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KR100784070B1 - 로터리 인코더 구조 - Google Patents

로터리 인코더 구조 Download PDF

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KR100784070B1
KR100784070B1 KR1020060070456A KR20060070456A KR100784070B1 KR 100784070 B1 KR100784070 B1 KR 100784070B1 KR 1020060070456 A KR1020060070456 A KR 1020060070456A KR 20060070456 A KR20060070456 A KR 20060070456A KR 100784070 B1 KR100784070 B1 KR 100784070B1
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KR
South Korea
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rotary plate
spiral
sensor
slit
detecting
Prior art date
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Application number
KR1020060070456A
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English (en)
Inventor
이원경
Original Assignee
지멘스 오토모티브 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명에서 360°이상의 회전각도를 검출할 수 있는 로터리 인코더 구조를 개시한다.
본 발명에 따른 로터리 인코더 구조는, 회전 각도 검출용 패턴과 기준 위치 검출용 패턴을 갖는 다수의 슬릿을 포함하는 패널이 동축을 중심으로 선회하도록 결합되는 나선형 회전판; 나선형 회전판의 나선 구조에 따라 이송하여 슬릿을 전기적 신호로 변환하기 위한 위치 검출센서; 및 위치 검출센서가 나선 구조에 따라 상기 동축 방향으로 이송되도록 안내하기 위한 이송 안내부로 구성되며, 위치 검출센서는 나선형 회전판의 회전 양을 검출하고, 검출 결과에 대응하는 전기적 신호를 어드레스 신호선을 통해 제공되며, 어드레스 신호선은 제어장치와 접속되고, 제어장치는 회전판의 회전 양에 대응하는 위치 데이터를 산출한다.
따라서, 본 발명은 패턴을 따라 슬릿을 검출하기 위한 위치 검출센서가 나선형 회전판을 따라 이송되도록 함에 따라, 회전 각 검출 범위를 360°이상으로 확대할 수 있어 로터리 인코더의 활용 범위를 극대화하는 효과가 있다.
로터리, 센서, 인코더, 회전각, 스티어링 휠, 나선형, 회전판

Description

로터리 인코더 구조{STRUCTURE FOR ROTARY ENCODER}
도 1은 종래 로터리 인코더의 주요 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 로터리 인코더를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 위치 검출센서를 설명하기 위한 도면이다.
<주요 도면에 대한 부호의 설명>
201 : 동축 203 : 나선형 회전판
205 : 위치 검출센서 207 : 제1 가이드
209 : 슬릿 213 : 상측 지지대
215 : 하측 지지대 217 : 제1 가이드 공
219 : 어드레스 신호선 221 : 제2 가이드
223 : 결합 부재 225 : 이송 안내부
227 : 상측 고정대 229 : 하측 고정대
231 : 상측 회전링 233 : 하측 회전링
235 : 상측 고정링 237 : 하측 고정링
301 : 상측 하우징 303 : 하측 하우징
305 : 제1 센서 307 : 제2 센서
309 : 슬라이딩 베어링
본 발명은 로터리 인코더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검출 가능한 로터리의 회전 범위를 확장시켜, 360°이상의 로터리 회전 시 회전 수를 카운트해야 하는 불편함을 제거하고, 회전 수 카운트 오류 시 발생되는 광폭의 오차를 방지할 수 있는 로터리 인코더 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 산업용 자동화장치에서는 동작을 자동제어하기 위하여 회전 또는 직선운동기계장치의 회전속도, 위치 또는 상대적인 특징적 동작을 모니터링하는 데 로터리 인코더를 사용하여 전기적인 신호를 얻고 있다. 이와 같은 범용 로터리 인코더는 회전판에 형성된 코드패턴과 이 코드패턴을 읽어들이는 방식에 따라 광학식, 접촉식, 자기식 등이 사용되고 있다.
도 1은 종래 광학식 로터리 인코더의 구성을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 로터리 인코더는 회전판(10)과, 각도검출용 고유패턴(20)과, 기준위치검출용 고유패턴(30)과, 각도검출센서(40)와, 기준위치 검출센서(50) 및 제어 회로부(60)를 포함한다. 상기 회전판(10)은 축공(11)에 삽입되고 기계적 동작에 연동하여 회전되는 회전축에 의해 회전하게 되며, 상기 각도검출용 고유패턴(20)은 회전판(10)의 서로 다른 반경의 동심원상에 각각 형성된 복수의 패턴 열 또는 슬릿 열(21,22,23)을 포함하고, 상기 각 패턴 열들의 패턴 수 l, m, n은 서로 소(素)인 관계를 가진다.
