KR20090013681A - 변위 측정 장치 - Google Patents

Abstract

자기 패턴(magnetic pattern)과 회절 격자가 각각 측정축 방향으로 배열된 복합 스케일(composite scale), 및 상기 복합 스케일에 대해 상기 측정축 방향으로 이동되는 검출기 헤드(detector head)를 포함하는 변위 측정 장치를 개시한다. 상기 검출기 헤드는, 상기 자기 패턴에 의해 발생하는 자계를 검출하여 제1 재생 신호를 생성하는 자기 검출 유닛, 상기 회절 격자에 광을 조사하는 광원, 및 상기 회절 격자에 의해 회절된 광을 검출하여 제2 재생 신호를 생성하는 광 검출 유닛을 가진다. 상기 복합 스케일에서, 상기 자기 패턴 및 상기 회절 격자는, 상기 제1 재생 신호의 피치가 상기 제2 재생 신호의 피치보다 크도록 배치되어 있다.

Description

변위 측정 장치 {DISPLACEMENT MEASURING APPARATUS}

본 발명은 일반적으로 변위 측정 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 직선 변위(linear displacement) 및 회전 변위(rotational displacemet)의 측정 시에 사용하는 변위 측정 장치에 관한 것이다.

관련 출원의 상호참조

본 발명은 2007년 8월 1일에 일본 특허청에 출원된, 일본 특허출원 제2007-201286호와 관련된 대상 발명을 포함하며, 그 내용 전부는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

변위 측정 장치는 직선 변위, 회전 변위, 및 기타 유사한 변위의 정밀한 측정을 행하는 장치로서, 스케일(scale)과 검출기 헤드(detector head)를 구비한 것이 알려져 있다. 이 변위 측정 장치는, 예를 들면 일반적으로 반송물에 대해 정밀한 위치 결정 제어(opsitioning control)를 필요로 하는 전자 부품의 실장 장치(packaging equipment), 및 부품의 치수를 측정하는 장치에 널리 이용되고 있다. 변위 측정 장치의 검출 방식은 크게 두 가지 타입, 자기식(magnetic type)과 광학 식(optical type)으로 나뉠 수 있다.

공지의 자기식 변위 측정 장치로서는, 예를 들면, 심사청구되지 않은 일본 특허공개공보 제2002-267493호에 개시된 한 가지 접근법이 있으며, 이 특허 문헌에는, 이동체(movable material)의 위치 검출 및 제어에 사용되는 자기식 인코더(magnetic encoder)가 기재되어 있다.

이 일본 특허공개공보 제2002-267493호에 개시된 자기식 인코더는, 자극(magnetic pole) 패턴을 포함하는 자기 스케일(magnetic scale); 상기 자극 패턴과 대향하여 제공되고, 자계를 검출하기 위한 복수의 검출 패턴을 포함하는 검출 소자; 상기 검출 소자를 유지하는 홀더(holder); 및 상기 검출 소자에 접속되고 상기 검출 소자로부터 얻어지는 출력 신호를 직사각형파 처리하기 위한 처리 회로를 적어도 포함하고, 상기 복수의 검출 패턴 중 하나와 상기 자기 스케일 사이의 거리가, 다른 검출 패턴과 상기 자기 스케일 사이의 거리와 대략 같은 것을 특징으로 하고 있다.

일본 특허공개공보 제2002-267493호에 개시된 자기식 인코더에 의하면, 자기 스케일의 자극 패턴을 검출 소자로 검출함으로써, 자기 스케일에 대한 검출 소자의 변위량을 측정할 수 있다.

공지의 광학식 변위 측정 장치로서는, 예를 들면, 심사청구되지 않은 일본 특허공개공보 제2006-177876호에 개시된 레이저 간섭식의 변위 측정 장치가 있다.

