ひずみゲージ

ひずみゲージとは

ひずみゲージは、物体に加わるひずみを測定するための力学センサです。この測定技術は、単にひずみを測るだけでなく、そこから応力や荷重を間接的に算出するのにも用いられます。様々な産業分野で広く活用され、構造物の安全性評価や製品開発に欠かせないツールとなっています。

金属ひずみゲージ

金属ひずみゲージは、等方性導体を用いたもので、特に半導体ひずみゲージと区別されます。このタイプには、線型ひずみゲージと箔型ひずみゲージの2種類があり、現在は箔型が主流です。

基本原理

金属ひずみゲージは、薄い絶縁体上にジグザグ形状に配置された金属抵抗体で構成されています。この抵抗体が変形すると電気抵抗が変化し、この変化を測定することでひずみ量を算出します。抵抗の変化は非常に小さいため、ブリッジ回路が用いられ、通常はストレンアンプという増幅器と組み合わせて使用します。

ゲージの取り付けは、被測定物に接着剤などで固定することで、測定対象が変形するとゲージも同じように変形するようになっています。ゲージが伸びると金属抵抗体の長さが増え、断面積が減少することで電気抵抗が増加し、逆に縮むと電気抵抗は減少します。

ゲージ率

金属材料に[ひずみ]]が生じると、電気抵抗が変化します。この変化率(ΔR/R)と縦[[ひずみ]の関係は以下の式で表されます。


ΔR/R = Kε


ここで、Kはゲージ率と呼ばれ、ゲージの感度を表します。一般的な金属[ひずみ]]ゲージの材料では、この値は約2となります。抵抗体の電気抵抗Rは、抵抗率(ρ)、[[長さ]、断[面積]を用いてR=ρL/Aと表されるため、この関係を微分すると以下のようになります。


ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L - ΔA/A


縦[ひずみ]]はε=ΔL/Lで表され、材料が等方的な場合は[[ポアソン比]を用いて、ΔA/A = −2νεと表すことができます。したがって、


ΔR/R = (1 + 2ν + (Δρ/ρ)/ε)ε


となり、この式の括弧部分がゲージ率Kとなります。

信号の増幅

以前は交流増幅器が使われていましたが、高性能なオペアンプの普及により、現在はそちらが主流です。測定前には必ず校正を行い、変位量が大きすぎると測定レンジを超えてしまうこともあるので注意が必要です。

半導体ひずみゲージ

半導体ひずみゲージは、半導体のピエゾ抵抗効果を利用したもので、金属ひずみゲージよりも高いゲージ率を持ちます。微小なひずみの検出や、衝撃などの動的な測定に優れています。

応用用途

ひずみゲージは構造が単純で比較的安価でありながら高精度な測定が可能なため、幅広い用途で使われています。例えば、荷重を測定するロードセルや、回転軸にかかるトルクを測定するトルク計などがあります。その他、変位、振動、加速度、圧力、コリオリの力の測定にも用いられます。

歴史

金属ひずみゲージの原理となる現象は、1843年にチャールズ・ホイートストンの著作で触れられ、後にウィリアム・トムソンによって研究が進められました。1930年代には、エドワード・シモンズとアーサー・クロード・ルーゲが独立してひずみゲージを発明しました。シモンズが1936年に、ルーゲが1938年に発明し、ルーゲは1939年に会社を設立し、商用化しました。そのゲージは「SR-4ゲージ」と名付けられました。当初は航空業界からの需要が多く、1941年には2ヶ月で5万枚を売り上げたとされています。

ルーゲが開発したのは線型ゲージでしたが、1952年頃にはポール・アイスラーのプリント基板技術を応用した箔型ゲージが開発されました。

日本では、1940年代から1950年代にかけて、中村和雄や石山一郎・小林韓治らによって、ほぼ同時期に開発・実用化されました。中村は戦後の混乱の中、文献や材料の入手に苦労しながらも、ベークライトシートや和紙を用いたひずみゲージを完成させています。

日本の主な製造メーカー

共和電業
東京測器研究所
昭和測器
ミネベアミツミ
* エー・アンド・デイ


ひずみゲージは、その原理から応用、歴史に至るまで、現代の工学において非常に重要な役割を果たしています。その高精度な測定能力は、様々な産業分野で安全性や品質の向上に貢献しています。

もう一度検索