즉, l, m, n을 곱한 값까지의 모든 자연수는 l, m, n으로 나눌 경우에 남은 나머지의 조합이 서로 다른 하나의 값만을 가진다. 상기 기준위치검출용 고유패턴 또는 기준위치 검출용 슬릿(30)은 회전판(10)의 각도검출용 코드패턴(20)의 각 패턴 열(21,22,23)과는 다른 반경 위치에 형성되며, 상기 각도검출센서(40)는 각도검출용 코드패턴(20)의 각 패턴 열(21,22,23)에 대응하도록 배치되고 기준위치검출센서(50)는 기준위치 검출용 코드패턴(30)에 대응하여 배치된다.
도시된 바와 같이, 코드패턴이 슬릿인 경우에는, 각도검출센서(40) 및 기준위치검출센서(50)는 각각 회전판(10)의 좌측방에 위치한 발광소자, 예컨대 발광다이오드(D1~D4)와, 대응하는 슬릿을 통과한 광을 수광하기 위하여 우측방에 위치한 수광소자, 예컨대 포토 트랜지스터(T1~T4)로 구성된 포토 커플러, 또는 수발광 쌍(41,42,43,50)으로 구성된다.
상기 회전판(10)과 수광소자의 사이에는 광로 상에 슬릿을 가지는 고정판이 배치될 수 있으며, 상기 제어 회로부(60)는 수광소자(T1~T4)의 출력신호를 필터링하여 펄스신호로 형성하고 형성된 펄스신호를 카운팅 한다. 이어서, 상기 제어회로부(60)는 각도검출용 코드패턴의 패턴 열의 카운팅 값의 조합에 의해 어드레스 신호를 발생한다. 상기 어드레스 신호는 회전판(10)의 회전 각도를 산출하기 위한 근거로 사용된다.
상기한 어드레스 신호는 회전판(10)의 슬릿에 의해 구현되며, 슬릿은 회전판(10) 내에서 형성됨에 따라, 어드레스 신호는 회전판(10)의 회전 각도인 0°에서 360°사이에서 제공된다. 따라서, 회전판(10)의 회전 각도가 360°를 넘을 경우, 상기 어드레스 신호는 초기화되고, 상기 제어 회로부(60)는 회전판(10)의 회전수를 카운트함과 동시에, 어드레스 신호를 토대로 다시 0°에서부터 카운트를 시작한다. 그러나 카운트의 오류를 방지하기 위해 상기 제어 회로부(60)는 별도의 백업 시스템을 필요로 하나, 일반적으로 백업 시스템을 구현하지 못하고 있어 제어 회로부(60)의 카운트 오류 발생 시 360°× N 배수의 오차가 발생할 우려가 있다. 또한, 이를 방지하기 위해 백업 시스템을 구축하기도 하나, 결국 로터리 인코더의 제조 단가를 상승시켜 생산성을 저하한다는 문제점이 발생하고 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 로터리가 360°이상의 각도로 회전토록 구현할 수 있는 로터리 인코더 구조를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 백업 시스템을 구축하지 않고도 360°이상의 회전각도를 검출할 수 있는 로터리 인코더 구조를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 별도의 회전 수 카운트 기능을 갖지 않고 스티어링 휠과 같은 360°이상의 회전 각도를 검출할 수 있는 로터리 인코더 구조를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 로터리 인코더 구조는, 회전 각도를 검출하기 위한 로터리 인코더 구조에 있어서, 회전 각도 검출용 패턴과 기준 위치 검출용 패턴을 갖는 다수의 슬릿을 포함하는 패널이 동축을 중심으로 선회되도록 결합되는 나선형 회전판; 상기 나선형 회전판의 나선 구조에 따라 이송하여 상기 슬릿을 전기적 신호로 변환하기 위한 위치 검출센서; 및 상기 위치 검출센서가 상기 나선 구조에 따라 상기 동축 방향으로 이송되도록 안내하기 위한 이송 안내부로 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면 상기 위치 검출센서는, 상기 나선형 회전판의 회전 양을 검출하고, 검출 결과에 대응하는 전기적 신호를 어드레스 신호선을 통해 제공되며, 상기 어드레스 신호선은 제어장치와 접속되고, 상기 제어장치는 상기 회전판의 회전 양에 대응하는 위치 데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 위치 검출센서는 상측 하우징과 하측 하우징으로 구획되며, 나선형 회전판이 인입되기 위한 회전판 이송구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전판 이송구의 상하 측면으로 상기 나선형 회전판의 회전 진동을 방지하기 위한 다수의 슬라이딩 베어링이 내설되는 것을 특징으로 한다.
