非接触検出が欲しいですか？赤外線センサーがその解決策です

非接触赤外線検出の基礎

赤外線放射の原理

赤外線放射は電磁スペクトル内に位置し、約700ナノメートルから1ミリメートルに至るまでの波長をカバーしています。これにより、人間の目で見える光より明らかに長い波長の放射線に属しています。赤外線がさまざまな物質とどのように相互作用するかを調べると、これは非接触センシング技術などにおいて非常に重要な特性となります。さまざまな物質はこれらの波に対してそれぞれ異なる反応を示し、一部は赤外線を吸収し、一部は反射し、他の物質は完全に透過させることがあります。たとえば金属は、赤外線の大部分を効率的に反射する傾向があります。ガラスは少し異なっており、多くの赤外線がそのまま透過します。また、「シュテファン・ボルツマンの法則」というものもあり、高温の物体がどのように赤外線放射を行うかを説明しています。基本的には、物体が熱くなるにつれて、その赤外線放射の強度が増していき、強度は温度の4乗に比例して上昇します。これは単なる理論上の知識ではありません。この原理は、サーマルイメージングシステムや、医療機関や飲食店の厨房などでよく使われる非接触型温度計の基礎となっています。

能動型と受動型のセンシング機構

アクティブセンシングは、レーザーセンサーなどの装置を通じて機能し、それらは周囲を検出するために独自の赤外線信号を送信します。これらのセンサーは対象に光を照射するため、長距離にわたって精度が必要な場合には非常に効果的に機能します。一方で、パッシブセンサーは、物体自体から自然に放出される赤外線放射を受信するだけです。このようなタイプは、あらゆる物質が何らかの熱シグネチャーを放出しているため、サーモグラフィー用途に最適です。アクティブセンシングとパッシブセンシングのどちらを選ぶかは、最終的に何をする必要があるのか、そしてどのような環境を対象としているのかによって決まります。パッシブセンサーが適切に機能するために必要な背景の赤外線が十分に存在しない状況では、アクティブセンサーがより適しているケースがあります。

異なる材料に対する波長の考慮事項

非接触型赤外線検出技術を最大限に活用するためには、異なる材料がさまざまな波長とどのように相互作用するかを理解することが重要です。ある材料は赤外線をよく吸収しますが、他の材料はそれをよく反射します。これは非常に重要であり、間違った波長を選択すると、測定値がばらついてしまう可能性があるからです。適切な波長を選ぶことで、システムが対象の材料が光を反射あるいは透過する特性に応じて、正しく対象を「見る」ことができるようになります。現実の応用例を見てみましょう。自動車業界では、ドライバーが視界の悪い状態で歩行者や障害物を検知するためのナイトビジョンシステムなどに、この技術が大きく依存しています。一方で医療分野でも正確な波長制御が必要です。手術中や診断スキャンで使われる高機能な熱画像カメラを考えてみてください。このような用途で波長が正しくなければ、突然画像が体内の腫瘍やその他の問題を検出するのに役立たなくなってしまいます。だからこそ多くの製造業者が、製品を市場に投入する前にこれらのパラメータを細かく調整する時間をかけるのです。

高精度検出用の赤外線センサータイプ

接近センサーとフォトエレクトリックセンサー

近接センサーとフォトセンサーは、さまざまな業界で正確な検出を行う際に大きな役割を果たしています。近接センサーは、電磁界を利用して実際に触れることなく対象物を検出します。接触によって精密部品が損傷したり、可動機械に干渉する可能性がある自動化作業において特に効果を発揮します。これらのセンサーは金属だけでなく非金属の対象物も遠隔で検出できるため、生産ラインがスムーズに稼働し、頻繁な手動点検の必要がなくなります。一方、フォトセンサーは異なった動作方式を取ります。光線を照射し、何かが通過して光線が遮られると、信号を送り返します。この特性により、非常に小さな部品や透明な素材など、通常検出が難しい対象物の検出に優れています。この2つのセンサーの選択は、対象物の検出距離、材質、システムの応答速度など、いくつかの要因によって決まります。これらのパラメータを正しく設定することが、特定の産業用途においてセンサーが十分に機能するかどうかを決定します。

