加速度計：固有加速度と運動を測定するセンサー

動作原理と主な構成要素

加速度計は基本的に、試験質量（プルーフマス）に加わる力を検出する。この質量は構造体に吊り下げられる、または取り付けられており、加速度が生じると質量が変位するか、測定可能な効果を発生させる。変換方式ごとに、この機械的効果を電気的出力へ変える方法は異なる。一般的な要素には、プルーフマス、ばねまたはたわみ部、検出用電子回路、ならびに耐環境性や取り付け方法を左右するパッケージがある。

代表的な種類と技術

• 静電容量型：質量の移動に伴う静電容量の変化を測定する。民生用電子機器向けのMEMSデバイスで広く用いられる。
• 圧電型：応力を受けると電圧を生じる材料を利用する。動的な加速度および振動の測定に適する。
• ピエゾ抵抗型：ひずみによって抵抗素子の値が変化する方式で、一部の産業用センサーに使用される。
• 熱型・光学型：より一般的ではないが、別のトレードオフが求められる用途で使われる。
• MEMS：微小電気機械システムは、小型、低コスト、デジタルインターフェースを兼ね備える。携帯端末およびウェアラブル機器の市場で主流となっている。

性能特性

加速度計が用途に適するかを決める主な仕様には、レンジ（測定可能な最大加速度。しばしばgまたはm/s²で表す）、感度（単位加速度当たりの出力）、帯域幅（信頼性をもって応答する周波数範囲）、分解能（検出可能な最小変化）、ノイズ、バイアスとドリフト、軸間感度が含まれる。設計者は用途に応じてこれらの特性を両立させる。たとえば地震計では低ノイズと低周波応答が重視される一方、エアバッグ用センサーでは広いレンジと高速応答が重要となる。

歴史と発展

運動を検出する機械的方法は電子技術より古く、初期の慣性計器では振り子や質量ばね系が使われた。20世紀には圧電加速度計や堅牢な産業用センサーが登場した。20世紀後半から21世紀初頭にかけては、MEMS製造技術によって小型化が加速し、携帯電話、ゲームコントローラー、フィットネストラッカーなどの民生機器に、低コストかつ低消費電力の加速度計を搭載できるようになった。

用途と例

加速度計は、さまざまな産業と製品で用いられている。

• 航空機、ミサイル、宇宙船の慣性航法システム。ジャイロスコープと組み合わせ、短時間の運動検出を担う。
• 回転機械の振動監視と予知保全。
• スマートフォン、タブレット、カメラにおける姿勢検出。画面を正しく回転させ、傾きに応じてユーザーインターフェースを応答させる。
• 落下検出、およびエアバッグなどの自動車安全システムの作動。
• ドローンの飛行制御の安定化、ならびにカメラやジンバル用スタビライザー。
• 重力勾配の測定などの科学的用途。協調動作する加速度計は、一定の間隔を隔てた位置での固有加速度の微小な差を検出でき、重力勾配計測や局所的な密度変動の研究を可能にする。重力勾配および重力場を参照。

区別と実用上の注意点

加速度計は、重力場だけを単独で直接測定するものではない。重力による寄与と慣性による寄与の双方を含む、総合的な固有加速度を測定する。自由落下中では、理想的な加速度計の指示値はゼロとなる。実用的なシステムでは、姿勢、回転、速度の影響を分離するため、加速度計のデータをジャイロスコープ、磁力計、GPSと融合することが多い。センサー方式の選択は、必要な精度、帯域幅、サイズ、消費電力、コストに依存する。

加速度計は広く普及しており、携帯電話に組み込まれる微小なMEMSセンサーから実験室グレードの装置まで、多様な性能等級が存在する。そのため、この用語は幅広い性能と設計上のトレードオフを含む。加速度計を選定する場合や、そのデータを解釈する場合には、意図する用途と主要仕様を理解することが重要である。