制御機器の基礎知識　(2) 近接スイッチ

センサ 編 近接スイッチ

制御機器の基礎知識 【センサ】 1．近接スイッチ 目次 1.1 近接スイッチとは .............................................................................................................................................. 3 1.1.1 近接スイッチとは ........................................................................................................................................ 3 1.1.2 用語の定義 ................................................................................................................................................... 3 1.1.3 近接スイッチの分類 ..................................................................................................................................... 7 1.1.4 検査と試験 ................................................................................................................................................... 7 1.1.5 上手な使い方 ................................................................................................................................................ 8 1.2 誘導形近接スイッチ ........................................................................................................................................ 11 1.2.1 定義 ............................................................................................................................................................ 11 1.2.2 種類 ............................................................................................................................................................ 11 1.2.3 原理と構造 ................................................................................................................................................. 14 1.2.4 定格と特性 ................................................................................................................................................. 17 1.2.5 選び方 ......................................................................................................................................................... 20 1.3 静電容量形近接スイッチ ................................................................................................................................. 23 1.3.1 定義 ............................................................................................................................................................ 23 1.3.2 種類 ............................................................................................................................................................ 23 1.3.3 原理と構造 ................................................................................................................................................. 23 1.3.4 定格と性能 ................................................................................................................................................. 25 1.3.5 選び方 ......................................................................................................................................................... 29 1.3.6 上手な使い方 .............................................................................................................................................. 