制御機器の基礎知識センサ編【株式会社山武】

制御機器の基礎知識センサ編

第七章（2）光電センサ（光電形近接スイッチ）各種-1

	8.透過形光電形近接スイッチ
	9.リフレクタ形光電形近接スイッチ
	10.拡散反射形光電形近接スイッチ
	11.限定反光電形近接スイッチ

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■ 8. 透過形光電近接スイッチ

■ 8.1. 検出原理

透過形の基本構造は図16及び図17に示すように光源を内蔵し検出媒体となる光を投射する役目を持つ投光器と、投光器の投射光を受け電気信号に変換する受光素子を内蔵した受光器を対向させて配置し、投光器を出た光は一直線に受光器の入光窓に投射される。

対向配置された投光器と受光器の間が検出範囲であり、この間を通過する物体が投射光を遮断し、受光器に入射する光量が減少すると受光器に内蔵された光電変換素子の電気的特性が変化するので、これを検出、増幅し物体検出信号とする。

透過形の光電形近接スイッチは構造上、次の2種に分類される。

（1）透過形
投光器と受光器は、それぞれ個別の構成体にまとめられており、検出に必要な距離だけ離して対向設置される。（図16）
設置の際、投光器の投光軸と受光器の受光軸を完全に一致させる必要がある。この作業を光軸調整という。
投光器から受光器までの設定距離の最大値は製品仕様書に定められた値までとし、それ以下の任意の距離で使用できる。

図16　透過形の基本構造図

（2）溝形・コの字形
図17に示すように発光源と受光素子が、一体のケースの内に、あらかじめその光軸を一致させて収納されている。
ケースに設けられた溝の内側の光通路が検出範囲となり、最大200mm程度の製品まである。

図17　溝形の基本構造図

■ 8.2. 特徴

（1）透過形

（a）	不透明体の光学的検出方法の中で検出原理上、最も安定で確実な方法である。
（b）	原則として投光器の直前から受光器の直前まで、光軸上のすべての範囲が検出できる範囲である。使用状況に合せ、任意の設定距離で使用できる。
（c）	光電形近接スイッチの中で最も設定距離が大きい。制御用では最大50mまで、防犯用では数100mに及ぶものまで製作可能である。
（d）	耐環境性がよい。透過形は、他の方法に比べ受光信号レベルに十分な余裕がとれるので、レンズ面の汚れ、周囲温度の変化、電源電圧の変動、周囲照度の変化など、周囲環境の変化による影響が少なく、常に安定した検出が行える。

（2）溝形・コの字形

（1）	項で説明した透過形の特徴の他に次のような特徴を持っている。
（a）	光軸調整が不要である。投光器の光軸があらかじめ一致するように組立てられているので、光軸調整作業が不要である。
（b）	光軸があらかじめ調整されているので、検出位置の精度が保証されている。
（c）	光軸が固定されているので、透過形と比べ振動、衝撃により光軸がずれることがない。

■ 8.3. 特性

（1）余裕利得
受光器に入射する光の量に対する受光素子の出力の大きさを示すものであるが、一般には使用時の目安となるよう、対向させた投受光器間の距離に対する受光素子の出力信号の大きさで表現される。図18にその一例を示す。図18によれば、距離1において受光出力は動作レベルの10倍あることを示しており、これが光軸ずれ、レンズ表面のよごれなどによる、入射光量の減少を補償するための余裕である。

図18　余裕利得

（2）平行移動特性
光の広がり具合を示す特性である。受光器を光軸に対して垂直方向に移動させたとき光電形近接スイッチが動作する点を示したものである。複数個並べて並列取付けをする場合の相互干渉の目安にも使用できる。

図19　平行移動特性

■ 8.4. 選び方と上手な使い方

（1）動作距離
投光器から受光器までの距離であるが、この値は使用する光電形近接スイッチの使用値内におさめる必要がある。
（2）余裕利得
一般に受光出力は定格動作距離において10倍前後の余裕をもたせてある。これは前述したように光軸ずれやレンズ表面のよごれに対応するためであるが、図18に示すように受光出力は検出距離が短くなるに従って上昇していく。

投受光器を極端に接近させて使用すると受光出力がきわめて大きくなり、薄手の紙などでは遮光することが困難となる。このような場合は、感度調整のできる製品を使用するとよい。

