KR101674554B1 - micro pattern type laser displacement sensor device having high resolution - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 변위 센서와 신호처리장치를 포함하는 레이저 변위 센서 장치에 있어서, 상기 레이저 변위 센서는 반사면과 비반사면이 교대로 일정한 패턴을 갖는 코드로 형성되고 측정 대상의 변위 동작을 수행하는 코드 스케일: 및 레이저 빔을 발생하고 수신하는 옵티컬 헤드: 를 포함하며, 상기 옵티컬 헤드는 코드 스케일을 제외한 모듈 부분으로서, 레이저 광을 발생시키는 레이저 발생기; 상기 레이저 발생기의 상부 공간에 위치하며, 상기 발생된 레이저 빔을 평행광으로 편향시키는 콜리메이팅 렌즈; 상기 콜리메이팅 렌즈의 상부에 위치하며, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 편향된 레이저 빔을 집광하여 상기 코드 스케일로 사영시키는 프로젝팅 렌즈; 및 상기 코드 스케일로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 광수신기를 포함하되, 상기 프로젝팅 렌즈는 출력측의 초점이 상기 프로젝팅 렌즈와 상기 코드 스케일 사이 공간에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a laser displacement sensor device including a laser displacement sensor and a signal processing device, wherein the laser displacement sensor is formed of a code having alternately a predetermined pattern and a displacement surface, A code scale for performing an operation; and an optical head for generating and receiving a laser beam, wherein the optical head is a module part excluding a code scale, the laser beam generator generating laser light; A collimating lens positioned in an upper space of the laser generator and deflecting the generated laser beam into parallel light; A projection lens positioned above the collimating lens for condensing the laser beam deflected by the collimating lens and projecting the deflected laser beam onto the code scale; And an optical receiver for receiving the laser beam reflected from the code scale, wherein the projection lens is formed such that a focal point of the output side is located in a space between the projecting lens and the code scale. Is provided.
Description
본 발명은 마이크로급 변위를 측정할 수 있는 고 분해능을 가진 레이저 변위 센서 장치 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a laser displacement sensor device having a high resolution capable of measuring micro displacement.
디지털식 위치 센서 장치는 널리 자동 시스템, 전자 기기, 의료 기기, 프린터, 카메라, 모션 감지 시스템, 바이오 센서용 로봇 머니풀레이터를 포함한 다양한 애플리케이션을 위해 불가결 변위/위치 감지 수단으로 사용된다. Digital position sensor devices are widely used as indispensable displacement / position sensing devices for a variety of applications, including automotive systems, electronics, medical devices, printers, cameras, motion sensing systems, and robotic money pools for biosensors.
특정대상물의 변위를 측정하는 디지털 위치 측정 장치로는 레이저를 이용한 변위 측정 장치가 널리 연구되고 있다.As a digital position measuring device for measuring a displacement of a specific object, a displacement measuring device using a laser is widely studied.
레이저 변위 레이저 변위 측정장치는 레이저 모듈에서 발사된 레이저가 대상물에 반사되어 수신센서에 입사되는 광의 입사 정보를 이용하여 대상물의 변위를 측정하게 된다.The laser displacement laser displacement measurement device measures the displacement of the object by using the incident information of the light reflected from the object and incident on the receiving sensor.
도 15는 종래의 레이저 측정장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.15 is a view for explaining a structure of a conventional laser measuring apparatus.
도 15를 참조하면, 레이저 광원(310)에서 발생된 레이저 광은 콜리메이트 렌즈(312)에 의해 평행광으로 편향되어 포커싱용 집광렌즈(314)를 거쳐서 대상물(320)에 조사된다.15, the laser light generated by the
포커싱용 집광렌즈(314)를 통과한 레이저광은 대상물(320)에 입사되어 반사된다. 그리고 상기 대상물(320)에서 반사된 레이저광은 레이저 광이 반사되는 경로에 장착된 수신센서(320)에 수신된다. The laser beam having passed through the focusing
이렇게 하여 상기 수신센서(320)에 수신된 레이저는 수신된 광량과 기준 광량의 차이 정보를 이용하여 변위를 측정하게 된다.Thus, the laser received by the
이러한 레이저를 이용한 변위 측정 장치는 수 ㎛단위의 병진운동에 따른 변위와 수 θrad의 미세한 회전각도를 정밀하게 측정하기 위한 연구가 지속되고 있다.Such a laser displacement measuring apparatus has been continuously studied for precisely measuring the displacement due to the translational motion of several 탆 unit and the fine rotation angle of the number 慮 rad.
이러한 종래의 변위 측정장치는 발광부에서 나온 광을 받아 수광점의 위치를 측정하는 광디텍터(PD)의 배열로 구성된 PSD(Position Sensitive Detector) 센서를 광 수신기로 이용하는 것으로서, 물체에 반사된 레이저 빔이 대상물에 반사된 후, 각 PD에 입사하는 광량에 따라 위치 정보를 측정한다. Such a conventional displacement measuring apparatus uses a position sensitive detector (PSD) sensor, which is composed of an array of photodetectors (PD) for receiving light from a light emitting unit and measuring the position of a light receiving point, as an optical receiver, After being reflected on the object, the position information is measured according to the amount of light incident on each PD.
이와 같은 종래의 변위 측정 장치는 PSD의 픽셀 사이즈와 수에 따라 측정할 수 있는 변위의 한계를 갖는다. Such a conventional displacement measuring apparatus has a displacement limit that can be measured according to the pixel size and number of the PSD.
변위의 방향을 식별하면서 코드 스케일의 주기와 동등한 분해능을 갖도록 하기 위한 아주 작은 광수신기를 포함하는 구성 성분의 대부분이 초정밀 기기에 장착이 용이하도록 하기 위해서는 디멘션 관점에서 세밀하게 제어되어야 한다.Most of the components, including very small optical receivers, to have the resolution equal to the period of the code scale while identifying the direction of the displacement, must be finely controlled from a dimension perspective in order to be easily mounted on the ultra-precision instrument.
분해능을 향상시키기 위해서는 실제 분해능을 결정하는 코드 스케일의 주기를 감소시켜야 하고, 시준된 빔 광학계에 의해 필요로 하는 광수신기 자체도 그에 따라 감소하여야 하는 것을 제시한다.In order to improve the resolution, it is necessary to reduce the period of the code scale which determines the actual resolution, and that the optical receiver itself required by the collimated beam optical system should also decrease accordingly.
종래에는 극소형의 코드 스케일의 격자를 구분하기 위한 특수한 광학계가 필요하고, 구조상의 광 정렬에 어려운 점이 있다. 또한, collimated beam 기반의 반사형 구조를 통해 높은 분해능을 구현하기 위해서는 코드 스케일 격자의 주기 감소와 극소형의 광수신기를 요구한다. Conventionally, there is a need for a special optical system for distinguishing a grating of a very small code scale, and it is difficult to arrange the light on the structure. In order to realize a high resolution through a collimated beam-based reflection type structure, a code scale lattice period reduction and a very small optical receiver are required.
그러나 광디텍터(PD)의 크기를 마이크로급 스케일로 작게 하면서 고 분해능을 갖게 제작하는 데 따른 제조 공정 및 경제적인 부담이 크기 때문에 크기를 줄인 코드 스케일과 광수신기, 그리고 collimated beam을 이용한 광 변위센서는 소형 및 고분해능에 대한 구현이 곤란하였다.However, since the size of the photodetector (PD) is reduced to the micro scale and the fabrication process and the economical burden are large due to the fabrication with high resolution, the optical scale sensor using the reduced code scale, the optical receiver, and the collimated beam It is difficult to realize a small size and high resolution.
이 분야의 배경 기술은 선행기술문헌인 대한민국 등록 공개특허공보 2007-0015267호 [변위 측정 장치]에 레이저 반사광을 이용한 변위측정장치가 게시되어 있다.
BACKGROUND ART [0002] A background art of this field is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-0015267 [Displacement Measurement Apparatus], which is a prior art document, a displacement measurement apparatus using laser reflected light.
본 발명의 목적은 사영빔(projected beam)을 이용한 고 분해능을 가진 초소형 반사형 레이저 변위센서 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an ultra-small reflective type laser displacement sensor device having a high resolution using a projected beam.
본 발명의 또 다른 목적은 10㎛ 급 변위를 측정할 수 있는 고 분해능을 가진 초소형 레이저 변위센서 장치를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide an ultra-small laser displacement sensor device having a high resolution capable of measuring a displacement of 10 mu m class.
본 발명의 또 다른 목적은 10㎛ 급 변위를 측정할 수 있으며, 넓은 범위에서 구조적 내성을 가지는 초소형 레이저 변위센서 장치를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide an ultra-small laser displacement sensor device capable of measuring displacement of 10 mu m class and having structural tolerance in a wide range.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 변위 센서와 신호처리장치를 포함하는 레이저 변위 센서 장치에 있어서, 상기 레이저 변위 센서는 반사면과 비반사면이 교대로 일정한 패턴을 갖는 코드로 형성되고 측정 대상의 변위 동작을 수행하는 코드 스케일: 및 레이저 빔을 발생하고 수신하는 옵티컬 헤드: 를 포함하며, 상기 옵티컬 헤드는 코드 스케일을 제외한 모듈 부분으로서, 레이저 광을 발생시키는 레이저 발생기; 상기 레이저 발생기의 상부 공간에 위치하며, 상기 발생된 레이저 빔을 평행광으로 편향시키는 콜리메이팅 렌즈; 상기 콜리메이팅 렌즈의 상부에 위치하며, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 편향된 레이저 빔을 집광하여 상기 코드 스케일로 사영시키는 프로젝팅 렌즈; 및 상기 코드 스케일로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 광수신기를 포함하되, 상기 프로젝팅 렌즈는 출력측의 초점이 상기 프로젝팅 렌즈와 상기 코드 스케일 사이 공간에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a laser displacement sensor device including a laser displacement sensor and a signal processing device, wherein the laser displacement sensor is formed of a code having alternately a predetermined pattern and a displacement surface, A code scale for performing an operation; and an optical head for generating and receiving a laser beam, wherein the optical head is a module part excluding a code scale, the laser beam generator generating laser light; A collimating lens positioned in an upper space of the laser generator and deflecting the generated laser beam into parallel light; A projection lens positioned above the collimating lens for condensing the laser beam deflected by the collimating lens and projecting the deflected laser beam onto the code scale; And an optical receiver for receiving the laser beam reflected from the code scale, wherein the projection lens is formed such that a focal point of the output side is located in a space between the projecting lens and the code scale. Is provided.
