【FA用語解説】ファイバセンサとは？仕組みと種類を解説

製造業：微小部品の検出・高温環境下でのワーク確認

製造業の自動化ラインにおいて、ファイバセンサは欠かせない存在です。特に「小型・高精度」という特性は、電子部品や精密機器の製造現場で重宝されています。

例えば、スマートフォンに搭載される1mm未満の極小チップ部品の有無や向きを正確に検出するには、ファイバセンサの微小なスポット径と高い検出精度が不可欠です。「小さすぎて従来のセンサでは安定検出できない」などの課題を解決できます。

また、製造現場では高温などの過酷な環境も少なくありません。金属のプレス加工や樹脂の射出成形など熱の影響が強い工程では、一般的なセンサが故障しやすく、生産ライン停止の原因となることもあります。

しかし、耐熱性に優れたガラスファイバや保護チューブ付きのファイバユニットを使用すれば、摂氏300度を超える環境でも安定した検出が可能です。さらに、アンプ部（制御部）は高温域から離れた場所に設置できるため、熱による影響も回避できます。

装置の安定稼働とメンテナンス負担の軽減が実現し、生産性向上にも貢献しています。

医療業界：液体レベルの検出

医療分野では、検査装置や治療機器の高い精度と安全性が求められます。ファイバセンサの「小型」「非電気的構造」「高精度」という特性を活かし、血液分析装置・透析装置・薬剤分注装置などの液体レベル（液面）管理に活用されています。

ファイバの先端から照射された光が、液体表面で反射または透過される様子を検出することで、わずかな液面変化もとらえることが可能です。センサヘッドが小型のため、狭い空間や細いチューブ内にも設置しやすく、装置設計の自由度も高まります。

さらに、センサヘッド部分に電気回路を持たないため、電磁ノイズによる誤動作のリスクが少なく、他の精密医療機器への影響も最小限に抑えられます。

接液部にPFA（フッ素樹脂）などの耐薬品性に優れた素材を使用したファイバユニットを選べば、さまざまな薬液・体液にも対応可能です。医療機器の安定動作や検査精度の向上、そして患者の安全確保に貢献します。

インフラ業界：構造物の健康性診断

橋梁・トンネル・ダム・高層ビルなど、私たちの社会を支えるインフラ構造物は、日々の使用によって少しずつ劣化していきます。構造物の健全性を維持し、安全を確保するには継続的な状態監視が欠かせません。

そこで活躍するのが、ファイバセンサを用いた構造物の健全性を監視する技術である「構造ヘルスモニタリング（SHM：Structural Health Monitoring）」です。FBGセンサや分散型技術といった特殊な光ファイバセンサ技術では、1本の光ファイバで複数地点のひずみや温度を同時かつ長期間測定できます。

結果、構造物の微細な変形やひび割れ、温度変化による影響などの早期検知が可能です。

食品業界：包装工程の検査

食品の安全・安心に対する意識が高まるなか、特に最終段階である包装工程の検査が極めて重要です。ファイバセンサの「非接触検出」「高速応答」「耐環境性」という特性を活かし、食品工場の高速ラインでの各種検査に対応しています。

例えば、包装フィルムの供給状態・袋のシール有無・ペットボトルのキャップの締まり具合など、多岐にわたる検査項目に利用可能です。非接触で検出できるため、衛生的かつ製品への物理的影響もありません。応答速度も速く、1分間に数百個流れるラインにも問題なく対応できます。

結果、包装不良の防止・クレームの削減・生産ライン効率の向上にも貢献します。

設置場所を選ばない

ファイバセンサのメリットのひとつが、設置場所の自由度が高い点です。

光信号を処理するアンプ部と、光を発する・受け取るファイバユニットが分離しており、センサヘッドは極細の光ファイバケーブルで構成されています。なかには直径1mm以下の極細タイプや自由に曲げられるフレキシブルタイプもあり、狭い隙間や奥まった箇所、さらにはロボットアームのように可動する部位にも設置可能です。

結果、検出ポイントの自由な選定が可能となり、センサの最適配置による検出精度の向上にもつながります。加えて、装置の設計変更や大掛かりな取り付け作業を避けられるため、設計の自由度向上や設置コストの削減にも寄与します。

応答時間が短い

ファイバセンサは光を利用した検出方式のため、応答時間が短いのが特徴です。応答時間とは、検出対象の変化をセンサがとらえて結果を出力するまでにかかる時間のことで、応答時間が短いほど高速なワークの検出やリアルタイムな制御が可能になります。

