見本

Introduction

I2Cセンサとアナログ測定回路の得意/不得意をおさえる「測る」回路 超入門
島田 義人 Yoshihito Shimada
従来，センサ素子が出力するアナログ信号レベルは微小であり，高精度かつ低雑音に増幅するテクニックが必要です．ビギナにとって高度なアナログ技術が要求されるところです．アナログ回路は用途によってカスタマイズすることができます．
一方で，センサと電子回路が小さなシリコン上に集積化したワンチップ・センサ IC が普及しています．マイコンにセンサ IC を直結し，I2C などの汎用

イタリアの数学者であり物理学者のトリチェリが，1643 年に水銀を使って初めて気圧を観測しました．
図 1 は水銀気圧計の原理図です．一端を閉じたガラス
管に水銀を満たして倒立させると，水銀の重さと大気圧がつり合う位置まで下がって止まります．このときガラス管内の液面の高さから気圧を測定します．その高さは 1 気圧で約 760 mm になります．

シリアル・インターフェースで制御することで，簡
単に測定データが得られるメリットがあります．
ここでは気圧を測る方法を例に，センサ素子を使ったアナログ計測回路と，ワンチップ・センサ ICを使った計測回路を紹介します．

● 気圧を測定する半導体圧力センサ素子のしくみ
写 真 1 に 示 す の は， 半 導 体 圧 力 セ ン サ 素 子 FPM−15PAR（フジクラ）です．穴のあいた上部の突起が大気圧の導入口で，パッケージ内にある圧力センサ・チップへ通じています．
図 2 に圧力センサ・チップ部の構造を示します．単結晶シリコン基板の裏面は，大気圧を受けて変形しやすいようにくりぬかれ，その内部は真空になっています．この薄膜部分はダイアフラムと呼ばれています．
ダイアフラム面（点線内部）の 4 カ所には，ひずみを受けると電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗体と呼ばれるストレイン・ゲージが形成されています．大気圧を受けると，中央部にあるゲージ R b 2，R b 4 は圧縮方向の自然現象を電気信号に変える…
センサ素子とセンサ回路● その昔 ･･･ 水銀を使った気圧測定のしくみ
気圧とは大気の重さによって，地表にかかっている
圧力のことです．地上付近の気圧の大きさを 1 気圧といいます．気圧の単位は，hPa（ヘクト・パスカル）で表します．
地球上の気圧を平均すると，1013.25 hPa であるといわれています．ヘクトとは，100 倍を意味する接頭語で，1 hPa は 100 Pa にあたります．1 Pa とは 1 m2 の板の上に約 100 g のおもりを乗せたとき，その板が地面を押す力に相当します．1 気圧を約 1000 hPa と考えると，地表面 1 m2 あたり，なんと約 10000 kg の空気ひずみを生じ，周辺部にある R b 1，R b 3 は引っ張り方

向のひずみを生じます．ストレイン・ゲージは圧縮側

見本

圧力導入口

が乗っているという計算になります．

真
空

大気圧

図1

水銀気圧計の原理

水銀

大気圧

760mm

写真 1 半導体圧力センサ FPM−15PAR（フジクラ）

5

Introduction
4

5

6
電極

ピエゾ抵抗体ダイアフラム大気圧

ピエゾ抵抗体
電極

真空

Rb 2

Rb 1
単結晶シリコン

Rb 3

Rb 4

ガラス台座
3

2

（a）断面図図21（b）上から見た構造

半導体圧力センサ・チップ部の構造

I NPUT（＋）

では抵抗が減少し，引っ張り側では抵抗が増加します．
図 3 に示すように，これら 4 つの抵抗体をホイートス
トン・ブリッジ回路として結線し，圧力による抵抗値
変化を電圧信号として出力します．

センサ回路の実際

駆動
増幅回路

入力

6

4

1

Rb 4

Rb 3
2

OUTPUT（＋）

アナログ回路なら，マイコンなどを使わずに簡易的に機能を実現することもできます．写真 2 に示すのは，半導体圧力センサ素子 FPM−15PAR を使って製作した簡易電子気圧計です．

見本
A-D
コンバータ

Rb 2

図 中 の 矢 印 は，
気 圧 が 上 昇 し た I NPUT（−）
場 合 に， 上 向 きが抵抗の増加を，
出力下向きが減少すOUTPUT（−）
る傾向を表すタでディジタル値に変換します．ディジタル信号をマ
イコンで処理し，液晶ディスプレイ（LCD）に表示したり，パソコンに転送して記録したりします．

センサ素子

Rb 1

図 3 ホイートス ト ン・ ブ リ
ッジ回路● 半導体圧力センサ素子を使ったアナログ気圧測定
回路
図 4（a）に，半導体圧力センサ素子を使った気圧測定の実現例を示します．センサ素子を駆動する回路とセンサ素子の出力信号を増幅するアナログ回路を，センサ素子の後段に接続します．気圧の情報を電圧（アナログ信号）として取り込み，さらに A−D コンバー

