現代の産業界において温度計測は最も基本的かつ重要な測定値です。溶鉱炉で溶けた鉄の温度から半導体製造装置内の微細な温度分布、あるいは家庭用ガステーブルの安全装置に至るまで熱電対はそのシンプルさと堅牢さ、そして広い測定範囲によって温度センサの代名詞として不動の地位を築いています。測温抵抗体やサーミスタといった他のセンサと比較しても、その応答速度の速さと汎用性は群を抜いています。

ゼーベック効果と熱起電力

熱電対の動作原理は、ドイツの物理学者トーマス・ゼーベックによって発見されたゼーベック効果に基づいています。

電子の拡散と電位差

二つの異なる金属、例えば銅とコンスタンタンという合金を用意し、それぞれの両端を繋ぎ合わせて閉回路を作ります。一方の接合点を加熱し、もう一方の接合点を冷却して温度差を与えると回路中に電流が流れます。このとき発生する電圧を熱起電力と呼びます。

金属内部には自由に動き回れる自由電子が存在します。金属棒の一端を加熱すると、その部分の自由電子は熱エネルギーを得て運動エネルギーが増大し、激しく振動しながら低温側へと拡散していきます。

高温側から低温側へ電子が移動すると、低温側は電子過剰となってマイナスに帯電し、高温側は電子不足となってプラスに帯電します。この電荷の偏りによって金属内部に電界が生じ、これ以上の電子の移動を妨げる力と、熱拡散しようとする力が釣り合った状態で電位差が安定します。

金属による仕事関数の違い

重要な点はこの電子の拡散度合い、すなわち発生する電位差の大きさが金属の種類によって異なるということです。 単一の金属線で両端に温度差をつけても、その金属内で電位差は生じますが、回路として閉じてしまうと同じ金属の戻り線で同じ大きさの逆起電力が発生して打ち消し合うため、外部からは電圧として観測できません。

しかし、異なる二種類の金属を接合した場合、それぞれの金属が持つ仕事関数や電子密度の違いにより、温度勾配に対する起電力の発生率が異なります。この二つの金属の起電力の差分を取り出すことで初めて温度差に応じた電圧信号として検出することが可能になります。これが熱電対の基本構造です。

熱電対の基本法則

熱電対を用いて正しく温度を測るためには、いくつかの物理法則を理解しておく必要があります。

均質回路の法則

均質な金属線で構成された熱電対回路において、その起電力は両接点の温度だけで決まり、途中の温度分布には影響されないという法則です。 たとえ熱電対の素線の一部が局所的にバーナーで炙られていても、あるいは液体窒素に浸かっていても、素線が均質である限り、測定される起電力は温接点と冷接点の温度差のみに依存します。

逆に言えば素線が経年劣化や腐食によって不均質になっている場合、途中の温度勾配が「外乱」として機能し、誤差を生む原因となります。

中間金属の法則

熱電対の回路中に第三の金属を挿入しても、その両端の温度が等しければ、回路全体の熱起電力には影響を与えないという法則です。 この法則のおかげで、私たちは熱電対の先端を溶接したり、端子台に銅のネジで固定したり、半田付けを行ったりすることができます。接続点さえ等温に保たれていれば、異種金属が介在しても測定値は狂わないのです。これは計測システムの構築において極めて重要な特性です。

中間温度の法則

ある温度T1とT2の間の熱起電力と、T2とT3の間の熱起電力を足し合わせると、T1とT3の間の熱起電力に等しくなるという法則です。 これにより、基準となる温度、通常は摂氏0度からの起電力特性テーブルさえ用意しておけば、任意の基準点温度における測定値を計算によって求めることが可能になります。

基準接点補償 冷接点補償

熱電対が測定するのは、あくまで二つの接点の温度差であって、測定対象の絶対温度ではありません。

氷点槽から電子回路へ

測定したい側の接点を測温接点あるいは温接点と呼び、計器に接続する側の接点を基準接点あるいは冷接点と呼びます。 計器が読み取る電圧は、温接点温度と冷接点温度の差に相当するものです。したがって温接点の正しい温度を知るためには、冷接点の温度を一定に保つか、あるいは冷接点の温度を知る必要があります。

かつて実験室レベルでは、冷接点を氷と水が共存する摂氏0度の氷点槽に入れて基準を固定していました。しかし産業現場で常に氷を用意することは不可能です。

現代の補償技術

現代の温度変換器や記録計では、基準接点補償という機能が標準装備されています。 これは端子台付近にサーミスタや測温抵抗体などの別の温度センサを埋め込み冷接点温度をリアルタイムで測定します。そしてその室温に相当する熱起電力を計算上で加算することで、あたかも冷接点が0度にあるかのような電圧値に補正し正しい温度を表示します。

熱電対の端子台に直射日光が当たったり、エアコンの風が直撃したりして端子温度が不安定になるとこの補正が追いつかず、測定値がふらつく原因となります。

熱電対の種類と材料特性

JISやIECなどの規格では、材料の組み合わせによって記号が定められています。

K熱電対 クロメル・アルメル

現在産業界で最も広く使われているのがK熱電対です。プラス側にニッケル・クロム合金のクロメル、マイナス側にニッケル・アルミニウム合金のアルメルを使用します。 摂氏マイナス200度からプラス1200度程度までという非常に広い測定範囲を持ち、酸化雰囲気中での耐食性に優れています。

また起電力の直線性が良く取り扱いが容易です。 ただし、還元雰囲気（水素や一酸化炭素など）では劣化しやすく、また摂氏300度から500度付近でヒステリシスが生じるため、超精密測定には向きません。

J熱電対 鉄・コンスタンタン

プラス側に鉄、マイナス側に銅・ニッケル合金のコンスタンタンを使用します。 比較的安価でK熱電対よりも起電力が大きいため感度が良いのが特徴です。 還元雰囲気でも使用できるという強みがありますが、プラス側の鉄が錆びやすいため、湿度の高い環境や酸化雰囲気での高温使用には適しません。欧米の樹脂成形機などで伝統的に多く使われています。

T熱電対 銅・コンスタンタン

プラス側に銅、マイナス側にコンスタンタンを使用します。 低温での特性が非常に安定しており、摂氏マイナス200度以下の極低温測定や常温付近での精密測定に適しています。銅線を使用しているため電気抵抗が低く、延長距離が長い場合でもノイズの影響を受けにくい利点があります。実験室や医療分野で多用されます。

R熱電対およびS熱電対 白金ロジウム・白金

貴金属である白金を使用するため非常に高価ですが、化学的に極めて安定しており高温酸化雰囲気中でも長期間精度を維持できます。 Rはプラス側に白金ロジウム13パーセント、Sは10パーセントを含有します。摂氏1400度から1600度といった高温域での標準温度計として、またセラミックス焼成炉などの制御用として不可欠です。

B熱電対

プラス側に白金ロジウム30パーセント、マイナス側に白金ロジウム6パーセントを使用します。 融点が高く摂氏1700度までの連続使用に耐えます。また低温域での起電力が極めて小さいため、常温付近では基準接点補償を省略しても誤差が少ないという特殊な性質を持っています。

N熱電対 ナイクロシル・ナイシル

K熱電対の弱点を克服するために開発された比較的新しい熱電対です。 K熱電対に比べてクロムやシリコンの濃度を調整することで、高温での耐酸化性と原子構造の安定性を高めています。K熱電対のような経時変化が少なく高価な白金熱電対の代替として期待されていますが、普及率ではまだK熱電対に及びません。

シース熱電対の構造

素線をそのまま露出させて使うことは稀で、通常は保護管や絶縁材と共にパッケージ化されます。

酸化マグネシウム絶縁

ステンレスやインコネルといった金属の細いパイプの中に、熱電対素線を挿入し隙間に粉末状の酸化マグネシウムを充填して、高圧で圧縮封入した構造です。 酸化マグネシウムは、高温でも高い電気絶縁性を保ちつつ、熱伝導率は比較的良いという優れたセラミックスです。 この構造により素線が外気から完全に遮断されるため、ガスによる腐食や酸化を防ぎ、寿命が飛躍的に延びます。また全体が一体化しているため、曲げ加工が容易で、機械的な振動や衝撃にも強いという特徴があります。

接点形状のバリエーション

シース熱電対の先端形状には三つのタイプがあります。

一つ目は接地型です。測温接点をシースの先端に溶接し、金属外皮と導通させたものです。熱がダイレクトに伝わるため応答速度が最も速いですが、電気的ノイズを拾いやすく漏電している対象物の測定には使えません。

二つ目は非接地型です。測温接点をシースから浮かせて絶縁したものです。応答速度はやや劣りますが、電気的に絶縁されているためノイズに強く最も一般的に使用されます。

三つ目は露出型です。シースの先端から素線を露出させたものです。気体の温度変化などを極めて高速に捉えたい場合に使われますが、機械的強度や耐食性は低くなります。

補償導線の役割

熱電対の端子箱から計器室まで数メートルから数百メートルの距離がある場合、高価な熱電対素線をそのまま延長するのは経済的ではありません。特に白金熱電対の場合コストが莫大になります。

代替材料による延長

そこで用いられるのが補償導線です。これは常温から摂氏100度程度の範囲において、熱電対本体とほぼ同等の熱起電力特性を持つ安価な導体材料を絶縁被覆したケーブルです。 例えばK熱電対用の補償導線には、本体とは成分の異なる銅・ニッケル合金などが使われます。

補償導線を使うことで、実質的に冷接点を計器室の入力端子まで延長したのと同じ効果が得られます。 注意すべきは補償導線にはプラスマイナスの極性があり、誤って逆に接続するとその温度差分だけ大きな誤差が生じることです。また補償導線自体の耐熱温度はそれほど高くないため、炉壁などの高温部に触れないよう敷設する必要があります。

測定誤差と劣化要因

熱電対は堅牢ですが使用環境に応じた劣化が起こります。

グリーンロット 緑色腐食

K熱電対特有の現象として、グリーンロットと呼ばれる腐食があります。 酸素濃度が低くかつ還元性ガスが存在するような中途半端な環境下で摂氏800度から1000度で使用すると、プラス極のクロメル合金中のクロムだけが選択的に酸化されます。 通常、金属表面には緻密な酸化皮膜ができて内部を守りますが、酸素が不足すると皮膜が形成されず、内部へ酸化が侵攻します。

この際表面が緑色に変色するためこの名があります。 クロムが消費されると合金の組成が変わり、熱起電力が低下して、実際よりも低い温度を表示するようになります。これは断線せずに誤差だけが大きくなるため、発見が遅れやすく厄介なトラブルです。

シャントエラー

高温環境下では絶縁材である酸化マグネシウムやセラミックスの電気抵抗が低下します。 すると本来の測温接点よりも手前の部分で、絶縁不良により電流がリークし短絡回路が形成されます。これをシャントエラーと呼びます。

あたかもその短絡場所に新しい接点ができたかのように振る舞うため、炉内の温度分布によっては、先端温度ではなく途中の低い温度を測定してしまい制御系が「温度が低い」と判断してヒーター出力を上げ続け、オーバーヒート事故につながる恐れがあります。

熱伝導誤差

熱電対を保護管に入れて測定する場合、保護管自体を通して熱が外部へ逃げていきます。 特に被測定物の熱容量が小さい場合や気体温度を測る場合、保護管の根元が冷えていると先端から根元へ熱が奪われ、先端温度が周囲温度よりも低くなります。 これを防ぐためには、炉内に十分な長さを挿入し、熱伝導の影響を無視できる深さまで没入させる必要があります。

光や電磁波を利用するセンサと比較して、超音波センサは対象物の色や透明度、あるいは周囲の照明環境の影響を受けにくいという際立った特徴を持っています。そのため、透明なガラス瓶の検知、粉塵の舞う環境下でのレベル計測、自動車の駐車支援システム、さらには人体の内部構造を可視化する医療用エコーに至るまで、極めて広範な領域で基盤技術として定着しています。

音波の物理的性質と伝播

超音波センサを理解するためには、まず媒体中を伝わる縦波としての音の性質を把握する必要があります。

疎密波としての挙動

光が真空中を伝播する電磁波であるのに対し、音波は空気や水、金属といった弾性体を媒体として伝わる機械的な振動です。 媒体の分子が進行方向に対して平行に振動し、圧力の高い密な部分と、圧力の低い疎な部分が交互に伝わっていく疎密波です。したがって、媒体が存在しない真空中では超音波センサは機能しません。

