JP2000292172A

JP2000292172A - 圧電振動子の駆動および検出装置

Info

Publication number: JP2000292172A
Application number: JP11101958A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hasegawa; 和男長谷川; Daisuke Takai; 大輔高井
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2000-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】従来はＡＧＣ回路によって圧電振動子の出力
電流を一定とする構成であったため、高周波の外乱が入
力されると出力に変動が生じてしまう。【解決手段】ドライブ手段２７と圧電振動子１１との
間にドライブ抵抗Ｒ_Dを挿入するとドライブ抵抗Ｒ_Dと圧
電振動子１１の内部抵抗Ｚとの分割比により、駆動電圧
Ｖ_Cを決定できる。高温時に出力電流Ｉ１が低下傾向に
ある場合には、内部抵抗Ｚが増大し駆動電圧Ｖ_Cを高く
設定でき、圧電振動子１１の機械的振幅が大きくなる。
よって圧電振動子１１の内部損失の増加による出力電流
Ｉ１の低下を補える。また反対に、低温時は内部抵抗Ｚ
が小さくなり駆動電圧Ｖ_Cを低くなるため、機械的振幅
を小さくできる。よって圧電振動子１１の出力電流Ｉ１
の増加を補える。即ち、ＡＧＣ回路が不要となるため、
ＡＧＣ回路の弊害を無くすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロスコープ
などに使用される圧電振動子の駆動および検出装置に係
わり、特に温度変化に対して安定した状態で動作できる
ようにした圧電振動子の駆動および検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来のジャイロスコープの回路
構成を示すブロック図、図９は発振手段の入力電圧信号
（自動利得調整手段の出力電圧）を示し、Ａは外乱がな
い場合、Ｂは外乱が生じた場合、図１０は図９Ａ，Ｂに
対応するジャイロスコープの出力を示し、Ａは外乱がな
い場合、Ｂは外乱が生じた場合、図１１は圧電振動子の
内部インピーダンスの抵抗成分（内部抵抗）の温度特性
を示す図、図１２は圧電振動子の出力電流の温度特性を
示す図をそれぞれ示している。

【０００３】図８に示すように、ジャイロスコープの回
路構成は、圧電振動子１に所定の駆動振動を与えて振動
駆動させる駆動系と、圧電振動子１に生じたコリオリ力
から角速度を検出する検出系とから構成されている。

【０００４】前記制御系は、Ｉ／Ｖ（電流／電圧）変換
手段２Ａ，２Ｂ、二値化手段３Ａ，３Ｂおよび位相差検
出手段４から構成されている。なお、前記位相差検出手
段４は、位相比較器４a，４ｂ、ローパスフィルタ４
ｃ，４ｄ、差動増幅器４ｅおよびローパスフィルタ４f
から構成されている。

【０００５】一方、駆動系はＡＧＣ回路（自動利得調整
手段）５、ＰＬＬ（フェーズ・ロック・ループ）６、ロ
ーパスフィルタ７およびドライブ手段８から構成されて
おり、前記ＡＧＣ回路５は、振幅検波器５a，振幅基準
電圧発生器５ｂ，差動増幅器５ｃおよび振幅調整器５か
ら、前記ＰＬＬ６はローパスフィルタ６ａ，ＶＣＯ（電
圧制御発振器）６ｂおよび分周器６ｃからそれぞれ構成
されている。

【０００６】圧電振動子１は、例えば三脚音叉型の振動
子であり、前記ドライブ手段８から駆動電極に所定の交
流駆動信号（ドライブ信号）Ｓを与えると各振動子が振
動駆動され、２つの出力電極から出力電流Ｉ１およびＩ
２を出力する。この圧電振動子１がある回転系に置かれ
ると、圧電振動子１にコリオリ力が作用し、前記出力電
流Ｉ１およびＩ２間に位相差が生じる。

【０００７】この出力電流Ｉ１およびＩ２は、上記Ｉ／
Ｖ変換手段２Ａ，２Ｂにおいて出力電圧Ｖ１およびＶ２
にそれぞれ変換され、この出力電圧Ｖ１，Ｖ２は二値化
手段３Ａ，３ＢおよびＡＧＣ回路５に出力されている。
二値化手段３Ａ，３Ｂでは、所定の基準電圧に基づき、
前記出力電圧Ｖ１，Ｖ２を各自のパルス幅に比例したパ
ルス幅からなるディジタル信号Ｄ１およびＤ２に変換
し、これらディジタル信号Ｄ１およびＤ２を位相差検出
手段４に出力する。

