制御機器の基礎知識～スイッチ編～【株式会社山武】

制御機器の基礎知識～スイッチ編～

第三章リミットスイッチ・・・定格と特性正しい選び方

	1.環境条件
	2.機械的条件
	3.取付条件
	4.負荷条件

リミットスイッチはマイクロスイッチ、リレー、タイマなどパネルや機器の内部で使用するものと異なり、様々な過酷な環境のもとで使用されるため、「現場形」とも呼ばれるセンサと言える。従って機械や装置の故障の70～80%はリミットスイッチで占められているのが現状の姿である。機械や装置のメンテナンスフリーを追究するためには、フィールドにおける従来の実績、故障の現象、原因を分析し、あるいはこれが使用されるであろう環境を予測して、設計当初からリミットスイッチの適切な機種の選定が必要とされる。そのためには図7に示すスイッチをとりまく4つの選択条件（要素）について、あらかじめチェックすることが重要である。

図7 スイッチをとりまく四つの選択条件

■ 1. 環境条件

リミットスイッチにおいては、環境条件は最も重要な選択上のポイントである。その中でもリミットスイッチの保護方式とシール用ゴム材料の選択がその要となる。防塵性、耐油性、耐水性、耐候性等のグレードはどの程度のものが必要か、周囲の温度、湿度範囲はどの程度か、腐食性雰囲気、爆発性雰囲気の有無、振動、衝撃の有無などを十分確認することが必要である。

■ 1.1. リミットスイッチの保護方式

リミットスイッチの保護方式を考えるとき、実際にスイッチが使用される環境条件を十分に検討し、下記に述べる点に注意して、保護方式を選択することが必要である。

	1）	スイッチにふりかかるじんあい、油、水等の量はどの程度か、直接的または間接的にふりかかるか、圧力をもってふりかかるか。
	2）	じんあいが多量に存在する場所ではプッシュプランジャ形及びローラプランジャ形はプランジャ部へのじんあいの蓄積によりプランジャの復帰不良が懸念されるので、ローラレバー形、またはシールブーツ付きプッシュプランジャ形が好ましい。
	3）	シールブーツを使用したタイプを金属の切削屑の存在する場所で使用する場合は、シールブーツを切損するので好ましくない。
	4）	水がかかる場合はアクチュエータ部のサビの発生により、動作に支障をきたさない構造のものが好ましい。

■ 1.2. シート用ゴム材料

リミットスイッチに使用されるシール用ゴム材料を表7に示す。
一般的に標準品としては耐油性のニトリルブタジエンゴム（NBR）が使用されているが、機種によってはクロロプレンゴム（CR）を使用したものもある。リミットスイッチのシール性を左右するのは、ゴム材料の選定ばかりでなく、シール構造、シール形状などによるものも大である。シール選定に当たっては次の点に注意を要する。

	1）	耐油性ゴムを日光のもとにさらすと短期間でヒビ割れを起こし、一方耐候性ゴムを油のかかる場所で使用すると膨潤または硬化してしまう。このように耐油性と耐候性はまったく相反した関係にあることを把握しておくことが必要である。
	2）	シールは極力、スイッチハウジング内部に設けられ、外部から見えない構造のものが耐環境性上好ましい。外部にシールブーツを設けてあるものは使用環境に左右されやすい。
	3）	シール形状にはOリング、平板パッキン、ブーツなど各種あるが、いずれもシール性はそのつぶし代により決まる。ユーザがカバー、ヘッド部などを取付ける際、片締めを起こさないようなシール構造のものを選ぶのが得策である。
	4）	耐熱形、耐寒形スイッチにはシリコンゴム、ふっ素ゴム等が使用されるが、シリコンゴムは耐油性でニトロブタジエンゴムに劣り、ふっ素ゴムは高価であることが難点である。

