1

電子スマート ロックの位置センシング

モノのインターネット (IoT) は、ネットワーク接続されたサーモスタットやスマート ロックなど、アクセスしやすさとセキュリティを向上させる多くのスマート ホーム家電製品を生み出しています。一部の電子スマート ロックには、ボルトの位置を検出するセンサやロック ハウジングの改ざんを防止するセンサが搭載されています。ボルトの移動端を判定するセンサを搭載すると、モーターへのひずみを低減したり、ロックがキーなど他の方法で移動したことを検出したりするのに役立ちます。スマート ロックのセンサを搭載すると、ボルトの移動方向などの追加のシステム情報も得られ、ロックがドアの左側と右側のどちらに取り付けられているかを判定できます。単にボルトの移動終了を判定するだけでなく、中間位置情報を必要とする高度な機能まで、センサはアプリケーションの要件に応じてボルトの位置を検出するために必要なレベルの詳細を提供します。

スマート ロックのセンサでのもう 1 つの使用方法は、改ざん検出です。この機能は、誰かがスマート ロックの内部にアクセスしたりドアを通ってハッキングしたりするのを防止するのに役立ちます。改ざん検出機能を実装すると、外部の磁界がデバイス内の他のホール効果センサの性能に影響を与えることを防止したり、取り付け後にケースが開かれているかどうかだけを判定したりできます。

このホワイト ペーパーで説明するセンサの最後のアプリケーションは、ドアの開閉検出です。この使用事例は、スマート ロックに搭載できるほか、ホーム セキュリティ システム内の個別のモジュールとして活用できるものです。これらのモジュールは、スマートロックがボルトを移動させようとする前にドアを完全に閉じた状態にするのに役立ちます。ドアが完全に閉じる前にボルトを動かすと、モータにストレスを与えたり、部分的にロックされているだけなど、ボルトが標準以下の状態になる可能性があり、システムが危険にさらされる可能性があります。

図 1 スマート ロック位置センシングのブロック図

図 1に、電子スマート ロックで位置センサを使用する実装例を示します。この図では、デッド ボルトの動きではなく、位置センサがトランスミッションからの変化を監視しています。さらに、改ざん検出情報をメイン コントローラに提供するためにセンサを使用しています。

さまざまな種類のホール効果センサ

TI は、リニア、ラッチ、スイッチという 3 種類のホール効果センサを提供しています。リニア センサーは変化する磁場を検出し、その強度を報告します。これは、変位によるスライド、角度計算、近接センシングなどのアプリケーションに役立ちます。リニア センサは、デバイスの向きや、デバイスが敏感な寸法の大きさに応じて、異なる方向の磁界に敏感になる可能性があります。2 次元 (2D) または 3 次元 (3D) のセンシング用に構築されたデバイスを使用して、角度測定を実行し、磁石の回転方向を決定できます。回転検出を実装するのに必要な寸法は 2 つのみなので、3D デバイスは 2 つの軸を使用して角度データを決定し、3 番目の軸を使用して改ざん検出を実装できます。

図 2 スライドバイ磁石の例

図 3 回転磁石の例

ラッチ デバイスとスイッチ デバイスは、磁界強度がスレッショルドを超えたときにデジタル信号を出力できます。これは、イベント計数、非接触型スイッチ、改ざん検出などのアプリケーションに便利です。

図 4 オムニポーラ ホール効果スイッチ機能

図 5 ホール効果ラッチ機能

ホール効果センサの利点

ホール効果センサは、磁気スイッチを実装するための唯一の選択肢ではありません。リード スイッチは、オン/オフまたは開閉の単純な近接検出を必要とするアプリケーションでもう 1 つの一般的な部品です。ただし、リード スイッチを使う主な欠点の 1 つは、デバイスの機械的性質により、寿命が限られていることです。ホール効果センサには、リード スイッチのような機械的接点がありません。また、機械的な磨耗や破損による影響を受けない堅牢性の高い設計を実現できます。リード スイッチを置き換えるホール効果センサーの詳細については、TI のホール効果およびリニア 3D ホール効果センサーによるリード スイッチの置き換えアプリケーション ノートを参照してください。

