FA（工場自動化）の現場で、温度や圧力などのセンサーを選定する時、先輩からこう言われたことはありませんか？「とりあえず4-20mA（電流）を選んでおけ」
新人の心の中は疑問でいっぱいです。「えっ、電圧（1-5Vや0-10V）の方が分かりやすくない？」「テスターで測る時も、電流だと配線を外さないといけないし面倒くさい…」その感覚は間違っていません。確かに「扱いやすさ」だけなら電圧の方が上です。
しかし、それでもなお世界中の工場で「4-20mA」が圧倒的な標準（デファクトスタンダード）として君臨し続けているのには、明確な理由があります。
この記事では、実務経験9年の電気設計者である私が、現場で「電圧信号」を使って地獄を見た失敗談を交えつつ、なぜプロは頑なに「4-20mA」を選ぶのか、その物理的根拠と安全思想を解説します。
これを読めば、あなたはもう「なんとなく」でセンサーを選ぶことはなくなり、自信を持って「ここは4-20mAで行きましょう！」と提案できるようになります。
結論から言うと、4-20mAを選ぶ理由は以下の3つです。
- ノイズに圧倒的に強い
- 100m引っ張っても数値がズレない
- 「断線」を瞬時に見抜ける（最強のメリット）
特に3つ目の「断線検知」の仕組みを知らないと、最悪の場合、断線に気づかず装置が暴走する恐れさえあります。なぜ電圧信号だと「地獄」を見るのか？ その物理的なメカニズムを深掘りしていきましょう。
理由①：ノイズに圧倒的に強い（インピーダンスの魔法）
工場の中は、インバータやモーターから出る「電気的ノイズ」の嵐です。この嵐の中で、「電圧信号」はあまりにも無力です。
電圧信号（0-10V）の弱点
電圧信号を受ける機器（PLCの入力回路）は、「高インピーダンス（抵抗値が高い）」で作られています。
イメージしてください。あなたは「羽毛（電圧信号）」を、強風（ノイズ）が吹き荒れる外で運ぼうとしています。少し風が吹いただけで、羽毛はあっちこっちへ飛ばされますよね？
これと同じで、電圧信号は外部からのノイズの影響をモロに受けやすく、数値がフラフラと安定しません。
電流信号（4-20mA）の強さ
対して、電流信号は「低インピーダンス（抵抗値が低い）」の回路を流れます。
こちらは「鉄球（電流信号）」を運ぶようなものです。多少の風（ノイズ）が吹いても、鉄球はビクともしません。
現場では、動力線（200V）のすぐ近くを信号線が通ることも珍しくありません。そんな過酷な環境でも、「数値を正確に届ける」という任務を遂行できるのは、電圧ではなく電流なのです。
理由②：長距離でも減衰しない（キルヒホッフの法則）
「センサーから制御盤まで100mある」広い工場ではよくあるシチュエーションです。ここで電圧信号を使うと致命的な問題が起きます。
電圧降下（ドロップ）の罠
電線には、わずかですが「抵抗（R）」があります。距離が長くなればなるほど、この電線の抵抗が邪魔をして、電圧（V）はどんどん下がっていきます（V=IR）。
「センサーは10Vを出力しているのに、制御盤に届く頃には9.5Vになっていた」
これでは、正しい温度や圧力が測れません。
電流はどこまで行っても変わらない
一方、電流には「直列回路の電流値はどこでも同じ」という物理法則（キルヒホッフの法則）があります。電線が1mだろうが100mだろうが、途中の抵抗がどうなろうが、流れる電流の量は入口から出口まで一定です。
「距離による誤差（減衰）を考えなくていい」。これは設計者にとって、計り知れないメリットです。
理由③：最大のメリット「断線検知」
私が4-20mAを推す最大の理由がこれです。「ケーブルが切れた時（断線）、それを異常として検知できるか？」
0-10Vの致命的な欠陥
もし「0-10V」のセンサーを使っていて、ケーブルが断線したらどうなるでしょうか？PLCに入ってくる電圧は「0V」になります。
ここで問題です。
「この0Vは、タンクが空（0%）だから0Vなのか？ それとも断線して0Vなのか？」PLCには、この2つの区別がつきません。
もしこれが「冷却水の流量センサー」だったらどうなるでしょう？
「水は流れていない（断線）のに、PLCは『流量0（正常範囲）』と勘違いして、加熱ヒーターをONにし続け、装置がオーバーヒートして爆発」
…なんていう悪夢が起こり得ます。
4-20mAが「4mAスタート」である天才的な理由
4-20mA信号は、「0%（タンクが空）の状態」を「4mA」として出力します。 つまり、正常であれば最低でも必ず4mAは流れているのです。
