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加速度計ガイド: 仕組み、種類、仕様、および用途

加速度計は、動き、振動、傾き、重力の影響を測定するのに役立つ小型センサーです。この記事では、加速度センサーとは何か、内部感知素子を使用して加速度を検出する方法、およびその性能を定義する主要な仕様について説明します。また、センシング技術、測定軸、出力信号に基づいたさまざまなタイプの加速度センサーについても学習します。一般的なアプリケーションと他のモーション センサーとの明確な比較についても説明します。

カタログ

図 1. 加速度センサー

加速度計とは何ですか?

加速度計は、加速力を感知することによって動きや方向の変化を検出するように設計されたコンパクトな電子センサーです。動きや重力の影響など、物体に作用する定常的な力と変化する力の両方に反応します。加速度計は、小型のチップレベルのデバイスから頑丈な工業用ハウジングに至るまで、さまざまな物理的形式で構築されています。その出力は、電子回路またはデジタル システムによって解釈できる測定可能なデータを提供します。

加速度センサーの動作原理

図 2. 加速度センサーの動作原理

加速度計は、デバイスが加速度を受けたときにプルーフマスの動きを感知することによって機能します。静止状態では、プルーフマスは平衡位置に留まります。加速度が適用されると、プルーフマスの慣性により、プルーフマスはセンサーフレームに対して相対的に移動します。図 2 は、この動作原理を示しています。センサに加速度が作用すると、吊り下げられた質量がバネの復元力に抗してたわみます。変位の量は、加えられた加速度の大きさと方向に直接関係します。

この機械的変位は検出素子によって検出され、プルーフマスの動きを測定可能な電気的変化に変換します。センシング方法によっては、この変化が静電容量、抵抗、発生電荷の変化として現れる場合があります。感知回路はこの変化を処理し、加えられた加速度に比例する電気信号を生成します。

加速度センサーの仕様

仕様	説明
測定 範囲	共通範囲 ±2g、±4g、±8g、±16g、最大±200g
感度	典型的な 感度は 1 mV/g ～ 1000 mV/g
解像度	解像度 ADC タイプに応じて 8 ビットから 24 ビットの範囲
出力タイプ	として利用可能 アナログ電圧またはデジタル I2C および SPI
軸 測定	単軸、 2軸または3軸センシング
帯域幅	周波数 帯域幅範囲は 10 Hz ～ 5000 Hz
周波数 応答	フラットなレスポンス 定格帯域幅の範囲内で
ノイズ密度	一般的なノイズ 密度は 20 µg/√Hz ～ 300 µg/√Hz
ゼロgオフセット	オフセットエラー 通常は±20 mg ～ ±100 mg
直線性	直線性 誤差はフルスケールの ±0.5% 未満です
クロスアクシス 感度	交差軸 感度は 2% 未満です
動作中 電圧	供給 電圧範囲は1.8V～5.5V
現在 消費	低電力 モデルは 1 µA ～ 500 µA を消費します
動作中 温度	標準 範囲は -40 °C ～ +85 °C
ショック サバイバル	ショック 許容範囲は 2000 g ～ 10000 g
出力データ 料金	データレート 1 Hz ～ 10 kHz の範囲
インターフェース プロトコル	デジタルタイプ I2C、SPI、または UART をサポート
パッケージの種類	共通 パッケージにはLGA、QFN、DIPが含まれます
サイズ	典型的な センサーサイズは2mm×2mm～5mm×5mm
校正	工場 感度とオフセットを校正済み
取付タイプ	表面実装 またはスルーホール取り付け
精度	全体的に 精度は通常 ±1% ～ ±5% です
ドリフト	温度 ドリフトは 0.01 g/°C 未満です
応答時間	応答時間 1ms未満です
EMI 抵抗	するように設計されています 産業用電磁ノイズに耐性がある

センシング技術を活用した加速度センサーの種類

容量性加速度計

図 3. 容量性加速度計

容量性加速度計は、センサー構造内のマイクロスケールのプルーフマスの動きによって引き起こされる静電容量の変化に依存しています。その設計により、優れた再現性で小さな加速度変化を正確に検出できます。これらの加速度計は、傾斜や方向などの低周波数および静的測定に適しています。コンパクトなサイズと低消費電力により、組み込みおよびポータブル電子システムに最適です。

圧電加速度計

図 4. 圧電加速度計

圧電加速度計は、加速度によって引き起こされる機械的ストレスを受けると電気信号を生成します。信号の歪みを最小限に抑えながら、急速な動きや高周波の振動を捉えるのに特に効果的です。動作原理により、一定の加速度または非常にゆっくりと変化する加速度には反応しません。これらのセンサーは、振動分析と動的応答が重要な環境で広く使用されています。

ピエゾ抵抗加速度計

図 5. ピエゾ抵抗加速度計

ピエゾ抵抗加速度計は、歪んだ感知素子の抵抗変化を監視することで加速度を検出します。堅牢な構造により、強い機械的衝撃や過酷な動作条件に耐えることができます。他のテクノロジーとは異なり、広い温度範囲にわたって確実に動作できます。そのため、耐久性と耐衝撃性が必要とされる要求の厳しい用途に適しています。

