人と物の動きの計測技術―ひずみゲージとその応用 (バイオメカニズム・ライブラリー)

パ イオメカニズム ・ライ ブラ リー

人と物の動きの計測技術 ひ ずみゲー ジとその応 用 バ イオメカニ ズム学会編

小川鑛一―【著】 Biomechanism Library Measurement technology for structures and human Ogawa Koichi

東 京電機大学出版局

of motion body

本 書 の 全部 ま た は一 部 を無 断 で 複写 複 製(コ ピー)す る こ とは,著 作 権 法 上 で の例 外 を除 き,禁 じられ て い ます 。小 局 は,著 者 か ら複 写 に係 る 権 利 の 管理 につ き委 託 を受 けて い ます の で,本 書 か らの 複 写 を希 望 され る場 合 は,必 ず 小 局(03‐5280‐3422)宛 ご連 絡 くだ さい 。

バイオ メカニズム ・ライ ブラ リー発刊の趣 旨

  バ イ オ メ カニ ズ ム と は,人 間 を含 む生 物 の形 態 ・運 動 ・情 報 お よび 機 能 との 関 係 を,工 学 や 医 学 ・生 物 学 な どの さ ま ざ ま な 方 法 論 で 解 析 し,そ の 応 用 を 図 る学 問 分 野 で す.同

様 の研 究 領 域 を 持 つ バ イ オ メ カニ クス と対 比 させ れ ば,単

な る力

学 的 解 析 で は な く,生 物 が 本 質 的 に内在 して い る 「機 構 」 が キ ー ワー ドに な っ て い る とい え ます.こ

の こ だ わ りが,そ の 後,ロ

ボ ッ ト工 学 や リハ ビ リテ ー シ ョ ン

工 学 に大 き く発 展 す る こ と に な りま した.   バ イ オ メ カ ニ ズ ム 学 会 の 創 立 は1966年

で,こ

の 種 の 境 界 領 域 を扱 う学 会 と し

て は も っ と も古 く,隔 年 で 出 版 され る 「バ イ オ メ カニ ズ ム 」 は,こ の 分 野 を先 導 す る と と もに,そ

の と き ど きの 興 味 と学 問水 準 を表 す 貴 重 な資 料 に も な っ て い ま

す.   バ イ オ メ カニ ズ ム ・ラ イ ブ ラ リー は多 岐 に わ た るバ イ オ メ カ ニ ズ ム の 方 法 論 や 応 用 例 を わ か りや す く解 説 し,こ れ まで に蓄 積 され た さ ま ざ ま な 成 果 を社 会 に 還 元 して さ らに新 た な 挑 戦 者 を 養 成 す る た め に 企 画 され ま した.こ

れ か らの 高齢 化

社 会 で 必 要 と され る 身 近 な介 護 一 つ を とっ て も,バ イ オ メ カニ ズ ム の 方 法 が負 担 の軽 減 や 新 た な商 品 開 発 に多 くの 示 唆 を もた ら し ます.生 ラ イ ブ ラ リー が,こ

物 の 仕 組 み を学 ぶ この

れ か らの 社 会 に求 め られ る よ り柔 軟 な 発 想 の 源 泉 に な れ ば 幸

い で す.

バ イ オ メ カニ ズ ム学 会 ラ イ ブ ラ リー 編 集 委 員 会

は じめ に

  一 般 に,「 物 体 が外 力 の作 用 を 受 け た と き に生 ず る形 や 体 積 の 変 化 」 を ひず み (歪 み)と い い ま す.材

料 科 学 の 分 野 で は,こ

割 っ た もの 」 と定 義 して い ます.こ ジ"と 呼 ば れ て い ます.こ 船 舶,航

空,鉄

れ を 「長 さの 変 化 量 を 元 の 長 さ で

の よ うな ひず み を 測 るセ ンサ は"ひ ず み ゲ ー

の 小 さ な ひず み ゲ ー ジが 世 に 現 れ た お か げ で,土

木,

道 の 各 分 野 が 飛 躍 的 に発 展 した こ と を知 る 人 は 少 な い の で は な い

で し ょ うか.筆 者 が こ の"ひ ず み ゲ ー ジ"に 関 す る本 を なぜ 刊 行 しよ う と思 っ た か と い う こ と を以 下 に述 べ ます.   戦 後 間 も な い 昭 和22(1947)年

に 当 時 の 東 京 大 学 工 学 部 船 舶 工 学 科 の 吉 識 雅夫

教 授 が ア メ リカ か ら ひず み ゲ ー ジ を持 ち 帰 り,そ れ を共 和 無 線 研 究 所(現 共 和 電 業)が い ち早 く 日本 で 製 造 を 始 め ま した.そ

の ひず み ゲ ー ジ は,船 舶 の 構 造 ・強

度 試 験 あ る い は 鉄 道 車 両 ・線 路 の 強 度 試 験 に 使 用 され,今 新 幹 線 を は じめ とす る各 種 鉄 道,世 界 に 誇 れ る 自動 車,高

日に 見 る 日本 の 造 船, 層 ビ ル の 建 設 な どの技

術 発 展 に寄 与 し ま した.   筆 者 は,昭 和27(1952)年

よ り8年 間,先

の 東 京 大 学 工 学 部 船 舶 工 学 科 に技 術

員 と し て吉 識 教 授 の 船 舶 強 度 研 究 室 で 働 い て い ま した.当 工 業 高 校 生 で したが,ひ

時,ま

だ10代 の 夜 間

ず み ゲ ー ジ の 理 屈 も知 らず,船 体 構 造 物 や 構 造 材 料 の 強

度 実 験 の お 手 伝 い を し ま した.当

時 は 細 い抵 抗 線 を紙 に付 着 させ た ひず み ゲ ー ジ

しか な く,貼 っ て もす ぐに は 使 えず 一 晩 乾 燥 させ るか,赤 外 線 ラ ン プ を 近 づ け強 制 乾 燥 させ,絶 代 で した.強

縁 抵 抗 を上 げ て か らひ ず み 測 定 の た め の 強 度 実 験 を行 う とい う時

度 試 験 用 鋼 材 あ るい は構 造 物 に何 十 枚 とい う多 くの ひ ず み ゲ ー ジ を

貼 付 し,圧 縮,引

張 り,曲 げ な どの 強 度 実 験 を数 多 く行 っ た経 験 が あ りま す.ま

た,荒

海 を 航 海 す る 船 の ひず み(応 力)測 定 や 船 底 に圧 力 計 を仕 掛 け て 海 水 か ら

受 け る水 圧 測 定 も行 い ま した.さ

ら に,大 型 船 が 進 水 す る と き,船 首 が 陸 地 で 船

尾 が 海 面 に 達 した 瞬 間 の ひ ず み 測 定 実 験 に も しば しば 参 加 しま した.   そ の 後,昭 和36(1961)年 バ ー の 強 度 試験,航 年 ∼40(1963∼65)年 機 会 を 得 ま した.そ

に 航 空 宇 宙技 術 研 究所 機 体 部 に 移 りロ ケ ッ トチ ャ ン

空 機(YS‐11)の

疲 労 試 験 な ど も行 い ま した.ま

た,昭

和38

に は土 木 工 学 で 有 名 な ア メ リカ の リ ーハ イ 大 学 に 留 学 す る こで は ボ ー ル ドウ ィ ンの2000ト

ン縦 型 大 型 引 張 り圧 縮 試 験

装 置 に よる構 造 材 料 の 強 度 ・破 壊 実 験 も しば しば 行 い,そ 担 当 し ま し た.昭 和45(1970)年

の と きの ひず み 測 定 も

か ら13年 間,東 京 工 業 大 学 森 政 弘 教 授 の も とで

ロ ボ ッ トの研 究 を行 い ま した が,そ

こ で も貼 付 し た数 は少 な い の で す が ひず み ゲ

ー ジ を使 っ て ロ ボ ッ トの 強 度 ,振 動,動

き の加 速 度 の測 定 を行 い ま した.ま

た,

当時 ネ パ ー ルの 技 術 援 助 と して,川

の流 れ の エ ネ ル ギ ー で 川 を渡 る ボ ー ト"自 然

力 ボ ー ト"の 開 発 を 行 い ま した.そ

の ボ ー トは ロー プ を命 綱 と して使 用 す る 関係

上,ロ

ー プ張 力 測 定 の 必 要 性 に迫 られ ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 した 張 力 測 定 も行 い ま

した.   以 上 述 べ ま した よ う に,ひ ず み ゲ ー ジ に 関 わ る実 践 的 経 験 は数 多 く,ひ ず み ゲ ー ジ の 応 用 技 術 を経 験 に よっ て 身 につ け ま し た.こ

う して 得 られ た ひず み ゲ ー ジ

応 用 技 術 を こ こ10年 ほ ど前 よ り看 護 師 や 介 護 士 の 動 作 研 究 に 応 用 し成 果 を あ げ て い ます.看 護 師 ・介 護 士 は 患 者 や 高 齢 者 を持 ち上 げ 移 動 させ る機 会 が 多 く,腰 痛 を起 こす 場 合 が多 い の で す.こ

う した 大 変 な作 業 時 に看 護 師 ・介 護 士 が発 揮 す

る力 あ るい は 身体 を支 え る 両 足 底 の床 反 力 につ い て ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 した 試 作 荷 重 変 換 器,床 に,背

反 力 計(フ ォ ー ス プ レー ト)を 活 用 し測 定 を 行 っ て い ま す.さ

ら

上 げ が で き る ギ ャ ッチ ベ ッ ド上 で寝 て い る 患 者(模 擬 被 験 者)の 背 面 に 加

わ る力 とず れ の測 定 もひ ず み ゲ ー ジ を応 用 して行 っ て い ます.こ

の よ うに,ひ ず

み ゲ ー ジ は ひず み 測 定 を 前提 と し ます が,そ

力,加

位,ト

の応 用 と して 力,圧

速 度,変

ル ク な どい ろ い ろ な 機 械 的 物 理 量 が 測 定 で き る便 利 な変 換 器 と して 利 用 で

き ます.し

か も,力,圧

書 で も紹 介 し ます が,既

力,変 位 な どの 変 換 器 は 工 夫 次 第 で 自作 が 可 能 で す.本 製 の 変 換 器 で は測 れ な い 機械 量 を試 作 変 換 器 で 測 る こ と

が で き ます.   ひず み ゲ ー ジ に 関 わ る類 書 は何 冊 か 散 見 し ます.し ず み ゲ ー ジの 動 作 原 理 は理 解 で き ます が,実 て は 理 解 しが た い もの ばか りです.い

か し,そ れ らは い ず れ もひ

際 面 ヘ の応 用 と な る と初 学 者 に と っ

ろ い ろ と実 際 面 に 直 面 しな い と分 か ら な い

場 面 も あ る か と思 い ます.こ れ ま で の 経 験 を い か し,ひ ず み ゲ ー ジの 応 用 を広 く 世 に伝 え た い とい う思 い で 本 書 を執 筆 す る気 に な っ た 次 第 です.   本 書 は,ひ ず み ゲ ー ジ の こ と を ま っ た く知 らな い 人 が 初 め て そ れ を使 用 す る よ う な場 合,あ

る い は知 っ て い て も ど の よ う に応 用 す れ ば よ い か 分 か ら な い 人 に と

っ て,そ の 利 用 方 法 を理 解 して い た だ け る もの と思 っ て い ます .   最 後 に,ひ ず み ゲ ー ジ に つ い て い ろい ろ と情 報 の提 供 と ご指 導 を い た だ い た株 式 会 社 共 和 電 業 営 業 技 術 グ ル ー プ篠 田 東 洋 児 氏,ひ ず み ゲ ー ジ に係 わ る図 と写 真 提 供 に ご協 力 を い た だ い た 同社 市 場 開 発 室 前 田 芳 己氏,久

能 隆 志 氏,ひ

ずみ ゲー

ジ 関 連 の最 新 情 報 を 常 に提 供 して い た だ い た株 式 会 社 共和 電 業 東 日本 営 業 部 中 島 實 氏 に 厚 くお 礼 申 し上 げ ます.ま

た,お 忙 しい と こ ろ こ ころ よ く査 読 を して い た

だ き貴 重 な ご意 見 を い た だ い た 埼 玉 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 関根 俊 彰 氏 に感 謝 い た し ます.さ

らに,東 京 電 機 大 学 出 版 局 石 沢 岳 彦 氏 に は 本 書 全 体 に わ た り大 変 な ご尽

力 を い た だ き ま した.こ

こ に 重 ね て お 礼 申 し上 げ ます.

2002年10月 小川 鑛一

目

第1章 

次

ひ ず み ゲ ー ジ で 何 が 測 れ る か 

1

1.1  物 の寸 法 や状 態 を測 る とい う こ と 

1

1.2  セ ンサ の大 分 類 

3

1.3  セ ンサ で何 を どの よ う に測 る の か 

5

1.4  ひず み とは 何 か 

6

1.5  ひず み ゲ ー ジ は電 気 抵 抗 の 一 種 

7

1.6  変 換 器 へ の 応 用 に つ い て 

9

1.7  力(荷

重)変 換 器 の し くみ(動

作 原 理) 

1.8  測 定 で き る物 理 現 象 の 予 想 変 化 

第2章 

ひ ず み ゲ ー ジ を 貼 る ・配 線 す る ・ひ ず み を 測 る 

10 12

15

2.1  測 定 はゲ ー ジ を貼 る こ とか ら は じ まる 

15

2.2  ゲ ー ジ を測 定 器 に 接 続 す る 

17

1  ひずみゲージか らの電線 を配線す る 

18

2  ひずみを測定する 

19

2.3  静 ひず み の測 定(多 点 の ひず み 測 定 法) 

20

2.4  ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 した荷 重 変 換 器 の 考 え 方 

22

1 2ゲ ージ法,4ゲ ー ジ法による測定法 と荷重変換器 

22

2  温度 ドリフ トの話 

24

3  片持ば りの表面 は引張ひずみ,裏 面 は圧縮ひずみ 

28

第3章 

4  ひず み の出 力 感度 とは 

30

5  ゲ ー ジの貼 り方が 間違 った ら どうな る 

31

ゲ ー ジ の 姿

・形 と 測 定 器 

3.1  ひ ず み ゲ ー ジ  1  受 感素 子(セ

ンサ)と しての ひ ずみ ゲ ー ジ 

33 33 33

2  ゲ ー ジ の形 式(各 部 の 名称) 

35

3  種 類 が 多 い ひ ずみ ゲ ー ジ 

37

3.2  ひ ず み 測 定 シ ス テ ム と 測 定 器 

40

第4章 

1  静 ひず み の測 定 シス テ ム と測 定 器 

40

2  動 ひず み の測 定 シス テ ム と測 定 器 

43

応

力

測

定 

49

4.1  ひ ず み を 測 っ て 応 力 を 知 る 

49

4.2  材 料 や 構 造 体 の ひ ず み は ど の よ う に 測 定 す る か 

52

第5章 

手 作 り 変 換 器 へ の 応 用 

59

5.1  ひ ず み ゲ ー ジ 式 荷 重 変 換 器 の 考 え 方 

59

5.2  ひ ず み 感 度 の 話 

64

1  ひ ず み と力 ・変位 の関 係 

64

2  ひ ずみ ゲ ー ジを応 用 した荷 重 変換 器 の 出力 感 度 につ い て 

65

5.3  ひ ず み ゲ ー ジ 応 用 変 換 器 の い ろ い ろ 

69

1  最 も簡 単 な荷 重 変 換器(荷 重計) 

69

2  お 盆 に のせ た物 体 の重 量 を量 る 

71

3  介 助 紫煙 補 助 機 器 の操 作 力測 定 

71

4  自然 力 ボ ー トロー プ張 力測 定 

74

5  コ ップ を握 る手 の力 測 定 

75

6  シ ー ツ引 張 りに よ る臥床 者 移 動 時 の力測 定 

77

第6章 

7  2人 に よる 臥床 者移 動 時 の力 の測 定 

78

8  床 反力 の測 定 

80

9  引 張荷 重 変 換 器 と変 位変 換 器 

81

平 面 型 荷 重 変 換 器 の す す め 

85

6.1  1台 の ひ ず み 測 定 器 で す む 平 面 型 荷 重 変 換 器 

85

6.2  ベ ッ ド脚 を支 え る荷 重 変 換 器 

88

6.3  超 薄 型 フ ォー ス プ レー トに よ る 臥床 者 抱 き起 こ し動 作 

91

6.4  臥 床 者 背 面 力 測 定 用2軸 荷 重 変 換 器 

94

6.5  臥 床 者 抱 き起 こ し時 の 手 に 加 わ る力 の 測 定 

97

6.6  重 量 物 の移 動 動 作 

97

第7章 

機 械 量 の 応 用 計 測 

7.1  引 張 力,圧 縮 力,ね じ り力 の荷 重 変 換 器(荷 重 計,ロ ー ドセ ル) 

103 103

1  引張力の測 定 

104

2 圧縮力の測定 

107

3  トルクの測定 

110

7.2  圧 力,変 位,加

速 度 の 変 換 器 

112

1 圧力の測定 

112

2  変位の測定 

115

3 加速度の測定 

116

参 考 文 献 

123

索

128

引 

第1章

 ひず み ゲ ー ジ で何 が測 れる か

  "ま え が き"で

も述 べ ま した よ うに,ひ ず み ゲ ー ジ は 日本 の 産 業,特

に造 船 ・

鉄 道 ・航 空 技 術 の 発 展 に 多 大 な貢 献 を し て きた と い っ て も過 言 で は あ り ませ ん. 本 章 で は,な ぜ,こ もに,そ

の小 さ な ひず み ゲ ー ジが 産 業 発 展 に貢 献 し たか を述 べ る と と

の 有 用 性 につ い て 説 明 し ます.

1.1 

物 の 寸 法 や 状 態 を測 る とい う こ と

  物 の 寸 法 や 状 態 を 測 る と い う こ と は,そ の 物 や 状 態 を望 ま しい よ う に 変 え る, つ ま り,制 御 す る とい う こ とが そ こ に は 必 ず 行 わ れ て い ます.例

え ば,あ

る構 造

材 料 の 強 さ を知 る た め に は,そ の 材 料 に加 え た 力 に対 し,そ の材 料 が 変 化 した 量 を測 る こ とで し ょ う.そ の 変 化 量 が 大 きけ れ ば,そ の 材 料 の 強 度 は弱 い と判 断 さ れ ま す.そ

こ で,構

造 物 を 補 強 し,丈 夫 に す る とい う対 策 を 講 じます.こ

の よう

な 一 連 の 作 業 は,構 造 物 の 安 全 を確 保 す る た め の 一 種 の 制 御 とい え る の で は ない で し ょ うか.   力 を加 え る 前 の 構 造 材 料 の 長 さ は測 る こ とが で き ます.力

を 加 え れ ば,そ の 力

が 引 張 力 な ら伸 び る で し ょ う し,圧 縮 力 な ら縮 む で し ょ う.こ の よ う な伸 び や 縮 み の量 が 人 間 の 目 に見 え る な ら,長 さ を測 定 す る用 具(物 差 し)で 測 る こ とが で き ます.し す.こ

か し,目 に見 え な い よ う な微 小 変 位 な らそ れ な りの 工 夫 が 必 要 とな りま

の よ うな微 小 変 位 の測 定 は,古

定 が 可 能 に な りま した.

くは機 械 式 で した が,現

在 で は電 気 的 に測

  上 述 した よ うに,構 造 物 に 力 が 加 わ っ た と き の変 位 量 を測 定 す る とか,加 る物 体 の 温 度 を測 定 した い とい う こ とは よ くあ ります.こ 造 物 や 温 度 を測 る加 熱 物 体 を測 定 対 象 と い い ます.図1.1は が あ っ て,そ す.こ

う し た,変 位 を測 る構 いろい ろな測定対象

の対 象 物 の 物 理 量 を測 る た め に は セ ンサが 必 要 で あ る こ と を示 し ま

う して セ ンサ を取 り付 け る と,対 象 物 が 変 位 す る あ る い は温 度 が 変 わ る と

い う よ う な場 合 の物 理 量 を 知 る こ とが で き ます.し 報(変 位 ・力 ・加 速 度 ・圧 力 な ど)は,物 ん.セ

熱す

か し,こ の測 定対 象 の物 理情

理 量 と して 直接 取 り出す こ とは で き ませ

ンサ の 多 くは,物 理 量 に 対 応 して抵 抗 が 変 化 す る の で,電 気 回 路 を組 ん で

そ の 抵 抗 変 化 を電 気 量 と し て取 り出 す とい う方 法 が 一 般 的 に 行 わ れ て い ます.こ う して電 気 量 を測 る こ と に よ っ て,目

的 とす る測 定 対 象 の 物 理 量 を 知 る と い う間

接 的 な 方 法 で 測 定 は行 わ れ て い ます.

図1.1  物理 量 を測 る道 筋

  セ ンサ で 得 られ た 物 理 量 情 報 は1次 変 換 情 報 とい い,一 般 に は そ の 情 報 を含 む 電 気 量 は微 小 で す.そ

の た め直 接 指 示 計 器 の指 針 を振 らせ る とか,コ

ンピュー タ

に 取 り込 む こ と は で きず,電 圧 あ るい は電 力 増 幅 を行 う必 要 が あ り ます.こ

のと

き,た だ 増 幅(2次 変 換)す れ ば よい の で は な く,増 幅 され た 電 圧 が 測 定 対 象 の物 理 量 と対 応 が つ くよ う な基 準 化 も行 う必 要 が あ ります.こ

う して 得 られ た 電 気 量

(物 理 情 報)を 校 正 した りノ イズ な ど を取 り除 く信 号 処 理 を行 い,は 気 量 は測 定対 象 の 物 理 量 と あ る 定 ま っ た 関係 が で き上 り ます.こ

じめ てそ の 電

の 定 ま っ た 関係

を使 い,電 圧 を測 る こ とに よ っ て測 定 対 象 の物 理 量 を知 る こ とが で きる の で す.

1. 2  センサの大分類   セ ンサ は,図1.2(a)に

示 す よ うに 外 部 か らエ ネ ル ギ ー を加 え な くて も測 定 対 象

の 物 理 量 が 測 れ る エ ネ ル ギ ー 変 換 形 セ ン サ と,図(b)に

示 す ようにエ ネ ルギー

(一般 に は 電 気)を 供 給 しな くて は 測 れ ない エ ネル ギ ー 制 御 形 セ ンサ に分 類 で き ま す.図(a)の

エ ネ ル ギ ー 変 換 形 セ ンサ と い うの は,図

象 の 物 理 量 を 直接 取 り出 せ る もの で す.例 回 転 速 度 発 電 機,通 が あ ります.こ

よ り明 らか な よ う に 測 定 対

え ば,回 転 速 度 を 測 る セ ンサ に計 測 用

称 タ コ メ ー タ ジ ェ ネ レー タ(略 して タ コ ジ ェ ネ)と い うセ ンサ

れ は 一種 の 発 電 機 で す が,電 力 を取 り出す こ と を 目的 とす る の で

は な く,回 転 速 度 に比 例 した 電圧 を取 り出 す こ と を 目的 と した もの で す.こ コ ジ ェ ネ を 回 転 体 に 装 着 し,例 え ば1V(ボ

のタ

ル ト)と い う電 圧 が 得 られ た な ら,そ

(a)  エ ネ ル ギ ー 変 換 形 セ ン サ

(b) エ ネ ル ギ ー 制 御 形 セ ンサ

図1.2  セ ンサ の基 本 分類

の 回 転 体 は1000rpm(1分

間 で1000回

2Vが 得 られ た な らそ れ は2000rpmと ます.こ

転)と い う 回転 速 度 で 回 っ て い る,ま た , い う速 度 で 回 っ て い る と い う こ とが 分 か り

の 電 圧 は 容 易 に測 れ ます の で,電 圧 を知 る こ と に よ り回転 速 度 が 求 ま る

の で す.外

部 か らエ ネ ル ギ ー を加 え な い セ ンサ の ほ か の 例 と して熱 電 対 とい う温

度 セ ンサ が あ ります.こ

れ は,温 度 に 対 応 して 微 弱 な電 圧 が 発 生 す る もの で,2

種 類 の細 い 金 属 線(例 え ば銅 と コ ン ス タ ン タ ン)の 組 み 合 わ せ で構 成 され て い ま す.温

度 が100℃

変 化 す る と約5mVの

電 圧 が 発 生 し ます.し

た が っ て,10mV

の 電圧 変 化 が 測 定 され た な ら,そ れ は200℃ の 温 度 変化 が あ っ た とい う こ とが 分 か り ます.こ

れ らの ほ か に も,力 が 加 わ る と電 圧 が 発 生 す る とい う圧 電 素 子 が あ

ります が,こ

れ もエ ネ ル ギ ー 変 換 形 セ ンサ で す.こ

れ を 窓 ガ ラス に取 り付 け て お

くと,泥 棒 進 入 時 に窓 ガ ラ ス が 割 ら れ る と電 圧 が 発 生 し ます.そ て 非 常 ベ ル の ス イ ッチ をONに

の 電 圧 を利 用 し

す る と い う こ とが で き ます.

  図(b)は エ ネ ル ギ ー 制 御 形 セ ンサ の 動 作 原 理 を 示 し ます が,多

くの セ ンサ は こ

の エ ネ ル ギ ー 制 御 形 セ ンサ に属 し,ひ ず み ゲ ー ジ も この セ ンサ の 一種 で す.初 期 の ひ ず み ゲ ー ジ は,抵 抗 線 を 台 紙 に 貼 っ た も の で した.こ (ひ ず み ゲ ー ジ)を 測 定 対 象 に貼 付 し ます.測 に伸 び ます.こ 生 じ ま す.ひ

の抵抗 線付 きの台紙

定 対 象 が 伸 び る(縮 む)と 台 紙 も一 緒

の 伸 び に従 い,台 紙 に貼 られ た 抵 抗 線 も一 緒 に伸 び て抵 抗 変 化 が ず み ゲ ー ジ(抵 抗)で 電 気 回 路 を 構 成 しゲ ー ジ の 抵 抗 変 化 を電 気 量

(電 圧)に 変 換 し ます.さ

ら に増 幅 ・信 号 処 理 を行 い,目

と し て 測 定 す る の で す.図(b)に

示 し た よ う に,測

的 とす る ひず み を電 気 量

定 対 象 に 取 り付 け た セ ンサ

(例 え ば,ひ ず み ゲ ー ジ)に 外 部 よ り電 圧(エ ネ ル ギ ー)を 加 え ます.セ

ンサ に 変 化

(ひ ず み 変 化)が あ る と,そ の 変 化 は 電 圧 変 化 と い う形 で 取 り出す こ とが で き ま す.さ

ら に そ の 電 圧 を 増 幅 し ます.こ

の と き,ひ ず み の 変 化 は比 較 的 ゆ っ く り

(直流 的 変 化)な こ とが 多 い の で,変 調 とい っ て 高 い周 波 数 の 交 流 を重 ね 合 わせ 増 幅 しや す くし ます.こ

う して,測 定 す べ きひ ず み は電 圧 に変 換 され,ひ ず み測 定

器 か ら は 出 力 電 圧 と して 取 り出す こ とが で き ます.こ

の よ う に電 圧 とい う形 で 出

力 され れ ば,指 示 計 器 の 針 を駆 動 す る こ とが で き,人 間 の 視 覚 で そ の 量 は認 識 で き ます.

  図(b)の エ ネ ル ギ ー 制御 形 セ ンサ に は,上 述 した ひ ず み ゲ ー ジの 動 作 原 理 か ら 分 か る よ う に外 部 よ りエ ネ ル ギ ー を供 給 す る必 要 が あ ります.ひ で,こ

ず み ゲ ー ジ 以外

の種 の セ ンサ の代 表 例 と して サ ー ミス タ(温 度 セ ンサ),CdS(光

差 動 トラ ンス(変 位 セ ンサ)な どが あ り ます.

1.3 

セ ンサ で 何 を ど の よ う に測 るの か

(a)  エ ネル ギ ー変換 形 セ ンサ

(b)  エ ネ ル ギ ー 制 御 形 セ ン サ

図1.3  セ ンサ で何 が測 れ る か

セ ンサ),

  セ ンサ で 何 を どの よ うに測 るか を説 明 し ます.図1.3は,セ

ンサ(場 合 に よ っ て

は セ ンサ の ほ か に 電 気 回路 や 増 幅 装 置 が 必 要)で い ろ い ろ な 物 理 量 を測 り,そ の 結 果 の 予 想 概 念 図 を示 し ます.図(a)は 様 子 を示 し ます.熱

エ ネ ル ギ ー 変 換 形 セ ンサ で 物 理 量 を測 る

電 対 で は温 度 が,圧 電 素 子 で は 衝 撃 力 が,タ

レー タで 回転 速 度 が測 れ ます.時

コメ ー タ ジ ェ ネ

間 軸 を横 に と り縦 軸 に測 定 物 理 量 を と る と,図

の 右 端 に 示 した よ うな 結 果 が 予 想 的 に 描 け ます.図(b)は,エ

ネルギー制御 形セ

ン サ を示 し,こ の セ ンサ に属 す る ひ ず み ゲ ー ジ,サ ー ミス タ,差 動 トラ ンス を使 用 した 場 合 に得 ら れ る 予 想 的 な測 定 記録 例 を示 し ます.ひ ず み ゲ ー ジ で は ひ ず み は も と よ り力 ・変 位 ・圧 力 ・加 速 度 な ど機械 量 の 変 動 が 測 定 で き ます.サ タ は温 度 が,差

動 トラ ンス は変 位 が 測 れ ます.し

ー ミス

か し,い ず れ も図 に示 した よ う

に 外 部 か らエ ネ ル ギ ー供 給 が 必 要 に な り ます の で,適

切 な測 定 装 置 と い う もの が

セ ンサ 以外 に必 要 に な りま す.

1.4 

ひ ず み と は何 か

  こ こ で,ひ

ず み と は 何 か を 考 え て み ま し ょ う.図1.4(a)は,長

本 の 細 い 棒 が 天 井 か ら 吊 り 下 げ ら れ て い る 様 子 を 示 し ま す.こ う に 質 量M〔kg〕 当 然,細 に,こ

の お も り を つ る し ま す.こ

い 棒 は 伸 び ま す.こ の 伸 び 量Δl〔mm〕

のMに

の 伸 び 量 をΔl〔mm〕

さl〔mm〕

の棒 の 端 に 図 の よ

よ る 重 力 はMg〔N〕 と し ま す.式(1.1)に

を 元 の 長 さl〔mm〕 で 割 っ た 値 εは,ひ

な る1

で す か ら, 示 す よ う

ず み と定 義 され て

い ま す.

(1.1)   図1.4(a)で は,細

い棒 が 伸 び る様 子 で ひず み を 説 明 し ま した.ひ ず み は 何 も棒

が 伸 び る こ とだ け に起 こ るの で は あ りませ ん.あ

らゆ る物 体 が 変 形 す る 場 合 に は

ひ ず み が 生 じる わ け で す か ら,そ れ ら物 体 の ひ ず み も 同 様 に定 義 さ れ て い ます. 例 え ば,図(b)に

示 す 金 属 板 の端 に力 が 加 わ れ ば そ の板 は 変 形(ひ ず み)し ます.

図 中 の 拡 大 図 に示 した よ う に 表 面 は伸 び,裏 面 は 縮 み ま す.こ

の と きの ひず み

Δl(引 張 ひ ず み)や −Δl(圧縮 ひず み)も 図(a)同 様 に,微 小 な伸 び(縮 み)量 に対 す る元 の 長 さ の 割 合 と して 式(1.1)の よ うに 定 義 さ れ て い ます.

(a)  棒 の 引張 りに よ る伸 び

(b) 板 の 曲げ に よ る伸 び と縮 み 図1.4  ものが ひず む とは(伸 び ひず み と縮 み ひず み)

1.5 

ひ ず み ゲ ー ジ は 電気 抵 抗 の 一 種

 ひず み ゲ ー ジ は,抵 抗 とい う ひず み を測 る た め の セ ンサ で す.こ

の セ ンサ の 基

本 動作 原 理 は,ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 した 測 定 対 象 が ひ ず む とそ の 量 に比 例 して 抵 抗 が 変 化 す る の で,そ

の抵 抗 変 化 を 電 気 量 の 変 化 と して と らえ る と い うこ とに あ

りま す.   図1.5(a)は,細

い 抵 抗 線 とそ れ がΔlだ け伸 び た 様 子 を示 し ます.こ の 抵 抗 線 の

伸 びΔlに対 応 し て,抵 抗 はΔR変 化 します.図(b)中

に示 す よ うに,ΔR/Rを

み ε(Δl/l)で 割 っ た 値Kを ゲ ー ジ率 とい い ます.図(b)は,図(a)の

ひず

よ う に1本 の短

い 抵 抗 線 で は所 定 の 抵 抗 値(通 常120Ω)に す る こ とが で きま せ ん の で ,そ れ を折 り 曲げ て ひず み ゲ ー ジ とい う セ ンサ の 形 に した 図 を 示 します.初 ジ は,薄

期 のひずみゲー

い 紙 の 台 紙 上 に 髪 の 毛 の よ う に細 い抵 抗 線 を 図(b)の よ うに 格 子 状 に し

て貼 っ た もの が 多 用 さ れ て い ま した.最 近 は 技 術 が 進 歩 し,写 真 の エ ッチ ン グ技 術 を用 い て 製 造 した 箔 ゲ ー ジ が 一 般 的 に利 用 され て い ま す.

