KR20070026073A - 광학식 인코더 및 상기 광학식 인코더를 이용한 장치 - Google Patents

광학식 인코더 및 상기 광학식 인코더를 이용한 장치 Download PDF

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Abstract

광학식 인코더는 원통 형상의 반사식 스케일, 상기 반사식 스케일을 조사하는 점 광원 및 상기 반사식 스케일에 의해 반사된 광속을 수광하는 수광소자를 포함한다. 상기 반사식 스케일의 피치는 해당 반사식 스케일에 의해 반사된 광속에 의해 형성된 간섭 줄무늬의 피치가 소정의 간극을 지닌 위치에서 수광소자의 피치와 일치하도록 적절한 값으로 설정되어 있다.

Description

광학식 인코더 및 상기 광학식 인코더를 이용한 장치{OPTICAL ENCODER AND APPARATUS USING OPTICAL ENCODER}
도 1은 본 발명의 제 1실시예를 설명하기 위한 사시도;
도 2A 내지 도 2C는 검출센서의 구성을 설명하기 위한 도면;
도 3A 내지 도 3D는 원통 형상의 필름으로 이루어진 반사 스케일을 설명하기 위한 도면;
도 4는 평면형상의 반사 스케일을 이용하는 광학계의 배치를 예시한 도면;
도 5는 발산 광속에 의해 형성된 간섭상을 설명하기 위한 등가 광학계의 도면;
도 6은 본 발명에 의한 광학배치를 설명하기 위한 도면;
도 7은 본 발명에 의한 광학배치의 확대도;
도 8은 광선의 광로의 모식도;
도 9는 본 발명에 의한 곡면형상의 반사 스케일을 이용한 등가광학계;
도 10은 본 발명의 제 2실시예를 설명하기 위한 도면;
도 11은 본 발명에 의한 광학 배치의 확대도;
도 12A 내지 도 12F는 본 발명에 의한 광학 배치의 편차를 설명하는 확대도;
도 13A 내지 도 13C는 본 발명의 제 3실시예를 설명하기 위한 도면;
도 14는 본 발명의 제 4실시예와 비교되는 종래 기술을 설명하기 위한 도면;
도 15는 종래 기술의 주요부의 확대로;
도 16은 본 발명의 제 4실시예에 의한 주요부의 확대도;
도 17A 및 도 17B는 종래 기술을 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 광원(LED 칩) 20: 반사식 스케일
21: 스케일 지지체 30: 수광유닛
31: 수광부 40: 검출헤드
발명의 분야
본 발명은 이동체의 변위를 검출하기 위한 장치에 관한 것이다.
상기 장치는 카메라, 디지털 비디오 카메라 및 디지털 스틸 카메라용의 교환 렌즈 등의 광학 기기에 설치되는 렌즈 경통 등의 변위검출기구로서 사용된다.
관련된 종래 기술
오늘날까지 광학식 인코더(encoder)는 카메라 렌즈의 위치검출이나, 수동식 링의 회전변위의 검출 등에 이용되어왔다.
도 17A 및 및 도 17B는 단일렌즈 리플렉스 카메라용의 교환 렌즈에 탑재된 제 1의 종래 기술에 의한 로터리 인코더(rotary encoder)의 주요 부분(V)을 예시하 고 있다. 도 17A에 표시된 중심축(Z)은 교환렌즈의 광축에 대응한다.
메인 스케일(620)은 렌즈를 직진 구동하는 캠(도시 생략)과 간접적으로 접속되어 있다. 메인 스케일(620)의 회전각도를 검출함으로써 렌즈의 직진 위치를 검출한다.
도 17B는 도 17A에 표시된 주요부(V)의 부분확대도이다. 인덱스 스케일(630)은 메인 스케일(620)에 대향하고 있다. 수광소자(604)를 포함하는 포토인터럽터와 발광소자(601)는 이들 사이에 상기 2개의 스케일이 삽입되도록 배치되어 있고, 상기 발광소자(601)와 포토인터럽터를 이용해서 메인 스케일(620)의 회전각이 검출된다.
이 종래 기술에 의하면, 인코더는 투과식이므로, 상기 2개의 스케일을 강제로 죄도록 발광소자와 수광소자를 지지하는 U자형상 각도를 지닌 유지부를 지닌다. 따라서, 광축방향에 대략 수직인 방향에서의 인코더의 크기가 커져, 인코더의 전체 크기를 감소시키는 것은 곤란하다. 게다가, 부품의 개수가 많아, 조립 작업성이 나빠진다.
다른 종래 기술에 의하면, 회전각은 원통체 상에 배치된 반사식 스케일을 이용해서 검출된다.
제 2의 종래 기술(일본국 공개특허 평5-203465호 공보)에 의하면, 원통체의 외측 혹은 내측에 검출센서가 배치되어 있다.
이 제 2의 종래 기술에 의하면, 원주 혹은 원통체에 반사스케일을 고착시켜, 반사형 센서를 검출용으로 이용하고 있다. 그러므로, 이 인코더의 소형화는 전술 한 제 1의 종래 기술보다 용이하다.
그러나, 상기 구성만으로는 충분한 분해능이 얻어질 수 없다. 또, 이들 구성요소는 평면형상의 반사스케일에 의거해서 설계되어 있으므로, 곡면형상의 반사면의 영향에 의한 광속의 편향에 의해 초래되는 광량 손실, 검출피치의 어긋남, 갭 특성 민감도 등에 대해서는 개시되어 있지 않다. 따라서, 제 2의 종래 기술만으로는 곡률반경에 의해서 출력신호특성의 오차가 발생하여, 소망의 성능은 얻어질 수 없다.
