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

振動ジャイロの調整方法

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JP3285140B2
JP3285140B2 JP29839597A JP29839597A JP3285140B2 JP 3285140 B2 JP3285140 B2 JP 3285140B2 JP 29839597 A JP29839597 A JP 29839597A JP 29839597 A JP29839597 A JP 29839597A JP 3285140 B2 JP3285140 B2 JP 3285140B2
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piezoelectric substrate
vibrating gyroscope
resonance frequency
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徹 家邊
克彦 森田
哲夫 巽
信行 石床
道彦 竹中
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Murata Manufacturing Co Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5642Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
    • G01C19/5663Manufacturing; Trimming; Mounting; Housings

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  • Gyroscopes (AREA)

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
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、
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
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
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
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、
    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。
JP29839597A 1997-09-04 1997-10-30 振動ジャイロの調整方法 Expired - Lifetime JP3285140B2 (ja)

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