(a)  単 線 の抵 抗(力 を加 え る とΔlだ け伸 び る)

(b)  ひ ず み ゲ ー ジ

図1.5  抵 抗 線 の抵 抗 とひず み の 関係

  ひず み ゲ ー ジ が ひ ず む た め に は,測 定対 象 に ひず み ゲ ー ジ を貼 る 必 要 が あ り ま す.一

度 ひ ず み ゲ ー ジ を貼 れ ば,そ の貼 っ た 場 所 の ひ ず み が 測 定 で き,さ

らに は

そ の 材 料 に 加 わ っ て い る 応 力(単 位 断 面 積 あ た りの 力)も 知 る こ とが で きま す.こ の よ うな ひ ず み ゲ ー ジ貼 付 に よ る ひず み(応 力)測 定 は,鋼 材 や構 造 物 の 強 度 を求 め る とか,材 料 の 破 壊 試験 を行 う よ うな場 合 に よ く行 わ れ ます.   一 方,荷 物 を積 ん だ トラ ック の重 量 を測 る とか ク レー ンで 吊 り下 げ た 重 量 物 の 重 さを 測 る よ う な場 合 は,ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 した荷 重 変 換 器(ロ ー ドセ ル)が 使 わ れ ます.こ

の よ う な変 換 器 につ い て 次 に簡 単 に 説 明 し ます.詳

細 は 第7章 で 述

べ ます.

1.6 

変 換 器 へ の 応 用 につ い て

  大 き な構 造 物 や 乗 り物 な どの ひ ず み(応 力)測 定 は,ひ ず み 変 動 を 知 りた い箇 所 に ひず み ゲ ー ジ を 直 接 貼 付 し ます.こ の 場 合 は,ひ ず み測 定 が 終 了 す れ ば,貼 付 した ひず み ゲ ー ジ は 取 り除 くか 放 置 した まま で す.つ   一 方,ひ

ま り,使 い捨 て で す.

ず み ゲ ー ジ を応 用 して 力(荷 重)・ 変 位 ・圧 力 ・加 速 度 な ど を何 回 も測

定 で きる荷 重 変 換 器,変 位 変 換 器,圧 力 変換 器,加 速 度 変 換 器 な ど各 種 の 変換 器 が あ り ます.こ

れ ら は,力 や 加 速 度 を測 りた い 箇 所 に 設 置 し測 定 します.測

終 わ り,そ れ ら変換 器 を 別 な と こ ろ に再 び 設 置 す れ ば,新 能 に な り ます.こ

定が

た な 測 定 が 何 回 で も可

の よ うな 使 い 方 が 変 換 器 の 特 徴 で す.

  変 換 器 の あ るべ き姿 と して,以 下 の こ とが あ げ られ ます.   ①  再現 性 が あ る こ と(繰 り返 し使 用 して も同 じ結 果 が 得 られ る性 質).   ②  温 度 ドリ フ トが な い こ と(測 定 環 境 に温度 変 化 が あ っ て も,測 定 結 果 に影 響 を及 ぼ さ な い こ と).   ③  耐 久 性 が あ る こ と(多 数 回 使 用 して も磨耗 や 特 性 の 変 化 が な い こ と).   ④  経 年 変 化 が な い こ と(使 用 年 数 と と もに,特 性 が 悪 化 しな い こ と).   変 換 器 は,購 入 す る こ と もあ ります が,実 験 的研 究 や特 殊 な測 定 を行 わ な け れ ば な ら ない 場 合 に は,自 分 で変 換 器 を作 らな け れ ば な らな い こ とが あ ります.そ

の よ う な場 合,上

述 の 条 件 を 満 た さ な け れ ば測 定 結 果 の 信 用 は失 わ れ て し まい ま

す. ● コラム ●   ひ ず ん だ こ と を 最 初 に 検 知 す る ひ ず み ゲ ー ジ は セ ンサ の 一 種 で す.と そ れ を応 用 し た 荷 重 変 換 器 や 加 速 度 変 換 器 は セ ンサ と呼 び ま せ ん.そ サ"と

い うの は,測

こ ろ が,

れ は,"セ

ン

定 対 象 の 物 理 量 を 直 接 他 の 物 理 ・物 性 量(例 え ば 電 気 ,抵 抗)

に 変 換 す る 最 初 の 素 子 だ か ら で す.と

こ ろ が"変

換 器"は,例

え ば後 述 す る弾性

体 で あ る 起 歪 材 に ひ ず み ゲ ー ジ と い う セ ン サ を 貼 付 し,起 歪 材 に 加 わ る 力 を ひず み と い う形 で 間 接 的 に 測 定 す る も の で す.し 構 成 さ れ て い る の で は な く,セ 構 成 さ れ て い ます.場

た が っ て,変

換 器 は ひ とつ の素 子で

ン サ とい う素 子 や 起 歪 材 とい う い くつ か の 要 素 で

合 に よ っ て は 変 換 器 の 中 に トラ ン ジ ス タやIC(集

含 む 電 子 回 路 が 組 み 込 ま れ て い る もの も あ り ま す.以

積 回 路)を

上 の よ う な 理 由 で,セ

ンサ

と変 換 器 は 区 別 さ れ て い ます.

1.7 

力(荷 重)変 換 器 の しくみ(動 作 原 理)

  ひ ず み ゲ ー ジ は も と も とひ ず み や 応 力 を測 る た め の セ ンサ で す.こ の ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 して ,力 ・圧 力 ・変 位 ・加 速 度 な どの機 械 量 が 測 れ る 原 理 を こ こで は 詳 し く説 明 します.図1.6は,片

持 ば りに ひ ず み ゲ ー ジ を貼 っ た 場 合 を示 します.

こ こ で,片 持 ば り とい うの は,大 小 さ ま ざ まあ ります が ,水 泳 の飛 込 み 台 の よ う に板 の片 端 が 固 定 さ れ て い る もの をい い ま す.図 の 場 合 は,小

さ な鋼 板 の片 端 を

固 定 し,そ の 固 定 端 近 くに ひ ず み ゲ ー ジ を貼 り,先 端 に力 を加 え た様 子 を示 し ま す.ひ

ず み ゲ ー ジか らの リー ド線 は,ひ ず み ゲ ー ジ と ひず み測 定 器 を結 ぶ 接 続 端

子(ブ リ ッジ ボ ッ ク ス)に まず 接 続 し ます.そ ひず み 測 定 器 に接 続 され,ひ ます.そ

し て,こ

の ブ リ ッ ジ ボ ッ ク ス は,

ず み に比 例 した電 圧 出 力 が ひず み 測 定 器 か ら得 られ

の 出力 電圧 は メ ー タ の 針 を駆 動 で き る の で,ひ ず み 変 化 の 様 子 は 指 針 の

動 き を見 れ ば分 か り ます.ま

た,出 力 電 圧 を信 号 と し,ペ

動 か す こ とや ア ナ ロ グ ／ デ ジ タル 変 換 器 を 使 用 して,デ

ン書 き記 録 計 の ペ ン を

ジ タ ル量 と して コ ン ピ ュ

図1.6  片 持 ば りと ひず み測 定

ー タや 記 憶 装 置 な ど に 取 り込 む こ と も可 能 です .   こ う して,片 持 ば りに力 が 加 わ る と,は

りは 変 形 し,貼 付 した ひず み ゲ ー ジに

よ っ て そ の位 置 の ひず み が 測 定 で る よ うに な ります.片 持 ば りに加 え た 力 を取 り 除 く と,は

りは変 形 の ない 元 の 状 態 に戻 り ます.そ

み の な い 元 の 状 態 に戻 ります.元

うす る と ひず み ゲ ー ジ もひ ず

に戻 らな い よ う な場 合 は,力

を加 え す ぎて起 歪

材 が 永 久 変 形 を起 こ した か,ひ

ず み ゲ ー ジ が よ く貼 れ て い な い 場 合 で す.一

片 持 ば りに力 を加 え た 場 合,発

生 す る ひず み は 加 え た力 に 限 度 は あ ります が,そ

の 力 に比 例 す るの が 普 通 で す.こ

般に

の よ うに力 と ひず み との 間 に比 例 関 係 が あ りま

す の で,ひ ず み を測 る と力 が 分 か る と い う力(荷 重)変 換 器 が構 成 で き る の で す.   図1.7は,片

持 ば りに 生 じ る ひず み を測 る場 合 の 物 理 量 の 変 換 過 程 を示 します.

まず,片 持 ば りに力 が 加 わ り ます.そ

うす る と,は

ひ ず み は ひず み ゲ ー ジ の 抵 抗 を変 化 させ,こ

りは 変形 し ひず み ます.そ

の

の抵 抗 変 化 は電 圧 に 変 換 さ れ ます.

この 電 圧 は微 弱 な た め 増 幅 ・信 号 処 理 さ れ ます.こ

の よ うな 変 換 を 通 して ひ ず み

測 定 器 か らは 人 間 の五 感 で 認 識 で き る電 気 量 が 出 力 さ れ ます.こ

の よ う に見 て み

ます と,ひ ず み 測 定 と い う こ とだ け 考 え て も,"力 → 起 歪 材(片 持 ば り)の ひ ず み → 抵 抗 変 化 → 微 小 電 圧 変 化 → 電 圧 増 幅 → 指 針 の 動 き"と い う よ う に何 段 階 も の 物 理 量 の 変 換 が 行 わ れ て い る こ とが 分 か ります.し

た が っ て,測 定 と い うの は

物 理 量 の変 換 技 術 とい って も過 言 で は な い で し ょう.

図1.7  ひず み を ひず み ゲ ー ジで 測 る道 筋

1.8  測 定 できる物理現 象の予想 変化   図1.8は,飛

込 み 台 の ひ ず み,小 石 乗 り越 え 時 の 自動 車 フ レー ム の ひ ず み,波

浪 中 の 船 体 ひ ず み の 予 想 図 で す.い ます.図(a)は,飛

ず れ も構 造体 に ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 して あ り

込 み 台 か ら飛 び降 りた 場 合 の 台 の ゆ れ(ひ ず み)で す.選 手 が

台 の端 か ら先 端 ま で歩 い て い く と,そ の 台 は徐 々 に た わ ん で き ます.ひ

ずみゲ ー

ジ は 台 の 根 元 に 貼 付 して あ ります の で,選 手 が 先 端 に近 づ くほ ど ひ ず み は 増 え ま す.そ

して,飛

び込 む直 前 で 上 下 に勢 い をつ け る で し ょ うか ら,図 の よ う な振 動

が 観 測 され ます.飛

び込 ん だ 後 は,先 端 の 荷 重 が ゼ ロ に な り ます の で,ひ ず み ゼ

ロの 基 準 値 前 後 で 飛 込 み 台 は 振 動 す る こ とが 予 想 され ます .   図(b)の

自動 車 は,道 路 上 の小 石 を の り越 え る と,そ の 突 起 の り越 え の た め に

(a)  飛 込 み台

(b)  自動車 の 車体

(c)  船 体

図1.8  予想 され る機械 量 の 動 的現 象 とひ ずみ 変 動

車 体 フ レー ム が 急 に ひず み ます.そ

れ も小 石 を 一 瞬 に の り越 え終 え ます の で,フ

レー ム は直 ち に も との状 態 に戻 り ます.こ

う して,図

に示 した よ う な 一 瞬 の ひず

み 変 動 の観 測 が 予 想 さ れ ます.   最 後 の 図(c)は,船

が 波 間 に ゆ られ て い る状 態 を示 し ます.船

底 にひずみ ゲー

ジ を 貼 付 して あ る とす るな ら,船 は 波 の 腹 や 背 に の る よ う な格 好 で航 海 す る で し ょ うか ら,長 い船 全 体 が 曲 げ られ,そ れ も凸 や 凹 の よ う に な りま す の で,そ

のた

び に 図 に 示 す よ う な ゆ っ く り した 上 下 変 動 の ひ ず み が 予 想 され ます.   以 上 述 べ た 乗 り物 を は じめ,鉄 道 ・橋 梁 ・建 物 ・ダム ・構 造 物 ・ク レ ー ンの よ う に鉄 道 ・土 木 ・産 業 分 野 の機 械 装 置,構 で す.そ

造 体 の動 的 挙 動 を測 定 す る こ とが 可 能

の ほ か に も,床 反 力 計(フ ォ ー ス プ レ ー ト)と い っ て,人

間がそ の上 を

歩 く と きの 脚 接 触 時 の 力 が 測 れ る もの や,後 述 す る よ う に手 や 背 中 に装 着 で きる よ う な 荷 重 変 換 器 も試 作 で き ます.こ

れ ら を用 い る と看 護 や 介 護 の 動 作 研 究 に も

ひず み ゲ ー ジ は 応 用 す る こ とが で き,動 作 研 究 に役 立 ち ます.こ 例 につ い て は,第5章

と第6章 で 詳 し く述 べ る こ と に し ます.

の動 作 研 究 の 事

第2章  ひずみゲージを貼る ・配線をする ・ひずみを測る

  ひ ず み ゲ ー ジ そ の も の は 薄 くて 小 さ な紙 片 の よ うな も の で す.そ れ を測 定 対 象 に貼 付 しな け れ ば何 の 役 割 も果 た せ ませ ん.そ

こ で本 章 で は,ひ ず み ゲ ー ジ を貼

る こ と,そ れ に電 気 的 な配 線 を す る 方 法 に つ い て述 べ ます.ひ

ず み ゲ ー ジ は,た

だ 測 定 箇 所 に 貼 り,配 線 す れ ば使 え る とい う もの で は あ りませ ん.ま た 測 定 に は ひず み 測 定 器 も必 要 と な ります.こ

こで は,貼 付 ・配線 の ル ー ル や 測 定 法 の 要 点

につ い て も解 説 します.

2.1 

測 定 は ゲー ジを貼 る こ と か ら は じま る

  一 般 的 な ひず み ゲ ー ジ の 大 き さ は,長

さ の小 さ い もの で は ベ ー ス長 で3.3mm,

大 きい もの で は37mmま

た,幅

き い も の で は8mmま

で あ ります.ま

の 小 さ い も の で は1.5mmか

で 数 多 くの 種 類 が あ りま す.こ

ら大

れ らゲ ー ジ に つ い て は 第3

章 で 述 べ る こ と と し,こ こで は ひず み ゲ ー ジ の貼 り方 に つ い て説 明 し ます.ひ ず み ゲ ー ジ単 体 で は,何

の役 に も立 ち ませ ん の で,そ

か ら始 め な くて は な り ませ ん.図2.1は,ゲ

れ を 測 定 対 象 部材 に貼 る こ と

ー ジ を 金 属 板 に貼 る 手 順 を示 し ます.

貼 る方 法 を順 に 説 明 し ま し ょ う.   ① の よ う に貼 付 す る 材 料 の表 面 をサ ン ドペ ー パ(#100∼#300)で を な め らか に し ます.次 が き針"で

に,②

磨 き,表 面

に示 す よ う に ひず み ゲ ー ジ を貼 付 す る位 置 に"け

大 きめ の 十 字 マ ー ク を描 き ます.こ

こ で"け

が き針"と

い うの は,先

端 が 尖 っ て い る鉛 筆 状 の鉄 棒 で,金 属 表 面 を ひ っ か い て 印 を入 れ る工 具 の 一 種 で

① 表面 を磨 く

② マ ー ク を入 れ る

③  接着剤 を塗 る

④  貼る

⑤‐1配線 をす る(ゲ ー ジ端 子 を用 い る場合)

⑤‐2配線 をす る(ビ ニ ール テ ー プで 補 強 す る場 合)

(a)

(b) (d)

(c) 図2.1  ひず み ゲ ー ジを測 定 対 象へ 貼 る 手順

す.こ

の と き,け が き針 で 削 っ た跡 が ほ ん の 少 し盛 り上 が りま す の で,再

度,サ

ン ドペ ー パ で そ の盛 り上 が りを軽 く削 り ます.最 後 に ゲ ー ジ を貼 る位 置 を ア セ ト ンの よ うな 溶 剤 で清 潔 に し,手 油 な どを 除去 し ます.   図2.1③ の よ う に,貼 付 す るゲ ー ジ の裏 面(表 面 は リー ド線 が 出 て い る)に 接 着 剤 を 一 滴 た ら し,接 着 剤 付 属 の 針 を用 い て ゲ ー ジ全 面 に 接 着 剤 を広 げ ます.接

着

剤 を 塗 布 した ゲ ー ジ 面 を前 述 した 十 字 状 印 の位 置 に ゲ ー ジ ・セ ン ター マ ー クを 合 わせ る よ うに し て お き ます.そ

の 上 を ポ リエ チ レ ンシ ー トで お お い,そ

の上 か ら④ の よ う に 指 圧(親 指 を 当 て る)で 約1分 間押 し続 け ます.こ ジ は 金 属 板 に接 着 が で きま した.ポ

の シー ト

れ で,ゲ

ー

リエ チ レ ン シー トを 取 り除 く と,リ ー ド線 も

金 属 板 にへ ば りつ い て い ます.⑤‐2の よ うに ゲ ー ジ端 に 爪 先 を 当 て て,リ

ー ド線

を金 属 板 か らそ の 爪 先 ま で は が し ます.   ゲ ー ジ端 子 を⑤‐1の よ う に接 着 し,ゲ ー ジ リー ド線 とゲ ー ジ端 子 を は ん だ付 け で 接 続 します.⑤‐2の

よ う に ビニ ー ル テ ー プ を使 用 し リー ド線 と電 線 が 被 測 定 対

象 の 金 属 板 に接 触 しな い よ うに 工 夫 をす れ ば,ゲ ー ジ端 子 は 省 略 で き ます.ブ

リ

ッジ ボ ック ス まで を 結 ぶ 電 線 端 をゲ ー ジ リー ド線 に は ん だ 付 け で接 合 します.こ の 電 線 の 長 さは,貼 付 した ひず み ゲ ー ジか らブ リ ッ ジ ボ ッ ク ス ま で の 長 さ で,普 通 は2∼5mで

す.も

し,ひ ず み ゲ ー ジ貼 付 位 置 と測 定 器 まで の 距 離 が 長 い 場 合

は,電 線 の 抵 抗 分 を 考 えや や 太 目の 電 線 を使 用 し ます.ま

た,電

気的 ノイズの影

響 を受 け る お そ れ が あ る場 合 は,シ ー ル ド線 とい う特 殊 電 線 を使 用 し ます.   以 上 で,測

定 対 象 へ ひず み ゲ ー ジ を貼 り,そ の ゲ ー ジ か ら ひず み測 定 器 まで の

配 線 が で き た こ と に な ります.

2.2 

ゲ ー ジ を測 定 器 に接 続 す る

  ひず み測 定 器 に は静 的 ひ ず み 測 定 器 と動 的 ひ ず み 測 定 器 とが あ ります.静 み 測 定 と動 ひず み 測 定 とで は測 定 方 法 が 異 な り ます.こ

ひず

こでは動 的ひずみ測定器

へ ひず み ゲ ー ジ を接 続 し,ひ ず み を測 定 す る方 法 を述 べ ま す.

1  ひずみゲー ジか らの電線 を配線 する   図2.2(a)は,ひ 示 し ます.こ

ず み ゲ ー ジ か ら の 電 線 を ブ リ ッ ジ ボ ック ス に 接 続 し た様 子 を

こで,ブ

リ ッジ ボ ッ ク ス とい う の は,ひ ず み ゲ ー ジ を ひず み測 定 器

へ 接 続 す る た め の 一種 の イ ン ター フ ェ ー ス と もい え る もの です.こ

れ は,図(b)

に示 す よ うに 電気 回 路 の一 種 で あ る ホ イ ー トス トン ブ リ ッジ を構 成 させ る た め の 端 子 ボ ッ ク ス で す.ブ

リ ッ ジ ボ ッ ク ス と測 定 器 は 図 に示 す よ うに 太 い 電 線(4芯

の シー ル ド線)で 結 ば れ て い ます.こ

の ブ リ ッ ジ ボ ッ ク ス部 分 の 他 端 に は接 続 プ

(a)  ひず み ゲー ジ の配 線

(b)  ブ リ ッ ジ ボ ッ ク ス と ホ イ ー トス トン ブ リ ッ ジ

図2.2  ひず み ゲー ジ を測定 器 に接 続 す る 方法

ラ グ が 取 り付 け られ て あ り,測 定器 へ の 電 気 的接 続 はそ の プ ラ グ の着 脱 に よ っ て 容 易 に行 え る よ う に な っ て い ます.   以 上 で 測 定 対 象 で あ る 金 属 板 の ひ ず み が 測 定 で き る準 備 が で き ま した.次 定 器 の ゼ ロバ ラ ンス を とる と測 定 開 始 準 備 が 整 い ます.こ

こ で バ ラ ンス を とる と

い う こ と は,測 定 開 始 時 の 出力 値 をゼ ロ に調 整 す る こ とを い い ます.ゼ ス を と っ た後,板

に測

ロバ ラ ン

を両 手 に 持 ち,そ の 板 を 曲 げ る と図 中 に示 した よ うな 指 針 の 動

きが 観 察 で き ます.し

か し,そ の変 化 は電 圧 の 変 化 で あ っ て ひ ず み の 変 化 で は あ

り ませ ん.そ の ひ ず み を 知 る た め に は,次 に 述べ る 電 圧 を ひ ず み に換 算 す る約 束 が 必 要 で す.

2  ひずみを測定する   ひ ず み 測 定 器 に は,校 正 値 とい っ て ひ ず み の 既 知 量 を出 力 す る 機 能 が あ ります. そ れ は,図2.3に

示 す 矩 形 状 の 信 号(ス イ ッチ を押 す だ け で 既 知 量 が 図 の よ うに

現 れ ま す)で す.こ

こ で は1000μ を 例 と して 描 きま し た が,500μ

(a)  静 ひ ずみ

(b)  動 ひ ずみ 図2.3  ひ ず み測 定 の た めの 校 正 と ひず み の求 め 方

で も1500μ で

も任 意 に変 え る こ とが で き ます.こ 語 で10-6を

表 します.ひ

こで"μ"は"マ

イ ク ロ"と 読 み 単 位 の 接 頭

ず み の1000×10-6を1000μ

と略 記 し"せ ん マ イ ク ロ"

と読 み ます.   い ま ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 した 片 持 ば りに,お 電 圧 は 図(a)の

よ う に 静 的 に 変 化 し ま す.図

ま た,先

の校 正 量1000μ(図

ま す.そ

う す る と,比 例 計 算 で,ゲ

(1000/x)を

も りを そ っ とのせ る と 出力 で あ る の 変 位 量y〔mm〕

は 読 み 取 れ ま す.

中 の矩 形 状 信 号)に 対 す る変 位 量x〔mm〕

掛 け て や れ ば,お

も読 み 取 れ

ー ジ を貼 っ た 位 置 の ひ ず み は,y〔mm〕

に

も りを の せ た こ と に よ っ て 発 生 した ひず み の 大 き

さが 求 ま り ます.ひ ず み を具 体 的 に求 め る例 を 図 中 に示 し ま し たの で参 照 して く だ さ い.   図(b)の

動 ひず み と い うの は,も

し もお も り を片 持 ば りに落 とす よ う に の せ る

と,そ の 後 の ひ ず み 変 動 が 振 動 的 に な る,つ

ま り,動 的 挙 動 の ひ ず み が 測 定 で き

る こ と を 示 します.

2.3  静 ひずみの測定(多 点 の ひずみ測 定法)   2.2節 で は,ひ ず み ゲ ー ジ を1箇 所 に貼 付 し た場 合 の ひず み 測 定 法 につ い て 述 べ ま した.こ

こで は,構 造 物 の い ろ い ろ な と こ ろ に多 くの ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 し

た 場 合 の ひず み測 定 は ど の よ うに 行 う か を 説 明 し ます.   図2.4の よ う に,鋼 鉄 で 作 られ た構 造 物 に12枚 の ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 した と し ます.構

造 物 に 図 示 した よ うな 荷 重Fを

加 え た 場 合,そ

の 荷 重Fが

動 的,つ

ま

り時 間 と と も に刻 々 と変 化 す る よ う な場 合 は貼 付 した ひず み ゲ ー ジの 数 だ け の ひ ず み 測 定 器 を準 備 し な け れ ば な り ませ ん.一 方,荷

重Fを1ト

ン と し,そ の 一 定

の 荷 重 が 加 わ っ て い る 間 に12箇 所 の ひ ず み を測 定 す る こ と は可 能 で す.そ う な 場 合 は,ス

イ ッ チ ボ ック ス(切 り替 え ス イ ッチ)を 介 して 各 ひ ず み ゲ ー ジ を

ひず み 測 定 器 に接 続 し ます.こ

の よ う な配 線 を 行 う と,ひ ず み測 定 器 は1台 で12

箇 所 の ひず み が 測 定 で き ます.1ト Fを2ト

のよ

ン に対 す る ひ ず み 測 定 が 終 っ た ら,次 に荷 重

ン で 一 定 に保 ち,こ の 荷 重 が 加 わ っ て い る 間 中 に ス イ ッ チ を切 り替 え,

図2.4  静 ひず み の 測 定 に は切 り替 えス イ ッチ が 必要

12箇 所 の ひ ず み測 定 を行 う の で す.こ 重Fを

う して,構 造 物 の 一 部 が 破 壊 す る ま で 荷

加 え る よ う な 実験 を行 う な ら,こ れ は構 造 物 の 破 壊 試 験 に な ります.こ

で は ス イ ッチ ボ ッ クス は1台 と し て説 明 しま した が,ス

こ

イ ッチ ボ ック ス の 数 を増

や せ ば12の 倍 数 の ひず み 測 定 が 可 能 に な ります.   図2.5(a)は,荷

重Fに

対 す る ひ ず み 測 定 結 果 の 記 録 表,図(b)は

で 表 した例 を示 し ます.図(b)の

測 定値 を図

よ うに グ ラ フ で 表 現 す る と,構 造 物 の ど の位 置

(a)  ひず み測 定 デ ー タ(例)

(b)  静 ひずみ 測 定結 果(例) 図2.5  静 ひず み の測 定 結 果 とその 評価 方 法

で ひ ず み が 大 き く現 れ て い る か が 一 目で 分 か り ます.ひ

ず み が 大 きい と い う こ と

は,そ の 位 置 の 鋼 材 強 度 が 弱 い とい う こ と に もな ります.そ 強 し安 全 性 を 高 め る とい う処 置 を 施 す こ とが で き ます.以 を行 う試 験 用 構 造 物 の 各 所 に ゲ ー ジ を貼 付 し,図2.4に

こ で,そ の 位 置 を補

上 の よ うに ひ ず み 測 定

示 し た よ う に特 定箇 所 に

既 知 の一 定 荷 重 を加 え ます.そ の 間 に各 所 の ひ ず み を 測 定 す る とい う よ う な場 合, ス イ ッチ ボ ッ ク ス を 使 用 す れ ば1台 の ひ ず み 測 定 器 で 多 くの 場 所 の ひず み測 定 が 可 能 で あ る こ と を述 べ ま した.こ

の よ うな ひず み 測 定 の 方 法 は,静 ひ ず み の 測定

とい い ま す.

2.4  ひず みゲー ジを応用 した荷 重変換器 の考 え方   本 節 で は,ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 した 荷 重 変 換 器 の 原 理 につ い て 説 明 します.図 2.2に1枚

の ひ ず み ゲ ー ジ を ブ リ ッ ジ ボ ック ス に接 続 す る方 法 を示 し ま した.こ

の 方 法 は1ゲ ー ジ 法 とい い,測 定 対 象 の貼 付 位 置 に 生 じる ひ ず み が 測 定 で き ます. こ の よ う に1枚 の ひ ず み ゲ ー ジ を用 い,ひ ず み を測 定 す る よ う な場 合 の ひず み ゲ ー ジ は ア ク テ ィ ブゲ ー ジ と い い ます .そ して,そ

の ひ とつ の ア ク テ ィブ ゲ ー ジ に

よ る ひ ず み 測 定 は1ゲ ー ジ 法 に よ る ひ ず み 測 定 とい い ます.ひ 法 に よ っ て,2ゲ

ー ジ法,4ゲ

ず み ゲ ー ジの 接 続

ー ジ法 とい う測 定 方 法 が あ り ます の で,そ

れ らの

測 定 法 の 特 徴 に つ い て 以 下 に説 明 しま し ょ う.

1  2ゲ ー ジ法,4ゲ   図2.6は,2ゲ

ー ジ法 による測定法 と荷 重変換 器

ー ジ 法(図(a))と4ゲ

ー ジ 法(図(b))の

ブ リ ッジ ボ ッ ク ス へ の ゲ ー ジ接 続 法 を示 し ます.片 ジ の 位 置 は,図(a)に た,図(b)の4ゲ

ひず み ゲ ー ジ貼 付 位 置 と

持 ば りに貼 付 す る ひ ず み ゲ ー

示 した よ う に2ゲ ー ジ 法 で は 表 裏 対 称 な位 置 に1枚 ず つ,ま

ー ジ法 で は表 裏2枚 ず つ を対 称 に貼 付 し ます.こ

の よ う な位 置 に

ゲ ー ジ を貼 付 した 理 由 は,ひ ず み の 出 力 感 度 が2ゲ ー ジ法 で は2倍,4ゲ で は4倍 に な る か らで す.こ し,そ の 出力 値 の2倍,4倍

こ で い う 出 力 感 度 と い うの は,1ゲ の 出力 値 が 得 られ る とい う こ とで す.

ー ジ法

ー ジ 法 を基 準 と

(a)  2ゲ ー ジ 法

(b)  4ゲ ー ジ法

図2.6  ひず み ゲー ジ接 続 の た めの2ゲ ー ジ法 と4ゲ ー ジ法 の 配線

  ど う し て 出 力 感 度 が2倍,4倍 ば りに 荷 重Fが

に な る か を 考 え て み ま し ょ う.図 の よ う に 片 持

加 わ っ た場 合,表

縮 ひ ず み を検 出 し ます.ゲ

面 の ゲ ー ジ は 引 張 ひ ず み を検 出 し,裏 面 は 圧

ー ジ は表 裏 対 象 位 置 に貼 付 して あ ります の で,こ の と

きの ゲ ー ジ抵 抗 変 化 は,表 面 ゲ ー ジ は元 の 抵 抗 値Rに 裏 面 ゲ ー ジ の 抵 抗 値 は −ΔRと 減 少 し ます.こ 化 す る ひ ず み ゲ ー ジ 抵 抗Rを

図2.2(b)の

対 し て+ΔRだ

け増 加 し,

の よ う に絶 対 値 が 同 じで 正 負 に変

よ う に ホ イ ー トス ト ンブ リ ッジ を組 み

ま す.こ

こ で,ホ

イ ー トス トン ブ リ ッジ と い うの は,電 気 抵 抗4個

よ う に接 続 し た 回路 の こ と をい い ます.こ と,他

を図2.2(b)の

の 回 路 の 対 辺 に 基 準 の 電圧 を 印加 す る

の 対 辺 か ら は 抵 抗 が 変 化 した 分 に対 応 して 電 圧(出 力 電 圧)が 現 れ ま す .

い ま,ブ

リ ッ ジ に 組 ん だ4個 の うち ひ とつ の抵 抗 が ひ ず み ゲ ー ジ抵 抗 で あ る と し

ます.そ

の ゲ ー ジが ひ ず ん で ゲ ー ジ抵 抗 に変 化 が 起 こ る と,ゲ ー ジ抵 抗 の 変 化 に

比 例 した 出 力 電 圧 が 得 られ ます.ホ

イ ー トス トン ブ リ ッ ジが 使 わ れ る理 由 は,4

個 の 抵 抗 の どれ か を調 整 す る と 出力 電 圧 を0Vに

す る こ とが で き る か ら で す.一

般 に ひ ず み ゲ ー ジ に ひず み が 加 わ っ て い ない 状 態 で は 出 力 電 圧 は ゼ ロ で あ る こ と が 望 ま しい の で,ゲ

ー ジ を ひ ず み 測 定器 に接 続 した最 初 の 時 点 で この よ うな ゼ ロ

バ ラ ンス を と る こ とか ら測 定 は 始 ま ります .   以 上 の よ うに して ひ ず み 測 定 器 の 出力 値 が ゼ ロ状 態 か らひ ず み 測 定 は 開始 し ま す.ひ ず み ゲ ー ジ は,測 定 対 象 に外 力 が 加 わ りゲ ー ジが ひ ず ん だ た め に抵 抗 が 変 化 す る とい う物 理 現 象 を利 用 した セ ンサ で す.し

か し,ひ ず み 発 生 で抵 抗 が 変 わ

る 以 外 に,ゲ ー ジ が 置 か れ て い る環 境 温度 が 変 化 して もゲ ー ジ抵 抗 は 変 わ り ます. そ うす る と,測 定 す べ きひ ず み 出 力 に加 え て,環 境 温 度 変 化 に よる ひず み(見 か け の ひず み)も 加 わ っ た 状 態 で ひず み は測 定 され て し まい ます.測

定 対 象 に荷 重

が 加 わ らな い 状 態 で は,ひ ず み 測 定 器 の 出 力 値 は本 来 で あ れ ば ゼ ロで す.あ

るい

は 荷 重 が 一 定 に保 た れ た 場 合 に は,そ の 一 定荷 重 に対 応 した 出力 値 が 現 れ て い る は ず で す.し

か し,1ゲ

ー ジ 法 の 場 合,そ

の ゲ ー ジが 置 か れ た 環境 温 度 が 変 化 す

る と測 定 対 象 に 荷 重 が加 わ らな い の に ひず み 出力 値 が 現 れ て しま うこ とが あ り ま す.こ の よ うな 温 度 に よ る ドリフ トが 起 こ る原 因 の ひ とつ は,測 定 対 象 物 の 熱 膨 張 係 数 とブ リ ッ ジボ ッ クス 内 の 抵 抗 の 熱 膨 張 係 数 が 一 致 しな い こ と に よ りま す. こ の 変 化 は 温 度 ドリ フ トとい っ て測 定 の 誤 差 に な ります.こ

の 温 度 ドリ フ トを防

止 す る 方 法 と して,前 述 の2ゲ ー ジ法 あ る い は4ゲ ー ジ法 は有 効 で す.