スマート ロックのリニア ホール効果センサの使用

スマート ロックでのリニアホール効果センサの一般的な実装の 2 つは、ボルトの動作を追跡することと、キーまたはモーターの回転を追跡することです。ボルトの位置の追跡は、1 軸 (1D) リニアホール効果センサを使用して変位ごとのスライドを作成することで実現できます。スライド バイの実装の詳細については、「リニア ホール効果センサーを使用したスライド バイ変位の追跡」アプリケーション概要を参照してください。

図 6 線形スライドバイ磁石の磁界

モーターとリニア ホール効果センサとともに回転する単純な円柱型磁石を使用して、キーまたはモーターの回転をトラッキングできます。磁石が回転すると、2 軸の磁界成分が正弦波のパターンで変化します。これらの正弦波の変化を検出するには、ホール エフェクト センサに少なくとも 2D の感度が必要であり、変化する磁界を使用して磁石の角度を決定できます。このため、2 つの 1D リニア ホール効果センサまたは 1 つの 3D リニア ホール効果センサを使用してダイヤルを実装できます。さらに、TMAG5273 や TMAG5170 などの一部のリニア 3D ホール効果センサーには、レジスタを介して角度を計算して報告する CORDIC エンジンが組み込まれており、MCU 処理の負担を軽減します。これらのデバイスにはウェーク モードとスリープ モードもあり、低消費電力実装を実現するのに役立ちます。

図 7 軸上のフィールド コンポーネント

スマート ロックで使用されるスイッチとラッチ ホール効果センサ

スイッチとラッチのホール効果センサはどちらも、同じ方法で実装できます。これらのデバイスを使用して、ボルトが完全にロックされているか、完全にロック解除されているかを判断するためのストローク終了を実装できます。複数のスイッチまたはラッチを使用すると、ボルトの中間状態に関するより正確な情報が得られます。ただし、複数のセンサを使用すると合計消費電力が増加するため、バッテリ駆動システム向けの低消費電力ホール効果センサ (DRV5032 FB バージョンなど) を検討する必要があります。

パッケージのマーキング面と平行な磁場を感知するインプレーン ホール効果スイッチが必要な場合は、TMAG5233、TMAG5133、またはTMAG5134 を検討してください。ほとんどの従来型のホール効果スイッチとは異なり、面内センサではデバイス パッケージのZ軸 (水平センサ) ではなく、パッケージ (垂直センサ) と平行な磁界を測定します。

スイッチやラッチは、スマート ロック内に開閉機能や改ざん検出を実装する場合にも役立ちます。このアプリケーションは複数方向の感度を持つことは利点ですが、シンプルな低消費電力スイッチまたはラッチを使用してこれを実現できます。改ざん検出はさらに進歩し、外部磁石の浮遊磁界耐性を実現できます。この機能は、磁石が実際に開いている、または改ざんされている場合に、外部の磁石がセンサの開閉を欺いてドアまたはロック ケースが閉じていると判断しようとするのを防止するのに役立ちます。これらの機能の詳細については、「ホール効果センサーを使用した改ざんの制限検出および移動終了検出」 のアプリケーション概要を参照してください。

まとめ

ホール効果センサは、電子スマート ロックでの位置センシングと改ざん検出のための多用途で信頼性の高いセンシング設計を実現できます。さまざまなデバイス タイプとパッケージ オプションを採用しているため、アプリケーション設計のニーズに応じてさまざまな磁石とセンサ配置を使用して設計のフレキシビリティを高めることができます。また、低消費電力オプションを選択すると、バッテリ動作のアプリケーションに追加の利点があります。最後に、非接触式であるため、ホール効果センサは、他の設計実装のように摩耗や損傷の影響を受けない、より堅牢な設計を実現できます。