tsurfの日記(機械設計業界を目指す方へ)

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機械設計に使う 光電センサーやファイバーセンサー概要(補足解説 ライトON ダークON)

本ブログの御訪問ありがとうございます

機械設計歴20年以上のtsurfと言います

 

今回は以下に関する記事です

機械設計に使う 光電センサーやファイバーセンサー概要(捕捉説明 ライトON ダークON)

 

 

本記事は以下の方にオススメです!!

機械設計初心者の方で

「センサーって機械設計で選定するのかよ」

「センサーっていろいろな種類があってわかんね」

「使い分けは?」

という方 

 

本記事を読むと⇩以下⇩がわかります

 

今回は

機械設計初心者の方に向けて 光を使ったセンサーの概要を解説します

詳細は別記事で解説します

 

注意点としては 記事のボリュームの関係から以下のみを解説します

●光電センサーとファイバーセンサーの違いを解説します

 透過型や反射型などの派生分岐がありますが 別記事にて解説します

●信号出力方式であるダークON  ライトONについても解説し

 設定の使い分けを解説します

 

目次

 

①結論 光を使ったセンサーの基礎的な使い分け

👉光を使ったセンサー 主な種類』 

●光電センサー(アンプ内蔵型)

●光電センサー(アンプ分離型)

●ファイバーセンサー

 

👉一番最初に検討すべきセンサー』 

一番最初に検討すべきは アンプ内蔵型光電センサーです

理由は 値段が一番安いからです

 

しかし センサーの設置場所は 駆動機構などが入り組んでいる場合があるため

アンプ内蔵型光電センサーでは 以下のデメリットもあります

 

●センサーヘッドの大きさが そこそこある

⇒スペース的に入らない場合もある

 

●調整 設定するアンプが内蔵されてしまっている

⇒周囲に機構が入り組んでいる場合 アンプ部にて調整 設定が難しい

 

 

👉設置場所の環境で センサー設置や アンプ調整が難しい場合』 

以下を検討となります

●アンプ分離型の光電センサー

●ファイバーセンサー

 

👉後述する防爆配慮が必要などの特別な環境下では』 

●ファイバーセンサーの検討となります

 

⇩※参考 防爆とは⇩

爆発の危険のある気体雰囲気中で の機構など

爆発させる要因を 極力 取り除く設計配慮のこと

防爆配慮の例 

・静電気の起こる樹脂製品を使用しない

・電気を通るものを なるべく使用しない

・やむを得ず 電気の通る製品を使う場合は 付近を窒素パージする

 

 

 

②光を使ったセンサー概要

👉概要説明』

検知原理は 光を受光しているか 遮光しているかどうかとなります

 

以下 透過型センサーを例に上げます

投光側センサーヘッドから 光を投光します

受光側センサーヘッドは 光が投光されているか 遮光されているかを

検知します

 

f:id:tsurf:20210501104852p:plain

 

受光 遮光の どちらの状態の時に信号出力をするか ですが

詳しくは⑥⑦にて後述しますが 信号出力の方式には以下があります

これは センサーの設定で変更可能です

 

光を受光しているときに信号ON ⇒ ライトON

光を遮光しているときに信号ON  ⇒  ダークON

 

  

👉光を使ってることによるメリット』

●非検知物に対して非接触のため 被検知物の検知構造を簡単にできる

●メカニカルスイッチに比べで 駆動機構がないため小型

 

 

 

👉光を使ったセンサーの機械的構成』

主に以下で構成されています

投光部・・・・・光の投光を行います

受光部・・・・・光の受光や遮断を検知し 信号を送ります 

アンプ部・・・・受光感度やダークON ライトONの設定などを行います

 

 

③アンプ内蔵型光電センサー

👉特徴概要』

センサーヘッドに投光機能と受光機能があり 直接設置します

また 

センサーヘッドに調整 設定するアンプも内蔵されています

その分 センサーヘッドが大きくなります

 

f:id:tsurf:20210501122844p:plain


  図1 アンプ内蔵型光電センサー
 

バリエーションとして 透過型や反射型があります

(別記事にて解説)

 

 

👉メリット』

●価格が安い 

 

 

👉デメリット』

●設置に少し不利

センサーヘッドに投受光機能及びアンプを内蔵しているため

センサーヘッドにある程度の大きさがあり 設置場所にスペースが必要

 

また アンプがセンサーヘッドに内蔵されているため

設定 調整の操作がしやすい場所でなくてはいけない

 

 

●防爆配慮が必要な箇所や 液中などは不可

センサーヘッドに直に電流が通っているため 

 

 

④アンプ分離型光電センサー

👉特徴概要』

センサーヘッドに投光機能と受光機能があり 直接設置します

また 

調整 設定するアンプは別置きのものになっており

その分 センサーヘッドがアンプ内蔵型よりは小さくなります

 

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  図2 アンプ分離型光電センサー

 

👉メリット』

●設置に対しては アンプ内蔵型より有利

センサーヘッドにアンプを内蔵していなため その分小さくなり設置に有利

 

●調整 設定がしやすい

アンプが別体なので アンプを調整 設定がしやすい位置に設置できる

 

 

👉デメリット』

●アンプ内蔵型より高額

アンプが別体となるためです

 

●防爆配慮が必要な箇所や 液中などは不可

センサーヘッドに直に電流が通っているため

 

