ロータリーエンコーダ

ロータリーエンコーダはシャフトエンコーダとも呼ばれ、シャフトまたは車軸の角度位置または動きをアナログまたはデジタル出力信号に変換する電気機械装置です。^[1]

ロータリー エンコーダーには、アブソリュートとインクリメンタルの 2 つの主なタイプがあります。アブソリュート エンコーダーの出力は、現在のシャフトの位置を示すため、角度トランスデューサーになります。インクリメンタル エンコーダーの出力は、シャフトの動きに関する情報を提供します。この情報は通常、位置、速度、距離などの情報に他の場所で処理されます。

ロータリーエンコーダは、産業用制御装置、ロボット工学、写真レンズ、^[2]光学機械式マウスやトラックボールなどのコンピュータ入力デバイス、制御応力レオメータ、回転レーダープラットフォームなど、機械システムの監視や制御、またはその両方を必要とする幅広いアプリケーションで使用されています。

• 機械式: 導電性エンコーダとも呼ばれます。PCB上にエッチングされた一連の円周状の銅トラックは、導電性領域を感知する接触ブラシを介して情報をエンコードするために使用されます。機械式エンコーダは経済的ですが、機械的摩耗の影響を受けやすいです。デジタルマルチメータなどのヒューマンインターフェースでよく使用されます。^[3]
• 光学式: 金属またはガラスのディスクのスリットを通してフォトダイオードに照射される光を使用します。反射型もあります。これは最も一般的な技術の 1 つです。光学式エンコーダーはほこりに非常に敏感です。
• 軸上磁気: この技術では通常、モーターシャフトに取り付けられた特別に磁化された 2 極ネオジム磁石を使用します。シャフトの端に固定できるため、モーター本体から 1 本のシャフトしか伸びていないモーターでも機能します。精度は数度から 1 度未満までさまざまです。分解能は 1 度から 0.09 度 (4000 CPR、1 回転あたりのカウント) まであります。^[4]内部補間の設計が不十分だと出力ジッターが発生する可能性がありますが、これは内部サンプル平均化によって克服できます。
• オフ アクシス磁気: この技術では通常、金属ハブに取り付けられたゴム結合フェライト磁石を使用します。これにより、設計の柔軟性が高まり、カスタム アプリケーションにかかるコストが削減されます。多くのオフ アクシス エンコーダ チップは柔軟性が高いため、任意の数の極幅を受け入れるようにプログラムでき、アプリケーションに必要な任意の位置にチップを配置できます。磁気エンコーダは、光学エンコーダが動作しないような過酷な環境でも動作します。

アブソリュートエンコーダは、エンコーダから電源が切断されても位置情報を維持します。^[5]エンコーダの位置は、電源を投入するとすぐに利用できます。エンコーダの値と制御対象機械の物理的な位置の関係は組み立て時に設定されるため、位置精度を維持するためにシステムをキャリブレーションポイントに戻す必要はありません。

アブソリュートエンコーダには、さまざまなバイナリ重み付けを持つ複数のコードリングがあり、1回転内のエンコーダの絶対位置を表すデータワードを提供します。このタイプのエンコーダは、しばしばパラレルアブソリュートエンコーダと呼ばれます。 ^[6]

マルチターンアブソリュートロータリーエンコーダには、追加のコードホイールと歯車が含まれています。高解像度ホイールは分数回転を測定し、低解像度のギア付きコードホイールはシャフトの全回転数を記録します。^[7]

インクリメンタルエンコーダは位置の変化を即座に報告します。これは、一部のアプリケーションでは不可欠な機能です。ただし、絶対位置を報告したり追跡したりすることはできません。その結果、インクリメンタル エンコーダによって監視される機械システムは、絶対位置測定を初期化するためにホーム位置(固定参照点に移動) に設定する必要がある場合があります。

