KR20070031241A

KR20070031241A - 반사형 광 인코더

Info

Publication number: KR20070031241A
Application number: KR1020060088584A
Authority: KR
Inventors: 분 키아트 탄; 켕 힌 토; 수산 헌터
Original assignee: 아바고 테크놀로지스 이씨비유 아이피 (싱가포르) 피티이 리미티드
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2007-03-19

Abstract

본 발명의 일 실시예에서, 광 인코더는 코드 부재(code member)와 광원, 및 검파기 어레이를 포함한다. 코드 부재는 복수의 반사기들을 구비하며, 광원은 적어도 하나의 반사기를 포함하는 코드 부재의 영역을 조명하도록 위치된다. 검파기 어레이는 적어도 하나의 검파기 세트를 포함하며, 이 검파기 세트 각각은 복수의 검파기 소자를 포함한다. 코드 부재와 검파기 어레이는 이동 방향을 따라서 서로에 대해 이동 가능하며, 코드 부재가 검파기 어레이에 대하여 이동함에 따라서 코드 부재 상의 반사기들은 광원에 의하여 방출된 광을 반사시켜, 상기 검파기 어레이를 가로질러 이동하는 원형 또는 타원형 광 스폿들을 발생시킨다.

Description

반사형 광 인코더{REFLECTIVE OPTICAL ENCODER}

도 1은 제 1실시예의 광 인코더의 투시도로서, 여기에서 상기 인코더는 단일 검파기 세트를 포함하는 검파기 어레이를 갖는다.

도 2는 도 1의 광 인코더와 함께 사용될 수 있는 코드 스트립(code strip)의 평면도이다.

도 3은 도 1의 광 인코더와 함께 사용될 수 있는 코드 휠(code wheel)의 평면도이다.

도 4는 도 1에 도시된 검파기 어레이를 개략적으로 나타낸 것으로, 어떻게 어레이의 개별 검파기 소자들이 가산기 쌍에 연결되는가를 나타낸다.

도 5는 도 1에 도시된 검파기 어레이의 검파기 소자에 의하여 발생되는 출력신호들을 도식적으로 나타낸 것으로, 횡좌표는 검파기 어레이를 따르는 스폿(spot)의 이동을 가리키고, 종좌표는 다양한 검파기 소자들 및 가산기들의 출력을 가리킨다.

도 6(a)는 도 1의 경로를 개략적으로 나타낸 것으로, 이동 방향을 따르는 광 스폿이 검파기 어레이의 폭 치수와 실질적으로 평행하다.

도 6(b)는 도 1의 경로를 개략적으로 나타낸 것으로, 이동 방향을 따르는 광 스폿이 검파기 어레이의 폭 치수에 대해 경사져 있다.

도 7은 광 인코더의 다른 실시예에 대한 투시도로서, 여기에서 인코더는 두개의 검파기 세트를 포함하는 검파기 어레이를 구비한다.

도 8은 도 7에 도시된 검파기 어레이를 개략적으로 나타내는 것으로, 어떻게 어레이의 개별 검파기 소자들이 한쌍의 가산기에 연결되는지를 보여준다.

도 9는 도 1 또는 7에 도시된 반사기를 위한 예시적인 대안적 표면 윤곽을 나타낸다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 광 인코더 12, 112 : 광원

13, 113 : 검파기 어레이 14, 114 : 검파기 세트

20, 120 : 코드 부재 32, 34, 36, 38 : 검파기 소자

40, 140 : 제 1가산기 42, 142 : 제 2 가산기

60, 160 : 처리 시스템 64 : 발광 다이오드

70 : 휠

이동 가능한 구성요소의 이동(예를 들어, 이동 가능한 구성요소의 운동 방향 및 속도)은 종종 광 인코더에 의하여 특징지워질 수 있다. 절대 광 인코더 또는 초기에 알려진 위치로 조정된 광 인코더의 경우에, 광 인코더는 이동 가능한 구성요소의 위치를 특정하기 위하여 사용될 수도 있다.

비록 광 인코더가 다양한 형태를 가지고 있지만, 대부분의 광 인코더는 직선 또는 회전의 특징을 가진다. 이들의 각 이름이 의미하는 것과 같이, 선형 인코더(linear encoder)는 직선운동(그리고, 종종 위치)의 표시를 제공하기 위하여 사용되는 반면, 회전 인코더(rotary encoder)는 회전운동(그리고, 종종 위치)의 표시를 제공하기 위하여 사용된다.

대부분의 광 인코더는 또한 투과형 또는 반사형의 특징을 가질 수도 있다. 투과형 광 인코더에 있어서, 광원 및 광 검파기(photodetector)는 코드 부재[예를 들어, 코드 스트립(coder strip) 또는 코드 휠(code wheel)]의 대향측에 위치된다. 코드 부재가 이동 가능 구성요소에 의하여 이동될 때, 코드 부재 내의 복수의 윈도우들은 변화하는 패턴의 광으로 광 검파기가 조명되도록 하는데, 이 패턴은 이후 이동 가능 구성요소의 이동에 상관될 수 있다. 반사형 광 인코더에 있어서, 광원 및 광 검파기는 코드 부재와 동일면에 위치된다.

이후 코드 부재가 이동 가능 구성요소에 의하여 이동될 때, 코드 부재 상의 복수의 반사기는 변화하는 패턴의 광으로 광 검파기가 조명되도록 만든다.

