JPH1047968A - 圧電振動角速度計及びこれを用いた手振れ検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電振動角速度計を小型化しても十分な分解
能と高いコリオリ力検出精度を確保することと、カメラ
の手振れ検出装置の性能を向上させることである。 【解決手段】 圧電振動角速度計の柱状振動子を基板の
対角線に沿って配置することにより、その長さを最大限
大きくとる。柱状振動子２個を正方形の基板上で各々別
の対角線に沿って配置すれば、両柱状振動子は直角方位
関係をとるので、そのままカメラの手振れ検出装置に組
み込むことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、航空機、船舶、自
動車等のナビゲーションシステムやこれらの姿勢制御装
置、或いはスチールカメラ、ビデオカメラの手振れ補正
装置に用いられる圧電振動角速度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動角速度計は、例えば柱状の振動
子をその共振周波数で励振駆動させ、該振動子が長軸廻
りに回転したときに生じるコリオリ力から回転角速度を
測定するものである。その小型という特長を活かして、
特にスチールカメラ、ビデオカメラの手振れ補正装置へ
の応用が実施或いは検討されている。

【０００３】カメラの手振れ補正装置は、撮影時の手振
れによる画質の低下を抑制するもので、手振れ検出装
置、ＣＰＵ及びレンズ駆動装置を主要構成要素とする。
手振れ検出装置は、カメラのフィルム面又は受光素子面
（以下、結像画面と呼ぶ）の縦軸廻りと横軸廻りとの２
方向に対応した２個の圧電振動角速度計を有する。より
厳密に言うならば、上記２方向に対応した２個の振動子
を配置している。手振れ検出装置は、２個の圧電振動角
速度計の他に、レンズ駆動装置を制御するためのＣＰＵ
に測定データを送信する出力端子を備えている。

【０００４】一般に、圧電振動角速度計は、振動子、基
板に加えて、電源、処理回路及びカバーを構成要素とし
て含み、パッケージの形態を成している。振動子は、通
常、支持部材を介して基板に固定される。柱状の振動子
は、その長軸を基板面と平行にし、振動子の共振振動に
おける２箇所の節点位置で基板に固定される。ここで節
点とは、共振する振動子において、振幅が零或いは最小
の部位を指す。振動子を支持するには、振動子と支持部
材とを接合し、支持部材と基板とを接合する方法が多用
されている。柱状の振動子が四角形の基板に載置される
場合は、通常、振動子の長軸が基板の一辺に平行となる
ように配される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、角速度計の小型
化は顕著であり、圧電振動角速度計の振動子も小さくせ
ざるを得ない。振動子を小型化すると、検出し得るコリ
オリ力が小さくなるために圧電振動角速度計として十分
な分解能が得られなくなる恐れがある。又、振動子を小
型にすればする程、振動子自体の寸法誤差や振動子を基
板に固定する際の組立誤差については、検出精度を悪化
させる割合が大きくなる。圧電振動角速度計をスチール
カメラ、ビデオカメラの手振れ補正装置へ応用するに
は、カメラの結像画面の縦軸廻りと横軸廻りとの２方向
に対応して用いなければならない。言い換えれば、結像
画面の２次元方向に柱状振動子を２個配置し、各方向の
回転角速度を検出する必要がある。この場合、各々の柱
状振動子の長軸（機械的な中心軸）が、カメラ内の所定
の位置に直角となるように配されていることが必須であ
る。なぜならば、柱状振動子の機械的な中心軸がズレて
いると、手振れに基づくコリオリ力を正確に検出できな
くなり、結果的に高画質の画像が得られなくなるからで
ある。さらに、２個の圧電振動角速度計をカメラの狭い
筐体内に配置する場合は、柱状振動子を載置する基板
は、通常、柱状振動子の長軸方向に長い長方形であるの
で、圧電振動角速度計のパッケージも直方体となり、ど
のように配置しても無駄な空間が生じてしまう。本発明
は、圧電振動角速度計を小型化しても十分な分解能と高
い検出精度を確保することと、カメラの手振れ補正装置
の性能向上を図ることとを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
これらの目的を達成するために、先ず圧電振動角速度計
の柱状振動子を基板の対角線上に対角線に沿って配置し
た（請求項１）。このように配置すれば、柱状振動子の
長さを最大限にとることができる。柱状振動子の長さを
大きくとることによって、コリオリ力検出の分解能が向
上する。又、圧電振動角速度計をカメラの手振れ補正装
置へ応用するとき、結像画面の２次元方向に柱状振動子
を２個配置するが、各々を正方形基板の別の対角線上に
対角線に沿って配置した（請求項２）。

