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検知/計測/制御関連情報

2013年10月14日

オフセット電圧? 加速度センサ用語説明

加速度センサのカタログに記載されている用語について解説をします。

お客様からいただいた質問をもとに、今回は加速センサのカタログに記載されている用語について解説します。皆さんは加速度センサについてどんなイメージをお持ちでしょうか。今回の解説をぜひ、設計時の情報としてお役立てください。

質問:加速度センサの「オフセット電圧」や「非直線性」など、カタログにある用語の意味がよくわかりません。

回答:静電容量式加速度センサ GS1、GS2で使用されている用語について説明します。

1. 加速度センサの動作原理

はじめに「加速度センサ」自体の動作原理について解説をします。
加速度センサとは名前の通り、加速度(速度の変化)の測定を目的としたセンサのことです。加速度センサにはいろいろな種類があり、振動や傾き、衝撃などの加速度を測定することができます。身近なものとしては、自動車のエアバッグ、スマートフォン、タッチパネルなどに加速度センサが使われています。

加速度センサの方式の一つが、「静電容量式加速度センサ」です。静電容量式加速度センサは、内部のおもりが動くことで生じた電流を検知(測定)します。そのため、ガラスやシリコンなどのおもりを使ったセンサ部と、可動電極(可動する素子としてお考えください)、固定電極(こちらも固定された素子のこととお考えください)から構成されています。加速度が印加されるとセンサ部のおもりが動き、可動電極と固定電極間の静電容量が変化します。この変化を電圧に変換して出力しているのです。

センサの出力電圧は温度変化によって誤差が生じるため、誤差を最小化するために温度補償回路(本来の電気信号に近くなるようにする回路のことです)が組み込まれています。

2. オフセット電圧とフルスケール

次に、用語「オフセット電圧」と「FS(フルスケール)」の説明をしていきたいと思います。図1をご覧ください。

20131014-1

「フルスケール」とは、検知可能な加速度に対して、出力できる全範囲の電圧のことをいいます。図1はGS1、GS2のセンサの検知範囲と出力電圧を表したものです。これを見ると、フルスケールは4.5Vということになります。

そして「オフセット電圧」は、+入力端子と-入力端子が共に0Vのとき、すなわち検知加速度が0gの状態で出力される電圧のことをいいます。たとえば図1からわかるように、GS1、GS2オフセット電圧は約2.5Vです。しかし先ほど述べたように、実際には温度変化などによって電圧には誤差が生じています。

フルスケールに対して誤差がどのくらいの割合なのかという数値は「%FS(パーセントフルスケール)」という単位で表します。たとえば図1のなかで、例として「±5%FS」だと示されていますので、この場合は4.5Vに対して5%=4.5×0.05≒0.2と計算でき、±0.2Vとなります。つまり、出力電圧に0.2Vの誤差が生じる可能性があるということです。
この「%FS」で示される出力電圧の最大ブレ幅の数値が、センサ自体の精度となりますので覚えておいてください。誤差は小さいほど理想的です。

3. 加速度センサの非直線性

次に「非直線性」についての解説をしていきます。図2のように、入力の加速度と出力値の関係(出力特性)は、直線になるのが理想です。

20131014-2

非直線性とは、この理想的な関係と、実際の数値の偏差をいい、±%FSを基準に規定します。ただ、加速度センサの非直線性は極わずかであるので、実際にはさほど気にしなくても問題はないともいわれています。
出力特性は曲線になりますが、+2gと-2gを結ぶ直線出力からの最大誤差を非直線性といいます。この数値が小さいほど直線に近い特性ということになります。

4. ターンオン時間

「ターンオン時間」とは電源投入から素子がON状態になるまでにかかる所要時間のことをいいます。図3は、最終出力の99%に到達するまでの時間をグラフに表したものです。

20131014-3

いかがでしたでしょうか?今回は加速度センサと、使われている用語について解説しました。センサは奥の深い素子ですので、ぜひ今回の用語解説で、理解を深めてください。

今回のキーワード

  • センサ:センサとは物理的な動作や熱的変化などを感知し、その変化を信号へ変えて検知させる装置のことです。
  • 静電容量:静電容量とは絶縁された導体に蓄えられる電気量のことです。単位はF(ファラド)で表されます。静電容量の性質を持つ代表的な素子としては、コンデンサなどがあります。
  • 電極:電極とは素子を動作させるための電気信号を受け取るための接続部分のことです。

谷口

パナソニック株式会社制御機器コールセンター所属。久留米高専電気工学科卒業後、松下電工株式会社(現・パナソニック)へ入社。25年間の制御部品営業を経て現部署へ。 趣味:サイクリング、登山、マラソン、天体観測

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