KR101349618B1 - 인코더 - Google Patents

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KR101349618B1
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박인규
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재단법인 포항지능로봇연구소
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Abstract

본 발명의 인코더는 회전축, 상기 회전축을 지지하는 기저부, 상기 회전축이 관통하는 중공이 형성되고, 상기 중공을 통하여 상기 회전축에 결합되는 스케일 베이스 및 상기 스케일 베이스에 장착되는 스케일을 포함하고, 상기 스케일 베이스는 상기 기저부까지 연장됨으로써, 베어링부로부터 유출된 윤활제로 인한 내부 부재의 오염과 스케일의 기울어짐을 방지할 수 있다.

Description

인코더{ENCODER}
본 발명은 인코더에 관한 것으로, 상세하게는 베어링부에서 유출된 윤활제가 인코더 내부로 유입되는 것을 방지하는 인코더에 관한 것이다.
인코더는 폭넓은 다양한 환경에서 사용되어 임의의 기준에 대한 물체의 이동 또는 위치를 결정한다.
일반적인 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. 인코더에는 회전축을 회전 가능한 상태로 기저부에 부착하기 위해 베어링부가 마련된다. 이때, 베어링부로부터 유출된 윤활제가 인코더 내부 부재를 오염시키지 않도록 할 필요가 있는데 한국공개특허공보 제2007-0026137호에는 이에 대한 대책이 개시되지 않고 있다.
한국공개특허공보 제2007-0026137호
본 발명은 베어링부에서 유출된 윤활제가 인코더 내부로 유입되는 것을 방지하는 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.
본 발명의 인코더는 회전축, 회전축을 지지하는 기저부, 회전축이 관통하는 중공이 형성되고, 상기 중공을 통하여 회전축에 결합되는 스케일 베이스 및 스케일 베이스에 장착되는 스케일을 포함하고, 상기 스케일 베이스는 상기 기저부까지 연장될 수 있다.
또한, 본 발명의 인코더는 스케일이 설치되는 스케일 베이스, 상기 스케일 베이스에 결합되는 회전축, 상기 회전축을 지지하는 기저부 및 상기 회전축과 상기 기저부의 사이에 개재되는 베어링부를 포함하고, 상기 스케일 베이스는 상기 베어링부로부터 유출된 윤활제가 상기 기저부에서 돌출된 상기 회전축의 외면을 따라 상기 돌출된 방향으로 흐르도록 유도할 수 있다.
본 발명의 인코더는 스케일이 장착되는 스케일 베이스를 기저부까지 연장시킴으로써 베어링부에서 유출된 윤활제가 스케일 베이스와 회전축의 결합 틈으로 유도되도록 한다.
이에 따라 윤활제가 광원, 수광부, 스케일을 오염시키는 것을 최대한 방지할 수 있다. 아울러 스케일 베이스에 회전축을 관통시켜 설치함으로써 스케일 베이스에 장착되는 스케일의 기울어짐을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 인코더의 사시도이다.
도 3은 회전축에 각종 부재가 장치된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 인코더를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 인코더를 나타낸 일부 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 인코더를 나타낸 일부 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 인코더(100)는 광원(181), 스케일(160), 수광부(131) 및 수광부(131)에 접속되는 연산부(135)를 포함한다.
광원(181)으로서, 예컨대 LED나 LD 등이 사용 가능하다.
스케일(160)은 광원(181)과 수광부(131) 사이에 배치되고, 측정 대상인 회전축(110)에 부착될 수 있다. 스케일과 수광부는 상대 이동하면 되므로 회전축에는 스케일 대신 수광부가 부착될 수도 있다. 스케일에는 광원(181)으로부터의 광속(光束)을 변조하는 제2 패턴(161)이 원주를 따라 마련되어 있다. 제2 패턴(161)은 회전축(110)의 회전각에 대응하여 패터닝되어 있다. 도 1에서 스케일은 회전축에 적합한 원판형 스케일로 나타내었으나 리니어 인코더에 적용 가능한 판형 스케일일 수도 있다.
수광부(131)는 제2 패턴(161)으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 연산부(135)로 출력한다. 구체적으로 수광부(131)는 제1 패턴(133)으로 형성된 하나 이상의 수광 소자를 포함한다. 이때 각 수광 소자는 광속이 수광되면 전기적 신호를 생성하여 연산부로 출력한다.
연산부(135)는 스케일(160) 즉 회전축(110)의 회전 각도 또는 회전 위치를 연산하여 출력한다.
도 1의 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(131)는 제2 패턴(161)을 투과한 광원(181)의 광속을 검출하는 것으로 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 반사광을 검출하도록 구성하여도 좋다.