【０００７】すなわち、本発明の請求項１に係る発明
は、「柱状の振動子をその共振周波数で励振駆動させ、
該振動子が長軸廻りに回転したときに生じるコリオリ力
から回転角速度を測定する圧電振動角速度計において、
前記柱状振動子は、その共振振動の節点部位にて、その
長軸を正方形の基板の対角線と平行にして固定されたこ
とを特徴とする圧電振動角速度計」である。

【０００８】本発明の請求項２に係る発明は、「柱状の
振動子をその共振周波数で励振駆動させ、該振動子が長
軸廻りに回転したときに生じるコリオリ力から回転角速
度を測定する圧電振動角速度計において、前記柱状振動
子は２個設けられ、第１の柱状振動子は、その共振振動
の節点部位にて、その長軸を正方形の基板の一方の対角
線と平行にして固定され、第２の柱状振動子は、その共
振振動の節点部位にて、その長軸を前記基板の他方の対
角線と平行にして固定されたことを特徴とする圧電振動
角速度計」である。

【０００９】又、カメラの手振れ補正装置に本発明の圧
電振動角速度計を用いた。すなわち、本発明の請求項４
に係る発明は、「カメラの結像画面の縦軸廻り及び横軸
廻りの回転角速度を圧電振動角速度計によって測定し、
カメラレンズ駆動装置を制御するためのＣＰＵに測定デ
ータを送信する手振れ検出装置において、前記圧電振動
角速度計は、請求項１又は２に記載の圧電振動角速度
計」である。

【００１０】

【発明の実施の形態】図３は、本発明に用いられた振動
子を説明するための斜視図である。柱状振動子１は、Ｐ
ＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる第１圧電部材２
と第２圧電部材３とが、基準電極４を挟んで貼り合わさ
れている。第２圧電部材３の貼り合わせ面と相対する面
には、全面にわたって、柱状振動子１を励振するための
駆動電極５が形成されている。又、第１圧電部材２の貼
り合わせ面と相対する面には、２筋の溝部６が振動子の
長さ方向に平行に形成され、柱状振動子１の両端の堤の
部分にはその表面に検出電極７及び８が形成され、２筋
の溝部６に挟まれた堤の部分にはその表面にフィードバ
ック電極９が形成されている。この場合、ポーリング方
向は、柱状振動子１の厚さ方向としたが、他の方向を選
んでも構わない。

【００１１】柱状振動子１の大きさは、幅 1.0mm、厚さ
1.0mm、長さＬ(mm)であり、各々の溝部６は、幅 0.2m
m、深さ30μm であり、検出電極７、８及びフィードバ
ック電極９の幅は、各々 0.2mmである。柱状振動子１を
励振駆動させるには、駆動電極５に交流電圧を印加す
る。柱状振動子１には、貼り合わせ面に対して垂直な方
向に凹凸が発生する屈曲運動が生ずる。通常は、自励振
回路（不図示）を使用することにより、柱状振動子１は
駆動側共振周波数で振動する。

【００１２】今、柱状振動子１の長さ方向に平行な軸の
周りに、ある角速度で柱状振動子１が回転したとする
と、柱状振動子１はその幅方向に検出側の共振周波数で
振動し、この共振周波数による信号にコリオリ力成分が
重畳する。コリオリ力成分は、検出電極７、８には、検
出側の共振周波数による信号を逆位相で振幅変調するの
で、検出電極７、８に出力された波形について差動をと
ることによりコリオリ力成分のみを検出することができ
る。

【００１３】尚、この柱状振動子１は、励振の振動モー
ドをｄ₃₁、検出の振動モードをｄ₃₁としたが、ポーリン
グ方向や電極配置を変えることにより、他の振動モー
ド、例えば、励振ではｄ₁₅、検出ではｄ₃₃を選ぶことも
可能である。以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）図１は、実施例１に係る柱状振動子の配置
を示す概略平面図である。すなわち、基板１０の対角線
方向に柱状振動子１を載置した状態を示す。柱状振動子
１の寸法は、幅 1.0mm、厚さ 1.0mm、長さＬ(mm)と小型
である。一方、柱状振動子１を載置する基板１０は、12
×12× 1mmの正方形の平板である。柱状振動子１は、支
持部材１１を介して基板１０に固定するときには、基板
１０の向かい合う角１０ａを利用すれば正確な位置決め
が容易に実施できる。

【００１５】このように柱状振動子１を基板１０の対角
線に沿って配置した場合は、基板１０の１辺が12mmなの
で柱状振動子１の長さＬは12.4mm確保できる。他方、図
５は、従来通りに、基板１０の辺に平行な方向に柱状振
動子１′を支持部材１１によって固定した状態を示す概
略平面図である。このような配置では、柱状振動子１′
の長さＬは 9.0mm確保できるに過ぎない。

