KR200296386Y1 - 2차원전자수준기 - Google Patents

Abstract

본 고안에 따른 2차원 전자수준기는 정확한 2차원 각도를 측정하기 위한 것으로, 연결로드를 통해 고정볼에 연결되어 기울기에 따라 X 및 Y방향으로 위치가 변하는 정밀구와 정밀구의 전후 및 좌우 4곳에 장착되어 정밀구의 위치변위를 전위차로 출력하여 2차원 각도를 산출하는 4개의 비접촉 정전용량 위치측정센서로 구성된다.

Description

2차원 전자수준기{TWO DIMENSION ELECTRONIC LEVEL}

본 고안은 전자수준기에 관한 것으로, 특히 1개의 정밀구와 4개의 센서를 장착하여 각도변화에 따른 정밀구의 움직임을 센서에 의해 감지함으로써 2차원의 각도를 정확하게 측정할 수 있는 2차원 전자수준기에 관한 것이다.

통상의 기포식 수준기와는 달리 전자식 수준기는 전기적인 신호를 발생하며, 미세한 각도 및 공작기계의 피치(pitch)와 롤(roll)오차의 측정과 정반(surface plate)의 편평도 측정 등 정밀측정기구에서는 필수적인 기구이다. 일반적으로, 기포식 수준기의 정밀도는 최대 2arc-sec(2/3600도)이지만, 1차원 전자수준기는 0.1arc-sec(0.1/3600도)까지 가능하다. 최근, 2차원 기포식 수준기가 제품화되어 있지만, 상기한 기포식 수준기의 정밀도는 1arc-min(1/60도) 정도에 불과하며, 측정값을 전기적인 신호로 변환시킬 수 없기 때문에 측정데이터의 저장 등이 불가능한 단점이 있다.

도 1은 1차원 전자수준기를 나타내는 도면이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 감쇠진동자(1)의 양측면에는 센서(2)가 부착되어 있다. 센서(2)는 감쇠진동자(1)와의 거리를 전위차로 출력한다. 각도(θ)가 0인 편평한 평면에서는 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 진동자(1)가 상기한 센서(2)의 정중앙에 위치하는데, 이때 센서(2)에서 발생하는 전위차를 0으로 리셋(reset)한다. 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 수준기가 θ 만큼 기울어져 있는 경우에는 진동자(1)도 역시 수직방향에 대하여 θ 만큼 기울어지게 되며 센서(2)에 전위차가 발생하게 되는데, 이 전위차에 의해 각도를 알 수 있게 된다.

그러나, 상기한 1차원 전자수준기에서는 수준기를 기울어지는 방향으로 정확하게 수직으로 세우지 않으면, 진동자(1)가 센서(2)에 수직으로 되지 못하여 신호가 약해지고 측정정밀도가 저하되는 등 오동작을 일으키는 문제가 있었다. 또한, 2차원의 각도를 측정하기 위해서는 상기한 1차원 전자수준기를 2대 준비하여 서로 수직하게 셋팅한 후 측정해야만 하기 때문에, 사용이 불편하고 비용이 증가하는 문제도 있었다.

본 고안은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 정밀구와 4개의 센서로 구성되어 각도에 의한 정밀구의 위치변위를 전위차로 출력하여 2차원의 각도를 정확하게 측정할 수 있는 2차원 전자수준기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 1차원 전자수준기를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 고안에 따른 2차원 전자수준기를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 고안에 따른 비접촉 정전용량 거리측정센서를 나타내는 도면이다.

도 4는 각도변화에 따른 정밀구의 위치변화를 나타내는 도면이다.

도 5(a)는 본 고안에 따른 보정챠트를 작성하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 5(b) 및 (c)는 도 5(a)의 방법에 따라 작성된 X방향 및 Y방향의 보정챠트를 나타내는 도면이다.

도 6은 본 고안에 있어서, 실제 측정시 데이터의 위치에 따른 센서의 셋트선정 및 X,Y방향 각도 결정 수단을 보이기 위한 도면이다.

도 7은 2차원 X,Y방향의 각도를 결정하는 방법을 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 센서 5 : 정밀구

6 : 고정볼 7 : 고정볼 지지대

8 : 연결로드 10 : 제한링

11 : 외부프레임 15 : 정밀각도 측정기

16 : 육면체 반사경 18 : 틸팅테이블

19 : 신호처리부

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 고안에 따른 2차원 전자수준기는 연결로드를 통해 고정볼에 연결되어 기울기에 따라 X 및 Y방향으로 위치가 변하는 정밀구와 상기한 정밀구의 전후 및 좌우 4곳에 장착되어 상기한 정밀구의 위치변위를 전위차로 출력하는 4개의 비접촉 정전용량 위치측정센서로 구성된다.

