超音波センサー：距離と物体を瞬時に正確に測定

超音波センサーがどのように距離と物体を測定するか

飛行時間法の原理の説明

超音波センサーは、対象までの距離を測定する際に、飛行時間（Time-of-Flight）方式と呼ばれる原理に依存します。基本的には、これらのセンサーが短いパルス状の超音波を発射し、近くにある物体に当たって戻ってくるのを待ちます。エコーが戻ってくると、システムは送信と受信の間の経過時間に基づいて、物がどこにあるかを正確に計算します。その背後にある数式もそれほど複雑ではありません。単に、音が空気中を伝わる速度に送受信間の時間を掛け、明らかにもしょっちゅう往復分の距離になるため、全体を2で割るだけです。しかし、ここには落とし穴があります。温度変化は音波の伝播速度に影響を及ぼすのです。外気温が上昇すると、音波の伝播速度も速くなり、タイミング計算がわずかに狂ってしまうことがあります。実際のテストでは、摂氏1度ごとに速度が約0.6メートル/秒増加することが分かっています。これは、些細な誤差のように思えるかもしれませんが、きわめて重要な測定を行う場合には、このわずかな誤差が大きな問題になる可能性があります。

送信機・受信機のダイナミクス

超音波センサーシステムは、優れた測定を行うために送信機と受信機が連携して動作します。送信機が超音波を送信し、測定対象となる物体に当たって反射された波を受信機が検出します。この送受信のやり取りにより、対象の位置を比較的正確に把握できます。このプロセスをさらに効果的に行うために、技術者たちは信号変調方式、特に周波数変調方式を用い、不要なノイズを低減し、測定値の信頼性を高めます。また、IECなどの確立された国際規格団体が、送信機と受信機の構成が満たすべき性能に関するガイドラインを定めており、精度や安全性のレベルを明確にしています。こうした規格に従うことは重要です。そうでなければ、センサーが設置されるさまざまな状況や場所で正しく動作しない可能性があるからです。

拡散反射方式と帰還反射方式の検出モード

超音波センサーは、主に拡散型と反射板方式の検出方法があります。拡散型では、センサーは対象物が音をどのように反射して返すかに基づいて物体を検出します。これは、タンク内の液体レベルを確認するような用途に非常に適しています。反射板方式は、別途リフレクターを使用して信号を反射させる仕組みであり、特に工場などの環境で長距離にわたって正確な測定が必要な用途に適しています。どちらの方式が最適かは、実際に取り扱う対象物の表面状態によって異なります。滑らかな素材の場合、音が不規則に散乱されるため、拡散型では測定値が乱れる傾向があります。このため、これらの方式を選択する際には、用途の要件と素材の特性を十分に理解することが非常に重要です。製造現場のように、正確な測定が非常に重要となる環境では、多くのメーカーが実際に反射板方式を好んで採用しており、これはさまざまな製造業界での実地試験によっても確認されています。

超音波センサーと近接センサーの利点

非接触測定の利点

超音波センサーは、物に直接触れることなく測定を行う場合に現実的な利点をもたらします。物理的な接触がないため摩耗が少なく、結果としてより長期間使用できるというメリットがあります。このようなセンサー構造は機械的な負荷を自然に軽減するため、従来の接触式測定方法が問題を引き起こしたり誤った数値を出したりするような状況でも、優れた性能を発揮します。例えば、化学工場などの危険な環境においては、作業員が毎日有毒物質にさらされるリスクがありますが、超音波技術により安全を保ちながら作業を円滑に進めることができます。現場の多くの専門家も、非接触式の方法が長期にわたってこれらの装置の信頼性を高めてくれると語っています。研究でもこれを裏付けており、この技術を使用したセンサーは、年数が経っても接触式のものと比べて故障が少なく、一貫した性能を維持する傾向があることが示されています。

インダクティブ／キャパシティブセンサーとの性能比較

超音波センサーを誘導式および容量式のセンサーと比較した場合、最も目立つ点は測定範囲です。超音波式のモデルは一般的により広い範囲をカバーしており、これは大規模な貯蔵タンク内の液体レベルの管理や、自動車が自動駐車する際に距離を測定する用途などに広く用いられる理由となっています。誘導式および容量式のセンサーは測定距離が短いものの、その分、金属物体の検出や非金属物質の検知において高い精度を発揮します。しかし、超音波センサーを際立たせているのは過酷な環境下での動作性能です。粉塵や湿気によって他のセンサーが動作不良を起こすような状況でも、これら超音波センサーにはほとんど影響がありません。温度変化や湿度変動が生じても、音波自体がわずかに変化するにもかかわらず、測定値は非常に安定しています。このような信頼性の高さが、多くの産業分野で日々安心して使用されている理由なのでしょう。

