KR20220097912A - 위치 측정 디바이스 - Google Patents

Abstract

반사 스케일 및 판독 헤드를 포함하는 인코더 장치. 판독 헤드는 적어도 하나의 발광 요소, 적어도 하나의 센서 및 적어도 하나의 광학 디바이스 - 이들은, 스케일과 함께, 광학 시스템을 형성함 - 를 포함하며, 여기서 광학 디바이스는 센서 상에 반사 스케일의 조명된 영역의 이미지를 형성한다. 스케일을 향하는 도중 및 스케일로부터의 반사 이후의 발광 요소와 센서 사이의 시스템의 광학 경로는 광학 디바이스를 통과하며, 발광 요소와 광학 디바이스 사이의 무반사 광학 경로 및 광학 디바이스와 센서 사이의 무반사 광학 경로를 포함한다.

Description

위치 측정 디바이스

본 발명은, 위치 측정 인코더, 위치 인코더, 인코더 장치, 또는 단순히 "인코더"라고도 알려진, 위치 측정 디바이스에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 소위 절대 위치 측정 디바이스/인코더 장치에 관한 것이다.

2 개의 이동 가능한 물체 사이의 상대 위치를 측정하기 위한 인코더 장치들/위치 측정 디바이스들이 널리 알려져 있다. 전형적으로, 하나의 물체 상에는 일련의 스케일 마킹들이 제공되고 다른 물체 상에는 스케일 마킹들을 판독하기 위한 판독 헤드(readhead)가 제공된다. 스케일 마킹들은 물체와 일체로 형성될 수 있거나 물체에 고정될 수 있는 스케일 상에 제공될 수 있다.

인코더 장치는 통상적으로 증분 인코더 장치(incremental encoder apparatus) 또는 절대 인코더 장치(absolute encoder apparatus)로 분류된다. 증분 인코더 장치에서, 스케일은 증분 업/다운 카운트를 제공하기 위해 판독 헤드에 의해 검출될 수 있는 복수의 주기적인 마킹들을 갖는다. 예를 들어, 그러한 스케일은 유럽 특허 출원 제0207121에 설명되어 있다. 기준 지점들을 정의하기 위해, 주기적인 마킹들 옆에 또는 주기적인 마킹들에 임베딩되게, 기준 마크들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 그러한 스케일은 공개된 국제 특허 출원 WO 2005/124282에 개시되어 있다. 절대 위치 인코더 장치는 전형적으로 고유한 일련의 마크들, 예를 들면, 코드들을 검출하고 해당 코드들을 절대 위치로 변환하는 판독 헤드에 의해 상대 변위를 측정한다. 그러한 스케일은 국제 특허 출원 제PCT/GB2002/001629호에 개시되어 있으며, 그러한 인코더는 WO2010/116144에 상세히 설명되어 있다.

절대 인코더 장치가 판독 헤드와 스케일의 상대 이동을 필요로 하지 않고 기동 시에 스케일에 대한 판독 헤드의 절대 위치를 결정할 수 있다는 점에서 절대 인코더 장치는 증분 인코더 장치와 구별된다. 이와 달리, 증분 인코더 장치에서는, 판독 헤드가 제로 위치를 결정하기 위해 기준 마크로 이동해야 한다.

인코더 장치들은 또한 스케일 상의 특징부들을 검출하는 그들의 주된 수단에 기초하여, 예를 들면, 광학식, 자기식, 유도식, 용량식으로 분류될 수 있다.

본 발명은 개선된 광학식 인코더 장치에 관한 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 반사 스케일 및 판독 헤드를 포함하는 인코더 장치가 제공되고, 판독 헤드는 적어도 하나의 발광 요소, 적어도 하나의 센서 및 적어도 하나의 광학 디바이스 - 이들은, 스케일과 함께, 광학 시스템을 형성함 - 를 포함하며, 여기서 광학 디바이스는 센서 상에 반사 스케일의 조명된 영역의 이미지를 형성하고, 여기서 스케일을 향하는 도중 및 스케일로부터의 반사 이후의 발광 요소와 센서 사이의 시스템의 광학 경로는 광학 디바이스를 통과한다.

발광 요소와 광학 디바이스 사이의 광학 경로는 직접적(direct)/무반사(unreflected)일 수 있다. 광학 디바이스와 센서 사이의 광학 경로는 직접적/무반사일 수 있다. 환언하면, 이 장치(예를 들면, 판독 헤드)는 발광 요소와 광학 디바이스 사이의 무반사 광학 경로 및 광학 디바이스와 센서 사이의 무반사 광학 경로를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 발광 요소와 스케일 사이의 광의 광학 경로는 직접적/무반사이고, 스케일과 센서 사이의 광의 광학 경로도 직접적/무반사이다.

판독 헤드가 셸/하우징, 및 (발광 요소로부터의) 광이 판독 헤드를 빠져나가고 (스케일에 의해 반사되는) 광이 판독 헤드에 들어가는(환언하면, 셸/하우징을 빠져나가고 셸/하우징에 들어가는) 창을 포함하는 실시예들의 경우, 바람직하게는 판독 헤드 내의(또는 셸/하우징 내의) 전체 광학 경로는 직접적/무반사이다.

본 발명은 광학식 절대 위치 측정 디바이스에 대한 특히 소형인 판독 헤드를 가능하게 한다. 예를 들어, 발광 요소로부터 방출되는 광이 외향 경로(outward path) 및 복귀 경로(return path)에서 동일한 광학 디바이스를 통과하도록 판독 헤드를 구성하는 것은 필요한 광학 컴포넌트들의 수를 줄일 수 있다. 또한, 발광 요소와 광학 디바이스 사이의 직접적/무반사 광학 경로 및 광학 디바이스와 센서 사이의 직접적/무반사 광학 경로를 보장한다는 것은 반사 광학 컴포넌트들(예컨대, 미러들 및/또는 빔 스플리터들)이 필요하지 않다(예를 들어, 판독 헤드가 그의 광학 경로에 반사 광학 컴포넌트를 갖지 않을 수 있다)는 것을 의미한다. 그에 따라, 판독 헤드 내의 광학 컴포넌트들의 수가 더 감소될 수 있고, 판독 헤드의 소형화(compactness)가 개선될 수 있으며 복잡성이 감소될 수 있다.

센서의 평면에 수직인 차원에서, 발광 요소가 센서와 광학 디바이스 사이에 안착/위치하도록, 발광 요소가 판독 헤드에 장착될 수 있다. 예를 들어, 발광 요소는 (센서와 광학 디바이스의 외부 에지들/측면들에 의해 구분되는) 센서와 광학 디바이스 사이의 공간(또는 "체적")에 위치할 수 있다.

발광 요소는 그에 의해 방출되는 광이 광학 디바이스에 의해 콜리메이팅되도록 실질적으로 광학 디바이스의 초점 평면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 바람직하게는, 발광 요소는 광학 디바이스의 초점 평면으로부터 500 μm(마이크로미터) 이하, 더욱 바람직하게는 광학 디바이스의 초점 평면으로부터 250 μm(마이크로미터) 이하, 특히 바람직하게는 광학 디바이스의 초점 평면으로부터 100 μm(마이크로미터) 이하에 위치한다.

