アブソリュートシングルターン角度測定デバイス

360°範囲での絶対角度測定は、とりわけ多くの産業や製造部門において主要な測定の1つです。 この記事では、アプリケーションに基づいて、シングルターンロータリーエンコーダと傾斜計の類似点と相違点について説明/比較します。

エンコーダは、単純なインクリメンタルから、より複雑で非常に正確なマルチターンアブソリュートエンコーダへと時間とともに進化してきました。 テクノロジーも大幅に変更されました。 測定分解能と精度にわずかな違いがあるものの光学、磁気、誘導などのさまざまなテクノロジーを任意に利用できます。 一方、傾斜計は何世紀にもわたって存在し、その進化は非常に多様でした。

傾斜計の基本原理は、平面の傾きを測定することです。 テクノロジーは、気泡や振り子を使用した単純な機構から、改良されたポテンショメータ、磁気ベースの測定へと徐々に進化してきました。 現在、POSITALのTILTIXのような非常に高度な傾斜計は、最先端のMEMSテクノロジーを測定に使用しています。

よくある誤解は、傾斜計はシングルターンエンコーダのように0〜359.99°の範囲の全回転を測定できないことです。 しかし、テクノロジーの進歩によりそれが可能になり、360°の全範囲を測定できる単軸傾斜計をごくわずかの企業が提供しています。 したがって、この記事では、傾斜計とロータリーエンコーダを比較し、いくつかの要因によって制約されるいくつかのアプリケーションにおいて、シングルターンエンコーダの代替としての傾斜計の可能性について説明します。

シャフトの回転位置を検出するために使用されるテクノロジーは、磁気式エンコーダでは非常に簡単です。 デバイスのシャフトに取り付けられた永久磁石と、エンコーダの筐体に取り付けられた2軸ホール効果センサがあります。 シャフトと磁石が回転すると、ホール効果センサが磁場の変化を測定し、角度測定値を制御システムに伝えます。 IXARC磁気式エンコーダは出荷前に個々に校正されるため、他の磁気式ロータリーエンコーダが有する典型的な精度よりも高い精度（1,000分の1程度）を提供することが可能です。

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光学式エンコーダは、コードディスクを備えた回転シャフト、赤外線光源、および光電子走査ユニットで構成されています。 コードディスクは壊れにくいプラスチックでできており、通常、角度位置ごとに（グレイコードで）固有のパターンが印刷されています。 LEDからの赤外線は集束され、コードディスクを通過します。 反対側では、レチクルを備えた受光体アレイがトラックから情報を取得します。 角度位置毎に、光受容体の一意のシーケンスがコードディスクの暗いセグメントによって光が遮断されます。

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これは基本的に、完全モールドされたASICに埋め込まれた電極のアレイを含むMicro-Electro-Mechanical Systems（MEMS）センサセルです。 これは、2つの電極のみを持つ単純化されたモデルに基づいて動作します。1つは固定され、もう1つはフレキシブルです（ばね要素で接続）。 傾斜計が水平位置にある場合、一致した静電容量が測定されます。 センサが傾いている場合、フレキシブルな電極の位置は固定電極に対して変化します。 これにより、センサセルで測定される2つの電極間の静電容量が変化します。 静電容量の変化は傾きの変化に応じて変わります。

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アプリケーションに対するセンサの設置の互換性は、常にユーザーにとって重要な考慮事項です。 設置の容易さは、必要な外付けの機械的付属品と、始動前の取り付け手順にも関係しています。 傾斜計は、3点又は4点で固定しても筐体下面に少しの隙間が設けられるシンプルな設計で、多少凹凸があってもあらゆる表面に取り付けできます。 つまり、傾斜計はほとんど、場所を選らぶことなくどこにでも取り付けて正確な測定を行うことができます。 エンコーダはカップリングを使用して、測定軸に両方のシャフトを揃える必要があります。 適切にエンコーダ測定メカニズムを機能させるには、多少の専門知識が必要となります。 たとえば、長くて大きなシャフトの歯付きベルトを備えた建設機械では、エンコーダを接続するために、ローラーベアリングとカップリングを設ける必要があります。 一方、事前に校正されているTILTIX MEMSは、傾斜を測定する必要があるほとんどの機械可動部分のどこにでも簡単に取り付けることで、直接動作させることができます。