【０００８】位相差検出手段４では、位相比較器４a，
４ｂにおいて、ＰＬＬ６の分周器６ｃから出力される参
照信号refと各ディジタル信号Ｄ１，Ｄ２とを比較した
信号が生成され、これら比較した信号は加算（加算信
号）されてＰＬＬ６に入力されている。ＰＬＬ６では、
この加算信号に基づき、前記参照信号refがディジタル
信号Ｄ１とＤ２の位相差の中点から所定位相（例えばπ
／２）だけ遅れるようにＶＣＯ６ｂを発振させる。

【０００９】またＡＧＣ回路５では、前記圧電振動子１
の出力である出力電流Ｉ１，Ｉ２が常に一定の振幅とな
るように前記制御信号Ｓ０の調整を行なう。すなわち、
ＡＧＣ回路の初段の振幅検波器５ａでは、上記出力電圧
Ｖ１およびＶ２を加算した信号についての振幅検波を行
なう。差動増幅器５ｃでは、前記検波後の信号と基準電
圧発生手段５ｂで生成された基準信号との差信号を求
め、この差信号を増幅して振幅調整器５ｄに出力する。
振幅調整器５ｄでは、この差信号に基づきＰＬＬ６から
出力される参照信号refの振幅の調整を行なった制御信
号Ｓ０を生成する。そして、この制御信号Ｓ０は、ロー
パスフィルタ７で余分な高周波成分が除去され、さらに
ドライブ手段８ではこの制御信号Ｓ０に基づき圧電振動
子１を駆動するための最終的な駆動信号Ｓを生成する。

【００１０】上記のように構成されるジャイロスコープ
がある回転に置かれると、圧電振動子１にコリオリ力Ｆ
が発生する。このコリオリ力Ｆは、Ｆ＝２・ｍ（ｖ×
ω）で表わせる。ただし、ｍは圧電振動子１の質量、ｖ
は圧電振動子１の振動方向への振動速度（ベクトル
値）、ωは角速度（ベクトル値）、×はベクトル積であ
る。そして、このコリオリ力Ｆにより、前記出力電流Ｉ
１およびＩ２との間に位相差λが生じる。

【００１１】ジャイロスコープの検出系では、位相差検
出手段４において前記ディジタル信号Ｄ１およびＤ２と
の間の位相差λを検出し、この位相差を直流電圧出力Ｖ
outとして出力する。この直流電圧出力Ｖoutは、回転系
で生じた角速度ωに比例した出力となる。そして、この
角速度ω（直流電圧出力Ｖout）は、例えばジャイロス
コープが搭載されるナビゲーションの本体などにおいて
時間積分され、角度θが求められる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】圧電振動子１を効率良
く駆動するには、圧電振動子１の内部インピーダンスが
最も小さくなる機械的な共振点近傍で駆動することが理
想的である。しかし、圧電振動子１の内部インピーダン
スの抵抗成分（内部抵抗）Ｚは、図１１に示すように温
度に依存して変化するという特長を有する。一般的な圧
電振動子では、温度が高いときほど内部インピーダンス
Ｚが高く、温度が低いときほど内部インピーダンスＺが
低くなる傾向がある。よって、この場合、高温時ほどの
圧電振動子１の内部損失が高くなり、低温時ほどの内部
損失が低くなる。

【００１３】一方、図１２に示すように圧電振動子１の
出力電流Ｉ１およびＩ２は、高温時ほど小さくなり低温
時ほど大きくなるという特性を有する。このため、電圧
変換後の出力電圧Ｖ１およびＶ２の振幅も高温時ほど小
さく出力され、低温時ほど大きく出力される。

【００１４】よって、上記従来のジャイロスコープの回
路構成では、温度に変化が生じた場合にも出力電圧Ｖ１
およびＶ２の振幅が安定化されるように、ＡＧＣ自動利
得調整手段５を用いて交流駆動信号Ｓの振幅の調整を行
なっている。

【００１５】しかし、例えば図９Ａに示すように、自動
利得調整手段６の出力電圧に高周波成分からなるインパ
ルス性の外乱Ｎが印加されると、自動利得調整手段６の
出力は図９Ｂに示すような挙動を示す。すなわち、出力
電圧Ｖ１およびＶ２に外乱Ｎはノイズ除去手段３で除去
されるが、自動利得調整手段６により正弦波出力が一時
的（時間ｔ）に無出力状態となるという現象が生じる。

【００１６】このため、図１０Ｂに示すように、ジャイ
ロスコープの出力Ｖoutには、高周波の外乱による直接
的な影響は生じないが、自動利得調整手段６により生じ
た無信号による影響が出力Ｖoutに現れるという弊害が
生じる。

