KR101321591B1

KR101321591B1 - 광학 인코더

Info

Publication number: KR101321591B1
Application number: KR1020120010598A
Authority: KR
Inventors: 이상훈
Original assignee: 알에스오토메이션주식회사
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-10-28
Anticipated expiration: 2032-02-02
Also published as: KR20130089326A; US10302464B2; WO2013115426A1; US20140326862A1

Abstract

본 발명의 광학 인코더는 복수의 제1 패턴이 형성된 수광부 및 상기 수광부에 대해 상대 이동하며 제2 패턴이 형성된 스케일을 포함하고, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나가 고조파가 제거되는 동일 간격으로 배치됨으로써, 신뢰성 있게 고조파를 제거할 수 있다.

Description

광학 인코더{OPTICAL ENCODER}

본 발명은 광학 인코더에 관한 것으로, 상세하게는 고조파를 제거할 수 있는 광학 인코더에 관한 것이다.

광학 인코더는 폭넓은 다양한 환경에서 사용되어 임의의 기준에 대한 물체의 이동 또는 위치를 결정한다.

일반적인 광학 인코더는 광학 센서 및 인코더 패턴이 사용된다. 광학 센서는 인코더 패턴의 표면에 포커싱된다. 광학 센서가 인코더 패턴을 기준으로 이동하거나 인코더 패턴이 광학 센서를 기준으로 이동할 때, 광학 센서는 인코더 패턴을 통과하거나 인코더 패턴에서 반사된 광 패턴을 판독하여 이동 또는 위치를 검출한다.

한국공개특허공보 제2007-0026137호에는 위치 결정시 기준이 되는 인덱스를 검출하는 수단 없이도 인덱스 채널을 검출하는 광학적 인코더가 제공되고 있다. 물체의 위치를 고정밀도로 파악하기 위해서는 상기 광 패턴에 대응하는 전기적 신호에 포함된 고조파를 제거하는 것이 바람직한데, 이에 대해서는 해결책을 제시하지 못하고 있다.

한국공개특허공보 제2007-0026137호

본 발명은 고조파를 신뢰성 있게 제거할 수 있는 광학 인코더를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광학 인코더는 수광부 및 상기 수광부에 대해 상대 이동하는 스케일에 각각 형성되는 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함하고, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 고조파가 제거되는 동일 간격으로 배치될 수 있다.

이때, 제1 패턴 간의 간격은 제1 패턴의 폭보다 작을 수 있다.

구체적으로 스케일에 형성된 제2 패턴이 제1 패턴과 동일한 폭을 갖고 상기 폭과 동일한 간격으로 배열될 때, 2, 3, 4, 6 및 12 고조파가 제거되도록 상기 제1 패턴은 제1 패턴의 폭을 6으로 나눈 간격으로 배치될 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명의 광학 인코더는 고조파가 제거되는 동일 간격으로 각 패턴을 배치함으로써 신뢰성 있게 고조파를 제거할 수 있다.

또한, 각 패턴이 동일한 간격으로 배치됨으로써 제작 공정이 용이하고, 제작 오차를 줄일 수 있다. 결과적으로 제작 오차 등으로 인하여 고조파 제거 기능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 패턴의 폭보다 작은 간격으로 패턴을 배열함으로써 수광 면적을 효율적으로 이용할 수 있다.

또한, 여러 신호를 조합하여 사용하므로 신호에 포함된 화이트 노이즈의 영향을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 광학 인코더를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더의 패턴이 배치된 상태를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 인코더의 패턴이 배치된 상태를 나타낸 개략도.
도 4는 고조파를 제거하는 연산 과정을 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 위상을 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 위상의 일 예를 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 간격을 L/2로 하여 2 고조파를 제거하는 예를 나타낸 개략도.
도 8은 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 간격을 L/2로 하여 4 고조파를 제거하는 예를 나타낸 개략도.
도 9는 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 간격을 L/2로 하여 2 고조파 및 4 고조파를 제거하는 예를 나타낸 개략도.
도 10은 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 간격을 L/2로 하여 2 고조파 및 4 고조파를 제거하는 다른 예를 나타낸 개략도.
도 11은 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 간격을 L/3로 하여 3 고조파를 제거하는 예를 나타낸 개략도.
도 12는 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 간격을 L/6로 하여 2 고조파, 3 고조파 및 4 고조파를 제거하는 예를 나타낸 개략도.
도 13은 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 간격을 L/6로 하여 2 고조파, 3 고조파 및 4 고조파를 제거하는 다른 예를 나타낸 개략도.
도 14는 본 발명의 광학 인코더에서 제1 패턴의 간격을 L/6로 하여 2 고조파, 3 고조파 및 4 고조파를 제거하는 또다른 예를 나타낸 개략도.
도 15는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학 인코더의 패턴이 배치된 상태를 나타낸 개략도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 광학 인코더에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 광학 인코더를 나타낸 개략도이다.

도 1에 도시된 광학 인코더(100)는 광원(110), 스케일(120), 수광부(140) 및 수광부(140)에 접속되는 연산부(160)를 포함한다.

광원(110)으로서, 예컨대 LED나 LD 등이 사용 가능하다.

스케일(120)은 광원(110)과 수광부(140) 사이에 배치되고, 측정 대상인 회전축(150)에 부착될 수 있다. 스케일과 수광부는 상대 이동하면 되므로 회전축에는 스케일 대신 수광부가 부착될 수도 있다. 스케일에는 광원(110)으로부터의 광속을 변조하는 제2 패턴(130)이 원주를 따라 마련되어 있다. 제2 패턴(130)은 회전축(150)의 회전각에 대응하여 패터닝되어 있다. 도 1에서 스케일은 회전축에 적합한 원판형 스케일로 나타내었으나 리니어 인코더에 적용 가능한 판형 스케일일 수도 있다.

