專利名稱：靜電型傳感器裝置中減少電容分量的回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜電型傳感器裝置的減小電容分量的回路，其中壓電振蕩器的阻尼電容和靜電傳感器的電容分量被減小或抵消，從而可以在諸如具有壓電振蕩器的靜電傳感器一類的靜電型傳感器裝置中實(shí)現(xiàn)有效的驅(qū)動(dòng)和高度靈敏的振動(dòng)檢測(cè)，該靜電傳感器利用壓電的變形并具有彼此相對(duì)配置，其間有間隙的電極；同時(shí)本發(fā)明還進(jìn)一步涉及靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置及其檢測(cè)裝置。
靜電型傳感器裝置應(yīng)用在各種技術(shù)領(lǐng)域中。例如，在靜電型傳感器裝置中的靜電振蕩器在壓電變換器中可作為從電氣方面發(fā)出能量的裝置，在壓電馬達(dá)或壓電作動(dòng)器中作為動(dòng)態(tài)地發(fā)出能量的裝置，在壓電陀螺、加速度傳感器、超聲波傳感器、紅外線傳感器等中作為主要發(fā)出信號(hào)的裝置，在用作頻率源的振蕩裝置中作為發(fā)出信號(hào)的裝置，在濾波器等中作為發(fā)出信號(hào)的裝置使用。類似地，靜電傳感器可以用于振蕩型陀螺、加速度傳感器、超聲波傳感器、紅外線傳感器等。
圖26A至圖28表示通常的例子，它是用作靜電型傳感器裝置的壓電振蕩器。圖26A表示壓電振蕩器1，而圖26B所示的等價(jià)回路表示在諧振點(diǎn)附近振蕩時(shí)的壓電振蕩器2。
在這些圖中，由Rm、Cm和Lm組成的串聯(lián)諧振側(cè)3等價(jià)地表示壓電振蕩器2的諧振。并聯(lián)諧振側(cè)4中的Cd，與串聯(lián)諧振側(cè)3一起表示壓電振蕩器的阻尼電容分量，圖27表示壓電振蕩器2的導(dǎo)納頻率特性。在圖27中，fa表示諧振點(diǎn)(諧振頻率，串聯(lián)諧振點(diǎn))，而fb表示反諧振點(diǎn)(反諧振頻率，并聯(lián)諧振點(diǎn))。
當(dāng)壓電振蕩器被驅(qū)動(dòng)時(shí)，流過(guò)阻尼電容Cd的電流為無(wú)功電流，它不會(huì)給壓電振蕩器的振蕩提供能量，因此會(huì)增加裝置的能量損失。因此，由于要將電流加到這個(gè)阻尼電容Cd上，所以除了使壓電振蕩器振蕩所真正必需的能量外，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源也給阻尼電容Cd供給能量。
圖28為通?；芈返囊粋€(gè)例子，它當(dāng)壓電振蕩器在諧振點(diǎn)fa振蕩時(shí)，等價(jià)地抵消了流過(guò)阻尼電容Cd的電流。
在圖28所示的這個(gè)通常例子中，具有電感Ld的線圈6與壓電振蕩器2并聯(lián)。這里，串聯(lián)諧振側(cè)3的阻抗Zm用式1表示。
(式1)Zm＝Rm＋j(ωLm＋1/jωCm圖28中的交流功率源5為恒電壓的電源，假如加到壓電振蕩器2和線圈6上的電壓用V表示，則流至壓電振蕩器2和線圈6的電流I用式2表示。
(式2)I＝(1/Zm＋jωCd＋1/jωLd)·V＝{1/Zm＋j(ωCd-1/ωLd)}·V由式2可知，電流I變?yōu)闃O小的條件為滿足式3的條件，并且電流I可用式4表示。
(式3)ωCd＝1/ωLd(式4)I＝(1/Zm)·V這樣，具有用式5表示的電感Ld的線圈與壓電振蕩器并聯(lián)，其中式5是由式3對(duì)于電感Ld展開得來(lái)的，結(jié)果，壓電振蕩器的阻尼電容Cd可以等價(jià)地被抵消。
(式5)Ld＝1/ω2Cd＝1/(2πf)2Cd等價(jià)地抵消流過(guò)阻尼電容Cd的電流可以將交流驅(qū)動(dòng)功率源5的功率源容量減小一個(gè)被這樣抵消的量。
為了使壓電振蕩器在諧振狀態(tài)下被驅(qū)動(dòng)，交流驅(qū)動(dòng)功率源的驅(qū)動(dòng)頻率必需在諧振點(diǎn)fa或反諧振點(diǎn)fb附近、然而，在壓電躍變(PZT)系統(tǒng)的陶瓷振蕩器等中，壓電振蕩器的彈性因子等改變，而且由于外界環(huán)境的溫度變化和振蕩器本身產(chǎn)生的熱的影響，陶瓷振蕩器等的諧振頻率會(huì)波動(dòng)。而且，已經(jīng)知道，驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)使諧振頻率波動(dòng)。因此，為了經(jīng)常能在諧振點(diǎn)fa附近驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器，必需檢測(cè)壓電振蕩器的諧振頻率，并在理想的頻率范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)振蕩器。于是，可以考慮一個(gè)諧振點(diǎn)跟蹤式的驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置經(jīng)常在接近諧振頻率的頻率處被驅(qū)動(dòng)，并且，在最新的壓電馬達(dá)等中，在該驅(qū)動(dòng)裝置中裝有檢測(cè)壓電振蕩器振蕩狀態(tài)的傳感器，這樣，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流或驅(qū)動(dòng)電壓和由傳感器測(cè)出的電壓之間的相位差可以跟蹤壓電振蕩器諧振點(diǎn)的波動(dòng)。
另一方面，當(dāng)壓電振蕩器在振蕩型陀螺儀等中用作傳感器時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，即因?yàn)樽枘犭娙軨d作用的影響，從壓電振蕩器獲得的檢測(cè)電壓或電流減小，不可能高度靈敏地檢測(cè)壓電振蕩器的振蕩。由于這個(gè)問(wèn)題，通常的實(shí)際作法是將電感Ld與壓電振蕩器并聯(lián)，以等價(jià)地抵消或減小阻尼電容Cd，并因此而改善其檢測(cè)靈敏性，這與驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器的情況相似。
另外，由于濾波器的比較帶寬受到壓電振蕩器固有的電氣-機(jī)械耦合因素的限制，為了擴(kuò)展濾波器的比較帶寬，將電感Ld與輸入終端連接。
然而，如式5所示，等價(jià)地抵消阻尼電容Cd的電感Ld與(驅(qū)動(dòng)頻率f)2×(阻尼電容Cd)成反比。特別是，因?yàn)長(zhǎng)d與驅(qū)動(dòng)頻率f的平方成反比，當(dāng)由于溫度改變等造成諧振頻率改變時(shí)，在驅(qū)動(dòng)頻率與諧振頻率之差增大的情況下，等價(jià)地抵消阻尼電容Cd的量將急劇減小。另外，一般電感Ld的尺寸比其他線路元件，諸如電阻R和電容器C的尺寸要大，因此很難使回路尺寸緊湊。此外，為了改善等價(jià)抵消作用，電感必需根據(jù)壓電振蕩器來(lái)改變和調(diào)節(jié)。但是，與電阻R和靜電電容C比較，電感不適合于改變操作。
諧振點(diǎn)跟蹤式驅(qū)動(dòng)裝置部分地是通過(guò)使用傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該傳感器以與通常的壓電馬達(dá)相似的方式來(lái)檢測(cè)壓電振蕩器的振蕩狀態(tài)。然而，在其他馬達(dá)中，不存在能夠最佳地檢測(cè)振蕩狀態(tài)的傳感器，因此，是通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓，馬達(dá)溫度等來(lái)改變驅(qū)動(dòng)頻率的，但是，在這種情況下，很難完全跟蹤諧振點(diǎn)。
在象振蕩型陀螺儀中利用壓電振蕩器作為傳感器的情況下，通過(guò)利用電感Ld可以將用作檢測(cè)目的的壓電振蕩器的阻尼電容Cd等價(jià)地減小或消除。然而，由于等價(jià)減小作用為頻率的函數(shù)，該作用大小受驅(qū)動(dòng)頻率影響很大。另外，如已經(jīng)說(shuō)明的那樣，一般電感很難調(diào)整，并且其電子元件的尺寸比其他電子元件尺寸大。
當(dāng)壓電振蕩器用作濾波器時(shí)，電感Ld與輸入-輸出終端連接，以達(dá)到較寬的帶寬。然而，存在著限制條件，即很難使電感線圈做得尺寸較小，并且電感的作用只在一個(gè)特定的頻率下才有效。
用作靜電型傳感器裝置的靜電傳感器，即與壓電振蕩器為同樣的東西，它包括若干個(gè)平的電極，這些電極彼此相對(duì)配置，它們之間有一窄小的間隙。當(dāng)電壓加到電極之間的間隙上時(shí)，即進(jìn)行一個(gè)操作，使電極之間的距離改變，相反地，當(dāng)以一種使電極之間的距離改變的方式施加外力時(shí)，則電極之間的電壓改變。靜電傳感器的驅(qū)動(dòng)和操作檢測(cè)的等價(jià)加路與壓電振蕩器的該回路是一樣的。因此，在靜電傳感器中也存在著與在壓電振蕩器中同樣的問(wèn)題，即電容分量消耗驅(qū)動(dòng)功率，并且在檢測(cè)裝置中，電容分量降低檢測(cè)的靈敏度。
考慮到上述缺點(diǎn)，因此本發(fā)明的目的是要提供一種減少電容分量的回路，該回路不使用電感可以減少，并進(jìn)一步抵消與靜電型傳感器裝置的電容分量有關(guān)的能量，本發(fā)明的目的還要提供一種能以節(jié)省能量的方式驅(qū)動(dòng)靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)設(shè)備及提供一種能高度靈敏地檢測(cè)靜電型傳感器裝置的振蕩的檢測(cè)裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供一種驅(qū)動(dòng)裝置，它能經(jīng)常地跟蹤諧振頻率，并且當(dāng)由于溫度改變，驅(qū)動(dòng)電壓改變等造成靜電型傳感器裝置的諧振頻率波動(dòng)時(shí)也能驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是要建造一個(gè)包括靜電型傳感器裝置的自振回路，使得可以在諧振頻率或反諧振頻率處驅(qū)動(dòng)靜電型傳感器裝置。
根據(jù)本發(fā)明的減少電容分量回路的特征在于該回路有一放大器，它能將靜電型傳感器裝置一側(cè)的電壓放大，并且該回路還有一條通過(guò)靜電電容將這個(gè)放大器的放大輸出端與靜電型傳感器裝置的所述一側(cè)連接起來(lái)的通道，這樣，靜電型傳感器裝置的電容分量可減至極小。
