KR20000076209A - Non-contact position sensor - Google Patents

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KR20000076209A
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마이클 허숴
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파트릭 제이. 바렛트
휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

소정의 방향으로 이동가능한 객체의 변위를 측정하기 위한 장치는 입사 광 빔을 생성하는 고정 광원(10)을 포함한다. 객체에 부착되거나 합체되는 타겟 피쳐(target feature ; 17)는 입사 광 빔을 반사하여 광원의 제1 이미지를 그에 가까운 부근에 형성한다. 이미징 렌즈(imaging lens ; 26)는 반사된 광 빔을 수광하여 광원의 제1 이미지를 제2 이미지로서 광검출기(20) 상에 재형성한다. 객체로부터 이격되는 광검출기는 수신 광 빔을 수광하여 제2 이미지의 광검출기 상의 수신 위치에 비례하고 객체의 위치를 나타내는 특성을 갖는 전기 신호를 생성한다. 타겟 피쳐는 광원의 점-형태 또는 선-형태의 작은 제1 이미지가 형성되고 광검출기 상에 제2 이미지로서 재형성되도록 광빔을 반사하는 곡선면을 포함한다.The apparatus for measuring the displacement of an object movable in a predetermined direction includes a fixed light source 10 for generating an incident light beam. A target feature 17 attached or incorporated to the object reflects the incident light beam to form a first image of the light source in the vicinity of it. An imaging lens 26 receives the reflected light beam to reconstruct the first image of the light source on the photodetector 20 as a second image. A photodetector spaced apart from the object receives the received light beam and generates an electrical signal having a property that is proportional to the reception position on the photodetector of the second image and indicates the position of the object. The target feature includes a curved surface that reflects the light beam such that a small first image, either point- or line-shaped, of the light source is formed and reshaped as a second image on the photodetector.

Description

비-접촉 위치 센서{NON-CONTACT POSITION SENSOR}Non-Contact Position Sensors {NON-CONTACT POSITION SENSOR}

소정의 위치 및 위치들에 대해 이동가능한 객체의 위치를 모니터하기 위한 다양한 응용이 많이 요구된다. 예를 들어, 디스크 드라이브 서보 시스템에서, 소정의 공지된 위치에 대한 회전가능한 판독/기록 헤드 암의 위치를 정확하게 검출하여, 판독/기록 헤드가 이와 같은 위치에 대해 판독하고 기록할 수 있도록 헤드 암이 디스크 상의 소정의 래디얼 트랙 위치와 정렬하여 이동될 수 있는 것이 바람직하다. 위치 감지 장치는 이와 같은 위치 검출을 제공하도록 의도된 장치이다. 변위 센서는 소정의 위치로부터 객체의 변위를 반복적으로 측정함으로써 이동가능한 객체의 위치를 모니터하는 위치 감지 장치이다.Many applications are needed to monitor the position of a movable object relative to a given position and positions. For example, in a disk drive servo system, the head arm may be accurately detected so that the position of the rotatable read / write head arm relative to a known position can be read and written to such a position. It is desirable to be able to move in alignment with a given radial track position on the disc. The position sensing device is a device intended to provide such a position detection. The displacement sensor is a position sensing device that monitors the position of the movable object by repeatedly measuring the displacement of the object from a predetermined position.

종래 변위 센서의 예가 용량 게이지 장치, 디스크 드라이브 서보 시스템에서 흔히 사용되는 간섭계 센서와 같이, 광-섬유 근접 센서 및 광학 센서를 포함한다. 많은 종래 기술의 변위 센서는 (디스크 드라이브 서보 시스템과 같은) 어떤 응용에 의해 요구된 해상도(최소 측정가능 변위)를 달성할 수 없거나, 이와 같은 해상도를 달성하기 위해 고가 및/또는 복잡한 회로 및 하드웨어를 필요로 한다. 고 해상도를 달성하기 위해, 어떤 변위 센서는 예를 들어 정확하고 강력한 레이저 광원 또는 감지 소자 및 이동가능한 객체 간의 상당한 근접을 필요로 하여, 이와 같은 장치를 구현하는데 비용이 많이 들고 어렵게 한다. 그래서, 장치의 성능 및 간단성 간의 균형이 맞춰져야 한다.Examples of conventional displacement sensors include optical-fiber proximity sensors and optical sensors, such as capacitive gauge devices, interferometer sensors commonly used in disk drive servo systems. Many prior art displacement sensors cannot achieve the resolution (minimum measurable displacement) required by any application (such as a disk drive servo system), or use expensive and / or complex circuits and hardware to achieve this resolution. in need. In order to achieve high resolution, some displacement sensors, for example, require a significant proximity between an accurate and powerful laser light source or sensing element and a movable object, making the device expensive and difficult to implement. Thus, the balance between the performance and simplicity of the device must be balanced.

Tsai에 의한 미국 특허 번호 5,315,372호는 광 변위 센서를 이용하는 종래의 디스크 드라이브 서보 시스템을 개시한다. Tsai 장치는 디스크 드라이브의 외부에 위치하는 회전가능 마스터 암에 별도 이격된 위치로 부착된 광원 및 광검출기 어레이를 포함한다. 반사기는 판독/기록 헤드 및 암의 회전축 사이의 위치에 회전가능한 판독/기록 헤드 암에 부착된다. 동작 중에, 마스터 암은 우선 간섭계 장치를 이용하여 디스크 상의 소정 래디얼 트랙 위치와 정확하게 정렬된다. 다음, 변위 센서가 작동하여 헤드 암이 마스터 암과 정렬하여 이동될 수 있도록 마스터 암에 대해 헤드 암의 위치를 결정한다.U. S. Patent No. 5,315, 372 to Tsai discloses a conventional disc drive servo system using an optical displacement sensor. The Tsai device includes a light source and photodetector array attached to a separately spaced position on a rotatable master arm located outside of the disk drive. The reflector is attached to the rotatable read / write head arm at a position between the read / write head and the axis of rotation of the arm. In operation, the master arm is first accurately aligned with the desired radial track position on the disc using an interferometer device. Next, the displacement sensor is activated to position the head arm relative to the master arm so that the head arm can be moved in alignment with the master arm.

변위 센서의 광원은 광검출기 어레이 상으로 반사기에 의해 반사된 입사 광 빔을 생성한다. 광 빔이 반사되는 광검출기 어레이 상의 위치는 헤드 및 마스터 암의 상대적인 래디얼 위치에 따라 좌우된다. 어레이의 각 광검출기 소자는 수신 광의 세기에 비례하는 진폭을 갖는 전기 신호를 생성한다. 그래서, 어레이에 의해 생성된 신호는 헤드 및 마스터 암의 상대적인 래디얼 위치를 나타낸다. 처리 회로는 상대적인 헤드 암 위치를 결정하기 위해 어레이에 의해 출력된 신호를 수신하고 디코딩하여, 적절히 정렬될 때까지 헤드 암을 회전시키기 위해 모터를 제어한다.The light source of the displacement sensor produces an incident light beam reflected by the reflector onto the photodetector array. The position on the photodetector array where the light beam is reflected depends on the relative radial position of the head and master arm. Each photodetector element of the array produces an electrical signal having an amplitude proportional to the intensity of the received light. Thus, the signal generated by the array represents the relative radial position of the head and master arm. The processing circuit receives and decodes the signal output by the array to determine the relative head arm position and controls the motor to rotate the head arm until it is properly aligned.

Tsai 특허에 개시된 장치는 많은 결점을 겪는다. Tsai 장치가 비교적 구조적으로 간단하고 구현하기에 비용이 많이 들지 않는 한편, 동작하는데 부담이 있다. Tsai 장치는 광검출기 어레이에 의해 생성된 전기 신호를 정확하게 분석하기 위해 각 마스터 암 및 상대적인 헤드 암의 위치에 대한 선행 지식을 필요로 한다. 또한, 헤드 암 상의 반사기 및 광검출기 사이의 상당한 이격에 기인하여, 또한 헤드 암 및 마스터 암의 듀얼 회전축에 기인하여, 성능 정확도가 상당히 떨어진다. 또한, Tsai의 변위 센서는 마스터 암에 대한 헤드 암의 (축 주위의 회전에 의해 유발된) 래디얼 이동을 모니터하도록 되어 있다. 반사기는 반사기로부터 상당히 이격된 광검출기 상으로 입사빔을 바로 반사하기 때문에, 센서는 헤드 암의 래디얼 이동뿐만 아니라 반사기의 각도 이동에 민감하다. 그래서, 헤드 암 상의 반사기의 정확한 각도 방위가 정확한 동작에 결정적이다. 헤드 암에 대해 반사기의 임의의 각도 이동은 오류 측정을 유발시킨다.The device disclosed in the Tsai patent suffers from a number of drawbacks. While the Tsai device is relatively structurally simple and inexpensive to implement, it is burdensome to operate. Tsai devices require prior knowledge of the location of each master arm and relative head arm in order to accurately analyze the electrical signal generated by the photodetector array. In addition, due to the significant separation between the reflector and the photodetector on the head arm, and also due to the dual axis of rotation of the head arm and the master arm, the performance accuracy is significantly lower. In addition, Tsai's displacement sensor is adapted to monitor the radial movement (caused by rotation about the axis) of the head arm relative to the master arm. Because the reflector reflects the incident beam directly onto the photodetector significantly spaced from the reflector, the sensor is sensitive to the radial movement of the head arm as well as the angular movement of the reflector. Thus, the exact angular orientation of the reflector on the head arm is crucial for correct operation. Any angular shift of the reflector relative to the head arm causes an error measurement.

따라서, 본 발명의 목적은 간단하지만 정확한 변위 센서를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a simple but accurate displacement sensor.

