭기 및 정전용량을 가지는 경로가, 구동전력의 공급측과 정전형변환수단과의 사이에서 병렬로 설치되어 있는 경우에, 정전형변환수단에 구동전력을 공급하는 상기 경로에 전압유지수단이 설치되어 있는 구성으로 하는 것이 바람직하다.

다시 정전형변환수단에 흐르는 전류위상을 검출하는 전류위상검출수단과 상기 전류위상검출수단에서 검출한 전류위상과 정전형변환수단에 인가되는 구동전력의 전력위상과를 비교하는 위상비교기와, 위상비교기의 고주파성분을 제거하는 필터와, 이 필터를 거친 출력전압에 의거하여 발진주파수가 가변제어되는 전압제어발진기가 설치되고, 이 전압제어발진기의 발진주파수에 의거하는 구동전력이 주어져 정전형변환수단이 공진주파수로 구동되는 것으로 할 수 있다.

상기에 있어서 정전형변환수단은 압전진동자인 경우에, 위상비교기에 의하여 비교되는 전류위상과 전압위상의 위상차가 0이 되도록 전압제어발진기의 발진주파수가 가변제어되는 것이 된다.

다음에 본 발명의 검출장치는, 외력으로 진동되는 정전형변환수단으로 부터 전기출력을 얻는 검출장치로서, 상기 용량성분저감회로가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

다시 본 발명의 구동장치는, 정전형변환수단의 용령성분과 저항성분을 포함하는 주파수선택회로와, 이 주파수선택회로를 정귀환루프에 배치된 증폭기를 가지고 상기 주파수선택회로에서 결정되는 주파수에 의하여 자려발진하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기에 있어서, 주파수선택회로는, 증폭기의 정귀환루프내에 서로 직렬로 접속된 제 1저항과 제 1용량과, 서로 병렬로 접속되어 상기 증폭기의 비반전입력측에 접속된 제 2저항과 제 2용량으로 구성되고, 제 1저항과 제 1용량, 또는 제 2저항과 제 2용량이 정전형변환수단의 용량성분과 저항성분으로 되어 있는 것으로서 구성할 수 있다.

구체적으로는 제 9도에 나타낸 바와 같이 증폭기의 정귀환루프내에 제 1용량과 제 1저항이 서로 직렬로 접속되고, 증폭기의 비반전입력측에 압전진동자 또는 정전변환기 등의 정전형변환수단이 접속되고, 상기 제 1용량과 제 1저항 및 공진점부근에서 구동상태가 되는 정전형변환수단의 용량성분과 저항성분으로 결정되는 주파수에서 자려발진하는 구조가 된다.

또는 제 11도에 나타낸 바와 같이 증폭기의 정귀환루프에 정전형변환수단이 접속되고, 다시 서로 병렬인 제 2용량과 제 2저항이 증폭기의 비반전입력측에 접속되어 반공진점 부근에서 구동상태가 되는 정전형변환수단의 용량성분과 저항성분 및 제 2용량과 제 2저항으로 결정되는 주파수에서 자려발진하는 구조가 된다.

다시 제 9도와 제 11도에서 C' 및 R'로 나타내는 바와 같이 정전형변환수단에 용량성분과 저항성분이 접속되어 있는 구조가 바람직하다.

또 상기에 있어서 바람직하게는 증폭기의 부귀환루프에 증폭기의 증폭율을 결정하는 저항을 가지는 진폭안정화회로가 설치된 것이 된다.

본 발명의 용량성분저감회로에서는, 압전진동자 등의 정전형변환수단의 한쪽측에 가해지는 전압 또는 이 한쪽측에 생기는 전압을 증폭기에 의하여 증폭하고, 이 증폭된 전압이 정전형변환수단에 직렬로 접속된 정전용량에 인가되는 것이 된다. 따라서 정전용량에 흐르는 전류에 의하여 정전형변환수단의 용량성분 예를 들면 압전진동자의 제동용량이 소거되어, 정전형변환수단의 용량성분의 작용을 저감시킬 수가 있다.

상기에 있어서 정전용량이 정전형변환수단의 용량성분의 대략 1/N일 때에 증폭기의 증폭도를 대략 (N+1)배로 하면, 즉, 정전형변환수단의 한쪽측에 가해지는 전압 또는 한쪽측에 생기는 전압을 V라 하였을 때에, 정전형변환수단 및 정전용량에 인가되는 전압을 V(N+1)로 하면, 정전형변환수단의 용량성분이 거의 완전하게 소거되는 것이 된다. 단, 정전용량이 이값에 엄밀하게 일치하고 있지 않아도 용량성분의 저감효과를 발휘할 수 있다.

정전형변환수단이 압전진동자인 경우에는 정전용량을 압전진동자와 같은 재료로 형성할 수 있고, 이 경우에는 온도 등의 환경에 대하여 압전진동자와 정전용량이 동등한 것이 되어 더욱 효과적인 용량성분의 저감이 가능하게 된다.

본 발명의 구동장치에서는 압전진동자 등의 정전형변환수단의 한쪽측(한쪽 전극)에 교류구동전력이 가해지나, 이 구동전력을 가하는 것과는 별도의 경로로, 상기 구동전력이 증폭기에서 증폭되어, 이 증폭전압이 상기 한쪽측에 접속된 정전용량에 인가되는 것으로 되어 있다. 이 용량성분저감회로에 의하여 정전형변환수단의 용량성분이 저감되고, 또는 소거되며, 따라서 용량성분에서의 전력소비가 없어져 에너지 절약 전력 구동이 가능하게 된다.

또 정전형변환수단에 구동전력을 공급하는 경로와, 증폭기 및 정전용량을 가지는 경로가, 구동전력의 공급측과 정전형변환수단과의 사이에서 병력로 설치되어 있는 경우에 있어서, 정전형변환수단에 구동전력을 공급하는 상기 경로에 전압폴로워 등의 전압유지수단을 설치하면, 발진이 생기지 않는 안정된 구동이 가능하게 된다.

다시 정전형변환수단에 가해지는 구동전압의 위상과 정전헝변환수단에 흐르는 전류의 위상과를 비교하여 전압과 전류의 위상차, 예를 들면, 압전진동자의 경우, 위상차가 0이되도록 구동전력의 주파수를 가변제어함으로서 항상 정전형변환수단이 공진주파수 또는 반공진주파수로 구동되게 된다. 따라서 온도나 구동전압 등의 변동에 의하여 정전형변환수단의 공진주파수 또는 반공진주파수가 변동한 경우라도 구동전력은 항상 이 주파수의 변동을 추적하는 것이 된다.

또한 본 발명의 정전형변환수단의 구동장치는, 증폭기(오페앰프)와, 이증폭기의 정귀환루프(정귀환경로)에 주파수선택회로를 설치하고, 이 주파수선택회로에 정전형변환수단의 용량성분과 저항성분, 더욱 상세하게는 공진상태(직렬공진)또는 반공진상태(병렬공진)가 되었던 정전형변환수단의 용량성분과 저항성분을 포함시킴으로써 정전형변환수단의 공진점 또는 반공진점부근에서 자려발진시키는 것으로 하여 구성할 수 있다.

이 구동장치는, 빈브릿지발진회로의 원리를 사용한 것이다. 이 발진회로에서의, 주파수선택회로는 예를 들면, 서로 직렬로 접속되어 증폭기의 정귀환루프내에 포함되는 제 1용량과 제 1저항과, 서로 병렬로 접속되어 증폭기의 비반전입력측에 접속되는 제 2용량과 제 2저항으로 구성할 수 있다. 여기에서 제 1용량과 제 1저항 또는 제 2용량과 제 2저항을, 공진점부근 또는 반공진점부근에서 구동되는 정전형변환수단에 치환함으로서, 정전형변환수단의 용량성분과 저항성분을 결정요소로 한 주파수에 의한 자려발진회로를 구성할 수 있다.

