KR20010074741A - 각 인코더 - Google Patents

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KR20010074741A
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칼 야노스 아이젠하워
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클라우스 로우스케
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Abstract

둘러싼 하우징(5)에 고정된 회전축(8)을 중심으로 회전가능한 본체(1)를 포함하는 각 위치 센서가 개시되었다. 상기 본체(1)는 회전축에 대한 회전면을 포함하는 격자요소(2)를 가지며, 상기 회전면은 개별적인 이진 바코드의 무한한 연속의 형태로 배열설치된 고(21) 및 저(22) EMR 반사율의 영역의 의사무작위 분포를 포함하고, 상기 각 위치 센서는 또한 EMR 소스(10) 및 하우징에 대하여 고정된 EMR 감응 검출기의 어레이(9)를 가지며, 상기 EMR소스는 회전면과 입사 반사된 EMR를 수신하는 어레이를 조사하고, 회전면상의 고저 반사율의 교대하는 영역에 의한 결과로서 생기는 어레이상의 입사 EMR에 의해 패턴이 생성되고, 이 패턴은 하우징에 대한 영역의 절대 각 위치를 얻기 위해 프로세서(11)에 의해 처리되고, 하우징에 대한 회전체의 절대 각 위치의 측정치를 제공한다.

Description

각 인코더{ANGLE ENCODER}
종래, 각 위치 센서는 회전체의 회전각을 감지하기 위해 사용되었다. 종래 이런 각 위치 센서는 검출기 장치 및, 투명한 것 및 불투명한 것이 교대로 형성된 명암 바 또는 반사 바를 갖춘 성분으로 된 눈금 스케일로 구성되고, 바의 변위는 광방출, 광검출 및 광학 수단을 포함하는 검출기 장치에 의해 탐지된다.
눈금 스케일은 보통 UV, 가시광선 또는 IR광인 전자기 방사선(EMR)에 감응하는 광검출기의 하나 또는 그이상의 어레이상에 패턴을 발생하는 EMR 소스로 되는 광방출 수단에 의해 조명된다. 그런 어레이는 CCD장치, VLSI 비전 칩, 1차원 또는 2차원의 광검출기 어레이 및 측방 효과 광다이오드(보통 PSD장치 또는 위치 감응 장치로 불린다)를 포함한다. 하나 또는 그이상의 어레이의 출력은 처리되어 회전체의 각 위치의 측정치를 산정한다. 눈금 스케일은 회전체의 회전축에 대해 축상으로 또는 방사상으로 배열설치될 수 있고, 회전체의 각 위치에 관계없이 어레이의 연속 출력을 가능하게 하는 특성을 가질 수 있고, 반면 제한된 어레이 치수는 임의의 일순간에 어레이에 의해 완전한 원주면 또는 방사면으로 여겨지는 것을 허용하지 않는다.
그런 센서는 보통 스케일의 증분하는 각 위치에 기초한 신호를 제공하고, 절대 각 위치는 알려진 기준 위치로부터 카운팅함으로써 결정된다. 증분 센서의 정확도는 직각보간(quadrature interpolation)과 같은 잘 알려진 기술을 사용함으로써 실질상 향상되는 경우가 많다. 그런 직각 보간 방법에는 불변하는 바 각도 간격이 필요하다.
대안적으로, 센서는 스케일에 적용된 바코드를 사용함으로써 절대 위치에 기초한 신호를 제공한다. 이런 바코드는 바코드의 각각의 세트가 감지될 각각의 각 위치에 유일하기 때문에 보통 일정한 각도의 바 간격을 갖지 않고, 그런 절대 위치 센서는 보통 그것이 직각보간 기술을 사용할 수 없기 때문에 증분 센서에 의해 제공되는 위치 측정 정확도를 제공하지 않는다.
그러나, 높은 정확도를 갖는 절대 위치 센서가 필요하다면, 두 개의 스케일이 필요하다. 제 1스케일은 바코드의 인터로게이션에 의해 개략적인(coarse) 절대 위치를 측정하고, 제 2스케일은 정규 바 패턴의 직각보간에 의해 정밀한(fine) 상대 위치를 제공한다.
고정확도의 절대 위치 측정치를 제공하고 본 발명의 각 인코더와 가장 가깝게 관련된 종래 기술이 미국 특허 제 5,235,181호(Durana등의)에 설명되었다. 이것은 2스케일, 개략적인 절대 위치를 위한 의사무작위(pseudo-random)바코드 스케일 및 정밀한 위치를 위한 규칙적으로 간격을 이룬 스케일로 구성된 센서를 설명한다.
