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» 2018年01月29日 06時00分 公開

検査・維持管理:インフラの微小振動を低電力に測定、日立が新型センサーを開発

日立製作所は、地盤や構造物からの微小振動を高感度かつ低消費電力で検出できる加速度センサーを開発した。資源探査などに用いられているセンサーと同等の高感度性能を、従来の半分以下となる消費電力で実現できる。

[松本貴志,BUILT]

 日立製作所は、地盤や構造物からの微小振動を高感度かつ低消費電力で検出できるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度センサーを開発したと発表した。資源探査などに用いられている加速度センサーと同等の高感度性能を、従来の半分以下の消費電力で実現するという。

試作したMEMS加速度センサーを構成する制御IC、検出IC、MEMS素子 出典:日立製作所

 従来のMEMS加速度センサーでは、回路ノイズを低減するために消費電力を2乗に比例して増やす必要があり、高感度化と消費電力の低減を両立することは困難だった。今回開発した加速度センサーは、独自構造を採用したMEMS技術によって高感度化し、同社の回路技術と組み合わせることで低電力化を両立させた。

新型MEMS加速度センサーの技術

 一般的にMEMS加速度センサーは、弱いばねで保持された可動する錘(おもり)と、錘の動きを検出して制御する回路で構成されており、振動(加速度)が加わることで生じた錘の動きの変化を電荷として検出し、錘を静止状態になるように制御する。

 従来構造のセンサーは錘が動くときに発生する空気抵抗がノイズとなり、高感度化の妨げとなっていた。そこで同社では流体解析を行い、SOI(Silicon On Insulator:薄い絶縁膜を挟んで2枚のシリコンウエハを貼り合わせた基板)基板で構成された錘全面に入口と出口で径の異なる貫通孔を形成。この貫通孔から空気を逃がすことで空気抵抗を約半分に低減した。

開発したMEMS素子の構造 出典:日立製作所

 また、センサーの回路についても新機構を採用した。従来センサーでは、同じ電極を用いて錘の動きの制御と検出を行うため、それらを交互に切替える方式が用いられている。よって制御できない期間を補うために、制御には高電圧が必要となり、消費電力が高くなっていたという。本センサーでは、制御用と検出用の電極を独立して配置することで、常に制御と検出を行うことが可能となり、制御時の出力電圧を約60%に低減することができたという。

 これらの技術により開発したセンサーを評価した結果、高感度性能(ノイズレベル30ng/√Hz以下)を発揮しつつ、従来の半分以下の消費電力である20ミリワット(mW)で動作できることを確認した。

 同社では、インフラモニタリングなどで実施される構造物や地盤の大規模な微小振動検出が、高感度かつより低消費電力で可能になるとしている。

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