静電容量式加速度センサーの仕組み：質量バネ系から信号調整まで

正確な加速度測定のための静電容量センシング

加速度センサーは、多くの現代技術の裏方として活躍しています。自動車安全ではエアバッグを作動させ、写真では手ブレ補正で画像を鮮明にし、データストレージでは衝撃を検知して動作を一時停止します。微細加工技術によりこれらのデバイスは小型・低コスト化し、スマートフォンから産業機械まであらゆるものに組み込まれるようになりました。

本記事では、運動を測定可能な電圧へ変換する物理を解剖します：質量バネダンパー系が加速度を変位へ変換し、静電容量センシングがその変位を電気信号へ変換します。また、出力をリニアかつノイズ耐性のあるものにする信号調整技術も扱います。

質量バネダンパーによる加速度測定

古典的な質量バネダンパー構造（図1）は、ほとんどの加速度センサーの心臓部です。センサーフレームに柔軟なバネで取り付けられたプルーフマス（可動質量）が、外力に応答します。

フレームが加速すると、慣性によりプルーフマスは一瞬静止します。動くフレームに対して相対的に、マスは変位したように見えます（図2）。バネが圧縮または伸張し、変位に比例する復元力を生じ、マスを新しい平衡位置へ戻します。過渡現象が収まると、変位は印加加速度に直接比例します。

質量、バネ定数、減衰といった主要設計パラメータは、質量バネ関係のリニア領域が所望の加速度範囲と一致するよう調整されます。

変位を信号へ変換：静電容量センシング

静電容量センシングは、微細加工加速度センサーで最も一般的な変換方式です。2つの固定電極がプルーフマスに取り付けられた可動電極を挟み、差動コンデンサ対を形成します（図3）。

プルーフマスが動くと、一方のコンデンサの極板間隔が縮み、他方が広がり、変位に直接比例する差動変化が生じます。

同期検波による信号調整

微小な静電容量変化を読み取るため、加速度センサーは約1MHzの矩形波励磁を使用します（図4）。2つの固定電極には同振幅で180°位相がずれた信号が印加されます。ブリッジ出力の差動電圧は、マスが中心にあるときゼロであり、変位の大きさと方向を振幅と位相でエンコードした矩形波になります。

同期検波器はブリッジ出力に励磁波形を乗算し、高周波矩形波を増幅・デジタル化可能な低周波DC電圧へ変換します。この技術は信号完全性を保ちながらコモンモードノイズを除去します。

なぜ差動センシングが単端センシングを上回るのか

単端コンデンサ（図5）では、静電容量変化が極板間距離に反比例するため非線形出力となり、キャリブレーションを複雑にし精度を低下させます。

対照的に、差動アーキテクチャは変位に比例するリニアな電圧を生み出します：

式3 V_bridge = (Δd/d₀) · V_drive⁺

リニアな振る舞いはキャリブレーションを簡素化し、測定再現性を向上させ、センサーを広いダイナミックレンジで動作させることを可能にします。

結論

質量バネダンパー系が加速度を測定可能な変位へ変換し、差動静電容量センシングと同期検波の組み合わせが、印加加速度を忠実に表すクリーンでリニアな電圧を生成することを確認しました。適切な機械パラメータとセンシングアーキテクチャの選択が、高性能加速度センサーには不可欠です。

次回の記事では、質量バネダンパー系の完全な伝達関数を導出し、センサー応答を支配する根本的なダイナミクスを明らかにします。

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