産業現場での分光センサの使用による品質と効率の向上

スティーブ・バックリー、レナ・ガンデビア

高度な製造と産業処理では、入力材料、プロセスパラメータ、製品品質をモニタリングするために、無数のプロセスセンサが利用されている。これらの分光センサは、研究施設で利用されるものに近いが、産業現場に導入されるものには、いくつかの明らかな違いがある。

センサは長い間、製造プロセスの重要な側面を担ってきた。人間の感覚を拡張する働きを持つセンサによって、製造担当者はワークフローの監視と制御を行うことができ、それは、より品質の高い結果を生成しつつ、コスト、エネルギー、材料の削減につながっている。初期のプロセスセンサは、シンプルなレベルゲージ、サイトグラス、熱電対、圧力センサだった。それらの機器によって閉じた導管の中を確認したり、化学反応や生体反応の圧力、体積、温度を測定したりすることができた。色の主要パラメータは、標準カラーシートとの比較によって測定され、化学物質や生体物質の直接測定は、サンプルを研究室に送り返すことによって行われていた。
　状況が変化したのは、より小型でポータブルな光源、レーザ、分光器が登場した1990年代である。例えば、米オーシャン・ インサイト社（Ocean Insight）が、小型の交差ツェルニーターナー型（crossed Czerny-Turner）分光器を開発したのは、30年近く前のことである。この技術のメリットは、ポータブルであることと、アットラインとインラインの計測が可能なことにある。このような技術は、バイオテクノロジー、エネルギー、環境、製薬、化学などの分野で利用されている。

研究室以外の場所でのサンプル計測の課題

分光器はもともと、研究施設で使われていた。しかし、搭載方法と実装方法の開発が進むにつれて、自然な流れとして、さらに要件が厳しく過酷な環境で、分光センサが使われるようになっていった。すなわち、製造フロアや現場である。その移行に伴い、24時間年中無休の稼働に耐える信頼性、高スループットの計測、マルチモードの接続性に加えて、温度、湿度、粉塵、水分、さらには放射線などの環境変化に対する耐性も求められるようになる。
　そうした課題のほんの1つにしかすぎないが、例えば、産業環境における通信は、Modbus、Profibus、イーサネット、EtherCATなどのシステムを通して、行われる可能性がある。データの形式や表現はシステムによってまちまちで、クラウドベースの機械学習とデータストレージのサポートに対するニーズが高まっている。これに加えて、個々のセンサは同じ種類の他のセンサに同一の結果を伝送することが期待される。これだけをとっても、現場に分光ソリューションを提供することの複雑さが、はっきりと見てとれる。

産業アプリケーションの開発プロセス

ソリューションを開発する際には、特定の応用環境の具体的なニーズを理解することが重要である。オーシャン・インサイト社のシステムや、もともとは米フラックスデータ社（FluxData）によって開発されたシステムは、（onesize-fits-all[あらゆる目的に対応]ではなく）one-size-fits-many（多くの目的に対応）を掲げており、高性能な分光器に、高度な機械設計を組み合わせることにより、さまざまな産業問題に適用できる具体的なソリューションとなっている。
　オーシャン・インサイト社が開発した分光センサシステム「SpectraNovaD8」は、そのようなシステムの1つである（図 1）。このシステムは分光器を使用することにより、家電製品の製造ラインにおいて、パーツの色管理を迅速に行うことができる。
　これまでの色検査システムでは、パーツに触れることによって、正確な表面色測定が行われていたが、この装置には、製造ライン機構に簡単に搭載して、150ms以内に各パーツの色測定を実行できる、コンパクトな非接触の検査システムが含まれている。これによって、1日あたり50万件を超えるサンプル測定が可能で、現代的な製造フロアに高速な自動化ワークフローを実現することができる。また、CIE76の色差で0.01ΔE*ab（標準偏差）の再現性を維持する。家電製品などの業界では、高い顧客の期待を満たす製品を量産することが必要で、精度と正確度を維持しながら、高スループットの品質管理を行う能力が不可欠である。

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出典元
http://ex-press.jp/wp-content/uploads/2022/05/033-035_ft_sensors.pdf