USBは、初めて導入されて以来、急速に進化を続けています。各USB世代間における主な違いは、データ転送速度と電力出力です。基本的に、USBはコンピュータと周辺機器とのスムーズな接続を可能にするブリッジとして機能します。超高速でデータを転送し、同時に電力を供給できるため、USBは無数のセンサーやデバイス、特にコンピューティングソリューションにとって最も人気のあるポートの1つとなっています。その結果、USB規格は商業用途だけでなく、多くの産業用途でも広く使用されています。そこで、本ブログでは、各USB世代間の違いと、それが産業用途に与える影響について解説します。
USBとは何か、その主な目的は？
USBとは、Universal Serial Busの略です。基本的にUSBは、コンピュータが周辺機器やその他のデバイスに電力を供給し、通信できるようにする、ホットスワップ可能なデジタルデータインターフェース規格です。USBは、スマートフォン、パーソナルPC、デスクトップコンピュータ、さらには産業用コンピュータなど、ほとんどすべてのコンピュータハードウェアに搭載されています。USBは1996年に確立され、ユニバーサル入出力デバイスコネクタの標準となりました。さらに、USBは、製造ラインで多数の機械部品、コントローラ、またはセンサーを接続するために使用されていた独自のケーブルをUSB規格に置き換えることで、産業用アプリケーションに大きな影響を与えています。その結果、USB規格は産業用アプリケーションにおいて普及しました。
USBポートとコネクタの種類
USBポートとコネクタは、コンピュータと周辺機器間の物理的なブリッジです。データインターフェースとは、接続された2つのデバイス間でデータをやり取りすることであり、データが通過する媒体を必要とします。USBポートとそれぞれのコネクタの両方が、電力とデータ伝送を提供するデバイス内の通信経路として機能します。最初のUSBポートはType-AとType-Bで、その後、それぞれのミニバージョンとマイクロバージョン、マイクロB SuperSpeed、そして最後にUSB Type-Cポートが登場しました。
出典：Houk Consulting USBケーブルとポートの種類の理解
USBの世代にはいくつのバージョンがありますか？
USB 1.0
USB 1.0は1996年1月に導入され、その後、1998年9月にUSB 1.1が導入されました。これらのバージョンは最大12Mbpsの速度を持ち、当初はマウスやキーボードなどの2つのシンプルなデバイスをコンピュータに素早く接続することを容易にするために作られました。しかし、USB 1.0は延長ケーブルと電力供給ができないという問題があり、市場に普及することが困難でした。その結果、USB 1.1はUSB 1.0のアップデートバージョンとして、データインターフェースとしてのUSBの普及を開始しました。
互換性：USB Type AおよびType B
USB 2.0
USBが多くの現代のデバイスのユニバーサル規格であるという事実は、より速く、より信頼性の高い速度を求めるユーザーの要求に応えるため、USBの開発を促進しました。その結果、USB 2.0は2000年4月にリリースされ、最大480Mbpsの速度向上を実現し、USB 1.1バージョンよりも40倍高速であるとされています。さらに、USB 2.0は下位互換性があり、ユーザーは以前のUSBバージョンを新しいUSB 2.0コンピュータに接続したり、その逆を行ったりすることができます。最後に、USB 2.0は、より信頼性の高いデータ転送速度と2.5W、5V、最大500mAの電力供給により、以前のUSBバージョンに代わるものとして成功しました。
互換性：USB Type A、Type B、Mini A、Mini B、Mini AB、Micro A、Micro B、Micro AB。
USB 3.2 Gen 1 – SuperSpeed USB 5Gbps
技術の進歩は、特に産業用アプリケーションにおいてIoTデバイスの導入をさらに加速させました。そのため、より信頼性の高いスムーズなデータ転送速度を可能にするために、帯域幅の需要が大幅に増加しています。USB 3.2 Gen 1は、SuperSpeed USB 5Gbpsとも呼ばれ、最大5Gbpsのデータ転送速度を提供します。最も重要なのは、USB 3.2バージョンが全二重モードを採用したことで、2つの接続されたデバイスが同時にデータを転送および受信できるようになりました。その結果、このUSBバージョンは、特に全二重モードでのデータ転送速度の大幅な向上により、多くの産業界を魅了しています。