다른 실시예에서, 광 인코더는 코드 부재와 광원과 검파기 어레이 및 제 1과 제 2 가산기를 포함한다. 코드 부재는 복수의 반사기들을 구비하고, 광원은 적어도 하나의 반사기를 포함하는 코드 부재의 영역을 조명하도록 위치된다. 검파기 어레이는 적어도 하나의 검파기 세트를 포함하는데, 제 1 검파기 세트는 인접 관계로 위치되는 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 검파기 소자를 포함한다. 코드 부재와 검파기 어레이는 이동 방향을 따라 서로에 대해 이동 가능하고, 코드 부재 상의 반사기들은 광원에 의하여 발생되는 광을 반사시켜 상기 검파기 어레이를 가로질러 이동하는 원형 또는 타원형 광 스폿들을 발생시킨다. 제 1 가산기는 제 1 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호에서 제 3 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호를 감산하기 위하여, 제 1 검파기 소자 및 제 3 검파기 소자와 동작이 연계되고, 제 1 출력을 발생시킨다. 제 2 가산기는 제 2 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호에 서 제 4 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호를 감산하기 위하여, 제 2 검파기 소자 및 제 4 검파기 소자와 동작이 연계되고, 제 2 출력을 발생시킨다.

또 다른 실시예에서, 본 방법은 복수의 반사기들을 구비한 코드 부재를 제공하는 단계와, 적어도 하나의 반사기를 포함하는 상기 코드 부재의 영역을 조명하는 광 빔을 발생시키는 광원을 상기 코드 부재의 일측 상에 위치시키는 단계와, 검파기 어레이를 상기 코드 부재의 동일측 상에 광원으로서 위치시키는 단계를 포함한다. 상기 검파기 어레이는 적어도 하나의 검파기 세트를 포함하고, 각 검파기 세트는 적어도 4개의 검파기 소자를 포함한다. 검파기 어레이는 이동 방향을 따라서 상기 코드 부재에 대하여 이동 가능하며, 코드 부재가 검파기 어레이에 대해서 이동하면, 코드 부재 상의 반사기들은 검파기를 가로질러 이동하는 원형 또는 타원형의 광 스폿들을 발생시킨다. 상기 방법은 제 1의 유사 사인 신호를 발생시키기 위하여 적어도 검파기 어레이의 제 1쌍의 비인접 검파기 소자로부터의 출력신호를 조합하는 단계를 포함한다.

나머지의 실시예들도 개시된다.

본 발명의 도식적이고 예시적인 실시예들은 도면들에 나타나 있다.

예시적인 광 인코더(10)는 도 1에 도시되어 있으며, 광원(12)과 검파기 어레이(13) 및 코드 부재(20)를 포함한다. 광원(12)은 검파기 어레이(13)를 형성하는 검파기 소자들(16)로 검출 가능한 광(56)을 발생시키기 위해 적합한, 광범위한 광원들 중의 임의의 것을 포함할 수 있다. 이 광원(12)이 시준된(collimated) 또는 실질적으로 시준된 광(56)의 빔(62)을 발생시키는 것은 일반적으로 바람직하지만, 필수적이진 않다. 이러한 시준된 빔(62)은 광원(12)에 의하여 발생될 수 있거나, 또는 별도의 시준 렌즈(collimating lens, 도시안됨)의 도움으로 형성될 수 있다.

보기로서 일 실시예에서, 광원(12)은 발광 다이오드(64)를 포함한다. 몇몇 경우, 발광 다이오드(64)에는 일체형 시준렌즈(도시안됨)가 제공될 수 있다.

광원(12)은 코드 부재(20)와 공간을 두고 떨어진 관계로, 광원(12)을 유지하기에 적합한 프레임 또는 하우징(도시안됨)에 장착될 수 있다. 비록 광원(12)이 코드 부재(20)에 대해서 임의의 각도로 장착되는 것으로 도시되었지만, 상기 광원(12)은 코드 부재(20)와 평행하게 장착될 수도 있다. 후자의 경우 광원(12) 및/또는 일체 또는 분리형 시준 렌즈는 코드 부재(20)를 임의의 각도(α)에서 조명시키는 빔(62)의 광(56)을 시준 가능해야 한다. 광원(12)에 대한 다양한 장착 배열들은 여기에서 제공되는 기술들에 친숙해진 후 당 기술분야에서 통상의 기술을 가진 사람들에 의하여 쉽게 제공될 수 있기 때문에, 광원(12)의 장착 배열은 여기에서 더이상 자세하게 설명되지 않을 것이다.

검파기 어레이(13)는 또한 코드 부재(20)에서 공간을 두고 떨어진 관계로 위치되며, 코드 부재(20)의 동일 측 상에 광원(12)으로서 위치되고, 적어도 하나의 검파기 세트(14)를 포함한다. 예로서 도 1은 검파기 어레이(13)가 단일 검파기 세트(14)를 포함하는 것을 도시하고 있다. 그러나, 본 상세한 설명에서 추후 아주 상세하게 설명될 것이지만, 추가의 검파기 세트가 제공될 수 있다.

검파기 어레이(13) 내의 검파기 세트(14)의 수에 관계없이, 각 검파기 세트(14)는 복수의 개별 검파기 소자들(16)을 포함하는데, 이들은 검파기 어레이(13) 의 폭 방향(18)을 따라서 차례로 인접하는 관계로 위치된다. 도 1을 살펴본다. 예로서 검파기 세트(14)는 4개의 개별 검파기 소자들(16), 즉 제 1 검파기 소자(32), 제 2 검파기 소자(34), 제 3 검파기 소자(36), 및 제 4 검파기 소자(38)를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예에서는 검파기 세트(14)가 4개 이상의 개별 검파기 소자(16)를 포함할 수 있다. 검파기 세트(14)의 검파기 소자들(32, 34, 36, 38)은 함께 검파기 세트(14)의 폭(28)을 형성한다.

개별 검파기 소자들(16)[예를 들어, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 검파기 소자들(32, 34, 36, 38)]은 광원(12)에 의하여 발생되는 광(56)을 검출하기에 적합한 다양한 범위의 소자들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 그러나 예로서, 그리고 일 실시예에 있어서, 검파기 세트(14)를 형성하는 다양한 개별 검파기 소자들(16)은 광 다이오드를 포함한다.

