KR101604446B1 - 광학 인코더 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 광학 인코더는 수광부로부터 출력된 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 복수의 컨버터가 마련된 변환부 및 상기 복수의 컨버터 중에서 상기 트랙 신호가 입력되는 컨버터를 선택하는 관리부를 포함할 수 있다.

Description

광학 인코더{OPTICAL ENCODER}
본 발명은 수광부에 대한 스케일의 회전 각도를 파악하는 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.
최근, 로봇 산업과 같이 초정밀한 동작이 요구되는 산업 분야에서 고분해능의 정밀한 인코더에 대한 요구가 증가하고 있다.
한국공개특허공보 제2007-0026137호에는 위치 결정시 기준이 되는 인덱스를 검출하는 수단 없이도 인덱스 채널을 검출하는 광학적 인코더가 제공되고 있다. 그러나, 한국공개특허공보 제2007-0026137호에는 회전 각도를 고분해능으로 측정하는 방안에 대해서는 개시되지 않고 있다.
한국공개특허공보 제2007-0026137호
본 발명은 수광부에 대한 스케일의 절대 각도를 고분해능으로 파악할 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 수광부로부터 출력된 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 복수의 컨버터가 마련된 변환부 및 상기 복수의 컨버터 중에서 상기 트랙 신호가 입력되는 컨버터를 선택하는 관리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 광학 인코더는 수광부로부터 출력된 복수의 트랙 신호를 이용하여 회전축의 상대 각도와 절대 각도 간의 오프셋을 산출하는 연산부를 포함하고, 상기 연산부는 상기 오프셋이 산출되면 상기 복수의 트랙 신호 중에서 특정 트랙 신호만을 이용하여 상기 회전축의 상대 각도를 산출할 수 있다.
본 발명의 광학 인코더는 마스터 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 컨버터, 노니우스 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 컨버터, 세그먼트 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 제3 컨버터, 상기 각 컨버터의 입력단에서 상기 각 트랙 신호의 입력 경로를 스위칭하는 관리부 및 상기 마스터 트랙 신호, 상기 노니우스 트랙 신호 및 상기 세그먼트 트랙 신호를 이용하여 회전축의 절대 각도를 산출하는 연산부를 포함하고, 상기 관리부는 상기 연산부에서 상기 절대 각도가 산출되면 상기 마스터 트랙 신호가 상기 제1 컨버터, 상기 제2 컨버터 및 상기 제3 컨버터로 입력되도록 상기 입력 경로를 스위칭할 수 있다.
본 발명의 광학 인코더는 초기에 복수의 트랙 신호를 이용하여 절대 각도를 산출하고, 그 후에는 단일 트랙 신호를 이용해 획득된 상대 각도를 통해 절대 각도를 산출할 수 있다.
이에 따라, 절대 각도를 산출하는 연산부의 부하를 줄일 수 있으며, 고속으로 절대 각도를 산출할 수 있다.
또한, 복수의 트랙 신호를 각각 담당하던 복수의 컨버터가 단일 트랙 신호를 처리하도록 함으로써, 오차, 시간 지연 문제, 컨버터의 샘플링 능력에 의해 제한되는 분해능 등을 개선할 수 있다.
도 1은 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더에서 생성되는 신호를 나타낸 개략도이다.
도 4는 제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호로부터 절대 각도를 산출하는 방식을 나타낸 개략도이다.
도 5는 제1 트랙 신호와 제3 트랙 신호로부터 제2 연산 신호를 획득하는 방식을 나타낸 개략도이다.
도 6은 제1 트랙 신호, 제1 연산 신호 및 제2 연산 신호를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 광학 인코더를 구성하는 관리부를 나타낸 개략도이다.
도 9는 변환부를 구성하는 컨버터의 샘플링 상태를 나타낸 그래프이다.
도 10은 변환부를 구성하는 컨버터의 다른 샘플링 상태를 나타낸 그래프이다.
도 11은 변환부를 구성하는 컨버터의 또다른 샘플링 상태를 나타낸 그래프이다.
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 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. 스케일(120)과 수광부(140)는 상대 이동하면 되므로 회전축(150)에는 스케일(120) 대신 수광부(140)가 부착될 수도 있다. 스케일(120)에는 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 스케일(120)은 회전축(150)에 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 연산부(160)로 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.
도 2는 본 발명의 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 2에 도시된 광학 인코더는 수광부(140) 및 수광부(140)에 대해 상대 이동하고, 복수의 트랙이 형성된 스케일을 포함한다. 이때, 각 트랙은 수광부(140)에 빛을 투영시키는 패턴을 포함한다.
수광부(140)는 앞에서 살펴본 바와 같이 스케일에 형성된 패턴, 즉 제2 패턴으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 연산부(160)로 출력한다. 스케일이 복수의 트랙을 포함하므로 수광부(140)는 각 트랙에 대응하는 제1 패턴을 포함할 수 있다.
제1 실시예에 따르면, 스케일은 패턴 개수의 차이가 1인 제1 트랙과 제2 트랙을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 스케일에 j(여기서, j는 2 이상의 정수)개의 트랙이 형성된 경우 제1 트랙과 제2 트랙은 j개의 트랙 중에서 선택된 것일 수 있다. 물론, 스케일에는 제1 트랙과 제2 트랙만 형성될 수도 있다.
이때, 연산부(160)는 제1 트랙과 제2 트랙에 의해 수광부(140)로부터 출력되는 신호를 이용하여 수광부(140)에 대한 스케일의 회전 각도를 산출할 수 있다. 단일 트랙으로 회전 각도를 산출하는 대신 복수의 트랙으로 회전 각도를 산출하는 것은 고분해능을 현실적으로 달성하기 위함이다.
