デジタルホール効果センサー：ユニポーラ・オムニポーラ・バイポーラ・ラッチスイッチの違い

ホール効果スイッチとラッチの理解：極性、ヒステリシス、実用応用

ホール効果デバイスは精密な磁界コンパレーターです。磁束密度——一般にBフィールドと呼ばれる——を事前定義された閾値と比較し、バイナリ結果を出力します。デジタル（オン/オフ）ホールセンサーの4つの主要カテゴリーは、ユニポーラスイッチ、バイポーラスイッチ、オムニポーラスイッチ、ラッチです。

各タイプの伝達関数へ入る前に、議論全体で繰り返し登場するBフィールド極性の概念を明確にしておくことが重要です。

Bフィールド極性の定義

ホールセンサーは本質的に方向性を持ち、感度軸と一致する磁束密度成分のみを検知します。図1は2つの一般的なセンサーパッケージの感度軸を示します。

印加磁界が感度軸に沿った成分を生成する場合、Bフィールドは正と見なされます。逆に、軸と反対方向の成分は負です。図2は、位置Aのセンサーが負のBフィールドを経験するシナリオを示します。

センサーの感度軸がz軸と一致すると仮定すると、磁石の磁界線——北極から発し南極で終端する——はセンサー位置で負のBフィールドを生成します。多くのメーカーは慣習として、磁石の南極がセンサーのブランド面（前面）を向くと正のBフィールド、北極が向くと負のBフィールドと定義します。この慣習は磁石の極がブランド面を向いている場合にのみ成り立ち、向きを反転させると無効になります。

ほとんどのホールデバイスは単一次元で、単一軸のみを検知しますが、マルチエレメントICは三軸感度を提供できます。

ユニポーラスイッチ

図3はユニポーラスイッチの動作を示します。

その閾値——B_OP（動作点）とB_RP（解放点）——は正のBフィールド領域にのみ存在します。センサーは南極（正）磁界のみに応答し、北極（負）磁界は効果を持ちません。ゆえに「ユニポーラ」と呼ばれます。

北極磁界が印加され、磁界強度が正方向へ増加すると、印加BがB_OPを超えるまでセンサーはオフ（ロジックハイ）のままです。その瞬間、出力はロジックローへ反転します。その後磁界が減少すると、BがB_RPを下回るまでセンサーはオン状態を維持し、その時点でロジックハイへ戻ります。この非対称な閾値設定がヒステリシスを導入し、機械的振動や電磁ノイズによる急速な出力変動を防ぎます（図4）。

ヒステリシス幅はB_HYS = B_OP – B_RPで定義されます。センサー内部回路により出力の論理状態が反転する場合がありますが、スイッチング動作は同一です。

オムニポーラスイッチ

オムニポーラスイッチは、磁界大きさが閾値を超えると極性に関わらず作動します。図5は伝達関数を示します。

|B| > B_OPでセンサーがオン（ロジックロー）、|B| < B_RPでオフ（ロジックハイ）になります。同じ大きさのB_OPとB_RPが正負両方の磁界に適用され、対称的な動作を提供します。

ホール効果ラッチ

図6はラッチの動作を示します。

ラッチは正のB_OPと負のB_RPを持ちます。B > B_OPでオン、B < B_RPでオフになります。これらの閾値の間——すなわちB_RPからB_OPまでのヒステリシス領域——では、磁界がゼロを通過しても出力は変化しません。結果として、ラッチは反対極性で十分な大きさの磁界が印加されるまで状態を「保持」します。

ラッチはBフィールドの大きさと極性の両方を検知するため、リング磁石の極性が交互に変化する回転用途に最適です（図7）。

ラッチの場合、動作点と解放点は大きさが等しく符号が反対です（B_OP = –B_RP）。

バイポーラスイッチ

バイポーラスイッチは最大B_OPと最小B_RPを提供しますが、正確な閾値は個体ごとに変動します。図8は同一製造ロットからの3つのサンプル応答を示します。

デバイス1とデバイス3は同じ極性の閾値（両方負または両方正）を持ち、デバイス2は正のB_OPと負のB_RPを持つラッチ類似の応答を示します。Allegroの「バイポーラスイッチホール効果IC基礎」ノートによれば、バイポーラスイッチの約10%のみがデバイス1や3のような挙動を示し、大半はラッチタイプの振る舞いをします。

バイポーラスイッチはラッチより狭いヒステリシス帯（B_HYS = B_OP – B_RP）と高い感度を提供できますが、個体間変動があるため、指定閾値範囲全体で堅牢な動作を保証するには慎重な設計が必要です。

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