KR20240042465A

KR20240042465A - 위치 인코더 장치

Info

Publication number: KR20240042465A
Application number: KR1020247006420A
Authority: KR
Inventors: 해리슨 클린턴 피셔
Original assignee: 레니쇼우 피엘씨
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2024-04-02
Also published as: CN117813481A; EP4134634B1; EP4134634A1; LT4134634T

Abstract

위치 측정 인코더는 스케일 및 판독헤드를 포함하고, 판독헤드는 스케일을 감지하기 위한 센서를 포함하고, 센서는, 컬럼형 픽셀의 1차원 어레이가 복수의 로우로 분할되도록 구성된, 컬럼형 픽셀의 1차원 어레이를 포함하며, 각각의 컬럼형 픽셀은 컬럼형 픽셀의 출력에 기여하도록 배열된 각각의 로우 내의 적어도 하나의 개별 감지 섹션을 갖는다. 각각의 로우가 개별적으로 활성화가능하여 컬럼형 픽셀 내의 개별 감지 섹션 중 어느 하나 이상이 각각의 컬럼형 픽셀의 출력에 기여할지가 로우별 기반으로 선택적으로 선택되고 변경될 수 있다.

Description

위치 인코더 장치

본 발명은 위치 측정 인코더 장치에 관한 것이다.

이후부터 "인코더 장치" 또는 "위치 인코더"로 지칭되는 위치 측정 인코더 장치는, 장치의 2개의 상대적으로 이동가능한 부분 사이의 이동을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 위치 인코더는, 하나가 장치의 일 부분 상에 제공되고 다른 하나가 장치의 다른 부분 상에 제공되는 스케일(scale) 및 판독헤드(readhead)를 일반적으로 포함한다. 스케일은, 판독헤드가 스케일의 측정 방향을 따라 자신의 위치(및/또는 속도 및/또는 가속도와 같은 그 파생물)를 측정하기 위해 판독할 수 있는 일련의 피처를 포함할 수 있다. 스케일의 피처는, 예를 들어 장치의 일 부분에 고정된 기판 상에 제공될 수 있거나, 장치의 일 부분으로서 일체로 형성될 수도 있다.

예를 들어 소위 "증분" 위치 인코더는, 예를 들어 자신의 스타트업 포지션으로부터 그리고/또는 스케일 상의 정의된 참조 마커(들)로부터 스케일의 길이를 따라 자신의 위치를 "카운팅"함으로써 작동할 수 있다. 이해될 바와 같이, 판독헤드의 위치의 "카운팅"이 수행되는 방식은 인코더 장치마다 다를 수 있다. 한 방법은, 상대적 이동에 따라 변화하는 판독헤드 내의 검출기에서 프린지 필드(fringe field), 변조된 스팟 또는 이미지와 같은 결과적인 필드를 생성하는 것이다. 예를 들어, (예를 들어, 판독헤드 내의) 소스로부터의 광이 광을 다수의 회절 차수로 회절시키는 스케일에 부딪힐 수 있다. 선택적으로, 판독헤드 내의 광학 요소(예를 들어, 회절 격자 및/또는 렌즈)는, 결과적인 필드를 생성하기 위해 스케일로부터의 회절 차수가 검출기에서 재조합되게 하도록 구성될 수 있다. 스케일 및 판독헤드가 서로 상대적으로 이동함에 따라, 결과적인 필드가 변화된다. 판독헤드는 결과적인 필드의 변경(예를 들어, 프린지 필드의 이동)을 모니터링함으로써 이동 및 위치를 기록하고/기록하거나 보고할 수 있다. 그러한 위치 인코더는 US5861953에서 설명된다. 이해될 바와 같이, 정의된 참조 위치를 제공하기 위해, 참조 마크가 예를 들어 스케일의 회절 피처 옆에 제공되고/제공되거나 스케일의 회절 피처 내에 임베딩될 수 있다. 그러한 위치 인코더는 US7659992에서 설명된다.

스케일의 참조 마크 또는 종료 위치와 같은 미리결정된 위치로부터 카운트할 필요 없이, 스케일에 상대적인 판독헤드의 절대 위치가 결정되는 것을 가능하게 하는 소위 "절대" 위치 인코더가 또한 알려져 있다. 절대 위치 인코더는, 일반적으로 고유 위치 데이터가 스케일의 측정 길이를 따라 스케일 상에 형성된 스케일을 포함한다. 데이터는 예를 들어 의사 난수 시퀀스(pseudorandom sequence) 또는 이산 코드워드(discrete codeword)의 형태일 수 있다. 스케일 판독기가 스케일 위를 지나갈 때 이 데이터를 판독함으로써 스케일 판독기가 자신의 절대 위치를 결정할 수 있다. 절대 위치 인코더의 예는 US7499827, US10132657 및 US2012/0072169에서 설명된다. 절대 스케일과 함께 증분 스케일을 사용하는 것이 알려져 있다. 스케일이 주기적 증분 스케일로서 사용될 수 있도록 절대 스케일이 충분한 주기성을 유지한다는 것이 또한 알려져 있다(그리고 예를 들어, US7499827에서 설명됨). 어느 방식이든, 그러한 증분 스케일은, 예를 들어 결정된 절대 위치를 미세 조정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 절대 위치가 스타트업 시에 결정된 후, 판독헤드 및 스케일의 상대적 위치가 증분 스케일을 사용하여 위치에서의 변화를 "카운팅"함으로써 후속하여 측정될 수 있다. 그러한 증분 스케일은, 예를 들어 스케일에 의해 생성된 회절 차수의 재조합에 의해 (판독헤드 내의 센서에서) 생성된 결과적인 필드를 분석함으로써, 위에서 언급된 바와 동일한 방식으로 판독될 수 있다.

US7659992, US10670431 및 WO2010/128279와 연관하여 도시되고 설명된 것과 같은 세장형 픽셀의 1차원 어레이를 포함하는, 스케일을 판독하기 위한 센서를 제공하는 것이 알려져 있다. 세장형 픽셀은 그 길이를 증가시키는 것이 시스템 광계측(system photometry)을 증가시키기 때문에 세장형 1차원 스케일 피처를 검출할 때 특히 유용하다. 범용 카메라 센서에서 사용되는 픽셀 및 광다이오드와 비교하여, 스케일을 판독하기 위해 판독헤드에 사용되는 센서는 몹시 긴 광다이오드를 포함하는 픽셀을 갖는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, Renishaw plc로부터 이용가능한 RESOLUTE 판독헤드의 1차원 센서의 픽셀은 대략 1mm 길이 및 7μm 폭(대략 143:1의 비율)인 하나의 광다이오드를 각각 포함하고, 픽셀의 길이는 스케일/판독헤드의 측정 방향에 수직으로 측정된다. 전하 판독 시간을 개선하기 위해, 하나의 판독 라인을 통해 광다이오드의 전하를 탭오프하기보다는, RESOLUTE 판독헤드에 사용되는 센서는, 판독 라인에 대한 광다이오드 상의 감광 포인트(light sensitive point)들 사이의 거리를 감소시키기 위해, 광다이오드에 그 길이를 따라(특히 8개의 탭오프 포인트를 통해) 연결된 다수의 탭 오프 포인트를 통해, 다수의 상이한 포인트에서 각각의 광다이오드의 전하를 그 길이를 따라 탭오프하도록 구성된다. 필요되는 것보다 많은 픽셀을 제공하는 것이 RESOLUTE 판독헤드로부터 또한 알려져 있다. 예를 들어, RESOLUTE는 320개의 픽셀을 포함하지만, (예를 들어, WO2010/128279에서 설명되는 바와 같이) 실제로 256개만이 필요되고 스케일의 이미지를 획득하기 위해 사용된다.

