KR100292806B1 - Encoder using diffraction gratings - Google Patents
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Abstract
본 발명은 두 격자에 의해 생성되는 모아레 무늬의 명암 변화를 검출하여 피측정물의 직선 및 회전 변위를 측정하는 위상 변환 격자를 이용한 엔코더에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 두 격자간의 기울임 각 변화에 민감하지 않고 저가로 제작할 수 있으며, 위상 변환 격자를 이용하고 모아레 무늬선과 수평인 방향으로 수광소자를 배열하는 위상 변환 격자를 이용한 엔코더를 제공하는 것이다.The present invention relates to an encoder using a phase shift grating that detects a change in intensity of a moire fringe generated by two gratings and measures a linear and rotational displacement of the object to be measured. An object of the present invention is to provide an encoder using a phase shift grating which can be manufactured at low cost without being sensitive to the change of the tilt angle between two gratings, and uses a phase shift grating and arranges the light receiving elements in a direction parallel to the moire pattern line. .
이러한 본 발명은, 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원의 정면에 배치되어 피측정물과 함께 직선 및 회전 이동하는 기준 격자, 상기 기준 격자에 특정 각도만큼 기울어진 상태로 겹쳐 배열되어 상기 기준 격자와 함께 계단식 모아레 무늬를 형성하는 위상 변환 격자, 상기 위상 변환 격자와 기준 격자에 의해 생성된 모아레 무늬선 방향으로 상기 위상 변환 격자의 1/4주기마다 하나씩 배치되어, 상기 기준 격자의 변위와 비례하게 변하는 모아레 무늬의 명암을 검출하는 4개의 수광소자, 및 상기 4개의 수광소자에서 출력되는 신호를 처리하여 피측정물의 변위에 비례하는 두 개의 주기신호를 출력하는 신호 처리기를 포함한다.The present invention includes a light source for irradiating light, a reference grid disposed in front of the light source and linearly and rotationally moved together with the object to be measured, and arranged in such a manner as to be inclined at a specific angle to the reference grid. A phase shifting grating which forms a stepped moiré pattern together, arranged one by one quarter period of the phase shifting grating in the direction of the moire fringe line generated by the phase shifting grating and the reference grating, and varying in proportion to the displacement of the reference grating. Four light-receiving elements for detecting the intensity of the moire pattern, and a signal processor for processing the signals output from the four light-receiving elements to output two periodic signals proportional to the displacement of the object to be measured.
Description
본 발명은 피측정물의 변위를 측정하는 변위 측정장치에 관한 것으로써, 특히 두 격자에 의해 생성되는 모아레 무늬의 명암 변화를 검출하여 피측정물의 직선 및 회전 변위를 측정하는 위상 변환 격자를 이용한 엔코더에 관한 것이다.The present invention relates to a displacement measuring device for measuring displacement of an object to be measured, and in particular, to an encoder using a phase shift grating for measuring a linear and rotational displacement of an object to be detected by detecting a change in intensity of a moire pattern generated by two gratings. It is about.
현재, 산업 현장에서 쓰이는 대부분의 기계들은 실시간 되먹임 제어(on-line feedback control scheme) 기법을 이용하여, 변위 및 길이 제어를 한다. 이에 따라 기계의 변위를 정확하게 측정하는 것이 기계의 성능을 좌우하는 중요한 요소가 되었으며, 이러한 기계의 변위를 측정하는 변위 측정장치는 기계적, 전기적, 광학적 방법을 이용하여 개발되었다.Currently, most of the machines used in industrial sites use displacement and length control using on-line feedback control schemes. Accordingly, the accurate measurement of the displacement of the machine has become an important factor in determining the performance of the machine, and the displacement measuring device for measuring the displacement of the machine has been developed using mechanical, electrical, and optical methods.
기계의 변위를 측정하기 위한 엔코더는 크게 자기식, 전기식, 광학식으로 구분할 수 있으며, 광학식 엔코더는 자기식 엔코더나 전기식 엔코더에 비해 분해능이 높고 전자기적 외란 요인에 대해 강인한 장점을 가진다. 이러한 광학식 엔코더는 1950년대 초 공작기계의 NC(Numerical Control) 추세에 따라 이동거리를 디지털화시킬 필요성에 의해 대두되어 반사식 광학 엔코더가 최초 개발되었다.The encoders for measuring the displacement of a machine can be classified into magnetic, electrical, and optical, and the optical encoder has a higher resolution than the magnetic encoder or the electrical encoder and has a strong advantage against electromagnetic disturbance factors. These optical encoders emerged in the early 1950s due to the necessity of digitizing the travel distance in accordance with the trend of NC (numeric control) of machine tools, and the first reflective optical encoder was developed.
