加速度計

加速度計とは

加速度計（accelerometer）は、物体にかかる加速度を測定する機器です。加速度センサとも呼ばれます。身の回りの様々な機器に搭載されており、その応用範囲は多岐にわたります。

小型化とMEMS技術

近年、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術の発展により、小型の加速度計が作られるようになりました。MEMS 加速度センサは、質量が小さいため感度は低下しますが、劇的な小型化が可能です。このため、自動車のエアバッグ、カーナビゲーションの傾斜計、ゲームコントローラなど、様々な分野で活用されています。

精度と実装

加速度計の精度は、測定軸を基準に規定されます。そのため、加速度センサを実装する際には、軸の方向を筐体の固定面で正確に定める必要があります。特にプリント基板上に実装しただけでは、精度が確保できないため、計測用途に適用する際には注意が必要です。

加速度計の原理

機械的変位測定方式

最も一般的な計測原理は、ばねでつながれた錘の変位を捉える方法です。質量 `m` の錘に加速度 `a` が加わると、錘には力 `F = ma` が働きます。この力をばね定数 `k` のばねで支持すると、錘は `x` だけ変位します。フックの法則から `F = kx` となるため、加速度 `a` は `a = kx/m` で求められます。錘の変位 `x` を測定することで、加速度を計測できます。

この方式では、ばね定数と錘の質量が性能を左右します。そのため、検出方法の向上や安定性、耐環境性などが研究・開発の対象となっています。変位の計測には、静電容量の変化、ひずみゲージ、ピエゾ効果による電気抵抗の変化などが用いられます。

機械式の加速度センサは、ある程度の大きさがあり、慣性質量も大きくなりがちです。短時間での計測には不向きで、ばねの振動により共振域近くでは誤差が大きくなります。また、可動部の注油や金属部の錆びといった経年劣化の問題もあります。

振動を用いる方式

この方式では、錘をつけたばねを共振周波数で振動させます。加速度が加わるとばねに加わる応力が変化し、共振周波数が変化します。この周波数の変化を検出することで、加速度を測定します。Q値の高いばね構造を用いると、周波数変化の検出精度が向上し、高い測定精度が得られます。電子天秤など、精密に重さを測る装置にも応用されています。

光学的方式

光学式の加速度センサは、加速度によって生じる位置の変化を光学的に伝達し、検出・増幅します。最終的に、光センサによって電気信号に変換されます。FBG光ファイバ式では、錘にかかる加速度をFBG光ファイバへの張力に変換し、波長の変化を検出します。その他にも、半導体式加速度センサで測定したデータを光ファイバーで伝送する形式など、様々な種類が存在します。

半導体方式

機械式や光学式の加速度センサは、製造、調整、補修に手間がかかり、コストが高くなりがちです。小型化や知能化にも不向きなため、近年の多様な装置には半導体式の加速度センサが広く用いられています。いずれもMEMS技術が活用されています。

静電容量型

梁構造で支えられた微小な可動部の位置変化を静電容量の変化として検出し、電気回路で増幅・計測します。櫛の歯型の構造を工夫することで、検出精度を高めています。

ピエゾ抵抗型

シリコン半導体の製造技術で、表面を薄く円環状に形成しダイヤフラムを作成します。中央の錘を薄い金属で支えることで、加速度による変位を検出しやすくしています。ダイヤフラムの変位をピエゾ抵抗素子で検出し、電気回路で増幅・計測します。ダイヤフラムとピエゾ抵抗素子の取り付け方を工夫することで、3軸方向の加速度検出が可能です。

ガス温度分布型

空洞部中央で暖められたガスが、加速度によって移動するのを、周囲の温度計測抵抗ブリッジの抵抗変化で検出します。この方式では、空気より軽いガス部分をマスとして考えます。機械的な可動部分がないため、MEMS工程の歩留まりが良く、安価に製造できるとされています。

検出軸数

加速度センサには、1軸、2軸、3軸のセンサがあります。

3軸加速度センサ

3軸加速度センサは、X,Y,Z軸の3方向の加速度を1つのデバイスで測定できるMEMSセンサです。±数[g]の範囲が測定可能です。ピエゾ抵抗型、静電容量型、熱検知型などの種類があります。主なメーカーとしては、IMV（日本）、クロスボー、北陸電気工業、日立金属、MEMSIC, Inc.（アメリカ）、STマイクロエレクトロニクス（アメリカ）、アナログ・デバイセズ（アメリカ）、Bosch Sensortec（ドイツ）、Dytran (アメリカ）などが挙げられます。

応用例

加速度計は、科学実験や地震計といった精密な計測機器から、歩数計や携帯電話の画面表示の制御まで、様々な分野で活用されています。

携帯電話：重力加速度を計測し、画面の向きを制御
ゲームコントローラ：Wiiリモコンなど
ハードディスク：振動検知
ロボット：姿勢制御
ドローン：姿勢制御、慣性航法

関連する計測器

地震計、重力計、傾斜計などは加速度計の一種とみなせますが、用途によって精度、使用帯域、ダイナミックレンジ、安定性などの性能が異なります。例えば、地震計は地震波の周期付近に感度を持たせることで、他の振動の影響を抑えています。

参考情報

慣性センサ用語集