다양한 개별 검파기 소자들(16)은 검파기 세트(14)를 형성하기 위하여 이 다양한 검파기 소자들(16)을 폭 방향(18)을 따르는 적정 위치에 유지하기 적합한, 인쇄 회로기판(68)과 같은 광범위하게 다양한 임의의 구조에 장착될 수 있다. 대안적으로, 여기에서 제공된 기술에 친숙해진 후 당업자에게 명확하게 될 것이지만, 기타의 장착 배열들도 가능하다.

주목해야할 사항은, 도 1에 도시된 실시예에서 검파기 어레이(13)는 단일의 검파기 세트(14)를 포함하며, 검파기 어레이(13)의 폭(29)은 검파기 세트(14)의 폭(28)과 동일할 것이라는 점이다. 그러나 이것은 검파기 어레이(13)가 하나 이상의 검파기 세트(14)를 포함하는 경우에는 그렇지 않을 것이다. 예를 들어 도 7에 도시된 광 인코더(110)의 일실시예를 참조로 설명될 것이지만, 만일 검파기 어레이(113)가 두개의 검파기 세트(114)를 포함하면, 검파기 어레이(113)의 폭(129)은 검파기 세트(114) 폭(128)의 두배가 될 것이다. 몇몇 경우에 본 상세한 설명에서 이후 논의될 것이지만, 검파기 어레이(13)의 폭(29)은 코드 부재(20) 상의 반사기들(22)의 크기와 간격을 결정하는데 사용될 수 있다.

코드 부재(20)와 검파기 어레이(13)는 서로에 대해 이동 가능한 관계로[예를 들어, 이동 방향(24)을 따라서] 장착된다. 광원(12) 및 검파기 어레이(13)와 대면하는 코드 부재(20)의 측면에는 복수의 반사기들(22)이 제공되는데, 이 반사기들은 코드 부재(20)가 검파기 어레이(13)와 연관하여 이동하면 광원(12)에 의하여 발생된 광(56)의 일부를 검파기 어레이(13) 상으로 반사시키도록 위치된다. 도 1에 도시된 바와 같이 반사된 광(80)은 복수의 광 스폿(58)의 형태로 검파기 어레이(13)를 조명하는데, 이들 광 스폿 각각은 코드 부재(20)의 이동에 반응하여 검파기 어레이(13)를 가로질러 이동한다.

한 배열에 있어서, 코드 부재(20)는 이동 가능 구성요소(도시안됨)에 장착될 수 있으며, 광원(12)과 검파기 어레이(13)는 정지 위치에 고정될 수 있다. 다른 배치에서는, 코드 부재(20)가 고정되고, 광원(12) 및 검파기 어레이(13)는 이동 가능 구성요소에 장착될 수 있다. 특정의 배치에 상관없이, 광 인코더(10)는 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 간의 상대 이동을 검출한다.

코드 부재(20)는 임의의 광범위한 형태 또는 구성들을 그 애플리케이션에 따라서 취할 수 있다. 예를 들어, 광 인코더(10)가 선형 인코더로서 사용될 것이라 면, 코드 부재(20)는 도 1에 가장 잘 도시된 것과 같이 직선을 따라 배치되는 다양한 반사기들(22)을 지닌, 일반적으로 기다란 스트립 형(strip-like) 부재(74)의 형태 또는 구성을 취할 수 있다. 대안적으로 광 인코더(10)가 회전 인코더로서 사용될 것이라면, 코드 부재(20)는 휠(70) 주변을 도는 일반적으로 원형 방식으로 배치되는 다양한 반사기들(22)을 지닌, 디스크 형 부재 또는 휠(70)의 형태나 구성을 취할 수 있다. 도 3을 살펴본다. 따라서, 여기에서 사용되듯이 용어 "코드 부재"는 코드 부재의 임의의 특정한 형상 또는 구성에 한정되는 것으로 간주되지 않아야 하며, 그 대신 직선 코드 스트립, 원형 코드 "휠", 또는 특정의 애플리케이션에 필요하거나 요망될 수 있는 임의의 다른 코드 부재의 형태 또는 구성을 포함하도록 광범위하게 해석되어야 한다.

이전에 언급한 바와 같이, 코드 부재(20)에는 복수의 반사기들(22)이 제공된다. 이 반사기들(22)은 광범위한 임의의 형상을 포함할 수 있다. 본 상세한 설명에서 나중에 상세하게 설명될 것이지만, 원형 또는 타원형은 광 인코더(10)가 하나 또는 그 이상의 유사 사인파(예를 들어, 각각 가산기 40과 42로부터의 출력신호 52와 54)를 발생시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 광원(12)에 의하여 방출된 광(56)의 위치와 범위에 따라서 원형 반사기들은 종종 가산기(40, 42)로 하여금 진정한 사인파형에 가장 가깝게 일치하는 출력(52, 54)을 제공케 할 수 있다. 그러나, 이동 방향(24)에 수직인 방향(78)으로 타원형을 형성하는 반사기들은 검파기 어레이(13)가 감지하기 위한 보다 많은 양의 광을 [가산기(40, 42)로 하여금 여전히 유사 사인파를 발생시키도록 하면서]제공하는데 유용할 수 있다. 검파기 어레 이(13)에 보다 많은 양의 광을 제공하기 위한 다른 방법들도 존재한다. 예를 들어, 코드 부재(20)에는 두 개 또는 그 이상의 반사기 세트가 제공될 수 있는데, 이들은 방향(78)에 정렬된 반사기 세트 각각에 해당한다[예를 들어, 각 반사기들(22)은 방향(78)에 정렬된 한쌍의 반사기로 대체될 수 있다]. 대안적 또는 부가적으로 반사기들(22)은 보다 많은 광을 수집하도록 형상이 형성될 수 있다. 이러한 형상(200)의 하나가 도 9에 도시되어 있다. 도시되어 있듯이 반사기의 형상(200)은 보다 넓은 광(56)의 빔을 조준하여, 반사기가 단순히 평편한 표면[많은 광선(56)이 시간 상의 임의의 소정 순간에서 도달하지 못하게 된다-도 1 참조]을 가졌다면, 보다 많은 양의 반사된 광선(202)이 스폿들(58)을 형성케 하는 경향이 있다.

