WO2013176318A1 - 광학 인코더 - Google Patents

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WO2013176318A1
WO2013176318A1 PCT/KR2012/004142 KR2012004142W WO2013176318A1 WO 2013176318 A1 WO2013176318 A1 WO 2013176318A1 KR 2012004142 W KR2012004142 W KR 2012004142W WO 2013176318 A1 WO2013176318 A1 WO 2013176318A1
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patterns
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이상훈
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알에스오토메이션주식회사
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    • G01D5/34776—Absolute encoders with analogue or digital scales
    • G01D5/34792—Absolute encoders with analogue or digital scales with only digital scales or both digital and incremental scales
    • G01D5/34794—Optical encoders using the Vernier principle, i.e. incorporating two or more tracks having a (n, n+1, ...) relationship

Definitions

  • the present invention relates to an optical encoder, and more particularly, to an optical encoder capable of grasping an absolute angle of a scale with respect to a light receiving unit in real time and having a high resolution.
  • Optical encoders are used in a wide variety of environments to determine the movement or position of an object relative to any reference.
  • Typical optical encoders use optical sensors and encoder patterns.
  • the optical sensor is focused on the surface of the encoder pattern.
  • the optical sensor detects the movement or position by reading the light pattern passing through or reflected from the encoder pattern.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-0026137 provides an optical encoder for detecting an index channel without means for detecting an index that is a reference for positioning. However, Korean Patent Publication No. 2007-0026137 does not disclose a method for measuring the rotation angle with high resolution.
  • the present invention is to provide an optical encoder that can grasp the absolute angle of the scale with respect to the light receiver in real time and can be grasped with high resolution.
  • An optical encoder of the present invention includes a light receiving unit and a scale relatively moved with respect to the light receiving unit, wherein each track includes a pattern for projecting light onto the light receiving unit, wherein the track includes a first track and a first track. Including two tracks, a difference between the number of patterns of the first track and the number of patterns of the second track may be one.
  • the optical encoder of the present invention is provided with a light receiving unit, a first track having m patterns and a second track having s patterns, wherein the difference between m and s is Nd (where 1 ⁇ Nd ⁇ m).
  • the first mediation signal (a) is calculated by calculating a first track signal composed of the m periodic signals and the s periodic signals output from the light receiving unit by the scale and the first track and the second track. a first intermediate signal), and calculating an absolute angle based on the first intermediate signal.
  • the optical encoder of the present invention includes a light receiving unit, a scale provided with a first track and a second track formed of a pattern which is relatively moved relative to the light receiving unit, and projects light onto the light receiving unit, and is output from the light receiving unit by the first track.
  • the optical encoder of the present invention includes a light receiving unit, a first track and a second track on which a pattern is formed to move relative to the light receiving unit, and the light is projected to the light receiving unit, a scale, the number of patterns of the first track and the second track.
  • a calculator that calculates an absolute angle of the scale in a vernier manner based on a difference in the number of patterns of the track, and a converter that A / D converts an input signal into discrete values, the absolute angle calculated by the calculator
  • the maximum resolution of may be greater than the maximum resolution of the converter unit.
  • the optical encoder of the present invention includes a scale provided with a first track and a second track formed with a pattern relative to the light receiving unit and the light receiving unit and projecting light to the light receiving unit, wherein the number of patterns of the first track is Ns * Nd + i (where Ns and i are integers of 1 or more and Nd is an integer of 2 or more), and the number of patterns of the second track may be (Ns-1) * Nd + i.
  • the optical encoder of the present invention can grasp the absolute angle of the scale with respect to the light-receiving unit in real time and with high resolution through the number difference and the calculation of the patterns forming the plurality of tracks provided on the scale.
  • 1 is a schematic diagram illustrating an optical encoder.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an optical encoder of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a signal generated in an optical encoder according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method of calculating an absolute angle from a first track signal and a second track signal.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a method of obtaining a second operation signal from a first track signal and a third track signal.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a first track signal, a first operation signal, and a second operation signal.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a signal generated in an optical encoder according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a signal generated in an optical encoder according to another embodiment of the present invention.
  • 1 is a schematic diagram illustrating an optical encoder.
  • the optical encoder 100 shown in FIG. 1 includes a light source 110, a scale 120, a light receiving unit 140, and a calculating unit 160 connected to the light receiving unit 140.
  • the light source 110 for example, LED, LD or the like can be used.
  • the scale 120 may be disposed between the light source 110 and the light receiving unit 140 and may be attached to the rotating shaft 150 as a measurement target. Since the scale 120 and the light receiver 140 need to move relative to each other, the light receiver 140 may be attached to the rotating shaft 150 instead of the scale 120.
  • the scale 120 is provided along the circumference with a second pattern 130 for modulating the luminous flux from the light source 110.
  • the second pattern 130 is patterned corresponding to the rotation angle of the rotation shaft 150.
  • the scale 120 is shown as a disc-shaped scale suitable for the rotation shaft 150, but may be a plate-scale scale applicable to the linear encoder.
  • the light receiver 140 receives the light beam from the second pattern 130, converts the light beam into an electrical signal, and outputs the electrical signal to the calculator 160.
  • the light receiving unit 140 includes one or more light receiving elements formed by the first pattern 141. At this time, each light receiving element generates an electrical signal when the light beam is received and outputs the electrical signal to the operation unit 160.
  • the calculator 160 calculates and outputs a rotation angle or a rotation position of the scale 120, that is, the rotation shaft 150.
  • the optical encoder 100 of FIG. 1 is an example of a rotary encoder, the present invention is not limited thereto, and the optical encoder 100 may also be applied to a linear encoder.
  • the light receiving unit 140 is illustrated as detecting the luminous flux of the light source 110 passing through the pattern 130. However, the light receiving unit 140 is not limited thereto and may be configured to detect the reflected light.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an optical encoder of the present invention.
  • the optical encoder shown in FIG. 2 includes a scale that moves relative to the light receiving portion and the light receiving portion and has a plurality of tracks formed thereon.
  • each track includes a pattern for projecting light onto the light receiver.
  • the light receiving unit receives the light beam from the pattern formed on the scale, that is, the second pattern, converts the light beam into an electrical signal, and outputs the electrical signal to the calculation unit. Since the scale includes a plurality of tracks, the light receiver may include a first pattern corresponding to each track.
  • the scale may include a first track and a second track having a difference in the number of patterns 1.
  • the first track and the second track may be selected from j tracks.
  • the first track and the second track may be formed on the scale.
  • the calculator may calculate a rotation angle of the scale with respect to the light receiver by using signals output from the light receiver by the first track and the second track.
  • calculating the rotation angle with a single track is to achieve high resolution realistically.
  • the rotation angle of the scale that is, the absolute angle
  • the absolute angle is an angle of a point of the scale with respect to the center of the rotation axis to rotate the scale.
  • the number of patterns included in the track is 1024
  • an absolute angle can be obtained with a resolution of 2 10, that is, a resolution of 10 bits.
  • the resolution at this time is related to the number of subdivided 360 degrees.
  • a resolution of 10 bits indicates that 360 degrees are subdivided into 2 10 pieces.
  • the scale cannot be enlarged indefinitely, and the size of the pattern formed on the scale cannot be reduced indefinitely, thereby limiting the number of patterns that can be formed on the scale. For this reason, it is difficult to form 2 20 patterns on the scale for the purpose of 20 bits of resolution.
  • an A / D converter for converting an analog signal output from the light receiving unit into a digital signal is required. Even if a 20-bit resolution signal is introduced from the light receiver, if the resolution of the A / D converter is 10 bits, the operation unit acquires 10-bit resolution data. Thus, forming multiple patterns for one track may be limited depending on the resolution of the A / D converter.
  • a plurality of tracks may be formed on the scale, and a plurality of signals output from the light receiving unit corresponding to each track may be used.
  • an absolute angle can be obtained in real time regardless of the driving time.
  • a signal output from the light receiving unit facing the first track will be referred to as a first track signal
  • a signal output from the light receiving unit facing the second track will be referred to as a second track signal.
  • the first track signal is one or more first patterns constituting 'for track 1' in the light receiving unit. This is the signal output from.
  • the second track signal is a signal output from at least one first pattern constituting 'for track 2' at the light receiving unit.
  • the optical encoder may include a calculation unit.
  • the calculator may generate a first operation signal composed of one periodic signal per one revolution of the scale by calculating the first track signal and the second track signal.
  • the calculator may calculate an absolute angle based on the generated first operation signal.
  • the calculation unit may calculate an absolute angle directly from the first operation signal or calculate the absolute angle by applying the first operation signal to a calculation with another signal.
  • a method of calculating an absolute angle directly from the first operation signal may be as follows. It is assumed that the number of patterns of the first track is one more than the number of patterns of the second track. In addition, it is assumed that the shape of the second pattern included in each track and the shape of the first pattern included in the light receiving unit are formed such that a sine wave is output from the light receiving unit.
  • the first track signal outputted from the light receiver and the processing signal thereof are as shown in FIG. 3.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a signal generated in an optical encoder according to an embodiment of the present invention.
  • the electrical signal output from the first pattern is related to the area of the first pattern on which light is projected.
  • a strong signal is output when light is projected on a large area of the first pattern
  • a weak signal is output when light is projected on a small area of the first pattern.
  • the first pattern is a sinusoidal shape and the second pattern is a rectangular shape
  • the first track signal output from one first pattern is a sinusoidal wave having a period of 2 ⁇ as shown in FIGS. 3A to 3C. .
  • 2 ⁇ indicates a period of a signal output from the first pattern due to one second pattern instead of 2 ⁇ , which means one rotation of the scale.
  • the calculation unit obtains a sine wave (d) and a cosine wave (e) having an amplitude h as the first track signal. can do.
