KR102578130B1

KR102578130B1 - 자가 진단 기능을 갖는 엔코더

Info

Publication number: KR102578130B1
Application number: KR1020220181886A
Authority: KR
Inventors: 박성현
Original assignee: 박성현
Priority date: 2022-12-22
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-09-12

Abstract

본 발명은 엔코더의 상태를 인식하여 엔코더 자체의 초기 망실 여부를 인지할 수 있는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 자가 진단 기능을 갖는 엔코더에 있어서, 내부에 공간이 형성되는 케이싱; 상기 케이싱에 베어링을 매개로 회전 가능하게 결합하는 회전축; 상기 회전축에 고정되어 상기 회전축과 같이 회전하는 신호생성부; 상기 회전하는 신호생성부에 의하여 펄스 또는 하모닉 성분의 신호를 출력하는 감지부; 상기 감지부에서 출력되는 신호를 기초로 상기 회전축의 회전 신호를 케이블로 출력하는 처리모듈; 및 별도의 전원으로 구동되며, 상기 처리모듈에서 출력되는 회전 신호를 분석하여 엔코더의 고장 유무를 판단하는 진단모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자가 진단 기능을 갖는 엔코더{Encoder with self-diagnostic fuction}

본 발명은 자가 진단 기능을 갖는 엔코더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔코더의 비정상적인 상태를 확인할 수 있는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더에 관한 것이다.

일반적으로 엔코더는 입력축에 주어진 기계적인 이동량 또는 회전량을 디지탈 신호로 변환하는 센서로서, 로봇 아암의 각도 조절, 수치 제어 공작 기계, 사무 자동화 기기, 디지털 카메라 등과 같은 장치의 제어용 기기에 필수적인 요소 중 하나이며, 또한, 제어계의 회전 위치나 속도가 디지털 신호로 나타나므로 디지털 회로에서의 인터페이스가 용이하여, 그 용도가 점차 확대되고 있다.

상기 엔코더는 구조적 형태에 따라서 크게 광학식과 자기식으로 구분할 수 있다. 광학식 엔코더는 공개특허 제2001-0071397호에 개시된 바와 같이, 하우징의 베어링에 지지된 회전축과, 회전축에 고정된 회전 디스크와, 하우징에 장착된 발광소자와, 발광소자로부터 회전 디스크를 투과 또는 반사된 광을 수광하는 서브기판을 통해 하우징에 장착된 수광소자와, 수광소자로 수광한 광으로부터 회전량 또는 회전위치를 검출하는 회로를 탑재하여 하우징에 장착된 메인기판을 포함하여 구성되며, 회전축에 결합된 회전 디스크의 회전 상태를 수광소자에서 발생하는 출력 신호를 기초로 회전축의 회전 각도를 감지한다.

그리고 자기식 엔코더는 공개특허 제2008-0077282호에 개시된 바와 같이, 회전체의 회전축에 대해서 수직 방향의 일방향으로 자화되고 회전체에 고정된 영구자석과, 영구자석에 공극을 개재하여 대향하고 고정체에 장착된 자계 검출 소자와, 자계 검출 소자로부터의 신호를 처리하는 신호 처리 회로로 이루어지며, 상기 자계 검출 소자에서 출력되는 신호를 이용하여 회전체의 회전 각도와 속도를 감지하는 것을 특징으로 한다.

한편 일반적인 광학식 엔코더는 케이싱과 상기 케이싱에 베이링을 매개로 결합하는 회전축과 상기 회전축에 고정되어 회전하는 디스크와 디스크 방향으로 빛을 발산하는 발광소자와 디스크를 통과한 빛을 수신하는 수광소자와 수광소자의 신호에 의하여 회전에 대한 정보를 산출하는 처리모듈을 포함하여 구성되며, 상기 회전축이 별도의 회전구동부와 연결되어 회전하면서 회전구동부의 회전 방향과 속도를 출력하는 기능을 수행한다.

