KR101227125B1 - Optical encoder and displacement measurement method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나의 트랙으로 고분해능의 절대 각도를 측정할 수 있어 소형화가 가능하고 경제적인 광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법에 관한 것으로, 광을 조사하는 발광부와, 발광부의 광을 반사시키는 반사 부재와, 발광부와 반사 부재의 사이에 광의 진행 방향을 가로지르는 방향으로 이동하도록 배치되며 이동 방향을 따라 일정한 피치로 배치되는 회절 격자를 구비하는 이동 부재와, 이동 부재에 대하여 발광부와 같은 방향에 배치되며 반사 부재에 의해 반사되어 회절 격자에 의해 회절된 광의 적어도 일부가 간섭하는 광을 수광하는 제1 수광부를 구비하는 광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법을 제공한다.The present invention relates to an optical encoder capable of miniaturization and an economical optical encoder and a displacement measuring method using the same, which can measure an absolute angle of high resolution with one track, and includes a light emitting part for irradiating light and a reflective member for reflecting light of the light emitting part. And a moving member having a diffraction grating disposed between the light emitting portion and the reflecting member in a direction crossing the traveling direction of light and arranged at a constant pitch along the moving direction, and with respect to the moving member in the same direction as the light emitting portion. Provided are an optical encoder having a first light receiving portion disposed and reflected by at least a portion of light reflected by a reflective member and diffracted by a diffraction grating, and a displacement measuring method using the same.
Description
본 발명은 광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 트랙으로 고분해능의 절대 변위를 측정할 수 있는 광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an optical encoder and a displacement measuring method using the same, and more particularly, to an optical encoder and a displacement measuring method using the same, which can measure a high resolution absolute displacement with one track.
산업용 로봇, 자동화 설비와 같은 정밀기기에 사용되는 모터에는 모터의 회전 각도를 검출하여 이를 제어하기 위해 엔코더가 구비된다. 엔코더는 움직이는 물체의 변위를 아날로그 신호 또는 디지털 신호로 변환시키는 전기-기계적(electro-mechanical) 장치로서, 주로 회전축에 설치되어 그 회전축의 회전각도 또는 회전속도를 계측하는데 사용된다.Motors used in precision instruments such as industrial robots and automation equipment are equipped with encoders to detect and control the rotation angle of the motor. An encoder is an electro-mechanical device that converts displacement of a moving object into an analog signal or a digital signal, and is mainly installed on a rotating shaft and used to measure the rotation angle or rotation speed of the rotating shaft.
엔코더의 종류로는 크게 인크리멘탈 엔코더(incremental encoder)와 절대치형 엔코더(absolute encoder)가 있다.There are two types of encoders, an incremental encoder and an absolute encoder.
인크리멘탈 엔코더는 규칙적인 패턴이 기록된 디스크가 회전함에 따라, 수광부에서 얻어진 펄스 신호를 누적하여 회전 각도를 측정할 수 있다. 인크리멘탈 엔코더는 고분해능이 가능하면서 고속 제어가 유리하다는 장점이 있지만, 각도의 상대 변화만을 측정할 수 있으므로 전원이 한번 끊어지면 다시 전원이 들어오더라도 회전 각도를 바로 알 수 없으므로 항상 초기화가 필요하다는 문제가 있다.The incremental encoder can measure the rotation angle by accumulating the pulse signal obtained from the light receiving unit as the disk on which the regular pattern is recorded rotates. Incremental encoders have the advantage of high resolution and high speed control, but they can only measure relative changes in angles, so if the power is turned off, the rotation angle is not immediately known even when the power is turned on. there is a problem.
절대치형 엔코더는 디스크의 패턴을 각도마다 다르게 만들어, 고유의 패턴을 읽음으로써 이에 해당하는 절대 각도를 측정할 수 있다. 절대치형 엔코더는 전원 인가시 바로 회전 각도를 알 수 있다는 장점이 있지만, 소형화가 어렵고 분해능이 낮으며, 제어 속도가 느리다는 문제가 있다.Absolute encoders make the disc pattern different for each angle, and can read the unique pattern to measure the corresponding absolute angle. Absolute encoder has the advantage of knowing the rotation angle immediately when the power is applied, but it is difficult to miniaturize, low resolution, and slow control speed.
본 발명은 하나의 트랙으로 고분해능의 절대 변위를 측정할 수 있어 소형화와 저비용화에 적합한 광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical encoder suitable for miniaturization and cost reduction, and a displacement measuring method using the same, capable of measuring high resolution absolute displacement with one track.
본 발명의 일 관점에 의하면, 광을 조사하는 발광부와, 발광부의 광을 반사시키는 반사 부재와, 발광부와 반사 부재의 사이에 광의 진행 방향을 가로지르는 방향으로 이동하도록 배치되며 이동 방향을 따라 일정한 피치로 배치되는 회절 격자를 구비하는 이동 부재와, 이동 부재에 대하여 발광부와 같은 방향에 배치되며 반사 부재에 의해 반사되어 회절 격자에 의해 회절된 광의 적어도 일부가 간섭하는 광을 수광하는 제1 수광부를 구비하는 광학식 엔코더를 제공한다.According to one aspect of the invention, the light emitting portion for irradiating the light, the reflective member for reflecting the light of the light emitting portion, and disposed between the light emitting portion and the reflective member to move in a direction crossing the direction of light travel along the moving direction A moving member having a diffraction grating arranged at a constant pitch, and a first light receiving light interfering with the moving member in the same direction as the light emitting portion and reflected by at least a portion of the light diffracted by the diffraction grating, which is reflected by the reflective member An optical encoder having a light receiving unit is provided.
