慣性センサーとアプリケーションとは?

慣性センサーは、多くの最新のデバイスに不可欠なコンポーネントです。これらは、加速度、向き、および角速度を測定するために使用されます。これらは センサ類 航空宇宙、ロボット工学、自動運転車など、正確な位置決めや動きの追跡が必要なアプリケーションで特に役立ちます。技術の進歩により、慣性センサーはより小さく、より正確になり、より手頃な価格になりました。このブログ投稿では、慣性センサー、そのアセンブリ、アプリケーション、および将来の傾向について概説します。

慣性センサーとは？

慣性センサーは、物体の加速度、傾き、振動を検出・測定するセンサーです。 慣性力を測定可能な電気信号に変換する。面白くて便利な能力です。ナビゲーション、オリエンテーション、モーション・キャリア・コントロールの解決に重要である。慣性センサーの部品には、通常、加速度センサーと角速度センサー（ジャイロ）が含まれます。その1軸、2軸、3軸の組み合わせのIMUとAHRSが重要な役割を果たします。

MEMS慣性センサーの微細加工が可能になる。この技術は、単結晶シリコンのセンサー素子を用いて製造するために使用される。ミクロンレベルのセンサーは、システム設計の主要なドライバーのほとんどを満たすことができる。MEMS慣性センサは、マクロな慣性センサと同じ原理を持つ。小さなセンサーセルを使って、数メートルの長さの物体のわずかな変化を検出することができる。このわずかな変化には、物体の位置、向き、加速度などが含まれる。

MEMS慣性センサには、大きく分けて2つのタイプがある。1つは、1軸または複数軸の直線加速度を測定できる加速度センサーです。人がよく使うのは、この加速度センサです。もうひとつは、角運動を測定できるジャイロスコープです。これらは センサ類 は、すべて特定の用途のために人が作ったもののようです。それは、これらの慣性センサーが、さまざまな用途のニーズに応えているからです。

これらのセンサーの帯域幅、分解能、ダイナミックレンジは製品によって異なる。例えば、自動車のエアバッグリリースシステムは、慣性センサーの重要度が非常に高い。最大0.5KHzの帯域幅と500mGを超える分解能が必要です。そのダイナミックレンジはおよそ+/-100G以内でなければならない。他の種類の装置では、これらの範囲に対する要求が異なる。航空機の微小重力計測装置では、0～10Hzの広帯域の慣性センサが必要である。しかし、その分解能は1μG未満の精度で、ダイナミックレンジは+/-1G未満でなければならない。

ここにある ナビゲーション アプリケーション向けの慣性センサー技術に関する PDF.

慣性センサは、あらゆるアプリケーションや機器において非常に重要な位置を占めている。 機器やアプリケーションの大きな制御システムの一部である。物体の加速度や角運動だけを知っても、その情報はあまり役に立ちません。このセンサーから収集された情報は、通常、デバイスの動きを制御するために使用されるからです。もちろん、自動車のエアバッグを開くなど、アクチュエーターを作動させることもある。

慣性センサアセンブリ

加速度センサー

加速度センサーは、加速度計とも呼ばれる慣性センサーの重要な構成要素である。 このセンサーは、1軸または複数軸の加速度測定に対応しています。加速度センサは、機械的なセンサエレメント（標準的なマスブロック）と検出回路で構成されています。一方、検出素子は主に、機械的なサスペンションシステムによって基準フレームに接続されたマスブロックから構成されています。検出質量は、MEMSセンサーの中でも非常に小さな地震質量である。一方、機械的なサスペンションシステムには、高品質のシリコンバネが使用されています。

センサーには、加速度による慣性力が作用している。さて、検出質量は安定した位置から逸脱する。ニュートンの運動の第二法則でよく説明できます。 ラプラス方程式は、加速度に対する質量ブロックのたわみを表すことができます。

X / a = 1 / (s 2 + b / m + s × k / m)

x はマスブロックの変位，a は加速度，s はラプラス演算子，b は減衰係数，m はマスブロックの質量，k はサスペンションシステムの機械的ばね定数である．

センサーの共振周波数は次のように表すことができる。

f n = √￣(k / m)

品質係数式は次のように表される。

Q＝√￣（m×k）／b

センサーの感度（開ループ時）は次のように表される。

S = m / k

上記のアルゴリズムから、ある法則が見えることは明らかである。 感度を上げたり下げたりすることで、アイテムの共振周波数が変化する。 クローズドループシステムでは、このトレードオフを自由に調整することができます。ダンピングファクターは、加速度センサーの最大帯域幅を決定します。MEMS加速度ピックアップの場合、ダンピング係数は一般的に可変です。この係数は、検出された質量の変位に伴って増加します。

