距離センサー完全解説：種類、用途、選び方のポイント

IR、レーザー、超音波、LED Time-of-Flight（TOF）センサーなど、距離センサーには多くの種類があります。そのため、プロジェクトに最適なものを選ぶのは困難です。

本記事では、様々な距離センサー、その用途、利点、欠点について解説します。早速始めましょう。

距離センサーとは

図1：取り付けられた赤外線センサー

距離センサーは、2つの物体間の距離を物理的接触なしで測定する電子デバイスです。

したがって、物体の高速・高精度な測定、位置決め、範囲検出が可能です。

距離センサーの動作原理

図2：超音波センサーの動作

技術の違いに関わらず、すべての距離センサーは同じ動作原理を持ちます。

2点間の距離を測定する場合、距離センサーは以下のように動作します：

• 距離センサーの送信機が物体に向けて信号を送信
• 信号が物体に当たって反射/跳ね返る
• センサーの受信機が反射信号を受信
• 信号送信から受信までの遅延時間を計算
• 遅延時間を用いて、センサーと物体間の距離を計算

測定される遅延は以下の形を取ります：

• 帰還信号の位相変化
• 帰還信号の強度
• 信号送信と受信の時間遅延

距離センサーの種類

超音波距離センサー

図3：ドローンヘリコプターのクローズアップ

超音波距離センサーは、高周波ソナー/音波を利用して物体までの距離を測定します。

動作原理：

• 超音波センサーが物体/障害物に向けて高周波音波を送信
• 同時にタイマー開始、エコーのように波がセンサーの受信機に戻る
• 反射信号受信と同時にタイマー停止
• 信号伝播時間と音速を対比して物体間距離を計算

赤外線距離センサー

このセンサーモジュールは、三角測量の原理または反射角を用いた2物体間距離測定を利用します。

動作原理：

• LEDエミッターから赤外線信号を放出し、反射信号を位置検出フォトディテクター（PSD）レンズで受信
• PSDセンサーが反射角を用いて反射物体の距離を決定

レーザー距離センサー（LiDAR）

図4：LiDARと安全センサーを示す自律走行電気自動車

光検出と測距（LiDAR）はレーザー距離センサーで、以下のように動作します：

送信機が物体/障害物に向けてレーザー光を放出。物体が信号/パルスをLiDARの受信機に反射。光速と時間の関係を用いて2物体間の距離を計算。

LED Time-of-Flight距離センサー

Time-of-Flight（TOF）センサーは、送信機から戻るまでの波の伝播時間を測定して距離を決定します。

空気中の光速と信号の飛行時間の関係を用いて距離を算出。単一スナップショットのデータから3DのX、Y、Z画像を生成可能。

利点：高精度、大型物体識別可能、3Dイメージング対応

欠点：高価、Z深度分解能が低い

用途：ロボティクス・ドローン、マシンビジョン、産業用途、カウント

ソナー距離センサー

超音波センサーと同じ動作原理ですが、水中で優れています。ソナーセンサーには受動型と能動型の2種類があります。

• 能動ソナー：信号を放出し、反射信号受信で距離決定
• 受動ソナー：送信機を持たず、他物体からの信号のみ受信

用途：ループ制御、人物検出・潜水艦検知、スタック高さ制御

短距離距離センサー

図5：アパートで床を掃除するロボット掃除機

短距離センサーは近接物体間の距離を測定。高分解能で、最小測定範囲は1mm〜2000mm以上。

利点：低消費電圧、低コスト、高精度

用途：人物検出・精密測距、照明制御、ロボット掃除機

長距離距離センサー

長距離センサーはパルスTime-of-Flight原理を用い、最大300メートルまで測定可能。

利点：長距離到達、高い汎用性、サンプリングレート

欠点：高価

用途：積載確認・木材位置決め、クレーン監視、充填レベル・速度・高度測定

距離センサー比較

長距離測定への適性

LiDARとTOFセンサーは長距離測定に適し、超音波とIRセンサーは不向き。

高読み取り周波数

LiDARとTOFセンサーは高読み取り周波数。超音波とIRセンサーは低い。

コスト

超音波とIRセンサーは安価。LiDARとTOFは高価。4タイプ中LiDARが最も高価。

複雑な物体への適性

LiDAR、IR、TOFセンサーは複雑な物体に優れる。超音波センサーは単純な物体のみ。

外部条件への感度

LiDAR、IR、TOFセンサーは外部条件に敏感。超音波センサーは影響を受けにくい。

3Dイメージング対応

LiDARとTOFセンサーは3Dイメージング対応。超音波とIRセンサーは非対応。

まとめ

距離センサーは日常生活で幅広く応用されています。プロジェクトで使用する場合は、コスト、サイズ、適性、耐久性を考慮して選択してください。

ご不明点があれば、お気軽にお問い合わせください。迅速に対応いたします。