代表的なMEMSセンサーとその応用（前編）：福田昭のデバイス通信（240） 2019年度版実装技術ロードマップ（50）（2/2 ページ）

[福田昭，EE Times Japan]

2mm角以下と小さな3軸加速度センサーをMEMS技術で実現

　MEMS技術による加速度センサー（MEMS加速度センサー）は、1990年代に自動車用に商品化された。2000年代に入ると、3軸を同時に計測可能なMEMSの3軸加速度センサーが開発され、据え置き型ビデオゲーム機の動き検出コントローラーに採用されることで大きく普及した。その後は携帯電話端末やスマートフォンなどが、動き検出用にMEMSの3軸加速度センサーを標準搭載するようになった。

　MEMS加速度センサーの代表的な方式は、静電容量の変化を検出する「静電容量検出」方式である。電極を備えた可動部と、電極を備えた固定部で構成する。可動部電極と固定部電極の間には狭いすき間があり、キャパシターを形成する。可動部は重りが梁（ビーム）あるいはバネによって中空に浮いている。静止状態では、重りの左右に取り付けた電極と、固定部の電極の間は等しく、静電容量には差がない。

　ここで外部から加速度が加わると、重りは加速度の方向とは反対の方向に移動する。すると重りの左右で電極間の距離が逆に変化する。例えば左側で距離が短くなるときは、右側で長くなる。このため左右で、静電容量に差が生じる。この容量差を検出することで、加速度を算出する。

静電容量式MEMS加速度センサーの原理。出典：深田ほか、「MEMS技術を応用した微小構造体形成技術−加速度センサへの応用−」、『デンソーテクニカルレビュー』、vol.9, no.2, 2004, pp.125-129。なお、この図面は実装技術ロードマップには掲載されていない（クリックで拡大）

　現在までに商品化されているMEMS加速度センサーの大きさは、3軸タイプで2mm×2mm×1mm前後と極めて小さい。自動車では衝突検知、横滑り検知、車体制御などに使われている。産業用では異常振動検知、揺れ検知、衝撃検知などに利用できる。スマートフォンとビデオゲームでは動き検出に使われている。

手振れ補正や姿勢制御などで威力を発揮するMEMSジャイロ

　MEMS技術によるジャイロセンサー（角速度センサー）の代表的な方式は、振動子を使う「振動」方式である。振動子の振動方向に対して直交する方向にセンサーが回転すると、回転軸と振動方向の両方に対して直交する方向に、力が加わる。この力を「コリオリの力（Coriolis force）」と呼ぶ。この「コリオリの力」を検出することで、角速度（回転角速度）を測定する。

　「コリオリの力」の検出には、加速度センサーと同様の静電容量方式が使われる。ここで重要なのは、振動子に加速度が作用することによる力と、角速度が作用することによる力（コリオリの力）を分離することである。このために振動子を2つ用意し、逆相で振動させる。加速度は2つの振動子に対して同じ方向に働く。これに対してコリオリの力は、2つの振動子に対して正反対の方向に働く。

　そこで検出用可動部を2つ設け、容量変化を差動で検出する。センサーに加わる加速度は同相信号となるので検出しない。差動信号となる角速度（コリオリの力）だけを検出する。

　ジャイロセンサーの用途には、スマートフォンとビデオゲームの動き検出、カメラの手ブレ補正、自動車の横滑り検知や車体制御、航空機や人工衛星、船舶などの姿勢制御、などがある。

航空機や人工衛星、船舶などの姿勢制御に向けた小型の3軸ジャイロセンサーユニット「RMU30」（左。右は従来品の「DMU30」）。大きさは5cm角（体積ではDMU30の45％）。Silicon Sensing Systems（住友精密工業とCollins Aerospaceの合弁企業）が2019年に開発した。出典：住友精密工業の2019年11月19日付ニュースリリース。なお、この図面は実装技術ロードマップには掲載されていない（クリックで拡大）

（後編に続く）

⇒「福田昭のデバイス通信」連載バックナンバー一覧