KR101353349B1 - 광학 인코더 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 광학 인코더는 제1 패턴이 형성된 수광부 및 상기 수광부에 대해 상대 이동하며 제2 패턴이 형성된 스케일을 포함하고, 상기 제1 패턴은 상기 제2 패턴의 폭과 다른 폭으로 형성됨으로써, 분해능을 향상시키고 제2 패턴의 가공에 여유를 제공할 수 있다.

Description

광학 인코더{OPTICAL ENCODER}
본 발명은 광학 인코더에 관한 것으로, 스케일의 패턴 가공에 여유를 제공하고 분해능을 향상시킬 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. 분해능을 향상시키기 위해서는 각 패턴을 소형으로 조밀하게 배치할 필요가 있다. 그러나, 스케일에 형성되는 패턴은 소형으로 조밀하게 배치하는데 가공상 한계가 있다. 따라서, 스케일에 형성되는 패턴에 가공 여유를 제공하면서도 분해능을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다.
한국공개특허공보 제2007-0026137호에는 이에 대한 방안이 개시되지 않고 있다.
한국공개특허공보 제2007-0026137호
스케일의 패턴 가공에 여유를 제공하고 분해능을 향상시킬 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.
본 발명의 광학 인코더는 제1 패턴이 형성된 수광부 및 상기 수광부에 대해 상대 이동하며 제2 패턴이 형성된 스케일을 포함하고, 상기 제1 패턴은 상기 제2 패턴의 폭과 다른 폭으로 형성될 수 있다.
또한, 광학 인코더는 제1 패턴이 복수로 형성된 수광부 및 상기 수광부에 대해 상대 이동하며 제2 패턴이 형성된 스케일;을 포함하고, 상기 제1 패턴 중 m(m은 자연수)번째 패턴의 이탈부와 m+1번째 패턴의 진입부는 상기 제2 패턴을 거친 빛의 투영 영역에 함께 진입 또는 이탈될 수 있다.
본 발명의 광학 인코더는 수광부에 형성된 제1 패턴과 스케일에 형성된 제2 패턴의 폭을 다르게 형성함으로써 분해능을 향상시키고 제2 패턴의 가공에 여유를 제공할 수 있다.
또한, 이상의 효과는 복수개의 제1 패턴에서 인접한 패턴의 마주보는 부분이 제2 패턴을 거친 빛의 투영 영역에 함께 진입되거나 이탈되도록 제1 패턴을 형성함으로써, 간소한 구성으로 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더의 패턴이 배치된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 광학 인코더로 획득되는 신호를 나타낸 개략도이다.
도 4는 제1 패턴에서 획득된 신호를 처리하여 정현파를 출력하는 상태를 나타낸 개략도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 광학 인코더에서 정현파를 출력하기 위한 패턴의 형상을 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 광학 인코더에서 정현파를 출력하기 위한 패턴을 형성하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 인코더에서 획득되는 신호를 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 광학 인코더에서 획득된 신호를 처리하는 과정을 나타낸 개략도이다.
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 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 제2 패턴(130)이 원주를 따라 마련되어 있다. 제2 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 제2 패턴(130)으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 연산부(160)로 출력한다. 구체적으로 수광부(140)는 제1 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 수광부(140) 또는 스케일(120)에 형성된 패턴에 대하여 구체적으로 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더의 패턴이 배치된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 2에 도시된 광학 인코더는 수광부(140)에 형성되는 제1 패턴(141) 및 수광부(140)에 대해 상대 이동하는 스케일(120)에 제2 패턴(130)을 포함한다.
이때, 제1 패턴(141)은 제2 패턴(130)의 폭과 다른 폭으로 형성된다.
광학 인코더의 분해능을 향상시키기 위해서는 제1 패턴(141)과 제2 패턴(130)의 폭을 좁게 해야 하고, 각 패턴이 복수로 형성될 경우 서로 인접하는 패턴 간의 간격 역시 좁게 해야 한다.
