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加速度センサ
(かそくどせんさ)
加速度センサ
加速度センサとは、物体の速度が時間とともにどの程度変化したかを検出するセンサです。静止状態から動き始めた、移動速度が速くなった、減速した、向きが変わったといった運動の変化を、電気信号として取得します。
検出する方向によって、1方向の変化を測る1軸、互いに直交するX・Y方向を測る2軸、X・Y・Z方向を測る3軸の加速度センサがあります。3軸加速度センサでは、前後・左右・上下の動きを同時に把握できるため、姿勢判定、振動検出、活動量の把握などに利用されます。
加速度とは
加速度は、単位時間当たりの速度の変化を表す物理量です。速度をv、時間をtとすると、平均加速度aは次の式で表されます。
a＝Δv／Δt
ここで、Δvは一定時間内の速度変化、Δtはその変化に要した時間です。単位にはm/s2が使用されます。
例えば、静止していた物体が2秒間で速度10m/sになった場合、平均加速度は次のようになります。
a＝（10－0）／2＝5m/s2
速度の変化には大きさだけでなく方向も含まれます。そのため、一定の速さで円を描いて移動している場合も、進行方向が変化しているため加速度が発生しています。
加速度センサの仕組み
加速度センサの内部には、外力によってわずかに変位する質量体が設けられています。センサ本体が動くと、質量体には慣性による力が加わります。この変位や力を電気的に検出し、加速度へ換算します。
小型機器へ組み込まれる加速度センサには、半導体製造技術を利用したMEMS方式が広く用いられています。MEMS加速度センサでは、微細な質量体と固定電極の間の静電容量変化などから加速度を測定します。
センサからは、各軸の加速度に応じたアナログ信号やデジタルデータが出力されます。マイコンで一定周期ごとに読み取り、フィルター処理、しきい値判定、ベクトル演算などを行って、動作や状態を判定します。
1軸・2軸・3軸の違い
1軸加速度センサ
一方向の加速度を検出します。機械の特定方向の振動、上下動、衝撃など、測定方向が明確な用途に適しています。
2軸加速度センサ
X・Yなど、直交する2方向の加速度を個別に検出します。平面上での動きや傾きを把握したい場合に使用されます。
3軸加速度センサ
X・Y・Zの3方向を同時に検出します。空間内の動き、姿勢、転倒、歩行、振動などを多方向から把握できます。動きを検出するセンサとして、モーションセンサの構成要素にもなります。
重力加速度と姿勢検出
加速度センサは、物体の動きによる加速度だけでなく、重力による加速度も検出します。地表付近の重力加速度は、おおよそ9.8m/s2で、一般に1Gとも表されます。
静止している3軸加速度センサでは、重力方向に応じて各軸の出力が変化します。例えば、ある1軸が重力方向と一致していれば、その軸にはおおむね1Gが検出され、重力と直交する軸はおおむね0Gとなります。
X・Y・Z各軸の加速度をax、ay、azとすると、3軸を合成した加速度の大きさAは次の式で求められます。
A＝√（ax2＋ay2＋az2）
静止状態では、この合成値がおおむね1Gとなります。各軸の比率からセンサの傾きを推定できるため、機器の姿勢判定や転倒検出に利用できます。
ただし、物体が動いている最中は、重力加速度と運動による加速度が合成されます。そのため、動作中の姿勢を正確に求める場合は、ジャイロセンサなどと組み合わせることがあります。
主な用途
- 機器や装置の傾き・姿勢の検出
- 歩行、体動、活動量の計測
- 転倒や落下、衝撃の検出
- 機械設備の振動監視
- 操作機器の向きや動作の判定
- 介護支援機器や見守り機器における状態検出
一定周期で各軸の加速度を取得し、その変化量や合成値を記録することで、動いている時間、動きの強さ、姿勢の変化などを分析できます。これらは活動量を算出するための基礎データとして利用されます。
活動量・動作判定の方法
活動量を求める場合は、単に加速度の瞬間値を見るだけでなく、一定時間内の変化を継続的に記録します。静止時に含まれる重力成分を除き、動作によって生じた加速度の変化を抽出する方法もあります。
例えば、合成加速度が設定したしきい値を超えた回数や、一定時間内の変動量を積算することで、動きの大きさを数値化します。ただし、しきい値や演算方法によって結果が変わるため、対象となる動作や使用者に合わせた調整が必要です。
