KR100753062B1 - 광학식 엔코더 - Google Patents

Abstract

광학식 변위 측정장치의 메인 스케일은 그 위에 등간격으로 배치된 슬릿을 가지며, 그 일부는 원점을 검출하기 위하여 광이 통과하지 않도록 하는 것에 사용되는 누락 슬릿이다. 인덱스 스케일은 그 위에 형성된 4세트의 창을 가진다. 4개의 창은 서로 1/4 피치(P)의 위상차를 갖도록 배치되고, 여기서, P는 슬릿 배치의 피치이다. 일부 누락 슬릿이 인덱스 스케일과 겹쳐지면, 누락 슬릿으로부터 포토 다이오드에 광이 도달하지 않고, 일부의 광속만이 창을 통과하므로, 광량이 감소된다. 누락 슬릿과 연관된 원점신호는 모든 포토 다이오드의 출력을 가산함으로써 얻어질 수 있다.

엔코더, 절대위치, 메인 스케일, 불연속부, 누락 슬릿

Description

광학식 엔코더{OPTICAL ENCODER}

도 1은 실시예 1에 따른 광학식 엔코더를 도시하는 사시도이고,

도 2는 메인 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 3은 인덱스 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 4는 메인 스케일과 인덱스 스케일이 서로 겹쳐진 경우의 평면도이고,

도 5는 인덱스 스케일과 메인 스케일이 겹쳐진 상태를 예시한 것이고,

도 6은 인덱스 스케일 상의 광강도 분포를 도시한 것이고,

도 7은 처리회로의 회로도이고,

도 8은 누락(또는 결핍) 부분이 없는 범위에서의 전류/전압회로의 파형을 도시한 것이고,

도 9는 차동 증폭기의 출력신호 A 및 B와, 가산회로의 신호의 파형을 도시한 것이고,

도 10은 슬릿 누락부가 통과할 때의 전류/전압회로의 출력신호 파형을 도시한 것이고,

도 11은 슬릿 누락부가 통과할 때의 전류/전압회로의 4개의 출력신호 파형을 도시한 것이고,

도 12는 슬릿 누락부가 통과할 때의 전류/전압회로의 4개의 출력이 중첩되는 파형도이고,

도 13은 슬릿 누락부가 통과할 때의 차동 증폭기의 출력 파형 A, B와, 가산회로의 신호 C를 도시한 것이고,

도 14는 처리회로의 변형예를 도시하는 회로도이고,

도 15는 슬릿 누락부가 통과할 때의 차동 증폭기의 출력 파형 A, B와, 가산회로의 신호 C를 도시한 것이고,

도 16은 신호 D로부터 얻어지는 원점신호를 도시한 것이고,

도 17은 실시예 2에 따른 메인 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 18은 슬릿 누락부가 통과할 때의 전류/전압회로의 4개의 출력신호 파형을 도시한 것이고,

도 19는 실시예 3에 따른 메인 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 20은 슬릿 누락부가 통과할 때의 전류/전압회로의 출력신호 파형을 도시한 것이고,

도 21은 슬릿 누락부가 통과할 때의 전류/전압회로의 4개의 출력이 중첩되는 파형도이고,

도 22는 슬릿 누락부가 통과할 때의 차동 증폭기의 출력 파형 A, B와, 전류/전압회로의 신호 D를 도시한 것이고,

도 23은 실시예 4에 따른 광학식 엔코더를 도시하는 사시도이고,

도 24는 실시예 4의 포토 다이오드 어레이를 도시하는 평면도이고,

도 25는 종래의 회전형 메인 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 26은 실시예 5의 회전형 메인 스케일에 누락부를 설치하여 얻어지는 회전형 메인 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 27은 실시예 5와 같은 누락부가 특정 구역 상에 구비된 메인 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 28은 신호 D로부터 얻어지는 원점신호의 파형을 도시한 것이고,

도 29는 실시예 5와 같은 누락부가 특정 구역 상에 구비된 메인 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 30은 신호 D로부터 얻어지는 원점신호의 파형을 도시한 것이고,