音速と波長

センサの性能を決定づける基本パラメータは、音速と周波数、そして波長です。 空気中の音速は温度に強く依存し、摂氏0度で毎秒約331.5メートル、温度が1度上がるごとに毎秒0.6メートルずつ速くなります。 一般的に空中用超音波センサでは40キロヘルツ前後の周波数が用いられます。この場合、波長は約8.5ミリメートルとなります。この波長の長さが、検出可能な物体の最小サイズや、距離の分解能に物理的な限界を与えます。より微細な分解能を得るためには、周波数を高くして波長を短くする必要がありますが、後述する減衰の問題とのトレードオフが生じます。

圧電効果による電気音響変換

電気信号を超音波に変換し、また戻ってきた超音波を電気信号に戻すための核心部品がトランスデューサです。これには主に圧電セラミックスが用いられます。

圧電効果と逆圧電効果

チタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電体セラミックスに機械的な圧力を加えると、結晶格子の変形に伴って表面に電荷が発生します。これを正圧電効果と呼び、受信素子として利用されます。 逆に、このセラミックスに電圧を印加すると、電気的な分極作用によって結晶が伸縮し、機械的な歪みが発生します。これを逆圧電効果と呼び、送信素子として利用されます。 多くの超音波センサは、一つの素子で送受信を兼ねる兼用型か、あるいは送信用と受信用を近接して配置した分離型構造をとります。

共振現象の利用

微弱な電気信号で大きな音圧を得るため、、また微弱な音波を大きな電圧に変換するために、トランスデューサは特定の周波数で機械的に共振するように設計されています。 圧電セラミックス単体、あるいはそれに金属板やホーンを接合した振動系が持つ固有振動数と、駆動する電気信号の周波数を一致させることで、インピーダンスが最小となり、エネルギー変換効率が最大化されます。これを共振点駆動と言います。

音響インピーダンス整合

圧電セラミックスで発生した振動を、効率よく空気中に放射するためには、深刻な物理的障壁を乗り越える必要があります。それが音響インピーダンスのミスマッチです。

固体から気体への壁

音響インピーダンスとは、音の伝わりやすさ、あるいは振動のしにくさを表す物性値であり、媒体の密度と音速の積で定義されます。 圧電セラミックスは硬くて重い固体であり、そのインピーダンスは極めて高い値を示します。一方、空気は軽くて柔らかい気体であり、インピーダンスは極めて低いです。 波動の法則により、インピーダンスが大きく異なる界面では、エネルギーのほとんどが反射されてしまい、透過しません。セラミックスをそのまま空気中で振動させても、空回りするだけで音波はほとんど出ていかないのです。

整合層の役割

この落差を埋めるために、トランスデューサの放射面には整合層と呼ばれる特殊な樹脂材料が貼り付けられています。 整合層の音響インピーダンスは、セラミックスと空気の中間的な値に設計されており、かつその厚さは波長の4分の1に調整されています。これにより、多重反射を利用して波の位相を揃え、反射を打ち消して透過効率を最大化する反射防止膜のような役割を果たします。この整合層の設計技術こそが、センサの感度を左右するノウハウの塊です。

タイム・オブ・フライト測定原理

最も一般的な距離測定方式は、パルス反射方式、別名タイム・オブ・フライト法です。

往復時間の計測

センサから超音波パルス（バースト波）を短時間発射します。この音波が対象物に当たり、反射して戻ってくるまでの時間（伝播時間）を計測します。 距離は、音速と時間の積の半分（往復のため）で求められます。 非常に単純な原理ですが、高精度化のためには、受信波形の立ち上がりを正確に捉える必要があります。しかし、受信波形はノイズを含み、また徐々に振幅が大きくなる形状をしているため、単純な閾値判定だけではジッタ（時間の揺らぎ）が生じます。 最新のセンサでは、受信波形のエンベロープ（包絡線）検波や、相関処理を用いることで、ノイズの中から真の反射波を抽出しています。

不感帯と残響

パルスを発射した直後、トランスデューサは電気的な駆動が止まっても、慣性によってしばらく振動を続けます。これをリンギングあるいは残響と呼びます。 残響が続いている間は、受信回路が飽和状態にあるか、あるいは自身の振動を反射波と誤認してしまうため、近距離からの反射波を検出できません。この検出不能な距離範囲を不感帯、あるいはデッドゾーンと呼びます。 不感帯を短くするためには、振動系に適度な制動（ダンピング）をかけて、パルスを素早く立ち上げ、素早く止める設計が必要です。

指向性とサイドローブ

超音波はレーザー光のように点として直進するわけではなく、ある程度の広がりを持って伝播します。この広がり特性を指向性と呼びます。

メインローブとサイドローブ

円形の開口面から放射される音波は、回折現象によって特定のパターンを形成します。 正面方向の最も強いビームをメインローブと呼び、その周囲に広がる副次的な弱いビームをサイドローブと呼びます。 指向性は、開口面の直径（振動子の大きさ）と波長の関係で決まります。振動子が波長に対して大きいほど、ビームは鋭く絞られ、遠くまで届くようになります。逆に振動子が小さいと、音波は広範囲に拡散し、近距離広角検知に適した特性となります。

誤検知の要因

サイドローブは厄介な存在です。意図しない周囲の物体（壁や床、障害物）からの反射を拾ってしまい、誤検知の原因となるからです。 これを防ぐために、ホーン形状を工夫してサイドローブを抑制したり、受信感度を時間的に変化させる（遠くの信号は増幅し、近くのサイドローブ反射は無視する）STC回路が組み込まれます。

反射特性と検知の限界

超音波センサが対象物を検出できるかどうかは、対象物の材質、形状、そして角度に依存します。

鏡面反射と拡散反射

表面が平滑で硬い物体（ガラスや金属板）に対し、超音波は光が鏡に反射するように正反射します。 センサに対して物体が垂直であれば、反射波は真っ直ぐ戻ってきます。しかし、角度がついていると、反射波は別の方向へ飛んでいってしまい、センサには戻りません。これが超音波センサの弱点であり、傾いた平面の検出は困難です。 一方、表面が粗い物体や複雑な形状の物体（衣服や人体、砂利）では、音波は散乱し、その一部が拡散反射成分としてセンサに戻ってきます。この場合は角度依存性が低くなり、安定して検出できる傾向があります。

吸音率の影響

スポンジや布、雪などの多孔質材料は、音波を吸収する性質があります。吸音率の高い物体では、反射波が極端に弱くなるため、検出距離が短くなったり、検出不能になったりすることがあります。 逆に、この性質を利用して、物体の材質判別（硬いか柔らかいか）に応用する研究も行われています。

温度補正と環境耐性

前述の通り、音速は温度によって変化します。気温が10度変われば、距離の測定値は約1.7パーセントずれます。1メートルの計測で1.7センチメートルの誤差は、産業用途では許容できない場合があります。

温度センサとの統合

高精度な超音波センサには、必ず温度センサが内蔵、あるいは外付けされています。 リアルタイムで周囲温度を計測し、マイクロコントローラ内で音速の計算式を修正することで、温度変化による誤差を自動的にキャンセルします。 ただし、センサ内部の温度と、音波が伝播する空間の温度に差がある場合（例えばセンサが直射日光で熱くなっているが、空気は冷たい場合など）は、補正しきれない残留誤差が生じます。

風とゆらぎ

強い風が吹いている環境では、音波が流されて到達位置がずれたり、音速ベクトルが変化したりします。 また、高温の物体の上など、空気の密度が不均一な場所では、陽炎のように音波が屈折し、測定値が暴れることがあります。これらは空気という媒体を使う以上避けられない物理現象であり、複数回の測定値を平均化するなどの信号処理で対応します。

高周波化と分解能の向上

従来の40キロヘルツ帯に加え、近年では数百キロヘルツからメガヘルツ帯の空中超音波センサが実用化されています。

波長の短縮

周波数を上げる最大のメリットは、波長が短くなることです。 波長が短くなれば、より小さな物体からの反射を得やすくなり、距離分解能も向上します。また、残響時間も短くなるため、不感帯を数センチメートル以下に縮小でき、至近距離の計測が可能になります。 一方で、高周波になるほど空気中での減衰（吸収）が激しくなります。空気中の減衰係数は周波数の二乗に比例して増大するため、メガヘルツ帯の超音波は空気中を数センチメートルから数十センチメートルしか進めません。 このため、高周波センサは、枚葉検知（紙が2枚重なっているかの判定）や、近接スイッチの代替など、近距離精密計測に特化して使用されます。

アレイセンサとビームフォーミング

単一の素子ではなく、複数の素子を配列したアレイセンサ技術が進化しています。

3次元空間認識

複数の素子から送信するタイミングを微妙にずらす（位相差を与える）ことで、波面を合成し、ビームの方向を電気的に走査することができます。これをビームフォーミングあるいはフェーズドアレイと呼びます。 メカニカルな首振り機構なしに、音波を任意の方向に飛ばしたり、焦点を合わせたりすることが可能です。 受信側でも同様に、各素子への到達時間差を解析することで、反射波がどの方向から来たかを推定できます。これにより、距離だけでなく、対象物の方位や立体形状まで認識する3次元ソナーとしての機能が実現されています。自動運転車や自律移動ロボットの環境認識センサとして、カメラやLiDARの死角を補う重要な役割を担いつつあります。

現代の圧力センサーが検知する範囲は真空に近い極微圧から深海や爆発現象における数千気圧という超高圧まで、人間の知覚能力を遥かに超える領域をカバーしています。スマートフォンに内蔵されて高度を検知する微細なチップから、石油化学プラントで配管の内圧を監視する堅牢な計器までその形状と方式は多岐にわたります。

圧力の定義と測定基準

圧力の物理

圧力とは、単位面積あたりに垂直に作用する力の大きさです。国際単位系SIではパスカルという単位が用いられます。1パスカルは1平方メートルあたり1ニュートンの力が作用している状態を指します。 圧力センサーの役割は流体から受圧面であるダイアフラムが受ける力を検知することにあります。ダイアフラムは圧力を受けて変形します。

この変形量や応力を電気信号に変えるのが基本原理です。

三つの測定モード

圧力の測定には基準となる圧力をどこに置くかによって三つのモードが存在します。

一つ目は絶対圧です。これは完全真空をゼロ基準として測定する圧力です。気象観測における大気圧測定や真空チャンバー内の圧力管理にはこの方式が用いられます。

二つ目はゲージ圧です。これは現在の大気圧をゼロ基準として測定する圧力です。タイヤの空気圧や血圧計などは、大気圧に対してどれだけ高いかを知りたいためこの方式が採用されます。センサーの裏側を大気に開放する構造が必要です。

三つ目は差圧です。任意の二点間の圧力差を測定します。フィルタの目詰まり検知やオリフィスプレート前後の圧力差から流量を求める場合などに利用されます。

ピエゾ抵抗効果とひずみゲージ式

現在、産業用から民生用まで最も広く普及しているのがピエゾ抵抗効果を利用した半導体ひずみゲージ式圧力センサーです。

応力を抵抗変化へ

シリコン単結晶などの半導体材料に機械的な応力を加えると、結晶格子の変形によってキャリアの移動度が変化、電気抵抗率が大きく変わる現象が起きます。これをピエゾ抵抗効果と呼びます。

金属の細線を用いたひずみゲージも抵抗変化を利用しますがそれは主に形状変化によるものです。対して半導体シリコンのピエゾ抵抗効果は原子レベルのバンド構造の変化に起因するため、金属ゲージに比べて数十倍から百倍近い感度を持ちます。

ホイートストンブリッジ

実際のセンサー構造ではシリコン基板の一部をエッチングによって薄く削りダイアフラムを形成します。そのダイアフラム上の圧力がかかった際に最も応力が発生する位置に不純物を拡散させてピエゾ抵抗素子を作り込みます。 通常4つの抵抗素子を用いてホイートストンブリッジ回路を構成します。

圧力が加わると2つの抵抗値が増加し残りの2つが減少するように配置することで、出力電圧の感度を最大化し同時に温度変化による抵抗値の一律な変動をキャンセルする効果を得ています。

静電容量式圧力センサ

ピエゾ抵抗式と並んで重要な方式が静電容量式です。微圧の測定や省電力性が求められる用途で強みを発揮します。

静電容量式圧力センサの原理

構造は固定電極と圧力によって変形するダイアフラムを対向させた平行平板コンデンサです。 圧力がかかってダイアフラムがたわむと電極間の距離が変化します。静電容量は電極間距離に反比例するため容量の変化を検知することで圧力を求めます。

