リニアエンコーダ
リニアエンコーダは直線変位を電気信号（デジタルまたはアナログ）に変換し、ステージ、スライド、ワークの直線運動を直接測定するための装置です。CNC工作機械、座標測定機（CMM）、半導体製造装置、高精度自動化プラットフォームにおけるコア位置決めセンサとして広く利用されています。ねじ軸やラックを介して間接的に変位を推定する方式と比べて、リニアエンコーダは「直接測定」を提供し、ねじ軸の熱膨張、バックラッシュ、伝達誤差による位置決め精度の低下を大幅に抑制します。
リニアエンコーダとは（What is a Linear Encoder）
リニアエンコーダはスケール（Scale/Rule）とリードヘッド（Readhead）で構成されます。スケールには周期的な構造（光学グリッド、磁気グリッド、誘導パターンなど）が形成され、リードヘッドが所定のギャップを保って移動し、位置情報を読み取り電気信号を出力します。出力方式によりインクリメンタル型とアブソリュート型に分類され、検出原理により光学式、磁気式、誘導式、静電容量式などに分けられます。さらに構造によってオープンタイプ（open-type）と密閉タイプ（sealed/enclosed）に区分されます。
動作原理（Working Principle）
光学式（Optical）
- 構造：ガラス/セラミックススケール（またはステンレス帯）＋LED/レーザ光源＋フォトディテクタアレイ
- 機構：透過/反射干渉やモアレ縞のイメージングを利用し、リードヘッドが周期パターンをデモジュレート・補間
- 特徴：高分解能（nmレベル）、線形誤差 ±1 μm/m 以下が可能。ただし汚れや結露に敏感
磁気式（Magnetic）
- 構造：一定ピッチで磁極が配置された磁気テープ（スチールまたはフレキシブル）＋ホール/AMR/GMR/TMR センサアレイ
- 機構：リードヘッドが変位に伴う磁場波形を検出し位置を演算
- 特徴：油汚れや振動に強く、取付け許容度が大きく、数十メートルの長ストロークに対応。ただし光学式に比べ精度・分解能は低い
誘導式（Inductive）
- 構造：リードヘッドに励磁・検出コイルを内蔵し、スケールは金属パターンまたは導体ターゲット
- 機構：結合や渦電流効果がギャップ・位置により変化し、リードヘッドが位相や振幅をデモジュレートして変位を取得
- 特徴：汚れに強く、高温や電磁干渉に耐性。精度は光学式と磁気式の中間
静電容量式（Capacitive）
- 構造：電極アレイ＋周期パターン付きスケール
- 機構：変位により容量マトリクスが変化し、リードヘッドが位相同期・デコードして変位を算出
- 特徴：コンパクトで低消費電力。ただし湿気や金属近接に敏感で、適切なシールド・接地が必須
タイプと構造（Types & Constructions）
1) 出力信号別
- インクリメンタル（Incremental）：A/B 正交パルス（Z/リファレンス付き）を出力し、コントローラでカウント。1 Vpp サイン/コサインアナログ出力による高分解能補間が可能
- アブソリュート（Absolute）：任意の位置で一意コードを出力。distance-coded reference marks対応もあり、SSI、BiSS-C、EnDatなどが一般的
2) 封止・保護方式別
- オープンタイプ（Open-type）：リードヘッドが露出、動的応答性に優れ摩擦が少ない。クリーン環境向け
- 密閉タイプ（Sealed/Enclosed）：スケールとヘッドをシールドケース内に収め、ワイパーやエアパージで防護。工作機械や汚染環境に最適
3) スケール材質別
- ガラス/セラミック：低熱膨張（CTE 小）、µm/m レベルの高精度。安定支持と温度制御が必要
- スチール/ステンレス帯：長尺対応、巻取り可能。ただし CTE 大きく、温度補償必須
- 磁気テープ（粘着/レール固定）：柔軟に取付け可能で汚れに強いが、光学式に比べ精度低い
- 誘導/容量導体パターン：堅牢で環境耐性に優れる
出力とインターフェース（Outputs & Interfaces）
