JPS60196985A - ホ−ル素子の動作点の安定化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁界の強さが変化す名磁界中に設けられ且つ
電源により電気的エネルギーを供給さｎるホール素子の
動作点の安定化のための、ホール素子の損失電力を検出
して安定化する方法に関する。

従来技術 磁界の測定および調整のために、ホール素子を備えたセ
ンサを用いることは公知である。その際公知のようにホ
ール素子に磁界の方向に対し垂直に電圧ないし電流が加
えられるので、キャリアがホール素子内を、印加された
電圧の方向にドリフトされる。このキャリアはそこを支
配している磁界のためにこの磁界に対して垂直な平面に
おいて偏向するので、印加電圧に対して垂直且つ磁界に
対して垂直な所謂ホール電圧を取出すことができ、この
電圧が磁界の強さの尺度となる。

さらにホール素子の内部抵抗の値が磁界の強さと共に変
化すること、典型的には磁界の強さと共に過比例的に増
加することは公知である。

これは安定化された電流をホール素子に供給したときに
はホール素子の損失電力が磁界が強くなるにつれ増大し
、ホール素子に一定電圧を加えたときは磁界が強くなる
につれ低下することを意味する。

ホール素子を電子スピン共鳴スペクトロメータでの磁界
の調整および安定化のために用いる場合、調整は、例え
ば０〜２．５Ｔ（テスラ）の磁界範囲に亘って有効でな
ければならない。しかしこの動作範囲に亘って最良の磁
界に対して直線性が得られるように構成された従来のホ
ール素子は、この動作範囲に亘シ内部抵抗が係数２以上
変化する。

これはこの動作範囲全体に亘って損失電力が、一定電流
調整の際は１００％以上増大し、一定電圧調整の際は約
５０％低下することを意味する０ しかしこのようなセンサ損失電力の変動は必然的にホー
ル素子の温度変化をもたらす。これに伴いこのような装
置の短時間安定性が、この装置を磁界調整に用いるとき
に著しく損なわれる。事実上すべての市販のホール素子
に生じる、ホール定数が負の温度係数を有するホール素
子に対する問題点を分析゛したところ、従来の構造のサ
ーモスタット形のテストへッＰにとって、調整装置は微
分磁界妨害（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ１ｅｌｌｅＦ’ｅｌｄ
ｓｔ’ｏｒｕｎｇ　）に対しても不安定であるというこ
とがわかった（熱的正帰還）。その上、広い磁界範囲に
亘って磁界が変化する際、変化時間がこの種のテストへ
ッＰの熱時定数に比べて短かいとき、熱に起因する立上
シ過渡振動が生じる。

従ってホール素子の損失電力を、電流／電圧測定に関す
る損失電力をこれらの両側定値の乗算によシ検出して調
整することによシ安定化することが試みられてきた。し
かしこのために必要な測定値検出コストと、アナログ乗
算器および相応の調整ユニットのコストは相当かかシ、
公知の装置において妥協できる調整コストのものではな
お約±５％の誤差が生じる。

従って本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法におい
て、ホール素子の損失電力を、回路技術上簡単に、広範
囲に亘り許容できる範囲内でしか変化しないように調整
しひいては安定化させることができるようにすることに
ある。

問題点を解決するための手段 この課題は本発明によれば冒頭に述べた形式の方法にお
いて、該当動作範囲における磁界の強さに対するホール
素子の抵抗の値の依存特性を検出し、該当動作範囲に亘
るホール素子の損失電力の変動を検出し、またホール素
子には前置抵抗を介して定電圧源から給電し、前記前置
抵抗の値を損失電力の変動を最小にするのに適した値に
し、さらにホール素子をこの最適値の前置抵抗と直列接
続して定電圧源により作動することによシ解決される。

本発明の実施例によれば、ホール素子の正規化抵抗値Ｒ
／Ｒｏが磁界の強さＢに依存して少なくとも近似的に弐
Ｒ／　ＲＱ　−１＋ｏ、　５９２Ｂ２　／（０，６９’
２＋Ｂ）に従って変化するようにし、前置抵抗は磁界の
強さＢがてに等しいときホール素子の抵抗値Ｒ６の約１
．４倍の値を有するようにする。

次に本発明の方法を図面に基き詳細に説明する。

第１図は、例えば電子スピン共鳴スペクトロメータや各
種の拐ｔ１検査等に用いられる電磁石のための磁界調整
の原理を示す図である。

１０は電磁石を示しており、そのエアギャップ中にホー
ル素子１１を備えたセンサが位置している。ホール素子
１１の特性は冒頭に述べたようにしてエアギャップを支
配する磁界の強さＢＫ依存して変化する。ホール素子１
１は給電・調整回路１２に接続されておυ、この給電・
調整回路は一方ではホール素子１１用の供給電圧ないし
供給電流を発生し、他方ではホール電圧を測定してそこ
から磁界の強さＢを表わす信号を導出する。この信号は
電源装置１３に供給され、この電源装置は磁石１０の調
整された電流源として作用する。

