【近接センサって何？】仕組みとその種類、使い方を分かりやすく解説

皆さんは「近接センサ」をご存じでしょうか？

産業用センサには光電センサや超音波センサなど様々な種類のものが使われていますが、この近接センサも様々な設備で幅広く使われています。

ただ、一口に”近接センサ”と言っても、検出する仕組みや形状によっていくつかの種類があり、用途によって使い分ける必要があります。

この記事では、そんな近接センサについて動作原理やそれぞれの特徴、使い方などについて分かりやすく解説していきます。

近接センサってなに？

近接センサとは、センサの検出範囲に物体が接近したことを検知して信号を出力するセンサです。

一般的には鉄などの金属を検出する近接センサがよく使われますが、液体やプラスチックや木材などを検出できる近接センサも存在します。

リミットスイッチとは違い、物体に直接触れなくても検出できる「非接触式」のセンサになります。

近接センサってどんな見た目？

近接センサは主に次のようなかたちをしているのが一般的です。

円柱形

引用先：ｾﾝｻﾃｯｸ株式会社（形MDP-C2R5 円柱形近接ｾﾝｻ）

円柱形は、写真のように丸い筒状の形をしている近接センサです。

検出部分は円柱の先端に有って、検出物が先端に一定の距離に近づくとセンサが反応して信号を出力します。

本体がネジ状になっているので、写真の様にブラケットに通したあとナットで挟んで固定することができます。

角形

引用先：ｾﾝｻﾃｯｸ株式会社（形MDS-Q5 近接ｾﾝｻ）

角形は、写真のように四角い形をしている近接センサです。

本体に有る丸い”的”のようなマークが検出部になっていて、このマークに一定の距離まで検出物が近づくと、センサが反応して信号を出力します。

検出部は本体の先端だけでなく、上面や側面など様々な位置に配置されているタイプがあるため、設備の取り付けスペースに合わせて最適なものを選ぶことができます。

なんで非接触で検出できるの？｜近接センサの動作原理

近接センサは動作原理の違いにより大きく3種類に分けられます。

ひとつひとつ確認していきましょう。

誘導形（高周波発振形）

引用先：FA Products（近接センサーとは？仕組みや種類、使用例、近接スイッチとの違い）

誘導形（高周波発振形）近接センサは、本体から高周波磁界を発振させて、検出物体の有無を判断しています。

本体には「検出コイル」と呼ばれるものが内蔵されていて、このコイルに交流電流を流して高周波磁界を発振させます。

言いかえると、”磁石の波を常に出し続けている”という感じですね。

この高周波磁界の中に鉄やアルミなどの金属を近づけると、電磁誘導により渦状の電流が検出物に発生します。

この電流を渦電流と言います。

渦電流が検出物に発生すると、検出物内部の抵抗によって熱による損失が生じ、検出コイルの発振状態に変化が生じます。（発振が少なくなるか消失する）

この発振状態の変化をセンサの内部回路で検出し、「検出物体が有る」と判断します。

このように電磁誘導の原理を利用した近接センサを「誘導形（高周波発振形）近接センサ」と呼びます。

この方式は多くのメーカーが採用していて、単に近接センサと言えばこの誘導形（高周波発振形）を指す場合が多いですね。

検出方法の原理上、検出できるものは鉄などの金属に限られます。

静電容量形近接センサ

引用先：FA Products（近接センサーとは？仕組みや種類、使用例、近接スイッチとの違い）

静電容量形近接センサは、センサと対象物の間で発生する静電容量の変化を検出して、検出物の有無を判断しています。

静電容量形の場合は検出コイルではなく検出用電極を備えていて、この電極にはプラスの電荷が生じています。

この検出用電極に検出物が接近すると、検出物のマイナスの電荷が検出用電極に引き寄せられ、検出物のプラスの電荷は逆の方向（電極と離れる方向）に発生します。

これを静電誘導と呼び、この現象を表した図が以下になります。

引用先：Electrical Information（静電誘導とは）

図の帯電体が近接センサ、導体が検出物を表しています。

実はこの現象は、電子回路でよく使われる「コンデンサ」と呼ばれる素子の構造によく似ています。

