ロードセルの原理

ロードセルは力を測定可能な電気的出力に変換する 変換器です。ロードセルには様々なタイプのものがありますが、 ひずみゲージを用いたロードセルが最も一般的なタイプです。

ロードセルの歴史

ひずみゲージを用いたロードセルが産業界での秤量分野で良く選択される方式になるまでには、機械的なレバーを用いた秤が広く使用されていました。機械的な秤は、錠剤から列車まですべてのものの重さを量ることができ、適切に校正、保守されていれば正確で信頼のおける測定ができます。機械的な秤の動作原理は、重さのバランスのメカニズム、言い換えると機械的な梃子に働く力の検出を利用しています。初期段階の ひずみ力ゲージには、水圧および空気圧を使った設計がありました。1843年、英国のSir Charles Wheatstoneが電気抵抗を測定できるブリッジ回路を考案しました。このホイートストンブリッジ回路は、 ひずみゲージ内に生じる抵抗変化を測定するために最適な回路です。1940年に初めて接着型の抵抗線 ひずみゲージが開発されましたが、この新技術が技術と価格の面から実現可能となったのは、最新の電子技術が利用できるようになってからでした。しかし、その時点からは ひずみゲージは機械的な秤のコンポーネントとしても独立型なロードセルとしても普及してきています。精密な機械天秤をまだ使っている一部の研究室を例外として、今日、 ひずみゲージロードセルが秤量業界を席巻しています。本質的に安全であり衛生的であることが要求されている場合は空気圧式ロードセルが使われることがあります。また、離れた場所での使用には、電源が不要な油圧式ロードセルの利用が検討されます。 ひずみゲージロードセルの精度は0.03%～0.25% (フルスケール) であり、ほとんどすべての産業用途に適しています。

ロードセルのタイプ

ロードセルの区分は、出力信号のタイプ (空気圧、油圧、電気) または重さの検出方法 (曲げ、剪断、圧縮、引張など) により区分できます。

油圧式ロードセル

油圧式ロードセルは、内部に充填された流体の 圧力変化として重さを測定する天秤装置です。ローリング隔膜タイプの油圧式ロードセルでは、荷重が加わるヘッドに働く負荷または力がピストンに伝わり、今度はそのピストンがエラストマーの隔膜室内に封入、充填されている流体を圧縮します。加わる力が増加するにつれて、作動流体の 圧力 (油圧) が上がります。この 圧力はその場に表示されるか、または遠く離れた場所での表示やリモートコントロールのために送信されます。出力は線形であり、充填されている液体の量やその温度の影響は比較的受けにくいです。ロードセルが正しく 設置、構成されていれば、その精度はフルスケールで0.25%かそれより良いですので、これは重量計測のほとんどの用途で使える精度です。このセンサーには電子的なコンポーネントが使われていないので、危険区域での使用に最適です。油圧式ロードセルの典型的な用途には、タンク、大型容器、ホッパーの秤量が含まれます。最高の精度を得るには、タンクの支持部の各点に1つのロードセルを配置してタンク重量を量り、その合計をとるべきです。

空気圧式ロードセル

空気圧式ロードセルも天秤の原理で動作しています。油圧式装置よりも高い精度を得るために、この装置では複数のダンピングチャンバーを使っています。一番目のダンピングチャンバーを風袋重量測定室として使用している設計もあります。清浄度と安全性が最優先である産業では、比較的軽い重さの秤量にこの空気圧式ロードセルがしばしば使用されます。このタイプのロードセルには、本質的な防爆性がありその出力は温度変動の影響を受けないという長所があります。さらに、このロードセルには、もし隔膜が破けてもプロセスを汚染する恐れのある液体は使っていません。短所としては反応が比較的遅いことと、クリーンで乾燥した空気または窒素ガスを一定の 圧力で供給する必要があることが挙げられます。

ひずみゲージロードセル

ひずみゲージロードセルは、加わる負荷を電気信号に変換します。ゲージ自体は、重さが加わると変形するビームや構造部材に接着されています。大半の場合に、最大感度を得たり温度補償したりするために4つの ひずみゲージが使用されます。通常、2つのゲージが引張力に残りの2つが圧縮力に反応するようになされており、これらは図 7-2に示すような補償調整回路に接続されています。重さが加わると歪みが生じ、それがゲージの電気抵抗を変化させます。変化は負荷に比例します。 ひずみゲージロードセルの精度が向上しそのユニットが安価になるにつれて、他のタイプのロードセルは次第に使われなくなってきています。