또한, 상기 광수신기는 4개의 광디텍터를 포함하며, 상기 코드 스케일로부터 반사되는 레이저 빔은 상기 코드 스케일에서 상기 광수신기까지 진행되는 동안 주기가 증가하는 패턴으로 형성되며, 상기 광디텍터의 폭 크기는 상기 코드 스케일의 코드 주기 간격보다 큰 것을 특징으로 한다.Also, the optical receiver includes four optical detectors, and the laser beam reflected from the code scale is formed in a pattern in which the period increases during the progress from the code scale to the optical receiver, And the code interval is larger than the code period interval of the code scale.
또한, 상기 4개의 광디텍터에 입사되는 레이저 빔 신호는 4개가 각각 유사 정현파 신호 패턴을 가지며, 상기 4개의 유사 정현파 신호를 각각 상기 신호처리장치에서 각 2개씩의 신호를 비교기 합성 처리를 거쳐서, 2개의 제1, 2 구형파 신호로 출력되며, 상기 제1, 2 구형파 신호 중 어느 하나의 펄스 개수를 이용하여 상기 코드 스케일의 변위를 측정하는 것을 특징으로 한다.Four laser beam signals incident on the four photodetectors each have a pseudo-sinusoidal signal pattern. Each of the four pseudo-sinusoidal signals is subjected to a comparator synthesis process to obtain two And the displacement of the code scale is measured using one of the first and second square wave signals.
또한, 상기 제1 구형파 신호와 제2 구형파 신호의 진행에 대한 패턴 중 리드 신호를 분석하여 상기 변위의 방향을 측정하는 하는 것을 특징으로 한다.Also, the direction of the displacement is measured by analyzing the read signal among the patterns of the progress of the first square wave signal and the second square wave signal.
또한, 상기 콜리메이팅 렌즈는 직육각면체 형상의 상부 중앙에 레이저 빔의 시준을 위한 제1 비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제1공간을 가지며, 상기 프로젝팅 렌즈는 직육각면체 형상의 하부 중앙에 레이저 빔의 집광 및 사영을 위한 제2 비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제2공간을 가지고, 상기 제1 공간과 제2 공간이 대면하는 형태로 조립되어 전체적으로 직육각면체 형상의 렌즈 어셈블리 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.The collimating lens has a first space defined by a groove in which a first aspherical lens for collimating a laser beam is protruded at an upper center of a rectangular hexahedron shape, And a second space formed by a groove on which a second aspherical lens for projecting and condensing a laser beam is projected, wherein the first space and the second space face each other to form a lens assembly shape As shown in FIG.
또한, 상기 코드 스케일의 주기 간격은 10㎛이며, 상기 광디텍터(PD)의 하나의 폭은 40㎛인 것을 특징으로 한다.In addition, a period interval of the code scale is 10 m, and one width of the photodetector PD is 40 m.
또한, 상기 옵티컬 헤드는 10.3(W) x 8.33(L) x 6.55(H) mm3의 크기로 형성되며, 상기 렌즈 어셈블리는 높이 5.4mm이며 가로 폭 8.0mm로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the optical head is 10.3 (W) x 8.33 (L ) x 6.55 (H) is formed into a size of 3 mm, the lens assembly is the height of 5.4mm and being formed with a horizontal width of 8.0mm.
또한, 상기 레이저 변위 센서 장치는 10㎛의 위치 분해능 0.04°의 각도 분해능을 가지는 것을 특징으로 한다.Further, the laser displacement sensor device is characterized by having an angular resolution of 0.04 degrees of position resolution of 10 mu m.
또한, 상기 레이저 변위 센서 장치는 상기 제1 구형파 신호와 제2 구형파 신호의 위상을 90°로 유지할 때, 2.5㎛의 위치 분해능, 0.01°의 각도 분해능을 가지는 것을 특징으로 한다.Also, the laser displacement sensor device has a position resolution of 2.5 μm and an angular resolution of 0.01 ° when the phases of the first square wave signal and the second square wave signal are maintained at 90 °.
또한, 상기 주기 간격은 18 ㎛/mm의 비율로 전파 방향을 따라 산형적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.Also, the periodic interval is increased in a scattering direction along the propagation direction at a rate of 18 占 퐉 / mm.
또한, 레이저 변위 센서 장치는 상기 광수신기에 입사되는 레이저 빔의 주기 간격이 105~320㎛ 범위에서 측정 허용 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.The laser displacement sensor device is characterized in that the periodic interval of the laser beam incident on the optical receiver has a measurement allowable range in a range of 105 to 320 mu m.
또한, 상기 레이저 변위 센서 장치는, 10㎛의 위치 분해능을 가지면서, 상기 코드 스케일, 레이저 발생기, 콜리메이팅 렌즈, 프로젝팅 렌즈; 및 광디텍터의 위치 정렬에 대하여 ±100㎛의 허용 가능한 구조적 내성을 가지는 것을 특징으로 한다.
Further, the laser displacement sensor device has a positional resolution of 10 mu m, and the code scale, the laser generator, the collimating lens, the projection lens, And an allowable structural tolerance of +/- 100 mu m for the alignment of the photodetector.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위센서 장치는 10㎛의 위치 분해능, 0.04°의 각도 분해능을 가지며, 변위의 회전 방향을 감지할 수 있다.The laser displacement sensor device according to an embodiment of the present invention has a position resolution of 10 mu m, an angular resolution of 0.04 degrees, and can detect the rotational direction of the displacement.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치는 레이저 광이 사영되어 반사되는 빔의 패턴 주기가 광수신기의 크기에 따라 적응적으로 조절될 수 있기 때문에 광수신기의 크기에 유연하도록 설계가 가능하다는 관점에서 매우 넓게 활용될 수 있다.The laser displacement sensor device according to an embodiment of the present invention can be designed to be flexible in the size of the optical receiver since the pattern period of the beam reflected by the projection of the laser beam can be adaptively adjusted according to the size of the optical receiver It can be very widely used.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서의 옵티컬 헤드는 10.3 (W) x 8.33 (L) x 6.55 (H) mm3의 극소형의 크기로 제작될 수 있다.Optical head of the laser displacement sensor manufactured in accordance with one embodiment of the present invention can be manufactured with 10.3 (W) x 8.33 (L ) of the very small size of 6.55 x (H) mm 3.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 4 channel PD의 Outputs Sig-A와 Sig-B의 위상 차를 90°로 유지할 경우, quadrature decoder IC를 이용하여 2.5mm의 위치 분해능 또는 0.01°의 각도의 고 분해능으로 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the phase difference between the outputs Sig-A and Sig-B of the 4-channel PD is maintained at 90 degrees, a quadrature decoder IC is used to measure the position resolution of 2.5 mm or a high resolution .
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치는 구성 요소의 사출 및 조립 과정에서 발생될 수 있는 position error에 대하여 전체적으로 +/-100㎛의 충분히 큰 구조적 내성을 가지는 효과가 있다.In addition, the laser displacement sensor device according to an embodiment of the present invention has a sufficiently large structural tolerance of +/- 100 mu m as a whole against a position error that can be generated in the process of injection and assembly of components.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위센서 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호처리장치에서 광수신기에 입력된 레이저 빔 신호로부터 출력신호를 변환하는 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서의 제원 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사 레이저 빔의 진행 거리에 대한 패턴 빔 프로파일을 도시한 것이다.
도 5는 빔의 전파 거리에 따른 빔 패턴 주기의 변화를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 옵티컬 헤드의 조립 과정에 대한 예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서(100)의 이미지를 도시한 것이다.
도 8, 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치에서 변위동작을 측정한 출력 신호를 도시한 것이다.
도 10은 코드 스케일의 수직 방향에 대한 정렬 오차에 따른 레이저 빔의 궤적 및 입사 주기의 변화를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔의 입사 주기(ΛB)와 두 출력 신호의 위상의 관계를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저발생기 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 정렬 오차와 패턴 주기와의 관계를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로젝팅 렌즈와 코드 스케일의 수평 오정렬과 입사 주기와의 관계를 도시한 것이다.
도 14 서로 다른 패턴 입사 주기들의 출력 파형을 도시한 것이다.
도 15는 종래의 레이저 측정장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the structure of a laser displacement sensor device according to an embodiment of the present invention.
2 illustrates a process of converting an output signal from a laser beam signal input to an optical receiver in a signal processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the specifications and the operation principle of the laser displacement sensor fabricated according to an embodiment of the present invention.
4 shows a pattern beam profile for the traveling distance of a reflected laser beam according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a variation of the beam pattern period according to the propagation distance of the beam.
6 illustrates an example of an assembling process of an optical head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows an image of the
8 and 9 show output signals obtained by measuring a displacement operation in a laser displacement sensor apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 shows the trajectory of the laser beam and the change of the incidence period according to the alignment error of the code scale in the vertical direction.
