📘 วิกิเอนโค้ดเดอร์
เอนโคเดอร์แบบออปติคัล
ออปติคัลเอนโค้ดเดอร์ (Optical Encoder) ใช้ สเกล/ดิสก์แบบมีลวดลาย (grating) และการตรวจจับโฟโตอิเล็กทริก เป็นแกนหลัก เพื่อแปลงการเคลื่อนที่แบบหมุนหรือเชิงเส้นให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์ป้อนกลับตำแหน่งหลักใน เครื่องจักร CNC, แพลตฟอร์มเซมิคอนดักเตอร์, เมโทรโลยีความแม่นยำ, หุ่นยนต์ และ ระบบอัตโนมัติระดับไฮเอนด์ อาศัย ความละเอียดสูง, ข้อผิดพลาดการแบ่งย่อย (Sub-Division Error; SDE) ต่ำ และ ความทำซ้ำได้ยอดเยี่ยม จึงถูกใช้งานอย่างแพร่หลายสำหรับการจัดวางตำแหน่งระดับนาโนถึงไมโครเมตร
ออปติคัลเอนโค้ดเดอร์คืออะไร (What is an Optical Encoder)
ออปติคัลเอนโค้ดเดอร์เป็นเซนเซอร์ที่ได้มาซึ่งข้อมูลตำแหน่งผ่านสายโซ่ แหล่งกำเนิดแสง → สเกล/เกรตติง → การตรวจจับโฟโตอิเล็กทริก แกนกลางประกอบด้วย ดิสก์/สเกลที่มีโครงสร้างคาบ (Scale/Disk) และ หัวอ่าน (Readhead): ภายในช่องว่างเชิงแสงที่กำหนด หัวอ่านจะรับแถบลาย (fringe) หรือสัญญาณอินเตอร์เฟอเรนซ์ที่เกิดจากการส่งผ่าน/สะท้อนบนเกรตติง จากนั้นผ่าน อนาล็อกฟรอนต์เอนด์ (AFE) และวงจร อินเตอร์โพเลชัน/ถอดรหัส เพื่อส่งออก สัญญาณเพิ่มพูน A/B (อาจมีจุดอ้างอิง Z), ซายน์/โคซายน์ 1 Vpp, หรือ ข้อมูลตำแหน่งแบบสัมบูรณ์ในรูปแบบอนุกรม (เช่น SSI/BiSS/EnDat ฯลฯ)
ตามรูปแบบการเคลื่อนที่ แบ่งเป็น เอนโค้ดเดอร์ออปติคัลแบบหมุน (ดิสก์) และ แบบเชิงเส้น (สเกล) เมื่อเทียบกับการคำนวณทางอ้อมผ่านบอลสกรู/เฟืองสะพาน เอนโค้ดเดอร์เชิงเส้นให้การ วัดโดยตรง ช่วยลดข้อผิดพลาดจาก แบ็กลาช, พิตช์ของสกรู และ การขยายตัวจากความร้อน ได้อย่างมีนัยสำคัญ ส่วนเอนโค้ดเดอร์แบบหมุนให้ฟีดแบ็กมุมและความเร็วที่มีความละเอียดสูงสำหรับมอเตอร์และแท่นหมุน
หลักการทำงาน (Working Principle)
1) การถ่ายภาพ/แถบลายมัวเร (Imaging/Moiré)
- โครงสร้าง: แหล่งแสง (LED/VCSEL) → ออปติกคอลลิเมต/ฟอร์มภาพ → หน้ากาก/เกรตติงแบบเฟส → อาร์เรย์ไวแสง
- กลไก: การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างสเกลกับเกรตติงอ้างอิงในหัวอ่านก่อให้เกิดแถบลายมัวเร สร้างสัญญาณซายน์/โคซายน์เกือบเป็นคาบสมบูรณ์; จากนั้นใช้การอินเตอร์โพเลตและการปรับสมดุลแอมพลิจูด/เฟสเพื่อให้ได้ความละเอียดสูง
2) แบบอินเตอร์เฟอเรนเชียล/เกรตติงเฟส (Interferential/Phase Grating)