31 1.4 超音波形近接スイッチ ..................................................................................................................................... 32 1.4.1 はじめに ..................................................................................................................................................... 32 1.4.2 原理と構造 ................................................................................................................................................. 32 1.4.3 定格と特性 1.4.3.1 超音波の伝播特性 .................................................................................................... 33 1.4.4 選び方 ......................................................................................................................................................... 34 1.4.5 上手な使い方 .............................................................................................................................................. 36 1.5 光電形近接スイッチ ........................................................................................................................................ 39 1.5.1 定義と特徴 ................................................................................................................................................. 39 1.5.2 種類 ............................................................................................................................................................ 39 1.5.3 定格・性能 ................................................................................................................................................. 41 1.5.4 寸法・構造 ................................................................................................................................................. 44 1.5.5 試験と検査 ................................................................................................................................................. 44 1.5.6 入出力回路 ................................................................................................................................................. 45 1.5.7 選び方 ......................................................................................................................................................... 46 1.5.8 上手な使い方 .............................................................................................................................................. 47 1.5.9 透過形光電形近接スイッチ ........................................................................................................................ 52 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.5.10 リフレクタ形光電形近接スイッチ ........................................................................................................... 56 1.5.11 拡散反射形光電形近接スイッチ ............................................................................................................... 59 1.5.12 限定反射形光電形近接スイッチ ............................................................................................................... 63 1.5.13 測距反射形光電形近接スイッチ ............................................................................................................... 