JPH08233581A

JPH08233581A - 静電型変換手段の駆動装置

Info

Publication number: JPH08233581A
Application number: JP7079569A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 1996-09-13
Also published as: KR0155240B1; KR960024282A; DE19548041A1; DE19548041C2; CN1132852A; US5712598A

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電振動子を駆動する際に、圧電振動子の制
動容量成分での電力消費を打消しまたは低減させ、省電
力駆動を可能にする。【構成】圧電振動子１は、交流駆動電源５により定電
圧により振動駆動される。圧電振動子１の制動容量Ｃｄ
と等価的な静電容量Ｃｓおよび、静電容量Ｃｓに流れる
電流の位相を１８０度変化させる位相変換手段６を、圧
電振動子１に並列に接続する。これにより制動容量Ｃｄ
に流れる電流を等価的に打ち消すことができ、あるいは
低減させることができ、消費電流を低減させることがで
きる。またコイルを付加していないため、容量Ｃｓによ
る電流打ち消し効果は、周波数に依存しない。よって、
交流駆動電源５からの駆動電力の周波数が圧電振動子の
共振周波数とずれた場合であっても、省電力効果は同様
に発揮できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電トランス、圧電モ
ータまたは振動型ジャイロスコープなどに用いられる圧
電振動子あるいは、平面電極が間隙を隔てて対面して構
成された静電変換器などの静電型変換手段を駆動する駆
動装置に係わり、特に圧電振動子の制動容量や静電変換
器の容量成分での駆動電力の消費を低減させまたは打ち
消して、省電力駆動を可能にした圧電振動子の駆動装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１７（Ａ）は、静電型変換手段の一例
である圧電振動子１を示し、図１７（Ｂ）は圧電振動子
１が共振点付近で振動しているときの等価回路を示して
いる。圧電振動子１は、共振点付近のごく狭い周波数範
囲内で振動しているときに図１７（Ｂ）で示す等価回路
で表わすことができる。

【０００３】Ｒｍ，Ｃｍ，Ｌｍの直列共振辺３は、圧電
振動子１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１の制動
容量成分である。図１８は圧電振動子１のアドミタンス
特性を示したものであり、ｆａは直列共振辺３の共振周
波数（共振周波数）、ｆｂは並列共振辺４の共振周波数
（***振周波数）を示している。

【０００４】圧電振動子１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電流
となる。制動容量Ｃｄに電流を供給しているために、駆
動電源としては圧電振動子１を共振させるのに必要な電
力に加え、制動容量Ｃｄにて消費される電力を供給する
ことになり、駆動電源容量が大きくなる。

【０００５】図１９は、圧電振動子１を共振周波数ｆａ
にて駆動させる際に、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を有するコイルが圧電振動
子１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１９に示す交流駆動電源５は定電圧源で
あり、圧電振動子１にかかる電圧をＶとすると、圧電振
動子１とインダクタンスＬｄに流れ込む電流Ｉは数２で
示される。

【０００８】

【数２】

【０００９】圧電振動子１を共振点ｆａにて振動駆動す
るためには、数３が成立するＬｄを並列に接続すること
が必要であり、この条件のもとでのみ、電流Ｉが数４に
示すものとなる。

【００１０】

【数３】

【００１１】

【数４】

【００１２】数３に示したインダクタンスＬｄを有する
コイルが、圧電振動子１に並列に接続されると、圧電振
動子１の制動容量Ｃｄが等価的に打ち消される。制動容
量Ｃｄに流れる電流が消去されることにより、駆動電源
の電源容量を低減できることになる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１９に示す
回路において、圧電振動子１の制動容量Ｃｄを打ち消す
ためには、前記数３の条件を満たすインダクタンスＬｄ
を設けることが必要である。数３に示す条件を満足する
ためのインダクタンスＬｄは、（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
してはその２乗に半比例することになる。そのため、圧
電振動子１が共振周波数ｆａから外れた周波数で駆動さ
れた場合、駆動周波数と共振周波数ｆａとの差が大きく
なるにしたがい、インダクタンスＬｄによって制動容量
Ｃｄを打ち消すことのできる比率が二次曲線的に低下す
ることになる。