선택적으로, 스케일에 의해 반사되고 광학 디바이스에 의해 센서 상에 이미징되는 광은 광학 디바이스와 센서 사이의 특정 거리에 있는 한 지점을 향해 수렴된다. 게다가, 발광 요소는 광학 디바이스와 센서 사이의 상기 특정 거리에 대략적으로 위치할 수 있다.

선택적으로, i) 센서의 평면에 수직인 방향으로, 발광 요소의 방출 표면의 중심(또는 방출 지점)과 센서의 감지 평면 사이의 거리와, ii) 센서의 평면에 수직인 방향으로, 발광 요소의 방출 표면의 중심(또는 방출 지점)과 광학 디바이스 사이의 거리의 비는 35:65 이상, 예를 들어, 40:60 이상, 선택적으로 50:50 이상, 바람직하게는 60:40 이상, 그리고, 예를 들어, 65:35 이상이다.

발광 요소는 광학 디바이스의 광학 축으로부터 오프셋되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 발광 요소는 광학 디바이스의 광학 축으로부터 1 mm 이하, 예를 들어, 750 μm 이하, 예를 들어, 500 μm 이하만큼 오프셋(예를 들면, 광원의 방출 구역의 중심으로부터 측정됨)될 수 있다. 선택적으로, 오프셋 대 렌즈의 초점 거리의 비는 1:2.5 이하, 예를 들어, 0.5:2.5 이하이다.

선택적으로, 스케일에 충돌하고/하거나 스케일로부터 반사될 때의 광학 경로의 방향은 스케일에 수직이 아니다. 예를 들어, (조명된 영역에 있는) 스케일에 수직으로 연장되는 라인과 스케일에 충돌할(및/또는 스케일로부터 반사될) 때의 광학 경로의 방향 사이의 각도는 1°(도) 이상, 예를 들어, 2° 이상, 예를 들어, 5° 이상, 그리고 선택적으로 20° 이하, 예를 들어, 15° 이하이다. 환언하면, 선택적으로, 스케일에 부딪치고 스케일로부터 반사되는 광의 입사 방향과 반사 방향 사이의 각도(즉, 0° 초과), 예를 들어, 2° 이상, 및, 예를 들어, 4° 이상, 선택적으로 10° 이상, 및, 예를 들어, 40° 이하, 예를 들어, 30° 이하의 각도가 있다.

그에 따라, 선택적으로, 스케일에 충돌하고/하거나 스케일로부터 반사될 때의 광학 경로의 형상은 V자 형상이다. 선택적으로, 발광 요소와 센서 사이의 시스템의 광학 경로는 실질적으로 다이아몬드/마름모 형상이다.

스케일을 향하는 도중 및 스케일로부터의 반사 이후의 광학 디바이스를 통한 광학 경로들은 측방으로 오프셋 될 수 있다. 그에 따라, 예를 들어, 광학 시스템을 통과하는 임의의 주어진 광선에 대해, 광선이 스케일을 향해 광학 디바이스를 빠져나가는 지점과 광선이 스케일로부터 반사된 후에 광학 디바이스에 다시 들어가는 지점이 상이하다/측방으로 오프셋된다. 이해될 것인 바와 같이, 스케일을 향하는 도중 및 스케일로부터의 반사 이후의 광학 경로들(예를 들면, 광학 빔)은 (예를 들면, 부분적으로, 및 선택적으로 실질적으로, 그러나 완전히는 아님) 중첩할 수 있다.

선택적으로, 발광 요소와 센서 양쪽 모두는 광학 디바이스 및 스케일을 향해 있다. 발광 요소와 센서 양쪽 모두는 동일한 방향으로 향해 있을 수 있다. 환언하면, 발광 요소 및 센서는 센서 평면이 발광 요소의 방출 표면에 실질적으로 평행하도록 판독 헤드 내에 장착될 수 있다.

선택적으로, 센서, 및 광학 디바이스에 의해 형성되는 스케일의 이미지는 발광 요소 뒤에(예를 들면, 바로 뒤에) 놓인다. 선택적으로, 스케일에 의해 반사되는 발광 요소로부터의 광선들이 복귀 경로에서 발광 요소를 우회하도록 한 지점으로 수렴하고, 후속적으로 발산하여 스케일의 상기 이미지를 (광원 뒤의) 센서 상에 형성하도록 발광 요소가 위치된다.

이해될 것인 바와 같이, 스케일의 이미지는 스케일 상의 임의의 주어진 지점으로부터의 광선들이 (센서가 위치하는) 이미지 평면에 있는 공통의 고유한 지점으로 실질적으로 수렴할 때 형성된다. (이 지점은, 스케일 상의 상이한 주어진 지점에 대해, 해당 지점으로부터의 광선들이 상이한 공통 지점으로 실질적으로 수렴한다는 점에서 "고유"하다). 이미지는 공간적으로 필터링된 이미지일 수 있다.

복수의 발광 요소들이 제공될 수 있다. 그러한 경우에, 복수의 발광 요소들은 바람직하게는 단일 광원으로서 작용하도록 함께 제공된다. 선택적으로, 판독 헤드는 하나의 발광 요소만을 포함한다.

선택적으로, 발광 요소는 "캡핑되지 않은(un-capped)", "패키징되지 않은(un-packaged)" 또는 "렌즈가 없는(un-lensed)" 반도체 다이오드, 예를 들어, 베어 다이(bare-die) 반도체 다이오드를 포함한다. 발광 요소는, 예를 들어, 발광 다이오드(LED) 또는 레이저(예를 들면, 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL))를 포함할 수 있다.

적어도 하나의 센서는 복수의 센서 요소들(예를 들면, 포토다이오드들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 판독 헤드는 센서 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 어레이는 1차원 또는 2차원일 수 있다.

"광"에 대한 본 명세서에서의 언급들은 자외선부터 적외선까지의 범위의 어딘가에서의 전자기 방사(EMR)를 지칭한다. 예를 들어, 광은 자외선 광, 가시 광, 적외선 광, 또는 이들의 조합일 수 있다.

광학 디바이스는 렌즈, 예를 들어, 단일 렌즈(singlet lens)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 광학 디바이스는, 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)와 같은, 회절 광학 요소를 포함한다. 선택적으로, 광학 디바이스는 홀로그래픽 광학 요소, 예를 들어, 렌즈의 홀로그램을 포함한다.

스케일은 센서가 스케일 및 판독 헤드의 상대 이동/위치를 결정하기 위해 검출할 수 있는 일련의 특징부들을 포함할 수 있다. 그러한 특징부들은 주기적으로 또는 비주기적으로 배열될 수 있다. 이해될 것인 바와 같이, 특징부들이 스케일 상에 정의될 수 있는 많은 적합한 방식들이 있다. 예를 들어, 특징부들은 특정 전자기 방사(EMR) 속성들, 예를 들어, 특정 광학적 속성들을 갖는 마킹들에 의해, 예를 들어, 스케일의 부분들의 특정 광학 투과율 또는 반사율에 의해 정의될 수 있다. 그에 따라, 특징부는, 예를 들어, 최소 반사율 또는 투과율 값을 갖는 스케일의 부분들에 의해 정의될 수 있다. 선택적으로, 특징부는, 예를 들어, 최대 반사율 또는 투과율 값을 갖는 스케일의 부분들에 의해 정의될 수 있다. 선택적으로, 특징부는, 예를 들어, 특징부가 광을 반사하는 방식(예를 들면, 방향)(예를 들면, 판독 헤드를 향하는 것 및 판독 헤드로부터 멀어지는 것)에 의해 정의될 수 있다. 특징부들은 센서에 의해 검출될 수 있는 라인들, 도트들 또는 다른 구성들의 형태를 취할 수 있다. 1차원 스케일들에 대한 바람직한 구성들은 측정 차원에 수직인 차원에서 트랙의 전체 폭을 가로질러 연장되는 라인들을 포함할 수 있다.