수광부(140)는 제2 패턴(130)으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 연산부(160)로 출력한다. 구체적으로 수광부(140)는 제1 패턴(141)으로 형성된 하나 이상의 수광 소자를 포함한다. 이때 각 수광 소자는 광속이 수광되면 전기적 신호를 생성하여 연산부로 출력한다.

연산부(160)는 스케일(120) 즉 회전축(150)의 회전 각도 또는 회전 위치를 연산하여 출력한다.

도 1의 광학 인코더(100)는 로터리 인코더(rotary encoder)의 경우를 예로 하였으나, 여기에 한정되지 않고, 리니어 인코더(linear encoder) 등에 대해서도 적용 가능하다. 또한, 도 1에서 수광부(140)는 패턴(130)을 투과한 광원(110)의 광속을 검출하는 것으로 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 반사광을 검출하도록 구성하여도 좋다.

이하에서는 수광부 또는 스케일에 형성된 패턴에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 인코더의 패턴이 배치된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 2에 도시된 광학 인코더는 수광부(140) 및 상기 수광부(140)에 대해 상대 이동하는 스케일(120)에 각각 형성되는 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함한다. 즉, 수광부에 제1 패턴이 형성되면 스케일에 제2 패턴이 형성되고, 수광부에 제2 패턴이 형성되면 스케일에 제1 패턴이 형성된다.

이때, 제1 패턴 및 제2 패턴 중 적어도 하나는 고조파가 제거되는 동일 간격으로 배치된다.

수광부 또는 스케일에 형성된 패턴을 조정하여 고조파를 제거하는 방안으로 각 패턴의 폭과 간격을 가변할 수 있다. 다만, 이러한 구성에 의하면 각 패턴의 간격과 폭을 정밀하게 가변시켜 가공해야 하므로 패턴 가공을 신뢰성 있게 하기 어렵다. 이런 문제를 해소하기 위해 각 패턴의 간격과 폭을 동일하게 형성하고, 여기서 각 패턴의 간격만을 조작하여 고조파를 제거할 수 있다. 이때의 각 패턴의 간격과 폭이 동일하다는 것은 예를 들어 복수의 제1 패턴이 배열될 때 배열되는 제1 패턴의 폭이 모두 동일하고, 제1 패턴 간의 간격 또한 모두 동일하다는 것을 의미한다. 제1 패턴 간의 간격이 제2 패턴 간의 간격과 동일해야 하는 것이 아님을 환기한다.

수광부에 배치된 복수의 제1 패턴(141)이 도시된 도 2를 살펴보면, 제1 패턴(141)의 폭 L과 간격 d가 모든 제1 패턴에 동일하게 적용되어 있다. 이때 간격 d를 적절히 조작하면 고조파를 제거할 수 있다.

마찬가지로 복수의 제2 패턴(130)의 간격을 모두 동일하게 하고, 이때 간격을 적절히 조절하면 고조파를 제거할 수 있다. 이때의 적절한 간격 역시 제2 패턴의 폭보다 작은 범위에서 결정될 수 있다.

또한, 제1 패턴의 폭은 제2 패턴의 폭과 일치할 수 있다. 이때, 제1 패턴은 동일 간격으로 배열되고, 제2 패턴도 동일 간격으로 배열되며, 제1 패턴의 배열 간격 및 제2 패턴의 배열 간격은 서로 다를 수 있다.

수광부로부터 서로 다른 위상차를 갖는 정현파 등의 주기 신호를 획득하기 위해, 제1 패턴과 제2 패턴을 다음과 같이 형성할 수도 있다. 제1 패턴이 수광부에 동일 간격으로 형성되고, 제2 패턴이 스케일에 동일 간격으로 형성되는 경우를 가정한다. 이때 제1 패턴의 폭 및 제2 패턴의 폭은 서로 같고, 제2 패턴의 배열 간격은 제1 패턴의 폭 또는 제2 패턴의 폭과 같다. 여기서, 제1 패턴이 배열되는 간격은 고조파가 제거되는 간격으로, 예를 들어 제1 패턴의 폭 또는 제2 패턴의 간격보다 작을 수 있다. 이 경우 광면적 이용 효율과 고조파 제거 효과가 최대로 된다. 스케일에 형성되는 패턴은 리니어 인코더의 경우 광투과 면적과 비투과 면적이 동일하도록 같은 폭과 길이를 가지는 동일한 직사각형 형태로 가공될 수 있다. 스케일에 형성된 패턴은 로터리 인코더의 경우 원주를 따라 광투과 면적과 비투과 면적이 동일하도록 동일한 사다리꼴 형태로 가공될 수 있다.

이하에서 기술되는 내용은 설명의 편의상 제1 패턴이 수광부에 형성되고, 제1 패턴과 동일한 폭의 제2 패턴이 제1 패턴의 폭과 동일한 간격으로 스케일에 형성된 예를 설명하나 이에 한정되는 것은 아니다.

고조파를 제거하기 위해 선택된 제1 패턴(141)의 간격 d는 제1 패턴의 폭 L을 N(N은 2이상의 자연수)으로 나눈 값(L/N)인 것이 바람직하다. 이때, 제1 패턴의 개수 M은 적어도 2N이고, 제1 패턴의 배열 길이 D는 적어도 M(L+d)일 수 있다. 위 요건을 만족하도록 제1 패턴을 배치하는 것은 동일 폭 L을 갖는 제1 패턴을 동일 거리 d만큼 이격시켜 적어도 M회 반복 배치하는 것으로 볼 수 있다.

예를 들어 N = 2인 경우, 즉 제1 패턴의 간격이 L/2인 경우를 도 3에 나타내었다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 인코더의 패턴이 배치된 상태를 나타낸 개략도이다.

