加速度計

加速度計は、物体の固有加速度を測定する装置である。 ^[1]固有加速度とは、自由落下している（つまり、慣性系）観測者に対する物体の加速度（速度の変化率）である。 ^[2]固有加速度は、加速している場合もそうでない場合もある、与えられた座標系に対する加速度である座標加速度とは異なる。例えば、地球の表面で静止している加速度計は、地球の重力による真上方向の加速度^[3]を約g ≈ 9.81 m/s ^{2として測定する。対照的に、}自由落下中の加速度計は加速度をゼロとして測定する。

加速度計は、産業、消費者製品、科学の分野で多くの用途があります。高感度の加速度計は、航空機やミサイルの慣性航法システムに使用されています。無人航空機では、加速度計は飛行の安定化に役立ちます。マイクロマシン化された微小電気機械システム(MEMS) 加速度計は、スマートフォン、カメラ、ビデオゲーム コントローラーなどの携帯型電子機器で、これらの機器の動きや方向を検出するために使用されます。産業機械の振動は加速度計によって監視されます。地震計は、地震などの地面の動きを監視するための高感度の加速度計です。

2 台以上の加速度計を相互に連携させると、空間内でのそれらの距離に応じて、特に重力などの固有加速度の差、つまり重力場の勾配を測定できます。絶対重力は弱い効果であり、非常に変化する地球の局所的な密度に依存するため、 重力勾配測定法は有用です。

単軸加速度計は、指定された軸に沿った加速度を測定します。多軸加速度計は、適切な加速度の大きさと方向の両方をベクトル量として検出し、通常は異なる軸に沿って配置された複数の単軸加速度計として実装されます。

加速度計は固有加速度 を測定します。固有加速度とは、自由落下に対して加速度が受ける加速度であり、人や物体が感じる加速度です。^[2]言い換えれば、時空のどの点でも等価原理によって局所慣性系の存在が保証され、加速度計はその系に対する加速度を測定します。^[4]このような加速度は一般にg 力、つまり標準重力との比較で表されます。

地球の表面に対して静止している加速度計は、約 1 g の上向きの力を示します。これは、地球の表面が、局所的な慣性フレーム (表面近くで自由落下する物体のフレーム) に対して上向きの法線力を及ぼすためです。地球に対する運動による加速度を取得するには、この「重力オフセット」を差し引いて、慣性フレームに対する地球の自転によって生じる影響を補正する必要があります。

重力オフセットが発生する理由は、アインシュタインの等価原理^[5]によるもので、物体に対する重力の影響は加速度と区別できないとしています。たとえば、地面反力または同等の上向きの推力を適用して重力場内に固定されている場合、加速度計の基準フレーム（ケース自体）は自由落下する基準フレームに対して上向きに加速します。この加速の影響は、機器が経験する他の加速度と区別がつかないため、加速度計は、発射台の上のロケットに乗っているときと、同じロケットがエンジンを使用して1gで加速している深宇宙にいるときの違いを検出できません。同様の理由で、加速度計はあらゆる種類の自由落下中にゼロを示します。これには、質量から遠く離れた深宇宙を惰性で航行する宇宙船、地球を周回する宇宙船、放物線状の「無重力」弧を描いて飛ぶ飛行機、真空中での自由落下などが含まれます。別の例としては、大気の影響を無視できるほどの高度での自由落下があります。

ただし、これには、空気抵抗によって抗力が生じ、一定の終端速度に達するまで加速度が減少する (非自由) 落下は含まれません。終端速度では、加速度計は上向きに 1 g の加速度を示します。同じ理由で、スカイダイバーは終端速度に達したときに、「自由落下」しているようには感じず、むしろ上昇する空気の「ベッド」の上で (1 g で) 支えられているような感覚を経験します。

加速度は、 SI単位のメートル毎秒毎秒（m/s ²）、CGS単位のガロン（Gal）、または一般的には標準重力（g ）で定量化されます。

慣性航法システムで使用する場合など、地球に対する物体の加速度を求める実用的な目的のためには、局所的な重力に関する知識が必要です。これは、静止状態の装置を較正するか、 ^[6]おおよその現在の位置における既知の重力モデルから 得ることができます。

