KR20120121032A - 2차원 형태의 코드 디스크 및 광 신호 수신부를 가진 광학 엔코더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전각 정보를 생성하는 광학식 엔코더에 대하여, 회전각 정보를 생성하기 위한 코드 디스크 패턴에 대하여 2차원 형태로 배치된 코드 패턴을 형성하고, 이를 감지하기 위하여 2차원으로 배열된 수광 소자 어레이를 내장한 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 엔코더에 관한 것이다. 이에 의해, 적은 트랙 수로 원하는 분해능의 광학 엔코더용 코드 디스크를 구현할 수 있으며 트랙 수 감소에 따라 소형 코드 디스크 제작을 가능하게 한다. 또한 1차원으로 배치된 디스크 패턴을 2차원으로 배치함으로써 광학 엔코더 제작을 위하여 코드 디스크와 수광부의 조립 시 발생하는 정렬 오차의 영향도 감소시킬 수 있다.

Description

광학 엔코더를 위한 ２차원 코드 패턴 및 수광 소자 배치 및 설계 방법{2D code pattern and photo-detector array design method for optical encoder}

본 발명은 광학 엔코더(optical encoder)의 코드 디스크(code disk)에 적용되는 패턴에 배치 및 설계 방법에 관한 것으로, 상세하게는 회전 각도 감지를 위해 코드 디스크에 적용되는 패턴을 2차원 어레이(2D array)로 배치하고, 2차원으로 배치된 디스크로부터 위치를 감지할 수 있는 수광부(photo-detector)의 배치 방법 및 설계 방법에 관한 것이다. 이와 같이 코드 디스크 패턴의 2차원 배치를 통해 적은 트랙(track) 수로 원하는 분해능의 광학 엔코더용 코드 디스크를 제작할 수 있으며, 트랙 수의 감소로 인해 소형 코드 디스크 제작이 가능해 진다.

모터의 회전 각도를 측정하고 제어하기 위하여 모터 회전축에 부착하여 회전각을 감지하는 엔코더는 회전 각도 인식 방법에 따라 광학식 엔코더, 마그네틱 엔코더(magnetic encoder), 레졸버 타입 엔코더(resolver type encoder), 기계식 엔코더(mechanical encoder), 캐패시티브 엔코더(capacitive encoder)로 크게 구분된다. 이 중 광학식 엔코더는 고분해능을 구현할 수 있으며, 신호처리가 다른 엔코더에 비해 쉽고, 제작 비용이 낮아 가장 널리 이용되고 있다. 광학식 엔코더는 각도 정보가 코드화 되어, 다수의 독립적인 트랙 위에 기록된 코드 디스크와 광을 생성하는 발광부(light source), 그리고 발광부의 광이 코드 디스크를 통과하거나 반사된 광을 수신하는 수광부로 크게 구성된다. 광학식 엔코더를 위한 코드 디스크에는 회전 위치 인식을 위하여 그레이(gray) 코드, 바이너리(binary) 코드, 엠(M) 코드, 수도랜덤(Pseudorandom) 코드 등을 바탕으로 코드화된 패턴이 다수의 트랙으로 형성되어 있으며, 이러한 코드화된 패턴의 형태에 따라 엔코더의 분해능이 결정된다. 일반적으로 위와 같은 패턴은 하나의 비트(bit)를 표현하기 위하여 1개의 트랙이 필요하게 된다. 예를 들어 6 비트 분해능의 코드 디스크를 제작하기 위해서는 6개의 트랙이 필요로 하게 된다. 따라서, 20 비트 수준의 고분해능 엔코더의 경우 20개의 트랙이 필요하므로 코드 디스크의 사이즈가 증가하여 광학 엔코더의 크기가 증가하는 문제가 발생하게 된다. 또한, 일렬로 배치된 디스크 패턴을 감지하기 위하여 일렬로 배치된 수광부 가 적용되기 때문에 광학 디스크와 수광부 사이의 미세한 정밀 오차의 영향으로 정확한 위치 정보를 생성하지 못하게 된다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 정현파를 생성하여 회전 위치를 인식하는 기술이 적용되고 있으나, 이와 같은 경우 적은 트랙수로 광학 엔코더의 분해능을 증가시킬 수 있다는 장점이 있으나, 정현파 신호를 처리하여 회전 위치 인식을 위한 추가적인 신호처리부가 적용되어야 하는 단점이 있다.