  • each of the sine wave (d) and the cosine wave (e) includes six signals having a period of 2 ⁇ equal to the number of second patterns for one rotation of the scale. Therefore, as shown in (f) of FIG. 3, one rotation angle of the scale may be represented by a total of 12 ⁇ where a signal of a 2 ⁇ cycle is repeated six times.
  • FIG. 3G may be regarded as arithmetic processing of Mod 2 ⁇ ( ⁇ 1 ) with respect to FIG. 3F.
  • Mod 2 ⁇ ( ⁇ 1 ) at this time is the remainder of the value obtained by dividing the rotation angle ⁇ 1 of the scale represented by 12 ⁇ above by 2 ⁇ .
  • the angles within each section can be calculated.
  • the absolute angle of the scale is z degrees.
  • the currently obtained signal is a signal 1 of the fourth 2 ⁇ cycle from six 6 ⁇ cycles, that is, between 6 ⁇ and 8 ⁇ intervals. It should be understood that the scale is located at position 2 within the range of 6 ⁇ ⁇ 8 ⁇ .
  • the latter position may be obtained by, for example, calculating an arc tangent using a sine wave (d) and a cosine wave (e), and using a proportional expression of an arc tangent calculation result and a real angle range of each section on a scale.
  • z is the sum of (1) and (2).
  • the signal of 2 ⁇ period needs to know 0 ⁇ , that is, the reference point as shown in FIG. In order to know the reference point, it is difficult to acquire the absolute angle in real time because it is necessary to rotate the scale in advance.
  • the first track signal and the second track signal may be used together.
  • the calculation unit acquires a sine wave including five 2 ⁇ cycle signals per one revolution of the scale as the second track signal.
  • the sine wave obtained as described above may represent one rotation angle of the scale as 10 ⁇ where the 2 ⁇ cycle signal is repeated five times.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method of calculating an absolute angle from a first track signal and a second track signal.
  • FIG. 4A a first track signal representing one revolution of the scale at 12 pi repeated 6 times and a second track signal representing one revolution of the scale at 10 pi repeated five times are repeated. It is shown together. As a result, it can be seen that the difference between the first track signal and the second track signal is different on the vertical axis.
  • the difference value between the first track signal and the second track signal may be represented by one periodic signal per one revolution of the scale as shown in FIG. 4B, and the periodic signal at this time may be the first operation signal mentioned above.
  • the absolute angle of the scale can be calculated from the subtraction result of the angle ⁇ 1 calculated from the first track signal currently output from the light receiving unit and the angle ⁇ 2 calculated from the second track signal.
  • the spacing and width of the second pattern constituting the first track must be the same in the first track.
  • the spacing and width of the second pattern constituting the second track must also be the same within the second track. The same applies to the third track described later.
  • the theoretical infinite resolution may be provided.
  • the resolution of the absolute angle output from the optical encoder is limited by the resolution of the A / D converter that converts the analog graph to digital as shown in FIG.
  • the resolution of the A / D converter that converts the analog graph to digital as shown in FIG.
  • the first calculation signal may be applied to the calculation with another signal to calculate the absolute angle.
  • a third track may be further formed on the scale to acquire a signal different from the first operation signal.
  • the third track may have a number of patterns different from the number of patterns of the first track and n pieces (where 1 ⁇ n ⁇ m, n is an integer, and m is the number of patterns of the first track).
  • the third track may be one track selected except for the first track and the second track among j tracks on the scale.
  • the calculator calculates the first track signal and the third track signal to generate a second operation signal composed of n periodic signals per one revolution of the scale. Can be generated.
  • the calculator may calculate an absolute angle based on at least one of the first operation signal, the second operation signal, and the first track signal.
  • the number of 2 ⁇ period signals included in one rotation of the scale is different due to the difference in the number of patterns constituting each track. For example, if the first track includes six second patterns, and the third track includes three second patterns, then for one revolution of the scale, the first track signal includes six 2 ⁇ period signals, and the third The track signal includes three 2 ⁇ period signals. This state is shown in Figs. 5 (a) and 5 (b).
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a method of obtaining a second operation signal from a first track signal and a third track signal.
  • 5 (a) and 5 (b) show a sine wave included in the first track signal and a sine wave included in the third track signal, respectively, but each track signal also includes a cosine wave.
  • an angle ⁇ 1 with a limit of 12 ⁇ for the first track signal may be calculated, and an angle ⁇ 3 with a limit of 6 ⁇ with respect to the third track signal may be calculated. Can be calculated.
  • the absolute angle may be calculated with an infinite resolution, but the actual resolution is limited by the resolution of the A / D converter.
  • the A / D converter may have a resolution that divides (a) of FIG. 6 into six sections.
  • Resolution needs to be increased.
  • Resolution can be increased with a limited resolution A / D converter in various ways.
  • the calculator may select one of m periodic signals constituting the first track signal by analyzing the first operation signal at a first resolution.
  • the absolute angle may be calculated by analyzing one of the m periodic signals thus selected at a third resolution.
  • Mod 2 ⁇ processing of the first track signal is (c).
  • (c) includes six periodic signals, one of which may be selected through analysis of the first operation signal. If the actual absolute angle of the scale is 140 degrees, the third periodic signal is selected from the six periodic signals constituting (c).
  • Each periodic signal constituting (c) has a vertical axis of 2 ⁇ equal to (a) of FIG. 6, so that if the A / D converter used for analyzing (a) signal is used as it is, the selected third periodic signal can be divided into six sections. Can be. This case corresponds to the case where the first resolution and the third resolution are the same.
  • the selected third periodic signal is based on the first track signal obtained through the first track and corresponds to a so-called measured value. If 2 ⁇ / 3 is obtained by applying the A / D converter to the selected third periodic signal, the periodic signal is converted into an angle unit represented by one revolution of the scale by using a proportional equation. The above 2 ⁇ / 3 is ⁇ / 9 in terms of the angle per revolution of the scale.
  • the result of adding ⁇ / 9 obtained through the selected third period signal to 2 ⁇ / 3 obtained through the first operation signal is 7 ⁇ / 9, and this value is output as the absolute angle of the scale.
  • one rotation of the scale may be divided into 18 sections using an A / D converter capable of distinguishing six sections.
  • robustness to noise may be provided using the second operation signal.
  • an error may be generated due to an error of the first track signal or an error of the A / D converter.
  • a third periodic signal corresponding to a position in P in FIG. 6 should be selected, but a second periodic signal or a fourth periodic signal may be selected due to an error. .
  • This error is a very fatal flaw in the absolute angle calculation and needs to be reliably excluded.
  • a second operation signal may be used.
  • the second operation signal has a greater number of periodic signals than the number of periodic signals constituting the first operational signal and less than the number of periodic signals constituting the first track signal. For example, in FIG. 6, when the first operation signal consists of one periodic signal and the first track signal consists of six periodic signals, the second operation signal may consist of three.
  • the operation unit may select one of the n periodic signals constituting the second operation signal by analyzing the first operation signal with the first resolution. Then, one of the m periodic signals constituting the first track signal may be selected by analyzing one of the n selected periodic signals with a second resolution. Thereafter, the absolute angle may be calculated by analyzing one of the selected m periodic signals with a third resolution. If the first resolution to the third resolution are all the same, for example, by dividing and analyzing the first operation signal into six sections, the number of cycles to which the measurement point matches the second operation signal including the three periodic signals is matched. Figure out.
  • the first track signal including the six periodic signals determines whether the measurement point matches the first periodic signal. This is equivalent to the resolution dividing one rotation of the scale into six sections is increased to the resolution divided into 18 sections, and the resolution divided into 18 sections is increased to the resolution divided into 36 sections. In addition, it is robust from noise by providing a margin to the resolution of each step.
  • the absolute angle of the scale described above is closely related to the number of tracks formed on the scale and the number of patterns included in the track.
  • the number of patterns of the first track is Ns * Nd (where Ns is an integer of 1 or more, Nd is an integer of 2 or more), and the second The number of patterns of the track may be Ns * Nd-1, and the number of patterns of the third track may be (Ns-1) Nd.
  • the first track signal and the second track signal are used to obtain a first operation signal, and the first track signal and the third track signal are used to obtain a second operation signal. Therefore, it is preferable that all of the first to third tracks are provided.
  • the second embodiment it is advantageous to have a small number of tracks for miniaturization of scale and productivity.
  • a method of reducing the number of tracks is disclosed in the second embodiment.
  • the resolution equivalent to that of the first embodiment can be obtained with only two tracks.
  • the absolute angle can be calculated in real time.
  • the optical encoder includes a light receiving unit, a scale and a calculating unit, and the scale is provided with a first track having m patterns and a second track having s patterns.
  • the difference between m and s may be Nd (where 1 ⁇ Nd ⁇ m). That is, the difference between the number of patterns of the first track and the number of patterns of the second track is two or more.
  • the calculator calculates a first intermediate signal by calculating a first track signal composed of m periodic signals and a second track signal composed of s periodic signals output from the light receiving unit by the first track and the second track. And generate an absolute angle based on the first arbitration signal.
  • the calculator may generate a first arbitration signal including Nd periodic signals per one revolution of the scale from a result of subtracting the second track signal from the first track signal.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a signal generated in an optical encoder according to another embodiment of the present invention.
  • the first track signal per revolution of the scale has a waveform containing nine signals of 2 ⁇ cycles
  • the second track signal has a waveform including five signals of 2 ⁇ cycles.
  • the calculator may generate a first arbitration signal composed of Nd periodic signals per one revolution of the scale from the result of subtracting the second track signal from the first track signal.
  • the absolute angle may be calculated by obtaining one periodic signal per one revolution of the scale.
  • tracks having a different number of patterns are used to obtain the first operation signal.