【００１７】また、このような自動利得調整手段６の弊
害を防止すべく、自動利得調整手段６自体そのものを取
り去ると、温度変化に対し出力電圧Ｖ１およびＶ２の振
幅が変動するため、ジャイロスコープの出力Ｖoutが不
安定になりやすいという問題がある。

【００１８】また、圧電振動子１の内部インピーダンス
Ｚが温度変化を持つ場合には、予め温度と内部インピー
ダンスとの関係を求め、これを温度補正用のデータとし
て蓄積しておき、圧電振動子１の温度をサーミスタ等の
温度センサで検出し、検出温度ごとに前記補正用のデー
タを読み出し、このデータに基づいて発振手段２を制御
する方法も考えられる。しかし、一般に温度センサは圧
電振動子に直付けできないため、その近傍の温度を検出
できるのに留まる。よって、温度センサの設置箇所の温
度と実際の圧電振動子１の温度とが異なり、圧電振動子
１の出力電流の振幅を正確に制御することが難かしい。

【００１９】本発明は上記従来の課題を解決するための
ものであり、自動利得調整手段を用いることなく、圧電
振動子が一定振幅の出力電流を出力できるようにした圧
電振動子の駆動および検出装置を提供することを目的と
している。

【００２０】また本発明は、圧電振動子の内部インピー
ダンスが温度変化した場合であっても、常に一定振幅の
出力電流を出力できるようにした圧電振動子を駆動する
圧電振動子の駆動および検出装置を提供することを目的
としている。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、温度の上昇に
応じて内部インピーダンスと出力電流とが変化する温度
特性を有する圧電振動子と、この圧電振動子に交流駆動
信号を与えるドライブ手段と、前記圧電振動子の出力電
流を出力電圧に変換するＩ／Ｖ変換手段とからなる圧電
振動子の駆動および検出装置であって、前記圧電振動子
とドライブ手段の間には、温度が上昇したときに圧電振
動子に印加される駆動電圧を高めて前記圧電振動子の出
力電流の減少を防止し且つ温度が下ったときに前記圧電
振動子の駆動電圧を低下させて前記圧電振動子の出力電
流の増加を防止して前記出力電流の振幅を一定に維持す
るドライブ抵抗が挿入されていることを特徴とするもの
である。

【００２２】また本発明は、温度の上昇に応じて内部イ
ンピーダンスが高くなる正の温度特性と温度の上昇に応
じて出力電流が小さくなる負の温度特性とを有する圧電
振動子と、この圧電振動子に交流駆動信号を与えるドラ
イブ手段と、前記圧電振動子の出力電流を出力電圧に変
換するＩ／Ｖ変換手段とからなる圧電振動子の駆動およ
び検出装置であって、前記圧電振動子とドライブ手段の
間には、温度が上昇したときに圧電振動子に印加される
駆動電圧を高めて前記圧電振動子の出力電流の減少を防
止し且つ温度が下ったときに前記圧電振動子の駆動電圧
を低下させて前記圧電振動子の出力電流の増加を防止し
て前記出力電流の振幅を一定に維持するドライブ抵抗が
挿入されていることを特徴とするものである。

【００２３】本発明では、圧電振動子が有する正の温度
特性と負の温度特性、すなわち温度が上昇すると内部イ
ンピーダンスが上昇し、温度が下がると内部インピーダ
ンスが下るという圧電振動子の有する正の温度特性と、
内部インピーダンスが大きいときには出力電流が小さく
なり、反対に小さいときには出力電流が大きくなるとい
う圧電振動子の有する負の温度特性とに着目し、負の温
度特性を正の温度特性で補うことにより、温度変化が生
じた場合でも出力電流に変化が生じないようにできる。

【００２４】一般に、圧電振動子に直接加える駆動電圧
を大きくすると、圧電振動子の機械的振幅が大きくなる
ため出力電流が大きくなる。また圧電振動子とドライブ
手段との間にドライブ抵抗を挿入すると、圧電振動子の
内部インピーダンス（内部抵抗）Ｚとドライブ抵抗Ｒ_D
とで分割比Ｚ／（Ｒ_D＋Ｚ）が成立する。このうち圧電
振動子の内部インピーダンス（内部抵抗）Ｚが正の温度
特性を持つことから、温度が上昇すると前記分割比Ｚ／
（Ｒ_D＋Ｚ）を大きくすることができ、温度が下がると
分割比Ｚ／（Ｒ_D＋Ｚ）を小さくすることができる。し
たがって、例えば圧電振動子の内部インピーダンスＺと
ドライブ抵抗Ｒ_Dとの間の入力電圧（ドライブ信号の電
圧）を一定とすると、温度に対し圧電振動子自身の内部
インピーダンスが変化するため、圧電振動子に直接加わ
る駆動電圧を自己調整することができる。すなわち、温
度が高いときには駆動電圧が大きくなるため、圧電振動
子の機械的振幅が大きくなり、その出力電流の減少を補
うことができる。反対に、温度が低くなると駆動電圧も
低くなるため、圧電振動子の機械的振幅が小さくなり、
出力電流の増加を防止できるようになる。

