KR20090086460A - 용량성 각 인코더 및 회로기판부품 삽입장치용 삽입형 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정지한 물체에 대해 회전이동 가능한 물체(rotationally movable object)의 회전위치를 검출하기 위한 용량성 각 인코더(capacitive angular encoder) 및 회로 보드 부품 삽입장치용의 삽입형 공급장치에 관한 것으로, 상기 삽입형 공급장치에는 본 발명에 따른 각 인코더가 장착되어 있다. 상기 각 인코더는 제1 및 제2 전송 전극과 제1 및 제2 수신 전극을 구비하는 고정자와, 증분형 커플링 전극과 절대치형 커플링 전극을 구비하는 회전자를 포함한다. 상기 증분형 커플링 전극은 상기 회전자의 회전위치 변화에 따른 커패시턴스의 변화에 의해 제1 정전기장을 변조하도록 구성되며, 상기 절대치형 커플링 전극은 상기 회전자의 절대 회전 위치에 따른 커패시턴스 변화에 따라 제2 정전기장을 변조하도록 구성된다. 신호처리회로는 상기 제1 및 제2 변조된 정전기장을 검출하여 검출된 전계에 따라 위치에 대한 측정값을 결정한다. 적어도 하나의 제1 및 제2 전송 전극 및 적어도 하나의 제1 및 제2 수신 전극은 서로 동일 평면상에 배열된다.

고정자, 회전자, 커패시턴스, 인코더, 증분, 앱솔루트

Description

용량성 각 인코더 및 회로기판부품 삽입장치용 삽입형 공급장치{CAPACITIVE ANGLE ENCODER AND WITHDRAWABLE FEEDER FOR CIRCUIT BOARD COMPONENT INSERTION MACHINES}

본 발명은 정지한 물체에 대해 회전이동 가능한 물체(rotationally movable object)의 회전위치를 검출하기 위한 용량성 각 인코더(capacitive angular encoder)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 인쇄회로기판 삽입장치용의 삽입형 공급장치 내에 삽입될 수 있는 용량성 각 인코더에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 각 인코더가 장착되어 있는 인쇄회로기판 삽입장치용의 삽입형 공급장치에 관한 것이다.

삽입장치는 인쇄회로기판상에 전자부품의 위치를 설정하는데 이용된다. 전자부품은 판지(cardboard) 또는 플라스틱으로 제조된 컨베이어 벨트 위에 배치되어 다른 벨트에 의해 덮이게(covered by) 된다. 컨베이어 벨트는 롤 형태로 감겨져서 공급장치 내에 삽입된다. 컨베이어 벨트는 적어도 일측에 구멍들을 구비하며, 이 구멍들 내에 구동 모터에 의해 구동되는 핀 공급 플래튼이 맞물려 컨베이어 벨트를 이동시킨다. 동시에, 커버 호일이 벗겨져 전자부품이 배치되도록 한다. 전자부품은 핀 공급 플래튼에 의해 전달 위치에 정확하게 배치되어 진공피펫(vacuum pipette) 에 의해 옮겨져(removed), 인쇄회로기판 위에 놓이게 된다.

오늘날 전자부품이 더 소형화되고 인쇄회로기판상의 전자부품의 수가 점차 증가함에 따라, 최근의 삽입장치는 컨베이어 벨트 및 전자부품과 함께 삽입형 공급장치를 최대한 많이 수용할 수 있도록 공간을 제공해야 한다. 공간상의 이유로, 개개의 삽입형 공급장치는 가능한 폭이 좁아야 한다.

동시에, 핀 공급 플래튼의 위치를 모니터링 하고, 가능하다면, 정정함으로써 부품의 위치를 더욱 정확하게 검출할 수 있어야 한다. 종래 인쇄회로기판 삽입장치용 삽입형 공급장치의 일예가 DE 10 2006 024 733.7에 개시되어 있다.

정지한 물체에 대해 회전이동 가능한 물체의 회전위치를 검출하기 위한 용량성 각 송신기(capacitive angle transmitters)가 공지되어 있으며, 상기 장치는 회전자(rotor) 상에 배치된 이동형 전극과 고정자(stator) 상에 배치된 이동형 전극 사이의 커패시턴스(capacitance) 변화를 평가한다. 공지의 기술, 예를 들면, 국제특허공개 WO 00/63653 A2로부터 용량성 각 인코더를 유추할 수 있다. 그러나, 상기 특허문서에 제안된 모든 해결책들은 현재의 삽입장치에 꼭 필요한 사항들을 제공하지 않으며, 게다가, 전자기 간섭으로부터 보호하기 위한 전기적인 차폐를 필요로 하며, 이에 따라 구성품의 사이즈가 커지는 문제점이 있다.

특히, 그와 같이 소형화되고 고정밀화된 삽입형 공급장치와 관련하여 한편으로는 공급장치의 위치 정확성을 가능한 높이고, 다른 한편으로는 전체 높이가 낮으면서 전자기 간섭에 강한 위치 센서 시스템이 필요하다.

