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21世紀のセンサ計測技術


2005年には我が国のインターネット人口が7,700万人に達すると予測される今日、テラビット級(Tbit/s)の高速・大容量通信が必須となる時代はもうそこまで来ている。光通信技術はこの様な用途に最も適した技術であり、波長多重分割(WDM)技術を中心に今まさに大きく花開こうとしている。
最近の科学技術における進歩は急速であり、センシング機器においても変革の時を迎えています。今後、数年で現況のセンサの中には性能向上や価格競争で淘汰される物も多数予想されます。また、マイクロマシーニング技術やバイオ技術により多数の新しいセンサの出現が予想されています。本書ではこれらセンサ産業を取り巻く技術・利用動向と市場状況に焦点を当てて下記の項目を中心にして調査いたしました。

○最近のセンサ機器開発動向と新しい応用分野につき150ページにおよぶ解説をしています。使用上の注意事項などの解説も加え、さらにセンサ購入連絡先の一覧表を収録しました。
21世紀の有望分野として、災害防止、情報セキュリテイ、環境、画像処理、光センサ、社会資本・産業機器のメンテナンス、ライフサイエンス、ITS等に利用されるセンサ応用の動向を紹介しました。
○センシング機器の市場規模、応用分野別の市場動向の解説を統計、特許出願を分析して詳報しています。

   □体裁 A4判 350ページ
   □価格 本体65,000円+消費税
   □送料 弊社負担
   □発行 2000年12月

章 目 次

第1章序
第2章センサの技術と主な製品
第3章センサ応用技術の最前線
第4章センサの市場
第5章課題と展望
附録

詳 細 目 次

第1章序  
1.1センシング技術 1
1.1.1センサの定義 2
1.1.2センシング技術の役割 2
1.1.3周辺技術の進歩とセンサ 3
(1)センサ用材料の開発動向 3
A.新複合材料 4
B.マイクロマシニング材料 5
(2)加工技術の進歩 5
A.薄膜形成技術 5
(イ)レーザーアブレーション成膜法(ロ)ゾル・ゲル法  
B.バルクマイクロマシーニング 7
(イ)ドライエッチングによる3次元加工(ロ)ウエット3次元加工  
C.SPMによる微細加工 9
(3)情報処理技術 10
A.ファジイ処理 10
B.ニューラルネットワーク 11
C.センサフュージョン 11
(4)センサ開発のシミュレーション技術 11
1.2センサの種類と用途 11
(1)測定対象別分類 12
(2)測定原理別分類 13
第2章センサの技術と主な製品  
2.1物理センサ 15
2.1.1温度センサ 15
(1)温度センサの種類 15
A.接触式温度センサ 16
(イ)熱電対(ロ)測温抵抗体(ハ)サーミスタ(ニ)感温フェライト  
B.非接触温度センサ 21
(2)温度センサの応用 22
A.熱電対による温度計測 22
(イ)熱電対の接続(ロ)直線性の補償(ハ)安全対策  
B.測温抵抗体による温度計測 23
(イ)白金測温抵抗体の端子と使い方(ロ)測定温度誤差の低減  
C.サーミスタ 26
(イ)用途(ロ)NTCサーミスタの応用(ハ)PTCサーミスタの応用
D.感温フェライトの応用 29
E.赤外線センサの応用 31
(イ)赤外線センサによる温度計側における留意点  
(ロ)赤外線温度センサの応用  
2.1.2磁気センサ 33
(1)磁界センサの種類 33
A.ホール素子 34
B.磁気抵抗素子(MRE) 34
C.巨大磁気抵抗効果素子(GMR) 35
D.磁気インピーダンス効果センサ 36
E.超伝導量子干渉素子(SQUID) 36
(2)磁界センサの応用 36
A.ホールモータへの応用 37
B.磁気ヘッド 37
C.電流センサ 39
(イ)CT(ロ)磁束測定法(ハ)磁気インピーダンス素子の応用  