11 shows the relationship between the incident period (Λ B ) of the reflected laser beam incident on the optical receiver and the phase of the two output signals in the laser
12 illustrates the relationship between the horizontal alignment error and the pattern period of the laser generator and the collimating lens according to an embodiment of the present invention.
13 shows the relationship between the horizontal misalignment of the projecting lens and the code scale and the incidence period according to an embodiment of the present invention.
Figure 14 shows the output waveforms of different pattern incidence periods.
15 is a view for explaining a structure of a conventional laser measuring apparatus.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.It is also to be understood that the terms first, second, etc. used hereinafter are merely reference numerals for distinguishing between identical or corresponding components, and the same or corresponding components are defined by terms such as first, second, no.
그리고 특정 실시 예들은 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the specific embodiments are not intended to limit the invention to the specific embodiments, but are to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, detailed description of known related arts will be omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily obscured.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호가 사용된다. In the following description, the same reference numerals are used for similar parts throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 변위센서 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a structure of an optical displacement sensor device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 레이저 변위 센서(10)와 신호처리장치(20)를 포함한다.A laser
도 1을 참조하면, 레이저 변위 센서(10)는 레이저 광을 발생시키는 레이저 발생기(11)와 레이저 발생기(11)에 발생된 레이저 빔을 평행광으로 편향시켜서 프로젝팅 렌즈(13)에 입사시키는 콜리메이팅 렌즈(12) 및 상기 콜리메이팅 렌즈(12)에서 편향된 레이저 빔을 집광하여 측정 대상으로 투사시키는 프로젝팅 렌즈(13) 및 측정 대상으로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 광수신기(14)가 포함된 옵티컬 헤드(5)와 스케일 패턴이 형성되어 측정 대상의 변위 동작을 수행하는 코드 스케일(17, code scale)을 포함한다.1, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광수신기(14)는 일렬로 배치된 4개의 광디텍터(PD1, PD2, PD3, PD4)로 이루어진다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에서는 레이저 발생기(11)는 고수율을 가진 빅셀 레이저 (VCSEL: vertical cavity surface emitting laser)가 채택될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
또한, 코드 스케일(17)은 측정하고자 하는 측정 대상에 장착되며 회전식 코드 스케일이 채택될 수 있다.Further, the code scale 17 is mounted on a measurement object to be measured, and a rotary code scale can be adopted.
코드 스케일(17)에는 격자 형태의 반사면과 비반사면이 교대로 일정하게 배치되도록 주기(ΛC)가 형성된다.In the code scale 17, a period LAMBDA C is formed so that the lattice-shaped reflective surface and the non-reflective surface are arranged alternately and constantly.
도 1을 참조하면, 레이저발생기(11)로부터 발생된 레이저 빔은 콜리메이팅 렌즈(12)에 의해 시준되고, 이어서 프로젝팅 렌즈에 의해 코드 스케일(17)을 향해 사영(protecting)된다.Referring to FIG. 1, the laser beam generated from the
콜리메이팅 렌즈(12, collimating lens)는 레이저 빔을 프로젝팅 렌즈(13)에 시준시키는 기능을 수행하며, 레이저 발생기(11)로부터 발생된 레이저 빔을 일정한 각도를 가지는 평행빔으로 변환시켜서 프로젝팅 렌즈(13)로 전달한다.The collimating
프로젝팅 렌즈(13 projection lens)는 사영(projections) 기능을 가지는 것으로서, 콜리메이팅 렌즈(12)를 통과한 레이저 빔을 집광하고 굴절시켜서 코드 스케일(17)을 향해 사영시키는 기능을 수행한다.The
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 프로젝팅 렌즈(13)는 출력측 비구면 렌즈의 초점이 프로젝팅 렌즈와 코드 스케일(17) 사이에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, as shown in Fig. 1, the projecting
프로젝팅 렌즈(13, projection lens)에 의해 사영된 사영 레이저 빔(E)은 선택적으로 코드 스케일(17)의 주기(ΛC)로 형성된 격자에 의해 반사되며, 반사되어 진행되는 반사 레이저 빔(O) 패턴의 주기(Λo)는 일정하게 증가하고 공간적으로 변조되어 광수신기(14)에 입사된다.The projection laser beam E projected by the
광수신기에 입사되는 빔의 입사 주기(ΛB)는 코드 스케일(11)로부터 반사되어 광수신기(14)에 입사된 레이저 빔 패턴의 주기로서 반사 레이저 빔은 코드 스케일(17)에 사영된 사영빔(E)이 반사되는 반사면의 폭에 의한 입사각의 차이에 의하여 입사각이 일측 부분은 작은 반사각으로 반사되고, 입사각이 큰 타측 부분은 일측 부분보다 큰 반사각으로 반사된다.Joining cycle of the beam incident to the optical receiver (Λ B) is a reflected laser beam as the period of the laser beam pattern incident on the
결과적으로 반사 레이저 빔(6)은 반사된 레이저 빔의 패턴 주기 양측 폭의 각도에 의하여 반사되는 거리에 비례하여 점진적으로 증가되는 패턴의 형태로 전파된다.As a result, the reflected
반사된 레이저 빔은 궁극적으로 일렬로 배치된 4개의 광디텍터(PD1 ~ PD4)로 이루어진 광수신기(14)를 이용하여 수집 및 분석된다.The reflected laser beam is collected and analyzed using an
도 1을 참조하면, 반사 레이저 빔(O)은 처음에는 코드 스케일의 주기(ΛC)와 동일한 주기(ΛC = Λo)를 갖는 패턴으로 시작된다. 이후 패턴의 주기는 반사된 빔의 전파 거리와 선형으로 증가되며, 빔의 전파 방향인 z'축을 따라 확장하게 된다.1, the reflected laser beam (O) is initially started in a pattern having the same period (Λ = Λ C o) to the period of the code scale (Λ C). Then, the period of the pattern increases linearly with the propagation distance of the reflected beam, and extends along the z 'axis which is the propagation direction of the beam.
즉, 코드 스케일에 도달한 사영 레이저 빔(projected beam)은 반사와 비 반사 부분이 반복된 주기적 패턴으로 형성된 코드 스케일(17) 표면의 주기적인 격자에 의해서 코드 스케일의 패턴과 동일한 패턴을 갖는 빔이 형성되고, projected beam의 투사 각도 특성 및 반사면의 폭에 따라 주기가 일정한 비율로 증가한다.That is, the projected beam that reaches the code scale is a beam having the same pattern as the pattern of the code scale due to the periodic lattice of the surface of the code scale 17 in which the reflective and non- And the period increases at a constant rate according to the projection angle characteristic of the projected beam and the width of the reflecting surface.
도 1을 참조하면, 광수신기(14) 위치에서의 입사되는 반사 레이저 빔(O)의 주기를 입사 주기(ΛB)라 하고, 코드 스케일(17)과 광수신기(14) 사이에서 일정하게 증가하는 반사 레이저 빔 패턴의 주기를 사이 주기(Λo)라 할 때, 진행 거리에 따라 반사된 빔의 패턴 주기는 ΛC < Λo< ΛB의 형태로 형성된다.1, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광수신기(14)는 4개의 광디텍터(PD)를 포함하며, 4개의 광디텍터(PD)의 각각의 폭이 확장되어 입사된 반사 레이저 빔(O)의 입사 주기(ΛB)의 1/4을 담당하도록 설계된다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 레이저 변위 센서 장치(1)는 레이저 빔이 사영되어 반사되는 빔의 입사 주기(ΛB)가 광수신기의 크기에 따라 적응적으로 조절될 수 있기 때문에 광수신기의 크기에 덜 민감하도록 설계할 수 있어 매우 넓게 활용될 수 있다.
Optical receivers because (Λ B) joining the cycle of an exemplary beam which is reflected the laser displacement sensor unit (1) proposed in accordance with the example is that the laser beam is the projection of the present invention can be adjusted adaptively according to the size of the optical receiver So that it can be widely used.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호처리장치에서 광수신기에 입력된 레이저 빔 신호로부터 출력신호를 변환하는 과정을 도시한 것이다.2 illustrates a process of converting an output signal from a laser beam signal input to an optical receiver in a signal processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
코드 스케일(14)로부터 반사된 반사 레이저 빔은 일정한 패턴을 지님과 동시에 패턴의 주기가 4채널 광디텍터(PD)로 이루어지는 광수신기(14)의 광디텍터(PD) 크기에 맞추어 입사되며, 신호처리회로(20)를 통하여, 레이저 변위 센서 장치(1)의 최종 출력신호 Sig-A와 Sig-B가 출력된다. The reflected laser beam reflected from the
도 2로부터, 연관되어 변화된 센서 신호를 참조하여, 레이저 변위 센서 장치의 동작이 설명될 수 있다.
From Fig. 2, the operation of the laser displacement sensor device can be described with reference to the sensor signal that is changed in association with it.
광수신기(14)에 포함된 각 광디텍터(PD)에 입력된 광 전력은 주기적인 신호를 갖는 PS1~PS4로서 대응되는 광디텍터(PD) 신호들은 코드 스케일(17)의 변위에 따라, 최대 및 최소 레벨 간의 진동신호를 발생하게 된다.The optical power input to each photodetector PD included in the
두 개의 인접한 광디텍터(PD)에 따른 유사 정현파 형상의 신호는 90°의 위상 차이를 가진다.A sinusoidal shaped signal according to two adjacent photodetectors PD has a phase difference of 90 degrees.