表7 リミットスイッチに使用される各種ゴム材料

シール用ゴム材料	封入スイッチの適用範囲	使用所の注意
ニトリルブタジエン（NBR）	屋内で使用、耐油用使用温度範囲：-20～+80℃	耐候は不可
クロロプレーン（CR）	屋内屋外で使用、耐候用使用温度範囲：-20～+80℃	耐油は不可
シリコン（Si）	屋内屋外で使用、耐寒耐熱用使用温度範囲：-55～+120℃	耐油は不可
ふっ素（FPM）	屋内屋外で使用、耐油、耐候、耐寒、耐薬品用使用温度範囲：-55～+12℃	-

■ 1.3. 使用温度、湿度範囲

標準使用状態として、JISでは周囲温度が?5℃～＋40℃、相対湿度は＋40℃で85％RH以下としている。
また、NECA規格では、周囲温度が?10℃～＋50℃、相対湿度は45％RH～85％RHとしている。
いずれも、温度変化による氷結や結露しないことが前提条件となる。
一般にリミットスイッチの標準品は?20℃からまたは?10℃から＋70℃または＋80℃までの範囲で使用可能である。標準品の温度範囲を連続して超える用途では耐熱形または耐寒形の選択が必要である。

(1)耐熱形ﾉ最大120℃まで使用できるもので、標準品との相違点は次のとおりである。

	1）	シールゴム材はシリコンゴムまたはふっ素ゴム
	2）	グリースは耐熱性グリース
	3）	内部スイッチの樹脂は耐熱性フェノール

(2)耐寒形ﾉ?40℃または?50℃まで使用できるもので標準品との相違点は次のとおりである。シールゴム材はシリコンゴムまたはふっ素ゴム

	1）	シールゴム材はシリコンゴムまたはふっ素ゴム
	2）	グリースは耐熱性グリース

湿度が高い場所においてはやはりシール性の優れた機種を選択する必要がある。実際にリミットスイッチが使用される機械、装置においては温度と湿度が存在し、それぞれが高低の繰返しを行う状態が比較的多いので、フィールドにおける試用が必要である。

■ 1.4. 腐食性雰囲気

腐食性雰囲気には化学プラント等における酸、アルカリの噴霧状の気体及びガスによる弊害、船舶及び海岸近くの各種プラントにおける塩害などが考えられる。次にこれらの雰囲気がスイッチの各部の部品に及ぼす影響を述べる。

(1)外部の金属部

一般的に標準品のハウジング材質はアルミ合金、ねじ及び座金の材質は鉄である。従って、前述の腐食性雰囲気においては、ハウジングには耐食アルミ合金を、ねじ及び座金にはステンレスを使用したものを選択する必要がある。ただしハウジングなどの材質変更はどの機種でもできるものではないので、メーカで用意してある耐食形を選択するのが得策である。

(2)内部スイッチのばね材

一般的に内部スイッチのばね材にはベリリウム銅を使用しているので、アンモニウムの存在する場所で使用すると、ばね折れやばね性の劣化が発生することがある。シール性の優れた機種を選択しても、ガスはスイッチ内部に侵入することを忘れてはならない。このような雰囲気で使用する場合は早めに定期的に交換するのが得策である。

(3)内部スイッチの接点

多くの標準品には銀または銀合金接点が使用されているが、H2S、SO2、Cl2、NH3、NO2、SiO2などのガスが存在する場所で使用する場合、接点の接触抵抗が高くなる恐れがある。これは温度、湿度が高くなればなるほどその化学反応が促進される。その対策としては高価ではあるが、接触抵抗の安定した金メッキあるいは金合金接点の使用が推奨できる。

