超音波センサ

超音波センサとは、超音波を使って対象物までの距離や対象物の有無を検出するセンサです。レーザーやLEDなどの光を使わないので周囲の明るさや対象物の材質、色などの影響を受けません。

超音波センサには、反射型と透過型があります。反射型のセンサヘッドは1台で発信と受信の機能を持っており、センサヘッドから対象物へ超音波を発信し、反射波を受信して発信から受信までの時間で距離や有無を検出します。透過型は発信器と受信器の2台で構成されており、発信器と受信器の間を通過する際の超音波の減衰または遮断で対象物を検出します。
ガラスなどの透明体や複雑形状の対象物でも安定して検出することができ、レーザー光やLED光を使うセンサに比べて検出距離が長い、測定範囲が広いといった特徴があります。

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超音波センサの検出原理

反射型の超音波センサのセンサヘッドには、超音波を発信・受信する超音波素子があります。超音波素子には、圧電素子が使われており、圧電素子は交流電圧をかけると周波数に合わせて振動します。また、振動を加えると電圧が発生します。
超音波の発信時は、交流電圧で圧電素子の振動膜を振動させます。受信時は受信した反射波の振動によって発生した電圧を電気信号に変換します。そして、この電気信号により対象物までの距離や対象物の有無を検出します。このように、超音波センサは光を使わないため、材質や色、形状の影響を受けず、透明体や液体、複雑形状も認識することができます。

A：電圧をかける　B：送信波　C：圧電素子　D：反射波　E：起電力が発生する　F：対象物

超音波センサの検出機能

超音波センサには、距離検出・有無検出の機能があります。

距離検出：
超音波を発信してから反射波を受信するまでの時間を計測し、対象物までの距離を検出します。
有無検知：
対象物の有無を反射波の有無で検知します。
対象物がある場合は反射波を受信しますが、ないときは反射波がありません。

超音波センサのメリット1：さまざまな物体の検出が可能

超音波センサは、対象物からの反射波を検出します。光で検出するセンサでは検出が困難だった、ガラスや液面などの対象物でも検出可能です。また、表面の色・模様・凹凸などの影響を受けず、安定した検出が可能です。

超音波センサのメリット2：ミスト・汚れに強い

超音波センサは、空気中にホコリやミストが舞っていても安定して検出できます。また、対象物表面の汚れの影響を受けることなく検出することができるため、汚れが激しい製造現場の環境にも十分に対応できます。

超音波センサのメリット3：複雑な形状の検出体でも検出可能

超音波センサは、検出する箇所までの距離や範囲を指定することができます。これにより、複雑形状の凹凸や背景の光沢などの影響を受けることなく、安定した検出が可能です。

超音波センサの業界別導入事例

自動車・金属業界

自動車製造工場や金属部品製造工場が取り扱う部品は色や光沢、形状がさまざまであるため、これらの部品はレーザー光やLED光を用いたセンサでは検出が不安定かつ困難です。たとえば、組立工程でのバネやメッシュトレーは形状が複雑で、コンベア上での検出中に振動するため、反射型の光電センサでは光の反射量が安定せず検出が不安定でした。
デジタル超音波センサ FWシリーズなら、バネの場合はスポット内の最も高い位置を検出点として設定することで、背景の影響を受けずに検出できます。またメッシュトレーのように、光沢面に小さな穴があるようなワークでも、表面からの反射光の影響を受けないため安定した検出が可能です。

電機・電子・半導体・液晶業界

電機・電子・半導体・液晶業界で取り扱う製品の特徴は、同一面に模様や光沢が混在していることや面の形状が複雑であるということ、さらにきわめて薄いということが挙げられます。反射型の光電センサでは、たとえばウェハの処理工程によって変化する表面の色や模様・光沢の影響で安定検出できませんでした。また、基板の検出では色やスリットによって、出力が不安定になったりチャタリングが発生することがありました。
デジタル超音波センサ FWシリーズなら、超音波で検出するので表面状態が変化しても、ウェハの模様や光沢、基板のスリットの影響を受けずに検出できます。また、薄いウェハの検出では斜めから超音波を当てることで、エッジからのわずかな反射波を検知して検出することが可能です。

食品・薬品業界

食品や薬品の業界では、ビンやビニールパック、透明容器など多種多様な製品を取り扱います。これらは透明体であったり、さまざまな色や模様があしらわれていたり、形状も不安定であったりと表面状態が多様です。反射型の光電センサでは、たとえばパッケージの場合、色や模様の影響で安定検出が不可能です。また、ビンやフィルムといった透明体も、検出が安定しません。
デジタル超音波センサ FWシリーズなら、パッケージの色や模様の影響を受けず、距離だけを判別できます。また、高さを検知できるので、FWシリーズを複数台設置し、高さの違いによる品種判別を行うこともできます。ビンやフィルムなど形状が不安定な透明体でも安定検出が可能です。さらに、非接触で検出できるため衛生的で、安心して使うことができます。

Q.