본 고안에서는 수준기가 X방향 또는 Y방향으로 기울어질 경우 Sx 및 Sy 센서에서 출력되는 전위차는 각각 Y방향과 X방향의 기울기에 따라 달라지기 때문에, 정밀각도 측정기와 틸팅테이블을 이용해서 Y방향의 기울기를 변화시키면서 Vx를 측정하고 X방향의 기울기를 변화시키면서 Vy를 측정하여 보정챠트를 작성한다.

또한 본 고안에 의한 전자수준기는 실제의 2차원 각도측정은 상기한 보정챠트를 사용하여 실행한다. (a) 센서 Sx의 측정값 Vx로 보정챠트에서 Y방향각도를 Y1이라 가정하여 X방향의 각도값 X'을 구한다; (b) 센서 Sy의 출력값 Vy로 보정챠트에서 X'에 해당하는 X방향 각도값에 대하여 Y방향 각도값 Y'을 구한다; (c) 다시 센서 Sx의 출력값 Vx로 보정챠트에서 Y'에 해당하는 Y방향 각도값에 대하여 X방향 각도값 X"을 구한다; (d) 다시 센서 출력값 Vy로 보정챠트에서 X"에 해당하는 X방향 각도값에 대하여 Y방향 각도값 Y"을 구한다; (e) ｜X"-X'｜ 및 ｜Y"-Y'｜가 일정한 기준치(Tolerance) 보다 작으면, 최종의 X",Y"를 2차원 각도값으로 하고, 그렇지 않으면 X"를 X'으로, Y"를 Y'으로 치환하여 ｜X"-X'｜ 및 ｜Y"-Y'｜가 일정한 기준치(Tolerance) 보다 작아질 때까지 상기한 (c) 및 (d)공정을 반복한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안에 따른 2차원 전자수준기를 상세히 설명한다.

본 고안의 2차원 전자수준기는 도 2에 나타낸 바와 같이, 수준기 외부프레임(11) 내부에 1개의 정밀구(master ball;5)와 4개의 정전용량센서(2)를 포함하여 구성되어 있다. 도면에서는 정밀구(5)의 양측면에만 상기한 센서(2)가 장착되어 있지만, 정밀구(5)의 전후에도 상기한 센서(2)가 장착되어 있다. 즉, 정전용량센서(2)는 정밀구(5)의 전후 좌우에 장착되어 2차원에서의 정밀구(5)의 미세한 움직임을 감지한다.

정밀구(5)는 연결로드(8)에 의해 상부의 고정볼(6)에 연결된다. 고정볼(6)은 2개의 반원케이스로 이루어져, 고정볼 지지대(7)에 양방향으로 흔들릴 수 있게 지지되어 있다. 고정볼 지지대(7)에는 점성이 큰 오일이 채워져 있기 때문에, 고정볼(6)의 급격한 움직임을 방지한다. 정밀구(5)는 진원도가 좋은 강구로서, 재질이 텅스테인 경우 0.1μm 이하의 진원도를 가지도록 제작된다.

정밀구(5)는 도면과 같이 수준기가 전후 및 좌우 양방향으로 기울어질 때 전후 및 좌우 센서에 접근하여 거리신호를 출력한다. 이때, 연결로드(8)는 제한링(10)을 통해 정밀구(5)에 연결되기 때문에, 정밀구(5)의 정도 이상의 움직임이 방지된다. 센서(2)는 정밀구(5)와 측정부 사이의 정전용량에 따라 전위차가 발생하는 비접촉 정전용량 거리측정센서로서, 도면에 나타낸 바와 같이, 센서(2)에서 감지된 정밀구(5)와의 거리는 저항(R)에 전압으로 나타난다.

도 3은 상기 센서를 나타내는 도면으로, 도 3(a)는 사시도이고 도 3(b)는 단면도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 센서(2)는 센서마운팅(2a)과 측정부(2b)로 구성되는데, 측정부(2b)는 센서마운팅(2a) 위에 비전도성 접착제에 의해 접착된다. 센서마운팅(2a)의 배면, 즉 측정부(2b)의 반대쪽 면에는 단자(2c)가 형성되어 센서전원과 연결된다. 센서전원의 다른 한쪽은 연결로드(8)를 통해 정밀구(5)에 연결된다.

