KR100571346B1 - Each encoder - Google Patents
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- G01D5/34776—Absolute encoders with analogue or digital scales
- G01D5/34792—Absolute encoders with analogue or digital scales with only digital scales or both digital and incremental scales
Abstract
둘러싼 하우징(5)에 고정된 회전축선(8)을 중심으로 회전가능한 본체(1)를 포함하는 각 위치 센서가 개시되었다. 상기 본체(1)는 회전축선에 대한 회전면을 포함하는 격자요소(2)를 가지며, 상기 회전면은 무단의 일련의 개별적인 이진 바코드의 형태로 배열설치된 의사무작위 분포의 고 EMR 반사율의 영역(21) 및 저 EMR 반사율의 영역(22)을 포함하고, 상기 각 위치 센서는 또한 EMR 소스(10) 및 하우징에 대하여 고정된 EMR 감응 검출기의 어레이(9)를 가지며, 상기 EMR소스는 회전면을 조하하고 어레이는 반사된 입사 EMR을 수광하고, 회전면상의 교호의 고저 반사율의 영역으로부터의 어레이상의 입사 EMR에 의해 패턴이 생성되고, 이 패턴은 하우징에 대한 영역의 절대 각 위치를 얻기 위해 프로세서(11)에 의해 처리되고, 하우징에 대한 회전체의 절대 각 위치의 측정치를 제공한다.
절대 각 위치, 격자요소, EMR 소스, EMR 반사율, EMR 감응 검출기, 패턴, 프로세서, 회전체, 하우징, 이진 바코드
An angle sensor is disclosed that includes a body 1 rotatable about an axis of rotation 8 fixed to an enclosing housing 5. The body 1 has a grating element 2 comprising a plane of rotation about an axis of rotation, the plane of rotation 21 of a pseudo-random distribution of high EMR reflectance arranged in the form of an endless series of individual binary barcodes and A region of low EMR reflectance 22, wherein each position sensor also has an array 9 of EMR sensitive detectors fixed relative to the EMR source 10 and the housing, the EMR source roughening the plane of rotation and the array being Receives the reflected incident EMR, and a pattern is generated by the incident EMR on the array from alternating high and low reflectance regions on the rotating surface, which pattern is generated by the processor 11 to obtain the absolute angular position of the region with respect to the housing. And provide a measurement of the absolute angular position of the rotor relative to the housing.
Absolute angular position, grating element, EMR source, EMR reflectance, EMR sensitive detector, pattern, processor, rotor, housing, binary barcode
Description
본 발명은 각 위치 센서에 관한 것이고, 상세하게는 기준 마크로부터 카운팅할 필요 없이 회전체의 절대 회전각을 감지하는 센서에 관한 것이다. The present invention relates to an angular position sensor, and more particularly to a sensor for detecting the absolute rotation angle of the rotating body without the need to count from the reference mark.
종래, 각 위치 센서는 회전체의 회전각을 감지하기 위해 사용되었다. 종래 이런 각 위치 센서는 검출기 장치 및, 투명성 바와 불투명성 또는 반사성 바가 교호로 형성된 콘트라스팅 바를 갖춘 재료로 된 눈금 스케일로 구성되고, 바의 변위는 광방출, 광검출 및 광학 수단을 포함하는 검출기 장치에 의해 검출된다.Conventionally, each position sensor has been used to detect the rotation angle of the rotating body. Each such position sensor conventionally consists of a detector device and a scale scale made of a material with a contrasting bar formed of alternating transparent and opaque or reflective bars, the displacement of the bar being in a detector device comprising light emission, photodetection and optical means. Is detected.
눈금 스케일은 보통 UV, 가시광선 또는 IR광인 전자기 방사선(EMR)에 감응하는 광검출기의 하나 또는 그이상의 어레이상에 패턴을 발생하는 EMR 소스로 되는 광방출 수단에 의해 조명된다. 그런 어레이는 CCD장치, VLSI 비전 칩, 1차원 또는 2차원의 광검출기 어레이 및 측방 효과 광다이오드(보통 PSD장치 또는 위치 감응 장치로 불린다)를 포함한다. 하나 또는 그이상의 어레이의 출력은 처리되어 회전체의 각 위치의 측정치를 산정한다. 눈금 스케일은 회전체의 회전축선선 둘레로 축선방향으로 또는 방사상으로 배열설치될 수 있고, 회전체의 각 위치에 관계없이 어레이의 연속 출력을 가능하게 하는 특성을 가질 수 있고, 반면 제한된 어레이 치수는 임의의 일순간에 어레이에 의해 완전한 원주면 또는 방사면이 보여지는 것을 허용하지 않는다. The scale scale is illuminated by light emitting means, which is an EMR source that generates a pattern on one or more arrays of photodetectors that are sensitive to electromagnetic radiation (EMR), usually UV, visible or IR light. Such arrays include CCD devices, VLSI vision chips, one or two dimensional photodetector arrays and side effect photodiodes (commonly referred to as PSD devices or position sensitive devices). The outputs of one or more arrays are processed to estimate measurements of each position of the rotor. The scale scale may be arranged axially or radially around the axis of rotation of the rotor, and may have the property of enabling continuous output of the array regardless of each position of the rotor, while the limited array dimensions are arbitrary It does not allow the complete circumferential or radial plane to be seen by the array at one point.