小型薄型圧縮ロードセル
直径9.6mm〜の小型薄型圧縮ロードセル。定格容量は1 kgf〜。非常に優れた長期安定性を持っています。

小型引張圧縮ロードセル
両端にオスネジが付いており、既存の設備に簡単接続可能。圧縮/引張型ロードセルは、負荷が引張から圧縮に移行する、またはその逆の動きをする用途で使用できます。

S型引張圧縮ロードセル
Sビーム型ロードセルの名前はその形 (S字形) から来ています。Sビーム型ロードセルは、引張状態でも圧縮状態でも出力を出せます。タンクの計量、トラックスケール、引張試験機、圧縮試験器の計測に最適です。このロードセルは、側方からの負荷を秤量しないという優れた特性があります。

ビーム型ロードセル
このロードセルは、複数ロードセル、タンク計量、工業用プロセス制御用途に適しています。スペースが制限された区域に組み込める薄型構造という特徴を持っています。

デジタル台はかり
台上のどこに負荷があっても正確な測定が出来ます。 食品加工等のオートメーション環境に最適なロードセル。

引張圧縮両用ロードセル
パンケーキ型のロードセル。ロードセルの真ん中にネジ穴が切ってあり、ユーザの用途に応じてネジを使い分けることができます。

キャニスタ型ロードセル
キャニスタ型ロードセルは、1ヶ所での秤量 (シングル計量) および複数箇所での秤量 (マルチ計量) の双方の用途に使用されます。複数のロードセルを用いての計測に最適です。オールステンレス製の密閉構造で、防水仕様になっており、水が流れる場所や湿った場所で使用するために密封されています。

静水圧補正用ロードセル
水中での使用を考慮して設計されているロードセル。アプリケーションは、ドライドック、舶用の重量測定、潜水プラットホーム、ピット内などでの使用に最適です。

ワッシャ型圧縮ロードセル
貫通穴型ロードセル。クランプ力、ボルト負荷や圧縮力に最適なロードセル。ボルトの張力、プレス成形機器等に広く使用することができます。

微小力センサ
研究・開発などで、小さな力測定が可能な微小力（フォース）センサ。0.11〜（定格容量）の微力を測定することができます。

ロードセルアクセサリ
お客様のご用途に合わせたロードセル用のアクセサリを品揃えております。ロードボタン、ロッドエンド集積箱など、ロードセル用のアクセサリや、 4桁表示ディスプレイ、1/8DINサイズの（DP-25B-S、DP-41-S）ロードセル用メータをご用意しています。ロードセルとメータの接続（セッティング）は弊社エンジニアにお任せください！

タイプ	測定範囲	精度 (FS)	アプリケーション	長所	短所
機械式ロードセル
油圧式ロードセル	最大 4,500 tf	0.25%	タンク、大型容器、トラックスケールなど	衝撃に強い 温度に影響されない	高価、複雑
空気圧式ロードセル	広い	高い	食品産業、危険区域	本質安全 流体を含まない	応答性が遅い 清浄で乾燥した空気が必要
ひずみゲージ式ロードセル
ビーム型ロードセル	4.5 kgf 〜 2.3 tf	0.03%	タンク、台秤	安価、シンプルな構造	ひずみゲージが剥き出しで、保護が必要
シェアビームロードセル	4.5 kgf 〜 2.3 tf	0.03%	タンク、台秤 中心からオフセットした負荷	側面の負荷を遮断 高い密閉性
キャニスタ型ロードセル	〜225 tf	0.05%	トラック、タンク、線路、ホッパーのスケール	負荷が動く場合でも使用可能	水平方向の負荷に対する保護はない
リング、パンケーキ型ロードセル	2.2 kgf 〜225 tf		タンク、ビン、秤	オールステンレス製	負荷が動く場合は使用できない
ワッシャ型ロードセル	0 〜2.2 tf 0-90 kgf (一般的)	1%	小型の秤	小型、安価	負荷は中心に加わること 負荷の動きには非対応
その他ロードセル
らせんロードセル	0 〜18 tf	0.2%	プラットホーム、フォークリフト、 ホイール負荷、自動車の座席の重量	軸外負荷に対応 過負荷、衝撃
光ファイバロードセル		0.1%	電気的送信ケーブル スタッドもしくはボルト 取付	耐RFI/EMI性および耐高温性、 本質安全
ピエゾ式ロードセル		0.03%		高感度 高信号出力レベル	高価格、非線形出力

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