KR101387951B1 - 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법 - Google Patents

싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔코더를 이용하여 웹의 이송 속도를 측정하는 방법에 대한 것으로서 특히 마스크와 스케일을 거쳐 나온 빛을 단일한 필드로 스캐닝한 후 이에 의해 웹의 스케일 피치를 산출하며, 상기 산출된 스케일의 피치에 의해 일 피치당 4개의 위상 신호를 추출하여 이송 속도를 산출하여 상기 스케일 피치가 변화하거나 혹은 선폭이 변화하는 경우에도 정밀하게 웹의 이송 속도를 측정할 수 있는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법에 대한 것이다.

Description

싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법{Web feed using a single-field encoder velocity measuring apparatus}
본 발명은 엔코더를 이용하여 웹의 이송 속도를 측정하는 방법에 대한 것으로서 특히 마스크와 스케일을 거쳐 나온 빛을 단일한 필드로 스캐닝한 후 이에 의해 웹의 스케일 피치를 산출하며, 상기 산출된 스케일의 피치에 의해 일 피치당 4개의 위상 신호를 추출하여 이송 속도를 산출하여 상기 스케일 피치가 변화하거나 혹은 선폭이 변화하는 경우에도 정밀하게 웹의 이송 속도를 측정할 수 있는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법에 대한 것이다.
최근 RFID, 태양 전지, 전자 종이 등 저가의 소모성 전자 소자를 유연 기판(웹)에 인쇄 공정을 이용하여 정밀도 수~수십 ㎛급의 정밀도를 가지는 제품을 생산하는 기술이 제안되고 있다.
이를 위해 재료 측면에서는 고가의 실리콘 웨이퍼가 아닌 플라스틱 기판을, 공정으로는 잉크젯 공정, 그라비아 인쇄방법, 스크린 인쇄방법 등의 저온으로 직접 인쇄하는 저가 공정이 연구되고 있으며, 인-라인 (in-line) 공급 방식보다는 롤투롤 (roll-to-roll) 인쇄 공정이 생산성의 극대화를 위해 각광받고 있다.
이때, 롤투롤 인쇄 방식은 인쇄 롤(roll) 에 잉크를 묻혀 플라스틱이나 금속의 얇은 필름으로 이루어진 기판(이하 웹이라 함)에 잉크를 직접 전이하는 접촉식 인쇄방법으로서, 그라비아 (Gravure) 방식, 플렉소 (Flexography) 방식, 옵셋(Off-set) 방식 등이 있다.
롤투롤 인쇄공정 및 장비기술개발에 필요한 기술로는 크게 프린팅 공정장비 기술과, 롤투롤 웹 이송 제어 기술 등으로 나뉜다.
이때, 상술한 바와 같은 웹에 정밀한 패턴을 인쇄하기 위해서는 상술한 롤의 속도와 웹의 이송 속도가 일치해야 한다. 만일 상기 웹과 롤의 속도가 일치하지 않으면, 상기 웹상에 인쇄되는 패턴이 중첩되거나 혹은 실제 인쇄되어야 할 위치가 아닌 다른 위치에 인쇄될 수 있기 때문이다.
상술한 바와 같이 웹의 이송 속도를 측정하기 위해서는 종래의 경우 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 선형 엔코더를 이용하는 방법이 제시되고 있다.
즉, 도시된 바와 같이 스케일(S)이 형성된 웹(W)와 상기 웹(W)상에 배치되는 것으로서 특정 피치로 빛이 투과되는 마스크(R)를 포함하여 상기 스케일(S)과 마스크(R)를 투과하는 빛의 강도 변화를 감지부에 의해 측정하여 상기 웹(W)의 이송 속도를 측정하였다.
이때, 상기 감지부에 의해 측정된 빛의 강도 변화를 이용하여 리사쥬 서클을 형성한 후 상기 리사쥬 서클의 특정 각도를 산출하여 웹의 이송 속도를 산출하게 된다.
그런데 이러한 종래 기술은 상기 웹(W)의 스케일 피치나 선폭이 변화하는 경우 웹의 이송 속도를 측정하기가 곤란한 문제점이 있었다. 즉, 상술한 바와 같이 종래 기술의 경우 4개의 위상별로 빛의 강도 변화를 측정하게 되는데 이 때, 상기 각 위상에 해당하는 스케일의 피치나 선폭이 일치하지 않으면 정확한 이송 속도를 산출하기 어렵게 되기 때문이다.
한편, 상술한 바와 같이 4개의 위상별 신호를 이용하여 웹의 이송 속도를 산출하는 장치 및 방법은 널리 알려진 기술로서 특히 아래의 선행 문헌에 자세히 기재되어 있는 바, 이에 대한 자세한 설명과 도시는 생략한다.
