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KR20210002431A - Optical Absolute Encoder and Method of Detecting Absolute Rotational Position - Google Patents

Optical Absolute Encoder and Method of Detecting Absolute Rotational Position Download PDF

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KR20210002431A
KR20210002431A KR1020200186641A KR20200186641A KR20210002431A KR 20210002431 A KR20210002431 A KR 20210002431A KR 1020200186641 A KR1020200186641 A KR 1020200186641A KR 20200186641 A KR20200186641 A KR 20200186641A KR 20210002431 A KR20210002431 A KR 20210002431A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical signal
hollow cylinder
optical
light
sector
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020200186641A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
장정환
살바짓 폴
Original Assignee
동아대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 동아대학교 산학협력단 filed Critical 동아대학교 산학협력단
Priority to KR1020200186641A priority Critical patent/KR20210002431A/en
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    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders

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Abstract

본 발명은 기존의 2차원 헤밀턴 주기(Hamiltonian cycle)를 이용한 트랙 적층방법이 반경방향인 것을, 배치되는 트랙이 축방향으로 적층되도록 배치하여 엔코더의 반경방향 크기를 제한하면서 엔코더의 분해능을 향상시키기 위한 광학식 절대 엔코더의 구조와 이를 통해 절대 위치 정보를 검출하는 방법을 제공하기 위한 것으로서, 빛 통과 섹터와 빛 가림 섹터로 나누어진 적어도 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축 방향으로 적어도 2층 이상 적층하여 배치된 2차원 원형 패턴을 갖는 중공 실린더와, 상기 미소 트랙(track)에 빛을 조사하는 광 신호 발생부와, 상기 광 신호 발생부에서 발생한 빛이 미소 트랙에 설치된 빛 통과 섹터를 통과되어 나온 광 신호를 각각 수신하는 2차원 배열을 갖는 광 신호 수신부를 포함하여 구성되는데 있다.The present invention is to improve the resolution of the encoder while limiting the radial size of the encoder by arranging that the track stacking method using the conventional two-dimensional Hamiltonian cycle is in the radial direction, and the arranged tracks are stacked in the axial direction. To provide a structure of an optical absolute encoder and a method of detecting absolute position information through it, at least two or more micro tracks divided into a light passing sector and a light blocking sector are stacked in the axial direction by at least two layers. A hollow cylinder having a two-dimensional circular pattern arranged, an optical signal generator that irradiates light to the microtrack, and light generated from the optical signal generator passes through a light passing sector installed in the microtrack. It is configured to include an optical signal receiving unit having a two-dimensional array each receiving a signal.

Description

광학식 절대 엔코더 및 절대회전위치 검출방법{Optical Absolute Encoder and Method of Detecting Absolute Rotational Position}Optical Absolute Encoder and Method of Detecting Absolute Rotational Position}

본 발명은 광학식 절대 엔코더의 적층 방법에 관한 것으로, 특히 2차원 헤밀턴 주기(Hamiltonian cycle)를 이용한 축 방향으로 적층된 트랙을 활용한 엔코더 구조 자체와 이를 통해 절대 위치 정보를 검출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of stacking an optical absolute encoder, and in particular, to an encoder structure using a track stacked in an axial direction using a two-dimensional Hamiltonian cycle, and a method of detecting absolute position information through it.

광학식 절대 엔코더는 비접촉 방식의 전기-기계적(electro-mechanical) 센서로서 코드 패턴을 사용하여 절대 위치를 실시간으로 검출한다. 이러한 광학식 절대 엔코더는 정밀 자동제어 시스템에서 중요한 부분을 차지한다. 그렇기 때문에 고정밀도, 고분해능, 긴 수명, 고 신뢰성, 넓은 측정범위를 요구하는 고성능 서보기기, 로봇 팔의 정밀위치 제어, 레이더 시스템, 천문 관측 장비 등에 사용된다.The optical absolute encoder is a non-contact electro-mechanical sensor that detects an absolute position in real time using a code pattern. These optical absolute encoders occupy an important part in a precision automatic control system. Therefore, it is used for high-performance servo devices that require high precision, high resolution, long life, high reliability, and a wide measurement range, precision position control of robot arms, radar systems, and astronomical observation equipment.

광학식 절대 엔코더의 기본 구조는 각도 정보가 코드화되어, 다수의 독립적인 트랙 위에 기록된 엔코더 디스크(encoder disk)와, 광을 생성하는 광 신호 발생부(light source), 및 광 신호 발생부에서 발생한 빛이 엔코더 디스크를 통과하거나 반사되어 나온 광 신호를 수신하는 광 신호 수신부로 구성될 수 있다. 이때, 엔코더 디스크는 일반적으로 2진수의 그레이 코드(gray code) 패턴으로 된 트랙으로 구성되어 있다.The basic structure of an optical absolute encoder is an encoder disk recorded on a plurality of independent tracks by encoding angle information, an optical signal generator generating light, and light generated from the optical signal generator. It may be composed of an optical signal receiver that receives an optical signal that has passed through or reflected from the encoder disk. At this time, the encoder disk is generally composed of a track having a gray code pattern of binary numbers.

따라서 광학식 절대 엔코더는 그레이 코드 등의 회전 위치 기록 방식으로 정의된 트랙을 가지는 회전하는 엔코더 디스크에, 고정된 위치의 광 생성부에서 발생한 빛을 통과시켜 각각의 트랙에 해당하는 광 신호 수신부에서 읽음으로써 회전각을 감지하는 방식을 따른다. Therefore, the optical absolute encoder passes light generated from the light generating unit at a fixed position to a rotating encoder disk having a track defined by a rotational position recording method such as gray code, and reads it from the optical signal receiving unit corresponding to each track. Follow the method of detecting the rotation angle.