미국 특허 제 5,235,181호에 설명된 위치 센서는 몇 가지 고유의 결점을 갖는다. 두 스케일의 사용은 단일 어레이에 비교하여 증가된 비용의 복수의 광검출기 어레이의 사용을 필요로 한다. 또한 스케일 및 어레이는 매우 정확하게 서로에 관하여 위치될 필요가 있는데, 이것은 또한 비용을 증가시키고 센서의 최대 정확도를 제한한다. 또한, 사용중인 기계적 편향에서의 필연적인 변화 및 어셈블리 간격은 최대 정확도 가능성을 더 제한하는 두 어레이의 상대 위치의 불확실성을 야기한다.
본 발명의 본질은 모든 필요한 정보를 제공하는 단일 스케일로 개략적인 해상도 절대 위치 탐지 및 정밀한 증분 위치 감지 양쪽 모두를 제공하는데 있다. 이것은 일정한 바 피치 및 다양한 바 너비를 갖는 바코드, 대안적으로 다양한 바 피치를 갖는 바코드의 특수한 형태를 사용함으로써 얻어지는 것이 바람직하다. 이렇게, 바코드는 절대 위치 감지를 위해 필요한 이진 정보를 제공하고 또한 위치의 정밀한 해상도 보간을 가능하게 하는 정규 바 패턴을 제공한다. 또한, 센서는 광방출 수단 및 광검출 수단이 회전체의 동일한 측에 위치되고 스케일은 고저 반사율의 영역을 포함하는 반사 원리에 의거하는 것이 바람직하다.
미국 특허 제 5,235,181호에 설명된 것과 비교하여 이런 설계는 몇가지 장점을 갖는다. 첫째, 오직 하나의 스케일을 사용함에 따라 오직 하나의 광검출기 어레이가 필요하여 비용을 줄이게 된다. 둘째로, 스케일 양쪽 모두가 조합됨에 따라, 상대 스케일 오정렬로 인한 부정확도는 제거되어 더 나은 측정 정확도를 제공한다. 세째로, 두 스케일의 조합은 종래 기술에 설명된 두 스케일 및 어레이의 상대 위치에서의 변동이 제거됨에 따라, 기계적 일그러짐, 공차 또는 허용 간격에 덜 민감하게 반응하게 한다. 네째로, 반사 스케일을 사용하면 센서내의 공간 및 비용을 더절약할 수 있는 동일한 어셈블리내에 광방출 및 광검출 수단을 패키징할 수 있기 때문에 더 단순하고 더 소형으로 구성할 수 있다. 다섯째로, 투과 스케일에 비교하여 반사 스케일을 사용하는 또 다른 장점은 EMR이 스케일의 표면으로부터 반사되고, 틈을 갖는 경우와 같이 에지 스캐터링, 또는 EMR이 투과 영역내에 매개물을 통과해야하는 투명한 물질의 경우와 같이 여러 번의 내부 반사, 편향 또는 열화로 인한 다른 문제에 의해 영향받지 않는다는 것이다. 그렇지 않다면 그런 효과는 센서의 최대 해상도를 제한한다. 마지막으로, 조합된 스케일은 특히 레이저 마킹과 같은 직접 쓰기 기술을 적용하면, 두 개의 분리된 스케일보다 덜 복잡하여서 더 빠르게 그리고 저비용으로 생산할 수 있다.
본 발명은 각 위치 센서에 관한 것이고, 상세하게는 기준 마크로부터 카운팅할 필요 없이 회전체의 절대 회전각을 감지하는 센서에 관한 것이다.
도 1a는 방사상으로 돌출한 카스텔레이션 및 방사상으로 배치된 광검출기 어레이에 의해 제공된 저 반사율 및 고 반사율 영역으로 구성된 회전체를 도시하는 본 발명의 제 1실시예에 따른 각 위치 센서의 개략 단면도,
도 1b는 도 1a내에 도시된 격자요소의 부분 확대도,
도 2a는 축으로 돌출한 카스텔레이션 및 축상으로 배치된 광검출기 어레이를 사용하는 도 1a내에 도시된 것과 유사한 각 위치 센서의 개략 단면도,
도 2b는 도 2a내에 도시된 격자요소의 부분 확대도,
도 3a는 고저 반사율의 영역을 갖는 원통형 스케일 표면 및 방사상으로 배치된 광검출기 어레이로 구성된 회전체를 도시하는 본 발명의 제 2실시예에 따른 각 위치 센서의 개략 단면도,
도 3b는 도 3a내에 도시된 격자요소의 부분 확대도,
도 4a는 축상으로 배치된 광검출기 어레이와 함께 디스크 형태의 표면을 사용하는 도 3a내에 도시된 것과 유사한 각 위치 센서의 개략 단면도,
도 4b는 도 4a내에 도시된 격자요소의 부분 확대도,
도 5는 광검출기 어레이상에 입사된 패턴 및 개략적인 해상도 절대각 측정 및 정밀한 해상도 보간된 증분 측정 양쪽 모두를 제공하는 사용된 기술을 도시하는 도면, 및
도 6은 비틀림 부재에 의해 전달된 토크의 측정을 위해 제공된 센서가 비틀림 부재에 의해 결합된 두 개의 회전체를 포함하는 본 발명의 제 3실시예에 따른각 위치 센서의 개략 단면도.