본 발명에 있어서, 이동 부재는 중앙에 마련된 회전축을 중심으로 회전하는 회전 디스크일 수 있다.In the present invention, the moving member may be a rotating disk that rotates about a rotating shaft provided in the center.
본 발명에 있어서, 발광부와 이동 부재 사이에 개재되며, 발광부에서 조사된 광을 평행광으로 만드는 렌즈를 더 구비할 수 있다.In the present invention, a lens interposed between the light emitting portion and the moving member, the lens irradiated from the light emitting portion may be further provided with a lens.
본 발명에 있어서, 제1 수광부에서 얻어진 간섭광으로부터 상대 변위를 산출하는 제1신호 처리부를 더 구비할 수 있다.In the present invention, the first signal processing unit for calculating the relative displacement from the interference light obtained by the first light receiving unit may be further provided.
본 발명에 있어서, 제1 수광부는 회절 격자를 투과하면서 회절된 광의 적어도 일부가 만나서 간섭을 일으키는 지점에 대응되도록 배치될 수 있다.In the present invention, the first light receiving unit may be disposed to correspond to a point where at least a portion of the diffracted light meets and causes interference while passing through the diffraction grating.
본 발명에 있어서, 제1 수광부는 복수 개일 수 있다.In the present invention, a plurality of first light receiving units may be provided.
본 발명에 있어서, 반사 부재는 이동 부재의 일면에 부착되도록 배치될 수 있다.In the present invention, the reflective member may be disposed to be attached to one surface of the movable member.
본 발명에 있어서, 반사 부재와 이동 부재는 수평일 수 있다.In the present invention, the reflective member and the moving member may be horizontal.
본 발명에 있어서, 반사 부재와 이동 부재는 경사를 이룰 수 있다.In the present invention, the reflective member and the movable member can be inclined.
본 발명에 있어서, 회절 격자는 각 구간별로 식별 가능한 코드를 이루도록 서로 다른 두 개의 값 중에 어느 하나의 값에 해당하는 폭을 갖는 광 투과부를 구비할 수 있다.In the present invention, the diffraction grating may include a light transmitting part having a width corresponding to any one of two different values so as to form an identifiable code for each section.
본 발명에 있어서, 광 투과부의 폭은 회절 격자의 피치의 1/3 또는 2/3일 수있다.In the present invention, the width of the light transmitting portion may be 1/3 or 2/3 of the pitch of the diffraction grating.
본 발명에 있어서, 발광부로부터 조사된 광이 회절 격자의 표면에서 반사된 광을 수광하는 제2 수광부를 더 구비할 수 있다.In the present invention, the light irradiated from the light emitting portion may further include a second light receiving portion for receiving light reflected from the surface of the diffraction grating.
본 발명에 있어서, 제2 수광부에서 얻어진 반사광으로부터 절대 변위를 산출하는 제2 신호 처리부를 더 구비할 수 있다.In the present invention, the second signal processing unit for calculating the absolute displacement from the reflected light obtained by the second light receiving unit may be further provided.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 이동 방향을 따라 일정한 피치로 배치되는 회절 격자를 구비하는 이동 부재에 광을 조사하는 단계와, 회절 격자에 입사된 광이 회절되어 반사 부재에 의해 반사되어, 회절 격자를 통과하며 회절된 광의 적어도 일부가 만나서 형성하는 간섭광을 수광하는 단계와, 간섭광으로부터 이동 부재의 상대 변위를 산출하는 단계를 포함하는 변위 측정 방법을 제공한다.According to another aspect of the invention, the step of irradiating light to the moving member having a diffraction grating disposed at a constant pitch along the moving direction, the light incident on the diffraction grating is diffracted and reflected by the reflective member, the diffraction grating And receiving the interference light that passes through and receives at least a portion of the diffracted light, and calculates a relative displacement of the moving member from the interference light.
본 발명에 있어서, 이동 부재는 중앙에 마련된 회전축을 중심으로 회전하는 회전 디스크일 수 있다.In the present invention, the moving member may be a rotating disk that rotates about a rotating shaft provided in the center.
본 발명에 있어서, 회절 격자는 각 구간별로 식별 가능한 코드를 이루도록 서로 다른 두 개의 값 중에 어느 하나의 값에 해당하는 폭을 갖는 광 투과부를 구비할 수 있다.In the present invention, the diffraction grating may include a light transmitting part having a width corresponding to any one of two different values so as to form an identifiable code for each section.
본 발명에 있어서, 광 투과부의 폭은 회절 격자의 피치의 1/3 또는 2/3일 수있다.In the present invention, the width of the light transmitting portion may be 1/3 or 2/3 of the pitch of the diffraction grating.
본 발명에 있어서, 회절 격자의 표면에서 반사된 광을 수광하는 단계와, 수광된 광의 신호로부터 절대 변위를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the present invention, the method may further include receiving light reflected from the surface of the diffraction grating and calculating an absolute displacement from a signal of the received light.
본 발명에 있어서, 상대 변위와 절대 변위를 조합하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the present invention, the method may further include combining a relative displacement and an absolute displacement.