이때, 광학식 절대 엔코더에서 구성되는 그레이 코드는 상대적으로 코드 구성에 있어서 단순하지만, 양자화 잡음(quantization noise)으로 인해 분해능이 제한적일 수밖에 없는 문제점이 있다.At this time, the gray code configured in the optical absolute encoder is relatively simple in code configuration, but there is a problem in that the resolution is limited due to quantization noise.

또한 그레이 코드로 구성된 광학적 절대 엔코더는 분해능을 증가하기 위해 트랙을 반경방향으로 증가시켜야 하고, 이에 따라 디스크 사이즈가 커진다는 문제점이 있으며, 디스크 사이즈가 커짐에 따라 엔코더 시스템의 전체 크기와 중량이 함께 증가하게 되는 문제점이 있다.In addition, the optical absolute encoder composed of gray code has a problem that the track must be increased in the radial direction to increase the resolution, and accordingly, the disk size increases, and the overall size and weight of the encoder system increase as the disk size increases. There is a problem to be done.

등록특허공보 제10-0611435호 (등록일자 2006.08.03)Registered Patent Publication No. 10-0611435 (Registration Date 2006.08.03) 등록특허공보 제10-0451107호 (등록일자 2004.09.21)Registered Patent Publication No. 10-0451107 (Registration Date 2004.09.21) 미국 등록번호 US 8598509 B2 (등록일자 2013.12.03)US registration number US 8598509 B2 (registration date 2013.12.03)

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 기존의 2차원 헤밀턴 주기(Hamiltonian cycle)를 이용한 트랙 적층방법이 반경방향인 것을, 배치되는 트랙이 축 방향으로 적층되도록 배치하여 엔코더의 반경방향 크기를 제한하면서 엔코더의 분해능을 향상시키기 위한 광학식 절대 엔코더의 구조와 이를 통해 절대 위치 정보를 검출하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been devised to solve the above problems, and the conventional method for stacking tracks using a two-dimensional Hamiltonian cycle is in the radial direction, and the arranged tracks are arranged to be stacked in the axial direction. An object of the present invention is to provide a structure of an optical absolute encoder to improve the resolution of an encoder while limiting the radial size and a method of detecting absolute position information through the structure.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광학식 절대 엔코더의 특징은 빛 통과 섹터와 빛 가림 섹터로 나누어진 적어도 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축 방향으로 적어도 2층 이상 적층하여 배치된 2차원 원형 패턴을 갖는 중공 실린더와, 상기 미소 트랙(track)에 빛을 조사하는 광 신호 발생부와, 상기 광 신호 발생부에서 발생한 빛이 미소 트랙에 설치된 빛 통과 섹터를 통과되어 나온 광 신호를 각각 수신하는 2차원 배열을 갖는 광 신호 수신부를 포함하여 구성되는데 있다.A feature of the optical absolute encoder according to the present invention for achieving the above object is 2 in which at least two or more micro tracks divided into a light passing sector and a light blocking sector are stacked and arranged in at least two layers in the axial direction. A hollow cylinder having a dimensional circular pattern, an optical signal generator that irradiates light to the microtrack, and an optical signal from which light generated by the optical signal generator passes through a light passing sector installed on the microtrack It is configured to include an optical signal receiver having a two-dimensional array to receive.

바람직하게 상기 광학식 절대 엔코더는 모터를 이용한 축에 발생되는 회전력으로 상기 중공 실린더가 회전할 수 있도록 중공 실린더 중앙에 고정되어 지지하는 샤프트와, 상기 중공 실린더 양 측에서 중공 실린더 및 샤프트를 지지하는 베이스 플레이트와, 회전하는 샤프트의 축을 베이스 플레이트의 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하는 베어링을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the optical absolute encoder includes a shaft fixed and supported at the center of the hollow cylinder so that the hollow cylinder can rotate with a rotational force generated on a shaft using a motor, and a base plate supporting the hollow cylinder and the shaft at both sides of the hollow cylinder. And, it characterized in that it is configured to further include a bearing for fixing the shaft of the rotating shaft at a certain position of the base plate, and supporting the self-weight of the shaft and a load applied to the shaft.

바람직하게 상기 광 신호 수신부는 수신된 코드 패턴과 함께 중공 실린더의 회전 위치정보가 포함된 출력 신호 데이터를 출력하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the optical signal receiver outputs output signal data including rotation position information of the hollow cylinder together with the received code pattern.

바람직하게 상기 광 신호 수신부는

Figure pat00001
행렬로 2차원 배열인 광검출기를 포함하는 센서로 구성되어, 2차원 패턴을 갖는 중공 실린더에 코딩된
Figure pat00002
코드 패턴을 감지하는 것을 특징으로 한다. 여기서 n은 중공 실린더의 트랙 수이다. n = 2인 경우, 상기 광 신호 수신부는
Figure pat00003
행렬로 중공 실린더에 코딩된
Figure pat00004
코드 패턴을 감지한다.Preferably, the optical signal receiver
Figure pat00001
It is composed of a sensor including a photodetector, which is a two-dimensional array as a matrix, and is coded in a hollow cylinder having a two-dimensional pattern.
Figure pat00002
It is characterized by detecting a code pattern. Where n is the number of tracks in the hollow cylinder. When n = 2, the optical signal receiver
Figure pat00003
Coded into a hollow cylinder as a matrix
Figure pat00004
Detect code patterns.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광학식 절대 엔코더의 절대회전위치 검출방법의 특징은 광학식 절대 엔코더를 이용한 출력 신호 데이터 검출방법에 있어서, (A) 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축방향으로 적어도 2층이상 적층하여 배치된 중공 실린더의 내부에 위치하는 광 신호 발생부에서 외부로 빛을 조사하는 단계와, (B) 축방향으로 적어도 2층이상 적층하여 배치된 미소 트랙(track)을 통해 외부로 통과되는 빛을