수광부(140)는 반도체 공정 등으로 제1 패턴(141)을 형성할 수 있으므로, 기계적으로 스케일(120)의 슬릿 또는 스케일(120)에 형성된 마킹으로 형성되는 제2 패턴(130)에 비해 소형화, 고정밀화가 용이하다.
따라서, 제1 패턴(141)과 제2 패턴(130)의 폭을 다르게 형성할 경우 바람직하게는 제1 패턴(141)의 폭을 제2 패턴(130)의 폭보다 작게 형성하는 것이 제작 공정상 유리하다. 스케일(120)에 형성되는 제2 패턴(130)은 실질적으로 명부(明部; bright section) a와 암부(暗部; dark section) b가 교대로 배치된 구성이나, 설명의 편의상 제2 패턴(130)은 명부의 형상을 지칭하는 것으로 한다. 도 1과 같이 패턴을 투과한 광원(110)의 광속을 검출하는 인코더의 경우 제2 패턴(130)은 스케일(120)에 형성된 슬릿의 형상이다.
제2 패턴(130)의 폭은 제1 패턴(141)의 폭의 정수배일 수 있다. 구체적으로 제1 패턴(141)은 제2 패턴(130)을 거친 빛의 투영 영역에 상대 이동 방향(굵은 화살표로 표시)으로 n(n은 2 이상의 자연수)개가 포함되는 폭으로 형성될 수 있다.
따라서, 제1 패턴(141)이 복수로 형성될 경우 제2 패턴(130)으로 형성된 투영 영역에는 n개의 제1 패턴(141)이 배치될 수 있다.
제2 패턴(130)의 폭이 d일 때 제2 패턴(130)의 투영 영역에 포함되는 n개의 제1 패턴(141)이 형성하는 패턴군의 폭 역시 d이다. 이때, 각 패턴군을 형성하는 제1 패턴(141)의 개수만큼 주기가 빠른 신호를 획득할 수 있다. 즉, 제1 패턴(141)의 폭을 제2 패턴(130)의 폭과 동일하게 형성하였을 때 획득되는 신호의 주기를 1이라 하면, 패턴군을 형성하는 제1 패턴(141)이 n개이면 1/n 주기의 신호를 획득할 수 있다. 이는 제1 패턴(141)과 제2 패턴(130)의 크기를 동일하게 한 경우에 획득되는 신호와 비교하여 n배의 분해능을 갖는 신호를 획득하는 것을 의미한다. 다른 관점에서 살펴본다면, 동일한 분해능을 갖는 신호를 획득하는 과정에서 제2 패턴(130)의 크기를 n배 크게 형성할 수 있다는 것과 동일하다.
도 2에는 각 패턴군 간에 간격 e가 부여되어 있는데, 이는 다른 위상의 신호를 획득하기 위함이다. 예를 들어 첫번째 패턴군에서 sin 신호를 획득하였다면 두번째 패턴군에서는 간격 e에 의해 cos 신호가 획득될 수 있다.
이하에서는 제2 패턴(130)의 폭을 제1 패턴(141)의 폭의 정수배로 형성하는 것으로 분해능을 향상시키고 제2 패턴(130)에 가공 여유를 제공할 수 있는 근거에 대해 살펴본다.
도 3은 본 발명의 광학 인코더로 획득되는 신호를 나타낸 개략도이다.
도 3에는 하나의 제2 패턴(130)을 거친 투과 영역에 2개의 제1 패턴(141)이 포함되는 예가 개시된다. 본 실시예에서는 제2 패턴(130)이 좌측에서 제1 패턴(141)으로 다가오는 상태를 나타낸다.