D.SQUID 42
2.1.3圧力センサ 43
(1)圧力センサの種類 44
A.半導体圧力センサ 44
B.静電容量型圧力センサ 45
C.共振型圧力センサ 47
D.電気抵抗型 48
E.人工サファイア小型圧力センサ 48
(2)圧力センサの応用 49
A.産業分野での応用 49
B.自動車用応用 51
C.血圧測定への応用 51
D.圧力、差圧発信器 52
(イ)差圧発信器(ロ)圧力発信器  
2.1.4光センサ(光強度、光束、赤外線センサ) 54
(1)光センサの種類 54
A.光起電力素子 55
(イ)フォトダイオード(ロ)フォトトランジスタ  
(ハ)アバランシェフォトダイオード  
B.光導電素子 58
C.イメージセンサ 58
(イ)CCD(ロ)CMOSセンサ  
D.赤外線検出センサ 59
(イ)赤外線センサ  
(ロ)赤外線イメージセンサ  
焦電型イメージセンサ  
電界誘起焦電型イメージセンサ  
ボロメータ型イメージセンサ  
(2)光センサの応用 62
A.光電センサ(光電スイッチ) 63
B.光学式外形測定 63
C.イメージセンサの応用 64
D.カラーセンサの応用 65
E.赤外線イメージセンサの応用 67
F.バーコードリーダ 68
2.1.5音、超音波センサ 69
(1)音、超音波のセンサの種類 70
A.音のセンサ 70
(イ)マイクロフォン  
(1)動電型マイクロフォン(マグネチックマイクロフォン)  
(2)コンデンサマイクロフォン(静電型)  
(3)セラミックマイクロフォン(圧電型)  
B.超音波センサ 71
(2)音、超音波センサの応用 73
A.音センサの応用 73
(イ)異常音の検出(ロ)音声認識の応用  
B.超音波センサの応用 75
(イ)物体検出(ロ)医用診断機器への応用(ハ)アコースティックエミッション  
2.1.6力、重量センサ 76
(1)力、重量センサの種類 77
(イ)ストレインゲージ(ロ)ロードセル(ハ)トルクセンサ  
(1)ストレインゲージ方式  
(2)光センサによる検出  
(2)力、重量センサの応用 80
(イ)ストレインゲージの使用法(ロ)ロードセルの応用(ハ)トルクセンサの応用
2.1.7位置、変位、角度センサ 84
(1)位置、変位、角度センサ 84
A.位置、変位センサ 85
(イ)渦電流検出方式(ロ)静電容量型(ハ)差動変圧器  
(ニ)ポテンショメータ(ホ)光電スイッチ(ヘ)超音波変位センサ  
(ト)光量変化式(光ファイバー変位計)  
(チ)光学式3角測量(光学式変位センサ)(リ)空気圧式(ヌ)磁気光学効果型  
B.角度、回転センサ 90
(イ)レゾルバ(ロ)ロータリーエンコーダ
C.ジャイロセンサ 91
(イ)機械式ジャイロ  
(ロ)振動ジャイロ  
(a)音片形ジャイロ(b)音さ型ジャイロ(c)H形ジャイロ
(ハ)光ジャイロ  
(a)リングレーザジャイロ(b)光ファイバジャイロ  
(2)変位、角度スイッチの応用 95
A.近接スイッチの応用 95
B.光電スイッチの応用 96
C.近接センサ(変位計)の応用 97
D.磁気光学効果型センサの応用 97
E.超音波変位センサの応用 100
F.ジャイロセンサの応用 100
G.タッチパネルセンサと応用 101
(イ)各タッチ方式の特徴  
(1)容量結合オーバーレイ方式(2)投影型容量結合方式  
(3)容量結合タッチペン方式(4)抵抗膜方式  
2.1.8流量、流速センサ 103
(1)流量、流速センサの種類 103
A.電磁流量計 103
B.超音波流量計 104
C.渦流量計 105
D.コリオリ式質量流量計 106
E.差圧式 107
F.熱式 107
G.パドルセンサ 107
(2)流量センサの応用 108
2.1.9レベルセンサ 110
(1)レベルセンサの種類 109
A.投げ込み式水位計 110
