産業用オートメーション機器、CNC 工作機械、ロボット ジョイント、サーボ モーター、および同様のアプリケーションでは、光学式エンコーダが一般的な角度および位置フィードバック コンポーネントです。ただし、ほこり、油、振動、高温に弱いという「デリケート」な弱点があります。内部格子が汚染されたり、光源が古くなったりすると、機器がエラーを報告したり、ステップを失ったり、制御不能になったりすることがあります。
近年、ますます多くの保守担当者が別のアプローチを検討し始めています。それは、元の光ディスクを新しいディスクに置き換えることです。 元の取り付け位置と信号インターフェイスを維持しながら磁気エンコーダ ディスクを 使用することで、古い機器に「新たな寿命を与える」ことができます。
I. 光学式エンコーダが故障するのはなぜですか?
一般的な光学式エンコーダは、LED、回折格子ディスク、光検出器、信号処理回路で構成されています。 LED からの光は回転ディスクのスリットを通過し、明暗が交互に現れるパターンを生成し、受信機がパルス信号に変換します。
主な障害の原因は次のとおりです。
塵埃、油分、水分の侵入：光路を遮断し、パルス損失や誤作動の原因となります。
振動と衝撃: ガラスディスクは割れやすく、金属ディスクも変形する可能性があります。
高温と経年劣化: LED 光の減衰により信号振幅が減少し、最終的にはトリガーの信頼性が低下します。
グレーティングの汚染: 切削液、潤滑油の蒸気、その他の物質によりディスク上に膜が形成され、洗浄が非常に困難になります。
これらの問題は、繊維、木工、金属加工、建設機械などの過酷な環境で特に顕著です。多くの場合、機器の電気部品はまだ良好な状態にありますが、エンコーダが頻繁にアラームをトリガーします。
II.磁気エンコーダ ソリューションとは何ですか?
磁気エンコーダ ソリューションの基本的なアイデアは、光学式のオン/オフ スイッチングを磁場の変化に置き換えることです。
通常、次の 2 つの部分で構成されます。
磁気エンコーダディスク/磁気リング
回転軸に取り付けられたディスクまたはリングで、その表面に複数の磁極(N/S交互)が一定の規則に従って分布したパターンが施されています。極対の数は、数から数十までの範囲になります。
磁気センサー
磁気リングの側面または表面の近くに配置されます。一般的なタイプには、ホール センサー、AMR (異方性磁気抵抗)、TMR (トンネル磁気抵抗) などがあります。センサーは磁場の方向または強さの変化を検出し、正弦波または方形波パルスを出力します。
取り付け構成に基づいて、磁気エンコーダはさらに次のように分類できます。
シャフトエンドタイプ：シャフト端面に磁石が取り付けられ、センサーが先端に向けられています。
オフアクシス / リングタイプ: 磁気リングがシャフトに取り付けられ、センサーは半径方向または軸方向に読み取ります。
統合磁気エンコーダチップ: AS5047、TLE5012、MA730などの人気シリーズなど、センサーと信号処理が単一のICに統合されています。
Ⅲ．光学式エンコーダと磁気式エンコーダ: コアの比較
側面 |
光学式エンコーダ |
磁気エンコーダ ソリューション |
防塵・耐油性 |
悪い – 光路が遮断されやすい |
良好 – 磁場は非磁性汚染物質を透過します |
耐振動・耐衝撃性 |
ガラスディスクは壊れやすい、金属ディスクはわずかに優れています |
良好 - 繊細な格子構造はありません |
温度範囲 |
LEDと光検出器による制限 |
通常は幅が広くなります。磁石の減磁温度をチェックする必要があります |
解像度と精度 |
プレミアムモデルでは非常に高い |
中級/ローエンドに適しています。ハイエンドも補間により良好なレベルに到達可能 |
料金 |
高精度タイプは高価です |
中/低解像度でコスト効率が高い |
外部干渉 |
周囲光、オイルミストに敏感 |
強い磁場と強磁性粒子の蓄積に敏感 |
取り付けの難易度 |
高い同心度と厳しいギャップ公差が要求されます |
ギャップの影響を受けにくいが、同心度の偏差が精度に影響を与える |
一生 |
LED の経年劣化は長期安定性に影響します |
光源の劣化がなく、寿命が長い |
全体として、過酷な環境における磁気エンコーダの信頼性の利点は明らかですが、超高精度および超高解像度のアプリケーションでは光学式エンコーダが依然として地位を保っています。
IV.磁気エンコーダへの変換が適しているのはどのような場合ですか?
