JPH08307199A

JPH08307199A - 静電型変換手段の容量成分低減回路および静電型変換手段の駆動装置ならびに検出装置

Info

Publication number: JPH08307199A
Application number: JP7138289A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-11
Filing date: 1995-06-05
Publication date: 1996-11-22
Also published as: US5675296A; KR100223687B1; DE19600689C2; DE19600689A1; KR960029673A

Abstract

(57)【要約】【目的】静電型変換手段の一例である圧電振動子の駆
動装置において、圧電振動子の制動容量による電流消費
を等価的に低減して効果的な駆動ができるようにする。
また制動容量の低減効果に周波数依存性がないものとす
る。【構成】圧電振動子２に交流駆動電源５から駆動電圧
Ｖが与えられる。圧電振動子２の電極Ｃには（Ｎ＋１）
倍の電圧増幅率を有する増幅器７と静電容量Ｃｓとが直
列に接続されたループ回路８が設けられている。静電容
量Ｃｓを圧電振動子２の制動容量Ｃｄの１／Ｎに設定す
ると、制動容量Ｃｄに流れる電流ｉ3が静電容量Ｃｓか
らの電流ｉ1により置き換えられて負担され、駆動電流
ｉが制動容量Ｃｄにより消費されなくなる。制動容量Ｃ
ｄを低減する条件は、静電容量Ｃｓの容量値と増幅器７
の増幅率にのみ依存するものとなり、周波数依存性がな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電ひずみを利用した
圧電振動子や、空隙を隔てて向かいあった電極を有する
静電変換器などの静電型変換手段において、圧電振動子
の制動容量や静電変換器の容量成分を低減しまたは打ち
消して、効率的な駆動または高感度の振動検出などを可
能にした静電型変換手段の容量成分低減回路、および静
電型変換手段の駆動装置あるいは検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】静電型変換手段は、各種分野に使用され
る。静電型変換手段のうちの圧電変換器である例えば圧
電振動子は、圧電トランスのように電気的にパワーを取
り出す装置、圧電モータまたは圧電アクチュエータなど
のように力学的にパワーを取り出す装置、圧電ジャイ
ロ、加速度センサ、超音波センサおよび赤外線センサな
どのように主に信号を取り出す装置、周波数源としての
発振素子などのように信号を作り出す装置、フィルター
などのように信号を選択する装置に使用される。同様
に、静電変換器も振動型ジャイロ、加速度センサ、超音
波センサあるいは赤外線センサなどに使用が可能であ
る。

【０００３】図２６以下は、静電型変換手段の一例であ
る圧電振動子の駆動の従来例を示している。図２６
（Ａ）は圧電振動子１を示し、図２６（Ｂ）の等価回路
では、共振点付近で振動しているときの圧電振動子を符
号２で示している。ここで、Ｒｍ、Ｃｍ、Ｌｍからなる
直列共振辺３は、圧電振動子２の共振を等価的に表して
いる。前記直列共振辺３を含む並列共振辺４内でのＣｄ
は圧電振動子の制動容量成分である。図２７は圧電振動
子２のアドミッタンスの周波数特性を示したものであ
り、ｆａは共振点（共振周波数、直列共振点）、ｆｂは
反共振点（反共振周波数、並列共振点）を示している。

【０００４】圧電振動子を駆動する際、制動容量Ｃｄに
流れる電流は圧電振動子の振動に寄与していない無効電
流である。この制動容量Ｃｄに電流を供給しているため
に、駆動電源は圧電振動子を共振させるために必要な電
力に加え、制動容量Ｃｄにて消費する電力を供給するこ
とになり、その分駆動電源の容量を大きくする必要があ
る。

【０００５】図２８は、圧電振動子を共振点ｆａにて振
動させる際に、制動容量Ｃｄに流れる電流を等価的に打
ち消すための従来の回路例を示している。この従来例で
は、インダクタンスＬｄを有するコイル６が圧電振動子
２に並列に接続されている。ここで、直列共振辺３のイ
ンピーダンスＺｍは数１で示される。

【０００６】

【数１】

【０００７】図２８における交流駆動電源５は定電圧源
であり、圧電振動子２とコイル６にかかる電圧をＶとす
ると、圧電振動子２とコイル６に流れ込む電流Ｉは数２
で示される。

【０００８】

【数２】

【０００９】数２より電流Ｉを最小にする条件は数３の
条件を満たすときで、そのとき電流Ｉは数４で示され
る。

【００１０】

【数３】

【００１１】

【数４】

【００１２】よって、数３をインダクタンスＬｄについ
て展開した数５で示されるインダクタンスＬｄを有する
コイルを圧電振動子に並列に接続することで、圧電振動
子の制動容量Ｃｄが等価的に打ち消される。

【００１３】

【数５】

【００１４】制動容量Ｃｄに流れる電流が等価的に打ち
消されることにより、交流駆動電源５の電源容量をその
分低減することができる。また圧電振動子を共振状態に
て駆動するためには、交流駆動電源の駆動周波数は共振
点ｆａまたは反共振点ｆｂに近いことが必要である。し
かし、ＰＺＴ系のセラミック振動子などでは外部環境の
温度変化や振動子自体の発熱により圧電振動子の弾性係
数などが変化し、共振周波数が変動する。また駆動電圧
によってもその共振周波数が変動することが知られてい
る。従って常に共振点ｆａの付近で圧電振動子を駆動す
るためには、圧電振動子の共振周波数を検知してその周
波数で駆動する必要がある。そこで、最近の圧電モータ
等では圧電振動子の振動状態を検知する為のセンサを組
み込み、駆動電圧または駆動電流と前記センサの検出電
圧との位相差に基づいて圧電振動子の共振点の変動を追
尾し、常に共振周波数に近い周波数で駆動する共振点追
尾型の駆動装置も考えられている。

【００１５】一方、振動型ジャイロスコープ等のように
センサとして圧電振動子を用いる場合においても制動容
量Ｃｄの影響により、圧電振動子から得られる検出電圧
または検出電流は低減させられ、圧電振動子の振動を高
感度に検出できない問題がある。この問題に関しても圧
電振動子の駆動の場合と同様に、従来から圧電振動子に
並列にインダクタンスＬｄを接続して制動容量Ｃｄを等
価的に打ち消すまたは低減することにより、検出感度の
向上を図っている。

【００１６】さらに、フィルタの比帯域幅は圧電振動子
に固有な電気・機械結合係数にとって制限されるため、
比帯域幅を広げるため、インダクタンスＬｄを入力端子
に接続している。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、制動容
量Ｃｄを等価的に打ち消すインダクタンスＬｄは数５に
示すように（駆動周波数ｆ）²×（制動容量Ｃｄ）に反
比例する。特に駆動周波数ｆに対しては２乗で効くた
め、温度変化等により共振周波数が変動した場合には、
駆動周波数と共振周波数との差が大きくなるに従い制動
容量Ｃｄを等価的に打ち消す量は加速度的に減少する。
また一般的にインダクタンスＬｄは他の回路部品である
抵抗Ｒや静電容量Ｃに比べて形状が大きく回路の小型化
が難しい。また、等価的な打ち消し効果を上げるために
は圧電振動子に合わせてインダクタンスを可変して調整
する必要があるが、抵抗Ｒや静電容量Ｃに比べて可変す
ることには適していない。

【００１８】さらに、共振点追尾型の駆動装置は、従来
の圧電モータの様に、圧電振動子の振動状態を検知する
センサを用いることで一部実現されているが、その他の
モータでは振動状態を最適に検知できるセンサが現状で
存在していないため、センサを用いずに駆動電圧やモー
タの温度等を検知して駆動周波数を変動させているが、
共振点を完全に追尾することは困難である。

【００１９】また、振動型ジャイロスコープ等のように
センサとして圧電振動子を用いる場合、検出に用いられ
る圧電振動子の制動容量ＣｄをインダクタンスＬｄを用
いて等価的に低減または無くすことができるが、等価的
に低減する効果は周波数の関数となるため駆動周波数の
影響を大きく受ける。さらに、前記のように、一般的に
インダクタンスは、他の電子部品に比べて調整が難しい
と同時に部品が大型となる。

【００２０】また、フィルタとして圧電振動子を使用す
る場合、広帯域化を図るため、インダクタンスＬｄを入
出力端子に接続するが、インダクタンスは小型化が難し
いこととインダクタンスの効果が特定周波数のみでしか
有効とならないという制約がある。

【００２１】なお、圧電振動子と同じ静電型変換手段の
一種である静電変換器は、狭い間隙を隔てて向かい合う
平面電極を有するものである。この電極間に電圧を与え
ると前記間隙が変化するように動作し、逆に前記間隙が
変化するような外力を与えると電極間の電圧が変化す
る。この静電変換器の駆動および動作検知での等価回路
は、圧電振動子と同じである。したがって、この静電変
換器においてもその容量成分が駆動電力を消費し、また
検知装置では容量成分が検出感度を低下させるという圧
電振動子と全く同じ問題点が存在する。

