光電センサ(光電管)の種類と選び方｜透過・回帰反射・拡散反射の違い

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光電センサ(光電管)の透過型・回帰反射型・拡散反射型は、何が違うのか?

光を受け取る場所が違います。透過型は向かいの受光器(いちばん遠く・確実)、回帰反射型は反射板(配線が片側で済む)、拡散反射型は物に当たって跳ね返った光(センサ1つで済むが、色やつやで距離が変わる)。まず反対側に受光器か反射板を置けるかで決めます。

この記事では、光電センサを光のキャッチボールにたとえて説明します。透明・光沢・黒い物の選び方と、応答時間と止まる位置の計算もあります。

光電センサとは?光を投げて「受け取れたか」で物を見つける

光電センサには、光を出す投光部と、光を受け取る受光部があります。物が光の通り道に入ると、受光部に届く光の量が変わります。センサはその変化を見て、PLC(機械の脳にあたる制御装置)に「物が来た」と知らせます。

前の記事で説明した近接センサは、金属が数ミリまで近づくと気づく「磁石の感覚」でした。光電センサは光を使うので、材質を選ばず、遠くから気づけるのが大きな違いです。

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金属に数ミリで気づくセンサ。材質とすきまで選ぶ

近くの金属なら近接センサ、材質を問わず離れた所から見たいなら光電センサ、が出発点です

比べること	近接センサ(誘導形)	光電センサ
気づける物	金属だけ	光をさえぎる・返す物ならほとんど(木・紙・樹脂・金属)
届く距離	数ミリ〜十数ミリ	数センチ〜数十メートル(方式による)
苦手なこと	金属以外・遠い所	汚れでレンズがくもる・透明や光る物・強い外の光
よく使う場所	シリンダの先・回る金具・金属の部品	コンベアの箱・ボトル・扉の通り道

パナソニックの資料でも、光電センサの欠点として、塵やホコリでレンズの面がおおわれると検出できなくなる場合があると書かれています。

どこで使われている?工場で見かける4つの場面

どれも「材質がいろいろ」か「少し離れた所から見たい」が共通点です

場面	知りたいこと	なぜ光電センサか
コンベアの箱	箱が来たか・何個通ったか	段ボールや樹脂でも見つけられ、離れた所から見られる
ボトルや缶の列	1本ずつ通ったか・倒れていないか	反応が速く、次々に流れても数えられる
棚や台の上	部品が置いてあるか	上から光を当てるだけで、さわらずに確かめられる
シャッターや扉の通り道	あいだに物や台車が残っていないか	幅の広い通り道でも、向かい合わせれば遠くまで届く

3つの方式:キャッチボール・壁当て・跳ね返りを待つ

透過型と回帰反射型は「さえぎられたら気づく」、拡散反射型は「返ってきたら気づく」と、合図が逆です

方式	キャッチボールでたとえると	光の通り道	物に気づく合図
透過型	向かい合った2人のキャッチボール	投光器 → 受光器(別々の箱を向かい合わせる)	光が届かなくなった
回帰反射型	壁当て(特別な壁に投げて戻ってくる)	センサ → 反射板 → センサ	戻ってくる光が届かなくなった
拡散反射型	相手に投げて、跳ね返ってきたら「いる」	センサ → 物 → センサ	跳ね返った光が届いた

回帰反射型の反射板(リフレクタ)は、ふつうの鏡ではありません。小さな角のような形がたくさん並んでいて、光が来た方向へそのまま返す特別な板です。そのため、少しくらい角度がずれても光がセンサに戻ります。

では、動く図で確かめましょう。方式を選んで「スタート」を押すと、箱が光の通り道を横切ります。出力の動きは⑤で説明するので、まずは「遮光時ON」のまま、受光のランプを見てください。

見てほしいのは、透過型と回帰反射型では箱が来ると受光が「なし」になるのに、拡散反射型では箱が来ると受光が「あり」になることです。同じ「箱が来た」でも、センサの中で起きていることは逆なのです。

入光時ON・遮光時ON:「届いたら ON」か「届かなくなったら ON」か

光電センサの多くは、出力の動きを切り換えるスイッチを持っています。パナソニックの CX-400 では「入光時ON/非入光時ON」、キーエンスの PZ-G では「入光時ON/遮光時ON」と呼び、どちらもスイッチやつまみで切り換えます。英語の Light-ON(ライトオン)・Dark-ON(ダークオン)も同じ意味です。

「物が来たら ON」にしたいときの、ふつうの組み合わせです。④の動く図で出力の動きを切り換えて確かめられます

方式	物が来たとき受光部では	物が来たら ON にしたいなら
透過型・回帰反射型	光が届かなくなる	遮光時ON(ダークオン)
拡散反射型	跳ね返った光が届く	入光時ON(ライトオン)

ここで間違えやすいのは、方式を変えたのに出力の動きをそのままにすることです。透過型から拡散反射型に替えると合図が逆になるので、出力の動きも切り換え直さないと、物がないときに ON になってしまいます。

