超音波センサー

  1. 超音波センサーの定理

    2. 　超音波センサーというのは、超音波を利用したセンサーである。超音波とは人間の可聴範囲以上（約２０ＫＨｚ以上）の音波のことをいう。

  2. 超音波センサーの性質

    3. 　超音波は音であるので、常温の空気中を約３４０（ｍ／ｓ）という音速で伝播する。つまり、１（ｃｍ）あたりの距離を｛１／（３４０＊１００）（ｓ）｝＝　２８＊１０−６　（ｓ）かけて進む。従って、超音波の発射から、物体に反射して戻ってくるまでの時間の測定により、超音波の送受波器から物体までの距離がわかる（ｆｉｇ．１）。
    　超音波の発射から、物体に戻ってくるまでの時間をＴ（１＊１０−６　ｓ）とすると物体までの距離　　ｄは次式で求めることができる。

    ｄ　＝　　＝　０．１７＊Ｔ　（ｍｍ）

  3. 超音波センサーの指向性

    4. 　指向性とは音が横に広がらないで目的の方向にすべての音エネルギが１本のビームとなって直進する度合である。この指向性をεとすると次のようになる。
    ＝　　（この値が大きいほど指向性が良いことになる）　　（２。１）
    ＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２。２）
    λ波長　（長さの単位で１０−６ｍ）
    ｃ音の速さ（ｍ／ｓ）
    ｆ周波数（Ｈｚ）
    Ｄ音源の直径（ｍｍ）
    　したがって（２。１）式より指向性を高めるには周波数の高いものが良いことになる。精度を必要とする通信用（測定）は指向性を高めるため高周波超音波の周波数を１ー１０ＭＨｚ（メガ　１０６）のものを使用する。特殊なものは３０ー５０ＭＨｚ級のものも使用する場合がある。
    　この利点は指向性の良い送信器をそのまま受信器に使用する、横から伝播して周波雑音をすべて除できる。
    　超音波センサーのビームの外観は次のように表す（ｆｉｇ．２）。

  4. 超音波センサーの内部構造

  5. 超音波センサーのいろいろ

    6. 　下の表は超音波センサーの具体例であり。ここではその型名、測定範囲、精度、特徴などをそれぞれ取り上げている。
    型名公称周波数感度特徴メーカ名
    ＭＡ２３Ｌ３２０−２６ＫＨｚ （２３ＫＨｚ）−７３ｄＢ以上
    −７０ｄＢ以上    		広帯域（株）村田製作所
    ＭＡ４０Ｓ２Ｒ４０ＫＨｚ−７４ｄＢ以上小形（センサー）　
    ＭＡ４０Ｓ２Ｓ４０ＫＨｚ１００ｄＢ以上小形（スピーカ）　
    ＭＡ４０Ａ５Ｒ４０ＫＨｚ−６７ｄＢ以上汎用広帯域 （センサー）　
    ＭＡ４０Ａ５Ｓ４０ＫＨｚ１１２ｄＢ以上汎用広帯域 （スピーカ）　
    ＭＡ４０Ｅ１Ｒ４０ＫＨｚ−７４ｄＢ以上防滴形 （センサー）　
    ＭＡ４０Ｅ１Ｓ４０Ｋｈｚ１０６ｄＢ以上防滴形 （スピーカ）　
    ＭＡ２００Ａ１２００ＫＨｚ−５４ｄＢ以上整合器付距離計用　
    Ｃ４０−１６ＫＭ４０ＫＨｚ
    中心周波数    		−６８ｄＢ以上送受兼養用型シリコンハウス
    Ｃ４００−１２４００ＫＨｚ
    中心周波数    		　−８０ｄＢ以上高周波送受兼型　
    ＰＴ４０−１６Ｉ白点　 ３９．４−４０
    黄点　３９．８−４０
    青点　４０．２−４１    		１０５ｄＢ以上
    １０５ｄＢ以上
    １０５ｄＢ以上    		防滴形 （スピーカ）　
    ＰＲ４０−１６Ｉ黄点　３９．８−４０−７８ｄＢ以上防滴形 （センサー）　

