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ナビゲーション向けデジタル出⼒ジャイロセンサ
ジャイロセンサの原理とデジタル出⼒ジャイロセンサ XV4001 シリーズの特⻑【序⽂】
ジャイロセンサは単位時間当たりの回転量を⽰す⾓速度を計測します。⾓速度には計測する⽅向に応じて、ヨー(⾞を上から⾒たときの平⾯上での左右⽅向の回転)、ピッチ(⾞を前から⾒たときの上下⽅向の回転)、ロール(⾞を前から⾒たときの左右⽅向の回転)がありますが、⾃動⾞の⾛⾏路は基本的に平⾯が多く、平⾯上で左右に曲がる⾓度を求めるヨーの検出が最も多く使われています。現在のナビゲーションシステムの多くはジャイロセンサを搭載しており、トンネル内、屋内駐⾞場、ビルの⾕間など、GPS(Global Positioning System)の信号を正しく受信できない場合 DR(Dead Reckoning)と呼ばれる推測航法で GPSによる位置情報を補完する役割をしています。また最近ではセンサ信号を主体とし GPS を補完的に使⽤するシステム構成も多くみられます。このような DR では、ジャイロセンサが検出した⾓速度から求めた⾓度情報と、⾞速パルスによる距離情報を元に⾃⾞位置を推測し、より正確なナビゲーションシステムを実現しています。ナビゲーションシステムにて使⽤されるジャイロセンサは、静⽌時すなわち回転していない時の出⼒が特に重要となります。その理由として、⾓度は⾓速度信号を積分することで求めるため、静⽌時の出⼒変動は積算され、⼤きな⾓度誤差となってしまうからです。
またナビゲーションシステムは温度変化の激しい環境で使⽤されるため、ジャイロセンサの静⽌時出⼒信号の温度変化に対する安定性(温度特性)はとても重要なパラメータとなります。Epson では⾼安定な温度特性を実現する為に、⽔晶を素材にしたダブル T 型構造のセンサ素⼦と、それを駆動し、出⼒信号の増幅、信号をデジタル信号に変換する AD コンバータ、感度、静⽌時出⼒等の各種補正機能を担う IC をワンパッケージ化したデジタル出⼒ジャイロセンサを製造、販売しています。
今回は Epson が持つセンサ技術とデジタル出⼒ジャイロセンサの温度特性、デジタルインターフェースについて解説します。

【ジャイロセンサの原理・構造】
1. 振動ジャイロセンサの原理(コリオリの⼒)
ジャイロセンサは、センサ本体の回転量を電気信号に変換することで⾓速度として算出します。Epson ではセンサ内部の振動を利⽤する振動ジャイロの原理を⽤いています。これは、センサの外から回転⼒が加わると、センサ内の振動する部位に垂直⽅向に発⽣する“コリオリの⼒”からセンサ内に新たな振動を発⽣させ、この振動から⾓速度を算出する⽅法です。
(コリオリの⼒とは、19 世紀にフランスの物理学者 Gaspard-Gustave de Coriolis が提唱した物理量で、回転する座標系で作⽤する慣性⼒を指します。図 1 参照)

速度を持った質量にかかるコリオリの⼒（回転する座標系で⾒られる慣性⼒）を検出する
Fc = 2mV×ΩFc ：コリオリの⼒
m ： 質量V： 速度

Ω ：⾓速度図11

コリオリの⼒White paper
2. ジャイロセンサの原理(構造)Epson 製ジャイロセンサでは、内部の振動部に⽔晶素材を使⽤し、T 型の⽔晶を並べた「ダブル T 型構造」を採⽤しています。ダブル T 型構造は左右対称であり、図 2 に⽰すような「駆動アーム」と「検出アーム」、中⼼にある「固定部」によって構成されています。
センサ動作時は駆動アームに交番振動電界をかけ、駆動アームを常時左右に振動させておくため、漏れ振動を打ち消し合って、中央に静⽌した検出アームを実現しています(図 2 の(1)、駆動アームの⼀⽅が左に動くと、もう⼀⽅は右に動き、左右の駆動アームは対称に動くため、中⼼にある固定部に⼒がかからず、検出アームは動かない)。このため安定したゼロ点の確保を可能としています。
次に、外からセンサに回転⼒が加わると、駆動アームは左右の動きを継続しながらもコリオリの⼒が働くため、垂直⽅向の振動が発⽣します(図 2 の(3))。これにより駆動アームの上下の振動は、⽚⽅が上に動いた時はもう⼀⽅は下に動き、駆動アームが上下に振動すると固定部にも回転する⼒が加わります。この固定部が回転することで、今まで静⽌していた検出アームは左右に振動を始めます。この検出アームの振動を、電荷の変化に置き換えることで、センサに加わった回転の⾓速度として検出しています。

