身の回りで使われているセンサ

新潟職業能力開発短期大学校制御技術科 講師阿部 美沙子

自然界の現象を見てみよう

太陽 ：光、熱

自動車 ：排気ガス

植物・信号機 ：色

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自然界の現象に対して、私たちは、見る・聴く・触れる、嗅ぐ、味わうという行為で以て

感じている。

自然界の現象を私たちは感じる

例)

• 太陽 ・植物・信号機： 光←見る(視覚)

• 太陽 ： 熱←感じる(触覚)

• 自動車 ： 排気ガス←嗅ぐ(嗅覚)

• 自動車 ： 音←聴く(聴覚)

• 食べ物 ：食べ物←味わう(味覚)

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センサは人工の５感

例)

• 目（見る） → 光センサ、赤外線センサ

• 耳(聴く) → 超音波センサ

• 鼻(嗅ぐ) → ガス探知センサ

• 舌(味わう) → イオンセンサ、バイオセンサ

• 触る → 温度センサ、湿度センサ

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人間と機械との対応関係

人間五感→頭脳→筋肉 動作

メカトロニクス（ロボットなど）センサ→コンピュータ→アクチュエータ

動き

物理状態の変化

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自然界で測定できるもの

センサ

機械量力、圧力

光色、赤外線

放射

化学成分、PH

生体血圧、体温

音響騒音

周波数位相、周波数

磁気

電気電圧、抵抗

熱温度、熱量

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測定可能な物理量とセンサの例

寸法

温度熱量

回転角

力、圧力、重さ

距離変位速度

傾き姿勢

流量流速

電流、電圧電力、周波

数

ノギス

スケール

サーミスタ

バイメタル

ﾚｿﾞﾙﾊﾞ

ﾎﾟﾃﾝｼｮﾒｰﾀ

歪ｹﾞｰｼﾞ 差動ﾄﾗﾝｽ

ﾎﾟﾃﾝｼｮﾒｰﾀ

ﾀｺｼﾞｪﾈﾚｰﾀ

超音波

ﾚﾍﾞﾙﾒｰﾀ

ｼﾞｬｲﾛｽｺｰﾌﾟ

超音波

ﾃｽﾀ

熱電対

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センサの役割

センサ

計測

モニタ

制御

エネルギ管理

セキュリティ

原理は単純

センサは自然界の現象を電圧に変える

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身近に使われているセンサの例

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(全自動)洗濯機

安全スイッチ(変位/角度センサ)：洗濯機の蓋についている。

脱水中に蓋を開けるとモータの回転が止まる。

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安全スイッチ

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原理図

E

(全自動)洗濯機

圧力スイッチ(圧力センサ)：

水の量を調整する。

水道の蛇口から、

給水弁を通ってきた水が、

槽（タンク）にだんだん溜まってくると、エアー・トラップの空気が押し上げられて、その力で圧力スイッチが動作する。

圧力スイッチが動作すると、

給水弁が閉じて、水が止められる。

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エアトラップ

(全自動)洗濯機

すすぎセンサ(光センサ):

すすぎの水の汚れ具合を

検知する。

注)光センサの代わりにタイマを使うこともある。

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電気炊飯器

サーモスタット(温度センサ):

お米を炊いているときは水があるため、かまの温度は100℃以下。炊き上がると200℃。

この温度の変化により動作して、ヒータのスイッチを切る。

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サーモスタット

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サーモスタットは、バイメタル・電気接点・温度調整ねじからできている。

バイメタル

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• 異なる２種類の金属（鉄とニッケルの合金とマンガン、クロム、銅など）を張り合わせたもの

• 熱による膨張率が異なる。

バイメタルのイメージ図

サーモスタット

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バイメタルの曲がりによる電気接点のON/OFFで、サーモスタットがON/OFFする。

エアコン

・サーミスタ（サーマリ・センシティブ・レジスタ）熱的に感度のある抵抗体

• 温度によって、電気抵抗が変わる電子部品

• 温度が高くなると電気抵抗が小さくなり、

電気を通しやすくなる。

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サーミスタの種類(例)