도 31은 실시예 6에 따른 광학식 엔코더의 구조를 도시한 것이고,

도 32는 포토 다이오드 어레이의 패턴과, 검출되는 명암 패턴간의 관계를 예시한 것이고,

도 33은 차동 증폭기의 출력 A, B와, 전류/전압회로의 출력 D의 파형을 도시한 것이고,

도 34는 실시예 7에 따른 광학식 엔코더의 구조를 도시한 것이고,

도 35는 실시예 7의 반사판을 도시하는 평면도이고,

도 36은 차동 증폭기의 출력 A, B와, 전류/전압회로의 출력 D의 파형을 도시한 것이고,

도 37은 온도보상을 실시하지 않을 경우의 차동 증폭기의 출력 A, B와, 전류/전압회로의 출력 D의 파형을 도시한 것이고,

도 38은 실시예 8에 따른 회로도이고,

도 39는 온도보상을 실시할 경우의 차동 증폭기의 출력 A, B와, 전류/전압회로의 출력 D의 파형을 도시한 것이고,

도 40은 종래의 광학식 엔코더를 도시하는 사시도이고,

도 41은 종래의 메인 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 42는 종래의 인덱스 스케일을 도시하는 평면도이고,

도 43은 종래의 수광부를 도시하는 평면도이고,

도 44는 종래의 광학식 엔코더의 동작을 예시하는 것이고,

도 45는 종래의 포토 다이오드의 출력신호의 파형을 도시한 것이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

11, 43, 53 : 광원 12 : 콜리메이터 렌즈

13, 31, 41, 51 : 메인 스케일 14 : 인덱스 스케일

15, 42, 52 : 수광부 16 : 포토 다이오드 어레이

21 : 전류/전압회로 22 : 차동 증폭기

23 : 가산회로 24 : 피드백회로

25 : 오프셋 제거회로 26 : 전류검출회로

54 : 반사판 55 : 유지부재

56 : 회전축 P : 포토 다이오드

S : 슬릿 W : 창

본 발명은 변위 측정이나 각도 측정에 사용되어 절대위치 검출을 실현할 수 있는 광학식 엔코더에 관한 것이다.

기본적으로, 광학식 엔코더는, 제1광학격자가 형성되어 있는 메인 스케일과, 메인 스케일과 대향하며 제2광학격자가 형성되어 있는 인덱스 스케일과, 메인 스케일에 광을 조명하는 광원과, 메인 스케일 상의 제1광학격자에 의해 투과 또는 반사된 다음, 인덱스 스케일 상의 제2광학격자로부터 되돌아오는 광을 수광하는 수광소자로 구성된다.

이러한 종류의 광학식 엔코더와 관련하여, 인덱스 스케일로서도 기능하는 수광소자 어레이를 사용하는 방식이 예를 들어, 일본 특허공보 평6-56304호에 이미 제안되어 있다. 또한, 본 특허출원의 발명자들은 유사한 종류의 광학식 엔코더를 일본 특허출원공개 제2003-161645호에 개시하였다.

이러한 엔코더는 증분(incremental)형 엔코더로 부르며, 스케일이 이동할 때, 펄스의 증감에 의거하여 그 이동량이 검출될 수 있다. 상기 증분형 엔코더는, 절대위치가 검출될 수 없으므로, 절대위치를 검출하기 위한 별도의 센서가 구비될 필요가 있다고 하는 문제를 지니고 있다.

도 40은 증분형 엔코더에서 절대위치를 검출하는 광학식 엔코더를 도시하는 사시도이다. 이 엔코더는, LED 등의 광원(1)과, 광원(1)으로부터의 광속을 평행 광속으로 변환하기 위한 콜리메이터(collimator) 렌즈(2)와, 메인 스케일(3)과, 인덱스 스케일(4)과, 복수의 수광소자를 포함하는 수광부(5)를 갖는 투과형 광학식 엔코더로서 구성되어 있다.

도 41은 메인 스케일(3)의 평면도로서, 복수의 슬릿 S1, S2, ···, S15,···이 등간격으로 배치되어 있고, 슬릿 H는 원점신호를 발생하기 위해 표시용 개구부로서 구비되어 있다.

도 42는 인덱스 스케일(4)의 평면도로서, 증분 A 및 B의 상 신호(phase signal)를 발생하기 위해 구비된 개구 패턴이 도시되어 있다. 각각 3개의 슬릿 형상 개구부를 갖는 창 W1, W2, W3 및 W4는 90도의 공간적인 상호 위상차를 갖도록 배치되어 있다. 창 WH는 메인 스케일(3)의 원점 표시용 개구부 H와 연관되어 있다.

도 43은 수광부(5)를 도시한 것으로, 포토 다이오드 P1, P2, P3 및 P4는 각각 창 W1, W2, W3 및 W4를 통과한 광을 수광하기 위해 구비되어 있다. 포토 다이오드 PH는 메인 스케일(3)의 원점 표시용 개구부 H와 연관되어 있다. 메인 스케일(3)과 인덱스 스케일의 개구부의 위치가 정렬될 때, 광원으로부터의 광이 통과하여 수광소자에 의해 수광된다.