또 상기의 주파수선택회로에서는, 제 1과 제 2의 각각의 용량이 바이패스필터와 로우패스필터로서 기능하여 증폭기의 입출력간에서의 밴드펄스필터가 구성되어 자려발진의 주파수가 결정된다. 여기에서 압전진동자 등의 정전형변환수단의 공진주파수 또는 반공진주파수와, 상기 주파수선택회로에서 결정되는 자려발진의 주파수에 차가 생기는 일이 있다. 따라서 제 9도 또는 제 11도에 나타낸 바와 같이 정전형변환수단에 부가용량(C')과 부가저항(R')을 병렬 또는 직렬로 접속하고, 이 부가용량과 부가저항으로 상기 로우패스필터와 하이패스필터의 커트오프주파수를 조정하면, 정전형변환수단의 공진주파수 또는 반공진주파수로 자려발진이 행하여지게 된다.

또한 증폭기의 부귀환루프에 증폭율을 설정하는 저항을 설치함으로서 자려발진의 증폭을 안정시키는 것이 가능하게 된다.

본 발명에서의 정전형변환수단으로서는, 압전진동자 또는 평면전극이 대향한 정전변환기를 예시할 수 있으나, 이하의 실시예에서는 먼저 압전진동자를 일예로하여 설명한다.

제 1도는 압전진동자의 구동장치에 관한 실시예이다.

압전진동자(2)(공진점부근에서 진동하고 있는 상태에서의 등가회로로 표시하고 있다)의 전극은 어스에 접속되고, 한쪽 전극(본 발명에서의 한쪽측)은 교류구동전원(5)에 접속되어 있다. 또 상기 한쪽전극에는 이 전극에 인가되는 전압 즉 교류구동전원(5)에서 공급되는 구동전력의 전압을 (N+1)배의 게인으로 증폭하는 증폭기(7)가 접속되어 있다. 이 증폭기(7)의 증폭출력단에는 정전용량(Cs)이 직렬로 접속되고, 이 정전용량(Cs)은 상기 한쪽의 전극에서 압전진동자(2)에 직렬로 접속되어 있고, C점에 있어서 이들 증폭기 및 Cs를 가지는 루프회로(용량성분저감회로)(8)가 접속 되어 있다. 정전용량(Cs)의 용량치는, 압전진동자(2)의 제동용량(Cd)의 대략(1/N)이다. 이 루프회로(8)가 본 발명의 용량성분(제동용량)저감회로가 된다.

제 1도에 있어서 교류구동전원(5)으로 부터의 공급전류를 i, 정전용량(Cs)을 흐르는 전류를 i1, 압전진동자(2)의 직렬공진변(3)의 임피턴스를 Zm라 하고, 그것에 흐르는 전류를 i2, 제동용량(Cd)에 흐르는 전류를 i3, 증폭기(7)에 흐르는 전류를 i4라 한다.

C점에는 교류구동전원(5)으로 부터의 구동전압(V)이 인가되기 때문에, 증폭기(7)에 의하여 D점의 전위는 (N + 1)V가 된다. 따라서 D점-C점간에는 N·V의 전압이 인가된다. D점-C점간의 임피던스는 1/(jωCs)이기 때문에 i1은 식 6으로 표시된다. 단 ω는 각주파수이다.

마찬가지로 i2, i3은 식 7, 식 8로 표시된다.

i4는 극히 미소한 전류이기 때문에 이것을 무시하면 i는 식 9로 표시된다.

식 6, 식 7, 식 8을 식 9에 대입하면 식 10이 된다.

여기서 식 11이 성립할 때,

i는 식 7의 우변과 같아지고, i는 i2와 같아진다. 즉 교류구동전원(5)으로부터의 공급전류는 직렬공진변(3)의 임피던스(Zm)에 흐르는 양만으로 진동에 기여하지 않는 제동용량(Cd)분은 공급되지 않게 된다.

압전진동자의 제동용량(Cd)이 등가적으로 소거되었기 때문에 이 상태의 압전진동자의 등가회로는 제 2도에 표시되는 바와 같은 직렬공진변(3)만의 회로가 된다. 이 때의 교류구동전원(5)으로 부터의 공급전류(i)의 게인특성은 식 12가 되고, 공진점(fa)은 식 13, 위상특성은 식 14가 된다. 제 3도(a)는 이때의 공급전류(i)의 게인의 주파수특성을 나타내고, 제 3도(b)는 공급전류(i)의 위상의 주파수특성을 나타내고 있다.

제동용량(Cd)에 흐르는 전류를 소거하는 조건은 식 11, 즉 정전용량(Cs)이 제동용량(Cd)의 (1/N)이 되는 것이다. 이 조건은 정전용량(Cs)과 증폭기(7)의 게인(N)의 함수로 주어지며, 교류구동전원(5)의 구동주파수의 함수로는 되지 않는다. 따라서 제동용량(Cd)을 소거하기 위한 조건에 주파수 의존성은 없다. 또 제동용량(Cd)을 소거하기 위한 정전용량(Cs)의 조정은 바리캡 또는 트리머타입의 가변정전용량을 사용하여도 인덕턴스(L)의 조정보다는 훨씬 용이하여 소형화를 실현할 수 있는 것이 된다. 단, 정전용량(Cs)을 고정하여 게인(N)을 가변저항으로 조정하여도 마찬가지의 효과가 얻어지기 때문에, 더 한층의 소형화가 도모된다. 또 접속하는 정전용량(Cs) 및 증폭기(7)의 게인이 식 11에 나타낸 조건과 완전히 일치하지 않아도 제동용량(Cd)의 영향을 저감하는 효과가 있는 것은 물론이다.

또 정전용량(Cs)은 압전진동자(2)를 구성하는 재료와 동일하여도 된다. 또 압전진동자를 구성하는 재료의 일부분을 분극을 실시하지 않은 것으로 하고, 이 부분을 정전용량(Cs)으로서 사용하여도 된다. 이와 같이 동일한 재료의 일부를 분극을 실시하여 압전진동자로서 기능시키고, 다른 일부를 분극을 실시하지 않은 정전용량(Cs)으로서 기능시킴으로서 정전용량(Cs)이되는 소자를 특별히 설치할 필요가 없어진다.

이에 의하여 비용을 삭감할 수 있을 뿐만아니라 부품점수를 줄여 장치의 소형화에 대응하는 것이 가능하게 된다. 또 증폭기(7)는 전압을 증폭하는 수단이면 좋고, 트랜지스터, 오페앰프, 트랜스 등으로 구성된다.

제 5도와 제 7도는 종래의 회로와 본 발명의 실시예에서의 실험결과를 나타내고 있다.

제 8도는 실험에 사용한 압전진동자의 적층체(10)를 나타내고 있다. 제 8도에 있어서 유리기판(14)의 한쪽면에는, 전극(13), 압전재료(12) 및 구동전극(11)이 적층되어 있고, 다른쪽 면에는 마찬가지로 전극(15), 압전재료(16) 및 검출전극(17)이 적층되어 있다. 압전재료(12,16)의 유전분극 방향은 제 8도에 있어서 화살표로 나타낸 방향이다.

제 5도는 본 발명에 관한 루프회로(8)(용량성분저감회로)를 접속하지 않은 종래의 회로를 사용한 실험결과를 나타내고 있다. 제 4도는 종래의 회로를 사용한 실험회로이고, 제 5도는 제 4도에 있어서의 전류계(9)로부터 검출된 출력을 나타내고 있다. 제 4도에서는 압전진동자(2)의 전극은 어스에 접속되고, 한쪽의 전극은 교류구동전원(5)에 접속되고, 전류계(9)는 압전진동자(2)와 교류구동전원(5)간에 접속되어 있다. 실험에 사용한 압전진동자(2)는 제 8도의 적층체(10)이고, 이 적층체(10)의 구동전극(11)을 제 4도의 실험회로의 단자(A)에, 전극(13)을 단자(B)에 각각 접속하였다.

