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画像処理に関する記事

画像センサの仕組みを解説!各種メーカの特徴比較や選定方法を紹介


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製造現場では、検査やデータの収集などで、画像センサによる自動化が評価され始めています。本記事では、画像センサについて、簡単な仕組みと選定基準、各種メーカの比較を行っていきます。

もし、外観検査の工程を自動化して、

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1.画像センサとは

カメラで捉えた画像情報をカメラ内部もしくは外部のコントローラで処理を行い、その判定結果を出力するセンサのことです。判定要素は、対象物の面積、長さ、輝度など様々な要素が存在します。

判定したい要素に合わせて、基準値をティーチング(判定基準を教え込む)を行えば、基準をクリアした場合OK信号、オーバーした場合はNG信号といった具合に、結果の出力も可能です。

(1)画像センサの選定基準

画像センサを選ぶにあたって、重要な基準を以下に示します。画像センサの性能がどこで決まっているのかを説明しつつ、6つの重要な基準をまとめました。

①視野

まず重要な点は視野です。

画像センサで判定しなければならないワークの大きさによって、視野の大きさを考慮する必要があります。視野の大きさは、一般的に画素数の大きさで決まります。また、できれば、一度の撮像でワークが全て撮像できるのが理想です。

しかし、視野が狭いカメラの画像センサを使うか、ワークが大きい場合だと一度の画像の撮像でワークが収まらない可能性もあります。その場合は、ワークやカメラを動かすことで何度か撮像をして対応をする事になりますが、タクトタイムも増加してしまうため、注意が必要です。

実際のワークの大きさを予め、考慮しておいて、一番適した視野数を選択する必要があります。

②精度

高精度な検査をしたい場合も、より画素数の大きな画像センサを選択する必要があります。

例えば、一般的な板金やパーツがワークであれば高い精度(画素数)は要求されませんが、半導体製造装置などの精密部品では、より高い画像センサの検出精度が要求されます。こちらも、ワーク選定の段階で、どれくらいの精度を要求されるのか、検討しておくべきでしょう。

③処理速度

視野数や精度を求めて、画素数を上げる選択をすると、処理速度が低下する傾向にあります。面積辺りに詰まっている情報が増える事に加え、視野が増えている事で、情報の総量も多くなっているからです。また、処理速度は、情報を処理するコントローラの性能も要因になります。

ライン全体のタクトバランスを考慮して、適切な処理速度になるような、製品を選定する必要があります。

④設定・保守

画像センサはワークを撮像するだけではなく、特定のデータを吐き出したり、データの判定を行うため、どのような基準に従って、データの判定、処理を行うのか、設定作業(ティーチング)が必要になります。
また、一度設定すればそれでいいということもなく、ワークの状態の変化や、品種の変更などによるチューニングも必要になります。

このような設定を行う上で、内容が複雑で熟練した特定の作業者しか作業を行えないのは、製造現場にとってマイナス要因になり得ます。設定やチューニングの簡易性も考慮した方がいいでしょう。

⑤通信規格

画像センサの用途が単純なIO情報の吐き出しだけであれば問題ないのですが、ワークの面積や長さの情報を数値として吐き出したりする用途を想定する場合は、通信規格をチェックするべきです。
例えば、一部の機器はEthernet/IPに対応していなかったり、独自通信規格を主に想定していたりします。

実装する工場の環境によっては、通信規格が思わぬ落とし穴になり、機能が制限される可能性は否定できませんので、予め検討しておくべきでしょう。

メーカ互換性

画像センサを取り扱っているメーカは、他FA機器も取り扱っている可能性が高いです。その場合は、ある程度メーカを統一した方が、データの規格や保守性で取り扱いがしやすい可能性はあります。参考程度です。

(2)画像センサの用途

単純な用途としては、例えば、製品やワークの検査に対して適用することが可能です。

製品が板金物だとすれば、板金の長さや厚みの公差をティーチングしてやれば、その範囲を満たしていないワークに関してはNG信号で知らせることが可能です。産業用ロボットなどと組み合わせれば、OK信号とNG信号の場合で、別々の工程へ自動でワークを運搬することも可能になります。

また、データをそのまま数値データとして出力する用途なども考えられます。ある一日のワークの判定結果を全て出力しておけば、特定の時間帯はワークの面積が増加傾向にあるなどの傾向を掴むための分析に使うといったことも考えられます。

このように、用途は様々で、前述した検査工程や、他にも流れてきたワークによって段取りを変える作業などに対して、有効利用が可能なFA機器だといえます。

2.主な画像センサのメーカのまとめ

画像センサは比較的ポピュラーな技術のため、様々なメーカが開発、販売を行っています。
それぞれのメーカで特徴や得意分野も違うため、より用途に適したメーカを選ぶのが得策と言えます。
以下、画像センサのメーカについて、主な特徴を紹介していきます。

(1)株式会社キーエンス

キーエンス社はファクトリーオートメーション分野では、あらゆる分野に精通しており、画像センサにおいても、その範疇内です。

キーエンス社の画像センサの最大の特徴としては、単純に読み取り精度が非常に高い事です。元々はQRコードリーダの開発などで培った技術を生かし、高い読み取り精度を実現させています。最新の画像センサシリーズであるCV-XやCV-5000シリーズでは、ワークの光沢や3次元的な歪みを補正し、ワークがどんな状態であっても、安定した読み取り精度を実現できるとしています。

