テクニカルレポート

2018/10/26 / テクニカルレポート

IoT実現に欠かせない電子部品

〜「センサ」〜

NPO法人 サーキットネットワーク  梶田 栄 氏

 

 今日科学技術の進歩に伴い、測定したい変化の種類は日々刻刻、増え続けている。そのため、センサはカスタム性が強い多品種の電子部品である。

 また、一口にセンサといっても、各人ごとに意味するところが異なっている。すなわち、変化を検知し電気信号に変換する部分を指す場合。この部分はセンサ素子あるいはセンサエレメントなどと呼ばれている。

 次に変換された電気信号を増幅し、アナログの電気信号をデジタル変換する機能部品までの範囲を意味する場合。次に電気信号を外部に伝える機能までを含んでいるセンサデバイスの場合。さらにはセンサネットワークやIoTのような大掛かりなセンサシステムをも含んだものも、広い意味でセンサと呼ばれることがある(図5)。

 したがって、センサに関して話をするときは、センサの定義をしておかないと混乱をきたす恐れがある。ここではセンサエレメントをセンサということにする。

 

センサの分類

 センサの種類は多数あり、種別方法もたくさんある。また現在もセンサの種類は増え続けている。これはIoT普及により自動化が進むこと、安全問題や環境問題の解決のためなど日々科学技術の進歩があり、それに伴い新規開発のセンサが必要になるためである。

 以下に、検出媒体別に分類したセンサ体系図を図6に示す。

 

主要センサの検出原理

1. 温度センサ

 各部各所の温度検知の必要性は古くから存在しており、多種多様な温度測定方法が開発されてきている(図7)。

 現在でもさらに新しい検出方法が生み出されている。理由の一つには、被測定物の温度の範囲が絶対零度(0K)から数千℃まで広いということがある。および測定環境条件が広範囲にわたり、おのおのの条件に合わせることが必要になっている。

 また他のセンサに共通して言えることだが、測定精度および観応時間向上の課題がある。さらには測定方法の簡易化の要求もある。

 測定方法には直接測定と間接測定がある。直接測定は被測定物にセンサを直接接触させてセンサの変化を読み取るものであり、間接測定は被測定物から発せられるエネルギーをセンサで受信し、信号に変換するものである。

 

(1) サーミスタ

 サーミスタは温度の変化に対応して大きく抵抗値が変化する抵抗体であり、利用しやすいため多くの電子機器に利用されている。

 温度がある一定の温度を超え上昇すると抵抗値が上昇するサーミスタをPTC(positive temperature coefficient)、抵抗値が逆に下がるものをNTC(negative temperature coefficient)という(図8)。これらは半導体セラミックスとも呼ばれることもある。

 PTCはチタン酸バリウムを主としたセラミック材料を用いているものと、ポリエチレンなどの結晶ポリマを用いているものがある。PTCは形状から主にチップ、リード、ケースの3種類に分類される。温度特性が急変する点をキュリー温度と呼びこの温度を超えると抵抗値が急増する。温度制御機能があるためサーモスタットなど、電子機器の温度上昇を防ぐために用いられている。PTCは逆に電気を通すと発熱するため、ヒータにも利用されている。

 NTCはMn、Co、Ni、Feの酸化物を主成分とし高温になるに従い、抵抗値が減少する。NTCサーミスタの形状はチップ、ガラスビード、ガラスダイオード、樹脂ビード、ディスクリートの5種類に分類される。

 動作温度は−50℃から1,000℃まで広く、用途は広く使用されている。測定温度範囲で回路の動作で温度ずれを防ぐ「温度補償」、電子体温計などの「計測用」、エアコンやヒータなどの「温度制御」、冷蔵庫の「温度検知」など、通信機器・家電・自動車・事務機器・産業機器などの幅広い分野に使用されている。

 上記のようにNTC、PTCの形状は種々あるが、特に表面実装用のチップタイプは小型であり、電子機器の基板に直接実装できるため、広く使用されている。

会社名:NPO法人 サーキットネットワーク
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