제 5도는 가로축에 교류구동전원(5)으로부터 가해지는 구동전력의 주파수를 나타내고, 세로축에 교류구동전원(5)으로 부터의 공급전류(i)의 게인을 (dB)로, 마찬가지로 공급전류(i)의 위상(θ)을 (deg)로 나타내고 있다. 출력(X)은 게인특성을 나타내고, 공진점(fa)에서 최대, 반공진점(fb)에서 최소로 되어 있다. 출력(Y)은 위상특성을 나타내고, 공진점(fa) 및 반공진점(fb) 부근 이외의 주파수에 있어서 제동용량(Cd)의 영향으로 공급전류(i)는 구동전압위상보다 90도의 진행위상이 되어 있다.

제 7도는 본 발명에 관한 루프회로(8)(용량성분저감회로)를 접속한 본발명의 회로에서의 실험결과를 나타내고 있다. 제 6도는 실험회로이고, 제 7도는 제 6도에 있어서의 전류계(9)로부터 검출된 출력을 나타내고 있다. 제 6도에서는 압전진동자(2)의 전극이 어스에 접속되고, 한 쪽의 전극은 교류구동전원(5)에 접속되고, 단자(A)로부터 압전진동자(2)에 구동전력이 인가된다. 용량성분저감회로인 루프회로(8)에서는 상기 구동전력의 공급경로에 있어서 단자(A)에서의 전압이 증폭기(7)에 의하여 (N + 1)배로 증폭된다. 증폭기(7)의 증폭출력단에는 정전용량(Cs)이 직렬로 접속되고, 다시 정전용량(Cs)은 단자(A)에 접속되어 있다. 정전용량(Cs)은 제동용량(Cd)을 대략(1/N)로 하였다.

전류계(9)는 압전진동자(2)와 교류구동전원(5)의 사이에 접속되어 있다. 실험에 사용한 압전진동자(2)는 제 8도의 적층체(10)이고, 이 적층체(10)의 구동전극(11)을 제 6도의 실험회로의 단자(A)에, 전극(13)을 단자(B)에, 각각 접속하였다. 제 6도에 나타낸 실시예에서는 증폭기(7)가 오페앰프이고, 압전진폭의 이득을 설정하는 저항(R3, R4)을 포함하는 부귀환회로블록(19) 및 정전용량(Cs)으로 이루어지는 정귀환회로블록(18)으로 구성하였다. 각 파라미터(R3, R4, Cs)를 식 15, 식 16에 나타낸 바와 같이 설정하였다.

제 7도는 가로축에 주파수를 나타내고, 세로축에 교류구동전원(5)으로 부터의 공급전류(i)의 게인을 (dB)로, 마찬가지로 공급전류(i)의 위상(θ)을 (deg)로 나타내고 있다. 출력(X)은 게인특성을 나타내나, 제동용량(Cd)이 등가적으로 캔슬되어 있고, 공진점(fa)에서 게인이 최대가 되는 특성으로 되어 있다. 또 출력(Y)은 위상특성을 나타내나, 공진점(fa)에서 위상이 거의 0도가 되고, 그 주파수를 경게로 전류위상은 구동전압위상에 대하여 약 90도의 진행위상으로부터 약 90도의 지연위상으로 변화하고 있는 것을 알 수 있다.

상기 제 5도와 제 7도의 출력특성을 비교하면, 제 6도의 루프회로(8)(용량성분저감회로)를 부가한 것에 의한 작용으로, 제동용량(Cd)의 성분을 등가적으로 소거할 수가 있어 교류구동전원(5)으로부터 제동용량(Cd)에 가하는 전력분만콤 구동전력을 저감할 수 있었음을 확인할 수가 있다.

제 9도와 제 11도는 자려발진회로(20)를 구성한 본 발명의 압전진동자의 구동장치의 실시예를 나타내고 있다.

제 9도의 실시예에 있어서 증폭기(27)는 오페앰프이고, 전압증폭의 이득을 설정하는 저항(R3, R4)을 가지는 부귀환회로블록(23) 및 정전용량(Cs)과 저항(R1)과 압전진동자(1)로 구성되는 정귀환회로블록(22)이 접속되어 있다.

정귀환회로블록(22)은 주파수선택회로이고, 정전용량(Cs)과 저항(R1)이 서로 직렬로 접속되고, 이 직렬로 접속된 것이 증폭기(27)의 정귀환경로(정귀환루프)(22a)내, 즉 증폭기(27)의 출력측과 비반전입력측을 연결하는 경로내에 접속되어 있다. 또 압전진동자(1)의 한쪽전극이 증폭기(27)의 비반전입력측에 접속되고, 다른 쪽의 전극은 어스접속되어 있다. 부귀환회로블록(23)은 전압증폭의 이득을 설정하는 진폭안정화회로이고, 저항(R3)을 거쳐증폭기(27)의 반전측 입력단자에 접속되는 부귀환경로(부귀환루프)(23a)가 설치되고, 또 저항(R4)은 증폭기(27)의 반전입력측과 어스간에 접속되어 있다.

제 10도(a)는 압전진동자를 공진점(fa)부근에서 구동시켰을 때의 등가회로이다. 공진점(fa)에서는 Lm 과 Cm이 직렬공진이 되어 제 10도(b)와 등가가 된다.

제 10도(b)의 등가회로의공진점(fa)은 식 17로 구해진다.

한편, 제 9도의 회로(여기서는 부가저항(R')과 부가용량(C')이 설치되어있지 않은 회로를 상정한다)에 있어서 압전진동자(1)를 제 10도(b) 직렬공진에서의 등가회로에 치환하여 회로해석을 행한 결과를 이하에 나타낸다.

증폭기(27)의 비반전입력단자의 전압을 출력전압을 ei, 반전입력단자의 전압을 ei', 출력전압을 eo로 하면 식 18, 식 19의 관계가 된다.

증폭기(오페앰프)(27)의 증폭도가 충분히 크다고 하면 식 20의 관계가 성립한다. 식 20에 식 18, 식 19를 대입하면 식 21이 된다.

식 21로부터 압전진동자(1)의 구동회로(20)의 발진조건은 진폭조건이 식 22,

주파수조건이 식 23이 된다.

여기서 상기 진폭조건 및 주파수조건을 만족하는 각 파라미터(R1, R3, R4, Cs)를 선택함으로서 이회로(20)는 압전진동자의 공진점(fa)에서 발진하는 자려발진회로가 된다.

즉 이 자려발진회로는 윈(wien)브릿지 발진회로의 원리를 사용한 것이다.

윈브릿지발진회로는 증폭기(오페앰프)(27)에 정귀환을 인가함으로서 발진을 일으키는 것이나, 이 자려발진주파수가 주파수선택회로인 정귀환회로 블록(22)에 의하여 결정된다. 정귀환회로블록(22)(주파수선택회로)에서는 제 1 용량(Cs)과 제 1저항(R1)이 정귀환루프내에서 직렬로 접속되고, 또 제 10도(b)에 나타낸 등가회로가 되는 압전진동자(1)의 제동용량(Cd)이 제 2용량이고, Rm이 제 2저항이 된다. 이들은 서로 병렬이고, 증폭기(27)의 비반전입력측에 접속된 것이 된다. 주파수선택회로에서는 제 1용량(정전용량)(Cs)이 하이패스필터로서 작용하고, 제 2용량(제동용량)(Cd)이 로우패스

필터로서 작용한다. 증폭기(27)의 정귀환경로에서의 하이패스필터와 로우패스필터로 형성되는 밴드패스필터에 의하여 자려발진의 주파수가 결정된다.

