ロボティクスおよび自動化における磁気エンコーダーと磁気位置センサーの応用
磁気エンコーダーおよび磁気位置センサーは、ロボティクスおよびオートメーション技術の開発において重要な柱として機能します。これらは、精密な制御、リアルタイムフィードバック、システムの最適化において欠かせない役割を果たしています。インダストリー4.0やスマート製造が急速に進展する中で、ロボットやオートメーション機器におけるモーションの精度、応答速度、環境適応性への需要は増加し続けています。磁気エンコーダーおよび磁気位置センサーは、高解像度、接触のない測定、強力な耐干渉性能を持つことで、これらの用途を実現するための中核技術となっています。本記事では、これら2つの重要なセンサーがロボティクスおよびオートメーション技術においてどのように活用されているか、そしてMelexisが提供する関連ソリューションについて探っていきます。
磁気エンコーダーは高精度な制御のためにリアルタイムフィードバックを提供します
ロボティクスやオートメーションソリューションの適用範囲が、専門的な分野からより日常的な応用シナリオへと拡大し続ける中で、これらのシステムにおいて精密で費用対効果の高いモーションフィードバックを提供するエンコーダーの需要も増加しています。ロボットアーム、自動包装機、産業用織機などのモーター駆動アプリケーションの正確な動作と安全性能を確保するために、磁気エンコーダーのフィードバック機構は重要な役割を果たしています。
磁気エンコーダは、可動部品の速度、位置、方向を正確に検知し、リアルタイムのフィードバックを提供して高精度制御を達成することで、ロボット工学やオートメーションにおいて重要な役割を果たします。その主な機能は運動制御のフィードバックであり、モーターの速度や位置を測定しながらコントローラーにデータを送信し、正確な動作制御を可能にします。多軸運動システムでは、磁気エンコーダが軸間の動作を同期させ、誤差の蓄積を防ぎます。
磁気エンコーダは、サーボモーターやステッピングモーターと組み合わせて使用され、閉ループ制御信号を提供し、システム性能の最適化やエネルギー消費の削減を実現します。これらのエンコーダは、リアルタイムで速度と位置を継続的に監視することにより、異常を検知し、機器の過負荷や動作不安定を防止し、故障検知や保護機能を実行します。
高解像度、低遅延、高信頼性を兼ね備えた磁気エンコーダは、ロボット工学およびオートメーションシステムにとって欠かせないコンポーネントとなっています。迅速な応答と高精度な制御を必要とするアプリケーションにおいて、その価値が特に際立っています。
卓越した外乱磁場耐性を持つ磁気エンコーダ
Melexisが発表したTriaxis® MLX90382は、卓越した性能を備えたコンパクトな磁気絶対エンコーダチップです。優れた外乱磁場耐性を持ち、オンアクシスおよびオフアクシスでの正確なセンシングをサポートしながら、小型モーターへのスムーズな統合を可能にします。このエンコーダは最大14ビットの解像度を提供し、差動出力モードで絶対角度位置情報を提供します。最大200k e-RPMの速度をサポートし、ゼロ遅延応答を実現するオンチップ統合信号処理ユニットを備えており、Triaxis® Hall技術を使用して実際のアプリケーションでの柔軟な取り付けを可能にしています。
MLX90382は、高度なTriaxis® Hall磁気フロントエンド、高性能アナログ-デジタルコンバータ、そして高速信号処理とコンディショニング用に特別設計されたデジタル処理ハードウェアユニットを統合した完全機能のモノリシック磁気位置センサーです。さらに、複数のタイプの出力ドライバを備えています。
MLX90382は、360°の優れた磁場外乱耐性（最大4 kA/m）を示し、チップに適用される磁束密度の3成分（Bx、By、Bz）を正確にセンシングし、z軸に沿った差動磁場に対して非常に高感度です。プログラミングによって、ユーザーは柔軟に任意の軸を選択して角度を決定することができます。この設計と工夫された磁気レイアウトを組み合わせることで、MLX90382は回転磁石の絶対および増分位置を正確に計算することが可能です。