5

マイコン

センサ
＋
電子回路

インター
フェース

マイコン

hPa

LCD

（a）センサ素子を使った場合
図46

センサ素子とワンチップ・センサ IC を使ったときの測定計の構成

No.161

MEMS技術を応用して作られたワンチップ・センサIC

hPa
LCD

（b）ワンチップ・センサICを使った場合

第1部
第1章

まずはここから！ I2C センサでサッと測る回路

気温/湿度/気圧をワンチップでサッと

自然環境を測る
I2Cセンサ回路

1 湿度センサと温度センサが集積化されたワンチップ・センサ IC SHT20

渡辺 明禎● こんなワンチップ・センサ IC
SHT20（写真 1，センシリオン）は，湿度センサと温度センサが集積化されたワンチップ・センサ IC です．
3 × 3 mm の小型パッケージに，湿度センサ，温度センサ，アンプ，A−D コンバータ，メモリ，ディジ
タル処理回路が集積化されています．I2C でマイコンなどに直結できます．
湿度センサは容量型湿度センサ，温度センサはバンド・ギャップ型温度センサで，個々にテストと校正が行われて出荷されています．
次のような特徴があります．
●

テスト / 校正済み●

I2C インターフェース

●

低電圧検出

●

消費電流：300 μA（動作時），0.15 μA（待機時）●

写真 1 湿度センサと温度センサが集積化されたワンチップ・セ
ンサ IC（センシリオン）

湿度センサ

水分子

保護膜

長期安定性：0.5％RH/ 年，0.04℃ / 年

ポリマ
くし型電極
コンデンサ
を形成

基板

湿度に比例して水分を吸湿もしくは放出する
湿度で容量が変化する
パッケージ：DFN，3 × 3 mm
ヒータを内蔵しており，内部の温度センサと湿度セ
ディジタル・
ンサが正常に機能するかどうかを診断できます．ヒー
SCL
インターフェース
A-D
アンプ
SDA
コンバータ
タは機能診断に使用する目的として実装されています．
（I2C）
バンド・
CRC発生回路
ユーザ・レジスタのビット 2 に ‘1’ を書き込むとヒ
ギャップ型
校正用
メモリ
ータが ON となり，温度が 0.5 〜 1.5℃上昇することと， 温度センサ
相対湿度が少し低くなることをチェックします．ヒー
図 1 湿温度センサ SHT20 の内部ブロック
湿度センサは誘電体にポリマを使って湿度による容量の変化を検出する．
タは約 5.5 mW の電力を消費します．
2
●

見本

● 仕様
図 1 にブロック図を示します．
湿度センサはくし形電極で形成されたコンデンサで，誘電体にポリマを使用しています．ポリマは湿度に比例して水分子を吸湿したり放出したりするので，湿度で容量が変化します．この変化をアンプで増幅し，A−D 変換します．変換ディジタル・データは I2C イン
10

No.161

アンプで増幅し，A−D 変換して，I C インターフェースにより外部マイコンから取得する

ターフェースにより外部マイコンから取得できます．
センサは個々に校正され，内蔵の校正用メモリに校正結果が保存されているので，高精度な湿度データを取得できます．

第2章

加速度/角速度/動きをワンチップでサッと力学的な動きを測る
I2Cセンサ回路

1 5 kHz の高速データ・レート，± 2 〜± 16 ɡ の
3 軸加速度センサ IC LIS3DH
渡辺 明禎
● 説明
LIS3DH（写真 1，ST マイクロエレクトロニクス）は，
3 軸加速度センサ IC です．表 1 に示すように測定範囲は± 2 〜± 16 ɡ ，データ・レートが 1 Hz 〜 5 kHz と広範囲なので，低速な移動から高速な移動までさまざまな物体の加速度を検知できます．
自由落下の検出も可能です．センサの合成加速度が1 ɡ よりかなり小さい状態（無重力に近い）が検知された場合は，ノート・パソコンやスマートフォンなどが落下している可能性があります．そんなときはハード・ディスクのヘッドを退避するなどして，致命的な故障を回避します．
大きな動きを検知し，割り込みをかけることにより，スマートフォンなどを自動起動することもできます．

X＋
Y＋
Z＋
a

Z−

写真 1 5 kHz の高速データ・レート，± 2 〜 ± 16 ɡ の 3 軸 加 速 度 セ ン サ IC
LIS3DH（ST マイクロエレクトロニクス）● 回路
図 1 に，LIS3DH のブロック図を示します．加速度
検出素子は静電容量方式で，MEMS（Micro Electro
Mechanical Systems）で作られており，コンデンサ素子がハーフ・ブリッジ回路を形成しています．各軸
32 レベルの FIFO を内蔵しています．
ブリッジ回路には短パルスの電圧が加えられていて，加速度が加わると電圧バランスがくずれて信号が出てきます．その出力をチャージ・アンプで積分して A−

チャージ・
アンプ
A-D
コンバータ1

マルチ
プレクサ

見本

Y−
X−

制御
ロジック

ADC1（ADC Input1）
ADC2（ADC Input2）

CS
SCL/SPC

I2C
SDA/SDO/SDISPI SDO/SA0

A-D
コンバータ2

ADC3（ADC Input3）

温度センサ

セルフ・テスト
回路
図1

18

基準電圧源

LIS3DH のブロック図

トリミング回路No.161

クロック

96レベル
FIFO

制御ロジック
割り込み制御

INT1
INT2

第2部
第5章

温度を測る回路

基礎知識から回路テクニックまで安価で高感度な温度センサ「サーミスタ」 回路
サーミスタの基礎知識● サーミスタは温度センサの中で最も安く性能が高い
温度センサには，サーミスタのほかに白金測温抵抗体や熱電対があります．サーミスタは白金測温抵抗体
や熱電対と比較して次に示す特徴があります．
①とにかく安価
白金測温抵抗体の 1/10，熱電対の 1/100 以下の価格
で購入できます．
②感度が高いサーミスタの感度は，白金測温抵抗体の 10 倍，熱電対の 1000 倍以上と高いです．
③回路が安価に作れる感度が高いので高精度で高価な OP アンプが不要です．安価な OP アンプで十分です．
熱電対は白金測温抵抗体よりも出力電圧が小さく，冷接点補償など複雑な回路も必要なので，さらにコスト・パフォーマンスで劣ります．