회전 각도를 고분해능으로 획득하는 직관적인 방안은 트랙에 기준점을 형성해둔 후 단일 트랙에 포함된 패턴의 개수를 증가시키는 것이다. 예를 들어 0도 지점에 기준점으로 형성해 두면 0도로부터 몇번째 단일 트랙에서 신호가 출력되는지 확인함으로써 수광부(140)에 대한 스케일의 회전 각도, 즉 절대 각도를 산출할 수 있다. 구체적으로, 절대 각도는 스케일을 회전시키는 회전축(150) 중심에 대한 스케일의 일정 지점의 각도이다. 기준점을 이용할 경우 트랙에 포함된 패턴의 개수가 1024개라면 210의 분해능, 다시 말해 10비트의 분해능으로 절대 각도를 획득할 수 있다. 이때의 분해능은 360도를 몇개로 세분화시켰는가와 관계된다. 따라서, 10비트의 분해능은 360도를 210개로 세분화시킨 것을 나타낸다.
그러나, 인코더의 크기가 소형화되는 추세에 따라 스케일의 크기를 무한정 크게 할 수 없고, 스케일에 형성되는 패턴의 크기를 무한정 작게 할 수 없으므로 스케일에 형성 가능한 패턴의 개수가 제한된다. 이런 이유로 20비트의 분해능을 목적으로 하는 경우 스케일에 220개의 패턴을 형성하기 힘들다. 연산부(160)가 디지털 데이터로 각종 데이터를 처리하는 경우 수광부(140)에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터가 필요하다. 수광부(140)에서 20비트 분해능의 신호가 유입된다 하더라도 A/D 컨버터의 분해능이 10비트라면 연산부(160)에서는 10비트 분해능의 데이터를 획득하게 된다. 따라서, A/D 컨버터의 분해능에 따라 1개 트랙에 대해 다수의 패턴을 형성하는 것이 제한될 수도 있다.
이렇게 제한된 개수의 패턴을 통해 고분해능의 절대 각도를 얻기 위한 방안으로 스케일에 복수의 트랙을 형성한 후 각 트랙에 대응하여 수광부(140)로부터 출력되는 복수의 신호를 이용할 수 있다. 또한, 앞의 방식에 따르면 기준점의 위치를 알아야만 하므로 구동 초기에 실시간으로 절대 각도를 획득하는 것이 쉽지 않다. 그러나, 복수의 트랙에서 출력되는 신호를 이용하면 구동 시점과 상관없이 실시간으로 절대 각도를 획득할 수 있다.
제1 트랙에 대면되는 수광부(140)로부터 출력되는 신호를 제1 트랙 신호로 칭하고, 제2 트랙에 대면되는 수광부(140)로부터 출력되는 신호를 제2 트랙 신호로 칭하기로 한다. 예를 들어 제1 트랙이 도 2의 'track 1'이고, 제2 트랙이 도 2의 'track 2'인 경우, 제1 트랙 신호는 수광부(140)에서 'for track 1'을 구성하는 하나 이상의 제1 패턴으로부터 출력되는 신호이다. 제2 트랙 신호는 수광부(140)에서 'for track 2'를 구성하는 하나 이상의 제1 패턴으로부터 출력되는 신호이다.
제1 실시예에 따른 광학 인코더는 연산부(160)를 포함할 수 있다. 이때, 연산부(160)는 제1 트랙 신호 및 제2 트랙 신호를 연산하여 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 구성된 제1 연산 신호를 생성할 수 있다. 연산부(160)는 이렇게 생성된 제1 연산 신호를 기초로 절대 각도를 산출할 수 있다. 다시 말해 연산부(160)는 제1 연산 신호로부터 직접 절대 각도를 산출하거나 제1 연산 신호를 다른 신호와의 연산에 적용시켜 절대 각도를 산출할 수 있다.
제1 연산 신호로부터 직접 절대 각도를 산출하는 방안은 다음과 같을 수 있다. 제1 트랙의 패턴 개수가 제2 트랙의 패턴 개수보다 1개 많은 것으로 가정한다. 또한, 각 트랙에 포함된 제2 패턴의 형상과 수광부(140)에 포함된 제1 패턴의 형상이 수광부(140)에서 정현파가 출력되도록 형성된 경우를 가정한다.
예를 들어 제1 트랙의 패턴 개수가 6개인 경우 수광부(140)에서 출력되는 제1 트랙 신호와 그 처리 신호는 도 3과 같다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더에서 생성되는 신호를 나타낸 개략도이다.
제1 패턴에서 출력되는 전기적 신호는 빛이 투영된 제1 패턴의 면적과 관련된다. 투영된 빛의 세기가 일정한 경우, 제1 패턴의 많은 면적에 빛이 투영되면 강한 신호가 출력되고, 제1 패턴의 적은 면적에 빛이 투영되면 약한 신호가 출력된다. 예를 들어 제1 패턴이 정현파 형상이고 제2 패턴이 직사각형 형상인 경우, 한개의 제1 패턴으로부터 출력되는 제1 트랙 신호는 도 3의 (a) 내지 (c)와 같이 2π를 주기로 하는 정현파이다. 이때의 2π는 스케일의 1회전을 의미하는 2π가 아니라 1개의 제2 패턴으로 인하여 제1 패턴에서 출력되는 신호의 주기를 나타낸다.