2  温度 ドリフ トの 話   2ゲ ー ジ法 あ る い は4ゲ ー ジ 法 は,温 せ る こ と を説 明 し ま し ょ う.図2.7は,温

度 ドリ フ トとい う悪 影 響 を 自動 的 に な く 度 ド リフ トを説 明 す る 図 で,あ

る試 験

図2.7  温 度 ドリフ トの あ る場 合 とない 場合 の ひず み測 定 結 果 例

片 に 一 定 力 を加 え た 場 合 の ひ ず み 出力 です.温

度 ドリフ トが な け れ ば 図 の よ うに

時 刻t1で ひず み が 現 れ,t2で 一 定 に保 た れ ま す.時 の ひ ず み と同 じひず み が 保 た れ て い ます.し

間 が 経 過 したt3で もt2の 時 点

か し,温 度 ドリ フ トが あ る と,時 刻

t1の 時 点 で す で に 見 か け 上 の ひ ず みΔε1が現 れ て い ます.そ

し て,時 刻t2で は さ

ら に若 干 の 温 度 ドリ フ トに よ る ひ ず みΔε2が加 算 され ます.t3時

点 にお けるひず

み は,温 度 ドリ フ トが な い場 合 と比 較 す る と分 か る よ うに,Δ ε1+Δε2+Δε3とい う 温 度 ド リフ トひず み が 加 算 され,真 の ひず み εと大 幅 に異 な っ て し まい ます.   い ま,2ゲ

ー ジ法 に お い て 荷 重 ゼ ロ 状 態 でバ ラ ン ス とっ た と しま す.こ

の状 態

で 測 定 環 境 の 温 度 が 変 わ っ た とす る と,表 裏2枚 の ゲ ー ジ の温 度 に よ る抵 抗 変 化 は2枚 と もΔRだ け 生 じ る で し ょ う.そ れ は,表 裏 の 違 い は あ ります が,同 膨 張 係 数 の材 料 に貼 付 さ れ て い る た め です.そ

うす る と,ホ イ ー トス トンブ リ ッ

ジの バ ラ ンス 条 件 は,対 辺 の 抵 抗 の積 は等 しい と い う こ とで す か ら,同 の 抵 抗 変 化ΔRで あ る な ら,対 辺 の積 はRB×(R+ΔR)=RB×(R+ΔR)と 相 変 わ らず ブ リ ッ ジ の 平 衡 は 保 た れ ます.こ

じ熱

こ でRBは

じ大 き さ な り,

ブ リ ッ ジ ボ ッ クス 内 に 収

納 され て い る 抵 抗 で,こ れ は 同 じブ リ ッ ジ ボ ック ス と い う環 境 内 に あ ります か ら, 温 度 変 化 が あ っ て も 同 じ値 で す.こ

の よ う に 同 じ環境 に貼 付 した2ゲ ー ジ が 同 時

に 同 量 の 抵 抗 変 化 が あ る場 合,2ゲ な い,つ

ー ジ法 で は そ の 変 化 分 に対 応 した 出 力 は だ さ

ま り温 度 ドリ フ トは 自動 的 に キ ャ ンセ ル す る機 能 を も って い ます.

  図2.6(b)の4ゲ

ー ジ法 は,同

じ熱 膨 張 係 数 の片 持 ば りに4枚 の 同 じゲ ー ジ を貼

付 して あ ります の で,環 境 温 度 変 化 に よ る ひ ず み ゲ ー ジ抵 抗 は,い ず れ の ゲ ー ジ も(R+ΔR)と

な っ て 同 じで す.し

たが っ て,(R+ΔR)と

な っ た4箇 所 の ひず み ゲ

ー ジ抵 抗 を ブ リ ッ ジ に組 む とい うこ の4ゲ ー ジ法 も,温 度 ドリ フ トは 自動 的 に 防 げ る こ と が 理 解 で き るで し ょ う.   以 上,片

持 ば りに貼 付 し た2ゲ ー ジ あ る い は4ゲ ー ジで ホ イ ー トス ト ンブ リ ッ

ジ を組 む と 温 度 ドリ フ トが 防止 で き る こ と を述 べ ま し た.1ゲ

ー ジ法 の 場 合 は,

貼 付 した ゲ ー ジ 位 置 と ブ リ ッ ジボ ック ス の 設 置 場 所 が 通 常 異 な る た め,温 フ トが 起 こ る可 能性 は高 い の で す.こ う に,1枚

れ を 防 ぐた め に,2ゲ

の ゲ ー ジ は測 定 対 象 に貼 付 す る と して,も

れ を測 定 対 象 の 近 くに

こ か ら測 定 対 象 ひ ず み ゲ ー ジの 配 線 に 使 用 した と同 じ種 類,同

長 さ の電 線 を用 い て ブ リ ッジ ボ ッ クス に接 続 す る の で す.そ 環 境,ゲ

ー ジ を 貼 付 した 材 料(熱 膨 張 係 数),電

うす る と,置 か れ た

の よ う な 配慮 を した1枚 の ダ ミ

ー ゲ ー ジ を ブ リ ッ ジ ボ ッ クス に接 続 した2ゲ ー ジ法 は

,温 度 ドリ フ トを 防 ぐこ と

だ し,測 定対 象 に貼 付 した ひ ず み ゲ ー ジ は1枚 で す の で,温

リ フ トは 避 け られ ます が,こ

度 ド

の 方 法 は あ く まで も1ゲ ー ジ法 に よる ひず み 測 定 方

法 で あ る こ と に注 意 しま し ょ う.つ に よ る測 定 法 で す.こ

じ

線 の 長 さが 同 じで す の で温 度 変

化 に よる 抵 抗 変 化 もそ れ ぞ れ 同 じ に な り ます.こ

が で き ます.た

ー ジ法 で 説 明 した よ

う1枚 は測 定 対 象 と 同 じ材

質 の 試 料 に 貼 付(こ れ を ダ ミー ゲ ー ジ とい い ます)し,そ 設 置 し ます.そ

度 ドリ

ま り,1ア

ク テ ィ ブ ゲ ー ジ,1ダ

ミーゲー ジ

こ で,ひ ず み測 定 を 目的 と して貼 付 した ひず み ゲ ー ジ はア

ク テ ィ ブゲ ー ジ,前 述 した よ う に温 度 補 償 用 に貼 付 した ひず み ゲ ー ジ は ダ ミ ーゲ ー ジ とい い ます .   測 定 環 境 の 温 度 変 化 に よる ドリ フ トを防 止 す る た め に は,同 測 定 対 象 と 同 じ熱 膨 張 係 数 の材 料 に貼 付 す る必 要 が あ ります.そ

じひ ず み ゲ ー ジ を の 理 由 は,ひ ず

み ゲ ー ジの 貼 付 対 象 の 材 質 が異 な る と熱膨 張 係 数 も異 な り,貼 付 した ひず み ゲ ー ジの 温 度 に よ る抵 抗 変 化 も異 な る か ら とい う こ とが 理解 で き る で し ょ う.

  ひず み ゲ ー ジ を ホ イ ー トス ト ンブ リ ッ ジ に組 む こ とに よ っ て,2ゲ ゲ ー ジ法 が 構 成 で き ます.2ゲ

ー ジ 法 は2倍,4ゲ

ー ジ法 か4

ー ジ法 は4倍 と い う高 い 出力 感

度 が 得 られ,し か も温 度 ド リフ トの 補 償 が 自動 的 に行 え る の で す.一

般 に,温 度

が 急 に変 化 す る こ とは あ りま せ ん.温 度 ドリ フ トが 予 想 され る の は,屋 外 で 実 験 す る よ うな 場 合 に,測 定 対 象 物 に 日が 当 た る よ う に な っ た とか,長 温 が 変 わ り測 定 対 象 の 温 度 が 変 わ る とい う よ う な場 合 で す.研 間 で,1回

時 間測 定 で 気

究室で比較 的短時

の 実験 が 完 了 す る よ う な場 合 は,こ の 温 度 ドリ フ トは ほ とん ど気 に し

な くて も大 丈 夫 です.   測 定 者 は,ひ ず み ゲ ー ジ の 接 続 に対 し ホ イ ー トス トン ブ リ ッジ を組 む とか 構 成 す る とい う こ と を あ ま り意 識 しな くて も よ い の で す.図2.6に ック ス へ ゲ ー ジ を間 違 い な く接 続 す れ ば,そ で きて い ます の で,あ

示 した ブ リ ッジ ボ

れ で ホ イ ー トス トン ブ リ ッ ジ は構 成

とは測 定 器 側 の バ ラ ンス を とれ ば測 定 準 備 は整 っ た こ とに

な ります. ● コラム ●   FRP(強

化 プ ラ ス チ ッ ク)に ひ ず み ゲ ー ジ を貼 り,静

の 経 験 を 述 べ ます.金

ひ ず み の 測 定 を行 っ た と き

属 に ひ ず み ゲ ー ジ を 貼 付 して 実 験 を行 う 場 合 は,温

フ トの 存 在 は ま っ た く気 が 付 き ませ ん で した.し 体 に ゲ ー ジ を複 数 枚 貼 り,ス え た 瞬 間 か ら し ば ら くの 間,指

か し,FRP製

度 ドリ

の 小 型 ロ ケ ッ ト胴

イ ッチ ボ ッ ク ス で そ れ を 切 り替 え て い く と,切

り替

針 が 移 動 して し ま う と い う現 象 が 観 察 され ま し た.

そ れ が 落 ち 着 い て か ら 静 ひ ず み 測 定 器 の 読 み を読 み 取 っ た こ とが あ り ま した.こ の よ う な 現 象 が 起 こ る様 子 が ど う もお か しい と思 い,よ 現 象 を 突 き止 め た こ と が あ り ま す.そ

の 原 因 は,抵

く考 え 実 験 的 に そ う な る

抗体 に電気 を通 す とい う こ と

は 電 熱 器 と 同 じ で す か ら熱 の 発 生 に よ る も の で あ る こ とが 分 か り ま し た.ひ ゲ ー ジ は,120Ω

と い う 抵 抗 体 で す.ひ

ブ リ ッジ に 組 み,微

ず み 測 定 は,こ

弱 で す が 電 流 を流 し ます.抵

ジ ュ ー ル 熱 が 発 生 し ま す.つ

ずみ

の抵 抗 体 を ホ イ ー トス トン

抗 体 に 電 流 を 流 す と い う こ と は,

ま り,規 模 は 小 さ い の で す が ひ ず み ゲ ー ジ に も電 熱

器 と 同 じ よ う に わ ず か で す が 熱 の 発 生 が あ っ た の で す.熱

伝 導が 悪 い プ ラスチ ッ

ク に ひ ず み ゲ ー ジ を 貼 っ た た め 発 生 し た 熱 は 逃 げ ず に ひず み ゲ ー ジ 自 身 を 暖 め た

と い う わ け で す.そ

の ジ ュ ー ル 熱 に よ る こ と が 原 因 と な っ て,自

己加 熱 に よるひ

ず み 温 度 ド リ フ トを起 こ した の で した.

● コラム ●   ひず み 測 定 時 の 温 度 ド リ フ トは悪 者 で す.し ゲ ー ジ で 温 度 が 測 れ る よ う に な りま す.前

か し,そ

ー ジ は 規 模 が 小 さ い 電 熱 器 で あ る と説 明 し ま し た が り,そ

の 温 度 に よ っ て 抵 抗 が 変 化 す る の で,温

を 説 明 し ま し た.こ

る と い う こ と は,ひ

で す.こ す.被

.発

生す る熱 に よ って温 度が 上

の 温 度 ド リ フ トは 温 度 が 高 け れ ば そ れ だ け 大 き い ド リ フ トと 度 が上 が る とひず み出力 が 現 れ

ず み を 測 る と温 度 が わ か る と い う新 しい 発 想 の 温 度 セ ン サ に の 原 理 に 基 づ き 考 え ら れ た 温 度 検 出 用 セ ン サ が"温

の 温 度 ゲ ー ジ は,も

度 ゲ ー ジ"

と も と ひ ず み ゲ ー ジ と 同 じ形 状 で す か ら 薄 い も の で

測 定 物 に 貼 り付 け て 表 面 温 度 を 検 出 で き ます.測

ら粘 着 テ ー プ で 貼 り付 け,ひ

定 対 象 物 が ひず む よ う な

ず ま な い よ う な ら接 着 剤 で し っ か り と貼 り付 け ま す .

温 度 ゲ ー ジ の 測 定 対 象 は 温 度 で あ っ て,ひ 度 測 定 対 象 に 接 着 し た 場 合 は,温

ず み で は あ り ま せ ん.温

度 測 定 が 目 的 で す.し

む と い う こ とが あ る と 今 度 は ひ ず み が 悪 者 に な り ま す.つ 定 に お け る 温 度 ド リ フ トが 悪 者 で あ っ た よ う に,今 で す.そ

ず みゲ

度 ド リ フ トが 現 れ る と い う こ と

な っ て ひ ず み 測 定 器 の 出 力 と な っ て 現 れ ま す.温

つ な が り ま す.こ

れ を逆 手 に とる と ひずみ

述 の コ ラ ム で 述 べ た よ う に,ひ

れ を 避 け る た め に,ひ

度 ゲー ジ を温

た が っ て,対

象 物 が ひず

ま り,前 述 の ひ ず み 測

度 は ひずみ が悪 者 に な るわ け

ず み が 発 生 す る よ う な 被 温 度 測 定 対 象 に は しっ か

り と接 着 す る の で は な く,粘 着 テ ー プ で 取 り付 け ひ ず み の 影 響 を避 け る よ う に 貼 る と い う こ と を す る わ け で す.こ

の 温 度 ゲ ー ジ で 測 定 可 能 な 範 囲 は,−196∼

300℃ で す.

3  片持 ばりの表面は引張ひずみ,裏 面は圧縮ひずみ   図2.8は,片 荷 重Fを

持 ば り表 裏 に ゲ ー ジ を1枚 ず つ 貼 付 した2ゲ ー ジ 法 を 示 し ます.

図 の よ う に 加 え た場 合,表 面 ひ ず み は 引 張(伸 び)ひ ず み,裏 面 は圧 縮

(縮 み)ひ ず み が 生 じ ます.そ れ ぞ れ の ひず み ゲ ー ジ抵 抗 変 化 は,+ΔB,−ΔRで あ る こ と の 説 明 を し ま し ょ う.図2.8(a)は,荷

重 を加 え る直 前 の 様 子 を示 し ま

図2.8  片 持 ば りの 表 面 は引 張 ひず み,裏 面 は圧 縮 ひ ずみ

す.こ

の 状 態 で は,表 裏 の 変 形 は あ り ませ ん.と

加 わ る と,図1.4(b)中 伸 び ます.こ は+ΔRで

は −Δεで,そ

方,裏

で す か ら,表 面 の 抵 抗 変化 は120+ΔR〔

ク ス に 図2.6(a)に

の と き の ひず み 変 化

用 の ひ ず み ゲ ー ジ抵 抗 は 一 般 に120Ω Ω〕,裏 面 は120−ΔR〔

Ω〕と な りま す.

よ う に表 裏 各1枚 ず つ ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 し,ブ 示 した よ う に2ゲ ー ジ法 の 接 続 をす れ ば,1ゲ

感 度 が 得 られ ます.ま に貼 付 し,4ゲ

の ひず み に対 応 す る抵 抗変 化

面 は圧 縮 力 が 作 用 し縮 み ま す.こ

の 抵 抗 変 化 は −ΔRで す.汎

こ う して,図2.8の

よ う に荷 重Fが

の 拡 大 図 に す で に 示 した よ う に,表 面 は 引 張 力 が 作 用 し

の と き の ひ ず み 変 化 は+Δ εで,そ

す.一

こ ろ が 図(b)の

リ ッジボ ッ

ー ジ法 の2倍 の

た,表 裏 に各2枚 ず つ ひず み ゲ ー ジ を荷 重 点 か ら同 じ距 離

ー ジ法 の接 続 を す れ ば,4倍

の 出 力 感 度 が 得 られ る こ と は 前 述 の

とお りです. ● コ ラム ●   ゲ ー ジ 率2で 1mm変

あ る ひ ず み ゲ ー ジ に1000×10-6の

化)が 生 じ た と し ま す.こ

れ は,鋼

ひ ず み(1mの

長 さの 材 料 が

材 の 場 合,約200MPa(約21kgf/mm2

の 応 力)が 与 え られ た 場 合 に 相 当 し,120Ω 抵 抗 変 化ΔRは,約0.24Ω

で す.こ

の ひ ず み ゲ ー ジ抵 抗 で あ る な ら,そ

の 抵 抗 変 化 は,図1.5に

の

示 し た ゲ ー ジ率 の 定 義

よ り,次 の よ う に して 求 ま りま す. Δ R=K・

ε ・R=2×1000×10-6×120=0.24〔

Ω〕

4  ひずみ出力感度とは   こ こ で,出

力 感 度 が2倍

と か4倍

2.9(a)は,片

持 ば り の1ゲ

ー ジ 法(図1.6参

4ゲ ー ジ 法(図2.6(b)の す.こ

接 続)の

と い う 意 味 を グ ラ フ で 考 え て み ま し ょ う.図 照),2ゲ

ー ジ 法(図2

.6(a)の

接 続),

場合 に つ い て 力 と ひ ず み の 関 係 を示 す 説 明 図 で

の と き の 片 持 ば り の 形 状,材

料,ゲ

ー ジ 貼 付 位 置 は 図2.6に

示 した もの と

同 じ で あ る と し て い ま す.   図2.9(a)の

よ う な 図 は 校 正 曲 線 と い い,荷

み εを 測 定 して 得 ら れ る 図 で す.こ の 荷 重 が 加 わ っ た と き に,各 10-6),500μ,1000μ

重 点 に 既 知 の 荷 重Fを

の 図 で 明 ら か な よ う に,25N(最

ず

々 の ゲ ー ジ接 続 法 の ひ ず み の 大 き さ は ,250μ(μ=

で す.1ゲ

ー ジ 法 の250μ

に 対 し,2,4ゲ

は500μ,1000μ

で あ る こ と が 読 み 取 れ ま す.こ

対 し て2倍,4倍

に な っ て い る こ とが 分 か り ま す.

(a) 校 正 曲線 図2.9 

加 え,ひ

大 荷 重 の1/4)

2ゲ ー ジ 法 は2倍,4ゲ

れ は1ゲ

ー ジ 法 の ひ ず み250μ

(b)  出 力 が2倍,4倍 ー ジ 法 は4倍

ー ジ法 の ひ ず み

に拡 大 で き る

に拡 大

に

  図2.9(a)の

よ う な 校 正 曲 線 は,片 持 ば りを 荷 重 変 換 器 と して 使 用 す る場 合 に

必 ず 必 要 に な る 大 切 な もの で す.あ

らか じめ こ の校 正 曲線 を求 め て お け ば,片 持

ば りの 同 じ荷 重 点 に未 知 の荷 重 が 加 わ っ た 場 合,逆 荷 重 は分 か る とい う こ とで す.こ

れが,ひ

に ひず み を 測 れ ば そ の 未 知 の

ず み ゲ ー ジ を応 用 した荷 重 変 換 器 の 最

も簡 単 な動 作 原 理 で す.   図2.9(b)は,1ゲ

ー ジ 法,2ゲ

録 の 説 明 例 を 示 しま す.図

ー ジ法,4ゲ

ー ジ 法 を用 い た場 合 の 動 的 現 象 記

よ り明 らか な よ う に,同

じ現 象 で も感 度 が 低 い1ゲ ー

ジ法 の 場 合 は,振 動 して い る 様 子 の 詳 細 は よ く分 か りませ ん.そ の 現 象 を拡 大 し て 読 み取 れ る 方 法 が2ゲ ー ジ法 で あ り,4ゲ

ー ジ 法 な の で す.2ゲ

ー ジ法,4ゲ

ー

ジ 法 は,感 度 を上 げ る と同 時 に温 度 補 償 が 自動 的 に行 わ れ る とい う メ リ ッ トもあ る と い う こ と は前 述 の とお りで す.

5  ゲー ジの貼 り方が 間違 った らど うな る   図2.10は,表

裏 に ゲ ー ジ を 添 付 した 場 合 で,正

位 置 が ず れ た り,曲 が っ た り した 場 合(図(b))を

し く貼 れ た場 合(図(a))と,

示 し ます.こ

こで 正 し く貼 れ た

場 合 とい う の は,図(a)に

示 す よ う に荷 重 点 か ら表 裏 同 じ距 離 に2枚 の ゲ ー ジ が

貼 れ た 場 合 で す.図(b)の

よ うに,荷 重 点 か ら の距 離 が 異 な る とか,ゲ

ー ジが 曲

が っ て 貼 れ た 場 合 で も,ひ ず み測 定 器 の た め の バ ラ ンス は とれ ます.し か し,前 述 し た よ う な 出 力 感 度 が2倍,4倍

に な る と い う保 証 は な くな り ます.一

重 点 の 荷 重 と ひ ず み との 関係 をあ らか じめ 測 定 して お くな らば,そ

方,荷

の 関 係(校 正

曲線)を 用 い て ひ ず み を測 定 し,逆 に 荷 重 を知 る とい う こ と は で きま す.た だ し,

(a)  正 し く貼 れ て い る場 合

(b) 位 置 がず れ た り,曲 が っ て貼 れ た場 合

図2.10  ひず み ゲ ー ジが正 し く貼 れ な い場 合 は どう な る

感 度 は 本 来2倍(2ゲ

ー ジ法)で あ る は ず の もの が1.8倍 に な る とか,4倍(4ゲ

ー

ジ 法)の 感 度 に な る と こ ろ が3.8倍 とい う よ う に,そ れ ぞ れ 規 定 の倍 率 よ り若 干 下 が ります が 実 用 上 問 題 は あ りませ ん.つ

ま り,荷 重 変 換 器 と して の 出 力 感 度 は

若 干 小 さ くな る とい う だ け で,力 測 定 に は 支 障 あ りませ ん.

第3章  ゲ ー ジの 姿 ・形 と測 定 器

  本 章 で は,一 般 的 に よ く使 わ れ 入 手 可 能 な ひず み ゲ ー ジの 姿,形

に つ い て述 べ

ます.測 定 対 象 に ひ ず み ゲ ー ジ を貼 り付 け,そ の ひず み ゲ ー ジ を電 線 で ひず み測 定 器 に接 続 して は じめ て 使 用 が 可 能 に な り ます.ひ ず み ゲ ー ジ に は い ろい ろ な種 類 とサ イ ズ が あ りま す.ま

た,ひ ず み 測 定 器 に も種 類 が い くつ か あ り ます の で,

そ れ らにつ い て 本 章 で は説 明 し ます.

3.1 

ひずみ ゲー ジ

 受 感 素 子(セ ンサ)と して の ひ ず み ゲ ー ジ に は多 くの 形 状,種 り ます.こ

こ で は,最

類,サ

も一 般 的 な ひ ず み ゲ ー ジ の種 類 と そ の 分 類,名

イズが あ 称 につ い て

説 明 します.

1 受 感 素子(セ ンサ)と してのひずみ ゲー ジ   図3.1は,測

定 対 象 に ひず み ゲ ー ジ を貼 付 した 後,そ

装 置 類 が 必 要 で あ る こ とを 示 して い ます.静

の 先 に接 続 す べ き機 器,

ひ ず み 測 定 の場 合 は,図(a)の

よう

に ひ ず み ゲ ー ジ は ス イ ッチ ボ ック ス また は ス キ ャ ナ を介 して 静 ひ ず み 測 定 器 に接 続 し ます.多

数 の測 定 箇 所 に貼 付 した ひず み ゲ ー ジ を1台 の 静 ひ ず み 測 定 器 で測

定 す る場 合 は,図

に示 す よ う に ス イ ッチ ボ ッ クス を使 用 し ます が,こ

で もす で に 示 し ま した.こ

れ は 図2.4

の ス イ ッチ ボ ッ クス に多 数 の ひ ず み ゲ ー ジ を接 続 し,

ス イ ッチ とい う名 の ご と くそ れ らの ゲ ー ジ を ひ とつ ず つ 切 り替 え,各

々のゲー ジ

(a)  静 ひず み に よる測 定

(b)  動 ひず み に よ る測 定 図3.1  静 ひず み 測 定 シス テ ム と動 ひず み 測定 シス テ ム

を ひず み 測 定 器 に順 に接 続 しひず み を測 定 し ます.   ま た,図3.1(a)中

の ス キ ャ ナ と い う もの も一 種 の 高 速 切 り替 え 装 置 で,ゲ

ー

ジ接 続 を 自動 的 に切 り替 えて くれ る装 置 で す.手 動 で あ るス イ ッチ ボ ック ス の場 合 は,人

間 が 測 定 値 を読 み 取 る都 合 上 せ い ぜ い100箇 所 ぐ らい の ひ ず み 測 定 が よ

い と こ ろ で し ょ う.し

か し,自

動 で 切 り替 え ら れ る ス キ ャ ナ を 使 用 す れ ば,

1000箇 所 もの 静 的 ひ ず み 測 定 も可 能 で す.   図(b)は,動

ひ ず み 測 定 器 に よ る ひ ず み 測 定 の系 統 図 です.測

定対 象 のひずみ

が 動 的 な場 合 は,ひ ず み ゲ ー ジ を切 り替 え て い る 間 に測 定 量 は変 化 して し まい ま す.そ

の た め ひず み ゲ ー ジ1枚 に対 して そ れ専 用 の ひず み測 定 器1台 を 対 応 させ,

常 時 ひず み を測 定 す る こ とが 必 要 で す.し し よ う とす る な ら,100台

た が っ て,100箇

所 の動 ひ ず み を測 定

の ひ ず み 測 定 器 が 必 要 と な り ます.

  大 き な船 体 や 航 空 機 の機 体 の 応 力 を測 定 す る よ うな場 合 を除 け ば,後 述 す る よ う に 動 的 ひ ず み測 定 器 が10∼20台

ほ どあ れ ば,い

ろ い ろ な研 究,開 発 が 行 え ま

す.   以 上 述 べ た よ う に静 ひ ず み 測 定 で あ っ て も動 ひず み 測 定 で あ って も,ひ ず み ゲ ー ジ を測 定 対 象 に まず 貼 付 し,電 線 をそ れ に接 続 しな くて は な りませ ん.被 測 定 対 象 物 が ひ ず む とそ れ に 比 例 して ひ ず み ゲ ー ジ も ひず み,ひ ず み ゲ ー ジ 抵 抗 が 変 化 し ます.そ

の 抵 抗 変 化 が 電 気 量 に変 換 され,さ

か デ ジ タル 表 示 が で き ます.こ

らに増 幅 され 指 針 を振 らせ る と

の よ う な 出 力 が 得 られ る と人 間の 目で ひ ず み の 測

定 結 果 が 分 か る よ う に な ります.   最 初 ひ ず み ゲ ー ジ の 抵 抗 がRで (R+ΔR)と

あ っ た も の が,ひ

ず んだ ため にそ の抵 抗 が

な りΔRだ け 変 化 した とす る な ら,抵 抗 とひ ず み εの 間 に は次 の よ う

な関 係 が あ ります.

(3.1) こ こ で,Kは

ゲ ー ジ率 と い い,ひ

ず み ゲ ー ジ用 抵 抗 素 材 に は,銅 そ の ゲ ー ジ 率 は約2で す.ひ で す が,ひ

ず み ゲ ー ジの 感 度 を 表 す 係 数 で す.一 般 用 の ひ ・ニ ッ ケ ル 系 や ニ ッ ケ ル ・ク ロム 系 が 用 い られ,

ず み ゲ ー ジそ の もの は数 百 円 と きわ め て 安 価 な もの

ず み ゲ ー ジ を接 続 す る ひ ず み 測 定 器 は,数

十万 円,数 百 万 円 もす る 高

価 な 装 置 で す.   一 昔 前 の レ コー ドプ レー ヤ の 針 と ひ ず み ゲ ー ジ を対 比 させ て 考 え て み ま し ょ う.レ

コー ド針 で 得 た音 声 信 号 は 増 幅 器 で 増 幅 さ れ ま す.こ の 増 幅 器 は ひ ず み 測

定 器 に対 応 します.レ

コー ド針 は 音 の 受 感 要 素(セ ンサ)で,こ

の場 合 は何 回 か 使

え ま す.し か し,ひ ず み ゲ ー ジは 貼 っ た らそ れ で お し まい とい う と こ ろ が レ コ ー ド針 と異 な ります.レ す る た め の 試 験,研

コ ー ドは娯 楽 で す が,ひ ず み ゲ ー ジ は構 造 物 の 安 全 を確 保

究 を行 う手段 と して の 貴 重 な セ ンサ です.構

造物 の安全が ひ

ず み ゲ ー ジ に よっ て 保 障 され る な らひ ず み 測 定装 置 は安 い もの だ と い え る で し ょ う.

2  ゲ ー ジの形式(各 部 の名称)  図3.2は ひ ず み ゲ ー ジ各 部 の 名 称 を示 し ます.ひ

ず み ゲ ー ジ は接 着 剤 で 測 定 対

図3.2  ひず み ゲー ジの各 部 名 称

象 の 表 面 に貼 り付 け ます.そ と な ります.測

の た め,図

に示 した セ ン タマ ー クが 貼 る と きの 目印

定 対 象 にあ らか じめ 十 字 形 の マ ー ク を つ け て お い て,そ の 位 置 に

図 の縦 横 セ ン タマ ー ク を合 わせ て貼 れ ば 正 しい ひず み 測 定 が 行 え ます.図 か る よ う に,ひ ず み ゲ ー ジ は箔,線

か ら分

な どの 抵 抗 材 料 を格 子 状 に精 密加 工 し,そ の

格 子 状 抵 抗 体 を薄 い ベ ー ス に取 り付 け た もの で す.   図3.3は ひ ず み ゲ ー ジ を真 上 か ら見 た 図 で す.ゲ 線 状 に しか 見 え ませ ん.主

ー ジは非常 に薄 いので真横 は

と して常 温 で 使 用 す る の は 一 般 用 ひ ず み ゲ ー ジ で す.

こ の ひ ず み ゲ ー ジ抵 抗 体 に は箔 と線 が あ りま す.抵 抗 体 が 箔 の場 合 は 箔 ゲ ー ジ と 呼 ば れ て い ます.こ

の 箔 ゲ ー ジ の抵 抗 箔 は銅 ・ニ ッケ ル 系 合 金 で あ っ て そ の厚 さ

は 数 ミ ク ロ ンで す.ひ

図3.3 

ず み ゲー ジ の ベ ー ス は樹 脂 フ ィル ム で で きて お り,そ の 上

ひ ず み ゲ ー ジ の グ リ ッ ド長,グ

リ ッ ド幅,ベ

ー ス 長,ベ

ース 幅

に箔 を接 着 し,フ

ォ トエ ッチ ン グ技 術(写 真 現 像 と同 様 の 技 術)に よ っ て 所 定 の

サ イ ズ に加 工 し ます.箔 造 で き ます.一 て,そ

ゲ ー ジ は寸 法 が 正 確 で 特 性 の そ ろ っ た もの が 低 価 格 で 製

般 に使 用 され る ひず み ゲ ー ジ は,ほ

とん どが こ の 箔 ゲ ー ジ で あ っ

の 種 類 は 豊 富 に あ ります.

  ゲ ー ジ の貼 付 作 業 省 力 化 の た め に,リ ー ド線 付 きゲ ー ジ もあ り ます.こ ゲ ー ジ を貼 っ た後,図3.1に

れ は,

示 した よ う に ゲ ー ジか らス イ ッチ ボ ック ス あ る い は

ブ リ ッ ジ ボ ッ クス まで 電線 で 結 ば な くて は な りませ ん.ゲ ー ジ か ら少 し長 め の 絶 縁 さ れ た 線 が 出 て い る と,ゲ ー ジ とス イ ッチ ボ ック ス ま で の連 結 用 の 長 い電 線 端 を は ん だ 付 け で接 続 す る場 合 の 作 業 が か な りや りや す くな ります.   線 ゲ ー ジ は,エ ッチ ン グ技 術 が確 立 さ れ る前 に製 造 さ れ て い た ひず み ゲ ー ジで, 直 径13∼25μmの

抵 抗 線 を格 子 状 に加 工 して 紙 ベ ー ス に接 着 し た もの で す.現

在 で は 長 い ゲ ー ジ長 が 要 求 され る コ ンク リー ト用 な どの 特 殊 用 途 に しか 使 用 され て い ませ ん.