비록 반사기들(22)이 다양한 형상으로 될 수 있지만, 본 발명의 나머지 부분에서는 상기 반사기들(22)이 평탄한 원형인 것으로 가정할 것이다.

각 반사기들(22)이 광원(12)에 의하여 발생되는 광 빔(62)에 정렬되면, 반사기들(22)은 도 1에 가장 잘 나타나 있듯이, 광(80)의 가늘어진 빔(72)을 반사시키도록 기능을 한다. 가늘어진 빔(72)은 검파기 어레이(13) 상에 결과적으로 스폿(58)의 형성을 만들게 된다. 도 4 및 5를 살펴보자. 코드 부재(20) 상에 제공되는 반사기들(22)의 크기와 형상은 가늘어진 빔(72)의 크기와 형상, 따라서 스폿들(58)의 크기와 형상을 형성한다. 만일 광원(12)과 렌즈(80)에 의하여 발생된 빔(62)이 사실상 시준이 되면, 스폿(58)의 크기와 형상은 반사기들(22)의 크기와 형상에 대략 동일할 것이다. 예를 들어, 상기 반사기들이 원형 또는 타원형이면, 상기 스폿들(58)은 원형 또는 타원형이어야 한다. 그러나, 광원(12)에 의하여 발 생된 빔(62)이 시준이 되지 않는다면[예를 들어, 상기 렌즈(80)가 존재하지 않고, 빔(62)이 발산 광선들을 포함하면), 반사기들(22)의 크기와 형상은 스폿(58)의 크기 및 형상과 다를 것이다(예를 들어 보다 작을 것이다).

적정량의 공간 여파(spatial filtering)를 제공하기 위하여, 이동 방향(24)으로의 스폿(58)의 치수(26)는 바람직하게는, 검파기 세트(14)의 폭(28) 보다 작으나, 단일 검파기 소자(16)의 폭(76) 보다는 크다. 보다 바람직하게는, 이동 방향(24)에서의 스폿(58)의 치수는 검파기 세트(14) 폭(28)의 약 40 내지 80%이다.

스폿(58)의 크기에 부가하여, 연속하는 스폿들 사이의 간격은 단일 스폿(58) 만이 임의의 소정 시간에서 검파기 어레이(13)를 조명하도록 바람직하게 조정된다. 그러나, 적어도 하나의 스폿(58)은 항상 검파기 어레이(13)를 조명해야 한다. 이동 검파 "갭(gap)들"을 제거하기 위하여, 코드 부재(20)가 이동하고 있지만 검파기 어레이를 가로질러 이동하는 스폿(58)이 없을 때는, 하나 이상의 스폿(58)이 동일한 시간에 검파기 어레이(13)를 조명하도록 허용하는 것이 가끔 바람직할 것이다. 그러나 이경우, 다수의 광 스폿들을 "약 하나의" 광 스폿(58)으로 유지하는 것이 바람직하다. 여기에서 정의한 바와 같이, "약 하나의" 광 스폿은 1과 1/2의 광 스폿(58) 보다 작거나 동일한 것으로 정의된다.

검파기 어레이(13)를 조명하는 광 스폿(58)의 크기와 간격을 조정하기 위하여, 그리고 주어진 광원(12)과 검파기 어레이(13)를 위하여, 광원(12)과 검파기 어레이(13) 및 코드 부재(20)의 위치(즉, 간격)들이 조정될 수 있다. 덧붙여, 코드 부재(20) 상의 반사기들(22)의 크기(26) 및 간격(30)이 조정될 수 있다. 광 빔(62)이 만일 시준된 빔이라면, 광원(12)과 검파기 어레이(13) 및 코드 부재(20)의 위치(즉, 간격)는 코드 부재(20) 상의 반사기들(22)의 크기(26) 및 간격(30)과 대략 동일한 광 스폿(58)의 크기 및 간격과 함께 다소 덜 결정적일 수 있다.

이제 도 4 및 5를 참조하면, 광 인코더(10)는 제 1 및 제 2 가산기(40 및 42)를 더 포함할 수 있는데, 이들은 개별 검파기 소자들(16)이 "일체화" 되도록 검파기 어레이(13)를 형성하는 다양한 개별 검파기 소자들(16)에 연결된다. 즉, 교대로 검파기 소자들(16) 하나 하나는 가산기(40, 42)들 중 다른 하나씩에 연결될 수 있다. 이러한 방식으로 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13)는 "공간 필터(spatial filter)"를 형성한다. 또한 코드 부재(20) 상의 반사기들(22)이 원 또는 타원이면, 가산기(40, 42)의 출력(52, 54)은 도 5에 가장 잘 나타나 있듯이 유사 사인파형을 포함할 것이다.

보다 상세하게, 제 1 가산기(40)는 제 1 검파기 소자(32)와 제 3 검파기 소자(36)에 동작 결합되는 반면에, 제 2 가산기(42)는 제 2 검파기 소자(34)와 제 4 검파기 소자(38)에 동작 결합된다. 제 1 가산기(40)는 제 1 검파기 소자(32)의 출력신호(44)에서 제 3 검파기 소자(36)의 출력 신호(48)를 감산함으로써, 제 1 및 제 3 검파기 소자(32, 36)의 출력 신호를 조합한다. 그 결과의 제 1 가산기(40)의 출력 신호(52)는 유사 사인파형을 포함한다. 도 5를 살펴보자.

제 2 가산기(42)는 제 2 검파기 소자(34)의 출력신호(46)에서 제 4 검파기 소자(38)의 출력 신호(50)를 감산함으로써, 제 2 및 제 4 검파기 소자(34, 38)의 출력 신호를 조합한다. 그 결과의 제 2 가산기(42)의 출력 신호(54)는 도 5에서 역시 가장 잘 나타나 있듯이, 유사 사인파형을 포함한다.

