容量性エンコーダー、磁気エンコーダー、光学エンコーダー - 技術比較

精密なモーションコントロールに際しては、エンコーダーは機械的な動きを電気信号に変換するために不可欠なコンポーネントです。オートメーション機器、産業用プロセス制御、またはロボット工学などの多くのアプリケーションで使用されるエンコーダは、位置、速度、距離、および方向に関するデータを提供します。市販されている主なエンコーダー技術には、次のようなものがあります。磁気、光学、容量性このブログでは、各技術の動作原理について説明し、一部の容量性エンコーダー技術固有の利点について注目しています。

プライマリー・エンコーダー技術の特徴

磁気エンコーダー

磁気エンコーダーは、交流極と、ホール効果か磁気抵抗センサーを持つ回転磁化ディスクから構成され、磁束場の変化を検出することで動作します。磁気エンコーダーは堅牢かつ衝撃や振動に対しても優れた耐性を示し、油や汚れ、水分の影響もほとんど受けません。一方、欠点としては、電動モーターによる磁気干渉の影響を受けやすく、実行可能な動作温度範囲が限られていることが挙げられます。磁気エンコーダーには今までに多くの改良が施されてきましたが、通常、分解能や精度の点が光学エンコーダーや容量性エンコーダーと比較すると低くなります。

光学式エンコーダー

磁気エンコーダーと比較すると、光学エンコーダーは、より優れた分解能と高い精度を提供することができます。光学エンコーダーは、LED光源（通常は赤外）、ガラスやプラスチック製のエンコーダー・ディスクの反対側に位置する光検出器から構成されます。エンコーダー・ディスクには、透明や半透明な線やスロットがあります。ディスクが回転すると、ウィンドウを通過する光のオン/オフが典型的な方形波AおよびBの直交パルスを提供します。光学エンコーダーは、何十年にもわたってモーション・コントロール市場を先導してきましたが、このデバイス固有の欠点もあります。光学エンコーダーは「見通し線」に依存することから、埃、汚れ、油の影響を受けやすいことがあります。光ディスクは通常はガラスかプラスチックのいずれかを使用してつくられているため、振動や極端な温度による損傷や、アセンブリー過程でモーターにコンタミネーションを受けます。動作に関しては、光学式エンコーダーは100mA以上の電流を消費し、寿命は最終的にはLEDによって制限されます。

容量性エンコーダー

容量性エンコーダーは、次の3つの主要部品から構成されています：ローター、据え置き型トランスミッター、据え置き型受信器ローターには正弦波パターンが含まれ、それが回転するにつれトランスミッターの高周波リファレンス信号は予測可能な形で変調されます。このエンコーダーは受信機ボード上の容量性リアクタンスの変化を検出し、それを復調アルゴリズムを使用して回転モーションの増分に変換します。

容量性エンコーダーの利点

デジタルキャリパーで使用されているのと同じ原理から派生した容量性エンコーダーは、2006年にCUI Devicesが最初の世代の製品を発表して以来、優れた追跡記録を提供してきています。AMTシリーズは優れた信頼性と正確性を備えていることで知られており、光学技術と磁気技術で見られる多くのアプリケーションの問題を解決します。容量性エンコーダーは光学エンコーダーよりも堅牢で、かつ埃、汚れ、油などのさまざまな環境汚染物質に対する耐性を持っています。また、容量性エンコーダーは、振動や厳しい温度に対してもはるかに優れた耐性を示します。さらに、LEDを持たないことから、光学式エンコーダーよりも長寿命、省スペース、および低電流消費（6～18 mA）となります。これは、磁気干渉や電気ノイズの影響を受けないため、磁気エンコーダーと同様に堅牢ですが、より高い精度と分解能を実現します。

デジタルの性質を考慮すると、容量性エンコーダーは高い柔軟性も提供し、ユーザーがエンコーダーの分解能を変更することもできます。その他の技術では、分解能はエンコーダー・ディスクによって決定されます。つまり、異なる分解能が必要になるたびに、光学式エンコーダーか磁気式エンコーダーを交換する必要があります。容量性エンコーダーで使用できるプログラム可能な分解能は、PID制御ループを設計する際のシステム最適化に役立つだけでなく、1つのモデルを複数のアプリケーションで使用することができるため在庫の削減にも役立ちます。容量技術は、BLDC整流用のインデックスパルスとエンコーダーのアライメントのデジタル設定も可能です。また、内蔵の診断機能により、設計者は現場で貴重なシステムデータにアクセスし、迅速にトラブルシューティングをすることができます。

エンコーダー技術の利点・欠点の比較

トレードオフの解決

システム要件に関わらず、容量性エンコーダーは光学式センシングまたは磁気センシング技術に代わる、汎用性、費用効果、そして信頼性の高い代替手段を提供します。容量性エンコーディングは、実質的にどんな環境条件でも精度と信頼性の面で優れた性能を発揮するだけでなく、その固有のデジタル操作は、従来のエンコーダー機能との互換性を保ちながら、プログラム可能で改善された診断機能を提供します。