トランスデューサとは?様々な種類や役割を知ろう

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トランスデューサを使用しているマイクロフォンつまりマイク

電子機器を調べる時、しばしばトランスデューサという用語を目にすることがあるでしょう。

しかしながらそれは、マイクロフォンだったり計装機器だったりフォトダイオードなどの半導体だったりと、出てくる分野が多すぎて、いったいどのような機器あるいは素子を指しているのかわかりづらいことがあります。

また、センサとの違いもよくわからない、といった疑問もあるでしょう。

そこでこの記事では、トランスデューサとはどういったものなのか。
トランスデューサの役割や種類による用途を解説いたします。

1.トランスデューサとは

英語では接頭辞transが単語につくと「~を超えた」「~を変えた」といった意味を持ちます。
transducerと表記するトランスデューサは、「変えるもの」。

日本語で変換器とも言うように、あるエネルギーを別の信号に変換させる電子機器・電子素子を広く指します。

例えば冒頭で具体例を挙げたマイクロフォンは、空気振動を電気信号に変換させ、拡声や録音を行うトランスデューサ。

計装機器の一つである圧力トランスデューサは圧力を電気信号に変換させる。
フォトダイオードは光を電気信号に変えるトランスデューサ、といったように、広い意味で用いられる用語です。

よくセンサと混同されることがありますが、センサはエネルギーを検知し、人工的に再現するものです。

一方のトランスデューサはこの検知・再現されたエネルギーを別の信号に変えるデバイスとなります。 別物ですが、トランスデューサはセンサとセットで一つの機器となることが多いです。

2. トランスデューサの役割

トランスデューサの役割は種類にもよりますが、一言で言うと「電子機器・電気機械を動かすため」のものです。

例えば先ほどご紹介したマイクロフォンは、トランスデューサがなくてはただ空気振動(音)をキャッチするだけで、その後のアクションは何も起こせません。
また、蛍光灯も、トランスデューサを使用することにより、ただの電力を可視光線にしています。

このように、トランスデューサが無くてはどの電子機器・電気機械も目的の機能を果たさないと言っていいでしょう。

3. 様々なトランスデューサとそれぞれの用途を知ろう

トランスデューサは本当に幅広い意味で用いられます。

 

全てを網羅することは困難ですが、いくつかの系統に分けて代表的なトランスデューサをご紹介いたします。

なお、分類についてはメーカーや機関によって異なりますが、本稿では「何をどのような信号に変換するか」によって種類分けいたしました。

1 電気・機械的トランスデューサ

電力や物理量を電気信号に変換するトランスデューサをご紹介いたします。

■電力用トランスデューサ

受配電設備で欠かせないのが電力用途のトランスデューサです。

ある電流を別の電流、あるいは別の量に変える機器は広義ではトランスデューサですが、電力用途では交流を直流にするAC-DCトランスデューサを指してこう呼ぶことが多くなります。

仕組みはメーカーにもよりますが、変圧器(トランス)でコンセントから出てきた交流電流の電圧を低く変圧し、整流器で交流を直流にならし、最後にコンデンサなどの平滑回路で残った脈流を平にならし直流電流を作る、というものです。

多くの電子回路は直流でないと使えません。必ずAC-DC変換器が必要となります。

■LVDT

Linear variable differential transformerの頭文字をとった用語で、日本語では変位センサ、あるいはリニア可変差動変圧器とも呼ばれます。

リニア(直線)的な変位測定を主目的としており、ゼロ位置から線形でどの程度変化したかを電気信号に変換し、取り出すことが基本となります。

航空機の自動制御システムや計装機器の機械運動センサとして用いられてきました。

この仕組みは三つの備えられたコイルです。

中央に一次コイル、その外側に二つの二次コイルを搭載したLVDTを距離測定したい物体に取り付けます。一次コイルは可動できるので、そこを物体と連結させることになります。

この状態で交流電流を流すと自己誘導電磁作用によって起電力が発生しますが、一次コイルの位置によって二つの二次コイル間に差動交流電圧が発生します。

この差動電圧が電気信号に変換されるのです。

一次コイルが二つのコイルのちょうど中間にある時は差がゼロとなり、電流は打ち消されます(わずかな残留電圧はあり)。

■熱電対(サーモカップル)

熱電対(ねつでんつい)とは温度計の一つです。

二種類の金属線の先端同士を接触させることで回路を形成します。

この時、金属線Aと金属線Bの接合部には熱電効果が発生します。

接合部は二か所できることとなりますが、それぞれの温度を変えると温度差に応じてABの間に熱起電力が発生する、というのが熱電効果です。

ここで発生した起電力の電圧を測定することで正確な温度を計測することができます。

産業用途が主流で、水銀計やサーミスターなどと比べて応答が速い、-200℃~+1700℃と温度範囲が広いなどのメリットを持ちます。

■マイクロフォン

空気振動である音をキャッチし、電気信号に変換する機器です。

録音や拡張などに用いられます。

構造がいくつかありますが、最もシンプルなものはダイナミックマイクです。

取り付けられた振動板とともにコイルが動き、搭載された永久磁石の間で動きます。磁石の間で導線を動かすと電流が流れ(電磁誘導)、この電流が電気信号として伝わり、結果としてマイクロフォンの機能を実現します。