본 발명은 스케일을 판독하기 위한 판독헤드에 사용되는 센서의 개선에 관한 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 스케일 및 판독헤드를 포함하는 위치 측정 인코더가 제공되고, 판독헤드는 스케일을 감지하기 위한 센서를 포함하고, 센서는, 컬럼형 픽셀의 센서/1차원 어레이가 복수의 로우(row)로 분할되도록 구성된, 컬럼형 픽셀의 1차원 어레이를 포함하며, 각각의 컬럼형 픽셀은 컬럼형 픽셀의 출력에 기여하도록 배열된 각각의 로우 내의 적어도 하나의 개별 감지 섹션을 갖는다. 바람직하게, (컬럼형 픽셀의 센서/1차원 어레이의) 개별 감지 섹션의 각각의 로우가 개별적으로 활성화가능하여 컬럼형 픽셀 내의 개별 감지 섹션 중 어느 하나 이상(환언하면, "어느 하나 또는 복수")이 각각의 컬럼형 픽셀의 출력에 기여할지가 로우별 기반(row-by-row basis)으로 선택적으로 선택되고 변경될 수 있다. 환언하면, 바람직하게 동일한 로우 내의 모든 개별 감지 섹션이 로우별 기반으로 집합적으로 활성화가능하다. 따라서, 환언하면, 각각의 로우가 개별적으로 활성화가능할 수 있어서 각각의 컬럼형 픽셀의 출력에 기여하는 개별 감지 섹션의 로우의 서브세트가 선택적으로 선택되고 변경될 수 있다(이해될 바와 같이, 서브세트가 로우 중 하나, 일부 또는 심지어 모두를 포함할 수 있음, 로우 모두를 포함할 수 없는 적절한 서브세트 참조).

개별(즉, 별도의) 감지 섹션의 로우로 분할되는 컬럼형 픽셀의 어레이를 센서에 제공하는 것이 이로운 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 그러한 구성은 컬럼형 픽셀의 어레이의 어느 영역(즉, 어느 로우 또는 로우들)이 스케일의 판독에 기여할지를 선택하는 데 있어서 더 큰 유연성을 제공할 수 있고/있거나 더 빠른 센서 판독을 제공할 수 있다. 그러한 구성은 제조 및/또는 설치의 개선된 용이성, 및/또는 감소된 위치 오차와 같은 개선된 인코더 성능을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌 다수의 상이한 이점을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

센서에 의해 감지될 수 있는 적합한 스케일 신호는 자기, 광학, 용량성, 또는 유도성 스케일 신호를 포함한다. 이해될 바와 같이, 광학 위치 측정 인코더의 경우, 판독헤드는 스케일을 조명하도록 구성된 광원을 포함할 수 있다. 광학 위치 측정 인코더는, 반사성 광학 위치 측정 인코더(이 경우 광원 및 센서가 스케일의 동일한 측에 있음) 또는 투과성 광학 위치 측정 인코더(이 경우 광원 및 센서가 스케일의 양 측에 있음)일 수 있다. 이해될 바와 같이, "광" 및 "광학"에 대한 본원에서의 참조는 적외선 내지 자외선 범위 내 어디든지의 전자기 방사선(electromagnetic radiation; EMR)을 망라한다. 예를 들어, 광원이 적외선 광원일 수 있다.

선택적으로, 스케일 신호가 결과적인 필드를 포함하고/결과적인 필드로 지칭될 수 있다. 결과적인 필드가 프린지(예를 들어, 프린지 필드)를 포함할 수 있다. 프린지는 간섭 프린지를 포함할 수 있다. 따라서, 스케일이 광을 회절시키도록 구성된 일련의 피처를 포함할 수 있다. 선택적으로, 판독헤드가 상기 간섭 프린지를 생성하기 위한 하나 이상의 회절 격자를 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 회절 격자가 상기 간섭 프린지를 생성하기 위해 스케일을 향해 가는/스케일로부터의 광과 상호작용할 수 있다. 선택적으로, 상기 간섭 프린지는 스케일 및 회절 격자로부터의 광의 회절 차수의 재조합에 의해 (그리고 선택적으로 그 순서로) 생성된다.

센서는 (예를 들어, 스케일의 이미지가 센서 상에 형성되도록) 스케일의 공액면(conjugate plane)에 배열될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 선택적으로, 스케일 신호/결과적인 필드가 스케일의 이미지를 포함한다. 따라서, 판독헤드가 센서 상에 스케일을 이미징하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 판독헤드는 센서 상에 스케일의 이미지를 형성하도록 구성된 하나 이상의 광학 요소(예를 들어, 하나 이상의 렌즈)를 포함한다. 적합한 광학 요소는 굴절성(예를 들어, 원통형/구형/프레넬 렌즈) 또는 회절성(예를 들어, 프레넬 존 플레이트) 광학 요소를 포함한다. 선택적으로, 센서가 상기 이미지를 캡처하도록 구성된다. 이해될 바와 같이, 픽셀의 1차원 어레이가 1차원 이미지를 캡처할 것이다. 선택적으로, 상기 하나 이상의 광학 요소가 센서 상에 1차원 이미지만을 형성하도록 구성될 수 있다. 그러나, 이는 반드시 그럴 필요는 없으며, 상기 하나 이상의 광학 요소가 센서 상에 2차원 이미지를 형성하도록 구성될 수 있다. 실제로, 상기 하나 이상의 광학 요소가 센서 상에 2차원 이미지를 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

위치 측정 인코더는 증분 위치 측정 인코더를 포함할 수 있다. 따라서, 스케일이 증분 스케일을 포함할 수 있다. 스케일은 일련의 (일반적으로) 주기적으로 배열된 피처를 포함하는 적어도 하나의 트랙을 포함할 수 있다. 이해될 바와 같이, 상기 적어도 하나의 트랙 옆에 있거나 상기 적어도 하나의 트랙 내에 임베딩된 하나 이상의 참조 피처가 제공될 수 있다.

위치 측정 인코더는 절대 위치 측정 인코더일 수 있다. 따라서, 스케일이 절대 스케일을 포함할 수 있다. 환언하면, 스케일이 절대 위치 정보를 정의하는 피처를 포함할 수 있다. 스케일은 일련의 고유한 절대 위치를 정의하는 피처를 포함할 수 있다. 절대 위치 정보를 정의하는 피처가 적어도 하나의 트랙에 포함될 수 있다. 절대 위치 정보를 정의하는 피처에 추가하여 스케일이 증분 위치를 정의하는 피처를 포함할 수 있다. 증분 위치 정보를 정의하는 피처는 절대 위치를 정의하는 피처와 동일한 피처일 수 있다(예를 들어, 절대 위치 정보가 예를 들어 US7499827에서 설명되는 바와 같이 증분 위치 피처 내에 임베딩될 수 있음). 선택적으로, 스케일은 증분 위치 정보를 결정하기 위해 사용될 수 있는 일련의 일반적으로 주기적으로 배열된 피처를 포함하는 별도의 트랙을 포함한다.

어느 방식이든(절대적이든 증분적이든), 본 문서의 배경기술 섹션에서 위에서 언급된 바와 같이, 센서에 의해 감지된 신호는 스케일의 측정 방향을 따라 판독헤드의 위치(또는 이의 파생물)를 측정하기 위해 사용될 수 있다.

바람직하게, 스케일은 1차원 스케일이다.

이해될 바와 같이, 컬럼형 픽셀의 출력이 판독/액세스될 수 있는 다양한 방식이 있다. 예를 들어, 센서는, 사용/동작 동안, 컬럼형 픽셀의 출력이 다운스트림 디바이스/컴포넌트(예를 들어, 예컨대 출력을 사용/프로세싱/변환하는 프로세싱 디바이스/컴포넌트)로 연속적으로 스트리밍되도록 구성될 수 있다. 추가적으로/대안적으로, 인코더/센서는, 다수의 컬럼형 픽셀의 출력이 조합되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 센서는 인터디지테이티드(interdigitated)/인터리브드(interleaved) 픽셀의 2개 이상의 세트를 포함하는 센서인 전기격자(electrograting)를 포함할 수 있고, 각각의 세트는 센서 상에 낙하하는 상이한 위상의 신호를 검출하도록 구성된다. 이 경우, 동일한 세트 내의 픽셀의 출력은, 이들의 출력이 다운스트림 디바이스/컴포넌트(예를 들어, 프로세싱 디바이스/컴포넌트)에 하나의 출력 신호로서 제공되도록 조합될 수 있다.

