Sintomo: crollo di ampiezza a un angolo fisso – localizzazione di difetti locali e contaminazioni

Se a ogni giro, sempre allo stesso angolo, l’ampiezza del segnale cala di colpo, sul disco c’è quasi sempre un difetto locale o una macchia. La profondità del calo è circa uguale all’area coperta divisa per l’area della finestra di lettura, la durata in arco circa alla lunghezza del difetto più la larghezza della finestra. Questo articolo spiega come risalire dalle letture all’oscilloscopio a dimensione e posizione angolare del difetto, descrive le caratteristiche del segnale di tre tipi di difetto e fornisce criteri per il calo di ampiezza ammissibile.

Il disco ruota a velocità costante e l’ampiezza è normale sulla maggior parte degli angoli, ma ogni volta che si arriva a una certa posizione fissa si forma un avvallamento che dura alcuni gradi; confrontandolo con l’impulso Z, la posizione dell’avvallamento coincide sempre. Ciò indica che il problema è legato a un punto preciso del disco: graffio, residuo di cromo, particella o impronta digitale. Invece di cercare al microscopio su tutto il disco, conviene prima ricavare dall’avvallamento all’oscilloscopio dimensione, natura e posizione del difetto, e poi verificare in modo mirato.

Profondità e larghezza dell’avvallamento

Consideriamo la scansione a campo singolo (tutte le fasi intercalate nella stessa finestra di lettura). Se il difetto è più grande del passo, la parte di finestra che copre non produce più modulazione; le quattro fasi sono colpite nella stessa proporzione e le ampiezze di A e B calano in egual misura:

d = A_overlap / (W·H)

dove A_overlap è l’area di sovrapposizione tra difetto e finestra, W e H sono la larghezza tangenziale e l’altezza radiale della finestra. Detti L la lunghezza tangenziale del difetto e h la sua larghezza radiale, l’arco lungo il quale attraversa la finestra è L + W e l’angolo di durata è:

Δθ ≈ (L + W) / r

L’avvallamento è in genere trapezoidale: i due fianchi occupano ciascuno min(L, W), il fondo piatto |L − W|, la profondità massima è min(L, W)·min(h, H)/(W·H); per difetti ellittici si moltiplica inoltre per circa π/4. Se il difetto è più piccolo del passo, il risultato dipende da dove si trova, su una linea di cromo o su una fenditura trasparente, e per un singolo difetto può variare tra 0 e circa 2 volte.

Esempio di calcolo: r = 20 mm, 5000 linee (p ≈ 25,1 μm), finestra di lettura 1,0 × 0,5 mm (ipotesi):

Ricavare la dimensione del difetto dall’oscilloscopio

Le letture di tempo risentono delle fluttuazioni di velocità; è più affidabile contare i periodi del segnale. Se l’avvallamento dura in totale N_tot periodi, il fondo piatto N_f e un singolo fianco N_r, e il passo è p, allora:

L + W = N_tot·p, |L − W| = N_f·p, min(L, W) = N_r·p

Se N_r·p è vicino alla larghezza della finestra W, allora L ≥ W e la lunghezza del difetto è L = (N_tot − N_r)·p; altrimenti L = N_r·p. Dalla profondità si ricava poi la dimensione radiale h ≈ d·W·H/min(L, W). Se l’illuminazione della finestra non è uniforme, i bordi dell’avvallamento si arrotondano: come lunghezza del fianco conviene prendere il numero di periodi tra il 10% e il 90% della profondità ed estrapolare opportunamente.

Posizione angolare: si contano i periodi n_c dall’impulso Z al centro dell’avvallamento; l’angolo è Δφ = n_c·360°/N. La posizione del difetto sul disco si trova contando Δφ a partire dalla linea Z in senso contrario alla rotazione e sottraendo lo sfasamento tangenziale tra rivelatore Z e centro della finestra incrementale indicato nel disegno della testina. Al microscopio si ruota il disco, con la linea Z come riferimento, fino a quell’angolo e si cerca nella fascia r ± H/2 attorno al raggio di lettura; di solito basta un campo visivo per trovarlo.