【００１４】また一般的にインダクタンスＬｄを設定す
るためのコイルは、抵抗Ｒや静電容量（コンデンサ）Ｃ
などの他の電子部品に比べて形状が大きく、よってコイ
ルを回路に含ませると装置の小型化が難しくなる。また
前記数３を満足しまたは満足させるのに近いインダクタ
ンスＬｄを設定するためには、使用する圧電振動子に合
わせてインダクタンスの可変調整が必要になる。しかし
インダクタンスは、抵抗Ｒや静電容量Ｃに比べて可変調
整に適していない。

【００１５】また、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、消費電力が大きくなるという
圧電振動子と全く同じ問題点を有している。

【００１６】本発明は上記課題を解決するものであり、
インダクタンスを使うことなく圧電振動子の制動容量に
かかる電力、あるいは静電変換器の容量成分にかかる電
力を打ち消しまたは低減させることができ、駆動周波数
に依存せずに省電力効果が働く回路を提供することを目
的としている。

【００１７】また本発明は、駆動電源の省電力化、また
一般に大型の電子部品であるインダクタンスを使わない
ことによる回路の小型化を実現できるようにすることを
目的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、静電型変換手
段に交流電力を与えて振動を生じさせる駆動装置におい
て、前記静電型変換手段の容量成分を打ち消しまたは低
減させるための静電容量が、静電型変換手段に並列にま
たは直列に接続されていることを特徴とするものであ
る。

【００１９】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。

【００２０】また、本発明は、静電型変換手段に交流電
力を与えて振動を生じさせる駆動装置において、前記静
電型変換手段に接続された静電容量とこの静電容量に流
れる電流の位相を１８０度変化させる位相変換手段とが
設けられ、前記静電容量と位相変換手段とにより、静電
型変換手段の容量成分に流れる電流または容量成分にか
かる電圧が打ち消されあるいは低減されることを特徴と
するものである。

【００２１】例えば静電型変換手段の一例である圧電振
動子が定電圧で駆動されるときには、静電容量および位
相変換手段が、圧電振動子と並列に接続される。また、
圧電振動子が定電流で駆動されるときには、静電容量お
よび位相変換手段が、圧電振動子と直列に接続される。

【００２２】また、本発明は、静電型変換手段に電圧を
与えて振動を生じさせる駆動装置において、前記静電型
変換手段の一端に与えられる電圧を増幅する増幅器と、
この増幅器の増幅出力端と静電型変換手段の前記一端と
の間に接続された静電容量とを有することを特徴とする
ものである。

【００２３】上記において、前記静電容量が静電型変換
手段の容量成分のほぼ１／Ｎ倍のときに、増幅器の増幅
度がほぼ（Ｎ＋１）倍であることが好ましい。

【００２４】さらに本発明は、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。

【００２５】また上記周波数選択回路では、増幅器の正
帰還ループ内に抵抗と静電容量が接続され、静電型変換
手段の一端が増幅器の非反転入力部に接続されたものと
なる。

【００２６】

【作用】本発明では、圧電振動子などの静電型変換手段
に静電容量が接続され、この静電容量にかかる電圧また
は電流により、例えば圧電振動子の制動容量Ｃｄなどの
容量成分が打ち消されまたは低減される。静電型変換手
段を振動させるときに、制動容量Ｃｄなどの容量成分で
の電力消費を打消しまたは低減させることができるた
め、省電力駆動が可能になる。またコイルを使用してい
ないため、静電型変換手段の駆動周波数と共振周波数と
に差が生じていても、容量成分の低減効果が、図１９に
示した従来例のように大幅に低減することがなく、どの
ような駆動周波数であっても、容量成分の打消しまたは
低減効果を発揮することができる。また、コイルを使用
しないため回路を小型化できる。また、静電容量の容量
値を可変することにより、使用する圧電振動子に合せ
た、容量成分の打消しまたは低減の設定が可能であり、
調整設定も容易である。

