PCB技術 - ホール効果センサの基本原理及び測定応用

ホール効果スイッチと計器級センサーは工業応用の中でますます普及しており、現在、製品と製造技術デザイナーは高度に集積された各種ホール効果デバイスを選択することができます。どのような仕様が必要なのか、磁場測定が必要なのかについては総じて多くの戸惑いがあるが、これらのデバイスはかなり簡単に応用できることが証明されています。

使用数では温度センサだけがやや優れているが、ホール効果センサはDVD、CD、メモリドライブ、自動玩具、携帯電話、自動車コンパス、自動車点火システムなど、国内や商業用途にも広く使用されています。線形、工業用回転装置、位置検出器、軍事/航空装置にも姿を見ることができます。

製造およびテストエンジニアは、さまざまなタイプのディスクリートホール効果センサと機器を使用して製品情報を提供し、製造プロセスステップを監視します。測定機能的には他のタイプのセンシングや機器とオーバーラップする可能性があるが、ホール効果センサはいくつかのタイプの測定にとって明らかに選択で、直流電流値、回転位置、ギャップ、表面または漏洩磁場値の測定を含む他のタイプの試験装置が必要なデータを提供できる場合もあります。ホール効果センサの履歴部分は、これらのセンサに関するいくつかの背景知識を提供します。

ホール効果センサの動作原理

ホール電圧は、ある角度で材料を通過する磁場がこの材料に流れる電流に影響を与えると発生します。ホールシートは通常、能動素子または「能動領域」としてホール電圧を発生させる矩形の半導体材料です（図1をご参考ください。）。ホールシートには所定の長さl、幅w、厚さtがあります。

図1：直流磁場を用いてホール電圧を発生し測定することができる。

ホール電圧測定

ホールチップに直交する磁束ベクトルにとって、ホール電圧VHはホールチップ磁場感度であるγBと磁場束密度Bの積、すなわち：

VH = γBB

これはホールチップ上で測定できるホール電圧です。ホールプレート表面と磁束ベクトルが直交ではなく角度をなす場合θ時、ホール電圧VHは以下の通りです：

VH = γBB × sinθ

長さlのホールプレートに電流Iが流れます。電流は接点Ic(+)とIc(-)の間を流れます。磁場はz方向、すなわちホールプレート平面に直交しています。磁場によって印加される力はLorentz力と呼ばれ、電荷担体（正孔または電子）を図示の線曲線に沿ってホールチップエッジに移動させます。この力はキャリア速度と磁場強度の係数です。幅wの材料の接点VH(+)とVH(-)の間で測定されるホール電圧は、磁場の束密度に比例します。

けいきはいち

ホール効果センサの支持装置は、電流Icを供給するための電流源と、接点VH(+)とVH(-)との間のホール電圧を試験するための電圧計とを含みます。また、図2に示すように、負荷抵抗RLを電圧測定に用いる方法もあります。多くのタイプのホール効果機器は、このような支持回路の一部を測定システムの有機的な構成部分として提供します。接点VH(+)とVH(-)からの電圧リード線は、高抵抗電圧計に直接接続して読み取りを行ったり、他の回路に接続して増幅、調整、処理を行ったりすることができます。（交流源と位相同期増幅器を用いたより複雑なシステムも使用可能であるが、本明細書で議論する範囲ではありません。）

図2：計器に使用されるホール発生器の典型的な構成。

適用

工業環境において、ホール効果素子は一般的に以下の2つの主要な応用の1つにサービスします。

●磁場強度の測定

●移動物体の接近、位置、回転パラメータを検出する

以下では各応用について議論し、ホール効果素子を効率的に使用するためのいくつかの技術を提供します。

磁場測定用計器段センサ

工業的な応用要件や磁場測定には、機器レベルのホール効果素子がよく用いられます。比較的一般的ないくつかの機器レベルの応用には、電磁場制御、半導体イオン注入ビーム制御、磁石または磁性部品の受入検査、オンライン磁化確認、磁場製図、電流検出、連続磁場暴露監視などが含まれます。これら多くの測定の代替方法として、商用のガウス計を用いることができます。しかし、実際の用途では、物理的またはコスト制約は、個別のホールセンサと商用の電子機器の使用を必要とすることが多いです。

機器レベルのホールデバイスのユーザは、通常、空間または空隙内または表面からの磁場値を求めます。測定された空間的特徴に応じて、検出素子を配置し保持するために適切な取り付け方法を使用する必要があります。

典型的なホール効果センサは、通常、横方向または軸方向の2つの構成を有します（図3）。横方向センサは一般的に薄い矩形で、磁気回路ギャップ測定、表面測定、開放磁場測定に設計されています。軸方向センサは一般に円筒体で、環状磁石中心孔測定、ソレノイド磁場測定、表面磁場検出、通常磁場検出に用いられます。