또한 부귀환회로블록(23)은 증폭기(27)의 전압증폭의 이득을 충분히 높게 설정하여 자려발진의 진폭안정화회로로서 기능하는 것이 된다.

여기서 압전진동자(1)의 공진주파수는 식 17로 결정되고, 이것은 압전진동자(1)의 작동시의 인덕턴스성분(Lm)과 용량성분(Cm)으로 결정된다.

이 공진주파수와 상기 주파수선택회로로 결정되는 자려발진주파수가 반드시 일치하지 않는 경우가 있다.

이 경우에는 제 9도에 나타낸 바와 같이 압전진동자(1)에 병렬인 부가용량(C')과 부가저항(R')을 설치하고, 각각의 용량치와 저항치를 조정하고 또는 선택하는 것이 바람직하다. 이 경우, 부가용량(C')이 상기 로우패스 필터의 커트오프(차단)주파수를 조정하도록 작용하고, 부가저항(R')이 상기 하이패스필터의 커트오프주파수를 조정하도록 작용한다. 그 결과, 자려발진회로(20)의 자려발진주파수와, 압전진동자(1)의 공진주파수를 일치시켜 또는 근사시키도록 보정할 수가 있다. 따라서 부가용량(C')과 부가저항(R')을 가변자유로운 소자에 의하여 구성하고 및/또는 졍전용량(Cs)과 저항(R1)을 가변자유로운 소자에 의하여 구성하는 것이 바람직하다.

다음에 제 11도의 실시예에서는, 증폭기(37)는 오페앰프이고, 전압증폭의 이득을 설정하는 저항(R3, R4)을 포함하는 부귀환회로블록(33) 및 정전용량(Cs)과 저항(R2)과 압전진동자(1)로 구성되는 정귀환회로블록(32)이 접속되어있다. 정귀환회로블록(32)은 주파수선택회로이고, 압전진동자(1)를 포함하는 정귀환경로(정귀환루프)(32a)가 구성되어 있고, 즉 증폭기(37)의 출력측과 비반전입력측을 연결하는 경로가 구성되고, 이 경로내에 압전진동자(1)가 접속되어 있다. 정전용량(Cs)과 저항(R2)은 서로 병렬로 접속되고 또한 증폭기(37)의 비반전입력측과 어스간에 접속되어 있다. 부귀환회로블록(33)은 전압증폭이득을 충분히 높게하여 진폭안정화를 도모하는 것이고, 저항(R3)을 거쳐 증폭기(37)의 반전입력단자에 접속되는 부귀환경로(33a)가 구성되어 있다. 또 저항(R4)은 증폭기(37)의 반전입력측과 어스간에 접속되어 있다.

제 12도(a)는 압전진동자(1)를 반공진점(fb)부근에서 구동시킬때의 등가회로이다. 반공진점(fb)에서는 Lm' 과 Cm'이 병렬공진이 되어 제 12도(b)와 등가가 된다. 제 12도(b)의 등가회로의 반공진점(fb)은 식 24로 구해진다.

제 11도의 회로(여기서는 부가용량(C')과 부가저항(R')이 설치되어 있지 않은 회로를 상정한다)에 있어서 압전진동자(1)를 제 12도(b)의 병렬공진에서의 등가회로로 치환하여 회로해석을 행한 결과를 이하에 나타낸다.

증폭기(37)의 비반전입력단자의 전압을 ei, 반전입력단자의 전압을 ei', 출력전압을 eo로 하면, 식 25, 식 26의 관계가 된다.

증폭기(오페앰프)(37)의 증폭도가 충분히 크다고 하면 식 27의 관계가 성립한다. 식 27에 식 25, 식 26을 대입하면 식 28이 된다.

식 28로부터 압전진동자(1)를 포함하는 자려발진회로(30)의 발진조건은 진폭조건이 식 29, 주파수조건은 식 30이 된다.

여기서 진폭조건 및 주파수조건을 만족하는 각 파라미터(R2, R3, R4, Cs)를 선택함으로서, 이 회로는 압전진동자의 반공진점(fd)에서 발진하는 자려발진회로가 된다.

제 11도에 나타낸 자려발진회로의 원리는 윈브릿지 발진회로이고, 제 9도에 나타낸 것과 마찬가지이다. 제 11도에서 압전진동자(1)를 제 12도(b)의 등가회로로 치환하였을 때, 제 1용량은 Cd', 제 1저항은 Rm', 제 2용량은 Cs, 제 2저항은 R2이다. 이 회로에서는 반공진점부근에서 동작하고 있는 압전진동자(1)의 제동용량(Cd')이 하이패스필터로서 작용하고, 정전용량(Cs)이 로우패스필터로서 작동한다.

여기서 압전진동자의 반공진주파수는 식 24로 결정되나, 이 반공진주파수와 자려발진회로(30)에서의 자려발진주파수가 반드시 일치하지 않는 경우가 있다.

이 경우에는 제 11도에 나타낸 바와 같이 압전진동자(1)에 부가용량(C')과 부가저항(R')을 접속하는 것이 바람직하다. 이 경우에는 부가용량(C')이 하이패스필터의 통과주파수를 보정하는 기능을 발휘하고, 부가저항(R')이 로우패스필터의 통과주파수를 보정하는 기능을 발휘한다. 이에 의하여 자려발진회로(30)의 자려발진주파수를 압전진동자(1)의 반공진주파수에 일치시키고 또는 근사시킬 수 있는 것이 된다. 이 실시예에 있어서도 부가용량(C')과 부가저항(R') 및/또는 정전용량(Cs)과 저항(R2)을 가변가능한 소자로 구성하는 것이 바람직하다.

또 제 11도에 있어서 부가용량(C')과 부가저항(R')을 압전진동자(1)와 병렬로 접속하고, 제 9도에 있어서 부가용량(C')과 부가저항(R')을 압전진동자(1)에 직렬로 접속하여도 된다. 또한 제 9도와 제 11도에 있어서 부가용량(C')과 부가저항(R')중 어느한쪽에만 설치하는 구조이더라도 된다. 즉, 하이패스필터와 로우패스필터중 어느 하나만을 조정함으로서도 압전진동자의 공진주파수 또는 반공진주파수를 자려발진주파수에 근사시키는 점에서 효과가 있다.

제 9도와 제 11도에 나타낸 두 개의 실시예에서는, 제동용량(Cd)(또는(Cd'))의 정전용량(Cs)에 의한 용량저감회로의 응용으로서 압전진동자를 사용한 자려발진회로를 구성하고 있다.

정전용량(Cs)은 압전진동자(1)를 구성하는 재료와 동일하여도 된다. 또는 압전진동자를 구성하는 재료의 일부에 분극을 실시하지 않고, 이 부분을 정전용량(Cs)으로서 사용하여도 된다. 여기서 증폭기(27,37)는 전압을 증폭하는 수단이면 좋고, 트랜지스터, 오페앰프, 트랜스 등으로 구성된다.

제 13도는 압전진동자의 공진점을 추적하여 구동하는 구동장치의 실시예를 나타내고 있다.

압전진동자(2)의 전극은 어스에 접속되고, 한쪽전극(한쪽측)에 구동전압(V)이 인가된다. 상기 한쪽전극에서는 구동전압이 공급되는 C점에서 (N +1)배의 게인을 가진 증폭기(7)가 접속되어 있다. 이 증폭기(7)의 증폭출력단에 직렬로 접속된 정전용량(Cs)이 상기 C점에 접속되어 루프회로(8)(용량성분저감회로)가 구성되어 있다. 이 점은 제 1도에 나타낸 실시예와 같다.

제 13도에 있어서 압전진동자(2)에의 공급전류를 i, 정전용량(Cs)을 흐르는 전류를 i1, 압전진동자(2)의 직렬공진변(3)의 임피던스를 Zm로 하고, 그곳에 흐르는 전류를 i2, 제동용량(Cd)에 흐르는 전류를 i3, 증폭기(7)에 흐르는 전류를 i4 로 해둔다.