■ 1.5. 爆発性雰囲気

爆発性ガス、蒸気の存在する場所でスイッチを使用する場合、爆発災害事故を未然に防ぐために、労働省産業安全研究所の防爆検定に合格した防爆スイッチを使用するよう労働省の労働安全衛生規則で義務づけられている。
ここではこの中から表8爆発性ガスの分類例の引用にとどめる。防爆構造には安全増防爆、耐圧防爆、内圧防爆、本質安全防爆などの種類があるが、一般にリミットスイッチにおいては耐圧防爆構造がとられており、全閉構造で容器内部にて爆発性ガスの爆発が起こった場合に容器がその圧力に耐え、かつ外部の爆発性ガスに引火する恐れのないようにした構造となっており、表8のガスまたは蒸気の雰囲気で使用することができる。機種選択の上で重要な点としては、点検時あるいは異常時に万一ガスがもれて、スイッチの周囲に及ぶ危険性がある場所においては耐圧防爆形スイッチを選択することが必要である。

表8 爆発性ガスの分類・・・対象とするガスまたは蒸気：■部

電気機器の分類	＜温度等級＞
	T1	T2	T3	T4	T5	T6
	＜発火温度＞
	450℃超過	300℃超過 450℃以下	200℃超過 300℃以下	135℃超過 200℃以下	100℃超過 135℃以下	85℃超過 100℃以下
II A	アセトンアンモニア一酸化炭素エタン酢酸酢酸エチルトルエンプロパンベンゼンメタン	エタノール酢酸ビニル 1フタノールフタン無水酢酸メタノール	へキサンオクタン	アセトアルデヒト
II B	石炭ガス	エチレンエチレンオキシド
II C	水素ガス水素	アセチレン			ニ硫化炭素

■ 1.6. 振動、衝撃

プレス、金属加工機械等振動、衝撃の多い場所でスイッチを使用する場合、特に注意すべき点は内部スイッチの接点間隔及びアクチュエータの種類である。接点間隔は通常0.5～1mm程度のものが多いが、この値が大きいほど接点の接触力が高く、振動、衝撃が加わっても接点の誤動作が起こりにくい。ただし標準品より接点間隔を大きなものは、可動ばねのたわみが大きくなり、その機械寿命が短くなるので注意を要する。アクチュエータについては振動、衝撃が存在する場所で使用する場合は特にアクチュエータ自身の重量の小さい、短く、軽いものを選ぶ必要がある。特にローラレバー形で、標準品より長いレバーを使用する場合は注意を要する。いずれにしろ振動、衝撃についてはスイッチやアクチュエータの取付方向により、スイッチに対する影響が大きく異なるので注意を要する。

■ 2. 機械的条件

表9にアクチュエータの選び方を示す。リミットスイッチは豊富な機種があるが、一般的にはこの表の内容で代表される。次にこの表の各分類項目の順に選択上の注意事項を述べる。

(1)動作までの動き(PT）

機械や装置におけるドッグの移動量（ストローク）が小さい場合、動作までの動き(PT)の小さい機種を選択する必要がある。一般にはレバータイプよりプランジャタイプの方がPTは小さい。PTが小さい機種はじんあいや油の多い場所で長時間使用すると粘着性異物が可動部に付着しアクチュエータが自由位置まで完全に復帰しなくなるか、または遅れて復帰する危険性があるので注意が必要である。またPTが小さければ、応差の動き(MD)も小さいため高感度が要求される応用に適している。

(2)動作後の動き(OT)

一般的にプランジャ形よりレバー形の方が動作後の動き(OT)が大きい。OTの大きい機種は一般的にラフな動きのドッグ、すなわち進行方向に対して垂直方向のガタの大きいドッグを使用する場合、ドッグとスイッチとの取付位置関係をラフに設定できる。同じレバータイプでもOTを大きくとれるものとそうでないものと各種あるが、特にドッグがアクチュエータを乗り越える場合にOTを大きくとれるものとそうでないものと各種あるが、特にドッグがアクチュエータを乗り越える場合にOTの大きいものほど取り扱いが容易である。

(3)動作に必要な力(OF)