【００２７】上記手段では、静電型変換手段の容量成分
とほぼ等しくした静電容量が使用され、好ましくは、静
電容量に流れる電流の位相が位相変換手段にて１８０度
変化させられる。これにより制動容量などの容量成分に
加わる電力を打ち消しまたは低減させることが可能にな
る。

【００２８】また、本発明では、静電型変換手段に電圧
が与えられるものにおいて、静電型変換手段の電圧を増
幅する増幅器と、この増幅器に直列に接続されさらに静
電型変換手段に接続される静電容量とが設けられる。こ
の装置では、増幅器にて増幅された電圧に基づいて静電
容量を流れる電流が、圧電振動子の制動容量などを流れ
る電流を低減するように機能する。

【００２９】特に、静電容量の容量値を、圧電振動子の
制動容量などの容量成分のほぼ（１／Ｎ）倍とし、前記
増幅器の電圧増幅度を（Ｎ＋１）倍に設定することによ
り、制動容量などに加わる電力を打ち消すことが可能に
なる。

【００３０】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）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付近で自励発振させるものとして
構成できる。

【００３１】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、前記第２の容量と第２の抵抗を、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。

【００３２】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１４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、静電型変換器の共振周波数に
て、自励発振が行われるようになる。

【００３３】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。

【００３４】

【実施例】本発明での静電型変換手段は、圧電振動子
と、平面電極が対向した静電変換器とがあるが、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は第１の本発明を示す回路ブロック図である。この回
路ブロック図は、圧電振動子１が共振点付近で共振して
いるときの等価回路を含むものとして示している。

【００３５】図１では、圧電振動子１に付加する容量と
なる静電容量Ｃｓと、位相変換手段６とが直列に接続さ
れ、この直列に接続されたものが圧電振動子１に並列に
接続されている。位相変換手段６は、静電容量Ｃｓを流
れる電流の位相を１８０度変化させるものである。

【００３６】静電容量Ｃｓに流れる電流の位相が、位相
変換手段６により１８０度だけシフト（変化）させられ
ると、静電容量Ｃｓと位相変換手段６との回路でのアド
ミタンスは（−ｊωＣｓ）で表される。従って交流駆動
電源５から圧電振動子１に加えられる電圧をＶとする
と、圧電振動子１および静電容量Ｃｓに流れる電流Ｉは
数５となる。

【００３７】

【数５】

【００３８】数５で示すように、静電容量Ｃｓが制動容
量Ｃｄとほぼ等価であるとすると、Ｉ＝（１／Ｚｍ）Ｖ
となり、駆動電源５からみた場合に、制動容量Ｃｄに関
わる電流が等価的に打ち消される。この場合、制動容量
Ｃｄを打ち消す条件はＣｓ＝Ｃｄであり、図１９に示し
たインダクタンスＬｄを用いた回路での、数３で示した
打ち消し条件のような駆動周波数ｆ（ｆ＝ω／２π）の
関数とならない。すなわち、Ｃｓ＝Ｃｄを満たすときに
は周波数依存性はなく、すべての周波数領域で制動容量
Ｃｄを等価的に打ち消すことができる。また静電容量Ｃ
ｓの容量値の調整もインダクタンスに比べてはるかに容
易にでき、部品の大きさも小さいため回路の小型化が実
現できる。なお、圧電振動子１に付加的に接続する静電
容量Ｃｓが制動容量Ｃｄ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を期待できる。

【００３９】図１にブロック図で示した第１の本発明
は、図２に示す回路により実現できる。図２に示す実施
例では、静電容量Ｃｓおよび位相変換手段（位相シフ
タ）６が、圧電振動子１に並列に接続されている。この
回路において、圧電振動子１の制動容量Ｃｄとほぼ等し
い静電容量Ｃｓを接続すれば、数５に示すように交流駆
動電源から制動容量Ｃｄに加わる電力が低減できる。

【００４０】また、上記第１の本発明では、図３に示す
ように、図１の回路上のａ点とｂ点の間に、複数の静電
容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，…Ｃｓｎを設けることによっても
構成できる。この場合、それぞれの静電容量に位相変換
手段６ａ，６ｂ，…，６ｎが直列に接続され、且つ全て
の位相変換手段および容量を通過する電流を加算する加
算器７が設けられる。この場合、数６に示すように、静
電容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，…Ｃｓｎを加算したものが図１
に示す１個の容量Ｃｓに相当する。

