レーザ変位センサ

レーザー変位センサとは、センサヘッドから発光したレーザー光をもとに、対象物の位置や高さ、厚み、外径、振れなどを非接触で検知できるセンサのことです。製造工程の自動化において、ワークの位置決めや各種の判別・検知などに多く用いられます。レーザー光の受け取り方によって、反射型や透過型といった種類があります。
反射型のレーザー変位センサは、センサヘッドからポイントレーザー光を対象物に当て、内蔵の受光素子で反射光を受けることで、反射光の変化から対象物の位置や高さなどを非接触で検知します。透過型のレーザー変位センサは、発光側と受光側のヘッドで帯状のレーザー光を構成し、そこを通過する対象物がレーザー光を遮ることで透過量の変化を捉えて、非接触で検知します。

レーザ変位センサのメリット1：対象物を選ばない汎用性、設置の自由度

レーザー変位センサは、非接触のため対象物の材質を選ばず、さまざまなワークの検出・判別に対応することができます。設置の自由度が高く、多様なワーク形状・サイズに対して位置決めや高さ、外径、内径の判別など、さまざまなアプリケーションに対応することができます。

レーザ変位センサのメリット2：連続的な非接触測定で、ワークやタクトに影響しない

レーザー変位センサを使った位置判別では、対象物を停止させることなく連続的に検出することができます。生産ラインのタクトタイムに影響することなく、また、非接触で検出するためワークの表面を傷つけたり破損させてしまうこともありません。

レーザ変位センサのメリット3：可視レーザー光で、極小箇所でも設置・検出可能

レーザー変位センサは、ミクロンオーダーの極小スポットに対応するセンサヘッドもあるため、小さなワークの小さな箇所でも検出可能です。検出位置を合わせる際も、赤色レーザータイプであればスポットを見ながら簡単に設置が可能です。

レーザ変位センサの業界別導入事例

自動車部品のボルト浮きとネジ高さ判別

自動車部品の浮きや高さ検査には、カメラ内蔵のレーザー変位センサの導入が有効です。カメラ内蔵レーザ変位センサ IXシリーズなら、234×176mmの視野範囲内なら16箇所まで同時に測定可能です。カメラが対象物を画像で認識し、指定した複数のポイントを追うことで、レーザーがそのポイントの高さや段差を検出することができます。従来は複数台のヘッドが必要だった検出もこれ1台で実現するため、設置スペースが最低限で済みます。また、ライン搬送中にワークが位置ズレしても、検出範囲内であれば、画像上で向きを自動補正することができるため、シビアな位置決めは不要です。

フィルム搬送時のエッジ位置判別

フィルムなど薄い成形品のシワやたるみの原因として、搬送時のワーク蛇行が挙げられます。エッジ位置がズレたままワークを巻取りを続けると、ロールが均一に巻かれていないことで緩みが生じ、ワーク蛇行の原因となります。それにより、不良ロールが発生して、歩留まりが低下します。CCD透過型デジタルレーザセンサ IGシリーズは、搬送中のワークのエッジ位置を連続的かつ高精度に判別します。新開発の光学システムにより、薄膜や透明、メッシュ状のフィルム・シートでも、安定してエッジを判別してモニター可能です。また、判別したフィルムの搬送状態を装置にフィードバックすることにより、エッジ制御も実現できます。

成形品の寸法・外径測定・判別

接触式測定器によるワークの傷や破損を回避する場合、画像センサでの非接触測定が考えられます。しかし、測定目的が、ワークの厚み・幅・高さ・反りなどに限定されている場合、画像センサは目的に対して導入コストが高く運用も煩雑化します。CMOSレーザアプリセンサ ILシリーズは、低コストながらも、ワークの色や材質の影響を受けないレーザー変位センサです。多点の変位を測定することで、ワークの形状や反りの検知や、押出し成形品の厚みや幅の測定が可能です。

Q.

透過型レーザー変位センサの光軸が合っているかどうかは、どのようにして確認できますか？

A.

