センサーエラストマー CZL201

商品紹介

スポーク型ロードセルは、ひずみ抵抗の原理に基づく力感知型検出要素であり、スポーク形状のエラストマーをそのコア構造としています。力が加わると、エラストマーが変形し、それに連動してストレインゲージの抵抗値が変化し、その変化が測定可能な電気信号に変換されます。コンパクトな構造と優れた偏心荷重耐性を兼ね備えており、中低荷重で設置スペースが限られる計量用途に広く使用されています。以下では、そのニーズに対応するための主要な観点から詳細に説明します。 製品 選定、技術評価、およびソリューション作成：

1. 製品の特徴と機能

コア機能

• 構造設計： スポーク型一体構造を採用（リムとハブがスポークで接続されており、高さは通常20～80mmの範囲）。剛性分布が均一で、偏心荷重／横方向力に優れた耐性を有し（定格荷重の±15％～±20％の偏心荷重に耐えられる）、非軸方向の荷重による衝撃を効果的に分散でき、高い荷重保持安定性を実現。

• 精度性能： 精度レベルはC2～C6をカバーし、主流モデルはC3に達する。非直線性誤差は≤±0.02%FS、繰返し誤差は≤±0.01%FS、ゼロドリフトは≤±0.003%FS/°C以内に制御されており、動的で断続的な負荷条件下でも良好な精度保持性能を発揮。

• 材料および保護： エラストマーには一般的に合金鋼（降伏強度≥900MPa）または304／316Lステンレス鋼が使用され、表面はパッシベーション処理またはニッケルメッキ処理により耐食性が向上されている。保護等級は通常IP66／IP67で、特別なカスタムモデルはIP68に達し、湿気や粉塵の多い産業環境に適している。

• 設置互換性： 上下の端面はボルト固定またはフランジ接続を採用しており、一部のモデルはねじ式アダプタに対応しています。設置高さが低く（最小18 mm）、主に垂直方向の力が作用する狭小スペースに適しており、単体での使用や複数の組み合わせでの使用が可能です。

基本機能

• 重量／力値の検出： 静的計量および準動的計量（応答時間 ≤ 8 ms）をサポートし、測定範囲は0.1 t - 200 tをカバーしており、一般的な用途は1 t - 50 tの範囲に集中しています。カスタマイズされた一部のモデルは200 tを超える特殊な要件にも対応可能です。

• 信号出力： 標準アナログ信号（4 - 20 mA、0 - 5 V、0 - 10 V）およびデジタル信号（RS485／Modbus RTU）を提供し、一部のスマートモデルはCANopenプロトコルをサポートしており、PLC、DCS、および計量管理システムに直接接続できます。

• 追加機能： 広範な温度範囲での温度補償機能（-30°C - 80°C）を備えており、過負荷保護機能（定格負荷の150% - 250%）を有しています。防爆モデルはEx d IIB T4 Ga/Ex ia IIC T6 Gaの認証を取得しており、一部のモデルにはケーブル内蔵の引き抜け防止設計を採用しています。

• 長期信頼性： 疲労寿命は負荷サイクル数≥10⁷回以上で、定格負荷下での連続運転安定性に優れ、年間ドリフトは≤±0.015%FS。産業用途における長期的な連続運転に適しています。

2. 解決される主な問題

• 偏心負荷条件下での測定誤差が大きい問題： 従来のセンサーにおいて非軸方向の負荷がかかる場合に生じる大きな誤差の問題に対処するため、スポーク構造における力の伝達を最適化し、偏心負荷による誤差を±0.03%FS以内に抑制しています。これにより、サイロの偏心や材料の衝撃といったシーンでの精度問題を解決しています。

• 狭窄空間での設置が困難な問題： 「短く太い」構造的特徴（直径50 - 200mm、高さ20 - 80mm）により、装置内部や小型計量器、組み込み型計量モジュールなど、設置スペースが限られた環境での取付適応性を解決しており、余分なスペースを必要としません。