Figure pat00005
행렬로 2차원 배열인 광검출기를 포함한 센서로 구성된 광 신호 수신부에서 수신하여
Figure pat00006
코드 패턴으로 감지하는 단계와, (C) 광 신호 수신부에 빛이 수신되면 '0', 수신되지 않으면 '1'로 정의하여, 중공 실린더의 회전 위치정보가 포함된
Figure pat00007
행렬 코드로 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.A feature of the method for detecting the absolute rotational position of an optical absolute encoder according to the present invention for achieving the above object is, in the output signal data detection method using an optical absolute encoder, (A) two or more minute tracks are axis Irradiating light to the outside from an optical signal generator located inside a hollow cylinder arranged by stacking at least two layers in the axial direction, and (B) a micro track arranged by stacking at least two layers in the axial direction Light passing through to the outside
Figure pat00005
It is received by an optical signal receiver composed of a sensor including a photodetector, which is a two-dimensional array in a matrix.
Figure pat00006
The step of detecting with a code pattern and (C) when light is received by the optical signal receiver, it is defined as '0', and if it is not received, it is defined as '1', and the rotation position information of the hollow cylinder is included.
Figure pat00007
And outputting as a matrix code.

바람직하게 상기 (B) 단계는 중공 실린더가 빛 통과 섹터와 빛 가림 섹터로 나누어진 적어도 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축 방향으로 적층하여 배치된 2차원 원형 패턴으로 구성되어, 광 신호 발생부에서 외부로 조사되는 빛이 빛 통과 섹터에서는 외부로 투과되어 광 신호 수신부에 수신되고, 빛 가림 섹터에서는 반사되어 광 신호 수신부에 수신되지 않는 것을 특징으로 한다.Preferably, in the step (B), at least two microtracks in which the hollow cylinder is divided into a light passing sector and a light blocking sector are stacked in the axial direction. It is composed of a two-dimensional circular pattern, and the light irradiated from the optical signal generator to the outside is transmitted to the outside in the light-passing sector and received by the optical signal receiver, and is reflected in the light blocking sector and is not received by the optical signal receiver. do.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 광학식 절대 엔코더 및 절대회전위치 검출방법은 다음과 같은 효과가 있다.The optical absolute encoder and the absolute rotation position detection method according to the present invention as described above have the following effects.

첫째, 기존의 2차원 헤밀턴 주기(Hamiltonian cycle)를 이용한 트랙 적층방법이 반경방향인 것을, 배치되는 트랙이 축 방향으로 적층되도록 배치하여 엔코더의 반경방향 크기를 제한할 수 있어, 광학식 엔코더의 설계와 변경된 엔코더 시스템에서 분해능을 향상시킬 수 있다. 즉,

Figure pat00008
의 분해능을 갖는 일반적인 그레이 코드 엔코더와 비교할 때, 분해능
Figure pat00009
을 갖는 제안 된 엔코더 시스템은
Figure pat00010
만큼 분해능을 향상시킨다First, it is possible to limit the radial size of the encoder by arranging that the track stacking method using the existing two-dimensional Hamiltonian cycle is in the radial direction, and the arranged tracks are stacked in the axial direction. Resolution can be improved in the modified encoder system. In other words,
Figure pat00008
Compared to a typical gray code encoder with a resolution of
Figure pat00009
The proposed encoder system with
Figure pat00010
Improves resolution as much as

둘째, 분해능을 높이기 위해 트랙을 추가적으로 설치하더라도 축 방향으로 트랙을 배치할 수 있어 반경방향으로 디스크 직경을 증가시키지 않고 정밀도를 향상시킬 수 있다 Second, even if additional tracks are installed to increase resolution, the tracks can be arranged in the axial direction, so that the accuracy can be improved without increasing the disk diameter in the radial direction

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 광학식 절대 엔코더의 구성을 나타낸 단면도
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 절대 엔코더의 투영도를 나타낸 사시도
도 3a는 본 발명에 따른 원통형 광학식 절대 엔코더의 축 방향으로 적층된 트랙을 설명하는 단면도
도 3b는 본 발명에 따른 원통형 광학식 절대 엔코더의 축 방향으로 적층된 중공 실린더를 설명하는 단면도
도 3c는 본 발명에 따른 원통형 광학식 절대 엔코더의 이차원 코드 행렬 배열을 설명하는 단면도
도 3d는 도 3c를 통해 수집되는 원통형 절대 광학식 엔코더의 축 방향

