過酷な環境下における回転位置センシングの課題解決

回転位置センシングは、適切な動作のために信頼性の高い位置および動作の監視が求められる、多くの厳しい使用環境での用途において不可欠な技術です。従来の接触式のセンシング方式では、摩耗、汚染、機械的ストレスにより、時間の経過とともに性能が低下する傾向があります。非接触型ホール効果式回転位置センサは、生産機械、自動化、マテリアルハンドリング、ロボティクス、ソーラーパネルの位置決め、流量センサ、バルブ、ダンパ、輸送機器、オフロード車両など、幅広い用途において、信頼性が高く高精度な位置フィードバックを提供することで、これらの要件を満たします。

ホール効果センサは、1879年にこの現象を発見した著名なアメリカの物理学者エドウィン・ホールにちなんで名付けられた「ホール効果」という科学的原理に基づいています。ホール効果の原理を利用したセンサは、電流を流す半導体材料が電流経路に対して垂直な磁界の存在下にあるときに位置信号を発生します。磁界は移動する電荷キャリアに力を及ぼし、その結果、電荷キャリアは変位して物質の片側に押し寄せられて蓄積します。その結果、この電荷の偏りは、ホール電圧（V_H）と呼ばれる電圧が材料全体に発生します。

ホール効果式回転位置センサの構成

回転位置センサでは、ホール効果集積回路（IC）が回転軸に取り付けられた磁石によって発生する磁界の変化を検出し、角度位置に比例した電圧を出力します。これらのセンサは、固定されたICに電力を供給するために外部DC電圧電源を使用します。安定化電源の場合、5V_DCで動作するように設計されています。

シャフトが回転すると、内蔵センサが磁界強度の変化によって生じる比例電圧（ホール電圧）を検出します。これらは、2つの基本的な用途において、角度位置を表す正確なDC電圧信号に変換されます。

• このDC電圧信号は、直接使用することも、増幅して比例アナログアクチュエータを駆動し、回転に基づく閉ループ制御することも可能です。
• また、このDC電圧信号をA/Dコンバータ（ADC）に接続して、PLC（プログラマブルロジックコントローラ）、マイクロコントローラ、またはその他のデジタル電子システムで使用できるデジタル値として出力することもできます。

RTYデュアル出力シリーズによる真の非接触動作の実現

これらの原理を実際の性能へと具現化するため、Honeywell Sensingの高精度RTYデュアル出力シリーズホール効果式回転位置センサ（図1）は、堅牢で長期安定性能と、製品寿命の向上を実現しています。厳しい使用環境でのアプリケーションの仕様要件を満たすように設計されたRTYシリーズのセンサは、外部DC電源から給電され、回転角位置に比例したDC電圧を出力します。出力電圧は通常0.5V_DC～4.5V_DCの範囲で、分解能は12ビットです。多くのセンサは、4.5V_DC～0.5V_DCの2番目の極性を反転させた比例出力を備えており、2つの出力を比較することで、ユニットが正常に機能していることを確認できます。

図1：Honeywell SensingのRTYシリーズホール効果式回転位置センサは、正確な位置および動作の監視を必要とする過酷な用途向けに設計されています。（画像提供：Honeywell Sensing）

RTYシリーズ ホール効果式回転位置センサの特徴は以下の通りです。

• 業界標準のAMPSEALコネクタ
• 冗長性を確保し精度を保証するデュアル信号機能
• 3,500万サイクルの製品寿命により、高デューティサイクル用途での長期運用に対応
• 動作温度範囲：-40°C〜+125°C（-40°F〜+257°F）
• 車載用グレードのEMI/EMC試験

RTYシリーズセンサの全構成において、レバー付きシャフト一体型とレバーなしシャフト一体型を選択可能です（図2）。これにより、特定の用途で必要な機械的連結の数が変化するため、一部のソリューションにおいて効率を高めることができます。

図2：RTYシリーズのホール効果式回転位置センサには、レバー付きとレバーなしのバージョンがあり、機械的連結の柔軟性を高めています。（画像提供：Honeywell Sensing）