すべての光学式エンコーダが改造する価値があるわけではありません。次の状況がより適しています。
装置は粉塵、オイルミスト、湿気のある環境で長期間使用されます。
光学式エンコーダは頻繁に故障するため、メンテナンス費用が高額になります。
元のエンコーダが生産中止になっているか、納期が長いため、代替品が必要です。
解像度要件は極端ではありません。標準の増分 A/B/Z 出力で十分です。
設置スペースにより、磁気リングやセンサーボードの追加・交換が可能です。
元のシステムが角秒精度のハイエンドのアブソリュート光学式エンコーダを使用している場合、またはエンコーダが制御システムと深く統合されている場合、改造はさらに困難になり、慎重な評価が必要になります。
V. 改修の実装手順
以下では、一般的な光学式インクリメンタルエンコーダをオフアクシス磁気エンコーダに変換した場合を例に、基本的な手順を説明します。
1、元のエンコーダ信号タイプを確認する
一般的な出力タイプは次のとおりです。
磁気ソリューションが同じフォーマットの信号を出力できることを確認してください。多くの磁気エンコーダ チップは、プログラマブル出力をサポートしており、A/B/Z モードに構成可能であり、UVW をエミュレートすることもできます。
2. 機械設置スペースの測定
磁気リングをシャフトに取り付けることができるか、センサー基板を固定できるかどうかを判断します。主な寸法は次のとおりです。
3. 磁気リングとセンサーを選択します
磁気リングのパラメータには通常、次のものが含まれます。
解像度の推定式:
たとえば、128 倍の内部補間を備えた 32 極ペアのリングでは、1 回転あたり 4096 パルスが得られます。元のエンコーダが 1000 ラインの場合、通常はこのパラメータで十分です。
4. 磁気リングを取り付ける
磁気リングの取り付け方法には次のものがあります。
接着剤による接合 - 低トルクおよび軽荷重に適しています。
焼きばめ / 圧入 - 金属シャフトおよびリング穴用。
ネジクランプ - フランジまたはクランプリングを介して。
リングがシャフトと同心であることを確認してください。偏心は角度誤差を直接増加させます。通常、同心度は 0.1 mm 以内が推奨され、高精度の用途では公差が厳しくなります。
5. センサーボードを固定する
センサーとリング表面の間に指定されたギャップを維持します (チップのデータシートに応じて、通常は 0.5 ～ 2 mm)。センサーの中心は磁極トラックの中心とできるだけ一致するようにしてください。
固定にはナイロン製スタンドオフまたはアルミニウム製ブラケットを使用します。磁場を歪める可能性のある強磁性材料は避けてください。
6. 電気接続と試運転
元のエンコーダのピン配置に従って、電源、グランド、A、B、Z などを接続します。新しいセンサーの出力電圧が元のシステムと一致しない場合は、レベルシフトまたはプルアップ抵抗が必要になる場合があります。
電源投入後、低速で回転させ、オシロスコープを使用して、A/B 波形の直交品質、Z パルスの位置、および信号振幅をチェックします。確認したら、制御システムに接続し、ホーミングと位置精度の検証を実行します。
VI.よくある問題と注意事項
同心度エラーによる精度の低下
磁気エンコーダは、光学式エンコーダよりも半径方向の偏心の影響を受けやすくなります。取り付けの際はダイヤルゲージを使用し、マグネットリング外径の振れを極力修正してください。
外部の強い磁場を避ける
モーターの高電流、ブレーキ コイル、コンタクターなどからの磁場がセンサーに干渉する可能性があります。センサーをこれらのコンポーネントから離して配置し、必要に応じて磁気シールドを検討してください。
温度と磁石の減磁 射出
成形されたフェライトまたはゴム磁石は 120 °C を超えると減磁する可能性があります。高温環境の場合は、NdFeB または SmCo 磁石を選択し、センサー チップの動作温度範囲を確認してください。
強磁性粒子の蓄積
磁気リングは鉄粉や塵を引きつけ、時間の経過とともに磁場を変化させる可能性があります。金属作業環境では、保護カバーを追加するか、定期的に清掃してください。一部の設計では、非磁性の保護層を使用します。
解像度のマッチング 元
のシステムには特定のパルス数要件がある場合があります。磁気エンコーダのネイティブ解像度が不十分な場合は、補間を使用できます。高すぎると、一部の制御システムが高周波パルスを処理できない可能性があります。最高速度での最大パルス周波数を確認してください。
Z相インデックス
一部の磁気式エンコーダチップでは、1回転ごとに固定位置でZパルスを生成しますが、その位置が本来の光学式エンコーダの位置と異なる場合があります。改造後は、機械のゼロ点を再校正するか、ソフトウェアで調整してください。
VII.まとめ
光学式エンコーダを磁気式エンコーダ ソリューションに置き換えると、本質的に壊れやすい光学コンポーネントが最新の磁気センシング技術に置き換えられ、元の制御システム インターフェイスを維持しながら過酷な環境での信頼性と耐用年数が向上します。
このソリューションは万能薬ではありません。超高精度、超高解像度、または特殊な絶対プロトコル アプリケーションの場合は、依然として慎重な評価が必要です。ただし、中程度から低精度、過酷でメンテナンスの多い環境で動作する多くの産業機器にとって、磁気エンコーダはコスト効率が高く、現実的に実行可能なアップグレード パスを提供します。
実際には、正しい磁気リングのパラメータを選択し、取り付けの同心性を確保し、電気的互換性を達成し、適切なシールドを提供することが、改造を成功させる鍵となります。
