「応力計測の¼š社紹介...1 KYOWA SOLUTION GUIDE 「応力計測の」 KYOWA SOLUTION GUIDE 共和電業について会社設立： 1949年（2002年6月、東証1部上場）

1

KYOWA SOLUTION GUIDE KYOWA SOLUTION GUIDE

「応力計測の

」


共和電業について

会社設立：１９４９年（2002年6月、東証１部上場）

資本金：１３億９００万円

子会社：７社

営業所：１６営業所

従業員数：約７７０名（2011年6月連結）

連結売上高：１３２億円（2010年12月）

2


企業理念：

計測と制御を通じて、“安全と安心”の提供で

社会に貢献する“技術創造企業”

主要4事業分野：

Ⅰ．自動車試験分野 Ⅱ．運輸・交通インフラ分野

Ⅲ．環境・エネルギー分野

ダム維持管理地すべり・河川監視システム

クリーンエネルギー都市土木

強度・信頼性試験機器衝突試験機器

操安試験機器

鉄道関連道路関連

航空宇宙関連

Ⅳ．工業計測分野

生産・製造検査装置産業ロボット用機器

鉄鋼生産設備向け機器


ロードセルデータロガー

車載型データ収録装置センターインターフェース

ひずみゲージ

加速度計

圧力変換器ロードセル

計装用コンディショナ

3


ひずみゲージの歴史

The history of Strain Gages

ひずみゲージの歴史

The history of Strain Gages

１９３８年（昭和１３年）に、金属抵抗線を用いた線ひずみゲージがアメリカで発表された。

この年が、ひずみゲージ誕生の年と言われている。

１９３８年（昭和１３年）に、金属抵抗線を用いた線ひずみゲージがアメリカで発表された。

この年が、ひずみゲージ誕生の年と言われている。


日本におけるひずみゲージの歴史日本におけるひずみゲージの歴史

戦後間もない１９５０年に、共和電業は当時の運輸省運輸技術研究所からひずみ測定器の試作を受け、運輸省運輸技術研究所の担当員の指導の下、ひずみゲージと静ひずみ測定器の研究と設計が進められた。

4



１９５１年に共和電業が運輸省に納入したひずみゲージ数百枚と静ひずみ測定器

１０台を用いて実船試験がおこなわれた。

当時、船体は従来のリベット結合から溶接結合に切り替えられていたので、

その溶接の構造強度の検査が主な目的であった。

１９５１年に共和電業が運輸省に納入したひずみゲージ数百枚と静ひずみ測定器

１０台を用いて実船試験がおこなわれた。

当時、船体は従来のリベット結合から溶接結合に切り替えられていたので、

その溶接の構造強度の検査が主な目的であった。


日本でのひずみゲージの開発の歴史は、船舶と鉄道という２つの工業界から

スタートした

日本でのひずみゲージの開発の歴史は、船舶と鉄道という２つの工業界から

スタートした


5


1959 1959

東京都水道局

直径２４００ｍｍ水道

鋼管の応力測定

東京都水道局

直径２４００ｍｍ水道

鋼管の応力測定

1958 1958

東京タワーの振動計測と基礎部の応力測定

東京タワーの振動計測と基礎部の応力測定

1957 1957

上野公園モノレールの

応力測定

上野公園モノレールの

応力測定

三菱造船長崎造船所でのマンモスタンカーモデルの応力測定

三菱造船長崎造船所でのマンモスタンカーモデルの応力測定

豊洲の新東京火力発電所タービンの応答特性試験豊洲の新東京火力発電所タービンの応答特性試験



application for sensors

センサの検出素子

application for sensors

センサの検出素子

stress measurement

応力測定

stress measurement

応力測定

Strain gage Strain gage

その後、ひずみゲージは２つの方向へ向けて進んでいくことになる。

すなわち、ひずみゲージ単体で被測定物に貼られてひずみ・応力を計測する用途と、

センサの検出素子として用いられ、様々なひずみゲージ式変換器が生まれた。

その後、ひずみゲージは２つの方向へ向けて進んでいくことになる。

すなわち、ひずみゲージ単体で被測定物に貼られてひずみ・応力を計測する用途と、

センサの検出素子として用いられ、様々なひずみゲージ式変換器が生まれた。


6


ひずみゲージの紹介ひずみゲージの紹介


ひずみゲージの構造ひずみゲージの構造

ひずみゲージはポリイミド樹脂ベースに薄い格子状の金属箔をフォトエッチングで形成したもの

材料（被測定箇所）には専用接着剤で貼り付ける。材料が変形するとゲージも変形し抵抗値が変化する。抵抗値の変化は材料の伸縮に比例するため、抵抗値の変化から材料の変化を求める。