본 발명은 하우징에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고 하우징에 고정된 회전축을 중심으로 회전가능하고, 부착되고 일체로 구성되는 격자요소를 갖는 적어도 하나의 본체와, 회전축에 대한 회전면을 포함하는 격자요소와, 개별적인 이진 바코드의 무한 연속하는 형태로 배열되는 고 EMR 반사율 및 저 EMR 반사율 영역의 의사무작위 분포를 포함하는 면을 포함하는 각 위치 센서로 구성되고, 또한 상기 각 위치 센서는 적어도 하나의 EMR 소스 및 적어도 하나의 EMR 감응 검출기의 어레이를 포함하고, 상기 소스는 상기 표면과 상기 표면으로부터 반사된 입사 EMR를 수신하는 상기 어레이를 조사하고, 상기 소스 및 어레이는 상기 하우징에 고정되고, 이에 의해 패턴은 격자요소의 표면상에 저 반사율과 고 반사율의 교대 영역에 의한 결과로 패턴은 상기 어레이상에 입사 EMR에 의해 생성되고, 상기 어레이상의 상기 패턴은 프로세서에 의해 처리되어 하우징에 대한 상기 영역의 절대 각 위치를 얻고, 그래서 상기 하우징에 대한 회전체의 절대 각 위치를 측정하게 된다.
일실시예에서 적어도 하나의 본체는 두개의 회전체의 각각이 격자요소를 각각 갖는 두 개의 회전체를 포함하고, 두개의 회전체는 소정의 비틀림 강도를 갖는 부재에 의해 결합되고, EMR 감응 검출기의 적어도 하나의 어레이에서 상기 격자요소의 면으로부터 반사된 입사 EMR을 수신하며, 상기 패턴 및 패턴들을 처리하여 상기 하우징에 대한 상기 격자요소의 표면상의 영역의 절대 각 위치를 얻고, 각 위치간의 차이를 더 처리하여 상기 격자요소의 상대 각변위를 얻고, 그래서 상기 부재에 의해 전달된 토크를 측정한다. EMR 감응 검출기의 적어도 하나의 어레이는 EMR 감응 검출기의 두 어레이이고, 그 각각은 각각의 격자요소와 결합되어 있다. 상기 적어도 하나의 EMR 소스는 두 개의 EMR 소스이고, 그 각각은 각각의 격자요소와 결합되어 있다.
상기 회전면은 적어도 부분적으로 원통형 또는 부분적으로 원뿔형인 것이 바람직하다.
고 EMR 반사율의 영역 또는 저 EMR 반사율의 영역중 어느 하나는 일정한 중심선 피치 및 다양한 두께를 갖는 바를 포함하는 것이 바람직하다. 다양한 두께의 바는 적어도 두 개의 별개의 두께를 갖는 바를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 바는 오직 두 개의 두께 즉, 폭이 넓은 바 및 좁은 바를 갖는 것이 바람직하다.
대안적으로, 고 EMR 반사율 영역 또는 저 EMR 반사율 영역중 어느 하나는 다양한 중심선 피치를 갖는 바를 포함하고 상기 피치들은 기본 피치의 정수배이다.다양한 중심선 피치를 갖는 바는 일정한 두께인 것이 바람직하다. 대안적으로, 상기 바는 다양한 두께를 가질 수 있다. 다양한 두께의 바는 적어도 두 개의 별개의 두께를 갖는 바를 포함하는 것이 바람직하다. 다양한 두께를 갖는 바는 오직 두 개의 두께, 즉 넓은 바 및 좁은 바를 갖는 것이 바람직하다.