引用先：松定プレシジョン株式会社（コンデンサはなんの役割を担う電子部品？　仕組みをわかりやすく解説）

コンデンサは2枚の電極の間に絶縁体が挟み込まれている構造になっていて、これに電圧を加えることで電気を貯めることができます。

この電気を貯めることができる容量のことを「静電容量」と呼び、電極の面積や電極間の距離などによって変化します。

近接センサに置き換えてみましょう。

片方の電極が「センサの検出面」で、もう一方の電極が「近づいてくる検出物」、その間にある絶縁体が「空気」に相当します。

検出物が近接センサに近づいてくると、「電極間の距離」が変わるため静電容量も変化します。

静電容量が増加すると発振回路の発振状態に変化が生じる為、その変化を内部回路で検出して「検出物が有る」と判断します。

このように、静電容量の変化をキーとしている近接センサを「静電容量形近接センサ」と呼びます。

静電容量形近接センサは金属だけでなく水や油などの液体、プラスチック、ガラス、粉体なども検出することが可能です。

磁気形近接センサ

磁気形近接センサは、磁石を検出するために使用する近接センサです。

磁石以外は反応しないという特徴があるため、検出対象に磁石をくっつければ、その動きを正確に検出することができます。

磁気形近接センサには2種類あり、磁力で物理的に接点を引き寄せて動作させるタイプと、磁界の発生を検出して動作するタイプがあります。

磁力によって接点を引き寄せるタイプ（リードスイッチ形）

このタイプはリードスイッチという磁力で接点が開閉する機構を内蔵しています。

引用先：株式会社ﾍﾞｽﾀｸﾄ･ｿﾘｭｰｼｮﾝｽﾞ【近接ｽｲｯﾁ（ｾﾝｻｰ）について】

センサに内蔵されているリードスイッチは、永久磁石を近づけると磁力に引き寄せられてスイッチの接点が閉じてONの状態になります。

磁石を遠ざけると磁力が弱まり、接点が開いてOFFの状態に戻ります。

とてもシンプルな構造ゆえに安価で、ドアの開閉検知などの用途によく使われています。

磁石による磁界の発生を検知するタイプ（ホール素子形）

もう一方の磁気形近接センサは「ホール素子」という半導体部品を使って、磁界の発生を検知するセンサです。

引用先：TDK（ﾎｰﾙｾﾝｻと「磁気ｾﾝｼﾝｸﾞ技術」）

ホール素子はホール効果と呼ばれる現象を利用したセンサの一種です。

ホール効果とは、磁界が発生している中で金属などの導体に電流を流すと、電流と磁界の両方に垂直な向きで電圧（ホール電圧）が発生する現象のことを言います。

この現象はフレミングの左手の法則を使うと説明ができます。

フレミングの左手の法則とは、写真のような手の形にしたときに、親指がF（電磁力）・人差し指がB（磁界）・中指がI（電流）というそれぞれの要素の向きが分かるという法則です。

磁界の中で導体に中指の方向に電流が流れると、親指の方向に電磁力が発生します。

この電磁力には磁界中の電子を引き寄せようとする力が有り、親指の方向にマイナスの電荷（電子）が引き寄せられます。

つまり、手のひら側がプラスで親指の先端側がマイナスの電圧（ホール電圧）が発生するという流れになります。

よって、磁石をセンサに近づけて磁界を発生させると、ホール効果によってホール素子に電圧が発生するので、その電圧を検出することで磁石の有無が判断できるというわけです。

これがホール素子を使った磁気形近接センサの仕組みとなります。

近接センサのメリット

光電センサやリミットスイッチと比較して、近接スイッチ全般に言えるメリットです。

非接触で検出できる

光電センサと同様、検出物体に直接触れずに検出ができるので、機械的な可動や接触による摩耗がありません。

また、検出物に対しても接触によるダメージを与えることがないので、繰り返し同じ検出物を検出する場合、例えばドアやシャッターに付けたストライカを検出するなどの用途にも有効的です。

非常に長寿命

光電センサは光を出すための素子の劣化、リミットスイッチでは可動部や内部のスイッチの劣化などが寿命に影響を与えますが、近接センサの場合は劣化する部品が少ない為、長期間安定的に使用できる点が大きなメリットです。

実際、「ぶつけて破損させてしまった」・「ケーブルが断線した」といった物理的な故障の場合を除けば、近接センサ自体の故障で交換したという経験は、僕自身一度も有りません。

