トランスデューサー

トランスデューサーは、エネルギーをある形式から別の形式に変換する装置です。通常、トランスデューサーは、あるエネルギー形式の信号を別のエネルギー形式の信号に変換します。^{[1]トランスデューサーは、}自動化、測定、制御システムの境界でよく使用され、電気信号が他の物理量（エネルギー、力、トルク、光、動き、位置など）に変換されたり、他の物理量から変換されたりします。あるエネルギー形式を別のエネルギー形式に変換するプロセスは、変換として知られています。^[2]

種類

機械式トランスデューサーは物理量を機械出力に変換したり、その逆を行ったりします。
電気トランスデューサーは物理量を電気出力または信号に変換します。例は次のとおりです。
- 温度差を小さな電圧に変換する熱電対。
- 電気信号によって変位（位置）の変化を測定するために使用される線形可変差動変圧器（ LVDT）。

センサー、アクチュエーター、トランシーバー

トランスデューサーは、情報が通過する方向によって分類できます。

センサーは、物理システムからの信号または刺激を受信して応答する変換器です。^[3]^[4]^{[2]センサーは、システムに関する情報を表す}信号を生成します。この信号は、何らかのテレメトリ、情報、または制御システムによって使用されます。
アクチュエータは、機構またはシステムを移動または制御する役割を担う装置です。制御システムまたは手動制御からの信号によって制御されます。アクチュエータは、機械力、電流、油圧、空気圧などのエネルギー源によって動作し、そのエネルギーを運動に変換します。アクチュエータは、制御システムが環境に作用するメカニズムです。制御システムは、単純なもの（固定された機械または電気システム）、ソフトウェアベース（プリンタドライバ、ロボット制御システムなど）、人間、またはその他の入力のいずれかになります。^[2]
双方向トランスデューサーは、物理現象を電気信号に変換したり、電気信号を物理現象に変換したりすることができます。本質的に双方向性のトランスデューサーの例としては、アンテナが挙げられます。アンテナは、無線波（電磁波）を電気信号に変換して無線受信機で処理したり、送信機からの電気信号を無線波に変換したりできます。別の例としては、ボイスコイルがあります。ボイスコイルは、スピーカーで電気オーディオ信号を音に変換したり、ダイナミックマイクで音波をオーディオ信号に変換したりするために使用されます。^[2]
トランシーバーは同時双方向機能を統合します。最もよく見られる例は、無線トランシーバー(航空機ではトランスポンダーと呼ばれます) で、事実上あらゆる形態のワイヤレス(電気) 通信およびネットワークデバイス接続で使用されます。別の例としては、医療用超音波 (エコー) スキャンなどに使用される超音波トランシーバーがあります。

アクティブトランスデューサーとパッシブトランスデューサー

パッシブトランスデューサは、励起信号と呼ばれる外部電源を必要とします。信号はセンサによって変調され、出力信号を生成します。たとえば、サーミスタは電気信号を生成しませんが、電流を流すことで、サーミスタの電流または電圧の変化を検出して抵抗を測定することができます。 ^[5]^[2]

対照的に、能動型トランスデューサーは、追加のエネルギー源を必要とせずに、外部刺激に応答して電流を生成し、出力信号として機能します。そのような例としては、フォトダイオード、圧電センサー、光起電力センサー、熱電対などがあります。^[5]

特徴

トランスデューサーの評価に使用される仕様の一部:

ダイナミックレンジ：これは、トランスデューサーが効果的に変換できる最大振幅信号と最小振幅信号の比率です。 ^[2]ダイナミックレンジが大きいトランスデューサーは、より「感度」が高く、正確です。
再現性: これは、同じ入力によって刺激されたときにトランスデューサーが同一の出力を生成する能力です。
ノイズ: すべてのトランスデューサーは、出力にランダムなノイズを追加します。電気トランスデューサーの場合、これは回路内の電荷の熱運動による電気ノイズである可能性があります。ノイズは、大きな信号よりも小さな信号を劣化させます。
ヒステリシス: これは、トランスデューサーの出力が現在の入力だけでなく過去の入力にも依存する特性です。たとえば、ギアトレインを使用するアクチュエータにはバックラッシュがある場合があります。これは、アクチュエータの動作方向が反転すると、ギアの歯の間の遊びによって、アクチュエータの出力が反転する前にデッドゾーンが発生することを意味します。

