ホール効果センサー

ホール効果センサー（ホールセンサーまたはホールプローブとも呼ばれる）は、1 つ以上のホール素子を組み込んだセンサーであり、各ホール素子はホール効果（物理学者エドウィン・ホールにちなんで名付けられた）を使用して、磁場ベクトルBの 1 つの軸成分に比例した電圧を生成します。

ホールセンサーは、近接検知、位置決め、速度検知、電流検知などの用途に使用され^[1]、産業用および民生用のアプリケーションで一般的です。ホールセンサー集積回路（IC）は、毎年約50社のメーカーによって数億個販売されており^[2]、世界市場は約10億ドルに上ります。^[3]

ホールセンサーでは、ホール素子トランスデューサーと呼ばれる金属の薄いストリップの1つの軸に沿って、固定のDCバイアス電流^{[4]が適用されます。}別の軸に沿ったホール素子の反対側にあるセンシング電極は、電極の軸全体の電位差（電圧）を測定します。電流の電荷キャリアは、その流れに垂直な磁場の存在下でローレンツ力によって偏向します。センシング電極は、電流の軸とセンシング電極の軸の両方に垂直な磁場の軸方向成分に比例した電位差（ホール電圧）を測定します。 ^[5]

ホール効果センサーは、静磁場と変化する磁場の両方に反応します。（対照的に、 誘導センサーは磁場の変化にのみ反応します。）

ホール効果デバイスは、非常に低い信号レベルを生成するため、増幅が必要です。20世紀前半に利用可能だった真空管 アンプ技術は、実験室の機器に限定されていた日常的なホール効果センサー用途には大きすぎ、高価で、電力を消費しすぎました。初期のトランジスタ技術でさえ適していませんでした。ホール効果センサーが大量使用に適したものになったのは、低コストのシリコンチップベースの集積回路(IC) マイクロ技術の開発によってのみでした。今日ホールセンサーとして販売されているデバイスには、上記のセンサーと高ゲイン IC アンプの両方が 1 つのパッケージに含まれています。これらのホールセンサー IC は、アンプに加えて安定した電圧レギュレーターを追加して、広範囲の電源電圧で動作できるようにし、ホール電圧を増幅して、磁場成分に比例した便利なアナログ信号出力を実現します。^[4]場合によっては、線形回路によってホールセンサーのオフセット電圧がキャンセルされることがあります。さらに、駆動電流の AC 変調によっても、このオフセット電圧の影響が軽減されることがあります。

ホールセンサは、その出力が入射磁界強度に比例する場合、リニアと呼ばれます。この出力信号は、アナログ電圧、パルス幅変調(PWM) 信号、または最新のバスプロトコルを介してデジタル通信することができます。^[6]ホールセンサは、感度が電源電圧に比例する場合、レシオメトリックであることもあります。磁場が適用されていない場合、静止出力電圧は通常、電源電圧の半分です。^[7]レールツーレール出力の場合もあります(例: A1302)。^[8]

ホール素子はアナログデバイスですが、ホールスイッチIC にはしきい値検出回路が追加で組み込まれ、 2 つの状態 (オンとオフ) を持つ電子スイッチを形成し、バイナリデジタル信号を出力することがよくあります。

出力は、異なる電源電圧を使用するICとの互換性のために、オープンコレクタ NPNトランジスタ（またはオープンドレインn型MOSFET ）である場合があります。 ^[4]ホールセンサー信号出力線で電圧が生成されるのではなく、出力トランジスタがオンになり、信号出力線を介して接地回路が提供されます。

シュミットトリガーフィルタリングを適用（またはICに統合）して、センサーノイズに強いクリーンなデジタル出力を提供することができます。スイッチングのヒステリシスしきい値（B _OPおよびB _RPとして指定）により、デジタルホールICはユニポーラスイッチ^[9] 、オムニポーラスイッチ^[10]、またはバイポーラスイッチ^[11]（ラッチと呼ばれることもあります）に分類されます。^[12]ユニポーラ（例：A3144）^[13]は、スイッチングしきい値が磁場の1つの極性のみにあることを意味します。オムニポーラスイッチには、正極性と負極性の2つのスイッチングしきい値セットがあり、強い正の磁場または強い負の磁場で交互に動作します。