  • the operation unit generates a second intermediate signal (a second intermediate signal) consisting of one periodic signal per one revolution of the scale similarly to the first operation signal through the operation of the first arbitration signal and the first track signal
  • the absolute angle may be calculated by analyzing the second arbitration signal with a set resolution.
  • the second arbitration signal may be a result of subtracting the first track signal after applying a predetermined operation to the first arbitration signal.
  • the calculating unit multiplies Ns (where 0 ⁇ Ns ⁇ m) by the first arbitration signal and subtracts the signal multiplied by the first track signal to 1 per revolution of the scale as shown in FIG. It is possible to generate a second intermediate signal consisting of two periodic signals. In the example of FIG. 7, Ns is two.
  • the operation unit selects one of the Nd periodic signals constituting the first arbitration signal by analyzing the second arbitration signal, and analyzes one of the selected Nd periodic signals.
  • the operation unit selects one of m periodic signals constituting the first track signal represented by (h) of FIG. 7 by analyzing one of the selected Nd periodic signals, and selects one of the m periodic signals.
  • Ns is multiplied in the process of generating the second arbitration signal
  • the noise is also multiplied by Ns and the noise is reflected in the second arbitration signal. Therefore, a method of acquiring an absolute angle using only the first arbitration signal and the first track signal without generating the second arbitration signal may be considered.
  • the calculation unit may match the subtraction result of the angle computed from the first track signal output from the measurement position of the scale with the angle computed from the second track signal to the first arbitration signal to match Nd first intermediate points (a first intermediate point). point) a can be identified. Since the first arbitration signal includes Nd periodic signals, there are Nd matching first arbitration points a.
  • Each of the first arbitration points may be matched to m periodic signals constituting the first track signal to identify Nd second intermediate points b.
  • the calculator may calculate an absolute angle by analyzing one of m periodic signals including a second arbitration point that is closest to the value of the first track signal output from the measurement position of the scale among the Nd second arbitration points.
  • the second mediation point has a different value on the vertical axis.
  • M periods of the periodic signal including the first second mediation point closest to ⁇ of the Nd second mediation points are compared with the values of the first track signal output at the measurement position of the scale, e.g. Figure out from the signal.
  • the absolute angle can be obtained by analyzing the periodic signal thus identified by the set resolution, that is, the resolution of the so-called A / D converter.
  • the number of patterns of the first track is Ns * Nd + i (where Ns and i are integers of 1 or more and Nd is integers of 2 or more),
  • the number of patterns of the second track may be (Ns-1) * Nd + i.
  • the calculation unit may calculate the absolute angle of the scale from the first track signal output from the light receiving unit facing the first track and the second track signal output from the light receiving unit facing the second track.
  • the calculation unit calculates the first track signal output from the light receiving unit by the first track and the second track signal output from the light receiving unit by the second track, so that 1 per revolution of the scale. Cycle signals can be generated and the absolute angle of the scale can be calculated based on the cycle signals.
  • the calculating unit calculates a first angle by calculating a signal value output to the light receiving unit through the first track.
  • the first angle at this time is an angle indicated by the periodic signal constituting the first track signal. Since the periodic signals constituting the first track signal exist as many as the number of patterns of the first track signal, it is not possible to know which pattern the angle of the periodic signal corresponds to the first angle alone. Therefore, the absolute angle cannot be calculated only by the first angle.
  • the calculator calculates a second angle by calculating a signal value output to the light receiver through the second track.
  • the second angle at this time is also an angle indicated by the periodic signal constituting the second track signal. Since the periodic signals constituting the second track signal exist as many as the number of patterns of the second track, it is not known which pattern the angle of the periodic signal corresponds to only the second angle. Therefore, the absolute angle cannot be calculated only by the second angle.
  • the primary absolute angle may be regarded as determining how many second patterns of the second patterns constituting the first track are output.
  • the resolution can be improved by analyzing the second pattern section thus identified. For example, in the case of the first track having 360 second patterns, when it is confirmed that the signal is output in the 180th second pattern using the primary absolute angle, the scale is first positioned between 180 degrees and 181 degrees. I can grasp that.
  • the second absolute angle may be calculated by analyzing the first track signal output from the 180 th second pattern. In other words, it can be seen at which point the scale is located in the 180-181 degree interval. In this case, if the A / D converter with 360 resolution is applied in the 180 to 181 degrees, the total resolution of the optical encoder is 360 * 360.
  • the result of subtracting the second angle from the first angle is multiplied by an integer.
  • the integer multiple at this time is an integer multiple such that the result of integer multiplication and the result of subtraction of the first angle become an absolute value of 1. This example is disclosed in FIG. 8.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a signal generated in an optical encoder according to another embodiment of the present invention.
  • the primary absolute angle as shown above can be derived.
  • a value obtained by subtracting the result of subtracting the second angle from the first angle and subtracting the result of the above integer multiple from the first angle has a unique value per revolution of the scale.
  • the first and second mediation points may be used to exclude amplification of noise due to integer multiples.
  • a method of calculating the absolute angle of the scale may be referred to as a vernier method.
  • the optical encoder is based on the first track and the second track on which the pattern is formed to move relative to the light receiver, the light receiver, and the light is projected to the light receiver.
  • the calculator may include a calculator that calculates an absolute angle of the scale in a Vernier method, and a converter that A / D converts an input signal into a discrete value.
  • the maximum resolution of the absolute angle calculated by the calculation unit may be greater than the maximum resolution of the converter unit.
  • the calculator may calculate an absolute angle of the scale by using a first arbitration signal in which the number of periodic signals of which the number of patterns of the first track minus the number of patterns of the second track is repeated per one revolution of the scale.

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Abstract

본 발명의 광학 인코더는 수광부 및 상기 수광부에 대해 상대 이동하고, 상기 수광부에 빛을 투영시키는 패턴이 형성된 제1 트랙 및 제2 트랙이 마련된 스케일을 포함하고, 상기 제1 트랙의 패턴 개수가 Ns*Nd+i개(여기서, Ns와 i는 1 이상의 정수, Nd는 2 이상의 정수)이며, 상기 제2 트랙의 패턴 개수가 (Ns-1)*Nd+i개로 구성됨으로써, 스케일의 절대 각도를 실시간으로 또한 고분해능으로 산출할 수 있다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 11.06.2012]　광학 인코더
본 발명은 광학 인코더에 관한 것으로, 수광부에 대한 스케일의 절대 각도를 실시간으로 파악할 수 있고 고분해능으로 파악할 수 있는 광학 인코더에 관한 것이다.
광학 인코더는 폭넓은 다양한 환경에서 사용되어 임의의 기준에 대한 물체의 이동 또는 위치를 결정한다.
일반적인 광학 인코더는 광학 센서 및 인코더 패턴이 사용된다. 광학 센서는 인코더 패턴의 표면에 포커싱된다. 광학 센서가 인코더 패턴을 기준으로 이동하거나 인코더 패턴이 광학 센서를 기준으로 이동할 때, 광학 센서는 인코더 패턴을 통과하거나 인코더 패턴에서 반사된 광 패턴을 판독하여 이동 또는 위치를 검출한다.
최근, 로봇 산업과 같이 초정밀한 동작이 요구되는 산업 분야에서 고분해능의 정밀한 인코더에 대한 요구가 증가하고 있다.
한국공개특허공보 제2007-0026137호에는 위치 결정시 기준이 되는 인덱스를 검출하는 수단 없이도 인덱스 채널을 검출하는 광학적 인코더가 제공되고 있다. 그러나, 한국공개특허공보 제2007-0026137호에는 회전 각도를 고분해능으로 측정하는 방안에 대해서는 개시되지 않고 있다.
본 발명은 수광부에 대한 스케일의 절대 각도를 실시간으로 파악할 수 있고 고분해능으로 파악할 수 있는 광학 인코더를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 광학 인코더는 수광부 및 상기 수광부에 대해 상대 이동하고, 복수의 트랙이 형성된 스케일을 포함하고, 상기 각 트랙은 상기 수광부에 빛을 투영시키는 패턴을 포함하며, 상기 트랙은 제1 트랙 및 제2 트랙을 포함하고, 상기 제1 트랙의 패턴 개수와 상기 제2 트랙의 패턴 개수의 차이가 1일 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 인코더는 수광부, m개의 패턴이 형성된 제1 트랙 및 s개의 패턴이 형성된 제2 트랙이 마련되며, 상기 m 및 상기 s의 차이는 Nd(여기서, 1 < Nd < m)인 스케일 및 상기 제1 트랙 및 상기 제2 트랙에 의해 상기 수광부로부터 출력되는 상기 m개의 주기 신호로 구성된 제1 트랙 신호 및 상기 s개의 주기 신호로 구성된 제2 트랙 신호를 연산하여 제1 중재 신호(a first intermediate signal)를 생성하고, 상기 제1 중재 신호를 기초로 절대 각도를 산출하는 연산부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 인코더는 수광부, 상기 수광부에 대해 상대 이동하고, 상기 수광부에 빛을 투영시키는 패턴으로 구성된 제1 트랙과 제2 트랙이 마련된 스케일 및 상기 제1 트랙에 의해 상기 수광부로부터 출력된 제1 트랙 신호와 상기 제2 트랙에 의해 상기 수광부로부터 출력된 제2 트랙 신호를 연산하여 상기 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호를 생성하고, 상기 주기 신호를 기초로 상기 스케일의 절대 각도를 산출하는 연산부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 인코더는 수광부, 상기 수광부에 대해 상대 이동하고, 상기 수광부에 빛을 투영시키는 패턴이 형성된 제1 트랙 및 제2 트랙이 마련된 스케일, 상기 제1 트랙의 패턴 개수와 상기 제2 트랙의 패턴 개수 차이를 기반으로 상기 스케일의 절대 각도를 버어니어(Vernier) 방식으로 산출하는 연산부 및 입력되는 신호를 이산값으로 A/D 변환하는 컨버터부를 포함하고, 상기 연산부에서 산출되는 상기 절대 각도의 최대 분해능은 상기 컨버터부의 최대 분해능보다 클 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 인코더는 수광부 및 상기 수광부에 대해 상대 이동하고, 상기 수광부에 빛을 투영시키는 패턴이 형성된 제1 트랙 및 제2 트랙이 마련된 스케일을 포함하고, 상기 제1 트랙의 패턴 개수는 Ns*Nd+i개(여기서, Ns와 i는 1 이상의 정수, Nd는 2 이상의 정수)이며, 상기 제2 트랙의 패턴 개수는 (Ns-1)*Nd+i개일 수 있다.
