KR19980028727A - 모터 회전자의 속도 및 위치 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전자의 회전축과 연결되는 디스크의 회전축이 편심되도록 하여, 그 디스크의 일측에 배치된 발광부에서 타측에 배치된 수광부로 전달되는 빛의 양이 규칙적인 변화를 일으키도록 함으로써, 그 수광부가 출력하는 사인(sin)파적인 신호를 통해 상기 회전자의 속도 및 위치를 구할 수 있도록 한 모터(Motor) 회전자의 속도 및 위치 검출장치에 관한 것으로, 그의 회전축이 편심된 디스크와, 그 편심디스크의 일측에서 빛을 방출하는 발광부와 상기 편심디스크의 타측에서 상기 발광부로부터 방출된 빛을 감지하는 수광부를 포함하여 구성된다. 그리고 상기 광학식 엔코더(1실시예)와 같은 기술이 적용된 자기식 엔코더(2실시예)가, 그의 중심으로 부터의 거리가 일정한 원주를 따라 영구자석이 부착된 것으로, 그의 회전축이 편심된 디스크와, 그 편심디스크가 회전함에 따라 그 양이 변하게 되는 상기 영구자석에 의한 쇄교자속을 감지하여 전기적인 신호로 출력하는 자속센서부를 포함하여 구성한다. 이와 같은 1실시예 및 2실시예에 따른 모터 회전자의 속도 및 위치 검출장치는 그 제조가 쉽고 비용이 저렴하게 되는 효과가 있다.

Description

모터 회전자의 속도 및 위치 검출장치

본 발명은 모터(Motor) 회전자의 속도 및 위치 검출장치에 관한 것으로, 특히 모터 회전자의 회전축과 연결되는 디스크의 회전축이 편심되도록 하여, 그 디스크의 일측에 배치된 발광부(디스크의 원주를 따라 배치된 영구자석)에서 타측에 배치된 수광부(자속센서부)로 전달되는 빛(자속)의 양이 규칙적인 변화를 일으키도록 함으로써, 그 수광부(자속센서)가 출력하는 사인(sin)파적인 신호를 통해 상기 회전자의 속도 및 위치를 구할 수 있도록 한 모터(Motor) 회전자의 속도 및 위치 검출장치에 관한 것이다.

모터(Motor) 회전자의 속도 및 위치를 검출하는 장치로는 엔코더(Encoder)가 주로 사용되는데, 그러한 엔코더는 속도와 위치를 검출하는 방식에 따라서는 증가형과 절대형으로 분류되고, 속도와 위치를 검출하기 위해 적용되는 신호의 종류에 따라서는 광학식과 자기식으로 분류된다.

이하, 도1 내지 도6을 참조하여 모터 회전자의 속도 및 위치를 검출하는 장치의 종래 기술에 대해서 상세히 설명한다.

도1은 일반적인 광학식 증가형 엔코더의 디스크(Disc)를 도시한 것으로, 그 크기가 일정한 수십 내지 수백 개의 스롯(slot)이 중심으로 부터의 거리가 일정한 원주를 따라 일정한 간격으로 형성되고, 그 회전축이 원의 중심에 형성된 디스크(10)의 정면을 보여준다. 이때, 상기 슬롯(slot)은 디스크의 전면에 소정의 차광막(크롬막)을 도포한 후, 그를 패터닝(Patterning)하는 과정으로 통해 형성된다.

