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第２章 ロードセルの測定原理
2. 起歪体
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起歪体は文字通り外力によりひずみを発生させる部品です。力を起歪体に加えると起歪体にひずみが生じ、起歪体に貼り付けてあるひずみゲージの抵抗値が変化します。
これを利用して力を電気的出力に変換するわけです。ロードセルの性能を向上させる上で起歪体の特性が大変重要となります。起歪体に要求される特性にはつぎのようなものがあります。
- クリープ（物体が力を受け変形が時間とともに増化する現象）の少ないこと。
- 直線性が広い範囲で保証される、比例限度の高い材料であること。
- 経年変化の少ない材料であるとともに、残留応力による形状変化を起こさないこと。
- 耐衝撃性が高いこと。
- 加工性が良いこと。
このような材料として一般にはニッケルクロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などがあります。
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2-1. ひずみの生じ方 |
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物体は外力を受けると変形します。
物体が外力を受けて変形すれば、物体を構成する各分子間には分子力が作用し、外力による変形を妨げようとする内力が生じます。
物体が受けている外力と物体の内部に生じる内力がつりあうと物体の変形は停止します。その時、物体の断面に生じる単位面積当たりの内力を応力と言います。
図 2.4をご覧ください。
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図 2.4
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ゲンコツで頭をなぐられています。
ゲンコツは外力、頭は物体になります。外力であるゲンコツの力に対して頭のなかで応力が生じます。ゲンコツの外力を P(N) だとしても頭の単面積を A(m2) だとしたら
応力σ（シグマ）は次のようになります。
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2-2. ひずみ |
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物体が外力を受けて変形した時、元の寸法に対しての変化分を単位長さ当たりで表したものをひずみといいます。辞書では、物体に外力を加えたときに生じる、のび・ちぢみ・ねじれなどの変化の割合をひずみと表しています。
図 2.5をご覧ください。
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図 2.5
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頬を手で引っ張っています。
元の頬の長さを L 、引っ張った後の長さを △L だとします。
この場合ひずみε（イプシロン）は次のようになります。
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ひずみは元の長さと伸び量の比なので単位はありません。
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2-3. ポアソン比 |
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物体を引っ張ると長くなると同時に細くなります。
外力と同じ方向のひずみを縦ひずみ（ε1）、直角方向のひずみを横ひずみ（ε2）といい、
この二つの値の比率をポアソン比ν（ニュー）といいます。
多くの材料が0.3近辺の値を表します。
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外力に対して縦ひずみになる伸びは（＋）、横ひずみになる縮みは（−）の極性を持ちます。
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2-4. 応力とひずみの関係 |
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物体に加える外力を徐々に大きくしていくと、始めは物体に生じる応力に対しひずみも直線的に変化しますが、応力の大きさがある限度を超えると直線関係が成立しなくなります。
この、ある限度の事を比例限度、弾性限度あるいは降伏点と呼びます。
応力が比例限度以下であれば応力とひずみの関係は直線であるので、ひずみから直ちに応力を知る事が出来ます。
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図 2.6
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比例限度以下での応力とひずみの直線関係をフックの法則と言います。
フックの法則が成立している範囲を弾性域、成立しない範囲を塑性（そせい）域といいます。
塑性（そせい）域内では外力を取り除いても物体の変形はもとに戻らず、ひずみは残ってしまいます。残ったひずみのことを永久ひずみ、あるいは残留ひずみと言います。
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