이해될 바와 같이, "프로세싱 디바이스"/"프로세서"/"프로세싱을 위한 컴포넌트" 등에 대한 본원에서의 참조는, 사용되는 응용의 필요성에 따라 (예를 들어, 소프트웨어를 통해) 프로그래밍될 수 있는 더 일반적인 프로세싱 디바이스뿐만 아니라 특정 응용[예를 들어, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(field programmable gate array; "FPGA")]용으로 구성된 비스포크 프로세싱 디바이스(bespoke processing device)를 포함하도록 의도된다. 따라서, 적합한 프로세싱 디바이스는, 예를 들어, 중앙 프로세서 유닛(Central Processor Unit; CPU), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA), 또는 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit; ASIC) 등을 포함한다.

바람직하게, 각각의 컬럼형 픽셀은 컬럼형 픽셀에 다수의(예를 들어, 모든) 개별 감지 섹션으로부터의 신호를 저장하기 위한 (예를 들어, 연관된) 공유/공통/단일 신호 저장 영역을 갖는다. 신호 저장 영역은 누적 신호 저장 영역으로 지칭될 수 있다. 신호 저장 영역은 전하 저장 영역일 수 있다. 따라서, 각각의 컬럼형 픽셀은 컬럼형 픽셀에 다수의(예를 들어, 모든) 개별 감지 섹션으로부터의 전하를 저장/"축적"하기 위한 공유/공통/단일 전하 저장 영역을 포함할 수 있다. 센서는, 각각의 로우 내의 적어도 하나의 개별 감지 섹션 각각이 컬럼형 픽셀의 신호(예를 들어, 전하) 저장 영역에 저장된 (예를 들어, "축적된") 신호(예를 들어, 전하)에 기여할 수 있도록 구성될 수 있다. 바람직하게, 센서는, 각각의 신호(예를 들어, 전하) 저장 영역이 선택적으로 어드레싱되고 판독될 수 있도록 구성될 수 있다. 이해될 바와 같이, 이는 컬럼형 픽셀의 저장 영역이 차례로(예를 들어, 순차적으로) 자동으로 판독되도록 구성되는 구성을 포함한다.

컬럼형 픽셀이 신호(예를 들어, 전하) 저장 영역을 포함하는 경우, 바람직하게 (개별/별도 감지 섹션의) 각각의 로우가 개별적으로 활성화가능하여 컬럼형 픽셀 내의 개별 감지 섹션 중 어느 하나 이상이 각각의 컬럼형 픽셀의 신호(예를 들어, 전하) 저장 영역에 저장된 신호(예를 들어, 전하)에 기여할지가 로우별 기반으로 선택적으로 선택되고 변경될 수 있다. 이는, 예를 들어 자신의 스위치/게이트, 예를 들어 송신/전송 게이트를 포함하는 각각의 개별 감지 섹션에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 스위치/게이트는, 컬럼형 픽셀 내의 개별 감지 섹션 중 어느 것이 자신의 신호를 컬럼형 픽셀의 신호 저장 영역에 전송/판독할지를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 위에 따라, 센서는, 동일한 로우 내의 개별 감지 섹션에 대한 스위치/게이트가 로우별 기반으로 집합적으로 활성화가능하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 컬럼형 픽셀 내의 개별 감지 섹션이 동시에 판독될 수 있다(자신의 신호를 전송할 수 있음). 예를 들어, 존재하는 경우, 컬럼형 픽셀 내의 개별 감지 섹션은 자신의 신호를 컬럼형 픽셀의 신호 저장 영역에 동시에 전송할 수 있다. 예를 들어, 이들은 컬럼형 픽셀의 신호 저장 영역에 병렬로 배열/연결될 수 있다. 각각의 개별 감지 섹션은 자신의 스위치/게이트, 예를 들어 송신/전송 게이트를 포함할 수 있다. 따라서, 스위치/게이트는, 컬럼형 픽셀 내의 개별 감지 섹션 중 어느 것이 자신의 신호를 컬럼형 픽셀의 신호 저장 영역에 전송/판독할지를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 이전 단락에 따라, 동일한 로우 내의 개별 감지 섹션에 대한 스위치/게이트는 이들이 로우별 기반으로 집합적으로 활성화가능하도록 연결될 수 있다.

이해될 바와 같이, 컬럼형 픽셀은 구성에서 세장형일 것이다. 본 발명은, 픽셀의 감광 길이의 이의 감광 폭에 대한 비율이 적어도 10:1, 예를 들어 적어도 50:1, 예를 들어 적어도 100:1인 센서에 특히 유용할 수 있다.

선택적으로, 센서는 적어도 4개의 로우, 선택적으로 적어도 6개의 로우, 예를 들어 적어도 8개의 로우로 분할된다.

선택적으로, 센서는 적어도 50개의 컬럼형 픽셀, 예를 들어 적어도 100개의 컬럼형 픽셀, 특히 적어도 256개의 컬럼형 픽셀, 예를 들어 적어도 500개의 컬럼형 픽셀을 포함한다.

선택적으로, 센서는, 로우의 수에 대한 컬럼형 픽셀의 비율이 10:1보다 작지 않도록(즉, 로우보다 컬럼형 픽셀 수가 적어도 10배이도록) 구성된다.

개별 감지 섹션은 광검출기(예를 들어, 광다이오드)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 컬럼형 픽셀 내의 모든 개별 광검출기는 동일한 파장 범위를 검출하도록 구성된다.

선택적으로, 컬럼형 픽셀은, 컬럼형 픽셀의 출력에 기여(예를 들어, 컬럼형 픽셀의 전하 저장 영역에 저장되는 축적 전하에 기여)하도록 배열된 각각의 로우에서 단일 개별 감지 섹션(예를 들어, 광검출기)만을 갖는다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 복수의 컬럼형 픽셀 각각에 대해, 로우의 제1의 적절한 서브세트에 개별 감지 섹션에 의해 생성된 출력(예를 들어, 컬럼형 픽셀의 전하 저장 영역에 축적된 전하)을 판독함으로써 스케일의 판독치를 획득하는 단계를 포함하는, 위에서 설명된 바와 같이 위치 측정 인코더를 동작시키는 방법이 제공된다.

방법은, 복수의 컬럼 픽셀 각각에 대해, 제1의 적절한 서브세트와는 상이한, 로우의 제2의 적절한 서브세트에 개별 감지 섹션에 의해 생성된 출력(예를 들어, 컬럼형 픽셀의 전하 저장 영역에 축적된 전하)을 판독함으로써 스케일의 다른 판독치를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이해될 바와 같이, 방법은, 로우의 추가의/다른 적절한 서브세트(예를 들어, 로우의 제3의, 제4의 또는 그 이상의 적절한 서브세트)에 개별 감지 섹션에 의해 생성된 출력(예를 들어, 컬럼형 픽셀의 전하 저장 영역에 축적된 전하)을 판독함으로써 스케일의 추가 판독치를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 반드시는 아니지만, 적절한 서브세트 내의 중첩되는 로우가 있을 수 있다(예를 들어, 제1의 그리고 제2의 적절한 서브세트가 공통으로 적어도 하나의 로우를 포함할 수 있음).

방법은, 위치 측정 인코더의 적어도 하나의 특성을 결정하기 위해 제1의 그리고 제2의 적절한 서브세트로부터 획득된 판독치를 프로세싱, 예를 들어 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 특성은, 스케일의 반경; 판독헤드 및 스케일의 상대적 구성; 스케일 판독치의 품질 중, 적어도 하나를 포함할 수 있다.

후속 판독을 위해 로우의 제1의 적절한 서브세트에 포함될 로우가 스케일의 적어도 하나의 이전 판독으로부터 결정된 파라미터에 기초하여 (예를 들어, 자동으로) 선택될 수 있다. 이해될 바와 같이, 반드시 이러할 필요는 없다. 예를 들어, 후속 판독을 위해 로우의 제1의 적절한 서브세트에 포함될 로우가 사용되고 있는 스케일의 유형에 기초하여 선택될 수 있다[예를 들어, 판독헤드가 소형 면 판독 디스크(small face-read disc) 상에서 사용될 것이라는 것이 알려져 있으면, 판독헤드가 로우의 중간 세트만을 사용하도록 구성될 수 있음].