バイポーラスイッチには正の B _OPと負の B _RPがあります(したがって、動作には正と負の両方の磁場が必要です)。B _OPと B _RPの差は、ラッチと呼ばれるバイポーラスイッチの方が大きくなる傾向があります。ラッチは 1 つの状態に長く留まり (つまり、最後の値にラッチします)、状態を変更するにはバイポーラスイッチよりも強い磁場が必要です。「バイポーラ」と「ラッチ」の命名の違いは多少恣意的である可能性があります。たとえば、Honeywell SS41F のデータシートでは「バイポーラ」と説明されていますが、他のメーカーは同等の仕様を持つ SS41F ^[14]を「ラッチ」と説明しています。

ホール素子は、磁場ベクトルの感知軸成分のみを測定します。その軸成分は正または負になる可能性があるため、一部のホール センサーは、その大きさに加えて、軸成分のバイナリ方向を感知できます。2 次元方向を決定するには、追加の垂直方向ホール素子 (例: § デュアル ホール センサー IC) を組み込む必要があり、磁場ベクトルの完全な 3 次元成分を検出するには、別の垂直方向ホール素子を追加する必要があります。

ホールセンサーICはソリッドステートデバイスであるため、機械的摩耗の影響を受けにくい。そのため、機械式センサーよりもはるかに高速で動作でき、寿命は機械的な故障によって制限されない（ポテンショメーター、電気機械式 リードスイッチ、^[15] リレー、その他の機械式スイッチやセンサーとは異なります）。ただし、ホールセンサーは、環境条件の変化による熱ドリフトや、センサーの寿命にわたる時間ドリフトの影響を受けやすい場合があります。^[16]

ホール効果デバイスは（適切に梱包されている場合）、ほこり、汚れ、泥、水の影響を受けません。これらの特性により、ホール効果デバイスは、光学式や電気機械式の検知などの代替手段よりも位置検知に適しています。

実用的なホールセンサーの帯域幅は数百キロヘルツに制限されており、市販のシリコン製ホールセンサーは一般的に10～100kHzに制限されています。2016年現在^{[アップデート]}、市場で入手可能な最速のホールセンサーは1MHzの帯域幅を備えていますが、非標準の半導体を使用しています。^[17]

周囲からの磁束 (他のワイヤなど) により、ホール プローブが検出しようとしている磁場が弱まったり強まったりして、結果が不正確になる場合があります。ホール センサーは、地球の磁場を含む漂遊磁場を簡単に検出できるため、電子コンパスとして十分に機能します。ただし、これは、このような漂遊磁場が小さな磁場の正確な測定を妨げる可能性があることも意味します。この問題を解決するために、ホール センサーは、多くの場合、何らかの磁気シールドと統合されています。

電磁システム内の機械的位置は、ホール効果を使用せずに、光学式位置エンコーダ（アブソリュート エンコーダやインクリメンタル エンコーダなど）と、変圧器に挿入された金属コアの量を動かすことによって生じる誘導電圧を使用して測定できます。ホール効果を光感応方式と比較すると、ホール効果で絶対位置を取得するのは困難です。

単一のホール素子は外部磁場の影響を受けやすいが、2つのホール素子を差動構成にすることで、測定値から漂遊磁場をキャンセルすることができる^{[18] 。これは、}差動信号を使用してコモンモード電圧信号がキャンセルされる方法に類似している。

ホール効果センサーには特に以下の材料が適しています。^[19]

• ガリウムヒ素(GaAs)
• インジウムヒ素(InAs)
• リン化インジウム(InP)
• インジウムアンチモン(InSb)
• グラフェン

ホール効果センサーは、回転速度センサー（自転車の車輪、歯車、自動車の速度計、電子点火システム）、流体流量センサー、電流センサー、圧力センサーなど、さまざまなセンサーに使用できます。ホールセンサーは、内燃機関の 点火タイミング、タコメーター、アンチロックブレーキシステムなど、車輪とシャフトの速度を計測するためによく使用されます（図1を参照）。