【００２２】本発明は上記課題を解決するものであり、
インダクタンスを用いることなく静電型変換手段の容量
成分にかかる電力を低減させさらには打ち消すことがで
きる容量成分低減回路を提供し、さらに静電型変換手段
を省電力にて駆動する駆動装置、ならびに静電型変換手
段の振動を高感度にて検出する検出装置を提供すること
を目的としている。

【００２３】また、本発明は、温度変化や駆動電圧の変
化などにより静電型変換手段の共振周波数が変動した場
合に、常にこの共振周波数を追尾して駆動できるように
した駆動装置を提供することを目的としている。

【００２４】さらに、本発明は静電型変換手段を含む自
励発振回路を構成して、静電型変換手段を共振周波数ま
たは反共振周波数にて駆動できるようにしたことを目的
としている。

【００２５】

【発明を解決するための手段】本発明の容量成分低減回
路は、静電型変換手段の一方の側の電圧を増幅する増幅
器が設けられ、この増幅器の増幅出力端から静電容量を
経て静電型変換手段の前記一方の側に接続される経路が
設けられて、静電型変換手段の容量成分が低減されるこ
とを特徴とするものである。

【００２６】上記静電型変換手段は、例えば電気歪み変
換器である圧電振動子、または平面電極が微小な隙間を
隔てて対向する静電変換器などである。前記容量成分
は、圧電振動子の場合には制動容量であり、静電変換器
の場合は対向電極間の容量成分である。

【００２７】上記において、静電容量が、静電型変換手
段の容量成分のほぼ１／Ｎであるときに、増幅器の増幅
度がほぼ（Ｎ＋１）倍であることが好ましい。

【００２８】この場合、静電型変換手段の一方の側の電
圧をＶとすると、増幅器の出力端の電圧すなわち、互い
に直列となる静電型変換手段および静電容量にかかる電
圧がＶ（Ｎ＋１）となる。

【００２９】また、静電型変換手段が圧電振動子である
場合に、静電容量を、この圧電振動子を構成する材料と
同一の材料により形成することが可能である。

【００３０】本発明の駆動装置は、静電型変換手段に駆
動電力を供給する経路と、前記容量成分低減回路とを含
み、この容量成分低減回路の増幅器が、前記経路にて静
電型変換手段に与えられる駆動電力を増幅する位置に設
けられていることを特徴とするものである。

【００３１】この場合の回路構成例では、まず図１に示
すように、静電型変換手段の一端Ｃに駆動電力が与えら
れ、さらに前記一端Ｃから、増幅器７および静電容量Ｃ
ｓを経て前記一端Ｃに戻るループ回路が構成される。あ
るいは、図２１に示すように、静電型変換手段の一端
Ｃ′に駆動電力が与えられる経路と、増幅器７と静電容
量Ｃｓを経て一端Ｃ′に至る経路とが並列に配置され
る。図１と図２１に示す回路は実質的に同じである。た
だし、図１に示すようなループ回路が構成されている
と、使用周波数が高く且つ増幅器７の増幅率が高くなっ
た場合に発振が生じるおそれがある。そこで図２２に示
すように、静電型変換手段に駆動電力を供給する経路
と、増幅器および静電容量を有する経路とが、駆動電力
の供給側と静電型変換手段との間で並列に設けられてい
る場合に、静電型変換手段に駆動電力を供給する前記経
路に、電圧保持手段が設けられている構成とすることが
好ましい。

【００３２】さらに、静電型変換手段に流れる電流位相
を検出する電流位相検出手段と、前記電流位相検出手段
で検出した電流位相と静電型変換手段に与えられる駆動
電力の電圧位相とを比較する位相比較器と、位相比較器
の高周波成分を除去するフィルタと、このフィルタを経
た出力電圧に基づいて発振周波数が可変制御される電圧
制御発振器とが設けられ、この電圧制御発振器の発振周
波数に基づく駆動電力が与えられて静電型変換手段が共
振周波数にて駆動されるものとすることができる。

【００３３】上記において、静電型変換手段は圧電振動
子である場合に、位相比較器により比較される電流位相
と電圧位相との位相差が０となるように電圧制御発振器
の発振周波数が可変制御されるものとなる。

【００３４】次に本発明の検出装置は、外力にて振動さ
せられる静電型変換手段から電気出力を得る検出装置で
あって、前記容量成分低減回路が設けられていることを
特徴とするものである。

【００３５】さらに、本発明の駆動装置は、静電型変換
手段の容量成分と抵抗成分を含む周波数選択回路と、こ
の周波数選択回路を正帰還ループに配された増幅器とを
有して、前記周波数選択回路で決定される周波数により
自励発振することを特徴とするものである。

【００３６】上記において、周波数選択回路は、増幅器
の正帰還ループ内にて互いに直列に接続された第１の抵
抗と第１の容量と、互いに並列に接続されて前記増幅器
の非反転入力側に接続された第２の抵抗と第２の容量と
から構成され、第１の抵抗と第１の容量、または第２の
抵抗と第２の容量が、静電型変換手段の容量成分と抵抗
成分とされているものとして構成できる。

【００３７】具体的には、図９に示すように、増幅器の
正帰還ループ内に第１の容量と第１の抵抗とが互いに直
列に接続され、増幅器の非反転入力側に圧電振動子また
は静電変換器などの静電型変換手段が接続され、前記第
１の容量と第１の抵抗および、共振点付近にて駆動状態
となる静電型変換手段の容量成分と抵抗成分とで決定さ
れる周波数にて、自励発振する構造となる。あるいは、
図１１に示すように、増幅器の正帰還ループに静電型変
換手段が接続され、さらに互いに並列な第２の容量と第
２の抵抗とが、増幅器の非反転入力側に接続され、反共
振点付近で駆動状態となる静電型変換手段の容量成分と
抵抗成分および第２の容量と第２の抵抗とで決定される
周波数にて自励発振する構造となる。

【００３８】さらに、図９と図１１にてＣ′およびＲ′
にて示すように、静電型変換手段に容量成分と抵抗成分
とが接続されている構造が好ましい。

【００３９】また、上記において、好ましくは、増幅器
の負帰還ループに、増幅器の増幅率を決定する抵抗を有
する振幅安定化回路が設けられたものとなる。

【００４０】

【作用】本発明の容量成分低減回路では、圧電振動子な
どの静電型変換手段の一方の側に与えられる電圧または
この一方の側に生じる電圧を増幅器により増幅し、この
増幅された電圧が静電型変換手段に直列に接続された静
電容量にかかるものとなる。よって静電容量に流れる電
流により、静電型変換手段の容量成分例えば圧電振動子
の制動容量が打ち消され、静電型変換手段の容量成分の
働きを低減させることができる。

【００４１】上記において、静電容量が、静電型変換手
段の容量成分のほぼ１／Ｎであるときに、増幅器の増幅
度をほぼ（Ｎ＋１）倍にすると、すなわち、静電型変換
手段の一方の側に与えられる電圧または一方の側に生じ
る電圧をＶとしたときに、静電型変換手段および静電容
量にかかる電圧をＶ（Ｎ＋１）にすると、静電型変換手
段の容量成分がほぼ完全に打ち消されるものとなる。た
だし、静電容量がこの値に厳密に一致していなくても容
量成分の低減効果を発揮できる。

【００４２】静電型変換手段が圧電振動子の場合には、
静電容量を圧電振動子と同じ材料により形成でき、この
場合には温度などの環境に対して圧電振動子と静電容量
とが同等なものとなり、より効果的な容量成分の低減が
可能になる。

【００４３】本発明の駆動装置では、圧電振動子などの
静電型変換手段の一方の側（一方の電極）に交流駆動電
力が与えられるが、この駆動電力を与えるのとは別の経
路で、前記駆動電力が増幅器にて増幅され、この増幅電
圧が前記一方の側に接続された静電容量にかかるものと
なっている。この容量成分低減回路により、静電型変換
手段の容量成分が低減されまたは打ち消され、よって容
量成分での電力消費がなくなり、省電力駆動が可能にな
る。

【００４４】また、静電型変換手段に駆動電力を供給す
る経路と、増幅器および静電容量を有する経路とが、駆
動電力の供給側と静電型変換手段との間で並列に設けら
れている場合において、静電型変換手段に駆動電力を供
給する前記経路に、電圧フォロワなどの電圧保持手段を
設けると、発振の生じない安定した駆動が可能になる。

【００４５】さらに静電型変換手段に与えられる駆動電
圧の位相と、静電型変換手段に流れる電流の位相とを比
較して、電圧の電流の位相差、例えば圧電振動子の場合
に位相差が０となるように、駆動電力の周波数を可変制
御することにより、常に静電型変換手段が共振周波数ま
たは反共振周波数で駆動されるようになる。よって、温
度や駆動電圧などの変動により、静電型変換手段の共振
周波数または反共振周波数が変動した場合であっても、
駆動電力は常にこの周波数の変動を追尾するものとな
る。