〈발명의 요약〉<Summary of invention>

본 발명의 일실시예는 이동가능한 객체의 변위를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 장치는 입사 광 빔을 생성하는 고정 광원을 포함한다. 상기 객체에 부착되거나 합체되는 타겟 피쳐는 상기 입사 광 빔을 반사하고 상기 광원의 제1 이미지를 타겟 피쳐에 매우 근접하게 형성한다. 상기 제1 이미지는 타겟 피쳐에 따라 이동한다. 이미징 렌즈는 반사된 광 빔을 수광하고 광원의 제2 이미지를 고정 광검출기 상에 형성한다. 객체로부터 이격된 광검출기는 제2 이미지를 수신하고, 그에 응답하여 제2 이미지의 광검출기의 순간 위치에 비례하고 객체의 위치를 나타내는 (진폭과 같은) 특성을 갖는 전기 신호를 생성한다. 타겟 피쳐는 광원의 작은, 바람직하게는 점-형태 또는 선-형태의 제1 이미지가 타겟 피쳐의 근처에 형성되고 제2 이미지로서 광검출기 상에 재편되도록 광 빔을 반사하는 곡선면을 포함한다. 결과적으로, 본 발명의 장치는 객체의 수평 이동만을 측정하고 객체의 각도 방위와 같은 다른 이동에 대해 둔감하다.One embodiment of the invention is directed to an apparatus for measuring displacement of a movable object. The apparatus includes a fixed light source for generating an incident light beam. The target feature attached or incorporated to the object reflects the incident light beam and forms a first image of the light source in close proximity to the target feature. The first image moves according to the target feature. The imaging lens receives the reflected light beam and forms a second image of the light source on the fixed photodetector. The photodetector spaced from the object receives the second image and in response generates an electrical signal having a property (such as amplitude) that is proportional to the instantaneous position of the photodetector of the second image and indicates the position of the object. The target feature includes a curved surface that reflects the light beam such that a small, preferably point- or line-shaped, first image of the light source is formed in the vicinity of the target feature and reassembled on the photodetector as the second image. As a result, the device of the present invention measures only the horizontal movement of the object and is insensitive to other movements, such as the angular orientation of the object.

본 발명의 일실시예에서, 광검출기는 쌍-셀 광검출기와 같이, 공간적으로 정렬된 광검출기를 포함한다. 본 발명위 다른 실시예에서, 광검출기는 위치 센서를 포함한다.In one embodiment of the invention, the photodetector comprises a spatially aligned photodetector, such as a twin-cell photodetector. In another embodiment of the invention, the photodetector comprises a position sensor.

본 발명의 실시예에서, 타겟 피쳐는 0.2 - 0.5 mm 범위의 곡률 반경을 갖는다.In an embodiment of the invention, the target feature has a radius of curvature in the range of 0.2-0.5 mm.

본 발명의 실시예에서, 입사 광 빔 및 상기 반사 광 빔은 감지될 움직인 방향에 실질적으로 수직한 평면을 형성한다. 상기 실시예에서, 상기 쌍-셀 검출기의 각 셀의 중앙 지점을 통해 형성된 축은 평면에 실질적으로 수직하고 객체의 움직임 방향에 실질적으로 평행하다.In an embodiment of the invention, the incident light beam and the reflected light beam form a plane substantially perpendicular to the moving direction to be sensed. In this embodiment, the axis formed through the central point of each cell of the pair-cell detector is substantially perpendicular to the plane and substantially parallel to the direction of movement of the object.

본 발명의 다른 실시예는 디스크 드라이브 서보 시스템에서 사용하는 광학 변위 센서에 관한 것이다. 센서는 판독/기록 헤드 암 및 마스터 암의 상대적 래디얼 위치를 모니터한다. 장치는 마스터 암에 부착되고, 입사 광 빔을 생성하는 광원을 포함한다. 헤드 암의 단부에 부착되거나 합체되는 타겟 피쳐는 입사 광 빔을 반사하고 광원의 제1 이미지를 타겟 피쳐에 매우 근접하여 형성한다. 제1 이미지는 타겟 피쳐에 따라 이동한다. 이미징 렌즈는 반사된 광 빔을 수광하고 광원의 제2 이미지를 광검출기 상에 형성한다. 마스터 암에 부착된 광검출기는 제2 이미지를 수신하고, 그에 응답하여 제2 이미지의 광검출기 상의 순간 위치에 비례하고 헤드 암의 위치를 나타내는 진폭을 갖는 전기 신호를 생성한다. 타겟 피쳐는 광원의 작은, 바람직하게는 점-형태 또는 선-형태의 제1 이미지가 타겟 피쳐의 근처에 형성되고 제2 이미지로서 광검출기 상에 재형성되도록 광 빔을 반사하는 곡선면을 포함한다. 이와 같이, 변위 센서는 타겟 피쳐의 수평 이동에만 민감하고 다른 이동에 대해서는 둔감하다. 그래서, 헤드 암 상의 타겟 피쳐의 각도 방위는 측정에 영향을 주지 않으며 정확하게 될 필요도 없다.Another embodiment of the invention is directed to an optical displacement sensor for use in a disc drive servo system. The sensor monitors the relative radial position of the read / write head arm and the master arm. The apparatus includes a light source attached to the master arm and generating an incident light beam. The target feature attached or incorporated at the end of the head arm reflects the incident light beam and forms a first image of the light source in close proximity to the target feature. The first image moves according to the target feature. The imaging lens receives the reflected light beam and forms a second image of the light source on the photodetector. The photodetector attached to the master arm receives the second image and in response generates an electrical signal having an amplitude that is proportional to the instantaneous position on the photodetector of the second image and indicative of the position of the head arm. The target feature includes a curved surface that reflects the light beam such that a small, preferably point- or line-shaped, first image of the light source is formed near the target feature and reshaped on the photodetector as a second image. . As such, the displacement sensor is sensitive only to the horizontal movement of the target feature and insensitive to other movements. Thus, the angular orientation of the target feature on the head arm does not affect the measurement and need not be accurate.

본 발명의 다른 실시예는 이동가능 객체의 변위를 측정하는 방법에 관한 것이다. 방법은 고정 광원으로 입사 광 빔을 생성하는 단계, 광원의 제1 이미지를 객체에 부착되거나 합체된 타겟 피쳐에 매우 근접하여 형성하기 위해, 타겟 피쳐의 곡선면으로부터 상기 입사 광 빔을 반사하는 단계, 광원의 작은 제1 이미지를 고정 광검출기 상으로 그의 제2 이미지로서 재형성하는 단계, 제2 이미지의 광검출기 상의 각각의 순간 위치에 비례하고 객체의 위치를 나타내는 진폭을 갖는 전기 신호를 광검출기로 생성하는 단계를 포함한다.Another embodiment of the invention is directed to a method of measuring displacement of a movable object. The method includes generating an incident light beam with a fixed light source, reflecting the incident light beam from a curved surface of a target feature to form a first image of the light source in close proximity to a target feature attached or incorporated into an object, Reforming the small first image of the light source onto its fixed photodetector as its second image, the electrical signal having an amplitude proportional to each instantaneous position on the photodetector of the second image and having an amplitude indicative of the position of the object; Generating.

본 발명의 특징 및 장점이 첨부 도면을 참조하여 읽어야 할 본 발명의 다음 설명으로부터, 그리고 상세한 설명의 끝부분에 첨부된 청구 범위로부터 보다 용이하게 이해되고 명백해진다.The features and advantages of the invention will be more readily understood and apparent from the following description of the invention which should be read with reference to the accompanying drawings, and from the claims appended at the end of the description.

본 발명은 일반적으로 이동가능한 객체의 미세한 변위를 정확히 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 이와 같은 변위 측정을 제공하기 위한 간단하지만 정확한 광학 방법 및 장치에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to a method and apparatus for accurately measuring the fine displacement of a movable object, and more particularly to a simple but accurate optical method and apparatus for providing such displacement measurement.

도 1은 본 발명의 변위 센서의 일반적 실시예에 대한 블럭도.1 is a block diagram of a general embodiment of the displacement sensor of the present invention.

도 2는 본 발명의 변위 센서의 특정 실시예에 대한 상세도.2 is a detailed view of a particular embodiment of the displacement sensor of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 쌍-셀 광검출기(bi-cell photodetector)의 출력으로부터 생성된 전기 신호를 도시하는 그래프.3 is a graph showing electrical signals generated from the output of a bi-cell photodetector in accordance with one embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 디스크 드라이브 서보 시스템의 상세 블럭도.4 is a detailed block diagram of a disk drive servo system according to another embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 디스크 드라이브 서보 시스템의 동작을 예시하는 부품 구조상, 부품 기능상의 블럭도.Fig. 5 is a block diagram of component functions and component functions illustrating the operation of the disc drive servo system of the present invention.

도 6a는 및 6b는 본 발명의 디스크 드라이브 서보 시스템의 처리 회로의 전기적 블럭도.6A and 6B are electrical block diagrams of processing circuits of the disc drive servo system of the present invention.

도 7은 본 발명의 디스크 드라이브 서보 시스템에서 이용된 타겟 피쳐의 일실시예의 상세도.7 is a detailed view of one embodiment of a target feature used in a disk drive servo system of the present invention.

도 8은 도 7에 도시된 타겟 피쳐 및 헤드 암의 측면도.FIG. 8 is a side view of the target feature and head arm shown in FIG. 7; FIG.

도 9는 본 발명의 변위 센서의 실시예에 대한 부분의 상세도.9 is a detailed view of a portion of an embodiment of the displacement sensor of the present invention.

도 1은 본 발명의 변위 센서의 일실시예에 대한 일반적 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 센서는 고정 광원(10), 이동가능한 객체(14), 고정 이미징 렌즈(stainary imaging lens ; 26) 및 고정 광검출기(20)를 포함한다. 타겟 피쳐(16)는 이동가능한 객체(14)에 부착되거나, 객체와 합체한다. 객체(14)는 화살표 X로 도시된 방향으로 이동가능하고, 변위 센서는 기준 위치로부터 객체(14)의 변위를 측정함으로써 객체(14)의 위치를 모니터한다.1 is a general block diagram of one embodiment of a displacement sensor of the present invention. As shown, the sensor includes a fixed light source 10, a movable object 14, a static imaging lens 26 and a fixed photodetector 20. The target feature 16 is attached to or merges with the movable object 14. The object 14 is movable in the direction shown by arrow X, and the displacement sensor monitors the position of the object 14 by measuring the displacement of the object 14 from a reference position.