또, 제 3의 종래 기술(일본국 공개특허 소 59-061711호 공보)에 의하면, 원통의 외측에 검출 센서를 배치하여 고정밀도 검출을 목적으로 해서 검출광학계가 개량되어 있다.
그러나, 상기 제 3의 종래 기술에 의하면, 검출센서의 두께가 증대해버리는 결점이 있다.
근년, 디지털 단일렌즈 리플렉스 카메라용 교환렌즈, 디지털 비디오 카메라 및 디지털 스틸 카메라용의 교환렌즈에 탑재되어 있는 렌즈 경통 등에 대해서, 미크론 오더의 고분해능 및 고정밀도를 지닌 위치검출이 가능한 센서가 요구되어 왔다.
게다가, 카메라 크기의 소형화에 따라 검출센서의 소형화도 강하게 요구되고 있다.
본 발명은 예를 들어 원통 스케일 등의 일정한 곡률반경을 지닌 곡면형상의 반사식 스케일의 곡률반경을 고려해서, 고정밀도 및 고분해능 검출이 가능하고 또한 종래의 평면형상의 반사식 스케일에도 적용가능한 소형의 광학식 인코더를 제공한다.
본 발명에 의한 광학식 인코더는 곡률 중심이 회전축 상에 배치되고 곡률반경이 일정한 곡면형상의 반사식 스케일; 및 상기 반사식 스케일을 발산 광속으로 조사하기 위한 점 광원을 포함한다.
또, 상기 반사식 스케일과 상기 점 광원 간의 거리는 상기 반사식 스케일과 수광면 간의 거리와 거의 동등해도 된다.
또한, 상기 반사식 스케일의 피치는 상기 반사식 스케일의 곡률반경에 따라서 변경될 수 있다.
본 발명에 의하면, 고분해능에 적합한 고정밀도 신호가 얻어질 수 있다.
또, 렌즈 없이 매우 얇은 센서가 얻어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 첨부 도면을 참조한 이하의 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도 1 내지 도 16을 참조해서 단지 예로서 설명한다.
제 1실시예
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 의한 반사형 광학식 인코더의 구성을 표시한 사시도이다.
반사식 스케일(20)은 고리형상의 스케일 지지체(21)의 내주면에 양면접착테이프를 이용해서 고정되어 있다.
스케일 지지체(21)의 내부에는 반사식 스케일(20)과 대향하도록 검출헤드(40)가 배치되어 있다.
검출헤드(40)는 LED 칩으로 이루어진 광원(10), 포토 IC 칩으로 이루어진 수광유닛(30) 등의 반도체 소자를 주로 포함한다. 수광부 및 신호처리회로는 포토 IC 칩 내에 내장되어 있다.
먼저, 광원(10)으로서 기능하는 LED 칩과, 수광유닛(30)으로서 기능하는 포토 IC 칩에 대해서 설명한다.
도 2A 내지 도 2C는 검출헤드(40)를 상세히 예시하고 있다.
도 2A에는 LED 칩과 포토 IC 칩이 상세히 표시되어 있다. LED 칩은 전류협착(CCP: current-confined-path) 구조를 지닌 점 발광형이다. LED 칩의 유효발광영역(11)은 대략 70 ㎛의 지름을 지닌 원형 발광창을 지니고 있다. LED 칩은 650 ㎚의 발광파장을 지니고, 적색광을 발광한다. 포토 IC 칩은 LED 칩 밑에 배치되어 있다. 포토 IC 칩은 LED 칩에 인접하게 배치된 수광부(31)와, 해당 수광부(31) 밑에 배치된 신호처리회로부를 포함한다. 수광부(31)는 도면의 수평방향으로 왼쪽으로부터 차례로 피치(Pe)를 지닌 16개의 포토다이오드, 즉 수광소자(32a), (32b), (32c), (32d), ..., (35a), (35b), (35c), (35d)를 포함한다.
수광소자는 4개가 1세트로 그룹을 이루고 있고, 이들 수광소자 4세트가 포토 IC 칩상에 배치되어 있으며, 1세트의 수광소자 중, 2개의 수광소자는 위상이 서로 90°다른 A상과 B상을 지니는 전류를 발생하고, 나머지 2개의 수광소자는 위상이 상기 A상과 B상으로부터 180° 다른 C상과 D상을 지닌 전류를 발생한다.
도 2A를 참조하면, 소자세트(32)는 수광소자(32a), (32b), (32c) 및 (32d)를 포함하고 있다.
이것은 도 2A에 표시된 소자세트(33), (34), (35)에도 마찬가지로 적용된다.
이들 소자 세트(32), (33), (34), (35)는 피치(P)로 배치되어 있고, 이 피치를 이하 "수광소자세트의 피치(P)"라 칭한다.
이하, 이들 수광소자의 전기접속에 대해서 설명한다.
도 2A에 있어서, 참조부호에 "a"가 붙은 수광소자(32a), (33a), (34a), (35a)는 A상 그룹이라 칭하고, 이들은 서로 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 문자 "b", "c" 및 "d"가 붙은 수광소자는 각각 B상 그룹, C상 그룹 및 D상 그룹이라 칭한다.
위상이 서로 90°만큼 변위되어 있는 A, B, C 및 D 상을 지닌 출력 전류는 각각 반사식 스케일(20)이 이동함에 따라 A상, B상, C상 및 D상으로부터 얻어진다.