3  種類 が多 いひずみ ゲー ジ   図3.3に 示 した ゲ ー ジ は,広

く普 及 して い る 一 般 用 ひ ず み ゲ ー ジ の外 形 で,他

に も使 用 目的 に よ って 多 くの種 類 が あ り ます.一 般 用 ゲ ー ジ に箔 ゲ ー ジ と線 ゲ ー ジが あ ります が,そ の ほ か に ゲ ー ジ率 の 大 きい 半 導 体 ゲ ー ジ,特 殊 ゲ ー ジが あ り ます.こ

こで,特

殊 ゲ ー ジ とい うの は,高 温 用 ゲ ー ジ,低 温 用 ゲ ー ジ,大 ひ ず み

ゲ ー ジ,複 合 材 料 ・プ ラ ス チ ッ ク用 ゲ ー ジ,抗 磁 性 用 ゲ ー ジ な どが あ り ます.

図3.4  ひず み ゲ ー ジ型式 の意 味

  以 上 の よ う に 多 種 に わ た る ひ ず み ゲ ー ジ に 加 え て,サ 長 さ,1枚

の ゲ ー ジ 内 に2軸,3軸

が あ り ま す.こ

う し た,種

け られ て い ま す.図3.4は

ひ ず み が 測 れ る よ うに した 複 合 ひ ず み ゲ ー ジ

そ の 名 称 の 例 を 示 し ま す.

の"2"は

初 の"KFG"は

汎 用 箔 ひず み ゲ ー ジ で あ る こ と を

ゲ ー ジ 長 が2mmで

ひ ず み ゲ ー ジ の 抵 抗 値120Ω

テ ン レ ス は10.3×(10-6/℃)で

す.こ

い う 数 字 は 熱 膨 張 係 数 が11に

い ま す.最

あ る こ と を,そ

を 示 し,"C1"は

普 通 鋼 材 の 熱 膨 張 係 数 は11.7×(10-6/℃)で

"11"と

ー ド線 の 種 類 と

類 の 多 い ゲー ジ を 区 別 す る た め に ゲ ー ジ に は 名 称 が つ

  図 の 型 番 記 号 の 例 で は,最 示 して い ま す.次

イ ズ,リ

後 の"L1M3R"は,ゲ

の 次 の"120"は

単 軸 で あ る こ と を 表 し て い ま す. す.鋳

鋼 は10.8×(10-6/℃)で,ス

の こ と か ら,"C1"の

次 に示 されて い る

近 い鋼 材 に適 応 す る ひず み ゲ ー ジ を示 して

ー ジ か ら 出 て い る 細 い リ ー ド線 の 種 類 と長 さ

を 表 し て い ま す.   図3.5は,一

般 に よ く 使 用 さ れ る ゲ ー ジ 長 が 短 い 単 軸 ひ ず み ゲ ー ジ の 形 状 と型

番 記 号 を 示 し ま す.図3.4で す る 記 号 は"KFG"で "KFG"の

説 明 し た よ う に,こ

示 した ゲ ー ジ に共 通

す か ら 汎 用 箔 ひ ず み ゲ ー ジ で あ る こ と が 分 か り ま す.

次 が"2"で

あ れ ば ゲ ー ジ 長 が2mm

を 示 し て い ま す.1Nと"N"が プ で す.そ

の 図3.5に

の 次 の"120"は

,"1"で

あ れ ば1mmで

つ い て い る の は ベ ー ス,グ 抵 抗 が120Ω

軸 で あ る こ と を 表 し て い ま す.最

で あ る こ と を,さ

後 の 数 字 に お い て,"11"は

図3.5  単 軸 の ひず み ゲ ー ジの い ろ い ろ

あ るこ と

リ ッ ド幅 が 狭 い タ イ ら に 次 の"C1"は 普 通 鋼 材 用,"16"

単

(a) 2軸90° ひず み ゲ ー ジ

(c) 軸 方 向が 異 なる 単軸 ひず み ゲ ー ジ

(b)  3軸 ひず み ゲ ー ジ

(d)  集 中 応 力 測定 用 ひず み ゲー ジ

図3.6  特 殊 ひず み ゲ ー ジの い ろ い ろ

は ス テ ン レス 鋼,銅

用,"23"は

シ ウ ム合 金,複 合 材 料,強

ア ル ミニ ウ ム,黄 銅,す

ず 用,"27"は

マ グネ

化 プ ラス チ ック用 をそ れ ぞ れ 表 して い ます.

  被 測 定 対 象 の ひ ず み を 単 軸 ゲ ー ジ を用 い て 測 定 す る の か そ れ と も2軸 を用 い る か,あ

る い は 測 定 対 象 物 は金 属 か プ ラ スチ ッ クか な どに よっ て ひず み ゲ ー ジの 選

択 は異 な り ます.こ

こで,同

時 に 測 れ る 方 向 が 異 な る2軸,3軸

の い くつ か を紹 介 しま し ょう.図3.6は,測 ろ な ゲ ー ジが あ る こ と を示 し ます.方

定 す る ひず み の 方 向 に よ っ て い ろい

向 が90° 異 な る 同 じ2軸 ゲ ー ジで あ っ て も

図(a)に 示 す よ う に単 な る2軸 ゲ ー ジ もあ れ ば,2軸 あ ります し,図(b)の

の よ うに リー ド線 が 両 端 か ら出 て い る もの,軸

で す.こ

トル ク 用 と して の ゲ ー ジ も

よ う な3軸 ゲ ー ジ もあ りま す.ま

用 な ど もあ り ます.図(d)は1軸

の ひずみ ゲー ジ

た,単 軸 で あ っ て も図(c)

に45° 傾 斜 して い るせ ん 断 ひ ず み

で す が5ゲ ー ジ を 同 じベ ー ス 上 に 並 べ た ゲ ー ジ

の よ うな ひ ず み ゲ ー ジ は,応 力 集 中 を実 験 的 に 調べ る場 合 に用 い ます.

3.2 

ひずみ測 定 システム と測 定器

  ひず み を 測 定 す る場 合,そ

の ひ ず み が 静 的 ひ ず み な の か動 的 ひず み な の か に よ

っ て 測 定 シ ス テ ム は異 な ります.こ わ け て,そ

こで は,静

ひず み の 測 定 と動 ひず み の 測 定 に

れ らの 測 定 に必 要 な 測 定 シ ス テ ム と測 定 器 の 概 要 につ い て 説 明 し ま

す.

1  静ひずみの測定システムと測定器   こ れ まで に述 べ た よ う に,静

ひず み の 測 定 と い うの は 測 定 中 に は 被 測 定 対 象 の

ひず み 変 動 が な い場 合 の 測 定 で す.一 般 にあ る被 測 定 対 象 物 に一 定 の 力 を加 え た 場 合,加

え た力 が 変 動 しな い 限 りそ の対 象 物 の ひ ず み は 変 動 しませ ん.加

える力

の 大 き さ を変 え る よ うな 実 験 を す る場 合,そ

の 力 を 一 定 に保 つ と,そ の 力 に対 応

して 対 象 物 の ひず み は 一 定 に保 た れ ます.力

の 大 き さが 一 定 に保 た れ て い る 間 に

被 測 定 対 象 物 に発 生 した ひ ず み を一 斉 に測 る とい う よ うな 場 合 の ひず み 測 定 が 静 ひ ず み の測 定 で す.

  図3.1で 静 ひず み と動 ひ ず み の 測 定 シス テ ム の概 要 を説 明 し ま し た が,こ

こで

は シ ス テ ム 中 で使 用 さ れ る測 定 器 を詳 し く見 て み ま し ょ う.図3.7は,図3.1(a) よ り詳 しい 静 ひず み 測 定 シ ス テ ム を示 し ます.図

の左 に ひ ず み 受 感 素 子 で あ る ひ

ず み ゲ ー ジあ る い は ひ ず み ゲ ー ジ式 変 換 器 が 描 か れ て い ます.こ み ゲ ー ジの 絵 の み を 示 して い ます が,当 付 さ れ て い る もの で す.ま

こ で は単 に ひ ず

然 の こ となが らゲ ー ジ は被 測 定 対 象 に貼

た,ひ ず み ゲ ー ジ式 変 換 器 と い うの は,第7章

で述べ

る荷 重 変換 器 や 加 速 度 変 換 器 の よ う に ひ ず み ゲー ジ を 応 用 した 各 種 変 換 器 を表 し て い ます.被

測 定 対 象 に貼 付 した ひ ず み ゲ ー ジ あ る い は 設 置 し た変 換 器 は 何 十,

何 百 とあ るか も しれ ませ ん.こ

の よ うな た くさ ん の ひ ず み ゲ ー ジ や 変 換 器 をス イ

ッチ ボ ック ス に接 続 し ます.接

続 さ れ た 多 数 の ゲ ー ジ と変 換 器(ひ ず み ゲ ー ジ の

み で もゲ ー ジ と変 換 器 が 混 在 して い て も よ い)は,ス

イ ッチ に よ っ て 切 り替 え,

そ れ に 接 続 した ゲ ー ジ あ る い は変 換 器 の う ち の ひ とつ が 選 ば れ ます.そ

の選 ばれ

た ゲ ー ジ あ る い は 変 換 器 は,静

ひず み 測 定 器 とつ な が り,被 測 定 対 象 の ひ ず み が

測 定 で きる よ う に な り ます.測

定 さ れ た ひず み は デ ジ タル 量(昔 は ア ナ ロ グ量 で

指 針 の 読 み を読 み取 り ま し た)と して 表 示 され ま す の で 直 読 し て記 録 し ます.し か し,そ の記 録 は 人 の手 に よ る こ と を基 本 と し ます が,い

ま で は パ ソ コ ンや プ リ

図3.7  静 ひず み測 定 シス テ ム と構 成 要 素

ン タを 使 い 自動 記 録 もで き る よ うに な っ て い ます.   図3.8は,静 す.静

ひず み 測 定 器(左 図)と ス イ ッチ ボ ッ ク ス(右 図)の 外 観 を示 し ま

ひ ず み 測 定 器 に は4個 の ター ミナ ル と バ ラ ンス 用 つ まみ1セ ッ トが 用 意 さ

れ て い ます.し

た が っ て,ス

イ ッチ ボ ッ ク ス な しで 静 ひず み 測 定 器 を使 う場 合,

1箇 所 の ひ ず み しか 測 定 で き ませ ん.し

か し,ス

つ の タ ー ミナ ル とバ ラ ンス 用 つ ま み が24セ み の 測 定 が で き ます.1ゲ

ー ジ法,2ゲ

イ ッチ ボ ッ クス1台 使 う と ,4

ッ トあ りま す の で,24箇

ー ジ 法,4ゲ

所 の静 ひず

ー ジ 法 と も に こ の4つ の タ ー

ミナ ル を使 い 分 け て ひ ず み ゲ ー ジ を接 続 します が,接 続 の仕 方 は 若 干 異 な り ます . 図 に は 接 続 コー ドを示 して あ りせ ん が,静

ひず み 測 定 器 とス イ ッチ ボ ッ クス を接

図3.8  静 ひず み測 定 装 置 とス イ ッチ ボ ック スの 外 観

続 コ ー ドで 結 ん で 使 用 す る こ と は い う まで もあ りませ ん.変 動 す る被 測 定 対 象 の ひず み を測 定 す る よ うな場 合 は,次 に 述 べ る動 ひ ず み 測 定 器 を測 定 箇 所 の 数 だ け 準 備 し な け れ ば な り ませ ん.

2  動ひずみの測定システムと測定器   動 ひず み測 定 と い うの は,被 測 定 対 象 の ひ ず み が 変 動 す る よ う な場 合,そ

の変

動 ひ ず み を 連 続 的 に測 定 す る こ と をい い ま す.静

のひ

ひず み は測 って い る 間,そ

ず み は変 化 しな い の で す か ら ひず み ゲ ー ジ を1箇 所 ず つ,ス が ら ひず み 測 定 が で き ます.し 変 わ る の で,切 た め に,1箇

イ ッチ で 切 り替 え な

か し,変 動 ひ ず み は切 り替 えて い る 間 に ひず み が

り替 えて 測 る こ とは で きま せ ん.そ

こで,常 時 ひ ず み を観 察 す る

そ の た め,5箇

所 の ひ ず み ゲ ー ジ に1台 の ひ ず み 測 定 器 を接 続 す る必 要 が あ ります. 所 の 動 ひず み を測 定 す る場 合 は,5台

の ひ ず み 測 定 器 が,10箇

図3.9  動 的現 象 の ひ ず み測 定 シス テ ム とそ の構 成 要素

所

の 測 定 な ら10台 の ひず み 測 定 器 が 必 要 と な り ます.以

下 に この よ う な動 ひ ず み

の 測 定 方 法 につ い て 述 べ ます.   図3.9は,図3.1(b)よ 示 しま す.左

り詳 しい 動 的 現 象 の ひず み を測 る ひ ず み 測 定 シ ス テ ム を

側 に加 速 度 変 換 器,ロ

換 器,変 位 変 換 器,そ

ー ドセ ル(荷 重 計),圧

力 変 換 器,ト

の 他 の 変換 器 が 描 が か れ て あ りま す.こ

が 図 の よ う に別 々 で あ っ て も,同

ル ク変

れ ら6個 の 変 換 器

じ変 換 器6個 で も よい の で す が,そ

れ らを セ ン

サ イ ン タ ー フ ェ ー ス ユ ニ ッ ト,メ モ リ レ コ ー ダ／ ア ナ ラ イ ザ な どい ず れか の動 ひ ず み 測 定 装 置 に接 続 す る必 要 は あ り ます.図3.9は 器 を5台 示 して あ り ます.そ

動 ひ ず み が 測 れ る異 な る測 定

れ らの う ち ど れ か1台 の 測 定 器 を使 用 す れ ば よい こ

と を こ の 図 は表 して い ます.   例 え ば セ ンサ イ ン ター フ ェー スユ ニ ッ トを使 用 す る とす る な ら,パ ソ コ ンが 必 要 に な る と い う こ とが わ か り ます.ま す る とす る な ら,A‐D変

換 器(ア

た,下 か ら2番 目の 動 ひず み 測 定 器 を使 用

ナ ロ グ‐デ ジ タ ル変 換 器)を

使 っ て ア ナ ロ グ量

の ひず み を デ ジ タ ル 量 に変 換 して か らパ ソ コ ン に取 り入 れ る とい う こ とを 示 して

図3.10 

ひ ず み 測 定 用 セ ンサ イ ン タ ー フ ェ ー ス ユ ニ ッ トの 外 観

い ま す.ま

た,図

に示 し た よ う な オ シ ロ グ ラ フ ィ ッ ク レ コー ダ を使 用 す る な ら,

動 的 ひ ず み 現 象 は グ ラ フ形 式 で 表 す こ とが で き ます.   図3.10は ひ ず み 測 定 用 セ ンサ イ ン ター フ ェ ー ス ユ ニ ッ トを示 し ます.こ セ ンサ 用 電 源,増

幅 器,A‐D変

れ は,

換 器4チ ャ ン ネ ル 分 を1台 に 搭 載 し た 装 置 で す.

この ユ ニ ッ トをパ ソ コ ン に接 続 す る と4箇 所 の動 ひ ず み を同 時 に測 定 で き,そ の デ ー タ は パ ソ コ ン に取 り込 め ます の で便 利 で す.取 トで 処 理 し,図 表 化 で き ます.1台 ン ネ ル の ひ ず み が 測 れ ます が,こ

り込 ん だ デ ー タ は表 計 算 ソ フ

の セ ン サ イ ン ター フ ェー ス ユ ニ ッ トで4チ ャ れ を4台 接 続 す る こ と に よ って 合 計 で16チ

ャ

ン ネ ル(16箇 所)の 異 な る 動 ひ ず み が 測 定 で き る よ うに な ります.   図3.11は イ ザ は,動

メ モ リ レ コ ー ダ ／ ア ナ ラ イ ザ を示 し ます.メ ひず み や 電 圧 の測 定,そ

な 測 定 器 で す.カ

モ リ レ コー ダ／ ア ナ ラ

れ らの 表 示,収 録 が リア ル タ イム で実 現 可 能

ー ドの よ う に薄 く小 型 に ま とめ た ひ ず み ／ 電 圧 測 定 器 を16チ

ャ ン ネ ル(ま た は32チ

ャ ン ネ ル)収 納 して い る装 置 で す.測 定 量 と して の ひず み

図3.11 

メモ リ レコー ダ／ アナ ライ ザ の外 観

はア ナ ロ グ量 で す.こ 換 器,大

の 装 置 に は,ア

容 量 の 半 導 体 メ モ リ,コ

り ます.そ

ナ ロ グ 量 を デ ジ タ ル量 に変 換 す るA‐D変

ン ピュ ー タ,大 型 カ ラー 表 示 装 置 を搭 載 して あ

の た め,収 録 しな が ら同 時 に 得 られ た デ ー タ を解 析 処 理 し,そ の結 果

をX‐Yグ ラ フ で 表 示,FFT解   図3.12は,マ

析,頻

度 解 析 な どを行 う こ とが で き ます.

ル チ コ ンデ ィショ ナ ル ク ラ ス タ シ ス テ ム を示 しま す.ひ

ずみ を

は じめ 電圧 ・周 波 数 ・角 度 な どの 物 理 量 を測 定 す る た め に は,そ れ ら に対 応 した 測 定 器 が 必 要 で す.マ

ル チ コ ンデ ィショ ナ ク ラス タ シ ス テ ム と い うの は,異 な る

物 理 量 を同 時 に 測 定 で き る よ う にす るた め,1台

の 装 置 内 に異 種 の 物 理 量 測 定 器

を 一 同 に収 め た 装 置 で す.

図3.12  マル チ コ ンデ ィショ ナ ル クラ ス タ シス テム の外 観

 各 種 の 物 理 量 測 定 器 は,そ れ ぞ れ が コ ンデ ィショナ カ ー ド と呼 ば れ る カー ドの よ うに 薄 い 小 型 測 定 器 に ま とめ られ て い ます.そ

れ らの カー ド(測 定 器)に は,

 ① 動 ひ ず み 測 定 器 カー ド:応 答 周 波 数 範 囲 直 流 ∼10kHzま

で の動 ひ ず み が

測 定 で き る.  ②  シ グ ナ ル コ ン デ ィショナ カ ー ド:直 流 ∼50kHzま

で の応答 周波 数範 囲の

動 ひ ず み が 測 定 で き る.  ③  絶 縁 増 幅 器 カ ー ド:入 出 力 が 絶 縁 され た 高 耐 圧 の絶 縁 増 幅 器 で 最 大 利 得 100倍,応

答 周 波 数 範 囲 が 直 流 ∼50kHzま

で 増 幅 で き る.

 ④  ロー パ ス フ ィ ル タ カー ド:測 定 す る現 象 波 形 に 含 ま れ る 不 要 な 高 周 波 成 分 を除 去 す る.  ⑤  F／Vコ

ンバ ー タ カ ー ド:周 波 数 を電 圧 に 変換 す る.

 ⑥  ポ テ ンシ ョメ ー タ カ ー ド:抵 抗 値1∼10kΩ

ま で の 角 度,変

位測 定用 のボ

テ ンシ ョ メー タ をつ な げ る と角 度,変 位 が 測 定 で き る.  ⑦  チ ャ ー ジ ア ン プ カ ー ド:こ の カ ー ドに圧 電 型 加 速 度 計 を接 続 す る と加 速 度 が 測 定 で き る. な どが あ り ます.こ

れ らの カー ドの 中 か ら必 要 に応 じた カ ー ドを組 み 合 わせ,測

定 目的 に合 った 物 理 量 の 測 定 を行 い ます.   図3.13は

動 ひ ず み 測 定 器 を示 し ます.こ

の 動 ひ ず み 測 定 器 は,精

度 ・耐 振 性 にす ぐれ て い るの で,移 動 車 両 へ の 搭 載 が 可 能 で す.ひ 時 に は 必 ず バ ラ ンス を と る必 要 が あ り ます が,こ

度 ・安 定

ずみ測 定開始

れ を ワ ン タ ッチ で 自動 的 に行 え

る電 子 式 オ ー トバ ラ ンス 方 式 の動 ひ ず み 測 定 器 と手 動 に よ るバ ラ ン ス方 式 の 動 ひ ず み 測 定 器 が あ ります.   図3.14は

シ グ ナ ル コ ン デ ィ シ ョナ を示 し ます.こ

図3.13  動 ひ ず み測 定器 外 観

れ は,直 流 ブ リ ッ ジ 電 源 方

式 の1チ ャ ンネ ル型 直 流 増 幅 器(コ ンデ ィ シ ョナ)で,ひ 加 速 度,変

ず み ゲ ー ジ,荷 重,圧 力,

位 な ど の ひ ず み ゲ ー ジ式 変 換 器 を接 続 す る とそ れ に 対 応 す る物 理 量 が

測 定 で き ます.ま

た,こ の シ グ ナ ル コ ン デ ィ シ ョナ は,最 大10000倍

の 直流増

幅 もで き ま す の で,微 小 電 圧 の 測 定 が 可 能 で す.   以 上,被 測 定 対 象 に貼 付 した ひず み ゲ ー ジ を,あ

図3.14 

るい は既 成 の ひず み 式 変 換 器

シ グ ナ ル コ ンデ ィ シ ョ ナ の 外 観

を使 用 して,ひ ず み あ る い は 力 ・変 位 ・加 速 度 な ど を測 定 す るた め に 必 要 な測 定 シ ス テ ム と,そ こ で 使 われ る個 々測 定 器 の概 要 を説 明 し ま した.次 で は,ひ ず み測 定 や 変 換 器 の 実 用 的 な使 い 方 につ い て 説 明 し ます.

の 第4章 以 降

第4章

 応 力 測 定

  ひ ず み ゲ ー ジ そ の もの は小 さ くて,そ の価 格 は 数 百 円 と非常 に 安 価 な もの で す. しか し,ひ ず み ゲ ー ジ だ け あ っ て も,測 定 目標 とす る"ひ ず み"あ は測 れ な い こ と を こ れ ま で 何 回 も説 明 して き ま した.ま "ひず み測 定 器"が

た,"ひ

る い は"力" ず み ゲ ー ジ",

仮 に 手 元 に あ っ た と して も,そ れ らを どの よ う に利 用 あ る い

は応 用 す るか は そ れ な りの経 験 と感 が 必 要 で す.つ

ま り,ひ ず み測 定技 術 の 中 に

もハ ー ドウ エ ア(ひ ず み ゲ ー ジ と測 定 器)が 必 要 で あ る と 同 時 に ソ フ トウ エ ア (測 定 の方 法)も 必 要 な の で す.本

章 で は,ひ ず み ゲ ー ジ を測 定 対 象 に貼 りつ け,

そ の 貼 っ た 場 所 の ひ ず み を測 定 す る方 法 を 紹 介 す る と と も に,ひ ず み 測 定 は 等価 的 に応 力 の 測 定 で あ る こ と を説 明 し ます.

4.1 

ひず み を測 って 応 力 を知 る

  ひず み を測 定 して ど う す る と い う議 論 は,第1章

で 詳 し く述 べ ま した.複 雑 な

構 造 物 の い ろい ろ な場 所 に加 わ る 力 は,理 論 で 求 め ら れ な い場 合 が 多 くあ ります. そ の よ うな 場 合,実 際 に構 造 物 各 所 に ひず み ゲ ー ジ を貼 り,そ こ に加 わ っ て い る 応 力 を 求 め ます.建 行 機 ・自動 車),機

築(建 物 ・タ ワ ー),土

木(橋 梁 ・ダ ム),運 輸(船

・列 車 ・飛

械(工 作 機 械 ・ク レー ン ・エ ン ジ ン)の 各 分 野 で は,こ

う して

求 め た応 力 を も とに構 造 物 や 乗 り物 の 安 全 性,信 頼 性 を確 立 す る こ とに 力 を そ そ ぎ ます.あ

る場 合 に は,試 験 あ る い は検 査 を 目的 と して構 造 物 の 模 型 を作 り,そ

れ に 多 くの ひず み ゲ ー ジ を貼 っ て 実験 を行 う こ とが あ る で しょ う.予 想 さ れ る外

力 を そ の 構 造 物 に加 え,そ の と き の構 造 物 各 所 の ひず み を 測 定 し,構 造 物 の 各 所 に 作 用 す る 応 力 を 求 め る の で す.こ 200kgfと

こ で,加

え る 外 力 と い う の は100kgf,

い う よ う に順 次 加 え て い く静 的 な 力 で あ る 場 合 も あ ります.ま

た,地

震 動 ・台 風 ・気 流 ・波 浪 な どの よ う な変 動 す る力 を模 擬 した動 的 な力 で あ る 場 合 もあ り ます.   応 力 σとい う の は,物

体 に加 わ っ て い る力 を そ の 場 所 の 面 積 で 割 っ た値 で す.

つ ま り,単 位 面 積 あ た りの力 で あ って,次

の 式 で 定 義 され て い ます.

(4.1)   こ こで,Fは

力,Aは

断 面 積 で す.応 力 の 単 位 は,圧 力 の 単 位 と同 じ で あ る こ

と に注 意 し ま し ょ う.圧 力 の 単 位 は,Pa(パ

ス カ ル)で す.こ

の 単 位Paは

あまり

に も小 さ い の で,そ れ を106倍 したMPa(メ

ガパ ス カ ル)が 普 通 用 い られ ます.

  これ ま で に何 回 か 述 べ ま した よ う に,"ひ

ず み"は 微 小 変 位Δlを 元 の 長 さlで 割

っ た 値 と して 定 義 され て い ます. 〔無 次 元 量 〕  Δl,lと

 (4.2)

も に 長 さ の 単 位 〔m〕で す か ら,ひ

打 ち 消 さ れ 単 位 は な い,つ

ま り,ひ

ず み の 単 位 は そ れ ぞ れ の 比 を とる と

ず み は"無 次 元"量

で あ る こ と に注 意 しま し

ょ う.   式(4.1)の"応 (ヤ ン グ 率)Eと

力 σ"を 式(4.2)の"ひ

ず み ε"で 割 っ た 次 の 式(4.3)は,弾

性係数

い い ま す.

弾 性係数:

 (4.3)

  こ の 弾 性 係 数 と い うの は,材 料 固有 の もの で あ っ て 表4.1に 例 を示 す よ う に各 種 材 料 に対 す る値 が 求 め られ て い ます.し

たが って,弾

性 係 数 が分 か っ て い る材

料 を使 っ て 組 み 立 て られ た 構 造 物 の ひず み εが 実 験 で 測 定 で きた とす る な ら,そ れ に対 応 す る応 力 σは,ひ ず み を用 い て 次 の 関係 で 求 ま ります. また は

 (4.4)

表4・1  弾 性 係 数Eの 代 表 例

  表4.1と 式(4.3)と

を比 べ な が ら材 料 強 度 を 考 え てみ ま し ょう.表4.1の

に引 張 力 を加 え,同

じひ ず み が 測 定 され た とす る な ら,鋼 の 応 力 は一 番 大 きい こ

とが 分 か りま す.こ

の こ と を具 体 的 な 数 字 で考 え て み ま し ょ う.

  い ま,ア ル ミニ ウ ム,銅,鋼 を行 っ た と し ます.各

各材料

を そ れ ぞ れ材 料 試 験 機 で 引 張 り,そ の ひ ず み 測 定

材 料 の ひ ず み が ち ょ う ど100μ(=100×10-6)の

ひずみが

測 定 さ れ た と き に引 張 試 験 を終 了 した と し ま し ょう.こ の と きの各 材 料 の 応 力 を 式(4.4)のE×

εの 関係 よ り求 め る と次 の よ うに な ります.

ア ル ミ ニ ウ ム:

銅：

鋼：

  鋼 は ア ル ミニ ウ ム と比 較 し約3倍,銅

と比 較 し約2倍 の 応 力 とな っ て い ます.

こ の よ う に同 じひ ず み に対 す る 応 力 は鋼 が 一 番 大 き く,ア ル ミニ ウム が 小 さい と い う こ とが 分 か り ます.逆

に 同 じ力 が 加 わ った 場 合 を考 え る と,こ れ らの材 料 の

う ち で ア ル ミ ニ ウ ム の ひず み が 一 番 大 きい,つ い)と い う こ とが 分 か ります.し

ま り,ひ ず み や す い(変 形 しや す

たが っ て,建 物 ・橋 梁 ・乗 り物 に鉄 鋼 材 料 が 多

く使 わ れ て い る の は,こ こ で 述 べ た よ うに 強 度 が 高 い の で壊 れ に く く安 全 で あ る とい う理 由か らで す.

4.2  材料や構造物のひずみはどのように測定するか   ひず み を 測 定 す る こ と は,構 造 物 の 強 度 を 調べ る こ と と同 じで あ る こ と を述 べ ま した.こ

こで は,材 料 の 強 度 を知 る材 料 強 度 試 験,構 造 物 の 強 さ を知 る構 造 強

度 試 験 は どの よ う な 方 法 で 行 わ れ る か を説 明 しま す.   図4.1は,引

張 り,圧 縮 試 験 の 様 子 を示 し ます.図(a)は

を 固 定 し,上 端 を引 張 っ て い る様 子 で す.図 られ る よ う に描 い て あ ります.こ

矩 形 断面材料 の下端

で は真 横 か ら く さび で衝 撃 力 が 与 え

れ は材 料 が 引 張 られ た 状 態 で,さ

らに 図 の よ う

な衝 撃 力 を加 え,亀 裂 の 発 生 と材 料 の破 壊 強 さ を求 め る 実 験 だ か らで す.ひ

ずみ

ゲ ー ジは 図 の よ う な箇 所 に貼 付 し,ま ず は,引 張 りを 開 始 し ます.材 料 の ひず み (応 力)を 測 定 し,所 定 の 応 力 値 に 達 した と こ ろ で,真 横 か ら衝 撃 力 を加 え ます.