도 2를 참조하면, 신호처리회로(20)는 제1 비교기 회로(21)와 제2 비교기 회로(22)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the
PD1에서 발생되는 PS1신호와 PD3에서 발생되는 PS3신호를 제1 비교기 회로(21)를 거쳐서 구형파 출력 신호 Sig-A를 발생시킨다.A PS1 signal generated in the PD1 and a PS3 signal generated in the PD3 are generated through the
또한, 신호처리회로(20)는 PD2에서 발생되는 PS2신호와 PD4에서 발생되는 PS4 신호를 제2비교기 회로를 거쳐서 구형파 출력 신호 Sig-B를 발생시킨다.In addition, the
즉, 도 2를 참조하면, 기준시점(변위=0) 상태에서 지정된 위치의 각 광디텍터(PD1 ~ PD4)에 입사 주기(ΛB)의 각 1/4에 대한 신호가 각각 수신되며, 신호처리회로(20)에서 90° 위상 차를 갖는 구형파 형태의 출력 신호 Sig-A 및 Sig-B의 두 신호가 출력된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, Sig-A 및 Sig-B는 90 °의 위상 관계와 한 쌍의 직교 신호를 형성한다.That is, FIG. 2, the reference time (displacement = 0), and receives a signal for each one-quarter of the incident period (Λ B), each optical detector (PD1 PD4 ~) at the position identified in each state, the signal processing The
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 적절한 신호 처리를 통해 축적된 데이터를 가지는 기준시점(변위=0) 상태의 PD1, PD3신호로부터 측정 시점의 PD1, PD3에 의해 입력된 PS1과 PS3에 대하여 하나의 센서 출력으로부터 변위를 산출할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, one of the signals PS1 and PS3 input by the PD1 and PD3 at the measurement time point from the PD1 and PD3 signals at the reference point (displacement = 0) The displacement can be calculated from the sensor output.
입사되는 반사 레이저 빔에 대하여 광수신기의 크기를 결정하는 것은 각도Φ, 코드 스케일의 주기 및 변위 방향에 관련된다.
Determining the size of the optical receiver with respect to the incident reflected laser beam is related to the angle?, The period of the code scale and the direction of displacement.
결과적으로, 본 발명의 일 실시 예에서는 4개의 광디텍터(PD1~PD4)로부터의 입력된 광 전력 파형을 신호처리회로(20)를 통하여 변환된 각 구형파 출력신호(Sig-A 또는 Sig-B) 중 어느 하나를 분석함으로써, 간단하게 코드 스케일의 주기(ΛC)의 변위에 따른 변위의 크기를 측정할 수 있다.As a result, in the embodiment of the present invention, the inputted optical power waveforms from the four photodetectors PD1 to PD4 are converted into the square wave output signals Sig-A or Sig-B converted through the
또한, Sig-A 및 Sig-B 모두 동시에 분석하면 변위의 방향을 용이하게 측정할 수 있다.In addition, the directions of displacement can be easily measured by analyzing both Sig-A and Sig-B at the same time.
즉, Sig-A 또는 Sig-B 하나의 출력신호를 사용하여 기준 시점과의 변위에 의한 출력 신호의 펄스로부터 변위를 감지할 수 있고, Sig-A 및 Sig-B 두 출력신호의 위상 차를 이용하여 물체의 움직임 방향을 측정할 수 있어서 방향제어가 가능하다. That is, it is possible to detect the displacement from the pulse of the output signal by displacement of the reference time point using one output signal of Sig-A or Sig-B, and to use the phase difference of the two output signals of Sig-A and Sig- And the direction of movement of the object can be measured, so that the direction control is possible.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 4개의 펙터(factor)에 의하여 10㎛ 급의 고 분해능을 가질 수 있으며, Sig-A와 Sig-B의 신호 간의 90° 위상 차로부터 코드 스케일의 격자 주기의 4배의 분해능으로 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to have a high resolution of 10 mu m by four factors, and it is possible to obtain a phase difference of 90 degrees between signals of Sig-A and Sig- It can be improved by the resolution of the ship.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 변위센서 장치(1)는 코드 스케일로부터 반사된 반사 레이저 빔의 사이 주기(Λo)가 빔이 진행한 거리에 따라 선형적으로 증가하는 특성을 가지며, 이를 통해 제안된 센서의 구조는 빔 패턴 주기를 제어할 수 있다.In addition, the optical
따라서, 이는 광디텍터(PD)의 크기가 10 마이크로급 코드 스케일의 주기에 비하여 더 크게 형성되면서도 10 마이크로급 변위를 정밀하게 측정할 수 있다.Therefore, it is possible to precisely measure the displacement of 10 micro-scale while the size of the photodetector PD is formed larger than the period of 10 micro-code scale.
따라서 광디텍터의 크기는 코드 스케일과 코드 스케일에 비하여 민감하지 않게 된다.Therefore, the size of the photodetector is less sensitive than the code scale and the code scale.
또한, 출력 신호 Sig-A, B를 이용하여 변위 및 물체의 움직임 방향을 정밀하게 감지할 수 있다.Also, the displacement and the direction of movement of the object can be precisely detected using the output signals Sig-A and Sig-A.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서의 제원 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the specifications and the operation principle of the laser displacement sensor fabricated according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 레이저발생기(111)는 λ.=850nm, 발산각 30° 특성을 가지는 single mode VCSEL을 모델링하였다.Referring to FIG. 3, the
또한, 광수신기(114)는 4 개의 광디텍터(PD)로 형성되며, 각 PD는 폭 크기가 40㎛이고 4개가 일렬로 형성된 광수신기의 총 폭 크기는 약 160㎛로 형성된다.Also, the
콜리메이팅 렌즈 및 프로젝팅 렌즈(112, 113)는 polycarbonate (n=1.5680 @850nm) 물질로 제조된다.The collimating and projecting
콜리메이팅 렌즈(112)의 설계 수치는, 직경 2.60mm, 반경 1.48mm, 코닉상수(conic constant) -2.66x10-1, 4th, 6th , and 8th 의 비구면 계수는 각각-8.28x10-3, -2.57x10-3 및 -1.05x10-3이다.The asymmetric coefficients of the
프로젝팅 렌즈(113)는 직경이 3.40mm이고 다른 제원은 콜리메이팅 렌즈(112)와 같은 파라미터를 가진다.The
코드 스케일(170)은 격자 주기가 10㎛이고, 반지름이 13.5mm의 원형인 회전형으로 모델링하였다. The
콜리메이팅 렌즈(112)의 하부에 형성되는 레이저발생기(111)의 중심 위치는 콜리메이팅 렌즈(112)의 중심으로부터 x축 방향으로 좌측 0.55mm, y축으로 0.63mm에 위치된다.The center position of the
다음으로, 콜리메이팅 렌즈(112)와 프로젝팅 렌즈(113)의 z축에 대한 간격을 고려하여 빔의 초점 위치를 결정한다.Next, the focus position of the beam is determined in consideration of the distance between the
프로젝팅 렌즈의 제1비구면렌즈와 콜리메이팅 렌즈의 제2비구면렌즈 사이의 공간 간격은 z축으로 0.4mm가 형성된다.The space distance between the first aspherical surface lens of the projection lens and the second aspheric surface lens of the collimating lens is 0.4 mm in the z-axis direction.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 프로젝팅 렌즈(113)는 출력되는 사영 레이저빔의 초점이 프로젝팅 렌즈로부터 z축의 양의 방향으로 1.05mm 떨어져 위치되는 구조로 형성된다.According to one embodiment of the present invention, the projecting
그리고 예상되는 광디텍터(PD)의 z축 위치로부터 4채널 광디텍터의 총 크기인 160㎛만큼의 입사 주기(ΛB)를 형성하기 위하여 코드 스케일(170)과 프로젝팅 렌즈(113) 사이의 거리(확장된 반사레이저 빔을 형성시키기 위한 거리)는 1.77mm로 설정된다.And the distance between the
그리고 코드 스케일로부터 반사된 반사 레이저 빔을 감지하기 위해 4채널 광디텍터로 이루어진 광수신기를 VCSEL로부터 x축으로 4.67mm 떨어진 사이 거리에 형성한다.To detect the reflected laser beam reflected from the code scale, an optical receiver consisting of a 4-channel optical detector is formed at a distance of 4.67 mm from the VCSEL along the x-axis.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사 레이저 빔의 진행거리에 대한 패턴 프로파일을 도시한 것이며, 도 5는 전파 거리에 따른 반사 레이저 빔 패턴의 주기의 변화를 도시한 것이다.FIG. 4 illustrates a pattern profile of a reflected laser beam according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 5 illustrates a variation of a period of a reflected laser beam pattern according to a propagation distance.
도 4, 5는 코드 스케일(170)에서 반사된 반사 레이저 빔의 사영 특성을 확인하기 위해 코드 스케일(170)로부터 반사 레이저 빔 진행 방향으로 광수신기의 중심을 지나는 임의의 z`축을 설정하여 거리에 따른 주기 패턴을 나타낸 것이다.Figures 4 and 5 illustrate how to set any z` axes passing through the center of the optical receiver from the
도 4, 5를 참조하면, 코드 스케일의 위치에서의 z`=0mm이고, PD의 위치까지의 반사 레이저 빔의 총 진행 거리는 8.16mm이다. Referring to Figs. 4 and 5, z` = 0 mm at the position of the code scale, and the total travel distance of the reflected laser beam to the position of the PD is 8.16 mm.
도 4는, z`축 위의 코드 스케일과 간격이 일정한 임의의 두 지점, 그리고 PD의 위치에서의 빔 프로파일 시뮬레이션을 통해 빔 패턴 주기를 나타낸다.Figure 4 shows the beam pattern period through beam profile simulation at any two points with a constant code scale on the z axis and a position of the PD.