一般的にレバー形よりプランジャ形のOFの方が重い。特にローラプランジャ形を使用するに当たっては、使用するドッグの強度およびドッグの仕上げ面など、考慮に入れておかないと、ドッグの方がたわんだり、摩耗を生じたりすることがあるので注意を要する。また標準品のOFは10～30N程度と比較的重いが、応用上軽作動のものが必要となることがある。この場合は使用環境、アクチュエータの取付方向などによりアクチュエータの復帰不良が発生しないよう充分考慮する必要がある。むしろ確実なアクチュエータの復帰動作を得るにはOFよりも戻りの力(RF)を確認すべきである。

(4)繰返し精度

機械や装置の精度を高めるには、繰返し精度の小さい機種を選ぶ必要がある。一般的に繰返し精度は構成部品の最も少ないプッシュプランジャ形が最も小さく、ローラプランジャ形、ローラレバー形の順に大きくなる。これはローラの偏芯とレバー比の影響を受けているからである。

表9 アクチュエータの選び方

形状	分類	動作までの動き(PT)	動作後の動き(OT)	動作に必要な力(OF)	精度	振動衝撃	耐環境	説明
	プランジャ形	小	中	大	優	優	優	油圧、エアシリンダーなどによる操作で、位置検出に高い精度を有する。（プランジャには、偏荷重がかからないよう操作体の動きにそって取りつける）
	ローラ・プランジャ形	小	中	大	優	優	優	カム・ドッグ・シリンダ、その他、補助アクチュエータを装着して広範囲の操作ができる。
	ボール・プランジャ形	小	中	大	良	優	優	ボール・アクチュエータで操作方向の制限がない。 1) 取りつけ面と操作の方向がずれる場合。 2) 直交2軸の操作がある場合。ドッグ角は小さく、面粗度をあげて使用してください。
	ベベル・プランジャ形	小	中	大	優	優	優	ローラ、ローラ軸などアクチュエータの磨耗要素をのぞき、ナイフエッジの硬化プランジャで高精度、超寿命化したもの。主としてマルチ・リミットに採用。工作機械の多段制御に使われる。
	ローラ・レバー形	小～大	大	中	良～優	優	秀	回転方向へのストロークが45°～90°と大きく。またレバーは360°任意の角度にセットができ、使いやすい。高感度形（高精度。RT小）。広角度（OT大）がある。位置決めからワーク検出まで広範囲に使用できる。
	可変ローラ・レバー形	小～大	大	中	良～優	良	秀	ローラ・レバー形の特長を生かしてラフにも操作体の検出ができるようにしたもので、レバーの長さを可変できるようにしてある。
	可変ロット・レバー形	大	大	中	良	良	秀	ワーク幅が広く、また形状の不均一なときなどに便利。回転動作のリミット・スイッチの中ではもっとも軽作動である。ロッド長さ調整、曲げ加工も容易にできる。
	フォーク・レバー・ロック形	大	中	中	良	優	秀	55°の位置まで操作すると自力反転し、その状態を保持する。単一ドッグによる往復作動もしくは、ローラの位置にズレを持たせたものは、2個のドッグによる操作ができる。
	コイル・スプリング形	中	大	小	可	可	良	軸方向をのぞき360°どの方向からも操作可能。動作力はリミット・スイッチ中でもっとも低く、方向や形状の不均一な場合の検出に有効である。動作後の動きアクチュエータ部で吸収するためワークのブレに対する許容量も大きい。

■ 3. 取付条件

(1)外形寸法

取付スペースに余裕がない場合、外形寸法の小さい機種を選ぶが、その機種のシール構造を良く把握しシール性を確認してから使用すべきである。

(2)取付方法

一般にスイッチの取付強度は取付ねじの本数とねじ径によって決まる。工作機械など振動の多い場所では、2本締付けタイプより3本または4本締付けタイプの方がゆるみに対して好ましいとされてきた。しかし最近のねじロック剤などの使用により、この問題は減少方向にあり、むしろ保全工数を減らすため4本より2本という要求に変わりつつある。また機械や装置の設計段階で様々なスイッチとドッグとの取付位置関係が考えられるが、L形スイッチのように動作ヘッドを4方向にセットできるもの、レバーを360｡任意の位置にセットできるもの等を選択することによって同一形番で使用できるので、管理上好都合である。

