センサー — 電圧・電流・温度・磁界センサーの種類と原理

センサー（Sensor）は、物理的・化学的な変化を検出して電気信号に変換するデバイスであり、計測・制御システムにおける「入力」の役割を担う。センサーなしには系の状態を把握できず、フィードバック制御も成立しない。電気系では電圧・電流・温度・磁界の 4 種類がとくに重要であり、これらが自動制御システムの基盤を形成する。情報カットオフ〜2025-08、confidence: medium 固定。

センサーの基本概念

センサーは物理量（計測量）を電気量（電圧・電流・抵抗変化・容量変化など）に変換するトランスデューサ（変換器）である。

センサーの性能指標

感度（Sensitivity）：入力変化に対する出力変化の比率（例：1 mV/℃）。
分解能（Resolution）：検出できる最小の入力変化量。
精度（Accuracy）：真値に対する測定値のずれの大きさ。
応答速度（Response Time）：入力変化に対して出力が追従するまでの時間。
ノイズ特性（Noise）：信号に重畳する不要な変動成分。S/N 比で評価する。
動作範囲（Range）：センサーが正確に動作する入力の最小〜最大値。

センサーの出力は通常、マイクロコントローラの A/D 変換器に入力され、デジタル値として処理される。センサーの出力範囲と A/D 変換器の入力電圧範囲を適切に合わせるためのアンプ（信号調整回路）が必要な場合が多い。

電圧センサー

電圧センサーは回路の電位差を測定するためのデバイス。一般的には抵抗分圧回路が最も単純な実装であり、2 本の抵抗で電圧を分圧してマイコンの ADC レンジに合わせる。高電圧（数百 V 以上）の計測には絶縁型電圧センサー（ホールセンサー内蔵の閉ループ型や PT（電位トランス）方式）を用いる。

差動入力型電圧センサー：グランドから浮いた 2 点間の電圧を測定するには差動アンプ回路を使用する。コモンモードノイズを除去し、高い CMRR（同相除去比）を持つ設計が求められる。

電流センサー

電流センサーは回路の電流量を検出するデバイス。測定方式によって特性が大きく異なる。

シャント抵抗型：測定電流路に低抵抗のシャント抵抗を直列挿入し、両端電圧 V = I・R を測定する。回路が簡単でコストが低いが、回路に挿入損失（銅損）が生じ、絶縁が取れない欠点がある。

CT（電流トランス）型：1 次導体を磁気コアに通し、2 次コイルに誘起される電流から 1 次電流を算出する。非接触・絶縁分離・AC 専用の特性を持つ。クランプメータに内蔵されている方式。

ホール素子型：電流が生成する磁界をホール効果で測定する。DC・AC 双方に対応し、絶縁分離も可能。閉ループ型は高精度、開ループ型はコストが低い。EV・産業用インバータの電流センシングに広く採用される。

温度センサー

温度センサーは電気系で最も多用されるセンサーの一つであり、電子部品の熱管理・電池の過充電防止・モーターの過熱保護などに使われる。

サーミスタ（Thermistor）：温度によって抵抗値が変化する素子。NTC（負温度係数：温度上昇で抵抗減少）が一般的。感度が高く安価だが非線形性が大きいため、ルックアップテーブルや Steinhart–Hart 方程式でリニアライズする。

熱電対（Thermocouple）：異種金属接合部のゼーベック効果で起電力を生成する。測定レンジが広く（〜1000℃以上）、耐環境性に優れる。信号が微小電圧（数十 μV/℃）のため高精度な差動増幅器が必要。

PT100（測温抵抗体、RTD）：白金（Pt）の温度係数を利用した精密温度センサー。0℃で 100 Ω、線形性が高い。産業計測や医療機器に多用される。

半導体温度センサー（IC 型）：シリコン pn 接合の温度特性を利用。デジタル出力（I2C/SPI）でマイコン接続が容易。精度は ±0.5℃ 程度、測定レンジは一般的に −55℃ 〜 +150℃。

磁界センサー

磁界センサーは磁気的な変化を検出する素子であり、電流の間接測定・位置検出・回転数検出などに幅広く使われる。

ホール素子（Hall Element）：磁界中に電流を流すとローレンツ力により直交方向に電圧（ホール電圧）が生じる現象を利用する（ホール効果）。DC 磁界の測定・電流センサー・回転センサーに使用される。電気系 canvas では磁界（tech-326）の理解を前提とする。

フラックスゲートセンサー：軟磁性コアの飽和特性を利用した高感度磁界センサー。地磁気の 1/1000 以下の微弱磁界を検出できる。コンパス・地磁気計測・漏洩磁界検出に使用。

MR（磁気抵抗）センサー：磁界によって材料の電気抵抗が変化する効果（磁気抵抗効果）を利用する。AMR・GMR・TMR の順に感度が向上し、HDD のリードヘッドや高精度位置センサーに採用される。

情報カットオフ〜2025-08、confidence: medium 固定。

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