技術紹介

溶射型ひずみゲージによる高温環境下の静ひずみ測定技術
三上隆男 *1

Mikami Takao

松田昌悟 *2

Matsuda Masanori

高温環境下のひずみ測定には、一般的に溶接型と溶射型のひずみゲージが適用されているが、前者はサイズが大きいので、比較的大きな構造物のひずみ測定に適用されている。後者は種々のサイズが市販されており、適切なサイズのものを適用すれば、小形部品のひずみ測定が可能である。近年、小形高温部品の静ひずみ測定ニーズが高まっており、本稿では溶射型ひずみゲージによる高温環境下の静ひずみ測定技術について紹介する。
キーワード：溶射、フリーフィラメントゲージ、ローカイド、MI ケーブル、静ひずみ場所の静ひずみ測定のニーズが高まっている。

1. はじめに

これに対応するためには、小形の溶射型ひずみジェットエンジン、自動車用エンジンのようにゲージを適用する必要がある。IIC ではこれまで、高温で作動する機械の開発においては、高温部品約 700 点の溶射実績があるが、そのほとんどが動の疲労およびクリープ損傷に対する安全性の検証ひずみ測定用である。高温環境下の静ひずみ測定が必要である。そのため、構造解析だけでなく、は動ひずみ測定に比べて解決すべき技術的課題がひずみゲージによりひずみ（応力）の実測が行わ多々ある。

れている。

本稿では、溶射型ひずみゲージの概要とそれを高温環境下においては、一般的な箔ひずみゲー用いた高温環境下の静ひずみ測定技術について紹ジは高温に耐えられないため、溶接型（カプセ介する。

ル型）と溶射型のひずみゲージが適用されてい2. 溶射る。前者はサイズが大きい（ベース長さ：10 ～20mm）ので、比較的大きな構造物の測定に適用

溶射は、コーティング材料を加熱により溶融もされている。後者はサイズが小さい（グリッド長

しくは軟化させ、微粒子状にして加速し、被覆対さ：3 ～ 6mm）ので、小形部品の測定に適している。

象物表面に衝突させて、扁平に潰れた粒子を凝固・これらの特殊ひずみゲージはこれまで主として動堆積させることにより皮膜を形成する技術であひずみ測定に適用されている。

る。溶射にはさまざまな方法があり、使用する材近年、自動車エンジン関連の小形部品の狭隘な料や熱源の種類などにより分類されている。

*1：技師長 博士（工学）、技術士（機械部門）、環境計量士（騒音・振動関係）、一般計量士、JSNDI ひずみ測定レベル 3*2：計測事業部 計測技術部 部長—

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IIC は IHI 航空宇宙事業本部の技術指導を受け

3. 溶射型ひずみゲージの構造と溶射手順て溶射設備を 2003 年に横浜市金沢区の福浦事業

溶射型ひずみゲージは図 2 に示すように、特殊所分室に導入している。
溶射装置を図 1 に示すが、ローカイド溶射装置な構造を有している。一般の箔ひずみゲージとは（米国：N 社製）とサーモスプレー溶射装置（スイス：異なり、ベース材がなくゲージ素子とゲージリーS 社製）の 2 種類を保有している。

ドのみで構成され、フリーフィラメントゲージと呼ばれている。材質は白金／タングステン合金、カンタル A-1 などが用いられる。IIC の社内試験
では 1,000℃にも耐えられることを確認している。

図1

溶射装置

ローカイド溶射装置は、ローカイド A（アルミナ）の焼結棒を約 3,000℃の酸素／アセチレン炎中で溶融し、この溶滴をエア・ジェット流で加速し、噴射する装置である。完全に溶融されたアルミナ粒子のみが噴射されるので、粒子間結合力の図2

溶射型ひずみゲージ高い膜が得られる。絶縁層および表面コーティン
グ層の形成に用いる。

溶射型ひずみゲージは、素子のグリッド部分をサーモスプレー溶射装置は、溶射材料粉末（Ni、テフロンテープで仮止めされた形で提供される（図Co 系金属）を酸素／アセチレン炎中に送り込み、2 参照）。このゲージを測定対象物に取り付けるに燃焼炎の流れに乗せて加熱しつつ溶射する装置では、薄いアルミナ層でサンドウィッチ構造にして絶ある。プリコート層形成に用いる。