光信号がアンプ部に伝わるまでの伝達速度が速いため、なかには数十マイクロ秒（μs）という極めて短い応答時間を実現する製品もあります。高速搬送される微小電子部品の検出・高速包装ラインでの印刷マーク検出など、スピードが求められるアプリケーションに最適です。

反応の遅さがボトルネックとなっていた生産現場でも、ファイバセンサを導入することでタクトタイムの短縮や精度向上が図れます。

検出対象の制限が少ない

ファイバセンサは、光の反射や遮断を利用する構造上、ワークの材質を問わず広範囲に対応できます。

例えば、誘導型近接センサは金属のみの検出に限られますが、ファイバセンサであれば金属・プラスチック・紙・ゴム・木材・粉体・液体など、多種多様な材質を検出可能です。また、スポット径の小ささは極小部品や細線の検出にも適しており、レンズ付きファイバユニットを用いれば長距離検出や小さなマークの読み取りもできます。

特に「ライン上に複数材質の製品が流れてくる」「金属以外のワークを検出したい」などの現場では、ファイバセンサが有効な選択肢です。

厳しい環境下でも検出できる

高温・油や水の飛沫・強い電磁ノイズなど、一般的なセンサにとって過酷な環境下でも安定した検出が可能です。センシングを行うファイバユニットには電子回路がなく、アンプ部と分離しているため、高温環境や強い電磁ノイズ（EMI/RFI）の影響を受けにくいメリットがあります。

さらに、ファイバユニットの材質に応じて、耐熱性・耐薬品性・耐衝撃性などを選択可能です。石英ガラス製・フッ素樹脂コーティング製・ステンレス保護チューブ付きなど、さまざまな現場に対応する製品が揃っています。

結果、金属加工現場の切削油飛散エリアや食品工場のスチーム洗浄工程、化学プラントなどの厳しい環境でも長期間にわたって安定したセンシングを実現しています。

ワークの色によって精度が左右される

特に反射型センサの場合、ワークの色によって検出の安定性や精度が左右される可能性があります。物体の色によって、光の反射率が異なるためです。

例えば、白色や明るい色の物体は光をよく反射するため、センサは強い反射光を受け取れます。しかし、黒色や濃い色の物体は光を吸収しやすいため、反射される光量が極端に少なくなり、検出が不安定になることがあります。

製造ラインで複数の色の製品が流れる場合や、検出中に製品の色が変わる可能性がある現場では特に注意が必要です。

対策としては、最も反射しにくい色（通常は黒など暗い色）を基準に、しきい値を設定する方法があります。また、近年の高性能ファイバアンプには、ワークの色の変化に対応できる自動補正機能を備えた機種もあります。

設置時に細かい調整が必要

ファイバセンサは、微小な物体やわずかな変化もとらえられるセンサです。しかし、性能を最大限に引き出すには、設置時や検出対象の変更時に細かな調整が求められます。

微弱な光の変化を検出信号として利用しているためで、ワークからの反射光と背景からの光とのわずかな差を正確に見分けるためには、しきい値の設定が重要です。

また、センサヘッドの取り付け角度や距離がわずかにずれるだけでも受光量が変化し、検出が不安定になることがあります。「センサを取り付けたがうまく検出できない」「品種を切り替えるたびに再調整が必要で作業が煩雑」などの声が現場で上がるのは、このような調整の難しさに起因するものです。

特に初めてファイバセンサを導入する場合や、高い精度が求められる場合には、ある程度の調整スキルや知識が求められることがあります。

しかし、最近のファイバアンプには、調整の手間を軽減する便利な機能が搭載されています。例えば、ボタン操作だけで自動的に最適な設定ができる「オートチューニング機能」や「ワンタッチティーチング機能」などが代表的です。

各メーカーが提供する取扱説明書や技術サポートを活用すれば、専門知識がなくても設定作業をスムーズに行えます。

ワークで選ぶ

ファイバセンサ選びで重要なのは、ワークを明確にすることです。ワークの特性によって、適したセンサのタイプや設定は異なります。

まず、ワークの材質を確認しましょう。金属・樹脂・ガラス・液体・粉体など、材質により光の反射・透過の特性が異なります。

ワークの大きさや、形状も重要です。微小な部品を検出したい場合は、スポット径の小さいファイバユニットや高精度なアンプの使用が求められます。また、色や表面状態（光沢の有無、粗さなど）もセンサの検出精度に影響を与えるため、複数色の製品を扱う場合は特に注意が必要です。

