リニアエンコーダは、機械的なリンク機構の下流で誤差を補正することで精度を向上させる。

リニアエンコーダは、中間的な機械要素を必要とせずに軸位置を追跡します。エンコーダは、機械的なリンク機構（回転式から直線式への変換装置など）からの伝達誤差も測定するため、機械に起因する誤差を補正するのに役立ちます。このように、このフィードバックにより、位置制御ループにおけるすべての機械的要素を制御に反映させることができます。

エンコーダにおける光電走査の仕組み

多くの高精度リニアエンコーダは、光学式または光電式の走査方式を採用しています。簡単に言うと、読み取りヘッドが数マイクロメートル幅の周期的な目盛りを追跡し、短い周期の信号を出力します。測定基準は通常、ガラス製、または（測定長が長い場合は）鋼製で、キャリア基板上に周期的な目盛りが刻まれています。これは非接触式の位置追跡方式です。

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、4～40μmの増分格子周期で使用され、光信号生成を利用します。スケールと走査レチクル上の2つの格子が互いに相対的に移動します。走査レチクルの材料は透明ですが、スケールの材料は透明または反射性です。2つの格子がすれ違うと、入射光が変調されます。格子の隙間が一致すると、光は透過します。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。光起電力セルは、光強度の変化を正弦波状の電気信号に変換します。

8 μm以下の格子周期を持つ目盛りのもう一つの選択肢は、干渉走査です。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。測定基準として、反射面に高さ0.2 μmの線が刻まれたステップグレーティングが用いられます。その前面には、目盛りの周期に一致する周期を持つ透明な格子である走査レチクルが配置されています。光波がレチクルを通過すると、ほぼ等しい強度を持つ-1、0、1次の3つの部分波に回折します。目盛りが波を回折するため、光強度は回折次数1と-1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。これにより、走査レチクルから異なる角度で出る3つの波が生成されます。その後、光起電力セルが、交互に変化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間の相対運動により、回折波面の位相がずれます。回折格子が1周期移動すると、1次波面は正の方向に1波長移動し、-1次波面は負の方向に1波長移動します。2つの波は回折格子から出る際に干渉し合うため、互いに2波長分位相がずれます（回折格子の1周期の移動で2周期分の信号が得られます）。

エンコーダースキャン方式の2つのバリエーション

リニアエンコーダの中には絶対値測定を行うものがあり、機械の電源が入っている間は常に位置値が利用可能で、電子回路はいつでもその値を参照できます。軸を基準位置に移動させる必要はありません。目盛はシリアル絶対コード構造を持ち、位置値については別の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、周期的な格子状の目盛りを使用し、原点から個々の増分（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、これらの方式で使用する目盛りテープには、基準マーク付きの2つ目のトラックが付属しています。

基準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つの信号周期でゲートされます。そのため、読み取りヘッドは基準マークの位置を特定してスキャンし、絶対基準を確立するか、最後に選択されたデータムを見つける必要があります（場合によっては、長いストロークの基準スキャンが必要になります）。

線形エンコーダの反復回数

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。そのため、一部のリニアエンコーダは密閉されています。アルミニウム製のハウジングが、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、粉塵、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。ここでは、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をマウントブロックに接続し、スケールと機械のガイドウェイ間の位置ずれを補正します。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まで許容されます。

具体例：工作機械への応用

生産性と精度は数多くの用途において極めて重要ですが、変化する運転条件によって、これらの設計目標を達成することが困難になる場合が少なくありません。工作機械を例に考えてみましょう。部品製造はますます小ロット生産へと移行しており、そのため、様々な負荷やストローク条件下でも精度を維持できるような段取りが必要となります。おそらく最も要求が厳しいのは航空宇宙部品の機械加工でしょう。荒加工では最大の切削能力が求められ、その後の仕上げ加工では最大の精度が要求されるからです。

より具体的に言うと、高品質な金型をフライス加工するには、高速な材料除去と仕上げ後の高い表面品質が求められます。同時に、高速な輪郭送り速度があって初めて、機械は許容可能な加工時間内にパス間の距離を最小限に抑えた部品を出力できます。しかし、特に小ロット生産の場合、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、仕上げ加工といった工程間の変化が工作機械の温度変動につながるためです。

さらに、生産注文の収益性を確保するには、加工物の精度が鍵となります。荒加工工程では、切削率は80%以上に上昇しますが、仕上げ加工では10%を下回る値になるのが一般的です。

問題は、加速度と送り速度がますます高くなると、機械の直線送り駆動部、特に回転モーター駆動のボールねじを使用する駆動部の各部品が発熱することである。そのため、熱挙動に対する工作機械の補正を安定させるには、位置測定が不可欠となる。

熱不安定性の問題に対処する方法

能動冷却、対称的な機械構造、温度測定と補正は、熱による精度変化に対処する一般的な方法です。しかし、もう一つのアプローチは、特に一般的な熱ドリフトモードである、回転モーター駆動の送り軸（ボールねじを組み込んでいる）の熱ドリフトを補正することです。この場合、送り速度と移動力によってボールねじに沿った温度が急速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、ワークピースの重大な欠陥を引き起こす可能性があります。ここでの2つの選択肢は、ボールねじを介して数値制御送り軸を回転エンコーダまたはリニアエンコーダで測定することです。

従来の方式では、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位置を検出します。そのため、駆動部は大きな力を伝達し、測定システムにおけるリンク機構として機能し、高精度な値を提供するとともに、ねじピッチを確実に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しか考慮していません。摩耗や温度変化による駆動機構の変化を補正できないため、実際には半閉ループ制御となります。駆動部の位置決め誤差は避けられず、加工物の品質を低下させます。

対照的に、リニアエンコーダはスライド位置を測定し、位置制御ループに完全な送り機構を組み込んでいます（真のクローズドループ動作を実現するため）。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、精度はほぼ完全にリニアエンコーダの精度と設置方法に依存します。ここで補足すると、エンコーダによる直接測定は、回転軸の動きの測定精度も向上させることができます。従来の構成では、モーターに取り付けられた回転エンコーダに接続する減速機構を使用しますが、高精度角度エンコーダを使用すると、より高い精度と再現性が得られます。

ボールねじの設計における熱対策

ボールねじの発熱に対処する他の3つのアプローチには、それぞれ独自の限界がある。

1. ボールねじの中には、冷却液循環用の空洞コアを設けることで内部加熱（および周囲の機械部品の加熱）を防ぐものがあります。しかし、こうした空洞コアも熱膨張を起こし、わずか1Kの温度上昇で位置決め誤差が10μm/mに達します。これは、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、重大な問題です。

2. エンジニアは、制御システムにおいてボールねじの熱膨張をモデル化することがある。しかし、運転中の温度分布の測定は困難であり、循環ボールナットの摩耗、送り速度、切削力、使用する移動範囲、その他の要因の影響を受けるため、この方法ではかなりの残留誤差（最大50μm/m）が生じる可能性がある。

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、非常に剛性の高い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相当なもので、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の構造的な歪みを引き起こすこともあります。また、機械的な張力は駆動部の摩擦特性を変化させ、機械の輪郭加工精度を低下させます。さらに、半閉ループ制御では、摩耗や駆動機構の弾性変形によるベアリングの予圧変化の影響を補償することはできません。