처리 시스템(60)은 제 1 및 제 2 가산기(40, 42)에 연결되어, 이 처리 시스템(60)이 제 1 및 제 2 가산기(40, 42)에 의하여 발생되는 출력신호(52, 54)에 반응할 수 있다. 상기 처리 시스템(60)은 이후 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 상대 이동에 대한 정보를 추출하기 위하여, 제 1 및 제 2 가산기(40, 42)로부터의 출력신호(52, 54)를 해석하도록 동작될 수 있다. 예를 들어, 처리 시스템(60)은 제 1 가산기(40)로부터의 출력신호(52) 또는 제 2 가산기(42)로부터의 출력신호(54)의 유사 사인파형의 주파수를 측정함으로써, 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 이동 속도(즉, 속력)를 판정할 수 있다. 처리 시스템(60)은 예를 들어, 출력신호(52, 54)에 대한 유사 사인파형들 사이의 위상차 또는 위상변이를 측정함으로써, 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 이동 방향을 판정하기 위해서도 사용될 수 있다. 물론, 처리 시스템(60)은 예를 들어, 출력신호(52, 54)를 적분 또는 미분함으로써, 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 상대 이동에 대한 다른 사항을 판정하기 위해 사용될 수 있다.

보기로서 일 실시예에 있어서, 상기 처리 시스템(60)은 유사 사인파형의 주파수 뿐만 아니라 위상차를 감지하고, 원하는 계산을 하며, 원하는 출력 데이터를 생성하도록 프로그램 되는, 범용 프로그램 가능형 컴퓨터(예로서, PC)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 처리 시스템(60)은 주문형 반도체(ASIC)를 포함할 수 있다.

광 인코더(10)는 다음과 같이 동작되어 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 상대 이동을 검출할 수 있다. 예를 들어, 코드 부재(20)가 이동 가능 구성 요소(도시안됨)에 장착되고 검파기 어레이(13)는 정지상태로 남아있는 배치에 있어서, 광원(12)으로부터의 광(56)은 스폿(58)에서 검파기 어레이(13)를 조명하기 전에 코드 부재(20) 상에 제공되는 반사기들(22)로부터 반사될 것이다. 일 실시예에서, 스폿(58)의 크기는 코드 부재(20) 상에 제공되는 반사기(22)의 크기와 실질적으로 동일하다. 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 상대 이동은 스폿(58)이 검파기 어레이(13)의 개별 검파기 소자들(32, 34, 36, 38)을 가로질러 이동하거나 스캔되도록 만든다. 도 5를 보자.

스폿(58)이 각 검파기 소자(32, 34, 36, 38)를 조명하면, 조명을 받은 검파기 소자(또는 소자들)는 입사되는 광량에 관련된 출력신호를 발생시킨다. 도 5를 참조하여 예를 들어, 검파기 어레이(13)를 포함하는 각각의 연속하는 검파기 소자들(32, 34, 36, 38)을 가로지르는 스폿(58)의 이동은 결과적으로 각 검파기 소자(32, 34, 36, 38)가 유사 사인펄스를 지닌 출력신호를 발생시키는 결과를 가져온다. 보다 상세하게는, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 검파기 소자(32, 34, 36, 38)는 유사 사인펄스들을 포함하는 해당 출력신호(44, 46, 48, 50)를 발생시키는데, 각 펄스는 검파기 어레이(13)를 가로지르는 스폿(58)의 이동에 상응하는 방식으로 이동(즉, 시간적으로 지연)된다.

다양한 검파기 소자들(32, 34, 36, 38)에 의하여 출력되는 유사 사인펄스들은 제 1 및 제 2 가산기(40, 42)에 의하여 합쳐져서 출력신호(52, 54)에 상응하는 유사 사인파형을 생성한다. 보다 상세하게는, 제 1 가산기(40)가 제 1 출력신호(44)에서 제 3 출력신호(48)를 감산하여 유사 사인 출력신호(52)(즉, "I"채널)를 생성하는 반면에, 제 2 가산기(42)는 제 2 출력신호(46)에서 제 4 출력신호(50)를 감산하여 유사 사인 출력신호(54)(즉, "Q"채널)를 생성한다.

처리 시스템(60)은 이후 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13)의 상대 이동에 관련되는 정보를 추출하기 위하여, 제 1 및 제 2 가산기(40, 42)로부터의 출력신호(52, 54)를 해석하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 상대 속도 또는 속력은 제 1 및 제 2 가산기(40, 42) 중의 하나로부터의 출력신호(예를 들어, 52 또는 54)의 주파수에 기초하여 처리 시스템(60)에 의하여 결정될 수 있다. 즉, 제 1 가산기(40)의 출력신호(52)에 상응하는 유사 사인파형의 주파수는 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 상대속도와 관련된다. 유사하게 제 2 가산기(42)의 출력신호(54)에 상응하는 유사 사인파형의 주파수도 또한 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 상대속도와 관련된다. 따라서, 속도 또는 속력의 결정은 제 1 가산기(40)의 출력신호나, 제 2 가산기(42)의 출력신호(54), 또는 이들의 다양한 조합의 주파수를 측정함으로써 이루어질 수 있다.