67 1.5.14 光ファイバ形光電形近接スイッチ ........................................................................................................... 71 1.5.15 マークセンサ ............................................................................................................................................ 77 1.5.16 その他の光電形近接スイッチ .................................................................................................................. 80 1.6 磁気形近接スイッチ ........................................................................................................................................ 83 1.6.1 定義 ............................................................................................................................................................ 83 1.6.2 種類 ............................................................................................................................................................ 83 1.6.3 原理と構造 ................................................................................................................................................. 84 1.6.4 定格と性能 ................................................................................................................................................. 88 1.6.5 選び方 ......................................................................................................................................................... 91 1.6.6 上手な使い方 .............................................................................................................................................. 93 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1 近接スイッチ 1.1 近接スイッチとは 1.1.1 近接スイッチとは センサの中で物体の接近及び、近傍の物体の有無を非接触で検出するものを総称して近接スイッチと呼んでい る。JIS 規格（JIS C 8201-5-2）では、金属の存在を検出する誘導形近接スイッチ、金属及び非金属物体の存在を検 出する静電容量形近接スイッチ、音響反射物体を検出する超音波形近接スイッチ、物体の存在を検出する光電形 近接スイッチ、並びに磁界によって物体の存在を検出する非機械式磁気形近接スイッチを近接スイッチと定義し ている。窓、扉、蓋などの開閉状態の確認から、高度な自動組立てラインでの位置検出、タイミング検出、欠品、 計数管理など、応用範囲は広い。マイクロスイッチやリミットスイッチのように可動部を持ち検出対象に接触し 機械的なエネルギーにて接点を開閉するものに対し、非接触で物体の有無を検出するので高速応答、長寿命、高 い信頼性が期待できる。なお、JIS 規格（JIS C 8201-5-2）は国際規格（IEC 60947-5-2）に準拠して規格化されてい る。 また、検出対象までの距離などをアナログ値にて出力する光電形近接スイッチや接点出力を有する非機械式磁 気形近接スイッチのリードスイッチなどは JIS 規格の近接スイッチには適用されないが、各項ではこれらの出力を 有するものも含めて説明する。 1.1.2 用語の定義 JIS規格で定義されている用語の定義を基本定義、要素・動作ごとの定義、閉閉素子特性、端子及びリード線色 に分け、JIS C 8201-5-2 を引用して示す。 1.1.2.1 基本定義 表 1.1.1 に近接スイッチの基本用語の定義を示す。 表 1.1.1 近接スイッチの基本用語の定義 用 語 定 義 近接スイッチ 可動部による機械的接触なしに動作する位置検出用スイッチ 誘導形近接スイッチ 半導体開閉素子を備え、検出領域内に磁界を発生させる近接スイッチ 静電容量形近接スイッチ 半導体開閉素子を備え、検出領域内に電界を発生させる近接スイッチ 超音波形近接スイッチ 半導体開閉素子を備え、検出領域内で超音波を送・受波する近接スイッチ 光電形近接スイッチ 半導体開閉素子を備え、可視、不可視光線の反射または遮光のいずれかに より物体を検出する近接スイッチ 反射形（type D） 定義された物体が，基準軸を横切るか又は軸上に近づくことによって直接 動作する拡散反射形光電形近接スイッチ リフレクタ形（type R） 定義された物体が，投受光器とリフレクタとの間を横切ることによって間 接動作するリフレクタ形光電形近接スイッチ 透過形（type T） 定義された物体が，投光器と受光器との間を横切ることによって間接動作 する透過形光電形近接スイッチ 非機械式磁気形近接スイ 磁界の存在を検出し，半導体開閉素子をもっているが，検出素子中に可動 ッチ 部をもたない近接スイッチ 直接動作近接スイッチ 外部の手段（例えばリフレクタ）を用いず検出体を検出する近接スイッチ 間接動作近接スイッチ 外部の手段（例えばリフレクタ）を用いて検出体を検出する近接スイッチ NDフィルタ 広いスペクトル範囲にわたり，一様に光の強度を減衰するフィルタ ※：各定義の詳細は、JIS C 8201-5-2 を参照 3 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.1.2.2 近接スイッチの要素 表 1.1.2 に近接スイッチの要素の定義を示す。 