電気と磁気の?館

No.22 温度センサの知恵くらべ

過去の記事を整理・一部リライトして再掲載したものです。 古い技術情報や、 現在、TDKで扱っていない製品情報なども含まれています。

バイメタルは温度センサの大ベテラン

 「三寒四温」というお天気用語があります。冬季、三日ほど寒さの厳しい日があると、そのあと四日ほど寒気がゆるんだ暖かいが日が続くという意味。俳句の冬の季語にもなっていますが、昨今は地球温暖化のせいか、三寒四温にも乱れが生じているようです。
 気温測定用の温度計のことを寒暖計といいます。エレキテルを製作した平賀源内はじめ、江戸時代の発明家たちは寒暖計の製作に多大な情熱を注ぎました。といって気象観測に関心があったわけではありません。江戸時代には養蚕業が発達して、カイコの飼育にきめ細かな温度管理が必要とされたのが一因といわれています。カイコは寒さが苦手なため、三寒四温といった気温変化にとくに注意がはらわれたのです。
 蘭学者・宇田川榕庵は鉄と真ちゅうのバイメタルを利用したユニークな寒暖計を考案しています。バイメタルとは膨張率が異なる2種の金属板を貼り合わせたもの。膨張率の大きな金属のほうがより伸縮が大きいので、温度変化によって“反り”が生じます。この反りで文字盤の針を動かし温度を計測します。
 これと同じ原理のバイメタル式温度計は、今も身の回りで使われています。掛け時計などに組み込まれている温度計は、ゼンマイ状に巻いたバイメタルに取り付けた針が温度表示しています。バイメタルの伸縮はわずかですが、ゼンマイ状にすることで、コンパクトながら大きな変位で針を動かすことができるのです。クッキング温度計にもバイメタル式温度計が利用されています。細長い棒状の感温部にバイメタルを格納させるために、バイメタルをらせん(へリックス)状に巻いているのがポイント。簡単ながら巧妙なアイデアです。なかには天ぷら用の揚げ箸に温度計を組み込んだものあります。

 

バイメタルの原理

 

バイメタル式温度計 クッキング温度計

■ フェライトを利用した電気炊飯器のサーモスイッチ機構

 バイメタルは電気コタツなどで温度調節するサーモスタットとしても古くから使われてきました。原理はすこぶる単純で、温度変化によるバイメタルの反りで、電気接点を機械的に開閉する仕組みです。
 1950年代半ばに登場し、主婦層の圧倒的支持を得て台所に電化革命をもたらしたのは電気炊飯器です(電気釜とも呼ばれました)。電熱器と鍋でも米は炊けますが、電気炊飯器がすぐれているのは、炊きあがると自動的にスイッチが切れる機構をもつこと。焦がしたり、消し忘れによる火災の心配がありません。
 電気炊飯器のサーモスイッチにはフェライトと磁石がたくみに利用されました。磁性体であるフェライトは通常は磁石に吸いつきますが、ある温度(キュリー温度)以上になると磁性体としての性質を失い、磁石に吸いつかなくなります。電気炊飯器では釜底の下にフェライトが置かれ、スイッチを入れると磁石がフェライトに吸着するようになっています。炊いている間も磁石はフェライトに吸着したままですが、炊き上がって水分が少なくなり、釜底の温度が上昇しはじめると、やがてフェライトは磁性体としての性質を失います。すると、それまで吸いついていた磁石は、バネの力で引き戻されてスイッチが切れるという仕組みです。これまたシンプルながら絶妙なアイデアです。
 その後、電気炊飯器は保温機能や予約タイマー機能、マイコンによるきめ細かな熱加減制御機能などを搭載して、電子ジャー炊飯器へと進化していきましたが、その原点はフェライトと磁石を利用したサーモスイッチ機構にあったのです。

電気コタツのサーモスタットの基本構造

 

電気炊飯器のサーモスイッチのしくみ(模式図)

■ 電子機器の温度センサの主役はNTCサーミスタ

 トランジスタやICなどによる電子回路となじみのよい温度センサとして、NTCサーミスタがあります。サーミスタとは“温度に敏感な抵抗体(Thermal Sensitive Resistor)”を意味する英語の略語で、温度上昇とともに抵抗値が下がる性質(負特性=NTC)をもつ半導体セラミックス材料を用いたのがNTCサーミスタです。
 NTCサーミスタの応用例として、最も身近なのは電子体温計です。電子体温計は先端部にとりつけたNTCサーミスタと、本体に格納した発振回路や判定回路、液晶表示部、ボタン電池などからなる小さな電子機器。温度によって変化するNTCサーミスタの抵抗値を周波数に変換し、基準となる周波数と比較することで温度を液晶表示します。従来の水銀温度計とくらべて計測が速く、有害な水銀を使っていないので、たとえ破損しても安全ということで、家庭用体温計の主流として定着しました。
 NTCサーミスタは電子回路における温度補償(temperature compensation)用としても重要な働きをしています。トランジスタや水晶振動子などを用いた電子回路は温度変化によって動作が微妙に不安定になります。そこで、温度上昇とともに抵抗値が下がる性質をもつNTCサーミスタを回路に組み込むことで、安定した回路動作を保たせます。これを温度補償といいます(補償とは、補正とか埋め合わせという意味)。
 かつてNTCサーミスタは、半導体セラミックスを電極ではさんだ単板タイプが使われていましたが、電子機器の小型・軽量化ニーズに対応して、積層チップタイプが主流となっています。サーミスタ素材は半導体セラミックスであるため、小型化と特性の両立にはきわめて高度な技術が求められます。反面、サーミスタ素材の選択や内部電極の重なり面積の設計などにより、さまざまな特性のNTCサーミスタが得られるのは積層タイプならではのメリット。携帯電話やノートパソコンといった電子機器のみならず、カーエレクトロニクス分野などでも活躍する電子部品です。

 

電子体温計とNTCサーミスタ

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