그런 센서는 보통 스케일의 증분하는 각 위치에 기초한 신호를 제공하고, 절대 각 위치는 알려진 기준 위치로부터 카운팅함으로써 결정된다. 증분 센서의 정확도는 직각보간(quadrature interpolation)과 같은 잘 알려진 기술을 사용함으로써 실질상 향상되는 경우가 많다. 그런 직각 보간 방법에는 불변하는 바 각도 간격이 필요하다. Such sensors usually provide a signal based on the incremental angular position of the scale, and the absolute angular position is determined by counting from known reference positions. Incremental sensor accuracy is often substantially improved by using well-known techniques such as quadrature interpolation. Such quadrature interpolation methods require an invariant bar angular spacing.
대안적으로, 센서는 스케일에 부착된 바코드를 사용함으로써 절대 위치에 기초한 신호를 제공할 수 있다. 이런 바코드는 바코드의 각각의 세트가 감지되는 각 위치마다 독특하기 때문에 보통 일정한 각도의 바 간격을 갖지 않고, 그런 절대 위치 센서는 보통 그것이 직각보간 기법을 사용할 수 없기 때문에 증분 센서에 의해 제공되는 위치 측정 정확도를 제공하지 않는다. Alternatively, the sensor can provide an absolute position based signal by using a barcode attached to the scale. These barcodes usually do not have a fixed angle of bar spacing because each set of barcodes is unique to each location where they are detected, and such absolute position sensors usually do not measure the position provided by the incremental sensor because it cannot use quadrature interpolation techniques. Does not provide accuracy.
그러나, 높은 정확도를 갖는 절대 위치 센서가 필요하다면, 두 개의 스케일이 필요하다. 제 1스케일은 바코드의 인터로게이션에 의해 개략적인(coarse) 절대 위치를 측정하고, 제 2스케일은 규칙적인 바 패턴의 직각보간에 의해 세밀한(fine) 상대 위치를 제공한다. However, if an absolute position sensor with high accuracy is needed, two scales are needed. The first scale measures the coarse absolute position by interrogation of the barcode, and the second scale provides fine relative position by orthogonal interpolation of the regular bar pattern.
고정확도의 절대 위치 측정치를 제공하고 본 발명의 각 인코더와 가장 가깝게 관련된 종래 기술이 미국 특허 제 5,235,181호(Durana등의)에 설명되었다. 이것은 2스케일, 개략적인 절대 위치를 위한 의사무작위(pseudo-random)바코드 스케일 및 세밀한 위치를 위한 규칙적으로 간격을 이룬 스케일로 구성된 센서를 설명한다. Prior art that provides a high accuracy absolute position measurement and is most closely associated with each encoder of the present invention is described in US Pat. No. 5,235,181 (Durana et al.). It describes a sensor consisting of two scales, pseudo-random barcode scales for coarse absolute position, and regularly spaced scales for fine position.
미국 특허 제 5,235,181호에 설명된 위치 센서는 몇 가지 고유의 결점을 갖는다. 두 스케일의 사용은 단일 어레이에 비교하여 증가된 비용의 복수의 광검출기 어레이의 사용을 필요로 한다. 또한 스케일 및 어레이는 매우 정확하게 서로에 관하여 위치될 필요가 있는데, 이것은 또한 비용을 증가시키고 센서의 최대 정확도를 제한한다. 또한, 사용중에 기계적 편향 및 조립 간극에 있어서의 필연적인 변화는 가능한 최대 정확도를 더 제한하는 두 어레이의 상대 위치의 불확실성을 야기한다. The position sensor described in US Pat. No. 5,235,181 has some inherent drawbacks. The use of two scales requires the use of multiple photodetector arrays of increased cost compared to a single array. In addition, the scale and the array need to be positioned very precisely with respect to each other, which also increases cost and limits the maximum accuracy of the sensor. In addition, the inevitable changes in mechanical deflection and assembly clearance during use cause uncertainties in the relative position of the two arrays, which further limits the maximum accuracy possible.
본 발명의 본질은 모든 필요한 정보를 제공하는 단일 스케일로 개략적인 분해능의 절대 위치 검출 및 세밀한 분해능의 증분 위치 감지 양쪽 모두를 제공하는데 있다. 바람직하게는 이것은 일정한 바 피치 및 다양한 바 폭을 갖는 바코드 또는 대안적으로 다양한 바 피치를 갖는 특수한 형태의 바코드를 사용함으로써 성취된다. 따라서, 바코드는 절대 위치 감지를 위해 필요한 이진 정보를 제공하고 또한 위치의 세밀한 분해능의 보간을 가능하게 하는 규칙적인 바 패턴을 제공한다. 또한, 센서는 바람직하게는 반사 원리에 따르고, 광방출 수단 및 광검출 수단이 회전체의 동일한 측에 위치되고 스케일은 고저 반사율의 영역을 포함한다.The essence of the present invention is to provide both absolute resolution of coarse resolution and incremental position detection of fine resolution on a single scale providing all the necessary information. Preferably this is accomplished by using a bar code having a constant bar pitch and various bar widths or alternatively a special type of bar code with various bar pitches. Thus, the bar code provides the binary information needed for absolute position detection and also provides a regular bar pattern that enables interpolation of fine resolution of the position. Further, the sensor is preferably in accordance with the reflection principle, wherein the light emitting means and the light detecting means are located on the same side of the rotating body, and the scale includes an area of high and low reflectance.
