制御機器の基礎知識センサ編【株式会社山武】

制御機器の基礎知識センサ編

第六章超音センサ（超音波形近接スイッチ）

	1.はじめに
	2.原理と構造
	3.定格と特性
	4.選び方
	5.上手な使い方

注)文中では超音波形近接スイッチとしていますが、弊社での呼称は「超音波センサ」としています。ご了承ください。。

■ 1. はじめに

■ 1.1. 定義

超音波形近接スイッチとは、半導体開閉素子を備え、検出領域内で超音波を送・受波する近接スイッチである。

JIS用語辞典（電気編）によると、「超音波」の定義については、「正常な聴力を持つ人に聴感を生じさせないほど周波数（振動数）が高い音波（振動波）」となっており、その境界周波数については、弾力的に扱われている。通常、人間の耳で聴くことのできる音は20kHz位までで、これより高い周波数の音波を超音波と呼んでいるが、工学的には、聴くことを目的としない音波という定義が一般的になっている。

■ 1.2. 種類

超音波形近接スイッチには、大きく分けて透過形と反射形がある。形状から分類すると、円柱ねじ形状、角形などがある。

■ 1.3. 特徴

超音波形近接スイッチには、他の検出スイッチと比べて次のような特徴がある。

（1）反射形は、動作距離が長い。
動作距離が20mを超えるものも発売されており、光電形近接スイッチと比べて長い。
（2）検出対象物の制約が少ない。
材質・色・表面状態・透明度などの影響を受けずほとんどの物体の検出ができる。ただし、綿・柔らかい布、泡のある液面・微粉体など、音を吸収もしくは散乱するものは検出困難である。
（3）測距機能がある。
音波の空気中を伝搬する速さは約340m/sである。したがって、音波の伝わる時間を測定することにより物体までの距離を検知することや、特定の範囲にある物体を検出することができる。反面、次のような欠点もある。
（4）風や温度の影響を受けやすい。
風により、音波の方向がずれたり、相対的に音速が変ることで、正しく検出できない場合がある。また、音波の伝搬速度は温度の影響を受けるため、温度変化により、計測距離に誤差が生じたり、部分的に温度の異なる空気層がある場合、音波の屈折により、安定した検出ができないことがある。
（5）検出動作の不感帯領域がある（反射形）。
（6）応答速度が遅い。
音速による制約により、光電形近接スイッチなどと比較して応答速度が遅い。

■ 2. 原理と構造

■ 2.1. 超音波振動子について

超音波の発振部には、超音波振動子が用いられている。その形状には、各種種類があるが、圧電素子の振動により超音波を発振することを基本とし、空気中に効率よく伝播させるための工夫が施されている。（図1参照）

圧電素子とは、その名の通り、電気を加えると応力が生じ、振動を起こす、また逆に応力を加えると電圧が発生する強誘導体である。

図1　超音波振動子の構造

■ 2.2. 基本構造

透過形超音波形近接スイッチは、送波・受波専用の2個の振動子を別々の機器に備えている。送波器は制御出力を持っておらず電源部と発振部、振動子からなっており検出媒体となる超音波を送信する役目を持つ。受波器は増幅部、フィルタ部、論理判断部、制御出力部、表示部、電源部、振動子からなっており、送波器の超音波を受けて電気信号に変換する役目を持つ。

反射形超音波形近接スイッチは、透過形では別々の機器に配置されている振動子が、1つのユニットに収まったものと考えればよい。反射形では、送受波を1つの振動子で行うものもあり、この1素子形の製品が多くなっている。

その回路ブロック図の例を図2に示す。

図2　反射形超音波形近接スイッチのブロック図の例

■ 2.3. 動作原理

透過形は、送波器から超音波を送り、その超音波を受波器で受波することで物体の有無を検出する。また、送波器と受波器を同期線で結んだものは、送波器と受波器間の距離を測定することができる。

反射形は、超音波を発信し物体からの反射波の有無や反射波の到達時間により、物体の有無や物体までの距離を検出する。

■ 3. 定格と特性

■ 3.1. 超音波振の伝播特性

超音波は、空気中での伝播によりエネルギーが減少し、減衰する。減衰率は、発振周波数に依存し、発振周波数が高いほど減衰率が高く、遠くまで伝達できない。しかしながら、計測距離の分解能は、発振周波数に反比例し、発振周波数が高いほど、分解能がよくなる。つまり、発振周波数が高いと動作距離は短いが、分解能がよく、逆に発振周波数が低いと動作距離は長いが、距離分解能は、低下する。このことを参考に、超音波形近接スイッチを選択するとよい。

