日本の宇宙関連技術を支える精密工学―「はやぶさ」からカーナビまで―

移動体制御における MEMS
ジャイロの台頭*
The Rise of MEMS Gyroscope in Mobile Control

熊谷秀夫 **

Hideo KUMAGAI
Key words MEMS Gyro, MEMS IMU, angular rate sensor

1．はじめにあり，現在世界の MEMS ジャイロとしては軍用も存在して い る が，こ こ で は 主 に 民 生 用 途 で 発 表 さ れ て い る

従来移動体の制御にはジャイロをはじめとする所謂慣性MEMS ジャイロに関して紹介する．その検出原理は，「速センサ（角速度計，加速度計）が多く用いられてきた．こ度をもった質量に角速度が印加されるとその直行方向にコれは慣性空間における物体の動きを制御するのが目的であリオリ力が発生する」というコリオリ力である 1)．

り，そのために慣性センサを必要とするのは当然で，例えジャイロの分類としては，連続した速度環境を作るためば角速度計の出力がゼロになるように移動体の動きを制御に物体を振動させる所謂振動ジャイロである．構造は，柱できたとすれば，角速度のない動き，すなわち移動体を安を 振 動 さ せ る タ イ プ（Bulk），櫛 を 振 動 さ せ る タ イ プ

定させていることになるのである．例えば飛行機の中で文（Surface Micromachining）に大別され，それぞれの素材字が書けるのはこの制御のおかげである．ではそれらの慣と し て は，非 誘 電 体 の シ リ コ ン（Si），誘 電 体 の 水 晶性センサであるが，従来はリングレーザーや光ファイバー，ニオブ酸リチウム（LiNbO 3）に分けられる．現（SiO 2）といった光学式の角速度検出器や電磁式のサーボ型加速度

在市場に出回っている MEMS ジャイロを上記の観点から計であったが，MEMS 技術の到来で，1990 年ごろより区分けすると表 1 のようになる．誘電体は電極を取り付MEMS 加速度計，続いて MEMS 角速度計（ジャイロ）

ければ振動駆動・角速度検出が可能であるが，非誘電体のが開発され，徐々にその性能を向上させながら応用範囲を場合は，静電容量・薄膜誘電体の貼付けによることになる広げてきた．当初はデジタルカメラの手ぶれ防止やエアバが，それぞれの駆動力・検出感度・形状など，固有の特徴ックなど使用時間の短い応用であったが，最近では光ファをもつ物が多い．

イバージャイロや電磁式サーボ加速度計に匹敵する性能のどのセンサも優劣は付け難いが，同じ大きさの駆動片のMEMS センサも出現し，過去実験としては可能であった

場合，駆動・検出感度は概ね LiNbO 3 ＞Si（PZT 薄膜）が，大きさ・価格の点で採用が難しかった分野においても＞SiO 2 ＞Si（静電）と考えられるが，加工方法に関して

使 用 さ れ る 機 会 が 増 え て き た．そ こ で 本 論 で は 特 には，LiNbO 3 以外は DEEP RIE（Reactive Ion Etching）手MEMS ジャイロを中心にセンサの種類，性能，移動体へ法や犠牲層エッチングで容易に複雑な加工ができることにの応用例などを紹介する．移動体と定義するのは難しい

より，構造体の小型化や感度 Up が可能になってきていが，最近は携帯電話に 3 軸ジャイロ，3 軸加速度計が内蔵る．それぞれの MEMS ジャイロの諸性能に関しては，公され，驚異的な小型・低価格化が実現されていることも特開されている仕様書を参照いただきたいが，最近ではアラ筆すべきことである．

ン分散で数 deg/h のノイズ成分のジャイロも開発され，2．MEMS ジャイロの構造・構成
MEMS ジャイロ開発のきっかけが米国の砲弾制御用で*原稿受付 平成 22 年 10 月 14 日
多摩川精機株式会社（長野県飯田市大休 1879）
熊谷秀夫
2003 年立命館大学理工学研究科博士課程後期卒
業博士号取得（「複合慣性計測装置に関する研究」）．研 究 内 容 は 慣 性 装 置 応 用 研 究．著 書 は「ジャイロ活用技術入門」（工業調査会）共著．

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精密工学会誌 Vol.77, No.1, 2011

表 1 各種 MEMS ジャイロとその材料・構造
メーカ
多摩川精機
Panasonic
村田製作所
住友精密
Epson
ST マイクロInvenSense
Honeywell
Bosch

