見本

Introduction なぜ超音波エレクトロニクスが注目か

電気×振動エネルギーで広がる世界中村 健太郎 Kentaro Nakamura / 星 貴之 Takayuki Hoshi「超音波」と聞いて何を思い浮かべるでしょうか？
例えば，電子工作で扱われる題材としては，超音波の伝搬時間に基づく距離計測があります．
超音波には図 1 に示すように，とても広い応用先があります．ただ，それらは工場の中や製品の中に隠れ，一般の目にはつきにくいところで広がりを見せています．

最近では，超音波を使ってものを浮かべることが，はんちゅう
電子工作の範疇に入ってきました．これまで専門家が研究室で培ってきた知見が，私たちの目の前で再現できるようになったのです．
そんなパラダイム・シフトが起こりつつある超音波について，基礎知識から応用事例までを幅広く見渡しつつ，具体例を交えながら紹介します．

エレクトロニクス

見本
電子デバイス

図1

6

超音波技術の応用はますます広がりを見せる

No.164

Introduction 電気×振動エネルギーで広がる世界

音速を既知として伝搬時間から距離を算出する

送信器
送信器

対象物体

距離＝時間×音速（340m/s）
受信器
受信器（a）センサ・モジュール
図2（b）距離計測の原理

超音波距離センサの原理

直流電源を供給し，I/O ピンを介してトリガ信号を送ると超音波が出力され，伝搬時間を表す信号が返ってくるようになっている

一番身近な超音波計測…距離センサ
超音波を利用した距離センサは，センサ・モジュール として販売されています．マイコン制御の入門としてちょうどよいこともあり，「超音波」と聞いて真っ先にこれを思い浮かべる方も多いでしょう．
（1）● 距離センサの用途
超音波にもとづく距離センサは，自動車やロボット，
ドローンが壁や障害物を検出したり，人が通ったら反応したりといった用途に使われます．
ほかの方法でも同様の機能を実現することはできますが，例えば赤外線センサではガラスなど透明なものが検出できないという課題がありますし，カメラでは画像処理が必要だったり暗闇では使えなかったりといった難点があります．これらに対して超音波は，ほぼ何でも検出することができ，また計算処理もマイコンに載る程度で済むという利点があります．
● 基本的な原理
図 2（a）に超音波を使った距離センサ・モジュールを示します．超音波の送信器と受信器がセットで配置されています．超音波が反射して返ってくるまでの時
間に音速を掛けて距離を求めます［図 2（b）］．
注意としては，真っ平な表面に超音波が当たると，鏡面反射になってしまい，正確に向きを合わせないと，超音波が受信器に戻ってこない場合があります．また
毛布のように音を吸ってしまう素材も，超音波が戻ってこない，もしくは大きく減衰して戻ってくるため検出が難しくなります．逆に言えば，適度にデコボコしていて固い表面をもつ物体が検出しやすいです．

大型になり，また，うるさくなってしまいます．しかし超音波の場合には，波長が短いおかげで狭い範囲にエネルギーを集中させることができるため，コンパク
トな装置で浮かせられます．
音響浮揚のためにはそれなりに強力な超音波が必要です．従来は強力振動子（ボルト締めランジュバン型振動子）と金属振動体を組み合わせた，重たく大がかりな装置でした．最近では，音響浮揚が試せるキットなども市販されていて，複数の 40 kHz 超音波振動子を曲面に並べ，中心に焦点ができるようにしてあります．
これにより，低電圧（キットでは 9 V）で必要な強さの超音波を実現しています．
● 基本的な原理
音響浮揚キットのイメージを図 3 に示します．2 つの曲面に超音波振動子を並べ，それぞれの焦点が重なるように向かい合わせに配置しています．
中心付近では，両側から伝わってきた超音波が重なり合って定在波（進まない波）を形成します．この定在ふし（圧力変動が波の中に小さい物体が入ると，音圧の節ない場所）がエネルギー的に安定であるため，そこに引き込まれます．超音波が十分に強いとき，節の安定性が重力よりも勝ることによって，物体が浮くのです．

見本

波エネルギーの力● 超音波で物体を空中に浮かせる「音響浮揚」
強力な音の定在波によって物体が浮くことは古くから知られていました．可聴音を用いた場合には装置が

図 3 音響浮揚の原理のイメ
ージ

中央に
物体が
浮く

超音波振動子が曲面に並べられ，中央に超音波の焦点ができるよ
うになっている．中央では定在波が形成され，音圧の節に物体が引き寄せられて浮く

7

Introduction
弱い超音波（センサ用途）

強い超音波（パワー用途）

振動子を
単体使用
低電圧駆動
（〜10V）

振動子を数百個使用

多数使用

ソフトウェア制御

蓄積された知見

図 4 超音波技術のパラダ
イム・シフト
多数の振動子を使うことによって低電圧で強力な超音波が扱えるようになり，ハードウ
ェアだけでなくソフトウェアの重要性も増してきた