基本的な機械式加速度計は、バネ上の減衰 質量です。加速度計が加速を受けると、ニュートンの第 3 法則により、バネの圧縮が調整され、加速度に対抗するために質量に同等の力が加わります。バネの力は圧縮量に比例して増加し (フックの法則による)、バネ定数と質量は既知の定数であるため、バネの圧縮を測定すると加速度も測定されます。質量とバネの振動が測定に影響しないように、システムは減衰されます。ただし、減衰により、加速度計は周波数応答を持ちます。

多くの動物は加速度、特に重力を感知する感覚器官を持っています。これらの感覚器官の基準質量は通常、炭酸カルシウムの耳石（ラテン語で「耳石」）または平衡石の 1 つ以上の結晶で、ニューロンに接続された毛の層に作用します。毛はバネを形成し、ニューロンはセンサーとして機能します。減衰は通常、流体によって行われます。人間を含む多くの脊椎動物は、内耳にこれらの構造を持っています。ほとんどの無脊椎動物にも同様な器官がありますが、聴覚器官の一部ではありません。これらは平衡石と呼ばれます。

機械式加速度計は、多くの場合、電子回路がわずかな動きを感知し、ある種のリニア モーターでプルーフ マスを押してプルーフ マスが遠くに移動しないようにするように設計されています。モーターは電磁石の場合もあれば、非常に小型の加速度計の場合は静電モーターの場合もあります。回路の電子動作を注意深く設計でき、プルーフ マスが遠くに移動しないため、これらの設計は非常に安定しており (つまり、振動せず)、制御された周波数応答で非常に線形です (これはサーボモード設計と呼ばれます)。

機械式加速度計では、測定は電気式、圧電式、圧電抵抗式、または静電容量式で行われることが多いです。圧電式加速度計は、圧電セラミック センサー (例:チタン酸ジルコン酸鉛) または単結晶 (例:石英、トルマリン) を使用します。これらは、高周波測定、軽量、高温耐性において他に類を見ないものです。圧電抵抗式加速度計は、衝撃 (非常に高い加速度) によく耐えます。静電容量式加速度計は、通常、シリコン製の微細加工された感知素子を使用します。これらは低周波を良好に測定します。

現代の機械式加速度計は、多くの場合、小型のマイクロ電気機械システム( MEMS ) であり、非常に単純な MEMS デバイスで、プルーフ マス(地震質量とも呼ばれる)を備えた片持ち梁で構成されています。減衰は、デバイス内に封入された残留ガスによって発生します。Q係数が低すぎない限り、減衰によって感度が低下することはありません。

外部加速度の影響を受けて、プルーフマスは中立位置からたわみます。このたわみはアナログまたはデジタル方式で測定されます。最も一般的な方法は、固定された梁のセットとプルーフマスに取り付けられた梁のセットの間の静電容量を測定することです。この方法はシンプルで信頼性が高く、安価です。スプリングに圧電抵抗器を組み込んでスプリングの変形、つまりたわみを検出するのは良い代替手段ですが、製造シーケンス中にさらにいくつかのプロセスステップが必要になります。非常に高い感度が必要な場合は、量子トンネル効果も使用されますが、これには専用のプロセスが必要で、非常に高価になります。光学測定は実験装置で実証されています。

もう 1 つの MEMS ベースの加速度計は、熱 (または対流) 加速度計です。^[7]この加速度計には、非常に小さなドームの中に小さなヒーターが含まれています。これにより、ドーム内の空気またはその他の流体が加熱されます。熱バブルがプルーフ マスとして機能します。ドーム内の付属の温度センサー (サーミスタ、またはサーモパイルなど) は、ドームの 1 か所の温度を測定します。これにより、ドーム内の加熱されたバブルの位置が測定されます。ドームが加速されると、より冷たく密度の高い流体が加熱されたバブルを押します。測定された温度は変化します。温度測定値は加速度として解釈されます。流体は減衰を提供します。流体に作用する重力はバネを提供します。プルーフ マスは非常に軽量のガスであり、梁やレバーで保持されていないため、熱加速度計は大きな衝撃にも耐えることができます。別のバリエーションでは、ワイヤを使用してガスを加熱し、温度変化を検出します。温度が変化すると、ワイヤの抵抗が変化します。 2 次元加速度計は、ドーム 1 個、バブル 1 個、測定装置 2 個を使用して経済的に構築できます。

