JP3285140B2 - 振動ジャイロの調整方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動ジャイロの調
整方法に関し、詳しくは、ビデオカメラなどに搭載され
る、手ぶれなどの外的振動による回転角速度を検知し、
適切な制振を行う手ぶれ防止装置に用いられる振動ジャ
イロの調整方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動ジャイロとして、本件出願人
は、特開平７−３３２９８８号公報に開示された構造の
振動ジャイロを出願している。これを図面を用いて説明
する。

【０００３】図８に示す振動ジャイロ１００は、振動子
１０１を含む。振動子１０１は、振動体１０２を含む。
振動体１０２は、第１の圧電体基板１０３と第２の圧電
体基板１０４が、中間電極１０５を介して張り合わされ
て一体的に構成される。そして、第１の圧電体基板１０
３の主面には、第１の圧電体基板１０３の長手方向に沿
って、互いに離間するように２つの分割電極１０６ａ，
１０６ｂが設けられ、第２の圧電体基板１０４の主面の
全面には共通電極１０７が形成されて、振動子１０１が
構成される。そして、共通電極１０７は、振動子１０１
を振動させるための駆動電極として機能し、分割電極１
０６ａ，１０６ｂは検出電極として機能することによ
り、振動ジャイロ１００が構成される。

【０００４】このように構成された振動ジャイロ１００
において、振動子１０１は、第１の圧電体基板１０３、
および、第２の圧電体基板１０４の主面と直交する方向
（以下、駆動方向ＤＸという）に屈曲振動する。そし
て、振動子１０１の中心軸Ｏを中心に回転角速度ωが加
わると、駆動方向ＤＸと直交する方向（以下、検出方向
ＤＹという）にコリオリ力が発生する。

【０００５】そして、一般に振動ジャイロにおいて、駆
動方向の共振周波数と、検出方向の共振周波数がほぼ一
致した場合、最も振動ジャイロの感度が高いことが知ら
れている。その共振周波数を一致させる方法としては、
特開平２−２９８８１２号公報や特開平９−１７８４８
７号公報にも示されているように、振動子を切削する方
法が一般的である。

【０００６】たとえば、特開平９−１７８４８７号公報
には、振動ジャイロ１００における、第１の圧電体基板
１０３の側面部分Ｓ１や第２の圧電体基板１０４の側面
部分Ｓ２を切削することにより、検出方向ＤＹの共振周
波数をシフト（低下）させて、駆動方向ＤＸの共振周波
数ｆｘと検出方向ＤＹの共振周波数ｆｙを一致させてい
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の振動ジャイロの調整方法には、次のような問題があ
った。

【０００８】すなわち、従来例で示した振動ジャイロ１
００では、駆動方向ＤＸの共振周波数ｆｘが不安定にな
るといった不具合が生じていた。これは、駆動方向ＤＸ
の共振点が分割し、そのため、発振周波数の飛びが発生
することにより振動子の振動が安定せず、振動ジャイロ
のＳ／Ｎ比が悪化してしまっていた。したがって、駆動
方向ＤＸの共振周波数ｆｘと検出方向ＤＹの共振周波数
ｆｙを一致させても、駆動方向ＤＸの共振周波数ｆｘが
不安定であるため、感度バラツキや感度低下が発生し、
安定したコリオリ信号が得られなかった。

【０００９】特に、検出方向ＤＹの共振周波数ｆｙをシ
フトさせて共振周波数を一致させている場合、駆動方向
ＤＸの共振周波数ｆｘについて全く関与していないこと
となり、上記問題点を解決することにはならないもので
ある。

【００１０】また、従来では、駆動方向ＤＸの共振周波
数ｆｘと検出方向ＤＹの共振周波数ｆｙがほぼ一致して
いるので、検出方向のＱが高くなる。そのため、この振
動ジャイロ１００では、検出信号の位相遅れが大きく、
出力応答特性が悪かった。また、振動子１０１の側面を
切削する方法は、振動子１０１が取り付けられる基台に
ついて考慮されておらず、用いられる基台の形状によっ
ては側面を削ることが困難であった。