또한, 위치 검출센서의 제1 센서 및 제2 센서는 포토 커플러, 마그네틱 센서 또는 접촉식 스위치 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 본 발명에서는 위치정보를 제공하는 회전판을 나선형으로 구현하고, 위치 검출센서가 나선형의 회전판을 따라 이동되는 구조이다. 따라서, 위치 검출센서는 특정 위치에 고정 설치되지 않은 상태에서, 동축의 회전 각도를 360°이상 검출할 수 있다. 여기서, 동축의 회전 각도는 나선형 회전판의 권취 회수에 따라 다르며, 이는 용도에 따라 설계될 수 있을 것이다. 예컨대, 차량의 스티어링 휠의 회전 각도를 검출하기 위해, 본 발명의 기술이 적용될 경우 상기 나선형 회전판은 스트어링 횔의 회전가능한 각도에 대응하여 회전판의 권취 회수를 설정할 수 있을 것이다. 예시된 도면에서는 검출 가능한 회전 각도가 810°이다.
도 2는 본 발명에 따른 위치 검출을 위한 로터리 인코더를 나타낸 도면이다. 여기서, 엔코딩을 위한 구성은 생략하였으며, 신호 처리를 위한 엔코딩 회로가 본원 발명의 요지가 아님을 전재로 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 각도 검출용 패턴 또는 기준위치 검출용 패턴인 슬릿에 대한 기능적 원리 또한 생략할 것이다.
도시된 바와 같이, 회전 각도 검출용 패턴과 기준 위치 검출용 패턴을 갖는 다수의 슬릿(209)을 포함하는 패널이 동축(201)을 중심으로 선회되도록 결합되는 나선형 회전판(203)과, 상기 나선형 회전판(203)의 나선 구조에 따라 이송하여 상기 슬릿(209)을 전기적 신호로 변환하기 위한 위치 검출센서(205)와, 상기 위치 검출센서(205)가 상기 나선 구조에 따라 상기 동축(201) 방향으로 이송되도록 안내하기 위한 이송 안내부(225)로 구성된다. 상기 위치 검출센서(205)는 나선형 회전판(203)의 회전 양을 검출하고, 검출 결과에 대응하는 전기적 신호를 어드레스 신호선(219)을 통해 제공한다. 상기 어드레스 신호선(219)은 제어장치(미도시함)와 접속되며, 제어장치는 상기 회전판의 회전 양에 대응하는 위치 데이터를 산출한다.
상기 슬릿(209)은 나선형 회전판(203)의 표면을 따라 천공되며, 슬릿(209)은 위치에 따라 서로 다른 배열을 갖는다. 서로 다른 배열을 갖는 슬릿(209)은 그 자체로 위치정보를 제공한다. 또한, 나선형 회전판(203)은 검출하고자 하는 각도의 범위에 대응하여 권취 횟수를 갖는다. 예컨대, 720°의 범위를 검출하고자 할 경우, 상기 회전판(203)은 동축(201)을 중심으로 두 바퀴 선회하도록 권취된다.
한편, 상기 이송 안내부(225)는 나선형 회전판(203)의 양측부에서 동축(201)과 회동 가능하도록 결합되는 상측 지지대(213) 및 하측 지지대(215)와, 상기 상측 지지대(213) 및 하측 지지대(215) 사이로 상기 위치 검출센서(205)를 안내하기 위한 제1 가이드(207) 및 제2 가이드(221)로 구성된다. 상기 제1 가이드(207) 및 제2 가이드(221)는 위치 검출센서(205)를 관통하는 제1 가이드 공(217)과 제2 가이드 공(240)을 안내한다. 상기 상측 지지대(213) 및 하측 지지대(215)는 상기 동축(201)과 회동 가능한 상측 회전링(231) 및 하측 회전링(233)을 포함하고, 상기 상측 회전링(231) 및 하측 회전링(233)은 각각의 상측 고정링(235) 및 하측 고정링(237)에 의해 상하 이탈이 방지된다.