【００４１】

【数６】

【００４２】また、図４と図５は、上記第１の本発明に
おいて、位相変換手段６としてオペアンプを使用した例
である。いずれも、オペアンプを反転増幅器として使用
したものであり、静電容量Ｃｓを流れる電流の位相が１
８０度変換されるものとなっている。図４と図５に示す
駆動装置においても、図１に示した回路と同様に制動容
量Ｃｄに流れる電流を打ち消し、または低減できる。

【００４３】図６は第２の本発明の回路ブロック図であ
る。図６は、交流駆動電源５が定電流源であって、圧電
振動子１が***振周波数ｆｂ（図１８参照）付近にて共
振駆動されるときの等価回路を示している。圧電振動子
１には静電容量Ｃｓおよび位相変換手段８が直列に接続
されている。位相変換手段８は、静電容量Ｃｓに流れる
電流の位相を１８０度だけシフト（変化）させるもので
ある。

【００４４】静電容量Ｃｓを流れる電流の位相が、位相
変換手段８により１８０度変化する結果、静電容量Ｃｓ
と位相変換手段８とが存在するｃ−ｄ点間のアドミタン
スは−（１／ｊωＣｓ）となる。よってｃ点の電位をＶ
とすると、定電流源である交流駆動電源５から与えられ
る電流Ｉと電圧Ｖとの関係は、数７で示す通りである。

【００４５】

【数７】

【００４６】数７に示すように、静電容量Ｃｓが制動容
量Ｃｏと等価であるとすると、Ｖ＝（１／Ｙ′ｍ）・Ｉ
となり、制動容量Ｃｏにかかる電圧が回路上にて等価的
に打ち消され、制動容量Ｃｏにて電力が消費されなくな
る。なお、数７では、静電容量Ｃｓが制動容量Ｃｏと厳
密に等価でなくても、制動容量Ｃｏにより消費される電
圧が、静電容量Ｃｓの値に応じた分だけ低減されること
が解る。

【００４７】また、数７から解るように、制動容量Ｃｏ
にかかる電圧を打ち消しまたは低減させる条件は、容量
値ＣｏとＣｄが等しいことであり、周波数に依存してい
ない。よって、圧電振動子１が必ずしも***振周波数ｆ
ｂにて駆動されておらず、駆動周波数が***振の周波数
ｆｂからずれていても、静電容量Ｃｓにより、制動容量
Ｃｏにかかる電圧を低減させる効果は、同様にして発揮
できる。

【００４８】また、図７に示すように、ｃ−ｄ点間に複
数の静電容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，…Ｃｓｎを並列に接続
し、それぞれの容量に流れる電流の位相を１８０度変化
させる位相変換手段８ａ，８ｂ，…，８ｎを設け、各静
電容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，…Ｃｓｎに流れる電流を加算す
る加算器９を設け、この回路を図６に示すｃ−ｄ点間に
設けてもよい。図７に示す個々の静電容量Ｃｓ１，Ｃｓ
２，…Ｃｓｎと、図６に示す容量Ｃｓとの関係は、数６
に示したのと同じである。

【００４９】図６のブロック図に示した第２の本発明
は、図８および図９の回路により実施できる。図９は、
図８に示す回路をさらに具体的に示したものである。図
８に示す回路では、交流駆動電源５が定電流源である。
図９では、定電流源の交流駆動電源５のうちの定電流回
路のみを示している。定電流源から与えられる電流は、
電流−電圧変換回路８ａにより電圧に変換されるが、こ
の電流−電圧変換回路８ａが位相変換手段となって、電
流の位相が１８０度変化させられる。電流−電圧変換回
路８ａによって変換された電圧は、定電流回路８ｂによ
り定電流とされ、圧電振動子１に与えられる。

