2 回転検出用のホール効果センサ

ホール効果センサは磁石の磁界強度を測定します。スイッチ・センサ、ラッチ・センサ、リニア・センサの 3 種類があります。

スイッチとラッチは、磁界強度に基づいてデジタル信号を出力します。図 2-1 に示すように、スイッチは、磁界強度が特定のスレッショルドを上回ったときに信号を出力します。図 2-2 に示すように、ラッチは、検出した磁界が N 極から S 極、または S 極から N 極に変化したときに出力を切り替えます。 これらのデバイスはデジタル応答のみを出力しますが、リニア・ホール・センサよりも安価で低消費電力です。これらのデバイスは、ブラシ付きロータリー・エンコーダと同様の情報を提供します。ブラシ付きロータリー・エンコーダは、実装ごとに増分の増加量と方向がわかっています。

図 2-3 に示すように、リニア・ホール・センサは、磁界強度をレジスタ出力またはアナログ出力で表現します。磁界の複数の軸を検出する必要がある場合、テキサス・インスツルメンツの TMAG5170、TMAG5170D-Q1、TMAG5173-Q1、TMAG5273 などのホール効果センサは磁界の 3 つの軸すべてに敏感なため、1 つのセンサのみで磁石の回転を判定できます。これらのデバイスは、磁界の角度が簡単に得られる CORDIC アルゴリズムを内蔵しているため、磁界の角度を個別の磁界データに基づいて計算する必要はありません。リニア・ホール・センサはスイッチやラッチよりも高価格ですが、回転に関する追加データを得ることができ、磁石の絶対角度の決定にも使用できます。

図 2-1 ホール効果スイッチの出力

図 2-2 ホール効果ラッチの出力

図 2-3 リニア・ホール効果センサの出力

スイッチ付きロータリー・エンコーダは、位相差がある 2 つのセンサを使用して、回転の変化の向きを測定します。

リング磁石を使用すると、1 個のラッチ付きデバイスから回転情報を取得できます。複数のラッチを使用すると、システムに関するさらに多くの情報が得られ、特定のリング磁石で検出できる位置の数が増えます。たとえば、16 極のリング磁石と 1 個のラッチを使用する場合は、そのラッチが出力する High と Low の信号に基づいて回転の変化を判定します。一方、図 2-4 に示すよう に、位相差がある 2 つのラッチを使用すると、2 つのラッチのスイッチング出力の 4 種類の組み合わせを利用して回転の変化を判定できます。この構成では、回転ごとの状態の変化の数が増えるため、回転判定の分解能も向上します。

ラッチから良好な直交形式の出力を得るには、センサの配置が重要です。単一のラッチでは変化の向きに関する情報は得られませんが、複数のラッチを実装すると、立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの変化の順序を使用して、変化の向きに関する情報を提供できます。

図 2-4 2 つのセンサを実装した場合の直交出力

3D リニア・センサは、磁界の複数の軸を使用して磁石の角度を判定できます。図 2-5 に示すように、ホール効果センサの上に、直径方向に N 極、S 極となる円柱型磁石を 1 個配置すると、磁石がホール効果センサの上を回転するにつれて、磁界の X 成分と Y 成分が正弦波パターンで変化します。2 つの信号には位相差があるため、磁石の正確な角度を計算できます。

一部のホール効果センサには、磁石の角度を判定するためのアルゴリズムが内蔵されているため、マイコンは磁界データの後処理を実行せずに、レジスタを読み取るだけで磁石の角度を判定できます。3D ホール効果センサを使用すると、3 番目の磁界軸を利用して、浮遊磁界耐性またはダイヤルのプッシュ機能を実装できます。また、回転検出を実行するために、常にホール効果センサのすぐ上に磁石を配置する必要はありません。センサは磁界の 3 軸をすべて検出しているため、ホール効果センサと同一平面上またはずれた位置に磁石を配置しても、正確な回転情報が得られます。

図 2-5 3D リニア・ホール・エフェクト・センサの磁石と出力データ