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光ファイバー センサーは、狭い場所や電気ノイズの多いアプリケーションでも効果的に機能しますが、これらの重要なコンポーネントを指定する場合は注意が必要です。
機械、治具、コンベア上の部品の有無を検知することは、産業オートメーションの重要な要素です。部品の有無に基づいて、組み立て工程におけるエラー防止やシーケンス制御が求められることがよくあります。多くの場合、部品が所定の位置にある、あるいはネストが予想通りに空いていると単純に想定することはできません。そのため、存在センサーを用いて検証を行う必要があります。
センサーには、誘導型、磁気型、静電容量型、光電型など、様々な種類があります。それぞれのセンサーは用途に応じて長所と短所を持ちますが、光電型センサーは種類と技術の種類が最も豊富で、用途も最も幅広いです。
光電センサーには、発光タイプ（赤外線、可視赤色、レーザークラス1および2）、センシング技術（拡散、背景抑制、反射、透過）、ハウジング構成（フォトアイまたは光ファイバー）など、様々な種類があります。この記事では、高度な機能と構成オプションを備え、フォトアイセンサーでは検出できない狭い場所に最適な光ファイバーセンサーの選定と適用に焦点を当てます。
光ファイバー技術
光ファイバー センサー (ファイバー光電センサーとも呼ばれる) には、通常別々に指定される 2 つのデバイス (アンプ、電子機器またはファイバー光電アンプと呼ばれることが多い) と、光センサー ヘッドとアンプとの間で光を伝送するファイバー ケーブルを含む光ファイバー ケーブル) が含まれます。
あらゆる光電センサーの基本理論は非常にシンプルです。すべてのフォトアイは、光源信号を生成する発光部と、光源信号を検出する受光部を備えています。受光部に送信された光を検知・測定する技術は多岐にわたります。例えば、背景抑制センサーは光が戻ってくる角度を検知し、標準的なフォトアイはセンサーに戻ってくる光量（過剰ゲイン）を検知します。また、光が戻ってくる時間を監視することで距離測定を行うセンサーもあります。
シンプルなものから高度なものまで、さまざまな光ファイバー アンプが用意されます。
フォトアイは、拡散反射型ユニットで使用されるような1つの光学センサーヘッド、または透過型ユニットで使用されるような2つの光学センサーヘッドに、発光部と受光部を内蔵しています。光ファイバーセンサーは、すべての電子部品を1つのハウジングに収め、発光部と受光部の光学ヘッドは電子部品ハウジングから分離され、光ファイバーケーブルを介して接続されています。発光光と受光光は、光ファイバーネットワークにおける高速データ伝送と同様に、これらの光ファイバーケーブルを介して伝送されます。
この分離の利点の一つは、機械に取り付ける必要があるのはセンサーヘッドだけであるということです。内蔵光ファイバーケーブルはアンプに配線・接続され、アンプは安全な場所（通常は制御盤内）に設置できるため、過酷な製造環境から保護されます。
アンプと光ファイバーケーブルには、それぞれ非常に多様なオプションが用意されています。アンプは基本的なものから高度なものまで幅広く揃っており、機械メーカーはロジック機能や通信機能など、より多くの機能を求め続けています。
光ファイバーセンサーアンプ
光ファイバーアンプには、基本的な電子回路とプラグアンドプレイ機能を備えたものから、完全に設定可能な電子回路を備えたモデルまで、様々な種類があります（図1）。中には、マニホールドのような構成で最大15本の光ファイバー入力を処理できる電子ユニットを備えたものもあります。光ファイバーアンプでは、センサーが正常に動作しているかどうかを示す出力表示が非常に重要ですが、その他の基本機能（表1）も指定する必要があります。出力フォーマットとアンプへの接続は、コントローラへのインターフェースを定義するため重要です。また、オン/オフの設定ポイントのティーチングは、アンプの設定において不可欠な要素です。
ノーマルオープンまたはノーマルクローズに加え、シンク、ソース、プッシュプルによるスイッチングも備えています。これにより、回路の配線方法に応じて、デバイスは自動的に信号をシンクまたはソースできます。電気接続オプションは通常、少なくとも2メートルの長さのケーブルが事前に配線されているか、標準のM8またはM12マルチピンコネクタによるクイックディスコネクトが可能です。スイッチ設定は、ポテンショメータのダイヤルインまたはプッシュボタンによるデジタル制御でプログラムされます。