駆動振動
駆動アーム
回転

固定部

検出アーム
回転(2)本体が回転。

(1)駆動モード時、駆動アームが常に振動。

検出振動
垂直⽅向の振動垂直⽅向の振動垂直⽅向の振動垂直⽅向の振動検出振動(3)回転が加わることで、駆動アームに(4)駆動アームの垂直⽅向の振動により、コリオリの⼒が働き垂直⽅向の振動が発⽣。

固定部が屈曲。検出アームに検出振動が発⽣。

検出アームの振動を電気信号に変換・出⼒
図 2 ジャイロセンサ原理構造

2

White paper
3．ジャイロセンサの信号処理(アナログ出⼒ジャイロセンサの信号処理)
ここでは基本的なジャイロセンサ(アナログ出⼒)の信号処理(図 3)を例に解説します。
①発振回路で、⼀定の電流を流して駆動アームを振動。
②外部から回転⼒（⾓速度ω）を受け、コリオリの⼒が発⽣し、検出アームの振動を検出。
③検出した信号を増幅して、波形を補正。
④駆動アームの振動位相を 90 度ずらしたものを、検出アームの振動波形と⽐較し、⾓速度を算出。
(検出アームの振動では、回転⾓－30 度（左向き 30 度）と 30 度（右向き 30 度）の回転では異なる位相の信号が出⼒されるので、これと駆動振動の波形を⽐較することにより、正確な⾓速度と回転⽅向が求められる)⑤出⼒調整を⾏い、⾓速度に相当する電圧を出⼒。
以上のように、微⼩検出信号からコリオリ⼒信号を分離増幅して、⾓速度に⽐例した電圧を出⼒しております。

電荷検出
電圧変換

AC 増幅

BPF

同期検波

LPF

出⼒調整

出⼒

電荷
90°位相シフト

振幅電圧
⾃動調整

検出振動

発振回路

⾓速度ω
コリオリ⼒

発振起動回路⼀定振動電流直線往復運動速度 V

図3

ジャイロセンサ信号処理(内部構造)【デジタル出⼒ジャイロの機能・特⻑】
図 4 に本製品 XV4001 シリーズのブロック図を⽰し、機能および対応している２つのデジタルインターフェース(SPI(4-wire，3-wire)、I2C)について説明致します。

図 4 XV4001 シリーズ(デジタル出⼒ジャイロ)のブロック図

3White paper機能
・⾓速度出⼒：16bit、2 の補数形式にて⾓速度データを出⼒。
・デジタルフィルタ：fc=10Hz のデジタル LPF を内蔵。
・温度センサ：11bit、2 の補数形式にて温度データを出⼒。
・Power On Reset(POR)：POR 回路を内蔵し、電源起動時にロジック回路の初期化に必要な POR 信号を出⼒。
・セルフテスト：セルフテスト回路を内蔵し、セルフテスト実施結果を通信レスポンス(DIAG)にて送信。
デジタルインターフェース
・SPI(4-wire，3-wire)
最⼤ 10MHz の通信周波数に対応し、通信品質を確保するために、コマンドエラー判定、チェックサム機能を盛り込んでいます。また、ジャイロセンサ⾃体が異常を検知するセルフテスト機能も搭載し、判定結果を⾓速度、または温度センサの出⼒フレームに乗せて送信します。この判定結果からセンサの異常有無を判断することが可能となります。
・I2C
最⼤ 400kbit/s の Fast Mode に対応しています。スレーブアドレスは 1101000(サブアドレス 1101001)の設定となっています。（サブアドレスへの設定は⼯場出荷時の対応となります。）セルフテスト判定結果出⼒コマンドを発⾏することで、セルフテストの判定結果が得られます。

