超音波センサーは、さまざまな距離測定や物体検出の用途に広く使用されており、現在では自動ドアや盗難防止システムなど、物体までの距離を感知したり人体の存在を検知する必要がある製品にも使用されています。この記事では、村田製作所が発売したオープン構造の超音波センサーを紹介し、その製品の特徴と用途について説明します。
音圧レベルは検知距離に影響する
オープン構造の超音波センサーは、屋内での距離測定の用途に使用できます。この種の超音波センサは、金属板と圧電セラミックスを接合して形成され、振動子と共振子を組み合わせた複合振動体がベース上に弾性的に固定され、ハウジング内に組み込むことができる。
共振器は振動によって発生した超音波を効率よく空気中に放射することができます。また、空中の超音波を振動子の中心に集中させるため、振動子は音波が集中しやすい漏斗型に設計されています。
音圧はオープン構造の超音波センサーにとって最も重要な仕様です。例えば、距離測定の場合、音圧が増加すると測定可能な距離が延びます。表面実装デバイス (SMD) の超音波センサーもオプションであり、音圧損失を制御し、中距離での測定距離を提供する小型設計になっています。小型化されたSMD超音波センサーにより、設置スペースが削減され、設計の柔軟性が向上します。
共振時間を短縮することでセンサー性能を向上
送受信型超音波センサーは音響信号の送受信ができるため、信号の受信を停止しても、センサー内部の音波を発する機構は慣性により短時間振動し続け、完全に停止します。このとき、検知距離が近すぎると、発した音波が物体からセンサーまですぐに戻ってきてしまい、センサー内の音波を発する機構が振動を止めておらず、振動が止まる前に受信した音波が得られなくなってしまいます。ここでの振動時間を振動後時間と呼びます。振動後の時間が長すぎると近距離検知ができません。センサーへの共振の影響を減らすには、センサーが自身の振動を妨げないように固定する必要があります。センサをハウジングに埋め込む場合、センサの振動に影響を与えないゴムやスポンジなどの弾性材料をセンサの周囲に覆うことができます。温度による剛性の変化が少ない材料を選択する必要があります。
残響抑制のためには、センサの振動が基板や筐体に伝わらないようにする必要があります。そうしないと、センサーの残響が収束しても筐体が振動し、残響時間が長くなります。
また、超音波の放射を妨げないように、ベベル（上面）の上部とセンサーの指向範囲はオープンスペースに組み込む必要があります。超音波センサーから発せられる音波は空気中を伝わるため、上部または指向範囲内のハウジング（ある場合）で音波が反射され、対象物までの距離を正しく測定することが難しくなります。そのため、センサーにホーンを取り付けることで指向性を制御することができます。ホーンの開口部が広がると指向性は低下し、ホーンが長くなると前面の音圧は増加します。
民生用アプリケーションをサポートする超音波センサー
村田製作所は長年のセンサ開発経験を活かし、距離測定、物体検知、人体センシングはもちろん、一般電子機器にも対応できるオープン型超音波センサ「MA40S4S/MA40S4R」をはじめ、数多くの超音波センサを発売しています。このセンサーは小型・軽量で高感度であり、空気中に超音波を発射し、その反射波を検出することができます。
MA40S4S/MA40S4Rは、MA40S4Sで超音波を送信し、MA40S4Rで超音波を受信することで、さまざまな検出に適した超音波トランスデューサです。MA40S4S/MA40S4Rは、圧電セラミックス、金属板、共振器、樹脂ハウジングで構成されています。共振器は漏斗型になっており、共振器の振動により発生した超音波を空気中に効率よく放射（または空気中の超音波を共振中心に集中）します。音圧レベル (S.P.L.) は超音波トランスデューサーの最も重要な特性です。たとえば、距離測定アプリケーションでは、音圧レベルが高いトランスデューサーの方が、より長い距離を検出できます。ただし、オープン構造のMA40S4S/MA40S4Rは屋外や車載エレクトロニクス用途には利用できず、民生用途のみをサポートします。
MA40S4S/MA40S4Rの中心周波数は40kHz、指向性は80度 (標準) です。MA40S4Rの標準感度は -63dB (0dB=10V/Pa)、MA40S4Sの標準音圧レベルは120dB (0dB=20μPa)、最大入力電圧は40kHz方形波で20Vp-p、サイズは Φ9.9x7.1 mm、動作温度は -40℃ ～ +85℃ です。
狭いスペースでの使用に適したSMD超音波センサー
さらに、村田製作所は、わずか5.2mm×5.2mm、厚さ1.15mmという小型サイズで、狭いスペースへの設置やデザイン性の向上が可能なオープンタイプのSMD型超音波センサ「MA40H1S-R」を発売した。センサーは防水ではありませんが、ハウジングアセンブリを通じて防水要件を満たすことができます。
MA40H1S-Rは、中心周波数が40kHz、指向性が80度 (標準)、感度が標準 -65dB (0dB=1V/Pa)、最小音圧レベルが95dB (0dB=20uPa)、動作温度が -20℃ ～ 60℃、定格電圧が40kHzの方形波で6.6Vp-p、最大定格電圧が7.2Vp-pです。このセンサーは、屋外や車載電子機器の用途には利用できないオープンタイプの構造を備えており、民生用アプリケーションのみをサポートします。
結論
多種多様な超音波センサーにより、お客様はアプリケーションの要求の違いに応じてさまざまな仕様から選択できます。この記事で紹介した村田製作所のオープン構造超音波センサーは、優れた製品性能を備えており、屋内での距離測定、物体検出、人体センシングに適しており、関連製品やアプリケーションの開発に最適です。
