MEMS加速度センサー 採用事例「IMV株式会社」

採用事例 | Share on Twitter | Share on LinkedIn | Email MEMS加速度センサー 採用事例 IMV株式会社 IoT用途に最適な超低価格の振動ピックアップを開発 高周波に対応したMEMS加速度センサーの採用で実現 シリコン基板の上に非常に微小な機械的な構造物を作り込むMEMS技術。この技術 で製造した加速度センサー「ADXL50」を、アナログ・デバイセズが業界に先駆けて 製品化したのは 1993年のことです。自動車のエアバッグ・システムなどに採用され、 「MEMS加速度センサー」という新しい分野が確立されました。その後も、性能や機 能が異なる製品を市場に投入。これによって用途は、家庭用ゲーム機やプロジェク ター、デジタル・カメラ、スマートフォンなどに広がり、いまや多種多様な電子機器 に搭載されています。 今回、MEMS加速度センサーの採用事例としてご紹介するのは、自動車や産業機械、 川平孝雄 氏 建物などの振動を測定する「振動ピックアップ」です。開発したのは、振動関連機 IMV株式会社　MES事業本部　 計測事業部　開発課/企画開発係　 器メーカーのIMV。従来のMEMS加速度センサーでは、対応可能な周波数が低いとい 係長･技術研究員 う課題があったため、振動ピックアップへの適用は困難でした。そうした中、アナ ログ・デバイセズによって高周波成分まで測定できるMEMSセンサーが開発された ため、それを採用することでIMVは課題の解決に成功しました。いかに解決したのか。 IMVのMES事業本部　計測事業部　開発課/企画開発係で係長･技術研究員を務める川 平孝雄氏に、アナログ・デバイセズのMEMS加速度センサーを採用した理由や、開 発時の課題などについて伺いました。 自動車や産業機器の振動解析に欠かせない －対象となる振動には、どのようなものがありますか？ 振動ピックアップ 振動計測の対象は、大きく2つの分野があります（図2）。1つは、 環境振動です。代表的なものは地震です。さらに、建物や乗物、 －振動ピックアップとは、どのような製品でしょうか？ 人体などの振動も測定対象に含まれています。もう1つは、機 振動ピックアップとは、「振動を検出するセンサー」です。こ 械振動です。発電所や工場設備、動力源（モーターやエンジン） れを自動車や産業機械などに載せると、振動を検出して電気信 などが測定対象です。例えば、自動車であれば、路面の凸凹に 号として出力します（図1）。出力信号を解析すれば、振動の よる振動を再現して、乗員や荷物がどのような影響を受けるか 周波数や振幅、パターンなどを求められます。 を測定します。 図１：振動測定の様子 図2：振動計測の対象 加振器を使って被測定物に振動を与えて、被測定物の振動の様子を測定 analog.com/jp

2 MEMS加速度センサー 採用事例 従来のMEMS加速度センサーでは高周波振動に対 加速度センサーが抱える課題を指摘させていただきました。 応できず その後、2016年11月に製品担当者が再来日し、当社が指 摘した課題を解決した高周波対応のMEMS加速度センサー －従来の振動ピックアップにはMEMS加速度センサーを ADXL100Xシリーズを紹介してもらい、それが2017年5月に 適用できなかったとのことですが、その理由を説明し 「ADXL1001/1002」としてプレスリリースが発表されました てください。 （図3）。こうした流れから、採用を決めました。 振動ピックアップを使って機械設備を診断する「状態監視シス テム（CMS）」は、その対象によって測定する振動周波数が違 います。例えば、アンバランスやミスアライメントなどを測 定するケースであれば、測定対象となる振動周波数は最大で 1kHzです。歯車の異常や装置の共振などを測定するケースは、 1kHz ～8kHz程度が必要になります。軸受の異常などを測定 するケースは、7kHz ～数十kHzと高い振動周波数を測定しな ければなりません。ところが、MEMS加速度センサーは従来 から実用化されていましたが、測定できる振動周波数が最大で も1kHzと低かったのです。 －しかし従来から1kHz以上を測定できる振動ピックアッ プが販売されています。こうした従来品には、どのよ うなセンサー素子を使っていたのですか？ 図３：高周波振動計測に対応したMEMS加速度センサー アナログ・デバイセズの「ADXL1001/1002」。１軸測定に対応。 従来は、ピエゾ（圧電）方式のセンサー素子を使っていました。 100g/50g（gは重力加速度）を11kHzまで測定できる。 これは、圧電セラミックスを円盤状に焼結したもの。このピエ ゾ素子の上に重りを載せて、そこに振動を与えると、重りの振 －ADXL1001/1002の当初の評価は、どのようなものだっ 動によってピエゾ素子が圧縮を受けて歪み、微小な電気信号が たのでしょうか？ 