この方式の最大の利点は温度特性が良いことです。ピエゾ抵抗効果は温度依存性が強いのに対し静電容量は幾何学的な寸法で決まるため原理的に温度の影響を受けにくいのです。また消費電力が極めて小さいため、電池駆動のIoTデバイスやタイヤ空気圧監視システムTPMSなどで重宝されます。

信号処理の課題

一方で静電容量の変化は距離に対して非線形であるため、リニアな出力を得るための補正回路が必要です。また浮遊容量の影響を受けやすいため、センサーチップと検出回路を極めて近接させるあるいはワンチップ化するなどの実装技術が求められます。

圧電式圧力センサ

動的な圧力変動、衝撃波などを測定するのに特化しているのが圧電式です。

電荷の発生

水晶やチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電体に力を加えるとその表面に電荷が発生します。これを圧電効果と呼びます。 この方式は変位ではなく、力そのものに反応するため、剛性が高く固有振動数が非常に高いのが特徴です。そのため数万ヘルツに及ぶ高速な圧力変動に追従できます。

ただし発生した電荷は漏れ電流によって時間の経過とともに消失してしまうため、一定の圧力がかかり続ける静的な圧力の測定には不向きです。あくまで「変化」を捉えることを得意とするセンサーです。

MEMS技術による微細加工

現代の圧力センサーの小型化と高性能化を支えているのはMEMSです。

シリコンの機械的特性

シリコンは半導体材料として有名ですが機械構造材料としても極めて優れています。 鉄などの金属は弾性限界を超えると塑性変形して元に戻らなくなりますが、単結晶シリコンは降伏点を持たず破壊する直前まで完全な弾性体として振る舞います。つまり金属ダイアフラムにありがちなヒステリシスやクリープがほとんど発生しません。これがシリコン圧力センサーが高精度である原理です。

バルクマイクロマシニング

シリコンウエハを化学薬品やプラズマで削り出すエッチング技術により、髪の毛よりも薄いダイアフラムや複雑な空洞構造を一括で大量に製造できます。 特にボッシュプロセスと呼ばれる深掘り反応性イオンエッチングを用いることで、垂直な壁を持つ立体構造を自由に作れるようになり、超小型の絶対圧センサーなどがスマートフォンに搭載されるまでになりました。

信号処理と温度補償

センサー素子単体から得られる信号は微弱でありまた温度などの外乱を含んでいます。これを使用可能な信号に仕立て上げるのが信号処理回路の役割です。

増幅とA/D変換

ホイートストンブリッジからの出力電圧は通常数ミリボルトから数十ミリボルト程度です。これを計装アンプで数ボルトのレベルまで増幅します。近年ではアンプの後段にA/Dコンバータを配置し、デジタル信号として出力するスマートセンサーが主流になりつつあります。I2CやSPIといった通信プロトコルを用いることでマイコンとの接続性を確保しています。

温度ドリフトの補正

半導体センサーの宿命として温度による特性変動、温度ドリフトがあります。温度が上がるとピエゾ抵抗係数が下がり、感度が低下します。またゼロ点もシフトします。

これを補正するためにセンサーチップ近傍あるいは同一チップ内に温度センサーを内蔵させます。計測した温度情報に基づき、アナログ回路で逆特性の補正をかけるか、あるいはデジタル演算処理によってリアルタイムで数値を補正します。

パッケージングと耐環境性

パッケージング技術はセンサーの寿命と信頼性を決定づけます。

メディアアイソレーション

清浄な乾燥空気などを測る場合は、シリコンチップをそのまま空気に触れさせることができます。しかしエンジンオイル、海水、腐食性ガス、血液などを測る場合、シリコンやボンディングワイヤが腐食する恐れがあります。

このような過酷な媒体に対しては、二重ダイアフラム構造が採られます。 受圧部を耐食性の高いステンレスやハステロイなどの金属ダイアフラムで覆いその内部にシリコンオイルを充填します。測定流体の圧力は金属ダイアフラムを押しオイルを介して内部のシリコンチップに伝達されます。オイル封入式と呼ばれるこの構造によりチップは腐食から守られます。

ハーメチックシール

内部の回路を湿気やガスから守るために、金属ケースとガラスを用いた気密封止が施されます。これにより長期間にわたって絶縁性能と信頼性を維持します。

産業別の応用事例

圧力センサーは、あらゆる産業分野で「機械の神経」として機能しています。

自動車分野

最も多くの圧力センサーが使われているのが自動車です。 インテークマニホールドの圧力を測るMAPセンサーは燃料噴射量の制御に、オイル圧センサーはエンジンの潤滑監視にブレーキ油圧センサーはABSやESCの制御に不可欠です。

近年では燃焼室内の圧力を直接測る筒内圧センサーや、タイヤの空気圧を無線で飛ばすTPMSの普及も進んでいます。

医療分野

侵襲式の血圧センサーは、カテーテル先端に取り付けて心臓内部の圧力を直接測定します。また人工呼吸器や麻酔器ではガス流量や気道内圧を監視するために高感度な微差圧センサーが使われており、生命維持装置の安全を支えています。

プロセス産業

化学プラントや食品工場ではタンク内の液位レベル測定に差圧伝送器が使われます。タンク底部の圧力と大気圧の差は液体の深さと密度に比例するため、圧力から液面レベルを換算できるのです。

民生機器

スマートフォンやウェアラブルウォッチには、超小型の気圧センサーが搭載されています。これによ、GPSだけでは分からない屋内のフロア移動や登山時の高度変化、さらには天候の変化を検知することが可能になっています。

その機能は、回路の導通と遮断を切り替えるという単純なものですが、その内部では、機械的な運動エネルギーを電気的な接点状態の変化へと変換する過程において、トライボロジー、材料科学、電磁気学、そして人間工学といった多岐にわたる物理法則が複雑に絡み合っています。壁の照明スイッチから、スマートフォンの電源ボタン、産業機械のリミットスイッチ、そしてキーボードのキーに至るまで、スイッチは人間や機械の物理的な動作を、電気信号というデジタルの世界へ橋渡しする唯一のインターフェースです。

接触の物理学と接触抵抗

スイッチの心臓部は、二つの金属が触れ合う接点です。しかし、金属同士が接触すれば電気が流れるという現象は、ミクロな視点で見るとそれほど単純ではありません。

真実接触面積と集中抵抗

鏡面仕上げされた金属であっても、顕微鏡レベルで見れば表面には無数の微細な凹凸が存在します。したがって、二つの接点が接触したとしても、実際に電気が流れることができるのは、凸部同士が突き当たった極めて微小な点、すなわち真実接触点のみです。 見かけの接触面積に対して、真実接触面積は数千分の一から数万分の一に過ぎません。電流はこの狭い点に集中して流れなければならないため、ここで電気抵抗が発生します。これを集中抵抗と呼びます。 スイッチの設計においては、接点圧力を高く設定することで凸部を塑性変形させ、真実接触面積を増やすことで、この集中抵抗を低減させる工夫がなされています。

境界抵抗と皮膜

さらに、金属表面は大気中の酸素や硫黄と反応して、薄い酸化皮膜や硫化皮膜を形成しています。これらの皮膜は絶縁体あるいは半導体としての性質を持つため、電気の流れを妨げます。この皮膜による抵抗を境界抵抗と呼びます。 スイッチの接触抵抗は、これら集中抵抗と境界抵抗の総和となります。微小な信号を扱うスイッチでは、この皮膜が導通不良の主原因となるため、後述する接点材料の選定やワイピング構造が重要となります。

アーク放電と接点消耗

スイッチが回路を遮断する瞬間、接点間には過酷なエネルギー放出現象が発生します。これがアーク放電です。

プラズマの発生メカニズム

閉じていた接点が開くとき、接触面積は急激に減少し、最終的に一点に電流が集中します。その際のジュール熱によって金属が局所的に溶融、蒸発します。同時に、接点間の距離がまだ極めて近い状態では、強力な電界が発生しているため、金属から電子が放出され、気体分子と衝突して電離し、導電性のプラズマ、すなわちアークが発生します。 アークが発生している間は、接点が物理的に離れていても電流は流れ続けます。アークの温度は数千度にも達するため、接点表面を激しく損傷させ、溶着や消耗を引き起こします。

転移現象とロック

直流回路においては、アークによって一方の接点の金属が蒸発し、他方の接点に堆積するという転移現象が起こります。これにより、片方の接点には突起ができ、もう片方には窪みができます。 これが進行すると、突起が窪みにはまり込んで抜けなくなり、スイッチが切れなくなるロック現象が発生します。これを防ぐために、接点材料の合金化や、アークを素早く消滅させるための開離速度の高速化が設計上の重要課題となります。

接点材料の科学

接点の信頼性は、使用する材料によって決定づけられます。電気伝導率だけでなく、耐腐食性、硬度、融点などのバランスが求められます。

銀および銀合金

銀はすべての金属の中で最も電気伝導率と熱伝導率が高いため、パワー用スイッチの接点材料として標準的に用いられます。 しかし、銀は大気中の硫黄と反応して硫化銀を生成しやすく、表面が黒変して接触抵抗が増大するという欠点があります。これを防ぐために、ニッケルや酸化カドミウム、酸化錫などを添加した銀合金が開発されており、耐溶着性や耐アーク性を向上させています。

金および金合金

金は化学的に極めて安定しており、酸化や硫化を起こしません。そのため、微小な電流や電圧を扱うシグナル用スイッチには必須の材料です。 ただし、金は柔らかく摩耗しやすいため、銀やニッケルのベースメタル表面に薄く金をコーティングした金メッキ接点や、金合金を貼り合わせた金クラッド接点が用いられます。これにより、安定した接触抵抗と機械的寿命を両立させています。

スナップアクション機構

スイッチの操作感を決定し、アーク放電を最小限に抑えるための機械的な工夫がスナップアクション機構です。

速断の原理

もし、人間がゆっくりとスイッチを押したとき、接点もゆっくりと離れていったとしたらどうなるでしょうか。アーク放電が長時間継続し、接点は瞬く間に溶けてしまいます。 これを防ぐために、多くのスイッチ内部には板バネやコイルバネを用いた反転機構が組み込まれています。操作ボタンを押し込んでいくと、バネにエネルギーが蓄えられ、ある死点を超えた瞬間にそのエネルギーが一気に解放されて、接点が猛スピードで切り替わります。 この機構により、操作者がどんなにゆっくりボタンを押しても、接点の切り替わり速度は一定かつ高速に保たれます。これが、マイクロスイッチなどで「カチッ」というクリック感触が生じる理由であり、電気的な寿命を延ばすための核心技術です。

チャタリング現象と対策

スイッチの接点が閉じる瞬間、それは金属同士の衝突現象でもあります。

振動による瞬断

硬い金属同士が勢いよくぶつかると、一度では静止せず、数回から数十回にわたってバウンドを繰り返します。これをチャタリングあるいはバウンスと呼びます。 この間、電気的にはオンとオフが高速で繰り返されることになります。照明のような単純な負荷であれば人間の目には感知できませんが、デジタル回路においては、一度の操作で複数回の信号が入力されたと誤認され、システム全体の誤動作を引き起こします。

デバウンス処理

この物理的な振動を完全になくすことは不可能です。そのため、電子回路側やソフトウェア側で対策を行うのが一般的です。 これをデバウンス処理と呼びます。CR積分回路を用いて信号の立ち上がりをなまらせたり、ソフトウェアで最初の信号検知から数ミリ秒間の変化を無視するマスク時間を設けたりすることで、安定した単一の信号として処理します。

回路構成と接点形態

スイッチには、その用途に応じて様々な接点構成が存在します。

a接点 常開接点

通常は開いており、操作したときだけ閉じる接点です。 メイク接点あるいはノーマリーオープンとも呼ばれます。最も一般的な形式ですが、操作をやめればオフになるため、安全回路などで断線を検知しにくいという特性があります。

b接点 常閉接点

通常は閉じており、操作したときだけ開く接点です。 ブレイク接点あるいはノーマリークローズとも呼ばれます。非常停止ボタンなど、安全に関わるスイッチで多用されます。なぜなら、もし配線が断線したりスイッチが破損したりした場合、回路が遮断されてシステムが停止する方向、すなわち安全側に機能するからです。

c接点 トランスファ接点

一つの共通端子コモンに対して、a接点とb接点の両方の機能を持つ端子が存在し、操作によって接続先が切り替わるタイプです。

環境耐性と故障モード

スイッチは、埃、湿気、腐食性ガスなど、過酷な環境に晒されることがあります。

シリコーンによる接触障害

現代のスイッチにおいて最も厄介な敵の一つが、シリコーンです。 接点の周囲にシリコーンゴムやシリコーンオイルが存在すると、そこから揮発した低分子シロキサンガスがスイッチ内部に侵入します。この状態でアーク放電が発生すると、シロキサンが化学分解され、絶縁体である二酸化ケイ素、つまりガラス質が接点表面に堆積します。 これにより接触抵抗が増大し、最終的には導通不良に至ります。対策としては、ガス密閉構造のシールスイッチを使用するか、シリコーンフリーの環境を構築する必要があります。