ほとんどのマイクロメカニカル加速度計は面内で動作します。つまり、ダイの面内の方向にのみ反応するように設計されています。 2 つのデバイスを 1 つのダイに垂直に統合することで、2 軸加速度計を作成できます。別の面外デバイスを追加することで、3 つの軸を測定できます。このような組み合わせでは、パッケージング後に 3 つの個別モデルを組み合わせる場合よりも、位置ずれ誤差がはるかに小さくなる可能性があります。

マイクロメカニカル加速度計は、数千gに達するさまざまな測定範囲で使用できます。設計者は、感度と測定可能な最大加速度の間で妥協する必要があります。

加速度計は、車両の加速度を測定するために使用できます。加速度計は、自動車、機械、建物、プロセス制御システム、安全設備の振動を測定するために使用できます。また、地震活動、傾斜、機械振動、重力の影響の有無にかかわらず動的距離と速度を測定するためにも使用できます。重力を測定する加速度計の用途は、重力測定用に特別に構成された加速度計で、重力計と呼ばれます。

加速度計は、生物学の分野でもますます利用されるようになっています。2軸^[8]または3軸加速度^[9]の高周波記録により、動物が視界から外れているときでも行動パターンを区別することができます。さらに、加速度の記録により、研究者は四肢の運動頻度^{[10]の測定または全体的な動的身体加速度[11]}などの測定により、野生での動物のエネルギー消費率を定量化することができます。このようなアプローチは、野生の動物を視覚的に観察することができないため、主に海洋科学者によって採用されてきましたが、陸上生物学者の間でも同様のアプローチを採用するケースが増えています。たとえば、加速度計はハリスノスリ（Parabuteo unicinctus）の飛行エネルギー消費を研究するために使用されています。^[12]研究者は、スマートフォンの加速度計を使用して、抵抗運動の機械生物学的記述子を収集および抽出しています。^[13]野生の動物の行動（例えば、カナダオオヤマネコの狩猟行動^[14]）をよりよく理解するために、カメラやマイクなどの追加技術を備えた加速度計を導入する研究者が増えています。

加速度計は機械の健全性監視にも使用され、タービン、ポンプ、^[15]ファン、^[16]ローラー、^[17] コンプレッサー、^{[18] [19]}などの回転機器のベアリングにおけるシャフトの振動とその時間的変化、またはベアリングの故障^[20] を報告するために使用されます。これらの故障は、迅速に対処しないと、コストのかかる修理につながる可能性があります。加速度計の振動データにより、ユーザーは機械を監視し、回転機器が完全に故障する前にこれらの故障を検出することができます。

加速度計は、動的荷重を受ける構造物の動きと振動を測定するために使用されます。動的荷重は、次のようなさまざまな原因で発生します。

• 人間の活動 - 歩く、走る、踊る、スキップする
• 建物内または周辺エリアの稼働中の機械
• 建設作業 - 杭打ち、解体、掘削、掘削
• 橋梁上の荷物の移動
• 車両衝突
• 衝撃荷重 – 落下する破片
• 衝撃負荷 - 内部および外部の爆発
• 構造要素の崩壊
• 風荷重と突風
• 空気爆風圧
• 地盤の破損によるサポートの喪失
• 地震と余震

構造アプリケーションでは、構造がこれらの入力に対して動的にどのように反応するかを測定および記録することが、構造の安全性と実行可能性を評価するために重要です。このタイプのモニタリングはヘルスモニタリングと呼ばれ、通常は変位センサー（ポテンショメーター、LVDT など）、変形センサー（ひずみゲージ、伸び計）、荷重センサー（ロードセル、圧電センサー）など、他のタイプの機器も使用されます。

Zoll のAED Plus は、CPR 胸部圧迫の深さを測定するための加速度計を備えた CPR-D•padz を使用します。

ここ数年、いくつかの企業が、ランナーが装着した際の速度や距離を測定するために加速度計を内蔵したフットポッドを備えたランナー向けのスポーツウォッチを製造し、販売してきました。

ベルギーでは、加速度計ベースの歩数計が政府によって推進され、人々に毎日数千歩歩くことを奨励している。

ハーマンデジタルトレーナーは加速度計を使用して身体トレーニングにおける打撃力を測定します。^{[21] [22]}

頭部衝突の衝撃を測定するために加速度計を備えたフットボール用ヘルメットを作ることが提案されている。 ^[23]