미국 특허 제 5,235,181호에 설명된 것과 비교하여 이런 설계는 몇가지 장점을 갖는다. 첫째, 단일의 스케일만을 사용함에 따라 오직 하나의 광검출기 어레이가 필요하여 비용을 줄이게 된다. 둘째로, 양자의 스케일이 결합될 때, 상대적인 스케일 오정렬로 인한 부정확도는 제거되어 더 나은 측정 정확도를 제공한다. 세째로, 두 스케일의 단일 형태로의 조합은 종래 기술에 설명된 두 스케일 및 어레이의 상대 위치에 있어서의 변동이 제거되므로, 센서를 기계적 비틀림, 공차 또는 베어링 간극에 덜 민감하게 한다. 네째로, 반사성 스케일을 사용하면 센서의 공간 및 비용에 있어서의 추가적인 절감을 가지고 동일한 조립체내에 광방출 및 광검출 수단을 패키징할 수 있기 때문에 더 간단하고 더 소형의 구조를 가능하게 한다. 다섯째로, 투과성 스케일에 비교하여 반사성 스케일을 사용하는 또 다른 장점은 EMR이 스케일의 표면으로부터 반사되고, 개구부를 갖는 경우에서와 같은 에지 스캐터링, 또는 EMR이 투과성 영역내의 매개물을 통과해야하는 투명성 재료를 갖는 경우에서와 같은 내부 반사, 굴절 또는 경시적인 열화로 인한 다른 문제들에 의해 영향받지 않는다는 것이다. 그와 같은 영향들은 다른 방법에서 센서의 최대 분해능을 제한한다. 마지막으로, 조합된 스케일은 두 개의 분리된 스케일보다 덜 복잡하여 특히 레이저 마킹과 같은 직접 기록 기술이 적용되는 경우, 보다 신속하고 그리고 보다 저렴한 비용으로 생산될 수 있다. Compared to that described in US Pat. No. 5,235,181, this design has several advantages. First, using only a single scale requires only one photodetector array, reducing costs. Secondly, when both scales are combined, inaccuracies due to relative scale misalignment are eliminated to provide better measurement accuracy. Third, the combination of the two scales into a single form makes the sensor less susceptible to mechanical torsion, tolerances or bearing clearances, since variations in the relative positions of the two scales and arrays described in the prior art are eliminated. Fourthly, the use of reflective scales allows for simpler and more compact structures since the light emitting and photodetecting means can be packaged in the same assembly with additional savings in space and cost of the sensor. Fifth, another advantage of using a reflective scale over a transmissive scale is that edge scattering as in the case where the EMR is reflected from the surface of the scale and has an opening, or a transparent material where the EMR must pass through the mediator in the transmissive region It is not affected by internal reflections, refractions or other problems due to deterioration with time, as in the case of having. Such effects limit the maximum resolution of the sensor in other ways. Finally, combined scales are less complex than two separate scales and can be produced faster and at lower cost, especially when direct writing techniques such as laser marking are applied.
본 발명은 적어도 부분적으로 하우징에 의해 둘러싸이고, 상기 하우징에 대하여 고정된 회전축선을 중심으로 회전가능하고, 상기 하우징에 부착되거나 일체로 형성되는 격자요소를 가진 적어도 하나의 본체와, 적어도 하나의 EMR 소스 및 적어도 하나의 EMR 감응 검출기의 어레이를 포함하고, 상기 격자요소는 회전축선을 중심으로 한 회전면을 포함하고, 상기 회전면은 무단의 일련의 개별적인 이진 바코드의 형태로 배열된 의사무작위 분포의 고 EMR 반사율 및 저 EMR 반사율의 영역을 포함하고, 상기 EMR 소스는 상기 회전면을 조사하고 상기 어레이는 상기 회전면으로부터 반사된 입사 EMR을 수광하고, 상기 EMR 소스 및 상기 어레이는 상기 하우징에 대하여 고정되어, 상기 격자요소의 회전면상의 교호의 저 반사율 영역 및 고 반사율 영역으로부터의 상기 어레이상의 입사 EMR에 의해 패턴이 생성되고, 상기 어레이상의 상기 패턴은 프로세서에 의해 처리되어 상기 하우징에 대한 영역의 절대 각 위치를 얻고, 그래서 상기 하우징에 대한 회전체의 절대 각 위치의 측정치를 제공하는 각 위치 센서로 이루어진다. The invention relates to at least one body having a grid element at least partially enclosed by the housing, rotatable about a fixed axis of rotation relative to the housing and attached to or integrally formed with the housing; A source and an array of at least one EMR sensitive detector, the grating element comprising a plane of rotation about an axis of rotation, the plane of rotation comprising a pseudo-random distribution of high EMR arranged in the form of a series of discrete binary barcodes A region of reflectance and low EMR reflectivity, wherein the EMR source irradiates the plane of rotation and the array receives an incident EMR reflected from the plane of rotation, the EMR source and the array being fixed relative to the housing, the grating From alternating low and high reflectance regions on the plane of rotation of the element A pattern is generated by an incident EMR on the ray, and the pattern on the array is processed by a processor to obtain an absolute angular position of the area relative to the housing, thus providing a measure of the absolute angular position of the rotor relative to the housing. Each position consists of a sensor.
