KR101341080B1 - 광학 인코더 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 광학 인코더는 제1 패턴이 형성된 스케일 및 상기 스케일에 대해서 상대 이동되며 제2 패턴이 형성된 수광부를 포함하고, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나를 정현파 신호를 획득하도록 구부러진 밴드 형상으로 형성함으로써, 신뢰성 있는 정현파 형상의 전기적 신호를 획득할 수 있다.

Description

광학 인코더{OPTICAL ENCODER}
본 발명은 광학 인코더에 관한 것으로, 상세하게는 신뢰성 있게 정현파를 획득함으로써 변위 또는 각도를 정밀하게 측정할 수 있는 광학 인코더에 관한 것이다.
광학 인코더는 폭넓은 다양한 환경에서 사용되어 임의의 기준에 대한 물체의 이동 또는 위치를 결정한다.
일반적인 광학 인코더는 광학 센서 및 인코더 패턴이 사용된다. 광학 센서는 인코더 패턴의 표면에 포커싱된다. 광학 센서가 인코더 패턴을 기준으로 이동하거나 인코더 패턴이 광학 센서를 기준으로 이동할 때, 광학 센서는 인코더 패턴을 통과하거나 인코더 패턴에서 반사된 광 패턴을 판독하여 이동 또는 위치를 검출한다.
한국공개특허공보 제2007-0026137호에는 위치 결정시 기준이 되는 인덱스를 검출하는 수단 없이도 인덱스 채널을 검출하는 광학적 인코더가 제공되고 있다. 그러나, 물체의 위치를 고정밀도로 파악하기 위해서는 상기 광 패턴이 정현파인 것이 바람직한데, 이에 대해서는 해결책을 제시하지 못하고 있다.
한국공개특허공보 제2007-0026137호
본 발명은 신뢰성 있게 정현파를 획득함으로써 변위 또는 각도를 정밀하게 측정할 수 있는 광학 인코더를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광학 인코더는 제1 패턴이 형성된 스케일 및 상기 스케일에 대해서 상대 이동되며 제2 패턴이 형성된 수광부를 포함하고, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 신호를 획득하도록 구부러진 밴드 형상일 수 있다.
이때, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 형상의 외곽선 중 좌우 절반이 상하 반전되는 단위 패턴을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 형상으로 이루어진 복수개의 폐곡선이 상하 방향으로 연속되는 패턴에서, 좌우 절반이 상기 상하 방향으로 슬라이딩된 형상일 수 있다.
또한, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 상기 회전축을 중심으로 하는 내주 방향 폭이 외주 방향 폭보다 짧게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나의 상하 단부에는 캡(cap) 패턴이 씌워질 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명의 광학 인코더는 구부러진 밴드 형상을 갖는 패턴을 포함함으로써 신뢰성 있는 정현파 형상의 전기적 신호를 획득할 수 있다.
이러한 효과는 패턴의 외곽선을 정현파 형상 등으로 형성할 경우에 현저하게 나타난다.
또한, 단위 패턴을 복수로 배치할 경우 각 단위 패턴이 최대 폭으로 연결되도록 함으로써 각 단위 패턴의 연결 지점에 첨부가 생성되지 않도록 한다. 이에 따르면 패턴의 가공이 용이해지고, 첨부에서 예상되는 여러 오차 성분을 배제할 수 있다.
또한, 스케일 패턴 또는 수광부 패턴의 상하 단부에 캡 패턴을 형성함으로써 편심 오차에 강건하다.
또한, 스케일 패턴 또는 수광부 패턴의 내주 방향의 폭이 외주 방향의 폭보다 짧도록 함으로써 상기 스케일로 회전 스케일을 이용하는 경우 신뢰성 있는 정현파를 획득하고 불필요한 오차를 배제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 광학 인코더를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더의 패턴을 나타낸 개략도.
도 3은 정현파를 획득하기 위한 다른 실시예의 패턴을 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 인코더의 패턴을 나타낸 개략도.
도 5는 단위 패턴이 상하 방향으로 연속되어 제1 패턴을 형성하는 일 예를 나타낸 개략도.
도 6은 단위 패턴이 상하 방향으로 연속되어 제1 패턴을 형성하는 다른 예를 나타낸 개략도.
도 7은 도 3의 패턴을 상하 방향으로 연속 배치한 상태를 나타낸 개략도.
도 8은 단위 패턴이 상하 방향으로 연속되어 제1 패턴을 형성하는 또다른 예를 나타낸 개략도.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학 인코더의 패턴을 나타낸 개략도.
