レーザー変位計の電流出力と電圧出力、どちらを選べばいいのか。結論から申し上げると、判断基準は「センサから受信側までの距離とノイズ環境」です。盤の中で配線が完結するなら電圧出力（0〜10Vなど）、盤をまたいで数十メートル引き回すならレーザー変位計の電流出力（4〜20mA）を選ぶ。これが実務上の第一原則になります。
ただ、皆さんが本当に困っているのは、カタログのどちらに丸をつけるかではないはずです。「なぜそちらが良いのか」を自分の言葉で説明できないまま発注ボタンを押すことが、いちばん怖い。上司に「なんで電流にしたの？」と聞かれて答えられない状態が、いちばん不安なのです。
この記事では、レーザー変位計の電流出力と電圧出力の違いを、電圧降下・ノイズ・断線検知・分解能という4つの視点で分解します。そのうえで、選定を5ステップで機械的に決められる手順までお伝えします。読み終えたときには、選定理由を数字で説明できる状態になっているはずです。
レーザー変位計の電流出力と電圧出力で迷うのは、皆さんだけではありません
カタログを開いた瞬間に手が止まる理由
レーザー変位計のカタログを開くと、同じ型番の末尾が「V」と「A」で分かれています。測定範囲も分解能もリニアリティも同じ。価格もほとんど変わらない。仕様表の上では、まったく差がないように見えます。
差がないように見えるのに選ばせられる。だから手が止まるのです。これは知識不足ではなく、カタログの構造上の問題です。出力形式の差は「センサ単体の性能」ではなく「センサを取り付けたあとの環境」で初めて現れるため、仕様表には差として書けないのです。
私自身も、最初の選定で「とりあえず電圧」を選んで失敗しました
私が20代の頃、ワークの高さを±0.05mmで合否判定する検査治具を担当したことがあります。分解能0.5µmのレーザー変位計を選び、出力は0〜10Vの電圧タイプにしました。理由は「電圧のほうが分かりやすいから」。それだけでした。
立ち上げてみると、同じワークを何度測っても判定が変わりました。OKとNGが交互に出る。センサを疑い、治具の剛性を疑い、ワークの表面を疑い、1週間を溶かしました。原因はセンサでも治具でもなく、私が図面に描いていなかった「配線ルート」と「受け側の分解能」でした。
「どちらが正解か」ではなく「どちらが自分の現場に合うか」を問うのが、選定という仕事です。
問題の本質：レーザー変位計の出力選びは「精度」ではなく「信号が届くか」の問題
変位計の精度は、出力形式では決まらない
多くの方が「電流出力のほうが精度が高い」と思い込んでいます。これは誤解です。レーザー変位計の測定精度は、投受光素子とレンズ、内部の演算処理で決まります。その後段で電圧に変換するか電流に変換するかは、精度そのものには関与しません。
では何が変わるのか。変わるのは「センサが出した値が、受信側に到達するまでにどれだけ崩れるか」です。つまり出力形式の選定は、測定の問題ではなく伝送の問題なのです。
電圧出力と電流出力は、そもそも信号の運び方が違う
両者の動作原理を整理しておきます。仕組みが分かれば、あとの判断はすべて自然に導けます。
- 電圧出力：センサが電圧を作り出します。受信側はほとんど電流を流さない高い入力抵抗（数十kΩ〜1MΩ）で、その電圧を読み取ります。電線を「電圧を伝える通路」として使う方式です。
- 電流出力：センサが電流の大きさそのものを制御します。閉じたループの中では、どこを測っても同じ電流が流れます。受信側は250Ωなどの受信抵抗を入れ、そこに生じる電圧を読み取ります。電線を「電流を循環させる輪」として使う方式です。
この違いが、後述するすべての差を生みます。直列につながった一本の輪の中では電流が一定になるという性質が、電流出力の強さの正体です。
電流出力と電圧出力の違いを一覧で整理する
実務で効いてくる差を表にまとめます。この表が、この記事のいちばん骨になる部分です。
| 比較項目 | 電流出力（4〜20mA） | 電圧出力（0〜10V、0〜5Vなど） |
