KR100678619B1 - 디지털 광학 앵글 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 소자와 수광 소자로 구성된 감지부에서 투과율이나 반사율의 차이가 있는 임의의 코드로 표현된 데이터를 측정하여 앵귤러 포지션을 검출함으로써 회전체의 절대 회전각을 정밀하게 측정할 수 있도록 한 디지털 광학 앵글 센서에 관한 것으로, 회전축을 기준으로 회전되는 금속 회전체의 표면에 새겨져 커스 앵글을 검출하기 위한 퓨즈도우-랜덤 코드와 상기 퓨즈도우-랜덤 코드 옆 금속 회전체의 표면에 새겨져 파인 앵글을 검출하기 위한 트라이앵글 코드로 구성된 그레이팅 엘리먼트부와, 발광 소자와 수광 소자로서 라인 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서를 이용하여 상기 그레이팅 엘리먼트부의 변위 신호를 감지하는 검출기와, 상기 검출기에서 검출한 변위 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터와, 상기 A/D 컨버터에서 변환된 디지털 신호로부터 커스 앵글과 파인 앵글을 검출하고 이를 결합하여 앵귤러 포지션을 최종 측정하는 프로세서로 구성된 감지부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

디지털 광학 앵글 센서{DIGITAL OPTICAL ANGLE SENSOR}

도 1은 종래 광학 앵글 센서의 전체 구성도,

도 2는 종래 광학 앵글 센서내 회전체에 마킹되어 있는 코드의 패턴을 보인 도면,

도 3은 종래 광학 앵글 센서의 전체 구조도,

도 4는 본 발명에 의한 디지털 광학 앵글 센서의 전체 구조도,

도 5는 본 발명에 의한 디지털 광학 앵글 센서내 감지부의 블록 구성도,

도 6은 본 발명에 의한 디지털 광학 앵글 센서내 감지부에서 검출되는 코드의 형태를 보인 도면,

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 디지털 광학 앵글 센서내 감지부에서 검출되는 코드의 형태를 보인 도면,

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 디지털 광학 앵글 센서내 감지부에서 검출되는 코드의 형태를 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 회전축 2 : 회전체

3 : 그레이팅 엘리먼트부 4 : 감지부

5 : 검출기 6 : A/D 컨버터

7 : 프로세서

본 발명은 디지털 광학 앵글 센서(Digital Optical Angle Sensor)에 관한 것으로서, 특히 발광 소자(Photo Emitting Device)와 수광 소자(Photo Detecting Device)로 구성된 감지부에서 투과율이나 반사율의 차이가 있는 임의의 코드(Code)로 표현된 데이터를 측정하여 앵귤러 포지션(Angular Position)을 검출함으로써 회전체의 절대 회전각을 정밀하게 측정할 수 있도록 한 디지털 광학 앵글 센서에 관한 것이다.

앵글 센서는 외부에서 주어진 영향에 의해 발생한 상대적, 절대적 변위를 측정하는 센서로서, 종래 차량의 파워 스티어링 시스템(Power Steering System)에서 요구되는 일반적인 앵글 센서의 정확도는 0.1 정도(Degree)의 수준이었다.

그러나, 파워 스티어링 시스템의 모든 부위가 전기적인 동력 시스템으로 바뀌는 EPS(Electrical Power Steering) 시스템에서는 스티어링 샤프트(Steering Shaft)의 정확하고 높은 정도의 절대각 변위량(Absolute Angle Displacement)을 측정할 필요가 있었다.

현재 사용되고 있는 앵글 센서는 대부분 자기량의 변화를 이용하여 앵글을 측정하는 방식, 즉 자기 변위 측정장치를 이용한 방식을 채택하고 있으며, 이때 대부분의 자기량의 변화를 이용한 앵글 센서는 절대각이 아닌 상대각 측정 방식을 사 용하고 있다.

그리고, 광학을 이용한 앵글 센서의 개발은 극히 소수 업체에서만 진행되고 있으며, 이때 광학을 이용한 앵글 센서의 대부분은 빛의 반사량, 투과량, 회절량을 이용한 상대각 측정 방식을 사용하고 있으며, 비숍(Bishop)을 포함한 극히 일부 업체에서만 절대각 측정 방식의 광학 앵글 센서를 사용하고 있다.

