ひずみゲージ：機械応力の精密測定

細長い導電性金属ストリップを引き伸ばすと、薄く長くなり端間電気抵抗が増加。逆に圧縮（座屈なし）すると幅広く短くなり抵抗減少。変形を金属の弾性限界内に抑えれば、ストリップ抵抗変化は印加機械力の信頼できる指標になります。

ひずみゲージとは

この原理を利用したデバイスをひずみゲージと呼びます。機械工学R&Dで広く用いられ、産業機械から航空機部品まであらゆる応力の定量化を可能にします。典型的ゲージは切手より小さく、下図のような形状：

ひずみゲージ導体は超薄：丸線なら約1/1000インチ径。または金属薄膜を非導電基板（キャリアと呼ばれる）に堆積させた接着型ゲージ。ゲージを試験片（テスト対象構造）に接着するのは熟練手順。正確安定なひずみ読み取りには、入念な表面処理、接着剤選択、アライメントが不可欠。

ひずみゲージ抵抗

無応力ゲージの典型抵抗は30Ω〜3kΩ。ゲージと試験片の弾性限界が最大許容ひずみを制限するため、対応抵抗変化は多くの場合数分の1パーセントのみ。この微小変化検出には極めて精密な計装が必要。過剰力はゲージや試験片を永久変形させ、測定を無効にします。

ブリッジ測定回路

こうした微細抵抗変化を捉えるため、ウェストストーン型ブリッジ回路を採用。古典ブリッジがヌル条件を求めるのに対し、ひずみゲージブリッジはブリッジ中心に配置した高分解能ボルトメーターで不平衡度としてひずみを報告：

典型的1/4ブリッジ構成では、レオスタットアーム（R₂）をゲージ無応力抵抗に予め調整し、2つの比率アーム（R₁、R₃）を整合。ゲージが引張/圧縮を受けると抵抗シフトし、ブリッジが不平衡になり測定可能な電圧が発生。

ワイヤー抵抗

ゲージとリードが離れていると、配線の直列抵抗（R_wire1、R_wire2）が下側レオスタットアーム総抵抗に寄与し、ボルトメーターにひずみと誤認される誤差を導入。

完全排除は不可能だが、ボルトメーター正極端子をゲージ上部ノードに直接接続する第3リードを追加することで軽減可能：

第3リードは微小電流しか流れないため、その抵抗は電圧分割に影響せず。この配置で上側リード抵抗を効果的にバイパスし、下側リード直列抵抗のみが測定に影響。2線式比で潜在誤差を半減。

温度補償

全導体は温度依存抵抗変化を示し、真のひずみ信号を隠蔽。堅牢な解決策は、レオスタットアーム（R₂）の位置にダミーゲージを配置し、ブリッジ両アームが温度で比例して抵抗変化するようにすること。共通モード抵抗変化が相殺され、回路が温度変動に免疫になります：

ここではR₁とR₃は整合したまま、2ゲージを同一試験片に接着。機械的ひずみを受けるゲージ（アクティブゲージ）のみが印加力で抵抗変化。ダミーゲージは固定され、ブリッジ不平衡がひずみのみを反映。

1/4ブリッジと1/2ブリッジ構成

ダミーゲージ構成では1ゲージのみがひずみ応答するため、依然として1/4ブリッジと呼ばれます。試験片反対側に第2アクティブゲージを配置し、一方が圧縮、他方が引張を受けるようにすれば、両ゲージがひずみ感応に。このハーフブリッジ配置は感度を倍増し、両ゲージが同一温度係数を持つため温度効果をさらに抑制。

ハーフブリッジ典型接着レイアウト：

下向き荷重時、ゲージ#1伸長、ゲージ#2圧縮で差動抵抗変化がブリッジ不平衡を駆動。

フルブリッジ回路

試験片が全4アームに相補的ゲージペアを収容できるなら、フルブリッジを採用。このトポロジーは全アームが能動的にひずみを追跡するため、感度と直線性を最大化。出力電圧が印加力に直接比例：

フルブリッジ回路は可能な限り推奨。1/4や1/2ブリッジは抵抗変化が公称ゲージ抵抗に対して無限小でない限り近似的比例のみ。フルブリッジは優れた精度と線形応答を提供。

ひずみゲージシステムは統合ロードセルとして販売されることが多く、ゲージ要素とブリッジ抵抗を環境要因から保護した密封ハウジングに収め、構造体への機械的取り付け準備済み。

ひずみゲージ技術は複雑化し得るため、専門的論述は本稿の範囲外ですが、上記原理が信頼性のある機械応力測定の基盤となります。

復習

• ひずみゲージは弾性変形で抵抗変化する薄金属ストリップで、力測定を可能にする。
• 抵抗変化はブリッジ回路で読み取り、高精度と温度補償を提供。

関連ワークシート

• DCブリッジ回路ワークシート