センサーのしくみ
はしがき
センサーという用語が一般化されて久しいのですが,一口にセンサーといっても,その種類は非常に多く,技術分野も広範囲にわたっています。
またこれに応用技術も加えると,さらにその内容も広がり,ますます複雑になってまいります。
ところでセンサーに関する書籍はいろいろありますが,センサーの実用書は意外と少ないものです。特にセンサーの選び方,使い方をやさしく解説したものは非常に少なく,常に現場技術者に不満を残してきたところだと思います。
そこで本書は,センサーの特徴,使い方などをやさしく解説し,具体的な回路構成も取り上げてみました。特に本書では,センサーの理論や物性的なものはできるだけ避け,随所に,写真,要点解説などを取り入れ,より親しみ易くなるよう配慮しました。さらに本書ではセンサーの型名,メーカ名を取り上げ,実際にセンサー装置をまとめる場合の足掛りとなるよう工夫しました。
それでは本書の内容を順を追って説明します。本書は七つの章で構成されています。
まず序章ですが,ここでは「センサーとは何か」を,わかり易く解説し,次章以降の理解を助けるよう工夫しました。
第1章は光センサーです。光センサーは目に見える可視光線のほか,目に見えない赤外線,紫外線なども含まれています。センサーとしては最も需要が多く,その種類も豊富です。このため本章では頁数をできるだけ多くとり,十分な説明を展開しました。
第2章は磁気センサーです。磁気センサーは,光センサーの次に位置づけされる使用量の多いセンサーです。ここではコイルを利用した電磁誘導型とローレンツ力を利用した電流磁気効果型センサーを中心に,その特徴,使い方について詳述しました。またSQUIDやMI効果センサーなどのいわゆるハイテクセンサーも取り上げ,やさしく解説しました。
第3章は温度センサーです。温度センサーは身近なセンサーの一つで種類も豊富ですが,ここでは接触式センサーの代表である白金測温抵抗体,サーミスタ,それにIC化温度センサーについてまとめてみました。
第4章は湿度センサーです。湿度センサーはセンサーのなかでは市場占有率はあまり高くはありませんが,快適居住空間の創出,安全衛生面のニーズから徐々にその数が増加する傾向にあります。ここでは,その代表であるインピーダンス変化型と容量変化型湿度センサーについて詳述しました。
第5章は超音波センサーです。超音波センサーは,魚群探知機,ソナー,距離計,超音波診断装置(エコー)などと,その応用も多彩ですが,ここでは主として超音波センサーの種類,基本的な使い方についてまとめてみました。
そして第6章が圧力センサーです。圧力センサーは従来,工業機器に多用され,一般にはなじみが薄いセンサーですが,ここ数年,電気掃除機,簡易気圧計など,身近な製品への応用が活発です。そこで本章では,それらの装置に使われる,比較的小型の半導体圧力センサーを取り上げてみました。なおこの章には番外編として,加速度(運動量)センサーを取り上げてみました。
なお本書は1998年に出版された『センサーのすべて』をベースに,最近の新しい情報を盛り込み,時代のニーズにふさわしいよう,いくつかの項目を増強いたしました。また技術の進歩やアプリケーションの変化もできるだけ取り入れ,実用的な内容となるよう配慮しました。
以上が本書の主な内容です。
最後に,本書の執筆に際し多くの文献および技術資料を利用させていただいたことを,ここに厚くお礼申し上げます。また本書をまとめるにあたり,なにかとご配慮をいただいた電波新聞社の斎藤清部長,吉田昌弘氏,ならびに関係各位に心から感謝します。
2003年12月
谷腰欣司
目次
はしがき
序章 センサー入門
0.1 センサーとは
0.2 検出媒体による分類
0.3 ヒトの五感からはじまった
0.4 制御用センサー
0.5 インテリジェント・センサー
0.6 センサーフュージョン
0.7 センサー技術の進歩と発展
第1章 光センサー
1.1 光センサーとは
1.1.1 光とは
1.1.2 光とその波長
1.1.3 発光源とその性質
1.1.4 光センサーと光電効果
1.2 光センサーの種類
1.2.1 光センサーの概要
1.2.2 フォトダイオード
1.2.3 フォトトランジスタ
1.2.4 フォトIC(フォトセンサーモジュール)
1.2.5 CdS光導電セル(CdSセル)
1.2.6 フォトダイオードアレー(多素子フォトダイオード)
1.2.7 フォトカプラー
1.2.8 焦電型赤外線センサー
1.3 フォトダイオード
1.3.1 フォトダイオードとは
1.3.2 フォトダイオードの分類
1.3.3 フォトダイオードの物性的構造による分類
1.3.4 フォトダイオードの種類と主な用途
1.3.5 フォトダイオードの等価回路
1.3.6 フォトダイオードの応用回路例
1.4 フォトトランジスタ
1.4.1 フォトトランジスタとは
1.4.2 フォトトランジスタの応答特性
1.4.3 フォトトランジスタの暗電流
1.4.4 フォトトランジスタの基本回路
1.4.5 フォトトランジスタの応用回路例