靜電型傳感器裝置例如可以用壓電振蕩器代表，該振蕩器為電致伸縮傳感器或靜電傳感器，其中平的電極彼此相對(duì)配置，它們之間有一小間隙等。在壓電振蕩器情況下，電容分量為阻尼電容，而在靜電傳感器情況下，電容分量為在彼此相對(duì)配置的電極之間的電容分量。
在以上情況中，假如靜電電容近似為靜電型傳感器裝置的電容分量的1/N時(shí)，則最好使放大器的放大倍數(shù)近似地為靜電型傳感器裝置的電容分量的(N＋1)倍。
在這種情況下，假如在靜電型傳感器裝置一側(cè)的電壓用V表示，則在放大器輸出終端的電壓，即加在靜電型傳感器裝置和相互串聯(lián)的靜電電容上的電壓為V(N＋1)。
假如靜電型傳感器裝置為壓電振蕩器，則靜電電容可以用構(gòu)成這個(gè)壓電振蕩器的同樣材料制成。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種驅(qū)動(dòng)裝置，它包括一條驅(qū)動(dòng)功率通過(guò)它供給至靜電型傳感器裝置的通道和減少電容分量回路，其中減少電容分量回路中的放大器位于通過(guò)所述通道供給至靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)功率被放大的位置。
在這種情況的一個(gè)回路布局例子中，如
圖1所示，建造了一個(gè)回路，在此回路中，驅(qū)動(dòng)功率首先供給至靜電型傳感器裝置的C端，然后，通道從所述C端，經(jīng)過(guò)放大器7和靜電電容Cs回到所述C端?；蛘?，如圖21所示，驅(qū)動(dòng)功率供給至靜電型傳感器裝置C’端的通道與驅(qū)動(dòng)功率通過(guò)放大器7和靜電電容Cs到達(dá)所述C’端的通道連接和并聯(lián)配置。圖1的回路與圖21所示的回路本質(zhì)上是一樣的。然而，假如回路作成如圖1所示，則當(dāng)使用頻率變高，并且放大器7的放大系數(shù)也變高時(shí)，可能產(chǎn)生振蕩。這樣，最好如圖22所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率通過(guò)它供給至靜電型傳感器裝置的通道與具有放大器和靜電電容的通道并聯(lián)時(shí)，則在驅(qū)動(dòng)功率供給側(cè)與靜電型傳感器裝置之間，在驅(qū)動(dòng)功率供給至靜電型傳感器裝置的所述通道中設(shè)置有電壓保持裝置。
另外，還配備有電流相位檢測(cè)裝置，相位比較器，濾波器和電壓控制振蕩器；電流相位檢測(cè)裝置用于檢測(cè)流過(guò)靜電型傳感器裝置的電流相位，相位比較器用于比較由所述電流相位檢測(cè)裝置檢測(cè)到的電流相位和供給至靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)功率的電壓相位，濾波器濾掉所述相位比較器的高頻分量，電壓控制振蕩器根據(jù)所述濾波器濾波操作后所得到的輸出電壓可變地控制振蕩頻率，這樣，可根據(jù)所述電壓控制振蕩器的振蕩頻率來(lái)供給驅(qū)動(dòng)功率，并且靜電型傳感器裝置可在諧振頻率下被驅(qū)動(dòng)。
在上述情況下，當(dāng)靜電型傳感器裝置為壓電振蕩器時(shí)，所述電壓控制振蕩器的振蕩頻率是以這樣一種方式可變控制的，即由所述相位比較器在電流相位與電壓相位之間比較得出的相位差為零。
其次，根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)裝置的特征在于，可以從由外力逼使其振蕩的靜電型傳感器裝置獲得電氣輸出，并且在檢測(cè)裝置中配有減小電容分量的回路。
另外，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置具有頻率選擇回路和放大器；該頻率選擇回路在靜電型傳感器裝置中包括電容分量和電阻分量，而在放大器中，這個(gè)頻率選擇回路設(shè)在正反饋回路中，該驅(qū)動(dòng)裝置的特征在于，在由所述頻率選擇回路決定的頻率下進(jìn)行自振。
在上述情況下，所述頻率選擇回路由在所述放大器的正反饋回路內(nèi)串聯(lián)的第一電阻和第一電容器和并聯(lián)的，且連接在所述放大器的不可逆輸入側(cè)的第二電阻和第二電容器組成，該頻率選擇回路可以這樣構(gòu)成，即或者是第一電阻和第一電容器，或者是第二電阻和第二電容器與靜電型傳感器裝置的電容分量和電阻分量相適應(yīng)。
特別是，如圖9所示，結(jié)構(gòu)可以是這樣的，即第一電容和第一電阻器在放大器的正反饋回路中串聯(lián)，壓電振蕩器或諸如靜電傳感器一類的靜電型傳感器裝置與放大器的不可逆輸入側(cè)連接，自振在由所述第一電容器和第一電阻及在諧振點(diǎn)附近變?yōu)轵?qū)動(dòng)狀態(tài)的靜電型傳感器裝置的電容分量和電阻分量所決定的頻率處產(chǎn)生?；蛘?，如圖11所示，結(jié)構(gòu)可以是這樣的，即靜電型傳感器裝置與放大器的正反饋回路連接，彼此并聯(lián)的第二電容和第二電阻與放大器的不可逆輸入側(cè)連接，自振在由在反諧振點(diǎn)附近變?yōu)轵?qū)動(dòng)狀態(tài)的靜電型傳感器裝置的電容分量和電阻分量以及第二電容器和第二電阻所決定的頻率處產(chǎn)生。
此外，最好結(jié)構(gòu)是這樣的，即電容分量和電阻分量如圖9和圖11中的C’和R’所示那樣與靜電型傳感器裝置連接。
另外，在上述情況下，最好在放大器的負(fù)反饋回路中設(shè)置一個(gè)包括可決定放大器放大系數(shù)的電阻的振幅穩(wěn)定回路。
在根據(jù)本發(fā)明的減小電容分量回路中，供給至諸如壓電振蕩器一類的靜電型傳感器裝置一側(cè)的電壓或在所述側(cè)產(chǎn)生的電壓由放大器放大，使這個(gè)放大的電壓再加到與靜電型傳感器裝置串聯(lián)的靜電電容上。因此，流過(guò)靜電電容電流的存在抵消了靜電型傳感器裝置的電容分量，例如壓電振蕩器的阻尼電容，結(jié)果使靜電型傳感器裝置電容分量的工作減至最小。
在上述情況下，當(dāng)放大器的放大倍數(shù)設(shè)定近似為(N＋1)，而靜電電容近似為靜電型傳感器裝置的電容分量的1/N，亦即當(dāng)加到靜電型傳感器裝置和靜電電容上的電壓設(shè)定為V(N＋1)，而供給至靜電型傳感器裝置一側(cè)的電壓或在所述側(cè)產(chǎn)生的電壓定義為V時(shí)，靜電型傳感器裝置的電容分量幾乎可以完全被抵消。甚至假如靜電電容不能與這個(gè)值嚴(yán)格匹配，這種減少電容分量的作用也可以達(dá)到。
當(dāng)靜電型傳感器裝置為壓電振蕩器時(shí)，靜電電容可以用與壓電振蕩器的材料相同的材料制成。在這種情況下，壓電振蕩器和靜電電容兩者對(duì)于諸如溫度一類的環(huán)境條件是處于等價(jià)的狀況下，因此，電容分量可以進(jìn)一步有效地降低。
在根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置中，在諸如壓電振蕩器一類的靜電型傳感器裝置的一側(cè)(電極之一)加有驅(qū)動(dòng)功率。驅(qū)動(dòng)功率從供給所述驅(qū)動(dòng)功率的地方，經(jīng)過(guò)不同通道被放大器放大，而這個(gè)放大的電壓加到連接在所述側(cè)的靜電電容上。利用這個(gè)減小電容分量回路，可以使靜電型傳感器裝置的電容分量減至最小或被抵消，這樣，電容分量不消耗功率。因此可達(dá)到節(jié)省能量的驅(qū)動(dòng)操作。
另外，當(dāng)將驅(qū)動(dòng)功率供給至靜電型傳感器裝置的通道和包含放大器與靜電電容的通道彼此并聯(lián)設(shè)置，并放置在驅(qū)動(dòng)功率供給側(cè)和靜電型傳感器裝置之間時(shí)，在將驅(qū)動(dòng)功率供給至靜電型傳感器裝置的所述通道中設(shè)置諸如電壓跟蹤器一類的電壓保持裝置可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)操作，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。
假如驅(qū)動(dòng)功率的頻率是這樣可變化控制的，即供給至靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)電壓的相位與流入靜電型傳感器裝置的電流的相位比較，電壓和電流的相位差為零，例如在壓電振蕩器的情況下，則靜電型傳感器裝置可以經(jīng)常在諧振頻度或反諧振頻率處被驅(qū)動(dòng)。因此，甚至在靜電型傳感器裝置的諧振頻率或反諧振頻率波動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率經(jīng)常跟蹤這個(gè)頻率的波動(dòng)。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置中，設(shè)置有放大器(運(yùn)算放大器)，并在所述放大器的正反饋回路(正反饋通道)中設(shè)置有頻率選擇回路，同時(shí)所述頻率選擇回路包含靜電型傳感器裝置的電容分量和電阻分量，更具體地說(shuō)，包含處在諧振(串聯(lián)諧振)或反諧振(并聯(lián)諧振)狀態(tài)下的靜電型傳感器裝置的電容分量和電阻分量，這樣，自振可以在靜電型傳感器裝置的諧振點(diǎn)或反諧振點(diǎn)附近進(jìn)行。
這個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)用了韋恩(Wien)橋振蕩器回路原理。在這個(gè)振蕩器回路中的頻率選擇回路，例如可以由彼此串聯(lián)，包含在放大器的正反饋回路中的第一電容器和第一電阻及彼此并聯(lián)，連接在放大器的不可逆輸入側(cè)的第二電容器和第二電阻構(gòu)成。這里，還可以建造一個(gè)自振回路，其工作頻率由靜電型傳感器裝置的電容分量和電阻分量這樣決定的，即或者是第一電容器和第一電阻，或者是第二電容器和第二電阻被在諧振點(diǎn)或反諧振點(diǎn)附近驅(qū)動(dòng)的靜電型傳感器裝置代替。