【００４６】さらに、本発明の静電型変換手段の駆動装
置は、増幅器（オペアンプ）と、この増幅器の正帰還ル
ープ（正帰還経路）に周波数選択回路を設け、この周波
数選択回路に、静電型変換手段の容量成分と抵抗成分、
さらに詳しくは共振状態（直列共振）または反共振状態
（並列共振）となった静電型変換手段の容量成分と抵抗
成分を含ませることにより、静電型変換手段の共振点ま
たは反共振点付近で自励発振させるものとして構成でき
る。

【００４７】この駆動装置は、ウイーンブリッジ発振回
路の原理を使用したものである。この発振回路での、周
波数選択回路は、例えば互いに直列に接続されて増幅器
の正帰還ループ内に含まれる第１の容量と第１の抵抗
と、互い並列に接続されて増幅器の非反転入力側に接続
される第２の容量と第２の抵抗とで構成できる。ここ
で、第１の容量と第１の抵抗、あるいは第２の容量と第
２の抵抗を、共振点付近または反共振点付近で駆動され
る静電型変換手段に置き換えることにより、静電型変換
手段の容量成分と抵抗成分を決定要素とした周波数によ
る自励発振回路を構成できる。

【００４８】また、上記の周波数選択回路では、第１と
第２のそれぞれの容量がハイパスフィルタとローパスフ
ィルタとして機能して、増幅器の入出力間でのバンドパ
スフィルタが構成されて自励発振の周波数が決められ
る。ここで、圧電振動子などの静電型変換手段の共振周
波数または反共振周波数と、前記周波数選択回路で決め
られる自励発振の周波数に差が生じることがある。従っ
て、図９または図１１に示すように、静電型変換手段に
付加容量Ｃ′と付加抵抗Ｒ′を並列または直列に接続
し、この付加容量と付加抵抗とで、前記ローパスフィル
タとハイパスフィルタのカットオフ周波数を調整する
と、静電型変換手段の共振周波数または反共振周波数に
て、自励発振が行われるようになる。

【００４９】さらに、増幅器の負帰還ループに、増幅率
を設定する抵抗を設けることにより、自励発振の振幅を
安定させることが可能になる。

【００５０】

【実施例】本発明での静電型変換手段としては、圧電振
動子、または平面電極が対向した静電変換器を例示でき
るが、以下の実施例では、まず圧電振動子を一例として
説明する。図１は圧電振動子の駆動装置に関わる実施例
である。

【００５１】圧電振動子２（共振点付近で振動している
状態での等価回路で示している）の電極はアースに接続
され、一方の電極（本発明での一方の側）は交流駆動電
源５に接続されている。また、前記一方の電極には、こ
の電極にかかる電圧すなわち交流駆動電源５にて供給さ
れる駆動電力の電圧を（Ｎ＋１）倍のゲインにて増幅す
る増幅器７が接続されている。この増幅器７の増幅出力
端には静電容量Ｃｓが直列に接続され、この静電容量Ｃ
ｓは前記一方の電極にて圧電振動子２に直列に接続され
ており、Ｃ点において、これら増幅器及びＣｓを有する
ループ回路（容量成分低減回路）８が接続されている。
静電容量Ｃｓの容量値は、圧電振動子２の制動容量Ｃｄ
のほぼ（１／Ｎ）である。このループ回路８が本発明の
容量成分（制動容量）低減回路となる。

【００５２】図１において、交流駆動電源５からの供給
電流をｉ、静電容量Ｃｓを流れる電流をｉ1、圧電振動
子２の直列共振辺３のインピーダンスをＺｍとし、そこ
に流れる電流をｉ2、制動容量Ｃｄに流れる電流をｉ3、
増幅器７に流れる電流をｉ4とする。

【００５３】Ｃ点には交流駆動電源５からの駆動電圧Ｖ
がかかるため、増幅器７によりＤ点の電位は（Ｎ＋１）
Ｖとなる。よって、Ｄ点−Ｃ点間にはＮ・Ｖの電圧がか
かる。Ｄ点−Ｃ点間のインピーダンスは１／（ｊωＣ
ｓ）であるからｉ1は数６で表せる。ただしωは角周波
数である。

【００５４】

【数６】

【００５５】同様にｉ2、ｉ3は数７、数８で表せる。

【００５６】

【数７】

【００５７】

【数８】

【００５８】ｉ４は極めて微小な電流の為、これを無視
するとｉは数９で表される。

【００５９】

【数９】

【００６０】数６、数７、数８を数９に代入すると数１
０となる。

【００６１】

【数１０】

【００６２】ここで、数１１が成立するとき、

【００６３】

【数１１】

【００６４】ｉは数７の右辺と等しくなり、ｉはｉ2と
等しくなる。すなわち交流駆動電源５からの供給電流
は、直列共振辺３のインピーダンスＺｍに流れる量のみ
で、振動に寄与しない制動容量Ｃｄの分は供給されない
ことになる。

【００６５】圧電振動子の制動容量Ｃｄ成分が等価的に
打ち消されたため、この状態の圧電振動子の等価回路は
図２に表されるような直列共振辺３のみの回路とな
る。このときの交流駆動電源５からの供給電流ｉのゲイ
ン特性は数１２となり、共振点ｆａは数１３、位相特性
は数１４となる。図３（Ａ）はこのときの供給電流ｉの
ゲインの周波数特性を示し、図３（Ｂ）は供給電流ｉの
位相の周波数特性を示している。

【００６６】

【数１２】

【００６７】

【数１３】

【００６８】

【数１４】

【００６９】制動容量Ｃｄに流れる電流を打ち消す条件
は数１１、すなわち静電容量Ｃｓが制動容量Ｃｄの（１
／Ｎ）となることである。この条件は静電容量Ｃｓと増
幅器７のゲインＮの関数で与えられ、交流駆動電源５の
駆動周波数の関数とはならない。そのため、制動容量Ｃ
ｄを打ち消すための条件に周波数依存性はない。また制
動容量Ｃｄを打ち消すための静電容量Ｃｓの調整は、バ
リキャップまたはトリマータイプの可変静電容量を使用
しても、インダクタンスＬの調整よりははるかに容易で
小型化が実現できるものとなる。ただし、静電容量Ｃｓ
を固定してゲインＮを可変抵抗で調整しても同様の効果
が得られるため、より一層の小型化が図れる。また、接
続する静電容量Ｃｓおよび増幅器７のゲインが数１１に
示す条件に完全に一致しなくても制動容量Ｃｄの影響を
低減する効果があることはもちろんである。

【００７０】また、静電容量Ｃｓは圧電振動子２を構成
する材料と同一であってもよい。また圧電振動子を構成
する材料の一部分を分極を施さないものとし、この部分
を静電容量Ｃｓとして使用してもよい。このように、同
一の材料の一部を分極を施して圧電振動子として機能さ
せ、他の一部を分極を施さない静電容量Ｃｓとして機能
させることにより、静電容量Ｃｓとなる素子を特別に設
ける必要がなくなる。これにより、コストを削減できる
だけでなく、部品点数を減らし、装置の小型化に対応す
ることが可能となる。また、増幅器７は電圧を増幅する
手段であればよく、トランジスタ、オペアンプ、トラン
スなどで構成される。

【００７１】図５と図７は従来の回路と本発明の実施例
での実験結果を示している。図８は実験に用いた圧電振
動子の積層体１０を示している。図８においてガラス基
板１４の一方の面には、電極１３、圧電材料１２、およ
び駆動電極１１が積層されており、他方の面には同じ
く、電極１５、圧電材料１６および検出電極１７が積層
されている。圧電材料１２および１６の誘電分極方向は
図８において矢印で示す方向である。

【００７２】図５は本発明に係わるループ回路８（容量
成分低減回路）を接続しない従来の回路を用いた実験結
果を示している。図４は従来の回路を用いた実験回路で
あり、図５は図４における電流計９より検出された出力
を示している。図４では圧電振動子２の電極はアースに
接続され、一方の電極は交流駆動電源５に接続され、電
流計９は圧電振動子２と交流駆動電源５の間に接続され
ている。実験に用いた圧電振動子２は図８の積層体１０
であり、この積層体１０の駆動電極１１を図４の実験回
路の端子Ａへ、電極１３を端子Ｂへそれぞれ接続した。

【００７３】図５は横軸に交流駆動電源５から与えられ
る駆動電力の周波数を示し、縦軸に交流駆動電源５から
の供給電流ｉのゲインを（ｄＢ）で、同じく供給電流ｉ
の位相θを（ｄｅｇ）で示している。出力Ｘはゲイン特
性を示し、共振点ｆａで最大、反共振点ｆｂで最小とな
っている。出力Ｙは位相特性を示し、共振点ｆａおよび
反共振点ｆｂ付近以外の周波数において、制動容量Ｃｄ
の影響で、供給電流ｉは駆動電圧位相より９０度の進み
位相となっている。