방법은, 센서가 스케일의 판독치를 반복적으로 획득하게 하고; 판독치 중 적어도 일부를 동시에 모니터링하게 하며; 이에 기초하여, 스케일의 하나 이상의 후속 판독에 대해 컬럼형 픽셀의 출력(예를 들어, 전하 저장 영역에서의 축적 전하)에 기여하는 데 로우의 어느 서브세트가 사용되는지를 자동으로 적응시키게 하기 위해 판독헤드를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 컬럼형 픽셀의 센서/1차원 어레이가 복수의 로우로 분할되도록 구성된, 컬럼형 픽셀의 1차원 어레이를 포함하는 센서가 제공되며, 각각의 컬럼형 픽셀은 컬럼형 픽셀의 출력에 기여하도록 배열된 각각의 로우 내의 적어도 하나의 개별 감지 섹션을 갖는다. 바람직하게, (컬럼형 픽셀의 센서/1차원 어레이의) 개별 감지 섹션의 각각의 로우가 개별적으로 활성화가능하여 컬럼형 픽셀 내의 개별 감지 섹션 중 어느 하나 이상이 각각의 컬럼형 픽셀의 출력에 기여할지가 로우별 기반으로 선택적으로 선택되고 변경될 수 있다. 환언하면, 바람직하게 동일한 로우 내의 모든 개별 감지 섹션이 로우별 기반으로 집합적으로 활성화가능하다. 이해될 바와 같이, 본 발명의 다른 양태과 연관하여 위에서 설명된 특징이 이 양태에 또한 적용가능하다.

본 발명의 실시예가 이제 다음의 도면을 참조하여 예시에 의해서만 설명될 것이다.
도 1은 스케일 및 판독헤드를 포함하는 인코더 장치를 도시한다.
도 2는 도 1의 스케일의 평면도이다.
도 3은 도 1의 판독헤드의 광학 컴포넌트의 개략도이다.
도 4는 도 1의 판독헤드의 전자 컴포넌트의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 판독헤드의 센서의 개략도이다.
도 6은 도 5의 센서의 컬럼형 픽셀 중 2개의 상세도이다.
도 7은 면 판독 디스크 스케일 및 판독헤드를 포함하는 회전식 디스크 인코더 장치의 평면도이다.
도 8은 도 7의 스케일의 2개의 인접한 스케일 피처의 이미지의 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 판독헤드의 센서 상에 낙하하는 면 판독 디스크 스케일의 일련의 스케일 피처의 이미지의 개략도이다.
도 10은 도 9의 센서의 컬럼형 픽셀의 로우의 상이하고 적절한 서브세트에 의해 획득된 2개의 이미지에 의해 결정되는 인접한 스케일 피처들 사이의 거리를 예시하는 그래프이다.
도 11은 도 9의 센서 및 이미지 배열을 도시하고, 로우(A, B, G, 및 H)는 이들이 디스에이블될 수 있음을 예시하기 위해 하이라이트된다.
도 12는 본 발명에 따른 판독헤드의 센서 상에 낙하하는 스케일 피처의 이미지의 개략도이며, 스케일 및 판독헤드는 서로 상대적으로 요잉된다(yawed).
도 13은 도 12의 센서의 컬럼형 픽셀의 로우의 상이하고 적절한 서브세트에 의해 획득된 2개의 이미지에 의해 결정되는 스케일을 따른 결정된 위치를 예시하는 그래프이다.
도 14는 커브형 구성으로 장착된 선형 스케일의 길이를 따른 판독헤드의 상이한 위치의 평면도이다.
도 15의 (a)는 에지 판독 링 스케일 및 판독헤드를 포함하는 회전식 인코더를 개략적으로 예시한다.
도 15의 (b)는, 회전 시 스와시(swash)가 존재하도록 링 스케일이 장착되면 도 15의 (a)의 회전식 인코더의 판독헤드가 경험하게 될 요 효과(yaw-effect)를 개략적으로 예시한다.
도 16은 스케일과 판독헤드 사이의 측방 오정렬(lateral misalignment)로 인해, 본 발명에 따른 판독헤드의 센서 상에 부분적으로만 낙하하는 스케일 피처의 이미지의 개략도이다.
도 17은 도 16에 도시된 이미지 배열 및 센서의 상이한 로우에 의해 획득된 신호 강도를 예시하는 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에서 판독헤드(200) 및 스케일(300)을 포함하는 절대 인코더(100)를 포함하는, 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 판독헤드(200) 및 스케일(300)은 X축을 따라 서로에 상대적인 이동가능한 기계(미도시)의 제1 부분 및 제2 부분 상에 각각 제공/장착된다. 설명되는 실시예에서, 스케일(300)은 선형 스케일이다. 그러나, 스케일(300)이 회전식 스케일과 같은 다른 유형의 스케일일 수 있다는 점이 이해될 것이다. 이해될 바와 같이, 판독헤드(200)는 자신의 상대적 위치(및/또는 속도 및/또는 가속도와 같은 그 파생물) 및 X 차원을 따른 스케일(300)을 측정하기 위해 사용되고, 따라서, X 차원을 따른 기계의 2개의 이동가능한 부분의 상대적 위치(및/또는 속도 및/또는 가속도와 같은 그 파생물)의 측정치를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

판독헤드(200)는 유선 및/또는 무선 통신 채널을 통해 제어기(미도시)와 같은 외부 디바이스와 통신한다. 판독헤드(200)는 자신의 센서로부터의 신호를 외부 디바이스에 보고하도록 구성될 수 있고, 외부 디바이스는 이어서 위치 정보를 결정하기 위해 그 신호를 프로세싱한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 판독헤드(200)는 자신의 검출기로부터의 신호를 자체적으로 프로세싱하고 위치 정보를 제어기에 전송할 수 있다.

판독헤드(200)에 의해 출력되는 신호(들)는 많은 상이한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 위치 측정 인코더의 분야에서 알려진 바와 같이, 판독헤드는 위치 정보를 나타내는 디지털 직교(A, B) 신호, 아날로그 직교(SIN, COS) 신호, 및/또는 직렬 데이터를 출력할 수 있다.

다른 실시예에서, 중간 유닛, 예를 들어 인터페이스 유닛이 판독헤드(200)와 위에서 언급된 외부 디바이스(예를 들어, 제어기) 사이에 위치될 수 있다. 인터페이스 유닛은 판독헤드(200)와 외부 디바이스 사이의 통신을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 유닛은 판독헤드 신호를 프로세싱하고 [예를 들어, 디지털 직교(A, B) 신호, 아날로그 직교(SIN, COS) 신호, 및/또는 직렬 데이터의 형태로] 위치 정보를 외부 디바이스에 제공하도록 구성될 수 있다.

설명되는 실시예에서, 스케일(300)은 절대 스케일이고, 측정 방향(X)에 수직으로 연장된 일련의 반사성(304) 및 비반사성(306) 라인을 갖는 트랙(302)을 포함한다. 반사성(304) 및 비반사성(306) 라인은 일반적으로, 미리결정된 주기로(즉, 특정 공간 주파수를 정의함) 대안적인 방식으로 배열된다. 그러나, 이산 코드워드를 형성하고 이에 의해 트랙(302)에 절대 위치 데이터를 인코딩하기 위해, 트랙(302)으로부터 선택적 비반사성 라인(308)이 누락된다. 그러한 절대 스케일 및 절대 위치 정보가 어떻게 트랙 내에 인코딩되는지의 추가 상세는 국제 특허 출원 번호 PCT/GB2002/001629(공개 번호 WO 2002/084223)에서 설명되며, 이의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 통합된다. 스케일(300)이 단일 트랙(302)만을 포함하지만, 다수의 트랙을 포함할 수 있다. 예를 들어, 원한다면 도시된 트랙에 추가하여 별도의 증분 또는 별도의 절대 트랙이 제공될 수 있다.

이해될 바와 같이, 절대 위치 데이터는 반사성 라인(304)뿐만 아니라 또는 대신 비반사성 라인(306)을 누락시킴으로써 트랙(302)에 인코딩될 수 있다. 또한, 절대 위치 데이터는 반사성(304) 또는 비반사성 라인(306)의 추가 또는 제거 없이 트랙(302)에 임베딩될 수 있다. 예를 들어, 스케일(300)에 절대 위치 데이터를 임베딩하기 위해 라인의 폭 또는 라인들 사이의 거리가 변화될 수 있다. 또한, 이산 코드워드를 제공하기보다는, 절대 데이터가 (예를 들어, 유럽 특허 번호 0503716에서 설명되는 바와 같이) 의사랜덤 비트 시퀀스의 형태로 임베딩될 수 있다. 다른 실시예에서, 스케일(300)은 인코더 장치가 증분 인코더이도록 증분 스케일을 포함할 수 있다. 이해될 바와 같이, 하나 이상의 참조 마크가 증분 스케일 트랙 옆에 제공되거나 증분 스케일 트랙 내에 임베딩될 수 있다.