【００２５】例えば、前記ドライブ抵抗Ｒ_Dと内部イン
ピーダンスの抵抗成分Ｚとの分割比をＺ／（Ｒ_D＋Ｚ）
とし、前記抵抗成分Ｚが正の温度特性で変化したとき
に、前記ドライブ抵抗Ｒ_Dが前記分割比Ｚ／（Ｒ_D＋Ｚ）
の値を１／１５から１／２の範囲に設定するものが好ま
しい。

【００２６】このような範囲にドライブ抵抗Ｒ_Dを設定
しておくと、一般的なドライブ信号Ｓの電圧値Ｖ_S（振
幅のピーク値で２ボルト乃至１５ボルト）であれば、圧
電振動子の駆動電圧を温度によって変化した圧電振動子
１１の内部インピーダンスＺで調整することができ、さ
らには出力電流を一定とすることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して説明する。図１は圧電ジャイロスコープの駆動系お
よび検出系を示すブロック図、図２は圧電ジャイロスコ
ープに使用される圧電振動子を示す斜視図、図３は図２
の圧電振動子をIII方向からみた正面図である。

【００２８】図１に示すブロック図は、圧電振動子（圧
電音叉）１１を中心とし、この圧電振動子１１を駆動す
るための駆動系と、圧電振動子１１から出力される出力
電流を検出するための検出系とからなり、検出系の一部
が駆動系に帰還するフィードバック制御系が構成されて
いる。

【００２９】圧電振動子１１は、例えば図２に示すよう
に、エリンバなどの恒弾性材料の平板の表裏両面に圧電
材料が積層されたもの、またはＰＺＴや水晶のように全
体が圧電材料の板材により形成されたものであり、圧電
振動子１１の先端には３つの振動脚１１ｕ、１１ｖおよ
び１１ｗが分岐形成されている。

【００３０】図２および図３に示すように、各振動脚１
１ｕ、１１ｖおよび１１ｗの一方の面（＋Ｙ側）には、
駆動電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１
１ｆがそれぞれプリント形成されている。また他方の面
（−Ｙ側）には、前記各駆動電極に対応する出力電極１
１ａ′，１１ｂ′，１１ｃ′，１１ｄ′，１１ｅ′，１
１ｆ′がそれぞれプリント形成されている。後述のドラ
イブ手段２７から、前記各駆動電極１１ａ，１１ｂ，１
１ｃ，１１ｄ，１１ｅおよび１１ｆに正弦波状の交流駆
動信号（ドライブ信号）Ｓが与えられると、振動脚１１
ｕ、１１ｖおよび１１ｗは、圧電効果により各振動脚の
並び方向となるＸ方向（＋Ｘ及び−Ｘ方向）へ振動駆動
される。

【００３１】各振動脚１１ｕ、１１ｖおよび１１ｗは、
Ｘ方向へ一次または数次モードによる曲げ変形振動を生
じる。また、両側の振動脚１１ｕと１１ｗが同じ位相で
駆動され、中央の振動脚１１ｖは、両側の振動脚１１ｕ
および１１ｗと位相がπ（１８０度）相違するように駆
動される。すなわち、両側の振動脚１１ｕと１１ｗのあ
る時点での振幅の方向が＋Ｘ方向のとき、中央の振動脚
１ｖの振幅方向は−Ｘ方向である。

【００３２】上記のように振動駆動された状態で、この
圧電振動子１１をＺ軸回りの回転系に置くと、各振動脚
１１ｕ、１１ｖおよび１１ｗに対し振動駆動方向と直交
する方向へのコリオリ力が作用し、各振動脚１１ｕ、１
１ｖおよび１１ｗはＹ方向へ振動する。このコリオリ力
による振動成分も、両側の振動脚１１ｕ、１１ｗと、中
央の振動脚１１ｖとで逆の位相となる。ある時点で両側
の振動脚１１ｕと１１ｗがコリオリ力により＋Ｙ方向へ
の振幅成分を持つとき、中央の振動脚１１ｖは−Ｙ方向
への振幅成分を持つこととなる。