도 44는 메인 스케일(3)이 인덱스 스케일에 대하여 상대적으로 1/4 피치(P: Pitch)의 변위폭으로 이동하는 공정에서의 상태 a, b, c 및 d를 도시한 것이다. 인덱스 스케일의 개구부와, 메인 스케일의 슬릿 S의 겹쳐진 상태는 상태 a 내지 d를 통해 서서히 변화하고, 그 변화의 결과는 수광소자(5)에 의해 검출된다. 도 45는 도 44에 도시된 상태 a 내지 d에서의 포토 다이오드 P1∼P4 및 PH의 출력신호를 도시한 것이다.

전술한 종래의 구성에서는, 원점 표시용 개구부 H를 검출하도록 설계된 추가적인 수광소자를 구비할 필요가 있다. 이것은 소자 크기의 증가를 초래한다. 또한, 이 원점 검출방법에서는, 원점신호를 발생시키기 위한 수광소자를 구비할 필요가 있다. 또한, 회전축인 광원(1)의 광축 주위에서의 메인 스케일(3)의 방위 변위(azimuth displacement)에 의해 증분 위상에 대한 위상관계가 무너지는 문제점도 지니고 있다.

본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 메인 스케일이나, 상기 메인 스케일에 부속된 부재 상에 불연속부를 구비하여 메인 스케일의 절대위치를 검출할 수 있는 광학식 엔코더를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광학식 엔코더는, 광투과부 또는 광반사부가 연속적으로 배치되어 있는 메인 스케일과, 상기 메인 스케일에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 구성됨과 동시에, 상기 광투과부 또는 광반사부와 연관시켜서 배치된 복수의 포토 다이오드를 갖는 수광부와, 상기 메인 스케일을 통해 상기 수광부에 광을 조사하는 발광부를 구비하고, 상기 상대적인 이동방향을 따라 광학적으로 불연속인 부분은 상기 메인 스케일이나, 상기 메인 스케일과 함께 이동하는 부속부재에 구비되어 있다.

메인 스케일이나, 그에 부속된 부재 상에 불연속부가 구비되어 있는 본 발명에 따른 광학식 엔코더에 의하면, 절대위치의 검출이 가능해질 수 있다. 또한, 원점을 검출하는 수광소자가 제거될 수 있고, 매우 소형의 엔코더 장치가 실현될 수 있다.

도 1 내지 39에 도시된 실시예에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

도 1은 광학식 엔코더의 제1실시예를 도시하는 사시도로서, 콜리메이터 렌즈(12), 메인 스케일(13), 인덱스 스케일(14)과, 복수의 포토 다이오드 P가 배열되어 있는 수광부(15)가 순서대로 배치되어 있다. 메인 스케일(13)은 다른 광학부품에 대하여 화살표로 표시된 방향으로 상대적으로 이동 가능하게 구성되어 있다.

도 2는 메인 스케일(13)의 평면도이다. 메인 스케일(13) 상에는, 등간격으로 배치된 사각형 슬릿 S1, ···, S10, ··이 존재한다. 그러나, 슬릿 S15만은 원점 검출에 사용되는 광의 불투과영역으로서 설계되어 있다.

도 3은 인덱스 스케일(14)의 평면도이다. 인덱스 스케일(14)은 그 위에 형성된 4세트의 창 W1, W2, W3 및 W4를 가지며, 각 세트의 창은 메인 스케일(13) 상의 슬릿 S의 길이보다 더 짧은 길이의 3개의 사각형 개구부를 포함한다. 개구부는 메인 스케일(13) 상의 슬릿 S의 배치방향과 동일한 방향을 따라 배치되어 있다. 상기 인덱스 스케일(14)의 각각의 창 W1, W2, W3 및 W4는 서로 다음에 인접한 창 사이에서 1/4 피치(P)의 위상차를 가지면서 개구부의 길이방향을 따라 배치되어 있다.

이 배치에 의해, 메인 스케일(13)의 변위에 따라 90도의 위상차를 갖는 신호를 발생시키는 것이 가능하다. 수광부(15)의 4개의 포토 다이오드 P1 내지 P4의 배치방향은, 메인 스케일(13) 상의 슬릿 S와, 인덱스 스케일(14) 상의 개구부의 길이방향으로 향하고 있다.