어떤 실시예에서 회전면은 거기로부터 방사상으로 돌출하는 복수의 카스텔레이션을 갖는다. 고 반사율 영역은 카스텔레이션의 최대 돌출 영역에 상응하고, 저 반사율 영역은 카스텔레이션간의 덜 돌출된 영역에 각도상 정렬되는 되는 것이 바람직하다. 최대 돌출 영역은 고반사율을 분배하기 위해 매끄럽게 기계가공, 몰딩되거나 소결되거나, 페인트 또는 일정 재료로 성막되어 표면처리되고, 불연속 갭 또는 덜 돌출된 영역은 저반사율을 분배하기 위해 기계가공, 몰딩되거나 소결되거나, 페인트 및 일정 재료로 성막되어 표면처리되는 것이 바람직하다.
고 반사율의 영역은 금속피복되거나 광택이 있거나 광채색되고 저반사율의 영역은 실질상 투명하거나, 불투명하거나 거칠거나 어둡게 채색되어 반사 스케일을 형성하는 것이 바람직하다.
EMR검출기의 적어도 하나의 어레이는 표면의 내측 또는 외측에 방사상으로 위치된다.
EMR 검출기의 적어도 하나의 어레이는 1차원 또는 2차원 어레이, CCD, VLSI비전 칩 또는 측방 효과 광다이오드를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 패턴을 프로세서로 처리하여 하우징에 대한 회전체의 각속도를 얻는 것이 바람직하다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 각 위치 센서를 도시한다. 회전체(1)는 개별적인 이진 바코드의 연속의 형태로 배열된, 저 EMR 반사율 및 고 EMR 반사율의 교대 영역으로 구성된 별개의 외부 원통 면(14)을 가진 격자요소(2)를 포함한다. 격자요소(2)는 방사상으로 돌출하는 공동(4)사이에 끼워진 방사상으로 돌출하는 카스텔레이션(3)을 포함한다. 원통면(14)상의 고반사율의 영역은 회전체(1)의 회전축(8)에 관하여 카스텔레이션(3)의 최대 지름(12)의 면적에 상응하고 필요한 고반사율을 나타내기 위해 매끄럽게 기계가공, 몰딩되거나 소결되거나, 페인트 또는 일정 재료로 성막되어 표면처리된다. 원통면(14)상의 저반사율 영역은 별개의 갭 면적(13)에 상응하고 공동(4)의 존재로 인해 실질상 무반사적이고 전술된 면적(12)보다 더 작은 지름에 배치되는 최소 지름(15)의 면적을 포함하고, 저반사율을 나타내기 위해 이상적으로 기계가공, 몰딩되거나 소결되거나, 페인트 또는 일정 재료로 성막되어 표면처리된다. 회전체(1)는 하우징(5)에 둘러싸이고 베어링(6,7)내에 지지되고 회전축(8)을 중심으로 회전할 수 있다. EMR 소스(10) 및 EMR 감응 광검출기 어레이(9)는 하우징(5)내에 고정되고 배열설치되어 EMR 소스(10)는 별개의 표면(14)을 조사하는데, 이것은 EMR을 실질적으로 방사상으로 배치된 어레이(9)에 반사한다. 이렇게 패턴은 어레이(9)상에 생성되고, 이것은 프로세서(11)에 의해 처리되어 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각 위치의 측정을 제공한다. 본 명세서의 단어 "반사", "반사된" 및 "반사율"은 거울 및/또는 확산 반사에 관한 것이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 대안적인 각 위치 센서를 도시한다. 회전체(1)는 개별적인 이진 바코드의 연속 형태로 배열된, 고저 EMR반사의 교대 영역으로 구성된 별개의 방사상으로 방향지어진 플랫 디스크 면(14)을 갖는 격자요소(2)를 포함한다. 격자요소(2)는 축상으로 확장하는 공동(4) 사이에 끼워진 축상으로 돌출된 카스텔레이션(3)을 포함한다. 고반사율 영역은 회전체(1)의 회전축(8)에 관한 카스텔레이션(3)의 최대 축상 돌출(12)의 면적에 상응하고, 필요한 고반사율을 나타내기 위해 매끄럽게 기계가공되고, 몰딩되거나 소결되거나, 페인트 또는 물질 배치로 표면처리된다. 저반사율 영역은 별개의 갭 면적(13)에 상응하고, 공동(4)의 존재로 인해서 실질상 무반사적이다. 회전체(1)는 하우징(5)내에 둘러싸이고 베어링(6,7)내에 지지되고, 회전축(8)을 중심으로 회전할 수 있다. EMR 소스(10) 및 EMR 감응 광검출기 어레이(9)는 하우징(5)내에 고정되고 배열설치되어 EMR 소스(10)는 별개의 표면(14)를 조사하는데, 이것은 실질상 축상으로 배치된 어레이(9)에 EMR를 재방사한다. 