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H28年度 合同部会

傾斜角を検出するセンサの紹介

情報化機器技術委員会

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目次
• 背景
• 傾斜角を検出するセンサの種類• 傾斜センサ– 分類と動作原理、用途、建機での使用例• 慣性センサ– 加速度センサ• 分類、動作原理、用途– ジャイロセンサ• 分類、動作原理、用途– IMU（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）• 用途、建機での使用例

背景3

厚生労働省から「解体用機械等の安全対策の充実事項の周知等について」の要請で、転倒防止警報装置の開発に努める要請があり、転倒防止に使えるセンサについて調べた。
（転倒に繋がる、どの様な状態(静的/動的、応答性等)を検出するかで、複雑さやコストが変わる。これは機種に依存するので、情報化機器委員会では、センサにフォーカスした。）「解体用機械等の安全対策の充実事項の周知等について(要請)」
厚生労働省労働基準局安全衛生部長から日本建設機械施工協会会長宛
要請事項
３．車両系建設機械の製造者の団体の取組（１）会員事業場等が、車両系建設機械の製造に当たって、改正省令等に定める安全基準に適合させることのみならず、次の安全対策に取り組むよう働きかけを行うこと。
オ 斜面で使用される車両系建設機械の転倒災害を防止するため、接地面の傾斜を測定するための本体角度計及び車体が安定度の限界となる角度を超えることがないように作動する転倒防止警報装置の開発に努めること。

傾斜角を検出するセンサの種類
傾斜センサと慣性センサ（加速度、ジャイロ）がある。
傾斜センサ
物体の傾いた角度に比例し、センサ出力は、そのまま傾斜角として利用できる。
周波数特性は低く、ゆっくりした動きや静止状態の傾斜角の測定には有効であるが、加速度が加わると重力加速度と異なった方向の加速度が合成され誤差が大きくなる。
加速度センサ
物体に加わる加速度を検出するので、重力方向だけでなく、前後、左右方向の動きも検出できる。加速度センサの周波数特性は数１０Ｈｚあり、早い動きの測定に有効である。
ジャイロセンサ
加速度センサでは反応しない回転の動きを測定できる。

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傾斜センサ
重力方向に吊るした錘や液面と、傾いた物体との偏差を検出する。
分類と動作原理
振り子式
・吊るした錘に対するケースの傾きを、回転角センサ（磁気抵抗素子、エンコーダ等）にて検出する。
構造的には微少振動を抑制するためシリコン等のダンピングオイルを入れる。
フロート式・液体を用いて液面の傾きを、静電容量変化等で検出する。
構造的には液体と同量のガスを入れる。
センサ出力例
用途
・クレーン車や高所作業車の車体水平検出、建設車両の転倒防止などで使われている。

マコメ研究所、パシコ貿易、緑測器 カタログ より引用

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傾斜センサ
建機での使用例■陸上自衛隊向け掩体掘削機の本体傾斜角度検出に使用
要件：運転室内に角度計を備えること
具現化：①振り子式傾斜センサ（２軸）を上部旋回体に設置②センサ出力（有効傾斜角±３０°）を運転席内のコントローラで検出③前後角度、左右角度、合成角度を運転席内の表示器に表示③表示器②コントローラ①センサ

Wikipedia、緑測器ホームページより引用

慣性センサ7

加速度、傾き、振動、回転等を検出する。
慣性センサの例

H27年度情報化機器委員会でのプレゼン資料：航空電子 より引用

加速度センサ分類
多くの種類があり、加速度の検出方式によって大別される。
ここでは、MEMS（Micro Electro Mechanical System）技術を応用したMEMS加速度センサを紹介する。
加速度センサの技術俯瞰図

加速度：Gによる分類
・低G加速度センサ（一般的に約20G以下）
重力・傾きの検知や人の動きの検知に適している。
・高G加速度センサ（一般的に約20G超）
主に衝撃の検知に使われる。

