KR102095587B1 - 선형 출력 위치 변화 감지 광센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 출력 위치 변화 감지 광센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 검지하고자 하는 물체의 상, 하, 좌, 우 직선 운동의 위치 또는 변위를 측정하여 정밀한 아날로그 출력신호를 얻어내고자 하는 선형 광위치센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광위치 센서는 다수의 발광소자들이 2차원적으로 배열된 발광면을 포함하는 발광부와, 다수의 수광소자들이 2차원적으로 배열되고, 상기 발광면에 대향하여 이격된 수광면을 포함하는 수광부와, 상기 발광면과 수광면 사이를 이동하는 광차폐 부재를 포함하는 것을 특징으로 2차원 광 위치센서이다.

Description

선형 출력 위치 변화 감지 광센서{Linear Photo Position Sensor}

본 발명은 선형 출력 위치 변화 감지 광센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 검지하고자 하는 물체의 상, 하, 좌, 우 직선 운동의 위치 또는 변위를 측정하여 정밀한 아날로그 출력신호를 얻어내고자 하는 선형 광위치센서에 관한 것이다.

일반적으로, 선형 광 위치 센서는 직선 운동시 위치 또는 변위를 측정하는 센서이다. 자동화 분야의 모션 제어를 구현하는 시스템에 있어 정밀한 위치 제어를 위해서 실시간의 움직임 위치 및 변위 측정이 필요하며, 위치측정을 위해 회전형 및 선형 광 엔코더 방식의 센서(Rotary or Linear Optical Encoder), LVDT(Linear Variable Differential Transformer), Linear Scale 들이 주로 사용된다.

이러한 종래의 선형 광 위치센서는 광신호 발생을 위한 LED와 평행광을 집속하거나, 집속하기 위한 렌즈로 이루어진 발광부와, 규칙적으로 일렬로 배치된 스트립 개구부(Slit), 예를 들어, 빛의 양이 선형적으로 변하도록 이를 향상시킨 직각 삼각형 개구부를 가진다. 또한, 상기 개구부 구조를 통과한 광신호를 수광하여 전기적인 신호로 변환하여 각 채널 신호로 출력하는 광 감지부를 가진다.

이러한 발광부와, 개구부 및 수광부를 가지는 종래의 선형 광 위치센서는, 직선 운동의 변위량을 측정하기 위해서 일정 간격으로 직사각형의 사각형 개구부를 갖는 스트립이 운동하는 본체와 연동되어 움직이게 되고, 발광부와 광감지부 사이를 통과하면서 광의 차단과 통과를 일으키게 된다.

대한민국 특허 공개 1997-017115호에서는 스트립의 구조를 단순화하면서도 복수의 광다이오드를 이용하여 아날로그 출력을 얻을 수 있는 선형 광 위치 센서를 개시한다.

하지만, 종래 선형 광 위치센서들은 선형적인 센서 출력 신호 처리를 위해, 평행광을 방출 또는 수광하기 위해서 비교적 고가의 정밀 가공된 평행광 집광 렌즈를 발광부 및/또는 수광부에 사용하기 때문에, 저렴한 선형 광센서의 가격 경쟁력을 저하시키고, 제품 조립이나 품질관리에 어려움을 야기한다.

더구나, 종래 선형 광 위치센서들은 성능 및/또는 가격의 끊임없는 개선에도 불구하고, 여전히 수직(상<->하) 또는 수평(좌<->우) 방향, 즉 1차원적인 변위만 측정할 수 있다는 한계를 가진다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 고가의 정밀 가공된 평행광 집광 렌즈를 사용하지 않는 새로운 광 위치 센서를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 하나의 광위치 센서로 2차원적인 변위를 측정할 수 있는 새로운 광 위치 센서를 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은

수평 위치와 수직 위치가 모두 상이한 3개 이상의 발광소자들이 2차원적으로 배열된 발광면을 포함하는 발광부와,

수평 위치와 수직 위치가 모두 상이한 3개 이상의 수광소자들이 2차원적으로 배열되고, 상기 발광면과 이격되어 대향하는 수광면을 포함하는 수광부와,

피측정 부재에 연결되어 상기 발광면과 수광면 사이를 이동하는 광차폐 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위치센서를 제공한다.