이렇게 패턴은 어레이(9)상에 생성되고, 이것은 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각 위치의 측정을 제공하기 위해 프로세서(11)에 의해 처리된다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 각 위치 센서를 도시한다. 회전체(1)의 격자요소(2)는 개별적인 이진 바코드의 연속 형태로 배열된, 고저 EMR 반사율의 교대 영역으로 구성된 눈금 스케일(20)의 형태로 연속 원통면을 포함한다. 금속 코팅, 또는 다른 빛나는 또는 광채색된 물질 또는 표면 처리는 고반사율(21)의 실질상 축으로 정렬된 영역을 제공한다. 실질상 투명하거나 개략적인 또는 어둡게 채색된 물질 또는 표면처리는 저반사율(22)의, 사이에 공간이 끼워진 영역을 제공한다. 회전체(1)는 하우징(5)내에 둘려싸이고 베어링(6,7)내에 지지되고, 회전축(8)을 중심으로 회전할 수 있다. EMR 소스(10) 및 EMR 감응 광검출기 어레이(9)는 하우징(5)내에 고정되고 배열설치되어 EMR 소스(10)는 고저반사율(21,22)의 영역을 비추며 이것은 실질상 방사상으로 배치된 어레이(9)에 EMR를 재방사한다. 이렇게 패턴은 어레이(9)상에 생성되고, 이것은 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각 위치의 측정을 제공하기 위해 프로세서(11)에 의해 처리된다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 대안 각 위치 센서를 도시한다. 회전체(1)의 격자요소(2)는 개별적인 이진 바코드의 연속 형태로 배열설치된, 고저 EMR 반사율의 교대 영역으로 구성된 눈금 스케일(20)의 형태로 연속 방사상으로 방향지어진 플랫 디스크 면을 포함한다. 금속 코팅, 또는 다른 빛나는 또는 광채색된 물질 또는 표면처리는 고반사율(21)의 실질상 방사상으로 정렬된 영역을 제공한다. 실질적으로 투명하거나, 개략적인 또는 어둡게 채색된 물질 또는 표면처리는 저반사율(22)의, 사이에 공간이 끼워진 영역을 제공한다. 회전체(1)는 하우징(5)내에 둘려싸여있고 베어링(6,7)내에 지지되고 회전축(8)을 중심으로 회전할 수 있다. EMR 소스(10) 및 EMR 감응 광검출기 어레이(9)는 하우징(5)내에 고정되고 배열설치되어 EMR 소스(10)는 고 반사율 및 저 반사율(21,22)의 영역을 조사하며 이것은 실질상 축상으로 배치된 어레이(9)에 EMR를 재방사한다. 이렇게 패턴은 어레이(9)상에 생성되고, 이것은 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각 위치를 측정하기 위해 프로세서(11)에 의해 처리된다.
제 1 및 제 2실시예의 경우 양쪽 모두에서, 시간의 함수로서 회전체(1)의 절대 각 위치의 변화율을 계산하기 위해 쉽게 프로그래밍되거나 배선될 수 있어서, 하우징(5)에 관하여 회전체(1)의 절대 각속도 또한 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 따른(또한 하기에 설명된 제 3실시예에 따른) 어레이(9)상에 입사 EMR에 의해 생성된 패턴의 예를 도시한다. 개별적인 비트(30a-e)는 저반사율의 영역(13)(제 1실시예)또는 (22)(제 2실시예)으로부터 감소된 레벨의 반사에 의해 야기된 어레이(9)상의 패턴의 어두운 면적을 나타낸다. 어레이(9)는 1차원의 "선형" 어레이인데, 예를 들어 128화소 및 약 8㎜의 윈도우 길이를 갖는 Texas Instrument TSL 1410 Black & White Linear Array 칩이다. 이런 어레이가 절대 각 위치 측정 및 정밀한 해상도 증분 각 위치 측정 양쪽 모두를 제공하기 위해 채택된다. 절대 각 위치측정은 이런 경우에 단어(31)가 5비트를 포함하는, 소정의 갯수의 연속적인 비트에 의해 형성된 적어도 한 단어를 판독함으로써 수행되어 절대 각 위치 측정을 나타내는 의사무작위 시퀀스의 단어를 확인하게 한다. 그런 의사무작위 시퀀스의 배치 및 사용은 이미지 분석 기술에서 잘 알려져 있고, 절대 선형 변위 측정에 관하여 미국 특허 제 5,576,535호에 설명되어 있다. 그런 시퀀스의 한 조합의 또 다른 예는 Penguin Book, 1989에서 Ian Stewart의 "Game, Set and Math"에 Ouroborean ring으로서 설명되어 있다.