광원(11)으로부터의 발산 광속은 콜리메이터 렌즈(12)에 의해 평행 광속으로 변환되어, 메인 스케일(13)을 조명한다. 도 4는 광원(11) 측으로부터 볼 경우에 메인 스케일(13)과 인덱스 스케일(14)이 어떻게 겹쳐지는지를 도시하는 평면도이다. 메인 스케일(13)의 슬릿 S를 통과한 광속은 인덱스 스케일(14)에 도달하고, 일부 광속은 인덱스 스케일(14)의 창 W1, W2, W3, W4를 통과하여 수광부(15)의 포토 다이오드 P1, P2, P3, P4에 입사한다. 인덱스 스케일(14)을 통과하는 광량은 메인 스케일(13)의 이동에 따라 변화한다.

도 5는 누락(또는 결핍) 슬릿 S15가 구비되어 있는 메인 스케일(13)이 인덱스 스케일(14)에 대해 상대적으로 이동하는 공정에서의 상태 a 내지 d를 도시한 것이다.

도 6은 메인 스케일(13)의 슬릿 S를 통과한 광속에 의해 인덱스 스케일(14) 상에 형성되는 광강도 분포를 도시한 것이다. 누락 슬릿 S15에 해당하는 부분에서 투과된 광속의 광강도 분포 주기에는 불규칙성이 발견된다.

도 7은 처리회로의 회로도이다. 수광부(15)의 포토 다이오드 P1 내지 P4로 부터 얻어지는 수광된 광량에 해당하는 전류는 전류/전압회로(21)에 의해 전압으로 변환된다. 변환된 후의 신호는 차동 증폭기(22)에 차동 입력되어, 엔코더 신호 A 및 B가 얻어진다. 포토 다이오드 P1 내지 P4의 합신호는 가산회로(23)로부터 출력된다.

도 8은 전류/전압회로(21)로부터의 4개의 출력신호를 도시한 것이다. 인덱스 스케일(14)의 창 W의 위치에 따라, 상기 출력신호는 창 W1, W2, W3 및 W4에 해당하는 포토 다이오드 P1, P2, P3 및 P4의 출력 위상차의 관계를 나타낸다. 차동 증폭기(22)의 결과적인 출력(P1-P3), (P2-P4)으로서, 도 9에 도시된 90도의 위상차를 갖는 신호 A 및 B가 얻어진다. 합신호 C는 메인 스케일(13)의 이동에 무관하게 일정한 값이다.

도 10은 메인 스케일(13)의 누락 슬릿 S15가 인덱스 스케일(14)과 겹쳐질 경우의 포토 다이오드 P1의 출력을 도시한 것이다. 도 10에서, 창 W1과의 관계에 주목하여 상기 출력이 도시되어 있다. 누락 슬릿 S15가 정상 슬릿일 경우에 당연히 존재하는 누락 슬릿 S15로부터의 특정 광량이 포토 다이오드 P1에 도달하지 않기 때문에, 광은 창 W1의 3개의 개구부 중에서 2개만을 통과한다. 이에 따라, 신호의 평균 전압 레벨은 하나의 슬릿에 대한 누락 광량에 해당하는 1/3만큼 감소하여, 신호진폭과 DC 레벨이 정규 값의 2/3만큼 낮아진다.

도 11은 누락 슬릿 S15가 인덱스 스케일(14) 위를 통과할 때, 4개의 포토 다이오드 P1 내지 P4의 출력신호의 위상관계를 도시한 것이다. 누락 슬릿 S15가 창 W1 내지 W4 위를 통과하는 타이밍은 90도의 위상차를 가지므로, 포토 다이오드 P1 내지 P4의 출력은 도 11에 도시된 것과 같은 파형을 가진다.

도 12는 포토 다이오드 P1 내지 P4의 4개의 신호가 모두 충첩되어 있는 파형도이고, 도 13은 그 때의 차동 증폭기(22)의 출력 A, B와, 가산회로(23)의 출력인 합신호 C에서의 변화를 도시한 것이다.

도 13에 도시된 것과 같이, 누락 슬릿 S15의 존재로 인해, 수광된 광량의 합신호 C는 출력 파형의 3주기나, 인덱스 스케일(14)의 개구부의 수에 해당하는 기간을 넘어서 약 2/3로 감소된다. 이와 동시에, 차동 증폭기(22)의 출력신호 A 및 B의 진폭도 감소한다. 합신호 C가 변화하는 점은 원점신호로서 사용될 수 있다.

