力計測の世界では主流なセンサは2種類あります。ピエゾ式とひずみゲージ(SG)式です。どちらがより適切なのでしょうか?

1. 基本動作原理

ひずみゲージ式力変換器は、印加ポイントが弾性構造をしています。力が加わると、この弾性体がわずかに変形します。計測ポイントに貼られたひずみゲージは伸長し、抵抗値が変化します。最低4枚のひずみゲージを接続しホイートストンブリッジ回路を生成します。電圧をブリッジにかけると、力に比例した電圧が出力されます。

ひずみゲージ式センサの基本構造。弾性体のサイズで計測範囲が決まる

 

ピエゾ式センサは2枚の水晶盤と、その間の電極箔から構成されます。印加時にチャージアンプで力に比例した電荷が計測できます。

ピエゾ式センサの構造。水晶盤(水色)が印加されたフォースを電荷に変換し、電極箔に伝わる

2. センサタイプ別の適切なアプリケーション

静的なモニタリングに

ひずみゲージ式のセンサはドリフトがほとんどなく、長期的なモニタリングに適しています。コンスタントに力が加わることによる出力信号は変化しますが、時間経過に伴うクリープ現象が非常に少なく、これはひずみゲージを適切な場所に貼ることで最小限にできます。最新のHBMのセンサは、例えば力変換器(フォースセンサS2Mの場合、クリープ現象は計測値の200ppmよりも小さく、ほとんどの用途では無視できるレベルです。)

 

一方、ピエゾ式はその動作原理によりドリフトが起こります。計測チェーンを開始することにより、毎分1N程度のドリフトが発生します。計測する力にかかわらず、この値は一定で、ドリフトに相対した計測誤差が発生するため、小さな力を長期間計測するような場合には適しません。

 

Effect of the drift with small and large forces: When measuring 5000 N, a longer period of measurement is possible; with smaller forces the effect of the drift is significant. The following becomes obvious: The period of measurement depends on the require
動的な力の計測に

ピエゾ式は印加時にわずかに変形するものの、筐体は非常に強固です。共振周波数が高く、動きの激しいダイナミックな用途に向いています。しかし計測チェーン全体がこのダイナミックな動きに影響を与えます。センサ取り付け部のサイズが追加的な質量としてシステム全体に影響するため、遮断周波数が影響を受けます。また複数のチャージアンプは、電荷とその力に応じた帯域をもちますが、力が大きいと電荷が高くなり、帯域が制限されます。

定格力の大きな変換器を使う場合、ひずみゲージ式では遮断周波数がより高くなります。原理的には、小さな力に対応できる力変換器は柔軟な構造に成、共振周波数は低くなります。実際は用途ごとにデータシートで仕様をよく確認する必要がありますが、概ね小さな力を高速に計測するためにはピエゾ式を、大きな力を計測する場合はひずみゲージ式を使った変換器を選ぶのがよいといえるでしょう。

校正/キャリブレーションに

ひずみゲージを接続する回路は、数多くの誤差補正が行えます。ゼロポイントや感度への温度影響、変換器の直線性や曲げモーメントなどの補正が含まれます。さらにひずみゲージ式では静的な校正を非常に高精度に行えます。弾性体の設計で最適な再現性を確保でるひずみゲージ式は、レファレンス値としての力計測に、断然優位であるといえます。

初期負荷が高い場合に

力が印加されると、ピエゾ式には電荷が発生し必要な場合は短絡出来ます。チャージアンプへの入力はゼロになり、高い初期負荷でのアンプへの入力には影響がありません。ピエゾ式が過酷な条件下でも最高分解能で計測できる所以です。

過酷な計測環境に

 

ひずみゲージ式変換器には、保護等級IP68をもつものがあります(S9MU10Mオプションケーブル付)。密閉構造により高感度なひずみゲージが保護されるため、過酷な計測環境でも変換器が利用できます。

ピエゾフォース式変換器のチャージケーブルには特別なシール材が使われており、このため接続は完全な密閉状態を保持でき、高い安全性が確保されます(KAB145-3)

高精度が求められる場合には

最新の力変換器は非常に精度が高く、特にひずみゲージ式の製品の場合エラー発生率は200ppmとわずかです (例: HBM TOP-Transferシリーズ) このため一般的な産業用途に適しています。校正用の力変換器は、一貫してエラー発生率がこれよりも低くなります。ピエゾ式の場合、わずかに直線性誤差が高くなり、一般的にはフルスケールの0.5%程度で、高ドリフトによる制限もあります。力範囲での校正を行った後計測を行うことで、高精度での計測が可能です。

 

限られたスペースには

 

ピエゾ式フォースセンサは非常にコンパクトです。 CLPシリーズの場合、高さは4㎜もありません。こうしたセンサは既存システムに統合する場合には最適です。精度面での妥協は必要ですが、小型という特性は多くのアプリケーションで需要が非常に高いためです。

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