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FSR 動作原理

FSRセンサーについて

FSRはPTF(Polymer Thick Film:高分子厚膜フィルム)デバイスのひとつで、アクティブエリアに加えられた力(圧力)の増加に伴って、電気的抵抗値が減少する特性を持っています。FSRに加えられた力(圧力)に対する特性は、ロードセルや歪みゲージと類似しておりますが、精密な圧力や重さの計測には適しておりませんのでご使用に際してはご注意ください。以下にFSRの構成図を示します。

FSRセンサーについて

FSR動作原理図解

FSR動作原理図解

1. 加える力と抵抗値の関係

FSRの面に力を加えたときの抵抗値特性(典型例)を、図1に両対数グラフで示します。FSRの抵抗値は加えた力にほぼ反比例します。図1からわかるように、低い力の領域(左側)では加圧力と抵抗値の関係はスイッチのような特性を示します。このスイッチが入った瞬間(「Break Force:ブレイクフォース」)の状態では、抵抗値が100kΩから10kΩまで急激に落ちますが、この値は基板材料、FSRを覆う表面材(オーバーレイ)の厚み、可撓性(かとうせい)および半導体層と電極層との間のスペーサ/接着材の厚みなどにより決まります。

加える力と抵抗値の関係

ブレイクフォースは基材やオーバーレイが硬くなったり、スペーサの厚みが増すにつれて大きくなります。接着剤のない状態や、力が加わっている点から充分離れたポイント(例:大きい面積のFSRの中心部)ではFSRの残存抵抗は小さくなります。FSRに前もって負荷をかける(プリロード)ことによっても同じように残存抵抗は小さくなります。ダイナミック・レンジの高加圧側(右端)では抵抗特性は直線性からはずれ、これ以上力を加えても抵抗値が減らない飽和状態に達します。図1の例では、この飽和力は10kg以上です。この飽和力は「加える力」というより「圧力」の変数の関数です。典型的なFSR の飽和力は7.0kg/cm²から14.0 kg/cm²で, 図1,2 および3 での実測の圧力範囲は,0〜12.3 kg/cm²です。加える力が飽和力を越える場合は,接触面積を広げることにより,加えた力の測定は可能となります。すなわち全体として圧力は飽和点以下となりダイナミックな応答が保持されるからです。逆に感応面積が小さい場合は,より小さい加圧力で飽和現象が起こります。

2. 加圧力とコンダクタンスとの関係

図2に、FSRに加わる力とコンダクタンス(抵抗値の逆数)の関係を示します。この関係は通常のグラフで表現することができます。電流−電圧変換回路ではFSRのコンダクタンスに比例した電圧が出力され、直線関係での応答を得るのには有効です。図2には、さらに、FSRパーツ間の繰り返し精度も細線で表示してあります。この細線間の幅(誤差幅)は、FSRに加える力と測定するシステムでの繰り返し誤差、およびFSRの製造スペックに依存します。一般的には、製造上のFSRパーツ間の繰り返し許容精度は規定抵抗の±15%から±25%です。

加圧力とコンダクタンスとの関係

図3に、FSRに弱い力(0〜1kg)を加えた場合の例を示します。この範囲は一般的に人が触れる力に相当しており、かなりの直線性が得られますので、FSRの応用商品の設計が容易に行えます。この範囲でも細線に示すように部品間の誤差が若干ありますが、人が指先でコントロールする応用例の場合は、ほとんど問題になりません。人の指の触感はかなりいい加減で、最近の研究では指だけで約50%以下の判別は困難といわれています。

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