인코더 장치는 증분 인코더 장치일 수 있다. 그에 따라, 스케일은 증분 스케일(incremental scale)을 포함할 수 있다. 증분 인코더 장치는 하나 이상의 기준 위치를 정의하기 위한 하나 이상의 기준 마크를 포함할 수 있다. 선택적으로, 인코더 장치는 절대 인코더 장치이다. 이해될 것인 바와 같이, 증분 인코더와 대조적으로, 절대 인코더 장치는 판독 헤드와 스케일의 상대 이동을 필요로 하지 않고 스케일에 대한 판독 헤드의 절대 위치를 결정할 수 있다. 절대 인코더는 그의 길이를 따라 일련의 고유한 위치들을 정의하는 특징부들을 포함하는 절대 스케일을 포함한다. 일련의 고유한 절대 위치들은 복수의 트랙들, 예를 들어, 복수의 인접한 트랙들에 있는 특징부들에 의해 정의될 수 있다. 선택적으로, 일련의 고유한 절대 위치는 단일 트랙에만 포함되는 특징부들에 의해 정의할 수 있다. 예를 들어, 절대 위치 정보는 스케일의 측정 길이를 따라 취해지는 특징부들의 조합으로부터 결정될 수 있다. 그에 따라, 인코더 장치는 센서에 의해 획득되는 이미지로부터 절대 위치 정보를 추출하도록 구성될 수 있다. 그러한 추출은 판독 헤드에 의해 또는 판독 헤드 외부의 디바이스에 의해 수행될 수 있다.

선택적으로, 판독 헤드는 스케일의 적어도 하나의 이산적 스냅숏(즉, 스냅숏 이미지)을 획득하는 것에 의해 스케일을 판독하도록 구성된다. 이것은, 예를 들어, 위상을 지속적으로 측정 및 카운팅하는 것을 대신할 수 있다. 그에 따라, 판독 헤드가 스케일의 이산적 스냅숏을 촬영하는 것에 의해 스케일의 이미지가 획득될 수 있다. 스냅숏은 하나의 순간에서 촬영될 수 있거나, 스케일의 연속적인 섹션들의 연이은 더 작은 판독치들을 취하는 것에 의해 구축될 수 있다. 스케일의 스냅숏 판독은 다수의 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 스케일에 대한 스케일 판독기의 최대 작동 속도는, 연속 위상 측정 및 카운팅 시스템의 내재적인 주파수 한계들에 의해 제한되지 않기 때문에, 더 클 수 있다. 게다가, 스냅숏들을 촬영하는 광학 시스템들에서, 발광 요소가 짧은 시간 동안만 켜져 있으면 되며, 이는 평균 전력 소비를 증가시키지 않거나 광원의 수명을 제한하지 않으면서 연속 시스템에 비해 광 강도가 증가되게 할 수 있다. 이 증가된 광 강도는 더 많은 광자들이 센서에 의해 캡처될 수 있고 따라서 시스템의 노이즈 플로어(noise floor)를 감소시켜 더 적은 위치 노이즈를 제공할 수 있다는 것을 의미할 수 있다.

센서는 인쇄 회로 기판(PCB)에 장착될 수 있다. 발광 요소는 센서와 동일한 PCB에 전기적으로 연결될 수 있다. 발광 요소는 (예를 들면, 센서의 평면에 수직인 방향으로) 발광 요소와 센서 사이에 갭을 제공하도록 발광 요소를 기판으로부터 떨어지게 유지하는 지지 부재에 의해 (판독 헤드에(예를 들면, PCB에)) 물리적으로 장착될 수 있다. 지지 부재는 센서와 광학 디바이스 사이의 공간(체적)에 발광 요소를 유지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 센서의 평면에 수직인 방향으로 측정되는, 발광 요소와 센서 사이의 거리는 1 mm 이상, 예를 들어, 1.5 mm 이상, 예를 들어, 2 mm 이상일 수 있다. 더 상세하게는, 센서의 감지 평면에 수직인 방향으로, 발광 요소의 방출 표면의 중심(또는 방출 지점)과 센서의 감지 평면 사이의 거리는 1 mm 이상, 예를 들어 1.5 mm 이상, 바람직하게는 2 mm 이상, 예를 들어, 대략 2.5 mm일 수 있다. 상기 거리는 2 mm 내지 3 mm, 예를 들어, 대략 2.5 mm일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 반사 스케일과 판독 헤드의 상대 위치를 결정하기 위해 반사 스케일을 판독하기 위한 판독 헤드가 제공되며, 판독 헤드는 판독 헤드에 인접하여 위치하는 반사 스케일의 영역을 조명하여 그의 이미지를 센서 상에 형성하기 위한 발광 요소, 센서 및 광학 디바이스를 포함하며, 여기서 발광 요소로부터의 광은 스케일을 향하는 도중 및 스케일로부터의 반사 이후에 광학 디바이스를 통과하고, 여기서 발광 요소와 광학 디바이스 사이의 광의 경로는 직접적/무반사이고, 광학 디바이스와 센서 사이의 광의 경로는 직접적/무반사이다. 본 발명의 제1 양태와 관련하여 위에서 설명된 특징들은 본 발명의 이 양태에 똑같이 적용 가능하다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 반사 스케일과 판독 헤드의 상대 위치를 결정하기 위해 반사 스케일을 판독하기 위한 판독 헤드가 제공되며, 판독 헤드는 적어도 하나의 발광 요소, 적어도 하나의 센서 및 (예를 들면, 렌즈와 같은) 적어도 하나의 광학 디바이스를 포함한다. 발광 요소가 (예를 들면, 센서의 평면에 수직인 차원에서) 센서와 광학 디바이스 사이에 위치하도록 발광 요소가 판독 헤드에 장착될 수 있다. 예를 들어, 발광 요소는 (예를 들면, 센서와 광학 디바이스의 외부 에지들/측면들에 의해 구분되는) 센서와 광학 디바이스 사이의 공간(또는 "체적")에 위치할 수 있다. 그러한 구성은 매우 소형인 판독 헤드를 제공한다. 광학 디바이스는 반사 스케일의 조명된 영역의 이미지를 센서 상에 형성하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 스케일을 향하는 도중 및 스케일로부터의 반사 이후의 발광 요소와 센서 사이의 시스템의 광학 경로는 광학 디바이스를 통과할 수 있다. 선택적으로, 시스템의 광학 경로는 발광 요소와 광학 디바이스 사이의 무반사 광학 경로를 포함할 수 있다. 선택적으로, 시스템의 광학 경로는 광학 디바이스와 센서 사이의 무반사 광학 경로를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 양태들과 관련하여 위에서 설명된 특징들은 본 발명의 이 양태에도 적용 가능하다.

