目次

1. 目的
2. 調査項目
   
   • (1)超音波の性質
     
   • (2)超音波センサの構成
   • (3)超音波スピーカと超音波マイクロホン
   • (4)超音波の指向性と反射特性
   • (5)ハードウェアタイマ
   • (6)超音波センサ利用上の注意
   • (7)定格と外観
3. 考察

　本書は、本システム主要構成部品のひとつである超音波センサについて、 その基本性能を調査、理解し、後のMIRS製作に役立てていくことが目的である。

２．調査報告

(1) 超音波の性質

　超音波というのは、人間の可聴範囲以上（約16KHz）の音波を いう。我が MIRS において、障害物の検知・距離測定と自機座標の確認をする センサが超音波センサである。今回 MIRS で使用する超音波センサは反射方式 （独立型）を採用している。
1. 　超音波は音であるから常温の空気中を約 340 [m/s] という速度で伝 播する。従って、音は 1 [cm] 距離を約 28 [μsec] だけの時間をかけて進む 。すなわち超音波を発射してから物体に反射して戻ってくる迄の時間を測定す れば、超音波の送受波器から物体までの距離を知ることができる。(図 1) 超 音波を発射してから、反射波が検出されるまでの時間を T [μsec] とすると、 壁までの距離 d は
   　d = 0.5T * 340 * 0.001 = 0.17T [mm]
   で計算された。

2. 　温度の影響に対して空気中の音波伝搬速度ｖは簡易的に次式で表される。
   　v = 331.5 + 0.607T [m/s] T : 周囲温度　[℃ ]
   　つまり、周囲温度によって音速が変化するので物体迄の距離を常に精度よく 測定するには温度補正が必要となる。

3. 　硬い物（金属、木材、コンクリート、ガラス、ゴム、紙など）は超 音波をほぼ 100% 反射するのでこれらの物体の有無は十分検知することが出来 るが、布、グラスウール、綿、の柔らかくて空気を含んでいる物体は超音波を 吸収するため物体の有無を検知し辛い。

4. 　物体の表面の起伏が大きい場合超音波が乱反射するため検知しにくい ことがあるので、注意が必要である。

5. 　減衰質について超音波は距離が 長くなるほど減衰している。また図 1 に示すように音波周波数が高くなる程減 衰率が大きくなって到達距離が短くなる。通常周波数約 100 [ KHz ]では最大 1 〜 2 [m]検知可能距離となる。超音波では技術的にいえば 1000 [MHz]ぐらい 迄発振可能となってきた。

図１　距離による音圧の減衰特性

図２　超音波センサの原理

(2) 超音波センサーの構成

　図 3 の構成による各部の波形の例が図 4 である。実際には反射波は物体の形により エコーして残るが、この回路では反射波の先頭だけを検出して、最も近い所か らの反射時間をはかる。図 3 では発振器を使用しているが発振波形でなく一発 の高圧パルスで超音波スピーカを駆動することもある。

図３　超音波センサの構成

図４　超音波波形とタイミング

　また、反射時間を測定するために図 3 のようなハードウェアタイマを用いず、マ イクロコンピューターのソフトウェアでタイマを構成することも出来る。図 5 はソフ トウェアタイマを用いた場合の超音波センサ制御ルーチンの流れ図である。

図５　流れ図

図６　超音波トランジューサ

　超音波を反射した後待ち時間をおいているのは超音波スピーカの振動が減衰せずその漏 れが受信回路に入って受信波を検出したように誤動作してしまうのをふせぐためである。

図７　超音波送波回路例

(3) 超音波スピーカと超音波マイクロホン

　電気信号を超音波に変えて空気中に発射する超音波スピーカ（送波器）と空気中を飛 んできた超音波を受けてそれを電気信号に変換する超音波マイクロホン（受波器）を合 わせて超音波トランジューサという。音は空気の振動であるから超音波トランジューサ 波電気信号を機械的振動に変えたり、その逆の役割も果たす。
　これらの電気振動変換素子は原理的には一つの素子が送波器にも受波器にも働くが送 波と受波では空気の振動振幅にも大幅に異なり、しかもインピーダンスを変えたほうが 効率がよいので別個のトランジューサを利用するのが通常である。
　超音波を発生するための送波回路には CMOSゲート回路による発振器やマイクロコンピ ュータのクロック信号を分周する回路によってトランジューサの共振周波数のパルス列 をつくり、これにより超音波トランジューサを駆動させる方式をとる。図 6 はこの例で マイコンからのコントロール信号が "H" の間だけ発振が起こり超音波が送波される。

(4) 超音波の指向性と反射特性

　超音波は、トランジューサから一定の広がりを持ってビーム状に発射される、そのビー ムの形状を超音波トランジューサの指向性と言う。
　市販されている超音波トランジューサの指向性は、それ程鋭くなく、半値角として 20°〜 30°程度の広がりを持つ。
　超音波センサの指向性が広いと、センサによって計測された対象物体の形はかなりボ ケたものになる。すなわち、超音波センサは、距離方向の分解能はよいが、横方向の分 解能はよくない。この指向性を改善する方法として、トランジューサにホーンアンテナ を取り付ける手段がある。アンテナには一般に指向性を鋭くすると同時に、中心方向の ゲインをかせぐという利点がある。ただし、ホーンアンテナの設計を理論的に行なうこ とは難しいので、ある程度の試行錯誤によってホーンの形を決める必要がある。