厳しい条件における環境抵抗

超音波センサーは、現実世界での過酷な条件にもかなり耐えることができます。極端な高温や低温、湿気、その他のセンサーを故障させるようなあらゆる種類の汚れにもよく耐えます。建設現場や食品加工工場ではこれらの頼れる小型デバイスに大きく依存しており、どんな状況でも確実に動作し続けます。建設業界を例に挙げると、舞い上がるほこりや機械の絶え間ない振動があっても、センサーは着実に作動し続けなければなりません。また、一日中湿気や温度変化が頻繁に起こる食品加工現場においても同様です。この業界では清潔さが非常に重要であり、多くの超音波センサーには不要な物質を遮断する特殊なシールが施されています。そのため、状況がどれほど厳しくなっても信頼性を維持できます。このような頼れる性能から、さまざまな業界で環境的な問題が頻繁に発生する場合には、企業は引き続き超音波センサーを選択しています。

超音波センサーの精度に影響を与える主な要因

温度補正メカニズム

超音波センサーは温度変化に対して非常に敏感である傾向があり、これが測定精度に悪影響を及ぼすことがあります。温度が上昇したり下降したりすると、実際に音が空気中を伝わる速度が変化し、このことがセンサーによる距離計算に影響を与えます。しかし、これらのセンサーの最新モデルには知能が備わっており、温度補償機能が内蔵されています。この機能は、内蔵の温度センサーが検出する温度に応じて測定値を調整することで、状況が安定していなくても精度の高い結果を得られるようにしています。今日の工業用超音波センサーの多くを見てみると、内部に小さな温度センサーが組み込まれており、常に変化に対応して補正を行っています。現場でのテストにより、メーカーが優れた温度補償システムを導入すると、精度が大幅に向上することが示されています。これは、1日の間に温度変化が激しい実際の現場での応用において非常に大きな違いを生みます。

材質吸収特性

超音波センサーは、常に正確な測定値を示すとは限りません。特定の素材が音波を吸収してしまうからです。例えば、発泡材やゴム、あるいは繊維質の物質などは、音波のエネルギーを多く吸収してしまう傾向があります。このような素材を扱う場合、技術者はセンサーのキャリブレーション設定を調整して信頼できる数値を得ようとすることがよくあります。発泡材の測定を例に挙げると、多くのオペレーターが試行錯誤を通じて、標準的なキャリブレーションではうまくいかないことを学んでいます。なぜなら、発泡材は信号を非常に多く吸収するからです。こうしたセンサーを使って作業経験のある業界の専門家は、素材の性質が測定に大きく影響することを理解しています。だからこそ、賢い企業はセンサーを導入する前に、さまざまな素材に対してテストを行い、何もかもが計画通り進まない現実の現場においても、すべてが正しく機能するように確実に確認するのです。

ブラインドゾーンの制限

超音波センサーには「ブラインドゾーン」と呼ばれる厄介な問題があり、センサーの真正面にある物を検出できないことがあります。基本的に、何かがセンサーの検出範囲に入るまでにどれだけ近づく必要があるかという問題であり、非常に近い距離での検出が必要な状況において深刻な課題を引き起こします。たとえばロボット工学の分野では、ロボットアームが数インチ先の物をつかもうとしてもセンサーが何も検出しないといった問題が発生します。自動車分野でも同様の問題が起き、駐車支援システムが縁石や小さな障害物を検知できないことがあります。この問題を解決するため、エンジニアはブラインドゾーンの小さいセンサーを選び、一般的には高周波部品を使用するモデルを採用します。製造自動化や倉庫物流などの分野で事業を展開する企業にとっては、こうした限界を理解することが極めて重要です。結局のところ、自動化されたシステムがパレットを見逃したり、厄介なブラインドスポットのために衝突前に停止できなかったりするなど、誰も望んでいない事態を避けるためです。

メーカーは、センサーモデルを選定する際に、厄介な死角について把握しておく必要があります。これにより、重要な用途において信頼性の高い検出が可能になります。倉庫内での運用を例に挙げると、フォークリフトが常に高速で走行しています。このような場面では、高品質な超音波センサーが非常に効果的です。なぜなら、他のセンサーが見逃してしまう近距離の対象物を確実に検出できるからです。工場の中には、こうした高品質センサーに切り替えたことで事故率が半減したというところもあります。さらに、生産ライン上で検出できない障害物によってダウンタイムが生じるのは、誰にとっても好ましいことではありません。だからこそ、現実の運用条件で実際に機能するセンサーに投資する企業が賢明だといえるのです。単に仕様書上で良さそうに見えるだけのセンサーではなく、実力を備えた製品を選ぶことが重要です。