본 발명에 있어서, 용어 '수평' 및 '수직'은 광 위치센서가 실장되는 실장면을 기준으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 용어 '2차원적으로'는 직선형태로 배열되지 않은 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 발광면은 2차원 형상을 가지는 다양한 평면일 수 있으며, 예를 들어, 원, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형일 수 있으며, 바람직하게는 정삼각형, 정사각형, 정오각형, 정육각형, 정칠각형, 정팔각형 형태를 가질 수 있다. 바람직하게는, 직사각형 또는 정사각형 발광면일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 발광면은 균일한 발광면을 형성할 수 있도록 발광면을 발광소자 수에 따라서 균분하고, 균분된 서브면에 적어도 하나의 발광 소자들이 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 발광 소자는 발광칩일 수 있으며, 바람직하게는 발광 LED칩일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 발광 소자들은 수평 및 수직 방향으로 선형 신호를 방출할 수 있도록 수평 위치와 수직 위치가 균일하게 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 직사각형 발광면은 상기 발광 면을 중심을 통과하는 수평축과 수직축을 이용하여 4개의 서브 발광면으로 균분되고, 각 서브 발광면에 하나의 LED 발광칩들이 실장되고, 각각의 LED 발광칩들은 수평 및 수직 위치가 전부 상이하고, 수평 위치 간격과 수직 위치 간격이 동일하도록 실장될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 수광부는 발광면에서 발광된 광을 수광하고, 상기 발광면에서 소정 거리 이격되어 대향하는 평행한 수광면을 가질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 수광면은 다양한 형태의 평면일 수 있으며, 예를 들어, 원, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형일 수 있으며, 바람직하게는 정삼각형, 정사각형, 정오각형, 정육각형, 정칠각형, 정팔각형 형태를 가질 수 있다. 바람직하게는, 대향하는 발광면과 동일한 형상과 크기를 가지는 수광면일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 선형 신호를 방출할 수 있도록, 수광면을 수광소자 수에 따라서 균분하고, 균분된 서브 수광면에 적어도 하나의 수광 소자들이 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 수광 소자는 광의 입사 여부에 따라서 전기적 신호가 상이하게 방출되는 수광칩, 예를 들어 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 수광 소자들은 수평 및 수직 방향으로 선형 신호를 방출할 수 있도록 수평 위치와 수직 위치가 균일하게 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 직사각형 수광면은 상기 수광 면을 중심을 통과하는 수평축과 수직축을 이용하여 4개의 서브 수광면으로 균분되고, 각 서브 수광면에 하나의 포토 다이오드들이 실장되고, 각각의 포토 다이오드들은 수평 및 수직 위치가 전부 상이하고, 수평 위치 간격과 수직 위치 간격이 동일하도록 실장될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 수광칩들은 발광칩에 대향하는 위치에 배치될 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 발광부는 발광면이 내장되는 발광 케이스와, 발광소자가 실장되어 발광되는 발광면과, 발광면에서 발광된 광을 방출하는 발광용 개구를 포함하고, 상기 발광면은 발광용 기판, 예를 들어 발광용 PCB나 리드프레임에 2차원적으로 배치된 LED 칩을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 수광부는 수광면이 내장되는 수광 케이스와, 수광소자가 실장되어 수광하는 수광면과, 발광면에서 발광된 광이 입사되는 수광용 개구를 포함하고, 상기 수광면은 수광용 기판, 예를 들어 수광용 PCB나 리드프레임에 2차원적으로 배치된 LED 칩을 포함할 수 있으며, 상기 포토 다이오드들은 발광면의 LED칩에 대응하는 위치에 배치될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광차폐 부재는 광차폐성 부재를 의미하며, 바람직하게는 발광 소자의 광을 60% 이상, 바람직하게는 70%이상, 보다 바람직하게는 80%이상, 보다 더 바람직하게는 90%이상, 가장 바람직하게는 99%이상 차단하는 부재를 의미한다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 광차폐 부재는 피측정 부재일 수 있으며, 피측정 부재에 연결되어 함께 또는 비례적으로 이동하는 부재일 수 있다. 바람직하게는 피측정 부재의 이동량과 동일한 이동량으로 이동하는 부재일 수 있다.

본 발명은 일 측면에서,

다수의 발광소자들이 2차원적으로 배열된 발광면을 포함하는 발광부와,

다수의 수광소자들이 2차원적으로 배열되고, 상기 발광면에 대향하여 이격된 수광면을 포함하는 수광부와,

피측정 부재에 연결되어 상기 발광면과 수광면 사이를 이동하는 광차폐 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위치센서를 제공한다.