상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 광학 엔코더를 위한 코드 디스크의 패턴을 2차원 어레이로 배치하고, 수광 소자 내의 수광부를 2차원 어레이 광 신호를 감지할 수 있도록 배치하여, 적은 트랙 수로 원하는 분해능을 얻을 수 있도록 하는 디스크 패턴 및 수광 소자 배치 방법 및 설계 방법을 제공하는 것으로 목적으로 한다. 상기 2차원 디스크 패턴 및 수광 소자 배치 방법을 적용할 경우, 적은 트랙 수로 원하는 분해능을 구현할 수 있으며 트랙 수 감소에 따라 소형 코드 디스크 제작을 가능하게 한다. 또한 1차원으로 배치된 디스크 패턴을 2차원으로 배치함으로써 정렬 오차의 영향도 감소시킬 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 코드 디스크 패턴 배치 방법은, 1비트에 해당하는 코드를 일렬로 배치하지 않고 2차원 형태로 배치하고, 위와 같이 배치된 코드 디스크를 통과하는 발광부의 광을 감지하기 위한 수광부 어레이가 포함된 수광 소자로 구성된다. 발광부의 광의 경우 코드 디스크를 통과하기 않고 반사되어 수광 소자에 전달될 수 있으며, 이 경우 발광부와 수광부가 하나의 소자 위에 제작될 수도 있다. 또한, 회전 위치 인식을 용이하게 하기 위하여 보조적인 패턴 및 수광 소자가 2차원 디스크 패턴 및 수광 소자 어레이에 추가될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광학식 엔코더의 2차원 코드 디스크 패턴 및 수광 소자 어레이 배치 설계 방법을 이용하면, 적은 트랙 수로 원하는 분해능의 광학 엔코더용 코드 디스크를 구현할 수 있으며 트랙 수 감소에 따라 소형 코드 디스크 제작을 가능하게 한다. 또한 1차원으로 배치된 디스크 패턴을 2차원으로 배치함으로써 광학 엔코더 제작을 위하여 코드 디스크와 수광부의 조립 시 발생하는 정렬 오차의 영향도 감소시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 엔코더의 구성을 도시한 개념도.
도 2 는 도 1에 표시된 코드 디스크 및 수광부와 수광 소자 어레이의 배치 예를 도시한 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 2차원으로 배치된 코드 패턴(3×2 형태) 및 수광 소자 어레이 배치 방법 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 2차원으로 배치된 코드 패턴(2×3 형태) 및 수광 소자 어레이 배치 방법의 예시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 광학 엔코더의 분해능을 향상시키기 위한 추가 수광 소자 어레이의 배치 방법의 예시도.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 일 실시형태에 따른 광학 엔코더를 위한 2차원 코드 패턴 및 수광 소자 배치 및 설계 방법에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 엔코더의 구성을 도시한 개념도로 모터 회전 축에 고정된 코드 디스크와 발광부, 수광부로 구성이 되어 있으며, 코드 디스크에는 위치 감지를 위한 디스크 패턴이 내장되어 있다.

도 2 는 도 1에 표시된 코드 디스크 및 수광부와 수광 소자 어레이의 배치 예를 도시한 것으로 기존 기술을 이용하여 6비트 신호를 생성하기 위하여 일렬로 배치된 코드 디스크 패턴과 수광 소자 어레이를 나타내고 있다.

도 2 을 참조하면, 기존 기술을 이용하여 6개의 비트가 1차원 어레이로 배치된 코드 디스크와 수광 소자 어레이를 바탕으로 6 비트 위치 신호를 감지하면 코드 디스크 진행 방향에 대하여 (000000), (010111), (10000) 순으로 위치별로 특정한 코드 패턴을 감지하여 회전 위치 정보를 생성할 수 있게 된다.

도 3은 6비트 신호를 기준으로 하여 2차원(3×2) 디스크 패턴을 적용한 예를 코드 디스크 패턴과 수광 소자 어레이를 도시한 것이다.