 

 

 

⑤ファイバーセンサー

👉概要説明』

本体にアンプ 投光器 受光器を内蔵しており

投光と受光は 本体から行いますが

光ファイバーを接続してファイバー線端末まで光を伝え 

そこからの投光 受光となります

そのため 設置に関しては 省スペースでかなり有利です

 

バリエーションとして 透過型や反射型があります

(別記事にて解説)

 

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   図3 ファイバーセンサー

 

 

 

👉メリット』

●ファイバー線端末のみの設置により省スペース

センサー設置場所には 光ファイバーの端末部を設置することになるため 

アンプ分離型の光電センサーよりも省スペースです

 

●調整の設定がしやすい

あくまで 検知のための投光 受光自体は ファイバー線の端末から行います

そのため

ファイバーにより光を伝えられ投光 受光するアンプ内蔵型の本体は 

離れた場所でかつ調整の設定をしやすい場所におけます

 

●仕様によっては液中や 防爆配慮が必要な箇所にも使用可

光ファイバー線端末を設置するので 通っているのは光であって

電気が通っていないため

 

 

 

👉デメリット』

●価格が高い

 

●駆動する箇所には 使用したくない

以下のように設計をすると ケーブルベアの中で ファイバー線が屈曲運動します

すると ファイバー線が折れる可能性があります

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  図4 ファイバ線を駆動させてしまう設計

 

●駆動する箇所に使用す場合 工夫が必要

やむを得ず 駆動する場所に使用する際の工夫の例として 

アンプも一緒に駆動させると言う方法があります

 

以下の方法だとファイバーを 屈曲駆動させず 

電源や信号線をロボットケーブルなどにして屈曲駆動させることができます

その場合 アンプは親機を使用しなくてはなりません

 

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   図5 ファイバ線を駆動させない設計

 

⑥光を使ったセンサーのライトオン ダークオン概要

信号出力の方法により 以下があります

 

👉ライトオン』

受光部に光が入光したら 信号出力がONします

f:id:tsurf:20210501133754p:plain

   図6 ライトON設定

 

 

 

👉ダークオン』

受光部への光が遮光されたら 信号出力ONします

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             図7 ダークON設定

 

 

⑦ライトON ダークON使い分け

❑ 注意 

ここからは 光電センサーや ファイバーセンサーの設定の話になります

 

基本的に このライトON ダークONの設定は 

電気屋さんや制御屋さんが

自社の会社の安全関連の規定や お客様の要求仕様に基づき設定します

 

機械設計者も知っておいたほうがいいので 一応 紹介します

 

ただし 会社によって考え方が かなり違います

あくまで一例として参考にしてください

 

 

 

使い分けの例(安全関連センサー)

👉安全関連のセンサーの場合』

人の手が入ってきた時に装置を緊急停止したい場合

透過型にして ライトオンにします

 

安全関連のセンサーの場合 人や人の手がないことを確認します

 

ないことの確認の場合は 

ないことが確認できている状態で信号ONにします

 

 

👉理由』

PLCのほうで 以下のようにします

ライトONの受光状態である信号ON状態⇒安全

ライトONの遮光状態である信号OFF状態⇒異常

 

すると以下の状態で装置が非常停止し アラーム発報します

 

●人の手で遮光された場合 斜光状態である信号OFF

●センサーの信号線やセンサーの電源線等が断線した場合 信号がoff

 

👉安全関連センサーの断線アラームという考え』

確かに この場合ダークONにして 

以下のようにすれば 消費電力が少なくて済むように見えます

ダークONの受光状態である信号OFF状態⇒安全

ダークONの遮光状態である信号ON状態⇒異常

 

しかし 安全関連のセンサーの場合

このダークONでは 

電源線や信号線が断線した時にも信号がOFFとなり 安全と判断されてしまいます 

 

 

このように 各装置メーカーの安全に関する考えは異なりますが

安全関連のセンサーは常に断線した場合に

安全に働くように 配慮することが多いです

 

使い分けの例(ワーク有り無し検知センサー)

👉ワーク有り無し検知センサーの場合』

ワークがあることを確認する場合は 透過型の場合 ダークオンにします

(反射型などは 逆になりますが 別記事で解説します)

 

ワーク有り無し検知センサーの場合 ワークがあることを確認します

 

あることの確認の場合は 

あることが確認できている状態で信号ONにします

 

 

👉理由』

PLCのほうで 以下のようにします

ダークONの遮光状態である信号ON状態⇒ワークあり

ダークONの受光状態である信号OFF状態⇒ワークなし

 

すると以下の状態で装置がワークがなしの アラーム発報をします

 

●ワークがないことにより受光された場合 受光状態である信号OFF

●センサーの信号線やセンサーの電源線等が断線した場合 信号がoff

 

この場合も 断線により 異常が確認できますね

 

 

⑧まとめ

●現在は ワーク検知など 光を使ったセンサーが主流

 

●センサーも使い分けが必要で スペースが許せるのであれば

 安価なアンプ内蔵型 光電センサーを検討する

 

●液中や防爆配慮が必要な場合は ファイバーセンサーを検討する

 

●安全に関するセンサーは 断線アラームを考慮する場合が多い

 

本記事は以上です

最後までお読みいただきありがとうございます。