ライトカーテンによる安全性の向上と対象物の計測

ライトカーテンは汎用性の高い技術です。セーフティアプリケーションと関連付けられることが多いですが、機械保護や保護区域の設定、物体の存在を検出したり通過する物体の大きさを計測したりするマテリアルハンドリング、包装や仕分け用途における物体の適切な位置決めや整列の確保、制限区域の侵入検出やアクセス制御など、多くの用途があります。

ライトカーテンとセーフティレーザースキャナの比較、スキャナーアプリケーションの説明については、本シリーズのパート1、「セーフティレーザースキャナで人と機械を守る方法」を参照してください。

この記事では、まず重要なライトカーテンの仕様と性能基準について説明し、ライトカーテンが安全システムや入退室管理システムでどのように使用されているか、また計測用ライトカーテンはどのように動作するかについて応用例を紹介します。これまでに、Panasonic、IDEC、Omron、Banner Engineeringの典型的なライトカーテンを紹介しています。

セーフティライトカーテンの規格および種類

国際電気標準会議（IEC）61496「機械の安全性-電気感光性保護装置（ESPE）」では、4つのタイプの安全性能が定義されています。該当するタイプは2、3、4です。タイプ1は、セーフティライトカーテンの用途には定義されていません。

IEC 61496は、IEC 61508および国際標準化機構（ISO）13849の安全度水準（SIL）の定義の上に、さらに要求事項を追加したもので、パフォーマンスレベル（PL）を定義しています。

SILは1から3までランク付けされ、SIL3が最高レベルであり、PLは 「a 」から 「e 」まで格付けされ、PLeが最も厳しいレベルです。IEC 61496の分類を用いると、ライトカーテンは一般的にタイプ2と4に分類されますが、タイプ3として評価されるものもあります。セーフティレーザースキャナはタイプ3の要件を満たしています。タイプ分類における重要な要素には、以下のようなものがあります。

タイプ2の機器は、SIL1とPLcを満たさなければなりません。衝突や打撲、転倒、軽度の切り傷、擦り傷、挟まれることはあっても潰されることのないよりリスクの低い用途での使用を意図しています。IEC 61496は、起動時および動作中に定期的にセルフチェックを行うことを義務付けています。これらの装置には、タイプ4のライトカーテンにある冗長自動セルフチェック回路がありません。視野を規定する有効開口角（EAA）は±5度以下でなければなりません。その結果、光干渉やエラーが発生する可能性があります。

セーフティレーザースキャナや少数のライトカーテンのようなタイプ3のESPEは、SIL2とPLdを満たす必要があり、「単一の故障によって危険な状態に陥ることのないように設計されていますが、故障の累積によって危険な状態に陥る可能性があります。」また、これらの機器は、タイプ2の機器よりも厳しい電磁両立性（EMC）の要件が課されています。タイプ3の装置は、安全性が重視される用途に適しています。

タイプ4のライトカーテンは、安全性を重視した設計となっています。PLeとSIL3という最高基準を満たさなければなりません。「単一故障や故障の積み重ねによって危険な状態に陥らないように」設計されています。EAAが±2.5度と小さいため、光学干渉の影響を受けにくく、物体を認識しやすくなっています。最も厳しいEMC要件を満たす必要があります。

タイプ2ライトカーテンは、安価な光学部品とシンプルな故障検出回路により、タイプ4ライトカーテンより最大30%低コストになっています。タイプ4のライトカーテンは、指を識別するための14mm、手を識別するための30mm、脚を識別するための50mm、身体を識別するための90mmなど、より幅広い解像度で利用できます。対照的に、タイプ2のライトカーテンは一般的に大きな解像度に限定されます（図1）。

図1：タイプ4のライトカーテンは通常、タイプ2のユニットよりも最小解像度が小さくなっています。（画像提供：IDEC）

異なるサイズの物体を検出するだけでなく、ライトカーテンの光軸を個別に制御することで、ミュート、ブランキング、物体のサイズや数の計測など、より高度な機能を提供することができます。

