FSRセンサ（感圧抵抗センサ）とは？仕組み・校正・選定の要点

FSRセンサ（感圧抵抗センサ）は、受圧部に加わる力が大きくなると、通常は2端子間の電気抵抗が低下する薄型の受動センサです。タッチ、物体や人の存在、相対的な荷重、しきい値の検出に向きます。ただし、センサ単体で高精度な荷重値が得られるわけではありません。接触面積、支持面、アクチュエータ、回路、温度、荷重保持時間、校正方法が出力を左右します。薄さと柔軟性を優先し、管理された荷重経路から力に応じた信号を得たい場合に有力な方式です。設計検討では、まず日本語のFSRシート圧力センサ製品ページで必要な入力条件を確認できます。

FSRセンサとは何か

FSR（Force Sensing Resistor）は、機械的な荷重を抵抗変化に変換する受動部品です。ロードセルのように、校正済みの荷重値をそのまま出力する素子ではありません。また、接点スイッチのようなオン・オフだけでなく、連続的に変化する電気量を取り出せる点が異なります。

一般的な FSR は、受圧部、2本の端子、薄いテールを備えた柔軟なポリマー部品です。荷重が増すと、受圧部内部の導電接触や有効な電流経路が変化し、端子間抵抗が下がります。Interlink Electronics の FSR 400 Series Integration Guide と Sensitronics の FSR 101 は、異なる構造でこの挙動を説明しています。

FSR は「薄膜圧力センサ」と呼ばれることもありますが、力と圧力は同じ測定量ではありません。力の単位はニュートン（N）、圧力は単位面積当たりの力で、1 Pa = 1 N/m² です。同じ総荷重でも、小さな突起に集中させる場合と、フォームで広く分散させる場合では出力が変わります。FSR が検出するのは、特定の接触形状を通じて受圧部へ伝わった荷重です。面積と機構から独立して圧力を測るわけではありません。

座面、操作パネル、クランプ、グリッパでは、この違いが特に重要です。フォームの硬さ、表皮の張力、曲率、予圧、押し子の直径、支持体のたわみによって、外部荷重のうち受圧部へ届く割合が変化します。

感圧抵抗センサの構造

FSR の積層構造は一種類ではありません。代表的な方式に、Sensitronics が区分するシャントモード（shunt-mode）とスルーモード（thru-mode）があります。どちらも感圧抵抗材料を使いますが、電極配置と電流経路が異なります。

一般的なシャントモードの荷重経路は次のように表せます。

垂直荷重
  ↓
押し子、パック、フォーム、または荷重分散材
  ↓
保護ポリマーフィルム
  ↓
感圧抵抗インク
  ↓  荷重に伴って有効接触が増加
受圧部周囲のスペーサ / 管理された空隙
  ↓
櫛形導電電極
  ↓
フレキシブル基材と2端子テール
  ↓
粘着層と安定した支持面

シャントモードでは、荷重に応じて感圧層が櫛形電極をより広く橋渡しし、2端子間の実効抵抗が低下します。電極ピッチ、インク配合、スペーサ形状、受圧部の輪郭、押し子の機構が応答曲線を決めます。

スルーモードでは、対向電極の間に導電材料または感圧材料を配置し、電流が受圧積層の厚さ方向へ流れます。圧縮で導電経路が変わる点は共通しますが、形状と応答は個別に評価しなければなりません。仕様書では「FSR」とだけ記すのではなく、採用する構造または品番を特定します。

受圧部とテールの役割も別です。規定の受圧部には垂直荷重を加えますが、テールの鋭い折り曲げ、コネクタからの引張り、繰り返し摩擦、クランプ圧は、配線損傷や意図しない抵抗変動の原因になります。曲げ半径、ストレインリリーフ、コネクタ方向、立入禁止領域は組立図に明記します。

FSRの仕組み：荷重を電気的な判定へ変える流れ

FSR は抵抗値を変える部品であり、自ら電圧を発生しません。システム全体の信号経路は少なくとも次の5段階です。

外部荷重
  → 管理された機械インターフェース
  → 荷重依存のFSR抵抗
  → 分圧回路またはコンダクタンス測定回路
  → ADC / コンパレータ / コントローラ
  → 校正値、荷重帯、またはしきい値判定

材料内部の挙動は、単純な「押すとスイッチが閉じる」という説明では足りません。Paredes-Madrid らが 2017 年に発表した Sensors 論文は、導電性ポリマー FSR の静荷重応答を、接触抵抗と量子トンネル効果を含むモデルで扱っています（DOI 10.3390/s17092108）。市販品ごとにインクは異なりますが、荷重と抵抗が全域で直線関係になると仮定してはいけない点は共通します。