도 4를 참조하면, 코드 스케일의 위치에서 빔 패턴 주기는 10㎛이고, 임의의 두 지점은 코드 스케일로부터 z`축으로 2.72mm, 5.44mm로 일정한 간격에 위치하며, 이때의 빔 패턴 주기는 빔의 진행 거리에 따라 차례로 증가하여 60㎛, 110㎛ 그리고 PD 위치에서는 입사 주기는 160㎛를 나타낸다.Referring to Fig. 4, the beam pattern period at the position of the code scale is 10 mu m, and any two points are located at a constant interval of 2.72 mm and 5.44 mm from the code scale to the z & And 60 [mu] m and 110 [mu] m, respectively, and the incidence period is 160 [mu] m at the PD position.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서(100)에 있어서, 반사 레이저 빔의 주기는 선형적으로 증가하며, 약 18 ㎛/mm의 비율로 전파 방향을 따라 증가하는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 5, in the
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 옵티컬 헤드의 조립 과정을 도시한 것이다.6 illustrates a process of assembling an optical head according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 옵티컬 헤드(150)는 픽 앤 플레이스 방식을 통해 제조될 수 있다.Referring to FIG. 6, the
옵티컬 헤드(150)는 베이스(120)에 조립되는 정렬 가이드(121) 위에 렌즈 어셈블리(115)와 레이저발생기(114) 광수신기(114)를 장착하는 것으로 조립이 완료된다.The
상기 베이스(120)는 PCB기판으로 형성될 수 있다.The base 120 may be formed of a PCB.
베이스(120)에 정해진 치수에 따라 정렬 가이드 장착홀(71, 72), 레이저 발생기 장착부(73) 및 정렬된 VCSEL의 위치에서 수직선상에 4채널 광디텍터(PD)로 이루어진 광수신기 장착부(74)가 형성된다.Alignment
상기 정렬 가이드 장착홀(71, 72)에는 정렬 가이드(121)가 장착되고, 레이저 발생기 장착부(73)에는 VCSEL(111)이 장착되며, 광수신기 장착부(74)에는 4채널 광디텍터가 장착된다.
The
상기 정렬 가이드(121)의 하부에는 상기 정렬 가이드 장착홀(71, 72)에 장착이 용이하도록 제1 장착레그(85, 86)가 형성된다. The first mounting
상기 정렬 가이드(121)의 상부에는 상기 렌즈 어셈블리(115)의 장착이 용이하도록 양측 가이드에 제2렌즈 장착홀(81, 82)이 형성되며, 상기 렌즈 어셈블리(115) 하부에 형성된 제2렌즈 장착레그(95, 96)가 상기 렌즈 장착홀(81, 82)에 장착된다.
Second
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 렌즈 어셈블리(115)는 극소형으로의 정밀 조립이 용이하도록 전체적으로 직육각면체 형상을 가지며 콜리메이팅 렌즈(112)와 프로젝팅 렌즈(113)의 조립체로 형성된다.According to one embodiment of the present invention, the
콜리메이팅 렌즈(112)는 직육각면체 형상의 상부 중앙에 레이저 빔의 시준을 위한 제1비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제1공간을 가진다.The
프로젝팅 렌즈(113)는 직육각면체 형상의 하부 중앙에 레이저 빔의 집광 및 사영을 위한 제2비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제2공간을 가진다.The
렌즈 어셈블리(115)는 콜리메이팅 렌즈(112)에 형성된 상기 제1 공간(162)과 프로젝팅 렌즈(113)에 형성된 제2 공간(163)이 대면하는 형태로 조립되어 전체적으로 직육각면체 형상으로 형성된다.The
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서(100)의 이미지를 도시한 것이다.FIG. 7 shows an image of the
도 7을 참조하면, 옵티컬 헤드(150) 위에 정해진 치수에 따라 코드 스케일을 배치하여 레이저 변위 센서(100)가 완성된다.Referring to FIG. 7, the
본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서(100)의 옵티컬 헤드는 10.3(W) x 8.33(L) x 6.55(H) mm3의 크기로 형성된다.Optical head of the
또한, 렌즈 어셈블리(115)는 높이 5.4mm이며 가로 폭 8.0mm로 형성된다.In addition, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 콜리메이팅 렌즈(112) 및 프로젝팅 렌즈(113)는 polycarbonate로 제조되며, 정렬 가이드(121)는 polyimide로 제조된다. According to one embodiment of the present invention, the
코드 스케일(170)은 반지름 ~13.5mm의 원형호를 기준으로 반사면과 비반사면이 교대로 형성된 코드가 10㎛ 주기로 이루어진 격자 패턴이 표면에 형성된다.The
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 코드 스케일(170)의 표면에서 반사면의 반사율은 95% 이상이고, 비 반사면은 입사되는 광이 산란되도록 처리되어 반사율이 5% 이하가 되도록 형성된다.
According to an embodiment of the present invention, the reflectance of the reflective surface at the surface of the
도 8, 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치에서 변위동작을 측정한 출력 신호를 도시한 것이다.8 and 9 show output signals obtained by measuring a displacement operation in a laser displacement sensor apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 8은 정밀 스테이지 위에 센서 모듈을 고정시켜 코드 스케일(170)이 모터를 통해 시계 방향으로 회전할 때 출력되는 Output Sig-A와 Sig-B의 오실로스코프 화면을 나타낸 것이다.8 shows an oscilloscope screen of Output Sig-A and Sig-B outputted when the sensor module is fixed on the precision stage and the
도 9는 정밀 스테이지 위에 레이저 변위 센서를 고정시키고, 코드 스케일(170)이 모터를 통해 반 시계 방향으로 회전할 때 신호처리장치에서 출력되는 신호 Sig-A와 Sig-B의 오실로스코프 화면을 나타낸 것이다.
9 shows an oscilloscope screen of signals Sig-A and Sig-B outputted from the signal processing device when the laser displacement sensor is fixed on the precision stage and the
이때, 측정된 레이저 변위 센서(100)의 출력 신호의 기준 frequency는 ~130 kHz이며, 신호의 주기는 ~8 μs이다.At this time, the reference frequency of the output signal of the measured
도 8을 참조하면, 코드 스케일이 시계 방향으로 회전할 때는 Sig-A가 Sig-B를 앞서고 있으며, 두 신호 간의 위상 차는 약 90°이다. Referring to FIG. 8, when the code scale rotates clockwise, Sig-A precedes Sig-B, and the phase difference between the two signals is about 90 degrees.
또한, 도 9를 참조하면, 도 8과는 반대로 반 시계방향의 회전에서는 Sig-B가 Sig-A를 앞서며, 마찬가지로 위상 차는 약 90°가 발생됨을 알 수 있다.9, it can be seen that, in the counterclockwise rotation, Sig-B precedes Sig-A, and the phase difference is about 90 deg. In the same manner as in Fig.
도 8, 9를 참조하면, Sig-A 또는 Sig-B의 구형파의 펄스 개수를 산출하여 변위 거리를 구할 수 있다. 8 and 9, the displacement distance can be obtained by calculating the number of pulses of the square wave of Sig-A or Sig-B.
도 8, 9를 참조하면, 출력된 신호의 펄스의 한 주기는 10㎛를 나타내고, 출력신호 Sig-A와 Sig-B의 신호를 리드 방향을 비교하여, 코드 스케일의 회전 방향을 구분할 수 있다.Referring to Figs. 8 and 9, one cycle of the output signal pulse is 10 mu m, and the direction of the code scale can be distinguished by comparing the read direction of the signals of the output signals Sig-A and Sig-B.
이러한 결과를 통해서 제안된 광 변위센서는 ~10㎛의 위치 분해능, ~0.04°의 각도 분해능을 구현하였고, 코드 스케일의 회전 방향을 구분할 수 있어 센서를 장착한 장치의 방향 제어를 할 수 있는 효과를 가진다. These results show that the proposed optical displacement sensor has ~ 10 μm positional resolution, ~ 0.04 ° angle resolution, and it can distinguish the direction of rotation of the code scale, I have.
또한, 광수신기의 출력신호 Sig-A와 Sig-B의 위상 차 90°를 만족하는 경우에 quadrature decoder IC를 이용하여 2.5㎛의 위치 분해능 또는 0.01°의 각도의 고 분해능으로 향상시킬 수 있다.
Further, when the phase difference between the output signals Sig-A and Sig-B of the optical receiver satisfies 90 degrees, the quadrature decoder IC can be used to improve the position resolution to 2.5 m or the resolution of 0.01 deg.
도 10은 코드 스케일의 수직 방향 정렬 오차에 따른 사영된 레이저 빔의 Ray의 기하학적 분석 및 입사 주기(ΛB) 변화를 도시한 것이다.10 shows the geometrical analysis of the projected laser beam according to the vertical alignment error of the code scale and the change of the incidence period (Λ B ).
도 10을 참조하면, 코드 스케일(170)은 발생될 수 있는 정렬 오차에 의해서 설정된 기준 포인트(170-1)를 지나서 제3포인트(170-3)에 정렬되거나 설정된 기준 포인트(170-1)에 못 미쳐서 제2포인트(170-2)에 정렬될 수 있다.10, the
코드 스케일의 정렬 오차에 의한 3가지 경우에 대해서 각각 기준 포인트(170-1)에 형성된 제1 Ray bundle(RBC), 제2포인트(170-2)에 형성된 제2 Ray bundle(RBR) 제3포인트(170-3)에 형성된 제3 Ray bundle(RBR)로 중심 Ray가 선택되어 광수신기의 중심으로 향하는 궤적을 형성하게 된다.The first Ray bundle (RB C ) formed at the reference point 170-1 and the second Ray bundle (RB R ) formed at the second point 170-2 are formed for the three cases by the code scale alignment error, The center ray is selected by the third ray bundle RB R formed at the three point 170-3 to form a locus directed toward the center of the optical receiver.