微少負荷領域での課題

大電流を流すスイッチでは、アークによって接点表面の皮膜が破壊されるため、ある程度の接触安定性が保たれます。これをクリーニング作用と呼びます。 しかし、微小電流しか流さない回路に大容量用のスイッチを使用すると、アークが発生しないため皮膜が破壊されず、接触不良を起こすことがあります。 スイッチには、確実に導通できる最小の電流値、最小適用負荷が規定されており、回路の電圧電流レベルに応じた適切なスイッチ選定が不可欠です。

ワイピング構造と信頼性設計

皮膜による接触不良を防ぐために、機械的な動作の中にワイピングという機能を持たせることがあります。

摺動による清浄化

ワイピングとは、接点が接触する瞬間に、互いの表面を擦り合わせる動作のことです。 この摩擦によって、表面の酸化皮膜や付着した汚れを物理的に削り落とし、常に新しい金属面同士を接触させることができます。ナイフスイッチやロータリースイッチなど、摺動接点を持つスイッチはこの効果が高く、高い信頼性を誇ります。

人間工学と操作感

スイッチは機械の一部であると同時に、人間が触れるインターフェースでもあります。その操作感、すなわちハプティクスは製品の品質を左右します。

力とストロークの関係

スイッチを押す際の力と、押し込み量の関係を表したものをF-S特性曲線と呼びます。 良好なクリック感とは、ある一定の力まで重くなり、スナップアクションが作動した瞬間に力がスッと抜ける、その落差によって生み出されます。この「山」の形状や高さ、そして戻るときの感触（ヒステリシス）をいかにチューニングするかが、スイッチメーカーのノウハウであり、高級なキーボードや自動車のスイッチにおける差別化要因となっています。

ブレーカーは単なるスイッチではありません。スイッチが人間の意志によって回路を開閉する操作装置であるのに対し、遮断器は回路の状態を自律的に監視し、異常を検知した瞬間に物理的な接続を断ち切る保護装置です。そこには、電流に伴う発熱、磁気力、そしてアーク放電というプラズマ現象を制御するための、極めて高度な物理法則と材料科学が凝縮されています。

過電流の検知メカニズム

配線用遮断器、いわゆるMCCBの基本機能は、電線が許容できる以上の電流が流れたときに回路を切ることです。この過電流には、定格を少し超えた状態が続く過負荷と、桁違いの大電流が流れる短絡の二種類があり、それぞれ異なる物理現象を利用して検知されます。

熱動引き外し バイメタル方式

過負荷保護には、電流の二乗と抵抗の積で表されるジュール熱を利用します。 遮断器内部には、熱膨張率の異なる二種類の金属板を貼り合わせたバイメタルという素子が組み込まれています。ここに電流が流れると、その発熱によってバイメタルは湾曲します。 定格電流内であれば湾曲はわずかですが、許容値を超えた電流が流れ続けると、湾曲が大きくなり、ある限界点でトリップバーと呼ばれる機械的な引き金を押し込みます。 この方式は、金属が温まるまでの時間遅れがあるため、モーターの始動電流のような一過性の大電流では動作せず、電線が過熱して危険になる前の絶妙なタイミングで動作するという、時限特性を持っています。

電磁引き外し マグネット方式

短絡保護には、電流が作る磁界の力を利用します。 内部にはコイルと可動鉄心が設けられており、電流が流れると電磁石となります。通常の電流ではバネの力で鉄心は保持されていますが、短絡事故などにより定格の数倍から十数倍の大電流が流れた瞬間、強烈な磁気吸引力が発生し、バネの力に打ち勝って鉄心を瞬時に引き寄せます。 この動きがトリップバーを叩き、時間遅れなしに即座に回路を遮断します。これを瞬時引き外し特性と呼びます。 多くの配線用遮断器は、この熱動式と電磁式を組み合わせた熱動電磁方式を採用しており、じわじわ増える過負荷と、突発的な短絡の両方に対応しています。

アーク放電との闘い

遮断器にとって最大の敵は、接点が離れる瞬間に発生するアーク放電です。

プラズマの発生

電圧がかかった状態で接点を開くと、接触面積が減少するにつれて電流密度が極限まで高まり、ジュール熱によって金属が溶融、蒸発します。同時に、接点間の電界によって電子が加速され、空気分子と衝突して電離させます。 これにより、接点間には数千度から一万度にも達する導電性のプラズマの柱、すなわちアークが発生します。アークがつながっている限り、物理的に接点が離れていても電流は流れ続けます。これをいかに短時間で消滅させるかが、遮断器の性能を決定づけます。

消弧室とグリッド

アークを消すために、遮断器内部には消弧室という空間が設けられています。ここには、磁性体で作られた多数の金属板、グリッドが平行に並べられています。 接点間で発生したアークは、電流自身が作る磁場との相互作用によるローレンツ力によって、接点から離れる方向へ、つまり消弧室の奥へと駆動されます。 グリッドに衝突したアークは、多数の小さなアークに分断されます。一つ一つの短いアークは、電圧を維持するために高いエネルギーを必要とするため、全体としてアーク電圧が電源電圧を上回り、維持できなくなって消滅します。 また、グリッドはアークの熱を奪って冷却する効果もあり、プラズマ中のイオンを再結合させて絶縁性のガスに戻す作用を促進します。

トリップ機構と開閉速度

遮断器の操作ハンドルをゆっくり動かしても、内部の接点はバネの力で勢いよく開閉します。これを急速開閉機構と呼びます。

接点溶着の防止

もし接点の開閉速度が操作者の手の動きに依存していたらどうなるでしょうか。ゆっくり閉じれば、接触直前のアークで接点が溶けてくっつく溶着が起きます。ゆっくり開けば、アークが長時間続いて火災になります。 これを防ぐため、内部にはトグル機構と呼ばれるリンク構造とバネが組み込まれています。ハンドルを操作するとバネにエネルギーが蓄えられ、ある死点を超えた瞬間にバネの力が解放されて、接点が猛スピードで動きます。これにより、誰が操作しても一定の速度で安全に遮断できるのです。

トリップフリー

また、重要な安全機能としてトリップフリー機構があります。 これは、ハンドルを無理やりオンの位置に手で押さえていても、過電流が流れれば内部機構が強制的に外れて遮断動作を行う機能です。もしこの機能がなければ、事故発生時に慌ててハンドルを押さえてしまった場合、遮断器が動作せず、配線が焼き切れるまで電流が流れ続けることになります。

漏電遮断器と零相変流器

配線用遮断器が配線を守るものであるのに対し、漏電遮断器、ELCBは人間を感電から守るための装置です。

キルヒホッフの法則の応用

電気回路が正常であれば、行き（電源から負荷へ）の電流と、帰り（負荷から電源へ）の電流の大きさは完全に等しくなります。 しかし、機器の絶縁劣化や水濡れによって電気が大地へ漏れる漏電が発生すると、帰りの電流が減少し、行きと帰りのバランスが崩れます。 漏電遮断器の内部には、零相変流器あるいはZCTと呼ばれるリング状のセンサーがあります。このリングの中に電線を2本（単相の場合）または3本（三相の場合）まとめて通します。 正常時は行きと帰りの磁束が打ち消し合ってゼロになりますが、漏電してバランスが崩れると、その差分の磁束が発生し、ZCTに微弱な電流が誘起されます。 この信号を電子回路が増幅し、規定値（一般家庭用では30ミリアンペアなど）を超えると、電磁石を駆動して強制的に遮断器をトリップさせます。

気中遮断器 ACBの世界

ビルや工場の受変電設備では、数千アンペアという巨大な電流を扱う必要があります。ここで使われるのが気中遮断器、ACBです。

エネルギー蓄勢操作

ACBは、配線用遮断器を巨大化させたような構造ですが、その操作力は桁違いです。強力な投入バネをモーターや手動ハンドルであらかじめ圧縮してエネルギーを蓄えておき、投入指令とともに一気に解放して巨大な接点を接触させます。 接点も、通電用の主接点と、アークが発生する消耗用のアーク接点に分かれており、高価な銀合金の主接点をアークによる損傷から守る構造になっています。

電子式トリップ

大電流領域では、バイメタルや単純なコイルではなく、変流器CTで電流を検出し、マイクロプロセッサで演算して引き外し指令を出す電子式トリップが主流です。 これにより、電流値だけでなく、電流の変化率や波形歪みなどを解析し、上位の監視システムと通信して電力管理を行うインテリジェントな保護が可能になっています。

保護協調と選択遮断

一つの建物には、大元のメインブレーカーから、各フロアの分電盤、そして末端のコンセント回路まで、多数の遮断器がツリー状に接続されています。 もし末端の照明器具でショートしたとき、大元のメインブレーカーが落ちてビル全体が停電してしまっては困ります。

動作時間の階層化

事故点直近のブレーカーだけが動作し、上流のブレーカーは動作しないようにすることを、選択遮断あるいは保護協調と呼びます。 これを実現するために、遮断器には動作特性曲線という図面が用意されています。横軸に電流、縦軸に動作時間をとったグラフです。 下流のブレーカーは高速で動作し、上流のブレーカーはあえて少し時間を遅らせて動作するように設定します。短限時引き外しという機能を用いて、0.1秒や0.3秒といった絶妙なタイムラグを設けることで、事故範囲の極小化を図っています。

限流性能と電磁反発

短絡事故が起きると、理論上は無限大に近い電流が流れようとします。配線用遮断器が動作するまでの数ミリ秒の間にも、数万アンペアの電流が流れ、その電磁力で配線が暴れたり、変圧器が破壊されたりする恐れがあります。 そこで、電流がピークに達する前に、素早く接点を開いて電流を絞り込む機能、限流性能が求められます。

電磁反発機構

最新の遮断器では、固定接点と可動接点の導体形状を工夫し、電流が流れる経路をU字型にしています。 大電流が流れると、平行する導体を逆向きに流れる電流同士に強力な電磁反発力が働きます。この力は電流の二乗に比例するため、短絡電流が流れた瞬間に、トリップ機構が動くよりも早く、物理的な反発力だけで接点が押し開かれます。 これによりアーク電圧が早期に発生し、電流の立ち上がりを抑え込むことができます。これをブローオフ現象と呼びます。

直流遮断の難しさ

近年、太陽光発電やデータセンター、電気自動車の普及により、高電圧の直流DCを遮断するニーズが急増しています。しかし、直流の遮断は交流に比べて格段に困難です。

電流零点の不在

交流は一秒間に何度も電流がゼロになる瞬間、電流零点があります。このタイミングでアークが自然に消えやすくなります。 しかし直流には零点がありません。一度発生したアークは、遮断器が物理的に引き伸ばして電圧を上げない限り、永遠に燃え続けます。 そのため、直流用の遮断器は、より強力な磁石を内蔵してアークを吹き飛ばしたり、消弧室を大型化したり、接点を直列に複数配置してアーク長を稼ぐなどの特別な工夫が施されています。

人間の体に例えるならば、PLCが頭脳、モーターが筋肉であるのに対し、エンコーダは目や神経系にあたります。モーターがどれだけ回ったか、現在どの角度にいるか、あるいはどれほどの速度で動いているかという物理的な運動情報を、電気信号であるデジタルデータに変換してコントローラへフィードバックする。この一連のプロセスなしには、高精度な位置決めも、滑らかな速度制御も実現し得ません。

検出原理と光の断続

エンコーダが回転を検出する仕組みには、主に光学式と磁気式の二種類が存在しますが、高い精度が求められる産業用途では光学式が主流です。

光学式エンコーダの構造

光学式エンコーダの内部には、回転スリット板と呼ばれる円盤が組み込まれています。この円盤はガラスや金属、あるいは樹脂で作られており、外周に沿って極めて微細なスリット、つまり光を通す穴が放射状に刻まれています。 この円盤を挟むようにして、一方に発光ダイオードなどの光源を、もう一方にフォトダイオードなどの受光素子を配置します。軸が回転すると円盤も回転し、スリットが光を通過させたり遮断したりします。受光素子はこの光の明滅を検出し、電気的なパルス信号に変換します。 スリットの間隔が狭ければ狭いほど、一回転あたりのパルス数が増え、より細かな角度変化を検出できることになります。

