Dischi encoder metallici: dischi a riflessione resistenti agli urti

I dischi encoder metallici usano per lo più l’acciaio inossidabile come substrato. Le superfici lucidate a specchio costituiscono le zone riflettenti, quelle ruvide o che assorbono la luce le zone non riflettenti; la testina di lettura ricava il segnale dalla differenza di riflettanza tra le due. Resistono a urti e vibrazioni e possono essere sottili, ma sono più sensibili alla planarità e allo stato della superficie. Questo articolo ne illustra struttura, vantaggi e precauzioni d’uso.

Quando un’apparecchiatura vibra molto e subisce urti occasionali, oppure lo spazio assiale lasciato all’encoder sul retro del motore è di pochi millimetri, il disco in vetro è in difficoltà: il vetro è fragile, teme gli urti e non è facile renderlo molto sottile. I dischi metallici sono pensati proprio per questi casi; sono per lo più in acciaio inossidabile e usano un percorso ottico a riflessione.

Superficie di un disco metallico ingrandita: quando lo spot luminoso cade su una zona riflettente lucidata, la luce viene inviata al rivelatore secondo la legge della riflessione; su una zona non riflettente ruvida o assorbente la luce viene diffusa o assorbita. Quando il disco si muove, l'intens… — Figura 1 – Superficie di un disco metallico ingrandita: quando lo spot luminoso cade su una zona riflettente lucidata, la luce viene inviata al rivelatore secondo la legge della riflessione; su una zona non riflettente ruvida o assorbente la luce viene diffusa o assorbita. Quando il disco si muove, l'intensità ricevuta alterna chiaro e scuro.

Una lamiera di acciaio inossidabile, due superfici

Il metallo non lascia passare la luce, quindi un disco metallico forma il pattern non con «trasparente / opaco» ma con «riflettente / non riflettente»:

Zone riflettenti: superficie lucidata a specchio. La luce viene riflessa in una direzione secondo la legge della riflessione e raggiunge esattamente il rivelatore della testina.
Zone non riflettenti: o una superficie ruvida che diffonde la luce in tutte le direzioni, o un film assorbente a bassa riflettanza che la «assorbe». Entrambe le soluzioni si possono strutturare finemente con fotolitografia e incisione.

Quando il disco ruota, lo spot luminoso cade alternativamente sulle due superfici e il rivelatore riceve un segnale chiaro-scuro (Figura 1).

Il contrasto del segnale dipende dalla differenza di riflettanza delle due superfici. Con la profondità di modulazione M = (Imax − Imin) ÷ (Imax + Imin): se la zona riflettente rinvia 1 e quella non riflettente 0,1, M = 0,9 ÷ 1,1 ≈ 0,82; se la zona non riflettente è realizzata male e rinvia 0,3, M scende a circa 0,54. Che la zona non riflettente sia «abbastanza scura» conta quindi quanto che quella riflettente sia «abbastanza chiara».

Vantaggi: resistenza agli urti e spessore ridotto

Resistente a urti e vibrazioni: il metallo è tenace e sotto urto non si scheggia né si rompe come il vetro.
Può essere sottile: anche una lamiera sottile ha resistenza sufficiente, adatta a strutture con poco spazio assiale.
Lettura su un solo lato: nella soluzione a riflessione sorgente e rivelatore sono sullo stesso lato del disco, la testina non deve scavalcarlo e lo spazio di montaggio è più flessibile.
Migliore abbinamento con mozzi metallici: l’acciaio inossidabile ha un coefficiente di dilatazione di circa 16–17 ×10⁻⁶/K, la lega di alluminio circa 23; rispetto al vetro sodico-calcico (circa 9) la differenza di dilatazione termica con un mozzo in alluminio è minore.

Attenzione 1: planarità

Una lamiera metallica sottile si deforma facilmente. La lettura a riflessione è piuttosto sensibile alla distanza; se il disco è imbarcato, la distanza di lettura varia con l’angolo e l’ampiezza del segnale oscilla di conseguenza (Figura 2).

Figura 2 – Con il disco imbarcato, la distanza di lettura varia con l'angolo di rotazione e l'ampiezza del segnale oscilla di conseguenza (schema).

Inoltre, se la superficie riflettente si inclina di α, il fascio riflesso devia di 2α e lo spot può uscire dal rivelatore. Occorre quindi controllare sia la planarità del disco metallico sia l’oscillazione assiale dopo il montaggio.

Attenzione 2: stato della superficie

Il segnale a riflessione dipende direttamente dalla riflettanza della superficie. Impronte digitali, film d’olio, ossidazione e graffi la modificano, rendendo il segnale più debole o disomogeneo. L’acciaio inossidabile resiste alla corrosione, ma la superficie lucidata a specchio resta sensibile alla contaminazione: maneggiare con guanti o ditali toccando solo il bordo, conservare al riparo dall’umidità e pulire con metodi adeguati.

Vanno considerate anche le variazioni di temperatura: un disco in acciaio inossidabile con un aumento di 60 K si espande di circa 19,2 μm a raggio 20 mm, influenzando la distanza di lettura di una testina a riflessione.

Dove è adatto

Apparecchiature con forti vibrazioni e urti;
Motori ed encoder modulari con poco spazio assiale che richiedono una struttura sottile;
Strutture in cui disco e testina vengono montati separatamente ed è necessaria la lettura su un solo lato.

Quando servono numeri di linee e precisioni molto elevati, i dischi in vetro restano più diffusi; la scelta può essere valutata insieme al produttore del disco.

In sintesi

Il disco metallico usa un substrato in acciaio inossidabile e forma il segnale dalla differenza di riflettanza tra superficie lucidata a specchio e superficie ruvida o assorbente. Resiste a urti e vibrazioni e può essere sottile, a costo di una maggiore sensibilità alla planarità e allo stato della superficie. La chiave per usarlo bene è controllare l’imbarcamento e proteggere la superficie a specchio.

Traduzione dell’articolo originale cinese (0016). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com