図 1 サーミスタの温度−抵抗特性は直線ではないのでリニアライズ（直線化）して使いたい

42

第05章-OT2153-念校.indd 42

サーミスタの電気抵抗 RT［Ω］● サーミスタの用途
サーミスタは，次に示す製品や装置に応用されてい
ます．

松井 邦彦

●

電子体温計
（人間用，動物用など）●

温度コントローラ●

レーザ・ダイオードの温度調整装置

●

火災警報器

●

高分解能の温度測定器

冷蔵庫や電子ポットなどの家電製品
サーミスタは安価なため民生のような低価格製品にしか使用されないと思われがちですが，0.001℃と非常に高分解能の工業用製品にも使われています．
●● 温度に対して抵抗値が変化する
サーミスタは抵抗変化型の温度センサです．しかし，温度に対して電気抵抗がリニアに変化しません．その代わり感度が非常に高いという特徴があります．
サーミスタの電気抵抗R T は次の式で表されます．
1
1
−

（1）
Tabs T 0
ただし，R 0：基準温度のときのサーミスタの電気抵抗（公称抵抗値と呼ぶ）［Ω］，B ：2 温度間の 抵 抗 変 化 を 表 す 定 数［K］
，T abs ： 絶 対 温 度［K］，T 0：基準温度（通常は 0℃または室温）［K］
式（1）からサーミスタの電気抵抗 R T は図 1 に示すよ

RT ＝R 0 exp B

見本RT ＝ R 0 exp B

1

Tabs

−

1

T0

表 1 サーミスタは JIS で規格化され使用温度範囲，公称抵抗値，
B 定数などが決められている
公称抵抗値
［Ω］

公称B 定数［K］− 50 ～＋100

6 k（0 ℃）

3390（0 → 100 ℃）

0 ～＋15030 k（0 ℃）

3450（0 → 100 ℃）＋50 ～＋200

3 k（100 ℃）

3894（100 → 200 ℃）＋100 ～＋250

0.55 k（200 ℃）

4300（100 → 200 ℃）＋150 ～＋300

4 k（200 ℃）

5133（100 → 200 ℃）＋200 ～＋350

8 k（200 ℃）

5559（100 → 200 ℃）

使用温度範囲［℃］

温度［K］

No.1612022/12/14 9:50

ワンチップ

基礎知識から回路テクニックまで

第6章

温極低温〜超高温を測れる「熱電対」 回路

度

表1

異なる金属

T1

A

溶接

B

測温接点
図1

T2
＋

VE（熱起電力）−

振動・ひずみ● 極低温から超高温まで測定できる
熱電対はゼーベック効果を応用した温度センサです．
ゼーベック効果とは，異なった 2 種類の金属線を図 1のように結合して，接合点と基準点の間に温度差を与えると電圧（熱起電力）が発生する現象です．ゼーベッ

松井 邦彦

基準接点

熱電対は温度差で起電力を発生させる

熱電対の種類（JIS C 1602：2015）

熱電材の
記号

熱起電力
［mV］

短

所

構成材料
＋

－

− 200 〜＋ 1200E− 200 〜
＋ 800

− 8.825/− 200 ℃＋ 61.017/＋ 800 ℃

・還元性雰囲気に弱い
クロム 10 % ニッケル 45
・もっとも大きな熱起 ・電気抵抗が大きい
ニッケル％ 銅 55 ％
電力をもつ
・ショート・レンジ・オーダリ 90 %（コンスタ
ング誤差がある（クロメル） ンタン）J

− 200 〜
＋ 750

− 7.890/− 200 ℃＋ 45.494/＋ 800 ℃

・熱起電力が大きい
・還元性雰囲気が強い

・酸化性雰囲気および水蒸気中
では弱い・さびを生じやすい

鉄

ニッケル
45 ％
銅 55 ％（コ
ンスタンタン）T− 200 〜
＋ 350

− 5.603/− 200 ℃＋ 20.872/＋ 400 ℃

・− 200 ℃〜＋ 100 ℃の低温域でよく利用される
・＋ 300 ℃以上では銅が酸化する
・ 弱 い 酸 化 性， 還 元 性
雰囲気には安定

銅

ニッケル
45 ％
銅 55 ％（コ
ンスタンタン）B

0〜＋ 1700R

0〜＋ 1600S

0〜＋ 1600・高温まで使用できる
0/0 ℃
・酸化性の雰囲気には＋ 18.849/＋ 1600 ℃
・還元性雰囲気には弱い
強い・熱起電力が小さい
0/0 ℃＋ 16.777/＋ 1600 ℃

