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超音波センサーとは？使用例や仕組み、選び方、おすすめメーカーを徹底解説
透明体・光沢品・液体などの検知には、非接触で検知ができる超音波センサーが優れています。
自動車業界・医療業界など幅広い分野で活躍していますが、利便性の高さゆえに多くの業界から注目されているセンサーです。
本記事では、超音波センサーの原理・仕組みを紹介します。さらに、超音波センサーを販売するおすすめのメーカーについても触れていきます。
超音波センサーとは？ 基本的な特徴を解説
工業的に超音波は「聞くことを目的としない音」といわれ、水や金属などの物質をよく伝搬する性質があります。このような超音波の特性を利用したセンサーが「超音波センサー」です。
超音波センサーは、超音波の伝わり方を利用して物体までの距離や物体の有無を検出します。非破壊で物質の中のキズや、水中の物質も正確に検出することも可能です。
さらに、光学式センサーが苦手としている周囲の明るさや対象物の材質・色などの影響を受けない特徴があります。
超音波センサーの原理や仕組みは？
超音波センサーは、超音波振動子（圧電素子）と呼ばれる特殊な物質を使用しています。
圧電素子を構成するのは、酸化チタンや酸化バリウムなどから作られる多結晶セラミックスです。
電気エネルギーと機械エネルギーに変換する特性があり、圧電効果と逆圧電効果の両方を引き起こします。
発振部と受信部で構成される超音波センサーは、交流電流を流すことで圧電素子が伸縮・振動して超音波を発生します。
発振された超音波を直接、もしくは反射させて受信部で受信し、対象物を検出。超音波の発信から受信までにかかった時間と音速との関係で、センサーから対象物までの距離を算出します。
活用することで得られる超音波センサーの強み・メリットを紹介
超音波センサーには、光学式センサーにはない特徴があります。下記が超音波センサーの強み・メリットです。
透明体の検出が可能
超音波センサーは物体に当たった超音波を利用します。反射光を必要とするレーザーやLED光では、検知できない透明体の検出が可能です。光学式センサーでは検知できない物体は下記が挙げられます。
ミスト・汚れに強い
空気中にミストやほこりなどの汚れが舞っている環境でも、安定して超音波センサーは動作します。
空気中で物質を検出する場合、ほとんどの物質は超音波が反射します。ミストやほこりなどの影響は受けず、安定して検知が可能です。
空気中で超音波が反射する理由には、音響インピーダンスが関係します。音響インピーダンスとは、物質の音の伝わりやすさを数値で表したものです。
対象物質と伝達媒体（大気中であれば空気）との音響インピーダンスの差が大きいほど、超音波の大部分が反射する特徴があります。
また、超音波は対象物表面の水滴や汚れの影響も受けませんし、洗浄後のワークやオイルが表面に付着したワークでも検出できます。
ただし、ホコリや汚れの程度がひどければ検知してしまうため、注意してください。
複雑な形状の検出体でも検出可能
超音波センサーは周波数やホーンにより指向性が変化しますが、検出範囲内からの反射波だけを検出できます。
背景の光沢などの影響を受けずに、複雑な形状でも安定した検出が可能です。
超音波センサーを3種類に分けてそれぞれの特徴や構造を確認
超音波センサーは、大きく分ければ「透過型」と「反射型」に分けられます。透過型とは、検出距離の範囲内にある物体から反射波を検出する方式です。
一方、反射型は発振部と受信部両方の機能を持ったセンサーヘッド1台で測定をおこないます。センサーヘッドから発振した音波の反射具合で、物体の有無・距離を判断します。
超音波センサーの具体的な種類は下記です。
透過型超音波センサー
「透過型超音波センサー」は発振部と受信部の間にある物質によって、超音波が減衰・遮断された程度で物質の有無を判断するセンサーです。
透過型超音波センサーは、発振部と受信部が一直線になるように向かい合わせに配置します。
発振部と受信部の間に対象物質が進入すると、超音波が対象物質に当たり反射・減衰します。ブランクと比較して、超音波の強度が変化することで対象物の有無を検出する仕組みです。
回帰反射型超音波センサー
「回帰反射型超音波センサー」の特徴は、発振部と受信部両方の機能を備えた「発振受信部」と「反射板」を搭載していることです。
発振受信部と反射板が向かい合うように配置し、発した超音波が反射板から戻って来るまでの時間差を利用して物体を検知します。
物質が発振受信部と反射板の間を通過した際に、反射した超音波を受信部が検出すれば、ブランクの状態と比較して超音波を検知する時間は短くなります。
検知する時間差を利用するため、光学式センサーでは検知できない物質でも検知可能です。具体的には、透明体の検知に広く利用されています。
物体反射型超音波センサー
一般的に使用されている超音波センサーといえば「物体反射型超音波センサー」が挙げられるでしょう。
物体反射型は回帰反射型超音波センサー同様に「発振受信部」を使用しますが、反射板を必要としないのが特徴です。物体から反射した超音波のみで、物体の検出をおこないます。
どんな所で使われている？ 導入事例・業界を紹介
超音波センサーは、光学式センサーでは検知できない場合に有効です。とくに、下記の業界で使用されています。
自動車・航空業界
形状が複雑で高い光沢がある自動車や航空機は、光学式センサーによる検知が困難です。
しかし、超音波センサーは広範囲を検知できるため、複雑な形状の検知を得意とします。また、音波ゆえに光沢が生み出す反射光や外部からの光の影響を受けません。
超音波の安定した検出が可能で、自動車業界・航空業界に用いられています。自動車であればエンジンや駆動系など、航空機では主翼やフレームなどの欠陥検査に使用されます。
ドローン業界