【００３３】図１に示すように、圧電振動子１１の後段
には検出系が構成されている。検出系は、正弦波状の出
力電流Ｉ１，Ｉ２を正弦波状の出力電圧Ｖ１，Ｖ２に変
換するＩ／Ｖ（電流／電圧）変換手段１２，１２′、正
弦波状の出力電圧Ｖ１，Ｖ２をディジタル信号Ｄ１，Ｄ
２に変換する二値化手段１３，１３′、排他的論理和の
EXor１およびEXor２ゲート回路等からなる位相比較手段
１４，１４′、ローパスフィルタ１５，１５′および差
動増幅手段１６およびローパスフィルタ１７などから構
成されている。

【００３４】一方、圧電振動子１１の前段には駆動系が
構成されている。駆動系は、ローパスフィルタ２２、Ｖ
ＣＯ（電圧制御発振器）２３、分周手段２４、振幅安定
化手段２５、２次系のローパスフィルタ２６およびドラ
イブ手段２７から構成されている。そして、分周手段２
４の出力は、参照信号refとして前記位相比較手段１
４，１４′に入力されている。なお、ローパスフィルタ
２２、ＶＣＯ（電圧制御発振器）２３および分周手段２
４により、ＰＬＬ（フェーズ・ロック・ループ）が構成
されている。このＰＬＬでは、前記分周後の参照信号re
fが、位相比較手段１４，１４′の各出力の位相差の中
心点からπ／２だけ遅れるようにＶＣＯ２３を発振させ
る。

【００３５】図４は本発明における実施の形態を示す圧
電ジャイロスコープ用駆動装置の回路構成図、図５は図
４の圧電ジャイロスコープ用駆動装置の等価回路図、図
６は圧電振動子の駆動電極に直接印加される駆動電圧の
温度特性を示す図、図７は圧電振動子の出力電流の温度
特性を示す図である。

【００３６】図４は図１のブロック図のうち、圧電振動
子１１とその前段に設けられたドライブ手段２７、およ
び圧電振動子１１の後段に設けられた２つのＩ／Ｖ変換
手段１２，１２′をより具体的に示したものである。な
お、Ｉ／Ｖ変換手段１２とＩ／Ｖ変換手段１２′とは、
機能が同様であるため、以下では主にＩ／Ｖ変換手段１
２について説明する。

【００３７】図４に示すように、ドライブ手段２７は、
例えばオペアンプなどの演算増幅器２７Ａを主体とした
反転増幅回路から構成されている。ドライブ手段２７の
出力端子２７ｃは、圧電振動子１１の各振動脚１１ｕ、
１１ｖおよび１１ｗの駆動電極１１ａ，１１ｂ，１１
ｃ，１１ｄ，１１ｅおよび１１ｆにドライブ抵抗Ｒ_Dを
介して接続されている。

【００３８】一方、Ｉ／Ｖ変換手段１２，１２′は，オ
ペアンプなどの演算増幅器１２Ａ，１２Ｂから構成され
ている。Ｉ／Ｖ変換手段１２，１２′では、演算増幅器
１２Ａ，１２Ｂの反転入力端子（−端子）１２ａ，１２
ａ′と前記中央の振動脚１１ｖの出力電極１１ｃ′，１
１ｄ′とがそれぞれ接続されている。また各反転入力端
子１２ａ，１２ａ′と出力端子１２ｃ，１２ｃ′とは所
定の抵抗Ｒｆ，Ｒｆを介してそれぞれ接続されている。
また非反転入力端子１２ｂ，１２ｂ′は、基準電位Ｖ０
（例えば、０ボルト）に接続されている。なお、Ｉ／Ｖ
変換手段１２，１２′の入力インピーダンスはほぼ零で
ある。振動脚１１ｖの出力電極１１ｃ′から出力される
出力電流Ｉ１はＩ／Ｖ変換手段１２によって出力電圧Ｖ
１に変換されるが、この出力電圧Ｖ１はＶ１＝−Ｒｆ・
Ｉ１となる。同様に出力電流Ｉ２と出力電圧Ｖ２との間
にはＶ２＝−Ｒｆ・Ｉ２の関係が成立する。

【００３９】なお、圧電振動子１１のその他の振動脚１
１ｕおよび１１ｗの出力電極１１ａ′，１１ｂ′，１１
ｅ′および１１ｆ′は基準電位Ｖ０に接続されている。

【００４０】以下、圧電ジャイロスコープ用駆動装置の
動作について説明する。図１に示すように、前記ＶＣＯ
２３で発振された信号は、所定の駆動周波数となるよう
に分周手段２４で分周され振幅安定化手段２５に入力さ
れる。振幅安定化手段２５では、電源電圧変動によらず
ドライブ信号Ｓの振幅が一定となるよう調整を行なう。
そして、このように分周され且つ振幅が調整された信号
は、ローパスフィルタ２６で高周波が除去され正弦波に
変換し、ドライブ手段２７の反転端子（−端子）２７ａ
に制御信号Ｓ０として入力される。