제1 패턴(141)이 투과 영역에 진입할 때 투과 영역에 처음으로 진입이 이루어지는 제1 패턴(141)의 단부를 진입부(143)라 칭하고, 제1 패턴(141)이 투과 영역에서 이탈할 때 투광 영역으로부터 마지막으로 이탈이 이루어지는 제1 패턴(141)의 단부를 이탈부(145)라 칭하기로 한다. 진입부(143) 또는 이탈부(145)는 제1 패턴(141)의 형상에 따라 복수일 수 있다. 도 4와 같이 직사각형 형상의 제2 패턴(130)이 좌에서 우로 이동하는 경우 갈매기 형상의 제1 패턴(141)은 2개의 진입부(143)와 3개의 이탈부(145)를 갖는다. 만약 제2 패턴(130)의 이동 방향이 반대이면 진입부(143)는 3개가 되고 이탈부(145)는 2개가 된다. 이와 같이 진입부(143)와 이탈부(145)는 수광부(140)와 스케일(120)의 상대 이동 방향에 따라 서로 바뀔 수 있음을 환기한다.
2개의 제1 패턴(141) 중 좌측 패턴 ①이 우측 패턴 ②보다 투영 영역에 먼저 진입된다.
패턴 ①과 패턴 ②가 제2 패턴(130)을 거친 빛의 투영 영역에 진입되지 않은 도 3의 (a) 상태에서 패턴 ①과 패턴 ②의 출력 신호는 없다.
패턴 ①은 진입부(143)가 투영 영역에 진입되는 시점부터 투영 면적이 증가하고, 이에 따라 출력 신호의 세기 또한 증가한다. 이탈부(145)까지 투영 영역에 진입되면 출력 신호의 세기는 최대가 된다. 이때까지 패턴 ②는 투영 영역에 진입되지 않은 상태이다.
패턴 ①의 이탈부(145)가 투영 영역에 진입될 때 패턴 ②의 진입부(143)도 투영 영역에 진입된다. 따라서, 패턴 ②에서는 패턴 ①의 출력 신호의 세기가 최대가 된 시점부타 출력 신호가 출력되기 시작한다. 이상의 상태는 도 3의 (b)와 같다.
제2 패턴(130)이 제1 패턴(141)보다 큰 관계로 패턴 ①의 출력 신호의 세기는 제1 패턴(141)과 제2 패턴(130)의 폭 차이인 ⓐ구간 동안 최대로 지속된다.
패턴 ①의 출력 신호가 최대 세기 상태로 ⓐ구간 지속되는 동안 패턴 ②는 진입부(143)부터 투영 영역에 진입되어 신호 세기가 점차 증가한다. 패턴 ①과 패턴 ②의 형상이 동일하므로 패턴 ①의 신호 세기 증가 구간과 패턴 ②의 신호 세기 증가 구간에서 획득된 신호는 동일한 파형을 갖는다. 이상의 상태는 도 3의 (c)와 같다.
다음 패턴 ②가 ⓐ구간에서 최대 신호 세기로 지속되는 동안 패턴 ①은 투영 영역으로부터 이탈되면서 신호 세기가 점차 감소한다. 이 상태는 도 3의 (d)와 같다.
이후 패턴 ①은 투영 영역으로부터 완전히 이탈하여 신호 세기가 0이 되고, 패턴 ②는 진입부(143)터 투역 영역에서 이탈이 시작되어 신호 세기가 점차 감소한다. 이 상태가 도 3의 (e)에 개시되어 있다.
도 4는 제1 패턴(141)에서 획득된 신호를 처리하여 정현파를 출력하는 상태를 나타낸 개략도이다.
제1 패턴(141)과 제2 패턴(130) 중 적어도 하나는 수광부(140)에서 정현파가 출력되는 형상으로 형성될 수 있다. 도 2 내지 도 3에서 제2 패턴(130)은 직사각형으로 형성되고 제1 패턴(141)은 외곽선이 정현파의 형상으로 형성되어 신호 세기가 증가하고 감소하는 구간에서 정현파가 획득되고 있다.
제2 패턴(130)을 거친 빛의 투영 영역에 포함되는 n개의 제1 패턴(141)이 형성될 때, 연산부(160)는 n개의 제1 패턴(141)에서 획득된 신호에 대해 투영 영역에 진입한 순서대로 양 또는 음의 부호를 부여하여 누산할 수 있다.
도 4에서는 n개의 제1 패턴(141)에서 획득된 신호에 양의 부호부터 양음의 부호가 교번하여 부여되면서 누산되는 상태를 나타낸다.