悪環境に強い

光電センサは光を出すレンズに汚れやグリースなどの塊が付着してしまうと、それが邪魔をして誤動作することがあります。

また、リミットスイッチでは可動部にゴミが噛み込んで、動きが悪くなるなどの不具合が発生することもあります。

一方、近接センサは油や粉塵が多い過酷な環境下でも問題なく安定した検出が可能です。

近接センサの検出面や検出物が汚れていたとしても、検出にほとんど影響を与えることがありません。

そのため、製鉄所の熱延ラインや焼結工場といった極めて環境の悪い現場の設備において、最も信頼できるセンサの1つだと言えるでしょう。

検出対象を限定できる

光電センサは光を遮ったり反射するものであれば何でも検出してしまいますし、リミットスイッチもアクチュエータを動かすものであれば何でも動作してしまいます。

一方、近接センサは金属や磁石など検出対象が限定されているので、この特性を上手に利用することで機械の制御や意図しない誤動作を防ぐことができます。

ただし、静電容量形近接センサについては様々な物質を検出できるので、周囲の環境や検出物の大きさ、材質などを考慮して選定する必要があります。

近接センサのデメリット

近接センサにも少なからずデメリットがありますので、それについて解説します。

検出距離が短い

近接センサはその動作原理から、検出対象にかなり接近しないと検出できないというデメリットがあります。

検出距離が短いものだと数ミリ程度、長距離と呼ばれる機種でも30ミリ〜40ミリぐらいまで近づけないと、安定的に検出することが難しくなります。

そのため、この点を考慮した装置の設計が必要不可欠になります。

検出距離と本体の大きさが比例する

近接センサは検出できる距離に比例して本体が大きくなります。

例えば円柱形の近接センサの場合は、検出距離が10㎜以下のものはセンサ本体の直径が10㎜程度と比較的小形になりますが、検出距離が30㎜程必要な場合は本体の直径が30㎜程度になるなど、必要な検出距離に比例してセンサ本体が大きくなっていきます。

そのため、選定の際は必要な検出距離だけでなく、サイズを考慮した設計も合わせて必要になります。

調整に気を使う

近接センサは検出対象にかなり接近させないといけない為、検出範囲内かつ接触しないような絶妙な位置調整が求められます。

近接センサの本体の一部には樹脂製の部品が使われていることもあり、金属などの固い素材で出来た検出対象に接触すると破損の可能性があります。

実際、近接センサの故障の大半が検出対象に接触したことによる破損が原因です。（ケーブル断線もありますが）

近接センサの設置や交換を行ったあとは、センサと検出対象が接触しないか、また確実に検出範囲に入っているかを慎重に確認するようにしてください。

周囲の物体やセンサ同士で影響を受けることがある

近接センサは検出対象以外の周囲にある金属、もしくはセンサ同士を接近させての相互干渉による影響をそれぞれ受けることがあります。

そのため、新たに近接センサを設置するときなどは、このような外的影響がないかをよく確認する必要があります。

近接センサのラインナップに、検出ヘッドの周囲を金属で覆うことで周辺金属の影響を受けにくくした「シールドタイプ」が存在しますが、金属に覆われていない「非シールドタイプ」よりも検出距離が短くなりますので、選定には注意しましょう。