レーザー拡散型と透過型の比較

赤外線センサーに関しては、物体検出作業において検討するべき主な設置方法が2種類あります。それは、拡散反射型と透過型の構成です。拡散反射型センサーの場合、検出対象にレーザー光を当てて反射してくる光を検出する仕組みです。この方式は非常に小さな物体や見過ごされがちな微細な表面テクスチャの検出に特に適しています。また、別個の部品を正確に合わせる必要がないため、設置が比較的容易であるという利点もあります。一方で、透過型センサーは、光の発光部と受光部を検出経路に正確に配置する必要があります。この設置方法は初期設定に手間がかかるものの、より高い精度を実現し、安定した長距離検出が可能です。このような方式は、連続的なモニタリングが特に重要となる状況、例えば工場のコンベアーベルトや広範囲をカバーするセキュリティシステムなどに最適です。どちらを選ぶかは、実際の運用条件によって大きく異なります。設置スペースが限られている場合や、干渉のリスクがある場合など、実用上の懸念事項が、現場ごとに最適な選択肢を決める要因となることが多いです。

熱画像とフォトボルタイク検出の比較

サーマルイメージングと光電変換検出は基本的に赤外線エネルギーを検出するための二つの異なる方法であり、それぞれ特定の用途に適しています。サーマルイメージングは、物体から発せられる熱信号を捉えて、温度差を視覚的に表示する画像に変換します。このため、工場や建物点検など、熱の変化が多い場所での監視用途に非常に役立ちます。一方、光電変換検出は、赤外光を感知すると実際に電気を発生させる特殊な半導体材料を使用します。この技術は、可視光がほとんどない状況や通常の日光条件下で動作する場合に優れた性能を発揮します。これらの技術は実際の用途において非常に異なる役割を果たします。サーマルイメージングはセキュリティシステムや設備のメンテナンス作業でよく使われるのに対し、光電変換センサーは照明条件に関係なく信頼性のある動作が必要な装置に一般的に使われます。どちらを選ぶかは、エンジニアがどの作業を行う必要があるか、そして環境が性能要件にどのように影響するかによって決まります。

FSCW センサソリューション 産業用

DC M3 Ultra-Mini レーザーセンサー (拡散反射式)

拡散モードで動作させることにより、DC M3 Ultra Mini Laser Sensor は近距離での物体検出においてより高い精度を発揮します。この機能は、ミリ単位でスペースが重要となる狭所への設置において特に役立ちます。わずかM3サイズで長さ20mmのこの小型デバイスは、標準的なセンサーでは到底届かないような場所にも設置可能です。他社製品との違いを際立たせているのは、高性能を維持しながら信号干渉を抑える光学システムです。状況が常に変化する環境でも、誤動作や検出漏れを心配することなく、正確な測定値を安定して得ることができます。

DC M3 超ミニレーザーセンサー 拡散モード

この超小型センサーは、1.0mmのスポットサイズで30mmおよび40mmの調整可能な検出距離を提供します。LEDとステンレス鋼製ハウジングを備え、10-30VDCで動作し、スイッチング周波数は100Hz、応答時間は5msです。IP65の保護性能により、さまざまな用途に対応可能です。

DC M3 Through-Beam レーザー センサー

DC M3 スルービームレーザーセンサーは、最大20メートルに及ぶ長い距離にわたって物体を高い精度で検出できます。この性能により、製品のカウントや工場の制限区域のセキュリティ確保などに最適です。送信機と受信機の位置を正確に合わせる必要があるため設置には注意深い調整が求められますが、一度正しく調整すればセンサーが誤報を出すことはほとんどありません。そのため、多くの工場で重要な検出作業に信頼して使用されています。当社では、このセンサーが製品がコンベアベルト上に正しく配置されているかを包装前に確認する用途で、製造工場において良好な動作実績を示しています。メンテナンス自体は複雑ではありませんが、技術担当者は定期的に点検を行い、長期間にわたって正確に校正された状態を維持できるようにしています。

DC M3 超ミニレーザーセンサー 束モード

このセンサは、1.0mmのスポットサイズで20メートルの検出距離を実現し、ステンレス鋼製ハウジングに赤色660nm光源を搭載しています。10-30VDCで動作し、主要な保護機能を備え、一貫した100Hzのスイッチング周波数を持っています。

カスタマイズ可能な出力設定

FSCWセンサーには調整可能な出力設定が備わっており、さまざまな産業用途に対して非常に柔軟性があります。使用者はセンサーの感度や応答速度などの項目を調整できるため、それぞれの設備条件に応じて正確に調整することが可能です。このような適応性により、これらのセンサーはさまざまな製造現場での有用性が高まっています。工場内の複雑な自動化プロセスからコンベアーベルト上の物体検出といった基本的な作業まで、これらのセンサーはほとんどのシステムにスムーズに組み込むことができ、設置時の手間も最小限に抑えられます。