|---|---|---|
| 信号の担い手 | 電流（ループ内で一定） | 電圧（電位差） |
| 配線抵抗の影響 | 許容範囲内ならほぼゼロ | 受信側の入力抵抗次第で誤差になる |
| 誘導ノイズへの強さ | 強い（低インピーダンス） | 弱い（高インピーダンス） |
| アース電位差の影響 | 受けにくい | 直接誤差として乗る |
| 断線の判別 | できる（0mAは異常） | できない（0Vが正常値と重なる） |
| 推奨配線距離の目安 | 数十m〜100m以上も可 | 盤内〜数m程度 |
| 応答速度 | 機種により電圧より遅い場合がある | 一般に高速な機種が多い |
| 受信側の準備 | 受信抵抗と許容負荷抵抗の確認が必要 | 入力レンジを合わせるだけで済むことが多い |
| 配線本数 | 2線式なら電源と信号が兼用できる | 電源2本＋信号2本が基本 |
表を見ると、電流出力が有利な項目が多く並んでいます。ただし最後の2行のように、電流出力には「受け側の条件を計算しないと成立しない」という手間があります。万能ではなく、引き換えに手間が増える。ここを理解しておくことが選定の出発点です。
変位計の精度は、センサの性能ではなく信号が届くまでの経路で決まります。
レーザー変位計の出力選定で失敗する3つの原因
原因1：電圧降下と分圧誤差を計算していない
「電圧信号は距離が長いと減衰する」とよく言われます。これは半分正しく、半分は不正確です。正確には、受信側が電流を引く分だけ電線抵抗で電圧が落ち、その落ちた分が誤差になります。
具体的に計算してみます。0.75mm²の銅線の導体抵抗は約25Ω/km（20℃）です。片道50m、往復100mなら線路抵抗は約2.5Ωになります。ここにセンサ側の出力インピーダンス100Ωを足すと、信号経路の直列抵抗は約102.5Ωです。
この条件で、受信側の入力抵抗が違うとどうなるか。誤差の出方を比較します。
| 受信側の入力抵抗 | 分圧による誤差 | 測定範囲±10mm（スパン20mm）での換算誤差 |
|---|---|---|
| 1MΩ | 約0.010% | 約2µm |
| 100kΩ | 約0.102% | 約20µm |
| 10kΩ | 約1.01% | 約200µm |
受信側が1MΩなら2µmで、実用上ほぼ無視できます。ところが100kΩでは20µm、10kΩでは200µmまで膨らみます。分解能0.5µmのセンサを選んでおいて、伝送で20µm失う。これが私が最初にやった失敗の一つです。
一方の電流出力は、線路抵抗が2.5Ωであっても電流の値が変わりません。受信抵抗250Ωにかかる電圧はそのままです。ここが決定的な差になります。
原因2：ノイズの入り方が電圧と電流で違うことを知らない
工場の盤内外には、インバータの2次側やソレノイド、溶接機など、強い電磁ノイズ源が並んでいます。信号線がこれらと並走すると、電磁誘導でノイズ電圧が乗ります。
このとき、信号回路のインピーダンスが効きます。電圧信号は高インピーダンスで受けるため、誘導した微小なノイズ電流でも大きなノイズ電圧に化けます。電流信号は低インピーダンスのループなので、同じノイズ電流が乗っても電圧としては小さくなり、しかも受信抵抗で電流として読むため影響が薄まります。
さらに厄介なのがアース電位差です。センサが装置側の盤、受信側のPLCが制御盤という配置だと、両者のアース電位は数十mV〜数百mV違うことがあります。電圧信号はアースを基準に電位差を読む方式なので、この差がまるごと誤差として加算されます。電流出力ならループ内の電流を読むため、この影響を受けにくいのです。
原因3：「0」の意味が2つあることに気づいていない
これが最も見落とされ、かつ最も危険な差です。
0〜10V出力のレーザー変位計で、受信側が0Vを読んだとします。この0Vは「測定値が0mm（下限）である」なのか、「信号線が断線した」なのか、区別できません。断線したまま「下限値」として制御が動き続ければ、不良品を流し続けることになります。
