精密超音波トランスデューサ回路：正確な物体検出のために

特定のターゲットから物体の距離を測定したいと思ったことはありませんか？ その目的で、超音波センサを備えた超音波送信機を利用できます。電子回路は一般的にこのコンポーネントを搭載し、超音波を生成します。その結果、物体の近接度を測定できます。したがって、これらの機能により、ロボットナビゲーションの目的で非常に有用です。それだけでなく、このタイプのトランスデューサは、産業、医療、自動化など多くの分野でさまざまな用途があります！

この記事では超音波トランスデューサ回路を紹介し、その機能を理解できるようにします。始めましょう！

超音波トランスデューサとは？

超音波トランスデューサ

超音波トランスデューサは、あるエネルギータイプを超音波エネルギーに変換する音関連のセンサとして機能します。このデバイスは物体に電気信号を送信し、それをトランスデューサに返送します。その間、信号強度ではなく物体の距離を測定します。また、特定のパラメータを測定するために超音波に依存します。さらに、その超音波周波数範囲は20kHz以上であり、距離測定に最適です。

40kHz超音波トランスデューサ

出典：Wikimedia Commons

総じて、このトランスデューサタイプは金属、非金属、透明、有色物体などさまざまな材料を検出します。また、液体、固体、微細物質も識別します。

超音波センサの内部構造

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デバイスはバッキング、ウェアプレート、アクティブエレメントを備えています。この場合、アクティブエレメントとして機能する結晶または圧電素子が電気エネルギーを超音波エネルギーに変換します。その結果、デバイスは超音波エネルギーを取り込み、電気エネルギーに変換します。もちろん、その逆変換プロセスも行います。

また、トランスデューサにはレシーバ、トランスミッタ、電源、制御機構があります。一方、トランスミッタには15mmのセラミックバイブレータがあります。これらのセンサは、超音波スピーカーとマイクと同様に機能し、高周波音波を生成および受信します。

このトランスデューサは、圧電材料の高いキュリー点により、診断目的で低温で動作し、最小限の電力を消費します。また、回路に影響を与えることなく長時間動作できます。一方、医療用トランスデューサは高温で動作します。これらは通常、損傷を防ぐ冷却装置に依存します。

超音波トランスデューサの動作原理

超音波プローブは鋼板の欠陥や不完全さを検出できます

超音波トランスデューサに電気信号を印加すると、音波を生成します。音波は干渉を検出した後、トランスデューサのエコー信号を反射します。また、特定の周波数範囲で振動します。その結果、エコーが電気信号に変換されます。

その後、デバイスは音波を送信し、エコーを受信するのにかかる時間を測定します。センサが40kHzの周波数で動作すると、超音波パルスが空気中に放出されます。

蛍光灯はトランスデューサの物体検出能力に影響を与えません

全体として、黒色材料、煙、太陽光、蛍光管、ほこりはトランスデューサの性能に影響を与えません。したがって、赤外線センサに比べて明確な利点があります。また、超音波センサは優れたノイズ抑制機能を提供します。ただし、高温変動は物体検出の干渉を引き起こします。

このデバイスはまた、以下の式で超音波を使用して距離を計算します：

D = ½ × T × C

ここで、Dは距離を表し、Tは超音波の送受信にかかる時間間隔を指します。一方、Cは音速を表します。

超音波トランスデューサ回路

超音波送信機回路図

必要なコンポーネント：

• 555 IC – 1個
• 2N2222トランジスタ – 1個
• 超音波トランスデューサ – 1個
• 1kΩ抵抗 – 2個
• 2kΩ抵抗 – 1個
• 5kΩ抵抗 – 1個
• 0.01µFコンデンサ – 1個
• 3.3nFコンデンサ – 1個

動作原理：

多くの超音波送信機回路は555 ICタイマーを備えています

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一般的に、アステーブルマルチバイブレータモードで動作するIC 555が発振器として機能します。これにより、40kHzに達する連続した方形波パルスが生成されます。一方、式 F = 1.44/((R2+2R1)C2) が出力周波数値を設定します。同時に、R1、R2、R3電子部品が出力に40kHzを供給します。

また、入力パルスを一致する周波数で超音波に変換する超音波トランスデューサを備えています。これらには圧電結晶が含まれ、電圧を受け取るとサイズが変化します。結晶は入力信号を受け取ると振動し、高周波音波を生成するよう強制されます。

同時に、2N2222トランジスタがトランスデューサを駆動します。555の代わりに結晶で囲まれた発振器を実装することで、安定した発振が可能です。

超音波トランスデューサの種類

今日、市場にはさまざまな超音波トランスデューサタイプが存在します。これらには、周波数、フットプリント、圧電結晶の配列などの重要なパラメータが含まれます。最も効率的なタイプを以下に示します：

• リニアタイプ：このトランスデューサタイプは、線形配列の圧電結晶を備えています。
• フェーズドアレイ：フットプリントが縮小され、2MHz〜7MHzの低周波数をサポートします。
• 標準：凸型超音波トランスデューサまたは通常の超音波トランスデューサとも呼ばれ、湾曲した圧電結晶を含みます。これらは広範なテスト用途で実装されています。

また、遅延ライントランスデューサ、接触トランスデューサ、二重要素トランスデューサ、浸漬トランスデューサ、アングルビームトランスデューサを利用できます。もちろん、これらの異なるタイプには非破壊検査用途があります。

用途

超音波プローブには超音波トランスデューサが含まれています

超音波トランスデューサは幅広い分野でさまざまな用途があります。いくつかを以下に示します。

• 医療分野での診断テスト、がん治療、心臓と眼の検査、内臓検査
• 物体検出
• ターゲットと物体間の距離測定

この画像は超音波センサが物体とその距離を検出する方法を示しています

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• 自動化
• 在庫管理
• 微小欠陥の特定

超音波トランスデューサは微小な欠陥を検出できます

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• レベルおよび流量測定
• 生物医学
• 電力
• 液面制御と監視
• 製品ライン管理
• ワイヤー断線検出

長所と短所

長所：

超音波トランスデューサは固体、液体、気体を検出できます。超音波トランスデューサの長所を以下に示します：

• あらゆる物質タイプの検出とさまざまな材料の測定が可能
• 温度、ほこり、水が性能に影響しない
• 適切な条件下であらゆる環境で動作
• 高いセンシング間隔測定を提供するために一般的に利用される

以下に超音波トランスデューサに関連する短所を示します：

短所：

高温変動はトランスデューサに影響を与える可能性があります

• 温度変換の予測不可能性の結果として検出変化が発生
• 高温変動に非常に敏感
• 柔らかく薄い性質のため、小さなターゲットの反射を検出できない

まとめ

非常に有用でよく構築された超音波トランスデューサは、ナビゲーションロボットの物体回避を大幅に容易にします。また、他の用途でもさまざまな目的を果たします。この場合、物体検出と距離測定における役割を確立するのに役立ちます。一般的に、さまざまな環境要因が全体的な性能に悪影響を与えることはありません。その結果、ほこり、太陽光、水は超音波パルスが目的地に到達して戻るのを妨げません。したがって、このコンポーネントは任意の時間で一貫して動作できます。

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