另外，在上述頻率選擇回路中，第一和第二電容器分別起高通濾波器和低通濾波器作用，以便在放大器的輸入和輸出之間構(gòu)造一個(gè)帶通濾波器，這樣自振頻率可以決定。這里，可能產(chǎn)生一個(gè)情況，即在諸如壓電振蕩器一類的靜電型傳感器裝置的諧振頻率或反諧振頻率之間存在差別，并且自振頻率由所述頻率選擇回路決定。這樣，如圖9或圖11所示，附加電容C’和附加電阻R’與靜電型傳感器裝置并聯(lián)或串聯(lián)，并且這個(gè)附加電容和附加電阻起到調(diào)整所述低通濾波器和高通濾波器的截止頻率的作用，結(jié)果，自振操作可在靜電型傳感器裝置的諧振頻率或反諧振頻率處進(jìn)行。
此外，在放大器的負(fù)反饋回路中設(shè)置決定放大系數(shù)的電阻可以穩(wěn)定自振的振幅。
圖1為表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置的等價(jià)回路圖。
圖2為一等價(jià)的回路圖，它表示與圖1所示的壓電振蕩器的阻尼電容分量被等價(jià)地抵消的狀態(tài)。
圖3A和圖3B為表示圖1所示的壓電振蕩器的電流增益和相位的頻率特性的圖形。
圖4為用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡耐ǔ５膲弘娬袷幤黩?qū)動(dòng)裝置的等價(jià)回路圖。
圖5為表示通常的壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖形圖6為用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡母鶕?jù)本發(fā)明的壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)裝置的等價(jià)回路圖。
圖7為表示根據(jù)本發(fā)明的壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖形。
圖8為表示在本發(fā)明中用于實(shí)驗(yàn)的壓電振蕩器結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自振型壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置的等價(jià)回路圖。
圖10A和圖10B為在諧振點(diǎn)附近的圖9所示的壓電振蕩器的等價(jià)回路圖。
圖11為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的自激振蕩型壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)裝置的等價(jià)回路圖。
圖12A和圖12B為在反諧振點(diǎn)附近的圖11所示的壓電振蕩器的等價(jià)回路圖。
圖13為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的諧振跟蹤式壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置的等價(jià)回路圖。
圖14A和圖14B為表示圖13所示的壓電振蕩器供給電流的增益及其相位特性的圖形。
圖15為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的壓電振蕩器檢測(cè)裝置的等價(jià)回路圖。
圖16為一等價(jià)回路圖，它表示圖15所示的壓電振蕩器的阻尼電容分量被等價(jià)地抵消的狀態(tài)。
圖17為用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡耐ǔ５膲弘娬袷幤鳈z測(cè)裝置的等價(jià)線路圖。
圖18為表示通常的壓電振蕩器檢測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖形圖19為根據(jù)本發(fā)明的、用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膲弘娬袷幤鞯臋z測(cè)裝置的等價(jià)回路圖。
圖20為表示根據(jù)本發(fā)明的壓電振蕩器檢測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖形。
圖21為表示根據(jù)本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)圖的壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)裝置的等價(jià)回路圖。
圖22為表示對(duì)圖21所示的壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行改進(jìn)的更好的例子的等價(jià)回路圖。
圖23為一等價(jià)回路圖，它表示了一個(gè)例子，其中圖22所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到圖13所示的諧振跟蹤式驅(qū)動(dòng)裝置中。
圖24A和圖24B分別為靜電傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置和其等價(jià)回路圖的結(jié)構(gòu)圖。
圖25A和圖25B分別為使用靜電傳感器的檢測(cè)裝置和其等價(jià)回路圖的結(jié)構(gòu)圖。
圖26A和圖26B分別為在諧振點(diǎn)的壓電振蕩器及其等價(jià)回路的回路圖。
圖27為表示壓電振蕩器導(dǎo)納的頻率特性的圖形。
圖28為通常的壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)回路的回路圖，其中壓電振蕩器的阻尼電容分量被等價(jià)地抵消了。
壓電振蕩器或平電極彼此相對(duì)配置的靜電傳感器可以作為靜電型傳感器裝置的例子。在下面的實(shí)施例中，將開始以利用壓電振蕩器作為例子對(duì)靜電型傳感器裝置進(jìn)行說(shuō)明。
圖1為表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置的等價(jià)回路圖。
參見圖1，壓電振蕩器2的一個(gè)電極(在等價(jià)回路圖中表示為處于在諧振點(diǎn)附近振蕩的狀態(tài))接地，而另一電極(在本發(fā)明中為在一側(cè))與交流驅(qū)動(dòng)功率源5連接。放大器7與另一電極相連接，在放大器7中，加到這個(gè)電極上的電壓，即由交流驅(qū)動(dòng)功率源5供給的驅(qū)動(dòng)功率電壓被放大至增益的(N＋1)倍。在這個(gè)放大器7的放大輸出端，串聯(lián)一個(gè)靜電電容為Cs的電容器，這個(gè)靜電電容Cs在另一電極處與壓電振蕩器2串聯(lián)，而包括這個(gè)放大器和Cs的回路8(減小電容分量回路)連接在C點(diǎn)。靜電電容Cs的電容值近似為壓電振蕩器2的阻尼電容Cd的1/N。這個(gè)回路8就是根據(jù)本發(fā)明的減小電容分量(阻尼電容)回路。
在圖1中，由交流驅(qū)動(dòng)功率源5供給的供給電流用i表示，流過(guò)靜電電容Cs的電流用i1表示，壓電振蕩器2的串聯(lián)諧振側(cè)3的阻抗用Zm表示，而流過(guò)它的電流用i2表示，流過(guò)阻尼電容Cd的電流用i3表示，而流過(guò)放大器7的電流用i4表示。
由于從交流驅(qū)動(dòng)功率源5來(lái)的驅(qū)動(dòng)電壓V加在C點(diǎn)，由于放大器7的作用，D點(diǎn)的電位將為(N＋1)V。這樣，等于N·V的電壓加在點(diǎn)D和C之間(D-C)。因?yàn)镈-C處的阻抗為1/(jωCs)，因此i1可用式6表示，其中ω為角頻率。
(式6)i1＝j(luò)ωCs·N·V類似地，i2和i3可分別用式7和式8表示。
(式7)i2＝V/Zm(式8)i3＝j(luò)ωCd·V由于i4為非常小的電流，假如不考慮i4時(shí)，則i可用式9表示。
(式9)i＝i2＋i3－i1將式6，7和8代入式9可得式10。
(式10) i＝V/Zm＋jω(Cd－N·Cs)·V
這里，如果式11成立，(式11)Cs＝Cd/N則i將等于式7的右端項(xiàng)，而i等于i2，即只把從交流驅(qū)動(dòng)功率源5供給的供給電流考慮為流入串聯(lián)諧振側(cè)3的阻抗Zm的量，并且沒(méi)有電流供給至阻尼電容Cd，該電容就不會(huì)對(duì)振蕩起作用。
由于壓電振蕩器的阻尼電容Cd分量被等價(jià)地抵消，因此，相應(yīng)于壓電振蕩器這個(gè)狀態(tài)的等價(jià)回路將為只由圖2所示的串聯(lián)諧振側(cè)3所組成的回路。由交流驅(qū)動(dòng)功率源5供給的供給電流i的增益特性用式12表示，諧振點(diǎn)fa用式13表示，相位特性用式14表示。圖3A表示供給電流i的增益的頻率特性，而圖3B表示供給電流i的相位的頻率特性。
(式12) i＝V/Zm＝V/{Rm＋j(ωLm－1/ωCm)}=V·ϵjθ/[{Rm2+(ωLm-1/ωCm)2}]]]>(式13)fa=1/{2π(Lm·Cm)}]]>(式14) θ＝-tan-1{(ωLm－1/ωCm)/Rm}流過(guò)阻尼電容Cd的電流被抵消的條件是滿足式11，即靜電電容Cs為阻尼電容Cd的1/N。這個(gè)條件由靜電電容Cs和放大器7的增益N的函數(shù)給出，并不包括交流驅(qū)動(dòng)功率源5的驅(qū)動(dòng)頻率函數(shù)。因此，頻率依賴關(guān)系不包括在抵消阻尼電容Cd的條件中。因?yàn)樵诘窒枘犭娙軨d的過(guò)程中，調(diào)整靜電電容Cs比調(diào)整電感L容易得多，因此即使利用變?nèi)荻O管或微調(diào)電容器式的可變靜電電容也可做得很緊湊。另外，假如增益N由可變電阻調(diào)節(jié)，而靜電電容Cs固定，也可獲得類似的優(yōu)越效果，這樣可以做得更緊湊。當(dāng)然，可以達(dá)到優(yōu)越的效果，這樣即使將要實(shí)現(xiàn)的靜電電容Cs和放大器7的增益與式11設(shè)定的條件不是匹配得很好，阻尼電容Cd的影響也可以減小。
實(shí)際的實(shí)現(xiàn)靜電電容Cs的電子元件可用制造壓電振蕩器2的同樣材料制成。構(gòu)成壓電振蕩器的部分材料可以不是極化處理的，并且這一部分可用作靜電電容Cs。這樣，同一材料的一部分是極化處理的，以便作壓電振蕩器，而另一部分不是極化處理的，以便作靜電電容Cs，這樣不再需要特別具備一個(gè)元件作為靜電電容Cs。因此，不僅達(dá)到了成本效率，而且可以減少許多必需的零件，這樣裝置的尺寸可以做得更緊湊。放大器7為放大電壓的裝置，放大器7可以由晶體管，運(yùn)算放大器，變壓器等構(gòu)成。
