信号トラブル事例集
症状：読取りヘッドを径方向に零点数ミリ動かすと振幅が急落する――トラック幅の余裕
読取りヘッドを径方向に0.1 mm動かしても振幅は変わらないのに、さらに0.1 mm動かすと一割落ちる場合、検出窓がトラックからはみ出しています。本稿では振幅–径方向オフセットの「平坦部＋直線低下」曲線と偏心による平坦部の消費を導き、原点トラックが最初に不具合を起こす理由を説明し、径方向走査からトラック幅・偏心・残り余裕を逆算する方法と判定基準を示します。
組立調整の際によく見られる現象があります。読取りヘッドを径方向に0.1 mm動かしても振幅はほとんど変わらないのに、さらに0.1 mm動かすと振幅が突然一割以上落ち、原点信号が細くなったり、ときには欠落したりします。同じ型式のエンコーダでも、問題のない装置もあれば原点が不安定な装置もあります。これは光学感度の緩やかな変化ではなく、検出窓の径方向の縁がトラックからはみ出し、重なり率に比例して振幅が下がっているのです。本稿では振幅–径方向オフセット曲線の形を導き、偏心がどのように平坦部を食うか、なぜ原点のような細いトラックが先に不具合を起こすかを説明したうえで、径方向走査で余裕を実測する方法を示します。トラック幅の設計式は本ライブラリのトラック径方向幅の記事を参照してください。ここでは現象から余裕を逆算することだけを扱います。
症状の特徴：平坦部＋直線低下
読取りヘッドを径方向微動ステージに載せ、コードディスクを等速で回し、一歩動かすごとに振幅を記録すると、振幅–径方向オフセット曲線が得られます。トラック幅の余裕が不足している場合、曲線には三つの特徴があります。
- 中央部が平坦で、読取りヘッドを動かしても振幅が変わらない。
- 平坦部の両側はほぼ直線的に低下し、その傾きは窓の径方向高さに反比例する。
- 一回転内で振幅が変動し、平坦部の縁に近いほど変動が大きく、平坦部の中央では変動がない。
曲線がはっきりした平坦部のない滑らかな放物線であれば、主因は読取り半径の誤差によるピッチ不整合である可能性が高くなります（本ライブラリの読取り半径の記事を参照）。両者はしばしば同時に存在します。ピッチ不整合は平坦部の頂部をわずかにたわませ、はみ出しが両側の急な低下を決めます。
モデル：重なり率と偏心
トラックの径方向幅をW、検出窓の径方向高さをH（W > H）、窓中心のトラック中心線に対するずれをdとします。トラック外がクロム（暗視野）の場合、はみ出した部分は交流成分も直流成分も生じず、振幅は重なり率に比例します。
O(d) = [min(W/2, d + H/2) − max(−W/2, d − H/2)] / H
ここから次が得られます。
- 平坦部の半幅は m0 = (W − H)/2 で、|d| ≤ m0 のとき O = 1。
- 平坦部を越えると O = 1 − (|d| − m0)/H。H = 0.5 mm では10 μmごとに2%低下する。
- 50%点は d = ±W/2 にあり、Hに依存しない。|d| ≥ (W + H)/2 で信号は消える。
トラック外が透明ガラス（明視野）の場合、はみ出した部分は直流成分を増やすだけで、変調度は O/(2 − O) に従って低下します。O = 0.9 では0.82しか残らず、暗視野より速く低下し、オフセットも変化します。
偏心eによりトラック中心線は読取り点で径方向に振れ、d(θ) = d0 + e·cos(θ − φ) となります。d0は読取りヘッドの静的オフセットです。一回転のうち、最小振幅の平坦部半幅は m0 − e に縮み、最大振幅の平坦部半幅は m0 + e に広がります。偏心が両側からそれぞれeを食うため、読取りヘッドの取付け、温度ドリフト、ロット間ばらつきに残るのは m0 − e だけです。
数値例：なぜ原点トラックが先に不具合を起こすか
例（仮定）：インクリメンタルトラック W = 0.8 mm、原点トラック W = 0.6 mm、二つの検出窓はともに H = 0.5 mm、偏心 e = 30 μm。インクリメンタルトラックは m0 = 0.15 mm、原点トラックはわずか0.05 mmで、偏心を差し引くとそれぞれ0.12 mmと0.02 mmが残ります。読取りヘッドの静的オフセットd0に対する一回転内の相対振幅は次のとおりです。
| d0（mm） | インクリメンタルトラック | 原点トラック |
|---|---|---|
| 0 | 1.00 | 1.00 |
| 0.05 | 1.00 | 0.94～1.00 |
| 0.10 | 1.00 | 0.84～0.96 |