B.フロート式レベル計 110
C.サーミスタ式レベル計 110
D.光学式レベルセンサ 110
(2)レベルセンサの応用 111
A.投げ込み式水位計の応用 111
B.タンク内の液位計測 112
2.1.10振動、衝撃、加速度センサ 113
(1)振動、衝撃、加速度センサの種類 113
A.振動センサ 114
B.加速度センサ 114
(イ)圧電型加速度センサ(ロ)容量方式の加速度センサ  
(ハ)歪みゲージ式加速度センサ(ニ)サーボ型加速度センサ  
(2)振動、衝撃、加速度センサの応用 118
A.加速度計の応用 118
B.地震計 119
2.1.11回転数、回転数速度センサ 120
(1)回転数、回転数速度センサの種類 121
A.タコジェネレータ 121
B.騒音や振動による回転計測 121
(2)回転計測の応用 122
2.1.12放射線センサ 122
(1)放射線センサの種類(2)放射線センサの応用 122
2.1.13電位センサ 123
(1)電位センサの種類(2)電位センサの応用 125
2.1.14光ファイバーセンサ 126
(1)光ファイバーセンサの種類 126
A.散乱特性を用いたセンサ 127
B.ファイバー干渉計を用いたセンサ 127
C.光吸収、蛍光、発光を用いたセンサ 127
D.偏光角度の変化、屈折率変化を用いたセンサ 128
E.ファイバーグレーティングを利用したセンサ 128
(2)ファイバーセンサの応用 128
A.OTDR(OpticalTIMEDOMAInREFLECTOMETRY) 128
B.温度、歪み計測 129
C.電流計測 129
D.光ファイバー分析センサ 130
2.2化学センサ2.2化学センサ 131
2.2.1湿度、ガスセンサ 131
(1)湿度、ガスセンサの種類 132
A.湿度センサ 132
(イ)セラミック湿度センサ(ロ)感湿材型湿度センサ  
B.熱式湿度センサ 133
C.ガスセンサ 134
(イ)電気抵抗式ガスセンサ(ロ)熱線半導体ガスセンサ  
(ハ)接触燃焼式ガスセンサ(ニ)水晶振動子ガスセンサ  
(ホ)固体電解質センサ  
(1)起電力式センサ  
(2)限界電流センサ  
(ヘ)電気化学ガスセンサ 138
(2)湿度、ガスセンサの応用 139
(イ)自動車における酸素計測(ロ)低価格COセンサ  
(ハ)においセンサ  
2.2.2溶液、成分センサ 142
(1)溶液・成分センサの種類 142
A.イオン感応型FET(ISFET) 142
B.膜電位 143
(2)溶液、成分センサの応用 144
2.3バイオセンサ 144
2.3.1バイオセンシング材料とトランスジューサ 145
(1)センシング材料(2)トランスデューサ  
2.3.2バイオセンサの種類 146
(1)センサの種類 146
A.酵素センサ 146
B.微生物センサ 146
C.免疫センサ 147
(イ)表面プラズモンセンサ(SPR)  
(2)バイオセンサの応用 148
A.酵素センサの応用 148
(イ)グルコースセンサ(ロ)脂質センサ(ハ)その他の酵素センサ  
B.免疫センサの応用 149
C.微生物センサの応用 149
D.表面プラズモンセンサ 150
第3章センサ応用技術の最前線  
3.1安全で豊かな社会とセンシング技術 152
3.2安全な生活享受のための災害防止センシング 153
3.2.1防災技術とセンサ 153
(1)地震予知のセンサ 153
A.地殻変動計測による地震予知 154
B.物理探査法 155
(2)洪水予知のセンサ 156
A.多元的気象情報 157
B.洪水防止システムとセンシング 158
3.2.2防犯用センサシステム 159
(1)入退室管理システム 159
(2)侵入警備システム 159
A.進入警戒システム 160
B.赤外線監視カメラ 161
(3)火災予知技術におけるセンサ 161