C점에 전압(V)이 인가되었을 때, 증폭기(7)에 의하여 D점의 전압은 (N+1)V가 되기 때문에 D점-C점간에는 N·V의 전압이 인가된다. D점-C점간의 임피던스는 1/(jωCs)이기 때문에 i1은 식 31로 표시된다.

마찬가지로 i2, i3은 식 32, 식 33으로 표시된다.

i4 는 극히 미소한 전류이기 때문에 이것을 무시하면 i는 식 34로 표시된다.

식 31, 식 32, 식 33을 식 34에 대입하면 식 35가 된다.

여기서 식 36이 성립할 때,

i는 식 32의 우변과 동등해지고, i는 i2와 같아진다. 즉, 압전진동자(2)에의 공급전류는, 직렬공진변(3)의 임피던스(Zm)에 흐르는 양뿐으로 진동에 기여하지 않는 제동용량(Cd)분은 공급하지 않는다.

이때의 공급전류(i)의 게인특성은 식 37이 되고, 공진점(fa)은 식 38, 위상특성은 식 39가 된다. 제 14도(a)는 공급전류(i)의 게인의 주파수특성이고, 제 14도(b)는 공급전류(i)의 위상의 주파수특성이다.

제 14도(b)로부터 공진점(fa)에 있어서는 압전진동자(2)에의 공급전류의 위상과 압전진동자(2)의 한쪽의 전극에 인가되는 구동전압의 위상의 위상차는 0도이다. 제 13도에 나타낸 실시예는, 여기에 착안하여 이루어진 것이고, 이 위상차를 검출함으로서 공진점을 추적하는 압전진동자의 구동장치를 실현하는 것이다.

제 13도에 있어서 압전진동자(2)를 구동하는 교류전원부는, 전류위상검출수단, 파형정형수단(A), 파형정형수단(B), 위상비교기, 루푸필터, 전압제어발진기(VCO), 전력증폭기로 구성된다.

교류전원부로부터 압전진동자(2)의 한쪽전극에 주어지는 전류위상이 전류위상검출수단에 의하여 파형정형수단(A)에서 파형정형된 출력을 ø1으로 하고, 압전진동자(2)에 인가되는 전압위상이 파형정형수단(B)에 의하여 파형정형된 출력을 ø2로 한다. 양파형정형출력은 위상비교기에 입력되어 ø1과 ø2의 위상오차가 검출된다. 위상비교기로부터의 위상오차출력은 루프필터(로우패스필터)를 거쳐 고주파성분이 제거되어, 위상오차전압(Vp)이 얻어진다. 이 위상오차전압(Vp)이 VCO에 입력되어 Vp에 따른 주파수의 출력이 얻어진다. 이 VCO의 출력이 전력증폭기로 전력증폭되고, 상기 전류위상검출수단을 통하여 압전진동자(2)에 인가된다.

여기서 위상비교기, 루프필터, VCO에 의하여 출력(전류위상) ø1의 위상이 출력(전압위상)ø2보다 앞서 있을 때에는 VCO의 발진주파수가 높아지도록 작용하고, 반대로 출력(전압위상) ø2의 위상이 출력(전류위상) ø1의 위상보다 앞서고 있을 때에는 VCO의 발진주파수가 낮아지도록 작용하고, ø1의 위상과 ø2의 위상이 같을 때 즉, 전류위상과 전압위상의 위상차가 0도일 때 발진주파수는 고정된다. 제 14도(b)에 나타낸 바와 같이 전류출력(ø1)의 위상과 전압출력(ø2)의 위상이 같을 때 압전진동자(2)는 공진점에서 구동되게 된다. 외부환경 등의 영향으로 압전진동자의 공진주파수점이 저하하였을 때에는 ø2가 ø1에 대하여 앞선위상이 되어 VCO의 주파수는 낮게 가변제어되어 공진점을 추적할 수가 있다. 반대로 공진주파수가 높아졌을 경우도 ø1이 ø2보다 앞선위상이 되어 VCO의 주파수가 높아져 공진점을 추적할 수가 있다.

제 13도에 나타낸 구동장치에서는 종래예와 같이 공진주파수를 검출하기 위한 센서를 사용할 필요가 없이, 압전진동자의 구동주파수를 압전진동자의 공진주파수에 고정할 수가 있다. 특히 센서를 추가하는 것이 코스트퍼포먼스상 또는 스페이스상의 점에서 불가능때에는 상당히 유효하다. 또 발열 등으로 압전진동자의 공진점이 변화하여도, 자동적으로 공진주파수를 추미할 수 있다. 또 본 발명의 회로는 모두 압전진동자에 적용할 수 있기 때문에, 압전모터, 압전트랜스, 압전자이로스코프의 구동회로에 채용함으로서 온도변화 등의 영향에 의하여 압전진동자의 공진주파수가 변화하여도 항상 공진주파수를 추미할 수 있다.

즉 제 13도에 나타낸 구동장치에서는 루프회로(8)(용량성분저감회로)를 설치함으로서 압전진동자(2)에서의 제동용량(Cd)성분에 의한 전력소비를 없앨 수 있고, 또한 압전진동자(2)의 공진을 추적한 구동을 할 수 있는 것이 된다.

여기서 정전용량(Cs)은 압전진동자(2)를 구성하는 재료와 동일하여도 되며, 또 압전진동자(2)를 구성하는 재료의 일부를 분극을 실시하지 않은 부분으로 하고, 이 부분을 정전용량(Cs)으로서 사용할 수가 있다. 증폭기(7)는 전압을 증폭하는 수단이면 좋고, 트랜지스터, 오페앰프, 투랜스 등으로 구성된다.

제 15도는 본 발명의 검출장치의 실시예를 나타내고 있다.

제 15도의 등가회로에서 표시되는 압전진동자(50)는 압전진동자가 외부응력을 받으면 전압이 발생하는 모습을 전기회로적으로 표현한 것이고, 예를 들면, 진동형자이로스코프에 있어서 코리올리력에 의하여 압전진동자에 가해지는 진동이 검출된 경우의 검출장치로서의 등가회로이다. 등가회로에 있어서의 F부는 기계적응력의 발생을 나타내고, 이것이 등가적인 트랜스에서 전기적인 신호로 변환된다. E부에 있어서의 Cd2는 압전재료의 유전체로서의 용량성분인 제동용량을 나타내고 있다.

압전진동자(50)의 전극은 어스에 접속되고, 한쪽전극(한쪽측)에는 (N +1)배의 게인을 가진 증폭기(57)와 정전용량(Cs2)이 직렬로 접속되고, 제 1도에 나타낸 것과 마찬가지의 루프회로(58)(용량성분저감회로)가 구성되어 있다. 즉 이 검출장치에서는 용량성분저감회로를 구성하는 증폭기(57)가 압전진동자(50)의 한쪽전극(한쪽측)인 G점에 발생하는 전압을 증폭하는 것으로 되어 있다.

제 15도에 있어서 외부응력에 의한 발생전류를 i10, 정전용량(Cs2)을 흐르는 전류를 i11, 제동용량(Cd2)에 흐르는 전류를 i13, 출력으로서 인출되는 전류를 i12, 로 한다. 또한 증폭기(57)에의 입력전류(i14)는 극히 미소하기 때문에 이것을 무시한다.

압전진동자(50)의 한쪽전극인 G점에 발생하는 전압을 V라 하면 H점의 전압은 (N + 1)V이고, H점-G점간에는 N·V의 전압이 걸린다. H점-G점간의 임피던스는 1/(jωCs2)이므로 i11은 식 40으로 표시된다.

제동용량(Cd2)에는 전압(V)이 걸리기 때문에 i13은 식 41로 표시된다.