• 振動や衝撃により損傷しやすい ：スポーク型エラストマーは応力分布がより均一であり、コラム型センサーと比較して耐衝撃性が30％以上向上しているため、機械的振動や物質落下衝撃などの状況下でセンサーが永久変形するのを効果的に回避し、使用寿命を延長できる。

• 複数のシナリオへの適応性が不十分： 素材のグレードアップ（例：316Lステンレス鋼）および保護の強化（IP68）により、食品加工や化学薬品の配合など、湿潤かつ腐食性のある環境におけるセンサーの腐食問題を解決。また、防爆モデルは可燃性・爆発性環境における安全要件を満たしている。

• システム統合および接続が煩雑： 複数の信号出力タイプと主流な産業用プロトコルをサポートしており、異なるブランドのPLC（例：三菱、シュナイダー）や計量器との互換性問題を解決し、信号コンバーターなどの中間装置への投資を削減します。

3. ユーザー体験

• 設置の簡便さ： 標準化された端面取り付け穴と位置決め基準面に専用の取り付けガスケットおよび締結ボルトを組み合わせることで、専門の較正工具を必要とせずに水平位置決めが可能となり、一人の作業者が30分以内に単一センサーの設置および試運転を完了できます。

• 操作およびキャリブレーション： 計測器上でワンタッチゼロ調整および2点校正をサポートし、キャリブレーション手順を簡素化（定格負荷の20％および100％の標準分銅のみ必要）します。また、デジタルモデルではホストコンピュータソフトウェアを通じて遠隔キャリブレーションおよびパラメータ設定が可能となり、操作のハードルを低減します。

• 低メンテナンスコスト： 完全密閉構造により、ほこりや湿気の侵入が抑えられ、年間平均故障率は≤0.3%です。端子台は緩み防止設計を採用し、ケーブル接続部には防水・防塵シールを備えており、日常使用では四半期ごとの清掃とゼロ点点検のみで済み、メンテナンス負荷が低いです。

• データフィードバック： 静的計量時のデータ変動は≤±0.005%FSで、準動的条件下でも明らかな遅れはありません。デジタルモデルには内蔵の故障診断モジュールがあり、過負荷、断線、異常温度などの状態をリアルタイムでフィードバックでき、問題の迅速な特定が可能です。

• 互換性の経験： 市場に出回っている計量制御装置の95%以上と互換性があり、複数のセンサーを並列使用する際の自動負荷配分をサポートするため、追加の均等化装置は不要です。インテリジェントモデルは産業用IoTプラットフォームに直接接続でき、リモートからのデータ監視が実現できます。

4. 典型的な適用シナリオ

1) 産業用計量機器の製造
• 小型および中型プラットフォームスケール／フロアスケール：1～50トンのプラットフォームスケールおよびフロアスケール向けのコアセンシングユニット。コンパクトな構造で計量装置内部への取り付けに適しており、偏心荷重に対しても正確性を維持する特性を持つ（例：スーパーマーケット用価格表示プラットフォームスケール、工場内の回転使用フロアスケール）。
• カスタム計量機器：防爆電子スケールや耐腐食性化学スケールに使用。316L材質＋防爆認証により、特殊産業分野の要件を満たすことが可能。スポーク構造は、計量機器の多様な構造設計に適応できる。

2) 土木・建設機械
• ローダー／ショベルの計量：バケットの油圧システムに設置し、油圧を検出することで間接的に重量を測定。スポーク型構造は振動および衝撃に対する耐性が強く、建設機械の過酷な作業環境にも対応可能。精度は±0.5%FSまで達する。
• 油圧サポートの圧力監視：石炭鉱山における油圧サポートの作動抵抗を監視。防爆仕様のスポーク型センサー（保護等級IP67）を使用し、粉塵が多く湿気の高い環境でも長期にわたり安定して動作可能で、サポートの安全性に向けたデータ提供を行う。

