University of Michigan

A small, inexpensive, and highly accurate gyroscope could help drones and driverless cars stay on track without the GPS signal, said the researchers.

「私たちのジャイロスコープは、一般的な携帯電話に使用されているジャイロスコープよりも 10,000 倍も正確ですが、価格は 10 倍にすぎません」と、ミシガン大学の電気工学およびコンピューター サイエンスの教授、Khalil Najafi 氏は語ります。

「このジャイロスコープは、同様の性能を持つはるかに大きなジャイロスコープよりも 1,000 倍も安価です」

多くのスマートフォンには、画面の向きを検出し、私たちがどちらを向いているかを知るためにジャイロスコープが搭載されていますが、その精度は低く、また、ジャイロスコープを搭載していないスマートフォンでは、画面の向きを検出することはできません。 そのため、携帯電話は、ナビゲーション中にユーザーが向いている方向を誤って示すことがよくあります。

そのことは、街角にいる人や車の運転手にとってはあまり重要ではありませんが、ドライバーなしの車は、GPS 信号が失われると、すぐに道に迷ってしまうかもしれません。 バックアップ ナビゲーション システムの内部では、自律走行車は現在、大型ではるかに高価な高性能ジャイロスコープを使用しています。

「高性能ジャイロスコープはボトルネックであり、長い間、そうでした。 このジャイロスコープは、ほとんどの自律型車両で高精度かつ低コストの慣性ナビゲーションを使用できるようにすることで、このボトルネックを取り除くことができます」と、電気工学およびコンピューター科学のアシスタント研究員である Jae Yoong Cho 氏は述べています。 または、より日常的なシナリオとして、正確な屋内ナビゲーションにより、倉庫ロボットをスピードアップできます。

3つの加速度計と3つのジャイロスコープ（空間内の各軸に1つ）は、慣性測定ユニットと呼ばれる装置を構成しています。 この装置により、一定の方向性を示す信号がなくてもナビゲーションが可能になります。 しかし、既存の IMU で方向を読み取るにはコストがかかるため、自律走行車のような高価な機器でも範囲外のままです。

この手頃な価格の小型ジャイロスコープを作る鍵は、ほぼ対称の機械的共振器です。 ブントパンとワイングラスを掛け合わせて、幅を1cmにしたようなものです。 ワイングラスと同じように、グラスを叩いたときに出る音の持続時間は、グラスの質によって異なります。

しかし、このリングは美的特徴ではなく、ジャイロスコープの機能にとって重要です。 このデバイスは、ガラス共振器の周りに配置された電極を使って、ガラスを押したり引いたりすることで、リングを鳴らし、それを維持します。

「基本的に、ガラス共振器は一定のパターンで振動します。 それを急に回転させると、振動パターンは元の向きに留まりたがるのです。 ですから、振動パターンを監視することで、回転速度と角度を直接測定することができます」と、この製造プロセスの開発に携わった電気・コンピュータ工学の博士課程学生、Sajal Singh氏は言う。

振動運動がガラスを通してどのように動くかによって、ジャイロスコープがいつ、どのくらいの速度で、どのくらい空間内で回転するかがわかります。

共振器をできるだけ完璧に作るために、Najafi氏のチームは、溶融シリカと呼ばれるほぼ完璧な純ガラスのシートから始め、厚さは約1/4のものとします。 ブローカーでガラスを加熱し、ブンドのような形に成形します。この形は、逆さまの鳥かごにも似ているため、「バードバス」共鳴器と呼ばれています。 研究者たちは、3月25日に開催される第7回IEEE International Symposium on Inertial Sensors & Systemsで、この論文を発表する予定です。 Cho と Najafi は、ミシガン大学からライセンスされた技術を基に、スタートアップ企業である Enertia Microsystems の共同設立者です。

caption: 新しい共振器と電極、スケールのために指に乗せた状態。 共振器はほぼ完全に対称的で、ほぼ純粋なガラスでできているため、ワイングラスの音のように長時間振動させることができる。 (出典：Najafi Group / U. Michigan)

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