（出典：Vera Aksionava/stockabobe.com）
多くのモーションコントロール設計では、モータのローターの角度位置、速度、方向などの主要パラメータを知ることが極めて重要です。これらのパラメータを理解する上で重要な要素のひとつがエンコーダです。エンコーダは、ローターの角度位置を決定し、システムコントローラに報告する追加のセンサです（すべてアナログ、アナログ/デジタルのハイブリッド、または完全デジタル）。エンコーダは、定義された時間間隔で繰り返し位置の「スナップショット」を撮影します。この一連の位置情報測定値を使用して、コントローラは回転速度と方向を決定することができます。（「エンコーダ」という用語は、他の多くの電子回路や部品も指すため、混乱が生じる可能性があります。）
このブログでは、モータ制御用エンコーダを選択する際に考慮すべき事項と、主なエンコーダ技術の機能について説明します。
モータの用途すべてが、このセンサによるフィードバックと関連するローターパラメータを必要としているわけではありません。玩具のような低価格製品にはエンコーダは必要なく、また、搭載する余裕もありません。一方、ベクトル制御とも呼ばれるフィールド指向制御（FOC）を使用する高度なモータ制御アルゴリズムでは、必要ありません。しかし、FOCの仕組みであっても、重要な用途ではローターの位置と動きを監視・確認するためにエンコーダを組み込むことが望ましい場合があります。
ローターの位置を決定するために広く使用されているエンコーダ技術には、光学式、磁気式、電磁誘導式（レゾルバ）、容量式の4種類があります。それぞれに相対的な長所と短所があるため、「正しい」選択はアプリケーションの要件、優先事項、コストによって決定されます。
一部のエンコーダ実装では、電源投入時や再起動時に必要な絶対的なローター位置情報を提供できるが、相対位置情報しか提供できないものもある。しかし、最終的なアプリケーションでは、それだけで十分な場合もある。
最終製品に組み込むモータの顧客が希望するエンコーダを選択し、通常、顧客のサイトでの生産中にモータに追加されます。多くのモータベンダーは、自社またはサードパーティ製のエンコーダも提供しており、自社工場でのモータ生産段階でも組み込みを行います。さまざまな選択肢がある中で、広く使用されている4つのエンコーダについて詳しく見ていきましょう。
光学式エンコーダは、光源としてLED、シャフトに接続されたコードホイール、および電源回路で駆動するLEDと、センサからクリーンなパルスを生成する出力回路をサポートするフォトセンサを使用します。
光学式エンコーダには2つのタイプがあります。透過型デザインでは、LEDとセンサはコードディスクの反対側にあり、反射型デザインでは同じ側にあります。反射型デザインは薄型ですが、透過型デザインと比較すると、より重要なアライメントとS/N比（信号対雑音比）の低減の可能性を備えています。
ここで重要な要素となるのがコードホイールです。これは、光を通さない線が描かれた、光を通さない部分と通す部分のある、薄いガラスまたはプラスチック製の円盤です。反射的なデザインでは、不透明な部分が代わりに反射します。コードホイールが回転すると、光センサがホイールの動きに対応するパルスのシリアル列を生成します。コードホイールの分解能は、1回転あたり1,024パルス（PPR）または4,096 PPRと高い値に設定できます。
基本的な光学式エンコーダは、相対的な動きのみを示すインクリメンタルセンサです。エンコーダシステムは、別のセンサとともに、最初のトラックから90°（直交）だけオフセットした2番目の光学トラック出力をトラック出力間の相対位相差として使用することで、方向を決定することができます。
多くのアプリケーションで必要とされる絶対位置を取得するために、2つのアプローチが使用されます。1つのアプローチでは、1つのインデックスマーカーとともに3つ目のコードホイールトラックが追加され、1回転につき1回登録され、開始点を設定します。もう一つの方法は、電源投入時に絶対位置が必要なより厳格なケースで使用されます。そのため、エンコーダディスクには、各符号化位置に対して一意のコード出力を生成するための異なるパターンを持つ複数のトラックが設けられています。
光学式エンコーダは、シンプルな設計、インターフェイスの容易さ、高解像度により、非常に人気があります。考慮すべきトレードオフとしては、ディスクのせいでやや壊れやすく、周囲のホコリや汚れの影響を受けやすく、また、ある程度の稼働電力が必要であることが挙げられます。
磁気式エンコーダにはいくつかの種類があります。広く使用されているバージョンでは、ローターシャフトの先端に永久磁石が取り付けられ、その磁石の磁界を感知できるように磁気センサが近くに取り付けられています。モータシャフトに取り付けられた永久磁石が回転すると、磁気センサが感知する磁界の方向も変化します。