이 문서는 판독 헤드에 인접하여 위치하는 반사 스케일을 판독하기 위한 판독 헤드를 포함하는 인코더 장치를 설명하며, 판독 헤드는 판독 헤드에 인접하여 위치하는 스케일로부터 반사되는 광을 검출하기 위한 하나 이상의 포토다이오드를 포함하는 센서, 및 적어도 하나의 발광 요소를 포함하고, 여기서 발광 요소는, 센서의 감지 평면에 수직인 방향으로 측정되는, 발광 요소와 센서 사이의 거리가 1 mm 이상이도록, 센서의 감지 평면으로부터 떨어지게 유지된다. 이 문서는 판독 헤드에 인접하여 위치하는 반사 스케일을 판독하기 위한 판독 헤드를 포함하는 인코더 장치를 설명하며, 판독 헤드는 판독 헤드에 인접하여 위치하는 스케일로부터 반사되는 광을 검출하기 위한 하나 이상의 포토다이오드를 포함하는 센서가 장착되는 회로 기판, 및 적어도 하나의 발광 요소를 포함하고, 여기서 발광 요소는, 센서의 감지 평면에 수직인 방향으로 측정되는, 발광 요소와 센서 사이의 거리가 1 mm 이상이도록, 발광 요소를 회로 기판 및 센서의 감지 평면으로부터 떨어지게 유지하는 발광 요소 지지 구조체를 통해 회로 기판에 장착된다. 더 상세하게는, 센서의 감지 평면에 수직인 방향으로, 발광 요소의 방출 표면의 중심(또는 방출 지점)과 센서의 감지 평면 사이의 거리는 1 mm 이상일 수 있다. 상기 거리는 1.5 mm 이상, 선택적으로 2 mm 이상, 예를 들어, 2.5 mm 이상일 수 있다. 상기 거리는 2 mm 내지 3 mm, 예를 들어, 대략 2.5 mm일 수 있다.

본 발명의 실시예들이 이제 이하의 도면들을 참조하여, 단지 예로서, 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 위치 측정 디바이스의 개략적인 등각 투상도를 도시한다.
도 2는 도 1의 위치 측정 디바이스의 판독 헤드의 다양한 광학 및 전자 컴포넌트들의 개략 다이어그램이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1 및 도 2의 위치 측정 디바이스의 광학적 배열의 개략 다이어그램들을 도시한다.
도 4는 도 1의 판독 헤드의 단면도를 도시한다.
도 5는 도 1의 판독 헤드의 회로 기판, 광원, 광원 지지 구조체, 및 센서의 등각 투상도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 광원의 지지 구조체의 정면 등각 투상도와 후면 등각 투상도를 도시한다.
도 6c는 광원의 지지 구조체의 평면도를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 광원의 본드 와이어에 대한 지지 구조체의 정면 등각 투상도 및 후면 등각 투상도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 판독 헤드의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 광원이 센서 바로 위에 위치되는 본 발명에 따른 판독 헤드의 평면도들을 개략적으로 예시한다.

도 1을 참조하면, 판독 헤드(4), 스케일(6) 및 제어기(7)를 포함하는 인코더 장치(2)가 도시되어 있다. 판독 헤드(4)와 스케일(6)은 서로에 대해 이동 가능한 제1 물체 및 제2 물체(도시되지 않음)에 제각기 장착된다. 상대 이동의 속도는 변할 수 있지만, 설명된 실시예에서, 판독 헤드(4)와 스케일(6)은 알려진 최대 상대 가속도를 갖는다.

설명된 실시예에서, 스케일(6)은 선형 스케일이다. 그렇지만, 스케일(6)이 비선형 스케일, 예를 들어, 회전식 스케일(rotary scale)(예를 들면, 디스크 또는 링 스케일)일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 게다가, 스케일(6)은 단일 차원에서만 측정을 가능하게 한다. 그렇지만, 그럴 필요는 없으며, 예를 들어, 스케일은 2 개의 차원에서 측정을 가능하게 할 수 있다.

설명된 실시예에서, 스케일(6)은 절대 스케일이고, 그의 길이를 따라 고유한 위치 데이터를 인코딩하도록 배열된 일련의 반사 라인들(8) 및 비반사 라인들(10)을 포함한다. 데이터는, 예를 들어, 의사랜덤 시퀀스 또는 이산 코드워드들의 형태일 수 있다. 다른 실시예들에서, 스케일은 증분 스케일(기준 마크가 있거나 없음)일 수 있다.

라인들의 폭은 요구된 위치 분해능에 의존하며, 전형적으로 1 μm 내지 100 μm의 범위에 있고, 더 전형적으로 5 μm 내지 50 μm의 범위에 있으며, 예를 들어, 10 μm 내지 30 μm의 범위에 있다. 설명된 실시예에서, 라인들의 폭은 15 μm 정도이다. 반사 라인들(8) 및 비반사 라인들(10)은 일반적으로 교호 방식으로 미리 결정된 주기로 배열된다. 그렇지만, 스케일(6)에 절대 위치 데이터를 인코딩하기 위해, 선택된 비반사 라인들(10)이 스케일(6)로부터 누락되어 있다. 예를 들어, 비반사 라인의 존재는 "1" 비트를 나타내는 데 사용될 수 있고, 비반사 라인의 부재는 "0" 비트를 나타낼 수 있다.

도 2에 예시된 바와 같이, 판독 헤드(4)는 발광 요소/광원(12), 광학 디바이스(18), 센서(20), 및 창(22)을 포함한다. 이 실시예에서, 발광 요소/광원(12)은 발광 다이오드(LED)를 포함한다. 또한, 이 실시예에서, 광학 디바이스는 렌즈(18)를 포함하지만, 다른 광학 디바이스들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 프레넬 존 플레이트와 같은 회절 광학 요소, 및/또는 홀로그래픽 광학 요소, 예를 들어, 렌즈의 홀로그램이 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 센서(20)는 상보성 금속 산화물 반도체("CMOS") 센서를 포함한다. 이해될 것인 바와 같이, CMOS 센서 대신에 다른 이미지 센서들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 그 대신에 CCD 또는 포토다이오드 어레이가 사용될 수 있다.

판독 헤드(4)는 CPU(24), 메모리 디바이스(25)(예를 들어, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 또는 플래시 메모리) 및 인터페이스(26)를 또한 포함한다. 판독 헤드(4)는 센서(20)로부터의 이미지 데이터를 디지털화하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 또한 포함할 수 있다. 선택적으로, 아날로그-디지털 변환은 센서(20) 또는 CPU(24) 내에서 수행될 수 있다.

LED(12)로부터 방출되는 광은 광학 디바이스(18)에 의해 콜리메이팅되고, 이어서 창(22)을 통과하여 스케일(6)에 도달한다. 스케일(6)은 광을 다시 반사시켜 창(22)을 통과하게 하고, 이 광은 렌즈(18)를 통과하며, 렌즈(18)는 차례로 스케일에 의해 반사되는 광을 사용하여 센서(20) 상에 스케일의 2차원 이미지를 형성한다. 그에 따라, 센서(20)는 LED(12)에 의해 조명되는 스케일(6)의 일부의 2차원 이미지를 검출한다. 센서는 1차원 또는 2차원 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서는 256 개의 가늘고 긴 픽셀의 1차원 어레이를 포함할 수 있으며, 그의 길이들은 스케일 상의 반사 라인들(8) 및 비반사 라인들(10)의 길이들에 평행하게 연장된다. 설명된 2차원 이미징 배열 대신에, 1차원 이미징 배열이 대신 사용될 수 있으며, 여기서 스케일의 1차원 이미지는 렌즈에 의해 센서 상에 형성된다.

