KR20130138470A - 위치 측정 장치 및 위치 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위치 측정 장치 및 위치 측정 방법을 제공한다. 이 위치 측정 방법은 증분형 스케일(incremental scale)에서 반사 또는 투과된 광을 상기 증분형 스케일의 한 주기 내에 60도의 위상차를 가지고 감지하여 측정신호를 생성하는 단계, 감지된 측정 신호를 기본 공간 주파수(fundamental spatial frequency)의 1차 정현파 및 3차 정현파의 합으로 표시하는 단계, 및 측정 신호를 이용하여 1차 정현파의 위상을 추출하는 단계를 포함한다.

Description

위치 측정 장치 및 위치 측정 방법{Position Measuring Apparatus and Position Measuring Method}
본 발명은 위치 측정 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 증분형 엔코더의 위치 측정 방법에 관한 것이다.
엔코더는 출력되는 데이터의 형태에 따라 이진수 또는 그레이 코드 등이 출력되는 절대 위치 엔코더(absolute encoder)와 회전수에 비례하여 펄스가 발생하는 증분형 엔코더(incremental encoder)로 구분될 수 있다. 증분형 엔코더(incremental encoder)의 출력은 아날로그 형태의 정현파와 여현파일 수 있다. 보간기(interpolator)는 코사인 파(cosine wave)와 사인파(sine wave)를 이용하여 아크탄젠트(arctangent) 연산을 한 뒤 위치 정보를 출력할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 더욱 정밀한 위치 정보를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정 방법은 증분형 스케일(incremental scale)에서 반사 또는 투과된 광을 상기 증분형 스케일의 한 주기 내에 60도의 위상차를 가지고 감지하여 측정신호를 생성하는 단계; 감지된 측정 신호를 기본 공간 주파수(fundamental spatial frequency)의 1차 정현파 및 3차 정현파의 합으로 표시하는 단계; 및 상기 측정 신호를 이용하여 1차 정현파의 위상을 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정 장치는 증분형 스케일(incremental scale); 상기 스케일에서 반사 또는 투과된 광을 상기 증분형 스케일의 한 주기 내에 60도의 위상 차이를 가지고 감지하는 측정 신호를 제공하는 센서 어레이; 및 상기 센서 어레이의 감지된 측정 신호를 기본 공간 주파수(fundamental spatial frequency)의 1차 정현파 및 3차 정현파의 합으로 표시하고, 상기 측정 신호를 연산하여 1차 정현파의 위상을 추출하는 처리부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정 방법은 더욱 정밀한 위치 정보를 제공할 수 있다.
도 1은 통상적인 증분형 엔코더를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2를 자세히 설명한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정한 오차를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 통상적인 증분형 엔코더를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 광은 스케일에 조사된다. 스케일(114)을 통과한 광은 센서 어레이(120)를 통하여 감지된다. 상기 스케일(114)을 통과한 광신호는 공간 주파수 공간에서 사인파(sine wave)와 유사한 형태를 나타낼 수 있다. 상기 스케일은 프린지 패턴(fringe pattern)의 광신호를 생성한다. 광신호의 형태는 상기 스케일(114)과 상기 센서 어레이(120) 사이의 거리, 상기 스케일(114)의 형태 및 재질에 의존할 수 있다. 광신호(S)는 사인파와 유사한 형태를 갖는다. 광신호(S)는 센서 어레이(120)에 의하여 측정신호(I1~I4)로 변환된다. 측정신호(I1~I4)는 전기 신호이고, 광 강도(light intensity)는 공간적으로 주기적으로 변한다.
통상적인 직각 위상(quadrature) 측정법은 90도 위상 차이를 가지도록 4 개의 측정신호(I1~I4)를 검출한다. 스케일과 센서 어레이의 상대 위치 또는 위상을 결정하기 위하여, 아크탄젠트 알고리즘이 두 개의 측정 신호에 적용된다.