N− 200 〜＋ 1250− 3.990/− 200 ℃
43.846/＋ 1200 ℃

・直線性が良い・耐酸化性が良いC

0〜＋ 23000/0 ℃＋ 36.931/＋ 2300 ℃

レニウム5 ％ レ ニ ウム 26
・最も高い温度まで測 ・空気中などの酸化性雰囲気で使を 含 むタン ％を含むタン
定できる
用できない
グステン・レ グステン・レ・還元性雰囲気には強い ・硬いため折り曲げが難しい
ニウム合金 ニウム合金

ロジウム30％ ロジウム6％
白金 70 ％
白金 94 ％
ロジウム13％白金
白金 87 ％

付

ロジウム10％白金
白金 90 ％
ニッケル， ニッケル，シクロムの合金 リコンの合金

49

録

見本

0/0 ℃
＋ 12.433/＋ 1700 ℃

計測回路集

K

流

超高温用

所

・高温の還元性雰囲気では劣化
・工業的にもっとも多する
クロム 10 % アルミ，マ
く利用される・一酸化炭素や亜硫酸ガスなど ニッケル
ンガン系な
− 5.891/− 200 ℃
には不適
90 %
ど残ニッケ
＋ 48.838/＋ 1200 ℃ ・酸化性雰囲気に強い・直線性が良い・＋200 〜＋600 ℃ではショート・ （クロメル） ル（ ア ル メ
レンジ・オーダリング誤差がある
ル）

中温用

低温用

長

電

高温用

測定温度
範囲［℃］

光・赤外線

熱電対の基礎知識

ワンチップAppendix 1

無調整で0.1％精度！ 温度センサ以外も応用OK！

温

温度センサの抵抗値を高精度に測定する回路

度

RX

vout

VCC
R1

R3

vout がゼロのとき，RX は，
ブリッジは抵抗値測定の基本回路．
RX ＝ R 1 R 2 /R 3
から求まる．R 1 の絶対値とR 2 /R 3 の比だけに依存し，電源
VCC は値に関係しない
抵抗値測定のための基本回路「ブリッジ回路」

技① 一 定の電流を抵抗に流し電圧に変換して測定する次式で求まります．

IS ＝Vref /R 1 途に合わせて選べばよい．

見本
VCC (3.3V)

センサ

3.3k

20k

IC1

1.1V

R1

IS

IC2

Vout

Vref

560Ω IS ＝ R 1

増幅用

R3

71.5k

A-D

VAD コンバータ

VCC

RF 137k

定電流回路

71

録

Vref ＝

図2
被測定抵抗（サーミスタ）の値を電圧値に変換しA−D 変換回路に入力する回路

バイアス重畳用

R2付

RS 500Ω（＠0℃）

R5

R4

（1）

計測回路集

のレシオ・メトリック精度だけで決まる．
④ OP アンプのオフセット，ドリフト，電源電圧や基準以外の抵抗誤差は測定精度に関係しない．
⑤ポテンショ・メータに当たる A−D 変換精度は用流

テスタのように定電圧を抵抗に加えて電流を検出す
る方法は，抵抗値と電流値が反比例するので，後の処理が面倒です．そこで，一定の電流を被測定抵抗に加えて電圧を検出するのが普通です．
最も簡単な回路例を図 2 に示します．OP アンプの両入力端子電圧は等しいので，R 1 に流れる電流I S は，

電

ここで紹介する，抵抗値測定の方式には下記の利点があります．
①無調整で組み立てられる．
②経時変化の恐れが少ない．
③誤差要因が除かれているので高精度に測定できる．
精度が基準抵抗（R A ，R B ）の絶対精度と A−D 変換太田 健一郎振動・ひずみ図1

1 被測定抵抗に電流を流し電圧に変換して測定するテクニック

10k

R2

光・赤外線

センサには抵抗可変型といって，抵抗値の変化から温度などの物理状態を読み取るものが多くあります．
抵抗値は，図 1 に示すブリッジ回路で測定するのが基本です．
本稿では，このようなブリッジ回路を使わないで，
サーミスタや白金測温抵抗体の抵抗値を高精度に測定する実例を 2 種類紹介します．前半は先輩から受け継いだ標準的な方法です．後半は筆者が考えた方法です．
いずれも無調整で，0.1％程度以上の高精度測定に応用できます．

第3部
第8章

光を測る / 光で測る回路

微弱光から高速応答まで用途別に定番光センサ「フォトダイオード」と回路
フォトダイオードの基礎知識● 血液の分析や放射線の検出に
フォトダイオードは，次に示す製品や装置に応用されています．
●

TV などのリモコン●

照度計
画像やディジタル・データを伝送する光伝送装
置

● 

●

血液などの分析装置

放射線の検出装置
放射線は，シンチレータと呼ばれる材料で光に変えるとフォトダイオードで検出できます．シンチレータの変換効率がS /N に影響するという欠点はありますが，●