（H21年度特許出願技術動向調査報告書：特許庁 より引用）

89加速度センサ
動作原理
・ばね定数：k のばねに支えられた質量：m の錘にて、ばねの変位量：x を基に、加速度：a を検出する。（a=kx/m）
変位量：x を計測する方式：ひずみゲージ、圧電素子、静電容量を計測する。
・ばねを使ったセンサは、共振するので、錘を小さくして高い応答特性を得るためにMEMS技術を用いる。

加速度センサ、角速度センサのしくみ：Design Wave Magazine 2007 August より引用

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加速度センサ
用途（アプリケーション）
・大きく分けて「重力」「振動・動き」「衝撃」の3つの現象を測定できる。
それぞれの現象をうまく検出することで、加速度センサは実際のアプリケーションに役立てられる。
・例えば、携帯機器画面の表示向きを使用環境に合わせて変更するアプリケーション（縦横検出）では、重力を計測して、加速度センサの傾きを計算することで実現できる。
・下図に加速度センサの検出対象と代表的なアプリケーションを示す。

車載
・エアバック・電子制御サスペンション
・カーナビゲーション、etc
民生
・ゲーム機
・携帯電話、スマートフォン
・ノートPC、etc

しっかり分かる「センサの活用法」：EDNjapan より引用

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ジャイロセンサ
分類と動作原理
角速度を検出する方法は大きく2つに分けられる。
・力学的な慣性を利用する方法
・こまの原理（回転型）
・コリオリの力（振動型）-図１
・光学的な干渉を利用する方法
・サニャック効果（光学式）-図２

図２

図１

図３

MEMSジャイロセンサの基礎知識：Design Wave Magazine 2004 November より引用

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ジャイロセンサ
用途・スマートフォンやゲーム機器（手持ち機器のUIとして利用）、デジタルカメラ（手ブレ補正用のブレ検知）、カーナビ（車が曲がったことを検出）等で利用されている。
・また車載グレードに対応したジャイロセンサであれば、安全走行支援として横すべり検知やエアバッグの作動用として横転検知にも使われる。

近年のトレンドとして、振動ジャイロセンサが使われている。

ジャイロセンサとは～仕組とトレンド～：EPSON より引用

IMU （Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）

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基本的には、3軸のジャイロと3方向の加速度計によって、3次元の角速度と加速度が求められる。
主にロボットや自動車など運動体の挙動を計測・制御する用途に使用される。
GNSS（GPS）と組合せた例

H27年度情報化機器委員会でのプレゼン資料：航空電子 より引用

IMU （Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）

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建設機械での使用例
・情報化施工建設機械で、動的な車体の姿勢角を検出する。

H25年度建設施工と建設機械シンポジウム
パネルディスカッション
資料：コマツ より引用

情報化技術委員会の共有情報

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収集した情報をexcelで整理し（URL付）、アップデートしながら共有して活用する。
日本リニアックス
http://www.liniax.co.jp/products/kwdl-xy2.html
傾斜計
インテクノス・ジャパン
http://www.intechno.co.jp/product/motion/seikatilt/index.html
傾斜角センサMEMSIC

http://www.memsic.com/tilt-sensors/
Tilt Sensors
住友精密工業 センサネットワーク
http://www.xbow.jp/keisha.html
傾斜センサ
http://www.kansai-automation.co.jp/products/conveyor/tilt.html
関西オートメイション
チルト式レベルスイッチ
センサテック
http://www.sensatec.co.jp/products/list.php?category_id=4
傾斜センサ
http://www.jewellinstruments.com/inclinometers-tilt-sensors/
Jewell Instruments
Tilt Solutionshttp://www.sankyointernational.co.jp/sensa/keisya/02.html
Penny + Giles Controls
http://www.cw-industrialgroup.com/Products/Sensors/Tilt-Sensors.aspx
Tilt Sensors
http://www.pepperl-fuchs.co.jp/japan/ja/classid_2032.htm
傾斜センサ

