機械制御の基礎：エンコーダー

産業用オートメーションにおいて、モーターの回転や機械の移動量を正確に計測することは、制御の基本にして最重要課題です。この役割を担うのがエンコーダ、特に回転運動を検出するロータリーエンコーダです。

人間の体に例えるならば、PLCが頭脳、モーターが筋肉であるのに対し、エンコーダは目や神経系にあたります。モーターがどれだけ回ったか、現在どの角度にいるか、あるいはどれほどの速度で動いているかという物理的な運動情報を、電気信号であるデジタルデータに変換してコントローラへフィードバックする。この一連のプロセスなしには、高精度な位置決めも、滑らかな速度制御も実現し得ません。

検出原理と光の断続

エンコーダが回転を検出する仕組みには、主に光学式と磁気式の二種類が存在しますが、高い精度が求められる産業用途では光学式が主流です。

光学式エンコーダの構造

光学式エンコーダの内部には、回転スリット板と呼ばれる円盤が組み込まれています。この円盤はガラスや金属、あるいは樹脂で作られており、外周に沿って極めて微細なスリット、つまり光を通す穴が放射状に刻まれています。この円盤を挟むようにして、一方に発光ダイオードなどの光源を、もう一方にフォトダイオードなどの受光素子を配置します。軸が回転すると円盤も回転し、スリットが光を通過させたり遮断したりします。受光素子はこの光の明滅を検出し、電気的なパルス信号に変換します。スリットの間隔が狭ければ狭いほど、一回転あたりのパルス数が増え、より細かな角度変化を検出できることになります。

磁気式エンコーダの特徴

一方、磁気式エンコーダは、磁極が着磁されたドラムと、磁気センサを用いて回転を検出します。光学式に比べて分解能や精度では劣る場合がありますが、油や埃、結露といった汚れに強く、耐環境性に優れるという特徴があります。工作機械のスピンドルや、過酷な環境下で使用されるモーターなどで採用されています。

インクリメンタルエンコーダ

エンコーダは、出力する情報の種類によってインクリメンタル形とアブソリュート形に大別されます。まずは、相対的な移動量を検出するインクリメンタル形について解説します。

A相とB相による方向判別

インクリメンタルエンコーダは、回転している間だけパルス信号を出力します。しかし、単にパルスを出すだけでは、右に回っているのか左に回っているのか判別できません。そこで、位相を90度ずらした二つの信号、A相とB相を出力する仕組みになっています。 A相のパルスが立ち上がった瞬間にB相がローレベルであれば正回転、逆にB相がハイレベルであれば逆回転といった具合に、二つの信号のタイミングのズレ、位相差を論理回路で読み取ることで、回転方向を判別します。

逓倍による分解能向上

このA相とB相の信号を利用することで、電気的に分解能を高めることが可能です。これを逓倍と呼びます。通常の一周期分のパルスを一つと数えるのではなく、A相の立ち上がり、立ち下がり、B相の立ち上がり、立ち下がりという四つのエッジをすべてカウントすることで、物理的なスリット数の4倍の分解能を得ることができます。これを4逓倍と呼びます。

Z相原点信号

A相とB相に加えて、一回転に一回だけ出力されるZ相という信号があります。これは原点信号あるいはインデックス信号と呼ばれ、機械の原点復帰動作や、回転数のカウント基準として利用されます。

欠点と用途

インクリメンタル形は構造が単純で安価であり、高速回転への追従性も良いため、速度制御や簡易的な位置決めに広く使われます。しかし、電源を切ると現在の位置情報が失われてしまうという致命的な欠点があります。再起動時には必ず原点復帰動作を行い、基準位置を再確認しなければなりません。

アブソリュートエンコーダ

電源遮断時も位置情報を保持し、絶対的な角度を知ることができるのがアブソリュートエンコーダです。

独自の番地を持つスリット

アブソリュート形の回転スリット板には、同心円状に何重ものトラック、帯が刻まれています。中心に近いトラックから外周に向かって、2進数のビットパターンのようにスリットが配置されており、それぞれの角度において唯一無二のパターンが出力されるようになっています。例えば、ある角度では「0011」、少し回すと「0100」というように、角度そのものがデジタルコードとして出力されます。したがって、電源を入れた瞬間に、パルスをカウントすることなく、即座に現在の角度を知ることができます。

グレイコードの採用

このデジタルコードには、通常の2進数ではなく、グレイコード交番二進符号と呼ばれる特殊な符号が用いられます。通常の2進数では、「0111」から「1000」へと切り替わる際、4つのビットが同時に変化します。もし読み取りタイミングがわずかでもずれると、一瞬「0000」や「1111」といった誤った値を読んでしまうリスクがあります。グレイコードは、隣り合う数値への変化において、必ず1ビットしか変化しないように設計されています。これにより、読み取り誤差を物理的に排除し、信頼性の高い位置検出を実現しています。

シングルターンとマルチターン

一回転以内の角度だけを検出するものをシングルターンアブソリュートエンコーダと呼びます。しかし、ロボットのアームや搬送装置では、何回転も回った後の積算位置を知る必要があります。これに対応するのがマルチターンアブソリュートエンコーダです。内部に減速ギアと複数のコードホイールを持ち、回転数を機械的に記憶する方式や、バッテリーバックアップによって回転数をメモリに保持する方式、さらにはウィーガンドワイヤなどの磁気素子を用いて、外部電源なしで回転エネルギーのみでカウント信号を生成するバッテリーレス方式などがあります。