그리고, 도2는 상기 도1에 도시된 디스크를 포함하여 구성된 광학식 증가형 엔코더의 구성을 대략적으로 나타낸 구성사시도로서, 도1에 도시된 바와 같은 것으로, 그의 회전축이 모터 회전자의 회전축과 연결된 디스크(10)와; 그 디스크(10)의 일측에 고정된 것으로, 일정한 세기의 빛을 방출하는 발광부(20)와; 상기 디스크(10)의 타측에 고정된 것으로, 상기 발광부(20)에서 방출된 빛이 상기 디스크(10)에 형성된 임의의 슬롯(slot)을 통과함에 따라 그 빛을 감지하여 전기적인 신호로 변환시키는 수광부(40) 및 그 수광부(40)와 디스크(10)사이에서 상기 수광부(40)로 입사되는 빛의 입사영역을 한정하는 마스크(30)로 구성되었음을 보여주고 있다. 이때, 상기 마스크(30)는 슬롯(slot)을 하나 갖고 있는 것으로, 상기 발광부(20)와 수광부(40) 및 디스크(10)의 임의의 한 슬롯(slot)이 서로 일치하는 영역에 그의 슬롯(slot)이 배치될 수 있도록, 상기 디스크(10)와 평행한 소정의 평면에 고정된다. 이는 디스크(10)의 주위에 있는 다른 슬롯을 통해 입사되는 빛의 영향을 차단하기 위해서 구성되었다.

그리고, 도3은 종래 기술에 따른 자기식 증가형 엔코더를 대략적으로 도시한 구성사시도로서, 많은 영구자석(61)이 그의 원주를 따라 일정한 간격으로 부착된 것으로, 그의 중심축이 상기 도2에 도시된 바와 같이 모터 회전자의 회전축과 연결된 디스크(50)와; 그 디스크(50)의 일측(영구자석이 부착된 측)에 고정된 것으로, 상기 디스크(50)의 회전에 따른 쇄교자속의 변화를 감지하여 전기적인 신호를 출력하는 자속센서(60)를 포함하여 구성되었음을 보여주고 있다.

이상에서 설명한 광학식 및 자기식 증가형 엔코더의 수광부 또는 자속센서에서 출력하는 신호는 모터 회전자의 회전속도에 대응하는 주파수(주기)와 펄스폭에 관한 정보를 포함하게 된다. 따라서, 상기 광학식 및 자기식 증가형 엔코더의 수광부 또는 자속센서의 출력을 인가받아 상기 모터 회전자의 속도 및 위치를 검출하는 소정의 신호처리부는, 단위시간(1주기) 동안 상기 입력신호의 펄스수를 계산하여 속도를 구할 수 있고, 소정의 기준점(기준펄스)으로부터 출력된 펄스수를 계산하여 위치를 구할 수 있게 된다.

그리고, 도4와 도6h는 종래 기술에 따른 광학식 절대형 엔코더의 일실시예를 나타낸 것으로, 도4는 다층구조 디스크(Disc)의 정면도이고, 도5는 그 다층구조 디스크를 포함한 엔코더의 대략적인 구성사시도이며, 도6a 내지 도6h는 각각 상기 도5에 도시된 제1-7 수광부의 출력신호 파형도이다. 이에 대해서 설명하면 다음과 같다.

광학식 절대형 엔코더는 도4에 도시된 바와 같이 슬롯패턴이 다층(7층)구조로 형성된 디스크를 포함하여 구성되는 엔코더로서, 도 5에 도시된 바와같이, 상기 7층 구조의 디스크(70)를 포함하여, 그 디스크(70)의 일측에 배치된 것으로, 그 디스크(70)의 각 패턴층에 대응하는 위치에 배치되는 7개의 수광소자(101-107)로 구성된 수광부(100)와, 상기 디스크(70)와 수광부(100)사이에서 그 수광부(100)의 각 수광소자(101-107)와 디스크(70)의 각 슬롯층 및 상기 발광부(80)의 각 발광소자(81-87)에 대응하는 위치에 배치된 7개의 발광소자(81-87)로 구성된 발광부(80)와, 상기 디스크(70)의 타측에 배치된 것으로, 상기 디스크(70)의 각 패턴층 및 발광부(80)의 각 발광소자(81-87)에 대응하는 위치에 7개의 슬롯(slot)이 형성된 마스크(90)로 구성되었다.