【００７４】図７は本発明に係わるループ回路８（容量
成分低減回路）を接続した本発明の回路での実験結果を
示している。図６は実験回路であり、図７は図６におけ
る電流計９より検出された出力を示している。図６で
は、圧電振動子２の電極がアースに接続され、一方の電
極は交流駆動電源５に接続され、端子Ａから圧電振動子
２に駆動電力が与えられる。容量成分低減回路であるル
ープ回路８では前記駆動電力の供給経路において端子Ａ
での電圧が増幅器７により（Ｎ＋１）倍に増幅される。
増幅器７の増幅出力端には静電容量Ｃｓが直列に接続さ
れ、さらに静電容量Ｃｓは端子Ａに接続されている。静
電容量Ｃｓは、制動容量Ｃｄのほぼ（１／Ｎ）とした。

【００７５】電流計９は圧電振動子２と交流駆動電源５
の間に接続されている。実験に用いた圧電振動子２は図
８の積層体１０であり、この積層体１０の駆動電極１１
を図６の実験回路の端子Ａへ、電極１３を端子Ｂへそれ
ぞれ接続した。図６に示す実施例では、増幅器７がオペ
アンプであり、電圧増幅の利得を設定する抵抗Ｒ３、Ｒ
４を含む負帰還回路ブロック１９、および静電容量Ｃｓ
からなる正帰還回路ブロック１８で構成した。各パラメ
ータ（Ｒ３、Ｒ４、Ｃｓ）を数１５、数１６に示すよう
に設定した。

【００７６】

【数１５】

【００７７】

【数１６】

【００７８】図７は横軸に周波数を示し、縦軸に交流駆
動電源５からの供給電流ｉのゲインを（ｄＢ）で、同じ
く供給電流ｉの位相θを（ｄｅｇ）で示している。出力
Ｘはゲイン特性を示すが、制動容量Ｃｄが等価的にキャ
ンセルされており、共振点ｆａでゲインが最大となる特
性となっている。また、出力Ｙは位相特性を示すが、共
振点ｆａで位相がぼぼ０度となり、その周波数を境に電
流位相は駆動電圧位相に対して約９０度の進み位相から
約９０度の遅れ位相に変化していることがわかる。

【００７９】前記、図５と図７の出力特性を比較する
と、図６のループ回路８（容量成分低減回路）を付加し
たことによる作用で、制動容量Ｃｄの成分を等価的に打
ち消すことができ、交流駆動電源５から制動容量Ｃｄに
加わる電力の分だけ、駆動電力を低減できたことを確認
することができる。

【００８０】図９と図１１は、自励発振回路２０を構成
した本発明の圧電振動子の駆動装置の実施例を示してい
る。図９の実施例において、増幅器２７はオペアンプで
あり、電圧増幅の利得を設定する抵抗Ｒ３，Ｒ４を有す
る負帰還回路ブロック２３、および静電容量Ｃｓと抵抗
Ｒ１と圧電振動子１とで構成される正帰還回路ブロック
２２が接続されている。

【００８１】正帰還回路ブロック２２は周波数選択回路
であり、静電容量Ｃｓと抵抗Ｒ１とが互いに直列に接続
され、この直列に接続されたものが増幅器２７の正帰還
経路（正帰還ループ）２２ａ内、すなわち増幅器２７の
出力側と非反転入力側をむすぶ経路内に接続されてい
る。また、圧電振動子１の一方の電極が増幅器２７の非
反転入力側に接続され、他方の電極はアース接続されて
いる。負帰還回路ブロック２３は、電圧増幅の利得を設
定する振幅安定化回路であり、抵抗Ｒ３を介して増幅器
２７の反転側入力端子に接続される負帰還経路（負帰還
ループ）２３ａが設けられ、また抵抗Ｒ４は増幅器２７
の反転入力側とアース間に接続されている。

【００８２】図１０（Ａ）は圧電振動子を共振点ｆａ付
近で駆動させたときの等価回路である。共振点ｆａで
は、ＬｍとＣｍが直列共振となり図１０（Ｂ）と等価と
なる。図１０（Ｂ）の等価回路の共振点ｆａは数１７で
求められる。

【００８３】

【数１７】

【００８４】一方、図９の回路（ここでは付加抵抗Ｒ′
と付加容量Ｃ′が設けられていない回路を想定する）に
おいて、圧電振動子１を図１０（Ｂ）の直列共振での等
価回路に置き換えて回路解析を行った結果を以下に示
す。増幅器２７の非反転入力端子の電圧をｅｉ、反転入
力端子の電圧をｅｉ′、出力電圧をｅｏとおくと、数１
８、数１９の関係となる。

【００８５】

【数１８】

【００８６】

【数１９】

【００８７】増幅器（オペアンプ）２７の増幅度が十分
に大きいとすると、数２０の関係が成り立つ。数２０に
数１８、数１９を代入すると数２１となる。

【００８８】

【数２０】

【００８９】

【数２１】

【００９０】数２１より、圧電振動子１の駆動回路２０
の発振条件は、振幅条件が数２２、周波数条件が数２３
となる。

【００９１】

【数２２】

【００９２】

【数２３】

【００９３】ここで上記振幅条件および周波数条件を満
足する各パラメータ（Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４，Ｃｓ）を選ぶ
ことにより、この回路２０は圧電振動子の共振点ｆａで
発振する自励発振回路となる。

【００９４】すなわち、この自励発振回路は、ウイーン
ブリッジ発振回路の原理を使用したものである。ウイー
ンブリッジ発振回路は、増幅器（オペアンプ）２７に正
帰還をかけることにより発振を生じさせるものである
が、この自励発振周波数は、周波数選択回路である正帰
還回路ブロック２２により決められる。正帰還回路ブロ
ック２２（周波数選択回路）では、第１の容量Ｃｓと第
１の抵抗Ｒ１が正帰還ループ内にて直列に接続され、ま
た図１０（Ｂ）に示した等価回路となる圧電振動子１の
制動容量Ｃｄが第２の容量で、Ｒｍが第２の抵抗とな
る。これらは互いに並列であり、増幅器２７の非反転入
力側に接続されるものとなる。周波数選択回路では、第
１の容量（静電容量）Ｃｓがハイパスフィルタとして働
き、第２の容量（制動容量）Ｃｄがローパスフィルタと
して働く。増幅器２７の正帰還経路でのこのハイパスフ
ィルタとローパスフィルタとで形成されるバンドパスフ
ィルタにより自励発振の周波数が決められる。

【００９５】なお、負帰還回路ブロック２３は、増幅器
２７の電圧増幅の利得を十分に高く設定して、自励発振
の振幅安定化回路として機能するものとなる。ここで、
圧電振動子１の共振周波数は数１７にて決められ、これ
は圧電振動子１のモーショナル時のインダクタンス成分
Ｌｍと容量成分Ｃｍにて決められる。この共振周波数
と、前記周波数選択回路にて決められる自励発振周波数
が、必ずしも一致しない場合がある。

【００９６】この場合には、図９に示すように圧電振動
子１に、並列な付加容量Ｃ′と付加抵抗Ｒ′を設け、そ
れぞれの容量値と抵抗値を調整しまたは選択することが
好ましい。この場合、付加容量Ｃ′が前記ローパスフィ
ルタのカットオフ（遮断）周波数を調整するように働
き、付加抵抗Ｒ′が前記ハイパスフィルタのカットオフ
周波数を調整するように働く。その結果、自励発振回路
２０の自励発振周波数と、圧電振動子１の共振周波数を
一致させまたは近似させるように補正することができ
る。したがって付加容量Ｃ′と付加抵抗Ｒ′を可変自在
な素子により構成し、および／または静電容量Ｃｓと抵
抗Ｒ１を可変自在な素子により構成することが好まし
い。

【００９７】次に、図１１の実施例では、増幅器３７は
オペアンプであり、電圧増幅の利得を設定する抵抗Ｒ
３，Ｒ４を含む負帰還回路ブロック３３、および静電容
量Ｃｓと抵抗Ｒ２と圧電振動子１とで構成される正帰還
回路ブロック３２が接続されている。正帰還回路ブロッ
ク３２は周波数選択回路であり、圧電振動子１を含む正
帰還経路（正帰還ループ）３２ａが構成されており、す
なわち増幅器３７の出力側と非反転入力側をむすぶ経路
が構成てれ、この経路内に圧電振動子１が接続されてい
る。静電容量Ｃｓと抵抗Ｒ２は互いに並列に接続され且
つ増幅器３７の非反転入力側とアース間に接続されてい
る。負帰還回路ブロック３３は電圧増幅利得を十分に高
くして振幅安定化を図るものであり、抵抗Ｒ３を介して
増幅器３７の反転入力端子に接続される負帰還経路３３
ａが構成されている。また抵抗Ｒ４は、増幅器３７の反
転入力側とアース間に接続されている。

【００９８】図１２（Ａ）は圧電振動子１を反共振点ｆ
ｂ付近で駆動させたときの等価回路である。反共振点ｆ
ｂでは、Ｌｍ′とＣｍ′が並列共振となり、図１２
（Ｂ）と等価となる。図１２（Ｂ）の等価回路の反共振
点ｆｂは数２４で求められる。

