傾斜計の仕様

傾斜計（インクリノメーター）は、傾斜センサー、クリノメーター、またはスロープセンサーとも呼ばれ、重力に対する物体の角度を測定するために設計されています。これらのセンサーはピッチ角および/またはロール角を検出し、適切な電気インターフェースを介して数値を出力します。

MEMS傾斜計の測定原理

傾斜計は、物体の重力に対する傾き角を測定します。これは、弾性支持構造に吊り下げられた小さな質量に対する重力の影響を監視する加速度計によって行われます。装置が傾くと、質量がわずかに移動し、質量と支持構造間の静電容量が変化します。この容量の変化から傾斜角が算出されます。

質量体付き
電極
ばね
固定電極

図 1：MEMSセンサーの原理

この機能は、2つの電極を使った簡略モデルで説明できます。1つは固定され、もう1つ（質量体）はスプリングによって吊り下げられて可動します（図1参照）。傾斜計が水平な状態にあるとき（図2.1）、電極間の静電容量が測定されます。センサーが傾くと（図2.2）、可動質量およびその電極の位置が固定電極に対して変化します。この結果として生じる電容量の変化をセンサーセルが測定し、新しい傾斜角度を算出します

MEMS センサーの水平位置
MEMS センサーの傾斜位置

図2：MEMSセンサーの位置

Limitations of Static Inclinometers

強い衝撃や振動がある場合、静的傾斜センサーの物理的な減衰では干渉を十分に抑えることができない可能性があります。ソフトウェアフィルターは、このような干渉の影響を軽減するのに限界があります。静的 TILTIX 傾斜センサーでは、「移動平均」や「指数」フィルターを有効にして信号を平滑化できますが、その代償として MEMS 傾斜センサーの高速応答性が失われ、センサーの応答が遅くなります。

強い加速度を伴う動的な動きには、POSITAL のダイナミック TILTIX 傾斜センサーの使用が推奨されます。これらは物理的な減衰を使用しない異なる技術に基づいており、安定性と応答時間の間に妥協がありません。

動的傾斜センサー

急激な動き、衝撃、振動が予想される用途では、センサーの迅速な応答と安定した信号出力が重要です。POSITAL のダイナミック傾斜センサーは、異なる 2 種類の MEMS センサー（3D 加速度センサーと 3D ジャイロスコープ）を組み合わせ、2 つの測定原理を統合しています。加速度センサーは物理的な減衰処理を施しておらず（静的傾斜センサーとは異なり）、急激な動きに迅速に対応可能です。一方、ジャイロスコープは慣性原理に基づき回転速度を測定します。両者の信号を統合することで、加速度の影響を完全に補償した高精度の傾斜測定が可能となります。そのため、建設機械、鉱山設備、クレーン、ロボットなどの移動機器においても、TILTIX ダイナミック傾斜センサーは信頼して使用できます。

以下の図は、動的な動作中に激しい衝撃や振動を受けた際、ジャイロスコープを内蔵した動的傾斜センサーと従来の静的傾斜センサーの出力性能を比較したものです。

移動中の掘削機における傾斜測定

信頼性の高い結果を得るための革新的なアルゴリズム

急激な動き、衝撃、振動が想定されるアプリケーションでは、応答速度が速く、信号出力が安定したセンサーが求められます。POSITAL のダイナミック傾斜センサーは、3D 加速度センサーと 3D ジャイロスコープという 2 種類の MEMS センサーを組み合わせ、2 つの測定原理を統合しています。加速度センサーは減衰処理がされておらず（静的傾斜センサーとは異なる）、高速な動的動作を正確に追従できます。同時に、ジャイロスコープは慣性原理に基づいて回転速度を測定します。加速度センサーとジャイロスコープの信号を組み合わせることで、加速度の影響を完全に補償した傾斜角測定が可能になります。その結果、TILTIX ダイナミック傾斜センサーは、建設機械、鉱山機器、クレーン、ロボットアプリケーションなどの移動機器でも信頼性の高い性能を発揮します。

以下の図は、動的動作中に激しい衝撃と振動を受けたときの、ジャイロスコープ内蔵型動的傾斜センサーと従来の静的傾斜センサーの出力性能を比較したものです。

測定範囲と取り付けオプション

TILTIX シリーズの傾斜センサーは 2 種類のバリエーションがあります。

2軸

水平取付用の2軸センサー。このタイプはX軸とY軸それぞれに出力があり、各軸が重力方向に対する傾斜角を示します。

単軸

2. 垂直取り付け用に設計された単軸傾斜測定タイプで、1つの軸の出力を備えています。

動的傾斜センサーの追加機能

動的傾斜センサーの主な目的は、センサーパラメーターを設定することなく、安定した傾斜角データを提供することです。
ただし、CANopen インターフェースを備えた動的傾斜センサーでは、各軸における加速度（加速度センサー）および回転速度（ジャイロスコープ）を個別に出力することも可能です。
これらのデータは、マッピング可能な CANopen オブジェクトに保存されます。
1 つまたは複数の軸で加速度を監視することで、追加機能や安全機能を制御側で実装できます。
たとえば、一定の加速度しきい値を超えたときに、コントローラーが機械を停止させることが可能です。
X 軸方向の回転速度情報により、機械の水平（ヨー）回転を測定・監視することができます。
これらの追加情報をどのように活用するかは、機械メーカーやシステムインテグレーターの判断に委ねられます。

データ処理

高性能マイクロコントローラは、センサー信号をリアルタイムで評価し、補正された傾斜角を計算します。
温度も測定され、補正アルゴリズムによって不要な影響が除去されます。
インテリジェントなデジタルフィルターは周囲のノイズや振動を低減し、すべての環境条件下で安定した精密な信号を提供します。
MEMS センサーの非直線性は、製造工程で行われる一連の基準測定により特定され、校正データとしてセンサーに保存されます。
運用時にはこれらのデータを使用して、生データを補正し、正確な線形の傾斜角として出力します。
顧客は、オフセット補正（Preset）やスケーリング機能（アナログ出力信号用）などのカスタムパラメータを追加することも可能です。

共通仕様

センサーサイクル時間
これはベースセンサーの内部サイクル時間です。5 ms の場合、5 ms ごとに位置情報が更新されます。

インターフェースサイクル時間
位置データが通信インターフェースを通じて送信される間隔です。ユーザーが調整可能です。

絶対精度
定義された範囲内での、測定位置と実際の位置の最大差を示します。

オフセット
センサーがゼロ位置にあるときでも小さな誤差が出る場合があります。これがオフセット誤差です。

動的精度
振動や加速度の影響下での精度。POSITAL はラボで動作環境を模擬しテストしています。
試験条件：