4〜20mAは、この曖昧さを設計で消しています。測定範囲の0%を4mAに割り当てているため、0mAは「測定値」としては存在しません。0mA＝異常、と機械的に判定できるのです。この「下限をゼロにしない」考え方はライブゼロと呼ばれ、プロセス制御用のアナログ信号を定めた国際規格 IEC 60381-1（Analogue signals for process control systems, Part 1: Direct current signals）で直流4〜20mAとして規定されています。
異常判定のしきい値についても業界の目安があります。ドイツの計測制御ユーザー団体NAMURの推奨NE43では、3.6mA以下および21mA以上を異常領域として扱うことが示されています。つまり4〜20mAは、正常域と異常域をあらかじめ分けて設計された信号なのです。
なお、電圧出力でも1〜5Vを選べば同じ思想が使えます。1V＝0%なので、0Vは断線と判定できます。「電圧だから断線検知ができない」のではなく、「0Vを正常値に割り当てているから検知できない」だけなのです。
図面に描かれていない配線ルートが、精度を静かに削っています。
レーザー変位計の電流出力と電圧出力の正しい選び分け方
判断軸は3つだけに絞る
ここまでの内容を、現場で使える3つの問いに圧縮します。この3つに答えれば、選定は8割決まります。
- 距離：センサから受信機器まで、実際の配線長は何メートルか（直線距離ではなくダクトを通るルート長）
- 環境：その配線ルートは、インバータ2次側・動力線・溶接機の近くを通るか
- 受信側：受け側の入力レンジは何が選べるか（電圧専用か、電流も受けられるか）
この3つを紙に書き出さないまま型番を決めるのが、失敗する選定の共通点です。逆に3つが埋まれば、次の表で機械的に決まります。
ケース別の選び方早見表
| 条件 | 推奨する出力 | 理由 |
|---|---|---|
| 同一盤内、配線1〜3m、ノイズ源なし | 電圧出力 | 誤差要因が小さく、配線も簡素で済む |
| 装置盤から制御盤へ、10m以上 | 電流出力 | 線路抵抗とアース電位差の影響を切れる |
| インバータや溶接機の近くを通る | 電流出力 | 低インピーダンスで誘導ノイズに強い |
| 断線を検知して安全側に止めたい | 電流出力（または1〜5V） | ライブゼロで異常を判別できる |
| 数kHz級の高速サンプリングや振動測定 | 電圧出力 | 応答が速い機種を選びやすい |
| 受信側が電圧入力しか持っていない | 電圧出力、または電流＋受信抵抗 | 250Ωを入れれば4〜20mAを1〜5Vに変換できる |
| 中継端子台が多く、配線本数を減らしたい | 電流出力（2線式） | 電源と信号を2本で兼用できる |
表の最後から2行目は覚えておくと便利です。4mA×250Ω＝1V、20mA×250Ω＝5Vなので、受信抵抗250Ωを1本入れるだけで4〜20mAを1〜5Vの電圧信号として受けられます。電圧入力しかないPLCでも、電流伝送の利点を活かせるわけです。
迷ったときの原則
それでも判断がつかない場合は、次の順で考えてください。
- 受信側の仕様で選べる形式が1つに絞られるなら、そこで決定します。設計者の好みより機器の制約が優先です。
- 配線が盤をまたぐなら電流出力にします。10mを超えたら電流、が実務的なしきい値です。
- 高速応答が要求仕様に明記されているなら電圧出力を検討し、応答時間をカタログで確認します。
ここまで決めれば、あとは数字で裏を取るだけになります。数字を確認しないまま「たぶん大丈夫」で進めると、立ち上げで必ず跳ね返ってきます。
選定とは、カタログを読む作業ではなく、条件を先に決める作業です。
明日からできる具体アクション：レーザー変位計の出力を決める5ステップ
ステップ1：受信側の仕様書を先に開く