苦手な物:すり抜ける透明・よそへ跳ねる光沢・吸い込む黒

上の3つが「苦手な物」、いちばん下が「得意な物」です

検出する物	何が起きるか	向いている方式・タイプ	出典
透明なボトル・フィルム	光の大半が通り抜け、届く量の差が小さい	透明体検出用の回帰反射型。光軸を斜めにかける	パナソニック・キーエンス
光沢のある金属・鏡のような面	回帰反射型では反射板と間違える。拡散反射型では光がよそへ跳ねて戻らない	偏光フィルタ付の回帰反射型か透過型	パナソニック・キーエンス
黒い物・つやのない暗い物	拡散反射型では跳ね返る光が少なく、届く距離が短くなる	透過型・回帰反射型(さえぎれば色は関係ない)	パナソニック
不透明で色や形がばらばら	さえぎる方式なら色・形・材質に関係なく見つかる	透過型・回帰反射型	パナソニック・キーエンス

偏光フィルタ付の回帰反射型は、光の「波の向き」を使います。ざっくり言うと、センサは横向きにそろえた光を出し、縦向きの光だけを受け取ります。反射板は光の向きを乱して返すので受け取れますが、鏡のような物は向きを変えずに返すので受け取れません。だから光る物を反射板と間違えにくいのです(本当はもう少し複雑ですが、考え方はこのとおりです)。

方式の選び方:反対側に何か置けるか、から決める

上から順に当てはまる行を探します

条件	向いている方式	理由
通り道の両側に機器を置け、配線もできる	透過型	いちばん遠くまで届き、色・形・材質に左右されない
両側に置けるが、配線は片側にしたい	回帰反射型	反対側は反射板だけで済む
片側にしか何も置けない	拡散反射型	センサ1つで済む。色・つやで距離が変わる
後ろに壁や機械があり、それに反応してしまう	距離設定型・限定反射型(拡散反射型の仲間)	決めた距離より遠い物を無視できる
金属の部品を数ミリで見る	近接センサ	油や水がかかっても金属だけを見分けられる
迷ったら	検出する物の実物を持って、候補の方式で試す	色・つや・透け具合で結果が変わる

どこまで届く?カタログの「検出距離」の読み方

カタログの「検出距離」は、方式によって測り方が違います。パナソニックの用語解説をもとに、やさしい言葉にするとこうなります。

拡散反射型の距離は白い紙での値なので、黒い物や小さい物ではもっと短くなります

方式	検出距離が意味するもの
透過型	投光器と受光器を、安定して離して置ける距離
回帰反射型	センサと反射板を、安定して離して置ける距離(決められた反射板を使ったとき)
拡散反射型	標準の検出物体(ふつうは白い、つやのない紙)を安定して見つけられる距離

同じ方式でも機種で距離が違います。どの社も、透過型 > 回帰反射型 > 拡散反射型 の順になっていることを見てください

方式	パナソニック CX-400 の例	キーエンス PZ-G の例
透過型	10 m(CX-411)	20 m(PZ-G51)
回帰反射型	3 m(CX-491)	0.1〜4.2 m(PZ-G61。反射板 R-2L のとき)
拡散反射型	300 mm(CX-421)・800 mm(CX-422)	300 mm(PZ-G42。10 cm 角の白紙)・1 m(PZ-G41。30 cm 角の白紙)
応答時間	1 ms 以下(CX-411)	500 µs

計算してみよう1:物が光をさえぎっている時間は足りる?

ここで計算するのは、「速く流れる小さな物を、センサが見落とさないか」を知るためです。物が光の前にいる時間が短すぎると、センサが反応する前に通り過ぎてしまいます。

式の出どころ:時間 = 長さ ÷ 速さ

速さとは「1秒に何ミリ進むか」です。50 mm の箱が1秒に 500 mm 進むなら、箱の頭が光に入ってからおしりが抜けるまで、50 ÷ 500 = 0.1 秒かかります。これは、学校で習う「時間 = 道のり ÷ 速さ」そのものです。

t = L ÷ v

mm ÷ (mm/s) で mm が消えて、秒だけが残ります

記号	意味	単位	どこから取るか
L	流れる向きに測った物の長さ	mm	図面・実物
v	流れる速さ(毎分 → 毎秒に直す)	mm/s	コンベアの仕様
t	物が光をさえぎっている時間	s(秒)	計算で出す

つまり、速さと応答時間だけでなく、物の大きさが光の太さより大きいかも一緒に見る必要があります。答えが 0.0001 秒のように小さすぎたら、毎分を毎秒に直し忘れていないかを見直します。

センサが間に合っても、信号を受け取る PLC が見落とすことがあります。PLC は入力を一定の間隔でしか読まないからです。この計算は PLC の切り分けの記事でくわしく説明しています。

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PLCのエラーで止まったときの切り分け｜ランプを見る順番を図解

ときどき入力を見落とすなら、信号の長さを数字で確かめる

計算してみよう2:センサで止めると、何ミリ行き過ぎる?