LED(12)가 CPU(24)의 요구에 따라 작동될 수 있도록, LED(12)는 CPU(24)에 연결된다. CPU(24)가 이미지 센서(20)에 걸쳐 도달하는 광의 강도의 이미지를 수신할 수 있도록, 센서(20)는 CPU(24)에 연결된다. 센서(20)가 CPU(24)의 요구에 따라 센서에 걸쳐 도달하는 광의 강도의 스냅숏을 촬영하게 작동될 수 있도록, 센서(20)는 또한 CPU(24)에 직접 연결된다. 메모리(25)가 데이터의 프로세싱에서 사용하기 위한 데이터를 저장하고 검색할 수 있도록, CPU(24)는 메모리(25)에 연결된다. CPU(24)가 라인(40)을 통해 제어기(7)(도 1에 도시됨)와 같은 외부 디바이스로부터 요구들을 수신하고 결과들을 외부 디바이스에 출력할 수 있도록, 인터페이스(26)는 CPU(24)에 연결된다. 라인(40)은 판독 헤드(4)에 전력을 공급하는 전력 라인들을 또한 포함한다.

이해될 것인 바와 같이, 비반사 라인들(10)을 누락시키는 것에 추가적으로 또는 비반사 라인들(10)을 누락시키는 것 대신에, 반사 라인들(8)을 누락시키는 것에 의해 절대 위치 데이터가 스케일(6)에 인코딩될 수 있다. 게다가, 반사 라인들(8) 또는 비반사 라인들(10)의 추가 또는 제거 없이 절대 위치 데이터가 스케일(6)에 임베딩될 수 있다. 예를 들어, 절대 위치 데이터를 스케일(6)에 임베딩하기 위해 라인들의 폭, 라인들 사이의 거리 또는 라인들의 색상이 변화될 수 있다. 게다가, 스케일이 스케일의 측정 길이를 따라 취해지는 특징부들의 고유한 조합들에 의해 절대 위치를 정의하기보다는, 스케일은 스케일의 폭을 따라 취해지는 특징부들의 고유한 조합에 의해 절대 위치를 정의하는 특징부들을 가질 수 있다. 예를 들어, 스케일은 길이가 스케일에 걸쳐 연장되는, 예를 들면, 스케일의 측정 길이에 실질적으로 수직으로 연장되는 복수의 "바코드들"을 포함할 수 있다. 선택적으로, 스케일은 복수의 트랙들을 포함할 수 있으며, 여기서 이러한 트랙들 중 적어도 하나, 선택적으로 적어도 2 개 및 어쩌면 모두가 복수의 일정하게 이격된 특징부들을 포함할 수 있으며(즉, 트랙들은 본질적으로 상이한 기본 주파수들의 증분 스케일 특징부들을 포함할 수 있으며), 여기서 스케일의 폭에 걸친 특징들의 조합이 스케일의 측정 길이를 따라 임의의 한 지점에서 고유하도록 트랙들의 스케일 주기가 서로 상이하다.

일련의 마킹 그룹들은, 미세한 위치 정보(예를 들면, 스케일 마킹들의 주기보다 더 미세한 분해능을 갖는 위치 정보)가 결정될 수 있게 하기 위해 일련의 마킹들로부터 위상 정보가 추출될 수 있도록 하는 데 충분한 정보를 여전히 가지면서, 고유한 위치 정보, 즉 절대 위치 정보를 정의하는 일련의 고유한 이진 코드워드들을 스케일 길이를 따라 인코딩하는 데 사용할 수 있다. 그에 따라, 그러한 시스템들에서, 위치 정보는 조악한 절대 위치(이미지로부터 추출되는 코드워드로부터 결정됨)는 물론 미세한 위치(실질적으로 주기적인 마킹들의 위상 오프셋을 관찰하는 것에 의해 결정됨)로 구성될 수 있다. 그러한 소위 하이브리드 증분 및 절대 스케일에 대한 추가의 세부 사항들은 국제 특허 출원 제PCT/GB2002/001629호(공보 제WO 2002/084223호)에 설명되어 있으며, 이 국제 특허 출원의 내용은 이러한 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

대안적인 실시예에서, 스케일은 절대 위치 정보를 정의하는 특징부들을 포함하는 절대 트랙 및 일정하게 이격된 특징부들을 포함하는 별도의 증분 트랙을 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2의 판독 헤드(4)의 광학 시스템은 도 3a 및 도 3b를 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 도 3a 및 도 3b는, 광원(12)으로부터 센서(20)까지, 스케일(6)의 이미지를 센서(20) 상에 형성하는 광학 시스템을 통해 광이 취하는 경로를 개략적으로 예시한다.

도시된 바와 같이, 광학 디바이스(18)는 광학 축(OA), 초점 거리(f), 및 초점 평면(fp)을 갖는 렌즈(18)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 점광원(12)은 실질적으로 렌즈(18)의 초점 평면(fp)에 그러나 렌즈(18)의 광학 축(OA)으로부터 약간 오프셋되게 위치한다. 예를 들어, 광원(12)은 렌즈(18)의 광학 축(OA)으로부터 대략 450 μm만큼 오프셋(광원의 방출 구역의 중심으로부터 측정됨)된다. 상세하게는, 오프셋 대 렌즈의 초점 거리의 비는 대략 0.45:2.5이다. 실질적으로 렌즈(18)의 초점 평면에 광원(12)을 위치시키는 것은 광원(12)으로부터 방출되는 광이 스케일(6)을 향해 나아갈 때 렌즈(18)에 의해 실질적으로 콜리메이팅되도록 보장하는 데 도움이 된다. 그에 따라, 스케일(6)에 의해 반사되는 광은 이어서 렌즈(18)에 의해 렌즈(18)의 초점 평면(fp)에 있는 한 지점에 집속되고 그 후에 발산되어 광원(12) 뒤의 센서(20)에 스케일(6)의 2차원 이미지를 형성한다. 이해될 것인 바와 같이, 광원(12)의 이미지는 초점 평면(fp)에 형성될 것이다. 렌즈(18)의 초점 평면(fp)에 그러나 렌즈(18)의 광학 축(OA)으로부터 오프셋되게 광원(12)을 위치시키는 것은 광원(12)이 센서(20)와 렌즈(18) 사이의 공간(또는 "체적")(도 3b에 도시된 해칭 구역에 의해 예시됨)에 위치할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 판독 헤드를 소형으로 만들지만 센서(20)로의 광의 복귀 경로에서 스케일에 의해 반사되는 광을 방해하지 않게 하는 데 도움이 된다.

도시된 바와 같이, 광원(12) 및 센서(20) 양쪽 모두는 렌즈(18)(및 창(22) 및 스케일(6))를 향해 있다. (환언하면, 광원(12)의 방출 표면 및 센서(20)의 감지 평면은 렌즈(18)를 향해 있다). 또한, 광원(12)과 렌즈(18) 사이에 무반사(환언하면, "직접적") 광학 경로가 있고, 또한 렌즈(18)와 센서(20) 사이에 무반사(환언하면, "직접적") 광학 경로가 있다. 따라서 광을 방향전환시키거나 조종하기 위해 반사 광학 컴포넌트들이 필요하지 않거나 사용되지 않는다. 미러들 및 빔 스플리터들과 같은, 반사 광학 컴포넌트들의 사용을 피하는 것은 판독 헤드의 크기를 상당히 감소시키는 데 도움이 될 수 있다.

