エンコーダとは？インクリメンタルとアブソリュートの違い・A相B相と4逓倍

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エンコーダとは、モーターなどの軸の回転を、パルスやコードの電気信号に変えて、角度・位置・速さを測るセンサーです。エンコーダー、ロータリーエンコーダとも呼びます。回転の量に応じたパルスを出して数えるインクリメンタル形と、軸の位置ごとに決まったコードを出すアブソリュート形があります。

サーボモーターの軸の後ろ、工場のコンベアの軸の端、プリンターの紙送り。回転を正確に止めたい所には、たいていエンコーダが付いています。

この記事を書いたのは、「エンコーダとは」で調べる人が多いと、検索の数字でわかったからです。このブログには、パルスで回す側（モーター）の記事はあるのに、回転を測る側がありませんでした。仕組み・2つの種類・A相とB相・計算の順に進みます。

エンコーダの仕組み：回転を「数えられる信号」に変える

エンコーダは、軸と一緒に回る円板の模様を読み取り、回転を電気のパルスやコードに変えます。読み取り方には、光を使う光学式と、磁石とホールセンサを使う磁気式があります。

光学式は、細いすき間（スリット）が円周に並んだ円板を軸と一緒に回し、光が通るか通らないかを受光素子で読み取ります。すき間が来れば光が通って1、来なければ0。これが電気のパルスになります。

磁気式は、軸に付けた磁石の回転で変わる磁場を、ホールセンサ（磁場を電気に変える素子）で測ります。ifm の解説によると、光学式はガラスの円板のすき間を通る光で、磁気式はホール効果で信号を作ります。

インクリメンタル形とアブソリュート形の違い

インクリメンタル形は回転の量に応じたパルスを出し、受ける側が数えて位置を出します。アブソリュート形は軸の位置ごとに決まったコードを出すので、電源を切っても位置がわかり、原点復帰が要りません。

	インクリメンタル形	アブソリュート形
出すもの	回転の量に応じたパルス	位置ごとに決まったコード（絶対番地）
位置の知り方	パルスを数える（カウンタ）	コードをそのまま読む
電源を切ったとき	位置がわからなくなる	位置がわかる
電源を入れたとき	原点復帰が必要	原点復帰が要らない
出力	A相・B相・Z相のパルス	パラレル・シリアル・フィールドバス

ifm「インクリメンタル式エンコーダ」「アブソリュート式エンコーダ」と、オムロン「技術編ロータリエンコーダ」の分解能の定義から作った。

アブソリュート形には、1回転の中の位置がわかるシングルターンと、何回転したかまでわかるマルチターンがあります。シングルターンは、軸が360°以上回らない場面で使われます（ifm）。

アブソリュートのコードには、隣の位置に移るとき1ビットだけ変わるグレイコードがよく使われます。ふつうの2進数だと、7（0111）から8（1000）へ移るとき4ビットが同時に変わる。読み取りの一瞬のずれで、まったく違う値を読むおそれがあるのです。

A相・B相・Z相の役割：方向と原点を知る

インクリメンタル形のエンコーダは、A相・B相・Z相の3つの信号を出すものが多く、A相とB相は電気角で90°ずれています。どちらが先に変わるかで回転方向が、1回転に1回出るZ相で原点がわかります。

信号	役割
A相	回転の量に応じたパルス
B相	A相と電気角で90°ずれたパルス。A相とどちらが先かで回転方向がわかる
Z相	1回転に1回だけ出るパルス。原点を決める

A相だけでは、軸がどちらに回っているのかわかりません。パルスの数は、右に回しても左に回しても同じだからです。そこで、少しずらした B相を一緒に出します。

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一方の向きに回すと A相が先に立ち上がり、逆に回すと B相が先になります（どちらを正転と呼ぶかは機種の決まり）。受ける側は「A相が変わった瞬間の B相が1か0か」を見て、数を足すか引くかを決めます。東京工業大学の演習資料も、この方法で回転方向を判別しています。

