ロボットは、必要な動作を実行するための動きの精度を確保するために、空間内での位置と移動速度を把握できなければならず、動きの角速度と加速度を検出するためにジャイロスコープと加速度計に依存する必要があります。本稿では、ジャイロスコープと加速度センサの開発と特徴、村田製作所が発売した6自由度（DOF）の高集積化を実現したXYZ軸ジャイロスコープとXYZ軸加速度センサの製品特徴について紹介する。
高精度のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープと加速度計
ジャイロスコープと加速度計はどちらも、物体の運動状態を測定するために使用されるセンサーです。携帯電話、タブレット、ロボット、ドローンなど、多くのテクノロジー製品によく使用されています。
ジャイロスコープは、回転する物体が外力を受けると回転軸が変化するモーメントを生み出す物理現象であるジャイロ効果を利用して動作します。ジャイロスコープは、3軸上にローターが固定されており、ジャイロスコープに外力が加わると、ローターにトルクが発生し、ジャイロスコープが回転することで、物体の回転状態を計測します。
加速度計は、物体が外力を受けると加速度が生じるというニュートンの運動の第二法則に基づいて動作します。加速度計では、質量がバネに固定されており、加速度計が外力を受けると、質量がバネによって圧縮または伸張され、物体の加速度を測定できます。通常、加速度計は3つの軸に設置され、物体の3方向の加速度を測定します。
通常、ジャイロスコープと加速度計を組み合わせて、6軸センサーと呼ばれるデバイスを形成します。6軸センサーは、物体の回転と加速度の両方を測定し、データをコンピューターや他のデバイスに送信して、さらに分析やアプリケーションに使用することができます。
近年、技術の進歩により、ジャイロスコープや加速度計にも新たな開発が行われています。まず、ジャイロスコープの精度と安定性が大幅に向上しました。市場には、センチメートルレベルの測定精度を実現し、妨害電波防止機能を備え、極めて安定している高精度MEMS (微小電気機械システム) ジャイロスコープが数多く登場しています。
一方、ジャイロスコープや加速度計の応用も拡大しています。従来のモーション検出やモバイル センシング アプリケーションに加えて、無人運転、スマート フィットネス、仮想現実など、新しいアプリケーションも数多く登場しています。これらのアプリケーションに応じて、ジャイロスコープや加速度計の精度と感度もさらに向上し、低消費電力、小型フットプリント、多軸測定などの追加機能や特徴も追加されています。
全体的に、技術の進歩により、ジャイロスコープと加速度計の応用の見通しは広がり、より多くの、よりハイエンドなアプリケーションのニーズを満たすために、技術革新とアップグレードが引き続き追求されるでしょう。
アプリケーション要件に基づいてジャイロスコープと加速度計を選択する
ジャイロスコープと加速度計を選択するには、アプリケーション シナリオをはじめとする複数の要素を考慮する必要があります。モバイルセンシング、産業オートメーション、UAV制御など、さまざまなアプリケーションシナリオにはさまざまなジャイロスコープと加速度計が必要であり、適切なジャイロスコープと加速度計の選択は特定のアプリケーションのニーズに基づいて行われます。
さらに、精度と安定性はジャイロスコープや加速度計にとって重要な性能指標であり、通常は特定のアプリケーション要件に基づいてさまざまな精度と安定性の製品を選択する必要があります。次に、ジャイロスコープと加速度計にとって重要なパラメータである感度と範囲を考慮する必要があります。感度が高くなるほど、測定できる加速度の範囲は狭くなります。範囲が広いほど、測定できる加速度の範囲が広くなるため、特定のアプリケーションのニーズに基づいて、異なる感度と範囲のジャイロスコープと加速度計を選択する必要があります。
一方、評判の良いサプライヤーやブランドを選択すると、製品の品質とサービスが保証されます。もちろん、ジャイロスコープや加速度計を選択する際にはコストも考慮すべき重要な要素であり、予算に応じて適切な製品を選択する必要があります。
ジャイロスコープと加速度計を選択するには、さまざまな要素を組み合わせて、特定のアプリケーション要件に基づいて適切な製品を選択する必要があります。製品の選択においては、技術仕様、性能評価、サプライヤー、ブランドを参考にして総合的に比較・評価することができます。
高度に統合された6自由度ジャイロスコープと加速度計