본 발명에 있어서, 반사 부재의 이동 부재에 대한 거리 또는 각도를 조절하여 회절된 광이 만나서 간섭광을 형성하는 위치를 조절할 수 있다.In the present invention, by adjusting the distance or angle with respect to the moving member of the reflective member, the position where the diffracted light meets to form the interference light can be adjusted.
상술한 구성에 의한 광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법에 의해, 하나의 트랙으로 소형화와 저비용화에 적합하면서 고분해능의 절대 변위를 측정할 수 있다.By the optical encoder and the displacement measuring method using the same structure as described above, it is possible to measure absolute displacement of high resolution while being suitable for miniaturization and cost reduction with one track.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 광학식 엔코더를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 광학식 엔코더의 일부분을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 광학식 엔코더의 광 경로의 일부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 광학식 엔코더의 슬릿 패턴의 일 실시예를 도시한 평면도이다.
도 5은 도 1의 실시예에 관한 광학식 엔코더의 변형예를 개략적으로 도시한사시도이다.
도 6은 도 1의 실시예에 관한 광학식 엔코더를 이용한 변위 측정 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.1 is a perspective view schematically showing an optical encoder according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view of a portion of the optical encoder of FIG. 1. FIG.
3 is a plan view schematically illustrating a portion of an optical path of the optical encoder of FIG. 1.
4 is a plan view illustrating an embodiment of a slit pattern of an optical encoder.
5 is a perspective view schematically showing a modification of the optical encoder according to the embodiment of FIG. 1.
FIG. 6 is a flowchart illustrating steps of a displacement measuring method using an optical encoder according to the embodiment of FIG. 1.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 광학식 엔코더를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 광학식 엔코더의 일부분을 개략적으로 도시한 사시도이다.1 is a perspective view schematically showing an optical encoder according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view schematically showing a part of the optical encoder of FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 관한 광학식 엔코더는 광을 조사하는 발광부(30)와, 상기 발광부(30)의 광을 반사시키는 반사 부재(20)와, 발광부(30)와 반사 부재(20)의 사이에 광의 진행 방향을 가로지르는 방향으로 이동하도록 배치되며, 이동 방향을 따라 일정한 피치(p)로 배치되는 회절 격자(11)를 구비하는 이동 부재(10)와, 상기 이동 부재(10)에 대하여 발광부(30)와 같은 방향에 배치되며, 반사 부재(20)에 의해 반사되어 회절 격자(11)에 의해 회절된 광의 적어도 일부가 간섭하는 광을 수광하는 제1 수광부(41)를 구비한다. 또, 상기 발광부(30)에서 조사된 광의 일부는 상기 이동 부재(10)의 회절 격자(11)의 표면에서 직접 반사되고, 반사된 광을 수광하는 제2 수광부(42)를 더 구비할 수 있다. 1 and 2, the optical encoder according to the present embodiment includes a
이동 부재(10)는 중심부가 회전축(50)에 고정 설치되어 있는 회전 디스크(disk)일 수 있다. 따라서, 이동 부재(10)는 상기 회전축(50)과 함께 회전 중심축선을 중심으로 회전 가능하도록 배치된다. 그러나, 이동 부재(10)는 회전 디스크에 한정되지 않고, 다양한 형태일 수 있으며, 이동 부재(10)는 회전하는 부재일 수도 있고, 직선 이동하는 부재 등 다양한 방법으로 이동하는 모든 부재를 포함한다. The moving
이동 부재(10) 상에는 회전축(50)으로부터 일정한 거리를 두고 회전축(50)의 둘레를 따라 피치(p)가 일정한 회절 격자(11)가 배치된다. 회절 격자(11)는 복수 개의 광 투과부(11a)와 광 차단부(11b)가 교대로 연속적으로 배치된 형태를 갖는다. 상기 회절 격자(11)의 피치(p)는 회전 방향에 수직인 광 투과부(11a)의 일 측면과, 이에 인접하여 배치된 또 다른 광 투과부(11a)의 회전 방향에 수직인 일 측면의 직선 거리에 해당한다.On the moving
상기 광 투과부(11a)의 폭은 빛의 파장(λ)에 비하여 작게 형성하여, 회절이 용이하게 일어날 수 있도록 할 수 있다. 회절 격자(11)의 광 투과부(11a)는 이동 부재(10)를 관통하는 슬릿 형태의 개구일 수 있지만, 이에 한정되지는 않고 함몰부와 돌출부를 구비하고, 함몰부 또는 돌출부에 해당하는 영역이 투과성을 갖는 유리 등의 부재로 구성되어 있는 회절 격자 등도 포함한다. The width of the
상기 회절 격자(11)는 각도 분해능을 높이기 위해, 이동 부재(10)의 원주에 인접해있는 영역에 형성되어 있는 것이 바람직하다.In order to increase the angular resolution, the diffraction grating 11 is preferably formed in a region adjacent to the circumference of the moving