分解能と4逓倍：同じエンコーダで細かく測るしくみ

エンコーダの分解能は、軸1回転で出るパルス数（P/R）です。A相とB相の立ち上がりと立ち下がりを全部数える4逓倍にすると、同じエンコーダで1回転のカウントが4倍になります。

4逓倍で増えるのは、エンコーダのパルスではありません。受ける側（カウンタや PLC）が数える「エッジ」の数です。エンコーダ自体は同じ1,000P/R のまま。

ではカタログの「1,000P/R」は、逓倍の前か後か。調べると、キヤノンのエンコーダの製品比較は「パルス／1回転」と「パルス／1回転（4逓倍後）」を別の欄に書き分けていました。オムロンの技術資料も、分解能を「軸1回転で出力されるパルス数」と定義しています。筆者は、ただの「P/R」は逓倍前の数と読みます。

エンコーダの計算：出力周波数・回転速度・移動量

エンコーダの出力周波数は「回転速度÷60×分解能」で求めます。1,000P/R のエンコーダを3,000min⁻¹ で回すと A相は50kHz で、これが受ける側の入力の最高周波数以下かを確かめます。

例1：1,000P/R を3,000min⁻¹ で回す

3,000min⁻¹ は1秒に 3,000÷60＝50回転。1回転で1,000パルスなので、50×1,000＝50,000Hz、つまり50kHz です。4逓倍で数えるなら、1秒に 200,000カウント。

例2：周波数から回転速度を出す

500P/R のエンコーダの A相が20kHz なら、1秒に 20,000÷500＝40回転。1分では 40×60＝2,400min⁻¹ です。逆に 2,400÷60×500 と計算すると20,000Hz に戻ります。

例3：ボールねじの1カウントの移動量

リード10mm（1回転で10mm 進む）のボールねじに、1,000P/R のエンコーダを4逓倍で使います。1回転 4,000カウントなので、10mm÷4,000＝0.0025mm＝2.5μm が1カウントの移動量です。

カタログの値で検算する

キヤノンの製品比較の例（81,000P/R・最高応答周波数 0.5MHz）を式に入れると、0.5MHz÷81,000×60 ≒ 370rpm。カタログの最高応答回転数は360rpm でした。式で出した値より少し低い、余裕を持った値です。

確かめること	理由
エンコーダの最高応答周波数	超えるとパルスが出きらず、数え落とす
受ける側（カウンタ・PLC）の入力の最高周波数	超えると数え落とす。4逓倍ではカウントの速さが4倍
必要な分解能	オムロンの資料は、機械の総合精度の1/2〜1/4 になる分解能を選ぶのがよいとしている

計算の数値は例です。最高応答周波数や入力の周波数は機種で違うので、使う機器のカタログで確かめてください。

出力回路の種類と、よくある間違い

インクリメンタル形の出力回路には、オープンコレクタ（NPN・PNP）、電圧出力、ラインドライバがあります。配線が長い・ノイズが多い所では、A と A反転の2本で送るラインドライバが向きます。

出力回路	特徴	向いている場面
オープンコレクタ（NPN・PNP）	受ける側の電源とプルアップ抵抗で信号を作る	近い距離、PLC の入力
電圧出力	エンコーダの中にプルアップがある	近い距離、簡単な回路
ラインドライバ	A と A反転の2本（差動）で送る	長い配線、ノイズの多い工場

どこまで配線を延ばせるかは、出力回路と機種で違います。手元で確かめていない値は、ここでは言えません。カタログの「ケーブル長」の欄を見てください。

よくある間違い	正しくは
インクリメンタル形なのに、電源を切っても位置が残ると思う	位置はわからなくなる。原点復帰が要る
P/R と4逓倍のカウントを混同する	カタログの P/R は逓倍前。4逓倍は受ける側で4倍
応答周波数を確かめずに速く回す	f＝N÷60×P が最高応答周波数以下か確かめる
ノイズでカウントがずれるのを放置する	ラインドライバ・シールド・動力線と分けた配線で対策