그 후, 격자 제작 기술의 발달과 함께 정밀도가 향상되어 최근에는 서브 마이크로 미터 단위의 정밀 측정이 가능하게 되었다. 그러나 회절 현상으로 인해 그 이상의 정밀도를 얻는 데는 한계를 가지고 있다. 광학식 엔코더는 스케일 방식, 버니어 방식, 모아레 방식이 사용되고 있으며, 이 중 모아레 방식은 쉽게 제작이 가능하나 격자간의 기울임 각이 변화하면 위상 변동이 발생하여 정확한 측정이 곤란하다.Since then, the precision has been improved with the development of the lattice fabrication technology, and in recent years, precision measurement in sub-micrometer units has become possible. However, due to diffraction phenomenon, there is a limit in obtaining more precision. Scale encoder, vernier method, and moire method are used for optical encoder. Among these, moire method is easy to manufacture, but it is difficult to make accurate measurement because phase change occurs when the tilt angle between gratings is changed.
즉, 모아레 방식의 엔코더는 미국 특허 제3,796,498호, 'Position Measuring through the Use of Moire Fringe Multiplication'에 공개되어 있는데, 이는 두 격자를 겹쳤을 때 생성되는 모아레 무늬가 격자의 작은 변위를 크게 확대하는 성질을 이용한 변위 측정장치이다. 그러나, 이러한 종래의 모아레 방식의 엔코더는 두 격자간의 기울임 각이 틀어질 경우에는 무늬 간격의 변화로 인한 위상 변동으로 정확한 측정이 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.That is, the moiré type encoder is disclosed in U.S. Patent No. 3,796,498, 'Position Measuring through the Use of Moire Fringe Multiplication', in which the moiré pattern generated when the two grids overlap each other greatly expands the small displacement of the grid. Displacement measuring device using However, such a conventional moiré encoder has a problem in that accurate measurement cannot be made due to a phase change due to a change in pattern spacing when the tilt angle between two gratings is distorted.
또한, 다른 모아레 방식의 엔코더는 M.C Hutley가 Academic Press(pp.293-297, 1982)지에 발표한 논문 'Diffraction Gratings' 에 공개되어 있다. 이러한 엔코더는 격자의 변위에 비례하여 모아레 무늬가 이동할 때 무늬의 명암 변화를 4개의 수광소자를 이용하여 검출하고, 이 4개의 수광소자에 의해 검출된 신호를 신호 처리하여 1/4 주기 만큼의 위상차를 갖는 두 주기신호를 얻어서 이를 펄스 분할하여 변위를 검출한다. 그러나, 이러한 모아레 방식의 엔코더 역시 보조 격자의 기울임 각 변화에 의해 형성되는 모아레 무늬의 간격 변화에 따라 측정 변위값이 변하는 문제점이 있었다.In addition, other moiré-type encoders are published in Diffraction Gratings, a paper published by M.C Hutley in the Academic Press (pp.293-297, 1982). The encoder detects the change in the contrast of the pattern using four light receiving elements when the moire pattern moves in proportion to the displacement of the grating, and processes the signals detected by the four light receiving elements to process the phase difference by 1/4 period. The two periodic signals are obtained and pulse division is performed to detect displacement. However, such a moiré encoder also has a problem in that the measured displacement value changes according to the change in the interval of the moire fringe formed by the change of the tilt angle of the auxiliary grid.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 두 격자간의 기울임 각 변화에 민감하지 않고 저가로 제작할 수 있는 위상 변환 격자를 이용한 엔코더를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an encoder using a phase shift grating which can be manufactured at low cost without being sensitive to changes in the tilt angle between two gratings.