본 발명의 광학 인코더는 스케일에 마련된 복수의 트랙을 형성하는 패턴의 개수 차이와 연산을 통하여 수광부에 대한 스케일의 절대 각도를 실시간으로 또한, 고분해능으로 파악할 수 있다.
아울러, 이러한 성능을 간소한 구성으로 달성할 수 있다.
도 1은 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더에서 생성되는 신호를 나타낸 개략도이다.
도 4는 제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호로부터 절대 각도를 산출하는 방식을 나타낸 개략도이다.
도 5는 제1 트랙 신호와 제3 트랙 신호로부터 제2 연산 신호를 획득하는 방식을 나타낸 개략도이다.
도 6은 제1 트랙 신호, 제1 연산 신호 및 제2 연산 신호를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 인코더에서 생성되는 신호를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학 인코더에서 생성되는 신호를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 광학 인코더(100)는 광원(110), 스케일(120), 수광부(140) 및 수광부(140)에 접속되는 연산부(160)를 포함한다.
광원(110)으로서, 예컨대 LED나 LD 등이 사용 가능하다.
스케일(120)은 광원(110)과 수광부(140) 사이에 배치되고, 측정 대상인 회전축(150)에 부착될 수 있다. 스케일(120)과 수광부(140)는 상대 이동하면 되므로 회전축(150)에는 스케일(120) 대신 수광부(140)가 부착될 수도 있다. 스케일(120)에는 광원(110)으로부터의 광속을 변조하는 제2 패턴(130)이 원주를 따라 마련되어 있다. 제2 패턴(130)은 회전축(150)의 회전각에 대응하여 패터닝되어 있다. 도 1에서 스케일(120)은 회전축(150)에 적합한 원판형 스케일로 나타내었으나 리니어 인코더에 적용 가능한 판형 스케일일 수도 있다.
수광부(140)는 제2 패턴(130)으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 연산부(160)로 출력한다. 구체적으로 수광부(140)는 제1 패턴(141)으로 형성된 하나 이상의 수광 소자를 포함한다. 이때 각 수광 소자는 광속이 수광되면 전기적 신호를 생성하여 연산부(160)로 출력한다.
연산부(160)는 스케일(120) 즉 회전축(150)의 회전 각도 또는 회전 위치를 연산하여 출력한다.
도 1의 광학 인코더(100)는 로터리 인코더(rotary encoder)의 경우를 예로 하였으나, 여기에 한정되지 않고, 리니어 인코더(linear encoder) 등에 대해서도 적용 가능하다. 또한, 도 1에서 수광부(140)는 패턴(130)을 투과한 광원(110)의 광속을 검출하는 것으로 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 반사광을 검출하도록 구성하여도 좋다.
도 2는 본 발명의 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.
도 2에 도시된 광학 인코더는 수광부 및 수광부에 대해 상대 이동하고, 복수의 트랙이 형성된 스케일을 포함한다. 이때, 각 트랙은 수광부에 빛을 투영시키는 패턴을 포함한다.
수광부는 앞에서 살펴본 바와 같이 스케일에 형성된 패턴, 즉 제2 패턴으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 연산부로 출력한다. 스케일이 복수의 트랙을 포함하므로 수광부는 각 트랙에 대응하는 제1 패턴을 포함할 수 있다.
제1 실시예에 따르면, 스케일은 패턴 개수의 차이가 1인 제1 트랙과 제2 트랙을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 스케일에 j(여기서, j는 2 이상의 정수)개의 트랙이 형성된 경우 제1 트랙과 제2 트랙은 j개의 트랙 중에서 선택된 것일 수 있다. 물론, 스케일에는 제1 트랙과 제2 트랙만 형성될 수도 있다.
이때, 연산부는 제1 트랙과 제2 트랙에 의해 수광부로부터 출력되는 신호를 이용하여 수광부에 대한 스케일의 회전 각도를 산출할 수 있다. 단일 트랙으로 회전 각도를 산출하는 대신 복수의 트랙으로 회전 각도를 산출하는 것은 고분해능을 현실적으로 달성하기 위함이다.
회전 각도를 고분해능으로 획득하는 직관적인 방안은 트랙에 기준점을 형성해둔 후 단일 트랙에 포함된 패턴의 개수를 증가시키는 것이다. 예를 들어 0도 지점에 기준점으로 형성해 두면 0도로부터 몇번째 단일 트랙에서 신호가 출력되는지 확인함으로써 수광부에 대한 스케일의 회전 각도, 즉 절대 각도를 산출할 수 있다. 구체적으로, 절대 각도는 스케일을 회전시키는 회전축 중심에 대한 스케일의 일정 지점의 각도이다. 기준점을 이용할 경우 트랙에 포함된 패턴의 개수가 1024개라면 210의 분해능, 다시 말해 10비트의 분해능으로 절대 각도를 획득할 수 있다. 이때의 분해능은 360도를 몇개로 세분화시켰는가와 관계된다. 따라서, 10비트의 분해능은 360도를 210개로 세분화시킨 것을 나타낸다.
그러나, 인코더의 크기가 소형화되는 추세에 따라 스케일의 크기를 무한정 크게 할 수 없고, 스케일에 형성되는 패턴의 크기를 무한정 작게 할 수 없으므로 스케일에 형성 가능한 패턴의 개수가 제한된다. 이런 이유로 20비트의 분해능을 목적으로 하는 경우 스케일에 220개의 패턴을 형성하기 힘들다. 연산부가 디지털 데이터로 각종 데이터를 처리하는 경우 수광부에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터가 필요하다. 수광부에서 20비트 분해능의 신호가 유입된다 하더라도 A/D 컨버터의 분해능이 10비트라면 연산부에서는 10비트 분해능의 데이터를 획득하게 된다. 따라서, A/D 컨버터의 분해능에 따라 1개 트랙에 대해 다수의 패턴을 형성하는 것이 제한될 수도 있다.
이렇게 제한된 개수의 패턴을 통해 고분해능의 절대 각도를 얻기 위한 방안으로 스케일에 복수의 트랙을 형성한 후 각 트랙에 대응하여 수광부로부터 출력되는 복수의 신호를 이용할 수 있다. 또한, 앞의 방식에 따르면 기준점의 위치를 알아야만 하므로 구동 초기에 실시간으로 절대 각도를 획득하는 것이 쉽지 않다. 그러나, 복수의 트랙에서 출력되는 신호를 이용하면 구동 시점과 상관없이 실시간으로 절대 각도를 획득할 수 있다.
제1 트랙에 대면되는 수광부로부터 출력되는 신호를 제1 트랙 신호로 칭하고, 제2 트랙에 대면되는 수광부로부터 출력되는 신호를 제2 트랙 신호로 칭하기로 한다. 예를 들어 제1 트랙이 도 2의 'track 1'이고, 제2 트랙이 도 2의 'track 2'인 경우, 제1 트랙 신호는 수광부에서 'for track 1'을 구성하는 하나 이상의 제1 패턴으로부터 출력되는 신호이다. 제2 트랙 신호는 수광부에서 'for track 2'를 구성하는 하나 이상의 제1 패턴으로부터 출력되는 신호이다.
제1 실시예에 따른 광학 인코더는 연산부를 포함할 수 있다. 이때, 연산부는 제1 트랙 신호 및 제2 트랙 신호를 연산하여 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 구성된 제1 연산 신호를 생성할 수 있다. 연산부는 이렇게 생성된 제1 연산 신호를 기초로 절대 각도를 산출할 수 있다. 다시 말해 연산부는 제1 연산 신호로부터 직접 절대 각도를 산출하거나 제1 연산 신호를 다른 신호와의 연산에 적용시켜 절대 각도를 산출할 수 있다.
제1 연산 신호로부터 직접 절대 각도를 산출하는 방안은 다음과 같을 수 있다. 제1 트랙의 패턴 개수가 제2 트랙의 패턴 개수보다 1개 많은 것으로 가정한다. 또한, 각 트랙에 포함된 제2 패턴의 형상과 수광부에 포함된 제1 패턴의 형상이 수광부에서 정현파가 출력되도록 형성된 경우를 가정한다.
예를 들어 제1 트랙의 패턴 개수가 6개인 경우 수광부에서 출력되는 제1 트랙 신호와 그 처리 신호는 도 3과 같다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더에서 생성되는 신호를 나타낸 개략도이다.
제1 패턴에서 출력되는 전기적 신호는 빛이 투영된 제1 패턴의 면적과 관련된다. 투영된 빛의 세기가 일정한 경우, 제1 패턴의 많은 면적에 빛이 투영되면 강한 신호가 출력되고, 제1 패턴의 적은 면적에 빛이 투영되면 약한 신호가 출력된다. 예를 들어 제1 패턴이 정현파 형상이고 제2 패턴이 직사각형 형상인 경우, 한개의 제1 패턴으로부터 출력되는 제1 트랙 신호는 도 3의 (a) 내지 (c)와 같이 2π를 주기로 하는 정현파이다. 이때의 2π는 스케일의 1회전을 의미하는 2π가 아니라 1개의 제2 패턴으로 인하여 제1 패턴에서 출력되는 신호의 주기를 나타낸다.
