フォースセンサーとは
フォースセンサーとは、力や荷重の大きさを測定するセンサーです。
フォースセンサーの種類は、実にさまざまです。大型のプレス機械から材料や機械部品の強度評価に用いる試験装置など、荷重を測定するロードセル、配管や装置内の圧力を測定する圧力センサー、ロボットの指の先端に取り付けて触覚を再現するための力覚センサー、圧力分布を測定するシート状のタイプなどがあります。
フォースセンサーの使用用途
フォースセンサーは主にセンサーにかかる力を測定するために使用するセンサーです。センサーとしての構造は基本的に共通ですが、形状はブロックのようなものからシート状のものまで様々です。
薄く成形することができるという特徴から、シートやテープのような形状にすることができ、センサ―背面に両面テープを貼り付けて簡単に設置できるという利点もあります。一般的に、ロボットアーム先端の触覚センサーとしての使用やキーボードなどの入力装置において、キーを押したことを検出するためのセンサーなどの用途で使用されています。
フォースセンサーの原理
フォースセンサーはタイプによって原理は異なりますが、代表的なタイプはひずみゲージ式のフォースセンサーです。ひずみゲージ式のセンサーでは、負荷が加わる部分が弾性構造をしており力がかかると、この弾性体がわずかに変形します。
このわずかな変形を検出するのがひずみゲージです。ひずみゲージは極細の電線であり、貼り付けられた部品が変形すると、電線は細く長くなるので電気抵抗が増えます。この微小な抵抗値の変化を「ホイートストンブリッジ回路」を使用して検出するのが、ひずみゲージを用いたフォースセンサーの原理です。
ここでひずみゲージの抵抗値を「R (Ω) 」、圧縮または伸びによって生じた電気抵抗値の変化を「ΔR (Ω) 」とすると、ひずみ「ε」は以下の式で求められます。
ΔR / R = K・ε
この式における「K」は、ひずみゲージにごとに決まる固有の比例定数であるゲージ率です。ブリッジ回路に電圧「E」を印加し、ひずみゲージの抵抗値「R (Ω) 」、伸びまたは圧縮によって生じた抵抗値変化を「ΔR (Ω) 」とすると、出力電圧「e」は以下の式で表されます。
e = 1/4・K・ε・E (※ΔR / R = K・ε)
上記のような原理で、測定されるひずみ量と電圧の関係を基に、センサーにかかった力を測定することができます。ひずみゲージ以外のフォースセンサーで比較的多く用いられているのは、圧電式力センサーです。水晶などの圧電性結晶は応力が作用すると電荷を生成する性質があります。圧電式センサーは力の作用を受けた圧電材料から生成された電荷の大きさから、力の大きさ検出するセンサーです。
フォースセンサーの種類
フォースセンサーは力を計測するためのセンサー全般を指すため、さまざまな種類があります。
1. ロードセル
ロードセルは、力を電気信号に変換する代表的なフォースセンサーです。メーカーによってはフォースセンサーとは別の扱いをしているところもあります。
圧縮・引張のどちらも測定できるもの、圧縮、引張それぞれ専用のタイプがあります。主に歪みゲージを用いたセンサーが主流です。
2. トルクメーター
トルクメーターは力の大きさを、特に回転運動をさせる力の大きさであるトルクに変換して計測するセンサーです。トルクは回転軸に作用する力、回転させるための力であり、力の大きさと回転させようとする力が作用する腕の長さとの積で表されます。力は小さくても腕の長さが長くなれば、トルクは大きくなります。
3. 力覚センサー
力覚センサーは、主に工場での組み立て作業を行う産業用ロボットなどに用いられるセンサーです。ロボットが部品を掴む際の力の感覚を検出します。
力覚センサーがロボットが作業する際の力加減を精度良く検出することによって、繊細な作業もロボットがこなせるようになります。
参考文献
https://www.nissha.com/products/allproducts/force.html
https://www.hbm.com/jp/7318/how-does-a-piezoelectric-force-transducer-work/