도 10은 본 발명의 본 발명의 광학 인코더에서 캡 패턴의 일 예를 나타낸 개략도.
도 11은 본 발명의 제1 패턴 또는 제2 패턴을 나타낸 개략도.
도 12는 도 11의 좌측 도면 ①과 가운데 도면 ②를 비교한 그래프.
도 13은 도 11의 가운데 도면 ②와 우측 도면 ③을 비교한 그래프.
도 14는 스케일 및 수광부가 상대적으로 회전 이동하는 광학 인코더를 나타낸 개략도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 광학 인코더에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 광학 인코더(100)는 광원(110), 스케일(120), 수광부(140) 및 수광부(140)에 접속되는 연산부(160)를 포함한다.
광원(110)으로서, 예컨대 LED나 LD 등이 사용 가능하다.
스케일(120)은 광원(110)과 수광부(140) 사이에 배치되고, 측정 대상인 회전축(150)에 부착될 수 있다. 스케일과 수광부는 상대 이동하면 되므로 회전축에는 스케일 대신 수광부가 부착될 수도 있다. 스케일에는 광원(110)으로부터의 광속을 변조하는 제1 패턴(130)이 원주를 따라 마련되어 있다. 제1 패턴(130)은 회전축(150)의 회전각에 대응하여 패터닝되어 있다. 도 1에서 스케일은 회전축에 적합한 원판형 스케일로 나타내었으나 리니어 인코더에 적용 가능한 판형 스케일일 수도 있다.
수광부(140)는 제1 패턴(130)으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 연산부(160)로 출력한다. 구체적으로 수광부(140)는 제2 패턴(141)으로 형성된 하나 이상의 수광 소자를 포함한다. 이때 각 수광 소자는 광속이 수광되면 전기적 신호를 생성하여 연산부로 출력한다.
연산부(160)는 스케일(120) 즉 회전축(150)의 회전 각도 또는 회전 위치를 연산하여 출력한다.
도 1의 광학 인코더(100)는 로터리 인코더(rotary encoder)의 경우를 예로 하였으나, 여기에 한정되지 않고, 리니어 인코더(linear encoder) 등에 대해서도 적용 가능하다. 또한, 도 1에서 수광부(140)는 패턴(130)을 투과한 광원(110)의 광속을 검출하는 것으로 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 반사광을 검출하도록 구성하여도 좋다.
이하에서는 제1 패턴 및 제2 패턴에 대하여 구체적으로 살펴본다. 설명의 편의상 제1 패턴에 대하여 주로 설명하나, 제1 패턴의 내용은 제2 패턴에도 적용될 수 있음을 환기한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더의 패턴을 나타낸 개략도이다.
본 실시예의 광학 인코더는 제1 패턴(130)이 형성된 스케일(120) 및 스케일(120)에 대해서 상대 이동되며 제2 패턴(141)이 형성된 수광부(140)를 포함한다. 이때 제1 패턴과 제2 패턴은 서로 포개어질 수 있다. 이와 같이 형성하면 광 효율과 배치 효율을 최대화시킬 수 있다.
스케일에 형성되는 패턴은 실질적으로 명부(明部; bright section)와 암부(暗部; dark section)가 교대로 배치된 구성이나, 설명의 편의상 제1 패턴은 명부의 형상을 지칭하는 것으로 한다. 도 1과 같이 패턴을 투과한 광원의 광속을 검출하는 인코더의 경우 제1 패턴(130)은 스케일에 형성된 슬릿의 형상이다.
제1 패턴(130)과 제2 패턴(141)이 모두 사각형 형상인 경우 수광부(140)에서 출력되는 전기적 신호는 삼각파 형상이 된다. 삼각파 형상의 전기적 신호를 이용하여 스케일과 수광부의 상대 이동량, 즉 거리 또는 회전 각도를 연산할 수도 있으나 정밀도가 낮은 문제가 있다. 따라도 높은 정밀도를 위해서는 정현파 형상의 전기적 신호를 연산부로 출력할 필요가 있다.
정현파 형상의 전기적 신호를 얻기 위한 방안으로 제1 패턴(130) 및 제2 패턴(141) 중 적어도 하나를 구부러진 밴드 형상으로 형성할 수 있다. 이때, 구부러진 밴드 형상은 밴드 형상의 외곽선 일부가 구부러지거나 밴드 형상이 전체적으로 구부러진 것을 의미한다. 도 2에는 제1 패턴의 좌우 외곽선이 구부러지는 동시에 전체적으로 중앙 부분이 구부러진 밴드 형상을 나타내었다.