【００９９】

【数２４】

【０１００】図１１の回路（ここでは付加容量Ｃ′と付
加抵抗Ｒ′が設けられていない回路を想定する）におい
て、圧電振動子１を図１２（Ｂ）の並列共振での等価回
路に置き換えて回路解析を行った結果を以下に示す。増
幅器３７の非反転入力端子の電圧をｅｉ、反転入力端子
の電圧をｅｉ′、出力電圧をｅｏとおくと、数２５、数
２６の関係となる。

【０１０１】

【数２５】

【０１０２】

【数２６】

【０１０３】増幅器（オペアンプ）３７の増幅度が十分
に大きいとすると、数２７の関係が成り立つ。数２７に
数２５、数２６を代入すると数２８となる。

【０１０４】

【数２７】

【０１０５】

【数２８】

【０１０６】数２８より、圧電振動子１を含む自励発振
回路３０の発振条件は振幅条件が数２９、周波数条件は
数３０となる。

【０１０７】

【数２９】

【０１０８】

【数３０】

【０１０９】ここで振幅条件および周波数条件を満足す
る各パラメータ（Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｃｓ）を選ぶ事に
より、この回路は圧電振動子の反共振点ｆｂで発振する
自励発振回路となる。

【０１１０】図１１に示す自励発振回路の原理は、ウイ
ーンブリッジ発振回路であり、図９に示したものと同じ
である。図１１にて圧電振動子１を図１２（Ｂ）の等価
回路におきかえたとき、第１の容量はＣｄ′、第１の抵
抗はＲｍ′、第２の容量はＣｓ、第２の抵抗はＲ２であ
る。この回路では、反共振点付近で動作している圧電振
動子１の制動容量Ｃｄ′がハイパスフィルタとして働
き、静電容量Ｃｓがローパスフィルタとして働く。

【０１１１】ここで、圧電振動子の反共振周波数は数２
４で決められるが、この反共振周波数と、自励発振回路
３０での自励発振周波数が必ずしも一致しない場合があ
る。この場合には、図１１に示すように、圧電振動子１
に付加容量Ｃ′と付加抵抗Ｒ′を接続することが好まし
い。この場合には、付加容量Ｃ′がハイパスフィルタの
通過周波数を補正する機能を発揮し、付加抵抗Ｒ′がロ
ーパスフィルタの通過周波数を補正する機能を発揮す
る。これにより、自励発振回路３０の自励発振周波数
を、圧電振動子１の反共振周波数に一致させ、または近
似させることができるものとなる。この実施例において
も、付加容量Ｃ′と付加抵抗Ｒ′および／または静電容
量Ｃｓと抵抗Ｒ２を可変可能な素子で構成することが好
ましい。

【０１１２】また、図１１において付加容量Ｃ′と付加
抵抗Ｒ′を圧電振動子１と並列に接続し、図９において
付加容量Ｃ′と付加抵抗Ｒ′を圧電振動子１に直列に接
続してもよい。なお、図９と図１１において、付加容量
Ｃ′と付加抵抗Ｒ′のいずれか一方のみ設ける構造であ
ってもよい。すなわちハイパスフィルタとローパスフィ
ルタのいずれかのみを調整することによっても、圧電振
動子の共振周波数または反共振周波数を、自励発振周波
数に近似させる点で効果がある。

【０１１３】図９と図１１に示す２つの実施例では、制
動容量Ｃｄ（またはＣｄ′）の静電容量Ｃｓによる容量
低減回路の応用として圧電振動子を用いた自励発振回路
を構成している。静電容量Ｃｓは圧電振動子１を構成す
る材料と同一であってもよい。または圧電振動子を構成
する材料の一部に分極を施さず、この部分を静電容量Ｃ
ｓとして用いてもよい。ここで、増幅器２７、３７は電
圧を増幅する手段であればよく、トランジスタ、オペア
ンプ、トランスなどで構成される。

【０１１４】図１３は、圧電振動子の共振点を追尾して
駆動する駆動装置の実施例を示している。圧電振動子２
の電極はアースに接続され、一方の電極（一方の側）に
駆動電圧Ｖが印加される。前記一方の電極では駆動電圧
が供給されるＣ点にて（Ｎ＋１）倍のゲインを持った増
幅器７が接続されている。この増幅器７の増幅出力端に
直列に接続された静電容量Ｃｓが前記Ｃ点に接続されて
ループ回路８（容量成分低減回路）が構成されている。
この点は、図１に示した実施例と同じである。

【０１１５】図１３において、圧電振動子２への供給電
流をｉ、静電容量Ｃｓを流れる電流をｉ1、圧電振動子
２の直列共振辺３のインピーダンスをＺｍとし、そこに
流れる電流をｉ2、制動容量Ｃｄに流れる電流をｉ3、増
幅器７に流れる電流をｉ4とおく。

【０１１６】Ｃ点に電圧Ｖがかかったとき、増幅器７に
よりＤ点の電圧は（Ｎ＋１）Ｖとなるため、Ｄ点−Ｃ点
間にはＮ・Ｖの電圧がかかる。Ｄ点−Ｃ点間のインピー
ダンスは１／（ｊωＣｓ）であるからｉ1は数３１で表
せる。

【０１１７】

【数３１】

【０１１８】同様にｉ2、ｉ3は数３２、数３３で表せ
る。

【０１１９】

【数３２】

【０１２０】

【数３３】

【０１２１】ｉ４は極めて微小な電流の為、これを無視
するとｉは数３４で表される。

【０１２２】

【数３４】

【０１２３】数３１、数３２、数３３を数３４に代入す
ると数３５となる。

【０１２４】

【数３５】

【０１２５】ここで、数３６が成立するとき、

【０１２６】

【数３６】

【０１２７】ｉは数３２の右辺と等しくなり、ｉはｉ2
と等しくなる。すなわち圧電振動子２への供給電流は、
直列共振辺３のインピーダンスＺｍに流れる量のみで、
振動に寄与しない制動容量Ｃｄの分は供給しない。この
ときの供給電流ｉのゲイン特性は数３７となり、共振点
ｆａは数３８、位相特性は数３９となる。図１４（Ａ）
は供給電流ｉのゲインの周波数特性であり、図１４
（Ｂ）は供給電流ｉの位相の周波数特性である。

【０１２８】

【数３７】

【０１２９】

【数３８】

【０１３０】

【数３９】

【０１３１】図１４（Ｂ）より共振点ｆａにおいては、
圧電振動子２への供給電流の位相と圧電振動子２の一方
の電極に印加される駆動電圧の位相の位相差は０度であ
る。図１３に示す実施例は、ここに着眼してなされたも
のであり、この位相差を検出することによって、共振点
を追尾する圧電振動子の駆動装置を実現するものであ
る。

【０１３２】図１３において、圧電振動子２を駆動する
交流電源部は、電流位相検出手段、波形整形手段Ａ、波
形整形手段Ｂ、位相比較器、ループフィルタ、電圧制御
発振器（ＶＣＯ）、電力増幅器により構成される。

【０１３３】交流電源部から圧電振動子２の一方の電極
に与えられる電流位相が電流位相検出手段により検出さ
れ波形整形手段Ａにて波形整形された出力をφ１とし、
圧電振動子２に印加される電圧位相が波形整形手段Ｂに
より波形整形された出力をφ２とする。両波形整形出力
は位相比較器に入力され、φ１とφ２の位相誤差が検出
される。位相比較器からの位相誤差出力は、ループフィ
ルタ（ローパスフィルタ）を経て高周波成分が除去さ
れ、位相誤差電圧Ｖｐが得られる。この位相誤差電圧Ｖ
ｐがＶＣＯに入力されてＶｐに応じた周波数の出力が得
られる。このＶＣＯの出力が電力増幅器にて電力増幅さ
れ、前記電流位相検出手段を通して圧電振動子２に印加
される。

【０１３４】ここで位相比較器、ループフィルタ、ＶＣ
Ｏにより、出力（電流位相）φ１の位相が出力（電圧位
相）φ２より進んでいるときにはＶＣＯの発振周波数が
高くなるように働き、逆に出力（電圧位相）φ２の位相
が出力（電流位相）φ１の位相より進んでいるときには
ＶＣＯの発振周波数が低くなるように働き、φ１の位相
とφ２の位相が等しいときすなわち電流位相と電圧位相
の位相差が０度のとき、発振周波数は固定される。図１
４（Ｂ）に示すように電流出力φ１の位相と、電圧出力
φ２の位相が等しいとき、圧電振動子２は共振点で駆動
されることになる。外部環境などの影響で圧電振動子の
共振周波数点が低下したときには、φ２がφ１に対して
進み位相となりＶＣＯの周波数は低く可変制御され、共
振点を追尾することができる。逆に共振周波数が高くな
った場合もφ１がφ２より進み位相となりＶＣＯの周波
数が高くなり、共振点を追尾することができる。

