加速度センサとは

THEME 08 デバイスと回路 · センサ・MEMSAccelerometer

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加速度センサとは、単位時間当たりの速度の変化、すなわち加速度を測るセンサです。 加速度から、物体の動き、傾き、振動などの度合いを計測します。ばねで支えたおもりのずれを静電容量の変化として検出するため、感度と応答の速さは構造の固有角振動数を介して引き換えになります。おもりの変位はnm単位で、その形状を精密に作り込むのが難しいため、電気回路による補正が効果的に使われています。

ばねにつながったおもりのずれから、加速度と傾きを求める

加速度の単位は¹、SI単位系のm/s²、MKS重力単位のG（1G＝9.80665 m/s²）、地震の揺れに使うCGS単位のGal（100 Gal＝1 m/s²）の3つです。

ばねにつながったおもりを箱に入れると、箱が加速したときにおもりの位置が変化し、この位置変化から加速度を求めます。静止している間も重力1Gがかかるため、箱が傾けばおもりの位置が変化して重力の方向が分かり、それを傾きとして検出します。3軸加速度センサは、X、Y、Z方向、平たく言えば左右前後上下のGを測る素子で、一定方向のGを測るセンサ3個を1つのデバイスにしたものです。

静止状態の重力を測れるかどうかは、方式で分かれます。PCB Piezotronicsは、圧電式では加速度を受けたおもりが検出結晶に応力をかけ、比例した電気出力が出るとしています。同社のICP加速度計はAC結合のデバイスで、一様な加速度（静的またはDC加速度）は測らず、応答もしないとしています²。傾きを測る用途には、重力をそのまま読めるおもりの変位検出が向いています。

MEMSでは、おもりのずれを差動キャパシタで電圧に変える

MEMS静電容量方式のセンサ素子は、Siで作られた固定電極と可動電極、スプリングで構成されます³。加速度がかかると可動電極が移動して電極間の静電容量が変化し、その容量変化を内部の信号変換回路（ASICなど）で電圧へ変換して加速度を算出します。電極はくし歯状で、加速度によって動くと静電容量の変化が生じ⁴、それにより加速度の大きさを検出します。

読み取りには差動キャパシタ⁵を使います。2枚の固定電極の中央に可動電極を設け、両側の固定電極へ正負逆の電圧を加えると、可動電極の変位に比例した出力電圧が得られます。上下のギャップの和は可動電極が動いても変わらず、上下の初期ギャップを等しく設定しておくと、出力に残るオフセットを小さく抑えられます。微小な変位から大きな容量変化を得るには、この差動キャパシタを幾重にも並列に並べた櫛歯電極を使い、N組の櫛歯を持つキャパシタでは静電容量がN倍になります。

差動キャパシタの読み取り

枠が加速すると、可動電極は慣性で取り残されて一方の固定電極へ近づきます。近づいた側の容量が増え、遠ざかった側が減るので、その差から変位に比例した出力が得られます。

感度は固有角振動数の2乗で下がり、速い応答と引き換えになる

加速度に対する変位の比率、すなわち感度は構造体の固有角振動数のみで決まり、固有角振動数を大きくすると感度はその2乗で急激に減少します。この関係に当てはめると、固有角振動数を2倍にすれば感度は4分の1になります。機械構造体は固有角振動数より高い振動数の加速度変化に応答しにくいため、速い応答が要る設計では固有角振動数を上げ、その代償として感度が下がります。サイズモ系の原理に基づく加速度センサでは、高速応答（周波数帯域の拡大）に設計するほどセンサ感度が減少し、感度と周波数帯域の関係はセンサ原理から制限されています⁵。この帯域幅と感度の引き換えは、原理から来る限界です。

感度と固有角振動数

感度は固有角振動数の2乗に反比例し、固有角振動数を2倍にすると4分の1になります。地震のような緩やかな加速度なら左上へ、衝撃のような速い変化なら右下へ設計を振ります。

高速の応答を譲れる用途では、感度を上げられます。地震感知のように加速度の変化が緩慢なときは、慣性質量を大きく、ばね定数を小さくしてセンサ感度を増大させられます。減衰比は、0.5より小さいと共振周波数付近で出力が増大し、大きすぎると使える周波数帯域が狭まるため、一般に0.5付近になるよう設計します。

50gで変位は20.3nm、ノイズは1aFの容量変動にあたる

文献に記載されたAnalog DevicesのADXL150加速度センサについて、機能仕様と形状から代表的な数値を計算した例があります。動作レンジ±50g、機械共振周波数24kHzという仕様のもとで、50gの加速度が加わったときの慣性質量の変位は20.3nmです⁵。初期ギャップ1.3µmの櫛歯では、加速度がゼロの初期状態で静電容量が約100fFとなり、1kHz帯域の加速度ノイズ32mgに相当する0.013nmの変位ノイズは、1aFの静電容量変動にあたります。

櫛歯のギャップと50gの変位

1.3µmのギャップに対し、50gで生じる変位は20.3nmにすぎません。ノイズに相当する変位は0.013nmで、1aFの容量変動にあたります。

櫛歯電極のギャップが1%ずれると0.01µNの静電気力のアンバランスが生じ、慣性質量が2nm変位して5g分のオフセットになります。MEMS加速度センサではnmレベルの形状を精密に制御することがプロセスと実装に要求される一方、その実現は難しく、電気回路によるセンサの補正が効果的に使われています。おもりの動きそのものより、回路側の補正が製品の性格を左右する領域です。

感度の確かめ方には、基準器と並べる方法があります。PCB Piezotronicsが挙げるback-to-back校正では、試験する加速度計を基準の加速度計の上に取り付けます。両者に同じ加速度がかかるので、出力電圧の比がそのまま感度の比になります²。