식 42의 관계의 Cs2를 설정하면 식 43의 관계가 된다.

여기서 G점에 있어서는 식 44의 관계가 있고, 이것에 식 43을 대입하면 식 45의 관계가 된다.

이와 같이 정전용량(Cs2)이 제동용량(Cd2)의 (1/N)이면, 제동용량(Cd2)에는 루프회로(58)로부터의 전류가 공급되게 되어 외부응력에 의하여 발생한 전하에 의한 발생전류(i10)는 제동용량(Cd2)에 공급되지 않고 외부에 모두 인출되게 된다. 이 상태를 표현한 것이 제 16도에 있어서의 등가회로(51)이고, 제동용량(Cd2)이 있는 경우와 비교하면, 출력임피던스(2)가 커져서 센서로서의 출력감도가 향상하는 것을 알 수가 있다.

이 검출장치에서는 제동용량(Cd2)에 흐르는 전류(i13)를 소거하는 조건은 식 42이고, 정전용량(Cs2)과 증폭기(57)의 게인(N)의 함수로 주어지는 것으로서, 검출전압의 주파수의 함수로는 되지 않는다. 따라서 주파수의존성은 없다. 또 제동용량(Cd2)을 소거하기 위한 정전용량(Cs2)의 조정은 바리캡 또는 트리머타입의 가변정전용량을 사용함으로서 가능하고, 인덕턴스(L)의 조정보다는 훨씬 용이하고, 또 회로의 소형화를 실현할 수 있다. 또는 정전용량(Cs2)을 고정하여 증폭기(57)의 게인(N)을 가변저항으로 조정하여도 마찬가지의 효과가 얻어지기 때문에 더 한층의 소형화가 도모된다.

또한 접속하는 정전용량(Cs2)이 식 42의 조건에 완전하게 일치하지 않아도 제동용량(Cd2)의 영향을 저감하는 효과가 있는 것은 말할 것도 없다. 또한 정전용량(Cs2)은 압전진동자를 구성하는 재료와 동일하여도 된다. 또는 진동형자이로스코프 등에 있어서 검출부에 설치되는 압전진동자를 구성하는 압전재료의 일부에만 분극을 실시하지 않고, 이 부분을 상기 정전용량(Cs2)으로서 사용하는 것이 가능하다. 또는 압전진동자의 압전재료의 전체에 분극이 실시되어 있는 경우에 이 압전재료중, 진동이 가해지지 않는 부분을 정전용량(Cs2)으로서 사용하는 것도 가능하다. 또 증폭기(57)는 전압을 증폭하는 수단이면 좋고, 트랜지스터, 오페앰프, 트랜스 등으로 구성된다.

제 18도와 제 20도는 제 15도에 나타낸 본 발명의 검출장치에 관한실험결과를 나타내고 있다.

실험에 이용한 것은 제 8도에 나타낸 적층체(10)이다.

제 18도는, 본 발명의 루프회로(58)(용량성분저감회로)를 접속하지 않은 종래의 검출장치를 사용한 실험결과를 나타내고 있다. 실험장치에서는 제 8도의 적층체(10)의 구동전극(11), 전극(13), 검출전극(17), 전극(15)을 각각 제 17도의 실험회로의 단자(A), 단자(B), 단자(C), 단자(D)에 접속하였다. 제 17도에 나타낸 단자(B)와 단자(D)는 접지되어 있다. 교류구동전원(5)에 의하여 제 8도에 있어서의 구동전극(11), 전극(13)을 거쳐 압전재료(12)에 구동전압을 가하여 굴곡진동시켰다. 그리고 유리기판(14)을 거쳐 압전재료(16)에 전달된 진동을 검출하였다. 제 15도에 등가회로로 나타낸 압전진동자(50)는 제 8도에서의 상기 압전재료(16)에 상당하고 있다.

제 18도는 제 17도에 있어서의 단자(C)-단자(D)간의 출력전압(Vout)을 나타내고 있다. 제 18도는 가로축에 주파수를 나타내고, 세로축에 출력전압(Vout)을 (dB)로 나타내고 있다. fc는 검출의 최대감도주파수이다.

제 20도는 본 발명의 루프회로(58)(용량성분저감회로)를 사용한 경우의 실험결과를 나타내고 있다. 이 실험장치는 제 19도에 나타낸 바와 같이 단자(B)와 단자(D)가 어스에 접속되고, 단자(A)에 교류구동전원(5)이 접속되어 있다. 또 단자(C)에는 (N + 1)배의 게인을 가진 증폭기(57)와 정전용량(Cs2)이 직렬로 접속된 루프회로(58)(용량성분저감회로)가 접속되어 있다. 저항(R3, R4)으로 나타내는 부귀환경로(56)는 증폭기(57)의 증폭율을 설정하기 위한 것이다. 제 8도에 표시되는 적층체의 전극(11,13,17,15)은 각각 단자(A, B, C, D)에 접속하였다.

제 19도에 있어서도 압전재료(16)가 압전진동자(50)에 상당하고 있다.

교류구동전원(5)에 의하여 제 8도에 있어서의 적층체(10)의 구동전극(11), 전극(13)을 거쳐 압전재료(12)에 구동전압을 가하여 굴곡진동시켜 유리기판(14)을 거쳐 압전재료(16)에 전달된 진동을 검출하였다. 제 20도는 제 19도의 실험장치에 있어서의 단자(C)-단자(D)간의 출력전압(Vout)을 나타내고 있다. 제 20도는 가로축에 주파수를 나타내고, 세로축에 출력전압(Vout)을 (dB)로 나타내고 있다. 제 19도에 있어서 증폭기(57)는 오페앰프이고, 각 파라미터(R3, R4, Cs2)는 식 46, 식 47에 나타낸 바와 같이 설정하였다.

제 18도와 제 20도에 있어서의 fc점의 출력전압(Vout)을 비교하면, 식 47의 조건을 만족하는 루프회로(58)(용량성분저감회로)인 제 20도의 쪽이 출력전압이 약 5dB높아 제동용량(Cd2)의 영향을 저감한 감도가 좋은 검출이 되고 있음을 알 수 있다.

다음에 상기 각 실시예에 대하여 왜곡가능한 실시예에 관하여 이하에 있어서 설명한다.

먼저, 제 1도에 나타낸 실시예에서는 (N + 1)배의 증폭도를 가지는 증폭기(7)와 정전용량(Cs)이 직렬로 접속된 루프회로(8)가 구성되고, 이 루프회로(8)가 용량성분저감회로로 되어 있다. 그러나 이 용량성분저감회로는 제 21도에 나타낸 바와 같이하여 구성하는 것이 가능하다.

제 21도에서는 교류구동전원(5)으로부터 압전진동자(2)의 한쪽측의 전극(C'점)에 구동전력을 공급하는 경로와, 이것에 분기되는 경로가 설치되고, 이 분기경로에 증폭기(7)와 정전용량(Cs)이 직렬로 접속되어 설치되고, 다시 정전용량(Cs)이 C'점에 접속된 것으로 되어 있다. 즉, 구동전력의 공급측(교류구동전원(5))과 압전진동자(2)간에서 구동전력을 공급하는 경로(가)와, 증폭기(7) 및 정전용량(Cs)을 가지는 경로(나)가 병렬로 배치되어 있다. 이 실시예에서도 압전진동자(2)의 한쪽측에 주어지는 구동전압(V)이 증폭기(7)에 의하여 (N +1)배로 증폭되는 것이 되고, 증폭기(7)의 증폭출력단이 정전용량(Cs)을 거쳐 상기 C'점에 접속되는 것이 된다. C'의 전압을 V라 하면, D'점의 전압은 V(N + 1)이다.