1.4.6 トランジスタとの組合せ回路(フォトダーリントン・トランジスタ)
1.5 CdS光導電セル
1.5.1 CdS光導電セルとは
1.5.2 CdSセルの照度対抵抗特性
1.5.3 CdSセルの基本回路
1.5.4 CdSセルの応用回路例
1.6 赤外線センサー
1.6.1 焦電型赤外線センサーとは
1.6.2 赤外線センサーの応用回路例
1.7 フォトインタラプタ
1.7.1 フォトインタラプタの種類
1.7.2 フォトインタラプタの応用回路
1.8 太陽電池
1.8.1 アモルファスシリコン太陽電池
1.9 CCDイメージセンサー
1.10 カラーセンサー
1.11 ロータリーエンコーダ
1.11.1 インクリメンタル型とアブソリュート型
1.11.2 インクリメンタル型の構造
1.11.3 ロータリー・エンコーダの性能
1.12 光センサーの機能および範囲
第2章 磁気センサー
2.1 磁気センサーとは
2.1.1 2種類の磁気センサー
2.1.2 電流磁気効果とは
2.1.3 磁気の強さと磁気センサー
2.1.4 磁気センサーの種類
2.1.5 電流磁気効果素子
2.1.6 よく使われる磁気センサー
2.2 リードスイッチ
2.3 ホール素子
2.3.1 ホール素子の特性
2.3.2 ホール素子の出力特性
2.3.3 ホール素子の入力電流回路(バイアス)
2.3.4 ホール素子の応用回路
2.3.5 ホール素子3個の回路例
2.3.6 ホール素子を用いた製品のいろいろ
2.4 ホールIC
2.4.1 ホールICの構成とその特徴
2.4.2 ホールICの応用回路
2.5 MR素子
2.5.1 MR素子の種類とその特徴
2.5.2 MR素子の構造
2.5.3 MR素子の基本回路
2.5.4 MR素子の応用回路
2.6 渦電流式近接センサー
2.6.1 渦電流式近接センサーの原理構造
2.6.2 渦電流式近接センサーの種類
2.6.3 渦電流式近接センサーで食品内の異物を発見
2.6.4 各種近接センサーの性能比較
2.7 差動トランス
2.8 SQUID(スクイッド)
2.9 MIセンサー
2.10 磁気飽和素子
2.11 インダクトシン
2.12 磁気スケール
2.13 その他の磁気センサー
2.13.1 磁気ヘッド
2.13.2 磁気ヘッドの原理構造
2.13.3 フラックスゲート磁気センサー
第3章 温度センサー
3.1 温度センサーの種類と概要
3.2 金属測温抵抗体
3.2.1 白金測温抵抗体の原理
3.3 サーミスタ
3.3.1 サーミスタとは
3.3.2 サーミスタの基本公式
3.3.3 サーミスタの基本回路
3.3.4 温度検出回路のいろいろ
3.3.5 ポジスタの応用
3.4 IC化温度センサー
3.4.1 IC化温度センサーの動作原理
3.4.2 IC化温度センサーの応用回路
3.4.3 電圧出力型IC化温度センサー
3.4.4 温度コントロール回路
第4章 湿度センサー
4.1 湿度センサーとは
4.2 湿度検出法の種類
4.3 湿度センサーの主な用途
4.4 インピーダンス変化型と容量変化型湿度センサー
4.4.1 インピーダンス変化型湿度センサー
4.4.2 容量変化型湿度センサー
4.5 湿度センサーの応用回路
第5章 超音波センサー
5.1 超音波センサーの概要
5.1.1 超音波とは
5.1.2 超音波エネルギー
5.1.3 超音波の伝播速度
5.1.4 音響インピーダンスが高いほど超音波をよく通す
5.2 超音波の応用分野
5.3 超音波センサーとは
5.3.1 超音波センサーと圧電効果
5.3.2 圧電気逆効果
5.4 空中超音波センサー
5.4.1 空中超音波センサーの構造
5.4.2 空中超音波センサーMA40S4R/Sの諸特性
5.5 超音波発振回路
5.5.1 デジタルICを用いた超音波発振回路
5.5.2 パルストランスを用いた超音波発振回路
5.6 超音波受信回路
第6章 圧力センサー
6.1 圧力センサーの概要
6.2 圧力センサーの種類
6.3 圧力センサーの主な用途
6.4 圧力の種類と単位
6.5 半導体圧力センサーとは
6.5.1 圧力センサーの原理構造
6.6 内部回路と出力特性
6.7 半導体圧力センサーの駆動回路
6.8 圧力センサーの増幅回路
6.9 圧力センサーの応用回路
6.9.1 圧力センサーFPN-02PGを用いた回路例
6.9.2 圧力センサーP-2000を用いた回路例
6.9.3 半導体圧力センサーSP20Cシリーズを用いた回路例
6.10加速度センサー
索引
コラム目次
リモートセンシングで遠方の様子がわかる
蛇(へび)は暗闇でも物が見える?
光の速さはどのくらい?
紫外線でオゾン層が破壊される
半導体の専門用語
美人センサーはこうしてできる
電流を流す担い手となるキャリア
リモコンは赤外線を使っている
太陽電池は電池ではない
人間には磁気センサーがある?
ポケットの中の定期券を見るセンサー
毛髪は湿度に比例して伸縮する
大地震を予知するAEセンサー?
