JP3154817B2 - 角速度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カメラ等の撮影装置の
手ぶれ検出などに用いられる角速度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動型角速度センサは、一つの軸
回りの角速度を検出することを目的として、長年の工夫
により、高感度，高精度なものが開発されてきている。
例えば、日経エレクトロニクス誌１９９０年１１月２６
日号に整理され紹介されているように、自動車のナビケ
ーションシステムやＶＴＲカメラの手ぶれ防止に応用可
能な、小型で高性能な角速度センサがある。これらは、
圧電体のような機械電気エネルギー変換素子が、回転運
動により受けるコリオリの力を検出することで回転の角
速度を検出するものである。この場合に、高精度で角速
度を検出するために、コリオリの力が、物体が受ける角
速度と回転の軸に直角な角度で受ける外力の大きさとに
比例するということに着目し、機械電気エネルギー変換
素子を高周波で振動させることによってより大きな外力
を与え、回転運動により振動体の受けるコリオリの力を
十分に大きな値として検出し、角速度を精度良く検出す
るものである。この振動を効果的に単一の形で発生させ
て精度良く角速度を検出するために、振動体は、検出回
転軸方向の棒状の形状をしている。

【０００３】ところで、画面の上下左右方向に関して、
カメラ等の撮影装置の手ぶれによる回転量θと平行移動
量ｘと画像の移動量ｄとの関係は、撮影レンズの焦点距
離をｆ、撮影倍率をβとすると、近似的に、 ｄ＝ｆ・θ＋β・ｘ …（１） となることが知られている。さらに、撮影倍率が小さい
場合、つまり被写体がある程度離れている場合には、 ｆ・θ＞＞β・ｘ …（２） であるので、 ｄ＝ｆ・θ …（３） と近似することも可能である。この（３）式の両辺を時
間微分すると、画像の移動速度ｖとカメラの手ぶれによ
る角速度ωとの関係式、 ｖ＝ｆ・ω …（４） が得られ、手ぶれによる画像の移動速度ｖと角速度ωの
間に比例関係が有ることがわかる。そのため、角速度を
検出することで、撮影装置の手ぶれによる画質の劣化の
程度を知ることができる。さらに、カメラ等の撮影装置
の手ぶれの回転は、図２で示すｘ軸まわりの回転とｙ軸
まわりの回転によるものが大半であることも知られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そのため、従来、角速
度を検出することで撮影装置の手ぶれを検出する場合、
ｘ，ｙ軸それぞれの角速度を個別に検出することが考え
られている。

【０００５】これは、精度良く角速度を検出するため
に、ｘ，ｙ軸について、別々の棒状の振動体を必要とす
るため、一個だけの振動子による２軸まわりの角速度の
検出ができないためである。

【０００６】ところで、手ぶれ補正を行うためには精度
良く手ぶれ量を検出することが必要となるが、それほど
高精度な検出を必要としないような用途に用いるため
に、簡易的に、撮影装置の手ぶれについて、手ぶれが有
るのか、どれぐらいの手ぶれか、といった情報を検出し
たい場合がある。

【０００７】手ぶれは、画面の上下方向，左右方向関係
なく発生するため、２つの角速度センサを用いることで
手ぶれを検出することはたやすい。しかし、２つの角速
度センサを用いることは、コスト上，スペース上の問題
が発生する。特に、手ぶれが有れば、レリーズを禁止し
たり、ストロボを発光させる等の簡易的な手ぶれ防止措
置に応用する場合には、それほど精度良く手ぶれの方向
や大きさの検出を必要としないため、上記の２つの角速
度センサを用いる構成では過剰の設備となり、コストパ
フォーマンスの低下を招く。

