磁気角度センサは光学センサに優れた総合的な利点を提供
はじめに
センサ技術の進歩は、スマートホームから自動運転車まで、新しい可能性の世界を開いています。より自動化されたアプリケーションの需要が高まるにつれて、設計者は効率的かつ費用対効果の高い方法で精密な運動制御を提供する革新的な方法を見つけています。
センサー技術は製造業と自動車産業の両方の重要な部分です。センサは、部品位置の検出、充填レベルのチェック、ラベルの検査、品質管理など、環境の監視に広く使用されています。自動車にとって、運動制御アセンブリと他のサブシステムの間の重要な関係を担っています。
センサは様々なアプリケーションに使われているが、基本的な技術は同じです。センサは、熱、光、音、動きなどの物理的環境の変化を電気信号に変換します。これらの信号はバイナリコードに変換され、データとしてコンピュータに渡されます。
例えば、運動制御システムでは、モータフィードバックセンサは重要なタスクを実行します。このセンサは通常、モータシャフトまたは負荷に取り付けられ、速度または位置に変換できる入力を制御システムに供給します。コントロールシステムはセンサからのデータを使用して、実際の位置 / 速度と指令された位置 / 速度の間の誤差を低減します。
位置センサのオプション
光センサ技術と磁気センサ技術の最も重要な応用の一つは、電気モータの動きを測定することです。電気モータが回転するにつれて、それらの角度位置を測定することが重要です。これにより、コントローラはモータドライバに正しい電気信号を送ることができ、モータ効率を最適化します。
物体の近接度と変位を測定することは、自動車と製造の両方にとって非常に重要であり、特にバルブの位置決め、流体レベルの検出、安全性、機械制御、およびプロセス制御のいずれかを必要とする可能性のあるアプリケーションでは特に重要です。
電動工具から食器洗い機、ガレージドア開閉器まで、最新の機械は正確な位置センサに依存しています。一般的に、機械を操作するためにボタンを押すと、それは電気モータと位置センサの両方を持っており、装置が正常に機能するために必要なデータを収集します。
センサがデータを収集できる方法がいくつかあります。最初の種類のセンサは光センサであり、光線から変化を計算します。これらのセンサは光源、光検出器、不透明なディスクから構成され、光の経路を遮断する機能を備えています。機械が動くと、ディスクは同期して動き、光はこれらの機能を通過するか反射し、物体の相対的な位置に関する情報を提供します。
光を遮るために使用されるディスクの数は直接精度に関係しており、ディスクを追加すると精度が向上します。この精度を向上させる能力は光学センサの特に魅力的な機能ですが、ディスクを追加すると追加コストが発生します。
もう一つのタイプのセンサは磁気センサであり、磁石に直接関連する技術を利用しています。磁気センサは、敏感な物質 (例えば、砒素ガリウム、アンチモン化インジウム、シリコン) の磁気特性の変化と、磁場、電流、温度などの物理的変化を電気信号に変換します。光学センサのように、磁気センサは物体の存在、不在、または動きを検出することができます。
磁気センサを使用する場合
多くの設計者は光学角度センサに慣れているかもしれませんが、磁気角度センサはセンサアプリケーションにとってますます競争力のある理想的な選択肢となっています。
光学センサは高精度な測定が可能であるが、磁気センサに比べて7倍から10倍も高価です。単一のヘビーデューティ光学センサは分解能に依存しており、1000ドルもすることがあります。光学センサはまた磁気センサよりも物理的に大きくなります。
車載システムでは、磁気センサは位置や速度を感知するために広く使用されています。例えば、センサはクランクシャフトの角度位置を測定し、スパークプラグの正しい点火角度を確保するために使用されます。磁気センサは、アンチロックブレーキシステムのホイールスピードからエアバッグ制御のカーシートの位置まで、あらゆるデータを測定して通信することができます。
磁気センサは光学センサと比較していくつかの重要な利点を提供します。例えば、それらは完全に非接触ですが、光学センサはモーターシャフトに回転ディスクを取り付ける必要があります。磁気センサは違います。相互作用する部品が少ないことを考えると、磁気センサは摩耗や損傷が少なくなるため寿命が長くなります。
図1は、光エンコーダにはエミッタPCBとレシーバが必要ですが、磁気エンコーダは、はるかにコンパクトで、磁石とPCBのみを使用して動作できることを示しています。この利点は非接触測定として知られており、 磁気エンコーダは ベアリングや機械的結合を必要としないため、光学センサよりも製造コストが低いことを意味します。それらは標準的なシリコン集積回路プロセスを使用して製造され、費用対効果が高いように合理化された製造技術を使用しています。