또한, 위상 변환 격자를 이용하고 모아레 무늬선과 수평인 방향으로 수광소자를 배열하여 1/4 주기 만큼의 위상차를 갖는 두 주기신호를 검출함으로써 모아레 무늬의 간격 변화에 영향을 받지 않는 위상 변환 격자를 이용한 엔코더를 제공하는 데 다른 목적이 있다.In addition, by using a phase shift grating and arranging the light receiving elements in a direction parallel to the moire fringe line, the two cycle signals having a phase difference of about 1/4 period are detected to use the phase shift grating which is not affected by the change in the spacing of the moire fringes. There is another purpose to providing an encoder.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 위상 변환 격자를 이용한 엔코더의 상세도,1 is a detailed view of an encoder using a phase shift grating according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 위상 변환 격자를 도시한 도면,2 illustrates a phase shift grating according to an embodiment of the present invention;
도 3은 도 2에 도시된 위상 변환 격자를 이용하여 모아레 무늬를 형성한 상태를 도시한 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which a moire fringe is formed using the phase shift grating shown in FIG. 2.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※
1 : 위상 변환 격자 2 : 기준 격자1: phase shift grating 2: reference grating
3 : 수광 소자 4 : 신호 처리부3: light receiving element 4: signal processor
5 : 광원5: light source
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 위상 변환 격자를 이용한 엔코더는, 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원의 정면에 배치되어 피측정물과 함께 직선 및 회전 이동하는 기준 격자, 상기 기준 격자에 특정 각도만큼 기울어진 상태로 겹쳐 배열되어 상기 기준 격자와 함께 계단식 모아레 무늬를 형성하는 위상 변환 격자, 상기 위상 변환 격자와 기준 격자에 의해 생성된 모아레 무늬선 방향으로 상기 위상 변환 격자의 1/4주기마다 하나씩 배치되어, 상기 기준 격자의 변위와 비례하게 변하는 모아레 무늬의 명암을 검출하는 4개의 수광소자, 및 상기 4개의 수광소자에서 출력되는 신호를 처리하여 피측정물의 변위에 비례하는 두 개의 주기신호를 출력하는 신호 처리기를 포함한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an encoder using a phase shift grating according to the present invention includes a light source for irradiating light, a reference grating disposed in front of the light source and linearly and rotationally moved together with an object to be measured, the reference grating. A phase shift grating arranged in an inclined state at an angle to form a stepped moiré pattern with the reference grid, and a quarter period of the phase shift grating in the direction of the moire pattern line generated by the phase shift grating and the reference grating Four light-receiving elements which are arranged one by one and detect the intensity of the moire pattern changing in proportion to the displacement of the reference grating, and two periodic signals that are proportional to the displacement of the object to be processed by processing signals output from the four light-receiving elements. Characterized in that it comprises a signal processor for outputting.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 위상 변환 격자를 이용한 엔코더의 상세도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 위상 변환 격자를 도시한 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 위상 변환 격자를 이용하여 모아레 무늬를 형성한 상태를 도시한 도면이다.1 is a detailed view of an encoder using a phase shift grating according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view showing a phase shift grating according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is shown in FIG. It is a figure which shows the state which formed the moire pattern using a phase shift grating.
도 1을 참조하면, 위상 변환 격자를 이용한 엔코더는, 위상 변환 격자(1)와 기준 격자(2)가 작은 회전각을 이루면서 포개져 배치되고, 위상 변환 격자(1)와 기준 격자(2)에 의해 생성된 모아레 무늬의 명암을 측정하는 4개의 수광소자(3)가 일렬로 배열된다. 4개의 수광소자(3)로부터 얻어진 신호는 신호처리기(4)로 입력되며, 기준 격자(2)와 위상 변환 격자(1) 앞에는 광원(5)이 위치한다.Referring to FIG. 1, an encoder using a phase shift grating is arranged in such a manner that the phase shift grating 1 and the reference grating 2 have a small rotation angle, and are arranged on the phase shift grating 1 and the reference grating 2. Four light-receiving elements 3 for measuring the contrast of the moire fringes generated are arranged in a row. The signals obtained from the four light receiving elements 3 are input to the signal processor 4, and the light source 5 is positioned in front of the reference grating 2 and the phase shift grating 1.
상기한 위상 변환 격자(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 유리판 위에 투명한 선과 불투명한 선이 반복적으로 이어진 형태이며, 다른 투명한 선과 불투명한 선은 동일한 피치이되, 왼쪽으로부터 1/4, 1/2, 3/4 지점에서의 불투명한 선(1')은 다른 선들에 비해 1/4 피치만큼 굵은 형태이다. 기준 격자(2)는 위상 변환 격자(1)와 동일한 피치의 투명한 선과 불투명한 선이 단순, 반복적으로 이어진 형태이다.As shown in FIG. 2, the phase shift grating 1 has a form in which transparent lines and opaque lines are repeatedly connected on a glass plate, and the other transparent lines and opaque lines have the same pitch, but are 1/4, 1/2 from the left. The opaque line 1 'at the 3/4 point is one quarter pitch thicker than the other lines. The reference grating 2 is a form in which transparent and opaque lines of the same pitch as the phase shift grating 1 are simply and repeatedly connected.
