エンコーダ 磁気式とは？仕組み・特徴・選び方を徹底解説

エンコーダは、機械の位置を測定するためのセンサーで、さまざまな産業で利用されています。その中でも「磁気式エンコーダ」は、強力な特徴を持っており、特に過酷な環境下でも安定した性能を発揮します。本記事では、磁気式エンコーダの基本的な仕組みとその特長について解説し、製造業や自動化システムにおける利用方法に焦点を当てます。

エンコーダ 磁気式の基本とは？仕組みと特長を解説

磁気式エンコーダの仕組みは、磁場の変化を検出して位置を把握するというものです。エンコーダの内部には、回転するシャフトに取り付けられた磁石があり、この磁石が一定の角度ごとに磁場を発生させます。この磁場の変化をセンサーが読み取り、回転の角度や位置を測定するのです。具体的には、回転に伴って変化する磁場の情報を電子的に読み取り、そのデータを数値化して出力します。磁気式エンコーダの大きな特長の一つは、非接触で動作する点です。これにより、摩耗や摩擦による劣化を避けることができ、長期間安定した動作が期待できます。また、磁場を利用して位置を測定するため、塵や水分、油分などの汚れに強く、厳しい環境でも高い耐久性を発揮します。これにより、製造現場やロボット工学など、過酷な条件下でも使用できるエンコーダとして広く採用されています。さらに、磁気式エンコーダは高い精度と低コストのバランスが取れている点でも注目されています。特に、光学式エンコーダに比べて、外部からの影響を受けにくいという利点があります。これにより、振動が多い環境や高温・低温の環境でも安定した性能を提供できるのです。また、磁気式エンコーダは、位置情報の取得速度も非常に速いため、リアルタイムでのフィードバックが必要とされるシステムに最適です。高精度な位置決めが求められるアプリケーションでは、磁気式エンコーダがその性能を最大限に発揮します。

磁気式エンコーダの種類とその特徴

磁気式エンコーダには、いくつかの種類が存在し、それぞれに特徴的な用途や利点があります。主に「アブソリュート型エンコーダ」と「インクリメンタル型エンコーダ」の2つに大別されますが、どちらも磁気技術を活用して位置を測定する点では共通しています。以下では、それぞれのエンコーダの特徴について詳しく解説します。まず、「アブソリュート型磁気エンコーダ」は、回転位置を絶対的に測定するタイプです。このエンコーダは、電源をオフにしても位置情報を保持し続けることができるため、リセットや初期化の必要がありません。アブソリュート型エンコーダは、複雑な位置決めや多軸の制御が必要なシステムにおいて非常に有用です。例えば、産業機械やロボット工学など、位置精度が重要な場面で使用されることが多く、精密な操作が求められる環境においてその力を発揮します。アブソリュート型エンコーダは、回転の度に異なる信号を出力するため、エンコーダがどの位置にあるのかを常に把握することが可能です。このタイプは、精度の高い位置決めが求められる用途に最適です。一方で、「インクリメンタル型磁気エンコーダ」は、位置を相対的に測定します。インクリメンタル型エンコーダは、回転の変化をカウントし、その増分に基づいて位置を推定します。このエンコーダは、非常にシンプルで低コストであり、機械の回転方向や速度を計測する用途に適しています。インクリメンタル型エンコーダは、絶対的な位置情報を保持することはできませんが、リセット後も正確なカウント機能を提供します。例えば、モーターやコンベヤベルトの速度制御など、位置情報が一時的にしか必要でないシステムにおいて利用されることが多いです。インクリメンタル型エンコーダは、動作が単純で扱いやすいため、比較的安価で導入が可能です。

