誘導型近接センサ入門

日本語フォーラム 電子部品技術の深層
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APDahlen Applications Engineer

誘導型近接センサは、産業用制御システムにおいて金属の有無を検出するために一般的に使用されています。その名の通り、このセンサは、デバイスのヘッドにあるインダクタにAC信号を印加します。センサの近くに金属があると、インダクタの磁気特性が変化します。センサ内の回路がその変化を検出し、出力をトリガします。代表的な近接センサを図1に示します。インダクタは前方を向いた黒いヘッド内にあり、発振器と検出回路はセンサ本体内にあります。

この技術概要は、OMRONのE2B-M12LN08-M1-B1およびE2B-M30LN30-M1-B1の特長を紹介するものです。これらのセンサを使って回路を作り、異なる種類の金属に対するセンサの反応を観察することができます。

Figure 1 A pair of Omron EB2 proximity sensors are mounted on a 3D printed base. Note that this demonstration setup violates the minimum distance between sensors as specified in the datasheet. However, no observable problems were observed.
Figure 1 A pair of Omron EB2 proximity sensors are mounted on a 3D printed base. Note that this demonstration setup violates the minimum distance between sensors as specified in the datasheet. However, no observable problems were observed.1009×757 77.7 KB

図1： 3Dプリントされたベースに1対のOMRONのEB2近接センサが取り付けられています。このデモのセットアップは、データシートで指定されているセンサ間の最小距離に違反していることに注意してください。しかし、特に問題は観察されませんでした。

技術的なヒント： OMRONのE2Bのようなセンサは、ストレートおよびライトアングルのM12コネクタ、またはさまざまな長さのフライングリードを用いて、いくつかの異なる接続が可能です。図1のデバイスは4ピンのM12コネクタが付いています。適切なケーブルを購入することを忘れないでください。この例では、データシート推奨のXS2F-M12PVC4S2Mを購入しました。

近接センサの説明

E2B-M12LN08-M1-B1およびE2B-M30LN30-M1-B1、OMRONのE2Bファミリの製品です。データシートには、この部品は次のように説明されています。

  • EB2：OMRONのファミリ名称
  • M：円筒形、メートルネジ、黄銅製
  • 12または30：ボディのサイズをmm単位で表示
  • L：ロングボディ
  • N：シールドなし
  • 08または30：検出距離をmmで表示
  • M1：M12コネクタ付
  • B：PNP
  • 1：NO（ノーマリオープン）

このOMRONのファミリには、それぞれユニークな物理的構成を持つ多くのデバイスがあります。本稿執筆時点で、DigiKeyは372のE2Bファミリ製品を提供しています。実際、DigiKeyの近接センサ - 産業用カテゴリには14,500を超える品目があり、近接センサは人気のデバイスです。

電気的接続

図2は、本実験で使用したシステム全体を表し、Phase Dockの0710ベースに部品を取り付けたものです。その配線図を図3に示します。

図2の左側には、OMRONの近接センサが2つあります。右側には、DINレール、端子台、およびセンサの負荷となるPhoenix Contactのリレーが見えます。

Figure 2: The EB2 OMRON proximity sensors are mounted on a Phase Dock 0710 base along with a pair of Phoenix Contact RIFLINE relays.
Figure 2: The EB2 OMRON proximity sensors are mounted on a Phase Dock 0710 base along with a pair of Phoenix Contact RIFLINE relays.975×516 63.7 KB

図2： OMRONのEB2近接センサは、Phoenix ContactのリレーRIFLINEのペアとともにPhase Dockの0710ベースに取り付けられています。

Figure 3: Line drawing showing the proximity sensor connections. A relay coil is used in place of the load.
Figure 3: Line drawing showing the proximity sensor connections. A relay coil is used in place of the load.975×1014 123 KB

図3： 近接センサの接続を示す配線図。負荷の代わりにリレーコイルが使用されています。

技術的なヒント： 図3に示すOMRONのセンサは、PNP出力トランジスタを備えています。ソースタイプ（sourcing）という用語はPNPの同義語です。PNPトランジスタが負荷に電流を供給していることがわかります（電子の流れではなく、通常の電流を考えてください）。このPNP（sourcing、ソースタイプ）とNPN（sinking、シンクタイプ）の用語は混乱の元になることがあります。詳しくはこちらの記事をご覧ください。