더욱 개선된 방법은 도 14에 도시된 신호처리회로의 형태인 변형예이며, 이 회로에 의해, 차동 증폭기(22)의 출력신호 A 및 B의 진폭 감소를 방지하면서, 전술한 변화점이 검출될 수 있다.

이 회로에서는, 가산회로(23)의 출력이 피드백회로(24)에서의 기준전압과 비교되고, 광원(11)의 발광량이 소정의 광량이 되도록 피드백 제어가 수행된다. 광원(11)을 통해 흐르는 전류값은 오프셋 제거회로(25)가 설치된 전류검출회로(26)에 의해 전압신호 D로서 검출된다. 메인 스케일(13)의 누락 슬릿 S15가 통과할 때의 전류변화를 크게 검출하기 위하여, 전류검출회로(26)는 광량의 바이어스 부분을 제거하면서 변화 부분을 확대하기 위하여 이득을 증가시키도록 설계되어 있다.

도 14에 도시된 회로 구성에서는, 누락 슬릿 S15가 포토 다이오드 P1 내지 P4를 통과할 때, 수광부에 의해 수광되는 광량은 감소된다. 이것을 고려하면, 피드백회로(24)에 의해 광원(11)을 통해 흐르는 전류가 증가되어, 수광부(15)에 의해 수광되는 광량은 일정해진다. 이러한 회로 구성에 의해, 누락 슬릿 S15의 존재에도 불구하고, 신호진폭이 변화되지 않는 안정된 엔코더 신호 A 및 B가 얻어진다.

도 15는, 수광부(15)가 8개의 슬릿에 해당하는 폭을 갖는 것으로 가정될 경우에, 메인 스케일(13)의 누락 슬릿 S15가 통과할 때, 전류검출회로(26)에 의해 얻어지는 신호 D와, 차동 증폭기(22)에 의해 얻어지는 엔코더 신호 A 및 B를 도시한 것이다. 신호 A 및 B의 진폭 변화는 거의 없고, 신호 D는 메인 스케일의 누락 슬릿 S15의 특이점 즉, 원점위치에서 변화함을 알 수 있다. 따라서, 도 16에 도시된 것과 같이, 신호 D와 기준전압 L을 비교기를 사용하여 적절하게 비교함으로써, 구형파 신호를 얻고, 원점신호로서 기능하도록 하기 위하여 그 펄스 에지를 사용하는 것이 가능하다.

<실시예 2>

도 17은 실시예 2에 따른 메인 스케일(13)을 도시한 것이다. 실시예 1과 반대로, 실시예 2에서는 누락 슬릿 S의 수가 하나가 아니며, 슬릿 S15 이외에 누락 슬릿 S18, S21 및 S24가 2개의 슬릿 간격으로 구비되어 있다.

도 18에 도시된 신호는 포토 다이오드 P1 내지 P4로부터 얻어진다. 이러한 신호는 원점신호 대신에 특정한 넓은 영역을 정의할 때에 효과적으로 사용될 수 있다. 이 경우, 출력신호의 10주기에 해당하는 영역을 정의하는 것이 가능하다.

<실시예 3>

도 19에 도시된 실시예 3에서는, 연속적인 누락 슬릿 S15 및 S16으로서 메인 스케일(13) 상의 누락 부분이 구비되어 있다. 인덱스 스케일(14)의 창 W1, W2, W3, W4의 각각은 도 2에 도시된 세트로 된 3개의 개구부를 포함한다. 따라서, 2개의 연속적인 누락 슬릿 S15, S16이 존재하더라도, 창의 나머지 하나의 개구부를 통해 광이 수광될 수 있고, 증분 위상의 신호 A, B는 무효로 되지 않는다.

도 20 및 도 21은 하나의 포토 다이오드 P1의 출력과, 4개의 포토 다이오드 P1 내지 P4의 출력을 도시한 것이다. 창 W의 3개의 개구부 중에서 2개가 가려져 있는 상태에서는, 출력이 정규값의 1/3까지 감소한다. 그러나, 도 14에 도시된 신호처리회로가 적용되면, 신호 A 및 B의 진폭을 안정적으로 유지하면서 광원(11)의 전류의 변화점이 결정될 수 있고, 전류검출회로(26)의 출력신호 D가 원점신호로서 사용될 수 있다.

<실시예 4>

실시예 1에서는 인덱스 스케일(14)과 수광부(15)가 별도의 부분으로서 구비되어 있지만, 실시예 4에서는, 도 23에 도시된 것과 같이, 인덱스 스케일(14)과 수광부(15)가 일체화되어 있는 포토 다이오드 어레이(16)가 사용되고 있다.