도 3에 예시된 바와 같이, 판독헤드(200)는 [이 실시예에서 발광 다이오드(light emitting diode; LED)를 포함하는] 광원(202), 렌즈(204), 1차원 센서(206) 및 윈도우(208)를 포함한다. 설명되는 실시예에서, 센서(206)는, 길이가 [스케일(300)의 측정 방향에 수직인] 스케일 상의 반사성(304) 및 비반사성 라인(306)의 길이에 평행하게 연장되는 512개의 컬럼형/세장형 픽셀을 포함한다. 센서(206)의 추가 상세가 도 5 및 도 6과 연관하여 더 깊게 설명될 것이다.

광원(202)으로부터 방출된 광은 윈도우(208)를 통과하고 스케일(300) 상에 낙하한다. 반사성 스케일 피처(304)에 의해 반사된 광이 윈도우(208)를 다시 통과하고, 반사된 광을 센서(206) 상으로 포커싱하는 렌즈(204)를 통과한다. 설명되는 실시예에서, 센서(206)는 스케일(200)의 공액면에 위치되고, 따라서 스케일(300)의 일부, 특히 트랙(302)의 일부의 이미지가 센서(206) 상에 형성된다. 도 3은 스케일을 이미징하도록 구성된 판독헤드의 광학 배열의 개략도이다. 적합한 광학 배열의 추가 상세는, 예를 들어, WO2010/116144 및 WO2021/094456에서 발견될 수 있고, 이의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 통합된다.

도 4를 참조하면, 판독헤드(200)는 또한 프로세서(224), 아날로그 대 디지털 변환기(analogue-to-digital converter; ADC)(230), EEPROM(Electrically Eraseable Programmable Read-Only Memory) 또는 플래시 메모리의 형태의 메모리 디바이스(232), 및 인터페이스(238)를 포함한다. 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 판독헤드(200)는 명확성의 목적을 위해 도 4에서 생략된 다른 적합한 전기 컴포넌트, 예를 들어 증폭기, 드라이버 등을 포함할 수 있다.

센서(206)는, 프로세서(224)가 센서(206)에 걸쳐 낙하하는 광의 세기의 디지털화된 이미지를 수신할 수 있도록 프로세서(224)에 연결된다. 이해될 바와 같이, 센서 출력을 디지털화하기 위해 [센서(206)로부터 분리되거나 이와 통합될 수 있는] ADC(230)가 사용될 수 있다. 센서(206)가 또한 프로세서(224)에 직접 연결되어 센서(206)가 프로세서(224)에 의한 요구에 따라 자신에 걸쳐 낙하하는 강도의 스냅샷을 찍도록 지시받을 수 있다. 프로세서(224)가 메모리(232)에 연결되어 프로세서(224)가 위치 정보를 결정하기 위해 센서의 출력의 자신의 프로세싱에의 사용을 위한 데이터를 저장하고 리트리브(retrieve)할 수 있다. 인터페이스(238)가 프로세서(224)에 연결되어 프로세서(224)가 라인(240)을 통해 외부 디바이스(미도시)로부터 요구를 수신하고 이에 결과를 출력할 수 있다. 이해될 바와 같이, 도 4는 판독헤드의 구성의 하나의 개략도이며, 식별된 컴포넌트가 개별 컴포넌트일 것은 필요치 않다. 예를 들어, 도 4에 도시된 컴포넌트의 전부, 또는 이의 일부의 조합이 예를 들어 하나 또는 다수의 ASIC에 의해 제공될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서(206)의 구성을 개략적으로 예시한다. 도시된 바와 같이, 센서(206)는 도 5에 1 내지 512로 라벨링된 512개의 컬럼형 픽셀(210)을 포함한다. 각각의 컬럼형 픽셀은 개별적으로 어드레싱가능하다. 1mm 길이 및 3.6μm 폭의 단일 세장형 광다이오드를 포함하는 각각의 컬럼형 픽셀(210)보다는, 본 발명에 따라, 각각의 컬럼형 픽셀은 도 5에 A 내지 H로 라벨링된 8개의 로우(212)로 분할되고, 개별 광다이오드(214)가 각각의 컬럼형 픽셀의 각각의 로우에 제공된다. 따라서, 설명되는 실시예에서, 각각의 컬럼형 픽셀(210)은 8개의 개별 광다이오드(214)로 구성되고, 컬럼형 픽셀 내의 8개의 광다이오드 각각은 대략 125μm 길이(및 3.6μm 폭)이다. 각각의 컬럼형 픽셀(210)은, 자신의 광다이오드(214) 각각이 컬럼형 픽셀의 출력에 기여할 수 있도록 구성된다. 설명되는 실시예에서, 각각의 컬럼형 픽셀은, 컬럼형 픽셀의 광다이오드 각각으로부터의 전하가 누적될 수 있는 (예를 들어, FD(Floating Diffusion) 노드를 포함할 수 있는) CSR(Charge Storage Region)(216)을 포함한다. 따라서, 컬럼형 픽셀(210)이 판독될 때, 컬럼형 픽셀에 의해 제공되는 값은 CSR에 저장된 누적 전하이다.

컬럼형/세장형 픽셀을 다수의 더 짧은 광다이오드로 분할하는 것은, 각각의 컬럼형 픽셀이 하나의 긴 광다이오드만을 포함하는 센서에 비해 더 빠른 센서 판독을 용이하게 할 수 있다. 이는 다수의 이유 때문일 수 있다. 예를 들어, 더 짧은 광다이오드에 비해 더 긴 광다이오드에 대해 전하를 판독하는 것이 더 오래 걸린다. 또한, 예를 들어, 컬럼형/세장형 픽셀을 다수의 더 짧은 광다이오드로 분할하는 것은 더 큰 설계 자유를 줄 수 있고, 이에 의해 자신의 통합/전용 전송 게이트를 포함하는 각각의 광다이오드와 같이, 더 짧은 판독 시간을 용이하게 하는 설계의 선택을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명에 따라 구성된 센서는 세장형 픽셀의 양호한 광계측의 이점을 유지하고, 특히 컬럼형 픽셀 내의 각각의 광다이오드로부터의 전하가 CSR(216)에서 동시에 판독되고 저장될 수 있을 때, 판독 시간에서의 감소를 용이하게 할 수 있다.

