多回転エンコーダの活用場面と方法

多回転ロータリエンコーダは、1回転（0°～360°）内のシャフトの角度位置だけでなく累積回転数も測定するように設計された精密電気機械センサです。1回転ごとに出力がリセットされる単回転エンコーダとは異なり、多回転エンコーダは絶対角度位置と総回転数の両方を得ることができるため、広範な動作領域にわたって正確な位置フィードバックを行うことができます。

高度なモーションコントロールアプリケーションでは、360°周期1回分のシャフト角度を取得するだけでは、信頼性の高いシステム監視には不十分です。回転運動が直線移動、歯車列、または大規模装置と機械的に連動されている場合、総回転数の追跡が不可欠となります。多回転エンコーダは、連続的な絶対位置データを提供することでこのニーズに対応し、複雑な電気機械システムの精密な同期と制御を保証します。この記事では、多回転エンコーダの動作原理、適用可能な場所、その他の統合に関する考慮事項を含め、より詳細に説明します。

多回転エンコーダの機能と利点

単回転エンコーダが359°から0°にロールオーバーするタイミングを監視することで、ソフトウェア上でシャフトの全回転を追跡することは可能なように思えるかもしれませんが、この方法では信頼性に重大な問題が生じます。データの取りこぼし、停電、通信障害、あるいは振動よって生じたノイズなどにより、回転数のカウントが同期からずれる可能性があります。0°/360°境界付近での急激な方向転換は、ロールオーバー検知ロジックをさらに混乱させ、累積誤差を招くことがよくあります。広範なフィルタリングやアルゴリズムの調整を行っても、ソフトウェアベースのソリューションは精度低下の影響を受けやすいままです。

多回転アブソリュートエンコーダは、ハードウェアレベルでこれらの課題を解決します。具体的には、1回転内の高精度角度分解能と、シャフトの完全な回転を追跡する内蔵回転カウンタという2つの重要な機能を統合しています。角度測定は通常、静電容量式、磁気式、または光学式センシング技術によって行われ、回転カウンタは角度データと同期して更新されます。この組み合わせにより、真の絶対多回転位置が得られ、外部ロールオーバーロジックに依存することなく、堅牢で誤差のないフィードバックが得られます。

回転カウンタ自体は、いくつかの方法で実装することが可能です。機械式エンコーダはギアベースのシステムを採用し、磁気式エンコーダは、ウィーガンドワイヤパルスエネルギーを用いて回転を検出することが多く、デジタル式エンコーダでは連続的な電源供給に依存しています。後者の場合、中断時の回転数維持のため、通常はバックアップバッテリやソフトウェアによる安全機能を通じて電源供給を維持するための慎重なシステム設計が必要となります。

起動時の多回転エンコーダの取り扱い方法

多回転エンコーダの設計における重要な課題は、電源投入時のリセット管理です。この問題を軽減するために、一般的に以下の技術的対策が採用されています。

• 原点またはリミットスイッチリファレンス - 起動時に、システムは機構を事前定義された基準点まで移動し、エンコーダの位置を再初期化します。
• 最終値の保持 - ホストコントローラまたは不揮発性メモリが使用可能な場合、システムはシャットダウン前に最後に取得した角度と回転数を保存することができます。再起動後、シャフトがダウンタイム中に移動していなければ、これらの値が再適用されます。
• 機械的なシャフトロック - 計画的なシャットダウンや超低出力状態では、シャフトを物理的にロックして動きを防止することができます。これにより保存されたエンコーダ値が電源投入時に有効となり、シームレスな復元が可能となります。この方式は、ポータブルシステムやバッテリ駆動のシステムで特に有用です。
• システムレベルの再初期化 - 数回転の損失が許容されるアプリケーションでは、システムは起動時に外部センサや安全なデフォルト状態を使用して、単純にリセットと再較正を行うことができます。これにより複雑さは軽減されますが、重要度の低い位置フィードバックアプリケーションでのみ有効です。

停電時に回転数損失が許容できないアプリケーションでは、バッテリバックアップの統合が最も信頼性の高い解決策の1つとなります。このアプローチでは、外部の再較正方法や補助センサに依存する代わりに、短時間の停電から長時間の停電まで、エンコーダへの電源供給が継続的に確保されます。

