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メカトロニクスのセンサ技術:メカトロニクスの基礎知識6

メカトロニクスの基礎知識

更新日:2019年1月31日(初回投稿)
著者:株式会社プラチナリンク 代表取締役社長 西田 麻美

前回は、メカトロニクスにおける電気・電子回路技術を解説しました。今回は、センサ技術です。近年メカトロニクスにおいて、センサは至るところで使われています。センサという言葉は、英語のSensory(知覚の)から来ています。人間五感に相当し、メカトロニクスには不可欠です。

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1. センサとは

センサ技術は、機械やロボットを動作させる上で、必要な情報を収集するための技術です。センサは人間の五感(視覚、聴覚、味覚、嗅覚、触覚)に相当し、機械やロボットを動かすために複数を組み合わせて使います。人間の五感と相当するセンサを、図1にまとめました。

図1:人間の五感に対応するセンサ

図1:人間の五感に対応するセンサ

視覚(目)に相当するセンサは、メカトロニクスでは最も多く活用されています。その代表は、光センサと赤外線センサです。より高度なイメージセンサやカメラなどは、人間の目の機能により近い存在です。聴覚(耳)に相当するセンサの代表は、超音波センサです。超音波センサは音を感知するだけでなく、距離や位置の測定にも用いられています。触覚(皮膚)に相当するセンサの代表は、力覚センサと触覚センサです。力覚センサの代表にはひずみゲージがあり、触覚センサには圧力センサや圧覚センサなどがあります。視覚、聴覚、触覚に相当するセンサは、光、波、変位など、主に物理量を測定します。

一方で、味覚(舌)・嗅覚(鼻)に相当するセンサは、主として化学量を検出します。化学センサは、実用化されているものが少なく、次世代センサとして研究開発が進められています。メカトロニクスのセンサは、メカの運動や制御に必要な情報の検出を目的としています。よって、物理量を検出することがほとんどです。

2. センサの役割

センサには大きく分けて2つの役割があります。一つは、対象の状態を検出すること。もう一方は、コンピュータが取り扱うことのできる信号に置き換えることです。

対象の状態の検出とは、メカが動いたときの動作や機械の周辺の状況(対象の状態)をセンサが感知し、その結果を出力することです。対象の状態を表す物理量には、力、速度、加速度、位置などがあります。物理量を感知した後、センサは物理量の特徴を、物理法則や効果を用いて変換します。例えば、電圧効果は、圧力を加えることで生じるひずみに応じて、電圧が発生します。触覚センサは、電圧効果を利用したものです。表1に、センサにおける入出力の関係と、利用される物理的効果の一例をまとめました。

表1:センサの入出力の関係と利用される物理的効果
 入力
機械量電気磁気
出力フォト・
ルミネッセンス
光音響効果熱輻射光電効果磁気光学効果
機械量光弾性効果コリオリの法則摩擦熱圧電効果磁歪効果
黒体輻射熱膨張リーギ・
ルデュック効果
焦電効果キュリー・
ワイスの法則
電気エレクトロ・
ルミネッセンス
ピエゾ抵抗効果ペルチェ効果、
トムソン効果、
ゼーベック効果
オームの法則ホール効果
磁気ファラデー効果、
コットン・
ムートン効果
磁歪効果エッチングス・ハウゼン効果磁気抵抗効果、ホール効果ジョセフソン
効果

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3. センサの具体例

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