본 실시예에서 고조파 제거는 제1 패턴 간의 간격에 의해 결정되는 것으로 제1 패턴의 형상과는 큰 관련이 없다. 따라서, 제1 패턴은 사각형 등 다양한 형상을 취할 수 있다.

다만, 도 3과 같이 복수개의 단위 패턴(210)이 상하 방향으로 연속하여 배치될 경우 정현파 형상의 전기적 신호를 신뢰성 있게 획득할 수 있다.

단위 패턴(210)은 정현파 형상의 외곽선 중 좌우 절반이 상하 반전된 형태이다. 여기서 정현파 형상은 가상의 수평축을 기준으로 양의 정현파 형상과 음의 정현파 형상 중 하나이다. 또한, 상하 반전의 중심은 양 또는 음의 정현파 형상에서 높이의 1/2 지점이다. 이렇게 형성된 단위 패턴을 좌우 반전시켜 가며 상하 방향으로 연속 배치하면 도 3의 제1 패턴(141)이 형성된다.

도 3에서 단위 패턴 이전의 정현파 형상 패턴을 적분하면 정현파가 출력된다. 다만 단위 패턴 이전의 패턴을 상하 방향으로 연속 배치하면 각 패턴의 연결부(211)에 뾰족한 첨부 또는 깊은 골이 형성된다. 이와 같은 첨부와 깊은 골은 정밀하게 가공하기 어렵고 이로 인해 제작 오차가 발생할 여지가 크다. 이러한 제작 오차로 인하여 정현파 형상의 전기적 신호에 오류가 발생하게 된다. 이를 해소하기 위해서는 각 패턴의 연결부(211)에 뽀족한 첨부 또는 깊은 골이 형성되지 않도록 하는 것이 좋은데, 앞에서 설명된 단위 패턴을 이용하면 된다.

도 3에서 제1 패턴 폭의 절반 간격으로 제1 패턴을 배치하면 2N = 4개의 제1 패턴으로 1주기가 완성된다.

L 폭의 제1 패턴이 π 주기 신호를 생성하는 경우 가장 좌측의 제1 패턴의 위상이 sinθ이면 나머지 3개의 제1 패턴은 순차적으로 -cosθ, -sinθ, cosθ의 위상을 갖는다. sinθ, -cosθ, -sinθ, cosθ 이렇게 4개의 신호가 획득되면 연산부의 신호 처리 알고리즘에 의해 각도 등을 산출할 수 있다.

각 제1 패턴으로부터 획득되는 원 신호에는 주기 오차 e(θ) 및 화이트 노이즈(white noise) n_i(i는 1 내지 4의 자연수)가 포함된다. 이를 감안하여 각 제1 패턴에서 출력되는 신호를 수학식으로 표현하면 순서대로 다음과 같다.

Asinθ + v_off + e(θ) + n₁

Asin(θ + 3π/2) + v_off + e(θ + 3π/2) + n₂ = -Acosθ + v_off + e(θ + 3π/2) + n₂

Asin(θ + 3π/2 + 3π/2) + v_off + e(θ + 3π/2 + 3π/2) + n₃ = -Asinθ + v_off + e(θ + π) + n₃

Asin(θ + 3π/2 + 3π/2 + 3π/2) + v_off + e(θ + 3π/2 + 3π/2 + 3π/2) + n₄ = Acosθ + v_off + e(θ + π/2) + n₄

여기서, 첫번째 제1 패턴의 출력 신호와 세번째 제1 패턴의 출력 신호를 감산한 후 2로 나누면 수학식 1이 된다.

수학식 1에서 (e(θ) - e(θ + π)는 원 신호에 포함된 주기 오차 e(θ)에서 2 고조파 성분인 e(θ + π)가 제거되는 것을 의미한다. 따라서, 위 연산에 의하면 DC 오차인 V_off와 2 고조파 성분이 제거된다. 또한, 이 과정에서 2 고조파와 같은 주기를 갖는 예상치 못한 주기 오차 역시 제거된다. 또한, 화이트 노이즈의 경우 표준 편차가

배 감소하게 된다.

네번째 제1 패턴의 출력 신호와 두번째 제1 패턴의 출력 신호를 감산한 후 2로 나누면 수학식 2가 된다.

수학식 2에서 e(θ + π/2) - e(θ + 3π/2)는 원 신호에 포함된 주기 오차 e(θ + π/2)에서 2 고조파 성분인 e(θ + 3π/2)가 제거되는 것을 의미한다. 따라서, 위 연산에 의하면 DC 오차인 V_off와 2 고조파 성분이 제거되고, 화이트 노이즈가 감소하게 된다. 이때의 감산과 2로 나누는 연산은 연산부(160)에서 수행될 수 있다.

이상의 2 고조파 제거는 제1 패턴의 형상과 무관하게 각 제1 패턴을 L/2 간격으로 배치함으로써 이루어진다. 이렇게 2 고조파 성분이 제거되고 화이트 노이즈가 감소된 수학식 1과 수학식 2를 이용해 연산부(160)는 Asinθ 및 Acosθ를 산출하고, 이를 다시 처리하여 상대 이동량(거리 또는 각도) θ 및 진폭 A를 산출한다. 이렇게 획득된 θ 및 A는 2 고조파가 제거된 신호를 입력으로 하여 산출된 것이므로 2 고조파의 영향을 받지않는 결과를 제공하게 된다.

이상에서 2 고조파를 제거하는 방안을 살펴보았는데, 각 제1 패턴을 동일하게 L/2 간격으로 하고, 여기에 간소한 연산을 수행하는 연산부를 부가함으로써 2 고조파가 제거되는 것을 알 수 있다. 이상의 처리 과정을 도 4에 나타내었다.

도 5는 본 발명의 광학 인코더의 제1 패턴의 위상을 나타낸 개략도이다.

M개의 제1 패턴(141)이 형성되는 경우 각 제1 패턴의 위상은 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

이때, k는 1 내지 M의 자연수이다.