【０００８】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、簡単な構成で２軸方向の手ぶれの有無と程度を知る
のに十分な性能を有した角速度検出装置を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明による角速度検出装置は、図１に示すよう
に、異なる２つの軸方向の内の一方の軸の回転速度を検
出する機械電気エネルギー変換素子からなる第１角速度
検出手段１と、上記異なる２つの軸方向の内の他方の軸
の回転速度を検出する機械電気エネルギー変換素子から
なる第２角速度検出手段２と、上記第１の角速度検出手
段１と第２角速度検出手段２とを同時に励振振動させる
共通の加振手段３と、を備えることを特徴としている。

【００１０】

【作用】即ち、本発明の角速度検出は、例えば撮影装置
の手ぶれ検出装置等に用いられるもので、加振手段３に
よって、異なる２つの軸方向の内の一方の軸の回転速度
を検出する機械電気エネルギー変換素子からなる第１角
速度検出手段１と、上記異なる２つの軸方向の内の他方
の軸の回転速度を検出する機械電気エネルギー変換素子
からなる第２角速度検出手段２とを、共通の加振手段３
により同時に励振振動させる。

【００１１】このように、２軸に対応した２組の機械電
気エネルギー変換素子（第１及び第２角速度検出手段
１，２）を同一の振動素子（加振手段３）で駆動するよ
うに構成したため、コンパクトな構成が可能になる。

【００１２】本発明の第１の態様に於いては、加振手段
３の振動体に伸縮する振動体を用い、この振動体の伸縮
方向に対して振動体を囲むように振動体に取り付けられ
た部材上の振動方向が９０度異なる２点に機械電気エネ
ルギー変換素子を取り付けた第１，第２角速度検出手段
１，２を構成する。

【００１３】また、本発明の第２，第３の態様に於いて
は、加振手段３の一部にピラミッド型の振動部を有し、
このピラミッド部の対向する二つの三角面に取り付けた
機械電気エネルギー変換素子の組合せで、第１，第２角
速度検出手段１，２を構成する。さらには、本発明の第
３の態様に於いては、第１，第２角速度検出手段１，２
と加振手段３に同一の機械電気エネルギー変換素子を用
いている。

【００１４】また、撮影装置に用いた場合には、画像の
移動速度が角速度と撮影レンズの焦点距離に比例するこ
とに着目し、２軸ぶれ演算手段４に於いて、撮影装置の
撮影レンズの焦点距離情報を用いて画面上のぶれの大き
さを演算することも可能である。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例をカ
メラの手ぶれ検出に利用した例として説明する。

【００１６】図３の（Ａ）乃至（Ｃ）は第１の実施例の
構成を示す図である。上記加振手段３は、積層型圧電体
１１と、この積層型圧電体１１を囲むように取り付けら
れた円環型振動部材１２と、上記積層型圧電体１１に交
番電圧を印加するための交番電圧発生部１３とから構成
されている。円環型振動部材１２は、積層型圧電体１１
の伸縮振動方向と同一あるいは９０度ずれた位置に、カ
メラへの取り付け位置１２ａを有している。また、カメ
ラへの取り付けは、ビス１２ｂを用いてカメラ本体内の
固定部材１５に対して行われるもので、この場合、図３
の（Ｄ）に示すように、積層型圧電体１１の伸縮方向が
画面に対して平行つまり光軸（ｚ軸）に対して直角方向
になるように行われる。

【００１７】図３の（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、上
記円環型振動部材１２上には、第１及び第２角速度検出
手段１，２に用いられる機械電気エネルギー変換素子と
してバイモルフ型の圧電体１６，１７が設置されてい
る。圧電体１６，１７は、光軸方向にそれぞれの屈曲方
向を有しており、また、円環型振動部材１２のカメラへ
の取り付け位置１２ａと９０度ずれた円対称の位置にそ
れぞれ取り付けられている。これら圧電体１６と圧電体
１７には、図３の（Ｅ）の等価回路に示すように、屈曲
により発生した電荷を電圧に直すための抵抗１８，１９
がそれぞれ接続されている。即ち、圧電体１６と抵抗１
８とから上記第１角速度検出手段１が構成され、圧電体
１７と抵抗１９とから上記第２角速度検出手段２が構成
されている。