오프셋 조절 및 수광부(140)를 구성하는 제1 패턴의 개수와 간격, 제2 패턴의 간격 중 적어도 하나를 조절함으로써, 연산부(160)는 제1 트랙 신호로서 진폭 h를 갖는 사인파 (d)와 코사인파 (e)를 획득할 수 있다. 이때, 사인파 (d)와 코사인파 (e)는 각각 2π주기의 신호를 스케일의 1회전에 대해 제2 패턴의 개수와 동일하게 6개 포함한다. 따라서, 도 3의 (f)와 같이 스케일의 1회전 각도는 2π주기의 신호가 6번 반복되는 총 12π로 나타낼 수 있다.
한 주기의 사인파 (d)와 코사인파 (e)가 적용된 아크탄젠트(arctangent) 연산을 수행하고, 그래프로 나타내면 도 3의 (g)의 한 구간과 같은 그래프가 도출된다. 사인파 (d)와 코사인파 (e)가 주기적으로 6번 반복되므로 전체 그래프는 도 3의 (g)와 같다. 도 3의 (g)는 도 3의 (f)에 대하여 Mod2π(θ1)을 연산 처리한 것으로 볼 수도 있다. 이때의 Mod2π(θ1)은 위에서 12π로 표현되는 스케일의 회전 각도 θ1을 2π로 나눈 값의 나머지이다.
사인파 (d)와 코사인파 (e)를 이용하면 각 구간 내에서의 각도를 산출할 수 있다. 예를 들어 스케일의 절대 각도가 z도라고 가정한다. 도 3의 사인파 (d)와 코사인파 (e)를 이용하여 절대 각도 z도를 산출하기 위해서는 현재 획득된 신호가 6개의 2π주기의 신호에서 4번째 2π주기의 신호 ①, 즉 6π~8π 구간인 것을 파악하고, 6π~8π 구간 내에서 어느 위치 ②에 스케일이 위치하는지 알아야 한다. 후자의 위치는 예를 들어 사인파 (d)와 코사인파 (e)를 이용하여 아크탄젠트를 연산하고, 아크 탄젠트 연산 결과와 각 구간이 스케일 상에서 갖는 실 각도 범위의 비례식을 통하여 획득될 수 있다.
도 3에서 z도는 ①과 ②의 합산 결과이다. 그러나, 2π주기의 신호는 2π주기마다 동일한 파형이 반복되므로 ①을 획득하기 위해서는 도 3의 (f)와 같이 0π, 즉 기준점을 알고 있어야 한다. 기준점을 알기 위해 스케일을 미리 1회전시키는 등의 과정이 필요하므로 절대 각도를 실시간으로 획득하기 어렵다.
실시간으로 절대 각도를 획득하기 위해 기준점을 배제할 필요가 있다. 이를 위해 제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호를 함께 이용할 수 있다.
위 가정에 따라, 제1 트랙의 패턴 개수가 m개이면, 제2 트랙의 패턴 개수는 m-1개이다. 도 3에서 제1 트랙의 패턴 개수가 6개이므로, 제2 트랙의 패턴 개수는 5개이다. 이에 따라, 연산부(160)에서는 제2 트랙 신호로서 스케일의 1회전당 5개의 2π주기 신호가 포함되는 정현파가 획득된다. 이렇게 획득된 정현파로부터 도 3의 (f)와 유사하게 스케일의 1회전 각도를 2π주기 신호가 5번 반복되는 10π로 나타낼 수 있다.
도 4는 제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호로부터 절대 각도를 산출하는 방식을 나타낸 개략도이다.
도 4의 (a)에는 2π주기 신호가 6번 반복되는 12π로 스케일의 1회전을 나타내는 제1 트랙 신호와, 2π주기 신호가 5번 반복되는 10π로 스케일의 1회전을 나타내는 제2 트랙 신호가 함께 도시되고 있다. 살펴보면 제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호의 차이값은 세로축 상으로 그 값이 모두 다른 것을 알 수 있다.
제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호의 차이값은 도 4의 (b)와 같이 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 나타낼 수 있으며, 이때의 주기 신호가 앞에서 언급된 제1 연산 신호일 수 있다.
도 4의 (b)를 살펴보면, 스케일의 1회전 구간에서 세로축 값이 2π 범위 내에서 모두 다른 것을 알 수 있다. 이에 따르면, 현재 수광부(140)로부터 출력되는 제1 트랙 신호로부터 산출된 각도 θ1과 제2 트랙 신호로부터 산출된 각도 θ2의 감산 결과로부터 스케일의 절대 각도를 산출할 수 있다.
물론, 이를 위해서는 제1 트랙을 구성하는 제2 패턴의 간격과 폭이 제1 트랙 내에서 모두 동일해야 한다. 마찬가지로 제2 트랙을 구성하는 제2 패턴의 간격과 폭도 제2 트랙 내에서 모두 동일해야 한다. 이러한 특성은 후술되는 제3 트랙에 대해서도 동일하게 적용된다. 그리고, 제1 트랙의 패턴 개수와 제2 트랙의 패턴 개수의 차이가 1이면 제1 트랙 신호로부터 산출된 각도 θ1과 제2 트랙 신호로부터 산출된 각도 θ2를 감산한 결과는 기준 위치와 무관하게 고유하다. 따라서, θ1과 θ2를 감산한 결과를 이용하면 절대 각도를 실시간으로 산출할 수 있다.
도 4의 (b)에 의하면 이론상 무한대의 분해능을 제공할 수 있다. 그러나, 현실적으로 도 4의 (b)와 같은 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 A/D 컨버터의 분해능에 의해 광학 인코더에서 출력되는 절대 각도의 분해능이 제한된다. 예를 들어 10비트 분해능의 A/D 컨버터를 이용할 경우 실제로 절대 각도를 210개 구간으로 분석할 수 있다.