상기 자기량의 변화를 이용한 앵글 센서의 경우 자동차의 내환경성을 고려할 때 온도 환경에 취약하다는 단점이 있는 반면에, 광학을 이용한 앵글 센서의 경우는 온도 환경 등에 적합한 광학 소자들이 잘 개발되었기에 이러한 소자들을 이용함으로써 온도 환경에 적합한 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 데이터 변환도 아날로그에서 디지털로 손쉽게 처리할 수 있는 장점이 있다.

비숍이 개발한 광학 앵글 센서의 전체 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 디스크1,2와, 입/출력 샤프트와, 광학 소자 및 신호 처리를 위한 센서 모듈부로 크게 구성된다.

도 2는 2개의 디스크 위에 디스크 원주를 따라 마킹(Marking)되어 있는 커스 앵글(Coarse Angle)을 나타내는 맨체스터 코드(Manchester Code)와 파인 앵글(Fine Angle)을 나타내는 레귤러 코드(Regular Code)의 패턴을 보인 도면으로서, 비숍의 경우 엔코딩(Encoding) 방식으로 맨체스터 퓨즈도우-랜덤 코드(Manchester Pseudo-Random Code)를 이용하고 있으며, 2개의 디스크 표면 위에 새겨진 패턴을 이미지 센서를 통해 감지한 후 센서 모듈부내에 포함되어 있는 에이직(ASIC)회로에서 앵글 측정을 수행한다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이 맨체스터 코드를 회전축의 회전방향으로 디스크에 그레이팅하고, 2-D 이미지 센서를 사용하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 그 목적은 발광 소자와 수광 소자로 구성된 감지부에서 투과율이나 반사율의 차이가 있는 임의의 코드, 즉 퓨즈도우-랜덤 코드(Pseudo-Random Code)와 트라이앵글 코드(Triangle Code)로 표현된 데이터를 측정하여 커스 앵글과 파인 앵글을 검출하고, 이어 검출된 커스 앵글과 파인 앵글의 결합에 따른 앵귤러 포지션을 검출함으로써 회전체의 절대 회전각을 정밀하게 측정할 수 있도록 한 디지털 광학 앵글 센서를 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디지털 광학 앵글 센서는, 회전축을 기준으로 회전되는 금속 회전체의 표면에 새겨져 커스 앵글을 검출하기 위한 퓨즈도우-랜덤 코드와 상기 퓨즈도우-랜덤 코드 옆 금속 회전체의 표면에 새겨져 파인 앵글을 검출하기 위한 트라이앵글 코드로 구성된 그레이팅 엘리먼트부와, 발광 소자와 수광 소자로서 라인 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서를 이용하여 상기 그레이팅 엘리먼트부의 변위 신호를 감지하는 검출기와, 상기 검출기에서 검출한 변위 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터와, 상기 A/D 컨버터에서 변환된 디지털 신호로부터 커스 앵글과 파인 앵글을 검출하고 이를 결합하여 앵귤러 포지션을 최종 측정하는 프로세서로 구성된 감지부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 디지털 광학 앵글 센서의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 의한 디지털 광학 앵글 센서의 전체 구조도로서, 회전축(1)을 기준으로 회전되는 디스크1,2의 회전체(2)에 장착되는 디지털 광학 앵글 센서는 크게 그레이팅 엘리먼트(Grating Element)부(3)와 감지부(4)로 구성된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 그레이팅 엘리먼트부(3)는 커스 앵글을 검출하기 위해 디스크1,2의 표면에 새겨진 퓨즈도우-랜덤 코드와 파인 앵글을 검출하기 위해 상기 퓨즈도우-랜덤 코드 옆 디스크1,2의 표면에 새겨진 트라이앵글 코드로 구성된다.

그리고, 상기 감지부(4)는 도 5에 도시된 바와 같이, 발광 소자와 수광 소자로서 라인 이미지 센서(Line Image Sensor) 또는 CCD 이미지 센서를 이용하여 상기 그레이팅 엘리먼트부(3)의 변위 신호를 감지하는 검출기(Detector)(5)와, 상기 검출기(5)에서 검출한 변위 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터(Converter)(6)와, 상기 A/D 컨버터(6)에서 변환된 디지털 신호로부터 커스 앵글과 파인 앵글을 검출하고 이를 결합하여 앵귤러 포지션을 최종 측정하는 프로세서(7)로 구성된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 감지부(4)내 검출기(5)로서 라인 이미지 센서와, 상기 그레이팅 엘리먼트부(3)의 퓨즈도우-랜덤 코드 및 트라이앵글 코드는 회전체(2)의 회전축(1)과 평행하게 되어 회전체(2)의 원주를 따라 배열되게 된다.

