ホール効果の原理とホール効果センサの動作を理解する

このチュートリアルでは、ホール効果とは何か、ホール効果センサがどのように機能するかを解説します。動画または記事で学習できます。

概要

ホール効果は磁場を測定する最も一般的な手法であり、ホール効果センサは幅広い現代的用途で活用されています。車両のホイール速度センサ、クランクシャフト/カムシャフト位置センサ、スイッチ、MEMSコンパス、近接センサなどが代表例です。これらのセンサの動作を見る前に、まずホール効果自体を説明します。

薄い導電板に電流を流すと、電荷キャリアは板の一方から他方へ直線的に流れます。

ここに磁場を近づけると、ローレンツ力により電荷キャリアの直線的な流れが乱されます。電子は板の片側に、正孔は反対側に偏向します。これにより、板の他の二辺間に測定可能な電圧が発生します。

この現象、すなわち磁場中で電流を流す導体の幅方向に電圧が生じることを、1879年にエドウィン・ホールが発見したことにちなみ「ホール効果」と呼びます。

基本的なホール素子の出力は非常に小さく（ガウスあたり数マイクロボルト）、通常は高利得アンプを内蔵して製造されます。

ホール効果センサには、アナログ出力型とデジタル出力型の2種類があります。

電圧レギュレータ、ホール素子、アンプで構成されます。出力はホール素子の出力、すなわち磁場強度に比例した連続的なアナログ値となります。このリニアな出力特性を活かし、近接測定などに用いられます。

「ON」または「OFF」の2状態のみを出力します。シュミットトリガを追加し、ヒステリシス（2つの異なる閾値）を持たせることで、出力をハイ/ローの明確な2値にします。シュミットトリガの詳細については別途解説しています。

代表例がホール効果スイッチです。3DプリンタやCNC工作機械のリミットスイッチ、産業オートメーションにおける検出・位置決めなどに使用されます。

ホイール/ローターの回転速度（RPM）測定や、エンジンのクランクシャフト/カムシャフト位置特定にも用いられます。ホール素子と永久磁石を、回転軸に取り付けた歯車の近くに配置します。

センサと歯車の隙間は非常に小さく、歯が通過するたびに周囲の磁場が変化し、センサ出力がハイ/ローに切り替わります。これにより矩形波信号が得られ、回転軸のRPM計算が容易になります。

産業技術