縁を確保するのが一般的な手法である（図 3 参照）。

図3溶射施工断面図—

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以下にゲージ溶射の手順と実際の作業状況を示（2）溶射しない部分をマスキングし、アルミナ溶射（図 7、8 参照）す。
① サンドブラスト粗面の形成（3）テフロンテープを剥がし、既に溶射した部溶射しない部分をマスキングしてサンドブラ分をマスキングしてアルミナ溶射スト処理（#48）により粗面を形成する。

（4）既に溶射した部分をマスキングし、ゲージ② プリコート層の形成

リードをアルミナ溶射

サーモスプレー装置により Ni、Co 系金属層

（5）ゲージリードと延長リードをスポット溶接を形成する（図 4 参照）。

で接合

③ 絶縁層の形成（6）既に溶射した部分をマスキングし、接合部

ローカイド溶射装置により電気絶縁性アルミを含むリード部をアルミナ溶射ナ層を形成する（図 5 参照）。

（7）マスキングテープを取り外して溶射作業完了（図 9 参照）④ ゲージ素子とリードの固定溶射（1）ゲージを測定対象物に位置決め（図 6 参照）

図4

プリコート層の形成

図5

図6

絶縁層の形成図7—

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ゲージの位置決め46

マスキング—

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ロム系合金の場合は 2.0 前後の値）
bs：測定対象物の線膨張係数［／℃］
bg：ゲージ抵抗素子の線膨張係数［／℃］
DT：温度変化［℃］
室温付近で使用される一般的な銅・ニッケル合金製箔ゲージの場合は、測定対象物の線膨張係数に応じてゲージ抵抗素子の材料を選定することにより抵抗温度係数を制御し、式（1）の etg がゼロに近くなるようにすることができる。このタイプのひず
図8

みゲージは自己温度補償型ゲージと呼ばれている。

アルミナ溶射4.2 リード線の影響
前項の見かけひずみ（etg ）はひずみゲージ単体で生じるものであるが、ひずみゲージはリード線を介して計測機器に接続するため、リード線の温度変化による見かけひずみを考慮する必要がある。
リード線の見かけひずみ：etl は結線法により異なる。
（1）1 ゲージ法 2 線式結線の場合（図 10 参照）
図9

 2ra et  = ⋅   ∆T Rg + 2r K i 

溶射型ゲージ施工例

（2）

ただし、

4. 静ひずみ測定における基本的な問題点

al：リード線の抵抗温度係数［／℃］

4.1 見かけひずみ

Ki：ひずみ測定器の設定ゲージ率（通常は 2.0）

ひずみゲージは外力が作用していなくても温度

Rg：ひずみゲージの抵抗値［W］が変化すると、測定対象物とひずみゲージ抵抗素

rl：リード線 1 本当たりの抵抗値［W］

子の線膨張率の違いとひずみゲージ抵抗素子の抵

この方式は簡便なため、一般の応力・ひずみ測抗変化の影響で見かけひずみを生じる。見かけひ定に広く適用されているが、リード線の影響を大ずみ：etg は次式で表される。

きく受けるので、温度変化の大きい場合やリードaetg =  + ( bs − bg ) ∆T
 Kt

線が長くなる場合には（2）の 1 ゲージ法 3 線式

（1）結線を適用しなければならない。

ただし、
a：ゲージ抵抗素子の抵抗温度係数［／℃］
Kt：温度 T におけるゲージ率（ひずみゲージの感度を表す係数で、一般用のひずみゲージで
図 10使われている銅・ニッケル系やニッケル・ク—

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1 ゲージ法 2 線式結線
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（2）1 ゲージ法 3 線式結線の場合（図 11 参照）ていない。この現象をゲージのヒステリシスとい