【００１８】このような構成に於いては、積層型圧電体
１１に交番電圧発生部１３により交番電圧を印加した場
合、圧電体１６は図３の（Ｆ）の略図に示すように動
く。即ち、積層型圧電体１１が微小量δ伸びたとき、直
径Ｒの円環型振動部材１２は、積層型圧電体１１に直交
する径方向では微小量δ直径が縮む。この時、円周上の
積層型圧電体１１の変形と直交する点つまり圧電体１６
の取り付け点は、円環型振動部材１２の中心方向にδ／
２移動すると共に積層型圧電体１１の伸び方向にもδ／
２移動する。積層型圧電体１１が縮む場合には、これと
逆方向に移動する。つまり、圧電体１６には、積層型圧
電体１１の変形方向と４５度ずれた方向での振動、即ち
スライド移動が発生する。この圧電体１６の振動方向
は、当該圧電体１６の屈曲方向と直交する方向でもあ
る。圧電体１７も同様に、積層型圧電体１１の振動方向
と４５度ずれた方向に振動する。但し、圧電体１６と圧
電体１７は９０度ずれた方向に振動する。これらの振動
方向は、圧電体１６と１７の屈曲方向とは９０度ずれて
いるために、この振動による。圧電体１６と圧電体１７
の出力信号はない。

【００１９】ところが、カメラが手ぶれ等により回転運
動している場合には、例えば圧電体１７に於いては、図
３の（Ｇ）に示すように、該圧電体１７の移動（振動）
方向と屈曲方向とに直交する軸回りの回転により、コリ
オリの力が移動の加速度による力と回転速度に比例した
値で圧電体１７の屈曲方向に発生する。この屈曲に応じ
て発生する電荷を抵抗１９に流し、その時の電圧を検出
することで、回転の角速度の検出が行える。他方の圧電
体１６も同様に、抵抗１８を用いて、圧電体１６の移動
方向と屈曲方向とに直交した、さらには圧電体１７によ
る検出可能な回転軸とも直交した方向の軸回りの角速度
を電圧として検出することができる。このようにして、
第１角速度検出手段１及び第２角速度検出手段２によ
り、撮影画面に直交する２軸の回転による角速度を検出
することができる。

【００２０】ここで、圧電体１７の検出する回転角は、
図３の（Ｇ）に示すとおりであり、圧電体１６によって
検出される回転軸は、図３の（Ｇ）に示す回転軸に直交
する軸である。従って、本構成により、直交する２軸回
りのぶれ量を検出することができる。このぶれ量として
は、ｘ−ｙ平面での量が判れば良いので、この２軸を
ｘ，ｙ軸（図２参照）に一致させる必要はない。

【００２１】なお、上記圧電体及び抵抗によりそれぞれ
発生した電圧は、加えた振動の力に比例するため、積層
型圧電体１１に印加した電圧の変化に応じて変化する。
また、加える力の方向も変化するため、角速度の大きさ
と方向を検出するためには、加えた力が一定の値の場合
の出力をサンプルするか、あるいは、位置方向の力の印
加時のみの出力を検波することが必要になる。しかし、
角速度の大きさのみを検出する場合には、第１角速度検
出手段１や第２角速度検出手段２からの出力信号の絶対
値を取ることで簡単に検出することが可能になる。

【００２２】そのため、上記２軸ぶれ演算手段４では、
先ず、第１，第２の二つの角速度検出手段１，２からの
信号をそれぞれ絶対値に変換する。そのために、図４の
（Ａ）に示すように、先ず、一般的なＣＲによるハイパ
スフィルタ２０，２１を用いて、信号のＤＣ成分を除去
し、さらに、公知の全波整流演算を行なう回路を用いた
絶対値変換回路２２，２３を用いて、角速度の絶対値を
取る。そして、信号加算回路２４を用いて、これら２つ
の絶対値変換回路２２，２３からの２つの信号を加算す
る。この信号加算回路２４の出力信号は、圧電体１１に
印加する交番電圧により増減するため、ローパスフィル
タ２５を用いて平滑化して、この駆動信号の成分を除去
する。これにより、交番電圧による信号変化の、実効値
としての角速度を検出することができる。これら各部に
於ける信号波形を図５の（Ａ）乃至（Ｇ）に示す。