すべてのマイクロメカニカル加速度ピックアップで、マスブロックの変位は測定可能です。人は位置測定インターフェースを通してこの変位距離を測定することができます。測定方法は静電容量測定と同じです。マスブロックに取り付けられた可動プレートが、固定された容量電極の間を移動します。加速度センサーの設計では、いくつかの異なるタイプのセンシング機構が適用されます。これらのセンシング方法には、ピエゾ抵抗、圧電、静電容量、光学、トンネル電流などがあります。

加速度ピックアップは、オープンループまたはクローズドループシステムをサポートします。オープンループの加速度ピックアップは、位置測定インターフェースからの電気信号を使用します。そして、加速度ピックアップはその電気信号を出力信号に変換します。オープンループ加速度ピックアップは簡単に構築できるため、ほとんどの人がそれを選択します。オープンループ加速度ピックアップにはデメリットもあり、高い公差で管理しなければなりません。ダンピングファクターは、加速度ピックアップのバネ定数が可変であることに起因します。オープンループ加速度ピックアップの質量変位はまた、非直線性のチェックを必要とします。

クローズドループ加速度ピックアップは、検出された質量が静止位置に戻ることを可能にします。これは、質量によって及ぼされるフィードバック力を追跡することを望むフィードバックシステムに依存しています。このフィードバック力は、クローズドループ加速度センサーの加速度に比例します。フィードバック力は非線形性で相殺され、感度はフィードバック制御によって決まります。また、フィードバック信号は、電気信号コントローラを使用してセンサーのダイナミクスを制御することができます。静電気力、熱力、磁力によって駆動し、テストマスを静止位置に戻すことができる。フィードバック信号をアナログまたはデジタル形式で表示することも可能です。これらの設計はすべて、センサーの複雑さを増している。

加速度センサには多くの種類がありますが、一般的な加速度センサの方式を紹介します。

• 機械式加速度センサー
• 光・表面弾性波加速度センサ
• 流体式加速度センサー
• 粘性フロート式加速度センサー
• 圧力駆動型加速度ピックアップ
• 未加工の流体式加速度センサー

角速度センサー

角速度センサーはジャイロセンサーとも呼ばれ、物体の回転を測定するために設計されています。 MEMSジャイロは、主にコリオリの原理を利用しています。回転系で移動する質量を妨げる力は2つある。この2つの力とは、回転軸に垂直な力と、進行方向の力である。MEMSジャイロスコープは、通常、機械的な機構で構成されている。この機械構造は、コリオリ力によって共振に追い込まれる。同じ構造、あるいは二次的な振動を励起するのである。もちろん、コリオリの力は駆動力より小さい。このように、すべてのMEMSジャイロスコープは、その振動構造にコリオリ力現象を利用している。

内枠のマスブロックに接続された1組のスプリングが振動構造を形成している。内枠と外枠は直交するもう1組のバネで接続されている。内枠と外枠の間には静電容量検出用フィンガーが存在する。この静電容量感応フィンガも直交するバネに沿って接続されている。コリオリ力は、回転する物体の角速度が大きくなると、その角速度に応じて大きくなる。また、回転軸に向かって、あるいは回転軸から離れる方向に追従する。そして、検査質量は内部のバネを介して連続的に正弦波状に駆動されます。共振する検査質量は、システムが回転を受けるとコリオリ力を受けることになります。この力は、内枠と外枠の間にある直交バネによって、質量が受けることになります。この力によって、質量は変化します。この力によって、静電容量式検出指の間隔が変化する。こうして角速度センサーは、関連する電気信号を同時に出力する。この信号はコリオリ力に比例する。

角速度センサーのサブセットによって、精度範囲が異なります。一般的な角速度センサーの種類は以下の通りです。

• ダイナミック・チューンド・ジャイロスコープ（DTG）
• 振動ジャイロセンサ
• 光学式ジャイロスコープ
• 流体式角速度センサー
• レート積分ジャイロスコープ
• 磁気流体式ジャイロスコープ
• 2軸レートセンサ
• ジェット＆ボルテックス・ジャイロスコープ
• マイクロマシン化した流体式角速度センサー

慣性センサーの応用

慣性センサーは、さまざまな産業で利用することができる。以前は、慣性センサは通常、軍事および航空宇宙用途に限られていた。MEMS慣性センサーの急速な発展により、より多くのアプリケーションで利用できるようになってきています。自動車や様々な民生用電子機器の分野で高い人気を誇っています。

