伸縮センサは、物体のひずみ（引張・圧縮などによる変形）を検出するセンサです。機械部品や構造物、さらには人体や衣服など、物体の変形をセンシングすることにより、リアルタイムな動作解析や安全監視、性能評価が可能になります。
センサの設置方法や測定範囲によって、微小な歪みから大きな伸縮まで幅広く対応できるのが特徴です。

伸縮センサでは、以下のような変形・状態を計測します。

• 引張、圧縮（一次元変形）：材料や構造が引き延ばされる、あるいは押し縮められる際の変形。
• 複雑な曲げ、ねじれ：単純な引張・圧縮ではない、曲げやねじれによるひずみ。
• 振動、動的変形：時間的変化を伴うひずみをリアルタイムに追従。機械の故障予兆検知にも応用されます。
• 温度と組み合わせた変形検知：温度変化による材料の収縮・膨張も含めてセンシングすることで、精度を向上します。

伸縮センサには、上記の変形を検知するために様々な測定原理が存在します。代表的な測定原理は以下の通りです。

• 電気抵抗式：受けた力による物体の歪みによって電気抵抗が変化する物体を用いて力を検出します。ひずみゲージや感圧導電ゴムが代表的です。シンプルな回路で低コストでの生産ができますが、出力信号が小さいため、ノイズや温度条件による補正を行う必要があります。
• 静電容量式：コンデンサの原理を用いて、力によって平行な板間の距離を変化させ、静電容量の変化を検出します。こちらも構造的にシンプルで小型化しやすい反面、電磁ノイズの影響を受けやすいという短所があります。
• 圧電式：圧力が与えられると電圧が発生する素子を用いて、触覚を検出します。剛性が高く、感度も高い反面、ドリフト(無負荷状態でのセンサ値の揺らぎ)が発生しやすいという問題があります。
• 光学式：力が加わった際の変形による模様やパターンの変化を光学的に捉える方法です。電磁ノイズに強く、非接触での計測が可能ですが、光学的な計測のためにセンサ部分の小型化が難しくなります。

今回紹介するElastiSense社のSSシリーズは、静電容量式を採用した柔軟かつ高精度な伸縮センサです。
SSシリーズの特長は、柔軟素材の中に静電容量方式のセンサ構造を組み込むことで、高い感度と安定性を両立している点にあります。
他の伸縮センサとは異なり、広い温度範囲で予測可能な挙動を示し、長時間の使用でも大きなドリフトに悩まされることはありません。

これらの特徴を活かして、医療やスポーツにおける人体の動作計測や、ロボット制御に使用されています。

このデバイスには2 つのタイプがあります。ひとつは電子回路を内蔵し、静電容量を直接電圧信号に変換するものです。もうひとつは裸のコンデンサで、当社のWE シリーズの電子回路で測定することができます。

それでは実際に伸縮センサを使ってみます。

伸縮センサは変形を感知する伸縮部と、測定対象物への固定に用いる非伸縮部に分かれており、初期状態からの伸縮部の伸びを測定します。

センサと定規を直線状に並べ、実際の伸びと測定値を比較してみました。

10mmずつ伸ばして測定したところ、高い精度と応答速度でセンサ伸びの測定ができることが確認できました。
仕様通り、最大伸び80mm(80%)という高いひずみを計測することができます。

静電容量式の伸縮センサ「SSシリーズ」の特徴について説明し、実際に変形させてみて正確に伸びを測定できるかを試してみました。

今回試したように、SSシリーズは高い精度と応答速度で大変形の測定ができることが分かりました。

薄型軽量で柔軟なセンサの特徴を活かして、人体やロボットの大きな動きを測定するのに適しています。

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最後までお読みいただきありがとうございました。