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【活用事例:IMV株式会社様】MEMS加速度センサーで超低価格の振動ピックアップを開発

事例紹介

高周波に対応したMEMS加速度センサーの採用で実現

高性能のMEMS加速度センサーは他メーカーでは製品化されておらず、ピエゾ素子と比較すると価格がかなり低く、超低価格の振動ピックアップを実現。
さらには「雑振動」という難題も解決し、振動計測もIoTへの展開が可能に。

製品開発の過程なども話していただいています。
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このカタログについて

ドキュメント名 【活用事例:IMV株式会社様】MEMS加速度センサーで超低価格の振動ピックアップを開発
ドキュメント種別 事例紹介
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取り扱い企業 アナログ・デバイセズ株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

このカタログの内容

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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
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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。
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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
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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