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近接センサー技術の比較

新しい技術の出現と今までの技術により、センサーの小型化、低コスト化、電力消費の低減が進み、現在、センシングに利用できるオプションの数は拡大し続けています。近接センサーは、このようなオプションの拡大の影響は受けておらず、根本的に異なる動作原理を特徴とした幅広いセンサーが使用されています。さまざまなオプションがあることは有益とも言えますが、その場合エンジニアは、検出、距離、近接の各種アプリケーションで使用するセンサー技術をどのように決定するのでしょうか？

近接センサーとは？

近接センサーは、単純に「そこにある/ない」の論理、あるいは対象物までの正確な距離を精密かつ正確に測定するための非接触の測定方法です。近接センサーという用語は、サイズと検出距離の両方で広範囲におよぶため、かなりおおまかな括りです。このブログでは、ポータブル型または小型の固定式エンベデッド・システムに実際に最も適合する一般的な近接センサーに焦点を当てていきます。近接センサー技術には、超音波、光電、レーザー・レンジファインダー、誘導センサーなどがあり、これは数センチから数十メートル程度までの中程度の距離範囲の検出に最適です。静電容量式センサーやホール効果センサーも非常に効果的な近接センサーですが、これらはかなり近接した範囲の検出に最適であり、ここでは考慮しません。

近接センサー設計に関する考慮事項

可能性のあるすべてのタスクに対して、他のセンサーよりも優れた動作を示す近接センサーというのは、たとえコストを無視したとしても存在しません。したがって、特定のアプリケーションに対して最適な近接センサー技術を検討する場合は、その重要性を考慮し、どこに重点を置くのかについて検討すべき特質がたくさんあります。

コスト：プロジェクトでコンポーネントのコストを無視してもよいというようなケースは稀です。近接センサーは全体予算のごく一部である場合もありますし、予算の大半を消費してしまう可能性もあります。
測定範囲：測定範囲は特定の製品によって異なる場合もありますが、どれだけ近くを検出できるかとどれだけ遠くを検出できるかの両方に対しては、近接センサーの技術によって一般的な制限が課されます。
サイズ：近接センサーは、米粒程度から人がひとりでやっと運べる程度のものまで幅広いサイズがあり、エンベデッド設計ではサイズが非常に重要になります。
更新レート：ほとんどの近接センサーは、信号を発し、リターン信号を検出することによって動作し、センサーが更新する頻度（更新レート）に対してはある程度の物理的な制限があります。
材料の影響：硬い表面と繊維状の表面では動作が異なるセンサーもあれば、物体の色によって動作が異なるセンサーもあります。

超音波近接センサーとは？

超音波センサーは、超音波の音のパルスを利用して、物体の存在、または追加の処理によって物体までの距離を検出します。これは、送信機と受信機の両方とエコーロケーションの原理を使用して機能します。チャープを発し、そのチャープが表面を反射して戻るのにかかる時間を測定することによって、物体までの距離を測定することができます。送信機と受信機を両方ともできるだけ互いに近づける構成で頻繁に見られますが、たとえ離れていてもこの原理は適用されます。また、送受信機能を単一パッケージにまとめた超音波トランシーバーもあります。

超音波検出は非常に正確で、更新レートがかなり高く、数十または数百のpingまたはチャープを1秒ごとに送信することができます。電磁波ではなく音をベースとすることで、読み取り値は物体の色や透明度による影響は受けません。また、これと同じ特徴として、このセンサーは光を必要としたり、光の生成もせず、元来暗かったり、暗くする必要がある環境では最適です。この音波も時間の経過とともに広がり、センサーの検出領域が拡大します。このことは、アプリケーションによってメリットとなったりデメリットとなる場合もあります。このセンサーは設計がシンプルなので、非常に低コストで、汎用性が高く、安全です。

ただし、超音波センサーは独自の欠点があります。このセンサーには、トランスミッタとレシーバの2つの部品があり、これは単一ユニットとして、または個別のデバイスとして提供されます。音の速度は気温の変化とともに変化するため、温度が急激に変動すると精度に影響する可能性があります。ただし、これは温度測定をおこなって相殺し、値の計算を更新することができます。また、音波は吸収する表面では反射しないため、柔らかい素材も精度に影響します。この概念はソナーと非常に良く似ているかもしれませんが、超音波センサーは水中で使用するようには設計されていません。最後に、超音波センサーは音に依存するため、音を伝播する媒体のない真空状態では完全に機能しなくなります。超音波センサーの基本的な操作とマウントの詳細については、こちらをクリックしてください。