構造
Bulk
Bulk
Bulk
Bulk
Bulk
Surface
Surface
Surface
Surface

素材
LiNbO 3Si（PZT 薄膜）
Si（静電）
Si（静電）SiO 2
Si（静電）
Si（静電）
Si（静電）
Si（静電）

移動体制御における MEMS ジャイロの台頭

徐々に一般的な FOG（Fiber Optic Gyro）の性能に迫る物になってきている．
■ 多摩川精機

http://www.tamagawa-seiki.co.jp/jp/c16.html■ Panasonic

http://industrial.panasonic.com/jp/products/automotive_electronics/automotive_electronics.html■ 村田製作所

FAA CERTIFIED

http://www.murata.co.jp/products/sensor/index.html

図 1 FAA 認証された MEMS AHRS

■ 住友精密工業

http://www.sssj.co.jp/■ エプソン

FINAL.pdf

http://www.epsontoyocom.co.jp/product/Sensor/

3.2 小型民間航空機・無人航空機

index.html

海外の小型民間航空機の姿勢・方位基準装置（AHRS :■ ST マイクロエレクトロニクス

Attitude Heading Reference System）に は，す で に

http://www.st-japan.co.jp/products/families/sensors/

MEMS ジャイロが用いられており，アメリカ連邦航空局

gyroscopes.htm

FAA（Federal Aviation Administration）の 使 用 許 可■ InvenSense（DO-178A）を取得した製品も販売されている．

http://invensense.com/jp/mems/products.html

http://www.xbow.com/defense-solutions/products/■ Honeywell

NAV440.html

http://www51.honeywell.com/aero/common/documents/

ま た 国 内 に お い て も，無 人 標 的 機 用 AHRS と し て

myaerospacecatalog-documents/Missiles-Munitions/

MEMS を用いた商品が試験運用されている他，JAXA で

GG5300_Three_Axis_MEMS_Rate_Gyro.pdf

は，MEMS 慣性センサを使った GPS 複合型慣性航法装置■ Boschを開発し，民間航空機の運用に適した慣性装置（Micro-

http://www.bosch-sensortec.com/content/language1/

GAIA）を公開している 2)．

html/3488.htm

3．各種 MEMS ジャイロの応用例
最近ではこれら MEMS ジャイロも，従来の手振れ補正，カーナビといった単に計測分野だけでなく，多様な移3.3 車両
車両制御用としてはすでに一部の車種で搭載されている横滑り装置（ESC : Electrical Stability Control）が北米・欧州で法令化されるのを受けて，現在多くの会社が新規開発を行っている．

動体の制御領域まで広がってきている．国外では軍用としABS と連動したブレーキシステムに組み入れる場合，てミサイル，砲弾などに使われているが，ここでは主に国

またエアバックシステムに組み入れる場合など運用もさま内の状況に関して紹介する．ただ，これらの用途は，すでざまであるが，センサシステムもジャイロ・加速度計基板に実用化されている場合と一部開発段階の場合の物も一体型，パッケージ一体型など，多様のバリエーションにある．

なりそうである．

3.1

人工衛星

その他，サイドエアバックのためのロールオーバー検

昨今の人工衛星の小型化に伴って姿勢制御装置の小型・出，パーキングアシストなどに使用されるが，車両の制御低価格化の要求が大きくなり，従来の高精度 FOG などのであり重要保安部品となるために，基本性能，信頼性，自採用を MEMS 化する動きがあり，MEMS ジャイロの信己診断機能など一般の用途とは全く異なる信頼性要求を満頼性，耐放射線に関する研究が行われている．ミッションたす必要がある．にもよるが 200 kg 以下の人工衛星には，アラン分散で数ま た，車 両 制 御 と は 異 な る が，車 両 の 挙 動 計 測 装 置

deg/h の MEMS ジャイロの搭載が検討されている．ま（Drive Recorder）にもジャイロが用いられ，ドライバーた，これら小型衛星を打ち上げる小型ロケット用の姿勢制の安全運転指導に役立っている．