광원(10)은 반사광 빔(18)으로서 타겟 피쳐(16)에 의해 반사되는 입사광 빔(12)을 생성한다. 광원(10)의 제1 점-형태(point-like) 또는 선-형태(line-like) 이미지(도시되지 않음)는 타겟 피쳐 상의 작은 곡선 반사면에 기인하여 타겟 피쳐(18)에 매우 근접하여 형성된다. 제1 이미지는 타겟 피쳐의 이동에 따라 이동한다. 광원(10)의 제1 이미지와 유사한 제2 이미지(19)가 광검출기(20)의 표면 상에 형성되도록 광 빔(18)이 렌즈(26)에 의해 초점화된다. 반사광 빔(18)(및 제2 이미지)의 수광에 응답하여, 광검출기(20)는 반사광 빔이 수광된(즉, 제2 이미지가 형성되는) 광검출기(20)의 표면 상의 위치에 비례하고, 또한 객체(14)의 현재 위치에 대응하는 (진폭 또는 주파수와 같은) 특성을 가진 전기 신호를 생성한다. 처리 회로(도 6b를 참조하여 이하 설명되는 특정 실시예)는 광검출기에 위해 생성된 전기 신호를 수신하도록 광검출기에 연결될 수 있고, 공지된 기준 위치로부터 객체의 위치 및/또는 객체의 변위를 결정하기 위해 이와 같은 신호를 처리한다. 회로는 아날로그 및 디지털 처리 회로 모두를 포함할 수 있다.The light source 10 generates an incident light beam 12 that is reflected by the target feature 16 as a reflected light beam 18. The first point-like or line-like image (not shown) of the light source 10 is very close to the target feature 18 due to the small curved reflective surface on the target feature. Is formed. The first image moves in accordance with the movement of the target feature. The light beam 18 is focused by the lens 26 such that a second image 19, similar to the first image of the light source 10, is formed on the surface of the photodetector 20. In response to receiving the reflected light beam 18 (and the second image), the photodetector 20 is proportional to the position on the surface of the photodetector 20 in which the reflected light beam is received (ie, the second image is formed) and In addition, it generates an electrical signal having a characteristic (such as amplitude or frequency) corresponding to the current position of the object 14. Processing circuitry (the specific embodiment described below with reference to FIG. 6B) may be coupled to the photodetector to receive an electrical signal generated for the photodetector and determine the position of the object and / or the displacement of the object from a known reference position. In order to process such a signal. The circuit can include both analog and digital processing circuits.

도 9를 참조하여 보다 더 상세히 기술된 바와 같이, 타겟 피쳐(16)는 광원(10)의 제1 작은, 바람직하게는 점-형태 또는 선-형태의 이미지가 타겟 피쳐에 매우 근접하여 형성되고 렌즈(26)에 의해 광검출기(20)의 표면 상에 제2 이미지로서 재형성되도록 입사광 빔(12)을 반사하는 곡선면(17)을 포함한다. 광검출기(20)는 이미지의 크기가 감소될 때 보다 작은 변위에 더욱 더 민감하다. 그러므로, 광검출기 표면 상으로 광원의 작은 점-형태 또는 선-형태의 이미지를 재초점화하는 것이 바람직하다.As described in more detail with reference to FIG. 9, the target feature 16 has a first small, preferably point- or line-shaped image of the light source 10 formed in close proximity to the target feature and the lens A curved surface 17 reflecting the incident light beam 12 to be reshaped as a second image on the surface of the photodetector 20 by 26. Photodetector 20 is more sensitive to small displacements than when the size of the image is reduced. Therefore, it is desirable to refocus a small point- or line-shaped image of the light source onto the photodetector surface.

이하 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 타겟 피쳐(16)의 곡선면(17)은 오목 또는 볼록형일 수 있다. 타겟 피쳐(16)는 적당한 스탬핑 도구를 이용하여 객체(14)와 일체화하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 타겟 피쳐(16)는 객체(14)의 부분으로 스탬프되는 곡선면을 포함할 수 있다. 선택적으로, 타겟 피쳐(16)는 객체(14)에 부착되는 별도 소자일 수 있다. 예를 들어, 타겟 피쳐(16)는 용접되고, 납땜되고, 나사로 죄거나 그렇지 않으면 객체에 부착된 핀과 같은 원통형 소자일 수 있다. 타겟 피쳐(16)의 곡선면(17)은 입사광 빔이 효율적으로 반사되도록 충분히 유연하고 바람직하게 연마되어야 한다.As described in more detail below, the curved surface 17 of the target feature 16 can be concave or convex. Target feature 16 may be formed integrally with object 14 using a suitable stamping tool. For example, target feature 16 may include a curved surface that is stamped as part of object 14. Optionally, target feature 16 may be a separate device attached to object 14. For example, target feature 16 may be a cylindrical element such as a pin that is welded, soldered, screwed or otherwise attached to an object. The curved surface 17 of the target feature 16 should be sufficiently flexible and preferably polished so that the incident light beam is effectively reflected.

도 1을 참조하면, 객체(14)가 화살표 X 방향으로 이동될 때, 반사된 빔(18)이 수광되는 광검출기(20)의 표면 상의 위치는 화살표 X'로 도시된, 반대 방향으로 이동한다. 응답시, 광검출기(20)는 전기 신호를 생성하는데, 여기서 각 신호는 반사된 빔(18)의 광검출기 표면 상의 위치와, 또한 객체(14)의 상대 위치에 비례하는 특성(즉, 진폭 또는 주파수)를 갖는다.Referring to FIG. 1, when the object 14 is moved in the direction of arrow X, the position on the surface of the photodetector 20 where the reflected beam 18 is received moves in the opposite direction, shown by arrow X '. . In response, photodetector 20 generates an electrical signal, where each signal has a characteristic (i.e. amplitude or amplitude) that is proportional to the position on the photodetector surface of reflected beam 18 and also to the relative position of object 14 Frequency).

센서의 변위 해상도는 광검출기 표면 상으로 반사된 광원의 이미지 크기가 감소할 때 증가한다. 추가적으로, 센서의 변위 해상도는 입사광 빔의 세기가 증가할 때 증가한다. 곡선면을 갖는 타겟 피쳐의 이용이 광검출기 표면 상으로 반사된 광원 이미지(즉, 점-형태 또는 선-형태의 이미지)의 크기를 상당히 감소시키기 때문에, 고도의 변위 해상도를 얻기 위해 고효율 및 고가의 레이저 광원에 대한 필요가 상당히 줄어든다.The displacement resolution of the sensor increases as the image size of the light source reflected onto the photodetector surface decreases. In addition, the displacement resolution of the sensor increases as the intensity of the incident light beam increases. Since the use of target features with curved surfaces significantly reduces the size of the light source image (ie, point- or line-shaped image) reflected onto the photodetector surface, high efficiency and expensive The need for a laser light source is significantly reduced.

도 2는 본 발명의 변위 센서의 특정 실시예를 도시하는 상세도이다. 도 2에서 유사한 구성 요소는 도 1의 것과 동일 참조 기호로 지칭된다. 도시된 바와 같이, 센서는 레이저 다이오드 광원(22), 타겟 피쳐(16)가 부착된 객체(14), 및 쌍-셀(bi-cell) 광검출기(28)를 포함한다. 또한 경사율(gradient index ; GRIN) 입사 레이저 다이오드 빔 콜리메이팅 렌즈(24) 및 반사 빔 포커싱 렌즈(26)를 포함한다.2 is a detailed view showing a specific embodiment of the displacement sensor of the present invention. Similar components in FIG. 2 are referred to by the same reference symbols as in FIG. 1. As shown, the sensor includes a laser diode light source 22, an object 14 to which the target feature 16 is attached, and a bi-cell photodetector 28. It also includes a gradient index (GRIN) incident laser diode beam collimating lens 24 and a reflective beam focusing lens 26.

레이저 다이오드(22)는 GRIN 콜리메이팅 렌즈(24)를 통해 타겟 피쳐(16)에 제공되는 입사 레이저 빔(12)(두개의 별도 레이저 빔으로서 도 2에 도시됨)을 생성한다. 각각의 레이저 다이오드(22), GRIN 콜리메이팅 렌즈(24) 및 쌍-셀 광검출기(28)는 종래의 소자일 수 있다. 입사 레이저 빔(12)은 타겟 피쳐에 매우 근접하여 광원의 제1 이미지(도시되지 않음)를 형성하기 위해 타겟 피쳐(16)의 곡선면(17)으로부터 반사하여 입사빔(12)을 반사빔(18)으로서 반사한다. 점-형태 또는 선-형태의 작은 제1 이미지는 렌즈(26)에 의해 쌍-셀 광검출기(28)의 상부 표면(31) 상에 제2 이미지(30)로서 재형성된다. 렌즈(26)는 빔(18)을 수신하여 제2 이미지를 광검출기(28) 상에 초점화한다. 타겟 피쳐(16)의 곡선면(17)은 광원(22)의 점-형태 또는 선-형태의 작은 이미지(30)를 광검출기(28)의 표면(31) 상에 재초점화될 수 있게 한다.The laser diode 22 generates an incident laser beam 12 (shown in FIG. 2 as two separate laser beams) provided to the target feature 16 through the GRIN collimating lens 24. Each laser diode 22, GRIN collimating lens 24 and pair-cell photodetector 28 may be conventional devices. The incident laser beam 12 reflects from the curved surface 17 of the target feature 16 to form a first image (not shown) in close proximity to the target feature to reflect the incident beam 12. 18) to reflect. The small first image, either point- or line-shaped, is reshaped by the lens 26 as a second image 30 on the upper surface 31 of the pair-cell photodetector 28. Lens 26 receives beam 18 to focus the second image on photodetector 28. The curved surface 17 of the target feature 16 allows a point- or line-shaped small image 30 of the light source 22 to be refocused on the surface 31 of the photodetector 28.

제1 점-형태의 이미지가 타겟 피쳐에 매우 근접하여 형성되기 때문에, 본 발명의 시스템은 (래디얼 이동과 같은) 객체 및 타겟 피쳐의 이동에 상당히 둔감하여 측정된다고 볼 수 없다. 예를 들어, 만약 객체(14)가 (타겟 피쳐의 종축에 평행한) Y 방향으로 형성된 축 주위에 약하게 회전한다면, 측정이 영향받지 않는다. 이는 렌즈(16)의 표면 상에 반사된 빔(18)(및 제1 이미지)의 부분이 변경되지만 광검출기(31) 상의 제2 이미지(30)의 위치는 변하지 않기 때문이다. 그래서, 본 발명의 시스템은 객체의 작은 래디얼 이동에 둔감하다.Since the first point-shaped image is formed very close to the target feature, the system of the present invention cannot be considered to be measured insensitive to the movement of objects and target features (such as radial movement). For example, if the object 14 is weakly rotated around an axis formed in the Y direction (parallel to the longitudinal axis of the target feature), the measurement is not affected. This is because the portion of the beam 18 (and the first image) reflected on the surface of the lens 16 changes but the position of the second image 30 on the photodetector 31 does not change. Thus, the system of the present invention is insensitive to small radial movement of an object.