加速度計は、姿勢やスイングフェーズなどの歩行パラメータを計算するために使用されてきました。この種のセンサーは、人を測定または監視するために使用できます。 ^{[24] [25]}

慣性航法システムは、コンピューターとモーション センサー (加速度計) を使用して、外部参照を必要とせずに、移動物体の位置、方向、速度(移動の方向と速度) を推測航法によって継続的に計算するナビゲーション補助装置です。慣性航法システムまたは密接に関連するデバイスを指すために使用される他の用語には、慣性誘導システム、慣性基準プラットフォームなど、さまざまなバリエーションがあります。

加速度計だけでは、航空機やロケットのように重力の垂直方向の減少が著しい距離での高度の変化を測定するのに適していません。重力勾配が存在すると、較正とデータ削減のプロセスは数値的に不安定になります。^{[26] [27]}

加速度計は、プロ^[28]とアマチュア^{[29]の両方のロケット工学において、}遠地点を検出するために使用されます。

加速度計はインテリジェントコンパクションローラーにも使用されています。加速度計は慣性航法システムでジャイロスコープと一緒に使用されます。 ^[30]

MEMS加速度計の最も一般的な用途の1つは、現代の自動車のエアバッグ展開システムです。この場合、加速度計は車両の急激な負の加速度を検出して、衝突が発生した時期と衝突の重大度を判断するために使用されます。自動車でのもう1つの一般的な用途は、横方向の加速度計を使用してコーナリングフォースを測定する電子安定制御システムです。自動車業界で加速度計が広く使用されているため、加速度計のコストは大幅に低下しています。^{[31]自動車でのもう1つの用途は}、騒音、振動、ハーシュネス（NVH）の監視です。これは、ドライバーや乗客に不快感を引き起こし、機械的な故障の指標となる場合もあります。

傾斜列車は加速度計とジャイロスコープを使用して必要な傾斜を計算します。^[32]

現代の電子加速度計は、マグマの動きを検知するために活火山を監視するためのリモートセンシング装置に使用されています。^[33]

加速度計は、ディスプレイ画面などのデバイスの向きを検出するために、個人用電子機器にますます組み込まれるようになっています。

自由落下センサー( FFS) は、システムが落下して落下しているかどうかを検知するために使用される加速度計です。これにより、ハード ディスクのヘッドをパーキングするなどの安全対策を適用して、衝突時のヘッドのクラッシュとそれに伴うデータ損失を防止できます。このデバイスは、さまざまなメーカーが製造する多くの一般的なコンピューター製品や消費者向け電子機器に搭載されています。また、輸送コンテナの取り扱い作業を監視するためのデータ ロガーにも使用されています。自由落下時間の長さを使用して、落下の高さを計算し、パッケージへの衝撃を推定します。

一部のスマートフォン、デジタルオーディオプレーヤー、パーソナルデジタルアシスタントには、ユーザーインターフェースの制御用に加速度計が搭載されています。加速度計は、デバイスの持ち方に応じて、デバイスの画面を横向きまたは縦向きに表示するために使用されます。Appleは、iPhone、iPad、iPod touchのすべての世代と、第4世代以降のすべてのiPod nanoに加速度計を搭載しています。モバイルデバイスの加速度計は、方向表示の調整に加えて、専用のアプリケーションと組み合わせて歩数計としても使用できます。^[34]

自動衝突通知(ACN) システムも、車両衝突時に助けを求めるためにシステム内で加速度計を使用します。有名な ACN システムには、 OnStar AACN サービス、Ford Link の 911 Assist、Toyota の Safety Connect、Lexus Link、BMW Assistなどがあります。加速度計を搭載した多くのスマートフォンでも、ダウンロード可能な ACN ソフトウェアが提供されています。ACN システムは、衝突強度の加速度を検出することで起動します。

加速度計は、車両の電子安定制御システムで車両の実際の動きを測定するために使用されます。コンピュータは、車両の実際の動きとドライバーのステアリングおよびスロットル入力を比較します。安定制御コンピュータは、個々の車輪を選択的にブレーキをかけたり、エンジン出力を下げたりして、ドライバーの入力と車両の実際の動きの差を最小限に抑えることができます。これにより、車両がスピンしたり横転したりするのを防ぐことができます。

