KR101227125B1 - 광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법 - Google Patents

광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법 Download PDF

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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.

Description

광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법{Optical encoder and displacement measurement method using the same}
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.
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.
엔코더의 종류로는 크게 인크리멘탈 엔코더(incremental encoder)와 절대치형 엔코더(absolute encoder)가 있다.
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.
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.
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.
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.
본 발명에 있어서, 이동 부재는 중앙에 마련된 회전축을 중심으로 회전하는 회전 디스크일 수 있다.
본 발명에 있어서, 발광부와 이동 부재 사이에 개재되며, 발광부에서 조사된 광을 평행광으로 만드는 렌즈를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 수광부에서 얻어진 간섭광으로부터 상대 변위를 산출하는 제1신호 처리부를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 수광부는 회절 격자를 투과하면서 회절된 광의 적어도 일부가 만나서 간섭을 일으키는 지점에 대응되도록 배치될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 수광부는 복수 개일 수 있다.
본 발명에 있어서, 반사 부재는 이동 부재의 일면에 부착되도록 배치될 수 있다.
본 발명에 있어서, 반사 부재와 이동 부재는 수평일 수 있다.
본 발명에 있어서, 반사 부재와 이동 부재는 경사를 이룰 수 있다.
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.
본 발명에 있어서, 광 투과부의 폭은 회절 격자의 피치의 1/3 또는 2/3일 수있다.
본 발명에 있어서, 발광부로부터 조사된 광이 회절 격자의 표면에서 반사된 광을 수광하는 제2 수광부를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 제2 수광부에서 얻어진 반사광으로부터 절대 변위를 산출하는 제2 신호 처리부를 더 구비할 수 있다.
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.
본 발명에 있어서, 이동 부재는 중앙에 마련된 회전축을 중심으로 회전하는 회전 디스크일 수 있다.
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.
본 발명에 있어서, 광 투과부의 폭은 회절 격자의 피치의 1/3 또는 2/3일 수있다.
본 발명에 있어서, 회절 격자의 표면에서 반사된 광을 수광하는 단계와, 수광된 광의 신호로부터 절대 변위를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상대 변위와 절대 변위를 조합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 반사 부재의 이동 부재에 대한 거리 또는 각도를 조절하여 회절된 광이 만나서 간섭광을 형성하는 위치를 조절할 수 있다.
상술한 구성에 의한 광학식 엔코더 및 이를 이용한 변위 측정 방법에 의해, 하나의 트랙으로 소형화와 저비용화에 적합하면서 고분해능의 절대 변위를 측정할 수 있다.
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.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 광학식 엔코더를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 광학식 엔코더의 일부분을 개략적으로 도시한 사시도이다.
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.
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.
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.
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.
상기 회절 격자(11)는 각도 분해능을 높이기 위해, 이동 부재(10)의 원주에 인접해있는 영역에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
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.
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.
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.
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.
상기 반사 부재(20)는 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등으로 코팅된 반사 거울(reflective mirror)일 수 있다.
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.
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.
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.
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.
따라서, 제1 수광부(41)가 복수 개 배치된 경우에 제1 수광부(41) 간의 거리는 조절이 가능하다.
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.
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.
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.
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.
상기 광 투과부(11a)의 폭은 각 구간별로 식별 가능한 코드를 이루도록 서로 다른 두 개의 값 중에 어느 하나의 값을 갖는다.
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.
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.
상기 제1 신호 처리부(71)와 제2 신호 처리부(72)는 일체로 형성될 수 있다.
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.
도 3은 도 1의 광학식 엔코더의 광 경로의 일부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
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.
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.
(수학식1)
p(sinθm + sinθi) = mλ
여기서, p는 회절 격자(11)의 피치이고, m은 회절 차수, θm은 출사각을 의미한다.
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.
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.
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.
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.
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.
도 4는 광학식 엔코더의 슬릿 패턴의 일 실시예를 도시한 평면도이다.
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.
이때, d1은 피치(p)의 1/3배일 수 있고, d2은 피치(p)의 2/3배일 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 5은 도 1의 실시예에 관한 광학식 엔코더의 변형예를 개략적으로 도시한사시도이다.
도 5은 참조하면, 다른 구성은 도 1과 동일하고, 이동 부재(210)와, 이동 부재(210) 상에 회절 격자(211)가 배치된 위치에만 차이가 있다.
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.
회절 격자(211)은 상기 연장부(217)의 둘레를 따라 일정한 피치(p')로 배치된다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 처리부

Claims (20)

  1. 광을 조사하는 발광부;
    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.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 이동 부재는 중앙에 마련된 회전축을 중심으로 회전하는 회전 디스크인 광학식 엔코더.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 발광부와 상기 이동 부재 사이에 개재되며, 상기 발광부에서 조사된 광을 평행광으로 만드는 렌즈를 더 구비하는 광학식 엔코더.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 수광부에서 얻어진 간섭광으로부터 상대 변위를 산출하는 제1 신호 처리부를 더 구비하는 광학식 엔코더.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 수광부는 상기 회절 격자를 투과하면서 회절된 광의 적어도 일부가 만나서 간섭을 일으키는 지점에 대응되도록 배치되는 광학식 엔코더.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 수광부는 복수 개인 광학식 엔코더.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 반사 부재는 상기 이동 부재의 일면에 부착되도록 배치된 광학식 엔코더.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 반사 부재와 상기 이동 부재는 수평인 광학식 엔코더.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 반사 부재와 상기 이동 부재는 경사를 이루는 광학식 엔코더.
  10. 제1 항에 있어서,
    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.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 광 투과부의 폭은 상기 회절 격자의 피치의 1/3 또는 2/3인 광학식 엔코더.
  12. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 발광부로부터 조사된 광이 상기 회절 격자의 표면에서 반사된 광을 수광하는 제2 수광부를 더 구비하는 광학식 엔코더.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 수광부에서 얻어진 반사광으로부터 절대 변위를 산출하는 제2신호 처리부를 더 구비하는 광학식 엔코더.
  14. 이동 방향을 따라 일정한 피치로 배치되는 회절 격자를 구비하는 이동 부재에 광을 조사하는 단계;
    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.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 이동 부재는 중앙에 마련된 회전축을 중심으로 회전하는 회전 디스크인 변위 측정 방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    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.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 광 투과부의 폭은 상기 회절 격자의 피치의 1/3 또는 2/3인 변위 측정 방법.
  18. 제16 항 또는 제17 항에 있어서,
    상기 회절 격자의 표면에서 반사된 광을 수광하는 단계; 및
    상기 수광된 광의 신호로부터 절대 변위를 산출하는 단계;를 더 포함하는 변위 측정 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 상대 변위와 상기 절대 변위를 조합하는 단계를 더 포함하는 변위 측정 방법.
  20. 제 14항에 있어서,
    상기 반사 부재의 상기 이동 부재에 대한 거리 또는 각도를 조절하여 상기 회절된 광이 만나서 간섭광을 형성하는 위치를 조절하는 변위 측정 방법.
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