ティーチングに技術を必要としないことに焦点を当てているのも特徴です。
PLCやプログラミング、画像センサに拘った人間でなくとも、ワークとセンサがあるだけで、経験者と遜色ないレベルの「設定」が可能になり、「運用」「保守」も特別な技術が必要ありません。誰でも使える画像センサという意味では、導入のハードルが非常に低いと言えるでしょう。

また、PLCや光電センサなど各種ファクトリーオートメーション機器の販売も行っているため、すでに導入している機器がある場合、通信企画やデータの共通性という意味で、他社製の製品より導入の優先度は高いと言えます。

(2)オムロン株式会社

ファクトリーオートメーション分野の老舗であるオムロン株式会社は、80年以上前からある老舗の大会社です。キーエンスと同じく幅広い分野の機器の販売を行っており、画像センサの販売も行っています。

特徴としては、画像センサのラインナップが非常に多いことです。簡易的な用途でいいならば、カメラと処理装置が一体になったスマートカメラシリーズ、個別にカスタマイズがしたければ、カメラ別のPC VISIONシステムを選択するといった具合に、用途にあったセンサを選択することができます。

オムロン社は画像検査装置などでもトップシェアを誇っており、その実績から画像判定のアルゴリズムや多次元解析やAIなどのソフトウェア分野にも強いと言えます。その他、カメラも自社製なので、保守品に対する安心感や、ソフトウェア部分との連携に関しても安定したフィードバックが期待できます。

また、キーエンス社と同じくPLCや光電センサなど各種ファクトリーオートメーション機器の販売も行っているため、すでに導入している機器がある場合、通信企画やデータの共通性という意味で、他社製の製品より導入の優先度は高いと言えます。

(3)パナソニック株式会社

白物家電やテレビで有名なパナソニック社も画像センサ機器販売を行っています。

知名度は随一で、会社の規模的にも、倒産などによる保守サービスの喪失などは気にしなくて良いところは一つのメリットです。
画像センサの特徴は同社が「コンパクトボディ×高速検査テクノロジー」と謳っている通り、他メーカに比べて、圧倒的な小型ボディと高速検査のためのアルゴリズムは魅力です。

装置のボディが小さいということは、限られたエリアで製造することが求められる工場内では大きなメリットです。特許出願中の「輪郭マッチング 類似候補サーチ機能」を含めた高機能アルゴリズムによる高速検査は他社にないメリットだと言えそうです。

デメリットとしては、画像センサのラインナップは前述した特徴を備えたSVシリーズしかないため、用途に合わせて、機能と価格を調整することがやや難しくなっています。

3.各メーカの比較

各メーカの主な性能がわかったところで、価格や性能などの面からも比較してみたいと思います。
ラインナップに関しては、各社のハイエンド品を型番の例として選択しています。
各メーカの主な設定がわかったところで、価格や性能などの面から比較してみたいと思います。
ラインナップに関しては、各社のハイエンド品を型番の例として選択しています。

(1)価格帯の比較

まずは価格帯に関して、比較してみたいと思います。とは言え、産業機械メーカには定価は合ってないような物で、いわゆるオープン価格での販売となっています。
従って、価格を正確に比較することは困難なため、オークションサイトでの、価格動向をみてざっくりと比較してみます。

画像センサの価格の比較

会社名(シリーズ名) 価格
キーエンス(CV-Xシリーズ) やや高い
オムロン(FHV7シリーズ) 普通
パナソニック(SVシリーズ) 普通

キーエンスがやや高い傾向が見られました。
とはいえ、性能も高いので、納得の値段ではあります。

(2)画素数の比較

前述したとおり、画像センサのカメラの画素数が多ければ多いほど、より正確な処理が可能と言えます。
そこで各社の画素数のラインナップを比較してみました。

会社名(シリーズ名) 価格
キーエンス(CV-Xシリーズ) 31,200,500,2100
オムロン(FHV7シリーズ) 40,160,320,500,630,1200
パナソニック(SVシリーズ) 100,300,500

画素数で比べると、キーエンスは2,100万画素と高い画素性能を持っています。
オムロンは画素ラインナップ数が多く、細かい要望に合わせやすいと思われます。

4.外観検査に関するご相談は画処ラボ

画像センサについて、性能とメーカについてまとめました。
結局のところ、どこまでの機能を求めるかというところで、購入すべき製品は変わってきます。

全てのオプションを実装し、最高機能品を購入すればいいというのは間違いで、用途に合致したスペックの製品を選ぶためにも、画像センサの仕組みをきちんと理解して、選定を行うように心がけるべきです。

日本サポートシステムの運営する「画処ラボ」では、画像処理を用いた外観検査装置の導入に特化してご相談を受け付けています。

センサ・レンズ・処理ソフトまで、実際に各メーカの部品での検査結果を試しながら、最適なシステムの選定・設置を行います。ぜひお気軽にご相談ください。

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