実装のベストプラクティス

感測距離の調整の最適化

センシング距離を適切に設定することは、条件が絶えず変化する工場での正確な検出において非常に重要です。これらの距離を適切に調整することで、機械は物の検出を確実に行えるようになり、生産ラインでの誤りが減少します。多くの工場では、定期的な点検と調整により、何ヶ月にもわたってセンサーを最適な状態で作動させています。温度変化や設備のアップグレードによって、高度なシステムであっても定期的にキャリブレーションを行わなければ不具合が生じることがあります。そのため、多くの製造チームでは、小さな問題が後で大きな問題にならないよう、毎週のメンテナンス作業を計画しています。

環境干渉の軽減

粉塵、霧気、温度変化などは、センサーの作動状況や測定値の精度にすべて悪影響を及ぼします。製造メーカーはセンサーに保護カバーを取り付けることや、過酷な環境に耐える素材の選定を検討する必要があります。円滑な運転を維持するためには、定期的な点検も不可欠です。多くの施設では数か月ごとに定期メンテナンスを実施し、必要に応じて簡易的な環境点検も行います。このような対策により、センサーが時間の経過とともに予期せぬ天候や汚れの影響で性能が徐々に低下するのを防ぎ、長期にわたり適切に機能させることができます。

制御システムとの統合

センサーを適切に既存の制御システムに接続すると、施設のオートメーション機能を本当に高めることができます。ModbusやEthernet/IPなどのプロトコルは、センサーと制御システム間の確実な通信を保証するのに役立ちます。これにより、データが両者間でスムーズに移動し、すべての連携がより効果的になります。ただし、これらのシステムを統合する方法をスタッフにトレーニングすることも同様に重要です。企業がこれらの技術を最大限に活用するためには、従業員がこれらの技術を正しく理解することが必要です。適切なトレーニングにより、効率性が向上し、運用がピークパフォーマンスレベルで維持されます。

赤外線検出技術における将来のトレンド

センサ設計における小型化

小型化は、赤外線センサーの製造方法および様々な分野での使用方法を変える主要な力となっています。センサー製造業者は、デバイスを小型化しつつもその性能を維持するため、常に技術の限界に挑戦し続けています。これは医療機器や自動車部品など、スペースが限られている特定の分野において特に重要です。小型のセンサーは既存の機械に適応しやすく、統合の新たな可能性を開くものといえます。今後、製造方法の改良により、さらに小型のセンサーパッケージにスマートな機能を内蔵した製品が登場すると考えられます。このような技術革新により、赤外線センサー技術の日常的な応用範囲が広がっていくことでしょう。

スマートファクトリの統合能力

産業革命4.0が進展するにつれて、スマート工場は製造業界でますます一般的になっています。このような変化は、センサー同士が連携し、シームレスに作業する必要性を浮き彫りにしています。赤外線センサーは、リアルタイムのデータストリームを収集し、製造ラインに対する視認性を高める重要な存在として注目されています。これらのシステムを正しく動作させるには、部品メーカーと工場管理者の間で連携し、投資対効果を最大限に引き出す必要があります。センサーはもはやオプションではなく、ワークフローの自動化や工場内のさまざまな要素をつなぐ重要なツールとなっています。センサーがなければ、完全に統合されたスマート製造環境を構築することはほぼ不可能です。

多スペクトル検出の進歩

マルチスペクトル検出技術は、最近、赤外線センサーの分野で注目を集めています。これらの新システムは複数の波長を同時に観測できるため、設置された環境についてはるかに詳細な情報を収集することが可能です。農業分野では、この技術を用いて広範囲にわたる作物の生育状況をモニタリングし始め、環境科学者たちは生態系の変化を時間経過とともに追跡するために使用しています。この技術の価値は、数値だけでなく文脈も提供する点にあります。企業もまた、こうした機能を予期しない方法で試験的に活用し始めています。一部のメーカーによると、最新モデルでは、従来のセンサーでは検出できなかった微細な温度差を捉えることが可能だといいます。コストが低下するにつれて、この技術が現在の予想を超えるさまざまな場面で活用される可能性があります。