Miniaturaized Inertial Sensing device for Harsh environment

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02575
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: Maenaka Kazusuke 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (70173721)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ジャイロ / MEMS / 水晶 / 縦振動

Outline of Final Research Achievements

We designed, prototyped, and evaluated a miniaturized quartz gyroscope using the thickness-shear vibration mode as the reference vibration for detection of angular velocity. The device with thickness-shear mode as the reference vibration can be realized by bulk-shaped elements, which have resistance to the harsh environment. This resolves the problems of current MEMS gyroscopes, such as inoperability or destruction under strong acceleration / vibration or shock. We performed the establishment of design theory for triangular prism shaped quartz-gyros, theoretical solution of the data conversion from raw signals to the cartesian coordinate system, clarification of the effect of the device cramping method to sensing characteristics, realization of analog frontend circuitry with very high input impedance. Finally, we confirmed the angular velocity output signals from example devices.

Free Research Field

MEMSセンサ

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年MEMS慣性センサが民生用として広く用いられている。しかしながら、大きな衝撃や振動下での動作は保証されておらず、例えばサッカーボールやゴルフボールの中に慣性システムを埋め込んでその運動を把握することや、ドローン同士が衝突したときの姿勢の保持、大きな振動を伴う工具や機械などに用いることができず、応用を大きく妨げている。縦振動を用いるジャイロの場合、動作原理的に構造がバルク状になり、また加速度の影響は構造全体への分布荷重となり、振動や衝撃による破壊強度は極めて高く、参照振動の停止も発生しない。以上の特徴をもつ慣性センサが普及すれば、さらなる慣性センサの応用発展が可能になると思われる。