또한, 상기 상측 회전링(231) 및 하측 회전링(233)은 상측 지지대(213) 및 하측 지지대(215)와 대향되는 위치로 상측 고정대(227) 및 하측 고정대(229)를 포함한다. 상기 상측 고정대(227) 및 하측 고정대(229)는 상기 이송 안내부(225)의 회동을 방지하기 위한 것으로, 주변 장치로 고정 설치된다.
도 3은 본 발명에 따른 위치 검출센서(205)의 정면을 도시한 것으로, 상기 위치 검출센서(205)는 상측 하우징(301)과 하측 하우징(303)으로 구획되며, 나선형 회전판(203)이 인입되기 위한 회전판 이송구(311)를 포함한다. 또한, 상측 하우징(301) 및 하측 하우징(303)은 상기 나선형 회전판(203)의 슬릿(209)을 검출하기 위한 제1 센서(305) 및 제2 센서(307)를 각각 내설한다. 따라서, 상기 회전판 이송구(311)로 인입 회전되는 나선형 회전판(203)의 회전 각도는 제1 센서(305) 및 제2 센서(307)에 의해 검출된다. 상기 제1 센서(305) 및 제2 센서(307)는 포토 커플러로 구현될 수 있으며, 필요에 따라 마그네틱 센서 또는 접촉식 스위치일 수 있다.
상기 제1 센서(305) 및 제2 센서(307)는 슬릿(209)의 패턴에 대응하여 설치되며, 상기 제1 센서(305) 및 제2 센서(307)는 어느 하나가 발광부이고 나머지 하나가 수광부이다.
한편, 상기 회전판 이송구(311)의 상하 측면으로 상기 나선형 회전판(203)의 회전 진동을 방지하기 위한 다수의 슬라이딩 베어링(309)을 내설한다. 상기 슬라이딩 베어링(309)은 상기 나선형 회전판(203)의 패턴들 사이로 설치되어 슬릿(209)과 중첩되지 않도록 한다.
이와 같이 구성된, 본 발명에 따른 로터리 인코더의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 동축(201)은 차량의 스티어링 휠과 연동하는 조향 샤프트일 수 있으며, 본 발명의 실시 예로 적용할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 로터리 인코더는 차량의 스티어링 휠에 대한 조향 각도를 에러 없이 검출하기 위한 장치로 상정될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 로터리 인코더는 차량의 랙과 피니언으로 장착되어 차량의 실질적인 조향 각을 정밀하게 산출하기 위한 보조 수단으로 적용될 수 있다. 이때, 상기 동축(201)은 랙바를 이송시키기 위한 구동모터의 회전 축으로 상정될 수 있을 것이다.
상기 동축(201)의 회전은 나선형 회전판(203)을 회전시킨다. 나선형 회전판(203)은 위치 검출센서(205)의 회전판 이송구(311)를 거쳐 회전되며, 또한 나선형 회전판(203)은 회전판 이송구(311)로 내설되는 다수의 슬라이딩 베어링(309)에 의해 가압된다. 상기 나선형 회전판(203)은 동축(201)을 중심으로 소정 횟수 선회됨에 따라, 위치 검출센서(205)는 이송 안내부(225)를 따라 상하 이송된다. 즉, 예시된 도면에서 상기 동축(201)이 시계 반대방향으로 회전할 경우, 상기 위치 검출센서(205)는 이송 안내부(225)를 따라 하향으로 이송한다.
여기서, 상기 동축(201)은 상측 회전링(231) 및 하측 회전링(233) 내에서 회전하고, 상기 상측 회전링(231) 및 하측 회전링(233)은 각각으로 상측 고정대(227) 및 하측 고정대(229)에 의해 고정됨에 따라, 상기 위치 검출센서(205)는 이송 안내부(225)를 따라 수직 이송된다. 상기 위치 검출센서(205)는 이송 안내부(225)를 따라 수직 이송되나, 실질적으로 나선형 회전판(203)의 슬릿(209)을 검출하여 회전 각도를 인지한다.
