はじめに
超音波とは、周波数が20kHzを超える音波を指し、人間の耳には聞こえません。超音波を利用して物体の位置、距離、速度などを検出するデバイスを超音波センサと呼びます。超音波の時間差や周波数シフトを測定することで、対象物の距離や位置、移動速度を算出することができます。
超音波センサは、センサと物体の間の距離を正確に測定できるため、自動化、距離計、および物体の位置決めなどに広く使用されています。ドップラー効果を利用することで、移動体の速度を測定することができ、交通監視や動き検出に役立ちます。さらに、貯水池、タンク、および化学物質容器の液面レベルの監視にも使用されており、幅広い産業分野で役立っています。
超音波センサの種類
超音波センサは、検出モード、構造、材料、および動作環境によって分類されます。
検出モードに基づいては、トランシーバ型、セパレート（分離）型、バイスタティック型、デュアルステート型、ドップラー型などに分類されます。
構造的には、防水型、高周波型、あるいはオープン型に分類されます。
材料別では、圧電型と磁歪型に分類されます。
使用環境に基づいては、気体用と液体用に分類されます。
1. トランシーバ型超音波センサ
トランシーバ型超音波センサは、産業用、自動車用、ロボット用など、さまざまな用途で不可欠なコンポーネントです。その名の通り、超音波の送信機と受信機の両方の機能を備えています。この2つの機能により、物体の検知、距離の測定、および検知範囲内の物体の有無の監視が可能です。
トランシーバ型では、送信ユニットが電気信号を高周波の超音波（通常20kHz以上）に変換し、外部に放射します。超音波は空気中を（秒速約340メートルの速度で）伝わり、物体に当たるとその反射波が戻ってきます。受信機は反射波を捉え、それを再び電気信号に変換します。 発射から受信までの時間を測定することで、「飛行時間」（TOF）法により対象物までの距離が計算されます。
距離を計算する際に使用される方程式は次のとおりです。
距離 = （時間 × 音速）/2
2で割るのは、測定時間が超音波信号の往復移動の時間だからです。
利点
- 送受信を一体化したことで、これらのセンサはコンパクトで設置が容易です。
- 自動車、製造、および環境モニタリングなど、さまざまな業界における幅広い用途に適しています。
制約
- 温度、気圧、および湿度などの要因は測定の精度に影響を与える可能性があり、補正が必要になる場合もあります。
用途
- これらのセンサは、構造がシンプルで精度が高く、さまざまな用途に柔軟に対応できることから、産業オートメーション、ロボット工学、および物体検出の分野で広く使用されています。
2. 送信機/受信機分離型超音波センサ
送信機/受信機分離型超音波センサシステムは、超音波を発する部品と、超音波を受信する部品という2つの別々の部品を使用します。送信ユニットと受信ユニットを一体化してサイズと設置の容易さを向上させたトランシーバ型とは異なり、送信機/受信機のペアは通常、個別の設置が必要な2つの別々のユニットで構成されています。分離型設計により、より広い測定範囲と高い感度を実現しています。
利点
- 送信部と受信部を分離した設計により、干渉を低減し、測定性能を向上させることができます。
- 送信機/受信機分離型超音波センサは、より広い測定範囲と高い感度を必要とする長距離用途に最適です。
- 専用受信機は、反射して戻ってくる超音波に対してより敏感であるため、特に遠距離にある物体や小さな物体に対して、精度と信頼性が向上します。
制約
- スペースが限られたコンパクトな環境では、一体型のトランシーバ型センサと比較して、別々にセンサを設置することが難しい場合があります。
- 高価です。
用途
- 長距離の検出や精密な測定に最適なこれらのセンサは、環境モニタリング、産業用計測、および安全システムの用途で使用されています。
3. ドップラー型超音波センサ
ドップラー型超音波センサは、ドップラー効果を利用して物体の速度と動きを測定します。一般的な超音波センサが距離や物体の存在を検出することに重点を置いているのに対し、ドップラー型超音波センサは、センサに対する物体の動きによって生じる周波数の変化を分析します。この周波数の変化はドップラーシフトとして知られており、物体の速度と方向に関する情報を提供します。
ドップラー型超音波センサの送信機は、通常20kHzから10MHzの周波数帯域の超音波ビームを発射します。これらの超音波が移動物体に当たると反射して戻ってきます。
ドップラー効果により、反射波の周波数は対象物の移動方向と速度に応じて変化します。対象物がセンサに向かって移動している場合、反射波の周波数は増加します（周波数シフトが上向き）。物体がセンサから離れる方向に動いている場合、周波数は減少します（周波数シフトが下向き）。受信機は反射波を捉え、電気信号に変換します。次に、センサが受信信号を分析し、反射波の周波数シフトを計算します。
ドップラーシフトは次の式によって表されます。