연산부(160)는 제1 패턴(141)에서 획득된 신호에 양음의 부호를 부여하여 누산하는 누산부(161)와 누산 결과의 절대값을 취하는 절대값 연산부(163)를 포함할 수 있다.
도 3의 예에서 패턴 ①에 양의 부호를 부여하고 패턴 ②에 음의 부호를 부여한 상태에서 누산한 그래프 형태가 도 4의 좌측 하단에 개시되어 있다. 누산 결과에 따른 신호는 절대값 연산부(163)에서 절대값 변환되어 도 4의 우측 그래프와 같이 정현파가 된다. 이렇게 획득된 정현파에서 오프셋을 신호 세기의 중간으로 변경하면 소망하는 정현파가 획득된다.
이상의 결과를 살펴보면 하나의 제2 패턴(130)이 형성하는 투영 영역에 2개의 제1 패턴(141)이 포함되도록 제1 패턴(141)과 제2 패턴(130)을 형성하면 하나의 제2 패턴(130)에 대해 2주기의 정현파가 획득되는 것을 알 수 있다. 이는 곧 분해능이 2배 향상된 것을 의미한다.
이상에서 제1 패턴(141)과 제2 패턴(130)의 폭에 차이를 두는 것으로 분해능을 향상시키고 있다. 이를 다른 관점에서 살펴보면 분해능 향상을 위해 크기기 작게 제작할 필요가 있는 제2 패턴(130)의 크기를 크게 하면서도 소망하는 분해능을 달성할 수 있음을 의미한다. 즉, 제작 공정이 어려운 특성의 제2 패턴(130)에 제작 여유를 제공하는 것으로 볼 수도 있다.
소망하는 정현파를 획득하기 위해서 제1 패턴(141)이 복수로 형성될 때, 제1 패턴(141) 중 m(m은 자연수)번째 패턴의 이탈부(145)와 m+1번째 패턴의 진입부(143)는 제2 패턴(130)을 거친 빛의 투영 영역에 함께 진입 또는 이탈될 수 있다.
예를 들어 도 3에서 패턴 ①의 이탈부(145)와 패턴 ②의 진입부(143)가 투영 영역의 변과 매칭되는 가상의 동일 수직선 상에 위치하고 있다. 이와 같이 제2 패턴(130)의 위치를 설정함으로써 신뢰성 있는 정현파를 획득할 수 있다.
만약, 패턴 ①의 이탈부(145)와 패턴 ②의 진입부(143)가 가상의 동일 수직선 상에 위치하고 있지 않다면, 정현파의 형상과 차이가 있게 된다.
이러한 경우 신호의 위상을 쉬프트 시키는 시프트부를 추가 설치하여 패턴 ①의 이탈부(145)와 패턴 ②의 진입부(143)의 위치 차이만큼 패턴 ① 또는 패턴 ②의 신호를 시프트시키면 된다. 그러나, 별도의 시프트부가 요구되므로 가능한 패턴 ①의 이탈부(145)와 패턴 ②의 진입부(143)를 동일 수직선 상에 위치시키는 것이 바람직하다. 이때의 동일 수직선은 제2 패턴(130)이 형성하는 투영 영역에서 수광부(140)와 스케일(120)의 상대 이동 방향에 수직한 한쪽 변에 따른 형상이다. 따라서, 제2 패턴(130)의 변의 형상이 변경된다면 패턴 ①의 이탈부(145)와 패턴 ②의 진입부(143)의 위치 역시 제2 패턴(130) 형상 변경에 따른 투영 영역에 맞게 조정되어야 할 것이다.
정현파를 획득하는 동시에 패턴 ①의 이탈부(145)와 패턴 ②의 진입부(143)가 제2 패턴(130)의 투영 영역에 동시에 진입하거나 이탈되도록 하기 위해 제1 패턴(141)의 형상은 아래와 같이 결정될 수 있다. 이때, 제2 패턴(130)은 직사각형인 경우를 상정한다.