図1 : 光エンコーダは磁気エンコーダよりも実装面積が大きい
磁気エンコーダは光学エンコーダよりも実装面積が小さいですが、特定のモータにカスタムフィットする必要があります。光学式エンコーダは特定のフォームファクタ用に設計されているため、モータがフォームファクタ規格を満たしている限り、さまざまなモータを使用できます。この欠点にもかかわらず、磁気エンコーダは依然として費用対効果が高く、設計が簡素化されています。
MPSは革新的な磁気センサ技術をサポート
従来の磁気角度位置センサは、精度と帯域幅が不足することがありました。
しかし、MPSは磁気センサの技術開発のパイオニアであり、より小さな設置面積と低コストで、光学センサの能力を凌駕することができます。MPSのMagAlphaファミリの磁気角度位置センサは、角度を測定するための革新的なアプローチを使用しています。これらのセンサは特許取得済みのSpinAxisTMホール測定技術を使用しており、デジタル形式で瞬間的な角度位置を提供します。また、即時データを提供する位相検出アプローチを利用しているため、アナログからデジタルへの変換や複雑な角度計算が不要になります。
MA600は MagAlpha技術の最先端の例であり、モータとロータリエンコーダを含んでいます。MA600は幅広い磁場強度と空間構成に対応できます。その広範なリストには、精密ロボット工学、ファクトリーオートメーション、ビルオートメーションと制御、パワーアシストステアリング、自動車電子ブレーキシステム、熱および流体管理、自動運転が含まれます。
MA600は幅広い磁場強度と空間構成に対応できます。75Hzの帯域幅で15ビットの分解能を提供し、12kHzの帯域幅で12.5ビットの分解能を提供し、これは光学センサと競合する性能レベルです。MA600はトンネル磁気抵抗ブリッジを使用して磁場を検出し、感度を向上させノイズを低減します。このデバイスは光学式エンコーダに匹敵する広帯域磁気位置センサを内蔵した、極めて精密な装置です。MA600は小型のQFN-16 (3mm x 3mm) パッケージで提供されます。
一部のセンサアプリケーション (ラジオのダイヤルなど) では、このレベルの精度は必要ありません。MPSは低電力角検出用にMA800を開発しましたが、これは費用対効果が高く、ヒューマン・マシン・インターフェース (HMI) ソリューション (無線機の音量を上げるなど) に推奨されます。このセンサの分解能は8ビットです。MA800の可能なアプリケーションには、性能を制御するためのボタンやノブを備えた幅広い電子機器が含まれます (白物家電、スマートサーモスタット、キーパッドのダイヤル、スマートスピーカー、キッチンレンジ家電制御)。
MA800は機械的な可動部品がないため、同等の光学センサよりも信頼性が高くなります。これはまた、QFN-16 (3mm x 3mm) パッケージと、ダイヤルとプッシュボタン操作用の単一センサを備えた最小のソリューションでもあります。設計が容易であり、検出しきい値を設定可能で、電界強度は20mTから120mTの間で設定可能です。
MA302は、あらゆるブラシレスDC (BLDC) モータアプリケーションに適した12ビット分解能ポジションセンサソリューションです。ホール効果技術に依存しないため、設計効率が高く、PCBの実装面積を低減します (下図2参照)。潜在的な用途には、ポータブルハンドツール、キッチン家電、ウォーターポンプ、モータ速度と方向制御、ロボットクリーナが含まれます。
図2 : MA302の改良された磁気センサ技術によりフットプリントを削減
車載の分野では機能安全が重要になりつつあり、MPSはこれらの安全パラメータを新しいセンサパワー製品の開発に取り入れています。MAQ79010FSは、MagDiffTM 技術を使用した14ビットの絶対角度位置センサです。機能安全のバックアップシステムとして包括的なオンチップ診断機能を搭載し、ASILに準拠しています。それは浮遊磁場に対して耐性があるように設計されており、交通量の多い高速道路で認識された危険に対して車両を保護します。
結論
センサ技術は急速に進歩しており、磁気センサの選択肢はセンサにとって競争力があり魅力的な選択肢です。MPSは磁気センサ電源ソリューションの分野でリーダーであり、ATM機からオイルポンプ、自動車内装まで、あらゆるものに最先端の選択肢を提供します。
MA600のような選択肢は 光学系よりも小型で費用対効果が高く、最終製品の魅力が高まります。MPSは、特に自動車産業向けの機能安全センサの選択肢の拡大に注力しています。 MPSの磁気センサ分野における取り組みの詳細については、当社のウェブサイトをご覧ください。
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