KR101774782B1 - 비접촉식 레이저 변위센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특정한 대상의 물체로부터 반사되는 레이저를 감지하여 물체의 이동거리를 측정할 수 있는 비접촉식 레이저 변위센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반사되는 레이저의 오차범위를 감소시키고, 반사율과 산란율에 따라 조사되는 레이저의 강약을 조절할 수 있으며, 기학광학의 원리를 이용하여 물체로부터 산란된 레이저 광의 경로 (대상 물체, 렌즈, 검출기)를 일정거리 증가시켜 검출기의 분해능과 정확성을 향상시킬 수 있는 레이저 변위센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

비접촉식 레이저 변위센서 {Displacement Sensor}
본 발명은 특정한 대상의 물체로부터 반사되는 레이저를 감지하여 물체의 이동거리를 측정할 수 있는 비접촉식 레이저 변위센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반사되는 레이저의 오차범위를 감소시키고, 반사율과 산란율에 따라 조사되는 레이저의 강약을 조절할 수 있으며, 물체로부터 산란된 광을 수집하는 렌즈의 거리와 렌즈에서 검출기까지의 거리의 비를 증가시켜 검출기의 분해능과 정확성을 향상시킬 수 있는 레이저 변위센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일반적으로 비접촉방식의 변위센서란 빛(레이저(Laser)광)의 스폿을 측정하고자하는 대상 (반도체, 기구, 장치, 시스템 등) 위에 입사하여 입사되는 빛의 위치를 통해 물체가 이동한 거리 또는 위치를 계측할 수 있는 장치에 해당한다.
이처럼 비접촉식 변위센서는 측정의 정밀도와, 측정속도로 장점으로 인해 최근에 그 사용빈도가 증가하고 있다. 상기의 비접촉식 변위센서는 빛, 즉, 레이저를 매체로 하므로 매우 빠른 측정이 가능하며, 비접촉식이므로 생산라인에서 이동하는 물체, 고온의 물체 등 측정하고자 하는 대상물의 환경에 제약을 받지 않는 장점을 가지고 있다.
상기의 장점으로 인해 변위센서는 다양한 산업 현장에서 사용되는데, 특히 측정 대상의 길이, 폭, 두께, 면적 등의 치수를 계량하기 위해 사용될 수 있으며, 대표적으로 유리기판의 두께측정, 웨이퍼의 위치결정, 브레이크 디스크의 두께측정, IC 핀 체크, 금속샤프트의 기울기 측정, 수지코팅의 유무 확인, 알루미늄 휠의 홀 검출, 및 금속드럼 이음새 검출 등 다양한 분야에 사용되고 있다.
최근 FA(Factory Automation) 공정에서 생산되는 제품의 품질을 라인 상에서 즉시 판단하고자 하는 요구가 증대 되고 있어, 레이저 변위센서는 지속적으로 수요가 증대되고 있는 실정이지만, 레이저 변위센서는 현재 전량 수입에 의존하고 있는 문제점이 있다.
그리고 측정 대상의 물체의 곡률이나 대상 물체로부터 반사되는 레이저광의 반사 및 산란으로 광의 세기가 낮을 경우에는 측정의 정확성의 감소와 분해능이 낮아지는 단점이 있었다.
이를 극복하기 위해 검출기를 CCD()나 CMOS()로 변경하여 정확성을 향상시켰지만 이는 상당히 고가의 제품에 해당하고, 응답속도가 낮아 사용하는데 많은 불편함을 발생하였다.
따라서, 일본, 독일, 러시아, 미국, 스웨덴, 오스트리아 등으로부터 전량 수입에 의존하고 있는 상황 중에 상기 언급한 요소기술에 대한 차별화된 자체 기술력을 확보하고, 변위센서의 분해능과 정확성을 향상시킴과 동시에 수입되는 다른 제품에 비해 가격 경쟁력에 우위를 점할 수 있는 제품의 개발이 필요한 실정이다.