이 일본 특허공개공보 제2006-177876호에 기재된 변위 측정 장치는, 회절 격자를 포함하는 스케일; 및 상기 스케일에 대해 측정축의 방향을 따라 이동 가능하 게 제공되어 상기 스케일을 향해 간섭광(coherent light)을 발사하고 상기 스케일에 의해 회절된 광을 수광하도록 구성된 검출기 헤드 유닛을 적어도 포함하여 제공된다. 상기 변위 측정 장치에서, 상기 검출기 헤드 유닛은, 간섭광을 발사하는 광원; 상기 광원으로부터의 발사된 간섭광을 두 개의 광빔으로 디멀티플렉싱(demultiplexing)하는 디멀티플렉싱 수단; 상기 디멀티플렉싱 수단으로부터 출력되는 각각의 광빔에 대해 설치되고, 상기 디멀티플렉싱 수단으로부터의 광빔을 반사하여 상기 스케일에 입사광으로서 입사시키도록 구성된 광학 소자; 및 이전에 상기 스케일에 입사한 두 개의 광빔이 상기 회절 격자에 의해 회절되어 생성되는 회절 광빔 각각에 대해 설치되고, 상기 회절 광빔을 되반사(retrorflective)하여 상기 스케일에 재귀 광빔(recursive light beam)으로서 입사시키는 되반사 수단을 포함한다. 상기 변위 측정 장치에서, 입사빔 및 상기 재귀 광빔은 회절 격자의 홈(groove)에 대하여 수직 방향으로부터 입사되고, 상기 입사빔과 상기 스케일의 법선 벡터 사이의 각은, 상기 재귀 광빔과 상기 스케일의 법선 벡터 사이의 각보다 크다.

이 일본 특허공개공보 제2006-177876호에 기재된 변위 검출 장치에 의하면, 스케일 상에 형성된 회절 격자에 의해 회절된 광을 광 검출 유닛에 의해 검출함으로써, 스케일에 대한 변위량을 측정할 수 있다.

그러나, 일본 특허공개공보 제2002-267493호에 개시된 자기식의 변위 측정 장치에서는, 자극 패턴의 피치를 감소시키면, 문제가 발생한다. 즉, 서로 비접촉 상태를 유지하도록 구성된 자기 스케일과 검출 소자(자기 검출 유닛) 사이의 간격을 동시에 감소시킬 필요가 있었다. 그러므로, 자극 패턴의 피치(즉, 검출 소자에 의해 검출되는 재생 신호의 피치)는, 일반적으로 약 40 내지 5000μm로 보며, 자극 패턴의 피치를 더욱 감소시켜서 고정밀도 및 고분해능을 실현하는 것은 어려운 것으로 생각되고 있다.

또한, 일본 특허공개공보 제2006-177876호에 개시된 것과 같은 광학식의 변위 검출 장치에서는, 회절 격자에 의해 회절된 광을 반사시켜 다시 회절 격자에 조사함으로써, 수광 소자(photoreceptor element)에 의해 광학적으로 검출되는 재생 신호의 피치를 감소시킬 수 있다. 그러므로, 광학적으로 검출되는 재생 신호의 피치는, 일반적으로 대략 0.1 내지 40μm로 되어, 고정밀도 및 고분해능을 갖는 측정을 실현할 수 있다. 하지만, 광학식의 변위 측정 장치에서는, 재생 신호의 피치를 좁게 하면 고정밀도 및 고분해능을 실현할 수 없으므로, 변위값을 측정하는 동안에 속도 및 응답이 동시에 지연된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 고속 및 고응답, 그리고 고정밀도 및 고분해능으로 변위량의 측정을 행할 수 있는 변위 측정 장치가 제공된다.

변위 측정 장치는, 자기 패턴과 회절 격자가 각각 측정축 방향으로 정렬된 복합 스케일(composite scale); 및 상기 복합 스케일에 대해 측정축 방향으로 이동하는 검출기 헤드를 포함한다. 상기 검출기 헤드는, 상기 자기 패턴에 의해 발생하는 자계를 검출하여 제1 재생 신호를 생성하는 자기 검출 유닛; 상기 회절 격자에 광을 조사하는 광원; 및 상기 회절 격자에 의해 회절된 광을 검출하여 제2 재생 신호를 생성하는 광 검출 유닛을 가진다. 상기 변위 측정 장치의 상기 복합 스케일에서, 상기 자기 패턴 및 상기 회절 격자는 상기 제1 재생 신호의 피치가 상기 제2 재생 신호의 피치보다 크도록 배열되어 있다.

본 발명의 변위 측정 장치에 의하면, 자기 검출 유닛은 자기 패턴에 의해 발생하는 자계를 검출하여 고속 및 고응답으로 변위량을 측정하고, 광학 검출 유닛은 회절 격자에 의해 회절된 광을 검출하여 고정밀도 및 고분해능으로 변위량을 측정한다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예의 변위 측정 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 실시예들에 개시되고 도면에 나타낸 것으로 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 변위 측정 장치를 나타낸 사시도이다. 이 변위 측정 장치(1)는 직선 변위를 측정하도록 구성된다. 즉, 이른바 리니어 타입(linear type)의 변위 측정 장치로서 구성된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 변위 측정 장치(1)는, 자기 패턴(31) 및 회절 격자(32)가 각각 측정축의 방향 X(또는, 이하 "측정축 방향 X"라고 한다)에 정렬되어 있는 복합 스케일(2), 및 복합 스케일(2)에 대해 측정축 방향 X로 이동하는 검출기 헤드(3)를 적어도 포함한다.

