測定原理から機種を絞り込みたい設計者向けに、三角測量型とTOF型の精度特性を比較します。存在検知型と変位測定型の使い分け、レーザ安全クラスの確認手順も整理しました。出力方式とPLC接続の違いから絞り込みをします。
このページの目次
- 三角測量型レーザ変位センサの詳細：受光位置と変位の関係
- TOF（飛行時間法）型レーザセンサ：長距離計測の特長と三角測量型との使い分け
- レーザセンサの検出タイプ比較：存在検知型（透過・反射）vs変位測定型
- レーザ安全クラス（クラス1～4）と産業用途での注意事項
- アナログ出力・デジタル出力の違いとPLC接続方法
- よくある質問（FAQ）
三角測量型レーザ変位センサの詳細：受光位置と変位の関係
三角測量型レーザ変位センサは、対象物へ照射したレーザスポットの反射光を、投光軸に対して一定角度に配置した受光レンズを通して、受光素子（PSDまたはCMOSラインセンサ）で受光します。その受光位置から変位量を算出する方式です。対象物が基準距離より近づくと受光位置は一方向へシフトし、遠ざかると逆方向へシフトします。この受光位置と変位量の関係は三角関数によって規定されるため、センサ基線長が長いほど、また受光角度が大きいほど分解能を高めやすくなります。ただし筐体の大型化や測定レンジの制約、死角の増加とのトレードオフがあります。
ただし、対象物の表面状態（色・光沢・傾き）によって反射強度が変化するため、スペックル誤差や傾斜誤差が生じる場合があります。高精度用途では、光量変化への補正機能や受光波形の演算処理を内蔵した機種を選定します。測定レンジや分解能は機種によって大きく異なり、高精度機ではサブμm分解能の製品もあります。用途・測定距離に応じて製品仕様を確認します。
TOF（飛行時間法）型レーザセンサ：長距離計測の特長と三角測量型との使い分け
TOF（Time of Flight）型レーザセンサは、レーザパルスまたは変調光を照射し、対象物で反射して戻るまでの時間または位相差から距離を算出する方式です。光速（約3×10⁸ m/s）を利用するため、長距離計測に適しており、数m～数十m程（反射板を用いて数百m級の測定レンジを持つ製品あり）の測定レンジを確保できます。物流センター内の大型ワーク検出、屋外設備の監視、クレーン位置管理などに多用されています。
一方、短距離領域では時間分解能の制約から三角測量型に比べて精度が劣る傾向があり、一般的な産業用TOFセンサの分解能・繰返し精度は数mm程度（高精度モデルでサブmm）となります。短距離で高精度な寸法検査や微小な段差測定では三角測量型などを、長距離の位置確認や距離計測ではTOF型を選択するのが基本的な考え方です。
レーザセンサの検出タイプ比較：存在検知型（透過・反射）vs変位測定型
産業用レーザセンサのうち「存在検知型」と「変位測定型」を比較します。存在検知型はワークの有無や通過タイミングをON/OFFで出力する用途に特化し、変位測定型はアナログ出力または高速デジタル通信により連続的な距離・変位データを出力します。
| 項目 | 透過型（存在検知） | 拡散反射・限定反射型（存在検知） | 変位測定型 |
|---|---|---|---|
| 検出原理 | 投受光器間の光軸遮断 | 対象物からの反射光受光 | 三角測量 |
| 出力形式 | デジタル（ON/OFF） | デジタル（ON/OFF） | アナログ／デジタル連続値 |
| 主用途 | ワーク通過検知、カウント | ワーク有無検知、簡易的な位置確認 | 寸法検査、変位監視、プロファイル測定 |
| 対象物の影響 | 小（光軸遮断で検出）。ただし透明体などは影響あり | 表面色・光沢の影響あり | 表面状態・傾きの影響あり |
| 価格帯 | 低～中 | 低～中 | 中～高 |