게다가, 설명된 특정 실시예에서, 광원(12)으로부터의 광을 콜리메이팅하는 것 및 센서 상에 스케일(6)의 이미지를 형성하는 것 양쪽 모두를 위해 동일한 광학 디바이스/렌즈(18)가 사용된다. 그에 따라, 설명된 판독 헤드(4)의 광학적 배열은 하나의 광학 디바이스/렌즈(18)만을 사용하며 따라서 특히 소형이고 저렴하다. 설명된 실시예에서, 렌즈(18)는 단일 렌즈이지만, 상이한 유형의 렌즈(예를 들면, 이중 렌즈(doublet lens), 복합 렌즈(compound lens) 또는 GRIN(gradient-index) 렌즈)일 수 있다. 이해될 것인 바와 같이, 광학 디바이스는 반드시 렌즈일 필요는 없고, 프레넬 존 플레이트 또는 홀로그래픽 광학 요소(HOE), 예를 들어, 렌즈의 홀로그램과 같은 다른 유형의 광학 디바이스일 수 있다.

도 3a에 예시된 바와 같이, 광원은 센서(20)보다 렌즈(18)에 훨씬 더 가깝다. 그러한 구성은 광원이 통상적으로, 센서와 거의 동일한 평면에서, 센서와 동일한 기판에 장착되는 전통적인 인코더 설계에서 벗어난다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 판독 헤드는 i) 센서의 평면에 수직인 방향으로, 발광 요소의 방출 표면의 중심(또는 방출 지점)과 센서의 감지 평면 사이의 거리(D1)와, ii) 센서의 평면에 수직인 방향으로, 발광 요소의 방출 표면의 중심(또는 방출 지점)과 광학 디바이스 사이의 거리(D2)의 비가 대략 70:30이도록 구성된다. 절대적으로, 센서의 감지 평면에 수직인 방향으로, 발광 요소의 방출 표면의 중심(또는 방출 지점)과 센서의 감지 평면 사이의 거리는 대략 2.5 mm, 예를 들어, 2.6 mm이다.

도 3b에서 굵은 흑색 라인으로 개략적으로 예시된 바와 같이, 광원(12), 렌즈(18) 및 센서(20)의 구성으로 인해, 광원과 센서 사이의 광학 경로는 실질적으로 다이아몬드/마름모 형상이고, 렌즈(18)와 스케일(6) 사이의 광학 경로는 실질적으로 V자 형상이다. 설명된 실시예에서, 스케일에 수직으로 연장되는 라인(도 3b에서의 점선)과 스케일에 충돌할 때의 광학 경로의 방향 사이의 각도 θ는 대략 10°이다.

도시된 바와 같이, 센서(20)는 그의 감지 표면/평면이 렌즈의 광학 축에 수직이 아니도록 틸팅될 수 있다. 그러한 틸팅은, 이미지가 렌즈(18)의 축외(off-axis) 부분에 의해 형성되는 것으로 인해 형성될 수 있는, 센서 상에 형성되는 이미지에서의 임의의 키스톤 왜곡(keystone distortion)을 보상하는 데 도움이 될 수 있다. 도시된 실시예에서, 센서(20)는 그의 감지 표면(예를 들면, 그의 감지 평면)에 평행하게 연장되는 평면과 광학 축에 수직으로 연장되는 평면 사이의 각도 α가 약 3°이도록 틸팅된다. 그렇지만, 반드시 그럴 필요는 없으며, 센서는 그의 감지 표면이 렌즈의 광학 축에 수직으로 연장될 수 있도록(즉, 각도 α가 1° 미만이도록) 구성될 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 센서(20)의 그러한 틸팅은 (센서가 장착되는) PCB(32)를 틸팅된 각도로 장착하는 것에 의해 달성될 수 있다. 그에 따라, 예를 들어, 광원(12)을 포함한, 센서(20) 또는 PCB(12)에 장착되는 임의의 다른 컴포넌트들이 또한 기계적 편의를 위해 틸팅될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 이해될 것인 바와 같이, 키스톤 왜곡을 보상하는 다른 방식들, 예컨대, 센서 요소들을 적절하게 성형하는 것, 예를 들면, 센서 요소들 자체를 "키스토닝(keystoning)"하는 것이 이용 가능하다.

이제 도 4 및 도 5를 참조하여, 위에서 설명된 광학 레이아웃을 달성하기 위해 판독 헤드가 어떻게 구성될 수 있는지의 예시적인 실시예가 이제 설명될 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 판독 헤드(4)는 (예를 들면, 접착, 기계적 및/또는 마찰 수단을 통해) 렌즈(18), 창(22) 및 인쇄 회로 기판(PCB)(32)이 장착되는 본체(30)를 포함한다. 센서(20), LED(12) 및 다른 전자 컴포넌트들(예컨대, 위에서 언급된 CPU(24), 메모리(25) 및 인터페이스(26) - 도 4 또는 도 5에 도시되지 않음 -)은 PCB(32)에 기계적으로 및 전기적으로 장착된다.

예시된 바와 같이, LED(12)가 PCB(32)에 장착되더라도, LED(12)가 PCB(32)에 장착되지만, LED(12)를 PCB(32)로부터 떨어지게 유지하는 융기된 지지 구조체(34)를 통해 장착된다는 점에서, LED(12)는 "오프보드로(off-board)" 회로 기판에 장착된다. 상세하게는, 지지 구조체(34)는 LED(12)를 센서(20)보다 PCB(32)로부터 더 멀리 떨어지게 유지하기 위해 센서(20) 너머로 연장된다. 그에 따라, 도시된 바와 같이, 센서(20)는 PCB(32)에 상대적으로 가깝게 장착되는 반면, LED(12)는 PCB(32)로부터 상대적으로 멀리 장착된다. 도 4에 예시된 바와 같이, LED(12)는 PCB(32)보다 렌즈(18)에 훨씬 더 가까운 반면, 센서(20)는 렌즈(18)보다 PCB(32)에 훨씬 더 가깝다. 그에 따라, 도시된 바와 같이, 발광 요소와 센서는 센서/회로 기판의 평면에 수직으로 연장되는 차원에서 분리된다. 상세하게는, 센서/회로 기판의 평면에 수직으로 연장되는 차원에서, 발광 요소와 센서 사이에 (자유) 공간이 있다. 이 예에서, i) 이미징 부재의 광학 축(OA)에 평행한 방향으로, LED(12)의 방출 표면(또는 방출 지점)과 센서(20)의 감지 평면 사이의 거리와 ii) 이미징 부재의 광학 축(OA)에 평행한 방향으로, LED(12)의 방출 표면(또는 방출 지점)과 렌즈(18) 사이의 거리의 비는 대략 70:30이다.

설명된 실시예에서, 위에서 언급된 지지 구조체(34)는 또한 LED(12)와 PCB(32) 사이의 전기적 연결을 형성/제공한다. 그에 따라, 설명된 실시예에서, LED(12)를 PCB(32)로부터 떨어지게 유지하기 위한 지지 구조체(34)는 LED(12)와 PCB(32) 사이의 캐소드(34)이다. 그에 따라, 캐소드(34)는 PCB(32)로부터 상승하는, LED(12)를 위한 강성의 전기 전도성 지지 구조체를 포함한다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 지지 구조체/캐소드(34)는 스케일(6)에 의해 반사되는 광이 센서(20)에 도달하기 위해 통과할 수 있는 개구부/창(35)을 포함한다.

