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» 2012年05月28日 16時00分 公開

エンコーダの基礎から応用(3):磁気/電気誘導式エンコーダの動作原理と特徴 〜移動/回転を磁界変化で捉える〜 (2/3)

[堀田智章,アバゴ・テクノロジー ]

位置変化を「磁界変化」または「誘導磁界変化」で検出

 それでは、磁気/電気誘導式エンコーダの動作原理の概略を解説しましょう。磁気/電気誘導式エンコーダの動作を大きく分けると、「永久磁石を使用した磁石型」と、「誘導コイルを使用したコイル型」の2種類に分けられます(表1)。後述するように、磁気/電気誘導式エンコーダには幾つかの方式がありますが、いずれもアナログ信号の振幅情報を基に位置を検出をしています(磁歪式も振動検出する点でアナログ検出です)。

 まず、永久磁石を使用した磁石型を例にしましょう。このタイプでは、磁界の変化を電気信号に変化するデバイス(例えば、ホール素子やMR素子)と永久磁石を組み合わせて使います。回転または移動する物体に取り付けた永久磁石の位置が変化すると磁界分布が変わります。この磁界分布の変化を、ホール素子やMR素子で捉え、電気信号に変換することで、回転量を測定できることになります。

 一方の誘導コイルを使用したコイル型も同じように磁界変化をうまく使います。回転する物体に取り付けるコイル(励磁コイル)と、固定コイル(検出コイル)を用意し、励磁コイルに交流電圧を印加します。すると、励磁コイルの回転に応じて、固定コイルとの距離が変化し、固定コイルに励起される交流電圧が変化します。これをうまく処理することで、回転量を測定します。

図 表1 磁気/電気誘導式エンコーダの分類とそれぞれの特徴 クリックで拡大します。

 例として永久磁石を使用した磁石型の場合、磁石が回転していなくても磁石の磁界分布によるセンサー出力が得られていますので、出力電圧範囲が±10Vとするとした場合、電圧範囲を360°で割った値(20V/360度=0.056V/度)の分解能で静止位置の角度を算出できます。磁石の回転方向は、前述の電圧範囲を角度に変換した値を、時間で区切って増減を計算することで判別できます。速度は、ある時間で区切り、角度の変化量を計算することで算出できます。このように処理する場合は、アナログ信号の電圧変化をA-Dコンバータでデジタル信号に変換することで、回転方向や速度、回転位置を検出します。

 磁気/電気誘導式エンコーダは、絶対的な角度(アブソリュート型)として1回転あたりの出力が正弦波(sin)の電圧波形となるため、回転角度を決めることが容易にできます。例えば、振幅が±1V交流電圧(sin)波形が1回転当たり1周期だけ出力されるとします。ある位置のときの電圧が0Vとしますと、+1Vの時の角度は90度、また0Vに戻ったときは180度、−1Vを270度、また0Vに戻ると360度/0度というように、絶対的な角度を知ることが容易にできるのです。

 実際には、温度や機械的な変動によって振幅が変化しますので、その変化を補正する回路や信号処理回路が必要になります。さらに、分解能を高めるために複数の振幅を組み合わせるなど、各社が工夫をこらした品種を販売しています。

「アブソリュート方式」と「インクリメンタル方式」

  磁気/電気誘導式エンコーダの特徴として、アブソリュート出力が容易と書きました。アブソリュートとインクリメンタルについて、まとめておきましょう。エンコーダには必ずこの2つの信号出力方式が存在します。どちらも移動量の出力形式なのですが、日本語に変換すると分かりやすくなります。アブソリュート方式は「絶対位置出力」、インクリメンタル方式は「相対位置出力」となります。

 アブソリュート方式は必ずスタート位置が決まっており、そのスタート位置から何個目、もしくは何番地というように検出範囲のすべての位置情報が決まっています。例えば、ロータリー型のエンコーダでは、任意の角度をスタート位置として360度すべての角度に分解能分の番地が割り振られています。

 1回転10ビット分解能のアブソリュートエンコーダを例にすると、10ビットは2の10乗ですので10進数で1024となります。1024個の番地を360度に1番地ずつ割り振るので、1番地当たりの角度は360度/1024=0.351度となります。そうすると、0.351度ごとに1番地ずつ進み、1回転の中に0〜1023番地が割り振られていることになります。ですので、エンコーダの電源を入れるとすぐに、1回転の中のどの角度から出力されたのかを知ることができます。これはリニア方式でも同じことで、検出範囲の幅に対して分解能に応じた番地を割り振っています。

 一方でインクリメンタル方式は、相対位置を出力しますのでスタート位置の絶対情報を持っていません。A相、B相の出力で考えますと、どちらからも同じ形状のパルス信号(方形波)または、正弦波が連続して出力されます。このため、検出範囲の中で特定の絶対的な場所を決めることはできません。ただし、原点信号(Z相)を元に何パルス目(もしくは何カウント目)と言ったように、1つずつカウントして回転角度位置や水平位置を検出する事が出来ます。そのため、基準となる原点信号(Z相)が無いと、絶対的な位置を検出する事が出来ません。

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