그러나, 본 발명의 이런 실시예에서 사용된 저 EMR 반사율 및 고 EMR 반사율의 영역의 배치는 어레이(9)상에 생성된 패턴이, 다른 너비 "p" 및 "q"를 갖는 일정한 중심선 피치 "a"의 비트의 시퀀스를 포함하기 때문에 다르다. 도 5는 너비"p"를 갖는 비트(30a,30d)로 표시된 이진 번호 "1" 및 너비"q"를 갖는 비트(30b,30c,30e)로 표시된 이진 번호 "0"을 갖는 5개의 비트 단어(31)를 도시한다. 이래서 완전한 단어(31)는 10010(즉 10진법으로 18)이고, 이것은 회전체(1)의 유일한 절대 각 위치를 제공하기 위해 프로세서(11)에 의해 처리된다. 중요하게는, 일정한 피치를 갖는 어레이(9)상의 패턴을 야기하는 고저 EMR 반사율의 영역의 배치는 동일한 패턴이, 그로 인한 어레이가, 정밀한 해상도 증분 각 위치의 측정을 위해 사용되도록 한다. 하나의 그런 보간 기술을 또한 도 5에 도시하였다. 어레이(9)상의 EMR 강도 패턴은 x가 각 변위를 표시하는 수평 눈금이고 P는 x의 함수인 P(x)로 표시된다.
EMR 강도 패턴이 사인 곡선이라면,
P(x) = sin[2л(x-d)/a]
여기서 a는 패턴의 피치이고,
d는 패턴의 변위이다.
패턴P(x)은 어레이(9)의 개별적인 화소에 의해 샘플링된다. Pi를 i번째 샘플이라고 하자. 그래서 n 샘플의 "패턴 벡터"는 P = [P1, P2,P3,...Pn]로 표시할 수 있다.
이제 두 가중함수가 사인 및 코사인 가중치 벡터로서 정의된다:
K1i= sin(2лi/a) 여기서 i = 1...n
K2i= cos(2лi/a) 여기서 i = 1...n
그래서 위상각 α는
α= arctan[(ΣPiK1i)/(ΣPiK2i)] 여기서 i = 1...n
로 주어진다.
결과 위상각 α는 사인 및 코사인 가중치 벡터와 관련된 패턴의 증분 변위의 측정값이고, 패턴의 한 비트의 너비보다 통계상으로 몇 배 더 정밀한 정밀한 해상도의 각 위치 측정값을 제공한다. 개략적인 해상도 절대 각 위치 측정값 및 정밀한 해상도 증분 각 위치 측정값이 조합되어 오직 하나의 검출기 어레이를 요하는 정밀한 해상도 및 기계 편향 및 오정렬에 적게 영향을 받는 절대 각 위치 검출기를 제공한다.
일정 피치를 갖는 바코드의 다른 종류의 사용은 예를 들어 이진 비트 정보가 너비보다는 차라리 바의 길이에서의 차이로서 코드화되는 경우에, 이런 "컨볼루션 알고리즘"에 따라서 유사하게 처리될 수 있다. 또한, 이진 비트 정보는 그레이스케일 코드에 의해서와 같이 재조사된 EMR의 감쇠 레벨에서의 차이로서 인코딩될 수 있다. 더욱이, 본 실시예가 일정 바 피치 및 다양한 바 너비를 갖는 바코드에 기초한 컨볼루션을 설명함에도 불구하고, 선택된 바 피칭이 "기본 피치"의 정수배이기만 하면, 알고리즘이 또한 다양한 바 피치 상황을 위해 동일하게 성공적으로 기능할 것이라는 것이 이해되어져야 한다. 예를 들어, 도 5에서 사용된 용어를 참조하여, 비트(30a-e)를 분리하는 중심선 피칭은 도 5내에 도시된 바와 같은 "a"의 일정한 피치보다 차라리 각각 "a","3a","2a" 및 "a"("a"의 기본 피치를 갖는)로서 배열된다. 실제로 "a"의 임의의 정수배는 연속적인 비트사이에 있는 중심선 피치를 위해 사용된다. 바코드의 그런 다양한 피치 포맷이 선택되는 상황에서, 바코드 인코딩은 바 너비보다 차라리 다양한 피치 간격을 통해서 얻어질 수 있고(도 5내에 비트 패턴에 의해 도시된 것과 같이), 그래서 일정한 바 너비를 사용하기 위해 이런 상황내에서 실행가능하고 여전히 개략적인 해상도 절대 각 위치 측정을 위한 만족스러운 바코드 인코딩을 얻는다.
