エンコーダーはモーション コントロール製品で一般的であり、ロータリー エンコーダーはモーション コントロール フィードバック ループの重要なコンポーネントであり、産業オートメーション機器とプロセス制御、ロボット工学、医療機器、エネルギー、航空宇宙などを含みます。
機械的な動きを電気信号に変換するデバイスとして、エンコーダはシステム全体のパフォーマンスを最適化するために使用できる位置、速度、距離、方向などの基本データをエンジニアに提供します。
光学、磁気、および静電容量は、エンジニアが利用できる 3 つの主要なエンコーダ技術です。 ただし、最終的なアプリケーションに最適なテクノロジを決定するには、考慮すべき要素がいくつかあります。
この記事では、光学式、磁気式、静電容量式のエンコーダ技術の概要を説明し、各技術の長所と短所について簡単に説明します。
1. 光学式エンコーダ
光学式エンコーダは、長年にわたってモーション コントロール アプリケーション市場で人気のある選択肢でした。 これは、LED 光源 (通常は赤外線光源) と光検出器で構成され、エンコーダ コード プレートの両側にあります。
コードプレートはプラスチックまたはガラスでできており、一連の透明および不透明な線またはスロットが間隔を空けて配置されています。 コード ディスクが回転すると、コード ディスク上に間隔を置いて配置されたラインまたはスロットによって LED の光路が遮断され、2 つの典型的な方形波 A および B の直交パルスが生成され、軸の回転と速度を決定するために使用できます。 .
光学式、磁気式、静電容量式エンコーダーのテクニカル分析
図 1: 光学式エンコーダの典型的な A および B 直交パルス (インデックス パルスを含む) (写真提供: CUI Devices)
光学式エンコーダは広く使用されていますが、まだいくつかの欠点があります。 産業用アプリケーションなどのほこりや汚れの多い環境では、汚染物質がコード プレートに蓄積する可能性があり、その結果、LED 光の光センサーへの伝達が妨げられます。
光学式エンコーダの信頼性と精度は、汚染されたコードディスクが不連続または方形波の完全な損失につながる可能性があるため、大きな影響を受けます。
LED の耐用年数は限られており、最終的には燃え尽き、エンコーダの故障につながります。 さらに、ガラス製またはプラスチック製のコード ディスクは、振動や極端な温度によって損傷を受けやすいため、過酷な環境でのアプリケーションでの光学式エンコーダの適用性が制限されます。 モーターへの組み込みには時間がかかるだけでなく、汚染のリスクも高くなります。
最後に、光学式エンコーダの分解能が高い場合、100 mA を超える電流を消費し、モバイル デバイスやバッテリ駆動デバイスでのアプリケーションにさらに影響を与えます。
2. 磁気エンコーダ
磁気エンコーダは光学式エンコーダと構造が似ていますが、光ビームではなく磁界を使用します。 磁気エンコーダーは、スロット付き光学コード ディスクを、ホール効果センサーまたはリラクタンス センサーの列で回転する間隔をあけた磁極を備えた磁気コード ディスクに置き換えます。
コード プレートが回転すると、これらのセンサーが反応し、結果の信号が信号調整フロントエンド回路に送信され、シャフトの位置が決定されます。
光学式エンコーダと比較して、磁気式エンコーダは耐久性が高く、振動や衝撃に強いという利点があります。 さらに、ほこり、汚れ、油汚れなどの汚染物質の場合、光学式エンコーダーの性能が大幅に低下しますが、磁気式エンコーダーは影響を受けないため、過酷な環境でのアプリケーションに最適です。
ただし、モーター (特にステッピング モーター) によって生成される電磁干渉は、磁気エンコーダーに大きな影響を与え、温度変化もその位置ドリフトを引き起こします。
さらに、磁気エンコーダの分解能と精度は比較的低く、この点で光学エンコーダや静電容量式エンコーダよりもはるかに劣っています。
3.静電容量式エンコーダ
静電容量式エンコーダーは、ローター、固定トランスミッター、固定レシーバーの 3 つの主要部分で構成されています。 静電容量式センシングでは、1 極が固定要素にあり、もう 1 つの極が可動要素にあるストリップまたは線形パターンを使用して、レシーバー/トランスミッターのペアとして構成された可変コンデンサーを形成します。
ローターには正弦波パターンがエッチングされており、モーター シャフトが回転すると特定の予測可能な信号が生成されます。 この信号は、エンコーダのオンボード ASIC によって変換され、軸の位置と回転方向が計算されます。
光学式、磁気式、静電容量式エンコーダーのテクニカル分析
図 2: エンコーダ ディスクの比較 (写真提供: CUI Devices)
4.静電容量式エンコーダ
静電容量式エンコーダーは、デジタル バーニア キャリパーと同じ原理で動作するため、光学式および磁気式エンコーダーの欠点の多くを克服するソリューションを提供します。
CUI Devicesの一連のAMTエンコーダで使用されている静電容量ベースの技術は、信頼性と精度が高いことが証明されています。
LED や見通し線が必要ないため、静電容量式エンコーダは、ほこり、汚れ、油汚れなど、光学式エンコーダに悪影響を与える可能性のある環境汚染物質に遭遇した場合でも、望ましい結果を得ることができます。
また、光学式エンコーダーに使用されているガラス製コードディスクに比べ、振動や極端な高温・低温の影響を受けにくくなっています。
前述のように、静電容量式エンコーダーは、LED が燃え尽きないため、光学式エンコーダーよりも耐用年数が長くなる傾向があります。
その結果、静電容量式エンコーダはパッケージ サイズが小さくなり、わずか 6 ～ 18 mA の分解能範囲全体で消費電流が少なくなり、バッテリ駆動のアプリケーションにより適したものになります。
静電容量技術の堅牢性、精度、分解能は磁気エンコーダよりも高いため、磁気エンコーダが直面する電磁干渉や電気ノイズは大きな影響を与えません。
さらに、静電容量式エンコーダのデジタルの性質は、柔軟性とプログラマビリティの点で重要な利点を提供します。 光学または磁気エンコーダの分解能はエンコーダ プレートによって決まるため、別の分解能が必要になるたびに新しいエンコーダが使用され、設計および製造プロセスの時間とコストが増加します。
ただし、容量性エンコーダにはさまざまなプログラム可能な分解能があるため、設計者は新しい分解能が必要になるたびにエンコーダを交換する手間が省けます。これにより、在庫が削減されるだけでなく、PID 制御ループの微調整とシステムの最適化が簡素化されます。
静電容量式エンコーダを使用すると、BLDC モーターの開始時にパルス設定のデジタル アライメントとインデックス作成が可能になります。この作業は、光学式エンコーダでは反復的で時間がかかる可能性があります。
組み込みの診断機能により、設計者はシステム データにさらにアクセスして、システムを最適化したり、現場でトラブルシューティングしたりできます。
光学式、磁気式、静電容量式エンコーダーのテクニカル分析
図 3: 静電容量、光学、および磁気技術の主要性能指標の比較 (写真提供: CUI Devices)
5. 選択肢を検討する
多くのモーション コントロール アプリケーションでは、温度、振動、および環境汚染物質は、エンコーダが対処しなければならない重要な課題要因です。 静電容量式エンコーダがこれらの課題を克服できることが判明しました。
光学または磁気技術と比較して、信頼性が高く、正確で柔軟なソリューションを設計者に提供します。
さらに、静電容量式エンコーダは、プログラマビリティと診断機能を追加します。これは、最新のモノのインターネット (IoT) および産業用モノのインターネット (IIoT) アプリケーションにより適したデジタル機能です。