電子工作

こんにちは！今回は「モノづくりのハードルを下げる」をテーマに、Arduinoを使った電子工作の記録をシェアします。

「ダイヤルを回した分だけ、正確にモーターを動かしたい」

そんな時に役立つのが、ロータリーエンコーダーとステッピングモータの組み合わせです。初心者の方でも再現しやすいよう、構成を整理してみました。

今回作るものの概要
- 使用部品
ロータリーエンコーダーって何？
- ロータリーエンコーダの仕組み（原理）
- 大きく分けて2つのタイプ
回路と接続
プログラム（コード）
- コード解説
実験結果：動かしてみた感想
まとめ・応用

今回作るものの概要

ダイヤル（エンコーダー）をカチカチと回すと、その動きに同期してステッピングモータが回転する仕組みを作ります。

使用部品

Arduino UNO（制御の心臓部）
ステッピングモータ (28BYJ-48)
ドライバ基板 (ULN2003)（モーターを力強く動かすため）
ロータリーエンコーダー（今回の操作部）
電源モジュール / 9V電池
ブレッドボード・ジャンパー線

このブログでは ELEGOO（エレゴー）製の Arduino 互換品を使って実験しています。Arduino互換品と聞くと品質が心配になる方もいるかもしれませんが、ELEGOO の製品は「互換品とは思えない品質」で、Arduino公式ボードと同じように問題なく使えます。それでいて価格はかなりリーズナブルなのが魅力です。
特にスターターキットは、

Arduino互換ボード
モータ(DC,サーボモータ,ステッピングモータ)
各種センサ
電源モジュール
ブレッドボード
ジャンパーワイヤ

といった電子工作で必要なパーツが一式そろっており、初めてでもすぐに実験を始められる便利なセットになっています。

リンク

ロータリーエンコーダーって何？

ロータリーエンコーダの仕組み（原理）

最も一般的な「光学式」を例に説明します。

内部には、細かいスリット（溝）が入った円盤が入っています。この円盤が回転することで、光を「通す・遮る」を繰り返し、それをセンサーが読み取ってデジタル信号（パルス）に変換します。

発光素子（LED）から光を出す。
回転するスリット入りの円盤を光が通る。
反対側の受光素子が、光の点滅を検知する。
点滅の回数を数えることで「どれくらい動いたか」を、点滅の速さで「どれくらいの速度か」を判断する。

大きく分けて2つのタイプ

ロータリーエンコーダには、信号の出し方によって「インクリメンタル」と「アブソリュート」の2種類があります。ここが一番のポイントです。

① インクリメンタル形（相対角）

回転した「量」を測るタイプです。

特徴:
回転すると「ピ・ピ・ピ」とパルス信号を出します。その数をカウントして移動量を計算します。
メリット:
構造がシンプルで安価。
デメリット:
電源を切ると、それまでどこにいたか忘れてしまいます（原点復帰が必要）。

② アブソリュート形（絶対角）

回転した「位置（角度）」を測るタイプです。

特徴:
回転角ごとに固有のコード（住所のようなもの）が割り振られています。
メリット:
電源を切っても、再起動した瞬間に「今どこにいるか」がすぐに分かります。
デメリット:
構造が複雑で、価格が高め。

特徴	インクリメンタル形	アブソリュート形
位置の把握	前の位置からの「変化量」	常に「絶対的な位置」
停電時	現在地を忘れる	現在地を保持する
コスト	低い（リーズナブル）	高い
主な用途	一般的なモーター制御、つまみ	工作機械、ロボットアーム

回路と接続

配線は少し複雑に見えますが、一つずつ繋げば大丈夫です。

【回路図】

プログラム（コード）

以下のコードをArduino IDEに書き込みます。

#include "Stepper.h"
#define STEPS  32   // 内部シャフト1回転あたりのステップ数
                    // 外部シャフト1回転あたり2048ステップ
volatile boolean TurnDetected;  // 割り込みにはvolatileが必要
volatile boolean rotationdirection;  // 時計回りまたは反時計回りの回転
const int PinCLK=2;   // CLK信号を使用して割り込みを生成する
const int PinDT=3;    // DT信号の読み取り
const int PinSW=4;    // 読み取りプッシュボタンスイッチ
int RotaryPosition=0;    // ステッピングモーターの位置を保存
int PrevPosition;     // 前回の回転位置 精度を確認するための値
int StepsToTake;      // ステッパーをどれくらい動かすか

// モータードライバーピンの適切なシーケンス設定
// In1、In2、In3、In4 のシーケンスを 1-3-2-4 で設定
Stepper small_stepper(STEPS, 8, 10, 9, 11);

// CLKがHIGHからLOWに変わると割り込みルーチンが実行される
void isr ()  {
  delay(4);  // 最終操作を待つ
  if (digitalRead(PinCLK))
    rotationdirection= digitalRead(PinDT);
  else
    rotationdirection= !digitalRead(PinDT);
  TurnDetected = true;
}

void setup ()  {
pinMode(PinCLK,INPUT);
pinMode(PinDT,INPUT);  
pinMode(PinSW,INPUT);
digitalWrite(PinSW, HIGH); // スイッチ用プルアップ抵抗
attachInterrupt (0,isr,FALLING); // 割り込み0は常にArduino UNOのピン2に接続されます
}

void loop ()  {
  small_stepper.setSpeed(700); //回転速度
  if (!(digitalRead(PinSW))) {   // ボタンが押されているかどうかを確認する
    if (RotaryPosition == 0) {  // ボタンがすでに押されているかどうかを確認する
    } else {
        small_stepper.step(-(RotaryPosition*50));
        RotaryPosition=0; // 位置をゼロにリセット
      }
    }