また、このセンサには多数のバリエーションがあるため、設計者は検出範囲から出力タイプ、アクチュエータータイプに至るまで、さまざまな技術要件を満たすことができます。オーバートラベルに対する耐性があり、8つの設定可能な動作範囲が用意されています。たとえば、RTY050LVDDXは50°（±25°）、RTY360LVDEXは、360°（±180°）の検出が可能です。また、RTYシリーズには、標準出力と反転出力構成の両方が用意されており、システム要件に合った出力特性を実現できます。

これらのセンサは、電気信号調整および保護回路を内蔵し、IP69K等級に適合した堅牢な密閉パッケージに収納されており、最も過酷な環境下でも耐久性を発揮します。このタイプのパッケージは、食品加工、製薬、大型車両の洗浄など、衛生管理が厳しく、頻繁に洗浄を行う環境に最適です。最高レベルの防塵防水規格であるIP69Kに準拠したパッケージングにより、センサは完全に防塵され、高圧および高温の洗浄にも耐えることが保証されています。取り付けには、非磁性ステンレス鋼のM5ネジと外径10mmのワッシャを使用します。

回転位置センサのアプリケーション例

Honeywellの堅牢で信頼性の高いホール効果式回転位置センサファミリに加わったRTYシリーズは、以下のようなさまざまなアプリケーションに使用できます。

船舶：これらのセンサは、ボートやレジャー用舟艇の舵位置検出システムに使用されます。ホール効果式回転位置センサがステアリング連結機構に取り付けられ、その位置信号がダッシュボード上のデジタルディスプレイにフィードバックされ、舵の位置が表示されます。また、この位置センサは、船舶の安定性を高め、より速く滑走状態に移行させて速度と効率を向上させるトリムタブの位置検出にも利用できます。

輸送：ホール効果式回転位置センサは、重機やその他の車両において、フットペダルとエンジン間の機械的なケーブル接続の代わりに使用することができます。たとえば、センサをペダルの隣に取り付け、操作者がペダルがどれだけ踏み込まれ、どれだけ離したかを測定することができます。センサはペダル位置の変化を検出し、必要に応じてスロットルプレートを通るガソリンと空気の流量を増減させる信号をエンジンに送ります。

伸びたり錆びたりする恐れのある機械式ケーブルをなくすことで、エンジン制御システムの応答性が向上し、その結果、車両の排ガス性能の改善、信頼性の向上、および車両の余分な重量の削減につながります。このタイプのドライブバイワイヤシステムは、ケーブル接続のシステムよりも安全で、低コストです。

産業用：ホール効果式回転位置センサは、特に広い温度範囲が要求される過酷な環境において、高精度の流量制御を実現するための信頼性の高いバルブ位置フィードバックを提供することもできます。バルブ位置センシングは、操作者や自動制御システムにバルブの状態に関する正確なリアルタイムデータを提供することで、プロセスの精度、システムの安全性、および運用効率を確保するために不可欠です。位置フィードバックを使用することで、ヒステリシスやデッドタイムが減少し、プロセスの変化に対してより迅速かつスムーズな応答が可能になります。

HVAC：HVACアプリケーションにおける気流を調整するために、ダンパ位置フィードバック用センサを使用することで、環境効率と居住者の快適性をより正確に制御することができます。ダンパ位置センシングは、正確なHVAC気流の維持、ファンの過剰使用を防ぐことによるエネルギー効率の最適化、煙/火災制御による安全性の確保、および運用上の障害を防ぐための自動化システムへのフィードバックの提供において極めて重要です。

農業：これらのセンサは、過酷な屋外環境条件下でも機能し、灌漑用ピボットシステムを制御するための正確なフィードバックを可能にします。これにより、農家は遠隔地からセンターピボット式灌漑機械を監視、管理、自動化でき、水利用効率の向上と労力の削減を実現します。

まとめ

非接触型ホール効果式回転位置センサは、過酷で厳しい環境下での位置センシングにおいて、設計者や技術者に信頼性が高く耐久性に優れたソリューションを提供します。機械的な摩耗箇所をなくし、正確で比例した出力信号を提供することで、これらのセンサはシステム性能を向上させ、メンテナンスを削減し、稼働寿命を延ばします。HoneywellのRTYシリーズなどのソリューションは、堅牢な構造と柔軟な構成、および環境保護を組み合わせ、幅広い産業用および輸送用アプリケーションにおいて正確なモーション制御をサポートします。