【００４１】ドライブ手段２７では、制御信号Ｓ０を増
幅することによりドライブ信号Ｓを生成し、このドライ
ブ信号Ｓをドライブ抵抗Ｒ_Dを介して圧電振動子１１の
各駆動電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅお
よび１１ｆに供給する。

【００４２】ドライブ信号Ｓが供給されると、圧電振動
子１１の各振動脚１１ｕ、１１ｖおよび１１ｗは、上述
したような振動を開始する。そして、振動脚１１ｖの出
力電極１１ｃ′および１１ｄ′から出力電流Ｉ１および
Ｉ２が検出される。なお、このような圧電振動子１１を
有するジャイロスコープを回転系におくと、各振動脚１
１ｕ、１１ｖおよび１１ｗにコリオリ力が生じるため、
出力電流Ｉ１およびＩ２間には角速度に相当する位相差
が生じる。

【００４３】図５に示すように、圧電振動子１１の内部
インピーダンス（内部抵抗）Ｚ、ドライブ信号Ｓの電圧
Ｖ_Sおよび圧電振動子１１に直接印加される駆動電圧Ｖ_C
との間には、Ｖ_C＝Ｖ_S・Ｚ／（Ｒ_D＋Ｚ）で表わされ
る。ただし、基準電位Ｖ０を０ボルトとしている。この
とき、出力電極１１ｃ′の出力電流をＩ１およびＩ／Ｖ
変換後の出力電圧をＶ１とする。

【００４４】上述したように、圧電振動子１１の温度が
高くなると、圧電振動子１１内の内部損失が大きくなる
ため（図１１参照）、内部インピーダンスＺも大きくな
る。これにより、圧電振動子１１の出力電極１１ｃ′か
ら流れ出る（Ｉ／Ｖ変換手段１２に流れ込む）出力電流
Ｉ１の振幅が減少するため、Ｉ／Ｖ変換後の出力電圧Ｖ
１の振幅も小さくなる。反対に圧電振動子１１の温度が
低くなると、圧電振動子１１内の内部損失が小さくなる
ため、内部インピーダンスＺも小さくなる。よって、Ｉ
／Ｖ変換手段１２に流れ込む出力電流Ｉ１の振幅が増加
するため、Ｉ／Ｖ変換後の出力電圧Ｖ１の振幅も大きく
なる。すなわち、このジャイロスコープの検出系では、
出力電圧Ｖ１の振幅が、高温時に小さく、低温時に大き
くなるという負の温度特性を持つ。

【００４５】一方、図６に示すように、ジャイロスコー
プの駆動系では、圧電振動子１１の温度が高くなると、
圧電振動子１１の内部インピーダンスＺとドライブ抵抗
Ｒ_Dからなる分割比Ｚ／（Ｒ_D＋Ｚ）が高くなるので、圧
電振動子１１の駆動電極に加わる駆動電圧Ｖ_Cが高くな
る。よって、圧電振動子１１の機械的な振幅が大きくな
る。また圧電振動子１１の温度が低くなると、圧電振動
子１１の内部インピーダンスＺが低くなり分割比Ｚ／
（Ｒ_D＋Ｚ）も小さくなる。よって、この場合には駆動
電圧Ｖ_Cも低くなるため、圧電振動子１１の機械的な振
幅が小さくなる。

【００４６】すなわち、このジャイロスコープの駆動系
では、圧電振動子１１の駆動電極に加わる駆動電圧Ｖ_C
が、高温時に大きく、低温時に小さくなるという正の温
度特性を持つようになる。

【００４７】上記検出系においては、検出系における負
の温度特性と駆動系における正の温度特性により、高温
時に出力電流Ｉ１が低下傾向にある場合には、駆動系に
おいて圧電振動子１１が大きな機械的な振幅で動作させ
られるため、圧電振動子１１の内部損失の増加による出
力電流Ｉ１の低下を補うことが可能となる。また低温時
に出力電流Ｉ１が増加傾向にある場合には、駆動系にお
いて圧電振動子１１を小さな機械的な振幅で動作させら
れるため、圧電振動子１１の内部損失の減少による出力
電流Ｉ１の増加を補うことが可能となる。

