KR101333365B1

KR101333365B1 - 변위 측정 장치 및 속도 측정 장치

Info

Publication number: KR101333365B1
Application number: KR1020110003963A
Authority: KR
Inventors: 다까시 후꾸하라
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2013-11-28
Also published as: US20110181865A1; US8760635B2; RU2011102350A; KR20110086508A; RU2467336C2; EP2348287A2; JP2011149872A; JP5460352B2; CN102192709A

Abstract

이동 물체(102)의 변위량을 측정하는 변위 측정 장치(100)는 발광 영역(101)으로부터 방출된 광속을 사용하여 이동 물체(102)를 조사하는 광원과, 이동 물체(102)의 이동 방향에서 복수의 수광 영역을 포함하고 이동 물체(102)의 복수의 오목면(103) 상에 반사된 광속의 상을 형성해서 수광하는 포토다이오드 어레이(104, 105)와, 광속의 상을 형성함으로써 포토다이오드 어레이(104, 105) 상에 형성된 발광 영역 상(106)의 이동량에 기초하여 이동 물체(102)의 변위량을 측정하는 측정 유닛을 포함한다.

Description

변위 측정 장치 및 속도 측정 장치{DISPLACEMENT MEASURING APPARATUS AND VELOCITY MEASURING APPARATUS}

본 발명은, 변위량 및 속도의 비접촉 측정을 각각 수행하는 변위 측정 장치 및 속도 측정 장치에 관한 것이다.

이동 물체의 변위량의 비접촉 검출을 수행하는 방법으로서, 이하의 2개의 방법이 알려져 있다. 하나는, 이동 물체에 코히런트(coherent) 광을 조사해서 광의 반사 및 발산에 의해 얻어진 광속의 복잡한 간섭에 의해 야기된 작은 반점(speckle) 패턴을 생성해서, 이동 물체의 이동에 따른 작은 반점 패턴의 이동에 기초하여 이동 물체의 변위나 속도를 검출하는 방법이다. 다른 하나는, 이동 물체에 대하여 서로 다른 입사각에서 코히런트한 광 빔을 조사해서, 반사 및 발산 시에 받는 광 주파수 도플러 시프트 간의 차에 기초하여, 이동 물체의 속도를 얻는 방법이다. 그러나, 상술된 방법에서는, 코히런트 광원으로서 사용되는 LD(laser diode)나 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)의 낮은 신뢰성, 장치 구성의 복잡함에 의해 야기되는 고비용 등의 문제가 있다. 따라서, 일본 특허 공개 소58-113762호 공보는 인코히런트(incoherent) 광원을 사용해서, 결상된 물체의 변위량 및 속도를 검출하는 방법을 개시한다.

그러나, 일본 특허 공개 소58-113762호 공보에 개시된 속도 측정 장치에서, 이동 물체의 표면으로부터의 반사광은 결상 시스템을 통과하지 않기 때문에, 수광부 상의 광학 패턴 상은 선명하지 않다. 따라서, 수광부의 포토다이오드 어레이에 의해 검출되는 신호의 진폭은 낮고, 신호 무결성(signal integrity)으로서의 SN(signal to noise) 비가 저하된다. 그 결과, 광학 패턴 상의 변위량의 검출 정밀도가 저하되고, 속도의 측정 정밀도가 또한 저하된다. 한편, 광학 패턴 상을 선명하게 하기 위해서 측정 장치에 렌즈와 같은 결상 시스템이 추가되면, 부품 개수의 증가에 의해 비용이 상승되거나, 장치의 소형화가 방해될 수 있다.

고정밀의 변위 측정 장치 및 속도 측정 장치를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 양태로서의 변위 측정 장치는 이동 물체의 변위량을 측정한다. 변위 측정 장치는 발광 영역으로부터 방출된 광속을 사용해서 이동 물체를 조사하도록 구성되는 광원과, 이동 물체의 이동 방향에 배열된 복수의 수광 영역을 포함하는 수광 소자 - 이 수광 소자는, 발광 영역으로부터 방출되고, 이동 물체의 오목면으로부터 반사된 광속이 수광 소자의 수광면 상에 결상됨 - 와, 수광 소자에 형성된 발광 영역 상의 이동량에 기초하여, 이동 물체의 상기 변위량을 측정하도록 구성되는 측정 유닛을 포함한다.

본 발명의 다른 양태로서의 속도 측정 장치는 변위 측정 장치를 포함하고, 미리결정된 시간에 변위 측정 장치에 의해 결정된 이동 물체의 변위량에 기초하여 이동 물체의 속도를 검출하도록 배열된다.

