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磁気センサー種類と原理
磁気センサー種類の基礎知識
磁気センサーは磁場の大きさや変化を電気信号に変換するデバイスで、目に見えない磁界を検出可能にします。代表的な種類としてコイル、ホール素子、磁気抵抗効果素子(MR)、リードスイッチ、フラックスゲート型などが存在し、それぞれ異なる物理現象を利用しています。これらのセンサーは非接触で動作するため、小型で信頼性が高く、自動車から産業機器まで幅広い分野で活用されています。
参考）磁気センサとは？ href="https://www.ablic.com/jp/semicon/products/sensor/magnetism-sensor-ic/intro3/" target="_blank">https://www.ablic.com/jp/semicon/products/sensor/magnetism-sensor-ic/intro3/amp;#8211; エイブリック株式会社
磁気センサーの選定には測定対象磁場の強さ、交流・直流の別、測定環境などを考慮する必要があります。用途は純粋な磁場計測だけでなく、電流センサー、磁気ヘッド、移動体探知器など多岐にわたり、電気・電子系をはじめとしてあらゆる工学分野で使用されています。各センサーの特徴を理解することで、用途に最適な種類を選択できます。
参考）磁気センサーの基本と応用：最新技術と活用方法
磁気センサー種類別の動作原理
ホール素子型センサーは、1879年にEdwin H. Hallが発見したホール効果を応用しており、電流が流れる導体に磁場をかけるとローレンツ力により電流と磁場に直交する方向に電圧(ホール電圧)が発生する原理を利用します。この電圧の大きさと向きから磁界の強さと極性(N極・S極)を検知でき、静磁場でも磁場の有無を検出可能なため、非接触スイッチや角度センサー、電流センサーとして広く使われています。
参考）#01 磁気センサーとは
MRセンサー(磁気抵抗効果素子)は磁界によって抵抗値が変化する現象を利用し、AMR(異方性磁気抵抗)、GMR(巨大磁気抵抗)、TMR(トンネル磁気抵抗)の3種類に分類されます。AMRセンサーはMR比が約5%、GMRは約20%、TMRは100%以上と感度が大幅に異なり、TMRセンサーは量子力学的なトンネル効果を利用することで極めて高い感度を実現しています。コイル型は磁束密度の変化を誘導起電力として検出し、フラックスゲート型は強磁性体コアの磁気飽和現象を利用して直流磁界を高感度に検出します。
参考）https://product.tdk.com/ja/techlibrary/productoverview/tmr-angle-sensors.html
磁気センサー種類ごとの性能比較
| センサー種類 | MR比/感度 | 主な特徴 | 代表的な用途 |
|---|---|---|---|
| ホール素子 | 中程度 | 強磁界環境でも使用可能、低コスト | 電流センサー、磁気スイッチ、地磁気センサー |
| AMRセンサー | 約5% | 構造が簡便、中程度の感度 | 磁気スイッチ、回転センサー |
| GMRセンサー | 約20% | AMRの2～5倍の感度 | ハードディスク磁気ヘッド、高精度回転センサー |
| TMRセンサー | 100%以上 | 極めて高感度、温度変化に強い | 高精度角度センサー、車載用センサー |
| コイル型 | - | 磁束変化を検出、シンプルで堅牢 | 回転角度センサー(レゾルバ) |
| フラックスゲート | 高感度 | 直流磁界検出可能、地磁気レベルから心磁界まで |
地磁気センサー、科学計測 |
TMRセンサーはホール素子の約20倍、GMRセンサーの約6倍の出力を持ち、車載用途では従来センサーの約2倍の検出精度が要求される将来の厳しい要求にも対応可能です。AMR、GMR、TMRの選定では、デジタルインターフェースが必要な場合はGMR、温度耐性と低消費電流を重視する場合はTMRが適しています。一方、ホール素子は磁性体を用いないため強磁界環境や過酷な環境でも使用でき、コストパフォーマンスに優れています。
参考）https://emb.macnica.co.jp/faq/9003/
磁気センサー種類のバイク車速検出への応用
バイクの車速センサーには磁気センサーが広く採用されており、特に非接触タイプのスピードセンサーがディスクローターマウントボルトなどに対応して回転パルスを検出します。世界最高峰のMotoGPレースでは、300km/h超の高速走行やドライ・ウェット路面を問わず確実に動作する磁気センサーが車速計測やサスペンションのストローク量測定に使用されています。レース中の振動や転倒・クラッシュ時の衝撃、雨や汚れなどの影響を受けず高精度に車両動態信号を検知できるのは磁気センサーならではの利点です。
参考）マコメ製磁気センサーが世界バイクレースで大活躍｜マコメ研究所
バイクのエンジン管理システムでは、磁気センサーがクランクシャフトやカムシャフトの回転数と位置を検出し、この情報をもとに点火や燃料噴射のタイミングを精密に制御します。ギアポジションセンサーにも磁気センサーが使用され、シフト状態の検知に貢献しています。マコメ研究所製の磁気センサーは国内外のバイクメーカーに採用され、レース用車両から市販車両開発へのフィードバックにも活用される実績を持ちます。
参考）シフトの状態を検知する『ギアポジションセンサー』
磁気センサー種類選定時の独自視点
バイク用途で磁気センサー種類を選ぶ際、見落とされがちなのが温度ドリフトと経年変化への対応です。エンジン周辺は高温環境にさらされるため、温度変化による特性変化が少ないTMRセンサーやリードスイッチが有利となります。特にTMRセンサーは温度耐性に優れ、高安定性を持つため車載用途で注目されています。
参考）チップ単体でASIL-Dに対応、高感度TMRセンサー - 半…
もう一つの重要な視点は、磁気センサー種類と磁束集中器(MFC)の組み合わせです。適切な幾何学的設計により感度を最大化できますが、MFCとセンサー素子の重なりが大きすぎると磁気シールド効果により磁気抵抗比が低下する可能性があります。バイクのような振動環境では、センサーと検出対象(歯車や磁石)の距離が変動するため、広いエアギャップでも安定した検出が可能な高感度TMRやGMRセンサーの選択が賢明です。さらに意外な点として、MI(磁気インピーダンス)センサーは携帯電話のコンパスなど低価格帯に使われるものの、高感度・広帯域計測と低消費電力を両立できる可能性を秘めており、将来的なバイク用途への展開も期待されています。
参考）https://www.mdpi.com/1424-8220/22/23/9385/pdf?version=1669897670
マコメ研究所のバイクレース用磁気センサー導入事例 - 世界トップレベルのMotoGPでの実績と高精度動態データ収集の詳細
TDKのTMRセンサー技術解説 - AMR/GMRとの出力比較とバイク車載用途での温度安定性に関する詳細情報
フラックスゲート磁気センサーの実験記事 - 磁気飽和を利用した検出原理と高感度化の仕組みを実験的に解説
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