IoT技術情報サイト

2021.02.22 センサ

センサのキーポイント

センサの基礎

  • Facebook
  • Twitter

13回にわたった「センサの基礎」は今回で最後になります。IoTの発展にともない、センサが搭載された機器の増加は明らかであり、センサにより取得された情報(データ)の利用方法も大きく発展しています。ここで紹介してきたセンサは、センサの中でも基本的なもの、よく使われているもの、そしてIoT機器での展開が見込まれるものです。しかしながら、センサの種類は非常に多く、例えば温度を測定する温度センサひとつ取っても何種類かのセンサ素子と方式が存在するため、紹介できたものはその中でも代表的なものになっています。センサを使った機器設計のためのスタートラインとして、この記事を利用していただければ幸いです。

最後に、「センサの基礎」の全記事の「キーポイント」とリンクをまとめました。

▶ センサとは

キーポイント:

・センサとは、本質的には「物理量を変換する素子やデバイス」。

・IoTではアプリケーションが広範に及ぶことからセンサに求められることは多種多様。

▶ 加速度センサの動作原理

キーポイント:

・加速度センサとは、単位時間当たりの速度=加速度を測定するセンサ。

・原理的には、移動や傾きによって生じる、バネにぶら下がったおもりの位置変化を測定し加速度を求める。

▶ 加速度センサの分類とMEMS静電容量方式加速度センサ

キーポイント:

・一般に、測定範囲が20G以下のものを低G加速度タイプ、20Gを超えるものを高G加速度タイプと分類。

・同じ加速度センサでも種類によってそれぞれ特徴があるので、用途に応じて選定することが重要。

▶ 加速度センサのアプリケーション例

キーポイント:

・加速度センサを利用したアプリケーションは非常に多く、従来的なものからまったく新しいものまで、その応用範囲は広範。

▶ 気圧センサ

キーポイント:

・圧力のセンシングは、非常に広範なアプリケーションで必要とされいる。

・大気圧を検知するセンサを一般的に気圧センサ、もしくは大気圧センサと呼んでいる。

・気圧センサの代表的なものとして、シリコン半導体を使用したピエゾ抵抗方式のものがあげられる。

・気圧の変化から高度を求めることができるので、センサを持った人がビルの何階にいるかを検知する、また、昇降距離を利用するアプリケーションでの使用が可能。

▶ 地磁気センサ

キーポイント:

・地磁気センサは地磁気を検出して、主に方位を知ることに使われる。

・センサの感度によっては、屋内測位やAR(拡張現実)への応用や、金属異物検出にも利用できる。

・主にXとYの2軸タイプとX、Y、Zの3軸タイプがある。

・磁気センサには、目的に応じていろいろな種類があり、代表的なものとして、ホールセンサ、MRセンサ、MIセンサがある。

・MIセンサは、ホールセンサに対し10,000倍以上も感度が高く、地磁気の微小な変化も高精度に測定が可能。

・BM1422AGMVは3軸のデジタル出力MIセンサICで、σノイズはホールセンサに比べ1桁低い。

▶ カラーセンサ

キーポイント:

・カラーセンサは光を感知するセンサ(光電センサ、光センサ)の一種。

・周囲光をフォトダイオードで受光し、RGBのそれぞれの受光量を検出することで、対象の色を判別する。

・周囲光の検出によって、表示や撮影の色を最適な状態に補正することが可能。

・製品の色や液体の色を工場などの生産工程で管理する物色判定にも利用可能。

▶ 照度・近接センサ

キーポイント:

・照度センサは周囲の明るさを感知するセンサで、受光素子が受光量に合わせて出力する電流量を利用する。

・近接センサは対象物との距離を検出するセンサで、照射した電波、音波、光などの反射を検出することで対象の存在の検知、対象との距離の測定を行う。

・利便性を高めた、照度+近接+赤外LEDが一体となったセンサもある。

・これらのセンサは民生から産業まで幅広いアプリケーションで使用されている。

▶ 脈波センサ

キーポイント:

・脈波は心臓が血液を送り出すことにともない発生する血管の容積変化を波形としてとらえたもので、それを測定できるものが脈波センサ。

・脈波センサで得た波形から心拍数が計測可能。

・光電脈波法で使用する脈波センサには測定方法の違いから透過型と反射型がある。

・反射型脈波センサは透過型のように測定箇所を限定しないのでウェアラブル機器に向く。

・赤外線・赤色光を使う反射型脈波センサは屋外使用には向かない。

・緑色光を使う反射型脈波センサは屋外使用でも高精度に測定できる。

▶ 電流センサ

キーポイント:

・電流センサは、回路に流れている電流を測るセンサ。

・電流を検出する方法から、抵抗検出型と磁場検出型に大きく分けることができる。

・抵抗検出型は、シャント抵抗による電圧降下を電流に変換する。簡単で安価だが電力損失と発熱がデメリット。

・磁場検出型には、コアを使用するものとしないものがある。

・磁場検出型コア使用のものは、非接触で電力損失は少ないが実装面積が大きくなることが課題。

・磁場検出型コア不使用の従来型であるホールセンサはIC化により小型だが、IC内に電流を引き込む必要があるため電力損失が発生する。

・磁場検出型コア不使用の次世代センサであるMIセンサは、パッケージ内に電流を引き込まず非接触で磁場を検出できるので基本的に電力損失がないのと感度が高いのが特徴。

▶ ホールセンサ

キーポイント:

・ホールセンサは半導体を利用した代表的な磁気センサの1つで、ホール効果を応用したセンサ。

・ホールICはホール素子とオペアンプが一体化しており扱いが容易。

・ホールセンサは磁界の強さと向きを電圧の大きさと正負に変換する。

・主な用途は回転検出、位置検出、開閉検出、電流検知、方位検出など。

・ホールICはリニア出力とデジタル出力に大別できる。

・磁界の向きの検知ができ、主な検知方式として、片極検知、両極検知、交番検知がある。

▶ 温度センサ

キーポイント:

・温度センサとは温度を計測するセンサ。

・温度センサには非常に多くの種類がある。

・温度センサICは、出力の観点からアナログ出力とデジタル出力に分けることができる。

・温度センサICは、温度データを出力する以外にも、付加機能を備えているものがある。

▶ 光センサ:フォトダイオードとフォトトランジスタ

キーポイント:

・光センサは基本的に受光素子が受けた光を電気エネルギーに変換し、その電流を利用するセンサの総称。

・フォトダイオードは最もシンプルな光-電気エネルギー変換素子。

・フォトトランジスタは、フォトダイオードとトランジスタが一体化した構造になっており、フォトダイオードの出力電流(光電流)をトランジスタで増幅してから出力する素子。