도 2는 본 발명의 인코더를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 인코더를 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 4에 도시된 인코더는 회전축(110), 회전축(110)을 지지하는 기저부(120), 회전축(110)이 관통하는 중공이 형성되고, 중공을 통하여 회전축(110)에 결합되는 스케일 베이스(141) 및 스케일 베이스(141)에 장착되는 스케일(160)을 포함한다. 이때, 스케일 베이스(141)는 기저부(120)까지 연장될 수 있다.
회전축(110)은 모터와 같이 회전 각도의 측정 대상이 연결되어 측정 대상의 회전시 함께 회전하는 요소이다.
도 3은 회전축(110)에 각종 부재가 장치된 상태를 나타낸 개략도이다.
회전축(110)은 고정 부재인 기저부(120)에 설치된다. 이때 회전축(110)의 회전을 보장하기 위해 회전축(110)과 기저부(120) 사이에는 베어링부(111)가 설치된다. 또한, 회전축(110)에는 회전 각도를 측정하기 위한 수단으로 스케일(160)이 장착될 수 있으며, 이때 스케일(160)의 보호 및 신뢰성 있는 장착을 위해 스케일 베이스(141)가 스케일(160)과 회전축(110) 사이에 설치될 수 있다.
광학 인코더의 경우 도 1에서와 같이 스케일(160)의 회전을 감지하고 감지된 상태를 전기적 신호로 출력하기 위해 광원(181)과 수광부(131)가 포함되는데, 수광부(131)에 형성된 제1 패턴과 스케일(160)에 형성된 제2 패턴은 미세한 오염으로도 출력 신호에 오류를 발생시키는 민감한 부재이다. 또한, 광원(181) 역시 광 경로가 오염되면 신뢰성 있는 빛을 제1 패턴 또는 제2 패턴에 제공할 수 없다.
따라서, 인코더 내부는 케이스(190) 등을 통하여 외부 오염으로부터 격리되도록 설계된다. 그러나 이런 오염의 문제는 인코더 내부 부재에 의해 발생될 수도 있다. 대표적인 예가 베어링부(111)의 원활한 동작을 위해 사용되는 윤활제이다. 물론, 베어링부(111)로부터 유출되는 윤활제의 양을 엄격하게 제한할 수 있으나 문제는 인코더 내부 부재가 오염에 매우 민감하다는 것이다. 따라서 소량의 윤활제가 유출되더라도 유출된 윤활제가 인코더 내부 부재를 오염시킬 경우 치명적인 결과를 초래할 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해 본 발명의 스케일 베이스(141)는 기저부(120)까지 연장될 수 있다.
도 4를 살펴보면 스케일 베이스(141)에서 기저부(120) 측의 단부가 기저부(120)까지 연장되어 있음을 알 수 있다. 물론, 이때의 연장 정도는 회전축에 대해 고정 부재인 기저부(120)에 직접 접촉하지 않아야 한다. 만약 스케일 베이스(141)가 기저부(120)에 직접 접촉된다면 회전축(110)의 신뢰성 있는 회전을 제한할 수 있기 때문이다.
인코더가 회전축(110)과 기저부(120)의 사이에 개재되는 베어링부(111)를 포함한다면 베어링부(111)는 회전축(110)에 밀착되어 배치된다. 따라서, 기저부(120)까지 연장되는 스케일 베이스(141)의 기저부(120)측 단부는 실질적으로 베어링부(111)까지 연장된다. 베어링부는 회전축에 고정되어 회전축과 함께 회전하는 내륜과 기저부에 고정되어 기저부와 함께 고정되는 외륜을 포함할 수 있다. 따라서, 베어링부까지 연장된 스케일 베이스는 베어링부의 내륜에 직접 접촉하여도 무방하다. 다만, 베어링부의 외륜에는 직접 접촉하지 않도록 해야 한다.
이러한 구성에 의하면 베어링부(111)에서 유출된 윤활제가 회전축(110)과 스케일 베이스(141)가 결합된 틈으로 유도될 수 있다. 즉, 윤활제의 유출을 방지하기는 어려우나 유출된 윤활제를 회전축(110)과 스케일 베이스(141) 사이의 틈으로 유도함으로써 윤활제가 광원(181), 수광부(131), 스케일(160) 등 인코더 내부 부재를 오염시키지 않도록 할 수 있다. 정리하면, 스케일 베이스(141)가 베어링부(111)까지 연장됨으로써 윤활제에 의한 내부 부재의 오염을 방지하는 구성이다.
이때, 유출된 윤활제의 유도 경로는 기저부(120)에서 돌출된 회전축(110)의 외면을 따르고, 유도 방향은 회전축(110)의 돌출된 방향이다. 즉, 도 4에서와 같이 인코더를 배치한 경우 윤활제의 유도 경로는 회전축(110)과 스케일 베이스(141)의 결합된 틈이고, 유도 방향은 상방향이다.