ボルト締め
ランジュバ
ン型振動子
を単体使用

高電圧駆動
（数十V〜）● 浮かせる物体のサイズ
浮かせる物体は節にすっぽり収まる必要があるので，波長の半分よりも小さい必要があります．また小さす
ぎても浮かず，波長の 1 ％より大きい必要があることが報告されています（3）．粒は浮くけれど粉は浮かない，というイメージです．
音響浮揚を試してみるには，パウダービーズクッシ
ョンの中身など，発泡スチロール製の小球がちょうどよいと思います．

パラダイム・シフトが進行中
従来は単独で用いられていた超音波センサを多数並べることで，強力な超音波を作り出せるようになりました．特殊な振動子を扱うことなく強力な超音波が使えるようになったので，部品の入手や回路的な敷居が下がり，応用の可能性も広がりました．
さらに，並べた振動子を個別に駆動することで焦点の位置を動かすこともできます．これはフェーズド・
アレイと呼ばれる方式で，従来よりも制御ソフトウェ
アの重要度が増したものになります．
このように最近の空中超音波技術は，低電圧で扱えるようになり，身近なものになるとともに，ハードウ
ェア，ソフトウェアの総力戦の様相を呈しています．
歴史的に大きな変化を迎えているといえます（図 4）．
一方で超音波研究には 100 年以上の歴史があり，ここまで見てきた空中を伝わる超音波はその一部にすぎません．そこで培われてきた知見の積み重ねを知ることも重要です．

超音波技術で広がる世界
超音波は，空気中はもちろん，電波や光が伝わりに
くい液体中や固体中をよく伝わります．そのため，電波や光が届きにくい液体中や固体中の測定に威力を発揮します．また，伝搬速度が電波や光の 10 万〜 100 万分の 1 なので，数十 kHz 〜数 MHz の低い周波数でマイクロ波やミリ波と同じくらいの波長になります．このことは，周辺電子回路がコスト的にも技術的にも作りやすいと同時に，波形そのものの観測が簡単にでき，位相を使った計測が容易であることを意味します．
一方，機械的な共振によって強い音圧や振動応力を起こし，そのエネルギーを加工や材料処理に使うパワー超音波技術がいろいろな生産現場で活躍しています．
また，超音波振動を使った通信用フィルタ素子やセン
サ，アクチュエータ技術はスマートフォンやカー・ナ
ビゲーション・システム，
カメラに組み込まれています．
超音波は普段は目につかず，耳にも聞こえませんが，非常に多様な応用があり，さまざまな技術を縁の下から支えています．

見本

8

No.164▪参考文献▪
（1） 超 音 波 距 離 セ ン サ，https://akizukidenshi.com/catalog/g/
gM−05400/（2）音響浮揚キット，https://www.robotshop.com/jp/ja/
acoustic−levitator−kit.html（3）D. Foresti, M. Nabavi, and D. Poulikakos； On the acoustic
levitation stability behaviour of spherical and ellipsoidal
particles, Journal of Fluid Mechanics, vol.709, pp.581−592,
2012.

第1部
第1章

音波・超音波エレクトロニクスの基礎知識

まずは力学的な振動の応用ポテンシャルを知る

音波・超音波の物理現象
中村 健太郎 Kentaro Nakamura
音波・超音波の基本的な特徴● 液体中や固体中でよく伝わる
人が聞くことができる音の周波数（可聴周波数）は，
20 Hz 〜 20 kHz です．この可聴周波数よりも高い 20
kHz 以上の音や振動を，超音波と呼んでいます．
周波数が違うだけで，聞こえる音と同じ空気の振動現象です．空気のような気体のほかにも，水中（液体中）
でも，金属などの固体中でも伝わります．気体，液体，固体などの媒質のない真空中では伝わりません．これが同じ波動現象でも電波や光と大きく異なるところです．
電波や光が苦手とする液体中や固体中では空気中よ
りもよく伝わることが超音波の特徴であり，応用上のヒントです．
● 多様多彩な応用
超音波の応用は表 1 のように多岐にわたります．身の回りでは自動車のバック・ソナーや眼鏡屋さんの店頭にある超音波洗浄器があります．バック・ソナーは計測応用の，洗浄器はエネルギー応用（パワー応用）の典型です．

表 1 実はいろいろ使われている…
超音波の 3 大応用分野

音波・超音波の物理現象
電波や光は，磁界と電界の波動現象です．それらの関係を示すものがマクスウェルの波動方程式です．その進む速度である光速は，重要な物理定数です．
超音波は，媒質の機械的な振動であり，媒質の慣性力と弾性によって波動として伝搬します．媒質のない

見本
分

野

計測応用

パワー応用
（エネルギー応用）

電子部品

10

▶計測応用
工場プラント，鉄道などのインフラへの計測応用で重要なのは，配管や機械部品の亀裂を検出する非破壊検査です．また，漁業では，ほとんどの船が魚群探知機（魚探）を積んでいますが，これは超音波の水中計測応用です．一方，医用超音波装置は産科，循環器科をはじめ，重要な画像診断手段です．
▶パワー応用
超音波のパワー応用（エネルギー応用）
は，接合や加工など製造現場ではさまざまなものがあります．医用では歯石除去から白内障や前立腺がんの治療まで，いくつかの超音波パワー応用があります．
▶電子部品
超音波振動を用いた電子部品には，高周波フィルタやジャイロ・センサなどがあります．