【００４８】すなわち、ドライブ抵抗Ｒ_Dを挿入するこ
とにより、このジャイロスコープの駆動系では、高温時
には圧電振動子１１の駆動電極に加わる駆動電圧Ｖ_Cを
高く設定され圧電振動子１１の機械的な振幅を大きくで
きるため、検出系において低下傾向にある出力電流Ｉ１
を増加させて一定の振幅を確保することができる。また
低温時には、駆動系において圧電振動子１１の駆動電圧
Ｖ_Cを低く設定され、圧電振動子１１の機械的な振幅を
小さくできるため、検出系において増加傾向にある出力
電流Ｉ１を低下させて一定の振幅を確保することができ
る。

【００４９】例えば、ドライブ手段２７のドライブ信号
Ｓのピーク電圧を４［Ｖ］、ドライブ抵抗を４７［Ｋ
Ω］とした場合、図１１に示す−２０℃における圧電振
動子の内部インピーダンスの内部抵抗ＺはＺ＝４［Ｋ
Ω］程度であるから、分割比は、Ｚ／（Ｒ_D＋Ｚ）＝４
×１０³／（４＋４７）×１０³≒０．０８となる。よっ
て、図６に示すように駆動電圧Ｖ_CはＶ_C＝０．０８×４
＝０．３２［Ｖ］となる。そして、図７に示すように、
このときの出力電流Ｉ１は、Ｉ１＝８［μＡ］程度とな
る。

【００５０】また図１１に示す８０℃における圧電振動
子１１の内部抵抗ＺはＺ＝１９［ＫΩ］程度であるか
ら、分割比はＺ／（Ｒ_D＋Ｚ）＝１９×１０³／（１９＋
４７）×１０³≒０．２９となる。よって、図６に示す
ように駆動電圧Ｖ_CはＶ_C＝０．２９×４＝０．１６
［Ｖ］となる。そして図７に示されるこのときの出力電
流Ｉ１は、Ｉ１＝６．１［μＡ］程度となる。これらの
ことから、出力電流Ｉ１は、大きく変動することなくほ
ぼ一定の値とすることができる。

【００５１】この例では、分割比Ｚ／（Ｒ_D＋Ｚ）は、
低温時（−２０℃）で０．０８であり、高温時（８０
℃）で０．２９であることから、若干の余裕をみて、ド
ライブ抵抗を選定するには、分割比Ｚ／（Ｒ_D＋Ｚ）を
１／１５乃至１／２程度に設定するように選べばよいこ
とがわかる。ただし、この分割比は、ドライブ手段２７
から供給されるドライブ信号の電圧Ｖ_Sが変わると、圧
電振動子１１に直接加わる駆動電圧Ｖ_Cも変わるが、一
般的な入力電源電圧の範囲（例えば２［ｖ］乃至１５
［ｖ］）程度を考慮すると、上記分割比Ｚ／（Ｒ_D＋
Ｚ）の設定範囲１／１５乃至１／２はほぼ妥当なものと
いえる。

【００５２】以上のように、ドライブ手段２７と圧電振
動子１１との間にドライブ抵抗Ｒ_Dを挿入すると、図７
に示すように広い温度範囲に渡り出力電流Ｉ１およびＩ
２を一定の振幅に設定することが可能となるため、Ｉ／
Ｖ変換後の出力電圧Ｖ１およびＶ２を一定の振幅に設定
することができる。

【００５３】このように、温度変化の影響を受けず常に
一定の振幅として出力される出力電圧Ｖ１およびＶ２
は、二値化手段１３，１３′により出力電圧Ｖ１および
Ｖ２のパルス幅に比例したパルス幅からなるディジタル
信号Ｄ１およびＤ２に変換される。そして、位相比較手
段１４，１４′では、参照信号refとディジタル信号Ｄ
１との排他的論理和出力、参照信号refとディジタル信
号Ｄ２との排他的論理和出力、およびこれらの反転出力
を求め、さらに各出力信号どうしを互いに加算すること
により、出力電流Ｉ１とＩ２間の位相差に相当するパル
ス信号を出力する。ローパスフィルタ１５，１５′で
は、前記位相差に相当するパルス出力を積分平滑するこ
とにより直流電圧信号に変換する。差動増幅手段１６で
は、ローパスフィルタ１５，１５′の直流電圧信号どう
しの差動増幅出力をとることにより、出力電流Ｉ１とＩ
２間の位相差、すなわち角速度ωに比例した直流電圧出
力Ｖoutを出力する。