【００２３】このように、一つの加振を行なう振動体１
２を用いて２軸回りの角速度を検出することが可能にな
るため、非常にコンパクトな手ぶれの検出装置を作るこ
とが可能になる。

【００２４】なお、２軸の角速度を合算するために、上
記説明では信号加算回路２４を用いたが、図４の（Ｂ）
に示すように、２乗演算回路２６，２７、加算回路２
８、及び平方根演算回路２９を用いて平方平均を演算す
ることで、ベクトル的に処理し、２軸合計の角速度の検
出精度を高めることも可能である。

【００２５】また、ズームレンズ等の使用により撮影レ
ンズの焦点距離が変更可能な撮影装置に適用する場合に
は、図４の（Ｃ）に示すように、上記ローパスフィルタ
２５の後段に、増幅回路３０を取付け、撮影レンズの焦
点距離を焦点距離検出部３１で検出し、その検出した焦
点距離に応じて、増幅回路３０の増幅率を変更制御する
増幅率変更回路３２を用いて、手ぶれ情報として焦点距
離の変化に追従して画像の移動速度を求めることも可能
である。

【００２６】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。本実施例では、加振手段３は、図６の（Ａ）に示
すように、積層型圧電アクチュエータ３３と交番電圧発
生部３４とピラミッド型振動部材３５とを用い、積層型
圧電アクチュエータ３３の変形軸の一方を固定し、他方
に、フレーム構造のピラミッド型振動部材３５を接着し
て構成している。そして、ピラミッド型振動部材３５の
４つの三角面には、バイモルフ型の圧電体３６ａ，３６
ｂ，３６ｃ，３６ｄがフレームに沿って接着されてい
る。

【００２７】また、積層型圧電アクチュエータ３３の振
動方向が、図６の（Ｂ）に示すように、カメラの撮影レ
ンズの光軸方向と同一方向となるように、カメラに固定
される。

【００２８】そして、図７の（Ａ）及び（Ｂ）に示すよ
うに、圧電体３６ａと圧電体３６ｃを、その極性を逆に
して直列に電気的に接続し、さらに、圧電体の屈曲に応
じて発生する電荷を電圧に変換するための抵抗３７ａを
接続して、第１角速度検出手段１を構成している。

【００２９】同様に、第２角速度検出手段２として、圧
電体３６ｂと圧電体３６ｄが直列に電気的に接続される
とともに圧電体の屈曲に応じて発生する電荷を電圧に変
換するための抵抗３７ｂが接続されている。

【００３０】ここで、図６の（Ｂ）に示すように、対向
する二つの圧電体を通り、積層型圧電アクチュエータ３
３の振動方向に直交する軸、即ち、圧電体３６ａと圧電
体３６ｃに対して軸ｋ１を、圧電体３６ｂと３６ｄに対
して軸ｋ２を考えると、これらの軸ｋ１と軸ｋ２は、積
層型圧電アクチュエータ３３の変形方向がカメラの光軸
と同一であるため、撮影画像の画像面に平行で互いに直
交した２軸である。

【００３１】そして、上記構成の加振手段３により、上
記４つの圧電体が振動しているときには、圧電体３６ａ
と３６ｃは、図７の（Ｃ）に示すように、同一の振動を
受けて同一の屈曲を生じ、電荷を発生する。しかし、前
述したように、両圧電体は極性を逆に接続されているた
め、発生した電荷は打ち消され、抵抗３７ａでは、電圧
を生じない。