도 6은 도 5의 컬럼형 픽셀(210)의 구성을 더 상세히 도시한다. 특히, 도 6은 도 5의 컬럼형 픽셀 번호(1 및 2)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 각각의 컬럼형 픽셀(210)은, 각각이 컬럼형 픽셀용 CSR(216)에 연결된 8개의 개별 광다이오드(214)를 포함한다. 이 특정 실시예에서, 광다이오드(214)의 각각의 로우(A 내지 H)는 개별적으로 활성화가능하다. 도시된 바와 같이, 컬럼형 픽셀(210) 내의 각각의 광다이오드(214)는 (송신) 스위치/게이트, 이 실시예에서 스위치 트랜지스터(218)를 통해 컬럼형 픽셀의 CSR(216)에 연결된다. 임의의 주어진 광다이오드(214)용 스위치 트랜지스터(218)가 폐쇄될 때, 광다이오드(214)에 부딪히는 광은 컬럼형 픽셀의 CSR(216)에, 특히 이 실시예에서 커패시터(220)에 전하가 저장되게 한다. 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 로우(A 내지 H)의 임의의 조합은, 이 로우에서의 광다이오드(214)로부터의 전하가 컬럼형 픽셀의 CSR(216)에, 특히 이 실시예에서 컬럼형 픽셀의 커패시터(220)에 저장되게 하도록 [자신의 스위치 트랜지스터(218)를 폐쇄하기 위해 라인을 활성화함으로써] 턴온될 수 있다. 도 6에 예시된 바와 같이, 모든 컬럼형 픽셀[환언하면, 동일한 로우, 예를 들어 로우(A) 내의 센서의 광다이오드 모두]에 걸쳐 동일한 로우에 있는 광다이오드(214)의 스위치 트랜지스터들(218)은, 이들이 집합적으로/"하나로서" 턴온 또는 턴오프되도록 연결된다. 도 6은, 로우(A)의 스위치 트랜지스터들(218)이 라인을 통해 함께 연결되는 것을 명시적으로 도시하지만, 설명의 명확성의 목적을 위해, 다른 로우 내의 스위치 트랜지스터들(218)이 "하나로서" 함께 연결되는 것을 개략적으로 예시하기 위해 점선이 사용된다[즉, 스위치 트랜지스터들(218 로우 B)이 "하나로서" 함께 연결되고, 스위치 트랜지스터들(218 로우 C)이 "하나로서" 함께 연결되는 등]. 이해될 바와 같이, (예를 들어, 전기 커패시턴스 축적으로 인해) 로우에서 모든 스위치 트랜지스터를 연결하는 단일 라인을 갖는 것은 실용적이지 않을 수 있고, 따라서 다수의 스위치 트랜지스터를 함께 연결하기 위해 팬 아웃 회로(fan-out circuit)를 사용할 필요가 있을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 임의의 주어진 로우 내의 모든 스위치 트랜지스터(218)가 집합적으로/"하나로서" 활성화되거나 비활성화되도록 구성된다.

각각의 컬럼 픽셀(210)은 어드레스 스위치(222)를 통해 어드레싱되고 판독될 수 있다. 어드레스 스위치(222)를 폐쇄하는 것은, CSR(216)에 저장된 전압이 소스 팔로워(source follower; SF) 증폭기 및 ADC를 통해, 출력 라인(225a, 225b)을 통해 외부 프로세서로 출력되게 한다. 각각의 컬럼 픽셀(210)이 동일한 방식으로 개별적으로/분리적으로 어드레싱되고 판독될 수 있다. 컬럼 픽셀(210)이 판독되면, 컬럼 픽셀의 CSR(216)에 저장된 전하/전압이 리셋 신호(reset signal, RST)에 의해 리셋될 수 있어 리셋 스위치(226)가 폐쇄되게 하고, 이에 의해 커패시터(220)를 공지의, 미리결정된 전압(V_RST)으로 세팅한다. 그러한 리셋은 모든 컬럼형 픽셀에 대해 동시에 실시될 수 있다. 이해될 바와 같이, 각각의 컬럼형 픽셀은 도 6에 예시된 바와 같이 자신의 출력 라인을 가질 수 있거나, 컬럼형 픽셀 중 일부 또는 모두가 하나 이상의 출력 라인을 공유할 수 있다(예를 들어, 그리고 따라서 이들의 출력이 직렬로 판독됨).

위에서 설명된 바와 같이, 도 6의 실시예에서, 광다이오드의 각각의 로우(A 내지 H)가 개별적으로 활성화가능하여 컬럼형 픽셀(210) 내의 개별 광다이오드(214) 중 어느 하나 이상이 각각의 컬럼 픽셀의 CSR(216)에 저장된 누적 전하에 기여할지가 로우별 기반으로 선택적으로 선택되고 변경될 수 있다. 환언하면, 센서는 동일한 로우 내의 모든 광다이오드가 로우별 기반으로 집합적으로 활성화가능하도록 구성된다. 이는 반드시 그럴 필요는 없다. 예를 들어, 센서는, 컬럼 픽셀(210) 내의 모든 광다이오드가 컬럼형 픽셀의 CSR(216)에 영구적으로 연결되도록 광다이오드를 선택적으로 턴온/오프하는 것이 가능하지 않을 수 있도록 구성되는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 도 6의 실시예에 따라, 선택적으로 활성화가능한 광다이오드의 로우를 제공하는 것이, 예를 들어 판독헤드와 함께 사용되는 스케일에 관한 (반경과 같은) 정보를 결정하는 것, 판독헤드의 셋업 및/또는 제조를 개선하는 것, 위치 측정 및/또는 인코더 성능을 개선하는 것을 포함하는 다수의 이점을 제공할 수 있고, 이의 더 상세한 예시가 바로 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.

판독헤드와 함께 사용되는 스케일에 관한 정보를 결정할 수 있는 것은, 스케일이 회전식 스케일일 때, 특히 판독헤드가 상이한 직경의 스케일과 함께 사용될 수 있을 때 특히 유용할 수 있다. 예를 들어, 회전식 인코더의 경우, 판독헤드에 의해 결정된 위치 정보를 각도 정보로 변환하는 것이 종종 필요/바람직하다. 절대 인코더의 경우, 그러한 변환은 종종 판독헤드에 의해, 또는 예를 들어 판독헤드와 외부 프로세싱 디바이스/장치(예를 들어, 컴퓨터/제어기 디바이스/장치) 사이에 위치하는 인터페이스 유닛에 의해 수행되지만, 외부 프로세싱 유닛이 그러한 변환을 수행하는 것이 가능하다(그리고 예를 들어, 증분 시스템에서 외부 프로세싱 디바이스/장치가 그러한 변환을 수행하는 것이 더 일반적이다). 어떠한 경우에도, 그러한 변환을 수행하기 위해, 디스크의 크기(예를 들어, 반경/직경) 및/또는 스케일 트랙의 공칭 라인 카운트(nominal line count), 또는 이에 관련된 일부 정보와 같은, 판독헤드가 함께 사용되고 있는 스케일에 관한 일부 정보를 아는 것이 필요하다. 이해될 바와 같이, 절대 인코더의 경우, 예를 들어 스케일에서 절대 데이터를 인코딩하기 위해 라인이 스케일 트랙으로부터 제거되면, 공칭 라인 카운트가 실제 라인 카운트와 동일하지 않을 수 있다. 따라서, 그러한 경우, 라인 카운트는, 누락된 라인이 생략되지 않으면 스케일 트랙에 존재할 라인의 수일 것이다.

본 발명으로, 인코더 장치(예를 들어, 판독헤드)가 자체적으로 스케일 트랙 피처로부터 그러한 정보를 자동으로 결정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 면 판독 회전식 스케일이 일반적으로 방사 방향을 따라 연장되는 라인을 갖는다. 도 7은 판독헤드(200), 및 자신의 면 중 하나 상에 스케일 트랙(302a)을 갖는 회전식 스케일 디스크(300a)를 포함하는 그러한 회전식 인코더 장치(100a)의 평면도이다. 도시된 실시예에서, 스케일 트랙(302a)은 일련의 반사성 및 비반사성 방사상 연장 라인을 포함한다. 반사성 및 비반사성 라인은 일반적으로, 미리결정된 주기로(즉, 특정 공간 주파수를 정의함) 대안적인 방식으로 배열된다. 그러나, 이산 코드워드를 형성하고 이에 의해 트랙에 절대 위치 데이터를 인코딩하기 위해, 트랙으로부터 선택적 비반사성 라인이 누락된다.

주어진 라인 폭에 대해, 스케일 트랙(302a) 내의 라인의 수가 스케일 디스크(300a)의 반경에 따를 것이다. 또한, 스케일 트랙(302a) 내의 라인의 방사상 연장 속성으로 인해, 스케일 트랙의 이미지 내의 라인이 방사 방향을 따라 서로 더 멀리 확산될 것이다. 스케일 디스크의 반경이 작을수록, 이 확산이 커질 것이다. 이 확산은, 방사 방향을 따라 다양한 포인트에서 이미지 주기/공간 주파수를 계산함으로써, 예를 들어 센서(206)의 상이한 로우가 활성화된 상태에서 다수의 이미지를 찍음으로써 정량화될 수 있다. 예를 들어, 도 8은 스케일 트랙(302a) 내의 2개의 인접한 비반사 라인의 이미지를 개략적으로 도시하며, 이미지의 중심은 디스크 스케일 상의 판독 반경(R)에 있다. θ는 각각의 라인들 사이의 각도 간격과 동일하며, 이들 사이의 거리는 Δx이다. 판독 위치의 방사 방향이 그 초기 R 판독 위치로부터 변화함에 따라, Δx도 그러하다. 이는 식에 의해 관련된다:

인코더는 보통 라인들 사이의 각도를 특정하지 않고, 대신 원의 전체 원주 둘레의 공칭 라인의 개수[환언하면, 공칭 라인 카운트("L")]를 특정한다. 따라서:

Δx는, 이미지의 푸리에 변환을 수행하고 지배적인 반송파 공간 주파수의 주기를 결정함으로써 인코더에 의해 계산될 수 있다. 이로부터 Δx가 알려진다.

