ジャイロセンサとは

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ジャイロセンサとは、物体が回る速さ、つまり角速度を測るセンサです。 加速度センサが直線方向の動きを拾うのに対し、ジャイロセンサは向きが1秒間に何度変化するかを出力します。振動式のジャイロセンサは、センサ自身を揺らし続け、回転で生じる直角向きの振動を測ります。自前の振動が外へ漏れることと、感度を上げると応答の平坦な範囲が狭まることが、設計の制約になります。

角速度は「1秒あたり何度」で、加速度センサと合わせて6自由度がそろう

ジャイロセンサは角速度センサとも呼びます。角速度は単位時間あたりの回転角で、単位にはdeg/s（degree per second）を使うのが一般的です¹。

物体の動きは、3つの直角方向への並進と3本の直交軸まわりの回転という6自由度で表せます²。このうち回転の3方向を角速度センサが測るので、加速度センサとジャイロセンサをそろえて初めて、動きの6自由度が全部そろいます。村田製作所は、加速度センサとジャイロスコープの素子について、感度、計測範囲、応答周波数を用途に合わせて調整でき、インプレーンとZ軸の計測、3軸の検知に対応するとしています³。

ベアリングを使わないMEMSは、回転の代わりに振動を一次運動にする

機械式の角速度センサには、角運動量保存則を利用した回転式と、コリオリ力を利用した振動型の2種類があります⁴。ジャイロは回転をコリオリ力へ変換して動き、動作には一次運動（フィード運動）が要ります²。村田製作所によると、MEMSジャイロは従来型のような耐久性に優れたベアリングを使わないので、継続的な回転を一次運動にはできず、代わりに機械的な振動を一次運動に使います。

コリオリ力は、2つの直交する動きの結果として、その両方に直交する向きへ生じます。質量が一軸方向に振動しているときに回転が加わると、角速度に比例する見かけの外力であるコリオリ力が、振動方向と回転軸の双方に直交する向きへ働きます⁴。一次運動と直交する軸まわりに角度が変わると波状のコリオリ力が生じ、一次振動と角速度の軸の両方に直交する二次振動が、一次振動と同じ周波数で起こります。この連成振動の振幅が角速度を判断する尺度になり、静電容量で検出されます。

振動式ジャイロの3つの向き

おもりを横に揺らし続けた状態で紙面に垂直な軸まわりに回すと、コリオリ力が縦向きに働き、同じ周波数の検出振動が生じます。その振幅を電極の容量変化として読みます。

セイコーエプソンは、振動ジャイロセンサが素子を振動させて素子に加わるコリオリの力から角速度を検出するため、素子の素材や構造の違いで角速度の精度が大きく変わるとしています¹。同社の素子は、2つの検出アームの運動による電位差から角速度を検出し、電気信号に変えて出力します。

自分で揺れ続けるので、振動が支持部から漏れる

角速度センサは、圧力センサや加速度センサと異なり、センサ自身を機械的に駆動する必要があり⁴、高い感度を得るにはパッケージへの取り付け方にも留意が要ります。振動を自前でかけ続ける以上、その振動を支える部分が外へ通じる経路になります。

音叉型の角速度センサが広く使われるのは、音叉形状が駆動振動と検出振動に対称性を与え、機械的な不動点を作れるからです⁴。その不動点をパッケージへの取り付け箇所に使えば、感度を保ったままセンサを搭載できます。

片持ちの振動子と音叉型

片持ちの振動子は、揺れがそのまま支持部へ伝わります。音叉型は2本の腕が逆向きに振れて根元に不動点ができ、そこで取り付ければ感度を保ったまま搭載できます。

圧電ジャイロでは、漏れが出力に混ざります。実際の出力信号は、コリオリ力による成分と、駆動側と検出側のあいだの各種結合による漏れ出力成分とのベクトル和です⁵。結合の要因は、圧電磁器の接着ずれによる余剰の力係数成分、双共振子の構造の非対称性、残留歪や支持に起因する機械的結合、静電的結合です。

感度を上げると、応答の平坦な範囲が狭くなる

車両ナビゲーション用やビデオカメラの手振れ補正用では、周波数応答の平坦な範囲として0〜10 Hzあるいは20 Hz程度が要ります⁵。駆動側と検出側の共振周波数の差Δfを小さくすると、出力の振幅は大きくなる一方で、平坦な範囲は狭く位相遅れも大きくなります。Δfを大きくすると平坦な範囲が広がり位相遅れも小さくなる代わりに、振幅が小さくなります。

