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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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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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デジタルレーザ透明体センサ DR-Qシリーズ

設定は簡単に、微調整は任意に レーザ透明体検出センサ |検出距離Max.4m |デジタル調整機能 |ASC(自動感度補正)機能搭載 CE認証取得 ■検出距離Max.4m ・長距離透明体検出を実現 透明体センサでは最長クラスの検出距離4mを実現。また光源に赤色レーザ光(クラス2)を、さらに同軸反射構造を採用 しているので、高精度位置決め検出が可能になります。 ■デジタル調整機能 ・数値を見ながら調整できる 簡単設定任意微調整可能。ティーチング方式なので、ボタン を押すだけで設定できます。また微調整ボタンも搭載しているので、デジタル数値を見ながら、任意の感度設定ができ ます。 ■ASC(自動感度補正)機能搭載 ・汚れに強い 現場での埃、水、水蒸気などがミラーやレンズに付着する ことで発生する光量低下をASC機能が自動的にしきい値 を補正することにより、長期間にわたって最適な感度を保ちます。 (下記の図は埃や蒸気雰囲気による受光量の低下を表した図) ■高いユーティリティー性 ・用途にあわせた便利な機能 ○外部ティーチング可能 ○ONディレイ/OFFディレイ/One Shotディレイ機能内蔵  ○中身入り容器検出対応

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超小型レーザ距離センサ TOF-DLシリーズ

デジタルパネル搭載のコンパクトTOFセンサ |IO-Linkタイプを追加 |アナログ出力タイプと制御出力×3出力タイプもラインアップ |TOF(Time-Of-Flight)方式の採用により安定した検出が可能 CE認証取得 ■2.5mの検出を実現。距離が“見える”コンパクトセンサ FASTUS TOF-DLシリーズは2.5mまでの検出が可能な超小型レーザ距離センサです。 デジタルパネルの搭載により、設定が簡単に行えます。 特に、製造現場におけるループ制御やレベル制御、ポジショニングなど、物体の高さ・距離に応じた制御を必要とする用途に力を発揮します。 ・TOF(Time-Of-Flight)方式 パルス発光されたレーザが対象物にあたって戻ってくるまでの時間を計測し、距離に換算する測定方式。 対象物の表面状態の影響に強く、安定した検出が可能。 ■見やすいデジタルパネル 超小型ボディながら、3桁の見やすいデジタルパネルを内蔵。 距離を数値で確認できます。 またティーチング方式で簡単に調整が可能です。 ■見やすい表示灯とスタビリティ出力 全方向から見やすい表示灯を採用。 また、出力1をスタビリティ出力(安定状態出力)に切り換え可能です。 安定検出しているとき(中央表示灯:緑色)に出力ON、検出不能のとき(中央表示灯:赤色)に出力OFFの出力設定が可能です。 注意:IO-Linkタイプには、スタビリティ出力に切り替える機能は装備されておりません。 ■投光光源にクラス1レーザを採用 feature_03目に対する安全性を確保しながら、2.5mの長距離検出を実現しました。 またスポット光がはっきりと視認できるので、光軸調整を簡単に行えます。

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光沢判別センサ OPR20Gシリーズ

今まで難しかった判別を光沢の差で検出! |2列4連LEDと2つのアレイ型受光素子で光沢差を確実に検出 |使いやすい操作パネル |コンパクトデザイン CE認証取得 ■2列4連LEDと2つの受光素子で光沢差を確実に検出 光沢判別センサOPR20Gは、ワークの色や柄の影響を受けずに、光沢の差のみを検出する光電センサです。 特殊な光学系のジオメトリーと独自の検出アルゴリズムにより、安定した検出を実現しています。 ■使いやすい操作パネル ティーチボタンと2つのロータリースイッチを搭載。直観的な操作を可能にしています。 また2つの表示灯は上面からでも側面からでも見やすい親切設計です。 ■コンパクトデザイン アンプ内蔵にもかかわらず小型化を実現。 もちろん保護等級はIP67をクリアしています。 ■検出原理 光沢部分に光があたると、センサへの受光量は大きくなり受光波形の幅は狭くなりますが、光沢が少ない部分に光があたると受光量は減少し波形の幅は広くなります。こ の受光量の大小と波形の幅をモニタすることにより、光沢差を判別します。