【０１３５】図１３に示す駆動装置では、従来例のよう
に共振周波数を検出する為のセンサを使用する必要がな
く、圧電振動子の駆動周波数を圧電振動子の共振周波数
に固定することができる。特にセンサを追加すること
が、コストパフォーマンス上またはスペース上の点で不
可能なときは非常に有効である。また、発熱などで圧電
振動子の共振点が変化しても、自動的に共振周波数を追
尾できる。また本発明の回路はすべての圧電振動子に適
用できるため、圧電モータ，圧電トランス，圧電ジャイ
ロの駆動回路に採用することにより温度変化等の影響に
より圧電振動子の共振周波数が変化しても常に共振周波
数を追尾できる。

【０１３６】すなわち図１３に示す駆動装置では、ルー
プ回路８（容量成分低減回路）を設けることにより、圧
電振動子２での制動容量Ｃｄ成分による電力消費をなく
すことができ、しかも圧電振動子２の共振を追尾した駆
動ができるものとなる。ここで、静電容量Ｃｓは圧電振
動子２を構成する材料と同一であってもよく、また圧電
振動子２を構成する材料の一部を分極を施され部分と
し、この部分を静電容量Ｃｓとして使用することができ
る。増幅器７は電圧を増幅する手段であればよく、トラ
ンジスタ、オペアンプ、トランスなどで構成される。

【０１３７】図１５は本発明の検出装置の実施例を示し
ている。図１５の等価回路で示される圧電振動子５０
は、圧電振動子が外部応力を受けると電圧が発生する様
子を電気回路的に表現したものであり、例えば振動形ジ
ャイロスコープにおいてコリオリ力により圧電振動子に
与えられる振動が検出される場合の検出装置としての等
価回路である。等価回路におけるＦ部は機械的応力の発
生を示し、これが等価的なトランスで電気的な信号に変
換される。Ｅ部におけるＣｄ2は、圧電材料の誘電体と
しての容量成分である制動容量を表している。

【０１３８】圧電振動子５０の電極はアースに接続さ
れ、一方の電極（一方の側）には（Ｎ＋１）倍のゲイン
を持った増幅器５７と静電容量Ｃｓ2とが直列に接続さ
れ、図１に示したのと同様のループ回路５８（容量成分
低減回路）が構成されている。すなわちこの検出装置で
は、容量成分低減回路を構成する増幅器５７が、圧電振
動子５０の一方の電極（一方の側）であるＧ点に発生す
る電圧を増幅するものとなっている。

【０１３９】図１５において、外部応力による発生電流
をｉ10、静電容量Ｃｓ2を流れる電流をｉ11、制動容量
Ｃｄ2に流れる電流をｉ13、出力として取り出す電流を
ｉ12とする。なお、増幅器５７への入力電流ｉ14は極め
て微小なためこれを無視する。

【０１４０】圧電振動子５０の一方の電極であるＧ点に
発生する電圧をＶとすると、Ｈ点の電圧は（Ｎ＋１）Ｖ
であり、Ｈ点−Ｇ点間にはＮ・Ｖの電圧がかかる。Ｈ点
−Ｇ点間のインピーダンスは１／（ｊωＣｓ2）である
から、ｉ11は数４０で表される。

【０１４１】

【数４０】

【０１４２】制動容量Ｃｄ2には電圧Ｖがかかるため、
ｉ13は数４１で表される。

【０１４３】

【数４１】

【０１４４】数４２の関係のＣｓ2を設定すると数４３
の関係となる。

【０１４５】

【数４２】

【０１４６】

【数４３】

【０１４７】ここで、Ｇ点においては数４４の関係があ
り、これに数４３を代入すると、数４５の関係となる。

【０１４８】

【数４４】

【０１４９】

【数４５】

【０１５０】このように、静電容量Ｃｓ2が制動容量Ｃ
ｄ2の（１／Ｎ）であると、制動容量Ｃｄ2には、ループ
回路５８からの電流が供給されることになり、外部応力
により発生した電荷による発生電流ｉ10は制動容量Ｃｄ
2に供給されずに外部にすべて取り出せることになる。
この状態を表現したものが図１６における等価回路５１
であり、制動容量Ｃｄ2がある場合と比較すると、出力
インピーダンスＺが大きくなり、センサとしての出力感
度が向上することがわかる。

【０１５１】この検出装置では、制動容量Ｃｄ2に流れ
る電流ｉ13を打ち消す条件は数４２であり、静電容量Ｃ
ｓ2と増幅器５７のゲインのＮの関数で与えられるもの
であって、検出電圧の周波数の関数とはならない。した
がって、周波数依存性はない。また制動容量Ｃｄ2を打
ち消すための静電容量Ｃｓ2の調整はバリキャップまた
はトリマータイプの可変静電容量を使用することにより
可能であり、インダクタンスＬの調整よりははるかに容
易で、また回路の小型化が実現できる。または、静電容
量Ｃｓ2を固定して、増幅器５７のゲインＮを可変抵抗
で調整しても同様の効果が得られるため、より一層の小
型化が図れる。

【０１５２】なお、接続する静電容量Ｃｓ2が数４２の
条件に完全に一致しなくても制動容量Ｃｄ2の影響を低
減する効果があることは言うまでもない。さらに、静電
容量Ｃｓ2は圧電振動子を構成する材料と同一であって
もよい。または振動型ジャイロスコープなどにおいて、
検出部に設けられる圧電振動子を構成する圧電材料の一
部にのみ分極を施さず、この部分を前記静電容量Ｃｓ2
として使用することが可能である。または圧電振動子の
圧電材料の全体に分極が施されている場合に、この圧電
材料のうちの振動が与えられない部分を静電容量Ｃｓ2
として使用することも可能である。また、増幅器５７は
電圧を増幅する手段であればよく、トランジスタ、オペ
アンプ、トランスなどで構成される。

【０１５３】図１８と図２０は、図１５に示した本発明
の検出装置に関する実験結果を示している。実験に用い
たのは図８に示す積層体１０である。図１８は、本発明
のループ回路５８（容量成分低減回路）を接続しない従
来の検出装置を用いた実験結果を示している。実験装置
では、図８の積層体１０の駆動電極１１、電極１３、検
出電極１７、電極１５をそれぞれ図１７の実験回路の端
子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃ、端子Ｄへ接続した。図１７に示
す端子Ｂと端子Ｄは接地されている。交流駆動電源５に
より、図８における駆動電極１１、電極１３を介して圧
電材料１２に駆動電圧を与えて屈曲振動させた。そして
ガラス基板１４を介し、圧電材料１６に伝わった振動を
検出した。図１５に等価回路で示した圧電振動子５０
は、図８での前記圧電材料１６に相当している。

【０１５４】図１８は図１７における端子Ｃ−端子Ｄ間
の出力電圧Ｖoutを示している。図１８は横軸に周波数
を示し、縦軸に出力電圧Ｖoutを（ｄＢ）で示してい
る。ｆｃは検出の最大感度周波数である。

【０１５５】図２０は本発明のループ回路５８（容量成
分低減回路）を用いた場合の実験結果を示している。こ
の実験装置は、図１９に示すように、端子Ｂと端子Ｄが
アースに接続され、端子Ａに交流駆動電源５が接続され
ている。また端子Ｃには、（Ｎ＋１）倍のゲインをもっ
た増幅器５７と静電容量Ｃｓ2が直列に接続されたルー
プ回路５８（容量成分低減回路）が接続されている。抵
抗Ｒ３とＲ４で示す負帰還経路５６は増幅器５７の増幅
率を設定するためのものである。図８に示す積層体の電
極１１，１３，１７，１５はそれぞれ端子Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄに接続した。図１９においても圧電材料１６が圧電振
動子５０に相当している。

【０１５６】交流駆動電源５により、図８における積層
体１０の駆動電極１１、電極１３を介して圧電材料１２
に駆動電圧を与えて屈曲振動させ、ガラス基板１４を介
し、圧電材料１６に伝わった振動を検出した。図２０は
図１９の実験装置における端子Ｃ−端子Ｄ間の出力電圧
Ｖoutを示している。図２０は横軸に周波数を示し、縦
軸に出力電圧Ｖoutを（ｄＢ）で示している。図１９に
おいて、増幅器５７はオペアンプであり、各パラメータ
（Ｒ３、Ｒ４、Ｃｓ2）は数４６、数４７に示すように
設定した。

【０１５７】

【数４６】

【０１５８】

【数４７】

【０１５９】図１８と図２０におけるｆｃ点の出力電圧
Ｖoutを比較すると、数４７の条件を満たすループ回路
５８（容量成分低減回路）のある図２０の方が、出力電
圧が約５ｄＢ高く、制動容量Ｃｄ2の影響を低減した感
度の良い検出ができていることがわかる。

【０１６０】次に、上記各実施例に対して変形可能な実
施例について以下において説明する。まず、図１に示す
実施例では、（Ｎ＋１）倍の増幅度を有する増幅器７と
静電容量Ｃｓとが直列に接続されたループ回路８が構成
され、このループ回路８が容量成分低減回路となってい
る。しかし、この容量成分低減回路は図２１に示すよう
にして構成することが可能である。