쌍-셀 검출기(28)는 좁은 스트립(32)으로 분리된 두개의 광검출기 셀(A 및 B)을 포함한다. 객체(14)가 X 방향으로 이동할 때, 포인트 이미지(30)는 셀 A에서 셀 B로의 반대 방향 X'으로 쌍-셀 검출기(28)의 표면(31)을 가로질러 이동한다. 포인트 이미지(30)의 중앙은 셀 A 및 B 사이의 스트립(32)에 위치한 바와 같이 도 2에 도시되어 있다. 센서는 포인트 이미지(30)의 중앙이 셀 A 및 B 사이의 스트립(32)에 초점화될 때 0 또는 기준 위치(객체(14)가 소정 위치에 있는 위치)를 갖도록 눈금이 정해질 수 있다.The pair-cell detector 28 comprises two photodetector cells A and B separated into narrow strips 32. When the object 14 moves in the X direction, the point image 30 moves across the surface 31 of the pair-cell detector 28 in the opposite direction X 'from cell A to cell B. The center of the point image 30 is shown in FIG. 2 as located in the strip 32 between cells A and B. FIG. The sensor may be calibrated to have a zero or reference position (where the object 14 is at a predetermined position) when the center of the point image 30 is focused on the strip 32 between cells A and B.

쌍-셀 광검출기(28)의 각 셀 A 또는 B는 셀 표면 상의 포인트 이미지(30)의 위치에 좌우되는 진폭을 가진 아날로그 전기 신호를 생성한다. 각 셀은 포인트 이미지(30)가 해당 셀의 표면 상에 전체적으로 위치할 때 가장 강한 전기 신호를 생성한다. (A-B)/(A+B)의 비율을 모니터함으로써(여기서 A 및 B는 검출기(28)의 셀 A 및 B에 의해 생성된 전기 신호의 진폭을 각각 나타냄), 광검출기(28)의 표면 상의 포인트 이미지(30)의 위치가 모니터될 수 있고, 이로써, (고정 광원 및 광검출기에 대한) 객체(14)의 위치가 또한 모니터될 수 있다. 이는 광검출기(28)의 표면 상의 포인트 이미지(30)의 위치가 객체(14)의 상대적 위치에 선형적으로 관련되기 때문이다. (A-B)/(A+B)의 비율은 쌍-셀 검출기(28)의 출력에 전기적으로 연결된 처리 회로(도 6b를 참조)의 사용으로 모니터될 수 있다. 이와 같은 회로는 사용자가 객체(14)의 위치를 용이하고 시각적으로 모니터할 수 있도록 표시 장치를 갖는 컴퓨터에 연결된 디지털 신호 처리 회로를 포함할 수 있다.Each cell A or B of the pair-cell photodetector 28 produces an analog electrical signal having an amplitude that depends on the location of the point image 30 on the cell surface. Each cell produces the strongest electrical signal when the point image 30 is located entirely on the surface of that cell. By monitoring the ratio of (AB) / (A + B), where A and B represent the amplitude of the electrical signal generated by cells A and B of detector 28, respectively, on the surface of photodetector 28 The position of the point image 30 can be monitored, whereby the position of the object 14 (relative to the fixed light source and photodetector) can also be monitored. This is because the position of the point image 30 on the surface of the photodetector 28 is linearly related to the relative position of the object 14. The ratio of (A-B) / (A + B) can be monitored by the use of a processing circuit (see FIG. 6B) electrically connected to the output of the pair-cell detector 28. Such circuitry may include digital signal processing circuitry coupled to a computer having a display device such that a user can easily and visually monitor the position of the object 14.

센서는 Y, Y', Z 또는 각도(Y축 부근) 방향으로의 이동에 둔감하다. 본 실시예에서, 객체의 수직 이동(레이저 다이오드 및 광검출기에 대해 멀어지거나 향하는 방향)에 대해 센서의 감도를 감소시키기 위해, 입사 레이저 빔(12) 및 반사된 레이저 빔(18)에 의해 형성된 평면이 셀 A 및 B의 중심 포인트 사이에 형성된 축에 실질적으로 직교하고, 스트립(32)에 대해 실질적으로 평행하다. 그래서, 예를 들어 만약 객체(14)가 도 2에 도시된 것과 같이 화살표 Z 방향으로 (레이저 다이오드 및 광검출기로부터 멀어지는) 제1 위치에서 제2 위치까지 수직적으로 이동한다면, 포인트 이미지(30)는 방향 X에 수직한, 광검출기(28)의 표면 상의 화살표 Y' 방향으로 이동하며 광검출기의 전기 출력 신호에 영향을 주지 않는다.The sensor is insensitive to movement in the Y, Y ', Z, or angle (near Y axis) directions. In this embodiment, the plane formed by the incident laser beam 12 and the reflected laser beam 18 to reduce the sensitivity of the sensor to the vertical movement of the object (direction away or towards the laser diode and photodetector). It is substantially orthogonal to the axis formed between the center points of these cells A and B and is substantially parallel to the strip 32. Thus, for example, if the object 14 moves vertically from the first position to the second position (away from the laser diode and photodetector) in the direction of arrow Z as shown in FIG. 2, the point image 30 is Perpendicular to the direction X, it moves in the direction of the arrow Y 'on the surface of the photodetector 28 and does not affect the electrical output signal of the photodetector.

추가적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서, 센서가 (Y 방향 또는 Y' 방향으로) 미세한 수평 이동에 민감하도록, 타겟 피쳐(16)는 입사 레이저 빔(12) 및 반사된 레이저 빔(18)에 의해 형성된 평면(점선으로 도시됨)에 평행하고, 광검출기(28)의 스트립(32)에 평행하며, 쌍-셀 검출기의 각 셀의 중심점을 통해 형성된 축에 수직한 종축을 가진다.Additionally, as shown in FIG. 2, in one embodiment of the present invention, the target feature 16 includes an incident laser beam 12 and reflections such that the sensor is sensitive to fine horizontal movement (in the Y direction or the Y ′ direction). Parallel to the plane formed by the laser beam 18 (shown in dashed lines), parallel to the strip 32 of the photodetector 28, and perpendicular to the axis formed through the center point of each cell of the pair-cell detector. It has a longitudinal axis.

본 발명은 Z(상방향), Y 또는 Y'(입사 및 반사 광 빔에 의해 형성된 평면에 수평), 및 래디얼(Y 방향으로 형성된 축 근처) 방향으로 객체의 이동에 대해 둔감성을 제공한다. (입사 및 반사 빔에 의해 형성된 평면에 수직한) X 방향으로 객체의 이동만이 측정된다.The present invention provides insensitivity to the movement of the object in the Z (upward), Y or Y '(horizontal to the plane formed by the incident and reflected light beam), and radial (near axes formed in the Y direction) directions. Only the movement of the object in the X direction (perpendicular to the plane formed by the incident and reflected beams) is measured.

도 3은 객체(14)가 (도 2에 도시된) 화살표 X 방향으로 이동할 때 신호 A 및 B의 진폭의 차이(A-B) 대비 시간을 도시하는 그래프이다. 본 실시예에서, 포인트 이미지(30)가 (셀 A의 표면에 도달하기 전에) 쌍-셀 광검출기(28)의 표면(31)에 초점화되지 않도록 객체(14)는 시간 0에서의 위치에 있는 것으로 가정한다. 객체(14)가 X 방향으로 이동할 때, 포인트 이미지(30)는 우선 셀 A의 표면(31)에 도달한 다음 스트립(32)을 가로질러 셀 B로 이어진다.FIG. 3 is a graph showing the time versus the difference (A-B) in the amplitudes of signals A and B as the object 14 moves in the direction of arrow X (shown in FIG. 2). In this embodiment, the object 14 is in position at time 0 such that the point image 30 is not focused on the surface 31 of the pair-cell photodetector 28 (before reaching the surface of cell A). Assume that When the object 14 moves in the X direction, the point image 30 first reaches the surface 31 of cell A and then crosses the strip 32 to cell B.

(크기가 한정되고 A 및 B 간의 갭의 폭 보다 상당히 큰) 포인트 이미지(30)의 리딩 단부(leading edge)가 (시간 1 이후) 셀 A의 단부에 도달할 때, 신호 (A-B)는 0에서 증가하기 시작하여, 이미지가 (시간 2에서) 전체적으로 셀 A에 있을 때 최대값에 도달한다. 이미지의 리딩 단부가 (시간 3에서) 셀 A 및 B 사이의 갭에 도달할 때, 신호 (A-B)는 감소하기 시작하여, 포인트 이미지가 셀 A 및 B 사이의 갭의 중앙에 있고 셀 A 및 B 상에 같이 놓일 때 0을 통과한다. 포인트 이미지가 셀 B로 계속 이동할 때, 신호 (A-B)는 계속 감소하여, 이미지가 (시간 4에서) 전체적으로 셀 B 상에 놓일 때 최대값에 도달한다. 포인트 이미지가 셀 B를 완전히 벗어날 때(시간 5), 신호 (A-B)는 0으로 다시 증가한다. 이미지 위치를 표현하는 곡선 (A-B)의 기울기는 이미지가 A 및 B 모두에 있을 때 최대가 되고, 포인트 이미지의 크기가 감소할 때 값이 증가하는 한편, 셀 A 및 B 사이의 갭의 폭보다 여전히 더 크게 유지된다.When the leading edge of the point image 30 (after size 1 and significantly larger than the width of the gap between A and B) reaches the end of cell A (after time 1), signal AB is at 0 It starts to increase, reaching the maximum when the image is entirely in cell A (at time 2). When the leading end of the image reaches the gap between cells A and B (at time 3), signal AB begins to decrease so that the point image is in the center of the gap between cells A and B and cells A and B Pass zero when placed together As the point image continues to move to cell B, the signals A-B continue to decrease, reaching a maximum when the image is entirely on cell B (at time 4). When the point image completely leaves cell B (time 5), the signal (A-B) increases back to zero. The slope of the curve (AB) representing the image position is maximum when the image is in both A and B, and increases in value when the size of the point image decreases, while still being greater than the width of the gap between cells A and B. Is kept larger.

그래서, 신호 A-B를 관찰함으로써 쌍-셀 광검출기(28)의 표면(31) 상의 포인트 이미지의 위치, 그리고 객체(14)의 선형적으로 관련된 상대적 위치가 모니터될 수 있음을 알 수 있다. 유사하게는, 객체(14)의 제1 위치 및 제2 위치 간의 변위가 측정될 수 있다.Thus, by observing signals A-B, it can be seen that the position of the point image on the surface 31 of the pair-cell photodetector 28 and the linearly related relative position of the object 14 can be monitored. Similarly, the displacement between the first position and the second position of the object 14 can be measured.

