광전 센서에 대한 기술적 설명

OMRON

광전 센서(Photoelectric Sensors)란?

광전 센서는 빛의 다양한 성질을 이용해서 물체의 유무나 표면 상태의 변화 등을 검출하는 센서이다.
광전 센서는 주로 빛을 내는 투광부와 빛을 받는 수광부로 구성됐다. 투광된 빛이 검출 물체에 의해 차단되거나 반사하거나 해서 수광부에 도달하는 양이 변화한다. 수광부는 이 변화를 검출함으로써 전기 신호로 변환해 출력한다. 사용되는 빛으로는 가시광(주로 적색, 색 판별용으로 녹색, 청색)과 적외광이 대부분이다.
광전 센서는 아래 그림과 같이 주로 3종류로 분류된다.

투과형

회귀 반사형

확산 반사형

특징

· 장거리 검출
예를 들어 투광형은 10ｍ 이상을 검출할 수 있으나 다른 검출 수단(자기, 초음파 등)으로는 검출할 수 없다.

· 검출 물체에 적은 제약
검출 물체에 따라 차광이나 반사를 검출 원리로 한다. 그러므로근접 센서와 같이 검출 물체가 금속으로 한정되는 것과는 달리 유리, 플라스틱, 목재, 액체 등 대부분의 물체를 검출할 수 있다.

· 짧은 응답 시간
빛 자체가 고속이다. 또한 센서의 회로가 전부 전자 부품으로 구성됐기 때문에 기계적인 동작 시간을 포함하지 않아 응답 시간은 매우 짧아진다.

· 높은 분해능
고도의 설계 기술로 투광 빔을 작은 스폿으로 하거나 특수한 수광 광학계를 구성해 높은 분해능을 실현할 수 있다. 그 결과 아주 작은 물체의 검출이나 고정밀도의 위치 검출이 가능해진다.

· 비접촉으로 검출 가능
검출 물체에 기계적으로 접촉하지 않고 검출할 수 있으므로 검출 물체도 센서도 손상되지 않는다. 따라서 센서를 오래 사용할 수 있다.

· 색 판별 가능
검출 물체에 따른 빛의 반사율이나 흡수율은 투광된 빛의 파장과 검출 물체의 색 조합에 따라 다르다. 이 성질을 이용해 검출 물체의 색을 검출할 수 있다.

· 간단한 조정
가시광을 투광하는 타입에서는 투광 빔이 눈에 보이기 때문에 검출 물체의 위치를 조정하기 쉽다.

작동 원리

1. 빛의 성질

직진
빛은 공기나 물속을 늘 똑바로 통과한다.
투과형 센서에 외장 슬릿을 써서 미세 물체를 검출하는 예는 이 원리를 응용한 것이다.

굴절
광에 대해 굴절율이 다른 경계면에 입사했을 때, 그 경계면을 통과한 다음 진행 방향이 바뀌는 형상을 말한다.

반사(정반사, 회귀 반사, 확산 반사)

거울이나 유리와 같은 평면상에서 빛은 입사각과 동일한 각도로 반사하는데, 이것을 정반사라고 한다. 3개의 평면을 서로 직교하듯이 조합한 형상을 코너 큐브라고 한다. 코너 큐브를 향해서 투광하면 정반사를 반복해, 최종 반사광은 투광과 마주 보는 방향으로 진행한다. 이와 같은 반사를 회귀 반사라고 한다.

많은 회귀 반사판은 수 밀리미터 각의 코너 큐브를 규칙적으로 배열한 구성이 된다. 또한 백지 등 광택성이 없는 표면에서는 빛이 다양한 방향으로 반사하는데, 이와 같은 반사를 확산 반사라고 한다. 확산 반사형은 이 원리를 검출 방식으로 한 것이다.

편광

빛은 그 진행 방향과 수직인 방향으로 진동하는 파로 표현할 수 있다. 광전 센서의 광원으로는 주로 LED가 쓰인다. LED에서 투광되는 빛은 진행 방향과 수직인 다양한 방향으로 진동하는데, 이 상태의 빛을 무편광이라고 한다. 무편광 빛의 진동 방향을 한 방향으로 제한하는 광학 필터를 편광 필터라고 한다.