도 24는 포토 다이오드 어레이(16)의 배치를 도시한 것으로, 수광소자로서의 포토 다이오드 P1, P2, P3, P4는 0°, 90°, 180°및 270°의 관계를 달성하도록 반복적인 방식으로 규칙적으로 배치되어 있다. 따라서, 실시예 1에서와 유사한 수광신호가 얻어질 수 있다. 이 포토 다이오드 어레이(16)를 사용함으로써 향상된 정밀도로 원점검출을 달성하는 것이 가능해진다. 광원(11)으로부터 조명광을 효과적으로 수광하는 것이 어려운 실시예 1에 비해, 상기 포토 다이오드 어레이(16)에서는, 광원의 광축의 거의 중앙에 수광부(15)를 배치하는 것이 가능하다.

<실시예 5>

도 25는 종래의 투과형 회전식 엔코더용의 메인 스케일(31)을 도시한 것이다. 도 26에 도시된 것과 같이, 본 발명의 스케일에서는, 원점신호를 발생시키기 위하여 하나의 누락 슬릿 S’이 구비되어 있다. 이 엔코더의 기본 동작은 실시예 1과 동일하여, 그 설명은 생략한다.

도 27은 실시예 2 및 실시예 3의 누락 슬릿의 배치가 메인 스케일(31)에 적용되는 예를 도시한 것이다. 이 예에서는, 메인 스케일(31)이 2개의 180° 영역 α 및 β로 나누어지고, 영역 β에서는, 영역 α와 달리 2개의 슬릿마다 하나씩 제거되어 있다.

도 28은 전류검출회로(26)로부터의 신호 D에 의거한 구형파의 파형을 도시한 것으로, 영역 α와 영역 β사이에서 신호 D의 레벨이 명확하게 식별될 수 있다. 따라서, 영역 α및 β의 구별이 가능해진다.

회전식 엔코더에서는, 예를 들어, 모터를 제어하기 위한 출력신호로서 UVW 신호(또는 정류신호)를 발생할 필요가 있다. 그 경우에도, 도 29에 도시된 것과 같이, 영역 α, β, γ에서 슬릿 밀도를 변동시킴으로써, 3개의 상이한 구역을 정의하는 것이 가능하다. 따라서, UVW 신호를 치환하는 것이 가능하다. 이 경우, 도 30에 도시된 것과 같은 신호 D가 얻어진다.

<실시예 6>

도 31은 실시예 6에 따른 직선 이동식 엔코더의 광학계의 구조를 도시한 것이다. 이 엔코더는 이동부재로서 반사형 마이크로 루프 미러 어레이 형태의 메인 스케일(41)을 사용한다. 이 구성에 의해, 광의 이용 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 마이크로 루프 미러 어레이를 사용하는 구조는 일본 특허출원공개 제2002-323347호에 개시되어 있다. 수광부(42)에 대하여 상대적으로 그리고 직선상으로 X방향으로 이동하는 메인 스케일(41)의 반사부에는, X방향을 따라 반사부의 연속성을 손상시키는 비반사부의 형태인 부분적인 누락부 41a가 구비되어 있다.

이 광학식 엔코더는, 메인 스케일(41)과, 복수의 포토 다이오드 P가 배치되어 있는 수광부(42)와, 광원(43)으로 구성되며, 광원(43)으로부터 방출된 광은 작은 간격의 반사부 및 비반사부를 갖는 메인 스케일(41)에 의해 반사되어, 수광부 상에 명암 분포가 형성된다.

이러한 구조에 의하면, 상기 메인 스케일(41)에 특정 마이크로 루프 미러 어레이가 설치되는 것이 아니라, 상기 메인 스케일(41)이 반사부와 비반사부를 갖는 간단한 구조로 구성될 경우, 신호레벨은 상이하지만, 수광부 상에 유사한 명암 분포가 형성되어, 엔코더 신호 A 및 B가 얻어질 수 있다.

도 32는 복수의 포토 다이오드 P가 배치되어 있는 수광부(42)의 구조와, 입사광의 명암 패턴을 예시한 것이다. 포토 다이오드 P1, P2, P3, P4는 0°, 90°, 180°및 270°의 관계를 반복적으로 달성하도록 배치되어 있다. 누락부 41a의 존재로 인해 입사광의 명암 패턴이 부분적으로 빠지더라도, 다른 포토 다이오드 P의 존재로 인해, 나머지 포토 다이오드 P에 비례하는 신호 진폭이 얻어질 수 있다.