ちなみによく混同されるのですが、電気信号を音に変換する装置はスピーカーとなります。

■圧力センサ

圧力センサは、かかる圧力を弾性体のたわみに変換し、「どれくらいたわんだか」の量(ひずみ)を検出するものです。

センサの中では比較的プリミティブなものですが、近年では小型軽量化に加えて、より感度・精度を高めたものが出回るようになりました。

圧力センサを語るうえで、ダイヤフラムの存在は欠かせません。

ダイヤフラムとは、簡単に言うと聴診器の弾性体の部分です。

薄い弾性体を用いることで、感度を高める効果があります。

最も代表的なMEMS方式の圧力センサは、このダイヤフラム上に形成されたたわみを、ひずみセンサ(ひずみゲージ)と呼ばれる半導体で測定します。

と言うのも、半導体はひずみを与えると電気抵抗が変化する、という現象があります。

これをピエゾ抵抗効果と呼びますが、この抵抗の変化量を測定するのが圧力センサで、ひずみを抵抗の変化に変える、という意味でトランスデューサに分類されます。

2 センサ的トランスデューサ

センサとして検出した刺激を電気信号に変換するトランスデューサをご紹介いたします。

■フォトダイオード、フォトトランジスタ

最も基本的な変換素子はフォトダイオードやフォトトランジスタでしょう。

フォトダイオードは光をキャッチすることによって電流を流すトランスデューサです。

半導体には光を当てると起電力が発生する効果があり、これを光起電力効果と呼びます。ソーラー電池などに応用される分野です。

フォトトランジスタもまた同じように光をキャッチすると電流を生じますが、それを増幅することができます。

また、通常のフォトダイオードだと感度が決して良くはなく、光が弱いと検出できない場合がありますが、フォトトランジスタではこの感度も高められています。

フォトトランジスタの方が微弱な光でも検出し、しかも出力も大きくなりますが、一方でフォトダイオードの方が高速光通信に適しています。

■非接触式温度センサ

先ほど金属線を接触させる熱電対をご紹介いたしましたが、熱容量がそこまで大きくないものに接触式温度センサを使用すると、正確な測定の前に被測定体の温度が変化してしまい、測定誤差が出る場合があります。

そこで、被測定体から直接熱放射をキャッチし、それを電気信号に変換する非接触式温度センサを用います。

例えば体温計では、サーモパイルと言う、複数の熱電対を直列(または並列)にセッティングして接続したトランスデューサが用いられます。

体温計を直接体に密着させると、サーモパイルの感熱部分に体からの熱放射が吸収され、その部分が周辺温度より高温となります。

周囲と感熱部分の温度差を利用し、電流を発生させ、電圧測定する、というものです。

熱電対を並べているため微小な温度変化にも対応でき、誤差も少ないというメリットがあります。

3 アクチュエータ

これまで電気信号に変換するトランスデューサをご紹介してきましたが、アクチュエータはその逆。

入力されたエネルギーを物理的運動に変換するものとなります。

エネルギー源は機械や油圧など様々な場合がありますが、一般的には電気エネルギーを運動に変換するものを指します。

例えば、ソレノイドアクチュエータは、コイルを用いて磁場を発生させ、その電磁力を使って運動させるトランスデューサです。

また、油圧サーボモータも、油圧ポンプによって得たエネルギーで回転運動を行います。

ロボット開発などにも応用されており、市場を広げているトランスデューサの一つです。

4 双方向トランスデューサ

双方向トランスデューサとは、物理量を電気信号に、さらに電気信号を物理量に変換するという、相互的作用を持ったトランスデューサのことです。

ひとくちに双方向トランスデューサといっても様々な形態がありますが、私たちの身近なところでは電波(電磁波)を電気信号に変換し、送信機から電気信号を電波に変換するアンテナ。

また、スピーカーで電気オーディオ信号を音に変換し、ダイナミックマイクで音波をオーディオ信号に変換するボイスコイルも双方向トランスデューサに当たります。

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4. まとめ

トランスデューサについて解説いたしました。

トランスデューサとは 「あるエネルギーを別の信号に変換させる」ものであること。

エネルギーは電気・物理量であったり、センサで検知した刺激であったり、電気信号であったりすること。

また、信号は電気信号以外にも運動などに変換されるトランスデューサもあることなどをご理解いただけたでしょうか。

文中でも述べたように、トランスデューサは非常に幅広い用語として使われています。ご用途によってお探しのトランスデューサがある場合は、ぜひお気軽にお問合せくださいませ!


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