エンコーダとは
エンコーダ (英: Encoder) とは、位置の変化を電気信号に変換して出力する装置です。
測定する位置の対象は回転角と直線変位で、回転角を測定するエンコーダはロータリーエンコーダ、直線変位を測定するエンコーダはリニアエンコーダと呼ばれています。
位置の変化を計測する方法はインクリメンタル方式とアブソリュート方式に分類できます。測定には光や磁力、電磁誘導などを用いるのが一般的です。
エンコーダの使用用途
エンコーダは、モーターを使用する機械で主に使用されます。その中でもエンコーダを使用する代表的なモーターはステッピングモーターとサーボモーターです。
1. ステッピングモーター
ステッピングモーターはパルス信号によって回転速度・回転角度を正確に制御できるモーターです。
パルスの間隔とモーターに加えるパルス信号の数がモーターの回転角・速さを決め、正確な位置決めが可能です。主に製造現場などで使われています。
エンコーダを使わずフィードバック制御しないオープンループ方式と、エンコーダを使ってフィードバック制御するクローズドループ方式の2種類があります。
オープンループ方式はクローズドループ方式に比べてシステムが簡略化されていますが、パルス速度に追従できなくなる「脱調」が起きないよう常に最大電流を流しています。
2. サーボモーター
サーボモーターは1回の制御の移動距離・回転角を正確に制御して、連続的な直線運動や回転運動の速さを一定に保つ仕組みを持つモーターです。
エンコーダ・ブラシレスACモーターまたはDCモーター・サーボアンプ (ドライバー) の3点セットで構成されますが、現在はACモーターが主流になっています。また、使用される機械としては精密な動作制御が必要な機械が挙げられます。具体的には産業用ロボットや自動車、エレベーター、無人搬送機などです。特に工場で多く使用されます。
エンコーダを選定する際には、測定精度や分解能、反応時間、大きさや形状、振動や衝撃に対する耐久性、使用環境に対する保護機能を考慮しましょう。
エンコーダの原理
エンコーダは検出方法によって、光学式、磁気式、電磁誘導式に分けられます。
1. 光学式エンコーダ
回転軸に取り付けた等間隔に穴の開いた回転円盤に光を当てて、穴を通過する光の周期を検出することで、変位を測定可能です。光は機械に対する影響が少ないため、一般的に広く利用されています。
また、光学式のエンコーダは出力の信号によりインクリメンタル方式とアブソリュート方式の二つに分類できます。それぞれの方式について説明します。
- インクリメンタル方式
インクリメンタル方式は、回転円盤の穴を光が何回通過したかを測定することで、位置の変位を測定する方法です。 - アブソリュート方式
アブソリュート方式は、回転円盤の穴にそれぞれ絶対位置の信号が割り振られており、その信号を検知することで位置の変位を測定する方法です。
2. 磁気式エンコーダ
回転軸に取り付けた磁石の磁界が回転して変動することを利用して変位の測定を行います。
3. 電磁誘導式エンコーダ
回転軸の周りに取り付けられたコイルに発生する電磁誘導を検出することで変位の測定を行います。
エンコーダのその他情報
1. エンコーダの分解能
エンコーダの分解能とはロータリエンコーダを1回転させた場合に出力されるパルス数のことを指します。分解能の単位は「パルス数／回転数」で表され、分解能を向上させるためには1回転あたりのパルス入力数を多くする必要があります。
高分解能のエンコーダを選ぶことで、より精密な制御が必要なロボットや工作機械などの角度制御能力を大きく向上させることができます。
2. エンコーダとサーボアンプ間の通信
エンコーダとサーボアンプ間の通信はブラシレスACモータまたはDCモータと、パラレル伝送方式とシリアル伝送方式の2種類があります。
- パラレル伝送方式 (英語：parallel communication)
ロータリエンコーダから出力されるA・B・Zパルスをパラレルに伝送する方式で、並列伝送方式とも呼ばれます。 - シリアル伝送方式 (英語：serial communication)
位置データをシリアルで伝送する方式で、直列伝送方式とも呼ばれます。
シリアル伝送方式はパルス伝送方式と比較して配線が少なく、位置ずれを起こしにくいです。そのため最近は高分解能エンコーダはシリアル伝送方式を用いることが多くなりました。
3. エンコーダの活用事例
モーター制御の効率改善
エンコーダはステッピングモーターのパルス応答に追従できなくなる脱調を防ぐ目的で使用されていますが、最近のトレンドとしてはモーター制御の効率改善の目的に用いられるケースが多いです。
エンコーダのないオープンループ制御の場合は、非回転時にも誤動作防止用に励磁電流や、脱調防止のためにモーターに最大電流を流し続ける制御が一般的です。ただしこの場合、モーター停止やモーターが低負荷の状態でも無駄に電流を流すことにつながってしまいます。
そのためエンコーダを用いてモーター制御を負荷に応じて詳細にクローズドループ制御することで、システム全体の電流抑制と高効率化が実現可能です。EV (電気自動車) でもモーターを用いた低消費電流化は走行可能距離に密接に繋がるため、エンコーダ活用の効率改善が検討されています。
エンコーダの小型薄層化
これまでのエンコーダは内部部品がディスクリートで構成されており、それらを実装しシステムとして実現するための回路基板が必要でした。しかし、近年では受光素子やLED等の発光素子、周辺の回路を一つのIC内にまとめた反射型エンコーダICが登場し、小型薄層化が進んでいます。
このICと反射スリット板でエンコーダの機能が実現できます。リニアエンコーダとしての超小型アクチュエータや、小型のロボットに用いるためにこの反射型エンコーダICが活用され始めています。
参考文献
https://www.fujielectric.co.jp/company/jihou_archives/pdf/72-04/FEJ-72-04-228-1999.pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe1986/57/8/57_8_1369/_pdf
https://www.keyence.co.jp/ss/products/recorder/lab/pulse/glossary.jsp
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2014/pr20140423/pr20140423.html
https://www.fujielectric.co.jp/company/jihou_archives/pdf/72-04/FEJ-72-04-228-1999.pdf