이 실시예 6에서는, 도 14에 도시된 회로 구성이 사용될 수 있고, 도 33은 포토 다이오드 P가 슬릿의 8개의 펄스에 해당하는 폭을 가질 경우에 대한 신호입력을 도시한 것이다. 도 33으로부터 알 수 있는 것과 같이, 메인 스케일(41) 상에 하나의 누락부 41a가 존재할 경우, 누락부 41a가 수광부(42) 위를 최초로 통과할 때에 광량이 감소한다. 따라서, 피드백회로(24)는 전류를 증가하도록 작용한다. 이에 따라, 전류검출회로(26)의 신호 D는 약 1/8의 비율로 증가한다. 이 상태는 누락부 41a가 수광부(42) 위를 지나가는 동안에 계속되고, 누락부 41a가 수광부(42)를 벗어나면, 신호레벨은 이전 레벨로 감소된다.

이러한 구조에 의해, 엔코더 신호 A 및 B를 변화시키지 않고도, 신호 D에 의거하여 메인 스케일(41)의 누락부 41a의 통과를 검출하는 것이 가능하다.

본 실시예에서는, 메인 스케일(41)이 하나의 누락부 41a를 갖지만, 2개의 연속적인 누락부 41a가 존재할 경우, 전류검출회로(26)의 신호 D의 레벨의 변화도 증가하게 된다. 이것에 의거하여, 신호 D의 레벨로부터 수광부(42) 위를 통과하고 있는 누락부 41a의 수를 검출하는 것이 가능하다. 그러므로, 메인 스케일(41) 상에 특수한 패턴을 형성함으로써, 이 구성이 절대위치의 검출에 적용될 수 있다.

<실시예 7>

도 34는 실시예 7에 따른 회전식 광학식 엔코더에서의 투과형 메인 스케일(51) 등의 광학적인 구성을 도시한 것이다. 메인 스케일(51)에는 불연속부가 구비되어 있지 않고, 수광부(52) 및 광원(53)과 대향하는 메인 스케일(51) 측에는, 메인 스케일(51)을 투과한 광을 반사하여 수광부(52)로 되돌아오는 효과를 갖는 반사판이 구비되어 있다. 반사판(54)은 유지부재(55)에 접합되어, 메인 스케일 51a와 함께 공통 회전축(56) 주위로 회전하도록 구성되어 있다.

도 35는 반사부 54a와 비반사부 54b를 포함하는 반사판의 패턴을 도시한 것이다. 반사부 54a와 비반사부 54b는 반반씩의 초승달 형상으로 형성되고, 비반사부 54b는 회전방향에 대한 불연속부로서 작용한다.

광원(53)으로부터 방출된 광은 광경로 L1을 통해 이동하여 메인 스케일(51)에 도달한 다음, 메인 스케일(51)에 의해 반사되어 수광부(52)에 되돌아와서 위치 펄스인 엔코더 신호 A 및 B를 발생시킨다. 광원(53)으로부터 방출된 광의 일부는 광경로 L2에 의해 표시되는 것과 같이, 메인 스케일(51)을 통과하고, 반사판(54)의 반사부 54a에 의해 반사되어, 메인 스케일(51)을 통과한 후에 수광부(52)로 되돌아간다.

광경로 L2를 이동한 광은, 엔코더 신호 A, B와는 달리, 절대위치를 얻기 위한 신호 D를 발생하기 위해 사용된다. 이 광은 메인 스케일 상의 반사 패턴과는 관계없는 DC 광이다. 그러므로, 반사부 54a가 메인 스케일(51)의 뒤쪽에 존재하면, 수광부(52)는 DC 광이 입사할 경우와 유사하게 동작한다. 즉, 수광부는 광원(53)의 광량을 감소시키도록 동작한다.

도 36은 실시예 7의 구성에 대하여, 도 14에 도시된 회로로부터의 신호 A, B 및 D를 도시한 것이다. 반사판(54)의 반사부 54a가 수광부(52) 위에 오면, 반사된 광의 영향으로 인해, 광원(53)의 전류 감소가 일어나게 된다. 이 변화에 의거하여, 절대위치에 해당하는 위치정보가 실시예 1과 유사하게 얻어질 수 있다.

본 실시예 7은, 메인 스케일(51)을 변형하지 않고, 즉, 메인 스케일(51) 상에 불연속부를 구비하지 않고도, 반사부 54a를 갖는 반사판(54)을 메인 스케일의 뒤쪽에 구비하는 것만으로, 절대위치 정보가 얻어질 수 있는 이점이 있다. 또한, 반사 및 비반사부의 패턴을 변화시켜서 신호 D의 하이레벨 기간과 로우레벨 기간을 변화시키거나, 반사판(54)의 반사율을 변화시켜서 하이레벨과 로우레벨의 차이를 변동시키는 것도 가능하다.