도 3을 참조하며, 코드화된 디스크 패턴을 2차원(3×2)으로 배치하고, 수광 소자도 동일한 방식으로 배치함으로써 6 비트 회전각 신호를 생성하기 위하여 6개의 트랙이 아닌 2개의 트랙을 적용하고 있다. 도 2와 같은 디스크 패턴 및 수광 소자 어레이를 이용하는 경우에도 도 3과 마찬가지로 코드 디스크 진행 방향에 대하여 (000 101), (001 000), (010 001), (100 010)과 같이 특정한 회전 위치 정보를 생성할 수 있게 된다.

도 4는 6비트 신호를 기준으로 하여 2차원(2×3) 디스크 패턴을 적용한 다른 예를 코드 디스크 패턴과 수광 소자 어레이를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 도 3과 다르게 디스크 패턴과 수광 소자 어레이를 (2×3) 형태로 배치하여 6비트 회전 신호 생성에 적용하고 있다. 이와 같이 배치하는 경우에는 3개의 트랙으로 6 비트 회전각 위치 신호를 생성할 수 있으며, 이전 경우와 마찬가지로 코드 디스크 진행 방향에 대해 유니크(unique)한 위치 정보를 출력할 수 있게 된다.

도 5는 도 3과 같이 배치된 코드 디스크 및 수광 소자 어레이 형태에서 분해능을 향상시키기 위하여 기존의 수광 소자 어레이와 일정한 간격을 두고 추가 수광 소자 어레이를 배치한 것을 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 도 3과 동일한 형태의 2차원 패턴이 내장된 코드 디스크를 적용하는 경우 기존의 수광 소자 어레이에 대하여 단일 코드의 간격(x)의 절반(x/2)에 해당하는 거리를 두고 추가 수광 소자 어레이를 배치하여 기존 수광 소자가 감지하지 못하는 중간 위치 값을 감지할 수 있게 된다. 따라서, 상기 실시예를 적용하는 경우 도 3에 도시된 코드 디스크 및 수광 소자 어레이 배치 방법과 비교하여 1비트 분해능이 향상된 총 7비트 회전각 정보를 생성할 수 있게 된다.

상기 도2, 도 3, 도4, 도5의 경우 6 비트 회전각 신호를 생성하는 광학 엔코더를 예로 하여 도면을 표시한 것으로, 6비트 이외에 다른 비트의 광학 엔코더 분해능을 구현하는데 본 발명을 적용할 수 있으며, 유니크한 회전 위치 코드 패턴을 형성하기 위하여 그레이 코드, 바이너리 코드, 엠 코드, 수도 랜덤 코드 방식 등 다양한 코드 생성 방식이 적용될 수 있다. 또한 2차원 코드 디스크 패턴에 대응되는 수광 소자 어레이의 경우 정확한 위치 정보 생성을 위하여 도면에 표시되지 않는 추가적인 수광 소자가 포함될 수 있으며, 디스크 패턴의 경우에도 추가적인 패턴이나 트랙이 포함될 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 회전각 정보를 생성하는 광학식 엔코더에 대하여, 회전각 정보를 생성하기 위한 코드 디스크 패턴에 대하여 2차원 형태로 배치된 코드 패턴을 형성하고, 이를 감지하기 위하여 2차원으로 배열된 수광 소자 어레이를 내장한 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 엔코더.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   코드 디스크에 내장된 회전각 정보 코드화 수행 시 2차원으로 배열된 코드 배치를 이용하여 회전각 정보를 생성하는 코드 배치 및 설계 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   제 2 항의 명시된 방법으로 제작된 2차원으로 배열된 코드가 내장된 코드 디스크 설계 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   2차원으로 배치된 코드 패턴에 분해능 향상 및 회전각 감지 정확도 향상을 위하여 추가적으로 코드 패턴을 배치하는 것으로 특징으로 하는 디스크 설계 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   코드 디스크에 2차원으로 배치된 회전각 코드 정보를 감지하기 위하여 2차원 형태로 배치된 수광 소자 어레이 배치 및 설계 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 수광 소자 어레이 배치에 있어서 광학 엔코더의 분해능 향상을 위하여 일정한 간격을 두고 추가 수광 소자 어레이를 배치하는 것으로 특징으로 하는 수광 소자 어레이 배치 및 설계 방법.
   

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