No.164

空気中（気体中）

水中（液中，人体）

固

体

空中センサ
距離計
風速計（流速計）
超音波カメラ放電・リーク検出
超指向性スピーカ

魚群探知・ソナー
海洋トモグラフィ
流速計
粘度計
医用画像装置海中トランシーバ

探傷（非破壊検査）
板厚計
ボルト軸力計超音波顕微鏡微粒子の集合・沈降
食品・薬品の乾燥
浮揚・搬送
力覚提示装置洗浄
固体粒子の分散・乳化
高分子の破断・解重合
細胞膜の破壊霧化
医用（メス・がん治療・骨折
治療・結石破壊）

金属切削・穴あけ
金属塑性加工脆性材の加工金属接合
プラスチック接合

クロック用水晶振動子，フィルタ素子（BAW 素子・SAW 素子），ジャイロ，
圧電トランス，光学変調器，超音波モータ

第1章 音波・超音波の物理現象

基

column 01 物質の中の音速礎中村 健太郎波長に比べて大きな物体中を伝わる縦波の音速 c 0

（1－σ）
Y
（A）
（1－2σ）（1＋σ）
ρ
で計算できます．一方，波長に比べて細い棒を伝わる縦波は，これよりも 10〜20 ％遅く，その音速 c L は，

c 0＝

c L＝

Y

（B）

圧力

音圧
0-p値

大気圧
（1気圧）100000Pa＝100kPa

伸び
図1

縮み

伸び

縮み

空気中や水中の超音波は縦波

伸び

0

縮み

媒質が密になった部分と疎になった部分が生じて，疎密が伝わっていく

図2

×0.707
音圧実効値

時間

圧力変動としての超音波

超音波は，静圧からの圧力の変動分と考えられる

11

これから

見本

Z ＝ρc
（2）
と計算することができます．一方で，音速は密度ρと弾性定数E によって，デバイス

ンスといいます．そして，特性音響インピーダンスは媒質の密度ρと音速c によって，回路のしくみ波の進方向● 特性 1…特性音響インピーダンス
伝搬する超音波の粒子速度v と音圧 p の間には，
p ＝Zv
（1）
の関係があります．ここで，Z を特性音響インピーダ

加工・洗浄● 現象 2…音圧
疎密が起こるということは，圧力の変化が起きているととらえることもできます．

音響的な特性る

同してはいけません．

ます．空中超音波ではこの音圧レベル（dB）を使うことが多いです．
そのほかの応用では物理量としてわかりやすい Pa
で，そのまま示すこともしばしばです．パルス波である応用も多く，0－p（ゼロ・ツー・ピーク）
値を使います．

測● 現象 1…粒子速度
超音波を伝える媒質に印を付けることができると仮定します．その印（粒子）が振動する速度を粒子速度といいます．粒子は振動するけれども，その時間平均的な位置はそこにとどまっています．振動のようすだけが伝わっていくところがミソです．
空中や水中では，振動の方向が超音波の伝わる方向と同じである縦波のみが存在します．図 1 のように媒質が密になった部分と疎になった部分が生じて，この疎密が伝わっていきます．このため，疎密波ともいわ
れます．固体中では媒質の横ずれ（せん断ひずみ）が伝わる横波も起こすことができます．
超音波の伝搬速度，すなわち疎密やせん断ひずみが伝わっていく速さを音速と呼びますが，粒子速度と混

地上では大気圧（約 100 kPa）が静圧として常に存在しています．超音波は，図 2 のように，この静圧からの変動分と考えることができます．この変動分を音圧といいます．単位は圧力と同じ［Pa］
です．
可聴周波数の音では実効値をいうことが多く，耳の感度が良い 1 kHz で人が聞くことができる一番小さい音圧である 2×10－5 Pa を 0 dB としてデシベル表示し作

真空中は伝わりません．
電波や光における磁界と電界に対応するものは，超音波では媒質の粒子速度と音圧です．

Y（C）
2 1＋σ）（
ρです．これは縦波の速度の半分程度の大きさです．
表面波の速度も同じオーダです．一方，板のたわみ
波は厚さや周波数によって速度が異なる性質をもっ
ています．
c T＝

製

ρ
で求められます．

横波にはいろいろな種類があり，それぞれ速度が異なりますが，物体の表面と平行な振動方向をもつ
ものの音速 c T は，

測定環境

はヤング率Y とポアソン比σによって，

基

第2章

圧電セラミックスが大活躍！

礎

音波・超音波の発生＆検出…
デバイスのしくみ

測定環境中村 健太郎 Kentaro Nakamura

電極

変位

電圧

分極
電極
圧電材料

15

これから

水晶などの結晶片の両側に電極を付けて力を加えると電極間に電圧が発生する．逆に電圧を電極に加えると結晶は変形しようとして力を発生する

デバイス

図 1 超音波デバイスに欠かせない…圧電効果と逆圧電効果

外力

回路のしくみ見本● 圧電とは
図 1 のように，水晶などの結晶片の両側に電極を付けて力を加えると電極間に電圧が発生します．これは1880 年にキュリー兄弟によって発見された現象で，圧電効果と呼ばれます．
逆に，電圧を電極に加えると結晶は変形しようとして力を発生します．これを逆圧電効果と呼びます．
この性質を示す結晶には極性があって，これを分極といいます．分極の方向と電極を付ける面によって電圧をかけた際の変形の仕方が変わります．超音波の発生には逆圧電効果が，検出には圧電効果が使われます．
縦波用なのか横波用なのかによって分極方向と電圧の方向を選んでトランスデューサを作ります．