오프셋 조절 및 수광부를 구성하는 제1 패턴의 개수와 간격, 제2 패턴의 간격 중 적어도 하나를 조절함으로써, 연산부는 제1 트랙 신호로서 진폭 h를 갖는 사인파 (d)와 코사인파 (e)를 획득할 수 있다. 이때, 사인파 (d)와 코사인파 (e)는 각각 2π주기의 신호를 스케일의 1회전에 대해 제2 패턴의 개수와 동일하게 6개 포함한다. 따라서, 도 3의 (f)와 같이 스케일의 1회전 각도는 2π주기의 신호가 6번 반복되는 총 12π로 나타낼 수 있다.
한 주기의 사인파 (d)와 코사인파 (e)가 적용된 아크탄젠트(arctangent) 연산을 수행하고, 그래프로 나타내면 도 3의 (g)의 한 구간과 같은 그래프가 도출된다. 사인파 (d)와 코사인파 (e)가 주기적으로 6번 반복되므로 전체 그래프는 도 3의 (g)와 같다. 도 3의 (g)는 도 3의 (f)에 대하여 Mod2π(θ1)을 연산 처리한 것으로 볼 수도 있다. 이때의 Mod2π(θ1)은 위에서 12π로 표현되는 스케일의 회전 각도 θ1을 2π로 나눈 값의 나머지이다.
사인파 (d)와 코사인파 (e)를 이용하면 각 구간 내에서의 각도를 산출할 수 있다. 예를 들어 스케일의 절대 각도가 z도라고 가정한다. 도 3의 사인파 (d)와 코사인파 (e)를 이용하여 절대 각도 z도를 산출하기 위해서는 현재 획득된 신호가 6개의 2π주기의 신호에서 4번째 2π주기의 신호 ①, 즉 6π~8π 구간인 것을 파악하고, 6π~8π 구간 내에서 어느 위치 ②에 스케일이 위치하는지 알아야 한다. 후자의 위치는 예를 들어 사인파 (d)와 코사인파 (e)를 이용하여 아크탄젠트를 연산하고, 아크 탄젠트 연산 결과와 각 구간이 스케일 상에서 갖는 실 각도 범위의 비례식을 통하여 획득될 수 있다.
도 3에서 z도는 ①과 ②의 합산 결과이다. 그러나, 2π주기의 신호는 2π주기마다 동일한 파형이 반복되므로 ①을 획득하기 위해서는 도 3의 (f)와 같이 0π, 즉 기준점을 알고 있어야 한다. 기준점을 알기 위해 스케일을 미리 1회전시키는 등의 과정이 필요하므로 절대 각도를 실시간으로 획득하기 어렵다.
실시간으로 절대 각도를 획득하기 위해 기준점을 배제할 필요가 있다. 이를 위해 제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호를 함께 이용할 수 있다.
위 가정에 따라, 제1 트랙의 패턴 개수가 m개이면, 제2 트랙의 패턴 개수는 m-1개이다. 도 3에서 제1 트랙의 패턴 개수가 6개이므로, 제2 트랙의 패턴 개수는 5개이다. 이에 따라, 연산부에서는 제2 트랙 신호로서 스케일의 1회전당 5개의 2π주기 신호가 포함되는 정현파가 획득된다. 이렇게 획득된 정현파로부터 도 3의 (f)와 유사하게 스케일의 1회전 각도를 2π주기 신호가 5번 반복되는 10π로 나타낼 수 있다.
도 4는 제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호로부터 절대 각도를 산출하는 방식을 나타낸 개략도이다.
도 4의 (a)에는 2π주기 신호가 6번 반복되는 12π로 스케일의 1회전을 나타내는 제1 트랙 신호와, 2π주기 신호가 5번 반복되는 10π로 스케일의 1회전을 나타내는 제2 트랙 신호가 함께 도시되고 있다. 살펴보면 제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호의 차이값은 세로축 상으로 그 값이 모두 다른 것을 알 수 있다.
제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호의 차이값은 도 4의 (b)와 같이 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 나타낼 수 있으며, 이때의 주기 신호가 앞에서 언급된 제1 연산 신호일 수 있다.
도 4의 (b)를 살펴보면, 스케일의 1회전 구간에서 세로축 값이 2π 범위 내에서 모두 다른 것을 알 수 있다. 이에 따르면, 현재 수광부로부터 출력되는 제1 트랙 신호로부터 산출된 각도 θ1과 제2 트랙 신호로부터 산출된 각도 θ2의 감산 결과로부터 스케일의 절대 각도를 산출할 수 있다.
물론, 이를 위해서는 제1 트랙을 구성하는 제2 패턴의 간격과 폭이 제1 트랙 내에서 모두 동일해야 한다. 마찬가지로 제2 트랙을 구성하는 제2 패턴의 간격과 폭도 제2 트랙 내에서 모두 동일해야 한다. 이러한 특성은 후술되는 제3 트랙에 대해서도 동일하게 적용된다. 그리고, 제1 트랙의 패턴 개수와 제2 트랙의 패턴 개수의 차이가 1이면 제1 트랙 신호로부터 산출된 각도 θ1과 제2 트랙 신호로부터 산출된 각도 θ2를 감산한 결과는 기준 위치와 무관하게 고유하다. 따라서, θ1과 θ2를 감산한 결과를 이용하면 절대 각도를 실시간으로 산출할 수 있다.
도 4의 (b)에 의하면 이론상 무한대의 분해능을 제공할 수 있다. 그러나, 현실적으로 도 4의 (b)와 같은 아날로그 그래프를 디지털로 변환하는 A/D 컨버터의 분해능에 의해 광학 인코더에서 출력되는 절대 각도의 분해능이 제한된다. 예를 들어 10비트 분해능의 A/D 컨버터를 이용할 경우 실제로 절대 각도를 210개 구간으로 분석할 수 있다.
절대 각도의 분해능을 증가시키기 위해 제1 연산 신호를 다른 신호와의 연산에 적용시켜 절대 각도를 산출할 수 있다. 이때, 제1 연산 신호와 다른 신호를 획득하기 위해 스케일에는 제3 트랙이 추가로 형성될 수 있다.
제3 트랙은 제1 트랙의 패턴 개수와 n개(여기서, 1 < n < m, n은 정수, m은 상기 제1 트랙의 패턴 개수) 차이 나는 패턴 개수를 가질 수 있다. 또한, 제3 트랙은 도 2에 도시된 바와 같이 스케일에 j개의 트랙 중 제1 트랙과 제2 트랙을 제외하고 선택된 한 트랙일 수 있다.
제3 트랙에 대면되는 수광부로부터 출력되는 신호를 제3 트랙 신호라 할 때, 연산부는 제1 트랙 신호 및 제3 트랙 신호를 연산하여 스케일의 1회전당 n개의 주기 신호로 구성된 제2 연산 신호를 생성할 수 있다.
이때, 연산부는 제1 연산 신호, 제2 연산 신호 및 제1 트랙 신호 중 적어도 하나를 기초로 절대 각도를 산출할 수 있다.
제1 트랙 신호 및 제3 트랙 신호는 각 트랙을 구성하는 패턴 개수의 차이로 인하여 스케일의 1회전에 포함된 2π주기 신호의 개수가 틀리다. 예를 들어 제1 트랙이 6개의 제2 패턴을 포함하고, 제3 트랙이 3개의 제2 패턴을 포함한다면 스케일의 1회전에 대해 제1 트랙 신호는 6개의 2π주기 신호를 포함하고, 제3 트랙 신호는 3개의 2π주기 신호를 포함한다. 이러한 상태를 도 5의 (a), (b)에 나타내었다.
도 5는 제1 트랙 신호와 제3 트랙 신호로부터 제2 연산 신호를 획득하는 방식을 나타낸 개략도이다.
도 5의 (a), (b)는 각각 제1 트랙 신호에 포함된 사인파와 제3 트랙 신호에 포함된 사인파를 나타내었으나 각 트랙 신호에는 코사인파도 포함된다. 사인파와 코사인파를 이용하면 도 5의 (c)와 같이 제1 트랙 신호에 대해 12π를 한도로 하는 각도 θ1을 산출할 수 있으며, 제3 트랙 신호에 대해 6π를 한도로 하는 각도 θ3를 산출할 수 있다.
각도 θ1에서 각도 θ3를 감산한 결과는 도 5의 (d)와 같이 6π를 한도로 하고, 스케일의 1회전을 1주기로 하는 신호로 나타난다. 이 신호를 도 4의 (b)와 같이 2π를 한도로 하는 신호로 변환하면 스케일의 1회전당 n=3개의 주기 신호로 구성된 제2 연산 신호가 생성된다. 다르게 표현하면 제2 연산 신호는 Mod2π(θ1-θ3)로 나타낼 수 있다.
이상의 과정을 거치면, 도 6의 (a) 내지 (c)와 같은 파형을 얻을 수 있다. 앞에서 언급했듯이 도 6의 (a)를 이용하면 이론상 무한대의 분해능으로 절대 각도를 산출할 수 있으나 실제의 분해능은 A/D 컨버터의 분해능에 의해 제한된다. 예를 들어 A/D 컨버터는 도 6의 (a)를 6구간으로 구분하는 분해능을 가질 수 있다.
스케일의 실제 절대 각도가 140도라고 가정하면, A/D 컨버터의 분해능에 의해 출력되는 각도는 2π/3=120도가 된다. 즉, 20도의 측정 오차가 있게 된다.
이러한 측정 오차를 줄이기 위해서는 분해능을 높혀야 하는데, 다양한 방안에 따라 제한된 분해능의 A/D 컨버터로 분해능을 높일 수 있다.
