ホールセンサーガイド

電流が物質中を流れると、電流中の電子は自然に直線状に移動し、電気が帯電すると磁場が発生します。電気を帯びた物質が永久磁石の極の間に置かれると、電子は一直線に進むのではなく、物質中を移動する際に湾曲した軌道を描くようになります。これは、電子自身の磁場が永久磁石の対照的な磁場に反応するために起こります。この新しい湾曲した移動の結果、より多くの電子が帯電した物質の片側に存在することになります。これにより、永久磁石と電流の流れの両方から、磁場に対して直角に電位差（または電圧）が材料全体に現れます。

それでは、ホールセンサーの仕組みはどのようなものでしょうか？　半導体（例えばシリコンなど）を使用するホールセンサーは、デバイスが磁場に置かれると変化する電圧を測定することで機能します。つまり、ホールセンサーが磁界の中にあることを検知すると、物体の位置を感知することができるのです。

ホールセンサーと磁石の関係についてですが、磁石はホールセンサー内部に組み込まれており、外部磁場の存在によって作動します。そして、磁場の強さの変化に応じて、物体が近づいたり遠ざかったりすることを感知できます。例えば、ホールセンサーをドア枠に設置し、ドアに磁石を取り付けた場合、センサーは磁場の存在によってドアの開閉を検知することができます。全ての磁場には2つの重要な特性があります。1つ目は「磁束密度」で、単位面積を通過する磁気の流れの量を指します。2つ目は、全ての磁石には2つの極性（北極と南極）があるということです。

ホールセンサーから出力される信号は、デバイス周囲の磁場の密度を表します。ホールセンサーにはあらかじめ設定されたしきい値があり、磁束密度がこの限界を超えると、デバイスは「ホール電圧」と呼ばれる出力を生成して磁場を検出することができます。ホールセンサーはすべて、内部に半導体の薄片を持ち、それ自体に連続電流を流して磁場を発生させます。デバイスを外部の磁石の近くに置くと、磁束が半導体材料に力を及ぼします。この力によって電子が移動し、測定可能なホール電圧が発生し、ホールセンサーが作動します。ホールセンサーから出力されるホール電圧は、半導体材料を通過する磁場の強さに比例します。多くの場合、この出力電圧は非常に小さく、わずか数マイクロボルトに相当します。多くのホールデバイスには、ロジック・スイッチング回路や電圧レギュレータとともに、DCアンプが内蔵されており、デバイスの感度を向上させるのに役立っています。

ホール効果センサーには、リニア（アナログ）出力とデジタル出力の2つのタイプがあります。アナログセンサーは、強い磁場では増加し、弱い磁場では減少する連続的な電圧出力を使用します。

リニア出力のホール効果センサーでは、デバイスが磁石に接触して外部磁界の強さが増すと、出力信号は電源によって課される限界に達するまで並行して増加します。

一方、デジタル出力デバイスは、「シュミット・トリガー」を備えています。これは双安定回路で、電圧が異なるしきい値まで上昇したり下降したりすると、出力が定常的に増減します。

シュミット・トリガーのおかげで、ホール効果センサーを通過する磁束がデバイスのプリセット値を超えると、デバイスからの出力が「オフ」から「オン」に切り替わります。その後、センサーが磁界の内外を移動すると、デバイスに組み込まれたヒステリシスが出力信号の誤動作を排除します。

デジタルホールセンサー

デジタルホールセンサーには、バイポーラ型とユニポーラ型の2種類があり、動作に必要な磁場の種類によって異なります。

バイポーラ型デジタルホールセンサーは、動作させるために正の磁界（磁石の南極から来る）を必要とし、解除するために負の磁界（北極から来る）を使用します。ユニポーラ・センサーは、磁界の内外を移動する際に、単一の磁性体（南極）のみで動作と解除を行います。

ほとんどのデジタルホールセンサーでは出力駆動能力が非常に小さいため、これらのデバイスのほとんどは、大きな電気負荷を直接切り替えることができません。多くのデジタルセンサーは、オープンコレクタのNPNトランジスタを使用することでこれに対抗しています。

このトランジスタはスイッチとして動作し、磁束密度がホールセンサーの「オン」ポイントより高いときに出力端子をグランドに短絡します。ホールスイッチにはさまざまな種類があり、さまざまな用途に適しています。