1. 한국 등록 특허 제1121680호 2. 한국 등록 특허 제0304162호 3. 한국 등록 특허 제1232890호 4. 일본 공개 특허 제1999-240140호
논문 K.K. Tan et al., "New Interpolation Method for Quadrature Encoder Signals", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 51, No. 5, 2002
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 마스크와 스케일을 거쳐 나온 빛을 단일한 필드로 스캐닝한 후 이에 의해 웹의 스케일 피치를 산출하며, 상기 산출된 스케일의 피치에 의해 일 피치당 4개의 위상 신호를 추출하여 이송 속도를 산출하여 상기 스케일 피치가 변화하거나 혹은 선폭이 변화하는 경우에도 정밀하게 웹의 이송 속도를 측정할 수 있는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마스크(R)의 피치(Pr)와 상이한 피치(Ps)를 갖는 스케일(S)이 형성된 웹(W)과, 상기 스케일(S)에서 투과된 빛을 감지하는 것으로서 다수 개의 감지부(111)가 집적된 단일의 이미지 센서(110)를 포함하여 웹의 이송 속도를 측정하는 방법(S100)으로서, 상기 마스크(R)와 스케일(S)을 통과한 빛을 상기 이미지 센서(110)에 의해 단일한 필드로 감지하는 단계와, 상기 감지된 신호에 의해 이송되는 웹(W)의 스케일 피치(Ps)를 산출하는 단계와, 상기 산출된 스케일 피치(Ps)에 의해 일 피치당 4개의 위상에 해당하는 신호를 추출한 후 리사쥬 서클을 형성하여 웹의 이송 속도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법에 일 특징이 있다.
또한, 본 발명은 마스크(R)의 피치(Pr)와 상이한 피치(Ps)를 갖는 스케일(S)이 형성된 웹(W)과, 상기 스케일(S)에서 투과된 빛을 감지하는 것으로서 다수 개의 감지부(111)가 집적된 단일의 이미지 센서(110)를 포함하여 웹의 이송 속도를 측정하는 방법(S100)으로서, 상기 마스크(R)와 스케일(S)을 투과한 빛의 비팅 진동수(fb)를 산출하는 단계(S110)와, 상기 산출된 비팅 진동수(fb)에 의해 이송되는 웹(W)의 스케일 피치(Ps)를 산출하는 단계(S120)와, 상기 산출된 스케일 피치(Ps) 중 인접하는 타이밍 사이의 피치 변화가 최소화되도록 상기 피치(Ps)를 에버리징하는 단계(S130)와, 상기 에버리징된 피치(Ps,k,mean)를 기준으로 일 피치당 4개의 위상에 해당하는 신호를 추출한 후 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호를 산출하는 단계(S140)와, 상기 2개의 신호에 의해 리사쥬 서클의 각도를 산출한 후 이를 이용하여 상기 웹의 이송 속도를 산출하는 단계(S160)를 포함하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법에 또 다른 특징이 있다.
이때, 상기 비팅 진동수(fb)를 산출하는 단계(S110)는 상기 이미지 센서(110)에서 발생된 신호를 FFT하거나 또는 auto-correlation한 후, FFT하여 비팅 진동수(fb)를 산출하는 것도 가능하다.
삭제
또한, 상기 산출된 비팅 진동수(fb)에 의해 스케일의 피치(Ps)를 산출하는 단계(S120)는 스케일의 진동수(fs)를 계산한 후 이에 의해 상기 스케일의 피치(Ps)를 산출하는 것도 가능하다.
삭제
삭제
삭제
또한, 상기 산출된 스케일의 피치(Ps)를 에버리징하는 단계(S130)는 특정 시점에서의 피치와 선행되는 다수 개 시점의 피치를 최소 자승법에 의해 에버리징된 스케일 피치(Ps,k,mean)로 산출하거나, 혹은 산술 평균하여 에버리징된 스케일 피치(Ps,k,mean)로 산출하는 것도 가능하다.
또한, 상기 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호(
Figure 112014007499536-pat00001
,
Figure 112014007499536-pat00002
)를 산출하는 단계(S140)는 상기 에버리징된 피치(Ps,k,mean)를 기준으로 일 피치당 4개의 위상(0도,90도,180도,270도)에 해당하는 신호 강도를 추출한 후 평균하며, 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호(
Figure 112014007499536-pat00003
,
Figure 112014007499536-pat00004
)는 아래의 수학식1에 의해 산출하는 것도 가능하다.
[수학식 1]
Figure 112013041281206-pat00005
= IO - I180
Figure 112013041281206-pat00006
= I90 - I270
단, IO : 0도위상에서의 신호 강도,
I90 : 90도 위상에서의 신호 강도,
I180 : 180도 위상에서의 신호강도,
I270 : 270도 위상에서의 신호강도.