出力される仕組みです。ピエゾ素子を使えば10kHz程度の振 「MEMS加速度センサーの素子としては完璧」というのが最初 動周波数を測定できます。 の印象です。周波数の応答範囲はDC～11kHzまで伸びており、 ピエゾ素子とほぼ同等の振動周波数をカバーできるからです。 －なぜピエゾ素子ではなく、MEMS加速度センサーにこ しかもノイズに関する特性も良好だったので、振動ピックアッ だわるのですか？ プには最適だと判断しました。 測定性能という観点だけで見れば、ピエゾ素子でも問題もあり ません。しかし、ピエゾ素子は価格が高いという問題を抱えて －ADXL1001とADXL1002は、加速度の測定範囲とノイ います。ピエゾ素子の製造は、手作りに近い工程が含まれてい ズ密度が異なります。どちらを採用したのですか？ ますので完全に自動化ができません。人件費が安い地域に製造 今回はADXL1002を採用しました。ADXL1002の加速度の測 を移転させたりするのですが、大量生産をすることが難しく、 定範囲（フルスケール・レンジ）は±50gで、ノイズ密度は このため、低価格化があまり進んでいません。しかも焼結体で 25μg/√Hzです（gは重力加速度）。ちなみに、ADXL1001 あるため取り扱いが難しく、それも価格削減を阻む一因となっ については、加速度の測定範囲が±100gで、ノイズ密度は ていました。現在、ピエゾ素子を採用した振動ピックアップは、 30μg/√Hzとなります。適用する振動ピックアップの仕様に合 高いものであれば20万円近いです。もちろん、自動車や航空 わせて、ADXL1002の採用を決めました。 宇宙機器などの研究開発用途であれば、この価格でも受け入れ てもらえるでしょうが、それ以外の用途では難しい。振動ピッ －こうした高性能のMEMS加速度センサーは、アナログ・ クアップ市場を拡大させる際の障害となっていました。 デバイセズ以外のメーカーから製品化されていないの でしょうか？ 高周波対応のMEMS加速度センサーが実用化される 現時点では、これだけ超低ノイズで高い周波数まで測定できる MEMS加速度センサーを市場に投入しているのは、アナログ・ －アナログ・デバイセズのMEMS加速度センサーを採用 デバイセズだけです。しかもピエゾ素子と比べると、価格はか した理由は何ですか？ なり低い。これだけのMEMS加速度センサーは、ほかにはあ 実は、アナログ・デバイセズとは以前から関係がありました。 りません。アナログ・デバイセズの担当者からは、同社が持つ 2013年7月に米アナログ・デバイセズ社の製品担当者と打ち合わ アナログ回路設計技術と、30年を超えるMEMS設計/製造技術 せを持ち、振動ピックアップという用途から見たときのMEMS を組み合わせることで実現できたと聞いています。

3 MEMS加速度センサー 採用事例 「雑振動」という難題を解決 －どのように対処したのですか？ 雑振動の抑制に取り組みました。そもそもADXL1002の特性 －2017年5月のプレスリリース発表以降は、どのように は、前述のように完璧です。原因は、プリント基板の共振現象 開発作業が進んだのでしょうか？ にありました。そこで当社の振動測定技術と雑振動の抑制技術 アナログ・デバイセズからADXL1002を載せたデモボードの を組み合わせて、雑振動を完全に抑え込みました。この結果、 提供を受けたのは、2018年10月です。これによって、MEMS 計測した振動と印加した振動の比を、8kHzまでほぼ「1」に 加速度センサー採用の振動ピックアップの開発がスタートし することが可能になりました（図6）。完成した振動ピックアッ ました。 プの型式は「VP-8021A」で、外形寸法はピエゾ素子の採用品 よりも一回り小さい直径17mm×長さ30mmです（図7、図8）。 －デモボードとはどのようなものですか？ 100 ADXL1002のほかに、それを動作させるために必要な電子部 100 品をプリント基板に実装した評価用ボードのことです。これ を提供してもらったすぐ後に、振動ピックアップの筐体に収 めて、周波数特性（計測した振動と印加した振動の比）を測 10 10 定してみました（図4）。すると、「雑振動」の発生が確認でき ました（図5）。雑振動とは、振動現象における雑音のことです。 1 1 0.1 0.1 10 100 1000 10000 10 100 1000 10000 振動周波数［Hz］ 振動周波数［Hz］ 図6：対策後の周波数特性 基板の共振などに対して対策を打った後の周波数特性である。 計測振動と印加振動の比は8kHzまで1が得られている。 図4：デモボードを実装した実験システム アナログ・デバイセズから提供されたデモボードを 振動ピックアップに取り付けて実験を行った。 