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変位センサ・変位計
レーザー式変位センサとは
レーザを使用した反射型センサの測定原理
レーザ式変位センサの測定原理 [三角測距方式]
三角測量を応用した方式で、発光素子と受光素子の組み合わせで構成されています。
発光素子には、半導体レーザが用いられています。
半導体レーザの光は投光レンズを通し集光され、測定対象物に照射されます。
そして、対象物から拡散反射された光線の一部は受光レンズを通して受光素子上に
スポットを結びます。
その対象物が移動するごとにスポットも移動するので、そのスポットの位置を検出することで
対象物までの変位量を知ることができます。
発光素子には、半導体レーザが用いられています。
半導体レーザの光は投光レンズを通し集光され、測定対象物に照射されます。
そして、対象物から拡散反射された光線の一部は受光レンズを通して受光素子上に
スポットを結びます。
その対象物が移動するごとにスポットも移動するので、そのスポットの位置を検出することで
対象物までの変位量を知ることができます。
表面反射とセンサヘッド構造
対象物体からの表面反射光は、拡散反射成分と正反射成分に分けて考えることができます。
これらの反射光は、対象物体の材質や表面状態によって異なり、鏡面体や光沢のある物体では正反射成分が、そして一般的な表面をもつ物体では拡散反射成分が支配的になります。
そこでキーエンスは、超高精度変位計では対象物体は鏡面体や鏡面に近いことが多いため、正反射成分を受光するセンサ構造にしています。また、一般的な物体を対象とする変位計では拡散反射成分を受光するセンサ構造にして、より長い測定距離が可能となるようにしています。
これらの反射光は、対象物体の材質や表面状態によって異なり、鏡面体や光沢のある物体では正反射成分が、そして一般的な表面をもつ物体では拡散反射成分が支配的になります。
そこでキーエンスは、超高精度変位計では対象物体は鏡面体や鏡面に近いことが多いため、正反射成分を受光するセンサ構造にしています。また、一般的な物体を対象とする変位計では拡散反射成分を受光するセンサ構造にして、より長い測定距離が可能となるようにしています。
センサヘッドの構造
表面状態と反射の様子
センサヘッドの受光部形状
（高精度・長距離タイプ）
（超高精度タイプ）
CCD（CMOS）レーザ変位センサ（LK-G／IL）の測定原理
CCD（CMOS）レーザ変位センサは、三角測距方式を採用したレーザ式変位センサです。受光素子にCCDまたはCMOSを使用していることが特徴です。
CCD（CMOS）方式では、CCD（CMOS）の各画素ごとの光量を検出できます。このため、対象物の表面の影響によって下図のようにスポット内に光量のばらつきが発生した場合でも光量のピークの位置を正確に検出できます。これにより、対象物表面の影響による誤差を大幅におさえることができます。
CCD（CMOS）方式では、CCD（CMOS）の各画素ごとの光量を検出できます。このため、対象物の表面の影響によって下図のようにスポット内に光量のばらつきが発生した場合でも光量のピークの位置を正確に検出できます。これにより、対象物表面の影響による誤差を大幅におさえることができます。
受光素子上のスポット内の光量分布
2次元レーザ変位センサ（LJ-G）の測定原理
2次元レーザ変位センサは三角測距方式を応用した、対象物までの距離と対象物の幅を同時に測定できるセンサです。シリンドリカルレンズにより帯状に広げられたレーザ光が対象物の表面で拡散反射します。その反射光をE3-CMOS上に結像させ、位置・形状の変化を検出することで変位、形状を測定します。
レーザフォーカス変位計（LT）の測定原理
光源から出たレーザ光はハーフミラー、対物レンズを通り対象物上で小さなスポットとなります。
そのレーザ光は反射して再びハーフミラーまで戻り、直角に反射してピンホールの位置で一点に集光されるため、ピンホールを通過し受光素子に到達します。
対象物の距離が変動すると、反射した光はピンホールの位置で集光されずぼやけるため、ほとんどの光はピンホールを通過できず、受光素子にはわずかな光しか到達しないので受光信号として感知できません。
LTシリーズはこの原理を応用し、対物レンズを音叉によって機械的に動かすことにより、レンズのどの位置にあるとき、光がピンホールを通過するかを検出することで対象物までの距離を測定します。
この原理の特長として、光量や反射角度ではなく、その対象物と焦点の合うレンズ位置を検出しているため、色、傾き、粗さはもちろんのこと、ワークへのもぐり込み光の影響も排除できます。
そのレーザ光は反射して再びハーフミラーまで戻り、直角に反射してピンホールの位置で一点に集光されるため、ピンホールを通過し受光素子に到達します。
対象物の距離が変動すると、反射した光はピンホールの位置で集光されずぼやけるため、ほとんどの光はピンホールを通過できず、受光素子にはわずかな光しか到達しないので受光信号として感知できません。
LTシリーズはこの原理を応用し、対物レンズを音叉によって機械的に動かすことにより、レンズのどの位置にあるとき、光がピンホールを通過するかを検出することで対象物までの距離を測定します。
この原理の特長として、光量や反射角度ではなく、その対象物と焦点の合うレンズ位置を検出しているため、色、傾き、粗さはもちろんのこと、ワークへのもぐり込み光の影響も排除できます。
分光干渉レーザ変位計（SI）の測定原理
SLDから出た広波長域の光は、ヘッド内部の参照面で一部反射し透過した光は対象物で
正反射してヘッド内に返ります。
2つの反射光は互いに干渉し、各波長の干渉強度は参照面−対象物間の距離によって定まり、
波長の整数倍のとき極大となります。
干渉光を分光器で波長ごとに分光することにより、波長の光強度分布が得られます。
それを波形解析し、対象物までの距離を算出します。
レーザ式変位センサの上手な使い方
センサヘッドの取付方向
段差のある対象物の変位測定
段差のある物体の変位測定を行なうときは、段差部のエッジの影響を最小限に抑えるため図（a）のように取り付けます。
センサヘッドを壁面に取り付ける場合
壁面からの反射光が受光部に入らないよう図（a）のように取り付けます。また壁面に光沢がある場合にはつや消しの黒色にすると効果的です。
色・材質が極端に異なる物体の変位測定
色・材質が極端に異なる場合には図（a）のように境界線と平行に取り付けると測定誤差を最小限に抑えることができます。
黒色物体の変位測定
対象物が反射率の悪い黒色物体の場合、対象物からの反射光量が少なくなります。
このためS/N比（Signal/Noise）が低下し、分解能が悪化します。
この場合、下図のように取り付けると受光量を多くでき、分解能が良くなります。
このためS/N比（Signal/Noise）が低下し、分解能が悪化します。
この場合、下図のように取り付けると受光量を多くでき、分解能が良くなります。
センサヘッドを左図のように正反射方向に傾けることで受光量が増加します。
センサヘッドを測定範囲内で接近させることで受光量が増加します。穴の中の変位測定
内径の狭い穴の中の物体の変位を測定する場合、投光部からの光と対象物からの反射光が穴の壁面に遮ぎられないように取り付けてください。
偏心測定
回転体の偏心を測定するときは、図（a）の取り付けにすると回転体の上下の振れ、位置ズレの影響を受けにくくなります。