実用上の応答は三つの領域に分けて考えられます。

1. 無荷重または検出開始付近: 抵抗が高く、開回路との区別が難しい場合があります。わずかな接触や予圧の変化でも、比率として大きく変動します。
2. 使用領域: 荷重の増加とともに抵抗が非線形に低下します。利用できる分解能は、回路感度と機械インターフェースで決まります。
3. 飽和領域: さらに荷重を増やしても電気的な変化が小さくなります。この領域に近すぎると判定マージンが減ります。

分圧回路でFSRを読み取る

FSR を電源側、固定基準抵抗をグラウンド側に置く回路は、最も単純な読み取り方法の一つです。

Vcc ── FSR ──┬── ADCへ Vout
              │
             Rref
              │
             GND

この接続での出力は次式です。

Vout = Vcc × Rref / (RFSR + Rref)

荷重が増えて RFSR が下がると、Vout は上がります。FSR と Rref の位置を逆にすれば、電圧の変化方向も逆になります。基準抵抗は、検出したい抵抗領域に合わせて選びます。別の荷重範囲を想定した作例から値をそのまま流用する方法では、十分な分解能を確保できません。

トランスインピーダンス回路やオペアンプによるコンダクタンス測定は、選択した範囲で扱いやすい伝達特性を得られる場合があります。Tekscan の電気統合資料は、回路感度、コンディショニング、ヘッドルーム、多点校正を扱っています。いずれの回路でも、電源電圧、ADC 基準、入力漏れ電流、サンプリング周期、フィルタ、センサ電流の上限を一つの測定仕様として定義します。

出力形式は製品が下す判断に合わせます。座席やクランプで必要なのが「無荷重」「遷移」「荷重あり」の区分だけなら、すべての ADC 値をニュートンへ換算するより、動作側と復帰側に別のしきい値を設定した方が堅牢な場合があります。

厚さ・再現性・ヒステリシス・ドリフトは試験条件とセットで読む

FSR の仕様値は、条件を外すと意味が変わります。厚さは実装寸法であって測定品質ではありません。同一品の繰返し再現性と、個体間の互換性も別です。ヒステリシスは荷重増加時と減少時の経路差、ドリフトは一定条件を保ったときの時間変化を表します。治具、荷重、回路、タイミング、試料履歴、温度、算出方法を併記して初めて比較できます。

以下はメーカーが公開する製品別の例です。構造、押し子、回路、試験条件が異なるため、FSR 全般の限界値や JASPER の仕様としては扱えません。

0.008 in. は約 0.203 mm に相当します。数値は Interlink FSR 400 Series Datasheet と Tekscan FlexiForce A201 specifications に基づく製品例で、互いに同条件の比較試験ではありません。

再現性はシステム全体で確認する

「±2%」が、一つのコンディショニング済みセンサを同じ治具で繰り返した値を示す場合、取り付け後の予圧変動や量産個体差までは保証しません。同一アセンブリの繰返し、センサ個体差、完成アセンブリ間のばらつきを分けて評価します。

ヒステリシスはしきい値マージンに影響する

同じ公称荷重でも、荷重を下側から増やした場合と上側から減らした場合で出力が異なることがあります。動作と復帰に同じしきい値を使うと、ノイズや機械的な動きでチャタリングが起きる可能性があります。二つのしきい値は有効な手段ですが、荷重点が受圧部から外れる機構をファームウェアだけで補うことはできません。

長時間荷重ではクリープとドリフトを評価する

Paredes-Madrid らの 2017 年の Materials 論文は、32 個の FSR 試料を用いてクリープと動的荷重を調べ、荷重履歴、電気条件、時間に依存する挙動を示しています（DOI 10.3390/ma10111334、PMC 公開記録）。30秒の押下試験だけでは、4時間荷重が続く座席やクランプの根拠にはなりません。実際の判定時間に近い保持試験と、除荷後の回復確認が必要です。

機械統合が測定性能の上限を決める

荷重の伝わり方を管理できなければ、複雑な校正式を使っても補正しきれません。Interlink と Tekscan の統合資料はいずれも、押し子の形状、支持剛性、荷重位置、接触材料、最終アセンブリでの校正を重視しています。

安定した支持面を使う

受圧部の下にある支持体は、規定の荷重・温度範囲で一定の状態を保つ必要があります。ハウジングがたわめば、外力の一部が構造変形に使われます。異物のかみ込みは局所的な予圧を生み、曲面への貼り付けは意図した荷重が加わる前からセンサを曲げる可能性があります。

