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光センサー


「光センサー」について説明します。

「光センサー」について説明する前に、まず、「光」について知っておく必要があります。


1.光とは


「光」は、「電磁波」の一部で、「電波」と同じ性質です。

「電波」は、「周波数」で規定されています。
「電波」は、「ミリ波」と呼ばれる波長が1mmより長い「電磁波」です。

いっぽう、それより波長の短いのが「光」です。
境界線は「赤外線」と言われています。

「光」は以下のように分類されています。


分類 種類 内容
電波 ラジオ波 光より波長が長い。
マイクロ波
ミリ波
赤外線 可視光より波長が長い。
波長は10μm~1μmくらい
可視光線 波長が380nm~780nm
紫外線 可視光より波長が短い。
波長は10nm~380nmくらい
X線
ガンマ線

この中で、「光センサー」としては、「可視光線」「赤外線」「紫外線」が多いようです。


2.光センサーとは


「光センサー」とは、光を検出するセンサーです。

「光センサー」は、「光電効果型」と「熱効果型」 に大きく分類されます。

  1. 「光電効果型」 とは、光を検出して電気信号に変換する「センサー」です。

  2. 「熱効果型」は、光の入射で発生する熱に反応する「センサー」です。
    「温度センサー」になります。
「光センサー」と呼ぶ場合は「光電効果型」のセンサーになります。


3.光センサーの分類


「光センサー」は、以下のように分類されています。

<注意>
※1:()の番号は分類になります。
※2:○の番号は製品になります。
スマホの画面では、横スクロールで表の右側が表示されます。


分類  概要 
(1)



(1-1)
光電効果型
※1
(1-1-1)
外部光電効果型
※2

光電子倍増管

光電管
(1-1-2)
内部光電効果型
(1-1-2-1)
光伝導型
(1-1-2-1-1)
真正光電導セル

可視領域用
CdSセル
CdSセル というフォトレジスタです。

中赤外領域
HgCdTeセル
(1-1-2-1-2)
不純物光電導セル

Ge母体、不純物Au、Hg、Cu、Zn、Beなどを添加
(1-1-2-2)
光起電型

フォトダイオード、
イメージセンサー
CCD、CMOS
フォトダイオードは光を検出することによって光エネルギーを電気信号に変換します。

フォトトランジスタ
フォトカプラ
フォトダイオードとトランジスタが一体化した構造になっています。
感度が高くなります。

太陽電池
光を電気に変えます。
センサーのひとつです。

フォトレジスタ
光依存性抵抗、LDR
フォトレジスタとは、入ってくる光に応じて電気抵抗が、
低下する光センサーです。
(1-2)
熱効果型
温度センサーになります。


4.光センサーの原理


「光センサー」は「光電効果」を利用する「センサー」です。

「光電効果」とは、物質に光をあてたときに電子の変化が起こる現象のことです。

「光電効果型」は以下の2つに分類されています。

わかりやすいように、上の表と同じ番号をつけています。

  • (1-1-1)外部光電効果型
    光のエネルギーが電子に与えられ物質の表面から放出される現象です。

  • (1-1-2)内部光電効果型
    絶縁体や半導体では、光のエネルギーは、外部に創出されずに物質内部の伝導電子が増加させる現象です。

です。

「(1-1-2)内部光電効果型」は以下の2つに分類されています。

  • (1-1-2-1)光伝導型
    光の照射によって、絶縁体や半導体の電気伝導率が増加します。
    光によって抵抗値が変化します。

  • (1-1-2-2)光起電型
    物質に光を照射することで起電力が発生します。
    電気が発生します。

です。

「 (1-1-2-1)光伝導型」は以下の2つに分類されています。

  • (1-1-2-1-1)真正光電導セル
    単結晶からなる半導体です。

  • (1-1-2-1-2)不純物光電導セル
    不純物を真性半導体に微量の不純物を添加したものです。

です。

それぞれの中に、光センサーの製品があります。


5.光センサーの検出方式による分類


「光センサー」の検出方式による分類です。

「光センサー」は、単体でも使用されますが、光を出す「投光部」と光を受ける「受光部」から構成される「光センサー」が多いです。

投光された光が検出物体によってさえぎられたり反射したりすると、「受光部」に到達する量が変化します。
「受光部」は、この変化を検出して電気信号に変換し、出力します。

以下の方式があります。

  1. 透過型
    片側に光源の赤外線LEDなどの「投光部」をおき片側に「フォトダイオード」や「フォトトランジスタ」などの「受光部」を置くことで、途中で光が遮られることを検出すれば、人や物が通過したことがわかります。
    「フォトインタラプタ」とも呼んでいます。

  2. 反射型
    「投光部」と「受光部」が一体になっていて検出物体に光を照射し、検出物体からの反射光を受光して検出します。
    「フォトリフレクタ」とも呼んでいます。