Δf = (2 ⋅ f0 ⋅ v) / c
ここにおいて、
- Δf = ドップラー周波数シフト
- f0 = 発射された超音波の周波数
- v = 対象物の速度
- c = 媒体（通常は空気）中の音速
周波数の変化量（ドップラーシフト）を測定することで、対象物の移動速度を算出することができます。
利点
- ドップラーセンサは動きに非常に敏感であるため、わずかな動きも検出することができます。
- ドップラー効果により、これらのセンサは正確な速度測定が可能となり、交通規制、ロボット工学、産業オートメーションなどの用途における速度監視に役立ちます。
制約
- ドップラー型超音波センサの有効範囲は、他のタイプの動き検出センサと比較すると、短い場合が多いです。その有効範囲は、送信される超音波のパワーと、対象物のサイズおよび反射率の影響を受けます。
用途
- これらのセンサは、速度と動きの測定に優れており、非接触かつリアルタイムのデータ処理機能により、交通監視、医療診断、産業オートメーション、およびセキュリティシステムに適しています。
4. バイスタティック型超音波センサ
バイスタティックセンサでは、送信部と受信部は異なる位置にありますが、測定対象物に対して特定の角度で固定されています。
バイスタティック超音波センサの動作原理は、分離型（split-type）超音波センサの動作原理と類似しており、最適な測定結果を得るには、送信ユニットと受信ユニット間の距離と角度を正確に調整する必要があります。
利点
- 送信機と受信機が別々であるため、バイスタティックシステムはモノスタティックセンサと比較して、より長い距離をカバーするように設計されています。
- バイスタティック型超音波センサは、優れた性能と精度を提供します。送信機と受信機を最適に配置できるため、混信のリスクが最小限に抑えられます。
制約
- 送信機と受信機の適切な配置は、最適なパフォーマンスを実現するために不可欠です。配置がずれていると、測定値が不正確になったり検出範囲の減少につながる可能性があります。
用途
- 高精度で干渉が少ないため、バイスタティック型センサは、ロボット工学やオートメーションシステムなど、正確な位置や距離の測定が必要な用途に適しています。
5. 防水型超音波センサ
防水型超音波センサは、湿気や液体による腐食に耐えることができ、水中や濡れた環境でも動作するように設計されています。防水型超音波センサの動作原理は従来の超音波センサと類似していますが、送信機、受信機、圧電トランスデューサなどの部品は、湿気やその他の液体による損傷を防ぐために内部で密閉されています。
これらのセンサは、水の浸入を防ぐために密閉されたハウジングに収められており、そのハウジングの多くはプラスチック、金属、またはその他の耐久性のある材料で作られています。防水加工により、センサの電子機器は湿気、結露、さらには水との直接接触からも保護されます。
利点
- 防水型超音波センサの主な利点は、濡れ、ほこり、あるいは腐食性の環境などの厳しい条件下でも使用できることです。そのため、屋外、船舶、産業用途など、厳しい環境から保護する必要がある場合に最適です。
制約
- 防水型超音波センサは特殊な設計であるため、標準的な超音波センサよりも高価になる場合があります。
- 水中で測定する場合、超音波の伝搬速度や減衰特性が空気中とは異なるため、測定範囲や精度に影響を与える可能性があります。
用途
- 過酷な環境向けに設計された防水型センサは、自動車用途、海洋設備、水中探査、産業オートメーション、農業など、信頼性の高いデータ収集が必要な用途で使用されています。
6. 高周波型超音波センサ
高周波型超音波センサは、通常1MHzから10MHzの範囲の超音波周波数で動作します。周波数が高いほど、センサはより短い波長の音波を発生させることができます。これは、より短い波長がセンサの解像度を向上させるため、より小さな物体を検知し、より正確な距離測定を行う上で重要です。
高周波型超音波センサの基本的な動作原理は、通常の超音波センサの動作原理とほぼ同じです。
通常、圧電結晶でできているセンサの送信機は、電圧が印加されると振動し、超音波を発生させます。高周波型センサでは、これらの音波ははるかに高い周波数となります。放出された超音波パルスは、媒体（空気や水など）を通り、物体にぶつかって反射してセンサに戻ります。センサは、これらの反射波を分析して距離を計算したり、物体を検出したり、自動化システムにデータを供給したりします。
利点
- 高周波型超音波センサの主な利点は、その精度の高さです。小さな物体の検出や、誤差の少ない距離測定に優れており、高い精度が求められる産業分野では重要な要素となります。
- 高周波超音波はより短い波長を持ち、より高い空間分解能を可能にし、精密な測定と画像化を実現します。
制約
- 高周波の音波は減衰が速いため、特定の環境下ではセンサの有効範囲と性能が制限されます。つまり、高周波型超音波センサは長距離の検知には適していない可能性があるということです。