Figure pat00011
행렬을 설명하는 단면도
도 3e는 도 3c를 통해 수집되는 원통형 절대 광학식 엔코더의 축 방향
Figure pat00012
행렬의 구성을 설명하기 위한 도면
도 3f는 도 3c를 통해 수집되는 원통형 절대 광학식 엔코더의 축 방향
Figure pat00013
행렬을 설명하는 단면도 1 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical absolute encoder according to an embodiment of the present invention
2 is a perspective view showing a projection view of an optical absolute encoder according to an embodiment of the present invention
3A is a cross-sectional view illustrating a track stacked in the axial direction of a cylindrical optical absolute encoder according to the present invention.
3B is a cross-sectional view illustrating a hollow cylinder stacked in the axial direction of a cylindrical optical absolute encoder according to the present invention.
3C is a cross-sectional view illustrating a two-dimensional code matrix arrangement of a cylindrical optical absolute encoder according to the present invention.
3D is an axial direction of the cylindrical absolute optical encoder collected through FIG. 3C
Figure pat00011
Cross-sectional view illustrating the matrix
Figure 3e is the axial direction of the cylindrical absolute optical encoder collected through Figure 3c
Figure pat00012
Diagram for explaining the composition of a matrix
Figure 3f is the axial direction of the cylindrical absolute optical encoder collected through Figure 3c
Figure pat00013
Cross-sectional view illustrating the matrix

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, characteristics and advantages of the present invention will become apparent through detailed description of embodiments with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 광학식 절대 엔코더 및 절대회전위치 검출방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.A preferred embodiment of the optical absolute encoder and the absolute rotation position detection method according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms. It is provided to inform you. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention, and thus various equivalents that can replace them at the time of application It should be understood that there may be water and variations.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 광학식 절대 엔코더의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 절대 엔코더의 사시도이다. 그리고 도 3a는 본 발명에 따른 원통형 광학식 절대 엔코더의 축 방향으로 적층된 트랙을 설명하는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a configuration of an optical absolute encoder according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of an optical absolute encoder according to an embodiment of the present invention. And FIG. 3A is a cross-sectional view illustrating a track stacked in the axial direction of a cylindrical optical absolute encoder according to the present invention.

도 1 내지 도 3a에서 도시하고 있는 것과 같이, 투명한 섹터(빛 통과 섹터)와 불투명한 섹터(빛 가림 섹터)로 나누어진 적어도 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축 방향으로 적어도 2층 이상 적층하여 배치된 2차원 원형 패턴을 갖는 중공 실린더(10)와, 모터를 이용한 축에 발생되는 회전력으로 상기 중공 실린더(10)가 회전할 수 있도록 중공 실린더(10) 중앙에 고정되어 지지하는 샤프트(60)와, 상기 중공 실린더(10) 양 측에서 중공 실린더(10) 및 샤프트(60)를 지지하는 베이스 플레이트(40)(50)와, 회전하는 샤프트(60)의 축을 베이스 플레이트(40)(50)의 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하는 베어링(70,80)과, 상기 미소 트랙(track)에 빛을 조사하는 광 신호 발생부(20)와, 상기 광 신호 발생부(20)에서 발생한 빛이 미소 트랙에 설치된 투명 섹터 또는 불투명 섹터를 통과하거나 반사되어 나온 광 신호를 각각 수신하는 2차원 배열을 갖는 광 신호 수신부(30)로 구성될 수 있다. As shown in Figs. 1 to 3A, at least two or more micro tracks divided into a transparent sector (a light passing sector) and an opaque sector (a light blocking sector) are stacked in the axial direction by at least two layers. A hollow cylinder 10 having a two-dimensional circular pattern arranged, and a shaft 60 fixed and supported at the center of the hollow cylinder 10 so that the hollow cylinder 10 can rotate with a rotational force generated by a shaft using a motor And, the base plate 40, 50 supporting the hollow cylinder 10 and the shaft 60 at both sides of the hollow cylinder 10, and the axis of the rotating shaft 60 is the base plate 40, 50 Bearings (70, 80) that are fixed to a certain position of the shaft and support the self-weight of the shaft and the load applied to the shaft, an optical signal generator (20) that irradiates light to the minute track, and the optical signal generator The light generated in 20 may be composed of an optical signal receiving unit 30 having a two-dimensional arrangement for receiving optical signals reflected from or passing through a transparent sector or an opaque sector installed in the micro-track.

이때, 상기 광 신호 수신부(30)는

Figure pat00014
행렬로 2차원 배열인 광검출기를 포함하는 센서로 구성되어, 미소 트랙(track)이 축 방향으로 적어도 2층 이상 적층하여 배치된 2차원 원형 패턴을 갖는 중공 실린더(10)에서 코딩된
Figure pat00015
코드 패턴을 감지한다. 그리고 상기 광 신호 수신부(30)는 코드 패턴과 함께 중공 실린더(10)의 회전 위치정보가 포함된 출력 신호 데이터를 출력하여 절대 위치 정보를 검출한다. At this time, the optical signal receiving unit 30
Figure pat00014
It is composed of a sensor including a photodetector, which is a two-dimensional array in a matrix, and is coded in a hollow cylinder 10 having a two-dimensional circular pattern arranged by stacking at least two or more layers in the axial direction.
Figure pat00015
Detect code patterns. Further, the optical signal receiver 30 outputs output signal data including rotation position information of the hollow cylinder 10 together with a code pattern to detect absolute position information.

