機器選定 #08：距離・寸法測定 — レーザ、アナログ超音波、LVDT?
非接触測定が必要な場合、小さなスポットを捉える場合、傷や変形しやすい部品を検査する場合はレーザ変位センサを選びます。透明、変色する表面、液体など光にとって難しい対象で、必要な分解能がモデルに合うならアナログ超音波を選びます。プローブが部品に触れてよく、形状がプローブの取付を許し、狭い位置や安定した表面で測定する必要があるならLVDT・接触センサを選びます。カタログを比べる前に、測る量、範囲、必要な繰り返し精度、対象の材質・表面、データが機械へ入る方法を確定します。
三つの選択肢はいずれもアナログ信号を返し得ますが、アナログだからといって同じではありません。レーザは光で測り、超音波は音波の時間に基づき、LVDT・プローブは触れる先端の機械的変位を取ります。表面の性質、振動、速度、測定力、取付隙間が、カタログの最初の列に載る分解能の数値よりはるかに、適した選択肢を決めます。
早見比較
| 項目 | レーザ変位 | アナログ超音波 | LVDT・接触センサ |
|---|
| 原理 | 光学、モデルにより三角測量/ToF/共焦点 | 反射音波、飛行時間測定 | プローブが部品に触れる。LVDTはコア・機構の変位を測る |
| 部品との接触 | なし | なし | あり |
| 適する用途 | 小スポット、薄・軟部品、高速運動、モデルによる寸法・高さ検査 | 透明対象、液体、光学が苦手な変色・変化表面 | 硬い表面、狭いスポット、内径、光学的に見にくい位置 |
| 目立つリスク | 角度、光沢、反射率、光・光路、対象表面 | 不感帯、音の反射角、気流・温度、吸音材 | 先端摩耗、測定力、摩擦・スピンドル、表面への跡 |
| 確定すべきデータ | 範囲、基準距離、スポット、繰り返し・直線精度、出力 | 範囲、不感帯、表面・環境条件、出力 | ストローク、測定力、先端、取付方向、繰り返し精度、出力・コントローラ |
| 避けるとき | 表面・形状がモデルの光学能力を超える、清浄な光路を保てないとき | 分解能・速度がモデルを超える、対象が音を吸収・偏向するとき | 部品が軟らかく傷つきやすい、接触速度・頻度が摩耗を招くとき |
正しい問題設定：距離、位置、寸法のどれを測るか
「mm」を見るセンサは、まったく異なる目的に使われ得ます。
- 距離・高さ： センサヘッドからワーク表面まで。例えば、異常に高いワークの確認。
- 変位・位置： スライドの移動、機構のたわみ、振れ回り、たわみ。
- 寸法： 厚さ、直径、幅、段差。多くの寸法測定は、二つのプローブ、基準治具、または変換機構を要する。単一のセンサでは絶対寸法にはならない。
- レベル検出： 液体・バルク材料がある高さに達すること。連続値ではなくしきい値だけでよいこともある。
この定義が取付と校正を決めます。例えば板厚を測る場合、上面を見るレーザはセンサまでの距離を与えるため、厚さの結果は機械的基準・下面が制御されている場合にのみ正しいです。板の面がコンベア上で高さを変えるなら、対向する二つのプローブや別の基準が必要になり得ます。目的が有無の判定なら、複雑なアナログ測定系よりしきい値センサのほうが合うことがあります。
カタログを読む前に確定すべき六つのパラメータ
1. 範囲と作動点
センサ取付位置に対する実際の表面の最小・最大距離を、治具公差、振動、レシピ変更、取付ばらつきを含めて記録します。レーザでは基準距離と測定範囲は具体的なモデルに属します。LVDTでは、ストロークとプローブの予圧・機械的領域が移動量に合う必要があります。センサが部品から300 mm離れて取り付けられる場合や、サイズ変更で部品が測定域を離れ得る場合に、「0〜100 mmを測る」とだけ書かないこと。
2. 精度、直線性、分解能、繰り返し精度
これらは四つの異なる語です。分解能は系が表せる小さな変化の刻みについて、繰り返し精度は同様の条件で結果がどれだけ一貫して繰り返すかについて、直線性・精度は範囲全体での真値からの偏差に関わります。品質要求は、確認すべき特性の公差を示し、その後、誤差配分をセンサ、治具、基準、振動、温度、アルゴリズムに割り当てる必要があります。カタログの一つの列に小さいµmの数値があるだけで選ばないこと。