磁気式エンコーダの特徴

一方、磁気式エンコーダは、磁極が着磁されたドラムと、磁気センサを用いて回転を検出します。 光学式に比べて分解能や精度では劣る場合がありますが、油や埃、結露といった汚れに強く、耐環境性に優れるという特徴があります。工作機械のスピンドルや、過酷な環境下で使用されるモーターなどで採用されています。

インクリメンタルエンコーダ

エンコーダは、出力する情報の種類によってインクリメンタル形とアブソリュート形に大別されます。まずは、相対的な移動量を検出するインクリメンタル形について解説します。

A相とB相による方向判別

インクリメンタルエンコーダは、回転している間だけパルス信号を出力します。しかし、単にパルスを出すだけでは、右に回っているのか左に回っているのか判別できません。 そこで、位相を90度ずらした二つの信号、A相とB相を出力する仕組みになっています。 A相のパルスが立ち上がった瞬間にB相がローレベルであれば正回転、逆にB相がハイレベルであれば逆回転といった具合に、二つの信号のタイミングのズレ、位相差を論理回路で読み取ることで、回転方向を判別します。

逓倍による分解能向上

このA相とB相の信号を利用することで、電気的に分解能を高めることが可能です。これを逓倍と呼びます。 通常の一周期分のパルスを一つと数えるのではなく、A相の立ち上がり、立ち下がり、B相の立ち上がり、立ち下がりという四つのエッジをすべてカウントすることで、物理的なスリット数の4倍の分解能を得ることができます。これを4逓倍と呼びます。

Z相 原点信号

A相とB相に加えて、一回転に一回だけ出力されるZ相という信号があります。これは原点信号あるいはインデックス信号と呼ばれ、機械の原点復帰動作や、回転数のカウント基準として利用されます。

欠点と用途

インクリメンタル形は構造が単純で安価であり、高速回転への追従性も良いため、速度制御や簡易的な位置決めに広く使われます。 しかし、電源を切ると現在の位置情報が失われてしまうという致命的な欠点があります。再起動時には必ず原点復帰動作を行い、基準位置を再確認しなければなりません。

アブソリュートエンコーダ

電源遮断時も位置情報を保持し、絶対的な角度を知ることができるのがアブソリュートエンコーダです。

独自の番地を持つスリット

アブソリュート形の回転スリット板には、同心円状に何重ものトラック、帯が刻まれています。 中心に近いトラックから外周に向かって、2進数のビットパターンのようにスリットが配置されており、それぞれの角度において唯一無二のパターンが出力されるようになっています。 例えば、ある角度では「0011」、少し回すと「0100」というように、角度そのものがデジタルコードとして出力されます。したがって、電源を入れた瞬間に、パルスをカウントすることなく、即座に現在の角度を知ることができます。

グレイコードの採用

このデジタルコードには、通常の2進数ではなく、グレイコード交番二進符号と呼ばれる特殊な符号が用いられます。 通常の2進数では、「0111」から「1000」へと切り替わる際、4つのビットが同時に変化します。もし読み取りタイミングがわずかでもずれると、一瞬「0000」や「1111」といった誤った値を読んでしまうリスクがあります。 グレイコードは、隣り合う数値への変化において、必ず1ビットしか変化しないように設計されています。これにより、読み取り誤差を物理的に排除し、信頼性の高い位置検出を実現しています。

シングルターンとマルチターン

一回転以内の角度だけを検出するものをシングルターンアブソリュートエンコーダと呼びます。 しかし、ロボットのアームや搬送装置では、何回転も回った後の積算位置を知る必要があります。これに対応するのがマルチターンアブソリュートエンコーダです。 内部に減速ギアと複数のコードホイールを持ち、回転数を機械的に記憶する方式や、バッテリーバックアップによって回転数をメモリに保持する方式、さらにはウィーガンドワイヤなどの磁気素子を用いて、外部電源なしで回転エネルギーのみでカウント信号を生成するバッテリーレス方式などがあります。

信号出力方式とインターフェース

エンコーダが生成した信号を、PLCやサーボアンプへ正確に伝送するためには、適切な出力回路の選定が不可欠です。

オープンコレクタ出力

最も一般的で安価な方式です。出力回路のトランジスタのコレクタが開放されており、受信側で電源電圧へプルアップ抵抗を介して接続します。 電圧レベルを自由に合わせられる利便性がありますが、波形の立ち上がりが鈍りやすく、またノイズの影響を受けやすいため、配線距離が短い場合や、低速なパルス信号を扱う場合に適しています。

ラインドライバ出力 差動出力

長距離伝送や高速通信、そして耐ノイズ性が求められる場合に必須となる方式です。 RS422規格に準拠したICを用い、正転信号と反転信号という互いに逆相の二つの信号をツイストペアケーブルで送ります。 受信側では二つの信号の電位差を見ます。もし外部からノイズが乗っても、プラス側とマイナス側の両方に同じようにノイズが乗るため、差分をとるとノイズ成分が相殺されて消滅します。これをコモンモードノイズ除去と呼びます。サーボモーターのエンコーダなど、信頼性が最優先される用途では標準的に採用されます。

シリアル通信

分解能が数百万パルスを超えるような高分解能アブソリュートエンコーダの場合、パラレル配線では電線の数が膨大になってしまいます。 そこで、SSIやBiSS、EnDat、あるいは産業用イーサネットなどのシリアル通信を用いて、デジタルデータをパケットとして高速伝送する方式が主流となっています。これにより、省配線化と高度なステータス情報のやり取りが可能になります。

分解能と精度

エンコーダの性能を表す指標として、分解能と精度があります。これらは似て非なる概念です。

パルス数とビット数

インクリメンタル形では、一回転あたりのパルス数、PPRで分解能を表します。例えば2000PPRであれば、一回転を2000分割して検出できます。 アブソリュート形では、ビット数で表します。17ビットであれば2の17乗、すなわち13万1072分割となります。近年のサーボモーター用エンコーダでは20ビットを超えるものも珍しくなく、ナノメートルオーダーの位置決めを可能にしています。

機械的精度と電気的精度

分解能がいかに高くても、スリット板の偏心や、スリットの間隔そのものの加工誤差があれば、正しい角度は検出できません。これが精度です。 また、温度変化によるLEDの光量変動や、回路の応答遅れなども誤差要因となります。カタログスペックの分解能だけでなく、実際の累積精度を確認することが精密制御には求められます。

機械的結合と寿命

エンコーダは精密電子部品であると同時に、回転体という機械部品でもあります。その寿命はベアリングとカップリングによって決まります。

軸荷重とフレキシブルカップリング

エンコーダの軸と、モーターなどの相手軸を接続する際、芯ズレや偏角が避けられません。これらを無理やり直結すると、エンコーダ内部のベアリングに過大な荷重がかかり、短期間で破損します。 これを防ぐために、板バネや金属スリットが入ったフレキシブルカップリングを使用し、ミスアライメントを吸収する必要があります。 また、ベルトプーリーなどを直接取り付ける場合は、許容軸荷重ラジアル荷重およびスラスト荷重を超えないよう、軸受ユニットを介して接続するなどの配慮が必要です。

中空軸 ホローシャフト

カップリングを用いずに、相手の軸を直接エンコーダに通して固定する中空軸タイプもあります。 省スペースで取り付けが容易であり、カップリングのねじれ剛性の影響を受けないため、高応答な制御が可能ですが、取り付け時の芯出しにはより一層の注意が必要です。

耐環境性と保護構造

工場環境は、エンコーダにとって過酷です。切削油のミスト、鉄粉、振動、衝撃、電気的ノイズなどが常に襲いかかります。

IP保護等級

水や粉塵に対する保護性能はIP等級で示されます。一般的な用途ではIP50程度ですが、工作機械内などではIP65やIP67といった高い防水防塵性能を持つモデルが選定されます。 軸の隙間からオイルが侵入すると、光学系が汚れて信号が出なくなったり、ディスクが曇って誤動作したりします。オイルシール付きの強化タイプや、そもそも光学系を持たない磁気式レゾルバの使用が検討されるケースもあります。

耐ノイズ設計

モーターの動力線とエンコーダの信号線を平行して配線すると、電磁誘導によってノイズが混入し、パルスの誤カウントを引き起こすことがあります。 シールド線の使用、動力線との離隔、フェライトコアの装着、そしてコントローラ側のフィルタ設定など、システム全体でのEMC対策が不可欠です。

新たな技術トレンド

IoTやインダストリー4.0の流れを受け、エンコーダも進化しています。

自己診断機能

最新のエンコーダは、自分自身の状態を監視する機能を持っています。 LEDの劣化による光量低下や、ベアリングの振動異常、内部温度の上昇などを検知し、故障して止まる前にアラームを出力する予知保全機能が実装されつつあります。

機能安全

協働ロボットなど、人と機械が共存する環境では、安全機能が重要です。エンコーダの信号を二重化し、万が一の故障時にも暴走を防ぐ機能安全規格、SIL2やSIL3に対応した製品が登場しており、安全システムの構築を簡素化しています。

この装置は、現代社会における省エネルギーと自動化を支える最も重要な基盤技術の一つです。エアコンや冷蔵庫といった家庭用電化製品から、エレベーター、電車、電気自動車、そして工場のラインを動かすコンベアやファン、ポンプに至るまで、モーターが回転している場所には必ずと言っていいほどインバーターが存在しています。

電力変換の基本原理

インバーターの機能を物理的に表現すると、それは高速かつ精密なスイッチの切り替え操作に他なりません。

直流から交流を作り出す仕組み

乾電池のような直流電源があると仮定します。このプラス極とマイナス極を、モーターなどの負荷に対してそのまま繋げば、電流は一方向に流れます。しかし、もし接続を瞬時に入れ替えることができれば、電流の向きは逆になります。この入れ替え操作を一定の周期で高速に繰り返すと、負荷側から見れば電流の向きが交互に入れ替わっていることになり、擬似的な交流が生成されます。これがインバーターの最も原始的な原理です。 実際の回路では、手動スイッチの代わりにトランジスタやIGBTといった半導体スイッチング素子が用いられます。4つのスイッチをH型に配置したフルブリッジ回路において、対角線上にあるスイッチをペアとして交互にオンオフさせることで、負荷に交流電圧を印加します。

周波数の可変制御

スイッチを切り替える速度を変えれば、出力される交流の周波数を自由に変えることができます。 1秒間に60回切り替えれば60ヘルツになり、120回切り替えれば120ヘルツになります。商用電源の周波数は50ヘルツまたは60ヘルツに固定されていますが、インバーターを用いれば、ゼロヘルツ近い低周波から、数千ヘルツ以上の高周波まで、任意の周波数を作り出すことが可能です。これにより、交流モーターの回転速度を自在に制御することができるのです。

汎用インバーターの回路構成

産業用モーターを駆動するための汎用インバーター装置は、大きく分けてコンバータ部、平滑回路部、そしてインバーター部の三つのセクションから構成されています。

コンバータ部 順変換器

商用電源から供給される交流電力を、一旦直流電力に変換する部分です。 ここではダイオードブリッジ回路が用いられます。ダイオードは電気を一方向にしか流さない性質を持つため、交流の波形を整流し、脈流と呼ばれる波打った直流を作ります。

平滑回路部 直流リンク

コンバータ部で作られた脈流は、電圧が変動しているため、そのままでは使い物になりません。そこで、大容量の電解コンデンサを用いて電気を蓄え、電圧の変動を吸収して平らな直流電圧にします。 この部分は直流リンクとも呼ばれ、エネルギーのバッファとしての役割を果たします。瞬時停電時のバックアップや、モーターからの回生エネルギーを一時的に受け止める役割も担っています。

インバーター部 逆変換器

平滑化されたきれいな直流を、再び交流に変換する部分です。ここが狭義のインバーターです。 6個のスイッチング素子（3相交流の場合）が、マイクロコンピュータからの指令に従ってナノ秒単位の精度でオンオフを繰り返し、目的とする周波数と電圧の交流を出力します

PWM制御と擬似正弦波

単純にスイッチをオンオフするだけでは、出力される波形は矩形波と呼ばれる角張った波形になります。しかし、モーターをスムーズに回すためには、滑らかな正弦波が必要です。これを実現するのがPWM制御、パルス幅変調制御です。