연산부는 제1 연산 신호를 제1 분해능으로 분석함으로써 제1 트랙 신호를 구성하는 m개의 주기 신호 중 하나를 선택할 수 있다. 이렇게 선택된 m개의 주기 신호 중 하나를 제3 분해능으로 분석함으로써 절대 각도를 산출할 수 있다.
도 6에서 제1 트랙 신호를 Mod2π 처리한 것이 (c)이다. (c)는 6개의 주기 신호를 포함하고 있는데, 이 중에서 하나의 주기 신호를 제1 연산 신호의 분석을 통해 선택할 수 있다. 스케일의 실제 절대 각도가 140도인 경우라면 (c)를 구성하는 6개의 주기 신호 중 3번째 주기 신호가 선택된다. (c)를 구성하는 각 주기 신호는 세로축이 도 6의 (a)와 동일한 2π이므로 (a) 신호의 분석에 사용된 A/D 컨버터를 그대로 사용한다면 선택된 3번째 주기 신호를 6개 구간으로 구분할 수 있다. 이 경우는 제1 분해능과 제3 분해능이 동일한 경우에 해당한다.
선택된 3번째 주기 신호는 제1 트랙을 통해 획득된 제1 트랙 신호에 근거하며, 소위 실측값에 해당한다. 선택된 3번째 주기 신호에 A/D 컨버터를 적용하여 2π/3가 획득되었다면 비례식 등을 이용하여 각 주기 신호가 스케일의 1회전당 나타내는 각도 단위로 변환한다. 위의 2π/3는 스케일의 1회전당 각도로 환산하면 π/9이다.
제1 연산 신호를 통해 획득된 2π/3에 선택된 3번째 주기 신호를 통해 획득된 π/9를 가산한 결과는 7π/9이고, 이 값이 스케일의 절대 각도로서 출력된다. 이상의 과정을 거치면, 6개 구간을 구분할 수 있는 A/D 컨버터를 이용하여 스케일의 1회전을 36개 구간으로 구분할 수 있다.
만약 제1 트랙 신호 대신 제2 연산 신호를 이용한다면 6개 구간을 구분할 수 있는 A/D 컨버터를 이용하여 스케일의 1회전을 18개 구간으로 구분할 수 있다.
한편, 제1 연산 신호와 제1 트랙 신호를 이용하여 분해능을 향상시키는 방안에서 제2 연산 신호를 이용하여 노이즈에 대한 강건성을 제공할 수 있다.
제1 연산 신호와 제1 트랙 신호를 바로 이용하여 절대 각도를 산출하면, 제1 트랙 신호의 자체 오차 또는 A/D 컨버터의 오차 등에 의해 오류가 발생될 수 있다. 예를 들어 제1 트랙 신호를 구성하는 6개의 주기 신호에서 도 6에서 P에 위치에 대응되는 3번째 주기 신호가 선택되어야 하는데, 오차로 인하여 2번째 주기 신호 또는 4번째 주기 신호가 선택될 수 있다. 이러한 오류는 절대 각도 산출에 매우 치명적인 결함으로 작용하므로 이를 신뢰성 있게 배제할 필요가 있다.
이를 위해 제2 연산 신호를 이용할 수 있다. 제2 연산 신호는 주기 신호의 개수가 제1 연산 신호를 구성하는 주기 신호의 개수보다 많고 제1 트랙 신호를 구성하는 주기 신호의 개수보다 적다. 예를 들어 도 6에서 제1 연산 신호가 1개의 주기 신호로 구성되고, 제1 트랙 신호가 6개의 주기 신호로 구성될 때, 제2 연산 신호는 3개로 구성될 수 있다.
이 상태에서 연산부는 제1 연산 신호를 제1 분해능으로 분석함으로써 제2 연산 신호를 구성하는 n개의 주기 신호 중 하나를 선택할 수 있다. 이후, 선택된 n개의 주기 신호 중 하나를 제2 분해능으로 분석함으로써 제1 트랙 신호를 구성하는 m개의 주기 신호 중 하나를 선택할 수 있다. 이후, 선택된 m개의 주기 신호 중 하나를 제3 분해능으로 분석함으로써 절대 각도를 산출할 수 있다. 제1 분해능 내지 제3 분해능이 모두 동일하다면, 예를 들어 제1 연산 신호를 6개 구간으로 구분 및 분석함으로써 3개의 주기 신호를 포함하는 제2 연산 신호에서 몇번째 주기 신호에 측정 지점이 매칭되는지 파악한다. 이렇게 파악된 제2 연산 신호의 주기 신호를 6개 구간으로 구분 및 분석함으로써 6개의 주기 신호를 포함하는 제1 트랙 신호에서 몇번째 주기 신호에 측정 지점이 매칭되는지 파악한다. 이는 흡사 스케일의 1회전을 6개 구간으로 구분하는 분해능이 18개 구간으로 구분하는 분해능으로 높아지고, 18개 구간으로 구분하는 분해능이 다시 36개 구간으로 구분하는 분해능으로 높아진 것과 같다. 또한, 각 단계의 분해능에 여유를 제공함으로써 노이즈로부터 강건하다.
이상에서 살펴본 스케일의 절대 각도는 스케일에 형성된 트랙과 트랙에 포함된 패턴의 개수와 밀접한 관계가 있다.
구체적으로 스케일이 제1 트랙, 제2 트랙, 제3 트랙을 포함할 때, 제1 트랙의 패턴 개수는 Ns*Nd개(여기서, Ns는 1 이상의 정수, Nd는 2 이상의 정수)이며, 제2 트랙의 패턴 개수는 Ns*Nd-1개이고, 제3 트랙의 패턴 개수는 (Ns-1)Nd개일 수 있다. 앞의 설명에 따르면 Ns*Nd=m=6, Ns=2, Nd=n=3이다.
이상의 제1 실시예에 따르면, 제1 연산 신호를 획득하기 위해 제1 트랙 신호와 제2 트랙 신호가 사용되고, 제2 연산 신호를 획득하기 위해 제1 트랙 신호와 제3 트랙 신호가 사용된다. 따라서, 제1 트랙 내지 제3 트랙이 모두 구비되는 것이 바람직하다.
스케일의 소형화 및 생산성 향상을 위해 트랙의 개수가 적은 것이 유리하다. 트랙의 개수를 줄이는 방안이 제2 실시예에 개시된다. 제2 실시예에 따르면 2개의 트랙만으로 제1 실시예와 동등한 분해능을 획득할 수 있다. 또한, 실시간으로 절대 각도를 산출할 수 있다.
제2 실시예에 따른 광학 인코더는 수광부, 스케일 및 연산부를 포함하고, 스케일은 m개의 패턴이 형성된 제1 트랙 및 s개의 패턴이 형성된 제2 트랙이 마련된다. 이때, m 및 s의 차이는 Nd(여기서, 1 < Nd < m)일 수 있다. 즉, 제1 트랙의 패턴 개수와 제2 트랙의 패턴 개수의 차이는 2이상이다.
연산부는 제1 트랙과 제2 트랙에 의해 수광부로부터 출력되는 m개의 주기 신호로 구성된 제1 트랙 신호 및 s개의 주기 신호로 구성된 제2 트랙 신호를 연산하여 제1 중재 신호(a first intermediate signal)를 생성하고, 제1 중재 신호를 기초로 절대 각도를 산출할 수 있다.
구체적으로 연산부는 제1 트랙 신호에서 제2 트랙 신호를 감산한 결과로부터 스케일의 1회전당 Nd개의 주기 신호로 구성된 제1 중재 신호를 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 인코더에서 생성되는 신호를 나타낸 개략도이다.
도 7에는 제1 트랙이 9개의 패턴을 갖고, 제2 트랙이 5개의 패턴을 갖는 경우가 개시된다. 이 경우 Nd=4이다.
각 트랙에 형성된 패턴의 개수에 따라 스케일의 1회전당 제1 트랙 신호는 2π주기의 신호가 9개가 포함되는 파형을 갖고, 제2 트랙 신호는 2π주기의 신호가 5개 포함되는 파형을 갖는다.
도 5에서 언급한 방식 등에 따라 각 파형으로부터 산출된 θ1, θ2의 감산 결과를 MOD2π 연산하면 도 7의 (g)와 같이 제1 트랙의 패턴 개수와 제2 트랙의 패턴 개수의 차이인 Nd=4개의 주기 파형이 획득된다. 이렇게 획득된 도 7의 (g)가 제1 중재 신호이다. 제1 중재 신호는 앞에서 설명된 제2 연산 신호와 유사하다.
정리하면, 연산부는 제1 트랙 신호에서 제2 트랙 신호를 감산한 결과로부터 스케일의 1회전당 Nd개의 주기 신호로 구성된 제1 중재 신호를 생성할 수 있다.
도 4의 (b)에 도시된 제1 연산 신호와 같이 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호를 획득하면 절대 각도를 산출할 수 있다. 앞의 실시예에서는 제1 연산 신호를 획득하기 위해 패턴의 개수가 1개 차이나는 트랙들을 이용하였다. 본 실시예에서 연산부는 제1 중재 신호와 제1 트랙 신호의 연산을 통해 제1 연산 신호와 유사하게 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 구성된 제2 중재 신호(a second intermediate signal)를 생성하고, 제2 중재 신호를 설정 분해능으로 분석하여 절대 각도를 산출할 수 있다.
이때, 제2 중재 신호는 제1 중재 신호에 소정 연산 처리를 가한 후 제1 트랙 신호에서 감산한 결과일 수 있다. 구체적으로 연산부는 제1 중재 신호에 Ns(여기서, 0 < Ns < m)를 승산하고, 제1 트랙 신호에서 승산된 신호를 감산한 결과로부터 도 7의 (f)와 같은 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 구성된 제2 중재 신호(a second intermediate signal)를 생성할 수 있다. 도 7의 예에서 Ns는 2이다.
