【業界最小サイズ】「アルプスアルパイン」フォース(荷重)センサの原理

最終更新日

アルプスアルパインのロゴ

業界最小、高リニアリティ、優れた耐衝撃性

アルプスアルパインのフォースセンサはSi半導体素子を使ったピエゾ抵抗方式を採用しており、 MEMSプロセスで作ったピエゾ抵抗素子を使って荷重(フォース)を検出しています。

新製品HSFPAR004Aは業界最小サイズを実現しており、スタイラスペンなどのインプットデバイスやロボットアーム掴み部における加圧バランスの調整など、幅広い用途にご使用いただけます。

※2019年11月メーカー調べ

フォースセンサの検出原理

ピエゾ抵抗方式とはピエゾ抵抗効果を使った検出方式で、これは半導体結晶(Si)に機械的な歪み(ひずみ)が加わると内部エネルギー構造の変化に伴い電子の移動量が変わって電気抵抗が変化する現象です。

下の図のようにピエゾ抵抗素子にかかる歪みの方向によって電気抵抗は変わります。

ALPSのフォースセンサの検出原理_ピエゾ素子 変形方向と抵抗

以下のように荷重が加わるとダイアフラムがたわみ、ピエゾ抵抗素子も歪み、出力電圧が変化します。

また、サイズを極小化する為、集積回路を持たずにアナログ出力としております。

センサ断面模式図.png

フォースセンサの特長

業界最小サイズ

アルプスアルパインのフォースセンサは、小型細径のスタイラスペンのペン先にも入るよう業界最小サイズを実現しています。
(2019年11月現在メーカー調べ)

HSFPAR004Aの例
HSFPAR004Aの例

高リニアリティ

ピエゾ抵抗方式のフォースセンサは他の方式に比べて高いリニアリティを実現できますが、更に同じピエゾ抵抗方式の他社製と比較しても当社のフォースセンサはリニアリティに優れています。

アルプスアルパインのフォースセンサは高リニアリティについてのグラフデータ

当社HSFPAR004Aは2%FS以下を実現しています。併せてヒステリシスにも優れていることが分かります。

※ FS=Full Span(0~8Nにおける出力変動量)

高感度

アルプスアルパインのフォースセンサは1g(≒0.01N)レベルの微小な応力も検出できます。

実験例

フォースセンサの上に1円玉(1g)を重ねていく実験でグラフの通り確実に検出できています。

上述の通り、アルプスアルパイン社のフォースセンサはリニアリティが高いため、これが全荷重領域で実現できます。

※ 微小な応力の検出にはオペアンプなどの信号増幅処理や平均化などの信号安定化処理が必要です。

フォースセンサの実験例

これらの性能によりスタイラスペンの筆圧を検知し、筆使いの滑らかさや再現性などの点で心地よい書き味を実現できます。

また、ゼロストロークレベル(0.01N)の小さな応力から検出できる為、精密機械を扱う産業用機器へのご使用も可能です。

高信頼性

使用荷重範囲(~8N)において100万回の動作寿命を保証しています。 加えて新製品のHSFPAR004Aでは、最大定格荷重が従来品比で30~40%アップしており最大55Nの荷重にも耐えられます。

また、200Nまで耐えられるモジュール(FPC取り付けタイプ)HSFPAR303Aも取り揃えています。

アルプスアルパインの優れた荷重範囲

アプリケーション例

ロボットアーム掴み部における加圧バランスの調整

ロボットアーム掴み部
二足歩行ロボット

二足歩行ロボットの足の裏に搭載し、重を検知してバランスを調整

スタイラスペンなどの各種インプットデバイスの筆圧検知

スタイラスペン

ラインナップ

HSFPAR003A

製品番号 HSFPAR003A
サイズ 2.0×1.6×0.66mm
特長 超小型SMDタイプ
動作荷重範囲 0~8N
電源電圧 1.5~3.6V
最大定格荷重 40N

HSFPAR004A

製品番号 HSFPAR004A
サイズ 2.0×1.6×0.66mm
特長 超小型SMDタイプ
動作荷重範囲 0~8N
電源電圧 1.5~3.6V
最大定格荷重 55N

HSFPAR303A

HSFPAR303A
製品番号 HSFPAR303A
サイズ 4.0×2.7×2.06mm
特長 耐衝撃ユニットタイプ
動作荷重範囲 0~7N
電源電圧 1.5~3.6V
最大定格荷重 200N

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