프로젝팅 렌즈를 지나 코드 스케일로 투사된 레이저 빔은 코드 스케일로의 입사각에 의해서 반사 레이저 빔의 패턴 주기가 결정되며, 제1 Ray bundle(RBC)을 기준으로 법선 벡터로부터 코드 스케일로의 입사 각도의 관점에서 비교하면 제2 Ray bundle(RBR)인 경우 입사각이 제1 Ray bundle에 비해 상대적으로 크므로, 패턴 주기가 크고, 제3 Ray bundle(RBL)의 경우 입사각이 제 1 Ray bundle에 비해 상대적으로 작으므로, 패턴 주기가 작게 형성된다.The pattern period of the reflected laser beam is determined by the incident angle to the code scale, and the angle of incidence from the normal vector to the code scale based on the first Ray bundle (RB C ) The incident angle of the second ray bundle RB R is relatively large compared with that of the first ray bundle and the incident angle of the third ray bundle RB L is larger than that of the first ray bundle RB R , The pattern period is formed to be small.
여기서 제1 Ray bundle(RBC)은 기준 설계와 동일한 궤적으로 광수신기(114)의 중심까지 이동되도록 한 기준 포인트(170-1)에 의한 궤적을 의미한다.Here, the first ray bundle RB C denotes a locus of the reference point 170-1 which is moved to the center of the
도 10을 참조하면, 코드 스케일(170)의 위치가 +△Z 만큼 상향으로 오류 정렬되어 제3포인트(170-3)에 위치될 때, 반사 레이저 빔은 제1 Ray bundle(RBC) 대신 자동으로 제3 Ray bundle(RBL)이 선택되어 변위 정보를 제공한다.10, when the position of the
또한, 코드 스케일(170)의 위치가 -△Z 만큼 하향으로 오류 정렬되어 제2 포인트(170-2)에 위치될 때, 반사 레이저 빔은 제1 Ray bundle(RBC) 대신 제2 Ray bundle(RBR)이 선택되어 변위 정보를 제공한다.Further, when the position of the
상기 제1~3 Ray bundle은 코드 스케일로의 서로 다른 입사각을 갖는 전파 특성을 가지므로, 광수신기(114)측에서 측정한 반사된 레이저 빔의 입사 주기는 코드 스케일(170)의 정렬 위치에 따라 다르게 나타난다.Since the first to third ray bundles have propagation characteristics having different incident angles to the code scale, the incident period of the reflected laser beam measured at the
본 발명의 일 실시 예에 따른 설계 기준 값에 따라 제1 Ray bundle(RBC)로부터 광수신기(114)에 4개의 광디덱터(PD1 ~ PD4)에 입사된 설계 입사 주기(ΛB0)는 160㎛이다.The design incidence period Λ B0 incident on the four optical decoders PD1 to PD4 from the first Ray bundle RB C to the
도 10을 참조하면, 코드 스케일(170)의 정렬 위치가 기준 포인트(170-1)에 미치지 못하고, 이에 입사각이 커짐에 따라 형성된 제2 Ray bundle(RBR)의 주기 ΛB2는 기준 주기 ΛB0보다 크게 형성되고, 코드 스케일(170)의 정렬위치가 기준 포인트(170-1)를 지나서 형성된 제3 Ray bundle(RBL)의 주기 ΛB2는 기준 주기 ΛB0보다 작게 형성된다.
Referring to FIG. 10, the period Λ B2 of the second ray bundle (RB R ) formed as the
다른 하드웨어적인 구성들의 정렬 오차 역시 광수신기에 입사되는 레이저 빔의 주기가 유사한 방식으로 배향에 의해 영향을 받게 된다.Alignment errors of other hardware configurations are also affected by the orientation in a similar manner in the period of the laser beam incident on the optical receiver.
구체적으로는, 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔의 입사 주기(ΛB)는, VCSSEL 및 콜리메이팅 렌즈가 수평 +x 및 -x축으로 설계 기준점을 벗어날 때, 증가되며, 프로젝팅 렌즈가 +z 방향으로 이동될 때 증가되는 것으로 나타난다. Specifically, the period of the incident reflected laser beam which is incident on the light receiver (Λ B), when the collimating lens VCSSEL and leaves the design reference point in a horizontal + x and -x axis, is increased, the lens projecting the + z Direction, as shown in FIG.
레이저 빔의 구성요소들의 오정렬에 따라 코드 스케일에 의해 매개되기 때문에 입사되는 반사 레이저 빔의 입사 주기는 반대 방향으로 발생하는 오정렬에 따라 줄어든다.Since the laser beam is mediated by the code scale according to the misalignment of the components of the laser beam, the incidence period of the incident reflected laser beam is reduced according to the misalignment occurring in the opposite direction.
구성 성분의 기하학적 위치들에 따르면, 제안 본 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)의 성능은 결과적으로 Sig-A, Sig-B와 그것의 직교 신호 사이의 위상 관계의 측면에서 영향을 받는다.According to the geometrical positions of the components, the performance of the proposed laser
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레이저 변위 센서 장치(1)가 변위 방향을 식별함과 동시에, 코드 스케일의 주기를 인식할 수 있는 분해능을 제공할 수 있다. 적절한 구형파 신호 쌍을 생성할 수 있는 조건에 기초하여 사영된 레이저 빔 패턴의 주기 범위를 정할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the laser
본 발명의 일 실시 예에 따른 10㎛의 분해능과 두 출력 신호 간의 위상 차를 가진 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위센서 장치(1)는 사영 빔 특성을 이용하여 반사 레이저 빔의 패턴이 광수신기의 각 광디텍터(PD)에 적절하게 입사되도록 설계되었고, 레이저 변위 센서의 하나의 출력으로 10㎛의 변위를 감지할 수 있으며, 두 개의 출력으로는 두 출력 신호의 위상 차를 이용하여 물체의 움직이는 방향을 알 수 있다.A laser
종래의 반사형 레이저 변위 센서의 경우, 레이저발생기, 시준렌즈, 사영렌즈 및 측정대상의 스케일 패턴을 포함한 수평/수직 방향의 주요 구성 요소의 정렬이 어긋나게 되면 빔 주기 변화에 의해 오류가 발생될 수 있다.In the case of the conventional reflection type laser displacement sensor, if the alignment of the main components in the horizontal and vertical directions including the laser generator, the collimator lens, the projection lens, and the scale pattern of the measurement object is shifted, .
초소형 센서가 안정적으로 구동되기 위해서 구조의 구성 요소 공정 및 조립 과정 중에 발생할 수 있는 정렬 오차에 대한 내성을 확보하는 것이 바람직하다.It is desirable to ensure tolerance to misalignment that may occur during the process and assembly of the structure in order for the microsensor to operate stably.
본 발명의 일 실시 예에서는 10㎛ 급의 정밀한 측정과 이러한 마이크로급 측정기기의 측정 신뢰도를 높이기 위해서는 일정 범위의 정렬 오류에 대하여 정확한 측정치를 제공할 수 있는 구조적 내성을 가지고 있도록 설계되었다.In one embodiment of the present invention, it is designed to have a structural tolerance capable of providing accurate measurement values for a certain range of misalignment in order to precisely measure 10 .mu.m class and to increase the measurement reliability of such a micrograph measuring instrument.
본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서는, 제작된 레이저 변위 센서 장치(1)가 사출 및 조립 과정에서 위치 오차가 발생하더라도 안정된 사영 빔을 형성하면서 10㎛의 변위를 감지함과 동시에 시계 방향 또는 반 시계 방향을 구별할 수 있는 입사 주기(ΛB)의 범위를 결정할 수 있는 정렬 오차에 대한 내성이 제공된다.
In the experimental example according to the embodiment of the present invention, even if a positional error occurs during the injection and assembly process, the manufactured laser
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 코드 스케일로부터 반사되어 광디텍터(PD)에서의 기준 빔 패턴 주기는 4채널 광디텍터의 크기인 160㎛이며, 출력 신호 Sig-A, B의 기준 위상 차는 90°이다. In the laser
광수신기의 광디텍터(PD) 위치에서 두 출력 신호 Sig-A 및 B에 대한 위상 차 Φ의 오차에 대한 내성을 고려하는 것은 코드 스케일의 회전 방향, 즉 물체의 움직임을 감지하기 위한 허용 범위이다.Considering the tolerance to the error of the phase difference? Between the two output signals Sig-A and B at the optical detector PD position of the optical receiver is the rotation direction of the code scale, that is, the allowable range for detecting the movement of the object.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 변위의 방향에 대한 식별을 정확하게 인식하기 위한 관점에서 Φ=45°에서 135° 범위에서 있으면 가능하다. 즉, 기준 Φ= 90° 대비 +/-45°가 정확한 측정을 할 수 있는 허용 가능범위로 결정할 수 있다. From the viewpoint of accurately recognizing the identification of the direction of the displacement in the laser
이 범위는 경우에 따라 다르게 결정될 수 있다. This range can be determined differently depending on the case.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔의 입사 주기(ΛB)와 두 출력 신호의 위상의 관계를 도시한 것이다.11 shows the relationship between the incident period (Λ B ) of the reflected laser beam incident on the optical receiver and the phase of the two output signals in the laser
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 설계 기준과 동일하게 제작된 경우 ΛB = ΛB0 = 160㎛이며, 4채널 광디텍터(PD)의 각각은 입사 빔 주기의 1/4을 담당한다. 그러므로 단일 광디텍터에 의한 위상은 주기 내의 증가 및 감소와 함께, 하락과 상승하는 경향이 있다.If the same design and production criteria in the laser displacement sensor unit (1) according to one embodiment of the invention Λ B = ? B0 = 160 占 퐉, and each of the four-channel optical detectors (PD) occupies one-quarter of the incident beam period. Therefore, the phase by a single photodetector tends to drop and rise, with increasing and decreasing in the period.