그러나 상기 중공 실린더(10)에 축 방향으로 적층되는 트랙 수는 2로 한정되는 것은 아니며, 도 3f에서 도시하고 있는 것과 같이, 축 방향으로 적층되는 트랙 수가 n개의 트랙 수로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 광 신호 수신부는

Figure pat00016
행렬로 2차원 배열인 광검출기를 포함하는 센서로 구성되어, 2차원 패턴을 갖는 중공 실린더에 코딩된
Figure pat00017
코드 패턴을 감지하게 된다. 여기서 n은 중공 실린더(10)에 축 방향으로 적층되는 트랙 수로서, 도 3a에서 도시하고 있는 것과 같이 n = 2인 경우, 상기 광 신호 수신부(30)는
Figure pat00018
행렬로 중공 실린더(10)에 코딩된
Figure pat00019
코드 패턴을 감지하게 된다. 이때, 상기 광 신호 발생부(20) 및 광 신호 수신부(30)는 반드시
Figure pat00020
행렬로 LED 및 광센서를 구현하지 않을 수도 있다.However, the number of tracks stacked in the axial direction on the hollow cylinder 10 is not limited to 2, and as shown in FIG. 3F, the number of tracks stacked in the axial direction may consist of n tracks. In this case, the optical signal receiver
Figure pat00016
It is composed of a sensor including a photodetector, which is a two-dimensional array as a matrix, and is coded in a hollow cylinder having a two-dimensional pattern.
Figure pat00017
It detects code patterns. Here, n is the number of tracks stacked on the hollow cylinder 10 in the axial direction, and when n = 2 as shown in FIG. 3A, the optical signal receiving unit 30
Figure pat00018
Coded in the hollow cylinder 10 as a matrix
Figure pat00019
It detects code patterns. At this time, the optical signal generator 20 and the optical signal receiver 30 must be
Figure pat00020
LEDs and light sensors may not be implemented as a matrix.

일반적으로 광학식 엔코더는 그레이 코드에 따른 2 진법을 사용하며, 최대

Figure pat00021
개의 조합을 만들어 낼 수 있다. 여기서 n은 트랙의 개수로 광 신호 수신부(30)에 구성되는 센서의 개수이다. 하지만 위와 같은 방법을 사용해 위치 정밀도를 향상시키기 위해서는 반경방향으로 미소트랙의 수가 증가하게 되고 또한 센서의 개수도 미소 트랙 수만큼 증가하게 된다. In general, optical encoders use the binary system according to the gray code, and the maximum
Figure pat00021
Can make a combination of dogs. Here, n is the number of sensors configured in the optical signal receiver 30 as the number of tracks. However, in order to improve the positioning accuracy using the above method, the number of micro-tracks increases in the radial direction, and the number of sensors increases by the number of micro-tracks.

본 발명은 트랙이 축 방향으로 적층되도록 배치된 중공 실린더(10)를 통해 2차원 헤밀턴 주기를 기반으로 한 2차원 코드를 채택하여, 제한된 센서와 트랙을 결합하더라도

Figure pat00022
개의 코드를 조합하는 방법을 사용한다. 이러한 구성으로 2차원 코드는 트랙의 수로 분할 할 수가 있고, 이를 다시 원통형 중공 실린더(10)의 축 방향으로 적층 할 수 있기 때문에, 실린더의 직경을 일정하게 유지하여 중공 실린더(10)에 반경 방향으로 2차원 코드 패턴을 배열하는 기존의 방법에 비해 중공 실린더(10)의 전체 직경을 감소할 수 있다.The present invention is arranged so that the tracks are stacked in the axial direction By adopting a two-dimensional code based on a two-dimensional Hamilton cycle through the hollow cylinder 10, even if a limited sensor and track are combined
Figure pat00022
It uses a method of combining two codes. With this configuration, the two-dimensional code can be divided by the number of tracks, and since it can be stacked in the axial direction of the cylindrical hollow cylinder 10, the diameter of the cylinder is kept constant and the hollow cylinder 10 is radially aligned. Compared to the conventional method of arranging the two-dimensional code pattern, the overall diameter of the hollow cylinder 10 can be reduced.

한편, 광 신호 수신부(30a)(30b)는 도 3a에서 도시하고 있는 것과 같이, 중공 실린더(10)의 내부에 위치하는 광 신호 발생부(20)에서 외부로 조사되는 빛을 중공 실린더(10)의 외부에서 수신한다. 이때, 광 신호 수신부(30a)(30b)는 바람직하게

Figure pat00023
행렬로 2차원 배열인 광검출기를 포함한 센서로 구성되어, 축 방향으로 적어도 2층으로 적층하여 배치된 2차원 패턴을 갖는 중공 실린더(10)에서 코딩된
Figure pat00024
코드 패턴을 감지한다. 그리고 도 3f에서 도시하고 있는 것과 같이, 중공 실린더(10)가 축 방향으로 n개의 트랙 수로 적층하여 배치되면, 광 신호 수신부(30)는 바람직하게
Figure pat00025
행렬로 2차원 배열인 광검출기를 포함하는 센서로 구성되어, 축 방향으로 n개의 트랙 수로 적층하여 배치된 2차원 패턴을 갖는 중공 실린더(10)에 코딩된
Figure pat00026
코드 패턴을 감지하게 된다.On the other hand, the optical signal receiver (30a, 30b), as shown in Figure 3a, the hollow cylinder 10 to the light irradiated to the outside from the optical signal generator 20 located inside the hollow cylinder 10 Receive from outside of. At this time, the optical signal receiving units 30a and 30b are preferably
Figure pat00023
It is composed of a sensor including a photodetector, which is a two-dimensional array in a matrix, and is coded in a hollow cylinder 10 having a two-dimensional pattern arranged by stacking at least two layers in the axial direction.
Figure pat00024
Detect code patterns. And as shown in Figure 3f, the hollow cylinder 10 in the axial direction When arranged by stacking with the number of n tracks, the optical signal receiving unit 30 is preferably
Figure pat00025
It is composed of a sensor including a photodetector, which is a two-dimensional array in a matrix, Coded in a hollow cylinder 10 having a two-dimensional pattern arranged by stacking with n number of tracks
Figure pat00026
It detects code patterns.