多くの場合、光軸合わせは距離が長くなるほど難易度が高くなります。また、振動の大きい設置場所では使用に伴って光軸がズレてしまうなどのトラブルが起こり得るため、定期的なチェックが必要です。そこで、キーエンスの透過型レーザ変位センサは、本体のLEDで光軸の状態を可視化することができます。CCD透過型デジタルレーザセンサ IGシリーズは、本体にポジションモニタを、透過型レーザ判別センサ IBシリーズは、本体にアライメントLEDを搭載し、レーザーの光軸の位置をわかりやすく表示します。それにより光軸の状態が一目でわかり、スムーズなセッティングや調整が可能です。

Q.

カメラ内蔵レーザー変位センサは、一度に複数のポイントレーザーを照射するのでしょうか？

A.

いいえ、カメラ内蔵レーザ変位センサ IXシリーズは、従来の複数台のヘッドで複数のレーザー光を同時に照射する場合とは異なる仕組みを持ちます。内蔵カメラ視野内の指定した複数のポイントをワークの真上に1台設置するだけで、複数箇所の高さに対するレーザー照射・受光を1台のヘッドで完結することができます。それを可能としたのが、新開発の「ドライブスキャンシステム」で、下記の手順で複数箇所の高さを検出します。
1.カメラで対象物の特徴から位置を確認し、レーザー照射位置を補正。
2.高精度MEMSミラーで指定した場所にレーザーを照射。
3.反射光をCMOS上に結像させて距離を算出。
これらの処理・制御を高速に行うことによって、ライン上にセンサヘッドを1台設置するだけで、複数箇所の高さを安定して高精度に検出することが可能です。基準面の高さも同時に検出するため、ワークの傾きや位置ズレの影響を受けません。

Q.

反射型レーザー変位センサは、離れた場所に設置してもワークを検出できますか？

A.

CMOSレーザアプリセンサ ILシリーズは、超ロングレンジタイプをラインナップしているため、ワーク表面から最大3500mm離して設置することができます。たとえば、ロール装置の隙間に装置との干渉を避けてシート高さを検出することができます。検出したデータを装置にフィードバックすることによって、シートなどのワーク搬送時のフープ制御も可能になります。また、高温状態の鋼板厚み、熱間鍛造加工品の寸法測定、高温製品をハンドリングするロボットの位置決めなど高温環境でのアプリケーションも実現することができます。

レーザー変位センサにはレーザーの受光方法によって主に反射型と透過型の種類があります。ここでは、それぞれの設置時のポイントについて解説します。

反射型レーザー変位センサ

点で対象物を検出する反射型は、1台または複数台を使ってさまざまなアプリケーションに活用することができます。必要な検出距離や精度、設置場所からセンサヘッドとその台数を選びます。代表的な使い方を紹介するとともに、検出原理として用いられている三角測距法の特徴などを加味したポイントを紹介します。

設置時

基本的には、照射したレーザーの反射を正しく受光できるよう、ワークの真上から垂直にレーザーを照射します。ヘッドの選び方や設置の工夫によっては傾けての設置も可能になります。傾きに強いヘッドを選定することも視野に入れましょう。詳細は、ページ下部で紹介している技術資料のうち、テクニック集「傾けて設置しても検出できるレーザ変位センサ」を参照ください。

ワークの材質や色の差

対象物の表面に材質や色が大きな差がある場合、測定誤差が生じやすくなることがあります。一般に、レーザー光の投光軸と対象物に反射した光の受光軸を結ぶ線が、対象物の境界線と平行になるように取り付けることで測定誤差を抑えることができます。
キーエンスの反射型レーザ変位センサ ILシリーズは、対象物の色や表面状態の変化に対して、自動的にレーザパワーやシャッター時間、受光ゲイン（増幅率）を可変させるため、チューニング不要で安定した検出が可能です。