互換性：USB Type A、Type B、Micro B SuperSpeed
USB 3.2 Gen 2 - SuperSpeed USB 10Gbps
以前はUSB 3.1として知られていたUSB 3.2 Gen 2は、現在最大10ギガビット/秒のデータ転送速度を提供しています。混乱を避けるため、USB 3.2 Gen 2は「SuperSpeed USB 10 Gbps」とよく呼ばれます。この特定のアップグレードは、以前のUSBバージョンの最大転送速度を2倍にし、ストレージおよびディスプレイアプリケーションのコンピューティング要件を満たすために大幅なパフォーマンス向上をもたらしました。さらに、USB 3.2 Gen 1とGen 2の両方がUSB PDを採用しており、対応するハードウェアを通じて最大20Vの電力で5A、つまり最大100ワットを提供できます。
互換性：USB Type A、Type B、Micro B SuperSpeed、Type-C
USB 3.2 Gen 2x2およびUSB4 – USB Type-C
USB 3.2 Gen 2x2は2017年8月にリリースされました。今回は、Type-Cコネクタの互換性に最も重要なアップデートが加えられました。このバージョンのUSBは、最大20Gbpsのデータ転送速度を提供し、SuperSpeed USB 20Gbpsとも呼ばれます。さらに、Type-Cポートは逆挿しをサポートしており、そのアプリケーションを簡素化します。USB 3.2 Gen 2およびUSB4はデータ転送速度が大幅に向上していますが、短い距離でのみこれをサポートします。その結果、特に産業用アプリケーションでは、以前のUSBバージョンが好まれ、現在の産業用アプリケーションではまだ広く使用されています。
互換性：USB Type-C
USB世代の異なる色の意味は？
各USB世代は、結合するポートまたはコネクタの色で識別できます。USBのこの機能により、ユーザーは肉眼でそれらを迅速かつ効率的に区別し、その機能を判断することができます。各色の仕様は次のとおりです。
- 黒と白：USB 1.1およびUSB 2.0世代。
- 青：USB 3.2 Gen 1 SuperSpeed
- 緑：USB 3.2 Gen 1
- 赤：USB 3.2 Gen 2は常時オンポートを指します。
USBが産業用アプリケーションにおいて重要な理由
USBは、PC向けの超高速デジタルデータインターフェースとホットスワップ可能な接続を提供するため、産業用アプリケーションに最適な選択肢です。多くの産業用アプリケーションでは、データ分析、監視、データ収集、取得のために産業用コンピュータへの直接インターフェースが必要です。そのため、20年以上にわたって普遍的に採用されてきたUSB規格は、特にUSB3 Visionの登場により、コンピュータと周辺機器間の信頼性の高いインターフェースを提供する最良の選択肢となっています。
USB3 Visionは2013年に初めて導入され、産業用カメラアプリケーションの新しいユニバーサル規格を確立することで、アプリケーションを容易にし、さまざまな業界の独自のケーブルを減らしました。さらに、USB3 Visionは産業用マシンカメラのプログラミングインターフェースであるGenIcam規格となりました。そのため、USB3 VisionとGenICamは、高帯域幅、低遅延のインターフェースと電力供給を可能にします。その結果、USB標準ポートはほとんどの産業機械カメラに搭載されており、プラグアンドプレイ機能により実装が簡素化され、さまざまなケーブルコネクタの不要なコストが削減されます。
産業用アプリケーションにおけるUSBの利点
- 下位互換性
すべてのUSBバージョンには下位互換性があり、コンピューターと周辺機器のUSBポートのバージョンを気にする必要はありません。標準ポートが同じであれば接続できます。これにより、常に変化するUSBバージョンのアップグレードに必要なコストを節約できるため、産業用アプリケーションが容易になり、総所有コストが削減されます。
- ホットスワップ可能
USBのホットスワップ機能は、特に産業用アプリケーションにおいて非常に重要です。この機能により、稼働中のシステムをシャットダウンしたり再起動したりすることなく、デバイスを交換またはアップグレードできます。