センサのカタログではなく、PLCのアナログ入力ユニットや表示器の仕様書を最初に開きます。確認するのは4項目です。
- 入力レンジ（0〜10V／−10〜10V／0〜5V／1〜5V／0〜20mA／4〜20mA のどれが選べるか）
- 入力抵抗（電圧入力の場合。1MΩ以上が望ましい）
- 受信抵抗の値（電流入力の場合。250Ωが一般的）
- 分解能（何ビット、または何カウントか）
センサから決める人は多いのですが、順番は逆です。受け側は後から変えにくく、センサは後から変えやすい。制約が強い側から決めるのが設計の原則になります。
ステップ2：配線ルートを図面上で拾い、長さを実数で出す
平面図に配線ルートを引き、ダクトの経路に沿って長さを積算します。直線距離で12mでも、ダクトを回すと実配線は28mになることが普通にあります。
長さが出たら、線径から線路抵抗を計算します。0.75mm²なら約25Ω/km、0.5mm²なら約37Ω/kmが目安です。往復分（片道長×2）で計算するのを忘れないでください。
同時に、ルート上にインバータ、電磁弁、溶接機、サーボアンプがないかを確認します。あるなら離隔をとるか、電流出力に切り替えます。私は社内基準として「動力線との離隔300mm以上、やむを得ず交差する場合は直交」を守っています。
ステップ3：電流出力なら許容負荷抵抗を計算する
ここが電流出力を選んだときの必須計算です。センサには「許容負荷抵抗」という上限があります。これを超えると、20mA付近で電流を出しきれなくなります。
許容負荷抵抗の目安は次の式で概算できます。
許容負荷抵抗 ≒ （電源電圧 − センサ内部で必要な電圧）÷ 0.02A
電源24V、センサ内部に12V必要な機種なら、（24 − 12）÷ 0.02 ＝ 600Ω が上限になります。この600Ωに対して、実際にループへ入る抵抗を足し算します。
| 要素 | 抵抗値 |
|---|---|
| PLC側の受信抵抗 | 250Ω |
| 記録計の受信抵抗 | 250Ω |
| 線路抵抗（往復100m、0.75mm²） | 約2.5Ω |
| 端子台・中継コネクタの接触抵抗 | 約1〜3Ω |
| 合計 | 約505Ω |
600Ωに対して505Ω。成立しますが余裕は多くありません。ここに3台目の受信機器を追加すると755Ωで上限を超えます。
この故障が厄介なのは、症状が全域に出ないことです。4mA側は問題なく動くのに、20mA側だけ頭打ちになる。「フルスケール付近だけ値が伸びない」という気づきにくい不具合として現れます。私も後付けで記録計を直列に入れて、この現象に半日悩まされました。
ステップ4：分解能を「µm」に換算して確認する
センサの分解能と、受信側の分解能は別物です。両方を実単位に直して、悪い方に引きずられることを確認します。
測定範囲±10mm（スパン20mm）を例に計算します。
| 受信側の分解能 | 有効分割数 | 実単位での分解能 |
|---|---|---|
| 12ビット（0〜4000カウント） | 4000 | 約5µm |
| 16ビット（0〜32000カウント） | 32000 | 約0.6µm |
| 16ビットで0〜20mAレンジに4〜20mAを入力 | 約25600 | 約0.8µm |
分解能0.5µmのセンサを12ビット入力で受ければ、実際に使える分解能は約5µm。センサ性能の10分の1です。私が判定ばらつきに悩んだ原因の半分は、まさにこれでした。
表の3行目も見落としがちなポイントです。0〜20mAレンジのユニットに4〜20mAを入れると、レンジの下から20%は使いません。有効分割数が8割に減り、分解能もその分だけ粗くなります。可能なら4〜20mA専用レンジを選んでください。
判定のばらつきをどこまで許容できるかは、要求される工程能力から逆算します。合否判定を伴う測定なら、工程能力指数CPKの考え方とセットで見ておくと、必要な分解能が数字で決まります。
ステップ5：異常時の挙動を仕様として決めておく