第２図にはホール素子１１の内部抵抗の磁界の強さとの
関係が正規化されて示されている。

その際Ｒは内部抵抗の実際値を示し、Ｒｏ　は磁界の強
さが零のときの内部抵抗値を示す。

正規化された内部抵抗Ｒ／Ｒｏ　が磁界の強さＢに依存
して過比例的に曲線経過２０に従って高まることがわか
る。２１は電子スピン共鳴実験の典型的動作範囲を示し
、その中に第１の動作点２２と第２の動作点２３とがあ
る。第１の動作点２２は例えば電子スピン共鳴スペクト
ロメータのマイクロ波ユニットのＸパン１Ｖｃおける実
験が行なわれる値に相当し、第２の動作点２３はＱパン
Ｐにおける実験の際に設定される。このことは公知であ
る。

この数値は単なる一例であシ、いうまでもなく別の磁界
領域−１例えば２．５Ｔを越え且つ下方は磁界の強さが
零までの領域での実験も可能である。

第２図は１つの所定のホール素子用の磁界の強さと正規
化さｎだ内部抵抗との関係を表わす特性を示す。さらに
また第２図か六曲線２０を第３図に示さｎる曲線２５に
よシ近似的に表わすことができることもわかる。この第
３図の曲線２５は次の関数を示している。即ちｙ＝ｌ　
＋　ａｘ２／　（ｂ　＋ｘ　）係数ａおよびｂは材料定
数であシ、典型的ホール素子では例えば次の値を示す。

ａ＝０．５９２　、ｂ＝０．６９２ 第Φ図は結晶ホール素子用の給電回路の原理回路図を示
す。図中３０は電圧Ｕ。の定電圧源を示し、３１は値２
の前置抵抗または内部抵抗を示す。３２はホール素子１
１の内部抵抗Ｒを表わして℃・る。

従来はホール素子中での損失電力、即ち抵抗３２で変換
され−る損失電力は、抵抗３２を流れる電流工、を電流
相３３により測定し、また抵抗３２において降下する電
圧ＵＲを電圧計３４によシ測定することによシ検出され
ていた。しかしこのためには値工　およびＵＲを正確に
検出してアナログ乗算しなければならないので、結局相
当な回路コストが必要であった。

これに対し本発明では、損失電力の測定・検出・調整の
ために漢人なコストをかける代シに、制御回路の回路定
数を適切に選定し、こ−れによシホール素子の内部抵抗
の磁界の強さに依存する特性を考慮してホール素子中の
損失電力の変動が僅かになるようにするのである。

この変動は次式で表わされる。

Ｐ（０） ただしδＰは損失電力の変動率、Ｐ（Ｂ）は磁界の強さ
が値Ｂのときの損失電力、Ｐ（０）は磁界の強さが零に
等しいときの損失電力である。

損失電力の変動をホール素子の内部抵抗の変動に関連し
て次式で表わすことができる。

その際Ｒ／Ｒｏはやはシ正規化されたホール素子１１の
内部抵抗、ｅ＝Ｚ／Ｒｏ１即ち前置抵抗３１とホール素
子１１の内部抵抗３２の磁界の強さが零のときの値との
比である。

実験で検出６ｉた、または関数によシ近似された磁界の
強さＢと正規化された内部抵抗Ｒ／Ｒｏ　との関係を示
す特性に基いて、εのパラメータを選定することによシ
第５図に示す経過が得られる。

ε＝１．４のノξラメータのときの曲線牛○が最良であ
り、このとき損失電力の変動δＰは数ノミ−セントにし
かならない。公知の装置での通常のパラメータε＝１０
０の曲線に比べて、これは著しい改善を示している。と
いうのも公知の装置での損失電力の変動δ、Ｐ、は、冒
頭に述べたように５０％〜数百パーセントの範囲だから
である。

検出された最適なパラメータε＝１．４は前置抵抗３１
を最適化し、これにより値２゜ｐｔ　を有する最適な前
置抵抗５０が接続され、この値の力の変 ときホール素子１１の内部抵、抗３２の損失電動δＰ＊
≠魯が最小になる（第６図）。

ホール素子１１の出力抵抗Ｒ（０）は例えば１．７Ωで
あシ、そのとき最適な前置抵抗は２．３８Ωの値２゜、
ｔ　を含む。この最適値に対して、損失電力δＰの変動
は第５図の曲線４−０に相応し、そのとき変動は数・ξ
−セントにしかならない。