7


応力とは応力とは

断面積 S の材料を圧縮あるいは引っ張りを与えると、弾性領域では、材料の変形はその材料に加えた力 W にほぼ比例する。

材料の内部では外力と釣り合う力が発生しており、この単位面積あたりの力を応力と呼びσで表す。


ひずみとはひずみとは

材料に圧縮ないし引っ張りを与える。変形した長さをΔL、もとの長さを

L とすれば、変形した割合、ΔL / Lをひずみ（垂直ひずみ）と言い、εの記号で表す。

8


応力とひずみの関係応力とひずみの関係

一般に物体や材料に発生している応力は、比例限界内ではフックの法則にもとづき、ひずみと比例関係にある。ε=σ/E

（E : 縦弾性係数 : ヤング率）

一般に物体や材料に発生している応力は、比例限界内ではフックの法則にもとづき、ひずみと比例関係にある。ε=σ/E

（E : 縦弾性係数 : ヤング率）

ひずみ測定におけるひずみゲージはこの関係を利用したものである。

ひずみ測定におけるひずみゲージはこの関係を利用したものである。

ひずみゲージは、金属抵抗体または半導体で作られた受感素子である。

ひずみゲージは、金属抵抗体または半導体で作られた受感素子である。


すべての変形はひずみに置き換えることができる

すべての変形はひずみに置き換えることができる

外力によって、物体は圧縮されたり、引き延ばされたり、曲げられたり、ねじられたりする。圧縮、引き延ばし、曲げ、ねじれの現象は、詳細に観察するといずれも各部の縮み、伸び、すなわち「ひずみ」であることがわかる。この「ひずみ」を計測することによって、物体の変形の状況を評価することができる。ひずみゲージは、この「ひずみ」を検出するセンサである。

9


ひずみの検出ひずみの検出

ひずみを検出するにあたっては、抵抗値が既知である3つの固定抵抗とひずみゲージをホイートストンブリッジと呼ばれる回路に配置する。

ひずみを検出するにあたっては、抵抗値が既知である3つの固定抵抗とひずみゲージをホイートストンブリッジと呼ばれる回路に配置する。

ブリッジの、ある相対する頂点間に電圧を

加える。（BVまたは印加電圧）

ひずみゲージの抵抗値が変化することに

より発生する、他の相対する頂点間に現れる電圧変化を検出することで、ひずみゲージ

の抵抗値変化、すなわちひずみ変化量を

検出する。

ブリッジの、ある相対する頂点間に電圧を

加える。（BVまたは印加電圧）

ひずみゲージの抵抗値が変化することに

より発生する、他の相対する頂点間に現れる電圧変化を検出することで、ひずみゲージ

の抵抗値変化、すなわちひずみ変化量を

検出する。

ひずみの量は極めて微小で、物体のもとの長さの1,000,000分の1が基本単位で、この値は1マイクロひずみと呼ばれ、「1×10-6 ひずみ」または「１μm/m」と表現される。

ひずみの量は極めて微小で、物体のもとの長さの1,000,000分の1が基本単位で、この値は1マイクロひずみと呼ばれ、「1×10-6 ひずみ」または「１μm/m」と表現される。


静ひずみと動ひずみ静ひずみと動ひずみ

ひずみは大別して、ゆっくりと変動する「静ひずみ」と変化の速い「動ひずみ」がある。ダムに水を貯めて行く過程で、その壁面が数ヶ月の間に徐々に変形する場合は、これを「静ひずみ」と言うことが出来る。（図7）また自動車の衝突試験において、バリアに衝突する車両のボディが瞬時に変形する事によって発生するひずみは「動ひずみ」と言うことが出来る。（図8）しかし、どこまでが静ひずみで、どこからが動ひずみであるかという明確な定義はない。