제1 패턴(130)이 사각형 형상의 제2 패턴(141)을 지나가면 수광부에서 출력되는 전기적 신호는 상대 이동 방향(굵은 화살표 방향)을 축으로 하는 제1 패턴의 적분값이 된다. 구부러진 밴드 형상으로 제1 패턴을 형성하면 적분값은 정현파에 근사하게 된다. 이때 제1 패턴에서 외곽선의 구부러진 정도나 전체 밴드의 구부러진 정도를 적절히 조절하면 이상적인 정현파 형상을 추종하는 전기적 신호를 획득할 수 있다.
외곽선의 구부러진 정도는 정현파를 추종하는 것이 바람직하다. 즉, 제1 패턴 및 제2 패턴 중 적어도 하나는 적어도 일부의 외곽선이 정현파 형상인 것이 좋다. 도 2에서 제1 패턴(130)의 중심을 기준으로 하는 가상의 수평축과 수직축이 형성하는 사분면을 살펴보면, 제1 패턴에서 각 분면에 위치하는 외곽선은 사분면 순으로 정현파에서 ④, ⑤, ⑥, ⑦ 부분의 형상으로 형성되어 있다. 이때의 적분 결과는 도 3에 도시된 패턴의 적분 결과와 동일하다.
도 3은 정현파를 획득하기 위한 다른 실시예의 패턴을 나타낸 개략도이다. 도 3과 같이 정현파에서 수평축 윗 부분을 아래 위로 배치한 패턴을 제1 패턴으로 하여 사각형 형상의 제2 패턴을 지나가도록 하면 정현파 형상의 전기적 신호가 수광부로부터 출력되는 것을 확인하였다. 다만, 도 3과 같이 패턴을 형성할 경우 패턴의 상하 단부가 첨부(尖部, 뽀족한 부분)가 되므로 상하 단부의 정밀한 가공이 어렵고, 이에 따라 소형화도 제한된다. 또한, 편심이나 조립 오차 등에 의해 패턴을 통해 들어오는 광속이 일정하지 않을 경우, 파형이 왜곡될 가능성이 있다. 즉, 출력 신호에 노이즈가 발생될 수 있다. 이와 같은 문제는 도 3의 패턴을 상하 방향으로 연속하여 배치할 경우 두드러지게 나타난다.
이를 해소하기 위해 도 2의 패턴과 같이 상하 단부가 첨부가 되지 않도록 제1 패턴 또는 제2 패턴을 형성할 필요가 있으며, 그 방안에 대해 살펴본다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 인코더의 패턴을 나타낸 개략도이다.
본 실시예의 광학 인코더는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 패턴(130)이 형성된 스케일(120) 및 스케일(120)에 대해서 상대 이동되며 제2 패턴(141)이 형성된 수광부(140)를 포함한다.
이때, 제1 패턴(130) 및 제2 패턴(141) 중 적어도 하나는 정현파 형상의 외곽선 중 좌우 절반이 상하 반전되는 단위 패턴을 포함한다. 여기서 정현파 형상은 가상의 수평축을 기준으로 양의 정현파 형상과 음의 정현파 형상 중 하나인 것이 좋다. 또한, 상하 반전의 중심은 전체 정현파 형상에서 파고 h의 1/4 지점인 것이 바람직하다.
이러한 조건 하에서 도 4의 좌측 도면의 패턴에서 좌우 절반 중 하나인 오른쪽 외곽선을 상하 반전시키면 도 4의 우측 도면과 같은 패턴이 획득된다.
이렇게 획득된 제1 패턴 또는 제2 패턴은 상하 방향 상으로 상하 단부 뿐만 아니라 전체적으로 균일한 폭을 갖게 된다. 즉, 상하 방향 상으로 도 3에서와 같은 첨부가 형성되지 않는다.
이렇게 획득된 패턴을 전체로 하여 제1 패턴 또는 제2 패턴을 형성할 수도 있으나 조밀하게 배치하기가 어렵다. 일정 용기를 굵은 입자로 채운 경우가 보다 가는 입자로 채운 경우보다 공극이 많이 형성되는 것과 같은 이치이다. 따라서, 도 4에서 획득된 패턴을 단위 패턴(210)으로 하여 복수의 단위 패턴으로 제1 패턴 또는 제2 패턴을 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 제1 패턴 또는 제2 패턴이 담기는 용기는 해당 제1 패턴 또는 제2 패턴이 형성되는 스케일 또는 수광부일 수 있다.
정현파 신호를 획득하는 기능을 유지하면서 제1 패턴 또는 제2 패턴을 스케일 또는 수광부에 조밀하게 형성하는 방안으로 제1 패턴 또는 제2 패턴은 상하 방향으로 연속되는 복수의 단위 패턴으로 형성될 수 있다.