따라서 상기 디스크 및 회전축은 지속적으로 회전되며, 회전중 외부의 충격 등이 발생하는 경우 베어링이나 디스크 등이 일부 망실되어 비정상적인 형태로 동작되는 경우가 종종 발생하며, 상기와 같은 상태에서 지속적으로 동작시키는 경우 완전히 망실되어 엔코더가 설치된 장치 자체가 고장날 우려가 있어, 엔코더의 초기 망실 상태를 사전에 인지할 필요가 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 안출된 것으로, 엔코더의 상태를 인식하여 엔코더 자체의 초기 망실 여부를 인지할 수 있는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 자가 진단 기능을 갖는 엔코더에 있어서, 내부에 공간이 형성되는 케이싱; 상기 케이싱에 베어링을 매개로 회전 가능하게 결합하는 회전축; 상기 회전축에 고정되어 상기 회전축과 같이 회전하는 신호생성부; 상기 회전하는 신호생성부에 의하여 펄스 또는 하모닉 성분의 신호를 출력하는 감지부; 상기 감지부에서 출력되는 신호를 기초로 상기 회전축의 회전 신호를 케이블로 출력하는 처리모듈; 및 별도의 전원으로 구동되며, 상기 처리모듈에서 출력되는 회전 신호를 분석하여 엔코더의 고장 유무를 판단하는 진단모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 처리모듈에서 출력되는 회전 신호는 A상, B상 및 Z상으로 각각 출력되며, A상 및 B상에서 출력되는 신호 주기를 T라 하고, T는 a+b+c+d인 경우 상기 진단모듈은 상기 a, b, c 및 d가 사전에 정의된 크기를 벗어나는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 진단모듈은 상기 회전축이 정방향으로 회전하는 경우 A상의 신호와 B상의 신호가 (H, L), (H, H), (L, H) 및 (L, L) 순으로 반복적으로 출력되지 않는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 진단모듈은 상기 회전축이 역방향으로 회전하는 경우 A상의 신호와 B상의 신호가 (L, L), (L, H), (H, H) 및 (H, L) 순으로 반복적으로 출력되지 않는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 진단모듈은 상기 감지부의 신호가 하모닉 성분인 경우 진폭의 크기가 사전에 설정된 값을 벗어나는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 진단모듈은 상기 감지부의 신호가 펄스 형태인 경우 펄스의 크기가 사전에 설정된 값을 벗어나는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 진단모듈은 상기 감지부의 신호가 DC 성분인 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 진단모듈은 상기 처리모듈에 공급되는 전원을 감지하고, 감지된 전원 신호가 사전에 설정된 범위를 벗어나는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 진단모듈은 엔코더 내부 공간 또는 부품의 온도를 감지하는 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 진단모듈은 상기 온도센서에서 감지되는 값이 사전에 설정된 범위를 넘어서는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자가 진단 기능을 갖는 엔코더는 별도의 전원으로 동작하는 진단모듈을 포함하며, 상기 진단모듈이 엔코더의 출력신호, 엔코더의 감지부의 신호, 엔코더의 전원 및 엔코더 내부의 온도를 기초로 엔코더의 고장 유무를 판단하므로, 엔코더 제품의 높은 신뢰도를 제공하고, 또한 예상하지 못하는 고장이 발생하여 장착된 고가의 기계장치의 피해를 사전에 막을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자가 진단 기능을 갖는 엔코더의 단면 구성도이며,
도 2는 도 1에 도시된 케이싱의 구성도이며,
도 3은 도 1에 도시된 진단모듈의 연결 구성도이며,
도 4는 도 1의 엔코더 출력신호의 일실시예이며,
도 5는 도 1에 감지부의 출력신호의 일실시예이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 “연결”, “결합” 또는 “접속”된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 “연결”, “결합” 또는 “접속”될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 자가 진단 기능을 갖는 엔코더(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 회전특성을 신호로 출력하는 케이블(11)을 포함하는 케이싱(10), 상기 케이싱(10) 중앙에 회전 가능하게 결합하는 회전축(20), 상기 회전축(20)과 상기 케이싱(10) 사이에 배치되어 회전축(20)의 회전을 수용하는 베어링(30), 상기 회전축(20) 중 상기 케이싱(10) 내부에 위치하는 일단에 부착되어 회전축(20)과 같이 회전하는 신호생성부(40), 상기 신호생성부(40)와 일정거리 이격된 배치되어 상기 신호생성부(40)의 회전을 감지하는 감지부(50), 상기 감지부(50)를 수용하며 상기 감지부(50)의 신호를 이용하여 회전축(20)의 회전특성을 산정하여 상기 케이블(11)로 출력하며, 상기 케이싱(10) 내부에 장착되는 처리모듈(60) 및 별도의 모듈로 구성되어 상기 케이싱(10) 내부에 배치되어 엔코더(100)의 고장 여부를 인지하는 진단모듈(70)을 포함하여 구성된다.