- กลไก: ความต่างเฟสระหว่างอันดับการเลี้ยวเบนเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นตามการกระจัด การซ้อนทับให้คลื่นไซน์ความบริสุทธิ์สูง ส่งผลให้ SDE ต่ำ และศักยภาพความละเอียดที่สูงกว่า
3) ส่งผ่าน vs สะท้อน (Transmission vs Reflection)
- แบบส่งผ่าน: ใช้แผ่นรองแก้ว/เซรามิก อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงและเชิงเส้นดี เหมาะกับสภาพแวดล้อมสะอาดและการจัดวางละเอียด
- แบบสะท้อน: เกรตติงสะท้อนแบบเมทัลไลซ์/เคลือบผิว โครงสร้างกะทัดรัด ติดตั้งง่าย แต่ไวต่อการปนเปื้อนมากกว่า → ต้องการซีลที่ดีและ ม่านอากาศ/ใบปัดคราบ
4) ตรรกะสัญญาณเอาต์พุตแบบเพิ่มพูนและแบบสัมบูรณ์
- แบบเพิ่มพูน: พัลส์ A/B แบบควอดราทัวร์ (เยื้องเฟส 90°) ทิศทางอนุมานจากลำดับเฟส; จุดอ้างอิง Z ปรากฏหนึ่งครั้งต่อช่วงชัก/ต่อรอบ
- แบบสัมบูรณ์: ทุกตำแหน่งให้ รหัสเฉพาะ (ไบนารี/เกรย์) และอาจมี การวินิจฉัย, อุณหภูมิ, และ รีจิสเตอร์สถานะ
ความละเอียดเชิงเส้นโดยประมาณ: Δx ≈ p / (N × M)
โดยที่ p = ระยะพิตช์ของเกรตติง, N = อัตราการอินเตอร์โพเลตแบบอนาล็อก (เช่น 100×), M = ค่าคูณดิจิทัล (โดยทั่วไป 4×)
ความละเอียดเชิงมุมสมมูลของเอนโค้ดเดอร์แบบหมุน: θ_res = 360° / (จำนวนเส้น × 4)
การจัดหมวดหมู่ (Taxonomy)
- ตามรูปแบบการเคลื่อนที่: เอนโค้ดเดอร์ออปติคัลเชิงเส้น / เอนโค้ดเดอร์ออปติคัลแบบหมุน (ดิสก์)
- ตามสัญญาณเอาต์พุต: แบบเพิ่มพูน (TTL/HTL/RS422; 1 Vpp/11 µApp) / แบบสัมบูรณ์ (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, แบบขนาน)
- ตามการทำออปติก: ส่งผ่าน / สะท้อน; ถ่ายภาพ / อินเตอร์เฟอเรนเชียล; เกรตติงแบบแอมพลิจูด / แบบเฟส
- ตามแพ็กเกจ: แบบเปิด (ไดนามิกสูง แรงเสียดทานต่ำ) / แบบซีล (IP65–IP67 ทนละอองน้ำมันและน้ำยาหล่อเย็น)
- ตามช่วงวัด/วัสดุฐาน: แก้ว/เซรามิก (CTE ต่ำ), แถบเหล็ก (ช่วงวัดยาว), เกรตติงสะท้อนเคลือบฟิล์ม เป็นต้น
องค์ประกอบสำคัญและสายโซ่สัญญาณ (Signal Chain)
- แหล่งกำเนิดแสงและออปติก: LED/เลเซอร์ การคอลลิเมต/โฟกัส กำหนดความสม่ำเสมอของส่องสว่างและดริฟต์ความร้อน; ควรมีการเร่งอายุควบคุมและลูปควบคุมกำลัง
- เกรตติง/ดิสก์: พิตช์
p, ดิวตี้ไซเคิล และความแม่นยำของเฟส กำหนดความบริสุทธิ์ของสัญญาณและ SDE - อาร์เรย์ไวแสง/AFE: หลายช่องทาง พร้อมการปรับเกน/ออฟเซ็ต/เฟสอัตโนมัติ (สมดุล ABC)