도 5에 단위 패턴이 상하 방향으로 연속되어 제1 패턴을 형성하는 일 예를 나타내었다.
도 5는 제2 패턴(141)에 꽉 차계 투영되도록 단위 패턴(210)들이 연속 배치되어 제1 패턴(130)을 형성하는 예를 나타낸다.
도 5에 도시된 제1 패턴(130)에는 각 단위 패턴(210)의 연결 부위에 도 7의 연결 부위 ⓔ와 같은 급격한 첨부가 형성되지 않는다. 이에 따라 가공이 용이하며 획득 파형의 오차를 방지할 수 있다.
다만, 연결부에서 좌측의 돌출 부분 ⓐ, 좌측의 오목 부분 ⓑ, 우측의 오목 부분 ⓒ, 우측의 돌출 부분 ⓓ가 도 7의 첨부에 접근하는 형태를 취함으로써 이를 완화시키는 것이 바람직하다. ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓓ 부분을 곡선으로 가공하면 대전제에 해당하는 정현파 형상의 전기적 신호 획득이 어려워지므로 다른 방안을 고려할 필요가 있다.
도 6은 단위 패턴이 상하 방향으로 연속되어 제1 패턴을 형성하는 다른 예를 나타낸 개략도이다.
살펴보면, 각 단위 패턴(210)이 여기에 이웃하는 단위 패턴의 좌우 반전 또는 상하 반전된 형태를 취하고 있다. 이와 같이 각 단위 패턴을 연속시켜 제1 패턴(130)을 형성하면 제2 패턴(141)에 꽉 차게 투영되도록 형성할 수 있다. 또한 정현파 신호 획득 기능을 저해하지 않으면서도 전체 폭이 대체로 균일하도록 함으로써 연결부에 ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓓ, ⓔ와 같은 첨부가 형성되지 않는다. 다만, 도 6의 각 단위 패턴(210)이 연속 배치될 때 도 8과 같이 엇갈리게 배치되면 ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓓ, ⓔ와 유사한 첨부가 다시 형성될 수 있다. 도 8과 같이 엇갈리게 배치되는 현상은 연결부의 폭이 최대폭 wa보다 작은 wb를 갖는 것에 기인하는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 각 단위 패턴이 이웃하는 단위 패턴과 최대 폭 wa로 연결되면 도 6과 같은 패턴을 획득할 수 있다. 도 5의 경우 ⓐ와 ⓓ로 인하여 인접하는 제1 패턴이 도 5에 형성된 제1 패턴의 빈 공간으로 진입하기가 어렵다. 그런데, 도 6의 경우 인접하는 제1 패턴이 도 6에 형성된 제1 패턴의 빈 공간(우변측 오목부)으로 일부 진입할 수 있는 여유가 있다. 물론, 도 6과 같이 제1 패턴과 제2 패턴이 완전히 포개어지도록 투영된 상태에서 인접하는 다른 제1 패턴 일부가 제2 패턴의 투영 영역에 진입된 형태가 되면 정현파를 얻기가 힘들므로 이와 같이 구성하기는 어렵다. 그러나, 이러한 여유로 인하여 복수의 제1 패턴 간의 간격을 도 5의 경우보다 조밀하게 할 수 있다.
한편, 제1 패턴에 편심이 발생되면 상하 단부 중 하나가 제2 패턴의 외부로 이탈된다. 이러한 현상은 수광부에서 출력되는 전기적 신호에 오류가 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 편심에 보다 강건한 구조를 고려할 필요가 있다.
예를 들어 제1 패턴 및 제2 패턴 중 적어도 하나의 상하 단부에는 캡(cap) 패턴(230)이 씌워질 수 있다. 이때의 캡 패턴(230)은 폐곡선 형상일 수 있으며, 바람직하게는 도 10과 같이 정현파를 가상의 수평축으로 절개한 형상 또는 도 9와 같이 정현파를 가상의 수평축 및 가상의 수직축으로 절개한 형상인 것이 좋다. 이때의 정현파는 단위 패턴의 외곽선이 추종하는 정현파이다. 이에 따르면 정현파 형상의 전기적 신호를 훼손하지 않고 캡 패턴을 형성할 수 있다. 캡 패턴에 의하면 제1 패턴 또는 제2 패턴의 상하 단부에 첨부가 형성된다. 이러한 첨부는 편심이 일부 발생하더라도 상대 패턴 내에서 유동되므로 편심에 의해 상대 패턴으로부터 이탈되지 않는다. 따라서, 위에서 살펴본 문제에 강건하다. 다만, 첨부로 인하여 제1 패턴과 제2 패턴의 상하 단부에 앞에서 살펴본 가공 등의 문제가 예상되나 각 단위 패턴의 연결부에까지 첨부가 형성되는 도 7의 패턴보다 유리하다. 참고로, 캡 패턴이 형성된 패턴이 제1 패턴일 때 제2 패턴이 상대 패턴에 해당하고, 캡 패턴이 형성된 패턴이 제2 패턴일 때 제1 패턴이 상대 패턴에 해당한다.