센서의 동적 범위(정확한 측정이 행해질 수 있는 객체의 위치 범위)가 A-B 신호 곡선의 선형 범위 내에 있고 도 3의 그래프 상에 점선 라벨 DR 사이(대략 2.5 및 3.5 시간 사이)에 도시되어 있다. 추가적으로, 시스템은 정확하게 신호 A-B의 최소 검출가능 레벨인 최소 포착 범위를 갖는다. 이러한 포착 범위는 점선 라벨 CR 사이에 도시되어 있다. 선형 동적 범위에서 A-B 신호 곡선의 기울기(milliamps/micron)는 쌍-셀 검출기의 반응성(또는 감도)에 대응한다. 이러한 영역에서의 곡선의 기울기가 증가할 때, 센서의 달성가능한 해상도(객체의 최소 검출가능한 변위)는 증가하지만 센서의 동적 범위는 감소한다. 그래서, 본 발명의 센서로, 동적 범위 및 변위 해상도 간에 평형이 유지되어야 함을 알아야 한다.The dynamic range of the sensor (position range of the object for which accurate measurements can be made) is within the linear range of the A-B signal curve and is shown between the dashed labels DR (about 2.5 and 3.5 hours) on the graph of FIG. 3. In addition, the system has a minimum acquisition range that is exactly the minimum detectable level of signals A-B. This capture range is shown between the dashed labels CR. The slope (milliamps / micron) of the A-B signal curve in the linear dynamic range corresponds to the reactivity (or sensitivity) of the pair-cell detector. As the slope of the curve in this area increases, the sensor's achievable resolution (the minimum detectable displacement of the object) increases but the sensor's dynamic range decreases. Thus, with the sensor of the present invention, it should be noted that equilibrium between dynamic range and displacement resolution must be maintained.

(포인트 이미지(30)가 쌍-셀 검출기(28)의 표면(31)에 초점화될 때) 신호 A+B의 크기는 (A-B)/(A+B)의 비율의 모니터링이 신호 A-B를 모니터하는 것만으로 보다 간단히 달성될 수 있도록 대략 일정 상수로 유지될 수 있다. 신호 A+B 상수의 유지는 레이저 다이오드(22)에 전기적으로 접속된 자동 이득 제어(AGC) 회로(일실시예가 도 6a를 참조하여 이하 설명됨)를 사용하여 입력 레이저 빔(12)의 세기를 제어함으로써 달성될 수 있다. 이하 설명되는 바와 같이, AGC 회로는 레이저 다이오드에 제공된 전력을 제어하는 동안 신호 A+B를 모니터한다. 그래서, 쌍-셀 검출기(28)에 의해 생성된 출력 전기 신호를 모니터하는데 필요한 처리 회로를 보다 간단화하기 위해, AGC 회로가 이용될 수 있다.The magnitude of signal A + B (when point image 30 is focused on surface 31 of pair-cell detector 28) indicates that monitoring of the ratio of (AB) / (A + B) monitors signal AB. It can be kept at a constant constant so that it can be more simply achieved. The maintenance of the signal A + B constant is used to determine the intensity of the input laser beam 12 using an automatic gain control (AGC) circuit electrically connected to the laser diode 22 (an embodiment is described below with reference to FIG. 6A). Can be achieved by controlling. As described below, the AGC circuit monitors the signal A + B while controlling the power provided to the laser diode. Thus, to simplify the processing circuitry necessary to monitor the output electrical signal generated by the pair-cell detector 28, an AGC circuit can be used.

광원(10)이 특정 응용의 감도 요건을 충족시키기 위해 광검출기에 의해 검출될 층분한 세기를 갖는 입사 광 빔을 생성하는 임의 형태의 광원이 될 수 있다. 광원은, 예를 들어 레이저 다이오드, 발광 다이오드(LED), 및 LED, 텅스텐 광원, 도는 광섬유 광원을 포함한다. 만약 광 섬유 광원이 이용된다면, 한쌍의 광 섬유, 또는 갈라진 섬유가 반사 레이저 빔을 광검출기에 향하도록 이용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 광원의 전력은 바람직하게 0.1 밀리와트 - 20 밀리와트 내에 속한다. 또한, 입사 레이저 빔의 강도는 바람직하게 대략 1 mwatt/100μ이다.The light source 10 can be any type of light source that produces an incident light beam having a sufficient intensity to be detected by a photodetector to meet the sensitivity requirements of a particular application. Light sources include, for example, laser diodes, light emitting diodes (LEDs), and LEDs, tungsten light sources, or optical fiber light sources. If an optical fiber light source is used, a pair of optical fibers, or split fibers, may be used to direct the reflective laser beam to the photodetector. In one embodiment of the invention, the power of the light source preferably falls within 0.1 milliwatts to 20 milliwatts. In addition, the intensity of the incident laser beam is preferably approximately 1 mwatt / 100μ.

광 소자를 초점화하는 다양한 형태가 입사 및 반사광 또는 레이저 빔을 향하도록 이용될 수 있다. 예를 들어, 종래 렌즈, 구형 또는 실린더형 미러, GRIN 렌즈, 또는 몰드 비구면 렌즈가 이용될 수 있다.Various forms of focusing optical elements can be used to direct incident and reflected light or laser beams. For example, conventional lenses, spherical or cylindrical mirrors, GRIN lenses, or molded aspherical lenses can be used.

광검출기는 수신 광 빔의 검출기 표면 상의 위치에 비례하는 (예를 들어, 크기 또는 주파수와 같은) 특성을 갖는 전기 신호를 생성하는 임의 형태의 광검출기일 수 있다. 예를 들어, 광검출기는 생성된 전기 신호의 크기가 반사된 빔이 수신되는 센서 상의 위치에 직접 비례하는 위치 센서일 수 있다. 광검출기는 바람직하게 ((A-B)/(A+B)와 같은) 비율이 발생될 수 있는 신호 또는 신호들을 발생시킬 수 있는 공간적으로 배열된 광검출기를 포함한다. 예를 들면, 광검출기는 쌍-셀 검출기, 사분할-셀(quad-cell) 검출기, CCD 어레이 등일 수 있다.The photodetector may be any form of photodetector that produces an electrical signal having a property that is proportional to (eg, magnitude or frequency) relative to the position on the detector surface of the received light beam. For example, the photodetector may be a position sensor in which the magnitude of the generated electrical signal is directly proportional to the position on the sensor where the reflected beam is received. The photodetector preferably comprises a spatially arranged photodetector capable of generating a signal or signals in which a ratio (such as (A-B) / (A + B)) can be generated. For example, the photodetector may be a pair-cell detector, quad-cell detector, CCD array, or the like.

본 발명의 센서의 장점은 (A-B)/(A+B)의 비율을 모니터함으로써, 센서가 광원의 세기, 타겟 피쳐의 반사율 및 광검출기의 감도에 다소 둔감하다는 것이다.An advantage of the sensor of the present invention is that by monitoring the ratio of (A-B) / (A + B), the sensor is somewhat insensitive to the intensity of the light source, the reflectance of the target feature and the sensitivity of the photodetector.

본 발명의 일실시예에서, 쌍-셀 검출기의 각 셀은 0.6 mm 대 1.2 mm의 차원을 갖고 셀 간의 갭(스트립(32)의 폭)은 대략 10㎛이다. 이미지(30)의 폭은 50㎛-100㎛의 범위 내에 속할 수 있다. 이와 같은 광검출기의 표준 감도는 대략 0.4 amps/watt이다.In one embodiment of the invention, each cell of the pair-cell detector has a dimension of 0.6 mm to 1.2 mm and the gap between the cells (width of the strip 32) is approximately 10 μm. The width of the image 30 may fall within the range of 50 μm-100 μm. The standard sensitivity of such a photodetector is approximately 0.4 amps / watt.

(이하 설명될) 서보 시스템 응용과 같은 전형적인 응용에서, 렌즈(26)는 타겟 피쳐(16) 및 광검출기(28) 간의 대략 같은 거리, 각각으로부터 대략 20mm에 위치할 수 있다. 종래에 반사 빔 렌즈(26)는 10 mm 초점 길이를 갖는다. 타겟 피쳐(16)의 곡선면(17)의 곡률 반경은 바람직하게 본 발명의 일실시예에서 0.5-5.0 mm의 범위 내에 속한다.In typical applications, such as servo system applications (to be described below), lens 26 may be located at approximately the same distance between target feature 16 and photodetector 28, approximately 20 mm from each. The reflective beam lens 26 conventionally has a 10 mm focal length. The radius of curvature of the curved surface 17 of the target feature 16 preferably falls in the range of 0.5-5.0 mm in one embodiment of the invention.

도 4는 광 변위 센서가 디스크 드라이브 서보 시스템에 사용되는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 종래의 서보 시스템은 (디스크 드라이브의 외부에 위치하는) 회전가능 마스터 암(40)(도시되지 않음) 및 (디스크 드라이브 내에 위치한) 판독/기록 헤드 암(42)을 포함한다. 마스터 암(40) 및 헤드 암(42) 모두는 공통 축(44) 주위를 회전한다. 판독/기록 헤드(도시되지 않음)는 굴곡부(도시되지 않음)를 통해 헤드 암(42)의 상부면 단부(54)에 부착된다. 데이타가 기록되고 판독되는 디스크(도시되지 않음)는 헤드 암 상에 위치한다.4 is a diagram illustrating another embodiment of the present invention in which an optical displacement sensor is used in a disk drive servo system. As shown, a conventional servo system includes a rotatable master arm 40 (not shown) and a read / write head arm 42 (located within the disk drive) (located outside of the disk drive). Both master arm 40 and head arm 42 rotate about a common axis 44. A read / write head (not shown) is attached to the top surface end 54 of the head arm 42 via a bend (not shown). A disk (not shown) in which data is written and read is located on the head arm.

종래의 디스크 드라이브 서보 시스템과 같이, 마스터 암이 기록되고 판독될 래디얼 트랙 위치와의 정렬시 기준 위치에서 우선 회전된다. 다음, 본 발명의 광 변위 센서 시스템의 사용을 통해, 판독/기록 헤드가 디스크의 소정 래디얼 트랙 위치에 대해 판독하거나 기록할 수 있도록 마스터 암과 정렬하게 되도록 헤드 암이 회전된다.As with a conventional disc drive servo system, the master arm is first rotated at the reference position in alignment with the radial track position to be written and read out. Next, through the use of the optical displacement sensor system of the present invention, the head arm is rotated to align with the master arm so that the read / write head can read or write to a predetermined radial track position of the disc.