즉, LED에서 투광돼 편광 필터를 통과한 빛은 한 방향으로만 진동한다. 이 상태의 빛을 편광(정확하게는 직선 편광)이라고 한다. 어떤 방향(예를 들어 세로 방향)으로 진동하는 편광은 그것과 수직 방향(가로 방향)으로 진동을 제한하는 편광 필터를 통과할 수 없다. 회귀 반사형의 M.S.R 기능이나 투과형의 액세서리인 상호 간섭 방지 필터는 이 원리를 응용한 것이다.

2. 광원

빛의 점등 방법

· 펄스 변조광
대부분의 광전 센서는 펄스 변조광을 채택하고 있으며 일정 주기로 투광을 반복하는 것이 기본이다. 외란광의 영향을 제거하기 쉬우므로 장거리 검출이 가능하다. 상호 간섭 방지 기능 부착 타입에서는 간섭광이나 외란광에 따라서 투광의 주기가 일정 범위 내에서 변화한다.

· 직류광
일정 광량의 빛을 연속해서 투광하므로 마크 센서 등 일부 기종에 채용됐다. 고속 응답성을 얻을 수 있으나 검출 거리가 짧고 외란광에 약한 단점이 있다.

광원색과 종류

3. 삼각 측정

거리 설정형 광전 센서는 주로 삼각 측정을 검출 원리로 한다. 오른쪽 위에 있는 그림은 삼각 측정의 원리를 나타낸 것이다.
투광 소자에서 투광된 빛은 검출 물체상에서 확산 반사된다. 반사광은 수광 렌즈에 의해 위치 검출 소자(빛이 닿는 위치에 따라 신호를 출력하는 반도체 소자)상에 결상된다. 검출 물체가 광학계에 가까운 위치 A에 존재하면 위치 검출 소자의 ａ위치에, 광학계에서 먼 위치 Ｂ에 존재하면 ｂ위치에 반사광이 결상된다. 따라서 위치 검출 소자상의 결상 위치를 측정하면 검출 물체까지의 거리를 측정하는 것이 된다.

분류

1. 검출 방식에 따른 분류

1) 투과형

검출 방식
투광기에서 빛이 수광기로 들어가도록 투광기와 수광기를 마주 보게 설치한다. 검출 물체가 투광기와 수광기의 사이에 들어와서 빛을 차단하면 수광기에 들어가는 빛의 양이 감소한다. 이 감소를 포착해 검출한다.

  또한 검출 방식은 투과형과 마찬가지로 센서의 형상으로서 투수광부를 일체화한 말굽형이라고 하는 종류도 있다.

특징

· 동작의 안정도가 높고 검출 거리가 길다(수 cm~수십 m).
· 검출 물체의 통과 경로가 변해도 검출 위치는 변하지 않는다.
· 검출 물체의 광택, 색, 기울기 등의 영향이 적다.

2) 확산 반사형

검출 방식
투수광기 일체형이다. 빛이 통상 수광부로 돌아가지 않는다. 투광부에서 나온 빛이 검출 물체에 닿으면 검출 물체에서 반사된 빛이 수광부에 들어가 수광량이 증가한다. 그 증가를 포착해 검출한다.

특징

· 검출 거리는 수 cm~수 m이다.
· 설치 조정이 간단하다.
· 검출 물체의 표면 상태(색, 요철)에 의해 빛의 반사 광량이 변해서 검출 안정성이 변한다.

3) 회귀 반사형

검출 방식
투수광기 일체형에서, 통상 투광부에서 나온 빛은 마주 보게 설치된 반사판에 반사돼 수광부에 돌아온다. 검출 물체가 빛을 차단하면 수광부에 들어가는 빛의 양이 감소한다. 이 감소를 포착해 검출한다.