제1 패턴이 도 6과 같이 L/6(= L/N) 간격으로 배치되는 경우, N = 6이고 M = 2N = 12이다. 또한, D = 12(L + L/6) = 14L이다.

이를 수학식 3에 대입해 보면, 좌측부터 배치되는 제1 패턴의 위상은 다음과 같다.

sinθ, sin(θ + 7π/6), sin(θ + 7π/3), sin(θ + 7π/2), ..., sin(θ + 77π/6)

이를 삼각함수 공식을 이용하여 θ이후의 인자가 0 또는 2π/3가 되도록 정리하여 도 6에 나타내었다.

k=1, sinθ

k=2, sin(θ + 7π/6) = sin(θ + 4π/6 + 3π/6) = cos(θ + 2π/3)

k=3, sin(θ + 14π/6) = sin(θ + 12π/6 + 2π/6) = sin(θ - 2π/3 + π) = -sin(θ - 2π/3)

k=4, sin(θ + 21π/6) = sin(θ + 24π/6 - 3π/6) = sin(θ - π/2) = -cosθ

k=5, sin(θ + 28π/6) = sin(θ + 24π/6 + 4π/6) = sin(θ + 2π/3)

k=6, sin(θ + 35π/6) = sin(θ + 36π/6 - π/6) = sin(θ + π/2 - 2π/3) = cos(θ - 2π/3)

k=7, sin(θ + 42π/6) = sin(θ + 48π/6 - π) = sin(θ - π) = -sinθ

k=8, sin(θ + 49π/6) = sin(θ + 48π/6 + π/6) = sin(θ - π/2 + 2π/3) = -cos(θ + 2π/3)

k=9, sin(θ + 56π/6) = sin(θ + 60π/6 - 4π/6) = sin(θ - 2π/3)

k=10, sin(θ + 63π/6) = sin(θ + 60π/6 + 3π/6) = sin(θ + π/2) = cosθ

k=11, sin(θ + 70π/6) = sin(θ + 72π/6 - 2π/6) = sin(θ + 2π/3 - π ) = -sin(θ + 2π/3)

k=12, sin(θ + 77π/6) = sin(θ + 72π/6 + 5π/6) = sin(θ + 3π/2 - 2π/3) = -cos(θ - 2π/3)

좌측으로부터 첫번째(k=1) 제1 패턴, 네번째(k=4) 제1 패턴, 아홉번째(k=9) 제1 패턴, 일곱번째(k=7) 제1 패턴의 출력 신호를 순서대로 나타내면 다음과 같다.

① Asinθ + v_off + e(θ) + n₁

② Asin(θ - π/2) + v_off + e(θ - π/2) + n₂

③ Asin(θ - 2π/3) + v_off + e(θ - 2π/3) + n₃

④ Asin(θ - π) + v_off + e(θ - π) + n₄

이때, ①과 ②의 감산을 통해 주기 오차가 e(θ) - e(θ - π/2)로 되어 4 고조파가 제거된다.

①과 ③의 감산을 통해 주기 오차가 e(θ) - e(θ - 2π/3)로 되어 3 고조파가 제거된다.

①과 ④의 감산을 통해 주기 오차가 e(θ) - e(θ - π)로 되어 2 고조파가 제거된다.

이런 방식으로 첫번째(k=1) 제1 패턴과 열한번째(K=11) 제1 패턴의 감산을 통해 6 고조파를 제거할 수 있으며, 첫번째(k=1) 제1 패턴과 여섯번째(K=6) 제1 패턴의 감산을 통해 12 고조파를 제거할 수 있다. 즉, 적정 위치의 제1 패턴을 선택하여 감산함으로써 다양한 고조파를 제거할 수 있다.

정리하면, 복수의 제1 패턴이 형성된 수광부, 수광부에 상대 이동하며 제1 패턴과 동일한 폭을 갖는 제2 패턴이 상기 폭과 동일한 간격으로 형성된 스케일을 포함하는 광학 인코더에서, 각 제1 패턴의 폭을 6으로 나눈 간격으로 제1 패턴을 배치하면 적어도 2, 3, 4 고조파가 제거될 수 있다. 즉, 각 제1 패턴의 간격이 모두 L/6이 되도록 하고, 연산부에서 적절한 제1 패턴을 선택하여 감산을 수행함으로써 2, 3, 4 고조파를 모두 제거할 수 있다. 또한 이 과정에서 화이트 노이즈 또한 감소되는 효과가 있다. 또한, 제1 패턴 간의 간격이 제1 패턴 폭보다 좁게 형성되므로 제1 패턴의 폭과 동일한 간격을 갖는 경우에 비하여 일정 면적에 보다 많은 개수의 제1 패턴을 배치할 수 있다. 따라서, 일정 면적에서 서로 다른 위상을 갖는 신호를 보다 많이 추출할 수 있으므로 수광 면적 활용률이 높다. 예를 들어 N = 6인 경우 간격이 폭과 동일한 방식에 비해 1.3배 수광 면적 활용률이 높다. 또한, 보다 많은 수의 신호를 추출하여 고조파 제거에 이용하므로 랜덤 노이즈에 의한 영향에 강건하다. 한편, 제1 패턴의 간격을 L/6으로 한 경우 2, 3, 4 고조파 외에도 6, 12 고조파의 제거가 가능하다. 또한 신호의 진폭을 조정하기 위해 2로 나누는 것과 같이 소망하는 진폭을 얻기 위한 연산을 수행할 수 있다.

연산부(160)는 선택된 2개의 제1 패턴의 출력 신호를 감산하여 고조파를 제거한다. 2로 나누는 것은 진폭과 관련된 것으로 고조파 제거만을 목적으로 하는 경우 2로 나누는 과정은 생략되거나 다른 값으로 나누는 과정으로 대체될 수 있다. 고조파 중 i 고조파(i는 2이상의 자연수)를 제거하기 위해 선택된 2개의 제1 패턴은 2π/i의 위상차를 갖는다.

