温度センサーの種類とは？用途に合ったセンサーの選び方

温度センサーを選ぶ際、主な選択肢は4つの異なる技術に絞られます。これらは熱電対、測温抵抗体（RTD）、サーミスタ、そして半導体ベースのICです。それぞれが異なる物理原理に基づいて動作し、特定の用途、コスト、環境向けに設計されています。

中心的な課題は、「最高の」センサーを見つけることではなく、固有のトレードオフを理解することです。最終的な決定は常に、温度範囲、精度、コスト、環境への堅牢性という4つの競合する要素間のバランスになります。

主力：熱電対

熱電対は、異なる金属で作られた2本のワイヤーが一方の端で接合されると形成されます。この接合部は、温度に応じて変化する小さく予測可能な電圧を生成します。これはゼーベック効果として知られる現象です。

熱電対は、一般的なセンサーの中で最も広い動作温度範囲を持ち、極低温（-200°C）から2000°C以上まで測定できます。また、非常に耐久性があり、安価です。

主な弱点は、他のタイプと比較して精度が低いことです。電圧出力も非線形であり、正確な測定値を得るためには信号調整と冷接点補償として知られる基準が必要です。

RTDは、純粋な金属、最も一般的には白金の電気抵抗が、温度に対して非常に予測可能で線形な方法で変化するという事実を利用しています。センサーはこの抵抗の変化を測定します。

RTDは、その並外れた精度と長期安定性で知られています。その出力はすべてのアナログ温度センサーの中で最も線形であり、実験室や校正作業の標準となっています。

この精度はコストを伴い、RTDは熱電対やサーミスタよりも高価になります。また、応答時間が遅く、小さな温度変化に対する感度も低いです。

サーミスタは、抵抗が温度に大きく依存するタイプの抵抗器です。純粋な金属で作られたRTDとは異なり、サーミスタは半導体材料（セラミックやポリマーなど）から作られています。

サーミスタは非常に高い感度を提供します。つまり、わずかな温度変化でも抵抗が大きく変化します。これにより、限られた範囲で非常に正確な測定が可能になり、応答時間も速いです。

その有用な温度範囲は狭いです。さらに重要なことに、その抵抗-温度関係は非常に非線形であり、抵抗を正確な温度測定値に変換するには、ルックアップテーブルまたは複雑な計算式が必要となることがよくあります。

これらは、トランジスタのp-n接合の予測可能な電圧-温度特性を利用する、最新のシリコンベースの集積回路（IC）です。センサーと信号調整回路を単一のチップにパッケージ化しています。

主な利点は使いやすさです。多くの場合、校正済みの線形出力（電圧または電流）、あるいは直接的なデジタル出力（例：I2C、SPI）を提供し、回路設計を大幅に簡素化します。また、非常に低コストです。

ICセンサーは非常に限られた温度範囲しか持たず、通常は商業用または産業用の帯域（例：-40°Cから125°C）に制約されます。熱電対が優れているような極端な温度や過酷な産業環境には適していません。

センサーの動作範囲とその精度には直接的なトレードオフがあります。熱電対は広範な範囲を提供しますが、精度を犠牲にします。RTDは最高の精度を提供しますが、より中程度の範囲です。

センサー素子自体は安価である可能性がありますが（熱電対のように）、信号調整に必要な外部回路は複雑さとコストを追加する可能性があります。対照的に、ICセンサーはわずかに高価かもしれませんが、全体的な設計を簡素化します。

サーミスタは温度変化に対して最高の感度を提供しますが、最も非線形です。RTDとICセンサーは線形性で評価されますが、サーミスタよりも感度が低いです。

適切なセンサーを選択するには、プロジェクトの最も重要な制約を明確に定義する必要があります。

これらの基本的な違いを理解することで、プロジェクトの特定のエンジニアリング要件に基づいて最適なセンサーを選択できます。

センサータイプ	核心原理	主な強み	主な限界	最適用途
熱電対	ゼーベック効果（電圧）	広い範囲（-200°C～+2000°C）、耐久性、安価	精度が低い、冷接点補償が必要	極端な温度、工業炉
RTD	純粋な金属（例：白金）の抵抗変化	高精度、優れた安定性、線形出力	高コスト、応答時間が遅い	精密機器、校正、プロセス制御
サーミスタ	半導体の抵抗変化	非常に高い感度、高速応答	狭い範囲、非常に非線形な出力	医療機器、HVAC、家電制御
ICセンサー	シリコンバンドギャップ特性	使いやすい（デジタル/線形出力）、低コスト	限られた範囲（-40°C～+125°C）	オンボード電子機器、民生機器