전류가 전류-대-전압 변환기에 의해 전압으로 변환된 후, A상과 C상 간의 차동 및 B상과 D상 간의 차동은 차동증폭기에 의해 검출되어, 위상이 90°이동된 A'상 및 B'상의 변위를 나타내는 출력신호가 얻어진다.
이하, 제 1실시예에 있어서의 수광소자의 배치의 구체적인 수치를 설명한다.
수광부의 최소단위인 수광소자(32a), (32b), (32c), (32d), ..., (35a), (35b), (35c), (35d)는 피치(Pe)로 배치되어 있다. 구체적으로는 16개의 수광소 자는 64 ㎛의 피치(Pe)로 배치되어있다.
게다가, 소자 세트(32),(33), (34) 및 (35)는 64 ㎛의 피치(Pe)보다 4배 큰 256 ㎛의 피치(P)로 배치되어 있다.
수광소자 세트의 피치(P)는 검출헤드의 기본검출피치라고도 칭한다.
도 2B 및 도 2C는 상기 반도체 소자가 밀봉되어 있는 패키지를 예시하고 있다. 도 2B에서는, 광원(10)의 발광 영역(11)으로부터 수광유닛(30)으로 광이 직접 입사하는 것을 방지하기 위한 차광벽(48)이 도시되어 있다. 도 2C는 검출헤드와 반사식 스케일의 단면을 광속의 광로를 간단화해서 나타내고 있다. 검출헤드(40)는, 광원(10) 및 수광유닛(30) 외에, 배선기판(44), 광원(10)과 수광유닛(30)을 덮는 반투명의 밀봉수지층(45) 및 상기 밀봉 수지층(45) 상에 배치된 투명 유리층(46)을 포함한다.
다음에, 반사식 스케일에 대해 도 3A 내지 도 3D를 참조해서 설명한다.
본 실시예에 있어서는 도 3B에 표시된 평면형상의 반사식 스케일이 도 3A에 표시된 바와 같이 양면접착 테이프(도시생략)를 이용해서 고리형상 스케일 지지체(21)의 내주면에 접착되어 있다.
반사식 스케일(20)은 도 3C에 표시한 바와 같이 패턴형성 시트(23)와 반사층 시트(24)를 포함한다.
패턴형성 시트(23)는 예를 들어 공업용 사진제판 프로세스에 이용되는 투명한 PET 필름으로 이루어져 있다. 이 필름은 두께가 대략 0.1 내지 0.2 ㎜이고, 필요에 따라 필름의 유제층의 노광 및 현상 공정을 통해 패턴형성되어 있다.
패턴형성 시트(23)는 기재부(23a) 및 기재부(23a) 상에 배치된 패턴층을 포함한다. 상기 패턴층은 광을 흡수하는 비반사부(23b)와 광을 투과시키는 투과부(23c)를 지니고, 상기 비반사부(23b)와 투과부(23c)는 교대로 배치되어 있다.
한편, 반사층 시트(24)는 기재로서의 PET 필름으로 이루어진 제 1반사층(24a)과, 상기 제 1반사층(24a)의 하부면에 배치된 증착막으로 이루어진 제 2반사층(24b)을 포함한다.
도 3D에 표시된 바와 같이, 반사식 스케일(20)은 패턴형성 시트(23)와 반사층 시트(24)를 투명한 접착제로 이루어진 접착층(25)을 이용해서 접착함으로써 형성되어 있다.
반사식 스케일(20)은 두께가 대략 0.2 ㎜이고 가요성이다. 따라서, 도 3A에 표시된 바와 같이 원통의 내주면에 부착되도록 도 3B에 표시된 바와 같이 원래 길이가 긴 판인 반사식 스케일(20)을 만곡시킬 수 있다.
[평면형상의 반사식 스케일을 이용한 검출 원리]
다음에, 본 발명에 의한 평면형상의 반사식 스케일 및 검출센서를 이용한 검출원리에 대해 설명한다.
이하, 평면형상의 반사식 스케일이 발산 광속에 의해 조사된 경우의 광학적 작용에 대해서 도 4를 참조해서 설명한다.
도 4는 반사식 인코더의 구성을 예시한 것이다.
여기서, 반사식 스케일(20)은 평판형상(즉, 평면형상)으로 되도록 배치되어 있다. 평면형상의 반사식 스케일(20)은 광원(10)으로부터 발광된 발산 광속에 의해 조사되고, 간섭 줄무늬(interference fringes)는 반사식 스케일(20)로부터 반사된 회절광속에 의해 수광유닛(30)의 수광부(31) 상에 형성된다.
수광부(31) 및 반사식 스케일(20)은 서로 간극(G)을 두고 떨어져 있다. 평면형상의 반사식 스케일이 이용될 경우, 수광부(31) 상에 형성된 간섭 줄무늬의 피치(Pf)는 정확히 반사식 스케일(20)의 피치(Ps)의 2배이다(Pf = 2 × Ps).
이것은 도 4에 표시된 구성과 등가인 광학계를 나타낸 도 5를 참조해서 설명한다.
도 5에 있어서, 반사식 스케일(20), 수광부(31) 및 광원(10)은 각각 축(X0), (X2) 및 (X1) 상에 배치되어 있다. 광원(10)의 발광 영역(11)은 점(L0)상에 배치되어 있다.
도 5에 있어서의 거리 X0-X2 및 X0-X1은 반사식 스케일(20)과 수광부(31) 간의 간극(G)에 상당한다.