デジタル アブソリュート エンコーダは、シャフトの角度ごとに固有のデジタル コードを生成します。基本的なタイプには、光学式と機械式の 2 つがあります。

同心円状の開口部が入った金属ディスクは、絶縁ディスクに固定されており、絶縁ディスクはシャフトにしっかりと固定されています。スライド接点の列は静止物体に固定されており、各接点がシャフトから異なる距離で金属ディスクに接触します。ディスクがシャフトとともに回転すると、一部の接点が金属に接触し、他の接点は金属が切り取られた隙間に落ちます。金属シートは電流源に接続され、各接点は個別の電気センサーに接続されています。金属パターンは、車軸の可能な位置ごとに、一部の接点が電流源に接続され (つまり、オンにされ)、他の接点が接続されない (つまり、オフにされ) 一意のバイナリ コードが作成されるように設計されている。

ブラシタイプの接点は摩耗しやすいため、機械式エンコーダは通常、ラジオ受信機の手動ボリュームやチューニングコントロールなどの低速アプリケーションで使用されます。

光学式エンコーダのディスクはガラスまたはプラスチックで作られており、透明部分と不透明部分があります。光源と光検出器アレイは、ディスクの位置から生じる光学パターンを読み取ります。^[8] グレイコードがよく使用されます。このコードは、マイクロプロセッサやマイクロコントローラなどの制御装置によって読み取られ、シャフトの角度を決定できます。

アブソリュートアナログタイプは、シャフトの絶対角度に変換できる独自のデュアルアナログコードを生成します。

磁気エンコーダは、一連の磁極 (2 つ以上) を使用して、エンコーダの位置を磁気センサー (通常は磁気抵抗またはホール効果) に伝えます。磁気センサーは磁極の位置を読み取ります。

このコードは、光学エンコーダと同様に、マイクロプロセッサやマイクロコントローラなどの制御デバイスによって読み取られ、シャフトの角度を判定できます。

絶対アナログタイプは、シャフトの絶対角度に変換できる独自のデュアルアナログコードを生成します（特別なアルゴリズムを使用^{[引用が必要]}）。

磁気効果を記録するという性質上、これらのエンコーダは、ほこりやゴミの蓄積により他のタイプのエンコーダが故障する可能性がある状況で使用するのに最適です。磁気エンコーダは、振動、わずかなずれ、または衝撃に対しても比較的鈍感です。

ブラシレスモーター整流

永久磁石ブラシレス モーターは、 CNCマシン、ロボット、その他の産業機器で一般的に使用されています。このような場合、エンコーダはフィードバック デバイスとして機能し、機器の適切な動作に重要な役割を果たします。ブラシレス モーターには電子整流が必要ですが、これはローター マグネットを低解像度の絶対エンコーダ (通常は 1 回転あたり 6 または 12 パルス) として使用することで部分的に実装されることがよくあります。結果として得られるシャフト角度情報はサーボ ドライブに伝達され、いつでも適切なステーター巻線に通電できるようになります。

エンコーダー内では非対称のディスクが回転します。このディスクは2つの電極間の静電容量を変化させ、それを測定して角度値に計算することができます。^[9]

マルチターン エンコーダは、複数の回転を検出して保存できます。アブソリュート マルチターン エンコーダという用語は、エンコーダに外部電源が供給されていない場合でも、エンコーダがシャフトの動きを検出する場合に一般的に使用されます。

このタイプのエンコーダーは、電源サイクルにわたってカウントを保持するためにバッテリーを使用します。動きを検出するために、エネルギーを節約する電気設計を採用しています。

これらのエンコーダは、歯車列を使用して機械的に回転数を記憶します。個々の歯車の位置は、前述の技術のいずれかを使用して検出されます。^[10]

これらのエンコーダは、エネルギーハーベスティングの原理を利用して、可動シャフトからエネルギーを生成します。2007年に導入されたこの原理^{[11]では、}ウィーガンドセンサーを使用して、エンコーダに電力を供給し、回転数を不揮発性メモリに書き込むのに十分な電力を生成します。^[12]