본 발명의 추가적인 특징 및 양태는 첨부된 도면을 참조하여 이하 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 제1 실시예에서 변위 측정 장치의 개략적인 구성도.
도 2a 내지 도 2d는 제1 실시예의 변위 측정 장치에서 발광 영역 상의 생성 원리의 설명도.
도 3a 및 도 3b는 제1 실시예에서 이동 물체의 이동량과 발광 영역 상의 이동량 간의 관계를 도시하는 도면.
도 4는 제1 실시예에서 이동 물체의 표면에 주기적으로 배열된 오목면(indentation)을 도시하는 도면.
도 5는 제2 실시예에서 변위 측정 장치의 개략적인 구성도.
도 6은 제3 실시예에서 속도 측정 장치의 개략적인 구성도.
도 7은 제3 실시예에서 데이터에 시간 지연을 부여하는 프로세스의 블록도.
도 8은 제3 실시예에서 다른 속도 측정 장치(400a)의 개략적인 구성도.
도 9는 제3 실시예에서 다른 속도 측정 장치(400b)의 개략적인 구성도.

본 발명의 예시적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 후술된다. 각각의 도면에서, 동일한 구성요소는 동일한 참조 부호에 의해 나타날 것이고, 그 중복 설명은 생략될 것이다.

[제1 실시예]

우선, 본 발명의 제1 실시예에서의 변위 측정 장치가 설명될 것이다. 도 1은 본 실시예에서의 변위 측정 장치의 개략적인 구성도이다. 도 1에서, 참조 부호(100)는 이동 물체의 변위량을 측정하는 변위 측정 장치를 나타낸다. 참조 부호(101)는 변위 측정 장치(100)에 제공된 광원의 발광 영역(101)을 나타낸다. 발광 영역(101)으로부터 방출된 광속을 사용하여 이동 물체가 조사된다. 발광 영역(101)은 베어 칩 LED(light emitting diode)의 발광면 상의 적층 전극에 형성된 개구와 같은 마스크에 의해 형성된 발광 패턴을 나타낸다. 발광 영역(101)은 VCSEL과 같은 면 발광 광원의 발광면이나, LD의 1μm 내지 2μm정도의 발광면도 포함한다.

참조 부호(102)는 이동 물체를 나타낸다. 이동 물체(102)는 변위 측정 장치(100)에 의해 수행되는 변위량의 측정 대상이다. 이동 물체(102)는 Y 방향으로 이동 가능하고, 광원의 발광 영역(101)으로부터의 발산 광에 의해 조사된다. 이동 물체(102)에 조사된 발산 광은, 이동 물체(102)의 오목면(103)에서 반사 및 집광되어, 포토다이오드 어레이(104, 105)(수광 소자) 상에 광원 영역 상(106)을 형성한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 수광 소자는 이동 물체(102)의 이동 방향(Y 방향)에 배열된 복수의 수광 영역[예를 들면, 복수의 포토다이오드 어레이(104, 105)]을 포함하고, 이동 물체(102)의 오목면(103)으로부터 반사된 광속의 상을 형성해서 광속을 수광한다. 변위 측정 장치(100)는 오목면(103)으로부터 반사된 광속을 결상시켜서 수광 소자에 형성된 발광 영역 상(106)의 이동량에 기초하여 이동 물체(102)의 변위량을 측정하는 측정 유닛(도시되지 않음)을 포함한다.

오목면(103)은 오목하고, 광원의 발광 영역(101) 상의 발광점으로부터 오목면(103)까지의 광로 길이를 L1, 오목면(103)으로부터 포토다이오드 어레이(104, 105)까지의 광로 길이를 L2로 하는, 이하의 수학식 1을 만족하는 초점 거리 F를 갖는 것이 바람직하다.

포토다이오드 어레이(104, 105)는 이동 물체(102)의 이동 방향(Y 방향)에서의 폭 Pd/2, 피치 Pd(주기 폭)으로 교대로 배열된다. 포토다이오드 어레이(104, 105)는 동일한 구성을 갖고, 공간적으로 이동 물체(102)의 이동 방향에서 폭 Pd/2만큼 서로 어긋나게 배열되어 있다. 발광 영역(101)의 폭 We는 각각의 포토다이오드 어레이(104, 105)의 폭과 연관되어 결정된다. 상세한 것은 후술될 것이다.

