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技術 圧電振動子の駆動検出回路

出願人 株式会社村田製作所
発明者 中村武
出願日 1994年7月6日 (25年10ヶ月経過) 出願番号 1994-179611
公開日 1996年1月23日 (24年3ヶ月経過) 公開番号 1996-021735
状態 特許登録済
技術分野 平均速度の測定;速度、加速度の試験較正 ジャイロスコープ 圧電振動子 圧電・機械振動子,遅延・フィルタ回路
主要キーワード 駆動信号成分 駆動検出回路 位相回路 拡がり振動 長さ振動 負帰還回路 非反転入力端 圧電板
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年1月23日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

目的

簡単な構造の圧電振動子を使用することができ、かつ駆動および検出を1つの回路で行うことができ、しかも検出信号のみを取り出すことができる、圧電振動子の駆動検出回路を得る。

構成

駆動検出回路10は、増幅回路20と位相回路22とからなる発振回路18を含む。圧電振動子12の電極16bを増幅回路20に接続し、位相回路22をオペアンプ24の非反転入力端に接続する。圧電振動子12の電極16aを、抵抗26を介してオペアンプ24の反転入力端に接続する。抵抗28を用いて、オペアンプ24の反転入力端と出力端との間に負帰還回路を形成する。差動回路30で、オペアンプ24の出力信号と発振回路18の出力信号との差を出力させる。

概要

背景

従来、圧電体とその両面に形成された電極とからなる圧電振動子振動させるために、たとえば増幅回路位相回路とからなる発振回路が用いられていた。この発振回路は、圧電振動子の2つの電極間に接続される。そして、一方の電極からの出力信号が増幅回路に帰還され、増幅回路の出力信号が位相回路で位相調整されて他方の電極に与えられる。このようにして、圧電振動子は自励振駆動される。このように圧電振動子に振動を与えることによって慣性が働き、その振動状態が保たれる。この状態で外力が働くと、圧電振動子の振動状態が変わり、外力に対応した出力信号が発生する。したがって、この出力信号を測定することにより、圧電振動子に与えられた外力を検出することができる。

従来の圧電振動子では、一般的に、外力を検出するための出力信号を得るために、駆動用の電極と別に検出用の電極が圧電体上に形成されている。また、駆動用の電極と検出用の電極とを兼用し、同じ電極に駆動信号を与えるとともに、同じ電極から検出信号を取り出す回路も知られている。

概要

簡単な構造の圧電振動子を使用することができ、かつ駆動および検出を1つの回路で行うことができ、しかも検出信号のみを取り出すことができる、圧電振動子の駆動検出回路を得る。

駆動検出回路10は、増幅回路20と位相回路22とからなる発振回路18を含む。圧電振動子12の電極16bを増幅回路20に接続し、位相回路22をオペアンプ24の非反転入力端に接続する。圧電振動子12の電極16aを、抵抗26を介してオペアンプ24の反転入力端に接続する。抵抗28を用いて、オペアンプ24の反転入力端と出力端との間に負帰還回路を形成する。差動回路30で、オペアンプ24の出力信号と発振回路18の出力信号との差を出力させる。

目的

それゆえに、この発明の主たる目的は、簡単な構造の圧電振動子を使用することができ、かつ駆動および検出を1つの回路で行うことができ、しかも検出信号のみを取り出すことができる、圧電振動子の駆動検出回路を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

圧電振動子を駆動し、かつその出力信号を検出するための圧電振動子の駆動検出回路であって、前記圧電振動子に与える駆動信号を発生する発振回路、前記発振回路の出力信号が非反転入力端に入力され、かつ反転入力端が前記圧電振動子に接続されるオペアンプ、前記オペアンプの反転入力端と出力端との間に形成される負帰還回路、および前記オペアンプの出力信号と前記発振回路の出力信号の差を得るための差動回路を含む、圧電振動子の駆動検出回路。

技術分野

0001

この発明は圧電振動子駆動検出回路に関し、特にたとえば、圧電振動子を駆動し、かつ圧電振動子の振動状態を検出するための圧電振動子の駆動検出回路に関する。

背景技術

0002

従来、圧電体とその両面に形成された電極とからなる圧電振動子を振動させるために、たとえば増幅回路位相回路とからなる発振回路が用いられていた。この発振回路は、圧電振動子の2つの電極間に接続される。そして、一方の電極からの出力信号が増幅回路に帰還され、増幅回路の出力信号が位相回路で位相調整されて他方の電極に与えられる。このようにして、圧電振動子は自励振駆動される。このように圧電振動子に振動を与えることによって慣性が働き、その振動状態が保たれる。この状態で外力が働くと、圧電振動子の振動状態が変わり、外力に対応した出力信号が発生する。したがって、この出力信号を測定することにより、圧電振動子に与えられた外力を検出することができる。