10


ひずみゲージは使用目的、被測定材料の種類、使用温度、使用環境などにあわせてさまざまな種類がある。

各種ひずみゲージ各種ひずみゲージ


ひずみゲージの選定ひずみゲージの選定

◆測定材料、測定環境による選定

・汎用：一般応力測定用

・材料：複合材料、プリント基板、プラスチック、ゴム用

・ひずみ量：微小ひずみ測定用（半導体ゲージ）

・温度：高温用、低温用、３線式リード線

自己温度補償型ゲージ（セルコンゲージ）

・磁界：抗磁性用

◆接着剤

測定対象のひずみは接着剤層を介して

ひずみゲージに伝達されるため、ひずみ

ゲージの特性はこの接着剤に大きく左右

される。用途に応じて最適な接着剤を

選定する必要がある。

11


高温用ひずみゲージ高温用ひずみゲージ

◆９５０℃までの高温域での応力計測をカバーする

カプセル型ひずみゲージ

特長使用可能温度が高い９５０℃

完全気密構造

配線・コーティング処理不要

被測定物に、スポット溶接で簡単に取り付け可能

主な計測対象の例

高温ガスタービン動静翼

石油化学反応装置

焼却炉・熱処理炉

航空機のジェットエンジンタービン

耐熱合金の物理的特性評価


ひずみゲージ式変換器ひずみゲージ式変換器

ロードセルロードセル圧力変換器圧力変換器加速度変換器加速度変換器

トルク変換器トルク変換器変位変換器変位変換器土木変換器土木変換器

12


ひずみゲージ式変換器の特長ひずみゲージ式変換器の特長

特長特長

DCから応答する

静的負荷により定格までの負荷校正を実施

DCから応答する

静的負荷により定格までの負荷校正を実施

多種多様な外形、形状を設計できる多種多様な外形、形状を設計できる

幅広い定格容量の変換器を用意幅広い定格容量の変換器を用意

１種類のコンディショナや測定器にひずみゲージと変換器を接続できる１種類のコンディショナや測定器にひずみゲージと変換器を接続できる


ロードセル受感部の基本構造ロードセル受感部の基本構造

曲げ応力型曲げ応力型

ひずみゲージ

カンチレバー

圧縮応力型圧縮応力型

ひずみゲージ

剪断応力型剪断応力型

ひずみゲージ

13


ひずみゲージ式圧力変換器の原理と構造ひずみゲージ式圧力変換器の原理と構造

典型的な圧力変換器の構造

ひずみゲージ

圧力導入部

圧力

ひずみゲージ


圧力変換器の構造的分類圧力変換器の構造的分類

絶対圧タイプ絶対圧タイプ

ゲージ圧タイプゲージ圧タイプ

差圧タイプ差圧タイプ

真空圧

大気圧

14


加速度変換器の原理と基本構造加速度変換器の原理と基本構造


トルク変換器の基本構造例トルク変換器の基本構造例

内部構造内部構造

15


変位変換器の基本構造例変位変換器の基本構造例

内部構造内部構造

ひずみゲージひずみゲージ


ひずみゲージ、ひずみゲージ式変換器用測定器ひずみゲージ、ひずみゲージ式変換器用測定器

多チャンネル対応データロガー多チャンネル対応データロガー高速データロガー高速データロガー簡易データロガー簡易データロガー

衝突試験用データロガー衝突試験用データロガー計装用アンプ計装用アンプハンディ指示計ハンディ指示計

16


静ひずみ測定器静ひずみ測定器

SME-30,100A UCAM-60B

NTBｼﾘｰｽﾞ UCAM-500B


DPM-900A EDX-3000A

EDX-100Aｼﾘｰｽﾞ

動ひずみ測定器動ひずみ測定器

PCD-300Bｼﾘｰｽﾞ

17


計装用コンディショナ計装用コンディショナ

WGA-900A WGA-670B

WGA-710C WDS-500A


自動車分野測定器自動車分野測定器

DIS-5000A

タッチパネル式データロガー

アライメントセンサー

18


ひずみゲージ、ひずみゲージ式変換器を用いた計測事例の紹介ひずみゲージ、ひずみゲージ式変換器を用いた計測事例の紹介


樹木の成長応力測定

樹木の成長応力測定農林・研究教育機関農林・研究教育機関

樹木の成長に

ともない表面に

発生する成長応力と、

樹幹内部の応力が

重ね合わさって

樹幹内に応力分布が

できる。

樹木の成長に

ともない表面に

発生する成長応力と、

樹幹内部の応力が

重ね合わさって

樹幹内に応力分布が

できる。

◆熱帯雨林の樹木は残留応力が大きく、加工時の割れ、そりが大きい

ため木材価値が低く、森林伐採につながる

。