ライトカーテンのミュートおよびブランキング

ライトカーテンのミュートとブランキングというのは、特定の状況下でライトカーテンの全部または一部をオフにすることです。ミューティングは、ライトカーテンの保護のすべてまたは一部を一時停止する自動プロセスで、通常、マシンサイクルの危険のない部分で行われます。これにより、危険な活動を停止させることなく、作業エリアに資材を入れることができます。材料が作業エリアに入ると、ライトカーテンの完全な保護機能が再開されます。

ミューティングの代表的な用途は以下の通りです。

• 作業の合間にパレタイジング機にパレットを出し入れできるようにする
• 自動化された製造工程で、機械が稼動しているときに人員を保護しながら、材料がエリア間を移動できるようにする

図2：ライトカーテンをミュートすることで、機械の運転を中断することなく、特定の大きさの物体を通過させます（左）が、手や指のような他の物体（右）を検知して機械を停止させます。（画像提供：Panasonic）

ブランキングとは、マシンの保護のために停止することなく、ライトカーテンの一部をオフにすることです。また、安全な時間帯に、そのエリアへの立ち入りを制限することもできます。ブランキングの代表的な用途は以下の通りです。

• 安全期間中にロボットワークステーションに手を伸ばして荷物の積み下ろしをする
• アップサイクル中の油圧パンチプレスへのアクセス

タイプ2のライトカーテン

IDECのタイプ2 SG2シリーズライトカーテンには、ハンドプロテクションモデルとプレゼンスプロテクションモデルがあります。たとえば、モデルSG2-90-030-OO-Xは、制御高さ300mm、分解能90mmの存在検知用に設計されています。テスト/リスタート機能と統合アライメントシステムを搭載し、配置をスピードアップします。回転式取り付けブラケットにより、ミラーを使用したり、最大19mの距離で使用したりするアプリケーションでも、設置や投光ユニットと受光ユニットの位置合わせを簡単に行うことができます。

過酷な環境でのミュートおよびブランキング

温度が-30°Cまで下がる冷蔵倉庫でのセーフティライトカーテンアプリケーション、IP67Gの耐油侵入保護が必要なスタンピングマシンのような金属加工工程、自動車製造や工作機械のような埃や汚れの多い過酷な環境での作業には、オムロンのF3SG-SRシリーズが適しています。タイプ4のライトカーテンには、ミューティング機能に加えて、フィックスブランキング機能とフローティングブランキング機能があります。

F3SG-SRライトカーテンの保護高さは160mmから2,480mmです。手や直径25mmの他の物体の検出が必要な場合、安全システム設計者は、保護高さ280mmの27本の光軸を使用して、40mm刻みで1,000mmまでのフレキシブルな長さに対応するF3SG-4SRA0280-25-Fを使用できます（図3）。

図3：このライトカーテンは、保護高さ280mmで40mm刻みのフレキシブルな長さに対応しています。（画像提供：Omron）

ねじれ、反り、衝撃に強い

ライトカーテンが衝撃やねじれにさらされる可能性がある場合、システム設計者はPanasonicのタイプ4ライトカーテンSF4Dシリーズに頼ることができます。長さ630mmのモデルSF4D-H32-0は、IP67等級で、手を保護するために25mmの解像度を持ち、ブランキングとミュート機能が統合されています。

このライトカーテンの頑丈さの鍵は、ケースの堅牢性と剛性を最適化するために再設計された内部ユニットにあります。内部ユニットの容積は従来モデルの40%以下となり、ケースの厚みを大幅に増やすことが可能になりました（図4）。内部ユニットが小型化されても光出力が増加し、制御出力のOFF応答時間は10ms以下、直列および並列に接続した時でも18ms以下になっています。