특징

· 검출 거리는 수 cm~수 m이다.
· 배선과 광축 조정이 쉽다(공수가 줄어든다).
· 검출 물체의 색, 기울기 등의 영향이 적다.
· 빛이 검출 물체를 2회 통과하기 때문에 투명체의 검출에 적합하다.
· 검출 물체의 표면이 거울면체인 경우, 표면 반사광의 수광에 의해 검출 물체가 없는 상태와 같아져 검출할 수 없는 경우가 있다. 이 영향은 MSR 기능으로 막을 수 있다.

4) 거리 설정형

검출 방식
센서의 수광 소자로서 2분할 포토다이오드 또는 위치 검출 소자를 쓰고 있다. 검출 물체에 의해 반사된 투광 빔은 수광 소자상에 결상된다. 결상 위치가 검출 물체의 거리에 따라 다르다는 삼각 측거의 원리를 검출 원리로 한다.

아래 그림은 2분할 포토다이오드를 쓴 검출 방식을 나타낸 것이다. 2분할 포토다이오드의 한 쪽(케이스에 가까운 쪽)을 N(Near)측, 다른 쪽을 F(Far)측이라고 한다. 거리를 설정한 위치에 검출 물체가 존재하는 경우, 반사광은 N측과 F측의 중간 지점에서 결상되고, 양측의 포토다이오드가 동일한 광량을 수광한다.

또, 설정 거리보다 센서에 가까운 위치에 검출 물체가 있으면 반사광은 N측에서 결상된다. 반대로 설정 거리보다 먼 위치에 검출 물체가 있으면 반사광은 F측에서 결상된다.
센서는 N측 수광량과 F측 수광량의 차이를 연산해 검출 물체의 위치를 판별한다.

거리 설정형의 특징

· 검출 물체의 표면 상태색의 영향이 적다.
· 배경 물체의 영향을 잘 받지 않는다.

BGS(Background Suppression)와 FGS(Foreground Suppression)

E3Z-LS61/-66/-81/-86에서는 컨베이어상의 물체를 검출하는 경우, BGS와 FGS 2개의 기능 중 한 가지를 선택한다. BGS는 설정 거리보다 멀리 있는 배경(컨베이어)을 검출하는 기능이다. FGS는 설정 거리보다 가까이에 있는 물체와, 수광기로 돌아가는 광량이 정해진 것보다 작은 물체를 검출하지 않는 기능이다. 정확히 말하면 컨베이어만을 검출하는 것이다. 수광기로 돌아가는 광량이 적은 물체는 아래와 같다.

· 검출 물체의 반사율이 매우 낮고 검은 도화지보다 더 검은 물체.
· 반사광이 거의 투광측으로 돌아가는, 거울과 같은 물체.
· 반사 광량은 크지만 임의의 방향으로 퍼지는 요철이 있는 광택면.

세 번째 경우에는 검출 물체의 이동에 따라서 일시로 수광측으로 반사광이 돌아가는 경우가 있다. 그러므로 OFF 딜레이 타이머 등으로 채터링을 막아야 할 때가 있다.

5) 한정 반사형

검출 방식
확산 반사형과 마찬가지로 검출 물체에서 반사광을 수광해 검출한다. 투광기와 수광기를 정반사광만 입광하도록 설치했기 때문에 센서에서 일정 거리(투광 빔과 수광 에어리어가 겹치는 범위)에 있는 검출 물체만 검출하도록 돼 있다. 아래에 있는 그림에서, (A)의 위치에서는 검출 물체를 검출할 수 있지만 (B)의 위치에서는 검출할 수 없다.

특징

· 미묘한 차단을 검출할 수 있다.
· 센서의 거리를 한정해서 범위 내에 검출 물체가 있을 때만 검출한다.
· 검출 물체의 색에 영향을 잘 받지 않는다.
· 검출 물체의 광택, 기울기의 영향을 받기 쉽다.