◆熱帯雨林の樹木は残留応力が大きく、加工時の割れ、そりが大きい

ため木材価値が低く、森林伐採につながる

。 ◆熱帯樹木にひずみゲージを接着し、樹幹表面の成長応力を測定。

樹木の成長応力を把握することで材質改良、利用開発の研究を行う。

◆熱帯樹木にひずみゲージを接着し、樹幹表面の成長応力を測定。

樹木の成長応力を把握することで材質改良、利用開発の研究を行う。

19


マスクメロンの成長研究

マスクメロンの成長研究農業・研究教育機関農業・研究教育機関

◆マスクメロンの成長と外観、内容の因果関係を数値的に

把握したい。

◆マスクメロンの成長と外観、内容の因果関係を数値的に

把握したい。

◆マスクメロンの果面とネットパターンの成長をひずみゲージを

用いて測定した。

◆マスクメロンの果面とネットパターンの成長をひずみゲージを

用いて測定した。


万能ネギの成長測定万能ネギの成長測定農業・研究教育機関農業・研究教育機関

◆万能ネギの成長度合いを測定するため、バネ常数の小さいコイル

バネとひずみゲージを応用した変位計を使用。

◆万能ネギの成長度合いを測定するため、バネ常数の小さいコイル

バネとひずみゲージを応用した変位計を使用。

◆万能ネギはハウスで約２ヶ月間水耕栽培され出荷される。この実験

では変位量のほか気温、水温も同時に集録し日当たりなどの条件

との関連について研究。

◆万能ネギはハウスで約２ヶ月間水耕栽培され出荷される。この実験

では変位量のほか気温、水温も同時に集録し日当たりなどの条件

との関連について研究。

20


医療・人間工学・研究教育機関医療・人間工学・研究教育機関義歯咬合力測定義歯咬合力測定

◆よく噛める義歯をつくるために、咬合時に発生する力と義歯の

床下粘膜負担圧を測定し、研究に役立てる。

◆よく噛める義歯をつくるために、咬合時に発生する力と義歯の

床下粘膜負担圧を測定し、研究に役立てる。

◆小型圧力センサを埋設した試験義歯を作製し、咬合力と負担

圧の測定をおこなう。

◆小型圧力センサを埋設した試験義歯を作製し、咬合力と負担

圧の測定をおこなう。


医療・人間工学・研究教育機関医療・人間工学・研究教育機関

◆靴の中敷きに小型の圧力計を埋め込み、足底圧分布測定を

おこなう。

◆靴の中敷きに小型の圧力計を埋め込み、足底圧分布測定を

おこなう。

◆テレメータと組み合わせて無線計測をおこなうことにより、

ケーブルを引き回さずに、自然な状態で測定できる。

◆テレメータと組み合わせて無線計測をおこなうことにより、

ケーブルを引き回さずに、自然な状態で測定できる。

靴底の圧力分布測定

靴底の圧力分布測定

21


スポーツ・教育機関・レジャー娯楽スポーツ・教育機関・レジャー娯楽パンチ力、キック力の測定パンチ力、キック力の測定

測定器

ボクシングのパンチ力、空手のキック力、相撲の張り手力などを測定

◆衝撃荷重が加わる検出板の裏面に、４個のロードセルを設置し、

出力を合計して、衝撃力の測定をおこなう。

◆ロードセルの出力は、動ひずみ測定器を介してレコーダなどで

記録する。


スポーツ関連の研究スポーツ関連の研究スポーツ・教育機関・レジャー娯楽スポーツ・教育機関・レジャー娯楽

人間の立位時の重心動揺を計測

◆ゴルフスイング時における重心移動を計測し、ゴルフの上達の研究に利用

（素振り動作と、実打動作における重心移動の違いを測定）

◆重心動揺の計測は人間の姿勢制御に関する運動機能、生態研究

のために利用される。

22


タンクの計重タンクの計重プラント・化学・食品・物流プラント・化学・食品・物流

ロードセル

ロードセルタンクの内容量の測定、制御

◆タンクの内容量を検出できるので、監視、配合、混合、制御、

遠隔計測が可能。

◆ロードセル４個でタンクの重量を検出、接続箱でロードセルの出力を

合算。制御信号によりバルブの開閉等の制御が可能。


航空宇宙産業航空宇宙産業

回転計

ロードセル

ジェットエンジンの性能試験ジェットエンジンの性能試験

◆航空機のジェットエンジンの推力を調べるため、エンジンを取り付け

た台車をロードセルに押し当てることで、エンジンの推力を計測する。

◆エンジン回転計によって回転数と推力の関係をレコーダに記録する

事が出来る。

23


旅客機の落下衝撃試験

旅客機の落下衝撃試験航空宇宙産業航空宇宙産業

ひずみゲージ

加速度計

ひずみゲージ

