17. 力 センサ

力 センサの例

図１に力 センサの外観例を示す。測定対象や測定環境に応じて様々な形状があり、求められる測定精度などに対して適切なセンサを選択することが重要である。

ひずみゲージの原理

ひずみ（歪）とは、材料に加わる外力に比例して材料が伸びたり縮んだりする変形の量のことをいう。ひずみゲージは、図２（上）のようにフィルム状の薄い電気絶縁物の上に、格子上の抵抗線やフォトエッチング加工した抵抗箔を形成し、引出し線を付けた構造になっている。これを、図２（下）のように測定対象物（供試体）の表面に専用接着剤などで貼り付ける。これにより、測定対象物が外力でひずむと、ひずみゲージもひずむので、このひずみを測定すれば、測定対象物に掛かった外力が計測できる。

ひずみによる抵抗値の変化

図１のような、長さ\(l\;[m]\) 、断面積\(S\;[m^2]\)、 抵抗率\(\rho\ [\Omega \cdot m]\)の金属線の抵抗値\(R\)は、$$R = \rho \frac{l}{s} \;[\Omega] \;\cdots (1)$$となる。
※抵抗率：材料の電気伝導のし難さを表す物性値。 電気伝導率（導電率：工学用語）\(\sigma\;[S/ｍ]\)の逆数である。
金属の線（図１）で考えると、長さ \(l\) が \(\Delta l\) ほど長くなると、断面積\(S\) は\(\Delta S\)減ることになり、式(1)より、\(R\)は\(\Delta R\)増加する。従って、$$\frac{\Delta R}{R} \approx F \frac{\Delta l}{l}$$となる。ここで、\(F\)は比例係数でゲージ率（各ゲージ固有の係数）という。
※ゲージ率は、ひずみゲージの感度を表す係数。 一般のひずみゲージで使っている銅・ニッケル系やニッケル・クロム系合金のゲージ率は、約2である。

抵抗値の変化測定

ブリッジ回路の使用が、ひずみゲージの抵抗値変化を測定する基本的な方式である。図４のブリッジ回路より、$$V_a = \frac{R_2}{R_1 + R_2}E \\ V_b = \frac{R_3}{R_4 + R_3}E \\ e = V_a - V_b$$である。初期状態として、\(R=R_1 = R_2 = R_3 = R_4\)とする。（ひずみゲージの抵抗値\(R_1\)に他の抵抗値を調整して合わせておく）このとき、\(V_a = V_b\)なので、\(e=0\)となる。

圧電式 力 センサの原理

図５に圧電式 力 センサの構造を示す。電極間に圧電材料を挟み込んだ構造となっている。圧力（力）を加わると、圧力に比例した分極（表面電荷）が現れる現象（圧電効果）で得られた電荷をチャージアンプを用いて電圧信号に変換し、この電圧を力に換算して計測する。
図６に電気分極の原理を示す。格子状の結晶の中に配置されたイオンの位置のずれが、圧力を加えることによって大きくなり、結晶の一方の端がプラスの電気を帯び、もう一方の端がマイナスの電気を帯びる「電気分極」という現象が起こり、電圧が発生する。

静電容量式 力 センサの原理

図７に静電容量型加速度センサの概念図を示す。静電容量型は、可撓部とある一定の間隔で、加速度によって変形しない固定部を設け、可撓部と固定部にそれぞれ電極を設ける構造となっている。変形（ひずみ）が発生すると２つの電極間距離が変化し、それによって電極間の「静電容量」が変化するので、この容量変化を検出することで、加速度が計測できる。なお、静電容量は式(1)で表せる。