제 21도는 제 1도와 같은 종류의 압전진동자의 구동장치이나, 교류구동전원(5)으로부터 C'점에 가해지는 전류를 i, 직렬공진변과 제동용량(Cd)에 흐르는 전류를 각각 i2와 i3, 정전용량(Cs)을 흐르는 전류를 i1'이라 하면, 각 전류의 관계는 식 9에 있어서 i1을 i1'로 치환한 것과 같다.

따라서, 제 21도에 나타낸 용량성분저감회로(8')를 설치한 구동장치이더라도, 식 11에 나타낸 조건, 즉 정전용량(Cs)이 제동용량(Cd)의 (1/N)배가 되는 조건을 만족하면 구동전력의 공급전류(i)가 제동용량(Cd)에 의하여 소비되지 않고, 효율적인 압전진동자의 구동이 가능하다.

또 제 13도에 나타낸 실시예에 있어서도 루프회로(8)를 제 21도에 나타낸 것과 같은 용량성분저감회로(8')에 치환하여 완전 동일한 효과를 얻을 수가 있다.

제 22도는 제 21도에 나타낸 실시예를 더욱 바람직한 구성으로 한 것이다. 제 22도에 나타낸 것에서는 구동전력의 공급측이 되는 교류구동전원(5)과 압전진동자(2)의 한쪽측의 전극(C'점)과의 사이에서, 상기 한쪽측의 전극(C'점)에 구동전력을 공급하는 경로(가)와 직렬로 접속된 증폭기(7) 및 정전용량(Cs)이 포함된 경로(나)가 병렬로 접속되어 있다.

즉 구동전력의 공급부로부터 압전진동자(2)에 전력을 공급하는 경로(가)와, 구동전력의 공급부로부터 증폭기(7) 및 정전용량(Cs)을 거쳐 압전진동자(2)에 이르는 경로(나)가 분기형성되어, 용량성분저감회로(8'')가 구성되고 있다. 그리고 압전진동자(2)에 전력을 공급하는 상기 경로(가)내에 전압유지수단으로서 전압폴로워(버퍼앰프)(41)가 설치되어 있다.

전압폴로워(41)는 오페앰프의 출력측과 반전입력측을 단락시켜 100%의 부귀환을 걸어, 전압이득을 1로 한 주지의 것이다. 전압폴로워(41)는 구동전원의 전압을 유지하는 역할로서 작동하여 발진이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제 1도에 나타낸 회로구성에서는 증폭기(7)의 증폭이득을 너무 높게 하면 C점의 전압을 증폭하고, 정전용량(Cs)을 거쳐 C점으로 귀환하는 회로구성이기 때문에 루프회로(8)에 발진이 생겨 불안정한 것이 될 가능성이 있다. 단, 제 22도에 나타낸 것에서는 전압폴로워(41)를 설치함으로서 경로(가)와 (나)로 발진루프가 구성되는 것을 방지할 수 있어 대단히 안정된 압전진동자의 구동장치를 구성할 수 있다.

다음에 제 23도는 제 13도에 나타낸 공진추적형의 구동장치에 제 22도에 나타낸 용량성분저감회로(8'')를 구비한 것을 적용한 예를 나타내고있다. 제 13도 및 제 14도에 의거하여 설명한 것과 마찬가지로, 구동전력의 공급부(공급측)가 되는 전력증폭기로부터 가해지는 전류의 위상이 전류위상검출수단에 의하여 검출되고, 그 출력(전류위상)(ø1)이 위상비교기에 가해진다. 또 C'점에서의 전압 즉 압전진동자(2)에 인가되는 전압위상이 출력(ø2)으로서 위상비교기에 가해진다. 그리고, 양출력(ø1, ø2)의 위상차가 0일 때에 발진주파수가 고정되도록 VCO가 제어된다. 이로서 압전진동자(2)에 대하여 그 공진점을 추적하는 구동이 가능하게 된다.

다음에 제 1도에서는, 정전형변환수단으로서 압전진동자를 나타내고 있으나 제 24도(a)에 나타낸 바와 같은 정전변환기(60)에 대한 구동장치에 관해서도 마찬가지로 효과를 발휘할 수 있다.

이 정전변환기(60)는, 고정측의 평면전극(61)과 가동측의 평면전극(62)이 미소간극(d)을 두고 대향한 것이다. 전극(61,62)의 대향면적을 A, 전극간에 가해지는 바이어스전압을 E, 전극간에 가해지는 입력전압(구동전압)을 V, 전극간의 공기층의 유전율을 ε라 하면 입력전압(V)에 의하여 전극(61, 62)간에 작용하는 정전구동력(f)은 식 48로 표시된다.

여기서 정전변환기(60)가 공진점부근에서 구동되고 있는 등가회로는 제 24도(b)에서 부호(60a)로 표시된다. 이것은 제 1도에 나타낸 바와 같이 압전진동자가 공진점부근에서 진동하고 있을 때와 등가인 것이 된다. 제 24도(b)에서 Ca는 전극(61,62)간의 용량성분이다. 또 R은 가동전극(62)의 기계적인 구동저항, L은 가동전극(62)의 기계적인 지지에 의한 스프링정수, C는 기계적인 탄성지지에 의한 점성저항이다. 정전변환기(60)의 구동에 있어서도, 구동전류는 용량성분(Ca)에 의하여 소비되게 되고, 이것은 가동전극(62)의 구동에 기여하지 않은 전류소비분이다.

따라서, 제 24도(a),(b)에 나타낸 바와 같이 제 1도에 나타낸 것과 같은 루프회로(8)(또는 제 21도에 나타낸 용량성분저감회로(8') 더욱 바람직하게는 제 22도에 나타낸 용량성분저감회로(8))를 부가하여, 정전용량(Cs)을 용량성분(Ca)의 (1/N)배로 하고, 증폭기(7)의 증폭도를 (N + 1)배로 설정함으로서 압전진동자에 있어서의 구동장치와 마찬가지로하여 용량성분(Ca)에서의 소비전류를 저감하고 나아가서는 소거할 수 있어 효율이 좋은 구동이 가능하게 된다. 이 경우도 제 22도에 나타낸 전압폴로워(41)를 포함하는 용량성분저감회로(8'')를 사용함으로서 발진이 생기지 않는 안정된 구동이 가능하게 된다.

이것은 제 13도에 나타낸 구동장치에 있어서도 마찬가지로, 제 13도에 나타낸 공진추적형의 구동장치 또는 제 23도에 나타낸 공진추적형의 구동장치를 정전변환기(60)에도 사용하는 것이 가능하다.

다음에 제 25(a) 도는 정전변환기(60)를 이용하여 진동의 검출을 행하는 검출장치를 표시하고 있다. 이 검출장치는 예를 들면, 진동형 자이로스코프에서 압전진동자등에 의하여 가동전극(62)을 진동시켜 코리오리력에 의한 힘을 이 가동전극(62)에 부여하는 것이다.

상기 코리오리력 등의 힘에 의하여 가동전극(62)에 부여되는 이동속도를 v라 하면, 검출전류(i)는 식 49로 표시된다.

이 전류i를 인출함으로 써 출력전압(Vout)을 얻는 것이 가능하다.

이 검출장치에서도 제 25(b) 도의 등가회로에 표시한 바와 같이 정전변환기(60)의 용량성분(Ca)에 흐르는 전류분 만큼 검출출력이 저하한다. 그러나 제 15 도에 표시한 검출장치와 마찬가지로 (N+1)배의 증폭율의 증폭기(57)와 용량성분(Ca)의 1/N배의 용량치의 정전용량(Cs2)을 이용한 루프회로(58)(용량성분 저감회로)를 부가함으로써, 제 15 도에 표시한 실시예와 마찬가지로 용량성분(Ca)에 흐르는 전류를 루프회로(58)로부터의 전류에 의하여 부담시킬 수 있고, 기계-전기변환에 의하여 얻어진 전류를 고감도로 검출하는 것이 가능하게 된다.