加速度変換器とひずみゲージを機体各部取り付け測定。搭乗者ダミーにもセンサーを取り付け腰椎にかかる荷重を測定した。

加速度変換器とひずみゲージを機体各部取り付け測定。搭乗者ダミーにもセンサーを取り付け腰椎にかかる荷重を測定した。


グライダー主翼の破壊試験

グライダー主翼の破壊試験航空宇宙産業航空宇宙産業

グライダーの主翼の強度試験

荷重を加えていき破壊するまでの変位と応力を、ひずみゲージと

変位計を使用して測定

グライダーの主翼の強度試験

荷重を加えていき破壊するまでの変位と応力を、ひずみゲージと

変位計を使用して測定

24


エキゾーストマニホールドの応力測定エキゾーストマニホールドの応力測定自動車業界自動車業界

◆車の高出力化に伴って，排出ガスの温度は上昇。より高い耐久信頼性

部品の研究が進められている。

◆高温環境下での耐熱疲労性，熱分布，熱応力，熱変形に関する測定

◆車の高出力化に伴って，排出ガスの温度は上昇。より高い耐久信頼性

部品の研究が進められている。

◆高温環境下での耐熱疲労性，熱分布，熱応力，熱変形に関する測定


衝突試験用バリアセンサ衝突試験用バリアセンサ自動車業界自動車業界

◆自動車の衝突安全性の研究のために実施される衝突試験において、

多分割衝撃力計は試験車が衝突する壁（バリア）の前面に設置して、試験車が衝突したときの衝撃荷重を測定する。

◆受圧板は多分割されており、衝突時の荷重分布が計測できる。

１ユニット当たり４台のロードセルで構成されている。

25


衝突試験ダミー用センサ衝突試験ダミー用センサ自動車業界自動車業界

大腿部６分力計

シートベルト荷重計

加速度変換器


鉄道車両輪重測定装置鉄道車両輪重測定装置交通システム・運輸サービス交通システム・運輸サービス

ロードセル

鉄道車両の輪重の不釣り合いを正確に計測し

乗り心地の改善や脱線の防止に利用

◆縁切りされた全長約１２０cmのレールの下にロードセルを複数台設置

して、輪重値を測定する。他の方式に比べ高い精度で測定できる。

◆この方式以外にも、車両が低速で走行したまま輪重が測定できる

方式（ロードセルによる乗り上げ方式やひずみゲージ式）がある。

26


交通システム交通システム

◆高速道路料金所のゲート近くにある検出器の上を車両が通過する

際に軸重を自動計測し、総重量が規格を超過している可能性のある

車両に警告を発することができる。

◆通過車両が載る載荷板は路面との段差がないように設置されており、

この載荷板の下にロードセルが設置されている。

車両重量計

車両重量計測システム車両重量計測システム


微風圧計測システム微風圧計測システム

◆風洞内に建築構造物の模型を設置し、構造物が受ける風圧

や、周辺に対するビル風の影響を予測する。

◆風洞内に建築構造物の模型を設置し、構造物が受ける風圧

や、周辺に対するビル風の影響を予測する。

◆微風圧の変化を多数個の圧力計（微圧センサ）で計測し、

専用の計測システムでデータを理する。

◆微風圧の変化を多数個の圧力計（微圧センサ）で計測し、

専用の計測システムでデータを理する。

建設・環境アセスメント建設・環境アセスメント

27


地すべり観測システム地すべり観測システム建設・防災建設・防災

◆住宅地に隣接した裏山などの地すべり

危険地域に機器を設置し、災害を未然に

防ぐ住民に避難の必要性を知らせる

小規模なシステムから、地すべりや

岩盤崩落を抑止するために行われた

工事の効果を確認するための大規模な

計測システムまで、様々な用途があり

ます。

◆住宅地に隣接した裏山などの地すべり

危険地域に機器を設置し、災害を未然に

防ぐ住民に避難の必要性を知らせる

小規模なシステムから、地すべりや

岩盤崩落を抑止するために行われた

工事の効果を確認するための大規模な

計測システムまで、様々な用途があり

ます。


ご静聴ありがとうございました。

Documents

「応力計測の¼š社紹介...1 KYOWA SOLUTION GUIDE 「応力計測の 」 KYOWA SOLUTION GUIDE 共和電業について 会社設立： 1949年 （2002年6月、東証1部上場）

「応力計測の¼š社紹介...1 KYOWA SOLUTION GUIDE 「応力計測の」 KYOWA SOLUTION GUIDE 共和電業について会社設立： 1949年（2002年6月、東証1部上場）