加速度センサ
加速度センサは物体に生じる加速度を検出して電気信号へ変換する計測デバイスである。機械の状態監視、構造物の振動評価、車両の安全制御、スマートフォンの姿勢検出など用途は広い。原理は慣性質量とバネ・ダンパ系に基づくモデルで説明でき、質量に働く慣性力を歪みや容量変化、電荷として取得する。単位はm/s^2やgを用い、1gは重力加速度である。1軸・2軸・3軸があり、低周波の姿勢計測から高周波の衝撃・振動測定まで、方式により得意帯域が異なる。代表的な方式には容量式、ピエゾ抵抗式、圧電式、力平衡式がある。
動作原理
加速度aが加わると、内部の慣性質量mにF=maの慣性力が生じ、支持構造に変位xや応力が発生する。これを電気量へ変換して出力するのが加速度センサの基本である。質点-バネ-ダンパ系として、固有振動数と減衰比が周波数応答を規定する。低周波まで測れるDC対応型（容量式・ピエゾ抵抗式・力平衡式）と、AC成分に特化した圧電式がある。重力1gを基準とする傾き検出はDC対応型が適する。
方式の種類
- 容量式（MEMS）：可動電極と固定電極の距離変化を検出する。低ノイズでDC〜低周波に強く、スマートデバイスや傾斜計に広く用いられる。
- ピエゾ抵抗式：応力で抵抗値が変化する素子をブリッジ化。DC計測が可能で感度が高いが、温度ドリフト対策が重要である。
- 圧電式：結晶に力が加わると電荷が発生する。原理上DCは測れず、振動・衝撃などAC測定に強い。高温・広帯域用途で定番である。
- 力平衡式（サーボ）：慣性質量の変位を電磁力で打ち消し、そのフィードバック電流を出力とする。直線性・安定性に優れ、地震計や精密計測に用いられる。
主要仕様と読み方
- レンジ：±2g、±16g、±200g、±2000gなど。対象現象の最大加速度に合わせる。
- 感度：mV/g、pC/g、LSB/g。必要分解能と計測系のダイナミックレンジで決める。
- ノイズ密度：μg/√Hz。低周波の姿勢計測や微小振動では最重要指標である。
- 帯域幅・共振周波数：有効帯域は共振の1/3〜1/5以下を目安に設定する。
- 直線性・横感度（クロスアクシス）：非対象軸に対する感度は小さいほどよい。
- 温度範囲・ゼロ点安定性：環境条件に応じて温度特性を確認する。
- 耐衝撃：取付時や落下時の破損回避に関わる。
校正とトレーサビリティ
加速度センサの校正は、1g重力反転法（天地反転で±1gを与える）、加振台による正弦校正、衝撃校正などが一般的である。一次標準はレーザ干渉計を用いる方法が確立しており、感度・位相・周波数応答を規格に則り評価する。ゼロ点校正、スケールファクタ調整、温度補償係数の更新を合わせて行うと信頼性が高まる。
設置と取り付け
- 取付剛性：薄い板や柔らかい接着では共振・位相遅れを生む。金属ベースへ確実に固定する。
- 質量負荷：センサや治具の質量が対象構造の振動特性を変化させるため、軽量化や位置配慮が必要。
- アライメント：測定軸を振動方向へ正確に合わせる。直交誤差は横感度の原因となる。
- 配線：ケーブルの弛みやマイクロフォニクスを避け、シールド・グランドの取り方に注意する。
信号処理と解析
- 前置増幅：圧電式はIEPE/ICPまたはチャージアンプ、MEMSは電圧/電流出力やI2C/SPIなど。
- フィルタ：アンチエイリアシングのローパス、オフセット除去のハイパスを適切に設定する。
- 積分・微分：加速度→速度→変位の演算はドリフト・ノイズ管理が鍵である。
- 周波数解析：FFT、1/3オクターブ、エンベロープ解析で異常診断や共振の同定を行う。
誤差要因と対策
- 温度ドリフト：補償テーブルや温調で低減する。
- 非直線性・ヒステリシス：力平衡式や適正レンジの採用で改善する。
- 取付共振：厚座金や高剛性マウント、薄い接着層で回避する。
- 電気ノイズ：ケーブル短縮、差動計測、適切な接地で対策する。
- クロスアクシス：配置最適化とキャリブレーションで抑える。
選定のポイント
- 対象現象のレンジ・帯域・温度に照らして方式を選ぶ。微小・低周波は容量式/力平衡式、高温・広帯域は圧電式が有利である。
- 実装条件：サイズ、質量、取付方式、コネクタ形状、ケーブル取り回し。
- インターフェース：アナログ出力、I2C/SPIなどシステム側との整合性。
- 多軸化・IMU統合：ジャイロや磁気センサとの融合で姿勢推定精度が向上する。
応用例
- 機械設備の状態監視・予知保全：ベアリング故障や不釣合い・ミスアライメントの診断。
- 自動車：エアバッグ作動、ESC、乗り心地評価（NVH）、ロードノイズ解析。
- 土木・建築：構造ヘルスモニタリング、地震応答の計測、制振効果の検証。
- 民生・物流：スマートフォンの画面回転、転倒検知、衝撃ロガー。
- ロボティクス・ドローン：姿勢制御、SLAMの補助、振動アイソレーション設計。
用語と単位の補足
- g：9.80665 m/s^2。
- ノイズ密度：μg/√Hzで表す。
- IEPE/ICP：定電流駆動の圧電式インターフェース。
- クロスアクシス感度：主軸以外の軸に対する感度（%）。