抵抗ひずみゲージの選定方法

抵抗 ストレインゲージ （ひずみゲージと呼ばれる）は、構造部材の機械的ひずみを抵抗変化に変換する中心的な感応素子であり、 荷重センサ 、力センサー、構造健全性モニタリング、航空宇宙試験などの分野で広く使用されています。それらの選定は、測定システムの精度、安定性および耐用年数を直接決定します。「ひずみ特性と使用環境の双方向マッチング」という基本的な考え方に基づき、パラメータの過剰によるコストの無駄を避け、性能不足による測定失敗を防止します。以下に、技術的パラメータ、環境適応性および実用上の重要なポイントを組み合わせた全工程にわたる選定方法を示し、正確な選定を支援します。

ステップ1：核心的な測定要件と適用シーンの明確化（選定の前提条件）

選定前に、「どのひずみを測定するか、どのような環境下で測定するか、どのように取り付けるか」という点を明確にする必要があります。これがその後のパラメータ選定の基礎となり、高性能パラメータの盲目的な追求を回避します。

1. 主要測定要件の定義

• ひずみの種類と範囲：計測対象部品のひずみ特性（構造物の自重による変形などの静的ひずみ、機械振動ひずみなどの動的ひずみ）および最大ひずみ値を明確にし、1.2～1.5倍の安全余裕を持たせる必要があります。例：実際の最大ひずみが1000μεの場合、1200～1500μεの測定範囲を持つひずみゲージを選定します。動的ひずみ（例えば衝撃荷重）の場合には、瞬間的な過負荷によってセンサー格子が損傷するのを防ぐため、1.5～2倍の安全係数を確保することをお勧めします。
• 精度要件：定性的なモニタリング（構造クラックの早期警告など）、定量的分析（センサーのキャリブレーションなど）、または精密測定（実験室での応力試験など）のいずれが必要ですか？例：ロードセル用のひずみゲージは感度誤差±0.1%を満たす必要があり、構造健全性モニタリングでは誤差≤±0.5%が許容され、実験室での精密測定では≤±0.05%が要求されます。
• 力の方向：対象部品は一方向の力（片持ち梁の曲げなど）、双方向の力（平面応力状態にある機械部品など）、または多方向の力（複雑な構造ノードなど）を受けますか？一方向の力には単軸ひずみゲージを使用し、双方向／多方向の力には双軸（直角、ひずみロゼット）または多軸ひずみゲージを選択します。
• 測定周波数：動的測定の場合、ひずみ信号の周波数範囲を明確にする必要があります。ひずみゲージの応答周波数は、測定する信号周波数の3倍以上でなければなりません（信号の歪みを避けるため）。例：50Hzの振動ひずみを測定する場合、応答周波数が150Hz以上のひずみゲージを選定する必要があります。

2. 設置および構造条件

• 部品表面の特性：部品の表面は平らですか、曲面ですか（曲率半径はいくらですか）、あるいは特殊形状ですか？フレキシブルなひずみゲージ（箔タイプなど）は曲面部品に適しており、曲率半径が小さい場合（≤10mm）には短グリッド長のひずみゲージが必要です。また、粗い表面には基材の接着性が強いタイプが適しています。
• 設置スペース：狭い部分（精密部品の面取り部など）には小型化されたひずみゲージ（グリッド長さ ≤2mm）が必要であり、大型部品にはひずみの均一性に応じて中・長グリッド長のひずみゲージを選択できる。
• 設置方法：常温接着での設置か、高温溶接での設置か、または一時的な貼付けか。高温環境では溶接可能なひずみゲージが必要であり、一時的な監視には磁石式のひずみゲージを使用できる。

3. 環境使用条件

• 温度範囲：使用環境の常温（-20℃～60℃）、中温（60℃～200℃）、高温（200℃～1000℃）または低温（＜-20℃）の範囲を明確にする。ひずみゲージの温度補償範囲は実際の温度範囲を完全にカバーし、温度ドリフトによる精度への影響を避ける必要がある。
• 使用環境：湿度（水中、湿潤な作業場など）や腐食性物質（酸・アルカリガス、化学工場内の油汚染など）、粉塵、あるいは強い放射線があるか？ 湿潤な環境には防水型のひずみゲージが必要であり、腐食性環境には耐腐食性材料（ニッケルクロム合金製グリッド、ポリイミド基材など）を用い、密封処理と組み合わせる必要があります。
• 干渉要因：強力な電磁干渉（モーターや高圧設備付近など）や振動・衝撃があるか？ 強い干渉がある場合はシールド層付きのひずみゲージが必要であり、振動・衝撃がある環境では基材および接着剤の靭性に優れたタイプが必要です。