상방향으로 유도된 윤활제를 일정 높이에서 다른 방향으로 유도할 수 있다. 다만 윤활제가 적어도 스케일(160)의 설치 높이까지 유도되도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위해 스케일 베이스(141)는 윤활제가 적어도 스케일(160)의 설치 높이까지 유도되는 구조일 수 있다. 이와 같이 하는 이유는 스케일(160)의 기울어짐과 관련된다.
회전축(110) 방향에 대해 스케일(160)이 기울어지게 되면 회전 각도 산출에 오류가 발생될 수 있다. 이는 인코더에서 대단히 중요한 사안에 해당하는 것으로 스케일(160)의 기울어짐은 스케일(160)이 장착되는 스케일 베이스(141)에 의해 결정된다. 따라서, 스케일 베이스(141)를 회전축(110)에 대해 기울어지지 않게 설치하는 방안이 필요하다.
이에 대한 방안으로 스케일 베이스(141)는 회전축(110)이 관통하는 중공이 형성되고, 중공을 통하여 회전축(110)에 끼워질 수 있다. 이러한 구성에 의하면 스케일 베이스(141)를 캡 형상으로 하여 회전축(110)에 삽입되도록 하는 방식 등에 비하여 기울어짐 문제에 대해 강건하다. 이러한 효과는 스케일 베이스(141)가 기저부(120)까지 연장되는 경우에 더욱 부각된다.
이러한 구조에서 스케일(160)의 설치 높이(회전축(110) 방향으로 베어링부(111)와 스케일(160) 간의 거리)는 윤활제가 도달하기에는 대단히 먼 거리이다. 실험적으로 베어링부(111)에서 유출된 대부분의 윤활제가 스케일(160)의 설치 높이까지 유도되는 과정에서 고착되는 것이 확인되었다.
도 5는 본 발명의 다른 인코더를 나타낸 일부 단면도이다.
도 5에 도시된 인코더에 포함된 스케일 베이스(141)는 기저부(120)까지 연장된 후 베어링부(111)의 적어도 일부를 덮도록 회전축(110)의 수직 방향으로 연장되어 있다. 이때의 연장 정도는 베어링부를 구성하는 내륜까지인 것이 바람직하다. 만약 연장 정도가 내륜을 거쳐 외륜 또는 기저부까지라면 외륜 또는 기저부에 해당하는 부위를 외륜과 기저부에 대해 이격시키는 것이 좋다.
이러한 구성에 의하면 베어링부(111)에서 유출된 윤활제가 자연스럽게 스케일 베이스(141)와 회전축(110)이 결합된 틈으로 유도될 수 있다.
다만 회전축(110)의 수직 방향으로 연장된 길이가 길 경우 원심력에 의해 윤활제가 방사상으로 퍼질 수 있으므로, 회전축(110)의 수직 방향으로의 연장 길이는 실험을 통해 결정되는 것이 좋다.
한편, 유출된 일부 윤활제가 스케일(160)의 설치 높이를 통과하여 계속 상방향으로 흐르는 경우를 방지할 필요가 있다. 이러한 경우는 대체로 회전축(110)의 고속 회전으로 인하여 가열된 윤활제가 기화한 경우에 나타나게 된다.
이를 위해 스케일 베이스(141)의 적어도 일부는 회전축(110)에 나사 결합되도록 중공 일부에 나사선이 형성될 수 있다. 물론 이에 대응하는 나사선이 회전축(110)에도 형성되어야 할 것이다. 나사선에 의해 스케일 베이스(141)는 회전축(110)에 나사 결합되는데 이를 통해 회전축(110)과 스케일 베이스(141)의 신뢰성 있는 결합이 이루어지는 동시에 유출된 윤활제가 나사선에 제한되어 상방향으로 계속 흐르는 현상을 방지할 수 있다. 다만, 나사선에 의한 나사 결합이 스케일 베이스(141)의 중공 전체에 대해 이루어지면 나사 결합에 의해 스케일(160)이 기울어질 수 있으므로 나사선의 형성 구간은 도 4의 ⓑ 구간과 같이 일부 구간으로 제한되는 것이 바람직하다. 도 4에는 스케일 베이스(141)에서 기저부(120)를 향하는 반대 단부에 나사선이 형성된 상태가 개시된다.
