ノギスと同じ静電容量方式で精度40µm、部品代32ドルのリニアエンコーダー。基板から試験治具まで設計一式を公開

安価なデジタルノギスは、スライダーと本尺の電極の間の静電容量で位置を読んでいる。この仕組みを2枚のプリント基板に開き、回路から試験の手順まで公開したリニアエンコーダーが出てきた。

Nick Steele氏は「Open-Source Capacitive Linear Encoder」をGitHubで公開している。READMEは、オープンソースのDRO（工作機械の位置表示器）向けセンサーやデジタルノギスを想定した設計で、部品代は送料別でおよそ32ドルとする。最初のコミットは2026年9月22日で、10月17日には作者自身がKiCadのフォーラムで紹介した。

ノギスの中身を2枚の基板に開く

READMEによると、構成は軸に沿って動く「センサー基板」と、軸に固定する「反射板基板」の2枚だ。反射板には部品が載っておらず、T字形の銅パッドが並ぶだけ。2枚は触れ合わず、銅の面どうしを約0.1mm離す。この隙間は、3Dプリントのスペーサーより扱いやすく正確だったというカプトンテープの2枚重ねで作る。

センサー基板の裏には、8本ずつ繰り返す送信電極と受信電極がある。マイコンのSTM32L476が8本の電圧を16段階で切り替えると、反射板のパッドが重なる電極から受信電極へ電荷が移る。それをマイコン内蔵のオペアンプで組んだ積分回路で受け、ADCで読む。切り替えは毎秒1万6,000回、16段階で1周するので、位置は毎秒1,000回求まる。

1周期は5.08mmで、その中の位置を測り、何周期進んだかを数えて位置をつなぐ。出力は460,800bpsのUARTだ。READMEは位置を求めるアルゴリズムを図付きで解説し、電極の縁の電界の回り込みがあるため、基板を密着させるより0.1mm離したほうが誤差が小さいことも示している。

基板はKiCad 9のデータで、製造用ファイルは10月22日付の「development」版として自動で書き出されている。ハードウェアの文書によれば、センサー基板は4層で、2層版では0.1mm程度の余分な誤差が出た。反射板はパッドの並びを5.08mm間隔で複製すれば延ばせるが、試験済みの長さは1種類だけだ。

3Dプリンターを送り台に、ミツトヨと突き合わせる

精度40µmの根拠は、試験の文書にある。3DプリンターのPrusa MK4Sに3Dプリントの治具を載せ、センサーを9mmにわたって0.1mm刻みで動かし、同じ治具に付けたミツトヨのデジタルインジケーター543-793B-12の値と比べた。

誤差のグラフは、9mmの範囲でおおむね0〜マイナス0.035mmの間を波打つ。最大の要因は位置に連動して繰り返す三角形の誤差で、電極1本分（0.635mm）ごとの小さな誤差が重なる。0〜2mmの20µmほどのずれは3Dプリントの治具のたわみだろうと作者は見ており、10〜14Hz付近にはプリンター自体の揺れも乗る。40µmは、作者がこのグラフを目で読んで控えめに切り上げた値で、厳密な数値を掲げる段階ではないとしている。

限界もREADMEに並ぶ。基板の間の液体に弱く、長い距離では熱膨張も効く。電源を入れた位置をゼロとみなすインクリメンタル式なので、起動のたびに原点合わせが要る。追従速度は毎秒0.6m程度と見積もるが未試験で、隙間や傾きへの感度も測っていない。STM32L4が手に入りにくくなってきたため、一般的なSTM32と個別部品の回路へ移る計画もある。最初の版の精度は約0.5mmで、目標は10µm。フォーラムでは、次の版で2本の目盛りによる絶対位置の検出をめざすと書いている。

静電容量・電磁誘導・光学、それぞれの使いどころ

静電容量でノギスの位置を測る仕組みを記した早い特許に、Nils Andermo氏の米国特許4,420,754がある。基になったスウェーデンでの出願は1977年12月で、米国では1983年12月に登録された。明細書は、本尺側の電極を互いにも周囲にも電気的につながず、電子回路をスライダー側に置ける構成を示し、手持ちの測定具に使える低消費電力を目的に挙げる。今回の反射板が部品を持たないのも、同じ考え方にあたる。

ミツトヨの沿革によると、同社は1983年に「デジマチックノギス」の生産を始め、1993年には絶対位置方式（ABS）のデジマチックノギスの生産を始めた。同社のNCリニアスケールの資料は、工作機械向けAT715の電磁誘導方式について、コイル間の透磁率は空気でも水でも油でも変わらないと説明し、精度を5〜10µmとする。光学式のAT103は20µmピッチのガラススケールをLEDの光で読む。磁気式では、RLSがLM10のデータシートで、直線用のシステム精度を長さ1mあたり±10µm〜±40µm（±10/±20/±40µm/m）としている。

READMEによれば、静電容量式はかつて業務用のリニアスケールにも使われたが、いまは主にホビー向けのノギスで見かける。今回のエンコーダーが向くのは、乾いた環境で数十µmを測れれば足りる用途だ。作者も、目的は学ぶことで、業務用のエンコーダーを置き換えるつもりはないと書く。

HuRoC 視点

基板の銅パッド、カプトンテープ2枚の隙間、治具に巻いたアルミホイルのシールド。ミクロンの世界を身近な材料でどこまで引き寄せられるかの試みで、送り台にした3Dプリンターの揺れまでデータに写り込んでいる。

1977年の出願から50年近く、静電容量のエンコーダーは安価なノギスの中で使われ続けてきたが、中身は専用チップに閉じていた。作者はフォーラムで、ダイヤルゲージを開けてチップの封止を剥がすと、静電容量式のノギスと同じフリップチップが入っていたと書いている。今回の公開は、その黒い箱を回路図とコードに開いたものだ。

メイカーや中小の工場には、手持ちのフライス盤へのDROの後付けや、自作CNC・ロボットの直動軸への位置フィードバックといった使い道が考えられる。液体と温度への対策、起動時の原点合わせは使う側の設計に委ねられる。作者がとくに助けを求めるのは機構設計だ。精密加工を得意とする大田区の工房なら、3Dプリントの治具を金属に置き換えて測り直す、という形で加われる。

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出典

• nichlock/open-linear-scale（GitHub リポジトリ、README） — 最初のコミット 2026-09-22、2026-10-21 最終更新
• open-linear-scale ハードウェアの文書（hardware/README.md）
• open-linear-scale 機構と試験治具の文書（mechanical/README.md）
• open-linear-scale 試験と精度解析の文書（tests/README.md）
• open-linear-scale ファームウェアの文書（firmware/README.md）
• open-linear-scale ライセンス（LICENSE）
• open-linear-scale development リリース — 2026-10-22
• Open-source 40um/1.6thou capacitive encoder（作者 nichlock による KiCad フォーラムの投稿） — 2026-10-17
• US4420754A: Measuring device for capacitive determination of the relative position of two with respect to one another moveable parts（Google Patents） — 優先日 1977-12-09（スウェーデン出願）、1983-12-13 登録
• ミツトヨのあゆみ（ミツトヨ）
• NC Linear Scale Systems（ミツトヨ）
• LM10 linear magnetic encoder system（RLS）
• LM10 データシート LM10D01_24（RLS）