超音波センサーはどのように機能するのでしょうか?

超音波センサーは、超音波信号を他のエネルギー信号 (通常は電気信号) に変換して、センサーから対象物までの距離を測定するデバイスです。超音波は、振動周波数が20KHz以上の機械波で、高周波、短波長、回折現象が少なく、特に指向性が良く、光線となって指向的に伝播するという特徴を持っています。

超音波センサーは、40khzのセラミックトランスデューサー（送信機）に電気信号を与えて超音波を発信し、その反射音を電気信号に変換することで、対象物までの距離を測定したり、対象物の存在や動きを検出したりする超音波距離センサーとして使用できます（写真参照）。

1 対の超音波センサーは送信機と受信機で構成されており、別々のユニットとして使用することも、単一のユニットとして一緒に埋め込むこともできます。下の画像は、Manorshi 40KHz 超音波送信機と受信機を示しています。(詳細については、Manorshi Web サイトをご覧ください。 www.manorshi.com ）

超音波センサーの働き

超音波送信機は 、円錐形の金属シートが取り付けられた圧電セラミック結晶を使用します。電圧が圧電セラミックに印加されると、圧電セラミックは連続的に伸縮しながら振動します。その結果、圧電材料の特性により、共振子の円錐形状により直進する超音波が発生します。

 

超音波受信機は、まったく逆の概念で動作します。共振子に超音波が当たると、接続されている振動子（金属板）が振動します。圧電セラミックス円板の振動を振動子に貼り付けることで、圧電セラミックスの特性に応じた電流が発生します。この電流はさらに 2 本の外部リードから取得されます。

つまり、超音波センサーは超音波の送信と受信の両方ができます。超音波を送信すると、電気エネルギーが超音波に変換されます。エコーを受信すると、超音波の振動を電気信号に変換するため、「超音波トランスデューサー」と呼ばれます。

超音波センサーの性能特性

円形の圧電ウェハーの構造上の特性により、放射される超音波は一定の指向性を持ち、ビームの断面が楕円に近いため、検出範囲が制限されます。水平面の検出角度は120度、垂直面の検出角度は60度です。

超音波センサーの特長

1. シンプルな構造と便利な製造;

2. 環境電磁界の影響を受けにくい。

3. 超音波は光や色に敏感ではないため、透明な物体や反射の少ない物体を識別するために使用できます。