圧電原理により、ひずみゲージによるセンサとは明確に異なる特性を持つ力センサの設計が可能です。 圧電力センサーは、単結晶のスライスで構成され、圧縮力を受けると電荷が発生します。 一般的には、電極を挟み込んで、このようなスライスを2枚使用します。構造体全体がハウジングに封入されています。電荷は電極とハウジングに吸収され、同軸チャージケーブルでチャージアンプに伝送される。
圧電センサーは、結晶とハウジングの良好な接触に依存します。そのためには、一方では結晶と結晶に接する部品表面の精密な加工、他方ではプレストレストセンサーの使用が必要となる。実際には、確実な接触を確保するために少なくとも10%のプレストレスが使用されます。プレストレスが大きいほど、測定特性が向上します。プレストレスは、当然、プレストレス要素もセンサーも過負荷にしてはならない。
圧電結晶に力を加えると、電荷Qの形で出力信号が得られる（単位はPC（10～12 C）。電荷は次式で計算できる：
Q = qxy*F
ここで F は力、qxy は圧電定数である。後者は、使用する結晶の種類と、装填する結晶の方向によります。最もよく使用される材料は水晶で、感度は4.3PC/N、温度制限は200℃である。HBKも同様にリン酸ガリウムを使用する。感度は水晶の約2倍（約8PC/N）と高い。その温度限界は850℃であり、しかし、熱応力により300℃という限界があるため、フォーストランスデューサ器では十分に活用できません。
圧電力センサを使用するか、ひずみゲージによるセンサを使用するかは、アプリケーションによって異なります。圧電センサーは、特にアプリケーションに次のいずれかの要件がある場合に望ましいです。
ひずみゲージベースのセンサーも圧電力センサーよりも優れています。インスタンス、引張り力を測定でき、多くの場合、さらに経済的です。さらに、精度の向上、ドリフトフリー測定、静的校正を実現します。参照測定に関しては、ひずみゲージ測定技術に代わるものはありません。
いずれにしても、どのトランスデューサが、最良かつ最も費用対効果の高い方法で、目の前の測定タスクの要件を満たしているかを確認することをお勧めします。圧電センサーの使用を決定した場合、どの力トランスデューサが適切かという問題が残ります。以下では、正しい選択ができるように、アプリケーションの代表的な分野について詳しく見ていきます。
圧電力センサーは非常にコンパクトにすることができます。例えば、高さ3～5mmのCLPシリーズ（フォースワッシャーのサイズによる）です。したがって、このようなセンサーは既存の構造との統合に完璧に適しています。
圧電センサーは力を加えると電荷を発生します。しかし、インストール時など、実際の力測定以上の力がセンサーにかかります。結果として生じる電荷は短絡することができ、これによってチャージアンプ入力の信号はゼロに設定されます。これにより、実際に測定する力に合わせて測定範囲を調整することができます。従って、初期荷重と測定する力の比率が極端に不利な場合でも、高い測定分解能が保証されます。CMD600のような最先端のチャージアンプは、測定レンジを実質的に連続可変に調整できるため、このようなアプリケーションをサポートします。
圧フォーストランスデューサ器は多段プロセスにも強みを発揮します。多段プレス工程を想像してみてください。まず、実際のプレス工程で高い力がかかります。圧電測定チェーンはそれに応じて調整されます。第2段階では、力の追跡、すなわち軽微な力のばらつきの測定を行います。この場合も、圧電センサーの特殊な機能である、チャージアンプ入力での信号を物理的に除去する恩恵を受けています。チャージアンプの入力をゼロに戻し、測定範囲を調整することで、高い分解能を確保できます。
アプリケーションによっては、非常に高い温度で力を測定する必要があります。これらの用途では、ひずみゲージに基づくフォーストランスデューサは物理的な限界に達します。しかし、CHWシリーズの圧電フォースワッシャーは、このような用途に特化して設計されており、300℃までの測定が可能です。
圧電センサーは、一部の例外を除き、すべて同じ感度を持っています。これは、ある力において20kNの容量を持つ力センサの出力信号が700kNの容量を持つセンサの出力信号と等しくなることを意味します。そのため、解像度や精度の面では、2つのセンサーのどちらを使用するかは問題にならない。測定チェーンは最大力に設定でき、それでいて小さな力の測定が可能です。
圧電センサーは非常に小さい変位を持ち、それに応じて高い剛性を提供します。そのため、ダイナミックな用途での使用に最適です。しかし、測定チェーン全体が動的特性に影響を与えます。アタッチメントの剛性やその後のエレクトロニクスも考慮する必要があります。圧電測定チェーンは一般に、小さな力の非常に動的な測定に完璧に適しています。一方、ひずみゲージに基づくフォーストランスデューサは、大きな力の動的測定に関しては第一選択です。
これらの側面のいずれかがアプリケーションに当てはまる場合、力の測定には圧電トランスデューサが必要です。
しかし、どのセンサーが適しているのでしょうか。