図８−１　紙性ホーンアンテナの例

図８−２　超音波の指向性

　超音波センサには電気信号を超音波に変えて空気中に発射する超音波スピーカ（送波器） 部と、空気中を伝搬してきた超音波を受けてそれを電気信号に変える超音波マイクロホン （受波器）部とがある。この両者をあわせて超音波トランスジューサーという。
　超音波トランスジューサーのように電気信号を機械的振動に変えたりその逆をする電気 −振動変換素子は、原理的には一つの素子が送波器にも受波器にもはたらかせることが出 来る。しかし送波と受波では空気の振動振幅が大幅に異なり、またインピーダンスを変え た方が効率がいいので実際はほとんど送波器、受波器で別個の素子を用いている。
　超音波のような波が対象物に当たった場合、対象物が凹凸のある表面を持っていたと するならば、超音波は散乱しあらゆる方向に反射波が進んでいく。しかし鏡面を持って いたとすると入射角と反射角の関係から反射波は反射角の方向にしか観測されない。セ ンサに対して斜めの鏡面は観測されにくいと思われる。
　まして相手 MIRS を検出するのはさらに難しいであろう。試作品を製作し、実験をす る必要があると思われる。
　 超音波にとってどの程度までが散乱面なのかは波長 λ から知ることが出来る。以下にそ の関係式を示す。

（式）

v = λ f

ここで 20 ℃の空気中の音の伝搬速度を求めると、

　　　　　

v = 343.5

超音波の周波数を 40 KHz として波長 λ を求める。

（式）

λ = v ÷ f = 343.5÷ 40 K = 8.6 [mm]

以上の結果により、対象物の凹凸が約 8.6 [mm] 以上の場合には散乱面とみなされる。

(5) ハードウェアタイマ

　超音波センサでは、1 [μs] を 0.17 [mm] に換算する。したがって、ソフトウェアタイマの 1 回のループに用 する時間を 10 [μs] とすると、CPU はこの間他の処理ができない。ハードウェアタイマ を用いれば、その間も他の処理を行うことができる。
　ハードウェアタイマとしては、それぞれの CPU に周辺 LSI として準備されているタイ マ用 IC を使うのが簡単である。クロック発生回路とマイコンから読むことのできるカウ ンタ回路を構成すればそれで充分である。

(6) 超音波センサ利用上の注意

1. (4)でも述べ たが、壁にたいして斜めに入射した超音波はほとんどもどってこない。
2. 　超音波トランジューサは、周波数選択性が著しいので、送波回路に発信機を用いる時は 周波数調整を綿密に行う。経時変化や温度変化による発信機のドリフト < 注 1 > にも注 意が必要。
3. 　受信機は、大きな増幅率をかせぐアナログ回路であり、回路の雑音に注意。
4. 　受信機はマイクロホンであるから、外部の音やシステム自体の機械的振動で誤動作す る恐れがある。受信機はゴム等を用いて、機械的振動が伝わらないように取り付ける。　 (図 9)
5. 　外部からの音響的な雑音に対しては、距離を 2 回測定して、その値が違って いたら再度センサを働かせるというようなソフトウェアによる対策が有効。
6. 　続けて 距離を測定する場合は、以前に発射した超音波に対する反射や残響が十分に減衰する時間 （数 [ns] ）をおいてから、次の超音波を発射する。

図９　基板へ超音波トランジューサを取り付ける方法の一例

＜注１＞ドリフト

　直接結合増幅回路は直流信号まで増幅できる。それゆえ、温度や 電源電圧の変化によって ICBO や VBE 等が変化し、コレクタ電流が変化した場合、これを信 号直流分と区別できない。入力の変動に原因せずに、電流が変動する現象をドリフトと呼ぶ。

(7) 定格と外観

　　　

超音波センサの定格

構造	送信・受信専用 （Ｒ：受信用　Ｓ：送信用）
品名	ＭＡ４０Ｂ５Ｒ／Ｓ
特徴	凡用・広帯域
公称周波数/TD>	４０ｋＨｚ
感度	−４７ｄＢ以上
音圧	１１２ｄＢ以上
指向性（半域全角）	５０°
静電容量	２０００ｐＦ
分解能	９
検知距離	０．２〜６．０ｍ




図１０　ＭＡ４０Ｂ５Ｒ／Ｓ

僕達のMIRSは超音波センサによる正確な距離・方向測定を必要とする。 超音波センサの指向性を広くするとセンサによって計測された対象物体の 距離・方向はボケたものになってしまうのでMIRSがポスト正確な距離・方向 を正しく知ることができない。
よって、今回の調査結果より適度に超音波センサの指向性を狭くしてポストを確実 に知る必要があることがわかる。

• MIRS0104 調査報告書一覧(MIRS0104-REGU-1001)