제1 패턴의 간격을 결정하는 N에 따라 제거되는 고조파를 정리하면 다음과 같다.

N=2일 경우, d=L/2, M=4, D=6L이 되고 2, 4 고조파를 제거할 수 있다.

N=3일 경우, d=L/3, M=6, D=8L이 되고 3 고조파를 제거할 수 있다.

N=4일 경우, d=L/4, M=8, D=10L이 되고 2, 4, 8 고조파를 제거할 수 있다.

N=5일 경우, d=L/5, M=10, D=12L이 되고 5 고조파가 제거 가능하다.

N=6일 경우, d=L/6, M=12, D=14L이 되고 2, 3, 4, 6, 12 고조파가 제거 가능하다.

이를 일반화시키면, d = L/N에서 N이 짝수이면 2N의 약수에 해당하는 고조파를 제거할 수 있다. d = L/N에서 N이 홀수이면 N의 약수에 해당하는 고조파를 제거할 수 있다. N이 짝수인 경우, 즉 N = 2j(j는 자연수)인 경우 제거 가능한 고조파가 증가하므로 제1 패턴의 간격 d는 제1 패턴의 폭 L을 N = 2j(j는 자연수)로 나눈 것이 좋다.

도 7 내지 도 10은 d = L/2인 경우의 고조파 제거 방식을 나타낸 개략도이다. 물론 고조파 제거 방식은 이외에도 다양할 수 있다. 실선은 피감산 대상을 나타내고 점선은 감산 대상을 나타낸다. 이하에서는 설명의 편의상 오프셋 오차 v_off, 주기 오차 e(θ) 및 화이트 노이즈(white noise) n_i는 표시하지 않았다.

도 7은 2 고조파를 제거하는 연산을 나타내고 있으며, 도 8은 4 고조파를 제거하는 연산을 나타내고 있다.

2 고조파를 제거하기 위해서는 2π/2 위상차를 갖는 제1 패턴을 선택하여 감산하면 된다. 예를 들어 도 7에서 첫번째 제1 패턴의 sinθ를 기준 신호로 한 경우 2π/2 위상차의 신호가 출력되는 세번째 제1 패턴을 선택하여 첫번째 제1 패턴에 대해서 감산하면 된다. 만약 두번째 제1 패턴의 신호, 즉 sin(θ + 3π/2)를 기준 신호로 한다면, sin(θ + 3π/2)에 대해 2π/2 위상차의 sin(θ + π/2)를 갖는 네번째 제1 패턴의 신호로 감산하면 된다.

도 7에서는 각 감산 결과를 추후 각도 연산에 사용되는 v₁ 내지 v₄로 나타내었다. 도 7의 v₁ 내지 v₄는 2 고조파가 제거된 신호이므로 추후 각도 연산에는 2 고조파로 인한 오차가 자연스럽게 제거된다.

4 고조파를 제거하기 위해서는 2π/4 위상차를 갖는 제1 패턴을 선택하여 감산하면 된다.

이를 만족하기 위해 연산부는 도 8에 도시된 바와 같이 첫번째 제1 패턴에 대해 네번째 제1 패턴을 선택 감산하여 v₁을 생성한다. 두번째 제1 패턴에 대해 첫번째 제1 패턴을 선택 감산하여 v₂를 생성한다. 세번째 제1 패턴에 대해 두번째 제1 패턴을 선택 감산하여 v₃를 생성한다. 네번째 제1 패턴에 대해 세번째 제1 패턴을 선택하여 감산하여 v₄를 생성한다. 이렇게 생성된 v₁ 내지 v₄는 4 고조파가 제거된 상태이므로 v₁ 내지 v₄를 이용한 각도 연산 결과는 4 고조파로 인한 오차가 자연스럽게 배제된다.

도 9와 도 10은 4차 고조파를 제거한 후 그 결과를 이용하여 2차 고조파를 제거하는 연산을 나타내고 있다.

도 9를 참조하면 먼저 4 고조파를 제거하기 위해 각 제1 패턴에 대해 2π/4 위상차를 갖는 다른 제1 패턴을 선택하여 감산한다. 4고조파가 제거된 총 4개의 결과값이 산출되는데 각 결과값을 기준으로 하여 2π/2 위상차를 갖는 다른 결과값을 선택하여 감산함으로써 2 고조파를 제거한다. 2 고조파의 제거 대상이 4 고조파가 제거된 상태이므로 최종적으로 2 고조파 및 4 고조파가 제거된 v₁ 내지 v₄를 획득할 수 있다.

예를 들어, 첫번째 제1 패턴의 신호와 네번째 제1 패턴의 신호를 감산하면 4 고조파가 제거된 신호 sinθ - sin(θ + π/2)가 산출된다. 이렇게 산출된 신호는 4 고조파가 제거된 sinθ를 의미한다.

세번째 제1 패턴의 신호와 두번째 제1 패턴의 신호를 감산하면 4 고조파가 제거된 신호 sin(θ + π) - sin(θ + 3π/2)가 산출된다. 이렇게 산출된 신호는 4 고조파가 제거된 sin(θ + π)를 의미한다.

이후, 4 고조파가 제거된 sinθ와 4 고조파가 제거된 sin(θ + π)를 감산하면 2 고조파가 제거된 신호 v₁ = sinθ - sin(θ + π/2) - sin(θ + π) + sin(θ + 3π/2)가 산출된다. 이런 방식으로 v₂ 내지 v₄도 산출된다.

앞에서는 각도 연산을 위해 신호 v₁ 내지 v₄를 생성하고 있다. 그런데 각도 연산에는 2개 이상의 신호만 있으면 충분하다. 따라서 가능한 2개의 신호만 산출함으로써 연산부의 부하를 줄이는 것이 바람직하다.