消費電力の観点から、ここで技術の選択が重要になります。Same SkyのAMTシリーズなどの静電容量式エンコーダは、通常わずか80mWで動作するため、組み込みおよびバッテリ駆動の設計に非常に効率的です。その効率性により、バックアップエネルギーストレージへの負担が最小限に抑えられ、過剰なバッテリ容量を必要とせずに長時間のサポートが可能になります。

対照的に、磁気式エンコーダは通常150～500mWの電力を消費し、光学式エンコーダは高分解能システムやLEDベースのシステムにおいて200mW～1W以上を必要とする場合が多くあります。この効率性の優位性により、静電容量式エンコーダは、ミリワット単位の電力が重要な電力制約環境において魅力的な選択肢となります。

図1：エンコーダ技術における一般的な消費電力。（画像提供：Same Sky）

多回転エンコーダを活用した応用例

ここでは、単回転フィードバックでは不十分で、多回転エンコーダが必要な一般的な実例をいくつか紹介します。

• 減速機（ギアまたはベルト）駆動装置- モータが出力シャフトの1回転ごとに複数回転する場合（例：10:1の比率）、最終角度のみを追跡することは適切ではありません。位置精度を維持するためには、システムがすべての中間回転数を考慮する必要があります。
• ボールネジおよび送りネジ - シャフトの1回転は、固定された直線距離に対応します。回転数の欠落は直線位置誤差に直接影響するため、高精度位置決めには多回転追跡が不可欠となります。
• ラックアンドピニオン機構 - 回転入力から連続的な直線移動が生成されます。正確なフィードバックには、真の移動距離を計算するため、すべての回転を計測する必要があります。
• ロボティクスおよび自動化における回転軸 - 関節、タレット、回転プラットフォームは、しばしば1回転を超える動作を行います。多回転フィードバックがなければ、システムは動作中に位置誤差や衝突のリスクにさらされます。

一般的な観点から、モーションコントロールシステムは、アプリケーションに以下の要件がある場合に多回転エンコーダの導入が有益となる可能性があります。

• 拡張位置追跡 - 360°を超えるシャフトの動きを監視する必要があるシステム。
• 回転から直線への変換 - 1回転ごとに正確な直線移動が生じる駆動機構。
• 高減速比 - モータ回転数が出力シャフトの回転数を大幅に上回るギアまたはベルト駆動システム。
• 最小限のフィルタリングによる絶対精度 - ソフトウェアのロールオーバー検出による累積誤差を許容できないアプリケーション。
• 合理化された起動ロジック - 電源投入後の初期化により簡素かつ信頼性の高い方法で実現できる設計。

Same SkyのAMTアブソリュートエンコーダファミリには、SPIおよびRS-485デジタルインターフェースを備えたコンパクトな多回転モデルがあります。組み込みモーションシステム向けに設計されており、低消費電力、モジュール式取付けの柔軟性、直感的な通信を実現します。絶対的な多回転追跡が求められる環境に最適です。電源投入時のリセットを適切に管理することで、動作サイクル全体を通じて中断のない精度を保証します。

正確な通信プロトコルは種類によって異なりますが、ほとんどの場合、少数のバイト数またはコマンドを使用して、角度位置と回転数の両方を簡単に読み取ることができます。Same SkyのAMTエンコーダ向けコマンドは、各データシートに記載されています。

まとめ

多回転エンコーダは、回転追跡を内部で管理することでモーション制御を効率化し、複雑なロールオーバーロジックや大規模なソフトウェアフィルタリングを無くすことができます。この内蔵機能により、広範囲な動作領域にわたって正確な位置データが保証され、信頼性と拡張性を兼ね備えた自動化システムを開発する技術者にとって不可欠なコンポーネントとなっています。

Same SkyのAMTアブソリュートマルチターンエンコーダは、設計の柔軟性をさらに高め、2mm～5/8インチ（15.875mm）までのモータシャフト径に対応しています。この幅広い機械的互換性により、幅広いモータプラットフォームへの統合が可能となり、追加のカスタマイズなしに、堅牢な位置検出を実現します。