■ 3.2. 動作距離

透過形では、送波器から受波器までの距離で、仕様値内に収まるように設置すること。

反射形では、標準検出体（規定の大きさの厚さ1mmの金属）までの距離。検出体の材質の違いによる変動は非常に少ないが、標準検出体よりも小さい場合は検出できる距離は定格値より短くなる。また、検出体の傾きによって、動作距離が大きく変わることがあるので、注意が必要である。

一般に最大動作距離近傍では、角度特性が数度になるため、表面の凹凸が大きい検出体や、超音波形近接スイッチに対して傾いている検出体は、安定して検出できないことがあるので、注意が必要である。

■ 3.3. 分解能

一般に、動作距離の0.2～0.4％程度、数mの動作距離に対して、2～8mm程度である。レーザ式の測距センサには、劣るものの、LED式のものよりも優れている。また、回路上の工夫により、分解能を0.1～0.3mmに向上したものも発売されている。

■ 3.4. 受波特性（透過形）

受波特性は、受波素子（振動子）の出力信号の大きさで表現する。受波出力は動作距離が短くなるに従って上昇する。よって、送・受波器を極端に接近させて使用すると受波出力がきわめて大きくなり、薄手の紙や布などでは音波を遮断することが困難となる。このような場合は感度調整のできる製品を使用すると良い。

■ 3.5. 指向性

送波器から出る音波、及び受波器に入射する音波の広がり具合を示す特性である。一般に、周波数が高いほど指向性が狭い。しかしながら、この特性は、使用している振動子により異なるので、メーカのカタログ・取扱説明書で確認しておくことが必要である。

図3　床面反射の影響

また、この指向性は、音波の広がり具合を示すものなので、実際に検出可能な領域については、メーカのカタログ・取扱説明書に記載している、検出領域特性図を参考にすると良い。

透過形の場合、基準軸に平衡な床や壁などの平面近くでセンサを動作させた場合、その面で反射した音波が受波器に入射するため、基準軸上で遮音動作を行っても遮音状態とならず検出できないことがある（図3参照）。基準軸に平行な面での反射は、金属板やプラスチック板・タイルなどの音響反射率の高いもの（硬質で表面の平坦なもの）の場合に発生しやすい。

対策としては、指向性の狭い製品を選ぶと共に、受波器の感度を絞る、反射防止対策（吸音材、遮音壁など）を行うなどの処置をすると良い。

■ 3.6. 動作サイクル周波数

超音波形近接スイッチは、風などの影響を受けやすく、外乱音の影響による誤動作を避けるため、数回の受信波によって物体の有無や位置を検知するようになっている。

透過形の場合、応答時間は送波パルス周期の4～5倍に音波の到達時間を加えた時間となり、通常動作サイクル周波数は、約50Hzである。

反射形の場合、動作距離に比例して応答時間は遅くなる。応答時間は音波の到達時間の2～10倍となっている。通常、動作サイクル周波数は、中距離品で10～50Hz、長距離品では1～数Hzである。

■ 3.7. 検出動作の不感帯領域（反射形）

反射形では、超音波を送波してからある時間中は反射波を受波できないため、超音波形近接スイッチの前面からある距離までの範囲内で検出動作が不安定な（オンかオフかが定まらない）領域が生じる。

この不感帯領域は定格動作距離の5～30％程度であり、その範囲内では使用してはならない。

■ 3.8. 温度特性

音速は+0.178％/℃の温度依存性を持つので、測距機能ある超音波形近接スイッチの場合、温度特性は、音速変化に影響され、0～40℃で約7％変化する。温度補償回路のないものでは、電子回路の温度変化も含めて-10～50℃の範囲で±10％程度、温度補償回路付きのものでは±2～3％程度変化する。