表 1.1.2 近接スイッチの要素の定義 用 語 定 義 半導体開閉素子 半導体の導電率を制御することにより、電気回路の電流を切り換える ように設計された素子 基準軸 誘導形、静電容量形、非機械式磁気形及び超音波形近接スイッチの基準 軸－検出面に垂直で、その中心を通る軸 リフレクタ形(type R)及び反射形(type 投光素子及び受光素子又はレンズの光軸の中心にある軸 D)の光電形近接スイッチの基準軸 透過形(type T)の光電形近接スイッチの 投光器の中心に垂直な軸 基準軸 標準検出体 動作距離及び検出距離の比較測定のために使う定められた物体 フリーゾーン 近接スイッチの特性に影響を与える物体が全くない近接スイッチの 周囲の領域 感応物質 近接スイッチの特性に影響を与える物質 不感応物質 近接スイッチの特性に影響を与えない物質 音響反射物質 超音波を反射し、検出可能な反響をする物質 吸音材 超音波に対し微弱な反射特性をもち、検出に影響する反響をしない物質 埋め込み形近接スイッチ 検出面の平面周囲に感応物質を置いても特性に影響を受けない近接 スイッチ 誘導形近接スイッチの検出面 磁界が発生する近接スイッチの表面 静電容量形近接スイッチの検出面 電界が発生する近接スイッチの表面 超音波形近接スイッチの検出面 超音波を送・受波する近接スイッチの表面 非機械式磁気形近接スイッチの検出面 磁界の変化を検出する近接スイッチの表面 投光器 光ビームを供給する光源、レンズ及び必要な回路 受光器 投光器から与えられた光ビームを感知するための検出素子、レンズ及 び必要な回路 リフレクタ リフレクタ形(type R)の光電形近接スイッチにおいて、光を受光器に戻 すために使われる部品 静電容量形近接スイッチの調整器 動作距離を調製するための静電容量形近接スイッチの一部。これを調 整することによって、検出体の材質又は媒体の材質及び設置条件による 影響を補正できる 超音波形近接スイッチ又は光電形近接 動作距離を検出範囲に調整するための超音波形近接スイッチ又は光電 スイッチの調整器 形近接スイッチの一部 ※：各定義の詳細は、JIS C 8201-5-2 を参照 4 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.1.2.3 近接スイッチの動作 表 1.1.3 に近接スイッチの動作の定義を示す。 表 1.1.3 近接スイッチの動作の定義 用 語 定 義 動作距離(s) 基準軸に沿って検出体が検出面に接近したとき、出力が反転する距離 定格動作距離(sn) 動作距離を定めるための親定値。この数値には電圧及び温度電圧、温度などの外 部条件及び製造許容差の変化を考慮していない 検出範囲(sd) 動作距離を調整できる範囲(不感帯を除く) 最小動作距離 超音波又は光電形近接スイッチ特有の検出範囲の下限値 最大動作距離 超音波又は光電形近接スイッチ特有の検出範囲の上限値 不感帯 検出面と最小動作距離の間で、検出体を検出できない部分 全ビーム角度 超音波形近接スイッチにおける基準軸の周りの立体角で、音圧レペルが 3dB 低下 する角度 実効動作距離(sr) 個々の近接スイッチで一定の温度、電圧及び取付条件の下で測定した動作距離 有効動作距離(su) 個々の近接スイッチで特定の条件で測定した動作距離 保証動作距離(sa) 検出面からの距離であって、この距離以内の特定条件で正しい動作を保証する検 出面からの距離 動作範囲（ro） 検出体の横方向接近で，透過形又はリフレクタ形光電形近接スイッチの出力信号 が変化する範囲 横方向近接 基準軸に垂直な状態で検出体が接近する検出方法 縦方向近接 基準軸の中心を維持した状態で検出体が接近する検出方法 繰り返し精度(R) 指定した状態での実効動作距離(Sr)の変動値 応差(H) 検出体が近接スイッチに接近するときの動作点と、検出体が離れて行くときの復 帰点との聞の距離 ※：各定義の詳細は、JIS C 8201-5-2 を参照 1.1.2.4 閉閉素子特性 表 1.1.4 に近接スイッチの閉閉素子特性に関する用語の定義を示す。 表 1.1.4 近接スイッチの閉閉素子特性に関する用語の定義 用 語 定 義 メーク機能 検出体が検出されたときに負荷電流を流し、検出体が検出されないと きには負荷電流を流さない機能 ブレーク機能 検出体が検出されたときに負荷電流を流さず、検出体が検出されない ときには負荷電流を流す機能 メーク－プレーク (切換え)機能 一つのメーク機能と一つのブレーク機能を持つ開閉素子の組合せ 近接スイッチの応答時間 検出体が検出領域に入り、又は出た後、開閉素子が応答するために必 要な時間 光電形近接スイッチのターンオン 検出体が余裕利得 2 の検出範囲に入った後、開閉素子が応答するため 時間 に必要な持期 光電形近接スイッチのターンオフ 検出体が余裕利得 0.5 の検出範囲から出た後、開閉素子が応答するた 時間 めに必要な時間 スナップアクション 検出体の速度に影響されないで確実に開閉を行う機能 動作サイクル周波数(f) 特定期間に近接スイッチが行った動作サイクル数 使用可能になるまでの遅れ時間(tv) 電源電圧のスイッチオンの後、近接スイッチが正しく動作する準備が 整うまでの時間遅れ オフ状態電流(Ir) オフ状態のとき、近接スイッチの負荷回路を流れる電流 最小使用電流(Im) 開閉素子のオン状態の導通を維持するのに必要な電流 無負荷電流(I0) 負荷が接続されていないときに、3 線式又は 4 線式の近接スイッチに 電源から供給される電流 光電形近接スイッチの余裕利得 光電形近接スイッチが“受けた光”の、光電形近接スイッチの“動作 に必要な光”に対する比率 光電形近接スイッチの周囲光 周囲光とは、投光器から発する光以外に、受光器が受ける光 ※：各定義の詳細は、JIS C 8201-5-2 を参照 5 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.1.2.5 端子及びリード線色 表 1.1.5 に近接スイッチの端子及びリード線色の定義を示す。なお、緑/黄のストライプは保護導線を識別するた めだけに使用される。緑色は保護接地導体を識別する目的以外に使用してはならない。 表 1.1.5 近接スイッチの端子及びリード線色の定義 形式 機能 リード線 リード線色 端子番号(3) 3 交流 2 線式 NO(メーク) 4 及び 緑、黄及び緑/黄のスト 1 NC(ブレーク) 直流 2 線式 ライプ以外の色 a) 2 無極性 NO/NC 1 (プログラマブル) 4 ＋ 茶色 1 NO(メーク) 有極性直流 － 青 4 2 線式 ＋ 茶色 1 NC(ブレーク) － 青 2 ＋ 茶色 1 NO(メーク) － 青 3 有極性直流 出力 黒 4 3 線式 ＋ 茶色 1 NC(ブレーク) － 青 3 出力 黒 2 L 茶色 1 交流 3 線式 NO(メーク) 青 3 及び 出力 黒 4 有極性交流 / L 茶色 1 直流 3 線式 NC(ブレーク) 青 3 出力 黒 2 ＋ 茶色 1 有極性直流 切換え － 青 3 4 線式 (メーク/ブレーク) NO 出力 黒 4 NC 出力 白 2 ＋ 茶色 1 － 青 3 NO 出力 黒 4 有極性直流 2 NC 出力 白 近接スイッ NO（メーク）、 5 規定せず 灰色 チで、M12 8 NC（ブレーク） 6 規定せず 桃色 端子コネク その他の機能 7 g) 規定せず 紫 タ 8 接地用 だいだい（橙）色 e) 8 遮へい（シー 遮へい（シールド）f) ルド） 注 a) 両リード線とも同色が望ましい。 