【００５０】図８と図９に示す回路の動作は図６に示し
た通りであり、数７に記載したように、制動容量Ｃｏに
かかる電圧が静電容量Ｃｓにより回路上にて打ち消され
または低減される。またコイルを使用しないため、駆動
装置が小型化できる。また静電容量Ｃｓによる制動容量
Ｃｏにかかる電圧の打ち消しまたは低減では、周波数依
存性がないため、交流駆動電源５から与えられる駆動電
力の周波数が***振周波数ｆｂからずれても、制動容量
Ｃｏにかかる電圧の打ち消しまたは低減効果を発揮でき
る。

【００５１】図１０は第３の本発明を示す回路ブロック
図である。図１０では、圧電振動子１が共振周波数ｆａ
付近にて共振しているときの等価回路を示している。図
１０に示す回路では、圧電振動子１の一方の電極がアー
ス側に接続され、または所定の電位に設定されている。
交流駆動電源５は一方側がアース側に接続され、他方側
が圧電振動子１の他方の電極に接続されている。

【００５２】また、圧電振動子１の他方の電極（ｃ
点）、すなわち交流駆動電源５により電圧Ｖが与えられ
る側では、静電容量Ｃｓと増幅器１１とが直列に接続さ
れたループ回路（帰還回路）が接続されている。この増
幅器１１は、静電容量Ｃｓにかかる電圧を増幅するもの
である。静電容量Ｃｓは増幅器１１の増幅出力端に接続
され、さらに圧電振動子１の電力供給端（ｃ点）に接続
されている。静電容量Ｃｓが、圧電振動子１の制動容量
Ｃｄの（１／Ｎ）倍であるとき、前記増幅器１１の電圧
増幅度は、ほぼ（Ｎ＋１）倍であることが好ましい。こ
のとき図１０に示すように、静電容量Ｃｓにかかる電圧
（ｃ−ｄ間の電圧）はＮ・Ｖとなる。

【００５３】図１０に示すように、圧電振動子１の一方
の電極側が接地されている回路において、交流駆動電源
５からｃ点に流れ込む電流をｉ、静電容量Ｃｓからｃ点
に流れ込む電流をｉ１とする。また、圧電振動子１の直
列共振辺３のインピーダンスをＺｍとし、そこに流れ込
む電流をｉ２、制動容量Ｃｄに流れる電流をｉ３とす
る。なお、ｃ点から増幅器１１に流れる電流ｉ４は微小
であるため無視する。各電流ｉ１，ｉ２，ｉ３およびｉ
は、それぞれ数８、数９、数１０、数１１で表される。

【００５４】

【数８】

【００５５】

【数９】

【００５６】

【数１０】

【００５７】

【数１１】

【００５８】上記数６、数７、数８、数９からｉについ
て解くと数１２となる。

【００５９】

【数１２】

【００６０】

【数１３】

【００６１】上記数１３の条件が成立するとき、ｉは以
下の数１４に示すものとなり、ｉはｉ２と等しくなる。

【００６２】

【数１４】

【００６３】すなわち交流駆動電源５からの出力電流ｉ
は、圧電振動子１の直列共振辺３のインピーダンスＺｍ
のみに流れ、振動に寄与しない制動容量Ｃｄには流れな
くなる。すなわち、交流駆動電源５からの駆動電流は制
動容量Ｃｄにより消費されなくなる。上記数１４から、
圧電振動子１に流れる電流ｉの位相θを求めると、数１
５に示す通りである。

【００６４】

【数１５】

【００６５】数１４と数１５が成立するときの、振動周
波数と電流ｉとの関係を図１１（Ａ）に示し、振動周波
数と電流の位相θとの関係を図１１（Ｂ）に示す。第３
の本発明では、第１の本発明と同様に、制動容量Ｃｄに
流れる駆動電流を打ち消す条件は数１３であり、これは
静電容量Ｃｓと増幅器１１の増幅度Ｎの関数で与えら
れ、駆動周波数ｆの関数とはならない。すなわち、制動
容量Ｃｄに流れる電流を打ち消す条件は振動周波数に依
存しない。

