超音波センサーは幅広い用途で広く使用されています

超音波センサーには柔軟性と低コストという利点があります

超音波センサーは何十年にもわたって商業的に利用されています。その能力、柔軟性、低コストのために、超音波センサーは今後もセンシング市場で非常に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射される音波は通常23kHzから40kHzの間であり、人間の聴覚の可聴範囲である20kHzを超えています。そのため、これらは超音波と呼ばれます。送信機が超音波を放射する限り、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の間の距離を計算することができます。   超音波センサーには送信機と受信機、2つの部品が必要です。最も標準的な構成では、送信機と受信機はできるだけ近くに並べて設置されます。送信機の近くに受信機を配置すると、音が送信機から検知される物体へ、そして物体から受信機へより直線的に伝播し、測定誤差が小さくなります。また、送信機と受信機の機能を1つのユニットに統合した超音波トランシーバーも存在し、物理的な誤差を最小限にし、PCB（プリント基板）の占有スペースを大幅に削減します。

送信機から放たれる音波は、レーザーよりも懐中電灯から発せられる光の形状に近いため、拡散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、検知範囲は水平および垂直方向に拡大します。この範囲が変化する理由は、超音波センサーが標準的な検知範囲ではなく、ビーム幅やビーム角度でそのカバー範囲を仕様として示しているためです。メーカー間でこのビーム角度を比較する際には、そのビーム角度がビーム全体の角度なのか、それとも送信機からの直線からの偏差角度なのかを確認することが推奨されます。

ビーム角度は、検出エリアを確立するうえで非常に重要です。

超音波ビームの角度は、デバイスの検出範囲にも影響を与えます。一般的に、ビームが狭いほど、超音波パルスのエネルギーが集中しやすく、エネルギーが使えなくなるレベルに減衰する前により遠くまで届くため、広い検出範囲を生じさせます。一方で、ビームが広い場合、エネルギーがより広い弧状に広がるため、予想される検出範囲が減少します。理想的なビーム幅を選ぶことは、用途に大きく依存します。広いビームは広いエリアをカバーしたり、全般的な検出に向いていますが、狭いビームは検出範囲を限定することで誤検知を回避するのに適しています。   個別のコンポーネントを探す場合、超音波センサーは独立した送信機と受信機として利用することも、前述のように送信機と受信機が一体化した「超音波トランシーバー」として利用することもできます。ほとんどのアナログ超音波センサーオプションは、送信機にトリガー信号を送信し、エコーが検出されたときに受信機が信号を送り返すことで作動します。設計者は必要に応じて、パルスの長さやエンコーディングをカスタマイズできます。このプロセスでは最終的に、トリガーとエコーの間の時間計算やデコードはホストコントローラーによって行われることになります。   オンボード型のデジタル超音波センサーモジュールは距離を計算し、通信バスを介してその距離をホストに送信します。超音波送信機や受信機、またはトランシーバーは通常、個別に購入され、カスタム回路やファームウェアと組み合わせて使用されますが、時には1つのユニットとして提供されることもあります。この場合、標準的な距離測定設定と簡単なロジックボードを搭載したPCB上に事前にマウントされていることがあります。このようなモジュールを使用することで簡単に利用できる一方で、設計者は柔軟性やカスタマイズ性を大幅に手放すことになります。

超音波センサーの利点と欠点

あらゆる技術と同様に、超音波センサーは特定の状況や用途に最も適しているものの、他のすべての状況で必ず適しているわけではありません。超音波センサーの利点として、検出対象物の色に影響されないこと、また水やガラスなどの半透明や透明な物体でも問題なく検出できることが挙げられます。さらに、超音波センサーの最小検知距離から最大検知距離までの範囲は非常に柔軟であり、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メートルまで検出できます。特定に調整されたモジュールでは、最大約20メートルまで検出可能な場合もあります。   数十年にわたる利用実績のあるこの成熟した技術は非常に信頼性が高く、理解しやすいため、安定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結果を提供し、誤差は通常1%以内であり、さらに精度を向上させることも可能です。また、多くの測定を1秒間に実行することができるため、高速な更新率を実現します。さらに、希少材料を必要としないため、通常かなり低コストで利用できます。加えて、超音波センサーは電気的にノイズの多い環境やほとんどの音響的ノイズに対して耐性があり、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に有効です。   超音波センサーは多用途な技術ですが、最終的にセンサーを選定する前にいくつかの制限事項を考慮する必要があります。音速は温度や湿度に依存するため、周囲の状況により測定精度が変動する可能性があります。検出エリアは立体的ではあるものの、超音波センサーは検出器から一定距離に「何か」があるという点しか認識できず、検出範囲内でその物体がどこにあるか、あるいは形状や色といった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。また、超音波センサーは比較的小型であり、自動車や産業アプリケーションに統合しやすいですが、非常に小さい組み込みプロジェクトにはサイズが大きすぎる場合があります。さらに、センサーである以上、汚れたり湿ったり凍ったりすることで動作が不安定になったり機能しなくなったりする可能性があります。音に依存するため、その音が特定の媒体に依存していることから、真空中では超音波センサーは動作できません。

超音波センサーは正確性と信頼性を提供します

超音波センサーは、物体の距離や近接を検出するために使用できます。非接触方式を採用しており、簡単な「ある/ない」ロジックを提供するだけでなく、物体からの正確な距離を精密に測定することも可能です。そのため、掃除ロボットやその他の用途における距離検出センサーとして理想的です。

異なるアプリケーション要件に対応するために、Same Skyは様々な仕様を備えた超音波センサーをシリーズ展開しています。それらは0.2〜18mの定格距離を持ち、アナログ出力を提供する送信機、受信機、送受信機も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製のケースに取り付けられており、スルーホール型の取り付けオプションがあり、ビーム角度は75度または80度です。定格周波数は23〜40 kHz、定格電圧は80〜180 Vdcで、これらの超音波センサーは様々な検知、距離測定、近接アプリケーションにおいて正確な測定を提供します。   超音波受信機は、超音波波を電気信号に変換するために使用されます。Same Skyの超音波受信機は、75度または80度のビーム角度、最大18メートルまでの定格距離、そして39kHzの定格周波数を備えています。Same Skyの超音波送信機は、電気信号を超音波波に変換するために使用され、18メートルの定格距離、23〜40 kHzの定格周波数、75度または80度のビーム角度を備えています。Same Skyの超音波送受信機は送信および受信の機能を1つのパッケージに統合し、ユーザーに距離測定、物体検出、および近接感知のための簡素化されたソリューションを提供します。

結論

超音波センサーはよく知られた技術ですが、それでもなお、多くの産業および消費者向けのアプリケーションにおいて非常に重要です。そのシンプルさ、低コスト、そして堅牢な構造により、存在検知や距離測定を必要とする幅広い用途の新しい製品に最適な選択肢となっています。