| 種類 | 出力形式 | 典型用途 |
|---|---|---|
| インクリメンタル方形波 | A/B（+Z）、TTL/HTL、RS422 | PLC 高速カウンタ、速度・位置制御ループ |
| サイン/コサイン | 1 Vpp、11 μApp | 高分解能補間（4×～>10,000×） |
| アブソリュートシリアル | SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 | 絶対位置情報、診断、温度/状態データ |
| フィールドバス/イーサネット | CANopen、EtherCAT、PROFINET | 多軸同期、長距離伝送、オンライン診断 |
最大出力周波数（インクリメンタル信号）：
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V：線速度（mm/s）
- Pitch：スケールピッチ（mm/サイクル）
- Edges_per_cycle：サイクルあたりのエッジ数（例：4×）
主要仕様（Key Specifications）
| 指標 | 意味/典型範囲 | 備考 |
|---|---|---|
| 分解能（Resolution） | 5 μm → 0.1 μm（磁気/スチール帯）、1 μm → 1 nm（光学/干渉型） | 補間倍率に依存 |
| 線形精度（Accuracy） | ±3 ~ ±10 μm/m（磁気）、±1 ~ ±3 μm/m（高級光学） | μm/m または ppm 表記 |
| 繰返し精度（Repeatability） | < ±0.1 ~ ±0.5 μm（光学高級） | 環境と取付けの影響大 |
| サブディビジョン誤差（SDE） | ±20 ~ ±80 nm（高品質 1 Vpp システム） | 補間による周期誤差 |
| ジッタ（Jitter/Noise） | 数十 nm レベル | アナログ経路・電源ノイズ依存 |
| リファレンス点 | 単点、距離符号化、双方向認識 | 原点復帰や絶対基準確立に利用 |
| 測定長（Measuring Length） | 0.1 m → 30+ m | 長尺では接合・補償が必要 |
| 取付けギャップ（Ride Height） | 0.1 ~ 1.0 mm | pitch/roll/yaw 許容差も規定 |
| 熱膨張係数（CTE） | ガラス/セラミック：~0.5–2 ppm/K、スチール：~10–17 ppm/K | 温度補償に影響 |
| 環境保護等級 | IP40（オープン）～ IP67（密閉） | 油霧・冷却液・粉塵条件に対応 |
取付けと幾何誤差（Installation & Geometric Errors）
- ギャップ/姿勢許容差：リードヘッドとスケール間距離や pitch/roll/yaw が超過すると信号減衰や SDE 増大
- アッベ誤差（Abbe Error）：測定基線と運動中心のオフセット × 角度誤差で追加変位が発生。可能な限り測定線を運動中心に一致させる
- コサイン誤差（Cosine Error）：エンコーダ軸が実際の運動方向と平行でない場合の投影誤差
- 熱結合と固定方式：スチール/磁気テープは浮動取付け推奨。ガラス/セラミックは等温支持が必要
- 接地とシールド：単点接地を行い、ケーブルシールドを適切に接地。ループやノイズ結合を回避
校正と補償（Calibration & Compensation）
- 線形補償：レーザ干渉計やボールバーで全ストロークを校正し、誤差マップを生成
- 熱補償：CTEと温度分布に基づきリアルタイム修正。高級システムではリードヘッド温度や機械熱モデルも利用
- SDE 低減：高品質 1 Vpp 採用、アナログ経路と補間アルゴリズム最適化、姿勢とギャップ安定化
- リファレンス点戦略：距離符号化で原点復帰距離短縮、双方向点で再現性向上
他技術との比較（Comparisons）
| 技術 | 利点 | 制約 | 典型用途 |
|---|---|---|---|