제1 패턴(141)과 제2 패턴(130)이 모두 사각형 형상인 경우 수광부(140)에서 출력되는 전기적 신호는 삼각파 형상이 된다. 삼각파 형상의 전기적 신호를 이용하여 스케일(120)과 수광부(140)의 상대 이동량, 즉 거리 또는 회전 각도를 연산할 수도 있으나 정밀도가 낮은 문제가 있다. 따라도 높은 정밀도를 위해서는 정현파 형상의 전기적 신호를 연산부(160)로 출력할 필요가 있다.
정현파 형상의 전기적 신호를 얻기 위한 방안으로 제1 패턴(141) 및 제2 패턴(130) 중 적어도 하나는 수광부(140)에서 정현파가 출력되는 형상으로 형성할 수 있다.
예를 들어 제1 패턴(141)이 사각형 형상의 제2 패턴(130)을 지나가면 수광부(140)에서 출력되는 전기적 신호는 상대 이동 방향을 축으로 하는 제1 패턴(141)의 적분값이 된다. 이 적분값이 정현파를 추종하도록 하기 위한 다양한 방안이 있을 수 있다.
도 5와 도 6은 본 발명의 광학 인코더에서 정현파를 출력하기 위한 패턴의 형상을 나타낸 개략도이다.
살펴보면, 정현파를 출력하는 제1 패턴(141)으로 도 5의 ③, ④, ⑤, 도 6이 예시되어 있다. 도 5의 패턴 형상 ③은 패턴 형상 ④를 변경한 것이고, 패턴 형상 ⑤는 패턴 형상 도 7을 변경한 것이다.
모두 공통적으로 제1 패턴(141)의 외곽선이 정현파 형상을 추종하고 있으며, 수광부(140)를 통해 출력되는 신호 파형은 동일하다.
그런데, 패턴 형상 ④ 또는 도 6의 경우 패턴 ①의 이탈부(145)와 패턴 ②의 진입부(143)가 투영 영역에 동시에 진입하도록 형성되면 전기적으로 접촉되는 문제가 있다. 또한, 패턴 형상 ④의 단부가 첨부를 형성하고 있는데, 이는 곧 가공이 어렵다는 것을 의미한다. 이러한 첨부를 배제하기 위해 패턴 형상 ④를 패턴 ③과 같이 형성하면 패턴의 길이 방향 상으로 폭의 차이가 크지 않으면서도 패턴 형상 ④와 동일한 정현파 신호를 획득할 수 있다.
마찬가지로 패턴 형상 도 6의 경우 단부가 첨부를 형성하고 있다. 또한 패턴 형상 ④와 유사한 형상의 단위 패턴이 전체 패턴의 상하 방향으로 연속되어 있다. 이때, 각 단위 패턴의 연결 부위에도 역시 첨부 ⓔ가 형성된다. 이러한 첨부를 배제하기 위해 패턴 형상 ⑤와 같이 패턴을 형성하면 도 6의 패턴과 동일한 신호를 획득하는 동시에 첨부를 배제시킬 수 있다. 또한, 패턴 ①의 이탈부(145)와 패턴 ②의 진입부(143)가 엇갈리게 배치되는 상태가 되므로 패턴 ①과 패턴 ②가 전기적으로 접촉하지 않게 된다.
패턴 형상 ③과 패턴 형상 ⑤는 다음과 같이 형성될 수 있다.
제1 패턴(141)은 정현파 형상으로 이루어진 복수개의 폐곡선이 상하 방향으로 연속되는 패턴에서, 좌우 절반이 상하 방향으로 슬라이딩된 형상의 슬라이딩 패턴일 수 있다.
이때의 슬라이딩 패턴이 도 5의 패턴 형상 ③과 패턴 형상 ⑤, 패턴 형상 도 7이 된다.
구체적으로, 슬라이딩 거리가 폐곡선, 즉 단위 패턴의 상하 길이의 절반이면 된다. 이렇게 슬라이딩 패턴에서 슬라이딩에 의해 돌출된 부위가 제거되면 도 5의 패턴 형상 ③과 패턴 형상 ⑤가 완성된다.