광원의 점(L0)으로부터 출사된 발산 광속은 축(X0) 상에 배치된 반사식 스케일(20)상에 입사한다. 회절 격자면으로부터 회절된 광속이 도면에 도시되어 있다.
점(L0)으로부터 출사되어 반사식 스케일의 표면상의 원점(0,0)에 도달한 광속은 회절각 θ1로 회절되어 수광부(31)에 입사한다.
진행방향과 반대 방향으로 연장된 회절광속과, 원점(0,0) 및 반경(G)을 지닌 원과의 교점은 점(L+1)으로 규정된다.
이때, 회절광속은 마치 광원이 점(L+1)에 배치된 것처럼 파면을 형성한다.
따라서, 각 차수의 회절광속이 대응하는 차수에 따라 반경(G)을 지닌 원의 원주상에 분포된 이들 가상 광원점(L+1), (L-1),...으로부터 방출되고, 간섭상이 상기 가상 광원점으로부터 방출된 발산 광속과 중첩됨으로써 형성되는 것으로 가정해서, 간섭상의 강도분포를 계산할 수 있다.
이 경우, 수광부의 표면상에 투사된 간섭 줄무늬의 강도분포는 도 5에 표시된 기하관계로부터 얻어질 수 있다. 즉, 반사식 스케일의 피치(Ps)에 대한 간섭 줄무늬의 피치(Pf)의 비 β는 Pf/Ps = (z+z)/z = 2로 된다. 따라서, 간섭 줄무늬의 피치(Pf)는 반사식 스케일(20)의 피치(Ps)의 2배이다.
[곡면형상의 반사식 스케일을 이용한 검출 원리]
다음에, 본 발명이 적용되는 곡면형상의 반사식 스케일의 검출 원리를 설명한다.
도 6은 본 실시예의 구성에 따라 배치된 고정 원통 형상의 반사식 스케일(20), 광원(10) 및 수광유닛(30)을 나타내고 있다. 단, 스케일 지지체(21) 및 검출헤드에 있어서의 주요부 이외의 구성요소는 생략되어 있다.
도 6에 있어서, 반사식 스케일(20)의 중심은 회전축(Y0) 상에 설정되고, 이 회전축(Y0)을 중심으로 한 반사식 스케일의 회전변위는 검출헤드(40)(도시생략)에 의해 검출된다.
여기서, 원통 형상의 반사식 스케일과 그 중심, 즉 반경 간의 거리는 R로서 정의한다. 도 7은 도 6에 표시된 주요부분의 확대도이다.
이하, 도 7을 참조해서, 광원(10), 수광유닛(30) 및 반사식 스케일(20)의 배치에 대해 설명한다.
좌표계(x1, y1, z1)는 광원(10)의 발광영역(11)의 중심에 원점(0,0,0)을 지닌다.
도 6에 표시한 원통 형상 반사식 스케일(20)의 중심 축(Y0)과 광원의 발광중심, 즉, 좌표계의 원점을 연결함으로써 형성된 선을 축 Z1이라 정의하고, 회전축(Y0)에 평행한 축을 축 Y1이라 정의한다.
회전변위 검출의 접선방향은 축 X1이라 정의한다. 그리고, 반사식 스케일(20)의 각 격자조는 회전축 Y0 에 평행하게 되어있다.
또, 광원(10)의 발광면과 반사식 스케일(20)의 실질적인 반사면위치 간의 축(Y0)으로부터 떨어진 거리(R)는 간극(G)이라 칭한다.
16개의 수광소자는 축(Y1)에 대해서 대칭으로 8개씩 2개의 그룹으로 배치되어 있다. 수광소자의 중심과 수광부의 중심 간의 거리를 Ds라 하면, 수광부의 중 심좌표는 (0,-Ds, 0)으로 표현된다.
또한, 반사식 스케일(20) 상의 반사 위치에서의 좌표는 (x, y, G)로 표현될 수 있다.
상기 위치관계에 있어서, 피치(Pf)의 절반인 피치(Ps)를 지닌 원통 형상 반사식 스케일을 이용한다. 광원(10)의 발광영역(11)으로부터 사출된 발산 광속은 발산 파면을 유지한 채로 반사식 스케일(20) 상에 입사하고, 반사된 파의 일부는 수광유닛(30)에 도달한다.
수광소자 세트의 피치(P)의 절반을 지닌 반사식 스케일이 오목면 형상으로 사용될 경우, 수광소자의 피치(P)보다 작은 주기를 지닌 간섭 줄무늬가 수광면 상에 형성된다.
구체적으로는, 수광소자의 피치(P)는 본 실시예에서 256㎛이다.
반사식 스케일(20)이 평면형상으로 사용될 경우 적절한 값인 128㎛의 피치(Ps)를 지닌 반사식 스케일(20)이 도 1에 표시한 바와 같이 원통 형상으로 만곡되어 있을 경우, 주기 256 ㎛보다 작은 주기를 지닌 광의 강도 분포가 수광부의 표면에 형성된다.
도 8은 원통 형상 반사식 스케일의 절반만을 포함하는 축(Y0) 위에서부터 본 모식도이다.
이 도면에서, 반사식 스케일의 피치(Ps)는, 광원으로부터 사출되고 반사식 스케일에 의해 반사된 후 수광면상에 투사된 광속에 의해 형성된 간섭 줄무늬의 피 치(Pf)가 수광소자의 피치(P)와 동일한 값으로 되도록 변경된다.