발광부(30)는 이동 부재(10)의 회절 격자(11)가 형성된 면의 일 방향에 배치되어, 회절 격자(11)의 일 영역에 광을 조사한다. 이동 부재(10)는 발광부(30)에 대하여 상대적으로 이동하므로, 광이 조사되는 회절 격자(11)의 위치는 이동 부재(10)가 이동함에 따라 달라진다.The
발광부(30)는 발광 다이오드(LED; light emitting diode) 또는 레이저일 수 있다. 발광부(30)와 이동 부재(10) 사이에는 상기 발광부(30)에서 조사된 광이 평행하게 진행하도록 렌즈(60) 등의 콜리메이터(collimator)를 더 구비할 수 있고, 발광부(30)와 렌즈(60)는 일체로 구성될 수도 있다.The
발광부(30)에서 회절 격자(11)에 광이 조사된 경우, 광의 일부는 회절 격자(11)의 표면에서 직접 반사되고, 다른 일부는 회절 격자(11)의 광 투과부(11a)를 통해 투과하면서 회절된다.When light is irradiated to the diffraction grating 11 by the
회절 격자(11)의 광 투과부(11a)를 통해 투과한 광은 회절되고, 회절된 광은 반사 부재(20)에 의해 반사되어 다시 회절 격자(11)에 입사된다. 회절 격자(11)에 재입사된 광은 회절 격자(11)의 광 투과부(11a)에 의해 다시 회절된다.Light transmitted through the
상기 반사 부재(20)는 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등으로 코팅된 반사 거울(reflective mirror)일 수 있다.The
반사 부재(20)에 의해 회절 격자(11)을 두 번 투과한 광의 적어도 일부는 서로 만나 간섭을 일으키게 된다. 상기 광은 서로 다른 경로를 통과하였으므로, 광 경로의 차이에 따른 위상차에 의해 간섭을 일으키고, 이동 부재(10)가 이동함에 따라 두 광의 광 경로의 차이가 변화하므로, 일 영역에서의 간섭광의 세기가 변화한다. 이때, 간섭광의 세기는 대략 삼각파 또는 사인파 형태로 변화할 수 있다.At least a portion of the light transmitted twice through the
제1 수광부(41)는 상기 간섭광이 형성되는 영역에 배치되어, 간섭을 일으키는 광 신호를 받아들여 전기 신호로 변환한다. 상기 간섭 신호로부터 이동 부재(10)의 상대적인 이동 거리, 즉 상대 변위를 산출해낼 수 있다. 본 실시예에서 상기 변위는 회전각에 대응하므로, 변위로부터 상대 회전각을 산출해낼 수 있다.The first
상기 반사 부재(20)는 회절 격자(11)를 구비하는 이동 부재(10)의 면과 평행하게 배치될 수도 있고, 경사를 이룰 수도 있다. 또한, 반사 부재(20)와 이동 부재(10)의 사이의 간격은 조절 가능하고, 반사 부재(20)는 회절 격자(11)가 형성되어 있는 이동 부재(10)의 일면에 코팅 등의 방법으로 부착되도록 배치될 수도 있다.The
반사 부재(20)와 이동 부재(10) 사이의 간격이나, 두 면이 이루는 각도에 의해 광 경로가 달라지므로, 이를 조절하여 광이 다시 만나는 위치, 즉, 제1 수광부(41)가 배치되는 위치를 조절할 수 있다.Since the light path varies depending on the distance between the
따라서, 제1 수광부(41)가 복수 개 배치된 경우에 제1 수광부(41) 간의 거리는 조절이 가능하다. Therefore, when a plurality of first
제1 신호 처리부(71)는 제1 수광부(41)에서 얻어진 신호로부터 오차를 보정하고, 체배(interpolation)를 하여 높은 분해능과 정밀도를 가지는 상대 변위에 관한 정보를 산출해낼 수 있다.The first
회절 격자(11)의 표면에서 직접 반사된 광은 제2 수광부(42)에 수광된다. 제2 수광부(42)는 회절 격자(11)가 배치된 면에 수직인 면에 대하여 발광부(30)와 대칭이 되도록 배치된다. 발광부(30)는 상기 수직인 면 상에서 일정 거리 이격되어 배치되므로 입사광과 반사광은 공간적으로 분리된다.Light reflected directly from the surface of the
또, 회절 격자(11)의 표면에서 반사된 광과 상기 반사 부재(20)에서 반사된 광도 공간적으로 분리되므로, 제1 수광부(41)와 제2 수광부(42)는 이격되어 배치된다. 제1 수광부(41)와 제2 수광부(42)의 거리는 상술한 바와 같이 반사 부재(20)와 이동 부재(10)의 거리나 각도를 변화시킴으로써 조절할 수 있다.In addition, since the light reflected from the surface of the
회절 격자(11)는 광 투과부(11a)와 광 투과부(11a) 사이에 배치되는 광 차단부(11b)를 구비하고, 광 차단부(11b)는 광 투과부(11a)에 비해 표면 반사가 잘 일어난다. 상기 광 투과부(11a)가 개구인 경우에는 광 투과부(11a)에서의 반사율은 대략 0이 될 것이다.The
상기 광 투과부(11a)의 폭은 각 구간별로 식별 가능한 코드를 이루도록 서로 다른 두 개의 값 중에 어느 하나의 값을 갖는다.The width of the
제2 수광부(42)는 수광된 광을 받아들여 이를 전기적 신호로 변환하는 촬상 소자로 1차원 또는 2차원 포토다이오드 어레이(photodiode array), 씨씨디(CCD;charge coupled device) 등일 수 있다.The
제2 수광부(42)는 회절 격자(11)의 광 투과부(11a)와 광 차단부(11b)의 배치 형태에 관한 정보를 가지고 있는 광을 감지하여 이를 전기 신호로 변환시키고, 제2 수광부(42)와 연결되어 있는 제2 신호 처리부(72)에 의해 절대 변위, 즉 이에 대응되는 절대 회전각을 산출한다. 이에 대해서는 후술한다. The second
상기 제1 신호 처리부(71)와 제2 신호 처리부(72)는 일체로 형성될 수 있다.The
상기 제1 수광부(41)에서 얻어진 고분해능의 가지는 상대 변위와, 상기 제2 수광부(42)에서 얻어진 절대 변위에 관한 정보를 조합함으로써, 고분해능의 절대 변위의 측정이 가능하다.The high resolution absolute displacement can be measured by combining the relative displacement of the high resolution obtained by the first
도 3은 도 1의 광학식 엔코더의 광 경로의 일부를 개략적으로 도시한 평면도이다.3 is a plan view schematically illustrating a portion of an optical path of the optical encoder of FIG. 1.