또한, 상기 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호(
Figure 112013041281206-pat00007
,
Figure 112013041281206-pat00008
)를 산출한 후 이를 보정하여 상기 리사쥬 서클을 보정하는 단계(S150)를 더 포함하는 것도 가능하다.
또한, 상기 리사쥬 서클을 보정한 후 아래의 수학식3에 의해 SQ를 산출한 후 상기 SQ가 이미 설정된 threshold값 이하인 경우 현 계측 값을 무시하고 전 시간대의 계측 값을 사용하는 것도 가능하다.
[수학식 2]
Figure 112013041281206-pat00009
단, di : 리샤쥬 서클 보정 후 신호에 해당하는 지점에서 반지름1인 원과의 거리, np,ave : 신호 개수
또한, 상기 산출된 웹의 이송 속도가 급변하는 지점이 있는 경우 상이한 특성을 가지는 이미지 센서를 다수 개 구비하여 급변하는 지점 전후의 신호를 각각 수신하는 것도 가능하다.
또한, 측정 장치와 같이 제공되는 스케일을 상기 웹(W) 제조 시 동시에 형성하는 동시 성형 방식의 스케일을 더 포함하는 것도 가능하다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다라는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의해 스케일 피치가 변화하거나 혹은 선폭이 변화하는 경우에도 정밀하게 웹의 이송 속도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 엔코더를 이용하여 웹의 이송 속도를 측정하는 종래의 장치를 설명하는 개념도,
도 2는 4 필드 방식의 엔코더를 이용하여 웹의 이송 속도를 측정하는 종래의 장치를 설명하는 개념도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 다른 측정 장치를 설명하는 개념도,
도 4는 비팅 진동수를 설명하기 위한 개념도,
도 5는 비팅 현상을 도시하는 사진,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 의해 획득된 신호를 나타내는 그래프,
도 7은 상기 신호를 저대역 통과 필터를 통과시켜 저대역 주파수 성분만을 추출한 것을 도시하는 그래프,
도 8은 상기 저대역 주파수 성분을 auto-correlation한 그래프,
도 9는 상기 그래프를 FFT하여 피치를 구하는 것을 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의해 생성된 Beating 신호를 피치당 4개의 위상에 해당하는 신호 강도를 추출하는 과정을 도시하는 개념도,
도 11은 상기 보정된 스케일 피치에 의해 4분할 신호를 구하는 것을 도시하는 개념도,
도 12는 왜곡된 리사쥬 서클의 일 예를 도시하는 개념도,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의해 산출된 피치를 나타내는 그래프,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의해 산출된 리사쥬 서클 및 보정된 리사쥬 써클을 나타내는 그래프,
도 15는 시그널 퀄러티를 체크하는 SQ에 대해 설명하는 개념도,
도 16 내지 도 19는 본 발명에 의해 산출된 속도 및 SQ를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면"등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 상세히 설명하기로 한다.
첨부된 도 1은 엔코더를 이용하여 웹의 이송 속도를 측정하는 종래의 장치를 설명하는 개념도, 도 2는 4 필드 방식의 엔코더를 이용하여 웹의 이송 속도를 측정하는 종래의 장치를 설명하는 개념도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 다른 측정 장치를 설명하는 개념도, 도 4는 비팅 진동수를 설명하기 위한 개념도, 도 5는 비팅 현상을 도시하는 사진, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 의해 획득된 신호를 나타내는 그래프, 도 7은 상기 신호를 저대역 통과 필터를 통과시켜 저대역 주파수 성분만을 추출한 것을 도시하는 그래프, 도 8은 상기 저대역 주파수 성분을 auto-correlation한 그래프, 도 9는 상기 그래프를 FFT하여 피치를 구하는 것을 나타내는 그래프, 도 10 은 본 발명의 일 실시예에 의해 생성된 Beating 신호를 피치당 4개의 위상에 해당하는 신호 강도를 추출하는 과정을 도시하는 개념도, 도 11은 상기 보정된 스케일 피치에 의해 4분할 신호를 구하는 것을 도시하는 개념도, 도 12는 왜곡된 리사쥬 서클의 일 예를 도시하는 개념도, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의해 산출된 피치를 나타내는 그래프, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 의해 산출된 리사쥬 서클 및 보정된 리사쥬 써클을 나타내는 그래프, 도 15는 시그널 퀄러티를 체크하는 SQ에 대해 설명하는 개념도, 도 16 내지 도 19는 본 발명에 의해 산출된 속도 및 SQ를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 상술된 바와 같이 단일한 필드를 사용하는 것으로서 우선 도 3을 참조하여 본 발명의 장치(100)에 대해 설명한다.