제1 측정신호(I1)는 제1 센서(120a)에서 측정한 0도 위상의 신호이고, 제2 측정신호(I2)는 제2 센서(120b)에서 측정한 90도 위상의 신호이고, 제3 측정 신호(I3)는 제3 센서(120c)에서 측정한 180도 위상의 신호이고, 제4 측정 신호(I4)는 제4 센서(120d)에서 측정한 270도 위상의 신호이다. 제1 차동 증폭기(131)는 상기 제1 측정 신호(I1)와 제3 측정 신호(I3)의 차이를 제1 변환 신호(J1)로 출력한다. 또한, 제2 차동 증폭기(132)는 상기 제2 측정 신호(I2)와 제4 측정 신호(I4)의 차이를 제2 변환 신호(J2)로 출력한다.
제1 변환 신호(J1) 및 제2 변환 신호(J2)는 아날로그-디지탈 변환기(135)에 의하여 디지탈 신호로 변환된다. 디지털 변환된 제1 변환 신호 및 제2 변환 신호는 처리부(136)에 제공되어 위상을 계산한다. 위상은 상기 스케일의 이동 거리(displacement)에 비례하며, 위상은 arctan(J1/J2)로 표시된다. 또한, 펄스 발생기(133)는 제1 변환 신호(J1) 또는 제2 변환신호(J2)를 입력받아 펄스를 출력한다. 펄스 카운터(134)는 펄스 발생기(133)의 출력을 제공받아 펄스의 개수를 상기 처리부(136)에 제공한다. 펄스의 개수는 상기 스케일이 이동한 개략적인 이동 거리를 나타내며, 위상은 정밀한 이동 거리를 나타낸다.
광학식 엔코더의 상기 직각 위상 측정법은 오염, 기계적 구조, 광학적 구조 등에 영향을 받을 수 있다. 이러한 요인은 완벽한 사인파를 제공하지 못하여 측정 신호에 에러를 유발할 수 있다. 이에 따라, 아크탄젠트 알고리즘은 적절히 동작하지 못한다.
구체적으로, 상기 스케일(114)은 50 퍼센트의 듀티 비(duty ratio)를 가지는 슬릿 형태이다. 따라서, 상기 스케일(114)을 통과한 광신호(S)는 x 축을 따라 사인파의 형태에서 왜곡될 수 있다. 측정 신호(I1~I4)가 사인파의 형태를 가지지 않는 경우, 상기 직각 위상 측정법은 위치 측정에 오차를 발생시킬 수 있다. 상기 스케일(114)은 50 퍼센트의 듀티 비(duty ratio)를 가지는 사각파의 형태를 가진다. 상기 스케일(114)을 통과한 광신호가 사인파(sine wave)와 유사해 지도록 통상적으로 인덱스 격자 (index grating)나 낮은 수차 (numerical aperture) 렌즈를 적용하지만, 센서 어레이(120)에 얻어지는 신호는 완전한 단일 공간 주파수의 사인파가 아니고 고차 하모닉스(harmonics)가 포함된 불완전한 사인파 신호가 얻어진다. 따라서, 위에서 설명한 상기 직각 위상 측정법은 오차를 유발한다. 따라서, 상기 스케일(114)을 통과한 광신호가 사인파에서 벗어나는 경우, 이를 보상하기 위한 정밀한 위치 측정 알고리즘이 요구된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2를 자세히 설명한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 위치 측정 장치(200)는 광원(212), 집속 렌즈(213), 스케일(214), 센서 어레이(220), 및 처리부(230)를 포함한다. 상기 광원(212)은 LED 광원일 수 있다. 상기 광원(212)의 출력광은 상기 집속 렌즈(213)를 통하여 스케일(214)에 조사된다. 상기 스케일(214)은 증분형 스케일(incremental scale)이다. 상기 스케일(214)은 사각파 형태를 가진다. 센서 어레이(220)는 상기 스케일(214)에서 반사 또는 투과된 광을 상기 스케일(214)의 한 주기(T) 내에 60도의 위상 차이를 가지고 감지한다. 상기 센서 어레이(220)는 제1 센서 내지 제6 센서(220a~220f)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 센서 어레이(220)는 60 도의 위상 차이를 가지고 측정 신호(I1~I6)를 출력할 수 있다. 상기 센서 어레이(220)의 감지된 측정 신호(I1~I6)는 기본 공간 주파수(fundamental spatial frequency; k)의 1차 정현파 및 고차 정현파의 합으로 표시될 수 있다. 처리부(230)는 상기 측정 신호를 이용하여 1차 정현파의 위상을 추출할 수 있다.
