スマホを傾けると画面の向きが変わる、歩数が数えられる、車の安全装置が動く。こうした身近な機能の裏側には、MEMSと呼ばれる超小型の機械技術が使われていることがあります。MEMSは、顕微鏡で見るような微細な機械構造と電子回路を組み合わせた技術です。小さなセンサーや部品がどのように動き、私たちの暮らしに関わっているのかを紹介します。
MEMSとはどんな技術なのか
MEMSは、Micro Electro Mechanical Systemsの略で、日本語では「微小電気機械システム」と呼ばれます。微細な機械構造と電子回路を組み合わせ、動き、圧力、音、傾きなどの変化を検出したり、外へ働きかけたりする技術です。
機械というと、歯車やモーターのような大きな部品を思い浮かべるかもしれません。しかしMEMSでは、ばね、膜、重り、振動する構造などが、チップの中に非常に小さく作り込まれます。目立たない部品ですが、スマホや車、ウェアラブル端末などが動きや音を読み取る場面で使われています。
微細な機械構造と電子回路を組み合わせる
普通の半導体チップは、主に電気信号を処理する回路として働きます。一方、MEMSは電子回路だけでなく、実際に動いたり変形したりする微細な機械構造を持つ点が特徴です。
たとえば、加速度センサーでは、内部に小さな重りのような構造があります。機器が動くと、その構造がわずかに動きます。その動きを電気信号として読み取ることで、端末がどの方向へ動いたのか、どちらに傾いたのかを知ることができます。
圧力センサーなら、薄い膜が圧力によってわずかに変形します。マイクなら、音の振動で小さな膜が動きます。このようにMEMSは、現実の動きや音、圧力を電子機器が扱える信号へ変える橋渡しをしています。
MEMSは製品名ではなく技術や部品の総称
MEMSは、ひとつの製品名ではありません。微細な機械構造をチップの中に作り込む技術や、その技術で作られた部品の総称として使われます。
そのため、MEMSといっても形や役割はさまざまです。加速度センサー、ジャイロセンサー、圧力センサー、MEMSマイク、マイクロミラー、インクジェットプリンタヘッドなど、用途によって中身も働きも変わります。
共通しているのは、電気だけでなく、物理的な動きや変形を利用している点です。小さな構造がわずかに動き、その変化を読み取ることで、機器は周囲の状況を知ることができます。
MEMSはどこで使われているのか
MEMSは、すでに身近な機器の中で広く使われています。特にわかりやすいのが、スマホや自動車です。普段は意識しませんが、機器が「動き」「向き」「音」「圧力」などを知るために、MEMS技術が使われる場面があります。
MEMSが広がった理由のひとつは、小型で軽く、機器の中に組み込みやすいことです。スマホやイヤホンのような小さな製品には、大きなセンサーを入れる余裕がありません。MEMSなら、非常に小さなチップの中に、動きや音を検出する仕組みを入れられます。
スマホでは向きや動きを検出している
スマホには、端末の動きや向きを検出するセンサーが入っています。画面の自動回転、歩数の計測、ゲーム操作、手ぶれ補正、地図アプリでの向きの推定などは、センサーの働きと深く関わっています。
加速度センサーは、端末がどの方向へ動いたか、どちらに傾いているかを検出します。ジャイロセンサーは、回転の動きを検出します。この2つを組み合わせると、スマホがただ傾いたのか、回転したのか、どのように動いたのかをより細かく把握できます。
また、スマホやワイヤレスイヤホンに使われる小型マイクにも、MEMS技術が使われることがあります。MEMSマイクは小型化しやすく、複数のマイクを機器に配置しやすいため、音声通話、ノイズ低減、音声アシスタントなどにも関わります。
スマホが「自分の向き」や「動き」をわかっているように見えるのは、内部の小さなセンサーが動きの変化を読み取っているためです。
自動車では安全や制御を支えている
自動車でもMEMSは重要です。車では、衝撃、回転、圧力、傾きなどを正確に検出することが求められます。加速度センサーやジャイロセンサーは、車の動きや姿勢の変化を知るために使われます。
自動車は、スマホよりも過酷な環境で使われます。高温、振動、衝撃などがある中でも、センサーは安定して働かなければなりません。MEMSは小さな構造の変化を電気信号に変えられるため、安全装置や車両制御の一部として使われやすい技術です。
もちろん、車はMEMSだけで動いているわけではありません。複数のセンサー、電子制御ユニット、ソフトウェアが連携しています。その中でMEMSは、車が今どのように動いているのかを知るための小さな検出役を担っています。
マイクやプリンタなどにも使われる
MEMSはスマホや車だけの技術ではありません。MEMSマイク、スピーカー、圧力センサー、インクジェットプリンタヘッド、小さなミラーを動かすマイクロミラーなどにも使われます。
たとえば、インクジェットプリンタでは、非常に小さなインクの粒を正確に飛ばす必要があります。そこでは、微細な構造を使って液体を制御する技術が役立ちます。マイクロミラーでは、小さな鏡を動かして光の向きを変えることができます。