먼저 상기 케이싱(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 공간이 형성되어 다양한 부품들을 수용하며, 전체 장치의 구조 역할을 하는 것으로 기본적으로 원통 형상으로 구성되는 것이 바람직하나, 필요한 경우 다른 형태로도 구현될 수 있으며, 외면에는 장치의 구성을 위한 다양한 구조물과 다른 부재에 고정을 위한 고정구 등을 포함하여 구현될 수 있다.

또한, 다수의 부재로 구성되어 내부에 부품을 수용한 후 서로 결합하는 형태로 구성되며, 중심에는 회전축(20)이 연장되어 배치되며, 일면에는 신호 전송을 위한 케이블(11)이 연장되어 형성된다.

필요한 경우 외면에는 엘이디 등과 같은 알람부(12)가 형성되어 일부 오동작 시 상기 알람부(12)가 점등되는 형태로 구성될 수 있으며, 상기 알람부(12)는 다수의 엘이디가 배치되어 오동작 상태에 따라 각각 점등되는 형태로 구현될 수 있다.

한편, 상기 회전축(20)은 상기 케이싱(10)에 베어링(30)을 매개로 회전 가능하게 결합한다.

이때 상기 회전축(20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 케이싱(10)의 길이 방향으로 배치되어 외부 장치의 회전구동부와 연결되어 회전한다.

상기 신호생성부(40)는 상기 회전축(20)에 부착되어 같이 회전하며, 회전에 따라 신호를 생성하는 역할을 하는 것으로 엔코더(100)의 종류에 따라 각각 다른 구성품들로 구현된다.

광학식 엔코더의 경우에는 광학식 슬릿이 형성된 디스크와 상기 디스크로 광을 발산하는 발광소자로 구현될 수 있으며, 자기식인 경우 자석으로 구현되고, 인덕터 방식인 경우에는 코일로 구현될 수 있다.

그리고, 상기 감지부(50)는 상기 신호생성부(40)의 회전 특성을 감지하는 센서를 포함하고 있으며, 해당 엔코더(100)의 종류에 따라 각각 다른 센서로 구현될 수 있다.

예를 들면, 광학식의 경우에는 빛의 광도를 감지하는 수광센서, 자기식의 경우에는 자기를 감지하는 자기센서, 인덕터 방식에서는 인덕터 특성을 감지하는 인덕터 센서로 구현될 수 있다.

상기 처리모듈(60)은 상기 감지부(50)에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 회전축(20)의 회전 특성을 산정하여 출력하는 역할을 한다.

한편, 상기 진단모듈(70)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 처리모듈(60)에서 출력되는 신호와 별도의 센서에 의하여 감지되는 출력 신호를 이용하여 해당 엔코더(100)의 고장 유무를 판단하는 기능을 수행하는 역할을 한다.

상기 진단모듈(70)은 상기 처리모듈(60)과 다른 전원으로 구동되도록 설정하여 상기 처리모듈(60)의 전원 상태도 감지할 수 있도록 구현될 수 있다.