もしケーブルが断線したら？電流は物理的に流れなくなるので、PLCへの入力は「0mA」になります。
- 4mA: タンクは空（正常）
- 0mA: 断線だ！異常事態発生！（警報発報）
この明確な違いがあるおかげで、PLCのプログラムで「入力が2mAを下回ったら断線エラーを出す」という安全対策（インターロック）を組むことができます。
この「フェイルセーフ（壊れた時に安全側に倒す）」の思想こそが、4-20mAが現場で愛される真の理由です。
【コラム】現場で見かける「その他の信号」の正体
読者の中には、「現場で4-20mA以外も見たことあるぞ？」という鋭い方もいるでしょう。 よくある3つの疑問に答えておきます。
- 「1-5V」なら断線検知できるのでは？
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できます。でも「ノイズ」と「距離」には弱いです。
「1-5V」は、0Vではなく1Vが基準（バイアス）になっているため、0Vになれば断線と分かります。 しかし、本質は「電圧信号」なので、今回解説した「ノイズに弱い」「距離で電圧が下がる」という弱点はそのままです。 あくまで「近距離」かつ「断線検知したい」時の妥協案と考えてください。
- 「0-20mA」という電流信号もあるけど？
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昔の規格です。断線検知ができないので廃れました。
4-20mAが普及する前は使われていましたが、「0mA＝0%」なのか「0mA＝断線」なのか区別がつかないため、計装現場ではほぼ絶滅しました。 もし古い設備で見かけたら、「ああ、断線検知できない化石だな」と思って優しく接してあげてください。
- 「-10V〜+10V」は何に使うの？
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「正転・逆転」がある制御（サーボモータ等）に使います。
温度や圧力はマイナスになることはあっても「方向」はありませんが、モーターの回転速度指令などは「プラスなら正転」「マイナスなら逆転」という指示が必要です。 こういう「方向性」が必要な制御（サーボや油圧バルブ）では、今でも電圧信号（±10V）が現役の主役です。
- 逆に4-20mAの「デメリット」はないの？
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あります。「テスターで測るのが面倒」です。
電圧なら端子に当てるだけで測れますが、電流は「配線を外して割り込ませる」必要があります。運転中に線を抜くと装置が止まるため、メンテナンスの手間は電圧の方が楽です。 また、回路が複雑なぶん、センサーの価格が数百円〜数千円高くなることもあります。 それでも、「ノイズで誤動作して呼び出される手間」に比べれば、安い保険だと思いませんか？
- インバータなど、機器の仕様で「0-10V」しか出ない場合は？
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諦めて「0-10V」で配線するか、変換器を使います。
センサーと違い、インバータのアナログモニタなどは「電圧出力」固定の場合が多いです。この場合は選択権がないので、素直に電圧信号として配線してください。
ただし、ノイズに弱いので「シールド線」の使用は必須です。 もし100m以上引っ張る必要があるなら、インバータの直近に「信号変換器（V/I変換器）」を設置して、無理やり4-20mAに変換してから飛ばすのがプロの解決策です。
※注意： 「抵抗（シャント抵抗）」を入れても、電圧は電流になりません！
抵抗で変換できるのは「電流→電圧」の一方通行だけです。電圧を電流にするには、必ず専用の変換ユニット（電源が必要な機器）が必要です。
まとめ：迷ったら「4-20mA」を選べ
「電圧の方が分かりやすい」という気持ちは分かります。
しかし、現場で求められるのは「分かりやすさ」ではなく、「信頼性」と「安全性」です。
- ノイズに強い（鉄球のようにブレない）
- 距離に強い（100m先でも値が同じ）
- 断線が分かる（0mAと4mAの違い）
この3つのメリットがある限り、あなたが選ぶべきは「4-20mA」一択です。明日からはカタログを見て、自信を持って「電流出力タイプ」を選定してください。
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