用途
- これらのセンサは高解像度の測定が可能であり、医療用画像、非破壊検査、半導体製造、および精密なレベル測定の分野で広く利用されています。
7. 圧電型超音波センサ
圧電型超音波センサは、圧電効果を利用して超音波の送受信を行います。
圧電効果： これらのセンサの核心は、圧電材料（圧電セラミックや圧電結晶など）にあります。圧電材料は、機械的ストレスを受けると電荷を発生させます。逆に、電界が加わると、これらの材料は形状が変化し、機械的振動を発生させます。
送信ユニットは圧電材料でできており、電圧が加わると振動して超音波を発します。超音波の周波数は圧電材料の共振周波数に依存し、通常は20kHzから10MHzの範囲です。受信ユニットも圧電材料でできており、反射された超音波を受信すると電荷を発生させます。
利点
- 圧電材料は感度が高いため、正確な測定が可能であり、高精度が求められる用途に適しています。
- 圧電センサは一般的に頑丈で、過酷な環境条件にも耐えることができます。
制約
- 圧電材料は温度や応力の変化に敏感であり、測定精度に影響を与える可能性があります。
- 短距離から中距離では有効ですが、長距離の測定には適していない場合があります。
- 高性能の圧電材料および関連電子回路はコスト増につながる可能性があります。
用途
- 高感度と高信頼性で知られる圧電センサは、高精度と高速応答が求められる医療用アプリケーション、自動車システム、家電製品、環境モニタリングなどに採用されています。
8. オープン型超音波センサ
オープン型超音波センサは、トランスデューサの周囲に保護ハウジングを必要とせずに動作するように設計されています。この設計により、超音波伝搬の損失が減少し、測定精度が向上するため、より高い感度とより速い応答が実現します。これらのセンサは、通常、ほこり、湿気、または過酷な環境要因への暴露が懸念されない環境で使用されます。
利点
- 密閉型センサと比較すると、オープン型センサは製造コストが低いため、予算が問題となる用途によく使われます。
- 追加の保護ハウジングが無く、これらのセンサはコンパクトで軽量であるため、スペースに制約のある用途に最適です。
制約
- 保護ハウジングがないため、オープン型センサは屋外での使用や、ほこり、水、あるいは有害な化学物質にさらされる可能性がある環境には適していません。
- そのような環境にさらされた部品は摩耗や損傷が早まり、寿命が短くなる可能性があります。
用途
- オープン型センサは、環境要因の影響を受けやすいにもかかわらず、その高い感度と高速応答により、産業オートメーション、レベル検出、安全監視、および民生用電子機器において重要な役割を果たしています。
9. 磁歪型超音波センサ
磁歪型超音波センサは、磁歪効果を利用して超音波を発生させ、受信します。
磁歪効果とは、特定の材料（ニッケルや強磁性合金など）が外部磁界により寸法変化を起こす現象を指します。
磁歪材料がセンサ内部に配置されており、電流または磁界が印加されると、磁界の変化によりこれらの材料がわずかに寸法の変化（膨張または収縮）を起こします。
これらの変化により機械的振動が発生し、超音波パルスが生成されます。受信ユニットは反射した超音波を捉え、磁歪材料が再び機械的振動を受け、材料内に電圧変化が誘発され、電気信号に変換されます。
利点
- 磁歪材料は磁場の変化に非常に敏感であるため、厳しい環境下でも正確かつ精密な測定が可能です。
- 磁歪材料を使用するため、これらのセンサは耐久性があり、高温、腐食環境、振動などの厳しい産業環境にも対応できます。これにより、困難な用途でも信頼性が高く、性能が長く保たれることが保証されます。
制約
- 磁歪型センサは、その先進的な素材と精度により、一般的に他の超音波センサよりも高価です。
- これらのセンサは、周囲の磁界の変化に敏感であるため、正しく機能するには安定した磁界における運用が必要です。
用途
- これらのセンサは、その高い安定性と精度により、工業検査、医療用画像、レベル測定、スマート製造など、幅広い分野で活用されています。
10. 気体用超音波センサ
超音波センサは、気体中での距離測定、物体の検出、気体の流量監視などに広く使用されています。気体中での動作原理と応用分野は、液体や固体の場合とは異なります。
超音波センサは音波のパルスを気体中に送信します。音の速度は気体の密度、温度、圧力によって異なります。これらの要因は精度に影響を与えるため、センサには温度や圧力の補正機能が搭載されていることがよくあります。一部のセンサには、状況をリアルタイムで監視し、それに応じて測定値を調整する気体センサが内蔵されているものもあります。
利点
- 気体用超音波センサは非接触測定ソリューションを提供し、高温環境や危険な環境での気体の測定に適しています。
- リアルタイムの測定データを提供でき、密度、温度、および圧力の変化を含むさまざまな気体環境で動作します。
制約
- 低密度の気体中では超音波信号が急速に減衰するため、計測範囲と精度が低下する可能性があります。