- ASIC สำหรับอินเตอร์โพเลชัน/เข้ารหัส: การแก้แอมพลิจูด/เฟส, ชดเชยความรี (ellipticity), ฟิลเตอร์ดิจิทัลและการลด jitter, การเข้ารหัสโปรโตคอล และ ไดรเวอร์สายสัญญาณ
- ชั้นฟิสิคัล: RS422 แบบดิฟเฟอเรนเชียล, 1 Vpp/11 µApp; การออกแบบ อิมพีแดนซ์เทอร์มิเนชัน, การวางสาย (ชิลด์/กราวด์) และเส้นทางกระแสย้อนกลับ
เอาต์พุตและอินเทอร์เฟซ (Outputs & Interfaces)
| รูปแบบเอาต์พุต | สัญญาณตัวอย่าง | คำอธิบาย |
|---|---|---|
| สี่เหลี่ยมแบบเพิ่มพูน | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | เคาน์เตอร์ความเร็วสูงของ PLC วงรอบความเร็ว/ตำแหน่ง; ระยะไกลควรใช้สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล |
| ไซน์/โคไซน์ | 1 Vpp, 11 µApp | ความละเอียดสูงยิ่งด้วยอินเตอร์โพเลชัน; SDE และ jitter ขึ้นกับคุณภาพของสายโซ่ |
| อนุกรมแบบสัมบูรณ์ | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | ค่าสัมบูรณ์แบบหนึ่ง/หลายรอบ รีจิสเตอร์วินิจฉัย/อุณหภูมิ/แจ้งเตือน |
| ฟิลด์บัส | EtherCAT, PROFINET, CANopen | ซิงโครไนซ์หลายแกน นาฬิกากระจาย ศักยภาพกำหนดค่าออนไลน์ |
ประมาณแบนด์วิดท์ (เชิงเส้น): f_max ≈ (v / p) × edges
โดยที่ v = ความเร็วเชิงเส้น และ edges = จำนวนขอบที่ใช้ได้ต่อคาบ (เช่น คูณ 4×)
ตัวชี้วัดสมรรถนะ (Key Specifications)
| ตัวชี้วัด | ช่วง/คำอธิบายทั่วไป |
|---|---|
| ความละเอียด | เชิงเส้น: 1 µm → 1 nm; แบบหมุน: ≤ 24 บิตสมมูล |
| ความแม่นยำเชิงเส้น | ระดับออปติกไฮเอนด์: ±1–±3 µm/m; มาตรฐาน: ±3–±10 µm/m |
| ความทำซ้ำได้ | ≤ ±0.1–±0.3 µm (เชิงเส้น); แบบเชิงมุมอาจต่ำกว่าหนึ่งวินาทีของมุม |
| SDE (ข้อผิดพลาดการแบ่งย่อย) | สำหรับสายโซ่ 1 Vpp คุณภาพสูง: ±20–±80 nm |
| Jitter | ระดับหลายสิบนาโนเมตร ขึ้นกับ AFE และสัญญาณรบกวนเฟสนาฬิกา |
| ข้อผิดพลาดเฟส/ดิวตี้ | เฟส A/B = 90° ± (1–5)°; ดิวตี้ 50% ± (2–10)% |
| ศักยภาพความเร็ว | เชิงเส้น > 1 m/s; แบบหมุนสูงสุด > 12,000 RPM (ขึ้นกับอินเทอร์เฟซ) |
| ระดับสภาพแวดล้อม | ตั้งแต่ IP40 (แบบเปิด) ถึง IP67 (แบบซีล) ผ่านการทดสอบ IEC 60068-2 (สั่นสะเทือน/กระแทก) |
การติดตั้งและแหล่งกำเนิดข้อผิดพลาด (Installation & Error Sources)