圖5和圖7分別表示通?；芈泛捅景l(fā)明一個(gè)實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖8表示實(shí)驗(yàn)所用的壓電振蕩器的組成件10。參見圖8，電極13，壓電材料12和驅(qū)動(dòng)電極11放置在玻璃基片14的一個(gè)側(cè)表面上，而電極15，壓電材料16和檢測(cè)電極17類似地放置在玻璃基片14的另一側(cè)表面上。壓電材料12和16的不導(dǎo)電極化方向用圖8所示的箭頭表示。
圖5表示利用通常回路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在這種通常回路中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的回路8(減小電容分量回路)。圖4為使用通常回路的實(shí)驗(yàn)回路，而圖5表示用圖4所示的安培計(jì)9檢測(cè)的輸出。參見圖4，壓電振蕩器2的一個(gè)電極接地，而另一個(gè)電極與交流驅(qū)動(dòng)功率源5連接，安培計(jì)9連接并放置在壓電振蕩器2和交流驅(qū)動(dòng)功率源5之間。實(shí)驗(yàn)中所用的壓電振蕩器2為圖8所示的組成件10，組成件10的驅(qū)動(dòng)電極11與圖4所示的實(shí)驗(yàn)回路的終端A連接，而組成件10的電極13與圖4所示的實(shí)驗(yàn)回路的終端B連接。
圖5表示一個(gè)圖形，其橫座標(biāo)軸表示由交流驅(qū)動(dòng)功率源5供給的驅(qū)動(dòng)功率的頻率，而且縱座標(biāo)軸表示由交流驅(qū)動(dòng)功率源供給的供給電流i的增益(dB)，也表示供給電流i的相位θ(度)。輸出X表示增益特性，增益的最大值出現(xiàn)在諧振點(diǎn)fa，而增益的最小值出現(xiàn)在反諧振點(diǎn)fb。輸出Y表示相位特性，并且除了在諧振點(diǎn)fa和反諧振點(diǎn)fb附近，在阻尼電容Cd的影響下，供給電流i的相位在各個(gè)頻率上都比驅(qū)動(dòng)電壓超前90度。
圖7表示利用一個(gè)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的回路8(減小電容分量回路)的回路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6表示實(shí)驗(yàn)回路，而圖7表示由圖6所示的安培計(jì)檢測(cè)的輸出。參見圖6，壓電振蕩器2的一個(gè)電極接地，而壓電振蕩器2的另一個(gè)電極與交流驅(qū)動(dòng)功率源5連接，使驅(qū)動(dòng)功率由終端A供給壓電振蕩器2。在用作減小電容分量回路的回路8中，終端A上的電壓，在驅(qū)動(dòng)功率的供給通道中被放大器7放大一個(gè)N＋1系數(shù)。靜電電容Cs與放大器7的放大輸出端串聯(lián)，并與終端A連接。靜電電容Cs近似設(shè)定為阻尼電容Cd的1/N。
安培計(jì)9連接并放置在壓電振蕩器2和交流驅(qū)動(dòng)功率源5之間。對(duì)于在實(shí)驗(yàn)中使用的壓電振蕩器，使用了組成件10，并且組成件10的驅(qū)動(dòng)電極11與實(shí)驗(yàn)回路的終端A連接，而組成件10的電級(jí)13與實(shí)驗(yàn)回路的終端B連接。根據(jù)圖6所示實(shí)施例的裝置由放大器7，負(fù)反饋回路塊19和包括靜電電容Cs的正反饋回路塊18構(gòu)成；放大器7為運(yùn)算放大器，負(fù)反饋回路塊19包括電阻R3和R4，用以設(shè)定電壓放大的增益。每一參數(shù)如式15和式16所示那樣設(shè)定。
(式15)N＋1＝1＋(R3/R4)(式16)Cs＝Cd/N圖7表示一個(gè)圖形，其橫座標(biāo)軸表示頻率，其縱座標(biāo)軸表示由交流驅(qū)動(dòng)功率源供給的供給電流i的增益(dB)，也表示供給電流i的相位θ(度)。輸出X表示增益特性。阻尼電容Cd被等價(jià)地抵消，而增益在諧振點(diǎn)fa處達(dá)到最大值。輸出Y表示相位特性。參見圖7，可以看出，在諧振點(diǎn)fa處，相對(duì)于驅(qū)動(dòng)電壓相位，相位幾乎為零，并且從這個(gè)邊界點(diǎn)出發(fā)，電流相位超前大約90度，然后相位滯后大約90度。
比較圖5和圖7的輸出特性可確信，通過(guò)加入圖6所示的回路8(減小電容分量回路)可以等價(jià)地抵消阻尼電容Cd的分量，而驅(qū)動(dòng)功率可以減少一個(gè)由交流驅(qū)動(dòng)功率源5施加的，阻尼電容Cd所消耗的功率大小。
圖9和圖11表示壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置，該壓電振蕩器為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的自振回路20。
根據(jù)圖9所示實(shí)施例的裝置由放大器27、與放大器連接的負(fù)反饋回路塊23和正反饋回路塊22組成；放大器27為運(yùn)算放大器，負(fù)反饋回路塊23包括電阻R3和R4，用于設(shè)定電壓放大的增益，正反饋回路塊22通過(guò)放大器27與塊23連接，它包括靜電電容Cs，電阻R1和壓電振蕩器1。
仍參見圖9，正反饋回路塊22為頻率選擇回路，其中靜電電容Cs與電阻R1串聯(lián)，并且這個(gè)串聯(lián)的電路連接在放大器27的正反饋通道22a內(nèi)(正反饋回路)，即連接在將放大器27的輸出側(cè)和不可逆的輸入側(cè)連接起來(lái)的通道內(nèi)。壓電振蕩器1的一個(gè)電極為放大器27的不可逆輸入側(cè)的輸入，而壓電振蕩器1的另一電極接地。負(fù)反饋回路塊23為振幅穩(wěn)定回路，它設(shè)定電壓放大的增益，其中設(shè)有通過(guò)電阻R3與放大器27的可逆?zhèn)容斎虢K端連接的負(fù)反饋通道23a(負(fù)反饋回路)，同時(shí)電阻R4連接和放置在放大器27的不可逆輸入側(cè)與地面之間。
圖10A為壓電振蕩器在諧振點(diǎn)fa附近被驅(qū)動(dòng)時(shí)得到的等價(jià)回路，在諧振點(diǎn)fa，Lm和Cm是串聯(lián)諧振，并等效于圖10B所示的狀態(tài)。對(duì)于圖10B所示的等價(jià)回路，諧振點(diǎn)fa可由式17獲得。
(式17)fa=1/2π(Lm·Cm)]]>同時(shí)，在圖9所示的回路中(假設(shè)回路沒(méi)有附加電阻R’和附加電容C’)，壓電振蕩器1被串聯(lián)諧振等價(jià)回路代替，這樣，來(lái)對(duì)回路進(jìn)行分析。分析的結(jié)果將在下面予以說(shuō)明。
假如在放大器27的不可逆輸入終端上的電壓用ei表示，可逆輸入終端的電壓用ei’表示，輸出電壓用eo表示，則由式18和式19表示的關(guān)系成立如下。
(式18)ei＝eo/{(1＋R1/Rm＋Cd/Cs)＋j(ωCdR1－1/ωCsRm)}(式19)ei’＝{R4/(R3＋R4)}·eo假如放大器27(運(yùn)算放大器)的放大倍數(shù)足夠大，則式20的關(guān)系成立。然后，將式18和式19代入式20，可得到式21。
(式20)ei＝ei’(式21)R4/(R3＋R4)＝1/{(1＋R1/Rm＋Cd/Cs)＋j(ωCdR1－1/ωCsRm)}由式21可知，壓電振蕩器1的驅(qū)動(dòng)回路20的振蕩條件是這樣的，即振幅條件由式22表示，頻率條件由式23表示。
(式22)(R3＋R4)/R4＝1＋R1/Rm＋Cd/Cs(式23)ωCdR1＝1/ωCsRm這里，滿足上述振幅條件和頻率條件的每一個(gè)參數(shù)，如R1，R3，R4和Cs可以這樣選擇，即使回路20成為在壓電振蕩器諧振點(diǎn)fa振蕩的自振回路。
換言之，這個(gè)自振回路是運(yùn)用韋恩(Wien)橋振蕩器回路原理的回路。在韋恩橋振蕩器回路中，正反饋加在放大器(運(yùn)算放大器)27上，以產(chǎn)生振蕩，而且這個(gè)自振頻率是由作為頻率選擇回路的正反饋回路塊22決定的。在正反饋回路塊22(頻率選擇回路)中，第一電容Cs和第一電阻R1在正反饋回路內(nèi)串聯(lián)，并且等價(jià)回路如圖10B所示的壓電振蕩器1的Cd和Rm分別用作第二電容和第二電阻。第二電容和第二電阻相互并聯(lián)，并與放大器27的不可逆輸入側(cè)連接。在頻率選擇回路中，第一電容Cs(靜電電容)起高通濾波器作用，而第二電容(阻尼電容)Cd起低通濾波器作用。自振頻率由在放大器27的正反饋通道中的高通濾波器和低通濾波器組成的帶通濾波器決定。
負(fù)反饋回路塊23以這樣一種方式起穩(wěn)定自振振幅回路的作用，即它可將放大器27的電壓放大增益設(shè)定得足夠高。
這里，壓電振蕩器1的諧振頻率由式17決定，即在運(yùn)動(dòng)期間由壓電振蕩器1的電感分量Lm和電容分量Cm決定?？赡軙?huì)出現(xiàn)這種情況，即這個(gè)諧振頻率不能經(jīng)常與由頻率選擇回路決定的自振頻率匹配。
在這種情況下，最好每一個(gè)電容值和電阻值按照有附加電容C’和附加電阻R’與壓電振蕩器1并聯(lián)這種方式來(lái)調(diào)節(jié)或選擇，如圖9所示。在這種情況下，附加電容C’的工作可調(diào)整低通濾波器的截止頻率，而附加電阻R’的工作可調(diào)整高通濾波器的截止頻率。結(jié)果，可以進(jìn)行校正，使自振回路20的自振頻率與壓電振蕩器1的諧振頻率匹配或近似。因此，最好附加電容C’和附加電阻R’由自由可變的元件構(gòu)成，并且/或靜電電容Cs和電阻R1由自由可變?cè)?gòu)成。
其次，在圖11所示的實(shí)施例中，放大器37為運(yùn)算放大器，與運(yùn)算放大器連接的有負(fù)反饋回路塊33和正反饋回路塊32；負(fù)反饋回路塊33包括電阻R3和R4，用以設(shè)定電壓放大的增益，而正反饋回路塊32由靜電電容Cs和電阻R2及壓電振蕩器1構(gòu)成。正反饋回路塊32為頻率選擇回路，其中建造了包括壓電振蕩器的正反饋通道(正反饋回路)32a，即建造了一個(gè)將放大器37的輸出側(cè)與不可逆輸入側(cè)連接起來(lái)的通道；壓電振蕩器1連接在這個(gè)通道內(nèi)。靜電電容Cs和電阻R2相互并聯(lián)，并與放大器37的不可逆輸入側(cè)和地面連接。設(shè)置了負(fù)反饋回路塊33，以便通過(guò)將電壓放大增益設(shè)定至足夠高水平來(lái)穩(wěn)定振幅，同時(shí)還構(gòu)造一個(gè)通過(guò)電阻R3與放大器37的可逆輸入終端連接的負(fù)反饋通道33a。電阻R4連接和放置在放大器37的可逆輸入側(cè)和地面之間。