b) 端子番号（交流用近接スイッチ及び 3 線式で 8 mm コネクタを用いている近接スイッチは 除く。）はコネクタピン番号と同一にしなければならない。 (交流用近接スイッチ c) 特殊機能をもつ，直流 4 線式又は 8 線式の近接スイッチにおいて，2 番端子又は 4 番端子 は，出力以外の機能に用いてもよい。この場合，製造業者は，リード線色，機能を明確に 表示しなければならない。 d) 直流 4 線式近接スイッチにおいて，2 番端子又は 4 番端子は表中で示すもの以外の出力の 組合せで使用してもよい。この場合，製造業者は，各端子の機能を明確に表示しなければ ならない。 e) 遮へい（シールド）接続のないコネクタの場合 f) 遮へい（シールド）接続のあるコネクタの場合 g) 推奨するリード線色。製造業者は，使用するための情報として，実際のリード線色を明確 に表示しなければならない。 6 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.1.3 近接スイッチの分類 近接スイッチの検出方法による分類は、JIS C 8201-5-2 を引用し、表 1.1.6 に示す。 検出方法による分類は、第 1 位の 1 英大文字で示す。 取付けによる分類は、第 2 位の 2 けた数字で示す。 形状及び大きさによる分類は、1 英大文字及び 2 けた数字の 3 文字で示す。この 3 文字は、第 3 位に置く。(英 大文字は、形状例えば円柱形又は角形を示す。2 けたの数字は、大きさを示し、例えば円柱形の場合には直径また は角形の一辺の長さを示す。） 開閉素子機能による分類は、1 英大文字で表し、第 4 位に置く。 出力形式による分類は、1 英大文字で表し、第 5 位に置く。 接続方法による分類は、1 けた数字で示し、第 6 位に置く。 超音波形近接スイッチの例を以下に示す。 Ｕ ３ Ａ３０ Ａ Ｄ ２ Ｕ＝超音波形 ３＝制限なし Ａ３０＝円柱ねじ形状φ30mm Ａ＝NO（メーク） Ｄ＝直流 2 線式 ２＝差込式 表 1.1.6 近接スイッチの検出方法による分類 第 1 位／1 文字 第 2 位／1 文字 第 3 位／3 文字 第 4 位／1 文字 第 5 位／1 文字 第 6位／1文字 検出方式 取付け 形状及び大きさ 開閉素子機能(出力) 出力形式 接続方法 I＝誘導形 1＝埋込み型 形状(1 英大文字) A＝NO(メーク) P＝PNP 出力 1＝リード線引 C＝静電容量形 2＝非埋込み型 A＝円柱ねじ形状 B＝NC(ブレーク) 直流 3 線式 出式 U＝超音波形 3＝制限なし B＝円柱円筒形状 C＝切換(メーク-ブ 又は 4 線式 2＝差込式 D＝反射形光電形 C＝断面が正方形 レーク) N＝NPN 出力 3＝ねじ端子式 M＝非機械式磁気形 の角形 P＝使用者による 直流 3 線式 9＝その他 R＝リフレクタ形 D＝断面が長方形 プログラム可能 又は 4 線式 光電形 の角形 S＝その他 D＝直流 2 線式 T＝透過形光電形 直径又は辺の長さを F＝交流 2 線式 示す寸法 U＝交流又は (2 けた数字) 直流 2 線式 直径又は１辺の長さ S＝その他 (引用 JIS C 8201-5-2:1999) 1.1.4 検査と試験 近接スイッチの性能、品質に関する試験方法、判定基準は、JIS C 8201-5-2 に規定されている。 1.1.4.1 形式試験 形式試験は、JIS 規格に適合していることを検証する試験であり、検証項目は以下のとおりである。 (1) 温度上昇 (2) 耐電圧性能 (3) 異常条件及び標準条件での開閉素子の開閉容量 (4) 条件付短絡電流の下での性能 (5) 構造に関する要求事項 (6) 保護等級 (7) 動作距離 (8) 動作サイクル周波数 (9) EMC 7 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

(10) 耐衝撃性 (11) 耐振動性 この項では各近接スイッチで共通した試験であるノイズ性試験について示す。その他の試験は個別の項を参照 されたい。 近接スイッチのノイズ性試験は、JIS 規格で電磁両立性（EMC）として電磁耐性（EMS）、電磁障害（EMI）と もに規格化されており、項目は以下のとおりである。 (a) 電磁耐性（EMS）としては以下の 7 項目が規格化されている。 ①放射無線周波数電磁界（JIS C 61000-4-3 による） 試験電界：3 V/m 周波数帯域：80 MHz～1 GHz 及び 1.4 GHz～2 GHz ②静電気放電（ESD）（JIS C 61000-4-2 による） 金属エンクロージャ（筐体＝ケース）をもつ近接スイッチの場合、接触放電法によって試験電圧を加える。 最小試験電圧：4 kV。 金属エンクロージャをもたない近接スイッチの場合、気中放電法によって試験電圧を加える。 試験電圧：8 kV。 ③電気的ファストトランジェント／バースト（JIS C 61000-4-4 による） 試験電圧：2 kV/5 KHz（容量性結合クランプ使用）。 ④無線周波電磁界が誘導する伝導妨害（JIS C 61000-4-6 による） 試験電圧：3 V 周波数帯域：150 kHz～80 MHz ⑤電源周波数磁界（JIS C 61000-4-8 による） 試験磁界：30 A/m ＊電源周波数磁界に影響されやすいデバイスを内蔵する近接スイッチだけに適用 ⑥電圧ディップ（JIS C 61000-4-11 による） 詳細は規格書参照 ⑦短時間停電（JIS C 61000-4-11 による） 詳細は規格書参照 (b) 電磁障害（EMI）としては試験の内容、試験方法及び構成は CISPR11 で定められている。 これらの限界値は、工業環境（環境 A）で使用される近接スイッチに適用する。家庭環境（環境 B）で使われる ときは、使用上の指示に次の警告を含まなければならない。 警告 この製品は、クラスＡです。家庭用環境においてこの製品は電波障害を起こすことがあります。 この場合は、使用者が十分な対策を講じてください。 1.1.5 上手な使い方 近接スイッチの性能を十分に発揮させるためには、その特性を考慮した使い方が必要である。ここでは各近接 スイッチに共通する項目について述べる。 一番重要なことは、近接スイッチの仕様の範囲内で使用することである。 1.1.5.1 電源 (1) 電源リセット時間について 近接スイッチは電源投入後 300 ms 程度の検出不可状態がある。負荷と近接スイッチを別電源にする場合は、必 ず近接スイッチの電源を電源リセット時間以上先に投入すること。 (2) 電源オフ時について 電源オフ時に近接スイッチの出力パルスが発生する場合があるので、負荷あるいは負荷ラインを先行してオフ 8 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

