KR101415637B1 - 리니어 인코더 - Google Patents

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Abstract

리니어 인코더는 하우징(22) 내에 배치된 스케일(20); 및 상기 스케일(20)을 스캐닝하는 스캐닝 캐리지(10)로 구성된다. 스캐닝 캐리지(10)는 서로에 대해 수직으로 배향되는 스케일(20)의 2개의 면(201, 202) 상에 안내되어 자력에 의해 면(201, 202)에 대해 가압된다. 영구 자석(161, 162)은 스캐닝 캐리지(10) 내에 배치되고, 스틸 테이프(261, 262)는 하우징(22)의 홈부(231, 232) 내로 끌어 넣어지며, 스케일(20)의 면(201, 202)에 대해 스캐닝 캐리지(10)를 가압하는 자력은 스틸 테이프(261, 262)와 함께 작용하는 영구 자석(161, 162)에 의해 발생한다.

Description

리니어 인코더{LINEAR ENCODER}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 리니어 인코더에 관한 것이다.
예컨대, 독일 특허 DE 25 10 341 C2에 개시된 바와 같은 리니어 인코더는 거리뿐만 아니라 길이를 측정하는데 이용되며, 특히 좌표 측정 기계류에서 그리고 반도체 산업에서, 처리되는 워크피스(workpiece)에 대한 공구의 상대 운동을 측정하기 위한 기계류를 처리하는데 이용된다.
여기서, 환경 영향으로부터 보호되는 측정 눈금(measuring graduation)을 갖는 스케일(scale)은 측정 표현으로서 사용되며 측정방향으로 선형 연장되는 하우징 내에 배치된다. 단순하고 비용 효율적인 제조를 위해, 하우징은 비자기물질, 특히 알루미늄으로 제조된 압출식 프로파일이다. 위치 측정 동안에, 증분적으로 또는 절대적으로 부호화된 측정 눈금은 스캐닝 캐리지(scanning carriage)에 의해 스캐닝된다. 이러한 목적을 위해, 스캐닝 캐리지는 서로에 대해 수직으로 연장되는 2개의 안내면을 따라 선형으로 수행되어 2개의 안내면에 대해 가압된다. 이러한 안 내는 스캐닝 캐리지, 특히 스캐닝 플레이트와 스케일 사이의 일정한 스캐닝 거리가 전체 측정 거리에 걸쳐 유지되는 것을 보장하기 때문에 그 자체를 입증하므로, 양호한 품질의 스캐닝 신호를 보장한다. 스캐닝 캐리지의 안내는 커플링을 갖는 그리퍼가 측정될 물체와 스캐닝 캐리지 사이에 제공된다는 점에서 측정되는 물체의 안내로부터 분리되며, 이러한 커플링은 스캐닝 캐리지를 측정방향으로 견고하게 그리고 횡방향으로 그리퍼(gripper)에 탄성 결합시킨다. 서로에 대해 수직으로 연장되는 스케일의 2개의 안내면에 대해 스캐닝 캐리지를 가압하는 것, 즉 가압력의 발생은 스프링 아암(독일 특허 DE 23 49 944 A1) 또는 몇 가지의 압력 스프링에 의해 종래기술에서 일어나며, 각각의 안내면은 그 자체의 스프링들(DE 28 10 341 C2)(압력 힘은 각각의 안내면을 향해 배향됨)을 제공한다. 일반적으로, 서로에 대해 수직으로 배향되는 스프링들은 스캐닝 캐리지와 그리퍼 사이에 배치되며, 이는 압력 힘에 대한 영향을 갖는 스캐닝 캐리지와 그리퍼 사이의 거리를 초래한다. 따라서, 설치 공차가 특별히 작게 선택되는 것이 필요하다.
