磁気エンコーダ
磁気エンコーダは多極磁石と磁気センサを中核に、回転または直線の変位を電気信号へ変換する装置である。油汚れ・粉塵・振動に強く、広い温度範囲で動作し、取り付け公差が大きい点が特長。産業オートメーション、自動車・重荷重機器、ロボット、屋外装備で広く用いられる位置フィードバックデバイスである。
磁気エンコーダとは（What is a Magnetic Encoder）
磁気エンコーダは、「磁界の周期的変化」を利用して位置と速度を測定するセンサシステムである。典型構成は、磁石（多極磁気リング／磁気テープ／放射・軸方向に着磁した磁石）と、読取りヘッド（リードヘッド）（磁気センサICと信号調整回路）から成る。読取りヘッドは規定のエアギャップ内で変位に応じて変化する正弦／余弦成分を検出し、アナログ・フロントエンド（AFE）と補間／デコードを経て、増分 A/B/Z、正弦／余弦 1 Vpp（または電流型 11 µApp）、または絶対位置（SSI／BiSS／SPI／EnDat など）を出力する。
光学式エンコーダに比べ、磁気式は環境耐性と寿命、コストで有利だが、極限的な分解能、線形性、サブディビジョン誤差（SDE）ではハイエンド光学式に及ばない場合がある。
動作原理（Working Principle）
1) 磁気センシング技術
- ホール（Hall）：低コストで実績豊富。位置／角度精度は中程度。温度ドリフト補償が必要。
- AMR（異方性磁気抵抗）：ホールより高感度でノイズに強い。
- GMR／TMR（巨大／トンネル磁気抵抗）：最高感度・低ノイズ。より高分解能・小エアギャップに対応。TMRは温度ドリフトが小さいが高価。
- 差動検出：同相・逆相チャネルで外来雑散磁界と共通モード温度ドリフトを相殺し、耐ノイズ性を向上。
2) 信号生成と角度演算
- 磁石を円周または直線方向に N／S が交互となるよう多極着磁すると周期磁界が形成され、読取りヘッドは sin／cos に近い2相信号を得る。角度は
theta = atan2(V_sin, V_cos)で算出可能。 - デジタル補間またはPLL（位相同期ループ）で角度／変位を細分化。絶対式は多回転／単回転コード、冗長カウント、プロトコルフレームでユニークコードを出力。
3) 速度と周波数の関係（プレーンテキスト式）
- 回転：出力エッジ周波数
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - 直線：出力エッジ周波数
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
（ここで RPM：回転数、pole_pairs：極対数、edges_per_cycle：電気的1周期あたりの有効エッジ数、v：線速度、p：磁気テープの極ピッチ）
分類（Classification）
- 運動形式：回転エンコーダ（リング／放射・軸方向着磁、オンアクシス／オフアクシス）／直線エンコーダ（多極磁気テープ／磁気グリッド）。
- 出力：増分式（A/B/Z、TTL／HTL／RS422；正弦／余弦 1 Vpp、11 µApp）／絶対式（SSI、BiSS-C、SPI、EnDat、ゲートウェイ経由で CANopen／EtherCAT など）。
- 磁石：多極磁気リング（内径／外径装着、極ピッチ固定）、放射／軸方向着磁磁石（低極対・小型）、フレキシブル磁気テープ（長ストローク・容易な実装）。
- センサIC：単一チップ角度センサ（AFE + CORDIC/SIN/COS 統合）／ディスクリート AFE + ADC + MCU/FPGA 補間・エンコード。
出力とインターフェース（Outputs & Interfaces）
| 区分 | 信号形式 | 典型用途 |
|---|---|---|
| 増分方形波 | A/B（+Z）, TTL/HTL/RS422 | PLC 高速カウンタ、速度・位置ループ |
| 正弦／余弦 | 1 Vpp, 11 µApp | 高分解能補間、低 SDE アプリ |
| 絶対シリアル | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | 絶対位置、多回転カウント、診断 |
| フィールドバス／産業以太網 | CANopen, EtherCAT, PROFINET（IF モジュール経由） | 多軸同期、長距離伝送、オンライン診断 |
主要仕様（Key Specifications）
| 指標 | 典型範囲／説明 |
|---|---|
| 分解能 | 回転：12–18 bit（ホール／AMR）、18–20+ bit（GMR／TMR＋補間）; 直線：本体格子 5–50 µm、補間 1–5 µm、上位品はサブミクロン可 |
| 角度精度 | 回転絶対：±0.05° ～ ±0.5°（磁石および偏心に依存） |
| 再現性／ジッタ | 再現性 ±0.05° 以内; ジッタは SNR と補間クロックに依存 |
| サブディビジョン誤差（SDE） | 通常 ±0.1° 以内（ハイエンド ≤ ±0.03°）; 直線型は µm 指標 |
| エアギャップ | 0.5–2.5 mm（磁石のエネルギー積とセンサ配列に依存） |
| 極ピッチ／極対 | リングは 2–64 極対が一般的；テープ極ピッチは 2–5 mm が多い |
| 最大速度 | 機械回転数 10,000+ RPM；直線 > 3 m/s（IF 依存） |
| 温度範囲 | −40 °C ～ +125/150 °C（車載グレード）、温度補償が必要 |
| 耐汚染／保護 | IP50–IP67；オイルミスト・粉塵・クーラントに強い |
| EMC／ESD | 産業／車載 EMC 要求に適合。差動・シールド設計が鍵 |
注：実性能は磁石材質と着磁品質、偏心／傾き、エアギャップ、シールド、アルゴリズム補償の総合影響を受ける。
磁石とメカ設計（Magnet & Mechanics）
