ひずみゲージとは？構造・仕組み・種類・選び方のポイントを解説

ひずみゲージとは、物体が引っ張られたり圧縮されたりしたときの「ひずみ（変化量の割合）」を測定するセンサー部品です。航空機や鉄道、製鉄や土木・建築業界のほか、臨床医学やリハビリテーションの現場でも幅広く使用されています。ひずみゲージはとても小さく、目にする機会はほとんどないため、実際にはどのように使用されているのか、イメージできない人も多いのではないでしょうか。
ここでは、ひずみゲージの仕組みや使用シーンのほか、測定時の使い方や製品の選び方のポイントを解説します。

ミネベアミツミのひずみゲージは、自社開発による高い応用技術力と、安定した量産体制による高品質な製品供給が強みです。お客様の用途や作業環境に合わせて、サイズ・形状・精度・出力の変更から、最適なゲージパターンの設計・配置変更まで柔軟に対応いたします。標準品では最適なものが見つからない特殊な測定ニーズがございましたら、ぜひカスタム対応もご相談ください。

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1. ひずみゲージとは？

ひずみゲージとは、物体のひずみを測定するセンサー部品のことです。物体を引っ張ったときに伸びた量や、圧縮したときに縮んだ量を変化量として、物体のもとの長さに対する変化量の割合がひずみです。
ひずみを測定することで、例えば金属部品の強度の限界がわかったり、荷重・圧力・トルク（軸にかかるねじりの力）などの物理量を明らかにしたりできます。
製品の品質管理や研究・開発などのさまざまな場面で、ひずみゲージは広く使用されています。金属やプラスチックなど、測定する対象に接着剤などで直接貼り付けて使用することができます。

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2. ひずみゲージの構造

ひずみゲージは、電気絶縁物（ポリイミドなど）のベースの上に、金属箔の抵抗体を貼り付けた構造になっています。金属箔の抵抗体で負荷を感知してひずみを測定します。
サイズは製品によって異なりますが、ゲージ部分の長さは数mm単位と小さくなっています。

3. ひずみゲージの仕組み

ひずみゲージは、物体に力がかかり電気抵抗体が伸び縮みすると電気抵抗が変化するという仕組みを使って、測定対象に力がかかって伸縮した場合、測定対象に貼り付けてあるひずみゲージの金属箔の抵抗体も、測定対象に比例して伸縮します。抵抗体の伸縮で変化する電気抵抗値の変化を読み取ることで、ひずみを測定しているのです。

4. ひずみゲージは何に使われている？

ひずみゲージは、製品の強度試験や生産工場での荷重測定のほか、身近な製品に広く使用されています。小型で軽量ながら測定精度が高く、比較的安価であるためです。
具体的な使用例を見ていきましょう。

体重計やはかり

デジタル式の体重計やはかりの中にも、ひずみゲージが使われています。人や物がのったときのひずみゲージの抵抗値を数値化して、体重や重さを表示しています。

パソコンのポインティングスティック

パソコンのポインティングスティックは、指で力をかけることで生じるひずみをひずみゲージで検出することで、カーソルを上下左右の動かしたい方向に移動させることができます。

スマートフォンの落下試験

スマートフォンの落下時の衝撃に関する強度試験においても、ひずみゲージが使われています。
試験用のスマートフォンにひずみゲージを取り付け、落下時の加速度やひずみを計測します。

トルクメーター

軸にかかるトルク（ねじれの力）を測定するトルクメーターには、ひずみゲージが使用されています。ねじれが生じるとひずみゲージが伸び縮みして抵抗値が変化し、その変化を電気信号に変換することによってトルクを測定しています。

ひずみゲージを応用したセンサーのカスタム事例

ひずみゲージは、ロードセルやフォースセンサーといった計測機器の「コア部品」であり、ミネベアミツミでは自社製ひずみゲージを活用した様々なカスタムセンサーを開発しています。

織機用テンションメーター

■ 織機用テンションメーター

高精度検出を保持しつつ、取り付け部を装置に合わせたフランジ形状に変更したロードセルです

点滴量監視センサー

■ 点滴量監視センサー

お客様の要求形状と出力に合わせ、電気回路を一体化したフォースセンサーです。

5. ひずみゲージの使い方

ひずみゲージは基本的に、ひずみを測定したい対象に貼り付けて使います。貼り付け方によっては測定誤差が生じるため注意が必要です。
まず、貼り付け箇所の表面をきれいに洗浄する必要があります。油分を除去するために脱脂溶剤を使用します。ひずみゲージをピンセットで持ち上げ、気砲が残らないように接着剤などで貼り付けます。接着剤が固まったら、適切な防湿処理をおこなってください。

6. ひずみの測定に必要な機器とは？

ひずみの測定には、「ひずみ測定器」の接続が必要です。
ひずみゲージで測定できる抵抗値は非常に小さいため、数値を可視化するには抵抗値を電圧に変換する必要があります。

直流増幅方式動ひずみ測定器「DAS-406C」

高感度とDC～200KHzのワイドな周波数特性を備えたひずみ測定器。ひずみだけでなく、応力、圧力、トルク、振動、加速度などを測定できるほか、簡易型の計装アンプなど幅広い用途に使用できます。

DAS-406C

7. 最適なひずみゲージの選び方は？

ひずみゲージは、測定対象のサイズや抵抗値、使用環境の温度などに合わせて選ぶ必要があります。
ひずみゲージは、ゲージ部分の長さが0.2mm程度のものから8mm程度のものまで、サイズが多様かつ、製品によって抵抗値も異なります。
また、素材や接着剤の使用可能な温度範囲も異なり、測定対象が高温になる場合や、過酷な環境での測定など、測定する環境に温度変化があるかどうかで製品を使い分ける必要があります。

例えば、ミネベアミツミのポリイミド箔ひずみゲージなら、加熱硬化型接着剤と耐熱線・端子を使用した場合、温度範囲は-50℃から200℃まで対応が可能です。
一方、エポキシ箔ひずみゲージを使用する、もしくはポリイミド箔ひずみゲージでも接着剤などが温度対応していなければ、温度範囲は-30℃から70℃までになります。