エンコーダの種類

エンコーダーは産業用オートメーションおよび精密モーションコントロールシステムの「目」として、機械的な動きを正確に電気信号に変換します。用途要件や技術的な実装に応じて、出力信号タイプ、計測形式、検出原理の3つの観点から分類できます。以下では、より専門的かつ詳細に解説します。

I. 出力信号タイプ別分類

1. インクリメンタルエンコーダー（Incremental Encoder）

動作原理：光学または磁気センサーにより A/B 相の正交パルスを生成し、Z 相で一回限りのリファレンスパルスを出力。
主要指標：
- 分解能：通常 500–10 000 PPR。4×・16× の補間で数万～数百万 PPR に向上可能。
- 信号品質：位相誤差 < 5°、ジッタ < ±1 LSB。
出力規格：TTL（0–5 V）、HTL（10–30 V）、RS‑422 差動ドライブ。
長所／短所：
- 長所：低コスト・応答性高速、クローズドループの速度／位置制御に最適。
- 短所：停電時に位置情報を消失。外部カウンタと再リファレンス手順が必要。
代表的用途：サーボ駆動、モータ速度検出、往復機構の行程監視。

2. アブソリュートエンコーダー（Absolute Encoder）

動作原理：各位置に対して固有の二進コードまたは Gray コードを割り当て、リファレンス動作なしで絶対位置を読み取り。マルチターン型はギア機構や電子カウンタで回転数を追跡。
主要指標：
- シングルターン分解能：8–20 bit。マルチターン範囲：16–32 bit。
- コード形式：Gray、Binary、BCD、Excess‑3 など。
通信インターフェース：SSI、BiSS‑C、EnDat 2.2（同期）、CANopen、Profinet（Ethernet）。
長所／短所：
- 長所：停電後も位置情報保持。多軸システムや安全クリティカル用途に適合。オンラインパラメータ設定可能。
- 短所：コスト高め。シリアルプロトコル対応の高帯域コントローラが必要。
代表的用途：ロボットジョイント、多軸CNC工作機、安全機器。

3. ハイブリッドエンコーダー（Hybrid Encoder）

定義：インクリメンタル信号とアブソリュート信号を同一デバイスで出力し、高速性と絶対位置検出を両立。
特徴：高速パルスと絶対値を同時に出力し、安全冗長システムで多用。
代表的用途：SIL 等級の安全システム、航空宇宙用パラシュート監視、AGV のナビゲーション。

II. 計測形式別分類

1. 回転エンコーダー（Rotary Encoder）

構造：ソリッド／ホロー／セミホローシャフト、フランジまたはパネル取り付け型。
機械仕様：軸径 φ3–φ20 mm、ラジアル荷重 10–50 N、アキシャル荷重 5–20 N。L₁₀ ベアリング寿命 ≥ 10⁷ h。
取付要点：同心度 < 0.05 mm を保持し、偏荷重や高振動を避けること。
用途例：サーボモータフィードバック、ターンテーブル制御、バルブ位置検出。

2. リニアエンコーダー（Linear Encoder）

タイプ：光学スケール、磁気スケール、容量性センサー。センサーヘッドとスケール間は 0.1–1 mm のギャップ推奨。
精度：分解能 0.01–1 µm、直線性誤差 < ±1 µm/m。
環境適応性：光学式はクリーン環境必須、磁気式は油やチリ粉にも耐性あり。
用途例：CNC スライドテーブル、三次元測定機、半導体露光装置。

3. ドローワイヤーエンコーダー（Draw‑Wire Encoder）

構造：スチールワイヤーとスプリング張力機構を備えたリール式、測定レンジは数メートル。
精度：分解能 0.1 mm、再現性 < ±0.5 mm。
適用シーン：リフティングテーブルの高さ測定、シャッター位置検出、トンネル測量。
取付アドバイス：ワイヤーを垂直にまっすぐ張り、側方挙動や曲線を避けること。

III. 検出原理別分類

1. 光学エンコーダー（Optical Encoder）

検出方式：光源 → コーディングディスク → フォトセンサー。透過／反射光の変化でパルスを生成。
分解能メリット：百万PPRクラスまで対応、ジッタ < ±0.1 arcsec。
デメリット：埃や油、温度変化に敏感。
規格：ISO 23125（光学エンコーダー標準）適合。

2. 磁気エンコーダー（Magnetic Encoder）

検出方式：ホール素子または磁気抵抗素子で磁界変化を検出。
信頼性：汚染・振動・温度変動に強く、精度は約 0.1–0.5°。
用途：エレベーターキャビン位置制御、重機械の角度監視。
規格：DIN 32701（磁気エンコーダー規格）適合。

3. 容量性エンコーダー（Capacitive Encoder）

検出方式：板間の容量変化を AC 励起で測定。
特長：低消費電力・コンパクト・耐振動。精度 ±1 µm 程度。
デメリット：金属環境や静電気に敏感。
用途：マイクロロボット、医療用マニピュレータ、マイクロ/ナノプラットフォーム。

4. 誘導式エンコーダー（Inductive Encoder）

検出方式：コイルと金属ターゲット間の誘導結合変化を利用して距離を計測。
優位点：高温・高圧・強電磁干渉に耐性あり。
精度：±10 µm 程度。重工業や鉄道向けに最適。
規格：IEC 62130（誘導式位置センサーガイドライン）準拠。

IV. 選定ガイド

ニーズの把握：運動形式（回転/直線）、信号タイプ（インクリメンタル/アブソリュート）。
精度と速度のマッチング：高分解能時はコントローラの帯域幅と補間性能を確認。
環境適応：クリーンルームは光学式、過酷環境は磁気式・誘導式。
機械信頼性：ベアリング荷重、寿命、取り付け精度を確認。
通信互換性：使用プロトコル／インターフェースの対応状況を確認。

以上の三つの視点で性能比較を行うことで、最適なエンコーダーの選定が迅速に行え、装置性能の向上と開発・保守コストの削減が可能となります。

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