図 11 のような 3 線式結線法を用いればリードうが、箔ゲージでも見られる現象である。

線の抵抗（rl ）は 1 本ずつブリッジの隣り合う辺
5.2 リード線の影響に入り、リード線の温度による見かけひずみを除去することができる。したがって、etl はゼロとな

通常、リード線には耐熱性と柔軟性に優れたる。ただし、この方法では、リード線は芯線の断MI ケーブルを使用する。MI ケーブルの心線には面積や長さが等しく、同じ温度に置かれることが高温での耐久性、耐振性に優れた Ni 線を採用し必要で、ふく射の影響を除去するためリード線のている。Ni 線の固有抵抗は銅線に比べて約 3 倍の被覆の色も同色であることが望ましい。

大きさを有し、抵抗値が高い。例えば、f0.5mm で*1

長さ 1.34m の MI ケーブルの抵抗値は約 60W であり、2 線式結線の場合 2 本 ×60W / 本 =120W にもなり、これはひずみゲージの抵抗値と同レベルであ図 11る。この高い抵抗値がひずみ測定感度低下の原因

1 ゲージ法 3 線式結線となる。
*15. 高温での静ひずみ測定の問題点

Mineral Insulated metal sheathed cable：
金属シース内に酸化マグネシウムのような耐5.1 見かけひずみ

熱絶縁材料の粉末が高密度に充填され、導体がその中に埋め込まれた構造を有する無機絶

溶射型ひずみゲージを用いて高温（300℃以上）縁ケーブル。

で測定する場合、ゲージの抵抗素子が特殊な材料であるため、前項で述べた抵抗温度係数を調整し（1）1 ゲージ法 3 線式結線の場合（図 11 参照）て自己温度補償する方法を適用できない。そのたリード線の抵抗値が高い場合、感度が低下する。

め、事前に電気炉などを使って式（1）の見かけ低下率は次式で計算できる。

ひずみ量の測定試験（校正試験）を行う必要がある。図 12 に静ひずみ測定用の HFH 溶射型ひずみ
ゲージ単体（測定対象物に固定しないで浮かせたr ec = 1 +   eiRg 状態）の見かけひずみ測定結果を示す。1,000℃以ただし、下では昇温時と降温時での指示ひずみ値が一致しec：真のひずみ

図 12

HFH 溶射型ひずみゲージの見かけひずみ（HPI 社データ）—

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ei：ひずみ計測器の指示ひずみ

ド線間の小さな温度差が大きな見かけひずみの原因

例えば、MI ケーブルの抵抗値が 60W で、ひずとなる。MI ケーブルは温度補償だけでなく、感度低みゲージの抵抗値が 120W の場合、室温条件で、下の問題がある。この点をもう少し詳しく説明する。

式（3）から ec=1.5ei となり、感度は約 67％に低下

金属材料は、外部から引張力を加えると伸び、する。MI ケーブルの抵抗温度係数は溶射型ひず圧縮力を加えると縮み、その抵抗値はそれぞれ増みゲージ（例えば HPI 社の HFH 型）の抵抗素子（材加または減少する。金属材料にひずみが加えられ質：カンタル A-1）のそれに比べて格段に大きいたとき、Rg であった抵抗値が DRg だけ変化したとため、高温ではさらに感度が低下する。また、5.3すれば、次式が成立する。

節で後述するように、高温ではゲージ率が低下す∆Rg= K s ⋅ ecRg

るので、さらに感度が低下する。

（4）

ただし、このように感度低下の問題があるので、MI ケー
ブルの長さをできるだけ短くしないと、3 線式結Ks：ゲージ率線法でも事実上、測定が困難となる場合が生じる。

ひずみゲージは、ひずみによる抵抗変化は極めて小さいので、通常はホイートストンブリッジ回（2）2 ゲージ 1 アクティブ 1 ダミー法の場合路に組み、抵抗の変化を電圧変化に変換して測定する。図 13 において、出力電圧は、リード線の（図 13 参照）

抵抗を考慮すると、この方法は測定対象物に取り付けたアクティブゲージ（A）と測定対象物と同じ材料の試験片にe=取り付けた温度補償用ダミーゲージ（D）をブリッ1 ∆Rg⋅⋅E
4 Rg + 2r