【００６６】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することが可能であり、これは従来
のインダクタンスＬｄの調整よりははるかに容易であ
る。また回路の小型化が実現できる。さらに静電容量Ｃ
ｓを固定して、増幅器１１の増幅度Ｎまたは（Ｎ＋１）
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。なお、増幅器１１の増幅度
と、静電容量Ｃｓとの関係は、（Ｎ＋１）と（１／Ｎ）
とが厳密に一致している必要はない。この関係が厳密に
一致していなくても、圧電振動子１の制動容量Ｃｄに流
れる電流を低減させることができ、省電力駆動に効果を
発揮できる。

【００６７】また、図１０の回路の目的は、制動容量Ｃ
ｄに流れる電流ｉ３を、静電容量Ｃｓを流れる電流ｉ１
により打消しまたは低減させる点にある。よって、例え
ば増幅器１１が設けられない場合に、ｄ点に（Ｎ＋１）
Ｖに等しいまたはこれと近似した電圧を与えることによ
り同様の効果を発揮できる。すなわち、静電容量Ｃｓを
有するループ回路と、静電容量Ｃｓにループ電流を流す
ための電圧付与手段を設けておけば、図１０と同様の効
果を期待できる。

【００６８】上記図１０に示す第３の本発明は、図１２
に示す回路により実現できる。図１２では圧電振動子１
の一方の電極側がアース側に接続され、他方の電極側に
交流駆動電源５が接続されている。また交流駆動電源５
からの電圧Ｖが与えられるｃ点に、静電容量Ｃｓと増幅
器（オペアンプ）１１が直列に接続されたループ回路が
接続されているが、増幅器（オペアンプ）１１の電圧増
幅度は、抵抗ＲｉとＲｆにより設定される。

【００６９】静電容量Ｃｓが制動容量Ｃｄの（１／Ｎ）
であるとき、増幅器１１での電圧増幅度（ゲイン）を数
１６に示す通りに設定すれば、前述のように、制動容量
Ｃｄに流れる電流を打ち消すことができる。

【００７０】

【数１６】

【００７１】上記において、例えば一方の抵抗Ｒｆを可
変抵抗器とすれば、静電容量Ｃｓを固定して抵抗Ｒｆの
抵抗値を可変することにより容易に同様の効果が得られ
る。

【００７２】また、第３の本発明は図１０に示す構成に
限られず、図１３に示す構成によっても実施可能であ
る。図１３では、交流駆動電源５から圧電振動子１の非
アース側の電極（ｃ′点）に駆動電力を供給する経路か
らさらに分岐される経路が設けられ、この分岐経路に増
幅器１１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。この実施例でも圧電振動子１の電極に与えら
れる駆動電圧Ｖが増幅器１１によって（Ｎ＋１）倍に増
幅されるものとなり、増幅器１１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。

【００７３】図１３は図１０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１１においてｉ１をｉ
１′に置き換えたものと同じである。したがって、図１
３の駆動装置においても、数１３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とな
る。

【００７４】図１４は第４の本発明を示す回路図であ
る。圧電振動子１の駆動回路２５の増幅器（オペアン
プ）２０には、電圧増幅の利得を設定する抵抗Ｒ３とＲ
４を含む負帰還回路ブロック２１、および抵抗Ｒ１と静
電容量Ｃｓと圧電振動子１で構成される正帰還回路ブロ
ック２２が接続されている。

【００７５】負帰還ブロック２１は増幅器２０の電圧増
幅利得を高く設定して、自励発振の振幅を安定化させる
回路であり、増幅器２０の出力端から抵抗Ｒ３を介して
反転入力端子に至る負帰還経路が形成されている。また
抵抗Ｒ４は増幅器２０の反転入力端子に接続されてい
る。

【００７６】正帰還回路ブロック２２は周波数選択回路
であり、圧電振動子１の一端がアース接続されて他端が
増幅器２０の非反転入力端子に接続され、また増幅器２
０の出力端から静電容量Ｃｓと抵抗Ｒ１とを経て増幅器
２０の非反転入力端子に至る正帰還経路（正帰還ルー
プ）が構成されている。

【００７７】図１５（Ａ）は圧電振動子１を共振周波数
ｆａで駆動させたときの等価回路である。共振周波数ｆ
ａでは、ＬｍとＣｍが直列共振となり、図１５（Ｂ）に
示す回路と等価になる。図１５（Ｂ）の等価回路での共
振周波数ｆａは数１７で求められる。

