近接センサ(近接スイッチ)の種類と選び方｜誘導形・静電容量形・2線と3線

※この記事にはプロモーションが含まれています。

近接センサ(近接スイッチ)は、物にさわらずに「近づいた」ことを知らせるスイッチです。金属を見るなら誘導形、樹脂や水も見たいなら静電容量形を選びます。

すきまは定格の検出距離に材質の補正係数を掛け、さらに7〜8割の余裕を見ます。配線は、3線式なら NPN か PNP を PLC の入力に合わせ、2線式なら漏れ電流と残留電圧が入力の条件に入るかを計算します。

この記事では、近接センサを金属が近づくと気づく「磁石の感覚」にたとえて説明します。選定のチェックリストと、すきま・2線式の計算もあります。

近接センサとは?さわらずに「来た」と気づくスイッチ

機械の「ここまで来た」を知らせるいちばん素朴な方法は、物が当たると押される小さなスイッチ(リミットスイッチ)です。わかりやすい反面、何度も当たるうちにすり減ったり、当たった衝撃で物が傷ついたりします。

そこで、さわらずに気づくスイッチが考えられました。それが近接センサです。物が数ミリまで近づくと、出力が ON になり、PLC(機械の脳にあたる制御装置)の入力に「来た」と知らせます。

近接センサの弱点は「届く距離が短い」ことと「感じられる物が決まっている」ことです

比べること	さわって知らせるスイッチ(リミットスイッチ)	さわらずに気づく近接センサ
検出のしかた	物が当たってレバーが押される	数ミリまで近づくと反応する
すり減り	当たるたびに機械の部分がすり減る	機械の接触がないので、すり減らない
反応の速さ	レバーが動く分だけ時間がかかる	速い(パナソニックの資料では、最高で1秒に3,300回の機種)
届く距離	当たれば反応する	数ミリ〜十数ミリ。遠くは苦手

パナソニックの資料でも、近接センサは非接触で傷つけない・水がかかる所でも使える・長寿命という長所の一方で、金属以外は検出できない・光電センサより検出距離が短いという短所が挙げられています。

どこで使われている?工場で見かける4つの場面

どれも「検出する物が金属で、すきまが数ミリにできる」ことが共通点です

場面	知りたいこと	なぜ近接センサか
空気で動くシリンダの先の金具	押し出しきったか・戻ったか	毎回当たるとすり減るので、さわらずに見たい
回る歯車やカムのそば	何回まわったか・どの位置か	速く何度も通るので、反応の速さが要る
コンベアの上の金属の部品	部品が来たか・あるか	油や水がかかっても、金属だけを見分けたい
機械の可動部の端(原点)	ここが出発点か	さわらずに、毎回同じ位置で知らせたい

逆に、検出したい物が樹脂や段ボールだったり、10cm 以上離れた所から見たかったりするときは、光で見る光電センサのほうが向いています。光電センサの選び方は別の記事で説明します(公開しだい、ここにリンクします)。

磁石の感覚のしくみ:誘導形は金属に「エネルギーを吸われる」と気づく

誘導形の近接センサの先には、小さなコイル(電線を巻いたもの)が入っています。このコイルに、1秒に何万回も向きが変わる電流を流すと、センサの先に見えない磁気の波(高周波の磁界)が広がります。

そこへ金属が近づくと、金属の中に、磁気の波に引っぱられてぐるぐる回る電流(渦電流・誘導電流)が流れます。この電流は金属の中で熱に変わるので、センサから見ると波のエネルギーが吸い取られたことになり、波が弱まります。センサは、この「弱まった」を見つけて出力を ON にします。

このしくみなので、電流が流れない樹脂・木・紙・水には反応しません。パナソニックの資料では、金属でもフェライトのように電流が流れにくい物は検出できないと書かれています。キーエンスの解説にあるとおり、樹脂のカバーの向こうにある金属だけを見分ける、という使い方もできます。

同じ金属でも気づく距離が違う:鉄は遠くから、アルミは近くまで

カタログに書かれた「検出距離」は、決められた大きさの鉄の板(標準検出物体)を近づけたときの値です。パナソニックの資料では、検出距離や応差などの仕様は、すべてこの標準検出物体に対して決められていると書かれています。

