スポーク型ロードセル CZL204

商品紹介

スポーク型 荷重センサ は、ひずみ抵抗原理に基づく力感知検出要素であり、スポーク形状のエラストマーを主構造としています。力が加わると、エラストマーの変形によりストレインゲージが抵抗値の変化を生じさせ、それを測定可能な電気信号に変換します。コンパクトな構造と優れた偏心荷重耐性という利点を兼ね備えており、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、選定、技術評価、ソリューション作成のニーズに対応するため、核心的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発揮（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備える。

• 精度性能： 精度クラスはC2～C6をカバーし、主流モデルはC3レベルに達する。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/℃以内に制御されており、動的間欠荷重条件下でも良好な精度保持性能を発揮する。
• 材質および保護： エラストマーは通常、合金鋼（降伏強度 ≥ 900MPa）または304／316Lステンレス鋼を使用しており、表面は耐食性を高めるためにパッシベート処理またはニッケルめっきが施されています。保護等級は一般的にIP66／IP67であり、特別なカスタムモデルではIP68に達し、湿気や粉塵の多い産業環境に適しています。
• 設置互換性： 上下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アダプターにも対応しています。設置高さは低く（最小18mm）、主に垂直方向の力がかか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。

コア機能

• 重量／力値検出： 静的計量および準動的計量（応答時間 ≤ 8ms）をサポートしており、測定範囲は0.1t～200tです。一般的な用途は1t～50tの範囲に集中していますが、カスタマイズされた一部のモデルでは200tを超える特殊な要件にも対応できます。
• シグナル出力： 標準的なアナログ信号（4 - 20mA、0 - 5V、0 - 10V）およびデジタル信号（RS485/Modbus RTU）を提供します。一部のインテリジェントモデルはCANopenプロトコルをサポートしており、PLC、DCS、計量管理システムに直接接続できます。
• 追加機能： 広い温度範囲での温度補償機能（-30°C ~ 80°C）を内蔵し、過負荷保護機能（定格負荷の150% - 250%）を備えています。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断線防止設計が採用されています。
• 長期的な信頼性: 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. 解決された主要な課題

• 偏心負荷条件下での測定精度の低下： 従来のセンサーが非軸方向の負荷において過大な誤差を生じる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以内に抑えることで、サイロの偏心や材料の衝撃といった使用シーンでの精度問題を解決しています。
• 狭いスペースでの設置が困難: 「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、空間が限られた環境での設置適応性の問題を解決し、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の応力分布はより均一であり、柱状センサーと比較して衝撃耐性が30％以上向上しており、機械的振動や物質落下衝撃などの状況におけるセンサーの永久変形を効果的に回避し、寿命を延長します。
• 複数のシナリオへの適応性が不十分: 素材のアップグレード（例：316Lステンレス鋼）および強化された保護（IP68）により、食品加工や化学配合など湿潤で腐食性のある環境でのセンサーの腐食問題を解決し、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ます。
• システム統合および接続が煩雑: 複数の信号出力方式および主流の産業用プロトコルをサポートしており、三菱、シュナイダーなど異なるブランドのPLCや計量器との互換性の問題を解決し、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

• 取り付けの便利さ： 標準化された端面取り付け穴と位置決め基準面に加え、専用の取り付けガスケットおよび締結ボルトを備えており、専門の較正ツールを必要とせずに水平位置の設定が可能です。1人の作業者が30分以内に単一センサーの設置および起動を完了できます。
• 操作および較正： インストルメントのワンボタンゼロ調整および2点較正をサポートしており、較正プロセスを簡素化します（定格負荷の20％および100％の標準質量体のみが必要）。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リモート較正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。
• 低維持費 完全密封構造により、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、ケーブルインターフェースには防水・防塵シール構造を備えています。日常使用では四半期ごとの清掃とゼロ点点検のみが必要で、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 であり、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型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可能で、問題の迅速な特定が可能です。
• 互換性の体験： 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分配をサポートするため、追加の均等化器は不要です。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、遠隔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・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機器内部への組み込みに適しており、偏心荷重に対しても異なる計量位置でも精度の一貫性を保証する特性を持つ（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、工場内のワークフローフロアスケールなど）。