転倒検出では、急激な加速度変化だけでなく、衝撃後の姿勢や一定時間の静止状態など、複数条件を組み合わせて判定します。衝撃だけで判断すると、機器を置いた動作や日常的な激しい動きを誤って転倒と判定する可能性があります。
設計・計測上のポイント
測定レンジの選定
加速度センサには、測定できる最大加速度の範囲があります。小さな体動を測る場合と、大きな衝撃を測る場合では適したレンジが異なります。
レンジが狭いほど小さな変化を捉えやすい傾向がありますが、範囲を超える衝撃では正しく測定できません。想定する動作と最大衝撃の両方を確認して選定します。
サンプリング周期
加速度データを読み取る間隔が長すぎると、短時間の衝撃や振動を捉えられない場合があります。一方、必要以上に高速で取得すると、処理するデータ量や消費電力が増えます。
歩行、姿勢、機械振動など、検出対象の変化速度に合わせてサンプリング周期を決定します。
ノイズとフィルター処理
加速度センサの出力には、電気的ノイズ、細かな振動、取付部の揺れなどが含まれます。移動平均やローパスフィルターなどを使用して不要な変動を抑えます。
ただし、フィルターを強くしすぎると、検出したい急激な動作まで小さくなったり、判定が遅れたりするため、用途に応じた調整が必要です。
取付方向と固定方法
センサのX・Y・Z軸が、測定対象のどの方向に対応するかを明確にします。取付方向が異なると各軸の意味が変わるため、機器内の取付姿勢とソフトウェア上の軸定義を一致させます。
センサ基板が十分に固定されていないと、基板自体の揺れが測定結果へ加わる場合があります。測定対象の動きを正しく伝えられる構造とすることが重要です。
温度と個体差の補正
加速度センサには、静止状態でも出力が完全に0にならないオフセット誤差があります。また、温度変化やセンサの個体差によって測定値が変化する場合があります。
必要な精度に応じて、静止状態でのゼロ点補正、軸ごとの感度補正、温度補正などを行います。
ジャイロセンサとの違い
加速度センサは、直線方向の速度変化や重力方向を検出します。静止時には重力を利用して傾きを推定できますが、動作中は運動加速度の影響を受けます。
ジャイロセンサは、物体が回転する速さである角速度を検出します。回転や姿勢変化を追跡する用途に適していますが、時間の経過とともに誤差が積み重なる場合があります。
両方のセンサを組み合わせ、それぞれの特性を補うことで、動作中の姿勢や移動状態をより安定して推定できます。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、加速度センサを利用した介護支援機器や見守り機器の研究・開発に取り組んでいます。
3軸加速度データの取得、各軸と合成値の演算、姿勢や動作の判定、記録、通信などを、マイコンと組み込みソフトウェアによって処理します。
使用環境や検出したい動作に応じて、測定レンジ、サンプリング周期、しきい値、フィルター条件などを検討し、センサを単に搭載するだけでなく、取得したデータを製品機能へ結び付けるための制御・演算方法を設計します。
よくある質問
Q. 加速度センサで速度を直接測定できますか？
A. 加速度センサが直接測定するのは速度の変化です。加速度を時間積分すれば速度を推定できますが、わずかな測定誤差も積み重なるため、長時間の正確な速度計測には補正が必要です。
Q. 静止していても加速度が表示されるのはなぜですか？
A. 加速度センサは重力加速度も検出するためです。静止状態でも、重力方向の軸にはおおむね1Gが検出されます。
Q. 加速度センサだけで転倒を判定できますか？
A. 急激な加速度変化や姿勢の変化から判定できますが、誤判定を抑えるには、衝撃後の姿勢や静止時間など複数の条件を組み合わせる必要があります。
Q. 1軸と3軸はどのように使い分けますか？
A. 検出方向が一定であれば1軸でも対応できます。向きが変化する機器や、人の動作・姿勢を検出する場合は、3方向を同時に測定できる3軸が適しています。
Q. ジャイロセンサと組み合わせる理由は何ですか？
A. 加速度センサは重力方向の推定に適し、ジャイロセンサは回転変化の検出に適しています。両者を組み合わせることで、動作中の姿勢をより安定して推定できます。
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