이와 같이 제1 중재 신호와 제2 중재 신호가 획득되면 연산부는 제2 중재 신호를 분석함으로써 제1 중재 신호를 구성하는 Nd개의 주기 신호 중 하나를 선택하고, 선택된 Nd개의 주기 신호 중 하나를 분석하여 절대 각도를 산출할 수 있다. 이 과정은 도 6에서 최종적으로 A/D 컨버터를 도 6의 (b) 그래프에 적용하여 절대 각도를 산출하는 모습과 유사하다. 예를 들어 A/D 컨버터가 360도를 9개 구간으로 구분할 수 있는 분해능을 가지는 것으로 가정할 경우 분해능은 제1 중재 신호에서 선택된 하나의 주기 신호에 A/D 컨버터를 적용하게 되므로, 9*4=36이다. 즉, 위의 A/D 컨버터를 이용하여 스케일의 1회전을 36개 구간으로 구분할 수 있다.
한 단계 더 나아가 연산부는 선택된 Nd개의 주기 신호 중 하나를 분석함으로써 도 7의 (h)와 같이 표현된 제1 트랙 신호를 구성하는 m개의 주기 신호 중 하나를 선택하고, 선택된 m개의 주기 신호 중 하나를 분석하여 절대 각도를 산출할 수 있다. 이 과정은 도 6에서 최종적으로 A/D 컨버터를 도 6의 (c) 그래프에 적용하여 절대 각도를 산출하는 모습과 유사하다. 이때의 분해능은 9*9=81이다. 즉, 위의 A/D 컨버터를 이용하여 스케일의 1회전을 81개 구간으로 구분할 수 있다.
한편, 경우에 따라 제2 중재 신호를 이용하지 않는 것을 좋을 수 있다. 제2 중재 신호를 생성하는 과정에서 Ns를 승산하기 때문에 노이즈도 Ns만큼 승산되고 이러한 노이즈는 제2 중재 신호에 반영된다. 따라서, 제2 중재 신호를 생성하지 않고 제1 중재 신호와 제1 트랙 신호만으로 절대 각도를 획득하는 방안을 고려할 수 있다.
일예로, 연산부는 스케일의 측정 위치에서 출력된 제1 트랙 신호로부터 연산된 각도와 제2 트랙 신호로부터 연산된 각도의 감산 결과를 제1 중재 신호에 매칭시켜 Nd개의 제1 중재점(a first intermediate point) ⓐ를 파악할 수 있다. 제1 중재 신호는 Nd개의 주기 신호를 포함하므로 매칭되는 제1 중재점 ⓐ는 Nd개 존재한다.
이러한 각 제1 중재점을 제1 트랙 신호를 구성하는 m개의 주기 신호에 매칭시켜 Nd개의 제2 중재점(a second intermediate point) ⓑ를 파악할 수 있다.
이후, 연산부는 Nd개의 제2 중재점 중 스케일의 측정 위치에서 출력된 제1 트랙 신호의 값에 가장 근접한 제2 중재점을 포함하는 m개의 주기 신호 중 하나를 분석함으로써 절대 각도를 산출할 수 있다. 도 7의 (h)를 살펴보면 제2 중재점이 세로축으로 모두 다른 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이렇게 다른 값들을 스케일의 측정 위치에서 출력된 제1 트랙 신호의 값, 예를 들어 ⓒ와 비교하여 Nd개의 제2 중재점 중 ⓒ에 가장 근접한 첫번째 제2 중재점을 포함하는 주기 신호를 m개의 주기 신호에서 파악한다. 이렇게 파악된 주기 신호를 설정 분해능, 소위 A/D 컨버터의 분해능으로 분석함으로써 절대 각도를 획득할 수 있다.
제1 중재점과 제2 중재점을 이용하여 절대 각도를 산출하기 위해서 제1 트랙의 패턴 개수는 Ns*Nd+i개(여기서, Ns와 i는 1 이상의 정수, Nd는 2 이상의 정수)이고, 제2 트랙의 패턴 개수는 (Ns-1)*Nd+i개일 수 있다.
도 7의 예에서 Ns는 2, Nd=4, i=1이다. 이와 같은 트랙 구성에 의하면 연산부는 제1 트랙에 대면되는 수광부로부터 출력되는 제1 트랙 신호와 제2 트랙에 대면되는 수광부로부터 출력되는 제2 트랙 신호로부터 스케일의 절대 각도를 산출할 수 있다.
이상에서 설명된 각 실시예를 정리하면 다음과 같다.
기준점을 배제하고 절대 각도를 실시간으로 획득하기 위해 연산부는 제1 트랙에 의해 수광부로부터 출력된 제1 트랙 신호와 제2 트랙에 의해 수광부로부터 출력된 제2 트랙 신호를 연산하여 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호를 생성하고, 이때의 주기 신호를 기초로 스케일의 절대 각도를 산출할 수 있다.
구체적으로, 연산부는 제1 트랙을 통해 수광부로 출력된 신호값을 연산하여 제1 각도를 산출한다. 이때의 제1 각도는 제1 트랙 신호를 구성하는 주기 신호가 나타내는 각도이다. 제1 트랙 신호를 구성하는 주기 신호는 제1 트랙의 패턴 개수만큼 존재하므로 제1 각도만으로는 어느 패턴에 대응되는 주기 신호의 각도인지 알 수 없다. 따라서, 제1 각도만으로 절대 각도를 산출할 수 없다.
연산부는 제2 트랙을 통해 수광부로 출력된 신호값을 연산하여 제2 각도를 산출한다. 이때의 제2 각도 역시 제2 트랙 신호를 구성하는 주기 신호가 나타내는 각도이다. 제2 트랙 신호를 구성하는 주기 신호는 제2 트랙의 패턴 개수만큼 존재하므로 제2 각도만으로는 어느 패턴에 대응되는 주기 신호의 각도인지 알 수 없다. 따라서, 제2 각도만으로 절대 각도를 산출할 수 없다.
제1 트랙의 패턴 개수와 제2 트랙의 패턴 개수 차이가 1인 경우 제1 각도에서 제2 각도를 감산하면 1차적인 절대 각도가 산출된다. 왜냐하면 제1 각도와 제2 각도의 감산 결과는 스케일의 1회전당 고유한 값을 갖기 때문이다. 이때의 1차적인 절대 각도는 4의 (b)와 일치한다. 도 4에서는 제1 각도를 12π 한도로 나타내고, 제2 각도를 10π 한도로 나타내므로 제1 각도에서 제2 각도를 단순히 감산한 결과가 1차적인 절대 각도이다. 실제로 연산부를 통해 산출되는 제1 각도와 제2 각도의 한도는 2π이므로 제1 각도에서 제2 각도를 감산한 결과에 mod2π 연산을 수행하면 도 4의 (b)와 동일한 결과가 출력된다.
참고로, 1차적인 절대 각도는 제1 트랙을 구성하는 제2 패턴 중 몇 번째 제2 패턴에서 신호가 출력된 것인지 파악하는 것으로 볼 수 있다. 이렇게 파악된 제2 패턴 구간을 분석함으로써 분해능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 360개의 제2 패턴을 갖는 제1 트랙의 경우, 1차적인 절대 각도를 이용하여 180번째 제2 패턴에서 신호가 출력된 것이 확인되면, 우선 180도~181도 구간에 스케일이 위치하는 것을 파악할 수 있다.
180번째 제2 패턴에서 출력된 제1 트랙 신호를 분석하면 2차적인 절대 각도를 산출할 수 있다. 다시 말해 180도~181도 구간에서 어느 지점에 스케일이 위치하는지 알 수 있다. 이때의 180도~181도 구간에 360 분해능의 A/D 컨버터를 적용한다면 광학 인코더의 총 분해능은 360*360이 된다.
제1 트랙의 패턴 개수와 제2 트랙의 패턴 개수 차이가 2 이상인 경우 제1 각도에서 제2 각도를 뺀 결과를 정수배한다. 이때의 정수배는 정수배된 결과와 제1 각도의 감산 결과가 절대값 1이 되도록 하는 정수배이다. 이러한 예가 도 8에 개시된다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학 인코더에서 생성되는 신호를 나타낸 개략도이다.
제1 트랙의 패턴 개수가 2*3+2=8(여기서, Ns=2, Nd=3, i=2)개라면(도 8의 (a) 참조), 제2 트랙의 패턴 개수는 (2-1)*3+2=5개이다(도 8의 (b) 참조). 그 차이는 3개이고, 이 상태가 반영되어 도 8의 (c)와 같이 스케일의 1회전당 3개의 주기 신호가 포함되는 제1 중재 신호가 생성된다. 이때 제1 중재 신호를 3정수배한 결과(스케일의 1회전당 9개의 주기 신호가 포함됨)를 제1 트랙 신호에서 빼면 절대값 1을 만족하는 값이 출력된다. 이는 곧 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호를 포함하는 제2 중재 신호가 생성되는 것을 의미한다. 도 8의 (d)와 도 8의 (e)에 이러한 상태가 개시된다.
이러한 연산 과정을 거치면 위에서와 같은 1차적인 절대 각도를 도출할 수 있다. 다시 말해, 제1 각도에서 제2 각도를 뺀 결과를 정수배하고, 제1 각도에서 위 정수배 결과를 감산한 값은 스케일의 1회전당 고유한 값을 갖는다.
정수배로 인한 노이즈의 증폭을 배제하기 위해 제1 중재점과 제2 중재점을 이용할 수도 있다.
이상의 제1 실시예와 제2 실시예에 의해 스케일의 절대 각도를 산출하는 방식을 버어니어(Vernier) 방식이라 칭할 수 있다.