스케일 베이스(141)의 중공이 회전축(110)과 나사 결합되지 않거나, 일부 구간만 나사 결합되는 경우 스케일 베이스(141)와 회전축(110)과의 결합의 신뢰성을 보장할 수 없다. 따라서, 스케일 베이스(141)와 회전축(110)이 결합된 상태에서 회전축(110)의 단부가 스케일 베이스(141)로부터 돌출되도록 스케일 베이스(141)와 회전축(110)의 길이를 조절하고, 스케일 베이스(141)로부터 돌출된 회전축(110)의 단부에 고정부(143)를 끼울 수 있다. 고정부(143)는 내면에 나사선이 형성될 수 있으며, 이를 통해 회전축(110)에 나사 결합될 수 있다. 물론, 회전축(110)의 단부 외면에도 고정부(143)의 나사선에 대응하는 나사선이 형성되는 것이 좋다. 이때의 나사 결합 구간이 ⓐ 구간이다. 이렇게 회전축(110)에 삽입된 고정부(143)의 일측이 스케일 베이스(141)의 일측에 접촉하도록 함으로써 스케일 베이스(141)를 견고하게 회전축(110)에 결합시킬 수 있다.
또한, ⓐ 구간에 의해 회전축(110)과 스케일 베이스(141)의 결합 틈으로 유도된 윤활제가 결합 틈을 통과할 경우 2차적으로 ⓑ 구간에 의해 윤활제가 인코더 내부 부재를 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
정리하면, 인코더는 스케일 베이스(141)를 관통함으로써 스케일 베이스(141)로부터 돌출된 회전축(110)의 단부가 삽입되는 고정부(143)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또다른 인코더를 나타낸 일부 단면도이다.
도 6에 도시된 인코더에 포함된 고정부(143)는 캡 형상으로 형성되어 있다. 이와 같이 고정부(143)를 캡 형상으로 형성하면 윤활제의 유도 경로를 원천적으로 인코더 내부 공간과 격리시킬 수 있다. 따라서, 유출된 윤활제가 ⓑ 구간을 통과한다 하더라도 고정부(143)에 캡 부분에 막혀 인코더 내부 부재를 오염시킬 수 없다.
또한, 인코더는 기저부(120)의 적어도 일부와 베어링부(111)의 적어도 일부는 덮는 덮개부(121)를 포함할 수 있다. 덮개부(121)는 베어링부(111)에서 유출된 윤활제가 스케일 베이스(141) 쪽으로 유도되지 않고 회전축(110)을 중심으로 하는 방사 방향으로 퍼지는 것을 방지하기 위한 것이다.
한편, 인코더는 스케일 베이스(141)와 회전축(110)의 사이에 개재되거나 스케일 베이스(141)의 단부에 설치되는 다공성 부재(145)를 포함할 수 있다.
다공성 부재(145)는 유출된 윤활제를 흡수하는 기능을 수행하며 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어 스케일 베이스(141)에서 기저부(120)측 단부 또는 그 반대 단부에 배치되거나 스케일 베이스(141)의 중공 내면에 배치될 수 있다. 또한, 도 4와 같이 회전축(110)의 단부에 배치될 수도 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
110...회전축 111...베어링부
120...기저부 121...덮개부
131...수광부 133...제1 패턴
135...연산부 141...스케일 베이스
143...고정부 145...다공성 부재
160...스케일 161...제2 패턴
181...광원 190...케이스

Claims (11)

  1. 회전축;
    상기 회전축을 지지하는 기저부;
    상기 회전축이 관통하는 중공이 형성되고, 상기 중공을 통하여 상기 회전축에 결합되는 스케일 베이스;
    상기 스케일 베이스에 장착되는 스케일;
    상기 회전축과 상기 기저부의 사이에 개재되는 베어링부; 및
    상기 스케일 베이스의 중공을 통해 상기 스케일 베이스를 관통함으로써 상기 스케일 베이스로부터 돌출된 상기 회전축의 단부가 삽입되는 고정부;를 포함하고,
    상기 스케일 베이스는 상기 스케일과 상기 회전축의 사이에 개재되며,
    상기 베어링부에서 유출된 윤활제가 상기 회전축과 상기 스케일 베이스가 결합된 틈으로 유도되도록, 상기 회전축의 길이 방향으로 상기 스케일 베이스의 일단부는 상기 베어링부까지 연장되고,
    상기 회전축에 대한 상기 스케일의 기울어짐이 방지되도록, 상기 회전축의 길이 방향으로 상기 스케일 베이스의 타단부는 상기 베어링부와 상기 스케일 간의 거리보다 먼 위치까지 연장되며,
    상기 고정부는 상기 스케일 베이스의 타단부에 밀착되는 인코더.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스케일 베이스는 상기 베어링부의 적어도 일부를 덮도록 연장되는 인코더.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스케일 베이스의 적어도 일부는 상기 회전축에 나사 결합되는 인코더.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정부는 캡 형상인 인코더.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 회전축에 나사 결합되는 인코더.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기저부의 적어도 일부와 상기 베어링부의 적어도 일부를 덮는 덮개부;를 포함하는 인코더.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스케일 베이스와 상기 회전축의 사이에 개재되거나 상기 스케일 베이스의 단부 또는 회전축의 단부에 설치되는 다공성 부재;를 포함하는 인코더.
  10. 삭제
  11. 삭제
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