100 100 10 10 1 図7：「VA-80211A」の外観 性能 0.1 共振周波数 18kHz 0＜.1 10 100 1000 10000 10 100 1000 10000 振動周波数［Hz］ 振動周波数範囲 10Hz ～ 8kHz（ ±1dB ) 振動周波数［Hz］ 8kHz～10kHz（ ±3dB ) 図5：開発当初に測定した周波数特性 ※本仕様は開発中のため、予告なく変更 5kHz近辺に雑振動が発生していた。 される可能性があります。 感度 3.85mV/(m/s^2) －雑振動があると、どのような問題が発生するのですか？ 加速度範囲 ＞ 5000m/s^2 理想的な状態は、計測した振動と印加した振動の比が1である 使用温度範囲 - 30～120℃ ことです。印加した振動を、何の影響も与えずに、そのまま測 定していることを意味します。しかし雑振動があると、機械の サイズ Φ17mm × 30mm 振動を測定しているつもりが、実はセンサーの特性を見ている 入出力 IEPE ( ICP ) ことになってしまいます。これでは正確に測定できません。 図8：VA-8021A製品スペック 計測振動と印加振動の比 計測振動と印加振動の比 計測振動と印加振動の比 計測振動と印加振動の比

度センサーや湿度センサーと同じようにさまざまな機器や場 振動計測も IoTへの展開が可能に 所に取り付けられるようになるでしょう。普及が進めば、大 量のデータを取得できるようになるため、AIを使って効果的 －価格はどの程度に抑えられそうですか？ に解析できるようになるはずです。 現時点では、ピエゾ素子を使う振動ピックアップの1/10程度 に低減できると見ています。将来的には、1万円を切ることも －今後の開発目標について教えてください。 可能でしょう。 アナログ・デバイセズのMEMS加速度センサーを採用し、振 動ピックアップのさらなる高周波化を目指す考えです。次な －振動ピックアップの低価格化によって、どのような用 る目標は、10kHzまでフラットな特性を実現すること。この 途や市場を開拓できると考えていますか？ 目標を達成できれば、さらなる用途拡大が期待できます。 IoT市場を開拓できると考えています。5G（第5世代移動通 信システム）が普及すれば、多点計測が可能になるかもしれ －本日はまことにありがとうございました。 ません。すでに温度と湿度の計測については、かなり普及が  2019年7月 進んでいます。温度センサーと湿度センサーは、小型でかつ 低価格だからです。しかも、多くのデータを取得できるため、 その測定結果を人工知能（AI）に入力することで、より高度 IMV株式会社について な解析が可能になるというメリットも得られます。 1957年の設立以来、振動を中心とした環境試験・計測・ 一方、振動計測はこれまでIoT市場に対応できませんでした。 解析の分野で事業を展開。 測定精度が高い製品は、価格が高く、価格が安い製品は精度 MES事業部において、目には見えない振動の計測、コア が低かったからです。このため従来は、測定精度も価格も高 となるセンサーから独自開発することで、地震・機械振動・ い振動ピックアップを、工場内の一部の重要な機械だけにし 人体振動など多彩なアプリケーションに対応した計測・ か取り付けることができませんでした。これでは取得できる 解析システムを提供。 情報量が少ない。AIに入力しても、効果的な解析は期待でき 目的に合わせ振動計測装置・振動監視装置をはじめ、地 ません。 震監視装置やデータ収集解析システムなど幅広いライン ナップでお客様の計測・解析業務を支援している。 －今回の振動ピックアップが普及し始めれば、市場はど のように変化しますか？ IMV株式会社ホームページ 今回開発した振動ピックアップを採用すれば、価格を大幅に VA-8021A製品の詳細とお問合せはこちら 削減できると同時に測定精度も高められます。この結果、温 本　　　　社 〒105-6891 東京都港区海岸1-16-1　ニューピア竹芝サウスタワービル10F 大阪営業所 〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原3-5-36　新大阪トラストタワー10F 名古屋営業所 〒451-6040 愛知県名古屋市西区牛島町6-1　名古屋ルーセントタワー38F ©2019 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本紙記載の商標および登録商標は、 各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possible は アナログ・デバイセズの商標です。 www.analog.com/jp MEMSIMVJP-0-07/19