リニアエンコーダ

リニアエンコーダは、位置をエンコードするスケールとペアになったセンサー、トランスデューサー、またはリードヘッドです。センサーはスケールを読み取り、エンコードされた位置をアナログまたはデジタル信号に変換します。その後、デジタル読み出し (DRO) またはモーション コントローラによって位置にデコードされます。

エンコーダーは、増分式または絶対式のいずれかです。増分式システムでは、位置は時間の経過に伴う動きによって決まります。一方、絶対式システムでは、位置は時間の経過に伴う動きによって決まります。リニア エンコーダー技術には、光学式、磁気式、誘導式、静電容量式、渦電流式などがあります。光学式技術には、シャドウ、セルフ イメージング、干渉式などがあります。リニア エンコーダーは、デジタル ノギスや座標測定機からステージ、CNCミル、製造用ガントリー テーブル、半導体ステッパーに至るまで、計測機器、モーション システム、インクジェット プリンター、高精度加工ツールで使用されています。

リニア エンコーダは、位置をエンコードするためにさまざまな物理的特性を利用するトランスデューサーです。

光学式リニア エンコーダは高解像度市場を支配しており、シャッター/モアレ、回折、またはホログラフィック原理を採用する場合があります。光学式エンコーダは、標準的なエンコーダ スタイルの中で最も正確で、産業オートメーション アプリケーションで最も一般的に使用されています。光学式エンコーダを指定する場合、ほこり、振動、および産業環境に共通するその他の条件による汚染を防ぐために、エンコーダに追加の保護機能が組み込まれていることが重要です。一般的な増分スケール周期は、数百マイクロメートルからサブマイクロメートルまでさまざまです。 補間により、ナノメートルの解像度を実現できます。

使用される光源には、赤外線LED、可視光 LED、小型電球、レーザーダイオードなどがあります。

磁気リニアエンコーダ^{[1]は、アクティブ（磁化）またはパッシブ（可変磁気抵抗）スケールのいずれかを使用し、位置はセンスコイル、}ホール効果、または磁気抵抗リードヘッドを使用して感知されます。光学エンコーダよりも粗いスケール周期（通常、数百マイクロメートルから数ミリメートル）で、マイクロメートルオーダーの解像度が標準です。

静電容量式リニア エンコーダは、リーダーとスケールの間の静電容量を感知することで機能します。代表的な用途はデジタル ノギスです。欠点の 1 つは、不均一な汚れに敏感で、局所的に比誘電率が変化する可能性があることです。

誘導技術は汚染物質に対して堅牢であり、冷却剤耐性のあるノギスやその他の測定ツールを可能にします。^[2] 誘導測定原理のよく知られた応用例はInductosynです。^[3]

米国特許3820110「渦電流型デジタルエンコーダおよび位置基準」は、このタイプのエンコーダの例を示しています。このエンコーダは、高透磁率と低透磁率の非磁性材料でコード化されたスケールを使用し、誘導コイルセンサーを含むAC回路のインダクタンスの変化を監視することで検出およびデコードします。マクソンは、サンプル（ロータリーエンコーダ）製品（MILEエンコーダ）を製造しています。^[4]

センサーは画像相関法に基づいています。センサーは測定対象の表面から連続的に写真を撮影し、画像を比較して変位を測定します。^[5]ナノメートルまでの解像度が可能です。^[6]

リニア エンコーダの主な用途は 2 つあります。

測定アプリケーションには、座標測定機（CMM）、レーザースキャナー、キャリパー、ギア測定、^[7]張力試験機、デジタル読み取り装置（DRO）などがあります。

サーボ制御モーションシステムは、正確で高速な動きを実現するためにリニアエンコーダを採用しています。代表的な用途としては、ロボット、工作機械、ピックアンドプレースPCB組立装置、半導体ハンドリングおよびテスト装置、ワイヤボンダー、プリンター、デジタルプレスなどがあります。^[8]

リニア エンコーダーには、アナログ出力またはデジタル出力があります。

リニア エンコーダの業界標準アナログ出力は、正弦波および余弦波の直交信号です。これらは通常、ノイズ耐性を向上させるために差動伝送されます。初期の業界標準は 12 μA ピークツーピーク電流信号でしたが、最近では 1V ピークツーピーク電圧信号に置き換えられました。デジタル伝送と比較すると、アナログ信号の帯域幅が低いため、EMC放出を最小限に抑えることができます。

直交正弦波/余弦波信号は、オシロスコープを XY モードで使用して円形のリサジュー図形を表示することで簡単に監視できます。リサジュー図形が円形 (ゲインまたは位相エラーなし) で完全に中心にある場合に、最も精度の高い信号が得られます。最新のエンコーダ システムでは、これらのエラー メカニズムを自動的に調整する回路が採用されています。リニア エンコーダの全体的な精度は、スケール精度とリードヘッドによって導入されるエラーの組み合わせです。エラー バジェットに対するスケールの寄与には、直線性と傾斜 (スケーリング ファクタ エラー) が含まれます。リードヘッドのエラー メカニズムは、スケール周期ごとに繰り返されるため、通常、周期エラーまたはサブディビジョナル エラー (SDE)と呼ばれます。リードヘッドの不正確さの最大の原因は信号オフセットであり、次に信号の不均衡 (楕円率) と位相エラー (直交信号が正確に 90° 離れていない) が続きます。全体的な信号サイズはエンコーダの精度に影響しませんが、信号が小さいと S/N 比とジッタのパフォーマンスが低下する可能性があります。自動信号補正メカニズムには、自動オフセット補正 (AOC)、自動バランス補正 (ABC)、自動ゲイン制御 (AGC)などがあります。位相は動的に補正するのが難しいため、通常はインストール時またはキャリブレーション時に 1 回限りの補正として適用されます。その他の不正確さの形態には、信号歪み (多くの場合、正弦波/余弦波信号の高調波歪み) があります。