이러한 목적은 청구항 1의 구성 즉, 정지한 물체에 대해 회전이동 가능한 물체(rotationally movable object)의 회전위치를 검출하기 위한 용량성 각 인코더(capacitive angular encoder)에 있어서, 상기 정지한 물체에 접속되고, 제1 정전기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제1 전송 전극(112)과, 상기 제1 정전기장을 수신하는 적어도 하나의 제1 수신 전극(114)과, 제2 정전기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제2 전송 전극(111) 및 상기 정전기장을 수신하는 적어도 하나의 제2 수신 전극(110)을 구비하는 고정자(108)와; 상기 회전하는 물체에 접속되는 회전자로서, 상기 회전자의 회전위치의 변화에 따른 커패시턴스 변화에 의해 상기 제1 정전기장을 변조하도록 구성된 적어도 하나의 증분 커플링 전극(104) 및 상기 회전자의 절대 회전 위치(absolute rotational position)에 따른 커패시턴스 변화에 따라 상기 제2 정전기장을 변조하도록 구성된 적어도 하나의 절대치 커플링 전극(106)을 구비하는 상기 회전자(100)와; 상기 제1 및 제2 변조된 정전기장을 검출하도록 접속되어 상기 검출된 전계(field)에 따라 상기 움직이는 물체의 위치에 대한 측정값을 결정하는 신호처리회로를 포함하는 용량성 각 인코더에 의해 달성된다. 본 발명의 유용한 진전사항들은 종속항들에 정의된다.

본 발명은 움직이는 물체의 위치에 대한 증분 측정(incremental measurement) 및 절대치 측정(absolute measurement)을 동시에 수행하고, 전송 전극 및 수신 전극이 동일한 고정된 기판상에 배열되고, 도전성 패턴이 고정자 상에 배열되어 전송된 전자기장의 영향을 받고, 그들의 동작에 의해 수신 전극에 의해 측정된 전계를 변화시키는 소위 커플링 전극을 형성하는 용량성 각 인코더를 구현하고자 하는 생각에 근거한다.

따라서, 수신 전극(receiving electrode)의 출력신호는 회전자와 고정자 사이에서 변화하는 커패시턴스와 관련이 있다. 본 발명에 따르면, 증분형 전송시스템 및 절대치형 전송시스템의 전송 전극 및 수신 전극은 서로 동일 평면상(coplanar)에 배열된다. 따라서, 고정 전극들은 모두 단일 공정으로 제조할 수 있으며 최소한의 공간을 필요로 한다. 해당 수신 전극에 의해 제공된 신호를 평가하고 예를 들면, 삽입용 공급장치의 핀 공급 플래튼과 같은 움직이는 물체의 위치에 대한 측정값을 제공하기 위한 신호 처리 회로가 제공된다. 물론, 본 발명에 따른 용량성 각 인코더 시스템은 높은 정확도를 요구하고 구성품의 크기(size)가 작은 여타의 회전위치를 모니터하는데 이용될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 증분형 전송 시스템에 속하는 적어도 하나의 전송 전극은 동일 유형의 4그룹의 전송 전극으로 구성되며, 이들 전극은 각 그룹이 다른 그룹에 대해 실질적으로 직교하는 전송 신호를 공급받도록 상호 접속된다. 이러한 차동 여기(differential excitation)는 두 신호 사이에 차이를 형성하며, 특히, 동상 모드 제거비(common mode rejection ratio, CMRR)를 일으키지 않기 때문에 동작이 빠른 이점이 있다. 특히, 고속의 감도가 좋은 각 인코더는 고주파(high frequencies)를 필요로 한다. 그러나, 동상 모드 제거비는 20dB/Dec 감소하며, 따라서, 20mHz에서는 사용할 수가 없다. 그러나, 또한 매우 높은 고주파를 위해 안정된 증폭기가 있다. 본 발명에 따르면 전송 전극들을 구동하기 위해 디지털 구동기(digital drivers)가 사용되며, 특히 비용효율이 높은 구조의 오버롤 회로(overall circuit)을 구현할 수 있다.

또한, 직교 채널(quadrature channel)에 대한 개별적인 평가가 주어지면, 특히, 증분 경로(incremental path)에 2그룹의 수신 전극들을 제공함으로써, 신호 안정성이 높아지며, 즉, 상기 채널들 중 하나의 각각 다른 채널에 노이즈(noise)가 전혀 없게 된다.

수신 전극들 및 전송 전극들의 인터디지털(interdigital) 배열과 함께 고정자 기판의 패터닝에 대한 요구가 증대됨에 따라, 특히 많은 수의 바이어스 및 미세패턴(fine pattern)이 요구됨에 따라, 이러한 배열은 감도(sensitivity)가 크게 개선될 수 있는 이점이 있다.

본 발명에 따르면, 증분(형) 커플링 전극(incremental coupling electrode)은 회전자의 외주(circumferentially)에 사인곡선 구조(sinusoidal structure)로 형성됨으로써 사인곡선의 출력신호가 생성된다.

본 발명에 따르면, 증분 신호(incremental signal) 및 절대치 신호(absolute-value signal)를 평가하기 위한 개별 신호 처리 회로가 제공된다.

만일, 일반적으로 사용되는 DC 상의 동기식 믹싱(synchronous mixing) 대신 위상편이변조 헤테로다인 구조(phase shift keying heterodyne architecture)가 사용되면 1/f 노이즈, 50Hz 간섭 및 기타 유사한 종류의 문제점을 피할 수 있다. 또한, 디지털 복조(digital demodulation)가 충분히 이루어져 간섭에 대한 민감도 및 회로 복잡성을 현저히 감소시킨다. 본 발명에 따르면 신호처리를 위한 아날로그/디지털 변조기가 더 이상 필요하지 않다.