이와 같이 구성된 광학식 절대형 엔코더는 그의 수광부(100)를 통해 도6a 내지 도6h와 같은 7개의 펄스파를 출력하게 되는데, 그 7개의 펄스파는 상기 디스크(70)에 형성된 각 슬롯층의 패턴구조에 따라 서로 다른 주파수(주기)를 갖게 된다. 따라서, 상기 디스크(70)의 1회전에 따른 7개의 펄스파형을 조합하면 128(2⁷)개의 위치정보를 얻을 수 있는데, 이는 상기 광학식 절대형 엔코더가 128개의 분해능을 갖을 수 있음을 나타낸다. 이때, 상기 도6h에 도시된 신호는 앞에서 설명한 광학식 증가형 엔코더 및 자기식 증가형 엔코더의 수광부 출력파형과 같은 것이다.

이에 따라, 상기와 같은 종래 광학식 증가형 엔코더의 수광부의 출력신호를 인가받는 소정의 신호처리부는, 그 인가받는 7개의 신호를 조합하여 얻는 정보에 따라 모터 회전자의 위치를 구함과 아울러 소정의 기준신호(도6h)의 주파수(주기)를 구해서 그를 통해 속도를 구하게 되었다.

그러나, 상기와 같은 종래 증가형 엔코더와 절대형 엔코더는 그들의 분해능을 높이기 위해서 슬롯의 갯수를 증가시켜야 하는 점과 디스크의 크기에 한계가 있다는 점 및 슬롯의 크기가 소정의 크기 이상을 가져야 한다는 점 때문에, 디스크 및 마스크의 제작이 어려울 뿐만 아니라 그 디스크와 마스크 및 발(수)광소자의 배치가 어렵다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 모터회전자의 회전축과 연결되는 디스크의 회전축이 편심되도록 하여, 그 디스크의 일측에 배치된 발광부에서 타측에 배치된 수광부로 전달되는 빛의 양이 규칙적인 변화를 일으키도록 함으로써, 그 수광부가 출력하는 사인(sin)파적인 신호를 통해 상기 회전자의 속도 및 위치를 구할 수 있도록 한 모터(Motor) 회전자의 속도 및 위치 검출장치를 제공함에 목적이 있다.

도1과 도2는 종래의 기술에 따른 광학식 증가형 엔코더를 나타낸 것으로, 도1은 디스크(Disc)의 정면도이고, 도2는 그 디스크를 포함한 엔코더의 대략적인 구성사시도.

도3은 종래 기술에 따른 자기식 증가형 엔코더의 대략적인 구성사시도.

도4와 도6h는 종래 기술에 따른 광학식 절대형 엔코더를 나타낸 것으로, 도4은 다층구조 디스크(Disc)의 정면도이고, 도5는 그 다층구조 디스크를 포함한 엔코더의 대략적인 구성사시도이며, 도6a 내지 도6h는 각각 상기 도5에 도시된 제1-7 수광부의 출력신호 파형도.

도7 내지 도 9b는 본 발명의 1실시예에 따른 광학식 엔코더를 나타낸 것으로, 도7은 편심된 디스크의 정면도이고, 도8은 그 편심 디스크를 포함한 엔코더의 대략적인 구성사시도이며, 도9a와 도9b는 각각 상기 도8에 도시된 제1, 2 수광부의 출력신호 파형도.

도10은 본 발명의 2실시예에 따른 자기식 엔코더의 대략적인 구성사시도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

110 : 광학식 엔코더의 편심디스크 121, 122 : 제1, 2 발광부

131, 132 : 제1, 2 마스크 141, 142 : 제1, 2 수광부

160 : 자속센서 161, 162 : 영구자석

d : 편심거리 slot : 슬롯

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 1실시예는, 그의 회전축이 편심된 디스크와, 그 편심디스크의 일측에서 빛을 방출하는 발광부와, 상기 편심디스크의 타측에서 상기 발광부로 부터 방출된 빛을 감지하는 수광부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2실시예는, 그의 중심으로 부터의 거리가 일정한 원주를 따라 영구자석이 부착된 것으로, 그의 회전축이 편심된 디스크와, 그 편심디스크가 회전함에 따라 그 양이 변하게 되는 상기 영구자석에 의한 쇄교자속을 감지하여 전기적인 신호로 출력하는 자속센서부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.