電圧の平均値を操る

PWM制御とは、スイッチをオンにしている時間の長さ、すなわちパルス幅を変化させることで、出力される電圧の平均値を制御する手法です。 正弦波の山の頂点付近のように高い電圧が必要なタイミングでは、パルス幅を広く（オン時間を長く）とります。逆に、電圧が低いタイミングでは、パルス幅を狭く（オン時間を短く）とります。 このようにして作られたパルスの列をモーターに印加すると、モーターのコイルが持つインダクタンス成分が電流の変化を平滑化するフィルタとして働き、結果としてきれいな正弦波状の電流が流れます。

キャリア周波数

このパルスを作るための基準となる切り替え周期をキャリア周波数と呼びます。 キャリア周波数が高いほど、より緻密な波形を作ることができ、モーターの電磁騒音を可聴域外へ追いやることができます。しかし、スイッチング回数が増えるため、インバーター自身の発熱やノイズが増加するというトレードオフがあります。最近のIGBT素子では、数キロヘルツから15キロヘルツ程度が一般的です。

V/f制御とベクトル制御

インバーターがモーターを制御するアルゴリズムには、用途に応じていくつかの種類があります。

V/f一定制御

最も基本的で安価な制御方式です。 交流モーター（誘導電動機）は、周波数を変えると回転速度が変わりますが、同時に電圧も調整しなければなりません。周波数だけを下げて電圧を下げないと、過励磁という状態になり、モーターが焼損するからです。 そこで、電圧Vと周波数fの比率を一定に保ちながら制御します。これをV/f制御と呼びます。ファンやポンプなど、負荷が一定あるいは回転数に応じて変化する用途に適しています。

ベクトル制御

V/f制御の弱点は、低速域でのトルク不足と、急激な負荷変動に対する応答性の悪さです。これを克服するために開発されたのがベクトル制御です。 この方式では、モーターに流れる電流を、磁束を作るための励磁電流成分と、回転力を生むためのトルク電流成分の二つに数学的に分解して計算します。 それぞれの電流成分を独立して制御することで、直流モーターのように、低速から高速まで常に最適なトルクを発生させることができます。エレベーターやクレーン、電気自動車の駆動など、高い応答性とトルク精度が求められる用途では必須の技術です。

パワー半導体の進化

インバーターの性能、特に小型化と高効率化は、スイッチング素子であるパワー半導体の進化に依存しています。

サイリスタからIGBTへ

初期のインバーターではサイリスタやパワートランジスタが使われていましたが、スイッチング速度や制御性に限界がありました。 1990年代以降、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであるIGBTが主流となりました。IGBTは、MOSFETの高速なスイッチング特性と、バイポーラトランジスタの高耐圧・大電流特性を併せ持つ理想的なデバイスであり、現代のインバーターの心臓部として君臨しています。

次世代のワイドバンドギャップ半導体

現在、シリコンに代わる新素材として、炭化ケイ素SiCや窒化ガリウムGaNを用いたパワー半導体の実用化が進んでいます。 これらはシリコンよりもバンドギャップが広いため、より高い電圧に耐えられ、かつオン抵抗が極めて低いという特徴があります。これにより、スイッチング損失を劇的に低減でき、インバーターの大幅な小型化と省エネ化が可能になります。鉄道車両や電気自動車においては、SiCインバーターの採用が急速に進んでいます。

モーター駆動と省エネルギー効果

インバーターの最大のメリットは省エネルギーです。特にファンやポンプなどの流体機械において、その効果は絶大です。

二乗低減トルク負荷の特性

ファンやポンプの軸動力は、回転速度の3乗に比例するという物理法則があります。 従来、風量や流量を調整するには、モーターを全速力で回したまま、ダンパーやバルブを絞って抵抗を増やしていました。これはブレーキを踏みながらアクセル全開で走るようなもので、莫大なエネルギーロスが発生します。 インバーターを用いてモーターの回転数そのものを下げれば、必要な動力は回転数の3乗で減少します。例えば回転数を80パーセントに落とせば、消費電力は約51パーセントにまで激減します。この圧倒的な省エネ効果こそが、インバーターが世界中で普及した最大の理由です。

ソフトスタート機能

商用電源でモーターを直接始動すると、定格電流の6倍から8倍もの突入電流が流れます。これは電源設備に負担をかけ、機械系にも大きな衝撃を与えます。 インバーターを使えば、低い周波数と低い電圧から徐々に加速するソフトスタートが可能です。これにより、始動電流を定格電流以下に抑え、機械の寿命を延ばすことができます。

高調波とノイズ対策

便利なインバーターですが、高速スイッチングを行うがゆえに、電気的なノイズ発生源となる側面もあります。

高調波電流の流出

コンバータ部の整流回路は非線形負荷であるため、電源側に歪んだ電流、すなわち高調波電流を流出させます。これが電源系統に流れ込むと、進相コンデンサを焼損させたり、他の電子機器を誤動作させたりする原因となります。 対策として、交流リアクトルや直流リアクトルを挿入して電流波形を平滑化したり、アクティブフィルタを用いて高調波を打ち消したりする方法がとられます。

EMIと漏れ電流

インバーター部での高速な電圧変化は、高周波ノイズ（EMI）を放射します。また、モーターとアース間の浮遊容量を通じて漏れ電流が流れ、漏電ブレーカーを誤作動させることがあります。 さらに、モーターの軸受に微小な電流が流れて火花放電が起き、軸受が腐食する電食という現象も問題となります。これらを防ぐために、ノイズフィルタの設置や、シールド線の使用、アースの強化といったEMC対策が不可欠です。

回生エネルギーの処理

エレベーターが下降するときや、電気自動車が減速するとき、モーターは発電機として働きます。このとき発生するエネルギーを回生電力と呼びます。

制動抵抗器と回生コンバータ

発電された電力はインバーターに戻ってきますが、通常のダイオード整流回路では電源側に電気を戻すことができません。そのため、直流リンクの電圧が上昇し、過電圧保護が働いて停止してしまいます。 これを防ぐために、制動抵抗器を接続して電気エネルギーを熱として捨ててしまう方法があります。 しかし、省エネの観点からは、電源回生コンバータを用いて、交流電源の波形に合わせて電気を電源側に戻す方法が理想的です。PWMコンバータとも呼ばれるこの装置を使えば、力率をほぼ1に保ちながら、エネルギーを無駄なく再利用できます。

FAの現場において、マイクロスイッチやリミットスイッチといった接触式の検出器に代わり、生産ラインの目として最も広範に利用されているセンサの一つです。光という媒体は、高速で伝播し、レンズによって集光や拡散が自在であるという特性を持っています。光電センサは、この光を空間に放射し、対象物によって遮られたり反射したりして戻ってくる光量の変化を、半導体素子によって電気信号に変換することで検出動作を行います。

接触式センサでは検出対象に物理的な力を加えなければならず、傷をつけたり、位置ずれを起こしたりするリスクがありました。また、磨耗による寿命や、検出速度の限界という課題もありました。これに対し、光電センサは対象物に触れることなく、長距離から、高速かつ高精度に検出を行うことが可能です。

光と電子の変換メカニズム

光電センサの心臓部は、電気エネルギーを光エネルギーに変換する投光素子と、光エネルギーを電気エネルギーに変換する受光素子から構成されています。

投光素子と光源の選択

投光素子には、主に発光ダイオードや、半導体レーザーが用いられます。 LEDは、PN接合を持つ半導体に順方向電流を流すことで、電子と正孔が再結合し、その禁制帯幅に相当するエネルギーを光として放出する素子です。光電センサでは、可視光の赤色LEDや、人間の目には見えない赤外線LEDが多く使用されます。赤外線は、可視光に比べて照明などの外乱光の影響を受けにくく、またLEDの発光効率が高いという利点があります。一方、赤色LEDは、光のスポット位置を目視で確認できるため、設置時の光軸調整が容易であるという利点があります。 長距離検出や微小物体検出には、直進性とエネルギー密度に優れたレーザーダイオードが採用されます。

受光素子と内部光電効果

受光素子には、フォトダイオードやフォトトランジスタが用いられます。これらは、半導体に光が照射されると、そのエネルギーによって価電子帯の電子が伝導帯へ励起され、自由電子と正孔の対が生成される現象、内部光電効果を利用しています。 フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加しておくと、生成されたキャリアが電界によって移動し、光電流として外部に取り出すことができます。この光電流は入射光量に対して極めて高い直線性を持っているため、光の強弱を正確に電気信号の強弱へと変換することが可能です。

パルス変調光と同期検波

光電センサには工場内の照明や太陽光などの外乱光と区別して、自身の発した光だけを認識できる機能を持っているものがあります。

直流光方式の限界

センサが懐中電灯のように光を連続的に出し続ける直流光方式であった場合、受光素子はセンサからの光と、周囲の照明からの光を区別することができません。周囲が明るくなれば、物体がなくても受光量が増えてしまい、誤動作の原因となります。

パルス変調の原理

現代の光電センサは、投光素子を一定の周期、例えば数キロヘルツから数十キロヘルツの周波数で点滅させています。 受光回路側には、投光パルスと同期して入力信号を取り込む同期検波回路や、特定の周波数成分のみを通過させるバンドパスフィルタが組み込まれています。

これにより、一定の明るさで照らす蛍光灯や太陽光などの直流成分や、周波数の異なるノイズ成分はカットされ、センサ自身が発したパルスの信号成分のみを増幅することができます。 この技術により、数万ルクスという強い外乱光の下でも、微弱な信号光を確実に検出することが可能になっています。

透過形と光軸の幾何学

最も基本となる検出方式が透過形です。投光器と受光器を対向させて設置し、その間を物体が遮ることで検出します。

動作原理と特徴

投光器から出た光は、広がりながら対向する受光器へ到達します。物体がこの光の道を遮断すると、受光量が減少し、所定の閾値を下回った時点でスイッチ出力が反転します。 透過形は光が物体を一度だけ通過する、あるいは遮断されるという単純な経路をとるため、最も高い余裕度を持っています。

そのため、数十メートルという長距離検出が可能であり、また粉塵や油煙などでレンズが多少汚れても動作が安定しています。 不透明な物体であれば、材質や表面状態、色に関係なく確実に検出できる信頼性の高さが最大の特徴です。

最小検出物体とスリット

透過形において検出可能な物体の最小サイズは、投光器と受光器を結ぶ光の束、有効光束の太さによって決まります。 微小な部品を検出する場合、光束が太いと物体が光の一部しか遮らず、受光量の変化が小さすぎて検出できないことがあります。このような場合は、投受光器の前面にスリットと呼ばれる遮光板を取り付け、光束を細く絞ることで、微小な変化を捉えられるようにします。

回帰反射形と偏光フィルタ

投光器と受光器を一体化した筐体に収め、反対側にリフレクタと呼ばれる反射板を設置する方式が回帰反射形です。

プリズムによる再帰性反射

通常、鏡に光を当てると入射角と同じ角度で反対側へ反射します。しかし、回帰反射形のリフレクタには、コーナーキューブプリズムと呼ばれる微細な三面鏡構造が無数に並んでいます。 この構造により、入射した光は内部で３回反射し、入射してきた方向と平行に、つまり元の光源の方向へ正確に戻っていきます。これを再帰性反射と呼びます。 この性質のおかげで、センサとリフレクタの角度が多少ずれていても、光は確実に受光部へ戻ってきます。配線が片側だけで済むため設置工数が少なく、搬送ラインなどで多用されます。

鏡面物体の検出と偏光フィルタ

回帰反射形の弱点は、鏡のようにピカピカした物体、鏡面体が流れてきた場合です。 物体表面で光が正反射して受光部に戻ってしまうと、センサはリフレクタからの光か物体からの光かを区別できず、物体がないと誤認してしまいます。 これを防ぐために採用されるのが偏光フィルタ機能です。投光側に水平偏光のみを通すフィルタを、受光側に垂直偏光のみを通すフィルタを設置します。 投光された水平偏光は、リフレクタのコーナーキューブで反射する際に偏光面が回転し、垂直成分を含むようになって戻ってくるため、受光側の垂直フィルタを通過できます。 一方、鏡面物体での反射では偏光面が保存されるため、水平偏光のまま戻ってきます。これは受光側の垂直フィルタで遮断されます。この原理により、鏡面物体であっても確実に検出することが可能になります。

拡散反射形と表面反射率

投受光器が一体化されており、リフレクタも不要で、物体に光を当ててその反射光を検出する方式が拡散反射形です。

拡散反射の物理

多くの物体の表面は、微視的には粗い凹凸を持っています。光が当たると、正反射方向だけでなくあらゆる方向へ光が散乱します。これを拡散反射と呼びます。 拡散反射形センサは、この散乱光の一部が受光部に戻ってくるのを捉えます。設置が最も簡単で、背景に何もない場所での検出に適しています。

