レーザセンサ位置判別型の概要

一言にセンサといっても、多種多様であり、それぞれに得意・不得意があります。この章では、レーザセンサ位置判別型について詳しく解説します。

レーザセンサ位置判別型とは

投光部から"レーザ"を投光し、受光量ではなく、受光素子上の受光位置や、光が返ってくる時間を検出することで、対象物の位置情報を検出するタイプです。

レーザセンサ位置判別型の原理と主な種類

三角測量方式(三角測定方式・三角測距方式)

三角測量方式の反射型レーザセンサは、投光されたレーザー光が対象物表面で反射して受光素子(CMOS)が受けるまでの光路が三角形を描くことから、三角測定方式や三角測距方式とも呼ばれます。三角測量方式では、レーザセンサと対象物の距離の変化を受光素子の受光位置で検出します。その原理やメリットについて解説します。

三角測量方式の原理

三角測量方式 反射型レーザセンサの例
基準距離のとき
基準距離のとき
距離が近づいたとき
距離が近づいたとき
距離が遠ざかったとき
距離が遠ざかったとき

図のように、対象物に照射され対象物表面で反射したレーザー光は、受光レンズを介して受光素子(CMOS)で結像されます。対象物との距離が変化すると、反射光を受光するときの角度が変わり、受光素子上で結像される位置が変化します。この受光素子上の結像位置の変化量から対象物との距離の変化(移動量)を算出します。これにより対象物の位置を判別することができます。

三角測量方式のメリット

色や背景の影響を受けにくい
一般的な受光量判別型と異なり、ワーク表面で反射したレーザー光で距離を判別するため、ワークや背景の色や材質の影響を最小限に抑えることができます。たとえば、ワークと背景が同色であっても安定した位置判別が可能です。
対象物に合ったスポットサイズが選べる
対象物や検出箇所が微小な場合には径が小さいスポット光を用い、表面が粗く乱反射する場合にはワイドに広がったスポット光を用いることで安定検出が可能です。また、スポット径や感度を簡単に調整できるレーザセンサもあります。キーエンスではさまざまなニーズに応える三角測量方式のレーザセンサを取り揃えています。

TOF方式(時間計測式)

TOFは、Time of Flight(飛行時間)の略で、文字通り光の飛行時間を用いる方式です。TOF方式の反射型レーザセンサは、パルス投光したレーザー光が対象物表面で反射して返ってくるまでの時間を基に距離を測定することができます。その原理やメリットについて解説します。

TOF方式の原理

TOF方式 反射型レーザセンサの例
基準距離のとき
基準距離のとき
A
投光パルス
B
受光パルス
T
時間差
Y
検出体までの距離

TOF方式では図のように、パルス投光したレーザー光が対象物表面で反射して受光するまでの時間(=投光パルスと受光パルスの遅れ時間)を「T」とし、光の速さ「C(=約30万km/秒)」と掛けることで、センサと対象物の往復距離(2Y)を求めることができます。その算出イメージを下記に示します。
2Y(往復距離)=C(光の速さ)×T(反射光を受光するまでの時間)
センサと対象物の片道分の距離「Y」は、この式で得られる往復距離の1/2ということになります。
たとえば、投光パルスと受光パルスの遅れ時間が20ナノ秒だった場合、
20ナノ(0.00000002)秒×約30万km=往復距離約6m
つまり、センサから対象物までの片道距離は、約6m÷2=約3mであることがわかります。

TOF方式のメリット

設置の自由度が高い
長距離検出が可能なため、ワークから離れた場所にセンサを設置することができます。それにより、作業者の動線やロボットの軌道を妨げることなく自由度の高い設置が可能です。また、広いスペースで複数台設置することにより、自動車の車体へのアッセンブル時やロール基材のセット時などの大型ワークを多方向から位置決めすることができます。
さまざまな距離・表面状態・設置条件に対応
キーエンスのTOFレーザセンサは、0.06~5mのワイドレンジ検出に加え、専用カスタムICは約8GHzの高速サンプリングによる大量のデータを平均化処理します。それにより、受光量が不足しがちな対象物の色・素材や設置条件でも安定検出が可能です。

CCD 透過型

CCD 透過型
(IG シリーズ)

投光側からレーザを発信し、受光素子CCDで受光。CCDによってどの地点が遮光されたかが明確にわかり、対象物の通過位置や外径計測が可能です。

高精度CMOS 反射型

高精度CMOS 反射型
(IL/IAシリーズ)

反射光を受光素子CMOSで受光し、三角測量(三角測定・三角測距)の原理で検出。アナログ出力で位置情報を出力することなどが可能です。

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