振動ジャイロの開発

技術紹介 9 振動ジャイロの開発
技術紹介
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振動ジャイロの開発
Development of Vibratory Gyro
中島 光浩
Mitsuhiro Nakajima
中央研究所 研究開発部 センサ技術マネージャー
細川 武志
Takeshi Hosokawa
中央研究所 研究開発部
倉本 健次
Kenji Kuramoto
中央研究所 研究開発部 センサ技術シニアマネージャー
キーワード : 角速度、ジャイロ、センサ、コリオリ力、振動子、圧電単結晶
Keywords : angular velocity, gyro, sensor, Coriolis force, oscillator, piezoelectric single crystal
要 旨
急速に電子制御化が進んでいる自動車や物流機械及
び各種移動ロボット等においては、動作制御・誘導シ
ステムのさらなる高度化に伴い、高精度に角速度検出
可能な小型ジャイロが必要になると予測されます。そ
こで、高精度化と小型化に向けて高感度圧電単結晶に
よる 6 脚振動子を採用した振動ジャイロを開発して
います。
本報告では、代表的な基本性能としてバイアスノイ
ズ、バイアス温度補正残差、感度非直線性を評価し、オー
プンループ型ファイバーオプティックジャイロ(FOG)
に匹敵する性能を実証しましたので紹介します。
Copyright c 2007, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd.
SUMMARY
It is forecasted that small gyros possible to measure
angular velocity with high-accuracy will be demanded
for application such as automobiles, machineries
for logistics, and various mobile robots, where shift
to electronic control is rapidly progressing, along
with their further improvement in motion control
and guidance system. Towards higher accuracy
and downsizing of gyros, JAE is now developing a
vibration gyro that adopts a six-leg oscillator made by
high-sensitive piezoelectric single crystal.
We evaluated its basic performance including
bias noise, bias temperature compensation residual
error and sensitivity non-linearity, and obtained
high performance equivalent to the open-loop type
fiber optic gyro (FOG). We outline the result of the
development in this report.
航空電子技報 No.30(2007.3)
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技術紹介 9 振動ジャイロの開発
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1 まえがき
近年、振動ジャイロはビデオ、カメラの手ブレ検出用、ゲーム機のモーションモニタ用
として普及してきており、急速な電子制御化が進む自動車にも横滑り防止等の車体動作制
御用センサとして使用されています。今後も自動車ユーザーへの高度な運転支援や安全性
確保のため、車体制御・誘導システムのさらなる高度化が予測されます。また物流機械や
各種移動ロボット等においても、動作制御に必要な移動体の動き計測や方向制御などの
要求が拡大してきています。これらの実現には、構造体の動きを正確に捉えるための高精
度角速度検出が可能な高性能ジャイロが必要となります。
高性能ジャイロとして、航空電子はすでに航空機、産業機器向けに光ジャイロ ( リング
レーザージャイロ、ファイバーオプティックジャイロ ) を製品化していますが、部品点数は
多く、またサイズは比較的大きくなっています。そこで、部品点数が少なく小型化が可能な
振動ジャイロ方式を選択し、また高精度化に向けて高感度圧電単結晶を採用した 6 脚構
造振動ジャイロを開発してきました。
本報告では、設計した振動ジャイロの基本性能について紹介します。図 1 に今回評価
用に試作した振動ジャイロの外観を示します。
図 1 振動ジャイロ外観
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2 振動ジャイロの原理
振動する物体に回転が加わると、振動に垂直方向にコリオリ力が発生し、この力を検
出するのが振動ジャイロの検出原理です。使用される振動材料としては、圧電セラミック、
圧電単結晶、半導体 ( シリコン ) があり、それぞれ 三角柱、円柱、平板、多脚などの構
造が発表、製品化されています 1)-2)。これらの中で、本開発では高性能化に適した圧電
単結晶材料を用いた多脚構造を採用しました。
図 2 振動ジャイロの検出原理
図 2 に多脚構造振動ジャイロの構造とその検出原理を示します。振動子は、左右に配
置した駆動脚、検出脚を胴体部で結合した 6 脚構造となっており、コリオリ力検出に直
接かかわる 4 本の脚に加え、質量バランスをとり安定性を増すための中央脚から構成さ
れています。①質量 (m) を持つ駆動脚が速度 (v) で振動しているところに回転角速度 ( Ω )
が入力すると、②発生するコリオリ力 (Fc=2mv Ω ) により駆動振動と垂直方向に振動 ( 以
