インクリメンタルエンコーダは動きをパルスとして出力し、コントローラはそれを数え、電源を入れ直すたびに原点復帰で位置を再確立しなければなりません。アブソリュートエンコーダはこの脆弱さを取り除きます。電源投入と同時に、基準移動なしで一意の位置ワードを出力します。1 回転以内ではシングルターントラックがそのワードを供給し、何回転にもわたっては、機械とその 24 V レールがオフの間もシャフトが何回転したかをマルチターン段が記憶し続ける必要があります。主電源がない状態で回転数を数か月から数年保持するというこの一つの要件こそが、マルチターンエンコーダの一群に内部バックアップ電源が搭載される理由であり、その電源アーキテクチャが二つの全く異なるドメインに分かれる理由です。アブソリュートエンコーダ向けニッケル水素バックアップに関するこの第 1 回では、動作原理とその結果の負荷プロファイルを説明します。磁気式または光学式エンコーダ ASIC と SSI、BiSS-C、EnDat のラインインターフェースが 5 V または 10～30 V 電源から数十ミリアンペアを引くアクティブドメインと、自動でグリッチのない給電切替を介してバックアップセルからのマイクロアンペアで低消費カウンタを生かし続ける保持ドメインです。実機が数値を裏付けます——3.0～5.5 V に対応しバックアップ電池への切替と低電池・過回転・CRC のエラーフラグを内蔵した磁気エンコーダチップ、12 ビットシングルターン・16 ビットマルチターン分解能のコンパクトな磁気モジュール、12,000 rpm、マイナス 40～100 ℃ 定格の産業用エンコーダ——その後の回で電源の選定と適格性評価に移ります。
シングルターントラックはシャフト 1 回転内の角度を分解します。12 ビットなら 4,096 ステップ、ハイエンドの光学式・磁気式エンコーダはシングルターン分解能を 17 ビット近くまで高めます。マルチターン段は回転数を数え、一般に 12～16 ビット、高性能な光学式エンコーダでは合計 29 ビットまであります。2 つの値を連結すると、電源投入直後から有効な一つの絶対位置ワードになり、駆動軸、クレーンの巻上げ、ロータリーテーブルは基準スイッチまで移動しなくても自分の位置を正確に把握できます。
エンコーダに給電されている間、回転数を数えるのは簡単です。難しいのは、制御システムがオフの間もシャフトが手動、重力、保守で回されうることです。その間のマルチターン計数を何が保持するかが、エンコーダのメモリ構造を決めます。電池でバッファされた電子カウンタ、回転から自前の計数パルスを生成するエナジーハーベスト段、あるいは物理的な機械歯車列です。本稿は 1 つ目、今でもなお主流のサーボ・オートメーション・カタログを占める電池バッファ式に焦点を当てます。
通常動作ではエンコーダはアクティブ電流をコントローラから引きます。公開された磁気モジュールは 4.5～5.5 V 電源で無負荷電流が数十ミリアンペア級（コンパクトな BiSS-C モジュールは無負荷で約 70 mA）を規定し、広入力エンコーダは 10～30 V DC を受け、内部レギュレーションがより効率的なため高い電圧で消費電流が減ります。インターフェース——SSI のクロックとデータ、BiSS-C、EnDat、RS-422 ラインドライバ——はクロック供給時にのみ負荷を追加します。
外部電源が消えると、内部スイッチがマルチターンカウンタとその低消費センシングフロントエンドをバックアップ源に切り替え、そこでは電流がマイクロアンペア域に下がり、ゆっくりした回転の検出と不揮発性または保持された計数レジスタの増分だけに必要です。1 つ目のアニメ図はこれら機能ドメインを層にし、2 つ目は繰り返す電源サイクルでアクティブのミリアンペア域と保持のマイクロアンペア域を対比し、バックアップの選定が稼働時のエネルギーではなく、年単位の静止自己放電と保持電流で支配される理由を示します。
最新の磁気エンコーダチップは、ディスクリートのダイオードに任せず給電アーキテクチャを集積しています。代表的なデバイスは 3.0～5.5 V で動作し、バックアップ電池への給電切替を内蔵し、エラー・パリティ・同期ビット付きで SSI で同期したマルチターン・シングルターンデータを出力し、過回転・低電池・CRC 失敗でエラー出力を立てます。給電経路を集積することで、外付けダイオード OR の電圧降下と不確かさを除き、主レールが崩れバックアップが引き継ぐ数ミリ秒の間に 1 回転も逃さないことを保証します。
