超音波センサーは、自動化、ロボット、自律走行車、ドローンなどで広く使用されており、さまざまな用途でよく使用されています。この記事では、超音波センサーの原理と用途、およびCUI Devicesが導入した超音波センサー ソリューションについて説明します。
超音波センサーは柔軟性と低コストという利点がある
超音波センサーは何十年も前から市販されています。機能性、柔軟性、低コストにより、センサー市場で大きなシェアを占め続けるでしょう。超音波センサーから放出される音波は通常23 kHz ～ 40 kHzで、人間の一般的な可聴範囲である20 kHzよりもはるかに高くなります。そのため、超音波と呼ばれます。送信機が超音波を発射し、その音が物体に反射するまでの時間を測定することで、送信機と物体間の距離を計算できます。
超音波センサーには、送信機と受信機の2つの部分が必要です。最も標準的な構成では、可能な限り近くに並べて配置されます。受信機が送信機に近い場合、音は送信機から検出された物体までより直線的に伝播し、受信機に戻るため、測定誤差が小さくなります。送信機能と受信機能を1つのユニットに統合し、物理的なエラーを最小限に抑え、PCBフットプリントを大幅に削減する超音波トランシーバーもあります。
超音波送信機と受信機のペアの基本動作 (出典: CUI Devices)
送信機から発せられる音波は、レーザーよりも懐中電灯から発せられる光に形状が似ているため、広がりとビーム角度を考慮する必要があります。音波が送信機から離れるにつれて、検出領域は横方向と垂直方向に拡大します。超音波センサーは、標準の検出領域ではなく、ビーム幅またはビーム角度でカバレッジ仕様を指定するため、領域が変化します。このビーム角度をメーカー間で比較する場合、ビーム角度がビームの全角度なのか、トランスデューサーからの直線からの偏差角度なのかを確認することをお勧めします。
ビーム角度を理解することは、検出領域を確立するために不可欠です（出典：CUI Devices）
ビーム角度は検出領域を確立するために非常に重要です。
超音波ビームの角度もデバイスの検出範囲に影響します。一般的に、ビームが狭いほど検出範囲は広くなります。これは、超音波パルスのエネルギーがより集中し、使用できないレベルまで消散する前により遠くまで移動できるためです。逆に、ビームが広くなると、エネルギーはより広い弧に広がるため、予想される検出範囲が狭くなります。理想的なビーム幅の選択は、アプリケーションによって大きく異なります。広いビームはより広い範囲をカバーし、一般的な検出に適していますが、狭いビームは検出範囲を制限することで誤報を回避できます。
個々のコンポーネントを検索する場合、超音波センサーは、独立した送信機と受信機として取得することも、2つを1つのユニットに組み合わせたものとして取得することもできます。これは、前述のように超音波トランシーバーと呼ばれます。ほとんどのアナログ超音波センサー オプションは、トリガー信号を送信機に送信し、エコーが検出されると受信機が信号を送り返すことによって作動します。設計者は必要に応じてパルスの長さとエンコーディングをカスタマイズできます。このプロセスでは、トリガーとエコー間の時間計算とデコードは最終的にホスト コントローラーに任されます。
オンボードのデジタル超音波センサー モジュールは距離を計算し、通信バスを介してホストに距離を送信します。超音波送信機、受信機、またはトランシーバーは通常は個別に購入され、カスタム回路とファームウェアを使用して組み立てられますが、標準的な測距構成とシンプルなロジック ボードを備えたPCBに事前に取り付けられた単一のユニットとして提供される場合もあります。使い方は簡単ですが、デザイナーはこれらのモジュールを使用することで、柔軟性とカスタマイズ性を大幅に犠牲にすることになります。
超音波センサーの利点と欠点
他のテクノロジーと同様に、超音波センサーは特定の状況やアプリケーションで使用するのに最適ですが、他のすべての状況に適しているわけではありません。超音波センサーの利点は、水やガラスなどの半透明または透明な物体を含む、検出対象物体の色の影響を受けないことです。さらに、最小範囲と最大範囲は非常に柔軟で、ほとんどの超音波センサーは数センチメートルから約5メートルまでの範囲を検出できます。特別に構成されたモジュールでは、最大20メートル近くまで測定できます。
数十年の使用により、この成熟したテクノロジーは非常に信頼性が高く、理解しやすく、一貫した結果をもたらします。超音波センサーは比較的正確な測定が可能で、誤差は通常1% 以内ですが、必要に応じてさらに高い精度を実現できます。1秒あたり多数の測定を行えるため、高速なリフレッシュ レートが得られます。さらに、希少な材料を必要としないため、通常は非常に安価です。さらに、超音波センサーは、特にエンコードされた音波を備えたモジュールを使用する場合、電気的にノイズの多い環境やほとんどの音響ノイズに耐えることができます。
超音波センサーは多用途の技術ですが、最終的なセンサー選択を行う前にいくつかの制限を考慮する必要があります。音速は温度と湿度に依存するため、周囲の条件によって測定の精度が変化する可能性があります。検出領域は3次元ですが、超音波センサーは検出器から一定の距離にある物体を検出するだけであり、物体が感知領域のどこにあるのか、また形状や色などの特徴についてのフィードバックを提供することはできません。超音波センサーはサイズが比較的小さく、自動車や産業用アプリケーションに簡単に組み込むことができますが、非常に小さな組み込みプロジェクトには大きすぎる可能性があります。さらに、他のセンサーと同様に、汚れたり、濡れたり、凍結したりする可能性があり、その結果、動作が不安定になったり、機能しなくなったりすることがあります。超音波センサーは音に依存しており、音は特定の媒体に依存しているため、真空中では動作できません。
超音波センサーは精度と信頼性を提供します
超音波センサーは物体の距離と近さを検出するために使用できます。非接触方式を採用しているため、単純な「ある/ない」ロジックを提供したり、物体との正確な距離を正確に測定したりできるため、掃除ロボットなどのアプリケーションにおける距離検出センサーに最適です。
超音波送信機、受信機、トランシーバーの例 (出典: CUI Devices)
CUI Devicesは、さまざまなアプリケーション要件に対応するために、定格距離が0.2 ～ 18 mのさまざまな仕様の超音波センサー シリーズを導入しており、アナログ出力を備えた送信機、受信機、トランシーバー シリーズがオプションとして提供されています。超音波センサーはコンパクトなアルミニウムまたはプラスチックケースに取り付けられており、スルーホール取り付けオプションと75度または80度のビーム角度を備えています。定格周波数23 ～ 40 kHz、定格電圧80 ～ 180 Vdcのこれらの超音波センサーは、さまざまな検出、距離、近接アプリケーションで正確な測定を提供できます。
超音波受信機は超音波を電気信号に変換するために使用されます。CUI Devicesの超音波受信機は、ビーム角度が75度または80度、定格距離が最大18メートル、定格周波数が39 kHzです。CUI Devicesの超音波送信機は、電気信号を超音波に変換するために使用されます。定格距離は18メートル、定格周波数は23 ～ 40 kHz、ビーム角度は75度または80度です。CUI Devicesの超音波トランシーバーは、送信機能と受信機能を1つのパッケージに統合し、距離測定、物体検出、近接検知のための簡素化されたソリューションをユーザーに提供します。
結論
超音波センサーはよく知られた技術ですが、多くの産業および消費者向けアプリケーションにおいて依然として非常に重要です。シンプルさ、低コスト、堅牢な構造により、さまざまなアプリケーションで存在検出や距離測定を必要とする多くの新製品に最適です。