- 磁材選定：NdFeB（高エネルギー積。脱磁に敏感で温度管理要）、SmCo（高温安定・高価）、フェライト（低コスト・大型）。
- 着磁方式：放射／軸方向着磁または多極リング着磁。極ピッチの均一性は線形性・高調波誤差に直結。
- 幾何誤差：偏心（runout）は 1 次／2 次高調波角度誤差を誘発。傾き／振れは振幅・位相のアンバランスと歪みを生む。
- エアギャップ公差：大きすぎると振幅減衰と SNR 低下。小さすぎると干渉・接触や温度ミスマッチの恐れ。
- 雑散磁界対策：差動構成、磁束集中やシールドリング設計を採用し、モータ固定子歯の高調波から距離を取る。必要に応じ stray-field immunity を評価。
誤差要因と補償（Error Sources & Compensation）
- 振幅・位相アンバランス／楕円誤差：AGC（自動利得制御）、位相イコライズ、楕円補正で SDE を低減。
- 温度ドリフト：センサの温度係数と磁石の残留磁束密度の温度依存をモデル化し、温度実測でオンライン補正。
- 偏心／極ピッチ誤差：出荷時の LUT 線形化またはシステムインサイチュ校正（多点フィッティング／高調波補償）。
- 雑散磁界／EMI：差動配線、RS422 伝送、シールドと単一点接地。必要に応じ軟磁性材シールドを追加。
- 多回転カウント：停電時保持はエネルギーハーベスト／ギア／FRAM／NVRAM 等を選択し、冗長性の整合性検証を実施。
他方式との比較（Comparisons）
| 技術 | 分解能／精度 | 環境適応性 | コスト | 典型用途 |
|---|---|---|---|---|
| 磁気エンコーダ | ★★★☆（～18–20+ bit） | ★★★★★ | ★★☆ | 産業／車載、苛酷環境、長寿命 |
| 光学式エンコーダ | ★★★★★（nm／arcsec 級） | ★★☆ | ★★★★ | 精密工作機械、計測、半導体プラットフォーム |
| インダクティブ（電感）エンコーダ | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | 高温／強 EMI、重機 |
| リゾルバ | ★★☆（アナログ復調） | ★★★★★ | ★★★ | 高振動／高温のモータフィードバック |
| ポテンショメータ | ★ | ★★ | ★ | 低コスト、短寿命／低精度用途 |
応用分野（Applications）
- 産業オートメーション：搬送・重荷重機構、サーボ／ハイブリッド・ステッピング、エレベータ、港湾設備。
- 自動車／交通：モータ整流と位置、ステアリング・ペダル、シャシー・シート位置（ISO 26262 環境）。
- ロボット・協働ロボット：関節角度、AGV／AMR 車輪エンコーダ、屋外移動プラットフォーム。
- 再生可能エネルギー・屋外装備：太陽光・風力トラッキング、バルブ・アクチュエータ、鉱山・建機。
取付・統合の要点（Installation & Integration）
- 芯出し／同軸度：回転型は位置決めショルダ／治具を優先し、半径方向・端面のランアウトを管理。直線型は磁気テープの直線性とキャリア剛性を確保。
- エアギャップ設定：データシートに基づき全温度範囲でマージンを確保。最小 SNR と最大速度条件で振幅余裕を検証。
- 配線・終端：RS422 差動または電流駆動を優先。インピーダンス整合、シールド、単一点接地でループを回避。
- プロトコル・パラメータ：SSI／BiSS／SPI／EnDat のフレーム長、CRC、タイミング、アラームビットをコントローラと一致させる。
- 冗長・安全：重要軸は二重チャネル／二重センサと整合監視（SIL／PL または ASIL）を採用。
規格・コンプライアンス（Standards & Compliance）
- IEC 60529（IP 保護）／IEC 60068-2（振動／衝撃／高低温／湿熱）
- IEC 61000-6-2／6-4（産業用 EMC 耐性／放射）、ISO 7637（車載過渡現象）
- ISO 13849-1／IEC 61800-5-2／ISO 26262（機械／ドライブ／自動車の機能安全）
- AEC-Q100／Q200（車載等級デバイス信頼性：センサIC／受動部品）
実際の適合項目は業界・案件要件に応じて取捨選択する。
選定ガイド（Selection Guide）
- 目標精度：角度精度／線形性、分解能、SDE、ジッタ目標。
- センシング技術：Hall（コスト優先）／AMR／GMR／TMR（分解能・温度安定性優先）。
- 磁石構成：多極リング／磁気テープ／単一磁石。極ピッチ・寸法、材質・温度等級。
- 出力IF：増分／正弦または SSI／BiSS／SPI／EnDat。バス・ゲートウェイやオンライン診断の要否。
- 環境・寿命：IP 等級、温度／オイルミスト／粉塵、雑散磁界耐性。車載・屋外は車載耐久要件を考慮。
- メカ・エアギャップ：許容芯ずれ、エアギャップ窓、最高回転数。治具化と量産一貫性。
- 補償・校正：温度／高調波／LUT 線形化対応の有無。出荷時または現地校正の戦略。
- 安全・冗長：機能安全レベル、フェイルセーフ、故障監視インターフェース。
用語集（Glossary）
- 極ピッチ／極対（pole pitch／pairs）：磁界の N–S 1 周期に相当する空間長／対の数。
- SDE（Sub-Division Error）：サブディビジョン誤差。補間後に残る周期誤差。
- Stray-field Immunity：外来雑散磁界に対する耐性。
- CTE：熱膨張係数。磁石と機械部品の熱的適合に影響。
まとめ：磁気センシング原理、磁石・メカ設計、インターフェースと補償手法を理解し、目標精度と実運用条件に合わせて適切に選定・設計すれば、苛酷環境でも高信頼・長寿命・診断可能なモーション制御と位置フィードバックを実現できる。
← 光学式エンコーダ