アプリケーション

電磁

アンテナ– 伝播する電磁波を伝導する電気信号に変換します
磁気カートリッジ– 相対的な物理的動きを電気信号に変換します
テープヘッド、ディスク読み取り書き込みヘッド–磁気媒体上の磁場を電気信号に変換します。
ホール効果センサー–磁場レベルを電気信号に変換する
ピックアップ– 金属弦の動きを感知し、電気信号（交流電圧）を誘導します。

電気化学

電気機械

電気機械入力はメーターやセンサーに供給され、電気機械出力デバイスは一般的にアクチュエータと呼ばれます。

電気音響

スピーカー、イヤホン– 電気信号を音に変換します（増幅信号 →磁場→動き→ 空気圧）
マイク– 音を電気信号に変換する（空気圧 →導体/コイルの動き→磁場→ 電気信号）^[2]
触覚トランスデューサー– 電気信号を振動に変換します（電気信号 → 振動）
サーモフォン– 電気信号を温度変動に変換し、音に変換します（電気信号 → 細い導体の周期的な加熱→ 温度波 → 音波）
圧電結晶– 固体結晶の変形（振動）を電気信号に変換します
受振器– 地面の動き（変位）を電圧に変換します（振動 → 導体/コイルの動き →磁場→ 信号）
蓄音機のピックアップ– (空気圧 →動き→磁場→ 電気信号)
ハイドロフォン– 水圧の変化を電気信号に変換する
ソナートランスポンダー（水圧→導体/コイルの動き→磁場→電気信号）
超音波トランシーバーは、超音波（電気から変換）を送信するだけでなく、対象物からの音の反射後にそれを受信し、それらの対象物を画像化するために役立ちます。

電気光学

光電式とも呼ばれる:

蛍光灯– 電力を非干渉性光に変換する
白熱電球– 電力を非干渉性光に変換する
発光ダイオード– 電力を非干渉性光に変換する
レーザーダイオード– 電力をコヒーレント光に変換する
フォトダイオード、フォトレジスタ、フォトトランジスタ、光電子増倍管– 変化する光のレベルを電気信号に変換します
光検出器または光抵抗器または光依存抵抗器（LDR） - 光レベルの変化を電気抵抗の変化に変換する
ブラウン管（CRT） – 電気信号を視覚信号に変換する

静電気

電位計

熱電

抵抗温度検出器（RTD） – 温度を電気抵抗信号に変換します
熱電対– 金属接合部の相対温度を電圧に変換する
サーミスタ（PTC抵抗器とNTC抵抗器を含む）

ラジオ音響

ガイガー・ミュラー管– 入射する電離放射線を電気インパルス信号に変換する
無線受信機– 電磁波を電気信号に変換します。
無線送信機– 電気信号を電磁送信に変換します。

参照

参考文献

^ Agarwal, Anant; Lang, Jeffrey H. (2005).アナログおよびデジタル電子回路の基礎. アムステルダム: Elsevier. p. 43. ISBN 9780080506814。
^ abcdefg ワイナー、イーサン (2013)。「パート 3」。プラズマスピーカー。ニューヨークおよびロンドン: フォーカルプレス。ISBN 978-0-240-82100-9。
^ Fraden J. (2016). 現代センサーハンドブック: 物理、設計、アプリケーション第 5 版. Springer. p.1
^ Kalantar-zadeh, K. (2013). センサー: 入門コース 2013 版. Springer. p.1
^ ab Fraden J. (2016). 現代センサーハンドブック: 物理、設計、アプリケーション第 5 版. Springer. p.7

外部リンク

閉ループホール効果電流トランスデューサの紹介
連邦規格1037C、1996年8月7日：トランスデューサー
屈曲波で動作する平らな柔軟なダイヤフラムを備えた音響変換器

[1] Agarwal, Anant; Lang, Jeffrey H. (2005).アナログおよびデジタル電子回路の基礎. アムステルダム: Elsevier. p. 43. ISBN 9780080506814。

[Audio1-2] ワイナー、イーサン (2013)。「パート 3」。プラズマスピーカー。ニューヨークおよびロンドン: フォーカルプレス。ISBN 978-0-240-82100-9。

[3] Fraden J. (2016). 現代センサーハンドブック: 物理、設計、アプリケーション第 5 版. Springer. p.1

[4] Kalantar-zadeh, K. (2013). センサー: 入門コース 2013 版. Springer. p.1

[Fraden_p7-5] Fraden J. (2016). 現代センサーハンドブック: 物理、設計、アプリケーション第 5 版. Springer. p.7

種類