리니어 인코더에 대한 수요는 계속하여 증가하고 있으며, 위치 측정에 대한 더욱 높은 정밀도 및 재현성뿐만 아니라 더욱 높은 해상도가 계속하여 요구되고 있다. 이와 함께, 콤팩트한 기계 구조체가 제공되어야 하고, 리니어 인코더는 비용 효율적인 방식으로 제조되어야 한다.
본 발명의 목적은 높은 측정 정밀도를 가지며 비용 효율적으로 제조될 수 있는 리니어 인코더를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 본 목적은 청구항 1의 특징에 의해 달성된다.
이러한 요구조건들은 보호하도록 수용된 스케일을 갖는 캡슐형 리니어 인코더(encapsulated linear encoder)를 청구한다. 높은 해상도를 위해서는, 전체의 측정 거리에 걸쳐 일정한 연속적으로 보다 짧은 스캐닝 거리를 필요로 한다. 이것은 스캐닝 캐리지를 스케일 상에서 안내함으로써 성취되며, 방해받지 않는 정확한 안내를 위해, 스캐닝 캐리지는 일방향으로만 강성인 커플링에 의해 그리퍼에 결합된다. 다른 모든 방향에서는, 이 커플링은 측정방향으로의 스캐닝 캐리지의 운동 및 정확한 안내에 대한 반응을 야기하지 않고서 그리퍼의 운동을 가능하게 한다. 정확한 직선 안내를 위해, 스캐닝 캐리지는 서로에 대해 수직으로 연장되는 스케일의 2개의 안내면 상에서 안내되어 2개의 안내면에 대해 가압되며, 이 가압력은 스캐닝 캐리지의 적어도 하나의 제 1 요소와 비자기성 하우징 상에 제공된 제 2 요소 사이의 자기력에 의해 제공된다.
리니어 인코더의 콤팩트한 구성은 본 발명에 의해 가능하며, 또한 높은 측정 정밀도 및 재현가능한 위치 측정도 성취될 수 있다.
본 발명에 따른 리니어 인코더의 경우, 스캐닝 캐리지가 스케일에 대해 가압하는 압력 힘은 그 설치와는 별개이다. 스캐닝 캐리지와 그리퍼 사이의 거리는 가압력에 영향을 받지 않는다.
스케일에 대한 스캐닝 캐리지의 안내는 측정 눈금에 대한 정확하게 평행한 안내를 보장하는데, 그 이유는 스케일의 표면이 측정 눈금의 방향이 정확하게 정렬하기 때문이다.
본 발명의 장점적인 실시예는 종속항에서 언급된다.
본 발명은 예시적인 실시예의 도움으로 보다 상세하게 설명될 것이다.
본 발명은 광학 리니어 인코더의 일 예에 의해 제공되며, 이는 측정방향(X)으로 서로에 대해 변위될 수 있는 2개의 물체(1, 2)의 상대 위치를 측정하는 것이다. 이 동안에, 특히 유리로 제조되는 투명 스케일(20)은 측정방향(X)으로 스케일(20)에 대해 이동될 수 있는 스캐닝 캐리지(10)에 의해 스캐닝된다. 스케일(20)은 스캐닝 캐리지에 의한 입사광으로 스캐닝되는 측정 눈금(21)을 갖는다. 이러한 목적을 위해, 스캐닝 캐리지(10)는 스케일(20)을 통과하는 광선을 방출하며, 그 단부에서 스캐닝 캐리지(10) 상의 감광성 스캐닝 센서(12) 상에 작용하는 조명 유닛(11)을 갖는다. 이러한 공정에서, 광선은 스케일(20) 상의 측정 눈금(21)의 위치 함수로서 조절된다.