■ 4. 選び方

■ 4.1. 使用条件から見た選定

表1に超音波形近接スイッチの使用条件から見た選定方法を示す。

選択目的・条件

留意ポイント

最適機種の例

検
出
用
途

位置決め

動作精度の良いもの

・	時間計測方式の反射形
・	狭指向性透過形

小さい物の検出

超音波ビームの径（透過径）

・	狭指向性透過形
・	反射形

検出面の一定しない物の検出

反射波の方向（反射形）

・	透過形
・	広指向性反射形

材料レベルの検出

動作精度の良いもの

時間計測方式の反射形

人の通過

衣服の音響特性

透過形

防犯用

衣服の音響特性

透過形

設
置
場
所

周囲に壁、柱のあるところ

狭指向性のもの

透過形、反射形

水のかかる場所

防水構造形

ちり、ほこりの多い場所

ほこりの大きさ、量

防じん形

一方向からの検出

反射形

背景の影響をさける

動作距離の限定

設定距離可変の反射形

表1　使用条件から見た選定

■ 4-2. 用途

表2に超音波形近接スイッチの用途を示す。また、用途例を図4（a）～（g）に示す。

分類

用途

透過検出・計数存在の有無

・	瓶、ダンボールの通過検出・透明シートの検出・紙の検出・木材、加工品の有無、ガラス瓶の有無

レベル検出

・	ホッパ内の粉体のレベル検出・穀類、飼料等のレベル検出
・	砂、砂利、石炭等のレベル検出・積載高さ検出
・	薬品類のホッパ内レベル検出・水位検出

分類

・	梱包箱の高さによる分類・車両の高さ

定寸・位置決め

・	無人搬送車の位置停止・ロール材のたるみ検出

安全・警報

・	クレーンの衝突防止・車両の高さ検出・貨物の積載高さ検出
・	人の侵入検知

表2　超音波形近接スイッチの用途

図4　超音波形近接スイッチの用途例

■ 5. 上手な使い方

■ 5.1. 基準軸の調整（透過形）

送・受波器はある程度広がりのある指向性を持っており、多少基準軸がずれても使用できる。しかし、使用中の温度サイクルなどの設置環境の変化により感度が低下した場合、検出できなくなることがあり、注意が必要である。

なお、基準軸の調整は、以下の手順に従って行うとよい。

（1）送波器を検出体が通過する位置に向けて固定する。
（2）受波器の感度調整器を最大にして、目測で受波器を送波器の方向に向ける。
（3）受波器の出力表示灯または出力信号を見ながら受波器を上下左右に振って受波範囲の中心を見つける。このとき、受波範囲が広く中心が出しにくい場合は受波器の感度調整ボリウムを絞って行うと良い。
（4）ずれないよう、受波器を確実に固定する

■ 5.2. 感度調整（透過形）

感度が高すぎると、床面や側壁、天井での反射波や被検出体表面の反射波を検出して入音状態を続け、検出不能となる場合がある。この場合は受波器の感度を絞る、反射防止対策（吸音材、遮音壁など）を行うなどの処置をすると良い。

検出体が薄い紙やフィルムなどの場合、薄膜のため、音波が充分減衰せずに通過し入音状態が続き、検出できないことがある。この場合は、受波器の感度を絞ると良い。

■ 5.3. 取付場所

取付に際しては、まず突起物や柱からの反射波の影響がないか、確認することが必要である。

透過形の場合、床や壁での反射音による影響を避けるため、メーカ指定の距離だけ床や壁から離して設置することを心掛ける。スペースがない場合は、床面などに布や綿のように音を良く吸収、もしくは散乱しやすい（表面の凹凸が大きい）ものを使用すると良い。指向性の狭い製品を選択するのも一つの方法である。

	また、音波が検出体の裏面と受波器の間で往復して（音波の多重反射：図5参照）動作が不安定になったり、応答時間が低下することがある。この場合は、送・受波器の基準軸を検出体の裏面に対して角度を持たせて設置し、音波を基準軸からずらすようにすると良い。受波器を壁に埋め込んで設置する場合も、検出体の裏面と壁の間で音波が多重反射して応答時間が遅くなることがある。この場合、壁の表面に音波が吸収・散乱するものを貼るか、受波器を壁に対して角度を持たせて設置して音波を基準軸から外すようにすると良い。（図6参照）		図5　音波の多重反射
			図6　埋込取付けときの多重反射の防止

