カメラの交換レンズのオートフォーカスが爆速になっている件で先輩Aさんにいろいろ聞いていると、ポジションセンサーの解説を聞くことになってしまった新人B君。カメラの高性能化が止まらずにポジションセンサーが追いつけない？という困った話に……(前回から続く)

2025年05月23日 公開

教えて先輩！シリーズ　第１８回

ポジションセンサーは光学式の時代になる？
～磁気式の課題と光学式の利点～

新人B
先輩、アナログ出力のポジションセンサーが載っていないって……じゃあ、今の交換レンズって大丈夫なんですか？

先輩A
まあ、落ち着いて。アナログ出力のポジションセンサーが載っていないとは言っていないよ。

新人B
はい？

先輩A
光学式でアナログ出力のポジションセンサーはまだ主流ではない、と言ったんだよ。

新人B
……

先輩A
ポジションセンサーって光学式だけではないんだよ。

新人B
えっ。後出しジャンケンじゃないですか。

ポジションセンサーには光学式以外もある

先輩A
ちゃんと説明すると、まず、機械式がある。まあ、歯車(ギア)だよね。ギアをつかって回転角とか回転方向を把握するというものだよ。そして、磁気式がある。今はこの方式が多いかな。

新人B
確かにエレクトロニクス時代以前は歯車って言われれば納得ですけど、磁気式って何ですか？

先輩A
まあ、原理は同じなんだけど、反射、非反射、反射、非反射、の代わりにN、S、N、S、ってなっているわけさ。

新人B
ああ、そういうことですね。ということは今の高画素に耐える交換レンズには主に磁気式でアナログ出力のポジションセンサーが入っているというわけですね。

先輩A
そのとおり。

新人B
じゃあ、問題はないんですね。でも、先輩は光学式を推しているんですよね。なぜですか？

先輩A
磁気式は実績もある確立された技術なんだけど、これ以上高性能化するにはいろいろ課題も見えてきているんだよ。
こんな構造をしているんだ。

図1： 磁気式ポジションセンサーの模式図

まず、リニアスケールは同じなんだけどN、S、N、S、の縞模様になっているわけ。そして、赤外線LEDではなくて磁気センサーの上をスケールが動くんだよ。

新人B
いいじゃないですか。リニアモーターカーみたいです。

磁気式のポジションセンサーの課題と光学式のアドバンテージ

先輩A
ただね。このリニアスケールと磁気センサーの距離を適切に保たないと……

新人B
リニアスケールが磁気センサーにくっつくんですね！

先輩A
…………。
細かな説明は省略するけど、磁気センサーの出力波形が歪むんだよ。特にアナログ出力のタイプは歪むと著しく精度が落ちてしまうので、リニアスケールとの間隔調整が結構シビアなんだよね。それに、スケールにN、S、N、S、と磁性体を塗布するわけだけど、細かく塗るのは難しいんだよ。とてもではないけど20μmなんて細かくはできないわけ。

新人B
そうか……

先輩A
そして、最大の問題は磁気ということだよ。だって、モーターって何で出来ている？

新人B
はあ、基本は磁石とコイルですね。そこに磁気式のポジションセンサーを置くって結構無理しているってことですか……近づけすぎると干渉したりしそうですよね。

先輩A
そうなんだよ。分解能にも限界があって、ポジションセンサーの設置にも注意が必要ってことだよ。ということは小型化にも限界があるってわけ。それに、ミラーレス一眼って動画も簡単に撮れるよね。ただ、動画ってことは音も録るわけだよ。そうするとモーター音とかが気になるわけ。

新人B
確かに。最近の交換レンズは静音設計のものが増えています。

先輩A
その静音設計のレンズに不可欠なのがVCM(Voice Coil Motor)なんだ。従来から使われているステッピングモーターや超音波モーターに比べて音が静かなんだよ。ただ、強力な磁界の中をコイルが浮いて動く構造をしているんだよ。まあ、リニアモーターカーみたいなものかな。

新人B
そうすると磁気式のポジションセンサーと干渉するってわけですか……

先輩A
というか、磁気式のポジションセンサーが使えなくなるんだよ。

新人B
何と……だから光学式なんですね！

先輩A
そうだよ。今言った課題はクリアできているし、赤外線LEDを青色・紫外線LEDに変えれば波長が短くなるよね。そうするとさらに分解能を上げられるんではないかと言われているんだ。