다음으로, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 변위 측정 장치(100)에서의 발광 영역 상(106)의 생성 원리가 설명될 것이다. 우선, 발광 영역 상(106)이 생성되는 위치가 설명될 것이다. 도 2a에 도시된 발광 영역(101)을 포함하는 광원으로부터 방출된 발산 광은, 도 2b에 도시된 이동 물체(102)의 표면 상의 각각의 오목면(103)에서 반사 및 집광된다. 따라서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 광원의 발광 영역 상(106)이 이동 물체(102)의 표면 상의 각각의 오목면(103)의 위치에 대응하는 위치 관계를 가지고서, 포토다이오드 어레이(104, 105)의 표면 상에 형성된다.

다음으로, 이동 물체(102)의 오목면(103)의 형상과 발광 영역 상(106)의 형성 현상이 설명될 것이다. 일반적인 물체의 표면에는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 여러가지 형상을 갖는 오목면(103)이 분포된다. 각각의 오목면(103)의 폭은, 도 2b의 A-A 단면도인 도 2c에 도시된 바와 같이 상이하다. 따라서, 여러가지 형상을 갖는 오목면(103)이 존재한다. 그러나, 이동 물체(102)의 오목면(103)의 형상에 의해 결정되는 최적의 관찰 위치에 수광부 표면[포토다이오드 어레이(104, 105)]이 배열되면, 발광 영역 상(106)이 일부 경우에서 형성된다. 이것은 오목면(103)이 상기의 수학식 1을 만족하는 초점 거리 F를 갖는 경우이다.

예를 들어, 변위 측정 장치(100)(수광부 표면)와 이동 물체(102) 사이의 거리가 1 내지 3mm정도인 영역에서는, 100μm정도의 직경과 2μm정도 이하인 깊이를 갖는 오목면(103)의 형상이, 발광 영역 상(106)의 형성에 기여한다. 또한, 수광부 표면과 이동 물체(102) 사이의 거리가 4 내지 6mm정도의 영역에서는, 200μm정도의 직경과 수μm정도의 깊이를 갖는 오목면(103)의 형상이 발광 영역 상(106)의 형성에 기여한다. 따라서, 관찰 위치에 따라서 상의 형성에 기여하는 오목면(103) 내의 영역이 상이하다. 따라서, 오목면(103)이 상술된 바와 같이 곡면의 복합 형상을 갖는 경우에, 수광부 표면과 이동 물체(102) 사이의 거리가 어느 정도 변경되어도, 발광 영역 상(106)은 형성된다.

다음으로, 형성되는 발광 영역 상(106)의 크기가 설명될 것이다. 상술된 바와 같이, 오목면(103)이 수학식 1을 만족하는 초점 거리 F를 갖는 경우에, 발광 영역 상(106)이 포토다이오드 어레이(104, 105) 상에 형성된다. 그러나, 오목면(103)은 이상적인 곡면을 갖지 않고, 다수의 경우에 복수의 곡면의 복합 형상을 갖는다. 이 경우에서, 발광 영역 상(106)은, 수학식 1을 만족하는 초점 거리 F를 갖는 오목면(103)에 형성되는 발광 영역 상과, 복수의 곡면의 복합 형상에 의한 디포커스된 복수의 발광 영역 상이 중첩되어서 형성된다. 이러한 현상으로 인해, 포토다이오드 어레이(104, 105)에 형성되는 발광 영역 상(106)은, 상이 이상적으로 형성되는 발광 영역(101)의 폭의 1.5 내지 2배 정도의 폭을 갖는다.

원래, 발광 영역 상(106)의 폭이 각각의 포토다이오드 어레이(104, 105)의 폭과 동일하면, 높은 광 이용 효율의 검출이 수행될 수 있다. 그러나, 상술된 현상 때문에, 형성된 발광 영역 상(106)은 각각의 포토다이오드 어레이(104, 105)의 폭 Pd/2을 초과하고, 인접한 포토다이오드 어레이(104, 105)에 발광 영역 상(106)이 뻗거나 중첩한다. 따라서, 후술되는 신호 검출의 원리에 따라, 검출되는 신호 진폭이 감소되고, 속도 검출 정밀도가 저하된다. 본 실시예에서, 참조 부호 We는 이동 물체(102)의 이동 방향(Y 방향)에서의 광원의 발광 영역(101)의 폭으로 규정된다. 상기 현상으로 인해 광원의 발광 영역 폭 We와 포토다이오드 어레이 피치 Pd의 비인 We/Pd가 0.87 이상이 되면, 이동 방향에서의 수광면 상의 상의 크기가 포토다이오드 어레이 피치의 폭 이상이 된다. 따라서, 이동 물체의 변위에 대한 검출 신호 진폭이 10% 이상 감소되기 때문에, 변위의 결정 정밀도가 저하되는 문제가 발생한다. 따라서, We/Pd는 0.87 이하인 것이 바람직하다.