(3)コンジット部の結線方法

一般的にはG1/2、G3/4（国内）またはPG13.5、M20（欧州）、1/2-14NPT（北米）のコンジット部を持ったスイッチが多く、専用のシールコネクタ、フレキシブルチューブ配管、電線管等を使用する。特に環境が悪い場所で使用する場合は、一般にコンジット部の処理がまずいために、スイッチ内部に油、水等侵入する場合が多い。ユーザにおいてコンジット部の処理に自信がない場合、あらかじめメーカでケーブルを処理したプリワイヤ形を使用するのが好ましい。ケーブルの材質は汎用塩化ビニル、耐油塩化ビニル、クロロプレンの3種類が一般的で、用途により使い分ける必要がある（表10参照）。さらにシール性の信頼性を高めるためにコンジット部または、ハウジング内部をエポキシ樹脂で固めたものもある。

表10 各種ケーブル特性比較表

	汎用塩化ビニル	耐油塩化ビニル	クロロブレン
耐候性	○	○	◎
耐オゾン性	◎	◎	○
耐老化性	○	◎	○
耐燃性	◎	◎	◎
耐油性	○	◎	○
耐磨耗性	○	◎	◎
耐水性	◎	◎	◎
耐寒性	○	◎	◎
屈曲強度	－	○	○
反撥弾性	－	○	◎
圧縮永久歪	－	○	○
弾性効率	－	○	○
硬度変化	－	○	◎

◎・・・優れる　○・・・普通


不適当	適当	不適当	適当
スイッチに直接、切削油がかかる場所はさけて取付けること。		切削屑や泥状塵埃がたい積するような場所をさけてスイッチを取付けること。

					スイッチは作業者または機械の正常な動作にもかかわらず誤動作を誘因するような場所に取付ける場合は特別の配慮をすること。
	不適当		適当

					スイッチを規定外の温度、外気条件下で使用しないこと。
	不適当		適当

(4)保守性

あらゆる機械・装置において安全にかかる費用は莫大なものである。故障した場合、まずどのリミットスイッチが故障しているかを発見しなければならない。次に迅速に新しいスイッチと交換し、必要であれば動作位置の調整を行う。一般的に前者に対しては動作表示ランプつき、後者に対してはコネクタ形が適している。動作表示ランプつきを選ぶ場合、ネオンランプとLEDランプの2種類あり、動作電圧も種々用意されているので確認する必要がある。またコネクタ形はワンタッチで交換でき、動作位置の再確認も必要としないので、迅速な交換ができダウンタイムロスを少なくできメンテナンス面では有利である。

■ 4. 負荷条件

(1)負荷内容

従来の一般的な負荷はリレー、電磁弁、電磁クラッチ等であったが、最近はリミットスイッチの信号を直接、無接点ロジックに送る使用方法が増えている。この場合、24V DC、50mA以下のエレクトロニクスレベルのスイッチ信号になるために、スイッチの接点には金合金または金めっき接点のものを使用する方が好ましい。

(2)回路構成

マイクロスイッチにおいては単極双投形が代表的なのに対し、リミットスイッチにおいては2回路双断形が代表的である。標準的なL形スイッチを選ぶ場合はNO、NC各2端子をすべて結線すると、現場における結線がやりにくいので、設計段階でNOまたはNCのどちらか一方のみ使用するよう考慮するのが好ましい。

(3)電気的耐久性

切削油等がリミットスイッチに直にかかるような悪環境のもとではシール寿命が電気的耐久性を下回ることが多い。その多くは内部スイッチ接点間に切削油剤が侵入し、絶縁不良を起こす場合である。この対策として万一リミットスイッチのハウジング内部に切削油等が侵入しても、内部スイッチの中に侵入しないよう、内部スイッチ自身を密閉した二重シールタイプのL形スイッチがある。従って環境に応じてこのタイプを選択するのが好ましい。

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