검출기 헤드(3)는, 자기 검출 유닛(11), 광원(12), 및 광 검출 유닛(13)을 적어도 포함한다. 검출기 헤드(3)에 포함된 자기 검출 유닛(11)은, 복합 스케일(2)의 자기 패턴(31)에 의해 발생하는 자계를 검출하여, 제1 재생 신호를 생성하도록 구성된다. 자기 검출 유닛(11)으로서는, 예를 들면, 자기 저항 효과(magneto-resistive effect)를 이용하여 자계를 검출할 수 있는 자기 저항 소자(magneto-resistive element)를 채용할 수 있다.

검출기 헤드(3)의 광원(12)은 복합 스케일(2)의 회절 격자(32)에 광을 조사하는 점광원(point light source)이다. 광원(12)으로서는, 예를 들면, LED(Light Emitting Diode: 발광 다이오드), 반도체 레이저 등을 채용할 수 있다. 광 검출 유닛(13)은, 회절 격자(32)에 의해 회절된 광을 검출(또는 수광)하여 제2 재생 신호를 생성하도록 구성된다. 광 검출 유닛(13)으로서는, 예를 들면, 포토 다이오드(photodiode, PD)를 채용할 수 있다.

도 2 및 도 3은 변위 측정 장치(1)의 복합 스케일(2)을 나타낸 도면이며, 도 2는 복합 스케일(2)의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 3은 복합 스케일(2)의 종단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 복합 스케일(2)은, 자기 패턴(31)이 제공된 베이 스재(21), 베이스재(21) 상에 적층되고 베이스재(21)에 대한 반대쪽의 면에 회절 격자(32)가 제공된 수지층(22), 수지층(22)의 다른 면에 형성된 반사막(23), 및 반사막(23)이 제공된 수지층(22)을 덮는 보호막(24)을 포함한다.

복합 스케일(2)의 베이스재(21)는 철, 코발트 등의 자성재로 이루어지고, 측정축 방향 X를 따라 연장되는 얇은 스트립 형태(테이프 형태)의 구조이다. 베이스재(21)는 자기 패턴(31)을 포함한다. 자기 패턴(31)은, 반복 피치 P1으로, N극과 S극을 측정축 방향 X를 따라 교대로 반복하여 자기 기록함으로써 형성된다. 자기 패턴(31)에 의해 발생하는 자계를 검출기 헤드(3)의 자기 검출 유닛(11)으로 검출함으로써, 복합 스케일(2)과 검출기 헤드(3) 사이의 상대적인 변위량을 측정할 수 있다.

여기서 기재한 본 실시예에 따른 복합 스케일은, 자성재를 채용하여 형성되는 베이스재(21), 및 N극과 S극을 교대로 반복하여 자기 기록함으로써 제공되는 자기 패턴(31)을 포함하는 구성이지만, 본 발명에서의 베이스재는 전술한 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 베이스재는 알루미늄, 유리 등의 비자성재를 교대로 채용하여 형성될 수 있으며, 그 표면에 자기 성분(magnetic component)을 코팅함으로써 N극과 S극을 교대로 배치한 자기 패턴을 형성한다.

복합 스케일(2)의 수지층(22)은, 광경화성 수지의 일례로서 자외선 경화성 수지(ultraviolet curable-resin)를 베이스재(21)의 한쪽 면의 상부에 배치함으로써 형성된다. 수지층(22)을 형성하는 재료는, 전술한 자외선 경화성 수지와 같은 광경화성 수지(photo-curable resin)로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 에폭시 수지(EP)와 같은 열경화성 수지(thermosetting resin)를 대안으로 채용할 수도 있다. 또, 수지층(22)에 대해 반대쪽의 베이스재(21)의 다른 면에는, 회절 격자(32)가 형성되어 있다.

회절 격자(32)는 서로 평행하고 측정축 방향 X와 직교하는 방향으로 정렬된 복수의 슬릿을 가지며, 슬릿은 피치 P2의 간격으로 측정축 방향 X로 배열되어 있다. 그러므로, 회절 격자(32)는, 베이스재(21) 상의 자기 패턴(31)과 동일한 트랙 상에 형성된다. 검출기 헤드(3) 내의 광원(12)으로부터 발사된 광이 조사되면, 회절 격자(32)는 회절광을 발생시킨다. 이 회절광을 검출기 헤드(3) 내의 광 검출 유닛(13)으로 검출함으로써, 복합 스케일(2)과 검출기 헤드(3) 사이의 상대적인 변위량을 측정할 수 있다.