간섭 줄무늬의 피치(Pf)는 수광부의 표면상에 수광소자의 피치(P)와 일정하게 일치되지 않을 수 있다. 그러나, 수광면 상의 수광소자의 피치(P)에 간섭 줄무늬의 피치(Pf)를 평균적으로 일치시킴으로써 실용상 충분히 가치가 있는 특징을 얻을 수 있다.
이하, 도 5에 표시된 발산 광속의 등가 광학계의 경우에서와 마찬가지로 도 9에 표시된 등가 광학계를 참조해서, 곡면형상의 반사식 스케일로부터의 반사된 회절광속에 의해 형성된 간섭 줄무늬의 피치에 대해 설명한다.
광원으로부터 사출된 발산 광속의 파면은 반사식 스케일의 곡면으로부터의 반사에 의해 변경된다.
이 경우, 발산 파면의 확대는 오목형상의 원통면의 영향에 의해 규제된다.
따라서, 오목형상의 원통면에 의한 파면변경의 결과, 반사식 스케일(20)로부터 수광면으로 회절된 광속의 가상 광원점은 가상 광원점(L0), (L+1), (L-1), ...으로부터 도 9에 표시한 바와 같이 반사식 스케일 상의 원점(0,0)으로부터 거리(z') 만큼 떨어진 위치(L0'), (L+1'), (L-1'), ...로 이동한 것으로 여겨진다.
그 결과, 반사식 스케일의 회절면과 가상 광원점(L0'), (L+1'), (L-1'), ...간의 거리는 반사식 스케일의 회절면과 수광부 간의 거리(z)를 변화시키지 않은 채 (z')로 변경되고, 수광부의 면에 대응하는 축(X2) 상의 간섭상의 피치(Pf)가 변화된다.
반사식 스케일이 평면형상인 경우, 광원점과 반사식 스케일 간의 거리는 반사식 스케일과 수광면 간의 거리와 동일하다. 따라서, 반사식 스케일(20)의 피치(Ps)는 간섭 줄무늬의 피치(Pf)의 절반과 동일하다.
즉, 평면형상의 반사식 스케일이 사용될 경우 비 β는 Pf/Ps = (z+z)/z = 2로 표현된다. 그러나, 본 실시예에 의한 비 β는 Pf/Ps = (z'+z')/z'로 표현되므로, 간섭 줄무늬의 피치(Pf)는 반사식 스케일의 피치(Ps)의 2배는 아니다.
또, 반사식 스케일이 원통 형상의 반사식 스케일 지지체의 외부면 상에 배치되고, 검출헤드(40)가 상기 스케일의 반사면과 대향하도록 배치된 경우, 즉, 원통면이 볼록형상인 경우, 파면은 역으로 변경된다.
이때, 가상 광원점은 반사식 스케일 상의 원점(0,0)으로부터 도 9에 표시된 거리(z")만큼 떨어진 위치(L0"), (L+1"), (L-1"), ...로 이동되고, 비 β는 2보다 크게 된다.
따라서, 수광면 상에 형성된 간섭 줄무늬의 피치(pf)는 수광소자의 피치(P)와 평균적으로 일치될 것이 요구된다. 따라서, 반사식 스케일의 피치(Ps)는 간섭 줄무늬의 피치(Pf)가 수광소자의 피치(P)와 일치되도록 변화된다.
구체적으로, 이하, 수광소자가 피치(P)로 정렬되어 있는 센서가 원통 형상의 반사식 스케일(20) 내부에 배치된 검출헤드(40)에 적용된 경우의 반사식 스케일의 보정된 피치의 산출에 대해서 설명한다.
수광면 상의 간섭 줄무늬의 소망의 피치(Pf)를 산출하기 위해서 최단광로의 원리(Fermat의 원리)를 이용한다.
광원(10)과 반사식 스케일(20) 간의 광로길이(L1)와 반사식 스케일(20)과 수광부(31)의 중심간의 광로길이(L2)의 합계(하기 식 [1]로 표시됨)가 최소인 반사식 스케일의 면상의 좌표점(x,y,G)을 구한다. 원통 형상의 반사식 스케일의 피치(Ps)는 x좌표로부터 결정된다.
식 [1]
Figure 112006062104115-PAT00001
식 중,
R: 원통 형상의 반사식 스케일의 반경
G: 광원과 반사식 스케일 간의 거리
Ds: 발광부의 중심과 수광부의 중심 간의 거리
P: 검출헤드의 기본검출피치, 즉, 수광소자 세트의 피치.
이때 산출되는 보정 피치는 광축 근방에서 성립되지만, 광축으로부터 떨어진 위치에서는 작은 변위가 관찰된다.
따라서, 간섭 줄무늬의 피치(Pf)가 수광부의 면상에서 평균적으로 수광소자의 피치에 합치되도록 반사식 스케일의 피치는 변경된다.
이상 설명한 바와 같이, 원통 형상의 반사식 스케일이 이용될 경우에는, 반사식 스케일의 최적 피치(Ps)는, 반사식 스케일과 센서 간의 간극(G), 검출헤드의 기본검출피치(P)(수광소자의 피치(P)) 및 광원과 수광부 간의 거리(Ds)를 조정함으 로써 결정될 수 있다.
이 스케일 피치 보정의 결과, 반사식 스케일이 원통 형상일 경우에도 평면형상의 반사식 스케일과 거의 마찬가지로 고정밀도의 위치검출을 수행할 수 있다.
제 2실시예
여기서는 제 1실시예에 의한 구성을 오목형으로 칭한다.