この切替には厳しいリアルタイム性があります。オフになった軸を、保持フロントエンドがわずかなバックアップ電流で数えられるより速く回すと、計数が曖昧になります——そのための明示的な過回転エラーフラグです。設計者はバックアップ源の電圧と利用可能電流をチップ規定のバックアップ窓（あるファミリは 3～5.5 V のバックアップを許容）に合わせ、低電池警告を位置喪失まで無視するアラームではなく計画保全の信号として扱わねばなりません。
SSI は最もシンプルで堅牢なポイントツーポイントのクロック/データインターフェースのままです。BiSS-C はより高速で双方向のデジタル通信を追加し、EnDat と独自フィールドバスの派生は位置に加え、エンコーダ自身のバックアップ健全性状態を含む診断を運びます。分解能と速度はともに上がり——コンパクトなモジュールは 2 MHz の SSI クロックと 12,000 rpm に達します——が、インターフェース電流はコントローラがエンコーダをクロックする時だけアクティブなので、完全に給電ドメインに属しバックアップを消耗しません。
診断チャネルこそが、管理されたバックアップ源を価値あるものにするものです。原点位置を失ってからバックアップ切れに気づくのではなく、コントローラは通常動作中に BiSS-C または EnDat で低電池フラグを読み、マルチターン計数が危険になる前に交換や充電を予定できます。これにより、見えず故障しやすいコイン電池が、保守計画の中で監視され予測可能な要素に変わります。
マルチターン構造の第三者比較は、電池バッファ式の弱点を率直に指摘します。位置を保持できるのは内部セルが充電を保つ間だけ——一次リチウム電池で 1 素子あたり通常 3～10 年——で、そのセルが尽きるとエンコーダは位置を完全に失い、再原点復帰が必要になります。エナジーハーベスト（Wiegand）式はシャフトの回転から計数エネルギーを生成して外部セルを省きますが、長期オフ後の最初の 1 周の一部を数えられず、蓄電コンデンサはおおむね 10 年単位で劣化します。機械歯車列は電子回路を避けられますが摩耗する歯車を伴います。
この故障モードを理解すると、電池設計の問題が正しく枠組みできます。バックアップ源は仕事をする小型の駆動用バッテリーではなく、長寿命・超低電流の保持リザーバーであり、最大の敵は自己放電、要求される出力は最低定格温度で保証されるマイクロアンペア級の電流で、予定外の再原点復帰を避ける十分な警告マージンを備えます。
分析から、バックアップ源の階層化された仕様が得られます。エンコーダチップのバックアップピンに整合した電圧とクリーンでグリッチのない切替、必要なオフ期間中維持されるマイクロアンペア域の保持電流予算、産業用磁気エンコーダでマイナス 40～100 ℃ に達するエンコーダ全温度域での動作、読み取り可能な低電池診断、そして静かな位置完全喪失を防ぐ明確な保守戦略です。第 2 回はこれら要件を具体的な電源選定に落とし込み、充電式ニッケル水素バックアップを一次リチウム、コンデンサ、エナジーハーベストと比較します。第 3 回はエンコーダベンダーが整えるべき EMC、環境、電池規格のエビデンスを整理します。
マルチターンメモリを「コイン電池を足す」のではなく、デュアル給電の設計問題として扱うことが、断続使用の数年後に正しい位置で起動するエンコーダと、予定外で時に危険な基準移動を強いるエンコーダを分ける点です。
Weijiang Power は、遠隔地・オフグリッド・安全関連機器向けに、密閉型ニッケル水素セルと整合の取れた産業用パックを設計・製造しており、OEM パートナーを IEC 61951-2 性能ファイル、IEC 62133-2 安全証拠、パルス負荷特性、広温度域試験、充電器/パックの相互検証で支援します。デューティサイクル、ピーク電流、温度範囲、目標稼働時間、製品が満たすべき規格をお知らせいただければ、当社エンジニアが稼働時間・信頼性・寿命を確保するセルとパックの組み合わせをご提案します。製品ページでラインアップをご覧ください。
