광학식 엔코더(Optical Encoder)는 광원(光源), 광학 격자(스케일 또는 코드 디스크), 광전 검출기(포토디텍터)로 구성된 체인을 통해 회전 또는 직선 운동의 변위를 전기 신호로 변환하는 센서이다. 위치·속도·방향 감지 및 정밀 제어를 목적으로 하며, CNC 공작기계, 반도체 제조 장비, 로봇 관절, 의료 영상 장비, 프린터, 정밀 계측기 등 산업 자동화 전반에 폭넓게 사용된다.
작동 원리
광학식 엔코더는 크게 회전형(로터리 엔코더)과 선형(리니어 엔코더)으로 나뉜다. 회전형의 경우 원판형 코드 디스크에 일정한 간격으로 투명/불투명 슬릿(slit) 또는 반사/비반사 패턴이 형성되어 있다. LED나 VCSEL 등의 광원에서 나온 빛이 디스크를 통과(투과형)하거나 디스크에서 반사(반사형)되어 광 검출기에 도달한다. 디스크가 회전함에 따라 검출기에 입사되는 빛의 양이 주기적으로 변화하고, 이 변화가 전기적 신호(정현파 또는 구형파)로 변환된다.
광학 구현 방식에 따라 이미징/모아레 방식과 간섭형(위상 격자) 방식으로 구분된다. 이미징 방식은 스케일과 리드헤드 내 참조 격자의 상대 운동으로 모아레 무늬를 형성하여 사인/코사인 신호를 얻는 반면, 간섭형 방식은 회절 차수 간 위상차가 변위에 따라 선형적으로 변하는 원리를 이용하여 더 낮은 세분 오차(SDE)와 높은 분해능을 실현한다.
종류
출력 신호 방식에 따라 증분형(Incremental)과 절대형(Absolute)으로 분류된다.
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증분형 엔코더: 상대적인 변위를 측정하여 A상, B상(90도 위상차)의 펄스 신호를 출력한다. 위상 선후 관계로 회전 방향을 판별하며, Z상(인덱스) 신호가 1회전당 1회 기준점을 제공한다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하나, 전원 차단 시 위치 정보가 소실된다.
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절대형 엔코더: 각 회전 위치마다 고유한 디지털 코드(2진 코드, 그레이 코드 등)를 출력한다. 전원 재연결 시에도 위치 정보를 유지할 수 있으나 구조가 복잡하고 가격이 높다. 통신 인터페이스로 SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, 병렬 출력 등이 사용된다.
성능 지표
분해능은 선형의 경우 1 µm에서 1 nm 수준, 회전형은 24비트 등가까지 가능하다. 선형 정확도는 고급형에서 ±1~±3 µm/m, 반복성은 ±0.1~±0.3 µm 수준이다. 세분 오차(SDE)는 고품질 1 Vpp 체인에서 ±20~±80 nm 범위를 가진다. 최대 속도는 선형 1 m/s 이상, 회전형은 인터페이스에 따라 12,000 RPM 이상까지 지원한다.
장점과 한계
높은 분해능과 정밀도, 빠른 응답 속도, 비접촉식 측정으로 인한 긴 수명이 주요 장점이다. 반면 먼지·기름·결로 등의 오염에 민감하여 청정 환경 또는 밀폐형 하우징(IP65~IP67)이 요구되며, 충격과 진동에 상대적으로 취약하고 고성능 모델의 가격이 높은 편이다. 설치 시 에어 갭 및 자세 공차, 아베 오차, 편심, 열팽창 등의 요인이 정밀도에 영향을 미치므로 주의가 필요하다.
타 방식과의 비교
자기식 엔코더(Magnetic Encoder)는 오염·진동·충격에 강하나 분해능과 선형성이 낮다. 유도식(Inductive) 및 정전용량식 엔코더는 중간 수준의 정밀도를 제공하나 환경 조건에 따른 영향을 받는다. 리졸버(Resolver)는 내환경성이 우수하나 분해능이 낮다. 광학식 엔코더는 이들 중 가장 높은 분해능과 정확도를 제공하지만 환경 내성에서 상대적 약점을 가진다.