본 제 2실시예에서는 오목형의 원통형상 반사식 스케일(20)의 반경(R)과 간극(G) 간의 관계에 대해 그 변형예를 참조해서 설명한다.
도 12A 내지 도 12F는 6가지 경우의 오목형의 광로를 예시하고 있다. 반사식 스케일의 피치(Ps)의 크기는 반경(R)을 지닌 원호(일점 쇄선으로 표시함)상에 실선으로 모식적으로 표시되어 있다.
1. 도 12A에 있어서, 간극(G)은 비교적 작다.
2. 도 12B에 있어서, 간극(G)은 반경(R)의 절반과 동일하고, 이때, 반사식 스케일의 피치(Ps)는 수광소자의 피치(P)와 거의 동일하다(P = Ps).
3. 도 12C에 있어서, 반사식 스케일의 피치(Ps)는 도 12B에 표시된 것보다 크고, 반사식 스케일의 분해능은 로터리 인코더로서 낮게 된다. 따라서, 이 상태에서의 반사식 스케일의 이용가치는 낮다.
4. 도 12D에 있어서, 광속은 수광면의 일부에 집광되고, 간섭 줄무늬는 형성되지 않는다.
5. 도 12E에 있어서, 줄무늬의 이동방향은 변화되고, 그 결과, 신호의 A'상 과 B'상이 반전된다.
6. 도 12F에 있어서, 반사식 스케일의 피치는 도 12A에 표시된 것과 거의 동일하고, 간섭 줄무늬의 이동방향은 반전된다.
제 3실시예
이하, 제 3실시예에 대해 설명한다.
도 10 및 도 11은 원통의 외면상에 배치된 반사식 스케일(20)과 해당 스케일의 반사면과 대향한 검출헤드(40)를 나타내고 있다.
제 1실시예와 제 3실시예와의 차이는 검출헤드(40)가 원통 형상의 반사식 스케일의 내부 혹은 외부에 배치되어 있는 점만 다르므로, 상세한 설명은 생략한다.
여기서, 본 제 3실시예에 의한 구성은 제 1실시예에 의한 오목형과는 반대로 볼록형이라 칭한다.
이 볼록형의 반사식 스케일(20)의 피치(Ps)는 작은 값으로 보정된다. 따라서, 수광소자의 피치(P)와 반경(R)이 제 1실시예의 것과 마찬가지인 경우, 볼록형의 분해능은 제 1실시예에 의한 오목형의 것에 비해서 실질적으로 증가할 수 있다.
도 13A 내지 도 13C에 표시한 바와 같이, 원통 형상의 반사식 스케일의 반경이 일정할 경우, 회전검출의 분해능은 검출헤드와 반사식 스케일 간의 거리(간극(G))를 증가시키고, 또한, 반사식 스케일의 보정 피치(Ps)를 적절하게 결정함으로써 증가시킬 수 있다. 반사식 스케일의 피치는 도 13A 내지 도 13C의 순서로 간극(G)이 증가함에 따라 감소시킬 필요가 있고, 그 결과, 회전각의 검출분해능이 향상된다.
일반적으로, 검출센서는 단지 특정 검출피치를 검출할 수 있다.
즉, 검출센서에 의해 검출된 피치는 수광소자의 피치(P)에 의해 결정되고, 상기 검출센서는 수광부의 표면상에 투사된 간섭 줄무늬(주기강도를 지닌 광강도분포)의 기본파의 공간주파수를 판독한다.
각종 분해능을 뒷받침하기 위해서, 검출센서에 대해 몇가지 대책을 이용가능하다.
1. 수광소자의 피치(P)는 검출될 피치에 합치되도록 변경한다.
2. 최근, 수광소자는 증폭회로, 디지털화 회로 및 전기분할회로 등의 전자회로를 함께 일체화한 소위 포토 IC 칩으로서 구성되어 있다. 각종 분해능을 뒷받침하기 위해, 전기분할회로의 분할수는 변경된다.
3. 로터리 인코더는 그의 반사식 스케일의 지름을 변경함으로써 회전당 분해능을 변경할 수 있다. 따라서, 반사식 스케일의 지름은 각종 분해능을 지지하기 위해 변경된다.
본 발명의 제 2 및 제 3 실시예에 의하면, 분해능은 원통체의 지름을 변경하는 일없이 반사식 스케일의 피치(Ps)를 변경함으로써 변경될 수 있다. 이러한 새로운 대책은 임의의 분해능을 뒷받침하는 데 유효하다.
센서가 원통체의 내부에 배치된 경우 제 2실시예에서와 마찬가지로, 검출피치는 평면형상의 반사식 스케일을 이용한 경우에 비해서 증가될 수 있다.
센서가 원통체의 외부에 배치된 경우의 본 제 3실시예에 있어서는 분해능이 증가될 수 있다.
예를 들어, 지름이 10 ㎜인 원통형상의 반사식 스케일을 이용하는 분해능은 4배로 증가될 수 있다. 이 경우, 간극은 증가시킬 필요가 있다. 광속이 발산될 경우에도 그 주광선의 근방에서의 에너지를 집속시키는 반도체 레이저(표면발광 레이저) 등은 유효 광원으로서 이용된다.
제 4실시예
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 제 4실시예에 의한 렌즈경통에 설치된 센서 및 반사식 스케일에 대해 설명한다.
도 14는 종래 기술의 렌즈경통의 단면도이다.
도 15는 도 14에 표시된 렌즈경통에 내장된 구동력 발생유닛(535)의 단면도이고, 도 16은 본 발명에 의한 센서 및 반사식 스케일을 포함하는 구동력발생유닛(535)의 단면도이다.