도시된 바와 같이 본 발명의 웹 이송 속도 측정 장치(100)는 웹(W)에 스케일이 형성되고, 상기 웹(W) 일 측에 배치되는 레티클에 마스크(R)가 형성되는 점은 동일하다. 또한, 상기 마스크(R)측에 평행광을 제공하기 위해 광원과 렌즈가 설치되며, 이 역시 종래 기술과 동일하다.
다만, 본 발명의 경우 상기 마스크(R)와 스케일(S)을 통과한 빛을 다수 개의 감지부(111)가 집적된 단일의 이미지 센서(110)에 의해 감지하게 되며, 마스크(R)의 피치(Pr)와 스케일(S)의 피치(Ps)는 상이한 점이 특징이다.
즉, 상기 스케일(S)을 통과한 빛 전체를 하나의 이미지 센서(110)가 감지하게 되어 단일의 필드에 해당하는 신호를 획득하게 된다. 이러한 본 발명에 의하면 이송되는 웹의 스케일 피치가 달라져도 이는 상기 신호 전체에 대해 영향을 미치게 되므로 실제 이송되며 변화하는 웹의 스케일 피치를 산출하면 상기 웹의 이송 속도를 정밀하게 계측할 수 있다.
종래에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 스케일(S)이 형성된 웹(W)와 상기 웹(W)상에 배치되는 것으로서 특정 피치로 빛이 투과되는 마스크(R)를 포함하여 상기 스케일(S)과 마스크(R)를 투과하는 빛의 강도 변화를 감지부에 의해 측정하여 상기 웹(W)의 이송 속도를 측정하였다.
예를 들어 마스크(M)와 스케일(S) 그리고 감지부를 0도, 90도, 180도, 270도의 위상별로 할당한 후 빛을 감지하는 방식이었다.
그런데, 실제 이송되는 웹의 스케일 피치나 선폭이 변화하는 경우 각 위상에 해당하는 피치 또는 선폭이 달라지므로 이와 같은 기법에 의해서는 웹의 이송 속도를 정밀하게 계측하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 피치 변화가 작을 경우 계측 정밀도가 감소하며, 어느 선을 넘을 경우 신호가 왜곡되는 정도가 커져서 계측 자체가 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결한 것으로서 상술된 바와 같이 상기 마스크(R)와 스케일(S)을 통과한 빛을 상기 이미지 센서(110)에 의해 단일한 필드로 감지하고, 상기 감지된 신호에 의해 이송되는 웹(W)의 스케일 피치(Ps)를 산출한 후, 상기 산출된 스케일 피치(Ps)에 의해 일 피치당 4개의 위상에 해당하는 신호를 추출한 후 리사쥬 서클을 형성하여 웹의 이송 속도를 측정하면 스케일 피치나 선폭이 달라져도 정밀하게 웹 이송 속도를 계측할 수 있다.
이하 본 발명의 측정 방법을 통해 자세히 설명한다.
우선, 상기 마스크(R)와 스케일(S)을 투과한 빛의 비팅 진동수(fb)를 산출하는 단계(S110, 이하 제1단계라 함)와, 상기 산출된 비팅 진동수(fb)에 의해 이송되는 웹(W)의 스케일 피치(Ps)를 산출하는 단계(S120, 이하 제2단계라 함)를 수행한다.
즉, 상술된 바와 같이 이송되는 웹의 스케일 피치(Ps)를 구하기 위해 상기 마스크(R)와 스케일(S)을 투과한 빛의 비팅 진동수(fb)를 산출하는 제1단계(S110)를 수행한다.
상기 비팅 진동수라고 하는 것은 널리 알려진 바와 같이 피치가 다른 슬롯을 투과한 빛을 일정한 진동수로 강한 빛(신호)과 약한 빛(신호)이 반복되며, 이러한 진동수를 비팅 진동수라고 한다.
즉, 도 4에 나타난 바와 같이 마스크와 스케일의 피치가 상이하면 도 5에 도시된 바와 같이 일정 진동수로 강한 빛과 약한 빛이 반복된다.
이때, 상기 제1단계(S110)에서 비팅 진동수(fb)를 산출하기 위해 상기 이미지 센서(110)에서 발생된 신호(즉, 비팅 신호)를 널리 알려진 FFT에 의해 비팅 진동수(fb)를 산출하거나 혹은 도 8에 나타난 바와 같이 auto-correalation한 후 도 9에 나타난 바와 같이 FFT처리하여 비팅 진동수(fb)를 산출할 수 있다.
삭제
삭제
삭제
한편, 상기 FFT나 auto-correlation은 널리 알려진 계측 방법이므로 자세한 설명은 생략한다.
삭제
이상 설명한 바와 같은 제1단계(S110)에 의해 비팅 진동수(fb)를 산출한 후, 상기 산출된 비팅 진동수(fb)에 의해 이송되는 웹(W)의 스케일 피치(Ps)를 산출하는 제2단계(S120)를 수행한다.