状態とすること。 (3) 電源の種類 無平滑の全波整流、半波整流電源は、リプルが多いため使用できないので、必ず平滑された電源を使用するこ と。 (4) 電源電圧について 使用電圧範囲を超えて使用しないこと。使用電圧範囲を超える電圧を印加したり、直流電源タイプの近接スイ ッチに交流電源（AC100 V）を印加すると、破裂したり焼損したりする恐れがある。 1.1.5.2 他の機器との接続、配線 近接スイッチの出力は多くの種類があり、直接あるいはリレーを介して他の機器の入力に使用されている。正 しく信号を伝えるためには、電源の種類、電流・電圧仕様が入出力間で整合している必要がある。 ここでは、代表的な留意点について述べる。 (1) 接続する他の機器の電気的条件と近接スイッチの電気的性能が整合していること。 (2) リード線延長時の長さは、一般的に 2 0.3 mm 以上の電線で 100 m 以内とするのが望ましい。ただし、アンプ分 離形のセンサ－アンプ間においては、リード線の延長ができないものもある。 (3) 繰返し屈曲使用時は、耐屈曲性仕様の近接スイッチを使用する。 (4) 外部電界の影響 トランシーバ、携帯電話、ＰＨＳなどの無線機器を近接スイッチ及びその配線付近に近づけた場合、誤動作す る恐れがあるので、近づけないこと。 (5) 高圧線との区別（配線方法）について 高圧線、動力線と近接スイッチの配線が同一配管、あるいはダクトで行われると誘導を受け、誤動作あるいは 破損の原因となる場合があるので、別配線または単独配線を原則とすること。 (6) 誤配線について 誤配線は、破裂したり焼損したりする恐れがあるので、電源投入前に電源の極性など、誤配線がないか十分確 認すること。 (7) 負荷なし接続及び負荷短絡について 負荷なしで出力に電源を直接接続すると、内部素子が破裂したり焼損したりする恐れがあるので、必ず負荷を 入れて配線すること。同様に負荷を短絡させないこと。 (8) リード線の引っ張り強度について 直径 8 mm 以上のリード線に対しては 160 N 以下、直径 8 mm 未満のリード線に対しては、リード線外径（単位 mm）の 20 倍の値（単位 N）以下で使用すること。 (9) 未配線のリード線の処理について 使用しないリード線は、切断し、絶縁テープを巻くなどして、他の端子と接触しないように処理すること。 1.1.5.3 取付け 近接スイッチの固定用ナットやネジは、規定値を超える締付けトルクで取り付けないこと。 1.1.5.4 環境条件 近接スイッチはさまざまな環境で使用することができるが、厳しい使い方、特殊な雰囲気中で使用する場合、 あらかじめ十分な検討が必要である。 ここでは、代表的な留意点について述べる。 (1) 近接スイッチの仕様範囲内での使用。 (2) 急激な温度変化、温度変化のサイクルがある場合の使用。 (3) 屋外での使用は紫外線、周囲温度、周囲照度などを考慮のうえカバーする。 (4) 振動・衝撃、水や油、化学薬品のかかる環境での使用。 (5) 誘導形近接スイッチの場合は周囲金属の影響、超音波形近接スイッチの場合は空気ゆらぎや風の影響、光電形 近接スイッチの場合は周囲光の影響などを考慮。 9 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.1.5.5 検出体の寸法と材質 近接スイッチは非接触検出器であるから、検出体から離れて取付けられる。このため、設定距離を不適当な値 にとると、検出動作を行わなかったり、時々、検出しないという現象を生じたりする。誘導形近接スイッチ、静 電容量形近接スイッチ及び反射形の超音波形近接スイッチ、光電形近接スイッチの場合は検出体の寸法が標準検 出体より小形であれば、動作距離がカタログ定格値よりも短くなる。また、材質や表面状態が変われば、動作距 離がカタログ定格値と異なる。従って、次のように実測を行う。 検出体を近接スイッチの基準軸上で動かし、動作距離を測定する。 カタログ定格値以内で、測定した値に余裕をもった（例えば 70 %以内）設定距離になるように近接スイッチを 取り付ける。 なお、各近接スイッチの特性や感度調整の有無によって異なるので、詳細は各近接スイッチの使い方を参照さ れたい。 1.1.5.6 機械的保護 近接スイッチに検出体が衝突し、ケースが欠けたり、折れたりすることがある。このような事故を防ぐため、 近接スイッチの周囲に適当な防護壁を設けるとよい。 リード線に対する保護としては、図 1.1.1 のようにステンレス製スパイラルチューブなどの保護管を接続すると よい。リード線引出し式の場合はできるだけ近接スイッチに近い場所でステンレス製スパイラルチューブなどの 保護管に収容する。 図 1.1.1 保護管によるリード線の保護 10 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.2 誘導形近接スイッチ 1.2.1 定義 1.2.1.1 定義 誘導形近接スイッチとは、半導体開閉素子を備え、検出領域内に磁界を発生させる近接スイッチのことであり、 高周波発振回路に結合したコイルを検出素子とし、検出体が接近あるいは、存在すると電磁誘導作用により、近 接金属体内に誘導電流が流れ検出コイルのインダクタンスや損失の変化によって、発振回路定数が変化し、発振 振幅や発振周波数が変化するのを利用して検出する方式である。 現在実用化されている誘導形近接スイッチの大部分は、近接金属体により発振が停止または発振振幅が低下す るのを利用して検出する方式である。 1.2.1.2 特徴 誘導形近接スイッチの特徴は (1) 一般に、金属のみを検出し、とりわけ磁性金属(鉄、ニッケルなど)に対する検出感度が高い。ただし、非磁性 金属に感度の高い誘導形近接スイッチも開発されている。 (2) 非金属材料(ガラス、プラスッチック、セラミック、紙、木材など)は検出しない。 (3) 動作距離の精度が比較的高く、JIS 規格では実効動作距離は定格動作距離値の±10%以内と定義している。 (4) 動作サイクル周波数が速い。 (5) 検出時に、吸引力、または反発力といった力はほとんど働かない。 (6) 小形のものが製作できる。 (7) 耐環境性に優れたものが製作できる。 などである。 1.2.2 種類 1.2.2.1 構成による分類 (1) アンプ内蔵形 図 1.2.1 に示すように、一つのケース内に誘導形近接スイッチの動作に必要な、すべての回路を収容したもので、 外部より電源すれば出力信号を得ることができる。 図 1.2.1 アンプ内蔵形近接スイッチの構成 この形式の誘導形近接スイッチは ・検出コイルと発振回路が一体となっているのでノイズに強く、出力信号線を長く引っ張ることができる。 ・検出感度が一定範囲内に調整されており、製品個々の実効動作距離のバラツキが少ない。 ・検出のための回路が一体となっているので、温度特性が良好。 などの特徴を持ち、現在使用されている誘導形近接スイッチの大部分が、このアンプ内蔵形である。 (2) アンプ分離形 検出に必要な機能を 2 ケ以上に分離して構成した誘導形近接スイッチである。図 1.2.2 に示すように検出コイル、 または検出コイルと発振回路の一部より構成された「センサ部」と、検出に必要な制御回路をまとめた「アンプ 11 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