基本的な機能に加え、高度なアンプ機能は、パルス出力、オン/オフ遅延、断続的な信号除去機能など、優れた柔軟性を提供します。これらの高度なエレクトロニクスにより、機械メーカーはアプリケーションの要件に応じてアンプのパラメータを詳細に調整できます。
オン/オフ遅延は、制御システムの検知パラメータの変化に対する反応を遅らせるためにしばしば求められます。断続的な信号の場合、一部のアプリケーションでは、全体的な動作条件と一致しない誤った短期的な信号がセンサーに入力されることがあります。これらの信号をセンサー側で除去できれば、コントローラはこうした処理から解放されます。
ほぼすべてのモデルに出力ステータスLEDが搭載されていますが、一部のモデルには信号強度と出力ステータスを大まかに確認できる目盛り付きディスプレイが搭載されています。より高度なモデルには、カスタマイズされた診断機能とプログラミング機能を備えた多行OLEDディスプレイが搭載されています。
フィルタリングは、サンプリングレートを上げる際に必要となるオプションです。フィルタリングにより、周囲環境の影響を受けにくい、より復元力の高い測定が可能になります。しかし、この強力な信号には、ユニットの動作周波数を低くする必要があります。パルス出力は入力信号をストレッチできるため、PLC入力に対して動作周波数が速すぎる場合に役立ちます。オン/オフ遅延により、機械メーカーは出力信号の開始と停止にタイマーを追加できます。
高度なユニットには、感度調整などのプログラミングオプションが豊富に用意されています。これらのオプションを使用することで、機械メーカーは、ガラスなどの扱いにくい材料であっても、部品の有無、部品の有無、またはその両方を機械にティーチングできます。このティーチング機能により、これらの機能を実行するためのコントローラのプログラミングの必要性が軽減、あるいは不要になります。また、2つのスイッチポイント内で出力のオン/オフを切り替えるようにプログラムすることも可能です。例えば、部品の位置決めを行う場合、ポンプアプリケーションの充填レベル信号のように、スイッチをある位置でオン、別の位置でオフにすることができます。
光ファイバーケーブルで光を見る
光ファイバーケーブルは電気を伝導せず、光を伝送します。材質や光学ヘッドの形状が異なる様々な構成のものがあります（図2）。表2は、光ファイバーケーブルの選定時に考慮すべき事項の一部を示しています。
光ファイバー ケーブルとヘッドには豊富なオプションがあり、適切な選択はアプリケーションの要件に大きく依存します。
拡散型光ファイバーケーブルには、アンプに挿入して発光光と受光光を送るための2本のリード線があり、これらの2本のリード線は単一の光ヘッドの近くで合流しています。透過型光ファイバーケーブルは、アンプに接続される2本の独立した同一ケーブルで、それぞれに専用の光ヘッドがあります。一方のケーブルは発光光を伝送し、もう一方のケーブルは受光光を伝送します。よくある間違いとして、透過型ケーブルを1本しか注文しないというものがあります。これは、サプライヤーによっては部品番号ごとに1本ずつ提供しているところもあれば、必要な2本のケーブルをパッケージで提供しているところもあります。
光ファイバーの材質は、一般的にプラスチックまたはガラスです。プラスチック製のユニットは薄く、安価で、曲げ半径が小さいのに対し、ガラス製のユニットはより頑丈で、高い動作温度にも耐えられます。プラスチック製の光ファイバーは専用の使い捨てカッターで必要な長さに切断できますが、ガラス製の光ファイバーはサプライヤーから受け取った後は切断できません。光ファイバーのジャケット材質も、基本的な押し出し成形プラスチックから、最も過酷な環境でも確実に動作するようにステンレス鋼製の編組まで、多岐にわたります。
光学ヘッドの選択は、光ファイバーセンサーの仕様において最も重要な部分です。なぜなら、ほとんどのアプリケーションで見られる小さな静止部品や可動部品の検出に大きく影響するからです。ヘッドの選択は、検出対象物に対する発光光学系と受光光学系の角度と分散の向きによって異なります。ヘッドには、円形のビームを投射する丸いファイバー束、または水平方向にリボン状に広がるファイバー束があります。
拡散ヘッド内の円形ファイバ束は、片側に全てのエミッタファイバ、もう片側に全てのレシーバファイバを配置することで厳密に分岐させることができます。これは一般的な方法ですが、分岐線に垂直に移動する部品の読み取りに遅延が生じる可能性があります。もう一つの選択肢は、ヘッド内でエミッタファイバとレシーバファイバを均等に分散させ、より均一なビームを生成することです。均一なファイバ混合により、送信光と受信光への照射光が均等になり、部品の移動方向に依存しない検出が可能になります。
