HC-SR04超音波距離センサ徹底解説：動作原理からArduino実装まで

超音波とは、人間の可聴域（20kHz）を超える高周波音波です。HC-SR04は約400cm先までの距離を非接触で測定できる低コスト・定番センサモジュール。本記事では動作原理、ピン配置、Arduinoとの接続・スケッチ例、注意点まで完全網羅します。

HC-SR04 概要と仕様

項目	仕様
動作電圧	DC 5V
動作電流	約15mA
動作周波数	40kHz
測定範囲	2cm 〜 400cm（実用2〜300cm）
精度	±3mm
測定角度	15°（指向角）
トリガパルス	10μs以上のHighパルス
寸法	45×20×15mm（メーカーにより微差あり）

ピン配置（4ピン）

Pin	名称	機能
1	VCC	5V電源入力
2	Trig (Trigger)	測定開始トリガ入力（10μs High）
3	Echo	測定結果出力（High幅＝往路+復路時間）
4	GND	グランド

動作原理：飛行時間（Time-of-Flight）測定

1. Trigピンに10μs以上のHighパルスを入力
2. 内部で8サイクルの40kHz超音波バーストを送信
3. EchoピンがHighになる（送信完了時点）
4. 物体で反射した超音波を受信するとEchoがLowに戻る
5. Echo High継続時間 = 音波の往復時間

距離計算式

距離(cm) = (音速 34000 cm/s × Echo High時間 μs) / 2 ÷ 1,000,000

簡易式：距離(cm) ≈ Echo時間(μs) × 0.017 または 距離(cm) = Echo時間(μs) / 58

例：Echo High = 1,500μs → 距離 = 1500 × 0.017 = 25.5cm

タイムアウト処理

物体がない場合、約38ms（約6.5m相当）でEchoが自動的にLowになります。スケッチ側でタイムアウト判定を入れると安全です。

Arduino UNOとの接続・プログラミング

配線図

Arduino	HC-SR04
5V	VCC
GND	GND
D2	Trig
D3	Echo

スケッチ例（ライブラリ不要・標準関数のみ）

const uint8_t TRIG_PIN = 2;
const uint8_t ECHO_PIN = 3;

void setup() {
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  // トリガパルス生成
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  // Echoパルス幅測定（タイムアウト30ms設定）
  unsigned long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000);
  
  if (duration == 0) {
    Serial.println("Out of range / Timeout");
  } else {
    float distance_cm = duration * 0.017f;  // または duration / 58.0
    Serial.print("Distance: ");
    Serial.print(distance_cm, 1);
    Serial.println(" cm");
  }
  delay(100); // 測定間隔
}

コード解説ポイント

• pulseIn(pin, HIGH, timeout)：Highパルス幅をμs単位で取得。第3引数でタイムアウト指定可能
• 音速340m/s = 34000cm/s = 0.034cm/μs。往復なので÷2 → 0.017cm/μs
• 測定間隔は60ms以上空ける（前回の残響消失待ち）

寸法図

既知の制限・注意点

• 柔らかい/吸音材質（ぬいぐるみ、カーテン等）：反射弱く検出不可
• 床面近くに取付：床反射で誤検知。センサを上向き/傾斜設置で回避
• 小さな物体・薄い物体：反射面積不足で検出漏れ
• 浅い入射角：鏡面反射で受信機に戻らない
• 400cm超：信号減衰で検出不可
• 複数センサ同時使用：相互干渉あり。時分割駆動が必要
• 3.3V MCU接続時：Echo出力5Vレベル→レベルシフト或いは分圧必要

応用例

• ロボット障害物回避・壁追従
• 液面/残量レベル検出
• 駐車場空き検知・バックソナー
• 非接触スイッチ・ジェスチャ検出
• ドローン高度保持（地面追従）

結論

HC-SR04は安価・低消費・扱いやすく、2cm〜4mの距離測定に最適なエントリーセンサです。Arduinoとの相性も良く、pulseIn関数だけで簡単に実装できます。上記の制限を理解し、用途に合わせてフィルタリング（移動平均/メディアン）や複数センサ融合を施せば、実用レベルのシステム構築が可能です。ご質問はお気軽にお問い合わせください。