力測定チェーンの校正のための参照として使用する力センサーに投資する前に、センサーが満たすべき要件を明確にすることをお勧めします。一般的な要件は、このような力トランスデューサが国家標準にトレーサブルであることです。つまり、参照力トランスデューサはDIN EN ISO/IEC 17025認定のラボで校正されている必要があります。これらの試験所は、それぞれの国立計量機関（ドイツではPhysikalisch Technische Bundesanstalt）へのトレーサビリティを証明することができ、使用される方法とスタッフのトレーニングに関する検証可能なガイドラインの対象となります。
ビデオでは、CFWフォースウォッシャーの例を使用して、圧電力測定チェーンのキャリブレーション方法を示しています。
HBKは、適切なトランスデューサーの他に 校正サービスも提供しています。
特定のアプリケーションはありますか?圧電センサーは正しい選択か迷いますか？お問い合わせ - お客様のプロジェクトについて、お客様と話し合うことを楽しみにしています。
力測定に関するさらに技術的な記事は、 Force Tips & Tricksをご覧ください。
圧電フォースワッシャーは、大きな機械的変更を加えることなく測定対象物や機械と統合できるため、ほとんどのユーザーが圧電フォースワッシャーを好みます。しかし、これらのセンサは、損傷を防ぎ、十分な曲げモーメントの安定性を確保するために、常にプレストレス、すなわちネジまたはプレストレスセットを使用して初期荷重をかけることを必要とします。
センサやプレストレス素子（ネジ）に過負荷がかからないよう、耐荷重を守ってください。また、センサのインストールが測定点の感度の決め手となるため校正が必要です。つまり、取り付け後、ニュートン単位で力を測定できるように校正によって測定点の感度を決定する必要がある。
当社の推奨 タイプCFT+ 力センサー
CFT+センサーは、工場ですでにプレストレスとキャリブレーションが完了しています。機械的接続はフランジによって行われる。
大きな測定範囲に合わせて、力覚センサーの感度は3つの測定範囲で規定されています。公称（定格）力/能力で、能力の10%、能力の1%で。
CFT+/25KNはリン酸ガリウムを使用した特別仕様。このセンサーバージョンは、感度が（水晶に比べて）2倍になり、特に非常に小さな力の測定に適しています。
当社の推奨 タイプCFTフォースセンサ
CFT+と同様に、CFTフォースセンサーは事前ストレスと校正済みであるため、事前校正なしですぐに使用できます。ネジ接続で取り付け、標準的な機械接続です。
タイプCFTセンサーは小型で、同様にリン酸ガリウムを使用しています。ミニチュア部品の試験など、数ニュートンの範囲のアプリケーションに最適です。
私たちのヒント： CFWシリーズの小型フォースワッシャー
CFWフォースワッシャーの施工高さはCLPシリーズより若干高くなっており、力アプリケーション部と測定素子の間にさらに材料が余っていることになります。
CFW/700 KNはシリーズ最大の内径36mmのフォースワッシャーです。結果として、取り付け条件が悪かったりしても影響を受けにくい。シリーズCFWフォースワッシャーにはプラグ接続が付属しています。Oリングで密閉されたセンサーハウジングとの接続が特徴の堅牢な充電ケーブル「KAB145」など、さまざまなケーブルを接続できます。過酷な環境での使用に最適です！
当社の推奨 PACEline CHWシリーズのフォースワッシャー
CHWシリーズのフォースワッシャーは、超高温での使用を前提に設計されています。CHW-2モデルは200℃まで、CHW-3は300℃まで使用できます。これらのフォースウォッシャーも校正が必要です。温度感度が低いため、室温での校正が可能です。
私たちのヒント： CLPミニチュアフォースワッシャー
CLPシリーズは、フォースワッシャーのサイズにもよりますが、センサーの施工高さが3～5mmしかないため、このような用途にぴったりです。また、高さが非常に低い構造のためコネクタが収容できないため、センサーにはケーブルが一体になっています。センサーはM3からM14まで、すべてのねじサイズに対応可能です。施工高さが低いため、センサー表面の力をできるだけ均一に分散する必要があります。
私たちのヒント： せん断力用CSWミニチュアフォースワッシャー
CSWフォースワッシャーは、フォースワッシャーに平行に加わる力を測定。センサーはCLPシリーズと同じコンパクトサイズ。ミニチュアフォースワッシャーは、定量的な結果を決定するためにキャリブレーションする必要があります。
ご注意ください：CLPとCSWセンサーにより、2分力センサーを簡単に構築できます。典型的な用途としては、フライス加工や旋削加工における機械監視があります。
適切なセンサー： CSTシリーズの圧電ひずみ測定器
CSTシリーズのひずみ測定器は非常に小型で、ねじで固定できます。それらは次の原理に従って機能する。構造物に力が加わると、その力に比例した変形（ひずみ）が生じることが多い。センサーはひずみを測定します。CSTは、例えば溶接ガンやプレス工具に取り付けることができます。これらの部品のひずみを確実に測定します。これらの変換器も校正が必要です。
シリーズCSTひずみ計は非常に高感度であり、したがって、非常に剛性の高い構造、すなわち非常に低いひずみレベルでも使用することができます。測定精度は、特にセンサーを取り付ける材料に依存します。
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