加工・洗浄

板にそれの 6 割程度の直径の薄い PZT 素子を同心円に貼り合わせたものが圧電ブザーの本体です．これをプ
ラスチックの共鳴ケースに入れたものが，数 kHz の
発音素子として売られています．
PZT 円板の表面には導電性金属が薄く付けられていて，真鍮板とこの金属によって PZT 円板に電圧を
かけます．

る

● シンプルな圧電素子…可聴周波数用圧電ブザー
本格的な超音波トランスデューサについて述べる前に，写真 1 の可聴周波数用の圧電ブザーを見てみまし
ょう．
しんちゅう
図2
（a）に示すように，0.1 mm 程度の厚さの真 鍮円

測

音波・超音波デバイスに欠かせない「圧電素子」

また，PZT などの薄膜を使うこともあります．

作

超音波を発生したり検出したりするデバイスを，超音波トランスデューサといいます．可聴周波数のスピ
ーカとマイクロホンに相当するものです．
可聴域のスピーカは，ほほ 100 ％がダイナミック型
です．ボイス・コイルの付いた振動板（コーン紙）
を電磁力で動かします．イヤホンの一部には電磁石の吸着力を利用したマグネチック型も使われています．これに対して，超音波では電界によってひずみが発生する
圧電素子が広く使われています．
可聴域のマイクロホンは，静電現象によるコンデン
サ型が多用されています．超音波では検出にも圧電素子を使うことが多いです．
本章では超音波トランスデューサの概要を述べます．
空中用なのか液中用なのか固体用なのか，また，動作周波数によってそれぞれ適した構造があります．固体用では縦波のほかに横波が使われることもあり，専用のトランスデューサがあります．一方，計測用かパワ
ー用かによっても考え方が大きく変わります．

● 圧電セラミックス
比較的周波数の低い 10 MHz 程度までの超音波応用
では，圧電セラミックスが主に使われます．圧電セラ
ミックスは圧電性が大きく，自由な形に焼成できる，分極方向を選べるなどの利点があります．
現在の多くの応用で，チタン酸ジルコン酸鉛［PZT，
化学式 Pb
（Zr,Ti）
O3］という圧電セラミックスが使われています．同じ PZT 材料でも少しの添加剤の変更で特性が変化し，用途に応じた材料が製造されています．
数十 MHz を超える応用ではニオブ酸リチウム（LN，
化学式 LiNbO3）など，さまざまな結晶が使われます．

製

音にはスピーカとマイク
超音波にはトランスデューサ

1

音波・超音波エレクトロニクスの基礎知識

真鍮板

PZT 素子

第 部

ちゅう

真鍮板

圧電セラミックス（PZT素子）

背面電極

ケーブル

はんだ

（a）構造

背面電極
（b）変形のようす
図2

写真 1

シンプルな圧電素子…可聴周波数用圧電ブザー● 圧電横効果によるたわみ振動
この素子に電圧を加えると，逆圧電効果によって
PZT 円板が直径方向に伸びます．しかし真鍮円板には圧電性がないので伸びません．その結果，図 2（b）のようにたわむ変形を起こします．数 kHz の交流電圧を加えれば，その周波数でたわみ振動して鳴るわけです．特にたわみ振動の共振周波数でよく振動し大きな音を出します．
これは熱膨張係数が違う金属を貼り合わせて，温度上昇により反って接点が離れるバイメタル・スイッチに似た動作です．この圧電ブザーの場合には，片方が金属で自ら変形しようとしないのでモノモルフ構造といいます．
ここで，PZT 素子の分極方向は厚さ方向ですが，直径方向に変形しています．これを圧電横効果といいます．
● 共振周波数と動作
これに対して図 1 のように，電圧印加方向と同じ方
向（分極方向も同じ）に変形するのを圧電縦効果と呼びます．
図 1 の場合，実は横方向にも変形しています．固体を縦方向に押し縮めたり伸ばしたりすると，それと直圧電ブザーに見る圧電素子の構造と動作

0.1 mm 程度の厚さの真鍮円板に，それの 6 割程度の直径の薄い PZT 素子を同心円に貼り合わたもの．電圧を加えると，逆圧電効果によって
PZT 円板が直径方向に伸びてたわむ．繰り返したわむ振動により音が鳴る