A.電気設備の火災予知 161
B.画像センシング 162
3.2.3情報セキュリティ技術におけるセンサ 163
(1)バイオメトリクス 164
A.指紋センサ 164
B.虹彩(アイリス) 167
C.網膜 167
D.筆跡認証(サイン) 167
E.音声(声紋)認識 167
F.掌形 167
G.その他 167
(2)情報化社会におけるバイオメトリスク個人認証の応用 167
3.3環境を改善するためのセンシング技術 171
3.3.1地球環境センシング 172
(1)リモートセンシング 172
(2)リモートセンシングに用いられるセンサ 172
A.改良型大気周縁赤外分光計 172
B.レーザレーダ 174
C.合成開ロレーダ 174
3.3.2大気中の環境汚染物質の計測 176
(1)連続計測装置への取り組み 177
A.有害ガス検出に用いられる光電光度定量テープ 177
B.マイクロカンチレバーを応用したセンサ 177
C.可変波長レーザによる微量気体検出センサ 178
D.固体電解質センサ 180
(イ)CO2センサ(ロ)炭化水素センサ  
E.その他の研究 183
(2)NOXガスセンサ最近の研究動向 183
A.半導体型 184
B.固体電解質型 184
C.その他のセンサ 185
(3)ダイオキシン計測とセンサ 185
A.超音速分子ジェット分光法 186
B.イムノアッセイ法(酵素免疫測定)を利用したダイオキシン検出法 187
(イ)簡易測定キット(ロ)Ah受容体を利用した簡易分析  
C.代替指標物質(ダイオキシン前駆体)の計測 190
D.表面プラズモン共鳴センサ 190
(4)においの計測 191
A.においの計測 191
(イ)半導体においセンサによるにおい識別センサ
(ロ)水晶発振子センサ
B.悪臭の計測 194
3.3.3廃棄物処理とセンサ 195
(1)廃棄物リサイクルとセンサ 196
A.近赤外光によるプラスチックボトルの判別システム 196
B.画像処理によるプラスチックボトルの判別システム 198
(2)汚泥のリサイクルとセンサ 200
(3)データ処理によるセンシング 201
3.3.4省エネを実現するセンサ 202
(1)温室効果ガスの排出状況 202
(2)燃費の向上を目指すセンサ 203
(3)省エネ照明制御システム 205
A.人感知センサ 205
B.ネットワーク型照明制御システム 206
3.3.5水質環境計測 208
(1)オンライン計測装置 208
A.オンライン全有機炭素計(TOC) 208
B.IER法 209
(2)注目される環境汚染物質検出分野におけるバイオセンサの応用 210
A.重金属類の計測 210
B.農薬類の計測 211
(イ)酵素センサ(ロ)免疫センサ  
3.4応用の広がる画像センシング技術 212
3.4.1固体撮像素子による画像センシング 212
(1)CCDの開発状況 213
(2)CMOSの開発動向 213
(イ)セルアンプ型  
(1)CMOS・APS  
(2)AMI  
(3)BCAST  
(ロ)フォトトランジスタ型  
(ハ)アバランシェフォトダイオード型  
(ニ)ラインアンプ型  
3.4.2光センサを用いた形状計測 217
(1)3次元計測への応用 217
(イ)格子パターン(縞)投影法による計測(ロ)3次元スキャナー  
(2)ロボット、自動検査機器への3次元計測法の応用 220
(3)形状計測の性能向上 222
(イ)色情報による3次元形状測定法(ロ)光干渉計測法の改善
3.5光センサの開発と応用 225
3.5.1ファイバーセンサの応用 225
(1)光ファイバージャイロ 225
(イ)光ファイバージャイロの種類と応用  
(ロ)干渉方式(I-FOG)  
(ハ)次世代光ジャイロ技術  
(2)ファイバーグレーティングの開発動向と応用 230
