2025-11-28
重量/張力センサーの内部構造と動作原理
重量センサーは、力を測定するために使用されるデバイスです。外部からの力が加わると、出力に電気信号を生成します。ひずみゲージ型重量センサーは、重量測定に最も一般的に使用されるタイプの一つです。この記事では、重量センサーの動作原理とさまざまな仕様について紹介します。
**重量センサーとは？**
重量センサーは、一種の力変換器です。センサーは、ある形式のエネルギーを読み取り可能な電気信号に変換するデバイスです。具体的には、重量センサーは力を電子機器で読み取ることができる電圧に変換します。日常生活で最も一般的に使用されている重量センサーはひずみゲージ型であり、重量を測定するほぼすべてのデバイスに搭載されています。
**重量センサーはどのように動作しますか？**
重量センサーには、柔軟な基板に取り付けられた非常に薄い抵抗性材料が含まれています。外部からの力が重量センサーの本体に作用すると、柔軟な基板が変形し、抵抗性材料も変形します。抵抗性トレースの寸法が変化すると、その電気抵抗も変化します。
ただし、抵抗の変化は、材料の元の総抵抗と比較して非常に小さく、通常は1:100程度です。このため、絶対抵抗を直接測定することは非常に困難です。したがって、柔軟な基板上の抵抗性材料は、ホイートストンブリッジと呼ばれる回路構造に配置されます。ホイートストンブリッジ（提唱者のチャールズ・ホイートストンにちなんで名付けられました）は、各辺に1つの抵抗器がある、ダイヤモンド型の抵抗器の配置であり、以下の図に示されています。
励起電圧は、ダイヤモンド型の対角線上の1対に印加され、出力電圧信号は他の対から読み取ることができます。通常、外部からの力が加わらない場合、すべての抵抗器は同じ値を持っています。ホイートストンブリッジの各「脚」は、抵抗性電圧分割器として機能します。すべての抵抗が等しいため、各脚からの出力電圧も等しくなり、差動出力は0Vになります（出力ポイントは各分割器の中点にあります）。外部からの力が加わると、抵抗器の1つの抵抗が変化し、その脚の電圧が変化します。これにより、出力に小さな電圧差が現れます。
**重量センサーの使用方法**
重量センサーの出力電圧は非常に小さく、高インピーダンスのソース（つまり、抵抗性分割器）から供給されます。したがって、電圧を正確に読み取るには、信号調整が不可欠です。信号調整回路は、分割器に負荷をかけないように高い入力インピーダンス、各脚の絶対電圧が励起電圧の半分であるため高い同相信号除去比、および高い差動ゲインを備えている必要があります。これには、上記のすべての基準を満たす計装アンプの使用が必要です。以下の図は、ゲインが100のAD620計装アンプを使用した回路例を示しています。つまり、入力電圧が1mVごとに、出力は100mVになります。たとえば、ブリッジのフルスケール出力が±25mVの場合、アンプの出力は±2.5Vになります。
**デジタル重量センサー**
アナログ重量センサーの使用に関連する技術的な課題を克服するために、UARTやRS485などのインターフェースを備えたデジタル重量センサーを選択できます。これらのセンサーは、標準のMODBUS-RTU通信プロトコルをサポートしており、PLC、コンピューター、表示モジュール、ワイヤレスデータ送信ユニットなどのデバイスへの容易な接続を可能にします。