절대 각도의 분해능을 증가시키기 위해 제1 연산 신호를 다른 신호와의 연산에 적용시켜 절대 각도를 산출할 수 있다. 이때, 제1 연산 신호와 다른 신호를 획득하기 위해 스케일에는 제3 트랙이 추가로 형성될 수 있다.
제3 트랙은 제1 트랙의 패턴 개수와 n개(여기서, 1 < n < m, n은 정수, m은 상기 제1 트랙의 패턴 개수) 차이 나는 패턴 개수를 가질 수 있다. 또한, 제3 트랙은 도 2에 도시된 바와 같이 스케일에 j개의 트랙 중 제1 트랙과 제2 트랙을 제외하고 선택된 한 트랙일 수 있다.
제3 트랙에 대면되는 수광부(140)로부터 출력되는 신호를 제3 트랙 신호라 할 때, 연산부(160)는 제1 트랙 신호 및 제3 트랙 신호를 연산하여 스케일의 1회전당 n개의 주기 신호로 구성된 제2 연산 신호를 생성할 수 있다.
이때, 연산부(160)는 제1 연산 신호, 제2 연산 신호 및 제1 트랙 신호 중 적어도 하나를 기초로 절대 각도를 산출할 수 있다.
제1 트랙 신호 및 제3 트랙 신호는 각 트랙을 구성하는 패턴 개수의 차이로 인하여 스케일의 1회전에 포함된 2π주기 신호의 개수가 틀리다. 예를 들어 제1 트랙이 6개의 제2 패턴을 포함하고, 제3 트랙이 3개의 제2 패턴을 포함한다면 스케일의 1회전에 대해 제1 트랙 신호는 6개의 2π주기 신호를 포함하고, 제3 트랙 신호는 3개의 2π주기 신호를 포함한다. 이러한 상태를 도 5의 (a), (b)에 나타내었다.
도 5는 제1 트랙 신호와 제3 트랙 신호로부터 제2 연산 신호를 획득하는 방식을 나타낸 개략도이다.
도 5의 (a), (b)는 각각 제1 트랙 신호에 포함된 사인파와 제3 트랙 신호에 포함된 사인파를 나타내었으나 각 트랙 신호에는 코사인파도 포함된다. 사인파와 코사인파를 이용하면 도 5의 (c)와 같이 제1 트랙 신호에 대해 12π를 한도로 하는 각도 θ1을 산출할 수 있으며, 제3 트랙 신호에 대해 6π를 한도로 하는 각도 θ3를 산출할 수 있다.
각도 θ1에서 각도 θ3를 감산한 결과는 도 5의 (d)와 같이 6π를 한도로 하고, 스케일의 1회전을 1주기로 하는 신호로 나타난다. 이 신호를 도 4의 (b)와 같이 2π를 한도로 하는 신호로 변환하면 스케일의 1회전당 n=3개의 주기 신호로 구성된 제2 연산 신호가 생성된다. 다르게 표현하면 제2 연산 신호는 Mod2π(θ1-θ3)로 나타낼 수 있다.
이상의 과정을 거치면, 도 6의 (a) 내지 (c)와 같은 파형을 얻을 수 있다. 앞에서 언급했듯이 도 6의 (a)를 이용하면 이론상 무한대의 분해능으로 절대 각도를 산출할 수 있으나 실제의 분해능은 A/D 컨버터의 분해능에 의해 제한된다. 예를 들어 A/D 컨버터는 도 6의 (a)를 6구간으로 구분하는 분해능을 가질 수 있다.
스케일의 실제 절대 각도가 140도라고 가정하면, A/D 컨버터의 분해능에 의해 출력되는 각도는 2π/3=120도가 된다. 즉, 20도의 측정 오차가 있게 된다.
이러한 측정 오차를 줄이기 위해서는 분해능을 높혀야 하는데, 다양한 방안에 따라 제한된 분해능의 A/D 컨버터로 분해능을 높일 수 있다.
연산부(160)는 제1 연산 신호를 제1 분해능으로 분석함으로써 제1 트랙 신호를 구성하는 m개의 주기 신호 중 하나를 선택할 수 있다. 이렇게 선택된 m개의 주기 신호 중 하나를 제3 분해능으로 분석함으로써 절대 각도를 산출할 수 있다.
도 6에서 제1 트랙 신호를 Mod2π 처리한 것이 (c)이다. (c)는 6개의 주기 신호를 포함하고 있는데, 이 중에서 하나의 주기 신호를 제1 연산 신호의 분석을 통해 선택할 수 있다. 스케일의 실제 절대 각도가 140도인 경우라면 (c)를 구성하는 6개의 주기 신호 중 3번째 주기 신호가 선택된다. (c)를 구성하는 각 주기 신호는 세로축이 도 6의 (a)와 동일한 2π이므로 (a) 신호의 분석에 사용된 A/D 컨버터를 그대로 사용한다면 선택된 3번째 주기 신호를 6개 구간으로 구분할 수 있다. 이 경우는 제1 분해능과 제3 분해능이 동일한 경우에 해당한다.
선택된 3번째 주기 신호는 제1 트랙을 통해 획득된 제1 트랙 신호에 근거하며, 소위 실측값에 해당한다. 선택된 3번째 주기 신호에 A/D 컨버터를 적용하여 2π/3가 획득되었다면 비례식 등을 이용하여 각 주기 신호가 스케일의 1회전당 나타내는 각도 단위로 변환한다. 위의 2π/3는 스케일의 1회전당 각도로 환산하면 π/9이다.