(イ)ブラッググレーティング(FBG)による温度、歪みの多点センシング  
(ロ)長周期ファイバーグレーティングのセンサ応用  
(ハ)放射モード結合型ファイバーグレーティング  
(3)光ファイバーネットワークセンシングの多点検知と連続検知 233
(イ)光ファイバーグレーティングによる多点送電線荷重監視  
(ロ)光ファイバーグレーティングを用いた光式水位計  
3.5.2微弱近赤外光検出と応用 235
(1)極微弱光の検出法 235
(2)近赤外検出用センサの開発 235
(イ)近赤外光電子増倍管  
(ロ)近赤外アバランシェフォトダイオードの開発  
(3)大口径光検出器の開発と応用 238
(4)2次元アレイ検出器の応用 241
3.6保守分野におけるセンサ技術の開発と応用 246
3.6.1産業分野における保守センシング 246
(1)設備異常予知のセンシング技術開発動向 246
A.絶縁異常診断 246
B.回転体の異常診断 247
C.熱交換器の超音波応用による異常診断技術 248
D.漏油の連続監視センシング 249
3.6.2構造体の保守管理 250
(1)劣化診断法 250
A.トンネルの維持管理と自動打音検査分析装置 250
B.光ファイバセンサによる歪み計測 251
C.連続走査画像撮影装置 252
(2)コンクリート自身による劣化自己検出 253
(3)圧電塗料による亀裂及び振動センサ 254
3.6.3光通信線路におけるセンシング 255
(1)光通信の高度化に対応した保守技術の開発動向 256
(2)リフレクトメトリーの高分解能化 256
3.7ライフサイエンスの発展に寄与するセンシング技術 258
3.7.1診断機器におけるセンサ応用 259
(1)超高感度磁気センサを用いた生体磁場計測 259
(2)リアルタイムX線センサの開発 261
3.7.2ライフサイエンスにおける計測技術 263
(1)微細加工技術を用いたμ・TAS分析技術 263
(2)DNA解析装置 264
A.DNA自動分析装置 265
B.DNAチップ 266
C.遺伝子センサ 268
3.7.3高齢化社会における在宅医療と健康管理システムのセンシング 269
(1)在宅健康管理 270
A.センシングシステムの研究 270
B.健康管理と情報通信ネットワーク 271
(2)看護におけるセンシング 273
A.室内挙動監視 273
B.徘徊老人探索システム 274
C.在宅ケアとセンシング 275
(イ)在宅療養センサ(ロ)緊急通報  
3.8日常生活に直結するセンシング技術 277
3.8.1豊かな生活を支える家電製品の進歩とセンサ 278
(1)家電機器とセンサ 278
(2)家電製品用センサのインテリジェント化 279
(3)家電用機器におけるセンサの応用 279
A.電子ジャー炊飯器 279
(イ)センシング技術(ロ)知能化センサ  
B.洗濯機 281
(イ)負荷検知システム(ロ)アンバランス検知システム  
3.8.2安全で美味な食品製造のためのセンサ 283
(1)HACCP法の導入とセンシングの役割 284
A.温度計測 284
B.水分活性の計測 284
C.pHの計測 285
(2)おいしさを計測するセンサ 285
A.五感と計測 286
(イ)脂質膜を用いた味覚センサ(ロ)近赤外光による計測  
(3)新鮮さの計測 288
A.K-値の計測 288
B.腐敗臭の計測 288
C.生菌の計測 289
3.9ITSを支えるセンサ技術 290
3.9.1先進安全自動車(ASV:AdvancedSAFETYVEHICLE)計画とセンシングの現況 292
3.9.2カーエレクトロニクスとしての車載センサの技術開発動向 293
(1)ミリ波センサ 294
(2)加速度センサ、ジャイロセンサ 294
(3)路面センサ 295
(4)その他のセンサ 296
3.9.3インフラのインテリジェント化 296