| 0.15 | 0.94～1.00 | 0.74～0.86 |
| 0.20 | 0.84～0.96 | 0.64～0.76 |
d0 = 0.1 mm ではインクリメンタルトラックはまだ平坦部内にあり、A・Bはまったく正常ですが、原点トラックはすでに4%～16%低下しています。原点の生信号をほぼ三角波とし、しきい値を公称ピーク値の50%とすると、ピークがA倍に下がったときZ幅は公称値の 2·(1 − 0.5/A) になります。A = 0.84 で約81%、A = 0.64 ではわずか44%、A ≤ 0.5 でZは消えます（図2右参照）。原点は一つの回転角でしか現れず、それが偏心の振れのどの位相に当たるかは装置ごとに異なるため、同型式の製品が「原点が抜けるものと抜けないもの」に分かれます。アブソリュート式の細いトラックや転流トラックも同様で、トラックが細いほど、それに残される余裕は少ないことが多いのです。
読取りヘッドの四相の検出窓が径方向に並んでいる場合（一部のインデックススケール方式の設計がそうです）、はみ出しはまず最も外側の相を食い、全体の振幅低下ではなく振幅の不均等とオフセットとして現れます。
径方向走査：曲線から余裕を逆算する
- 読取りヘッドをマイクロメータヘッド付きの径方向微動ステージに載せるか、厚さ既知のシムで押して移動させます。コードディスクを低速等速で回し、10～20 μmずつ、±(W + H)/2 の外側まで走査します。
- 各ステップでZにより回転ごとに区切り、インクリメンタルトラック、原点トラック、各アブソリュートトラックの一回転ごとの最大・最小振幅を記録します。
- 曲線を読みます（図2左参照）。最大値曲線の50%全幅は W + 2e、最小値曲線は W − 2e で、両者の平均がW、差の四分の一がeになります。平均曲線の20%～80%区間の水平距離を0.6で割るとHが得られます。平坦部中心と実際の取付け位置の差が取付けオフセット d_op です。
- 残り余裕 m_rem = (W − H)/2 − e − |d_op| を計算します。例では W = 0.80 mm、H = 0.50 mm、e = 30 μm、d_op = 0.05 mm で m_rem = 70 μm です。
「平坦部の始点」ではなく50%点で読むのは、端部の遷移帯とピッチ不整合が平坦部の角を丸め、折れ点を正確に読めないためです。50%点は対称なぼけに対してほとんど動きません。
判定基準：m_remは温度による径方向の相対変位とロットの組立ばらつきをカバーし、さらに余裕を残す必要があります。インクリメンタルトラックのはみ出しは振幅が数パーセント減るだけなので統計値で検討できますが、原点トラックやアブソリュートトラックのはみ出しはパルス欠落や誤読を招くため、最悪条件で検討すべきです。例では原点トラックは偏心を差し引くと20 μmしか残らず、ほとんど余地がありません。
設計・製造のポイント
- 振幅–径方向オフセット曲線が平坦部＋直線低下を示すのは検出窓のはみ出しの目印で、傾きは約1/H、H = 0.5 mm では10 μmごとに2%低下する。
- 平坦部半幅 (W − H)/2 からまず偏心eを差し引き、残りが取付けと温度ドリフトに使える余裕である。
- 原点トラックやアブソリュートトラックは通常最も細いので、インクリメンタルの振幅だけを見ず、トラックごとに走査する。
- 判定は50%点で行う。二本の包絡線の50%全幅の平均がトラック幅、差の四分の一が偏心になる。
- 暗視野でのはみ出しは振幅を下げるだけだが、明視野では直流成分も変わり、変調度は O/(2 − O) に従って低下する。
- 初品、読取りヘッドの型式変更時、ブラケット変更時には径方向走査を一度行い、m_remを初品検査報告書に記載する。
まとめ
読取りヘッドを径方向に零点数ミリ動かすと振幅が急落するのは、検出窓がトラックからはみ出しているためです。振幅は重なり率に従って下がり、平坦部の幅は W − H で、偏心がさらに両側からeずつ食います。原点のような細いトラックは余裕が最も少なく、最初にZの細りや欠落として現れます。径方向走査で二本の包絡線の50%全幅と斜面を読み取れば、トラック幅、窓高さ、偏心、残り余裕を逆算でき、ブラケットの位置決め、芯出し、トラック幅のどれを変えるべきかを判断できます。
中国語原文記事の翻訳 (0231). 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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