본 발명에 따른 구성에 의하면 또한 출력된 절대치에 대한 의사난수순환(pseudo-random-cyclic; PRC) 코드를 이용할 수 있다. 이를 위해, 수신 전극들은 유효한 PRC 값을 계속 읽을 수 있도록 n개 또는 2n개의 개별 수신 전극(마찬가지로 "pickups"라 칭함)을 각각 포함해야 한다. 또한, 하나 또는 그 이상의 여분의 픽업을 추가하여 오류 정정 PRC 코드를 구현할 수도 있다. 합(summation)은 수신 전극에서 직접 이루어지면, 하기 수학식으로부터 n의 값을 구할 수 있다.

n = rounding up[log2(증분 트랙의 숫자 주기)],

예를 들면, 72 쿼드-카운트(= 18 주기)에서 n = 5 또는 64 쿼드-카운트(= 16 periods)에서 n = 4.

기하학적인 넓이 감소와는 별도로 본 발명에 따른 구성 및 신호처리에 의하면 특히 폐-차패(closed shielding)이 아닌 오픈 시스템(open system)으로서 각 검출(angle detection)을 구현할 수 있다는 이점이 있다. 따라서, 한편으로는 실장비용을 낮추고, 다른 한편으로는 유효 설계 공간을 절약할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 커플링 전극구조를 구비하는 핀 공급 플래튼(pin feed platen)의 사시도;

도 2는 고정자에 관련된 전극구조의 상면도;

도 3은 도 2에 도시된 시스템 배면의 전기배선 레이아웃(layout);

도 4는 도 1에 도시된 커플링 전극 구조의 레이아웃;

도 5는 커플링 전극들을 실장하기 전의 핀 공급 플래튼의 개략도;

도 6은 용량성 평가 회로의 간략 회로도;

도 7은 본 발명에 따른 시스템에 이용된 용량성 평가 회로의 간략 회로도;

도 8은 본 발명에 따른 디지털 위상 검출 회로의 간략 회로도;

도 9는 본 발명에 따른 혼합 구조(mixer structure)의 예를 나타낸 도면;

도 10은 도 9에 도시된 시스템에 이용 가능한 2단 제한 증폭기(two-stage limiting amplifier)의 개략적인 회로도;

도 11은 삽입형 공급장치의 측면도이다.

이하, 본 발명에 따른 각 인코더를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 컨베이어 벨트를 삽입형 공급장치에 배치하기 위한 핀 공급 플래튼(pin feed platen)(100)의 사시도를 나타낸 것으로, 상기 핀 공급 플래튼(100)에는 본 발명에 따른 커플링 전극이 마련되어 있다. 커플링 전극 또는 코드 디스크(102)의 위치에 대한 용량성 평가(capatitive evaluation)에 의해 교정 과정에서 독일특허출원 DE 10 2006 024 733.7에 따라 삽입형 공급장치의 핀 공급 플래튼(100)의 개별 톱니(individual teeth)의 기하학적인 편차(geometrical deviation)를 보정할 수 있다. 이를 위해, 핀 공급 플래튼(100)은 고정밀도의 기준 시스템(reference system)에 의해 측정되며, 정확한 값은 데이터 테이블에 저장된다.

본 발명에 따르면, 인코더 시스템은 핀 공급 플래튼(100)의 회전 위치에 대한 증분 검출뿐만 아니라 절대(absolute) 각 위치(angular position) 검출을 포함한다. 이와 같이 절대치 검출을 이용함으로써 각각의 전달 위치에서 정정 테이블(correction table)을 직접 제공할 수 있으며, 이에 따라 기준점(reference point)을 이동시킬 필요가 없고 부품을 잃어버리지 않는다. 본 발명에 따르면, 가능한 절대 위치의 수는 적어도 전달 위치의 수보다는 커야한다. 본 실시예의 경우, 72 위치로서, 즉, 전달 위치는 핀 공급 플래튼(100) 상에서 5도 각도(five angular degrees)마다 제공된다. 본 실시예의 각 인코더에 이용된 측정 원리(measuring principle)는 용량성 방법(capacitive method)으로, 고정자에 배열되며 서로 근접하고 있는 전송 전극(111, 112) 및 수신 전극(110, 114)을 포함한다(도 2에서 도면번호 108로 표기됨). 전송 전극에 의해 전송된 정전계(electrostatic field)를, 코드 디스크(102)의 커플링 전극에 의해, 특히 고정자(108)의 수신 전극에 대한 기하학적 위치에 의해 변조함으로써 고정자(108)의 수신 전극 상의 신호를 평가하여 핀 공급 플래튼(100)의 위치에 관한 정보를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 각 인코더는 이동 코드 디스크(102) 상에 사인곡선 구조의 증분 트랙(sinusoidal incremental track)(104)과 고정자의 주변부에 정렬된 인터디지털 전송 전극 및 수신 전극들의 어레이를 구비하는 증분형 시스템(incremental system) 및 이른바 픽업(pickups)이라 칭하는 고정자 (108) 상의 수신 전극(110)뿐만 아니라 코드 디스크(102) 상의 절대 트랙(absolute track)(106)과 전송 전극(111)의 커플링 전극으로서 절대치형 전송 시스템(absolute-value transmission system)을 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 개별 전극 구조는 고정자(108)의 배면(후방, backside)에서 상호 전기접속되어, 신호처리회로(signal processing circuit)(도면에 도시하지 않음)와 접속된다.

커플링 전극으로서 동작하는 코드 디스크(102)는 타깃(target)으로 칭하기도 한다. 도 4는 상기 코드 디스크의 상면도(direct top view)를 다시 한 번 나타낸 것이고, 도 5는 상기 코드 디스크를 구비하고 있지 않은 핀 공급 플래튼(100)의 사시도를 나타낸 것이다.

