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【2021年版】3軸加速度センサー メーカー4社一覧

3軸加速度センサーのメーカー4社を一覧でご紹介します。まずは使用用途や原理についてご説明します。


目次


3軸加速度センサーとは

3軸加速度センサーとは、X方向、Y方向、Z方向の加速度を測定するセンサーです。

まず、加速度とは、ニュートンの運動の法則(第2法則)で「ある物体が外部からの力Fをうけるとき、その力の方向に、力Fの大きさに比例し、物体の質量mに反比例する加速度aを生じる」と説明されています。数式であらわすと「F=ma」となります。平たくいうと、加速度は「ある一定の時間における速度の変化量」です。

加速度センサーは加速度を測定し信号処理をすることで物体の動き、振動、衝撃を検知することが可能です。
また、重力も測定することができ、重力を計算すると傾きの検出もできます。

加速度センサの種類は、圧電式、ピエゾ抵抗式、静電容量式などがあり用途に応じて選定されます。

3軸加速度センサーの使用用途

3軸加速度センサーは、現在幅広い機器に使用されております。今回は、その一例を示します。

  • 携帯電話:縦横の検出をすることにより画面の向きを変更したり、歩数計のカウントなどに使われています。
  • ゲームコントローラー:コントローラーの動きを検知することに使用されています。
  • 自動車:車の加速・減速や荷重による車体の姿勢を検知し、ABSや電子制御サスペンションなどに活用されています。また、エアバッグの衝突検知にも使われています。
  • ロボット:ロボットの位置や姿勢の制御に活用されています。

3軸加速度センサーの原理

3軸加速度センサーの種類には、主にピエゾ抵抗式、圧電式、静電容量式があります。それぞれの原理について説明します。

  • ピエゾ抵抗式
    ピエゾ抵抗効果とよばれる、ピエゾ抵抗素子に力が加わると抵抗が変化する現象を利用しています。
    センサー素子の可動部と固定部の接合部にピエゾ抵抗素子を配置し、加速度がかかることによって可動部からピエゾ抵抗素子に力が加わり、抵抗値が変化します。この抵抗値の変化から加速度を検出します。
  • 圧電式
    圧電効果とよばれる、圧電性のある物体に力が加わると分極が発生し電圧が生じる現象を利用しています。
    センサー素子の可動部と固定部の接合部に圧電素子を配置し、加速度がかかることによって可動部から圧電素子に力が加わり、電荷が発生します。この電荷の変化から加速度を検出します。
  • 静電容量式
    電極間の静電容量の変化を利用して検出します。
    センサー素子の固定電極と可動電極があり、加速度がかかることによって可動電極が移動し、固定電極との隙間が変化し、電極間の静電容量が変化します。この静電容量の変化から加速度を検出します。

3軸加速度センサーの応用例

3軸加速度センサーはその小ささと比較的応用しやすい技術であることから、人体動作解析分野への応用例が増えてきています。

  • 測定1
    歩行時の膝に加わる3軸加速度を測定
    膝に3軸加速度センサーを装着、歩行時の加速度データを収集します。
  • 測定2
    下肢の左右機能差測定と下肢の易受傷性測定
    3軸加速度センサーを両足の膝関節側面部に取り付けて固定します。不安定板に片足で乗った際の「最大振幅」を測定します。

上記により

  • 結果1
    膝に加わる加速度がわかります。
    3軸加速度センサーで測定すると、膝を中心に上げ下げする運動、前後方向の運動、左右方向運動それぞれで加速度が同時に測定 することができます。
    また、上記の3軸方向の加速度を両足で同時に測定すると、左右の膝で衝撃値がどの程度異なっているのかの比較、 歩行の際の左右のバランス測定なども可能です。
  • 結果2
    歩行周期がわかります。
    歩行時、かかとが地面に接地している間の時間の測定を行うことで、歩行サイクルの算出ができます。
    歩行サイクルを算出することで、歩行周期の平均値・分布なども算出できます。
  • 結果3
    衝撃吸収機能がわかります。
    足を地面に着地させた瞬間から、加速度が0になるまでの時間を測定することで、膝が衝撃をどの程度 吸収できているか測定できます。

3軸加速度センサーを使った歩数計のアルゴリズム

3軸加速度センサーを使った歩数計の歩数を認識するアルゴリズムは以下のような算出例があります。
X,Y,Z軸をそれぞれの値を参照してしまうと、センサーがどの方向を向いているかに依存してしまうため、歩数検出では3軸を合成した 3 軸合成値のみを採用します。

歩行時の 3 軸合成値とXYZ軸の値を算出します。センサーを前後左右斜めいずれかに動かした場合は、初期移動のときに3軸合成値が1Gから外れる値になります。3軸の合成値が1Gから外れるタイミングを歩数として認識処理を行ないます。

人によって歩き方は異なりますが、基本的に3軸合成値が1Gより低くなりその後1Gより高くなります。その周期をカウントすることで、ゆっくり歩く場合も、走る場合も歩数検出は可能です。

参考文献
https://www.marubun.co.jp/product/component/a7ijkd000000ip73.html
https://www.analog.com/media/jp/technical-documentation/application-notes/ANJ-0005_jp.pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sicejl1962/42/1/42_1_48/_pdf
https://www.keyence.co.jp/ss/products/recorder/lab/acceleration/measurement.jsp
http://www.microstone.co.jp/applled/application-examples-technical05
https://www.hdk.co.jp/pdf/AP_Note/anhaam04_v1.01.pdf

3軸加速度センサーのメーカー情報

3軸加速度センサーのメーカー4社一覧


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社員数の規模

  1. 1 ifm efector株式会社
  2. 2 株式会社富士セラミックス
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