이를 위해 아래의 수학식1에 의해 스케일의 진동수(fs)를 계산한 후 이를 이용하여 상기 스케일의 피치(Ps)를 산출한다.
삭제
삭제
삭제
이와 같은 방법에 의해 스케일의 진동수(fs)를 계산한 후 역수를 취하면 스케일의 피치(Ps)를 산출할 수 있게 된다.
이와 같은 방법에 의해 스케일 피치(Ps)를 산출하면 도 10에 나타난 바와 같이 상기 산출된 스케일 피치(Ps)를 기준으로 4개의 위상에 해당하는 신호 강도를 추출하여 리사쥬 서클을 형성할 수 있으며 이에 의해 최종적으로 웹의 이송 속도를 산출할 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 i번째 피치를 기준으로 0도, 90도, 180도, 270도 등의 4개의 위상에 대한 신호 강도 즉,IO,i,I90,i,I180,i,I270,i를 산출한 후 전체를 기준으로 평균을 하여 IO,I90,I180,I270 를 산출하게 된다.
이후, 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호 즉,
Figure 112013041281206-pat00010
(=IO - I180),
Figure 112013041281206-pat00011
(=I90 - I270)를 산출한다.
이때, 상기 2개의 신호에 의해 리사쥬 서클의 특정 지점에서의 각도(θ)를 구할 수 있으며, 상기 각도(θ)에 의해 웹의 거리(아래의 수학식4참조)를 산출할 수 있고, 최종적으로 웹의 속도는 이를 미분(아래의 수학식5 참조)하여 구할 수 있다.
[수학식 3]
웹의 이동 거리 = PS ×θ/2π
단, PS는 스케일 피치
[수학식 4]
웹의 속도 = PS ×ω/2π
단, ω는 θ의 시간 미분
한편, 상기 수학식3 및 수학식4에 의해 웹의 이동 거리 및 속도를 구하는 기법은 널리 알려진 것인 관계로 자세한 설명은 생략한다.
그런데 상술한 방법에 의해 산출된 스케일 피치(Ps)의 경우 측정 타이밍 마다 약간의 다른 값을 가지는 관계로 이에 의해 산출된 웹의 이송 속도에 오차가 발생한다.
즉, 널리 알려진 바와 같이 리사쥬 서클에 의해 웹의 속도를 산출하기 위해 필요한 각도(θ)는 인접하는 시간대에 해당하는 신호 사이의 각도인데, 이 때 상기 각 신호에 해당하는 스케일 피치(Ps)의 변동이 작을 수록 정확한 이송 속도가 산출된다.
그런데 본 발명의 경우 인접한 타이밍 간의 피치 변화는 무시할 정도로 작다는 가정하에 구현되는 것으로서, 상술한 바와 같이 각 타이밍마다 스케일 피치의 차이가 있는 경우 정확한 이송 속도 산출이 어려우므로 상기 산출된 스케일 피치(Ps)에서 인접하는 타이밍 사이의 피치 변화가 최소화되도록 상기 피치(Ps)를 에버리징하는 단계(S130, 이하 제3단계라 함)를 수행하는 것이 바람직하다.
이에 의해 MA filter를 적용한 효과로 피치 Estimation의 noise를 저감하여 정밀도를 개선할 수 있으나 후술되는 바와 같이 급격한 피치 변화가 실제 동반된 경우 계측 정밀도가 떨어지는 단점이 존재하며, 이는 후술되는 바와 같이 SQ의 급감으로 이어지며 dual sensor 등을 통해 극복가능하다.
이를 위해 상기 제3단계(S130)는 특정 시점에서의 피치 및 그 근방의 피치에 대한 평균값을 구하여 에버리징된 스케일 피치(Ps,k,mean)로 산출할 수 있다.
즉, 도 11에 도시된 바와 같이 특정 k시점의 스케일 피치(Ps,k)를 에버리징하기위해 상기 k시점에 선행하는 다수 개의 시점에 대한 피치(Ps,k-n+1 ~ Ps,k-1)를 이용하여 에버리징할 수 있다.
예를 들어 선행하는 시점에 대한 피치를 최소 자승법에 의해 처리하여 에버리징된 스케일 피치(Ps,k,mean)을 얻을 수 있다.
물론 상기 선행하는 시점에 대한 피치의 산술 평균에 의해서도 에버리징된 스케일 피치(Ps,k,mean)을 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 에버리징된 스케일 피치(Ps,k,mean)를 기준으로 일 피치당 4개의 위상에 해당하는 신호를 추출한 후 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호를 산출하는 단계(S140, 이하 제4단계라 함)를 수행한다.