일실시예에서 적어도 하나의 본체는 각각의 회전체가 각각의 격자요소를 갖는 두 개의 회전체를 포함하고, 상기 두 개의 회전체는 소정의 비틀림 강성을 갖는 부재에 의해 연결되고, 상기 적어도 하나의 EMR 감응 검출기의 어레이는 상기 격자요소의 회전면으로부터 반사된 입사 EMR을 수광하고, 상기 패턴은 처리되어 상기 하우징에 대한 상기 격자요소의 회전면상의 영역의 절대 각 위치를 얻고, 또한 절대 각 위치들간의 차이가 추가로 처리되어 상기 격자요소들의 상대 각 변위를 얻고, 이에 따라 상기 부재에 의해 전달된 토크의 측정치를 제공하다. EMR 감응 검출기의 어레이의 개수는 두 개이고, 두 개의 어레이의 각각은 각각의 격자요소와 연관되어 있다. EMR 소스의 개수는 두 개이고, 두 개의 EMR소스의 각각은 각각의 격자요소와 연관되어 있다. In one embodiment at least one body comprises two rotors, each rotor having a respective grating element, the two rotors being connected by a member having a predetermined torsional rigidity, the at least one The array of EMR sensitive detectors receives an incident EMR reflected from the plane of rotation of the grating element, and the pattern is processed to obtain an absolute angular position of the area on the plane of rotation of the grating element relative to the housing, and between absolute angular positions The difference is further processed to obtain the relative angular displacement of the grating elements, thus providing a measure of the torque transmitted by the member. There are two arrays of EMR sensitive detectors, each of which is associated with a respective grid element. The number of EMR sources is two, and each of the two EMR sources is associated with each lattice element.
상기 회전면은 적어도 부분적으로 원통형 또는 부분적으로 원뿔형인 것이 바람직하다. The rotating surface is preferably at least partially cylindrical or partially conical.
고 EMR 반사율의 영역 또는 저 EMR 반사율의 영역중 어느 하나는 일정한 중심선 피치 및 다양한 두께들을 갖는 바들을 포함하는 것이 바람직하다. 다양한 두께의 바들은 적어도 두 개의 별개의 두께를 갖는 바들로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 바들은 단지 두 개의 두께 즉, 폭이 넓은 바들 및 좁은 바들을 갖는 것이 바람직하다.
대안적으로, 고 EMR 반사율 영역 또는 저 EMR 반사율 영역중 어느 하나는 다양한 중심선 피치를 갖는 바들을 포함하고 상기 피치는 기본 피치의 정수배인 것이 바람직하다. 대안적으로, 상기 다양한 중심선 피치를 갖는 바들은 일정한 두께를 가는 것이 바람직하다. 다양한 두께의 바들은 적어도 두 개의 별개의 두께를 갖는 바들로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 바들은 단지 두 개의 두께, 즉 넓은 바들 및 좁은 바들을 갖는 것이 바람직하다. Either the region of high EMR reflectance or the region of low EMR reflectance preferably includes bars having constant centerline pitch and various thicknesses. The bars of various thicknesses preferably consist of bars having at least two distinct thicknesses. The bars preferably have only two thicknesses, i.e. wide bars and narrow bars.
Alternatively, either the high EMR reflectance region or the low EMR reflectance region comprises bars having various centerline pitches, wherein the pitch is an integer multiple of the base pitch. Alternatively, the bars with the various centerline pitches are preferably of constant thickness. The bars of various thicknesses preferably consist of bars having at least two distinct thicknesses. The bars preferably have only two thicknesses, i.e. wide bars and narrow bars.
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어떤 실시예에서 회전면은 거기로부터 방사상으로 돌출하는 복수의 카스텔레이션을 갖는다. 고 반사율 영역은 카스텔레이션의 최대 돌출 구역들에 상응하고, 저 반사율 영역은 카스텔레이션간의 덜 돌출된 구역들로 각도상으로 정렬되어 있는 것이 바람직하다. 최대 돌출 구역들은 고반사율을 부여하기 위해 매끄럽게 기계가공되거나, 몰딩되거나 또는 소결되거나, 또는 페인트 또는 일정재료 적층으로 표면처리되고, 불연속 갭 구역 또는 덜 돌출된 구역들은 저 반사율을 부여하기 위해 기계가공되거나, 몰딩되거나 또는 소결되거나, 또는 페인트 또는 일정재료 적층으로 표면처리되는 것이 바람직하다. In some embodiments, the rotating surface has a plurality of castels that project radially therefrom. The high reflectance region corresponds to the largest protruding regions of the castellation, and the low reflectance region is preferably angularly aligned with the less protruding regions between the castels. Maximum protruding zones can be machined smoothly, molded or sintered to impart high reflectivity, or surfaced with paint or a stack of materials, and discrete gap zones or less protruding zones can be machined to give low reflectivity It is preferred to be molded or sintered, or to be surface treated with a paint or certain material stack.
고 반사율의 영역은 금속코팅되거나, 빛나는 또는 밝은 색으로 착색되고, 저반사율의 영역은 실질상 투명하거나, 광택이 없는, 조면화되거나 어두운 색으로 착색되어, 반사 스케일을 형성하는 것이 바람직하다. The areas of high reflectivity are preferably metal coated, shiny or brightly colored, and the areas of low reflectivity are substantially transparent, matte, roughened or dark colored, forming a reflection scale.
EMR검출기의 적어도 하나의 어레이는 회전면의 방사상 내측 또는 외측에 위치된다. At least one array of EMR detectors is located radially inward or outward of the plane of rotation.
적어도 하나의 EMR 검출기의 어레이는 1차원 또는 2차원 어레이, CCD, VLSI비전 칩 또는 측방 효과 광다이오드를 포함하는 것이 바람직하다. The array of at least one EMR detector preferably comprises a one or two dimensional array, a CCD, a VLSI vision chip or a side effect photodiode.
또한 패턴을 프로세서로 처리하여 하우징에 대한 회전체의 각속도를 얻는 것이 바람직하다. It is also desirable to process the pattern with a processor to obtain the angular velocity of the rotor relative to the housing.