また図 5 にジャイロセンサとマイコンとの接続例を⽰します。
従来製品であるアナログ出⼒ジャイロセンサでは AD 変換器を介して信号をサンプリングする場合、エイリアシング(折返し雑⾳)が発⽣しないように、ジャイロセンサと AD 変換器の間に所望のフィルタ回路の挿⼊が必要でした。これに対し今回のXV4001 シリーズでは、デジタルインターフェースを採⽤しているため、ジャイロセンサ出⼒から AD 変換器を介すことなく、直接マイコン等のプロセッサに取り込むことが可能となり、さらに、複数のデバイスが同⼀の信号ラインに接続できるバス接続も可能なため、従来製品のアナログ出⼒ジャイロセンサと⽐較し、配線の引き回しも容易になっております。

Analog
Gyro

ADC
AnalogMCU
Digital Gyro

DigitalGyro

AnalogGyro

ADC

MCUDigital

MCU
ADC
Analog

図54

ジャイロセンサの接続に関して

White paper【XV4001 シリーズジャイロセンサの特⻑(温度特性)】
ジャイロセンサに⾓速度が印加されていない状態(静⽌時)における出⼒は、当然のことながら変動しないことが望まれます。
特にナビゲーションシステムではジャイロセンサから出⼒される⾓速度を積分して使⽤するため、⾓速度出⼒の変動は位置精度の推定に⼤きな影響を与えます。⾓速度出⼒のバラツキには様々な要因がありますが、中でも温度変化による影響が⼀番顕著だと⾔われています。ここで温度補正をかけていないジャイロセンサの静⽌時出⼒の温度特性例を図 6 に⽰します。
Epson 製ジャイロセンサはセンサ素⼦に⽔晶を使⽤しているため、温度補正をかけていない状態であっても⾓速度の出⼒は⼩さな変動であることがわかります。しかしながら、温度特性の傾き⽅向や変動量にはそれぞれ個体差があります。
ナビゲーションシステムにおいては、システム側でジャイロセンサの⾓速度出⼒の温度特性に補正をかけて使⽤する場合もありますが、すべての動作温度範囲において、個々の温度特性傾き⽅向や⼤きさのバラツキにおける温度補正を実現することは技術・コストの両⾯から困難なことから、ジャイロセンサ⾃体の⾓速度出⼒温度特性に対する⾼安定化要求は⽇々⾼まっていました。Epson ではこのような市場要求に答えるため、デジタル補正回路による静⽌時出⼒の⾼次温度補正を採⽤しました。
図 7 にデジタル補正回路による温度補正をおこなった Epson 製ジャイロセンサの静⽌時出⼒の温度特性図を⽰します。
⾼次温度補正をかけることによって、-40℃〜+85℃の広い温度範囲でバラツキも⼤幅に改善された安定した静⽌時⾓速度出⼒の温度特性を実現しております。

図 6 温度補正前の静⽌時出⼒温度特性例

図 7 温度補正後の静⽌時出⼒温度特性例

最後に XV4001 シリーズの特徴および概要を表 1 に⽰します。
XV4001 シリーズは、ナビゲーション⽤途に最適な安定した特性、マイコンとの接続性、対応インターフェース、および取り付け⾓度に対応したパッケージラインナップを持つ⾼性能なデジタル出⼒ジャイロセンサとして提供し、お客様の設計効率化・品質向上にも⼤きく貢献してまいります。
表 1 XV4001 シリーズ概要
製品名XV4001BD

特徴・動作温度範囲
・電源電圧
・感度

XV4001BC

370LSB±1.5%・⾓速度出⼒(4-wire，3-wire)(Ta=+25℃)±1°/s Typ.

±70°/s・周波数帯域幅
・消費電流

SPI(Ta=+25℃)±2°/s(0LSB typ.)・⾓速度出⼒温度特性(4-wire，3-wire)

0.05°/s RMS Typ.

BD/BC: 5.0×3.2×1.3mm(10pin)

CW(+)

KD/KC : 6.0×4.8×3.3t(8pin)
ө ө=20°I2C bus・温度センサ内蔵・セルフテスト機能内蔵*1

サイズ[mm]*1

I2C bus
SPI

10Hz Typ.

3.5mA Typ.

・出⼒ノイズ
XV4001KC-40℃〜+85℃

3.3V±0.3V

・検出範囲
XV4001KD

インターフェース⽅式

ナビゲーションの取り付け⾓度(０°、20°)に対応した製品として、BD/BC、KD/KC の 2 種類のパッケージをご⽤意

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