반대로, 광원의 발광 영역(101)이 지나치게 작으면, 발광 영역 상이 인접한 포토다이오드 어레이로 중첩되지 않는다. 그러나, We/Pd가 0.275보다도 작을 때, 발광 영역의 축소에 의해 야기되는 검출 광 강도의 감소로 인해 검출 신호 진폭이 10% 이상 감소되어 이동 물체의 변위량의 결정 정밀도를 저하시키는 문제가 야기될 수도 있다. 따라서, 변위 검출 정밀도를 얻기 위해서는 이하의 수학식 2로 표현되는 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 3a 및 도 3b를 참조하여, 발광 영역 상(106)의 변위 원리가 설명될 것이다. 도 3a 및 도 3b는 이동 물체(102)의 이동량과 포토다이오드 어레이 표면(301) 상의 발광 영역 상(106)의 이동량 사이의 관계를 나타낸다. 도 3a는 시간 T1에서의 이동 물체(102)와 발광 영역 상(106) 간의 위치 관계이고, 도 3b는 시간 T2에서의 이동 물체(102)와 발광 영역 상(106) 간의 위치 관계이다. 도 3b의 검은색 화살표는, 시간차 T2-T1에서의 이동 물체(102)의 이동량을 나타내고, 도 3b의 흰색 화살표는 시간차 T2-T1에서의 포토다이오드 어레이 표면(301) 상의 발광 영역 상(106)의 이동량을 나타낸다.

이동 물체(102)의 이동량(즉, 변위)과 발광 영역 상(106)의 이동량(즉, 변위) 간의 관계는 다음과 같이 표현된다.

이동 물체:발광 영역 상=1:(L1+L2)/L1

본 실시예에서는, 광원의 발광 영역(101) 상의 발광점으로부터 이동 물체(102)의 표면[오목면(103)]까지의 광로 길이 L1과, 이동 물체(102)의 표면으로부터 수광 소자인 포토다이오드 어레이(104)까지의 광로 길이 L2가 서로 동일하다. 따라서, 이동 물체(102)의 이동량과 발광 영역 상(106)의 이동량 간의 관계는 다음과 같다.

이동 물체:발광 영역 상=1:2

상기의 원리에 기초하여, 포토다이오드 어레이 표면(301) 상에 형성된 발광 영역 상(106)은, 이동 물체(102)의 이동에 따라 이동한다.

다음으로, 도 1을 다시 참조하여, 이동 물체(102)의 변위량 검출 방법이 상세하게 설명될 것이다. 우선, 포토다이오드 어레이의 구성 및 신호 검출 방법이 설명될 것이다. 이동 물체(102)의 오목면(103)에 의해 포토다이오드 어레이(104, 105) 상에 발광 영역 상(106)이 형성된다. 포토다이오드 어레이(104, 105) 상에 생성된 발광 영역 상(106)을 포함하는 이차원 광학 패턴 상은, 포토다이오드 어레이(104, 105)에 의해 광전 변환되어, 1차원의 광 강도를 나타내는 전압값으로 변환된다. 그 후, 포토다이오드 어레이(104)를 구성하는 복수의 포토다이오드의 검출 전압값의 합이 얻어지고, 공간 필터 작용과 결합하여, 포토다이오드 어레이(104)의 검출 전압값 V1이 결정된다. 유사하게, 포토다이오드 어레이(105)를 구성하는 복수의 포토다이오드의 검출 전압값의 합이 얻어지고, 공간 필터 작용과 결합하여, 포토다이오드 어레이(105)의 검출 전압값 V2이 결정된다. 그 후, 변위 측정 장치(100)는 양쪽 포토다이오드 어레이(104, 105)의 검출 전압값의 차 V1-V2, 즉, 포토다이오드 어레이(104, 105)의 출력의 차분을 미리결정된 시간에서의 전압값으로서 출력한다.