예를 들어 도 10과 같이 2개의 신호 v₁, v₂만으로도 각도 연산이 가능하다. 4 고조파가 제거된 신호 ①, ②, ③, ④가 아래와 같을 때, ①, ③으로 2 고조파를 제거(v₁)하고 ②, ④로 2 고조파를 제거(v₂)하면 v₁, v₂ 두개의 신호를 획득할 수 있다.

① sinθ - sin(θ + π/2)

② sin(θ + 3π/2) - sinθ

③ sin(θ + π) - sin(θ + 3π/2)

④ sin(θ + π/2) - sin(θ + π)

도 11은 d = L/3인 경우의 고조파 제거 방식을 나타낸 개략도로, 3 고조파가 제거되는 것을 알 수 있다.

3 고조파를 제거하기 위해서는 2π/3 위상차의 신호를 감산하면 된다. 예를 들어 첫번째 제1 패턴의 신호 sinθ에 대해 세번째 제1 패턴의 신호 sin(θ + 2π/3)를 감산하면 3 고조파가 제거된 신호 v₁이 획득된다. 이런 방식으로 v₂ 내지 v₆의 신호를 획득하여 각도 연산에 이용할 수 있다. 물론 v₁ 내지 v₆의 신호중 2개만 산출해서 각도 연산을 수행할 수도 있다.

도 12 내지 도 14는 d = L/6인 경우의 고조파 제거 방식을 나타낸 개략도이다.

도 12는 제1 패턴의 모든 출력으로부터 2 고조파를 제거하고, 그 결과 모두를 이용하여 4 고조파를 제거한다. 그 후 4 고조파가 제거된 모든 결과를 이용하여 3 고조파를 제거한다.

각 제1 패턴의 신호는 순서대로 다음과 같다.

① sinθ

② sin(θ + 7π/6) = sin(θ - 5π/6)

③ sin(θ + 14π/6) = sin(θ + π/3)

④ sin(θ + 21π/6) = sin(θ - π/2)

⑤ sin(θ + 28π/6) = sin(θ + 2π/3)

⑥ sin(θ + 35π/6) = sin(θ - π/6)

⑦ sin(θ + 42π/6) = sin(θ - π)

⑧ sin(θ + 49π/6) = sin(θ + π/6)

⑨ sin(θ + 56π/6) = sin(θ - 2π/3)

⑩ sin(θ + 63π/6) = sin(θ + π/2)

⑪ sin(θ + 70π/6) = sin(θ - π/3)

⑫ sin(θ + 77π/6) = sin(θ + 5π/6)

이 상태에서 2, 4, 3 고조파 순으로 제거하는 과정의 일예는 다음과 같다.

2 고조파를 제거하기 위해 2π/2 위상차를 갖는 신호끼리 감산한다.

① - ⑦ = sinθ - sin(θ - π)

② - ⑧ = sin(θ - 5π/6) - sin(θ + π/6)

⑤ - ⑪ = sin(θ + 2π/3) - sin(θ - π/3)

⑩ - ④ = sin(θ + π/2) - sin(θ - π/2)

연산 결과 2 고조파가 제거된 sinθ, sin(θ - 5π/6), sin(θ + 2π/3), sin(θ + π/2) 신호가 획득된다.

2 고조파가 제거된 위 결과에서 4 고조파를 제거하기 위해 2π/4 위상차를 갖는 신호끼리 감산한다.

(① - ⑦) - (⑩ - ④) = (sinθ - sin(θ - π)) - (sin(θ + π/2) - sin(θ - π/2))

(⑤ - ⑪) - (② - ⑧) = (sin(θ + 2π/3) - sin(θ - π/3)) - (sin(θ - 5π/6) - sin(θ + π/6))

여기서, sin(θ - 5π/6) = sin(θ + 2π/3 + π/2) = sin(θ + 7π/6) = sin(θ + 2π - 5π/6)이다.

2 고조파가 제거된 신호를 대상으로 4 고조파를 제거하므로 결과적으로 2 고조파 및 4 고조파가 제거된 sinθ 신호가 획득된다.

2, 4 고조파가 제거된 위 결과에서 3 고조파를 제거하기 위해 2π/3 위상차를 갖는 신호끼리 감산한다.

((① - ⑦) - (⑩ - ④)) - ((⑤ - ⑪) - (② - ⑧)) = ((sinθ - sin(θ - π)) - (sin(θ + π/2) - sin(θ - π/2))) - ((sin(θ + 2π/3) - sin(θ - π/3)) - (sin(θ - 5π/6) - sin(θ + π/6)))

2, 4 고조파가 제거된 신호를 대상으로 3 고조파를 제거하므로, 자연스럽게 2, 3, 4 고조파가 제거된 sinθ 신호가 획득된다. 이와 같은 방식으로 2, 3, 4 고조파가 제거된 각 제1 패턴의 신호를 획득할 수 있다.

도 13과 도 14는 각도 연산에 사용되는 신호를 각각 2개, 3개만 획득하도록 구성한 예를 나타낸다.

도 13은 4 고조파, 3 고조파, 2 고조파 순으로 제거하는 방식이고, 도 14는 2 고조파, 4 고조파, 3 고조파 순으로 제거하는 방식을 나타낸다. 물론 이외에도 다양한 방식으로 고조파를 제거할 수 있음을 환기한다.

도 13의 경우를 먼저 살펴본다.

먼저 4 고조파를 제거하기 위해 2π/4 위상차를 갖는 신호끼리 감산한다.

① - ⑩ = sinθ - sin(θ + π/2)

⑤ - ② = sin(θ + 2π/3) - sin(θ - 5π/6)

⑦ - ④ = sin(θ - π) - sin(θ - π/2)

⑪ - ⑧ = sin(θ - π/3) - sin(θ + π/6)

여기서, sin(θ + π/6) = sin(θ - π/3 + π/2)이다.