일반적으로, 적절한 구조의 타깃은 이른바 픽업(pickup)이라 칭하는 수신 전극 어셈블리 상에 위치-의존(position-dependent)성 커패시턴스(capacitance)를 생성하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 기본적으로 용량성 센서는 커패시턴스가 측정될 타깃 변수 즉, 본 실시예의 경우 회전각 φ, 뿐만 아니라 타깃까지의 거리, 온도 및 다른 방해요소와 같은 여러 바람직하지 않은 변수에 의존한다는 단점이 있다.

이들 바람직하지 않은 변수들을 제거하기 위해 측정을 4회 수행하며, 1회 측 정은 소위 "쿼드-카운트(quad-count)" 마다 이루어진다. 여기에서는 일예로 0°, 90°, 180°, 270°의 전기각도(electric degrees)가 될 수 있다. 이와 같이 직각 및 분획 배열(differential arrangement)에 의해 오프셋(offset) 및 스케일링(scaling)과 무관하게 일정한 각 정보를 얻을 수 있다. 도 2에 도시된 고정자 레이아웃(layout)에서는, 4 x 18의 전송 및 수신 전극들이 상호 접속되어 증분형 전송 시스템은 A = A+ + A- 및 B = B+ + B-로서 이하, A+, B+, A- 및 B-로 지칭되는 4개의 전극들을 이루게 된다. A 또는 B 신호에서의 영교차(zero crossing)는 쿼드-카운트를 나타낸다.

이미 언급한 바와 같이, 용량성 인코더 또는 각 인코더를 이용하여 커패시턴스의 변화를 측정하며, 상기 측정은 이동(drift), 누설(leakage), 온도 및 기타 유사한 종류의 영향에 둔감해야 한다. 따라서, 알려진 바와 같이, 미분 커패시턴스(differential capacitance)는 도 6에 의해 정해진다. 도 6에 도시된 레이아웃에서, 접지 전극(ground electrode)은 코드 디스크(102)에 해당하며, 고정자 상의 전송 전극(112)은 상대 전극(counterelectrode)이 된다.

도 6에 도시된 레이아웃에서 균형잡힌, 푸시-풀 동작하는 증폭기는 두 개의 동일한 출력저항(R1, R2)을 통해, 커패시턴스에 따른 전압항복에 의해, 커패시턴스가 측정되도록 구동한다. 다른 출력저항(R3, R4)에 의해 합(summation)이 이루어지며, 만일 커패시턴스가 동일하다면 합은 0(zero)이 된다.

그러나, 이러한 구성은 여러 가지 단점이 있다: 측정 정확도는 증폭기 V1의 대칭성(symmetry)뿐만 아니라 4개 저항(R1 내지 R4)의 균형(counterbalancing)에 의존한다. 4개의 저항 R1 내지 R4는 한편으로는 측정된 신호를 감쇄시키고 다른 한편으로는 신호에 노이즈를 추가한다. 결국, 저항회로의 단점을 피하기 위해, 한 쌍의 구동 증폭기를 사용할 수 있지만, 회로를 구현하는 비용이 증가하는 결과를 초래한다.

따라서, 본 발명에 따른 각 인코더(angular encoder)는 도 1 및 도 2에서 이미 언급한 바와 같은, 고정자 상에 형성된 전송 및 수신 전극들과 커플링 전극으로만 동작하는 회전자 상에 형성된 하나의 전극을 구비하는 시스템을 이용한다. 이와 같이 이른바 상호 커패시턴스(transcapacitance)로 칭하는 측정법(measurement)은 타깃(102)이 차폐(shielding) 동작을 하는 특성을 이용한다. 만일 하나의 전극 대신 두 개의 전극이 고정자에 배치되는 경우, 이 전극들 사이의 커패시턴스는 이른바 상호 커패시턴스로서 측정될 수 있으며, 이에 의해 타깃(102)의 거리와 측정 가능한 커패시턴스 사이의 상호 관계는 도 6에 도시된 경우와는 반대이다: 타깃이 더 가까울수록 측정가능한 상호 커패시턴스는 더 작다. 접지된 커플링 전극(102)의 커패시턴스는 여전히 존재하며 타켓이 가까워질수록 증가한다.

물론, 상호 커패시턴스의 측정은, 단극으로 구현되는 경우, 도 6에 따른 접지된 커패시턴스의 측정에서와 동일한 단점이 있다. 특히 오프셋/원하는 신호비(signal ratio)는 만족스럽지 못하다. 따라서, 상호 커패시턴스 역시 차동적으로 측정되어야 한다. 본 발명에 따른 회로 레이아웃의 개략적인 회로도(circuit diagran)는 도 7에 도시되어 있다.

도 6에서와 마찬가지로, 차동증폭기 V1은 서로 180° 각도로 배치되어 있는 2개의 전극(즉, 예를 들면, A+ 및 A- 전극 또는 B+ 및 B- 전극)을 구동한다. 본 발명에 따르면 수신 전극은 2개의 전송 전극(112)에 물리적으로 직각으로 각각 배치되며, 이러한 배치는 또한 픽업(pickup)이라 지칭되며 회로의 출력을 구성하는 합 전극(sum electrode)을 구현하도록 상호 접속된다.