  6. 空気中の超音波は減衰が大きい

    7. 　超音波は、媒質に応じて伝搬速度も異なるが、同じ伝搬媒質でも遠方に行くほど、そのエネルギーが小さくなり、ついには消滅する。
    　この特性は固体より液体、液体より気体が著しく、空気中での実用範囲はせいぜい百メートル程度が一応の限界である。
    　一般に空中を伝搬する超音波は媒質によるエネルギー吸収損と、回折現象により球面上に拡散する拡散損失が支配的であり、これによってその伝搬距離が制約される。つまり、超音波エネルギーは遠くへ行くほど、その減衰が大きいのである。
    　図6.1は空中超音波の減衰特性を表したものであり、　ここでは２０ＫＨ、５０ＫＨｚ、２００ＫＨｚの諸特性をそれぞれ取り上げている。
    　図から分かるように、超音波の振動数（周波数）が高ければ高いほどその減衰も大きく、伝搬距離が　短くなる。このため、伝搬距離を延ばすには低い周波数が何にかと有利である。ただし、周波数が低下すると距離計測の分解能が低下するので、それらの配慮も必要となる。また、周波数が低くなればそれ　に対応して超音波発生器の形状も大きくなり、それをドライブする電子回路も大きくなる。

  7. 空中超音波センサーＭＡ４０Ｓ２Ｒ／Ｓの諸特性

    8. 　超音波センサーＭＡ４０Ｓ２Ｒ／Ｓはまとめたものである。また、センサーの公称周波数が４０ＫＨｚとなっているが、これは素子部の中心周波数であり、実用に際しては送信時は直列共振と並列共振の中間点で、また受信時は並列共振周波数で、それぞれ使われている。
    　下に表７。１は超音波センサーＭＡ４０Ｓ２の諸元である。

    定格
    品名ＭＡ４０Ｓ２ＲＭＡ４０Ｓ２Ｓ
    項目受信用送信用
    公称周波数４０ＫＨｚ４０ＫＨｚ
    感度,音圧−７４ｄＢ以上１００ｄＢ以上
    帯域幅６ＫＨｚ以上（−８０ｄＢ）７ＫＨｚ以上（９０ｄＢ）
    静電容量１６００ｐＦ１６００ｐＦ
    絶縁抵抗１００ＭＯｈｍ以上１００ＭＯｈｍ以上
    温度特性−２０−　＋６０　Ｃにおいて
    感度,音圧の変化はー１０ｄＢ以内    		−２０−　＋６０　Ｃにおいて
    感度,音圧の変化はー１０ｄＢ以内

  8. 超音波センサー回路

    9. 　本回路はＭＩＲＳ各機能の中において超音波探索機能を担うモジュールである。機能の概略としては、まずＣＰＵ側から距離計測用トリガ信号が回路に入力するとシステムに設置された４対の超音波素子のなかからＣＰＵ側より入力するセンサー選択信号で１対を選択する。そこからパルス状の超音波を送受信し、相手物体または外壁までの距離を８ｂｉｔ２進数で送出する。
    　各回路の詳細は次に述べる通りである。
    1. 主発振回路 　この回路では、ＣＰＵ側より入力されるトリガパルスを整形し、タイマＩＣによってパルス幅０。３５［ｍｓ］のタイミングパルスを作成する。タイミングパルス発振部からの４０［ＫＨｚ］の発振波と合成され、最終的には周波数４０［ＫＨｚ］。幅０．３５［ｍｓ］の超音波パルス用信号が生成される。
    2. アナログ。マルチプレクサ 　アナログ。マルチプレクサは、コントロール信号の入力により複数のＸ端子およびＹ端子の中から１対を選択し、入出力する素子である。
    3. 送信回路 　送信用信号は、並列されたインバータによって電流が２倍に増幅される。そして、超音波スピーカで電気信号から超音波に変換し超音波パルスが送出される。
    4. 受信回路 　物体に当たり反射した超音波パルスは、超音波マイクロホンによって受信され受信波となる。これは減衰しているため、増幅器によって増幅し、信号処理可能なレベルにする。さらに波形成形し、不要なＤＣ成分がカットされる。
    5. 比較回路 　超音波マイクロホンによって受信された波形に、物体に当たって反射した反射波だけでなく直接超音波スピーカから伝播する回り込み波が存在する。後述するカウンタ回路より距離値を出力する際、そのままではこの回り込み波を捉えてしまう。したがってこの部分を除去し、ディジタル信号に変換するおが本回路の機能である。
      コンパレータの＋端子にはタイミングパルスから作り出された比較電圧が入力する。これとアナログ受信波を比較しデイジタル受信信号が出力する。
    6. カウンタ回路 　デイジタル化された受信信号はＲＳ−ＦＦで送信用タイミングパルスとの時間差を別の信号になる。この回路の中で信号がラッチされる。

  9. 超音波センサーのブロッグ図

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