概要
力学的諸量を電気信号に変換するセンサのことをいいます。
変位やひずみなどの幾何学量、速度、加速度、角速度などの運動量、圧力、力、トルクなどの力学量を測量の対象としています。
種類
変位センサ
被測定物が移動した距離、または被測定物の位置を計測するセンサ。
差動トランス
3つのコイルと可動鉄心で構成される。
①中央の一次コイルを一定周波数の交流信号で励振
②コイル内に挿入されたコアが被測定物と連動して直線状に移動
③逆極に直列接続された2つの二次コイル上に可動鉄心位置に比例した差動誘起電圧を出力
測定範囲は数μm〜数cmで、直線性に優れる。
ポテンショメータ
しゅう動子と抵抗で構成される可変抵抗器。
被測定物と連動して移動するしゅう動子の位置によって変化する抵抗値で位置計測を行う。
渦電流式変位センサ
①コイルに高周波電流を流し、高周波磁界を発生させる
②発生磁界内に被測定物である導体や半導体が存在すると、電磁誘導作用によって被測定物表面に渦電流が発生
③コイルのインピーダンスが変化することで変位を測定
被測定物の材質に応じて補正が必要となる。
容量形変位センサ
被測定物が導体、または半導体の場合、被測定物と対抗して電極を設置すると、平行平板キャパシタが構成できる。
電極間距離と容量は反比例であるため、変位を計測することができる。
超音波式変位センサ
被測定物に発信した超音波の反射時間から距離を求める。
音速をc、反射時間をTとすると、距離Lは、
L=Tc／2
で求めることができる。
光学式変位センサ
三角測距法により、被測定物までの距離を光学的に計測するセンサ。
①被測定物で反射した光が受光レンズで集光され、位置受光素子（PSD）上に投影
②PSDは受光面に均一なpn接合層を形成したもので、光の入射位置に応じた光電流を電極に分割して出力
③被測定物の位置によってPSD上の東映位置が変化し、変位を計測
対象物の表面状態に依存しない高精度な計測が可能
ひずみゲージ
機械的な寸法の変化を電気信号として検出するセンサ。
材料や構造体の表面に接着してひずみを測定することで、その変形や強度を知ることができる。
自動車、産業機械、土木建築など幅広い産業分野で使用されている。
力センサ
構造体にかかる圧縮、引張りなどの荷重を計測するセンサ。
構造形センサ
荷重を構造体の変位や幾何学的な変位に変換して計測するセンサ。
ひずみゲージを貼り付けたタイプや、所定部位の変位を静電容量式、インダクタンス式、磁気式、電磁式などの変位センサを用いて計測するタイプがある。
物性形センサ
荷重が印加される材料における材料定数変化に変速して計測するセンサ。
圧電材料や磁歪材料を用いて印加された荷重を電荷や磁束の変化に変換するタイプや、半導体を用いてピエゾ抵抗効果により抵抗値変化に変換するタイプなどがある。
トルクセンサ
回転軸のねじれからトルク計測を行うセンサ。
位相差式センサ
①回転軸の2箇所に歯車円板を設置
②これらを対抗させて磁気ピックアップなどの磁気センサを取り付ける
③円周方向の歯の移動を検出する
④回転軸にトルクを印加すると、トルクに比例してねじれが発生
⑤2つの磁気センサの出力に位相差が生じる
⑥この位相差によりトルクを求める
ひずみゲージ式トルクセンサ
ねじれにより回転軸に発生する引張りと圧縮のひずみが検出できるよう、回転軸の長さ方向に対して45°の方向に4つのひずみゲージを接着して、ホイーストンブリッジ回路に結線する。
①ねじれにより2つのひずみゲージは引張りにより抵抗値が増加
②2つのひずみゲージは圧縮により抵抗値が減少
③ねじれに比例した電圧出力を得る
④フルブリッジ構成とすることで、曲げなどの影響を打ち消してトルク検出をする
磁気ひずみ式トルクセンサ
回転軸に磁歪材料を用いて、印加されたトルクによる透磁率変化を計測することでトルクを求める。
①ねじれにより回転軸の長さ方向に対して45°の方向に引張りと圧縮のひずみが直交して発生
②それらの方向に励振用と検出用の磁心を接近させて設置
③励振用コイルに電流を流して磁束を発生させる
④ねじれが発生した場合、2つの検出用磁心からの磁束による出力電圧に差が生じ、トルクを検出する
圧力センサ
圧力を電気信号に変換するには、その圧力と基準となるような圧力との間にダイアフラムと呼ばれる弾性板を設け、ダイアフラムのひずみ、もしくは変位を検出する。
圧力センサには、
①基準圧力を大気圧としたゲージ圧センサ
②基準圧力を真空とした絶対圧センサ
③2つの圧力の差を測定する差圧センサ
がある。
ピエゾ抵抗式圧力センサ
ダイアフラム表面上にピエゾ抵抗が形成されており、圧力印加時の応力を抵抗値変化に変換する。
静電容量式圧力センサ
圧力印加で変形するような導電性のダイアフラムと固定電極を狭いギャップを介して対向させるように設置し、ダイアフラムの変形を静電容量値の変化に変換する。
振動式圧力センサ
圧力印加時で生じるダイアフラムなどの剛性変化を、そこに形成された共振子の共振周波数に変換するもの。
速度センサ
被測定物が直線、または回転移動した速度を計測するセンサである。
タコジェネレータ
回転する直流発電機から出力される直流電圧が回転速度に比例する。
回転方向は直流電圧の極性から判別する。
回転軸に取り付けることから、電動機に直接取り付け、速度制御に使用されることが多い。
ロータリエンコーダ
被測定物に設置したスリットの回転を光学的もしくは磁気的に計測し、単位時間で割ることで、回転速度を計測する。
レーザドップラー振動速度計
波長λのレーザ光を速度vで振動する被測定物に称さし、被測定物からの反射光の周波数変化を電圧に変換して振動速度を計測する。
加速度センサ
加速度による質量の変化を検出する仕組みである。
質量の変化は、質量に取り付けられた可動電極と固定電極間の距離変化に基づく静電容量変化や、ばねのたわみに付随して発生する応力をけんしゅつすることで、知ることができる。
加速度センサには、MEMS技術が大きく貢献している。
角速度センサ（ジャイロ）
印加された角速度を検出する素子であり、加速度センサとは本質的に異なる。
コリオリ力を用いたものと、サニャック効果を用いたものに大別される。
前者はカメラの手ブレ補正やナビゲーションの補機などに使用される。
後者は慣性航法などに用いられる。
