코드 디스크 기초
코드 디스크란 무엇인가: 엔코더 속 가장 중요한 부품
광학식 엔코더를 열면 광원, 코드 디스크, 리드헤드, 회로 기판이 있다. 코드 디스크는 축과 함께 회전하며 정밀한 패턴을 담은 부품이다. 이 글은 코드 디스크가 어디에 있고 무슨 일을 하는지, 왜 엔코더의 상한을 결정하는지, 그리고 디스크·코드 스트립·광학 스케일 등 흔한 형태를 설명한다.
광학식 엔코더를 처음 열어 본 사람은 대개 조금 놀란다. 안에는 복잡한 기구가 없고 축 하나, 회로 기판 하나, 하우징, 그리고 가운데에 얇은 원판 하나가 있을 뿐이다. 그 원판이 바로 코드 디스크다. 눈에 띄지 않지만 엔코더 전체에서 진짜 “눈금”을 지닌 유일한 부품이다.
코드 디스크는 어디에 있나
흔한 투과형 광학식 엔코더를 예로 들면 아래에서 위로 대략 축과 베어링 하우징, 광원, 코드 디스크, 리드헤드, 회로 기판, 하우징 순서이다(그림 1 참조).
- 코드 디스크는 허브로 축에 고정되어 축과 함께 회전한다.
- 광원은 디스크 한쪽에, 리드헤드는 다른 쪽에 있으며 둘 다 고정되어 있다.
- 회로 기판은 리드헤드에서 온 신호를 처리하고, 하우징은 먼지를 막고 외부 미광을 차단한다.
반사형은 광원과 수광부를 디스크의 같은 쪽에 두지만 코드 디스크의 역할은 같다.
코드 디스크는 무슨 일을 하나
한마디로 “얼마나 회전했는가”를 “빛이 몇 번 밝음에서 어둠으로 바뀌었는가”로 바꾼다.
코드 디스크에는 한 바퀴 또는 여러 바퀴의 정밀 패턴이 있다. 인크리멘탈 트랙에는 등간격의 선이, 원점 트랙에는 한 회전에 창이 하나만 있고, 앱솔루트 디스크에는 코드 트랙이 추가로 있다. 선은 빛을 통과시키지 않고 틈은 통과시킨다. 디스크가 한 피치 회전할 때마다 리드헤드에 닿는 빛은 밝음과 어둠을 한 번 반복한다. 리드헤드 안의 인덱스 격자와 포토디텍터가 이 변화를 전기 신호로 바꾸고, 회로가 이를 펄스로 정형하거나 보간으로 보낸다.
다시 말해 엔코더의 모든 위치 정보는 근원적으로 코드 디스크의 패턴에서 나온다. 나머지 부품은 조명, 수광, 처리, 보호를 담당한다.
왜 코드 디스크가 상한을 정하나
회로는 증폭, 필터링, 보간을 할 수 있지만 코드 디스크가 준 신호를 가공할 뿐이다. 코드 디스크의 여러 특성이 엔코더의 사양과 직접 대응한다.
| 코드 디스크 특성 | 대응하는 엔코더 사양 |
|---|---|
| 선 수 | 기본 분해능: 신호 한 주기에 해당하는 각도 |
| 선 위치 정확도 | 정확도: 선 위치 오차가 그대로 읽음값에 들어간다 |
| 트랙과 축의 동심도 | 편심 오차: 회전당 한 주기의 정현파 오차 |
| 선폭, 에지, 차광성 | 신호 진폭과 콘트라스트, 보간을 얼마나 할 수 있는지 |
| 기판 재질 | 내충격성, 내열성, 열팽창 |
계산 예 두 가지. 2500선 디스크는 구형파를 4체배하면 한 회전에 10000카운트가 되고, 각 카운트는 약 129.6″이다. 회로가 디스크에 없는 선을 세어 주지는 않는다. 정현/여현 보간은 한 주기를 천 등분 이상으로 나눌 수 있지만 신호가 충분히 깨끗해야 한다. 선 자체가 몇 각초 어긋나 있다면 아무리 잘게 나눠도 그 각초는 읽음값에 남는다.
이번에는 조립이다. 읽기 반경 20 mm인 디스크에서 5 μm 편심 조립은 단일 리드헤드 기준 약 52″의 오차를 만든다(Δθ ≈ e ÷ r). 코드 디스크에 센터링 링을 만드는 이유가 여기에 있다.
흔한 형태: 디스크, 코드 스트립, 광학 스케일
같은 원리를 여러 형태로 구현할 수 있다(그림 2 참조).
- 원형 디스크: 회전각을 측정한다. 서보 모터, 회전 테이블, 로봇 관절 등에 쓰인다.
- 코드 스트립: 직선 변위를 측정하는 유연한 띠이다. 프린터 캐리지에 코드 스트립이 흔히 쓰인다.
- 광학 스케일: 선을 직선 자 위에 만든다. CNC 공작기계의 풀 클로즈드 루프 제어에서는 모터 엔코더에 더해 광학 스케일을 쓴다.
기판도 여러 종류다. 유리 디스크의 선은 보통 유리에 증착한 크롬으로, 포토리소그래피와 에칭으로 만들어 아주 가늘고 많은 선을 만들 수 있다. 금속 디스크는 주로 스테인리스강으로 반사형이며 충격과 진동에 강하다. PC(폴리카보네이트) 디스크는 가볍고 잘 깨지지 않아 대량·저비용 용도에 맞는다.
정리
코드 디스크는 엔코더에서 “눈금”을 지닌 부품이며 모든 위치 정보가 여기서 나온다. 선 수가 기본 분해능을 정하고, 선 정확도와 동심도가 정확도의 기초이며, 선 품질이 신호의 좋고 나쁨을 결정한다. 엔코더를 어떻게 평가하든 결국 이 원판으로 돌아온다.
중국어 원문 기사 번역 (0011). ENC7 코드 디스크 제조사 (문의) · 기술 자료 · https://enc7.com
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