제1 연산 신호를 통해 획득된 2π/3에 선택된 3번째 주기 신호를 통해 획득된 π/9를 가산한 결과는 7π/9이고, 이 값이 스케일의 절대 각도로서 출력된다. 이상의 과정을 거치면, 6개 구간을 구분할 수 있는 A/D 컨버터를 이용하여 스케일의 1회전을 36개 구간으로 구분할 수 있다.
만약 제1 트랙 신호 대신 제2 연산 신호를 이용한다면 6개 구간을 구분할 수 있는 A/D 컨버터를 이용하여 스케일의 1회전을 18개 구간으로 구분할 수 있다.
한편, 제1 연산 신호와 제1 트랙 신호를 이용하여 분해능을 향상시키는 방안에서 제2 연산 신호를 이용하여 노이즈에 대한 강건성을 제공할 수 있다.
제1 연산 신호와 제1 트랙 신호를 바로 이용하여 절대 각도를 산출하면, 제1 트랙 신호의 자체 오차 또는 A/D 컨버터의 오차 등에 의해 오류가 발생될 수 있다. 예를 들어 제1 트랙 신호를 구성하는 6개의 주기 신호에서 도 6에서 P에 위치에 대응되는 3번째 주기 신호가 선택되어야 하는데, 오차로 인하여 2번째 주기 신호 또는 4번째 주기 신호가 선택될 수 있다. 이러한 오류는 절대 각도 산출에 매우 치명적인 결함으로 작용하므로 이를 신뢰성 있게 배제할 필요가 있다.
이를 위해 제2 연산 신호를 이용할 수 있다. 제2 연산 신호는 주기 신호의 개수가 제1 연산 신호를 구성하는 주기 신호의 개수보다 많고 제1 트랙 신호를 구성하는 주기 신호의 개수보다 적다. 예를 들어 도 6에서 제1 연산 신호가 1개의 주기 신호로 구성되고, 제1 트랙 신호가 6개의 주기 신호로 구성될 때, 제2 연산 신호는 3개로 구성될 수 있다.
이 상태에서 연산부(160)는 제1 연산 신호를 제1 분해능으로 분석함으로써 제2 연산 신호를 구성하는 n개의 주기 신호 중 하나를 선택할 수 있다. 이후, 선택된 n개의 주기 신호 중 하나를 제2 분해능으로 분석함으로써 제1 트랙 신호를 구성하는 m개의 주기 신호 중 하나를 선택할 수 있다. 이후, 선택된 m개의 주기 신호 중 하나를 제3 분해능으로 분석함으로써 절대 각도를 산출할 수 있다. 제1 분해능 내지 제3 분해능이 모두 동일하다면, 예를 들어 제1 연산 신호를 6개 구간으로 구분 및 분석함으로써 3개의 주기 신호를 포함하는 제2 연산 신호에서 몇번째 주기 신호에 측정 지점이 매칭되는지 파악한다. 이렇게 파악된 제2 연산 신호의 주기 신호를 6개 구간으로 구분 및 분석함으로써 6개의 주기 신호를 포함하는 제1 트랙 신호에서 몇번째 주기 신호에 측정 지점이 매칭되는지 파악한다. 이는 흡사 스케일의 1회전을 6개 구간으로 구분하는 분해능이 18개 구간으로 구분하는 분해능으로 높아지고, 18개 구간으로 구분하는 분해능이 다시 36개 구간으로 구분하는 분해능으로 높아진 것과 같다. 또한, 각 단계의 분해능에 여유를 제공함으로써 노이즈로부터 강건하다.
한편, 위에서 살펴본 광학 인코더에 따르면, 아크탄젠트 연산으로 획득되는 θ1, θ3가 항상 필요하다.
연산부(160)의 연산 부하를 경감시키기 위해 다음의 방안이 고려될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 7의 광학 인코더는 연산부(160)를 포함할 수 있다.
연산부(160)는 수광부(140)로부터 출력된 복수의 트랙 신호를 이용하여 회전축(150)의 상대 각도와 절대 각도 간의 오프셋을 산출할 수 있다.
도 3에서 구한 Z°는 수광부(140)에 대해 회전한 회전축(150)의 상대 각도일 수 있다. 따라서, 도 3에 따르면 연산부(160)는 상대 각도도 구하고 절대 각도도 구하는 셈이 된다. 그리고, 제1 트랙 신호는 회전축(150)의 상대 각도를 산출하는데 이용되고, 제1 트랙 신호, 제2 트랙 신호 및 제3 트랙 신호는 회전축(150)의 절대 각도를 산출하는데 이용될 수 있다.
회전축(150)의 회전에 따른 위 상대 각도의 변화량과 절대 각도의 변화량은 동일하다.
예를 들어, 회전축(150)의 회전에 의해 상대 각도가 0, 10, 20, 30도와 같이 10도씩 변하는 경우 절대 각도 역시 20, 30, 40, 50도와 같이 10도씩 변한다. 이 경우 상대 각도와 절대 각도의 오프셋은 20도이며, 이때의 오프셋을 상대 각도에 더하면 절대 각도와 동일하다. 정리하면, 상대 각도와 절대 각도 간의 차이값에 해당하는 오프셋을 산출하고, 이때의 오프셋을 위 상대 각도에 더하거나 빼면 절대 각도가 산출될 수 있다.
이 점에 착안하여, 도 7의 연산부(160)는 위 오프셋이 산출되면 복수의 트랙 신호 중에서 특정 트랙 신호만을 이용하여 회전축(150)의 상대 각도를 산출할 수 있다. 다시 말해, 연산부(160)는 구동 초기에 상대 각도와 절대 각도가 산출된 후에는 위 오프셋과 제1 트랙 신호를 이용하여 산출된 상대 신호만을 이용하여 절대 각도를 산출할 수 있다.