스케일(20)은 하우징(20) 내에 배치되는데, 이로써 측정되는 물체(2), 예컨대 기계 공구의 기계 베드(machine bed) 상에 고정된다. 이 경우에, 스케일(20)은 공지된 방식, 예컨대 접착 또는 클램핑에 의해 하우징(22)에 연결된다. 하우징(22)은 측정방향(X)으로 그 종방향으로 연장되는 슬릿을 가지며, 이는 루프 형상으로 경사진 밀봉 립에 의해 폐쇄되며, 이 밀봉 립을 통해 그리퍼(13)가 칼 형상의 중앙부와 함께 연장된다. 그리퍼(13)는 장착 영역(131)을 가지며, 이로 인해 그리퍼(13)는 물체(1), 예컨대 기계 베드(2)에 대해 변위될 수 있는 기계 공구의 캐리지에 부착될 수 있다.
커플링(14)은 스캐닝 캐리지(10)와 그리퍼(13) 사이에 배치되어 측정방향(X)으로 강하게 그리고 탄성적으로 횡방향으로 스캐닝 캐리지(10)를 그리퍼(13)에 결합한다. 이와 같은 측정으로 인해, 그리퍼(13)의 오정렬이 스캐닝 캐리지(10)에 전달되지 않는다. 커플링(14)은 개략적으로만 나타낸다. 본질적으로 공지된 방식에 있어서, 예컨대 EP 0 733 882 B1에 따른 볼 커플링으로 설계되며, 강자성 물질로 이루어진 볼은 측정방향에 대해 수직으로 연장되는 그리퍼(13)의 면과 측정방향에 대해 수직으로 연장되는 스캐닝 캐리지(10)의 면 사이의 자기력에 의해 고정 및 유지된다.
스캐닝 캐리지(10)는 정확하게 평행한 안내를 위해 스케일(20)을 따라 안내된다. 이로써, 스캐닝 캐리지(10)는 안내 요소(151, 152)를 거쳐 서로에 대해 수직으로 정렬된 스케일(20)의 2개의 면(201, 202) 상에 지지된다. 이들 면 중 하나는 측정 눈금(21)을 지지하는 표면(201)이고, 다른 하나는 측정 눈금(21)에 수직으로 연장되는 스케일(20)의 좁은 측부(202)이다. 안내 요소는 활주 요소일 수 있지만, 특히 볼 베어링 상에 안착되는 롤러 또는 롤(151, 152)일 수 있다.
스캐닝 캐리지(10)는 제 1 자기 요소(161, 261) 사이와 제 2 자기 요소(162, 262) 사이의 협동에 의해 스케일(20)의 면(201, 202)에 대해 가압된다. 이러한 가압력은 스캐닝 캐리지(10)의 적어도 하나의 제 1 요소(161, 162)와 하우징(22) 상 에 제공된 적어도 하나의 제 2 요소(261, 262) 사이의 자기력에 의해 제공된다. 용어 "자기성 물질"은 강자성 또는 영구 자기성 물질을 정의한다. 제 1 요소는, 특히 영구 자석(161, 162)이고, 제 2 요소(261, 262)는 강자성 물질로 이루어지며 하우징(22)에 부착된 요소이다. 영구 자석은 특히 NdFeB로 이루어진다.
하우징(22)은 비자성 물질로 이루어지며, 이는 특히 알루미늄으로 이루어진 압출식 프로파일이다. 이것은 추가적인 노력 없이 각종 기능적 요소, 예컨대 스케일(20)용의 지지체 또는 리셉터클 뿐만 아니라 물체(2)에 부착하기 위한 밀봉 립(sealing lips)용의 수용기를 형성가능하다. 이러한 가능성은 홈부(231, 232)가 테이프(261, 262)를 수용하기 위한 하우징(22) 내에 형성된다는 점에서 본 발명에 의해 이용된다. 테이프(261, 262)는 강자성 물질로 이루어진다.
스캐닝 캐리지(10)는 안내 요소, 특히 볼 베어링 내에 안착된 몇 개의 롤러(151, 152, 153)에 의해 면(201) 상에 지지된다. 면(201) 상에서의 스캐닝 캐리지(10)의 압력 힘(Fz)은 면(201)에 수직으로 배향되며 홈부(231) 내에 밀어 넣어진 스틸 테이프(261)와 스캐닝 캐리지(10) 내에 고정된 자석(161)의 상호작용에 의해 발생한다. 스틸 테이프(261)는 측정방향(X)으로 면(201)과 평행하게 연장되며 자석(261)의 반대측에 대략 0.8 mm의 거리로 배치된다. 압력 힘(Fz)은 대략 2.3 N이다.