다시 제 9도와 제 11도에 나타낸 자려발진회로에 있어서도 압전진동자 대신 정전변환기(60)를 사용한 것으로서 구성하는 것이 가능하다. 즉 정전변환기(60)가 공진점부근에서 자려발진구동되는 경우에는 제 9도에 나타낸 것과 같은 자려발진회로(20)가 사용된다. 또 정전변환기(60)는 용량성분(Ca)을 가지고 있기 때문에 반공진점도 나타난다. 이 반공진점부근에서 진동하고 있을 때의 등가회로는 제 12(a)도와 같은 종류의 것이 된다. 따라서 제 11도에 나타낸 자려발진회로(30)를 사용함으로서 정전변환기(60)를 반공진점부근에서 자려발진구동하는 것이 가능하다.

이상과 같이 본 발명에서는, 압전진동자 또는 정전변환기 등의 정전형 변환수단의 한쪽측(전극)에 정전용량과 증폭기를 가지는 용량성분저감회로를 접속함으로서 이 용량성분저감회로를 통하여 압전진동자의 제동용량성분 등에 흐르는 전류와 등가의 전류를 압전진동자 등에 공급할 수가 있어, 압전진동자의 입력 또는 출력의 제동용량 또는 정전변환기의 용량성분을 등가적으로 소거하거나 또는 저감할 수 있다.

이에 의하여 정전형변환수단의 구동회로에 적용한 경우, 인덕턴스를 사용하지 않고 제동용량이나 용량성분을 소거할 수가 있다. 따라서 주파수에 의존성이 없고, 회로의 조정을 용이하게 할 수 있음과 동시에 회로의 소형화가 도모된다. 또한 등가적인 소거조건이 완전하게 만족되지 않은 경우에도 용량성분의 등가적인 저감효과가 있다. 또 용량성분저감회로에 전압폴로워 등의 전압유지수단을 설치함으로서 안정된 구동이 가능하게 된다.

또 압전자이로스코프 등의 검출장치에 적용했을 경우, 출력임피던스가 높아지기 때문에 출력전압이 높아져 검출감도가 향상한다. 또 압전트랜스에 적용한 경우에도 마찬가지의 효과에 의하여 출력전압이 상승하여, 트랜스로서의 성능향상에 기여할 수가 있다.

다시 필터에 적용한 경우에는 압전진동자의 제동용량을 소거하거나 또는 저감함으로서 비대역폭을 크게 할 수 있다.

또 본 발명에 있어서는 정전형변환수단에 상기 용량성분저감회로를 접속하고, 압전진동자 등에 흘러들어가는 전류위상과 압전진동자 등을 구동하는 전압위상을 비교함으로서 공진점을 구하고, 그 구하여진 공진점에서 구동함으로서, 온도 등에 의하여 정전형변환수단의 공진점이 변동하여도 항상 공진점을 추적시킬 수가 있다. 이에 의하여 종래의 압전모터의 일부에서밖에 실현되지 않았던 센서에 의한 주파수추적을 센서를 사용하지 않고 추적할 수 있기 때문에 여러 가지 압전모터에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 다른 압전효과를 사용한 압전센서, 압전트래스 등의 주퍄수 추적형의 구동회로로서도 적용할 수 있다.

다시 증폭기와 주파수선택회로에 의하여, 자려발진회로를 구성하고, 이 주파수선택회로에, 공진점부근 또는 반공진점부근에서 진동하는 정전형변환수단의 용량성분과 저항성분을 포함시킴으로서, 정전형변환수단을 공진점부근 또는 반공진점부근에서 구동할 수 있어, 효율적인 구동이 가능하게 된다. 또 부가용량과 부가저항을 설치함으로서 정전형변환수단의 공진점 또는 반공진점과 일치한 또는 근사한 주파수에서의 자려발진이 가능하게 된다.

또 증폭기의 부귀환루프에 중폭율을 높게 설정하는 저항을 포함시킴으로서, 안정된 진폭의 자려발진이 가능하게 된다.

Claims

정전형변환수단의 한쪽측의 전압을 입력전압으로 하고, 그전압을 증폭하는 증폭기가 설치되고, 그 증폭기의 증폭출력단은 정전용량의 한쪽 단자에 접속되고 그 정전용량의 다른쪽 단자가 정전변환수단의 상기 한쪽측에 접속되는 경로가 설치되어, 정전형 변환수단의 용량성분이 저감되는 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 용량성분저감회로.
제 1항에 있어서,

정전용량이 상기 정전형변환수단의 용량성분의 대략 1/N일 때, 상기 증폭기의 증폭도가 대략 (N +1)배이고, 여기서 N은 양의 실수인 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 용량성분저감회로.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 정전형변환수단은 압전진동자이고, 정전용량은 이 압전진동자를 구성하는 재료와 동일재료에 의하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전형 변환수단의 용량성분저감회로.
구동전원으로부터 정전형 용량변환수단의 한쪽측에 구동전력을 공급하는 경로와, 그 경로와 병렬로 증폭기의 입력단이 구동전원에 접속되며, 그 증폭기의 증폭출력단이 정전용량의 한쪽에 접속되고 그 정전용량의 다른쪽 끝단이 상기 정전용량변환수단의 한쪽 끝단으로 되어 있는 경로가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 구동장치.
제 4항에 있어서,

구동전원으로부터 정전형 용량변환수단의 한쪽측에 구동전력을 공급하는 경로와, 그 경로와 병렬로 증폭기의 입력단이 구동전원에 접속되며, 그 증폭기의 증폭출력단이 정전용량의 한쪽에 접속되고 그 정전용량의 다른쪽 끝단이 상기 정전용량 변환수단의 한쪽 끝단으로 되어 있응 경로가 설치되어 있으며, 정전형 용량변환수단에 구동전력을 공급하는 상기 경로에 전압유지수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 구동장치.
제 4항 또는 5항에 있어서,

상기 정전형변환수단에 흐르는 전류위상을 검출하는 전류위상검출수단과, 상기 전류위상검출수단에서 검출한 전류위상과, 정전형변환수단에 가해지는 구동전력의 전압위상과를 비교하는 위상비교기와, 위상비교기의 고주파성분을 제거하는 필터와, 이 필터를 거친 출력전압에 의거하여 발진주파수가 가변제어되는 전압제어발진기가 설치되고, 이 전압제어발진기의 발진주파수에 의거하는 구동전력이 가해져 정전형변환수단이 공진주파수로 구동되는 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 구동장치.
제 6항에 있어서,

상기 정전형변환수단은 압전진동자이고, 위상비교기에 의하여 비교되는 전류위상과 전압위상과의 위상차가 0이 되도록 전압제어발진기의 발진주파수가 가변제어되는 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 구동장치.
외력으로 진동되는 정전형변환수단으로부터 전기출력을 얻는 검출장치로서 제 1항 내지 3항중 어느 한 항에 기재된, 용량성분저감회로가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 검출장치.
정전형변환수단을 포함하는 자려발진주파수 선택회로가 증폭기의 출력단과 입력단 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 구동장치.
제 9항에 있어서,

상기 주파수선택회로는 증폭기의 정귀환루프내에서 서로 직렬로 접속된 제 1저항과 제 1용량과, 서로 병렬로 접속되어 상기 증폭기의 비반전입력측에 접속된 제 2저항과 제 2용량으로 구성되고, 제 1저항과 제 1용량, 또는 제 2저항과 제 2용량이 정전형변환수단의 용량성분과 저항성분인 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 구동장치.
제 10항에 있어서,

상기 정전형변환수단에 다시 부가용량과 부가저항이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 구동장치.
제 9항 내지 11항중 어느 한 항에 있어서,

상기 증폭기의 부귀환루프에 증폭기의 증폭율을 결정하는 저항을 가지는 진폭안정화회로가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전형변환수단의 구동장치.