다음으로, 이동 물체(102)의 이동에 의해 야기되는 포토다이오드 어레이(104, 105) 상의 광학 패턴 상의 이동에 기초하여, 이동 물체(102)의 변위량을 검출하는 방법이 설명될 것이다. 본 실시예에서, 변위 측정 장치(100)의 검출 전압값 V1, V2가 각각 Va, Vb와 동일하고, 검출 전압값의 차 V1-V2가 포지티브(positive) 전압인 Va-Vb와 동일한 경우(V1-V2=Va-Vb>0)가 고려된다. 이러한 경우에, 광학 패턴 상이 Pd/2만큼 이동하면, 강도 분포의 위상은 180도 반전되고, 검출 전압값의 부호는 반전되어 네거티브(negative)가 된다. 달리 말하면, 검출 전압값의 차 V1-V2는 Vb-Va와 동일하다(V1-V2≒Vb-Va<0).

또한 광학 패턴 상이 Pd/2, 즉 포토다이오드 어레이(104, 105)의 피치의 1주기만큼 더 이동되면, 검출 전압값의 부호는 반전되어 포지티브가 된다. 달리 말하면, V1-V2≒Vb-Va>0이 만족된다. 따라서, 광학 패턴 상이 포토다이오드 어레이(104, 105) 상에서 피치 Pd(변위량)만큼 이동되면, 1주기의 파형이 검출된다. 달리 말하면, 이동 물체(102)의 이동에 따라, 변위 측정 장치(100)로 검출되는 출력 전압 변화의 주기의 수가 카운트되어, 포토다이오드 어레이(104, 105) 상의 광학 패턴 상의 이동량을 검출할 수 있다. 따라서, 상술된 이동 물체(102)와 발광 영역 상(106) 간의 관계와, 검출된 광학 패턴 상의 이동량에 기초하여, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명된 바와 같이, 이동 물체(102)의 변위량이 검출될 수 있다.

본 실시예에서는, 검출 신호의 진폭을 증가시키기 위해서 차동 검출 포토다이오드 어레이의 구성이 채용되지만, 변위 측정 포토다이오드 어레이의 구성은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 포토다이오드 어레이를 사용하여, 광학 패턴 상의 1차원 강도 분포가 어레이 상에서 변위하는 상황에 기초하여 변위량이 검출될 수도 있다. 본 실시예에서, 차동 증폭은 차동 포토다이오드 어레이(105)를 사용하여 수행될 필요는 없다.

오목면(103)은 이동 물체(102)에 이산적 또는 연속적으로 제공되고, 바람직하게는 이하의 수학식 3을 만족하는 곡률 반경을 포함하는 형상이고, 여기서 R은 오목면(103)의 곡률 반경이다.

이동 물체(102)에 포함되는 오목면(103)은 반구 형상에만 한정되는 것이 아니고, (반)원통형의 표면이 채용될 수도 있다. 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 이동 물체(102)에 오목면 형상(103a)이 의도적으로 주기적으로 형성될 수도 있다. 이 경우에, 배열 주기 Pl은, 이하의 수학식 4를 만족하며, 여기서 k는 양의 정수이다.

따라서, 포토다이오드 어레이(104, 105) 상에 형성된 주기적인 발광 영역 상(106a)을 사용하여, 이동 물체(102)의 변위량이 검출될 수도 있다.

[실시예 2]

다음으로, 본 발명의 제2 실시예가 설명될 것이다. 도 5는 본 실시예에서의 변위 측정 장치(100a)의 개략적인 구성도이다. 본 실시예의 변위 측정 장치(100a)는 광원에 복수의 발광 영역(401)(짝수개의 발광 영역)이 피치 Pe로 배열된다는 점에서, 제1 실시예의 변위 측정 장치(100)와는 상이하다. 본 실시예에서, 복수의 발광 영역(401)을 제공함으로써 야기되는 발광 영역 상(402)의 변화 및 검출 신호에의 영향이 설명될 것이다.

예를 들어, 광로 길이 L1이 광로 길이 L2와 동일한 경우에(L1=L2), 하나의 오목면(103)에 의해 형성되는 발광 영역 상은 원래의 발광 영역(401)과 동일한 크기로 형성되고, 또한 피치 Pe를 갖는 복수의 발광 영역 상(402)이 형성된다. 따라서, 복수의 광원이 제공될 수 있어서 임의의 광학 패턴 상에 미리결정된 피치의 화상을 생성할 수 있다. 형성된 발광 영역 상(402)의 피치 Pe는 포토다이오드 어레이(104, 105)의 피치 Pd로 정렬되어, 이 피치로 공간적으로 배열된 포토다이오드 어레이(104, 105)의 공간 필터로서 효과를 효과적으로 얻을 수 있다. 달리 말하면, 오목면(103)이 임의의 주기를 가져도, 발광 영역 상(402)은 발광 영역의 주기성을 갖고, 화상 검출의 포토다이오드 어레이 주기와 동일한 주기를 가져서, 검출 신호 진폭을 증가시키고, 변위 검출을 향상시킨다.