(a) 引 張試 験

(b) 圧縮 試験

図4.1  引 張試 験 と圧 縮 試 験 時の ひず み測 定

この よ うに 鉄 鋼 材 料 に力 を加 え た り,力 が 加 わ っ て い る状 態 で,さ

らに外 部 か ら

衝 撃 を加 え材 料 破 壊 の様 子 を調 べ る実 験 は,材 料 強 度 試 験 とい い ます.   図(b)は

長 柱 の圧 縮 試 験 の 様 子 を示 し ます.こ

れ は,建 物 な ど に使 用 され る コ

の 字 型 やI字 型 の 鉄 鋼 材 料 が 圧 縮 に どれ だ け 耐 え られ るか を 調 べ る 実 験 で,バ ク リ ン グ 試 験 とい わ れ て い ます.次

ッ

第 に 圧 縮 力 を増 大 して い く と,や が て 試 験 材

料 が そ の 力 に耐 え られ な くな り突 然,試

験 材 料 が"く

の 字"型

に 曲が り ます.こ

の 状 態 に な る と変 形 が 進 む だ け で,そ れ 以 上 荷 重 は 増 え ませ ん.建 物 で い う な ら 破 壊 現 象 が 起 こ り倒 壊 とい う こ とに な ります.   図4.2は 高 圧 で 流 体 を 通 す パ イ プ(図(a))あ る よ うな構 造 物(図(b))の

る い は 潜 水 艦 の よ うに 海 中 深 く潜

圧 力 実 験 風 景 で す.い ず れ も 内部 あ る い は外 部 か ら水

圧 を加 え 容 器 の 強 度 を 調 べ る圧 力 実験 で す.こ

の実 験 で は変 形 す る こ とが 予 想 さ

れ る 箇 所 に ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 し,ど の よ う に変 形 す るか を ひず み(応 力)で 評 価 し ます.こ

の場 合 もパ イ プ の 内圧 や構 造 物 の 外 圧 を高 め て い き,ゲ ー ジ貼 付 位

置 の ひ ず み を測 り,場 合 に よ っ て は破 壊 させ る実 験 で す.も

(a) 内圧 試 験

ち ろ ん,実 験 対 象 物

(b) 外 圧 試験

図4.2  内圧 試験 と外圧 試 験 時 の ひず み 測 定

が 貴 重 な容 器 の よ う な もの な ら,破 壊 まで 圧 力 を 高 め ず に実 験 を 行 い,そ

の容器

の安 全 性 を確 認 す る に と どめ る と い う こ と もあ ります.   この よ う な実 験 は,航 空 機 の 胴 体 に つ い て も行 う こ とが あ りま す.そ

れ は,航

空 機 が 上 空 に達 す る と地 上 と比 べ 外 の圧 力 は 低 くな りま す.地 上 と上 空 を何 回 も 往 復 す る 間 に胴 体 とい う構 造 物 は 圧 力 変 動 に よ り疲 労 し ます.こ

の よ う な材 料 の

疲 労 に よっ て 初 期 の ジ ェ ッ ト旅 客 機 が 墜 落 した とい う事 実 が あ ります.そ 明 す る た め に 図(b)の よ う な外 圧 試 験 が 行 わ れ,そ

れ を解

れ に よ り窓枠 の 角 か ら亀 裂 が

発 生 し墜 落 した とい う事 実 が 判 明 した こ とが あ ります.こ

の よ う な実 験 や 試 験 に

ひ ず み ゲ ー ジは 大 活 躍 して い ます.   図4.3は 建 物 の よ うな構 造 物 の 強 度 試 験 を 示 します.こ 型 の場 合 もあ り ます が 実 物 で あ る場 合 もあ ります.い

の よ う な構 造 体 は,模

ず れ に して も大 きな構 造 物

で す の で 貼 付 す る ひ ず み ゲ ー ジの 数 も何 百 と い う数 に な る こ とが あ ります.そ

う

す る と,そ の 数 だ け の ひず み 測 定 器 を準 備 し な け れ ば な りませ ん.一 般 に は この

図4.3  構 造 物 の 強度 試 験 とひず み測 定

よ う な多 くの ひ ず み ゲ ー ジ に 対 応 す る数 の 測 定 器 を 揃 え る こ とは 困 難 で す の で, 切 り替 え ス イ ッチ(ス イ ッチ ボ ッ ク ス)を 設 け た静 ひ ず み の 測 定 とな り ます.し か し,何 百 と は い わ な い ま で も,動 動 的 試 験 も行 え ます.図

ひず み 測 定 器 の 数 が 準 備 で き る とす る な ら,

のP1,P2,P3…

は 変 動 荷 重 を 印 加 で き る ア クチ ュ エ

ー タ(駆 動 装 置)で す .こ の ア ク チ ュ エ ー タ を用 い て 地 震 動 を模 擬 し た 力 を発 揮 させ,動

的試 験 を実 施 し ます.そ

の と きの構 造 物 各 所 の ひ ず み を 同 時 測 定 す る と

い う こ と も行 わ れ て い ます.ま

た,構

造 物 の 上 部横 か ら荷 重P0を 加 え,各

ひ ず み を測 る とい う よ う な場 合 も あ りま す.さ

部の

ら に,大 型 風 洞 の 中 に橋 梁 や 建 物

の模 型 を 設 置 し,風 洞 の 風 に よ り橋 梁 や建 物 の 各 所 が 受 け る応 力 を測 定 す る とい う よ う な 実験 も行 わ れ て い ま す.   図4.4は,大

型 船 舶 が 進 水 す る と き,船 首 が 陸 地 に残 り船 尾 が 海 水 に浸 か っ た

一 瞬 の 様 子 を示 し ます .図

に示 す こ の よ う な 位 置 ま で 船 体 が す べ っ て きた と き,

船 体 に は 大 き な 曲 げ モ ー メ ン トが 加 わ ります.こ

の状 態 は,荒 海 に お け る 波 間 に

置 か れ た 船 舶 の 様 子 と等 価 的 に 同 じで す の で,そ

の荒 海 の 様 子 を見 立 て た 大 が か

りな 実験 と もい え ます.船 体 各 所 に ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 し,そ れ か らの 長 い 電 線 を測 定 室 に 一 堂 に集 め ま す.こ

の場 合 は,進 水 時 に起 こ る一 瞬 の 現 象 を観 測 す る

と い うわ け で す か ら静 的 ひ ず み の測 定 とい う わ け に は い きませ ん.す べ て の ひ ず み ゲ ー ジは 動 ひず み 測 定 器 に接 続 し ます.し

た が っ て,そ

の 数 も 限 られ ます.船

体 外 部 で 多 くの 人 が 見 守 る な か で 進 水 式 が 行 わ れ,続 い て シ ャ ンペ ン,く す 玉 が

図4.4  進 水 式 時 の ひず み(応 力)測 定

割 られ ます.船

体 の 中 で は 計 測 員 が そ の 一 瞬 を 待 機 して い ます.船 体 が す べ り出

す と測 定 開始 の 合 図が 発 せ られ,ほ

ん の 数 分 で 計 測 は終 了 し ます.こ

れ た貴 重 な デ ー タ は,船 体 強 度 設 計 値 と照 ら し合 わ せ,そ

う して 得 ら

れ を満 た して い る な ら

安 全 性 は 確 保 され た と い う こ と に な り ます.   固 体 燃 料 ロ ケ ッ トは燃 料 を胴 体 内 部 で急 速 に燃 や し推 進 力 を 得 ます.図4.5は FRP(ガ す.ロ

ラ ス 繊 維 強化 プ ラ ス チ ッ ク)製 小 型 ロ ケ ッ トの 内圧 試 験 の 様 子 を示 し ま ケ ッ トをFRPで

作 る場 合,ガ

ラ ス繊 維 の 巻 き方 で 強 度 が 異 な り ます.そ

の 強 度 を調 べ る た め に,内 部 に圧 力 を加 え胴 体 が 破 壊 す る まで 行 っ た 実 験 で す. こ の 場 合 も ひず み ゲ ー ジ を各 所 に貼 付 し,印 加 圧 力 に対 す る ひず み を測 定 した と い う実 験 例 で す.

図4.5  小 型 ロケ ッ トの 内圧 試 験 とひ ず み測 定

  図4.6は,航

空 機 を 設 計,製

様 子 を示 し ます.翼

造 す る初 期 段 階 で 行 う航 空 機 の 強 度,疲

労 試験 の

表 面 や 内 部 の 強 度 部 材 に ひず み ゲ ー ジ を 多 数 貼 り,図 に 示 す

よ う に翼 に 力 を加 え,そ の 力 に 対 す る各 所 の ひず み を測 定 し ます.こ

う して,考

え られ る 最 悪 の 荷 重 に 対 して も翼 の 強 度 は保 た れ る こ と を実 証 し,飛 行 の 安全 が 確 認 さ れ る わ けで す.こ を用 い ま す.こ

の よ うな 実 験 で は,力

を発 揮 す る荷 重 源 に油 圧 シ リ ン ダ

の 油 圧 シ リ ン ダが 出 す 力 を100kgf,200kgfと

い う よ う に順 次 上

げ て い き,そ の つ ど荷 重 値 を保 持 した 状 態 で い っせ い に 各 所 の ひ ず み を測 定 す る と い う方 法 は,静 的 試 験 で す.一 流,台

方,油

圧 シ リ ン ダ に 発 生 させ る力 の 変 化(乱 気

風 時 の 風 な ど)を あ らか じめ コ ン ピュ ー タ に記 憶 させ,実

デ ー タ を 再 生 させ,そ

験 時 に そ の記 憶

れ に した が っ た 力 を 翼 に加 え る とい う方 法 も行 わ れ ます.

図4.6  航 空 機 の 強 度試 験 とひず み 測 定

こ の よ うな 力 は,乱 気 流 の よ う な状 況 を あ らか じめ 実 測 して お き,そ の デ ー タ を こ の よ う な 強 度 試 験 の 荷 重 源 に 応 用 す る わ け で す.こ

う した 試 験 は動 的 試 験 で

す.   以 上,静

的 試 験,動

的 試験 の 概 要 を述 べ ま した.こ

の よ うな 試 験 は,自 動 車 ・

列 車 ・船 ・航 空 機 ・橋 梁 ・建 物 な どあ らゆ る構 造 物 に対 して 共 通 す る試 験 方 法 で す.そ

こ に は ひ ず み ゲ ー ジ が 必 要 不 可 欠 な存 在 と な っ て い ま す.

  本 章 で は,ひ ず み ゲ ー ジ を用 い ひ ず み と応 力 の 測 定 方 法 を 述 べ ま した.風 や 波 に よ り構 造 物 が ひ ず む様 子 を測 定 す る場 合,あ

る い は 図4.4の 進 水 時 の 船 体 応 力

測 定 で は,船 体 が 自然 に 海へ 向 か っ て 移 動 す るた め 対 象 物 に発 生 す る ひ ず み を 直 接 的 に しか 測 定 で きませ ん.し か し,実 験 や研 究 の た め に ひ ず み や 応 力 を測 定 す る よ う な場 合,例

え ば 図4.1の 引 張 り試 験 や 圧 縮 試験 の よ う な場 合 に は,そ

の試

験 対 象 物 に加 え る力 の値 を 知 る必 要 が あ りま す.こ の よ うな 引 張 りな り圧 縮 な り そ の 試 験 機 が 発 揮 す る力 の 測 定 に もひ ず み ゲ ー ジ式 荷 重 変 換 器(ロ ー ドセ ル)が 使 わ れ て い ます.ま

た,図4.2の

圧 力 変 換 器 が,図4.3の

圧 力 試 験 で は,印 加 す る圧 力 の値 を知 る た め に

構 造 体 の 動 的 試 験 に使 う ア ク チ ュ エ ー タ(駆 動 装 置)の 発

揮 力 測 定 に も,や は りひず み ゲ ー ジ式 力 変 換 器 が 使 用 され て い ます.   こ の よ う に広 く応 用 さ れ て い る ひず み ゲ ー ジ で す が,そ

れ を応 用 し 自作 で 変 換

器 が つ くれ る こ と を次 章 で は 説 明 し,自 作 変 換 器 を用 い て得 られ た 研 究 成 果 の 一 端 を紹 介 します.

第5章

 手作 り変換器への応用

  第4章 で は,測

定対 象 に ひ ず み ゲ ー ジ を直 接 貼 付 し,そ の 箇 所 の ひず み を測 る

方 法 を い ろ い ろ な例 を あ げ 説 明 しま した.し

か し,測 定 した い 箇 所 に ひ ず み ゲ ー

ジ を貼 っ て もそ こで の ひ ず み は測 れ ま す が,ひ ず み 以 外 の 物 理 量 は 求 ま りませ ん. 例 え ば,手

に ひ ず み ゲ ー ジ を直 接 貼 れ ば 手 に持 っ た 物 体 の 重 量 が 測 れ る か と い う

とそ う は い き ませ ん.本 章 で は,手 に 持 っ た物 体 の 重 量 や 握 る力,あ

る い は物 を

押 した り引 い た りす る と きの 力 を ひず み ゲ ー ジ を用 い て どの よ うに測 定 す る のか とい う こ と を説 明 し ます.ま

た,荷 重 変 換 器 を開 発 ・試 作 して そ れ を用 い て 得 ら

れ た 実 験 結 果 の い くつ か を第5章,第6章

で 紹 介 し ます.

5.1  ひず みゲー ジ式荷重変換器 の考え方   通 常,物 体 に力 を 加 え た と きの 力 は 目 に は 見 え ませ ん.し か し,そ の 物 体 は変 形 し ます.再

び力 をゼ ロ に戻 す と,そ の変 形 も元 の状 態 に戻 り ます.そ

が"ば

プ リ ン グ)"で

ね(ス

す.力

は 目 に見 え ませ んが,ば

の よい例

ね に 力 を加 え た と き

の 変 形 は 目 に見 え ます.物 体 に加 えた 力 を 取 り除 く と変 形 が 元 に戻 る よ う な性 質 は弾 性 が あ る と い い,そ

の よ うな 物 体 は弾 性 体 と い い ます.

  ば ね に も い ろ い ろ あ ります が,そ で す.身

の典 型 例 が"コ

イ ル ば ね"で

近 に あ る コ イ ル ば ね の 応 用 に ば ね 秤 が あ り ます.こ

(目 盛)を 併 用 させ た も の で す.つ び ます が,そ

あ り"板 ば ね"

れ は ば ね と変 位 計

ま り,ば ね にお も り をつ る す とそ の ば ね は 伸

の伸 び 量 は指 針 が 動 い た量 と し て測 る こ とが で き ます.こ

れ は力 が

変 位 量 に比 例 す る とい う事 実 に基 づ きます.こ

の 関 係 を式 で 表 す と次 の よ う に な

ります.

(5.1)   こ こ でFは 力,xは

変 位 量(伸 び)で す.kは

き さ に よ っ て 異 な る定 数 で す.以

ば ね 定 数 と呼 ば れ,材

質,形,大

上 説 明 した よ うに 変 位 量xを 測 り,逆 に力Fを

知 る とい う原 理 が ば ね を 利 用 した秤 の動 作 原 理 で す.   ひ ず み は微 小 変 位 の 一種 です.図5.1(a)は,ば

ね と変 位 計(作 動 変 圧 器)を 用

い る と力 が わか る こ と を示 す 図 で す.変 位 が 大 き く とれ る コ イ ル ば ね を利 用 した 場 合 が 前述 の ば ね秤 で す.こ

こで,変 位 を 目盛 で 直 接 読 み と る方 式 は"ば

ね秤",

変 位 を作 動 変 圧 器 の よ う な セ ンサ で 電 子 的 に 測 定 す る よ うな 方 式 は"電 子 秤"と い い ます.

(a) 変 位xを 測 っ て 力(Mg) を 知 る(F=κx)

(b)  ひ ず み εを 測 っ て 力(Mg) を 知 る(F=κ ε)

図5.1  変 位 を測 って力 を知 る

  板 ば ね(厚 さが 薄 い 矩 形 断 面 の 板)の 片端 を図5.1(b)の

よ う に 固 定 した もの は

片 持 ば りと い う こ と は こ れ ま で に 説 明 し ま した.こ れ に ひず み ゲ ー ジ を貼 付 した 場 合 を考 え て 見 ま し ょ う.片 持 ば りの 他 端 に力Fを 加 え る とそ の板 は わ ん 曲 しま す.し

か し,力 を 取 り除 く と また 元 の状 態 に戻 りま す.こ

の わ ん 曲 した 様 子 は,

例 え ば,飛 込 み 台 の 先 端 に 選 手 が 立 っ た状 態 と よ く似 て い ます.規

模 の 大 き さは

異 な り ます が,図5.1(b)と

飛 込 み 台 が わ ん 曲 す る様 子(図1.8(a)参

照)は 同 じ片

持 ば りの わ ん 曲 の 姿 を 表 して い ます.   さ て,図5.1(b)に

示 す 板 ば ね(片 持 ば り)の 根 元 に ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 し,そ

の 位 置 の ひ ず み を測 る と加 え た 力 は 求 ま る とい う こ と を詳 し くみ て み ま し ょ う. そ の前 に板 状 部 材 を長 さ方 向 に 引張 っ た 場 合 と横 方 向 に 曲 げ る 場 合 の 力 と ひず み の 関係 をみ て お き ます.   図5.2(a)は,断

面 積 がA(ab)で

あ る部 材 を縦 方 向 に 引 張 っ た場 合 を示 し ます.

図 中 に 示 し た よ う に こ の 場 合 の ひず み εは 力 に比 例 し断 面 積(ab)に 反 比 例 し ます. こ こで,aは

幅,bは

厚 さ,Eは

示 した 弾 性 係 数 で す.断

第4章 の 表4.1に お い て い くつ か の材 料 に 対 して

面 積Aと 弾 性 係 数Eが 変 わ ら な け れ ば,ひ

ず み εを測 り

逆 に 力 は求 ま る とい う こ と を こ の式 は 表 して い ま す.   図5.2(b)は,矩

形 断 面 の 細 長 い 板 片 端 を 固 定 した 片 持 ば りの 先 端 に力 を加 え

た場 合 を示 し ま す.荷

重 点 か らの ひず み εを求 め る 計 算 式 を図 中 に示 し ます.こ

の 式 は,ひ ず み は力 に 比 例 す る と同 時 に,ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 したQ点 か ら荷 重

(a) 縦 に引 張 る場合 の ひず み

(b) 横 に力 を加 え る場 合 の ひず み

図5.2  縦 に 引張 る,横 に力 を加 え る場 合 の ひず み と力 の 関 係

点P点

ま で の 距 離xに も比 例 す る こ と を 表 して い ます.し

加 わ っ た 場 合 に,大

た が っ て,小

さ な力 が

きな ひず み を取 り出 そ う とす る な ら,ひ ず み ゲ ー ジ貼 付 位 置

と荷 重 点 と の 距 離xを 大 き く とれ ば よい わ け で す.ひ ず み の 大 き さ は片 持 ば りの 長 さ に依 存 す る わ け で す か ら,固 定 端 に ゲ ー ジ を添 付 す る場 合 の ひず み が 一 番 大 きい わ け で す.   以 上 述 べ た よ う に,矩 形 状 部 材 の 長 さ方 向 に力 を加 え て も,横 方 向 に力 を加 え て も ひず む こ と は確 か で す.し

か し,図5.2(a)の

合 の ひ ず み は 非 常 に小 さ い の で,小

よ う に縦 方 向 に 力 を 加 え た場

さ な 力 が 測 定 で き る よ う な 荷 重 変 換器 を 図

(a)の よ う な部 材 方 向 で 試 作 す る 場 合 は不 利 で す.図(b)の

片 持 ば りの 考 え方 を荷

重 変 換 器 に応 用 す る こ とが 荷 重 変 換 器 の 試作 を成 功 させ る コ ツで す.力 変 位 を測 定 す る 目的 で ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 した 図5.2(b)の

あるいは

よ う な 部 材 は起 歪 材

とい い ま す.   図5.3は,厚

い 板 と薄 い板 の 片 持 ば りに ひず み ゲ ー ジ を貼 っ た場 合 を示 し ます.

(a) 荷 重 変換 器 の 原 理

(b) 変 位 変 換 器 の原 理 図5.3  厚 い板(荷 重 変換 器)と 薄 い板(変 位 変 換 器)の 片 持 ち ば り

図5.3(a)は,板

が 厚 い の で 大 きな 力 に耐 え ます.力 を戻 す と元 の状 態 に戻 るの で,

図 示 した よ う に力Fと

ひず み εとの 間 に は比 例 関 係 が 成 り立 ち ま す.過

加 わ る と,材 料 が 破 壊 して しま うの で,こ

大 な力 が

こ で の 議 論 は材 料 の ひず み が 力 と比 例

す る 弾 性 範 囲 内 に あ る と して 説 明 を し ます.   図5.3(b)は

薄 い 板 の 片 持 ば りに ひ ず み ゲ ー ジ を貼 り,そ の 先 端 に 力 を 加 え た

状 態 を示 します.こ く変 位 します.力 状 態 に戻 る,つ

の 場 合,部

材 が 薄 い の で,加 え る力 が 小 さ く て も先 端 は大 き

が 小 さ くて も大 きな 変 位 が 得 られ,か つ,そ

の 力 を戻 す と元 の

ま り弾 性 範 囲 内 で の 変 形 で あ る な ら変 位yを 求 め る"変 位 計"と

して この 片 持 ば りは 応 用 で き ます.こ

の 場 合 は,片 持 ば り先 端 の 力 を 問 題 にす る

の で は な く,先 端 の 変 位yを 問 題 に し,変 位yに 対 す る ひず み εの 関 係(校 正)を 求 め ます.こ

の 場 合 も,図(b)中

に示 し た よ う に,変 位yに 対 す る ひ ず み εの 直

線 関 係(校 正 曲 線)を あ らか じ求 め て お け ば,ひ

ず み を測 っ て 変 位 を 知 る こ とが

で き ます.   以 上,力

あ る い は 変 位 に対 す る ひ ず み は 直 線 関係 に あ る こ とを 前 提 に,力

と変

位 が 求 ま る こ と を示 し ま した.ひ ず み ゲ ー ジで 力 が 測 れ る とか 変 位 が 測 れ る とい う の は以 上 の 理 屈 に よ り ます.こ

こ で,大 切 な こ とは,図5.3(a)に

示 した 片 持

ば りを荷 重 変 換 器 に応 用 す る とい う場 合,あ らか じめ 力 とひ ず み の 関係 を,ま た, 図5.3(b)の こ と で す.つ

場 合 は 変 位 に 対 す る ひ ず み の 関 係 を 実 験 的 に しっ か りと 求 め て お く ま り,図(a)で

い うな ら,既 知 の"力"fを1kgf,2kgfと

て い き,そ の つ ど"ひ ず み"を

測 り,"力"と"ひ

線 で あ る こ と を確 認 す る こ とで す.ま な ら,は

た,図(b)の

りの 長 さ に も よ ります が 何 十cmと

ず み"の

順 次加 え

関 係 を図 に 描 き,直

片 持 ば りで 変 位 を 求 め る 場 合

い う よ う な大 き な変 位 は期 待 で き ま

せ ん.せ い ぜ い 数cm以 内 で し ょ うか ら,そ の範 囲 内 で 既 知 量 の"変 位"を 与 え, "ひ ず み"を 測 定 し ます .そ して,力 の 場 合 と 同様 に"変 位"に 対 す る"ひ ず み" の 関 係 を 図 に描 い て お き ます.こ

の よ う な 図 は校 正 曲 線 とい って,手

を 製 作 す る場 合 は き わ め て 重 要 で す.こ

作 り変換 器

の校 正 曲 線 が な い と試 作 変 換 器 は成 り立

ち ませ ん.   こ う して で き上 が っ た 校 正 曲線 を も とに す る と,"ひ ず み"を 測 る と"力"な

り"変

位"が

5.2 

測 定 で き る と い う わ け で す.

ひ ず み 感 度 の話

  変 換 器 や 測 定器 の 入 口 の 信 号(ひ ず み)と 出 口 の 信 号(電 圧)の 割 合 は 感 度 あ る い は増 幅 度 とい い ます.ひ

ず み ゲ ー ジ式 変換 器 を試 作 す る場 合,測

定 量 に対 応 す

る 出力 電 圧 が 小 さい と測 定 器 の 電 気 的増 幅 度 を大 き くす る必 要 が あ ります.ひ み が 発 生 す る元 に お い て,大

ず

き な出 力 値 が得 ら れ る よ う に ひず み ゲ ー ジ貼 付 位 置

や ア ク テ ィブ ・ゲ ー ジ の 数 を工 夫 をす る と電 気 的 増 幅 を大 き く しな くて も よ く, ノ イズ の 影 響 も受 け に く くな ります.そ

こ で,こ

こ で は 測 定 す る 力 に対 して大 き

な ひず み が 得 られ る,つ ま り感 度 を上 げ る い くつ か の 工 夫 につ い て 説 明 します.

1  ひず み と力 ・変位 の関係   測 定 技 術 で 重 要 な点 は,測 定 対 象 物 に変 換 器 を装 着 した 場 合,そ 物 理 量 を 乱 さ な い と い うこ とで す.あ 換 器 を必 ず 使 用 し ます.こ

の測定対象 の

る物 理 量 を測 定 す る た め に は セ ンサ な り変

の と き,そ の セ ンサ な り変換 器 を用 い た た め に測 るべ

き対 象 物 理 量 が 乱 され,正 確 な 値 が 求 ま らな い と い う こ とが あ り ます.こ

のこ と

を わ か りや す く説 明 す る た め に 温 度 測 定 で み て み ま し ょ う.あ る小 さ な容 器 に 入 っ て い る 高 温 液 体 の 温 度 を 測 る た め に 太 い ガ ラ ス 管 の 温 度 計 を 使 用 した と しま す.そ の 温 度 計 を容 器 中 の 液 体 に浸 け た た め,液 体 の 温 度 は下 が ります.し か し, ガ ラス 管 式 温 度 計 の 目盛 は何 らか の 温 度 を指 示 しま す.こ の 指 示 温 度 はす で に 太 い ガ ラ ス管 式 温 度 計 に熱 が 奪 わ れ て し ま っ て い ます の で,液 体 の 正確 な温 度 とは い え な い で し ょ う.こ の よ う な こ との な い よ うに 温 度 を正 確 に 測 ろ う とす る な ら, 髪 の 毛 の よ う に細 い 熱 電 対 とい う温 度 セ ンサ を使 用 し ます.い

く ら細 い とい っ て

も熱 容 量 を も っ て い ます の で,測 定 対 象 の 液 体 に ほ ん の わ ず か な 影 響 は与 え る で し ょ うが,太

い ガ ラス 菅 式 温 度 計 が 与 え る よ う な大 きな 影 響 は あ り ませ ん.

  なぜ こ の よ うな こ と を述 べ た か とい い ます と,図5.3(b)の り を用 い て 変 位 を 測 定 す る場 合 に 注 意 が 必 要 だ か らで す.そ

よ うな薄い片持 ば れ は,薄

い板 とい っ

て も そ れ が 変 位 す るた め に は,そ

こ に は力 が 必 要 で す.そ の 力 が 測 定 対 象 に影 響

を 与 え な い 程 度 に 抑 え たい の で す.例

え ば,あ

る物 体 の 変 位 を実 験 的 に 測 定 した

い 場 合 が あ っ た と し ま し ょ う.そ の 実 験 で 生 じる物 体 の 変 位 は,何

らか の 力 が加

わ っ た か ら変 位 した に ちが い あ りませ ん.そ の 力 は,変 位 変 換 器 で あ る 片 持 ば り に も 加 わ り ます.極

端 な こ と を い う と片 持 ば りが 図5.3(a)の

よ うに 厚 く,そ れ

が 変 位 す るた め に は大 き な力 が 必 要 で あ る こ と を考 え れ ばわ か ります.測

定対象

の 物 体 に 片 持 ば りの 先 端 を 当 て る と,物 体 が 変 位 す る た め に要 す る力 に 加 え,片 持 ば りを押 す 力 も必 要 と な り ます.本 来,こ

の 片 持 ば りを押 す 力 は ゼ ロ で あ る こ

とが 変 位 計 と して 理 想 の 姿 で す.変 位 を測 るべ き測 定 対 象 物 体 に こ の よ う な不 必 要 な 余 分 な 力 が 加 わ る と変 位 測 定値 に悪 影 響 を与 え る こ と に な ります.こ 響 の 程 度 は,で

の悪影

き る限 り小 さ い こ とが 望 ま し く,測 定 の 目的 に もよ ります が,測

定 対 象 物 を動 か す 力 の1∼5%以

内 の 力 で 変 位 す る よ う な 変 位 計 な ら許 され る の

で は な い で し ょ うか.こ の 影 響 は あ くま で も0%が

理 想 で す.

2  ひずみゲージを応用 した荷重変換器の出力感度について   機 械 量,物

理 量 を測 定 す る場 合,そ

の測 定 量 に対 す る 感 度 は大 変 重 要 で す.多

くの ひ ず み ゲ ー ジ 式 変 換 器 の 最 大 測 定 許 容 値 に対 す る ひ ず み 出 力 は3000μ(μ= 10-6)と な っ て い ます.こ

の 値 は,引 張 強 さ の1/3が 限 度 で あ っ て,永 久 ひ ず み

が 残 らな い 程 度 の 値 で す.例

え ば,最 大10kgfま

で 測 定 で き る荷 重 変 換 器 か らは

3000μ の ひず み 出 力 が 得 られ る よ う に す る と よい とい うこ とで す.と 大 き い1000kgfも

の 力 が 加 わ らな い と3000μ が 得 られ な い よ う な荷 重 変 換 器 で

あ る な ら,そ れ は 荷 重変 換 器 と して は失 格 で す.こ

の 荷 重 変 換 器 で は,10kgfの

力 に 対 して わ ず か3μ の ひず み し か得 られ な い の で,そ

の 測 定 ひず み 量 は あ ま り

に も小 さす ぎ る の で 使 え な い とい う こ と に な ります.10kgfの

力 に 対 して3000μ

の ひ ず み 出 力 が 得 られ る よ う な荷 重 変 換 器 を 使 用 す る な ら,1kgfの は300μ の ひ ず み が 得 られ ます.こ 感 度 と呼 び ます.前

こ ろが2桁

れ を300〔 μ/kgf〕 と書 き,こ の荷 重 変 換 器 の

述 した1000kgfで3000μ

で す か ら,0.5∼1t(500∼1000kgf)と

力 に 対 して

の 荷 重 変 換 器 は,3〔 μ/kgf〕が 感 度

い う よ うな 大 きな 力 を測 定 す る場 合 な ら

よい の で す が,5∼10kgf(0.005∼0 と して は 不 向 き な の で す.つ

.01t)と い う よ う な力 を 測 定 す る荷 重 変 換 器

ま り,そ の 出 力 は,15∼30μ

は,き わ め て 小 さ い か らで す.通 常 は,100∼3000μ

と ひ ず み 出 力 と して

の ひ ず み 出力 が 測 定 値 に対

して得 ら れ る と よ い で し ょう.   以上 述 べ た よ う に,変 換 器 を作 製 す る場 合 に は,こ の 感 度 と い う もの が 重 要 に な り ます.ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 した 変換 器 を設 計 す る場 合,そ

の 感 度 を上 げ る工

夫 を以 下 に説 明 し ます.変 換 器 は片 持 ば りを起 歪 材 と し て用 い る場 合 を 想 定 して 説 明 しま す.   (1)  起 歪 材(部 材)の 形 状 で 感 度 を 変 え る   図5.2(b)中

の 式 で 示 し た よ う に,発 生 す る ひ ず み は 片 持 ば りの 断 面 形 状 に依

存 し ます.特

に 厚 さbに 関 して は,そ の2乗 に 反 比 例 して小 さ く な る こ と に注 意

し ま し ょ う.形 状 で感 度 を変 え る とい う考 え 方 は,厚 くな る とい う こ と を利 用 す るの です.ひ

ず み 感 度 を大 き くす る に は,片 持 ば りの

厚 さを 薄 くす れ ば よい とい う こ とが 分 か ります.以 変 換 器 は,厚

さ を薄 くす る と ひず み やす

上 よ り図5.3(b)の 変位 を測 る

さbを 薄 く して小 さ な力 で 大 き な ひ ず み が 得 られ る とい う工 夫 を し

て い る の で す.   (2)  貼 付 位 置 で 感 度 を変 え る   図5.4は,起 す.図

歪 材(片 持 ば り)に 貼 る ひ ず み ゲ ー ジの 位 置 を変 え た 場 合 を示 し ま

中 に 示 した 式 で 明 らか な よ うに,ゲ

ー ジ貼 付 位 置Qが

よ っ て ひず み の 大 き さ は 変 わ り ます.図(a)の 図(a)に 比 べ2/3の ひ ず み が,図(c)で

らPま で の 距 離xに

場 合 を基 準 に す る と,図(b)で

は1/3の ひ ず み が得 ら れ ます.こ

理 解 して い れ ば,片 持 ば りを利 用 して荷 重 変 換 器 を設 計 す る 場 合,ひ

は

の こ とを

ずみ ゲージ

は で き る 限 り固定 端 に近 い位 置 に貼 れ ば 大 き な ひず み が 得 られ る こ とが 分 か りま す.   (3)  荷 重 点 位 置 で 感 度 を変 え る   これ は 原 理 的 に は,図5.4に 図5.5は,荷

示 し た ゲ ー ジ貼 付 位 置 を 変 え た場 合 と 同 じで す.

重 が 加 わ る 位 置Pnを 変 え た場 合 を示 し ます.こ

は,図5.2,図5.4中

に 示 した 式 と 同 じで す.図5.5(a)に

の 場 合 の ひず み の 式

示 した 荷 重 点Pnか らゲ

(a)

(b)

(c)

図5.4  ゲ ー ジ貼 付 位 置 で ひず み 感 度 は違 う

ー ジ位 置Qま

で の 距 離xで ,ひ ず み の 大 きさ は 変 わ りま す.荷 重 点Pの 位 置 をP1,

P2と 変 え る と図(b)に

示 す よ うに校 正 曲線 の傾 き は小 さ くな り ます.こ

れ は,ひ

ず み 感 度 が 小 さ くな る こ と を 示 して い ます.つQま り,ひ ず み 出 力 ε0を得 る 力 は, 荷 重 点 がP1の 場 合 はF/3で あ っ た もの が,荷

重 点 をP3に 移 す とFと い う よ うに3

倍 大 きな力 を加 え な い とひ ず みε0が得 られ な い とい う こ とか ら分 か る で し ょう.   (4)  貼 付 す る ゲ ー ジ数 で 感 度 を 変 え る   貼 付 す る ゲ ー ジ の 数 は,電 気 回 路(ホ イ ー トス トン ・ブ リ ッ ジ)を 構 成 す る 関 係 上,1枚

か,2枚

か,4枚

と限 られ ます.し

か し,す で に 第2章,図2.9で

た よ う に4枚 の ゲ ー ジ を表 裏 に貼 付 し た片 持 ば り(4ゲ ー ジ法)の 場 合 は,1ゲ

示し

ジ法 に比 べ て4倍 の ひ ず み 感 度 が 得 られ ま す.こ られ る利 点 は,次

の よ う な考 えが あ るか らで す.

ー

の よ う な4倍 の ひず み 感 度 が得

(a) 片 持 ば り

(b) 校 正 曲線 図5.5  荷 重 点 位置 で もひず み は変 わ る

  い ま,10kgfの

力 を加 え る と3000μ(μ=10-6)の

る と し ま し ょ う.材 質,サ

ひ ず み が 得 られ る 起 歪 材 が あ

イズ が 与 え られ て い る 起 歪 材 で あ れ ば,例

中 の 片 持 ば りの 荷 重 位 置xを 調 整 す る こ と に よ っ て,こ 計 算 式 で 簡 単 に 求 ま りま す.実

え ば 図5.5

の値 は 図5.4中 に示 した

験 的 に は1枚 の ゲ ー ジ を所 定 の 位 置 に 貼 れ ば 理 論

どお りの ひ ず み は 求 ま りま す.こ

の 所 定 の 位 置 に表 裏4枚 の ゲ ー ジ を貼 付 し,4

ゲ ー ジ法 を構 成 す る と4倍 の ひ ず み,こ

の 場 合12000μ

の ひ ず み が 得 ら れ ます.

普 通 の 変換 器 は最 大 ひず み3000μ で 設 計 され て い ます.そ

こ で,4ゲ

ー ジ法にす

る こ とで ひず み 出力12000μ

が 得 られ,そ れ を3000μ に 逆 に抑 え る とす る な ら起

歪 材 の 寸 法 は 小 さ くで き ます.図5.4中 aは ひ ず み に 対 して 反 比 例 し ま す.そ

の ひ ず み の 計 算 式 に よ る と,起 歪 材 の 幅 こで,例

え ば,ひ ず み が4倍 の12000μ

得 られ る とい うな ら,そ れ を3000μ にす るた め に は 起 歪 材 の 幅aを1/4に よい わ け です.こ

すれば

の よ う に4ゲ ー ジ 法 を採 用 す る こ と に よっ て 変 換 器 の感 度 を上

げ る こ と もで き ます が,逆

5.3 

が

に変 換 器 の小 型 化 も 図 れ る の で す.