2. 검출 방식에 따른 선정 포인트

투과형 / 회귀 반사형의 확인 사항

검출 물체
(1) 크기, 형상(세로×가로×높이)
(2) 투명도(불투명체, 반투명체, 투명체
(3) 이동 속도V(m/s 또는 개/분)

센서
(1) 검출 거리(L)
(2) 형상, 크기의 제한
ⓐ 센서
ⓑ 회귀 반사판(회귀 반사형의 경우)
(3) 여러 개를 밀착 설치했는지 여부
ⓐ 대수
ⓑ 설치 피치
ⓒ 갈지자로 설치했는지 여부
(4) 설치 제한(각도가 생기는 지 등)

환경
(1) 주위 온도
(2) 물, 기름, 약품 등의 비산 유무
(3) 기타

확산 반사형, 거리 설정형, 한정 반사형의 확인 사항

검출 물체
(1) 크기, 형상(세로×가로×높이)
(2) 색
(3) 재질(철, SUS, 나무, 종이 등)
(4) 표면 상태(거칠거나 광택이 있는 경우)
(5) 이동 속도V(m/s또는 개/분)

센서
(1) 검출 거리(워크까지의 거리)(L)
(2) 형상, 크기의 제한
(3) 여러 개를 밀착 설치했는지 여부
ⓐ 대수
ⓑ 설치 피치
(4) 설치의 제한(각도가 생기는지 등)

배경
(1) 색
(2) 재질(철, SUS, 나무, 종이 등)
(3) 표면 상태(거칠거나 광택이 있는 경우 등)

환경
(1) 주위 온도
(2) 물, 기름, 약품 등의 비산 유무
(3) 기타

3. 구성에 따른 분류

광전 센서는 통상 투광부, 수광부, 증폭부, 제어부, 전원부로 구성돼 있으며, 이 구성 상태로부터 다음과 같이 분류된다.

1) 앰프 분리형
투광부와 수광부만을 분리해 각각 투광기, 수광기로 한 것(투과형), 또는 일체 투수광기로 한 것(반사형)이다. 그 외의 증폭부, 제어부는 일체 앰프 유닛의 형태를 갖는다.

특징

· 투수광기는 투광 소자, 수광 소자, 광학계만으로 구성돼 소형으로 제작할 수 있다.
· 좁은 장소에 투수광기가 설치돼 떨어진 장소에서 감도 조정을 할 수 있다.
· 투수광기와 앰프 유닛 사이의 신호선이 노이즈의 영향을 받기 쉽다.
· 대표 기종(앰프 유닛): E3C-LDA, E3C

2) 앰프 내장형
전원부 이외를 일체화한 것(투과형은 투광부를 포함하는 투광기와 수광부, 증폭부, 제어부를 포함하는 수광기로 나뉜다). 전원부는 단독으로 전원 유닛 등의 형태를 갖는다.

특징
· 수광부, 증폭부, 제어부가 일체화 돼 있기 때문에 아주 작은 신호의 신호선을 끌어당길 필요가 없으며 노이즈의 영향을 잘 받지 않는다.
· 배선 공수가 앰프 분리형에 비해 적다.
· 일반적으로 앰프 분리형보다 대형이지만, 감도 조정이 없는 타입은 앰프 분리형만큼 작다.
· 대표 기종: E3Z, E3T, E3S-C

3) 전원 내장형
전원부까지 투광기, 수광기를 포함 해 일체화된 것이다.

특징

· 직접 상용 전원에 접속할 수 있으며 또한 수광기에서 직접 용량이 큰 제어 출력을 얻을 수 있다.
· 투광기, 수광기에는 전원 트랜스 등이 포함되기 때문에 다른 형상과 견주어 상당히 크다.
· 대표 기종: E3G, E3JK, E3JM

4) 광화이버형
투광부, 수광부에 광화이버를 접속하도록 한 것이다. 화이버 유닛과 앰프 유닛으로 구성됐으나 전원 내장의 앰프 유닛을 당사에서는 라인업하고 있지 않다.

특징

· 화이버 헤드(끝단부)의 조합으로 투과형과 반사형 모두에서 구성할 수 있다.
· 아주 작은 물체를 검출하는 데 알맞다.
· 화이버 유닛은 노이즈의 영향을 받지 않는다.
· 대표 기종(앰프 유닛): E3X-DA-S, E3X-MDA, E3X-NA

자료 제공: OMRON(www.omron.com)