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板金ケース・パーツ設計
(ばんきんケース・パーツせっけい)
板金ケース・パーツ設計とは、制御盤、計測機器、センサ機器、通信機器などに使用する金属製の筐体や取付部品を設計することです。機器を収納するケースだけでなく、内部の基板取付板、端子台取付金具、仕切板、操作パネル、ブラケットなども対象となります。
板金部品は、薄い金属板を切断し、曲げ、穴あけ、溶接などによって立体形状へ加工します。設計では、収納する機器の寸法だけでなく、配線作業、放熱、防水・防じん、強度、製造方法、組立性、保守性まで考慮する必要があります。
同じ外形寸法のケースでも、板厚、曲げ位置、補強方法、通風口、扉構造によって使いやすさや耐久性は大きく変わります。電子回路、制御機器、操作部品との関係を整理し、製品や設備に適した構造を設計することが重要です。
板金ケース・パーツの主な用途
- 制御盤や操作盤の筐体
- 計測機器・表示器のケース
- センサや通信機器の保護ケース
- 基板、電源、端子台の取付板
- スイッチ、表示灯、タッチパネルの操作面
- 機器固定用のブラケットや補強部品
屋内の制御盤、屋外設置の計測器、壁面取付機器、卓上機器など、使用環境によって求められる形状や性能は異なります。
基本的な設計の流れ
収納機器と必要空間の整理
最初に、基板、電源、端子台、リレー、PLC、通信機器、表示器など、ケース内部へ収納する機器を整理します。
各機器の外形寸法だけでなく、コネクタの抜き差し、配線の曲げ、工具を使用する空間、部品交換に必要な作業範囲も確保します。
部品同士を詰め込みすぎると、組立や保守が難しくなり、発熱部品の温度も上昇します。将来の部品変更や増設を考慮して余裕を設ける場合もあります。
外形と分割構造の決定
ケースを一体構造とするか、前面・背面・底面などに分割するかを決めます。小型機器では、曲げ加工した本体と着脱式カバーを組み合わせる構造が一般的です。
制御盤では、箱本体、扉、内部取付板、底板、ケーブル引込板などに分けることがあります。分割方法は、加工性、組立性、配線作業、保守方法に影響します。
板厚と材質の選定
板厚は、ケース寸法、収納機器の重量、取付方法、必要な強度から決定します。板厚が薄すぎると、扉のたわみ、振動、ねじ部の変形などが発生します。
厚くすると強度は上がりますが、重量と材料費が増え、曲げ加工も難しくなります。必要に応じてリブ、折り返し、補強板を設け、板厚を過度に増やさず強度を確保します。
主な材料
冷間圧延鋼板
一般的な制御盤や屋内用ケースに使用されます。加工しやすく、強度を確保しやすい材料です。腐食を防ぐため、塗装やめっきなどの表面処理を行います。
表面処理鋼板
亜鉛めっきなどの表面処理が施された鋼板です。塗装前の防食性を高めたい場合や、内部部品として使用する場合に適しています。
ステンレス鋼板
水分、薬品、塩分などによる腐食が懸念される場所で使用します。食品工場、屋外、洗浄を行う設備などに適しています。
材質によって加工性、表面仕上げ、溶接条件が異なるため、使用環境と製造方法を確認して選定します。
アルミニウム板
軽量化が必要な機器や、持ち運ぶ製品に使用されます。熱を伝えやすいため、放熱を考慮したケースにも適しています。
ただし、鋼板と比べて柔らかく、ねじ部や取付部が変形しやすい場合があります。必要に応じて板厚や補強を見直します。
曲げ加工を考慮した設計
板金は、曲げ部分で材料が伸び縮みするため、単純に外形寸法を足し合わせただけでは正しい展開寸法になりません。
曲げ半径、板厚、材質、加工方法によって伸び量が変わります。製造設備や加工会社の曲げ条件を確認し、曲げ代や展開寸法を設定します。
曲げ線の近くへ穴や切欠きを配置すると、加工時に穴が変形することがあります。曲げ部から必要な距離を確保するか、加工順序を変更します。
複数の曲げが近接する形状では、金型や加工機が干渉し、設計どおりに加工できない場合があります。図面だけでなく、実際の曲げ方向と加工順序を確認します。
穴・開口部の設計
板金ケースには、スイッチ、表示灯、タッチパネル、コネクタ、ケーブルグランド、ファンなどを取り付ける穴を設けます。
取付部品の外形寸法だけでなく、取付ねじ、抜け止め、裏面の締付け工具、配線コネクタのスペースも確認します。
角穴を設ける場合、加工方法によって内側の角に半径がつきます。部品側の角が干渉しないよう、隅部へ逃げ形状を設けます。
穴同士や穴と板端の距離が小さすぎると、加工時の変形や強度不足が発生します。重い部品を取り付ける部分では、補強板や溶接ナットを使用する場合があります。
ねじ・取付構造
板金部品の固定には、タップ加工、圧入ナット、溶接ナット、スタッドボルト、リベットなどを使用します。
板厚が薄い場合、直接タップを加工しても十分なねじ山を確保できません。その場合は、圧入ナットや溶接ナットを使用します。
頻繁に開閉するカバーでは、ねじの紛失を防ぐ構造や、工具を使わずに操作できる締結部品を採用する場合があります。
基板取付部には、スペーサやスタッドを設け、板金面との絶縁距離を確保します。基板裏面のはんだ部や部品がケースへ接触しないことも確認します。
強度と振動への対策
大型の扉や広い平面は、板厚が十分でも振動やたわみが発生する場合があります。折り返し、補強材、リブ加工などを追加して剛性を高めます。
モーターや振動機の近くに設置するケースでは、共振による騒音、ねじの緩み、基板や端子台への負荷を考慮します。
