この記事では、圧力センサーの基礎知識から具体的な選び方、活用方法までを丁寧に解説します。
この記事で得られるポイントは以下の三点です。
1.圧力センサーの仕組みと種類の違いが分かる
2.自動車、医療、工業など各分野での活用事例を知ることができる
3.圧力センサー選定時の注意点とリスクを理解できる

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１．圧力センサーとは

圧力センサーとは、気体・液体などの物質の圧力を計測し、電気信号として出力する機器です。
自動車のエンジン制御や医療機器の安全管理、産業プラントの効率化など、幅広い分野で活用され、現代社会において欠かせないデバイスの一つと言えます。

圧力センサーには、半導体式や圧電式、光学式といった『動作原理』に基づく分類があり、それぞれの特性に応じて用途が異なります。
一方で、圧力センサーの選定や使用を検討する際には、『計測方法』も重要な視点となります。たとえば、静的圧力を精密に測定するのか、それとも動的圧力の瞬時変化を捉えるのかによって適したセンサーが変わります。
圧力センサーの種類と計測方法は、組み合わせによってその性能や適用範囲を最大限に活かすことができます。

２．圧力センサーの種類と動作原理、仕組み

圧力センサーの仕組みは、センサー内部で圧力を受けた材料がどのように変化するかに基づいています。以下はそれぞれの種類における一般的な動作原理の例です。

（1）半導体方式

半導体方式の圧力センサーは、シリコンの「ピエゾ抵抗効果」を利用して圧力を測定する仕組みです。このセンサーの中心には薄い膜状のダイヤフラムがあり、外部から圧力が加わるとダイヤフラムがわずかに変形します。この変形が、シリコン基板上に配置されたピエゾ抵抗素子に応力を与え、その結果として電気抵抗が変化します。

動作の流れは、ダイヤフラムの変形によって発生する電気抵抗の変化量を、ホイートストンブリッジ回路により電気信号として検出します。この信号は圧力の大きさに比例しており、増幅回路で適切なレベルに引き上げられた後、制御システムやモニターに送信されます。この一連のプロセスにより、外部の圧力を電気信号として精密に読み取ることが可能です。

【参考動画】

引用：【公式】浜松光電株式会社

（2）歪みゲージ方式

歪みゲージ方式の圧力センサーは、物体の微小な変形を電気信号に変換する「歪みゲージ」を利用した仕組みで動作します。圧力を受ける部分には金属やセラミックなどで作られた弾性体（ダイヤフラム）があり、この弾性体が圧力を受けると、わずかに変形します。この変形が弾性体に取り付けられた歪みゲージに伝わり、ゲージ自体が伸び縮みします。

歪みゲージは、形状の変化によってその電気抵抗が変化する特性を持っています。圧力が加わるとゲージが変形し、その抵抗値がわずかに変化します。この抵抗値の変化は非常に小さいため、ホイートストンブリッジ回路によって増幅され、電気信号として出力されます。この信号は圧力の大きさに比例しており、制御装置やモニターに送られます。

（3）静電容量方式

静電容量式圧力センサーは、圧力によるコンデンサーの静電容量の変化を利用して圧力を測定する仕組みです。基本構造は、2枚の導電性プレート（電極）が向かい合った状態で配置され、その間に圧力を受ける可動ダイヤフラムが挟まれています。これにより、可変容量のコンデンサーが形成されます。

圧力が加わると、ダイヤフラムが変形し、電極間の距離が変わります。この距離の変化により、コンデンサーの静電容量が変化します。静電容量は電極間の距離、電極の面積、および間にある絶縁体の特性によって決まるため、圧力による距離変化が直接的に容量変化として現れます。

動作の流れは、まず、センサーが検出した静電容量の変化を、電気回路で電圧や電流の変化として変換します。この変換された信号は圧力の大きさに対応しており、増幅・補正を経て、圧力データとして制御システムやモニターに送信されます。

（4）圧電素子方式

圧電素子方式圧力センサーは、特定の材料（圧電材料）が持つ「圧電効果」を利用して圧力を測定する仕組みです。圧電効果とは、機械的な力や圧力が材料に加わると、その内部で電荷が発生する現象を指します。これにより、圧力が電気信号に変換されます。

センサーの基本構造は、圧電材料（例：セラミックや水晶）が電極に挟まれており、外部から圧力が加わると圧電材料がわずかに変形します。この変形によって材料内部に電荷が発生し、その量は加わった圧力の大きさに比例します。この電荷は電気信号として検出され、圧力のデータとして利用されます。