MLX90382は、業界標準のシングルエンドおよび差動ABIインターフェイスによる増分角度出力、BLDCモーター向けに設計されたシングルエンドおよび差動UVW信号エミュレーション、PWM、設定可能なSPIおよびSSIインターフェイスなど、5つの汎用性のある出力モードを提供し、機能安全要件をサポートします。さらに、SPIプロトコルはマルチスレーブ同期読み取りを特徴としており、システムの柔軟性と効率をさらに向上させます。
MLX90382は複雑なモータードライブアプリケーションにおける一般的な組み立て課題を効果的に解決し、オンアクシスおよびオフアクシスの取り付け柔軟性をサポートし、ユーザーにさらなる利便性を提供します。この機能は、空洞軸アプリケーションをサポートできるようにし、ワイヤーハーネスや他のコンポーネントが軸を通過してもエンコーダフィードバックに干渉しないため、設計の複雑性を軽減し、技術革新を促進します。
MLX90382は広範な動作範囲に対応しており、-40°Cから150°Cの温度で動作し、5Vおよび3.3Vアプリケーションと互換性があります。プログラム可能な線形伝達特性を備え、最大16ポイントまでプログラム可能で、SIL-2安全整合性基準に準拠しています。RoHS準拠の4 x 4 mm² QFN-24パッケージで提供され、すべてのバリアントがAEC-Q100（Grade 0）認定を受けており、製品の信頼性を確保します。
14ビットの高解像度、差動出力モード、最大200k e-RPMの広範な速度範囲を備えたMLX90382は、産業オートメーション、ロボティクス、電気輸送ソリューションに理想的な選択肢です。ロボットの関節、織機モーター、電気自動車モーター、産業オートメーションなどのアプリケーションに適しています。開発を加速するために、Melexisは評価ボード（EVB90382）と包括的な開発キット（DVK90382）も提供しています。
MLX90382評価ボード、EVB90382は、MLX90382 Triaxis® 磁気センサーをマイクロコントローラーまたは計測装置に簡単に接続する方法を提供します。MLX90382 ICの事前プログラミングが可能となり、簡単な接続と評価を可能にし、開発時間を短縮するのに役立ちます。EVB90382は、36mm x 48mmのPCBの中央に取り付けられたMLX90382 ICを含んでいます。ボードはMLX90382 ICインターフェイスへの迅速な接続を可能にする加工ピンを備え、アナログ出力信号経由でのインターフェイスを可能にする必要な受動部品が含まれています。
物体の位置、角度、または動きを検出するための磁気位置センサー
これまでのロボット設計ソリューションでは、メーカーは高性能センサーチップを優先する一方で、コストの考慮には比較的注意を払っていないことが一般的でした。しかし、ロボットの用途が拡大し続ける中で、メーカーは生産効率を向上させながらコストを削減することにますます注力しています。これにより、高い信頼性と正確な動作の再現性を維持しつつ経済的でシンプルな設計を確保するために、部品選定により慎重になっています。 磁気位置センサーは、ロボット工学およびオートメーションにおいて重要な役割を果たし、磁場の変化を検出して物体の位置、角度、または動作を決定することで、システムに高精度なフィードバック信号を提供します。
磁気位置センサーは、非接触で磁場の変化を検出することにより、物理的な接触を必要とせずに測定を行います。これにより、摩耗やメンテナンスの必要性が軽減されます。
これらのセンサーは、角位置、直線変位、または回転速度の高精度な測定を提供し、ロボティクスや自動化システムにおける精密制御の要件を満たします。また、干渉に対する耐性が強く、ほこり、湿気、油などの環境要因の影響を受けにくいため、過酷な環境での運用に適しています。さらに、これらは通常コンパクトでエネルギー効率が高いため、スペースが制約されるデバイスへの組み込みに理想的です。
磁気位置センサーの利点には、耐久性、安定した性能、さまざまな環境への適応性が挙げられ、ロボットおよび自動化システムにおける動き制御、位置決め、安全検出のための不可欠なコンポーネントとなっています。
革新的な磁石設計と卓越した検知能力を備えた磁気位置センサー
Melexis によって導入された MLX90384 は、ロボット関節向けに設計された高精度な磁気位置センサーです。本製品は Arcminaxis™ 技術を採用しており、キャリブレーションおよびシステム動作用の磁石とソフトウェアが搭載されています。最大 18 ビットの解像度を提供し、ピッチ非依存型です。単一の集積回路は複数の磁石タイプに対応可能で、高速通信をサポートし、高速な SPI インターフェースを備えています。