図4: よりコンパクトな内部ユニットは、厚みのある筐体を可能にしながら、より高い光出力を可能にします。（画像提供：Panasonic）

ライトカーテンによる計測

物体の計測用に設計されたライトカーテンには、通常、ストレートスキャン、シングルエッジスキャン、ダブルエッジスキャンの3つのモードがあります。主な仕様には、最小物体検出サイズ（MODS）とエッジ分解能（ER）が含まれます。

ストレートスキャンは通常デフォルトのモードで、光軸は表示器の端から投受光器の反対側の端まで順次スキャンされます。最初に遮光されていない光軸を検出すると、計測が決定されます。低コントラストモードによるストレートスキャニングの標準的な感度は、MODSが5mm、ERが5mmです。高ゲインスキャナモードを使用する場合、MODSは10mm、ERは5mmとなります。シングルエッジおよびダブルエッジのスキャニングでは、10mmのMODSおよび2.5mmのERを実現できます。

シングルエッジスキャンは、最初の（一番下）光軸が遮光されることから始まり、対象物の存在を示します。そして、カーテンは中間の光軸をチェックします。スキャナは下から4分の1の光軸をチェックして、中央の光軸が遮光されていないかどうかを確認します。スキャナは上から4分の1の光軸をチェックして、中央の光軸が遮光されているかどうかを確認します。

上下の4分の1の光軸が遮光されているか、遮光されていないかが決まったら、光軸の数を半分に分け、対象物の上端が見つかるまで続けます。

最初の光軸が必ずしも遮光されていない状況では、ダブルエッジを使用することができ、用途に応じて通常1、2、4、8、16、32のステップサイズを選択することから始めます。カーテンが光軸1をアクティブにすることから始まります。その光軸が遮光されれば、最初のエッジが特定されたことになります。遮光されていなければ、カーテンはステップサイズによって決定される次の光軸をアクティブにします。たとえば、ステップサイズが4の場合、光軸5をアクティブにします。

アクティブになった光軸が遮光されていない場合、カーテンは遮光された光軸が見つかるまでステップ処理を続けます。その時点で、最初に遮光された光軸を特定するために、スタート地点に戻るバイナリサーチが使用され、対応するエッジが特定されます。このプロセスを繰り返し、今度は特定されたエッジを基準点としてステップ処理を行い、遮光されていない光軸を特定し、再びバイナリサーチを実行し、遮光されている最も高い番号の光軸を探し、2番目のエッジを特定します。

図5：ダブルエッジスキャンにおける光軸シーケンスの例。（画像提供：Banner Engineering）

計測用ライトカーテン

Banner EngineeringのA-GAGE EZ-ARRAY計測用ライトスクリーンは、リアルタイムでの製品のサイジングやプロファイリング、エッジガイド、センターガイド、穴検出、パーツカウントなどの用途向けに設計されています。投光器と受光器の長さは、150から2400mm（5.9から94.5インチ）です（図6）。たとえば、モデルEA5E600Qは長さ600mm（23.6インチ）、光軸の数は120本です。これらのライトカーテンは、精密な高速プロセスモニタリングや検査、プロファイリング、ウェブガイドシステムをサポートします。その他の特長には以下が含まれます。

• スキャンオプションには以下のものがあります。
  • 16のスキャン分析（計測）モード
  • 3つのスキャン方法
  • 選択可能な光軸ブランキング
• スキャンモード、計測モード、アナログスロープの設定、補完計測またはアラーム動作の個別設定用の6ポジションDIPスイッチがあります。

図6：A-GAGE EZ-ARRAYファミリ 計測用ライトカーテンは、150mmから2400mmまでの長さがあります。（画像提供：Banner Engineering）

まとめ

ライトカーテンは、単に危険で敏感なエリアへのアクセスを防ぐだけでなく、人と機械の両方を保護することができます。生産性を高めるために、ブランキングやミュート機能を使ってアクセスを制御することもできます。ライトカーテンは、物体の複数の寸法を迅速かつ効率的に計測する非接触計測技術にも対応できます。