도 1a는 방사상으로 돌출한 카스텔레이션에 의해 제공되는 저 반사율 및 고 반사율 영역으로 구성된 회전체 및 방사상으로 배치된 광검출기 어레이를 도시하는 본 발명의 제 1실시예에 따른 각 위치 센서의 개략 단면도,1A is a schematic cross-sectional view of each position sensor according to a first embodiment of the present invention showing a rotating body and a radially arranged photodetector array composed of low reflectance and high reflectance regions provided by radially projecting castellation;
도 1b는 도 1a내에 도시된 격자요소의 부분 확대도,FIG. 1B is an enlarged partial view of the grid element shown in FIG. 1A;
도 2a는 축선방향으로 돌출한 카스텔레이션 및 축선방향으로 배치된 광검출기 어레이를 사용하는 도 1a내에 도시된 것과 유사한 각 위치 센서의 개략 단면도,FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of an angular position sensor similar to that shown in FIG. 1A using an axially projecting castellation and an axially arranged photodetector array; FIG.
도 2b는 도 2a내에 도시된 격자요소의 부분 확대도,FIG. 2B is an enlarged partial view of the grating element shown in FIG. 2A;
도 3a는 고저 반사율의 영역을 갖는 원통형 스케일 표면으로 구성된 회전체 및 방사상으로 배치된 광검출기 어레이를 도시하는 본 발명의 제 2실시예에 따른 각 위치 센서의 개략 단면도,3A is a schematic cross-sectional view of each position sensor according to a second embodiment of the present invention showing a rotating body composed of a cylindrical scale surface having an area of high and low reflectivity and a radially arranged photodetector array;
도 3b는 도 3a내에 도시된 격자요소의 부분 확대도,3b is an enlarged partial view of the grating element shown in FIG.
도 4a는 축선방향으로 배치된 광검출기 어레이와 함께 디스크 형태의 표면을 사용하는 도 3a내에 도시된 것과 유사한 각 위치 센서의 개략 단면도,4A is a schematic cross-sectional view of an angular position sensor similar to that shown in FIG. 3A using a disk shaped surface with an array of photodetectors arranged axially;
도 4b는 도 4a내에 도시된 격자요소의 부분 확대도,4b is an enlarged partial view of the grating element shown in FIG. 4a;
도 5는 광검출기 어레이상에 입사된 패턴 및 개략적인 분해능의 절대각 측정 및 세밀한 분해능의 보간 증분 측정 양쪽 모두를 제공하도록 사용된 기술을 도시하는 도면, 및 FIG. 5 shows a technique used to provide both an absolute angle measurement of a pattern and a coarse resolution and an interpolated incremental measurement of fine resolution, incident on a photodetector array, and
도 6은 비틀림 부재에 의해 전달된 토크의 측정을 위해 제공된 센서가 비틀림 부재에 의해 결합된 두 개의 회전체를 포함하는 본 발명의 제 3실시예에 따른 각 위치 센서의 개략 단면도.6 is a schematic cross-sectional view of each position sensor according to a third embodiment of the present invention in which a sensor provided for the measurement of the torque transmitted by the torsional member comprises two rotating bodies coupled by the torsional member.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 각 위치 센서를 도시한다. 회전체(1)는 일련의 개별적인 이진 바코드의 형태로 교호로 배열된 저 EMR 반사율 영역 및 고 EMR 반사율 영역으로 구성된 불연속적인 외부 원통 면(14)을 가진 격자요소(2)를 포함한다. 격자요소(2)는 방사상으로 뻗어 있는 공동(4)사이에 개재된 방사상으로 돌출하는 카스텔레이션(3)을 포함한다. 원통면(14)상의 고반사율의 영역은 회전체(1)의 회전축선(8)에 관하여 카스텔레이션(3)의 최대 반경의 구역(12)에 상당하고 필요한 고반사율을 부여하기 위해 매끄럽게 기계가공되거나, 몰딩되거나 소결되거나, 또는 페인트 또는 일정 재료 적층으로 표면처리될 수 있다. 원통면(14)상의 저반사율 영역은 불연속 갭 구역(13)에 상당하고 공동(4)의 존재로 인해 실질상 무반사성이고 전술된 구역(12)보다 더 작은 반경에 배치되는 최소 반경의 구역(15)을 포함하고, 저반사율을 부여하기 위해 이상적으로 기계가공되거나, 몰딩되거나 소결되거나, 또는 페인트 또는 일정 재료 적층으로 표면처리된다. 회전체(1)는 하우징(5)에 둘러싸이고 베어링(6,7)내에 지지되고 회전축선(8)을 중심으로 회전할 수 있다. EMR 소스(10) 및 EMR 감응 광검출기 어레이(9)는 하우징(5)내에 고정되고 배열설치되어 EMR 소스(10)는 불연속 표면(14)을 조사하고, 이 불연속 표면(14)은 EMR을 실질적으로 방사상으로 배치된 어레이(9)에 반사한다. 그에 따라 패턴이 어레이(9)상에 생성되고, 이 패턴은 프로세서(11)에 의해 처리되어 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각 위치의 측정치를 제공한다. 본 명세서의 워드 "반사", "반사된" 및 "반사율"은 거울 및/또는 확산 반사에 관한 것이다. 1A and 1B show each position sensor according to the first embodiment of the present invention. The