- 電力供給機能
USBバージョンは、追加の電源を必要とせずにデバイスに電力を供給できます。そのため、USBシステムは電源用に別のケーブルを必要とせず、システム全体をよりポータブルにし、追加の配線コストを削減します。
- 拡張性
USBスロットが1つだからといって、1つのデバイスしか接続できないわけではありません。また、USBスロットが1つあれば、USBハブを使用することで、コンピューター（ホスト）は最大127台の異なるデバイスを接続できます。ただし、接続するデバイスが増えるにつれて、単一のUSB信号上のUSB帯域幅パーティションが増えるため、データ転送速度が大幅に低下する可能性があります。
USBインターフェースを備えた産業用アプリケーションとは？
USB規格は、産業用アプリケーションにおいて、機械部品、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）、センサーを接続するために広く使用されています。さらに、USBは通常、センサーからコンピューターへの生データの転送を助け、データ分析と取得を行うためのリンクとして機能します。USBポート接続を必要とする産業用アプリケーションをいくつかご紹介します。
- 生産ライン： USBは、カメラやセンサーから電源を供給し、データを転送する機能があるため、生産ラインのインフラ構築に非常に役立つインターフェースです。
- ロボットオートメーション： 目的は、データをコンピュータに転送し、予測を立て、ロボットに実行可能なコマンドを転送することです。
- 都市と監視：都市の状況を監視するために、通常、コンピューターは都市中のさまざまなカメラやセンサーに接続する必要があります。
- 農業監視：すべての植物が良好な状態であることを確認し、必要に応じて特定の動作を行うために、コンピューターとセンサーやスイッチとの接続を可能にします。
- キオスクと自動販売機の管理： ゲートウェイとコンピューターは、カメラ、プリンター、NFC/RFID、入力キーボードなど、さまざまなUSB周辺機器と通信します。
よくある質問：
USB世代とは？
USBは、コンピューターと他の周辺機器を接続するためのデジタルデータインターフェースの標準です。USBは1996年に初めて導入され、USB 1.0、1.1、2.0、3.2 Gen 1、3.2 Gen 2、3.2 Gen 2x2、そしてUSB4と急速に進化しました。その結果、USBは現在、データインターフェースと電力供給のユニバーサル標準となっています。
USBポートに接続できるデバイスは何台ですか？
USBは、コンピューターと他の周辺機器を接続するための標準デジタルデータインターフェースです。USBは1996年に初めて導入されて以来、急速に普及しました。その結果、USBは現在、データインターフェースと電力供給のユニバーサル標準となっています。。
USB世代にはいくつのバージョンがありますか？
USB規格は、最初に確立されて以来、進化を続けています。2019年には、4つのUSB世代の7番目のバージョンであるUSB4が導入されました。これらの7つのバージョンには、USB1.0、1.1、2.0、3.2 Gen 1、3.2 Gen 2、3.2 Gen 2x2、USB4が含まれます。
USBは産業用アプリケーションで使用されていますか？
はい、USBのホットスワップ性、下位互換性、拡張性といった主要な機能が、産業用アプリケーションに適した選択肢となっています。特に、USB規格が広く普及していることで、産業界がM2Mデバイスや周辺機器に接続することがさらに容易になっています。
USBとThunderboltの違いは何ですか？
ThunderboltケーブルはUSB4 Type-Cデバイスおよびケーブルと互換性がありますが、完全に同じではありません。ThunderboltはIntelとAppleの協力によって開発されましたが、USB4はUSB Implementers Forum（USB-IF）によって開発されました。USB-CはThunderboltとUSB4が使用する接続を表します。さらに、Thunderbolt 3とUSB4は非常に似た機能を持ち、最大20〜40Gbpsのデータ転送が可能です。それに比べて、Thunderbolt 4は最大40Gbpsのデータ転送速度に達し、また、外部4Kディスプレイを接続することもでき、Thunderbolt 4は、USB4と比較して優れています。