1. 제10-1400635호 등록특허공보 '레이저 변위센서 시스템' (출원일자 2013.11.28) 2. 제10-1370294호 등록특허공보 '휴대용 레이저 변위센서를 이용한 데이터 측정 시스템' (출원일자 2012.10.08)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 측정 대상물로부터 산란되어 검출기로 이동하는 광경로를 증가시켜 반사되는 레이저의 노이즈를 최소화하고, 측정 대상물체의 반사율과 산란율에 따라 조사되는 레이저의 강도 및 거리를 조절할 수 있는 비접촉식 레이저 변위센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 비접촉식 레이저 변위센서는 특정한 대상물의 위치 이동을 측정하기 위해 측정하고자 하는 측정대상물(I)에 레이저 빔을 조사하도록 레이저가 발진되는 레이저발진부(100); 상기 레이저발진부(100)와 상기 측정대상물(I) 사이에 구비되어 상기 레이저발진부(100)로부터 발진되는 레이저가 상기 측정대상물(I)의 설정된 지점에 조사되도록 상기 레이저를 집속시키는 제1 렌즈(200); 상기 측정대상물(I)로부터 산란된 레이저 광을 수집하는 제2 렌즈(300); 상기 제2 렌즈(300)와 일정간격 이격 배치되며, 상기 제2 렌즈(300)를 통과한 레이저 광의 특정 파장영역대에 해당하는 레이저 광을 통과시키는 필터(400); 상기 필터(400)를 통과하는 레이저의 진행방향을 제어하도록 입사하는 레이저를 반사시키는 제1 각도조절판(500); 상기 제1 각도조절판(500)으로부터 입사된 레이저를 특정 방향으로 반사시키되, 상기 특정방향으로 반사되는 레이저와 상기 제1 각도조절판(500)으로부터 입사되는 레이저가 임의의 각도(θ)를 이루며 반사되는 제1 반사판(600); 상기 제1 반사판(600)에서 반사되는 레이저가 조사되며, 조사된 레이저의 위치를 감지하여 상기 측정대상물의 위치변화를 전기적 신호로 데이터화 하는 검출기(700);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 반사판(600)과 상기 검출기(700) 사이에는 상기 제1 반사판(600)으로부터 반사되어 상기 검출기(700)까지 도달하는 레이저의 거리를 증가시켜 상기 검출기(700)에 맺히는 레이저의 면적을 감소시키도록 상기 제1 반사판(600)으로부터 일정간격 이격되며, 상기 제1 반사판(600)으로부터 반사된 레이저를 전달받아 상기 제1 반사판(600)으로 재반사시키는 제2 반사판(800)이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 제2 반사판(800)에서 반사된 레이저를 상기 제1 반사판(600)이 반사시키면 상기 제1 반사판(600)에서 반사된 레이저를 상기 검출기(700)가 위치한 방향으로 안내하기 위한 제2 각도조절판(900)이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 각도조절판(500)은 제1 각도조절판(500)으로부터 입사된 레이저와 제1 각도조절판(500)으로부터 반사되는 레이저가 이루는 상기 임의의 각도(θ)를 조절하여 상기 제1 반사판(600)과 상기 제2 반사판(800) 사이를 반복적으로 지나는 레이저의 이동거리를 제어하도록 상기 측정대상물(I)로부터 반사되는 레이저와 평행을 이루며 회전될 수 있다.
본 발명은 측정 대상물체의 변위를 검출할 수 있는 검출기를 저렴한 제품을 사용함으로써 종래의 제품에 비해 가격경쟁력을 확보할 수 있으며, 대상물로부터 반사되는 반사광의 경로의 거리를 증가시켜 분해능과 검출속도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 검출기의 응답속도가 빠르며, 측정 대상물의 형상이나 재질에 따라 변경되는 반사율로 인해 검출기에 조사되는 반사광 세기의 변화를 방지하도록 측정 대상물로 조사되는 레이저의 광량을 조절하여 노이즈 감소 및 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 본 발명의 비접촉식 레이저 변위센서의 구성을 나타낸 개념도.
도 2 는 본 발명의 비접촉식 레이저 변위센서의 다른 실시예를 나타낸 개념도.