도 2a 및 2b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 대안적인 각 위치 센서를 도시한다. 회전체(1)는 일련의 개별적인 이진 바코드의 형태로 교호로 배열된 고 EMR반사 영역 및 저 EMR 반사 영역으로 구성된 불연속적인 방사상으로 배향된 플랫 디스크 면(14)을 갖는 격자요소(2)를 포함한다. 격자요소(2)는 축선방향으로 뻗어 있는 공동(4) 사이에 개재된 축선방향으로 돌출된 카스텔레이션(3)을 포함한다. 고반사율 영역은 회전체(1)의 회전축선(8)에 관한 카스텔레이션(3)의 최대 축선방향 돌출 구역(12)에 상당하고, 필요한 고반사율을 부여하기 위해 매끄럽게 기계가공거나, 몰딩되거나 소결되거나, 또는 페인트 또는 일정재료 적층으로 표면처리될 수 있다. 저반사율 영역은 불연속 갭 구역(13)에 상당하고, 공동(4)의 존재로 인해서 실질상 무반사성이다. 회전체(1)는 하우징(5)내에 둘러싸이고 베어링(6,7)내에 지지되고, 회전축선(8)을 중심으로 회전할 수 있다. EMR 소스(10) 및 EMR 감응 광검출기 어레이(9)는 하우징(5)내에 고정되고 배열설치되어 EMR 소스(10)는 불연속 표면(14)을 조사하고, 이 불연속 표면(14)은 실질상 축선방향으로 배치된 어레이(9)에 EMR을 재방사한다. 그에 따라 패턴이 어레이(9)상에 생성되고, 이 패턴은 프로세서(11)에 의해 처리되어 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각 위치의 측정치를 제공한다. 2A and 2B show an alternative angular position sensor according to the first embodiment of the invention. The
도 3a 및 3b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 각 위치 센서를 도시한다. 회전체(1)의 격자요소(2)는 일련의 개별적인 이진 바코드의 형태로 교호로 배열된 고 EMR 반사율 영역 및 저 EMR 반사율 영역으로 구성된 눈금 스케일(20)의 형태로 연속적인 원통면을 포함한다. 금속 코팅, 또는 다른 빛나는 또는 밝은 색 재료 또는 표면 처리로 고반사율의 실질상 축선방향으로 정렬된 영역(21)을 제공한다. 실질상 투명한 조면화(粗面化)되거나 어두운 색 재료 또는 표면처리로 저반사율의 사이사이의 영역(22)을 제공한다. 회전체(1)는 하우징(5)내에 둘려싸이고 베어링(6,7)내에 지지되고, 회전축선(8)을 중심으로 회전할 수 있다. EMR 소스(10) 및 EMR 감응 광검출기 어레이(9)는 하우징(5)내에 고정되고 배열설치되어 EMR 소스(10)는 고저 반사율의 영역(21,22)을 조사하고, 영역(21,22)은 실질상 방사상으로 배치된 어레이(9)에 EMR을 재방사한다. 그에 따라 패턴이 어레이(9)상에 생성되고, 이 패턴은 프로세서(11)에 의해 처리되어 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각 위치의 측정치를 제공한다. 3A and 3B show each position sensor according to the second embodiment of the present invention. The
도 4a 및 4b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 대안의 각 위치 센서를 도시한다. 회전체(1)의 격자요소(2)는 일련의 개별적인 이진 바코드의 형태로 교호로 배열된 고 EMR 반사율 영역 및 저 EMR 반사율 영역으로 구성된 눈금 스케일(20)의 형태로 연속적인 방사상으로 배향된 플랫 디스크 면을 포함한다. 금속 코팅, 또는 다른 빛나는 또는 밝은 색 재료 또는 표면처리로 고반사율의 실질상 방사상으로 정렬된 영역(21)을 제공한다. 실질적으로 투명하거나, 조면화되거나 또는 어두운 색 재료 또는 표면처리로 저반사율의 사이사이의 영역(22)을 제공한다. 회전체(1)는 하우징(5)내에 둘려싸여있고 베어링(6,7)내에 지지되고 회전축선(8)을 중심으로 회전할 수 있다. EMR 소스(10) 및 EMR 감응 광검출기 어레이(9)는 하우징(5)내에 고정되고 배열설치되어 EMR 소스(10)는 고 반사율 및 저 반사율의 영역(21,22)을 조사하고, 영역(21,22)은 실질상 축선방향으로 배치된 어레이(9)에 EMR을 재방사한다. 그에 따라 패턴이 어레이(9)상에 생성되고, 이 패턴은 프로세서(11)에 의해 처리되어 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각 위치의 측정치를 제공한다. 4a and 4b show an alternative angular position sensor according to a second embodiment of the invention. The
제 1 및 제 2실시예의 경우 양쪽 모두에서, 시간의 함수로서 회전체(1)의 절대 각 위치의 변화율을 계산하기 위해 쉽게 프로그래밍되거나 배선될 수 있어서, 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각속도의 측정치도 제공한다. In both the case of the first and second embodiments, the
