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センサー徹底解説!

センサーとは?

センサーとは、機械が取り扱うことのできる信号に置き換える装置のことです。
人間の場合、視覚、聴覚、嗅覚、味覚、触覚の5感によって得た情報を基に行動しています。機械も同様にセンサーから得た情報を基に制御や処理を行っています。センサーが情報を収集し、その情報を置き換える信号には温度、光、色、圧力、速度、加速度などさまざまなものがあります。
食品製造現場ではさまざまな工程で相当な数のセンサーが使用されています。センサーの種類、使用用途を理解しなければ設備の制御が正しく行われずトラブルに繋がることもあります。
センサーの種類、導入時のポイント、センサー起因によるトラブル事例を紹介、解説します。

  • センサーの種類、原理、使用用途について

    ・光電センサーの原理、使用用途
    光電センサーは投光部と受光部があります。投光部から赤外線などの「光」を発射し、検出物体によって遮光されて変化した光を受光部で検出して出力信号とします。用途としてガラス、金属、液体を含めたほとんどが被検査体として検出可能です。
    製品の有無、色の違い、長距離検出も可能です。透過型(受光部と投光部が別々)反射型(受光部と投光部が一体型)回帰反射型(投光部とリフレクター(反射板))などの種類があります。一番安定するのは透過型ですが、設置スペースを選ばず設置できるのは、反射型になります。

    ・ファイバーセンサー
    ファイバーセンサーは狭い場所でも自由に設置、検出が可能になったセンサーです。
    光電センサーの光源に光ファイバーを連結したセンサーです。用途としてセンサー設置スペースが狭い場所、微小製品の検出が可能です。
    透過型(受光部と投光部が別々)反射型(受光部と投光部が一体型)回帰反射型(投光部とリフレクター(反射板))などの種類があります。一番安定するのは透過型ですが、設置スペースを選ばず設置できるのは、反射型になります。


    ・レーザーセンサー
    レーザーセンサーは直進性のあるレーザーを採用したセンサーです。
    レーザーのスポットが見えるため、光軸合わせやどこを検出しているかの特定が容易です。また、レーザーは光が拡がらないため光の回り込みを気にせずに設置が可能です。用途として、狭い隙間や斜め方向から見た製品の有無検出が可能です。
    透過型(受光部と投光部が別々)反射型(受光部と投光部が一体型)回帰反射型(投光部とリフレクター(反射板))などの種類があります。一番安定するのは透過型ですが、設置スペースを選ばず設置できるのは、反射型になります。

    ・カラーセンサー
    カラーセンサーは光電センサーの一種で、投光部から光を発射し被検査体によって反射する光を受光部で検出します。
    カラーセンサーは赤、青、緑のそれぞれの色の受光量を検出することができるため、製品の色を判別することが可能です。
    用途として、生産品種によっての色判別、容器や包材などの位置決め、レジマークの検出が可能です。

    ・近接センサー
    近接センサーは非接触で検出体が近づいたことを検出するセンサーです。機械式スイッチであるリミットスイッチやマイクロスイッチに
    代わるもので非接触であることから機械式スイッチよりも耐久性のあるセンサーです。用途として金属の検出が可能です。

    ・画像判別センサー
    画像判別センサーはカメラ撮影した画像から製品の有無や違いを判別するセンサーです。カメラ、照明、操作コントローラーが一体になっており、構成や操作がシンプルです。1度に多点検出や、色形の違いを同時に判別でき自由度の高いセンサーです。判別する製品の向きが一定でなくても画像として捉える原理のため検出が可能です。用途として製品の有無検出、形状判別が可能です。

  • センサー価格について

    センターの価格は非常に幅が広く、使用用途、スペックで大きく異なります。
    センサー本体価格は1万円台からあります。光電管センサーで約3万円前後、ファイバーセンサーも2~3万円前後からあります。
    上記にもある通り、センサーは取得した情報を信号に置き換える装置であるためセンサー単体で使用できるものではありません。
    目的を明確にして、製品情報を整理して最適なセンサー選定を行うことが重要です。

  • センサー選定ポイント、導入時の確認ポイントについて

    センサーと一口に言っても、上記種類のように多種多様なセンサーが存在します。
    ここでは例として画像判別センサーを具体例として説明します。
    画像判別センサーの選定ポイント
    ①視野の広さ
     画像センサーで検出しなければならないワークの大きさによって視野を考慮する必要があります。
     視野の広さ、大きさは一般的に画素数の大きさによって決まります。できれば一度の撮像でワーク全体を撮像できることが理想です。
     視野の狭いカメラの画像センサーを使うか、一度の撮像でワーク全体が収まらない場合もあります。
     その場合はワークやカメラを動かすことで複数回撮像をすることになりますが、タクトタイムも増加してしまうため注意する必要があります。実際の   ワークサイズを考慮して、適した視野数を有したセンサーを選択する必要があります。