超音波技術の工業的応用

液体レベルモニタリングシステム

超音波センサーは、石油精製や水処理プラントなど、さまざまな分野でタンクや容器内の液体レベルを測定するために必要不可欠になってきています。この装置は、タンク内の物質の表面に音波を当てて反射してくる時間を計測することで動作します。この方法は、液体の中に直接何かを挿入する必要がないため、従来の技術よりも正確な測定値を提供します。市場動向を分析すると、企業は現在、これらのシステムに積極的に投資しています。最新の業界分析によると、超音波センサー市場は今後数年間、急速に拡大し続けると予測されています。その理由としては、技術の進歩により、これらのセンサーが以前より過酷な環境下でも使用できるようになったこと、および工場がコスト削減と現場の安全性向上のために自動化をさらに推進していることが挙げられます。

超音波センサーが実際の現場でどのように機能するかを見てみましょう。例えば、ある地方の水処理施設が昨年、貯水槽全体にこれらの装置を設置しました。運用を開始した後、日々の水の損失量がほぼ30％減少し、職員が1日に何回も水位を手動で確認する必要がなくなりました。施設の管理者は、この改善の大部分を超音波技術による安定した測定値にあると説明しています。これにより、オーバーフロー（あふれ）や不足の発生が減少したのです。このような実際の事例は、適切なセンサーの導入によって、人的介入を常に必要とすることなく、リソース管理を改善し、よりスムーズな運転操作を実現できることを示しています。

自動車用駐車支援

超音波センサーは今日、駐車支援における自動車の安全性を高め、運転をより安心して行えるものにしています。これらの小型デバイスは、駐車時に縁石や他の車両、歩行者などの周辺障害物を検知し、衝突を防ぐための警告を発生させます。このような機能により、これまでよく見受けられたこすり傷などのトラブルを回避できます。多くの新型車には標準でこの技術が搭載されており、自動車業界全体でどれだけ重要になっているかがうかがえます。調査によれば、超音波式の駐車支援機能を備えた車両では、駐車時の軽微な衝突や傷が実際に減少しており、修理費の削減や保険料の抑制にもつながっています。

自動車メーカー各社は、超音波センサーが車両設計の在り方を変えつつあることに気づき始めています。自動車業界の大手企業は、リアルな走行条件下でより高い精度と信頼性を実現するために、これらのセンサー技術の向上に継続的に資金を投じ続けています。センサー開発にこれほどのリソースが投入されているという事実は、これらの技術が今後の自動車安全技術においていかに重要になっているかを示しています。こうした小型のデバイスは、私たちが嫌うところの駐車場での接触事故を防ぐのに実際に大きな役割を果たします。単にへこみや傷を防ぐだけでなく、超音波技術の向上により、メーカーが車両運用のさまざまな側面にそれらを統合していくことで、全体としてより安全な運転体験が可能になります。

ロボット衝突回避

超音波センサーは、ロボットが障害物を検知して衝突を回避する際に非常に重要であり、これにより機械と作業員の双方が安全に作業できる環境が保たれます。これらのセンサーによって、ロボットが移動中に周囲の物体を感知し、状況に応じて即座に動作を調整することで、特に物が頻繁に動く場所での衝突を防ぐことができます。倉庫内のような箱でいっぱいの環境から農機具が畑を動き回る農場に至るまで、企業はロボットに超音波技術を導入することで、より良い成果と安全性の向上を実現しています。現在、至る所で見かける倉庫内搬送ロボットは、これらのセンサーに大きく依存しており、有人で監視することなく在庫の列の間を巧みに移動することができます。これにより、作業効率が向上するだけでなく、時間と費用を浪費するミスも削減できます。

何件もの研究で、ロボットに超音波技術を適用した場合の効果が非常に良いことが示されています。既に発表されているホワイトペーパーや実際の事例をみてみると、すべてが基本的に一点に集約されます。それは、超音波センサーによりロボットがはるかに安全になるということです。事故の発生が減少し、作業の中断も少なくなります。現在、市場はより高度な自動化を求めています。そのため、優れたロボットシステムを構築しようとしているエンジニアの間で超音波センサーが注目を集めているのも当然のことです。製造ラインから倉庫に至るまで、あらゆる現場において、この技術によって周囲の人々を潜在的な危険から守りながら、より賢く作動する機械が作られています。