Pepperl+Fuchs

ナルコーム

https://usb.narcohm.co.jp/sensor/6/
USB傾斜スイッチ
http://www.vigordigital.com/cp/class/Vigor Technology
Inclinometer
http://www.elobau.com/Sensors/0,0,0,182,303.html
elobau傾斜センサーPOSITALhttps://www.posital.com/jp/produkte/inclinometers_1/inclinometers_1.php
傾斜計
ZMP

http://www.zmp.co.jp/products/inclinometer-z?lang=jp
2軸傾斜センサ

追加
TURCK

http://www.turck.co.jp/product/p08.html
傾斜センサ

センサ素子
村田製作所

http://www.murata.com/ja-jp/products/sensor/inclinometer
傾斜センサ
http://www.cornestech.co.jp/products/mems_sensor/various/products_sen_min_asx
コーンズテクノロジ
モーション検知センサ
http://www.catch-sensor.co.jp/product/
ジーデバイス
傾斜スイッチ

参考文献

AN-1057加速度センサによる傾きの検出 Analog Devices
http://www.analog.com/media/jp/technical-documentation/application-notes/AN-1057_jp.pdf
ピエゾ抵抗型3軸加速度センサ 北陸電気工業
https://www.hdk.co.jp/pdf/AP_Note/anhaam02_v1.01.pdf
加速度センサ、角速度センサのしくみ-CQ出版社
http://www.cqpub.co.jp/dwm/contents/0117/dwm011700700.pdf
センサ技術の現状と課題 H25 マイクロマシンセンタ（国交省）
http://www.mlit.go.jp/common/001023294.pdf

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ご清聴ありがとうございました。

MEMS（Micro Electro Mechanical System）

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半導体製造技術やレーザ加工技術等、各種の微細加工技術を応用し、微小な電気要素と機械要素を一つの基板上に組み込んだデバイス/システム（センサ、アクチュエータ等）。
各種の最終製品に組み込まれ高付加価値化のキーデバイスとなっている。

（Micro Electro Mechanical System）

センサ技術の現状と課題（H25/12/17）：マイクロマシンセンタ より引用

加速度センサ
加速度センサの選定①実現したいアプリケーションを明確にして、加速度センサにて測定する現象を絞り込む。
②測定対象が何G程度の加速度を持ち得るか、周波数はどの程度かの内容から、加速度センサに必要な測定範囲と周波数応答が分かる。
③アプリケーションに要求される誤差範囲から最適な加速度センサを選択する。

しっかり分かる「センサの活用法」：EDNjapan より引用

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ジャイロセンサ
ジャイロセンサの選定
・ゲーム機やスマートフォン用大きく振るなどの動き（大きな検出範囲）と細かな動き（小さな検出範囲）の両方を捉える必要があるため、検出範囲を幅広く確保する必要がある。検出範囲切り替え機能が搭載されているセンサで、レンジを切り替える。
例としてSTのL3GD20Hの場合、 ±2000dps、±500dps、±245dpsの検出範囲を選択可。
・カーナビやポータブルナビの自律航法用±100dps～±500dps程度の検出範囲を利用する。
・デジカメ（もしくはスマートフォンに内蔵されるOISモジュールと呼ばれる光学手ブレ補正付きカメラモジュール）用±150dps以下の検出範囲を利用する。
・車載用途での、横滑り検知やロールオーバー検知といった走行安全のアクティブセーフティやパッシブセーフティに関るアプリケーション用±100dps～±300dps程度の検出範囲を利用する。
また、民生品と比較すると＋105℃や＋125℃といった、より高い動作温度での特性や信頼性保証が求められたり、車に搭載することで発生する振動による悪影響を極力削減する工夫が必要になるため、民生品をそのまま車載用途に利用することはできず、車載に特化して設計・製造されている製品群から選択する必要がある。
しっかり分かる「センサの活用法」：EDNjapan より引用

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