이 실시예에서, 애노드(36)는 PCB(32)로부터 상승하고 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본드 와이어(38)를 통해 LED(12)에 와이어 본딩되는 강성의 전기 전도성 구조체를 또한 포함한다. 환언하면, 판독 헤드는 PCB(32)로부터 연장되는 융기된 본드 와이어 지지 구조체를 포함하고, 여기서 본드 와이어(38)는 본드 와이어 지지 구조체와 발광 요소(12) 사이에서 연장된다. 애노드의 형상 및 크기로 인해 이 실시예에서는 필요하지 않지만, 다른 실시예들에서 애노드(36)는 LED(12)로부터 방출되는 광이 렌즈(18)/스케일(6)을 향해 통과할 수 있고 스케일(6)에 의해 반사되는 광이 센서(20)에 도달하기 위해 통과할 수 있는 개구부/창을 또한 가질 수 있다.

이해될 것인 바와 같이, 애노드(36)의 강성 구조체는 생략될 수 있고, LED(12)는 LED(12)와 PCB(32) 사이에 연장되는 본드 와이어를 통해 와이어 본딩될 수 있다. 그렇지만, 본드 와이어들이 부서지기 쉬울 수 있고 본드 와이어가 길수록 본드 와이어가 끊어질 가능성이 많기 때문에 본드 와이어의 길이를 최대한 줄이는 것이 유리할 수 있다.

이 특정 실시예에서, LED의 지지 구조체/캐소드(34) 및 본드 와이어 지지 구조체/애노드(36) 각각은 시트 재료 부분을 포함하고, 이들 각각은 3차원 프레임을 제공하기 위해 접혀 있고, PCB(32)에 솔더링되어 있다. 설명된 특정 실시예에서, 캐소드(34)는 황동이고, 애노드는 니켈-금으로 도금된 황동이다. 도 6 및 도 7에 표시된 바와 같이, 접힘을 돕기 위해 접힘 라인들(37)이 시트 재료에 화학적 에칭되어 있다. 일단 접히면, 지지 구조체들(34, 36) 각각은 상부 표면(31) 및 PCB(32)에 솔더링되는 복수의 측면 지지체들(또는 "레그들")(33)을 포함한다. 이해될 것인 바와 같이, 지지 구조체/캐소드(34)는 다른 방식들로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 이는 형상으로 머시닝/커팅되고/되거나 형상으로 스탬핑/프레싱될 수 있다. 베어 다이 LED(12)는 전도성 에폭시를 통해 지지 구조체/캐소드(34) 바로 위에 장착되고, 와이어 본드는 LED(12)와 애노드(36)의 상부 표면(31) 사이에 연장된다.

도 6c에 예시된 바와 같이, LED의 지지 구조체(34)의 상부 표면(31)은 센서(20) 위로 연장된다/센서(20)를 부분적으로 덮는다(이에 대한 윤곽은 도 6c에서 가상 라인(phantom line)으로 개략적으로 예시되어 있다). 환언하면, 센서(20)(및 PCB(32))의 평면을 통해 이에 수직으로 연장되는 라인은 또한 LED의 지지 구조체(34)의 상부 표면(31)을 통과한다. 그러한 구성은 LED(12)가 센서(20)에 매우 가깝게 그리고, 원하는 경우, 센서(20) 위에 배치될 수 있게 한다.

판독 헤드(4)는 판독 헤드(4)의 본체(30) 내의 렌즈(18)를 위치 추측하는 것(dead-reckoning)에 의해 조립되고, 본체(30)는 렌즈(18)를 제자리에 유지하기 위해 크림핑(crimp)된다(그렇지만 렌즈(18)를 본체에 고정시키는 다른 방식들, 예컨대, 에폭시에 의하는 것 및/또는 렌즈(18)를 렌즈를 유지하는 굴곡부(flexure) 내로 밀어넣는 것이 사용될 수 있다). 상부에 이미 장착된 LED(12)를 포함하는 PCB(32)는 이어서, 예를 들면, 접착, 및/또는 크림핑과 같은 기계적 수단에 의해, 본체(30)에 장착된다. 원하는 경우, 렌즈에 대해 PCB(따라서 그 위의 센서 및 LED)를 정렬시키기 위해 정렬 프로세스가 사용될 수 있다. 그러한 정렬 프로세스는, 카메라를 사용하여, 그 위의 PCB/컴포넌트들의 위치를 관찰하고 카메라의 출력에 기초하여 조정을 행하고/하거나, 그 위의 PCB/컴포넌트들에 연결하고 센서의 출력을 사용하여 조정을 행한다. 일단 조립되면, 덮개(46)가, 예를 들면, 접착, 크림핑 및/또는 용접을 통해, 본체(30)에 고정된다.

위에서 설명된 실시예에서, 본드 와이어 지지 구조체(34)가 또한 캐소드를 형성하지만, 이해될 것인 바와 같이, 반드시 그럴 필요는 없으며, 지지 구조체(34)가, 예를 들어, 그 대신에 애노드를 형성할 수 있다.

설명된 실시예에서, LED(12)는 전극(34)을 통해 PCB(32)에 기계적으로 장착되지만, 이해될 것인 바와 같이, 반드시 그럴 필요는 없다. 예를 들어, LED(12)는 하나 이상의 비전기 전도성 부재를 통해 PCB(32)에 직접 기계적으로 장착될 수 있고, 별도의 부재들, 예를 들면, 하나 이상의 와이어를 통해(예를 들어, 와이어 본딩을 통해) PCB(32)에 전기적으로 연결될 수 있다. 게다가, LED(12)가 반드시 PCB(32)에 직접 장착될 필요는 없다. 예를 들어, LED(12)는 본체(30)에 직접 기계적으로 장착될 수 있고, 하나 이상의 와이어를 통해(예를 들면, 와이어 본딩을 통해) PCB(32)에 전기적으로 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, LED(12)는 상이한 PCB(즉, 센서가 연결되는 바로 그 PCB(32)가 아님)에 전기적으로 연결될 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 판독 헤드(4')를 예시한다. 도 8의 판독 헤드(4')는 도 1 내지 도 7의 실시예의 부분과 동일한 많은 부분들을 공유하며, 유사한 부분들은 유사한 참조 번호들을 공유한다. 도 8의 실시예에서, LED(12)는, 투명한 지지 구조체(50)(예를 들면, 유리 블록(50))을 거쳐, 센서(20)를 통해 회로 기판에 장착된다. 상세하게는, 유리 블록(50)은 접착성 에폭시를 통해 센서(20)에 고정된다. 이어서 LED(12)는 렌즈(18)를 향하고 센서(20)의 원위에 있는 유리 블록(50)의 측면 상에 퇴적된 전도성 패드(52) 상에 안착된다. LED(12)는 애노드(36') 및 캐소드(34')를 통해 회로 기판(32)에 전기적으로 연결되며, 이 실시예에서 각각은 PCB(32)로부터 연장되는 융기된 본드 와이어 지지 구조체들, 및 이들과 LED(12)/전도성 패드(52) 사이에 연장되는 본드 와이어들을 포함한다. 이해될 것인 바와 같이, 이 실시예의 변형들에서, LED(12)는 다른 방식들로, 예를 들면, 유리 블록(50)의 표면/측면에 퇴적되고 이를 따라 뻗어 있는 애노드 및 캐소드를 통해, 또는 심지어 유리 블록(50)을 통해 뻗어 있는 애노드 및 캐소드를 통해, 회로 기판에 연결될 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이, 회로 기판/센서의 평면에 수직으로 연장되는 라인이 발광 요소의 지지 구조체(34) 및 센서(20) 양쪽 모두 및/또는 발광 요소(12) 및 센서(20) 양쪽 모두를 통과하도록 발광 요소의 지지 구조체(34) 및/또는 발광 요소(12)가 센서(20) 바로 위에 유지될 수 있다. 이해될 것인 바와 같이, 그리고 도 9에 개략적으로 예시된 바와 같이, 센서(20)는 적어도 하나의 감광 요소(21), 예를 들어, 감광 요소들(21)의 어레이는 물론, 센서(20)를 구성하는 다른 서브컴포넌트들 및 패키징을 포함할 수 있다. 환언하면, 센서(20)는 적어도 하나의 감광 요소(21), 예를 들어, 감광 요소들(21)의 어레이를 포함하는 칩 또는 컴포넌트일 수 있다. 예를 들어, 도 9a에 예시된 바와 같이, 발광 요소(12)는 감광 요소들(21) 바로 위에 안착되지 않는 방식으로 센서 칩(20) 바로 위에 위치할 수 있다. 대안적으로, 도 9b에 예시된 바와 같이, 발광 요소(12)가 감광 요소들(21) 바로 위에 안착되는 방식으로, 예를 들면, 회로 기판/센서의 평면에 수직으로(즉, Y축에 평행하게) 연장되는 라인이 발광 요소(12)와 감광 요소들(21) 양쪽 모두를 통과하도록, 발광 요소(12)는 센서 칩(20) 바로 위에 위치할 수 있다.

