高精度MEMS加速度センサのベースライン性能確立

このシリーズの第1部では、3軸ADXL355 MEMS加速度センサの内部アーキテクチャを探りました。本稿では、デバイスのノイズフロアを確認し、その後の信号処理実験に対する期待値を検証するための信頼できる初期データセットの収集方法を解説します。

評価環境の構築

加速度センサのアナログ出力は任意のDAQシステムに接続可能ですが、アナログ・デバイセズは組み込みプロトタイプへの迅速な統合向けに、コンパクトな評価ボードEVAL‑ADXL35xを提供しています。今回の検証では、このボードをSDP‑K1マイクロコントローラに搭載し、無料のARMベースMbed環境でプログラミングしました。SDP‑K1はPC接続時に外部ドライブとして認識されるため、コンパイル済みバイナリをドラッグ&ドロップするだけで書き込みが完了します。

データ取得と初期解析

Mbedファームウェア稼働後、データはUART経由でターミナルにストリーミングされ、2 Hzでログ記録されました。ADXL355はより高いレートでデータ出力可能ですが、本稿ではベースライン確立に十分な低レート記録に焦点を当てます。

安定した測定面を確保するため、センサをPanaViseアーティキュレートアームの吸盤マウントでガラスベンチに固定しました。バイスはわずかな傾きリスクを伴いますが、ベンチ全体を動かさずにセンサを重力方向に対して回転させるコスト効率の良い手法です。ADXL355を図1のように配置し、60秒間のデータストリームを取得して初期解析を行いました。

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図2. EVAL‑ADXL35x、SDP‑K1、PanaViseマウントを用いたテストセットアップ (出典: アナログ・デバイセズ)

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図3. ローパスフィルタなし(レジスタ0x28=0x00)でのADXL355データ、1分間測定 (出典: アナログ・デバイセズ)

120サンプルから、標準偏差は800 µg~1.1 mgの範囲でした。ADXL355データシートのノイズ密度は25 µg/√Hzです。デフォルトの1 kHz帯域幅(LPF有効)では、ブリックウォールフィルタと仮定すると25 µg/√Hz × √1000 Hz ≈ 791 µg rmsとなります。実測値はこの理論範囲内に収まっており、センサのノイズ性能が確認されました。

デジタルローパスフィルタの効果

ほとんどの精密アプリケーションでは1 kHz帯域幅は不要です。オンボードのデジタルローパスフィルタ(LPF)を4 Hzに設定すると、実効ノイズは√1000/√4 ≈ 16倍低減するはずです。Mbedファームウェアの設定変更を図4に、結果データを図5に示します。表1は、フィルタ有無における各軸の理論値と実測値をまとめたものです。

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図4. レジスタ設定のためのMbedコード (出典: アナログ・デバイセズ)

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図5. LPFを4 Hzに設定(レジスタ0x28=0x08)したADXL355データ、1分間測定 (出典: アナログ・デバイセズ)

表1. ADXL355の期待および実測ノイズ (出典: アナログ・デバイセズ)

	X軸		Y軸		Z軸
	理論値 (µg)	実測値 (µg)	理論値 (µg)	実測値 (µg)	理論値 (µg)	実測値 (µg)
フィルタなし	791	923	791	1139	791	805
4 Hzフィルタ	50	58	50	185	50	63

Y軸ノイズが理論予測を超えていました。系統的な調査により、ラボのノートPCや他の機器のファンがY方向に振動を発生させていることが判明。センサを回転させてX軸を振動源方向に向けると、超過ノイズがX軸にシフトし、この差異がセンサ固有のバラツキではなく外部機械的擾乱由来であることが確認されました。

熱衝撃応答の評価

急速な熱擾乱に対するセンサ応答を評価するため、Weller 6966C熱風ガンを「冷風」設定(約40℃上昇)で動作させました。ADXL355のオンボード温度センサで周囲温度を記録しながら、セラミックパッケージ(ハーメチックシール)に温風を吹き付けました。図6はZ軸に顕著な1.5 mgオフセットが生じた様子を、図7はガン停止時にZ軸がほぼ瞬時にベースラインへ復帰する様子を示しています。

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図6. 冷風設定の熱風ガンを用いたADXL355熱衝撃データ (出典: アナログ・デバイセズ)

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図7. t=240秒でエアガン停止時のADXL355熱衝撃 (出典: アナログ・デバイセズ)

急速なZ軸オフセット(約10 mg)は、データシート記載のオフセット温度係数100 µg/℃を大きく上回ります。この挙動は、シリコンダイ全体にわたる差動熱応力がプルーフマスに影響し、Z方向により強く現れるためと考えられます。一方、40℃上昇ではオフセット係数ベースでわずか4 mgのシフトが予測されることから、観測された効果は熱ドリフトではなく機械的なものであることがわかります。

オーブンベースの温度特性評価(図8)では、センサを5 ℃/分で徐々にランプ(-45℃~+120℃、ソークなし)した際、約100 µg/℃のオフセット温度係数が確認されました。120℃で15分間ソークさせると、差動応力が平衡化し、実効係数は約60 µg/℃に低減します。

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図8. ADXL355のオーブンベース温度特性評価 (出典: アナログ・デバイセズ)

結論

これらのベースライン測定により、ADXL355が適切なデジタルローパスフィルタと共に動作することでカタログスペック通りの低ノイズ性能を発揮すること、そして急速な熱衝撃が設計時に対策必須の大きなオフセット過渡現象を誘発し得ることが確認されました。

シリーズ第3部では、長期安定性に影響する追加要因を検討し、センサ性能をさらに高めるための機械設計ガイドラインを提供します。

参考文献

• ¹ Chris Murphy, "Choosing the Most Suitable MEMS Accelerometer for Your Application—Part 1," Analog Dialogue, vol. 51, no. 4, Oct 2017.
• ² Chris Murphy, "Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration," Analog Dialogue, Aug 2017.
• ³ SDP‑K1評価システム.
• ⁴ SDP‑K1向けMbedユーザーガイド.
• ⁵ PanaViseアーティキュレートアームマウント.
• ⁶ Mbedコード例.
• ⁷ Weller 6966C加熱/冷却エアガン.
• ⁸ パリレン.