3) 産業プロセス制御
• 小型および中型の材料タンク／サイロの計量：製薬業界および食品業界におけるバッチ処理タンクやバッファサイロの計量。4つのセンサーを対称に設置し、偏心荷重に対する特性によりタンクの重心移動問題を解決。制御システムと連携して正確な供給を実現します。
• 包装機械の計量：粒子包装機や液体充填機向けの動的計量モジュール。応答時間は≤8msで高速包装要件に対応し、精度は±0.1%FS以内に制御され、包装用計量の規制適合を保証します。

4) 材料試験および科学研究用装置
• 引張／圧縮試験機：材料力学試験における静的力値の測定。C2級の精度は科学研究レベルの試験要求を満たすことができ、スポーク構造は応力を均等に分散させ、試験データの再現性と精度を確保します。
• 疲労試験装置：部品の疲労寿命試験における負荷監視用。繰返し回数は10⁷回以上、安定した機械的特性を有し、長期にわたる試験実験のニーズに対応可能。

5) 特殊産業用途
• 食品・製薬業界：衛生グレード316Lステンレス鋼製センサーで、表面は鏡面研磨処理（Ra ≤ 0.8μm）を施し、GMP基準に準拠。原材料の計量や完成品の計測工程などに使用され、清掃および消毒が容易。
• 採掘・冶金業界：高温対応スポーク型センサー（補償温度範囲 -40°C～120°C）は、鉱石選別装置や冶金炉のホッパーの重量計測に使用され、高温かつ粉塵の多い環境での使用条件に適応可能。

5. 使用方法（実用ガイド）

1) 設置手順

• 準備：取付面を清掃してください（平面でバリがなく、平面度誤差が≤0.05mm/mであることを確認）。センサーの外観を点検し（エラストマーに変形がなく、ケーブルに損傷がないこと）、取付ボルトの仕様がセンサーと互換性があるかを確認してください。

• ポジショニングおよび固定：センサーをマウント台座に垂直に設置し、荷重が軸方向に伝わるようにしてください。トルクレンチを使用して規定トルクで締め付けてください（合金鋼製センサーの場合、推奨値は15～40N・m、ステンレス鋼製は10～30N・m）。エラストマーを損傷しないため、過剰締め付けを避けてください。

• 配線仕様：アナログ信号の場合、「赤 - 電源＋、黒 - 電源－、緑 - 信号＋、白 - 信号－」の配線原則に従ってください。デジタル信号の場合は、Modbusプロトコルに従って対応するピンを接続してください。配線は強力な電磁干渉源（例えばインバータや高圧ケーブルなど）から離し、距離は15cm以上確保してください。

• 保護処理：屋外または湿気の多い環境に設置する場合、ケーブル接続部を防水端子箱で密封し、センサーの露出部分にはダストカバーを装着できます。腐食性環境では、非応力面に特殊な防食コーティングを施してください。

2) キャリブレーションとデバッグ

• ゼロキャリブレーション：電源を入れ、20分間予熱を行ってください。重量計またはホストコンピュータから「ゼロキャリブレーション」コマンドを実行し、ゼロ出力が±0.002%FS以内にあることを確認してください。ずれが大きすぎる場合は、設置面の水平を確認してください。

• 負荷キャリブレーション：定格負荷の20％および100％の標準質量を順番に配置し、センサの出力信号値を記録します。キャリブレーションソフトウェアで線形誤差を補正し、各負荷点での誤差が対応する精度クラスの許容値以下であることを確認します（例：C3クラスでは≤±0.02%FS）。

• 動的デバッグ：準動的状況において、機器のフィルタリングパラメータ（フィルタリング周波数8-15Hz）を調整し、センサの応答速度とデータの安定性をテストし、材料の衝撃による信号の変動を回避します。