【００１１】したがって、本発明の目的は、上記の問題
点を解消するためになされたもので、検出される角速度
信号が安定し、かつ、正確な角速度信号が得られること
が可能な振動ジャイロの調整方法を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の振動ジャイロの調整方法においては、厚み
方向に分極される第１の圧電体基板と、第１の圧電体基
板に積層され厚み方向に分極される第２の圧電体基板
と、第１の圧電体基板の主面に第１の圧電体基板の長手
方向に沿って形成される２つの分割電極と、第２の圧電
体基板の主面に形成される共通電極とからなる柱状の振
動子を含み、分割電極と共通電極との間に接続され振動
子を厚み方向に駆動するための駆動手段と、分割電極に
接続され振動子の屈曲により発生する変位を検出する検
出手段とを含む振動ジャイロの調整方法であって、前記
共通電極の前記分割電極と対向する位置を切削して、振
動子の中心軸と振動子のエッジを結ぶ振動子の対角線方
向となる２つの方向の共振周波数をほぼ一致させたこと
を特徴としている。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】さらに、振動子には、振動子の振動時に発
生するノード点付近に対応する分割電極または共通電極
の少なくともいずれかの部位にピン状の支持部材が設け
られ、振動子の側面の周囲には枠状の基台が設けられ、
支持部材の端部が基台に接合されることにより、振動子
が支持部材を介して基台に取り付けられてなることを特
徴としている。

【００１７】これにより、振動ジャイロの駆動方向の共
振周波数および共振点が安定し、振動子の安定した振動
が得られる。

【００１８】また、検出方向のＱが見かけ上低くなると
ともに、検出方向のインピーダンス周波数特性がリニア
な領域で発振する。

【００１９】さらに、振動ジャイロの調整に際し、振動
子の共通電極が削られるため、枠状の基台を用いた場合
にも、障害物なく振動子を削ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。図１に、本発明の第１の実
施の形態に係る振動ジャイロを示す。この振動ジャイロ
１０は、略正四角柱状の振動子１１を含む。振動子１１
は、振動体１２を含む。振動体１２は、ＰＺＴ（チタン
酸ジルコン酸鉛）からなる第１の圧電体基板１３と第２
の圧電体基板１４を有し、第１の圧電体基板１３と第２
の圧電体基板１４は、中間電極１５を介して積層され
る。第１の圧電体基板１３および第２の圧電体基板１４
は、それぞれ図１の矢印に示すように、厚み方向におい
て互いに逆向きに分極されている。

【００２１】第１の圧電体基板１３の一方主面、つま
り、第１の圧電体基板１３における第２の圧電体基板１
４と当接していない面には、振動体１２の長手方向に沿
って平行に２本の分割電極１６ａ，１６ｂが形成され
る。また、分割電極１６ａ，１６ｂはそれぞれ、振動体
１１の振動時に発生する２つの節点Ｎより振動体１１の
長手方向端部側で分割されている。そして、第２の圧電
体基板１４の一方主面、つまり、第１の圧電体基板１３
における第２の圧電体基板１４と当接していない面の全
面には、共通電極１７が形成されて、振動子１１が構成
される。

【００２２】そして、振動子１１の振動時に発生する２
つの節点Ｎにおける、振動子１１の厚み方向上側に位置
する分割電極１６ａ，１６ｂの部分には、支持部材１８
がハンダ付けなどの方法により固着され、同様に、節点
Ｎにおける振動体１１の厚み方向下側に位置する共通電
極１７の部分には、支持部材１９がハンダ付けなどの方
法により固着される。この支持部材１８，１９は、それ
ぞれ、エリンバなどの恒弾性体の金属材を略Ｚ型の細い
金属製の板状に加工された構造となっている。

【００２３】図２に、本発明の振動ジャイロ１０の実装
状態を示す。なお、図面の見やすさを考慮し、振動子１
１は、電極を省略した正四角柱形状に簡略化して図示さ
れている。振動子１１は、支持部材１８，１９によって
吊られた状態で、金属や樹脂などからなる枠状の基台２
０に収納され、基台２０の上面部と支持部材１８の端部
とが、ハンダ付けなどの方法により接着固定される。同
様に、基台２０の下面部と支持部材１９の端部とが固着
される。これにより、振動体１１が中空状に支持固定さ
れる。