또한 바코드의 연속이 설명된 실시예에 비교하여 역반사율을 가질수 있다는 것을 유념하여야 하는데 이것은 저반사율 배경에 놓여진 고반사율 영역이다.
또한 본 명세서에서 "고반사율" 및 "저반사율"은 선택된 특정 EMR 소스와 관련하여 폭넓게 정의된다. 예를 들어, 적색광 EMR이 사용되었다면, 반사 격자의 표면의 저 반사율 영역 및 고 반사율 영역은 적색 및 청색 표면코팅으로 각각 페인팅되는(또는 그렇지 않으면 어떤 수단에 의해 채색된다) 영역으로 구성된다.
도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 각 위치 센서를 도시한다. 각 위치센서는 소정의 비틀림 강도를 갖는 비틀림 바(23)에 의해 연결된 두 회전체(1a,1b)를 포함한다. 격자요소(2a,2b)는 각각 회전체(1a,1b)에 부착되거나 함께 구성되고 어레이(9a,9b)는 각각 표면(20a,20b)으로부터 재방사된 입사 EMR을 수신한다. 어떤 다른 실시예(도시되지 않음)에서 어레이(9a,9b)는 단일 어레이로서 조합된다. 그래서 이런 단일 어레이는 필연적으로 2D어레이가 될 것이고, 표면(20a,20b) 양쪽 모두로부터 반사된 EMR을 수신할 것이다. 유사하게, 어떤 다른 실시예(도시되지 않음)에서, EMR 소스(10a,10b)는 단일 EMR 소스로서 조합된다.
표면(20a,20b)은 도 3a과 3b내의 표면(20)과 유사한 것으로 도시되었는데, 즉 이런 표면은 원통형이고 각각은 고저 EMR 반사율의 교대 영역으로 구성된 눈금자를 포함하고, 개별적인 이진 바코드의 무한한 연속의 형태로 배열된다. "해상도의 표면"의 다른 종류는 이런 연속 원통면(20a,20b)대신에, 예를 들어 연속 플랫 디스크 면(도 4a,4b내의 표면(20)과 유사한), 불연속 원통면(도 1a,1b내의 표면(14)과 유사한), 또는 불연속 플랫 디스크 면(도 2a,2b의 표면(14)와 유사한)이 대안적으로 사용될 수 있다는 것이 고려될 것이다. 본 명세서의 본체의 "해상도의 표면"은 본체가 회전하는 회전축에 대해 동일하게 배치된 표면으로서 정의된다.
어레이(9a,9b)상의 패턴, 또는 앞서 언급한 단일 어레이상의 패턴(도시되지 않음)은 프로세서(11)로 처리되어 각각 하우징(5)에 관하여 각각의 격자요소(2a,2b)의 표면(20a,20b)상의 저 반사율 및 고 반사율(또는 다른 실시예에선 투과율)의 영역의 절대 각 위치를 얻는다. 이런 절대 각 위치간의 차이는 프로세서(11)에 의해 더욱 처리되어 격자요소(2a,2b)의 상대적인 각 변위를 얻고, 그래서 비틀림 바(23)에 의해 전달되는 토크를 측정한다.
따라서 각 위치 센서에 관한 본 제 3실시예는 하우징(5)에 관하여 두 회전체(1a,1b) 각각의 절대 각 위치(및 잠재적으로는 앞서에 설명된 바와 같이 그들의 각속도)를 측정할 뿐만 아니라 회전체(1a,1b)간에 인가된 토크(이것은 비틀림 바(23)에 의해 반응한다)를 측정한다.
