力の測定の分野では、 ロードセル力センサは、機械的な力を定量化可能な電気信号に変換するために不可欠なツールです。しかし、一貫性と信頼性の高い測定を実現するには、いくつかの性能パラメータに対処する必要があり、その一つがクリープです。この現象は、目に見えないことが多いものの、時間の経過とともに力センサの精度に大きな影響を与える可能性があります。このブログでは、クリープとは何か、なぜ発生するのか、そして力測定システムにどのような影響を与えるのかを探ります。

クリープとは何ですか?

クリープとは、力センサーの一定荷重が長時間印加された場合の出力信号です。印加力が一定であっても、センサの測定値は数分または数時間でわずかに「ドリフト」することがあります。このドリフトは、温度変動や振動などの外部要因によるものではなく、センサの材料特性と設計に固有のものです。

例えば、10kNの荷重がセンサーに加わった場合、理想的なデバイスは安定した出力（例えば10.00mV）を無期限に維持します。しかし実際には、クリープ現象により、実際の力は変化していないにもかかわらず、30分後に出力が10.05mVにドリフトする可能性があります。

クリープはなぜ発生するのでしょうか?

クリープは、主に力センサに使用される材料の粘弾性挙動によって発生します。ほとんどのロードセルは、金属または複合構造（「バネ要素」）に接着されたひずみゲージを使用しています。力が加えられると、バネ要素はわずかに変形し、ひずみゲージはこの変形を測定します。しかし、完全に弾性のある材料は存在しません。時間の経過とともに、微視的なレベルで内部応力が緩和され、材料はさらに変形します。このゆっくりとした変形が、出力信号の変化として現れます。

クリープに影響を与える主な要因は次のとおりです。

1. 材料の選択：アルミニウムなどの金属は、ステンレス鋼や合金鋼よりもクリープが大きくなります。ポリマーや複合材料では、さらに顕著な影響が現れる場合があります。

2. 負荷の大きさ: 負荷が大きいほどクリープ効果は大きくなります。

3. 温度: 温度が上昇すると分子の移動性が増し、クリープが加速される可能性があります。

4. センサー設計: スプリング要素の形状が適切に最適化されていないと、応力が集中し、クリープが悪化する可能性があります。

測定精度への影響

クリープは、次のような長期的な静的力の監視を必要とするアプリケーションでは特に問題になります。

- 工業用計量システム（サイロ、タンク計量など）。

- 構造健全性モニタリング（例：橋梁、建物）。

- 材料試験機（例：引張試験/圧縮試験）。

クリープによるわずかなドリフトでも、データロギングやプロセス制御において累積的な誤差につながる可能性があります。例えば、医薬品製造ラインでは、ドリフトするセンサーによって時間の経過とともに誤った投与量が生じ、製品の廃棄や規制違反につながる可能性があります。

クリープの定量化と補正

メーカーはセンサーの校正時にクリープ特性を評価します。一般的な試験では、定格負荷を30分間印加し、出力偏差を測定します。クリープは通常、フルスケール出力に対するパーセンテージで表されます（例：「±0.05% FS/30分」）。

クリープを軽減するには:

1. 材料の最適化：高品質センサー耐クリープ性合金（例：17-4 PH ステンレス鋼）および高度な複合材料を使用します。

2. 設計の改善: 有限要素解析 (FEA) は、スプリング要素の形状を最適化して応力を均等に分散するのに役立ちます。

3. 信号調整: 最近のアンプには、クリープ補正アルゴリズムが組み込まれていることがよくあります。

4. 温度制御: アクティブまたはパッシブな熱安定化により、温度関連のドリフトを最小限に抑えます。

クリープは、材料物理学に根ざした力覚センサ設計における根本的な課題です。クリープを完全に排除することはできませんが、その原因と軽減策を理解することで、エンジニアはアプリケーションに適した仕様のセンサを選定できるようになります。力覚センサを評価する際は、必ずメーカーのクリープ定格を確認し、測定時間と精度要件に適合していることを確認してください。精密計測機器では、ごくわずかなドリフトでさえも重要な問題となるからです。

耐クリープ技術とスマートな補正方法を優先することにより、最新の力センサーは、要求がますます厳しくなる産業分野において、精度と信頼性の限界を押し広げ続けています。