一部の歩数計は加速度計を使用して、機械式センサーよりも正確に歩数や移動距離を測定します。

任天堂のビデオゲーム機Wii は、3 軸加速度計を内蔵し、主にモーション入力用に設計されたWiiリモコンと呼ばれるコントローラを使用します。ユーザーは、モーション入力をユーザーの両手から独立して記録できるように、追加のモーション感知アタッチメントであるヌンチャクを購入することもできます。は、ニンテンドー 3DSシステムでも使用されます。

睡眠段階目覚まし時計は加速度センサーを使用して睡眠者の動きを検知し、レム睡眠段階ではないときに人を起こして、より簡単に目覚めさせることができます。^[35]

マイクや鼓膜は、空気圧の振動に反応する膜です。これらの振動は加速を引き起こすため、加速度計を使用して音を録音することができます。^[36] 2012年の研究では、スマートフォンの加速度計は、一般的な日常の状況の93％で音声を検出できることがわかりました。^[37]

逆に、注意深く設計された音は加速度計に誤ったデータを報告させる可能性があります。ある研究では、20種類のスマートフォン用加速度計（MEMS）をテストし、大多数がこの攻撃の影響を受けやすいことがわかりました。^[38]

21 世紀のデバイスの多くは、加速度計を使用して、デバイスを保持する方向に応じて画面を調整します (例:縦向きモードと横向きモードの切り替え)。このようなデバイスには、多くのタブレット PCと一部のスマートフォンおよびデジタル カメラが含まれます。2004 年に発売されたハンドヘルド Linux デバイスである Amida Simputerは、加速度計を内蔵した最初の市販ハンドヘルドでした。このデバイスには、ページめくり、画像のズームインとズームアウト、縦向きモードから横向きモードへの変更、および多くの単純なジェスチャベースのゲームなど、この加速度計を使用した多くのジェスチャベースのインタラクションが組み込まれていました。

2009 年 1 月現在、ほぼすべての新しい携帯電話とデジタル カメラには、画像の自動回転、動きに敏感なミニ ゲーム、写真撮影時の手ぶれ補正などの目的で、少なくとも傾斜センサーと、場合によっては加速度計が搭載されています。

ビデオカメラは、光学素子を動かしてセンサーへの光路を調整し、意図しない動きを打ち消すか、画像をデジタル的にシフトして検出された動きを滑らかにすることで、画像安定化のために加速度計を使用します。一部の静止画カメラは、ぶれ防止キャプチャに加速度計を使用しています。カメラは、カメラが動いているときは画像のキャプチャを保留します。カメラが静止しているとき（振動の場合など、1ミリ秒だけでも）、画像がキャプチャされます。この技術の応用例としては、ノキアN96などの加速度計を備えたSymbianベースの携帯電話で動作する電話アプリケーション、Glogger VS2 ^[39]があります。一部のデジタルカメラには、撮影した写真の方向を決定したり、表示時に現在の写真を回転したりするための加速度計が搭載されています。

多くのラップトップには、落下を検知する加速度計が搭載されています。落下が検知されると、ハードディスクのヘッドが停止し、衝撃によるデータ損失やヘッドまたはディスクの損傷を防止します。

重力計は、重力測定において局所的な重力場を測定するために使用される機器です。重力計は加速度計の一種ですが、加速度計は振動加速度を引き起こすノイズを含むすべての振動の影響を受けます。重力計では、一体型の振動絶縁と信号処理によってこれが打ち消されます。設計の基本原理は加速度計と同じですが、重力計は通常、地球の重力内の非常に小さな変化、1 gを測定するために、加速度計よりもはるかに感度が高くなるように設計されます。対照的に、他の加速度計は 1000 g以上を測定するように設計されることが多く、多くは多軸測定を実行します。時間分解能に対する制約は通常、重力計では少ないため、より長い「時定数」で出力を処理することで分解能を上げることができます。

多くのモバイルデバイスでは、ユーザーの許可なしにサードパーティのアプリからアクセスできる加速度計データ^[41]は、記録された動作パターン（運転行動、酩酊度、年齢、性別、タッチスクリーン入力、地理的位置など）に基づいてユーザーに関する豊富な情報を推測するために使用されています。^[42]ユーザーの知らないうちにまたは同意なしに行われた場合、これは推論攻撃と呼ばれます。さらに、何百万台ものスマートフォンが加速度計を介したソフトウェアクラッキングに対して脆弱である可能性があります。^{[43] [44]}

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