베이스재(21) 상에 형성된 자기 패턴(31)의 피치 P1은, 수지층(22) 상에 형성한 회절 격자(32)의 피치 P2보다 크게 설정된다. 본 실시예에서는, 자기 패턴(31)의 피치 P1을 1000μm으로 설정하여, 자기 검출 유닛(11)에 의해 검출되는 제1 재생 신호의 피치가 1000μm로 되도록 한다. 또, 회절 격자(32)의 피치 P2를 4μm로 설정한다. 회절 격자(32)에 광을 4회 조사함으로써, 광 검출 유닛(13)에 의해 검출되는 제2 재생 신호의 피치가 1.0μm가 되도록 구성되어 있다.

즉, 자기 방식에 의한 검출로부터 생성되는 제1 재생 신호의 피치는, 광학적 검출로부터 생성되는 제2 재생 피치보다 크다. 그 결과, 자기식의 검출로부터 생성되는 제1 재생 신호를 사용하여 변위량을 측정하는 경우에, 고속 및 더 우수한 응답성의 측정을 실현할 수 있다. 다르게는, 광학식 검출로부터 생성되는 제2 재 생 피치를 사용하여 변위량을 측정하는 경우에, 고상세, 고분해능을 실현할 수 있다.

복합 스케일(2)의 반사막(23)은, 높은 경도를 가지고 적절한 내손상성(damage resistance)을 가지는 재료로서, 크롬(Cr)으로 이루지는 막을, 증발(evaporation), 스퍼터링 및 기타 유사한 막 증착 방법을 사용하여 증착함으로써 수지층(22)의 표면에 형성된다. 전술한 본 실시예에서는 반사막(23)을 형성하기 위해 크롬(Cr)을 채용하였으나, 본 발명에서 있어 반사막의 재료는 전술한 것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 반사막은 금, 백금, 알루미늄 등의 다른 금속을 채용할 수도 있다.

보호막(24)은 광원(11)으로부터 발사되는 광을 투과시킬 수 있는 투명한 부재로 형성된다. 보호막(24)의 재료의 예로는, 필름으로서 형성될 수 있는 폴리카보네이트(PC)를 포함한다. 이런 식으로, 바람직하게는 보호막(24)의 한쪽 면에, 접착제를 도포할 수 있다. 이와 같이, 반사막(23)을 가지는 수지층(22)을 보호막(24)으로 덮음으로써, 반사막(23)의 오염 또는 흠을 방지할 수 있다. 그 결과, 정해진 방식으로 회절광을 취득하여 정확한 변위량을 측정할 수 있어, 변위 측정 장치(1)의 신뢰성을 상당히 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명의 보호막은 전술한 폴리카보네이트(PC)의 필름에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호막에 대한 예로는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 필름을 포함할 뿐 아니라, 폴리카보네이트(PC)의 투명한 수지재와 같은, 다른 구조를 가지는 필름을 포함할 수 있다.

또, 본 실시예에 따른 복합 스케일(2)은 반사막(23)을 가지는 수지층(22) 상에 형성되는 보호막(24)을 포함하지만, 다르게는 본 발명의 복합 스케일(2)은 보호막(24)을 포함하지 않을 수도 있다. 이 경우에, 수지층(22) 상에 형성된 반사막(23)이 복합 스케일(2)의 표면으로 사용된다.

다음에, 전술한 바와 같은 구성을 가지는 복합 스케일(2)의 제조 방법에 대하여, 도 4 (A) 내지 (F)를 참조하여 설명한다. 도 4 (A) 내지 (F)는, 복합 스케일(2)의 여러 제조 단계에서의 단면도이다.

먼저, 베이스재(21) 상에 N극과 S극을 교대로 반복하여 자기 기록함으로써, 피치 P1의 자기 패턴(31)을 형성한다. 다음에, 도 4 (A)에 나타낸 바와 같이, 이전에 자기 패턴(31)을 형성한 베이스재(21)의 한쪽 면에 자외선 경화성 수지를 배치함으로써 수지층(22)을 형성한다. 이 경우에, 베이스재(21)의 한쪽 면을 거칠게 가공하는 공정을 추가함으로써, 베이스재(21)와 자외선 경화성 수지로 형성되는 수지층(22) 사이의 점착력(adhesion)을 향상시킬 수 있다.

또, 자외선 경화성 수지는, 다르게는 미리 베이스재(21)에 적합한 크기의 시트로서 형성될 수도 있다. 이 경우에는, 시트형의 자외선 경화성 수지를 베이스재(21)의 한쪽 면에 부착한다.