한편, 슬라이딩 패턴을 형성한 후 슬라이딩에 의해 돌출된 부위에는 돌출된 부위에 좌우 대칭되는 패턴이 부가될 수 있다. 슬라이딩에 의해 형성된 돌출된 부위는 캡 패턴(230)에 해당한다.
이와 같이 슬라이딩 패턴을 형성하는 과정을 도 7에 나타내었다.
도 7은 본 발명의 광학 인코더에서 정현파를 출력하기 위한 패턴을 형성하는 과정을 나타낸 개략도로 구체적인 설명은 앞에서 언급한 바 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 인코더에서 획득되는 신호를 나타낸 개략도이다.
도 8에는 하나의 제2 패턴(130)에 3개의 제1 패턴(141)이 포함되는 구성이 개시된다. 구체적으로 하나의 제2 패턴(130)을 거친 빛의 투영 영역에 제1 패턴(141)이 3개 포함되는 상태이다. 또한, 제1 패턴(141) 각각은 서로 인접하는 패턴끼리 인접부와 이탈부(145)가 투영 영역에 동시에 진입하고 이탈하도록 배치되어 있는 것으로 상정한다.
3개의 제1 패턴(141)에 대해 순서대로 획득된 신호로부터 +, -, + 부호를 부여한 후 누산하면 절대값 연산부(163)를 거치지 않고도 정현파가 획득되는 것을 알 수 있다. 이때 정현파의 주기는 제1 패턴(141)과 제2 패턴(130)이 동일한 크기일 때와 비교하여 3배가 빠른 주기이다. 이는 곧 3배의 분해능을 갖는 신호를 획득할 수 있음을 의미한다.
또한, 제1 패턴(141)의 개수 n이 홀수인 경우 절대값 연산부(163)를 배제할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 하나의 제2 패턴(130)이 형성하는 투영 영역에 홀수개의 제1 패턴(141)이 포함되는 경우 연산부(160)는 절대값 연산부(163)를 필요로 하지 않는다. 이를 통해 분해능을 향상시키는 동시에 회로 구성을 간소화시킬 수 있다.
이와 대비하여 제1 패턴(141)이 제2 패턴(130)을 거친 빛의 투영 영역에 포함되는 n개가 형성되고 n이 짝수이면, 광학 인코더는 n개의 제1 패턴(141)에서 획득된 신호에 투영 영역에 진입한 순서대로 양 또는 음의 부호를 붙여 누산하는 연산부(160) 및 누산 결과의 절대값을 출력하는 절대값 변환부를 포함할 수 있다.
도 8에서와 같은 주기의 정현파 신호를 획득하기 위해서 제1 패턴(141)의 크기를 갖는 제2 패턴(130)을 형성할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는 제1 패턴(141)보다 3배 큰 제2 패턴(130)을 형성하면서도 동일 주기의 정현파 신호를 획득할 수 있다. 이는 곧 소망하는 주기의 신호가 얻어지는 크기보다 제2 패턴(130)을 크게 가공해도 무방하다는 의미가 된다. 따라서, 제1 패턴(141)과 비교하여 상대적으로 가공이 어려운 제2 패턴(130)에 가공 여유를 제공하는 셈이 된다.
도 9는 본 발명의 광학 인코더에서 획득된 신호를 처리하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 9에는 하나의 제2 패턴(130)이 형성하는 투영 영역에 2개의 제1 패턴(141)이 포함되는 예가 개시된다.
2개의 제1 패턴(141)에서 획득된 각 신호의 위상차를 매칭시키기 위해 신호를 조정한다(S 510). 인접하는 두 패턴의 진입부(143)/이탈부(145)가 동시에 투영 영역에 진입/이탈되도록 형성한 경우 위상 매칭 과정이 없어도 위상차가 매칭된다. 그 외 경우에는 시프트부를 통해 어느 한 신호를 시프트시켜 위상차가 매칭되도록 신호를 조정한다.
이후, 먼저 획득된 순서로 획득된 신호에 +, - 순으로 부호를 부여한 후 누산하는 연산을 수행한다(S 520).