3 つの接点のみを持つ非常に単純化されたエンコーダーのバイナリ コードの例を以下に示します。

一般に、接点がn個ある場合、シャフトの異なる位置の数は 2 ⁿです。この例では、nは 3 なので、位置は 2³ つまり 8 個あります。

上記の例では、ディスクが回転すると、接点が標準的な 2 進カウントを生成します。ただし、この方法には、ディスクが 2 つの隣接するセクター間で停止した場合、または接点が完全に揃っていない場合、シャフトの角度を判断できないという欠点があります。この問題を説明するために、シャフト角度が 179.9° から 180.1° (セクター 3 からセクター 4) に変化した場合に何が起こるかを考えてみましょう。上記の表によると、ある瞬間に、接点パターンがオフ-オン-オンからオン-オフ-オフに変化します。ただし、これは実際には起こりません。実際のデバイスでは、接点が完全に揃っていることはないため、それぞれが異なる瞬間に切り替わります。たとえば、最初に接点 1 が切り替わり、次に接点 3、次に接点 2 が切り替わる場合、実際のコード シーケンスは次のようになります。

オフ-オン-オン（開始位置）

オン-オン-オン（まず接点1がオンになります）

オン-オン-オフ（次に接点3がオフになります）

オン-オフ-オフ（最後に接点2がオフになります）

次に、表でこれらのコードに対応するセクターを見てみましょう。順番は、3、7、6、4 です。したがって、生成されたコードのシーケンスから、シャフトはセクター 3 からセクター 7 にジャンプし、その後セクター 6 に戻り、さらにセクター 4 に戻ったように見えます。セクター 4 は、シャフトが見つかると予想された場所です。多くの場合、この動作は望ましくなく、システムの障害を引き起こす可能性があります。たとえば、エンコーダがロボット アームで使用されている場合、コントローラはアームが間違った位置にあると判断し、180 度回転させてエラーを修正しようとします。これにより、アームが損傷する可能性があります。

上記の問題を回避するために、グレイ コーディングが使用されます。これは、隣接する 2 つのコードが 1 ビット位置だけ異なるバイナリ カウント システムです。上記の 3 接点の例では、グレイ コード バージョンは次のようになります。

この例では、セクター 3 からセクター 4 への遷移は、他のすべての遷移と同様に、接点の 1 つだけがオンからオフへ、またはその逆に状態を変更します。つまり、前の図に示した誤ったコードのシーケンスは発生しません。

設計者が接点を異なる角度位置 (ただし、中心シャフトからの距離は同じ) に移動する場合、対応する「リング パターン」を同じ角度だけ回転させて同じ出力を得る必要があります。最上位ビット (図 1 の内側のリング) を十分に回転させると、次のリングと完全に一致します。両方のリングが同一であるため、内側のリングを省略し、そのリングのセンサーを残りの同一リング (ただし、そのリング上の他のセンサーからその角度だけオフセット) に移動できます。1 つのリング上の 2 つのセンサーにより、1 つのリングを持つ直交エンコーダーが構成されます。

連続する位置が 1 つのセンサーのみで異なるように、単一のトラック (リング) の周囲に複数のセンサーを配置することが可能です。その結果、単一トラックのグレイ コードエンコーダーが得られます。

デバイスとメーカーによって異なりますが、アブソリュート エンコーダは、パラレル バイナリ、アナログ信号(電流または電圧)、および通常Ethernetまたは RS-422/RS-485 物理層を採用するSSI、BiSS、Heidenhain EnDat、Sick-Stegmann Hiperface、DeviceNet、Modbus、Profibus、CANopen、EtherCATなどのシリアル バス システムを含む、複数の信号タイプと通信プロトコルを使用してデータを送信します。

ロータリーインクリメンタル エンコーダーは、リアルタイムの位置情報を提供できるため、すべてのロータリー エンコーダーの中で最も広く使用されています。インクリメンタル エンコーダーの測定解像度は、2 つの内部インクリメンタル移動センサーによって制限されることはありません。市場では、1 回転あたり最大 10,000 カウント以上のインクリメンタル エンコーダーを見つけることができます。

ロータリー インクリメンタル エンコーダは、指示がなくても位置の変化を報告し、ほとんどのタイプのアブソリュート シャフト エンコーダよりも桁違いに高速なデータ レートでこの情報を伝達します。このため、インクリメンタル エンコーダは、位置と速度の正確な測定を必要とするアプリケーションでよく使用されます。

回転式増分エンコーダは、回転位置の変化を検出するために、機械式、光学式、または磁気式のセンサーを使用します。機械式は、電子機器の手動操作による「デジタル ポテンショメータ」コントロールとしてよく使用されます。たとえば、現代の家庭用およびカー ステレオでは、音量コントロールとして機械式ロータリー エンコーダが一般的に使用されています。機械式センサーを備えたエンコーダでは、スイッチのデバウンスが必要になるため、処理できる回転速度が制限されます。光学式は、より高速な速度が求められる場合や、より高い精度が求められる場合に使用されます。