鉄以外の金属は、磁気の波の吸い方が違うので、もっと近づかないと気づきません。どれくらい近づけばいいかは、メーカーが補正係数(修正係数)として出しています。

右の列は、係数を掛けた「気づく距離」の目安(筆者が計算)。係数は機種で違うので、使う機種の特性図で確かめます

検出する物の材質	補正係数(パナソニック GXL-8 の例)	定格 4 mm のセンサなら
鉄	1	4 mm
ステンレス(SUS304)	約0.82	約3.3 mm
黄銅(真ちゅう)	約0.59	約2.4 mm
アルミ	約0.57	約2.3 mm

では、動く図で確かめましょう。材質を選んで「スタート」を押すと、金属の板がセンサへ近づき、また離れていきます。どの距離で ON になり、どの距離で OFF に戻るかを見てください。

見てほしいのは2つです。1つは、材質を鉄からアルミに替えると、ON になる距離がぐっと近くなること。もう1つは、近づくときに ON になる距離より、離れるときに OFF に戻る距離のほうが少し遠いことです。この差を応差(ヒステリシス)と呼び、⑧で説明します。

金属以外も見たいときは静電容量形:「静電気の感覚」

樹脂のタンクの中の水の量や、ホッパー(粉や粒をためる漏斗)の中の粉を見たいとき、金属にしか反応しない誘導形では見えません。そこで使うのが静電容量形の近接センサです。

どれくらい反応するかは、物の「電気のためやすさ」(誘電率)で決まります。ifm の解説では、目安として誘電率が2より大きい物なら検出できるとしています。水はとても大きいので強く反応し、乾いた紙や樹脂は弱めです。

「金属なら誘導形」が基本。金属以外を見たいときだけ静電容量形を考えます

比べること	誘導形	静電容量形
反応する物	金属だけ	金属・水・樹脂・紙・木・粉など
得意な使い方	金属の部品の位置・回転	樹脂の容器ごしの液面・粉の有無
気をつけること	材質で距離が変わる、周りの金属	水滴・湿気・汚れで反応が変わる、感度の調整が要る

静電容量形は、敏感なぶん、ほかの物にも反応しやすいのが弱点です。ジェイテクトエレクトロニクスの CS シリーズのカタログでは、検出面に水滴が 0.2 ml(2〜3滴)付くと動作距離が約20%増え、流れ出すほどだと300%以上に増えると示されています。そのため、湿気の多い所や水がかかる所は避けるよう書かれています。

方式の選び方:検出する物とすきまで決める

上から順に当てはまる行を探します

検出したい物・条件	向いている方式	理由
鉄・ステンレスの部品を数ミリで	誘導形	金属だけに反応し、油や水に強い
アルミ・黄銅・銅の部品	誘導形(係数で距離を見直す)。距離が足りなければ非鉄用の機種	鉄より近づかないと気づかない
樹脂の容器ごしの液面・粉	静電容量形	金属以外にも反応する
樹脂・段ボールの品物を離れた所から	光電センサ	近接センサは届く距離が短い
迷ったら	検出物を持って、候補の機種で実際に試す	大きさ・厚さ・メッキで距離が変わる

カタログの距離の言葉:検出距離・安定して使える範囲・応差

カタログには距離に関する言葉がいくつも出てきます。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。

数字は機種で違います。使う機種のカタログで確かめてください

言葉	意味	数字の目安(パナソニックの資料)
検出距離(最大動作距離)	鉄の標準の板を近づけて、初めて ON になる距離	カタログの値
安定検出範囲	温度や電源の変化があっても、安定して ON にできる距離	最大動作距離の70〜80%
応差(ヒステリシス)	ON になる距離と、離れて OFF に戻る距離の差	最大動作距離の10〜20%
標準検出物体	検出距離を決めるときに使う鉄の板	シールド形は検出面とほぼ同じ大きさ、非シールド形は約1.5倍