도 9에서와 같이 투영 영역에 포함되는 제1 패턴(141)의 개수가 짝수인 경우 연산 결과에 다시 절대값 연산을 수행하여 소망하는 신호를 생성/출력한다(S 530). 만약 투영 영역에 포함되는 제1 패턴(141)의 개수가 홀수라면 부호의 부여와 누산만을 통해 소망하는 신호의 생성이 가능하므로 절대값 연산 과정이 불필요하다.
한편, 연산부(160)는 누산부(161) 또는 절대값 연산부(163)에서 출력되는 정현파 신호를 보정하고 인터폴레이션하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.
이때의 신호 처리부는 누산부(161)와 별개로 형성되거나 누산부와 함께 동일 집적 회로(IC) 내에 형성될 수 있다.
또한, 수광부(140), 신호 처리부, 누산부(161)는 동일 집적 회로에 형성될 수 있다.
이상에서 절대값 연산부(163)는 제2 패턴(130)의 투영 영역에 포함되는 제1 패턴(141)의 개수가 짝수이면 상기 집적 회로에 함께 형성될 수 있다. 투영 영역에 포함되는 제1 패턴(141)의 개수가 홀수이면 절대값 연산부(163)는 배제될 수 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...광원 120...스케일
130...제2 패턴 140...수광부
141...제1 패턴 143...진입부
145...이탈부 150...회전축
160...연산부 161...누산부
163...절대값 연산부 230...캡 패턴

Claims (15)

  1. 제1 패턴이 형성된 수광부; 및
    상기 수광부에 대해 상대 이동하며 제2 패턴이 형성된 스케일;을 포함하고,
    상기 제1 패턴은 상기 제2 패턴을 거친 빛의 투영 영역에 상기 상대 이동 방향으로 n(n은 2 이상의 자연수)개가 포함되는 폭으로 형성되며,
    상기 제1 패턴은 복수로 형성되고,
    상기 제2 패턴을 거친 빛의 투영 영역에 상기 n개의 상기 제1 패턴이 포함되는 광학 인코더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 상기 수광부에서 정현파가 출력되는 형상으로 형성되는 광학 인코더.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 복수로 형성되고,
    상기 제1 패턴 중 m(m은 자연수)번째 패턴의 이탈부와 m+1번째 패턴의 진입부는 상기 제2 패턴을 거친 빛의 투영 영역에 함께 진입 또는 이탈되는 광학 인코더.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 정현파 형상으로 이루어진 복수개의 폐곡선이 상하 방향으로 연속되는 패턴에서, 좌우 절반이 상기 상하 방향으로 슬라이딩된 형상의 슬라이딩 패턴인 광학 인코더.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 슬라이딩 거리는 상기 폐곡선의 상하 길이의 절반인 광학 인코더.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 슬라이딩 패턴에서 상기 슬라이딩에 의해 돌출된 부위에는 상기 돌출된 부위에 좌우 대칭되는 패턴이 부가되는 광학 인코더.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 슬라이딩 패턴에서 상기 슬라이딩에 의해 돌출된 부위가 제거되는 광학 인코더.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 상기 제2 패턴을 거친 빛의 투영 영역에 포함되는 n개가 형성되고,
    상기 n개의 제1 패턴에서 획득된 신호에 상기 투영 영역에 진입한 순서대로 양 또는 음의 부호를 부여하여 누산하는 연산부;를 포함하는 광학 인코더.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 n개의 제1 패턴에서 획득된 신호에는 상기 양의 부호부터 상기 양 또는 음의 부호가 교번하여 부여되는 광학 인코더.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 n은 홀수인 광학 인코더.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 상기 제2 패턴을 거친 빛의 투영 영역에 포함되는 n개가 형성되고,
    상기 n은 짝수이며,
    상기 n개의 제1 패턴에서 획득된 신호에 상기 투영 영역에 진입한 순서대로 양 또는 음의 부호를 붙여 누산하는 연산부; 및
    상기 누산 결과의 절대값을 출력하는 절대값 변환부;를 포함하는 광학 인코더.
  15. 삭제
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