設計・調達時には、まず「ON/OFF判定で十分か」「連続値が必要か」を確定し、次に対象物の表面特性（鏡面・黒色体・透明体）を考慮して機種選定を行います。透明フィルムの有無検出には透明体検出用の回帰反射型などを、液面の検出・測定には対象液体や容器に対応した専用センサを選定します。
レーザ安全クラス（クラス1～4）と産業用途での注意事項
産業用レーザセンサのレーザ安全クラスはJIS C 6802（IEC 60825-1に対応するレーザ製品の安全基準）に基づき、クラス1、1M、2、2M、3R、3B、4などに分類されます。規格・法令に基づく安全管理が必要です。以下では、産業用途でよく参照される主なクラスを中心に、危険性と注意点を整理します。
| クラス | 眼・皮膚への危険性 | 産業用途での主な用途と注意点 |
|---|---|---|
| クラス1 | 通常使用では低リスク | センサ内蔵・封止型が多い。特別な管理不要だが光学器具で覗き込むと危険が生じる可能性がある製品はクラス1Mに分類される |
| クラス2 | 瞬間的な曝露は低リスク（まばたき反射で防護） | 可視レーザのバーコードスキャナ等。長時間直視禁止の表示が必要 |
| クラス3R | 直接ビームを意図的に見ることは危険 | 長距離変位センサ・整列作業用。ビーム路内への立入制限、必要に応じた保護メガネの使用が必要 |
| クラス3B | 目への直接ビーム内被ばくは、短時間でも通常危険。条件によって皮膚にも注意 | 管理区域の設定、ビーム路内への立入制限、保護眼鏡の使用が必要 |
| クラス4 | 眼・皮膚ともに重大な危険 | レーザ溶接・マーキング装置等。インターロック、立入管理、専任管理者が必須 |
産業用の変位センサ・存在検知センサには、クラス1またはクラス2の製品が多くあります。クラス3R以上の機種を導入する際は、厚生労働省の「レーザー光線による障害の防止対策要綱」などを確認し、クラスに応じた安全対策を実施してください。クラス3B・4では、レーザー管理区域の設定や作業者への安全衛生教育、保護眼鏡などの対策が必要です。また、センサ取付け時には、光軸延長線上（ビーム経路上）に人が立ち入る可能性がないか、鏡面物による予期しない反射がないかを含めて確認してください。
アナログ出力・デジタル出力の違いとPLC接続方法
変位センサの出力方式は大別すると「アナログ出力」と「デジタル出力（通信インターフェース）」の2種類であり、PLCやコントローラとの接続方式・精度・配線コストに差異があります。
| 項目 | アナログ出力（電流／電圧） | デジタル出力（RS-232C／Ethernet／IO-Link等） |
|---|---|---|
| 代表規格 | 4～20mA、0～5V、1～5V、±5V、0～10Vなど | RS-232C、RS-422、EtherCAT、PROFINET、IO-Link |
| PLC接続 | アナログ入力ユニット経由 | 通信ユニット経由またはマスタポートへ直結 |
| 精度・分解能 | センサのアナログ出力特性、PLC側のA/D変換分解能、ノイズなどの影響を受ける | センサ内部の測定値をデジタル値として転送可能 |
| 配線 | シールドケーブル推奨、長距離で電圧降下・ノイズ対策要 | ノイズ影響を受けにくいが、伝送距離は通信方式に依存 |
| 複数台接続 | 1センサ1チャンネル必要 | 方式により、バス接続／マスタ経由で複数台管理可能 |
既存PLC設備への追加導入では、アナログ入力ユニットが空きスロットにあればアナログ出力型が低コストで接続できます。新規ライン構築や多点計測システムではIO-LinkやEtherCATに対応した機種を選定することで、配線工数削減やパラメータ管理の効率化が期待できます。
なお、アナログ出力型を使用する際は、センサのサンプリング周期、アナログ入力ユニットのA/D変換・更新周期、PLCのI/O更新周期およびサイクルタイムを確認し、高速な変位変動を取りこぼさないように設計してください。