交する横方向に膨れたり細ったりすると思います．これが固体の変形の性質です．消しゴムをつぶしてみればそのことが理解できます．
どの周波数の電圧をかけるかによって，同じ素子でも振動の起こり方がかわります．圧電ブザーでは，たわみ振動が起こる低い周波数の電圧を加えるため，横効果による変形が顕著に現れているわけです．
● 空中超音波センサ素子
写真 2 のような直径 10 mm ほどの 40 kHz 空中超音波トランスデューサは入手が容易です．これは図 3 のように，モノモルフ振動子の上面にアルミニウム・コーンが付いた構造をしており，このコーンの振動で超音波を放射します．また，受信も行います．

超音波デバイス①…
計測用トランスデューサ● MHz 帯の超音波を使う
非破壊検査でも医用診断装置でも MHz 帯の超音波パルスを送信し，目標物からの反射波を受信します．
これをパルス・エコー法といいます．圧電縦効果を使って縦波超音波の送受信を行うのが一般的です．
ここでミソとなるのは，いかに時間的に短い単パル

見本
図 3 空中超音波センサ素子の構造

モノモルフ振動子の上面にアルミニウ
ム・コーンが付いている．コーンの振動で超音波を放射する

写真 2 40 kHz 空中超音波センサ
素子

16No.164

金属コーン

放射孔
ケース

金属
円板

圧電
素子
端子

ベース

基

第3章

原理から測れるものまで…電気だけではできない超音波の力

礎

主な利用①…
流体・固体中の計測や診断

測定環境

中村 健太郎 Kentaro Nakamura

L

表1

受信波形

材料
時間

0
図1

さまざまな材料の縦波音速の代表値t

パルス・エコー法による距離測定

パルス波やバースト波を目標物に向かって送信し，反射波が戻ってくるまでの時間を計測する

縦波音速［m/s］

材料

縦波音速［m/s］

鋼鉄

5900

ガラス

5700

鋳鉄

4600

アクリル

2700

チタン

6100

ナイロン

2600

アルミニウム6200

ポリスチレン

2300

真ちゅう

4400

19

これから

見本
位置

0

デバイス

物体

回路のしくみトランスデューサ

● 拡散減衰と吸収減衰超音波を送信すると，伝搬するに従って広がるために強度が距離に応じて小さくなります．これを拡散減衰と呼びます．
また，拡散せずとも，超音波を伝える媒質の内部摩擦によってエネルギーを消費し，強度が距離に応じて減衰します．これを吸収減衰といいます．
▶金属などの固体中が最も減衰が小さい
材料により，吸収減衰の度合いは大きく異なります．

加工・洗浄

ct
（1）
2
と求まります．往復するので分母に 2 があります．
▶空気中の音速
この測定では，音速が既知であることが必要ですが，空気中の音速は温度によって少し変化します．常温付
近ではセ氏［℃］で測った温度をT として，空気中の音速は，
c ＝331.5＋0.6T［m/s］
（2）
L＝

る

測します．既知の音速c から距離 L は，測

● やまびこの原理！ パルス・エコー法による距離測定
超音波計測の基礎は，気体中，液体中，固体中のいずれも，伝搬時間による距離測定です．
図 1 のように，パルス波やバースト波を目標物に向かって送信し，反射波が戻ってくるまでの時間 t を計

作

その 1：物体検出と近似的に表せます．すなわち，10 ℃のときで 337 m/s，40 ℃のときで 355 m/s となります．冬と夏で 5 ％ほど差が出ることになります．音速は風による影響も受けますので，誤差の想定が必要です．
▶液体中の音速
水中の音速は，常温常圧で 1480 m/s です．この値
は温度や水圧によって変化します．通常の測定ではそれほど問題になりませんが，温度や圧力が大きく変化する海洋の長距離測定や，高圧高温の工業計測などで
は音速の値に留意します．
液体の種類，混合物によっても音速は異なります．
▶固体中の音速
表 1 のように，固体は材料によって異なった音速を示します．硬くて軽いものは速くなります．
パルス・エコー法による板厚測定は音速がわからな
いと行えません．同じ鉄でも精錬法などでわずかに音速が異なりますし，同じプラスチックでも射出方向などの影響があります．逆に，音速測定から細かい物性の差を知ることができます．

製

超音波は気体中，液体中，固体中のいずれも伝わるので，それぞれに多彩な計測応用があります．気体や液体といった流体中では，物体の検出，物体の速度の測定，流体の流速測定に超音波が用いられます．固体中では，部材の肉厚測定，傷の検出などが重要な応用です．

第2部
第5章

超音波を試せるMy実験ラボ

USB測定器＆センサ素子ではじめる

シンプル超音波の測定器＆等価回路
中村 健太郎 Kentaro Nakamura

超音波を扱うにはどの測定器が必要でしょうか．
本格的な実験を行うには，信号源のファンクショ
ン・ジェネレータ，パワー・アンプ，振動子の電流を測定する電流プローブ，超音波を測定するのに，空中なら計測用コンデンサ・マイクロホン，液体の中ならハイドロホン，固体振動ならレーザ・ドップ
ラー振動計が必要です．トランスデューサの評価のためのインピーダンス・アナライザも欲しくなります．空中なら適当な吸音材，
水中なら水槽も必要です．
しかし，これらプロの装備はなくても，身近なものでそこそこの実験ができるのが超音波の良いところです．本章では，なるべく手軽に準備できる方法
を目的ごとにまとめます．また，電気等価回路の考
え方と回路シミュレータの利用についても述べます．

