リニア エンコーダは、機械的なリンクの下流のエラーを修正することで精度を向上させます。

リニアエンコーダは、中間の機械要素を介さずに軸の位置を追跡します。エンコーダは、機械的な連結部（回転機構から直線機構への機械装置など）からの伝達誤差も測定するため、機械に起因する誤差を制御で補正するのに役立ちます。したがって、このフィードバックにより、制御は位置制御ループ内のすべての機構を考慮することができます。

エンコーダにおける光電スキャンの仕組み

多くの高精度リニアエンコーダは、光学式または光電式スキャン方式を採用しています。簡単に言うと、読み取りヘッドはわずか数マイクロメートル幅の周期的な目盛りを読み取り、短い信号周期の信号を出力します。測定基準となるのは、通常ガラス、または（測定長が長い場合は）キャリア基板上に周期的な目盛りが刻まれた鋼板です。これは非接触型の位置追跡方式です。

4～40μmの増分格子周期で使用されるPRC（アブソリュート）コード画像走査型リニアエンコーダは、光信号生成を利用して動作します。スケールと走査レチクルの2つの格子が互いに相対的に移動します。走査レチクルの材質は透明ですが、スケールの材質は透明または反射性です。2つの格子が通過すると、入射光は変調します。格子の隙間が揃うと光は透過し、一方の格子の線がもう一方の格子の隙間と一致すると光は遮断されます。太陽電池は、光強度の変化を正弦波状の電気信号に変換します。

格子周期が 8 μm 以下の目盛りのもう一つのオプションは、干渉スキャンです。このリニア エンコーダの動作モードは、回折と光の干渉を利用します。測定基準となるのはステップ グレーティングで、反射面上に 0.2 μm の高さの線が描かれています。その前にはスキャン レチクル (スケールの周期と一致する周期を持つ透明な格子) があります。光波がレチクルを通過すると、-1、0、1 の次数のほぼ等しい強度を持つ 3 つの部分波に回折します。スケールが波を回折するため、光の強度は 1 次と -1 次の回折次数に集中します。これらの波はレチクルの位相格子で再び出会い、そこでさらに回折して干渉します。こうして 3 つの波が生成され、それぞれ異なる角度でスキャン レチクルから出ていきます。次に、太陽電池が交互する光強度を電気信号出力に変換します。

干渉走査では、レチクルとスケールの相対的な動きによって、回折波面の位相がシフトします。格子が1周期移動すると、回折次数1の波面は正方向に1波長分移動し、回折次数-1の波長は負方向に1波長分移動します。2つの波は格子から出射する際に互いに干渉するため、2波長分（格子1周期の移動で2信号周期分）の位相シフトが生じます。

2つのエンコーダスキャンバリエーション

一部のリニアエンコーダは絶対測定を行うため、機械の電源投入時は位置値が常に利用可能であり、電子機器はいつでもその値を参照できます。軸を基準点に移動させる必要はありません。スケール目盛りはシリアルアブソリュートコード構造を備えており、位置値のために独立したインクリメンタルトラックが補間され、同時にオプションのインクリメンタル信号が生成されます。

一方、インクリメンタル測定方式のリニアエンコーダは、周期的な格子目盛りを使用し、原点からの個々の増分（測定ステップ）をカウントして位置を取得します。この方式では位置を特定するために絶対基準を使用するため、これらの方式のスケールテープには、リファレンスマーク付きの第2トラックが付属しています。

リファレンスマークによって確立される絶対スケール位置は、正確に1信号周期でゲートされます。そのため、読み取りヘッドはリファレンスマークを見つけてスキャンし、絶対的なリファレンスを確立するか、最後に選択された基準点を見つける必要があります（このためには、長いストロークのリファレンスランが必要になる場合があります）。

リニアエンコーダの反復

リニアエンコーダの統合における課題の一つは、デバイスが動作軸上で動作するため、機械環境にさらされることです。このため、一部のリニアエンコーダは密閉されています。アルミ製ハウジングがスケール、スキャンキャリッジ、およびそのガイドウェイを切粉、埃、液体から保護し、下向きの弾性リップがハウジングを密閉します。スキャンキャリッジは、低摩擦ガイド上をスケールに沿って移動します。カップリングがスキャンキャリッジとマウントブロックを接続し、スケールと機械ガイドウェイ間のずれを補正します。ほとんどの場合、スケールとマウントブロック間の横方向および軸方向のオフセットは、±0.2～±0.3 mmが許容されます。