이를 위해, 상기 제1 센서(305) 및 제2 센서(307)는 나선형 회전판(203)으로 천공된 패턴 상에서 슬릿(209)을 검출한다. 슬릿(209)에 대한 검출 정보는 어드레스 신호선(219)을 통해 제어장치(미도시함)로 전송된다. 제어장치는 슬릿(209)에 대한 검출 정보를 토대로 동축(201)의 회전 각도를 산출한다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 로터리 인코더 구조는 동축을 중심으로 선회되는 나선형 회전판을 구비하고, 회전판으로 회전 각도를 검출하기 위한 소정 패턴의 슬릿을 천공하며, 상기 패턴을 따라 슬릿을 검출하기 위한 위치 검출센서가 나선형 회전판을 따라 이송되도록 함에 따라, 회전 각 검출 범위를 360°이상으로 확대할 수 있어 로터리 인코더의 활용 범위를 극대화하는 효과가 있다.
이상에서 본 발명을 특정한 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정하지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (9)

  1. 회전 각도를 검출하기 위한 로터리 인코더 구조에 있어서,
    회전 각도 검출용 패턴과 기준 위치 검출용 패턴을 갖는 다수의 슬릿(209)을 포함하는 패널이 동축(201)을 중심으로 선회되도록 결합되는 나선형 회전판(203);
    상기 나선형 회전판(203)의 나선 구조에 따라 이송하여 상기 슬릿(209)을 전기적 신호로 변환하기 위한 위치 검출센서(205); 및
    상기 위치 검출센서(205)가 상기 나선 구조에 따라 상기 동축(201) 방향으로 이송되도록 안내하기 위한 이송 안내부(225)를 포함하고,
    상기 이송 안내부(225)는,
    상기 나선형 회전판(203)의 양측부에서 동축(201)과 회동 가능하도록 결합되는 상측 지지대(213) 및 하측 지지대(215); 및
    상기 상측 지지대(213) 및 하측 지지대(215) 사이로 상기 위치 검출센서(205)를 안내하기 위한 제1 가이드(207) 및 제2 가이드(221)로 구성되는 것을 특징으로 하는 로터리 인코더 구조.
  2. 제 1 항에 있어서 상기 위치 검출센서(205)는,
    상기 나선형 회전판(203)의 회전 양을 검출하고, 검출 결과에 대응하는 전기적 신호를 어드레스 신호선(219)을 통해 제공되며, 상기 어드레스 신호선(219)은 제어장치와 접속되고, 상기 제어장치는 상기 회전판의 회전 양에 대응하는 위치 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 로터리 인코더 구조.
  3. 제 1 항에 있어서 상기 슬릿(209)은,
    상기 나선형 회전판(203)의 표면을 따라 천공되며, 상기 슬릿(209)은 위치에 따른 서로 다른 배열을 통해 위치정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 로터리 인코 더 구조.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 가이드(207) 및 제2 가이드(221)는 상기 위치 검출센서(205)를 관통하는 제1 가이드 공(217)과 제2 가이드 공(240)을 안내하고, 상기 상측 지지대(213) 및 하측 지지대(215)는 상기 동축(201)과 회동 가능한 상측 회전링(231) 및 하측 회전링(233)을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 인코더 구조.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항, 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상측 회전링(231) 및 하측 회전링(233)은 상측 지지대(213) 및 하측 지지대(215)와 대향되는 위치로 상측 고정대(227) 및 하측 고정대(229)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 인코더 구조.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항, 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 검출센서(205)는 상측 하우징(301)과 하측 하우징(303)으로 구획되며, 나선형 회전판(203)이 인입되기 위한 회전판 이송구(311)를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 인코더 구조.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전판 이송구(311)의 상하 측면으로 상기 나선형 회전판(203)의 회전 진동을 방지하기 위한 다수의 슬라이딩 베어링(309)이 내설되는 것을 특징으로 하는 로터리 인코더 구조.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 상측 하우징(301) 및 하측 하우징(303)은 상기 나선형 회전판(203)의 슬릿(209)을 검출하기 위한 제1 센서(305) 및 제2 센서(307)가 내설되고, 상기 제1 센서(305) 및 제2 센서(307)는 포토 커플러, 마그네틱 센서 또는 접촉식 스위치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 로터리 인코더 구조.
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KR19990031502U (ko) * 1997-12-31 1999-07-26 오상수 모터의 로터리 인코더

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