さらに、ワークが静止しているか、移動しているかも確認しましょう。移動している場合は、速度に応じた応答速度をもつセンサを選定する必要があります。

以上を踏まえて、検出方式や先端形状を絞り込むと、最適なセンサを選べるでしょう。

設置環境で選ぶ

ワークと並んで重要なのが、「どのような環境にセンサを設置するのか」です。ファイバセンサは耐環境性に優れていますが、すべての環境に万能ではありません。設置条件に適した製品や保護対策の選定が求められます。

確認すべきは、設置場所の温度・水・油付着・振動や衝撃の有無などです。 例えば、摂氏100度を超える高温環境では、石英ガラス製などの耐熱ファイバユニットが必要になります。水や油がかかる場所では、防水・耐油対応のIP等級を満たす保護構造が必須です。

また、薬品がかかる場所には、フッ素樹脂コーティングやステンレス保護チューブが施されたファイバが効果的です。

設置環境を正確に把握したうえで、環境に適応できる製品を選ぶことが、長期間の安定稼働と故障リスクの低減につながります。

性能で選ぶ

ワークや設置環境に適したセンサの候補を絞り込んだら、次はアプリケーションで求められる「性能」の観点から製品を比較・検討します。

確認すべき性能は、主に以下の3点です。

ほかにも、複数センサを並べて使う場合の相互干渉防止機能や、出力のタイミングを調整するオフディレイタイマーなどの機能の有無も、必要に応じて確認が必要です。

必要な性能を明確にして複数製品の仕様を比較することが、最適なセンサ選びのカギです。

ねじ固定

ファイバセンサの取り付け方法として、一般的なのが「ねじ固定」です。特に円筒型のモデルには、M3・M4・M6などのねじ穴があらかじめ設けられており、装置側に対応するねじ穴を準備することで、直接ねじ込みによる固定が可能です。

角型やフラット型など本体にねじ部がないタイプでも、各メーカーが専用の取り付けブラケット（L字型やコの字型など）を多数用意しています。活用すればファイバユニットをブラケットに固定し、さらにブラケットごと装置にねじ止めできます。

ねじ固定は振動や衝撃のある環境でもセンサの位置ズレを起こしにくく、長期間にわたり安定した検出が期待できます。

ただし、ねじを締める際の「締め付けトルク」には注意が必要です。過剰な力で締めると、内部の繊細な光ファイバが破損するおそれがあります。メーカーが推奨するトルク値を守り、必要に応じてトルクレンチを使用しましょう。

クランプ固定

クランプ固定は、ファイバユニットやケーブルを、専用のクランプや結束バンドなどではさみ込んで固定する方法です。ねじ穴を設けるのが難しい場所への取り付けや、センサの位置を頻繁に変更する必要がある場合、試作時の仮設置などに便利です。

また、ロボットアームなど可動部に沿って配線する際は、ケーブルの引き回し途中をクランプで適切に保持・保護すると、引っ張りや擦れなどによる断線リスクを抑えられます。

ただし、ファイバユニットやケーブルに強い圧力をかけると、内部の光ファイバが損傷したり、光伝達が妨げられて検出感度が低下したりする可能性があります。 そのため、固定時は過度な締め付けにならないよう力加減に十分注意し、必要に応じてメーカーの専用クランプを使用するのが安心です。

接着剤固定

接着剤で、ファイバユニットを直接固定する方法もあります。しかし、特殊な用途を除いて、一般的なFA用途では推奨されません。接着剤の種類によってはファイバの被覆材に悪影響を及ぼしたり、検出性能に悪影響を与える可能性があるためです。

また、接着剤で固定すると、設置後の位置調整やメンテナンスが難しくなります。無理に剥がそうとして、ファイバを破損する可能性もあるでしょう。

一部の計測用途（構造物への埋め込みなど）では、専用接着剤と高度な技術で固定されるケースもありますが、専門知識が求められる作業です。

どうしても接着固定が必要な場合はメーカーに確認し、使用可能な材料・施工方法・注意点を把握したうえで実施してください。基本的には、ねじやブラケットを用いた確実な固定方法を選ぶのが安全です。