KR100247351B1

KR100247351B1 - 선형 광 위치센서

Info

Publication number: KR100247351B1
Application number: KR1019970039901A
Authority: KR
Inventors: 황달연
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 2000-03-15
Also published as: KR19990017115A

Abstract

본 발명은 스트립의 구조를 단순화하면서도 감지부에 복수의 광다이오드를 배치하여 정밀한 아날로그 출력신호를 얻어내고자 하는 선형 광 위치센서에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은 광을 생성하고 그 생성한 광을 각각으로 서로 평행하도록 투사해주며, 스트립의 직선운동시 발생된 광을 차단 또는 투과시키며 그 투과되는 광이 선형적으로 변하도록 하고, 수광부에서 얻어지는 다수개의 전기적인 신호를 가산하고 그 가산값을 전압으로 변환한 후 증폭하여 출력해 줌으로써 구조가 간단하면서도 정밀한 선형 광 위치센서를 제공해준다. 또한, 본 발명은 스트립의 개구부를 직각삼각형 형상으로 만듬으로써 고밀도의 사각형 배열의 개구부 구현시 정밀 가공을 요하는 어려움을 배제시키게 된다.

Description

선형 광 위치센서

본 발명은 로보틱스 및 자동화 분야에서 구동부 또는 구동부와 연결되어 일어나는 직선운동의 위치 또는 변위를 측정하는 센서에 관한 것으로, 특히 스트립의 구조를 단순화하면서도 감지부에 복수의 광다이오드를 배치하여 정밀한 아날로그 출력신호를 얻어내고자 하는 선형 광 위치센서에 관한 것이다.

일반적으로, 선형 광 위치센서는 직선운동시 위치 또는 변위를 측정하는 센서이다.

자동화 분야의 모션제어를 구현하는 시스템에 있어서, 클로즈드-루프(Closed-loop)방식의 경우, 정밀한 위치 제어를 위해서 실시간의 움직임 위치 및 변위 측정이 필요하며, 위치측정을 위해서 회전형 및 선형 광 엔코더 방식의 센서(Rotary or Linear Optical Encoder), LVDT, Lineae Scale 들이 주로 사용된다.

이중 회전형 및 선형 광 엔코더센서는 가격이 저렴하고 크기가 컴팩트하며 수명이 긴 장점이 있어 다른 센서들보다 더 많이 애용된다.

이러한 종래의 선형 광 위치센서는, 제1도 내지 제3도에 도시된 바와 같이, 광신호발생을 위한 LED(21)와 상기 LED(21)에서 발생된 광을 접속하기 위한 렌즈(22)로 이루어진 발광부(23)와, 규칙적으로 일렬로 배치된 개구부(1a-1h)가 형성되어, 상기 렌즈(22)에서 집속된 광을, 일정한 배열을 갖고 통과시키기 위한 코드 스트립(10)과, 상기 코드 스트립(10)을 통한 광신호를 수광하여 전기적인 신호로 변환하여 각 채널(ChannelA, CheannelB)신호로 출력하는 광감지부(24)로 구성되었다.

도면중 미설명 부호 3은 마운팅 플레인이고, 4는 커넥터 결합 핀으로서 전원 또는 출력 신호가 발생되는 부분이다. 그리고 2는 마운팅 통과 홀이다.

이러한 구성을 갖는 종래의 선형 광 위치센서는, 직선운동의 변위량을 측정하기 위해서 일정 간격으로 직사각형의 사각형 개구부(1a-1h)를 갖는 코드 스트립(10)이 운동하는 본체와 연동되어 움직이게 되고, 발광부(23)와 광감지부(24) 사이를 통과하면서 광의 차단과 통과를 일으키게 된다.

여기서 광감지부(24)내의 수광 다이오드들은 2개씩 2개영역(개구부, 비개구부)으로 나뉘어 감광신호를 A.B채널로 내보내게 된다. 임의의 순간에 두 채널신호 A,B의 관계를 구분하면, 4가지상태(HL, LL, LH, LL)로 나누어 판독할 수 있다.

한편, 운동방향 변환시 선도하는 채널이 바뀌므로 방향 변환도 감지하게 된다.

그런데, 상기와 같은 종래 선형 광 위치센서는 직선운동의 변위 측정을 위해 운동범위에 해당하는 길이만큼의 코드 스트립을 정밀가공해야 하는 어려움이 있었다.