검파기 어레이(13)에 대한 코드 부재(20)의 이동 방향은 제 1 및 제 2 가산기(40, 42)의 유사 사인파형들(52, 54) 사이의 위상관계 또는 위상차로부터 결정될 수 있다. 보다 상세하게는 여기에서 도시되고 설명된 실시예에서, "I"와 "Q" 채널은 90도 위상이 다를 것이다. 그러므로, "I" 채널이 "Q" 채널을 90도 앞서면, 검파기 어레이(13)와 코드 부재(20) 사이의 상대 이동은 제 1 방향으로 될 것이다. 만일 "I" 채널이 "Q" 채널 보다 90도 뒤지면, 검파기 어레이(13)와 코드 부재(20) 사이의 상대 이동은 제 1 방향에 반대인 방향으로 될 것이다. 추가로 코드 부재(20)와 검파기 어레이(13) 사이의 상대 이동에 대한 기타의 정보는 가산기(40, 42)에 의하여 발생되는 출력신호(52, 54)를 적분 또는 미분함으로써 결정될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 검파기 어레이(13)는 하나 이상의 개별 검파기 세트(14)를 포함할 수 있다. 추가의 검파기 세트(14)가 코드 부재(20)에 제공되는 인접 반사기들(22) 사이의 증가된 간격을 제공할 수 있다면, 이는 몇몇 상황에서 유리할 수 있다. 도 7, 8을 참조하면, 광 인코더의 제 2 실시예(110)는 광원(112)과 코드 부재(120)의 일 측면 상에 위치되는 검파기 어레이(113)를 포함한다. 이 실시예의 검파기 어레이(113)는 두개의 검파기 세트(114)를 포함하는데, 이들은 각각 4개의 개별 검파기 소자(116)를 포함한다. 코드 부재(20)에서 그러했듯이, 코드 부재(120)에는 복수의 반사기들(122)이 제공된다.

광원(112)이 코드 부재(112)를 조명하면, 광 스폿 또는 스폿(158)은 검파기 어레이(113)를 조명한다. 적정량의 공간 여파(spatial filtering)를 제공하기 위하여, 이동 방향(124)의 스폿(158)의 치수는 하나의 검파기 세트(114)의 폭(128) 보다 작지만, 단일 검파기 소자(116)의 폭 보다는 큰게 바람직하다. 보다 바람직하게는, 이동 방향(124)의 스폿(158)의 치수는 하나의 검파기 세트(114) 폭(128)의 약 40 내지 80%이다.

스폿(158)의 크기에 부가하여, 일련의 스폿들 간의 간격은 단지 단일의 스폿(158)만이 임의의 주어진 시간에서 검파기 어레이(113)를 조명하도록 조정되는 것이 바람직하다. 그러나, 적어도 하나의 스폿(158)은 검파기 어레이(113)를 항상 조명해야 한다. 코드 부재(120)가 이동하는 반면 검파기 어레이를 가로질러 이동하는 스폿(158)이 없을 때 이동 검출 "간극"들을 제거하기 위하여는, 하나 이상의 스폿(158)이 동일한 시간에서 검파기 어레이(113)를 조명하도록 하는 것이 가끔 바람직할 수 있다. 그러나 이 경우, 다수의 광 스폿들은 "약 하나"의 광 스폿(158)으로 유지하는 것이 바람직하다. 여기에서 정의한 바와 같이, "약 하나"의 광 스폿은 1과 1/2의 광 스폿(158) 보다 적거나 동일한 것으로 정의된다.

검파기 어레이(113)를 조명하는 광 스폿(158)의 크기와 간격을 조정하기 위하여, 그리고 주어진 광원(112)과 검파기 어레이(113)를 위하여, 광원(112), 검파기 어레이(113), 및 코드 부재(120)의 위치(즉, 간격)가 조정될 수 있다. 부가적으로, 코드 부재(120)의 반사기들(122)의 크기(126)와 간격(130)이 조정될 수 있다. 만일 광원(112)이 시준된 광원이면[또는 시준 렌즈(166)로 지향되면], 광원(112)과 검파기 어레이(113) 및 코드 부재(120)의 위치(즉, 간격)들은 코드 부재(120) 내 반사기들(122)의 크기(126)와 간격(130)에 대략 동일한 광 스폿(158)의 크기 및 간격에서 다소 덜 결정적일 수 있다.

이제 도 8을 참조하면, 검파기 어레이(113)는 전체 8개의 개별 검파기 소자들(116)을 포함하는데, 이들은 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4검파기 소자들(132, 134, 136, 138)이 각각 함께 제 1 검파기 세트(114)를 형성하고, 제 5, 제 6, 제 7, 및 제 8 검파기 소자들(132', 134', 136', 138')은 각각 함께 제 2 검파기 세트(114)를 형성한다. 다양한 검파기 소자들(116)은 또한 "깍지끼듯이(interdigitate)" 되 어 있다. 보다 자세하게 말하면, 제 1 및 제 5 검파기 소자들(132, 132')은 함께 연결되어 제 1 가산기(140)에 연결된다. 제 3 및 제 7 검파기 소자들(136, 136')은 함께 연결되어 제 1 가산기(140)에 연결된다. 제 1 가산기(140)는 제 1 실시예(10)의 가산기(40)를 위해 이미 설명했던 방식으로 검파기들로부터의 신호들을 조합한다. 즉, 제 1 가산기(140)는 유사 사인 출력신호(152)를 발생시키기 위하여, 제 1과 제 5 검파기 소자들(132, 132')로부터의 조합 신호들에서 제 3 및 제 7 검파기 소자들(136, 136')로부터의 조합 신호들을 차감한다.

제 2 및 제 6 검파기 소자들(134, 134')은 함께 연결되어 제 2 가산기(142)에 연결된다. 제 4 및 제 8 검파기 소자들(138, 138')은 함께 연결되어 도 8에 나타낸 방식으로 제 2 가산기(142)에 연결된다. 제 2 가산기(142)는 제 1 실시예(10)의 가산기(42)를 위해 이미 설명했던 방식으로 다양한 검파기들로부터의 신호들을 조합한다. 즉, 제 2 가산기(142)는 유사 사인 출력신호(154)를 발생시키기 위하여 제 2와 제 6 검파기 소자들(134, 134')로부터의 조합 신호들에서 제 4와 제 8 검파기 소자들(138, 138')로부터의 조합 신호들을 차감한다.

