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VCSEL レーザ光のおかげで、どなたにもお使い頂ける光学測定となっています

SICK AG の産業用センサーのエキスパートたちは、測定ホイールエンコーダーにより、市場で大きな成功をおさめました。触覚測定用の装置の信頼性は高く、売れ行きも好調です。SICK の製品管理担当シニアバイスプレジデントである Heiko Krebs にとっては、現状維持でも問題なかったはずでした。でも、彼はそれ以上を目指したのです。彼の狙いは、生産設備における速度、位置、長さなどの生産データを、非接触で光学的に記録することにありました。けれどもこれまでのところ、光学プロセスだと、一般的な測定ホイールエンコーダよりもはるかに複雑で高価になっていました。

2012年、Krebs は、もっと安価なレーザセンサーを入手するのに力となってくれるパートナーを探し始めました。TRUMPFは、完全に統合されたレーザセンサーとして VCSEL ダイオードを提示し、 実証済みの測定方法、いわゆる自己混合干渉技術、 略して SMI を提案しました。このアイデアが生まれ、SICK と TRUMPF は共同開発をスタートし、その結果、SICK の SPEETEC センサーが誕生しました。

SICK は、工場からロジスティクス、プロセスオートメーションまで、産業用センサソリューションのスペシャリストです。センサインテリジェンスとアプリケーションソリューションにより、当社は Waldkirch を拠点とするテクノロジーとマーケットのけん引役として、プロセスを安全かつ効率的に制御し、事故から人々を守り、環境汚染を防止するための基盤を構築しています。1946 年に設立された当社は、全世界に50以上の子会社と持ち株会社に加え、多数の代理店を展開しています。

業界

工場、ロジスティック、プロセスオートメーション用のセンサーソリューション

従業員数

10,000

設置場所

Waldkirch (ドイツ)

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TRUMPF 製品
  • ViP (統合されたフォトダイオードつき VCSEL)
アプリケーション
  • 3Dセンサーシステム、非接触型レーザ測定

課題

従来の技術水準は、測定ホイールエンコーダを使用した、生産設備における速度、位置、長さの触覚測定でした。小さなホイールによって通過する商品とコンポーネントが転がり、寸法と速度を計算します。これでもよいのですが、もっとよいやり方があります。従来からの測定ホイールにもデメリットがあります。薄くて敏感な材料だと、ホイールに跡が残ってしまったり、正確に測定するための十分なグリップが得られなくなります。これの代替となるのが光学測定です。ところが、これは値がはります。「非接触型測定にメリットがあっても、購入価格が高いので敬遠してしまいがちです。そういう声がたくさんありましたよ、と Heiko Krebs は語ります。レーザ光で部品をスキャンするセンサソリューションは技術的に複雑で、それに伴うコストも発生します。高いレーザパワーが必要なため、レーザークラス 3 のカテゴリに分類されます。これにより、構造上の安全対策と特別なトレーニングが必要になります。

開発時には私たちが想定していなかったアプリケーションへの要望も多く寄せられます。そのようなお客様も、SPEEDTECを使うことで、以前は適切なセンサー技術がなかった測定問題にも対応できるようになりました。

ハイコ・クレーブス
ハイコ クレーブス SICK AG 製品管理シニアバイスプレジデント

解決策

VCSEL ダイオード とTRUMP FPhotonic Components との共同開発によって飛躍を遂げました。TRUMPF PhotonicComponents のマーケティングおよびセールス担当の VP である Ralph Gudde は、消費者向けデバイス用の完全に統合されたレーザセンサーを備えた小型ダイオードを Heiko Krebs に提案してみました。これでレーザクラス3の問題が解決しました。Gudde によれば「SICK には他にも測定手順を提案しました。VCSEL なら、自己混合干渉(略してSMI)と呼ばれる技術を利用できるからです。これは20年近くにわたって、多くの製品に投入されており定評があります。」このプロセスの仕組みは、以下の通りです。VCSEL が、通過する部品の表面に赤外線レーザービームを照射します。共振器が、レーザ光の反射を捕らえ直し、それを共振器の光と混合させます。それからフォトダイオードが干渉を測定し、システムが周波数の差から移動速度を算出します。波長の変調から方向を割り出します。この要領でレーザセンサーが直接速度と方向を捕捉し、部品の位置と範囲を間接的に捕捉していきます。

 

実行

革新的なアイデアですが、実現するのは簡単ではありません。しかし、共同開発者からの専門知識によって支えられています。TRUMPF と SICK は、共同で SPEETEC センサーを生み出しています。ベースとなっているのは、FPGA の信号品質を迅速かつ超精密に評価するプロセスアルゴリズムです。絶縁ウールのような難易度の高い材料であっても、毎秒 10メートルの物体速度で、4 マイクロメートルの分解能と 0.1 パーセントの測定精度を実現します。「しかもお値段は、既存のものよりも触覚ソリューションにずっと近いものですから」と Krebs 氏は満足しています。

展望

両者とも、自分達の協力の結果だけでなく、そこへいたる道のりをも誇りに思っているのです。Krebs 氏によれば、「使い捨ての消費者市場に焦点をあわせているプロジェクトパートナーと、業界の仕様に焦点をあわせている当社とでは、価値観がまるで異なっていました。いくつかの点では、まず最初に共通の言語、共通の考え方を見出すところからはじめました。TRUMPF Photonic Components の同僚たちのおかげで、自分達のアプローチだと行き詰っていた問題を解消できるようになりました。」さらにGudde 氏によれば、「当時、統合型の産業用センサーが満たす必要のある要件については、ほとんど洞察がありませんでした。業界にどのような市場やニッチが存在するのか、把握できていませんでした。この点で、SICK から学ぶことがありました。」

Krebs 氏は、開発中には考えもしなかったような光学センサーに関する問い合わせがくるようになったのが、特にうれしいと語っています。こうしたお客様でも、これまでは適切なセンサーシステムがなかったような測定課題をSPEETEC でクリアすることができます。」

製品に関する詳細情報

統合されたフォトダイオードつき VCSEL

統合された VCSEL ソリューション ViP では、反射信号を処理できるようにフォトダイオードが直接統合されています。 シングルモード VCSEL は、その光学特性ゆえに、難易度の高いセンサー用途にうってつけです。産業的な環境条件での使用には、密閉された TO ハウジングに VCSEL が組み込まれている製品タイプが適しています。

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