【００３２】次に、この加振手段３で、上記軸ｋ１回り
の回転が与えられた場合を考える。この場合には、各圧
電体にコリオリの力が加わる。即ち、図７の（Ｄ）に示
すように、圧電体３６ａと圧電体３６ｃには同一の方向
のコリオリの力が加わるが、それぞれの圧電体の屈曲方
向が異なるため、それぞれの圧電体の屈曲量は異なる。
従って、それぞれの圧電体に発生する電荷量は異なるた
め、抵抗３７ａには電流が流れ、電圧が発生する。この
ようにして、軸ｋ１回りの回転が加えられた場合に、そ
の角速度に応じた電圧が出力される。同様にして、軸ｋ
２回りの回転の角速度に応じて抵抗３７ｂに電圧が発生
し出力される。

【００３３】なお、２軸ぶれ演算手段４は、図７の
（Ｅ）に示すように、圧電体及び抵抗に接続されてお
り、前述の第１の実施例と同様にして、２軸の回転の角
速度に応じた信号を得ることができる。

【００３４】次に、本発明の第３の実施例を説明する。
本実施例の角速度検出装置を利用した手ぶれ検出装置
は、図８の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように構成されてい
る。即ち、合同な３角形の４面を持つ薄い金属板できた
ピラミッド型振動部材３８の各３角面に、バイモルフ型
圧電体３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄを張り合わせ
る。また、ピラミッド型振動部材３８は、電気的に接地
されている。バイモルフ型圧電体は、それぞれ極性を同
一にしてピラミッド型振動部材３８に片面を接続して設
置されている。また、ピラミッド型振動部材３８の底面
は、画像面と平行になるようにカメラに取り付けられて
いる。４つのバイモルフ型圧電体には、交番電圧発生部
４０が接続され、交番電圧が印加された場合には、４個
とも同一の屈曲変形を起こす。

【００３５】また、それぞれの圧電体には、当該圧電体
の電圧を検出するための、電圧検出部４１ａ，４１ｂ，
４１ｃ，４１ｄが接続されている。電圧検出部４１ａと
４１ｃには、これら電圧検出部４１ａと４１ｃの電圧の
差を演算するための電圧差演算部４２ａが接続されてい
る。この電圧差演算部４２ａは、公知のオペアンプを用
いた作動増幅回路等で構成されている。同様に、電圧検
出部４１ｂと４１ｄの電圧の差を演算する電圧差演算部
４２ｂが、電圧検出部４１ｂと４１ｄに接続されてい
る。そして、これら電圧差演算部４２ａ，４２ｂが、前
述したような２軸ぶれ演算手段４に接続され、２軸の回
転の角速度に応じた信号が得られる。

【００３６】カメラが静止した状態で、交番電圧発生部
４０により、４つのバイモルフ型圧電体に交番電圧を印
加した場合、図８の（Ｃ）に示すように、ピラミッド型
振動部材３８は、光軸方向に変形を生じる。この場合の
電圧差演算部４２ａ，４２ｂの出力は、各圧電体に印加
する電圧が等しいことから、「０」である。

【００３７】ここで、上記第２の実施例と同様に軸ｋ１
と軸ｋ２を考え、軸ｋ１回りに回転運動が加わった場合
を考える。この場合も、第２の実施例で示した場合と同
様に、コリオリの力が各振動部に加わる。そのため、バ
イモルフ型圧電体３９ａ，３９ｃもその力による屈曲を
生じ、そのために、電荷が発生して、電圧検出部４１
ａ，４１ｃで検出される電圧が変化する。二つの圧電体
の屈曲方向が異なることから、コリオリの力による電圧
の違いが生じ、そのため、電圧差演算部４２ａでは、出
力信号が変化する。この出力は、コリオリの力、つま
り、軸ｋ１回りの角速度に応じて変化する。これによ
り、軸ｋ１回りの角速度を検出することができる。同様
に、軸ｋ２回りの角速度について、電圧差演算部４２ｂ
で検出することができる。２軸ぶれ演算手段４は、前述
の第１の実施例と同様であり、２軸の回転の角速度に応
じた信号が得られる。