電流制限

センサのPNP出力トランジスタは最大電流200mAを供給できます。この容量はリレーコイルの18mAよりかなり大きく、優れた安全マージンがあります。

リレーのフライバック電圧への対策を常に忘れないでください。リレーコイルの磁界に蓄積された誘導エネルギーは、デバイスのオフ時に電圧スパイクを引き起こすことを思い出してください。この例では、Phoenix Contactのリレーは、表示灯、逆極性保護、およびフライバック保護ダイオードの3つの役割を果たすプラグインモジュールを備えています。

OMRONのEB2センサには、図3に示すように、ツェナーダイオードによる保護機能が内蔵されているようです。具体的なデータはありませんが、OMRONのセンサは200mAのリレーコイルに伴うフライバックエネルギーに耐えられるように作られているようです。しかし、この設計を利用することはお勧めしません。その代わり、ダイオード内蔵リレーを使い、OMRONの保護機能はバックアップと考えてください。余談ですが、トラブルシューティングの際には、このことを念頭に置いてください。センサの故障がリレーのフライバックダイオードの故障の症状である可能性は十分にあります。このトラブルシューティングガイドを参照し、故障解析のセクションを検討してください。故障の原因を考えずにセンサを交換すると、将来、午前3時のサービスコールが発生する可能性があることがおわかりいただけるでしょう。

センサの動作

各センサの動作を図4に示します。この組み合わせ写真は、センサがちょうどハンマーヘッドの存在を検出できるポイントを示しています。黄色でハイライト表示したセンサのLEDが点灯していることから、センサが作動していることがわかります。

このイメージから、感知距離はセンサのヘッドの直径にほぼ等しいという法則性を導き出すことができます。例えば、図4の左の画像は直径30mmのセンサを示しています。ハンマーのヘッドまでの距離は約30mmです。

図5として示されたデータシートのグラフは、典型的なセンサの応答を示しています。このグラフによれば、40mmのヘッドを持つハンマーは、約26mmの距離で検出されます。

Figure 4 Composite image showing each sensor responding to the hammer’s head. The yellow highlighted section shows the location of the sensor’s LED which turns on when the sensor is activated.
Figure 4 Composite image showing each sensor responding to the hammer’s head. The yellow highlighted section shows the location of the sensor’s LED which turns on when the sensor is activated.1040×455 136 KB

図4： ハンマーヘッドに対して各センサの反応を示す組み合わせ写真。黄色くハイライトされた部分は、センサが作動したときに点灯するセンサのLEDの位置を示しています。

Figure 5: The E2B datasheet shows the typical sensing distance for each sensor with curves for materials such as iron, brass, and aluminum.
Figure 5: The E2B datasheet shows the typical sensing distance for each sensor with curves for materials such as iron, brass, and aluminum.975×976 175 KB

図5： E2Bのデータシートには、鉄、真鍮、およびアルミニウムなどの材質に対して、各センサの典型的な検出距離が曲線で示されています。

さまざまな素材への反応

図5に示すように、誘導型近接センサは異なる金属に対して等しく反応するわけではありません。センサは鉄に最も反応し、アルミニウムに対する感度は半分以下であることがわかります。この観察結果は図6によって裏付けられます。この例では、幅50mmの長いアルミニウム板を使用しています。閾値が約30mmから約14mmに減少していることがわかります。

Figure 6: The proximity sensor is less sensitive to aluminum. In this image, the sensing distance for a 50 mm aluminum plate is approximately 14 mm.
Figure 6: The proximity sensor is less sensitive to aluminum. In this image, the sensing distance for a 50 mm aluminum plate is approximately 14 mm.975×731 74.6 KB

図6： 近接センサはアルミニウムに対して感度が低くなります。この写真では、50mmのアルミニウム板に対する感知距離は約14mmです。

まとめ

誘導型近接センサは産業用制御システムでよく使われる部品です。この記事で示したように、小型リレーを直接駆動できるため、電気的な接続は比較的簡単です。おそらく最大の難関は、品番を検索して特定の用途に適したデバイスを探し出すことでしょう。