도7은 본 발명의 1실시예에 따라 형성된 것으로, 회전축이 편심된 디스크의 정면도로서, 모터의 회전자와 함께 회전하는 회전축이 중심점에서 위로 소정의 거리(d)만큼 편심되었음을 보여준다. 따라서 상기 디스크(110)는 회전축에서 둘레까지의 거리가 규칙적으로 변하게 되는데, 그렇게 규칙적으로 변하는 회전축에서 둘레까지의 거리는 중심점과 회전축(점)을 연결하는 지름선에 대해서 대칭적인 형태가 된다. 상세하게는, 중심점 위로 편심된 회전축(점)과 상기 중심점을 연결하는 지름선을 따라 상기 회전축으로 부터 위쪽 경계까지의 거리와 아래쪽 경계까지의 거리차가 2d이고, 가장 가까운 곳에서 가장 먼 곳으로 향하는 방향의 각 둘레에서 회전축까지의 직선거리가 사인(sin)파적으로 변하게 된다. 따라서, 중심점과 회전축(점)을 연결하는 지름선을 기준으로 좌우측이 대칭성을 갖게 된다.

이와 같은 편심디스크(110)를 포함하여 구성되는 본 발명에 따른 광학식 엔코더는 도8에 도시된 바와 같이, 모터 회전자의 회전축과 연결되는 그의 회전축이 중심점에 대해서 d만큼 만큼 편심된 디스크(110)와, 그 편심디스크(110)의 일측에서 세기가 일정한 빛을 방출하는 것으로, 상기 편심디스크(110)의 중심점을 기준으로 대칭적인 위치(180˚의 위상차)에 배치되는 제1, 2 발광부(121, 122)와, 상기 제1, 2 발광부(121, 122)에 대응되도록 상기 디스크(110)의 타측에 각각 배치되는 것으로, 상기 1, 2 발광부(121, 122)에 방출된 빛을 감지하여 전기적인 신호로 변환시키는 제 1, 2 수광부(141, 142) 및 그 제 1, 2 수광부(141, 142)로 입사되는 빛의 양을 한정하는 제1, 2 마스크(131, 132)를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 제1발광부(121)와 제1 수광부(141) 및 제2 발광부(122)와 제2수광부(142)는 각각 상기 편심디스크(110)의 회전각이 0-180˚와 180˚-360˚인 경우에, 제1발광부(121)와 제2발광부(122)로 부터 방출되는 빛이 각각 제1수광부(141)와 제2수광부(142)가 감지할 수 있도록 배치된다.

일례로, 편심디스크(110)의 회전축에서 경계까지의 거리가 가장 짧은 지점을 기준으로 하는 경우에, 제1발광부(121)와 제1수광부(141)는 상기 기준점이 0-180˚사이를 회전할 때, 제1발광부(121)에서 방출된 빛이 제1수광부(141)로 입사될 수 있는 위치에 배치되고, 제2발광부(122)와 제2수광부(142)는 상기 기준점이 180˚-360˚사이를 회전할 때, 제2발광부(122)에서 방출된 빛이 제2수광부(142)로 입사될 수 있도록 배치된다.

이와 같이 구성된 엔코터의 동작에 대해서 상기 도8 및 도9a와 도9b의 파형도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도9a와 도9b는 각각 제1수광부와 제2수광부의 출력파형을 나타낸 것으로, 제1수광부(141)는 편심디스크(110)의 회전축에서 둘레까지의 거리가 가장 짧은 기준점이 180˚-360˚사이를 회전할 때는 ‘0’을 출력하고 0-180˚ 사이를 회전할 때는 점점 증가하다가 90˚를 정점으로 감소하는 파형(사인파의 0˚-90˚ 구간의 파형)을출력함으로써, 그 편심디스크(110)의 회전에 따라 주기적인 파형을 출력하고, 제2수광부(142)는 상기 편심디스크(110)의 기준점이 0˚-180˚ 사이를 회전할 때는 ‘0’을 출력하고 180˚-360˚ 사이를 회전할 때는 점점 증가하다가 270˚를 정점으로 감소하는 파형(사인파의 0˚-90˚ 구간의 파형)을 출력함으로써, 그 편심디스크(100)의 회전에 따라 상기 제1수광부(141)의 출력파형에 대해서 위상차가 180˚가 되는 주기적인 파형을 출력한다.