具体例：工作機械への応用

生産性と精度は、数多くのアプリケーションにおいて極めて重要ですが、動作条件の変化により、設計目標の達成が困難になることがよくあります。工作機械を考えてみましょう。部品製造はますます小ロット化が進んでおり、様々な負荷やストローク下でも精度を維持する必要があります。おそらく最も要求の厳しいのは航空宇宙部品の加工でしょう。荒加工工程では最大限の切削能力が求められ、その後の仕上げ工程では最大限の精度が求められます。

具体的には、フライス加工品質の金型には、迅速な材料除去と仕上げ後の優れた表面品質が求められます。同時に、高速な輪郭加工送り速度のみが、許容可能な加工時間内でパス間距離が最小の部品を加工するために不可欠です。しかし、特に少量生産の場合、熱的に安定した状態を維持することはほぼ不可能です。これは、穴あけ、荒加工、仕上げ加工の工程間の変化が、工作機械の温度変動に寄与するからです。

さらに、ワークの精度は生産注文の収益性を高める鍵となります。荒加工では、フライス加工率は80%以上にまで上昇しますが、仕上げ加工では10%を下回るのは通常です。

問題は、加速度と送り速度の上昇が機械の直線送り駆動装置のサブコンポーネント、特に回転モーター駆動のボールねじを使用する装置に熱を発生させることです。そのため、工作機械の熱挙動に対する補正を安定させるには、位置測定が不可欠です。

熱不安定性の問題に対処する方法

アクティブ冷却、対称的な機械構造、そして温度測定と補正は、熱によって引き起こされる精度の変化に対処するための既に一般的な方法です。さらに別のアプローチとして、特に一般的な熱ドリフト、つまり循環ボールねじを組み込んだ回転モーター駆動の送り軸を補正する方法があります。この場合、ボールねじに沿った温度は、送り速度と移動力によって急激に変化する可能性があります。その結果生じる長さの変化（通常、20分以内に100μm/m）は、ワークピースに重大な欠陥を引き起こす可能性があります。この場合の2つの選択肢は、数値制御送り軸をボールねじを介してロータリーエンコーダで測定するか、リニアエンコーダで測定することです。

前者のセットアップでは、ロータリーエンコーダを使用して送りねじのピッチからスライドの位置を決定します。そのため、駆動装置は大きな力を伝達し、測定システム内の連結機構として機能し、高精度な値を提供し、ねじピッチを信頼性高く再現する必要があります。しかし、位置制御ループはロータリーエンコーダの挙動のみを考慮しています。摩耗や温度による駆動機構の変化を補正できないため、これは実質的にセミクローズドループ動作です。駆動装置の位置決め誤差は避けられず、ワークの品質を低下させます。

一方、リニアエンコーダはスライドの位置を測定し、位置制御ループに完全な送り機構を組み込んでいます（真の閉ループ動作を実現）。機械の伝達要素の遊びや不正確さは、位置測定精度に影響を与えません。したがって、精度はほぼリニアエンコーダの精度と取り付けにのみ依存します。補足として、エンコーダによる直接測定は、回転軸の動きの測定精度を向上させることもできます。従来のセットアップでは、モーターのロータリーエンコーダに接続する減速機構が使用されていますが、高精度角度エンコーダは、より高い精度と再現性を実現します。

ボールねじ設計における熱対策

ボールねじの熱に対処する他の 3 つのアプローチには、それぞれ制限があります。

1. 一部のボールねじは、冷却液循環用の中空コアによって内部の発熱（および周囲の機械部品の発熱）を防いでいます。しかし、これらのボールねじも熱膨張するため、わずか1Kの温度上昇で10μm/mの位置決め誤差が発生します。一般的な冷却システムでは温度変化を1K未満に抑えることができないため、これは大きな問題です。

2. エンジニアは、制御においてボールねじの熱膨張をモデル化することがよくあります。しかし、動作中の温度プロファイルを測定することは困難であり、循環ボールナットの摩耗、送り速度、切削抵抗、使用される移動範囲などの要因の影響を受けるため、この方法では大きな残留誤差（最大50μm/m）が発生する可能性があります。

3. ボールねじの中には、駆動機構の剛性を高めるために両端に固定ベアリングを備えたものがあります。しかし、超高剛性ベアリングであっても、局所的な発熱による膨張を防ぐことはできません。結果として生じる力は大きく、最も剛性の高いベアリング構成でさえ変形させ、場合によっては機械形状に構造的な歪みを引き起こすこともあります。また、機械的張力は駆動部の摩擦挙動を変化させ、機械の輪郭精度を低下させます。さらに、セミクローズドループ動作では、摩耗や駆動機構の弾性変形によるベアリング予圧の変化の影響を補正できません。