이때, 본 발명에서 앵귤러 포지션을 측정하기 위해 종래의 쿼더러쳐 인터폴레이션 코드(Quadrature Interpolation Code)를 사용하지 않고, 기하학적으로 삼각형의 형태를 응용한 레귤러 코드를 트라이앵글 코드라고 명명하여 사용하며, 그 자체에서 파인 앵글을 검출하고, 이러한 방식으로 결합된 코드를 퓨즈도우-랜덤 코드 & 트라이앵글 코드라고 명명한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 디지털 광학 앵글 센서는 비숍의 방식과 달리 퓨즈도우-랜덤 코드의 그레이팅 방향을 다르게 하고, 퓨즈도우-랜덤 코드중 레귤러 패턴을 다른 형태, 즉 삼각형으로 변형하여 사용하고 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 디지털 광학 앵글 센서의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 디지털 광학 앵글 센서내 그레이팅 엘리먼트부(3)의 퓨즈도우-랜덤 코드 및 트라이앵글 코드가 감지부(4)의 라인 이미지 센서와 함께 회전체(2)의 회전축(1)과 평행하게 되어 회전체(2)의 원주를 따라 배열되면서 새겨지게 된다.

이후, 감지부(4)내 검출기(5)는 라인 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서를 이용하여 상기 그레이팅 엘리먼트부(3)의 퓨즈도우-랜덤 코드 및 트라이앵글 코드로 표현된 데이터를 측정하여 변위 신호를 감지하고, 이 감지된 변위 신호를 A/D 컨버터(6)로 전송한다.

이어, A/D 컨버터(6)는 상기 검출기(5)에서 검출한 변위 신호를 디지털 신호로 변환하여 프로세서(7)로 전송한다.

그러면, 프로세서(7)는 상기 A/D 컨버터(6)에서 변환된 디지털 신호, 즉 퓨즈도우-랜덤 코드에 의한 디지털 신호로부터 커스 앵글을 검출하고, 트라이앵글 코드에 의한 디지털 신호로부터 파인 앵글을 각각 검출하며, 이후 각 검출된 커스 앵글과 파인 앵글을 결합하여 최종적으로 앵귤러 포지션을 측정한다.

상기와 같은 동작을 보다 상세히 설명하면, 도 6은 본 발명에 의한 디지털 광학 앵글 센서내 감지부(4)에서 검출되는 코드의 형태를 보인 도면으로서, 도 6에 도시된 바와 같이 디스크1,2의 표면에 그레이팅되어 있는 퓨즈도우-랜덤 코드와 트라이앵글 코드는 검출기(5)의 라인 이미지 센서에 의해 감지되며, 이때 라인 이미지 센서를 사용하므로 같은 데이터를 나타내는 퓨즈도우-랜덤 코드의 어디를 감지하더라도 커스 앵글은 같게 되어 쉽게 측정할 수 있다.

반면에, 파인 앵글을 측정하는 것은 트라이앵글 코드의 그레이팅된 부분, 즉 도 6의 't'간격으로 되어있는 부분의 길이에 의해 결정된다.

't'간격으로 되어있는 부분은 라인 이미지 센서에 의해 감지되지만, 실제 앵글 포지션은 아니다.

그러므로, 본 발명에서는 't'간격으로 되어있는 부분의 길이에 따라 룩-업 테이블(Look-Up Table)에 저장한 가로 길이에 따른 세로 길이를 비교하여 측정하고자 하는 지점을 쉽게 찾을 수 있도록 하고 있다.

즉, 't'간격으로 되어있는 부분의 가로 길이로 각 앵글 포지션에 따른 't'간격으로 되어있는 세로 길이를 저장하고 있는 룩-업 테이블과 비교하면 't' 간격으로 되어있는 부분의 가로 길이에 따른 앵글 포지션, 즉 파인 앵글을 알 수 있다.