MLX90384の主要な利点は、革新的な磁石設計と優れた検知能力にあります。従来のマルチポール磁石センサーICとは異なり、MLX90384は磁石の極サイズとセンサーICの間で厳密な一致を求めません。この特長により、大型で高出力の磁石を使用できるため、より強力な出力信号を生成し、広い動作ギャップをサポートします。その結果、同じセンサーICがさまざまなサイズの磁石に柔軟に対応可能となります。
MLX90384は2つの位置センサーICを統合しており、それぞれがTriaxis® Hall磁気フロントエンド、アナログ-デジタルコンバーター、専用の高速信号調整ハードウェア、そして高速な10MHz SPIインターフェースを備えています。どちらのICも、チップ面と平行な磁束密度成分およびそれに垂直な成分を敏感に検知できるよう設計されています。
Arcminaxis™ MLX90384 Hall 18ビット角度エンコーダーICは、マルチ軸センサー技術とバーニア技術を組み合わせ、8ポールおよび7ポールペアから構成されるバーニア型磁石トラックを利用します。MLX90384センサーICは、これら2つのトラックの軸方向および接線方向の磁気成分を計測し、その情報をマイクロコントローラーに送信します。マイクロコントローラーは受信したデータを処理し、角位置、速度、およびターンカウント情報を正確に算出します。また、マイクロコントローラー（MCU）上で使用するための校正およびシステム操作に関する事前にコンパイルされたソフトウェアパッケージをサポートしており、エンコーダーソリューション構築のための完全なリファレンスデザインを提供します。
MLX90384センサーは、大型の空気ギャップ磁石設計（1.5mm標準値、磁石設置許容範囲±0.5mm）を特長とし、ロボットの関節組み立ての複雑さと作業量を軽減します。3.3Vの電源電圧で動作し、TSSOP-16パッケージ形態で提供され、RoHS規格に準拠しており、動作温度範囲は-20°Cから85°Cです。MLX90384センサーは、絶対回転位置センサー、高精度エンコーダー、ロボット関節エンコーダーとして動作し、電気自動車や産業用モーター、その他の用途に適しています。
MLX90384評価キット（EVK90384）は、Arcminaxis技術の探求を簡素化するために特別に設計されています。MLX90384リファレンスデザインに完全に整合しており、このキットは迅速なプロジェクトスタートアップを確実にし、リファレンスデザインの正確な実装を可能にするとともに、接続・校正プロセスを簡便化し、開発サイクルを大幅に短縮します。Melexisは、Arcminaxis技術の評価を効率化する包括的な評価ツールキットを提供しており、その中には完全機能を備えた卓上デモンストレーターが含まれています。このデモンストレーターは、USB-PC接続を簡単に行えるためのSPIマスターコントローラーと、校正と操作を直感的に行えるグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を備えています。卓上デモンストレーターは詳細な構造を持ち、磁石リングセット、磁石ホルダー、センサーモジュール、ベース要素、SPIマスターコントローラー、およびセンサーモジュールをSPIマスターコントローラーに接続するための専用ケーブルを統合しており、効率的で便利な評価プロセスを実現します。
結論
磁気エンコーダーおよび磁気位置センサーは、重要な技術として、ロボティクスおよびオートメーション分野における精密な制御と効率性の向上を推進しています。これらのセンサーは、正確な位置および速度フィードバックを提供するだけでなく、高い応答性と信頼性を求める現代の産業要求にも対応しています。人工知能と機械学習が引き続き統合されていく中で、これらのセンサーの応用シナリオはさらに拡大し、スマート製造、医療ロボティクス、無人システムなどの分野においても恩恵をもたらすでしょう。Melexisの磁気エンコーダーおよび磁気位置センサーは、卓越した技術的優位性を提供し、知能化と自動化の総合的な進化を可能にすることで、産業にさらなる価値を創造します。
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