分解能をあげるため、投受光器の前にスリットやピンホールを取付けることがあるが、この場合は受光出力が低下するから使用距離における余裕が大きな機種を選ばなければならない。
（3）指向性
検出場所の近くに光軸に平行な床や壁などの平行面があると、その面で反射した光が受光器に入射するため、光軸上で遮光動作を行っても遮光状態とならず検出できないことがある。

光軸に平行な面での反射の影響（図10）は面がメッキされた金属板、ステンレス板、タイルなど、正面反射率の高いものが使われている場所に発生しやすい。

対策としては、指向性のよい（狭視界）製品を選ぶと共に、受光器の感度をしぼる、反射防止対策（第七章　7-1（2）参照）を行うなどの処理をする。
（4）レンズの口径
投受光器に出入する光線の幅は、レンズの口径に等しい。

受光器に入射する光を完全に遮断するためには、レンズ径が検出体の幅より小形である光電形近接スイッチを選ぶ必要がある。

一般に動作距離が大きな光電形近接スイッチほど大口径のレンズが使用されており、長距離用になるほど最小検出体の寸法も大形となる。

スリットやピンホールを装着すると、受光出力が低下するので、最大動作距離は減少する。減少率はレンズ口径に対するスリットやピンホールの面積により変化するので、メーカのカタログ、取扱説明書、などを参照されたい。
（5）半導体レーザ式
透過形光電形近接スイッチのなかで、半導体レーザを使用したタイプのものがある。位相がよく揃い、その上収斂性がよいので狭い面積にきわめて高密度の光エネルギーを集中できるというレーザの特長により、長距離で微少物体を検出するのに適している。

■ 9. リフレクタ形光電近接スイッチ

■ 9.1. 検出原理

	（1）リフレクタ形図20のように投光部と受光部を収納した投受光器とリフレックスリフレクタを対向配置し、その間を通る物体によって生じる光量の変化で検出する光電形近接スイッチである。リフレックスリフレクタは光の入射方向に光を反射する特性をもつ反射板である。（図21参照）。設定距離は1m～10mのものが多い。リフレックスリフレクタはコーナーキューブの集合体であり、入射光は3回の全反射の後、入射光と同じ方向に返される。		図20　リフレクタ形の基本構造
			図21　リフレックスリフレクタの概念図

（2）ポラライドリフレクタ形
リフレックスリフレクタに直線偏光を入射させると反射光は楕円偏光となり、入射光と直交した偏光成分が生じる。鏡面による反射では入射光と同一方向の直線偏光が反射される。

この原理を応用しているのがポラライズドリフレクタ形である。ポラライドイズドリフレクタ形の光電形近接スイッチでは投光側と受光側の光路上に偏光面が直行するように偏光フィルタを配置して鏡面（正反対）の場合の検出体からの反射光による検出ミスが生じないよう工夫されている。


図22　偏光の概念図		図23　ポラライズドリフレクタの概念図

図24　リフレックスリフレクタの構造図

■ 9.2. 選び方

リフレクタ形光電形近接スイッチは、長所・短所を考慮の上、次の点に留意し選択する。
（1）動作距離
拡散反射形より長い距離で使え、精度が高い。

必要とする動作距離に見合った定格動作距離のものを選ぶこと。ある構
のものには、リフレックスリフレクタを近づけすぎると動作しない領域があるので注意すること。
（2）検出体
大きさなどが規定されているので検出体はメーカのカタログ、取扱説明書などを参照されたい。ペットボトル、透明ビンなどの検出は透明体検出用のものがあるのでこのタイプのものを選べばよい。
（3）取付け
取付場所が狭く、検出精度の必要なとき、多数使用のとき、工事が容易で透過形に比べコストが安くあがる。

■ 9.3. 特性

平行軸に投受光部が配置されているタイプには、投受光面の直前までリフレックスリフレクタを近づけると動作しなくなる不感帯（不動作領域）がある。これは、リフレックスリフレクタの反射特性と投受光部の光学構造により生じる。