軸測定に基づく加速度計の種類

単軸加速度計

図 6. 単軸加速度計

単軸加速度計は、1 つの固定方向に沿った加速度を測定します。これらは通常、動きが既知の方向または直線パスに制限されている場合に使用されます。シンプルな設計により、コスト効率が高く、統合も簡単です。これらのセンサーは、方向の複雑さを最小限に抑えた単純な監視タスクに選択されることがよくあります。

2軸加速度計

図 7. 2 軸加速度計

2 軸加速度計は、同じ平面内の 2 つの垂直方向に沿った加速度を測定します。この機能により、傾きや平面運動などの組み合わせた動きを検出できます。比較的単純な信号処理を維持しながら、単軸センサーよりも多くの空間情報を提供します。2 軸設計は、2 次元のモーション追跡で十分な場合に一般的に使用されます。

3 軸 (3 軸) 加速度計

図 8. 3 軸 (3 軸) 加速度計

3 軸加速度計は、3 つの直交軸に沿って加速度を同時に測定します。これにより、センサーの向きに関係なく、完全な空間動作の検出が可能になります。複数の単軸センサーが不要になるため、システム設計が簡素化されます。3 軸加速度計は、完全な動作認識と方向追跡を必要とするアプリケーションで使用されます。

出力タイプに基づく加速度センサーの種類

アナログ加速度計

アナログ加速度計は、加速度に応じて直接変化する連続電圧信号を生成します。この出力により、最小限の内部処理でモニタリングが可能になります。ただし、信号品質は外部の電気ノイズや長いケーブル長によって影響を受ける可能性があります。精密なアプリケーションでは、多くの場合、慎重な信号調整が必要です。

デジタル加速度計

デジタル加速度計は、標準化された通信プロトコルを使用して加速度データをデジタル形式で提供します。これにより、ノイズの影響を受けにくくなり、長距離でのデータ伝送が簡素化されます。多くのデジタル加速度計には、内部フィルタリングおよびキャリブレーション機能が含まれています。構造化された出力により、デジタル制御システムとの直接統合に適しています。

加速度計の応用

1. 家庭用電化製品

加速度計は、スマートフォンやウェアラブル機器の動きやデバイスの向きを検出するために使用されます。画面の回転、歩数カウント、モーションベースの機能が可能になります。

2. 自動車システム

車両では、加速度センサーが事故時の急激な速度変化を検出します。これらはエアバッグの作動を助け、安定性や横転制御などの安全システムをサポートします。

3. 産業モニタリング

加速度計は、モーターやポンプなどの機械の振動を測定します。これにより、問題を早期に発見し、予期しないマシンの故障を防ぐことができます。

4. 医療およびヘルスケア機器

加速度計は、フィットネス バンドや医療用ウェアラブルの体の動きを追跡します。転倒検出や患者の活動監視にも使用されます。

5. 航空宇宙と防衛

加速度計は、航空機、ドローン、宇宙船の動きと方向の測定に役立ちます。これらはナビゲーションおよび飛行制御システムにとって重要です。

6. ロボティクスとオートメーション

ロボットでは、加速度センサーが動き、傾き、突然の衝撃を感知します。バランス、制御、安全な操作の向上に役立ちます。

7. 構造および耐震モニタリング

加速度センサーは建物や橋の振動を検出します。地震時の地盤の動きを監視するためにも使用されます。

加速度計 vs ジャイロスコープ vs 傾斜計

仕様	加速度計	ジャイロスコープ	傾斜計
一次測定	リニア 加速度	角度のある 速度	傾斜角
測定数量 単位	メートルあたり 2 乗	度ごと 2番目	学位
一般的な測定 範囲	マイナス16～ プラス 16 メートル/秒の平方	250～2000 度/秒	0 ～ 360 学位
静的測定 能力	はい	いいえ	はい
検出されたモーション タイプ	翻訳 と振動	回転と スピン	傾き と傾斜
感度レベル	低いのに高い 周波数	高いまま高い 回転速度	非常に高い ゆっくりと傾ける
出力信号 種類	アナログまたは デジタル	デジタル	アナログまたは デジタル
共通サンプリング 料金	100～5000 ヘルツ	100～8000 ヘルツ	10～200 ヘルツ
一般的なノイズ 密度	50μg ルートヘルツあたり	0.01度 毎秒/ルートヘルツ	0.001度
時間の経過とともに漂流	低い	なしで高い 修正	非常に低い
重力基準 使用法	重力を利用する ベクトル	使用しません 重力	重力を利用する ベクトル
消費電力	10～300 マイクロワット	1から10まで ミリワット	5～100 ミリワット
共通フォームファクタ	MEMSチップ	MEMSチップ	モジュールまたは センサーパッケージ
アプリケーション	モーション センシングと振動モニタリング	向き 追跡と安定化	レベリングと 傾き監視

結論

加速度計は、プルーフマスの動きを通じて動きを電気信号に変換することによって機能します。さまざまな設計とセンシング技術により、さまざまな条件下で加速度を正確に測定できます。測定軸の数と出力タイプは、モーション データの取得方法と処理方法に影響します。加速度計はその柔軟性と信頼性により、家庭用電化製品、産業システム、車両、医療、航空宇宙アプリケーションで広く使用されています。