다음에, 도 4 (B)에 나타낸 바와 같이, 회절 격자(32)에 대응하는 마스터(마스터 격자)(35a)가 제공되어 있는 원판(35)을 수지층(22)에 대해 가압한다. 즉, 원판(35)을 사용하여 수지층(22)을 프레스 가공한다. 이 원판(35)은, 예를 들면 석영 유리(silica glass) 등의, 자외선이 투과할 수 있는 투명 재료를 가지고 있 다. 마스터(35a)는 자외선 경화성 수지를 적절히 박리(release)하는 능력을 증진시키기 위한 처리가 되어 있다.

이어서, 도 4 (C)에 나타낸 바와 같이, 자외선 조사 장치(42)에 의해 원판(35) 측으로부터 자외선 빔을 조사한다. 이로써, 원판(35)을 투과하여 수지층(22)에 자외선 빔이 조사되고, 수지층(22)은 원판(35)에 대해 가압되어 변형된 상태로 경화된다.

다음에, 도 4 (D)에 나타낸 바와 같이, 경화된 수지층(22)으로부터 원판(35)을 제거하여, 수지층(22)에 피치 P2의 회절 격자(32)를 형성한다. 원판(35)의 마스터(35a) 상에는 사전에 박리 가공(releasing process)이 되어 있으므로, 수지층(22)으로부터 원판(35)을 용이하게 제거할 수 있다. 그 결과, 경화된 수지층(22)의 바람직하지 못한 변형을 방지할 수 있어, 회절 격자(32)를 충분한 정밀도로 형성할 수 있다.

그 후, 도 4 (E)에 나타낸 바와 같이, 증발, 스퍼터링, 및 다른 적합한 증착 방법으로, 수지층(22)의 표면에 크롬(Cr)을 증착하여 막을 형성함으로써, 반사막(23)을 형성한다. 또, 도 4 (F)에 나타낸 바와 같이, 반사막(23)이 제공된 수지층(22) 상에 보호막(24)을 형성하여, 복합 스케일(2)을 제조한다.

또, 수지층(22)을 열경화성 수지로 형성하는 경우에는, 도 4 (C)에 나타낸 자외선 조사 장치(42) 대신에 가열 장치를 사용하여 열경화성 수지를 경화시킨다. 열경화성 수지를 채용하여 수지층(22)을 형성하는 다른 공정 단계들은 자외선 경화성 수지를 사용하여 수지층(22)을 형성하는 앞서 설명한 것과 동일하기 때문에, 반 복 설명을 생략한다.

전술한 바와 같이, 변위 측정 장치(1)에 포함된 복합 스케일(2)은, 제조 공정 내의 여러 단계를 통해 형성될 수 있다. 그 예로는, 베이스재(21) 상에 자기 패턴(31)을 형성하는 단계, 자기 패턴(31)이 제공된 베이스재(21) 상에 수지층(22)을 형성하는 단계, 수지층(22)에 대해 원판(35)에 대응하는 마스터(35a)를 가압하여 회절 격자(32)를 형성하는 단계, 회절 격자(32)가 제공된 수지층(22) 상에 반사막(23)을 형성하는 단계, 및 반사막(23)이 형성된 수지층(22) 상에 보호막(24)을 형성하는 단계를 포함한다.

전술한 바와 같이 복합 스케일(2)을 제조함으로써, 고가의 장치를 사용하지 않고 적은 제조 인력 및 시간으로, 상당히 용이하게 회절 격자(32)를 형성할 수 있고, 상당한 비용 절감을 달성할 수 있다. 또한, 회절 격자(32)를 미세한 피치로 충분한 정밀도로 형성할 수 있고, 이렇게 형성된 회절 격자(32)에 의해 회절된 광을 광 검출 유닛(13)으로 검출함으로써, 변위 측정 시에 더욱 정밀한 고분해능을 달성할 수 있다.

위에서는 본 실시예의 복합 스케일에 대해 얇은 테이프 형태의 구조를 설명하였으나, 본 발명의 복합 스케일의 구조는 테이프 형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 복합 스케일을 형성하기 위해, 다른 구조를 대안으로 채용할 수 있으며, 전술한 바와 같이, 베이스재를 스테인레스 스틸과 같은 금속과 유리 등으로 형성하고, 적당한 두께를 가지는 긴 형태의 복합 스케일을 형성할 수도 있다.