【０１６１】図２１では、交流駆動電源５から圧電振動
子２の一方の側の電極（Ｃ′点）に駆動電力を供給する
経路と、これに分岐される経路が設けられ、この分岐経
路に増幅器７と静電容量Ｃｓとが直列に接続されて設け
られ、さらに静電容量ＣｓがＣ′点に接続されたものと
なっている。すなわち、駆動電力の供給側（交流駆動電
源５）と圧電振動子２との間で駆動電力を供給する経路
（イ）と、増幅器７および静電容量Ｃｓを有する経路
（ロ）とが並列に配置されている。この実施例でも圧電
振動子２の一方の側に与えられる駆動電圧Ｖが増幅器７
によって（Ｎ＋１）倍に増幅されるものとなり、増幅器
７の増幅出力端が静電容量Ｃｓを介して前記Ｃ′点に接
続されるものとなる。Ｃ′の電圧をＶとすると、Ｄ′点
の電圧はＶ（Ｎ＋１）である。

【０１６２】図２１は図１と同種の圧電振動子の駆動装
置であるが、交流駆動電源５からＣ′点に与えられる電
流をｉ、直列共振辺と制動容量Ｃｄに流れる電流をそれ
ぞれｉ2とｉ3、静電容量Ｃｓを流れる電流をｉ1′とす
ると、各電流の関係は、数９においてｉ1をｉ1′に置き
換えたものと同じである。

【０１６３】したがって、図２１に示す容量成分低減回
路８′を設けた駆動装置であっても、数１１に示す条
件、すなわち静電容量Ｃｓが制動容量Ｃｄの（１／Ｎ）
倍となる条件を満たすと、駆動電力の供給電流ｉが制動
容量Ｃｄにより消費されず、効率的な圧電振動子の駆動
が可能である。また図１３に示す実施例においても、ル
ープ回路８を図２１に示したのと同じ容量成分低減回路
８′に置き換えて、全く同じ効果を得ることができる。

【０１６４】図２２は、図２１に示す実施例をさらに好
ましい構成としたものである。図２２に示すものでは、
駆動電力の供給側となる交流駆動電源５と圧電振動子２
の一方の側の電極（Ｃ′点）との間で、前記一方の側の
電極（Ｃ′点）へ駆動電力を供給する経路（イ）と、直
列に接続された増幅器７および静電容量Ｃｓとが含まれ
た経路（ロ）とが並列に接続されている。すなわち、駆
動電力の供給部から圧電振動子２に電力を供給する経路
（イ）と、駆動電力の供給部から増幅器７および静電容
量Ｃｓを経て圧電振動子２に至る経路（ロ）とが分岐形
成され、容量成分低減回路８”が構成されている。そし
て圧電振動子２に電力を供給する前記経路（イ）内に電
圧保持手段として電圧フォロワ（バッファアンプ）４１
が設けられている。

【０１６５】電圧フォロワ４１は、オペアンプの出力側
と反転入力側を短絡させて１００％の負帰還をかけ、電
圧利得を１とした周知のものである。電圧フォロワ４１
は駆動電源の電圧を保持する役割として働き、発振が生
じるのを防止できる。すなわち図１に示した回路構成で
は、増幅器７の増幅利得をあまり高くすると、Ｃ点の電
圧を増幅し、静電容量Ｃｓを経て、Ｃ点に帰還する回路
構成のためループ回路８に発振が生じ不安定なものとな
る可能性がある。ただし、図２２に示すものでは、電圧
フォロワ４１を設けることにより、経路（イ）と（ロ）
にて発振ループが構成されるのを防止でき、きわめて安
定した圧電振動子の駆動装置を構成できる。

【０１６６】次に、図２３は、図１３に示した共振追尾
型の駆動装置に、図２２に示す容量成分低減回路８”を
備えたものを適用した例を示している。図１３および図
１４に基づいて説明したのと同様に、駆動電力の供給部
（供給側）となる電力増幅器から与えられる電流の位相
が電流位相検出手段により検出され、その出力（電流位
相）φ１が位相比較器に与えられる。またＣ′点での電
圧すなわち圧電振動子２に与えられる電圧位相が出力φ
２として位相比較器に与えられる。そして、両出力φ１
とφ２の位相差が０のときに発振周波数が固定されるよ
うにＶＣＯが制御される。これにより圧電振動子２に対
しその共振点を追尾する駆動が可能となる。

【０１６７】次に、図１では、静電型変換手段として圧
電振動子を示しているが、図２４（Ａ）に示すような静
電変換器６０に対する駆動装置についても同様に効果を
発揮できる。この静電変換器６０は、固定側の平面電極
６１と可動側の平面電極６２とが、微小間隙ｄを隔てて
対向したものである。電極６１と６２の対向面積をＡ、
電極間に与えられるバイアス電圧をＥ、電極間に与えら
れる入力電圧（駆動電圧）をＶ、電極間の空気層の誘電
率をεとすると、入力電圧Ｖにより電極６１と６２の間
に作用する静電駆動力ｆは数４８で表わされる。

【０１６８】

【数４８】

【０１６９】ここで、静電変換器６０が共振点付近で駆
動されている等価回路は図２４（Ｂ）にて符号６０ａで
示される。これは図１に示したように圧電振動子が共振
点付近にて振動しているときと等価なものとなる。図２
４（Ｂ）にて、Ｃａは電極６１と６２間の容量成分であ
る。またＲは可動電極６２の機械的な駆動抵抗、Ｌは可
動電極６２の機械的な支持によるバネ定数、Ｃは機械的
な弾性支持による粘性抵抗である。静電変換器６０の駆
動においても、駆動電流は、容量成分Ｃａにより消費さ
れることになり、これは可動電極６２の駆動に寄与しな
い電流消費分である。

【０１７０】したがって、図２４（Ａ）（Ｂ）に示すよ
うに、図１に示したのと同じループ回路８（または図２
１に示す容量成分低減回路８′さらに好ましくは図２２
に示す容量成分低減回路８”）を付加し、静電容量Ｃｓ
を容量成分Ｃａの（１／Ｎ）倍とし、増幅器７の増幅度
を（Ｎ＋１）倍に設定することにより、圧電振動子にお
ける駆動装置と同様にして、容量成分Ｃａでの消費電流
を低減しさらには打消すことができ、効率の良い駆動が
可能になる。この場合も、図２２に示す電圧フォロワ４
１を含む容量成分低減回路８”を使用することにより、
発振の生じない安定した駆動が可能になる。これは、図
１３に示した駆動装置においても同じであり、図１３に
示す共振追尾型の駆動装置さらには図２３に示した共振
追尾型の駆動装置を静電変換器６０にも用いることが可
能である。

【０１７１】次に、図２５（Ａ）は、静電変換器６０を
用いて振動の検出を行なう検出装置を示している。この
検出装置は、例えば振動型ジャイロスコープにおいて、
圧電振動子などにより可動電極６２を振動させ、コリオ
リ力による力をこの可動電極６２に与えるものである。
前記コリオリ力などの力により可動電極６２に与えられ
る移動速度をｖとすると、検出電流ｉは数４９で示され
る。

【０１７２】

【数４９】

【０１７３】この電流ｉを取り出すことにより、出力電
圧Ｖoutを得ることが可能である。この検出装置におい
ても、図２５（Ｂ）の等価回路に示すように、静電変換
器６０の容量成分Ｃａに流れる電流分だけ検出出力が低
下する。しかし、図１５に示した検出装置と同様に、
（Ｎ＋１）倍の増幅率の増幅器５７と、容量成分Ｃａの
１／Ｎ倍の容量値の静電容量Ｃｓ2を用いたループ回路
５８（容量成分低減回路）を付加することにより、図１
５に示した実施例と同様に、容量成分Ｃａに流れる電流
をループ回路５８からの電流により負担させることがで
き、機械−電気変換により得られた電流を高感度にて検
出することが可能になる。

【０１７４】さらに、図９と図１１に示した自励発振回
路においても、圧電振動子の代わりに静電変換器６０を
用いたものとして構成することが可能である。すなわ
ち、静電変換器６０が共振点付近で自励発振駆動される
場合には、図９に示すのと同じ自励発振回路２０が使用
される。また静電変換器６０は容量成分Ｃａを有してい
るため、反共振点も現れる。この反共振点付近で振動し
ているときの等価回路は、図１２（ａ）と同種のものと
なる。したがって、図１１に示す自励発振回路３０を用
いることにより、静電変換器６０を反共振点付近で自励
発振駆動することが可能である。

【０１７５】

【発明の効果】以上のように本発明では、圧電振動子ま
たは静電変換器などの静電型変換手段の一方の側（電
極）に、静電容量と増幅器を有する容量成分低減回路を
接続することで、この容量成分低減回路を通じて、圧電
振動子の制動容量成分などに流れる電流と等価の電流を
圧電振動子などに供給することができ、圧電振動子の入
力または出力の制動容量あるいは静電変換器の容量成分
を等価的に打ち消すかまたは低減することができる。