圧電素子方式は、特に瞬間的な圧力変化（動的圧力）の測定に適しています。例えば、振動や衝撃などの一時的な圧力を高い精度で検出できます。一方で、静的圧力の測定には向いておらず、一定時間が経過すると信号が減衰する特性があります。

（5）光学式

光学式圧力センサーは、光の性質（干渉、反射、吸収など）を利用して圧力を測定するセンサーです。その基本的な仕組みは、圧力が加わることで光の伝播や反射パターンが変化し、その変化量を検出することで圧力を測定するというものです。
センサーは一般的に光ファイバーや反射板、ダイヤフラムなどの構成要素を持ちます。
以下は各光学式の代表的な動作原理です。

①干渉方式

ダイヤフラムに圧力が加わると、光が通過する経路の長さが変化します。この結果、光の干渉パターンが変化し、その変化量を解析することで圧力を計測します。

②反射方式

圧力が加わると、光の反射角や強度が変化します。この変化をセンサーが検出し、圧力の大きさとして出力します。

③ファイバーブラッググレーティング（FBG）方式

光ファイバー内部のグレーティング（格子）が圧力で変形し、反射される光の波長が変化します。この波長のシフトを測定して圧力を計算します。

【参考動画】

引用：KF10 光学式圧力センサ／インターメジャー2022 長野計器

３．圧力センサーの用途 ｜産業、自動車関連、医療など

ここでは、圧力センサーの用途について紹介します。

（1）産業機器

圧力センサーは産業機械の動作を最適化し、効率や安全性を高めるために幅広く使用されています。特に製造業や建設業では、リアルタイムでの圧力モニタリングが不可欠です。
たとえば食品加工工場では、圧力センサーが加熱調理工程の蒸気圧を一定に保つ役割を果たしています。これにより、食材の調理が均一に行われ、品質が向上します。

ほかにも産業機器において、以下のように圧力センサーは活用されています。

工場の自動化設備	生産ラインでは、圧力センサーが油圧や空圧システムの制御に利用されています。これにより、均一な製品品質の確保と効率的な生産が可能です。
建設機械	圧力センサーは油圧ショベルやクレーンなどの建設機械に使用され、機械が安全かつ効率的に動作するように圧力を調整します。

（2）自動車関連

自動車産業では、安全性や燃費向上を目的に圧力センサーが欠かせない存在です。これらのセンサーは、以下の表のように、車両のさまざまなシステムで重要な役割を果たします。

エンジン制御システム	吸気圧センサーがエンジン内の空気流入を測定し、燃料噴射の量を調整します。この仕組みは燃費向上と排気ガス削減に寄与します。
ブレーキシステム	ブレーキ油圧をモニタリングするセンサーが、安定した制動力を提供します。特にABS（アンチロックブレーキシステム）には圧力センサーが必須です。
サスペンション制御	路面状況や運転状況に応じてダンパの油圧を調整するために、油圧センサを使用します。トラクションコントロールや装甲姿勢制御には必須です。
エアコン制御	車両空調システムにおけるエアコンの冷媒圧を検出して、エアコンコンプレッサを最適に制御することで快適な車内空間を提供しています。
ディーゼルエンジン 燃料噴射システム	ディーゼルエンジンに使用される燃料噴射装置「コモンレールシステム」での燃料噴射量制御にも圧力センサは必要不可欠です。燃料蓄圧を検出し、燃料噴射量や噴射タイミングを最適化することで、出力や燃費、環境に優しい排ガスを実現しています。
衝突安全システム	近年の先進技術が多く搭載された車には、バンパーやボンネットの中に圧力センサを組み込み、歩行者や自動車との衝突を検知することで、事故被害を軽減するシステムを実現しています。

たとえば、国産車・外製車問わず、先進装備を装着する多くの上位グレード車にはTPMSが標準装備されています。これにより、パンクの前兆を事前に検知することが可能になり、安全性が向上しています。欧州では数年前から装着が義務化されており、ここ最近では上位グレードだけでなく全グレードへの標準搭載が進められています。

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（3）医療

医療分野において、圧力センサーは生命維持や健康管理において非常に重要な役割を担っています。
たとえば
新型コロナウイルス感染症のパンデミック時には、人工呼吸器に搭載された圧力センサーが患者治療において重要な役割を果たしました。

