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超音波センサの原理と特長

IoTやファクトリーオートメーションの分野で、今やなくてはならない "センサ"。
数あるセンサ種類から今回は超音波センサに焦点を当て、原理や特長、応用アプリケーションについてご説明します。

最後にはTexas Instruments社(以下TI社)のおすすめ超音波センサ評価モジュールもご紹介します。
是非ご覧ください。

超音波センサの原理は「TOF」

TOF(Time of flight)とは、飛行時間という意味で、ある発したものが対象物に反射して返ってくるまでの時間を計測し、距離などの測定をする手法です。発するものとして代表的なものが光と超音波です。

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TOFのイメージ

超音波センサで距離測定

では、実際に超音波センサを使って距離を測定する方法と、各ブロック毎の機能についてご説明します。

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超音波センサの距離測定方法

  • 超音波AFE(アナログフロントエンド)
    マイコンからのトリガを受けてパルス波形を生成します。

  • 超音波トランスデューサ
    電気信号を超音波に変換し、対象物に向けて送信波を出力します。対象物により反射した反射波を電気信号に戻し、超音波AFEに返します。

超音波AFEは微弱な信号を高感度で受信します。TOF情報とともにSTOPトリガを送信し、マイコンがSTARTトリガとSTOPトリガの時間差分を計算すると、距離に変換することができます。

超音波センサの3つの特長

次に、超音波センサの特長をご紹介します。非接触センサの中から超音波センサを選ぶときのポイントとして、是非参考にしてください。

特長1:対象物が動いてもOK

静止している物だけでなく、動いている物でもTOFの計測が可能です。
条件としては、空気中だと数mの距離にある対象物で、超音波速度(秒速340m/時速1234km *マッハ1)より遅い速度で動いていれば検出可能です。

特長2:対象物の材質を選ばない

超音波は音の一種で、媒体があれば伝わります。つまり気体、液体、固体でも伝搬しますので、対象物側に手を加える必要がありません。

特長3:ハードウェア・ソフトウェア設計が容易

超音波センサのハードウェア構成は、マイコン、超音波AFE、トランスデューサの3つがあれば実現可能です。
また、マイコン側ではTOF情報を距離に変換するストップウォッチ機能だけです。そのため、ハードウェア、ソフトウェアともに難しい設計は不要です。

超音波センサのアプリケーション応用例

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超音波センサによるパーキング・アシスト

パーキング・アシスト

超音波センサを使ったパーキング・アシスト機能が既に市場で広がっています。

超音波センサは車両に搭載することで、駐車中の車と壁の距離を測定し、衝突回避を実現することが可能です。

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トランスデューサの設置位置

水道メータ / 液体識別装置

超音波を発するトランスデューサの設置位置を変えることで、液面計測や液体識別に応用が可能です。

おすすめ!TI社超音波センサ 評価モジュール

BOOSTXL-PGA460

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評価モジュール:BOOSTXL-PGA460

PGA460向け評価モジュールは、PGA460-Q1搭載のMotherboardとトランスデューサを搭載したDaughter Cardで構成されます。

別売りのMSP430F5529 LaunchPad™ Development Kit (MSP-EXP430F5529LP) と接続することで、PCからの制御が可能となります。

TDC1000-TDC7200EVM 

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評価モジュール:TDC1000-TDC7200EVM

超音波AFE TDC1000やストップウォッチの役割を果たすTime to Digital conveterTDC7200、更に低消費電力マイコンMSP430F5528を搭載した、TDC1000向け評価モジュールです。

ガス/水道メータや液面検出など多くのアプリケーション向けの動作検証用としてご使用いただけます。

超音波センサで新たな付加価値を!

TOFの原理を用いた超音波センサの測定方法や応用例などをご紹介しましたが、いかがでしたでしょうか。

超音波センサを製品に取り入れることで、今までになかった付加価値を生み出すことが可能です。
是非ご興味のある方は、評価モジュールで超音波センサをお試しください。

本記事でご紹介したTI社超音波センサ製品について詳細な情報をお求めの方は、是非こちらからお問い合わせください。
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