押し子または荷重分散材を定義する

パックやボスを使うと、受圧部の決められた範囲へ荷重を集中できます。直径、硬さ、端部半径、位置、ストロークを固定します。小さすぎれば局所応力が高まり、大きすぎて非感知部をまたぐと、周囲の粘着層や構造へ荷重が逃げます。受圧領域全体を曖昧に押すのではなく、実際のセンサと荷重範囲に合わせて接触形状を決めます。

予圧・せん断・オーバートラベルを管理する

フォーム、表皮、ガスケット、組立圧縮によって、外部入力がない状態でも荷重がかかる場合があります。この予圧を測定して校正に含めます。荷重は主に受圧部へ垂直に入るよう可動部を案内し、滑りによる接触位置の移動やフィルム摩耗を避けます。過大なストロークが生じる機構にはメカニカルストッパを設け、センサを構造上の終端にしません。

校正前にインターフェース材料を確定する

校正後にフォーム密度、粘着層厚さ、エラストマー硬度、保護フィルム、支持樹脂、ハウジング公差を変えると、荷重伝達も変わります。購入するセンサの外側にある材料でも、管理対象の BOM に含めます。

FSRセンサの校正と検証方法

校正は、製品が下す判断を測定可能な言葉で定義するところから始まります。「高精度に圧力を測る」では試験条件が決まりません。「合意した座席荷重で着座状態へ移行し、所定の保持時間中に状態を維持し、除荷後は規定時間内に復帰する」なら検証できます。

NIST の力トランスデューサ校正は、既知の力とトランスデューサ出力の関係を確立する考え方を示しています。読出し系を含めて校正した場合、その関係はセンサと読出し系の組合せに適用されます。FSR も同様に、校正曲線はセンサ、機構、回路、タイミング、近似モデルの組合せに属します。

OEM 向けの実務手順は次の通りです。

1. 出力を定義する: 二値状態、相対荷重帯、変化傾向、多点分布、推定荷重値のどれが必要か決めます。
2. 代表積層を作る: 支持体、押し子、粘着層、フォーム、表皮、コネクタ、回路、サンプリング処理を実機に近づけます。
3. コンディショニングを統一する: 採用品のメーカー手順に従い、異なる製品の手順を混用しません。
4. 基準荷重を加える: カタログ全域ではなく、実際の動作範囲をカバーします。
5. 荷重増加・減少を測る: 複数サイクルでヒステリシスと短期再現性を確認します。
6. 保持と回復を加える: 代表荷重を所定時間保持し、除荷後に基準状態へ戻る過程を記録します。
7. 部品と組立を変動させる: 複数のセンサ、積層公差、電子回路、治具個体を含めます。
8. 環境を負荷する: リスク分析に基づき、温度、湿度、振動、液体、経時条件を選びます。
9. 合否限界を定義する: 判定マージン、誤差、誤遷移、範囲外処理、再校正条件を決めます。
10. 量産代表品で検証する: リリース対象と同じ図面改訂、BOM、組立工程、ソフトウェアを使います。

用途を再現するFSR試験マトリクス

日本語の品質・試験ページは検証計画の考え方を、試作・サンプル承認ページは量産前に機械インターフェースを固める流れを示します。ただし、一般的な設備説明は、案件別の試験計画や承認済み報告書の代わりにはなりません。

FSR・ロードセル・接点式メンブレンセンサの違い

適切な方式は、製品が何を判断するかで決まります。薄さは FSR の利点ですが、計測精度や安全要求より優先される条件ではありません。

取引用はかり、トレーサブルな研究用荷重、接触形状が変化する条件での厳しい絶対精度、長時間荷重で極小ドリフトが必要なら、まずロードセルを検討します。必要なのが状態変化だけなら、接点式メンブレンセンサや座席占有センサの製品群を選ぶことで、アナログ回路と校正を簡素化できる場合があります。

薄膜圧力センサがOEM製品に適する用途

薄型 FSR は、荷重経路を管理できる小型インターフェースに適します。

• 座席・存在検知: 無荷重と荷重ありの状態を力に応じた出力で区別できます。ただし、フォーム、表皮、姿勢、予圧、保持時間を試験に含めます。日本語の自動車用途ページに示す用途でも、センサはシステムの一部であり、制御ロジック、安全分析、適合性、車両レベル検証は座席または車両システムの統合者が担当します。
• HMI の押圧強度: 単純な接点では足りない場合に、複数の押圧帯や意図的な押込みしきい値を設定できます。
• クランプ・把持監視: 押し子位置と接触形状を再現できる治具で、相対的な締付け状態を検出します。
• 部品の有無確認: 大型トランスデューサを追加せず、部品が荷重位置まで到達したことを確認できます。
• フレキシブル多点検知: 複数の受圧部で相対荷重を比較できますが、クロストーク、配線、校正をまとめて評価します。

