近接センサーに使われている他の技術にはどのようなものがありますか？

I.近接センサー技術の紹介

近接センサー は、物理的な接触を伴わずに特定範囲内の物体の有無を検出するために使用される重要な装置である。電磁界、音波、光など、さまざまな形態のエネルギーを放出し、物体がセンサーに近づいたときの反応を測定することで動作します。近接センサー技術の多様性は、産業オートメーション、ロボット工学、自動車システム、民生用電子機器を含む多くの分野での応用を可能にしている。

静電容量式近接センサ静電容量式近接センサー

静電容量式近接センサーの主な特徴

静電容量式近接センサーは、物理的な接触なしに物体の存在を検出する多目的なデバイスです。その主な特徴は以下の通りです：

• 検出範囲：通常、静電容量式センサーは、数ミリから1インチ（25ミリ）程度までの範囲で物体を検出でき、モデルによっては2インチまで検出できるものもある。
• 材料感度：これらのセンサーは、ターゲット材料の誘電率に基づく静電容量の変化を感知する能力により、液体、プラスチック、ガラスを含む金属材料と非金属材料の両方を検出することができます。
• 非接触操作：物理的な接触なしで動作するため、摩耗が少なく、センサーの寿命が延びます。
• 調整可能な感度：多くの静電容量式センサーには、感度を調整するためのポテンショメーターが搭載されており、ユーザーは特定のアプリケーション用に検出パラメーターを微調整することができます。
• LEDインジケーター：ほとんどのモデルには、センサーの動作状態を視覚的に確認できるLEDインジケーターが装備されています。

動作原理

静電容量式近接センサーは、近くの物体によって引き起こされる静電容量の変化の原理に基づいて機能します。その仕組みはこうだ：

1. 構造センサーは、コンデンサーを形成する2つの金属電極から成る。一方の電極は発振回路に接続され、もう一方は基準板として機能する。
2. 静電容量の変化：物体がセンサーに近づくと、電極間に生じる電界に入り込む。この存在がプレート間の誘電率を変化させ、システムの静電容量を変化させる。
3. 発振検出：発振回路は静電容量の変化を検出する。物体が近づくと静電容量が増加し、回路の発振周波数が変化する。この周波数変化はアンプでモニターされ、物体の存在を示す2値出力信号に変換される。
4. 出力信号：振動がある閾値の振幅に達すると、センサーの出力状態を変化させるトリガーとなる。逆に、物体が遠ざかると振幅が減少し、出力が元の状態に戻る。
5. 環境への配慮：最適な性能を得るためには、静電容量式センサーは温度と湿度が安定した環境で使用する必要があります。

III.超音波近接センサー

超音波近接センサーの利点

超音波近接センサーには、様々なアプリケーションに適したいくつかの利点があります：

• 素材に依存しない：物体の色や表面の質感に影響されることなく、光沢のある物体、透明な物体、不規則な形状の物体など、あらゆる種類の物質を検出できる。
• 長い検出範囲：超音波センサーは1メートル以上の距離を測定できるため、長距離検出が必要なアプリケーションに最適です。
• 悪条件下での堅牢な性能：これらのセンサーは、他のセンサータイプの妨げとなるほこり、雨、雪などの環境要因の影響を受けません。厳しい条件下でも信頼性の高い動作を維持します。
• 高い感度と精度：超音波センサーは正確な測定を提供し、かなりの距離の小さな物体を検出することができます。
• 多用途：レベル測定、物体検出、自動プロセス制御など、さまざまな産業で広く使用されており、さまざまなシナリオに適応できることが証明されています。

操作メカニズム

超音波近接センサーの動作メカニズムは、高周波音波の放射と受信に基づいています。その仕組みはこうだ：

1. 音波の放射：センサーは対象物に向けて超音波（通常20kHz以上）を放射する。
2. 反射：これらの音波は物体にぶつかるまで移動し、センサーに向かって反射される。
3. 時間測定：センサーは、放出された音波が物体に当たってから戻ってくるまでの時間を測定する。この時間間隔は、対象物までの距離を決定するのに非常に重要である。
4. 距離の計算距離＝（音速×時間）÷2という式で、センサーは空気中の音速（室温で毎秒約343メートル）と測定時間から対象物までの距離を計算します。
5. 出力信号の生成：距離が計算されると、センサーは物体が所定の範囲内にあるかどうかを示す出力信号を生成し、アラームのトリガーや機械の制御など、さまざまな用途に使用できる。