그리고 중공 실린더(10)는 투명한 섹터(빛 통과 섹터)와 불투명한 섹터(빛 가림 섹터)로 나누어진 적어도 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축 방향으로 적어도 2층 이상 적층하여 배치된 2차원 원형 패턴으로 구성되어, 광 신호 발생부(20)에서 외부로 조사되는 빛은 투명한 섹터에서는 외부로 투과되어 광 신호 수신부(30a)(30b)에 수신되고, 불투명한 섹터에서는 반사되어 광 신호 수신부(30a)(30b)에 수신되지 않게 된다. 광 신호 수신부(30a)(30b)에 수신되면 '0', 수신되지 않으면 '1'로 회로에 입력한다. 이처럼, 센서에 입력된 중공 실린더(10) 각 위치의 물리적 위치는 전기적인 디지털 출력으로 나타난다.In addition, the hollow cylinder 10 is a two-dimensional circle in which at least two or more micro tracks divided into a transparent sector (a light passing sector) and an opaque sector (a light blocking sector) are stacked in the axial direction by stacking at least two layers. Light irradiated to the outside from the optical signal generator 20 is formed in a pattern and is transmitted to the outside in a transparent sector and is received by the optical signal receiving units 30a and 30b, and reflected in the opaque sector and reflected to the optical signal receiving unit 30a. ) (30b) is not received. When received by the optical signal receiving units (30a) (30b) '0', if not received, input to the circuit as '1'. As such, the physical position of each position of the hollow cylinder 10 input to the sensor appears as an electrical digital output.

도 3b는 본 발명에 따른 원통형 광학식 절대 엔코더의 축 방향 적층된 실린더를 설명하는 단면도로서, 2차원 원형 패턴을 가지고 투명한 섹터(빛 통과 섹터)와 불투명한 섹터(빛 가림 섹터)로 코팅된 상하로 2개의 미소 트랙(10a)(10b)이 적층하여 배치된다.3B is a cross-sectional view illustrating a cylinder stacked in the axial direction of the cylindrical optical absolute encoder according to the present invention, and has a two-dimensional circular pattern and is coated with a transparent sector (light passing sector) and an opaque sector (light blocking sector). Two minute tracks 10a, 10b are stacked and arranged.

도 3c는 본 발명에 따른 원통형 광학식 절대 엔코더의 2차원 이진법 코드 행렬 배열을 설명하는 단면도로서, 도 3b의 중공 실린더(10)로서, 축 방향으로 적층된 2개의 미소 트랙(10a)(10b)을 단면으로 펼쳐놓은 것을 도시하고 있다.3C is a cross-sectional view illustrating an arrangement of a two-dimensional binary code matrix of a cylindrical optical absolute encoder according to the present invention, as the hollow cylinder 10 of FIG. It shows the unfolded in cross section.

도 3c에서 도시하고 있는 원통형 광학식 절대 엔코더를 통해 감지되는 코드들은 그래프 이론(Graph theory)에 의해 다음 규칙들에 따라 생성된다. Codes detected by the cylindrical optical absolute encoder shown in FIG. 3C are generated according to the following rules by graph theory.

첫째로, 0과 1의 조합으로 16개의

Figure pat00027
행렬들을 생성할 수 있고, 이를 바탕으로 섹터들을 생성한다.First, 16
Figure pat00027
You can create matrices and create sectors based on them.

둘째, 연속해서 구성되는

Figure pat00028
행렬의 경우 우측에 위치한 행렬의 좌측 열과 좌측에 위치한 행렬의 우측 열이 반드시 동일해야 한다.Second, a series of
Figure pat00028
In the case of a matrix, the left column of the matrix on the right and the right column of the matrix on the left must be the same.

셋째, 연속해서 구성되는

Figure pat00029
행렬의 상단 행은 서로 결합되어 트랙의 형태가 되고, 마찬가지로
Figure pat00030
행렬의 하단 행 또한 트랙의 형태로 구성되는 경우 독립된 원주형 코드가 생성된다.Third, continuously composed
Figure pat00029
The top row of the matrix is joined together to form a track, likewise
Figure pat00030
If the lower row of the matrix is also configured in the form of a track, an independent columnar code is generated.

도 3d는 도 3c를 통해 수집되는 원통형 절대 광학식 엔코더의 축 방향

Figure pat00031
행렬을 설명하는 단면도이고, 도 3e는 도 3c를 통해 수집되는 원통형 절대 광학식 엔코더의 축 방향
Figure pat00032
행렬의 구성을 설명하기 위한 도면이다.3D is an axial direction of the cylindrical absolute optical encoder collected through FIG. 3C
Figure pat00031
A cross-sectional view illustrating a matrix, and FIG. 3E is an axial direction of a cylindrical absolute optical encoder collected through FIG. 3C
Figure pat00032
It is a figure for explaining the structure of a matrix.

도 3c 내지 도 3e에서 도시하고 있는 것과 같이, 중공 실린더(10)의 회전 위치정보가 t 일 때, 제 1 미소 트랙(10a)에서 제 1 광 신호 수신부(30a)의 상단 센서 트랙(300)(301)에서 수신되는 출력 신호 데이터는 (0, 0)이고, 제 2 미소 트랙(10b)에서 제 2 광 신호 수신부(30b)에서 수신되는 출력 신호 데이터는 (0, 0)으로, 행렬

Figure pat00033
의 출력 신호 데이터가 수신된다.3C to 3E, when the rotation position information of the hollow cylinder 10 is t, the upper sensor track 300 of the first optical signal receiver 30a in the first minute track 10a ( The output signal data received from 301) is (0, 0), and the output signal data received from the second optical signal receiver 30b in the second minute track 10b is (0, 0), and the matrix
Figure pat00033
The output signal data of is received.