광원 또는 포토다이오드 어레이의 Z축 방향의 실장 정밀도에 따라, 복수의 발광 영역 상(402)의 결상 배율이 변경되어서, 복수의 발광 영역 상(402)의 발광 영역 상의 피치가 미리결정된 피치 Pe로부터 어긋날 수도 있다. 이 경우에, 신호 진폭이 감쇠되고 속도 검출 정밀도의 오차가 증가된다. 변위량이 큰 경우에, 포토다이오드 어레이(104, 105)의 검출 전압값이 서로 동일해져, 일부 경우에서 각각의 포토다이오드 어레이의 검출 전압값의 차분에 의해 신호가 얻어지지 않을 수 있다. 따라서, 유효한 변위 검출 신호를 얻기 위해서, 발광 영역 상(402)의 피치 Pe 및 포토다이오드 어레이(104, 105)의 피치 Pd는 이하의 수학식 5를 만족하는 것이 바람직하다.

이 수학식에서, N은 2이상의 정수이고, 발광 영역의 개수를 나타낸다. 본 실시예는 2개의 발광 영역을 가지는 실시예를 설명하지만, 상술된 수학식 5가 만족되는한 이에 한정되지 않는다. 또한, 공간 필터의 작용을 얻기 위해서, 수학식 5를 만족하는 발광 영역 상(402)의 피치 Pe의 정수배의 주기를 포함하도록 발광 영역이 배열되기만 하면 된다. 변위량의 검출 원리는 제1 실시예의 검출 원리와 유사하기 때문에, 본 실시예에서 그 설명은 생략된다.

본 실시예에서, 검출 신호의 진폭을 증가시키기 위해서 차동 검출 포토다이오드 어레이의 구성이 채용되고, 제1 실시예와 유사하게 변위 측정 포토다이오드의 구성은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 포토다이오드 어레이를 사용하여, 광학 패턴 상의 1차원 강도 분포가 어레이 상에서 변위되는 상황에 기초하여 변위량이 검출될 수도 있다. 본 실시예에서, 차동 포토다이오드 어레이(105)를 사용하여 차동 증폭이 수행될 필요는 없다. 이동 물체(102)의 오목면(103)은 반구 형상에만 한정되는 것이 아니고, 도 4에 도시된 바와 같이 (반)원통형의 표면이고, 의도적으로 주기적으로 형성된 오목면인 형상이 채용될 수도 있다.

[실시예 3]

다음으로, 본 발명의 제3 실시예가 설명될 것이다. 본 실시예에서, 제1 실시예의 변위 측정 장치(100) 또는 제2 실시예의 변위 측정 장치(100a)를 사용하여 이동 물체(102)의 속도를 측정하는 방법이 설명될 것이다. 도 6은 본 실시예에서의 속도 측정 장치(400)의 개략적인 구성도이다. 속도 측정 장치(400)는 미리결정된 시간에서의 이동 물체(102)의 변위량 또는 이동 물체가 미리결정된 거리를 통과하는데 필요한 시간에 기초하여 이동 물체(102)의 속도를 검출하도록 구성된다.

속도 측정 장치(400)는 복수의 발광 영역(501) 및 포토다이오드 어레이 그룹(502, 503)을 포함한다. 포토다이오드 어레이 그룹(502)은 포토다이오드 어레이(504)와, 차동 검출을 수행하는데 사용되는 포토다이오드 어레이(505)를 포함한다. 포토다이오드 어레이 그룹(503)은 포토다이오드 어레이(506)와, 차동 검출을 수행하는데 사용되는 포토다이오드 어레이(507)를 포함한다. 포토다이오드 어레이 그룹(502, 503)은 그 중심이 간격 D만큼 이격되어서 배열된다. 각 포토다이오드 어레이 그룹 상에 생성된 복수의 발광 영역 상(402)으로 구성되는 이차원 광학 패턴 상은 포토다이오드 어레이에 의해 광전 변환되고, 1차원의 광 강도가 전압값으로 변환된다. 그 후, 포토다이오드 어레이(504)를 구성하는 복수의 포토다이오드의 검출 전압값의 합으로서, 포토다이오드 어레이(504)의 검출 전압값 V1이 결정된다. 유사하게, 포토다이오드 어레이(505)를 구성하는 복수의 포토다이오드의 검출 전압값의 합으로서, 포토다이오드 어레이(505)의 검출 전압값 V2가 결정된다. 그 후, 포토다이오드 어레이 그룹(502)은 검출 전압값의 차 V1-V2를, 미리결정된 시간에서의 전압값으로서 출력한다. 유사하게, 포토다이오드 어레이 그룹(503)은 미리결정된 시간에서의 전압값을 출력한다.

