位置センサの概要

図5 – 光学センサは角度を測定する為に光ディスクを使用します

パッケージ型や回転型は広く使用されております。一般には50 – 5,000counts/回転で、良い環境条件においてうまく稼働することが証明されております。しかしより堅牢が必要な環境においては、もしレンズや格子を形成しているシステムが汚れや、金属粉または水のような外部異物で曇ったりすると測定は失敗するでしょう。光センサの選択においては、もしセンサが１回転で1000countsと引用されてる場合は１回転の1000分の１の精度があると意味してないことを理解することが重要であります。

センサのデータシートは注意深く読む必要があります。特にEncoder kitsまたはRing Encoderについては極度に正確なセンサの取付やコンタミの無いことの確認を要求されているData Sheetに注意が必要です。

ガラスデスクを有しているEncoderは耐衝撃性に限度があります。

長所： 高分解能、正確に取り付ければよい精度、広い用途
短所： 外部異物、無警告に致命的な不良、耐衝撃、過酷な温度

4.3 磁気センサ

全ての磁気センサは類似した測定動作を利用しております。マグネットが磁気検出素子に相対して動き、磁界が相対する変位に比例して変化します。通常の形式はチップ化したHall効果デバイスです。これらは最も適正な測定機能を持って自動車や電機モーター用途によく使用されます。

磁気センサは光デバイスに想定される多くの欠点を克服しておりますが、磁気センサは磁気的ヒステレシスと動的部品と静的部品間の精密な機械設計の必要からあまり使用されておりません。磁気センサのData Sheetの取付許容差、温度係数、使用温度ついて注意深く検討すべきです。

さらに考慮することは近接する磁性体材料と電送ケーブルです。　マグネットはある外部異物を吸着して時間につれて微粒子又は金属屑の塊が形成されてこれが事故の一要因となります。　磁気センサに使用されている新しいNdFeB磁石は極度に割れ易いので激しい打撃や衝撃のある用途には一般に選択されません。

長所： かなり堅牢、殆どの液体の影響を受けない
短所： 温度、ヒステレシス、精密な機械設計が必要、近接した金蔵及びDC磁界の影響、　打撃/衝撃に弱い。

4.4 磁歪式センサ

磁歪式センサは数種類の磁歪材料に存在するMagnetostrictionと呼ばれる磁歪現象を利用しております。マグネットがこれらの材料に近づくと反響するこれらの材料に沿って通過するエネルギーが起きます。位置は細長い薄い磁歪材―通常は細い線又は薄い板状―に前後に駆動によるパルスエネルギーにかかる時間から測定されます。

図 9 – 従来の誘導型センサは安全性と信頼性に定評があります

EMC特性はレゾルバやLVDTと同様に優れております。これは宇宙航空や軍需用途に新世代の誘導式デバイスとして採用が増加していることが証明しております。

長所： 高精度、高信頼性、堅牢、多重構造が可能、小型、軽量
短所： ポテンショメータより高価

5. よくある失敗例

下記は技術者が位置センサに関して一般に最も陥る失敗のリストであります。

センサ不良の費用を算出しない：

多くの技術者は低価額解決への選択を望んでいます。これは単に低価額センサを選択することと同じではありません。市場におけるセンサ不良の費用はより以上の困難に発展して、位置センサの何倍以上の高価になります。言い換えれば市場において不良を起こさないセンサを選択することは最良且つ最少の雑費用の解決となるのが一般的です。さらに不良の内容を考慮すべきです。故障したり、動作が止まるようなセンサは機能が止まったり、誤読以外は信用できるセンサより通常ははるかに問題的にも費用的にも少ないです。費用や安全性の条件において誤読するセンサの結果は単に動作が止まったりエラー警告を行うセンサよりはるかに高いです。

再現性、分解能、精度の違いについて理解されてない：

３章を振り返って、これらの基本を理解しているか確認願います。分解能と精度を混乱している間違いを避けるべきです。よく位置センサ業界で宣伝しております、１回転で100万count発信する光エンコーダは当然、100万分の１の精度を意味しません。それどころか逆に再現性は多くの工学用途でしばしば重要な要求値となっております。そして高精度（高価でもあるので）センサは指定する必要はありません