光センサの量産技術が応用できるため，安価で入手性もよく，使いやすいという利点があります．
● 安価なわりに高性能なのが最大の魅力
入手しやすいフォトダイオードを表 1 に示します．
フォトダイオードは，安価で高性能なうえに，幅広
く応用できます．ぜひ使ってほしいセンサの 1 つです．
次に示す 5 つの特徴があります．
表1① 入射光量と出力電流の直線性が良い
安価な汎用フォトダイオードでも 0.1％程度のリニ
アリティが得られます．
② ダイナミック・レンジが広い
フォトダイオードのダイナミック・レンジは 6 〜 8
桁にも及びます．そのため，ログ・アンプを使うこともあります．フォトダイオード用のログ・アンプも市販されています．
③ 温度特性が良い
安価なフォトダイオードでも 100 ppm/℃程度の感
度ドリフトが得られます．暗電流は通常 2 倍 /10℃なので，低電流まで測定したいときは，暗電流の小さなものを使います．
④ 応答速度が速い
通信用のフォトダイオードでは，数十 GHz の入射光に対応したものもあります．
⑤ ばらつきが小さい
一般的な半導体型センサは，ばらつきが 100％を超えるものもあります．フォトダイオードは通常 10％
以下です．選別品ではさらに良くなります．

見本

入手しやすいフォトダイオード型

名

NJL6502R−1
NJL7502L
S4707−01
S8729−04
HPI307

80

松井 邦彦

メーカ名

短絡電流

日清紡マイクロデバイス

浜松ホトニクス

コーデンシ

暗電流

ピーク感度 端子間容量
波長［nm］［pF］

備

考

500 nA
0.5 nA（1000 lx） （5 V）

580

35（0 V）

46 μA
0.1 μA（100 lx） （20 V）

560−

6.6 μA
5.0 nA（100 lx） （10 V）

960

14（10 V）

PIN 型フォトダイオード
光電スイッチ用，遮断周波数は 20 MHz

5 nA
2.0 nA（100 lx） （5 V）

960

16（5 V）

PIN 型フォトダイオード
汎用，受光面が 2.0 × 3.3 mm と大面積

75 μA
30 nA
（1000 lx） （10 V）

940

95（0 V）

PIN 型フォトダイオード
高出力

No.161

フォトダイオード
照度計用，リニアリティ良好（0.1 ～ 105 lx）
フォトトランジスタ
Cds セルの置き換えに便利第9章

人感/生体/エンコーダ…用途いろいろ

動き検知によく使う
赤外線センサ回路

1 フォトダイオードより高感度！ フォトトランジスタの基本回路

上田 智章［用途］光 - 電気変換装置，照度計，光ファイバ通信装置があります．許容損失は，コレクタ−エミッタ間電圧とコレクタ電流の積で求まります．図 1 を見ると，20℃なら 100 mW まで，40 ℃では 80 mW まで，80 ℃では 20 mW までしか使えません．この条件を超えるとデバイスが破壊することがあります．
直射日光があたる場所や車のダッシュボード上に置かれる機器は，60 ℃を超えることがあるので，許容損失は 80 ℃で設計する必要があります．電源電圧が5 V ならコレクタ電流は 4 mA が上限になるので，設計は 1 m 〜 2 mA で使います．おおむね 500 lx 程度の赤外線の入射光で飽和して，コレクタ−エミッタ間電

エミッタ

コレクタ

写真 1

フォトトランジスタ LTR−4206E（ライトオン）

フォトトランジスタはバイポーラ・トランジスタと同じ構造で，ベース−コレクタ間の接合部に光を照射することで光を検出するデバイスです．光により発生した起電力が増幅されるため，感度はフォトダイオー
ドより高くなりますが，応答速度は劣ります．
写 真 1 に， 代 表 的 な フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ LTR−4206E（ライトオン）の形状とピン配置を示します．
トランジスタのベース電流は，入射光に伴う光電流で供給しています．

技① 許容損失は 80℃で設計する
図 1 に示すように周囲温度に対する許容損失の制約

許容損失［mW］

120

0
−40

使える範囲

見本
フォト
トランジスタLTR-4206E

040
80 100
周囲温度［℃］

図 1 LTR−4206E の周囲温度と許容損
失の制約

90

No.161

5k

マイコンの
入力ピンへ

R

リレー

5k
D1

フォト
トランジスタLTR-4206E（a）マイコンとの接続（b）マイコンとの接続（光ON⇒ L レベル）（光ON⇒ H レベル）

図2

5V

フォト
トランジスタLTR-4206E

マイコンの
入力ピンへ

60

5V

5V

5k

80

20

されているので，赤外線を使った防犯装置や制御，通信などに適しています．ただし，ピーク感度波長がデータシートに記載されていません．

5V

100

40

圧は最大 0.4 V になります．電源電圧が 12 V なら，コレクタ電流は 0.5 m 〜 1 mA までに抑えるべきでしょう．図 2 にフォトトランジスタの基本的な使い方を示
します．
LTR−4206E は可視光を遮断するパッケージに封入

2SC945（UTC）（c）リレーを使う場合（光ON⇒リレーON）

フォトトランジスタ LTR−4206E を用いた基本的な使い方

第4部

力やひずみや振動を測る回路

第10章 出したり受けたり…これから期待の世界

超音波センサと圧電素子
圧電素子の基礎知識

松井 邦彦

圧電素子は，振動（衝撃）センサや超音波センサとして市販されています．それぞれの用途を次に示します．
● 振動（衝撃）センサ
振動（衝撃）センサは，次に示す製品や装置に応用されています．
●

