高感度ホール素子

 エンコーダーとは、回転や直線運動をする物体の位置の変化を検出して、位置情報を電気信号として出力する装置です。

回転型の (回転を検知する) エンコーダーはロータリーエンコーダーといい、直線型の (直線変位を検知する) エンコーダーをリニアエンコーダーといいます。 

ロボット関節や産業工作機械など、精密に動作・位置制御する用途に採用されています。

磁気式エンコーダーでは、動きを検出したい対象物に磁石を取り付け、その動きをホール素子で検出します。 

以下に、磁気式のロータリーエンコーダー (回転や角度を検出するエンコーダー) の検出原理を示します。 

磁気式エンコーダーの主要部材は、円形 (円柱 or ドーナツ型) の径方向着磁の磁石と 2 つのホール素子です。 

図 2a のように 360 度回転する磁石に対して 90 度の位置に 2 つのホール素子を配置します。

この磁石が回転すると、 2 つのホール素子からは図 2b のような sin 波、cos 波の出力電圧が発生します。

磁石の回転角度 θ は、tanθ＝sinθ / cosθ の式より、2 つのホール素子の出力電圧からアークタンジェントを計算することで算出可能です。(この計算は割り算が含まれるため、磁石とセンサーの両方の温度特性の影響を打ち消すこともできます。) 

ロータリーエンコーダーの角度検出方式は光学式のエンコーダーが代表的ですが、磁気式のエンコーダーは光学式に比べてホコリや油など汚れが付着しても問題なく検出できるなど、耐環境性に優れていることが特長です。

短距離を精度よく検出したい (1mm 以下の距離を 1 / 1000 の精度で) 場合、ホール素子 1 個で検出できるため、温度特性の良い GaAs ホール素子を使うことで精度よく検出できます。(図 6a 参照)

しかし、それより長い距離を精度よく検出したい (1mm～3mm 程度の距離を 1 / 1000 の精度で) 場合、ホール素子を複数個使って上述の差 ÷ 和の演算により検出距離を延ばします。この演算ではホール素子の温度特性の影響を排除できるため、GaAs ホール素子よりも S/N 比の良い InAs ホール素子の方が精度がよくなります。(図 6b 参照)