스캐닝 캐리지(10)는 안내 요소, 특히 볼 베어링 내에 안착된 몇 개의 롤러(154, 155)에 의해 면(202) 상에 수직으로 지지된다. 면(202)에 대해 스캐닝 캐리지(10)의 압력 힘(Fy)은 면(202)에 수직으로 배향되며 스캐닝 캐리지(10) 내에 고정된 자석(162)과 홈부(232) 내로 밀어 넣어진 스틸 테이프(262)의 상호 작용에 의해 발생한다. 스틸 테이프(262)는 측정방향(X)으로 면(202)과 평행하게 연장되며 자석(162)의 반대측, 즉 대략 0.8 mm의 거리로 배치된다. 압력 힘(Fy)은 대략 1.8 N이다.
2개의 롤러(154, 155)는 자석(162)에 대해 대칭적으로 배치되고, 2개의 롤러(151, 153)는 자석(161)에 대해 대칭적으로 배치되며, 롤러(152)는 도 1에 나타낸 단면 위치와 상응하는 자석(151)의 X-위치에 배치된다. 롤러(151 내지 155)의 공간 배치(spatial arrangement) 및 자력에 의해 발생한 압력 힘(Fy, Fz)은 별개의 롤러(151, 내지 155)에 작용하는 힘이 대략 0.8 N으로 동일하도록 설계된다. 자력에 의해 발생한 압력 힘(Fy, Fz)은, 그로부터의 결과적인 힘(Fr)이 적어도 스캐닝 캐리지(10)의 중력 중심(S)을 통해 연장되도록 배향 및 치수설정된다.
대응하는 스틸 테이프(261, 262)로부터의 거리뿐만 아니라 자석(161, 162)의 크기 및 강도는, 거리 변경의 경우에도 자력이 가능한 한 적게 변경되도록 선택되어 있다. 이에 따라, 거리는 자력-거리 특성의 범위에 대하여 가능한 한 편평하게 배치된다.
자석(161, 162)의 보유는 스캐닝 캐리지(10)의 포켓 형상의 리셉터클(17) 내에서 유리하게 일어난다. 자석(162)의 예로서 도 1에서 단면으로 도시한 바와 같이, 리셉터클은 자석(162)이 리셉터클(17) 내로 밀어 넣어지고 자석(162)이 리셉터클(17) 내로 스냅 결합될 수 있도록 실시된다. 삽입된 상태에서, 자석(162)은 탄성 텅(resilient tongue)(18)의 돌출부(181)에 의해 유지된다. 이에 따라, 자 석(162)은 리셉터클(17) 내로 스냅 결합된다.
설명된 예에 있어서, 스캐닝 캐리지(10)의 제 1 요소는 적어도 하나의 영구 자석(161, 162), 즉 압력 힘(Fx)을 위한 영구 자석(161) 및 압력 힘(Fy)을 위한 영구 자석(162)이다. 제 2 요소는 홈부(231, 232) 내로 끌어들인 2개의 스틸 테이프(261, 262)이다. 변형례로서, 스틸 테이프(261, 262)는 하우징(22)의 내부에 접착될 수도 있다. 스틸 테이프를 하우징의 홈부 내에 끌어넣거나 또는 하우징에 접착되는 자석 테이프, 즉 테이프 형상의 영구 자석으로 교체하는 변형이 있을 수 있으며, 영구 자석과 함께, 스캐닝 캐리지의 강자성 요소가 요구된 자력을 발생시킨다.