新人B
これから光学式に置き換わっていくということですか。

先輩A
そう願いたいね。

交換レンズ以外にもポジションセンサーの用途はたくさん。回転ダイヤルにも使われている。

新人B
さて、ずっとカメラの交換レンズの話をしていたのですが、ポジションセンサーって他にも用途がありそうですよね。

先輩A
そうだね、カメラではジョグダイヤルにも使われているかな。

新人B
カチカチではなくグルグル回るダイヤルってことですか？

先輩A
そう。回転ダイヤルってメカニカルだと痛むんだよね。

新人B
そうか、ダイヤルと受け側それぞれに端子が出ているから、こすれて摩耗したり歪んだりするんですね。

先輩A
そうなんだ。グリグリ回すのは気持ちいいんだけど、耐久性がね……これはメカの宿命だよね。それに対してポジションセンサーだと非接触だからね。あと、端子同士が接触するから削れたりする。そうすると削りカスが出るんだよ。それって困るよね。溜まると接触不良の原因になったり、カメラの場合はイメージセンサーに付着したら大変だよ。こういう理由で回転型のスイッチ類も機械式から光学式ポジションセンサーに変わってきているんだ。

新人B
なるほどです。先輩が光学式を推すのがわかってきました。

先輩A
ちなみに、ポジションセンサーにもごみ問題はあるんだ。センサーの上にゴミが乗ったらどうするってことだよ。イメージセンサーみたいに振動させてゴミを落としたり、ピクセルマッピングなんてできないじゃない？

新人B
確かに。修理対応しかないですかね……

先輩A
簡単な方法がある。複数のポジションセンサーを載せれば良いんだ。ポジションセンサーって1つだけ載っているんじゃないんだよ。
例えば、さっき、A相、B相、って話をしたけど、少なくとも２つ載っているわけさ。これをまとめてトラックっていうんだけど、20トラックとか載っているケースもあるんだよ。まあ、交換レンズではないんだけどね。模式図にもあったと思うけどLEDは１つでも受光部は複数あったよね。それをまとめて１トラックというわけさ。

新人B
そうか、複数のセンサーがあれば１つにゴミが乗っていても、残りのセンサーで補完できるわけですね。

ロボットアームの関節にもポジションセンサーは使われている。

先輩A
そうそう。他のわかりやすい用途はロボットアームかな。産業用だけど製造ラインで動いていたり、最近はパートさんと並んでお弁当にお惣菜を詰めたりしているよね。

新人B

はい。そうか、その関節部に使われているんですね。

先輩A
そうそう。結構な数の関節があるからね。たくさんのポジションセンサーが使われているよ。ただ、交換レンズ用のポジションセンサーとロボットアームの関節用のポジションセンサーには大きな違いがあるんだ。何だと思う？

新人B

うーん。パワーでしょうか。ロボットアームって物によりますけど結構なパワーがありますよね。対して交換レンズって移動距離も少ないですしガラスは重いといっても知れています。

ポジションセンサーには高速タイプと低消費電流タイプがある。

先輩A
まあ正解かな。厳密にはパワーではなくスピードだよ。ポジションセンサーにもいろいろあってハイパワーモーター用のものは高速で消費電流も多いんだけど、交換レンズ用などはそこまで高速ではなくて低消費電流なんだよ。

新人B
そうですよね。ミラーレス一眼になって電子ビューファインダーが電力を喰いますからね。バッテリーの持ちが悪いんです。さらにフォーカシング機構のポジションセンサーで電力を喰ったら使い物にならないです。

先輩A
そういうことだよ。まあ、いろいろなタイプがあるんだ。ここでまとめておこうか。

●方式

● 出力

● タイプ

新人B
高速化のためには何が必要なんでしょう？

先輩A
まあ、いろいろ方法があるんだけど、ポジションセンサーではなくてリニアスケールの方を変えるというのがあるんだ。

新人B
シマシマ模様の方を変えるんですか？

先輩A
そうだね。等間隔シマシマを複雑な模様にするわけさ。専門用語でアブソリュート方式っていうんだけどね。ちなみに、等間隔のシマシマはインクリメンタル方式って言うんだよ。まあ、難しい話になるので、シマシマのバーコードが2次元バーコードになるって感じと思ってくれれば良いかな。

新人B
ああ、何となく複雑な処理が必要になりそうって気がしますけどイメージできます。

先輩A
そうだね。ポジションセンサーも変えないといけなくなるけど、今 居る位置が番地として出力されるので、どちら側にどの位動かせば良いかわかるんだ。データ処理は複雑になるけど。まあ、これぐらいにしておこうか。

新人B
ありがとうございました。

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