(1)安全性向上のためのセンシング 296
(2)AHS(走行支援道路システム)におけるセンシング 296
(3)実用化の始まったETC 299
第4章センサの市場  
4.1センサ市場の概要 304
4.2センサ市場の状況 305
4.2.1個々の対象別センサの推移 306
(1)光、赤外線センサ 306
A.固体撮像素子 307
B.光起電力 307
(2)磁界、磁束センサ 307
A.変化磁束検出 307
B.ホール効果 308
(3)位置、角度、変位センサ 308
A.光線、赤外線 309
B.機械的変位 309
(4)温度センサ 309
A.サーミスタ 309
B.熱起電力センサ(熱電対など) 310
(5)圧力センサ 310
A.抵抗変化型 310
B.プロセス用圧力計 310
(6)音、超音波センサ 311
(7)力、重量センサ 311
(8)流量、流速センサ 311
(9)レベルセンサ 311
(10)振動、衝撃、加速度センサ 311
(11)回転数、回転数速度センサ 311
(12)ガス湿度センサ 312
(13)溶液、成分センサ 313
4.2.2応用分野別市場の状況 313
(1)汎用分野 313
(2)情報(OA)分野 314
(3)交通、車載分野 314
(4)家電分野 315
(5)プロセス分野 316
(6)FA分野 316
(7)その他の分野 317
4.3特許から見たセンサ産業の動向 317
4.3.1主要センサの特許動向 317
(1)固体撮像(素子)装置 317
(2)光ファイバーセンサ 320
(3)磁気ヘッド 323
4.3.2注目出願特許 327
第5章課題と展望  
5.1社会の要求への対応 328
5.1.121世紀のセンサのあり方 328
5.1.221世紀に期待される主要な研究テーマ 329
(1)生物機能のセンシングへの応用 329
A.生体情報処理機能と応用 329
B.五感の計測 329
C.バイオセンシング 329
(2)健康な生活を続けるためのセンシング 330
(3)安全な生活のためのセンシング 330
A.防災センシング 330
B.環境計測 330
C.交通輸送におけるセンシング 330
(4)環境維持のセンシング 330
A.省エネルギー技術におけるセンシング 331
B.リサイクル技術におけるセンシング 331
C.保守、保全におけるセンシング 331
(6)ロボット技術の向上 331
(7)DNA解読センシング 332
(8)情報の収集のためのセンシング 332
(9)プロセスオートメーション 332
5.1.3個々のセンサの動向 332
(1)今後需要が拡大すると思われるセンサ 332
A.C-MOSエリアセンサ(固体撮像素子) 332
B.磁気ヘッド 332
C.フォトカプラ 333
D.NTCサーミスタ 333
E.ジャイロセンサ 333
F.コンデンサマイクロフォン 333
G.バイオセンサ 333
(2)需要は継続するが拡大しないセンサ(横ばい) 333
A.圧力センサ 333
B.CCDリニアセンサ 333
C.近接センサ 333
D.ホール素子、ホールIC 334
E.ガスセンサ 334
F.流量センサ 334
5.2技術的ブレークスルー 334
5.2.121世紀に向けての新しい技術動向 334
(1)システムオンチップLSIの設計時間短縮とPOD(ProductOnDEMAnD)の実現1) 334
(2)超感度センサ 335
5.2.2基本技術の進展 336
(1)材料技術 336
(2)加工技術 336
(3)情報処理技術 336
5.3まとめ 337
附録  
1.最近の代表的な固体撮像装置、光ファイバーセンサ、磁気記録装置の特許例 338
2.主要なセンサ関連企業と連絡先一覧表 339
 

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