超音波センサ技術基礎送受信回路設計FPGA実装応用デモ解説

はじめに：製造業の現場における超音波センサの重要性

近年の製造業界では、省力化や自動化ニーズの高まりから、多岐にわたるセンシング技術が注目されています。
その中でも「超音波センサ」は、材料・部品供給ライン、組立工程、品質検査、AGV（自動搬送車）など、さまざまな分野で活用が進んでいます。

一方で、多くの現場では昭和時代のアナログ的管理がいまだ根強く残っているため、センサ技術の基礎や最新動向の理解が進んでいないことも珍しくありません。
この記事では、調達購買、生産管理、生産技術など長年に渡り現場の現実と向き合った経験から、「超音波センサ技術の基礎」「送受信回路設計の要点」「FPGAによる実装方法」「実践的な応用例とデモ」までを包括的に解説します。

超音波センサの原理と特徴

超音波とは何か？

超音波は、人の耳では聞き取れない20kHz以上の周波数を持つ音波です。
空気中や液体、固体を伝搬する性質を活かし、「非接触・非破壊」で物体の有無・距離・位置・流量などを検知することができます。

超音波センサの基本構造

主に「送信部（トランスデューサ）」と「受信部」で構成されます。
送信側でパルス波や連続波の超音波を発生させ、対象物で反射したエコーを受信側でキャッチします。
この“往復時間”や“受信強度”を計測・解析することで対象物体の情報が取得できます。

超音波センサのメリットとデメリット

メリット
– 非接触での検知が可能なため、消耗や摩耗が生じません。
– 金属・ガラス・液体・粉体など多様な媒体や対象物に対応できる点も特徴です。
– 従来のメカ式スイッチや接触型センサでは検知困難な環境下でも動作します。

デメリット
– 超音波は空気中の温度・風・湿度などの影響を受けやすいため、検知精度に注意が必要です。
– 不安定な形状や吸音性材料には弱い場合もあります。

送受信回路設計のポイント

送信回路の基礎設計

送信部は「発振回路」「ドライバ回路」からなります。
多くの実装では、CMOSロジックICやマイコンから矩形パルスを生成しMOSFETあるいはトランジスタドライバを通じてトランスデューサを駆動します。

出力波形の周波数やパルス幅は、使用目的や検出距離、対象物に合わせて調整が必要です。
たとえば検知距離を伸ばしたい場合、一度に強めのパワーを送信する必要があるため、MOSFETなど大電流に耐えるデバイス選定・配線設計が重要となります。

受信回路の設計ポイント

受信側は「プリアンプ」「バンドパスフィルタ」「エンベロープディテクタ」「A/D変換」などの回路を構成します。
プリアンプ部は微弱なエコー信号を増幅し、目的の周波数成分のみをバンドパスフィルタで抽出します。
その後、復調やA/D変換によってデジタルへ変換し、信号処理に回します。

特にノイズ対策は重要です。
電源ノイズ、EMIなどによる受信信号の劣化は誤検知や検出距離の短縮を招きます。
グランド設計、シールド処理、オペアンプ選定など地味ながら“昭和的現場力”が問われる部分です。

なぜ今「FPGA」活用が注目なのか

従来は上記の信号処理をディスクリート回路やマイコンで処理していました。
しかし、近年工場の自動化・多品種少量生産・現場IoT化が進む中、「リアルタイム性」「柔軟なカスタマイズ」「並列処理性能」を要求される場面が増えています。

そこで、現場のニーズにマッチするのが“FPGA”です。
FPGA（Field-Programmable Gate Array）は、ハードウェアレベルで並列処理ができ、ロジックを後から書き換えできる点が強みです。
導入の敷居が高いと敬遠されがちですが、開発環境の進化やIPコア活用により、現場エンジニアや生産技術職でも手が届く存在になりつつあります。

FPGAによる超音波センサ制御・信号処理の具体例

送受信制御の一例

FPGAで送信パルス生成ロジック（例：40kHz矩形波 10パルス分のバースト出力）を作成します。
また、受信窓期間（ウィンドウタイミング）を制御し、ノイズや多重反射の混入を防ぐ工夫が可能です。

並列処理の強みを生かして、複数の超音波センサを同時に制御したり、リアルタイムでタイムスタンプ付きのデータ取得も実現できます。

高速エコー検出アルゴリズム

A/D変換でデジタル化した受信エコーを、FPGA内でフィルタ処理やピーク検出アルゴリズムにかけることで、従来比で数倍～数十倍の高速応答が期待できます。
また、温度変化・音速補正などの多様な処理もハードウェアロジックレベルで組み込み可能です。

FPGAを使った障害物検知デモの概要

以下のようなデモシステムが現場でよく見られます。

– FPGAで制御する送受信ブロック（パルス生成とウィンドウ制御）
– 複数センサを順次駆動し、A/Dで受信データを取得
– 距離データ処理ロジック（相関ピーク検出・閾値判定）
– 処理結果を産業用通信（I/O, RS-485, EtherCAT等）でPLCや上位システムと連携

このようなシステムは、品質検査のNGワーク検出や、搬送ラインでのワーク有無判定、無人搬送車の障害物回避など即応性が求められる現場に重宝されています。

実践現場での導入課題と「昭和的発想」からの脱却

なぜ“アナログ現場”はデジタル技術導入に慎重なのか

製造現場には「壊れない」「現場で修理できる」ことを重要視する、“職人マインド”が根強く残っています。
これこそが日本の製造業を支えてきた基盤ですが、センサやFPGAのような新しいデバイスの導入には消極的になりがちです。

「結局、現場でトラブルが起きたときに誰が面倒を見るのか？」
「属人的な対応力ではなく、再現性と標準化こそが強い現場を作る」という意識改革が求められています。
今後は、設備投資・ラインアップを検討するバイヤー、装置や部品を供給するサプライヤーの双方が、“経験と勘”だけでなく、データ駆動型の現場変革を意識することが重要です。