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自動車、家電、住宅設備機器、産業用機器Max.３００℃

汎用サーミスタLCDコントラスト調整回路、CPU温度モニタ回路-40℃～125℃

スイッチング電源、各種家電品、OA機器等の電源-40℃～200℃

エアコン

湿度センサ

空気の湿度を感じ、 信号を出すセンサ

冷房をすると、空気が乾く。空気の乾きをキャッチして、加湿機を働かせることが必要

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湿度センサ

湿度を電圧に変えるもの。

静電容量タイプと電気抵抗タイプがある。

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静電容量タイプとは

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湿度を感じると、２枚の電極板の電荷が分かれる。このことから、電圧が生じ、電流が流れる。

イメージ図

+ + + + +- - - - -

電板

分極による電荷

自動車のエンジン

エンジン周辺の主なセンサ 25

・ｾﾝｻは、5種類以上(高級車は10種類以上)・狙いは、燃費を良く長くする（省エネ）・排気ガス中の有害成分を無害にする

水温センサ（サーミスタ）

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・エンジンの調子を知るために、エンジンの温度を測る。（実際にはエンジンを冷やすための水(冷却水)の温度を測る。)

・冷却水が80℃ぐらいのとき、もっとも馬力が出て、燃料の消費が少なく、さらにエンジン内部（シリンダ）の摩耗も少ない。

・運転席のTEMP（温度）は水温を示すもので、LとHの丁度中間ぐらいがよい。

水温センサは体温

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私たちが、風邪のひきはじめ、寒気を感じたときに、体温を測るのと同じ。

回転数センサ（タコメータ）

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・エンジンの回転数を計るためのセンサ・自動車が早く走るときは、エンジンは早く回り、遅く走るときは、ゆっくり回る。

・自動車の速さに応じた適切なエンジンの回る速さ（回転数）が決まっている。

回転数センサ

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電磁式と光学式がある。

電磁式：磁気センサ光学式：光センサ

回転数センサは心臓の動きに似ている

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・私たちが速く走ったり、とび跳ねたりするとき、

心臓は早く動く。・回転数も同じように、自動車が早く走るとき、回転数は上がる。

酸素センサ

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・排気ガスに含まれる酸素の濃さを検知する

酸素の濃さに応じた電圧を発生する。

・私たちが健康診断で尿検査をする。尿に含まれる糖分、タンパク質、酵素などを調べ、栄養に偏りがないことを調べることに似ている。

着火センサ

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・エンジン内部で、燃料が燃えた（爆発した）かどうかを、確認するセンサ（ディーゼル車のみ）

・ディーゼル・エンジンの場合、点火プラグなし。空気を圧縮して高温（６００℃ぐらい）にする方式のため、燃料を与えれば、そのまま着火する。→着火を確認する必要がある。

（ガソリン・エンジンでは、点火・プラグに 高電圧をかけてその電気火花で点火させる。そして、燃料と空気の混合比や点火のタイミング、点火プラグの温度が適正であると、燃料が燃える。）