壁面取付やポール取付では、ケース本体だけでなく、取付金具とボルトへ加わる荷重も確認します。扉を開いた状態では重心位置が変わるため、ヒンジや筐体の変形にも注意が必要です。
放熱設計
ケース内部には、電源、制御機器、通信機器などの発熱部品が収納されます。密閉度を高めると防じん・防水性は向上しますが、内部の熱が逃げにくくなります。
自然放熱で対応できない場合は、通風口、ファン、フィルター、熱交換器などを検討します。屋外設置では、直射日光による温度上昇も考慮します。
発熱部品は、熱に弱い部品から離して配置し、上下方向の空気の流れを妨げない構造とします。ファンを設ける場合は、吸気と排気の位置、フィルターの交換方法も確認します。
防水・防じん構造
粉じん、水滴、洗浄水などが存在する場所では、ケースの隙間から内部へ侵入しない構造が必要です。
扉やカバーの接合部にはパッキンを設け、均一に圧縮されるようにします。板金のゆがみが大きいと、パッキンを設けても隙間が生じます。
ケーブル引込部には、使用するケーブル径に合ったケーブルグランドを使用します。未使用穴はプラグで閉じます。
屋外では、雨水が上面にたまらない形状、水切り、二重屋根などを検討します。結露が想定される場合は、ヒーターや通気部品を使用することがあります。
操作性と保守性
スイッチ、表示灯、タッチパネルは、作業者が見やすく操作しやすい高さと位置へ配置します。操作中に手が危険箇所へ近づかないことも確認します。
扉を開けた際に配線が引っ張られないよう、可動部の配線経路と曲げ半径を確保します。扉と本体を接地線で接続する場合は、開閉に追従できる長さとします。
内部部品の交換時に他の部品を大量に取り外す必要がないよう、取付順序や工具の入り方を確認します。消耗部品や調整部品は、点検しやすい位置へ配置します。
表面処理と表示
鋼板ケースでは、防食と外観のために塗装を行います。屋内・屋外、薬品、紫外線などの環境に応じて塗装仕様を選定します。
塗装する部分と、接地や導通のために金属面を露出させる部分を分けます。塗装膜があると、接地端子や部品取付部で十分な導通を確保できない場合があります。
機器名称、端子番号、警告表示などは、銘板、シール、印刷によって表示します。海外向け製品では、言語、単位、警告記号も確認します。
製造図面で必要な情報
板金部品の図面には、外形寸法、板厚、材質、曲げ方向、穴寸法、加工公差、溶接箇所、表面処理などを記載します。
寸法を重複して指示すると、加工時の基準が不明確になる場合があります。組立時に重要となる面や穴を基準にして寸法を設定します。
外観面の傷、溶接跡、塗装品質などに要求がある場合は、図面や仕様書へ明記します。製造方法によって仕上がりが異なるため、必要以上に厳しい公差や外観要求を設定しないことも重要です。
異常・不具合と対策
扉が閉まりにくい場合は、箱本体のゆがみ、ヒンジ位置、パッキンの厚さ、扉のたわみを確認します。溶接熱によって板金が変形している場合もあります。
内部温度が高い場合は、発熱量、通風経路、ファンの向き、フィルターの目詰まりを確認します。通風口を追加すると防じん・防水性能へ影響するため、使用環境と合わせて検討します。
ねじが緩みやすい場合は、振動、板厚、締結方法を確認します。圧入ナットや緩み止め部品へ変更する方法があります。
水や粉じんが侵入する場合は、パッキンの圧縮状態、扉の変形、ケーブル引込部、未使用穴を点検します。
既設ケースの改造・更新
既設機器の内部部品を更新する場合、取付穴、表示器の開口、端子位置が新旧部品で異なることがあります。
既設ケースを再利用する場合は、追加板金や変換ブラケットを設計し、新しい部品を固定できる構造を検討します。
開口を拡大すると、ケースの強度や防水性が低下する場合があります。必要に応じて補強枠や新しいパネルを追加します。
老朽化、腐食、変形が進んでいる場合は、部分改造よりケース全体を更新した方が適することがあります。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、計測機器、センサ機器、通信機器、制御盤などに使用する板金ケースや取付パーツを設計します。
収納する基板、電源、PLC、端子台、タッチパネルなどの構成を確認し、外形、材質、板厚、取付方法、配線スペース、放熱、防じん・防水構造を検討します。
板金部品だけでなく、電子回路、基板、制御盤、組み込みソフトウェアを含め、製品全体として組立・操作・保守しやすい構造を設計します。
既設製品の部品更新や筐体変更についても、既存取付寸法、製造数量、使用環境を確認し、追加ブラケットやケース更新を含めて対応可能な構成を検討します。
よくある質問
Q. 収納部品が増えた場合、既存ケースをそのまま使用できますか？
A. 空きスペース、配線作業、発熱、重量を確認します。収納できても放熱や保守が難しくなる場合は、ケースの大型化や内部配置の見直しが必要です。
Q. 屋外で使用するケースはどのように設計しますか？
A. 防水・防じん、腐食、直射日光、結露を考慮します。ステンレス材、パッキン、ケーブルグランド、二重屋根などを使用する場合があります。
Q. 薄い板金へ機器をねじ止めできますか？
A. 板厚によっては十分なねじ山を確保できません。圧入ナット、溶接ナット、補強板などを使用して固定します。
Q. 既設ケースへタッチパネルを追加できますか？
A. 扉の寸法、強度、内部の干渉、配線スペースを確認し、開口加工や補強によって追加できる場合があります。
Q. ケース内部の温度が高い場合はどう改善しますか？
A. 発熱部品の配置、自然通風、ファン、フィルター、熱交換器などを検討します。防水・防じん性能との両立も必要です。