高性能インダクティブセンサーソリューション

M12-M12 68 標準インダクティブセンサー: コンパクトな精密設計

正確さが最も重要となる狭い空間での使用に設計されたM12-M12 68 標準誘導センサーは、設置空間が限られた状況でも確実な性能を発揮します。検出距離は2mmから最大10mmまでと幅広く、直流10〜30ボルトの広い電圧範囲で動作するため、さまざまな産業用途に応えることができます。コンパクトな設計とM12コネクターを備えたこのセンサーは、精度と空間的制約が共存する自動化タスクに特に適しています。例えば、狭所で作業するアセンブリラインやロボットアームなどが挙げられます。IP67の防塵・防水保護構造を備え、過酷な工場環境にも耐える頼れる性能。ハウジングは耐摩耗性のあるニッケルメッキ brass（真鍮）製で、長期間にわたって安心して使用できます。また、内蔵LEDインジケーターにより、操作中にセンサーの状態を視覚的に確認できるため、トラブルシューティングにかかる時間を短縮します。

の完全な機能を探索する M12-M12 68インダクティブセンサはこちら .

M18-M12 79 標準センサ: 広域検出機能

M18-M12 79 標準センサーが本当に特別なのは、検出距離が最大20mmと、その優れた検出範囲にあります。遠く離れた位置から物体を検知する必要があるシステムを使用している人にとって、これは非常に役立ちます。例えば、広い施設や倉庫内で製品を運搬するコンベアベルトがあり、物がかなり離れた場所に配置されているようなケースです。このセンサーはIP67の保護等級を備えているため、工場フロアで厳しく過酷な状況にあっても簡単に機能を停止しません。長い検出距離と最大150mAまでの負荷に耐える能力を併せ持つこの装置は、製造工場や物流センタでのさまざまな要求の高い作業をこなすことができます。さらに、反復精度は常に3.0％（Sr）以下を維持するため、生産ラインが忙しい時でも作業者は安定した結果を得られることを確信できます。

詳細については、 M18-M12 79センサープロダクトページ .

M30-M12 50ショートボディーセンサー：密度の高い材料の検出

M30-M12 50ショートボディセンサーは、厚手の素材を扱う必要がある過酷な産業環境において、高密度素材の検出における課題に対応するために特別に設計されました。このセンサーは最大16mmの検出距離を持ち、IEC 60947-5-2規格に準拠した衝撃および振動に耐える頑丈なハウジングを備えています。製材所や製鋼所など、機器に過酷な条件がかかる場所においても優れた性能を発揮します。この製品の特長はどこにあるのか？IP67の防塵・防水性能により埃や水の侵入を防ぎ、スイッチング周波数は300Hzに達するため、頑ななな素材に対しても迅速に反応できます。工場作業員からは長期間にわたって安定した性能を維持できると評価されており、自動車製造や建設資材の取り扱いなど、停止時間がコストに直結する分野において特に重要です。多くの施設が日々の運用で信頼性に課題を抱えていた代替センサーよりも、このセンサーへ切り替えることで改善を図っています。

についてもっと学ぶ m30-M12 50センサの機能についてここを参照 .

正しい距離測定ツールの選択

範囲対解像度の要件

正しい距離測定ツールの選択には、測定可能距離と精度の間で最適なバランスを見つける必要があります。センサーを選定する際、メーカーはこれら二つの要素のバランスを適切に取ることで、機器が目的の作業で正しく機能するようにしなければなりません。たとえば産業用オートメーションを例に挙げてみましょう。工場のラインでは、高い分解能を持つセンサーが、正確な位置決めが求められる機械部品の作業において重要となります。一方で、広い生産エリア内で遠く離れた場所にある品物を検出するような作業においては、長距離検出可能なセンサーの方がはるかに有用です。アセンブリラインにおける事例は、このバランスの重要性を示す良い例です。高分解能の近接センサーは品質検査時に微細な欠陥を検出するのに大きな差を生み、これは製品が仕様を満たすかどうかに直接影響します。多くの経験豊富な技術者は、センサーが日々安定した性能を発揮するためには、実際の用途に応じて測定範囲と精度の両方を同時に検討することが絶対に必要であると語るでしょう。