- ช่องว่างอากาศและท่าทาง (pitch/roll/yaw) นอกค่าควบคุม → แอมพลิจูดไม่สมดุลและ SDE สูงขึ้น
- ข้อผิดพลาดแบบแอบเบ (Abbe Error): ระยะแขนคาน × ข้อผิดพลาดเชิงมุม; ให้แนววัดพาดผ่านจุดศูนย์กลางการเคลื่อนที่หรือชดเชยด้วยซอฟต์แวร์
- ข้อผิดพลาดโคไซน์ (สำหรับมุมเล็ก):
e ≈ (L × θ²) / 2 - เยื้องศูนย์/หน้าส่ายของดิสก์ (แบบหมุน): ก่อฮาร์มอนิกพื้นฐาน/ลำดับสองในข้อผิดพลาดเชิงมุม
- การขยายตัวจากความร้อน (CTE): แก้ว/เซรามิกมี CTE ต่ำ; แถบเหล็กต้องชดเชยความร้อนและยึดแบบลอย
- EMC/กราวด์: กราวด์จุดเดียว ชิลด์อย่างเหมาะสม และควบคุมเส้นทางกระแสกลับ เพื่อหลีกเลี่ยงโหมดร่วม/ลูปกราวด์
การปรับเทียบและการชดเชย (Calibration & Compensation)
- แม็ปปิงเชิงเส้น: วัดเส้นโค้งข้อผิดพลาดด้วย อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์/บอลบาร์ แล้วบรรจุใน LUT ของคอนโทรลเลอร์
- ชดเชยความร้อน: แก้ไขแบบเรียลไทม์ด้วยอุณหภูมิของสเกล/โครงเครื่องและโมเดล CTE
- การปรับสมดุลแอมพลิจูด/เฟส (ชดเชยความรี): ปรับออฟเซ็ต แอมพลิจูด และเฟสแบบอัตโนมัติก่อนการอินเตอร์โพเลชัน
- กลยุทธ์อ้างอิง: จุดอ้างอิงที่เข้ารหัสตามระยะทาง (distance-coded reference marks) ช่วยย่นระยะทางกลับบ้าน (homing) และเพิ่มความทำซ้ำได้
การเปรียบเทียบกับหลักการอื่น (Comparisons)
| เทคโนโลยี | ความละเอียด/ความแม่นยำ | ทนต่อสิ่งสกปรก/สภาพแวดล้อม | ช่วงวัดทั่วไป | ข้อจำกัดหลัก |
|---|---|---|---|---|
| ออปติกัลเอนโค้ดเดอร์ | ★★★★★ | ★★★ | ปานกลาง/ยาว | ไวต่อการปนเปื้อน/การควบแน่น ต้องการการติดตั้งที่เข้มงวด |
| เอนโค้ดเดอร์แม่เหล็ก | ★★☆ | ★★★★ | ยาว | เชิงเส้นและ SDE แย่กว่า |
| อินดักทีฟ/คาพาซิทีฟ | ★★★ | ★★★★ | ปานกลาง | ไวต่อโลหะใกล้เคียง/กระแสไหลวน หรือความชื้น |
| รีโซลเวอร์/โพเทนชิออมิเตอร์ | ★★ | ★★★★★/★ | ปานกลาง/สั้น | ความละเอียดต่ำ หรืออินเทอร์เฟซใช้งานไม่ตรงไปตรงมา |
การใช้งาน (Applications)
แกนเชิงเส้นและแบบหมุนใน CNC, CMM และแพลตฟอร์มเมโทรโลยี; การจัดแนว/การฉาย/การตรวจสอบ ในงานเซมิคอนดักเตอร์; แท่นเคลื่อนที่ความแม่นยำสูง; ข้อต่อหุ่นยนต์และการมอนิเตอร์แบ็กลาชของเกียร์; อุปกรณ์ถ่ายภาพ/รังสีรักษาทางการแพทย์; การซิงโครไนซ์งานพิมพ์และบรรจุภัณฑ์; การประกอบ/ตรวจสอบอิเล็กทรอนิกส์ และงานลำเลียงความเร็วสูง