마스터 암은 우선 간섭 광 시스템을 사용하여 정렬된다. 간섭 시스템은 레이저원(46), 폴드 미러(48), 레이저 간섭계(50), 마스터 암(40)의 하측에 부착된 역반사 장치(52), 및 간섭 출력 신호 검출기(61)(도 5에 도시됨)를 포함한다. 마스터 암 VCM 드라이브 회로(63)는 간섭 출력 신호 검출기(61) 및 음성 코일 모터(VCM)(65) 사이에 접속되며, 이는 마스터 암(40)의 회전 이동을 제어한다.The master arm is first aligned using an interfering light system. The interference system includes a laser source 46, a fold mirror 48, a laser interferometer 50, a retroreflective device 52 attached below the master arm 40, and an interference output signal detector 61 (in FIG. 5). Shown). The master arm VCM drive circuit 63 is connected between the interference output signal detector 61 and the voice coil motor (VCM) 65, which controls the rotational movement of the master arm 40.

주지하는 바와 같이, 레이저 간섭계는 이동 타겟의 위치(또는 변위)를 결정하기 위해, 이동 타겟(즉, 역반사기 52)을 벗어나 반사하는 제1 레이저 빔, 및 고정 거리를 왕복하는 기준 레이저 빔을 이용한다. 레이저원(46)은 폴드 미러(48)에서 레이저 간섭계(50)를 통해 역반사기(52)로 반사하는 레이저빔을 생성한다. 빔은 역반사기(52)에 의해 반사되어 간섭계(50)에 의해 기준 빔과 혼합된다. 간섭계(50)는 응답시 마스터 암(40)의 변위(또는 위치의 변화)를 결정하는 검출기(61)에 혼합 빔을 제공한다. 다음, 검출기(61)는 VCM(65)에 신호를 교대로 제공하는 드라이브 회로(63)에 위치 변화를 가리키는 신호를 보내어 선택된 래디얼 트랙 위치와 정렬할 때까지 마스터 암을 회전시킨다.As noted, the laser interferometer uses a first laser beam that reflects off of the moving target (ie, retroreflector 52) and a reference laser beam that reciprocates a fixed distance to determine the position (or displacement) of the moving target. . The laser source 46 generates a laser beam that reflects from the fold mirror 48 to the retroreflector 52 through the laser interferometer 50. The beam is reflected by the retroreflector 52 and mixed with the reference beam by the interferometer 50. Interferometer 50 provides a mixed beam to detector 61 that determines the displacement (or change in position) of master arm 40 in response. The detector 61 then sends a signal indicating a change in position to the drive circuit 63 which alternately provides a signal to the VCM 65 to rotate the master arm until it is aligned with the selected radial track position.

일단 마스트 암(40)이 적당히 정렬되면, 다음 헤드 암(42)이 본 발명의 변위 센서를 이용하여 마스터 암(40)과 정렬된다. 센서는 (바람직하게 레이저 다이오드를 포함하는) 소오스 모듈(56), 반사기(58) 및 (바람직하게 쌍-셀 광검출기를 포함하는) 검출기 모듈(60)을 포함하는데, 이 모두는 마스터 암(40)의 상부면에 부착되어 있다. 도 1 및 2를 참조하여 상기 기술된 본 발명의 변위 센서에 대한 일반적 실시예와 같이, 동작 동안, 소오스 모듈(56) 내의 레이저 다이오드는 헤드 암(42)의 단부(54)의 하측과 일체되거나 부착되는 타겟 피쳐(도시되지 않음)에 반사기(58)에 의해 반사되는 입사 레이저 빔을 생성한다. 상기 기술된 바와 같이, 타겟 피쳐는 입사 레이저 빔이 타겟 피쳐에 매우 근접하여 소오스의 이미지를 형성하기 의해 반사되는 곡선면을 갖는다. 다음 반사 레이저 빔은 반사기(58)에서 검출기 모듈(60)로 반사된다. 이미지는 모듈(60) 내의 광검출기 상에 재초점화된다.Once the mast arm 40 is properly aligned, the next head arm 42 is aligned with the master arm 40 using the displacement sensor of the present invention. The sensor includes a source module 56 (preferably comprising a laser diode), a reflector 58 and a detector module 60 (preferably including a pair-cell photodetector), all of which are master arms 40 It is attached to the upper surface of). As with the general embodiment of the displacement sensor of the present invention described above with reference to FIGS. 1 and 2, during operation, the laser diode in the source module 56 is integrated with the lower side of the end 54 of the head arm 42, or Create an incident laser beam that is reflected by reflector 58 to a target feature (not shown) to which it is attached. As described above, the target feature has a curved surface where the incident laser beam is reflected by forming an image of the source in close proximity to the target feature. The reflected laser beam is then reflected from the reflector 58 to the detector module 60. The image is refocused on the photodetector in module 60.

헤드 암(42)이 마스터 암(40)과 적절히 정렬될 때 점-형태 또는 선-형태의 작은 이미지(30)(도 2를 참조)가 검출기 모듈(60) 내의 쌍-셀 검출기의 셀 A 및 B 간에 분할되는 스트립(32)의 표면 상에 재초점화되도록 시스템의 눈금이 정해진다. 변위 센서 처리 제어 회로(67)(도 5에 도시되어 있음)는 이하 상세히 기술되는 바와 같이, 소오스 모듈(56) 및 검출기 모듈(도 4, 60)에 전기적으로 연결되며, 신호 A+B 및 A-B의 값을 결정하고 모니터하기 위한 회로를 포함하는데, 신호는 헤드 및 마스터 암의 상대적 위치를 나타낸다. 헤드 암 VCM 구동 회로(69)는 변위 센서 처리 제어 회로(67) 및 헤드 암 VCM(71) 사이에 접속된다. 변위 센서 처리 제어 회로(67)는 응답시 헤드 암(42)이 마스터 암(40)과 정렬할 때까지 헤드 암(42)을 회전시키기 위해 제어 신호를 VCM(71)에 제공하는 헤드 암 VCM 구동 회로(69)에 상대적인 헤드 암 및 마스터 암 위치를 가리키는 디지털 출력 신호를 제공한다. 도 6a를 참조하여 이하 더 상세히 기술되는 바와 같이, 센서는 또한 광검출기 및 레이저 다이오드 사이에 접속되고, 일정한 신호 A+B를 유지하기 위한 AGC 회로를 포함한다.When the head arm 42 is properly aligned with the master arm 40, a small image 30 (see FIG. 2), either point- or line-shaped, shows cells A and a pair of cell detectors in the detector module 60. The system is calibrated to refocus on the surface of the strip 32, which is divided between B. Displacement sensor processing control circuit 67 (shown in FIG. 5) is electrically connected to source module 56 and detector module (FIGS. 4, 60), as described in detail below, and signals A + B and AB. Circuitry for determining and monitoring the value of the signal indicating the relative position of the head and master arm. The head arm VCM drive circuit 69 is connected between the displacement sensor processing control circuit 67 and the head arm VCM 71. The displacement sensor processing control circuit 67 drives the head arm VCM in response to provide a control signal to the VCM 71 to rotate the head arm 42 until the head arm 42 aligns with the master arm 40. Provide a digital output signal indicative of the head arm and master arm positions relative to circuit 69. As described in more detail below with reference to FIG. 6A, the sensor also includes an AGC circuit connected between the photodetector and the laser diode to maintain a constant signal A + B.

도 6a는 본 발명의 센서 AGC 회로에 대해 블럭도 형태로 도시하는 도면이다. 회로는 설명의 편의를 위해 (검출기 모듈(60) 내에 포함된) 쌍-셀 검출기(62) 및 (소오스 모듈(56)에 포함된) 레이저 다이오드(72)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 회로는 쌍-셀 검출기(62)로부터 출력 신호 A 및 B를 각각 수신하기 위해 연결된 종래 아날로그 신호 증폭기(64 및 66)를 포함한다. 아날로그 증폭기(64 및 66)는 아날로그 신호 A 및 B를 각각 증폭시킨다. 증폭된 아날로그 신호 A 및 B는 출력으로서 제공되고 또한 AGC 회로(73)에 제공된다. AGC 회로(73)는 아날로그 합산 회로(68) 및 레이저 제어 전력 회로(70)로 구성된다. 합산 회로(68)는 합산 신호 A+B를 생성한다. 합산 신호 A+B의 크기를 모니터하고, 신호 A+B가 실제로 일정하게 유지되는 레이저 다이오드(72)의 전력을 제어하기 위해 출력 신호를 교대로 제공하는 레이저 제어 전력 회로(70)에 신호 A+B가 제공된다. 예를 들어 신호 A+B가 일정하게 유지되도록 타겟의 반사율이 가변할 때 레이저 다이오드에 의해 생성된 입사 레이저 빔의 세기가 가변할 수 있음을 알아야 한다.6A is a block diagram of a sensor AGC circuit of the present invention. The circuit is shown to include a pair-cell detector 62 (included in detector module 60) and a laser diode 72 (included in source module 56) for convenience of description. The circuit includes conventional analog signal amplifiers 64 and 66 connected to receive output signals A and B from pair-cell detector 62, respectively. Analog amplifiers 64 and 66 amplify analog signals A and B, respectively. The amplified analog signals A and B are provided as outputs and are also provided to the AGC circuit 73. The AGC circuit 73 is composed of an analog summing circuit 68 and a laser control power circuit 70. Summing circuit 68 generates summing signal A + B. Signal A + to the laser control power circuit 70 which monitors the magnitude of the sum signal A + B and alternately provides an output signal to control the power of the laser diode 72 in which the signal A + B actually remains constant. B is provided. It should be appreciated, for example, that the intensity of the incident laser beam generated by the laser diode may vary when the reflectance of the target varies so that signal A + B remains constant.