예를 들면 외부 전원에 의하여 충전되는 배터리를 포함하고, 상기 배터리에 의하여 상기 진단모듈(70)이 동작되도록 구현될 수 있다.

또한 상기 진단모듈(70)은 상기 처리모듈(60)과 구분되어 동작하나, 물리적으로는 상기 처리모듈(60)의 기판 상에 별도로 탑재될 수 있다.

즉, 하나의 기판에 처리모듈(60)과 진단모듈(70)이 각각 실장되어 구현될 수 있으며, 이때 진단모듈(70)을 동작시키는 배터리 등도 상기 기판 상에 탑재될 수 있다.

상기와 같은 구성은 엔코더(100) 내부 구성을 간략화하는 장점이 있다.

상기 진단모듈(70)은 상기 처리모듈(60)의 전원 상태, 처리모듈(60)에서 출력되는 신호, 상기 감지부(50)의 신호를 수신하여 엔코더(100)의 상태를 인식하도록 구성된다.

또한 필요한 경우 상기 진단모듈(70)은 상기 엔코더(100)의 내부 온도 또는 처리모듈(60)에서 가장 많은 열을 발생시키는 소자의 온도를 감지하는 온도센서(71)를 포함할 수 있으며, 상기 온도센서(71)의 신호를 기초를 엔코더(100)의 정상 동작 여부를 진단할 수 있다.

이하에서는 상기 진단모듈(70)의 엔코더(100)의 고장여부를 판단하는 방식에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저 엔코더(100)의 출력 펄스 신호를 기반으로 고장 유무를 판단하는 방식에 대하여 설명한다.

증분형 엔코더(100)는 상기 케이블(11)을 통하여 도 4에 도시된 바와 같은 펄스 신호가 A상, B상 및 Z상으로 출력된다.

이때 분해능을 N, A상 및 B상의 주기를 T라 하고, 각 펄스의 1/4크기를 각각 a, b, c, d로 정의하면,

T=360°/N

a+b, c+d=T/2±T/4

a, b, c, d=T/4±T/8

의 범위에서 정상 동작하는 것을 판단할 수 있다.

그리고 z상의 펄스의 주기는 T±T/2의 범위에서 장상 동작하는 것을 판단할 수 있다.

따라서 상기 진단모듈(70)은 상기 케이블(11)을 통하여 출력되는 신호를 펄스의 주기 요소 중 a, b, c, d가

a+b, c+d=T/2±T/4

a, b, c, d=T/4±T/8

의 조건 이외인 경우 해당 엔코더(100)가 고장으로 판단하여 고장 신호를 출력한다.

또한, A상과 B상의 펄스를 H, L로 표현하는 경우

정방향 회전 시 (A, B)는 (H, L), (H, H), (L, H), (L, L), (H, L) 순으로 반복 진행되고,

역방향 회전 시 (A, B)는 (L, L), (L, H), (H, H), (H, L), (L, L) 순으로 반복 진행된다.

따라서 상기 진단모듈(70)은 회전방향을 인식하고, A상과 B상의 펄스를 H, L로 인식하고, 각각 상기의 순으로 반복되지 않는 경우 고장 신호를 출력하는 형태로 엔코더(100)의 고장을 판단할 수 있다.

한편, 상기 진단모듈(70)은 상기 감지부(50)의 신호를 이용하여 해당 엔코더(100)의 고장 유무를 판단할 수 있다.

상기 감지부(50)는 회전하는 신호생성부(40)에 의하여 도 5에 도시된 바와 같은 하모닉 성분의 신호 또는 펄스 출력이 생성된다.

상기 진단모듈(70)은 상기 감지부(50)의 신호의 진폭의 크기 Vpp가 사전에 정의된 범위 이외의 경우에 고장으로 판단한다.

물론 펄스 출력인 경우 펄스의 크기가 사전에 정의된 범위 이외의 경우에 고장으로 판단한다.

또한, 상기 진단모듈(70)은 DC 신호가 출력이 되는 경우 고장으로 판단한다.