• 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)建設・土木機械

• 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され、油圧を検出することで間接的に重量を測定。スポーク構造は優れた耐振動・耐衝撃性能を持ち、建設機械の過酷な作業環境に適しており、精度は最大±0.5%FS。

• 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)産業用プロセス制御

• 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ング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、偏心荷重特性により材料タンクの重心オフセット問題を解決。制御システムと連携して正確な給材を実現。

• 包装機械の計量：粒子包装機および液体充填機用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可能。精度は±0.1%FS以内に制御され、包装計量の規格適合を保証。

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レベルの精度により科学研究レベルの試験要件を満たすことが可能。スポーク構造は応力が均等に分散され、試験データの再現性と精度を確保。

• 疲労試験装置：部品の疲労寿命試験における荷重監視用。サイクル寿命は10⁷回以上で、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・医薬品産業：衛生グレードの316Lステンレス鋼センサー。表面は鏡面研磨処理（Ra ≤0.8μm）を施しており、GMP基準に適合。原材料の計量、完成品の計測などの工程に使用され、清掃および消毒が容易。

• 鉱山・冶金：高温対応スポーク型センサー（補償温度 -40°C～120°C）。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・粉塵環境での使用要件に適応可能。

5. 使用方法（実用ガイド）

1) 設置手順

• 準備：取り付け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）、取り付けボルトの仕様とセンサーとの互換性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のトルクで締め付けてください（合金鋼製センサーの場合、推奨トルクは15～40N・m、ステンレス鋼製の場合、10～30N・m）。過剰に締め付けすぎるとエラストマーが損傷する可能性があるため、注意してください。

• 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（例えば周波数変換器や高圧ケーブルなど）から離して設置し、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ジャンクションボックスで密封し、センサーの露出部分にはダストカバーを取り付けることができます。腐食性環境では、非応力面に特別な防錆コーティングを施すべきです。

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分間予熱した後、計量器またはホストコンピュータを通じて「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ます。ずれが大きすぎる場合は、設置レベル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。

• シグナルタイプ：従来型の制御システムにはアナログ信号（4～20mA）を選択してください。スマートIoTシステムにはデジタル信号（RS485）を選択してください。建設機械には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：屋内乾燥環境用はIP66以上、屋外／湿気のある環境用はIP67以上、水中または粉塵の多い環境用はIP68以上。

3) 設置およびシステム互換性

• 設置方法：狭いスペースには端面ボルト接続を採用、大きな負荷がかかる場合はフランジ接続を選択。顕著な偏心負荷がある場合は、偏心誤差が±0.01%FS以下の強化モデルを推奨。

• 互換性：センサー信号が既存の計測器／PLCの通信プロトコルと一致していることを確認。複数のセンサーを組み合わせて使用する場合、信号干渉を避けるためアドレスコード対応のデジタルモデルを選択。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。食品産業ではFDA／GMP認証、計量用途ではCMC認証が必要。

• 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

スポーク型ロードセルは、「優れた偏心負荷耐性、コンパクトな構造、高い安定性」を主な特長としており、中～低負荷、設置空間が限られている、または偏心負荷がかかる状況下での正確な計量課題に対応しています。ユーザーエクスペリエンスとしては、簡単な取り付け、メンテナンスの容易さ、信頼性の高いデータ取得を重視しています。モデル選定にあたっては、まず測定範囲、精度、設置スペース、使用環境という4つの基本要件を明確にし、システムとの互換性や追加機能も考慮して決定する必要があります。使用時には、軸力の取り付け原則および定期的な校正基準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。産業用計量器、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条件における理想的な計量センシングソリューションです。

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