한편, 스케일(120) 및 수광부(140) 중 적어도 하나가 회전축을 중심으로 회전 운동할 때, 제1 패턴과 제2 패턴은 내주 방향의 폭이 외주 방향의 폭보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 단위 패턴은 내주 방향 폭이 외주 방향의 폭보다 짧게 형성되는 것이 좋다. 또한, 각 단위 패턴은 내주 방향으로 배치될수록 상하 방향의 길이가 길어질 수 있다. 이때 단위 패턴의 내주 방향 폭과 외주 방향 폭의 차이, 각 단위 패턴의 상하 방향 길이의 차이는 정현파 신호를 획득하기에 적합하도록 선택될 수 있다. 이에 대해서는 도 14에서 설명하기로 한다.
이상에서 살펴본 본 발명의 광학 인코더는 요컨대, 스케일(120) 및 수광부(140)에 제1 패턴 및 제2 패턴이 각각 형성되고, 제1 패턴 및 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파를 가상의 수평축 및 가상의 수직축을 경계로 절개한 형상을 갖는 제1 영역을 상하 또는 좌우로 복수로 배열한 것에 해당한다.
이때, 제1 패턴 및 제2 패턴 중 적어도 하나는 상하 반전 또는 좌우 반전된 제1 영역이 모여 형성된다.
또한, 제1 영역은 상하로 배열될 때 상하 반전되고, 좌우로 배열될 때 좌우 반전된다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학 인코더의 패턴을 나타낸 개략도이다.
본 실시예의 광학 인코더 역시 도 1에 도시된 바와 같이 제1 패턴(130)이 형성된 스케일(120) 및 스케일(120)에 대해서 상대 이동되며 제2 패턴(141)이 형성된 수광부(140)를 포함한다. 이때, 제1 패턴(130) 및 제2 패턴(141) 중 적어도 하나는 정현파 형상으로 이루어진 복수개의 폐곡선이 상하 방향으로 연속되는 패턴에서, 좌우 절반이 상하 방향으로 슬라이딩된 형상의 슬라이딩 패턴(250)일 수 있다.
슬라이딩 패턴에 의하면 각 폐곡선 간의 연결부에 형성될 수 있는 첨부를 에방할 수 있다.
도 3과 같이 정현파 형상으로 이루어진 폐곡선이 상하 방향으로 연속되면 도7과 같은 패턴이 된다. 이때 각 폐곡선의 연결 부위에는 ⓔ와 같은 첨부가 형성된다. 이러한 첨부 ⓔ는 도 7의 패턴 중 좌우 절반 중 한 쪽을 상방향 또는 하방향으로 슬라이딩시키면 된다. 이렇게 형성된 슬라이딩 패턴에서 가장 작은 폭은 슬라이딩 거리에 따라 결정된다.
폐곡선이 도 3과 같은 형상일 때 슬라이딩 패턴에서 가장 작은 폭은, 슬라이딩 거리가 폐곡선의 상하 길이의 절반일 때 최대가 된다. 이때의 슬라이딩 패턴의 형상은 도 4의 단위 패턴을 연속하여 배치한 후, 정현파를 가상의 수평축 및 가상의 수직축으로 절개한 형상의 캡 패턴을 씌운 것과 같다. 슬라이딩 패턴을 도 4의 단위 패턴 단위로 구분하여 나타낸 도 9의 좌측 도면을 살펴보면 양자가 같은 것을 알 수 있다.
슬라이딩 패턴(250)에서 슬라이딩에 의해 돌출된 부위에는 돌출된 부위에 좌우 대칭되는 패턴이 부가될 수 있다. 슬라이딩에 의해 형성된 돌출된 부위는 캡 패턴(230)에 해당한다. 이때 슬라이딩으로 형성된 캡 패턴에 좌우 대칭되는 패턴을 부가하여 배치하면 도 10과 같이 정현파를 가상의 수평축으로 절개한 형상의 캡 패턴(230)이 형성된다.
