KR102004186B1 - 위치 변화 감지 광센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위치 변화를 감지하는 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포토 인터럽터를 이용한 위치 변화 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 변위 센서는 발광부(110)와 수광부(120)를 포함하는 포토 인터럽터 센서 몸체부(100)와; 상기 발광부(110)와 수광부(120) 사이에 배치되어 이동하는 인터럽터 부재(200)를 포함하고, 상기 발광부(110)에서는 광이 프레넬 렌즈(130)를 통해서 방출되며, 그리고 상기 인터럽터 부재(200)는 광차폐성 부재로 이루어지며, 이동 거리에 따라서 광차폐 영역이 선형적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.

Description

위치 변화 감지 광센서{photo sensor for sensing of position variation}

본 발명은 위치 변화를 감지하는 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포토 인터럽터를 이용한 위치 변화 센서에 관한 것이다.

포토 인터럽터는 내부에 발광소자를 포함하고, 발광 소자의 광을 점 또는 선 형태로 외부로 방출하기 위해서 슬릿이나 홀이 형성된 발광면을 가지는 발광 케이스를 포함하는 발광부와, 내부에 수광 소자를 포함하고, 광이 입사되는 슬릿이나 홀이 형성된 수광면을 가지는 수광 케이스를 포함하는 수광부를 가진다. 상기 발광면과 수광면이 대향하도록 배치되어, 발광면과 수광면 사이에 물체가 없으며 수광소자에 광이 입사되고, 발광면과 수광면 사이에 물체가 있으면 수광 소자에 광이 차단된다. 이에 따라, on/off 형태의 전기적 신호를 나타내며, 물체의 근접 정도에 따라서 수광 소장에 반사되어 들어오는 광량이 달라지는 포토 리플렉터와는 달리 변위 센서로 사용하기 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 한국 과학 기술원에 허여된 대한민국 특허 10-1465427에서는, 도 1에서와 같이, 발광부와 수광부를 포함하는 포토 인터럽터 센서 몸체부(10)와; 상기 발광부와 수광부 사이에 배치되는 인터럽터 부재(20)를 포함하고, 상기 인터럽터 부재(20)가 그라디언트가 맵이 인쇄되어 있는 투명 필름 부재로 이루어져, 이다. 상기 그라디언트 맵은 상기 인터럽터 부재(20)의 길이 방향을 따라서 인쇄되어 있다. 이에 따라서, 인터럽터 부재(20)가 길이 방향 즉 방향 A를 따라서 이동함에 따라서 발광부로부터 나온 빛이 수광부에 수신되는 양이 변해서 전압 변화가 생기고 그에 따라서 인터럽터 부재(20)의 이동 변위를 측정할 수 있게 된다.

하지만, 이러한 방식은 광 투과율이 정확하게 조절되는 그라디언트 맵을 제조하기 어렵다는 문제가 있다.

또한, 인터럽터 부재가 A방향으로 동일한 지점에 있더라도, 발광부로부터 인터럽터의 부재까지의 거리가 달라지면 수광부에 도달하는 광량이 달라지는 문제가 발생하게 되므로, 인터럽터 부재가 일정한 위치에서 왕복할 수 있도록 조정되어야 하는 문제가 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 발광부로부터 인터럽터 부재까지의 거리에 영향을 받지 않는 새로운 포터인터럽터형 변위 센서를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 발광부로부터 인터럽터 부재까지의 거리에 영향을 받지 않는 새로운 포터인터럽터를 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 변위 센서는

발광부(110)와 수광부(120)를 포함하는 포토 인터럽터(100)와;

상기 발광부(110)와 수광부(120) 사이에 배치되어 이동하는 인터럽터 부재(200)를 포함하고,

수광부(120)의 수광면에 대향하는 발광부(110)의 발광면에는 광이 프레넬 렌즈(130)를 통해서 방출되며, 그리고

상기 인터럽터 부재(200)는 광차폐성 부재로 이루어지며, 이동 거리에 따라서 광차폐 영역이 선형적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.

이론적으로 한정된 것은 아니지만, 발광부에 포함된 프레넬 렌즈(130)에 의해서 발광부에서 광이 평행하게 방출되어, 인터럽터 부재가 발광부를 차폐하는 면적에 비례하여 수광부에 입사되는 광량이 선형적으로 줄어들게 되며, 발광부로부터 인터럽터 부재까지의 거리 변화에 관계 없이, 차폐량이 동일하게 유지될 수 있게 된다.

본 발명은 일 측면에서, 발광부(110)와 수광부(120)를 포함하고, 수광부의 수광면에 대향하는 발광부의 발광면에 프레넬 렌즈가 위치하는 것을 특징으로 하는 포토 인터럽터를 제공한다.