応差は、わざと付けられています。もし ON と OFF が同じ距離だと、金属がちょうどその距離で小さく揺れたとき、ON・OFF が細かくくり返されてしまいます(チャタリング)。パナソニックの資料でも、応差はそれを防ぐためと書かれています。

すきまはいくつまで?検出距離を見積もる式の出どころ

ここで計算するのは、「機械のすきまで、このセンサは確実に反応するか」を、付ける前に知るためです。計算しないと、組み立ててから反応しないことがわかり、センサや取り付け金具を作り直すことになります。

式の出どころ:「割合を掛ける」を2回

この式は物理の法則ではなく、メーカーの資料で決められた考え方です。①鉄の板での距離を、材質の係数で「その材質ならどこまで届くか」に直す。②そのうちの7割(安定検出範囲の下の側)までを使う。どちらも「全体の何割」を掛けるだけです。

S_set ≦ S_n × k_材質 × 0.7

割合には単位がないので、答えは S_n と同じ mm になります

記号	意味	単位	どこから取るか
S_n	定格の検出距離(鉄の標準検出物体)	mm	カタログ
k_材質	材質の補正係数(鉄は1)	なし(割合)	メーカーの特性図・修正係数
0.7	安定して使える割合(安定検出範囲 70〜80% の厳しい側)	なし(割合)	メーカーの用語解説
S_set	設定してよいすきま	mm	計算で出す

ここはざっくり言うと、の話です。検出する物が標準より小さい・薄い場合は、さらに距離が短くなります。そのときは機種の「大きさ・厚さと検出距離」の特性図も掛け合わせます。

計算してみよう:部品を鉄からアルミに替えたら?

機械のすきまが最大 2.0 mm(例)の所に、定格 4 mm のセンサ(例)を付けるとします。検出する部品を鉄からアルミに替える設計変更が入りました。

つまり「設計変更のあと、ときどき反応しない」原因は、センサの故障ではなく材質かもしれない、ということです。答えが 20 mm のように大きすぎたら、係数を掛け忘れていないかを見直します。

取り付けの注意:シールド形と非シールド形、となりのセンサ

磁気の波は、センサの正面だけでなく横にも少し広がります。そのため、センサの周りにある金属(取り付け台など)にも反応してしまうことがあります。そこで2つの形があります。

もう1つの注意が、となりどうしのセンサです。近くに並べると、おたがいの磁気の波がぶつかって動作が不安定になります(相互干渉)。パナソニックの資料では、間隔を十分にとるか、発振の周波数が違う「異周波タイプ」を組み合わせる対策が示されています。必要な間隔は機種の取扱説明書に書かれています。

配線の選び方1:3線式は「電源の行き帰り+知らせの道」

近接センサは、自分の感覚(発振の回路)を動かすための電気が要ります。その電気の通り道と、「来た」と知らせる道の数で、配線の種類が分かれます。

3線式の知らせの線には、2つのつなぎ方があります。センサの中のスイッチ(トランジスタ)が、知らせの線を0V の側につなぐのが NPN、+の側につなぐのが PNP です。電流の向きが逆なので、受け取る PLC の入力も向きを合わせる必要があります。

シンク・ソースの呼び方はメーカーで逆に見えることがあります。言葉ではなく、電流の向き(どちらから流れ込むか)で合わせます

センサの出力	ON のときセンサがすること	PLC の入力(三菱電機 FX5U の呼び方)	主に使われている地域(パナソニックの資料)
NPN	知らせの線を 0V につなぐ(電流を吸い込む)	シンク入力	日本・北米
PNP	知らせの線を +24V につなぐ(電流を押し出す)	ソース入力	欧州