第７図は磁界の強さＢと、ホール素子１１を流れる正規
化された電流工との関係を示す曲線６０と、磁界の強さ
Ｂとホール素子１１に加わる正規化された電圧ないし信
号Ｓとの関係を示す曲線とを、各々最適なノξラメータ
ε＝１．牛に対して示す。

制御電流の絶対値は任意に選択でき、有利にはホール素
子のメーカによシ指示されるセンサの最大損失電力を、
可及的に大きなホール電圧信号を得るために完全に利用
できるように調整される。

既に何度も言及した、Ｒ（０）　＝　１．７Ω、ａ＝Ｑ
、−５９２、ｂ　＝　０．６９２、最適パラメータε＝
１．４の実施例についてまとめると、３７個のホールで
、９５％を上回る有効性の確率が得られた。

効果 本発明、の方法は、ホール素子用の制御電流が、簡単且
つ適切に制御回路の回路定数を決めることにより、該当
動作範囲に亘シ損失電力の変動が最小になるよう　に調
整されるという利点を有する。この変動は極めて僅かで
あるので、それによシ生じるホール素子の温度変動も許
容することができる。さらに本発明は、種々のホール素
子に用いることができる。なぜなら、前記制御回路の回
路定数は各々実際のホール素子の特性に合わせて決める
ことができるからである。これによりホール素子の特性
に応じて、大量生産方式の場合各機器ごとに相応に適正
化して作動させることができ、または漂遊磁界が十分僅
かな場合、本発明の方法を単に１回行えばよ〜）。

本発明の方法の実施例では、前置抵抗の最適値をめるた
めに、磁界の強さに対するホール素子の抵抗値の依存特
性を表わす関数として次式を用いることができる。

７、＝１　＋　ａｘ２／　（ｂ　＋　ｘ　）この方法は
、各該当のホール素子の両特性値ａおよびｂが分かつて
いるときに非常に容易に適正化を行なえるという利点を
有する。

例えばａ　＝　０．５９２．１）　＝　０．６９２のと
き、ここから磁界の強さが零に等しいときのホール素子
の抵抗値に対する前置抵抗値の最適な比約１．４が評定
さ扛、このとき殊に良好［Ｑ適化が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁界の強さを調整する装置の原理回路図、第２
図はホール素子の内部抵抗の磁界の強さに対する依存特
性を示す線図、第３図は第２図の曲線に対する等価関数
の線図、第４図はホール素子の給電および安定化のため
の回路の原理図、第５図は本発明の範囲内での最適化の
説明に供する種々の線図、第６図は本発明により最適化
されたホール素子の給電回路の原理回路図、第７図は本
発明により安定化・−されたホール素子の正規化電圧お
よび正規化（流の経過を示す線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　磁界の強さくＢ）が変化する出、界中に設けら扛且
   つ電源（１２）によシミ気的エネルギーを供給さｎるホ
   ール素子（１１）の動作点の安定化のために、ホール素
   子（１１）の損失電力ＣＰ）を検出して安定化する方法
   において、該当動作範囲における磁界の強さくＢ）に対
   するホール素子（１１）の抵抗（３２）の値（ｎ　／　
   ＲＯ’　）の依存特性を検出し、該当動作範囲（２１）
   に亘るホール素子（１１）の損失電力の変動（δＰ）を
   検出し、またホール素子（１１）には前置抵抗（３１〕
   を介して定電圧源（３０）から給電し、前記前置抵抗（
   ３１）の値（Ｚ）を損失電力の変動（δＰ）を最小にす
   るのに適した値にし、さらに、ホール素子（１１）をこ
   の最適値（ｚｏｐｔ）の前置抵抗（５０）と直列接続し
   て定電圧源（３０）Ｋより作動することを特徴とする、
   ホール素子の動作点の安定化方法。 ２、　前置抵抗（３０）の値（Ｚ）の最適化のため、ホ
   ール素子（１１）の抵抗値（Ｒ／Ｒ０）の磁界の強さく
   Ｂ）に対する依存特性を式７式％（） で表わされる関数で表わし、その際ａおよびｂはホール
   素子（１１）の材料定数である特許請求の範囲第１項記
   載のホール素子の動作点の安定化方法。 ３、’ａ　＝　０．５９２およびｂ＝ｏ、６ｆｌｌｌ１
   ２のとき、前置抵抗の値（Ｚ）のホール素子（１１）の
   抵抗（ＲＯ）に対する比（ε）が、磁界の強さが零の場
   合約１．４の大きさを有する特許請求の範囲第２項記載
   のホール素子の動作点の安定化方法。 牛、　ホール素子（１１）を流ｎる電流（工Ｒ）の絶対
   値を、所定の最大許容損失電力が完全に利用されるよう
   に設定する特許請求の範囲第１項から第３項までのいず
   れかに記載のホ−ル素子の動作点の安定化方法。