共振周波数の差Δfの選び方

Δfを小さくすると出力の振幅が大きくなる代わりに平坦な範囲が狭まり、Δfを大きくするとその逆になります。要る帯域を満たす範囲でΔfを決めます。

要求される範囲で検波出力が平坦になるようΔfを設定することが、設計指針です。感度と応答の速さは、同じつまみの両端にあります。

素子の材料は、圧電駆動の水晶と静電駆動のシリコンの2系統

振動ジャイロセンサの素子は、水晶振動ジャイロとSi-MEMS振動ジャイロに大別されます¹。セイコーエプソンの区分では、水晶は材料物性が安定で、材料の持つ圧電性を利用して駆動します。シリコンは供給が豊富で安価で、狭いギャップ間の静電気力を利用して駆動します。同社は単結晶の水晶を素材にした利点として、Q値が高く安定した振動が得られるので高感度が得られ、材料が安定なので経時変化が小さい⁶点を挙げています。自社の代表製品については、ダブルT型構造により顧客の使用帯域内で0.0015 (°/s)/√Hz の低ノイズを実現したとし、20〜2000Hzの振動や100G相当の衝撃を加えたときの出力（0点）の変化量も評価データとして示しています。

シリコン側の作り方の例が、村田製作所の容量式センサです。単結晶シリコンとガラスを使い、2つの表面の距離のばらつきに基づく静電容量の検出原理を利用します³。静電容量は距離と重なり領域で決まります。製造にはウェハボンディングやシリコンの深掘り反応性イオンエッチング（DRIE）といったMEMS特有の技術を用い、3D MEMSはウェハレベルのプロセスで密封されます。

使いみちは、角速度の検出・角度の算出・制振の3通り

用途は3つに区分されます¹。角速度そのものの検出（スポーツの動作の記録）、角速度をCPUで積分して角度を求める使い方（カーナビゲーション、ゲームコントローラ、スマートフォン）、制振（カメラの手ブレ補正、車体制御）です。車両の姿勢制御や、ビデオカメラやデジタルカメラの手振れ検知にも使われます。セイコーエプソンは、近年の主な用途にミラーレスや一眼レフのカメラ、自動車の横すべり防止を挙げています。

圧電ジャイロは、摩耗する軸受を省いた構造なので寿命が長く起動時間が短く⁵、構造が簡単で小型化に向き、低消費電力で安価です。電源と角速度出力はともに直流です。自分で振動し続けるという代償と引き換えに、回る量を小さなチップで測れるようになったのが、振動式ジャイロセンサの立ち位置です。

よくある質問（FAQ）

ジャイロセンサとは何ですか？

角速度、つまり物体が回る速さを測るセンサで、角速度センサとも呼びます。角速度は単位時間あたりの回転角で、単位にはdeg/s（degree per second）を使うのが一般的です。

加速度センサとの違いは何ですか？

加速度センサは直線方向の加速度を、ジャイロセンサは軸まわりの角速度を測ります。物体の動きは3つの直角方向への並進と3本の直交軸まわりの回転という6自由度で表せ、このうち回転の3方向を角速度センサが測ります。

なぜセンサ自身を振動させるのですか？

回転をコリオリ力へ変換するためです。ジャイロの動作には一次運動が要り、MEMSジャイロは耐久性のあるベアリングを使わないので、継続的な回転の代わりに機械的な振動を一次運動にします。コリオリ力は2つの直交する動きの結果として、その両方に直交する向きへ生じます。

音叉型の素子が多いのはなぜですか？

駆動振動と検出振動に対称性を与えて機械的な不動点を作れるためです。その不動点をパッケージへの取り付け箇所に使えば、感度を保ったままセンサを搭載できます。

水晶とシリコンでは何が異なりますか？

材料と駆動の原理です。水晶振動ジャイロは材料物性が安定で圧電駆動、Si-MEMS振動ジャイロは供給が豊富かつ安価なシリコンを使い静電駆動です。セイコーエプソンは、水晶はQ値が高く安定した振動が得られ、経時変化が小さいとしています。

感度を上げれば良いジャイロセンサになりますか？

応答の平坦な範囲との兼ね合いになります。駆動側と検出側の共振周波数の差Δfを小さくすると出力の振幅は大きくなる一方で、平坦な範囲は狭く位相遅れも大きくなります。車両ナビゲーション用やビデオカメラの手振れ補正用では、0〜10 Hzあるいは20 Hz程度の平坦な範囲が要ります。

ジャイロセンサはどこで使われていますか？

角速度そのものの検出、積分による角度の算出、制振の3通りです。カーナビゲーション、スマートフォン、カメラの手ブレ補正、車体制御で使われ、セイコーエプソンは近年の主な用途にミラーレスや一眼レフのカメラ、自動車の横すべり防止を挙げています。

比較・違いを学ぶ

圧力センサとは── 動きの代わりに、薄い膜のたわみを測る側のMEMSセンサです
DRIEとは── 振動する構造をシリコンへ深く掘るための、MEMS特有のエッチングです

出典

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