또한, 슬라이딩 패턴에서 슬라이딩에 의해 돌출된 부위를 제거하면 도 6의 제1 패턴과 같은 형상의 패턴이 형성된다.
이상에서 살펴본 본 발명의 제1 패턴 또는 제2 패턴을 도 11에 정리하였다.
좌측 도면 ①은 제1 패턴 또는 제2 패턴을 도 3과 같이 형성한 경우이다.
가운데 도면 ②는 제1 패턴 또는 제2 패턴을 도 2와 같이 형성한 경우이다.
우측 도면 ③은 제1 패턴 또는 제2 패턴을 도 6과 같이 형성한 경우이다.
이때, 패턴에 있어서 상하 방향 전체 길이를 1로 할 때 세분화된 상하 지점을 가로축으로 하고, 각 상하 지점에서의 좌측 도면 ①의 패턴 폭을 세로축으로 나타낸 그래프를 도 12와 도 13에 나타내었다. 또한 도 12와 도 13의 면적은 패턴의 면적을 의미한다.
도 12는 도 11의 좌측 도면 ①과 가운데 도면 ②를 비교한 그래프이다.
살펴보면, 도 11의 좌측 도면 ①과 같은 패턴의 경우 상하 지점에 따라 패턴의 폭이 심하게 변화되는 것을 알 수 있다, 이에 비해 가운데 도면 ②와 같은 패턴의 경우 상하 지점에 따라 패턴의 폭이 좌측 도면 ①과 비교하여 좁은 범위에서 변화하는 것을 알 수 있다. 즉, 각 패턴의 폭이 상하 방향(도 12에서는 Radial axis로 표시)으로 균일하게 분포되는 것을 알 수 있다. 이것은 광속이 균일하지 않은 경우, 수광부에서 출력되는 파형의 왜곡이 적어진다는 것을 의미한다. 또한, 도면 ② 최대 폭이 0.7 정도이므로, 패턴을 좌측 도면 ①의 경우보다 조밀하게 배치할 수 있다. 이는 앞에서 설명한 바와 같다.
도 13은 도 11의 가운데 도면 ②와 우측 도면 ③을 비교한 그래프이다.
살펴보면, 도면 ②와 도면 ③의 패턴 폭이 거의 동일한 범위에서 변화하는 것을 알 수 있다. 다만 도면 ③의 패턴 폭이 도면 ②의 패턴 폭에 비하여 보다 짧은 상하 길이에서 변화된다. 이와 같은 경우 스케일과 수광부가 상대적으로 회전 이동할 때 유리하다. 이상에서 살펴본 광학 인코더는 스케일 및 수광부가 상대 이동하도록 구성된다. 이때의 상대 이동이 회전 이동이라면 스케일 및 수광부 중 적어도 하나는 회전축으로 중심으로 회전 운동한다. 여기서, 제1 패턴 및 제2 패턴 중 적어도 하나는 내주 방향 폭이 외주 방향 폭보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 도면 11의 우측 도면 ③과 같이 단위 패턴이 상하 방향으로 연속되게 제1 패턴 또는 제2 패턴을 형성하면 회전의 곡률 반경에 맞추어 배치하기가 용이하다.
도 14는 스케일 및 수광부가 상대적으로 회전 이동하는 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 14에 도시된 광학 인코더는 도 1에서와 같이 스케일(120) 및 수광부(140)를 포함한다. 스케일(120) 및 수광부(140)에는 제1 패턴 및 제2 패턴이 각각 형성된다. 여기서, 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 내주 방향 폭이 외주 방향 폭보다 짧게 형성된다. 이때의 제1 패턴은 스케일(120) 또는 수광부(140)에 형성될 수 있으며, 상대적으로 제2 패턴은 제1 패턴이 형성되지 않는 스케일(120) 또는 수광부(140)에 형성된다. 설명의 편의상 제1 패턴은 스케일(120)에 형성되고 제2 패턴은 수광부(140)에 형성되는 것으로 한다.
도 14에는 제1 패턴 및 제2 패턴 모두 외주 방향으로부터 내주 방향으로 갈수록 폭이 짧아지는 예를 나타내었다. 수광부(140)(또는 스케일)가 고정되고, 스케일(120)(또는 수광부)이 회전축을 중심으로 회전하는 경우 회전축에 접근하는 방향이 내주 방향이고 그 반대 방향이 외주 방향이다.