도 4는 상기 2차원 전자수준기에서의 각도 측정원리를 나타내는 도면이다. 도면에서는 4개의 센서중 X-축방향의 센서를 각각 Sx1과 Sx2로 표시했으며, Y-축방향의 센서를 각각 Sy1과 Sy2로 표시하였다. 또한, 정밀구(5)의 표면에서 Sx1까지의거리를 P, Sy1까지의 거리를 Q로 표시하였다. 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 정밀구(5)의 초기위치에서 측정되는 전위차를 0으로 리셋(reset)하고, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이 각도기울기에 의해 정밀구(5)의 위치가 X1, Y1로 변하면, 정밀구(5)와 센서(2)의 거리변화에 의해 X방향과 Y방향 센서(Sx,Sy)에는 각각 Vx, Vy의 전위차가 발생한다.

이때, 수준기가 센서 Sx의 방향으로 X각도로 기울어질 경우, 같은 X각도라도 발생하는 전위차는 수준기의 Y방향 기울기에 따라 변할 것이며, 따라서 1개의 센서 Sx에 대하여 X방향 및 Y방향의 변화에 의한 전위차를 보정할 필요가 있다.

도 5(a)는 상기한 전위차 보정을 위해 각도변화에 따른 전위차를 측정하는 장치이며, 도 5(b) 및 도 5(c)는 상기한 장치에 의해 작성된 보정챠트(calibration chart)를 나타낸다. 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 수준기는 X,Y방향의 2축 각도변화가 가능한 틸팅테이블(tilting table;18)위에 설치되어 있으며, 수준기 상부에는 육면체반사경(16)이 장착되어 있다. 정밀각도 측정기(autocollimator;15) 1대는 육면체 반사경(16)의 앞쪽(Y방향)에 수직으로 설치되고 다른 한 대는 반사경(16)의 옆쪽(X방향)에 설치되어 X,Y각도를 동시에 측정한다. 이때, 상기한 정밀각도 측정기(15)를 사용하면, 0.1arc-sec 이상의 정밀도를 갖는 각도를 구할 수 있다.

틸팅테이블(18)을 Y방향으로 Y1각도 만큼 기울인 상태에서, X방향으로 틸팅테이블(18)을 연속 기울이면서 정밀각도 측정기(15)로 각도를 측정함과 동시에 센서, 즉 X방향의 센서 Sx의 전위차를 측정하여 도 5(b)의 Y1곡선을 얻는다. 이어서, 틸팅테이블(18)을 Y방향으로 Y2각도만큼 기울인 상태에서 각도와 전위차를 측정하여 Y2곡선을 얻으며, Y방향의 각도를 변화시키면서 상기한 과정을 반복하여 도 5(b)의 보정챠트를 얻는다.

그 후, 상기와 반대로 틸팅테이블(18)을 X방향으로 X1각도 만큼 기울인 후, Y의 각도를 변화시키면서 각도와 Sy센서의 전위차를 측정하여 도 5(c)의 X1의 곡선을 얻으며, 상기한 측정을 계속 반복하여 도 5(c)의 보정챠트를 구한다.

이렇게 구해진 보정챠트는 센서(2)의 측정값에 따라 실제 X,Y방향 각도를 산출하는 과정에서 이용된다.

도 6은 본 고안에 의한 전자수준기에서 X,Y각도 측정 부분을 설명하기 위한 도면으로서, 상기 4개의 센서(2)로부터 측정된 측정값(Vx1,Vx2,Vy1,Vy2)중 전위차가 적은 두 신호(Vx,Vy)를 선택하여, X,Y방향각도를 산출하는 신호처리부(?)가 더 도시되어 있으며, 상기 신호처리부(?)는 이하 설명하는 과정에 의한 X,Y각도를 판정한다.