ひずみゲー ジ応用変換器のい ろいろ

  こ れ まで に,ひ ず み ゲ ー ジ とい う小 さ なセ ンサ を応 用 す る と力 あ る い は 変 位 を 求 め る こ とが で き る こ と を説 明 し ま した.し か し,起 歪 材 とい う部 材 に ひ ず み ゲ ー ジ を用 い た と き は,直 ち に力 や 変 位 が 求 ま る とい うわ け で は な く,そ れ な りの 部 材(使 用 材 質,寸 必 要 で す.こ

法 な ど),ひ

ず み ゲ ー ジ貼 付 位 置,貼

付 ゲ ー ジ枚 数 の 選 択 が

こで は,こ れ ま で述 べ て きた こ と を踏 ま え,ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 し

て 変 換 器 を設 計 ・製 作 し,研 究 に役 立 て た 例 を い くつ か 紹 介 し ます.

1  最も簡単な荷重変換器(荷 重計)   図5.6(a)は,ひ

ず み ゲ ー ジ を応 用 し た最 も簡 単 な 荷 重 計 で す.こ

れ まで説明

して きた 片 持 ば りの 片 端 を机 に しっ か りと 固定 し,そ の 根 元 に図 の よ う に ひず み ゲ ー ジ を貼 付 し ます.ひ ず み ゲ ー ジ か らの リー ド線 は ひ ず み 測 定 器 に接 続 し ます. ひ ず み 測 定 器 のバ ラ ンス を と り,出 力 値 が ゼ ロで あ る こ と を確 認 し ます.続 い て, 図 の よ う に既 知 の お も り を何 個 か順 次 受 け 皿 に のせ,そ み 取 ります.そ す.荷

の都 度 ひず み 出 力 値 を読

れ らの ひ ず み 測 定 デ ー タ を縦 軸 に,荷 重 を横 軸 に と り図 式 化 しま

重 と ひず み は比 例 す る の で,直 線 が 描 け ます.こ

れが 校 正 曲線 で す.こ

校 正 曲線 の傾 き は 前 述 した 測 定 感 度kで そ の 単位 は 〔 μ/kgf〕(10-6/kgf)で う して 得 られ た 感 度 の 逆 数1/kは,〔kgf/μ 〕(kgf/10-6)と い う 単位 で す.こ μは"マ

イ ク ロ"と 読 み,10-6を

の

す.こ こで,

表 して い る こ と に注 意 して 下 さ い.

  受 け皿 に既 知 の お も り を乗 せ て 得 た ひず み 測 定 値 は,図5.6(b)に

示す ように

(a) 荷 重 変 換 器

(b) 校 正 曲線

(c) 荷 重 測定 例

図5.6  簡 単 な荷 重 変換 器 の 原 理

プ ロ ッ トし ます.こ こ で,横

れ は,簡 単 な ひ ず み ゲ ー ジ応 用 荷 重 変 換 器 の校 正 値 で す.こ

軸 の単 位 を ニ ュ ー トン 〔N〕で 表 し ま した が,そ

0.102倍(1/9.8)す

れ ば よ い の で す.こ

れ を 〔kgf〕で 表 す 場 合 は

の 校 正 値 が あ る と未 知 の 物 体 を皿 に 載 せ

ひ ず み を測 る と,こ ん どは 未 知 物 体 の 重 量 が 求 ま り ます.い

ま こ の 未 知 物 体 を受

け 皿 に 載 せ た と き に ひず み εが 測 定 され た と し ま し ょ う.こ の ひず み εに 先 の 校 正 値1/kを 掛 け る と物 体 の お も さが 分 か り ます.基

本 的 に は 荷 重 変 換 器 の校 正 は

1回 求 め て お け ば よ い の で す が,環 境 温 度 や 何 か が 原 因 で 狂 う と 困 る の で,定 期 的 に 校 正 を行 う と よい で し ょ う.図5.6(c)に を示 して お き ます.図(b)は と な ります.図(c)は

具体的 な力 の測定値 を求め る方法

校 正 曲 線 で,こ の 図 よ り1/kを 求 め る と0.0333〔N/μ 〕

あ る お も り を落 とす よ うに して 受 け 皿 に載 せ た と きの 時 間

に対 す る ひず み 変 化 で す.こ

の 変 化 す る ひず み に対 して係 数0.0333〔N/μ 〕を掛

け る と刻 々 と変 化 す る力 が 求 ま り ます.例

え ば 図(c)の 時 刻t1の ひず み は1500μ

で す か ら,最 大 力 は49.5〔N〕 と求 ま ります.ま は1000μ 33.3Nと

と読 み取 れ ます の で,こ 求 ま り ます.こ

た,時 刻t2の 定 常 状 態 時 の ひず み

れ に 係 数0.0333を

掛 け る と,定 常 状 態 の 力 は

の 定 常 状 態 の 力33.3Nに0.102を

掛 け る と,載 せ た お も

りの 重 量 は3.4kgfと い う こ とが 分 か り ます.

2  お盆 にのせた物体の重量を量る   図5.7(a)は,取

手 の つ い た金 属 製 の お 盆 を使 って の 重 量 物 持 上 げ 時 の 力 測 定

実 験 風 景 で す.お 盆 の取 手 根 元 に ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 し,お 盆 に載 せ た 重 量 物 の お も さが 測 れ る よ うに工 夫 しま した.こ

の荷 重 変 換 器 は,地 上 に 置 か れ た 重 量 物

を 人 間(被 験 者)が 持 ち 上 げ る場 合,重

量 物 に加 え る 人 の 力 を 測 定 す る た め の も

の で す.実

験 で は,立 位 の被 験 者 が 図(b)の

起 立 す る過 程 の 力 を測 定 し ま した.こ

よ うに腰 を下 ろ し,お 盆 を持 ち 上 げ

の 変 換 器 を用 い て 実 験 し た結 果 例 を 図5.8

に 示 しま す.重 量 物 を 持 ち上 げ る場 合 に は,こ の 図 の よ う に取 手 に か か る 力 は変 化 し ま す.

3  介助支援補助機器の操作力測定   通 称 カ ー ル君 とい う介 助 支 援 補 助 機 器 が あ り ます.こ

の機 器 を 利 用 す る と患 者

や 高 齢 者 をベ ッ ドか ら車 椅 子 に 移 す 場 合 の 負 担 が少 な くてす む とい わ れ て い ま し た.そ

こで,ど

の程 度,力

の負 担 が 軽 減 され る の か を調 べ る こ と に し ま した.こ

の 補 助 機 器 の 使 い 方 は,被 介 護 者 を乗 せ て か ら介 護 者 が ハ ン ドル を下 げ る と 同時 に 足 に も力 を入 れ る と被 介 護 者 は持 ち 上 が りま す.し た が っ て,ハ る力 と足 をふ ん張 る力 の測 定 が 必 要 で す.そ

ン ドル を下 げ

こ で,介 助 支 援 補 助 機 器 の ハ ン ドル

(a) 荷 重 変換 器 と ひず み測 定 シス テ ム

(b) 重量 物 の持 ち上 げ動 作 とそ の姿 勢 図5.7  お盆 に載 せ た物 体 の重 量 を測 る荷 重 変 換 器

に直 結 され た 部 分 の 支 柱 と足 を使 う部 分 に ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 した 荷 重 変 換 器 を 設 置 し ま した.   図5.9は,ハ

ン ドル操 作 力 を測 る た め ひ ず み ゲ ー ジ を 直 接 貼 付 した支 柱 位 置 と

足 の 力 を 測 る た め の フ ォー ス プ レー ト設 置 位 置 を示 します.ひ ず み ゲ ー ジ貼 付 後, こ の ゲ ー ジ に ひ ず み 測 定 器 を接 続 し,あ らか じめ ハ ン ドル 操 作 力 の校 正 を と りま した.足

の ふ ん 張 り力 を 測 定 す る変 換 器 は,後 述 す る荷 重 変 換 器 と同 じ原 理 の フ

ォ ー ス プ レー トを使 っ て い ます.こ

う して測 定 の た め に介 助 支 援 補 助 機 器 に手 を

図5.8  手 に加 わ る持 ち 上げ 力 の測 定 結 果例(重 量15kgf,目

加 え,ハ

標 持 ち上 げ 時 間1秒)

ン ドル を下 げ る力 と足 の 力 が 同 時測 定 で き る よ う に しま した.

  実 験 は,体 重 の 重 い 人 や軽 い 人,ベ 測 定 し ま した.図5.10は,60kgfの し ま す.こ

ッ ド高 さ を変 え た 場 合 の力 の 大 き さ な どを

被 験 者 を持 ち 上 げ た場 合 の 操 作 力 測 定 例 を示

の 実験 で は,体 重 が50kgf,70kgf,100kgfの

実 験 を行 っ た結 果,50kgfの

被 験 者 は30kgf,70kgfの

被 験 者3名 の持 ち上 げ 被 験 者 は50kgf,100kgfの

図5.9  介 助 支援 補 助機 器 と ひず み ゲ ー ジ貼 付 位 置

図5.10  介 助支 援 補助 機 器 の操 作 力 実験 結 果

被 験 者 は80kgfの

力 で持 ち 上 が りま した.そ

の結 果,い

ず れ の場 合 も20kgfの 操

作 力 が軽 減 で きる とい う こ とが 分 か っ た の で す.

4  自然力 ボー トロー プ張力測 定   図5.11は,自

然 力 ボ ー トと い っ て 川 の 流 れ の エ ネ ル ギ ー で 川 を 渡 す ボ ー トを

開 発 した と き に使 用 した ロ ー プ 引 張 荷 重 変換 器 で す.こ

図5.11  自然 力 ボ ー ト実験 風 景

の ロー プ 引 張 荷 重 変 換 器

を図5.11の

よ う に ロー プ 端 に 取 り付 け る と,ボ ー トが 対 岸 に 向 か っ て い く場 合

の ロ ー プ 張 力 が 図5.12の よ う に求 ま ります.こ

の 荷 重 変 換 器 を用 い て,天 竜 川,

利 根 川 な どで 実 験 を繰 り返 しロ ー プ 張 力 の 安 全 性 を確 か め,ネ パ ー ル の 河 川 で実 用 自然 力 ボ ー トを設 置 して き ま した.

図5.12 

自 然 力 ボ ー トの ロ ー プ 張 力 測 定 例

5  コップを握る手の力測定  毎 朝 歯 を み が くと き,コ

ップ に水 道 の 水 を注 ぎ ます.水

が 注 が れ て い く と水 量

は増 し,同 時 に そ の 重 さ も水 量 に 比 例 して増 加 し ます.コ

ッ プ の水 の 重 さ は 気 に

な らな い ほ ど軽 い の で 人 は コ ップ の 把 持 力 を 一 定 に して い るの で は な い か.そ れ と も,適 当 な 量 が 入 っ た とこ ろ で 把 持 力 を 強 め て い る の か も しれ な い とい う素 朴 な疑 問 が わ き ま した.そ

こ で,注 水 中 の コ ップ の 把 持 力 を測 定 す る こ とに し ま し

図5.13  コ ッ プの把 持 力測 定 方 法

(a) 把 持力 と注 水量 の測 定例

(b) ス ーパ ー ボー ル 受 け止 め 時の 把 持力 設 定 例 図5.14  コ ップ の把 持 力 測定 結 果例

た.ス

テ ン レス 製 の コ ッ プ を購 入 し,図5.13に

示 す よ う な コ ッ プ を握 る 手 に対

し直 角 方 向 表 面 に ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 した 把 持 力 測 定用 の 特 殊 コ ッ プ を作 りま し た.ま た,コ

ップ の 底 に もひ ず み ゲ ー ジ を応 用 した 注水 量 測 定 用 変 換 器 を セ ッ ト

して あ り ます.そ す よ う に,コ

の と き得 られ た 把 持 力 測 定 デ ー タ は,図5.14(a)で

す.図

ップ を握 る手 の 力 は ほ ぼ水 量 に比 例 して 増 や して い る と い う,人 間

の す ば ら しい 制 御 能力 が 分 か りま した.ま た,空

の コ ッ プ に ゴ ル フボ ー ル 大 の 弾

力 性 の あ るス ーパ ー ボ ー ル を落 と し,そ れ を受 け取 る 実 験 も行 い ま した.そ る と,コ

に示

ップ の 中 で3回 跳 ね た ボ ー ル に 追従 して 図5.14(b)に

の 把 持 力 も増 減 させ て い る こ とが 分 か り ま した.こ

うす

示 す よ うにコ ップ

の よ う に,人 間 の 手 は,す

ば

ら しい 把 持 力 の制 御 を行 っ て い る とい う こ とが こ の実 験 を とお して 理 解 す る こ と が で き ま した.

6  シー ツ引張 りによ る臥床者移 動 時の力測定  ベ ッ ド上 臥 床 者 の位 置 が ず れ た 場 合 を 想 定 し,シ ー ツ,ナ ジ ー ス ラ イ ダ を用 い て 臥 床 者 を30cmほ

イ ロ ン シー ツ,イ ー

ど引 張 り移 動 させ る と きの 力 を測 定 し ま

図5.15  臥 床 者移 動 実 験 装置

した.図5.15は

臥 床 者 の 頭 部 側 シ ー ツ に仕 掛 け た 荷 重 変 換 器(図5.21参

照)で 力

を 測 定 し ま した.シ ー ツ は 自由 に形 状 を 変 え て し ま うの で,シ ー ツ端 に棒 をぬ い 込 み ま した.さ

らに,手

の力 を棒 に加 え る た め に も う1本 の 棒 を 図 の よ うに 配 置

し,そ の棒 と の 間 に引 張 荷 重変 換 器 を装 着 し ま した.   図5.16は,臥 す.こ

こ で,イ

る み,そ

床 者 背 部 に 敷 い た シ ー ツ の 種 類 に よ っ て 異 な る 引 張 力 を示 し ま ー ジー ス ラ イ ダ とい うの は,薄 い ク ッシ ョ ン材 を ナ イ ロ ン布 で く

れ を二 層 に した もの で す.そ

の 上 に患 者 や 高 齢 者 を 載 せ る と容 易 に移 動

で き る介 助 用 具 で す.さ す が に 介 護 専 門 の 介 助 用 具 だ け あ っ て,バ ス タオ ル を引 く と き の力 に比 べ 半 分 の力 です む とい う こ とが こ の 実 験 で 明 らか に な りま した.

図5.16  臥床 者 移 動 時 の力 測 定 結 果例

7  2人 による臥床者移動時の力の測定   2人 の 看 護 者 が ベ ッ ド両 サ イ ドに立 ち,臥 床 者 背 面 の シ ー ツ を持 っ て 患 者 を移 動 させ る こ と を想 定 した実 験 を行 い ま した.図5.15で た の で す が,こ

こ で は,2人

は臥 床 者 を1人 で移 動 させ

の 看 護 者 が 力 を合 わ せ て 持 ち 上 げ る よ う に移 動 した

場 合 と,す べ らす よ う に して移 動 させ た 場 合 の 差 異 に つ い て 実験 的 に検 討 し ま し た.   臥 床 者 持 ち 上 げ 用 幅 広 ベ ル トに2個 の 自作 荷 重 変 換 器(図5.21参

照)を 装 着 し

(a) 患者 移 動 時 の力 測 定 用変 換 器 の 配置

(b) 持 ち上 げ移 動

(c) ず り上 げ 移 動 図5.17  看 護 師2人 に よる臥 床 者 移 動実 験 装 置 と方 法

ま し た.そ 動,図(c)は

れ を図5.17(a)に

示 す よ う に2組 配 置 し ま し た.図(b)は

ず り上 げ 移 動 の 方 法 を 示 しま す.図5.18(a)は

結 果 例 を,図(b)は

持 ち 上 げ移

持 ち上げ移動 実験 の

ず り上 げ 移 動 実 験 の結 果 例 を示 し ます.こ

こで,図5.17(b)

の よ う に 臥 床 者 を持 ち上 げ 移 動 をす る 場 合 は,必 ず2つ 山の 荷 重 変 動 が 見 ら れ ま す.そ

の 山 の 最 大 値 は 図5.17(c)ず

す.こ

の こ とか ら,重 力 に 逆 ら っ て 臥 床 者 を持 ち 上 げ る場 合 は,余 計 な 力 が 必 要

で あ る こ とが 分 か ります.

り上 げ移 動 の 山 に比 べ 必 ず 大 き くな っ て い ま

(a) 持 ち上 げ移 動 時 の荷 重 変化

(b) ず り上 げ移 動 時 の荷 重 変 化

図5.18  臥床 者 移 動作 業 に要す る力 の 測 定結 果

8  床反力の測定   臥 床 か ら長 座 位 へ の体 位 変 換 介 助 時 に 介 助 者 左 右 両 足 底 に加 わ る力 を 測 定 しま した.図5.19(a)は

起 歪 材 に厚 い木 片 を取 り付 け,そ

た 床 反 力 計(フ ォー ス シ ュ ー ズ と呼 ぶ)で す.フ 製 し ま した の で,そ

の う え に シ ュー ズ を拘 束 し

ォー ス シ ュ ー ズ は 左 右 独 立 に 作

れ ぞ れ の床 反 力 が 測 定 で き ます.介

よ う な動 作 で す.図5.20は

測 定 結 果 例 で す.図

中 のWは

助 動 作 は,図(b)に

示す

看 護 者 の 体 重 で す .左

右 独 立 の 床 反 力 が 図 の よ うに測 定 で き,そ れ らを 合 わ せ る と図 の 上 部 に描 い た よ うな合 成 床 反 力 が 求 ま ります.こ

れ よ り看 護 者 が 出 す 床 反 力 は 山状 に な り,最 大

約20kgfの

力 を作 用 させ て抱 き起 こ しを行 っ て い る こ とが 読 み 取 れ ます.

(a)  フ ォ ー ス シ ュ ー ズ

(b) 両腕 引 き起 こ し 図5.19  フ ォー ス シ ュー ズ と仰 臥位 か ら長座 位 へ の体 位 変 換

9  引張荷重変換器 と変位変換器  (1)  引 張 型 荷 重 変 換 器   図5.11に 円筒 型 の 引 張 荷 重 変 換 器 を示 しま した.そ に割 っ た よ う な 半 円状 の荷 重 変 換 器 を図5.21(a)に で な くて も,図(b)の

の 円 筒 型 荷 重 変 換 器 を2つ

示 し ます.図

の よ う に半 円状

よ う に コの 字 型 に して も荷 重 変 換 器 を作 る こ とが で き ます.

なぜ こ の よ う な形 に す る か とい う と,1枚

の 小 さ な板 に ひず み ゲ ー ジ を添 付 して

そ の 板 に張 力 を 加 え て も得 られ る ひ ず み は小 さ す ぎ る か らで す.図5.21の

よう

図5.20  仰 臥位 か ら長 座位 へ の 体 位変 換 時 の床 反 力測 定 結 果 例

に 板 を 整 形 す る とか 素 材 を 加 工 し背 と腹 に ひ ず み ゲ ー ジ を 図 よ う に貼 付 し ます と,引 張 荷 重 変 換 器 の 起 歪 材 が で き上 が ります.こ

の起 歪材 を 引 張 る と表 面 は 圧

(a)

図5.21  手 作 り可 能 な引 張荷 重 変換 器

(b)

縮 し,裏 面 は 伸 び大 き な ひ ず み が 発 生 します.さ

らに,こ

の 方 法 は 第2章 で 述 べ

た 表 面 と裏 面 に ひ ず み ゲ ー ジ を貼 っ た 片 持 ば りの よ う に2ゲ ー ジ 法 あ る い は4ゲ ー ジ 法 が 使 え るの で す .以 上 の よ う な理 由で,図5.21は

簡 単 な 構 造 で 作 りや す

く,し か もゲ ー ジ は貼 付 しや す い簡 易 的 な 引 張 荷 重 変 換 器 な の で す.  (2) 変 位 変 換 器   起 歪 材 の 厚 さ を 薄 くす る と変 位 変 換 器 と な りま す.図5.22(a)は,図5.21(b) の 部 材 厚 さ を 薄 く し た もの で す.測 け,図

定 対 象 に 図5.22の 変 位 変 換 器 両 端 を取 り付

中 の 距 離xが 変 化 す る と,そ のxに 対 応 す る ひ ず み が 測 定 で き ます.そ

の

ひず み に 校 正 曲 線 か ら求 ま る感 度 係 数 の 逆 数 を掛 け る と変 位xの 変 動 分 が 求 ま り ます.こ

の 変 位 計 は 小 さ な 力 で も変 換 器 は 伸 び 縮 み す る よ う に 薄 い 材 料 で作 られ

て い ま す の で,変

位 変 換 器 と して の 役 割 を 果 た し ます.図(a)は

げ た よ う な 格 好 で す が,図(b)は

外 側 に羽 根 を拡

そ れ を 内 側 に折 り曲 げ た格 好 を して い ま す.こ

の よ う にす る こ と に よ り,小 さ な寸 法 の 変化 を測 定 す る こ とが で き ます.

(b)

(a) 図5.22  手作 り可 能 な変 位 変 換 器

第6章

 平面型荷重交換器 のすすめ

  第5章 にお い て,片 持 ば りを基 本 とす る ひず み ゲ ー ジ を応 用 し た力 変 換 器 の 原 理 とそ の 活 用 例 を述 べ ま し た.片 持 ば りの 力 変 換 器 あ る い は 圧 縮 荷 重 変 換 器3∼ 4個 を用 い,そ れ らの 上 に厚 い 板 をの せ れ ば,表 面 が 平 ら な荷 重 変 換 器 が で き上 りま す.し

か し,3∼4個

の 荷 重 変 換 器 を使 う とす る な らそ れ らに対 応 す る3∼4

台 の ひ ず み 測 定 器 が 必 要 とな ります.本 す る とい う基 本 原 理 は 同 じで す が,そ 荷 重 変 換 器 を提 案 しま す.そ

章 で は,片 持 ば りに ひず み ゲ ー ジ を応 用 の 片 持 ば り を4個 用 い 表 面 が 平 ら な平 面 型

して そ の平 面 型 荷 重 変 換 器 に よ る荷 重 測 定 は1台 の

ひず み 測 定 器 で 可 能 で あ る こ と と,そ れ を使 った 研 究 成 果 の 一 端 を紹 介 し ます.

6.1 

1台 のひずみ測定 器ですむ平面型荷重変換 器

  こ れ ま で 述 べ た片 持 ば り応 用 の 荷 重 変 換 器 は,あ 測 定 で きる もの です.一

る1点 に加 わ る荷 重 が 容 易 に

方 こ の荷 重 変 換 器 は,荷 重 点 の位 置 が 変 わ る と図5.5に

示 した よ う に校 正 曲 線 の 傾 きが 変 わ り,正 しい 力 は求 ま りませ ん.   平 面 上 に 物 を置 く場 合,そ

の 物 の底 面 は1点 で 支 え られ て い ませ ん.そ

面 に3点 以 上 の 突 部 で 支 え ら れ て い る は ず で す.こ 中 し な い 場 合 は,5.3節2項"お

れ は平

の よ う に物 体 の力 が1点 に集

盆 に の せ た物 体 の 重 量 を測 る"で 述 べ た よ う に

お 盆 の 両 側 の力 を測 りそ れ ら を合 計 して 重 量 を求 め る 必 要 が あ り ます.さ

もなけ

れ ば,図6.1に

の上 に

示 す よ う に,3個

の 圧 縮 型 荷 重 変 換 器 上 に厚 板 を 置 き,そ

物 体 を のせ て 重 量 を測 る こ と に な り ます.こ

の場 合 は 図 で 明 らか な よ うに3台 の

図6.1  3個 の荷 重 変 換 器 と3台 の ひず み 測 定 器 を用 いた荷 重 変換 器

ひ ず み 測 定 器 が 必 要 で す.こ

れ を何 と か1台 の ひ ず み 測 定 器 で 測 定 で き な い か と

い う こ と 考 え たす え,以 下 に述 べ る よ うな 方 法 を考 案 し ま した.こ の 原 理 に基 づ い て い ろ い ろ な平 面 型 荷 重 変 換 器 を作 製 し,実 験,研 で は,こ

究 に役 立 て て い ます.こ

こ

の 新 しい 平 面 型 荷 重 変 換 器 の 原 理 と応 用 に つ い て 詳 し く説 明 し ます.本

書 で は,考

案 した荷 重 変 換 器 を平 面 型荷 重 変 換 器 と呼 ぶ こ と に します.

  図6.2は,片

持 ば りの 起 歪 材 を4個 用 い て 一 体 化 した 平 面 型 荷 重 変 換 器 の 構 成

を示 し ます(起 歪 材3個 で も,1台

の ひず み 測 定 器 で 測 定 で き る平 面 型 荷 重 変 換 器

図6.2  1台 の ひ ずみ 測 定 器で す む荷 重 変 換器 の アイ デ ア(平 面 型荷 重 変 換 器)

を提 案 して あ り ます が,そ 大 切 な こ と は,4個

れ に つ い て は参 考 文 献1)を

の起 歪 材 寸 法,材

ひ ず み ゲ ー ジ は,各

参 照 く だ さい).こ

こで

質,ゲ ー ジ貼 付 位 置 が 同 じで あ る こ とで す.

起 歪 材 に1ゲ ー ジ ず つ 貼 り ます が,図

の ゲ ー ジ は 表 と裏 に 交 互 に貼 ります.な

に示 す よ う に そ れ ぞ れ

ぜ そ の よ う に した か は,表 裏 お の お の2

枚 の ゲ ー ジ を貼 付 した 片 持 ば りの4ゲ ー ジ法(図2.6(b)参

照)を そ れ ぞ れ 分 離 さ

せ る とい う ア イ デ ア が 発 端 だ か らで す.分 離 し た4個 の 片 持 ば りを図 の よ う に分 散 させ て 配 置 し,そ の上 に 上 板 を のせ た もの が こ こで 提 案 す る平 面 型 荷 重 変 換 器 で す.そ

れ ぞ れ4個 の 起 歪 材 に 上 か ら力 を加 え る と,引 張 り,圧 縮,引

縮 とい う よ う に 交 互 に ひ ず み ま す.こ

の 原 理 を 利 用 し,4箇

張 り,圧

所 の ひず み ゲ ー ジ を

4ゲ ー ジ法 の よ う に ホ イ ー トス トンブ リ ッジ に 組 み ます.   4個 の 起 歪 材 の 上 に 図 の よ うに 厚 い 板(上 板)を の せ ま す.こ 起 歪 材 の荷 重 点 に は わ ず か な突 起 を設 け て あ ります.そ う に し ます.上

の と き力 が 加 わ る

の 突 起 で 上 板 を支 え る よ

板 に 物 体 を のせ た と して もそ の 物 体 は 必 ず し も真 ん 中 に位 置 す る

と は 限 り ませ ん.も

し真 ん 中 に位 置 す る な らば,そ

の位 置 か ら4個 の 起 歪 材 荷 重

点 まで は 等 距 離 で す か ら4個 の起 歪 材 に は 同 じ荷 重 が 加 わ ります.そ

うす る と見

か け 上,片 持 ば りの4ゲ ー ジ法 と同 じ に な り,の せ た物 体 の 重 さ が 測 定 で き ます. 問 題 は,物 体 を 上板 上 の偏 っ た 場 所 に の せ た場 合 で す.物 体 が 上 板 の真 ん 中 に置 か れ た場 合 で も,物 体 位 置 が偏 って 置 か れ た場 合 で も 同 じ重 さの 物 体 な ら,そ の 物 体 重 量 に対 応 す る ひ ず み 出 力 は 同 じで な くて は な り ませ ん.例

え ば,1kgfの

お も り を上 板 の 真 ん 中 に のせ た 場 合 と,端 の ほ う にの せ た場 合 と で測 定 値 が 異 な る よ うで は平 面 型 荷 重 変 換 器 と して は 失 格 で す.こ

の こ と を確 か め た 結 果,上 板

の ど こ の位 置 に 力 を加 えて もそ の 値 は 同 じで あ る こ とが 分 か りま した.そ

れ は,

上 板 の お も り位 置 が 偏 っ て い る と,そ の 偏 りに 近 い 方 の 片 持 ば りが 大 き な荷 重 を 受 け持 ち,お

も りか ら遠 い 位 置 の片 持 ば りの 荷 重 は小 さい 荷 重 を 受 け 持 つ こ とに

な る か らで す.結

局,4個

の 片 持 ば りが 分 担 して 荷 重 を受 け持 ち,そ の 合 計 が 上

板 に の せ た お も り重 量 とな るの です.   こ の よ うな 平 ら な平 面 型 荷 重 変 換 器(荷 重 計)が で きれ ば,あ の 問 題 で,い か に ひ ず み 感 度 を上 げ,平

と は寸 法,強

度

面 型 荷 重 変 換 器 と して 丈 夫 で 信 頼 性 が あ

る よ うに す る か で す.特

に 人 間 の動 作 を研 究 しよ う とす る と,既 製 の平 面 型 荷 重

変 換 器 で は 目的 に 合 わ な い こ とが多 い の で す.そ

こ で 研 究 者 が 測 定 目的 に 見 合 っ

た 平 面 型 荷 重 変 換 器 を 開 発 しな け れ ば な りませ ん.こ 換 器 もそ の ひ とつ で あ っ て,人

こで 提 案 し た平 面 型 荷 重 変

間 の い ろ い ろ な部 位 に 加 わ る力 を 同時 に 測 定 し よ

う とす る と,ひ ず み 測 定 器 の 数 が不 足 す る こ と か ら考 えつ い た も の で す.こ の よ う な平 面 型 荷 重 変換 器 は フ ォー ス プ レー トと も い い ます.従 プ レー トは,主

来 か らあ る フ ォー ス

に 歩 行 解 析 に よ く使 用 され た 床 反 力 計 で す.し

板 とい う意 味 で,こ

か し,力 を受 け る

こ で示 した ひず み ゲ ー ジ式 平 面 型 荷 重 変 換 器 も フ ォー ス プ レ

ー トの仲 間 で す .一 般 の フ ォー ス プ レー トと 区別 す る た め に,こ

こでは平面型荷

重 変 換 器 と呼 ぶ こ と に して い ます.   開発,試

作 した 平 面 型 荷 重 変 換 器 の大 きい も の は,人 が の れ る よ う な平 面 型 荷

重 変 換 器,小

さ い もの で は 手 の ひ らに の せ られ る よ うな も の を 試 作 し人 の 動 作 実

験 を行 っ て い ま す.平 面 型 荷 重 変 換 器 を 用 い て 行 っ た い くつ か の 実 験 を 以 下 に紹 介 しま し ょ う.

6.2  ベ ッ ド脚 を支 える荷重変換 器   図6.3は,図6.2の

原 理 に 基 づ き約200kgfに

耐 え られ る,大

き さ15cm×15cm,

厚 さ2cmの

平 面 型 荷 重 変 換 器 を4個 作 り,そ れ ら をベ ッ ド脚 に装 着 し た様 子 を示

し ます.ベ

ッ ドは キ ャ ス ター(車 輪)が つ い て い ます の で,そ

す る平 面 型 荷 重 変 換 器 の面 は 平 らで な くて は な りませ ん.そ 変 換 器 は正 に こ の よ うな 実 験 に は適 切 で す.ベ 作 した 平 面 型 荷 重 変 換 器4個 合 計 で800kgfま 以 上 の 平 面 型 荷 重 変 換 器 とは 別 に,ベ

の車輪 の下 に設置 の た め,平 面 型荷 重

ッ ドは4脚 で 支 え て い ます の で 試 で の ベ ッ ド荷 重 が 測 定 で き ます.

ッ ドわ き に は既 製 ロ ー ドセ ル(圧 縮 型 荷 重

変 換 器)4個 を用 い た フ ォー ス プ レー トを床 面 に設 置 し ま した.   図6.3に 示 し た 実 験 装 置 に よる 実 験 は,ま ず,被

験 者 が ベ ッ ドに接 近 しベ ッ ド

横 に設 置 した 床 面 フ ォー ス プ レー トに の り ます.そ

の位 置 か らベ ッ ドに横 た わ る

とい う一 連 の 動 作 を行 う場 合 の 床 反 力 とベ ッ ド荷 重 を測 定 しま した.床 面 か らべ

図6.3  平面 型 荷重 変 換 器 に よる ベ ッ ド荷 重 と重 心 測 定

ッ ド上 に 人 が の り移 る よ う な場 合,そ

の 人 の 体 重,ふ

慣 性 力 が こ の 実 験 装 置 か ら求 ま る と考 え ま した.ま

ん 張 り力,上

下す る身体の

た,4個

の平 面型荷重変換 器

と4個 の 既 成 ロー ドセ ル は力 を独 立 に測 定 で き ます の で,そ

れ ぞ れ の ベ ッ ド脚 に

加 わ る個 別 の荷 重 が 分 か ります.そ

れ が 分 か れ ば,ベ

ッ ド上 臥 床 者 の寝 返 りや 起

き上 が りと い う動 きに対 す る重 心 移 動 も計 算 で 求 め られ ます.   図6.4は,ベ

ッ ド高 さを 身 長 の26%に

セ ッ ト し被 験 者 が 床 面 フ ォ ー ス プ レー ト

か らベ ッ ド上 へ の り移 った 場 合 の床 反 力 とベ ッ ドに 加 わ る荷 重 変 動 の 結 果 を示 し ます.一

方,試

作 平 面 型 荷 重 変 換 器 と既 製 ロ ー ドセ ル に よ りそ れ ぞ れ の 配 置 位 置

図6.4  床 反 力(4箇 所 の合 計)と ベ ッ ド荷 重(4箇 所 の合 計)の 測 定 例

図6.5  ベ ッ ドの 側面 立 ち位 置 か ら臥 床 す る まで の重 心 軌跡

で の 力 が 分 か る の で,そ

れ ら を も と に重 心 軌 跡 が 求 ま り ます.図6

め た 立 位 か ら仰 臥 位 に い た る まで の 重 心 軌 跡 で す.こ の 床 面 フ ォー ス プ レー トに一 度 の っ て か ら,ベ 心 軌 跡 を 求 め る こ とが で き ま した.こ

.5は 計 算 で 求

の よ う に被 験 者 が ベ ッ ド脇

ッ ドに の り移 り臥床 す る まで の 重

の よ う な実 験 を行 う こ と に よ っ て,ベ

ッド

高 さ に対 す る 立 位 よ り臥 床 に 至 る ま で の 適 切 な 動 作 評 価 を行 う こ とが で き ます. 今 回 の 実 験 か ら は,身 長 の 約30%が か り ま した.