또한, 변위 측정량의 분해능은 인치당 포함된 개구부의 수에 좌우되므로 분해능이 낮다는 문제점도 있었다(분해능은 보통 4.72-7.87 카운트/mm).

그리고, 선형 광 위치센서가 인크리멘탈 방식이므로 측정길이에 비해가격이 비싸다는 단점도 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 선형 광 위치센서의 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로,

본 발명은 스트립의 구조를 단순화하면서도 감지부에 복수의 광다이오드를 배치하여 정밀한 아날로그 출력신호를 얻어내도록 하는 선형 광 위치센서를 제공한하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 선형 광 위치센서의 분해능을 높이도록 한 선형 광 위치센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 선형 광 위치센서의 구현시 절대방식과 인크리멘탈 방식을 동시에 구현하도록 한 선형 광 위치센서를 제공하는 데 있다.

이러한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 기술적인 수단은,

광을 생성하며 그 생성한 광을 직각으로 서로 평행하도록 투사하는 발광수단과;

직선운동시 상기 발광수단에서 발생된 광을 차단 또는 투사시키며 그 투과되는 광량이 선형적으로 변하도록하는 코드 스트립과;

상기 코드 스트립을 통과한 광을 전기적인 신호로 변환하는 수광수단과;

상기 수광수단에서 얻어지는 다수개의 전기적인 신호를 가산하고 그 가산값을 전압으로 변환한 후 증폭하여 출력하는 신호처리수단으로 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 종래 선형 광 위치센서의 부분 평면도.

제2도는 종래 선형 광 위치센서의 측면도.

제3도는 종래 선형 광 위치센서의 블록 구성도.

제4도는 본 발명에 의한 선형 광 위치센서의 평면도.

제5도는 본 발명에 의한 선형 광 위치센서의 블록 구성도.

제6도는 본 발명에 의한 선형 광 위치센서의 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 발광부 40 : 코드 스트립

50 : 수광부 60 : 신호 처리부

70 : 광차단벽

본 발명에 의한 선형 광 위치센서는 제4도 내지 제5도에 도시된 바와 같이, 광신호를 발생하는 광원인 발광다이오드(31)와 상기 발광다이오드(31)에서 발생된 광을 접속하여 평행광을 투사하는 볼록렌즈(32)로 이루어진 발광부(30)와, 직선운동시 상기 발광부(30)에서 발생된 광을 차단 또는 투과시키며 그 투과되는 광이 선형적으로 변하도록 직각삼각형의 개구부를 가즌 연속형 코드 스트립(40)과, 상기 연속형 코드 스트립(40)을 통과한 광을 전기적인 신호로 변환하는 다수개의 수광 다이오드로 이루어진 수광부(50)와, 상기 수광부(50)에서 얻어지는 다수개의 전기적인 신호를 가산하고 그 가산값을 전압으로 변환한 후 증폭하여 출력하는 신호처리부(60)로 구성된다.

도면중 미설명 부호 70은 광 차단벽이다.

제6도는 상기 수광부(50) 및 신호 처리부(60)의 상세 구성도로서, 상기 수광부(50)는 다수개의 수광다이오드(51-54)가 일정 간격으로 배열되고, 상기 신호 처리부(60)는 상기 다수개의 수광다이오드(51-54)에서 각각 얻어지는 전기적인 신호를 합하여 전압으로 변환하기 위한 증폭기(61)와, 상기 증폭기(61)의 출력 전압을 소정 레벨로 증폭하여 출력하는 증폭 트랜지스터(Q1)와, 상기 증폭 트랜지스터(Q1)의 전압 증폭시 외부 광에 의한 오프셋을 제거하기 위한 저항(R6) 및 가변저항기(R5)로 구성된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 의한 선형 광 위치센서는, 먼저, 발광부(30)내의 발광다이오드(31)에서 광신호를 발생하게 되고, 볼록렌즈(32)에서 상기 발광 다이오드(31)에서 발생한 광이 연속형 코드 스트립(40)에 직각으로 서로 평행을 유지하며 통과하도록 상기 광을 집속하여 투사하게 된다.