Analog
Discovery 2

入力 1

入力 2

● 波形を見たい
空中超音波のユニットを買って，マイコンにつなげれば，すぐに距離を測定できます．しかし，これって超音波の実験でしょうか．
超音波の部分はブラックボックスになっているので，マイコンの練習問題です．超音波そのものを見るという前提では，やはり波形を観測するオシロスコープが欲しいところです．
● USB 接続のオシロスコープで十分
超音波の実験のためのオシロスコープは，USB でパソコンに接続するような安価なもので十分です．
通常の超音波の実験では，空中で数百 kHz 程度まで，液体の中や固体の中の測定で 10 MHz，固体のパワー
応用で 100 kHz までが測れればよいので，数十 MHzのアナログ帯域があればまずは十分です．パルス・エ
コー法の距離測定では，時間分解能やメモリ長が欲しくなることがあるかもしれませんが，初めは手元にあるもので進められます．
例えば，写真 1 に示す Analog Discovery 2（Digilent）
ならば，ファンクション・ジェネレータの機能もある
ので，これだけで信号発生と観測ができます．
もちろん，デスクトップのディジタル・オシロスコープでも，古いアナログ・オシロスコープでもかまい
ません．

見本
出力 1

出力 2

BNC コネクタ
入出力ボード写真 1 超音波は USB 接続の測定ツール Analog Discovery を使
えば測れる

Analog Discovery 2（Digilent）に BNC コネクタ入出力のボードを装着したもの．USB でパソコンに接続して使う．ファンクション・ジェネレー
タの機能もあるので，これだけで信号発生と観測ができる

30

基本の測定器…オシロスコープ

No.164

空中の超音波の測定● 計測用マイクは 1/4 インチか 1/8 インチを使う
各社から販売されている計測用コンデンサ・マイク
ロホンは，1/2 インチとか 1/4 インチとか直径によってラインナップされています．
コンデンサ・マイクロホンの感度が一定となる上限
周波数は，振動膜の共振周波数で決まります．直径が

3

第 部

第3部

第7章

超音波エレクトロニクス製作＆実験

超音波エレクトロニクス製作＆実験

分解能2 mmのワンコイン・センサで農業レベルアップ

測距センサを使った
イチゴの吸液量測定
星 岳彦 Takehiko Hoshi

農業で距離を測りたくなる理由

農業で使える測距センサあれこれ

植物の草丈，葉長，葉幅，茎や果実の直径などの長さ計測は，生育状態を把握するために大切です．ノギ
ス，定規，メジャーなどで簡単に測ることができるので，昔から植物計測の項目として非常によく使われています．これらは人手の計測が主流で，方法としては簡単なのですが手間がかかり，連続して自動計測するのは意外と難しいのです．
本章では，ワンコインで買える超音波測距センサを使って，イチゴ栽培の養液の排液量計測に挑戦してみました（写真 1）．

● その 1：ビデオ・カメラ
ビデオ・カメラの画像を使って計測する方法が研究ではよく使われます．ただ，植物の茂みの中から目標とする点を抽出するのが難しく，昼間の直射日光による影や反射などの影響から夜間の暗視撮影まで環境が激変し，植物の栽培条件下で連続計測に適した画像を常に得るのは難しいです．また，安くなったとはいえ，それなりのコストがかかります．

イチゴ● その 2：赤外線レーザ測距センサ
レーザ光を使った測距センサは 0.01 mm 程度の分解能で精密な計測が可能ですが，やはり数万円の投資が必要です．また，赤外線を使用するので，毛があるものを測定するとそこに結露した部分を含めて計測されてしまうなどといった課題もあります．
● その 3：超音波測距センサ
最近，簡単に使用できる超音波測距センサのモジュ

見本

ベッド
培養液を供給測距センサ
排液ールが市販されるようになりました．HC−SR04（図 1）は，1 個 300 円程度から購入でき，2 cm〜4 m の距離を測定することができます．40 kHz の超音波を使用していますので，半波長単位で反射波を検出できるとすれば，約 2.1 mm の分解能で理論的に距離を計測可能です．この価格対性能は，農業で使用する低コストのセンサとしてかなり魅力的です．

今回の超音波測距回路● ワンコイン超音波測距センサ HC−SR04
超音波測距センサ HC−SR04 の仕様を図 1（b）に示し写真 1 超音波測距センサを使ってイチゴ高設養液栽培の排液量計測に挑戦!
培養液の供給量と排液の差から，イチゴの吸液量を求める

No.16444044-04702印

ます．5 V の単一電源で動作し，トリガとエコーのディジタル入出力信号線を使って計測できます．
タイミング・チャートを図 2 に示します．Trig ピン
を H → L にしたときに 8 波の超音波が送出されま