본 발명은 광학 스캐닝 원리에 제한되지 않는다. 스케일의 스캐닝은 용량성, 자기성 또는 유도성일 수도 있으며, 이를 위해 측정 눈금 및 스캐닝 센서가 적절하게 실시되어야 한다.
도 1은 측정방향에 횡방향으로 설치된 리니어 인코더의 부분 단면도,
도 2는 도 1의 리니어 인코더의 하우징의 일부와 함께 도시된 스캐닝 캐리지의 부분 사시도.

Claims (12)

  1. 2개의 물체(1, 2)의 상대 위치를 측정하기 위한 리니어 인코더(linear encoder)에 있어서,
    비자기성 물질로 이루어지며 측정방향(X)으로 종방향으로 연장되는 하우징(22);
    상기 하우징(22) 내에 있는 스케일(20); 및
    상기 스케일(20)의 측정 눈금(21)을 스캐닝하기 위한 스캐닝 캐리지(10);를 포함하며,
    상기 스캐닝 캐리지(10)는 상기 2개의 물체 중 하나(1)에 상기 측정방향(X)으로 강하게 그리고 횡방향으로 탄성 부착되는 그리퍼(13)에 결합되고, 상기 스캐닝 캐리지(10)는 서로에 대해 수직으로 연장되는 상기 스케일(20)의 2개의 안내면(201, 202)에 대해 상기 측정방향(X)으로 선형으로 안내되어 상기 2개의 면(201, 202)에 대해 가압되며,
    상기 스캐닝 캐리지(10)의 적어도 하나의 제 1 요소(161, 162)와 상기 비자기성 하우징(22) 상에 제공된 제 2 요소(261, 262) 사이의 자력에 의해 압력 힘(Fx, Fy)이 발생하는 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 요소는 자기성 물질로 이루어진 적어도 하나의 테이프(261, 262) 인 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 테이프(261, 262)가 끌어 넣어지는 상기 하우징(22) 내로 적어도 하나의 홈부(231, 232)를 절결하는 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하우징(22)은 알루미늄으로 이루어진 압출식 프로파일이며 상기 적어도 하나의 홈부(231, 232)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 테이프(261, 262)는 상기 2개의 안내면(201, 202) 중 하나에 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  6. 제 2 항에 있어서,
    각각의 상기 테이프는 스틸 테이프(261, 262)인 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캐닝 캐리지(10)는, 복수의 안내 요소(151 내지 155)에 의해 상기 스케일(20)의 상기 안내면(201, 202) 중 하나 상에 안내되는 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 안내 요소(151 내지 155) 중 하나에 적어도 동일한 가압력이 가해지는 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 요소는 영구 자석(161, 162)인 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스캐닝 캐리지(10) 내에 제공된 상기 영구 자석(161, 162)용 리셉터클(17) 내에 상기 스캐닝 캐리지(10)가 삽입되어 스냅 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 리셉터클(17)은 상기 영구 자석(161, 162)을 스냅 결합하기 위한 돌출부(181)를 갖는 탄성 텅(18)을 구비한 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 스케일(20)의 제 1 안내면(201)에 평행한 상기 하우징(22)의 홈부(231) 내에 제 1 스틸 테이프(261)가 끌어 넣어지고,
    상기 스틸 테이프(261)는 상기 스캐닝 캐리지(10)의 제 1 영구 자석(161) 반대측에 배치되며 상기 스캐닝 캐리지(10)의 가압력의 형태로 상기 제 1 안내면(201) 상에 수직 자력(Fz)을 발생시키며,
    상기 스케일(20)의 제 2 안내면(202)에 평행한 상기 하우징(22)의 홈부(232) 내에 제 2 스틸 테이프(262)가 끌어 넣어지고,
    상기 스틸 테이프(262)는 상기 스캐닝 캐리지(10)의 제 2 영구 자석(162) 반대측에 배치되며 가압력의 형태로 상기 제 2 안내면(202) 상에 상기 스캐닝 캐리지(10)의 수직 자력(Fy)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 리니어 인코더.
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