ステップ2：主要技術パラメータの選定（要件に正確にマッチング）

要件を明確にした後は、ひずみゲージの主要技術パラメータに注目します。これが選定における核心的な工程であり、測定性能を直接的に決定づけます。

1. センシティブグリッドの基本パラメータ（基本的な測定性能を決定）

• 抵抗値：ひずみゲージの一般的な抵抗値は120Ωです（ほとんどのひずみゲージと互換性があり、汎用性が最も高い）。また、350Ωや1000Ωなどの仕様もあります。高抵抗のひずみゲージは低消費電力システムに適しており、産業用途では120Ωのひずみゲージが最もコストパフォーマンスに優れています。選定時には、ひずみゲージの抵抗値とひずみゲージの入力抵抗値が一致していることを確認してください（偏差 ≤±5%）。これにより、信号減衰を防げます。
• ゲージ係数：ひずみと抵抗変化の間の比例関係を示すもの（一般的な値は2.0±0.02）であり、ひずみ値を計算する際の重要なパラメータです。選定時には、特にゲージ係数の一貫性が良好なひずみゲージを優先すべきです（ロット内ばらつき≤±1％）。複数のゲージをブリッジ回路で使用する場合（例えば、ロードセルのフルブリッジ回路など）、一貫性が悪いと測定誤差が増大します。
• グリッド長さおよびグリッド幅：グリッド長さは、ひずみゲージの「平均測定範囲」を決定します。小型グリッド長さ（0.2～2mm）は局所的なひずみ（亀裂先端など）の測定に適しています。中型グリッド長さ（3～10mm）は一般的な構成部品に適しており、大型グリッド長さ（10～100mm）はひずみ勾配が小さい大型部品に適しています。グリッド幅は、部品の力の方向と一致していなければなりません。一方向の力には狭いグリッド幅を、双方向の力には広いグリッド幅またはストレインロゼット構造を使用します。
• 感度グリッド材料：
  • 銅ニッケル合金（コンスタンタン）：常温環境（-20℃～150℃）での使用に適しており、温度係数が小さく、良好な安定性を持つため、ロードセルや構造物の監視に適しています；
  • ニッケルクロム合金（カーマ）：中高温環境（-50℃～400℃）向けで、高感度であり、エンジンや高温パイプラインの監視に適しています；
  • 白金イリジウム合金：高温環境（400℃～1000℃）向けで、優れた耐腐食性を有し、航空宇宙および冶金設備に適しています；
  • 半導体材料：金属と比較して極めて高い感度（50～100倍）を持ちますが、温度安定性は劣り、実験室での精密測定に適しています。

2. サブストレートおよび接着剤のパラメータ（環境適応性の決定要因）

• サブストレート材料：
  • 紙製サブストレート：低コストで貼り付けが容易であり、常温かつ乾燥した環境（≤60℃）に適しています。例：民間用設備の臨時監視；
  • フェノール樹脂基板：耐熱温度120℃、優れた耐油性があり、一般的な産業機械用途に適しています。
  • ポリイミド基板：耐熱温度250℃、耐腐食性および耐水性を備え、化学・湿潤・中高温環境に適しています。
  • セラミック基板：耐熱温度1000℃以上で、高温窯や航空エンジンなどの極限環境に適しています。
• 接着剤の種類：基板材料および使用温度に適合している必要があります。常温用途にはシアノアクリレート系（速乾性）接着剤、中温用途にはエポキシ樹脂系（耐熱温度150℃）接着剤、高温用途には無機系接着剤（耐熱温度500℃以上）を採用します。接着剤のせん断強度は≥2MPaとし、ストレインゲージの剥離を防ぎます。

3. 温度補償パラメータ（測定安定性の決定）

• 温度補償方法：
  • 自己補償型ひずみゲージ：感度グリッド材料を選択することにより、温度による抵抗変化を被測定部品の熱膨張で打ち消します。単一材料の部品（例：鋼、アルミニウム）に適しており、取り付けが容易で、産業用途での使用に最適です。
  • 補償ゲージによる補償：作動用ゲージと同じモデルのひずみゲージを、応力がかからない同一の部品に貼付し、回路を通じて温度誤差を相殺します。複雑な温度場または多種材料の部品に適しています。
• 温度補償範囲：実際の動作温度範囲をカバーする必要があります。例：-10℃～80℃の工場環境では、温度余裕を持たせるため、-20℃～100℃の補償範囲を持つひずみゲージを選定すべきです。

