その15 エンコーダー 2. 構造

こんにちは、もりおです。
もう10月になってしまいました。月日の流れるのは速いですね。
今回は、エンコーダーを構成する部品や電気的な要素について説明したいと思います。
1.ディスクまたはコードホイール
機能:
ディスクまたはコードホイールはエンコーダーの中核を成す部分で、物理的な動き(回転または直線運動)を光学的に読み取るための基準マークを提供します。
働き:
回転エンコーダーの場合、ディスクはモーターシャフトに取り付けられ、回転する際にその動きをエンコーダーに伝達します。直線エンコーダーでは、コードホイールが移動し、その動きを追跡します。ディスクやコードホイール上のマーク(通常はスリットや穴)が光センサーの前を通過するたびに、光が遮断または通過し、これが電気信号に変換されます。
素材:
ディスクは一般的にガラスやプラスチック、金属で作られています。ガラス製のディスクは透明度が高く、精密な測定が可能ですが、壊れやすいという欠点があります。プラスチックは耐衝撃性に優れており、コストも低いですが、耐久性が低下しやすい。金属製は最も耐久性があり、産業環境での使用に適しています。
形状:
ディスクには通常、細かいスリットや穴が等間隔に配置されています。これらのスリットや穴は光を通過させるか遮るかによってセンサーが位置を読み取るための基本的なメカニズムとなります。形状は円形が一般的で、中心から放射状にスリットが入っています。
2.光源
機能:
光源はエンコーダー内でディスクまたはコードホイール上のマークを照らすために使用されます。これにより、マークの存在と位置を光センサーが検出できるようになります。
働き:
光源から放出された光がディスクやコードホイールのマークによって遮断されたり、通過したりすることで、光センサーはこれを検出し、マークの位置や速度を計測するための信号を生成します。
素材:
LEDは半導体材料(通常はガリウムヒ素)で作られており、レーザーは半導体やガラス(ドープされたガラス)で作られます。
形状:
LEDは小型でコンパクトなチップ形状をしており、レーザーは筒形または箱形のハウジング内に配置されることが多いです。
電気的特性:
LED:低電圧(通常1.8V〜3.3V程度)で駆動し、電流は数ミリアンペアから数十ミリアンペア程度。長寿命で省エネ性に優れています。
レーザー:高いコヒーレンスと方向性を持ち、集中したビームを発生させることができるため、より精密な測定が可能です。レーザーは高電圧で駆動されることが多く、電流もLEDより多く必要です。
3.光センサー
機能:
光センサーは、光源からの光がディスクやコードホイールのマークによってどのように変化するかを検出するデバイスです。
働き:
光センサーはマークが光を遮断するタイミングや通過するタイミングを捉え、これを電気信号に変換します。この信号は、後段の電子回路で処理され、機械の位置、速度、方向などの運動情報に関するデータとして解析されます。
素材:
光センサーはフォトトランジスタやフォトダイオードといった半導体材料で作られています。
形状:
これらは一般的に小型のフラットパッケージまたは円形パッケージに封入されており、小さな窓が光を受ける部分に配置されています。
電気的特性:
光センサーは光を電気信号に変換する光電変換素子です。フォトダイオードは速度が速く、低ノイズですが、フォトトランジスタは感度が高いです。
これらのデバイスは逆バイアス電圧をかけることで動作し、光電流を生成します。この電流は後続の電子回路によって増幅され、処理されます。
4.エレクトロニクス(シグナルプロセッサ)
機能:
シグナルプロセッサは光センサーから得られるアナログ信号をデジタル信号に変換し、信号をさらに処理して使用可能な形式にします。
働き:
この部品は信号の増幅、フィルタリング、デジタル変換を行い、信号の品質を向上させ、読み取り誤差を最小限に抑えます。これにより、より正確で信頼性の高いデータを制御システムに提供できます。
素材:
マイクロプロセッサやアンプなどの電子部品は、シリコンチップやその他の半導体材料で構成されています。
形状:
これらのコンポーネントは一般的にPCB(プリント基板)上に実装され、四角形や他の規則的な形状をしています。
電気的特性:
シグナルプロセッサはアナログ信号をデジタル信号に変換するためのアナログ-デジタルコンバータ(ADC)を含むことが多いです。この変換には高精度が求められ、サンプリングレートやビット解像度が重要です。
電子回路にはフィルタリング回路も含まれることがあり、ノイズの除去や信号の整形を行います。これにはオペアンプやトランジスタが用いられることが一般的です。
5.ベアリングまたはガイド
<ベアリング>
機能:
主に回転する部品の支持と、摩擦を最小限に抑えるために使用されます。これにより、部品の回転が滑らかに行われ、長期間にわたる耐久性が確保されます。
働き:
ロータリーエンコーダーにおいてディスクやコードホイールの回転軸を中心に設置されます。回転中に発生する摩擦を効果的に低減し、安定した回転を保証することで、エンコーダーが正確なデータを読み取るための基盤を提供します。また、ベアリングは軸の位置ズレを防ぎ、回転の平滑性を向上させるため、読み取り誤差を最小限に抑えます。
素材:
高炭素鋼やクロム鋼、セラミックなどが用いられます。ガイドは金属(鋼やアルミニウム)、プラスチック、または複合材料で作られることがあります。
形状:
ベアリングは内輪と外輪があり、球形や円柱形のローリングエレメントが含まれます。ガイドは通常、直線または曲線を形成する長い棒状またはレール状です。
<ガイド>
機能:
リニアエンコーダーにおいて直線運動する部品の動きをサポートし、一定の軌道を維持するために使用されます。これにより、部品の動きが直線的に保たれ、機械的な安定性が確保されます。
働き:
移動するコードホイールやセンサー部品を正確に案内します。直線運動の場合、ガイドは摩擦を減らすと同時に、移動部品が正確な直線を保つことを助け、外部からの衝撃や振動が読み取り精度に影響を与えるのを防ぎます。これにより、リニアエンコーダーが非常に正確な位置情報を提供できるようになります。
素材:
金属(鋼やアルミニウム)、プラスチック、または複合材料で作られることがあります。
形状:
通常、直線または曲線を形成する長い棒状またはレール状です。
これらの部品の素材と形状は、エンコーダーの性能と適用範囲を大きく左右します。特に産業用途では、環境条件に耐えうる素材の選定が重要となり、精密な位置決定や速度制御が求められるアプリケーションに適しているかどうかを左右します。
6.電源
機能:
電源はエンコーダー内のすべての電子部品に必要な電力を供給します。
働き:
安定した電源はエンコーダーの性能と信頼性に直接影響を与えるため、電源はノイズが少なく、一定の出力を保つように設計されています。これにより、エンコーダーは正確な動作を維持します。
電気的特性:
エンコーダーの電源要件は、使用される光源やセンサーの種類によって異なりますが、通常は安定したDC電源が必要です。
電源ノイズはエンコーダーの精度に影響を与えるため、電源の質も重要です。リップルやスパイクを抑えるためのレギュレータやフィルタリング回路が必要になることがあります。
7.接続インターフェース
機能:
接続インターフェースはエンコーダーからのデータを主制御システムへと伝送するための通信手段を提供します。
働き:
インターフェースは信号の形式に応じてデジタルまたはアナログ出力を提供し、互換性のある方式でデータを転送します。これにより、エンコーダーから得られる情報がシステム全体で有効に利用されます。
電気的特性:
エンコーダーからの出力は、デジタル(TTLまたはHTL)、アナログ、フィールドバス(例えば、CANバスやプロフィバス)など、様々な形式で提供されます。
デジタルインターフェースの場合、出力は通常、プルアップまたはプルダウン抵抗を通じてロジックレベルを形成します。アナログの場合は、電圧または電流の変化が直接読み取り値と関連します。
Vol. 15 Encoder No.2. Structure

Hi, it’s Morio.
Already October. Time flies.
This time, I will explain the components and electrical elements that make up an encoder.
1. Disk or Code Wheel
Function:
The disk or code wheel forms the core of the encoder, providing reference marks for optically reading physical movements (rotation or linear motion)
Operation:
In rotary encoders, the disk is attached to the motor shaft and transmits its rotation to the encoder. In linear encoders, the code wheel moves and tracks this movement. Each time the marks (usually slits or holes) on the disk or code wheel pass in front of the light sensor, light is blocked or passed through, and this is converted into an electrical signal.
Material:
Disks are typically made of glass, plastic, or metal. Glass disks offer high transparency and allow for precise measurements but are fragile. Plastic offers good impact resistance and low cost but less durability. Metal provides the greatest durability and is suitable for industrial environments.
Shape:
Disks usually have finely spaced slits or holes. These slits or holes act as a basic mechanism for the sensor to read the position by allowing or blocking light. The shape is typically circular, with slits radiating from the center.
2. Light Source (LED or Laser)
Function:
The light source is used within the encoder to illuminate the marks on the disk or code wheel, allowing the light sensor to detect their presence and position.