【００１６】ここで、図１の柱状振動子（長さＬ＝12.4
mm）と図５の柱状振動子（長さＬ＝9.0mm）の特性を比
較する。但し、両方の柱状振動子は、幅も厚さも同寸法
とし、厚さ 1.0mm、幅 1.0mmである。図１の柱状振動子
の場合は、共振周波数 20kHz、角速度分解能 1.0deg/se
c であるのに対し、図５の柱状振動子では、共振周波数
38.5kHz、角速度分解能 2.0deg/sec であった。すなわ
ち、前者の方が角速度分解能は２倍高いという効果が得
られた。

【００１７】（実施例２）次に、実施例１と同寸法の柱
状振動子（長さＬ＝12.4mm）２個を１枚の基板上に配置
したときの一例を説明する。図２は、実施例２に係る柱
状振動子２個を基板に配置した状態を示す概略透視図で
ある。すなわち、12×12× 1mmの正方形の基板１０に長
さ12.4mmの柱状振動子が配されている。柱状振動子１ａ
は基板１０の一方の対角線上に対角線に平行に配置さ
れ、柱状振動子１ｂは基板１０の他方の対角線上に、対
角線に平行に配置される。従って、柱状振動子１ａ、１
ｂはそれぞれの長軸が直角の方位関係になる。柱状振動
子１ａは、支持部材１１ａを介して基板１０に固定さ
れ、柱状振動子１ｂは、支持部材１１ａより背の高い支
持部材１１ｂを介して基板１０に固定される。

【００１８】尚、上記のように、２個の柱状振動子を基
板の同一面に配置するだけではなく、基板の表裏に各１
個の柱状振動子を直交するように配置してもよい。この
場合、両振動子の支持部材の高さを低い方に揃えること
ができるので、圧電振動角速度計のコンパクト化を図る
ことができる。本実施例の場合も実施例１と同様に、基
板１０の向かい合う角を利用して柱状振動子の正確な位
置決めが容易にできる。すなわち、柱状振動子１ａにつ
いては基板１０の向かい合う角１０ａが利用でき、柱状
振動子１ｂについては基板１０の向かい合う角１０ｂが
利用できる。又、２個の柱状振動子の長軸が直交方位関
係になっているので、後述するように、カメラの手振れ
検出装置として有用である。

【００１９】（実施例３）次に、実施例１の振動子配置
の圧電振動角速度計を有する手振れ検出装置をカメラの
筐体内に配置したときの一例を説明する。前述したよう
に、カメラでは結像画面の縦軸方向と横軸方向の２方向
に振動子を配置しなければならず、手振れ検出装置には
２個の圧電振動角速度計が必要である。

【００２０】図４は、カメラの結像画面１２を紙面と平
行にとったとき、カメラレンズ側から見た図である。手
振れ検出装置２０は、実施例１（図１）の圧電振動角速
度計２１、２２を有する。図４は、結像画面１２と圧電
振動角速度計２１、２２との位置関係を示す概略平面図
であって、結像画面１２に向かって左方に圧電振動角速
度計２１と２２とが前後に２個重なるように配置され
る。圧電振動角速度計２１及び２２は、単純に重ね合わ
せてもよいし、基板同士が背中合わせになるように重ね
合わせて配置してもよい。２個の振動子の直角度は、単
に基板同士の辺を合わせるのみで正確に確保される。

【００２１】圧電振動角速度計２１、２２は12×12× 5
mmの寸法を有するので、２個を密着するように重ね合わ
せれば12×12×10mmとほぼ立方体となる。従って、カメ
ラの狭い筐体内に配置する場合、無駄な空間が生じにく
くなるので、カメラ筐体内の部品レイアウトの自由度が
大きい。図６は、従来の振動子配置を示す別の概略平面
図であり、実施例３及び４と比較するために用いられる
ものである。図６では、柱状振動子１の長さＬは12.4mm
であり、図１の振動子と同じであるが、基板１０′は、
15.4× 6× 1mmとできるだけ面積を小さくしたものであ
る。従って、図６に示す振動子を有する圧電振動角速度
計３１、３２は、いずれも体積15.4× 6× 5mmの直方体
となる。

【００２２】この圧電振動角速度計３１、３２を有する
手振れ検出装置３０を、図４に倣ってカメラの結像画面
１２の左方に配置したときの概略平面図を図７に示す。
図４と図７を比較すると、図４の手振れ検出装置はほぼ
立方体となるのに対し、図７の手振れ検出装置は立体形
状が複雑である。その複雑さ故に無駄な空間が生じてし
まい、カメラの筐体内に各種部品を配置する際に融通が
効きにくくなる。

【００２３】（実施例４）次に、実施例２の圧電振動角
速度計を有する手振れ検出装置をカメラの筐体内に配置
したときの別例を、同じく図４を用いて説明する。本実
施例では、手振れ検出装置４０は１個の圧電振動角速度
計を含むが、結像画面１２との位置関係は、先に述べた
実施例３と結果的にはほぼ同じになる。