이러한 구성에 의하면 연산부(160)는 초기 구동에 절대 각도가 산출된 이후에는 제1 트랙 신호만 처리하면 되므로 연산 부하가 감소될 수 있다.
위 예에서는 특정 트랙 신호가 제1 트랙 신호인 것으로 나타내고 있으나, 위 특정 트랙 신호는 제2 트랙 신호 또는 제3 트랙 신호 등이 될 수도 있다. 다만, 패턴의 개수가 많을수록 상대 각도의 해상도가 증가하므로, 가장 많은 패턴이 형성된 제1 트랙 신호를 특정 트랙 신호로 선택하는 것이 좋다.
한편, 연산부(160)에는 위 오프셋이 저장되는 메모리가 마련될 수 있다. 연산부(160)는 상대 각도가 산출될 때마다 메모리에 저장된 오프셋을 로딩하고, 오프셋을 상대 각도에 더하거나 뺄 수 있다.
연산부(160)는 디지털 신호를 처리할 수 있다. 그런데, 수광부(140)로부터 출력되는 각 트랙 신호는 아날로그 신호이다. 따라서, 연산부(160)의 입력단에는 각 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부(170)가 마련될 수 있다. 이때의 변환부(170)에는 각 트랙 신호에 일대일로 대응되는 컨버터가 복수로 마련될 수 있다. 즉, 각 컨버터에는 서로 구별되는 트랙 신호가 입력될 수 있다.
참고로, 연산부(160)와 변환부(170)의 사이에는 통신 인터페이스(190)가 개재될 수 있다.
도 7의 경우, 수광부(140)로부터 제1 트랙 신호에 해당하는 마스터(master) 트랙 신호 M, 제2 트랙 신호에 해당하는 노니우스(nonius) 트랙 신호 N, 제3 트랙 신호에 해당하는 세그먼트(segment) 트랙 신호 S가 출력되고 있다.
이에 대응하여 변환부(170)에는 M을 처리하는 제1 컨버터(171), N을 처리하는 제2 컨버터(172), S를 처리하는 제3 컨버터(173)가 마련될 수 있다.
구체적으로, 제1 컨버터(171)는 M을 아날로그 신호로 변환할 수 있다. 제2 컨버터(172)는 N을 아날로그 신호로 변환할 수 있다. 그리고, 제3 컨버터(173)는 S를 아날로그 신호로 변환할 수 있다.
오프셋이 산출된 이후에는 연산부(160)는 N과 S를 처리할 필요가 없다. 이에 따라 오프셋 산출 이후에는 제2 컨버터(172)와 제3 컨버터(173)는 잉여 자원이 된다. 이때의 잉여 자원을 활용하기 위해 수광부(140)와 변환부(170)의 사이에는 트랙 신호의 입력 경로를 스위칭하는 관리부(180)가 마련될 수 있다.
관리부(180)는 연산부(160)에서 오프셋이 산출되면, 특정 트랙 신호만 변환부(170)로 제공할 수 있다. 다른 관점에서 설명하면 관리부(180)는 복수의 컨버터 중에서 특정 트랙 신호가 입력되는 컨버터를 선택할 수 있다.
도 8은 본 발명의 광학 인코더를 구성하는 관리부(180)를 나타낸 개략도이다.
트랙 신호가 복수일 때, 관리부(180)는 각 컨버터에 각 트랙 신호를 일대일 매칭시켜 입력하는 제1 모드(1 mode), 복수의 컨버터에 특정 트랙 신호를 입력하는 제2 모드(2 mode) 중 하나로 동작할 수 있다.
도 8의 (a)는 관리부(180)가 제1 모드로 동작하는 상태를 나타내고, 도 8의 (b)는 관리부(180)가 제2 모드로 동작하는 상태를 나타낸다.
제1 모드에 따르면 연산부(160)로 M, N, S가 입력되고, 연산부(160)는 도 3 내지 도 6에 설명된 바와 같이 절대 각도를 산출할 수 있다. 그리고, 절대 각도 산출 과정에서 M을 이용해 상대 각도도 산출될 수 있다.
연산부(160)는 절대 각도와 상대 각도의 감산을 통해 오프셋을 획득할 수 있다. 그리고, 오프셋이 획득된 사실을 관리부(180)에 알릴 수 있다.
오프셋이 획득된 사실을 통지받은 관리부(180)는 제2 모드로 동작할 수 있다. 구체적으로, 관리부(180)는 하나의 특정 신호로 선택된 M을 각 컨버터로 제공할 수 있다. 이를 위해 관리부(180)는 연산부(160)에서 절대 각도 또는 오프셋이 산출되면, 스위칭을 통해 N 및 S를 배제하고, M을 제1 컨버터(171), 제2 컨버터(172) 및 제3 컨버터(173)로 입력할 수 있다.
이에 따르면 제1 컨버터(171), 제2 컨버터(172) 및 제3 컨버터(173)에서 출력되는 값은 모두 M에 대한 것일 수 있다.
도 9는 변환부(170)를 구성하는 컨버터의 샘플링 상태를 나타낸 그래프이다. 도 9에는 컨버터로 입력되는 M이 정현파인 경우가 개시된다.
변환부(170)를 구성하는 각 컨버터의 샘플링 간격이 9㎲이라면, 제1 컨버터(171)에서는 9㎲ 간격으로 디지털 값 ⓐ가 출력될 것이다.
이때, 각 컨버터의 샘플링 트리거 시점(샘플링이 이루어지는 시점)이 동일하다면, 샘플링 시점에서 각 컨버터로부터 출력되는 값은 모두 동일할 것이다.