ゲーム機

●

携帯電話

●

ディジタル・カメラ●

パソコン（ハード・ディスクの衝撃検知）●

窓ガラスの破壊検知（泥棒避け）

写真 1 リード・タイプの超音波センサ
MA40S4R/S（村田製作所）

表面実装タイプも市販されています．
振動センサには圧電素子を使ったもの以外にも次に示すものがあります．

写真 2 表面実装タイプの超音波センサ
MA40H1S-R（村田製作所）

います．

●

静電容量式

●

渦電流式

●

自動車のバック・ソナー●

レーザ・ドップラ式

●

魚群探知機

●

動電式

●

医療器の超音波 CT

いずれも非接触で測定できますが，センサ単体では販売されておらず大型で高価です．圧電素子を使った振動センサは，接触式ですが，非常に安価で，しかも小型です．そのため，民生機器に多く使われています．

●●

超音波洗浄機
加湿器

見本● 超音波センサ
超音波センサは，次に示す製品や装置に応用されて

98

No.161●

超音波モータ●

軸力計●

非破壊検査装置

写真 1 はリード・タイプの超音波センサです．表面
実装タイプ（写真 2）も市販されています．

第11章 回路技術で差がつきやすい

力 / ひずみセンサと回路
目に見えないほど微小な変形を測定する
ひずみゲージの使い方
ひずみゲージの基礎知識
どんな物体でも引張力または圧縮力が加わると，単位断面積あたりの力（応力という）に比例して変形します．変形の量は加える力が強くなるほど大きくなり，
物体の強度の限界を超えると壊れます．
物体がどのくらい破壊しにくいかを調べる方法の 1
つに，物体に加えられた力によって生じる表面の微少な変形，つまり伸びと縮みを測るひずみ測定があります．これには，写真 1 に示すひずみゲージという箔状のセンサを使います．
ひずみゲージを使えば，力が加えられた物体のひずみを検出することができます．そしてこのひずみの量から，物体の強度を知ることができます．
ひずみを利用すれば，重さ，圧力，加速度などを測定することができます．
ひずみゲージは，次のような製品に応用されていま
す．

写真 1

西田 恵一

●

ディジタル式体重計●

米の分量を自動的に量れる電気釜●

自動的に洗剤の分量を指示してくれる洗濯機● 構造はいたってシンプル…抵抗体と絶縁フィルムの組み合わせ
図 1 に示すように，ひずみゲージは，とてもシンプ
ルな構造をしています．
樹脂などで形成された絶縁シートの上に，金属でできた抵抗体を格子状に折り返したエレメントが貼り付
けられています．エレメントは，銅ニッケル合金など，抵抗値の温度特性がとても安定している金属材料が使われています．
以前は，細いワイヤ状に加工された抵抗線を何ターンか折り返して，樹脂のベース，つまり一番下層の絶縁シート上に固定していたものです．近年では，金属を箔状に圧延し，これをベースと接着して，高度な写真技術によってエッチングで形成するものが大半です．
こうして作られたひずみゲージを測定対象の物体の見本（東京測器研究所）
ひずみゲージ FLAB−5−11 の外観

ベース長

ゲージ長

ベース幅

図1

108

ひずみゲージの構造No.161

ゲージ幅

ゲージ・ベース

ゲージ・リード第5部

電流を測る回路

第12章 非接触AC電流センサ カレント・
トランスと回路

ありがたーい非接触電流測定入門
カレント・トランスの基礎知識

非接触で安全に交流の大電流を測る方法を紹介します．
AC 電流センサというと，古くは商用周波数（50Hzあるいは 60Hz）の電流計測用がほとんどでした．最近
は，インバータやスイッチング電源など周波数の高い電流を計測できるものが登場しています．

交流電流を検出する 2 つの方法
■ 抵抗を使う方法
電流測定のもっとも簡単な方法として，図 1（a）のような抵抗（基準抵抗）を用いる方法があります．テスタの電流測定もこの方法です．通常，この基準抵抗のことをシャント抵抗と呼ぶことからシャント抵抗型電流センサという場合もあります．
図1（a）で被測定電流を I 1，基準抵抗の抵抗値を R Lとすると，

Vout ＝I 1RL （1）の電圧降下V out が生じます．
この方法は基準抵抗に高精度な抵抗を使用することで，良好な特性を得ることができます．しかも，DC（直RL

I （被測定電流）
1
I2

I1
Vout

＝I 1 RL

2次電流

Vout ＝

コア

RL

簡単な電流検出方法● 非接触で測定できないし大電流の測定も困難
欠点は，電流の流れる経路を回路内に引き込む必要がある（非接触では測定できない）
こと，大電流では耐電力（W 数）の大きな抵抗が必要になることです．
シャント抵抗は抵抗値 1mΩまでなら比較的容易に入手でき，数百 A 程度まで測定が可能です．抵抗値が小さいものほどわずかな配線抵抗値でも誤差になる
ので，高精度用では電圧出力の端子を別に設けた 4 端子構造（ケルビン接続）が使用されます．

■ カレント・トランスを使う方法● 非接触で大電流を測定できるカレント・トランス（Current Transformer）は古くから AC 電流測定専用に使用されてきました．AC 電流専用になる理由は，原理上 DC 電流の測定ができないからです．
図 1（b）にカレント・トランスを使った電流測定方法を示します．カレント・トランスでは強磁性体のコ
アに巻き線が施されています．この構造は図 2 に示す
N1 N2