このように、MEMSは「動きを測るセンサー」だけでなく、「微細な構造を動かして働きかける部品」としても使われます。電子機器の中に、小さく動く仕組みを入れられることがMEMSの強みです。
MEMSの小さな構造はどう作られるのか
MEMSの小さな構造は、半導体製造に近い微細加工技術を使って作られます。シリコンなどの基板の上に薄い膜を作ったり、不要な部分を削ったり、立体的な構造を残したりして、動く部分を形作ります。
一般的な機械部品のように、ひとつずつねじで組み立てるわけではありません。ウエハーと呼ばれる基板の上に、同じような微細構造をまとめて作れるため、小型化と量産に向いています。
半導体に近い微細加工で作られる
MEMSの製造では、半導体の加工に似た方法が使われます。薄い膜を重ねる、光を使って必要な形を転写する、薬品やプラズマで一部を削るといった工程を組み合わせ、微細な構造を作ります。
この方法によって、肉眼では細部まで確認しにくいほど小さな部品を、チップの中に作り込むことができます。しかも、電子回路と組み合わせられるため、構造が動いた結果をすぐに電気信号として扱えます。
MEMSは「小さな機械をただ縮小したもの」というより、半導体技術と機械構造を組み合わせて生まれた部品と見るほうが近いです。
小さな動きや変形を電気信号に変える
MEMSの特徴は、微細な構造の動きや変形を、機器が扱える電気信号に変えられるところです。
加速度センサーなら、小さな重りのような構造が動きます。圧力センサーなら、薄い膜がわずかにたわみます。マイクなら、音の振動で膜が動きます。どれも動き自体は非常に小さいものですが、その変化を電気的に読み取ることで、端末や機器は外の状態を知ることができます。
ここで大切なのは、MEMSの構造だけで機能が完結するわけではない点です。センサーから出た信号を回路が読み取り、ソフトウェアが処理し、機器全体の動作へつなげます。小さな構造、電子回路、ソフトウェアが合わさって、ようやく便利な機能として使えるようになります。
MEMSが身近な機器に広がる理由
MEMSが身近な機器に広がった理由は、小型化しやすく、省電力にしやすく、さまざまな機能を小さな部品として組み込みやすいからです。スマホ、車、ウェアラブル端末、ゲーム機、ドローン、IoT機器など、多くの製品で「周囲の変化を知る」機能が求められています。
機器が高機能になるほど、ただ計算するだけでなく、動き、音、圧力、環境の変化を感じ取る必要が出てきます。MEMSは、そのための小さな入り口になります。
小型で省電力にしやすい
スマホやスマートウォッチのような機器では、部品を小さくし、消費電力を抑えることが重要です。大きなセンサーでは、本体が厚くなったり、電池の持ちが悪くなったりします。
MEMSは小さなチップに機能をまとめやすいため、薄い機器や軽い機器にも組み込みやすいです。また、小さな構造を使うことで、必要な電力を抑えやすい場合があります。
この小型・低消費電力という特徴が、スマホ、イヤホン、腕時計型端末、ドローンなどと相性の良い理由です。
センサーだけでなく動かす用途にも使える
MEMSは、センサーとして語られることが多い技術です。しかし、外の状態を測るだけでなく、微小な構造を動かして働きかける用途にも使われます。
たとえば、マイクロミラーは小さな鏡を動かして光を制御します。インクジェットプリンタヘッドは、微細な構造を使ってインクを飛ばします。MEMSスピーカーのように、音を出す方向で使われる技術もあります。
MEMSは、電子機器の中に小さな感覚器や動く部品を組み込むための技術として使われています。機器が外の世界を知るだけでなく、光や音、液体などへ細かく働きかけるためにも使われます。
苦手なこともあり補正や設計が必要
MEMSは便利な技術ですが、何でもできるわけではありません。小さな構造を使うため、温度変化、衝撃、経年変化、湿気、外部からの振動などの影響を受ける場合があります。
また、MEMSセンサーが出す信号は、そのまま意味を持つとは限りません。加速度や回転、圧力のデータを、ソフトウェアが処理して初めて「歩いている」「スマホが横向きになった」「車が傾いた」といった判断になります。
MEMSは小さな部品だけで完結する技術ではありません。センサー、回路、ソフトウェア、機器全体の設計が組み合わさって、ようやく正確で便利な機能として使えます。
Q&A（よくある疑問）
まとめ
MEMSは、微細な機械構造と電子回路を組み合わせた超小型機械技術です。スマホの画面回転、歩数計測、ゲーム操作、自動車の姿勢検出、MEMSマイクなど、身近な機器の中で使われています。普通の半導体が主に電気信号を処理するのに対し、MEMSは小さな構造が動いたり変形したりして、現実の動きや音、圧力を電気信号に変えます。目立たない技術ですが、機器が周囲の世界を感じ取るための重要な仕組みです。
参考情報
- NIST「MEMS」
- STMicroelectronics「MEMS and Sensors」
- Bosch Semiconductors「MEMS sensors」
- I-PEX「What is MEMS?」