IV.磁気近接センサー

磁気近接センサーの種類

磁気近接センサは、その動作原理と用途に基づいていくつかのタイプに分類することができます：

• リードスイッチ：ガラスカプセルに封入された2枚の強磁性リードから成る磁気作動スイッチ。磁界が存在すると、リードが集まって電気回路が完成します。
• ホール効果センサー：ホール効果の原理を利用したもので、磁界にさらされると導体全体に電圧が発生する。このセンサーは磁石の存在を検出し、それに応じて出力信号を提供する。
• 磁歪センサー：磁界の変化が物質の特性に影響を与える磁歪効果を利用して、磁性体の位置を測定する。
• 磁気抵抗センサー：外部磁場に反応して強磁性体の電気抵抗が変化する磁気抵抗効果に基づいて動作する。
• 誘導型磁気近接センサー：誘導型センサーに似ているが、金属物体ではなく磁界を検出するように特別に設計されている。振動コイルを利用して磁界を発生させ、永久磁石が近づいたときの変化を検出する。

機能性

磁気近接センサーの機能は、磁界を検出し、対応する出力信号を提供する能力を中心に展開されます。どのように動作するのかを説明しよう：

1. 検出メカニズム：磁気式近接センサは、上記を含む様々な原理によって磁性体（永久磁石など）の存在を検知します。それぞれのタイプには独自の検出方法があります：
   • リードスイッチは磁界にさらされると接点を閉じます。
   • ホール効果センサーは、近くにある磁石に反応して電圧信号を発生する。
   • 磁歪センサーと磁気抵抗センサーは、磁気の影響による材料特性の変化を測定します。
2. 信号処理：磁場の変化が検出されると、センサーはこの情報を処理して出力信号を生成します。この信号は、アプリケーションやセンサーの種類によって、デジタル（オン／オフ）またはアナログになります。
3. 出力起動：出力信号は、アラームの作動、モーターの制御、自動化システムにおけるフィードバックの提供など、さまざまなアクションのトリガーとなる。センサーは、セキュリティシステム（ドアや窓用）、産業オートメーション（位置検出）、民生用電子機器などのアプリケーションでよく使用されます。
4. 設置の柔軟性：磁気近接センサは、プラスチックや木材のような非磁性材料を含む様々な環境にフラッシュまたは非フラッシュで設置することができ、様々な環境での多目的なアプリケーションを可能にします。

V.光近接センサ（光電センサ）

光近接センサーの動作原理

光学式近接センサは、検出範囲内の物体の有無を検出するために光を利用して動作します。基本的な動作原理は、通常赤外線または可視スペクトルの光を放射し、物体から反射して戻ってくる光を測定することです。ここでは、近接センサーがどのように機能するかを説明します：

1. 発光：センサーは対象物に向けて光線を放射する。この光は、LEDやレーザーなど様々な光源から発生させることができる。
2. 反射検出：照射された光が物体に当たると、その一部がセンサーに向かって反射する。この反射光の量と強度は、物体の距離と表面特性に依存する。
3. 信号処理：センサーのレシーバーが反射光を検出する。反射光の量がある閾値を超えると、センサーは物体が存在すると判断し、検出を示す出力信号（デジタルまたはアナログ）を生成する。
4. 距離測定：一部の高度な光学センサーでは、光が戻ってくるまでの時間（レーザーセンサーの場合）を測定して、対象物までの正確な距離を計算することができる。