図3：横方向及び軸方向ホールセンサの基本的な幾何形状。

実用化の考慮

高品質のセンサーは、高、卓越した線形性と低温度係数を提供することができます。一般的には、特定の測定および機器のための適切なプローブを購入することができ、メーカーは較正データを提供します。

計器級ホール効果センサのいくつかの重要な実用化考慮要素は以下の通りです。

設計者は、特定の測定に必要なものを特定する必要があります。信号調整なしで1.0%〜2.0%の読み取りが可能です。多くのアプリケーションでマイクロプロセッサを使用して補正すると、0.4%の角度に達することができます。前述のように、ホールセンサ出力はホールプレートと磁場ベクトルとのなす角度です。θの双曲線コサインを返します。磁場ベクトルがデバイス平面（sin 90°=1.0）に垂直な場合は達値を出力し、磁場ベクトルがセンサ平面と等しい場合は値（0に近い）を出力します。メーカーは出力時にホールセンサを較正するので、試験治具やプローブの角度誤差を考慮する必要があります。

多くのセンサスキームは広い温度と磁場範囲をサポートすることができます。計器レベルセンサは1.5 K（-271°C）から448 K（+175°C）までの温度範囲と0.1ガウスから30万ガウスまでの磁場範囲を支持します。ホールセンサには2種類の温度係数があります。1つは磁場感度（キャリブレーション）のための温度係数で、もう1つは偏差（ゼロ）変化と関係があります。校正に対する温度の影響は示度誤差のパーセントで、ゼロ効果は温度に依存する固定磁場値誤差です。偏差変化は、低磁場示度（100ガウス未満）の場合により重要です。技術者は、メーカーが提供する2つの温度係数指標を慎重に検討し、特定のアプリケーションが目標温度範囲内で所望のものを維持できるかどうかを判断しなければなりません。

デザイナーは必要な入力電流値を理解し、規定の値を超えないように注意することをお勧めします。ホール効果素子は通常、ある電流値で較正されていることを覚えておいてください。較正電流からのずれの変化は、センサの出力を変化させます。しかし、これも利用できる特性です。電流値を超えない限り、電流倍増出力も倍増します。

前述したように、基本的な計器段ホールセンサは、4つの電気接点を有する低抵抗材料です。入力回路と出力回路は互いに分離されていないので、入力回路と出力回路の共通接続を使用することは避けなければなりません。この要件を満たすために、分離電流源または出力の差動入力増幅を使用することができます。

センサ設置代替案

いくつかの測定用途では、標準プローブの使用は非現実的または望ましくないです。対照的に、ホール効果センサは機械アセンブリに直接取り付けられます。カスタマイズされたセンサ実装方式の設計は、本文の議論の範囲を超えています。カスタマイズ方法で役立つ一般的なガイドを以下に示します。

脆性ホールセンサは特に脆弱で、曲げ応力によって損傷しやすいです。したがって、ホールチップが直接圧力を加えた表面やデバイスに接触することを避ける必要があります。いくつかの用途では、界面シートとして非導電性セラミックスまたは他の絶縁材料が使用されます。

センサーに応力を加えないようにバインド接着剤を慎重に選択する必要があります。温度変化が室温±10℃を超えない場合、普通のエポキシ（例えば5分間風乾タイプ）が良いです。腐食性の高い環境条件下でない限り、缶封は一般的には推奨されていません。他のバインド方法を使用して、センサリードの応力を軽減することもできます。例えば、これらを実装基板にバインドすることもできます。

加工キャビティ。これらのキャビティは、軸方向または横方向ホールセンサに使用することができ、センサの上部は表面下に凹んでおり、圧力接触や摩耗を防止するのに役立ちます。

試験管の取り付け。試験管取り付け方式（図4）は、軸方向ホールセンサを保護するために使用することができます。

推奨方法は、任意のカスタムインストールアプリケーションのためにロバストなセンサを選択することです。セラミックスまたはバカフェノールでカプセル化されたユニットは一般的に耐久性があります。

図4：軸方向センサは試験管内に設置することができ、その中のセンサはキャビティ内に露出したり凹んだりして保護することができます。横方向センサーは一般的に凹みに取り付けられています。

統合された近接回転センサ

ホール効果センサは、近接デバイスの磁場変化に応答する様々な線形近接検出デバイスに広く使用されています。例えば、検出された磁極はホールプレートに垂直なセンサに近いか、磁石がセンサの平面を通過する可能性があります。この運動は発生する電圧を変化させます。追加の集積回路は、ホール電圧を有意に大きなデジタル互換信号に変換します。