Caratteristiche del segnale di tre tipi di difetto

Dalla sola ampiezza alternata non si distingue la natura del difetto: occorre guardare anche la componente continua. L’uscita differenziale elimina la componente continua, per cui servono i punti di prova single-ended della testina o la somma delle quattro fasi (vedi Figura 3):

• Strato di cromo graffiato fino al vetro: nel punto del difetto la luce passa tutta; la componente alternata cala di f, quella continua invece sale, di circa f con duty cycle del disco al 50%. Fronti ripidi; graffi tangenziali lunghi e poco profondi, graffi radiali corti e squadrati.
• Residuo di cromo o particella opaca: componente alternata e continua calano nella stessa proporzione; la forma dell’avvallamento dipende dal contorno del difetto, di solito un singolo punto.
• Impronta digitale o film d’olio: soprattutto diffusione. Se la quota diffusa è s e di questa una frazione η arriva comunque sul rivelatore, la componente alternata cala di s e quella continua solo di s·(1 − η): l’alternata cala più della continua. Bordi sfumati, angolo di durata lungo, forma irregolare, spesso su aree estese. Il modello quantitativo della diffusione è nell’articolo sulla contaminazione di questa raccolta.

C’è poi un caso simile all’apparenza ma non legato all’angolo: lo sporco sulla finestra della testina o sul reticolo di scansione. Produce un calo di ampiezza o un offset costante su tutto il giro, senza fase fissa rispetto a Z, e si distingue così dai difetti sul disco.

Criteri per il calo di ampiezza ammissibile

Nella scansione a campo singolo l’avvallamento è una variazione di modo comune di A e B; l’interpolazione atan2 di per sé non introduce errore e il criterio riguarda soprattutto il margine: l’ampiezza minima A·(1 − d − η_other) deve restare con margine sopra la soglia di allarme e, con uscita a onda quadra, anche sopra l’isteresi del comparatore; il peso relativo di un offset fisso aumenta di 1/(1 − d). In genere un d fino al 10% non crea problemi, oltre il 20% occorre intervenire (criterio di esempio, da adattare alla soglia di allarme del prodotto).

Nella lettura a campi separati (finestre indipendenti per A+, B+, A−, B−) i requisiti sono molto più severi: se il difetto cade in un solo campo, genera un offset di circa f/(2M), dove M è la profondità di modulazione. Con M = 0,5 e offset ammesso dell'1% (circa 1″ con 2048 linee), l’area coperta ammessa in un singolo campo è solo dell'1% circa.

Va considerato anche l’effetto della velocità: a bassa velocità il controllo automatico del guadagno o l’autocalibrazione possono inseguire l’avvallamento, «spianandolo» ma introducendo salti di offset; ad alta velocità l’avvallamento dura pochissimo. Si misura quindi a bassa velocità fissa, con il controllo automatico del guadagno disattivato o registrato.

Punti chiave di progettazione

• Verificare prima che l’avvallamento sia legato a Z: se è legato al disco è un difetto, se non lo è va cercato sul lato testina.
• Ricavare le dimensioni dal numero di periodi, non dal tempo: L + W = N_tot·p, |L − W| = N_f·p; la profondità dà la dimensione radiale.
• Guardare insieme la componente continua single-ended: se sale, il cromo è graffiato fino al vetro; se cala nella stessa proporzione, c’è materiale opaco; se l’alternata cala più della continua, è contaminazione diffondente.
• Nella verifica al microscopio partire dalla linea Z, contare Δφ in senso contrario alla rotazione e sottrarre lo sfasamento tangenziale tra Z e finestra incrementale.
• I campi di lettura separati tollerano i difetti locali molto meno di un array intercalato a campo singolo: i limiti dimensionali dei difetti nel controllo in accettazione vanno fissati separatamente secondo l’architettura della testina.
• Dopo la pulizia rimisurare la profondità dell’avvallamento allo stesso angolo: se diminuisce era contaminazione, se resta invariata è un difetto del disegno.

Conclusioni

L’avvallamento di ampiezza a un angolo fisso si può usare come un righello: la profondità corrisponde alla quota di area della finestra coperta, il numero di periodi alla somma delle dimensioni tangenziali di difetto e finestra, e Z fornisce la posizione angolare. Combinando questo con la salita o discesa della componente continua single-ended per stabilire la natura del difetto, si può verificare direttamente il punto indicato sul disco e fissare limiti di calo ammissibili in base all’architettura della testina.

Traduzione dell’articolo originale cinese (0204). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com

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