引用先：MonotaRO（スタンダードタイプ近接センサ E2E 直流3線式）

引用先：MonotaRO（スタンダードタイプ近接センサ E2E）

磁化された金属で誤動作するときがある

検出対象が磁石に限定されている磁気形近接センサの場合、近くに何らかの理由で磁化されてしまった金属が存在すると、それに反応して誤動作することがあります。

検出物に取り付けた磁石によって釘や鉄くずが磁化されるケースもありますので、周辺環境にも注意する必要があります。

近接センサの使い方

近接センサの使い方について具体例を挙げてみましたので、是非参考にしてみてください。

誘導形近接センサ

鉄製パレットの位置決め

コンベアで流れてくる鉄製パレットの位置決め用途です。

光電センサを使用しても良いのですが、鉄製パレット以外を検出したくない場合は誘導形近接センサの方が有効的です。

機械装置の位置決め

工作機械などの位置決め制御用途です。

狭い機械装置の中に検出器を設置して位置決め制御をしたい場合、スペースの問題でリミットスイッチは取り付けしにくい場合があります。

また、光電センサは位置決めに適したコの字形のものがありますが、油や切り粉などで汚れやすい工作機械などでは誤動作する可能性もあります。

近接センサは比較的狭い場所でも取り付けやすく、油や汚れで誤動作することがあまりないので、工作機械などの位置決めに最適だと言えるでしょう。

金属製扉の開閉検知

装置への侵入の為の鉄製扉や門のゲートなど、金属で出来ている扉の開閉検知には誘導形近接センサが有効な場面が多いです。

リミットスイッチや光電センサ（拡散反射形）でも検出はできますが、扉以外の物体を検出してしまう恐れがあります。

誘導形近接センサは検出対象が金属に限定されるので、比較的安全に扉の開閉検知ができます。

静電容量形近接センサ

タンクの液面検出

静電容量形近接センサは液体を検出することができるため、タンクの上面と下面にそれぞれ取り付けておけば、タンク内の液体の量を近接センサで検出することができます。

タンクの材質を非金属にすることで、タンクの外側に近接センサを取り付けることが可能です。

タンク内の粉体検出

液面検出と同じく、非金属製タンクの外側にこの近接センサを取り付けておくことで、タンク内の粉体が無くなったことを検出して外部に知らせることが出来ます。

ガラスの検出

ガラスのような透明な物体を検出する場合、使用するセンサはかなり限られます。

普通の光電センサでは光が透過して上手く検出できませんし、リミットスイッチのような接触形のセンサを使うとガラスの方を破損させてしまう恐れがあります。

静電容量形近接センサはガラスを検出することも可能なので、例えばガラス基板の搬送ラインなどで製品検出をするためなどに活用ができます。

磁気形近接センサ（リードスイッチ形）

事務所ドアの閉検出

リードスイッチを利用した磁気形近接センサでよく使われるのが、会社の事務所のドアが閉まっているかを検出する用途です。

会社のセキュリティを作動させる為には、全てのドアが閉まっていなければなりません。

このドアの閉検出にリードスイッチ形近接センサが使われていることが多いです。

固定側に近接センサ本体、ドア側に本体とセットで売られている磁石を取り付けて、ドアが閉まった時に磁石とセンサが接近して「閉」を検出するといった具合です。

シリンダーの位置検出

エアーシリンダーや油圧シリンダーのロッド位置検出に、リードスイッチ形の近接センサがよく使われています。

シリンダーのピストン部には磁石が仕込まれていて、この磁石の位置をリードスイッチ形近接センサが検出することで、シリンダーロッドの位置（伸縮長さ）が分かるという仕組みになっています。

引用先：空気圧機器の匠（ｴｱｼﾘﾝﾀﾞｰ用ｵｰﾄｽｲｯﾁとは？使い方や仕組み･原理について解説）

シリンダーで使われる近接センサは「リードスイッチ」や「オートスイッチ」とも呼ばれます。

磁気形近接センサ（ホール素子形）

鉄板に貼り付けた磁気テープの検出

磁気形近接センサは磁石のみを検出する為、鉄板に磁気テープを貼り付けても磁気テープのところだけを検出することができます。

また、ホール素子形近接センサはS極を検出タイプとN極を検出するタイプの2種類があり、これらを使い分けることで様々なシーンに応用が可能です。

例えば、搬送台車に取り付けた近接センサがS極の磁気テープを検出している時は低速走行、N極の磁気テープも検出したら停止、みたいな感じです。

コンクリートに埋めた磁石の検出

コンクリートに磁石を埋めたとしても、磁石からの磁界が届く範囲であれば近接センサで検出することが可能です。

主な用途としては、コンクリート上を走行する無人搬送車の制御などですね。

無人搬送車はコンクリートに埋められた磁気テープをセンサで検出しながら走行するものが多く、走行路の軌道や現在位置などの情報をこの近接センサを通して得ています。

このような用途において大活躍するのが磁気形近接センサです。

まとめ

以上、近接センサの動作原理やその特徴、使い方などについて解説しました。

一口に近接センサといっても様々な種類や特徴があり、使いこなすのがなかなか難しい機器かもしれません。

ただ、光電センサやリミットスイッチにはない優れた特徴を有しており、近接センサでないと実現ができないようなアプリケーションも多数存在します。

是非それぞれの近接センサについての特徴を理解し、メリット・デメリットを踏まえたうえで上手く活用してみてください。

皆さんの悩み解決の一助になれば幸いです。