角度検出、回転、速度検出は同じホール効果原理試験位置の繰り返し物理的変化を使用します。回転、速度、または角度センサの場合、磁極はモータ軸などの回転物体に接続され、ホールプレートは静止しています。周知の角座標用途には、ブラシレス直流モータの転方向とエンジンクランク軸の回転角度を検出することが含まれます。近接、回転、電流検出のための様々なタイプのデバイスは、ホール効果出力によってトリガされ、他の集積電子回路に供給されるホール効果「スイッチ」の形式です。このスイッチは、検出された磁場値または近い磁場値と極性に基づいて2元の高低出力を提供します。キャリアコイルと結合すると、ホール効果スイッチは過電流回路遮断器に電流値検出を提供することもできます。

スイッチ動作モードには、主な職種は3つあります。

双極ホールスイッチ：南極と北極が同時に規定の振幅より高いことを要求して状態を変えることができ、閉鎖型スイッチとも呼ばれます。

単極順方向ホールスイッチ：極が必要です。順方向フラックス密度がマグニチュードより大きいか、値より小さいか（通常は磁場がない）に応じて状態（低または高）を変更します。

単極負方向ホールスイッチ：極が必要です。負のエネルギー密度振幅がある値より大きいか、または値より小さい（すなわち、磁場がない）ことに応じて状態（高いか低いか）を変更します。

ホールチップが置かれた磁場が出力状態を決定します。ホール効果検出器からの信号は検出され、増幅され、出力端の固体スイッチング素子を制御するために使用されます。CMOSやTTL回路などの外部論理や制御素子への接続は、外部プルアップ抵抗を伴う標準的な接続です。大量生産のため、集積ホール効果素子（図5）は通常低コストです。

図5：集積式ホール効果素子の簡略化原理図。

一般的なパッケージタイプは、表貼りまたは互換プリント配線板のリードタイプです（図6）。センサパッケージに関する正負の磁場方向は、メーカーが提供する仕様書に定義されています。

図6：ホール効果センサのパッケージタイプ。

これらのデバイスをアプリケーションでより有用にするためには、次のことを覚えておいてください。

●必要な磁場読み取り時に機器レベルのデバイスを選択する。近接検出（角度または線形）は統合型の「スイッチ」を選択する。

●磁場振幅、交流または直流磁場、交流周波数、温度範囲、外部ノイズ（磁気または電気ノイズ）などの重要なパラメータを理解する。

●よりロバストなパッケージを選択する。

●磁石を使用する準備ができたら、磁石メーカーに助けを求めてください。

ホール効果センサ履歴

1879年にエドウィン・H・ホール博士が金箔を使った実験でこのような行為をして以来、ホール効果の知識は広く伝えられてきました。現代のセンサーの開発には科学者やエンジニアの多大な時間と労力がかかったが、ホーキング氏の開発は投石の役割を果たしました。適切な材料を選択することは、遅延の原因の一部です。1950年代半ばまでは、ビスマスはセンサー開発のための実用材料でした。依然として理想的ではないが、ビスマスは十分なホール電圧と安定性を提供することができ、電磁場制御装置などの装置でセンサとして使用することができます。

1940年代に材料科学はついに画期的な進展を迎え、当時III-V族半導体はソ連の主要な研究課題でした。ドイツのシーメンス社の科学者は、新たに発見されたこれらの化合物の特性が優れたホール効果デバイス（ホール発電機）を作ることができることをまず認識しました。

このような半導体は、ホール効果の応用に必要な高いキャリア移動度と高い抵抗率を有し、可変温度条件下で優れた安定性を有します。1950年代後半になると、米オハイオ州の研究者がヒ素化インジウムとアンチモン化インジウムの独自の性能を発掘し、ホール効果に基づく製品を生産する複数の会社が誕生しました。機器レベルセンサとして、安定性、低ノイズ、温度システムなどの面でのヒ素化インジウムデバイスの性能は、今まで他の材料に追い越されていません。

集積回路メーカーは長年、シリコンホール効果素子の市場への供給に取り組んできました。これらの大量生産施設とセンサに他の回路を追加する能力は、低コストで汎用性の高いデバイスに希望をもたらします。1970年代後半になると、シリコンホール効果スイッチは大きく発展した。シュミットトリガと出力トランジスタの参加は、磁場の存在または消失に関連する大きな出力変化を提供することができる業界に極めて影響力のあるデバイスをもたらしています。しかし、得られた結果と再現可能な結果にはまだいくつかの問題が

あります。測定の結果は通常、高温係数と可変スイッチ較正の影響を受けます。1980年代になって、現代の校正と補償回路は今の集積式センサーをかなりの性能レベルに達しました。