シングルトラック磁気エンコーダディスクとデュアルトラック磁気エンコーダディスクの比較

産業オートメーション、ロボット関節制御、および新エネルギー車両モーター システムにおいて、磁気エンコーダはますます重要な役割を果たしています。非接触磁界センシングを通じて、回転運動または直線運動を正確な電気信号に変換し、システムに位置、速度、方向の情報を提供します。人の「心」 磁気エンコーダ は、まさにその一見単純な磁気ディスク (磁気リング) です。

エンジニアがコンポーネントの選択を始めるとき、避けられないいくつかの疑問に直面することがよくあります。シングルトラックとデュアルトラックの違いは正確には何ですか?ゴム磁石と射出成形フェライトはそれぞれどのようなシナリオに適していますか?

1. シングルトラック ディスク: 十分ですが「スマート」ではありません

シングルトラック磁気ディスクには磁化されたトラックが 1 つだけあり、単一のセンサーで動作します。パルス信号を出力して回転角度を計算します。本質的には、これはインクリメンタル エンコーダです。「どれだけ回転したか」を伝えることしかできませんが、「どちらの方向に回転しているか」や「現在どのような絶対位置にあるのか」を直接判断することはできません。

このため、シングルトラックシステムの基準ゼロ点は、電源を入れるたびに再設定する必要があります。デバイスの電源をオフにして再起動すると、以前の位置情報はすべて失われます。

しかし、シングルトラックディスクには、単純な構造、非常に低コスト、短い信号処理チェーンというかけがえのない価値もあります。これらは、ファン速度検出、一方向モーションシステム、コスト重視の通常のモーター制御など、速度測定のみが必要で方向や絶対位置を必要としないアプリケーションに非常に適しています。

2. デュアルトラックディスク: 「2 つの定規」による絶対位置の測定

デュアル トラック ディスクの中心となるアイデアは、同じ磁石上に 2 つの磁化トラック (メイン トラックとセカンダリ トラック (通常はバーニア トラックと呼ばれる)) を統合し、それらの磁極ペアの数が 1 つだけ異なります (たとえば、64 極ペアと 63 極ペア、または 32 極ペアと 31 極ペア)。

この設計の独創性は、2 つのトラックの極対の数が異なるため、どの角度位置でも 2 つのトラックによって生成される磁場の組み合わせが固有であるという事実にあります。エンコーダ チップは 2 つの信号チャネル間の位相差を読み取り、バーニア原理 (ノギスの読み取りロジックと同様) により、現在の絶対角度位置を 360° 以内で計算できます。電源オフの再起動後でも、「ゼロに戻す」必要なく、電源が回復した瞬間に正確な位置を知ることができます。

デュアル トラックによってもたらされるパフォーマンスの向上は多面的です。

• 解像度の飛躍的向上: 直交デコーディングを使用すると、デュアル チャネル信号により実効分解能が 4 倍に向上します。50 極対の磁気リングの場合、シングル トラック システムは 1 回転あたり 50 カウントしか取得できませんが、直交デコーディングを備えたデュアル トラック システムでは 200 カウントを達成できます。

• 方向検出機能: 2 つの信号チャネルの位相シーケンスは、追加の論理推論を必要とせずに、回転方向を直接反映します。

• 耐干渉冗長性: デュアルチャネル信号は相互に検証できるため、振動や電磁干渉環境での誤ったパルスの除去が容易になり、システムの安定性が大幅に向上します。

• スペース効率: 2 つのシングル トラック磁気リングを並べて使用する場合と比較して、統合されたデュアル トラック構造により、軸方向のスペース占有を約 30% ～ 40% 削減できます。これは、ロボット ジョイントなどの体積に敏感なアプリケーションにとって非常に重要です。

もちろん、デュアルトラック ソリューションには 2 つのセンサーとより複雑な信号処理回路が必要となるため、ハードウェアのコストは比較的高くなります。ただし、サーボ システム、ロボット ジョイント、ブラシレス モーターの精密制御など、位置決め精度が厳密に要求されるシナリオでは、この投資は価値があります。

3. 材料に関する議論: ゴム磁石と射出成形フェライト

シングルトラックであってもデュアルトラックであっても、ディスクの基板材料の選択は同様に重要です。現在、エンコーダの磁気リングに最も一般的に使用されている 2 つの材料はゴム磁石と射出成形フェライトであり、それぞれに異なる特性があります。