3) 定期メンテナンス

• 定期点検：月に1回、センサー表面のほこりや油を清掃し、配線端子の締結状態を確認してください。6か月に1回ゼロ点調整を行い、年1回フルスケール校正および性能試験を実施します。

• 故障対応：データドリフトが発生した場合は、まず電源電圧（10〜30V DCで安定）および設置面の平面度を確認してください。信号が異常な場合は、ケーブルの損傷やストレインゲージの過負荷・損傷の有無を確認し、必要に応じてセンサーを交換してください。

6. 選定方法（要件に正確に適合）

1) 主要パラメータの決定

• レンジ選定：実際の最大負荷の1.3～1.6倍のレンジを持つモデルを選定してください（例：最大負荷10tの場合、13～16tのセンサーを選択可能）。衝撃荷重による損傷を防ぐため、十分な過負荷余裕を持たせてください。

• 精度クラス：産業用計測にはクラスC3（誤差 ≤ ±0.02%FS）を選択してください。科学研究用の試験にはクラスC2（誤差 ≤ ±0.01%FS）を選択してください。一般監視用途にはクラスC6（誤差 ≤ ±0.03%FS）を選択してください。

• 信号タイプ：従来の制御システム向けにはアナログ信号（4～20mA）を選択してください。スマートIoTシステム向けにはデジタル信号（RS485）を選択してください。建設機械向けにはCANopenプロトコル対応モデルを選択してください。

2) 環境適応性に基づく選定

• 温度：通常の環境（-30°C～60°C）では標準モデルを選択してください。高温環境（60°C～120°C）では高温補償モデルを選択してください。低温環境（-50°C～-30°C）では耐低温モデルを選択してください。

• 対象媒体：乾燥環境では合金鋼を選択してください。湿気のある／やや腐食性のある環境では304ステンレス鋼を選択してください。高腐食性環境（酸・アルカリ溶液）では316Lステンレス鋼またはハステロイ素材を選択してください。

• 保護等級：屋内の乾燥環境では≥IP66、屋外／湿潤環境では≥IP67、水中または粉塵の多い環境では≥IP68を選択してください。

3) 設置およびシステム互換性

• 取付方法：狭小スペースには面取りボルト接続を、大荷重用途にはフランジ接続を選択してください。明らかな偏心負荷がある場合は、偏心負荷誤差≤±0.01%FSの強化モデルを推奨します。

• 適合性：センサ信号が既存の計器／PLCの通信プロトコルと一致することを確認してください。複数のセンサを組み合わせて使用する場合、信号の競合を避けるためにアドレスコード対応のデジタルモデルを選定してください。4) 追加要件の確認

• 認証要件：防爆用途には対応する防爆等級の認証（例：石炭鉱山用Ex d I、化学産業用Ex ia IIC T6）が必要です。食品業界ではFDA／GMP認証が求められ、計量用途ではCMC認証が必要です。

• 特殊機能：動的計量には応答時間≤5msのモデルを選定。遠隔監視にはLoRa/NB-IoT無線モジュールを備えたスマートモデルを選定。高温環境下での使用には温度補償チップを搭載した特殊モデルを選定。

要約

スポーク型荷重センサーは、「偏荷重に対する耐性が強く、コンパクトな構造、高安定性」という主要な利点を持ち、中低負荷、設置空間が限られている、あるいは偏荷重となる条件での正確な計量という課題を解決します。ユーザーエクスペリエンスは、簡単な設置、メンテナンスフリー、信頼性の高いデータに重点を置いています。選定時には、測定範囲、精度、設置スペース、環境という4つの要件を最優先とし、システムとの互換性や追加機能の有無も合わせて検討する必要があります。使用中は、軸力の正確な印加と定期的なキャリブレーションを厳密に遵守することで、長期にわたる安定した動作を確保します。産業用スケール、建設機械、プロセス制御などの分野に適しており、中低負荷および特殊な設置環境における理想的な計量センサー解决方案です。

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