접지된 커패시턴스 및 상호 캐패시턴스가 서로 반대방향을 향하도록 접속되어 있기 때문에, 도 7에 도시된 회로에서 증폭기 V1의 출력단에 접속된 저항 R1 및 R2는 전압분배작용 및 상호 커패시턴스의 작용에 의해 상호 보완하는 이점이 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 신호의 절대 크기(absolute amplitude)는 감소한다. 바람직한 실시예에 따르면, 저항 R1 및 R2는 따라서 0Ω을 가지며, 즉, 드라이버들의 내부전항에 의해서만 결정된다.

도 7에 도시된 회로의 감도(sensitivity)를 증가시키기 위해 저항 R1 및 R2 대신 코일을 배치하여 배선이 전극구조와 공진(resonance)을 일으키도록 구현할 수도 있다. 그러나, 전술한 바와 같은 전압분배작용은 이 경우에 부정적인 영향을 끼치며, 공진주파수(resonance frequency)가 여기 주파수(excitation frequency) 바로 아래가 되도록 코일의 치수(dimension)를 정하는 것이 매우 중요하다.

저항값 R1 = R2 = 0Ω 및 도 1, 2에 도시된 바와 같은 전극들의 기하학적 배치에 의해 아래와 같은 표준 데이터(benchmark data)를 얻을 수 있다: 접지된 픽업 커패시턴스 약 40pF, 대칭전압 3V에서 최대진폭(maximum amplitude) 17mV 여기, 1/80°에서 측정될 차동 상호 커패시턴스 중화점(neutral point)로부터 이동: 1fF.

이러한 커패시턴스의 미미한 변화는 감도가 우수한 전자 시스템(electronic system)에 의해서만 검출될 수 있다. 본 발명에 따르면, 차동 상호 커패시턴스의 극성(polarity)을 검출할 수 있는 신호처리회로가 제공된다. 상기 측정법은 대체로 다음의 2단계로 이루어진다:

- 한 쌍의 전극에 대한 대칭전압 생성, 즉, A+ 및 A- 또는 B+ 및 B-.

- 출력 픽업에서 발생하는 전압의 극성을 검출하여 전압이 입력신호와 동일 극성을 갖는 것인지 반대 극성을 갖는 것인지를 결정.

저렴한 비용으로, 공급 전압으로서 서로 반대되는 극성의 2개의 신호를 생성하는 방법은 디지털 로직(digital logic)을 이용하는 것이며, 필요요건(requirements): 양호한 대칭성, 그렇지 않으면, 듀티 사이클(duty cycle)이 50%에서 벗어날 것이다; 드라이버 저항은 픽업 저항에 비해 작으며, 충분히 높은 주파수는 양호한 전류측정이 가능하도록 할 것이다; A, B신호들 사이의 비간섭, 즉, A, B 신호들은 서로 직교해야 하며, 그렇지 않으면 인코더 신호의 거리-의존 왜곡현상이 발생한다.

특히, 마지막 요건은, 가능하다면, 시스템 클록(system clock)이 신호 클록보다 4배 빠를 것을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 예를 들면, 60MHz의 클록이 선택될 수 있으며, 이는 15MHz로 나누어질 수 있다. A+, B+, A- 및 B- 신호들은 각각 90°씩 이동한다.

발생하는 픽업 전압의 극성을 검출하기 위해 혼합기(mixer)가 필요하며, 혼합기는 두 신호 사이의 각을 검출하는데 일반적으로 사용된다. 가장 일반적으로 알려진 혼합기는 비선형(non-linearity)이며, 이에 의해 두 신호의 합이 수행된다. 비선형에 의해 원하는 정보를 포함하는 항목을 생성할 수 있다. 공지의 혼합기는 3개의 접속단을 구비한다: RF(radio frequency)는 분석될 신호를 지정한다(designates). LO(local oscillator)는 비교신호와의 차이를 지정한다. LO는 대개 매우 높은 진폭에서 유용하며, 비선형, 주로 스위치 구동한다. RF 및 LO는 특별히 불리한 점 없이 상호 교환할 수 있다.

IF(intermediate frequency, 중간 주파수)는 RF 및 LO와 차동 주파수를 갖는 출력이다. 대부분, 출력은 합 및 필터링에 의해 적절히 제거되어야 하는 다른 생성 항목과 같이 다른 주파수를 가진다.

그러한 혼합기는 비이상적이며, 특히, 바람직하지 않은 생성 항목, IF 신호의 압축, 단극성 검출이 요구되는 경우에만 무관한, 이른바 LO-대-RF 누설에 의해 오프셋이 발생한다. 이러한 누설은 주로 기생 커패시턴스(parasitic capacitances)에 기인한 것으로, 기생 커패시턴스는 온도의존성, 비선형성 등의 특성으로 인해 보정이 어려우며, 결국 LO-대-IF 누설은 필터링에 의해 제거되어야 한다.

LO-대-RF 누설이 매우 적은(예를 들면, 40dB 이하) 혼합기는 상당히 비싸므로, 본 발명에 따르면, 출력신호로서 원하는 신호는 오프셋과 구별할 수 없기 때문에 DC상에 직접 믹싱(mixing) 하는 것은 피한다. DC 상에 직접 믹싱하는 것에 반대하는 다른 이유는 DC는 1/f 노이즈 및 50Hz, 모터의 펄스폭 변조, 스위치-모드 전력 공급, 및 유사한 종류의 가청 주파수 범위에서 발생하는 일종의 간섭이기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따르면 중간 주파수 IF상에서 믹싱(mixing)이 이루어지 며, DC, 즉, 예를 들면 15MHz의 RF, 14MHz의 LO, 1MHz 및 29MHz의 IF(후자는 필터링 됨)와 많이 다르다. 이러한 구조를 헤테로다인(heterodyne) 구조라 한다.