따라서, 상기 제1수광부(141)와 제2수광부(142)의 출력신호를 인가받아 그 신호를 처리하는 소정의 신호처리부가 상기 모터 회전자의 속도 및 위치를 검출하는데, 그 신호처리부가 상기 제1, 2 수광부의 출력신호를 처리하여 회전자의 속도를 구하는 방법은, 각 신호의 주파수(주기)를 통해 구하거나 0˚-180˚(180˚-3600˚) 사이에서 출력되는 1/4사인파 신호의 폭(신호 간격)을 통해 구하면 되고, 위치는 구하고자 하는 지점에서 제1수광부(141)와 제2수광부(142)로 출력된 신호의 크기와, 크기가 ‘0’이 아닌 파형에서 구한 기울기를 통해 구할 수 있다.

한편, 도10은 본 발명의 2실시예에 따른 자기식 엔코더를 대략적으로 도시한 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 그의 중심점으로 부터의 거리가 일정한 원주를 따라 영구자석(161, 162)이 부착된 것으로, 모터의 회전자와 함께 회전하는 그의 회전축이 중심점에서 위로 소정의 거리(d) 만큼 편심된 편심디스크(150)와, 그 편심디스크(150)가 회전함에 따라 그 양이 변하게 되는 상기 영구자석(161, 162)에 의한 쇄교자속을 감지하여 전기적인 신호로 출력하는 자속센서(160)를 포함하여 구성됨을 보여주고 있다.

이때, 상기 영구자석(161, 162)은 도10에 도시된 바와 같이, 편심디스크(150)의 반 쪽에 N극(161)이 형성되고 다른 반쪽에 S극(162)이 형성된 일체형으로 형성되거나, 다른 실시예로서 원주를 따라 일정한 간격으로 배치되는 다수의 독립된 영구자석으로 형성될 수 있다.

따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 2실시예 따른 자기식 엔코더는, 편심디스크(150)의 회전에 따라 규칙적으로 변하는 영구자석(161, 162)의 자속센서(160)에 대한 쇄교자속을 그 자속센서(160)가 감지하여 사인파적인 전기적신호로 출력하게 된다. 이후, 그와 같은 사인파적인 전기적인신호는 소정의 신호처리부로 인가되어, 모터 회전자의 속도 및 위치로 환산된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 모터 회전자의 속도 및 위치 검출장치의 구성을 간단하게 할 뿐만 아니라 그 장치가 제조방법이 단순한 디스크를 포함하여 구성되기 때문에, 장치의 제조가격이 저렴하게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 그의 회전축이 편심된 디스크와, 그 편심디스크의 일측에서 빛을 방출하는 발광부와 상기 편심디스크의 타측에서 상기 발광부로 부터 방출된 빛을 감지하는 수광부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모터 회전자의 속도 및 위치 검출장치.
2. 제1항에 있어서, 편심디스크의 일측과 타측에 각각 배치되는 상기 발광부와 수광부는 각각 상기 편심디스크의 중심점을 기준으로 대칭적인 위치(180˚의 위상차)에 배치되는 제1, 2 발광부 및 제1, 2 수광부로 구성되는 것을 특징으로 하는 모터 회전자의 속도 및 위치 검출장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 편심디스크와 수광부 사이에는 그 수광부에 입사되는 빛의 양을 한정하기 위한 마스크가 포함되는 것을 특징으로 하는 모터 회전자의 속도 및 위치 검출장치.
4. 그의 중심으로 부터의 거리가 일정한 원주를 따라 영구자석이 부착된 것으로, 그의 회전축이 편심된 디스크와, 그 편심디스크가 회전함에 따라 그 양이 변하게 되는 상기 영구자석에 의한 쇄교자속을 감지하여 전기적인 신호로 출력하는 자속센서부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모터 회전자의 속도 및 위치 검출장치.