한편, 본 발명에서는 실제 금속(회전체) 표면에 그레이팅되는 퓨즈도우-랜덤 코드와 트라이앵글 코드가 선형적으로 새겨져야 정확한 앵귤러 포지션을 검출할 수 있으며, 퓨즈도우-랜덤 코드에 비해 트라이앵글 코드가 선형적으로 새겨지지 않을 확률이 높기 때문에 그로 인해 에러(Error)가 발생할 수 있다.

그러므로, 트라이앵글 코드 부분은 기울기가 낮을수록 즉, 검출 지점의 변위에 따라 't'의 길이 변위량이 커질수록 금속에 새겨질 때 발생하게 되는 에러를 보상하게 된다. 따라서 기울기가 낮으면 각 검출 지점에 대한 't'의 길이 변화가 커지므로 에러가 발생할 확률이 줄어들게 된다.

예를 들어, 반지름 60mm인 회전체에 퓨즈도우-랜덤 코드의 길이를 3mm가 되도록 금속에 그레이팅하면 퓨즈도우-랜덤 코드를 125개 새길 수 있으며, 이때 코드 하나가 나타내는 커스 앵글 리솔루션(Resolution)은 2.88 디그리(Degree)가 되지만, 여기에 트라이앵글 코드를 첨가하고 1 픽셀(Pixel)이 7㎛*7㎛인 CCD 라인 이미지 센서로 검출하여 좀 더 높은 정밀도를 얻을 수 있다. 1 픽셀이 7㎛*7㎛을 나타낼 경우 트라이앵글 코드의 세로 길이 3mm가 429 픽셀을 표시할 수 있으므로 2.88 디그리가 429 등분으로 나눠지는 것과 같은 효과를 나타낸다.

그렇게 하여 1 픽셀이 나타낼 수 있는 정밀도는 2.88 디그리보다 향상되어 0.006713 디그리까지 정밀해지게 된다. 즉, 검출 지점의 정밀도는 1 픽셀에 해당하는 7㎛*7㎛까지 정밀해진다. 현재 디지털 광학 앵글 센서에 요구되는 리솔루션이 0.01 디그리 이하이므로 이론적으로 0.006713 디그리는 요구에 부합되게 된다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 디지털 광학 앵글 센서내 감지부에서 검출되는 코드의 형태를 보인 도면으로서, 디지털 광학 앵글 센서내 그레이팅 엘리먼트부의 퓨즈도우-랜덤 코드 및 트라이앵글 코드 대신에 퓨즈도우-랜덤 코드 및 파라볼라 코드(Parabola Code)를 사용하여 2-디멘션(Dimension)으로 커스 앵글과 파인 앵글을 따로 감지한다.

이때, 파라볼라 코드에 의해 파인 앵글을 감지하는 경우 파라볼라 코드의 그레이팅된 부분인 't1'과 그레이팅되지 않은 부분인 't2'의 길이에 의해 파인 앵글의 측정이 결정되며, 에러의 발생 여부를 용이하게 감지할 수 있게 된다.

한편, 포물선의 중심부에서는 't1'의 길이 변화가 작아서 에러를 감지못할 수도 있고 그로 인해 앵글 포지션을 정확하게 감지못할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 디지털 광학 앵글 센서내 감지부에서 검출되는 코드의 형태를 보인 도면으로서, 디지털 광학 앵글 센서내 그레이팅 엘리먼트부의 1개의 트라이앵글 코드 대신에 서로 대칭되는 2개의 트라이앵글 코드를 사용하여 파인 앵글을 감지한다.

이때, 2개의 트라이앵글 코드에 의해 파인 앵글을 감지하는 경우 도 8에 도시된 첫 번째 트라이앵글 코드의 그레이팅된 부분인 't1'과, 두 번째 트라이앵글 코드의 그레이팅된 부분인 't3'과, 첫 번째 트라이앵글 코드와 두 번째 트라이앵글 코드 사이로 그레이팅되지 않은 부분인 't2'의 길이에 의해 파인 앵글의 측정이 결정되며, 에러의 발생 여부를 용이하게 감지할 수 있게 된다.

상기와 같이, 도 8에 도시된 디지털 광학 앵글 센서는 그레이팅 엘리먼트부에서 1개의 트라이앵글 코드를 사용한 경우보다 파인 앵글 측정의 리솔루션을 향상 및 개선시킬 수 있다.