光電近接センサー

光電センサーは、不在または存在の検出に非常に効果的です。多くの産業アプリケーションに対して最適ですが、ガレージドアセンサーや店舗での入店者数カウントなどのアプリケーションで、住宅や商業環境設定で一般的に使用されています。実装が広がるにつれ、光電センサーの設定は複数のバリエーションの可能性があります。スルービーム式は、一方にエミッタ、もう片方に検出器を実装し、ビームがさえぎられることにより検出がおこなわれます。逆反射式は、エミッタと検出器が一緒に設置されるところで、反対側のリフレクタはエミッタからのビームを検出器に跳ね返します。最後に、拡散式ではエミッタと検出器を隣り合わせに配置しますが、放射された光は、超音波センサーがどのように機能するかと同様に、近くの表面から反射されますが、距離を計算する能力はありません。

光電センサーは通常、可動部品がないので寿命が長く、ほとんどの材料を感知できますが、透明な材料や水では問題を引き起こす可能性があります。スルービーム式と逆反射式セットアップでは、非常に速い応答時間で長い検出範囲があります。拡散型セットアップは小さな物体を検出でき、モバイル検出器にもできます。レンズが汚れない限り、これらのセンサーはすべて、産業用途でよくある汚れた環境に対しても耐性があります。ただし、物体までの距離を計算する能力は非常に限定的で、物体の色や反射率で問題となる場合があります。スルービームと逆反射式は固定して調整する必要があるため、システムのインストールは多忙な環境では難しくなります。

レーザーレンジファインダーセンサー

レーザーレンジファインダーは近年、多くのアプリケーションで経済的に実現可能な技術となっています。レーザーレンジファインダーは、超音波センサーと同じ原理で動作しますが、音波の代わりに電磁ビームを使用します。飛行時間の計算にはかなりの精度が必要であるため、速度がはるかに速い干渉法などの他の方法が、精度を維持しながらコストを削減するために使われます。これらのセンサーは通常、数百または数千フィートの非常に長い範囲を持ち、オプションによっては、非常に速い応答時間を実現することができます。

この技術の価格は低下してきてはいますが、依然としてこれは最も高価な選択肢の1つで、前述の各種技術よりははるかに高額です。レーザーの稼働に必要な出力は増加しており、これによってポータブルアプリケーションでの寿命が制限され、さらに目に対する安全性の懸念も生じるという欠点があります。また良くも悪くも、距離的にはある程度の分散はあるものの、レーザーの検出領域は比較的小さいままです。最後に、この技術は水やガラスではうまく機能しないため、その使用はさらに制限されます。

誘導式センサー

誘導式センサーは古いコンセプトをベースにしていますが、近年さらに人気が高まっています。このリストにある他の技術の例外として、誘導センサーは金属のオブジェクトでのみ動作します。電気生成の基礎がワイヤーコイル内の磁石の回転であるように、誘導センサーは磁場を生成し、金属の物体がそれを通過するときに磁場の変化を検出するために使用されます。これは、あらゆる金属検出器の基本です。

一般的な誘導センサーアプリケーションの図 — 一般的な誘導センサーアプリケーション

金属検出器の検出範囲は、その設定によって、センサーの隣にギアがある場合とない場合を検出することでギアの回転をカウントできるアプリケーションでは、検出範囲が非常に小さくできます。長距離では、誘導センサーを道路に埋め込んで走行中の車両を検出したり、極限まで宇宙プラズマを検出するために最適化したりできます。しかし、電子近接センサーとして機能する役割では、誘導センサーはミリメートルからメートルの範囲で動作する傾向があります。誘導センサーはその動作原理により、鉄や鋼などの鉄材でより優れた性能を発揮し、非磁性金属材料では検出範囲が狭くなります。このセンサーは電磁場の変動に基づいていることから、通常、更新レートは非常に高速です。

誘導センサーは、その範囲と用途において極めて柔軟性が高く、概念的には非常に簡単に動作します。このシンプルさによって比較的安価なセンサーとなっていますが、検知可能なものに対して非常に制限が厳しく、幅広いソースからの干渉にも曝されます。