본 발명에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같은 디지털 변형(digital variant) 타입의 헤테로다인 구조가 구현된다. 본 발명에 따른 회로도는 아래에 설명하는 바와 같다.

동일 극성의 LO로 RF를 분석하는 경우, U = f(RF) + g(LO)로 표현되는 전압이 혼합기의 출력단에서 생성되며, (LO-대-RF 누설로 인해) g(LO) 항목이 지배적이기 때문에 RF의 원하는 신호 항목 f를 적절하게 평가할 수가 없다. 만일 반대 극성의 LO로 RF를 분석하는 경우, 혼합기의 출력단에서는 U = -f(RF) + g(LO) 전압이 생성된다. 만일, 전술한 두 과정이 번갈아 수행되면 출력전압 U = g(LO) +/- f(RF)를 얻을 수 있다. g(LO)는 고역 통과 필터(high-pass filter)에 의해 제거될 수 있는 DC 오프셋이다. 획득한 +/-f(RF) 항목은 전술한 측정에서와 같이 극성이 같거나 반대이다. 이 항목은 양호한 증폭(good amplification)에 의해 디지털 값으로 변환될 수 있다. 그런 다음 배타적 논리합(XOR) 요소에 의해 평가를 완료한다.

도 8은 디지털 위상 검출을 구비하는 용량성 인코터의 개략적인 회로도를 나타낸 것으로, 제1 XOR 게이트(XOR1)는 RF 신호의 극성을 주기적으로 전환(switch)하는 기능을 한다. 제2 XOR 게이트(XOR2)는 IF로서 출력신호의 극성이 동일한지 또는 반대인지를 검사한다(tests). 유효한 인코더 신호(A 또는 B)는 출력단에서 구할 수 있다.

비용에 영향을 많이 받는 혼합기(800)의 선택에 있어서, 전술한 바와 같은 방법으로 특성이 떨어지는 혼합기를 사용하더라도 만족할만한 결과를 얻을 수 있다. 이미 설명한 바와 같이, 상기 혼합기는 비선형이며 가장 비용이 저렴한 비선형은 다이오드(diode)이다. 유일한 선행조건은 충분히 빨라야한다는 것이다. 따라서, 본 발명에 따르면, 도 9의 회로도에 도시된 바와 같이 다이오드가 적용된다. 도 9의 회로도는 도 8의 회로도에 실질적으로 대응하는 것으로, 로직 게이트 XOR2는 간략화를 위해 도시하지 않았으며, 혼합기(800) 대신 다이오드(802)를 적절한 위치에 배치하여 구성한 것이다.

비용절감 효과가 있는 혼합기를 구현하는 다른 방법으로, 디지털 입력에서 LO 신호에 의해 구동되는 고주파 스위치를 이용하는 것이 있다. 스위치의 출력단에서 차동 전압이 생성되며, 이 전압은 필터링 되거나 증폭될 수 있다.

도 9에 도시된 회로의 RF 및 LO 입력은 상호 대칭이며 동일한 포트로 향하며, RF-대-LO 누설은 상대적으로 높지만, 전술한 바와 같이, 악영향을 끼치지 않는다. 1kΩ 저항은 전류를 제한하며, 4p7 커패시터는 IF 항목이 RF에 역작용하는 것을 방지하고 회로의 천이 시간(transient time)을 최적화한다.

상기 1kΩ은 저항값이 높고, 사실상 전류원(current source)이다. 공지된 바와 같이, 다이오드의 입력전류 및 출력전류는 동일하므로 업커밍 차지(upcoming charge)에 적절한 경로가 없다면 차지 트랜스퍼(charge transfer)가 접속되어 있는 한 다이오드의 비선형성이 영향을 끼치지 않는다. 이것이 3k3 저항의 의미이다.

47k와 47p의 RC 결합(RC combination)은 LO 및 고주파성분을 제거하기 위한 저역통과필터(low-pass filter)를 형성한다. 100p의 커패시터는 뒷 단에 접속 된(succeeding) 증폭기와 함께 DC, g(LO)를 제거하기 위한 고역통과필터 역할을 한다. 뒷 단에 접속된 증폭기 V2는 2단 제한 증폭기(two-stage limiting amplifier)로서 큰 진폭변동(amplitude fluctuations)에 빠르고 강하게 대처하기 위해 적용된 것이다. 도 10은 상기 증폭기 모듈(804)을 개략적으로 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 신호처리 전자공학(signal processing electronics)을 이용함으로써 대략 4㎲의 천이시간을 얻을 수 있다. RF는, 예를 들면, 15MHz이고 LO는 RF/128 = 약 115kHz가 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 용량성 각 인코더는 증분형 전송 시스템(incremental transmission system) 및 절대치형 전송 시스템(absolute transmission system) 양자를 모두 포함한다. 양 시스템의 측정 원리 및 검출 전자공학(detection electronics)은 동일하며, 차이점은 전극의 상대적인 배치이다.

도 2에 도시된 고정자의 앱솔루트 트랙(absolute track)은 5개의 픽업으로 구성되며, 타깃(102)(도 1의 앱솔루트 트랙(106)) 상에 0 또는 1이 존재하는지를 감지한다. 이때, 여기(excitation) 또한 대칭이며, 차동 상호 커패시턴스가 측정된다. 거리에 무관하게 차이(difference)를 얻기 위해, 핀 공급장치 플래튼(100) 상의 앱솔루트 트랙(106)은 0-트랙 및 1-트랙을 형성한다. 0-트랙은 회전축에 가깝고, 1-트랙은 좀 더 바깥쪽에 위치하고 있다.