ワークの溝などの凹部・狭窄部の検知

検知したい箇所の周囲の状況が深い凹部や溝状である場合、三角形を描くレーザーの投光軸・受光軸のいずれかが内壁に遮られると、検知できなくなります。検出ポイントの検討や検出距離が長いヘッドなど設置距離を取り、投光軸と受光軸の角度を小さくするなど、光路を遮らないように設置しましょう。
キーエンスでは、最大3500mmの検出距離に対応する超ロングレンジタイプのヘッドもラインナップしています。

透過型レーザー変位センサ

発光側と受光側で帯状のレーザー光軸を構成し、透過量で通過するワークを検出する透過型は、検出したい内容やワークのサイズ・形状などによってレーザー光の幅が決まります。設置時・使用時のポイントを下記に示します。

設置時

対象物を検知するためには、投光側と受光側の軸合わせが最も重要となります。周囲の機械の振動などによって光軸がズレないよう設置しましょう。また、エラーを避けるためには光軸の定期的なチェックも必要です。
設置や運用を考慮すると、できるだけ光軸の状態を確認しやすいレーザ変位センサを選定することも重要です。キーエンスの透過型レーザ変位センサであれば、本体のLEDで簡単に光軸の状態を確認することができます。設置・段取り替え時の光軸合わせをスムーズに行うことができます。

ワークとの位置関係

棒状や円柱状のワーク外径を検知するときなど、ワーク長さに対して帯状のレーザー光が垂直になるようセッティングしましょう。レーザーの帯の角度が狂っていると検知した外径に誤差が生じます。

センサとは.comは、レーザー変位センサを含む各種レーザーセンサはもちろん、ファイバーセンサ、光電センサ、画像判別センサなど現代のFAに欠かせない、9種類のセンサの原理や特徴、そして用途事例まで幅広く紹介するサイトです。

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• カメラ内蔵レーザー変位センサの概要
• カメラ内蔵レーザー変位センサの特徴
• カメラ内蔵レーザー変位センサの用途事例

判別変位センサの選び方は、幅・厚み・高さ・エッジ・位置決め、内径・外径など、FAのさまざまなシーンで必要とされる検出内容に対して、最適なセンサとアプリケーションを紹介。目的に対して最適なセンサと活用アイディアが見つかるサイトです。

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• 厚み・幅
• 高さ
• 反り
• 傾き・平行度
• 段差
• 外径
• 内径
• ギャップ・隙間
• エッジ
• ストローク
• 位置決め
• 振れ
• 浮き
• 巻き取り残量

• IL/IGシリーズ レーザ変位センサをネットワーク化するメリット

  反射型レーザ変位センサ ILシリーズや透過型レーザ変位センサ IGシリーズの特徴とともに、目的別のネットワーク化事例とメリットをまとめました。巻末には、各種フィールドネットワークや通信機能との対応表を掲載しています。

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• 失敗しない変位測定 反射型レーザ変位センサ 設置編

  反射型レーザ変位センサでの三角測距法の原理と設置での注意点を解説。基準点の考え方、取り付けによる誤差とその計算方法、導入の際に重要となる設置性とコストについてなど、適切な導入・設置・運用をサポートする1冊です。

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• 失敗しない変位測定 Vol.2 反射型レーザ変位センサ編

  人気資料「失敗しない変位センサ」の第2弾では、公差から必要な精度を求める方法やカタログ上のスペックの考え方、反射率が異なるワークによる誤差に対応する方法、安定検出の目安となる要求公差に適合するセンサ精度について解説します。

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• 傾けて設置しても検出できるレーザ変位センサ

  従来のセンサは、ワークに対して垂直に設置するのが常識でした。段取り替えに手間取ったり、スペースの問題で設置が難しい場合がありました。そのような環境で、反射型レーザ変位センサを傾けて設置しても、安定検出を実現するテクニックを1冊にまとめました。

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• 高温環境でも対応可能なレーザ変位センサ

  鋼板の厚み測定や熱間鍛造加工品の寸法測定、原料の加熱・調合タンクのレベル検知、高温製品をハンドリングするロボットの位置決めなど、超ロングレンジタイプの反射型レーザ変位センサを使った高温環境でのアプリケーションや検出テクニックを紹介。

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