광학 인코더
광학 엔코더는 광학 격자(스케일)와 광전(포토일렉트릭) 검출을 핵심으로 하여 회전 또는 직선 변위를 전기 신호로 변환하는 장치로, CNC 공작기계, 반도체 플랫폼, 정밀 계측, 로봇, 고급 자동화에서 대표적인 위치 피드백 센서로 널리 사용됩니다. 고분해능, 낮은 세분 오차(SDE, Sub-Division Error), 우수한 반복성 덕분에 나노~마이크로미터급 위치 결정에 폭넓게 적용됩니다.
광학 엔코더란? (What is an Optical Encoder)
광학 엔코더는 광원—광학 격자—광전 검출 체인을 통해 위치 정보를 취득하는 센서입니다. 주된 구성은 주기 구조를 가진 코드 디스크/리니어 스케일(Scale/Disk)과 리드헤드(Readhead)로 이루어집니다. 리드헤드는 규정된 광학 간극에서 격자의 투과/반사로 형성된 줄무늬 또는 간섭 신호를 읽어들인 뒤, 아날로그 프런트엔드(AFE)와 보간/디코딩 회로를 거쳐 증분 A/B(참조 Z 포함 가능), 사인/코사인 1 Vpp, 혹은 절대 위치 직렬 데이터(SSI/BiSS/EnDat 등)를 출력합니다.
운동 형태에 따라 회전형 광학 엔코더(코드 디스크)와 선형 광학 엔코더(스케일)로 나뉩니다. 볼스크루/랙 등으로 간접 계산하는 방식과 비교하면, 선형 광학 엔코더는 직접 측정이 가능해 백래시, 리드 오차, 열 신장에 따른 위치 오차를 현저히 억제합니다. 회전형은 모터와 로터리 테이블에 고분해각/속도 피드백을 제공합니다.
동작 원리 (Working Principle)
1) 이미징/모아레 (Imaging/Moiré)
- 구성: 광원(LED/VCSEL) → 콜리메이팅/이미징 광학계 → 마스크/위상 격자 → 광감지 배열.
- 원리: 스케일과 리드헤드 내 참조 격자의 상대 운동으로 모아레 무늬가 생성되어 근사적인 사인/코사인 신호가 형성됩니다. 이후 보간과 진폭·위상 보정으로 고분해 위치를 산출합니다.
2) 간섭형/위상 격자 (Interferential/Phase Grating)
- 원리: 회절 차수 간 위상차가 변위에 따라 선형적으로 변하며, 중첩 결과 고순도의 사인파가 만들어집니다. SDE가 더 낮고 잠재 분해능이 더 높습니다.
3) 투과형 vs 반사형
- 투과형: 유리/세라믹 기판. 높은 SNR, 우수한 선형성으로 클린 환경 및 고정밀 위치 결정에 적합.
- 반사형: 금속화/코팅 반사 격자. 콤팩트하고 설치가 용이하지만 오염에 더 민감하므로, 밀봉·에어 퍼지·스크레이퍼 등 보호가 필요합니다.
4) 증분식과 절대식 출력 로직
- 증분식: A/B 쿼드러처(90° 위상차) 펄스. 위상 선후로 방향 결정. Z 인덱스는 구간/1회전당 1회.
- 절대식: 모든 위치에서 유일 코드(Binary/Gray)를 출력. 진단, 온도, 상태 레지스터를 포함할 수 있음.
선형 분해능 근사: Δx ≈ p / (N × M)
여기서 p = 격자 피치, N = 아날로그 보간 배수(예: 100×), M = 디지털 배주기(전형적으로 4×).
회전 엔코더 등가 각 분해능: θ_res = 360° / (라인수 × 4)
분류 (Taxonomy)
- 운동 형태: 선형 광학 엔코더 / 회전형 광학 엔코더(코드 디스크)
- 출력 방식: 증분식(TTL/HTL/RS422, 1 Vpp/11 µApp) / 절대식(SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, 병렬)
- 광학 구현: 투과 / 반사, 이미징 / 간섭형, 진폭 격자 / 위상 격자
- 하우징: 오픈형(고동특성, 저마찰) / 밀폐형(IP65–IP67, 오일 미스트·냉각수 대응)
- 스트로크/기판: 유리/세라믹(낮은 CTE), 스틸 테이프(장거리), 코팅 반사 격자 등
핵심 부품과 신호 체인 (Signal Chain)
- 광원·광학계: LED/레이저, 콜리메이션/집광이 조도 균일도와 온도 드리프트를 좌우. 광원 에이징 및 출력 피드백 루프로 안정화.
- 격자/디스크: 피치
p, 듀티 및 위상 정밀도가 신호 순도와 SDE를 결정. - 광감지 배열/AFE: 다채널 샘플링, ABC 밸런싱(자동 이득/오프셋/위상 평형).
- 보간/코딩 ASIC: 진폭·위상 보정, 타원율 보정, 디지털 필터링 및 지터 억제, 프로토콜 인코딩과 라인 드라이버.
- 물리 계층: RS422 차동, 1 Vpp/11 µApp, 종단 임피던스와 케이블 배선(차폐/접지) 전략.
출력과 인터페이스 (Outputs & Interfaces)
| 출력 포맷 | 대표 신호 | 설명 |
|---|---|---|
| 증분 사각파 | A/B(+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC 고속 카운트, 속도/위치 루프. 원거리 전송은 차동 권장 |
| 사인/코사인 | 1 Vpp, 11 µApp | 초고분해 보간. SDE와 지터는 체인 품질에 좌우 |
| 절대 직렬 | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | 단/다회전 절대값, 진단/온도/알람 레지스터 |
| 필드버스 | EtherCAT, PROFINET, CANopen | 다축 동기화, 분산 클록, 온라인 구성 |
대역폭 추정(선형): f_max ≈ (v / p) × edges
여기서 v = 선속도, edges = 주기당 유효 에지 수(예: 쿼드러처 4×).