본 발명의 정신 및 취지에서 벗어남 없이 수많은 변화 및 변형이 만들어진다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (21)

  1. 적어도 부분적으로 하우징에 의해 둘러싸이고, 상기 하우징에 고정된 회전축을 중심으로 회전가능하고, 상기 하우징에 부착되거나 일체로 형성되는 격자요소를 가진 본체와, 적어도 하나의 EMR 소스 및 적어도 하나의 EMR 감응 검출기의 어레이를 포함하고, 상기 격자요소는 회전축에 대한 회전면을 포함하고, 상기 회전면은 개별적인 이진 바코드의 무한한 연속의 형태로 배열된 고 EMR 반사율 및 저 반사율의 영역의 의사무작위로 분포된 영역을 포함하고, 상기 EMR 소스는 상기 회전면을 조사하고 상기 어레이는 상기 회전면으로부터 반사된 입사 EMR를 수신하고, 상기 소스 및 상기 어레이는 상기 하우징에 관하여 고정되고, 이렇게 하여 상기 격자요소의 표면상의 저 반사율 및 고 반사율의 교대 영역의 결과로 상기 어레이상의 입사 EMR에 의해 패턴이 생성되고, 상기 어레이상의 상기 패턴은 프로세서에 의해 처리되어 상기 하우징에 대한 영역의 절대 각 위치를 얻고, 그래서 상기 하우징에 관한 회전체의 절대 각 위치의 측정치를 제공하는 것을 특징으로 하는 각 위치센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 본체는 각각의 회전체가 격자요소를 갖는 두 개의 회전체와, 상기 두 회전체는 소정의 비틀림 강도를 갖는 부재에 의해 결합되며, 상기 격자요소의 표면으로부터 반사된 입사 EMR를 수신하는 적어도 하나의 EMR 감응 검출기의 어레이를 포함하고, 상기 패턴 또는 패턴들은 처리되어 상기 하우징에 대한 격자요소의 표면상의 영역의 절대 각 위치를 얻고, 절대 각 위치들간의 차이는 더욱 처리되어 상기 격자요소의 상대 각 변위를 얻고, 이에 따라 상기 부재에 의해 전달된 토크의 측정치를 제공하는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 EMR 감응 검출기의 어레이는 EMR 감응 검출기의 두 개의 어레이이고, 두 개의 어레이의 각각은 각각의 격자요소와 결합된 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 EMR 소스는 두 개의 EMR 소스이고, 각각의 EMR소스는 각각의 격자요소와 결합된 것을 특징으로하는 각 위치 센서.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 회전면이 적어도 부분적으로 원통형인 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 회전면은 적어도 부분적으로 원뿔형인 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  7. 제 1 항에 있어서, 고 EMR 반사율 영역 또는 저 EMR 반사율 영역중 어느 하나는 일정한 중심선 피치 및 다양한 두께를 갖는 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 다양한 두께를 갖는 적어도 두 개의 별개의 두께를 갖는 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 두개의 별개의 두께를 갖는 바는 오직 두 개의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  10. 제 1 항에 있어서, 고 EMR 반사율 영역 또는 저 EMR 반사율 영역중 어느 하나는 다양한 중심선 피치를 갖는 바를 포함하고 상기 피치는 기본 피치의 정수배인 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 다양한 중심선 피치를 갖는 바는 일정한 두께를 갖는 바인 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 다양한 중심선 피치를 갖는 바는 다양한 두께를 갖는 바인 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 다양한 두께를 갖는 바는 적어도 두 개의 별개의 두께를 갖는 바를 포함하는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 별개의 두께를 갖는 바는 오직 두개의 두께만을 갖는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 회전면은 이 회전면으로부터 방사상으로 돌출하는 복수의 카스텔레이션을 갖는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  16. 제 15 항에 있어서, 고 반사율 영역은 카스텔레이션의 최대 돌출 면적에 대응하고 저 반사율 영역은 카스텔레이션간의 덜 돌출한 면적과 각을 이뤄 정렬되는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 최대 돌출 면적은 고 반사율을 나타내기 위해 매끄럽게 기계가공, 몰딩 또는 소결되거나, 페인트 또는 일정재료로 성막되어 표면처리되고, 별개의 갭 면적 또는 덜 돌출된 면적은 저 반사율을 나타내기 위해 기계가공, 몰딩 또는 소결되거나, 페인트 또는 일정재료로 성막되어 표면처리되는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 고 반사율 영역은 금속피복되거나, 빛나게 또는 광채색되고, 상기 저 반사율 영역은 실질상 투명하거나, 광택이 없거나, 거칠거나 어둡게 채색되어, 반사 스케일을 형성하는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  19. 제 1 항에 있어서, EMR 검출기의 상기 적어도 하나의 어레이는 상기 표면의내측 또는 외측에 방사상으로 위치되는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  20. 제 1 항에 있어서, EMR 검출기의 상기 적어도 하나의 어레이는 1차원 또는 2차원 어레이, CCD, VLSI 비전 칩 또는 측방 효과 광다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 패턴은 또한 상기 하우징에 대한 회전체의 각속도를 얻기 위해 프로세서에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 각 위치 센서.
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