도 3 은 본 발명의 제1 각도조절판의 실시예에 따른 작동구조를 나타낸 개념도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1 을 참조하면 본 발명의 비접촉식 레이저 변위센서는 특정한 대상물의 위치 이동을 측정하기 위한 장치에 해당하며, 이하 하술하는 비접촉식 레이저 변위센서는 외부케이스(10)를 갖는다. 외부케이스(10)는 내부가 중공되어 있으며, 일측에 하술하는 레이저발진부(100)에서 조사되는 레이저가 통과하도록 일정한 직경을 갖는 홀이 형성될 수 있다.
상기의 외부케이스(10) 내부에는 이전에 설명한 레이저가 발진되는 레이저발진부(100)가 구비된다. 이때 레이저발진부(100)에서 발진되는 레이저는 측정대상물(I)이 위치한 방향으로 조사된다.
도 1 을 참조하면 레이저발진부(100)와 측정대상물(I) 사이에는 제1 렌즈(200)가 구비된다. 제1 렌즈(200)는 레이저발진부(100)로부터 발진되는 레이저 광을 측정대상물(I)에 정확히 집속시키기 위해 구비된다. 즉, 레이저광은 측정대상물(I)의 표면 일부의 설정된 지점에 정확하게 집속된 후 산란 된다.
상기 제1 렌즈(200)는 측정 대상물과 수집하는 제1 렌즈(200)까지 거리와 제1 렌즈(200)에서 검출기(700)까지의 거리의 비가 측정대상물(I)의 변위의 분해능과 직접적으로 비례하며, 검출기(700)에 정확히 산란된 광이 집속되는 광의 면적을 최소화하도록 기학광학의 기본원리를 적용할 수 있다.
이때, 산란된 레이저는 측정대상물(I)의 표면의 형태, 재질 등에 의해 산란율이 변경되며, 산란되는 레이저 광의 수집과 하술하는 검출기(700)에 집속되는 광의 크기를 조절하기 위한 렌즈(300)가 구비된다. 즉, 레이저발진부(100)로부터 발진된 레이저는 측정대상물(I)의 표면으로부터 제2 렌즈(300)가 위치한 방향으로 산란된 광을 수집하는 것이다. 또한, 제2 렌즈(300)는 산란되는 레이저의 특성에 따라 다양한 볼록렌즈(초점, 코팅, 크기) 등으로 형성될 수 있다.
도 1 을 참조하면 제2 렌즈(300)와 일정간격 이격 배치되는 필터(400)가 구비된다. 필터(400)는 레이저 광의 파장만 투과시키며 배경신호를 급격히 제거시킬 수 있다. 필터(400)는 제2 렌즈(300)의 전방 즉, 제2 렌즈(300)를 투과하는 반사 레이저의 진행방향으로 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 필터(400)는 대역필터(Band pass filter) 또는 좁은영역 투과 필터(Narrow band pass filter)로 제작될 수 있다.
도 1 을 참조하면 필터(400)를 통과한 레이저가 입사되는 제1 각도조절판(500)이 구비된다. 제1 각도조절판(500)은 레이저의 진행방향을 제어하기 위한 목적을 가진다. 즉, 필터(400)를 통과한 레이저가 제1 각도조절판(500)으로 입사되면 제1 각도조절판(500)의 표면에서 레이저가 반사되어 다른방향으로 반사된다. 이때 반사되는 레이저의 각도는 제1 각도조절판(500)과 필터(400)를 통과하여 조사되는 레이저가 이루는 각도에 따라 조절될 수 있다.
도 1 을 참조하면 제1 각도조절판(500)으로부터 반사된 레이저를 특정 방향으로 반사시키기 위해 제1 각도조절판(500)과 일정간격 이격되어 위치한 제1 반사판(600)이 구비된다. 제1 반사판(600)은 레이저발진부(100)에서 발진되는 레이저와 평행을 이루는 방향으로 연장형성되는 것이 바람직하다. 이는 제1 각도조절판(500)에서 반사되는 레이저가 조사될 때 레이저가 도달하는 범위가 제1 각도조절판(500)이 이루는 각도에 의해 변경될 수 있기 때문이다.
그리고 제1 반사판(600)에서 반사되는 레이저는 제1 각도조절판(500)으로부터 입사되는 레이저와 상호 임의의 각도(θ)를 이루며 반사될 수 있다.