ほかにも、医療分野において圧力センサーは以下のように活用されています。

血圧計	カフ式や手首式の血圧計において、センサーが動脈の圧力を測定し、血圧を正確に表示します。
人工呼吸器	吸気や排気の圧力を精密に調整することで、患者に適切な呼吸サポートを提供します。センサーの精度が命に直結するため、高度な信頼性が求められます。

（4）工業

工業分野では、圧力センサーが生産ラインの効率化や機器の安全運転に不可欠な存在となっています。
たとえば建設現場の油圧ショベルでは、圧力センサーがリアルタイムで負荷を監視し、過剰な負荷による故障を防止しています。

ほかにも、工業分野において以下のように圧力センサーは活用されています。

油圧シリンダー	油圧の圧力を測定し、機械動作を正確に制御します。建設機械や製造業の自動化設備において使用されます。
空調設備	空調システム内の冷媒や空気の圧力を測定することで、効率的な冷暖房運転を実現します。

（5）家庭用およびウェアラブル機器

圧力センサーは、私たちの日常生活にも密接に関わっています。特に家庭用機器やウェアラブルデバイスにおいて、利便性向上に貢献しています。

ほかにも、家庭用機器においては以下のように圧力センサーは活用されています。

スマートフォン	天候予測や登山アプリにおいて、気圧センサーにより気圧の変化を利用して高度を測定します。
ウェアラブル機器	スマートウォッチでは、日々の健康データを収集するために圧力センサーが使われ、運動や体調管理の一助となっています。 転倒検知センサーが内蔵されているデバイスでは、圧力センサーが衝撃や姿勢の変化を検知し、転倒時にアラートを発する仕組みが採用されています。

４．圧力センサーの選び方とポイント 

ここでは、圧力センサーを選定する際のポイントを紹介します。

（1）使用環境に合わせたセンサーの選定基準

圧力センサーを選ぶ際には、まず使用する環境を考慮することが重要です。たとえば食品加工現場では、高湿度での使用を考慮し、防水性能に優れたセンサーが使われています。センサーは温度や湿度、圧力の範囲など、環境条件によってその性能や耐久性に大きな影響を受けるため、以下のようなポイントに注意して選定します。

①動作温度範囲

使用環境の温度がセンサーの動作可能範囲に適合しているか確認します。極端な高温や低温では、測定精度が低下する可能性があります。

②防水・防塵性能

水やホコリが多い環境では、防水性能を示すIP規格（例：IP67以上）のセンサーが推奨されます。

③防湿性能

湿度は抵抗値に大きな影響を及ぼすため、センサ部へのシーリングなど絶縁処理が施されているものは信頼性が高くなります。

④耐薬品性

化学薬品を扱う現場では、腐食性物質に強い素材で作られたセンサーを選ぶ必要があります。

 

 （2）定格容量や許容過負荷の確認

圧力センサーの定格容量は、測定可能な圧力範囲を示します。これを超える圧力がかかると、センサーが破損する可能性があるため、使用条件に合った定格容量のセンサーを選ぶことが必要です。

①定格容量

測定する圧力がセンサーの最大許容圧力を超えないようにすることが基本です。

②許容過負荷

一時的に許容される最大の圧力も確認します。これに余裕があるセンサーを選ぶと、突発的な負荷にも対応できます。
たとえば工業用油圧システムでは、突発的な圧力変動に備え、定格容量に20%以上の余裕を持つセンサーが採用されます。

 （3）接液面の材質・形状の確認

接液面とは、圧力を測定する流体が直接触れる部分のことです。これが適切な材質で作られていないと、腐食や汚染の原因になるため、選定時には以下のような注意が必要です。

①材質の選択

測定対象の流体に応じて、ステンレス、セラミック、フッ素樹脂など、耐薬品性や腐食耐性の高い材質を選びます。

②形状の確認

配管の形状や設置スペースに合った形状のセンサーを選びます。狭い空間ではコンパクトなデザインが必要です。
たとえば化学工場では、酸性液体を扱うため、耐酸性が高いセラミック製の接液面を持つセンサーが使われています。

