信号トラブル事例集
症状：高温で信号振幅が低下する――光源、ギャップ、近接場条件の切り分け
高温での振幅低下は通常、光源の発光効率の低下、ハウジングと軸の熱膨張差によるギャップ変化、波長の長波長シフトによる近接場条件の変化という3項の積です。例では60 Kの温度上昇で3項がそれぞれ約−24%、−9.6%、−1.0%、合計約−32%になります。本稿では積のモデル、動作点の感度、症状からコード板、機械、読取りヘッドの3者を切り分ける試験手順を示します。
モータ後端のエンコーダが、常温では振幅1 Vppなのに、温まって85 ℃前後になると約0.7 Vppしか残らず、サーボアンプが信号弱を報告し始めます。停止して冷えるとまた元に戻ります。この種の問題の原因は一つとは限りません。光源の発光効率が温度とともに下がり、ハウジングと軸の膨張が異なるためにギャップが変わり、さらにLEDの波長が長波長側へシフトして近接場の結像条件が変わります。読取りヘッド内部の各温度ドリフト項のメカニズムは本ライブラリの読取りヘッドの温度の記事で項目ごとに論じました。本稿では症状から出発して、より実際的な問いに答えます。低下した振幅のうち、コード板、機械、読取りヘッドの3者がそれぞれどれだけを占めるのか、いくつかの比較試験でそれらをどう切り分けるのか、です。
積のモデル：3つの係数の掛け算
幾何光学式の近接場読取りでは、信号振幅は次のように書けます。
A(T)/A(T₀) = [P(T)/P₀] · [m(g(T), λ(T)) / m(g₀, λ₀)]
ここでPはLEDの放射パワー、mは基本波の変調度、gはギャップ、λはピーク波長です。デューティ比50%のコード板では、部分的コヒーレント照明下で（導出は本ライブラリのタルボ効果の記事を参照）
m(g, λ) = cos(πλg/p²) · sinc(g·Δα/p)
pはピッチ、Δαは測定方向の照明角度幅です。受光素子の感度は近赤外域で温度とともにわずかに上がり、一部を打ち消しますが、以下の計算例では考慮しません。3つの係数はそれぞれ次に対応します。
- 光源の発光効率：近赤外LEDの放射パワーの温度係数は約−0.1 ~ −0.6 %/Kがよく見られ、材料と電流によって異なる。
- ギャップ：読取りヘッドはハウジングに、コード板は軸に取り付けられ、2つの熱膨張経路は同じ軸方向位置決め面から出発する。Δg ≈ α_筐体·L_筐体·ΔT_筐体 − α_軸·L_軸·ΔT_軸。アルミハウジング（約23×10⁻⁶/K）と鋼軸（約12×10⁻⁶/Kと仮定）、軸方向寸法約25 mmで、一様に60 K上昇すると約16 μm。符号は構造で決まり、ロータの発熱で軸がハウジングより熱くなると、差は小さくなったり逆符号になったりする。
- 波長：ピーク波長は約0.2–0.3 nm/Kで長波長側へシフトする。cos項ではλとgが積の形で現れるので、波長変化Δλはg·Δλ/λのギャップ変化に相当する。
数値計算例：60 Kの温度上昇
p = 20 μm、λ₀ = 880 nm、Δα = 20 mrad、g₀ = 100 μmと仮定し、60 K上昇させます。
| 項目 | 仮定 | 振幅係数 |
|---|---|---|
| 光源の発光効率 | −0.4 %/K | 0.760 |
| ギャップ | +15 μm | 0.904 |
| 波長 | +15 nm（0.25 nm/K） | 0.990 |
| 合計 | 3項の積 | 0.678 |
総振幅は約32%低下し、そのうち光源が約4分の3を占めます。波長項は約1.7 μmのギャップ変化に相当するだけで、機械的なギャップ項より1桁小さいものです。
ただしこの比率は動作点に強く依存します（図2）。同じ+15 μmと+15 nmでも、公称ギャップ60 μmでは振幅低下はそれぞれ約5%と0.3%にすぎません。公称ギャップ200 μmでは基本波のゼロ点p²/(2λ) ≈ 227 μmに非常に近く、それぞれ約55%と12%低下し、両者が重なると約69%になります。つまり「高温での振幅低下がひどい」のは、熱設計が悪いからではなく、常温の動作点がすでに曲線の急峻な部分に選ばれているからである場合もあるのです。