만약, 회전 이동시 제1 패턴 또는 제2 패턴의 외주 방향의 폭과 내주 방향의 폭이 동일하다면 제1 패턴의 좌변 또는 우변 중 일부가 제2 패턴의 우변 또는 좌변의 일부에 먼저 진입되거나 이탈된다. 이에 따르면 소망하는 전기적 신호를 획득하기가 어렵다. 따라서, 제1 패턴의 좌변 또는 우변 전체가 제2 패턴의 우변 또는 좌변 전체에 동시에 진입되도록 할 필요가 있다. 이와 같은 목적은 제1 패턴 또는 제2 패턴의 폭을 내주 방향으로 갈수록 짧게 형성하는 것으로 달성될 수 있다.
도 6과 같이 제1 패턴(130)과 제2 패턴(141)을 형성하는 경우를 예로 나타낸 것이 도 14이다.
살펴보면 제1 패턴 및 제2 패턴 모두가 내주 방향으로 갈수록 동일한 비율로 폭이 줄어들고 있다. 이에 따라 가상의 수직축 상에서 보았을 때 제1 패턴 및 제2 패턴은 서로 포개어지도록 형성된다.
또한, 제1 패턴은 제2 패턴과의 상대 이동 방향으로 돌출된 돌출부(131)를 갖고 돌출부는 제2 패턴에 동시에 진입하거나 동시에 이탈된다.
구체적으로 제1 패턴은 회전축을 중심으로 하는 래디얼(radial) 방향선을 따라 복수의 돌출부가 일렬로 배열된 폐곡선 형상으로 되어 있다. 제2 패턴은 내주 방향 폭이 외주 방향 폭보다 짧게 형성되는 사각형 형상이다. 이때 스케일 및 수광부의 상대 이동에 따라 복수의 돌출부는 제2 패턴의 좌우 한 변에 동시에 접하도록 정렬되어 있다. 또한, 제1 패턴 또는 제2 패턴은 인접하는 다른 제1 패턴 또는 제2 패턴과 서로 소정 각도로 기울어져 형성된다. 이때의 기울기는 서로 인접하는 제1 패턴들 또는 서로 인접하는 제2 패턴들과 회전축이 형성하는 각도와 동일하다. 간단하게 설명하면 제1 패턴 및 제2 패턴 중 적어도 하나는 동 중심으로부터 방사상으로 형성될 수 있다. 여기서 동 중심은 회전축이 될 것이다.
이상의 구성에 의하면 제1 패턴 또는 제2 패턴의 좌우변은 제2 패턴 또는 제1 패턴이 좌우변에 동시에 진입하거나 동시에 이탈된다.
이러한 구성에 의해 소망하는 정현파 형상의 전기적 신호가 훼손되지 않도록 할 필요가 있다. 이를 위해서 상하 방향으로 연속하여 형성되는 단위 패턴의 면적을 동일하게 해야 한다.
즉, 내주 방향 폭이 외주 방향의 폭보다 짧게 형성되는 각 단위 패턴의 면적을 동일하게 해야 한다. 이를 위해 각 단위 패턴의 상하 방향의 길이, 즉 높이를 조정한다. 예를 들어 각 단위 패턴은 내주 방향으로 배치될수록 높이가 커질 수 있다.
즉, 도 14의 아래 방향이 내주 방향이며 도 4의 단위 패턴이 위에서부터 아래로 P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P10과 같이 10개가 연속된 각 단위 패턴의 높이 h는 다음과 같다.
h1 < h2 < h3 < h4 < h5 < h6 < h7 < h8 < h9 < h10
각 단위 패턴의 단부 폭 w은 다음과 같다.
w1 > w2 > w3 > w4 > w5 > w6 > w7 > w8 > w9 > w10 > w11
이때 각 단위 패턴의 면적 AP는 동일하다.
즉, AP1 = AP2 = AP3 = AP4 = AP5 = AP6 = AP7 = AP8 = AP9 = AP10이다.
이러한 구성에 의하면 내주 방향의 폭이 외주 방향의 폭보다 짧게 형성되어도 소망하는 정현파 형상의 전기적 신호가 훼손되지 않는다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
광학식 엔코더에 적용할 수 있다.
특히, 이동 거리, 위치, 각도를 고해상도로 측정하는 엔코더에 적용하는 것이 바람직하다.
110...광원 120...스케일
130...제1 패턴 140...수광부
141...제2 패턴 150...회전축
160...연산부 210...단위 패턴
230...캡 패턴

Claims (23)

  1. 제1 패턴이 형성된 스케일; 및
    상기 스케일에 대해서 상대 이동되며 제2 패턴이 형성된 수광부;를 포함하고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 신호를 획득하도록 구부러진 밴드 형상이며,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나의 상하 단부에는 캡(cap) 패턴이 씌워지는 광학 인코더.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 패턴은 폐곡선 형상, 정현파를 가상의 수평축으로 절개한 형상, 정현파를 가상의 수평축 및 가상의 수직축으로 절개한 형상 중 하나인 광학 인코더.