信号出力方式とインターフェース

エンコーダが生成した信号を、PLCやサーボアンプへ正確に伝送するためには、適切な出力回路の選定が不可欠です。

オープンコレクタ出力

最も一般的で安価な方式です。出力回路のトランジスタのコレクタが開放されており、受信側で電源電圧へプルアップ抵抗を介して接続します。電圧レベルを自由に合わせられる利便性がありますが、波形の立ち上がりが鈍りやすく、またノイズの影響を受けやすいため、配線距離が短い場合や、低速なパルス信号を扱う場合に適しています。

ラインドライバ出力差動出力

長距離伝送や高速通信、そして耐ノイズ性が求められる場合に必須となる方式です。 RS422規格に準拠したICを用い、正転信号と反転信号という互いに逆相の二つの信号をツイストペアケーブルで送ります。受信側では二つの信号の電位差を見ます。もし外部からノイズが乗っても、プラス側とマイナス側の両方に同じようにノイズが乗るため、差分をとるとノイズ成分が相殺されて消滅します。これをコモンモードノイズ除去と呼びます。サーボモーターのエンコーダなど、信頼性が最優先される用途では標準的に採用されます。

シリアル通信

分解能が数百万パルスを超えるような高分解能アブソリュートエンコーダの場合、パラレル配線では電線の数が膨大になってしまいます。そこで、SSIやBiSS、EnDat、あるいは産業用イーサネットなどのシリアル通信を用いて、デジタルデータをパケットとして高速伝送する方式が主流となっています。これにより、省配線化と高度なステータス情報のやり取りが可能になります。

分解能と精度

エンコーダの性能を表す指標として、分解能と精度があります。これらは似て非なる概念です。

パルス数とビット数

インクリメンタル形では、一回転あたりのパルス数、PPRで分解能を表します。例えば2000PPRであれば、一回転を2000分割して検出できます。アブソリュート形では、ビット数で表します。17ビットであれば2の17乗、すなわち13万1072分割となります。近年のサーボモーター用エンコーダでは20ビットを超えるものも珍しくなく、ナノメートルオーダーの位置決めを可能にしています。

機械的精度と電気的精度

分解能がいかに高くても、スリット板の偏心や、スリットの間隔そのものの加工誤差があれば、正しい角度は検出できません。これが精度です。また、温度変化によるLEDの光量変動や、回路の応答遅れなども誤差要因となります。カタログスペックの分解能だけでなく、実際の累積精度を確認することが精密制御には求められます。

機械的結合と寿命

エンコーダは精密電子部品であると同時に、回転体という機械部品でもあります。その寿命はベアリングとカップリングによって決まります。

軸荷重とフレキシブルカップリング

エンコーダの軸と、モーターなどの相手軸を接続する際、芯ズレや偏角が避けられません。これらを無理やり直結すると、エンコーダ内部のベアリングに過大な荷重がかかり、短期間で破損します。これを防ぐために、板バネや金属スリットが入ったフレキシブルカップリングを使用し、ミスアライメントを吸収する必要があります。また、ベルトプーリーなどを直接取り付ける場合は、許容軸荷重ラジアル荷重およびスラスト荷重を超えないよう、軸受ユニットを介して接続するなどの配慮が必要です。

中空軸ホローシャフト

カップリングを用いずに、相手の軸を直接エンコーダに通して固定する中空軸タイプもあります。省スペースで取り付けが容易であり、カップリングのねじれ剛性の影響を受けないため、高応答な制御が可能ですが、取り付け時の芯出しにはより一層の注意が必要です。

耐環境性と保護構造

工場環境は、エンコーダにとって過酷です。切削油のミスト、鉄粉、振動、衝撃、電気的ノイズなどが常に襲いかかります。

IP保護等級

水や粉塵に対する保護性能はIP等級で示されます。一般的な用途ではIP50程度ですが、工作機械内などではIP65やIP67といった高い防水防塵性能を持つモデルが選定されます。軸の隙間からオイルが侵入すると、光学系が汚れて信号が出なくなったり、ディスクが曇って誤動作したりします。オイルシール付きの強化タイプや、そもそも光学系を持たない磁気式レゾルバの使用が検討されるケースもあります。

耐ノイズ設計

モーターの動力線とエンコーダの信号線を平行して配線すると、電磁誘導によってノイズが混入し、パルスの誤カウントを引き起こすことがあります。シールド線の使用、動力線との離隔、フェライトコアの装着、そしてコントローラ側のフィルタ設定など、システム全体でのEMC対策が不可欠です。

新たな技術トレンド

IoTやインダストリー4.0の流れを受け、エンコーダも進化しています。

自己診断機能

最新のエンコーダは、自分自身の状態を監視する機能を持っています。 LEDの劣化による光量低下や、ベアリングの振動異常、内部温度の上昇などを検知し、故障して止まる前にアラームを出力する予知保全機能が実装されつつあります。

機能安全

協働ロボットなど、人と機械が共存する環境では、安全機能が重要です。エンコーダの信号を二重化し、万が一の故障時にも暴走を防ぐ機能安全規格、SIL2やSIL3に対応した製品が登場しており、安全システムの構築を簡素化しています。