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第8章

超音波エレクトロニクス製作＆実験
10 μmの水滴を空気砲に

超音波×ラズパイPico！
ミスト加湿器の製作
田口 海詩 Uta Taguchi

乾燥しやすい季節に便利なのが加湿器です．最近
では超音波を用いて水分を霧状にする装置が安く入手できるようになってきました．そこで，火山が噴火するイメージを思い浮かべながら超音波加湿器を製作してみました．題して「大噴火ミスト・メーカ」
です．

ラズパイ Pico 制御加湿器「大噴火ミスト・メーカ」
写真 1 に大噴火ミスト・メーカの全体像を示します．
難しそうなアプリケーションを製作する場合，簡単な要素に分解して技術の個別検討をしてから，それぞれの要素を組み合わせると，意外と簡単に実現できます．

渦輪

噴火口

噴火を演出する「空気砲発生装置」
霧に光を当てて雰囲気を演出する「NeoPixel（フル・カラー LED）
制御」の 3 要素に分解できます．
ここでは，それぞれの要素を個別に検討し，大噴火
ミスト・メーカを実現していきます．制御にはラズベ
リー・パイ Pico を使いました．図 1 に回路を示します．

製作 1：超音波を用いた噴霧器● 超音波で霧を発生させる超音波アトマイザ
超音波で霧を発生させるには，写真 2 に示す超音波
アトマイザ（Ultrasonic Atomizer）と呼ばれる部品を使用します．ピエゾ振動子で水分を 10 μm 程度の水滴に分解するものです．ピエゾ振動子の中心部分には，細かな無数の穴が開いており，裏面から水を吸い取り，
表面で 10 μm 程度の水滴に変換して放出します．
超音波アトマイザから写真 3（a）のように霧を発生させるためには，いくつかの条件を満たさなければいけません．
霧発生の条件 1
超音波アトマイザの裏面は常に水分に接触させておく必要があります．写真 3（b）に示すようなフェルト▲

リング状フル・カラー LED
NeoPixel（カバー内部）

今回の製作は，霧を発生させる「超音波を用いた噴霧器」

見本
RC サーボモータ

拡大
写真 1 製作した超音波アトマイザ使用の加湿器「大噴火ミスト・メーカ」

一定の間隔で大噴火ミスト・メーカの噴火口から空気砲を用いて渦状の霧（渦輪）を発生させる．条件が良ければ 20 cm ぐらいまで渦輪が継続するのが楽しい．ラズパイ Pico で制御

09印

中心に微細な穴が複数開いている

写真 2 キー部品…水分を 10 μm 程度の水滴に分解する超音波ア
トマイザ

ピエゾ振動子でできており，表面と裏面の電極の間に共振周波数の電圧を加えることで，水分を細かい水滴に変換できる

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048-053

表と裏に
電極がある

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第4部

第9章

超音波計測のメカニズム

超音波計測のメカニズム

なぜ魚群探知機は水中の魚を見つけられるのか

音響で空気中/水中/固体中を調べるメカニズム
小木曽 泰治 Yasuharu Ogiso
超音波の利用方法はさまざまです．音が反射する性質を利用して，内部構造など直接目視することができない部分も分析できるため，魚群探知機，超音波流量計，医療診断装置などの，さまざまな分野で応用されています．
本章では，超音波計測の原理に触れたあと，超音波の反射を利用した機器のしくみを紹介します．

超音波計測の基本メカニズム

その 1：反射時間を利用する● すべての基本…反射時間を利用して距離を知る
空気中では可聴音が空気の振動で伝わったり，壁などで反射したりするのと同じように，超音波も媒質の振動により伝搬したり，境界面で反射したりします．
可聴音が反射する現象といえばやまびこが有名です（図 1）．やまびこが返ってくる時間を測ることで山までの距離がわかります．
例えば，2 秒後にやまびこが返ってきたとすると，音の伝わる速度は空気中では約 340 m/s なので，次式
より山までの距離が求められます．
340［m/s］×2［s］＝340［m］
2

図 1 やまびこが返ってくる時間を測ることで山までの距離がわかるsin θ1sin θ2

＝

v1
v2

（3）

No.1647001印● 音の縦波と横波と伝搬速度
音の伝搬については，気体中と液体中では縦波（疎密波）のみが存在し，固体中では縦波と横波の両方が存在します．縦波とは媒質が波の進行方向と平行に振動することで起こる波で，横波とは媒質が波の進行方
向と垂直に振動することで起こる波です（図 2）．縦波の方が横波より早く伝搬します．
● 屈折と反射
図 3 に示すように，音速が違う固体の 2 層構造内に斜めに超音波（縦波）を伝搬させる場合，境界面で屈折して横波が発生します．入射角と屈折角，音速との関係は，次式のように表されます．

ヤッホー

070-078

1500
［m/s］
×0.02
［s］
（2）
＝15
［m］
2
観測物まで約 15 m 離れていることになります．

見本（1）

この 340 m が山までの距離になります．2 秒は往復の距離なので，片道の距離を出すために 2 で割っています．このように，音が反射する性質を利用すること
で，距離が測れます．
ヤッホー