다음에, 변위 측정 장치(1)를 사용한 변위량의 측정 방법에 대하여 설명한 다. 변위 측정 장치(1)는, 검출기 헤드(3)의 자기 검출 유닛(11)으로 복합 스케일(2)의 자기 패턴(31)에 의해 발생하는 자계를 검출하거나, 광 검출 유닛(13)으로 회절 격자(32)에 의해 회절된 광을 검출하거나 함으로써, 복합 스케일(2)에 대한 검출기 헤드(3)의 변위량을 측정한다.

복합 스케일(2)의 자기 패턴(31)은, 회절 격자(32)의 피치 P2보다 큰 피치 P1로 형성되고, 자기 검출 유닛(11)에 의해 생성되는 제1 재생 신호의 피치는 광 검출 유닛(13)에 의해 생성되는 제2 재생 신호의 피치보다 크다. 그러므로, 자기 패턴(31)으로부터 발생하는 자계를 검출기 헤드(3)의 자기 검출 유닛(11)으로 검출하도록 구성되는 자기식의 검출을 행함으로써, 변위량을 고속 및 고응답으로 측정할 수 있다. 다르게는, 회절 격자(32)에 의해 회절된 광을 검출기 헤드(3)의 광 검출 유닛(13)으로 검출하도록 구성되는 광학식의 검출을 행함으로써, 변위량을 고상세, 고분해능으로 측정할 수 있다.

또, 처음에는 자기식의 검출에 의해 측정을 행하고, 그 후, 자기식의 검출을 행하여서는 측정할 수 없는 부분을 광학식의 검출에 의해 추가로 측정함으로써, 고속 및 고응답일 뿐 아니라, 고상세, 고분해능으로 측정을 행할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제2 실시예에 따른 변위 측정 장치를, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 변위 측정 장치를 나타낸 사시도이다. 도 5를 참조하면, 변위 측정 장치(41)는, 제1 실시예에 따른 변위 측정 장치(1)와 마찬가지로, 복합 스케일(42)과 검출기 헤드(43)를 적어도 포함한다. 제2 실시예의 변위 측정 장치(41)는 검출기 헤드(43)에 대한 복합 스케일(42)의 절 대적인 위치를 측정하도록, 즉 이른바 앱솔루트 타입의 측정(absolute type measurement)이 가능하도록 구성되어 있다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 변위 측정 장치(41)의 복합 스케일(42)은, 자기 패턴(51)만을 제외하고는 제1 실시예의 복합 스케일(2)과 동일한 구성을 가진다. 그러므로, 여기서는 자기 패턴(51)에 대해 주로 설명한다. 복합 스케일(1)과 공통되는 구성요소는 동일한 도면부호를 표시하고 중복 설명을 생략한다.

복합 스케일(42)의 자기 패턴(51)은, 위치 정보를 자기적으로 판독할 수 있는 코드(이하, "자기 코드"라고 한다)(52)를 나타낸다. 자기 코드(52)에 대해 설명한다. 복합 스케일(42)의 베이스재(21)에는, 각각 자기적으로 기록된 정보 "1"에 대응하는 부분들과, 자기적으로 기록되지 않은 정보 "0"을 각각 나타내는 다른 부분들을 있다. 정보 "1"은 베이스재(21)에 N극이나 S극, 다르게는 N극 및 S극을 조합하여 자기적으로 기록함으로써 형성될 수 있다.

자기 코드(52)는, 측정축 방향 X에 따라 연속하여 제공되고 정보 "0" 또는 "1"을 각각 가지는 복수 자릿수의 수치로 표현되며, 그 수치는 서로 상이하다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 자기 코드(52)를 4 자릿수의 수치로 표현하는 경우는, 일단(one end)으로부터 차례로 "0010", "0100", "1001" 등으로 표현된다. 이 자기 코드(52)를 검출함으로써, 복합 스케일(42)의 임의의 위치를 결정할 수 있다.

변위 측정 장치(41)의 검출기 헤드(43)는, 자기 검출 유닛(54)의 구조만을 제외하고는 제1 실시예의 검출기 헤드(3)와 동일한 구성을 가진다. 그러므로, 여기서는 자기 검출 유닛(54)에 대해 주로 설명한다. 검출기 헤드(3)와 공통되는 구 성요소는 동일한 도면부호로 나타내고, 여기서는 중복 설명을 생략한다. 자기 검출 유닛(54)은 4 자릿수(4 비트)의 자기 코드(52)에 대응하는 4개의 MR 소자를 포함하고, 이웃하는 MR 소자들 사이의 간격은 자기 코드(52)의 1 자릿수에 상당하는 길이와 동일하게 설정되어 있다.