■ 9.4. 上手な使い方

（1）設定

（a）	複数の接近設置と相互干渉：最近では、相互干渉防止機能付きのものがあり、接近設置をする場合はこのタイプを選べばよい。相互干渉防止機能のない場合は注意を要する。リフレックスリフレクタは、投光器からの光芒を入射方向へ反射するが、その反射特性上完全に平行ではなく、ある程度の拡散角を有する。そのため接近設置は、投受光器の指向角（平行移動特性）で示されたその距離における幅のそれぞれ2倍以上離すようにする。これは、透過形は投光部・受光部を逆に設置することで縮められるのとは異なり、投受光部と反射器を逆にしても相互干渉を防止できないためである。
（b）	検出体と光学系：検出体は、リフレックスリフレクタと投受光の光学系よりも大きくならなければならない。
（c）	鏡面体検出：ポラライズドリフレクタ形を使用することで検出できる。しかし、検出体をフィルムで被うなどの偏光をみだす特性があると誤動作する場合があるので注意すること。

（2）調整
リフレックスリフレクタの角度：投光器よりリフレックスリフレクタに入る光の入射角は、90°±15°の範囲にあればよい。

また、面積を大きくすることで、投受光器の角度、位置調整を正確にする必要がなくなる。例えば、安全用としてリフレックスリフレクタを片方に長く並べ移動する台車に投受光器を取付けることにより接近検出（衝突防止）にも使え角度。位置調整はラフでよくなる。

（3）リフレックスリフレクタの選択
リフレックスリフレクタの種類としては、表2に示すようなものであり、それぞれ厚みのある板状の物と、厚み1mm以下のテープ状の物がある。この中で、○印の付いているものはポラライズドリフレクタ形光電形近接スイッチのリフレクタとして使用できるが、×印が付いているものは使用できない。またテープ状の検出距離については、メーカのカタログ、取扱説明書、などを参照されたい。

表2

■ 10. 拡散反射形光電近接スイッチ

■ 10.1. 検出原理と特徴

拡散反射形光電形近接スイッチは、検出体自体の表面反射により動作するもので、図25に示すように検出体に光を照射する投光部（投光回路、投光素子）と、検出体からの散乱反射光（拡散反射光）を受光する受光部（受光素子、受光回路）が一つのケースに収納された一体形の光電形近接スイッチである。

図25　拡散反射形光電形近接スイッチ

透過形やリフレクタ形のように、あらかじめ一定の間隔を光結合しておき、その遮断を検出するものとは異なり、反射板などは使用せず、一定方向からのみ、物体を検出することができる。

拡散反射形光電スイッチの特長を表3に示す。

表3 拡散反射形光電形近接スイッチの特徴

長　所

短　所

・	一方向から検出可能（反射板不要）
・	検出物体までの距離設定が容易
・	検出物体表面の反射率の違いを検出するため、有無検出にとどまらず、簡単な色判別、形状判別には応用可能
・	反射光の少ないガラス、セロファンなどの透明体も検出可能
・	検出物体の材質を選ばない

・	透過形などに比べ検出距離が短い
・	検出範囲がどこまでか一見では分からない
・	通過位置により動作位置が一定しない
・	高利得の光学系、電気回路が必要
・	表面反射率の違いにより検出距離が変化する
・	検出物体の背景の影響が無視できない
・	機種間で検出性能の違いが大きい

■ 10.2. 選び方と上手な使い方

拡散反射形光電形近接スイッチは、表3の長所、短所を考慮して次の点に留意し選択を行う。
（1）動作距離と感度調整
拡散反射形光電形近接スイッチの動作距離は、標準検出体を基準に測定されている。一般の検出体では、この値より動作距離の減少するものもある。

第七章　10-3項の諸特性を考慮して、実際動作距離にある程度、余裕のあるものを選択し、感度調整により7～8割の設定感度で安定に動作するものを選ぶ。これは、同一形式内での動作距離のバラツキ吸収にもなり、保守・互換時に確実な設定ができる。
（2）狭視界形（細ビーム）、広視界形（広視野ビーム）の選択
拡散反射形は、透過形やリフレクタ形と比べ動作領域が不明確な空間であるため、検出場所近傍、背景などの状況を考慮した選択の必要がある。狭い間隔を通しての検出や、複数の光電形近接スイッチを併設する場合は、まわりの影響や干渉によるトラブルのすくない狭視界形のものを選び、検出体に凹凸が有ったり、方向が変化する場合は、比較的広視界形のものが適する。
（3）背景物体の影響
第七章　7-1を参照のこと。