도 1 을 참조하면 제1 반사판(600)에서 반사되는 레이저가 조사되는 검출기(700)가 구비된다. 검출기(700)는 제1 반사판(600)으로부터 조사되는 레이저의 위치를 감지하여 이를 전기적 신호로 데이터화 하는 장치에 해당한다. 즉, 측정대상물(I)의 위치 또는 형상이 변형되면 제1 각도조절판(500)으로부터 제1 반사판(600)으로 조사되는 레이저 광의 각도가 변경되고, 동시에 제1 각도조절판(500)으로부터 입사되는 레이저와 제1 반사판(600)에서 반사되는 레이저가 이루는 임의의 각도(θ)가 변경되어 검출기(700)에 맺히는 레이저의 위치(O)가 이동한다. 이를 검출기(700)가 감지하여 데이터로 변환한 후 검출기(700)와 연결된 디스플레이장치 또는 PC 등으로 전송할 수 있는 것이다.
이처럼 본 발명은 제1 각조조절판(500)과 제1 반사판(600)의 구성으로 인해 측정대상물(I)에서 반사되는 레이저가 검출기(700)로 도달하는 거리를 증가시킴으로써, 검출기(700)가 감지할 수 있는 정확도, 분해능 등의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
검출기(700)는 저렴한 PSD(Position Sensitivity Device)가 주로 사용될 수 있지만, 사용자의 선택에 의해 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor), CCD(Charge Coupled Device)로 사용될 수 있다.
도 2 를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 대해 상세히 설명한다.
제1 반사판(600)과 검출기(700) 사이에는 제2 반사판(800)이 더 구비될 수 있다. 이는 제1 반사판(600)에서 검출기(700)로 도달하는 레이저의 이동거리를 증가시켜 검출기(700)가 감지할 수 있는 정확도를 향상시킬 수 있도록 하기 위함이다. 즉, 검출기(700)로 도달하는 레이저의 조사거리가 늘어나면 검출기(700)에 맺히는 레이저의 면적은 감소한다. 이로 인해 측정대상물(I)의 미세한 이동, 형상변형 등의 유무를 정밀하게 감지할 수 있는 이점이 발생한다.
또한, 제2 반사판(800)은 제1 반사판(600)과 동일한 방향으로 연장형성될 수 있으며, 제1 반사판(600)으로부터 반사된 레이저를 제1 반사판(600)으로 재반사 하도록 제1 반사판(600)과 일정간격 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 이때 제2 반사판(800)에서 반사되는 레이저는 상기 임의의 각도(θ)와 동일한 각도를 유지하며 반사된다.
도 2 를 참조하면 제2 반사판(800)과 검출기(700) 사이에는 제2 각도조절판(900)이 구비된다. 제2 각도조절판(900)은 제1 반사판(600)의 일측 끝단에서 반사된 레이저를 검출기(700)가 위치한 방향으로 안내하기 위한 목적을 갖는다. 이때, 제2 각조조절판(900)에는 제1 반사판(600)으로부터 조사되는 레이저의 광량(세기)를 측정할 수 있는 광량측정부(910)가 추가로 구비될 수 있고, 광량측정부(910)는 레이저발진부(100)와 전기적으로 연결되어 측정된 데이터를 기반으로 레이저발진부(100)를 제어할 수 있음은 물론 레이저의 광량(세기)를 감지하여 레이저발진부(100)에서 발진되는 레이저의 광량을 조절할 수 있다. 이로 인해 검출기(700)에 조사되는 레이저의 노이즈를 감소시킬 수 있고, 정확도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 광량측정부(910)와 레이저발진부(100) 사이에는 제어부(920)가 별도로 구비되고, 제어부(920)는 광량측정부(910), 레이저발진부(100) 및 검출기(700)와 연결되어 상호 유기적인 작동을 제어할 수 있다.
도 3 을 참조하면 제1 각도조절판(500)은 제1 반사판(600)과 제2 반사판(800) 사이를 반복적으로 지나는 레이저의 이동거리를 조절하기 위해 회전가능하도록 형성될 수 있다. 그리고, 제1 각도조절판(500)은 별도의 구동모터와 연결되어 설정된 각도만큼 회전되도록 구성되며, 측정대상물(I)로부터 반사되는 레이저와 평행을 이루며 회전된다.