フィールドの相対的な強さを感知することで、エンコーダはモータシャフトの回転位置と速度を検出することができます。これは、互いに直交するように配置された2つのホール効果センサを使用することで実現されています。一方のセンサでX軸成分（Bx）の大きさを感知し、もう一方のセンサでY軸成分（By）の強度を検出します。
次に、標準的な三角法の公式を使用して、2つの出力を復調し、シャフトの角度を決定することができます。これはアナログ回路を使用して行うこともできますし、X成分とY成分の両方をデジタル化した数値で数値計算することもできます。
これらの磁気式エンコーダは、4,000 PPRという高い分解能を提供でき、ほこりや油、湿気のある環境でも使用できるほど頑丈です。しかし、モータや監視装置、近くの電線など、近くの強い磁場に影響を受けます。
あまり普及していない別の磁気式エンコーダでは、コードホイールの外周に、N極とS極が交互に並ぶ磁石が取り付けられたコードホイールが採用されています。磁気センサは、磁極が通過する際に磁極の変化を検出します。このデザインは、以前のアプローチよりも解像度が低いですが、状況によっては十分な場合があります。発光部と受光部に電源を供給する必要がないため、磁気式エンコーダは光学式エンコーダよりも消費電力が少なくて済みます。
磁気の原理に基づく非常に異なるタイプのエンコーダが、レゾルバです。このロータリートランスは、小型の同期モータに似た配置を使用して、そのローターの角度と変位速度を決定します。
通常10kHz前後の交流信号がローターに印加され、一次側巻線として機能します。ステータには、互いに90°の角度をなす2つの2次巻線があり、それぞれ正弦巻線と余弦巻線と呼ばれています。ローターが回転すると、二次側巻線のサイン波とコサイン波の信号に相対的な変化と差異が生じます。これらは三角関数の恒等式を用いて、絶対位置を復調により復号化することができます。
サイズや重量、インターフェイス回路の要件にもかかわらず、かつては、その精度と頑丈さから、ミサイル誘導システムの慣性プラットフォームなどの極度のストレスがかかる用途に広く使用されていたレゾルバが存在したことは注目に値します。当時、それらは角位置エンコーダの唯一の選択肢でしたが、より大型で高価であり、消費電力もより高かったにもかかわらずです。
一般的に、レゾルバは正弦波のアナログ信号を生成し、エンコーダはデジタルのオン/オフ出力を提供しますが、一部重複する部分もあります。その結果、それぞれが望ましいモータ情報を生成するには異なるデコード方式が必要となります。エンコーダの出力は、最新の電子機器やプロセッサとの互換性が高く、モータ制御システムに「そのまま」使用できるようになっています。
静電容量式エンコーダ技術は、より新しい回転運動感知技術を導入していますが、デジタル式の高精度で低価格なノギスとして長年使用されてきました。この配置では、ローターの外周に導電性の正弦波パターンが刻印されており、固定された送信機と固定された受信機があります。回転するにつれ、送信機の基準となる高周波信号は予測可能な方法で変調されます。エンコーダは、受信ボード上の静電容量とリアクタンスの変化を検出し、これらの変化を再び復調アルゴリズムを使用して回転運動の増分に変換します。
LEDがないため、静電容量式エンコーダは光学式エンコーダよりも長寿命で、設置面積が小さく、消費電流も少ない（通常はわずか6mA～18mA）という特長があります。さらに、これらのエンコーダは磁気干渉や電気ノイズにもかなり耐性があります。それでも、空気中の汚染物質は見かけ上の容量結合に影響を及ぼし、その結果、性能の安定性に影響を与える可能性があります。
多様な用途の多様なニーズに対応する高性能エンコーダをご用意しています。エンコーダには多くのオプションがあるため、特定の用途に最適なエンコーダを判断するのは困難です。この決定には、解像度、インターフェイス、電力要件、物理的な耐久性、EMIへの配慮、サイズ、コストなどの要因が含まれます。
特定のエンコーダタイプのベンダーは当然、自社製品が「最高」であると主張しますが、実際にはもっと複雑です。エンコーダに関する一般的な記述（「このタイプは、このパラメータには適しているが、この他のパラメータには適していないかもしれない」）には、あらゆる一般的なガイドラインに対する多くの有効な例外があります。
各エンコーダタイプの相対的な属性の比較表は理にかなっているように思われるが、例外を明確にするために多くの注釈が必要となる。実際には、エンコーダの決定を下すには、利用可能なものを慎重に検討し、設計の目的、プロジェクトの優先事項、エンコーダの種類を選択する際に必要となるトレードオフとバランスを取る必要があります。