KEYENCEは、望む精度、対象の材質・特性、形状、環境条件、設置費用によって変位センサの選定を導きます。この指針は設計の実際に合います。基準面、治具、振動絶縁が定義されていなければ、良いセンサでも信頼できる測定はできません。
3. 表面、材質、視野角
色、光沢、透明度、粗さ、曲率、表面角は、光学的な結果を変え得ます。軟らかい・膜状の部品はプローブが触れると変形し得ます。多孔質の物体は音を吸収し得ます。傾いた表面は、反射信号を、モデルが期待するようには超音波・レーザヘッドへ戻さないことがあります。最もきれいな基準板ではなく、最悪のサンプルを試験に取ります。
4. 速度と測定サイクル
高速で動く部品、滞留時間の短いステーション、振動する物体は、事象を捉えられるサンプルレート・応答時間を要します。高速は接触プローブも摩耗させ、跳ねたり表面に追従できなかったりします。「応答時間」を、フィルタ、出力更新、コントローラのサンプリング方法とともに読みます。PLCのスキャンが事象より遅ければ、速いセンサでもデータは救えません。
5. 環境と取付空間
粉塵、油、水、蒸気、熱、振動、外光、気流、引き回すケーブルは、三種類に異なる形で影響します。レーザのレンズ面は清浄に保つ必要があります。超音波は音の伝送条件に影響され、不感帯があります。LVDT・プローブは機械的な妨げを避け、正確なモデルの耐油・耐水性を確認する必要があります。取付経路と保守経路も考慮します。ステーション全体を分解せずに、プローブを外し、ゼロを調整し、清掃できるか。
6. 出力、コントローラ、データ取得の瞬間
アナログセンサはモデルにより異なる電圧・電流を出力し得ます。LVDTは、使える信号になる前に専用のコンディショナ・コントローラを要することがあります。アナログ入力、信号範囲、入力分解能、コモン・シールド、サンプルレート、スケール、フィルタ、測定トリガ条件を明確に示します。製品ごとの寸法測定は、いつ値を読むかを知る必要があります。エンコーダ、センサトリガ、時間ウィンドウのいずれかです。サイクル内の任意のスキャンを読むと、遷移域を誤って取りやすいです。
レーザセンサ：非接触測定と小スポットを優先
レーザ変位センサは、系列により異なる光学原理を使います。例えば三角測量、飛行時間、共焦点です。したがって購買依頼の「レーザ」という語だけでは不十分です。必要な範囲、表面、対象、速度、精度に対して、正しい原理とモデルを選ぶ必要があります。KEYENCEは、レーザ三角測量が反射角から距離を推定する一方、共焦点・ToF系は別の原理を使うと明記しています。一方の種類の仕様を他方に当てはめないこと。
レーザは次のとき最初の選択になることが多いです。
- 部品が軟らかい、膜状、仕上げ面、あるいはプローブで触れるべきでない高温の物体。
- 小スポットを捉え、明確な形状の部品で縁、段、高さ、反り、位置を検査する必要がある。
- モデルの仕様に従う高いサンプルレートが必要。
- 光路を配置でき、迷光を遮り、保守でレンズを清掃できる。
光沢、透明、傾いた表面に注意
レーザビームは「すべてを同じに見る」わけではありません。光沢面は別の方向へ反射し得ます。色・反射率の変化は受光強度を変えます。ガラス・膜は複数の面からの反射を与えます。曲がった・傾いた表面は反射点とスポットを変えます。一部のモデル・アルゴリズムはこれらの対象をよりよく扱うよう設計されていますが、実サンプルで試験し、モデルの技術的限界を読む必要があります。
現場では、ブラケットの振動も確認します。非常に小さい高さを測るセンサでも、強く振動するモータ・弁と共通のブラケット上では、自らの振動も測ってしまいます。センサを剛な構造に置き、ケーブルの引張緩和を確認し、検収時に基準アーティファクトを使います。フィルタは、振動スペクトルと必要な応答時間を知ってから使います。
基準と校正方法の選択
レーザはセンサまでの距離を返すため、絶対寸法にはトレーサブルな機械的基準・ゼロ点が必要です。ゼロの設定方法、確認に使う標準、確認頻度、担当者を記録します。機械が製品を変えるなら、レシピは設定値・範囲・しきい値を対応する治具とともに保存する必要があります。オペレータがHMI上で限界なく目で調整させないこと。
アナログ超音波：光が信頼できるデータでないとき