圖12A為壓電振蕩器1在反諧振點(diǎn)fb附近被驅(qū)動(dòng)時(shí)得到的等價(jià)回路。在反諧振點(diǎn)fb處，Lm’和Cm’為并聯(lián)諧振，并與圖12B所示的狀態(tài)等價(jià)。圖12B所示的等價(jià)回路的反諧振點(diǎn)fb可由式24得出。
(式24)fb=1/2π(Lm'·Cm')]]>同時(shí)，在圖11所示的回路中(假設(shè)回路沒(méi)有附加電容C’和附加電阻R’)，壓電振蕩器1被并聯(lián)諧振等價(jià)回路代替，并對(duì)這個(gè)回路進(jìn)行分析。下面將說(shuō)明分析的結(jié)果。
假如在放大器37不可逆輸入終端上的電壓用ei表示，不可逆終端的電壓用ei’表示，輸出電壓用eo表示，則由式25和式26表示的關(guān)系如下。
(式25)ei＝eo/{(1＋Rm’/R2＋Cs/Cd’)＋j(ωCsRm’－1/ωCd’R2)}(式26)ei’＝{R4/(R3＋R4)}·eo假如放大器37(運(yùn)算放大器)的放大倍數(shù)足夠大，則式27的關(guān)系成立。然后，將式25和式26代入式27可得式28(式27)ei＝ei’
(式28)R4/(R3＋R4)＝1/{(1＋Rm’/R2＋Cs/Cd’)＋j(ωCsRm’－1/ωCd’R2)}由式28可知，包括壓電振蕩器1的自振回路30的振蕩條件為振幅條件用式29表示，頻率條件用式30表示。
(式29)(R3＋R4)/R4＝1＋Rm’/R2＋Cs/Cd’(式30)ωCsRm’＝1/ωCd’R2這里，滿足振幅條件和頻率條件的每一個(gè)參數(shù)，如R2，R3，R4和Cs這樣選擇，即使這個(gè)回路成為在壓電振蕩器反諧振點(diǎn)fb處振蕩的自振回路。
圖11所示的自振回路的原理可用韋恩(Wien)橋振蕩器回路表示，它與圖9所示的原理是相同的。當(dāng)在圖11中，壓電振蕩器1用圖12B所示的等價(jià)回路代替，第一電容和第一電阻分別為Cd’和Rm’，而第二電容和第二電阻分別為Cs和R2。在那個(gè)回路中，在反諧振點(diǎn)附近工作的壓電振蕩器1的阻尼電容Cd’起高通濾波器的作用，而靜電電容Cs起低通濾波器作用。
這里，壓電振蕩器的反諧振頻率由式24決定。然后，可能出現(xiàn)一種情況，其中這個(gè)反諧振頻率不能經(jīng)常與自振回路30的自振頻率相匹配。在這種情況下，最好附加電容C’和附加電阻R’與壓電振蕩器1連接，如圖11所示。在這種情況下，附加電容C’的作用是校正高通濾波器的通過(guò)頻率，而附加電阻R’的作用是校正低通濾波器的通過(guò)頻率。這樣，自振回路30的自振頻率可以與壓電振蕩器1的反諧振頻率匹配或近似。在這個(gè)實(shí)施例中，最好附加電容C’和附加電阻R’及/或靜電電容Cs和電阻R2亦由自由可變的元件組成。
應(yīng)該理解，在圖11中，附加電容C’和附加電阻R’可以與壓電振蕩器1并聯(lián)，而在圖9中，附加電容C’和附加電阻R’可與壓電振蕩器1串聯(lián)。此外，還可以有這樣的結(jié)構(gòu)，即在圖9和圖11中設(shè)置附加電容C’或附加電阻R’中的任意一個(gè)。換言之，在使壓電振蕩器的諧振頻率或反諧振頻率接近自振頻率的操作中，調(diào)整高通濾波器或低通濾波器中任何一個(gè)已經(jīng)有效了。
在圖9和圖11所示的實(shí)施例中，每一個(gè)實(shí)施例都構(gòu)造了一個(gè)使用壓電振蕩器的自振回路，這是包括阻尼電容Cd(或Cd’)和靜電電容Cs的減小電容分量回路的一種應(yīng)用。
實(shí)現(xiàn)靜電電容Cs的實(shí)際電子元件可用構(gòu)成壓電振蕩器1的同樣材料制成。構(gòu)成壓電振蕩器的材料的一部分可以不進(jìn)行極化處理，這樣一部分可用作靜電電容Cs。另外，放大器27，31是放大電壓的裝置，放大裝置可由晶體管，運(yùn)算放大器、變壓器等組成。
圖13表示根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置可以跟蹤壓電振蕩器的諧振點(diǎn)。
參見圖13，壓電振蕩器2的一個(gè)電極接地，而驅(qū)動(dòng)電壓V加在壓電振蕩器2的另一電極(另一側(cè))上。在點(diǎn)C上，驅(qū)動(dòng)電壓加在另一電極上，增益為(N＋1)的放大器7連接在C點(diǎn)上。與這個(gè)放大器7的放大輸出端串聯(lián)的靜電電容Cs連接在C點(diǎn)上，從而構(gòu)成回路8(減少電容分量回路)。結(jié)構(gòu)方面與圖1所示的回路相同參見圖13，壓電振蕩器2的供給電流用i表示，流過(guò)靜電電容Cs的電流用i1表示，壓電振蕩器2串聯(lián)諧振側(cè)3的阻抗用Zm表示，流過(guò)該串聯(lián)諧振側(cè)的電流用i2表示，流過(guò)阻尼電容Cd的電流用i3表示和流過(guò)放大器7的電流用i4表示。
當(dāng)電壓V加在點(diǎn)C上時(shí)，由于放大器7的作用，點(diǎn)D處的電壓為(N＋1)V。這樣，等于N·V的電壓加在點(diǎn)D和C之間(D-C)。因?yàn)镈-C處的阻抗為1/(jωCs)，i1可用式31表示。
(式31) i1＝j(luò)ωCs·N·V
同樣地，i2和i3可以用式32和式33表示。
(式32) i2＝V/Zm(式33) i3＝j(luò)ωCd·V如果由于i4非常小，可以忽略，則i可用式34表示。
(式34) i＝i2＋i3－i1將式31，32和33代入式34中，可得式35。
(式35) i＝V/Zm＋jω(Cd－N·Cs)·V這里，假如式36成立。
(式36) Cs＝Cd/Ni將等于式32的右端項(xiàng)，并且i等于i2。換言之，供給至壓電振蕩器2的供給電流只考慮流入串聯(lián)諧振側(cè)3的阻抗Zm的量，并且沒(méi)有電流供給至阻尼電容Cd，阻尼電容Cd不對(duì)振蕩產(chǎn)生影響。
然后，供給電流i的增益特性用式37表示，諧振點(diǎn)用式38表示，相位特性用式39表示。圖14A表示供給電流i增益的頻率特性，而圖14B表示供給電流i相位的頻率特性。
(式37) i＝V/Zm＝V/{Rm＋j(ωLm－1/ωCm)}=V·ϵjθ/[Rm2+(ωLm-1/ωCm)2}]]]>(式38)fa=1/{2π(Lm·Cm)}]]>
(式39) θ＝-tan-1{(ωLm－1/ωCm)/Rm}參見圖14B，壓電振蕩器2的供給電流的相位和加在壓電振蕩器2的另一電極上的驅(qū)動(dòng)電壓的相位之間的相位差在諧振點(diǎn)fa處為0度。圖13所表示的實(shí)施例是將注意力引導(dǎo)到這個(gè)事實(shí)上而發(fā)明的。這樣，通過(guò)檢測(cè)這個(gè)相位差可以獲得跟蹤揩振點(diǎn)的壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置。
再參見圖13，驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器2的交流功率源部分包括電流相位檢測(cè)裝置，波形整形裝置A，波形整形裝置B，相位比較器，回路濾波器，電壓控制振蕩器(VCO)和功率放大器。
從交流功率供給源部分供給至壓電振蕩器2的另一電極的電流相位用電流相位檢測(cè)裝置檢測(cè)。在波形整形裝置A中經(jīng)過(guò)波形整形的輸出用φ1表示，而加在壓電振蕩器2上的電壓相位經(jīng)過(guò)波形整形裝置B波形整形后的輸出用φ2表示。經(jīng)過(guò)波形整形后的兩個(gè)輸出是相位比較器的輸入，這樣可以檢測(cè)φ1和φ2的相位誤差。由相位比較器來(lái)的相位誤差輸出送入回路濾波器(低通濾波器)，將輸出的高頻分量除去，從而得到相位誤差電壓Vp。這個(gè)相位誤差電壓Vp輸入電壓控制振蕩器(VCO)，結(jié)果可得到與Vp相適應(yīng)的頻率輸出。此后，VCO的輸出在功率放大器中進(jìn)行功率放大，然后通過(guò)電流相位檢測(cè)裝置加在壓電振蕩器2上。
這里，相位比較器，回路濾波器和電壓控制振蕩器(VCO)是這樣工作的，即當(dāng)輸出φ1的相位(電流相位)比輸出φ2的相位(電壓相位)進(jìn)一步超前時(shí)，電壓控制振蕩器的振蕩頻率變得比較高。相反地，相位比較器、回路濾波器和電壓控制振蕩器這樣工作，即當(dāng)輸出φ2的相位(電壓相位)比輸出φ1的相位(電流相位)更超前時(shí)，則電壓控制振蕩器的振蕩頻率變得較低。當(dāng)輸出φ1的相位與輸出φ2的相位一樣，即當(dāng)電流相位與電壓相位之間的相位差為0度時(shí)，振蕩頻率固定。如圖14B所示，當(dāng)電流輸出φ1的相位與電壓輸出φ2的相位相同時(shí)，壓電振蕩器2將在諧振點(diǎn)處被驅(qū)動(dòng)。當(dāng)壓電振蕩器的諧振頻率點(diǎn)由于外部環(huán)境等影響而降低時(shí)，φ2與φ1比較，相位變?yōu)槌?，并且電壓控制振蕩器的頻率在低數(shù)值時(shí)是可變控制的，這樣可以跟蹤諧振。相反地，當(dāng)壓電振蕩器的諧振頻率變高時(shí)，φ1與φ2比較，相位變成超前，并且電壓控制振蕩器的頻率變高，這樣可以跟蹤諧振。
在圖13所示的驅(qū)動(dòng)裝置中，沒(méi)有必要如在通常例子中那樣，提供檢測(cè)諧振頻率的傳感器，并且壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)頻率可以固定在壓電振蕩器的諧振頻率上。由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的，圖13所示的結(jié)構(gòu)圖是非常有效的，特別是當(dāng)由于空間或總的成本性能影響，不可能加入這種傳感器時(shí)。另外，甚至當(dāng)由于產(chǎn)生的熱的影響，諧振點(diǎn)不適當(dāng)?shù)馗淖儠r(shí)，諧振頻率可以自動(dòng)地被跟蹤。再者，由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的回路可以用于所有形式的壓電振蕩器。這樣，這種回路可以適用于壓電馬達(dá)、壓電轉(zhuǎn)換器和壓電陀螺的驅(qū)動(dòng)裝置，使得即使由于溫度變化等造成壓電振蕩器的諧振頻率改變時(shí)，可以經(jīng)常跟蹤諧振頻率。
