加速度センサー

2025年10月29日

加速度センサー

英語表記: Accelerometer

概要

加速度センサーは、組み込み機器（IoTデバイスやマイコン）が自身の物理的な動き、すなわち速度の変化（加速度）、傾き、または振動を検知し、電気信号に変換するセンサー技術です。このセンサーは、デバイスがどの方向に、どれだけの速さで動いているかをリアルタイムで把握するために不可欠であり、組み込み機器が外部環境を認識するための「平衡感覚」の役割を担っています。特に、小型で低消費電力のものが主流となっており、現代のセンサー技術において非常に重要な位置を占めているのです。

詳細解説

加速度センサーは、私たちが扱う組み込み機器（IoTデバイス, マイコン）において、最も基本的かつ重要な「センサーとアクチュエータ」の技術の一つです。その主な目的は、デバイスがどのような状況にあるかを正確に把握し、その後の処理（アクチュエータの動作やマイコンの制御）に役立てることです。

動作原理と主要部品

加速度センサーの動作原理は、物理学における「慣性の法則」に基づいています。

センサーの内部には、非常に小さな可動式の重り（マス）が配置されています。デバイス全体が動いたとき、この重りは慣性によって元の位置に留まろうとするため、相対的にズレが生じます。このズレの大きさが加速度に比例します。

現代の組み込み機器に使われている加速度センサーのほとんどは、「MEMS（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）」技術を用いて製造されています。これは、半導体製造技術を応用して、機械的な構造（マスやバネ）をシリコンチップ上に超小型で集積する技術です。このMEMS技術のおかげで、スマートフォンやウェアラブルデバイスのような小さな機器にも高性能なセンサーを搭載することが可能になりました。

マスがズレた際、そのズレを検出する方法として、主に以下の二つが用いられます。

静電容量方式: マスの動きによって電極間の距離が変わり、静電容量（電気を蓄える能力）が変化するのを検出します。この方式は非常に高精度で、低消費電力であるため、IoTデバイスで広く採用されています。
ピエゾ抵抗方式（圧電効果）: マスに接続された抵抗体が、力が加わることで変形し、抵抗値が変化するのを検出します。

軸数と重力検出

加速度センサーは、通常、X軸、Y軸、Z軸の3方向の加速度を同時に測定できる「3軸センサー」として組み込まれます。これにより、立体的な動きや傾きを完全に把握できます。

ここで重要なのは、加速度センサーは「運動による加速度」だけでなく、「重力加速度（地球が物体を引きつける力）」も常に検出しているという点です。デバイスが完全に静止している状態でも、下向きに9.8 m/s²（1G）の加速度を検出しています。この重力方向の変化を利用して、デバイスの「傾き」や「姿勢」を正確に計測できるのです。この機能は、組み込み機器が環境に適応するために非常に重要であり、センサー技術の柔軟性を示しています。

このように小型で高機能なセンサー技術が組み込み機器に組み込まれることで、IoTデバイスはより賢く、自律的な判断を下せるようになります。これは、私たちが目指すスマートな社会の実現に不可欠なステップだと言えるでしょう。

具体例・活用シーン

加速度センサーは、私たちの身の回りにある多くの組み込み機器やIoTデバイスに搭載されており、その活用範囲は非常に広いです。

活用シーンの具体例

スマートフォンの画面回転: スマートフォンを縦向きから横向きに変えると、画面が自動的に回転します。これは、加速度センサーが重力方向の変化（傾き）を検知し、マイコンに信号を送っているためです。
ゲームコントローラーのモーション操作: Nintendo Switchなどのゲーム機では、コントローラーを振ったり傾けたりすることでゲーム内の操作が可能です。これは、ユーザーの手の動きの加速度を正確に測定しているからです。
ウェアラブルデバイス（活動量計）: スマートウォッチやフィットネストラッカーが歩数や運動量を計測できるのは、加速度センサーが身体の振動やリズムを捉えているためです。
ドローンの姿勢制御: ドローンが空中で安定した飛行を維持するためには、機体が常に水平を保っているかを知る必要があります。加速度センサーは、機体の傾きをリアルタイムで検知し、姿勢制御システム（アクチュエータ）にフィードバックを送る重要な役割を果たします。
産業機器の予知保全: 工場内のモーターやポンプなどの機器にIoTセンサーとして加速度センサーを組み込み、普段とは異なる微細な振動を継続的に監視することで、故障が発生する前に異常を検知（予知保全）することが可能になります。

理解を助けるアナロジー（バスの乗客）

加速度センサーの動作を理解するための良い比喩として、「バスに乗っている乗客」を想像してみてください。

あなたはバスの乗客（これがセンサー内部の「マス」です）です。バス（これがIoTデバイス本体です）が急発進すると、乗客であるあなたは慣性の法則によって後ろにのけぞります。逆にバスが急ブレーキをかけると、あなたは前に押し出されます。

加速度センサーは、この「乗客が前後に押し出される力（見かけの力）」を測定しています。

デバイスが静止しているときでも、乗客であるあなたは座席に対して常に下向きに押し付けられています。これが重力加速度です。デバイスが傾くと、この押し付けられる方向が相対的に変わります。加速度センサーは、この「乗客の押し付けられる方向と強さ」を測定することで、デバイスの動きや姿勢を正確に把握しているのです。このアナログを考えると、加速度センサーが動きだけでなく、静止時の傾きも検出できる理由が理解しやすいのではないでしょうか。

資格試験向けチェックポイント

加速度センサーは、IT Passportから応用情報技術者試験まで、IoTや組み込みシステム関連の問題で頻出するテーマです。特に、その原理と関連技術の区別が問われます。

定義と計測対象: 加速度センサーは「速度の変化」や「傾き（重力加速度）」を計測するものであり、運動の方向や強さをデジタルデータに変換する役割を持つことを確実に理解しておきましょう。
MEMS技術: 組み込み機器の小型化、低消費電力化に貢献している主要技術として「MEMS」が挙げられます。加速度センサーがこの技術によって小型化されている点は、知識として重要です。
ジャイロセンサーとの区別: 加速度センサーが「直線的な動きや傾き」を計測するのに対し、「ジャイロセンサー（角速度センサー）」は「回転の速さ」を計測します。この二つはセットで使われることが多いため、試験では両者の違いを問う問題が頻出します。
応用分野: IoT、ウェアラブル、ドローン制御、ナビゲーションシステムなど、具体的な応用例と紐づけて覚えることで、応用問題への対応力が向上します。
傾き検出の原理: 静止時でも重力加速度（1G）を検出しているため、その方向の変化によってデバイスの傾きを測定できる、という原理は応用レベルの試験で問われるポイントです。