部」より成る。 検出コイルと発振回路が離れているため、途中のリード線よりノイズを拾いやすく、またリード線の持つイン ピーダンスのため検出能力が低下する。 これらの影響のため、センサ部よりアンプ部までの距離は一般に数 m 以内に制限されることが多い。 また検出コイルと発振回路が別製品になるため、検出感度の調整は現場合わせとなり、調整が不確実になる可 能性がある。 誘導形近接スイッチが開発されはじめた当初は、このアンプ分離形が多かったが、前記の欠点のため次第にア ンプ内蔵形に置き換わり、現在では超小形や特殊な形状のもの、高精度タイプ、100 ℃以上の高温度域、－40 ℃ 以下など特殊な環境に対応する用途に使用されている。 図 1.2.2 アンプ分離形近接スイッチの構成 1.2.2.2 形状による分類 誘導形近接スイッチの代表的な形状と、その用途を表 1.2.1 に示す。 どの形状の近接スイッチを使用するかは、検出体の大きさ、検出場所、取付方法などをよく検討し最適の形状 を選択すべきである。 形状は、JIS 規格で規格化された形状もある。 12 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

表 1.2.1 形状と用途 名 称 形 状 特 徴 用 途 角形 ビスによる取付 一般用 樹脂ケースが多い 周囲環境のよい場所での使 前面検知形 用 上面検知形 円筒形 外周にねじを切ってある 一般用 ナットまたはねじ込んで 埋込み形は金型などに埋込 (円柱形) 取付 み使用 金属ケースのものは強度 大 貫通形 環状の検出ヘッド内を通 小物体の検出 過させて検出 溝形 溝の内側を通れば検出す 位置検出 るので、取付位置調整が 歯形円板と組合せて、パル U 字形 容易 ス発振器とする。 コの字形 浮子の検出 1.2.2.3 出力形式による分類 出力形式により以下のように分類される。 (1) PNP 出力 (2) NPN 出力 (3) 直流 2 線式 (4) 交流 2 線式 (5) 交流 2 線式または直流２線式（兼用タイプ） (6) その他（アナログ出力など） 1.2.2.4 その他 (1) 誘導形近接スイッチの検出コイル部の構造により次の二つに分けられる。 (a) 埋込み形 検出面の平面周囲に感応物質を置いても特性に影響を受けない構造のものを埋込み形近接スイッチと言う。 近接スイッチのケースが金属で作られているものが大部分であるが、樹脂ケースで作られているものもある。 (b) 非埋込み形 特性を維持するために検出面の周囲にフリーゾーン(感応物質がない空間)が必要なものを非埋込み形近接スイ ッチと言う。 近接スイッチのケースが金属で作られていても検出コイルの周囲は非金属材料で作られている構造が特徴であ る。 非埋込み形は、同寸法の埋込み形より検出距離が長いが、反面周囲金属の影響を受けやすい。 このため検出コイル部分は周囲の金属の影響を受けないようにフリーゾーンをもうけて取付ける必要がある。 (2) 検出時の出力状態により次の二つに分けられる。 (a) メーク機能 検出体が検出されたときに負荷電流を流し、検出体が検出されないときには負荷電流を流さない機能。 (b) ブレーク機能 検出体が検出されたときに負荷電流を流さず、検出体が検出されないときには負荷電流を流す機能。 13 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.2.3 原理と構造 1.2.3.1 動作原理 誘導形近接スイッチの動作原理は、図 1.2.3 に示すように検出コイルより出る高周波磁界中に金属物体（検出体） が接近すると、近接金属中に電磁誘導現象による誘導電流が流れ、金属内に熱損失が発生する。 図 1.2.3 動作原理 この誘導電流による熱損失は、検出コイルを通じて発振回路より引き出されたものであり、この結果、発振回 路は発振状態を維持することができず、発振が減衰するか、または停止する。 近接スイッチ内に、図 1.2.4 に示すように発振状態を検出する回路があり、発振が減衰または停止すると直ちに 出力信号を発生させる。 図 1.2.4 誘導形近接スイッチの電気回路の構成 以上が最も広く使用されている方式の動作原理であるが、この他にも発振周波数や位相の変化を利用したもの、 インダクタンスブリッジを利用したもの、検出体接近により、発振を開始させるものなどがある。 誘導形近接スイッチが検出状態になるためには、検出体中に誘導電流が流れ、誘導損失が発生しなければなら ない。 このため、検出可能な物体は導電性をもつ金属に限定される。また金属の種類により検出距離が異なり、一般 に、鉄などの磁性金属は検出距離が長く、銅、アルミニウムのような非磁性金属に対しては検出距離が短くなる。 ただし、非磁性金属に感度の高い誘導形近接スイッチも開発されている。 14 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.2.3.2 構造 図 1.2.5 は誘導形近接スイッチの構造の一例を示す。 図 1.2.5 近接スイッチの内部構造 次に誘導形近接スイッチに使用されている主要部品について説明する。 (1) 検出コイル 検出体の接近を検出するためのもので、誘導形近接スイッチの重要部品である。 図 1.2.6 は検出コイルの一例を示す。同図ａは検出コイルの構成部品、同図ｂは各部品を組立てた状態を示す。 コアは高周波特性の良い材料(例えばフェライト)で作られ、コイルの性能を高めると共に磁束を前面に集中させ る効果を持つ。 図 1.2.6 検出コイルの構造 キャップは一般に合成樹脂製で検出コイルを外部雰囲気から遮断、保護するが、磁力線は自由に透過できる。 検出面でのキャップの厚みは 1 mm 前後と極めて薄く作られている。 検出コイルは近接スイッチの重要部品であるが、上記のように薄い合成樹脂製のキャップで保護されているだ けなので機械的に弱く、この部分に無理な力を加えると検出コイルが破損する恐れがあるため取扱いには注意を 要する。 (2) 電子部品 トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサなどがプリント基板上に搭載されて発振回路、発振状態検出回 路、出力回路、電源回路などの制御機器を構成している。 また、形状が小形化されるに伴い、モノリシックＩＣや、ハイブリッドＩＣを用いている。 検出状態になると点灯する動作表示灯には発光ダイオードが用いられている。 (3) ケース ・合成樹脂製ケース 一般に安価で比較的小形の製品に多く用いられている。機械的強度と周囲環境に対する耐性が金属ケースに 比べると低いが、それらの問題のない場所での使用には好適である。 ・ 金属製ケース 15 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