換言之，在圖13所示的驅(qū)動(dòng)裝置中，具備回路8(減小電容分量回路)消除了由壓電振蕩器2的阻尼電容Cd引起的功率消耗，并且實(shí)現(xiàn)了跟蹤壓電振蕩器2的諧振的驅(qū)動(dòng)操作。
這里，實(shí)現(xiàn)靜電電容Cs的實(shí)際電子元件可以用構(gòu)成壓電振蕩器2的同樣材料制成。構(gòu)成壓電振蕩器2的材料的一部分做成沒(méi)有經(jīng)過(guò)極化處理的部分，因此，這部分可以用作靜電電容Cs。放大器為用于放大電壓的裝置，并且，放大器7可以由晶體管、運(yùn)算放大器、變壓器等構(gòu)成。
圖15表示根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的檢測(cè)裝置。
參見圖15所示的等價(jià)回路，壓電振蕩器50利用電氣回路這樣表示，即當(dāng)壓電振蕩器接受外來(lái)應(yīng)力時(shí)，就產(chǎn)生電壓。圖15為檢測(cè)裝置的等價(jià)回路，其中，例如由復(fù)合向心力給予壓電振蕩器的振蕩，在振蕩型陀螺儀中被檢測(cè)出來(lái)。在圖15的等價(jià)回路中，用F表示的部分表示產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，這個(gè)機(jī)械應(yīng)力由等價(jià)的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)。在同一等價(jià)回路中用E表示的部分中的Cd2表示阻尼電容，它作為壓電材料的不導(dǎo)電物質(zhì)，為一電容分量。
壓電振蕩器50的一個(gè)電極接地，而具有增益為(N＋1)的放大器57和靜電電容Cs2串聯(lián)在壓電振蕩器50的另一電極(振蕩器的另一側(cè))上。這樣，構(gòu)成了一個(gè)與圖1所示回路相似的回路58(減小電容分量回路)。換言之，在這個(gè)檢測(cè)裝置中，構(gòu)成減小電容分量回路的放大器57將在G點(diǎn)產(chǎn)生的電壓放大。
仍舊參見圖15，由外界應(yīng)力產(chǎn)生的電流用i10表示，流過(guò)靜電電容Cs2的電流用i11表示，流過(guò)阻尼電容Cd2的電流用i13表示，抽出作為輸出的電流用i12表示。因?yàn)檩斎敕糯笃?7的電流非常小，可以忽略此電流。
假如在壓電振蕩器50的電極的一側(cè)產(chǎn)生的電壓用V表示，在H點(diǎn)的電壓為(N＋1)V，數(shù)量為N·V的電壓加在點(diǎn)H和G之間(H-G)。點(diǎn)H-G之間的阻抗為1/(jωCs2)，因此，i11可用式40表示。
(式40)i11＝j(luò)ωCs2·N·V電壓V加在阻尼電容Cd2上，因此，i13可用式41表示。
(式41)i13＝j(luò)ωCd2·V當(dāng)建立式42的關(guān)系時(shí)，式43成立。
(式42)Cs2＝Cd2/N(式43)i13＝i11
這里，式44的關(guān)系在G點(diǎn)成立，將式43代入式44可得式45。
(式44)i11＋i10＝i13＋i12(式45)i12＝i10相應(yīng)地，假如靜電電容Cs2為阻尼電容Cd2的1/N，則電流從回路58供給至阻尼電容Cd2。結(jié)果，由于外應(yīng)力產(chǎn)生的電荷的影響，所產(chǎn)生的電流i10不供給至阻尼電容Cd2，這樣電流i10可以全部向外抽出。這個(gè)狀態(tài)用圖16的等價(jià)回路51表示。與存在阻尼電容Cd2的情況比較，很清楚，輸出阻抗Z增加，同時(shí)如傳感器一樣，輸出靈敏度改善。
在這個(gè)檢測(cè)裝置中，流過(guò)阻尼電容Cd2的電流i13被抵消的條件為滿足式42，而這個(gè)條件是由靜電電容Cs2和放大器57的增益N的函數(shù)給出的，并且不包括檢測(cè)電壓頻率的函數(shù)。因此，頻率的依賴關(guān)系不包括在抵消阻尼電容Cd2的條件中。因?yàn)樵诘窒枘犭娙軨d2的過(guò)程中，調(diào)整靜電電容Cs2比調(diào)整電感L容易得多。同時(shí)通過(guò)使用變?nèi)荻O管或微調(diào)電容器式的可變靜電電容，可以使結(jié)構(gòu)緊湊?；蛘?，如果放大器57的增益N可用可變電阻調(diào)節(jié)，而靜電電容Cs2固定，也可獲得類似的優(yōu)越效果，這樣，可使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步緊湊。
當(dāng)然，也可得到優(yōu)越的效果，這就是即使要連接的靜電電容Cs2不能很好地與前述式42所設(shè)定的條件匹配，阻尼電容Cd2的影響也可減小。另外，實(shí)現(xiàn)靜電電容Cs2的實(shí)際電子元件可用構(gòu)成壓電振蕩器的同樣材料制造?；蛘?，在振蕩型陀螺儀等中，只有構(gòu)成壓電振蕩器的檢測(cè)部分的壓電材料的一部分可以不進(jìn)行極化處理，這一部分也可用作靜電電容Cs2?；蛘?，當(dāng)壓電振蕩器的全部壓電材料是經(jīng)過(guò)極化處理的，而在這個(gè)壓電材料中沒(méi)有受到振蕩的部分也可用作靜電電容Cs2。此外，放大器57為放大電壓的裝置，這個(gè)裝置可由晶體管、運(yùn)算放大器、變壓器等構(gòu)成。
圖18和圖20表示有關(guān)圖15所示的本發(fā)明的檢測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)中采用了如圖8所示的組成件10。
圖18表示通常的檢測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種檢測(cè)裝置沒(méi)有使用本發(fā)明的回路58(減小電容分量回路)。在實(shí)驗(yàn)裝置中，圖8所示組成件10的驅(qū)動(dòng)電極11，電極13，檢測(cè)電極17和電極15分別連接在圖17所示的實(shí)驗(yàn)回路的終端A，終端B，終端C和終端D上。圖17所示的終端B和終端D接地。驅(qū)動(dòng)電壓由交流驅(qū)動(dòng)功率源5，通過(guò)圖8的驅(qū)動(dòng)電極11和電極13供給至壓電材料12上，這樣，壓電材料可進(jìn)行彎曲振蕩。然后，檢測(cè)通過(guò)玻璃基片14傳遞給壓電材料16的振蕩。圖15等價(jià)回路中所示的壓電振蕩器50相應(yīng)于圖8的這個(gè)壓電材料16。
圖18表示在圖17所示的終端C和終端D之間(C-D)的輸出電壓Vout。圖18為一圖形，其橫坐標(biāo)軸表示頻率，其縱坐標(biāo)軸表示輸出電壓Vout(dB)，fc表示在檢測(cè)過(guò)程中的最大靈敏度。
圖20表示使用了本發(fā)明的回路58(減小電容分量回路)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中，終端B和終端D接地，而終端A與交流驅(qū)動(dòng)功率源5連接，如圖19所示?；芈?8(減小電容分量回路)連接在終端C上，在該回路中具有增益(N＋1)的放大器57與靜電電容Cs2串聯(lián)。包括電阻R3和R4的負(fù)反饋通道56設(shè)定放大器57的放大系數(shù)。圖8所示的組成件的電極11，13，17和15分別與終端A，B，C和D連接。另外，在圖19中，壓電材料16相應(yīng)于壓電振蕩器50。
驅(qū)動(dòng)電壓由交流驅(qū)動(dòng)功率源5，通過(guò)圖8的驅(qū)動(dòng)電極11和電極13供給至壓電材料12，這樣，壓電材料進(jìn)行彎曲振蕩。然而，檢測(cè)通過(guò)玻璃基片14傳遞至壓電材料16的振蕩。圖20表示圖19所示的實(shí)驗(yàn)裝置終端C和終端D(C-D)之間的輸出電壓Vout。圖20為一圖形，其橫坐標(biāo)軸表示頻率，其縱坐標(biāo)軸表示輸出電壓Vout(dB)。在圖19中，放大器57為運(yùn)算放大器，每一個(gè)參數(shù)(R3，R4，Cs2)根據(jù)式46和式47設(shè)定。
(式46)N＋1＝1＋R3/R4(式47)Cs2＝Cd2/N比較圖18和圖20點(diǎn)fc處的輸出電壓Vout可以看出，圖20所示的具有回路58(減小電容分量回路)，滿足式47設(shè)定條件的裝置的輸出電壓比圖18的通常裝置高大約5dB，因此，可達(dá)到高靈敏度的檢測(cè)，使阻片電容Cd2的影響減至最小。
下面將要對(duì)上述實(shí)施例的改進(jìn)例子進(jìn)行說(shuō)明。
首先，在圖1所示的實(shí)施例中，構(gòu)造了回路8，在此回路中，具有放大系數(shù)為(N＋1)的放大器7與靜電電容Cs串聯(lián)，該回路為一電容分量回路。然而，這個(gè)減小電容分量回路也可如圖21所示那樣構(gòu)造。
參見圖21，圖中設(shè)有一個(gè)通道，驅(qū)動(dòng)功率通過(guò)該通道從交流驅(qū)動(dòng)功率源5供給至在壓電振蕩器2一側(cè)的電極上(點(diǎn)C’)，并且還設(shè)有另一通道，該通道從上述通道分支出來(lái)，在此通道中放大器7和靜電電容Cs串聯(lián)，而靜電電容Cs連接在C’點(diǎn)上。換言之，在驅(qū)動(dòng)功率(交流驅(qū)動(dòng)功率源5)側(cè)和壓電振蕩器2之間供給驅(qū)動(dòng)功率的通道(a)與另一個(gè)具有放大器7和靜電電容Cs的通道(b)并聯(lián)。另外，在這個(gè)實(shí)施例中，供給至壓電振蕩器2所述側(cè)的驅(qū)動(dòng)電壓V被入大器放大(N＋1)倍，并且放大器7的放大輸出端，通過(guò)靜電電容Cs連接在C’點(diǎn)上。
圖21表示與圖1所示的同樣形式的壓電振蕩器。當(dāng)由交流驅(qū)動(dòng)功率源5供給至點(diǎn)C’的電流用i表示，流過(guò)串聯(lián)諧振側(cè)和阻尼電容Cd的電流分別用i2和i3表示，流過(guò)靜電電容Cs的電流用i1’表示時(shí)，則每一電流之間的關(guān)系將是在式9中的i1被i1’代替得出的關(guān)系。
因此，在裝備有圖21所示的減少電容分量回路8’的驅(qū)動(dòng)裝置中，當(dāng)式11表示的條件，即靜電電容Cs為阻尼電容Cd的1/N的條件滿足時(shí)，阻尼電容Cd不消耗從驅(qū)動(dòng)電源來(lái)的供給電流i，這樣，壓電振蕩器可以有效地被驅(qū)動(dòng)。