最後に、断線・センサ異常時に装置をどう動かすかを決めます。ここを決めずに出力形式を選ぶと、せっかくの4〜20mAを活かせません。
- 4〜20mAなら、3.6mA以下・21mA以上を異常域として受信側でしきい値を設定します
- 電圧出力を使うなら、1〜5Vを選ぶか、変位計のアラーム出力（エラー出力）を別線でPLCに取り込みます
- 異常検知時は「前回値を保持」ではなく「装置停止」を基本にします。保持は異常の発見を遅らせます
ここまで決めた内容を選定計算書として1枚にまとめておくと、上司への説明も次の機種選定も一瞬で終わります。
配線で最後に効く3つのコツ
出力形式を正しく選んでも、配線が雑だと台無しになります。私が必ず守っている3点をお伝えします。
- ツイストペアのシールド線を使う：ペアで撚ることで誘導ノイズが打ち消し合います
- シールドは片端1点接地にする：両端で落とすとシールドに循環電流が流れ、かえってノイズ源になります。受信側で1点に落とすのが基本です
- 動力線と同じダクトに通さない：どうしても近接する場合は金属セパレータで仕切ります
なお、高速で変動する変位を測る場合は、アナログ出力の応答時間だけでなく、測定対象の振動そのものを疑う必要があります。センサが正しく速く読めていても、対象が共振していれば値は暴れます。振動対策の基本を押さえておくと、測定値のばらつきをセンサのせいだと誤診しなくなります。
受け側の分解能を確認しない選定は、高性能なセンサをわざわざ鈍らせる行為です。
まとめ：レーザー変位計の電流出力と電圧出力は「経路」で決まる
レーザー変位計の電流出力と電圧出力の違いを、あらためて整理します。
- センサ単体の測定精度は、出力形式では変わりません。変わるのは信号が受信側に届くまでの崩れ方です
- 盤内で完結する短距離・低ノイズなら電圧出力、盤をまたぐ長距離やノイズ環境なら電流出力（4〜20mA）を選びます
- 4〜20mAは0%を4mAに割り当てるライブゼロ方式なので、0mAを断線として判別できます（IEC 60381-1、異常域の目安はNAMUR NE43の3.6mA以下・21mA以上）
- 電流出力を使うときは許容負荷抵抗を必ず計算し、受信抵抗と線路抵抗の合計が上限を超えないことを確認します
- センサの分解能と受信側の分解能を両方µmに換算し、悪い方に引きずられることを確認します
私が1週間を溶かした原因は、センサの選定ミスではありませんでした。配線ルートと受け側の分解能という、図面に描かれていない条件を検討していなかったことです。センサは買えば手に入りますが、経路の設計は誰も代わりにやってくれません。
センサは買えますが、経路の設計は買えません。
出力形式ひとつの選定に、電気の基礎、ノイズの物理、規格の思想、そして工程能力の視点が全部つながっています。こうしたつながりが見えてくると、部品選定は「カタログから選ぶ作業」から「装置の性能を決める設計」に変わります。測定という行為そのものの土台を固めたい方は、精度測定の基礎から見直してみるのもおすすめです。
技術は、一つひとつの「なぜ」を潰していけば必ず身につきます。ただ、独学だと「今の自分がどのレベルにいて、次に何を学ぶべきか」が見えづらいものです。設計者としてのキャリアの進め方や、いま伸ばすべき技術の優先順位に迷っている方は、一度プロに整理してもらうのが最短です。
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出典
- IEC 60381-1: Analogue signals for process control systems — Part 1: Direct current signals（国際電気標準会議）
- NAMUR NE43: Standardisation of the signal level for the failure information of digital transmitters（NAMUR）