  // 回転が検出された場合実行
  if (TurnDetected)  {
    PrevPosition = RotaryPosition; // 前の位置を変数に保存する
    if (rotationdirection) {
      RotaryPosition=RotaryPosition-1;} // 位置を1つ下げる
    else {
      RotaryPosition=RotaryPosition+1;} // ポジションを1つ増やす
    TurnDetected = false;  // 新しい回転が検出されるまでIFループを繰り返さない

    // ステッピングモーターをどの方向に動かすか
    if ((PrevPosition + 1) == RotaryPosition) { // モーターを時計回りに動かす
      StepsToTake=50; 
      small_stepper.step(StepsToTake);
    }

    if ((RotaryPosition + 1) == PrevPosition) { // モーターを反時計回りに動かす
      StepsToTake=-50;
      small_stepper.step(StepsToTake);
    }
  }
     digitalWrite(8, LOW);
     digitalWrite(9, LOW);
     digitalWrite(10, LOW);
     digitalWrite(11, LOW);     
}

コード解説

全体のプログラム動作概要

このプログラムの主な目的は、「ロータリーエンコーダーの回転を検知し、その動きに合わせてステッピングモーターを回転させること」です。

具体的には以下のような動作を行います：

回転の検知:
ダイヤルの「1カチ（1クリック）」を、Arduinoの割り込み機能で瞬時に捉えます。
方向の判別:
2つの信号のズレ（位相差）を利用して、時計回りか反時計回りかを判断します。
モーターの駆動:
ダイヤルが1クリック動くごとに、モーターを50ステップ分動かします。
リセット機能:
ダイヤル自体がボタンになっており、押し込むと電源を入れた時の「0の位置」まで自動で戻ります。

プログラムコードのポイント

このコードを理解する上で、特に重要な「肝」となる部分が3つあります。

割り込み（Interrupt）の活用:

通常のプログラムは上から順に処理を行いますが、ダイヤルを回すのは人間のタイミングです。attachInterrupt を使うことで、他の処理をしていても「回った瞬間」だけは最優先で処理するため、取りこぼしがありません。
位相差による方向判定：
CLKピンとDTピンの2つの信号は、わざとタイミングがズレて出力されます。CLKが変化した瞬間のDTの状態を見れば、右か左かが100%分かります。
チャタリング対策（Debouncing）:

スイッチを押した際、物理的な接点が微細に震えることで「カチカチカチッ」と複数回押されたと誤認されることがあります。これを防ぐために、数ミリ秒の待機時間（delay(4)）を設けています。
モーターの「熱」対策：
ステッピングモーターは、止まっている時も電気を流し続けると非常に熱くなります。このコードでは、動かした直後に全てのピンを LOW（0V）にすることで、無駄な発熱を抑える工夫がされています。

各行のプログラムコードの意味

コードを機能ブロックごとに分けて解説します。

設定と準備（ライブラリと変数）

#include "Stepper.h" // モーター制御用のライブラリを読み込み
#define STEPS 32     // モーター内部の1回転ステップ数

volatile boolean TurnDetected;  // 回転を検知したかどうかのフラグ
volatile boolean rotationdirection; // 回転方向（時計・反時計）

volatile は「割り込みの中で書き換わる変数ですよ」とコンピュータに教える魔法の言葉です。

割り込み処理（isr関数）

void isr () {
  delay(4); // チャタリング防止
  if (digitalRead(PinCLK))
    rotationdirection = digitalRead(PinDT); // 方向を判定
  else
    rotationdirection = !digitalRead(PinDT);
  TurnDetected = true; // 回転したことを記録
}

ダイヤルが動いた瞬間に呼び出されます。ここで「どっちに回ったか」を判断し、「回ったよ！」という印（TurnDetected）を立てます。

メインループ（loop関数）

void loop () {

  small_stepper.setSpeed(700); // モーターの速度を設定

  // ボタンが押されたら0の位置に戻る
  if (!(digitalRead(PinSW))) {
    if (RotaryPosition != 0) {
        small_stepper.step(-(RotaryPosition * 50)); // 逆回転して戻る
        RotaryPosition = 0; // 位置をリセット
    }
  }

  // 回転が検知されたらモーターを動かす
  if (TurnDetected) {
    if (rotationdirection) {
      RotaryPosition--; // 位置を減らす
      small_stepper.step(-50); // 反時計回りに50ステップ
    } else {
      RotaryPosition++; // 位置を増やす
      small_stepper.step(50); // 時計回りに50ステップ
    }
    TurnDetected = false; // 処理が終わったのでフラグを戻す
  }

  // 待機中にモーターへの電流を止める（発熱防止）
  digitalWrite(8, LOW); digitalWrite(9, LOW);
  digitalWrite(10, LOW); digitalWrite(11, LOW);
}

常に「ボタンは押されたか？」「ダイヤルは回ったか？」を確認しています。
最後に各ピンを LOW にするのは、使っていない時にモーターが熱くなるのを防ぐための工夫です。

使用されている関数の意味

コード内で使われている主要な関数について解説します。

関数	役割	補足説明
`attachInterrupt()`	割り込みの予約	特定のピン（Pin 2）が変化した時だけ `isr` を呼び出します。
`digitalRead()`	ピンの状態確認	電圧が 5V(HIGH) か 0V(LOW) かを調べます。
`small_stepper.step()`	モーターを動かす	正の数で時計回り、負の数で反時計回りに指定数だけ進みます。
`setSpeed(700)`	モーターの速さ設定	1分間あたりの回転数（RPM）を指定します。