그리고 상기 진단모듈(70)은 상기 처리모듈(60)에 공급되는 전원을 감지하여 감지된 전원이 사전에 정의된 범위 이외인 경우 외부 전원 또는 내부의 전원부의 고장으로 판단할 수 있다.

또한 상기 진단모듈(70)은 온도센서(71)의 신호를 감지한 후, 가동시간이 일정 이상인 상태에서 온도 신호가 사전에 정의된 범위 이외인 경우 고장으로 판단할 수 있다.

한편 상기 진단모듈(70)은 상기한 바와 같이, 해당 엔코더(100)의 출력 신호, 감지부(60)의 신호, 전원 및 온도를 기초로 엔코더(100)의 고장 유무를 판단한다. 통상 엔코더(100)의 경우 외부 잡음과 환경 등의 의하여 순가적인 오동작이 발생할 수 있으므로, 상기 진단모듈(70)은 초기 고장을 인식하더라도 일정 회수 또는 일정 시간 지속되는 경우에만 고장으로 판단하는 형태로 운영될 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 자가 진단 기능을 갖는 엔코더를 실시하기 위한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

10: 케이싱 11: 케이블
12: 알람부 20: 회전축
30: 베어링 40: 신호생성부
50: 감지부 60: 처리모듈
70: 진단모듈 71: 온도센서
100: 엔코더

Claims

자가 진단 기능을 갖는 엔코더에 있어서,
내부에 공간이 형성되는 케이싱;
상기 케이싱에 베어링을 매개로 회전 가능하게 결합하는 회전축;
상기 회전축에 고정되어 상기 회전축과 같이 회전하는 신호생성부;
상기 회전하는 신호생성부에 의하여 펄스 또는 하모닉 성분의 신호를 출력하는 감지부;
상기 감지부에서 출력되는 신호를 기초로 상기 회전축의 회전 신호를 케이블로 출력하는 처리모듈; 및
별도의 전원으로 구동되며, 상기 처리모듈에서 출력되는 회전 신호를 분석하여 엔코더의 고장 유무를 판단하는 진단모듈을 포함하되,
상기 처리모듈에서 출력되는 회전 신호는 A상, B상 및 Z상으로 각각 출력되며, A상 및 B상에서 출력되는 신호 주기를 T라 하고, T는 a+b+c+d인 경우 상기 진단모듈은 상기 a, b, c 및 d가 사전에 정의된 크기를 벗어나는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 진단모듈은 상기 회전축이 정방향으로 회전하는 경우 A상의 신호와 B상의 신호가 (H, L), (H, H), (L, H) 및 (L, L) 순으로 반복적으로 출력되지 않는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더.
청구항 1에 있어서, 상기 진단모듈은 상기 회전축이 역방향으로 회전하는 경우 A상의 신호와 B상의 신호가 (L, L), (L, H), (H, H) 및 (H, L) 순으로 반복적으로 출력되지 않는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더.
청구항 1에 있어서, 상기 진단모듈은 상기 감지부의 신호가 하모닉 성분인 경우 진폭의 크기가 사전에 설정된 값을 벗어나는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더.
청구항 5에 있어서, 상기 진단모듈은 상기 감지부의 신호가 펄스 형태인 경우 펄스의 크기가 사전에 설정된 값을 벗어나는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더.
청구항 1에 있어서, 상기 진단모듈은 상기 감지부의 신호가 DC 성분인 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더.
청구항 1에 있어서, 상기 진단모듈은 상기 처리모듈에 공급되는 전원을 감지하고, 감지된 전원 신호가 사전에 설정된 범위를 벗어나는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더.
청구항 1에 있어서, 상기 진단모듈은 엔코더 내부 공간 또는 부품의 온도를 감지하는 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더.
청구항 9에 있어서, 상기 진단모듈은 상기 온도센서에서 감지되는 값이 사전에 설정된 범위를 넘어서는 경우 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자가 진단 기능을 갖는 엔코더.