この方法によって、光学式近接センサーは非接触で物体を検出するのに非常に効果的になり、オートメーション、セキュリティ、家電製品などのさまざまな用途に適している。

様々なタイプの光近接センサー

光学式近接センサーは、その設計と動作原理に基づいていくつかのタイプに分類することができます：

• 赤外線（IR）センサー：赤外線を放射し、反射された赤外線の変化を検出するセンサーです。自動ドアや安全システムなどのアプリケーションで一般的に使用されています。
• レーザーセンサー：レーザービームを利用したこのセンサーは、高精度で長距離の検出が可能です。正確な距離測定が要求される産業用途に多く採用されています。
• 光電センサー：光源（通常はLED）と受光器で構成される。異なるモードで動作することができる：
  • スルービーム：エミッターとレシーバーが対向して配置され、物体が光ビームを遮る。
  • 回帰反射型：エミッターとレシーバーが同じ側にあり、リフレクターが放射された光をレシーバーに跳ね返す。
  • 拡散反射型：エミッターとレシーバーが一緒に収納されており、センサーは真正面の物体からの反射光を検出する。
• 飛行時間（ToF）センサー：この高度なセンサーは、光パルスが物体まで往復する時間を測定し、正確な距離測定を可能にする。

VI.ホール効果近接センサー

ホール効果近接センサーの主な利点

ホール効果近接センサには、様々な用途に非常に有効ないくつかの利点があります：

• 非接触センシング：これらのセンサーは、物理的な接触なしに磁界の存在を検出するため、機械的なスイッチに比べて摩耗や破損が少なくなります。
• 耐久性：ホール効果センサーはソリッド・ステート・デバイスであるため、機械的な故障が少なく、ほこりや汚れ、湿気にさらされるような過酷な環境でも動作する。
• 高速・高感度：磁場の変化に素早く反応できるため、モーター制御や位置検出などの高速アプリケーションに適している。
• 多彩なアプリケーションホール効果センサーは、自動車システム（車輪速度センサーなど）、民生用電子機器（スマートフォンなど）、産業オートメーション（近接センサーなど）など、幅広い用途に使用できます。
• 低消費電力：このセンサーは一般的に、従来の機械式スイッチよりも消費電力が少ないため、バッテリー駆動の機器に最適です。

オペレーショナル・セオリー

ホール効果近接センサーの動作理論は、電流と磁界の相互作用を伴うホール効果現象に基づいています。その仕組みは以下の通り：

1. 電流の流れ：ホール効果センサーは、電流が流れる薄い帯状の導電性材料（ホール素子）で構成されている。この電流が磁場を発生させる。
2. 磁場の相互作用：外部磁場が電流の流れる方向に垂直に印加されると、導電性物質中の電荷キャリア（電子または正孔）は、直進経路から外れる力（ローレンツ力）を経験する。
3. 電圧の発生：この偏向の結果、ホール素子の片面に電荷キャリアが集中し、ストリップの対向面にホール電圧として知られる電圧差が生じます。この電圧の大きさは磁場の強さに比例する。
4. 信号出力：センサーはこのホール電圧を測定し、出力信号に変換します。設計によって、この出力はアナログまたはデジタルになります。例えば、デジタル・アプリケーションでは、磁界がある閾値を超えたかどうかでセンサーのオン／オフが切り替わります。
5. ホール効果センサーの種類ホール効果センサーは、その構成によって次のように分類される：
   • ユニポーラ・センサ：磁界の一方の極性で作動。
   • バイポーラセンサー：両極性に反応する。
   • 全極センサー：正または負の磁場によって作動可能。

VIII.誘導型近接センサー

誘導型近接センサの特性

誘導型近接センサーは、主に物理的な接触なしに金属物体を検出するために設計された特殊なデバイスです。その主な特徴は以下の通りです：

• 非接触検出：金属に触れることなく検出できるため、センサーと検出対象物の両方の消耗を最小限に抑えることができる。
• 金属に対する感度：これらのセンサーは特に強磁性体（鉄など）に感度が高いが、設計によっては非鉄金属（アルミニウムや銅など）も検出できる。
• 検出範囲：検出範囲は金属物体の大きさや種類によって異なり、通常は数ミリから数センチ。
• 堅牢性：誘導型センサーは耐久性に優れ、ほこりや湿気、極端な温度など過酷な環境でも動作します。
• 高速性：高速に状態を切り替えることができるため、オートメーションや製造工程における高速アプリケーションに適している。
• 簡単な設置：誘導型近接センサは、多くの場合、様々な取り付けオプションが利用可能で、既存のシステムに簡単に取り付け、統合することができます。

