ロードセルの原理と使用方法

ロードセルを使用するためには、ロードセルからの電気信号を増幅し数値化するための計測器が必要です。
ロードセルの電気信号（電圧）は、最大でも20 mV程度しかありません。
この小さな電圧をさらに数万分の一にまで分割して計測するため、使用する計測器は安定性が高く、高精度でなければなりません。
しかも、ロードセルが使用される環境は劣悪な場合が多いため、ノイズなどの不要な信号の影響を受けにくくし、必要な信号のみを取り出す技術が必要です。
弊社ではロードセル用高精度アンプ、重量計測用のウェイングインジケータ、圧力・トルク計測用のデジタルインジケータなど、ロードセルの性能を100％引き出す多彩な製品群を取り揃えています。

ロードセルは、力に比例して変形する起歪体とその変形量”ひずみ”を測定するひずみゲージからできています。
図のように、板の一方を固定した片持梁を作ります。他方に力を加えたときにひずみが発生する場所にストレンゲージを貼付けます。その力に比例する変形量 “ひずみ” を測定します。

ひずみに比例して電気抵抗が変化する4箇所のストレンゲージでホイートストンブリッジを作ります。
このホイートストンブリッジからは、印加電圧に比例し、かつひずみに比例した非常に小さい電圧信号が出力されます。この小さな信号を増幅し、数値として表示器で表示します。
このとき、増幅器はロードセルの性能を引き出すのに重要な役目をします。増幅器には1 μVに満たない信号を正確に識別できる性能が求められます。
ロードセルの出力感度の表示はmV/Vで示されます。これは印加電圧当りの定格荷重時の出力電圧です。
仮に、定格容量200 Nのロードセルに1.5 mV/Vが示されていたとすれば、200 Nを負荷し印加電圧を1 Vにしたとき1.5 mVが出力されます。もし印加電圧が10 Vであれば15 mVが出力されます。

起歪体には、ベンディング型、コラム型、シェア型などがあります。起歪体の構造は、測定軸以外からの力の影響を受けないように工夫されています。

上図中、匣体の中にはコラム型起歪体があり、その起歪体にストレンゲージ1, 2, 3, 4が貼られています。1, 3は荷重方向2, 4は荷重方向に対して直角な円周方向のひずみをそれぞれ感知します。
ゲージ3, 4はコラムの裏側に貼られています。
ロードボタンに力がかかりコラムが圧縮されると、ゲージ1, 3の電気抵抗は小さくなり、ゲージ2, 4のゲージは圧縮でコラムが太くなることで伸ばされ、電気抵抗が大きくなります。

ゲージ1, 2, 3, 4で上図のようなホイートストンブリッジを作り印加電圧をかけると、その電圧に比例し、かつ抵抗変化に比例した出力電圧が得られます。

フィラメント状の導電体が絶縁シートに貼付けられていて絶縁シートが伸ばされると一緒に導電体も伸びるようになっています。
そのストレンゲージを起歪体に貼付けておくと、起歪体が伸びると導電体も一緒に伸び、抵抗値が変化することになります。
縞の方向が感度方向で、その部分はフィラメントと呼ばれ多くの導電体はニクロムなどが主成分です。絶縁シートはベースと呼ばれ、ポリイミドと呼ばれるシリコーン系の薄い樹脂フィルムなどでできています。ベークライトやエポキシでできているベースもあります。

ストレンゲージには、120 Ω、350 Ω、1000 Ωなどの電気抵抗があり、ゲージ抵抗と呼ばれています。このフィラメント状の導電体を引き延ばすと長さが伸び、かつ太さが細くなります。伸ばされた割合で電気抵抗が増え、かつ細くなった割合で電気抵抗が増えますので、両方の和で電気抵抗が増えることになります。
したがって、引き伸ばされた割合のおよそ2倍の割合で電気抵抗が変化します。この比率のことをゲージ率またはゲージファクタと呼び、多くのストレンゲージではゲージ率2ないし2.1程度です。

この電気抵抗変化をホイートストンブリッジによって電圧信号に変換します。
出力電圧は印加電圧が高いほど大きな出力電圧が期待できますが、印加電圧が高すぎるとゲージが焼損したり起歪体に温度膨張などの悪影響を与えてしまいます。
一般にはゲージ抵抗350 Ωでゲージ1枚あたり5 V程度が推奨されています。
また、印加電圧が変化すると出力電圧が変わってしまいますので、印加電圧の安定性は測定に大きな影響を与えます。

ロードセルは力を測定する変換器ですので、測定値はN(ニュートン)の単位で読むことになります。重力加速度が既知の場合には、質量(kg)を測定することも可能です。
例えば、力較正されたシステムにおいて重力加速度が9.8 m/s2のとき、ある質量を測定し9.8 Nを表示した場合ある質量は1 kgです。
逆に、較正された質量1 kgの分銅があり重力加速度が9.8 m/s2であるとき、インジケータのメモリを9.8に合わせることにより、メモリ1 = 1 Nを簡易的に較正できます。
重力加速度が安定で変化がなければ、質量1 kgをメモリ1に合わせることにより、メモリ1 = 1 kgを簡易的に較正できます。
しかし、重力加速度は場所や高度により異なりますので、質量較正は現地で行う必要があります。
例えば、稚内と鹿児島では1 kgの質量をロードセルの秤で計ると約 1.2 gの差がでてしまいます。
(国土地理院重力加速度　稚内 980642.6 mGal　鹿児島 979471.18 mGal)

絶縁シート上の導電体が引き伸ばされ変形したとき、電気的変化は以下のようになります。
変形しないときの電気抵抗は

R：抵抗，ρ：導電体固有の比抵抗値，L：導電体長さ，A：導電体の断面積，d：直径
導電体がδLだけ変形したとすると電気抵抗R1は

ここで、ν:ポアソン比、ε:ひずみ(1)と(2)の差を(1)で除すことにより、抵抗の変化率を得られます。

一般のストレンゲージでは、Kは2ないし2.1程度を示しこのKをゲージファクタまたはゲージ率と呼んでいます。
参考：金属のポアソン比νは0.33程度ですので、K ＝ 2.1とすれば、kは、0.44であり、比抵抗値がひずみに対し大きな比率で変化しており、無視できないことがわかります。

上図のよう(初期抵抗値Rg＝R)なホイートストンブリッジを考えると、起歪部にひずみεが発生するとゲージの抵抗Rgは

ここで、K :ゲージファクタ
出力電圧(Vo)は

ここで、K＝2，ε＝0.001とすると

Vbが1 V、ひずみεが0.001のとき、出力電圧（Vo）は0.0005 Ｖであることを示しています。
つまり、K = 2のゲージでは、1000マイクロひずみ(ε・10−6)が発生すると、0.5 mV/Vの出力を得られることになります。
起歪部に4枚のゲージが使用されていれば、４倍のひずみが検出され、４倍の出力が得られます。つまり、起歪体の機械的ひずみが、1000ε・10−6であれば、電気的には4000ε・10−6の電圧変化率、あるいは、2 mV/Vの出力が得られます。
ただし、ロードセル内部の機械的ひずみは、出力に比較し２割程度大きなひずみを発生させ、温度補償や感度調整で出力を定格値に合わせています。

ポアソン比(Poisson’s Ratio)は弾性範囲で、引っ張りを加えたときの伸び(ひずみ)と荷重に対し直角方向の縮み(ひずみ)の比を言います。
ポアソン比 = -横ひずみ／縦ひずみとされています。
金属の場合0.33 程度が多く用いられています。