본 발명의 센서로, 센서의 특정 로우를 인에이블하고 디스에이블함으로써, 판독헤드가 스케일을 판독하는 방사 방향을 따르는 곳을 변화시키는 것이 가능하다. 이 예시에 대해, 그리고 도 9[예시의 용이성을 위해 스케일 피처의 방사 스플레잉(radial splaying)이 과장됨]를 참조하면, 상부 절반의 로우[로우(A 내지 D)]가 스케일 트랙의 제1 이미지를 취하는 로우의 제1의 적절한 서브세트를 형성할 수 있고, 하부 절반의 로우[로우(E 내지 H)]가 스케일 트랙의 제2 이미지를 취하는 로우의 제2의 적절한 서브세트를 형성할 수 있다.

2개의 이미지의 중심이 도 5에 도시된 예시적인 센서에서 4 x 0.125mm = 0.5mm인 광다이오드의 4개의 로우만큼 이격된다. 이 치수에 대한 계산된 Δx를 플로팅하는 것이 도 10에 도시된 그래프를 제공한다. 최적 라인(best fit line)의 구배가 다음과 동일하다:

따라서, 이 구배는 (예를 들어, 공칭) 라인 카운트(L)를 결정하고 어떤 스케일 디스크가 존재하는지를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 이는, 판독하고 있는 공칭 라인 카운트를 결정하고 이에 따라 자체적으로 프로그래밍하기 위해 설치/스타트업 시에 이 프로세스를 수행하는 일반 디스크 판독헤드가 고객을 위해 제조, 재고 및 배송될 수 있음을 의미하기 때문에 이로울 수 있다. 그러한 접근법은, 특정 디스크에 대한 제조/배송 시 판독헤드를 프로그래밍하는 것, 및/또는 설치 시 고객/설치자가 판독헤드를 수동으로 프로그래밍할 것을 요구하는 것과 비교하여 훨씬 더 편리하고 안전하다. 이는, 제조 현장에서 인코더 장치(예를 들어, 판독헤드)를 특정 크기의 디스크와 함께 작동하도록 구성할 필요성을 회피하고, 따라서 특정 크기의 디스크와 함께 사용을 위한 판독헤드를 재고할 필요성을 회피한다.

면 판독 회전식 스케일 디스크와 함께 사용될 때의 본 발명의 다른 이점이 다음과 같이 설명된다. 디스크의 직경이 작을수록 라인의 방사 확산의 양이 커진다. 위치 측정의 신뢰성 및 정확성을 증가시키기 위해, 스케일 상에 큰 감지 면적(예를 들어, 광학 풋프린트)을 갖는 것이 바람직하다. 이는 찍힌 이미지 상에서 볼 수 있는 스케일 라인의 양이다. 그러나, 대량의 방사 확산에 대해, 다수의 인접한 컬럼형 픽셀(210) 상에 낙하하는 이미징되는 라인으로 인해, 이미지가 에지에서 흐려질 것이다. 하나의 해결책이 상이한 사이즈의 센서를 갖는 판독헤드를 제조하고 재고하여 더 작은 센서를 갖는 판독헤드가 더 작은 직경의 면 판독 스케일 디스크에 사용될 수 있는 것일 수 있는 반면, 컬럼형 픽셀 길이를 단축시키기 위해 특정 로우를 디스에이블하는 것이 본 발명으로 가능하다. 예를 들어, 도 11을 참조하면, 로우(C 내지 F)의 적절한 서브세트 내의 광다이오드만이 스케일을 감지하는 데 사용되도록 로우(A, B, G 및 H)를 디스에이블하는 것이 컬럼형 픽셀(210)의 유효/감지 길이를 단축시키며, 이는 이 예시에서 감지된 이미지의 가시성을 이에 의해 개선할 것이다.

본 발명에 따라 센서를 통합하고, 선형 및 회전식 스케일/인코더 둘 다에 이로운 판독헤드의 다른 이점이 이제 도 12 내지 도 15를 참조하여 설명될 것이다. 도 12는 센서(206) 상에 낙하하는 도 1 및 도 2의 스케일 트랙의 이미지를 개략적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 스케일 트랙 라인(304/306)이 컬럼형 픽셀(210)과 오정렬되며, 이는 이 경우 판독헤드(200)가 스케일(300)에 상대적으로 "요잉되는" 것으로 인한 것이며; 환언하면, 오정렬이 z축을 중심으로 한 의도하지 않은 회전으로 인한 것이다. 각도 오정렬은 센서(206)의 상이한 로우(212)에 의해 찍힌 이미지로부터 판독헤드의 위치를 측정함으로써 측정될 수 있다. 예를 들어, 로우의 제1의 적절한 서브세트, 예를 들어 상부 4개의 로우(A 내지 D)에 의해 제1 이미지가 찍힐 수 있고, 로우의 제2의 적절한 서브세트, 예를 들어 하부 4개의 로우(E 내지 H)에 의해 제2 이미지가 찍힐 수 있다. 이미지(예를 들어, +0.25mm 및 -0.25mm) 각각의 활성인 감지 섹션의 기하학적 중심에 대해 제1 이미지 및 제2 이미지 각각에 의해 결정된 위치를 플로팅하는 것이 도 13에 예시된 그래프를 제공한다. 그래프의 구배는 식에 의해 요에 관련된다:

요 각도, 또는 이에 관련된 파라미터 또는 신호가, 예를 들어 인코더 장치의 제조 및/또는 설치/셋업 동안 사용될 수 있다. 예를 들어, 제조 동안 요 각도(또는 이에 관련된 파라미터 또는 신호)가 출력되고 센서가 판독헤드 내에 적절하게 정렬되어 있는지 여부를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 설치/셋업 동안, 요 각도(또는 이에 관련된 파라미터 또는 신호)가 출력되고 판독헤드가 스케일에 대해 정확하게 정렬되어 있는지를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 요 각도, 또는 이에 관련된 파라미터 또는 신호는 또한, 센서/판독헤드를 어떻게 정확하게 정렬할지를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 보정은 자동으로 또는 수동으로 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예와 마찬가지로, 요 각도, 또는 이에 관련된 파라미터 또는 신호가 셋업을 돕기 위해 피드백 루프의 일부로서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예와 마찬가지로, 요 각도, 또는 이에 관련된 파라미터 또는 신호가 측정 신호를 보정하고/스케일 및/또는 판독헤드의 오정렬을 보상하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 14를 참조하면, 선형 스케일(300)이 직선으로 장착되지 않으면, 스케일이 커브형이다. 이는, 판독헤드가 선형 스케일의 길이를 따라 이동함에 따라, 스케일(300)에 상대적인 판독헤드(200)의 요 각도를 측정함으로써 측정될 수 있다. 스케일(300)의 그러한 커브가 측정될 수 있을 뿐만 아니라, 보상될 수도 있다. 예를 들어, 판독헤드(200)가 도 14에 직선(201)에 의해 표시된 바와 같이 직선으로 이동했다고 가정함으로써, 그리고 스케일의 길이를 따라 복수의 포인트에서[예를 들어, 화살표(201) 상의 점에 의해 표시된 포인트 각각에서 - 그러한 포인트 중 5개가 점선 윤곽선 판독헤드(200)에 의해 개략적으로 예시됨] 스케일 및 판독헤드의 상대적 요를 측정함으로써, 판독헤드가 실제로 이동한 직선 거리와 비교하여 스케일이 얼마나 더 긴지(중심 라인을 따라 측정됨) 정량화하고 결과적인 오차를 보상하는 것이 가능하다.