도 14는 렌즈경통의 외부 원통(501), 상기 외부 원통(501)의 내부에 배치되고 장착대에 나사를 이용해서 고정된 고정 원통(502) 및 구동력발생유닛(535)의 프레임 혹은 기본판으로서 기능하는 고정 원통(503), (504)을 예시하고 있다.
고정 원통(504)은 고정 원통(503)에 나사를 이용해서 고정되고, 고정 원통(503)은 고정 원통(502)에 나사를 이용해서 고정되어 있다.
고정 원통(505)은 외부 원통(501)의 전방 위치에 배치되고, 고정 원통(503), (504)에 나사를 이용해서 고정되어 있다. 고정 원통(505)은 캠이 형성되어 있는 외부 원통부분(505a)과, 고정 원통(503), (504) 내부에 위치된 내부 원통부분(505b)을 포함한다.
수동 조작 링(506)은, 렌즈의 중심축, 즉 광축(Z)을 중심으로 회전가능하도록, 고정 원통(505)의 외부 원통부분(505a)의 외부 원주면에 원주방향으로 형성된 홈(캠) 속에, 그리고 외부 원통(501)의 외주면에 원주방향으로 형성된 홈 속에 끼워맞춤된다.
또 광축방향으로 이동가능한 수동 조작 링(506)은, 해당 수동 조작 링(506)이 광축방향으로 이동한 경우 외부 원통(501)의 발톱형상부(501a)와 수동 조작 링(506)의 내주면에 형성된 홈(506a)을 이용해서 촉각감각을 생성시키고, 상기 발톱형상부(501a)와 홈부(506b)를 이용해서 광축방향으로 이동시킨 후의 그 위치에 유지된다.
고정 원통(503)의 외주면 상에는, 도 15에 표시된 바와 같이, 진동파 모터(533)의 구성부품(512) 내지 (519), 상기 진동파 모터(533)의 회전자(518)와 일체적으로 연동해서 회전하는 회전가능한 원통(520), 상기 회전가능한 원통(520)과 접촉하는 모터 베어링 겸 출력부재로서 기능하는 롤러 링(534) 및 수동 조작 링(506)에 토크를 입력시키는 수동 입력 링(523)이 배치되어 있다.
종래 기술에 의한 광학식 인코더의 메인 스케일(펄스 플레이트)(524)은 롤러 링(534)에 접속되어 있다.
도 15에 있어서, 포토인터럽터(525)는 펄스판(524)의 각도 위치에 따른 신호를 렌즈 CPU에 출력한다. 렌즈 홀더(532)의 구동 키(530)는 나사를 이용해서 링(522)에 고정되어 있다.
구동 키(530)는 고정 원통(530)에 형성된 구멍(503a) 속에 끼워 맞추어지고, 렌즈 홀더(532)에 고정된 롤러(529)(도시생략)는 구동 키(530)에 형성된 홈 속에 끼워 맞추어져 있다.
다음에, 본 실시예에 의한 상기 구성을 지닌 렌즈 경통의 동작을 설명한다.
먼저, 렌즈 경통의 조작자가 렌즈홀더(532)를 진동파 모터(533)를 이용해서 구동할 경우, 오토포커싱용의 포커싱 스위치(도시생략)를 조작하거나 수동 조작 링(506)을 회전시킨다.
포커싱 스위치를 조작한 경우, 제어회로(도시생략)가 구동되어서 전왜소자(electrostrictive element)(515)에 전압이 인가된다.
그 결과, 원주방향으로 진행하는 진동이 고정자(516)에 생겨, 해당 고정자(516)의 진동에 의해서 상기 회전자(518), 고무 링(519) 및 회전가능한 원통(520)을 광축(z)을 중심으로 해서 회전시킨다.
이들 구성부품의 회전에 응해서, 중공 롤러(521)는 회전가능한 원통(520)으로부터 토크를 받는다. 그러나, 상기 수동 입력 링(523)은 마찰 링(526)의 마찰에 의해 회전하지 않는다. 따라서, 중공 롤러(521)는 롤러지지축(522a) 둘레를 회전하면서 상기 수동 입력 링(523)의 단부면을 따라서 회동한다.
링(522)은 롤러 지지축(522a)을 통해 광축(Z)을 중심으로 해서 회전된다.
렌즈 홀더(532)는 상기 구동 키(530)에 의해서 광축(Z)을 중심으로 해서 회전하면서 캠이 형성되어 있는 외주부분(505a)을 따라 광축방향으로 이동한다. 이 방법에 의해 포커스는 자동으로 조절된다.
이하, 도 15에 표시된 원으로 둘러싸인 부분(VE)에 종래의 투과식 인코더의 구성을 설명한다.
포토인터럽터(525)와 펄스 판(524)은 도면에 도시한 바와 같이 배치되어 펄스판(524)의 회전각도를 검출하고 있다.
U자형상 각도를 지닌 포토인터럽터(525)가 렌즈 경통의 내측으로부터 삽입되도록 되어 있으므로, 포토인터럽터(525)의 조립작업성이 나쁘다.
게다가, 포토인터럽터(525)의 광축(Z) 방향의 치수가 크므로, 배치의 유연성이 낮다. 따라서, 도 15에 표시된 바와 같이 구동력발생유닛(535)에는 광축방향으로 이 인코더를 수납시킬 수 없다.
