加速度センサの仕組みと使い方

Wikipediaを見れば仕組み自体は載っていますので、こちらは簡単に。

加速度計には、

• 機械的変位測定方式
• 振動を用いる方式
• 光学的方式
• 半導体方式

の４つがあるそうで、
　機械的変位測定方式は目に見える所で行けば、時々ニュースとかで見るアナログの地震計みたいなやつですね。基本的に大きいのでまずロボットには使われないでしょう。
　振動を用いる方法は弦の張力変化によってバネの周波数特性が変わることを応用しているようで、多分これもロボットには使われないと思います。
　光学的方式は加速度変化による物理変化を光学的な変化に変換する方法で、光ファイバなどでの信号伝達が可能であることから、電磁ノイズが過酷な環境での使用が考えられるかと思いますが、これもロボットでの使用は今のところ聞いたことはありません。

 半導体方式ですが、大きく分けて三種類あるそうです。静電容量型とピエゾ素子型は、センサの中に小型の錘を搭載し、それの動きを電気信号に変換します。静電容量型ではキャパシタの電気容量変化として、ピエゾ素子型では梁部分の電気抵抗変化として測定しています。非常に小型でしかも共振周波数を高く作れるので高周波数領域まで計測することが出来ます。スマホやロボットに使われているものはほとんどがこれです。最後にガス温度分布型は、空洞部中央で暖められ、軽くなっ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、電気回路によって増幅・計測する方法で、安価に作成することができるそうですが、検出対象と周囲の空気の密度差が他の方法より小さいことから、計測周波数を上げることが難しく数10Hzまでのようです。

　ロボットなどの歩行制御などをさせる上では少なくともセンサ特性上は100Hz以上の計測周波数が求められるので 静電容量やピエゾを選定することが必要でしょう。


　さて、加速度センサを使う上での注意点ですが、方式によって異なります。まず、静電容量式ですが、このセンサはキャパシタの静電容量が周囲の温度変化から受ける影響は極々僅かですから、温度変化による影響を受けづらい構造です。但し、構造は複雑であるため、外部からの衝撃などにより壊れる可能性に注意する必要があります。また内部での電気的な制御が比較的複雑になることにも注意が必要です。
　ピエゾ素子型のセンサは、構造や制御方式は静電容量方式に比べて簡素化出来ますが、電気抵抗は温度変化によって変化してしまうので周囲の温度変化に注意が必要です。特に、プロセッサなどの近くに配置する場合は、誤差を受けてしまう可能性が考えられます。
　温度分布型は方式からも分かるように温度特性は高くありません。

　全体的に言えることは、いずれにしても周囲からの応力、また基板へ組み付け時の歪みによってゼロ値が狂う可能性があるということです。これに対して、起動段階で動作が既知の段階でキャリブレーションをかけると言うことが一番簡単な解決方法と言えます。ただ、このゼロ値も起動後に与えられる荷重や温度変化によりドリフトする可能性がありますので、注意が必要です。

　また、静電容量式・ピエゾ素子式いずれにしても内部構造を精密に作ることによりセンサ感度を上げることが出来ますから、良い信号を得るためには高いセンサを購入することもひとつの手と言えます。