도 15의 (a) 및 (b)를 참조하면, 유사한 방식으로, 에지 판독 링 스케일(300b)(즉, 스케일 피처가 링 또는 디스크 형상 바디의 외측을 향하는 원주 에지/측 상에 제공되는 회전식 스케일) 상의 임의의 스와시가 도 15의 (b)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이, 이는 판독헤드에 의해 판독된 이미지에서 요 오차로서 나타나기 때문에 측정될 수 있다. 따라서, 링 스케일(300b)이 판독헤드(200)에 상대적으로 회전함에 따라 요 측정치를 결정하는 것이 링 스케일의 스와시에 의해 유발된 임의의 측정 오차를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 이해될 바와 같이, 스와시는, 예를 들어, 링 스케일의 임의의 비평면성(non-planarity)에 의해 그리고/또는 회전의 축에 대한 비수직 장착으로 인해 유발될 수 있는, 축을 중심으로 회전함에 따른 링 스케일의 에지의 순환적인, 왕복 축 운동으로서 존재할 수 있다.

본 발명에 따라 센서를 통합한 판독헤드의 다른 이점이 이제 도 16 내지 도 17을 참조하여 설명될 것이다. 스케일 라인이 유한 길이로 기록되고, 이상적으로 스케일 라인의 이미지는 센서의 전체 범위/폭에 걸쳐(즉, 모든 로우에 걸쳐) 연장되는 스케일 라인을 가져야 한다. 도 16에 개략적으로 도시된 바와 같이, 판독헤드가 스케일에 상대적으로 너무 많이 측방으로(측정 방향에 수직인 방향으로) 오프셋되면, 스케일 라인이 센서의 범위/폭에 걸쳐 부분적으로만 연장될 것이다. 본 발명에 따른 센서를 갖는 판독헤드는 이를, 센서 폭에서 라인이 더 이상 이미징되지 않는 곳, 따라서 판독헤드가 측정 방향에 수직인 방향으로 스케일에 상대적으로 얼마나 많이 오프셋되는지를 결정하기 위해 상이한 로우를 갖는 스케일의 이미지를 찍음으로써 검출할 수 있다. 예를 들어, 스케일의 개별 이미지가 각각의 로우(A 내지 H) 및 각각의 이미지의 신호 강도(예를 들어, 각각의 이미지의 푸리에 변환에서의 지배적인 공간 주파수의 진폭)에 의해 획득될 수 있다. 이것이 도 16의 예시 및 각각의 로우에 대한 이미지의 중심의 y위치에 대해 플로팅된 결과에 대해 수행되면, 도 17에 도시된 것과 유사한 그래프가 획득될 것이다. 도 17은, 센서(206)가 로우(A 및 B)에서 신호를 갖지 않고, 로우(C)에서 정상 신호(normal signal)의 약 절반을 가지며, 전체 신호가 로우(D 내지 H)임을 도시하고, 이로부터 스케일 라인이 센서의 로우(C) 내의 광다이오드의 폭에 걸쳐 절반에서 끝난다고 결론내릴 수 있다. 다른 실시예에 따라, 이 정보 및/또는 이에 관련된 파라미터가 인코더의 제조, 셋업/설치 및/또는 동작 동안 출력 및/또는 사용될 수 있다. 예를 들어, 그러한 정보/출력이 정렬을 개선하기 위해 센서, 판독헤드 및/또는 스케일의 조정을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 센서를 통합한 판독헤드는, 광다이오드의 일부 로우가 동작 동안 셧오프되거나/사용되지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 최적 신호를 제공할 이미지 캡처 프로세스에서 로우를 선택하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 16을 참조하면, 측정 방향에 수직인 차원에서 판독헤드 및 스케일의 상대적 위치를 변경하는 것이 가능하지 않거나 바람직하지 않으면, 판독헤드(200)/인코더 장치의 정상 동작 동안 로우(D 내지 H)만이 센서(206)에 의해 획득된 이미지에 기여하도록 로우(A 내지 C)를 비활성화함으로써 이미지의 가시성이 개선될 수 있다.

본 발명에 따라 센서를 통합한 판독헤드의 다른 이점은, [캘리브레이션 모드(calibration mode)에서 또는 동작 중에] 판독헤드가 개별 로우로부터의 이미지를 비교함으로써 손상되거나 더러운 스케일의 면적의 위치를 학습할 수 있다는 점이다. 이어서, 판독헤드는 영향을 최소화하기 위해, 손상되거나 더러운 것으로 식별된 면적 부근에 있는 적절한 로우를 선택적으로 턴오프할 수 있다.

Claims

스케일(scale) 및 판독헤드(readhead)를 포함하는 위치 측정 인코더에 있어서, 상기 판독헤드는 상기 스케일을 감지하기 위한 센서를 포함하고, 상기 센서는, 컬럼형 픽셀(columnar pixel)의 1차원 어레이가 복수의 로우(row)로 분할되도록 구성된, 상기 컬럼형 픽셀의 1차원 어레이를 포함하고, 각각의 컬럼형 픽셀은 상기 컬럼형 픽셀의 출력에 기여하도록 배열된 각각의 로우 내의 적어도 하나의 개별 감지 섹션을 가지며, 각각의 로우가 개별적으로 활성화가능하여 상기 컬럼형 픽셀 내의 상기 개별 감지 섹션 중 어느 하나 이상이 각각의 컬럼형 픽셀의 출력에 기여할지가 로우별 기반(row-by-row basis)으로 선택적으로 선택되고 변경될 수 있는 것인, 위치 측정 인코더.
제1항에 있어서, 상기 컬럼형 픽셀 내의 상기 개별 감지 섹션이 동시에 판독될 수 있는 것인, 위치 측정 인코더.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 컬럼형 픽셀은, 상기 컬럼형 픽셀 내의 다수의 개별 감지 섹션로부터의 신호를 저장하기 위한 공유 신호 저장 영역을 갖는 것인, 위치 측정 인코더.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 컬럼형 픽셀의 감광 길이(light sensitive length)의 감광 폭에 대한 비율이 적어도 10:1, 선택적으로 적어도 50:1인 것인, 위치 측정 인코더.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 적어도 4개의 로우, 선택적으로 적어도 6개의 로우, 예를 들어 적어도 8개의 로우로 분할되는 것인, 위치 측정 인코더.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 256개의 컬럼형 픽셀을 포함하는, 위치 측정 인코더.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개별 감지 섹션은 광검출기를 포함하는 것인, 위치 측정 인코더.
제7항에 있어서, 상기 컬럼형 픽셀 내의 모든 개별 광검출기가 동일한 파장 범위를 검출하도록 구성되는 것인, 위치 측정 인코더.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 상기 스케일의 상기 공액면(conjugate plane)에 배열되도록 구성되는 것인, 위치 측정 인코더.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스케일은 일차원 스케일인 것인, 위치 측정 인코더.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 컬럼형 픽셀은, 상기 컬럼형 픽셀의 출력에 기여하도록 배열된 각각의 로우 내의 단일 개별 감지 섹션만을 갖는 것인, 위치 측정 인코더.
제1항에 따른 위치 측정 인코더를 동작시키는 방법에 있어서,
복수의 상기 컬럼형 픽셀 각각에 대해, 상기 로우의 제1의 적절한 서브세트에 상기 개별 감지 섹션에 의해 생성된 출력을 판독함으로써 상기 스케일의 판독치를 획득하는 단계를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서,
복수의 상기 컬럼 픽셀 각각에 대해, 상기 제1의 적절한 서브세트와는 상이한, 상기 로우의 제2의 적절한 서브세트에 상기 개별 감지 섹션에 의해 생성된 출력을 판독함으로써 상기 스케일의 다른 판독치를 획득하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제12항에 있어서, 후속 판독을 위해 상기 로우의 제1의 적절한 서브세트에 포함될 로우가 상기 스케일의 적어도 하나의 이전 판독으로부터 결정된 파라미터에 기초하여 선택되는 것인, 방법.
제12항에 있어서, 상기 판독헤드를,
상기 센서가 상기 스케일의 판독치를 반복적으로 획득하게 하고;
상기 판독치 중 적어도 일부를 동시에 모니터링하며;
이에 기초하여, 상기 스케일의 하나 이상의 후속 판독에 대해 상기 컬럼형 픽셀의 출력에 기여하는 데 로우의 어느 서브세트가 사용되는지를 자동으로 적응시키도록 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.