제 1 및 제 2 가산기(140, 142)와 동작 연결되는 처리 시스템(160)은 코드 부재(120)와 검파기 어레이(113)의 상대 이동과 관련된 정보를 생성하기 위하여 이미 설명한 방식으로, 제 1 및 제 2 유사 사인신호(152, 154)를 처리한다.

대부분의 애플리케이션에서 광 인코더(10, 110)는 별도의 십자선을 사용할 필요없이, 유사 사인 출력신호들을 발생시키는데 사용될 수 있다. 인코더의 구성요소 카운트에 부가하는데 비해서 별도의 십자선은 적절히 정렬하기에 어렵다. 추가로 검파기 어레이와 코드 부재(20, 120) 상의 반사기들의 조합에 의하여 형성되는 공간 필터들은 종래의 인코더 설계를 넘는 향상된 해상도를 제공한다. 코드 부재(20, 120)와 광 인코더(10, 110)의 공간 필터는 또한 광 인코더(10, 110)로 하여금 코드 부재(20, 120)와 검파기 어레이(13, 113)의 오정렬에 더 관대하게 해준다. 예를 들어 도 6(a)와 6(b)를 참조하면, 도 6(a)에서 가장 잘 알 수 있듯이 이동 방향(24)은 검파기 어레이(13)의 폭방향(18)에 일반적으로 평행하게 되는 것이 통상 바람직하다. 그러나, 본 발명의 광 인코더(10)는 평행하지 않은 이동 방향(26')의 경우[즉, 이동 방향(26')이 검파기 어레이(13)의 폭방향(18)에 대하여 각도 Θ 만큼 경사 또는 기울어질 수 있더라도]에 조차도 만족할 만한 동작을 제공할 것이다. 이러한 비평행 정렬은 축적된 공차오류 또는 제조나 동작 동안 발생할 수 있는 오정렬의 결과로 될 수 있다.

Claims

복수의 반사기들을 구비한 코드 부재와,

적어도 하나의 반사기를 포함하는 상기 코드 부재의 영역을 조명하도록 위치되는 광원와,

적어도 하나의 검파기 세트를 포함하는 검파기 어레이로서, 상기 적어도 하나의 검파기 세트 각각이 복수의 검파기 소자를 포함하되, 상기 코드 부재와 검파기 어레이는 이동 방향을 따라서 서로에 대해 이동 가능한, 상기 검파기 어레이를 포함하고,

상기 코드 부재가 상기 검파기 어레이에 대하여 이동함에 따라서, 상기 코드 부재 상의 반사기들은 상기 광원에 의하여 방출되는 광을 반사시켜, 상기 검파기 어레이를 가로질러 이동하는 원형 또는 타원형의 광 스폿을 발생시키는

광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 반사기들은 원 또는 타원 형상인 광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 광 스폿들이 상기 검파기 세트들 중의 하나의 폭 보다 작지만, 상기 검파기 소자들 중의 하나의 폭 보다는 큰 상기 이동 방향을 따르는 치수를 갖도록, 상기 광원, 상기 검파기 어레이 및 상기 코드 부재가 위치되고, 상기 코드 부재 상의 반사기들의 크기가 정해지는 광 인코더.
제 3 항에 있어서,

약 하나의 광 스폿이 상기 검파기 어레이를 동시에 조명하게 하도록, 상기 광원, 상기 검파기 어레이 및 상기 코드 부재가 위치되고, 상기 코드 부재 상의 반사기들이 이격되어 있는 광 인코더.
제 3 항에 있어서,

하나의 광 스폿 만이 상기 검파기 어레이를 동시에 조명하게 하도록, 상기 광원, 상기 검파기 어레이 및 상기 코드 부재가 위치되고, 상기 코드 부재 상의 반사기들이 이격되어 있는 광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 광 스폿들이 상기 검파기 세트들 중 하나의 폭의 약 40% 내지 80%의 범 위에서 상기 이동 방향을 따르는 치수를 갖도록 하기 위하여, 상기 광원, 상기 검파기 어레이 및 상기 코드 부재가 위치되고, 상기 코드 부재 상의 반사기들의 크기가 정해지는 광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 광원은 시준된 광원이고,

상기 코드 부재 상의 반사기들 각각은 상기 검파기 세트들 중 하나의 폭 보다 작지만, 상기 검파기 소자들 중 하나의 폭 보다는 큰 상기 이동 방향을 따르는 치수를 갖는 광 인코더.
제 7 항에 있어서,

상기 코드 부재 상의 반사기들 각각은 상기 검파기 어레이의 폭과 대략 동일한 거리 만큼, 인접 반사기로부터 분리되어 있는 광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 광원은 시준된 광원이고,

상기 코드 부재 상의 반사기들 각각은 상기 검파기 세트들 중 하나의 폭의 약 40% 내지 80%의 범위에서 상기 이동 방향을 따르는 직경을 갖는 광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 광원은 발광 다이오드를 포함하는 광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 검파기 소자들 각각은 광 다이오드를 포함하는 광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 검파기 세트는 제 1 검파기 세트를 포함하되, 이 제 1 검파기 세트는 인접하는 관계로 위치되는 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 검파기 소자를 포함하며,

상기 광 인코더는,

제 1 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호에서 제 3 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호를 감산하기 위하여, 제 1 검파기 소자 및 제 3 검파기 소자와 동작이 연계되어, 제 1 출력을 발생시키는 제 1 가산기, 및

제 2 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호에서 제 4 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호를 감산하기 위하여, 제 2 검파기 소자 및 제 4 검파기 소자와 동작이 연계되어, 제 2 출력을 발생시키는 제 2 가산기를 더 포함하는 광 인코더.
제 12 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 검파기 세트는 제 2 검파기 세트를 더 포함하고, 상기 제 2 검파기 세트는 상기 제 1 검파기 세트의 검파기 소자들에 인접하여 위치되는 제 5, 제 6, 제 7, 및 제 8 검파기 소자들을 포함하며,