도 3을 참조하면, 발광부(30)에서 이동 부재(10)에 조사된 광 중에 회절 격자(11)의 광 투과부(11a)를 통해 회절되는 광의 경로를 개략적으로 도시한 것이다. 이동 부재(10)의 표면에서 직접적으로 반사되는 광은 본 도면에서 생략하였다.Referring to FIG. 3, a path of light diffracted through the
발광부(30)로부터 조출된 광은 이동 부재(10)의 회절 격자(11)에 입사되어 광 투과부(11a)를 투과하면서 회절된다. 이때, 광은 파장 λ와 입사각 θi에 따라 하기 수학식 1에 따라 특정한 방향으로 회절된다.Light emitted from the
(수학식1)(1)
p(sinθm + sinθi) = mλ p (sinθm + sinθi) = mλ
여기서, p는 회절 격자(11)의 피치이고, m은 회절 차수, θm은 출사각을 의미한다.Here, p is the pitch of the
도 3은 θi가 90도이고, 회절 차수 m이 0인 경우와, -1, +1인 경우만을 도시하고 있다. 회절된 광은 반사 부재(20)에 의해 반사되어, 다시 이동 부재(10)로 입사된다. 이동 부재(10)에 재입사된 광은 다시 상기 수학식 1에 따라 특정한 방향으로 회절된다.FIG. 3 shows only the case where θ i is 90 degrees, the diffraction order m is 0, and -1 and +1. The diffracted light is reflected by the reflecting
이때, 이동 부재(10)에서 1차로 회절된 광 중에 회절 차수가 0인 광이 이동 부재(10)에 재입사되어, 2차로 회절된 광 중에 회절 차수가 +1인 광(0,+1)과, 1차 회절된 광 중 회절 차수가 -1인 광이 이동 부재(10)에 재입사되어, 2차로 회절된 광 중에 회절 차수가 -1인 광(-1, -1)이 만나는 영역이 존재한다. 두 개의 광이 이동한 경로는 다르기 때문에 위상차가 존재하여, 상기 영역에서 간섭을 일으키게 된다. 상기 위상차는 이동 부재(10)의 이동 거리에 따라 변화한다.At this time, light having a diffraction order of zero among the light diffracted in the first order by the moving
마찬가지로, 1차 회절 차수가 0이고 2차 회절 차수가 -1인 광(0, -1)과, 1차 회절 차수가 +1이고 2차 회절 차수가 +1인 광(+1, +1)이 만나는 영역이 존재한다.Similarly, light having a first order diffraction order of zero and a second order diffraction order of -1 (0, -1), and light having a first order diffraction order of +1 and a second order diffraction order of +1 (+1, +1) This meeting area exists.
상기 영역에 제1 수광부(41)를 배치하여, 간섭 신호를 수광하여 전기 신호로 변환한다. 제1 수광부(41)는 포토다이오드 어레이(photodiode array)일 수 있고, 복수 개일 수도 있다.The
본 실시예는 제1 수광부(41)가 (0,+1)과 (-1,-1)이 만나는 영역과, (0,-1)과(+1,+1)이 만나는 영역에 각각 배치된 경우를 예시하고 있다.In this embodiment, the first
도 4는 광학식 엔코더의 슬릿 패턴의 일 실시예를 도시한 평면도이다.4 is a plan view illustrating an embodiment of a slit pattern of an optical encoder.
도 4를 참조하면, 회절 격자(111)는 이동 부재(110) 상에 배치된다. 상기 회절 격자(111)는 일정한 피치(p)로 배치되어 있고, 광 투과부(111a)와 광 차단부(111b)를 구비한다. 광 투과부(111a)의 폭은 d1과 d2 중에 어느 하나의 값을 가질 수 있고, 각 구간별로 식별 가능한 코드를 이루도록 이동 부재(110) 상에 회전 방향을 따라 연속적으로 배치된다. 광 차단부(111b)의 폭은 p-d1과 p-d2 중에 어느 하나의 값을 갖는다. 여기서 p는 피치를 의미하고, d1, d2는 광 투과부(111a)의 폭를 의미한다.Referring to FIG. 4, the
이때, d1은 피치(p)의 1/3배일 수 있고, d2은 피치(p)의 2/3배일 수 있다.At this time, d1 may be 1/3 times the pitch p, and d2 may be 2/3 times the pitch p.
