[发明专利]静电型传感器装置中减少电容分量的回路

说明书

本发明涉及静电型传感器装置的减小电容分量的回路，其中压电振荡器的阻尼电容和静电传感器的电容分量被减小或抵消，从而可以在诸如具有压电振荡器的静电传感器一类的静电型传感器装置中实现有效的驱动和高度灵敏的振动检测，该静电传感器利用压电的变形并具有彼此相对配置，其间有间隙的电极；同时本发明还进一步涉及静电型传感器装置的驱动装置及其检测装置。

静电型传感器装置应用在各种技术领域中。例如，在静电型传感器装置中的静电振荡器在压电变换器中可作为从电气方面发出能量的装置，在压电马达或压电作动器中作为动态地发出能量的装置，在压电陀螺、加速度传感器、超声波传感器、红外线传感器等中作为主要发出信号的装置，在用作频率源的振荡装置中作为发出信号的装置，在滤波器等中作为发出信号的装置使用。类似地，静电传感器可以用于振荡型陀螺、加速度传感器、超声波传感器、红外线传感器等。

图26A至图28表示通常的例子，它是用作静电型传感器装置的压电振荡器。图26A表示压电振荡器1，而图26B所示的等价回路表示在谐振点附近振荡时的压电振荡器2。

在这些图中，由Rm、Cm和Lm组成的串联谐振侧3等价地表示压电振荡器2的谐振。并联谐振侧4中的Cd，与串联谐振侧3一起表示压电振荡器的阻尼电容分量，图27表示压电振荡器2的导纳频率特性。在图27中，fa表示谐振点(谐振频率，串联谐振点)，而fb表示反谐振点(反谐振频率，并联谐振点)。

当压电振荡器被驱动时，流过阻尼电容Cd的电流为无功电流，它不会给压电振荡器的振荡提供能量，因此会增加装置的能量损失。因此，由于要将电流加到这个阻尼电容Cd上，所以除了使压电振荡器振荡所真正必需的能量外，驱动动力源也给阻尼电容Cd供给能量。

图28为通常回路的一个例子，它当压电振荡器在谐振点fa振荡时，等价地抵消了流过阻尼电容Cd的电流。

在图28所示的这个通常例子中，具有电感Ld的线圈6与压

电振荡器2并联。这里，串联谐振侧3的阻抗Zm用式1表示。

(式1)    Zm＝Rm＋j(ωLm＋1/jωCm

图28中的交流功率源5为恒电压的电源，假如加到压电振荡

器2和线圈6上的电压用V表示，则流至压电振荡器2和线圈6的电

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，电流I变为极小的条件为满足式3的条件，并且电流I可用式4表示。

(式3)    ωCd＝1/ωLd

(式4)    I＝(1/Zm)·V

这样，具有用式5表示的电感Ld的线圈与压电振荡器并联，其中式5是由式3对于电感Ld展开得来的，结果，压电振荡器的阻尼电容Cd可以等价地被抵消。

(式5)    Ld＝1/ω²Cd＝1/(2πf)²Cd

等价地抵消流过阻尼电容Cd的电流可以将交流驱动功率源5的功率源容量减小一个被这样抵消的量。

为了使压电振荡器在谐振状态下被驱动，交流驱动功率源的驱动频率必需在谐振点fa或反谐振点fb附近、然而，在压电跃变(PZT)系统的陶瓷振荡器等中，压电振荡器的弹性因子等改变，而且由于外界环境的温度变化和振荡器本身产生的热的影响，陶瓷振荡器等的谐振频率会波动。而且，已经知道，驱动电压也会使谐振频率波动。因此，为了经常能在谐振点fa附近驱动压电振荡器，必需检测压电振荡器的谐振频率，并在理想的频率范围内驱动振荡器。于是，可以考虑一个谐振点跟踪式的驱动装置，该装置经常在接近谐振频率的频率处被驱动，并且，在最新的压电马达等中，在该驱动装置中装有检测压电振荡器振荡状态的传感器，这样，根据驱动电流或驱动电压和由传感器测出的电压之间的相位差可以跟踪压电振荡器谐振点的波动。

另一方面，当压电振荡器在振荡型陀螺仪等中用作传感器时，产生一个问题，即因为阻尼电容Cd作用的影响，从压电振荡器获得的检测电压或电流减小，不可能高度灵敏地检测压电振荡器的振荡。由于这个问题，通常的实际作法是将电感Ld与压电振荡器并联，以等价地抵消或减小阻尼电容Cd，并因此而改善其检测灵敏性，这与驱动压电振荡器的情况相似。

另外，由于滤波器的比较带宽受到压电振荡器固有的电气-机械耦合因素的限制，为了扩展滤波器的比较带宽，将电感Ld与输入终端连接。