反射形の場合、超音波を検出体面に直角に設置することが重要で、指向性の狭い機種では特に注意が必要である。その他、反射形光電形近接スイッチと同様に、背景物体、取付面、相互干渉の影響について注意が必要である。

■ 5.4. 温度特性

温度補償回路のない超音波形近接スイッチを使用する場合は、使用温度範囲での特性変化を確認し、余裕を持たせて使用する。

温度補償回路付きの超音波形近接スイッチを使用する場合は、メーカが規定した使用温度範囲内で使用すれば良い。ただし、急激な温度変化に対しては内蔵の温度センサが追従できないことがあるので、急激な温度変化が生じないようにすべきである。

■ 5.5. 電気投入時の動作について

電源投入直後の、不確定な動作による誤出力を防止するため、超音波形近接スイッチの出力を電源投入直後の一定時間オフにする機能を備えた機種が各メーカから発売されている。

そのような機能のない機種を使用する場合、電源投入時は十分なリセット時間をおいて装置の制御回路を始動させることが必要である。

■ 5.6. 保護等級

非防水構造の超音波振動子を備えている超音波形近接スイッチの場合、超音波振動子に水が掛からないようにカバーを付けるなどの工夫が必要である。

なお、個別の防じん・防水性能については、「第三章　センサの上手な使い方」1保護等級の項を参照のこと。

■ 5-7. 空気の温度勾配（ゆらぎ）の影響

超音波が空気を伝達媒体としているため、超音波形近接スイッチは、以下のような空気の状態に変化や異常があると正しく検出できない。

（1）炎やストーブ、ヒータなどによる検出領域内に急激な温度差がある場合、音波は、その境界面で屈折し、進行方向が変化するため、検出が不安定になったり、検出体が無くてもオン状態になる場合がある。
（2）強風による影響で、超音波の進行方向が変化し動作が不安定になったり、動作距離が変化し、設定距離よりも近い位置での動作が起こることがある。（3）冷暖房中の室内での使用の場合、冷暖房器からの風の影響のほかに、その風によって起こる空気温度の局部的な変化により、動作が不安定になることがある。

上記のような状況に陥らないためには、超音波形近接スイッチを設置する際、設置環境を確認することが重要である。

また、最近では、一定時間出力を保持（ホールド）する機能や、特殊計測機能を備え、安定性が向上した機種も登場しており、悪環境が想定される場合、選択するとよい。しかし、その機能も万能ではないので、超音波形近接スイッチへの影響を軽減することに努めるべきである。

■ 5.8. 相互干渉と複数の接近設定

	相互干渉は、一つの超音波形近接スイッチの音波が他の超音波形近接スイッチの受波素子（振動子）に飛び込むことにより起こり、動作が不安定になる現象である。相互干渉は、平行設置の場合だけでなく、対向設置の場合も起こるので注意が必要である。対策としては、メーカの技術資料、取扱説明書の指示に従い、干渉の起こらない距離まで離して設置することが基本である。（図7参照）干渉防止機能付きのものは、その機能を働かせるとよい。この場合、一般に応答時間は遅くなる。また、透過形の場合、図8に示すように、送波器の隣は受波器となるように送・受波器を交互に設置することで相互干渉を少なくすることができる。このとき、受波器の感度は低めに調整するとよい。		図7　相互干渉
			図8　透過形の相互干渉防止策

■ 5.9. 超音波雑音

超音波を発生するものには、超音波溶接機、超音波洗浄器などの超音波利用機器、エアノズルからのエアの音、機械振動などがある。これらの発生する騒音中には、超音波形近接スイッチの使用周波数と同じ周波数成分が含まれていることが多く、誤動作の原因となる。超音波形近接スイッチの設置の際は、十分に距離をとることが重要である。

■ 5.10. 振動・衝撃

超音波形近接スイッチを機械・設備に取り付けて使用する場合、次のような対策が必要である。

（1）超音波形近接スイッチに被検出体が衝突することの無いようにガードを付ける。
（2）超音波形近接スイッチを取付ける台は振動・衝撃で台が揺れることがないよう十分な剛性を持たせる。
（3）固定用金具やねじ、ボルト類は確実に締め付ける。

■ 5.11. 保守点検と清掃

検出面にごみ、油などが付着した場合、感度低下の原因になるので、適宜除去すること。

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