【基礎から学ぶセンサ】 ファイバセンサの用途と原理をわかりやすく解説!

電気電子
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電気電子系は難しいイメージを持たれがちですが、基本から順番に抑えていけばそれほど難しくはありません。
どんな分野にも言えることですが、最初はよくわからないものですから。
本記事では、電気初心者の方でもわかりやすいように、順を追って説明していきます。
じっくり学んでいきましょう!

今回は、「ファイバセンサ」についての説明です。

1.初めに

センサとは情報をデータに変換して出力する装置のことです。
動物は目で見た情報・耳で聞いた情報などを脳で処理しているわけですが、ここで言う目や耳に当たる部分がセンサです。
機械にとっての目や耳みたいなものということですね。
例えば、光の照射有無・温度の変化・応力の変化・速度の変化なんかの情報をデータに変換しています。

最近はなんでもかんでもセンサで取り込むようになっていて、そのおかげで以下のようなことが実現できています。

  • 体温を測ったら自動的にPCに結果を保存する。
  • 農場にて時間経過や湿度状況によりスプリンクラーを起動させる。
  • 家に居なくても子供やペットの様子をカメラで確認できる。
  • リアルタイムの渋滞情報を受け取ってカーナビに表示する。

いつの間にやら当たり前のように実現しているこれらの事柄は、センサを利用しているからこそできるようになっているのです。
このような試みのことはIoTと呼びます。

では、ファイバセンサはどんな役割をしているのかというと、光を利用して物体がそこに存在しているか判断したり、対象物の状態を検出することができます
なので、やっていることは光電センサと何も変わりません。
その為、ファイバセンサは光電センサの一部と言えます。

違いは、名称にもある“ファイバ”を使用しているかどうかという点です

光電センサとファイバセンサの大まかな違いを述べると以下のようになります。

光電センサ

センサヘッド部で光を作り出している。

ファイバセンサ

アンプで光を作り出し、センサヘッド部は光ファイバケーブル内を通ってきた光を受け渡しているだけ。

今回は、そんなファイバセンサについて考えていきます。

2.ファイバセンサの原理と種類

ファイバセンサにはいくつか種類があります。
共通している点は、光源(アンプ)に光ファイバケーブル(ファイバユニット)を連結して、光ファイバケーブルを通して光を伝送しているということです。

“ファイバ”センサという名前だけあって、ファイバが重要なのです。

光ファイバケーブルは、クラッドと呼ばれる部材とコアと呼ばれる部材が使用されています。
普通のケーブルだと、導体を絶縁体で保護した電線にシース(保護外被膜)を施した構造になっています。
光ファイバケーブルの構造は、普通のケーブルの絶縁体がクラッドで導体がコアに置き換わったようなものとなります

光ファイバケーブル内に光を照射すると、内部を全反射(※損失の無い反射のこと)しながら光が進んでいきます。
なので、光ファイバとは光の伝送路を指しているわけです

光ファイバケーブルのコアの種類にはプラスチック製とガラス製のものがあります。
主流はプラスチック製ですが、何れも1つ1つが非常に細い繊維状になっている線を複数束ねることで形成されている点は同じです
そうして光を伝送した先でどのように活用するかで種類が分かれます。

ファイバセンサの場合、大きく分けると反射型透過型の2種類があります。

反射型

反射型は、1つのセンサヘッドに投光部と受光部の両方が存在します

外観上1本のケーブルにしか見えないのですが、ケーブル内部では投光用と受光用の経路に分かれています
この経路の分かれ方には、平行型・同軸型・分割型の3種類があります。

平行型

経路(ファイバ)が平行に2本並んでいるタイプ。
プラスチックタイプのファイバによく適用されている。
標準はこのタイプになっている。

同軸型

同軸ケーブルのように経路が並んでいるタイプ。
中央に投光部が位置し、投光部を囲むように受光部が点在している。
受光部が多方向に点在している為、反射光がブレても受光部のどれかが拾ってくれる。
なので、受光感度が高い。

分割型

半分が投光部、もう半分が受光部という具合に経路が分割されているタイプ。
ガラスタイプのファイバによく適用されている。

図1

反射型のファイバセンサは、光電センサ同様に回帰反射型拡散反射型という使い方があります。

回帰反射型

反射板に光を照射させて反射光を常に受光部にあてた状態にして、検出物体が光を遮った際に検出するタイプ。

図2 (光電センサのイメージ図を流用)

拡散反射型

検出物体に光が照射されて反射された光を受光部が受け取ることで検出するタイプ。

図3 (光電センサのイメージ図を流用)

透過型

透過型は、投光部と受光部が分かれて2つのセンサヘッドが存在します。

投光部から受光部へ常に光を照射する状態を保ち、検出物体に光を遮られることで受光部が受け取る光の量の減少を検出します。

図4 (光電センサのイメージ図を流用)

ちなみに、オムロン製のファイバセンサなんかだとアンプに受光量としきい値(※この値を境に出力信号のON/OFFが切り替わる)が表示されるようになっているので、視覚的に大分わかりやすくなっています。
基本的にしきい値は、受光している時と受光していない時の中間くらいに設定しておくのが良いです。

3.ファイバセンサの特徴まとめ

ファイバセンサの特徴を簡単にまとめると、以下のようになります。

1.非接触検出が可能。
検出物に触れる必要がないので、検出物もファイバセンサも傷つく心配が無いという大きなメリットです。
特に何も干渉されないということは、ファイバセンサ自体の寿命が長くなるわけですからね。

2.設置箇所が比較的自由に選択できる。
センサヘッド部(検出部)が小型である点と光ファイバの屈曲性が良好という点を踏まえると、狭いスペースに取り付けることが可能です。
また、アンプ部とセンサヘッド部が分かれていて間を光ファイバケーブルで繋いだ構成なので、センサヘッド部の設置箇所選定時にアンプの接地箇所を考慮する必要がありません。

3.耐環境性に優れている。
光ファイバケーブルは光の伝送路であって、電流は流れていません。
また、センサヘッド部は光を投光/受光する役割しかないので電気回路を含みません
その為、電気的ノイズ・温度変化・振動などの環境変化に強いです。

4.応答時間が短い。
応答時間に関してはセンサ全般が短いですが、ファイバセンサの場合は光を使用していることに加えてセンサを構成する回路が全て電子部品でできている為、より応答時間が短いです。
その為、高速で通過する物体も検出が可能です。

5.微小な物体も検出可能。
検出面が小さいので、微小な物体でも検出可能です。

6.光電センサと比較して高価。
同じような性能・用途である光電センサと比較すると高価です。

以上、「ファイバセンサ」についての説明でした。