センサ形式と環境のミスマッチング：

光、磁気、静電容量、抵抗及び誘導技術を利用することによってほとんどの基本的な物理現象を管理する方法で区別しています。それぞれの技術は長所と短所を持っておりますので一般ルールとしては下記のような選択はしません；

• 抵抗体（Potentiometric）,光、静電容量センサは汚れた、高湿度（濡れた）環境には不適合、屋外機器において凝縮水や表面結露は不良となる一般要因です。
• 光、磁気、静電容量センサは極度に高い使用温度では不適用です。（ほとんどのセンサは125°以上では動作しないでしょう）
• 高い測定特性を要求される磁気センサは外磁界の除去や精密な機械取付ができなければ不適当であります。
• 過酷で長時間の振動がある用途ではPotsは不適当です。この場合、摺動する電気的接点で微小な動きを誘導する多振動で摩耗や不良となります。

直接測定でなく測定を推論すること：

位置センサの良い設計ルールは興味ある物の位置を測定することであります。言い換えれば、その物を直接測定することであります。トランスミッションの末端に付いているギアやドライブモーターの位置のような別の部品の位置を測定することによって部品の位置を推定したり算出しようとしてはいけません。バックラッシュ、ガタ、部品間のバラツキ、機械的不良、温度差による膨張/収縮などがありそうであり、これらは必ず測定特性や信頼性を退化させるでしょう。

ケーブルとコネクターを忘れること：

ケーブルとコネクターはセンサ不良の主要な要因となります。設計や特殊設計において駆動、衝撃や振動を受ける用途においてケーブルの捻じれから抑えることを説明されているか確認することです。

センサのデータシートの僅かな印字を読み落とすこと：

位置センサの業界は競合的になっています。まずいことに、これが仕様資料において何社かのメーカーは少し過剰な競争に向かっています。しばしば彼らは業界もまた多くの技術者がこのような資料はよく読まないことを知っているのでうまくやっています。　この結果、例えばセンサは１回転10,000countの分解能で発行されておりますが精度については記載されておりません。別の例では、顕著に高い分解能だがかなり再現性が落ちるセンサがあります。言い換えますと分解能は高いがセンサ出力にかなりのノイズがあることであります。　このトリックはデータシートの表題の数字としては間違った方向ではありませんがしかし詳細に読むことであります。

6. 位置センサの仕様の決め方

あなた方の企画において位置センサを選択するためには第１に最も重要なステップは必要とされるすべてを絶対的に明確にすることであります。特にセンサの分解能、再現性と直線性であります。これらの特性の何点かを過剰仕様にすると不必要な費用の要因となるでしょう。　秘訣は最少の費用で（あなた方の分析で市場不良に対する引当金を含めることを忘れずに）目的にあったセンサを見つけることであります。

あなた方は仕様において全重要項目を考慮していることを確認するために次の項目を利用できます。同封の機械図面と一緒に位置センサ供給者にこれを提供すればあなた方の議論のために信頼できる基本仕様を得ることができるでしょう。

1. 形状　– 例えば、直線形、回転形、湾曲形又は２D,３D
2. 場所の範囲　 – 機械的固定ポイント、ケーブル配線、空白範囲
3. 測定方法– インｋレメンタル又はアブソリュート
4. Full-scale　 – 例えば　360 °又は600㎜
5. 分解能 – 言い換えれば、測定しなければならない最少の変化値―例えば0.1°又は0.2㎜
6. 再現性　 – 言い換えれば、同じ測定点に戻した測定値の安定性―例えば再現性＝+/-0.025mm
7. 直線性 – 完全な正確読取値からの最大許容できる偏差。　しばしば多くの用途で最も重要なことは実際の再現性であるともとめられるので直線性については注意深く考慮願いたい。
8. 使用と保管温度範囲　– －４０℃～＋８５℃が一般的である
9. 電源 – 例　；　５V, 12V or 24V
10. 電気的出力– 例；　Serial Data, A/B pulses, 0-10V, 4-20mA
11. 異常な特性要求　 – “できるだけ低い省電力を保持したい”　又は“厳しい硫　　　黄酸の中に浸す”又は“静電容量デバイスを使用しているが信頼性の問題ある”と言ような特質なこと。