ロードセルとひずみゲージの仕組み｜ゲージ率とブリッジ回路で力を測る

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ロードセルは、金属の起歪体（力で少しだけ変形する部品）に貼ったひずみゲージの抵抗の変化を、ホイートストンブリッジで電圧に変えて、力や重さを測るセンサーです。ブリッジの出力と定格出力の計算はブリッジ回路の節にあります。

結論｜まず30秒でわかる答え

ひずみゲージの抵抗の変化は ΔR/R＝K×ε（ゲージ率 K は約2）ととても小さいので、ブリッジで取り出し、増幅して使います。

ひずみゲージとは？伸びると抵抗が増える細い金属

ひずみゲージは、薄い樹脂の上に細い金属の箔をジグザグに貼ったセンサーです。測りたい物に貼ると、物が伸びれば金属箔も伸びて細く長くなり、抵抗が増えます。縮めば抵抗は減ります。

公式
ΔR ÷ R ＝ K × ε　（K：ゲージ率約2、ε：ひずみ＝伸び÷もとの長さ）

STEP 1

ひずみ ε＝1,000×10⁻⁶（0.1％の伸び、1,000μεともいう）とする

STEP 2

ΔR/R＝2×1,000×10⁻⁶＝0.002

STEP 3

120Ω のゲージなら ΔR＝120×0.002＝0.24Ω

STEP 4

0.24Ω の変化を、テスターで直接読むのはむずかしい → ブリッジ回路で電圧として取り出す

たとえると

輪ゴムを引っぱると細く長くなるのと同じです。電気の通り道が細く長くなるので、抵抗が少しだけ増えます。

公式
1ゲージ法の出力 e ＝ (1/4) × K × ε × E　（E：ブリッジに加える電圧）

STEP 1

ε＝1,000×10⁻⁶、K＝2、ブリッジ電圧 E＝2V

STEP 2

e＝(1/4)×2×0.001×2＝0.001V＝1mV

STEP 3

ロードセルは4枚のゲージを伸びる側・縮む側に貼る4ゲージ法で、1ゲージ法の約4倍の出力にしている

STEP 4

定格出力 2mV/V（例）のロードセルに 5V を加えると、定格荷重で 2×5＝10mV

方法	ゲージの枚数	出力（1ゲージ法との比）	特徴
1ゲージ法	1枚	1倍	簡単。温度の影響を受けやすい
2ゲージ法	2枚	2倍（貼り方による）	温度の影響を打ち消せる
4ゲージ法	4枚	4倍	ロードセルの基本の形

注意｜ここで間違えやすい

定格出力（mV/V）は「加える電圧1Vあたり、定格荷重で何mV出るか」です。品種で違うので、ここでの 2mV/V は計算の例です。出力が数mV〜数十mVと小さいので、専用のアンプ（指示計）で増幅し、配線はシールド線で短くします。具体値は使うロードセルのデータシートで確認してください。

同じ原理は、ロボットが力加減を知るための力覚センサーにも使われています。ロボットでの使い方は、同じ筆者が運営する AIインフラLab（半導体・AIデータセンター・AIインフラのブログ）の力覚センサーの記事で詳しく解説しています。

よくある間違い	正しい考え方
テスターで抵抗の変化を直接読む	変化は0.2％程度。ブリッジで電圧にする
ブリッジ電圧を上げれば出力も大きくなるので上げすぎる	ゲージが自己発熱して誤差が出る。定格の印加電圧以内
長い配線を平行線でつなぐ	出力が mV なのでノイズを拾う。シールド線で
定格出力を mV と読む	mV/V。加える電圧を掛けて mV にする
温度の影響を考えない	2ゲージ法・4ゲージ法や温度補償で打ち消す