즉, 앞서 설명된 바와 같이 상기 에버리징된 스케일 피치(Ps,k,mean)를 기준으로 일 피치당 4개의 위상(0도,90도,180도,270도)에 해당하는 신호 강도를 추출한 후 평균한다.(아래의 수학식2 참조)
[수학식 1]
Figure 112013041281206-pat00012
= IO - I180
Figure 112013041281206-pat00013
= I90 - I270
단, IO : 0도위상에서의 신호 강도, I90 : 90도 위상에서의 신호 강도, I180 : 180도 위상에서의 신호강도, I270 : 270도 위상에서의 신호강도.
한편, 상기 산출된
Figure 112013041281206-pat00014
및
Figure 112013041281206-pat00015
에 의해 리사쥬 서클을 형성할 수 있는데, 실제 도출된 리사쥬 서클은 이상적인 원형으로 나타나지 않고 여러 가지 오차로 인해 도 12에 나타난 바와 같이 일정 부분 왜곡된 형태로 나타남이 일반적이다.
이러한 왜곡된 리사쥬 서클을 이용하면 정확한 속도 산출이 어려우므로 상기 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호(
Figure 112013041281206-pat00016
,
Figure 112013041281206-pat00017
)를 산출한 후 이를 보정하여 상기 리사쥬 서클을 보정하는 단계(S150, 이하 제5단계라 함)를 수행하는 것이 바람직하다.
이와 같이 리사쥬 서클의 보정은 널리 알려진 알고리듬을 사용할 수 있으며 특히 상기 선행문헌으로 기재된 논문에 자세히 설명되어 있으므로 이에 대한 자세한 기재는 생략한다.
또한 상술한 바와 같은 연산은 널리 알려진 연산부(컴퓨터 등)에 의해 수행될 수 있으며, 이 역시 널리 알려진 구성인 관계로 자세한 기재는 생략한다.
이상 설명된 본 발명의 방법을 실제 수행한 데이터를 대상으로 다시 설명한다.
도 13은 피치가 점차 증가하는 경우에 대해 스케일 피치를 산출한 것을 도시한 것으로서 도 13의 최상부 그림은 실제 이동 변위에 대한 피치 변화를 도시한 것이고, 도 13의 중간부 그림은 본 발명에 의해 산출된 스케일 피치(Ps)로서 보정전의 값이며, 도 13의 최하측 그림은 보정된 스케일 피치로서, 선행하는 19개를 포함한 피치를 산술 평균하여 보정한 것이다.
도시된 바와 같이 에버리징 되기 전의 스케일 피치는 실제 증가하는 피치의 경향에 일치하지 못하는 모습을 보이고 있으나 에버리징된 후의 스케일 피치는 실제 증가하는 피치의 경향에 안정적으로 추종하고 있음을 확인할 수 있으며.이는 평균을 통한 MA filter의 효과가 발생한 것이다.
이때 상기 도 13의 최하측 그림의 경우 좌측단 부분의 그래프가 없는데, 이는 선행하는 20개의 신호를 평균하여 스케일 피치를 산출했기 때문이다.
한편, 상술한 바와 같이 보정된 스케일 피치에 의해 도 14의 좌측에 도시된 바와 같은 리사쥬 서클이 형성될 수 있는데, 상술한 바와 같이 여러 오차로 인해 상기 리사쥬 서클이 다소 왜곡되어 있으므로 이를 보정하여 도 14의 우측에 도시된 바와 같이 왜곡된 부분을 해소한 후 특정 지점 사이의 각도를 산출할 수 있고, 이에 의해 보다 정확한 이송 속도를 산출할 수 있다.
즉, 상술한 바와 같은 2개의 신호에 의해 보정된 리사쥬 서클의 각도를 산출한 후 이를 이용하여 상기 웹의 이송 속도를 산출하는 단계(S160, 이하 제6단계라 함)를 수행할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 각 시점에서의 신호의 품질을 체크하기 위해 리사쥬 서클을 보정한 후 아래의 수학식3에 의해 SQ를 산출하는 것도 가능하다.(도 15 참조)
[수학식 2]
Figure 112013041281206-pat00018
단, di : 리샤쥬 서클 보정 후 신호에 해당하는 지점에서 반지름1인 원과의 거리, np,ave : 신호 개수
즉, 상기 SQ는 보정된 리사쥬 서클과 각 신호의 지점에서의 반지름1의 단위 원과의 평균 거리로서 이 값이 1에 가까울수록 즉, 상기 d의 값이 작을수록 정상적인 신호로 볼 수 있다.
이때, 상기 SQ가 이미 설정된 threshold값 이하인 경우 정상적인 신호로 볼 수 없으므로 현 계측값을 무시하고 전 시간대의 계측값을 사용하는 것도 가능하다.