【００３８】この第３の実施例では、角速度の検出部と
振動の発生部の機械電気エネルギー変換素子を兼用した
ため、上記第１及び第２の実施例に比べて、さらに、コ
ンパクトな構成がとれる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
振動型角速度センサに於て、共通の振動部で、２軸分の
検出部を駆動可能にしたため、例えば撮影装置に用いた
場合、簡単な構成で２軸方向の手ぶれの有無と程度を知
るのに十分な性能を有した手ぶれ検出が可能な角速度検
出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の角速度検出装置を利用した例である、
撮影装置の手ぶれ検出装置のブロック構成図である。

【図２】撮影装置としてのカメラの手ぶれの回転の軸を
示す図である。

【図３】（Ａ）乃至（Ｃ）は第１の実施例に於ける加振
手段の斜視図及び正面図と側面図であり、（Ｄ）は加振
手段のカメラへの取付け方向を示す図であり、（Ｅ）は
第１及び第２角速度検出手段の等価回路であり、（Ｆ）
は積層型圧電体が伸びた時の圧電体の移動量を説明する
ための図であり、（Ｇ）はカメラが手ぶれにより回転運
動している場合のコリオリの力の発生方向を説明するた
めの図である。

【図４】（Ａ）は２軸ぶれ演算手段のブロック構成図で
あり、（Ｂ）は２軸ぶれ演算手段の他の構成を示すブロ
ック図であり、（Ｃ）は撮影レンズの焦点距離が変更可
能な撮影装置の場合の２軸ぶれ演算手段の構成を説明す
るためのブロック図である。

【図５】（Ａ）乃至（Ｇ）は第１の実施例の構成に於け
る各部の信号波形を示す図である。

【図６】（Ａ）は本発明の第２の実施例に使用される加
振手段の構成を示す斜視組み立て図であり、（Ｂ）は上
記加振手段のカメラへの取付け状態を示す図である。

【図７】（Ａ）は第２の実施例に於ける第１角速度検出
手段の構成を示す図であり、（Ｂ）は上記第１角速度検
出手段の等価回路図であり、（Ｃ）は第１角速度検出手
段を構成する圧電体の屈曲方向を示す図であり、（Ｄ）
は軸回りの回転が与えられた場合のコリオリの力の発生
方向を説明するための図であり、（Ｅ）は第１及び第２
角速度検出手段と２軸ぶれ演算手段との接続状態を示す
図である。

【図８】（Ａ）は本発明の第３の実施例の構成を示す図
であり、（Ｂ）は対向する圧電体と交番電圧発生部及び
電圧検出部の接続状態を示す図であり、（Ｃ）はピラミ
ッド型振動部材の変形方向を示す図である。

【符号の説明】

１…第１角速度検出手段、２…第２角速度検出手段、３
…加振手段、４…２軸ぶれ演算手段、１１…積層型圧電
体、１２…円環型振動部材、１３，３４，４０…交番電
圧発生部、１６，１７，３６ａ〜３６ｄ，３９ａ〜３９
ｄ…圧電体、２０，２１…ハイパスフィルタ、２２，２
３…絶対値変換回路、２４…信号加算回路、２５…ロー
パスフィルタ、３３…積層型圧電アクチュエータ、３
５，３８…ピラミッド型振動部材、４１ａ〜４１ｄ…電
圧検出部、４２ａ，４２ｂ…電圧差演算部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03B 5/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なる２つの軸方向の内の一方の軸の回
   転速度を検出する機械電気エネルギー変換素子からなる
   第１角速度検出手段と、上記異なる２つの軸方向の内の 他方の軸の回転速度を検
   出する機械電気エネルギー変換素子からなる第２角速度
   検出手段と、 上記第１の角速度検出手段と第２角速度検出手段とを同
   時に励振振動させる共通の加振手段と、 を具備してなることを特徴とする角速度検出装置。