도 5는 본 발명의 제 1 또는 제 2 실시예에 따른(또한 하기에 설명되는 제 3실시예에 따른) 어레이(9)상에의 입사 EMR에 의해 생성된 패턴의 예를 도시한다. 개별의 비트(30a-e)는 저반사율의 영역(13(제 1실시예) 또는 22(제 2실시예))으로부터의 감소된 레벨의 반사에 의해 야기된 어레이(9)상의 패턴의 어두운 구역을 나타낸다. 어레이(9)는 1차원의 "선형" 어레이인데, 예를 들어 128화소 및 약 8㎜의 액티브 윈도우 길이를 갖는 Texas Instruments TSL 1410 Black & White Linear Array 칩이다. 이런 어레이는 절대 각 위치 측정치 및 세밀한 분해능의 증분 각 위치 측정치 양쪽 모두를 제공하도록 되어 있다. 절대 각 위치측정은 소정의 개수의 연속적인 비트에 의해 형성되는 적어도 한 워드(이 경우 워드(31)가 5비트를 포함)를 판독함으로써 수행되어, 절대 각 위치 측정치를 나타내는 의사무작위 시퀀스의 워드의 확인을 가능하게 한다. 그런 의사무작위 시퀀스의 배치 및 사용은 이미지 분석 분야에서 잘 알려져 있고, 참고로 절대 선형 변위 측정에 관하여 미국 특허 제 5,576,535호에 설명되어 있다. 그런 시퀀스의 한 조합의 또 다른 예는 Penguin Books, 1989의 Ian Stewart에 의한 "Game, Set and Math"에서의 Ouroborean ring으로서 설명되어 있다. 5 shows an example of a pattern generated by the incident EMR on the
그러나, 본 발명의 이 실시예에서 채용된 저 EMR 반사율 영역 및 고 EMR 반사율 의 영역의 배치는, 어레이(9)상에 생성된 패턴이 다른 폭 "p" 및 "q"를 가지면서 일정한 중심선 피치 "a"(즉, 인접한 바들의 중심선 사이의 간격 거리)의 비트의 시퀀스를 포함하기 때문에 다르다. 도 5는 폭 "p"를 갖는 비트(30a,30d)로 표시된 이진수 "1" 및 폭 "q"를 갖는 비트(30b,30c,30e)로 표시된 이진수 "0"을 갖는 5비트 워드(31)를 보여주고 있다. 따라서 완전 워드(31)는 10010(즉 10진법 즉 밑수가 10일 때 18)이고, 이것은 회전체(1)의 유일한 절대 각 위치를 제공하기 위해 프로세서(11)에 의해 처리된다. 중요한 것은, 일정한 피치를 갖는 어레이(9)상의 패턴을 야기하는 고저 EMR 반사율 영역의 배치는 동일한 패턴 및 그에 따른 어레이가, 세밀한 분해능의 증분 각 위치의 측정을 위해 사용되는 것을 가능하게 해준다. 하나의 그런 보간 기법이 또한 도 5에 나타내어져 있다. 어레이(9)상의 EMR 강도 패턴은 x가 각 변위를 표시하는 수평 눈금이고 P는 x의 함수인 P(x)로 표시된다. However, the arrangement of the low and high EMR reflectance regions employed in this embodiment of the present invention is such that the pattern generated on the
EMR 강도 패턴이 사인 곡선이라면, If the EMR intensity pattern is sinusoidal,
P(x) = sin[2л(x-d)/a]P (x) = sin [2л (x-d) / a]
여기서 a는 패턴의 피치이고, Where a is the pitch of the pattern,
d는 패턴의 변위이다. d is the displacement of the pattern.
패턴 P(x)는 어레이(9)의 개별적인 화소에 의해 샘플링된다. Pi를 i번째 샘플이라고 하자. 그래서 n 샘플의 "패턴 벡터"는 P = [P1, P2, P3,... Pn]로 표시할 수 있다. The pattern P (x) is sampled by the individual pixels of the
이제 2개의 가중함수가 사인 및 코사인 가중치 벡터로서 정의된다:Two weighting functions are now defined as sine and cosine weight vectors:
K1i = sin(2лi/a) 여기서 i = 1...nK 1i = sin (2лi / a) where i = 1 ... n
K2i = cos(2лi/a) 여기서 i = 1...nK 2i = cos (2лi / a) where i = 1 ... n
그래서 위상각 α는So the phase angle α is
α= arctan[(ΣPiK1i)/(ΣPiK2i)] 여기서 i = 1...nα = arctan [(ΣP i K 1i ) / (ΣP i K 2i )] where i = 1 ... n
로 주어진다. Is given by
결과 위상각 α는 사인 및 코사인 가중치 벡터에 대한 패턴의 증분 변위의 측정치이고, 패턴의 하나의 비트의 폭보다 통계상으로 몇 배 더 세밀한 분해능의 각 위치 측정치를 제공한다. 개략적인 분해능의 절대 각 위치 측정치 및 세밀한 분해능의 증분 각 위치 측정치가 조합되어 오직 하나의 검출기 어레이만을 요하는 세밀한 분해능 및 기계 편향 및 오정렬에 대한 낮은 민감성을 가진 절대 각 위치 검출기를 제공한다. The resulting phase angle α is a measure of the incremental displacement of the pattern with respect to the sine and cosine weight vectors and provides a measure of each position of resolution that is several times finer than the width of one bit of the pattern. The coarse resolution absolute angular position measurement and the fine resolution incremental angular position measurement are combined to provide an absolute angular position detector with fine resolution and low sensitivity to machine deflection and misalignment requiring only one detector array.