形状が不安定なワークを安定して検出できますか?

A.

超音波センサは、検出する距離や範囲を設定することができます。複雑形状のワークの凹凸や検出距離範囲外からの反射波をキャンセルし、検出距離範囲内からの反射波だけを検出できるように設定することができます。このため、ワークの凹凸や背景の光沢などの影響を受けることなく検出することが可能です。この機能により超音波センサは、形状が複雑で位置合わせが不安定なバネや冷却フィンなど、レーザー光やLED光を用いたセンサでは困難だったワークの安定検出を可能にしています。

Q.

超音波センサは、どのようなワークに使えますか?

A.

超音波センサは、固体はもちろん液体・粉体などすべてのワークの検出に使うことができます。透明体や複雑形状のワークも検出可能です。たとえば、丸みを帯びたガラスやペットボトルといった透明体や、多くの色や模様があしらわれた箱、バネやメッシュ状のトレーなど複雑な形状のワークの検出に使えます。また、袋などの表面形状が不安定なワークや光沢があるワーク、タンク内の液面レベルも検出可能です。
さらに、超音波センサはレーザー光やLED光を用いたセンサと異なり色や模様を検知しないので、品種変更でこれらが変わってもセンサの設定を変更する必要がありません。

Q.

液面高さを検出するセンサとして使えますか?

A.

超音波センサは、ワークの有無検出だけでなく、距離も検出することができます。液面レベルの上限・下限を検出できるので、レベルセンサとして使用することが可能です。
たとえば、タンク底面を基準として液面の高さを設定。上限と下限の設定値と、それぞれの予知用の設定値を2つ設定することで、正常・上限付近・下限付近・上下限異常の4つの状態を検出することができます。また、液体の色や艶の影響をキャンセルして検出することも可能です。非接触で検出できるので、接触式のセンサのように液体の粘度や不純物による誤動作がなく、食品や薬品に対しても衛生的です。さらに、センサヘッドが汚れないため、メンテンナンスの手間を大幅に低減することができます。

超音波センサは、センサの取り付け角度やセンサ周辺の障害物、雰囲気に注意して設置することで、より正確で安定した検出が可能になります。ここでは、超音波センサを設置する際のポイントや注意点について説明します。

超音波センサの設置

超音波センサと対象物の反射面が直角になるように設置することで、最も安定した検出が可能になります。特に液体のレベルや検出距離を設定して検出する場合、対象物の反射面の状態によって検出精度が異なるため注意が必要です。また、他の機器の振動や衝撃が、超音波センサに伝わらない位置に設置してください。

A：超音波センサ　B：対象物

超音波センサで液面レベルを検出するときの設置

液面に対して直角に設置します。ただし、液面が波立っていたり泡立っていたりすると、正確に検出することができません。この場合は、超音波センサをパイプの中に設置し、波や泡が立たない部分を検出できるように設置します。

A：超音波センサ　B：パイプ　C：泡/波

超音波センサをエアカーテンや除電器（イオナイザ）の近くで使う場合の設置

エアカーテンや除電器（イオナイザ）のノズルが発するノイズには、さまざまな周波数の音が含まれているため、超音波センサが発する超音波に悪影響を与えます。このため、エアカーテンから離して設置したり、除電器（イオナイザ）には風を出さずに除電が可能なタイプを選びます。

A：超音波センサ　B：対象物　C：ノイズ
D：エアカーテン/除電器（イオナイザ）

超音波センサでガラスの有無を検出する場合の設置

ガラスに厚みがある場合は、ガラス面に対して直角に設置します。多少ならガラスが湾曲していても、検出することができます。
ただし、薄いガラスの場合は、超音波センサをガラスの面に対して45°の角度で設置します。ガラスのエッジ面で超音波が返ってくるため、有無を検出することができます。また、ガラスの種類が変わっても端面からの反射を検出しているので、段取り替えは不要です。

A：超音波センサ　B：ガラス　C：45°

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