主として、機械的強度を必要とする製品に用いられている。 また円柱形で外周部にねじを切ってあるものも金属製が多く、取付穴の内面にタップを立て近接スイッチを ねじ込んで固定する場合などの用途に適している。 ・リード線とリード線取付口 外部接続のための端子台を持つものや、コネクタを使用するものがあるが、一般にはリード線引出式がとら れている。 リード線をリード線取付口の近くで鋭角に曲げるとリード線取付口に無理な力が加わり、近接スイッチ内部 の気密性が損なわれたり、リード線の外皮に亀裂が入るなどの不具合が発生することがあるので注意を要する。 リード線取付口にブッシングなどが用いられているのは、リード線の曲げを制限するためである。 (4) 充填樹脂 通常、近接スイッチは組立終了後、充填樹脂により密封される。 これにより、部品の固定と防振を図ると共に水、油などの浸入を防止する。 充填樹脂には、エポキシ樹脂、またはシリコン樹脂など、溶剤を含まず、触媒により硬化を行う樹脂が用いら れる。 (5) 取付構造 近接スイッチを機器に装着するための取付構造にはボルトによるもの、ナットによるもの、専用の取付具を使 用するものなどがあり、その代表例を図 1.2.7 に示す。 図 1.2.7 取付方法 16 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

1.2.4 定格と特性 誘導形近接スイッチの定格のうち、重要なものについて次に解説する。 1.2.4.1 定格 (1) 標準検出体 検出距離の測定に使用する検出体を特に標準検出体といい、通常、正方形をした規定寸法の厚さ 1 mm の鉄板 （ISO 630 に定める炭素鋼で圧延仕上げされたもの）を使用する。 標準検出体の寸法は誘導形近接スイッチの形状や検出距離により異なるから、カタログなどで確認すること。 一般に標準検出体の寸法は、検出距離に影響を与えない最小寸法を示しており、標準検出体より寸法の大きな 物体を検出する場合は、ほぼ定格の検出距離で検出する。 IEC 規格や JIS 規格では、標準検出体の辺の長さは、有効検出面の内接円直径か、または定格動作距離の 3 倍の どちらか大きい方に等しいものに定義されている。 (2) 定格動作距離（sn） 誘導形近接スイッチ検出面の基準軸に沿って検出体が接近したとき、出力が反転するときの検出体表面から検 出面までの距離を動作距離と言う。 定格動作距離は、動作距離を定めるための規定値のことであり、この数値には電圧・温度などの外部条件及び 製造公差の変化を考慮していない。 誘導形近接スイッチの定格動作距離は一般に 1～50 mm 前後である。 (3) 実効動作距離（sr） 実効動作距離は、個々の近接スイッチで定格電圧、周囲温度 23±5℃及び取付条件の下で測定した動作距離のこ とである。 JIS 規格では、定格動作距離の 90 %と 110 %の間でなければならない。 (4) 有効動作距離（su） 有効動作距離は、周囲温度範囲にて定格電圧の 85 %及び 110 %で測定する。 JIS 規格では、実効動作距離の 90 %と 110 %の間でなければならない。 検出ヘッドの前方で検出体を検出する、いわゆる前面検出形の誘導形近接スイッチでの例を図 1.2.8 に示す。 図 1.2.8 誘導形近接スイッチの動作距離の関係 貫通形や溝形の誘導形近接スイッチでは測定の基準位置が各メーカで異なっているので、カタログなどで確認 17 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

する必要がある。 (5) 保証動作距離（sa） 通常の検出方法は、図 1.2.9 (b)に示すように検出体を検出面に対し水平方向に接近させることになる。 この場合、検出面から検出体までの距離 l が離れ過ぎると検出しなくなる。 図 1.2.9 検出体の近づけ方 このようなことがないように、距離 l の値は定格動作距離より小さい値をとらなければならない。このような使 い方で実際に設定可能な距離を保証動作距離と言う。 JIS 規格では定格動作距離の 0～81 %と定義されている。 保証動作距離内で使用していれば標準検出体を使用する限り周囲温度や電源電圧の変化などがあっても、確実 に検出することができる。 (6) 応差（H） 応差とは、検出体が誘導形近接スイッチの検出面に対し垂直に接近したときの動作点と、検出体が離れて行く ときの復帰点との間の距離である。 応差は、実効動作距離に対する比の絶対値で表す｡ JIS 規格では 20 %以下に定義されている。 応差の存在は、一見無意味なようであるが、応差のほとんどない近接スイッチを使用すると検出体が振動しな がら接近する場合や、検出した瞬間に検出体を停止させた場合、出力信号がオン／オフを繰り返す、いわゆるチ ャタリングを生じ制御に悪影響を与えることがある。 チャタリング防止のために、ある程度の応差が必要である。 (7) 動作サイクル周波数 図 1.2.10 動作サイクル周波数の測定方法 図 1.2.10 に測定方法を示す。定格動作距離（sn）の 1/2 のところに検出体を通過させたとき、オンもしくはオフ 状態の出力信号が 50 μs に相当するときの 1 秒間に開閉可能な回数を言う。 動作距離の短い小形の誘導形近接スイッチは動作サイクル周波数が高く､大形で検出距離の長いものは一般に 低い｡ そのおよその値は次のとおりである。 小形､中形 200～5 kHz 18 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/

大形 10～200 Hz 交流用では 25 Hz 以下 (8) 耐水・耐油性 誘導形近接スイッチは、一般的に内部に樹脂を充填してあるので､水が容易に浸入することのない耐水構造とな っているが、保護構造や耐油性の保証範囲については製造業者に確認をとる必要がある。 1.2.4.2 特性 (1) 検出領域図 図 1.2.11 に示すように、誘導形近接スイッチの検出面に対し標準検出体を水平方向に近付けた場合､検出状態に なる瞬間の a 点の位置を､さまざまな距離において求めプロットしたものである。 検出曲線が検出面に対し最も離れた点の距離 b は動作距離に等しい。 図 1.2.11 検出領域図 (2) 検出体の大きさ 検出体の大きさが標準検出体より大形の場合､その検出距離は定格値とほぼ同じ値となるが、検出体が小形の場 合は検出距離が定格値より短くなるので動作距離が短くなる範囲で使用する場合､設定距離も動作距離に比例し て短くしなければならない。カタログなどで確認を要する。図 1.2.12 は検出体の寸法変化に対する動作距離の変 化の一例を示した特性図である。 図 1.2.12 動作距離の寸法特性 (3) 検出体の材質 標準検出体の材質は ISO 630 に定める炭素鋼とし、圧延仕上げされたものでなければならない。 寸法が同寸であっても材質が異なると検出距離は異なる値を示す｡ また、検出時に発生する誘導電流は表皮効果により、主として検出体の表面を流れるから検出体表面の導電性 により動作距離に差が出る｡ したがって検出体の表面にめっきを施すと検出距離が変わるから注意を要する。 (4) 温度に対する動作距離の変化 19 Copyright 2014 NECA All rights reserved. https://www.neca.or.jp/