ここで計算するのは、「センサが見つけてから止めるまでに、物が何ミリ進んでしまうか」を知るためです。位置決めに使うなら、このずれが許せる範囲かを先に確かめます。

式の出どころ:距離 = 速さ × 時間

⑨の式を入れかえただけです。1秒に 500 mm 進む物は、0.001 秒(1 ms)のあいだに 500 × 0.001 = 0.5 mm 進みます。光が切れてから出力が変わるまでの遅れを、パナソニックの資料では応答時間と呼んでいます。

x = v × t_遅れ

このほかに、モーターが止まりきるまでの距離も加わります。ここではセンサと PLC の分だけを数えました。PLC 側の遅れは機種と設定で違うので、20 ms は説明のための例です。

取り付けの注意:となりのセンサ・取付台・後ろの壁

光電センサの光は、細いひもではなく、少しずつ広がりながら進みます。そのため、まわりの物の影響を受けます。パナソニックの資料にある主な注意をまとめると、次のとおりです。

どれも「よけいな光が受光部に入る」ことが原因です

起きること	なぜ起きるか	対策の例
となりのセンサとおたがいに反応する(相互干渉)	となりの投光器の光が受光部に入る	干渉防止の機能やフィルタ、間隔をあける、投光器と受光器を交互に並べる(透過型)
物がさえぎっているのに入光のまま	物の下をくぐった光が取付台で反射して届く	取り付けを高くする、取付台を黒のつやなしにする
拡散反射型が後ろの壁に反応する	壁からの照り返しが戻ってくる	壁を黒くする・遠ざける、距離設定型・限定反射型にする

となりとの間隔は、パナソニックの資料では次の考え方で決めます。カタログの「平行移動特性」のグラフから、使う距離 L1 のときの動作位置 ℓ1(光軸からどれだけ横にずれても入光で動くか)を読み、その2倍以上離せば安心、というものです。

ℓ1 の値は機種と距離で変わるので、必ず使う機種のグラフで読みます。

配線の選び方:出力は NPN か PNP かを PLC の入力に合わせる

アンプ内蔵型の光電センサは、ほとんどが電源の2本と出力の1本を持っています(透過型は投光器と受光器に分かれるので、受光器に出力があります)。出力のトランジスタが、出力の線を 0V の側につなぐのが NPN、+の側につなぐのが PNP です。

どの形式でも、流せる電流には上限があります。パナソニック CX-400 は 100 mA まで、キーエンス PZ-G も 100 mA 以下です

出力の形式	ON のときすること	主に使われている地域(パナソニックの資料)
NPN オープンコレクタ	出力の線を 0V につなぐ(電流を吸い込む)	日本・北米
PNP オープンコレクタ	出力の線を +側につなぐ(電流を押し出す)	欧州
リレー接点	中の小さなスイッチが閉じる(交流の負荷もつなげる)	電源内蔵型など。応答は遅め

PLC の入力を動かすだけなら、流れる電流は数ミリアンペアなので、上限の 100 mA には十分に余裕があります。センサの出力で直接リレーやランプを動かすときは、その電流が上限に入るかを確かめます。NPN・PNP と PLC の入力の向きの合わせ方は、近接センサの記事の3線式の節と同じなので、そちらも見てください。

付けたら最初にやること:光軸合わせと感度の決め方

透過型と回帰反射型は、光の通り道(光軸)を相手にきちんと向ける必要があります。パナソニックの資料にある手順を、やさしい言葉にするとこうなります。

感度のつまみがある機種では、物がないとき(入光)に反応し始める A 点と、物があるとき(しゃ光)に戻る B 点を探し、A 点と B 点のまん中に合わせると最適な感度になる、とパナソニックの資料に書かれています。ボタン1つで感度を決められる機種もあります。

苦手な環境と、反応しないときの入口

パナソニック・キーエンスの資料の注意をまとめました

苦手なこと	何が起きるか	対策の例
レンズの汚れ・ホコリ	光が弱まり、物がないのに「さえぎられた」と思う	清掃の決まり、透過型・回帰反射型ならパワーの強いタイプ
強い外の光(日光・照明)	受光部に関係ない光が入る	外の光の向きに角度をつける、受光部にフードを付ける
湯気・ホコリが多い場所	光が散らばって届きにくい	場所を変える、余裕を持った距離にする
動力線との並行配線	ノイズで誤って ON・OFF する	線を離す、別の配管にする

多くの光電センサには、動作表示灯のほかに安定表示灯があります。パナソニックの資料では、受け取る光の量が動作の境目に対して十分に余裕があるときに点く表示灯と説明されています。動作表示灯は点くのに安定表示灯が消えているなら、光軸のずれや汚れで余裕がなくなっているサインです。

ノイズで入力がちらつくときは、ノイズの通り道をインバータのノイズ対策で説明しています。詳しい誤検出の切り分けは、センサの誤検出の記事で説明します(公開しだい、ここにリンクします)。

仕事で使うとき:光電センサの選定チェックリスト

よくある質問

まとめ:光電センサは「反対側に何を置けるか」から選ぶ

センサが決まったら、信号を受け取る PLC の側で、入力がどう読まれるかも確かめておきましょう。