성능 지표 (Key Specifications)
| 지표 | 전형 범위/설명 |
|---|---|
| 분해능 | 선형: 1 µm → 1 nm; 회전: ≤ 24 bit 등가 |
| 선형 정확도 | 하이엔드 광학: ±1~±3 µm/m; 표준: ±3~±10 µm/m |
| 반복성 | ≤ ±0.1~±0.3 µm(선형); 각도형은 서브 아크초 수준 가능 |
| SDE(세분 오차) | 고품질 1 Vpp 체인: ±20~±80 nm |
| 지터 | 수십 나노미터 수준. AFE 및 클록 위상 잡음 영향 |
| 위상/듀티 오차 | A/B 위상 90° ±(1~5)°; 듀티 50% ±(2~10)% |
| 속도 성능 | 선형 > 1 m/s, 회전 최대 12,000+ RPM(인터페이스 의존) |
| 환경 등급 | IP40(오픈) ~ IP67(밀폐), IEC 60068-2(진동/충격) 준거 |
설치와 오차 요인 (Installation & Error Sources)
- 에어 갭 및 자세(피치/롤/요) 편차 → 진폭 불균형 및 SDE 증가
- 아베 오차: 오프셋 × 각도 오차. 측정선이 가급적 운동 중심을 통과하도록 하거나 소프트웨어로 보상
- 코사인 오차(소각 근사):
e ≈ (L × θ²) / 2 - 편심/축 런아웃(회전): 각도 오차에 기본/2차 고조파 유발
- 열팽창계수(CTE): 유리/세라믹은 낮음. 스틸 테이프는 열 보상과 플로팅 고정 필요
- EMC/접지: 단일점 접지, 적절한 차폐와 리턴 경로 설계로 공통 모드/접지 루프 억제
교정과 보상 (Calibration & Compensation)
- 선형 매핑: 레이저 간섭계/볼바로 얻은 오차 곡선을 컨트롤러 LUT에 탑재
- 열 드리프트 보상: 스케일/기계 온도와 CTE 모델을 결합해 실시간 보정
- 진폭·위상/타원율 보정: 보간 전 자동 이득/오프셋/위상 평형
- 참조 전략: 거리 인코딩된 참조점으로 홈 복귀 거리 단축 및 재현성 향상
타 원리 대비 (Comparisons)
| 기술 | 분해능/정확도 | 오염/환경 내성 | 전형 스트로크 | 주요 한계 |
|---|---|---|---|---|
| 광학 엔코더 | ★★★★★ | ★★★ | 중/장거리 | 오염·결로에 민감, 설치 정밀도 요구 |
| 자기식 엔코더 | ★★☆ | ★★★★ | 장거리 | 선형성 및 SDE 열세 |
| 유도/정전용량식 | ★★★ | ★★★★ | 중거리 | 인접 금속/와전류 또는 수분에 민감 |
| 리졸버/포텐셔미터 | ★★ | ★★★★★/★ | 중/단거리 | 분해능 낮음 또는 인터페이스 비직관적 |
적용 분야 (Applications)
CNC(선형축/회전축), CMM(좌표 측정기) 및 계측 플랫폼, 반도체 얼라인/노광/검사, 정밀 스테이지, 로봇 관절과 감속기 백래시 모니터링, 의료 영상/방사선 치료 장비, 인쇄·포장 동기 제어, 전자 부품 실장/검사와 고속 반송 등.
유지보수와 트러블슈팅 (Maintenance & Troubleshooting)
- 일상 관리: 정기적 청소(무먼지 천 + 적합한 용제), 케이블 최소 굽힘 반경/차폐 점검, 온습도·결로 모니터링
- 주요 증상과 대응:
- 펄스 누락/에지 드롭: 간극 초과, 오염 차광 → 자세 재조정/청소/밀봉·에어 퍼지 추가
- SDE/지터 증가: AFE/보간 체인 잡음, 접지 불량 → 전원·배선·종단 최적화
- 절대 통신 실패: SSI/BiSS/EnDat 파라미터 또는 극성 불일치 → 프레임 길이, CRC, 타이밍, 임피던스 재확인
- 각도 고조파 오차(회전): 편심/런아웃 → 동심도·베어링 강성 개선, 고조파 보상
선정 가이드 (Selection Guide)
- 목표 정확도/반복성(µm/m 또는 각초)과 동적 속도
- 광학 원리(투과/반사, 이미징/간섭)와 격자 피치
p - 출력 인터페이스(A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, 버스)와 컨트롤러 대역폭
- 하우징·환경(오픈/밀폐, IP 등급, 냉각수/분진 존재)
- 기계·열 설계(간극/자세 공차, CTE, 플로팅 장착)
- 보상·진단(오차 맵, 온도/상태 레지스터, 온라인 알람)
- 수명주기(케이블/리드헤드 유지보수성, 예비 부품 가용성, 교정 능력)
표준과 참고 (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP 보호 등급)
- IEC 60068-2 (진동/충격/온습)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (산업용 EMC 내성/방사)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (공작기계 위치·열 특성 시험)
- ISO 10360 (CMM 검증)
- ISO 14644 (클린룸 요구사항)
요약: 광학 엔코더의 원리, 성능 지표, 인터페이스, 설치·보상 요점을 종합적으로 이해하면, 복잡한 공정 환경에서도 고정밀, 높은 견고성, 우수한 진단성을 갖춘 장기 안정 운용이 가능합니다.