一般的な用途としては、機械式スイッチやポテンショメータに代わる堅牢で非接触の代替品が求められる場合がよくあります。これには、電動エアソフトガン、電空式ペイントボールガンのトリガー、ゴーカートの速度制御、スマートフォン、一部の全地球測位システムなどがあります。

バイナリ スイッチとして使用されるホール センサーの最も一般的な産業用途の 1 つは、位置検出です (例: 図 2)。

ホール効果センサーは、スマートフォンのカバー（小さな磁石が内蔵されている）が閉じられているかどうかを検出するために使用されます。^[20]

一部のコンピュータ プリンターでは、ホール センサーを使用して紙切れやカバーの開閉を検出し、一部の 3D プリンターではホール センサーを使用してフィラメントの厚さを測定します。

ホールセンサーは、燃料タンク内の浮遊要素の位置を検出することにより、一部の自動車の燃料レベルインジケーターに使用されています。^[21]

磁化された指示針を持つ機械式ゲージに取り付けられたホールセンサーは、機械式指示針の物理的な位置や方向を、電子指示器、制御装置、通信装置で使用できる電気信号に変換することができます。^[22]

ホール効果磁力計（テスラメーターまたはガウスメーターとも呼ばれる）は、ホール素子を備えたホールプローブ^{[23]を使用して}、磁束漏れの原理を使用して磁場を測定したり、材料（チューブやパイプラインなど）を検査したりします。ホールプローブは、校正されたホール効果センサーを使用して磁場の強さを直接測定するデバイスです。磁場には方向と大きさがあるため、ホールプローブからの結果はプローブの方向と位置に依存します。

ホールセンサは変流器内の直流電流の非接触測定に利用されることがある。このような場合、ホールセンサは電流導体の周囲の磁気コアの隙間に取り付けられる。^[24]その結果、直流磁束を測定し、導体内の直流を計算することができる。

電子が導体を流れると、磁場が発生します。したがって、非接触型電流センサーまたは電流計を作成できます。デバイスには3つの端子があります。センサー電圧は2つの端子に印加され、3番目の端子は感知される電流に比例した電圧を提供します。これにはいくつかの利点があります。追加の抵抗（最も一般的な電流感知方法で必要なシャント）を一次回路に挿入する必要はありません。また、感知されるライン上の電圧はセンサーに伝達されないため、測定機器の安全性が向上します。

ホールセンサーをフェライトリングに組み込むと（図参照）、電流の磁場の磁束密度がフェライトリングに沿って、またセンサーを通って集中します（磁束は空気中よりもフェライト中をはるかによく流れるため）^{[4] 。これにより、漂遊磁場の相対的な影響が100分の1以下に大幅に減少します。この構成では、}信号対雑音比とドリフト効果も、裸のホールデバイスに比べて20倍以上改善されます。

特定のフィードスルー センサーの範囲は、適切な配線によって上下に拡張することもできます。範囲を低電流に拡張するには、開口部を通して電流を流すワイヤーを複数回巻き付けます。巻き付けるたびにセンサーの出力に同じ量が追加されます。センサーをプリント基板に取り付ける場合は、基板上のステープルで巻き付けることができます。範囲を高電流に拡張するには、電流分配器を使用します。分配器は、幅の異なる 2 本のワイヤーに電流を分割し、全体の電流のより少ない割合を流す細いワイヤーがセンサーを通過します。

リング センサーのバリエーションでは、ラインにクランプされる分割センサーが使用され、デバイスを一時的なテスト機器で使用できるようになります。 永久的な設置で使用する場合、分割センサーを使用すると、既存の回路を解体せずに電流をテストできます。

