ホール効果センサー

ホール効果素子は非常に低い信号レベルしか生成しないため、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、日常的なホール効果センサ用途には大きすぎ、高価すぎ、消費電力も大きすぎたため、実験室用機器に限られていました。初期のトランジスタ技術でさえ不向きでした。ホール効果センサ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）マイクロテクノロジーの開発によってのみでした。現在ホールセンサとして販売されているデバイスは、上述のセンサと高利得ICアンプの両方を1つのパッケージに内蔵しています。これらのホールセンサICは、アンプに加えて安定した電圧レギュレータを追加することで、広い電源電圧範囲での動作を可能にし、磁場成分に比例した便利なアナログ信号出力のためにホール電圧を増幅することができます。^{[ 4 ]}場合によっては、線形回路がホールセンサのオフセット電圧を打ち消すことがあります。さらに、駆動電流のAC変調もこのオフセット電圧の影響を軽減することができます。

ホールセンサの出力が入射磁場強度に比例する場合、ホールセンサは線形と呼ばれます。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で通信することができます。^{[ 7 ]}ホールセンサの感度が供給電圧にも比例する場合、ホールセンサは比率型である場合もあります。磁場が印加されていない場合、静止時の出力電圧は通常、供給電圧の半分になります。^{[ 8 ]}レールツーレール出力を持つ場合もあります。^{[ 9 ]}

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は、しきい値検出回路をさらに組み込んで、オンとオフの2つの状態を持ち、バイナリデジタル信号を出力する電子スイッチを形成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 ]}ホールセンサーの信号出力線で電圧が発生する代わりに、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される回路が提供されます。

ホール素子は、磁場ベクトルの検出軸成分のみを測定します。この軸方向成分は正負どちらの値も取り得るため、一部のホールセンサでは、軸方向成分の大きさに加えて、その方向も検出できます。2次元方向を検出するには、垂直方向に配置されたホール素子（例えば、§ デュアルホールセンサIC）を追加する必要があります。また、磁場ベクトルの3次元成分全体を検出するには、さらに垂直方向に配置されたホール素子を追加する必要があります。

ホールセンサICは固体素子であるため、機械的な摩耗を受けにくい。そのため、機械式センサ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、電気機械式リードスイッチ^{[ 16 ]}リレー、その他の機械式スイッチやセンサとは異なる）。ただし、ホールセンサは、環境条件の変化による熱ドリフトや、センサの寿命にわたる時間ドリフトを受けやすい。^{[ 17 ]}

ホール効果素子は（適切なパッケージングが施されていれば）埃、汚れ、泥、水などの影響を受けにくい。これらの特性により、ホール効果素子は光学式や電気機械式センシングといった他の方法よりも位置検出に適している。

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、市販のシリコン製センサーは一般的に10～100kHzに制限されている 。2016年現在市場で入手可能な最速のホールセンサーは帯域幅が1MHzです が、非標準の半導体を使用しています。^{[ 18 ]}

周囲（他の電線など）からの磁束は、ホールプローブが検出しようとする磁場を弱めたり強めたりする可能性があり、測定結果の精度を低下させる可能性があります。ホールセンサーは、地球の磁場を含む迷走磁場を容易に検出できるため、電子コンパスとして有効ですが、同時に、そのような迷走磁場​​が微弱な磁場の正確な測定を妨げる可能性も意味します。この問題を解決するために、ホールセンサーには何らかの磁気シールドが組み込まれていることがよくあります。

電磁システム内の機械的な位置は、ホール効果を用いずに、光学式位置エンコーダ（例えば、絶対位置エンコーダやインクリメンタルエンコーダ）と、変圧器に挿入された金属芯の移動量によって生じる誘導電圧を用いて測定することができる。ホール効果を光感応法と比較すると、ホール効果では絶対位置を取得するのが難しい。

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

ホール効果センサーは、スマートフォンのカバー（小さな磁石を含む）が閉じているかどうかを検出するために使用されます。^{[ 21 ]}

コンピュータープリンターの中には、ホールセンサーを使って用紙の欠落やカバーの開きを検出するものがあり、3Dプリンターの中には、フィラメントの太さを測定するためにホールセンサーを使用するものもある。

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で、一部の自動車燃料レベルインジケーターに使用されています。^{[ 22 ]}

磁化された指示針を備えた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または向きを、電子指示器、制御装置、または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。^{[ 23 ]}

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」^{[ 24 ]}を使用して、磁束漏洩の原理を利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、校正済みのホール効果センサーを使用して磁場の強度を直接測定する装置です。磁場には大きさだけでなく方向もあるため、ホールプローブの結果はプローブの位置だけでなく向きにも依存します。

