ロータリーエンコーダとは
ロータリーエンコーダとは、測定対象の回転による移動量や回転角を測定する装置です。
一般的には、モータや減速機の軸に取り付けて使用します。サーボモータやステッピングモータに付属している場合もあります。主に、精密制御が必要な回転機器に使用される装置です。
ロータリーエンコーダの使用用途
ロータリーエンコーダはモータで駆動するさまざまな製品で幅広く利用されます。以下はロータリーエンコーダの使用用途一例です。
- 産業用ロボットのフィードバック制御
- 半導体製造装置のステージ装置の制御
- エレベーターの位置制御
- 自走式クレーンの速度制御や位置制御
回転位置制御や回転速度制御を行う場合に、ロータリーエンコーダを用います。簡単な速度制御の場合は、インバータのみで実現可能です。精密な速度制御や回転途中のモータを制御したい場合などに、エンコーダは有用です。
ロータリーエンコーダの原理
一般的なロータリーエンコーダは、光を用いて測定を行います。発光ダイオード、スリット円盤、フォトトランジスタなどの部品で構成されます。
1. 発光ダイオード
発光ダイオードは電源を受電して常時発光します。その光はレンズで集光された後、スリット円盤へ当てられます。
2. スリット円盤
スリット円盤は等間隔に穴の空いた回転円盤で、エンコーダの回転軸と固定されています。
3. フォトトランジスタ
穴を通過する光の先にはフォトトランジスタが設置されており、受光と共にパルス波を発信します。このパルス波を計測することで回転数を測定します。測定には光以外にも、磁力や静電容量の変化量を用いて測定する製品も販売されています。
ロータリーエンコーダの種類
光学式のロータリーエンコーダは、インクルメンタル式とアブソリュート式の2種類の測定方法に分かれています。前者は回転位置の相対値を測定し、後者は回転位置の絶対値を測定します。
1. インクルメンタル式
インクルメンタル式のロータリーエンコーダは上記原理と同様で、回転円盤のスリットを通過する光をパルス信号へ変換して発信します。信号はスリットを通った光を検出する2種類の信号を用います。
A相とB相と呼ばれるのが一般的です。また、原点位置検出用にZ相の信号を搭載しているエンコーダも販売されています。波形取り込みに誤動作があればカウントがミスされ、誤差が発生する特徴があります。
この方式のデメリットは、絶対位置がわからないことです。ただし、2相の信号を内蔵しているため、回転方向を判別することは可能です。
2. アブソリュート式
アブソリュート式のロータリーエンコーダは、回転円盤に位置情報判別用の溝があります。この溝を光が通過すると受光素子で検出し、絶対位置の計測が可能です。したがって、絶対位置を検出するため、その並び順により回転方向を検出できます。
アブソリュート式では、各位置の符号にグレイコードを用いるのが一般的です。グレイコードは交番二進符号ともよばれ、隣り合うビットの変化が1ビットしかないようにした符号方法です。グレイコードを利用することで位置の誤検出が少なくなるため、ノイズや誤差に強く精度が高くなります。
ロータリーエンコーダの選び方
ロータリーエンコーダを選定する際には、測定方式や分解能、負荷荷重などを考慮する必要があります。
1. 磁気式・光学式
磁気式と光学式が存在します。磁気式は対候性に優れる一方、光学式は測定精度が高い特徴があります。光学式の中でもアブソリュート式の方が測定精度が高く、絶対位置を検出可能です。
2. 分解能
分解能は、測定可能な最小位相です。分解能が高いほど測定精度が高くなりますが、高価となる上に信号が複雑となったりノイズに弱くなったりすることがあります。ロータリーエンコーダを取り付ける機械の制御に必要なだけの分解能を選定します。
3. 負荷荷重
負荷荷重は、回転軸に掛けることができる重量です。許容負荷荷重以上の荷重をかけると、ロータリーエンコーダの軸や軸受が破損します。したがって、想定される最大荷重以上の許容負荷荷重の製品を選定します。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe1986/67/7/67_7_1091/_pdf
https://www.onosokki.co.jp/HP-WK/products/category/encoder2.htm
https://www.fa.omron.co.jp/guide/technicalguide/34/24/index.html