寝 や す い ベ ッ ド高 さで あ る とい う こ と が 分

6.3 

超薄型 フォースプレー トによる臥床者抱き起 こし動作

 縦 横20cm×8cmで

厚 さ0.7cmと

い う き わ め て 薄 い 平 面 型 荷 重 変 換 器 を試 作 し

ま した.図6.6は,試

作 し た超 薄 型 平 面 荷 重 変 換 器(フ ォー ス プ レー ト)の 構 造 を

(a) 超 薄 型荷 重 変 換器 の構 造(側 面 図)

(b) 超 薄型 荷 重変 換 器 の構 造(上 面 図)

(c) 上板 お よび校 正 時 の荷 重 印加 位 置 図6.6  超 薄型 荷 重変 換 器

示 し ます.図(a)は

横 断 面 で,少

しで も厚 さ を薄 くす るた め に起 歪 材 を取 り付 け

る 底 板 部 分 を切 削 で 切 り落 と して い ます.起 歪 材 の荷 重 点 に 上板 を取 り付 け そ の 上 か ら荷 重 が 加 わ る よ う に して あ ります.図(b)は 歪 材 は 配 置 して あ ります.図(c)は 置3箇 所 の 円 マ ー ク で す.こ

隅に起

上 板 の 寸 法 と校 正 を と るた め荷 重 を のせ る位

の 円 の 上 に 既 知 の 円 形 お も り をの せ,そ

み を読 み 取 りま した.図6.7は,図6.6(c)に 合 の 校 正 曲 線 で す.3本

上 部 か ら見 た 図 で,四

の都 度ひず

示 した 異 な る 位 置 に荷 重 を のせ た 場

の校 正 曲 線 は ほ ぼ 一 致 し,出 力 と して 得 た ひず み に 対 す

る 位 置 の 影 響 は ほ と ん ど受 け な い こ と を この 図 は 示 して い ます(こ の 図 は縦 軸 に 力 を横 軸 に ひず み を と っ て あ り ます).こ

の 図 か ら,こ の 平 面 型 荷 重 変 換 器 の 上

板 の い か な る点 に荷 重 が 加 わ っ て も,加 わ る荷 重 が 同 じで あ る な らそ れ に対 応 し た ひず み 出 力 は 同 じ結 果 に な る こ と を示 して い ます.図

中 に 示 した よ う に,力F

は 測 定 した ひず み εに 係 数0.054を 掛 け る と求 ま り ます.

図6.7  超 薄 型荷 重変 換 器 の校 正 曲線

  上 述 の 平 面 型 荷 重 変 換 器 を4枚 製 作 し ま した.そ 装 着 し,図6.8の

の4枚 を ベ ス ト内 側 の背 部 に

よ う に 臥 床 被 験 者 が そ の ベ ス トを着 用 し ます.こ

の被 験 者 の 背

中 に 図6.9に 示 す よ う に看 護 者 が 手 を 挿 入 し臥 床 者 を 抱 き起 こす 実 験 を行 い ま し た.そ

の と き看 護 者 が 臥 床 者 の 背 中 に加 え る 力 を 測 定 した 結 果 の 一 例 を 図6.10

に示 しま す.図

中 のa∼dは,図6.8に

示 した 臥 床 者 背 部 に装 着 した4枚 の平 面 型

荷 重 変 換 器 の 記 号 に 対 応 して い ます.臥 床 者 を抱 き起 こ し始 め る と き に急 に 力 を

図6.8  被 験 者背 部 に装 着 した4個 の荷 重 変 換器

図6.9  被 験 者 を抱 き起 こす 実験 風 景

図6.10  臥床 者 の 背 部 に加 わ る力 の変 化

掛 け ま す が,臥

床 者 が起 き上 が る に した が い,そ

中 は 垂 直 に な り ます の で,加

の 力 は減 少 し長 座 位 に な る と背

え る力 は ゼ ロ に な り ます.4秒

以 前 の 力 の 変 動 は,

臥 床 者 背 面 に看 護 者 が 手 を入 れ て い る 間 で あ っ て,手 が 平 面 型 荷 重 変換 器 にふ れ た た め に 現 れ た 力 で す.

6.4  臥床者背面力測定用2軸 荷重変換器   背 中が 上 下 す るベ ッ ドをギ ャ ッチベ ッ ドと い い ます.こ 態 か ら座 位 の 状 態 ま で背 中 を動 力 で持 ち 上 げ る場 合,背 す.こ

の ベ ッ ドに寝 て い る状

中 や臀 部 に圧 迫 を 感 じま

の と き の 背 中 や臀 部 に加 わ る力(圧 迫 力)を 測 定 す る た め に2軸 の 平 面 型荷

重 変 換 器 を 開 発 し ま した.2軸 押 す 力 測 定 用 で す.も

の うち1軸 は背 中 や臀 部 が ベ ッ ドに対 し て 直 角 に

う一 方 の 軸 は,背 中 が 持 ち上 が っ て くる と 身体 は ベ ッ ド縦

方 向 に わ ず か な ず れ が 生 じる の で,そ

の ず れ に よ る力(せ ん 断 力)を 測 定 す る た

め の も の で す.   図6.11は,2軸

平 面 型 荷 重 変 換 器 を3個 つ な げ た様 子 を示 し ます.こ

面 型 荷 重 変 換 器 を 図6.12に 示 す よ うに臀 部 に設 置 しま した.図6.11の 面 型 荷 重 変 換 器 の 幅 を小 さ く短 冊 状 に した 理 由 は,ベ

の図の平 よ うに 平

ッ ドの 湾 曲 に で きる 限 り添

図6.11  2軸 荷 重 変換 器3台 つ な げ た荷 重 変換 器

図6.12  ギ ャ ッ ジベ ッ ドの背 部、臀 部 の圧 迫 力測 定実 験 の様 子

う よ う に す る た め で す.背

中 の力 を測 定 す る 大 型 平 面 型 荷 重 変 換 器 は,図6.11

に示 した 平 面 型 荷 重 変 換 器 と同 じで,サ す.

イズ を40cm×40cmと

大 き く した も の で

  2軸 が 測 れ る 理 由 は 次 の よ うで す.正 4個 使 用 して い ます.四

方 形 断面 の 鋼 材 を起 歪 材 と して,そ

隅 に 設 置 す る起 歪 材 の う ち の2個 に は 表 面 に,残

れを る2個

に は 裏 面 に ひず み ゲ ー ジ を貼 付 し,そ れ らで4ゲ ー ジ法 を構 成 し垂 直 方 向 力 測 定 用 と し て い ます.こ

の 部 分 の動 作 原 理 は 前 述 の とお りで す.一

方,ず

れ 方 向(水

平 方 向)の 力 を測 る た め に,正 方 形 断 面 の起 歪 材2個 に は前 後 方 向 の 前 方 向(前 述 の 垂 直 方 向 に対 し90° 方 向)に,残 付 して あ り ます.こ

る起 歪 材2個 に は後 方 向 に ひ ず み ゲ ー ジ を貼

れ ら4枚 の ひ ず み ゲ ー ジ で4ゲ ー ジ法 を構 成 し水 平 方 向力 測

定 用 と して い ます.ベ

ッ ドに対 して 垂 直 方 向 力 の 校 正 は,平 面 型 荷 重 変 換 器 上 に

既 知 重 量 物 をの せ て 行 い ま した.一 方 の 水 平 方 向 力 の 校 正 は,底 板 を固 定 し上 板 を既 知 の 力 で 引 張 っ て 行 い ま した.   被 験 者 が ベ ッ ドに の る 前 に ひず み 測 定 器 の バ ラ ンス を と り ます.次 は ベ ッ ドに仰 臥 位 に な り ます.ベ

に,被 験 者

ッ トの 背 中 部 を持 ち 上 げ て い き,そ の 角 度 が

60° に な っ た と ころ で 停 止 し ます.こ

の 状 態 で看 護 者 が 患 者 役 の被 験 者 の 背 中 を

軽 く抱 い て ベ ッ ドか ら背 中 を 一 瞬 離 し ます.こ の 一 連 の様 子 を測 定 記 録 した 様 子 が 図6.13で す.時

間0秒 時 点 に お い て す で に 荷 重 が 約200N(約20kgf)現

ます.こ

ッ ドに の る前 に バ ラ ンス を と り,そ れ か ら臥 床 し ま した の で ,

れ は,ベ

れてい

設 置 した 平 面 型 荷 重 変 換 器 に臀 部 付 近 の 身 体 部 位 が ふ れ そ の 重 量 が 約200Nを

図6.13 臀 部 に加 わ る垂 直 力 と水 平力 の測 定 例

指

示 して い る の で す.ベ て い ます.被

ッ ドの 背 上 げ と と も に徐 々 に 垂 直 力,水

平 力 と もに 増 加 し

験 者 の 背 中 を 一 瞬 抱 き起 こす と,水 平 力 は 急 に1/2に 減 少 し ます.

も し,こ の よ うな 抱 き起 こ しを行 わ な け れ ば,被 験 者 の 背 中 に は,ベ 上 体 が 起 こ され た ま ま 約160Nの

ず れ力 が か か り っ ぱ な しで す.こ

ッ ドの力 で

れ まで こ う し

た 目に み え な か っ た 内 部 の 力 が ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 した 平 面 型 荷 重 変 換 器 で分 か る よ う に な り ま し た.

6.5  臥床者抱 き起 こ し時 の手 に加わ る力 の測 定   手 に加 わ る 力 を測 る平 面 型荷 重 変 換 器 を紹 介 しま し ょ う.手 を親 指 部,4指

部,

手 の ひ ら部 の3部 位 に分 け手 の 力 が 測 定 で きる 手 力 変 換 器(平 面 型 荷 重 変 換 器)を 作 製 しま した.図6.14(a)は,そ

の概 要 で す.図

よ り分 か る よ う に,形 状 は 異 な

り ます が,動 作 原 理 は 図6.2に 示 した 平 面 型 荷 重 変 換 器 と同 じで す.こ 荷 重 変 換 器 を使 用 し,臥 床 者 を抱 き起 こ した 場 合,図6.14(b)に 定 結 果 が 得 られ ま した.こ 臥 床 者 体 重 の 約25%で

示 した よ う な測

れ よ り,臥 床 者 を抱 き起 こす た め に看 護 者 が だ す 力 は

あ る こ とが 分 か りま した.つ

を抱 き起 こす に は 約15kgfの

の平面型

ま り,体 重60kgfの

臥床者

力 が必 要 で あ る とい う こ と で す.

6.6  重 量物 の移 動動作   重 量 物 を右 か ら左 へ あ る い は そ の 逆 に運 ぶ こ と は よ く行 わ れ ます.そ 力 の 変 動,重

心 移 動 を 求 め ま した.床

(装 着 で き る)よ う に して あ りま す.起

反 力 計 は,靴

を 右 か ら左 へ 移 動 させ る動 作 を示 し ます.こ す.左

の よ う に左 右 別 々 に履 け る

歪 材 は左 右 の か か と とつ ま先 に 分 け,左

右 合 計4箇 所 の 力 を測 定 し ま した.図6.15は,体

図6.16(a)で

の と きの

重70kgfの

人 が10kgfの

重量物

の と き得 られ た 力 の 測 定 デ ー タが,

右 の足 の 力 デ ー タが 混 在 し,分 か りに くい の で,そ

れ らの合

成 力 を求 め て み ま し た.そ の 力 は 図 中 で 一 番 大 きな 曲線 で す.測 定 記 録 中 で荷 重 が 交 差 す るの は,物 体 を右 か ら左 へ 移 動 させ て い るか らで す.足 が 置 か れ た位 置

(a) 手 力変 換 器

(b) 手 力 の 測 定結 果 例 図6.14  手 の力 が 測 れ る荷 重 変換 器

は分 か っ て い る の で,そ

れ と測 定 さ れ た 荷 重 に よ り重 心 を求 め る と,図(b)の

う に きれ い に物 体 を 移 動 させ る 場 合 の重 心 軌 跡 を 求 め る こ とが で き ま した.

よ

(a)  右 側 か ら持 ち 上げる

(b)  胸 元 で保 持 する

(c) 左 へ 移 動 させ, 再 度 右へ 移 動 を 開始 す る

図6.15  重 量 物 の移 動 実験 風 景

  以 上,ひ

ず み ゲ ー ジ 応 用 に つ い て 筆 者 が 行 っ た実 験 例 を 第5章,第6章

て 説 明 しま した.こ 時 の 手 力 測 定,い

こ で 述 べ た ほ か に も注 射 器 の圧 力 測 定,乳

にお い

幼児 モデルの沐浴

す に着 座 す る と きの 衝 撃 力 の測 定,坐 剤 の 挿 入 力 の測 定,臥 床

者 の臀 部 持 ち上 げ 力 の測 定 な どい ろ い ろ とひ ず み ゲ ー ジ を応 用 し た実 験 的 研 究 を 実 施 して い ます.   この よ う な 変 換 器 の 試 作 が で き る よ う に な る と,さ 広 が り ます.例

らに ひ ず み ゲ ー ジの 応 用 は

え ば,製 品 を作 っ た はい い が壊 れ や す い とい う よ うな 場 合,あ

い は頑 丈 す ぎて 重 い の で ス リム に し た い とい う よ う な場 合 が あ り ます.そ な 場 合,ひ

る

の よう

ず み ゲ ー ジ を対 象 物 に 貼 付 し,所 定 の 力 を所 定 の 場 所 に 加 え ひ ず み を

測 定 す る の で す.大

き な ひず み が で な け れ ば,そ

の製 品 は 丈 夫 で あ る とみ て よい

で し ょ う.   ま た,滑 走 中 の ス キ ー の板 や ス ケ ー トの 金 属 部 分 に どの く らい の 力 が 作 用 して い る の か を知 りた い 場 合 が あ ります.こ

の よ う な場 合 は,知

ゲ ー ジが 貼 れ れ ば そ の 場 所 の ひ ず み(応 力)は 求 ま り ます.あ

りた い 箇 所 に ひず み らか じめ 力 と ひず

み の校 正 を行 っ て お け ば,そ の 場 所 に作 用 す る力 も求 ま ります.い

までは リュ ッ

ク に背 負 っ て 移 動 で き る軽 量 な測 定 器 が 手 に入 り ます の で そ れ を 背 負 っ て 実 験 す

(a) 重量 物 移 動 時 の床 反 力

(b) 重 心 軌 跡 図6.16  重 量 物移 動 時 の 床 反力 と重 心 軌跡

る こ と も可 能 です.   筆 者 が 担 当 した放 送 大 学 の計 測 と制 御 とい う科 目 にお い て,竹 馬 で 足 ぶ み す る 場 合 の 脚(金 属 製)に ひず み ゲ ー ジ を貼 っ て 力 を 目 に 見 え る よ う に し て放 送 した こ とが あ ります.竹

馬 に の って 歩 き脚 が 接 地 す る と ひず み(脚 の 力)が 現 れ ます .

そ の ひ ず み 変 化 をペ ン書 き記 録 計 に 出 力 し受 講 生 に ひ ず み の 意 味 を講 義 した番 組 で す.ま

た,こ れ も同 じ番 組 中 の実 験 で した が,釣

ざ お の根 元 に ひ ず み ゲ ー ジ を

貼 り,魚 が か か っ た と き に さ お が しな る様 子 を ひず み と して 記 録 計 に 表 示 した こ と もあ り ま した.   人 間 の動 作 を研 究 す る都 合 上,そ

れ に見 合 っ た 平 面 型 荷 重 変 換 器 開発 の 必 要 性

に 迫 られ た お 陰 で い ろ い ろ と力 変 換 器 を試 作 し ま し た.大

き な力 が 作 用 す る 船

舶 ・航 空 ・鉄 道 ・車 両 ・車 ・機 械 ・土 木 ・建 築 ・輸 送 設 備 な どの 安 全 性 確 保 の た め に,ひ ず み ゲ ー ジ は活 用 され て い ます.そ の 動 作 や 生 活 に関 係 す る ス ポ ー ツ,人

れ ら に加 え,ひ ず み ゲー ジ は,人

間工 学,バ

間

イ オ メ カ ニ ズ ム な ど広 い 分 野 に

応 用 可 能 な セ ンサ で あ る と筆 者 は思 っ て お ります.ひ ず み ゲ ー ジ を上 手 に活 用 し, こ れ か ら もよ りよい 研 究 成 果 を あ げ る よ う心 が け た い と念 じて お ります.

第7章

 機械 量の応 用計測

  第5章,第6章

で は手 軽 に 自作 で き る ひ ず み ゲ ー ジ 応 用 の 変 換 器 の 例 を い くつ

か 紹 介 し ま した.自 作 変換 器 は,あ る研 究 の 目的 だ け と か そ の 場 しの ぎ的 な機 械 量 測 定 に対 して そ の 目的 は 達 成 で き ます.し か,そ

か し,測 定 値 を 正確 に要 求 され る と

の 測 定 値 を商 取 引 に 使 う とい う よ う な場 合 は,手 作 り変 換 器 で は そ の 信 頼

性 は危 ぶ ま れ ます.こ

の よ う な場 合 は,正

し く検 定 を受 け た 変 換 器 を使 用 して 測

定 をす る必 要 が あ ります.本 章 で は,入 手 可 能 な ひ ず み ゲ ー ジ式 変換 器 を紹 介 し, そ れ ら を用 い た 応 用 計 測 に つ い て述 べ ます.

7.1 

引張力,圧 縮力,ね じり力の荷重変換器(荷 重計,ロ ー ドセル)

  本 来 の ひず み ゲ ー ジ は 試 験 構 造 物 な ど に直 接 貼 っ て,そ び(ひ ず み)を 測 るセ ンサ で あ る こ とは,第1章,第2章

の 測 定 対 象 の微 小 な の

で 述 べ ま した.ひ

ずみ ゲ

ー ジ を 弾 性 体 に 貼 っ た場 合 ,そ の弾 性 体 に加 わ る 力 に比 例 す る ひず み が測 定 で き ます.つ

ま り,ひ ず み ゲ ー ジ とい うの は弾 性 体 に力 が 加 わ りそ れ が 変 形 す る と,

そ の 変 形 を ひず み とい う形 で 測 定 で き る セ ンサ な の で す.こ

こ で,加

え た 力 は,

弾 性 体 の 変 形,ひ

ず み ゲ ー ジの 抵 抗 変 化,電

ます.こ

→ 変 位 → 電 圧(ひ ず み に対 応)と い う よ う に 物 理 量 が 順 次 変 換

れ は,力

され て い る わ け で す.こ

圧 変 化 と い う具 合 に変 換 され てい き

う した い くつ か の 物 理 量 変 換 過 程 を経 ます が,力

み に比 例 す る とい う弾 性 体 の 特 徴 を上 手 に利 用 す る こ とに よ って,ひ て 力 を 知 る とい う こ とが で き る の で す.こ の こ とは,こ

は ひず

ず み を測 っ

れ まで 繰 り返 し述 べ て き

ま した.   ア マ チ ュ ア が 作 る 荷 重 変 換 器 の 容 量 は,100kgf以 100kgfを

下 で し ょ う.そ の 理 由 は,

越 え る と荷 重 変 換 器 の校 正 が 困 難 に な る か ら で す.と

ころが変換 器 メ

ー カ は荷 重 試 験 機 を保 有 して い ます の で ,そ の 試 験 機 を用 い て何 トン とい う よ う な大 きな荷 重 を荷 重 変 換 器 に加 え校 正 を行 う こ とが で き ます.大

き な力 や 重 量 測

定 が 必 要 な 大 型 機 械 装 置 や構 造 物 の研 究 ・開 発 ・試 験 ・検 査 な ど に は ひ ず み ゲ ー ジ メ ー カ が 製 造 した 大 容 量 荷 重 変 換 器 が 幅広 く使 用 され て い ます.

1  引張力の測定   図7.1は,引

張 力 を測 定 す る た め の 引 張 荷 重 変 換 器 で す.図

の 真 ん 中 に位 置 し

て い る のが ひ ず み ゲ ー ジ式 引 張 型 変 換 器 の本 体 で す.変 換 器 の上 端 に は 吊 り輪 が

図7.1  引張 型 荷 重 変換 器(引 張 型 ロー ドセ ル)

下 端 に は フ ッ クが 取 り付 け られ て い ま す.引 張 荷 重,圧

縮 荷 重 を測 る荷 重 変 換 器

は荷 重 計(ロ ー ドセ ル)と もい い ま す.   図7.2(a)は2人

の 綱 引 き場 面 で す が,こ の と き使 う ロー プ の 引 張 力 は,図 の よ

う に 引 張 型 荷 重 変 換 器 を 使 う こ と に よ っ て 測 定 す る こ とが で き ま す.ま (b)に 示 す よ う に"ロ ます.こ

ー プ"と

た,図

い う要 素 の 引 張 強 度 試 験 を行 う よ うな 場 合 もあ り

の 図 の よ う に荷 重 計 を設 置 す る と ロー プが 破 断 す る と きの 最 大 力 が 測 定

で き ます.ロ

ー プ メ ー カ は き ち ん と した 引 張 試 験 機 を用 い ま す が,こ

りや す い よ う に 自動 車 で 綱 を引 く様 子 を示 しま した.こ

こでは分か

こ で,破 断 す る こ との な

い 丈 夫 な ロー プ を使 用 す る な ら,ロ ー プ 張 力 が あ る力 に達 す る と 自動 車 タイ ヤ は す べ り始 め る で し ょ う.そ うす る と これ は ロー プ の 強 度 試 験 で は な く,自 動 車 タ イヤ の す べ り試 験 が 行 え る こ と に な ります.つ

ま り,地 面 状 況 に も よ り ます が,

あ る 地 面 に対 す る タ イ ヤ の ス リ ップ 開始 時 の牽 引 力 が 測 定 で き る と い う わ け で す.

(a) 綱 引 きの ロー プ 張力 測 定

(b) ロ ー プ強 度試 験 図7.2  引 張 荷重 変 換 器 の応 用

  図7.2は ロ ー プ 張 力 を測 定 す る と い う簡 単 な 引 張 荷 重 変 換 器 の応 用 例 を示 し ま した が,一 般 に は,荷 重 変 換 器 の取 り付 け 方 法 に は 工 夫 と注 意 が 必 要 と な り ます. ま た,荷 重 の 大 き さ(測 定 最 大 荷 重),荷 器 の 数(1個 か 複 数 個 か),固

重 の 方 向(引 張 りか 圧 縮 か),荷

重変換

定 方 法 な ど を考 え荷 重 変 換 器(荷 重 計)を 選 定 す る

必 要 が あ ります.試 験 あ る い は検 査 す る対 象 物 に 要 す る荷 重 の 大 き さ が,細

いひ

もの よ うに 弱 い もの な の か,船 舶 を 繋 留 す る よ う な太 くて 丈 夫 な ロ ー プ な の か に よ って,荷

重 変 換 器 の 容 量 を選 択 し な け れ ば な りませ ん.あ

らゆ る力 を1個 の 荷

重 変 換 器 で 測 る こ と は で き ませ ん の で,測 定 対 象 の 容 量 に合 わ せ て 荷 重 変 換 器 を 選 定 す べ きで す.   図7.3は,ク

レ ー ンで 重 い荷 物 を持 ち上 げ る場 合 の 重 量 測 定 に引 張 型 荷 重 変 換

器(ロ ー ドセ ル)を 応 用 し た例 を示 し ま す.図(a)の

よ う に荷 物Mに

近 い ところ

に荷 重 変 換 器 を装 着 す る と荷 物 は上 下 し ます の で,荷 重 変 換 器 か らで て い る リー ド線 も上 下 し作 業 の じ ゃ ま に な ります.そ

こ で,図(b)の

よ う に 台 車 に荷 重 変 換

器 を装 着 す る と,ロ ー プ に 吊 る した荷 物 が 上 下 して も荷 重 変 換 器 か らで て い る リ ー ド線 は じ ゃ ま に な り ませ ん.し か し,図(a)で た が,図(b)で

は引 張 荷 重 変 換 器 を 使 用 し ま し

は 圧 縮 型 荷 重 変 換 器 を使 用 す る こ とに 注 意 しま し ょ う.

(a) 荷 重 変換 器 の 取 り付 けに 注 意

(b) 台 車 に取 り付 けた 荷 重変 換 器

図7.3  荷 重 変 換 器 の ク レー ンへ の 応 用

2  圧縮力の測定   規 定 の荷 重 に対 し規 定 の ひ ず み が 得 られ る よ う に ひ ず み 式 荷 重 変 換 器 は い ろい ろ と工 夫 が な され て い ます.図7.4(a),(b)は,圧 図(c),(d)は

縮 型 荷 重 変 換 器 の構 造 例 を,

そ の圧 縮 型 荷 重 変 換 器 の 外 観 例 を 示 し ます.い

加 え る位 置 は 中央 で,そ

こ に加 わ る荷 重,つ

ず れ の 図 で も荷 重 を

ま り集 中荷 重 の 測 定 が で き ま す.こ

の よ う な圧 縮 型 荷 重 変 換 器(ロ ー ドセ ル)を1個

で 使 用 の 場 合 は,図7.5(a)に

示

す よ うに材 料 や 物 体 の 圧 縮 強 度 試 験 を行 う際 の 荷 重 測 定 に よ く使 用 され ま す.し か し,物 の 重 量 を測 る よ う な場 合 は,以 下 に述 べ る よ う に複 数 個 の荷 重 変 換 器 が 必 要 とな ります.   物 の重 量 を測 る場 合 は,そ の 物 を受 け止 め る面 が 必 要 で す.そ

こで床面 に荷重

変 換 器 を3個 以 上 並 べ そ の 上 に板 をの せ た構 造 にす る 必 要 が あ ります.そ

の板 の

上 に測 定 すべ き物 体 を の せ る と,設 置 した 数 の 荷 重 変 換 器 で 求 ま る 測 定 値 の合 計 が 物 体 の 荷 重 に な り ます.荷

重 変 換 器 を 使 用 し物 体 の 重 量 を測 定 す る 場 合 に は,

上 述 した例 の よ う な工 夫 が 必 要 で す.   図7.5(b)は,荷

物 を積 ん だ トラ ッ ク積 荷 重 量 を測 る た め に圧 縮 型 荷 重 変 換 器

を 応 用 した例 で す.ト 変 換 器 が 配 置 し ます.設

ラ ッ ク を の せ ら れ る 強 度 を もつ 鉄 板 の 四 隅 下 に 圧 縮 型 荷 重

体 重 量 です.そ

置 した複 数 個 の荷 重 変 換 器 で得 た荷 重 合 計 が トラ ッ ク全

の 荷 重 合 計 か ら トラ ッ ク 自重 を 引 け ば積 載 重 量 が 分 か ります.

  圧 縮 型 荷 重 変換器 を使 っ てお も しろ い研 究 を行 っ た こ とが あ りま す の で,こ で 紹 介 し ま し ょ う.図7.6(a)は"飛

び 降 りて も助 か る研 究"と

名 付 け,机

こ

の上

か ら床 に飛 び 降 り実 験 を行 っ た と きの 様 子 を示 しま す.こ れ は床 面 に3個 の 荷 重 変 換 器 を配 置 し,そ の 上 に 厚 い板 を置 き ま した.そ の 板 の上 に 向 か っ て机 の上 か ら飛 び 降 りる とい う実 験 で す.図(b)に

示 した よ う に,急 激 な床 反 力 の 変 化 が観

測 で き ま した.こ の と き接 地 直 前 に 両 脚 を う ま く屈 曲 させ る と衝 撃 力 は か な り緩 和 で き ま す.し

か し,脚 の 屈 曲 が う ま くい か な い と衝 撃 力 は非 常 に大 き くな り,

頭 ま で そ の 衝 撃 は伝 わ り ます.図

中 に 熟 練 者 の デ ー タ も示 し ま し た.こ れ は研 究

担 当 者 の 飛 び 降 りで あ っ て,何 度 も飛 び 降 り実 験 を行 っ た結 果,図 示 した よ うに

(c)

(a)

(d)

(b) 図7.4  圧縮 型 荷 重変 換 器(圧 縮 型 ロー ドセ ル)内 部 構 造 と外 観

飛 び 降 り時 の 衝 撃 力 が 現 れ な くな りま した.慣 れ る と この よ う に静 か に着 地 で き る の で す.

(b) 車 両重 量 の測 定

(a) 圧縮 試 験

図7.5  圧 縮 型 荷 重変 換 器 の応 用 例

(a) 実験 の様 子

(b) 実験 結 果の 例 図7.6  飛 び 降 りて も助 か る研 究

3  トルクの測定   図7.7は 回 転 体 の トル クが 測 れ る ひず み ゲ ー ジ 式 トル ク変 換 器 の基 本 を示 し ま す.こ

こ で トル ク とい う の は,回 転 体 を 回 そ う とす る 能 力 を い い,回 転 中心 か ら

力 が 作 用 す る 位 置 まで の 距 離Lと そ こ に作 用 す る 力Fの 積τ(τ=FL〔Nm〕)と 定 義 さ れ て い ます.駆 ります.こ

して

動 側 で あ る駆 動 機(エ ン ジ ンや モ ー タ)が 回 る と負 荷 も回

の駆 動 機 の 駆 動 力,つ

換 器 が 使 用 さ れ ま す.図7.8(a)は,ト

ま り トル ク を測 定 した い と い う場 合 に トル ク変 ル ク変 換 器 の 使 用 例 を 示 し ます.図 示 し

た よ う に 原 動 機(駆 動 機)と 負 荷 との 間 に トル ク 変 換 器 を 装 着 し ます.ト

ル ク変

換器 に は ひ ず み ゲ ー ジ が貼 付 さ れ て い ます の で,回 転 体 が 回 る と そ の トル ク変換 器 も 回 り,ひ ず み ゲ ー ジ か らの 電 線(リ ー ド線)は か ら ん で し まい ま す.そ

れを

避 け る た め に 図7.7に 示 し た よ う に,ト ル ク変 換 器 の 中 に 回転 リ ン グ と ブ ラ シか らな る ス リ ッ プ リ ン グが 組 み 込 まれ て い ます.こ

れ は 回 転 体 に貼 付 さ れ た ひ ず み

ゲ ー ジ か らの 電気 信 号 を取 り出 す た め の 摺 動 要 素 で す.こ

の ス リ ッ プ リ ング(摺

動 要 素)を 使 用 す る こ と に よ っ て 回 転 軸 に貼 付 さ れ た ひ ず み ゲ ー ジ か らの トル ク 信 号(電 気 信 号)は,ス

リ ッ プ リ ン グ を 介 して 取 り出 す こ と が で き ます.そ

の信

号 を ひ ず み 測 定 器 へ と導 き,ひ ず み を測 り,そ の ひ ず み に対 応 す る トル クが 最 終 的 に求 ま る の で す.

図7.7  トル ク変 換 器 とス リ ップ リン グ内 部構 造

  図7.8(b)は

自動 車 の ハ ン ドル や 回転 操 作 用 の ハ ン ドル トル ク を求 め る場 合 の

トル ク変 換 器 の 応 用 例 を示 します.ハ の ハ ン ドル操 作 トル クは,ス は,図(b)の

ン ドル 回 転 角 度 が そ れ ほ ど大 き く ない 場 合

リ ップ リ ン グ を使 用 し な くて も測 定 で きま す.そ れ

よ う に あ らか じめ 回転 す る方 向 と は逆 方 向 に余 分 に 電 線 を 巻 い てお

け ば よい の で す.そ

うす れ ば,巻 い て あ る電 線 を戻 す 方 向 に 回 す の で,そ

電 線 が 巻 きつ く とい う こ とは あ りませ ん.こ グ な しで,こ

うす る こ とに よっ て,ス

こには

リ ップ リ ン

れ まで の荷 重 測 定 同様 に リー ド線 を ひ ず み測 定 器 へ 直 接 接 続 す れ ば

トル ク測 定 は 可 能 と な り ます.