도 6b는 헤드 암 VCM(71)을 제어하는 헤드 암 처리 제어 회로(69)에 대해 블럭도 형태로 도시하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 신호 A-B 및 A+B를 생성하기 위한 증폭기 및 가산기 및 감산기 회로를 포함하는 블럭(74)에 의해 신호 A 및 B가 수신된다. 신호 A-B는 아날로그 신호 A-B를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-대-디지털 변환기(ADC ; 76)에 제공된다. 디지털 신호는 신호 A-B를 나타내는 디지털 출력을 제공하는 종래 버퍼(78)에 제공된다.FIG. 6B is a block diagram of the head arm processing control circuit 69 for controlling the head arm VCM 71. As shown, signals A and B are received by block 74 including amplifiers and adder and subtractor circuits for generating signals A-B and A + B. Signal A-B is provided to an analog-to-digital converter (ADC) 76 that converts analog signal A-B into a digital signal. The digital signal is provided to a conventional buffer 78 which provides a digital output representing the signals A-B.

신호 A+B를 기준 신호(최소 임계 레벨, 즉 0)와 비교하고 신호 A+B가 최소 임계 레벨보다 큰 지의 여부를 나타내는 상태 출력 비트를 제공하는 비교기(80)에 신호 A+B가 제공된다. 신호 A-B가 0이 되고, (헤드 암(42) 및 마스터 암(44)이 정렬되어 있는 것을 가리키는) 쌍-셀 검출기의 셀 사이의 스트립 상에 이미지 포인트가 초점화될 때의 포인트에 (신호 A-B의) 이와 같은 0 교차점이 대응하는 것이 결정될 때까지 헤드 암(42)을 회전시키도록, 회로(69)는 VCM(71)을 제어한다. 신호 A+B는 또한 포인트 이미지가 (헤드 암(42) 및 마스터 암(40)이 상당히 정렬되지 않음을 가리키는) 쌍-셀 검출기의 셀중 어느 하나의 표면 상에 위치하지 않을 때 0의 값을 가질수 있음을 (도 3을 참조하여 상기 논의된 바와 같이) 알아야 한다. 회로는 비교기(80)로 신호 A+B를 모니터함으로써 적절한 제로 교차에 이르는지를 결정한다. 도 3을 참조하여, 신호 A-B의 적절한 제로 교차점은 신호 A-B가 제로가 되고 신호 A+B가 제로보다 클 때 도달됨을 알아야 한다. 그래서, 신호 A+B가 제로보다 크다는 것을 비교기(80)가 판단할 때, 상태 비트가 출력된다. 그래서, 버퍼(78)에 의해 제공된 디지털 출력 신호 및 비교기(80)에 의해 제공된 상태 비트는 헤드 암(42) 및 마스터 암(40)이 적당히 정렬되는 때를 가리킨다.Signal A + B is provided to comparator 80 which compares signal A + B with a reference signal (minimum threshold level, i.e. 0) and provides a status output bit indicating whether signal A + B is greater than the minimum threshold level. . At the point when the signal AB goes to zero and the image point is focused on the strip between the cells of the pair-cell detector (indicating that the head arm 42 and the master arm 44 are aligned). Circuit 69 controls VCM 71 to rotate head arm 42 until such a zero crossing is determined to correspond. Signal A + B can also have a value of zero when the point image is not located on the surface of either of the cells of the pair-cell detector (indicating that the head arm 42 and master arm 40 are not significantly aligned). It should be appreciated (as discussed above with reference to FIG. 3). The circuit determines if an appropriate zero crossing is reached by monitoring signal A + B with comparator 80. Referring to FIG. 3, it should be noted that the proper zero crossing of signals A-B is reached when signal A-B goes to zero and signal A + B is greater than zero. Thus, when the comparator 80 determines that the signal A + B is greater than zero, a status bit is output. Thus, the digital output signal provided by the buffer 78 and the status bits provided by the comparator 80 indicate when the head arm 42 and the master arm 40 are properly aligned.

도 7은 헤드 암(42)의 단부(54)를 보다 상세히 도시하는 도면이다. 헤드 암(42)의 하부면은 타겟 피쳐(86)를 예시하도록 도시되어 있다. 슬라이더 플렉쳐(slider flexture ; 84)는 용접에 의해 헤드 암(42)의 상부면에 부착되어 있다. 스팟 용접(82)이 도시되어 있다. 슬라이더 및 판독/기록 헤드(도시되지 않음)는 플렉쳐(84)의 첨단에 연결되어 있다. 플렉쳐, 슬라이더 및 판독/기록 헤드의 이러한 구조는 종래와 같다.FIG. 7 shows the end 54 of the head arm 42 in more detail. The bottom surface of the head arm 42 is shown to illustrate the target feature 86. A slider flexture 84 is attached to the top surface of the head arm 42 by welding. Spot welding 82 is shown. A slider and read / write head (not shown) are connected to the tip of the flexure 84. This structure of the flexure, the slider and the read / write head is conventional.

본 발명의 일실시예에서, 타겟 피쳐(86)는 헤드 암(42)의 단부와 일체로 형성되어 있다. 타겟 피쳐는 헤드 암의 종축에 평행한 종축을 갖는 곡선면을 바람직하게 생성하는 스탬핑 도구를 이용하여 헤드 암(42)의 단부(54)에 스탬프될 수 있다. 타겟 피쳐는 예를 들어 도시된 바와 같이 헤드 암(42) 내의 실린더형 인덴트(88)일 수 있다. 실린더형 인덴트(88)는 입사 레이저 빔을 반사하는 타겟 피쳐(86)의 곡선면을 제공한다. 곡선면의 곡률 반경은 본 실시예에서 0.5-5.0 mm의 범위 내에 속한다.In one embodiment of the invention, the target feature 86 is integrally formed with the end of the head arm 42. The target feature may be stamped at the end 54 of the head arm 42 using a stamping tool that preferably produces a curved surface having a longitudinal axis parallel to the longitudinal axis of the head arm. The target feature may be, for example, a cylindrical indent 88 in the head arm 42 as shown. The cylindrical indent 88 provides a curved surface of the target feature 86 that reflects the incident laser beam. The radius of curvature of the curved surface falls in the range of 0.5-5.0 mm in this embodiment.

도 8은 플렉쳐(84)에 부착된 슬라이더(92)를 도시하는 헤드 암(42)의 단부의 측면도이다. 도시된 바와 같이, 슬라이더(92)는 헤드 암(42)을 따라 대략 동일 세로 지점에서의 타겟 피쳐(86)의 하부에 위치하고 있다. 헤드 암(42)의 나머지 부분 상에 타겟 피쳐(86)를 약간 올리는 쇼울더(90)가 또한 도시되어 있다.8 is a side view of the end of the head arm 42 showing the slider 92 attached to the flexure 84. As shown, the slider 92 is located below the target feature 86 at approximately the same longitudinal point along the head arm 42. Also shown is a shoulder 90 which slightly raises the target feature 86 on the remainder of the head arm 42.

도 9는 광원의 제1 이미지 및 제2 이미지의 형성을 예시하는 (도 1 및 2와 같이) 본 발명의 시스템부의 부품 기능 및 부품 구조상의 블럭도이다. 본 발명의 시스템부만이 도 9에 도시되어 있다. 도시된 부분은 타겟 피쳐(16), 이미징 렌즈(26) 및 검출기(20)를 포함한다.9 is a block diagram of the component function and component structure of the system portion of the present invention (such as FIGS. 1 and 2) illustrating the formation of a first image and a second image of a light source. Only the system portion of the present invention is shown in FIG. The illustrated portion includes the target feature 16, the imaging lens 26 and the detector 20.

타겟 피쳐(16)의 두 위치, (타겟 피쳐가 실선으로 도시된) 제1 위치, 및 (타겟 피쳐가 허상으로 도시된) 제2 위치가 도 9에 도시되어 있다. 제2 위치는 제1 위치로부터 수평 방향 X로 이동된 타겟 피쳐를 도시하는데, 변위는 본 발명의 시스템에 의해 측정된다.Two positions of the target feature 16, a first position (shown in solid line) and a second position (shown in virtual form) are shown in FIG. 9. The second position shows the target feature moved in the horizontal direction X from the first position, the displacement being measured by the system of the present invention.

도시된 바와 같이, 입사되는 빔(12)은 타겟 피쳐(16)의 곡선면(17)으로부터 반사 빔(18)으로서 반사한다. 광원의 점-형태의 작은 제1 이미지(100A)가 타겟 피쳐(16)에 매우 근접하여 형성된다. 타겟 피쳐(16)가 (위치 A로서 지칭된) 제1 위치에서 (위치 B로서 지칭된) 제2 위치로 이동할 때, 제1 점-형태의 이미지 또한 타겟 피쳐(16)와 함께 (100A로 지칭된) 제1 위치에서 (100B로 지칭된) 제2 위치로 이동한다.As shown, the incident beam 12 reflects from the curved surface 17 of the target feature 16 as a reflective beam 18. A small first image 100A in the form of a point of light source is formed very close to the target feature 16. When target feature 16 moves from a first position (referred to as position A) to a second position (referred to as position B), the first point-shaped image is also referred to as target feature 16 (referred to 100A). To the second position (referred to as 100B) from the first position.

각 위치에서, 반사 빔(18)의 부분이 이미지 렌즈(26)에 의해 수신되고 광검출기(20)의 표면 상에 초점화된다. 위치 A에 대해, 제2 이미지 100A'가 광검출기(20)의 표면 상에 형성된다. 알 수 있는 바와 같이, 타겟 피쳐(16)가 위치 A에서 위치 B까지 수평 방향 X로 이동할 때, 제2 점-형태의 이미지가 (도 2에서의 광검출기(20)의 표면(31) 상에 이미지(30)의 X' 방향으로의 이동에 대응하는) 위치 100A' 에서 위치 100B'로 이동한다. 제2 이미지 100A'(및 100B')는 도 2에서의 제2 이미지(30)에 대응한다는 것을 알아야 한다.At each position, a portion of the reflective beam 18 is received by the image lens 26 and focused on the surface of the photodetector 20. For position A, second image 100A 'is formed on the surface of photodetector 20. As can be seen, when the target feature 16 moves in the horizontal direction X from position A to position B, a second point-shaped image (on the surface 31 of the photodetector 20 in FIG. 2) Move from position 100A 'to position 100B', which corresponds to the movement of image 30 in the X 'direction. It should be noted that the second image 100A '(and 100B') corresponds to the second image 30 in FIG.