光ファイバーの検知範囲は、増幅器、光ファイバーケーブルの長さ、光学ヘッドの種類によって影響を受けます。そのため、正確な動作範囲を特定することは通常困難ですが、サプライヤーは通常、概算値を提供します。一般的に、透過ビームは拡散ビームよりも検知範囲が長くなります。光ファイバーケーブルが長くなるほど検知範囲は短くなり、高度な増幅器は通常、より強い発信信号とより長い検知範囲を備えています。
光ファイバーセンサーの接続
分散I/Oと分散スマートデバイスの利用は機械自動化のあらゆる分野で増加しており、光ファイバーセンサーも例外ではありません。複数の光ファイバーセンサーケーブルを単一の電子機器群に接続することで、様々なメリットが得られます。
光ファイバーアンプは通常、シングルチャンネルのスタンドアロンユニットです。スリムなハウジングと一般的なDINレールマウントにより、パネル内で容易に挟み込んだり積み重ねたりできます。ただし、各アンプへの電気配線の配線が問題となる場合があります。
もう一つの選択肢は、光ファイバーマニホールドを使用することです。これは、複数の光ファイバーチャネルを1つの中央制御ポイントと電気ポイントにグループ化します（図3）。これらの光ファイバーマニホールドは通常、各光ファイバーチャネルのプログラミングを可能にするメニュー付きのOLEDディスプレイを備えています。各光ファイバーチャネルは、ライトオン／ダークオンの設定やヒステリシスの切り替えなど、個別に設定できます。この中央制御により、基本的なAND/ORロジックを介して出力をグループ化することもでき、PLCへの出力信号を削減・簡素化できます。
拡張エレクトロニクスを備えた光ファイバーマニホールドは、センサー信号をデジタルデータに変換し、必要に応じて信号を論理的に結合することで、マシンコントローラへの配線を簡素化し、配線数を削減します。写真はAutomationDirectの新しい3チャンネルOPT2042ファイバーマニホールドで、15チャンネルまで拡張可能です。様々なプラスチックおよびガラス光ファイバーに対応し、IO-Link経由でデータを送受信することで、1つの4ピンコネクタで15チャンネルの診断を可能にします。また、必要に応じて2つの8ピンM12コネクタを使用して各チャンネルをハードワイヤ接続することも可能です。例えば、コントローラがIO-Linkをサポートしていないアプリケーションなどです。
アプリケーションと問題
光ファイバーは、自動溶接、可変周波数駆動装置、モーターなど、大きな電気ノイズが発生するアプリケーションで効果的に機能し、広く使用されています。光ファイバーケーブルは電気ノイズの影響を受けないため、電子機器はシールドされた筐体内に設置し、ノイズから離れた場所に配置できます。
もう一つの非常に一般的な用途は小型部品の組み立てです。これらの作業は完全に自動化されることが多く、部品の配置（着座）を確認するための複数のセンサーと、作業完了を確認するための組み立て検証が必要になります。通常、部品はキャリアまたはインデックステーブル上のステージに高速で出し入れされます。移動許容差が極めて小さいため、正確な位置測定が不可欠です。
光ファイバーソリューションは、ヘッドサイズ、向き、光分散の多様なオプションを提供し、電気ハウジングのサイズに関わらず、あらゆるアプリケーションにおいて最小かつ最も正確な光焦点を実現します。オンボードロジックにより、2チャンネルセンサーの1つのチャンネルで部品が所定の位置にあることを確認して組み立て動作をトリガーし、もう1つのチャンネルで組み立てが完了したことを確認できます。
光ファイバー敷設においてよくある問題は、ファイバーの過度な曲げです。光ファイバーケーブルは個々のファイバーを束ねたものであるため、通常は非常に柔軟に感じられ、敷設者はファイバーを推奨最大曲げ半径を超えて簡単に曲げてしまいます。これはファイバーに回復不能な塑性変形を引き起こし、光透過率を低下させたり、最悪の場合、ファイバーが完全に切断されたりする恐れがあります。すべてのファイバーに記載されている最大曲げ半径は、ファイバーの材質、束のサイズ、束内のファイバーの分散度によって異なり、常に遵守する必要があります。
アプリケーションに関わらず、機械メーカーは適切なセンサー技術を選択する必要があります。光ファイバーセンサーを使用する場合は、堅牢なセンシング性能を実現するために、アプリケーションに合わせてアンプと光ファイバーヘッドを慎重に選定する必要があります。
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