このノートの最後にある問題と批判的思考を使う問題に答えて、ぜひ理解を深めてください。

この記事から何か学んだことがあれば、いいね！を押してください。

ご健闘をお祈りします。

APDahlen

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著者について

Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間（一部、軍での経験を織り交ぜて）教鞭をとったことによってさらに強化されました。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチやエレクトロニクスとオートメーションに関する教育記事の執筆を楽しんでいます。

注目すべき経験

Dahlen氏は軍事工学の経験を生かし、過酷な環境に適した堅牢で信頼性の高いエレクトロニクスソリューションに関する独自の見識を示しています。彼の記事には、米国沿岸警備隊時代に得た実践的で役立つ知識がしばしば反映されています。この記事を書いている時点で、彼は150以上のユニークな記事を作成し、さらに500のフォーラムへの投稿を提供しています。
Dahlen氏の産業制御とオートメーションに関する記事は、こちらでご覧いただけます。

LinkedInでAaron Dahlenとつながります。

問題

以下の問題は、記事の内容の理解を深めるのに役に立つでしょう。

  1. 誘導型近接センサで検出できる材料は何ですか。

  2. 誘導型近接センサの動作原理を説明してください。満点を取るには、様々な金属に対する感度を示す図5の曲線と関連付けて答えてください。

  3. PNPとNPNの出力構成の違いは何ですか。満点を取るには、シンクタイプとソースタイプという用語を含めて答えてください。ヒント： 用語の定義には、従来の電流の流れを使用します。 xkcd：567 Urgent Missionも参照してください。

  4. E2Bの各接続ワイヤの機能と色を確認してください。

  5. 近接センサが距離を測定する能力を説明する経験則は何ですか？

  6. OMRONのデータシートとDigiKeyの検索ツールを使用して検索し、価格を調べてください。
    A) フライングリード付きシールドなしE2B NPNセンサ
    B) シールド付きE2B検出距離が2倍のセンサ、PNP出力付き、M12コネクタ付き
    C) 5mの4線式ライトアングルM12コネクタ付きケーブル、フライングリード付き、B）のセンサに適合

  7. 図5のデータを使用して、E2B-M30LN30が直径20mmの真鍮棒の円形端を検出するための閾値を推定してください。

  8. データシートによると、シールド付きE2BセンサとシールドなしE2Bセンサの性能の違いは何ですか？

  9. 図1の説明によると、並列センサの距離が近すぎるとあります。データシートによると、1対のM30センサの最小推奨距離はいくらですか？

  10. PNPとNPNのセンサをラダーロジック風にスケッチしてください。負荷としてパネルランプを使用します。満点を取るには、ワイヤの色を含めてください。

  11. 誘導キックとは何ですか？また、半導体出力と近接センサとの関係はどのようになっていますか？

批判的思考を使う問題

これらの批判的思考を使う問題は、記事の内容を発展させ、その内容や隣接するトピックとの関係を全体像として理解することができます。このような問題は、自由回答形式であることが多く、リサーチが必要であり、エッセイ形式で答えるのが最適です。

  1. あなたのアプリケーションが、近接センサの仕様範囲を超える距離の検知を必要とするとします。少なくとも3つの選択肢を提示してください。各オプションについて、センサの少なくとも1つのポジティブな属性と1つの差分を含めてください。

  2. Weidmüllerの1992240000または1992220000のようなセンサ/アクチュエータ用端子台により、制御盤の設計をどのように簡素化できますか？

  3. PNPやソースタイプなどの用語が、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）の入力と出力にどのように 適用できるかを説明してください。満点を取るには、PLCの出力からセンサの出力にフォーカスを移したときに生じる混乱について説明してください。

  4. フライングリードと比較した場合のM12コネクタの長所と短所は何ですか。満点を取るには、M12ハブを使用するAS-IやMODBUSインターフェースなどのネットワークの物理層について必ずコメントしてください。




オリジナル・ソース（English）