I1 R

N2

V1

L

V2＝V1

N2
N1

N 2 ターン

カレント・トランスを使うと交流だけだが簡単に非接触で測定できる122

あ り ま す． 数 百 A， 数 十 MHz の 電 流 検 出 用 と し て
BNC 端子付きの同軸シャント抵抗もあります．

Vout（a）抵抗による方法 （b）カレント・トランスによる方法

図1

流）
でも AC
（交流）
でも測定が可能です．
高周波用にL 成分を小さくした無誘導巻きタイプが

見本

強磁性体

山崎 健一

No.161

図2

カレント・トランスの構造は普通のトランスと同じカレント・トランスは 1 次巻き線の巻き数 N 1 が小さく，1 次側のインピーダンスが低い

ワンチップ

第13章 DCからACまで非接触で測定できる

温

名前をよく聞く
ホール素子型電流センサ度● オープン・ループ方式…汎用で一般的
図1（a）のように，ホール素子の 1 次電流が 1A に対するホール電圧をV H とすると，出力電圧V out は

ホール素子

lgap

ホール素子

Vout ＝VH G

図1

フィードバック･コイル（巻き数は
NFB ）Vout ＝

I1

NFB

IFB ＝
RL

I1

NFB

録

（a）オープン・ループ方式

A

lgap

付

差動アンプ
（ゲインはG に固定）

強磁性体コア

強磁性体
コア

見本
A

差動アンプ
（誤差アンプ）

計測回路集

I1

I1

流

被測定電流

被測定電流

電

Vout ＝VH G （1）で表されます．G はアンプのゲイン（一定）です．
オープン・ループ方式の電流センサはフィードバッ
ク・コイルが不要なので，安価で小形のものが製造可
能です．
ホール素子の誤差以外にコアの特性も誤差に反映されてしまうため，精度の点では後述するクローズド・
ループ方式に劣ってしまいます．
しかしながら，通常の用途では十分な性能をもっていますので，汎用型 DC 電流センサとして大量に使用されています．

振動・ひずみホール素子を使った電流センサならば，電流経路になんらかの素子を挿入することなく，非接触で DC 電流を測定できます．
ただし，カレント・トランスを使った AC 電流セン
サに比べて回路は複雑になります．
ホール素子型電流センサは，図 1 のように強磁性体のコアにギャップ（隙間）を付けてその中にホール素子を配置したものです．ギャップ中の磁束密度は被測定電流に比例するので，それをホール素子で検出することで電流を測定できます．
ホール素子は DC 磁界を測定できるので，この電流センサは DC 電流を測定できます．もちろん AC 電流も測定可能です．DC 電流を検出できることが，ホール型電流センサの最大のメリットです．ホール素子型
電流センサには大きく分けて，2 つの方式があります．

山崎 健一

光・赤外線

直流磁界を検出できるホール素子を使った電流センサの基礎知識

RL（b）クローズド・ループ方式（サーボ方式）

直流電流も測定できるホール素子型電流センサの原理

サーボ式とも呼ばれるクローズド・ループ方式のほうが原理的に高精度

135

ワンチップAppendix 2

あなたの知らない1Ω以下の微小抵抗の世界

温ミリオーム抵抗値を
測る回路

0.0Ω
10mΩ
5mΩ
I C1
故障基板 短絡
20mΩ
5mΩ
10mΩ
GND

VCC

見本
電圧計（DVM）
0.100V

5mΩ

I C2

正常
5mΩ

見た目にはどのI Cが故障かわからない表面実装
なので取り外す
のも難しい

50mΩ

録

1A×100mΩ

30mΩ

付

100mV

CVCC 電源と電圧計を使った抵抗測定

0.0Ω

ミリオーム計＝100mΩ

図1

普通のテスタ

普通のテスタだとどちらの抵抗値が小さいかわからない

計測回路集

1.00V 1.00A CC

流

電源装置（CVCC）

電

電圧計があれば抵抗値を求めることができます．図1に示したように，CVCC 電源装置を 1 A の定電流（CC）

タ の入力レベルまで増幅するためには，入力オフセ
ット電圧が 100 n 〜 1 μV という増幅器が必要です．そのような増幅器は一般に高価であり，固体ごとに定期的な調整が必要かもしれません．

振動・ひずみ● ミリオーム測定の原理
オームの法則より R = V /I なので，定電流電源とモードにして抵抗に接続し，抵抗両端に現れる電圧を測れば，その電圧計の読みは抵抗値に等しくなります．
図 3 にシンプルな抵抗計の構成図を示します．
このような DC による抵抗測定を mΩオーダに適用することは 2 つの問題が考えられます．まず抵抗値が低いことから，抵抗両端に発生する電圧が微小になるため，高精度な増幅系が必要といえます．抵抗に 1 Aの電流を流すと被測定素子に影響があるかもしれませんし，ポータブル・デバイスでは大電流を流すことはできないので，測定電流は小さいほうが望ましいとい
えます．
仮に測定電流を10 mAに設定した場合，抵抗 0.1 mΩ
はわずか 1 μV の電圧レベルにしかなりません．分解
能 0.1 mΩを得るためには，電圧計や A−D コンバー