【００５４】なお、上記実施の形態では、ＰＬＬ回路を
用いて位相制御を行なうものを示したが、本発明はこれ
に限られるものではなく、例えば演算増幅器を主体とす
るＣＲ正弦波発振回路などからなる移相回路を用いたも
のであってもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、従来のよ
うにＡＧＣ回路などの自動利得調整手段を用いることな
く、ドライブ手段と圧電振動子の各駆動電極との間にド
ライブ抵抗を挿入するだけで出力電流の振幅を一定とす
ることができるため、回路構成を簡素化することができ
る。

【００５６】また自動利得調整手段（ＡＧＣ回路）を用
いなくてよいため、外乱が入力された場合に自動利得調
整手段自身による弊害が生じることがない。

【００５７】さらに圧電振動子の内部インピーダンスが
温度変化した場合であっても、Ｉ／Ｖ変換手段の出力電
圧の振幅を常に一定とすることができる。よって、この
出力電圧から精度の高い角速度を検出することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電ジャイロスコープの回路構成を示すブロッ
ク図、

【図２】圧電ジャイロスコープに使用される圧電振動子
を示す斜視図、

【図３】図２の圧電振動子をIII方向からみた正面図、

【図４】本発明における実施の形態を示す圧電振動子の
駆動および検出装置の回路構成図、

【図５】図４の圧電振動子の駆動および検出装置の等価
回路図、

【図６】駆動電圧の温度特性を示す図、

【図７】圧電振動子の出力電流の温度特性を示す図、

【図８】従来のジャイロスコープ用圧電振動子の駆動装
置を示すブロック図、

【図９】発振手段の入力電圧信号（自動利得調整手段の
出力電圧信号）を示し、Ａは外乱がない場合、Ｂは外乱
が生じた場合、

【図１０】図９Ａ，Ｂに対応するジャイロスコープの出
力を示し、Ａは外乱がない場合、Ｂは外乱が生じた場
合、

【図１１】圧電振動子の内部インピーダンスの抵抗成分
の温度特性を示す図、

【図１２】は圧電振動子の出力電流の温度特性を示す
図、

【符号の説明】

１１圧電振動子１２，１２′ Ｉ／Ｖ（電流／電圧）変換手段１３，１３′ 二値化手段１４，１４′ 位相比較手段２７ドライブ手段Ｒ_Dドライブ抵抗Ｉ１，Ｉ２出力電流Ｖ１，Ｖ２出力電圧Ｖ_Sドライブ信号の電圧Ｖ_C駆動電圧Ｓドライブ信号Ｚ圧電振動子の内部インピーダンスの抵抗成分（内部
抵抗）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度の上昇に応じて内部インピーダンス
と出力電流とが変化する温度特性を有する圧電振動子
と、この圧電振動子に交流駆動信号を与えるドライブ手
段と、前記圧電振動子の出力電流を出力電圧に変換する
Ｉ／Ｖ変換手段とからなる圧電振動子の駆動および検出
装置であって、前記圧電振動子とドライブ手段の間には、温度が上昇し
たときに圧電振動子に印加される駆動電圧を高めて前記
圧電振動子の出力電流の減少を防止し且つ温度が下った
ときに前記圧電振動子の駆動電圧を低下させて前記圧電
振動子の出力電流の増加を防止して前記出力電流の振幅
を一定に維持するドライブ抵抗が挿入されていることを
特徴とする圧電振動子の駆動および検出装置。
【請求項２】温度の上昇に応じて内部インピーダンス
が高くなる正の温度特性と温度の上昇に応じて出力電流
が小さくなる負の温度特性とを有する圧電振動子と、こ
の圧電振動子に交流駆動信号を与えるドライブ手段と、
前記圧電振動子の出力電流を出力電圧に変換するＩ／Ｖ
変換手段とからなる圧電振動子の駆動および検出装置で
あって、前記圧電振動子とドライブ手段の間には、温度が上昇し
たときに圧電振動子に印加される駆動電圧を高めて前記
圧電振動子の出力電流の減少を防止し且つ温度が下った
ときに前記圧電振動子の駆動電圧を低下させて前記圧電
振動子の出力電流の増加を防止して前記出力電流の振幅
を一定に維持するドライブ抵抗が挿入されている圧電振
動子の駆動および検出装置。
【請求項３】前記ドライブ抵抗Ｒ_Dと内部インピーダ
ンスの内部抵抗Ｚとの分割比をＺ／（Ｒ_D＋Ｚ）とし、
前記内部抵抗Ｚが正の温度特性で変化したときに、前記
ドライブ抵抗Ｒ_Dが前記分割比Ｚ／（Ｒ_D＋Ｚ）の値を１
／１５から１／２の範囲に設定する請求項１又は２に記
載の圧電振動子の駆動および検出装置。