ロータリインクリメンタルエンコーダには、エンコーダシャフトが回転すると、直交する周期的なデジタル波形を出力するAとBの2つの出力信号があります。これは、直交する正弦波（つまり、正弦と余弦）を出力する正弦波エンコーダに似ており、^[13]エンコーダとリゾルバの特性を組み合わせたものです。波形の周波数はシャフトの回転速度を示し、パルス数は移動距離を示します。一方、AB位相関係は回転方向を示します。

一部のロータリー インクリメンタル エンコーダには、追加の「インデックス」出力 (通常は Z というラベルが付けられています) があり、シャフトが特定の角度を通過するとパルスを発します。回転ごとに 1 回、Z 信号がアサートされます。通常、次の AB 状態の変更まで、常に同じ角度でアサートされます。これは、エンコーダ シャフトが特定の基準角度にあるときに登録信号を必要とするレーダー システムやその他のアプリケーションでよく使用されます。

アブソリュート エンコーダとは異なり、インクリメンタル エンコーダは、取り付けられている機械システムの絶対位置を追跡したり、その出力が絶対位置を示すことはありません。したがって、特定の瞬間の絶対位置を決定するには、通常双方向電子カウンタを含むインクリメンタル エンコーダ インターフェイスを使用して絶対位置を「追跡」する必要があります。

機械式コンピュータ マウスでは、安価なインクリメンタル エンコーダが使用されています。通常、左右の動きを感知するエンコーダと前後の動きを感知するエンコーダの 2 つが使用されます。

ロータリー (角度) パルス エンコーダには各方向に SPDT スイッチがあり、各スイッチは移動方向にのみ動作します。1 つの方向に回転インデントするたびに、その方向に関連付けられた SPDT スイッチのみが切り替わります。

単一出力のロータリー エンコーダ (タコメータなど) は、移動方向の検知には使用できませんが、移動方向が一定の場合の速度測定や位置測定に適しています。特定のアプリケーションでは、移動距離 (移動フィートなど) の測定に使用される場合があります。

• 同様の機能を実行するアナログデバイスには、シンクロ、レゾルバ、回転可変差動トランス(RVDT)、回転ポテンショメータなどがあります。
• リニア エンコーダはロータリーエンコーダに似ていますが、回転ではなく直線上の位置または動きを測定します。リニア エンコーダは増分エンコーディングを使用することが多く、多くの工作機械で使用されています。
• ロータリースイッチ

• Winder, C. Farrell (1959 年 10 月)。「シャフト角度エンコーダーは高精度を実現」( PDF)。電子工業。18 (10)。チルトン カンパニー: 76–80。2018年 1 月 14 日閲覧。
• 軍事ハンドブック: エンコーダー - シャフト角度からデジタル化(PDF)。米国国防総省。1991-09-30。MIL-HDBK-231A。2020-07-25にオリジナルからアーカイブ(PDF) 。2020-07-25に取得。(注: MIL-HDBK-231(AS) (1970-07-01) に取って代わります。)

ウィキメディア・コモンズには、ロータリー・エンコーダに関連するメディアがあります。

• 「コード ホイールの選択: エンコーダーの動作の詳細な説明」Wayback Machineに 2022 年 5 月 22 日にアーカイブされたSteve Trahey による 2008 年 3 月 25 日の記事では、「ロータリー エンコーダー」について説明しています。
• 2005 年 7 月 19 日の Jack Ganssle による記事「エンコーダーは場所の感覚を提供します」では、「非線形エンコーダー」について説明しています。
• 「ロボットエンコーダー」。
• PWM と直交エンコーディングの入門チュートリアル。
• Revotics - 直交エンコーディングの理解 - ロボットアプリケーションに重点を置いた回転エンコーディングと直交エンコーディングの詳細について説明します。
• ロータリー エンコーダーの仕組み - ロータリー エンコーダーの仕組みと、Arduino マイクロコントローラーで使用する方法についてのビデオ説明。