另外，在圖13所示的實(shí)施例中，甚至若回路8被圖21所示的減小電容分量回路8’代替，也可以獲得同樣優(yōu)越的效果。
圖22表示對(duì)圖21所示的壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行改進(jìn)的更好的例子。參見圖22，驅(qū)動(dòng)功率通過(guò)它供給至在壓電振蕩器2一側(cè)的電極(點(diǎn)C’)的通道(a)與通道(b)并聯(lián)，通道(b)在作為驅(qū)動(dòng)功率供給側(cè)和在所述側(cè)的電極(點(diǎn)C’)之間具有互相串聯(lián)的放大器7和靜電電容Cs。換言之，通道(a)和通道(b)以分支方式構(gòu)成，通道(a)將功率從驅(qū)動(dòng)電源的供給部分供給至壓電振蕩器2，而通道(b)通過(guò)放大器7和靜電電容Cs，從驅(qū)動(dòng)電源的供給部分至壓電振蕩器2構(gòu)成，形成減小電容分量回路8″。在將功率供給至壓電振蕩器2的通道(a)內(nèi)，設(shè)有電壓跟蹤器(緩沖放大器)41，作為電壓保持裝置。
電壓跟蹤器41是技術(shù)熟練的人們通常都知道的電氣部分，其中運(yùn)算放大器的輸出側(cè)和可逆輸入側(cè)短路，并且采用100％反饋，這樣，電壓增益設(shè)定為i。電壓跟蹤器41起保持驅(qū)動(dòng)電源電壓和防止產(chǎn)生振蕩的作用。換言之，在圖1所示的回路結(jié)構(gòu)中，將放大增益設(shè)定得過(guò)高可以把C點(diǎn)的電壓放大，并且在回路8中可能產(chǎn)生振蕩，因?yàn)榛芈?為反饋型，其中電量通過(guò)靜電電容Cs反饋至點(diǎn)C，這樣產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。然而，設(shè)置如圖22所示的電壓跟蹤器41可以防止在通道(a)和通道(b)中形成振蕩回路，這樣可以構(gòu)成壓電振蕩器的非常穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)裝置。
圖23表示一個(gè)例子，其中包括圖22所示的減小電容分量回路8″的結(jié)構(gòu)用在了圖13所示的諧振跟蹤式驅(qū)動(dòng)裝置中。與以前根據(jù)圖13和圖14所作的說(shuō)明相似，從作為驅(qū)動(dòng)電源供給部分(供給側(cè))的功率放大器供給的電流相位由電流相位檢測(cè)裝置檢測(cè)，而其(電流相位)輸出φ1送至相位比較器。C’點(diǎn)的電壓，即供給至壓電振蕩器2的電壓相位，作為輸出42送至相位比較器。然后，電壓控制振蕩器(VCO)這樣來(lái)控制，即假如輸出φ1與φ2之間的相位差為0，則振蕩頻率固定。因此，跟蹤壓電振蕩器2諧振點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)操作變?yōu)榭赡堋?br>
圖1中，作為靜電型傳感器裝置表示了壓電振蕩器。同樣的優(yōu)越效果可以在靜電傳感器60的驅(qū)動(dòng)裝置中達(dá)到，如圖24A所示。
參見圖24A，在靜電傳感器60中，在固定側(cè)的平電極61放置在可動(dòng)側(cè)的平電極62的對(duì)面，它們中間有一個(gè)小間隙d。當(dāng)電極61和62面對(duì)面的面積用A表示，電極之間給出的偏置電壓用E表示，電極之間給出的輸入電壓(驅(qū)動(dòng)電壓)用V表示和電極之間空氣層的介電常數(shù)用ε表示時(shí)，則由于輸入電壓V的影響，作用在電極61和62之間的靜電驅(qū)動(dòng)力f由式48表示。
(式48) f＝{(ε·A·E)/d2}·V靜電傳感器60在諧振點(diǎn)附近被驅(qū)動(dòng)的等價(jià)回路以60a示于圖24B中(見標(biāo)有參考數(shù)字60a的部分)。這與圖1所示的壓電振蕩器在諧振點(diǎn)附近振蕩的狀態(tài)是等價(jià)的。參見圖24B，Ca表示電極61和62之間的電容分量，R表示可動(dòng)電極62的機(jī)械傳動(dòng)阻力，L表示由機(jī)械支承產(chǎn)生的可動(dòng)電極的彈簧常數(shù)，而C表示由機(jī)械彈性支承產(chǎn)生的粘性阻力。在驅(qū)動(dòng)靜電傳感器60a的過(guò)程中，電容分量Ca也消耗驅(qū)動(dòng)電流，并且這個(gè)電流消耗對(duì)可動(dòng)電極62的驅(qū)動(dòng)操作不起作用。
因此，加入了與圖1的回路相同的回路8(或者圖21的減小電容分量回路8’或圖22的更完備的減小電容分量回路8″)，如圖24A和圖24B所示，使得靜電電容Cs為電容分量Ca的1/N，而且放大器7的放大倍數(shù)設(shè)定為(N＋1)。這樣，利用與壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置相似的方式，可以使在電容分量Ca上消耗的電流減至最小，并進(jìn)而抵消。結(jié)果可達(dá)到有效的驅(qū)動(dòng)操作。在這種情況下，使用包括圖22所示的電壓跟蹤器41的減小電容分量回路8″，可以進(jìn)行穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)操作，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。
它們的線路圖和優(yōu)點(diǎn)與圖13所示的驅(qū)動(dòng)裝置的線路圖和優(yōu)點(diǎn)一樣，同時(shí)，圖13的諧振跟蹤式驅(qū)動(dòng)裝置和圖23的諧振跟蹤式驅(qū)動(dòng)裝置可以適用于靜電傳感器60。
其次，圖25A表示利用靜電傳感器60檢測(cè)振蕩的檢測(cè)裝置。例如，在振蕩型陀螺儀中，檢測(cè)裝置這樣起作用，即壓電振蕩器等使可動(dòng)電極62振蕩，復(fù)合向心力產(chǎn)生的力作用在這個(gè)可動(dòng)電極62上。
當(dāng)由于復(fù)合向心力等產(chǎn)生的力的作用引起的可動(dòng)電極62的運(yùn)動(dòng)速度用V表示時(shí)，檢測(cè)電流i可用式49表示。
(式49) i＝{(ε·A·E)/d2}·V抽出這個(gè)電流i，可以得出輸出電壓Vout。
在這個(gè)檢測(cè)裝置中，檢測(cè)輸出減小一個(gè)流過(guò)靜電傳感器60的電容分量Ca的電流大小值，如圖25B的等價(jià)回路所示。然而，與圖15所示的檢測(cè)裝置相似，加入了回路58(減小電容分量回路)，其中放大器57具有(N＋1)的放大系數(shù)，而靜電電容Cs2的電容值設(shè)定為電容分量Ca的1/N。因此，與圖15所示的實(shí)施例相似，流過(guò)電容分量Ca的電流被從回路58來(lái)的電流加大了，結(jié)果，可以高度靈敏地檢測(cè)由機(jī)械-電氣轉(zhuǎn)換所得到的電流。
另外，在圖9和圖11所示的自振回路中，建造回路時(shí)可用靜電傳感器60代替壓電振蕩器。就是說(shuō)，當(dāng)靜電傳感器60在諧振點(diǎn)附近被驅(qū)動(dòng)作自振時(shí)，可以使用與圖9所示的回路同樣的自振回路20。因?yàn)殪o電傳感器60使用電容分量Ca，出現(xiàn)了反諧振點(diǎn)。靜電傳感器60在反諧振點(diǎn)附近振蕩的等價(jià)回路與圖12A所示的形式相同。因此，使用圖11所示的自振回路30，靜電傳感器60可在反諧振點(diǎn)附近被驅(qū)動(dòng)，作自振。
如上所述，使用本發(fā)明時(shí)，由靜電電容和放大器組成的減小電容分量回路連接在諸如壓電振蕩器和靜電傳感器一類的靜電型傳感器裝置的一側(cè)(電極)上。這樣，與流過(guò)壓電振蕩器的阻尼電容分量等的電流等價(jià)的電流可以供給至壓電振蕩器，并且用于壓電振蕩器輸入或輸出的阻尼電容，或靜電傳感器的電容分量可以等價(jià)地被抵消或減至最小。
因此，當(dāng)用在靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)回路上時(shí)，可以不使用電感就可抵消阻尼電容或電容分量。這樣，可以不依賴頻率，回路調(diào)整容易并且尺寸可以做得緊湊。即使在等價(jià)地抵消的條件不能很好地滿足的情況下，電容分量也可以被有效地等價(jià)減小。此外，在減小電容分量回路中具有諸如電壓跟蹤器這樣的電壓保持裝置可以達(dá)到更穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)操作。
另外，當(dāng)用在諸如壓電陀螺一類的檢測(cè)裝置上時(shí)，輸出阻抗將增大。這樣，輸出電壓增加可改善檢測(cè)靈敏度。當(dāng)用于壓電轉(zhuǎn)換器上時(shí)，可以得到相似的優(yōu)越效果。于是，輸出電壓增加可對(duì)改善轉(zhuǎn)換器的性能作出貢獻(xiàn)。
此外，當(dāng)用于濾波器時(shí)，抵消或減小壓電振蕩器的阻尼電容可增大比較帶寬。
再者，根據(jù)本發(fā)明，減小電容分量回路連接在靜電型傳感器裝置上，并且諧振點(diǎn)可以這樣獲得，即將流入壓電振蕩器等的電流相位與驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器等的電壓相位進(jìn)行比較。那末，裝置就可在這樣得到的諧振點(diǎn)處被驅(qū)動(dòng)，這樣，即使由于溫度等原因造成靜電型傳感器裝置的諧振點(diǎn)波動(dòng)時(shí)，也可以經(jīng)常跟蹤諧振點(diǎn)。結(jié)果，可以根本不利用傳感器，只利用設(shè)在壓電馬達(dá)一個(gè)小部分上的傳感裝置，在通常的工作條件下，就可達(dá)到已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的跟蹤操作。因此，本發(fā)明的回路不僅適用于所有型式的壓電馬達(dá)，而且可作為頻率跟蹤式驅(qū)動(dòng)回路使用，諸如用于使用其他壓電效應(yīng)的壓電傳感器和壓電轉(zhuǎn)換器。