■ 10.3. 特性

（1）余裕利得
標準検出体を検出体とし、光電形近接スイッチからの距離に応じた受光部の余裕利得が、どのような特性になるかを表わし、光電形近接スイッチのもっとも基本的なもので、動作距離、受光信号の余裕度の目安となる。

余裕利得のカーブから、検出体の背景の影響、応差の距離（検出体が接近したときの動作点と検出体が離れて行くときの復帰点の間の距離）なども推測できる。動作レベル近傍の勾配が急峻なものほど応差が少なく、背景の影響も除去しやすい。

図26　余裕利得

図26の2眼式の場合、光電形近接スイッチの直近にて、受光出力が提言し、不感域をもつものがあるので注意を要す。

感度調整機能を有するものでは、最大感度状態の特性を表わすのが一般的である。

（2）動作領域特性（動作距離ー距離特性）
図27のように、標準検出体を光軸に対して垂直方向に移動させたとき光電形近接スイッチが動作する点を測定し、動作距離を変化させ、同様に動作位置を測定して、つぎ合わせた軌跡が、この特性である。検出体の移動方向が逆の場合には、図27の破線のように、光軸に対して対称となるのが一般的である。

図27　動作領域特性

検出光束が細い狭視界形の場合は、曲線で挟まれた領域が細長く、広い視界形ものは幅広くなる。この特性は検出体の大きさ、種類により大きく変化する。

（3）動作距離ー検出面積特性
検出体の大きさ（面積）が変化したとき、検出可能な距離がどのように変化するかを表わす特性である。

一般に標準検出体と同材質のもので、正方形の面積を変化させ、動作距離を測定する。

図28　動作距離ー検出面積特性

この特性の飽和から、光電形近接スイッチの有効光束の広がり（指向角にあたる）が推測される。少ない面積で飽和すれば、狭い指向角（細ビーム）、飽和しなければ広い指向角をもっている。

（4）相互干渉ー距離特性
光電形近接スイッチを並列に設置する場合に、検出体表面や背景物体により、他方の光電形近接スイッチによる反射光が入光し、動作を不安定にすることがある。これが相互干渉である（図29）。

図29　相互干渉ー距離特性

一般には、光電形近接スイッチを並行に設置し、その間隔に対して、検出体がいくらの距離にきたとき不安定にあるかを測定し、表わしたものである。

（5）動作距離ー材質特性
拡散反射形の光電形近接スイッチは、検出体表面での拡散反射光を検出するため、検出体の材質（性格には表面状態）により、動作距離が変化する。

黒いものより白いものが、光沢の無いものよりあるものが長い距離、検出できる。

図30は、面積を一定としたときの一例である。

図30　動作距離ー材質特性

（6）動作距離ー角度特性
図31のように、光電形近接スイッチの光軸と検出体表面が垂直のときを0°とし、検出体の角度変化に対する動作距離の特性を表わす。

白画用紙のように、表面が無光沢のものは、拡散反射に近いため、角度変化による動作距離の変化は、比較的少なく、逆に光沢のある物体は、正反射に近いため、大きく変化する（図32）参照。これを、実際の検出に応用し、検出面に対して、角度をつけて設置することで、光沢面と無光沢面の判別も可能である。


図31　動作距離ー角度特性		図32　検出体の反射特性

■ 11. 限定反射形光電形近接スイッチ

■ 11.1. 検出原理

限定反射形光電形近接スイッチは、拡散反射形光電形近接スイッチをベースに、図33に示すような光学系を構成することで、限られた距離範囲内のみを動作領域とする反射形光電形近接スイッチである。

この限定反射北の光学系の特徴は、投光軸と受光軸が比較的大きな角度で交差しているところにある。図33は、投光光芒と受光光芒に細く鋭いビームを使用するもので、双方の光芒が交差する限られた領域のみで強い受光出力が得られる。検出される光の主成分は、図34に示すように正反射光である。


図33　限定反射形光電形近接スイッチ		図34　検出光幅の概要

■ 11.2. 特徴

限定反射形には、拡散反射形光電形近接スイッチの特徴（第七章　10-1）に加えて次のものがある。

（1）応差が小さい
受光出力ー距離特性の勾配が急峻であるため、動作と復帰の距離の差が小さくなり、小さな凹凸検出が可能である。
（2）背景の影響が少ない
動作領域以外に物体がある場合の反射光は、図34の検出体（B）のように受光素子に入らないため、検出体と背景物体の間に距離の差が少ない場合でも安定に検出ができる。
（3）光学系可変による動作距離設定が可能
投光軸と受光軸の交差する角度を変化させることで動作距離の設定を行える。これによれば、拡散反射形の電気的な感度調整のみによる設定より検出は安定となる。