自動車業界では自動車のエアバッグやシートベルトに加速度センサーが使われていますね。そしてジャイロスコープは、横転防止装置や自動表示器などの用途に使われています。

コンシューマーエレクトロニクスの分野では、より幅広い用途があります。カメラ、バーチャルリアリティヘッドセット、スマートトイ、ゲーム用キーボードなど、人々はこれを利用することができます。私たちの生活の中で使われているスマートフォンやタブレット端末には、慣性センサーシステムが搭載されています。主に画面の回転やゲームを検出し、ユーザーの現実体験の感覚を高めるために使用されています。

また、ロボットマニピュレータや無人搬送車の位置や姿勢の確認に使用することもサポートします。また、これらのセンサーは医療分野でも活用することができます。医師を助けることができます。 患者を追う 特定の疾病に罹患している患者を監視する。例えば、パーキンソン病の患者をモニターする。高精度な慣性センサーは、主に軍事・航空宇宙用途で使用されます。人々は、スマート軍需品、衝突検出、飛行機/ミサイルの飛行制御でそれを使用することができます。

関連資料: 人間の運動分析のための慣性センサーシステムの使用

慣性センサーの将来動向

慣性センサーの精度は、時代とともに大きく向上してきた。ナビゲーションやガイダンスアプリケーションのサイズ、コスト、精度のニーズに大きく応えてきました。ここ数年で、純粋に機械的なものから、様々な技術を取り入れることができるように進化しました。核磁気共鳴技術や冷原子技術など、さまざまな技術を取り入れることができるようになった。また、多くの物理現象を利用して、対象物に加わるパワーを正確に計算することもできる。しかし、慣性センサーの誤差の性質は、まだ研究しなければならない課題です。近い将来、人々はこの課題を克服すると信じています。

加速度センサと角速度センサは慣性センサの重要な構成要素である。しかし、慣性センサーの技術は、様々な産業における様々な用途をカバーしている。しかし、製品の性質によって、形成される慣性センサー部品の選択は様々である。慣性センサーはどれも同じというわけではないのだ。

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慣性センサーについてよくある質問

1. 慣性センサーとは何ですか? また、どのように機能しますか?

   慣性センサーは、加速度と回転の変化を検出することで動きと向きを測定するデバイスです。それらは、微小電気機械システム (MEMS) を使用して小さな質量の動きの変化を検出することによって機能します。

2. 慣性センサーにはどのような種類があり、どのように使用されますか?

   慣性センサーの主な 2 種類は、加速度の変化を測定する加速度計と、回転の変化を測定するジャイロスコープです。これらは、ナビゲーション、モーション トラッキング、ロボット工学など、さまざまなアプリケーションで使用されています。

3. 慣性センサーは、ナビゲーションおよび測位システムでどのように使用されていますか?

   慣性センサーを GPS やその他の測位システムと共に使用して、より正確で信頼性の高いナビゲーションを提供できます。また、GPS 信号が利用できない屋内測位システムでも使用できます。

4. 慣性センサーは、スポーツやフィットネス アプリケーションにおけるモーション トラッキングと分析をどのように改善しますか?

   慣性センサーは、アスリートやフィットネス愛好家に、速度、加速度、ジャンプの高さなどの動きやパフォーマンスに関するリアルタイム データを提供できます。このデータは、トレーニングを改善し、怪我を防ぐために使用できます。

5. 慣性センサーはロボット工学や自動化でどのように使用されていますか?

   慣性センサーは、ロボット工学や自動化で使用され、ロボットや他の機械の動きや向きに関するフィードバックを提供します。これにより、製造業やその他の産業で精度と精度を向上させることができます。

6. ヘルスケアおよび医療機器における慣性センサーの潜在的なアプリケーションは何ですか?

   慣性センサーは、リハビリテーションや理学療法などで患者の動きや活動を監視および追跡するために、ヘルスケアおよび医療機器で使用できます。また、高齢者の転倒を検出して防止するためにも使用できます。

7. 慣性センサーはどのようにして高齢者の転倒を検出し、防止できるのでしょうか?

   慣性センサーをウェアラブル デバイスで使用して、落下を示す可能性のある加速度と方向の変化を検出できます。この情報は、介護者や救急サービスに警告し、怪我の防止に役立ちます。

8. 監視およびセキュリティ システムで慣性センサーを使用することの倫理的な意味は何ですか?

   監視およびセキュリティ システムで慣性センサーを使用すると、プライバシー、データ セキュリティ、および誤用の可能性に関する倫理的な懸念が生じます。改善された安全性とセキュリティの利点と、個人の権利と自由に対する潜在的なリスクとのバランスを取ることが重要です。