出力は、印加された磁場と印加されたセンサー電圧の両方に比例します。磁場がソレノイドによって印加される場合、センサー出力は、ソレノイドを流れる電流とセンサー電圧の積に比例します。計算を必要とするほとんどのアプリケーションは現在、小型のデジタル コンピューターによって実行されるため、残っている有用なアプリケーションは、単一のホール効果デバイスで電流検出と電圧検出を組み合わせた電力検出です。

負荷に供給される電流を感知し、デバイスの印加電圧をセンサー電圧として使用することで、デバイスによって消費される電力を決定し、電力計を形成することができます。

モーション センシングやモーション リミット スイッチに使用されるホール効果デバイスは、過酷な環境でも高い信頼性を発揮します。センサーや磁石には可動部品がないため、従来の電気機械式スイッチに比べて寿命が延びています。さらに、センサーと磁石は適切な保護材で包まれている場合もあります。

ホール効果センサーは、ディストリビューターの点火タイミング（および噴射パルスタイミング、速度検知などの一部のクランクおよびカムシャフト位置センサー）で一般的に使用されており、以前の自動車用途で使用されていた機械式ブレーカーポイントの直接的な代替品として使用されます。さまざまなディストリビューター タイプでの点火タイミング デバイスとしての使用法は次のとおりです。固定永久磁石と半導体ホール効果チップがエアギャップで分離されて隣り合って取り付けられ、ホール効果センサーを形成します。

ウィンドウまたはタブで構成された金属ローターがシャフトに取り付けられ、シャフトの回転中にウィンドウまたはタブが永久磁石と半導体ホール チップ間の空隙を通過するように配置されています。これにより、タブまたはウィンドウがホール センサーを通過するかどうかに関係なく、ホール チップが永久磁石の磁場に効果的に遮蔽され、露出されます。点火タイミングの目的で、金属ローターには、エンジン シリンダーの数と一致する同じサイズのウィンドウまたはタブがいくつか用意されています (#1 シリンダー タブは、エンジン コントロール ユニットによる識別のために常に一意になります)。

遮蔽時間と露出時間が等しいため、方形波に似た均一な出力が生成されます。この信号は、エンジン コンピューターまたは ECU によって点火タイミングを制御するために使用されます。

車輪の回転を感知することは、アンチロック ブレーキ システムで特に役立ちます。このようなシステムの原理は、アンチスキッド機能以上のものを提供するために拡張および改良され、現在では車両のハンドリングをさらに強化しています。

一部のブラシレスDC電気モーターは、ホール効果センサーを使用してローターの位置を検出し、その情報をモーターコントローラーに送信します。これにより、より正確なモーター制御が可能になります。3ピンまたは4ピンのブラシレスDCモーターのホールセンサーは、ローターの位置を感知し、トランジスタを正しい順序で切り替えます。^[25]

ホール効果スラスタ（HET）は、宇宙船が軌道に乗ったり宇宙空間に飛び出したりした後に、その推進に使用される装置です。HETでは、原子が電離され、電場によって加速されます。スラスタ上の磁石によって確立された放射状の磁場は、電子を捕捉するために使用されます。電子は軌道を回り、ホール効果により電場を生成します。中性推進剤が供給されるスラスタの端と、電子が生成される部分の間に大きな電位が生成されます。そのため、磁場に捕捉された電子は、より低い電位まで低下できません。そのため、電子は非常にエネルギーが強く、中性原子を電離することができます。中性推進剤がチャンバーに送り込まれ、捕捉された電子によって電離されます。次に、正イオンと電子が準中性プラズマとしてスラスタから放出され、推力が生成されます。生成される推力は極めて小さく、質量流量は非常に低く、有効排気速度/比推力は非常に高いです。これは、数百ミリニュートンの推力に対して 4 kW 程度の非常に高い電力要件を犠牲にして達成されます。

ホールセンサーICにはデジタルエレクトロニクスが統合されていることが多い。^[26]これにより、センサー特性の高度な補正（温度係数補正など）やマイクロプロセッサシステムへのデジタル通信が可能になり、入力診断、過渡状態の障害保護、短絡/開回路検出のためのインターフェースが提供される場合があります。