光・赤外線

● ハンディ・テスタ感覚で mΩを測定したい
抵抗値を測るとなると，大抵はハンディ・テスタなどを思い浮かべます．しかし，微小抵抗を測ることは困難です．テスタの抵抗レンジは，高々 0.1 Ωくらいの分解能しかありません．そのうえ，プローブの接触
抵抗やリード線抵抗，テスタそのもののオフセット電圧の影響などによって，プローブを短絡しても 0.0 Ωにならないことはしばしばです．
微小抵抗値は，図 1 に示すように CVCC 電源（定電
圧・定電流電源）と電圧計を使えば測定することができます．しかし，重い電源をもってきてセットアップ
しなければいけないのは不便です．もちろん微小抵抗を計測するための専用測定器は存在しますが，どこの実験室にもあって手軽に使えるとまではいえません．
3 桁程度の分解能でいいので，ハンディ・テスタ感覚
で mΩ単位の抵抗値がわかると何かと便利です．mΩが測定できるとなると，図 2 に示すように単なる抵抗値の測定だけでなく，基板上の短絡部品の判定や，
MOSFET のオン抵抗，電池の内部抵抗測定や不良部品，偽物判定などの応用が可能です．

度

山田 浩之 Hiroyuki Yamada⇒ VCC -GND間の抵抗値は
I C2付近よりI C1付近のほうが小さい⇒I C1が短絡とわかる

図 2 微妙な抵抗値の違いがわかると，どの部品が短絡しているか簡単にわかる145

第6部

測るための汎用回路あれこれ第15章 精度良く増幅するアンプ回路のテクニック

測るための汎用回路あれこれ

1 4 端子の高感度センサが出力する微弱なアナログ信号を増幅する差動アンプ回路
松井 邦彦
Vin

センサの内部回路は，用途に応じて構成が異なります．次に示すセンサは，図 1 のようにいずれもブリッジ構成で，4 つの端子が付いています．
●

ひずみゲージ●

磁気抵抗素子●白金測温抵抗体

圧力センサ
ホール・センサ
4 端子センサでは通常，2 つの端子が入力端子（ドラ
イブ電圧を加える端子）で，残り 2 つの端子が出力端
子（信号電圧が発生）です．ここでは，ブリッジ（4 端子）構成のセンサを用いた測定回路の信号増幅に使うアンプを紹介します．
●

G ＝1000倍

2V

Vout 1

Vout 2

＝1V

＝1V

RA

1k A

RB

1M

RC B
1k

A 点電位V A ＝Vout 1×

RD

Vout

R2

R4

（a）ストレイン・ゲージひずみセンサ （b）ホール・センサ
図1

ブリッジ構成のセンサ内部回路

4 つの端子が付いている

2 V を加えると，出力端子 OUT1，OUT2 の電圧はそれぞれ次のようになります．

Vout 1 ＝ 1V（磁界B ＝ 0T のとき）
Vout 2 ＝ 1V（磁界B ＝ 0T のとき）
この電圧を同相電圧と呼びます．信号電圧とは関係ありません．信号電圧はV out 1 −V out 2 です．これを同相電圧に対して差動電圧と呼びます．
●
●

見本

RB
＝0.999001V
RA＋RB（a）同相電圧の出力

差動アンプを使えば同相電圧の影響を受けなくなる

No.161

OUT1

OUT2

RA RC
＝
RB RD

1V−0.999001V＝0.999001V−
×1MΩ
1kΩ
＝0.999001V−0.999V
≒0V

154

OUT1
OUT2

1M

V A ＝ B 点電位V B だから，
Vout 2−V B
×RD
Vout ＝V B −
RC

図2

R3

●

● 4 端子センサに発生する電圧
4 端子センサを使用すると，図 2 のように同相電圧が発生します．例えばセンサにドライブ電圧 V in ＝

Vin

Vin
R1

Vout 2Vin＝0.999V

Vout 1＝1.001V

G ＝1000倍

RA

1k A

RB

1M

Vout ＝ΔVG
＝2V

2V

RC B
1k

RD
1M

差動電圧（ΔV ）＝1.001V−0.999V＝0.002V（b）差動電圧（信号）の出力

付録

付け足し簡単！ ICとICをつなぐならコレで決まり

2 線シリアル・インターフェース
I2C 詳解岡野 彰文 Akifumi Okano

基礎知識
クロックとデータだけの2本線でお互いに通信できる

デバイス4

デバイス1

見本
デバイス5

デバイス2

デバイス3

デバイス6

図 1 I2C なら 2 本線でたくさんのデバイスを追加接続していける

166● クロック周波数や接続可能数
I2C バスは，とてもポピュラな，IC 間のシリアル通
信バスの 1 つです．マイコンどうしの通信や，I/O ポ
ート・エキスパンダ，温度や加速度などの各種センサ，
各種専用 IC やモジュール，機器の制御信号などのデータのやりとりに使われています．
データのやりとりのための信号線は，2 本だけです（図 1）．また，1 つのバスに多くのデバイスを接続できます．
I2C で，よく使われる通信クロック周波数は，100 k

No.161〜 400 kHz の比較的低速ですが，IC 内部の通信回路が拡張仕様に準拠していれば，1 MHz，3.4 MHz，5 MHzの転送速度にも対応できます（図 2）．
I2C に対応した IC どうしなら，とてもスムーズに通信できます．たとえ I2C に対応していないマイコンでも，空いている 2 ピンを使って，I2C に対応したファームウェアを用意することで，データのやり取りが可
能になります．

このPDFは，CQ出版社発売の「トランジスタ技術SPECIAL No.161」の一部見本です．
内容・購入方法などにつきましては以下のホームページをご覧下さい．
内容
http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSP202301.html
購入方法 https://www.cqpub.co.jp/order.htm

見本