「投光部」と「受光部」を持っている「光センサー」を「フォトセンサー」や「光電センサー」と呼んでいるようです。
少し内容が違うようです。

「フォトセンサー」は、「発光素子」と「受光素子」を組合せた小型の電子部品で、光が検出物体によって変化(有無、強弱)したのを検知して電気信号を出力する「非接触センサー」のことだそうです。
「フォトセンサー」は主に機器・装置に組込んで使用します。
小型で安価です。

「光電センサー」は、センシングの原理や特長は「フォトセンサー」と同じだそうです。
しかし、主に生産ラインでの検出や安全対策のために使われているそうです。

ややこしいですね。
メーカーによっていろいろ呼ばれているようです。

「光センサー」の中の主な製品を説明します。


6.Cdsセル


「CdSセル」 という「フォトレジスタ」です。



「フォトレジスタ」 (photoresistor)は、「光センサー」の一種で、入ってくる光の強さが大きくなると、電気抵抗が小さくなる電子部品です。
「光導電セル」とも呼んでいます。

「Cds」とは、「硫化カドミウム」のことです。
半導体です。
「硫化カドミウム」は、当たる光の量によって電気抵抗値が変化するという性質があります。
一般的な製品の場合、明るい状態で、10kΩ、暗い状態で、1MΩ程度になります。

「光電効果」や「光導電効果」を利用しています。
「光電効果」とは、半導体などの物質に光を照射したときに、その物質が光を吸収し、電流が流れやすくなる(抵抗値が下がる)現象です。

■特徴としては次のようなものがあります。
  • 分光感度特性が人間の目の視感度に近いです。
  • 構造が簡易で高感度です。
  • 低価格です。

などです。

■用途としては、次のようなものがあります。
  • 照度計
  • 室内の温度測定
  • カメラの露出計
  • 可視光センサーとして使用
  • 明るさによって街灯を点灯、消灯します。
  • 自動車のライトを明るさによって点灯、消灯します。

などです。


7.フォトダイオード


「フォトダイオード」は光を検出することによって光エネルギーを電気信号に変換します。

半導体素子のPN接合部に光を照射すると電流や電圧を発生する受光素子です。

「光起電力効果」を応用しています。
「光起電力」とは、光が照射されると、電圧、電流を発生することです。

「光起電力効果」とは、
半導体のpn接合では内部電界が形成されています。
その付近に光を照射すると、光が吸収されて発生する電子と正孔は空乏層内では 移動し、それぞれn型領域、p型領域に到達して蓄積されるために起電力が発生します。

■用途としては、次のようなものがあります。

  • 光りの強度測定・照度測定
  • コンパクトディスクプレイヤー
  • 煙検出器
  • ビデオやテレビのリモコンの受信装置

などです。

原理的には太陽電池の原理と全く同じです。
「太陽電池」は「フォトダイオード」をたくさん並べたようなものです。


8.フォトトランジスタ(照度センサー)


「フォトダイオード」と「トランジスタ」が一体化した構造になっています。
感度が高くなります。

「フォトダイオード」の出力電流(光電流)は微弱なため「トランジスタ」で増幅してから出力する素子です。

■用途としては、次のようなものがあります。

  • 光りの強度測定、
  • 赤外線リモコン
  • 自動ドア、
  • 光電センサー
  • カメラ、
  • 光通信等

などです。


9.太陽電池


光を電気に変えます。
「センサー」のひとつです。
「太陽電池」は、光を電気に変換する素子です。

「太陽電池」は、光を電気に変える効率がよく、電力として使用されています。
「フォトダイオード」をたくさん並べたようなものです。

「太陽電池」には以下の2種類があります。

  1. シリコン太陽電池
    「シリコン太陽電池」は、半導体の一種です。
    構造は「ダイオード」と同じですので、「フォトダイオード」の一種です。

  2. 色素増感型
    「色素増感型」は、簡単な構造で安価です。
    発電効率は落ちます。


「発行ダイオード」(LED)も「光センサー」です。
太陽電池と同じ構造です。
これは、電気を流すことで発光します。
太陽電池の反対です。


10.フォトレジスタ


「フォトレジスタ」とは、入ってくる光に応じて電気抵抗が、低下する「光センサー」です。
「フォトレジスタ」は、半導体でできています。

光のエネルギーによって電流が流れやすくなったり、流れにくくなったりする性質を利用しています。

半導体とは、電気を通しやすい導体と通しにくい絶縁体の中間的な性質を持つ材料です。

周りの条件によって、電気を通しやすくなったり通しにくくなったりします。
外部からの光のエネルギーを受けると電流が流れるようになります。

■用途としては、次のようなものがあります。

  • 明るさによって街灯を点灯、消灯します。
  • 自動車のライトを明るさによって点灯、消灯します。

「光センサー」の中に「イメージセンサー」があります。
別途説明します。


●「光・画像を検出」の関連ページです。


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