色と表面状態の影響

この方式は、物体の表面状態に極めて敏感です。 白い物体は光をよく反射するため検出距離が伸びますが、黒い物体は光を吸収するため検出距離が短くなります。これを白黒誤差と呼びます。 また、光沢のある物体が傾いて通過すると、正反射光が別の方向へ飛んでいってしまい、受光量が激減して検出できないことがあります。したがって、拡散反射形を選定する際は、対象物の反射率の変動を十分に考慮し、余裕を持った感度設定、ティーチングを行う必要があります。

限定反射と距離設定の技術

拡散反射形の課題である背景の影響や色の影響を排除するために開発されたのが、限定反射形や距離設定形です。

光学的な領域制限

限定反射形は、投光レンズと受光レンズの光軸をある角度で交差させ、その交差領域のみを検出範囲とするものです。 この領域より手前や奥にある物体からの反射光は受光素子に結像しないため、検出されません。これにより、背景にあるコンベアや装置の一部を検出してしまうことを防ぎます。また、正反射成分を積極的に利用する光学系を組むことで、ガラス基板やウェハなどの光沢平面体の検出にも利用されます。

ＰＳＤとＣＭＯＳによる三角測量

さらに進化した距離設定形、ＢＧＳあるいはバックグラウンドサプレッション型と呼ばれるセンサは、受光素子に二分割フォトダイオードやＰＳＤ、あるいはリニアＣＭＯＳセンサを使用します。 これは受光量ではなく、受光位置を検出する方式です。三角測量の原理により、物体までの距離が変わると、受光素子上で光が当たる位置が変化します。 この位置情報を元に判定を行うため、物体が白くても黒くても、受光位置は変わらず、色や反射率の影響をほとんど受けずに検出できます。背景にある物体との距離差がわずかでも、確実に手前のワークだけを検出できるため、高機能センサとして普及しています。

ファイバセンサの柔軟性

検出ヘッド部分とアンプ部分を分離し、その間を光ファイバで接続したのがファイバセンサです。

構造的利点

アンプ本体には電子回路や操作パネルが集約され、盤内や操作しやすい場所に設置されます。一方、先端のヘッド部は光ファイバとレンズのみで構成されるため、電子部品を含まず、極めて小型化が可能です。 直径数ミリの円筒形や極薄のスリーブ形など多様な形状があり、機械の隙間やロボットハンドの先端など、スペースの限られた場所への取り付けに最適です。 また、ファイバ自体はガラスやプラスチックなどの絶縁体であるため、ノイズの影響を受けず、防爆エリアや高温環境下でも使用可能な特殊ファイバも存在します。

ヒステリシスと応答速度

センサの安定動作を支える重要な回路特性として、ヒステリシスと応答速度があります。

チャタリング防止と応差

アナログ的な光量の変化をデジタルのオンオフ信号に変換する際、閾値付近での受光量の微細な変動により出力が頻繁に反転するチャタリング現象が起きる可能性があります。 これを防ぐために、動作点と復帰点に差を設けます。これをヒステリシスあるいは応差と呼びます。 例えば、受光量が１００を超えたらオンになり、その後９０を下回るまではオンを維持するといった制御です。ヒステリシスが大きいほど動作は安定しますが、微小な段差や変化を検出する能力は低下します。高精度なセンサでは、このヒステリシスを極限まで小さく設計しています。

高速ラインへの追従

電子部品のチップマウンタや高速包装機などでは、物体が数ミリ秒という極めて短い間隔で通過します。 これらを検出するためには、センサの応答時間が十分に高速でなければなりません。汎用的な光電センサの応答時間は数百マイクロ秒から数ミリ秒程度ですが、高速タイプでは数十マイクロ秒で応答するものもあります。 ただし、応答速度を上げると、ノイズ除去のためのフィルタ時間が短くなるため、外乱に対する耐性は低下するトレードオフの関係にあります。

レーザー変位センサとの境界

光電センサの高機能化に伴い、計測器であるレーザー変位センサとの境界が曖昧になりつつあります。 従来の光電センサは「有るか無いか」のオンオフ判定を行うものでしたが、近年のスマートセンサは、受光量の数値や距離の数値を内部で処理し、それをＩＯ－Ｌｉｎｋなどの通信プロトコルを通じて上位コントローラへ送信する機能を持っています。 これにより、単なる通過確認だけでなく、汚れによる受光量低下の予兆保全や、製品の高さ判別、傾き検知など、より高度な情報を生産ラインから収集することが可能になっています。

かつて自動制御の世界は、多数の電磁リレーやタイマーを電線で物理的に接続したリレー盤によって構築されていました。しかし、生産品目が変わるたびに配線をやり直す必要があるリレー制御は、柔軟性と保全性に大きな課題を抱えていました。PLCはこの物理的な配線をソフトウェア上の論理に置き換えることで、劇的な柔軟性と信頼性を産業界にもたらしました。

リレーシーケンスからの脱却と進化

PLCの基本概念は、リレーシーケンス制御をデジタル化することから始まりました。

物理配線から論理結線へ

リレー制御盤では、論理回路（AND回路やOR回路）を構築するために、実際に電線をリレーの端子にネジ止めする必要がありました。これをハードワイヤードロジックと呼びます。仕様変更があれば、盤内の配線をすべて張り替えなければなりません。 PLCは、この配線作業をメモリ内のプログラムに置き換えました。入力端子にスイッチを、出力端子にモーターやランプを接続しておけば、それらの間の因果関係、つまり「スイッチを押したらモーターが回る」といった論理は、すべてソフトウェア上で書き換えることができます。これをソフトワイヤードロジックと呼びます。

産業用としての堅牢性

一般的なパソコン（PC）も演算処理を行いますが、PCはオフィス環境での使用を前提としており、工場のノイズ、振動、熱、塵埃には耐えられません。また、PCのOSは処理時間にばらつきがあるため、ミリ秒単位の厳密なタイミング制御には不向きです。 PLCは、耐環境性能を極限まで高めたハードウェアと、リアルタイム性を保証する独自のOSアーキテクチャを持つことで、24時間365日止まることのない産業の心臓部としての地位を確立しました。

ハードウェアアーキテクチャ

PLCの内部構造は、基本的にはマイクロプロセッサを用いたコンピュータそのものですが、入出力処理に特化した構成となっています。

ユニット構造とバスシステム

中型以上のPLCは、機能ごとにモジュール化されたビルディングブロック方式を採用しています。 演算を行うCPUユニット、外部信号を取り込む入力ユニット、外部へ信号を出力する出力ユニット、そしてこれらに電力を供給する電源ユニットが、ベースユニットと呼ばれるバックプレーン上に配置されます。 各ユニットはバスと呼ばれる高速通信路で結ばれており、CPUはバスを通じて各ユニットのデータを読み書きします。近年では、専用のASICやFPGAを搭載することで、通信処理や高速カウンタ処理をCPUからオフロードし、システム全体の高速化を図っています。

メモリの階層構造

PLCのメモリは、ユーザーが作成したプログラムを格納するプログラムメモリと、入出力状態や数値データを一時的に記憶するデータメモリに大別されます。 特にデータメモリ内には、デバイスと呼ばれる仮想的なリレー領域が存在します。入力リレー、出力リレー、内部補助リレー、タイマー、カウンタ、データレジスタなどです。プログラマは、これらのデバイスのアドレスを指定することで、物理的な接点や数値を操作します。かつてはバッテリーバックアップによるSRAMが主流でしたが、現在はフラッシュROMやMRAMといった不揮発性メモリの採用が進み、メンテナンスフリー化が進んでいます。

入出力インターフェースの物理

工場内では、モーターや溶接機などから発生する強烈な電気的ノイズが飛び交っています。PLCのCPUは数ボルトで動作する繊細な半導体ですが、入力端子には直流24ボルトや交流100ボルトといった高い電圧が印加されます。これらを直接接続すればCPUは瞬時に破壊されます。

フォトカプラによる光絶縁

この問題を解決するために、PLCの入出力回路にはフォトカプラによる光絶縁技術が採用されています。 入力端子に電圧がかかると、内部の発光ダイオードが光ります。その光をフォトトランジスタが受光し、電気信号に変換してCPUへ伝えます。 電気を一旦「光」に変換することで、入力回路とCPU回路は電気的に完全に切り離されます。これにより、外部から高電圧のノイズが侵入しても、CPU側には影響が及びません。この絶縁技術こそが、PLCの驚異的な耐ノイズ性能の源泉です。

デジタルとアナログの変換

スイッチのONとOFFを扱うデジタル入出力に加え、温度や圧力、流量といった連続的な量を扱うアナログ入出力も重要です。 アナログ入力ユニットでは、電圧や電流のアナログ信号を、A/Dコンバータによって数値データ（例えば0から4000などのデジタル値）に変換します。逆にアナログ出力ユニットでは、D/Aコンバータによって数値を電圧や電流に変換し、インバータや調節弁を制御します。ここでは、分解能（どれだけ細かく値を刻めるか）と変換速度が性能指標となります。

サイクリックスキャン方式

PLCの動作原理において最も特徴的であり、一般的なコンピュータプログラムと決定的に異なるのが、サイクリックスキャンと呼ばれる処理方式です。

逐次処理と一括更新

PLCは、電源が入っている限り、以下の3つのステップを無限に繰り返しています。 第一に「入力リフレッシュ」です。外部の入力端子の状態（ONかOFFか）を一括して読み込み、内部の入力メモリにコピーします。 第二に「プログラム実行」です。メモリ上の入力情報を元に、ラダー図などのユーザープログラムを先頭から最後まで順に実行し、出力メモリの状態を書き換えます。 第三に「出力リフレッシュ」です。プログラム実行によって確定した出力メモリの内容を、一括して外部の出力端子へ反映させます。 この一周の処理にかかる時間をスキャンタイムと呼びます。

決定論的動作と応答遅れ

この方式の利点は、プログラム実行中に外部の入力状態が変化しても、次のスキャンまでそれが反映されないため、1回の演算サイクル内でのデータの整合性が保証されることです。 しかし、これは応答遅れが生じることも意味します。入力信号が変化してから、それが出力に反映されるまでには、最大でスキャンタイムの2倍程度の遅れが発生する可能性があります。高速な機械を制御する場合、このスキャンタイムをいかに短くするかが技術的な重要課題となります。現代の高速PLCでは、数ナノ秒から数マイクロ秒という極めて短い時間で命令を処理することが可能です。

IEC 61131-3とプログラミング言語

PLCのプログラム言語は、国際規格IEC 61131-3によって定義されており、用途に応じて使い分けられます。

ストラクチャード・テキスト ST

PASCALやC言語に似たテキスト形式の言語です。 複雑な数値計算やデータ処理、条件分岐などを記述するのに適しています。従来のラダー図では記述が煩雑になりがちな浮動小数点演算や三角関数計算なども、ST言語ならば数式通りに記述できます。情報処理と制御の融合が進む中、その重要性は増しています。

ファンクション・ブロック・ダイアグラム FBD

信号の流れを配線でつなぐように記述する言語です。論理回路やアナログ計装制御のブロック図に似ており、プロセス制御分野で好まれます。

シーケンシャル・ファンクション・チャート SFC

工程の遷移をフローチャートのように記述する言語です。「工程Aが終わったら工程Bへ移行する」といった状態遷移を視覚的に把握しやすく、自動機のメインルーチン記述に適しています。

信頼性設計とRAS機能

PLCが止まることは、生産ラインの停止、ひいては甚大な経済的損失を意味します。そのため、PLCには自らの異常を検知し、安全に停止するための機能が幾重にも組み込まれています。

ウォッチドッグタイマー WDT

CPUが暴走して無限ループに陥ったり、ハードウェア故障で処理が停止したりすることを監視する番犬機能です。 システムは常にタイマーを監視しており、一定時間以内にスキャンが完了してタイマーがリセットされなければ、CPUに異常が発生したと判断して強制的に出力を遮断し、エラーを通知します。

メモリの保護と二重化

プログラムやパラメータを格納するメモリには、誤り検出訂正符号（ECC）が付加されており、ビット反転などのエラーを自動修復あるいは検知します。 さらに、石油化学プラントや発電所などのクリティカルな用途向けには、CPUユニットや電源ユニット、通信ラインを二重化した二重化PLCが用いられます。片方に異常が発生しても、瞬時に待機系へ切り替わり、制御を継続します。この切り替えは数ミリ秒以内に行われ、制御対象に影響を与えません。