絶対位置センサを選択する際、コストとサイズは誰もが気にするところです。 エンコーダは製造が非常に複雑で、多くの内蔵部品があるため、一般的に高価です。 それに加えて、エンコーダを取り付けるには追加となる機械部品が必要で、コストがかなり高くなります。 エンコーダは通常、回転シャフトにインラインで取り付けられますが、中空シャフトエンコーダを使用しない限り、システムのサイズが大きくなります。 完全にモールドされたプラスチックハウジングを備えたTILTIX MEMSは、すべての比較対象製品の中で最もコンパクトな製品であり、ほとんどの製品よりも安価です。 ただし、カップリングや歯付きベルトなどの外部接続部品の無いIXARC磁気式エンコーダは、価格とサイズでTILTIX MEMSと同等であることは特筆できます。 それらはほとんど同じ体積を持ち、唯一の違いは、傾斜計がより簡単に取付けができ、磁気式エンコーダよりも占有スペースが少ないことです。

360°の測定範囲で分解能、精密さ、正確度が重要とされる場合、エンコーダは、はるかに最良のオプションです。 非常に洗練された光ディスクとPOSITALでの数十年にわたるIXARCエンコーダ製造で得られた専門知識により、最大0.005°（16ビット）の分解能と最大0.01°の精度を実現できます。

TILTIX MEMS傾斜計は、0.01°の比較的高い分解能と0.1°の精度を備えていますが、エンコーダほど高くありません。 これは、正確な動きと位置の分析を必要とするアプリケーションで考慮される主要な機能です。 IXARC磁気式エンコーダは最大0.005°（16ビット）の優れた分解能を備えており、他の磁気式エンコーダと比較して最大±0.088°の非常に優れた精度を備えています。 この分解能と精度の組み合わせにより、これらのエンコーダは磁気式エンコーダ業界で推奨される選択肢の1つになっています。

センサの動的性能は、速いピッチで非常にセンシティブな測定において重要な点です。 基本的に、エンコーダは非常に高速の回転速度で位置を検出および測定できるため、動的性能は良いです。 さらに、他の製品と比較して振動に対する影響を受けにくく、非常に高い振動を受けても比較的良好な応答時間で測定できます。.

一方、TILTIX MEMSの応答時間は非常に優れていますが、29Hzを超える周波数の物理的な減衰により、動的性能は制限されます。 TILTIX MEMSはエンコーダに比べて振動に敏感ですが、耐衝撃性と耐振動性が優れています。 したがって、TILTIX MEMSは、強い衝撃や振動にさらされた後でも同じ特性で測定できますが、それらの状態にある間はその限りではありません。

工業製品に複数のインターフェースオプションを利用できることで、常にアプリケーションの範囲に更なる柔軟性が得られます。

種々のインターフェースは、速度や動作モードが異なり、特定のアプリケーション向けに設計されます。 多様な通信オプションにより、幅広い産業用インターフェースが提供され、製品の互換性が向上します。 よって、すでに利用可能なネットワークまたは制御インターフェースにエンコーダや傾斜計を追加する方が簡単です。

IXARC光学式エンコーダは、ビットパラレル、CANopen、DeviceNet、Profibus、Profinet IO + Ethernet / IP、Modbus、EtherCAT、PowerlinkおよびInterbus通信を含む最大数のインターフェースを備えています。TILTIXMEMS傾斜計は、最初はいくつかの産業セグメントに限定されていましたが、 最近のファクトリオートメーション分野の進歩は、すでに利用可能なアナログ、CANopen、SSIおよびDeviceNetインターフェース以外の電気インターフェースの需要を確実に増加させるでしょう。.

需要の増加とTILTIX MEMSの可能性を評価したいユーザーの増加により、インターフェースの開発が急がれています。それに関連して、出力機能は、位置の測定値の処理によってデバイスに構成されたさまざまな出力に適用します。

IXARC磁気式および光学式エンコーダは、位置、速さ、速度、加速度、アラーム、および警告を出すことができます。 一方、傾斜計は位置の値しか提供できません。 そのような機能をTILTIX MEMSに追加することは可能ですが、動的性能の制約により、加速などの時間変化する機能を追加しても意味がありません。 出力パラメータの柔軟性は、IXARC光学式エンコーダおよびTILTIX MEMS傾斜計のブートローダの可用性によって高められます。 TILTIX MEMSは、シンプルなRS232インターフェイスを使用して構成できます。さらに、TILTIX MEMSでアナログティーチイン（プリセット、範囲、フィルター長）が間もなく利用可能になます。IXARC磁気式アナログエンコーダではすでに利用可能です。

Interface Specifications

IP規格は、外部からの異物混入に対するデバイスの筐体の保護を定義しています。 このIP規格には、適切なコネクタ、カップリングなどのアクセサリを使用しないと達成できません。水中のアプリケーションで使用できる防水IXARC磁気式ヘビーデューティエンコーダがあり、高いIP値に対応しています。.