ホール効果センサーを燃料レベルの測定に使用する方法は2種類あります。一つは、垂直フロート方式です、この方式では永久磁石を浮遊物の表面に固定し、センサーを磁石に合わせてタンクの上部に取り付けます。

燃料を満タンにすると、浮遊している磁石がタンク上部に上昇し、磁界がセンサーに近づき、ホール電圧が上昇します。燃料レベルが下がると磁石は下がり、ホール電圧もそれに応じて低下します。

ホールセンサーは、燃料の測定だけでなく、ホイールやシャフトなどの回転部品の速度を計測するためにも使用され、車両の速度や回転数などを測定するさまざまな「メーター」に使われています。

ホール効果センサーは、光学センサーやフォトセンサーに影響を与える水や振動、汚れなどの条件下において特に有効です。外部要因による磁場の干渉を受けないため、ホールセンサーは産業用途において有用です。

スマートフォンやタブレットのフリップカバーを閉じると、内蔵された磁石がホールセンサーに近づきます。このとき、フリップカバーが磁場を提供し、ホールセンサーにホール電圧が発生します。回路にシュミット・トリガーを使用することで、ホールセンサーがこの磁場を検出すると、モバイル機器は自動的に画面をオフにするなどの特定の動作を行います。

ホールセンサーを使用することで、フリップカバーが閉じられ、スクリーンが使用できなくなった際にスクリーンを無効にすることが可能です。これにより、バッテリー寿命を効果的に延ばすことができます。

ホールセンサーは非常に小型で製造が簡単かつ安価であり、温度変化の影響を受けにくいという特長があります。このため、スマートフォンやタブレットなどの多くのデバイスで広く使用されています。

ホールセンサーは主に物体や空間の検出に使用されますが、電流測定にも利用できます。ホール効果は磁界と電流の関係に基づいており、デバイスは磁界を利用して出力として電流を生成します。この原理を逆に利用すれば、電流を流して磁界を得ることで、ホールセンサーを電流測定に使用することができます。

電流センサーは、機器の状態を監視し、潜在的な変動を検出し、機器の安全な使用を保証するための重要なツールです。従来、機器の監視には圧力スイッチ、光センサー、ゼロ速度スイッチなどが使用されてきました。しかし、電流入力を測定することで、機器の性能をより正確に把握することができます。

電流の測定には、デジタルホールセンサーとリニアホールセンサーの両方が効果的です。これらのデバイスは、与えられた電流の流れに対して比例した磁場を生成する原理に基づいています。

デジタルホールセンサーは、コア、ホール効果デバイス、信号調整回路の3つの主要コンポーネントで構成されています。センサーの電源が入ると、コアから磁界にさらされ、電位差（または電圧）が発生します。この電圧を測定し、さらに増幅してプロセスレベルの信号に変換します。

ホールセンサーを電流測定に使用する主な利点の一つは、モニターされる電圧から完全に絶縁されているため、機器を挿入することなく安全にテストできることです。また、AC電源でもDC電源でも正確で再現性のある測定が可能であるため、デジタルホールセンサーは電流測定に最適です。

レシオメトリック・ホールセンサーは、磁界強度に比例したアナログ電圧を出力します。このタイプのセンサーは磁極に基づいて動作し、電圧はS極で増加し、N極で減少します。レシオメトリック・ホールセンサーは、デジタル・ホールセンサーに代わるものであり、出力がオンからオフに切り替わる代わりに、磁場の強さと磁極に比例して電圧が測定されます。

デジタル・ホールセンサーと同様に、レシオメトリック・デバイスもワイヤーを流れる電流の測定に使用できます。電流が大きいほど磁場が強くなり、それに伴ってより高い出力電圧が測定されます。このため、どちらのアプローチも電流を測定する効果的な方法を提供し、電気機器の効率的な動作をテストすることができます。

ホールセンサーは、電流測定だけでなく、圧力センサー、流体センサー、物体検出など、さまざまな用途に応用されています。これらの多用途デバイスは、電気機器において重要な役割を果たしており、効率的かつ安全に機器を運用するために不可欠な部品となっています。