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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。

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  • IoT、DXの活用
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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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メガピクセル文字認識画像センサ MVS-OCR2シリーズ

高解像度でかんたん操作を実現したメガピクセル印字検査カメラ |従来比8倍の解像度 |安定検出を実現し、誤認識を防ぐ様々な機能 |かんたん導入・らくらく運用 CE認証取得 ■印字検査機出荷台数 世界No.1 印字検査機出荷台数 世界No.1メーカーであるオプテックス・エフエーが、新たに開発した『MVS-OCR2』シリーズ。読取能力と操作性が飛躍的に向上した上、かんたん導入・らくらく運用を実現しました。 新世代印字検査カメラとして食品製造現場の幅広い印字検査ニーズに対応するとともに、業界のプライスリーダーとして貴社の導入コスト低減に大きく貢献します。 ■従来比8倍の解像度を実現 ・高解像度化により、正確な印字検査が可能 イメージセンサのメガピクセル化により、従来比8倍の解像度を達成。読取能力が格段に向上したので、より正確な印字検査を実現しました。 ・より広い視野での検査が可能 解像度の向上により2倍以上の視野を実現。 一列に長い印字や、通過位置が一定しないラインでの印字検査を可能にしました。 ■MVS-OCR2の文字認識検査 読み取った文字をセンサ内部の辞書データと比較し、その中から最も近い文字を選択、その選択した文字が全て正しければOK、1文字でも一致しなかったらNGとすることが可能。印字間違いや文字欠け/文字抜けといった印字不良を未然に防止することができます。 ■新アルゴリズムによる文字切り出しnew ・照明ムラに強い MVS-OCR2の最新アルゴリズムは照明ムラにも強くなっています。 不測の事態により、照明の状態が変動してしまった場合でも誤作動しにくくなっています。 ・ゆがみに強い 印字面がゆがんでしまうと文字もゆがんでしまい認識が難しくなってしまいますが、MVS-OCR2ならゆがみに強い印字検査が可能。 NGと判定しがちなゆがんだ印字も正しい印字内容であればOKと判定できます。無駄バネを排し、製造ロスを最小限に抑えることが可能です。 ■コード化された日付・時刻の認識 通常の年月日表記以外にも、コード化された日付や時刻の認識も可能。製造年月日など、品質管理上印字されている文字列を判別してカレンダ機能による自動更新で認識することができます。

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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。

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