ラバーマグネット: 柔軟な「オールラウンダー」

ラバーマグネットは、フェライト磁性粉とニトリルゴムなどのエラストマーを混合し、コンパウンド、カレンダー加工、加硫成形して作られます。その最大の利点はにあります 、柔軟性と加工のしやすさ。薄いシートやロールに加工でき、湾曲した設置要件や特殊な形状の設置要件に適応できるため、スペースに制約のある軽量のシナリオに特に適しています。

最新のゴム磁石エンコーダの磁気性能も継続的に向上しています。ゴム配合の最適化によりフェライト粉末の充填率をさらに高めることができ、NTNなどでは従来のゴム製エンコーダと比較して磁力25％向上を実現しました。 Hutchinson のエラストフェライト シリーズの磁気リングは、最大 3500 G の残留磁気、わずか 2 mm の極幅、および 0.05° 以内に制御された周期公差を実現できます。

しかし、ゴム磁石には明らかな欠点もあります。それは、 耐温度性が通常 60°C ～ 80°C の間に限られており、磁気性能が比較的弱いことです。これらは、小型および中型のモーター、自動車の ABS センサー、および温度要件がそれほど厳しくないその他の用途により適しています。

射出成形フェライト: 堅固な「精密派」

射出成形フェライトは、ナイロン（PA66）やPPSなどのエンジニアリングプラスチックにストロンチウムフェライトやバリウムフェライトの磁性粉末を混合し、射出成形したものです。その主な利点は、 寸法の一貫性と成形の自由度にあります。複雑な幾何学的形状を 1 ステップで射出成形でき、バッチ間で寸法が非常に安定しています。これは、デュアル トラック ディスクの 2 つのトラックの正確な位置合わせにとって重要です。

射出成形フェライトは ゴム磁石よりも大幅に優れた耐熱性を持っています。ナイロンベースの射出成形磁石の耐熱性は 120 ～ 150℃に達し、ゴム磁石の 60 ～ 80℃よりもはるかに高くなります。機械的耐久性の点では、射出成型フェライトは表面硬度が高く、耐摩耗性、耐衝撃性に優れており、長期使用でもクラックや破損が発生しにくくなっています。さらに、フェライト自体は酸化物材料であるため耐食性に優れており、追加のコーティング保護を必要としません。

2 つの材料の主要パラメータの比較

実際、選択のロジックは非常に明確です。アプリケーションが 高精度、高耐久性、広い温度範囲を追求する場合には、射出成形フェライトがより適しています。に対するより高い要件がある場合は 柔軟性、軽量化、コスト管理、ゴム磁石がより実用的な選択肢となります。

4. 組み合わせ戦略: トラック数と素材のマッチング

トラックの構造と素材の特性が理解されると、選択はマトリックス形式の決定になります。

• シングルトラック + ゴム磁石: 最も経済的なソリューションで、単純な速度測定、ファン速度検出、および同様のシナリオに適しています。

• シングルトラック + 射出成形フェライト: コストを管理可能にしながら、耐久性と温度適応性を向上させます。自動車の車輪速度センサーなど、比較的過酷な環境での増分アプリケーションに適しています。

• デュアルトラック＋ラバーマグネット：絶対位置決め能力と軽量化を両立。 NTNの高精度角度センサは、ゴム磁石材料による複線構造を採用し、角度精度±0.1°と27％の軽量化を実現しました。

• デュアルトラック + 射出成形フェライト: 高精度の絶対位置決め、幅広い温度安定性、長期信頼性を必要とする、サーボ モーター、ロボット ジョイント、CNC 工作機械回転テーブルなど、最も要求の厳しい産業シナリオを対象としています。

デュアルトラックディスクの精度は材質だけでなく、より重要なことに 磁化の精度にも依存することに注意してください。 2 つのトラック間の間隔は非常に狭いため、従来のバッチ磁化方法では磁気クロストークが発生しやすく、隣接するトラックの磁極が変形します。業界をリードするアプローチは「単極データ書き込み」磁化です。ハードドライブにデータを書き込むのと同じように、マイクロ磁気ヘッドが極ごとに順番に磁化することで、トラック間の位相合わせ精度がサブミクロンレベルまで向上します。

最終的な分析では、磁気エンコーダ ディスクの選択は「要件の一致」のプロセスです。シングル トラック ディスクは、「どのくらい回転したか」という問題を最も簡単な方法で解決しますが、デュアル トラック ディスクは、異なるスケールを持つ 2 つの「定規」を使用して、「現在どこにいるか」というより基本的な質問に答えます。ゴム磁石は柔軟性と経済性で知られていますが、射出成形フェライトは剛性と精度で優れています。トラックの構造と材料特性が適切に一致している場合、磁気エンコーダは産業オートメーションやインテリジェント機器で最大のパフォーマンスを発揮できます。