【００２４】このように構成された振動ジャイロ１０
は、図３に示すような回路構成となっている。すなわ
ち、分割電極１６ａ，１６ｂには、駆動手段としての発
振回路２１の一方の出力端が、抵抗２２ａ，２２ｂを介
してそれぞれ接続される。さらに、共通電極１７には、
発振回路２１の他方の出力端が接続される。また、分割
電極１６ａ，１６ｂは、抵抗２３ａ，２３ｂを介して、
検出手段としての差動増幅回路２４の非反転入力端
（＋）および反転入力端（−）にそれぞれ接続され、差
動増幅回路２４の出力端と差動増幅回路２４の反転入力
端（−）間には、抵抗２５が接続される。

【００２５】そして、発振回路２１から出力される正弦
波信号などの駆動信号が、抵抗２２ａ，２２ｂを介し
て、振動子１１の分割電極１６ａ，１６ｂに印加される
と、第１の圧電体基板１３および第２の圧電体基板１４
が、それぞれの主面に直交する方向ＤＸに屈曲振動する
（以下駆動方向ＤＸという）。そして、振動ジャイロ１
０が、振動子１１の中心軸Ｏを中心に回転すると、その
回転角速度に応じたコリオリ力が発生する。このとき発
生するコリオリ力は、第１の圧電体基板１３および第２
の圧電体基板１４の主面に平行し、かつ、振動子１１の
中心軸Ｏに直交する方向ＤＹに働く（以下検出方向ＤＹ
という）。このコリオリ力により、振動子１１の屈曲振
動の方向が変わり、分割電極１６ａ，１６ｂ間に、回転
角速度に応じた信号が発生する。そして、分割電極１６
ａ，１６ｂに発生した信号は、抵抗２３ａ，２３ｂを介
して、差動増幅回路２４によって検出されるため、差動
増幅回路２４からの出力信号をもとに、回転角速度を検
出することができる。

【００２６】そして、図４に示すように、この振動ジャ
イロ１０において、駆動方向ＤＸの共振は、実際は、振
動子１１の中心軸Ｏと振動子１１のエッジＥを結ぶ振動
子１１の対角線方向となる２つの方向Ｄ１，Ｄ２に発生
する共振が合成されたものである。そこで、振動子１１
の中心軸Ｏと振動子１１のエッジを結ぶ振動子１１の対
角線方向となる２つの方向Ｄ１，Ｄ２の共振周波数ｆ
１，ｆ２をほぼ一致させるように、振動子１１が切削さ
れて調整されて、振動子１１の駆動方向ＤＸの共振周波
数ｆｘを安定させるのである。

【００２７】このとき、振動子１１が切削される箇所
は、分割電極１６ａ，１６ｂ、または、分割電極１６
ａ，１６ｂと対向する位置に対応する共通電極１７のう
ちの少なくともいずれかの部位で切削すればよく、本実
施例では、図５に示すように、共通電極１７における分
割電極１６ａ，１６ｂと対向する位置Ｓ，Ｓを切削して
いる。なお、図５では、図面の見やすさを考慮し、支持
部材１８の図示を省略している。ここで、共通電極１７
を切削した理由としては、分割電極１６ａ，１６ｂが検
出電極として機能しており、分割電極１６ａ，１６ｂを
切削することにより検出される信号に種々の影響が及ぶ
ことが考えられ、また、駆動電極として機能する共通電
極１７を切削しても検出信号の変動の影響が小さいこと
から、共通電極１７を切削することが望ましい。なお、
上記記載において、２つの対角線方向Ｄ１，Ｄ２の共振
周波数ｆ１，ｆ２をほぼ一致するとしているが、共振周
波数を完全に一致させる、つまり、共振周波数差ｆ１−
ｆ２＝０とすることは難しいため、共振周波数差｜ｆ１
−ｆ２｜≦５Ｈｚであれば、共振周波数がほぼ一致した
と見なされる。

【００２８】このように、本発明の実施の形態に係る振
動ジャイロ１０では、対角線方向Ｄ１，Ｄ２の共振周波
数ｆ１，ｆ２をほぼ一致させるため、駆動方向ＤＸの共
振周波数ｆｘが安定する。これを、図６，図７のインピ
ーダンス周波数特性を表すグラフを用いて詳細に説明す
る。なお、図６は、本発明の実施の形態に係る振動ジャ
イロ１０のインピーダンス特性を表し、図７は、従来の
振動ジャイロ１００のインピーダンス特性を表す。ま
た、グラフにおいて、横軸は周波数、縦軸はインピーダ
ンス値を表し、横軸の周波数は、共振点付近の範囲のみ
を表すものとする。