특히 상기 SQ가 특정 시간 이상 threshold값 이하인 경우 계측 장치에 문제가 있는 것으로 판단하는 것도 가능하다.
한편, 도 16 및 도 17은 웹 이송 속도가 100mm/s이고 에러 소스의 입력이 없는 조건에서 상술한 본 발명에 의해 이송 속도와 SQ를 산출한 것으로서, 도 16은 피치 변화가 느리되 랜덤하게 변화하는 경우이고 도 17은 피치 변호가 급변하는 경우이다.
도 16의 최상부 그림에 도시된 바와 같이 측정된 위치 오차는 1%이하로서 우수한 계측 결과를 보이고 있으며, 이에 따른 속도 오차의 경우도 상당히 적은 범위 내임을 확인할 수 있다. 또한 SQ의 경우도 대략 0.98범위에서 움직이고 있어 안정적인 신호 확보가 가능함을 알 수 있다.
다만, 도 17의 경우 급격한 피치 변화가 있는 것으로서 도시된 바와 같이 위치오차나 속도 오차 그리고 SQ값이 이에 따라 급변하는 지점이 있어 신뢰성이 다소 하락하는 것으로 볼 수 있다.
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다시 말헤서 상술한 바와 같이 본 발명의 경우 인접한 타이밍 간의 피치 변화는 무시할 정도로 작다는 가정하에 구현되는 것으로서, 상술한 바와 같이 각 타이밍마다 스케일 피치의 차이가 있는 경우 정확한 이송 속도 산출이 어려우므로 상기 산출된 스케일 피치(Ps)에서 인접하는 타이밍 사이의 피치 변화가 최소화되도록 상기 피치(Ps)를 에버리징한다.
이에 의해 MA filter를 적용한 효과로 피치 Estimation의 noise를 저감하여 정밀도를 개선할 수 있으나, 상술한 바와 같이 급격한 피치 변화가 실제 동반된 경우 계측 정밀도가 떨어지는 단점이 존재한다.
이를 극복하기 위해 상기 산출된 웹의 이송 속도 등이 급변하는 지점이 있는 경우 상기 이미지 센서를 다수 개 구비(예를 들어 dual sensor)하여 급변하는 지점 전후의 신호를 각각 수신한 후, SQ가 높은 데이터를 선별 사용하여 정확한 측정 결과를 얻는 것도 가능하다.
한편, 도 18 및 도 19는 도 16 및 도 17과 동일하되 에러 소스가 도입된 경우로서 앞서 설명한 경향과 유사하므로 중복되는 설명은 생략한다.
한편, 본 발명에 의해 계측된 결과에 영향을 미칠 수 있는 오차에 대해 살펴본다.
계산 결과 장력에 의한 영향은 미미한 것으로 나타났다. 실험 결과 장력 20N변화 시 인장률은 100um/300mm로서 0.3%에 불과하여 실험 결과에 미치는 영향은 미미하였으며, 다만, 패턴 롤 오차나 인쇄 공정에서의 오차가 영향을 미치는 것으로 나타났다.
또한, 빛의 회전에 의해 발생한 오차나 선폭 변화에 따른 오차 역시 결과에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
한편, 일반적으로 상술한 바와 같은 측정 장치 구입시 스케일을 같이 구입하여 사용함이 일반적이나 이러한 경우 측정 오차가 많이 발생할 우려가 있으므로, 상기 측정 장치와 같이 제공되는 스케일을 상기 웹(W) 제조 시 동시에 형성하는 동시 성형 방식의 스케일을 더 포함하는 것도 가능하다.
즉, 상술한 바와 같이 측정 장치와 같이 사용하는 스케일을 웹 제조시 같이 성형한 후 사용하면 주위 환경의 영향을 덜 받기 때문에 보다 고정밀도의 계측 결과를 얻을 수 있다.
한편, 상기 동시 성형 방식의 스케일은웹 제작시 imprint나 광식각법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
또한 상기 동시 성형 방식의 스케일이 형성된 웹 자체를 측정 장치와 동시에 판매하거나 따로 판매하는 것도 가능하다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상을 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.