【００２４】本実施例では、柱状振動子１ａは、結像画
面１２の縦軸廻りの回転角速度を検出し、柱状振動子１
ｂは、結像画面１２の横軸廻りの回転角速度を検出す
る。柱状振動子１ａと１ｂは既に正方形の基板１０の上
で直角配置がなされているので、圧電振動角速度計をカ
メラに組み込む際には上述の調整は不要である。本実施
例の場合は、実施例３よりも更に手振れ検出装置４０の
容積は小さくなるので、図７に示す従来の手振れ検出装
置３０よりもはるかに有効にカメラの筐体内に配置する
ことができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のとおり、本発明の圧電振動角速度
計は、振動子を基板の対角線に沿って配置するので、柱
状振動子の長さを最大限大きくとることができる。従っ
て、第１に、振動子の製造誤差や基板への取り付け誤差
に起因する検出精度の悪化の度合いを小さくでき、又、
パッケージの大きさの割りには角速度分解能を高くする
ことができる（請求項１）。

【００２６】第２に、柱状振動子２個を１枚の正方形基
板上で各々別の対角線に沿って配置するので、上記の効
果が得られるとともに、２個の柱状振動子の直角方位関
係も容易に実現できる（請求項２）。第３に、請求項１
の振動子配置の圧電振動角速度計を有する手振れ検出装
置ははぼ立方体形状となるので、カメラの筐体内に配置
する際に無駄な空間が生じない。又、請求項２の振動子
配置の圧電振動角速度計を有する手振れ検出装置は、よ
り一層のコンパクト化を図ることができ、さらに、カメ
ラの結像画面との方位関係の調整も１回のみで足りる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る柱状振動子の配置を示
す概略平面図。

【図２】本発明の実施例２に係る柱状振動子の配置を示
す概略透視図。

【図３】本発明で使用された柱状振動子の構造を示す透
視図。

【図４】本発明の実施例３及び４に係る、結像画面と圧
電振動角速度計との位置関係を示す概略平面図。

【図５】従来の、柱状振動子の配置を示す概略平面図。

【図６】従来の、柱状振動子の配置を示す別の概略平面
図。

【図７】従来の、結像画面と圧電振動角速度計との位置
関係を示す概略平面図。

【符号の説明】

１、１′・・・・・・柱状振動子 ２・・・・・・・・・第１圧電部材 ３・・・・・・・・・第２圧電部材 ４・・・・・・・・・基準電極 ５・・・・・・・・・駆動電極 ６・・・・・・・・・溝部 ７、８・・・・・・・検出電極 ９・・・・・・・・・フィードバック電極 １０、１０′・・・・基板 １１・・・・・・・・支持部材 １２・・・・・・・・結像画面 ２０、３０、４０・・手振れ検出装置 ２１、２２・・・・・圧電振動角速度計 ３１、３２・・・・・圧電振動角速度計

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状の振動子をその共振周波数で励振駆
   動させ、該振動子が長軸廻りに回転したときに生じるコ
   リオリ力から回転角速度を測定する圧電振動角速度計に
   おいて、 前記柱状振動子は、その共振振動の節点部位にて、その
   長軸を正方形の基板の対角線上で対角線と平行にして固
   定されたことを特徴とする圧電振動角速度計。
2. 【請求項２】 柱状の振動子をその共振周波数で励振駆
   動させ、該振動子が長軸廻りに回転したときに生じるコ
   リオリ力から回転角速度を測定する圧電振動角速度計に
   おいて、 前記柱状振動子は２個設けられ、第１の柱状振動子は、
   その共振振動の節点部位にて、その長軸を正方形の基板
   の一方の対角線上で対角線と平行にして固定され、第２
   の柱状振動子は、その共振振動の節点部位にて、その長
   軸を前記基板の他方の対角線上で対角線と平行にして固
   定されたことを特徴とする圧電振動角速度計。
3. 【請求項３】 前記柱状振動子は、長方形断面を有する
   直方体の第１の圧電部材と、直方体の第２の圧電部材と
   が接合されることによってほぼ正方形断面を有し、 前記第１の圧電部材と前記第２の圧電部材との接合面に
   形成される基準電位電極と、前記第２の圧電部材の接合
   面と相対する面上に形成される励振駆動電極と、前記第
   １の圧電部材の接合面と相対する面上の両端においてそ
   れぞれ所定の幅で形成された信号取り出し電極と、を備
   えたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電振
   動角速度計。
4. 【請求項４】 カメラの結像画面の縦軸廻り及び横軸廻
   りの回転角速度を圧電振動角速度計によって測定し、カ
   メラレンズ駆動装置を制御するためのＣＰＵに測定デー
   タを送信する手振れ検出装置において、 前記圧電振動角速度計は、請求項１又は２に記載の圧電
   振動角速度計であることを特徴とする手振れ検出装置。