다음으로 3 고조파를 제거하기 위해 위 연산 결과에서 2π/3 위상차를 갖는 신호끼리 감산한다.

(① - ⑩) - (⑤ - ②) = (sinθ - sin(θ + π/2)) - (sin(θ + 2π/3) - sin(θ - 5π/6))

(⑦ - ④) - (⑪ - ⑧) = (sin(θ - π) - sin(θ - π/2)) - (sin(θ - π/3) - sin(θ + π/6))

다음으로 2 고조파를 제거하기 위해 2π/2 위상차를 갖는 신호끼리 감산한다.

((① - ⑩) - (⑤ - ②)) - ((⑦ - ④) - (⑪ - ⑧)) = ((sinθ - sin(θ + π/2)) - (sin(θ + 2π/3) - sin(θ - 5π/6))) - ((sin(θ - π) - sin(θ - π/2)) - (sin(θ - π/3) - sin(θ + π/6)))

이와 같은 방식으로 첫번째, 열번째 제1 패턴의 신호를 기준으로 하여 2, 3, 4 고조파가 제거된 2개의 최종 신호를 획득한다. 이때의 기준 신호는 임의로 선택될 수 있다.

도 14의 경우는 도 12에서 살펴본 과정에 따라 2, 3, 4 고조파가 제거된 첫번째 제1 패턴의 신호를 획득하고 있으며, 같은 방식으로 다섯번째, 아홉번째 제1 패턴의 신호를 획득한다. 이렇게 획득된 3개의 신호를 모두 이용하여 각도를 산출할 수 있으며 어느 2개의 신호만을 이용하여 각도를 산출할 수도 있다.

연산부(160)는 예를 들어 도 13, 도 14와 같이 제1 패턴의 출력 신호를 이용하여 q번째 고조파(q는 자연수)를 제거하고, q번째 고조파가 제거된 처리 신호를 이용하여 q+1번째 고조파를 제거할 수 있다. 도 7과 도 8에서는 i 고조파를 제거하기 위해 2π/i의 위상차를 갖는 두개의 신호를 제1 패턴에서 각각 선택하여 연산을 수행하였으나, 도 14 등에서는 예를 들어 1번째 고조파인 2 고조파 제거에만 제1 패턴의 출력 신호를 이용하고 2번째 고조파인 4 고조파 제거에는 1번째 고조파인 2 고조파가 제거된 신호를 이용한다. 마찬가지로 3번째 고조파인 3 고조파 제거에는 2번째 고조파인 4 고조파가 제거된 신호를 이용한다. 이때, q번째 고조파는 해당 간격으로 제거될 수 있는 고조파 차수를 오름차순, 내림차순, 무작위 차순 중 하나로 정렬한 경우의 순서를 나타낸다.

이에 따르면 제1 패턴(141)의 출력 데이터를 2 고조파를 제거하는 수단에서만 입력받도록 연산부(160)를 구성할 수 있으므로 회로가 간소화된다. 또한, 복수 차의 고조파를 함께 제거할 수 있다.

위에서는 정현파 신호를 대상으로 하는 경우를 예로 나타내었으나 삼각파 신호 등 다양한 주기 신호에도 적용될 수 있다. 정리하면 본 발명의 광학 인코더는 주기 신호를 출력하는 제1 패턴 및 제2 패턴이 각각 형성된 수광부 및 스케일을 포함하고, 이때, 제1 패턴은 복수개 배열되고, 주기 신호에 포함된 i 고조파를 제거하기 위하여 선택된 2개의 제1 패턴은 주기 신호의 주기를 i로 나눈 위상차를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 광학 인코더는 주기 신호를 출력하는 제1 패턴 및 제2 패턴이 각각 형성된 수광부 및 스케일을 포함하고, 이때 주기 신호에 포함된 i 고조파 제거를 위하여 제1 패턴은 제1 패턴의 폭 L을 i로 나눈 간격 또는 i의 배수로 나눈 간격으로 배열될 수 있다. 예를 들어 2 고조파를 제거하기 위해서는 제1 패턴의 폭을 2 또는 2의 배수로 나눈 간격으로 제1 패턴을 배열하면 된다.

연산부(160)는 소망하는 고조파를 제거하는 연산을 수행한 후 고조파가 제거된 신호를 이용하여 상대 이동량을 산출할 수 있다.

먼저, 다음의 수학식 4를 이용해 Asinθ와 Acosθ를 획득한다.

이때, v₁, v₂,..., v_P는 고조파가 제거된 신호이고,

M_P는 sin, cos을 신호로 변환하는 매트릭스이며,

M_P ^T는 M_P의 전치 행렬이다.

예를 들어 도 9의 경우 고조파가 제거된 최종 출력은 v₁ ~ v₄ 4개이다.

따라서, P=4이고 [v₁ v₂ v₃ v₄]^T은 수학식 5와 같이 표현된다. A=1인 것으로 가정한다.

여기서,

이므로

이다.

따라서,

이다.

최종 수식은 수학식 6과 같다.

도 10의 경우 고조파가 제거된 최종 출력은 v₁, v₂ 2개이다.

따라서, P=2이고 [v₁ v₂]^T은 수학식 7과 같이 표현된다. A=1인 것으로 가정한다.

여기서,

이므로

이다.

따라서,

이다.

최종 수식은 수학식 8과 같다.

도 9의 경우에도 획득된 v₁ ~ v₄ 중 임의로 선택된 2개의 신호를 적용할 수 있다.

이후, 다음의 수학식 9로부터 상대 이동량인 각도를 산출한다.

도 15는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학 인코더의 패턴이 배치된 상태를 나타낸 개략도이다.

