今回は「ロードセル」と呼ばれる聞きなれない計測機器についてご紹介します。聞きなれない計測機器ではありますが、実は私たちの生活に密接した重要な計器で縁の下の力持ちとして私たちの日々の生活を支えてくれています。
まずは、ロードセルが使われている主な場所についてご紹介していきます。
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ロードセルは見えない安全を支えている？
ロードセルが使用される場面の中で最も私たちの生活に密接に関係している場所、それは橋梁やビルなどの建築物です。では実際どのようにしてロードセルは使用されているのでしょうか？
お台場観光の一つでもあるレインボーブリッジ。この橋は鉄道と高速道路を一緒に通すことのできる二重構造の橋として、毎日たくさんの自動車や鉄道が通過しています。橋そのものは鉄骨やコンクリートによって作られていて、一見すると非常に頑丈なつくりに見えます。
しかし、実際は毎日たくさんの自動車や鉄道が通過するたびに橋脚や橋げたは、多く加重や振動を受けていて、そういった長期にわたる外部からの力によって常に歪や揺れなどの力にさらされています。
一回の振動では対した影響はでないものの、長期にわたる振動などの影響は計りしれません。日々の安全な運用のためにも、橋そのものの現状を常に把握しておくことは非常に重要な作業です。
橋の健全性のうち、目視でわかる亀裂や曲がりなどは発見も容易です。しかし発見した亀裂が他の箇所にどのような影響を及ぼすのか？または亀裂が生じた箇所にかかる力はどのようなものなのかを把握するためには綿密な測定が欠かせません。
そんな時に活躍する計器の一つがロードセルなのです。亀裂の発生した箇所にロードセルをセットし実際に受けている力の強さを計測、その結果が他所にどのような影響を及ぼすかなどを推測・予測し、その後の補修計画などに役立てられています。
ロードセルが力を計測できる仕組み
では実際、ロードセルはどのようにして該当箇所にかかる力を計測しているのでしょうか？本項ではロードセルの仕組みについてご紹介します。
ロードセルの種類
一口にロードセルと言っても実はその形状や方式によって複数の種類が存在します。その種類は大きく分けて次の４種類になります。
- ビーム型
- コラム型
- Ｓ字型
- ダイヤフラム型
それぞれの違いは、計測できる力の方向性の違いで使用される場所や計測したい力の方向によって使い分けられています。そのため、いわゆる万能型と呼ばれるロードセルは存在しません。
次に、実際にロードセルは受けた力をどのように数値化しているのかについてご説明します。
ロードセルが感知しているのは実は電気
ロードセルと呼ばれる装置の中をのぞいてみると、実はそこにあるのは規定の金属とそこに繋がった電気系の配線です。既定の金属はロードセルの方式や種類によって異なり、その形状も板状のものから渦巻状のものまで様々です。
ここで、ロードセルの原理をご説明するのに重要になる法則からご説明します。その法則とは金属における形状の変化と電気抵抗の関係性です。金属は、自身が伸びたり縮んだりすることでそこにかかる電気抵抗がある一定の形状変化点までは均一に変化するといった特徴を持っています。この性質をそのまま利用したのが一般的に「ひずみゲージ」と呼ばれる計測器です。
金属に力が加わり変化した電気抵抗をそのまま読み取ることで、測定箇所にどの程度のひずみが生じているかを観察しています。一方、ロードセルは同じように電気抵抗の変化を数値として読み取り、その数値の変化と力を受けている金属の荷重に対する伸び（歪）の係数とを兼ね合わせ、実際にその場所にかかっている力の大きさを数値化しています。
つまり、ひずみゲージによって得られた数値をもとに、負荷の大きさを数値化しているのがロードセルということになります。
様々なロードセルとその用途
では実際に形状ごとのロードセルの特徴について簡単にご紹介します。
ビーム型ロードセルの特徴
引張・圧縮両方の方向性の力に対して使用可能なタイプです。ロードセルの中では最もポピュラーな構造のロードセルで、種類も豊富に発売されています。
コラム型ロードセルの特徴
圧縮方向の力にのみ作用するロードセルです。構造が簡単であることや設置場所によって上下のアタッチメントを付け替えることで、あらゆる場所へ設置することが可能です。
Ｓ字型ロードセルの特徴
引張・圧縮の両方を計測できるロードセルです。左右にかかる力を別々に計測することができ、より細やかな力の計測が可能なタイプです。
ダイヤフラム型ロードセルの特徴
圧縮方向のみの作用するロードセルです。渦巻状のひずみ計を内蔵しており得られる電気信号が小さいという特徴があります。また総じて薄型の構造を実現しており、設置に関して場所的な制約が少ない構造です。
ロードセルまとめ
普段はめったに目にしないロードセルですが、その用途は実は多岐に渡り私たちの生活を支えてくれいます。種類も豊富で通常では計測することのできない、見えない力を計測することのできるロードセル。
機会があればぜひ手に取って見てください。