상기 제 1 가산기는 그 출력에 상기 제 7 검파기 소자에 의하여 발생된 출력 신호보다 작은 상기 제 5 검파기 소자에 의하여 발생된 출력 신호를 부가하고,

상기 제 2 가산기는 그 출력에 상기 제 8 검파기 소자에 의하여 발생된 출력 신호보다 작은 상기 제 6 검파기 소자에 의하여 발생된 출력 신호를 부가하는 광 인코더.
제 12 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 가산기와 동작이 연계되고, 상기 코드 부재와 상기 검파기 어레이 사이의 상대 이동 속도를 상기 제 1 및 제 2 가산기 중 하나로부터의 출력신호의 주파수에 기초하여 결정하는 처리 시스템을 더 포함하는 광 인코더.
제 12 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 가산기와 동작이 연계되고, 상기 코드 부재와 상기 검파기 어레이 사이의 상대 이동 방향을 상기 제 1 및 제 2 가산기 각각의 제 1 및 제 2 출력 사이의 위상차에 기초하여 결정하는 처리 시스템을 더 포함하는 광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 코드 부재는 길게 연장된 부재를 포함하고, 상기 코드 부재 상의 복수의 반사기들은 선을 따라서 위치되는 광 인코더.
제 1 항에 있어서,

상기 코드 부재는 디스크 형 부재를 포함하고, 상기 코드 부재 상의 복수의 반사기들은 상기 디스크 형 부재의 주변 주위에 위치되는 광 인코더.
복수의 반사기들을 구비한 코드 부재와,

적어도 하나의 반사기를 포함하는 상기 코드 부재의 영역을 조명하도록 위치되는 광원과,

적어도 하나의 검파기 세트를 포함하는 검파기 어레이로서, 상기 검파기 세트들 중 제 1 검파기 세트는 인접 관계로 위치되는 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 검파기 소자를 포함하되, 상기 코드 부재와 검파기 어레이는 이동 방향을 따라서 서로에 대해 이동 가능하며, 상기 코드 부재가 상기 검파기 어레이에 대하여 이동함에 따라서, 상기 코드 부재 상의 반사기들은 상기 광원에 의하여 방출되는 광을 반사시켜, 상기 검파기 어레이를 가로질러 이동하는 원형 또는 타원형의 광 스폿을 발생시키는, 상기 검파기 어레이와,

제 1 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호에서 제 3 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호를 감산하기 위하여, 제 1 검파기 소자 및 제 3 검파기 소자와 동작이 연계되어, 제 1 출력을 발생시키는 제 1 가산기와,

제 2 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호에서 제 4 검파기 소자에 의하여 발생된 출력신호를 감산하기 위하여, 제 2 검파기 소자 및 제 4 검파기 소자와 동작이 연계되어, 제 2 출력을 발생시키는 제 2 가산기를 포함하는

광 인코더.
제 18 항에 있어서,

상기 반사기들은 원 또는 타원 형상인 광 인코더.
복수의 반사기들을 구비한 코드 부재를 제공하는 단계와,

적어도 하나의 반사기를 포함하는 상기 코드 부재의 영역을 조명하는 광 빔을 발생시키는 광원을, 상기 코드 부재의 일 측 상에 위치시키는 단계와,

검파기 어레이를 상기 코드 부재의 동일 측 상에 광원으로서 위치시키는 단계로서, 상기 검파기 어레이가 적어도 하나의 검파기 세트를 포함하되, 각 검파기 세트는 적어도 4개의 검파기 소자를 포함하고, 상기 검파기 어레이는 이동 방향을 따라서 상기 코드 부재에 대해 이동 가능하며, 상기 코드 부재 상의 반사기들은 상기 코드 부재가 상기 검파기 어레이에 대해 이동함에 따라서 상기 검파기 어레이를 가로질러 이동하는 원형 또는 타원형 광 스폿을 발생시키는 상기 검파기 어레이를 위치시키는 단계와,

제 1의 유사 사인 신호를 발생시키기 위하여, 상기 검파기 어레이의 적어도 제 1쌍의 비인접 검파기 소자들로부터의 출력신호를 조합하는 단계를 포함하는

방법.
제 20 항에 있어서,

상기 코드 부재에는 원 또는 타원 형상인 반사기들이 제공되는 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 검파기 세트들 중 하나의 폭 보다 작지만 상기 검파기 소자들 중 하나의 폭 보다는 큰 이동 방향을 따르는 치수를 갖고, 상기 검파기 어레이의 폭과 대략 동일한 거리 만큼 인접하는 광 스폿들로부터 분리되어 있는 광 스폿들을 상기 코드 부재 상의 반사기들로 하여금 상기 검파기 어레이 상에 발생시키도록 하기 위하여, 상기 광원, 상기 코드 부재 및 상기 검파기 어레이가 위치되고, 상기 코드 부재 상의 반사기들의 크기와 간격이 정해지는 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 코드 부재와 상기 검파기 어레이 사이의 상대 이동속도를 상기 제 1 유사 사인 신호의 주파수에 기초하여 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 적어도 제 1쌍의 비인접 검파기 소자들로부터의 출력신호를 조합하는 단계는 각각으로부터의 출력신호를 감산하는 단계를 포함하는 방법.
제 20 항에 있어서,

제 2의 유사 사인 신호를 발생시키기 위하여 상기 비인접 검파기 소자들 중 적어도 제 2쌍의 비인접 검파기 소자들로부터의 출력신호를 조합하는 단계를 더 포함하고,

상기 제 2쌍의 비인접 검파기 소자들은 상기 제 1쌍의 비인접 검파기 소자들과 서로 맞물려있는(interdigitated) 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 코드 부재와 상기 검파기 어레이 사이의 상대 이동 방향을 상기 제 1 및 제 2 유사 사인 신호 사이의 위상차에 기초하여 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 적어도 제 2쌍의 비인접 검파기 소자들로부터의 출력신호를 조합하는 단계는 각각으로부터의 출력신호를 감산하는 단계를 포함하는 방법.