본 발명에 의해서 포토 인터럽터에 기반하는 새로운 변위 센서가 제공되었다. 본 발명에 따른 포토 인터럽터는 발광부로터부 인터럽터 부재까지의 거리에 의한 영향이 적으며, 차폐 면적과 인터럽터 부재의 이동량을 쉽게 선형화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 포토 인터럽터를 기반으로 하는 변위 센서를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 변위 센서에 사용되는 포토 인터럽터를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 변위 센서에 사용되는 포토 인터럽터의 프레넬 렌즈의 설치 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 변위 센서에 사용되는 포토 인터럽터의 광흐름을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 변위 센서에서 포토 인터럽터의 틈새를 이동하는 차폐형 인터럽터의 움직임을 보여주는 도면이며, (a)5x100mm, (b)10x100mm.
도 6는 본 발명에 따른 변위 센서에서 차폐형 인터럽터의 크기에 따른 광량의 선형성을 보여주는 도면이며, (a)5x100mm, (b)10x100mm.
도 7은 본 발명에 따른 포토 인터럽터의 광흐름도와 발광면에서부의 수직 거리에 따른 광분포도이다.
도 8은 프레넬 렌즈가 없는 일반 포토 인터럽터의 광흐름도와 발광면에서부터 수직 거리에 따른 광분포도이다.
도 9는 종래 기술에 따른 포터 인터럽터를 기반으로 하는 변위 센서를 보여주는 도면이다.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다.

변위 센서

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변위 센서(1)는 포토 인터럽터(100)와 포토 인터럽터의 사이를 왕복하는 차폐형 인터럽터 부재(200)로 이루어진다.

도 2 내지 도 4에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 변위 센서(1)에 사용되는 포토 인터럽터(100)는 발광 소자(111)가 포함된 발광부(110)와 수광 소자(121)가 포함된 수광부(120)를 가진다. 발광부(110)에는 발광용 프레넬 렌즈(112)가 장착된 수직하는 발광면(113)이 있으며, 수광부(120)에는 수광용 프레넬 렌즈(122)가 장착된 수직하는 수광면(123)이 있다.

발광부(110) 내부의 발광 소자(111)에 발광된 광은 발광면(113)에 설치된 발광용 프레넬 렌즈(112)를 통과하면서 평행광으로 변환되어, 평행하게 수광부(120)의 수광면(123)에 도달하게 된다. 수광면(123)에 도달한 광은 수광면(123)에 설치된 수광용 프레넬 렌즈(122)를 통과한 후, 수광 소자(121)에 집광된다.

차폐형 인터럽터 부재(200)는 포토 인터럽터(100)의 발광면(113)과 수광면(213) 사이의 틈새에 삽입되어 이동하며, 또한 광을 차단할 수 있는 두께를 가진다. 또한, 차폐형 인터럽터 부재(200)는 피측정 부재의 변위 변화에 의해서 발광면에서 수광면으로 이어지는 광 경로에 수직하는 방향을 따라서 이동한다.

차폐형 인터럽터 부재(200)는 이동에 따라서 수광면(123)에서 발광면(113)을 바라볼 때 발광면(113)을 차폐하는 면적이 선형적으로 변하도록 상부는 수평선을 이루며, 하부는 소정 기울기를 가지는 선형 경사부를 이룬다.

도 5a에서 도시된 바와 같이, 포토 인터럽터의 크기에 따라서 선형 경사부의 길이와 각도가 조절된다. 도 5a와 같이 소형 포토인터럽터인 경우, 차폐형 인터럽터 부재(200)의 경사부는 높이가 5mm이고 길이가 100mm이며, 도 5와 같이, 대형 포토 인터럽터인 경우, 높이가 10mm이고 길이가 100mm 이다.

도 6에서 도시된 바와 같이, 포토 인터럽터의 크기나 선형 경사부의 길이 또는 경사와 관계없이, 이동량과 수광량이 선형 비례를 이루는 영역이 존재한다.

발광면의 발광분포 시뮬레이션 시험

도 7에서와 같이, 본 발명에 따른 변위센서(1)에 사용되는 포토 인터럽터(100)를 발광부(110)의 발광면(113)과 수광부(120)의 수광면(123) 사이가 5 mm 거리가 되도록 이격하고, 발광면(113)과 수광면(1230 사이에 가림막을 위치시킨 후, 발광면(113)으로부터 가림막에 이르는 거리를 변화에 1mm 간격으로 변화시키면서, 가림막에 형성되는 광분포를 측정하였다. 이를 도 7에 도시하였다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 가림막의 위치가 1mm 간격으로 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm에서 서로 유사함을 알 수 있다. 이에 따라서, 발광면의 단위 면적당 발광량이 비슷하게 형성되며, 이에 따라서 차폐되지 않는 발광 영역의 면적과 수광량이 선형적으로 비례하게 된다.

이와 대비하여, 발광면과 수광면에 프레넬 렌즈가 없는 것을 제외하고는 본원 발명의 포토인터럽터와 동일한 형상을 가지는 포토인터럽터를 제조하였다. 동일하게 가림막의 위치를 1mm 간격으로 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm로 변화시킨 후 가림막에 형성되는 광분포를 도 8에 도시하였다. 가림막의 위치에 따라서 광분포가 급격하게 변화하였다.

100: 포토인터럽터 센서 몸체부
110: 발광부
120: 수광부
200: 인터럽터 부재

Claims (2)

1. 발광부(110)와 수광부(120)를 포함하는 포토 인터럽터(100)와;
   상기 발광부(110)와 수광부(120) 사이에 배치되어 이동하는 인터럽터 부재(200)를 포함하고,
   수광부(120)의 수광면에 대향하는 발광부(110)의 발광면에는 광이 프레넬 렌즈(130)를 통해서 방출되며, 그리고
   상기 인터럽터 부재(200)는 광차폐성 부재로 이루어지며, 이동 거리에 따라서 광차폐 영역이 선형적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 변위 센서.
   
   
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