読取りヘッドに定光量フィードバックがある場合、光源の項はLED電流で補償され、外から見える振幅低下は変調度の分だけになり、計算例では約11%です。その代償として駆動電流を約1/0.76 − 1 ≈ 32%増やす必要があります。駆動余裕が足りないと、ある温度でフィードバックが飽和し、その点を過ぎると振幅が急に加速して低下します。これも典型的な現象です。
切り分け試験：まずAとSを見て、次に項目ごとに確認する
- 振幅Aと直流和Sを同時に記録する。 Sは4相の光電流の和で、LED消灯時に測った暗電流を差し引く（高温では暗電流でSが持ち上がる）。昇温、保温、室温への降温を行い、軌跡をA/A₀–S/S₀平面上に描く（図3）。AとSが同じ比率で低下すれば光源か光路の透過率、Sがほぼ一定でAが低下すれば変調度、すなわちギャップ、波長、コード板の姿勢、降温後に始点へ戻らなければ不可逆な要因である。定光量フィードバックがある場合はSが固定されるので、代わりにLED駆動電流を記録する。
- 外部定電流で点灯する。 基板上の駆動を切り離し、実験用定電流源で常温時の電流によりLEDを直接点灯して、Sの温度特性を測る。これはLED自体の発光効率の温度ドリフトを表す。基板上の駆動のときのほうが大きく低下するなら、駆動電流そのものがドリフトしているので、検出抵抗と基準電圧を調べる。
- 冷態と熱態でギャップを測る。 常温でシムを使って振幅–ギャップ曲線の傾きを求め、冷態と熱態でそれぞれ実際のギャップを測る（すきまゲージ、静電容量センサ、または読取りヘッド取付け面とコード板面の相対位置の測定）。Δgに傾きを掛けて変調度の変化を予測し、ステップ1の結果と突き合わせる。
- 部分加熱する。 読取りヘッドだけを加熱して機械を常温に保てば、光源、波長、回路の項が得られる。軸系とハウジングだけを加熱し、読取りヘッドは送風で常温に保てば、ギャップの項が得られる。両者の和は装置全体を昇温したときの結果に近いはずである。
- 波長を変えて比較する。 常温でピーク波長の異なるLEDに交換するか、2つのギャップでそれぞれ1回ずつ測って、∂m/∂λを直接求め、実際の長波長シフト量を掛けて波長項を得る。動作点がゼロ点から十分離れていれば通常1%程度で、最初に除外できる。
コード板側の原因の多くは「不可逆」に分類されます。接着剤やグリースが高温で揮発し、コード板や窓に凝縮して薄い曇りになるもの。接着剤層が軟化してコード板が傾き、面振れが増えて、振幅の1回転1回のうねりが温度とともに明らかに大きくなるもの。冷却後に顕微鏡でコード板表面を調べ、熱態で面振れを再測定すれば確認できます。クロム膜自体の光学濃度の温度・波長による変化はごく小さく、一般に主因ではありません。
設計上のポイント
- A/A₀–S/S₀軌跡でまず大分類する。対角線に沿えば光源、垂直に下がれば変調度、始点に戻らなければ不可逆な汚れかクリープ。
- 公称ギャップはできるだけp²/(2λ)から離す。p = 20 μmでg₀を100 μmから200 μmに移すと、同じ15 μmの熱によるギャップ変化の影響は約10%から約55%に増える。
- 長波長シフトはg·Δλ/λのギャップ変化に相当し、動作点が適切なら通常は最も小さい項である。
- 定光量フィードバックの駆動余裕は、最高温度での発光効率損失に経年劣化を加えた分をカバーしなければならない。計算例では少なくとも+32%の電流が必要。
- 熱設計では、読取りヘッドとコード板の軸方向基準をできるだけ同じ位置決め面に近づけ、軸がハウジングより熱くなる運転条件も検討する。
- まず外部定電流点灯と冷態・熱態でのギャップ測定という低コストの2試験を行い、そのうえで読取りヘッド、構造、動作点のどれを変えるかを決める。
まとめ
高温での振幅低下は、光源の発光効率、熱膨張によるギャップ、波長による近接場の3つの係数の積に分解でき、例ではそれぞれ約−24%、−9.6%、−1.0%ですが、比率は公称ギャップによって大きく変わります。振幅と直流和の昇降温軌跡を記録してまず光源型、変調度型、不可逆型に分け、続いて外部定電流点灯、冷態・熱態のギャップ測定、部分加熱、波長交換で項目ごとに確認すれば、責任をコード板、機械、読取りヘッドのいずれかの具体的な側に特定できます。
中国語原文記事の翻訳 (0224). ENC7 コード板メーカー（お問い合わせ） · 技術記事 · https://enc7.com
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