실제로 ΛB의 1/4배가 한 주기에 대해서 90°이므로 한 주기 360°로부터 광디텍터간의 간격인 40㎛과 상응되는 Φ가 출력 신호 Sig-A 와 Sig-B의 위상 차이다. 따라서 ΛB가 커질수록 하나의 광 디텍터에 할당되는 패턴 주기에 따라 Φ가 작아지게 된다.Actually, since ¼ times of Λ B is 90 ° for one period, the phase difference between output signals Sig-A and Sig-B is Φ corresponding to 40 μm, which is the interval between the photodetectors from 360 °. Therefore, as Λ B increases, Φ decreases according to the pattern period allocated to one optical detector.
즉, 위상 관계는 주기가 간격 105~320㎛의 변화에 따라 Φ=135°에서 45°로 변화되는 것을 추정할 수 있다.That is, the phase relationship can be estimated that the period is changed from Φ = 135 ° to 45 ° according to the variation of the interval of 105 to 320 μm.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 105~320㎛ 범위에서 90° 기준 ±45°을 만족시키는 허용 범위를 가지게 된다.Therefore, the laser
그리고 ΛB 가 105㎛일 때, 두 채널의 광디텍터가 한 주기를 담당하여 출력 신호의 위상 차는 135°가 되고, ΛB 가 320㎛에서는 45°가 된다.When Λ B is 105 μm, the optical detector of two channels takes one cycle, and the phase difference of the output signal becomes 135 °, and Λ B becomes 45 ° at 320 μm.
사영 빔, 특히 패턴 주기의 전파 특성은, 레이저 변위 센서를 구성하고 있는 구성 요소의 배향에 주로 영향을 받을 수 있다.The propagation characteristics of the projection beam, especially the pattern period, can be mainly influenced by the orientation of the constituent elements constituting the laser displacement sensor.
본 발명의 일 실시 예에서는 레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 오정렬과 패턴 주기(ΛB) 관계를 시뮬레이션하였다.In one embodiment of the present invention, the horizontal misalignment of the laser generator (VCCSEL) and the collimating lens and the pattern period ( B ) relationship are simulated.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 오정렬과 입사 주기(ΛB) 관계를 도시한 것이다.FIG. 12 illustrates horizontal misalignment and incidence period? B of a laser generator (VCCSEL) and a collimating lens according to an embodiment of the present invention.
레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 오정렬은 코드 스케일을 기준으로 한 사영 지점에 주로 관련된다.The horizontal misalignment of the laser generator (VCCSEL) and the collimating lens is mainly related to the projection point based on the code scale.
도 12를 참조하면, VCSEL이 -100 ~ +100㎛ 범위의 +x 방향을 따라 오정렬될 때, 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)는 128㎛부터 208㎛로 변경된다(201).12, when the VCSEL is misaligned along the + x direction in the range of -100 to +100 μm, the incident period Λ B of the reflected laser beam pattern incident on the optical receiver is changed from 128 μm to 208 μm (201).
또한, 콜리메이팅 렌즈가 -100~ +100㎛에서 x축 방향을 따라서 오정렬될 때 유사하게, 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)는 208㎛에서 124㎛로 변화한다.Similarly, when the collimating lens is misaligned along the x-axis direction at -100 to +100 占 퐉, the incident period? B of the reflected laser beam pattern changes from 208 占 퐉 to 124 占 퐉.
위 결과로부터 레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 오정렬 위치 -100 ~ +100㎛에 따른 반 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB) 변화는 124 ~ 208㎛로서 이는 앞에서 설명한 입사 주기(ΛB)의 최대 허용 범위(105 ~ 320㎛)에 포함된다.Above results in a half cycle incident laser beam pattern according to the laser generator (VCCSEL) and -100 ~ + 100㎛ horizontal misalignment position of the collimating lens from (Λ B) is changed as 124 ~ 208㎛ This cycle incident described earlier (Λ B (105 to 320 占 퐉).
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)의 구성요소인 레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 위치에 대하여 ±100㎛의 범위를 허용할 수 있는 정렬 내성(alignment toleranc)을 가진다.
That is, the laser generator (VCCSEL), which is a component of the laser
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로젝팅 렌즈와 코드 스케일의 수평 오정렬과 입사 주기(ΛB) 관계를 도시한 것이다.Figure 13 illustrates a horizontal misalignment and the incident period (Λ B) between the projecting lens and the scale code according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 프로젝팅 렌즈를 -100 ~ +110㎛에 이르기까지의 거리에 의해 z축 방향을 따라 목표 위치로부터 오정렬 되었을 때, 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)는 132㎛부터 196㎛로 변경된다(211).13, the time along the z-axis direction by the distance from the projecting lens to -100 ~ + 110㎛ is misaligned from the target position, the incident of the reflected laser beam pattern impinging on the optical receiver period (Λ B ) Is changed from 132 탆 to 196 탆 (211).
유사하게 코드 스케일을 -100 ~ +100㎛에 이르기까지의 거리에 의해 z축 방향을 따라 목표 위치로부터 오정렬 되었을 때, 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)는 196㎛부터 136㎛로 변경된다(212).Similarly, when the code scale is misaligned from the target position along the z-axis direction by a distance from -100 to +100 mu m, the incident period ( A ) of the reflected laser beam pattern incident on the optical receiver becomes 196 mu m (212).
따라서, 프로젝팅 렌즈와 배율에 대한 코드 스케일의 최대 위치 허용 범위(Φ = 45°에서 135°)를 고려할 때, 상호 위상 관계의 변동을 초래하는 패턴 주기(ΛB)의 허용 범위는 수직 방향을 따라 ± 100㎛인 것으로 확인된다.Therefore, when considering the maximum permissible position range (Φ = 45 ° to 135 °) of the code scale for the projecting lens and the magnification, the permissible range of the pattern period (Λ B) ± 100 μm.
도 12를 참조하면, VCSEL과 콜리메이팅 렌즈의 x 축을 따라 수평 정렬 변화에 대한 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)의 변화율은 거의 +0.4 ㎛/㎛ 및 -0.4 ㎛/㎛인 것으로 산출된다.12, the incidence rate of change of period (Λ B) of the reflected laser beam pattern that is incident on the light receiver for a horizontal alignment along the x-axis change of the VCSEL and the collimating lens is approximately +0.4 ㎛ / ㎛ and -0.4 ㎛ / Mu m.
도 13을 참조하면, 프로젝팅 렌즈와 코드 스케일이 z 축을 따라 수직 정렬 변화에 대한 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)의 변화율은 각각 약 0.3 ㎛/㎛와 -0.36㎛/㎛로 산출된다. 13, the projecting lens and the code rate of change of scale is incident period (Λ B) of the reflected laser beam pattern impinging on the optical receiver for the vertical alignment changes along the z-axis is from about 0.3 ㎛ / ㎛ with each -0.36㎛ / [Mu] m.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 정렬 오차 범위가 100㎛에 이르기까지 구조적 내성을 가지며, 설계된 구형파 신호들의 쌍을 출력하여 정상적인 측정 기능을 수행할 수 있는 것을 알 수 있다.
Therefore, the laser
본 발명의 또 다른 실시 예에서는 레이저 변위 센서 장치(1)의 출력에 따른 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)의 영향을 평가하였다.In still another embodiment of the present invention were evaluated for the influence of reflection of the laser beam incident cycle pattern (Λ B) according to the output of the laser displacement sensor unit (1).
(이는 입사 주기(ΛB)가 구성 요소의 정렬에 민감하다는 점에 기초한 것이다.).(This is based on the point that the incident period (Λ B) is sensitive to the alignment of the components.).
도 14 서로 다른 입사 주기(ΛB)들에 있어서, 코드 스케일의 변위에 대해 출력되는 레이저 변위 센서 장치(1)의 출력을 도시한 것이다.In Fig 14 different incident period (Λ B), shows the power of the laser displacement sensor unit (1) to be outputted to the displacement of the scale code.
도 8을 참조하면, 입사 주기(ΛB) 200, 160 및 120㎛에 대응하는 각도 Φ=72° 90° 및 120°를 구하는 변이에 대해 일정 방향으로 진행하는 구형파 출력 신호 쌍(Sig-A, Sig-B)을 나타낸다.8, rectangular wave output signal pairs (Sig-A, B, C, and D) that travel in a predetermined direction with respect to an angle Φ = 72 ° 90 ° and 120 ° corresponding to incident angles
도 14를 참조하면, 입사 주기(ΛB)의 변동에 상관없이 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 신호는 스케일의 주기와 동등한 10㎛의 위치 분해능을 제공하는, 변위의 방향을 구별할 수 있음을 알 수 있다.14, the output signal according to an embodiment of the present invention, regardless of the variation of the incidence period LAMBDA B , can distinguish the direction of the displacement, providing a position resolution of 10 mu m equivalent to the period of the scale .
즉 구성요소들에 의한 위치 오차가 발생하여 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)가 바뀌더라도 10㎛ 분해능과 코드 스케일의 회전 방향을 감지할 수 있다.That is, even if the incidence period (Λ B ) of the reflected laser beam pattern changes due to the position error caused by the components, the resolution direction of 10 μm and the rotation direction of the code scale can be detected.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 그 구성 요소의 위치 오정렬에 관점에서 높은 구조적 내성을 가진다.