傾斜計は、低価格で堅牢性と高い環境保護を必要とするアプリケーションの場合、エンコーダよりも比較的良い選択肢です。 これは、傾斜計を使用して高度な保護を実現する方が簡単だからです。 実際、完全にモールドされたハウジングを備えたTILTIX MEMS傾斜計は、適切な相手方コネクタだけを使用することで、最大IP69Kの保護レベルを達成できます。 エンコーダの場合、最大IP69Kの高いIP保護等級を実現できますが、コストが増加します。 これは、適切に選択する必要のある部品と追加アクセサリの数が増加するためです。

IP Rating Details

POSITALは常に保護、精度、安定した測定に重点を置いています。 したがって、この点では、傾斜計とエンコーダの両方が等しく一致します。 どちらもEN 61000-6-4の放出干渉規格とEN 61000-6-2のノイズ耐性規格を備えています。

IXARC光学式エンコーダとTILTIX MEMS傾斜計は、最大200gの衝撃と最大20gの振動に耐えることができますが、IXARC磁気式ヘビーデューティエンコーダは、最大300gの衝撃と30gの振動に耐えることができます。 温度の変化に対し、IXARC光学式エンコーダでは、プラスチック製のコードディスクの寸法は変化することはなく、またIXARC磁気式エンコーダの磁場も非常に耐性があります。 したがって、標準用途では同じですが、高温用途でのアプリケーションに関する限り、エンコーダを使用することをお勧めします。 また、エンコーダと傾斜計はどちらもヘビーデューティ仕様の物がありますが、衝撃と振動の影響を受けていると、傾斜計は使用できません。 これは、傾斜計はより堅牢ですが、すべての振動は加速度を意味し、測定結果に影響を与えるためです。 したがって、適切に取り付けられたエンコーダは、測定中でも振動の影響を受けません。

測定の複雑さは、テクノロジー、出力処理および測定の柔軟性の混在です。

IXARC光学式エンコーダは、非常に複雑ですが、50年以上の開発とサポートの経験から完成されています。 このテクノロジーでは、光学コード化されたディスクおよび受光体アレイの注意深い取り扱いが必要で、いかなる異物混入も測定に影響を与える可能性があります。 これはIXARC光学式エンコーダの物理的な制限で、ソフトウェアに関しては非常に柔軟性があります。 より柔軟なブートローダも利用できます。 さらに、IXARC光学式製品ラインは、ほぼすべての産業用インターフェイスに対応し、角度測定を含むほとんどすべてのシステムに使用できます。

IXARC磁気式エンコーダは、非常にシンプルな技術と非常に少ない機械部品を備えています。 したがって、これは比較的メンテナンスがほとんど必要なく、ソフトウェアのメンテナンスに関しても、外部インターフェイスを備えたブートローダが開発されており、間もなくリリースされます。

TILTIX MEMSは、測定の複雑さが最も少ないです。 MEMS技術を使用し、高精度の測定のための容量性電極のアレイを備えています。完全にモールドされたTILTIX MEMSは、外部の異物混入から完全に保護され、ほぼ無限の寿命を実現します。 TILTIX MEMSのようにコンポーネントを小型でコンパクトなパッケージに一体化することで、取り扱いがより簡単になります。柔軟性に関して、TILTIX MEMSは、ブートローダ、RS232インターフェイス、およびアナログティーチインを使用可能です。その他の主な機能は、出力処理です。傾斜計の出力は、コード化されていないため、変換が簡単です。アナログ傾斜計とエンコーダは測定した位置値に比例する出力を提供しますが、フィールドバスを備えた他の傾斜計は位置値を直接提供します。しかし、アナログのものを除くエンコーダの場合、一般的なルールでは、エンコーダが提供するコード化された位置値を、ユーザがPCまたは制御システムにて最終的に変換する必要があります。その処理は比較的複雑です。

最初の比較は、POSITALの製品の測定範囲に関するものです。 TILTIX MEMS傾斜計で考慮すべき重要な機能は、ほぼどこにでも設置できることです。 この柔軟性は、市場にある他の傾斜計と比較した場合の利点であり、いくつかのアプリケーションでシングルターンエンコーダの代替ソリューションとしても使用できます。