TI Tech Note

インクリメンタル・ロータリー・エンコーダは、回転の動きを電気信号に変換し、自動化システムをより精密に制御できるようにします。角度を測定するアブソリュート・エンコーダとは異なり、インクリメンタル・エンコーダでは、回転が発生したときに High パルスと Low パルスを交互に生成し、これによって回転する物体の速度と方向を示すことができます。

コンピュータ用マウス・ホイール、流量計、ノブ、ホイール速度センサ、欠落したステップを検出するためのステッパ・モーター・フィードバック、車載用ウィンドウ、サンルーフ、シート、ミラー用のブラシ付き DC モーター・センサなどに利用できます。

出力信号

1 方向の回転のみを測定する場合は、「単一出力」に示すのと同様のトグル出力を 1 つ持つエンコーダを使用します。

時計回りと反時計回りの移動を区別する必要がある場合は、位相をオフセットした 2 つのエンコーダ出力を使用します。2 ビットの状態の順序により、方向が反転したことが示されます。「2 ビット直交出力」に示すように、各極ペアがエンコーダのそばを通過すると、4 つの固有の出力条件が生成されます。

90°の位相オフセット (直交) を使用すると、各状態間のタイミング・マージンが最大になり、機械的許容誤差、センサのミスマッチ、信号ジッタの存在による誤差を回避できます。

テクノロジー

インクリメンタル・エンコーディングを実現するには、さまざまなテクノロジーがあります。

1. 接触式：電気的な接続を確立または切断するため、機械的な接触を使用します。一般的には、センター・シャフトを中心として、金属ブラシを隣接する固定部品上に周期的に配置された接触点をなぞるように移動させます。これはパッシブ・ソリューションですが、機械的に複雑になる傾向があり、デバウンス・タイミングが必要で、磨耗しやすく、汚れた環境では必ずしも最適に機能しません。
2. 光学式：光学式エンコーダは、光を交互パターンで通過させるスリットが刻まれたディスクと、1 つの LED および反対側に配置した 2 つのフォトダイオードを使用して構築できます。適切に整列すると、この配置により直交シーケンスが生成されます。光学式エンコーダは、非常に高い分解能を実現できますが、サイズが大きくなりがちで、システムをクリーンな状態に維持する必要があり、LED の寿命によって制限されます (高温では寿命は短縮)。
3. 誘導性：誘導性センサは、既知の誘導コイルの相互インダクタンスにより、近接する導電性ターゲットを検出します。回転ギアなどの金属ターゲットを一連のセンス・コイルに隣接させて配置することにより、浮遊 DC 磁界や汚れに耐性のある直交出力を生成できます。このセンシング・オプションは非接触式であり、多くの場合、機械設計に既存の金属ボディを使用します。このソリューションの詳細については、 「関連技術資料」を参照してください。
4. 磁気式：磁気式インクリメンタル・エンコーダは、複数の N 極と S 極を持つ円形の磁石を使用します。標準のホール効果ラッチは、B フィールド・ベクトルの 1 成分のみを検出します。そのため、このベクトルの検出成分に 90°の位相差が生じるように、これらのデバイスを間隔を空けて配置する必要があります。「磁気インクリメンタル・エンコーダ」に示されているように、2 つのホール効果ラッチを n + 1/2 極の間隔で配置して、磁石が回転するときに直交出力を生成することにより、これが実現されます。

磁気式エンコーダは、以下の理由から、低コスト、小型、非常に高い信頼性を実現できます。

• 非接触式で、センサは半導体エレクトロニクスです。
• 磁界はほとんどの汚染物質 (水、油、汚れ) を通過し、PCB を環境から密閉できます。
• 入力センシング信号と出力信号は実質的にデジタル化されており、高いノイズ耐性を実現します。

TMAG5110 や TMAG5111 などの 2D ホール効果ラッチを使用すると、設計をさらに簡素化できます。磁界ベクトルの直交成分を検出する 2 番目のセンシング素子を組み込むことにより、単一のデバイスで回転する磁石の直交成分を測定できます。これは、磁石が位相差 90°の磁界成分を生成するという自然の効果により可能となります。これを示すため、「同相磁界ベクトル」に 8 極リング磁石の磁界ベクトル線の断面図を示します。

1 回転あたりのインクリメント

エンコーダ用に選択された磁石の極数によって 1 回転あたりに生成される出力状態の数は異なり、検討すべきトレードオフがあります。

閉ループ速度制御を使用するモーター・システムでは、速度の許容誤差、負荷トルクの変動、モーターの慣性に応じて、帰還が十分に高速である必要があります。各極ペアには 4 つの出力状態があるため、出力データ・レートを使用してエンコーダの要件を決定できます。回転速度は通常 RPM (回転/分) で表されるので、これをEquation1 に示すように使用してシステム要件を決定できます。

低速回転アプリケーションでは、主な懸念事項は各インクリメント間の角度です。たとえば、10°ごとにイベントが必要な場合、1 回転あたり 36 の出力状態を持つエンコーダが適しています。各磁極ペアは 4 つの状態を生成するので、18 の極、つまり 9 ペアを持つ磁石が必要です。

エンコーダの分解能が高い場合の欠点は、機械的許容誤差とセンサの許容誤差をより厳しくする必要があることです。極ピッチを小さくすると、リング磁石の磁化深度も小さくなります。これにより、センサが観測する磁界の大きさが制限されます。動作スレッショルドが低いラッチは、弱い磁石を検出し、直交のずれを削減できるため、この目的に理想的です。ただし、極数が多すぎる磁石を使用すると、ホール効果ラッチを適切にトリガするのに十分な入力が得られない可能性があります。センサを磁石の近くに配置すると、この問題が解決する可能性はありますが、機械的な許容誤差により、このように調整できない場合があります。

別のアプローチは、ギア比を使用して、追跡対象の物体よりも磁石を高速に回転させることです。このようにすると、磁界強度を犠牲にせずに、精度と分解能を向上させることができます。たとえば、1:1 のギア比で 1 つの遷移状態が 10°の回転を表す場合、2:1 のギア比では、同じ極遷移が 5°を表すようになります。重要な点は、どちらの場合も、センサが遷移中の各極を検出するには、センサのサンプリング・レートを 1 秒あたりの極数の 2 倍より大きくする必要があり、3 倍以上が理想的であるということです。詳細については、DRV5012 超低消費電力デジタル・ラッチ・ホール効果センサのデータシートの「アプリケーション」セクションを参照してください。

リニア・ホール・センサの使用

DRV5055 などのリニア・ホール・センサは、インクリメンタル・エンコーディングにも使用できます。事前定義された磁気スレッショルドでトグルするラッチ付きデバイスとは異なり、リニア・ホール・センサは、磁束密度に比例したアナログ出力電圧を生成します。

2 つのセンシング素子を 90°の位相差で使用すると、正弦出力と余弦出力が得られ、絶対角度のエンコーディングに使用できます (2 極磁石を使用)。この方法の詳細については、「関連技術資料」を参照してください。