接触点が受圧部の外まで移動する、横荷重が支配的、校正時の積層を維持できない場合には適しません。その場合は抵抗曲線を選び直すより、荷重経路の設計変更が先です。

FSR要件レビューに必要な情報

有効径だけでは要件を定義できません。センサから判定までの系全体を仕様書に含めます。

量産見積りの前に、選定先のセンサメーカーと荷重経路および合否マトリクスを確認します。JASPER は、カスタムFSRシート圧力センサの要件レビュー先の一つです。会社固有の性能値は、承認済み図面、仕様書、試験報告書で確認できるまで採用できません。

センサ方式を決める前に要件を確認する

先に決めるべきなのは、製品の判断、荷重経路、保持時間、接触形状、回路、合否試験です。これらを定義すれば、FSR、接点式メンブレンセンサ、多点マット、ひずみゲージ式ロードセルのどれが妥当かを比較できます。JASPER は選択肢の一つとしてカスタム FSR 要件をレビューしますが、技術方式は承認済みの要求と試験結果に基づいて選定します。

技術資料

1. Interlink Electronics, FSR 400 Series Integration Guide（メーカー一次資料、企業リンクなし）
2. Interlink Electronics, FSR 400 Series Datasheet（メーカー一次資料、企業リンクなし）
3. Tekscan, FlexiForce Integration Guides（メーカー一次資料、企業リンクなし）
4. Tekscan, FlexiForce A201 Sensor Specifications（メーカー一次資料、企業リンクなし）
5. Sensitronics, FSR 101: Force Sensing Resistor Theory and Applications（メーカー一次資料、企業リンクなし）
6. Paredes-Madrid ほか、Sensors 2017, 17(9), 2108
7. Paredes-Madrid ほか、Materials 2017, 10(11), 1334
8. NIST, Calibration of Force Transducers

よくある質問

FSRは圧力センサと同じですか？

同じではありません。FSR は受圧部へ伝わる荷重に応じて抵抗が変化します。一方、圧力は単位面積当たりの力です。薄膜圧力センサとして圧力を推定するには、接触面積、荷重分布、機構、回路、校正をその測定条件に合わせて定義する必要があります。

FSRセンサで重量を正確に測れますか？

管理された治具内で、重量に対応する出力を校正することは可能です。ただし、それだけで精密はかりになるわけではありません。トレーサブルな絶対精度、低ヒステリシス、長期安定性を重視する場合は、ひずみゲージ式ロードセルを先に比較します。

力を加えるとFSRの抵抗値が下がるのはなぜですか？

荷重によって、感圧材料内部と電極界面の有効な導電接触が増えるためです。詳細な機構は構造により異なり、導電性ポリマー FSR の研究では接触抵抗と量子トンネル効果が扱われています。荷重-抵抗曲線は一般に非線形です。

一定荷重下でFSRの出力がドリフトするのはなぜですか？

感圧材料だけでなく、フォーム、粘着層、エラストマー、筐体の時間依存変形でも出力が変化します。回路条件や温度も影響する場合があります。しきい値を確定する前に、完成アセンブリで想定保持時間と除荷後の回復を試験します。

FSRセンサの厚さはどの程度ですか？

厚さは品番と、粘着層などを含む範囲によって異なります。公表例では Tekscan A201 が 0.203 mm、Interlink FSR 400 Series の記載形状が約 0.30～0.53 mm です。粘着層、保護層、コネクタ、公差、圧縮状態は別途図面で管理します。

FSRには校正が必要ですか？

荷重推定、荷重帯、安定したしきい値判定に使う場合は必要です。押し子、支持体、接触材料、回路、タイミング、環境を実装状態に近づけて校正します。一般的なデータシート曲線は回路検討には役立ちますが、最終アセンブリの特性確認を置き換えません。

すべてのFSRアセンブリに同じ校正曲線を使えますか？

複数のセンサとアセンブリを試験し、誤差または判定マージンが許容範囲に入ると証明できる場合に限ります。個体差、予圧、押し子位置、フォーム、粘着層、支持体、回路、温度、荷重履歴で応答が変わります。個別校正が必要な製品も、検証済みの共通限界や代表曲線を使える製品もあります。

FSRではなくロードセルを選ぶべきなのはどのような場合ですか？

校正済みの絶対荷重・重量、トレーサビリティ、低ドリフト、優れた直線性、明確な精度予算が中心要件ならロードセルを選びます。薄型、柔軟性、相対荷重、しきい値検出を優先し、荷重経路を管理できる場合は FSR が適します。