다음으로, 속도를 검출하는 방법이 설명될 것이다. 본 실시예에서, 이동 물체(102)가 Y축 방향으로 이동하는 경우가 고려된다. 이 경우에, 먼저 포토다이오드 어레이 그룹(502)에 의해, 광학 패턴 상의 이동에 따른 변위 신호가 검출된다. 계속해서, 동일한 위치에서의 광학 패턴 상의 이동에 따른 변위 신호가 Y축 방향에서의 포토다이오드 어레이 그룹(502, 503) 간의 간격 D와, 이동 물체(102)의 속도에 의존하는 시간만큼 지연되어, 포토다이오드 어레이 그룹(503)에 의해 검출된다. 각각의 포토다이오드 어레이 그룹에 의해 검출된 동일한 신호의 검출 시간차 T가 정확하게 얻어지면, 이동 물체(102)의 속도가 이미 알려진 D로서 산출될 수 있다(그리고 속도는 물론 거리 나누기 시간이다; D/T).

다음으로, 도 7을 참조하여, 속도를 검출하는 방법이 구체적으로 설명될 것이다. 도 7은 데이터에 시간 지연을 부여하는 프로세스의 블록도이다. 포토다이오드 어레이 그룹(502)에 의해 미리 검출된, 미리결정된 시간에서 이동 물체(102)의 이동에 따른 검출 출력의 변동 데이터(강도 분포 데이터)가 P1으로 규정된다. 유사하게, 지연되어 포토다이오드 어레이 그룹(503)에 의해 검출된, 미리결정된 시간에서 이동 물체(102)의 이동에 따른 검출 출력의 변동 데이터(강도 분포 데이터)가 P2로 규정된다. 변동 데이터 P1, P2는 시간에 대한 전압값을 비교하는 비교기(508)에 의해 비교된다.

최적의 데이터의 시간 지연량이 변동 데이터 P1에 부여되는 경우에, 비교기(508)에 의한 비교의 결과로서, 각각의 포토다이오드 어레이 그룹의 시간에 대한 변동 데이터 P1, P2가 서로 일치한다. 한편, 변동 데이터 P1, P2가 서로 일치하지 않는 경우에, 속도 검출 회로(601)는 시간 지연 회로(602)에 시간 지연량에 대한 보정값을 제공한다. 그 후, 비교기(508)는 보정된 시간 지연량이 부여된 변동 데이터 P1을 사용하여, 비교를 다시 수행한다. 루프에 따라, 속도 검출 회로(601)는 검출 시간차 T를 결정한다. 또한, 포토다이오드 어레이 그룹(502, 503) 간의 간격D에 기초하여, 이하의 수학식 6을 사용해서 이동 물체(102)의 속도 V가 얻어질 수 있다.

본 실시예는 제2 실시예에서의 변위 측정 장치(100a)를 사용해서 속도 측정 장치(400)가 구성된 예를 설명한다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않고, 제1 실시예의 변위 측정 장치(100)를 사용해서 속도 측정 장치(400)가 구성될 수도 있다. 포토다이오드 어레이의 구성에 대해서, 제1 실시예 및 제2 실시예에 설명된 바와 같이, 차동 검출 포토다이오드 어레이의 구성에 한정되지 않는다.

도 8은 본 실시예에서 다른 속도 측정 장치(400a)의 개략적인 구성도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 속도 측정 장치(400a)는 포토다이오드 어레이 그룹(502, 503)이 네스트(nest)되도록 구성된다. 포토다이오드 어레이 그룹(502, 503) 간의 간격 D는 각각의 포토다이오드 어레이의 길이보다 짧게 설정된다.

도 9는 본 실시예에서 다른 속도 측정 장치(400b)의 개략적인 구성도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 포토다이오드 어레이 그룹(502, 503)은 동일한 기판 상에 배열되지 않고, 제1 실시예 및 제2 실시예에서 설명된 2개의 변위 측정 장치가 서로 간에 미리결정된 간격 D로 배열될 수도 있다. 이 경우에, 속도 산출식은 변위 측정 장치의 포토다이오드 그룹의 중심 간의 간격 D를 통과하는데 필요한 시간 T에 기초하여, V=D/T에 의해 얻어진다.