4. 構造およびリード線パラメータ（取り付けおよび信号伝送の決定）

• ひずみゲージの構造：
  • 一軸ひずみゲージ：片方向の力が作用する場面（片持ち梁、引き棒など）に適しており、構造が簡単で低コスト。
  • 二軸ひずみゲージ（直角ひずみゲージ）：双方向の力が作用する場面（平面応力部材など）に適しており、2つの垂直方向のひずみを同時に測定可能。
  • ストレインロゼット（45°、60°）：多方向の力が作用する場面（構造ノード、複雑な部品など）に適しており、主ひずみおよび主応力の方向を算出でき、応力解析に適している。
• リード線の仕様：リード線材料は通常、銀メッキ銅線を使用します。常温用途にはPVC絶縁線を、高温用途にはPTFE絶縁線を選定します。リード線の長さは測定距離に一致している必要があります。長距離伝送（10m）の場合、電磁干渉を防ぐためにシールド層付きのリード線が必要です。

ステップ3：使用シーンへの適合と選定ミスの回避

異なる特性を持つ使用環境に応じてストレインゲージを選択し、 応用 一般的な選定ミスを避けることで、測定システムの安定性と信頼性を確保します。

1. 典型的な使用例

2. よくある選定ミスとその回避方法

• 誤り1：ゲージ係数にのみ注目し、一貫性を無視する—ブリッジ回路に複数のゲージを使用する場合、個々のゲージのゲージ係数が基準を満たしていても、ロットごとのばらつき（±1%）が大きければブリッジのアンバランスを引き起こし、測定誤差が急激に増加します。回避策：同じロットのストレインゲージについてサプライヤーにゲージ係数の試験報告書の提出を求め、ばらつきを±0.5%以内に抑えることです。
• 誤り2：グリッド長さとひずみ勾配の不一致——亀裂先端などの局所的なひずみ集中領域で大きなグリッド長さのひずみゲージを選択すると、測定値が「平均化」され、実際のひずみを反映できなくなる。回避方法：ひずみ勾配が大きい領域ではグリッド長さを2mm以下とし、ひずみが均一な領域では5～10mmとする。
• 誤り3：温度補償と構成部材の材質との適合性を無視すること——鋼用に補償されたひずみゲージをアルミニウム部材に使用すると、熱膨張係数の違いにより深刻な温度誤差が生じる。回避方法：部材の材質（鋼、アルミニウム、銅など）に応じて、対応する補償タイプの自己温度補償ひずみゲージを選択する。
• 誤り4：環境適応性パラメータを「妥協」すること――湿気の多い環境で封止処理を行わず、一般的な紙基板のひずみゲージを選定すると、短期間で基板が水分により劣化する。回避策：使用環境（湿気／腐食／高温）に応じた適切な基板材料を選定し、必要に応じて防水密封コーティングを追加すること。

ステップ4：実用選定における補足事項

• ブリッジ互換性：複数のゲージがフルブリッジ／ハーフブリッジ回路を構成する場合、ひずみゲージの抵抗値、ゲージ係数、および温度特性が一致していることを確認する。ブリッジ誤差を低減するため、同じロットの製品を選ぶことを推奨する。
• 校正要件：取引決済（例えばロードセル）や精密測定に使用されるひずみゲージについては、計量認証を取得したトレーサブルなブランドの製品を選ぶことで、その後のシステム校正が容易になるようにする。
• 取付工程との適合：曲面部品の場合、事前にストレインゲージの曲げ性能を確認してください（曲げ可能な曲率半径 ≤ 部品の曲率半径）。溶接可能なストレインゲージの場合は、対応する溶接装置および工程と一致させる必要があります。
• サプライヤーのサポート：技術サポートを提供するサプライヤーを優先してください。部品の材質、受力状態および環境パラメータを伝え、より正確な選定のアドバイスを得ることで、独自選定による不確実性を回避できます。

まとめ：抵抗ストレインゲージ選定のコアロジック

抵抗ひずみゲージの選定の本質は、「要求の分解 → パラメータのマッチング → シナリオによる検証」というフィードバックループです。まず、「ひずみ範囲、精度、環境、取り付け」の4つの主要要件を分解し、次に感応グリッド、基板、温度補償などの主要パラメータを目的に応じてマッチングし、最後に実際の使用例や誤り回避の観点から選定の妥当性を検証します。

選定にまだ迷う場合は、以下の情報をサプライヤーに提供してください：① 構成部品の材質および受力の種類（一軸／双方向） ② 最大ひずみ値および精度要件 ③ 作動温度および媒体環境 ④ 取り付けスペースおよび方法。これにより、サプライヤーは適切なモデルをすばやく特定できます。