| リニアエンコーダ（光学） | nm レベル分解能、µm/m 精度、動特性良好 | 汚れ・結露に弱く、取付け厳格 | CNC、CMM、半導体装置 |
| リニアエンコーダ（磁気） | 汚れに強い、取付け許容大、長ストローク | 精度・分解能は光学より劣る | 搬送システム、重工距離測定 |
| レーザ干渉計 | 最高精度、トレーサブル | 高コスト、環境依存大 | 校正・計測 |
| LVDT/渦電流 | 堅牢、短距離繰返し良好 | 測定範囲制限、直線性低下 | 短ストローク精密制御 |
| ロータリエンコーダ＋ボールねじ | 低コスト、成熟技術 | 熱膨張・バックラッシュ・ピッチ誤差影響大 | 中低精度ポジショニング |
アプリケーション（Applications）
- CNC 工作機械の直線軸（X/Y/Z）：切削熱・負荷変動下でも高精度位置決め維持
- CMM/計測ステージ：ナノ補間＋誤差マップで寸法トレーサビリティ確保
- 半導体装置：リソグラフィ、アライメント、検査において nm ジッタと低 SDE を要求
- 高精度印刷/パッケージ/実装：長ストローク・高速・正確な同期制御
- 医療機器：CT/MRI ベッド、放射線治療位置決め
- 物流・大型装置：磁気テープ式長距離測定、環境耐性強化
保守とトラブルシューティング（Maintenance & Troubleshooting）
日常保守
- 定期的清掃（光学式：無塵布＋IPA、磁気式：鉄粉除去）でギャップ・姿勢を安定化
- ケーブル曲げ半径・クランプ状態確認、断線やシールド破損防止
- 温湿度・冷却液の飛散監視、結露や液体侵入を防止
よくある不具合
| 症状 | 原因 | 対策 |
|---|---|---|
| 信号欠落/パルス抜け | ギャップ超過、姿勢不良、汚染 | リードヘッド調整、スケール清掃、剛性確認 |
| ジッタ/大きな SDE | 補間回路ノイズ、不良接地 | シールド改善、高品質電源・ケーブル使用 |
| 線形誤差大 | スケール応力解放不足、熱補償欠如 | 再取付け（浮動固定）、誤差マップ適用 |
| アブソリュート通信失敗 | SSI/BiSS/EnDat 設定不一致 | タイミング/極性/CRC/ケーブルインピーダンス確認 |
| リファレンス点不安定 | 汚染、誤設定 | マーク清掃、設定再確認 |
規格と参考文献（Standards & References）
- IEC 60529:2020（IP 保護等級）
- IEC 60068-2（振動・衝撃・温湿度・塩霧試験）
- IEC 61000-6-2/-6-4（産業 EMC 耐性・放射）
- ISO 230-2 / ISO 230-3（工作機械精度・熱特性試験）
- ISO 10360（CMM 検証）
- ISO 14644（クリーンルーム規格、半導体・計測関連）
注記：規格の適用性は装置・業界に依存するため、必ずメーカーのマニュアルと実運用条件で確認すること。
選定ガイド（Selection Guide）
- 精度目標：システムの位置決め/繰返し精度と許容線形誤差（μm/m）を定義
- 原理選択：クリーン・高精度 → 光学式、油汚れ・振動・長ストローク → 磁気式/誘導式
- 出力・インターフェース：速度制御 → インクリメンタル、高精度/多軸同期 → SSI/BiSS/EnDat、EtherCAT
- 機械・取付け：測定長、スケール材質、CTE、ギャップ・姿勢許容差、固定方式を確認
- 環境・保護：冷却液・粉塵・温度変化 → 密閉タイプ＋適切な IP、エアパージ/ワイパー追加
- 補償・診断：誤差マッピング、温度・状態監視、オンライン診断/アラーム対応の有無
- ライフサイクル：ケーブル・ヘッド交換容易性、スペア部品の入手性、校正・サービス体制
リニアエンコーダの原理・構造・取付要件を理解し、誤差モデリング・温度補償・標準化された検証プロセスを組み合わせることで、エンジニアは複雑な環境下でも高精度・長寿命・診断可能な直線位置決めおよび速度制御を実現できます。
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