110 : 감지부 111 : 감지부
W : 웹 S : 웹 스케일
R : 마스크

Claims (11)

  1. 마스크(R)의 피치(Pr)와 상이한 피치(Ps)를 갖는 스케일(S)이 형성된 웹(W)과, 상기 스케일(S)에서 투과된 빛을 감지하는 것으로서 다수 개의 감지부(111)가 집적된 단일의 이미지 센서(110)를 포함하여 웹의 이송 속도를 측정하는 방법(S100)으로서,
    상기 마스크(R)와 스케일(S)을 통과한 빛을 상기 이미지 센서(110)에 의해 단일한 필드로 감지하는 단계와,
    상기 감지된 신호에 의해 이송되는 웹(W)의 스케일 피치(Ps)를 산출하는 단계와,
    상기 산출된 스케일 피치(Ps)에 의해 일 피치당 4개의 위상에 해당하는 신호를 추출한 후 리사쥬 서클을 형성하여 웹의 이송 속도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
  2. 마스크(R)의 피치(Pr)와 상이한 피치(Ps)를 갖는 스케일(S)이 형성된 웹(W)과, 상기 스케일(S)에서 투과된 빛을 감지하는 것으로서 다수 개의 감지부(111)가 집적된 단일의 이미지 센서(110)를 포함하여 웹의 이송 속도를 측정하는 방법(S100)으로서,
    상기 마스크(R)와 스케일(S)을 투과한 빛의 비팅 진동수(fb)를 산출하는 단계(S110)와,
    상기 산출된 비팅 진동수(fb)에 의해 이송되는 웹(W)의 스케일 피치(Ps)를 산출하는 단계(S120)와,
    상기 산출된 스케일 피치(Ps) 중 인접하는 타이밍 사이의 피치 변화가 최소화되도록 상기 피치(Ps)를 에버리징하는 단계(S130)와,
    상기 에버리징된 피치(Ps,k,mean)를 기준으로 일 피치당 4개의 위상에 해당하는 신호를 추출한 후 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호를 산출하는 단계(S140)와,
    상기 2개의 신호에 의해 리사쥬 서클의 각도를 산출한 후 이를 이용하여 상기 웹의 이송 속도를 산출하는 단계(S160)를 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비팅 진동수(fb)를 산출하는 단계(S110)는 상기 이미지 센서(110)에서 발생된 신호를 FFT하거나 또는 auto-correlation한 후 FFT하여 비팅 진동수(fb)를 산출하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 산출된 비팅 진동수(fb)에 의해 스케일의 피치(Ps)를 산출하는 단계(S120)는 스케일의 진동수(fs)를 계산한 후 이에 의해 상기 스케일의 피치(Ps)를 산출하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 산출된 스케일의 피치(Ps)를 에버리징하는 단계(S130)는 특정 시점에서의 피치와 선행되는 다수 개 시점의 피치를 최소 자승법에 의해 에버리징된 스케일 피치(Ps,k,mean)로 산출하거나, 혹은 산술 평균하여 에버리징된 스케일 피치(Ps,k,mean)로 산출하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호(
    Figure 112014007499536-pat00019
    ,
    Figure 112014007499536-pat00020
    )를 산출하는 단계(S140)는 상기 에버리징된 피치(Ps,k,mean)를 기준으로 일 피치당 4개의 위상(0도,90도,180도,270도)에 해당하는 신호 강도를 추출한 후 평균하며,
    리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호(
    Figure 112014007499536-pat00021
    ,
    Figure 112014007499536-pat00022
    )는 아래의 수학식2에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
    [수학식2]
    Figure 112014007499536-pat00023
    = IO - I180
    Figure 112014007499536-pat00024
    = I90 - I270
    단, IO : 0도위상에서의 신호 강도,
    I90 : 90도 위상에서의 신호 강도,
    I180 : 180도 위상에서의 신호강도,
    I270 : 270도 위상에서의 신호강도.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 리사쥬 서클을 형성하기 위한 2개의 신호(
    Figure 112013041281206-pat00025
    ,
    Figure 112013041281206-pat00026
    )를 산출한 후 이를 보정하여 상기 리사쥬 서클을 보정하는 단계(S150)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리사쥬 서클을 보정한 후 아래의 수학식3에 의해 SQ를 산출한 후 상기 SQ가 이미 설정된 threshold값 이하인 경우 현 계측값을 무시하고 전 시간대의 계측값을 사용하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
    [수학식3]
    Figure 112013041281206-pat00027

    단 di : 리샤쥬 서클 보정 후 각 신호에 해당하는 지점에서 반지름1인 원과의 거리
    np,ave : 신호 개수
  10. 제2항에 있어서,
    상기 산출된 웹의 이송 속도가 급변하는 지점이 있는 경우 상이한 특성을 가지는 이미지 센서를 다수 개 구비하여 급변하는 지점 전후의 신호를 각각 수신하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스케일(S)이 형성된 웹(W)과, 상기 스케일(S)에서 투과된 빛을 감지하는 한편, 다수 개의 감지부(111)가 집적된 단일의 이미지 센서(110)를 포함하여 웹의 이송 속도를 측정하는 장치와 같이 제공되는 스케일을 상기 웹(W) 제조 시 동시에 형성하는 동시 성형 방식의 스케일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글 필드 방식의 엔코더를 이용한 웹 이송 속도 측정 방법.
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