도시된 실시예에서, 상기 앱솔루트 트랙은 18 카운트(conditions)를 포함한다. 각 쿼드-카운트(quad-count)에 대해 유효한 절대치(valid absolute value)가 출력되어야 하므로 앱솔루트 트랙이 72 위치에서 유효한 값을 제공해야 한다. 따라 서, 필요한 선택도(selectivity)에 따라 핍업은 좁아져야 한다. 픽업당 감지표면(sensitive surface)은 증분 픽업 표면의 약 2% 정도이다.

타깃 및 타깃 캐리어(carrier)가 증분 트랙으로부터 전류를 픽업(picks up) 하지 않도록, 앱솔루트 트랙이 A/B 및 자신의 정보를 공급하기 위해, 본 발명에 따르면, 타깃 및 타깃 캐리어는 낮은 임피던스 접지 전위(low-impedance ground potential)를 가지고 있어야 한다.

이를 감시하는 것이 어려우므로, 특히 주파수가 높다면, 본 발명에 따르면 갈바니 전기를 발생시키는 모터와 타깃 사이의 접속을 예를 들면, 플라스틱으로 제조된 톱니형 바퀴를 삽입함으로써 분리한다. 다른 방법으로, 모터 전류는 인코더의 영교차동안 감소할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 앱솔루트 트랙은 18비트 의사난수순환(pseudo-random-cyclic; PRC) 코드를 수용한다. 이러한 코드는 5개의 앱솔루트 트랙 대신 단지 하나의 앱솔루트 트랙 운송을 수행한다. 연속하는 5비트를 관찰하여 핀 공급 플래튼(100)의 위치를 독자적으로 결정한다. 예를 들면, 최적화된 브루트 포스 알고리즘(Brute-Force-Algorithm)에 의해 PRC 코드를 구할 수 있다. 디코딩은 프로그래머블 로직 제어회로(programmable logical control circuit)(programmable logic device, PLD)에서 이루어진다.

도 11은 본 발명에 따른 각 인코더에 의해 핀 공급 플래튼(100)의 위치를 모니터하는, 인쇄회로기판 삽입장치용의 삽입형 공급장치(1)의 측면도를 나타낸 것이다.

상기 삽입형 공급장치(1)는 측벽(2)을 구비하는 하우징을 포함한다. 플랫형 모터(3)는 상기 측벽(2)에 고정되어 있다. 삽입형 공급장치(1)의 두께를 감소시키기 위해 상기 플랫형 모터(3)는 그의 회전자 축(rotor axis)(4)이 하우징 벽(2)에 수직으로 연장되는 방식으로 삽입형 공급장치(1)의 하우징에 고정된다.

상기 플랫형 모터(3)는 공급장치에 의해 인쇄회로기판상에 배치되도록 제공되는 전자부품들이 그 위에 배열되어 있는 컨베이어 벨트를 구동하는데 이용될 수 있다. 그러나, 플랫형 모터(3)는 또한 컨베이어 벨트 상에 배치되어 전자부품을 보호하는 커버 호일을 컨베이어 벨트로부터 벗겨 전자부분에 접근할 수 있도록 하는 기능을 할 수 있다. 또한, 플랫형 모터(3)는 두 가지 기능을 모두 수행할 수 있다. 플랫형 모터(3)가 컨베이어 벨트용 드라이브로서 이용되는 것에 대해 아래에 기술한다.

이 경우, 상기 플랫형 모터(3)는 트랜스미션 유닛(transmission unit)(5)에 의해 핀 공급 플래튼(6)에 접속된다. 핀 공급 플래튼(100)은 마찬가지로 측벽(2)에 수직으로 연장되는 축(7) 상에 탑재된다. 상기 컨베이어 벨트는 핀 공급 플래튼(100)에 의해 구동된다. 이를 위해, 핀 공급 플래튼(100)의 외주에 톱니(teeth) 또는 핀(8)을 각각 포함한다. 컨베이어 벨트는 카메라 필름과 유사하게 적어도 일측 가장자리에 구멍들을 구비한다. 핀 공급 플래튼(100)의 핀들(8)은 컨베이어 벨트의 상기 구멍에 맞물려 컨베이어 벨트를 함께 끌고 간다.

톱니형 바퀴(9)는 플랫형 모터(3)의 고정자(14) 상에 배치된다. 톱니형 바퀴(9)는 트랜스미션 유닛(5)의 톱니형 바퀴(10)와 맞물리게 된다. 톱니형 바퀴(10) 는 마찬가지로 측벽에 수직으로 연장된 트랜스미션 축(transmission axis)(11) 상에 탑재된다. 필요한 변속비(transmission ratio)에 따라 트랜스미션 유닛(5)은 측벽에 수직으로 연장된 트랜스미션 축 상에 탑재된 톱니형 바퀴들을 더 포함한다. 핀 공급 플래튼(6)의 축(7) 상에, 또한, 톱니형 바퀴(12)가 제공된다. 전달 유닛(5)의 최종단은 이 톱니형 바퀴(12)와 맞물려 구동 모터(3)의 동력을 핀 공급 플래튼(100)에 전달한다.