즉, 도 7에 있어서의 파라볼라 코드의 장점을 포함하고 있어 디지털 광학 앵글 센서의 리솔루션을 향상시킬 수 있고, 트라이앵글 코드 중심부의 에러를 감지하는데도 포물선보다 유리하며 앵글 포지션도 쉽게 감지할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 감지부내 라인 이미지 센서를 통해 금속 표면에 새겨진 퓨즈도우-랜덤 코드와 트라이앵글 코드로 표현된 데이터를 측정하여 커스 앵글과 파인 앵글을 검출하고, 이어 커스 앵글과 파인 앵글을 결합하여 정확한 앵귤러 포지션을 검출함으로써 회전체의 절대 회전각을 정밀하게 측정할 수 있게 되는 효과가 있다. 이에 따라 EPS 시스템에서 본 발명에 의한 앵글 센서를 적용하여 스티어링 샤퓨트의 정확하고 높은 정도의 절대각 변위량을 측정할 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 회전축을 기준으로 회전되는 금속 회전체의 표면에 새겨져 커스 앵글을 검출하기 위한 퓨즈도우-랜덤 코드와 상기 퓨즈도우-랜덤 코드 옆 금속 회전체의 표면에 새겨져 파인 앵글을 검출하기 위한 트라이앵글 코드로 구성된 그레이팅 엘리먼트부와,

   발광 소자와 수광 소자로서 라인 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서를 이용하여 상기 그레이팅 엘리먼트부의 변위 신호를 감지하는 검출기와, 상기 검출기에서 검출한 변위 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터와, 상기 A/D 컨버터에서 변환된 디지털 신호로부터 커스 앵글과 파인 앵글을 검출하고 이를 결합하여 앵귤러 포지션을 최종 측정하는 프로세서로 구성된 감지부로 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 광학 앵글 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 감지부내 검출기로서 라인 이미지 센서와, 상기 그레이팅 엘리먼트부의 퓨즈도우-랜덤 코드 및 트라이앵글 코드가 금속 회전체의 회전축과 평행하게 되어 금속 회전체의 원주를 따라 배열되면서 새겨지게 되는 것을 특징으로 디지털 광학 앵글 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 그레이팅 엘리먼트부의 퓨즈도우-랜덤 코드와 트라이앵글 코드가 금속 회전체의 표면에 선형적으로 새겨지고, 상기 트라이앵글 코드의 경우 기울기를 낮게 하여 새김으로써 회전체 금속에 새겨질 때 발생하게 되는 에러를 보상하도록 하는 것을 특징으로 하는 디지털 광학 앵글 센서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 감지부내 프로세서가 상기 A/D 컨버터에서 변환된 퓨즈도우-랜덤 코드에 의한 디지털 신호로부터 커스 앵글을 검출하고, 상기 A/D 컨버터에서 변환된 트라이앵글 코드에 의한 디지털 신호로부터 파인 앵글을 각각 검출하며, 이후 각 검출된 커스 앵글과 파인 앵글을 결합하여 최종적으로 앵귤러 포지션을 측정하는 것을 특징으로 하는 디지털 광학 앵글 센서.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,

   상기 감지부내 프로세서가 파인 앵글을 검출하는 경우, 상기 감지부내 검출기로서 라인 이미지 센서에 의해 감지된 트라이앵글 코드의 임의의 간격으로 되어있는 부분의 가로 길이로 각 앵글 포지션에 따른 상기 임의의 간격으로 되어있는 세로 길이를 저장하고 있는 룩-업 테이블과 비교하여 상기 임의의 간격으로 되어있는 부분의 가로 길이에 따른 파인 앵글을 검출하는 것을 특징으로 하는 디지털 광학 앵글 센서.
6. 제1항에 있어서,

   상기 그레이팅 엘리먼트부가 퓨즈도우-랜덤 코드와 파라볼라 코드를 사용하여 2-디멘션으로 커스 앵글과 파인 앵글을 따로 감지하는 것을 특징으로 하는 디지털 광학 앵글 센서.
7. 제1항에 있어서,

   상기 그레이팅 엘리먼트부가 서로 대칭되는 2개의 트라이앵글 코드를 사용하여 파인 앵글을 감지하는 것을 특징으로 하는 디지털 광학 앵글 센서.

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