変換器の種類

変換器：定義、機能、および分類

変換器は、物理量を電気信号に変換する電子デバイスであり、重要な役割を果たします。その基本的な機能は、センシングと変換です。まず、温度、圧力、または変位などの関心のある物理量を検出します。その後、この物理量を機械的な作業や、より一般的には測定、処理、分析が容易な電気信号に変換します。

変換器はさまざまなタイプがあり、いくつかの異なる基準に基づいて分類することができます。

• 変換メカニズムに基づく分類：この分類は、変換器が入力された物理量を電気出力に変換するために使用される特定の物理的または化学的なプロセスに焦点を当てています。異なる変換メカニズムは、異なる種類の測定とアプリケーションに合わせて調整され、広範な物理現象に対する正確で信頼性の高いセンシングを可能にします。

• 一次変換器と二次変換器：一次変換器は、測定された物理量を直接電気信号に変換します。一方、二次変換器は一次変換器と連携して動作し、一次デバイスによって生成された電気信号をさらに修正または処理して、その使用性または精度を向上させます。

• 受動型変換器と能動型変換器：受動型変換器は外部電源に依存して動作し、出力信号は入力された物理量と適用された電力の関数となります。一方、能動型変換器は自前の電源を持ち、外部電源なしで出力信号を生成できます。これにより、通常、感度と信号強度が高くなります。

• アナログ変換器とデジタル変換器：アナログ変換器は、入力された物理量とともに連続的に変化する出力信号を生成し、通常、電圧または電流の形式をとります。一方、デジタル変換器は、入力量を離散的なデジタル信号に変換します。これは、現代のデジタル電子機器と計算システムを使用して処理、保存、伝送するのが容易です。

• 変換器と逆変換器：標準的な変換器は物理量を電気信号に変換します。逆変換器は、逆に電気信号を入力として受け取り、それを物理量に変換します。これは、特定の物理応答を生成するために電気制御が必要なアプリケーションで有用です。

動作中、変換器は測定対象である物理量を受け取り、入力の大きさに比例した出力信号を生成します。この出力信号は、信号処理装置に送られ、ここで信号は減衰（振幅の調整）、フィルタリング（不要なノイズや周波数の除去）、および変調（信号のエンコード）などの一連のプロセスを経ます。これらのステップにより、最終的な信号は後続の分析、表示、または制御操作に最適な形式になります。

変換器の入力量は通常、非電気量であり、出力電気信号は電流、電圧、または周波数の形式をとることができます。

1. 変換原理に基づく分類

変換器は、使用する変換媒体によって分類することができます。変換媒体は抵抗、インダクタンス、またはキャパシタンスである可能性があります。この分類は、入力変換器が入力信号を抵抗、インダクタンス、またはキャパシタンスに変換する変換プロセスによって決定されます。各タイプの変換媒体は独自の特性を持ち、異なる測定アプリケーションに適しており、様々な物理量を電気信号に正確に変換することができます。

2. 一次変換器と二次変換器

• 一次変換器
  変換器はしばしば機械部品と電気部品の両方を含んでいます。変換器の機械部分は、物理的な入力量を機械信号に変換する責任があります。この機械部品は一次変換器と呼ばれ、測定対象の物理量（圧力、温度、または変位など）と直接相互作用し、それをさらなる処理可能な機械的形式に変換します。

• 二次変換器
  二次変換器は一次変換器によって生成された機械信号を取り、これを電気信号に変換します。出力電気信号の大きさは、入力された機械信号の特性と直接関係しています。このようにして、二次変換器は機械領域と電気領域の間のギャップを埋め、元の物理量を電気測定と処理技術を使用して測定および分析することが可能になります。

一次変換器と二次変換器の例

以下の図に示すブールドン管を例にとります。ブールドン管は一次変換器として機能します。それは圧力を検出し、その自由端での変位に変換するように設計されています。圧力が管に加えられると、その形状が変形し、自由端が移動します。この変位はシステムの次の段階への入力となります。

ブールドン管の自由端の動きは、線形可変変位トランスフォーマー（LVDT）のコアを移動させます。コアがLVDT内で移動すると、出力電圧が誘導されます。この誘導された電圧は、管の自由端の変位、そして結果的にブールドン管に加えられた元の圧力に直接比例します。

ブールドン管-LVDTシステムの場合、2つの異なる変換プロセスが発生します。最初に、ブールドン管が圧力を変位に変換する一次変換が行われます。次に、LVDTがこの変位を電気電圧信号に変換する二次変換が行われます。この例は、一次変換器と二次変換器がどのように協調して物理量を正確に測定し、電気出力に変換し、さらに分析および使用するかを明確に示しています。