御用としても MEMS ジャイロの運用が検討されている．

http://www.esc-jpromo-activesafety.com/

高精度ではないので，Star Tracker などとの複合運用が3.4 鉄道計画されている．話題を呼んだ「はやぶさ」には，FOG福知山線の脱線事故を契機に，慣性センサを用いた脱線と MEMS 加速度計が採用されたが，次は MEMS ジャイ検出，脱線防止用のセンサとして，MEMS ジャイロが用ロになる可能性は大きいと思われる．

いられている．車両の振動などの動きを検出し，脱線アラ

http://nmp.nasa.gov/st6/TECHNOLOGY/AAS_03_003_ームを発生する装置であるが，将来は脱線予知を行い，未精密工学会誌 Vol.77, No.1, 2011 9

移動体制御における MEMS ジャイロの台頭■3D―NAVI Auto Blade® システムの装着

アンダーステア
車両の前方がカーブの外側に押し出されようとする．
ESC が内側の後輪（矢印）にブレーキをかけ，車両の方向を修正する．
ESC なしESC ありGPS アンテナ

GPS ボックス

コントロールボックス

オーバーステア
車両の後方がカーブの外側に押し出されようとする．
ESC が外側の前輪（矢印）にブレーキをかけ，車両の方向を修正する．
ESC なしESC あり図 2 ESC 概要

チルトセンサー

油圧制御バルブ
3D―NAVI Auto Blade® システムを装着したブルドーザー

図 4 自動掘削システム

コマツホームページよりた．搬送車のために磁気テープを設備することは，維持管理も含めてコスト高であり，高性能化されたジャイロを使フィンスタビライザー [ﬁn stabilizer]

う方向に動きつつある．

横揺れ防止装置．船底の両側から羽根のようなフィンを張り出し，それによる揚力を利用して横揺れを防ぐ．日本
人造船技術者によって発明され，波がなく，海が凪いでいるときには船体に格納されている．

http://www.toyota-lf-osaka.co.jp/FAQ/safety.html
3.7 建設機械（IT 施工）クレーン
最近ではパワーシャベルのような建設機械ではその自己中心位置は精密 GPS により計測が可能で，あとは MEMSジャイロを用いた腕の角度の精密計測をすることにより，

図 3 フィンスタビライザーバケットの位置を高精度に計測できる状況になってきた．
また，最近の施工図は多くが 3 次元 CAD により作成されており，その図面とバケットの位置を同時に表示すること

然に事故を防ぐことを目的としている．また，新幹線におで，施工図通りの工事をリアルタイムに行うことができる

いてカーブで速度を減少させることなく通過させるためにようになった．

車両を若干傾ける制御を行っているが，その際 MEMS ジ

http://www.gis.nilim.go.jp/jouho/index.html

ャイロによりカーブの認識をしたり，前後の車両の方向をまた，建設現場で使用されるクレーンも，大きな揺れで比較することで事故を未然に防ぐ対策に使用されている．

別の建物への傷害を防ぐための揺れ防止として MEMS ジ

http://www.nozomi.iis.u-tokyo.ac.jp/iis2009/iis2009_

ャイロが使用される．ジャイロを使っての揺れ防止が可能

DetectionOfSignsOfDerailment.pdf

なことは実証されているが，価格の問題で実用化されなか

3.5

船舶，水中航走体ったが，高精度で低価格な MEMS ジャイロの出現で徐々船舶では運用時間が比較的長いので，寿命の長い流体ジに可能になりつつある．クレーンは工事現場だけでなく，

ャ イ ロ な ど が 船 舶 の 揺 れ 制 御 に 使 用 さ れ て き た が，製鉄所，港湾など，多くの場面で必要であり，ジャイロをMEMS ジャイロも寿命が長いために，今後使われる可能使った揺れ防止が実現すると，その市場は相当量になる．

性が高く，低コストジャイロ採用により，小型船舶にも横3.8 ヒューマノイドロボット

揺れ装置が装備されていく可能性がある．また，水中航走介護ロボット，案内ロボットをはじめ，多くのヒューマ体の AHRS としても標的機をはじめとして運用され始めノイドロボットが開発されているが，それらの姿勢制御にている．

は MEMS ジャイロが必要である．姿勢・方向などを精度

http://www.venus-cruise.co.jp/introduce.html

良く検出するためには，ロボットに装備されたその他のセ

3.6

フォークリフト

無人搬送車

2 輪車

ンサとの効果的な複合化が重要である．

従来よりフォークリフトの転倒防止としてジャイロが用

また，セグウエイを代表とする一人乗り電動車の開発がいられている．高旋回を検出して，その際サスペンション行われているが，その制御には MEMS ジャイロが必要でを保持するなどの機能により，転倒防止を図っている．