인코더가 도 15에 있어서 원으로 둘러싸인 부분(VF)의 고정 원통(503)과 회전자(518) 사이의 공간에 배치되어 있는 경우, 렌즈 경통의 광축방향의 치수는 상당히 줄일 수 있다.
축소되는 길이(L)는 도 16에 표시되어 있다.
도 16은 원으로 둘러싸인 부분(VF)(도 15에 표시된 원으로 둘러싸인 부분에 상당함)에 설치된 본 발명에 의한 센서 및 반사식 스케일을 표시하고 있다.
검출센서(540) 및 반사식 스케일(541)은 도 16에 있어서 원으로 둘러싸인 부분(VF)에 표시된 바와 같이 배치되어 있다.
필름으로 이루어진 반사식 스케일(541)은 롤러 링(534)의 내측면에 양면 접착테이프를 이용해서 고정되어 있다. 반사식 스케일의 두께는 대략 0.3 ㎜이다.
한편, 가요성 기판상에 실장된 검출센서(540)는 고정 원통(503)의 일부가 절삭되어 있는 위치에 배치되어 있다.
검출센서의 두께는 대략 1.56 ㎜이고, 반사식 스케일(541)과 검출센서(540) 간의 간극은 대략 0.85 ㎜이다.
센서 탑재부의 반경방향의 총 두께는 0.3+1.56+0.85 = 2.71 ㎜로, 5 ㎜의 반경방향의 치수와 동등 혹은 그 이하이다.
본 실시예에 있어서, 검출센서(540)의 기본검출피치(수광소자의 피치(P))는 128 ㎛이다.
반사식 스케일(541)은 지름 60.9 ㎜인 롤러 링(534)의 내측면의 일부에 접착되어 있다.
광원과 반사식 스케일 간의 광로길이(L1)와 반사식 스케일과 수광면 간의 광로길이(L2)의 합계가 최소로 되는 반사점의 좌표(x,y)는 본 발명에 의한 상술한 식 [1]을 이용해서 구한다. 필름으로 이루어진 반사식 스케일 상의 실질적인 두께 방향의 반사 위치, 필름의 광학적 두께, 검출센서의 광로 길이 등은 고려할 필요가 있다.
검출센서가 원통의 내부에 배치되어 있는 조건하에서, 설계 간극을 고려해서 반사식 스케일의 보정 피치는 134 ㎛로 결정된다.
렌즈 내에서 주기 134 ㎛를 지닌 아날로그 신호는 전기적으로 32 분할되어, 최종적으로 134/32 ≒ 4.2 ㎛의 분해능이 얻어진다.
이상 본 발명에 의하면, 초소형의 반사식 검출센서와 필름으로 이루어진 반사식 스케일을 좁은 공간에 설치할 수 있으므로, 초소형이고 또한 고분해능화 ·고정밀도의 광학식 인코더가 실현될 수 있다.
이상, 본 발명은 예시적인 실시예를 참조해서 설명하였으나, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예로 한정되지 않는 것임을 이해할 필요가 있다. 이하의 특허청구범위는 모든 변형예, 등가의 구성 및 기능을 망라하도록 최광의의 해석에 따를 것이다.

Claims (8)

  1. 소정 피치를 가진 줄무늬 패턴을 지닌 곡면형상의 반사식 스케일;
    상기 반사식 스케일을 발산 광속으로 조사하는 광원; 및
    소정의 피치로 배치되고 상기 반사식 스케일에 의해 반사된 광속을 수광하는 복수의 수광소자를 포함하고,
    상기 반사식 스케일과 상기 광원 간의 거리는 상기 반사식 스케일과 상기 수광소자의 수광면 간의 거리와 실질적으로 동등한 것을 특징으로 하는 광학식 인코더.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반사식 스케일의 피치는 해당 반사식 스케일의 곡률반경에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 광학식 인코더.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 반사식 스케일의 곡률 중심은 상기 광원 및 상기 수광소자와 동일한 쪽에 놓여 있을 때는, 상기 수광소자의 피치(P)와 상기 반사식 스케일의 피치(Ps)는 이하의 관계:
    P < 2 × Ps
    를 지니는 것을 특징으로 하는 광학식 인코더.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 반사식 스케일의 곡률 중심은 상기 광원 및 상기 수 광소자의 반대쪽에 놓여 있을 때는, 상기 수광소자의 피치(P)와 상기 반사식 스케일의 피치(Ps)는 이하의 관계:
    P > 2 × Ps
    를 지니는 것을 특징으로 하는 광학식 인코더.
  5. 소정 피치를 가진 줄무늬 패턴을 지닌 곡면형상의 반사식 스케일;
    상기 반사식 스케일을 발산 광속으로 조사하는 광원; 및
    소정의 피치로 배치되고 상기 반사식 스케일에 의해 반사된 광속을 수광하는 복수의 수광소자를 포함하고,
    상기 반사식 스케일의 피치는 이하의 식 f[x,y]의 값이 최소로 되는 x 좌표에 의거해서 설정되는 것을 특징으로 하는 광학식 로터리 인코더:
    Figure 112006062104115-PAT00002
    (식 중,
    x, y, z: 반사식 스케일의 반사면 상의 좌표;
    R: 반사식 스케일의 반경;
    G: 광원과 반사식 스케일의 반사면 간의 거리;
    Ds: 발광부의 중심과 수광부의 중심 간의 거리; 및
    P: 수광소자의 피치임).
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 반사식 스케일은 가요성 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 인코더.
  7. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 광원은 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 인코더.
  8. 제 1항 또는 제 5항에 의한 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 기기.
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