Operation:
Light emitted from the source is blocked or passed by the marks on the disk or code wheel, and the light sensor detects this to generate signals for measuring the position and speed of the marks.
Material:
LEDs are made from semiconductor materials (usually gallium arsenide), and lasers are made from semiconductors or doped glass.
Shape:
LEDs are small and compact chips, while lasers are often housed in cylindrical or box-shaped casings.
Electrical Characteristics:
LEDs operate at low voltage (typically 1.8V to 3.3V) and consume current in the range of a few milliamperes to tens of milliamperes. They are long-lasting and energy-efficient. Lasers, offering high coherence and directionality, can produce focused beams for more precise measurements and generally require higher voltages and more current than LEDs.
3. Light Sensor
Function:
The light sensor detects changes in the light as it is blocked or allowed to pass by the marks on the disk or code wheel.
Operation:
The light sensor captures the timing of light being blocked or passing and converts this into an electrical signal. This signal is processed by subsequent electronic circuits and analyzed as data related to the machine’s position, speed, and direction.
Material:
Light sensors are made from semiconductor materials such as phototransistors and photodiodes.
Shape:
They are generally housed in small flat or cylindrical packages, with a small window positioned to receive the light.
Electrical Characteristics:
Light sensors are photoelectric converters that operate by applying a reverse bias voltage, producing a photocurrent. This current is then amplified and processed by downstream electronic circuits.
4. Electronics (Signal Processor)
Function:
The signal processor converts the analog signals received from the light sensor into digital signals and further processes these signals to a usable format.
Operation:
This component amplifies, filters, and converts digital signals, improving signal quality and minimizing reading errors, thus providing more accurate and reliable data to the control system.
Material:
Components such as microprocessors and amplifiers are made from silicon chips and other semiconductor materials.
Shape:
These components are typically mounted on a PCB (printed circuit board) and are square or other regular shapes.
Electrical Characteristics:
Signal processors often include analog-to-digital converters (ADCs) which require high precision in terms of sampling rates and bit resolution. Filtering circuits may also be included to remove noise and shape the signals, typically involving operational amplifiers or transistors.
5. Bearings or Guides
<Bearing>
Function:
Primarily used to support rotating parts and minimize friction, ensuring smooth operation and long-term durability.
Operation:
Positioned around the rotating shafts in rotary encoders, bearings effectively reduce friction during rotation, ensuring stable rotation which is fundamental for accurate data reading by the encoder. Bearings also prevent shaft misalignment and enhance rotational smoothness, minimizing reading errors.
Materials:
Bearings are made from high-carbon steel, chrome steel, or ceramics. Guides can be made from metals (steel or aluminum), plastics, or composite materials.
Shape:
Bearings include inner and outer rings with spherical or cylindrical rolling elements. Guides are typically long bars or rails, either straight or curved, to maintain the path of moving parts.
<Guide>
Function:
Used in linear encoders to support the movement of parts in a straight line, maintaining mechanical stability.
Operation (Guides):
Guides accurately guide moving parts such as the code wheel or sensor components. In linear motion, guides reduce friction while ensuring parts maintain a precise linear path, protecting against external shocks or vibrations which could affect reading accuracy.
Material:
Guides can be made from metals (such as steel or aluminum), plastics, or composite materials.
Shape:
They are typically long bars or rails, either straight or curved, forming the structural pathway for the moving parts.
These encoder components and their materials, shapes, and electrical characteristics significantly influence the performance and applicability of encoders, especially in industrial applications where environmental resilience is crucial for precise positioning and speed control.
6. Power Supply
Function:
The power supply provides the necessary electrical power to all electronic components within the encoder.
Operation:
A stable power supply directly impacts the performance and reliability of the encoder, hence it is designed to minimize noise and maintain a consistent output. This ensures that the encoder operates accurately.
Electrical Characteristics:
The power requirements of an encoder vary depending on the type of light source or sensors used, but typically a stable DC power supply is needed. The quality of the power supply is crucial as power noise can affect the encoder’s accuracy. Regulators and filtering circuits may be required to suppress ripples and spikes.
7. Connection Interfaces
Function:
Connection interfaces provide the means to transmit data from the encoder to the main control system.
Operation:
The interface provides digital or analog outputs depending on the signal format, transferring data in a compatible manner. This allows information from the encoder to be effectively utilized across the system.
Electrical Characteristics:
Encoder outputs are available in various forms such as digital (TTL or HTL), analog, and fieldbus (for example, CAN bus or Profibus). In digital interfaces, the output typically forms logic levels through pull-up or pull-down resistors. In the case of analog, changes in voltage or current directly correspond to the readings.