【００７８】

【数１７】

【００７９】図１４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１５（Ｂ）で示す直列共振時の等
価回路に置き換えて回路解析を行なった結果を以下に示
す。図１４のそれぞれの電圧ｅｉとｅｉ′をｅｏなどと
の関係で求めると数１８になる。

【００８０】

【数１８】

【００８１】増幅器２０の増幅度が十分に大きいものと
するとｅｉ＝ｅｉ′であり、数１９のようになる。

【００８２】

【数１９】

【００８３】振幅条件は数２０にて示され、周波数条件
は数２１に示される。

【００８４】

【数２０】

【００８５】

【数２１】

【００８６】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（Ｒ１、Ｒ３、Ｒ４、Ｃｓ）を選ぶこ
とにより、この回路は自励振発振回路となる。一方、数
２１に示す周波数条件は、圧電振動子１の共振周波数ｆ
ａにおいて、ＣｓとＲ１により制動容量Ｃｄが打ち消さ
れていることを意味している。したがって、図１４で
は、前記パラメータ（Ｒ１、Ｒ３、Ｒ４、Ｃｓ）を振幅
条件、周波数条件を満足するように選定することによ
り、Ｃｓ、Ｒ１による圧電振動子１の制動容量Ｃｄの等
価低減回路の応用として圧電振動子１を用いた発振回路
を構成することができる。

【００８７】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１５（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２０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２２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２０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。な
お、負帰還回路部ブロック２１は、増幅器２０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。

【００８８】ここで、圧電振動子１の共振周波数は数１
７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。

【００８９】この場合には、図１４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
２５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。

【００９０】次に、上記各実施例ではいずれも、静電型
変換手段として圧電振動子を示しているが、図１６
（Ａ）に示すような静電変換器３０に対する駆動装置に
ついても同様に実施することができる。図１６（Ａ）
（Ｂ）は、図１０に示した実施例と同様の回路により静
電変換器３０を駆動している状態を示している。

【００９１】この静電変換器３０は、固定側の平面電極
３１と可動側の平面電極３２とが、微小間隙ｄを隔てて
対向したものである。電極３１と３２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３１と３２の間
に作用する静電駆動力ｆは数２２で表わされる。

【００９２】

【数２２】

【００９３】ここで、静電変換器３０が駆動されている
状態での等価回路は図１６（Ｂ）にて符号３０ａで示さ
れる。これは図１０に示したように圧電振動子が共振点
にて振動しているときと等価なものとなる。図１６
（Ｂ）にて、Ｃａは電極３１と３２間の容量成分であ
る。またＲは可動電極３２の機械的な駆動抵抗、Ｌは可
動電極３２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３０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３２の駆動に寄与しな
い電流消費分である。

【００９４】したがって、図１６（Ａ）（Ｂ）に示す実
施例では、図１０に示したのと同じループ回路を付加
し、静電容量Ｃｓを容量成分Ｃａの（１／Ｎ）倍とし、
増幅器１１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
るようにしている。

【００９５】なお、図１ないし図９に示した位相変換手
段を設けた駆動回路、および図１４に示す自励発振を利
用した駆動装置も、静電変換器３０の駆動装置として用
いることができる。

【００９６】なお、本発明の静電型変換手段の駆動装置
は、圧電トランスの１次側に接続される回路、または圧
電モータの駆動装置として実現できる。または、振動型
ジャイロスコープや加速度センサの駆動装置として使用
できる。振動型ジャイロスコープでは、例えばエリンバ
などの恒弾性材料を圧電振動子により振動させ、これを
回転系内に設置してコリオリ力により弾性材料を駆動方
向と異なる後方へ振動させ、検出用の圧電素子により、
コリオリ力による振動が検出されて回転系の角速度が求
められる。この振動型ジャイロスコープでの、前記圧電
振動子の駆動装置として本発明を適用することが可能で
ある。

