デジタル磁気センサーの基礎

デジタル磁気センサーは、外部磁場の存在の影響として、出力スイッチがオン状態とオフ状態を切り替えるデバイスです。ホール効果の物理的原理に基づくこのタイプのデバイス、 近接、測位、速度、および電流検出センサーとして広く使用されています。機械式スイッチとは異なり、機械的摩耗がなく、特に重要な環境条件でも動作できるため、長持ちするソリューションです。デジタル磁気センサーは、非接触動作、メンテナンスの欠如、堅牢性、振動、ほこり、液体に対する耐性などの機能のおかげで、特に自動車や家庭用電化製品の分野でますます普及しています。

たとえば、自動車分野では、これらのセンサーは位置、距離、速度を検出するために使用されます。エンジン内部ではクランクシャフトの位置を特定するために使用され、客室ではシートとシートベルトの位置（エアバッグ制御システムを操作するための基本情報）を検出するために使用され、ホイールではそれらが使用されます。 ABSが必要とする回転速度を検出します。

動作原理

各磁気センサーの心臓部はホール素子で表され、その出力電圧（ホール電圧とも呼ばれ、V _H で示されます） ）は、半導体材料を通過する磁場の強度に正比例します。この電圧は数マイクロボルトのオーダーの非常に低いため、オペアンプ、電圧コンパレータ、電圧レギュレータ、出力ドライバなどの他のコンポーネントの設計に含める必要があります。出力の種類に応じて、磁気センサーは、アナログ出力電圧が磁場の強さに比例して変化する線形と、出力が2つの状態しか想定できないデジタルに分けられます。どちらの場合も、V _H 電圧は次の式を満たします：

V _H =R _H ・（（b・I）/ t）

ここで、V _H はボルト単位のホール電圧、R _H はホール効果係数、Iはアンペア単位でセンサーを流れる電流、tはmm単位のセンサーの厚さ、Bはテスラ単位の磁束密度です。 図1 は一般的な線形ホール効果センサーのブロック図を示していますが、図2 デジタルセンサーを指します。ホール要素は図1 で表されます 「X」が付いた四角いボックスで、タイプによっては、センサーに同じタイプの複数のセルが含まれる場合があります（差動磁場を検出するために2つ、方向または動きを検出するために3つ必要です）。インターフェイスの柔軟性を高めるために、アナログセンサーには通常、差動アンプの出力に接続されたオープンエミッタ、オープンコレクタ、またはプッシュプルトランジスタが含まれています。 2つの方式の主な違いは、デジタル出力を備えたセンサーに、オペアンプに接続されたヒステリシスが組み込まれたシュミットトリガーが含まれていることです。

図1：線形（アナログ出力）ホール効果センサーのブロック図

センサーを通過する磁束が一定のしきい値を超えると、出力がオフからオンに切り替わります。ヒステリシスは、センサーが磁場に出入りするときの出力信号の振動を排除するために使用されます。ホール効果に基づくデバイスは、ユニポーラセンサーとバイポーラセンサーに分けられます。双極センサーは、動作のために正の磁場（南極）を必要とし、解放のために負の磁場（北極）を必要とします。ユニポーラセンサーは、動作と解放の両方に単一の磁極（南極）を必要とします。さらに、センサーは通常、電磁界がない場合はオフ状態（開回路）で出力を生成し、十分な強度の正しい磁場にさらされた場合はオン状態（閉回路）で出力を生成するように設計されています。極性。

図2：デジタルホール効果センサーのブロック図

アプリケーション

特定の種類のアプリケーションに関係なく、ホール効果センサーを正しく動作させるための基本的な要件は、磁束線が常にセンサー表面に垂直であり、正しい極性を持っていることです。デジタル磁気センサーのアプリケーションは、自動車、家庭用電化製品、電気医療システム、電気通信、産業プロセスの制御など、多くあります。位置センサーは、磁石とセンサーの間のスライド運動を検出するために使用され、2つの要素は非常に短い距離に配置されます。磁石とセンサーの間の相対的な動きは、センサーが南に向かって移動するときに正の磁場を生成し、センサーが北極​​に向かって移動するときに負の磁場を生成します。