스케일(214)을 통과한 광신호(S)는 푸리어 주파수 공간(Fourier Frequency domain)에서 기본 공간 주파수(fundamental spatial frequency)의 성분의 합으로 표시될 수 있다. 특히, 사각파(square wave) 형태 스케일(214)에서 발생된 광신호(S)의 경우, 짝수차 정현파 성분은 모두 영(zero)이 된다. 따라서, 스케일(214)을 통과한 광신호(S)는 기본 공간 주파수의 1차 정현파(cos(k x))와 3차 정현파(cos(3 k x))가 주요 성분인 홀수차 고차 정현파의 합으로 다음과 같이 표시될 수 있다.
S= a + b cos(k x) + c cos(3 k x) + ...
여기서, a,b,c는 상수이고, k는 기본 공간 주파수이고, x는 위치이다. k=2π/T로 표시된다. T는 스케일의 주기이다.
그런데 통상적으로는 여러 가지 광학적인 방법으로 스케일(214)을 통과한 광신호(S)가 사인파와 유사해지도록 만들기 때문에, 5차 이상의 홀수차 정현파의 영향은 거의 무시될 수 있다. 따라서 3차 정현파가 주요한 오차 요인이 되고 이후에는 3차 정현파 항만을 고려하여 수식을 전개한다.
만약, 센서 어레이(220)는 증분형 스케일(incremental scale)에서 반사 또는 투과된 광을 상기 증분형 스케일의 한 주기 내에 60 도의 위상 차이를 가지고 6 개 지점에서 감지한다. 따라서, 측정 신호(I1~I6) 각각은 60도의 위상 차이를 가지고 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure pat00001
a, b, c는 상수이고, k는 기본 공간 주파수(fundamental spatial frequency)이고, x는 위치이고, φ는 초기 위상이다. 상기 초기 위상은 상수이다.
상기 측정 신호(I1~I6)를 이용하여 1차 정현파의 위상(kx + φ)은 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00002
위상(kx + φ)은 수학식 1을 아크탄젠트(arctangent)를 취하여 구해질 수 있다. 이동 거리(displacement)는 x이다.
또한, 측정 신호들(I1~I6) 중에서 4개를 사용하면, 위상(kx + φ)은 구해질 수 있다.
측정 신호(I1~I6)를 기본 공간 주파수의 1차 정현파와 3차 정현파의 합으로 표시하면, 더욱 정확한 위상을 구할 수 있다. 따라서, 오차 범위가 감소할 수 있다.
제1 센서 내지 제6 센서(220a~220f)는 각각 제1 측정 신호 내지 제6 측정 신호(I1~I6)를 출력할 수 있다. 합산부(231)는 제1 측정 신호(I1)와 제2 측정 신호(I2)를 합산하여 제1 합산 신호(J1)를 출력할 수 있다. 또한, 제2 합산 신호(J2)는 제2 측정 신호(I2)와 제3 측정 신호(I3)를 합하여 생성될 수 있다. 제3 합산 신호(J3)는 제3 측정 신호(I3)와 제4 측정 신호(J4)를 합하여 생성될 수 있다. 제4 합산 신호(J4)는 제4 측정신호(I3)와 제5 측정신호(I5)를 합하여 생성될 수 있다. 제5 합산 신호(J5)는 제5 측정 신호(I5)와 제6 측정 신호(I6)를 합하여 생성될 수 있다. 제1 내지 제5 합산 신호(J1~J5)는 아날로그-디지털 변환기(235)에 의하여 디지털 신호로 변환되어 처리부(236)에 제공될 수 있다. 상기 처리부(236)는 상기 합산 신호(J1~J5)를 연산하여 1차 정현파의 위상(kx + φ)을 추출할 수 있다. 또한, 펄스 발생기(233)는 제2 합산 신호(J2)를 입력받아 펄스 신호를 생성할 수 있다. 상기 펄스 발생기(233)의 출력은 펄스 카운터(234)에 제공되어 펄스 개수를 출력할 수 있다. 상기 펄스 카운터(234)의 출력은 처리부(236)에 제공되어 위치 정보를 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정한 오차를 설명하는 도면이다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 스케일(114)의 측면에 거울(202)이 장착된다. 상기 거울(202)에 레이저 광이 입사하여 반사된다. 레이저 간섭계(201)는 상기 거울(202)에 입사하는 광 및 반사하는 광을 이용하여 상기 스케일의 정확한 위치를 측정하였다. 스케일(114,214)의 주기는 32 um이었다. 스케일(114)은 선형 스테이지를 이용하여 x축 방향으로 0.15 um 간격으로 65 um를 이동하였다. 상기 스케일(114)은 선형 스테이지에 의하여 이동되었다. 레이저 간섭계 및 직각 위상(quadrature) 측정 장치는 각각 위치를 측정하였다. 레이저 간섭계는 매우 정밀한 측정 장치로 오차에 대한 기준으로 사용하였다.