磁気式エンコーダと光学式エンコーダの違い

磁気式エンコーダは、磁場を利用して位置を測定します。これに対して、光学式エンコーダは、光を使って位置を検出します。磁気式エンコーダは、磁石やセンサーを使用して回転する軸に沿った位置を検出する一方で、光学式エンコーダは、光学的なパターン（例えば、光の透過や反射）を基に位置を認識します。このため、磁気式エンコーダは、強い磁場がある環境でも安定して動作し、光学式エンコーダは、汚れや埃が原因で測定精度が低下することがあります。つまり、磁気式エンコーダは、環境に左右されにくく、過酷な条件下でも信頼性を発揮します。次に、耐環境性について比較すると、磁気式エンコーダは、特に厳しい条件に強いという特徴があります。湿度や温度の変化、振動などに対して高い耐性を持っており、過酷な環境でも安定したパフォーマンスを発揮します。これに対して、光学式エンコーダは、埃や油分、汚れに敏感であり、特に精密な測定が求められる場面では清潔な環境が必要です。そのため、清掃が頻繁に必要であり、極端な条件での使用には向いていないことがあります。さらに、精度においても両者には違いがあります。光学式エンコーダは、非常に高精度な位置測定が可能であり、微細な位置の変化を検出することができます。このため、精度が求められる高精度なシステムや設備に適しています。

磁気式エンコーダの主な用途と活用事例

最も一般的な用途の一つは、モーター制御における位置検出です。モーターの回転角度を正確に測定するために、磁気式エンコーダは非常に適しています。特に、産業機械やロボットアーム、CNC（コンピュータ数値制御）機械など、精密な位置決めが求められるシステムにおいて、磁気式エンコーダはその高い耐環境性と耐久性を活かして使用されています。モーターが高速で回転する際でも、安定した位置情報を提供できるため、非常に重要な役割を担っています。次に、自動車業界でも磁気式エンコーダは重要な役割を果たしています。自動車の電子制御システム、特にパワーステアリングや駆動システム、エンジン制御において、回転や位置の精密な測定が不可欠です。磁気式エンコーダは、車両の厳しい動作環境や温度変化に強いため、自動車の安全性や運転性能を支える重要な要素となっています。また、電動ステアリングや車両のナビゲーションシステムにも磁気式エンコーダが利用され、効率的で確実な制御が行われています。さらに、ロボット工学でも磁気式エンコーダは非常に重宝されています。ロボットの関節部分やアームの位置を正確に制御するために、磁気式エンコーダが利用されます。特に産業用ロボットや自動化された組立ラインにおいて、ロボットアームの位置決め精度は非常に重要です。磁気式エンコーダは、長期間にわたって安定して動作し、他のセンサーや装置の故障に影響されにくいため、ロボットシステムにおいて非常に信頼されています。

エンコーダ 磁気式を選ぶ際のポイントと導入のコツ

最も重要なポイントの一つは、環境条件への適合性です。磁気式エンコーダは、特に高温、低温、湿気、振動などの厳しい環境条件に強い特徴を持っていますが、環境によってその耐久性に差があります。例えば、屋外や過酷な製造現場で使用する場合、温度や湿度の変動が激しいため、耐環境性の高いモデルを選ぶことが重要です。また、防水や防塵性能が求められる場合、IP規格に適合したエンコーダを選定することが推奨されます。設置場所の環境を事前に把握し、エンコーダが耐えられる範囲を確認しておくことが成功する導入のカギとなります。次に考慮すべきは、解像度と精度です。エンコーダの主な役割は位置や回転角度を高精度で測定することですが、これをどれだけ高精度で行うかは、エンコーダの解像度に依存します。使用する機器の要求精度に合わせた解像度の選定が必要です。例えば、精密な位置決めが求められるロボットシステムやCNC機器の場合、解像度が高いモデルを選ぶことで、正確な動作を保証できます。

まとめ

エンコーダ磁気式は、製造業や自動化設備での位置検出や回転角度の測定において、非常に重要な役割を果たしています。磁気式エンコーダは、優れた耐環境性、耐久性、メンテナンスの少なさが特徴であり、厳しい環境下でも高い信頼性を提供するため、多くの用途で利用されています。そのため、選定時には、設置環境や用途に応じて解像度、耐久性、出力信号形式、サイズなどの要素を慎重に検討する必要があります。また、磁気式エンコーダと光学式エンコーダとの違いを理解し、それぞれのメリットとデメリットを比較したうえで、適切な選択をすることが重要です。