另外，利用放大器和頻率選擇回路構(gòu)成了自振回路，并且，在諧振點(diǎn)或反諧振點(diǎn)附近振蕩的靜電型傳感器裝置的電容分量和電阻分量包括在這個(gè)頻率選擇回路中。這樣，靜電型傳感器裝置可在諧振點(diǎn)或反諧振點(diǎn)附近被驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)有效的驅(qū)動(dòng)操作。此外，具有附加電容和附加電阻使得有可能在與靜電型傳感器裝置的諧振點(diǎn)或反諧振點(diǎn)一致或接近的頻率處進(jìn)行自振。
另外，在放大器的負(fù)回路中包括了可使放大系數(shù)設(shè)定為高數(shù)值的電阻，這樣可能在穩(wěn)定振幅下進(jìn)行自振。
除了上面已經(jīng)提到的以外，對(duì)上述實(shí)施例還可作許多改進(jìn)和變化，而不會(huì)偏離本發(fā)明的新穎和優(yōu)越的特點(diǎn)。相應(yīng)地，所有這些改進(jìn)和變化都可以包括在所附的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在靜電型傳感器裝置中的減小電容分量的回路，其特征是它具有一放大器，放大器將靜電型傳感器裝置一側(cè)的電壓放大，同時(shí)它還具有一條通道，該通道從放大器的放大輸出端，通過(guò)靜電電容與靜電型傳感器裝置的所述側(cè)連接，這樣，靜電型傳感器裝置的電容分量可以減至最小。
2.權(quán)利要求1所述的靜電型傳感器裝置中的減小電容分量回路，其中靜電型傳感器裝置包括一壓電振蕩器，而且靜電電容是使用與構(gòu)成壓電振蕩器材料相同的材料實(shí)現(xiàn)的。
3.權(quán)利要求1所述的靜電型傳感器裝置中的減小電容分量回路，其中放大器的放大倍數(shù)近似為靜電型傳感器裝置的電容分量的(N＋1)倍，而靜電電容近似為靜電型傳感器裝置電容分量的1/N。
4.權(quán)利要求3所述的靜電型傳感器裝置中的減小電容分量回路，其中靜電型傳感器裝置包括一壓電振蕩器，而且靜電電容通過(guò)使用與構(gòu)成壓電振蕩器的同樣材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5.一種靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括一條通道，驅(qū)動(dòng)功率通過(guò)該通道供給至靜電型傳感器裝置和一個(gè)減小電容分量的回路；在該回路中設(shè)有放大器，放大器將靜電型傳感器裝置一側(cè)的電壓放大，同時(shí)該回路還設(shè)有一條通道，該通道從放大器的放大輸出端，通過(guò)靜電電容與靜電型傳感器裝置的所述側(cè)連接，從而使靜電型傳感器裝置的電容分量減至最小。其中，在減小電容分量回路中的放大器設(shè)置在這樣一個(gè)位置上，即供給至靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)功率，通過(guò)所述通道被放大。
6.權(quán)利要求5所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中靜電型傳感器裝置包括一壓電振蕩器，同時(shí)靜電電容由使用與構(gòu)成壓電振蕩器材料相同的材料實(shí)現(xiàn)。
7.權(quán)利要求5所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中放大器的放大倍數(shù)近似地為靜電型傳感器裝置電容分量的(N＋1)倍，而靜電電容近似為靜電型傳感器裝置電容分量的1/N。
8.權(quán)利要求5所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，靜電型傳感器裝置包括一壓電振蕩器，而且靜電電容通過(guò)使用與構(gòu)成壓電振蕩器材料相同的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。
9.權(quán)利要求5所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，還包括電流相位檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)流過(guò)靜電型傳感器裝置的電流相位；相位比較器，用于比較由所述電流相位檢測(cè)裝置檢測(cè)的電流相位和供給至靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)功率的電壓相位；濾波器，它濾去所述相位比較器的高頻分量；電壓控制振蕩器，它根據(jù)由所述濾波器進(jìn)行的濾波操作之后得到的輸出電壓來(lái)可變控制振蕩頻率，從而可根據(jù)所述電壓控制振蕩器的振蕩頻率來(lái)供給驅(qū)動(dòng)功率，并使靜電型傳感器裝置在諧振頻率處被驅(qū)動(dòng)。
10.權(quán)利要求5所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，靜電型傳感器裝置包括一壓電振蕩器，并且所述電壓控制振蕩器的振蕩頻率是這樣可變控制的，即由所述相位比較器比較的，電流相位和電壓相位之間的相位差為零。
11.權(quán)利要求5所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，通過(guò)它驅(qū)動(dòng)功率被供給至靜電型傳感器裝置的所述通道和包括放大器與靜電電容的通道并聯(lián)設(shè)在驅(qū)動(dòng)功率的供給側(cè)和靜電型傳感器裝置之間，其中，電壓保持裝置設(shè)在驅(qū)動(dòng)功率通過(guò)它供給至靜電型傳感器裝置的所述通道中。
12.權(quán)利要求11所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，還包括電流相位檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)流過(guò)靜電型傳感器裝置的電流相位；相位比較器，用于比較由所述電流相位檢測(cè)裝置檢測(cè)的電流相位和供給至靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)功率的電壓相位；濾波器，它濾去所述相位比較器的高頻分量；電壓控制振蕩器，它根據(jù)由所述濾波器在濾波操作后得到的輸出電壓可變控制振蕩頻率，從而可根據(jù)所述電壓控制振蕩器的振蕩頻率來(lái)供給驅(qū)動(dòng)功率，使靜電型傳感器裝置在諧振頻率處被驅(qū)動(dòng)。
13.權(quán)利要求12所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，靜電型傳感器裝置包括一壓電振蕩器，同時(shí)所述電壓控制振蕩器的振蕩頻率是這樣可變控制的，即由所述相位比較器比較鐵電流相位電位相位間的相位差為零。
14.一種靜電型傳感器裝置的檢測(cè)裝置，它包括放大器，它將靜電型傳感器裝置一側(cè)的電壓放大；一條通道，它從所述放大器的放大輸出端，通過(guò)靜電電容與靜電型傳感器裝置的所述側(cè)連接；減小電容分量回路，它使靜電型傳感器裝置的電容分量減至最小。
15.權(quán)利要求14所述的靜電型傳感器裝置的檢測(cè)裝置，其中，靜電型傳感器裝置包括一壓電振蕩器，同時(shí)靜電電容是通過(guò)使用與構(gòu)成壓電振蕩器的材料相同的材料實(shí)現(xiàn)的。
16.權(quán)利要求14所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，放大器的放大倍數(shù)近似為靜電型傳感器裝置電容分量的(N＋1)倍，而靜電電容近似為靜電型傳感器裝置電容分量的1/N。
17.權(quán)利要求16所述的靜電型傳感器裝置的檢測(cè)裝置，其中，靜電型傳感器裝置包括一壓電振蕩器，并且靜電電容由使用與構(gòu)成壓電振蕩器材料同樣的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。
18.靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括頻率選擇回路，它包括靜電型傳感器裝置的電容分量和電阻分量；放大器，它包括設(shè)在正反饋回路中的所述頻率選擇回路；這樣，自振在所述頻率選擇回路決定的頻率處進(jìn)行。
19.權(quán)利要求18所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，在所述放大器的負(fù)反饋回路中設(shè)有振幅穩(wěn)定回路，該回路包括一個(gè)決定所述放大器放大系數(shù)的電阻。
20.權(quán)利要求18所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，所述頻率選擇回路由在所述放大器的正反饋回路內(nèi)串聯(lián)的第一電阻和第一電容，以及并除和與所述放大器的不可逆輸入側(cè)連接的第二電阻和第二電容組成，其中，第一電阻和第一電容，或第二電阻和第二電容與靜電型傳感器裝置的電容分量和電阻分量相適應(yīng)。
21.權(quán)利要求20所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，在所述放大器的負(fù)反饋回路中設(shè)有振幅穩(wěn)定回路，該回路包括一個(gè)決定所述放大器放大系數(shù)的電阻。
22.權(quán)利要求20所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，附加電容和附加電阻與靜電型傳感器裝置連接。
23.權(quán)利要求22所述的靜電型傳感器裝置的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，在所述放大器的負(fù)反饋回路中設(shè)有振幅穩(wěn)定回路，該回路包括一個(gè)決定所述放大器放大系數(shù)的電阻。
全文摘要
驅(qū)動(dòng)電壓V由交流驅(qū)動(dòng)功率源5供給至壓電振蕩器2。在壓電振蕩器2的電極C處設(shè)有回路8，回路中串聯(lián)著電壓放大系數(shù)為(N+1)的放大器和靜電電容C
文檔編號(hào)G01D5/12GK1141429SQ9610040
公開日1997年1月29日 申請(qǐng)日期1996年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月11日
發(fā)明者富川義朗 申請(qǐng)人:富川義朗