ホールセンサは、変流器の直流電流を非接触で測定するために使用できます。この場合、ホールセンサは電流導体の周囲の磁気コアのギャップに取り付けられます。^{[ 25 ]}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ます。

導体を電子が流れると磁場が発生します。そのため、非接触式の電流センサや電流計を作ることが可能です。このデバイスには3つの端子があります。2つの端子間にセンサ電圧を印加し、3つ目の端子からは検出対象の電流に比例した電圧が得られます。これにはいくつかの利点があります。まず、一次回路に余分な抵抗（最も一般的な電流検出方法で必要なシャント抵抗）を挿入する必要がありません。また、検出対象のラインに存在する電圧がセンサに伝達されないため、測定機器の安全性が向上します。

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素子は、過酷な環境下でも高い信頼性を発揮します。センサーや磁石内部に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長くなります。さらに、センサーと磁石は適切な保護材で封止することも可能です。

ホール効果スラスタ（HET）は、宇宙船が軌道に乗った後、あるいはさらに宇宙空間へと進む際に推進力を得るための装置です。HETでは、原子が電場によってイオン化され加速されます。スラスタに取り付けられた磁石によって生成される放射状の磁場は、電子を捕捉するために使用され、捕捉された電子はホール効果によって軌道を描き、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部と電子が生成される部分の間には大きな電位差が生じるため、磁場に捕捉された電子は低い電位に落下することができません。そのため、電子は非常に高いエネルギーを持ち、中性原子をイオン化することができます。中性推進剤はチャンバー内に送り込まれ、捕捉された電子によってイオン化されます。その後、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、推力が発生します。発生する推力は極めて小さく、質量流量が非常に低く、有効排気速度／比推力が非常に高い。これは、推力1ニュートンあたり数十kWという非常に高い電力消費を伴う。

ホールセンサICは、多くの場合デジタル電子回路を統合しています。^{[ 27 ]}これにより、センサ特性の高度な補正（温度係数補正など）、マイクロプロセッサシステムとのデジタル通信が可能になり、入力診断、過渡状態の故障保護、短絡/断線検出のためのインターフェースを提供することができます。

ホールセンサICの中にはDSPを内蔵しているものもあり、センサパッケージ内で直接より多くの処理技術を実行できる。^{[ 1 ]： 167}

ホールセンサICの中には、アナログ-デジタル変換器と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ポートに直接接続できるものがある。^{[ 28 ]}

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はずですが、実際には動作しません。^{[ 29 ]}

ホールセンサは通常、少なくとも3本のピン（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は、配線をさらに削減するために、1本の電源ラインから動作させることができます。^{[ 30 ]}

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のエベレット・A・ヴォルトマンとジョセフ・T・モーピンによって開発されました。^{[ 31 ]}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限定されることが多かった。大量生産コストが低下するにつれて、消費者向けモデルがますます多く入手可能になりました。

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などの企業が製造）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る。^{[ 32 ]}

セガは1990年代からセガサターン3Dコントローラー^{[ 33 ]}やドリームキャスト純正コントローラー^{[ 34 ]}でホール効果センサーの使用を先駆的に行いました。しかし、ホール効果センサーが消費者向けゲームコントローラーで人気を集め始めたのは2020年代初頭からで、特にアナログスティック/ジョイスティックやトリガー機構^{[ 35 ]}において、非接触で高解像度かつ低遅延の位置と動きの測定、そして機械部品がないため長寿命であることから、より優れた体験が得られるようになりました。

ホール効果センシングの応用分野は産業分野にも拡大しており、現在ではホール効果ジョイスティックを用い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る。こうした応用例としては、鉱山用トラック、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挙げられる。

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、一連の増分をカウントして (インクリメンタル エンコーダ) 、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、移動または回転する磁石の配置によって、直交エンコードパターンとして検出される交互の磁気パターンが生成されます。^{[ 4 ]}このパターンは、移動の速度と方向の両方を提供するためにデコードしたり、単にカウントアップおよび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、リニア エンコーダまたはロータリー エンコーダの方向は決定できません)。ダイ上で互いに正確な距離で配置された 2 つの素子は、同じ方向に配向することができます。^{[ 36 ]}この場合、磁極間のピッチは、ホール素子間のピッチの 2 倍であることが理想的です。^{[ 4 ]}あるいは、ホール素子を 90 度で配向して、2 軸でのセンシングを提供することもできます。^{[ 37 ] [ 38 ]}