Therefore, the laser
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레이저 변위 센서 장치(1)는 비구면 렌즈 기반의 집적-수동정렬 방식의 광 변위센서 장치를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, the laser
레이저 변위 센서 장치(1)는 코드 스케일 사이에 초점을 가지는 프로젝팅 렌즈의 도입으로 사영 빔을 형성하여 10㎛ 분해능을 가지면서 광디텍터(PD)의 크기에 민감하지 않은 특징을 지닌다. The laser
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 스케일코드의 광수신기를 이용하여 효과적으로 한 쌍의 구형파 출력 신호로 변환되며, ~10㎛ 주기의 격자 구조를 갖는 코드 스케일을 이용하여 10㎛의 미세한 변위에 대해 두 출력 신호 Sig-A 및 Sig-B의 위상 차를 이용하여 회전 방향, 그리고 ~0.04°의 회전각도를 감지할 수 있다.In addition, in the laser
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레이저 변위 센서 장치(1)의 위치 분해능은 10㎛이며, 두 출력신호 Sig-A와 B의 위상 차가 90°인 조건에서 2.5㎛의 위치 분해능으로 향상시킬 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the positional resolution of the laser
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 구성 요소의 사출 및 조립 또는 운영 과정에서 발생될 수 있는 위치 오차에 대하여 전체적으로 +/-100㎛의 충분히 큰 정렬 내성을 통해 센서의 광범위한 운영 및 대량 생산에 용이하다.
In addition, the laser
1: 레이저 변위 센서 장치
5, 150: 옵티컬 헤드
10, 100: 레이저 변위 센서
11, 111: 레이저발생기
12, 112: 콜리메이팅 렌즈
13, 113: 프로젝팅 렌즈
14, 114: 광수신기
17, 170: 코드 스케일
20: 신호처리장치
71, 72: 장착홀
73, 74: 장착부
81, 82; 렌즈 장착홀
95, 96; 장착 레그
115: 렌즈 어셈블리
120: PCB 베이스
121: 정렬 가이드1: Laser displacement sensor device
5, 150: Optical head
10, 100: Laser displacement sensor
11, 111: laser generator
12, 112: Collimating lens
13, 113: Projecting lens
14, 114: optical receiver
17, 170: code scale
20: signal processing device
71, 72: mounting hole
73, 74:
81, 82; Lens mounting hole
95, 96; Mounting leg
115: lens assembly
120: PCB base
121: Alignment guide
Claims (12)
상기 레이저 변위 센서는,
반사면과 비반사면이 교대로 형성되는 코드 주기 패턴이 형성되고 측정 대상의 변위 동작을 수행하는 코드 스케일: 및 옵티컬 헤드: 를 포함하며,
상기 옵티컬 헤드는,
레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기;
상기 레이저 발생기의 상부 공간에 위치되며, 상기 발생된 레이저 빔을 평행광으로 편향시키는 콜리메이팅 렌즈;
상기 콜리메이팅 렌즈의 상부에 위치하며, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 편향된 레이저 빔을 집광하여 상기 코드 스케일로 사영시키는 프로젝팅 렌즈; 및
상기 코드 스케일로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 광수신기를 포함하며,
상기 광수신기는 4개의 광디텍터를 포함하고, 상기 프로젝팅 렌즈는 출력측의 초점이 상기 프로젝팅 렌즈와 상기 코드 스케일 사이 공간에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 하되,
상기 코드 스케일로부터 반사되는 레이저 빔은 상기 코드 스케일에서 상기 광수신기까지 진행되는 동안 주기가 증가하는 패턴으로 형성되며, 상기 광디텍터의 폭 크기는 상기 코드 스케일의 코드 주기 간격보다 큰 것을 특징으로 하며,
상기 콜리메이팅 렌즈는 직육각면체 형상의 상부 중앙에 레이저 빔의 시준을 위한 제1 비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제1공간을 가지며, 상기 프로젝팅 렌즈는 직육각면체 형상의 하부 중앙에 레이저 빔의 집광 및 사영을 위한 제2 비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제2공간을 가지고, 상기 제1 공간과 제2 공간이 대면하는 형태로 조립되어 전체적으로 직육각면체 형상의 렌즈 어셈블리 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
A laser displacement sensor device comprising a laser displacement sensor and a signal processing device,
The laser displacement sensor comprises:
A code scale and an optical head for forming a code cycle pattern in which a reflective surface and a non-reflective surface are alternately formed and performing a displacement operation of the measurement object,
The optical head includes:
A laser generator for generating a laser beam;
A collimating lens positioned in an upper space of the laser generator and deflecting the generated laser beam into parallel light;
A projection lens positioned above the collimating lens for condensing the laser beam deflected by the collimating lens and projecting the deflected laser beam onto the code scale; And
And an optical receiver for receiving the reflected laser beam from the code scale,
Characterized in that the optical receiver comprises four optical detectors, the focus of the output side being located in a space between the projecting lens and the code scale,
Wherein the laser beam reflected from the code scale is formed in a pattern in which the period increases during the progress from the code scale to the optical receiver, and the width of the optical detector is greater than the code period of the code scale,
Wherein the collimating lens has a first space defined by a groove in which a first aspherical lens for collimating a laser beam is protruded at an upper center of a rectangular hexahedron shape, And a second space formed by a groove in which a second aspherical lens for projecting and projecting the beam is projected, and the first space and the second space are assembled so as to face each other, The laser displacement sensor device
상기 4개의 광디텍터에 입사되는 레이저 빔 신호는 4개가 각각 유사 정현파 신호 패턴을 가지며,
상기 4개의 유사 정현파 신호를 각각 상기 신호처리장치에서 각 2개씩의 신호를 비교기 합성 처리를 거쳐서, 2개의 제1, 2 구형파 신호로 출력되며, 상기 제1, 2 구형파 신호 중 어느 하나의 펄스 개수를 이용하여 상기 코드 스케일의 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
The method of claim 1, wherein
Four laser beam signals incident on the four photodetectors each have a similar sinusoidal signal pattern,
Wherein each of the four quasi-sinusoidal signals is output as two first and second rectangular wave signals through a comparator synthesis process for each of two signals in the signal processing apparatus, And the displacement of the code scale is measured using the laser displacement sensor device
상기 제1 구형파 신호와 제2 구형파 신호의 진행에 대한 패턴 중 리드 신호를 분석하여 상기 변위의 방향을 측정하는 하는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
The method of claim 3,
And the direction of the displacement is measured by analyzing the read signal among the pattern of the progression of the first rectangular wave signal and the second rectangular wave signal.
상기 코드 스케일의 주기 간격은 10㎛이며, 상기 광디텍터의 하나의 폭은 40㎛인 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치The method according to claim 1,
Wherein the period of the code scale is 10 占 퐉 and the width of one of the optical detectors is 40 占 퐉.
상기 옵티컬 헤드는 10.3(W) x 8.33(L) x 6.55(H) mm3의 크기로 형성되며, 상기 렌즈 어셈블리는 높이 5.4mm이며 가로 폭 8.0mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치The method according to claim 1,
The optical head is 10.3 (W) x 8.33 (L ) x 6.55 (H) is formed into a size of 3 mm, the laser displacement sensor apparatus characterized in that said lens assembly is formed in a height of 5.4mm to 8.0mm in width
상기 레이저 변위 센서 장치는 10㎛의 위치 분해능 0.04°의 각도 분해능을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
5. The method of claim 4,
Wherein the laser displacement sensor device has an angular resolution of 0.04 DEG with a position resolution of 10 mu m.
상기 레이저 변위 센서 장치는 상기 제1 구형파 신호와 제2 구형파 신호의 위상을 90°로 유지할 때, 2.5㎛의 위치 분해능, 0.01°의 각도 분해능을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
5. The method of claim 4,
Wherein the laser displacement sensor device has a position resolution of 2.5 占 퐉 and an angular resolution of 0.01 占 when the phases of the first rectangular wave signal and the second rectangular wave signal are maintained at 90 占
상기 주기 간격은 18 ㎛/mm의 비율로 전파 방향을 따라 산형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 증가하는 레이저 변위 센서 장치
The method of claim 1,
Characterized in that the periodic interval increases in a scattering direction along the propagation direction at a rate of 18 占 퐉 / mm.
상기 레이저 변위 센서 장치는 상기 광수신기에 입사되는 레이저 빔의 주기 간격이 105~320㎛ 범위에서 측정 허용 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치The method according to claim 6,
Wherein the laser displacement sensor device has a measurement allowable range in a range of 105 to 320 mu m at intervals of a laser beam incident on the optical receiver.
상기 레이저 변위 센서 장치는, 10㎛의 위치 분해능을 가지면서, 상기 코드 스케일, 레이저 발생기, 콜리메이팅 렌즈, 프로젝팅 렌즈; 및 광디텍터의 위치 정렬에 대하여 ±100㎛의 허용 가능한 구조적 내성을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치The method according to claim 6,
The laser displacement sensor device has a code scale, a laser generator, a collimating lens, a projection lens, And an allowable structural tolerance of +/- 100 mu m for the alignment of the photodetector.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020150021206A KR101674554B1 (en) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | micro pattern type laser displacement sensor device having high resolution |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020150021206A KR101674554B1 (en) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | micro pattern type laser displacement sensor device having high resolution |
Publications (2)
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KR20160099188A KR20160099188A (en) | 2016-08-22 |
KR101674554B1 true KR101674554B1 (en) | 2016-11-10 |
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ID=56854720
Family Applications (1)
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KR1020150021206A KR101674554B1 (en) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | micro pattern type laser displacement sensor device having high resolution |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101674554B1 (en) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09196620A (en) * | 1996-01-12 | 1997-07-31 | Yaskawa Electric Corp | Reflection type optical displacement detector |
KR20070015267A (en) | 2005-07-30 | 2007-02-02 | 고등기술연구원연구조합 | Light displacement measuring apparatus |
-
2015
- 2015-02-11 KR KR1020150021206A patent/KR101674554B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Reflective-type photonic displacement sensor incorporating a micro-optic beam shaper, 'Hak-soon Lee and Sng-Shin Lee', 8 Jan 2014,OPTICS EXPRESS 868.* |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20160099188A (en) | 2016-08-22 |
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