【０１７６】これにより静電型変換手段の駆動回路に適
用した場合、インダクタンスを用いないで制動容量や容
量成分を打ち消すことができる。したがって、周波数に
依存性がなく、回路の調整が容易にできると共に回路の
小型化が図れる。なお等価的な打ち消し条件が完全に満
たされない場合でも、容量成分の等価的な低減効果があ
る。また、容量成分低減回路に電圧フォロアなどの電圧
保持手段を設けることにより安定した駆動が可能にな
る。

【０１７７】また、圧電ジャイロなどの検出装置に適用
した場合、出力インピーダンスが高くなるため、出力電
圧が高くなり検出感度が向上する。また、圧電トランス
に適用した場合にも、同様な効果により出力電圧が上が
り、トランスとしての性能向上に寄与することができ
る。

【０１７８】さらに、フィルタに適用した場合には圧電
振動子の制動容量を打ち消すかまたは低減することによ
り比帯域幅を大きくできる。

【０１７９】また本発明においては、静電型変換手段に
前記容量成分低減回路を接続し、圧電振動子などに流れ
込む電流位相と圧電振動子などを駆動する電圧位相を比
較することにより共振点を求め、その求められた共振点
にて駆動することにより、温度等により静電型変換手段
の共振点が変動しても常に共振点を追尾させることがで
きる。これにより、従来の圧電モータの一部でしか実現
されていないセンサによる周波数追尾を、センサを使用
せずして追尾することができるため、あらゆる圧電モー
タに適用できるばかりでなく、他の圧電効果を利用した
圧電センサ、圧電トランスなどの周波数追尾型の駆動回
路としても適用することができる。

【０１８０】さらに、増幅器と周波数選択回路により自
励発振回路を構成し、この周波数選択回路に、共振点付
近または反共振点付近で振動する静電型変換手段の容量
成分と抵抗成分を含ませたことにより、静電型変換手段
を共振点付近または反共振点付近で駆動でき、効率的な
駆動が可能になる。また付加容量と付加抵抗を設けるこ
とにより、静電型変換手段の共振点または反共振点と一
致したまたは近似した周波数での自励発振が可能にな
る。

【０１８１】また、増幅器の負帰還ループに増幅率を高
く設定する抵抗を含ませることにより、安定した振幅の
自励発振が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電振動子の駆動装置の一実施例を示
す等価回路図、

【図２】図１において圧電振動子の制動容量成分が等価
的に打ち消されたときの状態を示す等価回路図

【図３】（Ａ）と（Ｂ）は、図１における圧電振動子に
与えられる電流のゲインおよび位相の周波数特性を示す
線図

【図４】従来の圧電振動子の駆動装置の実験に用いた等
価回路図、

【図５】従来の圧電振動子の駆動装置の実験結果を示す
線図、

【図６】本発明の圧電振動子の駆動装置の実験に用いた
等価回路図、

【図７】本発明の圧電振動子の駆動装置の実験結果を示
す線図、

【図８】本発明の実験に用いた圧電振動子の構造を示す
側面図、

【図９】本発明の自励発振型の圧電振動子の駆動装置の
一実施例を示す等価回路図、

【図１０】（Ａ）（Ｂ）は図９における圧電振動子の共
振点付近における等価回路図、

【図１１】自励発振型の圧電振動子の駆動装置の別の実
施例を示す等価回路図、

【図１２】（Ａ）（Ｂ）は、図１１における圧電振動子
の反共振点付近における等価回路図、

【図１３】本発明の共振追尾型の圧電振動子の駆動装置
の一実施例を示す等価回路図、

【図１４】（Ａ）（Ｂ）は、図１３における圧電振動子
への供給電流のゲインおよび位相の周波数特性を示す線
図、

【図１５】本発明の圧電振動子の検出装置の一実施例を
示す等価回路図、

【図１６】図１５において圧電振動子の制動容量成分が
等価的に打ち消されたときの状態を示す等価回路図、

【図１７】従来の圧電振動子の検出装置の実験に用いた
等価回路図、

【図１８】従来の圧電振動子の検出装置の実験結果を示
すグラフ、

【図１９】本発明の圧電振動子の検出装置の実験に用い
た等価回路図、

【図２０】本発明の圧電振動子の検出装置の実験結果を
示すグラフ、

【図２１】本発明の他の構成の圧電振動子の駆動装置を
示す等価回路図、

【図２２】図２１に示す圧電振動子の駆動装置を改良し
たさらに好ましい例を示す等価回路図、

【図２３】図２２に示すものを図１３の共振追尾型の駆
動装置に適用した例を示す等価回路図、

【図２４】（Ａ）は静電変換器の駆動装置の構成図、
（Ｂ）はその等価回路図、

【図２５】（Ａ）は静電変換器を用いた検出装置の構成
図、（Ｂ）はその等価回路図、

【図２６】（Ａ）は圧電振動子の回路図、（Ｂ）は圧電
振動子の共振点における等価回路図、

【図２７】圧電振動子のアドミッタンスの周波数特性を
示す線図、

【図２８】従来の圧電振動子の駆動回路において圧電振
動子の制動容量成分が等価的に打ち消される手段を施し
た等価回路図、

【符号の説明】

１圧電振動子３直列共振辺４並列共振辺７増幅器８ループ回路（容量成分低減回路）２２，３２正帰還回路ブロック２３，３３負帰還回路ブロック２７，３７増幅器（オペアンプ）４１電圧フォロア５７増幅器５８ループ回路（容量成分低減回路）６０静電変換器６１固定側の平面電極６２可動側の平面電極Ｃａ静電変換器の容量成分Ｃｄ圧電振動子の制動容量Ｃｓ，Ｃｓ2 静電容量

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静電型変換手段の一方の側の電圧を増幅
する増幅器が設けられ、この増幅器の増幅出力端から静
電容量を経て静電型変換手段の前記一方の側に接続され
る経路が設けられて、静電型変換手段の容量成分が低減
されることを特徴とする静電型変換手段の容量成分低減
回路。
【請求項２】静電容量が、静電型変換手段の容量成分
のほぼ１／Ｎであるときに、増幅器の増幅度がほぼ（Ｎ
＋１）倍である請求項１記載の静電型変換手段の容量成
分低減回路。
【請求項３】静電型変換手段は圧電振動子であり、静
電容量は、この圧電振動子を構成する材料と同一の材料
により形成されている請求項１または２記載の静電型変
換手段の容量成分低減回路。
【請求項４】静電型変換手段に駆動電力を供給する経
路と、請求項１ないし３のいずれかに記載の容量成分低
減回路とを含み、この容量成分低減回路の増幅器が、前
記経路にて静電型変換手段に与えられる駆動電力を増幅
する位置に設けられていることを特徴とする静電型変換
手段の駆動装置。
【請求項５】静電型変換手段に駆動電力を供給する経
路と、増幅器および静電容量を有する経路とが、駆動電
力の供給側と静電型変換手段との間で並列に設けられ、
静電型変換手段に駆動電力を供給する前記経路に、電圧
保持手段が設けられている請求項４記載の静電型変換手
段の駆動装置。
【請求項６】静電型変換手段に流れる電流位相を検出
する電流位相検出手段と、前記電流位相検出手段で検出
した電流位相と静電型変換手段に与えられる駆動電力の
電圧位相とを比較する位相比較器と、位相比較器の高周
波成分を除去するフィルタと、このフィルタを経た出力
電圧に基づいて発振周波数が可変制御される電圧制御発
振器とが設けられ、この電圧制御発振器の発振周波数に
基づく駆動電力が与えられて静電型変換手段が共振周波
数にて駆動される請求項４または５記載の静電型変換手
段の駆動装置。
【請求項７】静電型変換手段は圧電振動子であり、位
相比較器により比較される電流位相と電圧位相との位相
差が０となるように電圧制御発振器の発振周波数が可変
制御される請求項６記載の静電型変換手段の駆動装置。
【請求項８】外力にて振動させられる静電型変換手段
から電気出力を得る検出装置であって、請求項１ないし
３のいずれかに記載の容量成分低減回路が設けられてい
ることを特徴とする静電型変換手段の検出装置。
【請求項９】静電型変換手段の容量成分と、抵抗成分
を含む周波数選択回路と、この周波数選択回路を正帰還
ループに配された増幅器とを有して、前記周波数選択回
路で決定される周波数により自励発振することを特徴と
する静電型変換手段の駆動装置。
【請求項１０】周波数選択回路は、増幅器の正帰還ル
ープ内にて互いに直列に接続された第１の抵抗と第１の
容量と、互いに並列に接続されて前記増幅器の非反転入
力側に接続された第２の抵抗と第２の容量とから構成さ
れ、第１の抵抗と第１の容量、または第２の抵抗と第２
の容量が、静電型変換手段の容量成分と抵抗成分である
請求項９記載の静電型変換手段の駆動装置。
【請求項１１】静電型変換手段に、さらに付加容量と
付加抵抗とが接続されている請求項１０記載の静電型変
換手段の駆動装置。
【請求項１２】増幅器の負帰還ループに、増幅器の増
幅率を決定する抵抗を有する振幅安定化回路が設けられ
ている請求項９ないし１１のいずれかに記載の静電型変
換手段の駆動装置。