부품-배치 헤드(component-placement head)에 대해 전달 위치(transfer points)에서 컨베이어 벨트 상에 배치된 전자부품의 정확한 위치를 얻기 위해, 본 발명에 따른 각 인코더의 코드 디스크(102)는 핀 공급 플래튼(100) 상에 직접 실장된다. 상기 인코더는 핀 공급 플래튼(100)의 개별 톱니들의 기하학적 편차가 교정과정에서 보정될 수 있도록 한다. 이를 위해, 핀 공급 플래튼(100)은 고정밀도의 기준 시스템(high-precision reference system)에 의해 측정되고, 정정 값(correction values)은 데이터 테이블에 저장된다.

본 발명에 따른 인코더 시스템은 하나 또는 그 이상의 추가적인 트랙들에 의해 증분(incremental) 뿐만 아니라 절대 각 위치를 제공한다. 이러한 증분형 인코더 시스템에서, 가능한 절대 위치(absolute position)의 수는 적어도 핀 공급 플래튼 상의 전달 위치의 수보다 많다. 이에 의해, 각 전달 위치에서 정정 테이블을 바로(직접) 할당할 수 있다. 따라서 부품을 잃어버리지 않도록 기준점은 움직여서는 안 된다.

Claims (18)

1. 정지한 물체에 대해 회전이동 가능한 물체(rotationally movable object)의 회전위치를 검출하기 위한 용량성 각 인코더(capacitive angular encoder)에 있어서,

   상기 정지한 물체에 접속되고, 제1 정전기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제1 전송 전극(112)과, 상기 제1 정전기장을 수신하는 적어도 하나의 제1 수신 전극(114)과, 제2 정전기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 제2 전송 전극(111) 및 상기 정전기장을 수신하는 적어도 하나의 제2 수신 전극(110)을 구비하는 고정자(108)와,

   상기 회전하는 물체에 접속되는 회전자로서, 상기 회전자의 회전위치의 변화에 따른 커패시턴스 변화에 의해 상기 제1 정전기장을 변조하도록 구성된 적어도 하나의 증분 커플링 전극(104) 및 상기 회전자의 절대 회전 위치(absolute rotational position)에 따른 커패시턴스 변화에 따라 상기 제2 정전기장을 변조하도록 구성된 적어도 하나의 절대치 커플링 전극(106)을 구비하는 상기 회전자(100)와,

   상기 제1 및 제2 변조된 정전기장을 검출하도록 접속되어 상기 검출된 전계(field)에 따라 상기 움직이는 물체의 위치에 대한 측정값을 결정하는 신호처리회로를 포함하는 각 인코더.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 및 제2 전송 전극과 상기 적어도 하나의 제1 및 제2 수신 전극은 서로 동일 평면상에 배열되는 각 인코더.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 전송 전극(112)은 4그룹의 전송 전극들로 이루어지며, 각 그룹에는 다른 그룹들에 수직인 전송 신호가 전달되도록 전송 전극들이 접속되어 있는 각 인코더.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증분 커플링 전극(104)은 상기 회전자(100)의 외주(circumferentially)에 사인곡선 구조(sinusoidal structure)로 형성되는 각 인코더.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증분 커플링 전극(104)은 상기 회전자(100)의 외주에 직사각형 구조(rectangular structure)로 형성되는 각 인코더.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절대치 커플링 전극(106)은 상기 회전자(100)의 외주에 적어도 하나의 계단형 구조로 형성되는 각 인코더.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전송 전극 및 상기 제1 수신 전극은 상기 고정자(108)의 외주에 등거리로 배치된 복수의 인터디지털 전극 들(interdigital electrodes)인 각 인코더.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전송 전극(111)은 회전자에 비대칭으로 정렬된 복수의 전극구조로 형성되며, 상기 제2 수신 전극은 상기 제2 전송 전극들 사이에 인터디지털하게(interdigitally) 정렬된 전극구조로 형성된 각 인코더.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호처리회로는 상기 적어도 하나의 제1 수신 전극에 접속된 증분형 부호화 유닛(incremental coding unit) 및 상기 적어도 하나의 제2 수신 전극에 접속된 절대치형 부호화 유닛(absolute coding unit)을 포함하는 각 인코더.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호처리회로는 위상편이변조 헤테로다인 구조(phase shift keying heterodyne architecture)를 포함하는 각 인코더.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 수신 전극의 신호는 의사난수순환코드(pseudo-random-cyclic code)에 의해 부호화되는 절대치를 공급하는 각 인코더.
12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 오류 정정을 위해 여분의 제2 수신 전극이 제공되는 각 인코더.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절대치 커플링 전극(106)은 서로 상보적이며 회전자의 외주에 정렬된 2개의 앱솔루트 트랙(absolute tracks)을 포함하는 각 인코더.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자의 전극은 인쇄회로기판상에 전도체 트랙들(conductor tracks)로 구현되는 각 인코더.
15. 하우징과, 구동모터(3)와, 트랜스미션(5) 및 컨베이어 벨트와 맞물리는 핀 공급 플래튼(100)을 포함하며, 상기 컨베이어 벨트의 위치 설정을 위한 상기 핀 공급 플래튼의 회전 위치는 제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 각 인코더에 의해 탐지 (detect) 되는 인쇄회로기판용 삽입형 공급장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 각 인코더의 펄스 수는 상기 핀 공급 플래튼의 이동 위치의 수와 동일한 인쇄회로기판용 삽입형 공급장치.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 핀 공급 플래튼은 상기 구동 모터로부터 갈바니 전기적으로(galvanically) 분리되는 인쇄회로기판용 삽입형 공급장치.
18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 모터는 상기 각 인코더의 영교차(zero crossing) 동안 모터의 전류를 감소시키도록 구동될 수 있는 인쇄회로기판용 삽입형 공급장치.

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