본 발명에 따른 광 위치 센서는 발광부에 평행광을 위한 고가의 렌즈 사용을 배제할 수 있으며, 하나의 위치 센서로 2차원적인 위치를 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1는 본 발명의 일 실시에 따른 광위치 센서와 광차폐 부재를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에 따른 광위치 센서의 단면을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에 따른 발광부를 전면에서 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에 따른 발광면을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에 따른 수광부를 전면에서 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시에 따른 수광면을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시에 따른 광위치 센서의 2차원적인 선형 측정 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광위치 센서의 회로도이다.

이하, 실시 예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니며, 본 발명을 예시하기 위한 것임을 유의해야 한다.

도 1에 본 발명에 따른 광 위치센서(10)는 실장면에 수직하게 직립하는 발광부(100)와 상기 발광부(100)에 대향하여 소정 간격으로 이격되어 수직하게 직립하는 수광부(200)와, 상기 발광부(100)와 수광부(200) 사이의 틈새를 이동하는 광차폐 부재(300)와, 발광부(100)와 수광부(200)의 하단을 일체로 연결하는 연결부를 가지며, 상기 연결부(400)의 하단에는 실장면에 고정되는 고정 다리(410)들을 가진다.

도 1 및 도 2에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 위치센서(10)에서 발광부(100)는 직육면체 형상의 발광 케이스(110)와 상기 발광케이스(110)의 내부에서 수직하게 위치하는 발광면(120)과, 상기 발광 케이스(110)에서 수광부 대향면에 형성되어, 광을 방출하는 발광용 개구(130)를 가지며, 수광부(200)는 직육면체 형상의 수광 케이스(210)와 상기 수광케이스(210)의 내부에서 수직하게 위치하는 수광면(220)과 상기 수광 케이스(210)에서 수광부 대향면에 형성되어, 발광면(120)에서 방출되어 발광용 개구(130)을 통과한 광이 입사되는 수광용 개구(230)을 가진다. 발광부(100)의 하부와 수광부(100)의 하부는 연결부(400)을 통해서 서로 연통되도록 개방되어 있으며, 연결부(400)는 측면에 신호의 출입을 위한 커넥터(420)을 가지며, 커넥터는 연결부(410)를 통해서 발광면(120) 및 수광면(220)과 연결되어 전원을 공급하고, 신호를 수신한다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 수광부 측에서 보여지는 발광부(100)는 발광용 개구(130) 내에 발광면(120)이 위치하며, 발광면(120)은 발광용 리드프레임(121)에 다수의 발광칩(122)들이 2차원적으로 배치된다.

도 3 및 도 4에서 도시된 바와 같이, 발광면(120)은 중심을 지나는 수평축과 수직축에 의해서 4개의 서브 발광면(120')으로 균분되고, 각각의 서브 발광면(120')에는 하나씩의 발광칩(122)이 실장된다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 4개의 서브 발광면(120')에 실장되는 4개의 발광칩(122)들은 서로 다른 수평위치들(x1, x2, x3, x4)과 서로 다른 수직 위치들(y1, y2, y3, y4)에 위치하게 된다. 또한, 4개의 발광칩(122)들을 수평 위치간격이 동일하고, 수직 위치 간격이 동일하게 위치되어, 광차폐부의 이동량에 의해서 선형적인 광차폐량을 제공할 수 있다.

도 5에서 도시된 바와 같이, 발광부 측에서 보여지는 수광부(200)는 수광용 개구(230) 내에 수광면(220)이 위치하고, 수광면(220)은 수광용 리드프레임(221)에 다수의 포토 다이오드(222)들이 2차원적으로 배치된다.

도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같이, 수광면(220)은 중심을 지나는 수평축과 수직축에 의해서 4개의 서브 수광면(220')으로 균분되고, 각각의 서브 수광면(220')에는 하나씩의 수광용 포토다이오드 칩(222)이 실장된다. 도 5a 및 도 5b에서 도시되는 바와 같이, 4개의 서브 수광면(222')에는 실장되는 4개의 수광칩(222)들이 서로 다른 수평위치들(x1, x2, x3, x4)과 서로 다른 수직 위치들(y1, y2, y3, y4)에 위치하게 된다. 또한, 4개의 수광용 포토다이오드(222)들을 수평 위치간격이 동일하고, 수직 위치 간격이 동일하게 위치된다. 발광면(120)의 발광칩(122)의 위치는 수광면(220)에서 수광칩(222)의 위치에 각각 대응되어, 광차폐부의 이동량에 의해서 선형적인 광수광량을 제공할 수 있다.