다음에, 변위 측정 장치(41)를 사용한 앱솔루트 타입의 측정에 대하여, 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은, 도 5의 변위 측정 장치를 사용한 앱솔루트 타입의 측정을 설명하는 블록도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 변위 측정 장치(41)를 사용한 앱솔루트 타입의 측정은, 자기 검출 유닛(54)을 사용한 자기식의 검출과 광 검출 유닛(13)에 의한 광학식의 검출을 조합함으로써 실행된다.

자기식의 검출과 관련하여, 먼저 자기 검출 유닛(54)이 자기 코드(52)를 검출한다. 다음에, 자기 검출 유닛(54)에 의해 검출된 값(전압)에 기초하여 신호 처리를 수행하고, 복합 스케일(42)에 대한 검출기 헤드(43)의 제1 위치 정보를 생성한다. 제1 위치 정보는, 광 검출 유닛(13)에 의해 검출되는 제2 재생 신호의 피치와 같은 1.0μm 단위의 정도로 생성된다.

한편 광학식의 검출과 관련하여, 먼저 회절 격자(32)에 의해 회절된 광을 광 검출 유닛(13)이 검출한다. 다음에, 광 검출 유닛(13)에 의해 검출된 값(전압)에 기초하여 신호 처리를 수행하고, 복합 스케일(42)에 대한 검출기 헤드(43)의 제2 위치 정보를 생성한다. 제2 위치 정보는 여기서, 광 검출 유닛(13)에 의해 검출되는 제2 재생 신호의 전술한 피치(1.0μm)보다 작은 값으로서 생성된다.

그 후, 제1 위치 정보와 제2 위치 정보를 합성(merge)함으로써, 복합 스케 일(42)에 대한 검출기 헤드(43)의 절대 위치를 계산한다. 이와 같이, 자기식의 검출과 광학식의 검출을 조합하여, 검출기 헤드(43)의 절대 위치를 측정하기 때문에, 절대 위치의 검출을 고정밀도로 실행할 수 있다.

본 실시예에서는, 각각 "0" 또는 "1"을 가지는 4 자릿수(4 비트)의 수치로 자기 코드(52)를 표현하지만, 이와는 달리 5 자릿수(5 비트) 이상의 수치로 자기 코드(52)를 표현할 수도 있다. 이와 관련하여, 자기 검출 유닛에 포함되는 MR 소자의 수는 자기 코드의 자릿수에 따라 증가 된다. 자기 코드의 자릿수를 증가시킴으로써, 앱솔루트 측정 방법으로 더 먼 거리를 측정할 수 있는 복합 스케일을 실현할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 변위 측정 장치를 사용하면, 자기 패턴으로부터 발생하는 자계를 검출기 헤드의 자기 검출 유닛에 의해 검출함으로써, 복합 스케일에 대한 검출기 헤드의 변위량을 고속 및 고응답으로 측정할 수 있다. 또, 복합 스케일의 회절 격자에 의해 회절된 광을 검출기 헤드의 광 검출 유닛으로 검출함으로써, 변위량을 고상세, 고분해능으로 측정할 수 있다.

그 결과, 전술한 고속 및 고응답의 측정을 실현하는 자기식과, 고상세, 고분해능의 측정을 실현하는 광학식 중에서 원하는 측정 방법을 임의로 선택할 수 있고, 현재의 사용 상황과 의도에 따라 더 적합한 방법을 사용하여 측정을 행할 수 있다. 다르게는, 먼저 자기식의 검출에 의한 측정을 행하고, 그 후, 자기식의 검출에서는 측정할 수 없는 부분을 광학식의 검출에 의해 측정함으로써, 고속 및 고응답일 뿐 아니라, 고상세, 고분해능의 측정을 실현할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 복합 스케일은 베이스재, 및 베이스재의 한쪽 면에 형성되는 수지층을 가지는 구조이다. 동시에, 베이스 부재 상에 자기 패턴을 형성하고, 수지층 상에 회절 격자를 형성한다. 그 결과, 자기 패턴과 회절 격자를 복합 스케일의 동일한 트랙 상에 형성할 수 있어, 복합 스케일 및 측정 장치 전체의 소형화를 달성할 수 있다.

또, 광경화성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어지는 수지층 상에 회절 격자를 형성하므로, 원판에 대해 가압하면서 경화시키는 공정만으로 고정밀도로 미세하게 규정된 회절 격자를, 고정밀도이면서 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 고가의 제조 장치를 사용하지 않고, 적은 제조 인력 및 시간으로 회절 격자를 형성하여, 상당한 비용 절감을 달성할 수 있다.