超音波センサは音波を発し、反射信号から距離を計算します。光学のように色や透明度に依存しないため、レーザ・光電が苦労する一部の対象に適します。液体、透明な物体、変色する対象、音の反射原理でレベルを測る表面などです。アナログ版は連続値を与え、センサが対応する範囲でレベル・位置を測るのに有用です。
次のときにアナログ超音波を選びます。
- 対象と表面条件が、安定した音の反射について試験されている。
- 「アナログ出力がある」だけでなく、モデルの範囲・繰り返し精度・応答時間が要求を満たす。
- センサ前面に不感帯を残せ、測定ビームを他の物体が通過しない。
- 強風、高温・低温の気流、泡、蒸気、吸音材が、プロセス条件で評価されている。
不感帯は機械レイアウトの一部
センサ面の直前の領域は、信頼できる測定を許さないことがあります。最も低い・高い表面がその領域に入ると、系はデータを失うか、予測できず状態を変えます。コーン・検出領域と、そこを通り得るすべての物体を描きます。槽壁、補強リブ、グリッパ、フレキシブルチューブ、設定時のオペレータを含みます。
液体・バルク材料の測定は表面の考慮が必要
液面は波立ち、泡立ち、ポンプが動くと変化し得ます。粒・粉はコーンを作り、音を吸収し、槽内で動き得ます。センサとフィルタの配置は、プロセスの動作方法に基づく必要があります。瞬時のレベル、平均のレベル、満・空のしきい値だけ、のどれが必要か。表面が変動しているとき、一つのアナログ値を標準の液面と決めてかからないこと。
気温と気流
音速は環境条件に依存するため、温度・気流はモデルの設計・補償に応じて測定に影響し得ます。センサが炉、強力なファン、高温の気流の近くに取り付けられるなら、補償の資料を確認し、運転温度で試験します。空調室での校正結果を唯一の証拠として持ち出さないこと。
LVDT・接触センサ：接触力と引き換えに難しい測定点を得る
LVDTは差動変圧器（linear variable differential transformer）で、機構内の電磁的変化により変位を測る方法です。工業製品では通常、部品に触れる先端を持つ接触センサ・プローブとして現れます。KEYENCEは、LVDT・接触距離センサが狭い空間に適し、複数のヘッドを近接して置け、内径のように光学的に届きにくい位置を測れると述べています。それは、部品が硬く、治具が安定に保持し、測定が決まった点に触れる必要があるときの実際の利点です。
次のときにLVDT・プローブを選びます。
- 表面に触れてよく、プローブの力が結果を偽らず跡も残さない。
- 形状・空間がレーザに測定点を見せない、または複数のプローブを近接して置く必要がある。
- 適切な先端・治具で、内径、振れ回り、高さ、たわみ、ストロークを測る必要がある。
- スピンドル・先端の機構を清浄に保て、摩耗・繰り返し精度の点検計画を受け入れられる。
測定力と接触方向が部品を変え得る
軟らかい物体、薄い板、膜、ゴム、被覆面、治具が不十分な部品は、プローブに押しのけられ得ます。そのとき読み値は、寸法だけでなく、部品と治具の総変形を反映します。測定図面に従って先端、予圧、取付方向、支持点を選びます。合否基準をPLCに入れる前に、マスタと公差ぎりぎりの部品で試験します。
機械寿命を管理する
接触センサには摺動面と先端があります。測定頻度、粉塵・切り屑、油、横荷重、部品進入時の衝撃は、いずれも耐久性に影響します。一部の系列は規定条件下で非常に高い寿命仕様を持ちますが、その数値を別のレイアウトに移すことはできません。部品用のガード・ガイドを設計し、鋭い縁での接触を避け、保守でゼロ・繰り返し精度の点検手順を持ちます。
コンディショナと出力
LVDTヘッドは、コイルを励磁し、復調し、データを出力するために、互換のコントローラ・コンディショナを要することがあります。要求が「LVDTアナログ」を示すとき、BOMはヘッド、ケーブル、コントローラ、入力モジュール、必要ならライセンス・通信を分ける必要があります。信号範囲、分解能、応答、ケーブル・ヘッド断線時の警報、連鎖全体の校正方法を確認します。
四つの典型的な状況で選ぶ
硬い部品のボトルキャップの高さや段の検査
