超音波距離センサの動作原理
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超音波距離センサは、20 kHzを超える短い音のパルスを発し、対象物から反射波が戻るまでの時間を計測して、距離に換算します。距離＝音速×時間÷2です。気温20 °Cの空気中では、音速は約343 m/sです。
伝搬時間（タイムオブフライト）
振動子は圧電素子で、発音と受音の両方を行います。共振周波数（長距離の気中センサでは通常40 kHz）で数サイクル駆動した後、受信に切り替わります。コントローラは、パルスの発射から、しきい値を超える最初の反射波までの時間を計測します。
音は対象物までの往復を伝わるため、片道の距離は経路の半分です。気温20 °Cの空気中で反射波が10 ms後に戻った場合、343 m/s × 0.010 s ÷ 2 ≈ 1.72 mとなります。
温度の影響
空気中の音速は、気温が1 °C上がるごとに約0.6 m/s速くなります。0 °Cから40 °Cの間で約7％変化し、1 mの距離では7 cmの誤差になります。優れたセンサは気温を測定して結果を補正します。モデルが温度補償に対応しているかどうかは、データシートで確認できます。
不感帯
振動子は発信後もしばらく振動（余振）が続き、その間は反射波を受信できません。この不感帯より近い対象物は測定されないか、不感帯の距離として出力されます。密閉型の防水プローブは余振が長くなりやすく、オープンタイプのモジュールより不感帯が大きくなります。
ビーム角
音は円錐状に広がって放射されます。ビームが狭いほど遠くまで届き、対象物の横にある壁の影響を受けにくいため、タンクや井戸に適しています。ビームが広いと、より広い空間をカバーできるため、ロボットや車両の障害物回避に適しています。データシートのビーム角は、通常−3 dBまたは−6 dBの点で測定した値です。
測定しやすい対象物としにくい対象物
- 測定しやすい：水、壁、箱、車両など、センサに正対する平らで硬い表面
- 測定しにくい：発泡材、布、新雪など、音を吸収する柔らかい素材
- 測定しにくい：急な角度で、反射波をそらしてしまう表面
- 測定しにくい：電線や枝など、非常に小さい、または細い対象物
出力方式の選び方
UARTモジュールは距離をデジタルフレームで送信するため、マイコンから読み取りやすい方式です。PWM出力は、距離をパルス幅で表します。RS485とModbusは、長いケーブルや、1本のバスに複数のセンサを接続する場合に適しています。スイッチ出力は、設定した距離で状態が切り替わるだけの方式で、4 to 20 mAは産業用コントローラに適しています。