一部のホールセンサICにはDSPが搭載されており、センサパッケージ内で直接、より多くの処理技術を利用できるようになります。^{[1] : 167}

一部のホールセンサICは、アナログ-デジタルコンバータとI2C（集積回路間通信プロトコル）ICを統合し^、マイクロコントローラのI/Oポートに直接接続します。[ 27 ^]

ESP32マイクロ コントローラにはホールセンサーが内蔵されており、理論的にはマイクロコントローラの内部アナログ-デジタルコンバータで読み取ることができるが、動作しない。^[28]

ホールセンサーは通常、少なくとも3つのピン（電源、グランド、出力用）を必要とします。しかし、2線式ICは電源ピンとグランドピンのみを使用し、代わりに異なる電流レベルを使用してデータを通信します。複数の2線式ICを1つの電源ラインで動作させれば、配線をさらに削減できます。^[29]

コンピュータキーボード用のホール効果スイッチは、1960年代後半にハネウェル社のエベレット・A・ヴォルスマンとジョセフ・T・モーピンによって開発されました。^[30]製造コストが高かったため、これらのキーボードは航空宇宙や軍事などの高信頼性アプリケーションにのみ使用されることが多かった。大量生産コストが下がるにつれて、消費者向けモデルが増えてきました。

ホール効果センサーは、一部の高性能ゲーミングキーボード（ SteelSeries、Wooting、Corsairなどの企業製）にも搭載されており、スイッチ自体に磁石が内蔵されています。^[31]

セガは1990年代からセガサターン3Dコントローラー^[32]とドリームキャストの標準コントローラー^[33]にホール効果センサーを採用してきましたが、ホール効果センサーは2020年代初頭からようやく民生用ゲームコントローラーでの使用が普及し始め、特にアナログスティック/ジョイスティックとトリガー機構で使用されています^[34]。これは、非接触、高解像度、低遅延の位置と動きの測定によるエクスペリエンスの向上と、機械部品がないため寿命が長いためです。

ホール効果センシングの用途は産業用途にも拡大しており、現在ではホール効果ジョイスティックを使用して油圧バルブを制御し、従来の機械式レバーを非接触センシングに置き換えています。このような用途には、採掘トラック、バックホーローダー、クレーン、掘削機、シザーリフトなどがあります。

一部の IC には 2 つのホール素子が含まれています。これは、一連の増分 (増分エンコーダ) をカウントしてリニアエンコーダまたはロータリー エンコーダを作成するのに役立ちます。これにより、磁石の移動または回転の配置によって、直交エンコードパターンとして感知される交互の磁気パターンが生成されます。^[4]このパターンをデコードして、移動の速度と方向の両方を提供したり、単にカウント アップとカウント ダウンして位置または角度を決定したりできます。(ホール素子が 1 つしか使用されていない場合は、リニア エンコーダまたはロータリー エンコーダの方向を決定できません)。ダイ上で互いに正確な距離を置いて配置された 2 つの素子は、同じ方向に向けるか、^[35]この場合、磁極間のピッチは、理想的にはホール素子間のピッチの 2 倍である必要があります。^[4]または、ホール素子を 90 度に向け、2 軸で感知することもできます。^{[36] [37]}

• リードスイッチ
• MEMS磁場センサー

• naveed, A.; Ihn, T.; Ensslin, K.; Papp, G.; Peeters, F.; Maranowski, K.; Gossard, AC (2006). 「走査ゲート実験における古典的ホール効果」(PDF) . Phys. Rev. B . 74 (16): 165426. Bibcode :2006PhRvB..74p5426B. doi :10.1103/PhysRevB.74.165426. hdl : 10067/613600151162165141 . S2CID  121163404.
• Nave, R.「ホール効果」。ハイパー物理学。ジョージア州立大学物理学・天文学部。 2021年4月20日閲覧。

• ウィキメディア・コモンズのホールセンサー関連メディア