성능 시험

도 1 내지 도 6에서 도시된 광위치센서(10)에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 발광 LED를 병렬로 연결한 발광부(100)과, 수광 포토다이오드를 병렬로 연결한 수광부(200)을 구성하고, 광차폐 부재의 위치 변화에 따른 수광 신호 변화를 측정하였다. 포토다이오드에서 병렬 연결로 얻어지는 다수개의 전기적인 신호를 가산하고 그 가산된 값을 신호처리부에서 전류 값을 처리 혹은 전압 값으로 변환하여 신호를 처리하였다.

포토다이오드의 센서는 FFC Cable로 연결하여 전기적 신호 연결이 가능한 구조를 형성하였다. 발광 개구 및 수광 개구는 정사각형(□)으로 되어있어 센서의 검출 영역 및 범위를 제한할 수 있게 설계되어 수직, 수평방향으로 동등한 검출 범위의 검출이 가능하도록 하였다. 사용자는 이 전기 신호를 전류 혹은 전압으로 변환시키는 증폭기 등을 활용하여 이용할수 있다. 광학설계 프로그램인 Light Tools를 이용하여 광학계 구성를 구성한 센서를 시뮬레이션하였다.

도 8에서 도시된 바와 같이, 좌->우, 상->하 방향으로 광차폐 부재(Shading Object)가 센서의 발광부와 수광부 사이를 통과하면서 발광부에서 나오는 LED의 전체 빛이 순차적으로 차단되며 수광부 칩으로 입사되는 광량의 토탈(Total) 전기적 신호가 순차적 감소되는 변화를 나타낸다. 선형적으로 변화하는 전기적 출력 신호의 변화량이 확인되어, 정밀한 변위 및/또는 위치 측정이 가능함을 알 수 있다.

10: 광위치 센서
100: 발광부
110: 발광케이스
120: 발광면
130: 발광용 개구
200: 수광부
210: 수광케이스
220: 수광면
230: 수광용 개구

Claims (11)

1. 하나의 발광면에 수평 위치와 수직 위치가 모두 상이한 4개의 발광소자들이 2차원적으로 배열된 발광부와, 및
   상기 발광면과 이격되어 대향하는 하나의 수광면에 수평 위치와 수직 위치가 모두 상이한 4개의 수광소자들이 2차원적으로 배열된 수광부를 포함하고,
   여기서, 상기 발광 소자는 발광면의 중심부를 통과하는 x축 및 y축에 의해서 구분되는 4개의 서브 발광면에 각각 하나씩 배치되고,
   상기 발광부와 수광부의 사이를 피측정 부재에 연결된 광차폐부재가 통과하며, 그리고
   2차원 선형출력 구간을 제공하는 것을 특징으로 하는 광 위치센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 발광 소자들은 수평 위치와 수직 위치가 균일한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 광 위치센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 수광부는 발광면에서 소정 거리 이격되어 대향하는 평행한 수광면을 가지는 것을 특징으로 하는 광 위치센서.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서, 상기 수광 소자들은 수평 위치와 수직 위치가 균일한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 광 위치센서.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 발광부는 발광면이 내장되는 발광 케이스와, 발광소자가 실장되어 발광되는 발광면과, 발광면에서 발광된 광을 방출하는 발광용 개구를 포함하고, 상기 발광면은 발광용 기판에 2차원적으로 배치된 LED 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위치 센서.
9. 제1항에 있어서, 상기 수광부는 수광면이 내장되는 수광 케이스와, 수광소자가 실장되어 수광하는 수광면과, 발광면에서 발광된 광이 입사되는 수광용 개구를 포함하고, 상기 수광면은 수광용 기판에 2차원적으로 포토다이오드 또는 포토 트랜지스터들이 발광면의 LED칩에 대응하는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 광 위치센서.
10. 제1항에 있어서, 수광부에서 발생된 전기적 신호를 처리하는 신호처리소자를더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위치 센서.
11. 수평 위치와 수직 위치가 모두 상이한 다수의 발광 소자들로 이루어진 발광면을 포함하는 발광부와,
    수평 위치와 수직 위치가 모두 상이한 다수의 발광 소자들로 이루어진 수광면을 포함하는 수광부와, 및
    상기 발광면과 수광면 사이를 이동하는 광차폐 부재를 포함하고,
    광차폐 부재의 이동량에 비례하여 x축 및 y축 출력이 감소하는 선형 출력 구간을 가지는 것을 특징으로 하는 광위치 센서.
    

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