位置を決定するためにいくつかの手法を利用できます。たとえば、アプリケーションで限定された個別の位置が必要な場合は単純なスイッチを使用でき、より高い精度が必要なアプリケーションではマイクロプロセッサと組み合わせて線形デバイスを使用できます。位置センサーまたは近接センサーを使用して液体のレベルを監視することもでき、洗濯機や食器洗い機などの家電製品に使用できます。この場合、フロートに配置された磁石と組み合わせて、いくつかのホールスイッチが使用されます。

フロートがチューブ内で上昇すると、ハウジングの外側に配置された対応する個別のスイッチがアクティブになり、水位をデジタル表示します。もう1つの重要なアプリケーションは、速度が機械的転流ではなく電気的転流によって制御されるDCブラシレスモーターに関するものです。この点で、3つのデジタル磁気センサーがモーターステーターに配置され、永久磁石がローターシャフトに配置されます。自動車セクターは、世界の磁場センサー市場のリーダーとして浮上しており、市場シェアの40％以上を占めています。複数の安全機能を自動車に統合する需要の高まりにより、横滑り防止装置（ESC）やアンチロックブレーキシステム（ABS）などのいくつかの安全関連アプリケーションで活用されるホールセンサーの機会が生まれました。

位置検出用のデジタル磁気センサーの例は、Allegro MicroSystemsA1210-A1214デバイスファミリーです。自動車用途向けのAEC-Q100認定を取得した、A121xシリーズセンサーは、拡張温度範囲での安定した連続動作、堅牢なEMC性能、および高いESD定格を備えた高い信頼性を提供します。 A1210-A1214ホール効果ラッチには、単一のシリコンチップ上に、電圧レギュレータ、ホール電圧ジェネレータ、小信号増幅器、シュミットトリガー、およびNMOS出力トランジスタが含まれます。

これらのデバイスの出力は、ホール素子に垂直な磁場が動作点のしきい値を超えると、ローに切り替わります（オンになります）。センサーはラッチ動作を特徴としています。つまり、十分な強度のS極がデバイスをオンにし、S極を取り外した後もオンのままになります。磁場がリリースポイントより下に減少すると、センサー出力がハイになります（オフになります）。磁気動作点と解放点の違いは、デバイスのヒステリシスです。

磁気センサーは、角度位置の正確な検出にも適しています。例として、AMS AS5048A / AS5048B磁気ロータリーエンコーダーがあります。これは、360°の角度位置検出用に14ビットの高解像度出力を提供するセンサーです。図3は、デバイスの主な機能ブロックであるホールセンサー、アナログ-デジタルコンバーター、およびデジタル信号処理を示しています。磁石の絶対位置は、PWM出力を介して直接アクセスでき、バージョンに応じて、標準のSPIまたは高速I²Cインターフェースを介して取得できます。ゼロ位置は、SPIまたはI²Cコマンドを介してプログラムでき、磁石を機械的に位置合わせする必要がないため、システム全体が簡素化されます。センサーは、ミスアライメント、エアギャップの変動、温度、および外部磁場の変動を許容します。信頼性、堅牢性、および広い温度範囲により、過酷な産業および医療環境での回転角検出に最適です。

図3：AS5048Aの主な機能ブロック[出典：AMS]

結論

デジタル磁気ホール効果センサーは、その堅牢性、耐久性、およびあらゆる位置検出アプリケーションでの信頼性の高い動作で、設計者の間でよく知られています。ノートパソコンの蓋の閉まりを検出するだけでも、複雑なモーター転流と正確な位置測定を実行する場合でも、ホール効果センサーは、最も過酷な環境条件でも非常に正確に位置を検出します。

S. Lovati、電子技術者およびテクニカルライターによる