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超高精度レーザ変位センサ CDXシリーズ

世界最高リニアリティ! |新開発イメージセンサ:ATMOS |ダイレクトにEthernet接続 |WEBサーバ搭載 CE認証取得 ■世界最高リニアリティを実現 カタログスペック「±0.015% F.S.※」をらくらくクリアできる世界最高のリニアリティ。 従来機に比べ、圧倒的な高精度測定を実現しています。 ※CDX-W30/-W85/-W150各機種の拡散反射設置にて。 測定条件として: ワーク角度:±0°、周囲温度:25℃(常温)、電源電圧:DC24V、サンプリング周期:50μs、移動平均回数:256、メディアンフィルタ:31、測定中心距離、標準対象測定物:可視光遮蔽性セラミック。またセンサヘッドは、アルミ治具にて固定して測定しています。 ●『リニアリティ』は「直線性」を意味し、実際の距離との誤差を表す数値。 ■先進の光学系と高剛性ボディ 超高精度測定のため新たに開発された専用設計の光学系と独立ベースユニット構造の高剛性ボディ。 精度と高速性を高次元で両立し、誤差の要因をシャットアウトすることに成功しました。 ■Neo LDレンズを搭載 測定対象から反射される光を受光素子上に高精度に結像するために、受光レンズをカスタム化。誤差の原因となるレンズ収差によるスポットのひずみを大幅に軽減することに成功しました。 Neo LD: Neo Low Dispersion

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アンプ内蔵光電センサ 標準タイプ Z4シリーズ

IO-Link対応業界標準センサ |業界標準サイズのアンプ内蔵光電センサ |IO-Link対応:IO-Linkマスタとの接続により、フィールドネットワークに接続可能 |外乱光(太陽光、白熱ランプ)への耐性向上 CE認証取得 UL認証取得 <製品の特長> ■IO-Link対応 IO-Linkマスタとの接続により、フィールドネットワークに接続可能。受光量や出力状態のモニタリングデータをIO-Linkマスタを介して、PLCなどの上位と通信が可能となります。 また、感度や出力モード、タイマの設定などがネットワーク経由で行えます。 ■外乱光に対する耐性向上 従来機種に比べて使用周囲照度(太陽光)が約5倍、向上し 誤検知の原因となる外乱光の影響を受けにくくなりました。 従来機種 太陽光:10,000lx以下 白熱ランプ:3,000lx以下 Z4シリーズ 太陽光:50,000lx以下 白熱ランプ:5,000lx以下 ■ハイパワーLEDによる安定検出 Z4シリーズは、透過型でクラス最長の検出距離25mを達成。 受光量の余裕度が大幅にアップし、ホコリや粉塵などの影響に強くなりました。

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2枚シート検出センサ UD18シリーズ

シートやフィルムの、なし/1枚/2枚を確実に検出 |送信機と受信機は、ティーチングにより20~60mmの距離で使用可能 |判別可能な材料の例:紙、樹脂プレート、フィルム、金属シート、段ボール紙、ウェハ、プリント基板等 |超音波で判別するのでシートやフィルムの色や柄の影響を受けない CE認証取得 ■原理 分離した送信機と受信機の間を、送受信されている超音波をさえぎるように通過する紙やフィルム、金属などの薄いシート材を検知する透過型超音波センサUD18シリーズ。 2枚のシート材が送受信機の超音波をさえぎる際、継続的に送信機より送信されるUD18の超音波のパッケージは、1枚目のシートを振動させ、その振動によりシートとシートの間に封入された空気を振動させ、 2枚目のシートに振動が伝わります。受信機は、シートなし/1枚シート/2枚シートの各状態で異なる、受信する超音波の減衰量を判別することができます。 超音波による検出はシート材に遮断されず、透過してシートの0/1/2枚の区別をする、最も有効な検出方式です。

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