非接触測定、高いライン速度、試験済みの表面・光沢が必要なとき、レーザが適し得ます。剛な治具を持つ滞留ステーションでは、触れる先端を正確な点に置き、光学反射の影響を避ける必要があるとき、LVDTも良いことがあります。センサヘッドの価格ではなく、実サンプル、速度、誤差配分で選びます。
透明な壁の槽内の水・接着剤のレベル測定
アナログ超音波は、透明度・色に依存しないため試す価値のある候補です。不感帯、泡、波立つ面、温度・気流、槽の蓋へのセンサの置き方を確認します。接着剤が蒸気を出したりセンサ面に付着したりするなら、清掃性、保護、条件がデータシートを超える場合の別原理を検討する必要があります。
膜や軟らかい板の厚さの検査
測定力が物体を変形させるなら、接触プローブを避けます。レーザや適切な非接触法は、厚さをコンベア位置の変動から分けるために、二つのプローブ・基準治具を要することがあります。重要なのは、精度の高いセンサを一つ選ぶことではなく、完全な測定系を設計することです。
内径・隠れた点の測定
レーザビームが視線を持てない位置に小さなヘッドが入るとき、LVDT・接触プローブが有利です。プローブが測定方向に沿って進み、横荷重を避けるよう治具と先端を設計します。マスタでゼロを設定し、シフト開始時に繰り返し精度を点検します。
アナログをPLCへ統合する：測定はセンサヘッドで終わらない
三種類すべてで、PLC・HMIへの経路を明確に指定する必要があります。
- データシートに従い、正しいアナログ入力（電圧・電流または専用コントローラ）を選ぶ。
- センサとモジュールのマニュアルに従い、導線、シールド、接地・コモンを接続し、推奨されないとき動力ケーブルと平行に配線しない。
- 正確なセンサ部品の範囲・信号に従って生値をスケールし、コード・HMIで一貫した単位を使う。
- いつサンプルするかを定義する。トリガ、エンコーダ、機械サイクル、部品が静止した瞬間。
- プロセス要求に従ってフィルタ・平均を行い、同時に、速い応答が必要な故障を検出する能力を保つ。
- 適切な標準でゼロ・スパン・繰り返し精度を点検し、検収結果と警報しきい値を記録する。
治具、対象、センサ、I/O、スケール、読み取り瞬間の連鎖全体を確認する前に、合否しきい値をプログラムに入れないこと。まれだが非常に手間のかかる誤りは、HMIでは正しいスケールなのに、PLCロジックが生カウントや別の単位を使うことです。変数・関数に単位を付けて命名すると、この誤りを避けられます。
よくある失敗
- 基準面が変化するのに、単一のレーザで厚さを結論する。 適切な基準や二つのプローブを設計する。
- 繰り返し精度、精度、治具を考えずに分解能で選ぶ。 実際の合否基準に対して誤差配分を書く。
- センサ面の近くを測るように超音波を取り付ける。 不感帯を残し、あらゆる表面位置を試す。
- 軟らかい物体・膜にプローブを使う。 接触力が、測る対象そのものを変え得る。
- 振動・弱いブラケットを覆い隠すためにフィルタを設定する。 まず機械を直し、レイアウトを確認する。
- アナログを正しく配線しても誤った範囲でスケールする。 モデル、I/O設定、基準測定に従って範囲・出力を確認する。
- レンズ、先端、マスタ校正の保守を無視する。 これは測定系の運用設計の一部。
手早い選定チェックリスト
- [ ] 距離、位置、厚さ、または明確な基準・治具を持つ寸法のどれを測る必要があるか。
- [ ] 範囲、基準距離・ストローク、治具公差は実際の範囲を覆うか。
- [ ] 要求は精度、直線性、分解能、繰り返し精度を区別しているか。
- [ ] 対象表面は光沢、透明、傾き、軟らか、多孔、レシピで変化のいずれか。
- [ ] 速度・サンプリング・トリガは、サイクル内の正確な測定瞬間を捉えるか。
- [ ] レーザは清浄な光路を、超音波は不感帯を、LVDTは適切な力・先端・取付方向を持つか。
- [ ] センサ、コントローラ・コンディショナ、アナログI/O、スケールは互換の連鎖か。
- [ ] しきい値を確定する前に、最悪サンプル、実際の振動・熱・環境、マスタ校正を試験したか。
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参考
機器選定シリーズの続き
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