이에 따르면 광학 인코더는 수광부, 수광부에 대해 상대 이동하고, 수광부에 빛을 투영시키는 패턴이 형성된 제1 트랙 및 제2 트랙이 마련된 스케일, 제1 트랙의 패턴 개수와 제2 트랙의 패턴 개수 차이를 기반으로 스케일의 절대 각도를 버어니어(Vernier) 방식으로 산출하는 연산부 및 입력되는 신호를 이산값으로 A/D 변환하는 컨버터부를 포함할 수 있다. 이때, 연산부에서 산출되는 절대 각도의 최대 분해능은 컨버터부의 최대 분해능보다 클 수 있다. 구체적으로 연산부는 제1 트랙의 패턴 개수에서 제2 트랙의 패턴 개수를 뺀 개수의 주기 신호가 스케일의 1회전당 반복되는 제1 중재 신호를 이용하여 스케일의 절대 각도를 산출할 수 있다.
예를 들어 도 6에서 A/D 컨버터를 직접 (a)에 적용할 때의 분해능을 1로 한다면, (a)에서 (b)로 진행하면서 분해능이 3배 증가하고, 다시 (c)로 진행하면서 6배 증가한다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 수광부; 및
    상기 수광부에 대해 상대 이동하고, 복수의 트랙이 형성된 스케일;을 포함하고,
    상기 각 트랙은 상기 수광부에 빛을 투영시키는 패턴을 포함하며,
    상기 트랙은 제1 트랙 및 제2 트랙을 포함하고,
    상기 제1 트랙의 패턴 개수와 상기 제2 트랙의 패턴 개수의 차이가 1인 광학 인코더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랙에 대면되는 상기 수광부로부터 제1 트랙 신호가 출력되고 상기 제2 트랙에 대면되는 상기 수광부로부터 제2 트랙 신호가 출력될 때, 상기 제1 트랙 신호 및 상기 제2 트랙 신호를 연산하여 상기 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 구성된 제1 연산 신호를 생성하고, 상기 제1 연산 신호를 기초로 절대 각도를 산출하는 연산부;를 포함하는 광학 인코더.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 트랙은 상기 제1 트랙의 패턴 개수와 n개(여기서, 1 < n < m, n은 정수, m은 상기 제1 트랙의 패턴 개수) 차이나는 패턴 개수를 갖는 제3 트랙을 포함하고,
    상기 연산부는 상기 제3 트랙에 대면되는 상기 수광부로부터 제3 트랙 신호가 출력될 때, 상기 제1 트랙 신호 및 상기 제3 트랙 신호를 연산하여 상기 스케일의 1회전당 n개의 주기 신호로 구성된 제2 연산 신호를 생성하며, 상기 제1 연산 신호, 상기 제2 연산 신호 및 상기 제1 트랙 신호 중 적어도 하나를 기초로 절대 각도를 산출하는 광학 인코더.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제1 연산 신호를 제1 분해능으로 분석함으로써 상기 제2 연산 신호를 구성하는 상기 n개의 주기 신호 중 하나를 선택하고,
    상기 선택된 n개의 주기 신호 중 하나를 제2 분해능으로 분석함으로써 상기 제1 트랙 신호를 구성하는 상기 m개의 주기 신호 중 하나를 선택하며,
    상기 선택된 m개의 주기 신호 중 하나를 제3 분해능으로 분석함으로써 절대 각도를 산출하는 광학 인코더.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 트랙은 제3 트랙을 포함하고,
    상기 제1 트랙의 패턴 개수는 Ns*Nd개(여기서, Ns는 1 이상의 정수, Nd는 2 이상의 정수)이며,
    상기 제2 트랙의 패턴 개수는 Ns*Nd-1개이고,
    상기 제3 트랙의 패턴 개수는 (Ns-1)Nd개인 광학 인코더.
  6. 수광부;
    m개의 패턴이 형성된 제1 트랙 및 s개의 패턴이 형성된 제2 트랙이 마련되며, 상기 m 및 상기 s의 차이는 Nd(여기서, 1 < Nd < m)인 스케일; 및
    상기 제1 트랙 및 상기 제2 트랙에 의해 상기 수광부로부터 출력되는 상기 m개의 주기 신호로 구성된 제1 트랙 신호 및 상기 s개의 주기 신호로 구성된 제2 트랙 신호를 연산하여 제1 중재 신호(a first intermediate signal)를 생성하고, 상기 제1 중재 신호를 기초로 절대 각도를 산출하는 연산부;를 포함하는 광학 인코더.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 제1 트랙 신호에서 상기 제2 트랙 신호를 감산한 결과로부터 상기 스케일의 1회전당 Nd개의 주기 신호로 구성된 상기 제1 중재 신호를 생성하는 광학 인코더.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 구성된 제2 중재 신호(a second intermediate signal)를 생성하고, 상기 제2 중재 신호를 설정 분해능으로 분석하여 상기 절대 각도를 산출하며,
    상기 제2 중재 신호는 상기 제1 중재 신호의 연산 결과를 상기 제1 트랙 신호에서 감산한 결과인 광학 인코더.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 제1 중재 신호에 Ns(여기서, 0 < Ns < m)를 승산하고, 상기 제1 트랙 신호에서 상기 승산된 신호를 감산한 결과로부터 상기 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 구성된 제2 중재 신호(a second intermediate signal)를 생성하며,
    상기 제2 중재 신호를 설정 분해능으로 분석하여 상기 절대 각도를 산출하는 광학 인코더.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 제1 중재 신호에 Ns를 승산하고, 상기 제1 트랙 신호에서 상기 승산된 신호를 감산한 결과로부터 상기 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 구성된 제2 중재 신호(a second intermediate signal)를 생성하며,
    상기 제2 중재 신호를 분석함으로써 상기 제1 중재 신호를 구성하는 상기 Nd개의 주기 신호 중 하나를 선택하고,
    상기 선택된 Nd개의 주기 신호 중 하나를 분석하여 상기 절대 각도를 산출하는 광학 인코더.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 제1 중재 신호에 Ns를 승산하고, 상기 제1 트랙 신호에서 상기 승산된 신호를 감산한 결과로부터 상기 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호로 구성된 제2 중재 신호(a second intermediate signal)를 생성하며,
    상기 제2 중재 신호를 분석함으로써 상기 제1 중재 신호를 구성하는 상기 Nd개의 주기 신호 중 하나를 선택하고,
    상기 선택된 Nd개의 주기 신호 중 하나를 분석함으로써 상기 제1 트랙 신호를 구성하는 상기 m개의 주기 신호 중 하나를 선택하며,
    상기 선택된 m개의 주기 신호 중 하나를 분석하여 상기 절대 각도를 산출하는 광학 인코더.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 스케일의 측정 위치에서 출력된 상기 제1 트랙 신호로부터 연산된 각도와 상기 제2 트랙 신호로부터 연산된 각도의 감산 결과를 상기 제1 중재 신호에 매칭시켜 Nd개의 제1 중재점(a first intermediate point)을 파악하고,
    상기 제1 중재점을 상기 m개의 주기 신호에 매칭시켜 Nd개의 제2 중재점(a second intermediate point)을 파악하며,
    상기 Nd개의 제2 중재점 중 상기 스케일의 측정 위치에서 출력된 제1 트랙 신호의 값에 가장 근접한 제2 중재점을 포함하는 상기 m개의 주기 신호 중 하나를 분석함으로써 상기 절대 각도를 산출하는 광학 인코더.
  13. 수광부;
    상기 수광부에 대해 상대 이동하고, 상기 수광부에 빛을 투영시키는 패턴으로 구성된 제1 트랙과 제2 트랙이 마련된 스케일; 및
    상기 제1 트랙에 의해 상기 수광부로부터 출력된 제1 트랙 신호와 상기 제2 트랙에 의해 상기 수광부로부터 출력된 제2 트랙 신호를 연산하여 상기 스케일의 1회전당 1개의 주기 신호를 생성하고, 상기 주기 신호를 기초로 상기 스케일의 절대 각도를 산출하는 연산부;
    를 포함하는 광학 인코더.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 트랙의 패턴 개수와 상기 제2 트랙의 패턴 개수는 2 이상인 광학 인코더.
  15. 수광부;
    상기 수광부에 대해 상대 이동하고, 상기 수광부에 빛을 투영시키는 패턴이 형성된 제1 트랙 및 제2 트랙이 마련된 스케일;
    상기 제1 트랙의 패턴 개수와 상기 제2 트랙의 패턴 개수 차이를 기반으로 상기 스케일의 절대 각도를 버어니어(Vernier) 방식으로 산출하는 연산부; 및
    입력되는 신호를 이산값으로 A/D 변환하는 컨버터부;를 포함하고,
    상기 연산부에서 산출되는 상기 절대 각도의 최대 분해능은 상기 컨버터부의 최대 분해능보다 큰 광학 인코더.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 제1 트랙의 패턴 개수에서 상기 제2 트랙의 패턴 개수를 뺀 개수의 주기 신호가 상기 스케일의 1회전당 반복되는 제1 중재 신호를 이용하여 상기 스케일의 절대 각도를 산출하는 광학 인코더.
  17. 수광부; 및
    상기 수광부에 대해 상대 이동하고, 상기 수광부에 빛을 투영시키는 패턴이 형성된 제1 트랙 및 제2 트랙이 마련된 스케일;을 포함하고,
    상기 제1 트랙의 패턴 개수는 Ns*Nd+i개(여기서, Ns와 i는 1 이상의 정수, Nd는 2 이상의 정수)이며,
    상기 제2 트랙의 패턴 개수는 (Ns-1)*Nd+i개인 광학 인코더.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 i는 1인 광학 인코더.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 트랙에 대면되는 상기 수광부로부터 출력되는 제1 트랙 신호와 상기 제2 트랙에 대면되는 상기 수광부로부터 출력되는 제2 트랙 신호로부터 상기 스케일의 절대 각도를 산출하는 연산부;를 포함하는 광학 인코더.
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