（5）

ジの隣り合う辺に入れる。そうすると、アクティ

ただし、ブゲージは機械的ひずみの他に温度による見かけe：出力電圧［V］ひずみをセンシングする。一方、ダミーゲージはE：ブリッジ印加電圧［V］

温度による見かけひずみのみをセンシングする。

式（4）を式（5）に代入すると、その結果、温度による見かけひずみはブリッジ回e=路で除去され、機械的ひずみのみを取り出すこと

1Ks ⋅ E⋅⋅ ec
4 (1 + 2r Rg )（6）ができる。この方式は理想的であるが、A と D の一方、ひずみ計測器ではリード線の抵抗はゼロ

それぞれのリード線の抵抗値や温度が互いに同じとしてホイートストンブリッジ回路の出力電圧のでないと温度補償されない。

式から下記のようにひずみを計算している。
e=1⋅ K i ⋅ E ⋅ ei
4（7）式（7）を式（6）に代入して e を消去すると、
図 13

2 ゲージ 1 アクティブ 1 ダミー法

ec =Ki(1 + 2r Rg ) ⋅ eiKs（8）高温の場合、測定部からひずみ計測器までのリー

ここで、式（8）に値を入れて計算してみる。

ド線の温度を全く同じにすることは現実的に困難で室 温 条 件 で Ki=2.0、Ks=2.3、rl=60W、Rg=120W とある。MI ケーブルは高い抵抗値を有するので、リー

すると、ec=1.74ei となり、感度が 58％ (=1/1.74) に—

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図 14

HFH 溶射型ひずみゲージのゲージ率（HPI 社データ）低下することがわかる。

そこで、筆者等は 1 ゲージ 4 線式ひずみ測定法

高温の場合は、5.2 節（1）で述べた内容と同じに着目して基礎的な試験を実施中である。この方法理由でさらに感度が低下する。

はホイートストンブリッジ回路を使用せず、ゲージ抵抗と基準抵抗による直列回路を構成してひずみを5.3 ゲージ率の低下測定する。4 本のリード線を用いることで、リードゲージ率は高温になると低下傾向を示す。図 14線の影響をなくすものである。1 ゲージ 4 線式ひずに HFH 溶射型ひずみゲージの温度とゲージ率のみ測定法については別の機会に詳しく報告したい。

関係を示す。これによると、室温で 2.3 だったも参考文献のが 1,000℃では 1.66 に下がる。すなわち 28％低（1） 三上隆男、松田昌悟：センサ溶射技術、IIC下する。したがって、高温でのひずみ測定においては、ひずみ測定部の温度を測定してそれによりREVIEW No.32、2004/10、pp.40-44（2） HPI 社（HITEC PRODUCTS, INC） の 溶 射 型ゲージ率の補正を行うことが必要である。

ひずみゲージカタログ

6. おわりに（3） 共和電業（4） TML

溶射型ひずみゲージの概要とそれを用いて高温カタログ Web 版

製品総合カタログ Web 版

環境下で静ひずみ測定を行う場合の問題点につい（5）「動ひずみ測定用カプセル型高温ひずみゲーて述べた。高温ではリード線の抵抗変化が種々のジ“KHCD”について」共和技報 NO.413

問題を引き起こし、これを解決しないと高精度な（6）「750℃のカプセル型高温ひずみゲージ KHCS」
共和技報 NO.434

静ひずみ測定は不可能である。本稿で述べたようにリード線の結線法は種々あるが、どの方式を採（7） 社団法人日本非破壊検査協会「ひずみ測定Ⅱ」用しても問題を解決することができない。

（8） 社団法人日本非破壊検査協会「ひずみ測定Ⅲ」

技師長 博士（工学）、技術士（機械部門）、環境計量士（騒音・振動関係）、一般計量士、JSNDI
ひずみ測定 レベル 3

計測事業部
計測技術部部長

三上 隆男

松田 昌悟

TEL. 03-6404-6583
FAX. 03-6404-6044

TEL. 045-791-3518
FAX. 045-791-3542—

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