또한, 반사층이 제공된 수지층을 보호막으로 덮음으로써, 반사막에 오염 또는 흠이 나는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 전술한 방식으로 회절광을 연속하여 얻을 수 있어, 측정의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또, 얇은 스트립 형태의 베이스재를 채용하여 스케일을 테이프 형태로 형성하므로, 휴대성(transportability)이 우수한 변위 측정 장치를 제공할 수 있다.

또, 자기 패턴으로서 위치 정보를 판독할 수 있는 자기 코드를 제공하므로, 앱솔루트 타입의 측정을 행할 수 있다. 또한, 앱솔루트 타입의 측정은, 자기 코드를 검출하여 얻어지는 제1 위치 정보와 회절 격자에 의해 회절된 광을 검출하여 얻어지는 제2 위치 정보를 합성함으로써 수행되므로, 절대 위치의 검출을 고정밀도로 행할 수 있다.

본 발명의 특정한 실시예를 예를 들어 설명하였지만, 본 발명은 실시예에 개시된 것과 도면에 나타낸 것에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않은 각종의 변형예가 가능하다. 예를 들면, 변위 측정 장치는 직선 변위를 측정하는 리니어 타입으로 나타나 있지만, 본 발명의 측정 장치는 회전 변위를 측정할 수 있는 로터리 타입에도 적용될 수 있다.

해당 기술분야의 당업자는, 첨부된 청구항의 범위 또는 그와 동등한 범위 내인 한 설계 요건 또는 다른 인자에 따라, 다양한 변형, 조합, 부조합 및 변경이 가능하다는 것을 알아야 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 변위 측정 장치를 나타낸 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 변위 측정 장치의 복합 스케일의 구조를 설명하는 설명도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 변위 측정 장치의 복합 스케일의 일부를 확대한 종단면을 나타낸 측면도이다.

도 4 (A) 내지 (F)는 제조 공정의 여러 단계 동안의 본 발명의 실시예에 따른 변위 측정 장치에 포함되는 복합 스케일을 나타낸 단면도이다. 도 4 (A)는 자기 패턴을 사전에 형성한 베이스재에 자외선 경화성 수지로 이루어지는 수지층을 형성한 상태의 복합 스케일의 단면도이다. 도 4 (B)는 수지층에 원판(original plate)을 가압하기 전의 상태를 나타낸 도면이고, 도 4 (C)는 원판에 대해 가압하면서 자외선을 조사한 수지층을 나타낸 도면이며, 도 4 (D)는 원판을 제거한 후의 수지층 상에 형성된 회절 격자를 나타낸 도면이고, 도 4 (E)는 회절 격자가 형성된 수지층에 반사막을 형성한 상태를 나타낸 도면이며, 도 4 (F)는 반사막을 가지는 수지층 상에 형성된 보호막을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 변위 측정 장치를 나타낸 사시도이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 변위 측정 장치에 의한 앱솔루트 타입의 측정을 설명하는 블록도이다.

Claims (6)

1. 자기 패턴과 회절 격자가 각각 측정축 방향으로 정렬된 복합 스케일; 및

   상기 복합 스케일에 대해 상기 측정축 방향으로 이동하는 검출기 헤드로서, 상기 자기 패턴에 의해 발생하는 자계를 검출하여 제1 재생 신호를 생성하는 자기 검출 유닛, 상기 회절 격자에 광을 조사하는 광원, 및 상기 회절 격자에 의해 회절된 광을 검출하여 제2 재생 신호를 생성하는 광 검출 유닛을 가지는, 상기 검출기 헤드

   를 포함하고,

   상기 제1 재생 신호의 피치가 상기 제2 재생 신호의 피치보다 크도록, 상기 자기 패턴과 상기 회절 격자가 배열되어 있는,

   변위 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복합 스케일은,

   상기 자기 패턴이 제공된 베이스재(base material);

   광경화성 수지 또는 열경화성 수지로 형성되고, 상기 베이스재 상에 적층되며, 상기 베이스재와는 반대쪽의 제1 면에 상기 회절 격자가 제공된 수지층; 및

   상기 수지층의 상기 제1 면과는 반대쪽의 제2 면에 형성된 반사막

   을 포함하는, 변위 측정 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 복합 스케일은, 상기 반사막이 제공된 상기 수지층을 덮는 보호막을 포함하는, 변위 측정 장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 자기 패턴과 상기 회절 격자가, 상기 복합 스케일의 동일한 트랙 상에 형성되는, 변위 측정 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 자기 패턴은, N극과 S극을 측정축 방향으로 교대로 반복하여 자기 기록함으로써 형성되는, 변위 측정 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 자기 패턴은, 위치 정보를 판독 가능한 코드를 자기적으로 표현하도록 구성되는, 변위 측정 장치.

Images