상기의 각 실시예에 따르면, 이동 물체의 오목면에 의해 수광 소자면(포토다이오드) 상에 형성된 발광 영역 상을 사용하여, 선명한 광학 패턴 상을 얻을 수 있다. 따라서, 신호 무결성으로서 양호한 SN비를 갖는 이동 물체의 변위 검출 신호가 얻어지고, 그 결과, 변위량 및 속도의 검출 정밀도가 향상될 수 있다. 검출계는 렌즈와 같은 결상계를 사용하지 않기 때문에, 크기, 무게 및 비용이 감소될 수 있다. 따라서, 고정밀의 변위 측정 장치가 제공될 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 개시된 예시적인 실시예에 한정되지 않는다는 점을 이해해야 한다. 이하 청구 범위의 범위는 변경물과 동등한 구조와 기능을 모두 포함하도록 최광의의 해석을 허용해야 할 것이다.

Claims

이동 물체의 변위량을 측정하는 변위 측정 장치로서,
발광 영역으로부터 방출된 광속을 사용해서 상기 이동 물체를 직접 조사하도록 구성된 광원과,
상기 이동 물체의 이동 방향으로 배열된 복수의 수광 영역을 포함하는 수광 소자 - 상기 수광 소자는, 상기 발광 영역으로부터 방출되어 상기 이동 물체의 복수의 오목부 중 하나의 오목부로부터 반사되는 광속이 상기 하나의 오목부로부터의 반사에 의해 상기 수광 소자의 수광면 위에 직접 집광되도록 구성됨 - 와,
상기 수광 소자에 형성된 발광 영역 상(light emitting area image)의 이동량에 기초하여, 상기 이동 물체의 변위량을 측정하도록 구성된 측정 유닛을 포함하는, 변위 측정 장치.
제1항에 있어서,
We가 상기 이동 물체의 이동 방향에서의 상기 발광 영역의 폭이고, Pd가 상기 이동 물체의 이동 방향에서 서로 인접하는 수광 영역 간의 피치(pitch)인 경우, 0.275≤We/Pd≤0.87의 조건을 만족하는 변위 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 광원은 상기 이동 물체의 이동 방향으로 배열된 복수의 발광 영역을 포함하고,
상기 측정 유닛은 상기 하나의 오목부 위에 조사되고 반사되는 복수의 발광 영역 상의 이동량에 기초하여 상기 이동 물체의 변위량을 측정하고,
상기 변위 측정 장치는, L1이 상기 광원의 발광점부터 상기 이동 물체의 복수의 오목부 중 하나의 오목부까지의 광로 길이이고, L2가 상기 이동 물체의 상기 하나의 오목부부터 상기 수광 소자까지의 광로 길이이고, Pd가 상기 이동 물체의 이동 방향으로 서로 인접하는 수광 영역들 간의 피치이고, Pe가 상기 이동 물체의 이동 방향으로 서로 인접하여 배열된 발광 영역들 간의 피치이고, N이 2 이상의 정수인 발광 영역들의 개수인 경우,
의 조건을 만족하는, 변위 측정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오목부들은, 상기 이동 물체 상에 이산적(discretely) 또는 연속적으로 제공되고, R이 상기 복수의 오목부 중 하나의 오목부의 곡률 반경이고, L1이 상기 광원의 발광점부터 상기 이동 물체의 상기 하나의 오목부까지의 광로 길이이고, L2가 상기 이동 물체의 상기 하나의 오목부부터 상기 수광 소자까지의 광로 길이인 경우, R=(L1+L2)/2의 조건을 만족하는 곡률 반경을 포함하는 형상을 갖는, 변위 측정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오목부들은, Pl이 상기 오목부들의 배열 주기이고, Pd가 상기 이동 물체의 이동 방향으로 서로 인접하여 배열된 수광 영역들 간의 피치이고, k가 양의 정수인 경우, Pl=Pd/2×k의 조건을 만족하도록 주기적인 배열로 되어 있는, 변위 측정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 변위 측정 장치를 포함하는 속도 측정 장치이며,
상기 속도 측정 장치는 미리결정된 시간에 상기 변위 측정 장치에 의해 결정된 상기 이동 물체의 변위량에 기초하여 상기 이동 물체의 속도를 검출하도록 배열되는 속도 측정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수광 소자는 상기 복수의 오목부를 갖는 상기 이동 물체로부터 이격되어 있으며,
상기 측정 유닛은, 상기 하나의 오목부로부터의 반사에 의해 형성되는 상기 발광 영역 상의 이동량에 기초하여 상기 이동 물체의 변위량을 측정하는, 변위 측정 장치.