0003

従来の圧電振動子では、一般的に、外力を検出するための出力信号を得るために、駆動用の電極と別に検出用の電極が圧電体上に形成されている。また、駆動用の電極と検出用の電極とを兼用し、同じ電極に駆動信号を与えるとともに、同じ電極から検出信号を取り出す回路も知られている。

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、駆動用の電極と検出用の電極とを有する圧電振動子では、その構造が複雑となる。また、駆動および検出を同じ電極を用いて行う場合、駆動回路検出回路とを独立したものにしなければならない。しかも、検出回路には外力に対応した出力信号とともに駆動信号も入力されるため、外力を検出するためには、駆動信号成分を除去する必要がある。そのため、検出回路が複雑となる。

0005

それゆえに、この発明の主たる目的は、簡単な構造の圧電振動子を使用することができ、かつ駆動および検出を1つの回路で行うことができ、しかも検出信号のみを取り出すことができる、圧電振動子の駆動検出回路を提供することである。

課題を解決するための手段

0006

この発明は、圧電振動子を駆動し、かつその出力信号を検出するための圧電振動子の駆動検出回路であって、圧電振動子に与える駆動信号を発生する発振回路と、発振回路の出力信号が非反転入力端に入力され、かつ反転入力端が圧電振動子に接続されるオペアンプと、オペアンプの反転入力端と出力端との間に形成される負帰還回路と、オペアンプの出力信号と前記発振回路の出力信号の差を得るための差動回路とを含む、圧電振動子の駆動検出回路である。

0007

オペアンプに負帰還回路が形成されているため、オペアンプの非反転入力端に発振回路の出力信号が与えられると、反転入力端も非反転入力端と同じ電位となる。したがって、発振回路の出力信号をオペアンプの非反転入力端に与えることによって、反転入力端に接続された圧電振動子にも駆動信号が与えられる。

0008

負帰還回路を有するオペアンプは反転増幅器として働くから、オペアンプの出力端からは、圧電振動子の振動状態に対応した信号と駆動信号との合成信号が出力される。このオペアンプの出力信号と発振回路の出力信号との差が、差動回路から出力される。

発明の効果

0009

この発明によれば、駆動用の電極と検出用の電極とを兼用できるため、簡単な構造の圧電振動子を使用することができる。また、この発明の回路を用いれば、圧電振動子の駆動と出力信号の検出とを1つの回路で行うことができる。しかも、差動回路から圧電振動子の振動状態に対応した信号のみを取り出すことができるため、簡単な回路で振動状態の検出を行うことができる。

0010

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。

0011

図1はこの発明の一実施例を示す回路図である。この駆動検出回路10は、圧電振動子12を駆動し、その出力信号を検出するために用いられる。圧電振動子12は、図2に示すように、磁器などからなる圧電板14を含み、その両面に電極16a,16bが形成されている。

0012

圧電振動子12の一方の電極16bは、発振回路18に接続される。発振回路18は、増幅回路20と位相回路22とで構成される。電極16bは増幅回路20に接続され、増幅回路20の出力信号が位相回路22で位相調整される。そして、位相回路22の出力信号は、オペアンプ24の非反転入力端に接続される。圧電振動子12の他方の電極16aは、抵抗26を介してオペアンプ24の反転入力端に接続される。さらに、オペアンプ24の反転入力端と出力端との間に抵抗28が接続され、負帰還回路が形成される。また、オペアンプ24の出力端と発振回路18とが、差動回路30の2つの入力端に接続される。

0013

この駆動検出回路10を用いれば、発振回路18の出力信号によって圧電振動子12を振動させることができる。このとき、圧電振動子12の電極16bの出力信号は、増幅回路20によって増幅され、さらに位相回路22によって位相調整される。位相調整された信号は、オペアンプ24の非反転入力端に入力される。オペアンプ24には負帰還回路が形成されているため、反転入力端の電位も非反転入力端の電位と同じになる。したがって、圧電振動子12の電極16aには、発振回路18で得られる駆動信号が与えられる。このようにして、圧電振動子12は自励振駆動される。

0014

圧電振動子12が振動すると、圧電振動子12には振動に対応した信号が発生する。この信号が、オペアンプ24の反転入力端に入力される。負帰還回路が形成されたオペアンプ24は反転増幅器として働き、オペアンプ24の出力端から圧電振動子12の出力信号を反転増幅した信号が出力される。ただし、オペアンプ24の出力信号には、圧電振動子12を駆動するための駆動信号成分も含まれている。この駆動信号成分を除去するために、差動回路30が用いられる。差動回路30の2つの入力端には、オペアンプ24の出力信号と発振回路18の出力信号とが入力される。したがって、差動回路30でオペアンプ24の出力信号から駆動信号成分が除去され、圧電振動子12の振動状態に対応した信号のみを出力させることができる。

0015

なお、図3に示すように、差動回路30に入力される信号のレベルを合わせるために、抵抗32および34を用いることができる。この場合、発振回路18が、抵抗32を介してオペアンプ24の非反転入力端に接続される。さらに、オペアンプ24の非反転入力端は、抵抗34を介して、電源電圧中間点に接続される。これらの抵抗32,34によって、差動回路30に入力される信号のレベル調整が行われ、オペアンプ24の出力信号から駆動信号成分を完全に除去することができる。