    ②精度
     高精度な検査を行いたい場合、画素数の大きな画像センサーを選択する必要があります。
     半導体などの精密部品を検出したい場合、高い検出精度が必要になります。対象ワークによってどれくらいの検出精度が要求されるかを考慮して選定することが重要です。

    ③処理速度
     視野の広さや検出精度を求めて画素数の高い画像センサーを選択すると、処理速度は下がる傾向にあります。
     面積当たりの情報量が増えることに加え、視野も広くなることで情報の総量が多くなります。
     検査ラインのタクトバランスを考慮して、適切な処理速度のセンサーを選定することが重要です。

    ④設定・保守の簡易性
     画像センサーはワークを撮像するだけではなく、データの吐出しや判定も行います。
     どのような基準で、データ判定や処理を行うのか設定作業(ティーチング)が必要になります。
     一度は設定が完了していたとしても、ワークの状態変化や品種の変更などによる再設定も必要になります。
     このような設定を行う上で、特定の保全担当者のみしか作業を行えないような複雑だった場合、製造現場にとっては扱いづらい装置になります。設定や調整の簡易性も考慮した機種を選定すべきといえます。最近では、閾値を自動で調整してくれるセンサーアンプも登場しています。

    ⑤メーカー互換性
     画像センサーを取り扱っているメーカーで、その他のFA機器も取り扱っていることも多くあります。
     その場合はメーカーをある程度統一するなどデータ保守性の観点から取り扱いがしやすい場合があります。
     製造現場での設定や調整を行う場合もメーカーを統一していることで調整ミスなども低減されます。

  • センサー導入後のトラブル事例と事前対策ポイントについて

    トラブル事例
    製品有無検出のセンサーで製品がセンサーの前にない状態でも検出ONの状態になっている。

    原因①
    製品を有りと判定する数値(しきい値)が適切な差異になっていない。
    原因②
    稼働している中でセンサーヘッド部(製品検出部)にほこりや汚れがたまって製品と誤検知している。

    対策①
    センサーしきい値の再設定を行う。製品有り状態と無し状態での差異を確認し、適正値を算定する。
    対策②
    調整やセンサー故障との判断をする前に、まずはセンサーヘッドの掃除を行いアンプでのしきい値確認を行う。

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白色光源タイプ D3WFシリーズ

白色LEDにより微妙なコントラストを判別 |オプションの通信ユニット使用で各種ネットワークに接続可能 |ティーチングは用途に応じて3種類から選択可能 |メンテナンスが容易なデュアル感度補正“ASC” CE認証取得 ■白色LEDにより微妙な色差判別を実現 従来の赤色LEDでは判別が難しかった暗い同色系統の微妙な濃淡も白色LED採用で安定して判別できます。 下図より従来の赤色LEDに比べ、色の濃淡を細かく検出できることがわかります。 ■ティーチングは用途に応じて3種類から選択可能 3種類 (ダイナミックティーチ・2点ティーチ・1点ティーチ) のティーチングがあります。 用途に応じたモードを選択ください。 ・ダイナミックティーチ ・ラインを止めずにティーチング ワークを動かしてマークのあり/なし部分を通過させると、しきい値はマークのあり/なしの中間で設定されます。 ・2点ティーチ ・マークと下地でティーチング マークがある時とない時でティーチします。しきい値は1点目と2点目の中間に設定されます。 ・1点ティーチ ・マークだけでティーチング ある一定の受光量の範囲内だけ検出する際に適しています。しきい値は受光量の約±10%の範囲 (デフォルト値) に設定されます。 ■メンテナンスが容易なデュアル感度補正“ASC”(スルーティーチまたはパーセントティーチ時) ファイバ先端のホコリなどによる光量ダウンを、自動で感度補正を行う当社独自の機能。清掃後のしきい値も自動復帰するため再ティーチングの必要がありません。