제1 각도조절판(500)이 회전되면 제1 각도조절판(500)으로부터 입사된 레이저와 제1 각도조절판(500)으로부터 반사되는 레이저가 이루는 임의의 각도(θ)를 조절할 수 있고, 임의의 각도(θ)가 작아지면 제1 반사판(600)과 제2 반사판(800) 사이를 반복적으로 지나는 레이저의 이동거리는 늘어난다.
반대로, 임의의 각도(θ)가 커지면 제1 반사판(600)과 제2 반사판(800) 사이를 반복적으로 지나는 레이저의 이동거리는 줄어든다.
따라서, 측정대상물(I)의 종류, 형상 등에 따라 제1 각도조절판(500)의 회전각도를 조절하여 검출기(700)의 측정 정확도를 가변적으로 조절할 수 있는 장점이 발생한다.
100 : 레이저발진부 200 : 제1 렌즈
300 : 제2 렌즈 400 : 필터
500 : 제1 각도조절판 600 : 제1 반사판
700 : 검출기 800 : 제2 반사판
900 : 제2 각도조절판 I : 측정대상물

Claims (4)

  1. 특정한 대상물의 위치 이동을 측정하기 위해 측정하고자 하는 측정대상물(I)에 레이저 빔을 조사하도록 레이저가 발진되는 레이저발진부(100);
    상기 레이저발진부(100)와 상기 측정대상물(I) 사이에 구비되어 상기 레이저발진부(100)로부터 발진되는 레이저가 상기 측정대상물(I)의 설정된 지점에 조사되도록 상기 레이저를 집속시키는 제1 렌즈(200);
    상기 측정대상물(I)로부터 산란된 레이저 광을 수집하는 제2 렌즈(300);
    상기 제2 렌즈(300)와 일정간격 이격 배치되며, 상기 제2 렌즈(300)를 통과한 레이저 광의 특정 파장영역대에 해당하는 레이저 광을 통과시키는 필터(400);
    상기 필터(400)를 통과하는 레이저의 진행방향을 제어하도록 입사하는 레이저를 반사시키는 제1 각도조절판(500);
    상기 제1 각도조절판(500)으로부터 입사된 레이저를 특정 방향으로 반사시키되, 상기 특정방향으로 반사되는 레이저와 상기 제1 각도조절판(500)으로부터 입사되는 레이저가 임의의 각도(θ)를 이루며 반사되는 제1 반사판(600);
    상기 제1 반사판(600)에서 반사되는 레이저가 조사되며, 조사된 레이저의 위치를 감지하여 상기 측정대상물의 위치변화를 전기적 신호로 데이터화 하는 검출기(700);를 포함하되,
    상기 제1 반사판(600)과 상기 검출기(700) 사이에는 상기 제1 반사판(600)으로부터 반사되어 상기 검출기(700)까지 도달하는 레이저의 거리를 증가시켜 상기 검출기(700)에 맺히는 레이저의 면적을 감소시키도록 상기 제1 반사판(600)으로부터 일정간격 이격되며, 상기 제1 반사판(600)으로부터 반사된 레이저를 전달받아 상기 제1 반사판(600)으로 재반사시키는 제2 반사판(800)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 레이저 변위센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 반사판(800)에서 반사된 레이저를 상기 제1 반사판(600)이 반사시키면 상기 제1 반사판(600)에서 반사된 레이저를 상기 검출기(700)가 위치한 방향으로 안내하기 위한 제2 각도조절판(900)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 레이저 변위센서.
  4. 제 1 항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제1 각도조절판(500)은
    제1 각도조절판(500)으로부터 입사된 레이저와 제1 각도조절판(500)으로부터 반사되는 레이저가 이루는 상기 임의의 각도(θ)를 조절하여 상기 제1 반사판(600)과 상기 제2 반사판(800) 사이를 반복적으로 지나는 레이저의 이동거리를 제어하도록 상기 측정대상물(I)로부터 반사되는 레이저와 평행을 이루며 회전되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 레이저 변위센서.
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