광 투과부(111a)의 폭이 d1인 경우는 이진 번호 “0”에 대응될 수 있고, d2인 경우는 이진 번호 “1”에 대응될 수 있다. 즉, 회절 격자(111)는 0과 1의 연속적인 배열로 이루어진 이진 코드를 형성하게 된다.When the width of the
상기와 같은 회절 격자(111)는 도 1의 일 실시예에 관한 광학식 엔코더에 적용될 수 있다. 발광부(30)에서 회절 격자(111)에 조사된 광의 일부는 회절 격자(111)의 표면에서 반사되어 제2 수광부(42)에 도달하게 된다. The
이때, 제2 수광부(42)는 복수 개의 광 투과부(111a)와 광 차단부(111b)에 해당하는 광을 획득할 수 있고, 이를 전기 신호로 변환한다. 획득된 광은 광 투과부(111a)에서는 반사가 되지 않거나 극히 일부의 광만이 반사되고, 광 차단부(111b)에서는 상대적으로 반사가 잘 되므로, 대략 펄스 형태일 수 있다. 이러한 펄스의 폭은 광 투과부(111a)의 폭(d1, d2)에 따라 다르므로, 상기 펄스 신호로부터 0과 1로 구성된 이진 코드 신호를 얻을 수 있다. In this case, the
본 실시예는 회절 격자(111)의 표면에서 반사된 광으로부터 3비트의 절대 회전각의 분해능을 가지는 광학식 엔코더를 예시한다. 이는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 예로 분해능은 다양하게 구현될 수 있으며, 분해능은 10비트 이상일 수도 있다.This embodiment illustrates an optical encoder having a resolution of an absolute rotation angle of 3 bits from light reflected at the surface of the
본 실시예는 “001011100”의 이진 코드 신호를 갖는다. 이때, 제2 수광부(42)는 상기 이진 코드 신호를 3비트 단위로 읽는다. 즉, 이동 부재(110)가 회전함에 따라, “001”, “010”, “101”, “011”, “111”, “110”, “100”의 6개의 신호를 읽을 수 있고, 각 신호는 고유의 값을 가지며, 각각 0도, 45도, 90도, 135도, 180도, 225도, 270도, 315도의 회전 각도에 대응된다. 이는 분해능이 3비트, 즉 45도인 경우를 나타낸다.This embodiment has a binary code signal of "001011100". In this case, the
상기의 방법에 의해, 제2 수광부(42)에 의해 이동 부재(110)의 절대 변위를 산출할 수 있고, 회절 격자(111)의 피치(p)에 해당하는 분해능을 획득할 수 있다. 그러나 상술한 바와 같이 회절 격자(111)에 의해 회절된 광들의 간섭 신호를 제1 수광부(41)에 의해 수광하여 더욱 분해능이 높은 상대 변위 신호를 얻을 수 있으므로, 제1 수광부(41)와 제2 수광부(42)에서 얻어진 신호를 조합함으로써, 고분해능의 절대 변위, 즉 이에 대응되는 절대 회전각을 산출해낼 수 있다.By the above method, the absolute displacement of the moving
도 5은 도 1의 실시예에 관한 광학식 엔코더의 변형예를 개략적으로 도시한사시도이다.5 is a perspective view schematically showing a modification of the optical encoder according to the embodiment of FIG. 1.
도 5은 참조하면, 다른 구성은 도 1과 동일하고, 이동 부재(210)와, 이동 부재(210) 상에 회절 격자(211)가 배치된 위치에만 차이가 있다.Referring to FIG. 5, the other configuration is the same as that of FIG. 1, and there is a difference only in the position where the moving
이동 부재(210)의 중심부는 회전축(250)에 고정 설치되어, 회전 중심축선을중심으로 회전 가능하도록 배치되어 있으며, 회전축(250)에 대하여 수평인 디스크부(215)와 상기 디스크부(215)의 원주를 따라, 디스크부(215)에 대하여 수직으로 연장된 연장부(217)로 구성된다.The central portion of the moving
회절 격자(211)은 상기 연장부(217)의 둘레를 따라 일정한 피치(p')로 배치된다.The
상기 회절 격자(211)의 배치 형태에 대응되도록 발광부(230)과 반사 부재(220), 제1 수광부(241)와 제2 수광부(242)가 배치된다. 본 실시예는 발광부(230)와 수광부(241)(242)가 디스크부(215)의 외부에 배치되고, 반사 부재(220)가 디스크부(215)의 내부에 배치된 구성을 나타내고 있으나, 반대로 구성될 수도 있다.The
도 6은 도 1의 실시예에 관한 광학식 엔코더를 이용한 변위 측정 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다. 변위 측정 방법에 관해서는 도 1 내지 도 4에서 광학식 엔코더와 함께 언급하였으므로, 이하에서는 간략히 설명한다.FIG. 6 is a flowchart illustrating steps of a displacement measuring method using an optical encoder according to the embodiment of FIG. 1. Since the displacement measuring method is mentioned together with the optical encoder in FIGS. 1 to 4, the following description will be briefly provided.
도 6을 참조하면, 이동 부재(10)에 광을 조사하는 단계(S100)와, 간섭광을 수광하는 단계(S130)와, 상대 변위를 산출하는 단계(S140)을 포함한다. 또한, 회절 격자(11)의 표면에서 반사된 광을 수광하는 단계(S110)과, 절대 변위를 산출하는 단계(S120)와, 상대 변위와 절대 변위를 조합하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, the method includes irradiating light to the moving member 10 (S100), receiving interference light (S130), and calculating a relative displacement (S140). In addition, the method may further include receiving the light reflected from the surface of the diffraction grating 11 (S110), calculating the absolute displacement (S120), and combining the relative and absolute displacements (S150). have.