직각 위상(quadrature) 측정법에 따라 센서 어레이(120)를 사용하여 측정된 측정 신호(I1~I4)를 이용하여 위상 및 이동 거리를 계산하였다. 위상은 이동 거리에 비례한다. 속이 빈 사각형은 레이저 간섭계의 결과에서 직각 위상 측정법의 결과를 뺀 오차이다. 이 경우, 오차(deviation)는 대략 0.6 um 범위 내에 있다.
한편, 직각 위상(quadrature) 측정법을 위한 센서 어레이(120) 및 처리부(130)를 제거하고, 60도 위상 측정법을 위한 센서 어레이(220) 및 처리부(230)가 설치되었다. 스케일(214)의 측면에 거울(202)이 장착된다. 상기 거울(202)에 레이저 광이 입사하여 반사된다. 레이저 간섭계(201)는 상기 거울(202)에 입사하는 광 및 반사하는 광을 이용하는 상기 스케일(214)의 정확한 위치를 측정하였다. 스캐일(214)의 주기는 32 um이었다. 스케일(214)은 x축 방향으로 0.15 um 간격으로 65 um를 이동하였다. 상기 스케일(214)은 선형 스테이지에 의하여 이동되었다. 레이저 간섭계 및 60도 위상 측정법에 의하여 위치를 측정하였다. 레이저 간섭계는 매우 정밀한 측정 장치로 오차의 기준으로 사용하였다. 속이 찬 원형은 레이저 간섭계의 결과에서 60도 위상 측정법의 결과를 뺀 오차이다. 이 경우, 오차(deviation)는 대략 0.2 um 범위를 가진다. 따라서, 종래의 직각 위상 측정법에 비하여 3 배 정도 정밀한 위치 측정이 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
212: 광원 213: 집속 렌즈 214: 스케일
220: 센서 어레이 230: 처리부 202: 거울
201: 레이저 간섭계

Claims (4)

  1. 증분형 스케일(incremental scale)에서 반사 또는 투과된 광을 상기 증분형 스케일의 한 주기 내에 60도의 위상 차이를 가지고 감지하여 측정신호를 생성하는 단계;
    감지된 측정 신호를 기본 공간 주파수(fundamental spatial frequency)의 1차 정현파 및 3차 정현파의 합으로 표시하는 단계; 및
    상기 측정 신호를 이용하여 1차 정현파의 위상을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    감지된 광신호(I1~I6)는
    Figure pat00003

    로 표시되고,
    a, b, c는 상수이고, k는 기본 공간 주파수(fundamental spatial frequency)이고, x는 위치이고, φ는 초기 위상인 위치 측정 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    Figure pat00004

    1차 정현파의 위상은 kx+φ 인 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
  4. 증분형 스케일(incremental scale);
    상기 스케일에서 반사 또는 투과된 광을 상기 증분형 스케일의 한 주기 내에 60도의 위상 차이를 가지고 감지하는 측정 신호를 제공하는 센서 어레이; 및
    상기 센서 어레이의 감지된 측정 신호를 기본 공간 주파수(fundamental spatial frequency)의 1차 정현파 및 3차 정현파의 합으로 표시하고, 상기 측정 신호를 연산하여 1차 정현파의 위상을 추출하는 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 장치.
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