測定範囲は20Gを境に低Gと高G、方式は静電容量・ピエゾ抵抗・熱検知

測定範囲20G以下が低G加速度タイプ、20Gを超えるものが高G加速度タイプで³、低Gは重力や傾き、人などの動きの検知に、高Gは衝撃の検知に多く使われます。

主な検出方式は3つです。静電容量検出方式は温度特性に優れて精度が比較的高く、低加速度の計測向きで姿勢制御などに広く採用され、サイズと価格も良好です。ピエゾ抵抗方式は構造が比較的単純で、3つの中では最も小型かつ安価ですが、精度は他の2つに劣ります。熱検知方式は、筐体内で暖めた気体の気流が加速度で変わるのを温度計測抵抗の値の変化で捉えます。機械的な可動部を省いた構成のため衝撃と振動に強く比較的安価な一方、検出周波数帯域が数十Hzレベルと狭くなります。圧電式のICP加速度計では、PCB Piezotronicsの信号調整器が+18〜+30 Vの直流電圧で2〜20 mAの電流を供給するとしています。

村田製作所の加速度センサ⁶は堅牢なシリコン容量型3D MEMSテクノロジーを基本にし、センシングエレメントとASICをLCPパッケージ内へ配置してシリコンゲルで封止しています。SCA3300シリーズは3軸、検出範囲±1.5g／±3g／±6g、帯域幅10/70Hz、出力SPIです。

傾きは画面の向きと姿勢に、振動は衝撃・地震・設備の故障察知に使う

MEMS技術の最初の牽引役は自動車で、1990年代から圧力センサ、加速度センサ、ジャイロセンサなどのMEMSが自動車に搭載されるようになりました⁴。回転を測るジャイロセンサも、同じ時期から自動車に載ったMEMSの1つです。

傾斜検出では⁷、カメラや電子書籍やスマートフォンの画面縦横判別、カメラの撮影アシスト機能の電子水準器、車体やロボットの姿勢判別に使われます。振動検出では、監視カメラへのいたずらによる異常な衝撃、エアコン室外機や貨物や自動販売機の盗難目的の衝撃、ポータブル暖房器具の転倒衝撃、ガス給湯器や暖房器具の地震、斜めドラム式洗濯機の振動を検知します。

工場設備では、モーターやポンプの振動異常から故障を察知するマシンヘルスに使われ、振動に加えて音や温度も併せて監視すると検知精度が高まります。どの用途でも、測りたい加速度の大きさと変化の速さが先にあり、そこから測定範囲、帯域幅、検出方式の組が絞られていきます。

よくある質問（FAQ）

加速度センサとは何ですか？

単位時間当たりの速度の変化、すなわち加速度を測るセンサです。加速度から、物体の動き、傾き、振動などの度合いを計測します。

加速度センサはどのような仕組みで測るのですか？

ばねにつながったおもりの位置変化を読み取ります。箱が加速するとおもりの位置が変化し、この位置変化から加速度を求めます。MEMSの静電容量方式では、この位置変化が固定電極と可動電極の間の静電容量の変化になり、差動キャパシタで変位に比例した電圧に変えます。

なぜ加速度センサで傾きが分かるのですか？

静止している間も重力1Gがかかっているためです。箱が傾くとおもりの位置が変化して重力の方向が分かり、それを傾きとして検出します。AC結合の圧電式ICP加速度計のように、一様な加速度に応答しない方式もあります。

感度が高い加速度センサほど良いのですか？

用途によります。感度は構造体の固有角振動数のみで決まり、固有角振動数を大きくすると感度はその2乗で急激に減少します。速い応答が要る用途では感度を、地震感知のように緩やかな加速度を測る用途では応答の速さを、それぞれ譲る関係です。

加速度センサにはどんな検出方式がありますか？

主な方式は静電容量検出方式、ピエゾ抵抗方式、熱検知方式の3つです。静電容量検出方式は温度特性に優れて低加速度の計測向き、ピエゾ抵抗方式は最も小型かつ安価、熱検知方式は暖めた気体の気流の変化を読むので衝撃と振動に強い一方、検出周波数帯域が数十Hzレベルと狭くなります。

低Gタイプと高Gタイプはどう使い分けますか？

測定範囲20G以下が低G加速度タイプ、20Gを超えるものが高G加速度タイプです。低Gは重力や傾きや人などの動きの検知に、高Gは衝撃の検知に多く使われます。

加速度センサはどこで使われていますか？

画面の縦横判別や電子水準器などの傾斜検出、監視カメラや自動販売機への衝撃検知やガス給湯器の地震検知などの振動検出、モーターやポンプの振動異常から故障を察知するマシンヘルスです。MEMSの加速度センサは1990年代から自動車にも搭載されてきました。

比較・違いを学ぶ

MEMSとは── 加速度センサを含む、可動部を持つ微小デバイスの総称
ASICとは── センサ素子の容量変化を電圧へ変える側の回路

出典

7件を表示

1
ローム TechWeb：加速度センサの動作原理rohm.co.jp ↩
2
PCB Piezotronics：Introduction to Accelerometerspcb.com a b
3
ローム TechWeb：加速度センサの分類とMEMS静電容量方式加速度センサtechweb.rohm.co.jp a b
4
産総研マガジン：MEMSとは？aist.go.jp a b
5
電子情報通信学会知識ベース：3章 MEMS加速度センサieice-hbkb.org a b c
6
村田製作所：加速度センサmurata.com ↩
7
ローム TechWeb：加速度センサのアプリケーション例techweb.rohm.co.jp ↩