이동 부재(10)에 광을 조사하는 단계(S100)는 회절 격자(11)를 구비하는 이동 부재(10)와 이동 부재(10)를 사이에 두고 발광부(30)와 반사 부재(20)를 정렬(align)하고 발광부(30)로부터 이동 부재(10)에 광을 조사하는 단계를 포함한다. 이때, 광은 이동 부재(10) 상에 배치된 회절 격자(11)에 대응되도록 조사한다.In the step S100 of irradiating light to the moving
반사 부재(20)는 이동 부재(10)의 발광부(30)가 배치되어 있는 반대면에 코팅 등의 방식으로 부착되어 있을 수도 있고, 별도로 이동 부재(10)와 소정 간격 이격되어 배치될 수도 있다. The
간섭광을 수광하는 단계(S130)는 상기 반사 부재(20)로부터 반사되어, 회절 격자(11)에 의해 회절된 광이 만나서 형성하는 간섭광을 제1 수광부(41)에 의해 수광하는 단계를 포함한다. 이때, 제1 수광부(41)는 도 3에서 설명한 바와 같이 회절된 광이 만나는 영역에 대응되도록 배치한다. 이때, 반사 부재(20)와 이동 부재(10)의 사이의 간격와 각도를 조절하여 제1 수광부(41)의 위치를 결정하고, 상기 제1 수광부(41)에 의해 간섭광을 수광한다.Receiving the interference light (S130) includes the step of receiving by the
상대 변위를 산출하는 단계(S140)는 제1 수광부(41)에 의해 수광된 간섭광으로부터 이동 부재(10)의 상대 변위를 산출하는 단계를 포함한다. 간섭광은 대략 삼각파 또는 사인파 형태일 수 있으므로, 이를 체배하고, 보정함으로써 고분해능의 상대 변위를 산출해낼 수 있다.The calculating of the relative displacement (S140) includes calculating the relative displacement of the moving
상기 회절 격자(11)는 각 구간별로 식별 가능한 코드를 이루도록 서로 다른 두 개의 값 중에 어느 하나의 값에 해당하는 폭을 갖는 광 투과부(11a)를 구비할 수 있고, 광 투과부(11a)의 폭은 회절 격자(11)의 피치(p)의 1/3 또는 2/3일 수 있다.The
회절 격자(11)의 표면에서 반사된 광을 수광하는 단계(S110)와 절대 변위를 산출하는 단계(S120)는 회절 격자(11)의 표면에서 반사된 광을 제2 수광부(42)에 의해 수광하는 단계와, 이로부터 절대 변위 산출하는 단계를 포함한다.Receiving the light reflected from the surface of the diffraction grating 11 (S110) and calculating the absolute displacement (S120) receives the light reflected from the surface of the
상대 변위와 절대 변위를 조합하는 단계(S150)는 상기 제1 수광부(41)에서 얻어진 고분해능의 상대 변위에 관한 정보와, 상기 제2 수광부(42)에서 얻어진 절대 변위에 관한 정보를 조합하여 고분해능의 절대 변위를 측정하는 단계를 포함한다.Combining the relative displacement and the absolute displacement (S150) is a combination of the information on the high resolution relative displacement obtained in the first
본 발명의 상술한 실시예는 회전하는 이동 부재에 관하여 기술하였지만, 이동 부재는 이에 한정되지 않고, 직선 이동하는 부재 등 다양한 방법으로 이동하는 모든 부재를 포함하고, 상기 변위는 직선 이동 거리, 회전각 등을 모두 포함한다.Although the above-described embodiment of the present invention has been described with respect to the rotating member, the moving member is not limited to this, and includes all members moving in various ways such as a linear moving member, and the displacement is a linear moving distance and a rotation angle. It includes all of them.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
10: 이동 부재 11: 회절 격자
11a: 광 투과부 11b: 광 차단부
20: 반사 부재 30: 발광부
41: 제1 수광부 42: 제2 수광부
50: 회전축 60: 렌즈
71: 제1 신호 처리부 72: 제2 신호 처리부10: moving member 11: diffraction grating
11a:
20: reflection member 30: light emitting portion
41: first light receiver 42: second light receiver
50: axis of rotation 60: lens
71: first signal processor 72: second signal processor
Claims (20)
상기 발광부의 광을 반사시키는 반사 부재;
상기 발광부와 상기 반사 부재의 사이에 광의 진행 방향을 가로지르는 방향으로 이동하도록 배치되며, 이동 방향을 따라 일정한 피치로 배치되는 회절 격자를 구비하는 이동 부재; 및
상기 이동 부재에 대하여 상기 발광부와 같은 방향에 배치되며 상기 반사 부재에 의해 반사되어 상기 회절 격자에 의해 회절된 광의 적어도 일부가 간섭하는 광을 수광하는 제1 수광부;를 구비하는 광학식 엔코더.Light emitting unit for irradiating light;
A reflective member for reflecting light of the light emitting portion;
A moving member disposed between the light emitting unit and the reflective member to move in a direction crossing a traveling direction of light and having a diffraction grating disposed at a constant pitch along the moving direction; And
And a first light receiving portion disposed in the same direction as the light emitting portion with respect to the moving member and receiving light that is reflected by the reflective member and at least a portion of the light diffracted by the diffraction grating interferes with the moving member.
상기 이동 부재는 중앙에 마련된 회전축을 중심으로 회전하는 회전 디스크인 광학식 엔코더.The method according to claim 1,
The moving member is an optical encoder which is a rotating disk rotating about a rotation axis provided in the center.
