レーザー変位計とは
レーザー変位計とは、対象物の位置や距離をレーザーで計測する装置です。
レーザー光を物体表面に照射し、その光が物体の変位を検出して測定します。非接触で高い精度の変位測定を行うことができます。
また、高速検知可能な点も特徴の1つです。レーザービームの照射と光の検出がほぼ同時に行われるため、瞬時に変位を測定することが可能です。高速な動作や振動の解析に適しています。
レーザー変位計の使用用途
レーザー変位計は、非接触かつ高精度の計測が可能なため、さまざまな用途で使用されます。
1. 材料の変形や応力解析
物体に力を加えた際の微小な変位や変形を測定することで、材料の弾性特性や剛性を評価することができます。
2. 建築物や機械など構造物の振動解析
物体の振動周波数や振動モード、共振現象などを測定し、構造物の安定性や耐久性を評価可能です。ナノスケールの研究においても重要な役割を果たしています。
素材やデバイスの振動や変位を測定することで、その性質や動作原理を解析できます。
レーザー変位計の原理
レーザー変位計の測定原理は、三角測量を利用しています。主な部品構成は投光部と受光部で、投光部は投光素子と投光レンズ、受光部はリニアイメージセンサと受光レンズで構成されます。これらの部品を利用して対象物の測量を行い、変位量の検出を高精度で実施します。
まず、投光素子からの光が投光レンズにより集光され、対象物に投影されます。対象物はその光を反射して、受光部の受光レンズを通してリニアイメージセンサに光が届きます。これによって、リニアイメージセンサ上に光のスポットができ、対象物の位置を検知します。
対象物が移動すると、リニアイメージセンサ上の光スポットが移動するため、この移動量を検知して対象物の変位量を検出します。リニアイメージセンサの他に、PSD (Position Sensitive Device) と呼ばれる位置検出素子を利用する場合もあります。
レーザー変位計の種類
レーザー変位計にはさまざまな製品がありますが、寸法測定用、変位測定用、形状測定用が代表的です。
1. 寸法測定用
厚み測定や段差測定、内外径測定など、静止状態での寸法測定を行います。基準面までの距離と測定面までの距離を測定し、その差分を寸法として出力します。
2. 変位測定用
振動する物体の振幅や回転体の振れ測定など、動的測定を実施するレーザー変位計です。一定のサンプリング周期で測定点までの距離を測定し、その最大値と最小値から変位量を求め出力します。
3. 形状測定用
面の平坦度や弯曲面の弯曲度などを測定します。複数箇所の距離を測定し、測定点の座標と測定値から測定範囲の形状を出力します。そのため、多くの場合は駆動機構を有します。
駆動機構にセンサーヘッドを取り付けて使用する場合、固定と比べ剛性が劣るため、振動などの外乱を受けやすくなります。高精度測定ではセンサーヘッドを剛性の高い固定スタンドに取付、測定物を動かす方法が一般的です。
レーザー変位計のその他情報
レーザー変位計の精度
レーザー変位センサーの精度は、センサー特性と外部環境によって変化します。分解能だけでなく、直線性、温度特性、などを全て考慮して精度を算出します。
分解能が±1 μm、直線性が±0.2％F.S (測定範囲20 mm) 、温度特性が±0.08％F.S/℃ (測定温度範囲1℃) とした場合、直線性は20 mm×0.1％＝0.02 mmとなり、温度特性は20 mm×0.08 ％＝0.016 mmとなります。これらを合計した±0.037 mmが測定精度です。したがって、ミクロン単位の測定はできないことになります。
このように、分解能が高くても直線性や温度特性が悪い場合には正確な測定ができません。高精度測定をする場合には、測定範囲が小さく直線性が良いセンサーを使用し、温度変化のない環境で測定する方が好ましいです。
また、測定物の表面状態で測定値が変化する場合もあるため、測定物の状態に合致したセンサーを選択することも必要です。
参考文献
https://www3.panasonic.biz/ac/j/service/tech_support/fasys/tech_guide/measurement/laser/index.jsp
https://www.keyence.co.jp/products/measure/
https://www.keyence.co.jp/ss/products/measure/select/
https://ac-faq.industrial.panasonic.com/jp/faq_detail.html?id=5914