商業用のドローンは自動飛行・衝突検知などのために多くの機能を搭載しなくてはいけません。
そこで、検知距離・範囲に長けている超音波センサーが、着陸・ホバリング・地上追跡などを可能にしています。
多彩な機能を持つドローンは、防犯・物流・エンターテインメントなどに利用されています。ドローンビジネスは、今後も大きく成長していくでしょう。
食品・薬品業界
食品や薬品の業界に使われる包装容器（ボトルや袋）の多くは透明で、通常の検知方法では対応できません。
超音波センサーは、波の減衰具合や反射時間によって物質を検知します。透明体の物質検出にとくに有効です。
また、業界的に非接触で物体を検出できることも重宝されています。機械や人の手で品質検査などをおこなえば、油・グリスや生態由来の汚れが付着する可能性はゼロではありません。
以上より超音波センサーは、衛生面でも優れたセンサーであるといえます。
超音波センサーの活躍シーンを紹介
非破壊で液体や透明体の検知ができる超音波センサーは、さまざまな業界で活躍できるでしょう。ここでは、具体的な事例を用いて活躍シーンを紹介します。
超音波探傷器による非破壊検査
超音波探傷器は超音波センサーを活用した機器です。
対象物に超音波を送り、戻ってくる反射波を検出して検査対象の内部にあるキズや欠陥を検出できます。一度作ってしまうと取り壊せない自動車・航空機・建築物・医薬品などに広く利用されています。
生産ライン上の製品の検出
生産ラインのコンベア上を流れてくる製品の欠陥などの異常や、製品の有無を検知する目的で超音波センサーは使用されています。
検知距離・範囲が広く、複雑な形状にも対応できる超音波センサーは、光学式センサーでは対応できないような物質の検知を得意とします。
光学式センサーと比較すれば検知精度では劣りますが、超音波センサーの使用事例は多く、さまざまな業界で活躍しています。
工場の液体タンクのレベル検出
液体タンクのような外からでは中身が見えない検査にも、超音波センサーは活用されています。
超音波センサーは水や液体に振動を伝えて内部の液量を調べられるため、液体レベル計として広く利用されています。
とくに、薬品タンクの液体がアルカリ性・酸性の薬品など容易に調査できない場合には、超音波センサーが有効です。非接触で安全に検査ができます。
自社に適した製品を選ぶための超音波センサーの選び方を紹介
多種多様な超音波センサーが各メーカーから発売されているため、何を基準に選んだらいいか悩むものです。下記を基準にして超音波センサーを選定してください。
対象物質で選定する
超音波センサーは大きく分けて透過型・反射型に分けられます。自社で使用用途を明らかにしたうえで、導入を検討してください。
設置場所を考慮して選定する
対象物質にもよりますが、超音波センサーの設置場所を考慮したうえでセンサーを選定してください。一般的に超音波センサーと対象物の反射面は、直角に設置するのが最も安定した設置方法です。
しかし、対象物質が液体やシリコンウエハのような場合には、注意が必要です。通常とは異なる設置方法になったり、精度が変わったりする可能性があります。導入前にメーカーに確認が必要でしょう。
また、圧電素子が振動によって動作するため、超音波センサーは振動を避けなくてはいけません。ほかの機械の振動や衝撃が、超音波センサーに伝わらない位置に設置する必要があります。
検出距離で選定する
超音波センサーの特徴は、広い検知距離・範囲です。メーカーや種類によっては、数十ミリメーター〜数メーターまでの幅があります。
使用目的に応じて適切なセンサーを選んでください。設置レイアウトが決まっているのであれば、導入前に検知の精度を確認するといいでしょう。
【編集部おすすめ】超音波センサーのメーカーを4社紹介
超音波センサーは各メーカーで検出距離・範囲やアタッチメントが異なります。できる限り目的に合ったセンサーを選定したいものです。ここでは、下記の超音波センサーを販売するおすすめメーカーを紹介します。
株式会社キーエンス
「キーエンス」は自動制御機器（PLCと周辺機器）、計測機器などを取り扱う業界最大手のメーカーです。
超音波センサーだけでもアンプユニットやコネクタなど、さまざまなアタッチメントがあります。総合的に超音波センサー導入を検討している場合には、確認してみましょう。
オムロン株式会社
センシング技術を中心にして正業機器やシステムなどを展開しているのが「オムロン」です。
制御機器分野では高い国内シェアを持ち、多くのセンサーを販売しています。超音波センサーはコンパクトなサイズ感が特徴で、さまざまシーンで活躍できるでしょう。
本多電子株式会社
「本多電子」はマリン製品・産業製品・メディカル製品など幅広い超音波製品を製造・販売をおこなう専門メーカーです。
業界でも超音波を専門として取り扱っているため、深いノウハウが期待できます。産業用超音波センサーでは、レベル計・深傷映像装置・界面レベル計などを取り扱っています。
株式会社FAプロダクツ
「株式会社FAプロダクツ」は、Smart Factory実現における総合支援をおこなうメーカーです。
一貫生産体制が特徴で、設計から製造まで対応しているため、幅広い分野へのノウハウが期待できます。
まとめ｜超音波センサーに投資して生産性向上を図ろう
液体や固体を検知する超音波センサーは、自動車業界や医療業界など幅広い業界で利用されています。
非接触での検知は需要が高く、超音波センサーを利用した製品や生産ラインは今後も発展していくことが考えられます。
使い方次第では生産性を向上させる要因になるでしょう。ぜひ導入を検討してください。
JET-Roboticsでは、超音波センサ以外にもさまざまなロボットセンサを解説しています。ロボットセンサ全体について詳しく知りたい方は、以下の記事をご覧ください。
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