運営方法

誘導型近接センサーの動作方法は、電磁誘導の原理に基づいています。以下がその機能です：

1. 発振回路：センサーには発振回路があり、感知面に高周波の交番電磁界を発生させる。この電磁場は周囲に広がる。
2. 渦電流の発生：金属物体がこの電磁場に近づくと、金属に渦電流が誘導される。この渦電流は電磁誘導によって金属物体内を流れる。
3. 振幅の変化：これらの渦電流の存在は、発振回路におけるエネルギー損失を引き起こし、発振振幅の減少につながる。金属物体に近づくほどエネルギー損失は大きくなり、発振振幅の減少も大きくなる。
4. 信号検出：センサーには振幅検出回路があり、発振状態の変化を監視する。金属物の存在により振幅がある閾値を下回ると、その変化を検出する。
5. 出力信号の生成：センサーは、この検出を出力信号（通常はバイナリ信号）に変換し、物体が存在するかどうかを示します。この出力は、オートメーションシステム内の他のデバイスやプロセスのトリガーとして使用できます。

IX.異なる近接センサー技術の比較

A.強みと限界

センサータイプ	強み	制限事項
誘導性	金属探知に高い信頼性 耐久性に優れ、過酷な条件にも耐える 迅速な対応	金属標的に限る 電磁干渉に敏感
静電容量式	金属と非金属の両方を検出可能 非金属バリアを通して作動 調整可能な感度	インダクティブ・センサに比べて検出範囲が短い 環境要因の影響を受ける（湿度、温度）
超音波	様々な材料の非接触検出 過酷な環境でも動作 長い検出範囲	真空中での効果は限定的 物体の質感や吸音性によって性能が左右されることがある
光電式	さまざまな形状に対応（透過型、再帰反射型） 迅速な対応 透明な物体を検出可能	設置が複雑なタイプもある 対象物の色や反射率によって性能が異なる場合がある
レーザー	高精度で長距離検出 小さなターゲットや遠くのターゲットに適している	コストと消費電力が高い 眼への曝露に関する安全上の懸念 透明素材での性能は限定的

B.各技術に適した用途

各技術に適したアプリケーション

• 誘導型近接センサー：
  • ベルトコンベア上の金属部品を検出するために産業オートメーションでよく使用される。
  • 機械装置の位置検知に最適。
• 静電容量式近接センサー：
  • 液体、粉体、プラスチックなどの非金属材料の検出に適しています。
  • 包装、食品加工、レベル測定用途によく使用される。
• 超音波近接センサー：
  • 液面センシングやロボット工学における物体検出など、距離計測を必要とするアプリケーションに効果的。
  • 自動車の駐車支援システムに使用される。
• 光電式近接センサー：
  • 包装、選別システム、マテリアルハンドリングに広く使用されている。
  • 透明な物体の検出やベルトコンベア上の物品のカウントに適しています。
• レーザー近接センサー：
  • ロボットの位置決めや自動検査システムなど、高い精度が要求される用途に使用される。
  • 距離や荷物の寸法を測定するために物流でよく見られる。

結論近接センシング技術の多様性

近接センシング技術の多様性は、現代のオートメーションと制御システムの多様な要件を反映しています。各センサタイプは、特定のアプリケーションに適した独自の強みを持つ一方で、選択時に考慮しなければならない制限もあります。誘導型センサーは金属の検出に優れており、静電容量型センサーはさまざまな素材に対応できます。超音波センサーは堅牢な距離測定機能を提供し、光電センサーはその速度と適応性で好まれています。レーザーセンサーは、長距離での精度が際立っています。

記事の出典

https://www.ifm.com/de/en/shared/technologies/ultrasonic-sensors/advantages-of-ultrasonic-sensors

https://www.tme.eu/Document/e5f38f78b147f70a1fae36b473781d74/MM-SERIES-EN.PDF