あり，高い信頼性を要求されている．

また現在の無人搬送車の多くは，地表面に張られた磁気テープを認識して走行を行っており，このテープを取り除■ 産総研

くために，従来からジャイロによる自立走行は可能である

http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2009/

ことは実証されていたが，価格の問題で採用されなかっpr20090316/pr20090316.html

10 精密工学会誌 Vol.77, No.1, 2011

ヒューマノイドロボット

移動体制御における MEMS ジャイロの台頭

いは入力デバイスとして使われている．
3.11 医療用機器
この分野も制御とは異なるが，医療用機器・健康用機器としても用いられている．リハビリの前後における治療の進捗度を角度で客観的に表現する装置であったり，万歩計のような日々の生活の活動状況を数値化して表現する装置が販売されている．
http://www.microstone.co.jp/product/sensor-wirelessmotionrecorder.html

4．MEMS ジャイロの今後の動向

Type L
図 5 各種一人乗り電動車

4.1 市場
今後もゲーム機や携帯端末に使われる電子部品感覚の慣性センサが大量に出回ると同時に，ESC に代表される重■ トヨタ自動車

ウイングレット

要保安部品としても相当量の需要が見込まれる．また，そhttp://www2.toyota.co.jp/jp/tech/p_mobility/winglet/

れら大量生産による低価格化により，従来はジャイロ搭載■ ホンダが不可能であった分野への応用がますます広がり，さらに電動一輪車

http://trendy.nikkeibp.co.jp/article/news/20090925/
1029057/

しかし，それらは大量生産故の性能向上の限界があり，■ セグウエイ

さらなる光ファイバー並みの高精度を要求される応用に関

http://www.segway-japan.net/index.html
3.9

工作機械

新しい用途への拡大が期待できる．

ロボット

MEMS ジャイロが小型・高精度化されたことにより，しては，別グループの製造メーカによる供給が期待できる．
4.2 性能・価格

工作機械の刃先付近に搭載し加工状態をモニタリングする

現在ゲーム機用では $5 以下の 3 軸加速度計，3 軸ジャシステムや，テキスタイルやワイヤーボンディングにおけイロが出始めており，今後あらゆるモバイル端末機に使用る装置の振動状況をモニターするシステムなど，微小変動されていくと想定する．一方制御用としては，ESC の法の状況を把握するセンサとして応用される可能性がある．

令化で加速度計・ジャイロ一体型，あるいは 6 軸 IMU とまた塗装ロボット，溶接ロボット，運搬ロボットなどのして別の価格帯で販売されるものと思われる．今後，高性ロボットの 3 次元位置や速度を計測し，より精度の高い作

能版としては，アラン分散で 0.2 deg/h クラスの MEMS

業やティーチングが不要な作業など，ロボットアームの実ジャイロも出現する見込みであり，車載運用の高信頼性も際の動きを直接検出することで，従来の予備作業を省略す

後押しし，今後はあらゆる移動体に搭載され航空機並みのるなどの省力化も可能になりつつある．

制御が可能になることも考えられる．新幹線の中で文字が3.10

家庭用ゲーム機

携帯電話

移動体の制御とは若干ジャンルが異なるが，昨今家庭用ゲーム機のコントローラ（リモコン）に 3 軸加速度計，3軸ジャイロが採用され，コントローラの動きを忠実に画面に反映させている．画像との複合的な運用が可能であり，慣性センサの弱点を克服できる用途の 1 つであるが，慣性センサの小型・低価格化がキーとなっている．
また，2010 年携帯電話にも 3 軸加速度計，3 軸ジャイロ

書ける日もそれほど遠くないかもしれない．

参考文献

1) 多 摩 川 精 機 株 式 会 社：ジ ャ イ ロ 活 用 技 術 入 門，工 業 調 査 会，
（2000）．
2) 藤原健，冨田博史，張替正敏：小型航空機に適した航法システ
ムの開発と飛行評価∼MEMS GPS/INS 航法システム“MicroGAIA”∼，第 43 回飛行機シンポジウム講演集，（2005）631637．

が装備された．内蔵のゲームのコントローラとして，ある

精密工学会誌 Vol.77, No.1, 2011 11