光学式エンコーダ
光学エンコーダは、光学スケール（グレーティング）と光電検出を中核に、回転または直線の変位を電気信号へ変換するデバイスです。CNC 工作機械、半導体プラットフォーム、精密計測、ロボット、ハイエンド自動化における主流の位置フィードバック素子であり、高分解能・低 SDE（細分化誤差）・優れた再現性により、ナノ〜マイクロメートル級の位置決めに広く用いられます。
光学エンコーダとは（What is an Optical Encoder）
光学エンコーダは、光源—光学グレーティング—光電検出のチェーンで位置情報を取得するセンサです。周期構造をもつコードディスク／（リニア）スケール（Scale/Disk）と読取りヘッド（Readhead）で構成され、所定の光学ギャップ内でスケールの透過／反射により生じるフリンジや干渉信号を読み取り、アナログ・フロントエンド（AFE）および補間／デコード回路で処理して、増分 A/B（Z リファレンス付き可）、正弦／余弦 1 Vpp、あるいは絶対位置シリアルデータ（SSI／BiSS／EnDat 等）を出力します。
運動形式により回転型光学エンコーダ（ディスク）と直線型光学エンコーダ（スケール）に大別されます。ボールねじ／ラックによる間接演算に比べ、リニアエンコーダは直接測定が可能で、バックラッシュ・ねじリード誤差・熱膨張に起因する位置決め誤差を大幅に抑制します。回転エンコーダは、モータや回転テーブルへ高分解能の角度・速度フィードバックを提供します。
動作原理（Working Principle）
1) イメージング／モアレ方式（Imaging/Moiré）
- 構成：光源（LED／VCSEL）→ コリメータ／結像光学 → マスク／位相グレーティング → 受光アレイ。
- 機構：スケールとヘッド内リファレンス格子の相対移動によりモアレ縞が発生し、ほぼ正弦／余弦の信号を形成。補間と振幅・位相補正で高分解能の変位を生成します。
2) 干渉／位相グレーティング方式（Interferential/Phase Grating）
- 機構：回折次数間の位相差が変位に対して線形に変化し、重ね合わせで高純度の正弦信号を得ます。SDE が小さく、さらに高い分解能に適します。
3) 透過 vs 反射
- 透過型：ガラス／セラミック基板。SN 比が高く線形性に優れ、クリーン環境の高精度位置決めに最適。
- 反射型：金属化または成膜の反射グレーティング。コンパクトで据付容易だが汚れに敏感のため、良好なシーリングやエアパージ／スクレーパが有効。
4) 増分出力と絶対出力のロジック
- 増分：A/B の直交（90°位相差）パルス。位相の先後で方向判定。Z リファレンスは行程／1 回転につき 1 回。
- 絶対：任意位置でユニークコード（Binary／Gray）を出力。診断・温度・ステータスレジスタを備える場合あり。
線形分解能（近似）： Δx ≈ p / (N × M)
ここで p はグレーティングピッチ、N はアナログ補間倍率（例：100×）、M はデジタル逓倍係数（典型：4×）。
回転エンコーダの等価角分解能： θ_res = 360° /（ライン数 × 4）
分類（Taxonomy）
- 運動形式：リニア光学エンコーダ／回転光学エンコーダ（ディスク）
- 出力：増分（TTL／HTL／RS422、1 Vpp／11 µApp）／絶対（SSI、BiSS-C、EnDat 2.2、パラレル）
- 光学方式：透過／反射、イメージング／干渉、振幅格子／位相格子
- 筐体：オープン型（高ダイナミクス・低摩擦）／シールド型（IP65–IP67、オイルミスト／クーラント耐性）
- 行程／基材：ガラス／セラミック（低 CTE）、スチールテープ（長行程）、反射成膜スケール など
主要部品と信号チェーン（Signal Chain）
- 光源と光学系：LED／レーザ、コリメーション／集光は照度均一性と温度ドリフトを決定。エージングとパワー閉ループ制御が有効。
- グレーティング／ディスク：ピッチ
p、デューティ、位相精度が信号純度と SDE を規定。 - 受光アレイ／AFE：多チャネルサンプリング、自動ゲイン／オフセット／位相バランス（ABC）。
- 補間／エンコード ASIC：振幅・位相補正、楕円性補正、デジタルフィルタとジッタ抑圧、プロトコルエンコード、ラインドライバ。
- 物理層：RS422 差動、1 Vpp／11 µApp、終端インピーダンスとケーブル配線（シールド／接地）設計。
出力とインターフェース（Outputs & Interfaces）
| 出力形式 | 代表信号 | 説明 |
|---|---|---|
| 増分方形波 | A/B（+Z）、TTL／HTL／RS422 | PLC 高速カウンタ、速度／位置ループ。長距離は差動推奨 |
| 正弦／余弦 | 1 Vpp、11 µApp | 超高分解能補間。SDE とジッタはチェーン品質に依存 |
| 絶対シリアル | SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 | 単回転／多回転の絶対値、診断／温度／アラームレジスタ |
| フィールドバス | EtherCAT、PROFINET、CANopen | 多軸同期、分散クロック、オンライン設定 |
帯域幅の見積り（線形）： f_max ≈ (v / p) × edges