이때 연속형 코드 스트립(40)은 운동하는 본체와 연동되어 상,하로 직선 운동을 하게 되는데, 여기서 연속형 코드 스트립(40)에는 제3도의 (A)에 도시된 바와 같이 직각 삼각형 개구부(41)이 형성되어 있어, 광차단벽(70)의 직사각형의 채널을 통해 연속형 코드 스트립(40)의 직선운동시 통과하는 빛의 양이 선형적으로 변하도록 한다. 이렇게 함으로써 절대방식과 인크리멘탈 방식이 동시에 가능하게 된다.

한편, 상기 연속형 코드 스트립(40)을 통한 광을 수광부(50)는 일정 간격으로 배열된 다수개의 수광다이오드(51-54)로 수광을 하게 되는데, 이때 수광다이오드(51-54)는 상기 광차단벽(70)의 광통과영역에만 배열되어 있으므로 광감지 민감도가 종래 보다 월등히 뛰어난 효과를 갖는다.

그리고, 신호 처리부(60)는 상기 수광부(50)에서 감지한 광에 대응하는 전기적인 신호를 처리하여 출력시키게 되는데, 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 수광부(50)내의 각 수광다이오드(51-54)에 빛이 닿으면 역방향으로 전류가 흐르게 되는데, 증폭기(61)는 그 각 수광다이오드(51-54)의 역방향으로 흐르는 전류를 전압으로 변환한다. 이렇게 변환된 전압을 증폭 트랜지스터(Q1)는 소정 레벨로 증폭하여 후단에 위치 변위량 검출신호로 출력해주게 되는 것이다.

여기서, 절대 위치 0에서 광통과부 면적도 0이되어 최종 출력도 0이 되어야 하나, 광차단벽(70) 및 패키징 불완전으로 외부광 침투에 의해 0이 아닌 출력값이 나온다. 이러한 오프셋을 조정하기 위해 저항(R6)과 가변저항기(R5)를 이용하여 상기 증폭기(61)의 출력전압이 0.7+[R5/(R5+R6)]*Vcc인 경우에만 증폭 트랜지스터(Q1)와 저항에 의한 저압이 증폭(증폭률=R3/(R4+R5))되어 출력되도록 한다. 따라서 증폭기(61)의 최소출력은 0.7V이상으로 하며, 또한 상기 저항(R5)을 가변저항기로하여 오프셋 레벨이 조정 가능토록 한다.

본 발명의 다른 실시예로서, 고분해능 A/D변환기를 이용하여 본 발명의 출력단에 부가하면 기존 선형 광 위치센서보다 정밀한 변위 또는 위치 측정이 가능해진다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 선형 광 위치센서는, 스트립의 개구부를 하나의 직각 삼각형 형태로 변환함으로써 고밀도의 사각형 배열의 개구부 구현시 정밀가공이 필요하다는 단점을 해소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 측정구간의 어느 위치에서나 이에 대응하는 출력신호가 일대일로 대응 출력되는 절대측정방식이 가능함과 아울러 인크리멘탈 방식에서 나타나는 미소변위량의 누적계산에 의한 라운드 오프 에러도 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

광을 생성하고 그 생성한 광을 직각으로 서로 평행하도록 투사해주는 발광수단과;

상기 발광수단에서 발생된 광을 차단 또는 투과시키며 그 투과되는 광량이 선형적으로 변하도록하는 코드 스트립과;

상기 코드 스트립을 통과한 광을 전기적인 신호로 변환하는 수광수단과;

상기 수광수단에서 얻어지는 다수개의 전기적인 신호를 가산하고 그 가산값을 전압으로 변환한 후 증폭하여 출력하는 신호처리수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 선형 광 위치센서.
제1항에 있어서,

상기 발광수단은, 광신호를 발생하는 광원인 발광다이오드와, 상기 발광다이오드에서 발생된 광을 집속하여 평행광을 투사하는 볼록렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 선형 광 위치센서.
제1항에 있어서,

상기 코드 스트립은 통과하는 빛의 양이 선형적으로 변하도록 직각 삼각형 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 선형 광 위치센서.
제1항에 있어서,

상기 신호처리수단은, 상기 수광수단내의 다수개의 수광다이오드에서 각각 얻어지는 전기적인 신호를 합하여 전압으로 변환하기 위한 증폭기와, 상기 증폭기의 출력 전압을 소정 레벨로 증폭하여 출력하는 증폭 트랜지스터와, 상기 증폭 트랜지스터의 전압 증폭시 외부 광에 의한 오프셋을 제거하기 위한 저항 및 가변저항기로 구성된 것을 특징으로 하는 선형 광 위치센서.