ブールドン管は一次変換器として機能し、L.V.D.T.（線形可変変位トランスフォーマー）は二次変換器として機能します。

3. 受動型変換器と能動型変換器

変換器はまた、能動型と受動型に分類することもでき、それぞれ異なる動作特性を持っています。

受動型変換器

受動型変換器は外部電源に依存して動作するため、外部電源式変換器とも呼ばれます。キャパシティブ、レジスタティブ、およびインダクティブ変換器は典型的な受動型変換器の例です。これらの変換器は、入力された物理量に対応して電気特性（抵抗、キャパシタンス、またはインダクタンス）を変更することで動作します。しかし、それらは自分自身で電気エネルギーを生成せず、代わりに外部電源を必要とし、測定対象の物理量の変化を反映する測定可能な出力信号を生成します。

能動型変換器

一方、能動型変換器は動作に外部電源を必要としません。これらの変換器は自己生成型であり、自分自身で電圧または電流出力を生成することができます。能動型変換器の出力信号は、入力された物理量から直接導き出されます。能動型変換器は、速度、温度、力、光強度などの様々な物理現象を外部電力入力に依存せずに電気信号に変換することができます。能動型変換器の例には、圧電水晶、太陽電池、タキジェネレータ、サーミオカップルがあります。

例：圧電水晶

能動型変換器の動作を説明するために、圧電水晶を考えてみましょう。圧電水晶は通常、2つの金属電極の間に挟まれており、全体の組み立てはベースにしっかりと固定されています。質量がこのサンドイッチ構造の上に置かれます。

圧電水晶は、力が加わると電圧を生成するという特有の性質を持っています。上述の設定では、ベースが加速度を受けると、質量が水晶に力を及ぼします。この力は、水晶に跨る出力電圧を誘導します。この出力電圧の大きさは、ベースが経験した加速度に直接比例し、機械的な加速度を電気信号に効果的に変換します。この例は、能動型変換器が物理的な入力に基づいて自発的に電気出力を生成する方法を明確に示しており、受動型変換器との異なる機能性を強調しています。

上記の変換器は加速度計と呼ばれ、加速度を電圧に変換するように設計されています。注目すべき点は、このタイプの変換器は物理量を電気信号に変換する際に補助電源を必要としないこと、つまり信号生成において自給自足であることです。

4. アナログ変換器とデジタル変換器

変換器はまた、出力信号の性質に基づいて連続または離散に分類することができます。

アナログ変換器

アナログ変換器は、入力量を連続関数に変換します。つまり、出力信号は入力の変化に対して滑らかかつ連続的に変化します。アナログ変換器の例としては、ひずみゲージ、線形可変変位トランスフォーマー（LVDT）、サーミオカップル、サーミスタがあります。これらのデバイスは、測定対象の物理量の比例的かつ連続的な表現が必要な様々なアプリケーションで広く使用されており、精密測定システムや産業プロセス制御などで活用されています。

デジタル変換器

一方、デジタル変換器は入力量をデジタル信号に変換します。デジタル信号は通常、パルスの形式をとります。デジタル信号は「ハイ」または「ロー」の電力レベルを表す二進状態に基づいて動作します。このデジタル出力形式は、ノイズ耐性の向上、デジタル電子機器と計算システムとの簡単な統合、データ処理と保存の簡便さなどの利点を提供します。デジタルテクノロジーの普及により、現代の測定と制御システムではデジタル変換器がますます採用されています。

5. 変換器と逆変換器

変換器

変換器は非電気量を電気量に変換するデバイスとして定義されます。この変換プロセスにより、温度、圧力、変位、力などの様々な物理現象を電気測定と処理技術を使用して測定、監視、制御することができます。変換器は工業自動化から科学的研究、消費者向け電子機器まで、広範なアプリケーションで重要な役割を果たしています。

逆変換器

逆変換器は、従来の変換器とは逆の機能を果たします。これらは電気量を物理量に変換します。逆変換器は通常、高い電気入力とそれに応じた低い非電気出力を有しています。逆変換器は、電気信号を物理的な動作や反応に翻訳する必要があるアプリケーション、例えば特定のタイプのアクチュエーターや制御システムで使用されます。逆変換器の概念は、電気制御と物理操作の間のループを閉じることで、より複雑で精密な機械的および物理的システムの制御を可能にします。