이어 중공 실린더(10)의 회전 위치정보가

Figure pat00034
일 때, 제 1 미소 트랙(10a)에서 제 1 광 신호 수신부(30a)의 상단 센서 트랙(300)(301)에서 수신되는 출력 신호 데이터는 (0, 1)이고, 제 2 미소 트랙(10b)에서 제 2 광 신호 수신부(30b)에서 수신되는 출력 신호 데이터는 (0, 0)으로, 행렬
Figure pat00035
의 출력 신호 데이터가 수신된다. Then, the rotation position information of the hollow cylinder 10
Figure pat00034
When, the output signal data received from the upper sensor track 300 and 301 of the first optical signal receiver 30a in the first minute track 10a is (0, 1), and the second minute track 10b The output signal data received from the second optical signal receiver 30b is (0, 0), and the matrix
Figure pat00035
The output signal data of is received.

이처럼, 광 신호 수신부(30)는 중공 실린더(10)의 회전 위치와 관련된 행렬에 대한 정보를 출력 신호 데이터로 출력한다. 이때, 상기 광 신호 수신부(30)는 코드 패턴과 함께 중공 실린더(10)의 위치정보가 포함된 출력 신호 데이터를 출력한다.As such, the optical signal receiving unit 30 outputs information on a matrix related to the rotation position of the hollow cylinder 10 as output signal data. At this time, the optical signal receiving unit 30 Output signal data including position information of the hollow cylinder 10 together with the code pattern is output.

다음 표 1 은

Figure pat00036
행렬 코드와 각 위치를 변환된 표로 나타내었다.
Figure pat00037
행렬로 코딩된 중공 실린더의 분해능은 22.5도이다.Table 1 below
Figure pat00036
The matrix code and each position are shown in a transformed table.
Figure pat00037
The resolution of a hollow cylinder coded as a matrix is 22.5 degrees.

Figure pat00038
Figure pat00038

이와 같은 방법으로 회전 위치정보가 변경됨에 따라 수신되는 출력 신호 데이터는 도 3e에서 도시하고 있는 것과 같이, 2개의 미소 트랙(10a)(10b)으로 구성된 중공 실린더(10)와 결합하여 16(

Figure pat00039
)개의 코드를 조합하여 만들 수 있다.The output signal data received as the rotational position information is changed in this way is combined with the hollow cylinder 10 composed of two minute tracks 10a and 10b, as shown in FIG.
Figure pat00039
It can be made by combining) code.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the technical idea of the present invention described above has been described in detail in the preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of explanation and not for the limitation thereof. In addition, those of ordinary skill in the technical field of the present invention will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (6)