【００９７】

【発明の効果】以上のように本発明では、圧電振動子な
どの静電型変換手段を駆動する際に、静電型変換手段の
容量成分に加わる電力を打ち消すことができるため、駆
動電源の小型化が実現できる。また、従来例のようにイ
ンダクタンスを使わないため、駆動周波数に依存性がな
く、調整が容易であると共に回路の小型化が図れる。一
方、等価的なキャンセル条件が完全に満たされない場合
でも、制動容量などの容量成分の等価的な低減による駆
動電力の省電力化が期待できる。

【００９８】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。

【００９９】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】第１の本発明を説明するものであり、圧電振動
子が定電圧駆動されているときの等価回路図、

【図２】図１に示す第１の本発明の実施例を示す回路
図、

【図３】第１の本発明の変形例を示す回路図、

【図４】第１の本発明の他の実施例を示す回路図、

【図５】第１の本発明のさらに他の実施例を示す回路
図、

【図６】第２の本発明を説明するものであり、圧電振動
子が定電流駆動されているときの等価回路図、

【図７】図６に示す第２の本発明の変形例を示す回路
図、

【図８】第２の本発明の実施例を示す回路図、

【図９】図８の回路をさらに詳しく示す回路図、

【図１０】第３の本発明の実施例を示す回路図、

【図１１】（Ａ）は図１０の実施例での周波数と電流特
性を示す線図、（Ｂ）は図１０に示す実施例での周波数
と位相特性を示す線図、

【図１２】第３の本発明の実施例を示す線図、

【図１３】第３の本発明の他の構成例を示す等価回路
図、

【図１４】第４の本発明の実施例を示す線図、

【図１５】（Ａ）は圧電振動子が共振周波数にて駆動さ
れているときの等価回路図、（Ｂ）は圧電振動子が直列
共振状態となったときの等価回路図、

【図１６】（Ａ）は静電変換器が駆動されている状態を
示す説明図、（Ｂ）はその等価回路図、

【図１７】（Ａ）は圧電振動子の回路図、（Ｂ）は圧電
振動子が共振周波数にて駆動されているときの等価回路
図、

【図１８】圧電振動子が振動するときの周波数とアドミ
タンスの特性線図、

【図１９】制動容量を打ち消す従来の駆動装置の回路
図、

【符号の説明】

１圧電振動子３直列共振辺４並列共振辺６位相変換手段８位相変換手段１１，２０増幅器３０静電変換器３１固定側の平面電極３２可動側の平面電極Ｃｄ，Ｃｏ制動容量Ｃｓ静電容量

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静電型変換手段に交流電力を与えて振動
を生じさせる駆動装置において、前記静電型変換手段の
容量成分を打ち消しまたは低減させるための静電容量
が、静電型変換手段に並列にまたは直列に接続されてい
ることを特徴とする静電型変換手段の駆動装置。
【請求項２】静電型変換手段に交流電力を与えて振動
を生じさせる駆動装置において、前記静電型変換手段に
接続された静電容量とこの静電容量に流れる電流の位相
を１８０度変化させる位相変換手段とが設けられ、前記
静電容量と位相変換手段とにより、静電型変換手段の容
量成分に流れる電流または容量成分にかかる電圧が打ち
消されあるいは低減されることを特徴とする静電型変換
手段の駆動装置。
【請求項３】静電容量および位相変換手段が、静電型
変換手段と並列に接続される請求項２記載の静電型変換
手段の駆動装置。
【請求項４】静電容量および位相変換手段が、静電型
変換手段と直列に接続される請求項２記載の静電型変換
手段の駆動装置。
【請求項５】静電型変換手段に電圧を与えて振動を生
じさせる駆動装置において、前記静電型変換手段の一端
に与えられる電圧を増幅する増幅器と、この増幅器の増
幅出力端と静電型変換手段の前記一端との間に接続され
た静電容量とを有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６】静電容量が静電型変換手段の容量成分の
ほぼ１／Ｎ倍のときに、増幅器の増幅度がほぼ（Ｎ＋
１）倍である請求項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８】周波数選択回路では、増幅器の正帰還ル
ープ内に抵抗と静電容量が接続され、静電型変換手段の
一端が増幅器の非反転入力部に接続されている請求項７
記載の静電型変換手段の駆動装置。