- センサ測定結果は、気体密度、温度、および圧力の変化の影響を受ける可能性があるため、正確な結果を得るには調整と校正が必要です。
用途
- これらのセンサは、気体中の距離、流量、および密度を測定するために使用され、産業プロセス、環境モニタリング、ガス安全検知、およびガス排出制御に不可欠です。
11. 液体用超音波センサ
超音波センサは、液体アプリケーションにおいて、レベル測定、物体検出、および流量監視のために広く使用されています。
この超音波センサ送信機は液体中を伝わる音波パルスを発信します。液体の密度と音速は信号の伝達効率に影響します。信号が境界（液面、気泡、固体粒子など）に当たると、反射信号が発生します。温度と密度は音速に影響を与えるため、センサには環境条件に基づいて信号処理を調整する温度補償機能が搭載されていることがよくあります。さらに、センサの設計では気泡や粒子を考慮し、測定精度を高めるために適切な周波数を選択することもあります。
利点
- 超音波センサは液体に接触せずに液面レベルを測定できるため、汚染や摩耗を防止できます。
- 液面レベルと流量に関するリアルタイムのデータを提供し、リアルタイムでの調整と制御を可能にします。また、高精度の測定結果を提供できるため、精密な制御と監視を必要とする用途に最適です。
制約
- 測定の精度は、乱流や泡など液体の表面状態により影響を受けることがあります。
- 液体の温度と密度の変化は音速に影響を与えるため、補正が必要です。
用途
- これらは、産業用タンク、化学処理、水処理などの用途におけるレベル、流量、および密度の測定に不可欠であり、業務効率とシステム性能の向上に役立ちます。
DigiKeyの超音波センサと拡張ボード
超音波センサで発生する一般的な問題とその解決策
超音波センサを使用する際には、その性能と信頼性に影響を与える可能性があるいくつかの共通の問題があります。以下に、それらの問題と対処法をまとめました。
1. 不正確な測定値：
- 原因： 環境要因（温度、湿度、風）や反射面の不均一性は、音速や信号強度に影響を与える可能性があります。また、センサの最大範囲を超えると、不正確さにつながります。
- 解決策： 温度と湿度の補正を使用し、制御された環境で操作を行い、滑らかな反射面を確保し、素材に適したセンサを選択してください。
2. 感度の低下：
- 原因： 送信機/受信機がほこりや汚れで覆われている場合や、部品が経年劣化している場合は、感度が低下することがあります。
- 解決策： センサ表面を定期的に点検し、清掃し、損傷した部品は交換してください。
3. 信号干渉：
- 原因： 他の超音波源や電磁界からの干渉により、センサの動作が妨げられることがあります。
- 解決策： 他の超音波源から離れた場所にセンサを設置し、シールドやフィルタを使用して電磁干渉を最小限に抑えてください。
4. 距離測定値の不安定さ：
- 原因： 反射面の素材の違い、物体の動き、または不適切な設置により、距離の読み取りに影響が及ぶことがあります。
- 解決策： 反射面が安定していることを確認し、測定中の移動を避け、センサを正しい位置と角度で設置してください。
5. 超音波の伝播不良：
- 原因： さまざまな媒体における音速の違いや極端な環境条件が精度に影響を与えることがあります。
- 解決策： 制御された環境でセンサを使用するか、補正アルゴリズムを適用し、特定の条件に適したセンサを選択してください。
6. センサの不具合：
- 原因： 不安定な電源供給や内部回路の問題が不具合につながる可能性があります。
- 解決策： センサの要件を満たす安定した電源を確保し、すべての接続部分に損傷がないか確認してください。
7. 不適切な設置：
- 原因： センサの角度、位置、または校正が不正確であると、測定に影響を与える可能性があります。
- 解決策： 設置ガイドラインに従い、精度を維持するために定期的にセンサを校正してください。
まとめ
超音波センサは、超音波を利用して距離を測定し物体を検出する機能により、幅広い用途に利用できる現代の技術に不可欠なコンポーネントです。 トランシーバやドップラーセンサなど、さまざまな種類があり、産業オートメーションから医療用画像処理まで、さまざまな用途に合わせた独自の利点を提供します。しかし、環境要因により、不正確な測定や感度に関するような問題が生じる可能性があります。これらの一般的な問題と解決策を理解することは、センサの性能を向上させ、信頼性を確保するために不可欠です。超音波センサ技術の進歩に伴い、複数の産業分野において効率性と精度の向上に果たす役割がますます重要になっており、この分野における継続的な革新と開発の必要性が求められています。
超音波センサに関するその他の記事：
超音波センサの概要
圧電型超音波送受信機を用いた近接センサの作り方
適用品番
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