向きが合わないと、配線は正しく見えても電流が流れず、入力ランプがつきません。線の色の意味や端子の名前は、センサと PLC の配線図で必ず確かめます。

配線の選び方2:2線式は「電源と知らせが同じ道に相乗り」

2線式は、センサから出る線が2本だけです。キーエンスの解説にあるとおり、配線が少なくて済み、NPN・PNP どちらの回路にも使えるのが長所です。

この相乗りから、2つのことが生まれます。

値は機種で違います。使う機種のカタログの値で計算します

生まれること	なぜ生まれるか	パナソニックの資料の値の例
漏れ電流(OFF でも少し流れる)	OFF の間も、センサは感覚を動かすための小さな電流を、PLC の入力を通して受け取り続ける	OFF 時 0.8 mA
残留電圧(ON でも少し電圧が残る)	ON の間も、センサは自分が動くための電圧を手元に少し残しておく	ON 時、負荷にかかるのは(電源電圧 − 3V)
最小の電流	ON のとき流れる電流が少なすぎると、センサが自分を動かせない	ON 時 3〜70 mA(3 mA 未満ならブリーダ抵抗)

つまり2線式は、PLC から見ると「OFF なのにかすかに流れている」「ON なのに少し電圧が足りない」センサです。PLC の入力がそれをちゃんと OFF・ON と見分けられるかを、次の段で計算します。

計算してみよう:この2線式を PLC の入力につないでいい?

ここで計算するのは、「PLC がこのセンサの ON と OFF を見分けられるか」を知るためです。見分けられないと、物がないのに入力ランプがうっすら点く、物があるのに入らない、といった誤動作になります。

式の出どころ:オームの法則

電流は、電圧を抵抗で割ると出ます(オームの法則 I = V ÷ R)。PLC の入力を、ざっくり1本の抵抗と見なします。三菱電機 FX5U の取扱説明書では、入力インピーダンス(入力の抵抗にあたる値)が 4.3 kΩ(X0〜X17)です。ON のとき入力にかかる電圧は、電源電圧からセンサの残留電圧を引いた分です。

I_on = (V − V_残留) ÷ R_入力

V ÷ kΩ の答えは mA(ミリアンペア)になります。1 V ÷ 1 kΩ = 1 mA

記号	意味	単位	例の値
V	電源電圧(下限は −15%)	V	24(下限 20.4)
V_残留	センサの残留電圧(パナソニックの例)	V	3
R_入力	PLC の入力インピーダンス(FX5U X0〜X17)	kΩ	4.3
I_漏れ	センサの漏れ電流(パナソニックの例)	mA	0.8

この計算は、入力を1本の抵抗と見なした目安です。実際の入力の回路は抵抗だけではないので、少しずれます。それでも「余裕がどれくらいあるか」の見当をつけるには十分です。答えが 4,900 mA のように桁外れなら、kΩ を Ω のまま割っていないかを見直します。

漏れ電流が PLC の OFF の条件を超える場合は、入力と並べて抵抗(ブリーダ抵抗)をつなぎ、漏れ電流を逃がします。その計算と、入力が切れない・入らないときの切り分けは、2線式の漏れ電流の記事で説明します(公開しだい、ここにリンクします)。

苦手な環境と、反応しないときの入口

パナソニック・ジェイテクトエレクトロニク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
検出面に金属の粉・切り粉・溶接のスパッタ	金属がずっとそこにあると思い、ON のまま	付きにくい向きに付ける、カバー、定期的な清掃
動力線(モーターやインバータの線)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
となりにセンサを近づけて並べる	おたがいの波がぶつかって不安定	間隔をとる、異周波タイプ
静電容量形に水滴・結露・付着物	物がないのに反応する	向き・カバー・感度の調整

ノイズで入力がちらつく場合は、ノイズの通り道をインバータのノイズ対策で、ノイズそのもののしくみは同じ筆者の shirasusolo.net のノイズとはで説明しています。

付けたあとに「反応しない・反応しっぱなし」になったときは、まずセンサのランプを見ます。センサのランプは正しく点くのに PLC の入力ランプが追いつかないなら配線や入力の側、センサのランプ自体がおかしいならセンサの側(距離・材質・取り付け・環境)を疑います。詳しい切り分けは、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:近接センサの選定チェックリスト

センサの信号を受け取る側の考え方(位置を「目で確かめる」かどうか)は、サーボモーターとステッピングモーターの違いでも説明しています。

よくある質問

まとめ:近接センサは「何を・どのすきまで」から選ぶ

センサが決まったら、信号を受け取る PLC の側で、止まったときにどこを見るかも確かめておきましょう。