การบำรุงรักษาและการแก้ไขปัญหา (Maintenance & Troubleshooting)
- ประจำวัน: ทำความสะอาดสม่ำเสมอ (ผ้าไร้ขุย + ตัวทำละลายที่เหมาะสม) รักษารัศมีดัดโค้งสาย/ชิลด์ และมอนิเตอร์อุณหภูมิ-ความชื้น/การควบแน่น
- อาการทั่วไปและวิธีรับมือ:
- พัลส์หาย/ขอบตก: ช่องว่างเกิน/การปนเปื้อนบังลำแสง → ปรับท่าทาง/ทำความสะอาด/เสริมซีลและม่านอากาศ
- SDE/jitter เพิ่ม: สัญญาณรบกวนใน AFE/สายโซ่อินเตอร์โพเลชัน หรือกราวด์ไม่ดี → ปรับปรุงแหล่งจ่าย การวางสาย และเทอร์มิเนชัน
- สื่อสารแบบสัมบูรณ์ล้มเหลว: พารามิเตอร์หรือโพลาริตี SSI/BiSS/EnDat ไม่สอดคล้อง → ตรวจสอบความยาวเฟรม, CRC, ไทมิง และอิมพีแดนซ์
- ข้อผิดพลาดเชิงมุมเชิงฮาร์มอนิก (แบบหมุน): เยื้องศูนย์/หน้าส่าย → เพิ่มความกลมศูนย์และความแข็งของแบริ่ง พร้อมชดเชยฮาร์มอนิก
คู่มือการเลือก (Selection Guide)
- ความแม่นยำ/ความทำซ้ำเป้าหมาย (µm/m หรือวินาทีของมุม) และ ไดนามิกความเร็ว
- หลักการออปติก (ส่งผ่าน/สะท้อน; ถ่ายภาพ/อินเตอร์เฟอเรนเชียล) และ พิตช์เกรตติง
p - อินเทอร์เฟซเอาต์พุต (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, ฟิลด์บัส) และแบนด์วิดท์ของคอนโทรลเลอร์
- แพ็กเกจและสภาพแวดล้อม (เปิด/ซีล ระดับ IP มีน้ำยาหล่อเย็น/ฝุ่นหรือไม่)
- การออกแบบเชิงกลและความร้อน (โทเลอแรนซ์ของช่องว่าง/ท่าทาง, CTE, การยึดแบบลอย)
- การชดเชยและการวินิจฉัย (แผนที่ข้อผิดพลาด รีจิสเตอร์อุณหภูมิ/สถานะ สัญญาณเตือนออนไลน์)
- ตลอดอายุการใช้งาน (ความสะดวกในการบำรุงหัวอ่าน/สาย การหาอะไหล่ การสอบเทียบ)
มาตรฐานและเอกสารอ้างอิง (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (ระดับการป้องกัน IP)
- IEC 60068-2 (การสั่นสะเทือน/การกระแทก/อุณหภูมิ-ความชื้น)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC อุตสาหกรรม: ภูมิคุ้มกัน/การแผ่รบกวน)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (การทดสอบการจัดวางและคุณลักษณะด้านความร้อนของเครื่องจักรกล)
- ISO 10360 (การตรวจรับรอง CMM)
- ISO 14644 (ข้อกำหนดห้องสะอาด)
สรุป: การเข้าใจอย่างรอบด้านในหลักการ ตัวชี้วัด อินเทอร์เฟซ และประเด็นสำคัญของการติดตั้ง/การชดเชยของออปติกัลเอนโค้ดเดอร์ ช่วยให้การทำงานที่ แม่นยำ ทนทาน ตรวจวินิจฉัยได้ และเสถียรในระยะยาว แม้ภายใต้สภาวะการทำงานที่ซับซ้อน