도 3은 도 2에 도시된 위상 변환 격자(1)를 특정 각도만큼 회전시켜 기준 격자(2)와 겹쳐 배치함으로써 모아레 무늬를 형성한 상태를 도시한 도면이다. 즉, 위상 변환 격자(1)와 기준 격자(2)에 의해 일정 간격의 계단식 모아레 무늬가 형성된다. 4개의 수광소자(3)는 모아레 무늬선 방향과 평행한 방향으로 직렬 배치되어 위상 변환 격자를 4등분하며, 모아레 무늬의 명암을 검출하여 전기신호로 변환한다.FIG. 3 is a view showing a state in which a moire fringe is formed by rotating the phase shift grating 1 shown in FIG. 2 by a specific angle to overlap the reference grating 2. That is, a stepped moiré pattern with a predetermined interval is formed by the phase shift grating 1 and the reference grating 2. The four light-receiving elements 3 are arranged in series in a direction parallel to the moire fringe line direction to divide the phase shift grating into four, and detect the contrast of the moire fringe to convert it into an electrical signal.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과는 다음과 같다.The operation and effects of the present invention configured as described above are as follows.
먼저, 광원(5)으로부터 빛을 조사하면 위상 변환 격자(1)와 기준 격자(2)를 통과하면서 도 3과 같은 계단식 모아레 무늬가 형성된다. 주어진 초기 상태에서 x방향으로 기준 격자(2)의 변위가 생기면 모아레 무늬는 y방향으로 이동한다. 기준 격자(2)의 변위와 모아레 무늬의 이동 거리는 비례하며, 기준 격자가 한 피치 이동하면 모아레 무늬도 한 피치 이동한다. 4개의 수광소자(3)는 모아레 무늬의 이동에 따른 각각의 광량 변화를 전기신호로 변환하여 90도씩의 위상차를 갖는 4개의 주기신호를 출력한다. 신호 처리기(4)는 이를 신호 처리하여 두 개의 90도의 위상차를 갖는 주기신호를 얻는다. 이 주기신호의 위상 변화는 기준 격자(2)의 변위에 비례하므로 이를 이용하여 피측정물의 이동 변위값을 얻을 수 있다.First, when the light is irradiated from the light source 5, a stepped moiré pattern as shown in FIG. 3 is formed while passing through the phase shift grating 1 and the reference grating 2. In a given initial state, the displacement of the reference grid 2 in the x direction causes the moiré pattern to move in the y direction. The displacement of the reference grating 2 and the moving distance of the moire fringe are proportional. When the reference grating moves one pitch, the moire fringe also moves one pitch. The four light receiving elements 3 convert four light quantity changes according to the movement of the moire fringe into an electric signal and output four periodic signals having a phase difference of 90 degrees. The signal processor 4 performs signal processing to obtain a periodic signal having two 90 degree phase differences. Since the phase change of the periodic signal is proportional to the displacement of the reference grating 2, the displacement value of the object under measurement can be obtained using this.
이상과 같이 본 발명은, 위상 변환 격자와 기준 격자를 이용하여 계단식 모아레 무늬를 형성한 후, 기준 격자의 변위에 따라 변하는 모아레 무늬의 명암을 검출함으로써, 피측정물의 직선 및 회전 변위를 비교적 간단하고 손쉽게 측정할 수 있기 때문에 일반 공작기계나 이송기구 등 실제 산업 현장에서 유용하게 사용할 수 있는 효과가 있다. 또한, 기존의 레이저 등을 이용한 고가의 센서에 비해 저비용으로 제작 및 활용이 가능하다는 효과가 있다.As described above, the present invention forms a stepwise moiré pattern using a phase shift grating and a reference grating, and then detects the light and shade of the moiré pattern varying according to the displacement of the reference grating, thereby making the linear and rotational displacements of the measured object relatively simple. Because it is easy to measure, there is an effect that can be usefully used in actual industrial sites such as general machine tools and feed mechanisms. In addition, there is an effect that can be manufactured and utilized at a low cost compared to expensive sensors using a conventional laser.
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