일정 피치를 갖는 다른 종류의 바코드의 사용은 예를 들어 이진 비트 정보가 폭보다는 바의 길이의 차이로서 코드화되는 "컨볼루션 알고리즘"에 따라서 유사하게 처리될 수 있다. 또한, 이진 비트 정보는 그레이스케일 코드의 사용에 의해서와 같이 재조사된 EMR의 감쇠 레벨의 차이로서 인코딩될 수 있다. 또한, 이 실시예가 일정 바 피치 및 다양한 바 폭을 갖는 바코드에 기초한 컨볼루션 알고리즘을 설명하고 있지만, 선택된 바 피칭이 "기본 피치"의 정수배이면, 알고리즘은 또한 다양한 바 피치의 경우에 대해서도 동일하게 성공적으로 기능할 것이라는 것이 이해되어져야 한다. 예를 들어, 도 5에서 사용된 용어를 참조하면, 비트(30a-e)를 분리하는 중심선 피칭은 도 5내에 도시된 바와 같은 "a"의 일정한 피치보다 각각 "a","3a","2a" 및 "a"("a"의 기본 피치를 갖는)로서 배열될 수 있다. 실제로 "a"의 임의의 정수배는 연속적인 비트사이에 있는 중심선 피치로 사용될 수 있다. 바코드의 그런 다양한 피치 포맷이 선택되는 경우에는, 바코드 인코딩은 바 폭(도 5내에 비트 패턴에 의해 도시된 것과 같은)에 의한 것보다 다양한 피치 간격을 통해서 성취될 수 있고, 따라서 이 경우에는 일정한 바 폭을 사용하여 여전히 개략적인 분해능의 절대 각 위치 측정을 위한 만족스러운 바코드 인코딩을 성취하는 것이 가능하다. The use of other kinds of barcodes with a constant pitch can be similarly handled according to, for example, a "convolution algorithm" where binary bit information is coded as a difference in the length of the bar rather than the width. In addition, the binary bit information can be encoded as a difference in the attenuation level of the reexamined EMR, such as by the use of a grayscale code. Furthermore, while this embodiment describes a convolution algorithm based on bar codes with constant bar pitch and various bar widths, if the selected bar pitching is an integer multiple of the "base pitch", the algorithm is also equally successful for the case of various bar pitches. It should be understood that it will function. For example, referring to the terminology used in FIG. 5, the centerline pitching separating the
또한 바코드의 연속이 설명된 실시예에 비교하여 역반사율을 가질수 있다는 것을 유념하여야 하는데 이것은 저반사율 배경에 놓여진 고반사율 영역이다. It should also be noted that the sequencing of the barcodes may have retroreflectivity compared to the described embodiment, which is a high reflectance region placed on the low reflectance background.
또한 본 명세서에서 "고반사율" 및 "저반사율"은 선택된 특정 EMR 소스와 관련하여 폭넓게 정의된다. 예를 들어, 적색광 EMR이 사용되었다면, 반사 격자의 표면의 고 반사율 영역 및 저 반사율 영역은 적색 및 청색 표면코팅으로 각각 페인팅되는(또는 그렇지 않으면 어떤 수단에 의해 착색된다) 영역으로 이루어질 수 있다. Also herein "high reflectance" and "low reflectance" are broadly defined in relation to the particular EMR source selected. For example, if red light EMR was used, the high and low reflectance regions of the surface of the reflective grating may consist of regions that are respectively painted (or otherwise colored by some means) with red and blue surface coatings.
도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 각 위치 센서를 도시한다. 각 위치센서는 소정의 비틀림 강성을 갖는 비틀림 바(23)에 의해 연결된 두 회전체(1a,1b)를 포함한다. 격자요소(2a,2b)는 각각 회전체(1a,1b)에 부착되거나 일체로 되고 어레이(9a,9b)는 각각 표면(20a,20b)으로부터 재방사된 입사 EMR을 수광한다. 어떤 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서는 어레이(9a,9b)는 단일의 어레이로서 조합될 수 있다. 그래서 이 단일의 어레이는 필연적으로 2D어레이가 될 것이고, 표면(20a,20b) 양쪽 모두로부터 반사된 EMR을 수광할 것이다. 유사하게, 어떤 다른 실시예(도시되지 않음)에서는, EMR 소스(10a,10b)는 단일의 EMR 소스로서 조합될 수 있다. 6 shows each position sensor according to the third embodiment of the present invention. Each position sensor includes two
표면(20a,20b)은 도 3a와 3b내의 표면(20)과 유사한 것으로 도시되었는데, 즉 이들 표면은 원통형이고 각각 무단의 일련의 이진 바코드의 형태로 교호로 배열된 고 EMR 반사율 영역 및 저 EMR 반사율 영역으로 구성된 눈금 스케일을 포함하고 있다. 이런 연속 원통면(20a,20b) 대신에 다른 유형의 "회전면", 예를 들어 연속 플랫 디스크 면(도 4a,4b내의 표면(20)과 유사한), 불연속 원통면(도 1a,1b내의 표면(14)과 유사한), 또는 불연속 플랫 디스크 면(도 2a,2b의 표면(14)과 유사한)이 대안적으로 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 명세서의 본체의 "회전면"은 본체가 중심으로 하여 회전하는 회전축선 둘레로 균일하게 배치된 표면으로서 정의된다.
어레이(9a,9b)상의 패턴, 또는 앞서 언급한 단일의 어레이상의 패턴(도시되지 않음)은 프로세서(11)로 처리되어 각각 하우징(5)에 관하여 각각의 격자요소(2a,2b)의 표면(20a,20b)상의 고 반사율 및 저 반사율(또는 다른 실시예에선 투과율)의 영역의 절대 각 위치를 얻는다. 이들 절대 각 위치간의 차이는 프로세서(11)에 의해 추가로 처리되어 격자요소(2a,2b)의 상대 각 변위를 얻고, 그래서 비틀림 바(23)에 의해 전달되는 토크의 측정치를 제공한다. The patterns on the
따라서 각 위치 센서의 이 제 3실시예는 하우징(5)에 관하여 두 회전체(1a,1b) 각각의 절대 각 위치(및 잠재적으로는 앞서에 설명된 바와 같이 그들의 각속도)의 측정치를 제공할 뿐만 아니라 회전체(1a,1b)간에 가해지는 토크(비틀림 바(23)에 의한 반동)의 측정치도 제공한다. This third embodiment of the angular position sensor thus only provides a measure of the absolute angular position (and potentially their angular velocity as described above) of each of the two
본 발명의 정신 및 범위에서 벗어남 없이 수많은 변화 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. It will be understood by those skilled in the art that numerous changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
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