【００２９】図６，図７から明らかなように、従来の振
動ジャイロ１００では、駆動方向ＤＸのインピーダンス
特性の共振点が２つに分割する。これは、２つの斜め方
向Ｄ１，Ｄ２のインピーダンス特性カーブの共振点がそ
れぞれ離れているためである。これに対し、本発明の振
動ジャイロ１０では、２つの斜め方向Ｄ１，Ｄ２のイン
ピーダンス特性カーブの共振点がほぼ一致しているた
め、駆動方向ＤＸのインピーダンス特性の共振点は一点
となる。これにより、駆動方向ＤＸの振動モードに歪み
が生じて発振が不安定となるといった従来の不具合は解
消され、安定した振動が得られ、感度や温度特性が安定
した振動ジャイロとなる。

【００３０】続いて、この状態での駆動方向ＤＸの共振
周波数ｆｘと検出方向ＤＹの共振周波数ｆｙとの差｜ｆ
ｘ−ｆｙ｜が所定の値となるように、振動ジャイロ１０
が調整される。このとき、所定の値とは、２０≦ｆｘ−
ｆｙ≦５０（Ｈｚ）、または、２０≦ｆｙ−ｆｘ≦５０
（Ｈｚ）のいずれかの値を基準値とし、その基準値から
上下３Ｈｚ以内に収まるように調整されるものである。
一例として、たとえば、ｆｙ−ｆｘ＝２５Ｈｚを基準値
とした場合、２２≦ｆｙ−ｆｘ≦２８Ｈｚの範囲内とな
るように、駆動方向ＤＸの共振周波数ｆｘと検出方向Ｄ
Ｙの共振周波数ｆｙが調整される。

【００３１】このように、本発明の振動ジャイロ１０で
は、図６のグラフでも示すように、駆動方向ＤＸの共振
周波数ｆｘと検出方向ＤＹの共振周波数ｆｙとにある程
度、差を持たせて（本実施例では、ｆｙ−ｆｘ＝２５Ｈ
ｚ）調整される。これにより、発振点が検出方向ＤＹの
共振周波数ｆｙより低い周波数側へシフトするため、検
出方向ＤＹのＱが見かけ上低くなるとともに、検出方向
ＤＹのインピーダンス特性がリニアな領域において発振
がおこる。そして、一般的に、振動ジャイロの出力応答
特性は、◆ 出力応答特性≒（周波数）／Ｑ◆ の式で表され、検出方向ＤＹのＱが見かけ上低下したこ
とにより、出力応答特性が向上する。なお、上記実施の
形態で示したように、振動ジャイロ１０の特性の調整に
際しては、振動子１１の下面に位置する共通電極１７が
削られるため、図２に示したような枠状の基台２０を用
いて振動ジャイロが支持されて構成される場合にも、基
台２０の下面には障害物がないため、容易に振動子１１
を切削して特性を調整することができる。

【００３２】以上に示した上記の実施の形態において、
振動子は、厚み方向に互いに逆向きに分極されている２
枚の圧電体基板が積層されて構成されているが、特に図
示はしないが、たとえば、同一方向に分極された２枚の
圧電体基板を積層し、中間電極を接地して振動子を構成
してもよい。

【００３３】また、振動子の切削手段としては、たとえ
ば、レーザー光，リュータ，サンドブラスト法など、振
動ジャイロの用途や特性などに応じて、種々選択できる
ものである。

【００３４】また、上記実施の形態では、駆動方向の共
振周波数と検出方向の共振周波数との差にある程度の差
を持たせたが、駆動方向と検出方向の共振周波数をほぼ
一致させてもよい。この場合、感度が向上する。ただ
し、既に記載したとおり、共振周波数に差を持たせるこ
とにより応答性などの諸特性が向上するため、ジャイロ
の総合的な性能を考慮し、共振周波数に差を持たせた値
を所定の値して調整することが好ましい。

【００３５】また、切削される形状は、図５に示される
ような、振動子１１の長手方向に並行に溝が２本形成さ
れるように削られる形状に限定されるものではなく、１
本だけ溝が形成されるように調整されてもよく、切削さ
れる形状も、特に限定されるものではない。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明による振動ジャイ
ロの調整方法では、２つの対角線方向の共振周波数をほ
ぼ一致させるため、振動ジャイロの駆動方向の共振周波
数が安定し振動子の安定した振動が得られる。これによ
り、検出信号が安定し、正確な角速度信号が得られる。