リニアインクリメンタル エンコーダには、直交矩形波を発する 2 つのデジタル出力信号 A と B があります。エンコーダは、内部のメカニズムに応じて、基本的にデジタルであるセンサーから A と B を直接取得するか、内部のアナログ サイン/コサイン信号を補間します。後者の場合、補間プロセスによってスケール周期が効果的に細分化され、より高い測定解像度が実現されます。

どちらの場合も、エンコーダは直交矩形波を出力します。2 つのチャネルのエッジ間の距離がエンコーダの解像度になります。参照マークまたはインデックス パルスも、1 ～ 4 単位の解像度の幅を持つパルスとしてデジタル形式で出力されます。出力信号は、位置追跡用のデジタル増分エンコーダ インターフェイスに直接送信できます。

リニア インクリメンタル エンコーダの主な利点は、ノイズ耐性の向上、測定精度の高さ、位置変化の低遅延レポートです。ただし、高周波で高速な信号エッジにより、EMC 放出が増加する可能性があります。

リニア エンコーダは、アナログまたはデジタルの増分出力信号だけでなく、絶対参照信号または位置決め信号も提供できます。

ほとんどの増分リニア エンコーダは、電源投入時または電源喪失後にスケール上の基準位置を提供するインデックス パルスまたはリファレンス マーク パルスを生成できます。このインデックス信号は、スケールの 1 つの固有の周期内で位置を識別できる必要があります。リファレンス マークは、スケール上の単一の特徴、オートコリレータ パターン (通常はBarker コード)、またはチャープパターンで構成されます。

距離コード化参照マーク (DCRM) は、独自のパターンでスケール上に配置されているため、最小限の移動 (通常は 2 つの参照マークを通過) で読み取りヘッドの位置を定義できます。複数の等間隔の参照マークをスケール上に配置することもできます。これにより、インストール後に、必要なマーカーを選択したり (通常は磁石または光学的に)、不要なマーカーをラベルまたはペイントで選択解除したりできます。

適切にエンコードされたスケール（マルチトラック、バーニア、デジタルコード、または疑似ランダムコード）を使用すると、エンコーダは移動したり基準位置を見つけたりすることなく位置を特定できます。このようなアブソリュートエンコーダは、シリアル通信プロトコルを使用して通信します。これらのプロトコルの多くは独自のものですが（例：Fanuc、Mitsubishi、FeeDat（Fagor Automation）、Heidenhain EnDat、DriveCliq、Panasonic、Yaskawa）、 BiSS ^[9]などのオープン標準が登場しており、ユーザーを特定のサプライヤに縛り付けることを避けています。

多くのリニア エンコーダには、光学式または磁気式のリミット スイッチが組み込まれています。 多くの場合、2 つのリミット スイッチが組み込まれているため、電源投入時にコントローラはエンコーダが移動の終端にあるかどうか、および軸をどの方向に駆動するかを判断できます。

リニア エンコーダは、密閉型または開放型のいずれかです。密閉型リニア エンコーダは、工作機械などの汚れた過酷な環境で使用されます。密閉型リニア エンコーダは通常、ガラスまたは金属スケールを囲むアルミニウム押し出し材で構成されています。柔軟なリップ シールにより、内部のガイド付き読み取りヘッドがスケールを読み取ることができます。この機械的配置によって生じる摩擦とヒステリシスにより、精度が制限されます。

最高の精度、最小の測定ヒステリシス、最小の摩擦のアプリケーションには、オープン リニア エンコーダが使用されます。

リニア エンコーダーは、ロンキーグレーティングまたは位相グレーティングを採用した透過型 (ガラス) または反射型スケールを使用します。スケールの材質には、ガラスにクロム、金属 (ステンレス鋼、金メッキ鋼、インバー)、セラミック ( Zerodur )、プラスチックなどがあります。スケールは自立型、基板に熱的にマスタリング (接着剤または粘着テープを使用)、またはトラックに取り付けられます。トラックに取り付けると、スケールが独自の熱膨張係数を維持できる場合があり、大型の機器を輸送時に分解できます。

• 解決
• 再現性
• ヒステリシス
• 信号対雑音比/ノイズ/ジッター
• リサージュ図形
• 直交
• インデックス/参照マーク/基準点/基準点
• 距離コード化参照マーク (DCRM)

• ロータリーエンコーダ

• Nyce, David S. (2003).リニア位置センサー: 理論と応用. 米国ニュージャージー州: John Wiley & Sons Inc.
• Hans, Walcher (1994)。位置センシング: エンジニアのための角度と距離の測定。Butterworth -Heinemann。