エア・フロ・メータ

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・エンジンに入る空気の量を電気信号にするセンサ

燃料の基本的な噴射量が決まる。

・前に述べた、水温センサ、酸素センサ、回転数センサからの信号は基本噴射量を補正する役目をする。

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センサの位置づけ

検出・変換

センサ

ｴﾈﾙｷﾞｰ

指示

記録

伝送

補償指示

記録

被測定対象

温度・圧力・光など

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自動車の制御の仕組み

目標速度

頭脳 足 アクセル車

速度計

街路灯

CdSセルとバイメタルスイッチの組み合わせで自動点滅

スイッチとなる

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CdSセル（光センサ）

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CdSセル

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CdSセル

CDSセルは、

光を受けると抵抗値が下がって（電気を通しやすくなり）、暗くなると抵抗値があがる（電気が通りにくくなる）。

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Cdsセル 電気回路

電源（エネルギー）

物理量から電気量への変換

自動ドア

焦電型赤外線センサ

ある種の物質に赤外線が

当たると、わずかな温度変化あり、これによってその物質の持つ電荷が変化する。つまり、赤外線の変化を（いったん熱に変えて）、電圧の変化にする。

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焦電型赤外線センサ

無人改札口

• 定期券・切符：裏側のこげ茶の物質は鉄の酸化物（錆）

• この磁性体を部分的に永久磁石にして、必要な情報を書き込む。

• 永久磁石から発する磁気を読みだすときには、磁気センサを使う。

・ 磁気センサ：電磁式：

鉄心にコイルを巻いて、

永久磁石から発する磁気の変化を鉄心がとらえることにより、

コイルに電圧の変化が生まれる。 42

磁気センサ（参考）

• 銀行の通帳

• キャッシュカード

• フロッピーディスク

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工場で使われるセンサ

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光電センサ

近接センサ

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光電センサ①：透過型

透過型センサのしくみ

投光器 受光器

物体がないとき、受光器は一定量の光を投光器から絶えず受けつづけている。

投光器 受光器

検出

物体

物体を検出したとき、物体が投光器と受光器の間を通過したときに、光を遮る。このときの光の変化でｾﾝｻは動作する。

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透過型の光電ｾﾝｻは、投光、受光の2個のｾﾝｻｰによって構成されている。

光電センサ②：回帰反射型

物体を検出すると

• 投受光部から、反射板へ向け送光し、その戻りの光量を検出する。

• 物体を検知すると光の量が変化する。その変化により動作する。

ビール瓶のラベル検出など、光を反射させるものにも用いられる。

受光部

投光部

検出

物体

反射板

受光部

投光部

反射板

物体がないときは、受光部では反射板より返ってくる一定量の光を受けている。

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光電センサ③：拡散反射型

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拡散反射型のしくみ

• 投受光器から検出物体へ向けて送光し、その戻りの光量を検出する。

受光側

投光側

検出

物体

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透明ビン

縦波

検出物体がない場合:横波の光が投光され、縦波の光が反射光として

返ってくる

横波

光沢

横波

横波

物体が検出された場合は:横波の光が投光され、

物体により跳ね返された縦波の光が反射光として返ってくる。このときｾﾝｻは動作する。

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サンドペーパー

• 戻る光量少ない

• 表面はボコボコ(乱反射する)

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透過型 回帰反射型 拡散反射型

検出距離 長距離 中距離 短距離

小検出物体 小物体OK 同左 小物体NG

透明体の検出 向いていない 向いている 向いている

確実な検出 確実 同等 同等

配線・取付 × △ ○

比較

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近接センサ

金属と非金属を見分ける

近接センサのしくみ

←発振

近接センサ

磁界

磁界を打ち消すように金属の中に磁界が発生する

発振が止まる

静電容量型近接センサ → 液体の検出

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光電センサと近接センサの特徴比較

光電センサ 近接センサ検出物体 あらゆる物体検出可能 金属のみ検出距離 一般に長い 短いものが多い

保護構造一般に優れているとはいえない 優れている

耐衝撃・耐振動 弱い 強い価格 高価なものが多い 安価なものが多い

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その他

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• 圧力センサ

• トルクセンサ

• 加速度センサ

センサを利用するために

センサは入力信号、使用するために工夫が必要

– 増幅

– 比較

– 論理

– 演算

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比較回路

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• 信号の大・小を区別する。

– 入力電圧が高ければ出力電圧はONの状態。

– 入力電圧が低ければ出力電圧はOFFの状態。

論理回路

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• “及び”、“または”、“～でない”などの場合を区別する。

• 間違いや矛盾を防止するため。

– AND回路：２つ以上の信号が入ったとき、 終的にその信号を有効にする

– OR：２つ以上の信号のうち、どれか一つが入ったとき、有効にする。

– NOT：信号のプラスとマイナスを入れ替える。

演算回路

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• 加算

• 減算

• 乗算

• 除算

を行う

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センサは感度が大切

電子体温計の構成

37.5℃表示部

マイコンIC

検温部

サーミスタ

62検温時の特性

時定数

63%に至るまでの時間この数字で、センサの特性が分かる。

まとめ

センサは、

・自然現象を電圧に変える。

・構成材料は、自然現象を電圧に変える

特質を持つ。

・入力スイッチの役目をする。

・利用する場合には、工夫を施す。

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参考文献

『入門エレクトロニクス 電子回路の気配りマン

センサー』 新井晃著 誠文堂新光社

『はじめてのセンサ技術』増田良介著 工業調査会

『センサ活用入門』

職業訓練法人 日本技能教育開発センター

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