(a)  トル ク変 換 器 に よ る動 力 測 定

(b)  操 作 トル クの測 定 図7.8  トル ク変換 器 に よ る トル ク測 定

7.2 

圧 力,変

  7.1節 で は,主

位,加

速度の変換器

に 力 を測 定 す る ひ ず み 式 変 換 器 を紹 介 し ま した.圧

加 速 度 も力 に 関係 します.つ

力,変

位,

ま り,圧 力 は単 位 面 積 あ た りの力 で す.変 位 は物 体

に力 が作 用 して 生 じる微 小 距 離 です.加

速 度 は物 体 に力 が 作 用 して 動 くた め に 生

じる速 度 の 変 化 率 で す.圧 力,変

速 度 い ず れ の変 換 器 もひ ず み ゲ ー ジ を応

用 した 変換 器 で す.こ

位,加

れ ら変 換 器 に使 用 され て い る起 歪 材 に力 が 作 用 す る とひ ず

み が 生 じ,そ の ひず み を測 定 す る と い う とこ ろ に ひず み ゲ ー ジ式 変 換 器 の 共 通 点 が み られ ます.こ

こ で は こ れ らひ ず み ゲ ー ジ式 変換 器 につ い て,そ

の構 造 と応 用

に つ い て説 明 し ます.

1  圧力の測定   圧 力 とい っ て も,水 圧 ・油 圧 ・空 気 圧 ・ガス 圧 ・土 圧 な どが あ ります.圧 定 に は,液 体 タ ン ク内 で 圧 力 変 動 が な い よ う な静 的 圧 力 の 測 定,荒

力測

海 で動 揺 す る

船 の 底 に 加 わ る よ う な動 的圧 力 を測 定 す る よ う な場 合 が あ ります.ま

た,高 圧 の

測 定 か低 圧 の 測 定 か な ど,圧 力 測 定 の 目的 に よっ て 使 用 す る圧 力 変 換 器 は異 な っ て き ます.   図7.9は,い

ろ い ろ あ る圧 力 変 換 器 の例 を示 し ます.受 感 部 は 薄 い 膜 で そ の裏

面 に ひず み ゲ ー ジが 貼 付 さ れ て あ り ます.図7.10(a)は,液

体 を入 れ た 円 筒 状 の

大 型 タ ン ク底 面 に 圧 力 変 換 器 を装 着 した 様 子 を示 し ます.タ

ン ク底 面 積 と液 体 密

度 が 分 か って い る な ら,タ ン ク底 の圧 力 を測 定 す る と,タ 積 を 求 め る こ とが で き ます.つ

ンク 内 の 液 体 重 量 や 容

ま り,圧 力 は単 位 面 積 あ た りの 力 で す か ら,測 定

した圧 力 に 底 面 積 を掛 け れ ば タ ン ク底 面全 体 にか か っ て い る力 が 分 か り ます .こ の 力 は液 体 重 量 に対 応 し ます の で,こ い う わ け です.図(b)は,湖

の重 量 を液 体 密 度 で 割 る と容 積 が 求 ま る と

や ダ ム の 底 に圧 力 変 換 器 を設 置 した 様 子 を 示 します .

水 位 の 変 化 を 遠 隔 地 に お い て 測 定 す る こ とが で き ます.   図7.11(a),(b)は,超 換 器 は,図(c)の

小 型 圧 力 変 換 器 を示 しま す.こ

の よ う な小 さ な圧 力 変

よ う に椅 子 の座 面 や ベ ッ ドシ ー ツ 面 に超 小 型 圧 力 変 換 器 を散 り

(a) 圧 力 変換 器 の 内部構 造

(b) 高圧 圧 力 変換 器

(c) 低 圧圧 力 変換 器 図7.9  圧 力変 換 器

(a)  タ ンク の圧 力 測 定

(b) 水 圧 の 測 定 図7.10  圧 力 変換 器 の 応 用例

ば め ます.そ

うす る と,着 座 時 の臀 部 圧 力 分 布 や 臥 床 時 の 背 面 圧 力 分 布 を測 定 す

る こ とが で きま す.何 年 か 前 に な りま す が,人

間が 寿 司 を に ぎる場 合 の ご飯 の圧

力 と,寿 司 ロ ボ ッ トが ご飯 を圧 す る と きの 圧 力 を こ の小 さ な圧 力 計 で 測 定 した こ とが あ ります.こ

の よ う に人 間 と機 械 の に ぎ り方 の 相 違 を圧 力 変 換 器 で 調 べ る こ

と もで き る の で す.以 上 述 べ た ほ か に も,圧 力 変 換 器 は,水 流 の変 動 圧 力,パ プや シ リ ン ダ ー 内 の 圧 力 な どが 測 定 で き ます.そ

の測 定 に対 して,圧 力 変 換 器 の

取 り付 け 方 法 や取 り付 け 場 所 に は 十 分 な注 意 が 必 要 で す.

(a) 超 小 型圧 力 変 換器 のい ろ い ろ

イ

(b) 超小 型 圧 力 変換 器

(c) 超小 型圧 力 変 換 器 の応 用例 図7.11  超 小 型圧 力 変 換 器 の外 観 と応 用 例

2  変位の測定   図7.12は,ひ

ず み ゲ ー ジ と ば ね を応 用 した 変 位 変 換 器 で す.円

る細 長 い丸 棒 が あ りま す が,こ

筒 内 を貫通 す

の棒 の 中 間 に ば ね 端 が 固定 され て い ま す.ば

ねの

も う一 方 の 端 は,ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 した 片 持 ば りの 起 歪 材 に 取 り付 け ら れ て い ます.丸 棒 が 右 方 に移 動 す る とば ね が 伸 び ます.そ の 伸 び 量 は 測 定 す べ き変 位 量 で も あ り ます.こ の ば ね の 変 位 量 に従 い,ひ ず み ゲ ー ジ を貼 付 した起 歪 材 の 一 端 は 引 張 られ ます.そ が 発 生 し ます.そ

うす る と起 歪 材 は た わ む の で,ひ

ず み ゲ ー ジ もた わみ ひ ず み

の ひ ず み 変 化 は,ば ね の 力 に,ま た,ば ね の 力 は棒 の 変 位 とそ

れ ぞ れ 関 係 づ け られ て い ます の で,結

局,ひ ず み を測 っ て 丸 棒 の 変 位xを 知 る こ

とが で き るの で す.   図5.22に ひず み ゲ ー ジ を応 用 し て変 位 が 簡 単 に 測 定 で き る こ と を示 し ま した. こ の 簡 易 変 位 計 を精 密 に し た 図7.13は,製 あ っ て,図

品 化 され た ク リ ッ プ型 変 位 変 換 器 で

は そ の 使 用 例 を示 して い ます.こ

変 位 変 換 器 と原 理 は 同 じで す.図7.13は

の 変 位 変 換 器 は,図5.22に

示 した

試 験 片 に ノ ッチ(切 欠 き)を い れ,そ

の

試 験 片 に荷 重 を加 えた 場 合 の ノ ッチ 間 隙 変 位 を測 る た め に使 用 した 例 で す.こ

の

図7.12  片 持 ば り とばね を応 用 した 変位 変換 器

図7.13  ク リ ップ型 変位 変 換 器 とそ の応 用 例

よ うな 既 製 の 変 位 変 換 器 を使 用 す る と,す で に 校 正 値 は 与 え られ て い るの で,測 定 ひ ず み に そ の 校 正 値 を掛 け る だ け で 変 位 が 直 ち に 求 ま り ます.

3 加 速度の測定   力 は加 速 度 に 質 量 を 掛 け て 求 ま り ます.そ あ っ て 始 め て 現 れ ま す.図7.14は,ひ を示 し ます.図

の 加 速 度 は,動

き(速 度)の 変 化 が

ず み ゲ ー ジ式 加 速 度 変 換 器 の 内 部 構 造 例

は片 端 を固 定 した片 持 ば りの 他 端 に質 量 が取 り付 け られ て あ る様

子 を示 し ま す.片 持 ば りが 曲 が る方 向(加 速 度 が か か る方 向)に,速 度)が 起 こ る と質 量 は動 き片 持 ば りが わ ん 曲 しま す.す が 発 生 し ます の で,そ

度 変 化(加 速

る と,片 持 ば りに ひず み

の ひ ず み を測 定 し加 速 度 を知 る とい うの が ひ ず み ゲ ー ジ式

加 速 度 変 換 器 の 動 作 原 理 で す.   図7.15は,既

製 の 加 速 度 変 換 器 の 概 要 を示 し ます.図(a)は1軸,図(b)は3

図7.14  加 速 度変 換 器 の構 造

(a) 1軸加 速 度変 換 器

(b) 3軸 加 速 度変 換 器

図7.15  加 速度 変 換 器 の外 観

軸 方 向 の 加 速 度 が 測 れ る もの で す.こ

こ で,1軸

ば,左 右(x軸)だ

け しか 測 れ な い 加 速 度 変 換 器 で す.3軸

け とか 前 後(y軸)だ

速 度 変 換 器 と い うの は,左 右,前

後,上

加 速 度 変 換 器 と い うの は,例

下 の3軸 方 向(x,y,z軸

え 加

方 向)の 加 速 度

が 同 時 に測 定 可 能 な変 換 器 で す.   図7.16(a)は,人

の手 で 動 か せ る小 さ な 台 車 を直 線 上 で 動 かせ る よ う に 製 作 し

た 実 験 装 置 で す.そ

の 台 車 に は1軸 の 加 速 度 変 換 器 が 装 着 され て い ます.図(b)

(a) 人 の手 の1次 元 動作 実験 装 置

(1) 左 右 動

(2) 前 後動

(3) 上 下動

(b) 1次元 加 速 度 の測 定 方法 図7.16  1次元加 速 度 の測 定 実験

は,台 車 を動 か す 実 験 の 様 子 を示 し ま す.図7.17は,そ した場 合 の 台 車 加 速 度 αで す.加 加 速 度 を積 分 す る と 速 度 が,も

速 度 は 実 験 に よ っ て 直接 求 ま ります.求 う一 度積 分 す る と変 位 が 求 ま ります.図

して 求 め た 速 度υ と変 位xも 示 し ま した.人 き をす る こ とが 多 い の で す.

の台 車 を人の手 で動か

間 は,こ

まった は,こ う

の 図 の よ う な な め らか な動

図7.17  人 の手 の加 速 度 測定 例(変 位x,速

  普 段,私 常,頻

た ち は,加

度υは計 算 に よる)

速 度 の 変 動(パ ター ン)を 見 る こ とは まず あ り ませ ん.日

繁 に 行 う何 気 な い動 作 で も,そ の加 速 度 が どの よ うに 変 化 して い る か を人

に 伝 え る こ とが で き る 人 は 少 な い と思 い ます.加

速 度 変 換 器 を 用 い る と,図

7.17に 示 した よ う な正 と負 に 変 化 す る加 速 度 曲 線(パ タ ー ン)を 求 め る こ とが で きる の で す.物 体 を動 か し,ま た止 め る とい う よ う な動 作 の 加 速 度 は,必 ず 図 の よ う な 曲 線 と な ります.こ

の 加 速 度 曲 線 と時 間軸 で 囲 ま れ た 面 積 に つ い て,正

面 積 と負 の 面 積 は 必 ず 等 しい とい うこ と も な か な か 気 が 付 き ませ ん.正 変 化 が 急 激 で,負 で,止

の

の加 速 度

の加 速 度 変 化 が な だ らか で あ る と,そ の 運 動 は 動 か し始 め が急

め る と きが ゆ っ く りで あ る とい う こ と も この 加 速 度 曲線 か ら直 ち に読 み 取

る こ とが で き ます.   落 下 す る物 体 と そ れ を受 け止 め る人 間の 腰 に 加 速 度 変 換 器 を 装 着 し,そ の 落 下 物 体 を受 け止 め た と きの 物 体 と腰 の 加 速 度 を 測 定 し ま した.図7.18は,測

定さ

れ た加 速 度 を 示 し ます.物 体 の 加 速 度 曲線 を よ く見 ます と,落 下 開始 前 の加 速 度 は,最

初1G(重

力 加 速 度)で あ っ た 値 が,落

な か に は っ き り と現 れ て い ます.そ 速 度 は3Gま

下 中 は0Gと

な る こ とが 測 定 結 果 の

して,物 体 が 腕 に捕 らえ られ る と,物 体 の加

で 急 激 に上 昇 し,同 時 に腰 の 加 速 度 も約0.8Gほ

ど上 昇 して い る こ と

が 分 か ります.腰

の加 速 度 も受 け 止 め 動 作 開 始 以 前 は重 力 加 速 度1Gが

かか って

い る の で す が,こ

こ で は ゼ ロバ ラ ンス を と り,受 け 止 め前 は0Gに

して あ ります.も

し も,図 の よ う に膝 の 曲 げ を行 わ ず に落 下 物 体 を受 け止 め る と,

な る よ う調 整

物 体 や足 腰 の 衝 撃 加 速 度 は か な り大 き くな りま す.加 速 度 計 が 壊 れ る お そ れ が あ り ま した の で,大

き な加 速 度 が 現 れ る よ う な実 験 は 行 い ませ ん で し た.

  自動 車 の 衝 突 実 験 の よ う に,走 行 して い た物 体 が 急 に止 ま る と,そ な力 が発 生 します.そ

こ に は大 き

の力 を測 る こ と は困 難 な こ とが 多 い の で す が,加

速 度 は比

較 的容 易 に測 る こ とが で き ます.自 動 車 関 係 で は,人 間 を模 擬 した ダ ミー 人 形 の 頭,肩,腰 て い ます.自

な どに加 速 度 変 換 器 を装 着 し,衝 突 時 に 人体 に加 わ る 加 速 度 を測 定 し 動 車 が衝 突 した 場 合 の 人 間 の 安 全 を確 保 す るた め に,こ

の よ う な加

速 度 の測 定 を行 い,運 転 者 や 搭 乗 者 に衝 突 時 の 傷 害 を与 え る こ とが 少 な い 車 の 開 発 が 行 わ れ て い ます.

図7.18  落 下 物 受 け 止 め 時 の物 体 と腰 の 加 速 度 測 定 例

おわ りに   ひ ず み ゲ ー ジ を用 い て ひず み や応 力 が 測 定 で きる こ と と,そ れ を応 用 した 各 種 変 換 器 につ い て 本 書 で解 説 しま した.動 力 は 機 械 力,電

気 力,風

くもの は必 ず 力 が 作 用 して い ます.そ

や水 流 な どの 自然 力,人

の

間 や 動 物 が 出 す 力 が あ ります.

こ う した 力 に よ り物 は 動 くの で,そ の 元 と な る力 が 測 れ る ひ ず み ゲ ー ジ は 筆 者 に とっ て,と

て も魅 力 的 で す.確

の もの は安 価 で す.ひ

か に ひ ず み 測 定 器 は 高価 で す が,ひ ず み ゲ ー ジそ

ず み 測 定 器 が1台 あ る と,ひ ず み ゲ ー ジ を い か に応 用 し物

理 現 象 を測 る か と い う こ と に興 味 が わ い て き ます.例

え ば,機 械 や 家 電 装 置 が が

た が た と音 を 立 て た とす る な ら,そ こ に は機 械 的振 動 が 発 生 して い る に 違 い あ り ませ ん.そ

の 振 動 体 に ひず み ゲ ー ジ を貼 付 す れ ば,振 動 の形,周

が 測 定 で き ます.そ

の 振 動 数 が 例 え ば50Hzと

波 数,振

幅 など

わ か る と,そ の 振 動 は交 流 電 源 に

関係 して い る の で は な い か とい う こ とが 推 測 で き ます.こ

の よ う に,ひ ず み ゲ ー

ジ は ひず み ・応 力 ・力 ・変 位 ・加 速 度 ・圧 力 とい う物 理 量 だ け を測 定 す る もの で は あ りませ ん.微 小 変 動 す る物 体 の 変 動 姿 が 読 み取 るの で,機 械 装 置 類 が 異 状 状 態 に 陥 っ た場 合 や 悪 影 響 を及 ぼ す 原 因 解 明 に も役 立 て る こ とが で き ま す.   ひ ず み ゲ ー ジ を応 用 して,目 で す.人

間 の 動 作 測 定 は,古

的 とす る物 理 量 が測 れ た 場 合 は,こ くは 写 真 撮 影 か ら始 ま って,映

ル ビデ オ と測 定 手 段 は 変 わ っ て きて い ます.そ

の 上 ない 喜 び

画 ・ビ デ オ ・デ ジ タ

れ に コ ン ピュ ー タ ・デ ジ タ ル ビ デ

オ ・デ ジ タル カ メ ラ の 普 及 が な され,比 較 的容 易 に 人 間 の姿 勢 や 運 動 中 の 姿 を記 録,解

析 す る こ とが で き る よ うに な りま した.ま た,筋 電 図 や 心 電 図 な どの 測 定

も容 易 に行 え る よ うに な りま した.し か し,人 間 が 押 した り引 い た りす る力 を直 接 測 る こ とは,そ

の測 定 手 段 が 困 難 な た め 思 う よ うな 測 定 は で き て い ませ ん.

  筆 者 が ひず み ゲ ー ジ を 人 間 の動 作 測 定 に応 用 し研 究 を行 っ て き て 以 来,10年 が 経 過 しま した.本 書 で 述 べ た よ う に不 完 全 で す が 人 が 作 業 を行 う場 合 に発 揮 す る 力 の 測 定 が 可 能 に な りま した.こ

こ に ひず み ゲ ー ジの 一 般 的 使 用 方 法 と合 わせ

て 自作 荷 重 変 換 器 に つ い て 解 説 した 次 第 です.本

書 の読 者 が こ こで 述 べ た ひず み

ゲ ー ジ の構 造 体 へ の応 用 あ る い は 高 齢 社 会 に お け る看 護 ・介 護技 術 に 関 す る動 作 研 究,看 護 ・介 護 支 援 機 器 開 発 の た め にお 役 に 立 つ な ら ば,望 外 の 喜 び で す.

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(特 別 号),1994. 3)  池 畑 弘,小

川 鑛 一:看

護 動 作 分 析 技 術 に 関 す る 研 究,日

川 鑛 一,小

野 寺 直 樹:看

本 人 間 工 学 会,31

(特 別 号),1955. 4)  池 畑 弘,小

護 動 作 計 測 技 術 に 関 す る 基 礎 研 究(3軸

フ ォ ー ス シ ュ ー ズ を 使 用 し た 看 護 動 作 に つ い て),日

本 人 間 工 学 会 誌,31(特

別 号),1995. 5)  小 川 鑛 一:看

護 の た め の 床 反 力 ・重 心 移 動 同 時 測 定 装 置 に 関 す る 研 究,財

団 法 人 姿 勢 研 究 所 調 査 報 告 書,1998. 6)  小 川 鑛 一,揚 る 研 究,第10回 7)  揚 妻 史 明,小 第19回

妻 史 明,森

谷 正 道:看

護の ための重 心測定 用 シューズ に関す

バ イ オ エ ン ジ ニ ア リ ン グ 講 演 会 予 稿 集,37‐38,1998. 川 鑛 一,加

藤 崇 洋:重

心 軌 跡 に よ る 看 護 動 作 評 価 に つ い て,

バ イ オ メ カ ニ ズ ム 学 術 講 演 会 予 稿 集,107‐110,1998.

8)  小 川 鑛 一,鶴

井 裕 介,浅

重 心 変 動 測 定 の 試 み,日

野 順 一,中

島 佳 緒 里:ベ

ッ ドか ら 起 居 す る 場 合 の

本 人 間 工 学 会 関 東 支 部 大 会 第30回

大 会,2000.

9)  浅 野 順 一,鈴

木 玲 子,國

澤 尚 子,小

型 変 換 器 の 開 発 と 測 定 例,第21回

川 鑛 一:看

護 動 作 中 の 手 力 測 定用 超 薄

バ イオ メ カニ ズム学 術 講演 会講 演予稿 集

(SOBIM2000),317‐319,2000. 10)  末 吉 明 日 花,綿

田 明 文,早

川 義 孝,大

久 保 祐 子,小

長 谷 百 絵,小

ベ ッ ド背 上 げ 背 下 げ 時 に お け る 背 圧 と ず れ に 関 す る 研 究,第21回 ニ ズ ム 学 術 講 演 会 講 演 予 稿 集(SOBIM2000),313‐316,2000 11)  小 川 鑛 一:手

川 鑛 一: バ イオメ カ

.

足 に 加 わ る 看 護 作 業 中 の 力 と 加 速 度 の 測 定 に つ い て,連

看 護 作 業 の 負 担 を 軽 減 す る 人 間 工 学 的 研 究[2],Quality

載:

Nursing,Vol.5,

No.6,65‐69,1999. 12)  小 川 鑛 一:看

護 に 役 立 つ ボ デ ィ メ カ ニ ク ス の 実 証,連

を 軽 減 す る 人 間 工 学 的 研 究[6],Quality

載:看

護作 業の負担

Nursing,Vol.5,No.10,100‐104,

1999.

第7章

 機械 量の応 用計測

1)  共 和 電 業:2000∼2001総 2)  小 川 鑛 一:手

合 カ タ ロ グ,共

和 ・電 子 計 測 器,2000.

足 に 加 わ る 看 護 作 業 中 の 力 と 加 速 度 の 測 定 に つ い て,連

看 護 作 業 の 負 担 を 軽 減 す る 人 間 工 学 的 研 究[2],Quality

載:

Nursing,Vol.5,

No.6,65‐69,1999. 3)  小 川 鑛 一:重

心 動 揺 に よ る 看 護 作 業 評 価 の 試 み,連

軽 減 す る 人 間 工 学 的 研 究[7],Quality

載:看

護 作 業 の負 担 を

Nursing,Vol.5,No.11,72‐77,

1999. 4)  小 川 鑛 一:飛

び 降 り て も 助 か る 研 究,連

間 工 学 的 研 究[4],Quality 5)  小 川 鑛 載:看

一:生

載:看

護 作 業 の負 担 を 軽 減 す る 人

Nursing,Vol.5,No.8,81‐85,1999.

き 物 固 有 の 滑 ら か な 動 き サ イ バ ネ テ ィ ッ ク モ ー シ ョ ン,連

護 作 業 の 負 担 を 軽 減 す る 人 間 工 学 的 研 究[10],Quality

Nursing,

Vol.6,No.2,72‐77,1999. 6)  小 川 鑛 一,平 究,日

野 聡,斉

藤 隆 文:飛

本 人 間 工 学 会 第22回

び 降 り着 地 時 の 身 体 衝 撃 緩 和 に 関 す る 研

関 東 支 部 大 会 講 演 集,51,1992.

7)  小 川 鑛 一,高

橋 秀 昌:飛

び 降 り着 地 時 の 身体 衝 撃 緩 和 に 関 す る 一 考 察,日

本 人 間 工 学 会 第21回 関東 支 部 大 会 講 演 集,79‐80,1991. 8)  小 川 鑛 一,森

政 弘:物 体 を持 っ た 上 肢 の 直 線 運 動 の 実 験 公 式,バ

ニ ズ ム12,121‐129,1980.

イオ メカ

索

引

ギ ャ ッチ ベ ッ ド 

■ あ行 ア ク ティ ブ ゲ ー ジ  圧 電 素 子 

22,26

起 歪 材 

94

62

4

圧 力 変 換 器 

44

ア ナ ラ イ ザ 

44

ク リ ッ プ型 変 位 変 換 器 

115

ゲー ジ 1ゲ ー ジ 法 

22

1次 変 換 情 報 

2

一 般 用 ひず み ゲ ー ジ 

36

1―

法 

22

2―

法 

22,28

4―

法 

22

ア ク テ ィ ブ― 

22,26

エ ネ ル ギ ー 制 御 形 セ ンサ 

3

一 般 用 ひ ず み― 

エ ネ ル ギ ー 変 換 形 セ ンサ 

3

温 度― 

28

高 温 用―  温 度 ゲ ー ジ 

28

温 度 ドリ フ ト 

36

37

抗 磁 性 用―  24

線― 

37 37

大 ひず み―  ■

か行

ダ ミ ー― 

荷 重 変 換 器  加 速 度 

9,69 116

加 速 度 変 換 器  片 持 ば り 

65

26

低 温 用― 

37

特 殊―  44

10

環 境 温 度 変 化  感 度 

37

箔― 

37 8,36

半 導 体―  24

37

複 合 素 材 ・プ ラ ス チ ッ ク用―  複 合 ひ ず み― 

38

37

 リ ー ド線 付 き― 

37

セ ンサ イ ン タ フ ェ ー ス ユ ニ ッ ト 

ゲ ー ジ ・セ ン タ ー マ ー ク  ゲ ー ジ 率 

8,35

け が き針 

15

17

セ ン タ ー マ ー ク 

増 幅 度 

64

測 定 対 象  高 温 用 ゲ ー ジ 

2

37

抗 磁 性 用 ゲ ー ジ  校 正 曲 線 

37

■ た行

30,63

校 正 値 

17,36

大 ひ ず み ゲ ー ジ 

19

37

タ コ メ ー タ ジ ェ ネ レー タ 

構 造 強 度 試 験 

52

ダ ミ ー ゲ ー ジ 

コ ン デ ィ シ ョン カ ー ド 

46

弾 性 

59

弾 性 係 数  ■ さ行

弾 性 体 

サ ー ミ ス タ 

26

50 59

5

材 料 強 度 試 験 

52

差 動 トラ ンス 

5

低 温 用 ゲ ー ジ 

37

動 的 ひ ず み 測 定 器  CdS 

5

特 殊 ゲ ー ジ 

シ ー ル ド線 

17

トル ク 

シ グ ナ ル コ ン デ ィ シ ョナ  出 力 感 度 

47

17

37 110

トル ク 変 換 器 

44,110

22,30 ■ な行

ス イ ッチ ボ ッ ク ス  ス キ ャ ナ 

20

2ゲ ー ジ法 

33 熱 電 対 

静 的 ひ ず み 測 定 器 

ゼ ロバ ラ ンス 

セ ンサ 

64

17

静 ひず み の 測 定 

線 ゲ ー ジ 

22,28

22

■ は行

19 37

2,10

破 壊 試 験 

21

箔 ゲ ー ジ 

8,36

バ ッ ク リ ン グ試 験 

エ ネ ル ギ ー 制 御 形― 

3

ば ね 定 数 

エ ネ ル ギ ー 変 換 形― 

3

半 導 体 ゲ ー ジ 

53

60 37

3

44

ホ イ ー トス トン ブ リ ッ ジ  ひず み 

6

一 般 用― 静―

ゲ ー ジ 

36

の 測 定 

静 的― 大―

18,24

■ ま行 マ ルチ コンデ ィシ ョナル

22

測 定 器 

 ク ラス タ シ ス テ ム 

17

ゲ ー ジ 

37

動 的―

測 定 器 

17

複 合―

ゲ ー ジ 

38

メ モ リ レ コ ー ダ 

ひ ず み ゲ ー ジ式 トル ク変 換 器  ひ ず み ゲ ー ジ式 変 換 器  引 張 荷 重 変 換 器 

110

41

44

■ や行 ヤ ン グ 率 

50

床 反 力 計 

13,80

4ゲ ー ジ 法 

22

81

フ ォ ー ス シ ュ ー ズ 

80

フ ォー ス プ レー ト 

13

複 合 素 材 ・プ ラス チ ッ ク 用 ゲ ー ジ 

37

複 合 ひ ず み ゲ ー ジ 

38

■

ブ リ ッ ジ ボ ッ ク ス 

10,18

リ ー ド線 付 きゲ ー ジ 

平 面 型 荷 重 変 換 器 

85

ロ ー ドセ ル 

変 位 変 換 器  変 換 器 

44,83 10

圧力― 

44

荷 重― 

9,69

加 速 度― 

44

ク リ ップ 型 変 位―  トル ク― 

115

44,110

ひ ず み ゲ ー ジ式― 

41

ひ ず み ゲ ー ジ式 トル ク―  引 張 荷 重― 

81

平 面 型 荷 重―  変 位― 

85 44,83

110

ら行

9,44

37

46



小 川 鑛一 学

歴 

早 稲 田大 学 第 二理 工 学 部卒 業(1963) リーハ イ大 学 工学 部 修 士課 程 修 了(1965) 工学 博 士(1985)

職

歴 

著

書 

航 空 宇 宙 技 術研 究 所 技 官 東京 工 業 大 学 工学 部 助 手 放 送大 学 助 教 授 東 京電 機 大 学 理工 学 部 教授 「 機 構 学 」 共 立 出版 「初 めて 学 ぶ 基礎 制 御 工学 」 共 著 東 京電 機 大学 出版 局 「初 め て学 ぶ 基礎 電 子 工学 」 東 京 電機 大 学 出 版 局 「初 め て学 ぶ 基礎 ロボ ッ ト工 学 」 共 著 東 京 電 機大 学 出 版 局 「初 め て学 ぶ 基礎 機 械 シス テ ム」 東 京電 機 大 学 出版 局 「看 護動 作 を助 け る 基 礎 人 間工 学 」 東 京電 機 大 学 出版 局

バ イオ メ カ ニ ズム ・ライ ブ ラ リー 人 と物 の 動 き の 計 測 技 術 −ひず み ゲ ー ジ とそ の応 用− 2002年12月10日

第1版1刷

発行

編 著

者  バ イオ メカニ ズ ム学 会 者  小 川 鑛 一

発 行 者  学 校 法 人  東 京 電 機 大 学 代 表 者  丸 山 孝 一 郎 発 行所  東 京 電 機 大 学 出 版 局 〒101‐8457 東京 都 千 代 田 区神 田錦 町2‐2 振 替 口座  00160‐5‐71715 電話 (03)5280‐3433(営 業) (03)5280‐3422(編 集)

印刷 三立工芸㈱ 製本 渡辺製本㈱ 装丁 右澤康之

〓 Society

of Biomechanisms

Japan 2002

Printed

in Japan

*無 断で 転 載 す る こ とを禁 じます 。 *落丁 ・乱 丁 本 はお 取 替 え いた し ます。 ISBN

4‐501‐41560‐6

C3050

東京電機大学出版局 出版物 ご案内 看護動作 を助ける

初 めて学ぶ

基 礎 人 間 工 学

基礎  制御 工学 第2版

小川鑛一 著 

森 政弘／小川鑛一 共著

A5判  242頁

看護者が患者 を看護 ・介助する際の 良好 な動作 に ついて,イ ラス トや図表を多 く用い て,人 間工学 の立場か らや さ しく解 説。

 A5判   288頁

初 め て 制 御 工 学 を学 ぶ 人 の た め に,多 岐 に わ た る 制 御 技 術 の う ち,制 御 の 基 本 と基 礎 事 項 を厳 選 し, わ か りや す く解 説 した もの で あ る 。

初めて学ぶ

初めて学ぶ

基 礎 機 械 シ ス テ ム

基 礎 電 子 工 学

小川鑛 一 著  A5判  168頁 初め て機械 システム を学ぶ人 のために,基 本的機 械要素 であるばね,ダ ンパ ー,質 量の組合せ機械 システムに対する運動方程式 の誘 導方法 と,そ れ らを解 くラプラス変換 につ いてわか りやす く解説。

小川鑛一 著   A5判  274頁 初めて学ぶ人 のために,電 子機器や計測制御 機械 な どの動作が理解 できる ように,基 礎的 な内容を わか りやす く解 説。 よ くわ か る

初めて学ぶ 基 礎  ロ ボ ッ

ト工 学

小 川 鑛 一 ／ 加藤 了 三 共 著  A5判   258頁 ロ ボ ッ トを こ れ か ら学 ぼ う と して い る 初 学 者 に対 し,ロ ボ ッ トとは 何 か,ロ ボ ッ トは どの よ う な構 造 ・機 能 を 持 ち,そ れ を動 か す 方 法 は い か にあ る べ きかを平易に解説。

工業 に関す る知識を習得 し,将 来エ ンジニアをめ ざす 人が共通 知識 として電気 ・電子 の基礎 を学ぶ 教科書。 わか りやす い機械教室

わか りやす い機械 教室 機 械 力 学考 え方

電 子 基 礎 電気 と電子の基礎知識 秋冨勝／菅原彪 監修  A5判  294頁

・解 き 方  演 習付

小山十郎 著  A5判   214頁  2色刷 好評の前著 「 機械 の力学 考 え方 ・解 き方Ⅰ 機械 力学編」 を,全 面的に内容 を見直 し執筆 。講習会 のテ キス トと して も,初 学者の 自学 自習書 として も活用 できる。

材 料 力 学 考 え方

・解 き 方  演習付

萩原 國雄 著  A5判  278頁  2色刷 好評 の前著 「 機械の力学 考え方 ・解 き方Ⅱ 材料 力学編」 を,全 面的に内容 を見 直 し執筆 。講習会 の テキス トとして も,初 学者の 自学 自習書 として も活用 できる。

わか りやすい機械教室

わか りやすい機械教室

流 体 の基 礎 と応 用

空 気 圧 の 基 礎 と応 用

森 田泰司 著  A5判  214頁 や さしい解説 と豊富 な例題 と解答 によ り,確 実 に 実 力が身 に付 くように解説。高専 ・短大 などのテ キス トとして,ま た現場技術 者の 自学 自習書 とし 最適であ る。

高橋 徹 著 

A5判   210頁

流体の基礎か ら卓 上空気圧 プ レスの設計例 までを 例題や練習問題 を多 く用 いて,空 気圧の基礎 と応 用について解説。

*定 価 ,図 書 目録 の お 問 い合 わせ ・ご要 望 は 出 版局 まで お願 いい た します 。 UR

L 

http://www.dendai.ac.jp/press/ 

MO‐001