도시된 실시예들에서, LED(12)는 지지 구조체(34)에 의해 "오프보드로" 장착된다. (예를 들면, 스케일의 이미지가 센서(20)에 의해 캡처될 수 있게 하면서, 콜리메이션을 달성하기 위해 LED(12)를 렌즈(18)의 초점 평면에 배치하기 위해) 이것이 유익할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 예를 들어, LED(12)는 센서(20)와 실질적으로 동일한 평면에(환언하면, 센서(20)와 실질적으로 동일한 높이에) 안착되도록 PCB(32) 상에 장착될 수 있다.

도시된 실시예들에서, 스케일에 충돌하는 광이 콜리메이팅되지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 게다가, 스케일에 충돌하는 광이 콜리메이팅되더라도, 스케일에 의해 반사되는 광이 반드시 콜리메이팅될 필요는 없다 예를 들어, 스케일이 만곡된 경우, 예를 들어, 스케일이 링 스케일인 경우, 스케일에 의해 반사되는 광은 콜리메이팅되지 않을 것이다.

Claims (15)

1. 인코더 장치로서, 반사 스케일 및 판독 헤드를 포함하며, 상기 판독 헤드는 적어도 하나의 발광 요소, 적어도 하나의 센서 및 적어도 하나의 광학 디바이스 - 이들은, 상기 스케일과 함께, 광학 시스템을 형성함 - 를 포함하며, 상기 광학 디바이스는 상기 센서 상에 상기 반사 스케일의 조명된 영역의 이미지를 형성하고, 상기 스케일을 향하는 도중 및 상기 스케일로부터의 반사 이후의 상기 발광 요소와 상기 센서 사이의 상기 시스템의 광학 경로는 상기 광학 디바이스를 통과하며, 상기 발광 요소와 상기 광학 디바이스 사이의 무반사 광학 경로 및 상기 광학 디바이스와 상기 센서 사이의 무반사 광학 경로를 포함하는 것인, 인코더 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 센서의 평면에 수직인 차원에서, 상기 발광 요소가 상기 센서와 상기 광학 디바이스 사이에 위치하도록, 상기 발광 요소가 상기 판독 헤드에 장착되는 것인, 인코더 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발광 요소는 상기 센서와 상기 광학 디바이스 사이의 공간에 위치하는 것인, 인코더 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 요소는 그에 의해 방출되는 광이 상기 광학 디바이스에 의해 콜리메이팅되도록 실질적으로 상기 광학 디바이스의 초점 평면에 위치하는 것인, 인코더 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스케일에 의해 반사되고 상기 광학 디바이스에 의해 상기 센서 상에 이미징되는 광은 상기 광학 디바이스와 상기 센서 사이의 특정 거리에 있는 한 지점을 향해 수렴되고, 상기 발광 요소는 상기 광학 디바이스와 상기 센서 사이의 상기 특정 거리에 대략적으로 위치하는 것인, 인코더 장치.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, i) 상기 센서의 상기 평면에 수직인 방향으로, 상기 발광 요소의 방출 표면의 중심과 상기 센서의 감지 평면 사이의 거리와, ii) 상기 센서의 상기 평면에 수직인 방향으로, 상기 발광 요소의 방출 표면의 중심과 상기 광학 디바이스 사이의 거리의 비가 대략 35:65 이상인 것인, 인코더 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 요소는 상기 광학 디바이스의 광학 축으로부터 오프셋되도록 배치되는 것인, 인코더 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스케일에 충돌하고/하거나 상기 스케일로부터 반사될 때의 상기 광학 경로의 방향은 상기 스케일에 수직이 아닌 것인, 인코더 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 요소와 상기 센서 사이의 상기 시스템의 광학 경로는 실질적으로 다이아몬드 형상인 것인, 인코더 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 요소와 상기 센서 양쪽 모두는 상기 광학 디바이스 및 상기 스케일을 향해 있는 것인, 인코더 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서, 및 상기 광학 디바이스에 의해 형성되는 상기 스케일의 이미지는 상기 발광 요소 뒤에 놓이는 것인, 인코더 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 요소는 렌즈를 포함하는 것인, 인코더 장치.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스케일은 그의 길이를 따라 일련의 고유한 위치들을 정의하는 특징부들을 포함하는 절대 스케일을 포함하고, 상기 장치는 상기 센서에 의해 획득되는 이미지로부터 절대 위치 정보를 추출하도록 구성되는 것인, 인코더 장치.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 인쇄 회로 기판(PCB)에 장착되고, 상기 발광 요소는 전기적으로는 상기 센서와 동일한 PCB에 연결되지만, 물리적으로는 상기 발광 요소와 상기 센서 사이에 갭을 제공하기 위해 상기 발광 요소를 상기 PCB로부터 떨어지게 유지하는 지지 부재에 의해 상기 판독 헤드에 장착되는 것인, 인코더 장치.
15. 반사 스케일과 판독 헤드의 상대 위치를 결정하기 위해 상기 반사 스케일을 판독하기 위한 상기 판독 헤드로서, 상기 판독 헤드는 상기 판독 헤드에 인접하여 위치하는 반사 스케일의 영역을 조명하여 그의 이미지를 센서 상에 형성하기 위한 발광 요소, 상기 센서 및 광학 디바이스를 포함하며, 상기 발광 요소로부터의 광은 상기 스케일을 향하는 도중 및 상기 스케일로부터의 반사 이후에 상기 광학 디바이스를 통과하고, 상기 발광 요소와 상기 광학 디바이스 사이의 상기 광의 경로는 무반사이고, 상기 광학 디바이스와 상기 센서 사이의 상기 광의 경로는 무반사인 것인, 판독 헤드.

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