超音波でも同様の計算で距離が求められます．超音波振動子から発信した超音波は，観測物で反射され，再び振動子で受信します．超音波の発信から受信までの往復時間を距離に換算し，深度（深さ）として表示します．
また，水中での音速は約 1500 m/s になります．0.02
秒後に反射の応答があった場合は，次式で距離が求められます．

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第 部

第7部

超音波を生かした電子デバイス

超音波を生かした電子デバイス

第15章 超音波を電気信号にしたり振動を発生したり力学振動と電気をつなぐ大黒柱
圧電セラミックス入門
稲葉 克文 Katsufumi Inaba

超音波は，自動車や医療，民生分野，工業分野に至るまで多くの分野で使用されています．具体的には，自動車のバック・ソナー，超音波加湿器，超音波洗浄機，超音波診断装置，超音波加工機，魚群探知機，液体流量計など，書ききれないほど多くの製品で利用されています．
超音波を発生する素子には，圧電セラミックスや
フェライト（磁性セラミックス），光音響素子などがあります．ここでは，多くの製品で使用されている
圧電セラミックスについて説明します．

圧電セラミックスの基礎知識● 機械エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する
圧電セラミックスは，機械エネルギーを電気エネル
ギーに変換したり（図 1），電気エネルギーを機械エネ
ルギーに変換したり（図 2）する素子で，圧電体とも呼ばれます．
圧電体に圧力や振動を加えると電気が発生し（圧電効果），逆に電気を加えると圧電体が伸び縮みします（逆圧電効果）．このエネルギー変換を利用して，超音

圧縮

伸ばす

マイナス・イオン

プラス・イオン

見本（a）無負荷状態
図1（b）マイナス電圧の
印加で縮む

伸縮する

縮む

伸びる

（c）プラス電圧の印加で伸びる（c）交流信号の印加で伸縮する

No.164124

11印（c）伸ばすとマイナス電圧が発生する機械エネルギーから電気エネルギーへの変換

図 2 電気エネルギーから機械エネルギーへの変換

124-132（b）圧縮するとプラス電圧が発生する

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第 部

第8部

これからの超音波技術

これからの超音波技術

第20章 空中超音波のフェーズド・アレイ駆動システム

非破壊検査を非接触で高速に
大隅 歩 Ayumu Osumi

非破壊検査は社会の安全性から品質の評価までを行う非常に重要な検査です．非破壊検査の対象は，非常に幅広く，工場プラント・橋梁・トンネルなどの大型構造物，航空機部品や電車車両・自動車など，書ききれないほどあります．
一般的な非破壊検査では，超音波振動子と被検体の間に接触媒質を塗布することで効率良く超音波が透過します．一方，非接触方式の空中超音波（空気中を伝わる超音波）では，空気と被検体の音響イン
ピーダンスの差が非常に大きいため，ほとんど被検体で反射してしまいます．しかし，非常に大きな音
圧の空中超音波を放射して，発生したわずかな透過波を調べることにより，欠陥の有無がわかるようになりました．
従来不可能とされていた空中超音波による非破壊検査は，実用可能な技術になりました．一方で，高速化については，まだまだ改良の余地があります．
本章では，筆者が提案する空中超音波による高速
非接触非破壊検査と，それを実現するデバイスである空中超音波フェーズド・アレイおよび駆動システ
ムの概略について紹介します．

超音波検査の各手法
非破壊検査にはさまざまな手法がありますが，可搬性の良さは超音波検査に一日の長があります（1）．また，超音波検査は医療でもおなじみだと思います．
● 一般的な超音波検査
最も一般的な超音波検査の手法を図 1 に示します．
この方法は超音波振動子から超音波を被検体に送信し，欠陥部からのエコーを受信することで欠陥の有無と深さを判断する方法です（2）．パルス・エコー法とも呼ばれます．
被検体の欠陥を探すときは，手動あるいは自動ステージなどで超音波振動子を機械的に走査して行います．
この方法はシンプルで良いのですが，視覚的に欠陥の広がりが捉えにくいデメリットがあります．
● フェーズド・アレイを利用した超音波検査
視覚的に欠陥の広がりが捉えにくい，という一般的な超音波検査のデメリットを解決したのが，図 2 に示

手動あるいは機械的に超音波振動子を前後左右にスキャンして欠陥を探す

見本
超音波振動子反射波（欠陥エコー）

欠陥（空隙など）

送信波

送信波

振幅

送信波

被検体

反射波
（底面エコー）
反射波（欠陥エコー）反射波（底面エコー）時間（a）被検体の中にある欠陥を超音波振動子で探る
図1（b）超音波振動子の送受信波形

一般的な超音波検査のしくみ

超音波振動子から超音波を被検体に送信し，欠陥部からのエコーを受信することで欠陥の有無と深さがわかる

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このPDFは，CQ出版社発売の「トランジスタ技術SPECIAL No.164」の一部
見本です．
内容・購入方法などにつきましては以下のホームページをご覧下さい．
内容
購入方法

http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSP202310.html
https://www.cqpub.co.jp/order.htm

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