상기 발광부와 상기 이동 부재 사이에 개재되며, 상기 발광부에서 조사된 광을 평행광으로 만드는 렌즈를 더 구비하는 광학식 엔코더.The method according to claim 1,
An optical encoder interposed between the light emitting portion and the moving member, the lens further comprises a lens for making the light emitted from the light emitting portion into parallel light.
상기 제1 수광부에서 얻어진 간섭광으로부터 상대 변위를 산출하는 제1 신호 처리부를 더 구비하는 광학식 엔코더.The method according to claim 1,
An optical encoder further comprising a first signal processing unit for calculating a relative displacement from the interference light obtained by the first light receiving unit.
상기 제1 수광부는 상기 회절 격자를 투과하면서 회절된 광의 적어도 일부가 만나서 간섭을 일으키는 지점에 대응되도록 배치되는 광학식 엔코더.The method according to claim 1,
And the first light receiving portion is disposed to correspond to a point where at least a portion of the diffracted light meets and causes interference while passing through the diffraction grating.
상기 제1 수광부는 복수 개인 광학식 엔코더.The method according to claim 1,
And an optical encoder having a plurality of first light receiving units.
상기 반사 부재는 상기 이동 부재의 일면에 부착되도록 배치된 광학식 엔코더.The method according to claim 1,
And the reflective member is disposed to be attached to one surface of the movable member.
상기 반사 부재와 상기 이동 부재는 수평인 광학식 엔코더.The method according to claim 1,
And the reflecting member and the moving member are horizontal.
상기 반사 부재와 상기 이동 부재는 경사를 이루는 광학식 엔코더.The method according to claim 1,
And the reflective member and the movable member are inclined.
상기 회절 격자는 각 구간별로 식별 가능한 코드를 이루도록 서로 다른 두 개의 값 중에 어느 하나의 값에 해당하는 폭을 갖는 광 투과부를 구비하는 광학식 엔코더.The method according to claim 1,
The diffraction grating includes an optical encoder having a light transmission part having a width corresponding to any one of two different values so as to form an identifiable code for each section.
상기 광 투과부의 폭은 상기 회절 격자의 피치의 1/3 또는 2/3인 광학식 엔코더.The method of claim 10,
And the width of the light transmitting portion is 1/3 or 2/3 of the pitch of the diffraction grating.
상기 발광부로부터 조사된 광이 상기 회절 격자의 표면에서 반사된 광을 수광하는 제2 수광부를 더 구비하는 광학식 엔코더.The method according to claim 10 or 11,
And a second light receiver configured to receive light reflected from the surface of the diffraction grating by light emitted from the light emitter.
상기 제2 수광부에서 얻어진 반사광으로부터 절대 변위를 산출하는 제2신호 처리부를 더 구비하는 광학식 엔코더.The method of claim 12,
And a second signal processing unit for calculating an absolute displacement from the reflected light obtained by the second light receiving unit.
상기 회절 격자에 입사된 광이 회절되어 반사 부재에 의해 반사되어, 상기 회절 격자를 통과하며 회절된 광의 적어도 일부가 만나서 형성하는 간섭광을 수광하는 단계; 및
상기 간섭광으로부터 상기 이동 부재의 상대 변위를 산출하는 단계;를 포함하는 변위 측정 방법.Irradiating light on a moving member having a diffraction grating disposed at a constant pitch along the moving direction;
Light incident on the diffraction grating is diffracted and reflected by a reflecting member to receive interference light passing through the diffraction grating and formed by at least a portion of the diffracted light meet and form; And
Calculating a relative displacement of the moving member from the interference light.
상기 이동 부재는 중앙에 마련된 회전축을 중심으로 회전하는 회전 디스크인 변위 측정 방법.15. The method of claim 14,
The moving member is a displacement measuring method is a rotating disk that rotates about a rotation axis provided in the center.
상기 회절 격자는 각 구간별로 식별 가능한 코드를 이루도록 서로 다른 두 개의 값 중에 어느 하나의 값에 해당하는 폭을 갖는 광 투과부를 구비하는 변위 측정 방법.15. The method of claim 14,
The diffraction grating includes a light transmitting part having a width corresponding to any one of two different values to form an identifiable code for each section.
상기 광 투과부의 폭은 상기 회절 격자의 피치의 1/3 또는 2/3인 변위 측정 방법.15. The method of claim 14,
And the width of the light transmitting portion is 1/3 or 2/3 of the pitch of the diffraction grating.
상기 회절 격자의 표면에서 반사된 광을 수광하는 단계; 및
상기 수광된 광의 신호로부터 절대 변위를 산출하는 단계;를 더 포함하는 변위 측정 방법.The method according to claim 16 or 17,
Receiving light reflected from a surface of the diffraction grating; And
Calculating an absolute displacement from the signal of the received light.
상기 상대 변위와 상기 절대 변위를 조합하는 단계를 더 포함하는 변위 측정 방법. 19. The method of claim 18,
Combining the relative displacement with the absolute displacement.
상기 반사 부재의 상기 이동 부재에 대한 거리 또는 각도를 조절하여 상기 회절된 광이 만나서 간섭광을 형성하는 위치를 조절하는 변위 측정 방법.The method of claim 14,
And adjusting a distance or angle of the reflective member to the moving member to adjust a position at which the diffracted light meets to form interference light.
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