<실시예 8>

도 37은 온도조건에 대한 적응이 이루어지지 않은 경우의 전류검출회로(26)의 신호 D를 도시한 것이다. 이 경우, 온도조건에 있어서의 변화는 광원(11)을 흐르는 전류의 오프셋에 있어서의 큰 증가 또는 감소를 일으킨다. 동일한 발광량을 얻기 위하여, 전류가 높은 온도조건에서 감소되고, 낮은 온도조건에서 증가될 필요가 있다. 수광부(15)는, 높은 온도조건에서 검출전압이 증가하고 낮은 온도조건에서 검출전압이 감소하는 경향이 있는 이러한 온도 의존적인 특성을 가진다.

일부 다른 부재도 온도에 따라 변화하는 특성을 가진다. 도 37은 이들 부재의 온도특성의 합성된 특성에 의거하여 얻어지는 엔코더 신호 A, B와, 전류검출회 로(26)의 신호 D의 파형을 도시한 것이다. 이 온도특성에 의하면, 동일한 광량이 얻어져야 할 경우, 높은 온도에서 전류값이 감소하고, 낮은 온도에서 전류값이 증가하는 경향이 있다. 이 경우, 신호 D와 기준전압 L을 비교하는 공정에서는, 신호 D의 상승 기울기가 기준전압 L과 교차하는 점이 온도에 따라 크게 변위되어, 절대위치 검출에 오차가 포함되는 문제가 발생한다.

도 38은 온도특성을 개선하기 위한 구성의 회로도를 도시한 것이다. 회로의 기본 구조는 도 14에 도시된 것과 유사하다. 그러나, 실시예 8에서는, 광원(11)과 직렬로 접속된 저항 R이 양(positive)의 온도특성을 갖는 온도감응형(temperature-sensitive) 저항이다. 따라서, 높은 온도에서 전류가 감소하면, 저항 R의 값이 증가하여 전류검출회로(26)로부터의 신호 D 출력이 증가한다. 즉, 이들 효과가 서로 상쇄된다.

그러므로, 저항 R의 온도계수와, 수광부(15)의 전류변화의 온도특성을 조합함으로써, 도 39에 도시된 것과 같이 온도가 변화하더라도 신호 D가 크게 변하지 않는다. 그러므로, 신호 D가 기준전압 L과 정확하게 교차하는 위치로서 원점을 결정하는 것이 가능하다.

실시예 8에서는 온도감응형 저항 R이 사용되지만, 이와 다르게, 오프셋 제거회로(25)에 온도보상회로가 구비될 수도 있다.

이상 설명된 본 발명에 의하면, 광학식 엔코더의 메인 스케일 또는 그 부대 부재에 불연속부가 설치됨으로써, 저렴한 비용으로 절대위치의 검출이 가능해진다. 또한, 원점검출용 수광소자가 불필요하게 되어, 매우 소형의 엔코더 디바이스를 얻을 수 있다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 발광부;

    상기 발광부로부터 방출된 광속을 투과하는 광투과부 또는 상기 발광부로부터 방출된 광속을 반사하는 광반사부가 대략 동일한 간격으로 배치되고, 상기 발광부에 대하여 상대적으로 이동가능한 메인 스케일;

    상기 메인 스케일의 광투과부 또는 광반사부로부터 광속을 수광하여 전기신호로 변환하는 수광부;

    상기 수광부로부터 얻어지는 상기 전기신호를 처리하여, 상기 메인 스케일과 상기 수광부간의 상대적인 이동량과, 상기 메인 스케일의 절대위치를 검출하는 신호처리부; 및

    상기 발광부에 흐르는 전류값을 조정하여 상기 수광부에 의해 수광된 광량이 소정의 값이 되게 하는 수광 광량 안정화 회로를 포함하며,

    상기 동일한 간격으로 배치된 메인 스케일의 광투과부의 적어도 한 부분 또는 상기 메인 스케일의 광반사부의 적어도 한 부분이 누락되어 있고, 상기 메인 스케일 상의 누락부는 상기 전류값의 변동에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 광학식 변위 측정장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 신호처리부는 온도에 따른 상기 전류값의 변동을 보상하는 온도 보상회로를 갖는 것을 특징으로 하는 광학식 변위 측정장치.

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