빛 통과 섹터와 빛 가림 섹터로 나누어진 적어도 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축 방향으로 적어도 2층 이상 적층하여 배치된 2차원 원형 패턴을 갖는 중공 실린더와,
상기 미소 트랙(track)에 빛을 조사하는 광 신호 발생부와,
상기 광 신호 발생부에서 발생한 빛이 미소 트랙에 설치된 빛 통과 섹터를 통과되어 나온 광 신호를 각각 수신하는 2차원 배열을 갖는 광 신호 수신부를 포함하여 구성되며,
모터를 이용한 축에 발생되는 회전력으로 상기 중공 실린더가 회전할 수 있도록 중공 실린더 중앙에 고정되어 지지하는 샤프트를 더 포함하되,
축이 되는 상기 샤프트를 기준으로 바깥 방향으로 상기 광 신호 발생부, 중공 실린더, 광 신호 수신부가 차례대로 배치되고,
상기 중공 실린더는 분해능 향상을 위하여 트랙이 축 방향으로 2차원 헤밀턴 주기를 기반으로 적층되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학식 절대 엔코더.A hollow cylinder having a two-dimensional circular pattern in which at least two or more minute tracks divided into a light passing sector and a light blocking sector are stacked and arranged in at least two layers in the axial direction,
An optical signal generator that irradiates light to the micro-track,
And an optical signal receiving unit having a two-dimensional array for receiving the optical signals generated by the light generated by the optical signal generation unit passing through the light passing sector installed on the micro track,
Further comprising a shaft fixed and supported in the center of the hollow cylinder so that the hollow cylinder can rotate with a rotational force generated on the shaft using a motor,
The optical signal generator, the hollow cylinder, and the optical signal receiver are sequentially arranged in an outward direction with respect to the shaft serving as an axis,
The hollow cylinder is an optical absolute encoder, characterized in that the track is configured to be stacked based on a two-dimensional Hamilton period in the axial direction in order to improve resolution. 제 1 항에 있어서, 상기 광학식 절대 엔코더는
상기 중공 실린더 양 측에서 중공 실린더 및 샤프트를 지지하는 베이스 플레이트와,
회전하는 샤프트의 축을 베이스 플레이트의 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하는 베어링을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학식 절대 엔코더.The method of claim 1, wherein the optical absolute encoder
A base plate supporting the hollow cylinder and the shaft on both sides of the hollow cylinder,
An optical absolute encoder, characterized in that it further comprises a bearing for fixing the shaft of the rotating shaft at a certain position of the base plate and supporting the self-weight of the shaft and the load applied to the shaft. 제 2 항에 있어서,
상기 광 신호 수신부는 수신된 코드 패턴과 함께 중공 실린더의 회전 위치정보가 포함된 출력 신호 데이터를 출력하는 것을 특징으로 하는 광학식 절대 엔코더.The method of claim 2,
The optical signal receiving unit outputs output signal data including rotation position information of the hollow cylinder together with the received code pattern. 제 1 항에 있어서,
상기 광 신호 수신부는
Figure pat00040
행렬로 2차원 배열인 광검출기를 포함하는 센서로 구성되어, 2차원 패턴을 갖는 중공 실린더에 코딩된
Figure pat00041
코드 패턴을 감지하며, 이때, n은 트랙 수인 것을 특징으로 하는 광학식 절대 엔코더.The method of claim 1,
The optical signal receiver
Figure pat00040
It is composed of a sensor including a photodetector, which is a two-dimensional array as a matrix, and is coded in a hollow cylinder having a two-dimensional pattern.
Figure pat00041
Optical absolute encoder, characterized in that detecting a code pattern, where n is the number of tracks. 광학식 절대 엔코더를 이용한 출력 신호 데이터 검출방법에 있어서,
(A) 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축방향으로 적어도 2층이상 적층하여 배치된 중공 실린더의 내부에 위치하는 광 신호 발생부에서 외부로 빛을 조사하는 단계와,
(B) 축방향으로 적어도 2층이상 적층하여 배치된 미소 트랙(track)을 통해 외부로 통과되는 빛을
Figure pat00042
행렬로 2차원 배열인 광검출기를 포함한 센서로 구성된 광 신호 수신부에서 수신하여
Figure pat00043
코드 패턴으로 감지하는 단계와,
(C) 광 신호 수신부에 빛이 수신되면 '0', 수신되지 않으면 '1'로 정의하여, 중공 실린더의 회전 위치정보가 포함된
Figure pat00044
행렬 코드로 출력하는 단계를 포함하여 이루어지며, 이때, n은 트랙 수인 것을 특징으로 하되,
상기 광학식 절대 엔코더는
빛 통과 섹터와 빛 가림 섹터로 나누어진 적어도 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축 방향으로 적어도 2층 이상 적층하여 배치된 2차원 원형 패턴을 갖는 중공 실린더와,
상기 미소 트랙(track)에 빛을 조사하는 광 신호 발생부와,
상기 광 신호 발생부에서 발생한 빛이 미소 트랙에 설치된 빛 통과 섹터를 통과되어 나온 광 신호를 각각 수신하는 2차원 배열을 갖는 광 신호 수신부를 포함하여 구성되며,
모터를 이용한 축에 발생되는 회전력으로 상기 중공 실린더가 회전할 수 있도록 중공 실린더 중앙에 고정되어 지지하는 샤프트를 더 포함하되,
축이 되는 상기 샤프트를 기준으로 바깥 방향으로 상기 광 신호 발생부, 중공 실린더, 광 신호 수신부가 차례대로 배치되고,
상기 중공 실린더는 분해능 향상을 위하여 트랙이 축 방향으로 2차원 헤밀턴 주기를 기반으로 적층되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학식 절대 엔코더의 절대회전위치 검출방법.In the output signal data detection method using an optical absolute encoder,
(A) irradiating light to the outside from an optical signal generator located inside a hollow cylinder in which at least two or more layers of two or more micro tracks are stacked in the axial direction;
(B) At least two layers of light are stacked in the axial direction to pass through the micro-track.
Figure pat00042
It is received by an optical signal receiver composed of a sensor including a photodetector, which is a two-dimensional array in a matrix
Figure pat00043
Detecting with a code pattern,
(C) When light is received by the optical signal receiver, it is defined as '0', and if it is not received, it is defined as '1'.
Figure pat00044
And outputting as a matrix code, wherein n is the number of tracks,
The optical absolute encoder is
A hollow cylinder having a two-dimensional circular pattern in which at least two or more minute tracks divided into a light passing sector and a light blocking sector are stacked and arranged in at least two layers in the axial direction;
An optical signal generator that irradiates light to the micro-track,
And an optical signal receiving unit having a two-dimensional array for receiving the optical signals generated by the light generated from the optical signal generation unit passing through the light passing sector installed on the micro track,
Further comprising a shaft fixed and supported in the center of the hollow cylinder so that the hollow cylinder can rotate with a rotational force generated on the shaft using a motor,
The optical signal generator, the hollow cylinder, and the optical signal receiver are sequentially arranged in an outward direction with respect to the shaft serving as an axis,
The method of detecting the absolute rotation position of the optical absolute encoder, wherein the hollow cylinder is configured such that tracks are stacked in an axial direction based on a two-dimensional Hamilton period in order to improve resolution. 제 5 항에 있어서, 상기 (B) 단계는
중공 실린더가 빛 통과 섹터와 빛 가림 섹터로 나누어진 적어도 2개 이상의 미소 트랙(track)이 축 방향으로 적층하여 배치된 2차원 원형 패턴으로 구성되어, 광 신호 발생부에서 외부로 조사되는 빛이 빛 통과 섹터에서는 외부로 투과되어 광 신호 수신부에 수신되고, 빛 가림 섹터에서는 반사되어 광 신호 수신부에 수신되지 않는 것을 특징으로 하는 광학식 절대 엔코더의 절대회전위치 검출방법.The method of claim 5, wherein step (B) is
At least two micro-tracks in which a hollow cylinder is divided into a light passing sector and a light blocking sector are stacked in the axial direction. It is composed of a two-dimensional circular pattern, and the light irradiated from the optical signal generator to the outside is transmitted to the outside in the light-passing sector and received by the optical signal receiver, and is reflected in the light blocking sector and is not received by the optical signal receiver. Method of detecting absolute rotation position of optical absolute encoder.
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