  3. 제1 패턴이 형성된 스케일; 및
    상기 스케일에 대해서 상대 이동되며 제2 패턴이 형성된 수광부;를 포함하고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 형상의 외곽선 중 좌우 절반이 상하 반전되는 단위 패턴을 포함하며,
    상기 상하 반전의 중심은 상기 정현파의 파고의 1/4 지점인 광학 인코더.
  4. 제1 패턴이 형성된 스케일; 및
    상기 스케일에 대해서 상대 이동되며 제2 패턴이 형성된 수광부;를 포함하고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 형상의 외곽선 중 좌우 절반이 상하 반전되는 단위 패턴을 포함하며,
    복수의 상기 단위 패턴이 상하 방향으로 연속되고,
    상기 각 단위 패턴은 여기에 이웃하는 단위 패턴과 최대 폭으로 연결되는 광학 인코더.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각 단위 패턴은 여기에 이웃하는 단위 패턴을 좌우 반전 또는 상하 반전시킨 형상인 광학 인코더.
  6. 제1 패턴이 형성된 스케일; 및
    상기 스케일에 대해서 상대 이동되며 제2 패턴이 형성된 수광부;를 포함하고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 형상의 외곽선 중 좌우 절반이 상하 반전되는 단위 패턴을 포함하며,
    복수의 상기 단위 패턴이 상하 방향으로 연속되고,
    상기 스케일 및 상기 수광부 중 적어도 하나는 회전축을 중심으로 회전 운동하며,
    상기 단위 패턴은 내주 방향 폭이 외주 방향의 폭보다 짧게 형성되고,
    상기 각 단위 패턴은 상기 내주 방향으로 배치될수록 상하 방향의 길이가 길어지는 광학 인코더.
  7. 제1 패턴이 형성된 스케일; 및
    상기 스케일과 상대 이동하며 제2 패턴이 형성된 수광부;를 포함하고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 형상으로 이루어진 복수개의 폐곡선이 상하 방향으로 연속되는 패턴에서, 좌우 절반이 상기 상하 방향으로 슬라이딩된 형상의 슬라이딩 패턴이며,
    상기 슬라이딩 거리는 상기 폐곡선의 상하 길이의 절반인 광학 인코더.
  8. 제1 패턴이 형성된 스케일; 및
    상기 스케일과 상대 이동하며 제2 패턴이 형성된 수광부;를 포함하고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 형상으로 이루어진 복수개의 폐곡선이 상하 방향으로 연속되는 패턴에서, 좌우 절반이 상기 상하 방향으로 슬라이딩된 형상의 슬라이딩 패턴이며,
    상기 슬라이딩 패턴에서 상기 슬라이딩에 의해 돌출된 부위에는 상기 돌출된 부위에 좌우 대칭되는 패턴이 부가되는 광학 인코더.
  9. 제1 패턴이 형성된 스케일; 및
    상기 스케일과 상대 이동하며 제2 패턴이 형성된 수광부;를 포함하고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 정현파 형상으로 이루어진 복수개의 폐곡선이 상하 방향으로 연속되는 패턴에서, 좌우 절반이 상기 상하 방향으로 슬라이딩된 형상의 슬라이딩 패턴이며,
    상기 슬라이딩 패턴에서 상기 슬라이딩에 의해 돌출된 부위가 제거되는 광학 인코더.
  10. 스케일 및 수광부에 제1 패턴 및 제2 패턴이 각각 형성되고,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 내주 방향 폭이 외주 방향 폭보다 짧게 형성되는 광학 인코더.
  11. 제 10 항에 있어서,
    가상의 수직축 상에서 보았을 때 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은 서로 포개어지는 광학 인코더.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 상기 제2 패턴과의 상대 이동 방향으로 돌출된 돌출부를 갖고,
    상기 돌출부는 상기 제2 패턴에 동시에 진입하거나 동시에 이탈되는 광학 인코더.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 래디얼(radial) 방향선을 따라 복수의 돌출부가 일렬로 배열된 폐곡선 형상이고,
    상기 제2 패턴은 상기 내주 방향 폭이 상기 외주 방향 폭보다 짧게 형성되는 사각형 형상이며,
    상기 스케일 및 상기 수광부의 상대 이동에 따라 상기 복수의 돌출부는 상기 제2 패턴의 한 변에 동시에 접하도록 정렬되는 광학 인코더.
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