전자수준기를 이용한 실제의 측정에서 정밀구(5)는 도 6의 1∼4분면중 어느 한 쪽에 위치할 것이다. 정밀구(5)가 상기한 1∼4분면의 어느 한쪽에 위치하는 경우, 4개의 센서(Sx1,Sx2,Sy1,Sy2)는 모두 정밀구(5)의 위치변위를 감지하여, 1∼4분면에서의 전위차 셋트, (Sx1,Sy2), (Sy2,Sx2), (Sx2,Sy1), (Sy1,Sx1)을 출력한다. 그러나, 4개의 셋트는 모두 정밀구(5)의 변위에 대한 동등한 값이기 때문에, 오직 하나만의 측정값만을 사용한다. 이때, 센서의 측정거리가 짧을수록 정밀도가 높아지므로, 상기한 전위차 셋트중 측정값이 가장 적은 셋트를 선택한다.

도 7은 상기 신호처리부(?)에서 선택된 출력의 센서 Sx, Sy에 대한 각각의보정챠트를 이용하여 센서출력 Vx,Vy으로부터 2차원의 각도 X,Y를 구하는 방법을 나타내는 도면으로, 상기한 방법을 시행오차법이라 한다. 상기한 시행오차법은 다음과 같은 단계로 구성된다.

(a) 우선, 도 7(a)에 나타낸 바와 센서 Sx의 측정값 Vx로 보정챠트에서 Y방향각도를 Y1이라 가정하여 X방향의 각도값 X'을 구한다.

(b) 센서 Sy의 출력값 Vy로 보정챠트에서 X'에 해당하는 X방향 각도값에 대하여 Y방향 각도값 Y'을 구한다.

(c) 다시 센서 Sx의 출력값 Vx로 보정챠트에서 Y'에 해당하는 Y방향 각도값에 대하여 X방향 각도값 X"을 구한다.

(d) 다시 센서 출력값 Vy로 보정챠트에서 X"에 해당하는 X방향 각도값에 대하여 Y방향 각도값 Y"를 구한다.

(e) ｜X"-X'｜ 및 ｜Y"-Y'｜가 일정한 기준치(Tolerance) 보다 작으면, 최종의 X",Y"를 2차원 각도값으로 하고, 그렇지 않으면 X"를 X'으로, Y"를 Y'으로 치환하여 ｜X"-X'｜ 및 ｜Y"-Y'｜가 일정한 기준치(Tolerance) 보다 작아질 때까지 상기한 (c) 및 (d)공정을 반복하여 2차원 각도값을 구한다.

본 고안은 상기한 바와 같이, 정밀구와 4개의 정전용량 센서로 이루어져 일정 각도의 기울어짐에 의한 정밀구의 변위를 전위차로 출력하고 이 전위차를 기초로 하여 X방향과 Y방향의 각도를 구하기 때문에, 정확한 2차원의 각도를 측정할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 지지대에 사방으로 흔들리도록 지지되어 있는 고정볼에 연결로드를 통해 연결되는 정밀구;

   상기 연결로드 주변에 일정 간격을 갖도록 설치되어, 연결로드에 연결된 정밀구의 변위를 제한하는 제한링;

   상기한 정밀구의 전후좌우 4곳에 설치되어, 정밀구의 움직임에 따른 위치변위를 전위차로 출력하는 4개의 센서;

   상기 4개의 센서의 측정값중 측정값이 가장 작은 두 센서(Sx,Sy)의 측정값(Vx,Vy)을 선택하여, 센서 Sx의 측정값 Vx로 보정챠트에서 Y방향각도를 Y1이라 가정하여 X방향의 각도값 X'을 구하고, 센서 Sy의 출력값 Vy로 보정챠트에서 X'에 해당하는 X방향 각도값에 대하여 Y방향 각도값 Y'을 구한고, 다시 센서 Sx의 출력값 Vx로 보정챠트에서 Y'에 해당하는 Y방향 각도값에 대하여 X방향 각도값 X"을 구하고, 다시 센서 출력값 Vy로 보정챠트에서 X"에 해당하는 X방향 각도값에 대하여 Y방향 각도값 Y"을 구한 후, 상기 산출된 X방향각도편차 ｜X"-X'｜ 및 Y방향각도 편차｜Y"-Y'｜를 구하는 처리를 상기 편차가 설정된 기준치 보다 작을때까지 반복하여, 편차가 기준치보다 작을때의 최종 구해진 X각도 X"와 Y각도 Y"를 측정각도로 출력하는 신호처리부로 구성되는 것을 특징으로 하는 2차원 전자수준기.
2. 제1항에 있어서, 상기한 센서가 정밀구와의 정전용량에 따라 전위차를 발생하는 비접촉 정전용량 거리측정센서인 것을 특징으로 하는 2차원 전자수준기.