（4）圧力基準による分類（絶対圧、相対圧、差圧など）を確認

圧力センサーは測定する圧力の基準によって、絶対圧、相対圧、差圧の3種類に分類されます。それぞれの特徴を理解し、用途に合ったタイプを選ぶ必要があります。

絶対圧センサー	・真空を基準にした圧力を測定 ・気圧の測定や高度の計測に適している
相対圧センサー	・大気圧を基準とした圧力を測定 ・タイヤの空気圧や液体の圧力測定に使われる
差圧センサー	・2つの地点間の圧力差を測定 ・フィルターの目詰まりを検知する装置などに使用される

たとえば自動車のエンジン制御システムでは、相対圧センサーが燃料噴射量の最適化に利用されています。

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５．圧力センサーのメリットと注意点、その対処法

ここでは、圧力センサーのメリットや導入の際の注意点とその対処法について解説します。

（1）圧力センサーのメリット

圧力センサーは、その正確な計測能力と多様な用途により、多くの分野で重要な役割を果たしています。以下にその主なメリットを挙げます。

①高精度な測定

圧力センサーは微細な圧力変化も感知できるため、医療機器や研究開発など、正確さが求められる場面で欠かせません。

②広範な用途

工業、自動車、医療、家庭用機器など、あらゆる分野で利用されています。例として、自動車のエンジン内部筒内圧センサーや血圧計が挙げられます。

③コンパクトで汎用性が高い

小型化が進んでいるため、スマートフォンやウェアラブル機器などのモバイルデバイスにも容易に組み込めます。
たとえば最新のスマートウォッチには気圧センサーが搭載されており、高度や気圧変化のモニタリングが可能です。

 （2）圧力センサー導入時の注意点とその対処方法

圧力センサーは多機能で便利ですが、いくつかの課題も存在します。

①コスト

高精度な製品ほど製造コストがかかり、それが販売価格にも反映されます。特に特殊環境向けのセンサーは価格が高額になりがちです。
必要最低限の性能を持つセンサーを選定することで、余計な機能を省くことでコストを抑えることも可能です。また、大量購入による割引も交渉してみる価値はあるでしょう。

②取り付けや設定の難しさ

圧力センサーは設置方法や外部要因によって、測定結果に誤差が発生する場合があります。
たとえば
製造業で高精度を求められる圧力計測において、設置不良（取付角度や固定が不完全など）が原因で測定データに一貫性がなくなり、生産計画に遅れが生じた事例があります。また、振動による誤差の発生事例もあります。
圧力センサーを正しく設置するには、適切な知識と技術が必要です。取り付けや設定は、専門的な知識を持つ技術者によって行いましょう。

③環境に依存した性能の低下や誤差の発生

高温多湿や腐食性の高い環境では、以下の表のようにセンサーの性能が劣化しやすく、寿命が短くなったり誤差が発生する可能性があります。

原因	リスク	対策
高温環境	センサーの内部部品が熱で劣化し、感度が低下	温度補正機能があるセンサーを選ぶ
高湿度環境	センサー内部への水分侵入が故障を引き起こす	防水・防塵性能の高いセンサーを選ぶ
腐食性物質	接液面や外装が腐食し、正確な測定が困難になる	耐腐食性のある材質を採用する

また、不適切な環境で使用することで、以下のような影響が考えられます。

●測定データの信頼性が失われる ●長期使用が難しくなり、頻繁な交換が必要

たとえば製造業の現場では、腐食性の高い液体を扱う設備において、接液面の材質が適合しない場合、センサーが早期に故障するケースが挙げられます。
また、化学工場で酸性ガスが多く発生する環境において、センサーの接液面が腐食し、測定精度が著しく低下した事例もあります。

上記一覧表の対策以外にも、定期的に点検し劣化が進んでいる部品を早めに交換することで、寿命を延ばすことも可能です。

④過負荷による影響

圧力センサーは、測定できる圧力範囲が定められています。この範囲を超える圧力が加わると、センサー内部の部品が損傷を受け、正確な測定ができなくなることがあります。これを「過負荷」と呼びます。

過負荷の原因は以下の通りです。

原因	例
突然の圧力変動	工業用機械での急激な圧力上昇
想定外の外力が加わる環境	誤った操作や衝撃

また、過負荷によって以下のような影響が考えられます。

●センサーが正常に動作しなくなる ●測定エラーによる安全性の低下や設備故障の原因となる

たとえば工場で使用される油圧システムでは、突発的な圧力ピークによりセンサーが破損し、生産ラインが一時停止する事態が報告されています。
圧力範囲に余裕のあるセンサーを選ぶことで、過負荷による影響を予防できます。

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