最後に、エンコーダとステッピングモーターを組み合わせたアプリケーションとして、「ドットインパクトプリンタ」と「リニアアクチュエータ」の2つ紹介しましょう。
ドットインパクトプリンタとは、印字したい用紙とインクリボンに対して、小さなピンを打ち付け、インクリボンの色を用紙に転写する方式のプリンタです。原理上、ピンを打ち付ける構造のため、印字するたびに打音が発生することが特徴です。ピンの配置間隔はさまざまですが、現在のところ、180dpiや360dpiが主流となっているようです。
ドットインパクトプリンタと組み合わせて利用できるエンコーダとしては、Avago Technologiesの「HEDS-9730シリーズ」の180LPIモデル「HEDS-9730-Q50」などがあります。全体のシステム構成は図5の通りです。モーターは高速で回転する必要はありませんが、制御しやすく、起動時に高トルクが発生するステッピングモーターを使用することにします。ヘッド移動用と紙送り用に2つのモーターを使用し、この2つの駆動部分にエンコーダを組み合わせます。
ステッピングモータエンコーダ回路は、前述のオープンコレクタ出力回路を採用します。LED点灯用の制限抵抗がエンコーダに内蔵されている場合、外部に取り付ける必要はありません。Vccとグラウンド（GND）の間に、エンコーダを駆動する電源を接続します。エンコーダからは、A相とB相が出力されます。その出力波形を、オープンコレクタ出力を介して、プルアップ抵抗を経て出力として取り出します。
プリンタのヘッド部分に取り付けたエンコーダからは、ドットピンの配置間隔と同じ180dpi（25.4mm/180=0.141mm）間隔相当のA相、B相パルス信号が出力されます。このA相とB相のパルス信号を基に、制御側でプリンタヘッドの位置を確認しながら、印字したい文字に合わせてドットピンを打ち出していきます。このプリンタヘッドが用紙の端までいくと、紙送り用モーターが回転し、用紙を所定の位置まで移動させます。この送り量も正確に回転させないと、最初に印字した位置とズレてしまうので、エンコーダの出力パルス信号を基に制御します。
ドットインパクトプリンタがきれいに印字する仕組みを理解していただけたでしょうか。インクジェットプリンタも同様のシステムを使用しています。ドットピンがインクジェットに替わり、各色に対して制御する機構を追加する必要があります ()。
「リニアアクチュエータ」と組み合わせて使う
一方のリニアアクチュエータは、図6のようにステッピングモーターやボールねじ、リニアガイド、リニアステージから構成されており、一般に各種工場内の製品搬送や、製品加工などの水平方向の移動に使用されています。
モーターによる回転動作をリニアステージの水平移動に変換しているのは、1本の軸に通常のねじと同じようなねじ山が刻まれている、ボールねじと呼ばれる部品です。ねじ部分とリニアステージ部分が接触しているため、モーターが回転してボールねじを回転させると、ねじ回転にそってリニアステージを水平方向に移動させることができます。
ステッピングモーターは1パルスで回転する角度が決まっており、一方でボールねじのねじ間隔も決まっています。例として、ねじ間隔を1mmすると、モーターが1回転しますとボールねじも1回転しますので、リニアステージは1mm動く事になります。その上で、使用するステッピングモーターが1パルス当たり1.8度回転すると仮定すると、200パルス送ると1回転するので、1mm水平に動くことになります。100パルスでは1/2回転なので0.5mm、1パルスでは0.005mmの水平移動となり、非常に簡単に水平方向への移動制御ができます。
しかし、ここでもステッピングモーターの弱点が影響してきます。本当に狙った通りの水平移動をしたのかが分かりません。そこで、エンコーダを利用し、モーターの回転を監視します。まず、リニアステージにエンコーダを配置し、リニアガイド側に金属製のリニアスケールを取り付けます。エンコーダの出力信号は長いケーブルでコントローラに接続されますので、信号安定性を重視してラインドライバーICを介して、RS-422準拠でA、B、I相のパルス出力を差動出力としてレシーバICに伝送します。差動形式にすることで、伝送の途中で雑音が混入しても、雑音を相殺することができます。また、ラインドライバー出力を採用することでケーブル距離が長くなっても安定した出力を得ることができ、規格上は200mもの信号伝送が可能です。
逓倍（ていばい）回路が搭載されたエンコーダを使えば、容易に分解能を上げることができます。例えば、基本分解能が約0.084mmのとき、4逓倍することで、約0.02mmピッチ相当のパルス信号を出力できます。さらに、エンコーダからのA相、B相出力信号の立ち上がり/立ち下がりエッジを使用することで4倍の分解能を作ることが可能で、外部分周回路によって約0.02mmの出力パルスを約0.005mmピッチに変換することができます。
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