【００３７】また、駆動方向の共振周波数と検出方向の
共振周波数とに差を持たせているため、検出方向のＱが
見かけ上低くなり、出力応答特性が向上し、手ぶれなど
の外的振動に対応した角速度信号が素早く検出され、手
ぶれ補正が行われるまでの時間が短縮化されるととも
に、温度変化などに対するドリフトの特性も向上する。

【００３８】さらに、振動ジャイロの調整に際し、振動
子の底面部に形成されている共通電極が削られるため、
枠状の基台を用いて振動ジャイロを支持した構造を採用
した場合にも、枠体の下面に障害物がないため、容易に
振動子を削ることができ、特性の調整が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に係る振動ジャイロの構
造を示す斜視図である。

【図２】 本発明の実施の形態に係る振動ジャイロの実
装状態を示す斜視図である。

【図３】 本発明の実施の形態に係る振動ジャイロの回
路構成を示す説明図である。

【図４】 本発明の実施の形態に係る振動ジャイロの振
動方向を示す正面図である。

【図５】 本発明の実施の形態にかかる振動ジャイロの
一つの調整方法を説明する底面図である。

【図６】 本発明の実施の形態に係る振動ジャイロのイ
ンピーダンス特性を示すグラフである。

【図７】 従来の振動ジャイロのインピーダンス特性を
示すグラフである。

【図８】 従来の振動ジャイロおよびその調整方法を説
明する斜視図である。

【符号の説明】

１０ 振動ジャイロ １１ 振動子 １２ 振動体 １３ 第１の圧電体基板 １４ 第２の圧電体基板 １６ａ，１６ｂ 分割電極 １７ 共通電極 １８，１９ 支持部材 ２０ 基台 ＤＸ 駆動方向 ｆｘ 駆動方向の共振周波数 ＤＹ 検出方向 ｆｙ 検出方向の共振周波数 Ｄ１，Ｄ２ 対角線方向 ｆ１，ｆ２ 対角線方向の共振周波数 Ｏ 中心軸 Ｅ エッジ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹中 道彦 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 合議体 審判長 西川 一 審判官 山田 正文 審判官 山川 雅也 (56)参考文献 特開 平７−332988（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−37414（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−122968（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−331361（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−178487（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−14828（ＪＰ，Ｕ) 「圧電形の振動ジャイロ・方向センサ ー」Ｐ．39−Ｐ．42 研究代表者 近藤 正、昭和62年３ 月、昭61年度文部省科学研究費 補助金 （一般研究（Ｂ））研究成果報告書（課 題番号 Ｎｏ．6046012)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚み方向に分極される第１の圧電体基板
   と、該第１の圧電体基板に積層され、厚み方向に分極さ
   れる第２の圧電体基板と、前記第１の圧電体基板の一方
   主面に前記第１の圧電体基板の長手方向に沿って形成さ
   れる２つの分割電極と、前記第２の圧電体基板の一方主
   面に形成される共通電極と、からなる柱状の振動子を含
   み、前記分割電極と前記共通電極との間に接続され、前
   記振動子を厚み方向に駆動するための駆動手段と、前記
   分割電極に接続され、前記振動子の屈曲により発生する
   変位を検出する検出手段と、を含む振動ジャイロの調整
   方法であって、前記共通電極の前記分割電極と対向する
   位置を切削して、前記振動子の中心軸と前記振動子のエ
   ッジを結ぶ前記振動子の対角線方向となる２つの方向の
   共振周波数をほぼ一致させたことを特徴とする振動ジャ
   イロの調整方法。
2. 【請求項２】 前記振動子の駆動方向の共振周波数と、
   前記振動子の駆動方向と略直交する検出方向の共振周波
   数とに、差をもたせるように調整したことを特徴とする
   請求項１に記載の振動ジャイロの調整方法。
3. 【請求項３】 前記振動子には、前記振動子の振動時に
   発生するノード点付近に対応する、前記分割電極または
   前記共通電極の少なくともいずれかの部位にピン状の支
   持部材が設けられ、前記振動子の側面の周囲には枠状の
   基台が設けられ、前記支持部材の端部が前記基台に接合
   されることにより、前記振動子が、前記支持部材を介し
   て前記基台に取り付けられてなることを特徴とする、請
   求項１または請求項２に記載の振動ジャイロの調整方
   法。