モーションコントロールとフィードバック

現代のPLCは、単なるONとOFFの制御だけでなく、サーボモーターを用いた高度な位置決め制御や、温度・圧力のフィードバック制御も担っています。

パルス列制御とネットワーク制御

位置決め制御において、PLCはサーボアンプに対してパルス信号を送出します。パルスの数が移動量を、パルスの周波数が速度を決定します。 近年では、EtherCATやMECHATROLINKといったモーションネットワークを通じて、デジタル通信で指令を送る方式が主流です。これにより、複数の軸を完全に同期させて動かす補間制御（円を描くような動き）や、電子カム制御といった複雑な動作が可能になります。

PID制御の実装

温度調整や圧力制御においては、目標値と現在値の偏差に基づいて操作量を決定するPID制御（比例・積分・微分制御）が用いられます。 PLCはアナログ入力で現在値を読み込み、内部のPID演算命令によって最適な出力を計算し、ヒーターやバルブを操作します。専用の温度調節計を使わずとも、PLC内部のソフトウェアだけで高度なプロセス制御を実現できるのです。

産業用ネットワークとIoT

インダストリー4.0の潮流の中、PLCは「制御する機械」から「情報を繋ぐゲートウェイ」へと進化しています。

フィールドバスとリアルタイム性

センサーやアクチュエータを接続するフィールドバスには、リアルタイム性と信頼性が求められます。CC-Link IEやPROFINET、EtherNet/IPといった産業用イーサネット規格は、汎用のイーサネット技術をベースにしつつ、通信の遅延や揺らぎを極限まで抑える定周期通信を実現しています。これにより、配線の省力化と大量のデータ収集を両立しています。

エッジコンピューティングの役割

工場内のあらゆるデータが集まるPLCは、エッジコンピューティングの最前線デバイスです。 クラウドへ全てのデータを送るのではなく、PLC内部でデータの一次処理や分析を行い、必要な情報だけを上位システムへ送信する。あるいは、OPC UAなどの国際標準通信プロトコルをサポートし、生産管理システム（MES）やERPと直接連携する。このように、PLCは工場のOT（制御技術）とIT（情報技術）を融合させる結節点としての機能を強めています。

1830年代、電信機の中継増幅器として発明されて以来、その基本原理は驚くほど変わっていません。しかしその内部には、電磁気学、機械力学、接触信頼性に関わるトライボロジー、そして材料科学といった多岐にわたる物理法則が凝縮されています。

有接点リレーの基本構造と動作原理

最も一般的である電磁リレー、メカニカルリレーは、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換し、さらに機械エネルギーへと変換することでスイッチを駆動します。その構成は、電磁石ブロックと接点ブロック、そして復帰機構に大別されます。

電磁石による駆動力の発生

中心には鉄心と呼ばれる磁性体の棒があり、その周囲に絶縁被覆された銅線がコイル状に巻かれています。コイルに電流を流すと、アンペールの法則に従って磁束が発生し、鉄心が強力な電磁石となります。 この電磁石の吸着面に対向して、可動鉄片あるいはアーマチュアと呼ばれる強磁性体の板が配置されています。コイルが励磁されると、磁気回路の磁気抵抗を最小にしようとする力が働き、可動鉄片が鉄心に吸着されます。

テコの原理と接点開閉

可動鉄片の動きは、カードや押し棒と呼ばれる連結部品を介して、可動接点バネに伝達されます。 バネの先端には可動接点が付いており、対向する固定接点と接触あるいは開離します。このとき、わずかな電磁石の吸引力を効率よく接点圧に変換するために、テコの原理を利用したヒンジ構造が採用されることが一般的です。 電流を切ると電磁石の磁力は消滅し、復帰バネの弾性力によって可動鉄片は元の位置に戻り、接点も初期状態に復帰します。これが基本的な動作サイクルです。

接点の物理と材料科学

リレーの性能と寿命を決定づける最重要部位が接点です。単に金属同士が触れれば電気が流れるという単純なものではありません。そこにはミクロな接触物理が支配する世界があります。

集中抵抗と境界抵抗

平滑に見える接点表面も、顕微鏡レベルでは無数の凹凸が存在します。したがって、二つの接点が接触しても、実際に通電しているのは凸部同士が接触した極めて微小な点、真実接触点のみです。電流はこの狭い点に集中して流れるため、ここに電気抵抗が発生します。これを集中抵抗と呼びます。 また、金属表面は大気中の酸素や硫黄と反応して薄い皮膜を形成しています。この皮膜が絶縁体として働くために生じる抵抗を境界抵抗と呼びます。 リレーの接触抵抗は、これら集中抵抗と境界抵抗の和となります。接点圧力を高く設計するのは、凸部を塑性変形させて真実接触面積を増やし、同時に皮膜を機械的に破壊して金属接触を得るためです。

アーク放電というプラズマ

リレーが電流を遮断する瞬間、接点間には過酷な現象が発生します。接点が開こうとすると、接触面積が急激に減少し、最終的に一点に電流が集中します。そのジュール熱によって金属が溶融・蒸発し、さらに接点間の電界によって電子が放出され、気体が電離してプラズマ化します。これがアーク放電です。 数千度にも達するアークは、接点を溶かして消耗させるだけでなく、一方の接点の金属を他方へ移動させる転移現象を引き起こします。これにより、接点表面に突起と窪みができ、最終的には引っかかって開かなくなるロック現象に至ります。

接点材料の選定

これらの現象に対抗するため、接点材料には高度な合金設計が施されています。 大電流を遮断するパワーリレーには、耐溶着性と耐アーク性に優れた銀酸化錫や銀タングステンなどの銀合金が用いられます。 一方、微小信号を扱うシグナルリレーでは、表面の酸化皮膜による接触不良を防ぐことが最優先されるため、化学的に安定な金合金を表面に被覆した金クラッド接点や、接点同士が擦れ合って皮膜を除去するワイピング構造が採用されます。

駆動回路と過渡現象

リレーを駆動するコイルは、電気的にはインダクタンス成分を持つ誘導性負荷です。これが回路設計において注意すべき挙動を示します。

逆起電力の発生

コイルに流れる電流をスイッチやトランジスタで遮断した瞬間、レンツの法則により、コイルは電流の変化を妨げようとして、これまで流れていた電流を維持する方向に極めて高い電圧を発生させます。これを逆起電力、あるいはサージ電圧と呼びます。 この電圧は電源電圧の数十倍に達することもあり、リレーを駆動しているトランジスタを瞬時に破壊したり、周囲の回路にノイズとして悪影響を与えたりします。

保護素子の必要性

この破壊的なエネルギーを安全に逃がすために、コイルと並列にダイオードを逆向きに接続するのが定石です。 電流が遮断された瞬間、逆起電力によってダイオードに電流が還流し、エネルギーがコイルの内部抵抗とダイオードで消費されます。これをフリーホイールダイオードと呼びます。 ただし、ダイオードを入れるとコイル内の電流がなかなか消滅しないため、磁力が維持され、リレーの復帰時間（接点が開くまでの時間）が遅れるという副作用があります。高速遮断が必要な場合は、バリスタやツェナーダイオードを用いて、ある程度の電圧でエネルギーを急速に熱消費させる設計がとられます。

ラッチングリレーの省エネルギー技術

一般的なリレー（シングルステイブル型）は、接点をオンし続けるためにコイルに電流を流し続ける必要があります。これは消費電力の増大とコイルの発熱を招きます。この課題を解決するのがラッチングリレーです。

永久磁石の活用

ラッチングリレーの磁気回路には、電磁石だけでなく永久磁石が組み込まれています。 セットコイルにパルス電流を流して接点を動かすと、電流が切れた後も永久磁石の磁力によって可動鉄片が吸着位置に保持されます。つまり、状態を維持するための電力がゼロで済みます。 元の状態に戻すには、リセットコイルに電流を流す（2巻線型）か、セット時とは逆向きの電流を流して（1巻線型）、永久磁石の磁束を打ち消す磁界を発生させ、復帰バネの力で引き剥がします。 この特性は、メモリ機能としての利用や、低消費電力が求められるスマートメーター、発熱を嫌う高密度実装基板などで重宝されています。

半導体リレー SSRの台頭

機械的な接点を持たないリレーとして、ソリッドステートリレー、略称SSRが普及しています。

光による絶縁とスイッチング

SSRの入力側には発光ダイオード、出力側にはフォトトライアックやパワーMOSFETなどの半導体スイッチング素子が配置されています。 入力信号によってLEDが発光すると、その光を光起電力素子が受け取り、出力側の半導体ゲートを駆動して導通させます。電気ではなく光で信号を伝達するため、入力と出力は完全に絶縁されています。

メカニカルリレーとの比較

SSRの最大の利点は、機械的磨耗がないため寿命が半永久的であること、そして動作速度が圧倒的に速いことです。また、接点開閉に伴うアーク放電や動作音も発生しません。 交流負荷用SSRでは、電圧がゼロになるタイミングでスイッチをオンにするゼロクロス機能を容易に実装でき、突入電流やノイズを抑制できます。 一方で、欠点もあります。半導体は導通時にもわずかな抵抗あるいは電圧降下を持つため、大電流を流すと発熱します。そのため、放熱器（ヒートシンク）が必要になることが多く、盤内の占有体積が大きくなりがちです。また、完全に回路が切断されるわけではないため、微小な漏れ電流が存在します。 制御頻度が高いヒーター制御などにはSSR、確実に遮断が必要な主電源や緊急停止回路にはメカニカルリレーといった使い分けがなされます。

信頼性阻害要因とシリコーン害

リレーは堅牢な部品ですが、環境によっては特有の故障モードを示します。その代表例がシリコーン雰囲気による接触不良です。

二酸化ケイ素の生成

接点の周囲に、シリコーンゴム、シリコーンオイル、シリコーン系コーティング剤などが存在すると、そこから揮発した低分子シロキサンガスがリレー内部に侵入します。 この状態で接点が開閉されアーク放電が発生すると、シロキサンが熱分解され、化学的に極めて安定な二酸化ケイ素、つまりガラス質が接点表面に堆積します。 二酸化ケイ素は絶縁体であるため、堆積が進むと接触抵抗が増大し、最終的には導通不良を引き起こします。これはリレーにとって致命的な病であり、対策としてはガス密閉構造のシールリレーを使用するか、シリコーンフリーの部材選定を行う必要があります。

粘着と溶着

過大な突入電流（ランプ負荷やコンデンサ負荷など）が流れると、接点表面が局所的に溶けてくっついてしまう溶着が発生します。 また、微小負荷領域においては、接点の叩き動作によって表面が平滑になりすぎて、金属同士が原子レベルで吸着してしまう粘着現象が起こることもあります。これらは回路設計における定格マージンの確保や、適切な接点材料の選定によって防ぐべき事象です。

特殊用途とセーフティリレー

産業機械の安全規格に対応するために開発されたのが、セーフティリレーあるいは強制ガイド式リレーです。

強制ガイド接点の構造

通常のリレーでは、a接点（常開）とb接点（常閉）が独立して動く可能性があります。例えば、a接点が溶着して固着している状態で、コイルの電源を切ったとします。通常ならb接点が閉じるはずですが、a接点が固着しているため可動鉄片が戻りきらず、b接点も開いたままという中途半端な状態になり得ます。これでは、接点の故障を検知できません。 セーフティリレーでは、a接点とb接点が機械的に強固に連結されています。もしa接点が溶着した場合、コイルを切ってもb接点は物理的に閉じることができません（0.5ミリメートル以上の隙間を確保するよう規定されています）。 この構造により、b接点の状態を監視することで、a接点の溶着故障を確実に検知することが可能になります。プレス機やロボットの安全回路、非常停止回路には、このリレーの使用が義務付けられています。

技術の展望とMOSFETリレー

リレー技術は成熟していますが、進化は止まっていません。特に注目されているのが、フォトMOSリレーあるいはMOSFETリレーと呼ばれるデバイスです。

機械と半導体の融合領域

これはSSRの一種ですが、出力素子に2つのMOSFETを逆直列に接続することで、交流・直流の両方を制御でき、かつリニアリティの高い出力特性を持たせたものです。 従来のメカニカルリレーに比べて極めて小型で、動作音がなく、SSRのような出力歪みもありません。微小信号の切り替えにおいてはメカニカルリレーを置き換えつつあり、計測機器や通信機器の高密度実装を支えています。 一方で、EV（電気自動車）の高電圧バッテリーを遮断するためのDC高電圧リレーには、水素ガスを封入してアークを急速冷却・消弧する技術が導入されるなど、大電力分野でも物理限界への挑戦が続いています。