0016

この駆動検出回路10を用いれば、圧電振動子12を振動させることができ、それによって圧電振動子12に慣性を与えることができる。この状態で圧電振動子12に外力などが加わった場合、圧電振動子12の振動状態が変わり、変化した振動状態に対応した出力信号を得ることができる。しかも、差動回路30からは、圧電振動子12の振動状態に対応した信号のみを出力させることができるため、差動回路30の出力信号を測定することにより、圧電振動子12に加わった外力を検出することができる。このように、この駆動検出回路10を用いれば、圧電振動子12の駆動および出力信号の検出を1つの回路で行うことができ、回路を簡単にすることができる。しかも、駆動用の電極と検出用の電極とが別個に形成された複雑な構造の圧電振動子を使用する必要がなく、簡単な構造の圧電振動子を使用することができる。

0017

この駆動検出回路10は、たとえば回転角速度を検出するための振動ジャイロなどに応用することができる。このような例として、図4および図5に示すような振動ジャイロ50が考えられる。振動ジャイロ50は、たとえば正3角柱状振動体52を含む。振動体52は、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、一般的に機械的な振動を生じる材料で形成される。振動体52の3つの側面には、圧電素子54a,54b,54cが形成される。圧電素子54aは圧電板56aを含み、圧電板56aの両面に電極58a,60aが形成される。そして、一方の電極60aが振動体52に接着される。同様に、圧電素子54b,54cは圧電板56b,56cを含み、これらの圧電板56b,56cの両面に電極58b,60bおよび電極58c,60cが形成される。そして、一方の電極60b,60cが、振動体52に接着される。

0018

この振動ジャイロ50を駆動するために、図6に示すように、2つの駆動検出回路10が用いられる。ここでは、圧電素子54a,54bに同じ駆動信号が与えられるため、1つの発振回路18が2つの駆動検出回路10に兼用されている。圧電素子54a,54bは、抵抗26を介して、2つの駆動検出回路10のオペアンプ24の反転入力端に接続される。そして、圧電素子54cの出力信号が、増幅回路20に帰還される。さらに、2つの駆動検出回路10の差動回路30は、別の差動回路70の入力端に接続される。

0019

振動ジャイロ50の圧電素子54a,54bには、2つの駆動検出回路10によって、同じ駆動信号が与えられる。したがって、振動体52は、圧電素子54c形成面に直交する方向に屈曲振動する。このとき、圧電素子54a,54bの屈曲状態は同じであり、2つの差動回路30から出力される信号は同じである。したがって、振動ジャイロ50に回転角速度が加わっていないときには、差動回路70の出力信号は0である。この状態で、振動ジャイロ50が振動体52の軸を中心として回転すると、コリオリ力によって振動方向が変わる。それによって圧電素子54a,54bの屈曲状態に差が生じ、2つの差動回路30から異なる信号が出力される。これらの信号の差が、差動回路70から出力される。差動回路70の出力信号は、コリオリ力に対応した信号すなわち回転角速度に対応した信号である。したがって、差動回路70の出力信号を測定することにより、振動ジャイロ50に加わった回転角速度を検出することができる。

0020

また、図7に示すように、振動ジャイロ50の駆動検出回路にも、差動回路30に入力される信号のレベル調整のために、抵抗32,34を用いることができる。これらの抵抗32,34を用いることによって、オペアンプ24の出力信号から完全に駆動信号成分を除去することができ、正確に回転角速度を検出することができる。

0021

このように、この発明の駆動検出回路は、圧電振動子に振動を与え、かつ外力による振動状態の変化を検出するためなどに用いられる。上述のように、振動ジャイロだけでなく、たとえば圧電振動子の振動を利用した加速度センサなど、他の圧電振動子にも適用可能である。この場合、圧電振動子の振動モードとしては、長さ振動拡がり振動など、あらゆる振動モードを利用する圧電振動子に適用可能である。

図面の簡単な説明

0022

図1この発明の一実施例を示す回路図である。
図2図1に示す回路が適用される圧電振動子の一例を示す斜視図である。
図3図1に示す圧電振動子の駆動検出回路の変形例を示す回路図である。
図4この発明の駆動検出回路が適用される振動ジャイロの一例を示す斜視図である。
図5図4に示す振動ジャイロの断面図である。
図6図4に示す振動ジャイロの駆動検出回路を示す回路図である。
図7図6に示す振動ジャイロの駆動検出回路の変形例を示す回路図である。

--

0023

10圧電振動子の駆動検出回路
12 圧電振動子
18発振回路
20増幅回路
22位相回路
24オペアンプ
28負帰還回路用抵抗
30差動回路
50振動ジャイロ
52振動体
54a,54b,54c圧電素子
70 差動回路

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