(도 4에 도시된) 본 발명의 서보 시스템 실시예에서, (도 2에서 X 방향으로의 객체(14)의 이동에 대응하는) 축(44) 근처에 헤드 암의 회전 이동만이 측정될 것이다. (도 2에서 축 Y 근처에 객체(14)의 회전에 대응하는) 헤드 암에 대해 타겟 피쳐의 래디얼 이동, (도 2에서 방향 Z로의 이동에 대응하는) 마스터 암에서 수직적으로 멀어지거나 향하는 헤드 암의 이동, 또는 (도 2에서 방향 Y로의 이동에 대응하는) 헤드 암의 종축에 의해 형성된 어느 하나의 방향으로 타겟 피쳐의 이동중의 어느 것도 시스템에 의해 검출되지 않을 것이다.In the servo system embodiment of the present invention (shown in FIG. 4), only the rotational movement of the head arm will be measured near the axis 44 (corresponding to the movement of the object 14 in the X direction in FIG. 2). . Radial movement of the target feature relative to the head arm (corresponding to rotation of the object 14 near axis Y in FIG. 2), head arm vertically away from or facing the master arm (corresponding to movement in direction Z in FIG. 2). None of the movement of the target feature in either direction formed by the longitudinal axis of the head arm (corresponding to the movement in the direction Y in FIG. 2) will be detected by the system.

본 발명의 최소한 하나의 예시적인 실시예에서 설명되는 한편, 다양한 변경, 수정 및 개선이 기술 분야의 당업자에게 용이할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 센서가 쌍-셀을 이용함으로써 객체의 일차원(또는 방향)으로 위치를 모니터하는 것으로서 설명되는 한편, 본 발명이 거기에 제한되지 않음을 알아야 한다. 사분할-셀 검출기를 이용함으로써, 센서는 객체의 위치를 이차원으로 각각 모니터할 수 있다. 이와 같은 변경, 수정 및 개선은 본 발명의 사상과 범위 내에 있도록 의도된다. 따라서, 전술한 설명은 예로서만 언급된 것일 뿐, 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 본 발명은 다음 청구범위 및 그에 균등한 것에 정의된 것으로만 한정된다.While described in at least one exemplary embodiment of the invention, various changes, modifications and improvements will be readily apparent to those skilled in the art. For example, while the sensor of the present invention is described as monitoring the position in one dimension (or direction) of an object by using a pair-cell, it should be understood that the present invention is not limited thereto. By using a quad-cell detector, the sensor can each monitor the position of the object in two dimensions. Such changes, modifications, and improvements are intended to be within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the foregoing descriptions are mentioned by way of example only, and are not intended to be limiting. The invention is limited only by what is defined in the following claims and their equivalents.

Claims (18)

소정의 방향으로 이동가능한 객체의 변위를 측정하기 위한 장치에 있어서,An apparatus for measuring a displacement of an object movable in a predetermined direction, 입사 광 빔을 생성하는 고정 광원;A fixed light source for generating an incident light beam; 상기 객체에 부착되고, 상기 입사 광 빔을 반사하여 상기 광원의 제1 이미지를 그에 가까운 부근에 형성하는 타겟 피쳐(target feature);A target feature attached to the object and reflecting the incident light beam to form a first image of the light source in the vicinity thereof; 상기 제1 이미지를 수신하여, 상기 제1 이미지를 광원의 제2 이미지로서 광검출기 상에 재형성하는 이미징 렌즈(imaging lens); 및An imaging lens that receives the first image and reconstructs the first image on a photodetector as a second image of a light source; And 상기 객체로부터 이격되고, 상기 제2 이미지의 제1 방향에서의 선형 변위를 검출하는 상기 광검출기The photodetector spaced apart from the object and detecting a linear displacement in a first direction of the second image 를 구비하고,And 상기 장치가 상기 소정 방향과 다른 방향의 상기 객체의 이동에 대해서는 비교적 둔감하도록 상기 소정 방향으로의 상기 객체의 이동이 상기 제1 방향으로의 상기 제2 이미지의 이동에 대응하는 것을 특징으로 하는 장치.The movement of the object in the predetermined direction corresponds to the movement of the second image in the first direction so that the apparatus is relatively insensitive to movement of the object in a direction different from the predetermined direction. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광검출기는 쌍-셀 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.And the photodetector comprises a pair-cell photodetector. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광검출기는 위치 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.And the photodetector comprises a position sensor. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 타겟 피쳐는 상기 객체와 합체되는 것을 특징으로 하는 장치.And the target feature is incorporated with the object. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 타겟 피쳐는 0.2 - 5.0 mm 범위의 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.Wherein the target feature has a radius of curvature in the range of 0.2-5.0 mm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 입사 광 빔 및 상기 반사 광 빔은 상기 소정 방향에 수직한 평면을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.And the incident light beam and the reflected light beam form a plane perpendicular to the predetermined direction. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 쌍-셀 검출기의 각 셀의 중앙 지점을 통해 형성된 축이 상기 소정 방향에 실질적으로 평행하고, 상기 입사 광 빔 및 상기 반사 광 빔에 의해 형성된 평면에 실질적으로 직교하는 것을 특징으로 하는 장치.And an axis formed through the center point of each cell of the paired-cell detector is substantially parallel to the predetermined direction and substantially perpendicular to a plane formed by the incident light beam and the reflected light beam. 디스크 드라이브의 마스터 암의 회전 위치에 대한 판독/기록 헤드 암의 회전 위치를 감지하기 위한 광 위치 감지 장치에 있어서,An optical position sensing device for sensing a rotational position of a read / write head arm relative to a rotational position of a master arm of a disk drive, 상기 마스터 암에 부착되고, 입사 광 빔을 생성하는 광원;A light source attached to the master arm, the light source generating an incident light beam; 헤드 암에 부착되고, 상기 입사 광 빔을 반사하여 상기 광원의 제1 이미지를 그에 가까운 부근에 형성하는 타겟 피쳐(target feature);A target feature attached to a head arm and reflecting the incident light beam to form a first image of the light source in the vicinity thereof; 상기 타겟 피쳐 및 광검출기 사이의 광 경로에 위치하고, 상기 반사된 광 빔을 수광하여, 상기 광원의 상기 제1 이미지를 제2 이미지로서 광검출기 상에 재초점화하는 이미징 렌즈(imaging lens); 및An imaging lens positioned in the optical path between the target feature and the photodetector and receiving the reflected light beam to refocus the first image of the light source on the photodetector as a second image; And 상기 마스터 암에 부착되고, 상기 제2 이미지의 제1 방향에서의 선형 변위를 검출하는 상기 광검출기The photodetector attached to the master arm and detecting a linear displacement in a first direction of the second image 를 구비하고,And 상기 장치가 상기 헤드 암 및/또는 마스터 암의 상대적 회전 이동에 의해 유발된 이동 이외에는 상기 타겟 피쳐의 이동에 대해 비교적 둔감하도록, 상기 헤드 암 및/또는 마스터 암의 상대적 회전 이동이 상기 제1 방향으로의 상기 제2 이미지의 이동에 대응하는 것을 특징으로 하는 광 위치 감지 장치.The relative rotational movement of the head arm and / or master arm is directed in the first direction such that the device is relatively insensitive to the movement of the target feature other than the movement caused by the relative rotational movement of the head arm and / or master arm. And a position corresponding to the movement of the second image. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 광검출기는 쌍-셀 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위치 감지 장치.And the photodetector comprises a pair-cell photodetector. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 광검출기는 위치-감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위치 감지 장치.And the photodetector comprises a position-sensing sensor. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 타겟 피쳐는 상기 헤드 암과 합체되는 것을 특징으로 하는 광 위치 감지 장치.And the target feature is integrated with the head arm. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 타겟 피쳐는 0.2 - 5.0 mm 범위의 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 광 위치 감지 장치.And said target feature has a radius of curvature in the range of 0.2-5.0 mm. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 입사 광 빔 및 상기 반사 광 빔은 상기 소정 방향에 수직한 평면을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 위치 감지 장치.And the incident light beam and the reflected light beam form a plane perpendicular to the predetermined direction. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 쌍-셀 검출기의 각 셀의 중앙 지점을 통해 형성된 축이 상기 헤드 암의 움직임 방향에 실질적으로 평행하고, 상기 입사 광 빔 및 상기 반사 광 빔에 의해 형성된 평면에 실질적으로 직교하는 것을 특징으로 하는 광 위치 감지 장치.An axis formed through the center point of each cell of the pair-cell detector is substantially parallel to the direction of movement of the head arm and substantially perpendicular to a plane formed by the incident light beam and the reflected light beam Optical position sensing device. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 타겟 피쳐 및 판독/기록 헤드는 상기 헤드 암의 선단에 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 광 위치 감지 장치.And said target feature and read / write head are located proximal to a tip of said head arm. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 타겟 피쳐 및 판독/기록 헤드는 상기 헤드 암의 대향 측 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 광 위치 감지 장치.And said target feature and read / write head are located on opposite sides of said head arm. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 헤드 암 및 상기 마스터 암은 공통의 회전축을 공유하는 것을 특징으로하는 광 위치 감지 장치.And the head arm and the master arm share a common axis of rotation. 이동가능한 객체의 소정 방향의 변위를 측정하는 방법에 있어서,A method for measuring displacement in a predetermined direction of a movable object, 고정 광원에 의해 입사 광 빔을 생성하는 단계;Generating an incident light beam by a fixed light source; 광원의 제1 이미지를 타겟 피쳐의 가까운 부근에 형성하기 위해, 상기 객체에 부착된 타겟 피쳐의 곡선면으로부터 상기 입사 광 빔을 반사하는 단계;Reflecting the incident light beam from a curved surface of a target feature attached to the object to form a first image of a light source near the target feature; 상기 광원의 상기 제1 이미지를 고정 광검출기 상으로 제2 이미지로서 재초점화하는 단계; 및Refocusing the first image of the light source onto a fixed photodetector as a second image; And 상기 소정 방향의 상기 객체의 변위에 대응하는 제1 방향에서의 상기 제2 이미지의 선형 변위를 상기 광검출기로 검출하는 단계Detecting a linear displacement of the second image in a first direction corresponding to the displacement of the object in the predetermined direction with the photodetector 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Method comprising a.
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FI125240B (en) * 2013-05-10 2015-07-31 Kemira Oyj Method and apparatus for detecting free fiber ends in paper

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4823170A (en) * 1985-02-22 1989-04-18 Position Orientation Systems, Ltd. Line of sight measuring system
US5144833A (en) * 1990-09-27 1992-09-08 International Business Machines Corporation Atomic force microscopy
US5319509A (en) * 1990-10-12 1994-06-07 Servo Track Writer Corporation Method and apparatus for controlling and analyzing a data storage system
US5315372A (en) * 1993-01-04 1994-05-24 Excel Precision, Inc. Non-contact servo track writing apparatus having read/head arm and reference arm

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