村田製作所は、成熟した3D MEMS技術と高度に統合された電子デバイスをベースに、ジャイロスコープと加速度計のコンポーネントを開発、製造しています。村田製作所の産業用ジャイロスコープは、通常、高価なモジュール製品にのみ求められる性能レベルを提供します。センシング要素と測定回路は、あらかじめ成形されたプラスチック製のデュアルインライン (DIL) パッケージに組み立てられ、シリコンゲルで保護され、ステンレススチール製のカバーで覆われており、すべての製品はRoHS規格に準拠しており、鉛フリーのリフローはんだ付けに適しています。
村田製作所が発売したジャイロセンサーは、ロボットの移動センシングに利用できる。このSCHA63Tは、6 DOF XYZ軸ジャイロスコープおよびXYZ軸加速度計の産業用アプリケーションに適しています。この6-DOFコンポーネントの単一パッケージは、交差軸キャリブレーション後に0.14° を超える直交性誤差マージンを達成できます。ジャイロバイアス不安定性は1°/hと低く、ジャイロノイズ密度レベルは0.0015°/s/√Hzに達し、温度範囲全体でオフセットと感度が安定しており、直線性と振動性能に優れ、広範な自己診断機能を備え、角速度測定範囲は ±300°/s、 ±6 gの加速度測定範囲を持ち、−40 °C ～ +110 °Cの温度範囲で動作し、3.0 V ～ 3.6 Vの電源をサポートし、RoHS規格に準拠した32ピンの堅牢なSOICハウジング部品を備え、サイズは19.71 mm × 12.15 mm × 4.6 mm (長さ × 高さ × 幅) で、安全性が重視されるアプリケーションに使用できます。
SCHA63Tセンサーは、これまで高価なハイエンド慣性測定ユニット (IMU) モジュールでのみ提供されていたレベルの慣性センサー性能を備えた、世界初の単一パッケージ6 DoFコンポーネントです。このセンサーは、過酷な環境でもセンチメートルレベルの機械ダイナミクスと位置検知精度を実現し、安全で堅牢な検証済みの設計を保証します。
SCHA63Tは、慣性測定装置 (IMU)、ナビゲーション位置決め、機械制御と誘導、動的傾斜、ロボット制御、無人航空機など、高性能と厳しい環境要件を必要とするアプリケーションに適用されます。
高性能3軸角速度センサーと3軸加速度センサーを組み合わせた
SCHA63Tシリーズは、SCHA63T-K01とSCHA63T-K03の2つの製品で構成されています。SCHA63T-K01とSCHA63T-K03はどちらもモジュール式の高性能3軸角速度センサーと3軸加速度計です。これらは、村田製作所の成熟した静電容量式3D-MEMS技術に基づくX、Y、Z軸の角速度センサーと統合3軸加速度計で構成されています。信号処理は、柔軟なSPIデジタル インターフェイスを通じて角速度を提供する2つのミックス信号ASICによって実行されます。センサー コンポーネントとASICは、事前に成形されたSOIC32プラスチック ハウジングにパッケージ化されており、製品のライフ サイクル全体にわたって信頼性の高い動作を保証します。
SCHA63T-K01およびSCHA63T-K03の設計、製造、テストは、高い安定性、信頼性、品質の要件を満たしています。このコンポーネントは、温度、湿度、振動の範囲内で非常に安定した出力を持ち、SMD実装に適したさまざまな高度な自己診断機能を備えており、RoHSおよびELV指令に準拠しています。
ジャイロスコープの仕様は、SCHA63T-K01の最大範囲は (XYZ) ±125°/s、SCHA63T-K03は (XYZ) ±300°/sです。SCHA63T-K01およびSCHA63T-K03の振幅応答は13、20、46、または300 Hzです。オフセット温度依存性は(Z) ±0.085°/s、(XY) ±0.65°/sです。SCHA63T-K01の感度は(Z)160 LSB/°/s、(XY)160 LSB/°/s、SCHA63T-K03の感度は(Z)80 LSB/°/s、(XY)80 LSB/°/sです。どちらの製品も、デジタル/SPI出力のタイプをサポートしています。
加速度計の仕様については、SCHA63T-K01とSCHA63T-K03は、最大範囲が ±6 g、振幅応答が13、20、46、または300 Hz、オフセット温度依存性が (XYZ) ±7.3 mg、感度が4905 LSB/g、デジタル/SPI出力タイプが同じです。
結論
ジャイロスコープと加速度計はロボットアプリケーションの重要なコンポーネントであり、ロボットの動作の精度に重要な影響を及ぼします。村田製作所が3D MEMS技術を使用して導入した高度に統合された6 DOF XYZ軸ジャイロスコープとXYZ軸加速度計は、精度、容量、温度範囲におけるロボット アプリケーションのニーズを満たすことができ、ロボット アプリケーションに最適です。