그러나, 현실적으로 각종 노이즈에 의해 각 컨버터로부터 출력된 값은 a1, a2, a3와 같이 서로 다를 수 있다. 이때, a1는 제1 시점에서 제1 컨버터(171)로부터 출력된 값 ⓐ이고, b1은 제1 시점에서 제2 컨버터(172)로부터 출력된 값 ⓑ일 수 있다. c1은 제1 시점에서 제3 컨버터(173)로부터 출력된 값 ⓒ일 수 있다.
연산부(160)로 노이즈가 반영된 a1만 입력된다면 별다른 대안이 없으므로 연산부(160)는 a1을 이용하여 상대 각도를 산출하게 될 것이다. 그리고, 반영된 노이즈로 인해 상대 각도에는 오차가 발생할 것이다.
그러나, 관리부(180)의 제2 모드에 따르면 각 컨버터로부터 M의 처리 결과가 출력되므로, 연산부(160)는 복수의 M을 획득할 수 있다. 연산부(160)는 이렇게 획득된 복수의 M을 평균내거나, 비정상적인 특이점을 갖는 값을 제거하는 등의 방안을 통해 노이즈의 영향을 덜 받는 값을 도출할 수 있다. 이를 통해 연산부(160)는 상대 각도의 정확도를 개선할 수 있다.
도 10은 변환부(170)를 구성하는 컨버터의 다른 샘플링 상태를 나타낸 그래프이다.
관리부(180)는 설정 조건이 만족되면 하나의 특정 트랙 신호를 각 컨버터로 제공할 수 있다. 그리고, 각 컨버터의 트리거(trigger) 시점은 서로 다를 수 있다. 위 설정 조건은 연산부(160)에서 절대 각도와 상대 각도의 오프셋이 산출되는 것일 수 있다.
도 4에서 컨버터의 분해능에 의해 절대 각도의 분해능이 제한될 수 있음을 설명하였다. 이는 상대 각도에서도 마찬가지이다. 즉, 샘플링 간격이 9㎲인 컨버터를 이용하여 3㎲ 간격의 상대 각도를 획득할 수 없다.
그런데, 각 컨버터의 샘플링 간격을 균등하게 분할하도록 트리거 시점의 차이를 설정하면, 컨버터의 개수가 증가한만큼 분해능을 높일 수 있다.
일예로, 도 10과 같이 9㎲의 샘플링 간격을 갖는 3개의 컨버터가 마련되고 각 컨버터의 트리거 시점의 차이를 9㎲ 내에서 균등하게 설정하면, 3㎲ 단위로 샘플링을 수행할 수 있다.
다시 말해, 상대 신호의 분해능은 각 컨버터의 샘플링 간격을 컨버터의 개수로 나눈 것만큼 향상될 수 있다. 이를 위해 연산부(160)는 제1 컨버터(171)로부터 출력된 ⓐ, 제2 컨버터(172)로부터 출력된 ⓑ, 제3 컨버터(173)로부터 출력된 ⓒ를 시계열적으로 나열할 수 있다. 물론, 연산부(160) 또한 3㎲단위로 연산을 수행할 수 있어야 할 것이다.
도 11은 변환부(170)를 구성하는 컨버터의 또다른 샘플링 상태를 나타낸 그래프이다.
트리거 시점의 차이로 인해 제1 컨버터(171)로부터 출력된 제1 디지털 신호 ⓐ는 제1 시점 t1에 연산부(160)로 입력되고, 제2 컨버터(172)로부터 출력된 제2 디지털 신호 ⓑ는 제1 시점 t1보다 늦은 제2 시점 t2에 연산부(160)로 입력될 수 있다.
이때, 연산부(160)는 제1 디지털 신호 ⓐ의 처리가 요구되면, 제1 디지털 신호 ⓐ 대신 제2 디지털 신호 ⓑ를 처리할 수 있다.
이와 같이 하는 이유는 시간 지연을 대비하기 위함이다.
예를 들어, t1+1 시점의 제1 디지털 신호 ⓐ를 이용하기 위해서는 t1+1 시점에서 제1 디지털 신호 ⓐ가 획득되어야 한다. 그러나, 컨버터 등에서의 자체 시간 지연에 의해 해당 신호 ⓐ는 t1+1 이후에 연산부(160)로 입력될 수 있다. 그 결과, t1+1 시점에서 연산부(160)는 t1+1 시점 이전의 t1에서 획득된 신호 ⓐ를 처리하게 된다. 다시 말해 연산부(160)는 9㎲ 이전의 트랙 신호를 이용하여 상대 각도를 산출하게 된다.
즉, 연산부(160)에서는 실질적으로 9㎲가 시간 지연된 상대 각도가 출력될 것이다.
이러한 시간 지연 문제를 최소화하기 위해 t1+1 시점에서 연산부(160)는 ⓐ 대신 ⓑ를 처리할 수 있다. ⓑ는 t1보다 1㎲ 늦은 제2 시점 t2에서 획득된 값이므로, 이에 따르면 상대 각도의 시간 지연이 9㎲에서 8㎲로 줄어들 수 있다.
만약, ⓑ가 t1보다 8㎲ 늦은 시점에서 획득된다면 상대 각도의 시간 지연은 1㎲로 줄어들 수 있다.
도 11에서는 제2 시점 t2 보다 1㎲ 늦은 제3 시점 t3에서 제3 디지털 신호 ⓒ가 입력되고 있으므로, 연산부(160)는 ⓐ 및 ⓑ를 대신하여 ⓒ를 처리할 수 있다. 이에 따르면 상대 각도의 시간 지연은 9㎲에서 7㎲로 줄어들 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명의 인코더는 초기에 복수의 트랙 신호를 이용하여 절대 각도를 산출한 후에는 하나의 특정 트랙 신호만 이용하여 절대 각도를 산출할 수 있다. 이에 따라 연산부(160)의 처리 부하를 줄일 수 있다.