v は線速度、edges は 1 周期あたりの有効エッジ数（例：4×の逓倍）。
性能指標（Key Specifications）
| 指標 | 典型レンジ／説明 |
|---|---|
| 分解能 | リニア：1 µm → 1 nm；回転：≤ 24 bit 相当 |
| 線形精度 | ハイエンド光学：±1〜±3 µm/m；標準：±3〜±10 µm/m |
| 再現性 | リニア：≤ ±0.1〜±0.3 µm；角度用はサブアーク秒級 |
| SDE（細分化誤差） | 高品質 1 Vpp チェーン：±20〜±80 nm |
| ジッタ | 数十 nm レベル。AFE とクロック位相雑音の影響大 |
| 位相／デューティ誤差 | A/B 90° ±（1〜5）°；デューティ 50% ±（2〜10）% |
| 速度能力 | リニア > 1 m/s；回転 > 12,000 RPM（インターフェース依存） |
| 環境等級 | IP40（オープン）〜 IP67（シールド）。IEC 60068-2 の振動／衝撃に準拠 |
据付と誤差要因（Installation & Error Sources）
- ギャップおよび姿勢（pitch／roll／yaw）の偏差 → 振幅不均衡と SDE 増大
- アッベ誤差：オフセット × 角度誤差。測定線を極力運動中心に通す、またはソフトで補正
- 余弦誤差（小角近似）：
e ≈ (L × θ²) / 2 - 偏心／軸振れ（回転）：角度誤差の基本波／2 次高調波を誘発
- 熱膨張（CTE）：ガラス／セラミックは低 CTE。スチールテープは熱補償とフローティング固定が有効
- EMC／接地：一点接地、適切なシールドとリターンパスでコモンモード／ループノイズを回避
校正と補償（Calibration & Compensation）
- 線形マッピング：レーザ干渉計／ボールバーで誤差曲線を取得し、コントローラの LUT に登録
- 熱ドリフト補償：スケール／機体温度と CTE モデルを組み合わせ、リアルタイム補正
- 振幅・位相／楕円性補正：補間前に自動バランス調整
- リファレンス戦略：距離符号化リファレンスにより原点復帰距離を短縮し再現性を向上
他方式との比較（Comparisons）
| 技術 | 分解能／精度 | 汚れ耐性／環境 | 典型行程 | 主な弱点 |
|---|---|---|---|---|
| 光学エンコーダ | ★★★★★ | ★★★ | 中〜長 | 汚れ・結露に敏感、据付要求が厳しい |
| 磁気エンコーダ | ★★☆ | ★★★★ | 長 | 線形性と SDE が劣る |
| 誘導／容量 | ★★★ | ★★★★ | 中 | 近接金属／渦電流や湿気の影響を受けやすい |
| レゾルバ／ポテンショメータ | ★★ | ★★★★★／★ | 中／短 | 分解能が低い、またはインターフェースが直感的でない |
用途（Applications）
CNC（直線軸・回転軸）、CMM と計測プラットフォーム、半導体のアライメント／露光／検査、精密ステージ、ロボット関節と減速機バックラッシ監視、医用画像／放射線治療装置、印刷・包装の同期制御、電子実装／検査および高速ハンドリング。
保守とトラブルシューティング（Maintenance & Troubleshooting）
- 日常：定期清掃（無塵布＋適切な溶剤）、ケーブル最小曲げ半径／シールドの確認、温湿度と結露の監視
- 代表的な症状と対策：
- パルス欠落／エッジ落ち：ギャップ超過・汚れ遮光 → 姿勢調整／清掃／シールとエアパージ追加
- SDE／ジッタ増大：AFE／補間チェーンのノイズ、接地不良 → 電源／配線／終端の最適化
- 絶対通信不良：SSI／BiSS／EnDat のパラメータや極性不一致 → フレーム長、CRC、タイミング、インピーダンスを照合
- 角度高調波誤差（回転）：偏心／振れ → 同心度と軸受剛性の向上、ハーモニック補償
選定ガイド（Selection Guide）
- 目標精度／再現性（µm/m または角秒）と速度ダイナミクス
- 方式（透過／反射、イメージング／干渉）とピッチ
p - 出力インターフェース（A/B/Z、1 Vpp、SSI／BiSS／EnDat、フィールドバス）とコントローラ帯域
- 筐体と環境（オープン／シールド、IP 等級、クーラント／粉塵の有無）
- 機械・熱設計（ギャップ／姿勢許容差、CTE、フローティング実装）
- 補償と診断（誤差マップ、温度／ステータスレジスタ、オンラインアラーム）
- ライフサイクル（ケーブル／ヘッドの保守性、補用品の入手性、計量校正の可用性）
規格と参考（Standards & References）
- IEC 60529:2020（IP 保護等級）
- IEC 60068-2（振動／衝撃／温湿）
- IEC 61000-6-2 / -6-4（産業用 EMC：イミュニティ／エミッション）
- ISO 230-2 / ISO 230-3（工作機械の位置決め・熱特性試験）
- ISO 10360（CMM 検証）
- ISO 14644（クリーンルーム要求）
まとめ：光学エンコーダの原理・仕様・インターフェース・据付／補償を体系的に理解することで、複雑な環境下でも高精度・高ロバスト・診断性に優れた長期安定運用を実現できます。