■ 11.3. 選び方

限定反射形は、拡散反射形の動作領域を限定し、また、より少ない距離の変化を検出できる点に特徴があり、これを生かした選択をするのが基本である。

表4は、限定反射形の特徴を生かした用途例であり、これらの例と、各機能の特性を、十分に確認し、選択するのが望ましい。

表4 限定反射形光電形近接スイッチの用途例

用途

検出原理

応用具体例

１．背景物体の影響を避ける　

・	コンベア上のうすい物体検出
・	検出体の背景にローラー、金属板など反射率の高い物体がある場合
・	ホッパー、パーツフィーダーなどの製品や部品の残量検出

２．高さやレベルの検出

・	合板、タイルなどの積み重ね高さを上部から検出
・	液面のレベル制御
・	コンベア上の物体高さ判別
・	シートのたるみを検出
・	容器のふた有無検出

３．密着して通過する検出体

・	コンベア上を連続密着して流れてくる鉛筆、乾電池、電解コンデンサ金属棒などを１本づつ検出
・	ビール瓶、缶、ガラスコップなどを横から１個づつ検出
・	たばこ、チョコレート、卵なども同様

４．光沢の差による検出

・	タイルの裏表検出
・	キャップの表裏検出
・	ネジ山の有無検出

５．透明カバー越しの物体検出

・	限定反射形は、投受光窓の近傍に不感帯があるので、ここに透明ケースが来るように設定
・	透明ケース内の内容物検出
・	メータの指針検出

６．小物体、細い物体の検出

(1)	細い物体の有無空間で検出
(2)	小物体、小穴、隙間、凹凸下地と物体の反射率に差をつける

・	ドリルの刃折れ検出
・	エッジ検出
・	網目の検出
・	電子部品などの小部品検出
・	瓶のキャップ有無検出
・	平板上の穴の検出
・	突起物の検出

■ 11.4. 特性

基本的な特性は、拡散反射形のものと同様であるが、光学的な検出特性に一部差異がある、つぎにその主なものについて述べる。

（1）余裕利得
この特性は、図33に示す光学系の特性によって、距離の変化に対する受光出力の変化が急峻であり、一般に応差が小さい。したがって、動作領域外の反射物体などによる背景光の影響は少ない。小さな凹凸検出への使用では、この特性の動作レベルと復帰レベルを確認し、検出の安定度が十分に得られるかどうかを考慮する。また、動作点は図35のA及びBの2箇所となり、双方で検出特性が反対となるため使用時に注意を要する。

図35　余裕利得ー距離特性

（2）動作領域特性（動作位置ー距離特性）
第七章　10-3（2）項の拡散反射形の動作領域特性とは異なる。動作領域特性を図36に示す。

図36　動作距離特性

（3）動作距離ー材質特性
拡散反射形と同様、検出体表面の反射光を検出するため、材質の表面状態により動作距離の特性は変化するが、拡散反射に比較して変動の幅が小さい。得に狭視界形は、図37のように、中心動作距離上に一定幅で分布する特性となる。

図37　動作距離ー材質特性

■ 11.5. 上手な使い方

一般的な取扱いは、拡散反射形第七章10による。

限定反射形は、単なる有無検出にとどまらず、小さな凹凸検出などの微小な距離変化を検出する用途に使用されたとき、その真価を発揮するため、得に次の点に配慮して使用する。

（1）使用する機種の特性を十分に確認する。
（2）検出体サンプルテストにより、検出の安定性を確認する。
（3）検出体と背景物体（例えばコンベアベルト）の表面反射率や色に差をつける。限定反射形は、背景の影響をうけにくいがこの処置によって、より安定な検出を期待できる。
（4）調整方法により、まったく異なった検出特性となるので、機種に合った確実な設定調整を行う。特に、電気的な感度調整と光学的な動作領域調整の双方を有するものでは、まず、光学的な動作領域を設定し、その後、電気回路の感度調整を行うのが望ましい。

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