또한, 잉여의 트랙 신호를 처리하던 컨버터를 이용하여 특정 트랙 신호의 오차, 분해능, 시간 지연을 개선할 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 150...회전축
160...연산부 170...변환부
171...제1 컨버터 172...제2 컨버터
173...제3 컨버터 180...관리부
190...통신 인터페이스

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 수광부로부터 출력된 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 복수의 컨버터가 마련된 변환부; 및
    상기 복수의 컨버터 중에서 상기 트랙 신호가 입력되는 컨버터를 선택하는 관리부;를 포함하고,
    상기 트랙 신호는 복수로 마련되고,
    상기 관리부는 상기 각 컨버터에 상기 각 트랙 신호를 일대일 매칭시켜 입력하는 제1 모드, 복수의 상기 컨버터에 특정 트랙 신호를 입력하는 제2 모드 중 하나로 동작하는 광학 인코더.
  3. 수광부로부터 출력된 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 복수의 컨버터가 마련된 변환부;
    상기 복수의 컨버터 중에서 상기 트랙 신호가 입력되는 컨버터를 선택하는 관리부; 및
    상기 트랙 신호를 이용하여 회전축의 상대 각도를 산출하고, 상기 상대 각도와 상기 회전축의 절대 각도 간의 오프셋을 산출하는 연산부;를 포함하고,
    상기 각 컨버터에는 서로 구별되는 상기 트랙 신호가 입력되며,
    상기 관리부는 상기 오프셋이 산출되면 하나의 특정 트랙 신호를 상기 각 컨버터로 입력하는 광학 인코더.
  4. 수광부로부터 출력된 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 복수의 컨버터가 마련된 변환부; 및
    상기 복수의 컨버터 중에서 상기 트랙 신호가 입력되는 컨버터를 선택하는 관리부;를 포함하고,
    상기 트랙 신호에는 회전축의 상대 각도를 산출하는데 이용되는 제1 트랙 신호와 상기 회전축의 절대 각도를 산출하는데 이용되는 제2 트랙 신호가 마련되고,
    상기 변환부에는 상기 제1 트랙 신호를 처리하는 제1 컨버터와 상기 제2 트랙 신호를 처리하는 제2 컨버터가 마련되며,
    상기 관리부는 상기 절대 각도가 산출되면 상기 제2 트랙 신호를 배제하고, 상기 제1 트랙 신호를 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터로 입력하는 광학 인코더.
  5. 수광부로부터 출력된 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 복수의 컨버터가 마련된 변환부;
    상기 복수의 컨버터 중에서 상기 트랙 신호가 입력되는 컨버터를 선택하는 관리부; 및
    상기 트랙 신호를 이용하여 회전축의 상대 각도를 산출하고, 상기 상대 각도와 상기 회전축의 절대 각도 간의 오프셋을 산출하는 연산부;를 포함하고,
    상기 관리부는 상기 오프셋이 산출되면 하나의 특정 트랙 신호를 상기 각 컨버터로 제공하고,
    상기 각 컨버터의 트리거(trigger) 시점은 서로 다른 광학 인코더.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 디지털 신호를 처리하고,
    상기 트리거 시점의 차이로 인해 제1 컨버터로부터 출력된 제1 디지털 신호는 제1 시점에 상기 연산부로 입력되고, 제2 컨버터로부터 출력된 제2 디지털 신호는 상기 제1 시점보다 늦은 제2 시점에 상기 연산부로 입력되며,
    상기 연산부는 상기 제1 디지털 신호의 처리가 요구되면, 상기 제1 디지털 신호 대신 상기 제2 디지털 신호를 처리하는 광학 인코더.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 트리거 시점의 차이는 상기 각 컨버터의 샘플링 간격을 균등하게 분할하는 광학 인코더.
  8. 삭제
  9. 수광부로부터 출력된 복수의 트랙 신호를 이용하여 회전축의 상대 각도와 절대 각도 간의 오프셋을 산출하는 연산부;
    상기 연산부의 입력단에 배치되고 상기 각 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부; 및
    상기 각 트랙 신호가 출력되는 수광부와 상기 변환부의 사이에서 상기 각 트랙 신호를 스위칭하는 관리부;를 포함하고,
    상기 관리부는 상기 오프셋이 산출되면 상기 상대 각도의 산출에 이용된 트랙 신호만 상기 변환부로 제공하는 광학 인코더.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 변환부에는 상기 각 트랙 신호에 일대일로 대응되는 컨버터가 복수로 마련되고,
    상기 관리부는 상기 오프셋이 산출되면, 상기 상대 각도의 산출에 이용된 트랙 신호를 상기 각 컨버터로 제공하는 광학 인코더.
  11. 마스터 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 컨버터;
    노니우스 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 컨버터;
    세그먼트 트랙 신호를 디지털 신호로 변환하는 제3 컨버터;
    상기 각 컨버터의 입력단에서 상기 각 트랙 신호의 입력 경로를 스위칭하는 관리부; 및
    상기 마스터 트랙 신호, 상기 노니우스 트랙 신호 및 상기 세그먼트 트랙 신호를 이용하여 회전축의 절대 각도를 산출하는 연산부;를 포함하고,
    상기 관리부는 상기 연산부에서 상기 절대 각도가 산출되면 상기 마스터 트랙 신호가 상기 제1 컨버터, 상기 제2 컨버터 및 상기 제3 컨버터로 입력되도록 상기 입력 경로를 스위칭하는 광학 인코더.
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