降コリオリ振動と記す ) が発生します。③胴体部を通して検出脚にコリオリ振動が伝達し
ます。この検出振動を検出脚に配置した電極により電圧として取り出し、駆動振動周波数
で同期検波することでジャイロ出力 ( 角速度信号 ) が得られます。図 3 にジャイロ出力ブ
ロック図を示します。
この振動子構造は、駆動脚 / 検出脚が独立しているため、駆動振動から検出振動への
干渉が小さく、また各電極が分離していることから駆動 / 検出効率の良い電極設計が可
能であり、高性能化を図ることができます。
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図 3 ジャイロ出力ブロック図
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3 構造
図 4 に試作した振動ジャイロのモジュールを示します。振動子パッケージ
(内部に振動子)
とコリオリ力を電圧として検出する回路基板から構成されています。
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図 4 振動子と回路基板
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3.1 振動子
図 5 に振動子の構造を示します。6 脚構造をもつ圧電単結晶の振動子に駆動振動励起
用電極、ジャイロ出力検出用電極を設け、支持材にて気密封止パッケージ底板に接着固
定し、ワイヤボンディング配線をしています。振動子のバランスは、脚先ウェイトを使用
してレーザートリミングで調整しています。圧電単結晶としては、一般にジャイロ素材と
して使用されている水晶よりも圧電特性の優れたランガサイト(LGS:La3 Ga5 SiO14)
を採用しました。
図 5 振動子構造
3.2 回路基板
振動子の評価用として駆動 / 検出回路基板を表面実装ディスクリート部品で作製しまし
た。駆動回路は発振振幅の制御、また検出回路は高インピーダンスアンプ、検波のため
の移相回路、ノイズ低減のためのフィルタなどから構成されています。
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4 基本性能の評価
当初設定した目標性能を表 1 に示します。評価の結果、これらの基本性能を満足する
ことを確認しました。
表 1 目標性能
項目
目標性能
電源電圧
±5±0.5V
測定範囲
±100°
/s
応答周波数
10Hz
±0.05
[゚/s]以内
温度補正残差
[゚/s,p-p]以下
バ ショートタ−ム(温度安定下) 0.01
イ
[゚/s,p-p]以下
ア バイアスノイズ(温度安定下) 0.01
ス 《ランダムウォーク係数》 《0.003[゚/√s,1σ]
》
特
性 振動特性(バイアスシフト)
[゚/s/
(3G)]
以下
0.06
(*)
:振動条件
感
度
特
性
感度非直線性(温度安定下)
±0.1
[%]以内
感度温度特性(温度補正後)
±1
[%]以内
耐
環
境
性
作動温度範囲
−10∼70℃
振動(*)
29.4m/s2(3G),∼200Hz
衝撃
392m/s2(40G)
代 表的な性能としてバイアスノイズ(図 6)、バイアス温 度 補正 残差(図 7)、感 度 非
直線性(図 8)を示します。これらの基本性能はいずれもオープンループ型ファイバーオ
プティックジャイロ (FOG) に匹敵しています。
図 6 は、20℃温度一定における入力角速度印加なし状態でのジャイロ出力の変動
(バイ
アスノイズ)を表しています。上図は約 4 時間のジャイロ出力変動を示しており、下図は
最後の 1 時間データを拡大したもので、バイアスノイズは 0.01
[°/s,p-p]以下となってい
ます。
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図 6 ジャイロ出力変動(バイアスノイズ)
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図 7 は、−10℃∼ 70℃の温度変化時におけるジャイロ出力を内蔵温度センサで 3 次
補正した結果(バイアス温度補正残差)です。図 6 の一定温度データと比べ計測レンジの
違いにより見かけ上出力バラツキが大きく見えていますが、温度変動環境での再現性をあ
らわす温度ヒステリシスが 0.05[°/s]と、バイアスノイズと同様、良好な結果を示してい
ます。
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図 7 バイアスノイズ温度補正残差(3 次補正後)
図 8 は、−10℃、20℃、70℃で温度一定化において入力角速度± 100[°/s]までの
感度直線性の誤差を示したデータです。各温度とも一様に誤差は± 0.05[%]と非常に安
定した性能を示しています。
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図 8 感度非直線性
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5 むすび
今回、高感度な圧電単結晶を用いた 6 脚構造振動ジャイロを開発し、オープンループ型
ファイバーオプティックジャイロ (FOG) に匹敵する基本性能を実証しました。
今後は、製品化に向けて耐環境特性の向上を図るとともに、信号処理部を含めたモジュ
ールの小型化を図ります。
[ 参考文献 ]
1)菅原澄夫、富川義朗 ;「弾性波機能デバイス」─振動ジャイロ , 日本音響学誌 , 55-07,
(1999-07), pp.469-503
2)産業技術サービスセンター発行 ; Ⅳマイクロマシンの応用例 , マイクロアクチュエータ
の応用 , 17. 振動ジャイロ , マイクロマシン技術総覧 , (2003), pp.654-658
Copyright c 2007, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd.
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