解決できる課題

  • 品質向上
  • 自動化
  • IoT、DXの活用
  • 制御機器更新

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エッジ測定センサ AS30シリーズ

反射型またはリフレクタ型でエッジコントロールや幅測定が可能 |最大50mmの幅広い測定エリア |エッジ検出、位置決め、幅測定、中心点測定の4つのアプリケーションを選べる |反射ミラーや反射シートを使用すれば透明ワークも測定可能 CE認証取得 ■最大50mmの幅広い測定エリア 幅広い測定エリアを使って、エッジの位置やエッジの範囲を測定可能です。また微妙なコントラストの差で検出させることも可能です。 スポット光をワークにあててティーチングするだけで、簡単に設定ができます。 ■4つのアプリケーション ①エッジ検出 ワークのエッジ位置を測定します。連続したシート材の蛇行制御に最適です。 ②位置決め あらかじめ設定した位置にワークが到着したら検出します。ワークの到着確認、位置決め用途に最適です。 ③幅測定 エッジとエッジの間の距離を測定して、ワークの幅を算出します。 ④中心点測定 エッジとエッジの間の距離を測定して、ワークの中心点を算出します。 ■反射ミラーや反射シートを使用すれば透明ワークも測定可能 たばこの外装フィルム程度の厚みなら確実に測定可能。 ■フルカラー TFTディスプレイ搭載 視認性が高く、設定や測定値のモニタリングが簡単に行えます。 段差やコントラスト差があればディスプレイに表示されます。 その後ティーチングするだけで、エッジの感度設定ができます。 しきい値も数値を見ながら設定できます ■IO-Link対応 上位機器から設定変更が可能。またセンサの内部温度や稼働時間など、現在の状態をモニタリングできるので予知保全にもお役立ちします。

解決できる課題

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  • 自動化
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  • 制御機器更新

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有機EL搭載C-MOSレーザ変位センサ CD2Hシリーズ 

クラス最高※性能のオールインワン変位センサ |クラス最高※の繰返精度:0.1μm(CD2H-30□) |クラス最速※のサンプリング周期:133.3μs |最長1,200mmの長距離測定を実現 |受光波形も表示可能な有機ELディスプレイ |機種追加60~200mmを測定可能なCD2H-130 ※繰返精度1μmクラスのレーザ変位センサにおいて。2021年11月当社調べ。 CE認証取得 独自開発の超高感度C-MOSにより、クラス最高※の繰返精度とサンプリング周期を達成。幅広い現場で、品質向上と製造ラインの高速化に貢献します。 CD2Hシリーズは、クラス最高※の繰返精度0.1μmとサンプリング周期133.3μsを実現した有機EL搭載C-MOSレーザ変位センサです。 最長1,200mmまで測定可能なロングレンジタイプをラインアップし、原反の巻径や積載量測定といった長距離測定の用途まで幅広く対応します。 表示部には有機ELを採用し、IO-Linkにも対応。 高精度判別ニーズに対応するコストパフォーマンスの高い変位センサです。 ※繰返精度1μmクラスのレーザ変位センサにおいて。 2021年11月当社調べ。 クラス最高性能の理由 ■ATMOS搭載 最上位機種・CDXシリーズ用に開発した超高感度イメージセンサ・ATMOSを搭載したことにより、クラス最高の性能を実現しました。 ATMOS: Auto Tuning cMOS [業界唯一]フィードバックレスの高速シャッター 業界唯一のアルゴリズムによりフィードバック制御不要で測定することが可能。 一瞬の測定不能や応答の遅れがないので、リアルタイム測定を実現しています。 ■クラス最高の分解能※ 1μmの段差も確実に検知できます。 ■クラス最速のサンプリング周期※ ■クラス最高のリニアリティ※ 長距離の測定や測定範囲が長い時には特に有効 長距離700mmタイプ:±0.1% of F.S.(200~700mm) /±0.3% of F.S.(700~1200mm) ※繰返精度1μmクラスのレーザ変位センサにおいて。 2021年11月当社調べ。 ディスプレイに多彩な情報を「見える化」 ■見やすい有機ELディスプレイを搭載 [視認性UP][操作性UP]日本語をはじめ7か国語に対応。測定値表示は、相対値、アナログ値、バーグラフの3つから使いやすいものをお選びいただけます。 またセンサの内部温度や総動作時間も表示できるため、予知保全にお役立ちできます。 ■受光波形を表示可能 [業界初※]受光波形をモニタすることにより、受光量や取付角度の確認ができます。また不要な外乱光があっても、その部分をマスクしてその影響を受けずに測定することも可能です。 ■広い測定範囲 変位センサは比較的測定範囲が短いため、 測定ワークの品種が多く段取り替えをする際にセンサの高さを変更する必要がありました。 もっとも長距離測定が可能なCD2H-700なら、700±500mmと測定範囲が広いので段取り替え時の手間を省くことができます。

解決できる課題

  • 品質向上
  • 自動化
  • IoT、DXの活用
  • 制御機器更新
  • 生産効率改善
  • 見える化

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