살펴보면, 2N 개수의 연속된 제1 패턴(141)을 포함하는 영역을 단위 패턴군(143)으로 정의하고, 단위 패턴군(143) 복수개가 직렬로 배치되어 있다. 이때 각 단위 패턴군에서 동 위상인 제1 패턴은 병렬로 연결될 수 있다. 이에 따르면 출력되는 신호는 하나의 수광 소자에서 출력되는 신호가 아니라 병렬로 연결된 복수의 수광 소자에서 출력되는 신호의 합 또는 평균이다. 따라서, 적은 광량에서도 신뢰성 있게 동작할 수 있으며 일부 수광 소자에 오류가 발생되어도 출력 신호의 오류를 완화시킬 수 있다.

정리하면 광학 인코더는 제1 패턴이 연속된 단위 패턴군이 복수로 배열되고, 각 단위 패턴군에서 동일 위상인 제1 패턴이 병렬로 연결되며, 병렬로 연결된 제1 패턴의 출력 신호를 이용하여 고조파를 제거하는 연산부를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

광학식 엔코더에 적용할 수 있다.

특히, 고조파 제거를 필요로 하는 고정밀 엔코더에 적용하는 것이 바람직하다.

110...광원 120...스케일
130...제2 패턴 140...수광부
141...제1 패턴 143...단위 패턴군
150...회전축 160...연산부
210...단위 패턴

Claims

수광부 및 상기 수광부에 대해 상대 이동하는 스케일에 각각 형성되는 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함하고,
상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴 중 적어도 하나는 고조파가 제거되는 동일 간격으로 배열되며,
상기 제1 패턴의 간격 d는 상기 제1 패턴의 폭 L보다 작은 광학 인코더.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 패턴의 폭은 상기 제2 패턴의 폭과 일치하는 광학 인코더.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 패턴은 동일 간격으로 배열되고, 상기 제2 패턴도 동일 간격으로 배열되며, 상기 제1 패턴의 배열 간격 및 상기 제2 패턴의 배열 간격은 서로 다른 광학 인코더.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 패턴은 상기 수광부에 동일 간격으로 배열되고,
상기 제2 패턴은 상기 스케일에 동일 간격으로 배열되며,
상기 제1 패턴의 폭 및 상기 제2 패턴의 폭이 서로 같고,
상기 제2 패턴의 배열 간격은 상기 제1 패턴의 폭 또는 상기 제2 패턴의 폭과 같은 광학 인코더.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제1 패턴의 간격 d는 상기 제1 패턴의 폭 L을 N(N은 2이상의 자연수)으로 나눈 값인 광학 인코더.
제 6 항에 있어서,
상기 제1 패턴의 개수 M은 적어도 2N인 광학 인코더.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 패턴의 간격 d는 상기 제1 패턴의 폭 L을 N=2j(j는 자연수)로 나눈 값인 광학 인코더.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 패턴의 개수 M은 적어도 2N이고,
상기 2N의 약수에 해당하는 차수의 고조파가 제거되는 광학 인코더.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 패턴의 개수를 M, 상기 제1 패턴의 간격을 d, 상기 제1 패턴의 폭을 L이라고 할 때,
상기 제1 패턴의 배열 길이 D는 적어도 M(L+d)인 광학 인코더.
제 10 항에 있어서,
상기 M 개수의 연속된 상기 제1 패턴을 포함하는 단위 패턴군이 복수로 배열된 광학 인코더.
제 11 항에 있어서,
상기 각 단위 패턴군에서 동일 위상인 상기 제1 패턴이 병렬로 연결되는 광학 인코더.
제 1 항에 있어서,
선택된 2개의 상기 제1 패턴의 출력 신호를 감산하여 상기 고조파를 제거하는 연산부를 포함하는 광학 인코더.
제 1 항에 있어서,
상기 고조파 중 i 고조파(i는 2이상의 자연수)를 제거하기 위해 선택된 2개의 상기 제1 패턴은 2π/i의 위상차를 갖는 광학 인코더.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 패턴의 출력 신호를 이용하여 q번째 고조파(q는 자연수)를 제거하고, 상기 q번째 고조파가 제거된 처리 신호를 이용하여 q+1번째 고조파를 제거하는 연산부를 포함하는 광학 인코더.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 패턴이 연속된 단위 패턴군이 복수로 배열되고,
상기 각 단위 패턴군에서 동일 위상인 상기 제1 패턴이 병렬로 연결되며,
상기 병렬로 연결된 상기 제1 패턴의 출력 신호를 이용하여 상기 고조파를 제거하는 연산부를 포함하는 광학 인코더.
주기 신호를 출력하는 제1 패턴 및 제2 패턴이 각각 형성된 수광부 및 스케일을 포함하고,
상기 제1 패턴은 복수개 배열되고,
상기 주기 신호에 포함된 i 고조파를 제거하기 위하여 선택된 2개의 상기 제1 패턴은 상기 주기 신호의 주기를 상기 i로 나눈 위상차를 갖는 광학 인코더.
주기 신호를 출력하는 제1 패턴 및 제2 패턴이 각각 형성된 수광부 및 스케일을 포함하고,
상기 주기 신호에 포함된 i 고조파 제거를 위하여 상기 제1 패턴은 상기 제1 패턴의 폭 L을 상기 i로 나눈 간격 또는 상기 i의 배수로 나눈 간격으로 배열되는 광학 인코더.
복수의 제1 패턴이 형성된 수광부; 및
상기 제1 패턴과 동일한 폭을 갖는 제2 패턴이 상기 폭과 동일한 간격으로 형성되며, 상기 수광부에 상대 이동되는 스케일을 포함하고,
적어도 2, 3, 4 고조파가 제거되도록 상기 각 제1 패턴은 상기 제1 패턴의 폭을 6으로 나눈 간격으로 배치되는 광학 인코더.