出力信号タイプの比較

センサーがどのように連携して機能するか、またそれらが実行できる機能に関して、出力信号の種類は非常に重要です。アナログ信号は継続的な測定値を提供し、さまざまな詳細を捉えることができるので、非常に精密な測定が必要な状況に最適です。一方、デジタル信号は個別のデータ点を生成するため、処理をシンプルかつ迅速に行う必要がある用途にはより適しています。産業システムの設計者は、現在のインフラがどちらの種類の信号と適切に適合するかを慎重に検討すべきです。例えば、多数のコンピュータを用いてデータを処理する工場であれば、デジタル信号からより多くの利益を得られるでしょう。しかし、古い工場や基本的な設備では、搭載されている機器がアナログ出力を前提として設計されているため、依然としてアナログ信号に依存している場合が多いです。ただし、センサーとシステムの適合性を確保して、後々の手間を避けるために、メーカーが提供する仕様書を確認することは依然として重要です。

IPレーティングに関する考慮事項

センサーがさまざまな環境に耐えられるかどうかを判断する際には、IPレーティングが非常に重要になります。基本的には、これらのレーティングは、異物の侵入や湿気による問題に対してどれだけ密閉されているかを示しています。センサーを購入する際には、自分が直面するであろう条件に応じて、動作する機器を選ぶためにこれらの数値を確認する必要があります。例えばIP67のレーティングを持つセンサーがあります。こうしたセンサーは、ほこりが多い屋外や時折雨が降る場所でも非常に優れた性能を発揮します。農家の人たちは、畑が泥だらけであったり、ほこりっぽくても、これらのセンサーは問題なく機能し続けるため、いつも頼りにしています。IEC 60529などの標準化団体は、各レーティングが何を意味するかについて明確な基準を定めています。これにより、製造業者は自社の製品が提供する保護レベルを正確に把握でき、顧客が仕事に合った適切な機器を選ぶことが容易になっています。

非接触センシングの将来のトレンド

IoTシステムとの統合

IoTシステムと超音波センサーなどの非接触センサーを統合することで、遠隔地のモニタリングやデータ収集の方法が変化しています。これらの技術が連携すると、デバイス間の即時通信が可能となり、スマートスペースの機能が大幅に向上します。例えば、IoTネットワークに接続された超音波センサーが、都市内で走行する車両や歩行中の人々を追跡するスマートシティを想像してみてください。これにより都市計画者は、道路や公共の場についてより賢明な意思決定を行えるようになります。将来を見据えて、専門家の多くが、あらゆる種類のセンサーとIoT技術との連携利用が大幅に拡大すると予測しています。実際、さまざまな業界にわたる企業がこれらのソリューションをこれまで以上に広く採用しつつあり、導入数はすでに増加傾向にあります。

AI駆動の信号処理

人工知能（AI）は超音波センサーにおける信号処理のゲームを一変させつつあり、複雑なデータの中から正確に情報を読み取り、賢い判断を行う能力を大幅に向上させています。これらのAIソフトウェアにより、信号がクリアになり、オペレーターはノイズに邪魔されることなく状況を正しく把握できるようになります。また、必要な時点で即座に分析を行うため、センサー全体の性能が向上します。予知保全を例に挙げてみましょう。工場がこうしたスマートセンサーを導入すると、これまで気づくことすらできなかったような微細な振動や温度変化のパターンを検知し始めます。これは従来であれば何らかの装置が完全に故障するまで見逃されていたものです。将来を見据えると、AIによってさまざまな業界にわたるセンサーの運用方法がさらに改善されていくことが予想されます。製造業界ではすでに、既存のシステムに機械学習を統合する新しい方法を模索しており、まだ誰も気づいていない課題の解決や、ディープラーニングが主流になる以前には想像もできなかったまったく新しい応用分野の扉を開こうとしています。

マルチセンサ融合技術

センサフュージョンは、単一のセンサだけで得られるよりも優れた結果を得るために、複数の種類のセンサを組み合わせます。誘導式や静電容量式のセンサなど、複数のセンサからの情報を統合すると、システムは各センサが見逃す可能性のある部分を補い、状況をより包括的に把握することが可能になります。たとえば自動運転車は、周囲の状況を正しく理解するために、こうしたセンサの組み合わせに非常に依存しています。これにより、安全に走行しながらA地点からB地点まで移動することが可能となり、障害物に衝突するリスクを防ぐことができます。研究では繰り返し示されていますが、特に状況が頻繁に変化する難しい環境において、複数のセンサが協働して作動する場合、単一のセンサタイプだけに依存する場合と比べてはるかに優れた性能を発揮します。そのため、多くの業界でこのような複合センサ方式への移行が進んでいます。